터널 그라우팅 [원인과 필요성, 시공 계획과 방법, 그라우트닛플과 주입방법, 주입재 탈출방지, 주입재 종류, 부대터널의 누수처리]

터널 그라우팅

1) 그라우팅의 필요성

터널 라이닝콘크리트는 터널을 형성하는 주변암체와 일체화되는 것이 바람직하며 터널 설계시 지진 등 외부충격에도 터널구조물은 주변암체와 같이 거동하는 것으로 해석하고 있으므로 터널 배면 공간의 존재는 설계와 시공에서 근본적으로 인정되지 않는다. 지반의 이완으로 방수 및 배수시설이 제 기능을 발휘하지 못하며 지하수가 라이닝콘크리트에 유해한 물질을 함유하고 있는 경우, 천정부에 공간이 있으면 지하수 축적으로 인한 콘크리트의 열화를 발생시켜 내구성을 저하시키며 심지어 상부지반의 이완 또는 라이닝 천정부의 종방향 균열 등을 가속시킬 수도 있다. 최근 터널 안전진단시 비파괴 탐사인 GPR탐사를 수행한 결과를 보면 과거에 시공된 터널에서는 이러한 공간이 많이 발견되고 있으며, 최근에 시공되는 NATM터널에서도 공간이 발견되기도 한다. 따라서 라이닝 배면과 원지반 사이의 공간이나 터널주변의 암반을 강화하기 위하여 그라우팅을 하여야 한다.

지질이 양호한 경우를 제외하고 시멘트 현탁액, 모르타르 등의 주입재로 충전하는데 공간의 충전은 이완진행으로 인한 하중의 증가를 막는 효과도 있다. 무압터널에서는 일반적으로 저압충전그라우팅을 하는데, 이의 효과는 토압을 균등하게 분포시켜 편압의 발생을 방지하고 부분적으로 생기는 아치부 콘크리트의 공극에 침투, 콘크리트를 고결․강화시켜 라이닝의 질을 향상시킨다.

 

2) 라이닝 배면의 공간발생 원인

농업생산기반정비사업에서 송수를 위한 수로터널은 수리특성에 따라 무압터널과 압력터널로 지질특성에 따라 암반터널과 토사터널로 분류한다.

무압터널은 계획유량이 자유수면을 유지하며 흐르므로 내수압이 작용하지 않으며, 압력터널은 계획유량이 만류가 되어 흘러 내수압이 작용하는 것이다.

터널의 시공에 있어 지보공으로 널판공법을 채택하는 경우 최소 시공단면은 동바리 내폭이 최소 2m정도 필요하며, 뿜어붙임 콘크리트․록볼트공법을 채택하는 경우에는 굴착 완성 직경이 대략 2.7m이다. 널판공법의 경우에는 아무리 주의 깊게 시공하여도 라이닝 배면과 원지반 사이에 공간이 생긴다. 특히 끼움널과 빗끼움널은 최소라이닝 두께(표준단면도에서 A선) 안에는 들어오지 않도록 라이닝콘크리트 타설 전에 잘라내지만 완전히 제거할 수 없는데, 이들은 원지반과의 밀착을 방해하여 지압을 균등하게 분포시키는데 장애가 된다. 더욱이 굴착 단면이 작은 경우에는 인력 또는 콘크리트펌프로 타설할 때 측벽과 아치부분에는 원지반까지 완전한 충전이 되지 않는다. 따라서 완전한 충전을 위해서는 그라우팅공법으로 공간을 메워 라이닝 배면에 지압이 골고루 분산하여 작용토록 해야 한다.

공간이 생기는 것은 위에서 언급한 것처럼 시공여건에 의한 것도 있지만 라이닝 타설 후 콘크리트 수축에 의한 것과 지질여건에 의한 경우도 있다. 지질여건으로는 암질의 연경, 균열상태 등이 주요 요인이나, 특히 석회암 지대에서 자연적으로 생긴 공동, 차별 풍화에 의해 생긴 연약대의 붕락, 급경사의 절리․파쇄대면을 따른 붕락 등으로 굴착지불선(B선) 이상으로 굴착단면이 이루어지는 경우이다.

 

3) 시공계획 및 방법

가) 시공구간

일반 수로터널에서의 그라우팅은 공간을 방치하였을 때 이완이 증대되어 라이닝에 편압이 작용할 우려가 있는 구간에만 시공하며 경암에서는 생략하는 경우가 많다. 댐 부대터널에서는 라이닝 배면과 원지반사이의 공간충전, 터널주변의 암반강화 및 터널을 따른 침투수를 저지하기 위해 뒷채움그라우팅과 컨솔리데이션․커튼그라우팅을 하여야 한다. 따라서 전구간에 대해 저압충전그라우팅을 하며, 그 다음에 지수존(플러그 또는 지수구간)에 3～4열 이상의 커튼그라우팅을 링형(後光形)으로 시공하여 제체 기초의 그라우트커튼과 가능한 한 연결토록 계획한다. 또한 터널 굴착때의 발파로 인하여 라이닝 주변의 암석은 상당히 느슨해졌으므로 지수존 구간은 커튼그라우팅과 함께 컨솔리데이션그라우팅을 실시해서 터널 주변을 따른 누수를 방지한다<그림 4-27>.

단, 뿜어붙임 콘크리트․록볼트공법에서 쇼크리트로 만들어진 1차 라이닝 시공 후에 콘크리트를 타설한 2차 라이닝 사이에는 대부분 공간이 없으므로 공간충전을 위한 저압충전그라우팅을 할 필요가 없으며 컨솔리데이션이나 커튼그라우팅 때 자연히 확인 보강된다.

<그림 4-27> 부대터널의 그라우팅

최근 뒷채움그라우팅공법은 주입장비와 주입재료가 많이 개량되어 시공되고 있다. 그러나 주입재를 라이닝 배면 구석구석까지 충전하는 것은 세심한 시공관리를 하지 않고는 불가능하다. 또한 토사터널구간, 토피심도가 20m 이하인 지상에 주택, 중요구조물 혹은 시설물이 있는 구간, 도로․하천 등이 교차하고 있는 경우 등에는 뒷채움그라우팅을 실시하는 것이 원칙이다.

나) 그라우트닛플과 주입방법

콘크리트라이닝 타설과 동시에 그라우트닛플을 설치하는 경우에는 중심선에서 10～20°의 위치에 지그재그(zig zag)로 배치하고, 타설 후에는 중심선상에 주입공을 설치하는 것을 기준으로 한다<그림 4-28>. 그러나 이 기준은 시공단면이 적으며 아치 크라운 부분에만 공간이 있는 것으로 가정한 것이다.

<그림 4-28> 뒷채움 그라우트닛플 위치

시공단면이 큰 경우 펌프카로 콘크리트를 타설하더라도 다짐을 철저하게 할 수 있는 여건이 되지 못해 상부 반원부 상당부분에 공간이 남아 있는 것이 확인되는 경우가 많으므로, 닛플을 콘크리트 타설때 설치할 경우에는 좌우측방 30～40°각도와 거푸집 연결 때문에 수직방향 설치가 불가능하므로 조금 빗겨난 정점 부근의 1열을 포함한 3열을 찬공주입하는 방법이 취약한 상부반단면을 모두 점검․주입하는 효과가 있어 더 좋은 방법이다<그림 4-29>.

<그림 4-29> 그라우트닛플 배치 예(건설부 표준시방서, 1985)

 

닛플구경이 Φ50㎜ 정도이면 부배합의 모르타르 주입이 비교적 쉽다. 그러나 이정도의 구경을 확보키 위해 콘크리트 라이닝을 찬공할 때는 터널이 큰 단면일 때는 가능하나, 작은 단면일 때는 소형착암기나 전기드릴을 사용해도 구경 25㎜조차 찬공하기기가 어려워진다. 주입공 간격은 4～6m가 표준이며 주입순서는 좌우측을 먼저 하고 중앙열 즉 아치부분은 하부주입공에서 집어넣은 주입재의 유출을 확인하면서 나중에 하는 것이 좋다.

일반적으로 주입은 닛플에 파커를 설치하고 펌프에 의한 압력으로 공극을 채우는 방법을 쓰고 있는데<그림 4-30>, 파커 끝에 주입관을 설치하지 않으면 주입이 어느 정도 진행된 후에는 파커 바로 위에 주입재가 쌓이게 되어 압력이 급격하게 상승하게 된다. 그 결과 공간이 모두 채워진 것으로 오판하게 된다. 또한 공간이 채워져 소정의 주입압력까지 도달하였다 하더라도 주입재의 브리딩으로 인한 공극이 있을 때는 주입공이 이미 막혀 버려서 추가주입을 하기가 어렵다. 즉 재천공을 해야하는 번거로움이 생긴다. 이외에도 인접공으로 주입재가 누출되면 주입공이 막히게 된다. 이와 같은 작업의 불편을 해소하기 위해 끝 부분을 엇비스듬하게 절단한 파이프(PVC, 스테인레스, 강관 등)를 공동의 수직높이만큼 설치한 후 급결성 코킹제 등으로 파이프와 구멍사이를 막아 주입재가 누출되지 않도록 준비를 한 다음 여기에 파커를 연결하여 주입하는 구조가 고안되었다. <그림 4-31>

이 때 파이프의 나사눈에 코킹제가 묻지 않도록 보호해야 한다. 1차 주입이 완료된 후 주입호스와 파커를 분리시키면 파이프내부에 있는 주입재는 아래로 쏟아져 나가고 빈공간으로 남아 있게 되어 재천공이 불필요하다. 주입재가 어느 정도 고결된 후 다시 주입호스와 파커를 연결하여 주입하면 굴착면 가까이에 남아 있는 공간을 다시 채울 수 있는 장점이 있다. 주입 완료 후 주입공 입구부를 밀폐시키는데 공동 안에 그대로 남겨 둔다.

취수터널의 그라우팅을 터널 내부에서 실시할 때는 좁은 공간으로 인해 시추기를 전방향 특히 상방, 측방의 찬공이 어렵고 롯드도 0.3～0.5m 짜리를 사용해야 하는 등 작업능률이 아주 떨어진다. 또한 주입플랜트도 탄구 또는 토구에서 설치하므로 주입배관 길이가 길어서 부배합 주입재를 주입공까지 압송할 때 압력손실도 커지며 상방향의 주입 때는 역압력이 작용하여 주입효과가 좋지 않다. 따라서 그라우팅 시공효과를 높이기 위해서는 여건이 맞으면 지표에서 터널라이닝 주변부를 찬공주입하는 것이 좋다.

 

다) 주입재 탈출방지

전구간을 뒷채움그라우팅 하지 않고 일부 구간만 그라우팅 할 때는 계획구간 밖으로 주입재가 유출되지 않도록 시공전에 충분히 밀폐하여야 하는데, 콘크리트라이닝 타설 과정에서 시점과 종점부분의 측벽과 아치부분에 모르타르 채움을 철저히 하거나 쐐기 등을 박아서 압력상태의 주입재가 유출하지 못하도록 미리 조치하는 것이 가장 좋다. 또 다른 방법은 시공구간의 시점과 종점을 찬공하여 최대의 부배합으로 2～3차 주입하여 차단벽을 만들기도 하는데 육안으로 볼 수 없어 효과 확인이 어렵다.

무압터널은 라이닝 완성 후 과대한 정수압의 작용을 방지하기 위하여 원칙적으로 아치부에 배수공을 설치한다. 그러나 콘크리트라이닝 타설과정에 배수공을 미리 설치해 놓으면 주입재 탈출구멍이 됨으로 뒷채움그라우팅 후에 설치하는 것이 좋다.

라) 주입압력 및 설계기준 강도

저압충전그라우팅 주입압력의 표준은 2㎏f/㎠이며, 주입재의 고결 후 강도는 10㎏f/㎠이면 충분하다.

 

마) 주입재

국내 기관별 터널시방서에는 뒷채움그라우팅의 필요성과 중요성을 강조하며 “공간이 발생한 경우에는 공간이 완전히 채워질 수 있도록 적절한 시공관리하에 뒷채움주입을 실시하여야 한다”고 규정하고 있으며, “주입재료로서는 일반적으로 모르타르가 쓰이며, 이러한 모르타르 주입시에는 재료의 분리가 적고 주입 후 체적수축이 될 수 있으면 적은 것을 선정하여야 한다”고 권장하고 있다.

(1) 현탁액

가장 많이 사용하고 있는 주입재는 시멘트현탁액이나 강도는 설계기준치를 만족하고 있으나 블리딩이 크게 발생하여 뒷채움그라우팅용 충전재료로는 부적합하다. 이러한 재료는 결국 2차 주입을 하여도 완전충전의 품질확보를 보장받을 수 없다.

(2) 모르타르：미국공병단 시방서 기준

미국공병단의 시방서에 정한 모래 입도기준은 No.16체(1.19㎜)를 통과해야 하며 No.100체(0.149㎜)를 통과하는 세립질이 25% 정도 되어야 하는데 이 배합 역시 블리딩에 문제가 있고, 특히 입도가 매우 작은 세립질모래로서 No.100체를 통과하는 세립질이 많아야 하므로 조건에 맞는 모래를 구하기가 어렵고 선별하기도 어려워 현장에 적용하기에는 무리가 있으며, 주입프랜트부터 주입공까지의 거리가 멀 때는 주입배관이 막히는 등 작업성이 불량하다.

(3) 플라이애시 혼합모르타르

재료의 분리, 모래의 침전, 블리딩 현상 등의 경향이 크며 주입펌프가 막히는 경우가 많다. 그러나 누수방지와 강도면에서는 타공법보다 유리하고 유화물의 영향에 대한 저항력도 크다.

(4) 벤토나이트 혼합모르타르

벤토나이트를 혼합한 모르타르는 침전분리가 적으며 유동성이 양호하고 블리딩율도 적다. 벤토나이트를 혼합하므로 고결강도는 떨어지나 10% 정도의 벤토나이트를 혼합하여 설계기준강도를 확보할 수 있다.

(5) 에어(air) 모르타르

모르타르 중에 혼입된 기포로 인해 유동성이 양호하며 재료의 분리가 적고 고화수축이 적으며 시공속도가 빠르다. 그러나 다량의 공기포를 포함하기 때문에 고화된 주입재는 투수성이 커서 장기간이 경과하면 강도가 상당히 떨어지는 결점이 있다. 계면활성제, 식물성기포제 및 고분자기포제를 사용하여 기포를 발생시키는데 발포된 기포를 균질하게 혼합하기 어려워 모르타르의 경우에는 재료분리의 가능성이 크다.

(6) 점토․시멘트(clay cement)

제당 중심점토와 통관의 피복점토그라우팅에 사용하는 점토․시멘트는 유동성이 양호하며, 시멘트：점토=1：2, W/S(시멘트+점토)=1 정도인 주입재는 블리딩 또는 재료의 분리 현상이 심하지 않다. 모르타르에 비해 강도는 떨어지지만 설계기준 강도는 얻을 수 있다. 투수계수가 낮아 지수효과를 거둘 수 있으므로 용수가 생기는 터널에 적합하다.

시멘트：점토=1：2 대신에 시멘트：점토：모래=1：1：1을 사용하여도 좋다. 참고로 점토․시멘트 주입재의 시료강도는 다음과 같다(표 4-1).

 

(표 4-1) 점토․시멘트 주입재의 시료강도

시료 번호	배합비(용적비, ℓ)				압축강도(㎏f/㎠)			비 고
	물	양회	모래	점토	f7	f14	f28
1 2	90 60	30 15	30 -	30 45	17.2 5.3	32.2 10.6	38.7 12.8	양회1대 ≒30ℓ

 

(7) 폴리우레탄

연약지층, 파쇄대, 단층대 등의 보강 목적으로 개발된 폴리우레탄은 고결강도가 우수하고 시공이 간편하여 암반 고결재나 차수재로 많이 사용되고 있다. 폴리우레탄주입 방법은 두 가지 약액을 주입기에서 일정비율로 혼합하여 정위치에 주입하면 혼합제가 발포, 고결되어 공간을 채우거나 원지반을 강화시키게 된다.

폴리우레탄은 지하수 처리 및 지하수로 인한 누수처리나 균열의 보수를 겸할 경우에 사용하며 발포 특성이 우수하여 열악한 현장 조건하에서도 쉽게 발포, 고결되며 매우 높은 고결강도를 유지한다. 이 재료의 단점은 재료의 발포 특성상 주입 및 발포압으로 인하여 라이닝에 손상을 줄 수 있다는 것이다. 이러한 경우 터널의 구조적 안정성에 문제를 야기시킬 수도 있다. 주입시 영하의 기온에서는 작업을 피해야 하며, 폴리우레탄은 고가의 주입재료이므로 공법선택시 주의를 요한다.

(8) 신기술제품(DAST-2000)

뒷채움그라우팅에서 가장 중요한 요소는 공간이 완전히 충전되어야 하고 시공이 용이해야 한다. 그러나 대부분의 주입재는 소요주입압력 상태에서 공간에 충전되었음에도 많은 블리딩 발생으로 다시 공간이 형성되어 2차 또는 그 이상의 재주입을 해야 하는 현실적인 어려움이 있다. 또한 재료분리 현상에 의해 주입관이 막히는 등 시공성이 대단히 불량하다.

최근에는 이와 같은 문제점을 해소하기 위해 시멘트에 벤토나이트, 플라이애시 등을 섞어서 블리딩율을 최소화(1%이내)하고 소요강도가 10㎏f/㎠ 이상(개발재료 30㎏f/㎠) 발현되는 신제품(벌크단위)이 개발되었다. 건설교통부로부터 신기술로 지정 받은 DAST-2000은 재료비가 일반시멘트와 비슷하며 주입효과가 뛰어나 2차주입 시공비용이 절감되는 장점이 있다.

(9) 주입재 선정 요건

주입재는 구조물의 중요성, 지질여건, 경제성 등에 의해 선정되며 현장에서 모래, 점토 등의 충전재료를 값싸고 쉽게 구할 수 있느냐에 의해서도 결정된다.

일반적으로 철도, 도로터널과 같이 중요한 구조물에서는 시멘트 현탁액을 사용한다. 이때도 블리딩을 최소화하기 위해서 벤토나이트를 시멘트 중량의 3～4% 첨가해야 하며 w/c=1～2로 주입해야 한다. 그래도 블리딩율은 10% 정도가 되므로 2차 주입이 필수적이다.

특히 철저한 뒷채움이 요구되는 댐 부대터널과 같이 수밀성이 요구되는 경우, 여러 가지 단점을 보완한 신규제품의 사용도 신중히 검토되어야 할 것이다. 그리고 토사, 풍화암 구간으로서 다소 완전한 시공이 요구되지 않는 조건이라면 점토․시멘트 주입재를 사용할 수도 있으나, 연암, 보통암 구간에서는 모르타르 주입을 계획한다. 모르타르 주입에 사용하는 모래는 세립질을 써야 하며 재료분리 방지와 유동성 증대를 위해 시멘트중량의 10% 정도 벤토나이트를 혼합 사용하는 것이 효과적이다.

 

4) 주입 펌프

주입펌프는 국내에서는 주로 피스톤형을 많이 쓰고 있는데 이는 시멘트현탁액 또는 점토․시멘트 주입에 적합하다. 모르타르 주입에 다이어프럼형<그림 4-36>이나 특수형인 에어모르타르펌프를 사용하면 주입호스의 막힘 현상을 줄일 수 있고 비교적 모래비율이 높은 주입재도 원활하게 압송할 수 있으며 가능한 주입공보다 높은 위치에 주입펌프를 설치하여야만 주입재의 운반이 원활하다.

펌프의 능력도 여유가 있어서 먼거리까지 무리 없이 주입재를 보내고 소요 주입압력 이상의 성능을 발휘하는 것을 사용해야 한다.

 

5) 주입량 계산

주입량은 암질, 터널의 규모, 시공방법, 주입압력, 주입재 종류 등에 따라 차이가 많으므로 정확히 결정하는 것은 어렵다. 무엇보다도 콘크리트라이닝 배면의 공간 즉 그라우트 주입량은 굴착의 양부(良否)에 달려있다.

일반적으로 설계 주입량 계산방법은 설계굴착단면(허용여굴량 포함)에서 설계 라이닝콘크리트량(여분 라이닝량 포함), 설계 널판량(라이닝콘크리트 중에 포함되는 널판량)과 터널내면의 단면을 뺀 것을 설계 주입량으로 한다. 이때에는 원지반이 발파에 의해 이완된 공극에 충전되는 양을 반영하여야 하는데 경험적으로 시공구간 밖으로의 유출량, 주입공의 공매에 필요한 주입량, 주입도중의 허실량 등을 감안하여 설계 주입량의 20% 정도를 추가로 반영하여야 한다.

주입량 = [설계 굴착단면 - (설계 라이닝콘크리트량 + 설계 널판량 + 터널내면의 단면)] × 1.2 × 시공구간

 

6) 부대터널의 누수처리

압력을 받는 부대터널에서 누수가 발생하는 경우에는 1차로 충전그라우팅을 시공한 후 2차로 컨솔리데이션 및 커튼그라우팅을 시공한다.

컨솔리데이션그라우팅은 발파로 인해 암반이 이완된 범위와 암질이 불량한 부위, 구조대가 발달한 부위를 주 대상으로 하되, 구조물이 오래된 경우에는 지하수 유동으로 인한 풍화가 확장된 부위까지 시공대상에 포함시켜야 한다. 시공구간은 일반적으로 제당 중심선과 교차하는 프러그콘크리트 타설구간 까지이며, 그 하류부는 특별한 경우 이외에는 대상에서 제외된다.

커튼그라우팅은 터널 내 플러그콘크리트를 타설한 구간에 주변 그라우팅을 먼저 시공한 후 다음단계로 시공한다. 구조물을 설치하는 단계에서는 기 설치된 페리미터(perimeter：주변) 그라우팅용 파이프를 이용하여 주입 시공하나, 기설 구조물이 누수되는 경우에는 프러그와 암반이 접하는 지점까지 찬공하여 그라우팅을 시행한다. 커튼그라우팅은 댐터의 커튼그라우팅 시공구간과 중첩연결 될 수 있도록 충분한 심도까지 계획한다. 주입재 소요량은 암반의 주입 유효공극율인 3%를 계상하여 산출한다.