[논문]천공데이터를 이용한 터널 굴진면 전방 암반강도 예측

김광염; 김성권; 김창용; 김광식

천공데이터를 이용한 터널 굴진면 전방 암반강도 예측
Prediction of Rock Mass Strength Ahead of Tunnel Face Using Hydraulic Drilling Data 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.19 no.6 = no.83, 2009년, pp.479 - 489

김광염 (한국건설기술연구원 기반시설연구본부) , 김성권 (한국건설기술연구원 기반시설연구본부) , 김창용 (한국건설기술연구원 기반시설연구본부) , 김광식 (한국건설기술연구원 기반시설연구본부)

초록
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터널 굴착시 굴진면 전방의 지반상태를 사전에 파악하는 것은 터널의 안정성을 증가시킴과 동시에 시공성을 향상시켜 경제적인 터널 시공을 할 수 있도록 한다. 이에 본 연구에서는 터널 천공시 획득되는 천공데이터를 이용하여 굴진면 전방의 암반강도를 예측하고자 하였다. 이는 암반강도가 현장에서 암반분류 및 지보패턴 설계 등의 핵심인자로 가장 보편적으로 활용될 뿐만 아니라, 암반강도의 변화를 통해 굴진면 전방의 지반상태 변화를 예측하는데도 활용할 수 있기 때문이다. 이를 위해 본 연구에서는 다양한 강도 특성을 보이는 균질한 암석시험편을 대상으로 착암기 종류를 변화시켜가며 천공실험을 수행하였다. 실험결과 천공속도는 다른 천공데이터들과 착암기의 종류 및 암석의 강도에 따라 고유한 값을 보이는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 암석에 대해 천공시 타격압이 증가하면 천공속도는 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 본 연구에서는 터널 시공 현장에서 착암기의 제원, 현장 계측 데이터 및 천공속도와 암반강도의 상관관계를 이용하여 터널 굴진면 전방의 암반강도를 예측할 수 있는 방안을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Appropriate investigation of ground condition near excavation face in tunnelling is an inevitable process for safe and economical construction. In this study mechanical parameters from drilling process for blasting were investigated for the purpose of predicting the ground condition, especially rock mass strength, ahead of tunnel face. Rock mass strength is one of the most important factors for classification of rock mass and making a decision of support type in underground construction. Several rock specimens which are considered homogeneous and having different strength values respectively were tested by hydraulic drill machines generally used. As a result, penetration rate is fairly related with rock mass strength among drilling parameters. It is also found that penetration rate increases along with the higher impact pressure even under same rock strength condition. It is finally suggested that new prediction method for rock mass strength using percussive pressure and penetration rate during drilling work can be utilized well in construction site.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 터널 천공시 획득되는 천공데이터를 이용하여 굴진면 전방의 암반강도를 예측하고자 하였다. 이는 암반강도가 현장에서 암반분류 및 지보패턴 설계 등의 핵심인자로 가장 보편적으로 활용될 뿐만 아니라, 암반강도의 변화를 통해 굴진면 전방의 지반상태 변화를 예측하는데도 활용할 수 있기 때문이다.
본 연구에서 제안된 터널 굴진면 전방의 암반강도 예측방법은 암석의 불균질성, 이방성 등의 강도에 영향을 미치는 요소를 가능한 배제하기 위해 표준 균질 시험편을 이용한 천공실험을 토대로 구축된 연구결과이다. 또한, 시험편 천공시 측면부를 구속하지 않은 상태에서 천공 데이터를 취득하였기 때문에 구속압의 변화나 측압계수 등의 영향은 고려하지 못하였다.
본 연구에서는 천공실험을 통해 획득된 타격압과 천공속도의 선형 회귀분석결과를 토대로 굴진면 전방의 암석강도를 예측하는 방법을 개발하였다. 이를 위해 먼저 착암기 종류에 따라 회귀분석을 통해 도출된 암석강도별 선형 회귀식의 기울기 평균값을 각 착암기의 고유 계수로 설정하였다.
본 연구에서는 터널 굴진면 전방에 분포하는 암반의 강도를 예측하는 기법을 마련하기 위하여 다양한 암반 강도를 보이는 모형시험편을 제작하여 천공실험을 수행하였다. 천공실험을 통해 획득된 천공데이터는 상관성 분석을 통해 암반강도를 정량적으로 예측하는 기법을 마련하는데 사용하였다.
이는 암반강도가 현장에서 암반분류 및 지보패턴 설계 등의 핵심인자로 가장 보편적으로 활용될 뿐만 아니라, 암반강도의 변화를 통해 굴진면 전방의 지반상태 변화를 예측하는데도 활용할 수 있기 때문이다. 이를 위해 본 연구에서는 다양한 강도 특성을 보이는 균질한 암석시험편을 대상으로 착암기 종류를 변화시켜가며 천공실험을 수행하였다. 더불어 계측된 천공 데이터의 분석을 통해 터널 굴진면 전방의 암반강도를 예측할 수 있는 정량적 지표를 수립하였다.
암반의 강도특성은 암반구조물 및 지하구조물의 설계/시공 시 암반분류 및 지보패턴 설계 등을 위한 핵심인 자로 활용된다. 이에 본 연구에서는 국내에서 산출되는 암석 중 균질하며 다양한 일축압축강도를 보이는 암석을 대상으로 모형시험편을 제작하여 천공실험을 수행하였다. 모형시험편은 강화도, 포천, 충주 및 익산에서 채취하여 그림 1과 같이 각 면의 길이가 1 m로 일정한 입방체 형태로 제작하였다.

가설 설정

김광염 외(2008)의 연구결과에 의하면 회전압은 다른 천공데이터들과 비교하였을 때 가장 상관성이 낮은 것으로 분석되었다. 이에 본 연구에서는 타격압과 천공속도를 암반강도와 가장 밀접한 관계에 있는 것으로 가정한 후 해당 인자들에 대해서 정밀한 계측을 실시하였다. 암반강도에 따른 천공 실험결과 천공데이터는 착암기의 종류에 따라 변화하는 것으로 나타났다.

제안 방법

실험 시 천공은 국내에서 상용화된 4기의 착암기(표 2)를 이용하여 타격압을 변화시켜가며 수행되었다. COP 1238 모델의 착암기는 타격압을 100 bar, 150 bar, 200 bar 및 230 bar로 조정하여 천공을 실시하였으며, COP 1638모델의 착암기는 타격압을 100 bar, 130 bar, 150 bar 및 200 bar로 조정하여 천공을 실시하였다. COP 1838모델의 착암기는 타격압을 100 bar, 150 bar, 200 bar 및 230 bar로 조정하여 천공을 실시하였으며, HL 560s 모델의 착암기는 타격압을 80 bar, 100 bar, 120 bar 및 150 bar로 조정하여 천공을 실시하였다.
COP 1238 모델의 착암기는 타격압을 100 bar, 150 bar, 200 bar 및 230 bar로 조정하여 천공을 실시하였으며, COP 1638모델의 착암기는 타격압을 100 bar, 130 bar, 150 bar 및 200 bar로 조정하여 천공을 실시하였다. COP 1838모델의 착암기는 타격압을 100 bar, 150 bar, 200 bar 및 230 bar로 조정하여 천공을 실시하였으며, HL 560s 모델의 착암기는 타격압을 80 bar, 100 bar, 120 bar 및 150 bar로 조정하여 천공을 실시하였다. 천공 시 작용하는 유압 및 천공속도 등과 같은 천공데이터는 한국건설기술연구원에서 개발된 천공데이터 분석시스템(Drilling Date Assessment System; DDAS, 2008)을 이용하여 계측하였다.
이를 위해 먼저 착암기 종류에 따라 회귀분석을 통해 도출된 암석강도별 선형 회귀식의 기울기 평균값을 각 착암기의 고유 계수로 설정하였다. 또한, 동일 타격압시 암석강도가 천공속도와 반비례 관계에 있다는 사실에 근거하여 고유 계수를 통해 보정된 타격압-천공속도 회귀식의 절편과 암석강도와의 상관성을 분석하였다(표 7～10). 이를 통해 도출된 착암기별 암석강도의 예측식은 다음과 같다.
일반적으로 천공시 자리잡기(collaring)가 수십 cm 정도 필요하기 때문에 균질한 암반일 경우 50 cm 이상 굴착시에는 안정된 천공데이터를 확보할 수 있게 된다. 본 실험에서는 시험 여건상 시험편의 측면에 구속압을 적용하기 어려웠기 때문에 자중에 의한 천공방향 구속만이 경계조건으로 작용하였다. 각 암석에 대한 실내실험결과 석회암의 일축압축강도는 75 MPa, 대리암은 115 MPa, 포천 화강암은 170 MPa 그리고 강화 화강암은 250 MPa로 나타났다.
암석시험편의 물리적․역학적 특성을 정리하면 표 1과 같다. 실험 시 천공은 국내에서 상용화된 4기의 착암기(표 2)를 이용하여 타격압을 변화시켜가며 수행되었다. COP 1238 모델의 착암기는 타격압을 100 bar, 150 bar, 200 bar 및 230 bar로 조정하여 천공을 실시하였으며, COP 1638모델의 착암기는 타격압을 100 bar, 130 bar, 150 bar 및 200 bar로 조정하여 천공을 실시하였다.
본 연구에서는 천공실험을 통해 획득된 타격압과 천공속도의 선형 회귀분석결과를 토대로 굴진면 전방의 암석강도를 예측하는 방법을 개발하였다. 이를 위해 먼저 착암기 종류에 따라 회귀분석을 통해 도출된 암석강도별 선형 회귀식의 기울기 평균값을 각 착암기의 고유 계수로 설정하였다. 또한, 동일 타격압시 암석강도가 천공속도와 반비례 관계에 있다는 사실에 근거하여 고유 계수를 통해 보정된 타격압-천공속도 회귀식의 절편과 암석강도와의 상관성을 분석하였다(표 7～10).
본 연구에서는 터널 굴진면 전방에 분포하는 암반의 강도를 예측하는 기법을 마련하기 위하여 다양한 암반 강도를 보이는 모형시험편을 제작하여 천공실험을 수행하였다. 천공실험을 통해 획득된 천공데이터는 상관성 분석을 통해 암반강도를 정량적으로 예측하는 기법을 마련하는데 사용하였다. 본 연구를 통해 얻은 결과 들을 정리하면 다음과 같다.

대상 데이터

이에 본 연구에서는 국내에서 산출되는 암석 중 균질하며 다양한 일축압축강도를 보이는 암석을 대상으로 모형시험편을 제작하여 천공실험을 수행하였다. 모형시험편은 강화도, 포천, 충주 및 익산에서 채취하여 그림 1과 같이 각 면의 길이가 1 m로 일정한 입방체 형태로 제작하였다. 일반적으로 천공시 자리잡기(collaring)가 수십 cm 정도 필요하기 때문에 균질한 암반일 경우 50 cm 이상 굴착시에는 안정된 천공데이터를 확보할 수 있게 된다.
비트는 국내 현장에서 가장 사용 빈도가 높은 Magnum SR35 모델의 구형 비트를 사용하였다. 해당 비트는 천공시 대략 50 mm의 천공 홀을 생성시킨다(그림 4).

데이터처리

2) 타격압과 천공속도의 관계가 이론적으로 선형의 상관관계를 나타나기 때문에 본 연구에서 계측된 타격압과 천공속도의 관계를 선형 회귀분석을 실시하여 상관성을 분석하였다. 회귀분석결과 타격압과 천공 속도는 모든 착암기 종류에 대해서 상관계수 R값이 0.
또한 이론적으로 타격에너지가 증가하면 천공속도는 정비례하여 증가한다. 이러한 이론을 바탕으로 본 연구에서 계측된 타격압과 천공속도는 선형의 상관관계를 보인다고 가정하여 선형 회귀 분석을 실시하였다. 본 연구에서 착암기 종류 및 암석 강도의 변화에 따라 계측된 타격압과 천공속도의 선형 회귀분석결과를 통해 도출된 상관관계는 그림 5～그림 8에 나타나 있으며, 상관계수는 모든 착암기에 대해 0.

이론/모형

COP 1838모델의 착암기는 타격압을 100 bar, 150 bar, 200 bar 및 230 bar로 조정하여 천공을 실시하였으며, HL 560s 모델의 착암기는 타격압을 80 bar, 100 bar, 120 bar 및 150 bar로 조정하여 천공을 실시하였다. 천공 시 작용하는 유압 및 천공속도 등과 같은 천공데이터는 한국건설기술연구원에서 개발된 천공데이터 분석시스템(Drilling Date Assessment System; DDAS, 2008)을 이용하여 계측하였다. 천공데이터 분석시스템은 크게 속도센서, 유압센서 및 데이터 로거로 구분되며(그림 2), 다음과 같이 3단계로 구분되어 점보드릴에 장착된다(그림 3).

성능/효과

1) 천공속도는 다른 천공데이터들과 구별하여 착암기의 종류 및 암석의 강도에 따라 고유한 값을 보이는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 암석에 대해 천공 시 타격압이 증가하면 천공속도는 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.
3) 선형 회귀분석결과를 바탕으로 평균기울기 값을 적용하여 최종 암반강도 예측식을 완성하였다. 해당식을 적용하여 착암기 종류에 따른 예측된 암반강도와 실측된 암반강도를 비교한 결과 상관계수 R은 모든 착암기에 대해 0.
본 실험에서는 시험 여건상 시험편의 측면에 구속압을 적용하기 어려웠기 때문에 자중에 의한 천공방향 구속만이 경계조건으로 작용하였다. 각 암석에 대한 실내실험결과 석회암의 일축압축강도는 75 MPa, 대리암은 115 MPa, 포천 화강암은 170 MPa 그리고 강화 화강암은 250 MPa로 나타났다. 참고로 암석은 한국도로공사 암석분류 기준(1992)에 의해 2개 지역의 화강암은 경암으로 구분되며, 대리암은 보통암 그리고 석회암은 연암으로 구분된다.
이를 위해 본 연구에서는 다양한 강도 특성을 보이는 균질한 암석시험편을 대상으로 착암기 종류를 변화시켜가며 천공실험을 수행하였다. 더불어 계측된 천공 데이터의 분석을 통해 터널 굴진면 전방의 암반강도를 예측할 수 있는 정량적 지표를 수립하였다.
암반강도에 따른 천공 실험결과 천공데이터는 착암기의 종류에 따라 변화하는 것으로 나타났다. 또한 동일한 일축압축강도의 암석에 대해 천공 시 타격압이 증가하면 천공속도는 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 여기서, 천공속도는 다른 천공데이터들과 구별하여 착암기의 종류 및 암석의 강도에 따라 고유한 값을 보이는 것으로 나타났다(표 3～표 6, 그림 5～그림8).
1) 천공속도는 다른 천공데이터들과 구별하여 착암기의 종류 및 암석의 강도에 따라 고유한 값을 보이는 것으로 나타났다. 또한, 동일한 암석에 대해 천공 시 타격압이 증가하면 천공속도는 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.
이러한 이론을 바탕으로 본 연구에서 계측된 타격압과 천공속도는 선형의 상관관계를 보인다고 가정하여 선형 회귀 분석을 실시하였다. 본 연구에서 착암기 종류 및 암석 강도의 변화에 따라 계측된 타격압과 천공속도의 선형 회귀분석결과를 통해 도출된 상관관계는 그림 5～그림 8에 나타나 있으며, 상관계수는 모든 착암기에 대해 0.95이상의 높은 상관관계를 가지는 것으로 분석되었다.
상기 예측식을 적용하여 착암기 종류에 따라 예측된 암반강도와 실측된 암반강도를 비교한 결과 상관계수는 모든 착암기에 대해 0.93 이상의 값을 보였다(그림 9).
이에 본 연구에서는 타격압과 천공속도를 암반강도와 가장 밀접한 관계에 있는 것으로 가정한 후 해당 인자들에 대해서 정밀한 계측을 실시하였다. 암반강도에 따른 천공 실험결과 천공데이터는 착암기의 종류에 따라 변화하는 것으로 나타났다. 또한 동일한 일축압축강도의 암석에 대해 천공 시 타격압이 증가하면 천공속도는 선형적으로 비례하여 증가하는 것으로 나타났다.
3) 선형 회귀분석결과를 바탕으로 평균기울기 값을 적용하여 최종 암반강도 예측식을 완성하였다. 해당식을 적용하여 착암기 종류에 따른 예측된 암반강도와 실측된 암반강도를 비교한 결과 상관계수 R은 모든 착암기에 대해 0.93 이상의 값으로 나타나 높은 상관관계가 있음을 확인하였다.
2) 타격압과 천공속도의 관계가 이론적으로 선형의 상관관계를 나타나기 때문에 본 연구에서 계측된 타격압과 천공속도의 관계를 선형 회귀분석을 실시하여 상관성을 분석하였다. 회귀분석결과 타격압과 천공 속도는 모든 착암기 종류에 대해서 상관계수 R값이 0.95이상으로 나타나 높은 상관관계를 보이는 것으로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	터널 굴진면 전방의 지반상태를 예측하는 방법은 어떻게 구분되나?	따라서 터널 굴착시 터널 굴진면 전방의 지반상태를 사전에 파악하는 것은 터널의 안정성을 증가시킴과 동시에 시공성을 향상시켜 경제적인 터널 시공을 위해 중요한 사항이다. 이러한 터널 굴진면 전방의 지반상태를 예측하는 방법은 크게 지구통계학적인 접근방법과 지구물리학적인 접근방법으로 구분된다. 지구통계학적인 접근방법은 주로 터널 굴착면 맵핑(face mapping) 자료 및 선진수평시추자료를 이용하여 각 굴진면 사이와 미시추공 사이의 지반상태를 통계학적으로 분석하는 방법이며, 지구물리학적인 방법은 터널 내다수의 발진점 및 수진점에서 순차적으로 발생된 파동(P파, S파)을 이용하여 굴진면 전방의 지반구조를 파악하는 터널 내 수평 탄성파 탐사법(Tunnel Seismic Prediction; TSP)이다.
	터널 시공 중 발생하는 지반붕괴의 원인은 무엇과 관련이 있나?	터널 시공 중 발생하는 지반붕괴는 대부분 터널 굴진면에서 발생되고 있으며, 붕괴의 가장 큰 요인은 용수나 단층대 등과 같은 지질구조와 관련이 있는 것으로 알려져 왔다. 따라서 터널 굴착시 터널 굴진면 전방의 지반상태를 사전에 파악하는 것은 터널의 안정성을 증가시킴과 동시에 시공성을 향상시켜 경제적인 터널 시공을 위해 중요한 사항이다.
	터널 굴진면 전방의 지반상태를 예측하는 방법 중 지구통계학적인 접근방법이란?	이러한 터널 굴진면 전방의 지반상태를 예측하는 방법은 크게 지구통계학적인 접근방법과 지구물리학적인 접근방법으로 구분된다. 지구통계학적인 접근방법은 주로 터널 굴착면 맵핑(face mapping) 자료 및 선진수평시추자료를 이용하여 각 굴진면 사이와 미시추공 사이의 지반상태를 통계학적으로 분석하는 방법이며, 지구물리학적인 방법은 터널 내다수의 발진점 및 수진점에서 순차적으로 발생된 파동(P파, S파)을 이용하여 굴진면 전방의 지반구조를 파악하는 터널 내 수평 탄성파 탐사법(Tunnel Seismic Prediction; TSP)이다. 하지만 상기 방법들은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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