서 론

터널은 지하수 처리 방식에 따라 배수형 터널 또는 비배수형 터널로 구분되며, 국내 철도 터널은 일부 하천 통과 구간을 제외하면 대부분의 터널이 배수형으로 시공되어 있다(Woo and Yoo, 2004). 배수형 터널은 지반과 지보재(shotcrete), 콘크리트 라이닝 사이에 부직포(geotextile fleece)를 설치하여 지하수를 측벽 하단의 유공배수관(side wall drainage pipe)으로 유도하고, 종방향 배수관(Longitudinal drainage pipe)과 횡배수관(Transverse drainage pipe)을 거쳐 중앙 집수관(Central drainage pipe)으로 최종 배출하는 구조를 갖는다(Fig. 1). 이러한 배수 체계는 라이닝 배면으로 유입되는 지하수를 외부로 유도하여 라이닝에 작용하는 수압을 저감하도록 설계되며, 배수 기능이 정상적으로 작동할 때만 라이닝 배면의 간극수압이 설계 기준 이하로 유지될 수 있다(MOLIT, 2016; KRNA, 2017).

Fig. 1.

(a) Conceptual diagram of a drained-type tunnel system (KRNA, 2017) and (b) drainage facilities in Seoul Metro Line 5 and 8 tunnels (Kim et al., 2011).

그러나 터널의 장기 공용 과정에서 지하수에 용해된 칼슘 이온과 콘크리트에서 침출된 알칼리 성분이 탄산 평형 반응을 거쳐 고형경질침전물(solidified calcareous deposits)로 전환되어 배수관 내부에 축적된다(Dietzel et al., 2008; Smith, 2016; Harer, 2017; Eichinger et al., 2020). 이러한 침전물 축적은 배수 기능 저하뿐만 아니라 라이닝 간극수압 증가, 균열 및 누수와 같은 구조적 변상을 유발한다(Yoon et al., 2012; Park et al., 2013). 실제로 Lee (2020)의 조사에 따르면 12개 고속철도 터널의 횡배수관 폐색률(degree of clogging)이 최소 2.4%에서 최대 54.2%에 달하며, 특히 직경(Φ) 150 mm 이하의 소구경 횡배수관에서 폐색이 가장 심각하게 진행되는 것으로 보고되었다.

현재 활용되는 유지관리 공법은 (i) 워터제트 및 회전식 커팅 노즐 기반의 고압 세척 공법, (ii) 진공 흡입 준설차를 활용한 기계식 세척 공법, (iii) 비굴착 로봇 공법으로 분류된다(Siringi et al., 2014; Gauss Co., Ltd., 2015; KRRI, 2018). 그러나 진공 흡입 준설차는 25 ton 급 대형 차량으로 협소한 도시철도 터널에서 작업성의 제약이 있으며, 비굴착 로봇은 Φ150 mm 이하 소구경 횡배수관 적용 시 시공 시간·비용 측면에서 한계를 가진다. 실질적으로 소구경 횡배수관에서는 고압 세척과 회전식 커팅공법을 적용할 수 있으나, 해당 공법들은 유체 운동량 기반의 전단력만 제공하므로 1 MPa 이상으로 경화된 침전물의 파쇄 임계 응력을 초과하기 어렵다. 따라서 소구경 횡배수관의 고화 침전물을 효율적으로 제거할 수 있는 정량적·이론적 근거를 갖춘 장치 및 운전 조건에 관한 연구가 요구된다.

본 연구는 위와 같은 기술적 공백을 해결하기 위해 회전체 노즐의 측방 분사력을 캠(cam) 메커니즘으로 직선 왕복 타격 에너지로 전환하는 타격식 제거 장치를 개발하였다. 본 장치는 국소적으로 집중된 충격력을 발생시켜 경화된 침전물의 파쇄 임계 응력을 초과하도록 설계되었으며, 이를 검증하기 위해 연구의 목적을 다음과 같이 설정하였다. 첫째, 도시철도 터널 횡배수관에서 채취한 시료의 화학·강도 분석을 통해 고형경질침전물의 물리·화학적 특성을 정량화하였다. 둘째, 회전체–추진체–캠 메커니즘을 결합한 타격식 제거 장치를 설계하여, 오리피스 유량식과 Darcy–Weisbach 식을 활용하여 노즐 조합의 이론적 최적 조건을 도출하였다. 셋째, 실대형 모형 실험을 통해 노즐 조합 조건과 첨단부 형상에 따른 제거 성능을 정량 평가하고 기존 회전식 노즐과의 비교를 통해 성능 개선을 검증하였다. 마지막으로 도시철도 터널 현장 실증을 통해 장치의 실무 적용성과 유지관리 효율 향상 가능성을 종합적으로 평가하고자 하였다.

연구방법

현장 시료 채취 및 분석

도시철도 터널 횡배수관 내에 형성된 침전물의 화학·물리적 특성을 정량화하기 위하여, 사전 점검에서 폐색이 확인된 구간에서 외형적 특성(색상·고결 정도)에 따라 7개 시료를 채취하였다. 채취된 시료는 X선 형광 분석(X-ray fluorescence, XRF)을 수행하여 주요 산화물의 정량 조성을 측정하였다. 또한 고형경질화된 시료에 대해서는 점하중강도시험(point load test)을 통해 압축강도를 평가하였다.

타격식 제거 장치 설계

본 연구에서 제안한 타격식 제거 장치(impact-type nozzle device)는 분사 노즐이 장착된 회전체(rotor with jet nozzles)와 후방 추진체(rearward propulsion unit with nozzles)로 구성된다(Fig. 2). 장치의 총 중량은 1.86 kg, 외경 80 mm, 길이 140 mm (첨단 팁 제외)이며, 고압 펌프(상용압력 20 MPa, 정격 토출량 145 L/min)와 고압 호스(길이 30 m, 내경 19 mm≒3/4 inch)를 통해 가압수를 공급받는다.

Fig. 2.

Schematic of the system developed to remove solidified calcareous deposits from tunnel drainage pipes.

회전체는 Φ40 mm로 원주상 균등 간격으로 최대 8개의 분사 노즐을 장착할 수 있으며, 공급된 가압수의 측방 분사 반력에 의해 회전 운동을 발생시킨다(Fig. 3a and b). 이 회전 운동은 내부 캠 메커니즘(cam mechanism)을 통해 스트로크 5 mm의 직선 왕복 운동으로 변환되어 대상 표면에 반복적인 타격력(impact jetting mechanism)을 가한다(Fig. 3c). 회전체 후방에 배치된 추진체에는 최대 6개의 분사 노즐을 장착할 수 있으며, 후방 30°의 분사각으로 추진력을 발생시켜 장치를 침전물 전면에 밀착시키고 타격 시 발생하는 반력을 상쇄하여 자세를 안정화한다(Fig. 3c and d). 본 장치의 세부 구조와 작동 메커니즘은 등록 특허에 상세히 기술되어 있다(Park et al., 2023).

Fig. 3.

Mechanism of action and apparatus for removing solidified calcareous deposits: (a) rotary jetting mechanism (control), (b) impact-type nozzle device rotor model, (c) cam and impact jetting mechanism (Test), and (d) propulsion unit.

노즐 조합의 이론적 검토

장치의 회전체와 추진체에 배치할 노즐의 직경과 개수를 결정하기 위해 연속 방정식과 베르누이 방정식을 결합한 오리피스 유량식을 적용하여 이론적으로 적용 가능한 노즐 직경 범위를 산정하였다. 질량 보존을 나타내는 연속 방정식은 다음 식 (1)과 같다.

여기서, Q는 체적 유량(volumetric flow rate, m³/s), A1과 A2는 각각 노즐 입구(위치 1)와 출구(위치 2)에서의 단면적(m²), V1과 V2는 해당 위치에서의 평균 유속(m/s)이다.

에너지 보존을 나타내는 베르누이 방정식은 식 (2)와 같으며, 이를 출구 유속에 대해 정리하면 식 (2a)를 도출할 수 있다.

여기서, P는 정압(static pressure, Pa), 𝜌는 작동 유체 밀도(kg/m³), g는 중력 가속도(9.81 m/s²), h는 위치수두(elevation head, m), ΔP=P1-P2는 노즐 양단의 압력차(Pa)를 의미한다.

식 (1)과 식 (2a)를 결합하고 점성·국부 수축에 의한 손실을 보정하는 방출 계수(discharge coefficient; Cd)를 도입하면 토출 유량은 식 (3)과 같으며, 이를 직경에 대해 정리하고 n개 노즐 병렬 조건으로 확장하면 식 (3a)로 표현된다.

여기서, Cd는 방출 계수(무차원),d는 단일 노즐 조건에서의 노즐 직경(m), n은 병렬 배치된 노즐 개수, dn은 n개 노즐 조합 시 단위 노즐의 직경(m)이다.

또한 길이 30 m, 내경 19 mm 고압 호스에서 발생하는 압력 손실과 유량 감소는 Darcy–Weisbach 식을 이용하여 검토하였다.

여기서, ΔPf는 호스 내 마찰에 의한 압력 손실(Pa), f는 Darcy 마찰 계수(무차원), L은 호스 길이(m), D는 호스 내경(m)이다. 마찰 계수 f = 0.03, 평균 유속 V = 8.5 m/s, 작동 유체 밀도 𝜌 = 1,000 kg/m³를 적용한 결과, 호스 압력 손실은 약 −1.71 MPa로 산정되었다. 호스 통과 후 압력은 설계치의 91.5% (18.3 MPa), 유량은 95.6% (138.7 L/min) 수준으로 유지되어 모두 설계 허용 범위 이내였다.

이에 따라 입력 압력은 설계치 20.0 MPa 및 보수치 18.3 MPa로 설정하고, 방출계수 Cd는 선행 연구의 일반값 0.60 (Eltoukhy and Alsaydalani, 2022)부터 국제 표준 ISO 5167-3 (ISO, 2003)의 최대값 0.99까지를 적용하였으며 총 노즐 개수는 11개와 14개 조합을 적용해 단위 노즐 직경을 산정하였다. 산정 결과 단위 노즐 직경(dn)은 1.05–1.53 mm 범위로 도출되었으며(Cd = 0.99 / n = 14 → 1.05 mm, Cd = 0.60 / n = 11 → 1.53 mm), 이를 포괄하도록 1.0, 1.5, 2.0 mm를 실험 변수로 채택하였다. 회전 운동을 직선 왕복 운동으로 변환하여 타격력을 극대화하기 위해 회전체 노즐 비중을 추진체보다 크게 설정하였으며, 두 조합(1. 회전체 8개 + 추진체 6개(총 14개), 2. 회전체 8개 + 추진체 3개(총 11개))을 후보로 도출하였다.

실대형 모형 시편 제작

실제 터널 횡배수관 형상을 모사하기 위해 가로 300 mm × 세로 800 mm의 배수구와 직경 150 mm, 길이 930 mm의 배수관으로 구성된 실대형 모형을 제작하였다. 모형 내부에는 시멘트(cement)를 주성분으로 하는 모사 침전물을 충전하여 배수관 내 폐색률 40%, 45%, 100% 조건을 구현하였으며, 전체 실험 구성은 Fig. 4와 같다.

Fig. 4.

Experimental setup for testing the removal performance of the full-scale model including the drainage pipe model, surrogate specimen filling, and impact device configuration.

모사 시편의 압축강도는 한국화학융합시험연구원(KTR)에서 KS F 2405:2010 및 KS L 5105:2007 시험법에 따라 측정하였으며, 배합 비율에 따라 0.68–6.00 MPa 범위로 제작되었다(Table 1). 이는 실제 침전물의 강도 범위(0–3 MPa, 결과 및 토의 절에서 후술)를 포함하면서, 형성기간이 긴 노후 터널의 잠재적 강도 상승과 장치 성능의 안전여유(safety margin)를 검증하기 위해 가혹 조건(4.6–6.0 MPa)까지 확장한 것이다. 다만 시멘트 기반 모사 시편은 실제 탄산칼슘 침전물의 광물학적 결정 구조와 다공성·결합 특성을 완전히 재현하지 못하므로, 본 연구에서는 이를 광물학적 등가물(mineralogical equivalent)이 아닌, Ca 성분 기반 결합 강도를 공학적으로 모사한 대체 시편(engineering surrogate)으로 정의하였다. 또한 제거 성능을 좌우하는 1 차 변수인 압축 강도를 실제 침전물의 추정 범위에 맞추었으며, 두 재료 모두 응력 집중부에서 취성 파괴를 보인다는 점에서 응력 집중 기반의 제거 메커니즘이 본질적으로 동일하게 작동한다고 가정하였다. 따라서 본 연구에서는 절대적 제거 속도보다 동일 조건에서 노즐 조합·형상·운전 압력에 따른 정성적 거동을 상대적으로 비교하고자 하였다.

노즐 최적 조합 및 형상별 성능 평가

앞서 도출된 후보 조합으로부터 노즐 개수, 직경을 조합한 5가지 조건(Case 1–5)에 대해 동일 모사 시편을 사용한 비교 실험을 수행하였다. 각 조건의 운전 압력(operating pressure), 운전 시간(operating time), 제거 면적(removal area)을 측정하여 직경·개수 조합에 따른 제거 성능을 정량 평가하였다.

장치 첨단부(tip) 형상이 제거 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 최적 노즐 조합 조건에서 다음 세 형상을 비교하였다. (i) 망치 형상(hammer shape, Φ80 mm)은 넓은 면적을 동시 타격하는 저강도 침전물 제거에 유리한 형상, (ii) 십자 형상(cross shape)은 4점 집중 타격으로 균열을 유도하는 형상, (iii) 뿔 형상(cone shape, Φ4 mm)은 응력 집중을 통한 고강도 침전물을 관통하는 형상이다. 폐색률 40% (추정 강도 1.95–6.00 MPa) 및 100% (추정 강도 0.68 및 1.25 MPa) 조건에서 형상별 제거 속도(cm/min)를 측정하였으며, 각 조합별로 1–3회의 타격 사이클을 적용하였다.

상용 장치와의 비교 실험

본 연구의 타격식 장치(Test)와 시중에서 사용 중인 회전식 커팅 노즐 장치(Control)의 제거 성능을 정량적으로 비교하기 위해, 폐색률 45% (추정 강도 1.17–1.37 MPa) 조건에서 동일 모사 시편을 사용한 비교 실험을 수행하였다. Test 군은 망치 형상과 십자 형상 첨단부를 적용하여 5회(Test Ⅰ–Ⅴ) 시험하였으며, Control 군은 뿔 형상의 상용 회전식 커팅 노즐을 적용하여 동일 시편 조건에서 시험하였다. Control 군의 반복 시험은 본 연구의 일정·자원 제약상 단회로 수행하였다.

도시철도 터널 현장 실증

최종적으로 도출된 최적 노즐 조합 조건(Φ1.5 mm, 회전체 8개 + 추진체 3개)에 대한 현장 적용성을 평가하기 위해, 실제 배수관 정비가 필요한 폐색 구간을 대상으로 현장 실증을 수행하였다(Fig. 5). 대상 구간은 중앙배수관(Φ400 mm 유공관), 횡배수관(Φ150 mm), 측벽배수관(Φ100 mm)으로 구성되며, 사전 점검에서 폐색이 확인된 중앙배수관 STA.28K 320–400 구간이다. 실험은 도시철도 운행 종료 시각과 운행 시작 시각 사이의 작업 가능 시간(일 2시간 이내)에 맞추어 2회에 걸쳐 분할 시행하였다. 작업 장비는 발전기(엔진형 삼상 380 V)와 용수저장탱크(PE 10,000 L)로 구성되었으며, 사전 사진 기록과 작업 후 배수 기능 회복 여부 점검을 통해 실무 적용성을 평가하였다.

Fig. 5.

Plan view of the field test section in the urban subway tunnel.

연구결과 및 토의

침전물의 화학·물리적 특성

본 연구에서는 도시철도 터널 횡배수관 내에서 채취한 7개 시료에 대해 X선 형광 분석(XRF) 기반의 산화물 정량 분석을 수행하였다(Table 2). 백색 퇴적물 시료(sed-1 (W))와 고형경질화된 시료(solid-1, solid-2, solid-3)는 CaO 함량이 50.4–54.8 wt%로 높게 측정되어 칼슘 기반 침전 경로가 지배적이었음을 시사하였다. 반면 흑색·황색 시료(sed-2 (B), sed-3 (Y))는 Fe₂O₃ 25.5–47.5 wt%, MnO 18.5–26.8 wt%로 측정되어 Fe-Mn 성분이 풍부한 침전 특성을 보였다. 황·백 혼재 시료(soli-sedi-1)는 Fe₂O₃ 26.4 wt%, CaO 22.2 wt%로 두 경로가 복합적으로 작용한 결과로 해석된다. 고형경질화된 시료(solid-1, 2, 3)에 대한 점하중강도시험에서는 유의미한 파괴하중이 측정되지 않았다. 따라서 종유석 강도 13.67 ± 7.12 MPa (Uenishi and Matsubara, 2021) 및 퇴적암(이암) 강도 3.6–4.8 MPa (Park et al., 2018)를 고려하여 형성 기간이 상대적으로 짧은 본 침전물의 강도는 약 0–3 MPa 수준으로 추정하였다.

노즐 조합에 따른 최적 조건 도출

노즐 직경(Φ1.0, Φ1.5, Φ2.0 mm)과 회전체–추진체 노즐 개수 조합에 따른 제거 성능 평가 결과는 Table 3 및 Fig. 6에 제시하였다. 노즐 직경의 영향을 살펴보면, 동일 회전체 8개 + 추진체 6개 조건에서 Φ1.0 mm (Case #1)의 제거 면적은 219 mm²였으나 Φ1.5 mm (Case #2)에서는 330 mm²로 약 1.5배 증가하였다. 회전체 8개 + 추진체 3개 조건에서도 Φ1.0 mm (Case #3)일 때 제거면적이 156 mm²인 반면 Φ1.5 mm (Case #4)는 383 mm²로 약 2.5배 증가하였다. 그러나 노즐 직경을 Φ2.0 mm로 키운 Case #5는 제거 면적이 263 mm²로 오히려 감소하였으며, 이는 직경 증가로 인해 총 노즐 단면적이 34.5 mm²까지 커짐에 따라 운전압력이 6.0 MPa로 낮아지면서 분사 속도와 단위 면적당 충격력이 동반 감소한 결과로 해석된다.

Fig. 6.

Experimental results for deriving the optimal conditions in terms of nozzle configurations.

노즐 개수 조합의 영향은 노즐 직경에 따라 상반된 경향을 보였다. Φ1.0 mm 조건에서는 추진체 6개(Case #1) 조합이 추진체 3개(Case #3) 조합보다 1.4배 큰 제거 면적을 보였으나, Φ1.5 mm 조건에서는 추진체 3개(Case #4, 383 mm²) 조합이 추진체 6개(Case #2, 330 mm²) 조합보다 1.16배 큰 제거 면적을 보였다. 더 중요한 것은 운전 압력의 차이로, Case #4와 Case #2의 운전 압력은 각각 10.0 MPa와 7.0 MPa로 추진체 노즐 수를 줄임으로써 회전체로 분배되는 압력이 1.43배 증가하였다. 이는 단순한 면적 차이를 넘어 분사 압력과 타격력의 시너지 효과를 시사한다. 종합적으로 다양한 노즐 조합을 고려하였을 때 제거 면적과 운전 압력의 균형이 가장 우수한 Case #4 (Φ1.5 mm, 회전체 8개 + 추진체 3개의 조합)를 이후 모든 실험의 최적 조건으로 채택하였다.

첨단부 형상에 따른 제거 성능

최적 노즐 조합 조건에서 첨단부 형상(망치, 십자, 뿔)에 따른 제거 성능을 폐색률 100% (추정 강도 1.25 및 0.68 MPa)와 폐색률 40% (추정 강도 4.6–6.0 및 1.95–2.28 MPa) 조건에서 평가하였다(Table 4, Fig. 7). 폐색률 100% 조건(Fig. 7a)에서는 첨단부의 단면적이 작은 뿔 형상이 응력 집중에 의한 관통 효과로 가장 높은 제거 속도를 보였다. 퇴적물의 추정강도에 따른 노즐의 성능을 비교하였을 때 추정 강도 1.25 MPa 조건(Case 1)에서 뿔 형상의 제거 속도는 1.3 cm/min으로 망치(0.5–0.8 cm/min) 및 십자(0.8 cm/min) 대비 약 1.6배 높았으며, 추정 강도 0.68 MPa 조건(Case 2)에서도 뿔과 십자 형상이 4.3 cm/min으로 망치(3.3 cm/min) 대비 약 1.3배 높은 제거 속도를 보였다. 다만 Case 2에서 전체 73 cm 구간중 폐색률이 100% 미만인 일부 구간에서는 뿔 형상의 제거 속도(1.0 cm/min)가 망치(1.7 cm/min) 및 십자(1.3–1.7 cm/min)보다 낮게 나타났는데, 이는 첨단부 단면이 작을수록 잔류 폐색면에 대한 접촉 면적이 부족해지는 형상 의존성을 반영한 결과로 해석된다.

폐색률 40% 조건(Fig. 7b and c)에서는 폐색률 100% 결과에서 뿔 형상이 잔류면에 불리함이 확인되어, 망치·십자만을 대상으로 비교하였다. 추정 강도 4.6–6.0 MPa 조건(Case 3, 4)에서 망치 형상의 제거 속도는 5.0–10.8 cm/min, 십자 형상은 1.8–3.1 cm/min로 망치가 십자 대비 최대 3.5배 높은 성능을 보였다. 추정 강도 1.95–2.28 MPa 조건(Case 5–7)에서도 망치(1.6–2.7 cm/min)가 십자(0.4–1.7 cm/min) 대비 최대 4.0배 우수하였다.

이러한 형상 의존성은 다음과 같이 해석된다. 폐색률 100% 조건에서는 침전물이 배수관 단면 전체를 막고 있어 첨단부의 응력 집중에 의한 초기 관통이 율속 단계(rate-limiting step)로 작용하므로 단면적이 가장 작은 뿔 형상이 유리하다. 반면 폐색률 40% 조건에서는 이미 관통된 유로가 존재하므로 잔류 침전물에 대한 광역 파쇄가 율속 단계가 되어 넓은 면적을 동시 타격하는 망치 형상이 효과적이다. 이는 연구방법 절에서 제시한 형상별 설계 의도(뿔 = 관통형, 망치 = 광역 파쇄형)와 일치하며, 현장 적용 시 폐색 정도에 따른 첨단부 교체 운영이 필요함을 시사한다.

Fig. 7.

Removal performance by device geometry: (a) 100% degree of clogging (estimated deposit strength of 0.68 and 1.25 MPa); (b) 40% degree of clogging (estimated deposit strength of 4.60–6.00 MPa); and (c) 40% degree of clogging (estimated deposit strength of 1.95–2.28).

상용 회전식 장치와의 비교 성능

최적 노즐 조합 조건(Φ1.5 mm, 회전체 노즐 8개 및 추진체 노즐 3개 조합)과 폐색률 45% (추정 강도 1.17–1.37 MPa) 조건에서 본 연구의 타격식 장치(Test)와 상용 회전식 커팅 노즐 장치(Control)의 제거 성능을 비교한 결과를 Table 5 및 Fig. 8에 제시하였다. Test 군 5회 시험(Test Ⅰ–Ⅴ)의 제거 속도는 최소 14.6–최대 30.4 cm/min으로 분포하였으며, 평균 21.3 cm/min으로 측정되었다. 동일 시편 조건에서 Control 군은 4.5 cm/min으로 측정되었으며, Test 군 5회 시험의 제거 속도(14.6–30.4 cm/min)가 모두 Control 측정값을 상회하여 하였으며 최대 6.8배 높은 제거성능을 보였다(Fig. 8a, Table 5).

첨단부 형상별로 비교하였을 때, 망치 형상 단독 적용 구간(Test Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ)에서는 14.6–30.4 cm/min, 십자 형상 단독 적용 구간(Test Ⅰ, Ⅱ)에서는 1.2–3.2 cm/min으로 측정되어, 망치 형상이 십자 형상 대비 최소 4.5배에서 최대 25.3배 높은 제거 속도를 보였다(Fig. 8b). 폐색률 45%는 폐색률 40% 조건과 유사하며, 그 결과(망치 우위)는 본 절에서도 일관되게 재현되었다.

본 비교 실험은 Test n = 5, Control n = 1의 비대칭 설계로 절대적 통계 추론에는 한계가 있다. 다만 Test 5회 모두에서 Control 단일 측정값(4.5 cm/min)을 일관되게 상회하였으며, 최저값 14.6 cm/min조차 Control 대비 3.2배에 달하였다. 이러한 분포의 일관성은 평균값의 정량적 우위가 우연이 아닌 기계적 메커니즘 차이에 기인함을 시사한다. 통계적 추론력 강화는 후속 연구에서 확장 시험을 통해 보완될 필요가 있다.

Fig. 8.

Comparison of removal efficiency between the conventional rotary device (control) and the impact device (Test): (a) overall comparison; (b) breakdown by tip geometry (degree of clogging, 45%; estimated deposit strength, 1.17–1.37 MPa).

타격력의 이론적 해석

타격식 장치의 성능 개선에 관여하는 물리적 메커니즘을 정량적으로 해석하기 위해, 운동량 방정식과 일–에너지 정리를 적용하여 분사력에서 타격력으로의 에너지 변환 과정을 산출하였다(Table 6). 본 절의 모든 수치는 실측 운전 압력 11.5 MPa 조건의 산정값(operational)과 이론 설계 압력 18.3 MPa 조건의 산정값(theoretical)을 함께 제시하며, 별도 명시가 없는 한 본문 내 비교는 실측 운전 조건을 기준으로 한다.

회전체 8개 노즐에서의 분사 속도는 식 (2a)에 의해 91.0 m/s로 산정되었으며, 이로부터 운동량 방정식을 적용하여 회전체 분사 반력은 152.9 N으로 계산되었다. 회전체 직경(Φ40 mm)을 고려한 회전 토크(T=F·r)는 3.1 N·m이며, 캠 메커니즘 효율 η = 0.80을 적용한 회전 에너지(Erot=T·2·π·η)는 15.4 J로 산정되었다. 이 회전 에너지가 5 mm의 타격 스트로크(S)에 응축되어 일–에너지 정리에 따라 정적등가력(Fimp=Erot/S; equivalent static force)로 변환되며, 그 결과 정적등가력이 3,073.5 N으로 산출되었다. 이 값은 충돌 지속시간과 접촉 강성에 의존하는 순간 충격력(impact force)이 아니라, 동일한 에너지를 행정 구간에 등가로 환산한 정적 지표이며, 실제 순간 충격력은 침전물의 접촉 거동에 따라 이 값과 달라질 수 있다. 산출된 정적등가력은 단순 분사 반력(152.9 N) 대비 약 20배 수준으로, 캠 타격 방식이 직접 분사 대비 등가 작용력 측면에서 큰 증폭 효과를 가짐을 의미한다.

장치 첨단부 형상에 따라 동일한 타격력이 작용할 때 발생하는 타격 압력(Pimp=Fimp/Aimp)은 첨단부 면적에 따라 크게 달라진다. 망치 형상(Φ80 mm, Aimp = 5,024.0 mm²) 기준 타격 압력은 약 0.6 MPa인 반면, 뿔 형상(Φ4 mm, Aimp = 12.6 mm²) 기준으로는 244.7 MPa에 달한다. 이론 설계 압력 조건(18.3 MPa)에서는 뿔 형상의 타격 압력이 308.6 MPa까지 산정된다. 또한 첨단부 타격에 의한 응력 발생을 정량적으로 확인하기 위해 ANSYS MOTION를 이용한 유연 다물체 동역학(flexible multibody dynamics) 해석을 수행하였다. 회전체의 회전 속도를 10 rev/s로 가정하여 5 mm의 타격 스트로크를 부여하였고, 타격 대상인 침전물은 밀도 2,450 kg/m³, 탄성계수 47,500 MPa의 콘크리트 물성을 갖는 유연체로 모델링하였다. 여기서 적용한 탄성계수는 일반 콘크리트 수준의 보수적 상한값으로, 강성이 클수록 충돌 시 접촉 응력이 크게 산정되는 점을 고려하여 실제 저강도 침전물에 대한 안전여유를 평가하기 위한 가정이다. 해석 결과 1회 타격 시마다 첨단부와 침전물의 접촉면에서 약 120 MPa의 응력이 발생하는 것으로 예측되었으며, 이는 침전물의 추정 강도를 크게 상회하여 첨단부 타격에 의한 파쇄가 충분히 가능함을 시사한다.

이러한 결과는 5 MPa 이하의 경질침전물에는 넓은 면적을 타격하는 망치 형상이 효과적일 수 있으며, 고강도 침전물 제거에는 직경 4 mm 수준의 뿔 형상으로 타격 압력을 국부 집중시키는 설계가 필요함을 시사한다. 산출된 타격 압력 범위(0.6–308.6 MPa)는 추정된 실제 침전물 강도 분포(0–3 MPa) 및 더 가혹한 모사 시편 강도(최대 6.0 MPa)를 충분히 초과한다. 즉, 본 장치는 첨단부 형상의 교체만으로 동일한 펌프 출력 조건에서 약 500배 이상의 압력 범위를 능동적으로 조절할 수 있으며, 이는 폐색률과 침전물 강도에 따른 적응적 운전이 가능함을 시사한다. 첨단부 형상에 따른 성능 차이의 실험 결과는 이러한 이론적 압력 분포의 직접적 귀결로 해석된다.

추진체 3개 노즐에서 발생하는 후방 분사력은 실측 운전 조건에서 57.4 N으로 산정되었으며, 이는 장치 자중(1.86 kg, 약 18.25 N) 대비 약 3.1배(이론 조건에서는 최대 4.0배)에 해당한다. 이 추진력은 장치를 침전물 전면에 지속적으로 밀착시켜 타격 에너지의 전달 효율을 극대화하고, 타격 시 발생하는 순간 반력을 빠르게 상쇄하여 장치의 이탈과 자세 불안정을 억제한다. 즉, 추진력과 타격력은 단순히 병렬적으로 작용하는 두 힘이 아니라, 추진력이 타격 에너지의 전달 손실을 최소화하는 경계조건(boundary condition)을 제공함으로써 충격력의 실효 전달 효율을 결정하는 결합 시스템으로 작동한다.

본 절에서 제시한 정적등가력 3,073.5 N과 응력 집중 약 120 MPa는 이론 해석 및 수치해석에 기반한 산정값이며, 본 연구에서 직접 측정된 값은 아니다. 향후 동적 압력 센서 또는 고속 카메라 기반의 실시간 충격력 계측을 통해 이론치 검증과 마찰 손실 등에 의한 효율 저하 정량화가 후속 연구의 과제로 남는다.

도시철도 터널 현장 적용성

최적 노즐 조합 조건의 타격식 장치를 적용한 현장 실증 결과, 도시철도 터널 중앙배수관(Φ400 mm) 50 m 구간에서 1회차 30 m, 2회차 20 m의 폐색 침전물을 각각 2시간 이내에 제거하여 배수 기능을 정상 회복시켰다(Fig. 9). 작업 전 침전물에 의해 만관 폐색되어 있던 중앙 맨홀(STA.28K 350, STA.28K 380) 단면이 작업 후 정상 유로를 회복하였음이 사진 기록을 통해 확인되었다.

현장 적용 결과는 다음 두 가지 측면에서 실대형 모형 실험 결과와 일관된다. 첫째, 폐색률이 높은 구간을 우선 관통한 뒤(뿔 형상 적용에 상응) 잔류 침전물을 광역 파쇄(망치 형상 적용에 상응)하는 작업 순서가 첨단부 형상 의존성과 부합하였다. 둘째, 일 2시간이라는 도시철도 운행 제약 조건 하에서도 30 m/2 h = 25 cm/min의 평균 작업 속도가 달성되어, 모형 실험 평균 제거 속도(21.3 cm/min)와 유사한 범위에서 정합하였다.

장치 자중 1.86 kg, 외경 80 mm의 컴팩트한 형상은 운행 중 도시철도 터널 내 진입과 협소 작업 공간에서의 운용에 유리하였으며, 발전기와 용수저장탱크만으로 작업 운영이 가능한 점은 25 ton 급 진공 흡입 준설차 대비 명백한 운용 우위로 평가된다. 다만 본 현장 실증은 단일 노선·단일 구간(50 m)에 대한 단회 적용 결과이므로, 침전물 강도·폐색률·배수관 직경의 변동성이 큰 다양한 현장 조건에서의 일반화 가능성은 후속 검증이 필요하다.

Fig. 9.

Field verification test in an urban subway tunnel: (a) central manhole at STA.28K 350 before testing; (b) central manhole at STA.28K 350 after testing; (c) central manhole at STA.28K 380 before testing; and (d) central manhole at STA.28K 380 after testing.

결 론

본 연구는 배수형 철도 터널의 소구경 횡배수관 내 고형경질침전물을 효과적으로 제거하기 위해, 회전 분사력을 캠 메커니즘으로 직선 왕복 타격력으로 변환하는 타격식 제거 장치를 개발하고, 이론적 검토와 실대형 모형 실험, 도시철도 터널 현장 실증을 통해 그 성능을 평가하였다. 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 도시철도 터널 횡배수관에서 채취한 시료의 화학·강도 분석 결과, 백색·고형경질화된 침전물은 CaO 함량 50.4–54.8 wt%로 칼슘 기반 침전 경로가 지배적이었으며, 흑색·황색 침전물은 Fe₂O₃ 25.5–47.5 wt%로 Fe-Mn 성분이 풍부한 침전 특성을 보였다. 점하중강도시험에서 유의미한 파괴하중이 측정되지 않은 점과 종유석·이암 강도를 고려하여 본 침전물의 강도는 약 0–3 MPa 수준으로 추정하였다.

(2) 오리피스 유량식 및 Darcy–Weisbach 식을 활용한 이론 검토(노즐 직경 1.05–1.53 mm 범위)와 실대형 모형 실험을 결합한 결과, 노즐 직경 Φ1.5 mm, 회전체 8개 + 추진체 3개의 조합이 5분간 383 mm²의 최대 제거 면적과 10.0 MPa의 높은 운전 압력을 동시에 확보하여 최적 조건으로 도출되었다. 길이 30 m, 내경 19 mm 호스에서의 압력·유량 손실은 각각 8.5%, 4.4% 수준으로 설계 허용 범위 이내였다.

(3) 운동량 방정식과 일–에너지 정리에 기반한 이론 해석을 통해, 회전체 8개 노즐의 분사 반력 152.9 N (실측 운전 압력 11.5 MPa 기준)이 캠 메커니즘과 5 mm의 타격 스트로크를 거치면서 약 20배의 충격력 응축을 통해 3,073.5 N의 정적등가력으로 변환됨을 정량화하였다. 유연체 동역학 수치해석에서는 국부 충돌부 응력 집중이 약 120 MPa 수준으로 예측되었다.

(4) 첨단부 형상별 성능 평가에서, 폐색률 100% 조건에서는 단면적이 작은 뿔 형상이 응력 집중을 통한 초기 관통에 유리하여 망치·십자 형상 대비 약 1.3–1.6배 높은 제거 속도를 보였으며, 폐색률 40% 조건에서는 광역 파쇄에 유리한 망치 형상이 십자 형상 대비 최대 4.0배 높은 제거 속도를 보였다. 이는 이론 해석에서 산출된 첨단부별 타격 압력 분포(망치 0.6 MPa–뿔 244.7 MPa)와 일관된 거동이며, 폐색률과 침전물 강도에 따른 첨단부 적응 운영의 정량적 근거를 제공한다.

(5) 폐색률 45% 조건에서 본 장치(Test, n = 5)와 상용 회전식 커팅 노즐 장치(Control, n = 1)의 비교 실험 결과, 본 장치는 평균 제거 속도 21.3 cm/min (분포 14.6–30.4 cm/min)으로 Control (4.5 cm/min) 대비 약 5배(약 500%)의 성능 향상을 보였다. Test 5회 모두에서 Control 단일 측정치를 일관되게 상회한 점은 평균값의 우위가 우연이 아닌 기계적 메커니즘 차이에 기인함을 시사한다.

(6) 도시철도 터널 중앙배수관 50 m 구간에 대한 현장 실증에서 평균 약 25 cm/min의 작업 속도로 폐색 침전물을 제거하여 배수 기능을 회복시켰으며, 그 성능이 모형 실험 결과(21.3 cm/min)와 유사한 범위로 정합하였다. 장치 자중 1.86 kg, 외경 80 mm의 컴팩트한 형상은 도시철도 운행 제약 조건 하에서 25 ton 급 준설차 대비 명백한 운용 우위를 제공하였다.

본 연구는 회전 분사력을 캠 메커니즘으로 직선 타격으로 변환하는 접근이 기존 유지관리 공법의 한계를 보완하는 실용적 대안임을 정량적으로 입증하였다. 본 장치는 동일 시험 조건에서 기존 상용 회전식 장치를 상회하는 제거 속도를 나타냈으며, 이러한 제거 효율의 향상은 동일 연장 구간의 정비 소요 시간 단축으로 이어질 수 있다. 특히 터널 유지관리는 열차 미운행 시간대에 제한적으로 수행되는 특성상 작업 점유 시간의 단축이 시공성 및 경제성과 직결되므로, 본 장치의 적용은 작업 점유 시간과 인력·장비 투입의 절감을 통해 실무적 이점을 제공할 것으로 판단된다. 다만 구체적인 비용·시간 절감 효과는 현장별 침전물 특성과 시공 조건에 따라 달라질 수 있어, 다양한 현장 데이터에 기반한 정량적 산정은 후속 연구를 통해 보완될 필요가 있다.

한편, 본 연구의 핵심 기여는 노즐 조합·첨단부 형상·운전 압력에 따른 정성적 거동의 규명에 있으며, 절대적 제거 속도 값은 보조 지표로 해석되어야 한다. 또한, 모사 시편의 광물학적 한계, Test–Control 시험의 비대칭 설계, 단일 노선 현장 실증의 일반화 제약, 타격력의 직접 계측 부재 등은 후속 연구를 통한 보완이 필요하다. 향후 다양한 노선·구간에서의 확장 시험과 동적 충격력 센서 기반의 실시간 계측이 결합되면, 본 장치는 노후 철도 터널의 배수 시스템 유지관리 표준 공법으로의 발전 가능성이 충분할 것으로 기대된다.