최근 수소도시 구축이 본격화되면서 수소배관망의 안전한 설치와 운영기술 확보가 국가적 차원의 핵심 현안으로 떠오르고 있는 가운데 수소배관망 시공 시 발생할 수 있는 지반침하 및 지반재해를 사전에 예측하고 대응할 수 있는 기술이 개발되고 있어 이목이 쏠리고 있다.
현재 연구진은 3차원 유한요소해석 모델 구축과 함께 단계별 시공 과정을 모사하는 수치해석 기법을 개발하는 등 다양한 성과들을 선보이며 수소배관망 계획부터 설계, 시공, 유지관리까지 전 단계에 활용 가능한 통합 안전관리 기술 체계 구축의 전망을 밝게 하고 있다.
계획·설계·시공·유지관리 전 단계 활용 가능 ‘통합 안전관리 기술 체계’ 구축
지반 거동 과학적 분석 ··· 수치해석 통한 침하 시뮬레이션 사전검토 ‘성공적’
지난 2023년부터 국토교통부와 국토교통과학기술진흥원의 지원 아래 한국건설기술연구원을 중심으로 ‘수소도시용 수소배관망 국산화 및 실증기술 개발’ 과제가 진행되고 있다.
이 과제는 탄소중립 실현과 수소경제 활성화를 위해 도시 내 수소 공급 인프라의 핵심인 수소배관망의 설계·시공·운영 기술을 국산화하고, 이를 실제 현장에서 실증을 통해 안전성과 신뢰성을 검증하는 국가 연구개발(R&D) 사업이다.
그동안 설계 및 부품 국산화 연구를 통해 개발한 성과물들을 기반으로 올해부터 3년 간 충청북도 충주시에 마련된 테스트베드에서 실제 배관망을 구축, 안정성 검증에 나서고 있다.
이처럼 다양한 성과를 도출하고 있는 이번 과제 중 수소배관망 구축 시 핵심인 지반 거동을 과학적으로 분석하고 안전성을 확보하기 위한 기술적 기반 구축 연구가 진행되고 있어 눈길을 끈다.
현재 연구진은 가상의 수소배관망 비개착굴착공법 시공 시 3차원 수치해석에 의한 거동 특성 평가 연구와 함께 수치해석을 통한 지반침하 시뮬레이션 사전검토 연구를 성공적으로 수행하고 있다.
특히, 비개착굴착공법 시 지반침하 예지를 위한 초기 변이 감지센서 시작품도 선보여 눈길을 끈다.
비개착굴착공법은 지중관로공사 중 지반 개착 없이 지하 매설물을 설치하는 공법으로, 지하에 미리 정한 경로를 따라 도로, 철도, 하천 등을 횡단해 전선관을 비롯한 수도관, 가스관, 상하수도관, 통신관 등을 매설할 때 이용하는 공법이다.
연구내용
이 연구는 수소배관망 시공 시 발생할 수 있는 지반침하 및 지반재해를 사전에 예측하고 대응할 수 있는 기술 개발을 목표로 하고 있다.
특히, 단순한 시공기술 개발을 넘어 수소배관망의 계획·설계·시공·유지관리 전 단계에 활용 가능한 통합 안전관리 기술 체계 구축에 집중하고 있다.
이를 위해 ‘가상의 수소배관망 비개착굴착공법 시공 시 3차원 수치해석에 의한 거동 특성 평가’ 연구에서는 구조물-지반 거동(SSI) 분석을 위해 유한요소해석(FEM) 기반의 Plaxis 3D를 이용해 지반의 비선형 거동과 단계별 시공 과정을 모사했다.
이후 비개착굴착공법 시공 단계별 모델링 수치해석을 진행했다. 연구진은 비개착굴착공법에 의해 확공 천공 이후 도로의 연직 침하는 1.0mm 이하로 나타나 도로는 안정한 상태인 것을 확인했다.
또한, PE관 설치 후 PE관 내부 Bentonite 제거로 발생하는 주변 지반의 Contour 평가 결과에서도 PE관 상부와 하부에서 각각 침하와 융기 발생하지만, 크기가 매우 작아 PE관이 안정성을 충분히 확보된 것으로 평가했다.
PE관 내부 Bentonite 제거 단계에 따른 PE관 상단의 연직 침하를 분석한 결과에서는 Bentonite 제거 초기에는 침하 기울기는 급하게 나타나고, 해석단계가 10단계가 넘어가면 침하는 거의 일정하게 나타나 PE관의 침하는 도로 중심에서 가장 크게 나타나고 그 크기는 1.937mm로 나타나 매우 안정한 것으로 확인했다.
PE관의 휨모멘트를 분석한 결과에서는 Bentonite 제거 초기에는 휨모멘트 변화 기울기는 크게 나타난 반면, 해석단계가 6단계가 넘어가면서 휨모멘트는 거의 일정하게 나타나는 것으로 분석했다.
특히, 비개착굴착공법에 의해 설치된 PE관의 모멘트는 매우 안정한 것으로 평가됐다.
이와 함께 진행 중인 ‘비개착굴착공법시 수치해석을 통한 지반침하 시뮬레이션 사전검토’ 연구는 지반굴착 실시 시 지반 조건을 고려해 수치 시뮬레이션을 실시하고 사전에 안정성에 대한 검토를 수행. 결과에 따라 시공의 안전 확보와 피해 최소화를 목표로 하고 있다.
해석방법은 드릴 헤드를 이용, 파일럿 홀 형성 후 확공기를 사용해 선천공 부분을 단계적으로 확공하는 동시에 공벽 유지를 위해 벤토나이트를 주입하는 방법이다.
확공 과정은 목표 직경에 도달 시까지 여러 차례 반복되며, 이후 PE관을 추진 관입시킨 후 내부의 벤토나이트를 제거해 지중 내 관로를 형성하는 방식을 적용했다.
이 같은 연구를 통해 현장 시공 전 안전 확보를 위한 방안을 마련하고 대응 방안을 제시했다.
한편, 연구진은 비개착굴착공법 시공 시 예상치 못한 지반 침하 현상을 사전에 감지하고 예지함으로써 인명 피해와 사고를 예방하기 위한 ‘비개착굴착공법 적용 시 지반침하 예지를 위한 초기 변이 감지센서 개발 연구’도 수행했다.
이 연구에서는 수소배관망을 지반에 매립 시공 시 지반침하로 발생하는 피해 최소화를 위해 지반침하 감지용 센서와 무선 통신 게이트웨이, 원격 모니터링시스템을 개발하고 있다.
연구성과
연구진은 지금까지 비개착 굴착공법을 이용한 수소배관망 설치를 대상으로 3차원 유한요소해석 모델을 구축하고, 단계별 시공과정을 모사하는 수치해석 기법을 개발하는 성과를 도출했다.
이를 통해 확공 단계부터 벤토나이트 주입 단계, PE관 설치 단계 및 벤토나이트 제거 단계에 대한 지반 거동을 분석하고, 도로 침하량과 배관의 변위 및 휨모멘트를 정량적으로 평가할 수 있는 해석 프로세스를 구축했다.
해석 결과에서는 도로 침하량이 매우 작고 배관의 구조적 안정성이 충분히 확보되는 것으로 나타나 비개착 굴착공법의 적용 가능성을 확인했다.
특히, 국내외 수소배관망 관련 설계기준을 비롯한 시공기준, 유지관리 기준 및 지하안전 관련 법령을 조사·분석, 향후 제도 개선 방향을 제시했다.
또한, 수소배관망 시공 시 요구되는 지반조사, 지하안전평가, 계측관리 체계 등을 검토하고, 실시간 계측기술의 필요성과 적용 방향도 도출했다.
이를 바탕으로 향후 실증현장 적용을 위한 센서 개발과 함께 현장 모니터링시스템 구축, 국가 설계기준 개정 등에 필요한 연구 기반을 마련했다.
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사전 안정성 검토 기술 등 스마트 계측센서 개발 박차
한국건설기술연구원 백용 선임연구위원은 “이번 연구는 수소배관망을 지하에 매설하는 과정에서 발생할 수 있는 지반침하 또는 지하공동 발생, 인접 시설물 손상 등의 위험 요인을 사전에 평가하고 관리할 수 있는 기술 개발을 목표로 하고 있다”고 말했다.
이어 “현재 도심지와 같이 기존 지하매설물이 복잡하게 분포한 지역에서 비개착 굴착공법을 적용할 경우 발생할 수 있는 지반 거동을 과학적으로 분석하고, 안전성을 확보하기 위한 기술적 기반 구축에도 집중하고 있다”고 소개했다.
이를 위해 연구진은 스마트 계측센서를 비롯한 수치해석을 활용한 사전 안정성 검토 기술 등 핵심기술 개발에 박차를 가하고 있다.
백 박사는 “이번 연구의 핵심기술 중 하나는 비개착 굴착공사 과정에서 발생하는 지반 변형과 침하를 실시간으로 감지할 수 있는 스마트 계측센서 개발”이라며, “이를 위해 지반침하, 지하수위 변화, 토압 증가 및 배관 상부의 지반변위를 실시간으로 계측할 수 있는 센서를 개발하고, IoT 기반 모니터링시스템과 연계해 조기경보체계를 구축할 계획”이라고 밝혔다.
기존의 계측기술은 측정 지점이 제한적이고 데이터 획득 주기가 길어 초기 이상 징후를 신속하게 감지하는 데 한계가 있는 것으로 알려져 있다.
이어 “또한, 비개착 굴착공법 적용 시 발생할 수 있는 위험 요인을 예측하기 위해 수치해석을 활용한 사전 안정성 검토 기술 개발에도 나서고 있다”며, “이 기술은 3차원 유한요소해석(FEM)을 활용해 지반과 배관의 상호작용을 분석하고, 굴착단계별 침하 및 응력 변화를 정량적으로 평가할 수 있다”고 말했다.
시공 전 위험구간 사전 ‘도출’ 최적 조건 제시 안전성 극대화
이 같은 기술들은 시공 전 위험구간을 사전에 도출하고 최적의 시공조건을 제시함으로써 사고를 예방하고 안전성을 극대화할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
백 박사는 “특히, 비개착 굴착공법 적용 시 발생하는 지반 거동을 정량적으로 평가할 수 있어 시공 단계에서 위험성을 크게 감소시키는 것은 물론 도시기반시설 및 인접 구조물의 안전성 향상에도 도움을 줄 수 있다”고 강조했다.
이어 “또한, 수소배관망 구축에 필요한 안전성 검증 절차를 체계화함으로써 국민 안전 확보와 사회적 수용성 증대에도 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이와 함께 실시간 계측 센서와 디지털 기반 모니터링 기술이 결합 될 경우 지능형 유지관리 체계 구축도 가능해질 전망이다.
백 박사는 “이번 연구성과는 향후 수소배관망은 물론 도시가스관, 상·하수도관, 통신관 등 다양한 지하 인프라 시설물에도 적용이 가능한 만큼 국가 기반시설의 디지털 전환 및 스마트 안전관리 기술 발전을 위한 마중물 역할을 할 것”이라고 예상했다.
이어 “또한, 관련 설계기준과 시공기준 개선을 위한 기초자료로 활용될 경우 국가 정책 수립에도 도움을 줄 수 있다”고 덧붙였다.
