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문제 정의
- 이 중 A 계측에 의해 측정되는 계측 변위는 계측 시점, 보강 정도, 보강재 타설 시점 등에 의해 많은 차이를 보이기 때문에, 단순히 측정된 일상계측 결과만으로는 터널 거동의 객관적인 정량화가 불충분하다. 따라서 본 연구에서는 보강 효과 및 계측 시점 등의 영향이 배제된 무보강 상태의 전변위가 굴착에 따른 암반거동의 정량적 지표가 될 수 있다고 판단하였다. 따라서 무보강 상태의 구현이 가능하고 다른 시공 조건 등을 실제와 유사하게 반영할 수 있으며, RMR 평가 결과에 따라 물성치의 차등 적용이 가능한 3차 워 수치 해석을 실시하여전변위를 산정하였다.
- 본 연구는 암반 상태에 따라 굴착에 따른 암반의 거동 특성을 잘 반영할 수 있는 암반 평가법의 제안을 목적으로 한다. 이를 위해 국내 막장평가를 위해 가장널리 사용되는 RMR 분류법의 배점체계를 수정 제안하고자 한다.
- 수량화 방법 Ie 외적 기준이 양*기고 설명 변량이 질적인 경우 설명 변량의 범주들을 수량화한다. 수량화 방법의 목표는 외적 기준과 가장 큰 상관(correlatiQn)을 갖는 설명 변량들의 선형 결합을 찾는 것이다. 수량 화 분석 시설명변수로 사용될 RMR 언자의 배점은 연속적이지만, 현장암반 평가 시에는 주로 등급을 구분하여 적용한다.
가설 설정
- 있다. 본 연구에서는 임성빈 등(2007b>의 해석모델을 바탕으로 무보강 상태의 3차원 터널 상태를가정하였다. 해석에는 지반구조해석용 유한요소 해석 프로그램인 PENTAGON 3D가 사용되었다.
제안 방법
- 이를 위해 국내 막장평가를 위해 가장널리 사용되는 RMR 분류법의 배점체계를 수정 제안하고자 한다. 각 RMR 항목의 배점할당을 위해 무보강 암반의 거동 특성을 외적 기준으로 하고, 각 RMR 인자들을 설명 변수로 하는 수량 화 분석을 수행하였다. 수량화 분석 결과 산정된 각인자들의 변위 영향도를 고려하여 RMR 인자의 배점을 할당하였다.
- 이중 VI등급에 해당하는 16개소를 제외하면 183개소이다. 각 등급별로 계측 결과의 최대값, 최소값, 평균값을 설정하였으며, 그에 대응하는 보강 및 무보강 상태의 전변위를 산정하였다. 15개 해석 모델에 대한 수치해석결과 산정된 전변위와 계측 변위를 Table 3에 요약등}였다.
- 따라서 본 연구에서는 보강 효과 및 계측 시점 등의 영향이 배제된 무보강 상태의 전변위가 굴착에 따른 암반거동의 정량적 지표가 될 수 있다고 판단하였다. 따라서 무보강 상태의 구현이 가능하고 다른 시공 조건 등을 실제와 유사하게 반영할 수 있으며, RMR 평가 결과에 따라 물성치의 차등 적용이 가능한 3차 워 수치 해석을 실시하여전변위를 산정하였다.
- 이 중 굴착 중 막장 지질조사와 병행하여 수행하는 암반 평가가 가장 객관적이며, 정확하고 연속적인지질정보의 획득이 가능하다. 따라서 본 연구에서는 막장 평가를 통해 획득된 RMR 인자에 대한 측정값들을지질특성을 지시하는 지표로 활용하였다. 대상터널 굴착 중 총 1, 547개의 막장에 대한 지질조사 및 RMR 평가가 실시되었다.
- 수량화 분석 결과 산정된 각인자들의 변위 영향도를 고려하여 RMR 인자의 배점을 할당하였다. 또한 각 인자들의 배점과 무보강 전변위간의 회귀식을 산정하였으며, 이를 통해 변위 특성이 잘 반영되도록 각인자들의 급간 배점 간격을 조정하였다. 수량 화 분석 시 외적기준으로사용된 무보강 상태의 전변위는 3차원 수치 해석을 통해산정하였다.
- 수량 화 분석 시 외적기준으로사용된 무보강 상태의 전변위는 3차원 수치 해석을 통해산정하였다. 또한 계측 변위에 대한 역해석을 통해 RMR 등급별 지반 물성치의 범위를 산정하였으며, 터널의 형상, 굴진장, 굴착 패턴 등의 계측시의 조건을 재현한 해석모델을 작성하였으며, 그 결과 굴착 시 암반의 거동특성을 반영하는 무보강 상태의 전변위를 측정하였다.
- 수량화 변량간의 편상관(Partial correlation)은 다른 변량들을 제외한 상태에서 해당 변량과 외적기준 간의 선형적 연관도를 나타낸다. 본 연구에 서는 SAS 프로그램에 의한 편 상관 과식 (5)를 이용하여 종속변량과 설명변량의 제곱편상관계산에 의한 편 상관을 각각 구하였다.
- 통계분석을 위해 계측 결과를 근거로 수치해석을 통해 산정된 무보강 상태의 전변위량과 RMR 인자들을 각각 외적 기준과 설명 변수로 설정하였다. 설명변수는 특성치구분에 따라 측정된 점수를 RMR 분류표에 근거하여 범주화 하였다.
- 또한 각 인자들의 배점과 무보강 전변위간의 회귀식을 산정하였으며, 이를 통해 변위 특성이 잘 반영되도록 각인자들의 급간 배점 간격을 조정하였다. 수량 화 분석 시 외적기준으로사용된 무보강 상태의 전변위는 3차원 수치 해석을 통해산정하였다. 또한 계측 변위에 대한 역해석을 통해 RMR 등급별 지반 물성치의 범위를 산정하였으며, 터널의 형상, 굴진장, 굴착 패턴 등의 계측시의 조건을 재현한 해석모델을 작성하였으며, 그 결과 굴착 시 암반의 거동특성을 반영하는 무보강 상태의 전변위를 측정하였다.
- 각 RMR 항목의 배점할당을 위해 무보강 암반의 거동 특성을 외적 기준으로 하고, 각 RMR 인자들을 설명 변수로 하는 수량 화 분석을 수행하였다. 수량화 분석 결과 산정된 각인자들의 변위 영향도를 고려하여 RMR 인자의 배점을 할당하였다. 또한 각 인자들의 배점과 무보강 전변위간의 회귀식을 산정하였으며, 이를 통해 변위 특성이 잘 반영되도록 각인자들의 급간 배점 간격을 조정하였다.
- 이와 같은 수랑화 이론의 각각의 특성을 고려하면 본 연구의 분석 목적에 적용할 수 있는 것은 수량화 방법 I이다. 외적 기준으로 수치해석을 통해 산정된 무보강 상태 터널의 전변위(종속변수)를 채택하고 이에 영향을 미칠 것으로 판단되는 RMR의 구성인자들을 정성적 요인(설명 변수)로 선정하였다.
- 한다. 이를 위해 국내 막장평가를 위해 가장널리 사용되는 RMR 분류법의 배점체계를 수정 제안하고자 한다. 각 RMR 항목의 배점할당을 위해 무보강 암반의 거동 특성을 외적 기준으로 하고, 각 RMR 인자들을 설명 변수로 하는 수량 화 분석을 수행하였다.
- 탄성계수는 RMR 등급별로 최대, 평균, 최소값으로 구분하여 그 범위를 설정하였다. 지반등급별 및 적용 물성별로 총 15개의 해석 모델을 작성하였으며, 80m 굴착을 재현하여 선행 변위 30 m, 굴착 후 발생 변위 50 m를 확인하였다.
- 최대, 최소, 평균 계측 변위 값을 가지는 구간 이외의계측지점에 대한무보강상태의 전변위는 계측변위간의차와 전변위 간 차 사이의 비례식을 이용하여 산정하였다.
- 해석에 적용된 지반물성치는 Table 2와 같다. 탄성계수는 RMR 등급별로 최대, 평균, 최소값으로 구분하여 그 범위를 설정하였다. 지반등급별 및 적용 물성별로 총 15개의 해석 모델을 작성하였으며, 80m 굴착을 재현하여 선행 변위 30 m, 굴착 후 발생 변위 50 m를 확인하였다.
- 터널 굴착 시 암반 변형에 미치는 영향을 가장 잘 표현하는 각 RMR 인자의 배점 급간을 조정하기 위하여무보강 상태의 전변위와 각 RMR 인자별 배점간의 2차 회귀식을 산정하였다(Fig. 2). 각 RMR 인자의 배점은 Bieniawski(1989)의 기준에 의해 구분하였으며, 횡축의 해당 배점 영역이 종축의 변위에 반영되는 크기 만큼을 새로운 배점 영역으로 하였다.
- 이를 위해 대상터널의 183개소의 계측핀과 가장가까운 막장의 RMR 분류 결과를 선택하여 분석에 사용하였다. 통계분석을 위해 계측 결과를 근거로 수치해석을 통해 산정된 무보강 상태의 전변위량과 RMR 인자들을 각각 외적 기준과 설명 변수로 설정하였다. 설명변수는 특성치구분에 따라 측정된 점수를 RMR 분류표에 근거하여 범주화 하였다.
대상 데이터
- 특히 퇴적암류 구간은 수평에 가까운 저각의 층리가 우세하게 발달해 있으며, 고각의 수직 절리도 나타난다. 대상터널 구간에는 동래단층의 직간접적인 영향으로 소규모 단층 및파쇄대 등이 산재해 있다.
- 따라서 본 연구에서는 막장 평가를 통해 획득된 RMR 인자에 대한 측정값들을지질특성을 지시하는 지표로 활용하였다. 대상터널 굴착 중 총 1, 547개의 막장에 대한 지질조사 및 RMR 평가가 실시되었다. 그 결과 불연속 면의 방향^ 보정인자를 제외한 기초 RMR 값(RMRb)은 H~V등급에 해당하는 16~79점으로 평가되었으며, 전체 구간의 평균 RMRe 약 51점으로 나타났다.
- 대상터널은 부산 울산간 고속도로의 일부 구간에 해당되는 병설 3차로 터널이며, 상하행선 각각 1598m, 1508 m의 연장을 가진다. 터널의 시공을 위해서 NATM 공법이 적용되었으며, 터널 시점 부 토사 및 리핑암 구간에서는 기계 굴착이 적용되었다.
- 본 연구지역은 동측의 동래단층과 서측의 양산단층사이에서 나타나는 해발 고도 평균 200 m 정도의 중산악지형을 이루고 있으며, 계곡들은 대부분 U자곡을 형성하고 있어 만장년기의 지형에 해당된다. 산계는 주로 지질구조 및 암석분포의 영향을 받아 대부분 N20°E 방향으로 발달해 있으며, 동래단층의 영향으로 단층방향과유사한 산계도 분포한다.
- 실제 시공현장에서의 계측은 총 199개소에서 수행되었으며, 이중 VI등급에 해당하는 16개소를 제외하면 183개소이다. 각 등급별로 계측 결과의 최대값, 최소값, 평균값을 설정하였으며, 그에 대응하는 보강 및 무보강 상태의 전변위를 산정하였다.
- 산계는 주로 지질구조 및 암석분포의 영향을 받아 대부분 N20°E 방향으로 발달해 있으며, 동래단층의 영향으로 단층방향과유사한 산계도 분포한다. 연구지역은 중생대 백악기 경상누층군 하양층군의 퇴적암류와 이를 관입 또는 분출한 화산암류, 그리고 기반 암층을 관입한 불국사 통의 화성암류로 구성된다. 풍화에 강한 화강암과 호온펠스가높은 해발 고도에 분포하고 있으며 백악기의 쇄설성 퇴적암류가 풍화에 의해 지형적으로 구릉지내지 완만한사면을 형성한다.
- 이를 위해 대상터널의 183개소의 계측핀과 가장가까운 막장의 RMR 분류 결과를 선택하여 분석에 사용하였다. 통계분석을 위해 계측 결과를 근거로 수치해석을 통해 산정된 무보강 상태의 전변위량과 RMR 인자들을 각각 외적 기준과 설명 변수로 설정하였다.
이론/모형
- 2). 각 RMR 인자의 배점은 Bieniawski(1989)의 기준에 의해 구분하였으며, 횡축의 해당 배점 영역이 종축의 변위에 반영되는 크기 만큼을 새로운 배점 영역으로 하였다. 각 RMR 인자의 회귀 식이 모두 배점이 커질수록 변위의 감소폭이 작아지는 경향을 보인다.
- 해석에는 지반구조해석용 유한요소 해석 프로그램인 PENTAGON 3D가 사용되었다. 물성치는김학준 등(2006)에 의해 제시된 퇴적암의 단위 중량, 내부마찰각, 점착력을 적용하였으며, 계측 변위의 역해석을통해 각 RMR 등급별로 산정된 탄성계수를 해석에 사용하였다. 해석에 적용된 지반물성치는 Table 2와 같다.
- 이용한 수량 화 분석 결과를 바탕으로 새로운 RMR 배점체계를 Table 6과 같이 제시한다. 배점을 제외한 나머지 요소, 즉 항목과 인자별 급간 구분기준 등은 기존의 RMR 배점체계를 따랐다. 기존 RMR 배점과 비교하면, 무결암의 일축압축 강도(R1)과 불연속면 상태(R4) 항목의 배점이 감소하였으며, RQD (R2), 불연속 면 간격(R3), 지하수 상태(R5) 항목의 배점이 증가하였다.
- 본 연구에서는 RMR 분류인자인 일축압축강도(R1), RQD(R2), 절리간격(R3), 절리면 상태(R4), 지하수 상태(R5)가 터널의 무보강시의 전변위, 즉 암반 변형에 미치는 영향도를 결정하기 위하여 수량화 방법 I을 적용하였다. 이를 위해 대상터널의 183개소의 계측핀과 가장가까운 막장의 RMR 분류 결과를 선택하여 분석에 사용하였다.
- 대상터널은 부산 울산간 고속도로의 일부 구간에 해당되는 병설 3차로 터널이며, 상하행선 각각 1598m, 1508 m의 연장을 가진다. 터널의 시공을 위해서 NATM 공법이 적용되었으며, 터널 시점 부 토사 및 리핑암 구간에서는 기계 굴착이 적용되었다. 특히 터널 시점, 연약대, 암종 경계 구간에 대해서는 지보패턴 보강 및 보조공법이 적용되었다.
- 본 연구에서는 임성빈 등(2007b>의 해석모델을 바탕으로 무보강 상태의 3차원 터널 상태를가정하였다. 해석에는 지반구조해석용 유한요소 해석 프로그램인 PENTAGON 3D가 사용되었다. 물성치는김학준 등(2006)에 의해 제시된 퇴적암의 단위 중량, 내부마찰각, 점착력을 적용하였으며, 계측 변위의 역해석을통해 각 RMR 등급별로 산정된 탄성계수를 해석에 사용하였다.
성능/효과
- (1) 3차원 수치 해석 결과 산정된 I, Ⅱ, Ⅲ, IV V등급 지반구간의 무보강 상태 전변위는 평균 25.2 mm, 21.8 mm, 27.2 mm, 30.1 mm, 61.8 mm이다. 보강된 상태의 변위는 보강효과에 의해 각 등급별로 일정한 크기로 억제되며, 불량한 상태의 암반일수록 보강효과에 의한 보강 억제량이 크다.
- (2) 수량화 방법 I을 이용한 수량 화 분석 결과 수랑화값의 범위(range)를 기준으로 각 RMR 인자의 굴착에따른 터널 변위 영향도는 Rl, R2, R3, R4, R5별로 각각 8.05%, 30.67%, 22.10%, 11.57%, 27.61%이다. 수량화값의 범위, 편상관 그리고 RMR 사용의 편의성 등을 고려하여 산정된 터널 굴착에 따른 변위 크기를 반영할 수 있는 RMR 인자의 할당 배점 크기는 Rl, R2, R3, R4, R5에서 각각 10, 30, 25, 10, 25점이다.
- (3) 터널 굴착에 따른 무보강 전 변위를 반영한 RMR 각인자의 수정된 급간 배점체계는 양호한 암반 보다는 불량한 암반에서의 변별력이 더 크다. 즉각 인자의 상태가 좋아질수록 배점의 증가폭은 감소한다.
- (4) 수정 제안된 배점체계에 의한 RMR 값은 무보강상태의 전 변위와 선형 관계를 나타낸다. 이는 수정 RMR 이 터널 굴착에 따른 암반의 변형 특성을 잘 반영함을의미한다.
- 대상터널 굴착 중 총 1, 547개의 막장에 대한 지질조사 및 RMR 평가가 실시되었다. 그 결과 불연속 면의 방향^ 보정인자를 제외한 기초 RMR 값(RMRb)은 H~V등급에 해당하는 16~79점으로 평가되었으며, 전체 구간의 평균 RMRe 약 51점으로 나타났다. Ⅲ등급에 해당하는 막장이 774개소로 가장 많이 분포하며, V등급 막장이 24개소로 드물게 나타난다.
- RQD (μ2)와 불연속 면 간격(R3)은 암반을 구성하는 블록의 크기와 관련이 있다. 대상 터널을 구성하는 암반이 주로 저각의 층리가 발달한 퇴적암임을 감안한다면, 터널 주변에 작용하는 응력 등의 영향에 의한 파쇄작용 등이 변 위에 큰 영향을 주었거나, 사암보다는 산출되는 블록의 크기가 작은 셰일 또는 이암구간에서 더 큰 변위가 발생했음을 의미한다. 절리를 중심으로 비교적 균일하게 발달하는 퇴적암의 불연속 면 특성상 일부 구간에서 산출되는 지하수도변위에 많은 영향을 준 것으로 판단된다.
후속연구
- 기존 RMR 관점에서 양호한 I, II 등급암반에서는 무보강 상태의변형상태가 유사하며, IV, V 등급과 같은 불량한 암반에서는 작은 배점 차이라도 전 변위의 차이가 크다. 따라서 터널 굴착에 따른 암반 거동을 잘 반영하기 위해서는불량한 상태의 암반, 즉 낮은 배점 구간에 대한 더 세밀한 구분이 필요하며 이에 대한 추가 연구가 필요하다.
- 이러한 연구결과는 보강상태의 변형특성 연구, 암반평가를 통한 발생 변위 예측, 암반등급과 보강패턴에따른 보강효과 연구 등으로 이어질 수 있다. 또한 다른여러 터널의 데이터 분석을 통한 연구가 수행된다면, 암종및 지질 특성별 굴착에 따른 터널암반 거동 특성을 반영할 수 있는 RMR 배점체계의 제안이 가능할 것이다.
- 이러한 암반의 변형 특성을 잘 반영할 수 있는 RMR 배점체계는 보강상태에서의 변위 특성 연구, 암반평가를통한 발생 변위 예측 그리고 암반등급 및 보강 패턴별 보강효과 연구 등과 연계될 수 있다. 또한 대상터널 뿐만아니라 다양한 터널의 데이터 분석을 통한 연구가 수행된다면, 암종별 및 지질 특성별 암반거동특성을 잘 반영하는 차별화된 RMR 배점체계의 제안이 가능할 것이다.
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