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문제 정의
- 본 연구는 서울 외곽 순환고속도로(일산-퇴계원) 터널 통과에 따른 수리변동분석을 목적으로 조사 지역의 기반암에 대한 여러 가지 지질공학적 특성을 지역별로 비교, 분석하여 터널의 굴착이나 도로 공사시 발생할 수 있는 안정성 문제 및 주변 환경에 끼칠 수 있는 중요한 암반의 특성을 연구하고자 하며, 암석의 물리적 성질에 영향을 끼치는 중요한 요소 중 절리의 방향성, 절리간격, 절리밀도 및 암석의 일축압축강도 등을 측정하거나 또는 계산하였다. 절리의 방향성, 절리간격 및 절리 밀도 측정을 위하여 선조사법(scanline survey), 원형조사법 (circle-inventory method), 또는 면적조사법 (window survey)을 사용하여 야외에서 직접 측정하였으며, 암석의 일축압축강도의 측정에는 간단한 응용 공식을 이용하여 계산하였다.
- 본 연구는 서울 외곽 순환고속도로(일산-퇴계원) 터널 통과에 따른 수리변동분석의 일환으로, 철원-포천-동두천-의정부-서울-안양으로 이어지는 큰 구조선을 따라서 북북동-남남서 방향의 중 생대 서울화강암 중 서울시 북동부에 위치한 서 울화강암에 대한 정밀 야외지질조사를 실시하였 으며 수리변동분석에 필요한 암반 공학적 특성과 관련된 결론은 다음과 같다.
제안 방법
- 대표적인 절리군의 방향성을 구하기 위해 수락 산지역과 불암산지역으로 구조구를 구분하여 가장 우세한 절리군의 방향성을 구하였다. 측정한 모든 불연속면의 주향 및 경사에 대한 자료는 조사선의 방향을 고려하지 않은 방비을 사용하여 분석한 결과 입체 투영망에서 3개의 주 방향성이 나타났다.
- 절리군의 밀도를 측정하기 위해 6개소의 지역을 선정하여 원형조사법을 수행하였으며 대표적인 절리의 밀도를 측정하고 그 값을 서로 비교하여 분석하였다. 또한 노두 상태가 아주 양호한 지역에서 대표적인 절리군을 포함하는 상세한 Fracture Map을 작성하여 면적조사를 수행하였다.
- 분석결과 수락산 터널입구지역에서 측정한 절리의 개수는 모두 300개 이상이었으나 면적조사법을 수행하기 위해 특정절리군의 방향과 개수를 개별적으로 측정하였다(Table 5). 주절리의 주향 이 N22°W인 경우, nr =6, ne=61, nd=9로 평균절리의 길이는 1.
- 이때 절리군의 최대 집중 방향은 조사지역의 주절리의 방향을 지시한다. 불 연속면의 방향성은 원래 조사선의 방향을 고려한 분석 (weighted analysis)과 조사선의 방향을 고려하지 않은 분식unweighted analysis 으로 구분할 수 있으나, 이번 조사 시 조사선의 방향을 고려하지 않은 방법으로 분석하였다. 불연속면의 방향성 분석은 암석의 공학적 특성 중 가장 중요한 요소 중의 하나이다.
- 이 방법은 암석의 일축압축강도의 측정이 빠르고, 쉬우며 암석의 시추 코아 시료가 필요치 않는 등 측정에 편리한 측면이 있으므로 현장 여건상 슈미트 해머를 이용한 아래의 대비공식(3)을 이용하여 구하였다. 슈미트 해머의 타격값(R)은 각 노두에서 12회 수행하여 그 중 최소값과 최대값을 제외한 나머지 10회의 산술 평균값을 구한 후, 또한 타격각도에 대한 강도 보정을 실시하여 계산하였 다
- 또한 이들 방향성 을 장미 도표로 작성하여 입체 투영망의 결과와 비교 분석한 결과 이들 방향성은 서로 유사하다는 것을 나타낸다. 장미도표의 분석시 45° 이상의 절리군만 분석하였다.
- 절리 간격을 조사하기 위해서는 아래와 같은 3가지 다른 유형의 절리 간격 측정법이 있으나 본 연구지역은 노두 발달 상태가 매우 양호하며 또한 절리군의 방향이 일정하기 때문에 측정에 편리한 수직 절리군 간격을 이용하였다.
- 총 16개소의 선조사와 6개소의 원형조사, 그리고 1개소의 면적조사를 수행하였으며, 앞서 설명한 불연속면의 여러 가지 공학적 특성 중 불연속 면의 방향성, 불연속면의 간격과 불연속면의 연장 성은 다른 공학적 특성보다 더 중요하므로 이들 요소를 중점적으로 분석하여 이들 통계적인 자료를 전 지역에 응용될 수 있도록 주요 수치값과 평균값 등을 기재하였다. 절리군의 밀도를 측정하기 위해 6개소의 지역을 선정하여 원형조사법을 수행하였으며 대표적인 절리의 밀도를 측정하고 그 값을 서로 비교하여 분석하였다. 또한 노두 상태가 아주 양호한 지역에서 대표적인 절리군을 포함하는 상세한 Fracture Map을 작성하여 면적조사를 수행하였다.
- 절리사이의 간격에 대한 분석도 역시 수락산지역과 불암산 터널지역으로 구분하여 분석하였다 (Fig. 4). 조사지역에서 측정된 절리사이의 간격은 대체로 10.
- 절리의 밀도 분포를 구하기 위해 조사지역에서 6개소의 대표적인 지역을 선정하여 절리 밀도 분포를 비교 분석하였으며 (Davis and Reynolds, 1996), 원형 조사 역시 조사지역을 수락산지역과 불암산지역으로 구분하여, 암반의 노두 상태가 양호한 6개소에서 실시하였으며, Table 4는 원형 조사법을 이용하여 절리밀도를 구한 결과를 나타낸다. 원형 조사법의 분석 결과 전 지역에서 낮은 절리 밀도의 결과를 보여주고 있다.
- 본 연구는 서울 외곽 순환고속도로(일산-퇴계원) 터널 통과에 따른 수리변동분석을 목적으로 조사 지역의 기반암에 대한 여러 가지 지질공학적 특성을 지역별로 비교, 분석하여 터널의 굴착이나 도로 공사시 발생할 수 있는 안정성 문제 및 주변 환경에 끼칠 수 있는 중요한 암반의 특성을 연구하고자 하며, 암석의 물리적 성질에 영향을 끼치는 중요한 요소 중 절리의 방향성, 절리간격, 절리밀도 및 암석의 일축압축강도 등을 측정하거나 또는 계산하였다. 절리의 방향성, 절리간격 및 절리 밀도 측정을 위하여 선조사법(scanline survey), 원형조사법 (circle-inventory method), 또는 면적조사법 (window survey)을 사용하여 야외에서 직접 측정하였으며, 암석의 일축압축강도의 측정에는 간단한 응용 공식을 이용하여 계산하였다. 상기한 암석의 지질공학적 특성 중 Pahl(1981)에 의한 면적 측정방식과 그리고 슈미트해머를 이용한 암석의 일축압축강도 측정법은 국내에 많이 소개되지 않은 암석의 공학적 특성에 대한 측정방법이다.
- 면적조사법을 수행하기 위해 대표적인 절리군을 포함하는 1개소의 지역(수락산 터널 입구부)을 선정하여 절리군의 방향성과 절리의 연장성에 대한 통계자료 수치를 얻었다. 절리의 연장성을 분석하기 위해 면적 조사법을 실시했으며 이를 위해 조사창(face window)의 너비(w)와 높이(h) 그리고 조사창 내에 포함된 3조의 절리군을 다음과 같이 측정하였다(Priest, 1993).
- 조사지역에 나타나는 불연속면은 절리구조와 단층구조, 그리고 석영맥, 규장암맥과 염기성암맥 이 있으며, 불연속면의 방향성은 조사선에 교차하는 모든 불연속면의 주향과 경사를 측정하였으며 또한 노두 발달 상태가 불량한 곳에서는 조사선의 방향과 무관하게 단지 불연속면의 주향/경사를 측정하여 스테레오 투영망과 장미도표를 사용하여 불연속면의 방향성을 분석하였다. 이를 위해 컴퓨터 프로그램인 DIPS(Ver 3.
- 총 16개소의 선조사와 6개소의 원형조사, 그리고 1개소의 면적조사를 수행하였으며, 앞서 설명한 불연속면의 여러 가지 공학적 특성 중 불연속 면의 방향성, 불연속면의 간격과 불연속면의 연장 성은 다른 공학적 특성보다 더 중요하므로 이들 요소를 중점적으로 분석하여 이들 통계적인 자료를 전 지역에 응용될 수 있도록 주요 수치값과 평균값 등을 기재하였다. 절리군의 밀도를 측정하기 위해 6개소의 지역을 선정하여 원형조사법을 수행하였으며 대표적인 절리의 밀도를 측정하고 그 값을 서로 비교하여 분석하였다.
대상 데이터
- 수락산지역은 서울특별시에 속하지만 불암산지역의 북서방향이 일부는 서울특별시에, 그리고 남동지역의 일부는 경기도 남양주시에 속한다. 또한 조사지역은 국립지리원 발간(1997년 12월) 1:25,000의정부 지형도(도협번 호 NJ 52-9-12-1, 의정부)의 남동부에 해당되며, 경위도상으로는 동경 127° 03' 21" 에서 127° 0 6' 49" 와 북위 37° 39' 31" 부터 37° 41' 53” 에 해당하는 지역이다(Fig. 1).
- 면적조사법을 수행하기 위해 대표적인 절리군을 포함하는 1개소의 지역(수락산 터널 입구부)을 선정하여 절리군의 방향성과 절리의 연장성에 대한 통계자료 수치를 얻었다. 절리의 연장성을 분석하기 위해 면적 조사법을 실시했으며 이를 위해 조사창(face window)의 너비(w)와 높이(h) 그리고 조사창 내에 포함된 3조의 절리군을 다음과 같이 측정하였다(Priest, 1993).
- 선조사는 암반의 노두상태가 양호한 지역에서 16개소의 대표적인 지역을 설정하여 실시하였다. 그 중 노두상태가 매우 양호한 용굴암골에서 실시한 선조사법의 결과 절리간격의 평균은 10.
- 조사 지역은 행정 구역상 서울특별시 북북동지역(노원구 상계동 지역)과 경기도 남양주시 별내면 덕송리 지역으로 서울특별시 노원구 상계동과 경기도 남양주시 덕능고개를 잇는 구조선을 중심으로 상부의 수락산지역과 하부의 불암산지역으로 구조구를 구분하였다. 수락산지역은 서울특별시에 속하지만 불암산지역의 북서방향이 일부는 서울특별시에, 그리고 남동지역의 일부는 경기도 남양주시에 속한다.
- 조사지역에 나타나는 서울 화강암은 서울-의정부-동두천-포천-기산으로 이어지는 북북동-남남서 방향의 긴 대상분포를 하며 나타나는 화강암 질 저반의 남부에 해당된다. 방사성 동위원소에 대한 암석의 절대 연령 측정결과 대부분 1억 6천만년에서 2억년전에 생성된 것으로 조사지역 주변의 서울 화강암에 대한 연령측정 결과는 Table 2와 같다.
- 조사지역은 서울북동부와 경기도 남양주시의 일부로서 구성암석은 대부분 흑운모 화강암으로 구성되어 있으며, 최근 서울외곽순환도로 건설공사의 일환으로 터널과 도로가 건설 중에 있다(한 국도로공사, 1997).하지만 조사지역의 서울화강암 (대보화강암에 대한 지질학적인 연구는 도폭 제작 시 연구된 바 있으나, 이 화강암의 지질 공학적 특성에 관한 연구는 아직 미흡한 편이다(한국도로공사, 1997; 서울고속도로(주), 2001).
- 조사지역은 지질학적으로 경기 육괴의 서울 화강암이라 부르는 대보 화강암으로 대부분 이루어져 있으며, 또한 한국지질도(1:250, 000) 서울-남천 점 도폭(이병주외 6인, 1999, 도엽번호 NI52-9 서울, NE2-5)의 일부 지역에 속하며 한국지질도(1:50,000) 의정부 도폭에 해당되나 아직 의정부 도폭(1:50,000)은 미발간상태이다.
데이터처리
- 조사지역에 나타나는 불연속면은 절리구조와 단층구조, 그리고 석영맥, 규장암맥과 염기성암맥 이 있으며, 불연속면의 방향성은 조사선에 교차하는 모든 불연속면의 주향과 경사를 측정하였으며 또한 노두 발달 상태가 불량한 곳에서는 조사선의 방향과 무관하게 단지 불연속면의 주향/경사를 측정하여 스테레오 투영망과 장미도표를 사용하여 불연속면의 방향성을 분석하였다. 이를 위해 컴퓨터 프로그램인 DIPS(Ver 3.1)를 이용하였으며 스테레오 투영망에 투영한 결과 최대 집중군을 분석하여 여러 조로 구성된 절리군의 최대 집중 방향을 결정하였다. 이때 절리군의 최대 집중 방향은 조사지역의 주절리의 방향을 지시한다.
이론/모형
- 그리고 그 각각의 절리군의 합을 구하고 Pahl (1981)에 의해 제안된 식(2)으로 평균 절리 길이 (mean trace length)를 측정하였다.
- 불연속면은 암반내의 발달하는 풍화작용에 일차적인 영향을 받으며 또한 불연속면을 따라 열수 변질 작용이 우세하게 진행된 면으로 지질해머의 타격시험에 의한 조사나 슈미트 해머의 타격시험 및 암반의 풍화 등급의 기재(ISRM, 1981) 등의 방법을 이용하여 암석의 강도를 판단한다.
- 암석의 일축압축강도를 측정하기 위해서는 암석의 시추 코아 시료로 직접 실험하는 직접 측정 방법이 있으나 이번 조사에서는 Aufmuth(1994)에 의해 제안된 간단한 대비 방법으로 계산하였다. 이 방법은 암석의 일축압축강도의 측정이 빠르고, 쉬우며 암석의 시추 코아 시료가 필요치 않는 등 측정에 편리한 측면이 있으므로 현장 여건상 슈미트 해머를 이용한 아래의 대비공식(3)을 이용하여 구하였다.
- 암석의 일축압축강도를 측정하기 위해서는 암석의 시추 코아 시료로 직접 실험하는 직접 측정 방법이 있으나 이번 조사에서는 Aufmuth(1994)에 의해 제안된 간단한 대비 방법으로 계산하였다. 이 방법은 암석의 일축압축강도의 측정이 빠르고, 쉬우며 암석의 시추 코아 시료가 필요치 않는 등 측정에 편리한 측면이 있으므로 현장 여건상 슈미트 해머를 이용한 아래의 대비공식(3)을 이용하여 구하였다. 슈미트 해머의 타격값(R)은 각 노두에서 12회 수행하여 그 중 최소값과 최대값을 제외한 나머지 10회의 산술 평균값을 구한 후, 또한 타격각도에 대한 강도 보정을 실시하여 계산하였 다
성능/효과
- 1) 조사지역 내에 발달하는 대표적인 지질구조는 화강암내에 잘 발달된 절리구조이며, 절리구조는 전지역에서 고루 발달된 3조의 절리군으로 구 성된다. 2개의 서로 직각으로 교차하는 수직 정발 절리와 일정한 방향성이 없고 저각도로 경사하는 1조의 판상절리이다.
- 2) 화강암의 지질공학적 특성을 통계적으로 분 석한 결과 절리밀도는 0.039 ~0.066/cm로 측정되 었으며, 면적조사법으로 측정된 절리의 평균길이는 대체로 1.3~4.52m, 평균절리간격은 10.3cm에서 최대 59.6cm로 방향에 따른 변화가 심하다. 절리길이가 긴 절리는 대부분 규칙절리의 방향과 일치한다.
- 선조사는 암반의 노두상태가 양호한 지역에서 16개소의 대표적인 지역을 설정하여 실시하였다. 그 중 노두상태가 매우 양호한 용굴암골에서 실시한 선조사법의 결과 절리간격의 평균은 10.0cm 이었으며 이때 절리의 평균 빈도수, A=10.0/m로 측정되었다(fig. 3).
- 원형 조사법의 분석 결과 전 지역에서 낮은 절리 밀도의 결과를 보여주고 있다. 또한 압개울 골(1)과 수락산 터널 입구부에서 측정한 절리간격 중 주절리에 수직한 절리간격은 각각 10.3과 15.1cm 이었으며, 부절리에 수직한 절리간격은 각각 29.4와 35.5cm로 측정되었다. 이것은 주절리 사이에 분포하는 부절리의 간격이 주절리간격에 비하여 상대적으로 넓다는 것을 나타내며, 주절리가 조밀하게 분포하고 있음을 지시한다.
- 2개의 서로 직각으로 교차하는 수직 정발 절리와 일정한 방향성이 없고 저각도로 경사하는 1조의 판상절리이다. 수락산지역의 2조의 수직 정방절리의 Dip / Dip directione 각각 86/160과 87/080이고, 1조의 판상절리의 방향은 12/206이었 으며, 불암산지역의 2조의 수직 정방절리의 Dip/ Dipdirectione 각각 87/167과 88/257이고, 1조의 판상절리의 방향은 12/092이었으며, 수직 정방절리와 의 판상절리의 Dip / Dip directione 두 지 역에서 큰 차이가 없는 것으로 알려졌다. 하지만 급경사의 산사면에 나타나는 판상절리는 고각도 로 경사하기도 한다.
- 측정한 모든 불연속면의 주향 및 경사에 대한 자료는 조사선의 방향을 고려하지 않은 방비을 사용하여 분석한 결과 입체 투영망에서 3개의 주 방향성이 나타났다. 수락산지역의 면구조 자료에 대한 분석 결과 3개의 최대 집중점은 경사각/경사방향(Dip/Dip direction)으로 표현할 때 각각 86/160, 87/080 그리고 12/206으로 나타났다 (Fig. 2). 즉, 두 방향의 수직 정방절리는 86°에서 87°의 고각도로 경사하고 있는 규칙절리이고, 나머지 하나의 절리는 일정한 방향성 없이 매우 낮은 각도로 경사하는 판상절리임이 밝혀졌다.
- 조사지역 서울 화강암의 특정 질리견에 대하여 계산된 일축압축강도는 217 MPa에서 335 MPa의 강도를 갖는 것으로 계산되었다. 한편 한국도로공사의 토질조사보고서(1997)에서 실시한 4개의 코아시료의 일축압축강도는 140 MR:에서 214 MPa 로슈미트 해머의 타격 시험에 의하여 구한 암석의 일축압축강도보다 낮은 값으로 측정되었다.
- 특히 불암산 터널 입구부에서 측정된 암석의 일축 압축강도는 다른 지역에서 보다 상대적으로 낮은 값을 나타내는데 이것은 이 지역에서 암석의 풍화정도가 더 심했기 때문인 것으로 해석된다. 조사지역의 화강암에서 측정된 일축압축강도는 매우 높은 값을 얻었으며 따라서 조사지역의 암질은 강하고 양호한 암석임을 지시한다.
- 2). 즉, 두 방향의 수직 정방절리는 86°에서 87°의 고각도로 경사하고 있는 규칙절리이고, 나머지 하나의 절리는 일정한 방향성 없이 매우 낮은 각도로 경사하는 판상절리임이 밝혀졌다. 또한 이들 방향성 을 장미 도표로 작성하여 입체 투영망의 결과와 비교 분석한 결과 이들 방향성은 서로 유사하다는 것을 나타낸다.
- 대표적인 절리군의 방향성을 구하기 위해 수락 산지역과 불암산지역으로 구조구를 구분하여 가장 우세한 절리군의 방향성을 구하였다. 측정한 모든 불연속면의 주향 및 경사에 대한 자료는 조사선의 방향을 고려하지 않은 방비을 사용하여 분석한 결과 입체 투영망에서 3개의 주 방향성이 나타났다. 수락산지역의 면구조 자료에 대한 분석 결과 3개의 최대 집중점은 경사각/경사방향(Dip/Dip direction)으로 표현할 때 각각 86/160, 87/080 그리고 12/206으로 나타났다 (Fig.
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