1. 서 론

도시화로 인해 터널, 지하철, 도로, 철도 등의 지하공간 개발이 활발히 진행되고 있다. 이러한 지하공간 개발은 도시의 교통 문제를 해결하고 공간 활용도를 높이는 데 기여하지만, 동시에 암반 구조물의 안정성을 확보하는 것이 중요한 과제로 대두되고 있다. 특히, 암반 내 균열이나 약한 층의 존재는 지하 구조물의 안전성을 저해할 수 있으며, 이에 대한 적절한 보강이 필수적이다.

록볼트는 암반 보강을 위한 대표적인 지지 공법으로서, 암반 내에 설치되어 암반의 낙반 및 붕괴를 방지하고 안정성을 확보하는 데 중요한 역할을 한다. 전통적인 록볼트는 시멘트 몰탈이나 수지 등의 접착제를 사용하여 암반과 록볼트 간의 부착력을 형성한다. 그러나 이러한 접착형 록볼트는 접착제의 경화 시간이 필요하여 시공 시간이 길어지고, 지하수가 유입되는 환경에서는 접착력이 저하될 수 있다는 문제가 있다(Oreste & Peila, 1996). Lee et al.(2005)은 지하수 환경에서 그라우트 볼트의 거동을 연구하여, 지하수의 유입이 접착력에 부정적인 영향을 미칠 수 있음을 보고하였다. 또한, 접착제의 불균일한 분포로 인해 록볼트의 접착력이 일정하지 않을 수 있으며, 이는 구조물의 안정성에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. Indraratna & Kaiser(1990)는 록볼트 설계 시 이러한 불균일성을 고려해야 함을 강조하였다. 더욱이, 접착제에 사용되는 화학 물질은 환경 오염을 유발할 수 있으며, 인체에도 유해한 영향을 미칠 수 있다(Son et al., 2014). 이러한 문제점을 해결하기 위해, 최근에는 접착제를 사용하지 않고도 암반과 록볼트 간의 부착력을 확보할 수 있는 새로운 록볼트 기술이 개발되고 있다(Shin et al., 2017). 마찰형 록볼트나 팽창형 록볼트는 암반과 록볼트 간의 기계적인 결합을 통해 지지력을 발휘하며, 설치 시간이 짧고 환경 친화적이라는 장점이 있다(Kim et al., 2017). 그러나 이러한 록볼트 역시 고가의 장비나 복잡한 설치 공정이 필요할 수 있어 실무 적용에 한계가 있다. Table 1은 기존 록볼트의 종류 및 문제점들을 보여주고 있다.

Table 1.

Types of rock bolts and their problems

Types	Shapes	Related illustraions	Problems
End fixed	Wedge type		For hard and medium rocks only, pre-stressing required
	Resin type		For hard and medium rocks only, pre-stressing required
	Expansion type		For hard and medium rocks only, pre-stressing required
Fully bonded	Resin type (fixing material: resin)		Curing time required, no fixing force in the elution water section, impact of rock dust in the drilling hole on fixing material, uneven thickness and adhesion strength of fixing material, damage to human body and surrounding environment, etc.
	Filled type (fixing material: cement mortar)		Curing time required, no fixing force in the elution water section, impact of rock dust in the drilling hole on fixing material, uneven thickness and adhesion strength of fixing material, damage to human body and surrounding environment, etc.
	Injection type (fixing material: cement milk)		Curing time required, no fixing force in the elution water section, impact of rock dust in the drilling hole on fixing material, uneven thickness and adhesion strength of fixing material, damage to human body and surrounding environment, etc.
	Expansion type (tube type)		High price, pressurising device required, not fully adhering to the borehole wall at the end, etc.
Mixed type	End fixed + Fully bonded		Includes the problems of the above end-fixed type and fully-bonded type, complicated and time-consuming rock bolt installation process, high construction cost, etc.

이러한 기존 록볼트의 문제점과 한계를 극복하기 위해 길이방향으로 절개된 탄성 실린더형 마찰형 강관 록볼트를 개발하였다. 이 록볼트는 삽입 전에 맨 앞 삽입부를 제외한 나머지 부분은 천공홀 직경보다 외경이 더 큰 상태이며, 록볼트를 천공홀에 힘을 가해 압입하면, 록볼트 전체의 길이방향을 따라서 형성된 경사진 절개면을 따라 미끄러짐이 발생하여 외경이 강제로 줄어들면서 천공홀에 삽입된다. 삽입 후에는 록볼트가 원래 외경상태로 회귀하려는 탄성 복원력에 의해 천공홀 벽면에 강하게 밀착되며, 즉각적인 지지력을 제공한다(Fig. 1). 이를 통해 경화 시간이 필요 없으며, 지하수의 유입에도 접착력이 저하되지 않는 장점이 있다. 또한, 설치 공정이 단순하여 시공 시간이 단축되고 비용이 절감될 수 있는 장점이 있다.

Fig. 1

Schematic view of rock bolt installation and mechanism of radial expansion pressure generation (Son & Kim, 2023)

본 연구에서는 새롭게 개발된 록볼트에 대한 기존 실내 인발시험 결과(Son & Kim, 2023)를 리뷰하면서 추가적으로 수행된 현장시험을 통해 탄성 실린더형 록볼트의 성능을 평가하고 그 결과를 제시하였다. 이를 통해 지하공간 개발 현장에서 암반 구조물의 안정성을 향상시키고, 시공 효율성을 높이는 데 기여하고자 한다.

2. 탄성복원력을 이용한 록볼트의 실내시험 및 결과

탄성복원력을 활용한 록볼트는 기존의 시멘트 몰탈 및 수지 기반의 그라우팅 록볼트에 비해 설치가 간편하며, 특히 지하수 환경에서도 안정적인 지지력을 제공할 수 있는 특징이 있다. Son & Kim(2023)은 다양한 형태의 록볼트를 대상으로 실험실 환경에서 인발력 측정시험을 수행하였으며, 그 결과를 바탕으로 탄성복원력을 이용한 마찰형 강관 록볼트의 성능을 평가한 바 있다. 다음은 관련 시험에 대한 내용 및 결과를 리뷰하고 있으며, 이어서 현장시험에 대한 결과를 정리하였다.

2.1 실내시험 방법

실내시험은 지반을 모사한 콘크리트 블록에 다양한 조건의 천공홀을 형성한 후, 여러 형태의 록볼트를 설치하여 인발력을 측정하는 방식으로 진행하였다. 구체적으로, 실내시험에서는 시멘트 몰탈과 팽창제를 이용한 록볼트, 급결성 수지를 사용한 록볼트를 포함하여 새롭게 개발된 길이방향으로 절개된 탄성 실린더형 강관 록볼트가 포함되었다. 천공홀 직경은 38mm와 42mm, 콘크리트 블록의 압축 강도는 27MPa와 40MPa로 설정하여 다양한 시험 조건을 구성하여 인발력 측정시험을 진행하였다(Figs. 2 & 3).

Fig. 2

Formation of rock bolt drill holes (Son & Kim, 2023)

Fig. 3

Measuring pullout capacity of incised steel pipe rock bolt

2.2 실내시험 결과 및 의의

실내시험 결과, 탄성복원력을 이용한 마찰형 강관 록볼트의 경우, 절개된 강관이 천공홀 내벽에 밀착되면서 생성되는 탄성 복원력으로 인한 마찰저항이 주요한 지지력으로 작용하였다. 강관 두께에 따라 인발력 차이가 나타났으며, 두께가 더 두꺼운 KSD3507(3.5mm) 강관이 더 높은 인발력을 발휘했다. 특히, 천공홀 직경이 작을수록 인발력이 더 크게 나타났는데, 이는 강관이 천공홀 벽에 가하는 탄성 복원력이 더 크게 작용하였기 때문으로 판단된다. 관련 실험에서는 설치 깊이 0.5m에서 약 58 kN의 인발력을 기록하였으며, 이를 기반으로 단순비례하여 계산할 때 필요한 인발력 100kN을 확보하기 위해서는 SGT275(2mm)의 경우 약 1.5m, KSD3507(3.5mm)의 경우 약 1m의 설치 깊이가 필요할 것으로 나타났다. 관련 실내실험을 통해 절개된 강관의 탄성복원력을 이용한 마찰형 강관 록볼트는 경화 시간을 필요로 하지 않으며, 지하수 유입 구간에서도 안정적인 지지력을 발휘할 수 있음을 확인하였다. 이를 통해 기존 그라우팅 방식의 록볼트의 한계를 효과적으로 극복할 수 있는 잠재력을 보였다. 관련 연구에서 확인된 탄성복원력을 이용한 록볼트의 간편한 설치 공정과 빠른 시공 시간은, 지하 구조물의 안정성 확보뿐만 아니라 전체 공기 단축에도 기여할 수 있을 것으로 나타났다. 관련 연구는 실험실 조건에서 제한된 형태의 록볼트와 환경 조건을 대상으로 이루어졌으므로, 현장환경에서의 현장시험 및 인발력 검증이 필요하였다. 이와 같은 추가적 현장시험은 탄성복원력을 이용한 록볼트의 현장 적용성을 높이고, 지하구조물 개발에서 안전성과 경제성을 동시에 확보하는 데 중요한 기초 자료로 활용될 수 있기 때문이다.

3. 탄성복원력을 이용한 록볼트의 현장시험 및 결과

탄성복원력을 이용하여 천공홀에 밀착되는 마찰형 록볼트의 실내시험 결과와 더불어 현장에서의 성능을 평가하기 위하여 현장시험을 실시하고 그 결과를 파악하였다. 현장시험은 포항 지역의 도로 절토 경사지인 풍화암 암반 사면에서 이루어졌으며, 서로 다른 직경과 두께를 가진 절개된 실린더형 강관 록볼트를 천공홀에 설치하고, 인발 시험을 통해 그 성능을 분석하였다. 현장시험과 관련한 준비 과정과 설치 방법, 인발 시험 절차와 결과는 다음과 같다.

3.1 현장 시험 준비 및 절차

3.1.1 천공홀 형성

서로 다른 직경과 두께를 가지고서 길이방향을 따라 절개된 실린더형 탄성 원통강관을 설치하고 인발 저항을 측정하기 위하여 암반 사면에 천공장비를 이용하여 시험용 천공홀을 형성하였다. 천공홀의 직경은 각각 48mm와 76mm로 설정하였고, 천공홀의 깊이는 3.0m로 하였다(Fig. 4).

Fig. 4

Formation of drilled holes for field testing

3.1.2 록볼트 설치

시험에 사용된 록볼트는 직경 48.6mm 및 76.3mm의 절개된 실린더형 강관으로 제작되었으며, 강관의 두께는 2.3mm부터 4.0mm까지의 다양한 규격으로 구성되었다(Table 2 & Fig. 5). 각 강관은 장비를 이용하여 천공홀에 강제로 압입되어 설치되었다. Fig. 6은 강관의 설치과정과 설치된 모습을 보여주고 있다. 외경 76.3mm 강관에 대해서는 인발시험을 하기 위해 강관 내에 25mm 이형철근을 강관내부 중앙에 배치시킨 후 시멘트 몰탈로 충전하였다.

Fig. 5

Elastic cylindrical steel pipe (longitudinally incised) fabricated for field test

Fig. 6

Installation of incised cylindrical steel pipe into the drilled holes for field test

3.2 인발 시험 절차 및 결과

3.2.1 시험 장비 설정 및 준비

인발 시험을 위해 현장에 설치된 록볼트에 하중을 가할 수 있는 인발 시험 장치를 설치하였다(Fig. 7). 이 장치는 천공홀에 설치된 록볼트를 천천히 인발할 수 있는 유압식 장치로 구성되어 있으며, 최대 300kN의 인발 하중을 측정할 수 있다. Fig. 8은 인발 시험 장치의 설치 과정과 각 장비의 위치를 보여주고 있다. 외경 48.6mm 강관에 대해서는 제작된 웨지장치를 이용하여 인발시험 (하중재하속도 10kN/min)을 실시하였지만 외경 76.3mm 강관에 대해서는 인발시험을 하기 위해 강관 내에 25mm 이형철근을 강관내부 중앙에 배치시킨 후 시멘트 몰탈로 충전하고 28일 경과 후 몰탈이 충분히 경화된 것을 확인한 후 인발시험을 실시하였다. 따라서, 외경 76.3mm 강관의 경우, 측정된 인발력은 강관과 천공홀 벽 사이에서 발생하는 저항력이 아니라, 이형철근과 충전 몰탈 사이의 부착력에 의해 결정된 값이 될 것이다. 그러나 이처럼 측정된 부착력에도 불구하고 강관이 천공홀 벽 내에서 이탈하지 않고 저항한다는 것은, 강관과 천공홀 벽 사이의 저항력이 측정된 부착력보다 더 크게 작용한다는 것을 의미한다. 따라서, 강관이 천공홀 벽 내에서 이탈하지 않은 상태에서 측정된 부착력은 강관과 천공홀 벽 사이의 최소 저항력으로 간주할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 7

Pull-out test apparatus

Fig. 8

Preparation and execution of pull-out test on incised elastic cylindrical steel pipe

3.2.2 인발 시험 결과 및 분석

(1) 직경 48.6mm 강관 록볼트의 성능

Fig. 9는 외경이 48.6mm인 강관의 현장시험 결과를 보여주고 있다. 그림에서 보는바와 같이 절개된 원통강관의 두께에 상관없이 3.0m 관입된 길이에 대하여 측정된 인발력은 측정장치의 한계값인 300kN(30톤)을 상회하는 것으로 나타났다. 이는 록볼트 설계기준 100kN(EXCS, 2021)을 훨씬 상회하는 값으로서 안정적인 인발저항을 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 이와 더불어 강관의 두께가 더 두꺼운 경우 변동성은 있지만 동일 인발력 대비 발생변위가 전반적으로 더 작은 경향을 가지는 것으로 나타났다.

Fig. 9

Field pullout test results (diameter: 48.6mm)

(2) 직경 76.3mm 강관 록볼트의 성능

Fig. 10은 외경이 76.3mm인 강관의 현장시험 결과를 보여주고 있다. 외경 76.3mm 강관의 경우 앞서 설명한 바와 같이 강관을 직접 인발하지 않고 강관 내 시멘트 몰탈을 이용하여 강관 내에 설치된 철근(25mm)을 인발하였으며, 안전을 위하여 230kN(23톤)까지만 인발하중을 가한 후 추가 인발은 실시하지 않았다. 그럼에도 불구하고 하중-변위 관계를 토대로 할 때 3.0m 관입된 길이에 대하여 측정장치의 한계값인 300kN(30톤)을 상회할 수 있을 것으로 판단된다. 이에 대한 근거로서 강관 직경이48.6mm인 강관에서 300kN까지 인발저항이 측정된 바, 이 보다 직경이 더 큰 76.3mm 강관은 외부 지반과의 접촉면적이 더 크기 때문에 보다 보다 큰 인발저항력을 나타낼 것으로 판단되기 때문이다. 외경 76.3mm 강관의 경우 강관 내에 시멘트 몰탈을 이용하여 설치된 25mm 철근을 인발한 결과이므로 하중-변위 관계를 강관 두께와 직접 비교하는 것은 적절하지 않다고 판단되며, 강관의 두께가 두꺼울수록 동일한 인발력에서 발생하는 변위가 상대적으로 감소할 것으로 예상된다.

Fig. 10

Field pullout test results (diameter: 76.3mm)

3.3 논의

천공되는 홀의 직경보다 큰 직경을 가지고 있으면서 관입에 의해 직경이 줄어들 수 있도록 제작된 탄성 실린더형 강관을 천공홀에 강제삽입 함으로써 강관의 천공홀벽을 향한 탄성복원력(팽창압)을 이용하여 록볼트를 정착시키는 기술을 개발하고 이를 현장에 적용하여 그 결과를 검증하였다. 현장 시험 결과, 길이방향으로 절개된 실린더형 강관을 통한 탄성복원력 록볼트는 천공홀에 대한 즉각적인 밀착으로 인발 저항을 안정적으로 확보할 수 있음을 확인하였다. 이는 기존의 시멘트 또는 수지 기반 록볼트가 가진 경화 시간의 문제와 환경적 제약을 극복할 수 있는 중요한 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다. 특히 터널 및 사면 굴착 등 지하 구조물에서 지지력과 안정성을 동시에 제공할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 다양한 지질 조건에서의 추가 실험을 통해 최적의 설계 조건을 도출하고, 실제 현장 환경에서의 장기적인 성능을 검증하는 과정이 필요할 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 터널 및 사면 안정화를 위해 개발된 길이방향으로 절개된 탄성 실린더형 록볼트의 성능을 실내시험과 현장시험을 통해 평가하였다. 기존의 접착형 록볼트가 지닌 한계를 극복하기 위해, 본 연구는 탄성복원력을 활용한 마찰형 강관 록볼트를 개발하고 그 성능을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 본 연구에서 개발된 탄성 실린더형 록볼트는 천공홀보다 큰 직경을 갖고 있으며, 삽입 시 천공홀 벽에 강력한 탄성복원력을 제공하여 즉각적인 지지력을 발휘하였다. 이를 통해 별도의 경화 시간이 필요하지 않고, 습윤한 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있어, 기존 그라우팅 방식의 한계를 극복할 수 있음을 확인하였다.

(2) 현장 인발 시험에서 탄성 실린더형 록볼트는 뛰어난 인발 저항 성능을 보였다. 직경 48.6mm 강관 록볼트는 풍화암에서 3m 관입길이에 대해 측정 장치의 한계값인 300kN을 초과하는 높은 인발력을 나타냈으며, 두께가 두꺼울수록 변위가 작게 발생하는 경향을 나타냈다. 이는 다양한 환경 조건에서도 신뢰할 수 있는 지지력을 제공할 수 있음을 시사하는 것으로 판단된다.

(3) 직경 76.3mm 강관 록볼트는 내부에 시멘트 모르타르와 이형철근을 보강한 후 인발 시험을 진행하였으며, 안전상의 이유로 230kN에서 시험을 중단하였음에도 불구하고, 추가 하중에 대해 안정적인 성능을 유지할 가능성을 보여주었다. 이는 강관의 직경이 클수록 외부 지반과의 접촉면적이 증가하여 더 큰 인발 저항을 발휘할 수 있기 때문이다.

(4) 본 연구에서 개발된 탄성 실린더형 록볼트는 설치 과정이 단순하고 시공 시간이 단축되며, 경화 시간이 필요하지 않아 비용 절감 효과를 기대할 수 있다. 또한, 접착제 유실 문제나 환경 오염 우려 없이 암반 안정성을 보장할 수 있어 터널 및 사면 보강 현장에서 실용적인 대안으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

(5) 본 연구는 제한된 환경에서의 실험을 기반으로 한 것으로, 다양한 지질 조건에서의 추가 현장 시험과 장기적인 성능 검증이 필요할 것으로 판단된다. 특히, 강관의 두께, 직경, 설치 깊이 등 다양한 변수를 고려한 최적 설계를 통해, 현장 조건에 맞는 록볼트의 적용성을 더욱 높이는 연구가 필요할 것으로 판단되며, 이를 통해 탄성복원력 기반의 록볼트 기술이 광범위한 지하공간 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.