56. 암반개량을 위한 그라우팅 (grouting for bedrock improvement)

 암반에 다수의 구멍을 천공하고 그 구멍을 통하여 그라우트를 주입, 암반을 개량하는 공법을 그라우팅이라고 부르고 있다. 여기서 말하는 그라우트는 댐의 경우 시멘트와 물, 때로는 혼화재료를 혼합하여 만든 밀크상태의 주입재료이다.

어원은 영어의 grout 로서 명사뿐만 아니라 동사로도 사용하기 때문에 그라우트를 주입재료, 그라우팅을 공법전체로 정의하는 것이 좋다.

토목공사에서는 암반에 대한 그라우팅 외에 많은 분야에서 그라우팅이 시행되고 있다. 즉, 댐의 시공이음과 구조물 균열 등의 구조물 내부를 대상으로 하는 것, 터널 주위 및 구조물 하부 등의 주입을 대상으로 하는 것, 토질지반의 고결 및 지수 등의 충적층을 대상으로 하는 것, PC 그라우트 및 PS 앵커, 록볼트와 같은 보강을 위한 강재의 고정을 대상으로 하는 것과 같이 여러 종류가 있고 그라우트도 상기의 시멘트 이외에 각종의 화학약액을 사용한 케미컬 그라우트도 사용된다.

암반의 그라우팅은 절리등의 균열과 단층, 파쇄대 등의 연약층에 그라우트를 주입하여 암반의 성질을 개선하는 것으로서, 댐의 컨솔리데이션 그라우팅과 같이 변형성 개량을 목적의 하나로 하는 것도 있지만 그것을 포함하여, 댐의 커튼 그라우팅과 터널굴진시의 용수방지 그라우팅과 같이 지수를 목적으로 하며, 그 효과도 크다. 이 그라우팅은 댐에서 보통 하고 있는 암반개량의 공법이지만, 테론댐등의 대참사를 가져온 파괴사고의 원인은 그 기초암반의 그라우팅의 불비가 그 원인 중의 하나라고 생각된다.

댐에서 대상으로 하는 암반의 투수성은 작업 중에 직접 구해지는 루존(Lu)으로 표시한다. 이것은 10kgf/cm2 의 주입압력으로 공길이 1m 당 매분의 투수량(l)을 루존치라고 하기 때문에 1 Lu 은 1 X 10-5 cm/s 의 투수계수에 상당하는 것이다. 그러나 약 25 Lu을 넘으면 정밀도가 나빠지고 실제의 암반의 투수계수는 상당히 크다.

콘크리트댐의 착암부 등의 중요한 부분에 대하여는 1∼2 Lu을 그라우팅에 의한 개량 목표치로 설계, 시공하는 경우가 많다. 록필댐에서는 3∼5 Lu 이 목표치로 되어 있다. 시공방법에는 예정심도의 주입을 1회에 하는 방법과 다단계 나누어 하는 방법이 있다.

최근 댐에서는 후자가 많이 사용되고, 보통 5m(양호한 암반에서는 10m)의 단계 길이로 한다. 이 방법으로도 보링, 구멍의 청소, 수압, 주입 등의 일련작업을 계획심도에 달하기까지 반복하는 단계 그라우팅과 계획심도까지 한번에 보링한 후 패커를 사용하여 하부단계부터 점차 상부단계로 향하여 주입하는 패커 그라우팅이 있다. 패커 그라우팅은 암반이 양호할 때 채용되는데 공기가 단축되기 때문에 경제적이다. 그러나 최근에는 댐 지점의 암반이 양호하지 않기 때문에 확실한 단계 그라우팅을 하는 것이 보통이다.

그라우팅공을 천공하는 보링은 그라우팅 공비의 절반 이상을 차지한다. 일반적으로 다이어몬드 비트 또는 메탈크라운의 회전에 의한 φ46mm 의 로터리 보링을 하고 있다. 하상과 같이 지형이 양호한 부분이 컨솔리데이션 그라우팅공 등의 얕은 구멍에서는 주로 비트의 충격에 의한 퍼커션 보링을 하고 있다. 커튼 그라우트 공의 간격은 1.5m 정도가 많다.

보링코어는 암반의 상황을 아는 수단이기 때문에 시공중에 지질상 중요한 부분이면 일정 공구마다 채취하여 암반 내의 균열수와 상황을 파악하여 설계의 수정 자료로 한다.

주입할 때는 주입압력이 높을수록 단위길이당 주입량이 증가하기 때문에 효율이 양호하다. 그러나 과대한 압력을 채용하면 균열부 등에 작용하는 양압력이 크게 되어 댐등의 구조물과 암반을 들어 올리려는 해로운 변형이 생기기 때문에 주의해야 한다. 이 원인이 되는 양압력은 주입압력과 단위시간당 주입량에 비례하는 것으로 생각되고 있다. 이 때문에 최근 댐공사에서는 그라우트 보링은 주입된 그라우트의 압력과 펌크 중 유압의 압력차에 비례하여 피스톤의 운동회수가 결정된 구조의 토출량조정형 그라우트 펌프가 나와서 사용효과를 높이게 되었다. 암반이 견고하지 아니할 때는 단위시간당 주입량과 전주입량이 부상에 큰 영향을 주기 때문에 특히 주입량 관리 규정에 중점을 두고 시간이 걸리는 신중한 그라우팅을 할 필요가 있다. 댐에서의 주입압력은 일반적으로 암반 깊이 1m 당 0.5 ∼ 1 kgf/cm2 으로 하는 예가 많다. 암반의 그라우팅을 대상으로하는 약층 및 균열은 자연이 만들어낸 것이기 때문에 그 수와 규모 및 상태는 같지 않아 공사 착공 전에 그 상황을 올바로 파악하여 설계하기가 어렵기 때문에 공사중에 설계의 타당성을 검토하고 필요하면 추가공을 시공해야 한다.

이같은 이유에서 계획한 그라우트공을 1차공, 2차공, 3차공, 4차공으로 나누어 2차공은 1차공의 중앙, 3차공은 1차공과 2차공의 공간격 중앙에 시공하도록 순서를 순차 반복하는 중앙내사법을 채용하여, 수차 루존값의 저하정도 및 시멘트 주입량감소 정도를 확인해야 한다. 이것은 선행한 2공에 의해 충분히 주입되어 있다면,  그 중앙공에서 구존값은 소요의 값 이하로 되어 추가 시멘트를 주입하지 않아도 되기 때문에 많은 댐 공사에서 실적을 올리게 되었다. 또 루존치의 저하 및 시멘트 주입량의 감소가 충분하지 아니할 때는 추가공을 시공하는데 그 판정과 지시를 컴퓨터로 처리하도록 하여 양호한 성적을 올리고 있는 댐도 있다.

암반 개량을 위한 그라우팅은 주로 댐분야에서 많은 경험이 축적되고, 그 기술도 현저히 진행되고 있지만 주입된 그라우트의 불필요한 범위의 확산방지가 앞으로의 중요한 연구과제이다.