지반동결공법의 적용상 문제점과 대책

 지반동결공법의 적용상 문제점과 대책

1. 개요

1.1 지반동결공법의 정의

지반 내 간극수를 인공적으로 동결시켜 지반을 일시적으로 고결화하는 특수 지반개량공법

동결관을 지반에 삽입하여 냉매를 순환시켜 지반을 동결시키는 공법

1.2 적용목적

연약지반의 강도 증대 및 차수

지하수 유입 차단

터널 및 수직구 굴착 시 토류벽 역할

2. 적용상의 문제점

2.1 기술적 문제점

(1) 동결지반의 융해침하

문제점: 동결 종료 후 지반 융해 시 급격한 침하 발생

원인: 동결팽창으로 인한 지반구조 변화, 간극수압 증가

(2) 히빙(Heaving) 현상

문제점: 동결팽창(최대 9%)으로 인한 지표면 융기

영향: 인접구조물 손상, 지하매설물 파손

(3) 동결벽 두께 확보의 어려움

문제점: 지하수 유속이 큰 경우 동결효과 감소

한계: 유속 2m/day 이상 시 동결 곤란

(4) 염분 농축현상

문제점: 동결 시 염분이 미동결부에 농축

영향: 동결온도 저하, 동결범위 축소

2.2 경제적 문제점

(1) 고비용 구조

초기 설비투자비 과다

냉매 순환을 위한 지속적인 전력비용

동결관 설치 및 유지관리비

(2) 공기 지연

동결완료까지 장기간 소요(1~3개월)

기상조건에 따른 동결효율 변동

2.3 환경적 문제점

(1) 에너지 과다소비

대량의 전력 소비로 인한 환경부하

(2) 냉매 누출 위험

프레온가스 등 냉매의 환경오염 가능성

3. 문제점별 대책

3.1 동결융해 침하 대책

(1) 설계단계

동결범위 최소화 설계

단계별 동결-융해 계획 수립

침하량 사전 예측 및 여유고 확보

(2) 시공단계

서서히 융해시키는 제어융해 실시

융해수 강제배수 시스템 구축

계측관리를 통한 침하 모니터링

(3) 보강대책

융해 후 그라우팅 보강

침하방지용 지반개량 병행

3.2 히빙 방지대책

(1) 사전대책

동결심도 및 범위 최적화

히빙량 사전 계산 및 여유공간 확보

인접구조물 보호공 설치

(2) 시공관리

동결속도 조절(급속동결 지양)

단계별 동결로 팽창량 분산

실시간 변위 계측 및 피드백

(3) 구조적 대책

억지말뚝 또는 앵커 설치

인접구조물 언더피닝 실시

3.3 동결효율 향상대책

(1) 지하수 대책

사전 지하수위 저하공법 병행

차수그라우팅으로 지하수 유속 감소

동결관 배치간격 조정

(2) 동결시스템 개선

냉매온도 저하(-40℃ 이하)

동결관 개수 및 배치 최적화

2중관 동결시스템 적용

(3) 염분 대책

담수 주입으로 염분 희석

동결온도 추가 저하

동결범위 확대 설계

3.4 경제성 개선대책

(1) 공법 선정

소규모 공사는 경제성 검토 후 대체공법 고려

액체질소 급속동결공법 검토

부분동결공법 적용

(2) 시공효율화

동결관 재사용 계획

동절기 시공으로 동결효율 향상

자동제어시스템 도입

3.5 환경대책

(1) 친환경 냉매 사용

프레온가스 대신 암모니아, 브라인 사용

액체질소 등 무공해 냉매 적용

(2) 에너지 절감

고효율 냉동기 사용

단열재 보강으로 열손실 최소화

4. 계측관리

4.1 필수 계측항목

동결온도 분포 측정

지표면 및 구조물 변위 측정

지하수위 및 간극수압 측정

동결벽 두께 확인

4.2 관리기준

동결온도: -10℃ 이하 유지

변위 허용치: 설계값의 80% 이내

실시간 모니터링 및 피드백 시스템 구축

5. 결론

지반동결공법은 효과적인 지반개량공법이나 동결융해에 따른 지반변형, 고비용, 환경문제 등의 단점이 있다. 따라서 철저한 사전조사와 설계최적화, 단계별 시공관리, 실시간 계측을 통해 문제점을 최소화하고, 경제성과 환경성을 고려한 대체공법과의 비교검토가 필요하다.