[공학저널 송강식 기자] 유틸리티 터널은 대부분 기계식 굴착장비(쉴드 TBM)를 사용해 시공되는데, 굴착을 하면서 터널의 안정성 보강을 위해 세그먼트를 설치함과 동시에 세그먼트와 굴착지반 사이의 빈 공간에 뒷채움재를 주입하도록 돼있다. 이러한 뒷채움은 터널 세그먼트와 지반 사이의 공극을 채워 터널의 안정성을 향상시키며 지하수 유입을 방지하는 중요한 역할을 수행하고 있다.
터널 세그먼트 라이닝과 그 배면 지반 사이에 뒷채움이 부족할 경우 빈 공간에 수압이 증가하고, 구조물 및 주변 지반의 안정성에 악영향을 미칠 수 있으며, 터널 내부로 지하수의 유입이 증가하면서 양수료, 하수료 등의 유지관리 비용이 증가할 수 있다. 이에 따라 가장 많이 시공되는 유틸리티 터널인 전력구를 비롯한 터널 시공시 세그먼트 라이닝과 배면 지반 사이에 뒷채움을 주입하는 작업이 매우 중요하다.
터널식 전력구는 현재 195km이상 운영 중이며, 매년 약 44km씩 건설이 진행 중이다. 매년 약 6km씩 증가하는 추세로, 이로 인해 손쉽고, 간편하게 뒷채움 상태를 평가할 수 있는 뒷채움 평가 시스템을 개발할 필요성이 대두되고 있다.
기존에는 뒷채움재 재료와 주입과 관련해 관련 지침과 기준이 명확하게 존재하지 않았으며, 현장에서 뒷채움 주입압으로 관리하기 때문에 현장의 품질관리가 제대로 이뤄지지 않았다. 또한, 현재도 체계적인 뒤채움 관리는 전력구를 제외하면 대부분 수행되지 않고 있는 현실이다.
일반적으로 콘크리트 구조물의 조사는 구조물의 구조적 파괴를 막기 위해 충격반향, 충격응답, GPR, 전기비저항 등 비파괴 탐사를 통해 수행한다. 충격반향기법의 경우 미도로국(TRB)에서 수행된 조사에 따르면 교량 구조물의 뜸, 부식, 균열, 박리 등의 탐지를 확인하는 연구를 수행하였을 때 가장 우수한 것으로 보고한 바 있다.
충격 반향 기법은 시험 대상 표면에 가속도계, 마이크로폰 센서 등 수신기를 위치시키고, 충격을 가한 후 수신기로 반사파를 수신하는데, 이 때 충격파가 표면 내부로 진행하면서 밀도가 다른 매질을 만났을 경우 반사되는 특성에 따라 수신된 신호를 분석해 내부의 상태를 파악하는 방법이다.
이러한 충격반향기법의 분석은 획득된 시간 영역 신호를 FFT(고속 푸리에 변환, Fast Fourier Transform)를 통해 주파수 영역 신호로 변환하고 최대 진폭에 대항하는 공진주파수를 찾아내어 반사파의 도달 시간을 추정하고자 하는 반능동적인 해석 기법을 도입해 분석했다. 하지만, 개발된 충격반향기법 장비와 소프트웨어는 제조사별 형태와 특징에 약간의 차이가 있고, 측정 결과의 분석은 정성적인 분석에 의존해 왔다.
이 방법을 보완하고자 STFT(Short-Time Fourier Transform)을 이용해 터널 라이닝에서의 콘크리트와 암반의 접착상태를 평가하는 방법이 개발됐다.
이러한 뒷채움 평가 시스템은 수신 신호를 시간 영역 분석, 주파수 영역 분석, 시간-주파수 신호 분석을 복합적으로 수행해 획득한 주요 인자들을 분석하는 방법으로 기존의 충격반향기법 분석방법과는 다른 방법을 채택하고 있다. 획득된 주요 인자들을 뒷채움이 가득 차 있는 공간과 뒷채움이 비어있는 공간에서 획득한 인자들과 비교해 뒷채움 상태를 판별하는 방법이라고 볼 수 있다.
한편, 한 개의 수신센서를 이용해 점 형태의 분석을 수행하는 현재 방법을 보완하고자, ㈜에이치비씨와 아주대학교 산학협력단에서는 다중 센서 시스템(1열에 9개의 수신센서)을 개발했다. 면 형태의 분석을 수행할 수 있는 시스템을 활용, 1회 측정으로 9개의 신호를 획득하고(센서 간 간격 12.5cm), 9회를 측정해 총 81개의 신호를 획득한 후 각 신호를 기계학습 알고리듬으로 뒷채움 충진 상태를 분석해 면 형태(1m X 1m)로 대상면의 뒷채움 상태를 판별할 수 있는 시스템 개발에 성공했다.
에이치비씨 홍은수 대표이사는 “터널의 시공 중과 운영 중 안정성 증대와 더불어 직접적인 유지관리 비용의 절감 측면에서 한국전력공사에서는 뒷채움 평가 시스템을 활용하여 매 현장마다 사용할 것을 권장하고 있다”며 “이를 통해 지하수 유입을 사전에 차단해 연간 약 2억원의 양수료와 하수료를 절감할 수 있을 것으로 예상된다”고 말했다.
이처럼 에이치비씨는 실드 터널의 뒷채움 상태 판별, 전국 철탑 기초 제원 예측, 지하매설물 조사 등을 전기비저항, 충격반향기법을 포함한 다양한 비파괴 기법으로 분석해 여러 구조물의 안전과 유지관리에 활용하고자 획득한 데이터를 AI 기반 알고리듬으로 분석하는 방법들을 개발 중에 있다.
또한, 이를 기반으로 현재 한국전력공사, 한국원자력연구원 등과 협력해 다양한 연구과제를 수행 중이다. 에이치비씨는 나아가 다양한 비파괴 기법을 토목분야에 도입 적용해 향후 시설물 유지관리 분야의 전문 기업으로 발돋움하기 위해 지속적인 노력을 기울일 예정이다.
