1. 서 론

인공동결공법(artificial ground freezing method)은 지중에 매설된 동결관(freezing pipe) 내로 냉매(refrigerant)를 순환시켜 대상 지반에 차수벽 및 지지체의 역할을 할 수 있는 동결벽체(frozen wall)를 형성하는 차수 및 지반보강 공법이다(Andersland and Ladanyi, 2004). 인공동결공법은 냉매의 종류에 따라 브라인(brine, -20~-40°C)을 통한 완속 인공동결공법과 액화질소(liquid nitrogen, -196°C)를 통한 급속 인공동결공법으로 분류할 수 있다(Fig. 1).

특히, 인공동결공법은 지반 내 간극수를 동결시키는 공법으로 지하수 아래 모든 지반조건에서 적용이 가능하며, 약액(시멘트 등) 주입 없이 대상 지반을 일시적으로 동결융해시키는 친환경공법이다. 이러한 장점을 바탕으로 유럽, 미국, 일본, 싱가포르 등 해외선진국을 중심으로 연약지반에서의 차수 및 지반보강 공법으로 인공동결공법을 활발하게 적용하고 있다(Crippa and Manassero, 2006; Manassero et al., 2008; Pimentel et al., 2012; Papakonstantinou et al., 2013; Russo et al., 2015). 특히, 최근 중국에서도 연약지반에서의 터널공사에서 인공동결공법을 적극적으로 적용하고 있다(Geng et al., 2010; Liu and Chen, 2010; Qin et al., 2010; Sun and Qiu, 2012; Yan and Xu, 2012; Han et al., 2016).

본 논문에서는 해성 점토지반(marine clay)에 대한 인공동결공법 현장실증시험을 수행함으로서 인공동결공법에 따른 해성 점토지반의 동결속도(freezing rate)를 평가하였다. 현장실증시험은 동결관을 지표면과 수직으로 지중에 매설한 후 동결관 내로 –196°C의 액화질소를 순환시키는 방법으로 수행되었다. 동결관 1공에 대한 단일공 시험(single freezing pipe test)과 동결관 2공에 대한 동결벽체 형성 시험(frozen wall formation test)을 수행하였으며, 동결과정에서 동결관 외벽 및 지중의 온도변화를 측정하였다.

2. 인공동결공법 현장실증시험

2.1 현장실증시험 부지

본 현장실증시험은 인공동결공법에 따른 해성 점토지반의 동결속도를 평가하기 위하여 전라남도 신안군에 위치한 해안가에서 수행되었다. 이 현장실증시험 장소는 과거 염전으로 사용되었다. 현장부지의 지질조건을 파악하기 위해 총 3곳에서 약 20m 깊이의 시추조사를 수행하였으며, Fig. 2에 시추조사 결과를 나타내었다.

동결관이 매설된 지표 하 1.0~4.2m 구간은 N치가 2-3인 매우 연약(very soft)한 지반으로 파악되었고, 피스톤 샘플러(piston sampler)로 채취된 직경 76mm (NX 코어)의 비교란 시료에 대한 실내시험을 통해 해당 지반의 토성 및 역학적 특성을 평가하였다(Table 1).

또한, 인공동결공법의 동결효율에 직접적인 영향을 미치는 지반의 열전도도(thermal conductivity)는 인공동결공법 적용 시 중요하게 고려되는 설계요소로서 동결 전(unfrozen)과 동결상태(frozen)에 대한 열전도도 평가가 선행되어야 한다. 본 논문에서는 해당 지반의 열전도도를 평가하기 위하여 0.023~12.0W/mK, -10~200°C의 측정범위 및 ±5%의 정밀도와 ±3%의 재현성을 갖는 프로브(PD-13)가 장착된 열전도도 측정기인 QTM-500(Kyoto Electronics)을 이용하여 현장에서 채취한 비교란 시료의 열전도도를 동결 전(비동결 시료)과 -10°C로 동결된 시료에 대하여 측정하였다. 비동결 시료의 경우에는 약 15°C의 상온에서 열전도도를 측정하였고, 동결시료의 경우에는 -10°C의 냉동고에서 24시간 동안 동결시료를 조성한 후 냉동고 내부에서 열전도도를 측정하였다(Fig. 3). 동결 전과 동결상태의 열전도도 시험결과를 Table 2에 정리하였다.

2.2 현장실증시험 개요

본 현장실증시험을 위해서 스테인리스강(stainless steel, SUS) 재질로 제작된 외경 89.1mm, 길이 3.8m (외관 3.2m, 내관 0.6m)의 동결관이 시공되었다(Fig. 4(a)). 이 때, 동결관 외관(outer pipe)과 지반과의 밀실한 접촉을 위하여 지표와 수직으로 3m 깊이로 굴착한 후에 동결관을 위치시키고 유압으로 0.2m를 밀어 넣어 시공하였다. 동결관 내관(inner pipe)은 지표 상부에서 동결관 외관에 삽입하여 설치하였다. 또한, 동결관의 동결효율을 최대로 하기 위하여 동결관 내관에 설치된 유입부(inlet)과 유출부(outlet) 사이에 단열재(insulator)를 충진함으로서 주입되는 냉매, 유출되는 냉매, 그리고 외부 공기 사이의 열교환을 최소화하였다.

본 현장실증시험에 적용된 초저온 냉매인 액화질소는 Fig. 4(b)에 나타낸 것처럼 유입부를 통해 동결관 끝단으로 주입된 후 동결관 상부로 이동하면서 지반과 열교환이 이루어진다. 지반과의 열교환을 통해 기체로 상변화된 질소는 동결관 상부에 위치한 유출부를 통해 대기로 배출된다.

본 논문에서는 총 2가지 조건에 대한 인공동결공법 현장실증시험을 수행하였다. 먼저, 동결관 1공에 대한 단일공 시험을 수행함으로서 해성 점토지반의 동결속도를 평가하였다. 두 번째로 2공의 동결관 사이에 동결벽체를 형성시키는 동결벽체 형성 시험을 수행함으로서 해성 점토지반에 대한 인공동결공법을 모사하였다.

2.2.1 단일공 시험

단일공 시험은 동결관 1공을 통해 주변 지반을 원통 형태로 동결시켜 해성 점토지반의 방사방향 동결속도를 평가하기 위한 목적으로 수행되었다. 동결과정에서 지반의 온도변화를 측정하기 위하여 동결관으로부터 거리에 따라 총 3공의 온도공(temperature- measuring hole A to C)을 설치하였다(Fig. 5). 온도공은 0.25m 간격으로 시공되었으며, 각 온도공에 깊이방향으로 0.5m 간격(지표 하 0.7m, 1.2m, 1.7m, 2.2m, 2.7m, 3.2m, 3.7m, 4.2m)으로 열전대(thermocouple)를 설치하여 동결과정 중 온도를 측정하였다. 또한, 지표를 단열함으로서 외기조건의 영향을 최소화하였다.

2.2.2 동결벽체 형성 시험

동결벽체 형성 시험에서는 2공의 동결관 사이에 동결벽체를 형성시킴으로서 인공동결공법의 시공과정을 모사하였다. 이 때, 동결관의 간격은 문헌조사에서 주로 제시한 1m로 설계하였다(Konard, 2002; Crippa and Manassero, 2006; Li and Wang, 2010). 동결과정에서 지반의 온도변화를 측정하기 위하여 2공의 동결관 사이에 총 7공의 온도공(temperature-measuring hole A’ to G’)을 설치하였다(Fig. 6). 온도공의 간격(횡방향)과 열전대의 간격(깊이방향)은 단일공 시험과 동일한 0.25m와 0.5m가 각각 적용되었다.

3. 인공동결공법 현장실증시험 결과

간극수의 염분농도는 간극수의 어는점을 낮추기 때문에 인공동결공법의 동결속도 및 동결 완료시점 결정에 영향을 미친다. 본 시험현장은 바다와 인접하여 간극수의 염분농도가 해수의 평균염분농도인 35‰의 약 50%인 17.7‰로 측정되었으며, 이에 따른 간극수의 어는점 내림은 –0.96°C로 산정되었다(Arenson and Sego, 2006). 이를 바탕으로 각 시험조건에 대한 동결소요시간을 산정하였다.

3.1 단일공 시험

단일공 시험에서는 동결시스템에 설치된 자동밸브를 통해 액화질소의 유출온도를 약 –170°C로 유지시켰으며, 단일공 시험 중 열전대를 통해 계측된 시간에 따른 동결관 외벽 및 지중의 온도변화를 Fig. 7에 나타내었다.

1공의 동결관에 의해 형성되는 동결체의 범위는 시간에 따라 동결관을 중심으로 방사방향으로 증가된다(Fig. 8). 본 시험에서는 동결관으로부터 0.5m 거리까지 동결체를 형성시켰고, Table 3에 각 동결체 형성단계에서의 동결소요시간을 정리하였다.

시험 결과, 동결관 주변으로 부피가 약 2.12m³ (반지름 약 0.5m, 높이 약 2.7m)인 원기둥 모양의 동결체를 형성시키는데 총 3.5일(84시간)이 소요되었다. 이 때, 약 11.9ton의 액화질소가 소요된 것으로 산정되었다.

3.2 동결벽체 형성 시험

동결벽체 형성 시험에서는 액화질소의 유출온도를 약 –180°C로 유지시켰고, 동결벽체 형성 시험 중 열전대를 통해 측정된 시간에 따른 동결관 외벽의 온도변화를 Fig. 9에 나타내었다.

2공의 동결관을 통한 동결벽체의 형성과정은 다음과 같이 4단계로 분류할 수 있다(Fig. 10). Step 1는 각 동결관으로부터 반경 0.25m의 동결체가 형성된 단계, Step 2는 각 동결관으로부터 형성된 두 동결체가 접한 상태로 동결벽체가 형성되기 시작하는 단계, Step 3은 동결벽체의 두께가 0.5m까지 형성된 단계, Step 4는 동결벽체의 두께가 1.0m까지 형성되는 단계이다. 동결벽체 형성 시험에서의 목표 동결두께는 일반적으로 실제 인공동결공법 적용시, 목표로 하는 1m가 적용되었다(Konard, 2002; Crippa and Manassero, 2006; Li and Wang, 2010).

이 때, 지하수의 흐름이 존재하는 지반에서 인공동결공법을 적용할 경우, 지하수의 흐름에 의하여 동결관을 중심으로 형성되는 동결체가 동심원 모양이 아닌 타원모양으로 형성된다. 지하수 유속이 빠를수록 동결체가 세장한 타원모양으로 형성되고, 지하수 유속이 일정값 이상으로 증가할 경우에는 동결벽체가 형성되지 않는다. 일반적으로 인공동결공법 실제로 적용 시, 브라인 공법은 2m/day, 액화질소 공법은 8m/day를 한계 지하수 유속으로 고려하고 있다(Pimentel et al., 2012). 그림 9에 나타난 것처럼 두 동결관으로부터 동일한 거리에 위치한 온도공 A’와 C’ (동결관으로부터 0.25m), 온도공 E’와 F’ (동결관으로부터 0.56m), 그리고 온도공 D’와 G’ (동결관으로부터 0.71m)의 동결속도가 각각 비교적 유사하게 산정된 것은 동결체가 동심원 모양으로 형성됨을 시사한다. 즉, 동결속도에 대한 본 현장부지의 지하수 유속의 영향은 미미하다고 사료된다.

각 단계에서 산정된 동결소요시간을 Table 4에 정리하였다.

3.3 결과 분석

본 동결벽체 형성 시험에서는 동결벽체의 목표 동결두께를 1m로 설정하여 step 4까지 지반동결을 수행하였다. 시험 결과, 표 4에 나타낸 것처럼 2공의 동결관 사이에 1m 두께의 동결벽체를 형성시키는데 총 98.2시간이 소요되었고, 이는 동결관 끝단(지표하 3.2m)에서의 동결소요시간이다. 그러나 동결관 끝단을 제외한 동결관 상부 지점들(지표 하 0.7~2.7m)에서는 동결소요시간이 동결관 끝단에 비해 다소 적은 75.6~81.8시간으로 산정되었다. 이러한 결과는 동결관 1공에 대한 단일공 시험에서도 유사하게 도출되었다(Table 3). 이는 동결관 아래 끝단의 경계조건으로 인하여 지표 하 3.2m 지점에서는 동결관 끝단 하부의 지중 온도에 대한 영향 때문에 동결관 상부 위치에 비하여 동결소요시간이 크게 소요된 것으로 판단된다. 인공동결공법의 동결 완료시점은 목표 동결범위의 전 깊이에서 설정온도 이하가 되는 시점이므로, 인공동결공법 시공 시 동결취약 구간인 동결관 끝단에 대한 모니터링이 특히 중요하다.

인공동결공법을 적용할 때 지반의 방사방향 동결속도를 Eq. (1)과 같이 산정할 수 있다.

     (1)

여기서, 는 방사방향 1차원 동결속도, 는 동결반경, t는 동결소요시간이다. 동결관 3.2m 깊이 중 중간 위치인 지표하 1.7m 지점에서 동결체의 반경에 따른 방사방향 1차원 동결속도를 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11에 나타낸 것처럼 두 가지 시험조건에서 동결반경이 증가할수록 방사방향 1차원 동결속도가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 단, 단일공 시험에 비하여 동결벽체 형성 시험의 방사방향 1차원 동결속도가 비교적 크게 산정되었다. 이는 동결벽체 형성 시험의 경우에 인접한 동결관이 추가로 저온의 경계조건으로 작용하여 단일공 시험에 비하여 방사방향 1차원 동결속도가 크게 산정된 것으로 판단된다.

이는 임의의 깊이에서 동결면적이 동결반경에 비례하는 것이 아니라 동결반경의 제곱에 비례하기 때문이고, 각 단계에서의 동결면적을 Eq. (2), (3)와 같이 나타낼 수 있다.

     (2)

     (3)

여기서, A_f는 동결면적, n은 초기단계의 동결반경과의 비율이다.

방사방향 2차원 동결속도를 Eq. (4), (5)과 같이 나타낼 수 있다. 이 때, 동결관을 통해 주입되는 냉열 에너지가 시간에 따라 일정하고, 동결된 이후에는 열 에너지를 흡수하거나 방출하지 않는다고 가정할 경우에 각 단계에서 방사방향 2차원 동결속도는 일정하다.

     (4)

     (5)

     (6)

따라서, 방사방향 1차원 동결속도를 Eq. (7), (8)와 같이 나타낼 수 있고, 동결반경이 n배 만큼 증가되면 방사방향 1차원 동결속도는 n배 만큼 감소한다.

     (7)

     (8)

Fig. 11에 나타낸 것처럼 두 가지 시험조건에서 산정식의 오차율이 10% 이내로 평가되었다. 인공동결공법 시공 시 초기의 방사방향 1차원 동결속도를 통해 각 단계에서의 방사방향 1차원 동결속도를 산정할 수 있고, 최종적으로 동결 완료시점을 예측할 수 있을 것으로 사료된다. 단, 본 논문에서 제시한 방사방향 1차원 동결속도 산정식은 현장실증시험을 통해 도출된 경험식이므로 대상현장의 해성 점토지반이 아닌 다른 지반조건에 적용할 경우, 추가적인 검증이 필요하다.

4. 결 론

본 논문에서는 해성 점토지반에 대한 인공동결공법 현장실증시험을 수행함으로서 인공동결공법에 따른 해성 점토지반의 동결속도를 평가하였다. 현장실증시험은 1m 간격으로 지중에 매설된 3.2m 길이의 동결관에 냉매온도 –196°C인 초저온 액화질소를 순환시키는 방법으로 수행되었다. 이 때, 자동밸브를 통해 액화질소의 유출온도를 일정하게 유지시켰으며, 동결과정에서 동결관 외벽 및 지중의 온도변화를 측정하였다.

(1) 본 현장실증시험에서는 동결관 1공에 대한 단일공 시험과 2공의 동결관 사이에 동결벽체를 형성시키는 동결벽체 형성 시험을 수행하였다. 시험 결과, 단일공 시험은 부피가 약 2.12m³ (반지름 약 0.5m, 높이 약 2.7m)인 원기둥 모양의 동결체를 형성하는데 총 3.5일 동안 약 11.9ton의 액화질소가 소요되었고, 동결벽체 형성 시험은 부피 약 7.04m³ (가로 약 2.2m, 세로 약 1.0m, 높이 약 3.2m)의 동결벽체를 형성하는데 총 4.1일 동안 약 18ton의 액화질소가 소요된 것으로 산정되었다.

(2) 시험 결과, 동결관 끝단에 비하여 동결관 상부에서 동결소요시간이 다소 적게 산정되었다. 이는 동결관 끝단 하부의 지중 온도에 대한 영향 때문에 동결관 상부 위치에 비하여 동결소요시간이 크게 소요된 것으로 판단된다. 인공동결공법의 동결 완료시점은 목표 동결범위가 모두 동결온도 이하로 평가되는 시점이므로 동결관 끝단의 온도가 중요한 모니터링 항목으로 판단된다.

(3) 인공동결공법의 방사방향 1차원 동결속도는 동결반경과 동결소요시간으로 산정할 수 있다. 동결관을 중심으로 동심원 모양으로 증가되는 임의의 깊이에서의 동결면적은 동결반경이 아닌 동결반경의 제곱에 비례하기 때문에 동결반경이 n배 만큼 증가할수록 방사방향 1차원 동결속도는 n배 만큼 감소한다. 따라서 인공동결공법 시공 시 초기 방사방향 1차원 동결속도를 통해 동결 완료시점을 예측할 수 있을 것으로 사료된다.