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('20년 연구과졔) 구조물 포장 유지관리 기준 개발
이진욱 수석연구원, 오한진 수석연구원, 이기세 연구위원, 박준용 전임연구원, 김종욱 전임연구원, 마경훈 전임연구원 2021.05.21 580
구조물 포장 유지관리 기준 개발
연구기간 : '19.04.20.~'21.03.20.(23개월)
연구책임 : 이진욱 수석연구원
연구진 : 오한진 수석연구원, 이기세 연구위원, 박준용 전임연구원, 김종욱 전임연구원, 마경훈 전임연구원
서울시 구조물 포장의 과학적이고 체계적인 유지관리 방안 도입을 위하여, 구조물 포장 관리현황 및 기준 분석, 현장조사를 통한 상태평가방안을 도출하고, 구조물 포장의 상태특성을 고려한 유지관리 의사결정 체계(안) 제시 |
서울시 토공부 도로포장의 경우 포장관리시스템(PMS) 등 체계적인 기법으로 유지관리를 수행하고 있으나, 구조물 포장은 바닥판 열화상태 등을 고려한 상태평가방법 및 관리기준 부재로 육안조사에 근거한 포장상태 유지관리 수행 중
구조물 포장이란 교량 및 고가차도, 지하차도, 하천 복개구조물, 터널 등 다양한 구조물에 직접 시공되는 포장을 의미한다. 구조물 포장은 토공부에 비해 포장두께가 얇고, 교통하중에 의한 진동 및 충격을 크게 받는다. 또한 급격한 온도변화, 강수 및 강설 등의 환경적 악조건에 직접 노출되어 포장 손상이 발생하기 쉬우며, 유지보수 후 장기공용성을 기대하기 어렵다. 특히 배수 및 방수 조건이 일반 토공부 포장에 비해 까다롭기 때문에 누수, 염화물계 제설제 침투, 동결융해 등에 의한 바닥판 열화 손상이 발생하기 쉽다. 바닥판 열화 손상은 상부에 시공된 포장의 조기파손을 일으키는 원인이 된다. 따라서 구조물 포장은 토공부 포장과 달리 구조물 형식 및 특성을 반영한 과학적이고 체계적인 유지관리 방안 도입이 필요한 실정이다.
최근 10년간 서울시 구조물 포장 신설 건수는 점차 감소, 공용연수 31년 이상의 노후 구조물 포장은 지속적으로 증가하여 효과적 유지관리 기준개발이 시급한 실정
2019년 기준 서울시가 관리하고 있는 교량의 전체 개수는 337개소(한강, 일반, 고가차도 총 연장 189km)이며 터널은 36개소, 지하차도 109개소, 복개구조 49개소(총 연장 120km)이다. 종별로는 1종 구조물이 105개소, 2종 구조물이 171개소, 3종 구조물이 93개소이며, 법정 외 구조물은 162개소가 존재한다. 이 중 31년 이상 공용된 구조물의 개소 수는 299개소로 전체의 33.7%의 구조물이 노후화가 진행되었음을 알 수 있다. 재령 증가에 따라 서울시 구조물의 노후화 비율은 지속적으로 증가하여, 2028년에는 전체의 61%, 2038년에는 85%에 이를 것으로 추정하고 있다.
[그림 1] 19년도 구조물 전체 개소 대비 공용 31년 개소 수
교량을 제외한 터널 등 구조물 포장의 경우는 국내외를 막론하고 유지관리 기준이 전무하며, 토공부 포장 기준을 준용하여 유지관리를 수행하는 실정
국내 구조물은 시설물 안전 및 유지관리 실시 세부지침을 통해 관리되고 있으나, 구조물 포장의 경우 지침별 내용이 상이하거나, 또는 포장에 대한 유지관리 지침이 전무한 경우가 대부분이다. 국외에서도 구조물 포장에 대한 기준은 찾기 어려운 실정이며, 이로 인해 토공부 포장의 기준을 준용하거나 육안조사에 의한 유지관리를 주로 수행하고 있다. 따라서 구조물 포장의 구조적·환경적 특성을 고려할 수 있는 별도 유지관리 기준의 개발이 시급하며, 이를 통해 서울시 구조물 포장의 근본적 품질향상과 장수명화를 도모할 필요가 있다.
구조물 포장의 바닥판 설치 및 단면 구조 형식을 고려하여 교량, 고가차도, 복개구조 및 지하차도 포장은 '교면포장'으로, 터널포장은 '터널포장'으로 분류, 교면포장 바닥판 종류는 콘크리트 바닥판 약 94%, 강바닥판은 6%로 구성
구조물 포장의 바닥판 설치 및 단면 구조 형식을 고려하여, 교량 및 고가차도 포장과 복개구조 및 지하차도 포장의 경우 ‘교면포장’으로 분류하였으며, 터널의 포장의 경우 ‘터널포장’으로 분류하였다. 서울시 교면포장 바닥판은 콘크리트 바닥판이 전체의 94.4% 이며 강상판은 불과 5.6% 수준으로 분석되었다. 강바닥판이 사용된 교량은 한강교량과 일반교량에 각각 6개소가 있는 것으로 파악되었다. 한강교량의 경우 강바닥판의 면적 비율은 19.9%, 일반교량은 0.6%, 고가차도와 복개구조의 경우 강바닥판 형식을 사용하지 않는 것으로 분석되었다. 한편, 지하차도 및 터널포장의 경우는 현재 포장 재료, 방수층 공법, 바닥판 형식 등에 대한 통합이력 정보가 구축되지 않은 것으로 확인되었다. 따라서 향후 구조물 포장의 체계적 유지관리를 위해서는 지하차도 및 터널포장도 꾸준한 데이터 확보를 통해 빅데이터 분석시스템을 구축할 필요가 있을 것으로 판단된다.
서울시 '18년, '19년도 PMS 데이터를 활용하여 구조물 포장상태지수 분석 수행, 구조물 포장 고유 상태지수 모형 개발 및 빅데이터 시스템 지속 업데이트 필요
서울시 구조물 포장의 2018년, 2019년 포장상태를 분석하고, 포장상태 평가를 위해 활용되는 대표적 인자인 균열률, 종단평탄성, 소성변형을 수집하였다. 이를 통해 구조물 포장 및 토공부 포장의 상태지수(SPI; Seoul Pavement Index) 비교분석을 수행하였다. 여기서 구조물 포장 SPI는 토공부 SPI 산출방식을 적용하여 계산되었기 때문에, 직접적인 수치 비교분석보다 각각의 변화 추이를 비교분석하는 것이 합리적이다. 표 1은 각 구조물 포장과 토공부 포장의 포장상태지수를 정리한 것이다. 교량, 지하차도, 복개구조의 경우 토공부보다 상대적으로 SPI가 높게 산출되었지만, 이는 바닥판 상태를 고려하지 못하므로 추가적인 분석이 필요하다.
터널포장은 바닥판이 설치되지 않으며, 포장 상태변화가 인접 토공부 포장보다 우수한 공용성능을 나타내어, 토공부 유지관리 기준 적용이 가능한 것으로 판단
바닥판 구조가 설치되지 않는 터널포장의 경우 토공부와 유사한 기준으로 평가가 가능한 것으로 분석되었다. 토공부 포장은 SPI 지수가 매우 높았으며, 실제 사례조사 결과 그림3과 같이 인근 토공부에 비해 터널 내부 포장 공용성 상태가 양호하였다. 따라서 터널포장의 경우 별도의 포장 관리기준을 제시하기보다 현행 토공부의 포장 상태평가 기준을 준용하거나, 현행 육안조사 방법을 유지하여도 무방할 것으로 판단하였다.
지하차도 포장은 콘크리트 바닥판이 설치되며, 포장 상태변화 분석 결과 인접 토공부 포장보다 우수한 공용성능을 나타내나, 파손형태가 교면포장과 유사한 형태로 발생하여 교면포장 관리기준에 준하여 관리가 필요한 것으로 판단
지하차도 포장은 토공부 포장 대비 포장상태는 전반적으로 유사하거나 양호한 수준으로 분석되었다. 그러나 그림 4와 같이 교면포장과 유사한 형태로 파손이 발생하며, 바닥판 열화가 발생할 경우 파손의 발생속도가 매우 빠르며, 특히 열화 손상 부위를 완벽히 제거하지 못할 경우 반복적인 재파손이 발생할 수 있다. 따라서 지하차도 포장은 교면포장의 관리기준에 준하여 관리가 필요하며, 특히 진출입구간의 손상에 유의해야 할 것으로 판단되었다.
콘크리트 바닥판을 사용하는 교면포장의 효율적인 바닥판 열화상태 조사를 위해 차량형 지표투과레이더(GPR)를 이용한 조사방법 선정, GPR을 통해 바닥판 상부를 탐지하여 상대유전율을 통한 콘크리트 바닥판 열화 손상 추정
구조물 포장 바닥판의 열화는 포장 표층의 파손까지 발생시키키는 원인이 되지만, 기존의 바닥판 조사방법으로는 기포장된 도로에서 바닥판 열화 손상 여부를 판단하기 매우 어렵다. 따라서 본 연구에서는 효과적 바닥판 열화 손상 검사를 위한 비파괴 검사방법의 종류와 특징을 조사 및 분석하였으며, 3D GPR 탐사기법을 선정하였다. 본 연구에서는 3D GPR 및 로드스캐너를 통해 서울시 구조물 포장을 대상으로 현장 조사를 수행하였으며, 바닥판의 열화 정도 측정 및 표면 상태조사를 실시하였다. 바닥판의 열화 손상은 3D GPR을 통해 측정되는 상대유전율에 따라 판단할 수 있다. 바닥판의 상대유전율이 5 이하로 나타날 경우 열화 손상이 발생한 것으로 판단하였으며, 정상범위를 초과하여 측정될 경우 체류수가 존재하거나 습도가 높아 발생한 것으로 판단하였다.
GPR 및 포장상태 조사 결과를 이용하여 교면포장 표면손상 및 바닥판 열화 상태 분석 수행, 포장층 절삭 후 바닥판 노면 마무리 미흡으로 열화 손상 매칭에 어려움 발생, 일부 구간에서는 열화 손상을 발견하여 GPR 분석 결과 효용성 확인
교면포장 표면손상 상태는 균열량, 소성변형량, 평탄성으로 구분하여 분석하여 정량적인 값을 도출하였고, 열화 손상의 경우 3차원 GPR 데이터 분석을 통해 상대유전율을 계산하고 2차원 영상으로 매핑하여 발생 위치를 나타내었다. 콘크리트 바닥판의 상대 유전율이 5 이하인 경우 열화 손상이 발생한 것으로 판단하였다.
바닥판 상태가 양호한 구간은 GPR 분석 결과 정확도가 매우 높은 것으로 확인, 바닥판 열화 손상이 예상되는 구간은 기존 포장 제거 및 바닥판 상부 면처리 후 조사수행에 따른 영향으로 GPR 분석 정확도가 다소 낮아 분석기법 고도화 필요
조사구간 중 일부 교면포장의 경우, GPR로 예측한 결과보보다 노면영상으로 분석한 열화 손상 면적비가 현저히 낮게 측정되었다. 이는 노면영상 수집 전 워터젯 또는 드릴 등을 이용한 표면처리 공정의 수행 여부에 따른 것으로 판단된다. 해당 구간은 교면포장 절삭 후 표면처리 공정이 수행되지 않았다. 따라서 노면 영상에서도 바닥판이 온전히 드러나지 않았고, 표층의 잔해물이 남아 열화 손상 면적을 정확히 반영하기 어려웠다. 다른 이룹 교면포장의 경우 표면처리 공정이 수해오디었으며, GPR을 통한 열화 손상 예측결과가 상대적으로 높게 나타났다. 특히 바닥판이 양호한 상태에서의 GPR 시험결과 데이터는 매우 높은 정확도를 보이는 것으로 확인되었다.