1. 서 론
2. 기존 및 개발기술 상세
2.1 기존기술
2.2 개발기술 상세
3. 기술의 특징
3.1 내화성능 확보
3.2 풍도슬래브 물량 절감
3.3 라이닝 및 브라켓 물량 절감
3.4 27 m 장연장 풍도슬래브
3.5 슬래브 양중 작업 단순화
4. 시스템 검증
4.1 개요
4.2 시험 계획
5. 시험결과
6. 결 론
1. 서 론
풍도슬래브는 도시지역 1 km이상 또는 방재 1등급 이상의 터널에서 환기 및 배연을 위해 터널 상부에 설치되는 프리캐스트 콘크리트 슬래브로 향후 대심도 지하차도의 발주가 본격화될 시점에 연간 1,000억원을 상회하는 수준의 시장 규모가 형성될 것으로 예상된다(Jung and Yoon 2013). 이처럼 수요가 확대될 것으로 예상되는 풍도슬래브 시장에서, 기존 공법은 다음과 같은 기술적 한계를 안고 있다.
1) 내화 성능의 부족 – 「도로터널 내화지침(’21.04)」에 따른 강화된 내화설계 준수 어려움
2) 전도 위험성 – 브라켓(Bracket) 품질관리 실패에 따른 풍도슬래브 전도
3) 유지관리의 비효율성 – 유지보수 시 슬래브 교체가 어려움
4) 적용 범위의 한계 – 대단면 및 분기 터널 확대에 따라 기존 시스템으로는 장연장 대응이 어려움
이러한 문제점들을 해결하기 위해, 본 연구에서는 ITPC(Integrated Tunnel & Pre-Cast)-Slab 시스템을 개발하였다. 본 시스템은 피복확보를 통한 내화 성능 향상, 수평결합키를 통한 전도 방지 구조 확보, 유지관리 시 슬래브 교체 용이, 분기터널 형상에서 장연장 적용을 통해 기존 풍도슬래브의 한계를 극복하고자 한다(Kim et al. 2024).
2. 기존 및 개발기술 상세
2.1 기존기술
신월여의지하차도 및 서부간선지하차도와 같은 대심도 지하차도에는 운영 중 환기 및 화재 시 배연을 위한 풍도슬래브가 시공되어있다. 기존 공법은 Fig. 1과 같이 플랫(Flat)형 프리텐션 프리캐스트 슬래브로 터널 라이닝 콘크리트 타설 시 함께 시공되는 브라켓 위에 얹히는 방식으로 시공된다.
기존 공법은 이와 같은 얹힘 공법으로 인해 브라켓 시공을 위한 라이닝 폼의 개조가 필요하고 라이닝 콘크리트 타설 시 브라켓 단부까지 치밀한 콘크리트 타설이 불가하여 품질관리에 어려움이 있다. 또한, 브라켓 철근 배근 및 검측이 어려워 브라켓에 과다한 피복이 형성되어 풍도슬래브 거치 시 두꺼워진 피복에 놓일 경우 Fig. 2와 같이 풍도슬래브의 전도낙하에 의한 인명사고가 발생한 사례가 있다. 한편 시공 중 또는 유지관리 단계에서 단면 손상 및 화재 등에 의해 풍도슬래브 교체가 필요한 경우 기존 공법은 교체 시 회전 후 하향하는 공법에 의해 인접 슬래브의 일정 물량 해체가 불가피하며 해체 물량을 줄이기 위해 인접 풍도슬래브에 얹히는 방식을 적용할 경우 브라켓의 안정성에 문제가 발생할 수 있다.
2.2 개발기술 상세
ITPC-Slab 시스템은 슬래브와 브라켓 연결구조를 기존의 얹힘 방식에서 결합키에 의한 수평 결합방식으로 변경하여 브라켓의 크기를 최소화하고 라이닝의 시공을 용이하게 하였다. 또한, 결합부를 제외한 전체구간의 단면이 T형이므로 주인장 부재의 내화피복을 충분히 두어도 소요 편심을 확보할 수 있고 플랜지(Flange)를 아치형(Arch Type)으로 하여 수평 결합키가 받는 수평반력에 의한 아칭효과(Arching Effect)를 기대할 수 있다. ITPC-Slab 시스템의 세부 구조는 Fig. 3과 같다. 결합키는 키하우징 내에서 유동하는 장치로 결합작업용 홀을 이용한 가압 시 결합키 주두부가 슬라이딩 되면서 키홈부에 결합되며 수평력을 전달한다. 키하우징(Key-Housing)은 결합키를 감싼 상태로 ITPC-Slab 단부구간에 타설 전 설치되어 결합키가 슬라이딩 (Sliding)할 수 있는 공간을 제공한다. 키홈부 매입철물은 브라켓 측면에서 ㄷ형의 홈을 형성하기 위해 라이닝 타설 시 매입되며 ITPC-Slab 가설 시 결합키가 홈에 삽입되며 무수축몰탈을 통해 브라켓과 ITPC-Slab 사이 틈을 채우게 된다(Bang et al. 2025).
3. 기술의 특징
3.1 내화성능 확보
Fig. 4는 기존 풍도 슬래브와 ITPC-Slab의 내화피복 두께 차이를 보여준다. 기존의 풍도슬래브는 내화성능을 확보하기 위해 소형차 전용 도로인 경우 콘크리트 피복을 55 mm정도 확보하고 내화섬유를 혼입하는 방식을 사용하고 있고 전차종도로의 경우 콘크리트 피복 외에 고가의 내화패널 또는 품칠을 추가로 설치하여야 한다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport 2021). 반면 ITPC-Slab는 내화피복을 100 mm 이상 확보할 수 있어 전차종도로의 경우에도 내화섬유 혼입만으로도 충분한 내화성능을 확보할 수 있다.
3.2 풍도슬래브 물량 절감
기존의 공법은 단순 슬래브 타입으로 형고가 낮고 편심이 작아서 단면의 효율성이 낮은 반면 ITPC-Slab는 아치형 T Type에 결합키에 의한 압축력을 도입, 단면의 효율성 및 아칭효과를 극대화시켜 콘크리트, 철근 및 강재의 물량을 절감할 수 있다. Table 1은 설계하중 5 KN/m2 , 비균열 등급 설계조건으로 기존공법 대비 ITPC-Slab의 콘크리트, 철근 강연선 등 자재 물량 절감을 보여준다.
Table 1.
Comparison of material quantities: Conventional and ITPC-Slab
3.3 라이닝 및 브라켓 물량 절감
브라켓과 풍도슬래브의 지지방식이 기존의 얹힘 방식에서 수평결합방식으로 변경됨에 따라 Fig. 5와 같이 브라켓의 콘크리트 및 철근 물량이 절감될 수 있다. 특히 대심도 지하차도의 경우 무근 라이닝 구간이 대부분임에도 불구하고 브라켓 보강철근을 위한 조립철근이 라이닝에 배근됨에 따라 철근과 내화공법 비용이 추가로 필요하나 ITPC-Slab를 적용할 경우 최소한의 보강철근만이 필요하여 라이닝 철근 물량 절감이 가능하고 내화공법이 불필요하다.
3.4 27 m 장연장 풍도슬래브
최근 대단면 및 분기터널 설계의 전면 확대로 풍도슬래브의 장경간(20 m 이상)이 요구되고 있으나 기존의 슬래브 방식으로는 최장 21 m 실적(제물포터널)만 있고 그 이상 적용 시 중앙부 처짐 과다로 캠버 관리가 불가능해 내부 지점이 필요하다. 내부 지점을 만들어주기 위해 Fig. 6과 같이 분기부 기둥을 설계할 수 있으나 차량 충돌 시 기둥 및 슬래브 붕괴로 인한 대형사고가 우려된다. 반면 ITPC-Slab의 ARCH형 T형 단면으로 27 m 분기터널을 분기부 기둥 없이 설계할 수 있다.
3.5 슬래브 양중 작업 단순화
기존의 공법은 브라켓 위에 슬래브를 얹기 위해 인양 후 브라켓 위에서 회전한 뒤 정위치시키는 작업이 필요하나 ITPC-Slab는 Fig. 7과 같이 별도의 회전 없이 수직인양 후 바로 결합키로 체결함으로 작업이 단순하다. 풍도슬래브의 수직인양 가설 공법을 통해 시공 중 또는 유지관리 시 풍도슬래브의 교체가 필요할 경우 인접 슬래브의 해체없이 교체 대상 슬래브만 재시공이 가능하다.
4. 시스템 검증
4.1 개요
ITPC-Slab 시스템을 남해-여수 해저터널 실시설계에 반영하기 위해 풍도슬래브 전체와 브라켓 일부를 모사한 실물 시험체를 제작하고 구조성능 시험을 수행하였다. Figs. 8과 9는 시험 대상으로한 ITPC-1(표준단면 11 m)와 ITPC-2(최장단면 26.9 m)의 단면이며 시험은 명지대학교 하이브리드 구조 실험센터에서 수행하였다.
4.2 시험 계획
터널 라이닝 경계조건을 모사하기 위해 브라켓 블록 기초부 앞뒷굽에 Φ36 강봉을 삽입 후 40~45톤의 축력을 도입하여 전도 및 슬라이딩을 방지하였다. 또한 브라켓 블록 기초 배면 뒤에 슬라이딩을 방지하기 위해 추가 지지대를 설치하였다. 시험체 중앙부와 단부에 1,000 KN 액츄에이터(Actuator)를 각 1기씩 설치하고 슬래브 휨시험 후 브라켓 전단시험을 수행하였다. 가력 중에 슬래브 및 브라켓의 거동을 실시간으로 모니터링하기 위해 LVDT 7기, 변형율게이지 5기를 설치하였다. Fig. 10은 하중 가력 위치를 나타내며, a는 중앙부 하중 가력 시 단부에서 하중 가력 지점까지의 거리, b는 중앙부 하중 가력 시 하중 가력 지점 간의 거리, c는 단부 하중 가력 시 단부에서 하중 가력 지점까지의 거리를 나타낸다.
5. 시험결과
Table 2 및 Fig. 11은 ITPC-Slab의 휨시험 전경 및 결과를 보여준다. 실균열(Hair Crak) 육안 확인 직후 가력을 종료하였다. 휨시험 결과 계수모멘트를 초과하여도 충분한 안전성을 확보하고 있으며 균열은 사용모멘트의 2.6~2.7배에서 발생하였다. 설계상 가정과 달리, 초기에 양단부 회전에 대한 구속이 존재하였고 이는 키홈부에 결합키가 물린 형태와 고강도 몰탈의 영향으로 추정된다. ITPC-1의 경우 단부와 중앙부의 높이 차가 크지 않아 보와 같은 휨 거동을 확인할 수 있었고, ITPC-2는 블록 슬라이딩 발생으로 아칭효과가 소산되었음에도 휨강도가 유지됨을 확인할 수 있었다.
Table 2.
Bending test result of ITPC-Slab
| Category | Factored moment | Applied moment | Remark | |
| Slab | ITPC-1 (11 m) | 318.6 KN･m | 604.3 KN･m | O.K |
| ITPC-2 (26.9 m) | 1698.8 KN･m | 3630.1 KN･m | O.K | |
브라켓 전단시험은 Fig. 12와 같이 수행하였고 시험 종료시에는 모르타르(Mortar) 균열을 확인할 수 있었다. Table 3은 ITPC-Slab를 지지해주는 브라켓의 전단시험 결과를 나타낸다. 브라켓 전단시험은 계수전단력까지 특이사항이 없어 최대전단력까지 가력 후 종료하였다. 계수전단력을 초과하여도 브라켓 콘크리트는 건전한 것으로 평가되었고 계수전단력의 1.7배에서 몰탈균열이 발생하였다.
Table 3.
Bracket shear test result of ITPC-Slab
| Category | Factored shear force | Applied shear force | Remark | |
| Bracket | ITPC-1 (11 m) | 116.2 KN | 293.2 KN | O.K |
| ITPC-2 (26.9 m) | 195.6 KN | 378.5 KN | O.K | |
결합키도 휨-전단시험을 수행하였고 UTM에서 결합키가 파단될때까지 가력하였다. Fig. 13은 결합키의 휨-전단시험을 보여준다. Table 4와 같이 2개의 시편을 대상으로 시험하였고 2개 시편 모두 계수전단력의 1.7배 이상의 안전율을 확보하고 있었다. 시편은 휨과 전단을 동시에 받는 것으로 나타났지만, 실제로는 결합키가 고강도 몰탈에 매립되므로 휨은 발생하지 않는다.
6. 결 론
본 연구에서는 기존의 풍도슬래브 시공 방식을 대체하기 위해 ITPC-Slab 시스템을 개발하였으며 휨 및 전단시험을 통해 개발한 ITPC-Slab 시스템에 대한 실증을 수행하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
1) ITPC-Slab 시스템은 브라켓에 슬래브를 얹는 일반적인 공법에서 결합키를 활용하여 수평으로 연결하는 방식으로 변경한 신기술/신공법이다. 이를 통해 품질관리가 까다로운 브라켓을 제거하여 시공 안전성을 확보하고 철근과 콘크리트 물량을 획기적으로 절감하여 라이닝 시공 및 풍도슬래브 가설 속도를 향상시킬 수 있게 되었다. 또한 아치형 T단면을 적용하여 슬래브 자체 물량을 절감하고 전차종도로에서의 고가의 내화공법을 미반영할 수 있게 되었다.
2) 2023년도 11월에 실물 Test를 완료하였고 전차종터널에서의 내화성능, 분기터널에서의 장연장 슬래브, 브라켓 삭제에 따른 물량 절감 등의 차별화된 기술력을 인정받아 남해-여수 해저터널에 최초 반영되었다, 향후 계획되어 있는 민자 대심도 지하차도 및 경부, 경인고속도로 지하화 사업은 방재 1등급 이상의 터널로 요구됨에 따라 전구간 풍도슬래브가 필요하므로 ITPC-Slab의 활용으로 경제적인 터널 설계 및 시공에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.
3) Precast 공법이 보편화된 교량 구조물과 달리, 터널 구조물은 여전히 대부분의 구조 부재가 재래식 공법으로 시공되고 있으며, 풍도슬래브 또한 최근에 이르러서야 프리캐스트 방식으로 설계·적용되기 시작하였다. 특히 대심도 터널은 도심지에 주로 적용되는 공사로, 인허가 지연, 민원 발생, 용지 보상 문제 등으로 인해 공기가 부족하고 개통이 지연되는 사례가 빈번하게 발생하고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 풍도슬래브를 포함한 터널 라이닝 구조물의 시공 효율성을 극대화할 수 있는 방안을 제시하였다. 앞으로는 Precast 공법을 터널 전반에 확대 적용할 수 있도록 기술개발을 지속하고, ITPC(Integrated Tunnel & Pre-Cast) Tech. Package를 체계적으로 구축하여, 대심도 터널 공사의 공기 단축을 위한 핵심 솔루션으로 활용될 수 있도록 추진할 계획이다.
