일체식 강관을 이용한 선천공 동시주입공법 (MSP공법)

우리나라는 지형적 특성상 산악 지역이 많아 철도를 건설할 때 터널공사가 자주 이루어진다. 또한 수도권광역급행철도(GTX) 등 도심 내에서는 대심도 지하터널을 뚫어야 하는 경우가 많다. 이 과정에서 주변 지반의 안정성을 확보하기 위해 보조공법이 필요하다.
이번에 소개할 ‘MSP공법(Monolithic Steel Pipe)’은 ㈜태산기초엔지니어링이 개발한 기술로, 안정성, 시공성, 경제성을 모두 갖춘 혁신적인 공법이다. ‘MSP공법’의 가장 큰 특징은 일체형 13m 경관(강철 파이프)을 사용하는 것으로, 쉽게 말해 튼튼한 서까래로 지붕을 받치는 것과 같은 원리이다.
터널 굴착 시 지반이 단단한 암반이 아닐 경우, 붕괴를 방지하기 위해 강관(강철 파이프)을 굴착 방향으로 삽입한 뒤, 강관 내부와 주변 지반에 시멘트 그라우팅을 주입하여 지반을 강화하는 공법이 사용된다. 이를 통해 안전한 터널 굴착이 가능해진다.
기존 유사 공법에서는 12m 길이의 강관을 사용하고 이를 연결하기 위해 별도의 연결관을 추가로 삽입해야 했다. 하지만 강관에 PVC(폴리염화비닐) 관 등을 연결할 경우 작업 과정이 복잡해지고 공사 기간이 길어지는 문제가 있다. 또한, 굴착 후 제거된 연결관이 폐기물로 분류되어 처리하는 데 추가 비용이 발생하는 단점도 있었다. 원주지방국토관리청의 시방기준에 따르면 지보재^* 간격은 1m, 천공 각도는 15°로 시공해야 한다. 하지만 기존 보강재와 천공 장비가 충돌하는 문제가 발생해 보강길이를 줄여야 하는 한계가 발생했다.
이러한 문제를 해결하고 안전성을 확보하기 위해 ㈜태산기초엔지니어링은 MSP공법인 선행보강공법^*을 도입했다. 이 공법을 통해 강지보재^*와 천공 장비의 충돌을 방지할 수 있었다.또한, 별도의 연결관 없이 사용할 수 있는 13m 일체형 강관을 개발했다. 이 강관은 굴착 시 끝부분(1m)을 쉽게 제거할 수 있도록 홈을 가공해, 굴착 장비를 활용한 절단이 용이하다.
절단 후에도 원주지방국토관리청의 시방기준에 맞는 12m 길이를 유지할 수 있으며, 절단된 강관은 고철로 처리해 기타 비용의 이익이 발생하게 된다.
또한 강관 내부에 속관이 있어 주입재(시멘트 등)를 채울 때 1번 주입관(속관)과 2번 주입관을 동시에 활용할 수 있어, 주입재가 단단하게 굳을 때까지 걸리는 시간을 기존 유사 공법 대비 30시간 이상 단축할 수 있다.
이처럼 ㈜태산기초엔지니어링의 MSP공법은 터널 굴진 시 안정성을 확보하고 지반을 효과적으로 보강하는 우수성을 인정받아 현재 산악 터널이나 대심도 터널 등 다양한 현장에서 보강공법으로 적용되고 있다.

^*지보재
터널이 무너지지 않도록 구조적 안정성을 확보해주는 구조물
^*선행보강공법
터널을 굴착하기 전에 먼저 지반을 보강하여 안정성을 확보하는 공법
^*강지보재
터널 천단 및 벽체의 하중을 분산시키고 지지하는 강철 구조물

선천공 동시주입공법 & 교량용 강관거더

일체식 강관을 이용한 선천공 동시주입공법 (MSP공법)

개선된 동시주입속관(원타입)

교량용 강관거더

공법 개념도

교량용 강관거더

하천이나 도로 위로 열차가 지나가기 위해서는 교량이 필요하다. 교량 아래에서 위를 바라보면, 상판과 교각(교량의 다리 역할을 하는 구조물) 사이에 위치한 ‘거더(Girder)’를 볼 수 있다. 거더는 상판을 떠받치는 ‘보’로, 교량의 상부 하중을 견디고 이를 교각으로 안전하게 전달하는 역할을 한다. 즉, 교량의 구조적 안정성을 확보하고 하중을 지지하는 핵심 요소이다.
거더는 형상과 재료에 따라 여러 종류로 나뉜다. 단면의 형태에 따라 I형, H형, BOX형(사각형 또는 다각형) 등이 있으며, 재료에 따라 강철을 사용한 ‘강재거더’, 철근과 콘크리트를 함께 사용하는 ‘합성거더’ 등으로 구분된다. 거더의 종류는 교량의 형태, 설계 조건, 사용 목적에 따라 적합한 방식으로 선택된다.
기존의 강재거더는 일반적으로 I형, H형, BOX형의 단면을 강재로 제작하고 용접하여 연결하는 방식이었다. 하지만 이 방식은 압축하중이 작용할 때 갑작스럽게 휘어지거나 변형될 위험이 있어, 이를 방지하기 위해 여러 개의 보강재를 추가해야 했다. 이로 인해 제작 및 시공 과정이 복잡해지고 강재 사용량이 증가하여 공사비가 상승하는 단점이 발생했다. 이러한 단점을 보완하기 위해 개발된 것이 한우물중공업㈜의 ‘교량용 강관거더’이다.
‘교량용 강관거더’는 강재 단일재료를 사용해 구조적 안전성을 확보하면서도 내부 보강을 통해 강성을 높여 진동과 처짐을 개선한 교량 구조물이다. 강관거더는 강철 파이프 형태로 하중을 안정적으로 전달하고 변형이 적은 특징을 가지는데, ‘교량용 강관거더’는 상단 양측에 수직보강재를 부착해 강재 상판과 합성되도록 하고 하부에는 같은 곡률을 가진 인장보강판을 적용하여 구조적 강도를 높였다. 이를 통해 압축응력과 인장응력이 균형을 이루도록 설계되어 구조적으로 더욱 안정적이다.
이러한 효율적인 단면 설계 덕분에 강재 사용량을 줄이고 구조물 자체의 무게를 감소시킬 수 있게 됐다. 결과적으로 공사비를 약 10% 절감하고 공사 기간을 단축하는 효과를 기대할 수 있다. 또한 ‘교량용 강관거더’는 경량 구조물로서 보강재의 수를 대폭 줄여 제작 공정을 단순화할 수 있으며, 기성 제품인 원형강관을 최소한의 가공을 거쳐 그대로 사용할 수 있어 경제적 측면에서 장점이 크다.
유지관리 측면에서도 강관거더의 단면이 밀폐된 구조이기 때문에 내부 유지보수가 필요 없으며, 현장에서 용접이음을 적용해 품질 관리가 용이하고 유지관리도 간편하다. 또한, 원형강관을 적용함으로써 미관 측면에서도 우수한 장점을 갖고 있다.
한우물중공업㈜의 ‘교량용 강관거더’ 기술은 이미 다수의 시공 실적을 통해 안전성이 검증되었으며, 기존 강재거더를 대체할 수 있는 새로운 교량 구조물로 주목받고 있다.