고성능 강봉을 이용한 터널 지보기술

기술 건화를 실현하기 위한 착실한 발걸음. 2018년 김영근 전무님이 우리회사 기술연구소 소장에 임명된 이후 신기술 개발에 투자한 노력들이 하나둘씩 결실을 맺고 있습니다. 작년에는 「연단거리 확보를 위해 단일 앵커를 중앙에 배치하는 교량받침 기술」, 「Pilot 터널을 굴착 후 선지보재를 확보하고 확대 굴착하는 터널공법」 등 2개의 건설신기술을 새로 확보했고, 올 들어서는 첫 번째 결과물로 「고성능 강봉을 이용한 터널 지보기술」을 내놓게 되었습니다. 김 전무님과 그의 동료들의 지칠 줄 모르는 열정과 수고에 박수를 보냅니다. - 편집자 주

     

 

국토교통부 신기술을 따다

    

- 고성능 강봉을 이용한 터널 지보기술 -

   

김 영 근
건화 기술연구소 소장

공학박사/기술사

    

 기술연구소에서는 지난 6월 1일 국토교통부에서 지정하는 건설신기술을 획득하였다. 본 신기술은 [강관내부에 경량기포 모르타르를 충전한 터널용 강지보재 제작 및 시공시술]로서 주관연구기관인 한국건설기술연구원과 전문 업체인 티에스테크 등과 공동연구를 통하여 개발되었으며, 약 3년간의 노력 끝에 신기술지정에 성공하고 마침내 신기술지정증서를 교부받았다.

     

 본 기술은 터널현장에서 사용되고 있는 기존 격자지보에서 발생되고 있는 문제점을 개선하고, 제작원가를 절감하여 경제성을 확보한 기술로 건축 및 교량구조로 많이 적용되고 있는 콘크리트 충전 합성강관인 CFT(Concrete Filled Tube)구조를 이용하여 터널용 강지보재 제작 및 시공하는 기술로서, 본고에서는 신기술을 소개하고자 한다.

 

1. 기술개발 배경

 

1. 1 기술개발 환경

     

 터널공법은 재래식 터널공법, NATM공법, 쉴드TBM공법, 개방형TBM공법 등이 있으며 국내에서는 NATM공법이 가장 많이 채택되어 이용되고 있다. NATM공법은 지보재가 지반압을 분담하는 개념의 재래식 터널공법과 달리 지반자체가 주지보재 역할을 하는 개념으로 지반의 강도를 크게 상실시키지 않는 범위 내에서 일정구간 변위를 허용하여 지반과 지보재가 응력 평형을 이루도록 하는 개념의 터널공법으로 지반자체의 지보능력을 최대한 활용할 수 있도록 숏크리트, 락볼트, 강지보재, 콘크리트 라이닝을 지보재로 사용하고 있다.

     

1980년대에는 강지보재로 H형강지보를 주로 적용하였으나, 고중량에 의한 시공성 저하, 숏크리트 타설시 H형강지보 배면에 공동이 발생되어 지반과 강지보가 분리거동 되는 문제로 인하여 안정성 저하 등의 문제가 제기되었으며, 이를 개선하기 위하여 스위스 Pantex Stahl사에서 개발된 격자지보(Lattice Girder)를 1995년 국내에 도입하여 현재까지 적용하고 있다.

     

 격자지보는 H형강지보와 비교하여 자중이 가벼워 시공이 용이하고, 숏크리트와 결합성이 우수하다는 장점이 있으나, 격자지보 형상으로 인하여 3개의 강봉 중앙부에 공동구간이 발생되며, 다수의 용점부에 대한 품질관리가 어렵고, 강성이 작아 설치 후 숏크리트 타설시 격자지보 자중과 급결된 숏크리트 중량으로 인하여 첨두부 처짐이 발생되어 이로 인하여 막장면과 격자지보사이에 공동구간이 형성된다. 또한 격자지보간의 연결부(볼트체결)가 구조적으로 취약하여 이에 대한 개선이 필요하다.

     

  

1. 2 기존 유사기술의 현황 및 문제점

     

기존 강지보재 종류는 H형강지보, U형강지보, 격자지보(Lattice girder) 등이 있다. H형강지보의 제기되는 문제 해결을 위한 대안으로 개발된 격자지보는 H형강지보와 비교하여 자중이 약 50% 이상 가벼워 운반 및 설치가 용이하고, 숏크리트 타설시 타설 전방 및 좌우 측방으로 개방되어 있어 강지보재 형상에 의한 배면 공극이 없으며, 강지보재와 숏크리트간의 구조적 일체화가 용이한 것으로 알려져 있다.

     

 격자지보 종류로는 Φ30㎜ 강봉 1개, Φ20㎜ 강봉 2개, 스파이더철근으로 구성된 일반 격자지보, 일반 격자지보에서 스파이더철근의 형태만 개량한 개량형 격자지보, Φ19㎜ 강봉 4개, 직각스트럽바 및 스파이더로 구성된 사각지보가 대표적이다.

 

 

 이처럼 시공성 및 숏크리트와 결합성이 우수하며 배면 공극이 없다는 장점으로 H형강지보를 대체하여 국내에서 1995년부터 20년 이상 적용되고 있는 격자지보에 대한 시공실태 조사 결과 크게 3가지 문제점이 확인되고 있다.

 

(1) 다수의 인력용접에 의한 품질검증 곤란

 

 격자지보는 3개 또는 4개의 강봉과 각각의 강봉을 연결해주는 스파이더 철근으로 구성되어 있으며, 1개의 스파이더철근에는 최소 6지점 이상의 용접이 필요하다. 기존 격자지보의 모든 용접은 인력으로 제작되는 실정으로 2차선(터널둘레 23m) 도로터널 기준 격자지보 1조당 약 76개의 스파이더철근이 소요되어 456지점 이상의 용접이 필요하나 격자지보를 사용하는 터널현장에서 모든 용접부에 대한 품질 확인 및 관리가 현실적으로 곤란하여 일부 문제가 있는 지보재가 터널공사에 사용되고 있는 실정이다.

 

 

(2) 숏크리트 타설시 공극 발생

 

 숏크리트 타설시 H형강지보에 배면공극 형성에 대한 개선 방안으로 적용된 격자지보는 일반적으로 배면공극이 없는 것으로 알려져 있으나, 그림과 같이 숏크리트 타설시 하부의 2개의 강봉에 숏크리트가 급결되며 격자지보 중앙부에 공극이 형성되고 있다. 내시경 카메라로 숏크리트에 포설된 격자지보 내부공간을 촬영한 화면이다.

   

 

 또한 기존 격자지보는 설치시 자중으로 인한 1차 처짐이 발생되고, 타설되는 숏크리트가 굴착면과 격자지보에 일정량 이상이 점착되면 점착된 숏크리트는 격자지보에 자중으로 전환되어 2차 처짐이 발생된다. 2차 처짐 발생시 굴착면과 숏크리트간이 이격되며 공극이 발생되고, 이 공극을 따라 지하수가 유입되어 누수의 원인이 되고 있다.

 

      

(3) 연결체결부 설계기준 부적합

 

 강지보재 설계기준으로는 2016년 국도건설공사 설계실무요령에 근거하여 「강지보재 연결체결부는 일반부와 동등이상의 강도 등 구조설계기준을 만족하는 성능을 발휘하도록 하여야 한다.」라고 되어 있으나, 휨강도 중요한 인장부재가 기존 격자지보는 일반부가 Φ30㎜ 강봉 1개와 Φ20㎜ 강봉 2개로 구성되어 강재단면적이 1,335㎟인 반면 연결체결부는 볼트(M20) 2개로 구성되어 강재단면적이 628㎟로 일반부 대비 47% 수준으로 일반부 대비 취약한 구조로 강지보 설계기준에 부적합한 실태이다.

 

2. 고성능 강보지보 기술의 주요 내용

 

본 기술은 터널 형상을 따라 강관을 밴딩 후 내부에 콘크리트 성분의 채움재를 주입한 CFT구조의 고성능 강관지보 제작 및 시공 기술로 품질관리가 우수하며, 제작원가가 절감되고 시공성이 향상되는 기술이다.

 

 

 강관에 경량콘크리트를 충전시킴으로써 강관과 콘크리트의 구속효과로 인하여 고성능 강관지보의 휨 성능 및 압축 성능을 기존 격자지보와 비교하여 향상시킨 기술이다.

 

 연결부 체결방식 개선과 간격재 설치시 연결고리에 붙어있는 숏크리트 제거가 쉽게 되도록 제작하여 기존 격자지보 대비 시공성을 20∼30% 이상 향상시켰으며, 기존 격자지보와 비교하여 구조적으로 중요한 용접부를 없애 인력작업을 최소화하고 본 기술의 주요작업인 강관 밴딩은 자동화 설비로 수행하여 생산원가를 절감한 기술이다.

 

2. 1 고성능 강관지보의 제작

   

 다수의 용접부 형성으로 작업자 숙련도에 의하여 제품 품질의 차이가 발생되는 기존 격자지보의 문제점을 개선하기 위하여 용접부를 최소화한 고성능 강관지보는 직선의 강관을 자동화 설비로 밴딩하고 강관 내부에 경량콘크리트를 충전하여 제작한다. 고성능 강관지보의 용접부는 간격재 시공을 위한 연결고리, 상반연결을 위한 소켓, 상하반지보간 연결을 위한 돌출형이음부로 구성되어 2차선 도로터널에 적용되는 강지보 기준으로 용접길이를 기존 강지보의 24.2% 수준으로 최소화 하였다.

   

   

 2016년 국도설계실무요령 개정기준에 의하면 강지보재의 연결체결부는 강지보재의 일반부와 동등이상의 강도 발휘를 요하게 되어 있어 고성능 강관지보는 연결부의 인장부재인 강재량을 일반부와 비교하여 동등이상으로 확보하였다. 상반부 연결체결부는 소켓 삽입방식을 적용하였으며, 상‧하반 연결부는 돌출형이음부와 볼트를 병행하여 체결하는 방식을 적용하였다.

   

 

2. 2 고성능 강관지보의 시공성

   

 강지보재가 시공되는 구간의 터널은 일반적으로 상·하반으로 분할 굴착되며 이로 인하여 강지보도 상반지보가 먼저 시공되고 일정한 기간 후에 하반지보가 시공된다. 고성능 강관지보재의 시공순서는 기존 격자지보와 유사하며 시공순서는 아래 표와 같다.

    

  

 1단계는 차징카를 이용하여 좌·우측 고성능 강관지보 거치 후 좌·우측 지보간의 연결체결부를 소켓삽입방식으로 체결한다.

    

  

 기존 격자지보는 좌·우측 강지보재를 M20볼트로 체결되어 중장비인 차징카의 조정오차가 4mm 이내의 미세조정이 요구되어 시공성이 떨어지는 반면 신기술인 고성능 강관지보는 이너소켓 끝단을 보강소켓 끝단에 거치 후 차징카를 아래로 내리면 고성능 강관지보 자중에 의하여 이너소켓이 보강소켓으로 삽입되는 구조로 시공이 간단하다.

    

   

 2단계는 선 시공된 강지보재와 간격 유지, 강지보 자립 및 일체화를 위하여 간격재를 설치한다. 시공방법은 기존 강지보재와 동일한 방식으로 시공되며 연결고리의 숏크리트 막힘 현상을 최소화하고 강지보재 설치간격 허용오차를 기존기술 대비 증가시켜 시공성을 향상시켰다.

    

 기존기술인 격자지보는 강지보 설치 후 타설된 숏크리트에 의해 선 시공된 연결고리가 매몰되어 간격재 설치시 숏크리트 제거에 0.5∼5분 이상 소요되는 사례가 많은 반면 고성능 강관지보의 연결고리는 숏크리트에 의해 매몰되어도 연결고리 내측에 삽입되어 있는 보강철근을 흔들어 주는 방식으로도 숏크리트 제거가 용이하여 시공성이 향상된다.

    

  

 마지막으로 강지보가 완전히 매립되도록 숏크리트를 타설하면 시공이 완료된다. 고성능 강관 지보는 강관내부를 콘크리트로 충전하여 제작하여 시공시 현장에서 숏크리트 타설량이 감소되며 타설시 리바운드로 발생되는 건설폐기물도 감소되어 친환경인 기술이다.

    

 터널 둘레 23m인 2차선 도로터널 기준으로 1조에 강관내부 충전량이 0.17m3로 본 기술 적용시 숏크리트 타설 리바운드량을 포함하여 1조 시공시 약 0.2m3 이상의 숏크리트 타설량이 감소된다.

    

 강지보재는 설치 후 타설되는 숏크리트와 일체화되어 합성부재로 성능을 발휘하는 터널 지보재이다. 기존 격자지보는 1차 숏크리트 타설시 강지보재가 숏크리트에 완전히 매립되지 않아 설계에서 요구하는 강도 발휘가 불가능하며 격자지보가 완전히 매립되는 2차 숏크리트 타설 이후에 비로소 합성부재로의 성능발휘가 가능하다. 일반적으로 숏크리트 1차 타설에서 2차 타설까지 약 10시간 이상이 소요되며 이 시간 동안에는 터널 설계시 계획된 구조적 안전성을 확보할 수 없는 구조이다.

    

 고성능 강관지보는 제작시 강관내부에 콘크리트를 충전하여 제작하며 형상이 원형으로 1차 타설시 강지보재가 완전히 숏크리트에 매립되어 1차 타설 이후 강지보재와 숏크리트가 결합된 합성부재로 구조적 성능 확보가 가능하다.

    

  

2. 3 고성능 강관지보의 성능 검증

    

 강지보재의 성능을 발휘하기 위해서는 「국토교통부 제정 터널표준시방서 제5장 터널지보재 / 5-2강지보재 / 2 재료」의 품질기준을 만족하여야 한다. 이 기준에 의하면 고성능 강관지보는 강관과 강관내부의 콘크리트가 결합된 복합부재로 기존 강지보재와 동등 이상의 성능을 발휘하도록 제시되어 있다.

    

 기준을 만족하도록 고성능 강관지보의 주재료인 강관과 강관내부의 충전재 기준을 구조검토와 Lab실험 등을 통하여 결정하였다. 고성능 강관지보와 기존의 타입별 격자지보의 성능 비교를 위하여 한국교통대학교 산학협력단 국제공인시험연구센터에 성능평가를 의뢰하여 강지보 성능을 검증하였다.

    

 성능평가를 위한 고성능 강관지보 제작은 KS D3566와 KS B 0802를 만족하는 일반 구조용 강관과 구조검토를 통하여 결정된 8MPa 이상의 압축강도를 확보하도록 KS F 2405를 통해 검증된 충전재를 사용하여 제작하여 시험을 의뢰하였다.

    

 

 신기술인 고성능 강관지보와 기존 강지보의 공인시험기간의 시험의뢰 결과는 아래 표와 같은 결과를 얻었다.

    

 

 품질시험결과 국토교통부 강지보재의 기준에서 제시하고 있는 기존 강지보와 비교하여 최소 106%에서 최대 257%로 고성능 강관지보의 성능이 우수한 것으로 확인되었다.

    

2. 4 고성능 강봉지보의 품질

    

 고성능 강관지보의 품질기준은 기존의 강지보재와 동등이상의 성능 발휘로 제시되어 본 기술의 품질기준 정립을 위하여 기존 강지보재와의 성능 비교를 수행하여 품질기준을 정립하였다. 고성능 강관지보는 4가지로 분류되며 구성 재료는 표와 같다.

    

[표 9] 고성능 강관지보 주요자재

 

 

 고성능 강관지보의 제작시 주요자재 중 강관은 KS B 0802의 품질기준을 만족해야 하며, 충전재의 품질기준은 각각 와 KS F 2405또는 KS F 2459를 만족하여야 한다. 또한 보강철근은 KS D 3504를 만족하는 철근 콘크리트용 봉강의 기준을 따른다.

    

 

 고성능 강관지보의 제작은 강관 밴딩 → 소켓 및 연결고리, 돌출형이음부 용접 → 보강철근 설치 → 콘크리트 충전 및 양생 순으로 진행되며 제작공정 중 중요한 강관밴딩과 콘크리트 충전은 자동화설비를 이용하여 배합 및 제작되어 원자재 관리만으로 품질관리가 가능한 기술이다. 강지보재와 기존 강지보재의 성능테스트 결과 최소 106%에서 256%까지 성능이 향상되어 품질의 우수성이 검증되었다.

    

 다수의 인력용접으로 제작되어 작업자 숙련도에 의하여 제품 품질의 차이가 발생되는 기존 유사기술의 문제점 개량을 위하여 본 기술의 제작은 자동화설비를 이용하여 밴딩과 충전작업을 수행하고 인력에 의한 용접부는 최소화되도록 개발된 기술이다. 고성능 강관지보의 인력에 의한 용접부는 보강철근 끝단, 간격재 시공을 위한 연결고리, 상반 지보간 연결을 위한 이너소켓 및 보강소켓, 상하반지보간 연결을 위한 돌출형 이음부로 구성되며, 2차선 도로터널 기준으로 강지보재의 용접 길이를 비교하면 본 기술의 용접부는 기존 유사기술의 24.2% 수준으로 최소화 하였다.

    

2. 5 고성능 강봉지보의 시공성

    

 강지보공의 시공을 강지보 거치, 연결부 체결, 간격재 설치, 시공부 측량, 시공보정, 숏크리트 타설 순서로 진행된다. 강지보재의 시공은 작업자의 숙련도 및 현장여건에 의하여 일부 시공오차가 발생하나 현장 확인 결과 기존 격자지보 대비 시공성이 약 20% 이상 단축된다.

    

 또한 고성능 강관지보는 강관내부가 콘크리트로 충전된 구조로 숏크리트 타설시 충전된 강관의 체적만큼 숏크리트 타설량이 감소되어 타설 시간이 줄어든다.

    

  

2. 6 고성능 강봉지보의 경제성

   

 고성능 강관지보는 터널용 강지보재로 시공절차별 품은 기존의 강지보재 품 산출방식과 동일하며 구성은 다음과 같다. 본 기술은 터널에 적용하는 강지보재 제작 및 시공 기술로 자동화 설비로 제작하는 방식으로 인력작업에 의존하던 기존 유사기술과 비교하여 생산품질이 우수하고 강지보재의 요구 성능이 확보되며 생산효율 향상으로 조당 제작비가 절감되어 경제성을 확보한 기술이다.

    

 본 기술과 동종분야의 유사 기술인 격자지보의 규격은 50x20x30, 70x20x30, 95x22x32, 115x22x32로 구분되며 115x22x32 규격은 현재 적용하고 있는 현장이 극소수로 경제성 평가에서 제외하였다.

    

 본 기술의 경제성 평가를 위하여 원가조사 전문기관인 21세기경제사회연구소에 의뢰하여 경제성 평가 결과 50x20x30에 대응하는 Φ101.6 A-type는 ▼21.69%, 70x20x30과 대응되는 Φ101.6 B-type는 ▼20.16%, 95x22x32와 대응되는 Φ114.3 C-type은 ▼19.92% 절감효과가 있는 것으로 확인되었다.

    

 

3. 고성능 강성지보의 시장성과 전망

  

 고성능 강관지보는 터널공사에 적용가능한 강지보재 제작 및 시공기술로 철도터널, 도로터널, 도수 및 여수로터널, 가배수터널, 전력구, 수직구 등 여러 분야의 터널공사에 적용 가능하다. 고성능 강관지보가 적용되는 터널공사가 매년 증가하고 있는 추세로 가격경쟁력과 성능이 향상된 장점으로 시장에서의 경쟁력은 확보한 것으로 판단된다.

  

 또한 고성능 강관지보는 강관과 콘크리트가 합성된 부재로 기존의 유사기술을 가지고 있는 경쟁사들의 기술적인 접근이 곤란한 기술로 본 기술을 모방한 유사기술의 출현가능성은 매우 낮을 것으로 전망된다.

  

 현재까지 5개 이상 특정공법심의를 통하여 설계에 반영되었으며, 가격경쟁력과 기존 기술의 문제점 개선으로 시공적자현장 공법적용검토 및 신규터널설계 프로젝트에 계속적으로 반영되고 있어 기존기술대비 선호도와 활용성이 우수한 것으로 추정된다. 또한 본 기술로 산업통상자원부의 NET인증 및 한국도로공사 기술마켓에 등록되었으며, 한국수자원공사 신기술심사에 채택되어 한국수자원공사와 신기술(특허공법) 사용협약이 체결된 기술이다.

  

 고성능 강관지보는 기존 터널공사에 사용되고 있는 격자지보의 용접불량, 연결체결부의 취약구조, 강지보재 형상 및 시공시 처짐으로 인하여 숏크리트 타설치 공극 발생 등의 문제를 개선하고, 제작비 및 시공성을 향상하여 공사비 절감이 가능한 기술로 강지보재 시장에서 경쟁우위를 지니고 있다. 본 기술은 자동화설비를 이용하여 노무비를 최소화한 기술로 인력용접 중심의 제작 프로세스를 가지고 있는 유사기술과 비교하여 경제성에 우위를 가지고 있는 기술이다.

  

 본 기술은 철과 콘크리트가 결합된 기술로 경험과 노하우가 없이 기술모방이 용이하지 않는 제작기술로 향후 본 기술을 모방한 강지보재 제작이 쉽지 않은 기술이다.

  

 본 기술인 CFT구조를 이용하여 터널 강지보재 제작 및 시공기술은 국내외에서 최초로 개발된 기술로 국내에서는 국도17호선 완주 용복지구 위험도로 개량공사 현장에서 최초로 적용 이후 대신지구 진입로 개설공사, IBS우주입자 연구시설 1단계 터널공사, 진접~내촌 도로건설공사, 안동~영덕 국도건설공사, 보령성주우회 도로건설공사, 고속국도 제14호선 창녕~밀양간 건설공사 2공구 및 5공구 현장에 사용계약 및 시공이 수행되었으며, 벌교∼주암(3공구)도로확장공사 외 3개 사업의 특정 공법 심의를 통하여 설계반영 및 공법사용협약 체결이 완료되었다. 국외에는 현재까지 적용된 실적은 없으나, 국외시장 진출을 위하여 베트남, 이란, 우즈베키스탄, 스리랑카 등 4개국에 특허출원이 진행 중에 있다.

 

■ 또 하나의 신기술을 등록하며

  

 건설기술에서 신기술의 가치를 생각해 봅니다. 특히 우리 건화와 같은 엔지니어링회사에서 신기술의 갖은 기술적 의미를 고민해 봅니다. 엔지니어링에 있어 핵심기술은 반드시 필요하고 그것이 소프트한 기술이든 하드한 기술이든 엔지니어링의 축을 구축하는 중요한 힘이라고 생각합니다. 단순히 PQ를 유지하거나 가점을 받는다는 차원을 떠나 자체적으로 핵심기술을 갖춤으로서 ‘기술 건화’의 위상을 제고하고 미래 건화 발전의 토대를 만든다고 생각합니다. 핵심기술을 가진 회사만이 미래에 살아남을 수 있다고 생각합니다.

  

 우리의 노력과 주변의 도움 그리고 협력으로 또 하나의 신기술이 탄생했습니다. 심의과정에서 그리고 현장속에서 많은 힘듦이 있었지만 하나하나 해결하고 극복해가면서 엔지니어로서 진정한 보람을 느낍니다. 이러한 과정이 기술 건화의 역사를 만들어가는 과정이라고 생각합니다. 끝으로 신기술을 준비한 건기연의 마상준 박사님과 우리 연구소 직원들에게 고마움을 전합니다.