Engineering Performance and Feasibility Evaluation of Crosslinked Biopolymer-based Grouts for Tail Void Backfilling in Tunnels
터널 여굴 공간 충전용 교차결합 생체고분자 기반 그라우트 재료의 공학적 성능 및 적용가능성 평가
- 주제(키워드) Grout , Grouting , Gypsum , Backfill , Backfilling , Biopolymer , Tunnel , Tail void
- 주제(DDC) 690
- 발행기관 아주대학교 일반대학원
- 지도교수 장일한
- 발행년도 2026
- 학위수여년월 2026. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 건설시스템공학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/ajou/000000035910
- 본문언어 영어
- 저작권 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
초록/요약
As the utilization of underground spaces through tunnels increases, the shield TBM (Tunnel Boring Machine) method has gained prominence due to its high speed and minimal ground disturbance. This method creates a tail void, a gap between the excavation surface and the tunnel segment, which must be promptly and securely filled to prevent ground settlement. The most common approach involves injecting cement-based grout as a backfill material. Although effective, this practice is linked to significant carbon emissions and environmental issues, including groundwater and soil contamination. Cement production contributes approximately 10% of global carbon emissions, highlighting the need for sustainable alternatives. This study presents biopolymer-based soil treatment (BPST) utilizing environmentally friendly materials as backfill grout to mitigate environmental pollution. BPST has been reported to improve soil strength and control erosion by facilitating the bonding of soil particles. Notably, BPST using xanthan gum has gained attention for its enhanced strength and engineering performance under dry (dehydrated) conditions. However, the xanthan gum used in BPST presents challenges due to its hydrophilic properties, which result in strength reduction and durability issues under wet and saturated conditions due to dissolution and swelling. To address these limitations, sodium alginate, a natural polysaccharide biopolymer, and calcium ions, capable of forming ionotropic gels, were applied to BPST. The gel produced through the reaction between sodium alginate and calcium ions has been reported to enhance compressive strength and durability under saturated conditions. This study examined the potential application of sodium alginate and hemihydrate gypsum as sustainable backfill grouts. Several mix designs were developed, and candidate mixes were selected based on their rheological properties and unconfined compressive strength (UCS). These candidate mix designs subsequently underwent a comprehensive assessment of their grout properties, leading to a more refined selection. A single optimal mix design was selected based on laboratory model tests. Finally, the field applicability of this eco-friendly backfill grout was validated using a model that simulates actual tunnel conditions.
more초록/요약
터널을 활용한 지하 공간 이용이 증가함에 따라, 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine) 공법은 빠른 시공 속도와 지반 교란 최소화라는 장점으로 주목받고 있다. 이 공법은 굴착면과 터널 세그먼트 사이에 테일 보이드(Tail Void)라는 공간을 발생시키는데, 지반 침하를 방지하기 위해서는 이 공간을 신속하게 채울 필요가 있다. 현재 가장 일반적인 방식은 시멘트계 그라우트를 뒤채움 재료로 주입하는 것이다. 이러한 방식은 차수와 강도 부분에서 효과적이긴 하지만, 지하수 및 지반 오염 등 심각한 탄소 배출과 환경 문제를 야기한다는 문제점이 존재한다. 특히 시멘트 생산은 전 세계 탄소 배출량의 약 10%를 차지하고 있어, 지속 가능한 대안 마련의 필요성이 더욱 부각되고 있다. 본 연구에서는 환경 오염 저감을 위한 친환경 뒤채움 그라우트로 바이오폴리머 기반 흙 처리(BPST) 기술을 제시한다. BPST는 흙 입자 간 결합을 촉진하여 지반 강도를 향상시키고 침식을 제어하는 효과가 보고된 바 있다. 특히, 잔탄검을 활용한 BPST는 건조 조건에서 강도와 공학적 성능 증진으로 주목받아 왔다. 그러나 잔탄검은 친수성으로 인해 습윤 및 포화 조건에서 용해 및 팽창으로 인한 강도 저하와 내구성 문제를 야기하는 한계가 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 본 연구에서는 알긴산 나트륨과 이온성 겔을 형성할 수 있는 칼슘 이온을 BPST에 적용하였다. 알긴산 나트륨과 칼슘 이온의 반응으로 생성된 겔은 포화 조건에서 흙의 압축 강도와 내구성을 향상시키는 것으로 알려져 있다. 이에 본 연구는 알긴산 나트륨과 황산칼슘 반수화물(반수석고)를 지속 가능한 뒤채움 그라우트로 활용할 가능성을 탐색하였다. 다양한 배합비를 개발하였으며, 유변학적 특성과 일축압축강도를 기반으로 후보 배합을 선정하였다. 선정된 배합들은 그라우트 특성에 대한 종합적인 평가를 거쳐 더욱 정교하게 선별되었다. 최종적으로 실험실 규모의 모형 시험을 통해 최적 배합비를 도출하였다. 마지막으로, 최적 배합비에 대해 실제 터널 조건을 모사한 모형을 사용하여 친환경 뒤채움 그라우트의 현장 적용성을 검증하였다.
more목차
CHAPTER I INTRODUCTION 1
1.1 Background 1
1.2 Scope – Organization 5
CHAPTER II MECHANISM OF CROSSLINKED BIOPOLYMER-BASED BACKFILL GROUTS AND MATERIALS 7
2.1 Introduction 7
2.2 Biopolymer-based soil treatment (BPST) 8
2.2.1 Mechanisms of BPST 8
2.2.2 Mechanical properties of BPST 10
2.2.3 Crosslinked BPST 17
2.3 Biopolymer 19
2.3.1 Sodium alginate (SA) 19
2.3.2 Calcium alginate (CA) 19
2.4 Soil 21
2.5 Additives 22
2.5.1 Calcium sulfate hemihydrate (Hemihydrate gypsum) 22
2.5.2 Citric acid 23
2.6 Summary and conclusions 25
CHAPTER III METHODOLOGY FOR ASSESSMENT OF BACKFILL GROUTS 26
3.1 Introduction 26
3.2 Rheology 27
3.2.1 Viscosity 27
3.2.2 Viscoelastic properties 28
3.2.3 Setting time 29
3.3 Grout properties 31
3.3.1 Unconfined compressive strength (UCS) 31
3.3.2 pH measurement 32
3.3.3 Bleeding test 32
3.3.4 Flow cone test 33
3.3.5 Flow table test 33
3.3.6 Plasticity retention time test 33
3.4 Laboratory model test 35
3.4.1 Experimental setup 35
3.4.2 Method for evaluating the performance of backfill grouts 37
3.5 Full-scale model test 39
3.6 Definition of variables 42
CHAPTER IV PRELIMINARY ASSESSMENT RESULTS OF BACKFILL GROUTS 43
4.1 Introduction 43
4.2 Rheological behavior 44
4.2.1 Viscosity 44
4.2.2 Viscoelastic properties. 47
4.2.3 Setting time 49
4.3 Unconfined compressive strength (UCS) 52
4.3.1 Effect of fine content on strength characteristics 52
4.3.2 Effect of sodium alginate on strength characteristics 53
4.3.3 Effect of hemihydrate gypsum on strength characteristics 53
4.3.4 Effect of citric acid on strength characteristics 54
4.4 Summary and conclusions 58
CHAPTER V COMPREHENSIVE EVALUATION RESULTS OF BACKFILL GROUTS 60
5.1 Introduction 60
5.2 Fresh state 61
5.2.1 Bleeding 61
5.2.2 Plasticity retention 61
5.2.3 Flowability 62
5.3 Hardened state 63
5.3.1 UCS 63
5.3.2 Density and volume change 64
5.3.3 pH 64
5.4 Summary and conclusions 66
CHAPTER VI EXPERIMENTAL VALIDATION BY MODEL TEST 68
6.1 Introduction 68
6.2 Laboratory model test 69
6.2.1 Filling rate 69
6.2.2 Watertightness 70
6.2.3 Structural integrity 71
6.2.4 Analysis of laboratory model test results 76
6.3 Full-scale model test 77
CHAPTER VII DISCUSSIONS 81
7.1 Recycling of backfill grout 81
7.2 Implications and limitations 83
CHAPTER VIII CONCLUSIONS 84
REFERENCES 86
요약문 93
