1. 서 론

일반적으로 저유동성 몰탈형 주입공법은 슬럼프 10 cm 이하의 저유동성을 갖는 몰탈형 주입공법으로 주입재료를 지중에 높은 압력으로 주입을 시켜 지반내의 압밀효과를 통한 공극을 줄여 지반의 밀도를 증가시키면서 지중에 몰탈형 고결체 기둥을 형성하는 지반보강공사를 통하여 침하방지 및 기초보강 등 도로, 건물 및 항만 등 많은 곳에서 지반의 안정성을 확보하는 기술이다. 저유동성 몰탈형 그라우팅공법은 1950년 초에 미국에서 개발되어, 1977년 도시지역 연약지반 터널굴착에 따른 지반의 이완 및 침하방지를 위하여 적용된 이래 대규모 플랜트 부지의 지반개량 및 보강 그리고 부등침하된 구조물의 원상복구 등을 위한 유효한 공법으로 실용화 되어 왔다(^{Chun et al., 2000}).

00군에서 발주한 00고개지구 급경사지 붕괴 위험지역은 지반하부의 토립자 유출로 인한 지반 침하를 방지하고 안성을 확보하기 위하여 저유동성 뫁탈 그라우팅 공법이 채택되었다. 그러나, 저유동성 몰탈형 그라우팅 주입 시 높은 압력으로 인한 지반 파괴, 도로 침하, 비탈면 붕괴 및 주입재 이탈 피해가 발생할 가능성이 있다(^{Hankook Geotech, 2019}). 상기와 같은 문제점을 효과적으로 해결하기 위하여, 본 연구에서는 저유동성 몰탈형 그라우팅 주입 시 지반의 주입압력을 안전하게 제어 관리 할 수 있는 자동화 그라우팅 시스템(AGS; Automatic Grouting System)을 기반으로 한 저유동성 몰탈형 그라우팅 공법으로 개선하였다.

^Ahn(2018)에 의하면 자동화 그라우팅 장비의 적용으로 모든 데이터가 영구히 기록 및 보전을 할 수 있어 측적된 데이터에 대한 정밀한 분석을 통해 그라우팅 품질관리를 향상할 수 있으며 자동화 그라우팅 장비 사용 의무 확대가 필요하다고 하였다. 또한, ^Nam(2015)에 따르면 아직까지 건설현장에서 범용적으로 적용되고 있는 기존 그라우팅 기술은 단순히 압력을 가해서 채워 넣기만 하면 되는 단순한 공정으로 인식되어 시공 중 적절한 품질관리가 되지못하여 지반함몰 등이 발생했을 때도 원인 규명이 쉽지 않아 책임소재 파악이 어려운 문제점이 있어 자동화 그라우팅 장비의 필요성을 언급하였다.

본 연구의 주요 목적은 자동화 그라우팅 시스템을 융합한 개선된 저유동성 몰탈형 그라우팅공법의 현장 적용성 검증을 통해 급경사지 도로의 붕괴방지 및 토립자 유출방지 등으로 인한 안정성을 확보할 뿐만 아니라, 저유동성 몰탈형 그라우팅공법의 적용되는 모든 지반보강그라우팅 공사에 확대 적용 할 수 있는 기틀을 마련하고자 한다.

2. 개선된 저유동성 몰탈형 그라우팅 공법

기존 저유동성 몰탈형 그라우팅 공법의 경우 시공 중 주입압력에 대하여 아날로그 압력 게이지를 수치를 작업자가 확인해야 되며, 시공에 대한 품질관리가 작업자의 경험에 많이 의존하였다. 높은 압력으로 시공되는 압밀 그라우팅 공사 중 지반 융기, 수압파쇄 및 주입재 유출 등 문제점에 대하여 자동화 그라우팅 시스템을 적용함으로서 이에 대한 관리가 경험적인 기준에서 정량적인 수치 관리로 전환되었다. 또한, 주입량에 대한 저유동성 몰탈 주입 펌프의 피스톤 횟수로 측정하여 간접적으로 기록한 주입량에 대해서도 전자유량계를 활용한 수치적 정확도를 높였다. Table 1은 상기 언급한 기존기술의 문제점 등을 포함한 본 연구에서 개선한 저유동성 몰탈형 그라우팅 기술과 기존 저유동성 몰탈형 그라우팅 기술을 상세하게 비교한 것이다.

Fig. 1은 개선된 저유동성 몰탈형 그라우팅 공법의 시공모식도이다. 본 연구는 개선한 저유동성 몰탈형 주입공법은 자동화 그라우팅 시스템을 기반으로 특히, 고압조건 예비그라우팅시험에 의한 그라우팅 시공조건 결정 방법 및 개선된 자동화 시스템을 이용하여 실시간 감지된 P~q~t 챠트 유형 분석을 통한 그라우팅 주입 시공기술로 구성된다. 또한, 개선된 기술의 주입효과를 평가하기 위한 시공 전․후 현장투수계수 시험 및 시공 후 코아 회수율 측정 및 페놀프탈레인시약 반응시험 및 보링된 코아 시편을 이용한 일축압축강도시험이 포함된다.

Fig. 1.

Illustration of the Improved Low-Flow Mortar Type Grouting Method

3. 개선된 저유동성 몰탈형 그라우팅 공법의 현장적용 및 검증

3.1 현장현황

본 연구는 00도 00군에서 발주한 00고개지구 급경사지 붕괴 위험지역 정비공사의 일환으로 지반하부의 토립자 유출로 인한 지반 침하를 방지하고 안정성을 확보하기 위하여 새롭게 개선된 저유동성 몰탈형 그라우팅 공법을 적용한 연구를 수행하였다(Fig. 2).

Fig. 2.

Construction Site (Chung-Buk Province)

3.2 그라우팅계획

개선된 저유동성 몰탈형 그라우팅 자동화 시스템을 적용한 보강 심도는 연암상단까지 계획하였으며 현장 투수시험을 실시하여 원지반의 시공조건을 검토 하여 개선된 시공 기법을 도입하여 주입시공 시 지반파괴 위험을 미연에 차단 할 수 있는 근거를 마련하고자 하였다. 본 논문에서의 시험, 분석 및 평가에는 10번 홀, 22번 홀 및 40번 홀을 주로 적용하였다(Table 2).

Table 2.

The Grouting Plan of the Construction Section in the Road Site

Road construction section	Hole number	Foundation Field Permeability Test (cm/sec)
		#10	#40
113.0 m	126	4.50×10-4 ~ 1.39×10-3	5.36×10-4 ~ 7.19×10-3

3.3 그라우팅 설계 및 관리기준

저유동성 몰탈 주입재의 재료 배합구성은 시멘트, 조골재, 세골재 및 물로 구성되어 있으며 조골재는 10 mm 이하의 석분 및 세골재는 4 mm 이하의 마사토로 현장 자동배합을 통한 기준강도 유지 및 지중 내에 계획된 구근을 형성 할 수 재료로 구성된다. 공당 주입량은 지반의 특성 및 시공목적에 따라 계획하며, 주입재료를 지중에 높은 압력으로 주입을 시켜 원 지반의 압밀효과를 통한 지중의 밀도 증가와 몰탈형 고결체 기둥 형성을 통한 지반보강으로 당 현장의 목표 구근 직경은 0.8 m를 기준으로 단위 m 당 저유동성 몰탈 주입량은 0.5024 m³를 계획하였다(Table 3).

현장 자동배합플랜트를 활용한 현장 지중의 여건에 따른 즉각적인 배합관리대응이 가능하며 배합관리기준으로 배합된 몰탈형 주입재의 슬럼프치 측정을 통한 1~10 cm 이내 및 저유동성 몰탈 공시체 일축압축강도시험과 현장 시공 후 코아 채취를 통한 일축압축강도가 5 MPa 이상유지 될 수 있도록 관리하였다(Fig. 3).

Fig. 3.

The Result of Slump Test and Unconfined Compression Test

3.4 고압조건 예비그라우팅시험에 의한 그라우팅 시공조건 결정

일반적으로 연약 및 토사층에는 물을 사용하는 한계주수시험 방법을 이용하여 주입지반의 최대허용 주입압력 및 최대허용 주입속도를 결정하며 이 방법은 저압~중압 그라우팅 영역에서 적용이 가능하다. 그러나, 저 유동 몰탈 그라우팅은 50~100 kg/cm² 이내의 높은 압력을 사용하기 때문에 본 연구에서는 기존 한계주수시험 방법을 응용하여 주입재료를 이용하여 천공된 홀에 예비 그라우팅 형식의 고압 그라우팅을 실시하여 실제 지반에서 그라우팅이 가능한 최대 허용주입압력과 최대 허용주입속도를 구하는 방법을 채택하였다.

고압조건 예비 그라우팅시험은 주 연구대상 홀인 10번 공과 40번 공 사이에 있는 22번 공에서 실시하였으며 시험결과평가에 의하여 최대 허용주입압력을 50.0 kgf/cm² 이하 및 최대 허용주입속도를 180.0 L/min 이하로 시공조건을 결정하였다(Table 4).

Table 4.

Estimation of High-Pressure Injection Test

No. 22	TEST Result
Result DATA
Soil Type	∙ Weathered rock & Soil
Test Result	∙ Maximum grouting pressure 58.1 kgf/cm2 ∙ Maximum grouting amount 200.2 L/min
Grouting Condition	∙ Limit grouting pressure (pcr) : 50 kgf/cm2 ∙ Limit grouting amount (qcr) : 180 L/min

3.5 자동화 그라우팅 시스템을 적용한 주입시공

일반적으로 저유동성 몰탈 주입공법의 주입상태를 실시간 평가 할 수 있는 방법이 거의 없었는데 ^{Minstry(1988)}, ^Kim(2012)에 의해 개발된 주입유형에 의한 주입상태 평가기술의 도입으로 편리하게 시공 중 실시간 그라우팅 시공상태를 확인하고 조치 할 수 있었다. 특히, 10번 공의 경우, 자동화 그라우팅 시스템을 적용한 주입관리 결과 원지반의 압밀효과와 동시에 몰탈구근형성이 이루어 진 것으로 A유형 영역의 경우 사질층에서 이상적인 보강주입의 경우이며 E유형 영역의 경우 지중에 주입된 저유동성 몰탈이 주입압력으로 인한 지중내의 압밀효과에 따른 그라우팅 주입이 적절히 이루어지고 있다고 볼 수 있다(Table 5).

Table 5.

Real-Time Grouting Type Analysis in Grouting (Hole No.10)

Grouting Chart			Hole N0	10
			Grouting Depth	9.8 m (3 step)
			Grouting Time	34~35 minute
			Grouting Amount	1,509 ℓ
			Fine Aggregate	0.75 m3
			Coarse Aggregate	0.75 m3
			Cement	422 kg
Grouting Type Analysis	A Type	A Type : Grouting pressure increases sharply sometime after grouting starts ① Ideal permeation grouting in sandy soil
	E Type	E Type : Grouting pressure increases repeating in the pattern of going up and down ① Ground fracture of grout material injected first occurs progressively because of the newly permeating grout material. Thus, it can be considered that proper grouting is being achieved.

3.6 주입효과 분석 및 평가

주입효과 분석 및 평가에 적용된 10번 및 40번 위치에서의 시공 전·후 투수시험의 비교 분석과 개선된 저유동성 몰탈 주입공법을 적용한 지반보강 완료 구간에 대하여 코아보링을 통한 보강된 지반의 코아 시편의 회수율과 일축압축강도 측정을 통한 시공효과를 확인 하였다. 그 결과 시공 후 투수계수 8.32×10^-5~1.57×10^-5 cm/sec(기준치 2.0×10^-4 cm/sec 이하)로 시공 전 지하수 유출로 인한 토립자 유실을 시공 후 투수계수가 관리기준치 이하로 측정되었다(Table 6).

코아 보링 결과 코아 회수율은 평균 81.5 %이며 페놀프탈레인 시약 반응 시험결과 시공 전 구간에 걸쳐 저유동성 몰탈 주입재가 확인 되었다(Fig. 4). 시편을 10번 및 40번 위치에서 각각 2개씩 총 4개를 채취하여 일축압축강도시험을 측정결과 17.9~23.3 MPa 으로 측정되었으며 관리기준치 5 MPa 이상으로 충분한 지지력을 확보 하였다(Fig. 5).

Fig. 4.

Total Core Recovery & Phenolphthalein Reaction Test

Fig. 5.

Unconfined Compression Test

4. 결 론

본 연구는 노후 지방도 급경사지 도로구간의 지하수 등으로 인한 토립자 유출 및 침하가 발생하여 도로 통행에 대하여 안전성을 확보하기 위하여 통행 중인 구간을 최대한 보존하며 시공성을 고려한 저유동성 몰탈형 주입공법 그라우팅 기술이 선정됨에 따라 본 현장의 시공목적에 적합하게 기존 일반적인 저유동성 공법을 새롭게 개선하여 시공 및 검증하는 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 본 연구에서 새롭게 개선한 저유동성 몰탈형 그라우팅 공법의 요소기술은 개선된 자동화 그라우팅 기술을 기반으로 특히, 고압조건 예비그라우팅시험에 의한 그라우팅 시공조건 결정 방법 및 개선된 자동화 시스템을 이용하여 실시간 감지된 P~q~t 챠트 유형 분석을 통한 그라우팅 주입 시공 기술이며, 개선된 기술의 주입효과를 평가하기 위하여 시공 전․후 현장투수계수 시험 및 시공 후 코아 회수율 측정 및 페놀프탈레인시약 반응시험 및 보링된 코아 시편을 이용한 일축압축강도시험을 수행하였다.

(2) 개선된 저유동성 몰탈형 그라우팅 공법을 본 현장에 적용하여 10번 홀 및 40번 홀 위치에서 현장투수계수시험을 실시한 결과 시공 전 투수계수가 8.33 × 10^-4 ~ 1.39 × 10^-3 cm/sec 에서 시공 후 투수계수가 8.32×10^-5 ~ 1.57×10^-5 cm/sec 으로 본 현장의 투수계수 관리기준치인 2.0×10^-4 cm/sec 이하를 만족하였다.

(3) 개선된 저유동성 몰탈형 그라우팅 공법을 본 현장에 적용한 후 시추된 코아의 회수율은 평균 81.5 %이며 페놀프탈레인 시약 반응 시험결과 시공된 전 구간에서 저유동성 몰탈 주입재가 확인 되었다. 특히, 10번 홀 및 40번 홀 위치에서 각각 2개씩 총 4개의 시편을 채취하여 일축압축강도시험을 수행한 결과 17.9 ~ 23.3 MPa으로 측정되었으며 본 현장의 일축압축강도 관리기준치인 5 MPa 이상을 만족하였다.

(4) 개선된 저유동성 몰탈형 그라우팅공법의 적용으로 적용현장의 노후 도로 상부의 급경사지에서의 지하수 유출에 의한 토립자 유출 방지 및 기존 운영 도로부의 침하 가능성을 효과적으로 방지하였다고 판단됨에 따라 개선된 기술의 실효성을 충분히 검증하였다고 사료된다. 본 연구에서 개선된 기술을 이용하여 향후 유사한 노후화된 도로의 비탈면에서의 지하수에 의한 토립자 유출방지 등 유지보수공사 뿐만 아니라 각종 SOC시설물의 내진보강 및 침하방지 공사 등 다양한 공사에 적용될 수 있는 가능성을 확인하였다고 사료된다.