BMN공법

 

기존의 쏘일네일링 공법은 절토사면에 천공을 한 후 강재의 네일(nail)과 그라우팅(grouting)을 채움으로 구성되어 있다. 이 때 기존의 쏘일네일링의 인장강도는 그라우팅재와 원지반과의 마찰력에 의해 주로 발생함으로 지반조건에 따라 공법 효율성의 한계를 가지는 것이 사실이다. 특히, 지하수가 발달한 지반에는 적용하지 못하는 문제점을 가지고 있으며, 시공 후 그리우팅의 고결 전까지 일정기간 동안 시공된 절토사면에서 붕괴가 발생하면 이에 대한 저항력을 전혀 발휘 못하는 등의 한계성을 가진다.


상기 문제점을 해결하기 위하여 신청한 신공법은 바이트 머신을 개발하여 네일링 선단에 장착하고 천공 홀에 네일을 삽입한 후 네일을 돌리거나 천공기를 이용한 타격에 의해 바이트 머신의 날개가 천공경보다 더 크게 벌어져 우산(umbrella) 구조를 가지므로 이들 날개가 원지반에 고정 내지 일체화를 이룸으로 그라우팅 시공 전에 인장저항력을 발휘할 수 있도록 고안된 것이다. 따라서, 지하수 발달, 연약지반 등 원지반의 열악한 상태를 극복할 수 있어 기존의 지반조건별 시공에서 지반조건에 상관없는 시공이 가능하다. 만일 원지반이 연약하여 네일링 천공에 확공이 이루어지더라도 바이트 머신의 날개길이를 다양화시켜 천공 시 지반상태파악에 의한 적정 바이트 날개 길이를 선택한다. 바이트 머신의 날개가 원지반과 일체된 상태에서 그라우팅 함으로 기존의 쏘일네일링에 비해 배 이상의 인장강도를 가지게 된다.


본 바이트 머신을 이용한 쏘일네일링 공법은 토사나 암반층에 천공을 하고 그 선단에 바이트 머신을 설치하여 네일에 회전을 줌으로써 회전력을 받은 바이트 머신의 날개가 천공부분 속에서 빠져 나오지 못하게 되고, 파쇄대층의 하중을 받아 당기면 당길수록 더 벌어져 저항력을 크게 하는 형태로 되어있어 모암과 파쇄대층을 잡아주는 구조이다. 기존의 쏘일네일링 공법에 앵커 공법을 응용하여 네일링 공법과 앵커 공법이 상호보완토록 함으로써 상승효과에 따른 네일 구조체의 인장저항력을 극대화함과 더불어 용이한 네일의 정착과 공법의 간소화를 제공하는 것이다.
쏘일네일링 공법은 원지반에 네일 보강재를 설치하여 원지반 강도를 최대한 이용하면서 복합보강지반을 형성함으로써 지반의 전단 및 인장강도를 증가시켜 변위를 억제시키고 지반의 이완을 방지하는 공법이다.
즉, 쏘일네일링 공법의 기본 설계 개념은 네일 구조체에 의해 보강된 영역의 토괴가 마치 일체화된 옹벽과 같은 작용을 한다는 것에 의해 보강토 벽체가 가정할 수 있는 어떠한 경사면에 대해서도 안정을 유지한다는 것에 있다.
네일구조체는 기본적으로 철근인 네일과 콘크리트인 그라우팅으로 이루어지며, 여기에 숏크리트에 의한 보강벽이 추가되어 이루어진다.


이러한 네일구조체에 의한 쏘일네일링 공법은 먼저 비탈면을 굴착, 이물질을 제거한 다음 하향경사로 천공홀을 형성시키고, 네일의 중앙위치 확보를 위해 간격재와 더불어 상기 천공홀에 네일을 삽입한 후 그라우팅을 충진 고결시켜 천공홀에 네일구조체를 형성시킨다. 이후 지압판과 볼트를 이용해 와이어메쉬를 설치하고, 숏크리트를 와이어메쉬에 타설하여 보강벽을 형성시키는 것이다.
이러한 쏘일네일링은 가시설 흙막이 구조물, 기초 터파기 등에 사용되어 왔으나 근래에 들어 도로의 사면보강, 철도, 댐, 터널 갱구부 등의 암반 보강 등 그 적용대상이 한층 넓어지고 있는 실정이다.
그러나, 이러한 쏘일네일링은 토층에 유용하게 고안된 것을 암반에 접목시킨 것으로 각종 사면의 암반구조는 토층과 달라 절리가 많은 암반, 공동층이 많은 암반, 단층의 영향을 받아 변질화되어 취약한 암반, 발파의 영향으로 불연속면이 부분적 이완되어 모암과 분리된 암반 등 많은 사면들에서 구조가 불안정하여 기존 네일 구조체만으로 암반 사면을 보강시키는 것은 무리가 따를 수 있는 문제점이 있다.


이와 같은 문제점이 발생되는 이유 중의 하나가 네일 구조체 자체의 특성이라 할 수 있다. 즉, 네일 구조체는 비록 천공홀에 그라우팅이 주입되어 고결되어 있다하더라도 구조체 자체로 보았을 때는 천공홀에 네일 구조체가 단순이 끼워진 것에 불과하다.
물론, 암반사면 전용의 보강을 위하여 천공홀에 두부를 정착시키고, 여기에 인장력을 가하여 암반을 고정시키는 록앵커 구조물이 개발되어 있지만, 그구조가 복잡하고 과도한 공사비가 요구되며, 록앵커 구조물의 두부 역시 천공홀에 단순 끼워지는 것에 불과한 것이다.
이와 같은 문제점을 근본적으로 해결하고자 개발된 본 기술은 사면보강공사용 천공 홀에 지지 고정되는 바이트 머신이 포함된 앵커 몸체와 이 앵커 몸체에서 바이트 머신을 확장시켜 천공홀에 압박시키는 테이퍼 몸체를 네일에 삽입시켜 네일과 바이트 머신의 나사 결합 시 그 결합력에 의해 테이퍼 몸체가 바이트 머신을 확장시킴으로써 바이트 머신을 통해 네일 선단이 천공에 정착되도록 하고 이 천공 홀에 정착된 네일에 그라우팅 등의 후 공정을 수행하는 것이다.

시공 순서	시공 사진	설명
1. 토공작업		비탈면 굴착시 대규모 장비(B/H 0.7 이상)를 사용할 때에는 실제 굴착 단면에서 10～30cm 정도 떨어지게 작업 후 소형 장비를 사용하여 정확한 단면의 굴착을 실시한다.
2. 천공작업		천공은 보강재를 설치하기 위한 것으로 착암기나 보링기 등을 사용하는데 네일링 전용 천공장비를 이용하여 미리 정해진 천공 배치에 의거 위치, 방향, 길이 등을 맞추어 정확하게 천공한다. 암반 붕괴 우려 지역은 습윤 천공으로 시공한다. 천공이 이루어진 후에는 반드시 천공 내부의 이물질을 제거한다.
3. 바이트 머신 조립작업		네일은 KS D3504, KS D3051을 사용한다. 영구 구조물에 사용되는 네일은 부식에 대한 여유를 고려하거나 방청처리된 보강재를 사용한다. 네일은 이음매가 없이 한본을 그대로 사용하는 것이 좋지만 삽입길이가 긴 것은 커플러를 사용(일반 용접 불가)한다. 그라우트와 부착되는 부분의 유해한 흙이나 기름 등은 사전에 제거한다 바이트 머신을 조립한다.
4. 네일 삽입 및 오가작업		네일 삽입시에는 그라우트의 최소 두께를 확보하기 위하여 보강재가 천공 구멍의 중앙에 위치하도록 간격재를 사용한다. 네일과 함께 삽입되는 주입파이프는 그라우트 면보다 항상 아래에 위치하여야 한다. 바이트 머신을 지반에 정착하기 위해 오가작업을 실시한다.
5. 몰탈작업		시멘트 밀크는 통상의 경우 무압으로 공의 내부로 그라우팅한다. 그라우팅재가 주변 지반에 침투되는 경향에 따라 2～6차에 걸쳐 실시한다. 그라우팅은 공내부를 완전히 충진한다. 1차 주입은 공 저부로부터 공입구로 주입재가 흘러 넘칠 때까지 실시하고, 3～4시간 경과 후마다 2～6차 주입을 실시한다
6. 인장실험		각 굴착 단계별로 최소한 1회 이상의 시험을 실시하며, 시험은 전 시공 지역에 고르게 분포하도록 선택, 실시한다.
7. 지압판 설치		와이어메쉬 4.8×100×100 (KS D7017) 지압판 150×150×12mm 와이어메쉬는 원지반으로부터 1.0cm 이상 이격거리를 유지하고, 이음부위는 10cm 이상 겹치도록 한다. 그라우트의 소요강도를 얻기전에 보강재에 인장 또는 충격이 가해지는 일이 없어야 한다. 보통은 급결재를 사용하므로 소요강도의 80%에 도달하는 약 1～3일 후 작업한다. 지압판 설치 및 볼팅 작업시에는 손으로 볼트를 조여주고 소요강도에 도달하면 렌치를 이용하여 견고(14kg-m)하게 조여준다.

그림1. 바이트머신 사진

 

그림2. 구근형성사진

 

바이트 머신을 이용한 쏘일네일링 공법은 네일링 선단부에 바이트 머신을 장착하여 선단 지지력 확보에 의해 기존 쏘일네일링 공법의 효율성을 배가시킨 공법이다. 따라서, 바이트 머신을 이용한 쏘일네일링 공법의 선단 지지력 증대 부분에 대한 효율성을 현장 인발시험을 통해 검증해 보았다. 현장 인발시험은 최대 인발력의 크기를 얻기 위해 변형율 제어방식을 이용하여 실시하였으며, 시험 현장을 각각 연암층, 풍화암층, 토사층으로 구성된 사면으로 선정하여 각 층에 따른 현장마다 기존 쏘일네일링에 그라우팅 처리한 것, 바이트 머신만을 설치한 것, 바이트 머신에 그라우팅 처리까지 실시한 것으로 나누어 총 9 종류의 네일에 대해 실시하였다.

그림 3. 인발기 및 변위계 설치 모습 그림 4. 인발시험 실시 모습

현장 인발시험에 의해 획득된 결과를 살펴보면, 연암층에 설치된 기존 쏘일네일링의 경우 14ton 정도의 인발력이 도출되었으며, 바이트 머신만을 체결하였을 경우에는 18ton, 바이트 머신 체결과 그라우팅을 모두 실시한 경우에는 32ton의 값을 얻을 수 있었다. 이는 바이트 머신의 체결만으로도 기존 쏘일네일링에 비해 높은 인발력을 얻을 수 있음을 확인하였으며, 바이트 머신과 그라우팅 처리를 하여 지반과 일체화하였을 경우에는 2 배 이상의 높은 인발력이 발생됨을 알 수 있었다(그림 5 참조). 풍화암층의 경우에서는 기존 쏘일네일링 10ton, 바이트 머신만을 체결한 경우 16ton, 바이트 머신과 그라우팅 처리를 실시한 경우 28ton의 인발력을 발휘함을 알 수 있었다(그림 6 참조). 또한, 토사층의 경우에서도 기존 쏘일네일링 8ton, 바이트 머신을 체결한 경우 15ton, 바이트 머신과 그라우팅 처리를 모두 한 경우 25ton의 인발력을 발휘하여 모든 지반 지층에서 바이트 머신의 효과를 확인할 수 있었다.

그림 5. 연암층에서의 인발시험 결과 그림 6. 풍화암층에서의 인발시험 결과

1.제원 일반 쏘일네일링과 BMN의 수직 인발을 유한요소로 모델링하여 수치해석을 하였다. 수치해석에 쓰인 유한요소 프로그램은 MIDAS IT사의MIDAS/GTS Ver 200이며, 대상지반은 풍화토지반이며, 쏘일네일의 제원은 H29, 천공경은 105mm, 네일의 길이는 5m이다. 해석기본 조건은 Axisymmetric이며, 일반쏘일네일과 BMN은 네일 구조적인 차이가 있으므로 structure요소를 사용하지 않고 모두 solid요소를 사용하였다. 그림 3~4는 수치해석이다.

(a)일반쏘일네일 (b)BMN 그림3. 수치해석 결과 쏘일네일의 인장력 분포   (a)일반쏘일네일 (b)BMN 그림4. 수치해석 결과 지반의 수직응력 분포

수치해석결과 그림 3~4에 보이듯 일반쏘일네일의 경우에는 선단부에서는 쏘일네일의 인장으로 인한 저항을 하지 못하는데 비하여, BMN의 경우에는 네일의 선단부에서 Bite Machine의 작용으로 인한 응력구근의 생성으로 쏘일네일의 끝부분까지 인장력이 발생한다. 그림5.는 선단부에서 0.5m까지에서의 쏘일네일의 인장력 분포를 나타낸다.

그림5. 수치해석결과 지반의 수직응력 분포 이러한 Bite Machine의 효과는 쏘일네일 보강 시 필요한 쏘일네일의 유효길이를 줄일 수 있는 것으로 평가된다.

1. 현장인발시험 제원 BMN의 현장인발실험의 대상지반은 풍화토 지반이며, 쏘일네일은 H29, 천공경 105mm이며, 천공깊이는 6m로써 그라우트 5m, 자유장 1m로 이루어져 있다. 인발시의 반력이 그라우트에 직접 전달되는 것을 방지하기 위하여 자유장 1m를 두었으며 경사조절장치를 이용하여 수직 인발은 하였다. 인발시험은 BMN과 일반쏘일네일 각각에 같은 조건으로 수행하였다. 또한 쏘일네일에 변형율 게이지를 설치하여 축력의 인반실 축력의 크기와 변화를 알아보았다.

(a)쏘일네일 시공 모습 (b)인발시험 전경 그림6. 현장인발시험 전경 2. 현장인발시험 결과 그림7은 현장인발시험 결과 중 쏘일네일의 축력 분포를 나타낸다. (a)일반쏘일네일 (b)BMN 그림7. 현장인발시험결과 쏘일네일의 축력분포

그림7. 에서 보여지듯 쏘일네일의 축력에서 일반네일에 비하여 BMN의 경우 선단에서의 축력이 훨씬 크게 나타나므로, 앞에서 언급한 BMN에 기대되는 갈고리 효과가 보여진다 판단된다.

본 연구에서는 Bite Machine을 이용한 쏘일네일공법(BMN)의 개발을 위하여 Bite Machine의 효과를 검증하기 위하여 일반쏘일네일과 BMN에 대하여 각각 같은 조건에서 수치해석과 현장인발 시험을 통한 검증을 실시하였다. 수치해석결과 BMN의 경우 네일의 선단부에 Bite Machine의 작용으로 응력구근이 형성되어 쏘일네일의 정착력을 더욱 증가시키는 것으로 확인되었다. 현장인발시험 결과 쏘일네일의 축력분포가 선단부에서 BMN이 일반쏘일네일에 비하여 매우 크게 측정되어 기대되었던 갈고리 효과가 증명되었다.

 

사면면적 : 1,000㎡ 기준시의 공사비 비교 예.	[네일길이 L=10M 적용시]
공 종 단위 탑다운 공법 비고 BMN 공법 적용시 일반쏘일네일공법 적용시 수량 단 가 금 액 수량 단 가 금 액 1. 토 사 M 2,500 69,508 173,770,000 4,440 64,478 286,282,320   2. 풍화암 M   64,600     59,570     3. 연암 M   72,100     67,070     직접공사비계       173,770,000     286,282,320   대비
※예상수량산출기준 : 대상적용수량 : 1,000㎡ 1. BMN 기준시 : 2.0 x 2.0 = 4.0 ㎡ (1,000㎡ ÷ 4㎡) = 250공 x 10m = 2,500m 2.일반쏘일네일 기준시 : 1.5 x 1.5 = 2.25 ㎡ (1,000㎡ ÷ 2.25㎡) = 444공 x 10m = 4,440m 3.단, 예상수량의 공종은 일반토사를 기준으로 일괄 적용함. 4.일반쏘일네일 대비 39.3% 예산 절감 효과.
[Nail 길이 L= 10.0M]
공 종 단위 BMN 공법 일반쏘일네일 비고 탑다운공법 50TON크레인 탑다운공법 50TON크레인 1. 토사 M 69,508 104,412 64,478 99,382   2. 풍화암 M 64,600 96,097 59,570 91,067   3. 연암 M 72,100 109,454 67,070 104,424     출처 : http://www.bmn.co.kr/