1. 서 론

전 세계적으로 진행되는 도시화에 발맞추어 제한된 공간에 많은 인구와 편의시설을 수용하기 위해 건축물이 대규모 고층화 되고 있다. 이러한 공간 활용과 편의를 위해 지하철, 터널, 대규모 지하구조물의 개발수요 및 시공빈도 역시 증가하는 추세이다. 이처럼 건물의 고층화 및 지하구조물의 급격한 수요 증가를 반영하여, 현재 우리나라에는 높이가 200m가 넘거나 50층 이상인 초고층 건물은 약 60여개 이상이며 31층 이상 건축물은 약 1,300여개에 달하며 이와 관련된 하부 지하구조물 개발도 매년 꾸준히 증가하는 추세이다(Statistics Korea, 2015).

이러한 지하구조물 개발로 인해 이와 관련된 재난 빈도도 증가하는 추세이다. 급속한 도시화 및 초고층건물의 증가로 인하여 도심지에 크고 작은 사고가 발생하며 국내의 경우 재난사고가 해마다 증가하고 있다. 붕괴관련 재난사고는 2006년 약 55,000건에서 2012년에는 약 402,000건으로 6년간 7배 이상으로 붕괴관련 재난사고 빈도는 꾸준히 증가하고 있다(Statistics Korea, 2015). 대형사고 발생 시 구조작업의 지체로 인해 인명피해가 커지게 되고 인명 구조가 신속히 이루어지지 않기 때문에 복구 작업이 어려워져 경제적인 손실 또한 증가하게 된다. 최근 국내에서 발생한 대형 사고들을 보면 안전재난에 대비한 매뉴얼이 뚜렷하게 없거나, 이를 준수하지 않고 숙지하지 못하여 피해가 커진 사고들이 많다. 그렇기 때문에 붕괴 시 긴급 구조 시스템이 필요한 실정이다.

구조물 붕괴로 인해 붕괴된 구조물의 지하에 갇힌 사람들을 긴급히 구조하기 위하여 강관압입공법이 가장 효과적인 공법으로 인식되었다. 본 연구에서는, 이러한 강관압입공법을 이용하여 2차 생명선 굴착 작업 시 굴착 선단부에 지하수 유입 등으로 인해 수리학적․역학적 불안정이 발생한 경우 강관압입을 하는 오거 내에 액체질소를 분사하여 지반 붕괴를 방지할 수 있는 공법을 개발하고자 한다. 이를 위하여 축소 실내모형 실험을 수행하였으며, 액체질소 분사가 강관압입공법의 역학적 수리학적 안정화에 효과적인 것을 확인하였다.

2. 연구 배경

2.1 지반 동결

자연 상태의 지반이 외기온도가 영하의 온도로 지속될 때, 간극에 존재하는 수분이 얼게 된다(Lee, 2011). 이때 간극사이의 수분이 전부 다 동결이 되지 않고 일부는 얼지 않은 상태의 부동수분이 존재하게 된다. 이 부동수분은 간극수의 흐름 매개체로서 역할을 하게 되며, 간극수의 이동을 통해 지반의 동결이 진행된다.

지반의 동결에 영향을 미치는 세 가지 주요한 요소는 토질조건, 수분조건, 온도조건이다. 이 세 가지 요인이 모두 만족 될 때 동결현상이 일어나게 된다. 지반의 동결현상이 일어날 때 지하로부터 모세관 현상에 의해 간극수가 부동수분을 매개체로 하여 수분이 공급된다. 동결 시 부동수분을 많이 포함하고 있는 흙에서는 수분공급이 원활하여 동결이 더 활발하게 일어난다.

Taber (1930)와 Beskow (1935)의 실험에서 토립자는 모관력에 의해 지하수를 흡수하는데, 이 흡수력은 토립자의 크기에 영향을 받는다고 연구되었다. 또한 모래는 점토에 비해 지하수를 흡수하는 힘이 적어 점토지반이 동결에 영향을 더 많이 받는 것으로 규명하였다. 이는 토립자의 입경이 0.1 mm 이상의 사질토에서는 동결이 거의 발생하지 않으며, 입경이 0.005 mm에서 0.1 mm 사이의 흙에서 동결이 발생하기 시작한다. 특히 입경이 0.002 mm에서 0.005mm 사이의 흙이 동결에 유리한 것으로 연구되었다. 하지만 그 이하의 입경에서는 토립자의 간극이 좁고 투수성이 좋지 않아 오히려 동결이 잘 일어나지 않는다(Ryu, 2013).

2.2 지반 동결공법

지반 동결공법은 함수비가 높거나 압축성이 큰 지반으로 구성되어 지반이 연약하여 굴착이 불가능한 환경에서 공사를 진행할 경우 사용되는 공법중 하나이다. 또한 지하수 차단 및 오염물질 차단 등 여러 불확실 인자에 대해 고려해야 할 사항을 대비하는 공법으로 지반 동결공법을 많이 사용하는 추세이다.

지반 동결공법이란 지반에 있는 물을 인위적으로 동결시켜 지지력 및 공학적 안정성을 확보하는 동시에 지반을 통과하는 물질을 차단하는 용도로 많이 사용되고 있다. 현재 사용되는 지반 동결공법의 동결 매체는 크게 두 가지로 나뉘는데 브라인(Brine)과 액체질소(Liquid Nitrogen)로 나뉜다(KICT,  2007).

2.2.1 액체질소 동결공법

액체질소는 기체 질소에 높은 압력을 가하여 액화점을 낮춰 액화한 것으로 약 –196°C의 무취, 무색, 무미, 비극성 액체이다. 액체질소의 장점은 다른 유체들과 비교하여 반응성이 낮으며, 대량생산이 가능하기 때문에 공급이 원활하다. 또한 사용현장에 특별한 설비를 갖추지 않아도 되기 때문에 초기비용이 저렴하고, 지하수가 유입될 경우에도 지하수의 영향을 받지 않고 동결이 가능할 정도로 동결속도가 빠르다. 단점으로는 대기 중의 대부분을 차지하기 때문에 산소가 포함된 기체가 차지하는 공간을 순수한 질소 기체가 차지하게 되어 산소부족(질소중독)으로 인한 질식사를 유발 할 수 있다. 따라서 공기가 통하는 실외에서 실시하거나, 액체질소만을 외부로 보내는 환풍 시스템을 구축해야 한다.

2.2.2 브라인 동결공법

브라인은 함수(鹹水)라고도 하는 고농도의 소금물로 염분을 다량 함유하여 낮은 동결점을 가져 약 –40°C까지 액체로 존재하는 물질로 최적의 사용온도는 약 –25°C이다. 브라인은 온도가 올라간 액체를 다시 저온탱크로 보내 재사용할 수 있어 브라인 설비 내에 유출이 없는 한 영구적으로 사용할 수 있는 장점이 있으며 대규모 공사에 적합하다. 또한 온도가 액체질소에 비해 높기 때문에 사용 시 비교적 안전하다. 반면 단점으로는 순환 식 설비를 갖추는 비용이 높게 들며, 액체질소에 비해 온도가 높아 지반동결 속도가 현저히 늦으며, 지하수가 유입 될 경우 동결이 되기 전에 지하수에 의해 온도가 다시 높아져 동결효과를 보기 힘들다.

2.2.3 동결공법 분석

액체질소 동결공법과 브라인 동결공법의 특징을 분석하였다(Table 1). 액체질소의 경우 초저온 전용 파이프 설비를 제외한 다른 장치가 거의 필요 없다. 액체질소는 보통 액체질소용 저장용기에 담겨 있으며, 공급 장치만 있으면 사용이 가능하다. 냉매의 재활용은 불가능하며 소음이 거의 없다. 반면 브라인 공법의 경우 전기와 물 공급이 필요하며, 또한 순환시스템과 냉각장치가 필요하다. 냉매의 재활용이 가능하며 소음이 있다.

2.3 지반 동결공법 연구 및 적용 사례

Lee (2011)의 경우 불교란 시료를 채취 할 수 있는 인공 지반 동결공법을 이용한 현장시표 샘플링에 대한 연구를 수행하였다. 일본에서 인공 지반 동결공법에 대한 연구를 많이 하였는데, 기존의 방법으로 지반평가를 위한 지반 샘플링을 하게 되면 시료를 채취하는 과정에서 지반이 교란되어 그 평가가 정확하지 않기 때문에 인공 동결공법을 사용한 샘플링으로 불교란에 가까운 시료 채취할 수 있는 것을 확인하였다.

Shin et al. (2009, 2010)과 Shin and Kim (2011)은 인공 지반 동결공법을 이용하여 토양오염 동결 차수벽 공법에 대한 연구를 수행하였다. 인공 동결공법을 이용하여 오염물질 이동 차단을 목적으로 하는 동결 차수벽에 관한 기초 연구가 진행되었다. 아직 국내에는 현장적용의 사례는 없지만 해외의 경우 인공 동결공법을 이용한 오염토양의 정화 사례가 있다.

이 외에도 미국에서는 인공 지반 동결공법을 이용하여 지반의 강도를 증대시켜 현장에 적용한 사례도 있다. 인공 동결공법을 사용한 대표적인 사례는 미국의 ‘Boston Big Dig Project’로 미국 보스턴의 지하에 교통문제 해소를 위해 도로를 건설하여 지상에 녹지를 늘리는 프로젝트이다. 이 프로젝트 진행 중 굴착 시 지반의 강도 증대를 위해 액체질소를 이용하여 지반 동결공법을 사용하였다.

일본에는 2011년 후쿠시마 대지진으로 인해 원자력 발전소의 방사능 오염수가 문제가 되고 있다. 이 오염수가 산에서 내려오는 지하수로 인해 그 양이 줄지 않고 있는데, 산에서 유입되는 지하수를 막아 오염수의 양이 늘어나는 것을 막기 위해 원전의 주변으로 길이 1.5km, 깊이 약 30m의 동토차수벽을 만들고 있으며, 현재 진행 중이다.

3. 지반 동결실험 개요

3.1 아크릴 실린더 예비 실험

실내 지반 동결실험을 실시하기 전 액체질소 분사공법의 동결능력 평가를 위해 예비 실험을 실시하였다. 아크릴 실린더 내에 본 실험에 사용할 흙 시료를 함수비 12%를 유지하여 다짐을 실시하였다. 그 후 오거를 이용하여 20cm 굴착 한 뒤 20분간 액체질소를 분사하여 지반 동결을 실시하였다. 동결이 완료 된 뒤 20 L의 물을 부어 투수가 되는지 확인하는 실험을 진행하였다. 다음 Fig. 1은 예비실험을 열화상 카메라를 이용하여 촬영한 것이다. 열상카메라의 경우 카메라가 인식하는 온도가 있지만 실제 물질의 온도와는 차이가 있다. 상대적 온도변화를 관찰하기 위하여 촬영하였다.

Fig. 1(a)는 0분경과 후 아크릴 내부의 온도이며 Fig. 1(b)는 10분경과 후, Fig. 1(c)는 20분경과 후 아크릴 내부의 온도를 나타낸 것이다. 사각형(실린더) 내부의 저온의 영역(검은 부분)이 확장되며, 20분경과 후 실린더 하부 동결 면이 일정하게 유지되었다. 해당 실험 후 20L의 물을 부어 관찰한 결과 동결 면을 기준으로 20분 이상 투수가 되지 않는 것을 확인 하였다.

3.2 본 실험 개요

강관압입 공법을 통해 수평으로 지반 굴착을 진행할 경우 지하수가 유입되어 토사가 밀려들어와 수리학적 역학적 불안정이 유발된다. 따라서 TBM공법에서 사용되는 액체질소를 이용한 동결공법에 착안하여 인명구조현장에서 굴착 선단 부 지하수 유입 방지 및 역학적 안정화를 연구하였다(KICT, 2007).

본 연구에서는 강관이 설치된 토조에 오거를 설치한 뒤 액체질소를 직접 분사하여 오거 전면부의 지반을 동결시켰다. 그 후 수리학적 불안정 요인을 주어 차수효과, 토사 유입 차단 및 강도증대를 4가지 실험 조건을 설정하고 연구하였다.

본 연구에 사용된 토조 및 오거는 초저온 설비에 적합한 보편적인 여러 재료 중 약 –200°C이하의 온도에서도 사용이 가능한 STS 304(오스테나이트계 스테인리스 강)를 사용하였다. 강관압입 중 오거의 중공(中空) 내 분사를 구현하기 위해 토조에 강관을 설치하였다. 또한 분사기를 이용하여 액체질소의 분사량을 정량화 하는 실험을 통해 약 80L/hour 의 분사량으로 실험을 진행하였다. 다음 Fig. 2 (a)의 토조 및 오거를 제작하였으며, Fig. 2 (b)와 같이 액체질소 분사실험을 하였다. Fig. 2 (c)는 토조 및 오거의 설계도면이다.

3.3 실험 조건

예비실험을 통해 액화질소가 기화하기 전에 유출되는 것을 확인하고 이를 방지 하고자 수평을 기준으로 약 10°의 기울기를 주어 실험하였다. 실험조건은 총 4가지로 진행되었다: A. 주어진 지반조건에 액체질소를 15분간 분사하였을 경우; B. 주어진 지반조건에 액체질소를 15분간 분사하는 중 시험시작 3분 후 수리학적 불안정 요인을 준 경우; C. 주어진 지반조건에 액체질소를 30분간 분사하였을 경우; 그리고 D. 액체질소를 30분간 분사하는 중 시험시작 3분 후 수리학적 불안정 요인을 준 경우이다. 수리학적 불안정은 토조 내부에 약 20L의 물을 부어 상황을 조성하였다. 위의 4가지 실험조건을 실행하였으며 지반 내의 온도 변화를 분석하기 위한 설치된 온도 센서의 위치는 Fig. 3와 같다.

CH000은 관 외부 하단, CH001은 관 외부 상단, CH002는 오거 중심에서부터 3cm 벗어난 오거 날, CH003은 관 내부 상단, CH004는 관 하단 5cm 이격된 곳, CH005는 관 하단 10cm 이격된 곳, CH006은 분사 구 전방 5cm 이격된 곳, CH007은 분사 구 전방 10cm 이격된 곳에 각각 온도센서를 설치하였다. 온도 센서는 K타입 Thermocouple로 – 200°C ∼ 1250°C까지 측정이 가능하며 평균오차는 약 1.1°C이다.

3.4 지반 물성 실험

실험에 사용할 시료의 물성실험을 실시하였다. 실험에 사용할 시료는 파쇄모래와 화강풍화토이며, 각각 시료를 한국표준(KS) 기준에 준하여 체분석(F 2302), 액․소성한계(F 2303), 비중(F 2308), 다짐(F 2312), 투수계수(F 2322) 실험을 실시하였다(Fig. 4, Tables 2 and 3).

파쇄모래의 균등계수는 1.58, 곡률계수는 0.97로 통일분류법에 의해 분류하면 입도가 안 좋은 모래(SP)로 분류되었다. 또한 비중은 2.62였으며, 액․소성 실험 결과 비소성으로 나타났다. 또한 투수계수 실험결과 약 2.286×10^-2cm/s 이었다.

화강풍화토의 균등계수는 9.48, 곡률계수는 1.46으로 통일분류법에 의해 분류하면 입도가 좋은 모래(SW)로 분류 되었다. 또한 비중은 2.66이였으며, 다짐실험을 통해 최대건조단위중량은 19.13 kN/m³이였으며 최적함수비는 11.1%이였다. 또한 투수계수 실험결과 약 5.052×10^-2cm/s 로 파쇄모래의 투수계수와 큰 차이가 없었다.

4. 실내 지반 동결실험 조건

4.1 파쇄모래

실내 지반 실험을 위한 예비실험으로 화강풍화토 지반이 아닌 파쇄모래를 이용하여 지반을 조성한 실내실험을 진행하였다. 화강풍화토 지반 실험과 큰 차이점은 파쇄모래지반의 경우 소성이 없는 시료로 지반조성을 한 것이다. 실험은 4가지 조건으로 동일하게 진행되었으며, 해당 실험의 경우 모래 알갱이가 작아 분사압력에 의해 CH002, CH003 센서가 오작동을 하였다. 다음 Table 4는 각각 실험에 대한 실험 조건 및 측정 함수비이다.

4.2 화강풍화토

화강풍화토 지반 동결실험은 앞에 언급한 바와 같이 총 4가지 실험조건으로 진행되었다. 또한 A조건과 C조건의 실험은 최적함수비를 넘는 조건의 지반과 넘지 않는 조건의 지반으로 구분하여 총 6번의 실험을 진행하였다. 다음 Table 5는 각각의 실험에 대한 실험 조건 및 측정함수비 이다. 함수비의 측정은 실험 전 후 로 나누어 측정하였으며 높이에 따라 5개의 시료를 채취하여 평균값을 측정하였다.

5. 실내 지반 동결실험 결과

5.1 파쇄모래

Table 4의 실험조건(Cases S1~S4)의 조건으로 파쇄모래를 이용하여 지반을 조성하였다. Cases S1과 S2 실험에서는 15분 동안 액체질소를 분사하였으며 Cases S3와 S4 실험에서는 30분 동안 액체질소를 분사하였다. Cases S2와 S4 실험에서는 액체질소 주입 후 3분 후에 수리학적 불안정을 인위적으로 유발하기 위해 15L의 물을 지반 상단에 골고루 천천히 부었다. Fig. 5는 실험 데이터이다.

Cases S1~S4 실험의 경우 네 가지 모두 CH006 센서를 제외하고 온도저하가 크지 않았다. 또한 Case S2와 Case S4 실험에서 수리학적 불안정을 주었을 때 완전차수가 되지 않고 강관 안으로 물이 침투하는 것을 확인하였다. 따라서 소성이 없는 지반에서 동결공법을 사용할 경우 동결효율이 좋지 않으며, 수리학적·역학적 안정성을 확보하기 어려울 것으로 판단된다.

5.2 화강풍화토

화강풍화토를 이용하여 지반을 조성한 뒤 실험을 진행하였다. 실험의 조건은 Table 5와 같으며, Types A와 B 실험에서는 15분 동안 액체질소를 분사하였으며 Types C와 D 실험에서는 30분 동안 액체질소를 분사하였다. Types B 와 D 실험에서는 실험 시작 3분 후에 수리학적 불안정을 재현하기 위해 15L의 물을 부었다. 다음 Fig. 6은 각각 CASE에 대한 실험 데이터이다.

최적함수비를 기준으로 최적함수비보다 평균 함수비가 낮은 실험은 Case WS1, Case WS4 실험 이였으며, 두 실험을 제외한 Case WS2, Case WS3, Case WS5, Case WS6 실험은 최적함수비 보다 높은 상태이다.

액체질소의 영향이 가장 민감하게 반응하는 것으로 관찰되는 CH002(오거의 날에 부착한 온도센서)위치에 부착된 센서가 Case WS1과 Case WS4 실험에서 액체질소 분사시간과 관계없이 –100°C를 넘지 못한 것을 알 수 있다. 반면 최적함수비를 넘은 나머지 실험의 경우 실험 시작 후 약 4분(240초)이 경과한 경우 –190°C에 근접한 것을 알 수 있다. Case WS1과 Case WS4를 비교해보면 액체질소 분사 시간에 따라 온도가 감소하는 것을 알 수 있으며, Case WS4의 경우 Case WS1보다 시간에 따른 온도 감소율이 더 높았다. 이는 함수비가 약 0.5 % 정도 높아 온도 감소가 촉진 된 것으로 판단된다. Cases WS1과 WS2, Cases WS4과 WS5는 각각 모든 조건은 동일 하지만 함수비만 다른 상태의 비교 실험이다. 두 실험에서 공통점은 함수비가 높은 Cases WS2과 WS5의 경우 액체질소 주입이 종료된 시점에서 약 0.16°C/s의 빠른 속도로 온도가 상승하는 반면 Case WS4는 0.07°C/s의 온도 상승률로 앞의 실험에 비해 43.8% 정도 온도 상승율이 작다. 이는 함수비가 높은 Cases WS2와 WS5에서는 오거 앞의 동결이 완료되어 인공동결토 층이 생겨 액체질소의 온도가 온전히 오거 날개로 전달되어 온도 하강 및 상승률이 가파른 것으로 판단된다.

Cases WS3과 WS6은 수리학적 불안정을 준 실험으로 두 실험 다 수리학적 불안정을 주었을 때 온도상승이 있었으며, 바로 다시 온도가 떨어지는 것을 확인하였다. 또한 Case WS6의 경우 모든 센서의 온도 하강이 있었으며, 이 실험을 통해 액체질소를 주입한 경우 동결토층이 생기고, 또한 동결이 된 경우 주변 지반으로 동결토층이 확장 되는 것을 알 수 있다. 동결은 관 주변의 흙과 관 입구로 동결이 되었으며 특히 관 입구는 돔 형태로 동결이 진행되었다. 또한 동결을 통해 수리학적 불안정 요인으로 작용한 20L의 물은 관 내부로 전혀 침투 하지 못하였다. Fig. 7은 동결 실험이 종료 된 후 관 주변과 오거의 사진이며, (c)의 경우 실험이 종료 된 후 관 위로 직접 물을 부은 그림으로, 이때 차수가 완벽하게 되어 물이 고이는 것을 확인하였다. 이를 통해 인공 동결토 층으로 인해 역학적 안정성과 차수가 가능 한 것으로 판단된다.

일반적인 흙의 열전도도은 불포화 시 0.4~1.1 W/m.K 이며 포화 시 1.5~2.6 W/m.K로 2배 이상의 큰 차이가 있다(Sundberg, 1988). 건조한 공기의 경우 열전도율은 약 0.026 W/m.K이며, 물의 열전도율은 액체 중에 높은 편에 속하는 0.6 W/m.K이다(Shin, 2007). 최적함수비 상태의 지반에서 다짐이 잘 되며 따라서 흙의 높은 열전도율로 인해 극저온의 온도가 빨리 전파되는 것으로 분석하였으며, 동결속도는 흙의 밀도가 큰 영향을 미치는 요소 중 하나라고 판단된다(Park et al., 2016). 또한 최적함수비 이하의 지반에서 간극을 구성하는 물의 부피 보다 최적함수비 이상의 지반의 간극을 구성하는 물의 부피가 더 커 열전도가 빨리되며, 동결에 필요한 수분이 더 많아 동결에 더 유리한 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구 결과를 바탕으로 실제 강관압입공법 시공 시 수리학적․역학적 불안정으로 인한 붕괴 징후가 있을 경우, 액체질소를 이용하여 물과 흙의 유동성을 저하시키면서 굴착이 가능할 것으로 판단된다. 액체질소 동결공법을 이용한 실내 모형실험 데이터를 분석한 결과는 다음과 같다.

(1) 소성이 없는 지반에서는 동결효과가 거의 없었으며, 차수가 되지 않는 것으로 관찰되었다.

(2)파쇄모래 지반의 경우 동상이 잘 일어나는 0.1mm이하의 입자가 약 6.8%이며, 화강풍화토 지반의 경우 0.1mm이하의 입자가 약 10.9% 이기 때문에 화강풍화토 지반의 동결효과가 비교적 큰 것으로 분석되었다.

(3)소성이 있는 지반에서는 최적함수비를 기준으로 최적함수비를 넘는 함수비를 가진 지반에서는 동결효율이 좋으며, 또한 액체질소를 분사하는 시간이 길면 길수록 동결이 많이 되며, 동결 시간 및 효율에 영향을 미치는 요소는 함수비이다.

(4)하향구배로 굴착을 진행 할 경우 기화되지 않은 액체질소가 관 밖으로 나오지 않고 동결이 필요한 부분에 모여 있다가 기화가 되어 기체로 나오는 것을 보았을 때, 액체질소를 이용한 동결공법을 이용할 경우 하향구배의 굴착이 액체질소의 효율에 더 좋은 것으로 나타났다.

(5)수리학적 불안정을 주었을 경우에 온도가 상승하는 것을 확인 할 수 있지만 영상으로 오르지 않고 영하에서 다시 온도가 떨어지고 동결이 되어 차수가 되는 것을 확인하였다.

(6)실험 시에는 평균 다짐도가 약 80% 이었지만 약 90%일 경우 기존 동결 능력보다 높은 것으로 확인되었다. 따라서 최적함수비보다 함수비가 높고 90%이상의 다짐도 일 경우 액체질소 동결공법의 최적의 조건으로 분석되었다.

이를 정량화하기 위해서 앞으로 추가적인 실험 및 연구개발이 필요하다. 불안정 지반의 굴착을 위해서는 (1) 액체 질소 가스 주입 압력 조절 기술, (2) 지반 조건에 따라 액체 질소 주입량과 동결효율, (3) 강관압입공법에 사용되는 강관압입각도, (4) 동결 시 오거 관입이 역학적 수리학적 지반 안정화에 미치는 영향에 대한 분석이 필요하다.