구조물의 안정성(1)

콘크리트 옹벽의 안정성 평가를 위한 적외선 영상의 공학적 활용(국민대학교대학원. 유승권)

터널 공사

 

최근 도심지에서 기존 터널과 신설 터널을 연결하는 지하철 환승 정거장 시공이 많아지고 있다. 환승 정거장 시공 중 특히 터널 구간 시공은 도심지 특성으로 인해 기존 터널과 기존 상부구조물을 통과하는 구간을 갖게 된다. 이 구간에서 상부 구조물 및 터널 안정성에 대한 여러 가지 위험성이 내포되고 있으며 결과적으로 터널 붕괴 혹은 기존 구조물의 사용성 저하로 이어지게 된다. 이러한 현상은 다음과 같은 메카니즘으로 인해 발생하게 된다.

신설 터널 시공 시 지반 굴착으로 인해 정역학적 관점에서 토압의 힘평형이 순간적으로 깨지게 되고 이로 인해 신설 터널에서 천단, 내공 등의 변위가 발생하게 된다. 이러한 변위는 터널 주변부의 지반을 이완시키고 이완된 지반은 기존 터널 및 기존 구조물의 변위를 발생시키게 된다. 변위가 과도해질 경우 구조물의 파괴나 부등침하로 인한 사용성 저하가 발생하게 되므로 이에 대한 방지대책이 필요하다. 이에 따라 다양한 보강 공법 및 시공방법에 대해서 연구가 수행되고 있다.

연구자는 실제 시공중인 신설 터널공사 자료를 바탕으로 신설 터널 시공으로 인한 상부 구조물과 기존 터널의 영향 및 보강공법의 안정성에 대해서 검토하여 안정성 확보 방안을 제시하였다. 신설 터널공사 자료를 토대로 지반 해석 프로그램인 MIDAS를 사용하여 기존 터널 하부통과 구간과 상부구조물 하부통과 구간에 대해서 공법의 적정성 및 안정성을 평가하고 현장 계측자료와 비교하였다. 또한 기존 상부구조물의 하부통과구간에 대해서 발파진동 추정식을 통한 발파시 진동 영향 및 굴착방법 타당성을 분석하였다.

연구자는 옹벽과 같은 벽체 구조물이 국지성 강우 및 구조물 자체의 노후화로 인한 옹벽붕괴사고로 인명 피해와 같은 추가 재해 예방에 목적을 두고 있다. 그래서 벽체 내부에 철근 매설 유무를 탐지하고 벽체 배면부에 공동을 탐사할 수 있는 비접촉식·비파괴검사 기법을 제안하고있다.

검사 기법으로 전자파법, 자기법, 방사선법, GPR, 탄성파탐사법 등이 있다. 기존의 탐사기법들은 측정 대상에 측정 장치를 직접 접촉 혹은 접근시켜야만 결과의 신뢰율을 최대한으로 확보할 수 있는 단점이 있다. 그래서 비접촉식·비파괴검사 기법인 적외선화상기법을 활용하여 철근 및 공동을 탐지하는 기법을 제안하였다. 이를 위해 적외선 카메라를 이용한 실내실험과 수치해석을 수행하였다.

실험은 콘크리트 판을 1m 이격한 거리에서 일정 열원에 노출시키고 적외선 카메라를 이용하여 가열과 냉각시간에 따른 표면의 온도 변화를 측정하였다. 열적 확산현상에 의해 시간에 따른 표면 온도 변화는 벽체 배면부의 열적 특성이 어떻게 변화하는지를 반영하였다. 이를 위해 철근의 근입 깊이가 서로 다른 벽체를 다수 제작하여 실험하였고, 대형토조 실험을 통하여 공동의 크기에 따른 실험도 진행하였다.

실험결과의 검증을 위해 수치해석을 병행하여 수행했다. 분석결과 벽체 내부의 철근의 근입 깊이가 2cm 이내인 경우 적외선 영상을 통해 확인되었으나, 근입 깊이가 그 이상이 되면 표면온도의 측정오차로 인해 정량적으로 평가하는 것이 어려운 것으로 나타났다. 또한 공동의 경우 콘크리트 두께 15cm이하에서 공동의 지름이 30~50cm에서 탐지가 가능하였다. 하지만 콘크리트 두께 20cm에서 실험상 공동의 최대 지름 50cm에서도 표면온도의 차이가 모호하여 공동의 존재를 탐지하는데 어려움이 있었다.