대단면 터널 보강을 위한 운모편암 단층대 특성 분석에 관한 연구 A Study on Analysis for the Characteristics of Fault Zone at Mica-schist for Reinforcement of Large-Span Tunnel원문보기
암반내 존재하는 단층은 암반의 거동에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 암반사면, 터널과 같은 암반구조물의 설계 및 시공에 있어서 단층특성에 대한 조사는 무엇보다 중요하다 할 수 있다. 그러나 설계단계에서 이러한 특성을 파악하기에 한계가 있기 때문에 시공중 막장관찰과 추가지반조사를 통하여 터널주변에 존재하는 단층의 분포 및 공학적 특성에 대하여 조사하여야 한다. 본 연구에서는 운모편암지역에서의 대단면 터널 공사중 설계시 파악되지 않은 대규모 스러스트 단층대가 확인됨에 따라, 단층대의 특성을 규명하기 위하여 다양한 지질조사 및 현장시험을 실시하였다. 이러한 지반조사결과를 바탕으로 단층의 성인, 구조지질적 분포특성 및 단층암의 공학적 특성을 파악하였으며, 단층대 통과구간에서 안전하게 터널을 굴착할 수 있도록 합리적인 지보 및 보강대책을 수립하였다.
암반내 존재하는 단층은 암반의 거동에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 암반사면, 터널과 같은 암반구조물의 설계 및 시공에 있어서 단층특성에 대한 조사는 무엇보다 중요하다 할 수 있다. 그러나 설계단계에서 이러한 특성을 파악하기에 한계가 있기 때문에 시공중 막장관찰과 추가지반조사를 통하여 터널주변에 존재하는 단층의 분포 및 공학적 특성에 대하여 조사하여야 한다. 본 연구에서는 운모편암지역에서의 대단면 터널 공사중 설계시 파악되지 않은 대규모 스러스트 단층대가 확인됨에 따라, 단층대의 특성을 규명하기 위하여 다양한 지질조사 및 현장시험을 실시하였다. 이러한 지반조사결과를 바탕으로 단층의 성인, 구조지질적 분포특성 및 단층암의 공학적 특성을 파악하였으며, 단층대 통과구간에서 안전하게 터널을 굴착할 수 있도록 합리적인 지보 및 보강대책을 수립하였다.
Faults in rock mass have strong influences on the behaviors of rock structure such as rock slope, tunnel and underground space. Thus, it is very important to analyse for the characteristics of fault rocks in design for tunnel. But, due to the limitation of geotechnical investigation in design stages...
Faults in rock mass have strong influences on the behaviors of rock structure such as rock slope, tunnel and underground space. Thus, it is very important to analyse for the characteristics of fault rocks in design for tunnel. But, due to the limitation of geotechnical investigation in design stages, tunnel engineers have to carry out the face mapping and additional geological survey during tunnel excavation to find the distribution of faults and the engineering properties of faults for support and reinforcement design of tunnel. In this study, various geological survey and field tests were carried out to analyse the characteristics of the large thrust fault zone through the large sectional tunnel is constructed in mica-schist region. Also, the distribution of structural geology, the shape of thrust faults and the mechanical properties of fault rock were studied for the reasonable design of the reinforcement and support method for the highly fractured fault zone in the large-span tunnel.
Faults in rock mass have strong influences on the behaviors of rock structure such as rock slope, tunnel and underground space. Thus, it is very important to analyse for the characteristics of fault rocks in design for tunnel. But, due to the limitation of geotechnical investigation in design stages, tunnel engineers have to carry out the face mapping and additional geological survey during tunnel excavation to find the distribution of faults and the engineering properties of faults for support and reinforcement design of tunnel. In this study, various geological survey and field tests were carried out to analyse the characteristics of the large thrust fault zone through the large sectional tunnel is constructed in mica-schist region. Also, the distribution of structural geology, the shape of thrust faults and the mechanical properties of fault rock were studied for the reasonable design of the reinforcement and support method for the highly fractured fault zone in the large-span tunnel.
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문제 정의
대규모단층이 통과하는 구간에 대한 지상보강공법 검토시, 터널 상부지반의 지하수위 변화에 따른 전단강도 감소를 방지하기 위한 투수성 감소, 터널 굴착을 위해 지표까지 발생한 이완대 보강 및 원지반의 활동을 억지할 수 있는 보강공법을 적용하여 터널 굴착 및 장기적인 안정성 확보하고자 하였다.
Table 10에서 보는 바와 같이 지상보강공법에 대한 비교검토결과, 지상보강공법중 마이크로 파일은 구조적 보강으로 지반봉합 및 활동 방지 효과가 우수하나 주입을 통한 지반개량 및 일체화 효과를 기대하기 어렵고, 채움그라우팅은 보강 효과 및 시공성이 우수하나 대상구간에 균질한 주입이 곤란하여 취약구간 발생 가능성 및 원지반과 대상구간의 활동억지에 곤란한 문제점을 가지고 있다. 따라서 본 현장에서는 마이크로파일공법(보강재 삽입공법)과 채움그라우팅공법(지상주입공법), 두 가지 공법을 동시에 적용하는 효과를 가지는 충전뿌리 말뚝공법을 검토하였다.
본 연구에서는 운모편암지역에서의 단층대 특성을 규명하기 위하여 실시된 다양한 지반조사를 바탕으로 단층의 성인과 구조지질적 분포특성, 단층암의 암석학적 특성 그리고 단층대의 공학적 특성에 대하여 분석하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 운모편암지역에서의 단층대를 규명하기 위하여 실시된 다양한 지반조사를 바탕으로 단층의 구조지질적 분포 특성 및 단층암의 공학적 특성에 대한 분석결과를 기술하였으며, 이를 바탕으로 암반 구조물에 대한 영향을 최소화 할 수 있는 합리적인 보강대책을 수립하고자 하였다.
본 연구에서는 주분포 암종인 운모편암의 풍화특성을 파악하기 위해 암석의 광물과 미세균열 틈새 사이로 물이 침투하여 발생하는 암석의 체적 팽창을 측정하기 위한 스웰링 시험. 암석의 시간의존성을 점탄성 거동으로 해석하여 탄성계수, 점성계수를 구하는 크립시험, 신선한 운모편암과 풍화가 진행된 운모편암에 대하여 산침수에 의한 동결-융해 실험을 실시한 후의 물성 변화 및 일축압축강도 변화시험, 물에 대한 암석 내구성을 파악하기 위한 슬레이킹 내구성실험, 슬레이킹 전-후 시료의 광물 동적 변화를 파악하기 위한 XRD 분석, 절리면에 대한 전단특성 평가를 위한 절리면 직접전단 실험 등을 수행하였다.
일부는 재활성되어 심하게 변질되어 있으며, 일부는 응집력을 유지하여 비교적 신선한 상태를 유지하고 있다. 본 조사에서는 변질이 비교적 많이 진행된 구간을 변질우세대로 명명하였다.
제안 방법
7) 이상의 단층대 특성분석결과를 바탕으로, 대단면 터널에서의 단층대 통과구간에 대한 지상보강공법을 선정하고, 터널내 지보공을 안전하게 설계하여 합리적인 보강대책을 수립하였다.
다음은 단층가우지에 대한 슬레이킹 대체 시험결과로서, 단층가우지는 슬레이킹 시험을 위한 공시체가 형성되지 않고 회전시 시험망에서 쉽게 빠져나갈 수 있으므로, 시험망에 시료를 담고 단순건습만을 반복하여 중량이 변화되는 비율을 시험하였으며, 그 결과는 Fig. 16에 나타나 있다.
단층대의 경사 방향은 남서방향으로 설정하였고, 지질도 및 시추공 자료를 이용하여 결정하였다. Fig.
단층대의 주향 방향은 N70°W로 설정하였으며, 터널지질전개도를 분석하여 결정하였다.
터널내 보강공법은 보강규모 및 지반조건을 고려하여 안전한 시공이 되도록 검토하였으며, Table 11에서 보는 바와 같이 각각의 보강공법은 상호 보완적인 성격으로 모든 공법(시멘트밀크 그라우팅, 강관다단그라우팅, 훠폴링, 가압식 록볼트)을 재굴착 구간에 적용하였다. 또한 재굴착구간에 인접한 보강구간에는 기존 지보재에 추가로 가압식 록볼트를 적용하였다.
본 구간에 대한 암반평가를 위하여 RMR 및 Q-system의 기준을 적용하여 기반암과 단층암에 대한 암반분류를 시행하였다. 암반분류 결과를 암반양호구간(RMR>40, Q>4), 불량구간, 단층대의 3부분으로 나누어 분류하였다.
본 구간에는 많은 단층들이 발달하고, 색은 회백색에서 녹색 검정색 등 여러 가지 단층가우지 및 단층암들이 존재하며, 충상단층을 따라서 분포하는 단층가우지가 비교적 두꺼운 폭의 형태로 산출되고 있으므로 자세한 광물성분 분석을 위해 XRD 분석을 실시하였다. 검은색의 단층가우지는 주로 석영, 사장석, 운모, 녹니석, 방해석으로 구성되며, 일라이트와 녹니석의 함량이 높다(Fig.
암반분류 결과를 암반양호구간(RMR>40, Q>4), 불량구간, 단층대의 3부분으로 나누어 분류하였다.
암석의 고결력이 저하되는 현상을 측정하기 위한 시험으로 공시체 형성이 가능한 신선한 암석 ~ 심한 풍화까지의 시편에 대하여 슬레이킹 내구성 지수를 산정하였다. Fig.
본 연구에서는 주분포 암종인 운모편암의 풍화특성을 파악하기 위해 암석의 광물과 미세균열 틈새 사이로 물이 침투하여 발생하는 암석의 체적 팽창을 측정하기 위한 스웰링 시험. 암석의 시간의존성을 점탄성 거동으로 해석하여 탄성계수, 점성계수를 구하는 크립시험, 신선한 운모편암과 풍화가 진행된 운모편암에 대하여 산침수에 의한 동결-융해 실험을 실시한 후의 물성 변화 및 일축압축강도 변화시험, 물에 대한 암석 내구성을 파악하기 위한 슬레이킹 내구성실험, 슬레이킹 전-후 시료의 광물 동적 변화를 파악하기 위한 XRD 분석, 절리면에 대한 전단특성 평가를 위한 절리면 직접전단 실험 등을 수행하였다.
지반조사 결과를 바탕으로 단층 및 변상구간을 참고하여 터널 보강구간 선정하였으며, 보강량 및 보강형태는 지반조건에 따라 차별화하였다. 터널 재굴착 구간은 지질조사 결과, 지반이완이 발생한 구간으로, 낙반구간에서 약 0.
터널내 보강공법은 보강규모 및 지반조건을 고려하여 안전한 시공이 되도록 검토하였으며, Table 11에서 보는 바와 같이 각각의 보강공법은 상호 보완적인 성격으로 모든 공법(시멘트밀크 그라우팅, 강관다단그라우팅, 훠폴링, 가압식 록볼트)을 재굴착 구간에 적용하였다. 또한 재굴착구간에 인접한 보강구간에는 기존 지보재에 추가로 가압식 록볼트를 적용하였다.
대상 데이터
본 구간의 단층가우지는 주로 일라이트(illite)와 녹니석(chlorite)으로 구성되어 있다. 녹니석은 결합력이 강하여 수분함량이 증가하여도 팽창하지 않는다.
본 조사구간은 트러스트 단층의 듀플렉스 중첩에 의해, 기반암인 운모편암이 심하게 분해, 변질된 구간이다. 또한, 암맥의 관입경계를 따라 연성 전단대 및 충상단층이 발달하고 있으며, 기반암인 운모편암 불량대와의 공학적 특성차이에 의해 암맥은 매우 심한 풍화와 변질을 받았다(Fig.
본 조사지역은 선캠브리아기 경기편마암 복합체의 호상편마암 및 흑운모 편암 지대에 해당되며, 운모편암 및 석영편암이 층상구조를 보이고 있다. 또한 본 지역에는 북동동 내지 북서서의 주향을 갖고 남동 내지 남서의 경사방향을 가지는 스러스트 단층들이 분포하고 있으며 남북 내지 북서 방향의 주향을 가지는 인열단층(tear fault)들이 발달되어 있다.
지반조사 결과를 바탕으로 단층 및 변상구간을 참고하여 터널 보강구간 선정하였으며, 보강량 및 보강형태는 지반조건에 따라 차별화하였다. 터널 재굴착 구간은 지질조사 결과, 지반이완이 발생한 구간으로, 낙반구간에서 약 0.5D 범위까지 선정하였으며, 낙반영향 보강구간은 낙반구간에서 1.5D 범위까지 선정하였으나, 지보패턴 및 지반조건을 고려하여 갱구측 약 10 m, 출구부 측 약 3 m 보강구간을 확장하였다.
성능/효과
1) 본 구간의 단층대는 여러 매의 단층암대가 존재하며 그 두께가 일정하지 않은 것으로 보아 스러스트 듀플렉스 모델중 배사형 중합과 매우 유사한 것으로 나타났다.
2) 단층대를 단층영향대, 단층암(변질) 등으로 세분하여 특성을 분석하였으며, 시추코어의 육안관찰, 박편관찰, XRD, XRF 등을 분석한 결과 변질영향대는 모암인 운모편암 및 석영편암에 비해 유체가 많이 유입되었던 것으로 파악되었다.
3) 단층가우지는 구성광물중 일라이트와 녹니석 광물을 많이 포함하고 있어, 쉽게 부서지고 느슨해지는 광물 및 암석학적 특징을 가지는 것으로 분석되었다.
4) 운모편암은 판상의 엽리구조가 발달되어 있고, 엽리면은 평탄하며 연속성이 좋고 엽리간격은 매우 좁고 엽리면이 농집된 구간은 매끄러운 면으로서 전단력이 약한 특성을 보였다. 또한 풍화정도에 따라 암석강도와 슬레이킹 내구성이 크게 감소되는 특징을 나타내었다.
5) 본 지역에서 단층대 조사결과, 상부에는 운모편암과 석영편암이 분포하고 하부에는 일정한 두께의 스러스트 단층이 존재하며, 단층운동의 영향으로 인하여 단층 위아래로 단층 영향대와 단층암 변질대가 분포하고 있음을 확인하였다.
Fig. 12에서 보는 바와 같이 스웰링 시험 결과, 흡수팽창률(%)은 최소 0.004에서 최대 0.161값의 범위를 보이며, 작은 값은 팽창성이 미약한 신선한 암석에서의 결과이고, 약 0.1% 내외의 상대적으로 큰 값을 보이는 암석은 암질이 불량한 암석 시료의 결과이다. 큰 범위의 흡수 팽창률은 점토광물에 의한 흡수 팽창이 아닌 암석 내의 균열 빈도 및 균열 틈 등에 의해 반응한 물리적인 흡수의 결과이며, 이를 통해 체적이 다소 팽창될 수 있다.
암석의 고결력이 저하되는 현상을 측정하기 위한 시험으로 공시체 형성이 가능한 신선한 암석 ~ 심한 풍화까지의 시편에 대하여 슬레이킹 내구성 지수를 산정하였다. Fig. 15에서 보는 바와 같이 신선한 암석과 보통 풍화 등급의 암석은 내구성이 높았으며, 단층 부근의 심한 풍화등급의 암석은 중간정도의 내구성을 가지는 것으로 나타났다.
Fig. 17에서 보는 바와 같이 단층가우지의 슬레이킹 시험에 따른 시간경과별 변화 사진 및 결과 단층가우지 시료에 대한 총 130시간(약 5~6일)간의 슬레이킹 대체시험 결과, 중량은 시험 전보다 약 50% 정도 감소하였다.
단층암내 변질우세대에 대한 광물분석결과는 Table 7에서 보는 바와 같다. 단층암내 변질우세대에서는 장석류 및 운모류가 단층영향대 및 모암에서 보다 감소하였으며 일라이트 및 녹니석은 증가하였다. 앵커라이트(Ca(Fe, Mg, Mn)(CO3)2)는 모암에서는 존재하지 않으나 단층암에서 관찰된다.
4) 운모편암은 판상의 엽리구조가 발달되어 있고, 엽리면은 평탄하며 연속성이 좋고 엽리간격은 매우 좁고 엽리면이 농집된 구간은 매끄러운 면으로서 전단력이 약한 특성을 보였다. 또한 풍화정도에 따라 암석강도와 슬레이킹 내구성이 크게 감소되는 특징을 나타내었다.
본 구간에서의 RMR분석결과 단층대를 포함한 암반이 불량한곳의 값의 범위는 6~40의 범위로 4~5등급에 해당된다. 전체의 86%에 해당하는 것으로 낙반구간은 대체로 불량한 암반으로 분포되어 있다.
위와 같은 분석결과로부터 전체적인 상부에는 운모편암과 석영편암이 분포하고 하부에는 일정한 두께의 스러스트 단층이 존재하며, 단층운동의 영향으로 인하여 단층 위아래로 변질영향대가 폭넓게 분포하고 있음을 확인하였다
단층영향대에 대한 광물조성은 Table 5와 같다. 장석류 및 운모류의 함량이 모암인 편암보다 감소하였으며, 일라이트 및 녹니석은 증가하였다. 이와 같은 광물 조성의 변화는 유체 유입에 의해 변질작용이 일어났던 것으로 추정된다.
후속연구
따라서 단층에 대한 지질학적 의미와 공학적 의미에 대한 체계적인 검토가 필요하다. 즉 단층의 지질학적 의미와 구조지질적 특성, 단층의 규모, 크기, 폭 등을 조사하기 위한 지반조사방법, 단층암, 단층가우지, 파쇄대에 대한 공학적 성질을 규명하기 위한 제반 시험방법, 다양한 시험결과로부터 지반정수를 산정하여 암반구조물의 안정성을 검토하고 설계하는 방법, 그리고 시공중 예상치 못한 단층대를 조우할 경우에 대한 보강대책방법 등에 대한 기술적인 분석과 검증이 요구된다 할 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
암반 내 존재하는 단층은 어디에 미치는 영향이 큰가?
암반내 존재하는 단층(fault)은 암반의 거동에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 암반사면, 터널과 같은 암반구조물의 설계 및 시공에 있어서 단층의 크기나 분포 그리고 공학적 특성에 대한 조사는 무엇보다 중요하다 할 수 있다.
충전물은 무엇으로 정의되는가?
충전물(filling material)은 불연속면에서 인접한 암석벽면을 분리시키는 물질로 정의되어지며, 전형적인 충전물로는 방해석, 녹니석, 실트, 단층 점토, 각력암, 석영, 황철석 등이 있다. 충전물은 단층의 전단강도에 중요한 영향을 미치게 되는데 단층점토와 같은 충전물로 채워진 불연속면(filled discontinuity)은 충전물이 없거나 닫힌 불연속면에 비하여 보다 낮은 전단강도를 가지게 된다.
운모편암지역에서의 단층대 특성을 규명하기 위하여 실시된 다양한 지반조사를 바탕으로 단층의 성인과 구조 지질적 분포 특성, 단층암의 암석학적 특성 그리고 단층대의 공학적 특성에 대하여 분석한 연구 결과는?
1) 본 구간의 단층대는 여러 매의 단층암대가 존재하며 그 두께가 일정하지 않은 것으로 보아 스러스트 듀플렉스 모델중 배사형 중합과 매우 유사한 것으로 나타났다.
2) 단층대를 단층영향대, 단층암(변질) 등으로 세분하여 특성을 분석하였으며, 시추코어의 육안관찰, 박편관찰, XRD, XRF 등을 분석한 결과 변질영향대는 모암인 운모편암 및 석영편암에 비해 유체가 많이 유입되었던 것으로 파악되었다.
3) 단층가우지는 구성광물중 일라이트와 녹니석 광물을 많이 포함하고 있어, 쉽게 부서지고 느슨해지는 광물 및 암석학적 특징을 가지는 것으로 분석되었다.
4) 운모편암은 판상의 엽리구조가 발달되어 있고, 엽리면은 평탄하며 연속성이 좋고 엽리간격은 매우 좁고 엽리면이 농집된 구간은 매끄러운 면으로서 전단력이 약한 특성을 보였다. 또한 풍화정도에 따라 암석강도와 슬레이킹 내구성이 크게 감소되는 특징을 나타내었다.
5) 본 지역에서 단층대 조사결과, 상부에는 운모편암과 석영편암이 분포하고 하부에는 일정한 두께의 스러스트 단층이 존재하며, 단층운동의 영향으로 인하여 단층 위아래로 단층 영향대와 단층암 변질대가 분포하고 있음을 확인하였다.
6) 이상의 단층대 특성분석결과를 바탕으로, 대단면 터널에서의 단층대 통과구간에 대한 지상보강공법을 선정하고, 터널내 지보공을 안전하게 설계하여 합리적인 보강대책을 수립하였다.
참고문헌 (10)
국립지질광물연구소 1:50,000 내평도폭(1974)
지반기술자를 위한 지질 및 암반공학(2009), 한국지반공학회 암반역학기술위원회
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