약액주입공법

왜 배우는가: 약액주입공법은 연약지반 개량, 터널·굴착 주변 지반 보강, 차수 목적으로 실무에서 가장 많이 쓰는 지반 개량 기술이다. 기술사 시험에서도 지반 그라우팅의 목적과 주입재 분류, 도심지 시공 시 환경관리를 묻는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제125회 2교시 3번, 제92회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

약액주입공법은 지반 내 주입관을 통해 약액(주입재)을 압력으로 주입하거나 혼합하여 지반을 고결·경화시켜 강도를 높이거나 차수 효과를 얻는 지반 개량 공법이다.

• 핵심 키워드: 그라우팅(Grouting), 약액주입, 주입재, 고결, 차수, 겔타임(Gel Time), 침투주입, 이중관·삼중관 방식

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 땅속 빈틈에 액체를 넣어 굳히는 방법이다. 흙 입자 사이 공극에 주입재가 스며들어 굳으면 흙이 한 덩어리의 고결체가 되고, 그 결과 지반의 강도가 올라가고 물이 잘 통하지 않게 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 그라우팅(Grouting)이라고도 불리는 약액주입공법은 지반 내에 주입관을 삽입하여 약액(주입재)을 압력으로 주입하거나 혼합하여 지반을 고결 또는 경화시켜 강도 증대 또는 차수 효과를 높이는 공법이다. 설계는 대상 지반의 특성, 시공방법의 특징, 기존 시공실적 또는 시험시공 결과를 고려하여 수행한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 침투주입(Permeation Grouting): 주입재가 흙 입자를 밀어내지 않고 공극 사이로 스며들어 고결시키는 방식이다. 모래지반에 주로 쓴다.
• 겔타임(Gel Time): 주입재가 혼합된 뒤 유동성을 잃고 겔(gel)을 형성하기까지 걸리는 시간이다. 주입 범위를 조절하는 핵심 인자다.
• 고결(Solidification): 주입재가 굳어 흙 입자를 결합시키는 현상이다. 강도 증대의 원리가 된다.
• 차수(Water Cut-off): 지반의 투수성을 낮춰 지하수 유입을 막는 것이다.

3. 등장 배경과 필요성

연약지반과 도심지 굴착이 늘면서 기존 치환·다짐 공법만으로는 대응하기 어려워졌다. 도심지에서는 소음, 진동, 지반 침하 문제로 말뚝 타입이나 대규모 굴착이 제한되고, 인접 건물 기초를 보강하는 수요가 생긴다. 약액주입은 소규모 장비로 좁은 공간에서 시공할 수 있어 이런 조건에 맞는다.

또한 지하수가 많은 지반에서 굴착면 안정과 용수 차단이 필요할 때 차수 목적으로 쓴다. 바이브로 플로테이션 같은 기계적 다짐 공법은 실트가 많은 지반이나 점성토에 적용이 어렵다. 이런 한계를 보완하는 수단으로 약액주입이 등장했다.

주입재 기술이 발전하면서 시멘트계 현탁액과 물유리계 약액을 함께 쓰는 방식이 개발되었다. 시멘트 현탁액은 강도 확보에, 물유리 약액은 주입 범위를 한정하는 데 쓰인다. 물유리가 시멘트 현탁액과 섞이면 수십 초 안에 겔을 형성하므로, 지하수 흐름이 있는 곳에서 주입재가 유실되는 것을 막는다.

고압 분사 방식은 공기나 물의 힘으로 지반을 절삭하며 주입재를 분사하므로, 다양한 토질에 적용할 수 있다. 다만 고압 방식은 지상으로 분출되는 슬라임과 주변 구조물 융기 문제를 함께 관리해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

약액주입공법은 주입관, 주입펌프, 약액 제조설비, 주입재의 네 요소로 이루어진다. 주입관은 지반에 천공한 구멍을 따라 설치하고, 주입펌프는 약액을 일정한 압력과 유량으로 지반에 보낸다. 약액 제조설비는 주입재를 계량하여 혼합하고, 주입재는 지반 공극에 침투하여 겔이나 고결체를 형성한다.

표는 구성요소별 역할과 관리 항목을 나타낸다. 시공 품질은 주입압력과 주입량을 함께 관리해야 확보된다. 주입재의 겔타임이 주입 범위를 결정하므로 배합 관리가 핵심이다.

침투 원리는 지반 공극에 약액이 스며들어 공극수를 밀어내고 고결시키는 것이다. 공극이 큰 사질토에서는 침투(permeation) 방식이 적합하다. 공극이 작거나 투수성이 낮은 지반에서는 주입압력을 높여 지반을 割裂(할렬)시키는 방식을 쓴다. 주입재가 공극을 충전하여 지반의 강도와 차수성을 함께 높인다

흐름도(절차)

절차는 다음과 같다.

• 지반조사로 토질, 지하수위, 투수계수를 파악한다.
• 시험시공으로 주입재, 주입압력, 주입량, 주입 간격을 정한다.
• 천공하고 주입관을 설치한다.
• 설계 배합의 약액을 정해진 압력과 주입량으로 주입한다.
• 주입 효과를 코어 채취와 현장시험으로 확인한다.
• 미달 구간은 후속 주입으로 보완한다.

주입량은 대상 공간의 공극 체적에 주입률을 곱하여 산정한다.

$V_{주입} = V_{지반} \times n \times \alpha$

V_{주입} 은 필요 주입량(㎥), V_{지반} 은 개량 대상 지반의 체적(㎥), n 은 지반의 공극률, \alpha 는 주입률(충전 계수)이다. 예를 들어 체적 100㎥, 공극률 0.3, 주입률 0.5이면 V_{주입}=100\times0.3\times0.5=15㎥이다. 결과는 개량 체적의 절반 수준이므로 상식 범위 안이다.

5. 관련 법령·기준·표준

약액주입공법의 설계와 시공 기준은 국토교통부 설계기준(KDS)과 표준시방서(KCS)의 지반 개량 편에 있다. 「건설기술 진흥법」은 시공 품질과 안전관리 체계를 규정한다. 도심지와 지하 공사에서는 「산업안전보건법」과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 굴착·흙막이 안전 기준도 함께 적용한다. 설계 기준은 대상 지반의 특성, 시공방법의 특징, 기존 시공 실적 또는 시험시공 결과를 고려하도록 한다.

표에서 설계 원칙은 시험시공을 반드시 고려하도록 정한 점이 핵심이다. 주입 압력은 지반 조건과 주변 구조물 영향에 따라 정하므로 고정된 값으로 외우지 않는다.

개정 연혁은 2021년 이후 국토교통부 지반 설계기준의 체계 정비에 따른다. 2021년 이후 설계기준 체계가 KDS 코드로 정비되었다. 구체적인 조문 번호는 이 절에서 쓰지 않는다.

주입 압력은 지반 조건에 따라 설정

6. 유형과 비교

약액주입공법은 주입재의 종류와 주입 방식에 따라 나뉜다. 주입재는 용액형(솔루션형)과 현탁액형(슬러리형)으로 크게 구분하며, 주입 압력에 따라 저압 침투주입과 고압 분사주입으로 나눈다.