하수관거 보수보강법(교체공법, 갱신공법)

3. 하수관거의 교체공법 혹은 갱신공법

 

기존의 하수관거를 보수․보강하는 것이 항상 바람직하거나 가능할 수만은 없으며 흔히 통수능력의 부족이 문제가 되고 있다. 일반적으로 기존관을 갱생하면 마찰계수가 작아지므로 통수능이 다소 증가하나, 기존관의 통수능이 현저히 부족한 경우에는 대형관으로 교체가 불가피하다. 즉 기존 하수관망이 현재 혹은 향후의 기반시설로써 적절하지 못하다면, 기존관을 교체하거나 새로운 관을 신설해야 할 필요가 있다.

이러한 경우 일반적으로 굴착 공법과 터널링 공법이 적용되어 왔으나 이러한 기술은 많은 한계점을 갖고 있으며, 굴착 기술은 특히 도시지역에서 혼잡을 야기하는 반면에 터널공법은 비교적 심도가 깊거나 대형관거의 경우에만 경제성을 갖는다.

 

3.1 비굴착 교체공법

 

최근 몇 년간 관 파쇄공법(pipe bursting), 마이크로터널링(microtunneling), 천공법(directional drilling), 제트류 절삭법(fluid jet cutting), 충격식 몰링(impact moling), 충격식 래밍(impact ramming), 오거보링(auger boring)과 같은 비굴착 교체공법이 매우 빈번하게 사용되어 왔다. 비교적 덜 혼잡한 곳에서는 굴착을 최소한으로 하는 협폭굴착(narrow trenching)이 사용되기도 한다.

이러한 공법 중 어떠한 것도 모든 상황에 적합하다고 할 수는 없으며 다른 지하 매설물이 인접하여 있거나, 바위나 암반이 존재하는 지역에서는 여러 한계점들이 나타난다. 따라서 새로운 기술이 점차 일반화되어 이러한 문제점들이 극복되어야 할 것이다.

 

3.1.1 관 파쇄공법(pipe bursting)

 

관 파쇄공법은 기존관을 부수고 부서진 파편을 주변토양으로 밀어낸 후 기존 관로와 관경이 같거나 더 큰 크기의 새로운 관을 확장된 공간으로 삽입하기 위해 밀어 넣는 것이다. 원래의 개념은 주철 가스관을 교체하기 위한 것으로 영국에서 처음 고안되어 점차 널리 사용되게 되었다(Reed, 1987, 1988 ; Decker and Larson, 1988). 파쇄기는 공기압방식과 유압방식(pneumatic or hydraulic bursters)이 있으며, 파쇄 방식은 직접 파쇄식과 윈치 견인식이 있다. 새로운 관은 파쇄기 전면에서 당기고 뒤에서 신속하게 밀어 넣는다. <그림 6-9>에 관 파쇄공법이 예시되어 있다.

<그림 6-9> 관 파쇄공법 - 전형적인 현장 상황도

 

파쇄기의 앞부분에 대한 여러 설계방식이 개발되었는데, 현존하는 가장 단순한 모양은 파쇄기의 앞부분에서 뒤로 갈수록 점차 크기가 증가하는 형태이다. 원뿔형으로 변화하는 부분에 노후관의 벽이 닿으면서 관경이 확장되며, 파쇄기에 장착된 특수 팽창 돌쩌귀(special expanding knuckles)에 의해 이음부가 파열된다. 유압식 팽창 파쇄기도 개발되었다.

투관(套管, sleeve pipe)이 파쇄기 바로 뒷부분에서 당겨져 설치되므로 최종적으로 설치된 관이 파쇄된 관의 파편에 의해 긁히지 않도록 한다. 파쇄공정이 완료된 후 투관은 HDPE로 라이닝되며 이것이 최종 관로를 형성하게 된다. 다른 재질 즉 도관, FRP, 콘크리트관을 최종관으로 사용하여 성공한 사례가 있다.

관 파쇄공법은 유리점토, 무근 콘크리트, 석면 시멘트, 일부 PVC, 주철관과 같은 부서지기 쉬운 재질의 관을 교체하는 데에 적합하다. 강관, 닥타일 주철관, 철근콘크리트관, 폴리에칠렌관, 복합관을 관 파쇄공법으로 교체하는 것은 적합하지 않다. 관 파쇄공법을 적용하는 데에 필요한 관의 크기를 <표 6-8>에 나타내었다. 설계자는 파쇄방식을 선정하기에 앞서 관의 크기를 확인해야 한다.

 

<표 6-8> 관 파쇄 교체 공법

기존관의 내경 (in)*	교체관의 내경 : 정치수(size-for-size) (in)	교체관의 내경 : 과치수(oversize) (in)
9	9	11 12.4 13.8
12	12	12.4 13.8 15.7
15	-	15.7 15.7
18	17.7	-

※ : in Ⅹ 25.40 = mm

 

작업구 사이의 최대길이는 기존 관거의 재질, 이음부의 설계, 관 표면, 토양조건 등과 같은 요인들에 따라 다르지만 보통 삽입되는 길이는 60～90m(200～300ft)이다. 관 표면의 특성은 삽입에 상당히 중요한 영향을 미친다. 콘크리트 재질인 경우 콘크리트 타설 범위, 콘크리트 강도, 파쇄장비의 파쇄능력 등에 따라 영향의 정도가 다르다. 관 표면의 재질은 관의 파쇄와 신관 삽입시 마찰로 인하여 신관 삽입에 지장을 초래하지 않을 정도로 확장될 수 있어야 한다.

기존 관거 주변의 토양조건은 관 파쇄공법의 성공여부에 매우 큰 영향을 미친다. 대개 모래와 자갈보다는 점토질 토양의 경우 관 파쇄에 의한 교체가 용이하다. 모래 또는 점착력이 없는 토양(특히 젖은 모래)에서 관 파쇄를 할 때는 점토질 토양에서보다 추진거리가 더 짧은 경향이 있는데, 이는 토양이 바로 이완되면서 교체관을 진입시킬 때 큰 마찰효과를 내기 때문이다.

 

1) 장 점

관 파쇄공법의 주요 장점은 다음과 같다.

가) 관 파쇄공법의 설치속도는 현장 준비와 관 접합공정을 포함하여 주당 37m(120ft) 정도이다. 삽입속도는 mm/s(ft/min) 단위로 나타내며, 현장준비시간, 관 접합시간(연속 접합관이 사용되었을 경우), 작업구의 굴착시간, 재연결 작업과 부수적인 작업을 해야 하는 시간 등이 포함되지 않은 속도이다. 지반이 단단한 경우 삽입속도가 늦어지는 경우가 있지만 대부분 2.5～20mm/s(0.5～4 ft/min) 사이에서 완공된다.

나) 특히 도시지역에서 복구비용이 많이 절감된다.

다) 환경과 교통문제의 유발을 저감시키나, 경험에 따르면 이 측면은 과대 평가되어 왔다. 또한 작업구의 위치, 지선 하수관거의 재 연결에 필요한 개구부의 개수, 관을 설치하는데 필요한 공간 등을(이러한 경우 부분적인 굴착을 많이 해야 하므로)반드시 고려하여야 한다.

라) 공공시설 사용에 불편을 주지 않으므로 발생되는 비용절감 효과가 있으나 이 공법의 적용에 따른 진동효과 때문에 효과는 어느 정도 상쇄된다(단점 참조).

마) 단위 교체 비용은 재래식 굴착 공법보다 20～30%가 저렴하다.

 

2) 단 점

관 파쇄공법이 개발됨에 따라 파쇄 장비가 널리 사용되고 있지만, 크기와 성능이 제한되어 있어 있다. 이 공법은 부서지기 쉬운 재료에만 적용할 수 있어, 콘크리트로 감싸진 모든 관에 사용할 수 있는 것이 아니다. 또한 관로의 시공 상태를 알 수 없거나 일부분을 콘크리트로 타설한 경우에는 이 공법을 적용하기가 어렵다.

암반 부근 혹은 파일 위에 축조된 하수관거에서 파쇄기가 내는 힘은 일정하지 않으며 파쇄기가 어긋나는 경향이 있다. 또한 기존 관로 근처에 있는 큰 바위도 유사한 문제를 일으킬 수 있다. 따라서, 파쇄 추진속도는 관의 재질과 토양조건에 따라 다르기 때문에 시공일정을 예측하기 어렵다.

이러한 피해를 줄이기 위해 파쇄하기 전에 모든 연결관 부분을 굴착하여 연결된 부분을 찾아서 끊어주어야 한다. 이 때문에 새로운 관이 완전히 설치된 후에야 비로소 다시 연결할 수 있는 번거로움이 있다. 연결관이 많은 곳에서는 이 문제가 심각하여, 만일 시공을 하는 중에 또 다른 문제가 발생할 경우에는 가지관 연결부를 장기간 통제해야 하므로 주민이 그 동안 하수도를 사용할 수 없게 된다.

가장 큰 단점 중 하나는 인접 지하매설물, 구조물, 지표면, 특히 포장된 도로 면에 악영향을 미치는 것이다. 파쇄기의 팽창작용에 의해 관로 주변의 토양이 이동하게 되며, 이 때에 이동되는 양은 토양의 종류, 팽창되는 정도, 관을 둘러싼 재료에 따라 다르다. 이러한 관로 주변 물질의 이동은 주변 토양을 통해 전달되며, 파쇄가 진행되는 방향의 횡 방향으로 지나가는 구조물과 인접한 지하시설물에 변형과 휨 현상을 발생시킨다. 이러한 힘이 관로의 이동을 초래하고, 그 힘의 크기와 관의 상태에 따라 구조적인 손상이나 이음부의 누수 원인이 되기도 한다.

이 분야에 대한 많은 연구가 수행되어 「관로 주변도(pipe proximity chart)」가 만들어지게 되었다(Leech and Reed, 1989, Briassoulis et al., 1989). 매설심도가 작은 경우의 파쇄는 지표면 부근에서 이루어지므로, 팽창이 되는 동안 일반적으로 상부 방향으로의 토양이 이동하여 국부적이고 강렬한 교란이 발생한다. 그러나 하수관거의 매설심도가 깊은 경우에는 파쇄공정에 따른 교란이 주변토양의 무게에 의한 압축에 의해 억제된다. 균질한 토양에서 팽창은 방사형으로 발생하지만, 팽창되는 부분 아래에 단단한 지층(암반), 파일, 연약한 되메움층이 있는 공동구 바닥 등이 있으면 팽창은 윗 방향으로 발생할 것이다. 토양의 이동은 국부적이며, 되메움층의 강도와 압축정도에 따라 정해진 체적변화에 의해 억제된다.

지표면의 교란은 거의 보이지 않을 정도로 지표면이 살짝 상승하는 경우부터 지표면에 균열이 생기고 기존의 이음부와 결점부위에 구멍을 낼 정도로 심하게 상승하는 경우까지 다양하다. 관 파쇄 중에 일어나는 이러한 교란은 대부분 일시적이며 후에 다시 어느 정도 내려앉게 된다. 이러한 지표면 상승을 미리 예측하는 가장 적절한 방법은 이미 완료된 유사한 과업에 대해 내용을 비교 검토하는 것이다. 시공자는 기술자로 하여금 이와 같이 계속 변화하는 현장 상황에 대처할 수 있도록 기술자를 지도, 감독해야 한다.

 

3.1.2 마이크로터널링(microtunneling)

 

인구밀도가 높은 도심지역에 개착식 건설공법을 사용하여 하수관을 설치하는데는 많은 제한이 따른다. 따라서 이러한 제한요인을 해결하기 위하여 인구밀도가 높은 일본에서 마이크로터널링공법이 처음 개발되었다(Water Research Centre, 1988, and Thomson, 1991). 대형 하수본관에 터널공법을 사용하는 데에는 선택의 여지가 없으나 직경이 150～900mm인 작은 관에 적용할 유사공법이 그때까지는 없었다. 이를 해결하기 위해 토양의 연성과 입자성을 이용하여 작은 관경의 하수관에 대한 비굴착 시공이 용이하도록 원격조정과 조타가 가능한 기계를 개발하게 되었다.

1980년대 초에 독일에서도 이러한 장비를 개발하여 도시지역의 신관부설 문제를 해결하기 위해 사용하였다. 지하수위가 높은 지역에서 하수관거를 보수․보강하는 동안 인근 구조물에 대한 피해를 최소화해야 한다는 것과 강력한 환경운동권의 압력으로 이러한 문제 해결의 필요성이 대두되었다.

마이크로터널링은 전통적인 굴착 공법에 비해 단위공사비용이 큰 편이어서 주변 시설물에 대한 피해보상의 범위가 큰 경우가 아니라면 경쟁력이 없다. 그러나 미국에서는 작업량이 많아짐에 따라 마이크로터널링의 장점을 이용한 산업에 관심이 증가하게 되었고, 다양한 토양조건을 다룰 수 있도록 기술이 개발됨에 따라 이 공법이 더욱 경쟁력을 갖게 되었다.

마이크로터널링은 침투수와 침입수의 문제를 해결하기 위하여 기존 관로를 폐기해야 하는 곳이거나, 또는 도심지역에서 규모의 확장이 필요하지만 재래식 터널 공법으로 해결하기에는 규모가 너무 작은 하수관거에 적용할 수 있는 대안이 되었다. 본 지침서에서 마이크로터널링은 침투수와 침입수 제거전략(I/I remove strategy)에 포함될 수 있는 기술로 설명될 것이다.

마이크로터널링은 파이프 재킹에 의해 관입 굴착을 하는 방법으로 원격조정과 150～900mm(6～36in)구경에서 조타 가능한 보정기계가 필요하다. 시공장비는 터널표면에서 토사를 제거하는 방식에 따라 두 가지 형식이 있다.

 

1) 오거 방식(auger system)

오거 시스템은 여러 개의 나선형 오거가 터널 내에서 구멍을 뚫는 절삭기 헤드에서 작업구로 토사를 이송한 후 제거한다<그림 6-10>. 절삭기 헤드는 오거 플라이트(flight)에 직접 연결되어 잭킹샤프트(jacking shaft)에 놓인 전기모터에 의해 작동된다. 또한 분쇄기 전면부는 자갈도 처리할 수 있으며, 최근에 개발된 장비는 기존 관거도 제거할 수 있다.

<그림 6-10> 마이크로터널링(오거 방식)

 

재킹 작업구에 설치한 레이저 빔 방출기와 터널링 장비 후방에 있는 과녁(반사경)을 이용하여 기계 앞부분 근처에 있는 여러 개의 소형 유압식 조타잭을 활성화시킴으로써 방향의 조절이 가능하다.

터널링 장비의 설치위치에 지하수위가 있으면 굴착이 과도하게 일어날 수 있으나 이는 절삭기의 전면부에 슬러리, 물, 압축공기를 주입함으로써 조절할 수 있다.

 

2) 슬러리 방식(slurry system)

터널의 라이닝 안에 설치된 소구경의 방출관은 슬러리 쉴드 기계로 제거한 토사를 직접 지상에 있는 처리시설로 운송한다<그림 6-11>. 슬러리액은 보통 벤토나이트와 물의 혼합물이지만 어떤 토양이나 기계에서는 물만을 이용하도록 되어 있다. 자갈이나 돌이 섞여 있는 토양은 직경이 작은 방출관을 통과하기에 적합한 크기로 분쇄하기 위해 절삭기 헤드가 필요하다.

<그림 6-11> 마이크로터널링(슬러리 방식)

 

절삭기는 터널링 쉴드 전방에 있는 모터와 기어상자를 이용하여 직접 추진력을 얻는다. 조타와 제어방식은 오거 방식과 유사하다.

 

3) 관의 설치

마이크로터널링 장비 뒤에서 관을 재킹하여 기계가 전진하도록 한다. 작업구에서 관을 추가로 설치하여 길이를 연장하고 관 전체를 밀거나 재킹하는 작업을 계속 반복한다. 추진되는 방향은 위에 언급한 마이크로터널링 장비로 제어한다. 관은 콘크리트, 유리점토, 섬유강화 플라스틱, 섬유강화 시멘트, 석면시멘트, 닥타일주철관, 강관 등의 다양한 재질로 제작한다.

대부분의 경우 특수 이음부가 개발되어 내부와 외부에 부드러운 표면을 갖게 되며, 관벽 내에 이음부를 두게 된다. 또한 이음부는 재킹이 되는 힘에 버틸 수 있어야 하며, 작은 변형이 생기더라도 누수가 일어나지 않도록 설계해야 한다. 또한 삽입관은 중심 혹은 편향적인 재킹(힘)을 버틸 수 있어야 하고, 토압과 교통하중을 안전하게 지지할 수 있는 충분한 내구성을 갖춘 재질로 제조된 것이어야 한다.

4) 장 점

마이크로터널링의 장점은 하수관거의 수평 및 수직의 미세한 조절이 가능하며, 맨홀과 맨홀 사이에서 표준 길이로 연속적인 라이닝이 가능하다. 또한 토양조건이 열악하거나, 노면을 최소로 파손해야 하는 밀집지역, 또는 매설심도가 4.5～6m(15～20ft)이상인 지역에서 효과적인 방법이다.

 

5) 단 점

마이크로터널링의 단점은 부대시설이 많이 필요하기 때문에 초기비용이 많이 든다는 점이며 거대한 암석과 같은 대형 장애물이 큰 문제가 될 수도 있다. 이 공법은 단지 심도가 깊은 관을 대형관으로 교체할 때, 혹은 침투수와 침입수를 조절할 때 사용하는 방법이다. 반면 상류 쪽 하수관거의 침투수와 침입수를 충분히 저감시키지 못하는 지역에서는 하류부에 추가로 차집관거를 만들어야 한다.

 

3.2 기타 비굴착 공법

 

기타 비굴착 공법들은 공법개발에는 중요한 의미가 있지만, 침투수와 침입수 조절에 직접 적용할 수는 없다. 이러한 기술로는 직접천공법(directional drilling), 제트 절삭공법(fluid jet cutting)과 같은 조타 가능한 공법과 미개척지에서의 충격식 몰링(impact moling), 충격식 래밍(impact ramming), 오거 보링(auger boring)과 같은 조타 불가능한 공법들이 있다.

 

3.2.1 직접천공법

 

이 공법은 하천, 하구, 운하 등의 수면 아래에 수직방향으로 휘어진 긴 곡관을 설치하는데 주로 사용된다(Reynolds and Szczupak, 1987). 1,000m이상 추진할 수 있고, 지상장비 등 값비싼 중장비를 많이 필요로 하므로 대규모 정부사업에 가장 적합한 공법이다<그림 6-12>.

<그림 6-12> 직접천공법

 

이 공법은 먼저 소구경의 파일롯트공(pilot-hole, 유도굴)을 원호 형태로 천공한다. 유도튜브보다 약간 큰 세척관이 천공열을 따라가게 되는데 임시 지지대의 역할과 확공을 하기 전에 천공열에 가해지는 마찰을 감소시키는 역할을 한다. 완성된 파일롯트공은 역확공기술(back-reaming techniques, 逆擴空技術)을 사용하여 최종 신관을 삽입할 수 있을 정도까지 크기를 확대시킨다. 이 때 주로 사용하는 관은 강관이며 폴리에칠렌관과 관다발을 한꺼번에 사용하기도 한다.

 

3.2.2 제트 절삭공법(fluid jet cutting)

 

이 공법은 파일롯트공을 만들기 위해 토양을 절삭하는 고압(6,900～27,600kPa(1,000～4000psi))의 슬러리 제트노즐(slurry jet nozzles)이 장착되고 원격조정이 가능한 도구를 사용한다(Kirby, 1991). 최종터널은 직경이 50～350mm(2～14in)의 범위, 길이는 120m(400ft)까지, 깊이는 10m(34 ft)까지로 한다<그림 6-13>. 이 공법은 지표상에서 감시되며 천공 방향조절은 수직과 수평면으로 이루어진다. 압력식 하수관거와 중력식 하수관거에 모두 적합하며, 정확도는 ±150mm(6in)로 하수관거의 수평 및 수직 오차의 허용범위는 그리 중요하지 않다.

<그림 6-13> 제트류 절삭법의 개략 배치도

 

3.2.3 충격식 몰링(impact moling)

 

몰링은 압축공기를 이용한 원형 충격식 해머로 토양에 충격을 가하여 구멍을 내는 방법이다. 관로가 생성됨에 따라 토양에 압밀이 발생하나 따로 토양을 제거하지는 않는다. 이 공법은 조타가 불가능하며 중력식 하수관거에 적합하다.

 

3.2.4 충격식 래밍(impact ramming)

 

이것은 충격식 몰링을 발전시킨 것으로 추진구에서 대형 충격식 몰을 사용하여 토양에 강철 케이싱을 박는 것이다. 토양이 케이싱의 끝 부분으로 들어오면 제트류나 기계식 절삭, 또는 단순히 밀어냄으로써 토양을 제거한다. 이 공법은 약 30m의 길이까지만 추진할 수 있으며, 적당한 길이에 적용하는 중규모 또는 대규모의 횡단시공에만 적합하다.

3.2.5 오거 보링(auger boring)

 

이 공법은 회전식 절삭기 전면부와 그 뒤에 토양을 제거하기 위한 오거 플라이트로 구성된다. 이 장비는 횡단시공에 널리 사용되나 침투와 침입 문제를 해결하기에는 적합하지 않다.

 

3.3 재래식 교체공법

 

침투수와 침입수 문제에 대한 궁극적인 해법은 관로를 완전히 교체하는 것이다. 라이닝 공법과 비굴착식 교체공법으로 새로운 관을 제공하여 이를 어느 정도 달성할 수 있으나, 침입수 문제가 완전히 해결되지 않는다. 그러나 완전한 교체공법을 적용하기 위해서는 외부의 흐름을 완전히 우회시키거나 제거해야 한다.

전통적인 굴착 공법은 표면 파열이 쉬운 교외지역이나 시골에서 오히려 경제적이다. 그러나 매우 혼잡한 도심지역이나 하수관거의 매설심도가 깊은 지역에서는 라이닝 공법이나 비굴착 공법이 더 경쟁력을 갖게 된다. 또한 터널공법은 심각한 침투수 문제가 있는 대형 하수관거를 보수․보강할 때에만 사용할 수 있는 공법이다.

 

4. 유지관리와 보수

 

유지관리와 보수는 관로 보수․보강의 한 영역으로 고려될 수 있으며, 여러 종류의 기술들이 있다.