1. 서 론

최근 도심지에서는 지반함몰 문제가 빈번하게 발생하고 있으며 발생 수도 점차 증가하고 있는 추세이다(Fig. 1). 도심지 지하에는 지하철 및 상하수도 관거, 통신시설 등 많은 구조물과 지하매설물이 복잡하게 상존하기 때문에 지반함몰이 발생할 경우 그 피해규모가 크고, 복구를 하는데 있어 시간적·경제적으로 큰 어려움이 따른다(Yu et al., 2016). 지반함몰 발생 후, 복구 시 요구되는 발생현장 주변은 통제에 따른 불편함과 경제적 손실이 막대하며 추가적인 재해 발생의 위험이 잔존하게 되므로 지반공동을 사전에 차단하거나 지반함몰 발생 시에는 신속하게 복구하는 것이 무엇보다도 중요하다. 현재 대심도 지하공간 개발이나 굴착 시 발생가능한 지반함몰에 대한 예방 방법은 주변 지반의 지속적인 조사를 통해 지반공동을 발견하여 함몰원인을 사전에 제거 및 복원하는 방법과 함께 지하공간 개발 시 주변 지반에 충분한 지지력을 갖추도록 하는 방법 등 한정적이다(Han and Kim, 2017). 또한, 공동 예측의 정확성 및 경제적인 문제의 한계로 인해 현재 기 발생된 지반함몰 복구방법으로는 개착 후 흙메우기 및 약액주입 그라우팅공법이 주로 적용되고 있다(Yu et al., 2017).

지반함몰이 발생된 지반의 보수보강을 위해 적용되는 흙메우기공법과 그라우팅공법은 앞서 서술한 바와 같이 보강을 위해 플랜트 등을 설치해야 하는 등의 많은 공간을 확보해야 할 뿐 아니라 지중에서 발생된 공간을 메워 지반을 보강하는 경우에는 지하수의 상태에 따라 지하공간의 충전상태를 파악하기 힘든 단점이 있다(Fig. 2). 특히 그라우트를 사용하는 경우, 지하수 흐름에 의해 재료분리가 발생하여 원하는 주변지반의 강도를 구현하기 힘든 상태라 할 수 있다(Han et al., 2017; Kim et al., 2017).

따라서 이와같은 기존 공법의 한계를 극복하고 지중 내 지반함몰이 발생하여 생긴 공동을 효과적으로 긴급하게 뒤메움하기 위해 무기질계 혼화재가 포함된 수용성 폴리머파우치가 개발되었고, 개발된 폴리머 파우치로 지반공동에 주입장치를 이용하여 주입하는 경우 주입구로부터 가장 먼거리에서부터 공동 내부를 충전재로 채움으로서 균일한 목표강도 발현이 가능해졌다.(Yu et al., 2017; Jung et al., 2017). 본 연구에서는 개발 보강재를 효율적으로 공동 내부에 주입할 수 있는 주입시스템을 구축하고자 한다. 구축하고자 하는 주입시스템은 비개착식이고 별도의 플랜트 설치를 필요로 하지 않아 시간적·경제적으로 유리하며 공압을 이용하여 보강재를 공동내부에 빠르게 충전시킬 수 있어 지반함몰 발생 시 긴급복구를 가능하게 해주는 기술이라고 할 수 있다. 즉, 지반 내 천공 주입구를 통해 개발된 파우치를 주입압, 주입속도 등을 조절하며 주입함으로써 충전율을 확보하고자 하였다. 이를 위해 개별요소해석 프로그램인 EDEM을 이용하여 가상 지반공동 내 주입시스템을 확인 후, 개발된 주입시스템을 이용한 실내모형주입실험을 통해 현장 적용성을 검증하였다. 또한 현장에서의 설계시공관리를 위한 설계 프로그램을 개발하여 현장 적용성을 향상시키고자 하였다.

2. EDEM을 이용한 시뮬레이션

2.1 시뮬레이션 조건

본 연구에서는 주입시스템을 이용한 공동 충전에 대한 설계와 다양한 조건에서의 충전 양상을 확인하기 위해 개별요소해석 프로그램(EDEM 2018 Ver4.0.0, DEM Solutions, United Kingdom)을 이용한 시뮬레이션을 수행하였다. 지반 공동을 모사한 Geometry와 폴리머파우치 기반의 무기질계 혼화재를 모사하는 Particle을 생성하여 공동 충전 양상을 분석하였다. 해석에 적용한 모델은 DEM의 기본 바탕이 되는 Hertz-Mindlin 모델이며 개발 보강재 폴리머파우치 기반의 무기질계 혼화재의 물성치를 기반으로 조건을 설정하였으며 적용상수들은 Table 1과 같다.

Table 1. Parameters of particle in EDEM

2.2 충전 시뮬레이션 결과

주입재는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 직경 30mm의 구체로, 지반공동은 100cm×50cm×50cm의 직육면체 토조를 모사하였으며 양방향 토출구를 이용하여 주입재를 공동내부에 주입하는 조건을 시뮬레이션하였다. 충전이 완료된 후 주입된 주입재의 개수는 총 10,553개로, 전체 토조 부피 대비 최종 충전율은 약 59.7%이었다. 이 때 Particle의 초기속도는 3.5m/s이며 토조를 채우는 데에 걸린 총 충전시간은 19.5분이다. 이를 모사한 실제 현장 주입시스템은 다음과 같이 개발하였다.

3. 주입시스템 개발

선행연구에서 기존의 지반함몰에 대한 지반보강 기술의 한계를 극복한 지반공동 긴급보강을 위해 지반공동 내에서의 재료유실을 최소화하는 충전재를 개발할 필요성에 따라 이를 만족하는 긴급보강재로서 수용성 폴리머파우치 기반의 무기질계 혼화재를 개발한 바 있다.(Yu et al., 2017; Jung et al., 2017).

수용성 폴리머의 재료는 PEG(Poly ethyleneglycol)에 LLDPE(Linear low-density polyethylene)를 블렌딩하여 공압주입시 폴리머의 안정을 위한 충격강도 및 인장강도의 성능 향상을 도모하였다. 그러나 복합체의 PEG의 비율이 감소함에따라 수용해성이 감소하고 액상점도가 증가하여 수용성 폴리머 파우치의 성형성이 감소하게된다. 따라서 수용해성과 성형성을 해결하기 위하여  Talc(ceramic filler)를 혼합하여 최종적으로 수용성 폴리머 파우치의 재료를 3중 복합체로 선정하였다. 또한, 파우치 내부에 채워지는 무기질계 혼화재는 초속경시멘트와 조강시멘트, 잔골재, 혼화재, 알루미늄 파우더, CaO를 배합하여 빠른 시간 내에 강도발현을 할 수 있도록 설계하였다.

개발된 긴급보강재를 효율적으로 공동 내부에 충전할 수 있도록 하는 주입시스템을 개발함에 있어 고려한 설계인자들은 다음과 같다.

1) 현장적용 가능한 주입장치의 크기는 천공 가능한 사이즈를 기준으로 한다.

2) 효율적인 공동 충전을 위해 주입재를 공동외곽까지 이동가능하도록 충분한 압력을 가할 수 있다.

3) 장치를 통해 폴리머파우치 및 기존 그라우팅 재료 또한 주입가능하도록 한다.

4) 직경 30mm 구 형태의 주입재가 주입가능하도록 한다.

5) 주입장치의 높이(길이)는 관입 깊이에 따라 조절가능하도록 한다.

6) 공동의 형상에 따라 주입방향을 조절가능하도록 한다.

위 조건을 만족하는 자체 제작한 실내실험용 공압식 주입장치의 모식도는 Fig. 4와 같다. 일반적으로 사용되고 있는 천공장비의 지름을 고려하여 약 100mm 직경의 원기둥 형태로 주입부를 설계하였으며 중앙의 Air Pipe를 통해 공압이 주입되고, 상단 호퍼(Hopper)로 주입되는 주입재는 주입부 하단 토출구에서 직경 6mm 구멍을 통해 공압을 받게 된다 (각도에 따른 비거리 조절을 위해 토출구 하단 각도를 15°로 설정하였다). 공압을 받는 주입재가 공동내부에 4방향으로 뻗어나갈 수 있도록 제작하였으며 각 토출구는 선택적으로 개폐가 가능하다. 또한 주입시스템은 주입장치와 컴프레셔, 압력조절판넬을 포함하며 일정한 공압을 설정할 수 있다. 본 연구에서는 이 주입시스템을 이용하여 실내모형실험을 진행하고 평가하였다.

4. 주입시스템을 이용한 실내모형실험

4.1 실내모형 주입실험 및 결과 분석

실내모형 주입실험은 주입재를 개발한 주입시스템을 통해 주입하고 주입성능을 확인하는 실험이다. 실험을 진행하기 위해 Fig. 5와 같은 직경 30mm의 폴리머파우치와 동일한 크기의 재료를 사용하였다. 주입재가 주입되는 공동은 100cm×50cm×50cm의 아크릴토조로 외형 지반을 모사하였고 Fig. 8과 같이 지반 내 공동은 불규칙한 3차원공동(약 0.1m³)으로 모사하였으며 충전 시뮬레이션 결과와 비교할 수 있도록 하였다. 컴프레셔와 압력조절판넬을 통해 일정한 주입압을 설정하고 주입재를 주입하며 주입재의 비산거리, 충전양상 및 속도를 확인하였다.

실험은 Fig. 7과 같이 지반공동을 모사하여 Table 2와 같은 조건으로 주입구는 양쪽 2개를 개방한 상태로 실험을 3회 진행하였으며 충전이 완료된 후 주입된 주입재의 총 부피를 충전된 토조의 부피로 나누어 충전율을 계산하였다. 실내모형주입실험 결과 평균적으로 충전율을 산정하였을 때 약 61.7%으로 나타났다. 또한 컴프레셔 공압 7bar, 0.3초당 한번씩 공압밸브가 열리도록 설정하고 주입구 양방향 개방 시 평균적으로 초당 9개의 주입재가 충전됨을 확인하였다.

현재 개발된 주입시스템(Fig. 4)으로 Table 2와 동일한 조건으로 0.1m³의 공동에 주입하는 경우, 총 충전시간은 10분이 걸리는 상태이지만 Fig. 6과 같이 주입압의 영향을 받는 충전속도를 조절하는 경우 모사한 지반공동은 6분 내외로 긴급보강이 가능하게 된다.

Table 2. Model experiment results

4.2 EDEM 시뮬레이션과의 비교·분석

EDEM 충전 시뮬레이션과 동일한 조건으로 진행한 실내모형실험의 결과 비교분석을 통해 실제 현장에서의 적용성을 고찰하고자 하였다. 실제 공동의 형상은 Fig. 7과 같이 타원체에 가까운 불규칙 형태이므로 타원체 형상의 공동을 모사한 실내모형토조 주입실험과 EDEM을 활용한 개별요소해석 시뮬레이션 결과를 비교하여 충전양상을 살펴보면 주입속도 및 충전율 등이 상당히 유사하다는 것을 확인할 수 있다(Fig. 8).

소요시간과 실험환경 등의 한계로 인해 실내실험으로 구현하기 어려운 지반공동 조건을 개별요소해석 시뮬레이션을 통해 필요 보강재의 양, 충전속도 및 충전율 등의 결과를 예측할 수 있다. 따라서, 사전에 지반공동의 규모를 파악하는 경우 현장긴급복구를 위한 적절한 설계를 가능하게 할 수 있다. 

한편, 지중에 발생한 공동 상부에 지하수위가 존재하는 경우가 존재하므로, 공동 내부에 정수압의 지하수가 가득찬 상태를 조건으로 충전 시뮬레이션을 실시하였다. 대기압상태에서 양방향 2개의 주입구를 통해 3, 5bar의 공압을 받을 경우 각각 약 0.63m에서 1.4m까지 날아가지만 정수압의 지하수 안에서는 약 0.32m에서 0.5m까지밖에 도달하지 못하며, 주입구의 개수가 늘어날수록 공압이 분산되어 같은 공압조건에서도 비거리가 감소하게 된다. 그 결과 항력 및 부력에 의해 동일한 주입조건에서 지하수가 없을 때 보다 주입재의 비거리가 현저히 감소함을 Fig. 9와 Fig. 10에서 확인할 수 있다. 그러나 앞서 제시한 바와 같이 주입구, 주입압 변화를 통해 긴급복구 가능성을 검토할 수 있었다.

4.3 현장 적용을 위한 설계 적용사례

지반공동이 발생된 현장의 긴급복구를 위해 먼저, EDEM 시뮬레이션을 통해 공동 상부 지하수의 유무 및 공동 크기에 따라 복구에 소모되는 전체 충전재의 양과 주입구의 개수를 산정하여 공동복구 시간을 추정할 수 있다. 이러한 해석 결과값들을 바탕으로 프로토타입의 지반함몰 긴급복구 어플리케이션(APP)을 개발하였으며 실제 현장에 적용가능한 설계를 수행하여 개발된 파우치를 이용한 주입시스템의 현장 적용성을 고찰하였다. 어플리케이션 사용자는 공동발생 상황에 따라 비개착식/개착식 보강에 대해 선택이 가능하다. 비개착식 보강의 경우 토피고, 공동 폭, 공동 길이, 지표하 지하수의 위치를 입력하고, 개착식 보강은 지반공동이 지표부까지 확장되어 함몰된 경우로 공동 폭, 공동 길이, 높이를 입력하게 된다, 입력한 데이터를 토대로 산출된 결과창에서는 복구 시 필요한 보강재의 양, 주입구 개수, 주입압, 주입속도, 예상 복구시간을 확인할 수 있도록 어플리케이션을 제작하였다. 어플리케이션 구동 화면은 Fig. 11에서 확인할 수 있다. 단, 앞서 고찰한 바와 같이 개발된 파우치를 이용한 충전율은 지하공간을 완전히 충전시킬 수 없으므로 팽창율 뿐만 아니라 이를 고려한 추가적인 그라우트 주입재를 반복적으로 이용하여 전체 공동을 메울 수 있도록 하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 지반함몰 발생 시 긴급복구 보강재를 효율적으로 주입할 수 있는 주입시스템 구축을 위한 기초연구를 수행하였다. 긴급복구 보강재를 모사한 실내모형 주입실험을 통해 주입재의 충전효율을 평가하였으며 개별요소해석 시뮬레이션을 통해 실내모형 주입실험과의 결과를 비교분석하였다. 또, 결과 값들을 바탕으로 프로토타입의 안드로이드기반 어플리케이션을 적용함으로써 현장적용을 위한 가능성을 확인하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

(1)개발된 폴리머파우치 기반의 무기질계 혼화재를 효율적으로 주입하기 위한 주입시스템을 설계·제작하였으며 실내실험과 개별요소 수치해석(DEM)결과 도출된 고려된 설계인자들을 이용한 현장적용 프로토타입의 설계가 가능하도록 하였다.

(2)주입시스템을 통한 실내모형 주입실험 결과, 충전율 및 충전속도는 공압의 크기, 밸브 개방 시간간격에 영향을 받으며 특히 지반 내 지하수위 여부에 따른 공동 채움 영역의 영향이 크게 나타나므로 이를 고려한 주입장치의 개선방향을 도출할 수 있었다.

(3)개별요소해석 프로그램을 이용한 지반공동과 주입재를 모사하여 충전 시뮬레이션한 결과는 실내모형 주입실험과 충전양상 및 충전율이 상당히 유사함을 확인하였다. 이는 해석에 의한 공동채움과 주입재의 모사가 적절히 이루어질 수 있고 이를 통해 현장 적용설계가 적절하게 가능토록 할 수 있음을 실내모형실험을 통해 확인할 수 있었다.