93. 지반동결공법(ground freezing method)

  가. 개요

 인공적으로 지반을 동결하여 토목공사의 보조공법으로 이용하는 방법은 1862년 영국과 독일에서 시공되었다는 보고가 있다. 이들은 냉동기를 이용하여 광산용 입갱의 연약부분을 동결한 것으로 그 후 1930년대에서는 유럽, 미국, 소련 등에서 채광용 입갱 이외의 상하수도, 지하철, 철도의 입체교차, 수문, 지하탱크 등의 건설공사에서 채용되어 급속히 보급되었다.

제 2차대전후 냉동기기, 계측기기 등 규모가 크고 나쁜 조건하에서도 충분히 신뢰할 수 있는 냉동기기가 출현되어 본 공법을 안전하고 확실한 공법이라고 생각하게 되었다. 또한 최근 20년 사이에 최적냉각 온도 선정, 지반 동결속도의 해석, 지하수 흐름이 동결에 미치는 영향, 동결에 따른 동상(동결팽창), 해동 후 침하등의 문제점에 대한 연구가 진행되어 설계시공상 유의할 점은 물론 본 공법 채택의 판단 근거가 명확히 되었다. 요즘 건설공사에 따른 공해문제가 표면화 됨에 따라 본 공법이 무공해 공법으로 인식되어 현재는 약 250건의 시공실적이 있다.

  나. 방법

 본 공법의 원리는 지중에 일정간격(약 0.8m)으로 동결관을 매설하고 관 속으로 냉각액(푸레온 또는 저온 액화가스)을 흘려 보내면 동결관을 중심으로 간극수가 점차 링 모양으로 얼어 시간이 경과함에 따라 인근의 흙이 상호결합체로 되어 동토벽이 형성된다. 동결관을 냉각하는 방법으로는 푸레온 방식과 저온 액화가스 방식으로 분류된다.

1) 푸레온 방식

이는 표준적인 증기압축식 냉동사이클로 냉장냉동고에 상요되고 있으며, 푸레온 (CaCl2 수용액)을 냉동기로 -20 ∼ -30°C로 냉각하여 순환펌프로 동결관으로 보재 지반을 냉각한다. 온도가 상승되어 되돌아 온 푸레온은 다시 냉각기로 냉각하는 순환방식이다.

2) 저온액화가스 방식

이 방식은 액체 질소를 제조공장에서 탱크롤리차로 운반하여 동결관에 넣고 그안에서 기화(증발온도 -196°C)시켜 냉각한다. 이 방식에서 기화한 가스는 대기중으로 방출한다.

3) 방식의 비교

저온액화가스방식은 푸레온 방식에 비하여 냉각속도가 빠르고 약간의 지하수 흐름이 있어도 동결이 가능하며, 설비도 간단하나 공사비가 많다는 결점이 있다. 조성할 동토량이 200m3이하이고 유지기간이 1주일 정도로 단기 소규모 공사에 적합하다. 푸레온 방식은 공사 규모가 크고 굴착 구축기간을 포함하여 유지기간이 긴 경우에 다방면으로 많이 채용되고 있으며 설비규모가 크고 동토조성 시간이 긴 결점이 있다.

  다. 동결공법의 장단점

 1) 동토의 강도

N 치가 0 인 연약한 흙도 동결하면 강도는 단번에 30∼40kgf/cm2(-10°C에서 일축압축강도)로 증가하며, 일반적으로 동토의 강도는 압축, 인장, 전단 모두가 온도가 낮을수록 증가한다. 또 같은 온도에서도 점토, 실트, 모래, 자갈 순으로 강도가 크다. 이는 구성 흙입자의 평균입경이 작을수록 흙입자 주위에 흡착되어 잔존하는 부동수량이 많게 되는 것이 주원인으로 간극수가 전해질을 포함한 동토는 약하게 된다.

2) 동토의 차수성과 동착력

동토의 차수성은 완전하며, 다른 구조물과의 동착력도 크고 -10°C에서 10 ∼ 15kgf/cm2 정도이며 접속부에서는 가열되기 쉬우므로 주의를 요한다.

3) 관리 및 확인

지반의 동결상태는 지반 내 설치한 온도계로 측정되며, 동결범위 및 형성된 동토의 강도를 거의 확실하게 추정할 수 있어 안전하고 확실한 시공을 할 수 있다.

4) 동토의 균질성

열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르며, 이는 동결볌위 내에서는 온도와 연동하여 강도도 균일하게 작용한다는 것을 의미한다. 또 다양한 토질로 구성된 호층에서도 일단 동결되면 강도차는 그렇게 크지 않다.

이같은 동결범위 내에서는 차수성은 완전하고 강도는 비약적으로 증가하며, 균질성이 확보되었는가는 온도를 측정하여 확인할 수 있다. 이는 동토가 내력벽으로서 높은 신뢰를 얻을 수 있는 이유이다. 그러나 이점뿐만 아니라 결점도 있다.

5) 동결팽창(동토)과 해동 후 침하

지반중 20μm 이하의 세립성분이 포함되면 동결시 팽창이 발생한다. 모래, 자갈층은 팽창하지 않으나 실트,점토는 팽창되므로 주의가 요망된다. 현재는 동결팽창에 관한 연구가 진행되어 동상량, 팽창압의 사전 평가가 가능하며 외부에 주는 영향을 예측하고 그의 대책을 강구하여 시공하도록 되어 있다. 다음에 동결팽찿한 흙은 해동에 따라 수축침하가 발생하여 그에 대한 연구는 동결팽창에 대한 것만큼 밝혀져 있지 않으며, 일반적으로 동결 팽창량의 20∼30%증가하는 것으로 나타났다.

6) 지하수 흐름의 영향

지반 내 물의 흐름이 있으면 이것이 갖고 있는 열로 인하여 동토기둥 상호간의 결합을 저해한다. 결합이 가능하게 되는 한계유속은 동결범위의 형태나 크기에 따라 다르며, 개략 1m/d 정도로서, 그 이상의 경우는 흐름을 억제하는 대책이 필요하며, 6m/d의 유속인 자갈층을 동결한 예도 있다. 지금까지 시공경험에 의하면 일반적으로 지반 중에 존재하는 지하수 흐름은 사력층에서 동수경사가 큰 경우를 제외하고 그다지 문제가 되지 않으며, 실제 시공에서는 오히려 인위적인 흐름이 문제가 된다. 예를 들면 부근에서 양수공법을 사용한다든가 입갱 내 용수, 세그먼트나 막장에서의 누수를 차단하면 사고에 원인이 되므로 충분한 주의를 요한다.