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문제 정의
- 본 연구는 수도권 근처 ○○ 현장 터널설계를 위해 대심도 탄성파 토모그래피 탐사를 수행하였다. 그림 6과 같이 지질조건으로는 선캠브리아기의 경기편마암 복합체가 넓게 분포하며 시대미상의 산성암맥이 단층선을 따라 관입 발달하고 있다.
- 그러나, “대심도 탄성파 토모그래피 탐사”를 이용하면, 절대값인 탄성파 속도를 이용하므로 전기비저항치를 이용하는 경우보다 신뢰성 높고, 탄성파에 의한 대심도 지반해석이 가능하고, 아울러 경사가 심한 지형에 의한 해석 오차도 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 수도권 근처의 터널설계시 조사방법에 따른 암반분류결과를 고찰하였고 대심도 탄성파 토모그래피 탐사에 의한 탄성파 속도와 Q 값과의 상관관계를 도출하였다. 또한 각 조사방법별 암반분류결과를 이용하여 공사비를 비교하여 본 연구에서 사용한 탐사방법에 의한 공사비 절감효과에 대하여 고찰하였다.
제안 방법
- 또한, 본 연구에서 그림 11과 같이 대심도 탄성파 토모 그래피 탐사법에 의한 탄성파 속도와 Q값과의 상관관계로부터 암반분류를 수행한 결과와 터널 시추공에 의한 RMR 암반분류와 RMR-전기비저항 상관관계를 이용한 암반분류 방법에 의한 결과를 비교하였다. 공사비 비교를 위해 각 암반분류방법에 의한 지보패턴을 터널구간에 적용하여 전체 공사비를 터널연장대비하여 공사비단가를 기준으로 하였다. 시추공에 의한 암반분류의 경우 자료의 부족으로 지보패턴을 안전측으로 선정하여 터널공사비를 산출하였고, 전기비저항에 의한 암반분류의 경우 미시추구간의 자료를 전기비저항과 시추자료의 상관관계로 지보패턴을 평가하여 터널공사비를 산출하였다.
- 또한 그림 7과 같이 공내에서 발진·수진되는 암반내의 직접 전달파, 요철이 심한 지형에서 굴절 파보다 빨리 도달되는 직접 전달파 등을 해석에 적용하므로 정확도, 해상도 면에서 한차원 높은 결과를 도출한다. 기진점으로부터 수진점까지 탄성파가 통과하는 최소 경로를 반복 연산에 의해 구하면서 각 요소의 탄성파 속도를 결정한다. 이러한 과정을 통해서 얻은 결과는 각 요소에 대한 탄성파 속도이므로, 이들을 이용하여 2차원 단면에 대한 속도 분포도를 칼러로 작성할 수 있다.
- 본 연구에서는 수도권 근처의 터널설계시 조사방법에 따른 암반분류결과를 고찰하였고 대심도 탄성파 토모그래피 탐사에 의한 탄성파 속도와 Q 값과의 상관관계를 도출하였다. 또한 각 조사방법별 암반분류결과를 이용하여 공사비를 비교하여 본 연구에서 사용한 탐사방법에 의한 공사비 절감효과에 대하여 고찰하였다.
- 이를 보강하기 위해 터널구간에 여러 곳에 시추를 수행하여 보다 많은 자료를 획득하였다. 또한, 미시추구간에 대하여 전기비저항 탐사를 수행하여 시추공의 RMR값과 전기비저항치의 상관관계를 이용하여 미시추구 간의 암반등급을 추정하였다. 본 연구에서는 암석의 종류 (광물구성, 조직 등)와 암반의 물성에 의한 영향 요소(공극률, 함수비, 비중, 포화도, 투수계수, 온도 등)에 영향을 받는 전기비저항치 대신에 절대값인 탄성파 속도(Vp)를 사용하여 대심도 탄성파 토모그래피 탐사를 시행하여 신뢰성이 높은 암반분류 결과를 얻을 수 있었다.
- 또한, 본 연구에서 그림 11과 같이 대심도 탄성파 토모 그래피 탐사법에 의한 탄성파 속도와 Q값과의 상관관계로부터 암반분류를 수행한 결과와 터널 시추공에 의한 RMR 암반분류와 RMR-전기비저항 상관관계를 이용한 암반분류 방법에 의한 결과를 비교하였다. 공사비 비교를 위해 각 암반분류방법에 의한 지보패턴을 터널구간에 적용하여 전체 공사비를 터널연장대비하여 공사비단가를 기준으로 하였다.
- 본 연구에서 사용한 토모그래피법은 해석 대상을 유한요소로 세분하여 계산한다. 따라서 기존 굴절법 해석과 달리 완전한 2차원적 해석이므로 급격한 지형 및 층변화에 대한 해석이 가능하다.
- 공사비 비교를 위해 각 암반분류방법에 의한 지보패턴을 터널구간에 적용하여 전체 공사비를 터널연장대비하여 공사비단가를 기준으로 하였다. 시추공에 의한 암반분류의 경우 자료의 부족으로 지보패턴을 안전측으로 선정하여 터널공사비를 산출하였고, 전기비저항에 의한 암반분류의 경우 미시추구간의 자료를 전기비저항과 시추자료의 상관관계로 지보패턴을 평가하여 터널공사비를 산출하였다. 본 연구대상지역에서는 대심도 탄성파 토모그래피 방법이 절대값인 탄성파속도를 이용하므로 전기비저항치를 이용하는 경우보다 신뢰성 높은 암반분류 결과를 주어 표 6과 같은 공사비의 절감효과를 산출하였다.
- 아래 그림 3과 같이 ○○ 현장 터널 심도 하부에서 고성능 발진·수진으로 요구되는 터널 계획심도를 직접 통과하는 자료를 획득하여, 굴절파 이외에도 암반 내로 직접 전달 되는 직접파를 토모그래피적 해석에 적용하여 대심도 혹은 요철이 심한 지형에서 터널 하부까지 지반정수를 계산하는 방법을 사용하였다. 터널탐사를 위한 측선전개로 지표면에는 탐사구간 전구간에 대하여 지오폰을 10m 간격으로 종단을 따라 설치하고, 시추공에는 하이드로폰을 심도에 따라 5m 간격으로 삽입 설치하였다.
- 65로 비교적 좋은 상관관계를 보이고 있음을 알 수 있다. 얻어진 상관관계를 이용하여 전기비저항치와 탄성파 속도에 대한 암반등급을 정하고 전기비저항치와 탄성파 속도로부터 미시추구간의 터널 암반분류를 수행하였다.
- 이런 터널의 암반등급을 위한 방법은 터널 입출구부의 시추조사를 통해 얻어진 육안관찰 및 계측, 점하중강도 시험 등의 암석시험, 시추공 영상촬영 등의 원위치시험 등을 통해 얻은 정보를 바탕 으로 RQD, RMR 및 Q값을 산정하여 결정된다. 여기서 얻어진 자료로부터 터널전구간에 대해서 암반등급을 추정하였다. 이에 보다 정확한 암반분류를 위해 터널 여러 구간에서 시추조사를 하여 자료의 수를 늘려 구간별 암반 등급을 결정하였으나 여전히 미시추구간에서는 암반분류의 신뢰성이 결여되어 있었다.
- 탄성파 토모그래피 탐사는 그림 4와 같이 탄성파의 투과 현상을 이용하여 지질특성을 파악하는 것으로 발진장치에서 탄성파를 발생시킨 후, 매질을 통해 전파되어 온 탄성파를 수신장치에서 측정하여 파의 전파시간 및 파형특성 고찰을 통해 매질내의 탄성파 속도 분포 단면을 획득한다. 이 획득된 초동주시 역산으로부터 토모그램을 작성하고, 각파형의 진폭 및 주파수 특성 고찰을 통해 최종적인 해석단 면을 작성한다.
- 이론주시를 직선 파선 또는 15～20% 이상의 속도 contrast가 있을 때에는 곡선 파선에 의해 모든 진원과 수진점의 짝에 대해서 계산하여야 한다. 이론주시와 관측주시를 비교하여 이론주시와 관측주시의 차이가 허용 범위에 들어가면 계산을 종료하고 범위를 벗어나면 속도모델을 수정한다. 얻어진 속도치를 표시할 때각 격자의 속도치를 color 표시, 농담(濃淡) 표시 또는 contour 표시에 의해 나타낸다.
- 실험에 사용된 발진장치로는 전기식 뇌관과 Dynamite를 사용하였으며, 데이터를 수진하는 장치로는 지표수진을 위하여 OYO사에서 제작한 Geophones을, 시추공내 수진을 위해서는 GeoSpace사에서 제작한 Hydrophones을 이용하였으며 OYO사에서 제작한 McSeis SX로 제어하였다. 자료의 수집을 위한 장비로 Trigger System (OYO사), SeisImager, SeisREFA (OYO사)를 사용하였다.
- 사용된 탄성파 진원으로는 다이너마이트 및 전기식 뇌관을 사용하였고, 지표 및 시추공내에서 발진을 시행하였다. 지표 발진은 대심도 구간을 위해 종단을 따라 50m 간격으로 하였으며, 시추공 발진은 시추공내에서 10m～50m 간격으로 하였고 VSP 를 위해 시추공내에서 2m 간격으로 발진을 시행하였다.
- 터널탐사를 위한 측선전개로 지표면에는 탐사구간 전구간에 대하여 지오폰을 10m 간격으로 종단을 따라 설치하고, 시추공에는 하이드로폰을 심도에 따라 5m 간격으로 삽입 설치하였다. 지표면 수진을 위해 대심도 수진시에는 지오폰을 10m 간격으로, VSP(Vertical Seismic Profiling) 수진시에는 지오폰을 6m 간격으로 설치하고, 시추공에서 수진시에는 하이드로폰을 심도에 따라 5m 간격으로 삽입 설치하였다. 사용된 탄성파 진원으로는 다이너마이트 및 전기식 뇌관을 사용하였고, 지표 및 시추공내에서 발진을 시행하였다.
- 탄성파 토모그래피 중 속도 inversion의 해석은 먼저 갱정, 진원, 수진점의 위치배열도를 작성한 후 조사 지역을 격자상에 구획한다. 이 때 격자 크기는 조사 지역의 크기와 파선수에 따라 적절히 조절한다.
- 아래 그림 3과 같이 ○○ 현장 터널 심도 하부에서 고성능 발진·수진으로 요구되는 터널 계획심도를 직접 통과하는 자료를 획득하여, 굴절파 이외에도 암반 내로 직접 전달 되는 직접파를 토모그래피적 해석에 적용하여 대심도 혹은 요철이 심한 지형에서 터널 하부까지 지반정수를 계산하는 방법을 사용하였다. 터널탐사를 위한 측선전개로 지표면에는 탐사구간 전구간에 대하여 지오폰을 10m 간격으로 종단을 따라 설치하고, 시추공에는 하이드로폰을 심도에 따라 5m 간격으로 삽입 설치하였다. 지표면 수진을 위해 대심도 수진시에는 지오폰을 10m 간격으로, VSP(Vertical Seismic Profiling) 수진시에는 지오폰을 6m 간격으로 설치하고, 시추공에서 수진시에는 하이드로폰을 심도에 따라 5m 간격으로 삽입 설치하였다.
대상 데이터
- 지표면 수진을 위해 대심도 수진시에는 지오폰을 10m 간격으로, VSP(Vertical Seismic Profiling) 수진시에는 지오폰을 6m 간격으로 설치하고, 시추공에서 수진시에는 하이드로폰을 심도에 따라 5m 간격으로 삽입 설치하였다. 사용된 탄성파 진원으로는 다이너마이트 및 전기식 뇌관을 사용하였고, 지표 및 시추공내에서 발진을 시행하였다. 지표 발진은 대심도 구간을 위해 종단을 따라 50m 간격으로 하였으며, 시추공 발진은 시추공내에서 10m～50m 간격으로 하였고 VSP 를 위해 시추공내에서 2m 간격으로 발진을 시행하였다.
- 시험에 사용된 탐사장비로는 발진, 수진장치, 자료수집 장비로 구성되어 있으며 그림 1과 같으며 그림 2는 탐사전경을 보여주고 있다. 실험에 사용된 발진장치로는 전기식 뇌관과 Dynamite를 사용하였으며, 데이터를 수진하는 장치로는 지표수진을 위하여 OYO사에서 제작한 Geophones을, 시추공내 수진을 위해서는 GeoSpace사에서 제작한 Hydrophones을 이용하였으며 OYO사에서 제작한 McSeis SX로 제어하였다.
- 시험에 사용된 탐사장비로는 발진, 수진장치, 자료수집 장비로 구성되어 있으며 그림 1과 같으며 그림 2는 탐사전경을 보여주고 있다. 실험에 사용된 발진장치로는 전기식 뇌관과 Dynamite를 사용하였으며, 데이터를 수진하는 장치로는 지표수진을 위하여 OYO사에서 제작한 Geophones을, 시추공내 수진을 위해서는 GeoSpace사에서 제작한 Hydrophones을 이용하였으며 OYO사에서 제작한 McSeis SX로 제어하였다. 자료의 수집을 위한 장비로 Trigger System (OYO사), SeisImager, SeisREFA (OYO사)를 사용하였다.
- 기존의 터널 설계에서는 터널 입·출구부의 시추공으로 부터 얻은 자료로부터 터널 전체의 미시추구간에 대하여 유추하였다. 이를 보강하기 위해 터널구간에 여러 곳에 시추를 수행하여 보다 많은 자료를 획득하였다. 또한, 미시추구간에 대하여 전기비저항 탐사를 수행하여 시추공의 RMR값과 전기비저항치의 상관관계를 이용하여 미시추구 간의 암반등급을 추정하였다.
데이터처리
- 얻어진 속도치를 표시할 때각 격자의 속도치를 color 표시, 농담(濃淡) 표시 또는 contour 표시에 의해 나타낸다. 얻어진 계산 결과에 파선의 밀도 등을 대조해서 계산 결과를 평가한다. 이런 속도처리 흐름도는 그림5와 같다.
이론/모형
- 이에 보다 정확한 암반분류를 위해 터널 여러 구간에서 시추조사를 하여 자료의 수를 늘려 구간별 암반 등급을 결정하였으나 여전히 미시추구간에서는 암반분류의 신뢰성이 결여되어 있었다. 미시추구간에서의 암반등급의 신뢰성을 높이기 위해 전기비저항과 탄성파 속도를 이용한 암반분류하는 방법이 사용되었다. 그러나, 우리나라 대부분의 대형 터널설계를 위해서는 그 지형 특성상 주로 지표면 하부 200여m 이상의 대심도 지반탐사가 필요하다.
- 이러한 탐사의 해석방법으로는 고밀도 토모그래피법을 사용하였다. 대심도 탄성파 토모그래피와 기존 굴절법과의 차이점은 표 1과 같이 진원이 지표 및 시추공내의 2차원 배치로 요철이 심한 지형에서도 보정이 가능하며 결과 단면은 2차원 등속도선 단면도로 연속적 속도분포로 도시가능하며 가탐심도는 500m 이상으로 터널 지반고에서 획득한 자료를 이용하여 토모그래피 역해석을 수행하는 장점이 있다.
성능/효과
- 909의 높은 상관관계가 있음을알 수 있었다. 대심도 탄성파 토모그래피 상관관계에서는 터널 전구간에서 시추조사한 자료의 Q값과 탄성파속도를 사용하여 상관관계가 비교적 넓게 분포하나 상관도 0.65로 비교적 좋은 상관관계를 보이고 있음을 알 수 있다. 얻어진 상관관계를 이용하여 전기비저항치와 탄성파 속도에 대한 암반등급을 정하고 전기비저항치와 탄성파 속도로부터 미시추구간의 터널 암반분류를 수행하였다.
- 시추공에 의한 암반분류의 경우 자료의 부족으로 지보패턴을 안전측으로 선정하여 터널공사비를 산출하였고, 전기비저항에 의한 암반분류의 경우 미시추구간의 자료를 전기비저항과 시추자료의 상관관계로 지보패턴을 평가하여 터널공사비를 산출하였다. 본 연구대상지역에서는 대심도 탄성파 토모그래피 방법이 절대값인 탄성파속도를 이용하므로 전기비저항치를 이용하는 경우보다 신뢰성 높은 암반분류 결과를 주어 표 6과 같은 공사비의 절감효과를 산출하였다.
- 또한, 대심도 탄성파 토모그래피 탐사는 탄성파에 의한 대심도 지반해석이 가능하고, 경사가 심한 지형에 의한 해석 오차도 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. 본 연구대상지역에서는 신뢰성 높은 암반분류 결과를 통해 터널공사비에서 시추공, 전기 비저항 탐사와 비교하여 공사비의 절감효과를 산출할 수 있었다. 추후 터널시공시 터널 막장면에서 Face mapping 을 수행하여 본 탄성파 토모그래피 탐사에 의한 암반분류와 비교 검토하여 보다 정확한 탐사기법에 대한 보완 및 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 탄성파속도에 영향을 미치는 다각적인 검토가있었으나 궁극적으로는 암질을 대표적으로 표현하는 Q값과의 관계로 귀결되었다. 본 연구에서는 대심도 탄성파 토모그래피의 탄성파 속도(Vp)를 사용하여 전기비저항에 비하여 탐사결과에 영향을 미치는 요소가 작아 암반분류의 신뢰성을 높일 수 있다.
- 또한, 미시추구간에 대하여 전기비저항 탐사를 수행하여 시추공의 RMR값과 전기비저항치의 상관관계를 이용하여 미시추구 간의 암반등급을 추정하였다. 본 연구에서는 암석의 종류 (광물구성, 조직 등)와 암반의 물성에 의한 영향 요소(공극률, 함수비, 비중, 포화도, 투수계수, 온도 등)에 영향을 받는 전기비저항치 대신에 절대값인 탄성파 속도(Vp)를 사용하여 대심도 탄성파 토모그래피 탐사를 시행하여 신뢰성이 높은 암반분류 결과를 얻을 수 있었다. 또한, 대심도 탄성파 토모그래피 탐사는 탄성파에 의한 대심도 지반해석이 가능하고, 경사가 심한 지형에 의한 해석 오차도 크게 줄일 수 있는 장점이 있다.
- 전기비저항에 미치는 영향요소로는 암석의 종류, 즉 광물구성, 조직등에 의하여 비저항 치의 차이가 발생하며, 암반의 물성에 의한 영향 요소로는 공극률, 함수비, 비중, 포화도, 투수계수, 온도 등이 있다. 이에 비해 탄성파탐사는 Sjψren(1979)에 의해 100km 이상의 굴절법탄성파탐사와 약 3km의 시추코어를 분석한결과 RQD나 절리밀도와의 상관관계보다 Q값과의 상관관계가 양호함을 입증하였다. 또한, Barton(1995)은 노르웨이, 홍콩, 중국 등의 다양한 지반조건을 대상으로 연구한 결과 탄성파속도에 영향을 미치는 인자를 터널심도(초기응력), 공극률, 포화도, 압축강도 등으로 설정하여 그 관계를 규명하였다.
- 하나의 시추공에서 추정한 RMR과 전기비저항탐사에서 얻어진 결과에 대한 상관관계와 그림 8에서 얻어진 터널계획심도의 탄성파 속도와 같은 심도에 있는 시추코아를 대상으로 산정한 Q값의 상관관계는 그림 10과 표 5와 같이 나타났다. 전기비저항 상관관계에서 심도에 따른 영향을 고려하여 50m를 기준으로 하여 50m이상의 심도에 대하여 시추공 하나에서 얻어진 RMR과 전기비저항치의 상관관계를 산출하여 상관도 0.909의 높은 상관관계가 있음을알 수 있었다. 대심도 탄성파 토모그래피 상관관계에서는 터널 전구간에서 시추조사한 자료의 Q값과 탄성파속도를 사용하여 상관관계가 비교적 넓게 분포하나 상관도 0.
- 5D에 있는 격자의 탄성파 속도와 Barton에 의해 제안된 상관식으로부터 얻어진 Q값의 분포와 암반등급 분류 분포결과를 그림 9에 제시하였다. 터널계획심도에서의 암반분류결과 poor 이하가 전체중의 35%의 분포를 보이고 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 본 연구대상지역에서는 신뢰성 높은 암반분류 결과를 통해 터널공사비에서 시추공, 전기 비저항 탐사와 비교하여 공사비의 절감효과를 산출할 수 있었다. 추후 터널시공시 터널 막장면에서 Face mapping 을 수행하여 본 탄성파 토모그래피 탐사에 의한 암반분류와 비교 검토하여 보다 정확한 탐사기법에 대한 보완 및 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
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