[공학저널 전찬민 기자] 지반은 흙입자의 크기, 밀도 등의 여러 요인에 의해 지반강도 측면에서 대단히 복잡하게 변화하며, 지질적인 다양한 변화 요인을 포함하고 있기 때문에 구조물 축조 시 많은 어려움을 야기시키게 된다. 특히, 도심지에서의 지하구조물 건설은 구조물 자체의 안정성뿐만 아니라 굴착 시 지반의 응력변화에 따른 기존구조물의 안정에 대해서도 각별한 주의가 요구되고 있어 이러한 복잡한 양상의 지반에 대한 안정처리가 중요한 과제로 대두되고 있다.
지하구조물 건설 중에 지하굴착 시 주변지반의 침하가 예상되거나 연약지반으로 인해 지반의 이완영역이 넓은 경우가 발생하게 된다. 이로 인해 지하구조물과 인접구조물의 안정성이 우려되기 때문에 굴착공법과 병행해 적절한 보조공법을 활용할 필요가 있으며, 보조공법 중 전 세계적으로 많이 사용되는 대표적인 보조공법이 주입공법이다.
하지만, 지하터널의 굴착 시 터널의 지보와 안정성에 있어 기존의 주입공법은 주입재가 일반적으로 저강도이다 보니 차수효과는 매우 효과적이나 보강효과는 크게 발휘하지 못하고 있는 실정이다. 이를 보완해 터널의 안정성 증대와 인접구조물의 손상 방지를 위해 지반변위를 억제하고 차수효과를 얻을 수 있는 터널 보조공법으로 강관 보강재를 주입관으로 활용할 수 있는 터널 그라우팅 공법이 개발됐다.
이러한 그라우팅의 효과는 지반물성을 개량하는 효과와 강관보강으로 지반물성 증가에 따른 지반거동 억제와 터널 막장 안정 효과로 구분되며 차수효과를 부수적으로 기대할 수 있다. 특히, 대규모 단층파쇄대, 퇴적층 등 매우 열악한 지반조건하에서도 터널 시공을 안전하게 수행하기 위해서는 터널 굴착 전 그라우팅이 터널 안정에 상당히 효과적인 공법이라고 볼 수 있다.
국내의 터널 보강 그라우팅 기술의 발전단계는 크게 3단계로 구분되고 있다. 먼저, 1세대 기술은 다단 주입방식과 이를 구현하기 위해 필요한 씰링재의 활용단계이며, 2세대 기술의 경우, 공기적인 측면에서 씰링재의 팽윤시간을 대기했던 방식을 개선해 동시주입을 통한 논 실링 방식 또는 직천공방식을 이용해 씰링재의 팽윤 대기시간을 축소하는 기술이다.
최근에는 3세대 기술로서 씰링재의 팽윤시간 대기가 필요없는 2세대 기술인 동시주입을 기본으로, ‘발파환경에서의 강관보강형 그라우팅 굴착 프로세서 개선’ 방식을 사용해 주입재의 양생과 터널굴착이 동시에 수행되는 양생병행 굴착이 가능하도록 터널굴착 프로세서를 개선한 강관보강형 그라우팅 공법(MTG 공법)이 주목을 받고 있다. 이 공법을 개발한 주인공이 바로 지오텍엔지니어링㈜이다.
기존 공법은 그라우팅 후 주입재의 양생을 위해 24시간의 대기시간 후에 터널굴착이 가능한 반면, 지오텍엔지니어링의 3세대 기술은 터널 안정의 기술적인 문제 해결과 동시에 공기단축과 이에 따른 공사비감소로 경제적인 측면까지 획기적으로 개선한 공법이라고 볼 수 있다.
지오텍엔지니어링 송영수 대표이사(사진)는 “MTG 공법은 굴착 프로세스를 개선한 양생병행 굴착 방식을 통해 대기시간을 최소화하고 시공성을 향상시켜 공기를 단축시키는 효과가 매우 크다”며 “또한, 도심지 지하화 공사의 경우 공기의 지연 Risk를 방지하는 기능을 수행하게 되며 민원발생 기간의 최소화와 공기단축을 통한 공사비 절감의 기대 효과를 기대할 수 있다”고 말했다.
한편, 지오텍엔지니어링이 MTG 공법을 개발하게 된 배경에는 강관 다단 그라우팅 공법에서 시작됐다고 볼 수 있다.
터널보강을 위한 보조공법은 1980년대 1단 주입방식의 파이프 루프 방식의 보강방식을 이용해오다, 1990년대 초 서울지하철 5-14공구에서 터널 천단부의 모래자갈층에 대한 적합한 그라우트 보강방법의 개발이 필요했다. 이에 지오텍엔지니어링은 강관을 이용한 그라우팅 주입을 위한 기계적인 팩커와 팽윤성을 이용한 씰링재의 개발을 통해 다단 주입방식의 강관 다단 보강 그라우팅을 국내 최초로 시공해 터널 보조공법의 기준을 정립했다.
또한, ‘직천공 강관보강형 다단 그라우팅 시공방법 및 직천공장치’ 특허를 출원했으며, 1998년 한국건설기술연구원과의 R&D 연구를 통한 ‘강관보강형 다단 그라우팅공법의 개발’ 명칭의 연구보고서가 현행 터널 보조공법의 시방서의 모태가 되기도 했다.
하지만, 다단 그라우팅 방식은 씰링재의 지반으로 주입된 주입재의 역류방지 기능을 활용하기 위해 다단 주입 시 반드시 필요한 공정임에도 불구하고 씰링재의 팽윤을 위한 대기시간이 필요했다. 이에 지오텍엔지니어링은 한국철도기술원과 공동으로 ‘철도터널 보강용 강관다단공법 시공개선 연구(2018년)’를 통해 씰링재의 점성(점도)이 절리면의 틈새(Aperture)에 미치는 영향에 대한 연구를 수행했다.
연구결과 보강이 필요한 절리 폭이 큰 경우에 실링을 하지 않는 논 실링 공법이 더 유리함을 규명해 강관다단 공법의 개선방안을 제시했다. 또한, ‘발파환경에서의 강관보강형 그라우팅 굴착 프로세서 개선공법(MTG) 적용성 연구’를 통해 주입재의 양생과 터널굴착이 동시에 수행되는 양생병행 굴착의 가능성을 확인해 강관다단 공법 개선의 방향성을 제시하게 된 것이다.
최근에는 공기 단축의 방식으로 발파 환경에서도 굴착이 가능하도록 본주입재의 양생시간을 보장하면서 굴착하는 방식의 터널안정에 대한 무해성이 입증되며, 급결 주입재에 의한 공기단축 방식으로 접근하는 시도가 있다. 씰링재의 겔화시간, 절리의 틈새 등 터널 지반의 물성을 증가시키기 위한 그라우트 공법의 기본적인 원리를 규명하고자 시행했던 대다수의 시험에서 절리의 전단강도 및 탄성계수의 증가와 투수계수의 저하가 궁극적인 목적인데 반해, 현행 시험기준은 터널 안정을 위한 그라우트 품질 기준이 압축강도로만 대변되고 있다.
이를 개선하기 위해 지오텍엔지니어링은 그라우트재료의 배합비에 따른 점도와 압력변화에 따른 절리면 전단강도 증가 효과에 대한 연구를 계획하고 있다. 이러한 연구개발 바탕으로 혁신의 신기술 획득을 통해 발파환경에서의 굴착프로세서 개선방식을 널리 보급하고자 끊임없는 노력을 지속할 예정이다.
