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문제 정의
- 먼저 굴진면 전방의 암반 특성을 정확히 평가할 수 있는 선진수평시추 결과와 천공 데이터 사이의 관계 분석을 통해 각 파라미터의 암반 상태에 따른 변화특성을 평가한다. 그리고 TSP 탐사와 천공 탐사에 의해 예측된 불연속면 구간의 일치 여부를 확인하여, 천공 데이터 분석에 의한 굴진면 전방 지질상태 예측 가능성을 검토한다.
- 본 연구는 천공데이터 획득 및 정량적 분석을 통한 굴진 대상 지반 특성 예측과, 그 결과의 신뢰성 검증을 통한 굴진면 전방 예측을 위한 천공 탐사의 활용 가능성을 평가하는 것을 주요한 목적으로 한다. 이를 위해 현재 시공중인 터널을 대상으로 천공속도, 회전압, 피드압 등을 측정하여 전방 지반 상태를 예측하고, 이를 선진수평시추조사 및 TSP 탐사 결과와의 비교를 통해 천공 탐사의 정확도 및 적용 가능성을 평가하였다.
- 본 연구에서 천공 파라미터들의 변화량 분석을 통해 굴진면 전방의 지반 상태를 파악할 수 있다는 가능성을 검토하였다. 하지만 본 연구에서 제시된 천공 데이터와 암반 특성간의 상관관계는 대상 구간의 한정된 정보만을 활용했기 때문에 모든 지역에 대해 일반화할 수는 없으며, 다양한 암종 및 지질조건 하에서의 추가 연구와 검증이 필요하다.
- 본 연구에서는 천공 탐사와 수평시추조사에 의해 평가된 전방 지반상태의 연계 분석을 통해 천공 데이터의 변화량과 지반 특성과의 관계를 검토하였다. 그리고 천공데이터 분석과 TSP 탐사 결과의 비교를 통해 천공 탐사에 의한 전방 불연속면 예측 가능성을 평가하였으며, 연구 결과는 다음과 같이 요약된다.
제안 방법
- 천공탐사는 굴착 이전 선진수평시추와 TSP 탐사가 수행된 3개구간을 대상으로 굴착 중 실시하였다. 공용중인 천공장비에 측정장치를 부착하여 천공속도(IAS), 회전압 (TQ), 피드압(TP) 등을 측정하였다. Fig.
- 본 연구에서는 천공 탐사와 수평시추조사에 의해 평가된 전방 지반상태의 연계 분석을 통해 천공 데이터의 변화량과 지반 특성과의 관계를 검토하였다. 그리고 천공데이터 분석과 TSP 탐사 결과의 비교를 통해 천공 탐사에 의한 전방 불연속면 예측 가능성을 평가하였으며, 연구 결과는 다음과 같이 요약된다.
- 대상터널은 종점부와 시점부의 지표 표고차가 약 380 m이며, 이를 극복하기 위해 Loop 형태로 계획되었다. 또한 열차의 안정성, 구난대피, 환기 등을 고려하여 단선병렬터널로 설계되었다.
- 대상 구간에서 측정된 천공 데이터는 두 가지 목적을 위해 선진수평시추 및 TSP 탐사 결과와 비교·분석을 실시하였다. 먼저 굴진면 전방의 암반 특성을 정확히 평가할 수 있는 선진수평시추 결과와 천공 데이터 사이의 관계 분석을 통해 각 파라미터의 암반 상태에 따른 변화특성을 평가한다. 그리고 TSP 탐사와 천공 탐사에 의해 예측된 불연속면 구간의 일치 여부를 확인하여, 천공 데이터 분석에 의한 굴진면 전방 지질상태 예측 가능성을 검토한다.
- 예정된 솔안터널 노선 중 지반의 변화가 심해 발파 시 붕괴위험이 예상되거나 단층의 영향으로 지반이 교란되어 균열 및 파쇄가 심할 것으로 평가되는 3개 구간을 대상으로 굴착 이전에 각각 수평시추조사와 TSP 탐사가 수행되었으며(Fig. 1), 이와는 별도로 굴착 중 천공 탐사를 실시하였다.
- 본 연구는 천공데이터 획득 및 정량적 분석을 통한 굴진 대상 지반 특성 예측과, 그 결과의 신뢰성 검증을 통한 굴진면 전방 예측을 위한 천공 탐사의 활용 가능성을 평가하는 것을 주요한 목적으로 한다. 이를 위해 현재 시공중인 터널을 대상으로 천공속도, 회전압, 피드압 등을 측정하여 전방 지반 상태를 예측하고, 이를 선진수평시추조사 및 TSP 탐사 결과와의 비교를 통해 천공 탐사의 정확도 및 적용 가능성을 평가하였다.
- 6은 대상구간의 천공탐사 결과를 정리한 것으로 종축은 천공심도, 횡축은 천공속도, 피드압, 회전압을 나타내었다. 천공 데이터의 변화량 분석을 통해 암의 연경, RQD 등이 급격히 변하는 지점과 연약대 및 파쇄대 구간 등을 불연속 구간으로 평가하였다. 또한 로드 교체로 인한 이상 변화 구간은 제외하였으며, 재밍(jamming) 현상이 발생한 구간만 불연속면으로 간주하였다.
- 천공 탐사 결과는 TSP 탐사에 의해 터널 노선과 불연속면의 교차가 예상되는 STA.103K374, STA.103K392, STA.103K402 m 지점의 결과와 비교·분석 하였다.
- 천공 탐사와 선진수평시추 결과의 비교를 위해 천공 속도(IAS), 회전압(TQ), 피드압(TP) 등의 천공 데이터와 암질지수(RQD), 코어회수율(TCR)과 연경의 정도로 구분된 암반분류 등의 지반정보를 선정하여 검토하였다. 천공 탐사 구간에 대한 각 천공 데이터 변화량과 암질지수(RQD) 및 암반분류 결과를 Fig.
- 천공탐사는 굴착 이전 선진수평시추와 TSP 탐사가 수행된 3개구간을 대상으로 굴착 중 실시하였다. 공용중인 천공장비에 측정장치를 부착하여 천공속도(IAS), 회전압 (TQ), 피드압(TP) 등을 측정하였다.
- 지금까지의 천공 탐사에 의한 굴진면 전방 예측은 대부분 하나의 탐사공을 대상으로 수행되었다. 하지만 본 연구에서는 동일 평면 내의 복수의 탐사공 계측을 수행하였으며, 그 결과 굴진면 전방 불연속 구간의 정확한 위치와 범위를 확인하였다. 기대와는 달리 불연속 구간의 정확한 분포 및 방향 정보의 획득은 실패하였지만, 향후 측정장비의 성능 개선과 불연속면 방향성, 충전물질 존재 여부, 대상 암반의 RMR 등 복합적 요인에 의한 천공 데이터 변화 특성 분석 연구가 진행된다면 불연속면의 방향 정보뿐만 아니라 역학적 특성 예측도 가능할 것이다.
대상 데이터
- TSP 탐사는 단층의 영향으로 지반이 교란되어 균열 및 파쇄가 예상되는 구간의 주요 불연속면의 위치 및 파쇄대 분포 정보 등을 굴착 이전 미리 확인하여 대처하기 위해 STA. 103K300~STA.103K500의 연장 200m 구간에 대해 수행되었다.
- TSP 탐사가 수행된 구간과 중복되는 STA.103K370~ STA.103K404 구간에서 천공 탐사를 실시하였으며, 이 중 암반 상태가 매우 불량한 것으로 확인된 STA.103K370~ STA.103K382 및 STA.103K392~STA.103K404 구간에서는 조사의 정밀도를 높이기 위해 Fig. 5와 같이 굴진면의 외각부에 8개의 공을 12 m 천공하여 데이터를 측정하였다. 천공 탐사 결과는 TSP 탐사에 의해 터널 노선과 불연속면의 교차가 예상되는 STA.
- 대상지역은 전체적으로 캠브로-오도비스기의 조선누층군, 석탄-페름기의 평안누층군, 백악기 경상누층군과 이 층들과 분출 및 관입관계를 가지는 백악기 화산암류 및 제4기 충적층으로 구성된다(Fig. 1). 각 지층은 해당지역에 발달한 충상단층에 의해 불규칙하게 반복 노출되며, 주향이동단층에 의해 단절된다.
- 2 km인 장대터널이다. 대상터널은 종점부와 시점부의 지표 표고차가 약 380 m이며, 이를 극복하기 위해 Loop 형태로 계획되었다. 또한 열차의 안정성, 구난대피, 환기 등을 고려하여 단선병렬터널로 설계되었다.
- 30~45 m 구간은 코어회수율이 15~94%로 변화의 폭이 크다. 본 구간은 굴진 방향으로 보통암, 풍화암, 연암, 보통암의 순서로 산출되다. 각각의 평균 코어회수율은 59, 48, 15, 90%이며, RQD는 4, 0, 0, 49의 순이다.
- 선진수평시추조사는 기반암의 상태 및 특성을 파악하여 터널 굴착에 필요한 제반 정보를 제공하기 위해 터널 붕괴 위험이 예상되는 두 구간(STA.104K214.6~STA.104K259.6, STA.104K480~104K540)을 대상으로 각각 연장 45 m, 60 m에 대해 수행되었다.
- 연구 대상지역인 솔안터널은 영동선 이설사업의 일환으로 영동선 동백산역(강원도 태백시 연화동)과 도계역(삼척시 도계읍) 사이에 위치하며, 총 연장 16.2 km인 장대터널이다. 대상터널은 종점부와 시점부의 지표 표고차가 약 380 m이며, 이를 극복하기 위해 Loop 형태로 계획되었다.
- 각 구간별 선진수평시추조사 결과는 Table 1 및 Table 2와 같이 요약된다. 조사대상 구간의 암석은 퇴적암류인 역암, 사암, 셰일 등으로 확인되며, 탄층과 탄질셰일이 협재한다. 상기 암석들은 상호 연관성을 가지며 호층으로 산출되고, 암반상태는 보통암이 우세하고 연암 및 풍화암도 함께 산출된다.
데이터처리
- 대상 구간에서 측정된 천공 데이터는 두 가지 목적을 위해 선진수평시추 및 TSP 탐사 결과와 비교·분석을 실시하였다.
성능/효과
- 103K370~STA.103K382구간에서는 Fig7(a)와 같이 TSP 탐사에 의해 035/79 방향의 규모가 큰 불연속면의 존재가 예측되었으며, 천공 탐사 결과에 의하면 3~8 m 규모의 단일 파쇄 및 연약대 구간이 확인되었다. 실제로 해당 구간의 수평시추조사에 의하면 탄층셰일 및 탄층이 1~3 m 협재되어 있으며, 굴착 중 굴진면 관찰에 의하면 불연속면의 방향, 위치, 규모는 천공탐사 및 TSP 탐사 결과와 일치한다.
- 1. 회전압과 천공속도는 RQD 및 연경정도와 높은 상관관계를 보이며, 피드압의 급격한 저하는 파쇄대를 인지할 수 있는 중요한 근거가 된다. 천공 데이터를 이용한 굴착면 전방 지반 평가를 위해서는 각 천공 파라미터 변화량의 연계분석을 통한 다각도의 평가가 필요하다.
- 3. 천공 탐사를 통한 굴착 중 전방 지반상태 예측 기술은 기존의 고비용, 저효율 방법들의 대안이 될 수 있으며, 운용중인 천공장비에 간단한 측정장비의 부착만으로 데이터 획득이 가능하여 터널 공정에 간섭을 최소화하고 측정 및 분석이 용이하여 신속한 지반정보 획득이 가능한 실용적인 방법이다.
- 5m 구간은 보통암이 산출됨에도 불구하고 파쇄상태가 심한 형태이다. 34.5~38 m 구간의 연암층 구간은 피드압은 일정하며, 회전압이 증가 후 감소하는 부분에서 천공속도는 가장 큰 값을 보인다. 이 현상은 연암층의 파쇄가 심하고 연약하기 때문에 비트에 과부하가 걸려 회전압이 증가하다가, 암반 자체가 연약하기 때문에 회전압이 감소하도라도 천공속도는 증가하는 것으로 설명할 수 있다.
- 30~32 m 구간에서는 회전압과 피드압이 감소하고 천공 속도가 크게 증가하는데, 이는 폭 1 m 크기로 협재된 심하게 파쇄된 연약한 탄층 때문인 것으로 판단된다. 37.5~45 m 구간은 코어회수율이 100%이며, 회전압, 피드압, 천공속도가 일정하게 유지된다. 이는 타 구간에 비해 암반의 연경이 높고 균질하기 때문이다.
- 피드압도 마찬가지로 회전압이 감소하고 천공속도가 증가할 때 감소하는 경향을 보이며, 바꿔 말하면 천공속도는 회전압과 피드압이 감소하는 구간에서 증가하며 특히 변동이 심하다. RQD와 천공 데이터 변화량과의 관계를 살펴보면, RQD가 32인 6~8 m 구간에서는 천공속도가 감소하는 경향을 보이며, RQD가 8인 10~12.5 m 구간에서는 천공 속도가 증가한다. 다시 말하면, 회전압과 피드압이 감소하고 천공속도가 증가하는 구간은 RQD가 감소하는 파쇄대에 해당된다.
- 천공 데이터 중 회전압과 천공속도가 암의 연경과 파쇄대 분포 등과 높은 상관을 나타내었다. 특히 파쇄대 구간에서는 공의 거침을 방지하기 위해 피드압이 크게 저하되는 결과가 나타났다.
- 천공 탐사와 선진수평시추 및 TSP 탐사의 비교·검토 결과, 천공 데이터는 터널을 구성하는 지반의 특성을 정량화 할 수 있는 지표가 될 수 있으며, 따라서 천공 탐사를 통해 굴착 전 전방 지반 상태의 예측이 가능한 것으로 평가되었다.
후속연구
- 2. 복수의 탐사공 측정을 통해 전방 불연속면의 정확한 위치, 규모, 지반 상태 등을 예측할 수 있으며, 향후 추가 연구를 통해 방향성 평가도 가능 할 것으로 기대된다.
- 4. 본 연구 결과에서 제시된 천공 데이터 변화 특성과 암반 상태의 관계는 대상지역의 국한된 정보만을 활용한 것이기 때문에 일반화할 수 없으며, 향후 다양한 암종 및 지질조건 하에서의 데이터 획득 및 검증이 필요하다.
- 하지만 본 연구에서는 동일 평면 내의 복수의 탐사공 계측을 수행하였으며, 그 결과 굴진면 전방 불연속 구간의 정확한 위치와 범위를 확인하였다. 기대와는 달리 불연속 구간의 정확한 분포 및 방향 정보의 획득은 실패하였지만, 향후 측정장비의 성능 개선과 불연속면 방향성, 충전물질 존재 여부, 대상 암반의 RMR 등 복합적 요인에 의한 천공 데이터 변화 특성 분석 연구가 진행된다면 불연속면의 방향 정보뿐만 아니라 역학적 특성 예측도 가능할 것이다.
- 본 연구에서 천공 파라미터들의 변화량 분석을 통해 굴진면 전방의 지반 상태를 파악할 수 있다는 가능성을 검토하였다. 하지만 본 연구에서 제시된 천공 데이터와 암반 특성간의 상관관계는 대상 구간의 한정된 정보만을 활용했기 때문에 모든 지역에 대해 일반화할 수는 없으며, 다양한 암종 및 지질조건 하에서의 추가 연구와 검증이 필요하다. 향후 지속적인 연구가 수행되고 다양한 정보가 데이터베이스화 된다면 현재 시간적, 경제적 추가 비용과 많은 노력을 필요로 하는 굴진면 전방 탐사 기법의 대안으로 시공 공정의 간섭을 최소화하고 신속히 전방 지반정보를 획득할 수 있는 천공 탐사가 활용될 수 있을 것이다.
- 하지만 본 연구에서 제시된 천공 데이터와 암반 특성간의 상관관계는 대상 구간의 한정된 정보만을 활용했기 때문에 모든 지역에 대해 일반화할 수는 없으며, 다양한 암종 및 지질조건 하에서의 추가 연구와 검증이 필요하다. 향후 지속적인 연구가 수행되고 다양한 정보가 데이터베이스화 된다면 현재 시간적, 경제적 추가 비용과 많은 노력을 필요로 하는 굴진면 전방 탐사 기법의 대안으로 시공 공정의 간섭을 최소화하고 신속히 전방 지반정보를 획득할 수 있는 천공 탐사가 활용될 수 있을 것이다. 이를 위해서는 신뢰성 높은 측정 장비의 개발, 다양한 분석 기법 연구, 현장 규모의 천공 파라미터 관련 연구, 제도 개선 등의 과제가 남아 있다.
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