지하수 유입 조건에 따른 배면공동 뒤채움재 물성 변화 연구 = Experimental Study on the Material Property Changes of Tail Void Backfill under Groundwater Inflow Conditions

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 TBM 터널 시공 과정에서 지하수 유입 조건이 배면공동 뒤채움재의 물성에 미치는 영향을 규명하는 것을 주된 목적으로 수행되었다. 지하수 유입 정도를 단계적으로 변화시키며 작업성, 안정성 및 역학적 특성 의 변화를 정량적으로 분석하였고, 외부 요인의 영향을 배제한 상태를 비교 기준으로 활용하여 물성 변화의 상대적 경향을 평가하였다. 또한 실제 시공 환경에서는 지하수 유입과 동시에 토사 혼입이 병행될 가능성이 높다는 점을 고려하여, 토사 혼입 조건을 보조적 비교 요소로 설정하고 지하수 유입 조건과의 상대적 영향 차이를 분석하였다.
지하수 유입 조건에서는 유입량 증가에 따라 점도 저하, 유동성 증가 및 겔타임 단축이 뚜렷하게 나타났으며, 일정 유입 수준에서 물성 변화가 집중적으로 발생하는 임계적 거동(critical behavior)이 확인되었다. 안정성 측면에서는 블리딩이 지하수 유입량 증가에 따라 크게 증가하여 재료 분리 가능성이 높아지는 경향을 보였다. 역학적 특성 의 경우, 지하수 유입 수준이 특정 구간을 초과하면 압축강도 및 탄성계수가 급격히 저하되는 양상이 나타났으며, 이는 작업성 및 안정성에서 관찰된 변화 경향과 일관된 특성으로 해석된다.
반면 토사 혼입 조건은 지하수 유입에 비해 변화 폭이 상대적으로 제한적이었으며, 일정 혼입 수준까지는 비교적 안정적인 물성 거동을 유지하였다. 이는 미세 토사 입자의 충전 효과 및 보유수 특성에 의해 물성 저하가 완화된 결과로 판단된다. 본 연구는 지하수 유입이 뒤채움재 물성 변화에 가장 민감한 영향 요인임을 확인하였으며, 특정 유입 구간에서 나타나는 임계적 변화는 TBM 시공 시 뒤채움재의 품질관리 기준 설정에 중요한 근거가 될 수 있음을 제시하였다. 연구 결과는 TBM 터널 시공에서 뒤채움재의 합리적인 품질관리 체계를 마련하는 데 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to evaluate the influence of groundwater inflow, the most critical external factor affecting the quality of tail void backfill during TBM tunneling, on the material properties of backfill grout. Variations in groundwater inflow were applied to quantitatively examine changes in workability, stability, and hardened properties. To enable relative comparison of material behavior, a condition without external disturbances was used as a reference baseline. In addition, soil intrusion was considered as a secondary comparative factor, reflecting field conditions in which soil inflow may accompany groundwater inflow, and its relative influence was evaluated in comparison with groundwater inflow.
The results indicate that increasing groundwater inflow caused significant changes in workability, including reduced viscosity, increased fluidity, and shortened gel time. A critical threshold was identified at which material property changes intensified rapidly. Stability, represented by bleeding, also deteriorated markedly with increasing groundwater inflow. Hardened properties such as compressive strength and elastic modulus exhibited pronounced reductions once groundwater inflow exceeded a certain level, showing trends consistent with those observed in workability and stability.
In contrast, the effects of soil intrusion were less pronounced than those of groundwater inflow, with material behavior remaining relatively stable up to a certain intrusion level. This behavior is attributed to the filler effect of fine soil particles and their water-retention characteristics. Overall, the findings demonstrate that groundwater inflow is the dominant factor governing the material performance of tail void backfill, while soil intrusion acts as a supplementary factor with comparatively moderate effects. The identified critical behavior associated with groundwater inflow provides essential reference data for establishing quality control criteria in TBM tunneling projects.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.2 연구목적 및 범위 3
• 1.3 연구방법 및 절차 5
• 1.4 논문의 구성 6
• 제 2장 이론적 배경 7
• 2.1 배면공동과 뒤채움재의 역할 7
• 2.2 뒤채움재의 주요 물성 9
• 2.3 외부조건에 따른 물성 메커니즘 11
• 2.4 선행연구 고찰 및 연구의 차별성 13
• 제 3장 실험재료 및 방법 15
• 3.1 실험개요 15
• 3.2 사용재료 15
• 3.3 실험조건 설정 17
• 3.3.1 기준 배합 설정(Baseline Mix) 17
• 3.3.2 지하수 유입 조건 설정(Groundwater Inflow Conditions) 18
• 3.3.3 토사 혼입 조건 설정(Soil Intrusion Conditions) 18
• 3.4 실험방법 20
• 3.4.1 작업성(Workability) 20
• 3.4.2 안정성(Stability) 22
• 3.4.3 역학적 특성(Mechanical Properties) 23
• 3.5 실험절차 25
• 제 4장 실험결과 및 분석 29
• 4.1 기준 배합의 물성 특성 29
• 4.1.1 작업성(Workability) 및 안정성(Stability) 29
• 4.1.2 역학적 특성(Mechanical Properties) 32
• 4.2 지하수 유입 조건에 따른 물성 변화 37
• 4.2.1 작업성(Workability) 및 안정성(Stability) 37
• 4.2.2 역학적 특성(Mechanical Properties) 40
• 4.3 토사 혼입 조건에 따른 물성 변화 46
• 4.3.1 작업성(Workability) 및 안정성(Stability) 46
• 4.3.2 역학적 특성(Mechanical Properties) 49
• 4.4 조건 간 비교 분석 55
• 4.4.1 작업성(Workability) 및 안정성(Stability) 비교 55
• 4.4.2 역학적 특성(Mechanical Properties) 비교 60
• 제 5장 논의 66
• 5.1 지하수 유입 조건의 물성 변화 해석 66
• 5.2 토사 혼입 조건의 물성 변화 해석 66
• 5.3 두 조건의 영향 차이 분석 67
• 5.4 임계구간의 공학적 의미 해석 67
• 제 6장 결론 69
• 6.1 결론 69
• 6.2 추후 연구과제 71
• 참고문헌 72
• Abstract 73