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문제 정의
- 본 연구에서는 저심도 암반 터널에서 예상되는 암반 거동 유형을 규정하고 그에 영향을 미치는 매개 변수에 경험이 많은 전문가 집단의 의사결정을 이용하여 가중치를 부여한 후 암반 거동을 정량화하는 방법론을 제시하고자 한다. 본 연구에서는 저심도 암반 터널에 예상되는 암반 거동 유형을 세 가지로 나누었다: 낙반(rock fall); 낙석(cave-in); 그리고 소성 변형(plastic deformation).
- Neaupane & Piantanakulchai (2006)은 네트워크 분석적 방법으로 산사태에 영향을 미치는 매개변수들의 가중치를 산정하여 산사태 위험구역을 맵핑하고자 하였다. 본 연구에서는 최근에 암반 공학 분야에서 매개 변수의 가중치로부터 최적의 의사결정을 내리기 위해 최근 적용되고 있는 계층 분석적 의사 결정 방법과 암반 공학 시스템 빙법을 적용하여, 암반 터널 굴착 시 예상되는 암반거동에 영향을 미치는 매개변수의 가중치를 구하여 암반 거동 지수(rock behavior index)로 암반 거동을 정량화하고자 하였다. 이를 서울지하철 O호선 O공구 설계에 적용하여 예상되는 암반 거동 유형을 파악하고자 하였다.
- 본 연구에서는 최근에 암반 공학 분야에서 매개 변수의 가중치로부터 최적의 의사결정을 내리기 위해 최근 적용되고 있는 계층 분석적 의사 결정 방법과 암반 공학 시스템 빙법을 적용하여, 암반 터널 굴착 시 예상되는 암반거동에 영향을 미치는 매개변수의 가중치를 구하여 암반 거동 지수(rock behavior index)로 암반 거동을 정량화하고자 하였다. 이를 서울지하철 O호선 O공구 설계에 적용하여 예상되는 암반 거동 유형을 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 한다. 본 연구에서는 저심도 암반 터널에 예상되는 암반 거동 유형을 세 가지로 나누었다: 낙반(rock fall); 낙석(cave-in); 그리고 소성 변형(plastic deformation). 암반 거동에 영향을 미치는 매개변수를 결정하기 위해 기존 암반분류에 고려되는 매개변수들 중 대표성을 지니면서 터널 굴착 시 가장 큰 영향을 미치고 설계 시 고려하기 용이한 매개변수를 선택하여 7개로 단순화시켰다: 암반 거동 유형에 영향을 미치는 인자로 암반 내생적 매개변수로 일축압축강도; 암질지수(RQD); 절리 조건; 외생적 매개변수로 응력조건; 지하수조건; 지진 조건; 굴착 매개변수로 터널 폭.
- (2003)은 리스크 평가를 위해 GSI를 최우선하는 결정인자로 하고 응력 조건에 따라 (1)응력으로 유도되는 소성파괴, (2)중력에 의해 지배되는 블록파괴, (3)응력으로 유도되는 취성 파괴로 구분하였다. 그에 따라 소성파괴가 예상되는 경우는 소성파괴 영역과 변형률을 제시하였고, 취성 피괴가 예상되는 경우는 취성 파괴심도 및 그에 따라 발생하는 파괴에너지를 제시하였다.
- 즉, 광물학적인 매개변수와 공학적인 매개변수 및 불연속면 특징을 종합하여 암반 종류를 결정한다. 암반 종류가 결정되면 굴착방향에 대한불연속면의 상대적 방향, 지하수 조건, 응력상태, 그리고 터널의 크기, 형태 및 위치를 고려하여 암반 거동 형태를 H가지로 제시하였다. Palmstrom & Stille (2007) 은 먼저 암반 조건을 분류한 후 응력, 지하수 조건 및 굴착 특성에 따라 14가지 지반거동 유형을 제시하였고, 터널 폭에 대한 상대적인 블록 크기 비인 연속성 지수와 응력 및 지하수 조건에 따른 지반 거동 분류 도표 도를 제안하였다.
- 암반 내생적 변수 중 무결암의 일축압축강도와 탄성계수는 상호 독립적이라고 보기 힘들기 때문에 일축 압축강도만 고려하였고, 절리 조건은 절리 방향성은 일반적으로 주절리군과 터널 선형과 불리한 방향은 회피할 수 있도록 터널 선형계획을 마련하기 때문에 절리면 상태와 절리 빈도와 관련한 RQD를 고려하였다. 절리 군수와 절리 크기는 스캔 라인 조사 혹은 조사창 조사와 같은 노두 조사를 통해 정보를 얻어야 하지만, 터널 설계 시 이와 같은 정보를 얻기가 쉽지 않기 때문에 고려하지 않았다.
- 절리 군수와 절리 크기는 스캔 라인 조사 혹은 조사창 조사와 같은 노두 조사를 통해 정보를 얻어야 하지만, 터널 설계 시 이와 같은 정보를 얻기가 쉽지 않기 때문에 고려하지 않았다. 굴착 변수 중 굴착 방법, 터널 형상, 발파에 의한 영향은 사전에 결정되는 변수로 보는 것이 타당하므로 터널 크기만을 고려하였다. 지하 공동시공에서 터널크기와 형상이 중요한 변수이지만, 철도 및 도로 터널에서는 교통량 등의 외부조건에 의해 터널형 상이 결정되는 경우가 대부분이라고 할 수 있다.
- 예를 들어, 지하 공동 굴착 시 주절리군 방향과 불리한 방향은 회피하도록 설계되는 경우가 많고 절리 방향성이 고려되면 분류체계의 일반성과 간결성이 저하되는 문제점이 있다. 본연구에서 암반 거동 유형을 결정하기 위한 매개 변수는 일축 압축강도, 암질 지수와 절리 조건을 포함하는 암반 내생적 매개변수, 응려 지하수와 지진 조건을 포함하는 암반 외생적 매개변수, 그리고 터널 크기인 굴착 매개변수이다.
- 1과 같이 규정하였다. 굴착 후 응력재분배로 인해 굴착 초기에 발생하는 비복원성 터널 변형인 소성변형(plastic deformation), 절리가 촘촘히 발달한 암반에서 터널 굴착시 소규모 암반블록들이 갑작스럽게 터널 내부로 이동하는 현상인 낙석(cave-in), 불연속면과 터널이 교차하여 발생한 블록이 낮은 절리면 전단 강도로 인하여 터널 내로 자유 낙하하거나 미끄러지는 현상인낙반(rock fall)으로 나누었다.
- 암반거동에 영향을 미치는 매개변수에 대한 가중치는 다음 식과 같이 암반 거동에 영향을 미치는 매개 변수 간의 상호 영향을 고려한 가중치와 암반 거동에 영향을 미치는 가중치의 기하평균으로 정의하였다.
- 계층분석적 의사결정 방법과 암반공학 시스템 방법으로 암반 거동을 정량화하였다. 예상되는 암반거동 유형은 낙반, 낙석과 소성 변형으로 규정하였고 암반 거동에 영향을 미치는 7가지 매개변수는 일축압축강도 RQD, 절리 조건, 응력조건, 지하수 조건, 지진 및 터널 폭이라고 간주하였다.
- 암반 거동을 정량화하였다. 예상되는 암반거동 유형은 낙반, 낙석과 소성 변형으로 규정하였고 암반 거동에 영향을 미치는 7가지 매개변수는 일축압축강도 RQD, 절리 조건, 응력조건, 지하수 조건, 지진 및 터널 폭이라고 간주하였다. Table 13은 복선터널 단면에 대하여 구간별로 7가지 매개변수에 대한 점수와 암반 거동별 암반 거동 지수를 나타낸다.
- 의가중치를 나타낸다. 계층 분석적 의사결정 방법과 퍼지 델파이 방법에서 a-cut=L0을 적용한 경우와 암반 공학 시스템 방법과 비교하였다. 왜냐하면, 암반 공학 시스템 방법의 경우 전문가들 의견의 평균만을 고려하였기 때문이다.
- 있다. 암반 내생적 매개변수로 일축압축강도, RQD와 절리 조건, 외생적 매개변수로 응력조건, 지하수 조건과 지진조건, 굴착 매개변수로 터널 폭을 고려하여 저심도 암반 터널 굴착시 예상되는 암반 거동 유형을 예측하였다. 저심도 암반 터널 굴착시 예상되는 암반 거동 유형으로는 소성 변형, 낙반과 낙석을 제시하였다.
- 저심도 암반 터널 굴착시 예상되는 암반 거동 유형으로는 소성 변형, 낙반과 낙석을 제시하였다. 일곱 가지 암반 거동에 영향을 미치는 인자와 세 가지 암반 거동 유형간의 상호 관계를 구하기 위해 전문가의 견해를 기반으로 한 계층 분석적 의사결정과 암반 공학 시스템에 의해 매개변수 가중치를 산정하였다. 낙반과 낙석을 지배하는 매개변수는 두 방법 모두 터널 크기, 절리면 조건 및 RQD로 나타났다.
- 반면에 소성 변형을 지배하는 매개변수는 계층분석적 의사결정 방법에서는 지하수, 응력과 터널 폭이었고 암반 공학 시스템 방법에서는 응력, 터널 폭, 절리면 조건으로 나타났다. 매개변수 가중치와 점수로부터 암반 거동 유형별 암반 거동 지수를 제시하였다. 이를 서울 지하철。호선。공구 설계에 적용하여 예상되는 암반 거동 지수를 산정한 결과, 낙반과 낙석 거동이 소성변형 거동보다 높게 나타났다.
대상 데이터
- 각 매개변수에 대한 가중치를 결정하기 위해 각계 전문가 25명을 대상으로 한 설문조사를 실시하였다. 계층분석적 의사결정 방법과 퍼지 델파이 방법에 의한 암반 내재적 매개변수, 외생적 매개변수와 굴착 변수들에 대한 가중치 산정 결과는 Table 6과 같다.
- 각 매개변수에 대한 우선 순위를 결정하기 위해 계층 분석적 의사결정 방법과 마찬가지로 각계 전문가 25명을 대상으로 한 설문조사를 실시하였다. 암반 거동 결정을 위한 주요 매개변수에 대한 가중치를 결정하기 위한 상호영향 관계 결과는 Table 9와 같다.
- 본 대상 지역은 서울시 강남구에 위치하는 서울 지하철。호선。구간으로 총 연장 1.77 km 중 터널구간은 1.41 km로 NATM 공법으로 설계되었다. 본 구간의 지반조사 결과, 편마암이 널리 분포하고 있고 단층이 4개가 있는 것으로 나타났다(Fig.
이론/모형
- 암반 거동 유형별 가중치를 산정하기 위해 계층 분석적 의사결정(Saaty, 1980)과 퍼지 델파이 방법(Kaufinann & Gta, 1998)을 적용하였다. 계층 분석적 의사결정 방법은 자연스런 의사결정과정을 단순화시킴으로써 복잡한 문제에 대하여 효과적인 의사결정을 가능하게 해 주며 복잡하고 조직화되어 있지 않은 문제상황을 그 구성요소를 세분화해 나가는 방법으로 이를 활용하면 암반 거동에 영향을 미치는 인자간의 우선순위와 그에 따른 가중치를 결정할 수 있다.
- 각 인자간의 우선 순위는 전문가로부터 얻은 설문에 대한 답변으로부터 구할 수 있다. 전문가 의견의 불확실성을 극복하기 위해 퍼지 델파이 방법를 이용하였다. 퍼지 델파이 방법을 적용하면 조사 시간과 비용을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 전문가의 의견을 분명히 나타나게 할 수 있다.
- 의사결정 과정에 관한 불확실성을 반영하기 위해 a -cut개념을 적용한 퍼지 델파이 방법을 적용하였다. a는 “0”과 “1” 사이의 값을 가진다.
성능/효과
- 계층분석적 의사결정 방법과 퍼지 델파이 방법에 의한 암반 내재적 매개변수, 외생적 매개변수와 굴착 변수들에 대한 가중치 산정 결과는 Table 6과 같다. 낙반과 낙석 거동에서는 암반 내재적 변수와 굴착변수가 암반 외생적 변수보다 가중치가 크게 나타났고, 소성 변형 거동에서는 암반 외생적 변수가 다른 두 변수보다 가중치가 크게 나타났다. 7가지 매개변수에 대한 가중치 산정 결과는 Table 7과 같다.
- 낙반과 Cave-in 거동에서는 절리면 조건, RQD, 터널 크기, 지하수 조건의 가중치가 크게 나타났고, 소성 변형 거동에서는 응력 조건, 지하수 조건, 터널 크기의 가중치가 크게 나타났다. 또한, 7가지 매개변수에서는 암반 외생적 변수 중 지진 매개 변수의 가중치가 가장 낮게 나타났다.
- (Mazzoccola & Hudson, 1996). 절리면 상태는 이번 연구에서 시스템에 가장 큰 상호영향을 미치며 지진 매개변수는 가장 적은 상호 영향성을 보여준다.
- 낙반과 Cave-in 거동에서는 절리면 조건, RQD, 터널 크기, 지하수 조건의 가중치가 크게 나타났고, 소성변형 거동에서는 응력 조건, 절리면 조건, 터널 크기의 가중치가 크게 나타났다.
- 41 km로 NATM 공법으로 설계되었다. 본 구간의 지반조사 결과, 편마암이 널리 분포하고 있고 단층이 4개가 있는 것으로 나타났다(Fig. 7).터널 딘-면은 복선 터널 단면 (PD section)0] 주를 이루고 있고 (Fig.
- Table 13은 복선터널 단면에 대하여 구간별로 7가지 매개변수에 대한 점수와 암반 거동별 암반 거동 지수를 나타낸다. 암반 거동 지수 산정 결과, 모든 구간에서 낙반과 낙석 거동 가능성이 소성변형 가능성보다 높게 나타났다.
- 퍼지 델파이 방법을 적용한 계층 분석적 의사결정 방법의 경우, 낙관적인 견지인 경우(a-cut=L0)에서 암반 거동별 암반 거동 지수의 차이가 크게 나타남을 볼 수 있다. 암반 공학 시스템 방법으로 구한 지보패턴별 암반 거동 지수는 계층 분석적 의사결정 방법보다 뚜렷한 차이를 보이지 않았다. 모든 지보 패턴에서 낙반과 낙석 거동 지수가 소성 변형 거동지수보다 크게 나타났고, 소성 변형 거동 지수는 두 방법 모두 비슷한 경향을 보였다.
- 암반 공학 시스템 방법으로 구한 지보패턴별 암반 거동 지수는 계층 분석적 의사결정 방법보다 뚜렷한 차이를 보이지 않았다. 모든 지보 패턴에서 낙반과 낙석 거동 지수가 소성 변형 거동지수보다 크게 나타났고, 소성 변형 거동 지수는 두 방법 모두 비슷한 경향을 보였다.
- 왜냐하면, 암반 공학 시스템 방법의 경우 전문가들 의견의 평균만을 고려하였기 때문이다. 낙반과 낙석을 지배하는 매개변수는 두 방법 모두 절리면 조건, 터널 폭, RQD였다. 소성 변형을 지배하는 매개변수는 계층분석적 의사결정 방법에서는 지하수, 응력과 터널 폭이었고 암반 공학 시스템 방법에서는 응력조건과 지진조건을 제외한 다섯 가지 매개 변수 모두 비슷하게 나타났다.
- 낙반과 낙석을 지배하는 매개변수는 두 방법 모두 절리면 조건, 터널 폭, RQD였다. 소성 변형을 지배하는 매개변수는 계층분석적 의사결정 방법에서는 지하수, 응력과 터널 폭이었고 암반 공학 시스템 방법에서는 응력조건과 지진조건을 제외한 다섯 가지 매개 변수 모두 비슷하게 나타났다.
- 계층 분석적 의사결정 방법은 계층적 구조로 인해 암반 공학 시스템에 비해 매개변수간의 차이가 크게 나타났다. 반면에 낙반과 낙석 암반 거동에 대한 매개 변수 간 차이는 거의 없었다.
- 일곱 가지 암반 거동에 영향을 미치는 인자와 세 가지 암반 거동 유형간의 상호 관계를 구하기 위해 전문가의 견해를 기반으로 한 계층 분석적 의사결정과 암반 공학 시스템에 의해 매개변수 가중치를 산정하였다. 낙반과 낙석을 지배하는 매개변수는 두 방법 모두 터널 크기, 절리면 조건 및 RQD로 나타났다. 반면에 소성 변형을 지배하는 매개변수는 계층분석적 의사결정 방법에서는 지하수, 응력과 터널 폭이었고 암반 공학 시스템 방법에서는 응력, 터널 폭, 절리면 조건으로 나타났다.
- 낙반과 낙석을 지배하는 매개변수는 두 방법 모두 터널 크기, 절리면 조건 및 RQD로 나타났다. 반면에 소성 변형을 지배하는 매개변수는 계층분석적 의사결정 방법에서는 지하수, 응력과 터널 폭이었고 암반 공학 시스템 방법에서는 응력, 터널 폭, 절리면 조건으로 나타났다. 매개변수 가중치와 점수로부터 암반 거동 유형별 암반 거동 지수를 제시하였다.
- 매개변수 가중치와 점수로부터 암반 거동 유형별 암반 거동 지수를 제시하였다. 이를 서울 지하철。호선。공구 설계에 적용하여 예상되는 암반 거동 지수를 산정한 결과, 낙반과 낙석 거동이 소성변형 거동보다 높게 나타났다.
- 7가지 매개변수에 대한 가중치 산정 결과는 Table 7과 같다. 낙반과 Cave-in 거동에서는 절리면 조건, RQD, 터널 크기, 지하수 조건의 가중치가 크게 나타났고, 소성 변형 거동에서는 응력 조건, 지하수 조건, 터널 크기의 가중치가 크게 나타났다. 또한, 7가지 매개변수에서는 암반 외생적 변수 중 지진 매개 변수의 가중치가 가장 낮게 나타났다.
후속연구
- 반면에 암반 공학 시스템은 각 암반 거동에 대한 단지 매개변수들간의 상호 영향을 고려하여 매개변수 가중치를 결정하는 방법이다. 따라서, 계층 분석적 의사결정 방법에서 사용한 3가지 상위구성 요소로 구분한 후 각 요소에 해당하는 매개 변수로 이루어진 하위 요소로 계층 구조를 만든 후, 각 매개 변수 간의 상호 영향을 고려한 암반 공학 시스템 방법을 결합한 방법이 암반 거동 유형에 영향을 미치는 매개변수 가중치 문제를 해결하는데 보다 적합한 방법으로 판단되며 이에 대한 연구가 필요하다.
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