2.1 기존 상태평가 기준 검토 및 한계 분석

고속도로 지중구조물 점검에 준용되어 온 국내외 4개 기준을 Table 1에 정리하였다. 분석 대상은 3종 시설물 평가매뉴얼(터널 및 지하차도), 수문시설 세부지침(수문편), 서울시 사각형 암거 점검 지침, 미국 AASHTO Culvert Inspection Guide (2020)이다.

평가 결과, 기존 기준들의 공통적 한계는 다음 세 가지로 요약된다. 첫째, 전문가 의존성으로 영향계수와 등급점수를 곱하는 복잡한 계산 체계를 사용하여 현장 실무자가 즉시 적용하기 어렵다. 둘째, 이음부 평가의 부재로 현장조사에서 가장 빈번한 손상 경로인 시공이음부 실링재 노후화를 독립 항목으로 체계적으로 다루지 않는다. 셋째, 고속도로 환경 미반영으로 성토하중, 반복 교통 진동, 고속도로 특유의 제설제 살포 환경 등이 평가 기준에 반영되어 있지 않다. AASHTO 기준은 6개 카테고리로 구성된 비교적 체계적인 방법이나 국내 지반 기후 교통 조건에 대한 검증이 없다는 한계가 있다.

2.2 현장조사 결과: 200개소 손상 발생 경향

본 연구에서는 고속도로 지중구조물의 손상유형과 손상발생 경향을 파악하고, 이를 상태평가 방법 도출에 반영하기 위해 공용 중인 지중구조물 200개소를 대상으로 정기안전점검 수준의 현장조사를 수행하였다.

조사대상은 고속도로 지중구조물 중 가장 큰 비중을 차지하는 박스형 콘크리트 박스암거(93.7%) 위주로 구성하였고, 공용연수 20∼50년 이상 및 현재 상태등급 B등급 이하 시설물 중심으로 표본을 구성하여 “노후⋅열화 시설물의 실태”가 충분히 반영되도록 했다. 지역적 편중을 줄이기 위해 전라권 84개소, 경상권 33개소, 충청권 46개소, 경기권 37개소로 분포를 구성하였다. 현장조사는 구조적⋅기능적 결함을 조기에 발견하고 신속한 조치로 연결하기 위한 목적으로 수행되었으며, 벽체⋅슬래브⋅이음부 및 부대시설 전반을 대상으로 손상유형(균열, 누수, 파손/손상, 박리, 박락/층분리, 백태, 재료분리, 철근노출 등)을 확인하였다.

200개소 현장조사 결과, 콘크리트 슬래브와 벽체에서는 박리와 균열이 가장 빈번하게 발생하였으며, 시공이음부는 대상 구조물 대부분에서 누수나 실링재 손상 등이 관측되었다. 부대시설의 경우 출입구 주변 날개벽⋅옹벽 부분의 손상이 가장 높은 빈도로 발생하였다.

Fig. 1은 200개소 지중구조물에서 손상 유형별 발생 빈도를 부재별로 정리한 것이다. 200개소 손상 원인 분석 결과, 슬래브의 경우 박리 88%, 균열 51%, 누수⋅백태 43%, 박락⋅층분리 37%, 백태 37%, 파손⋅손상 32%, 재료분리 24%, 철근노출 12%의 순으로 나타났다. 벽체에서는 박리 85%, 균열 81%, 재료분리 71%, 누수 40%, 박락⋅층분리 36%, 백태 25%, 파손⋅손상 22%, 철근노출 22%가 관측되었다. 이음부에서는 균열 81%, 누수 40%, 파손⋅손상 22%, 철근노출 22%가 발생하였다.

Fig. 1. Damage Occurrence Rate by Member Type. (n=200)

200개소 구조물 중 175개소(87.5%)에서 박리(열화)가 보편적으로 관찰되었으며, 공용연수 증가에 따라 노후화 열화 → 철근부식→ 박락⋅층분리⋅철근노출의 연쇄 손상 메커니즘이 확인되었다. 이음부에서는 실링재의 노후화에 의한 누수와 이에 따른 복합 손상이 주로 나타났으며, 누수 방치 시 배면 지반 세굴⋅침하로 발전하는 사례가 다수 확인되었다. 손상 유형은 설계⋅시공 단계의 결함, 물리적 손상, 시간 경과에 따른 열화의 세 가지 원인으로 분류할 수 있으며, 현장조사 결과 손상과 열화가 복합적으로 작용하는 경우가 지배적이었다.

2.3 고속도로 지중구조물 상태평가 방법

개발된 상태평가 방법은 Fig. 2에 나타낸 5단계 절차로 구성된다. ① 현장 육안 점검, ② 10개 항목 체크리스트 적용, ③ 항목별 O(0점) / △(0.5점) / X(1점) 점수 부여, ④ 결함지수 f = $\Sigma$점수/10 산정($0 \le f \le 1$), ⑤ A∼E 5단계 등급 결정의 순으로 진행하며, 전문가 계산 없이 현장 실무자가 육안 점검만으로 적용 가능하도록 설계하였다. 결함지수 등급 경계값(A: f<0.10, B: $0.10 \le f < 0.25$, C: $0.25 \le f < 0.55$, D: $0.55 \le f < 0.70$, E: $f \ge 0.70$)은 ｢시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(공동구편)｣의 결함지수 등급 기준(0.15 / 0.30 / 0.55 / 0.75)을 기본 골격으로 채택하되, 고속도로 지중구조물의 점검 항목 구성과 점수 부여 체계(O=0, △=0.5, X=1)에 부합하도록 조정하였다.

Fig. 2. Highway Underground Structure Condition Assessment Procedure

기존 기준들이 복잡한 영향계수 계산을 요구하는 것과 달리, O/△/X 체계는 점검자가 각 항목의 손상 상태를 3단계로 직관적으로 분류하고 합산한다는 점에서 현장 적용성을 크게 향상시킨 것이 핵심이다. O(=0점)는 육안으로 손상이 없거나 경미한 수준으로 구조적 안전에 문제가 없는 상태, △(=0.5점)는 손상이 관찰되나 즉각적 안전 우려가 없는 상태로 모니터링 또는 보수를 검토하는 단계, X(=1점)는 구조적 안전성 또는 사용성에 심각한 우려가 있는 상태로 즉각 조치가 필요한 경우이다.

Table 2는 최종 현장점검 체크리스트로, 슬래브⋅벽체 7항목, 시공이음부 3항목 총 10개 항목으로 구성된다. 각 항목에 대해 O/△/X 판정 기준과 현장 점검 착안사항을 함께 제시함으로써 현장 적용성을 높였다. 슬래브와 벽체는 동일한 7개 항목(균열⋅누수/백태⋅파손/손상⋅박리⋅박락/층분리⋅재료분리⋅철근노출)을 각각 독립 평가한다.

체크리스트에서 중요한 현장 착안사항으로, 균열은 콘크리트 균열관리 지침의 균열폭 0.3mm 이하이면 O, 0.5mm 수준이면 △, 1mm 이상이거나 종방향 균열의 경우 X로 판정한다. 박락⋅층분리는 철근부식 팽창에 의한 피복 탈락이 원인으로, 망상균열 형태 또는 철근 모양의 부풀어 오름이 관찰되면 층 분리가 진행 중인 주요 관측 지점으로 지정하고 △ 또는 X로 평가한다. 이음부 누수는 슬래브⋅벽체 누수와 분리하여 독립 체크하며, 이음부를 통한 토사 또는 식생 유입이 확인되면 배면 지반 세굴로 판단하고 X로 체크한 후 즉각적인 정밀 조사를 실시한다. 슬래브의 종방향 균열은 구조적 위험성으로 인해 어떤 경우에도 반드시 X로 판정하며, 이음부를 통한 토사 유입은 배면 지반 세굴의 징후이므로 반드시 X로 판정하고 긴급 조치를 수행한다.

2.4 결함지수 산정 및 5단계 등급 평가

본 연구에서 제안한 결함지수 산정 방법의 검증을 위해, 현장조사를 실시한 200개소 중 경기권 35개소를 대상으로 기존 점검 방법과 안전등급을 비교하였다. 제안된 방법은 시공이음부 실링재 상태, 박락 깊이, 종방향 균열 식별 등 정밀 육안 관측이 요구되는 항목을 다수 포함하므로, 점검자가 구조물 내부에 직접 접근하여 재조사가 가능한 경기권 35개소를 비교 표본으로 선정하였다. 비교 대상인 기존 방법은 한국도로공사가 통로암거 점검에 자체적으로 운영해 온 양호(A)/보통(B)/미흡(C) 3등급 체계로, 육안점검 결과를 부재별 구분 없이 종합 등급으로 산정하는 방식이다.

Table 3에서 확인할 수 있듯이, 동일 35개소에 두 체크리스트를 적용한 결과 안전등급 분포에 뚜렷한 차이가 나타났다. 기존 3등급 체계에서는 전체의 85.7%가 상위 두 등급(A: 48.6%, B: 37.1%)에 집중되어 결함이 없는 구조물 간의 상태 차이를 변별하기 어려웠다. 반면 제안된 5등급 체계에서는 A등급이 48.6%에서 20.0%로 감소하고, B⋅C등급이 각각 34.3%, D등급이 11.4%로 분포가 분산되었으며 E등급은 없었다. 이러한 변화는 슬래브⋅벽체⋅시공이음부⋅부대시설을 분리 평가하는 보완 체크리스트의 확장된 평가 범위와 세분화된 등급 체계에 따른 결과로 해석되며, 기존 방법에서 A등급으로 일괄 분류되었던 구조물들이 제안 방법에서는 B 또는 C등급으로 정밀하게 구분됨으로써 유지보수 우선순위 결정에 활용 가능한 실질적 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

3.1 실험 개요

염해 환경에서 방수공법이 지중 콘크리트 구조물 내구성에 미치는 영향을 실대형 시험체로 검증하기 위해, 방수재 종류와 레이어 수를 달리한 총 8개 케이스를 구성하였다(아스팔트계, 방수시트, 무기계 침투형 방수제, 흡수방지제 및 조합). 실험 조건은 3% 염화나트륨(NaCl) 수용액 담수 및 실외 야적 노출로 설정하고, 약 1년간 모니터링과 시험을 수행하였다.

3.2 시험체 제작 및 시험 방법

본 연구에서는 실제 통로암거 구조를 모사한 실대형 콘크리트 시험체를 제작하여 염해 저항 성능을 평가하였다. 시험체의 전체 제원은 장기 염해 노출 후 코어링을 통한 역학적⋅내구성 평가가 가능하도록 고려하여, 폭 1,500 mm, 깊이 1,000 mm, 높이 1,000 mm이며, 두께는 300 mm로 설계하였다. 사용 재료는 보통 포틀랜드 시멘트 1종과, 혼화재는 고로슬래그 미분말 3종과 플라이애시 2종을 병용하였으며, 배합비 상세는 Table 4에 정리하였다.

한편, 방수공법별 시험체 구성 및 레이어 조합은 Table 5에 제시하였다. 방수공법은 현행 KDS 44 90 00:2021에서 규정한 아스팔트계, 터널 현장 적용 빈도가 높은 시트형, 콘크리트 미세구조와 결합하는 무기계 침투형의 3가지 방수재료를 기반으로 총 8가지 방수 케이스를 구성하였다. Case 1은 비교 기준체(무방수)이며, Case 2∼4는 단일 레이어 공법(아스팔트계, 무기계 침투형, 방수시트), Case 5∼8는 2∼3레이어 복합 방수 시스템으로 구성하여 단일 공법과 복합 공법의 성능을 체계적으로 비교하였다.

Table 6은 시험체의 형상과 제작 과정, 방수 시공 완료 상태 및 염수 담수 조건에서의 시험 전경을 나타낸다. 방수 시공 전 표면 전처리(먼지⋅이물질⋅수분 제거)를 철저히 수행하고 시공 후 최소 24시간 이상의 건조 시간을 확보하였다. 염해 환경 조성을 위해 3% NaCl 수용액을 시험체 상부 수조의 90% 수위까지 채우고, 아크릴판으로 덮어 실리콘으로 밀봉하였다. 시험체는 실외 야적 상태로 1년간 노출하여 실제 지중구조물의 고온⋅저온⋅강우⋅동결 등 자연 환경을 재현하였다.

Table 6. Specimen Fabrication and Waterproofing Application Process

각 시험체에서 KS F 2422에 따라 직경 100mm × 길이 200mm 코어 4개씩(총 32개) 채취하였다. 압축강도는 KS F 2405에 따라 채취한 3개 코어의 평균값을 사용하였으며, 염소이온 농도는 NT Build 443 및 KS F 2713 에 따라 각 코어를 표면으로부터 10mm 간격으로 50mm 깊이까지 5단계로 분말 시료를 채취하여 측정하였다.

3.3 방수 공법별 압축강도 특성

방수재 종류 및 시공 레이어 수에 따른 압축강도 비교 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 무방수 기준체 Case 1(32.45MPa) 대비 방수 처리 시험체에서 3∼26%의 강도 변화가 관찰되었다. 아스팔트계 단독(Case 2)는 33.46MPa 로 3.1% 변화에 그쳤으며, 이는 도막층이 초기에는 차수 효과를 제공하나 장기 경화 및 열화 시 성능이 급감하는 특성을 반영한다.

Fig. 3. Compressive strength and relative change ratio to the uncoated reference (Case 1) by waterproofing case and number of layers.

반면 무기계 침투형 방수제(Case 3)은 38.30MPa로 17.9%가 변화되었는데, 이는 방수재 콘크리트 내 모세공극으로 침투하여 칼슘실리케이트 계열의 불용성 결정체를 형성함으로써 공극률이 저감된 결과로 해석된다. 이러한 공극 충전 메커니즘은 강도 확보 및 염소이온 확산 경로를 근본적으로 차단하는 이중 효과를 발휘한다는 점에서 단순한 표면 도막 방식과 본질적으로 다른 내구성 개선 원리를 가진다.

복합 방수공법에서는 더욱 뚜렷한 강도 유지 성능이 확인되었다. 방수시트+아스팔트계 시험체(Case 6)의 경우 40.86MPa로 26.0% 강도 차이가 확인되었으며, 3 레이어의 Case 8은 40.91MPa로 최고 강도를 기록하였으나 Case 6 대비 강도 차이는 1MPa 이내에 불과하여 성능 개선 효과가 미미하였다. 이는 3 레이어 이상에서 레이어의 증가가 기여하는 방수성능이 정체되었음을 의미하며, 방수 성능은 이미 2 레이어 수준에서 실질적 상한에 도달하는 것으로 판단된다. 따라서 경제성 및 시공성을 고려할 때 대부분의 환경 조건에서는 2 레이어 복합 방수체계가 최적의 선택이 될 것으로 사료된다.

3.4 염소이온 농도 분포 특성

Fig. 4는 깊이별 염소이온 농도 분포로, 방수공법별 차수 성능의 차이를 명확히 보여준다. Case 1의 표면층(0∼10mm) 농도는 0.354%로 가장 높았으며, 이후 깊이에 따라 급격히 감소하는 전형적인 확산 분포를 보였다. 현재 KDS 규정 방수공 방식인 아스팔트계 단독 케이스(Case 2)는 표면 농도 0.299%로 무방수 대비 약 15% 감소에 그쳤으며, 깊이 10∼20mm 구간에서도 0.108%의 농도를 유지하여 장기 염해 환경에서의 차수 한계를 명확히 보여주고 있다.

Fig. 4. Chloride ion concentration profiles by depth for eight waterproofing cases after 1-year exposure to 3% NaCl solution.

반면 무기계 침투형 방수제(Case 3), 방수시트(Case 4)를 적용한 시험체에서는 각각 0.005, 0.092% 를 기록하여 우수한 차수성능을 입증하였다. 복합 방수체계(Case 5∼8)은 표면부에서도 0.02∼0.006% 의 극저농도를 보였으며, 10mm 이후 깊이에서는 사실상 0%에 근접하여 무방수(0.354%) 대비 현저히 우수한 차단 성능을 보였다. 복합 방수의 경우 방수재 조합에 따른 성능 차이가 크지 않아 어떠한 복합 조합을 선택하더라도 동등한 수준의 염소이온 차폐 성능을 발휘하는 것으로 판단된다.

한편 무기계 침투형 방수제(Case 3)는 단독 적용임에도 복합 방수체계와 동등한 차폐 성능을 보였는데, 이는 방수재가 콘크리트 표면층의 모세공극을 봉쇄하여 조직을 밀실화함으로써 염소이온 확산 경로 자체를 근본적으로 차단한 결과로 사료된다. 이러한 특성은 단순히 외부 차수막을 형성하는 아스팔트계⋅시트형 방수재와 달리, 콘크리트 미세구조 자체를 개질하는 무기계 침투형 방수재의 고유한 내구성 향상 메커니즘에 기인하는 것으로, 단위 레이어당 성능 측면에서 가장 효율적인 방수재임을 실험적으로 확인하였다.

3.5 현행 설계기준 분석 및 개선안

현행 도로암거 구조설계기준(KDS 44 90 00:2021)의 방수공 조항은 ‘통로암거 상판 및 벽측 외측은 아스팔트계 방수재로 2회 도포하여야 한다’로 규정된 처방적 기준으로, 본 연구 결과에서 확인된 바와 같이 아스팔트계 단독의 염소이온 저감 효과가 15%에 불과하고 예측 부식 개시 시간도 무방수 대비 큰 차이가 없어 해안부, 제설제 다발 살포 구간, 지하수 상시 접촉 구간 등 고염해 환경에서의 장기 내구성 확보에 근본적인 한계가 있다.

Table 7 은 본 연구의 실험 결과를 기반으로 제안된 환경 조건별 방수공법 선택 기준이다. 개선안의 핵심은 단일 공법 규정 방식에서 노출 환경조건(염해 수준⋅수압 조건)에 따른 방수공법 선택 기준을 제시하는 성능 기반 설계 체계로의 전환이다. 내륙 일반 도로암거에는 현행 방식인 아스팔트계를 허용하되, 지하수 영향 구간이나 제설제 다발 살포 지역에는 무기계 침투형을, 해안부 및 고염해⋅고수압 환경에는 무기계 침투형과 시트형을 조합한 복합 방수공법을 적용을 권장하는 것이 적절하다고 사료된다.