Feasibility study on waste silty clay as a recycled slurry material for slurry shield tunneling

현대 도시의 번화한 거리 아래 깊은 곳에서는, 쉴드 터널링 머신(shield tunneler)이라 불리는 거대한 기계들이 지하철과 지하 교통망을 위한 통로를 뚫고 있습니다. 이 기계들은 단순히 땅을 파는 것이 아니라, 자신들을 압박하는 흙과 물을 끊임없이 막아내야 합니다. 이를 위해 그들은 '슬러리(slurry)'라고 불리는 특수한 액체 진흙을 터널 전면에 펌프로 주입합니다. 이 진흙은 결정적인 기술을 발휘합니다. 주변 토양의 미세한 틈 사이로 스며들면서, 마치 임시 벽처럼 작용하는 얇고 단단한 피부, 즉 '필터 케이크(filter cake)'를 남기는 것입니다. 이 벽은 압력을 조절하여 기계가 앞으로 전진하며 파 내려가는 동안 터널이 무너지지 않도록 안전하게 유지해 줍니다. 수십 년 동안 업계는 이 진흙을 만들기 위해 벤토나이트(bentonite)라는 천연 점토에 의존해 왔습니다. 하지만 벤토나이트는 채굴과 가공 비용이 많이 드는 한정된 자원입니다. 동시에, 터널 굴착 프로젝트는 엄청난 양의 폐기 토사, 즉 실트와 점토가 섞인 진흙 형태의 흙을 생성하며, 이는 현재 쓰레기로 취급되어 매립지에 버려지고 있습니다. 엔지니어들이 직면한 과제는 이 폐토사를 정화하여 터널을 건설하는 데 필요한 바로 그 진흙으로 다시 되돌릴 수 있는지, 즉 비용을 절 절감하고 환경을 보호하는 순환 구조를 만들 수 있는지 여부입니다.

우한 대학교와 노스이스트 대학교의 연구팀은 폐기된 실트질 점토를 간단한 화학 첨가물로 처리했을 때, 벤토나이트를 대체할 수 있는지 테스트함으로써 이 질문에 답하기 위해 나섰습니다. 그들은 선양의 한 지하철 공사 현장에서 나온 폐토사를 가져와 건조시킨 뒤 고운 가루로 갈았습니다. 이 가루가 터널링에 필요한 고성능 진흙처럼 작동하게 만들기 위해, 그들은 가루에 물, 소량의 고운 모래, 그리고 세탁 소다와 유사한 흔한 가정용 화학 물질인 탄산나트륨을 혼합했습니다. 그들은 물, 가루, 모래의 양을 조절하며 수십 가지의 서로 다른 레시피를 테스트하여 완벽한 균형을 찾았습니다. 그들의 목표는 암석 파편을 운반할 수 있을 만큼 걸쭉하면서도, 파이프 안에서 가라앉지 않을 만큼 안정적이며, 터널 벽에 필수적인 보호막을 형성할 수 있는 혼합물을 만드는 것이었습니다. 광범위한 테스트 끝에, 그들은 특정 비율의 토양 대 물, 정밀한 양의 탄산나트륨, 그리고 측정된 양의 고운 모래를 포함하는 최적의 레시피를 찾아냈습니다. 이 혼합물은 업계에서 사용되는 표준 벤토나이트 진흙과 동일한 유동성과 안정성 특성을 보여주었습니다.

연구진은 다음 단계로 가장 중요한 테스트, 즉 이 새로운 진흙이 실제로 다양한 지층에서 보호벽을 형성할 수 있는지 확인하는 단계로 넘어갔습니다. 그들은 지표면을 모사하기 위해 모래와 자갈로 채워진 커다란 투명 기둥을 만들었고, 그 안에 새로운 진흙을 압력을 가해 주입하며 진흙이 흙과 어떻게 상호작용하는지 면밀히 관찰했습니다. 중사(medium sand)와 조사(coarse sand) 층에서 결과는 유망했습니다. 변형된 진흙은 적절히 스며들어 틈을 메웠고, 물의 압력을 효과적으로 견뎌내는 단단한 피부를 형성했습니다. 이러한 조건에서 진흙은 펌핑 압력의 85% 이상을 지반을 안정시키는 힘으로 전환했는데, 이는 터널 건설의 엄격한 안전 요구 사항을 충족하는 성능 수준입니다. 진흙은 천연 벤토나이트가 만드는 것보다는 약간 덜 완벽한 피부를 형성했지만, 임무를 수행하기에는 충분히 강했습니다.

그러나 연구진이 자갈 층, 즉 돌 사이의 간격이 훨씬 넓은 환경에서 진흙을 테스트했을 때 이야기는 달라졌습니다. 이 거친 환경에서 진흙은 보호막을 형성하는 데 실패했습니다. 입자들이 자갈 사이의 넓은 틈을 메우기에는 너무 작았기 때문에, 진흙은 밀봉을 남기지 못한 채 그대로 흘러 내려가 버렸습니다. 압력 전환 효율은 40% 미만으로 떨어졌으며, 이는 진흙이 흙이나 물을 막아낼 수 없음을 의미합니다. 이 발견은 새로운 재료의 한계를 정의한다는 점에서 매우 중요합니다. 이 진흙은 모래 토양에서는 잘 작동하지만, 추가적인 변화 없이는 느슨한 자갈층에서 사용할 수 없습니다. 연구진은 모래에서의 성공이 화학적 변형 덕분임을 확인했습니다. 탄산나트륨이 점토 입자의 표면 전하를 변화시켜, 마치 벤토나이트가 자연적으로 그러하듯 입자들이 서로를 밀어내고 물속에서 고르게 퍼지도록 만든 것입니다. 이를 통해 입자들이 흙의 틈을 막기에 적합한 방식으로 뭉칠 수 있었으며, 이 과정은 진흙과 그 진흙이 형성한 피부의 미세 구조를 관찰함으로써 검증되었습니다.

연구는 폐실트질 점토가 간단한 화학적 변형제를 처리했을 때, 터널링을 위한 값비싼 벤토나이트의 지속 가능하고 실행 가능한 대안이 될 수 있다고 결론짓습니다. 이는 거대한 폐기물 문제를 귀중한 자원으로 전환하여 비용을 크게 절감하고 건설의 환경적 발자국을 줄일 수 있는 방법을 제시합니다. 그러나 연구진은 이것이 보편적인 해결책은 아니라는 점을 분명히 했습니다. 변형된 진흙이 지하 세계의 상당 부분을 차지하는 모래와 실트에서는 훌륭하게 작동하지만, 아직 자갈 지층의 크고 열린 구멍을 감당할 수는 없습니다. 그러한 도전적인 조건들을 위해서는 더 큰 입자를 섞어 진흙을 더 걸쭉하게 만들어야 합니다. 현재로서는, 이 발견은 건설 산업에 새로운 문을 열어주었으며, 지형 조건만 적절하다면 터널을 만들기 위해 파낸 흙이 터널을 만드는 데 도움을 줄 수 있다는 것을 증명해 보였습니다.