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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 터널굴착시 지질이상대 통과에 따른 안정성을 분석하고 내진성능 확보를 위한 구조물 보강대책을 제안하였다.
제안 방법
- 923 m3/min로 분석되어 보강시 파쇄대 유출량이 약 59% 감소되는 것으로 나타났다. 결과적으로 터널상부에는 강관다단 그라우팅, 터널하부에는 차수그라우팅으로 보강하여 피압수에 대한 대책을 수립하였다(그림 10).
- 단층대 통과시 구조물의 내진성능 강화를 위해 지반-구조물 상호작용(Soil-Structure Interaction, SSI) 해석을 실시하여 구조물 안정성 검토를 수행하고 보강계획을 수립하였다.
- 대심도 구간에 존재하는 분기단층으로 판단되는 단층대 F3에 피압수의 다량 유출이 예상되어 침투류 해석을 실시하였으며, 차수 그라우팅 공법 적용시 파쇄대 유출량이 약 59% 감소되는 것으로 나타나 터널상부에는 강관다단 그라우팅, 터널하부에는 차수그라우팅을 적용하였다.
- 따라서 내진에 대한 보강대책으로 단층대 일부구간에 대하여 콘크리트 라이닝 강도를 27 MPa로 적용하고, 철근보강 및 강관다단 그라우팅으로 천단을 보강하였다. 그림 13은 지진시 안정성을 고려한 전체적인 보강방안이다.
- 따라서 본 연구대상 터널구간 주변에도 양산단층, 모량단층 등 다수의 단층대가 분포하므로 단층대 통과시 구조물에 대한 내진성능을 강화하기 위해, 국내에서 발생 가능한 최대지진규모를 6.5과 7.0으로 설정하여 내진설계를 실시하였다.
- 해석모델은 실제 지반지형을 구조물과 함께 모델링하였으며, 하중재하방법은 3방향(X,Y,Z)에 대한 지진가속도를 시간에 따라 구조물의 하부지반에 입력하는 방식으로 하였다. 또한 지반을 탄성체로 모델링하였으며, 경계조건은 탄성파의 간섭을 최소화하기 위하여 무한요소를 적용하여 지반의 반무한성과 지진파의 소산영향을 고려하였다. 해석에 사용된 프로그램은 범용유한요소 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다.
- 물리탐사 종합분석 결과 STA.3+100 지점과 STA.3+800 주변에 전기비저항 이상대가 밀집하고 있는 것을 확인하였으며, 분석결과는 시추조사 자료와 상관분석을 통해 암반등급 산정에 활용하였다. 터널구간 물리탐사 종합분석 결과는 그림 2와 같다.
- 물리탐사는 가탐심도별 탐사방법을 검토하여 고출력 전기비저항과 전자탐사를 병행하여 정밀탐사를 실시하였다.
- 본 터널노선에서는 암종경계와 단층대(F2)를 통과하는 구간(STA. 2+820∼3+040)에 대하여 3차원 지반-구조물 상호작용(SSI)을 고려한 내진해석을 수행하였다.
- 사용한 해석프로그램은 2차원 침투류 해석 프로그램인 SEEP/W을 사용하였으며, 단층파쇄대 투수계수는 풍화암 투수계수 값에 해당하는 7.60×10-5 cm/sec을 적용하였으며, 차수그라우팅 투수계수는 2.89×10-6 cm/sec을 적용하였다.
- 산성암반배수에 의한 콘크리트 열화를 방지하기 위한 구조물 보강대책으로 콘크리트 라이닝 재료를 내황산 콘크리트를 사용하였으며 라이닝 강도를 24 MPa에서 27 MPa로 상향 적용하여 구조적 건전성을 확보하였다. 추가적으로 내부식성 코팅도금을 한 팽창성 강관 록볼트를 적용하여 부식을 방지하고, 산성암반배수 유출구간에 대한 조기 지보효과를 발휘할 수 있도록 하였다(그림 8).
- 상세지반조사 결과 터널의 주요 통과구간에 지질이상대로서 암종경계부 및 단층대구간이 예측되었으며, 해당구간에서의 터널 보강대책을 수립하기 위해 별도의 지보패턴 계획을 수립하였다.
- 211 g)도 생성하여 입력지진파로 사용하였다. 시간이력해석시 3축 방향(수평 2축, 수직 1축) 동시 재하로 지진하중조합을 고려하였고, 수직방향 입력지진은 수평성분의 2/3를 적용하였다. 표 4는 생성된 인공지진파를 나타낸다.
- 암반에 포함된 황철석(Pyrite)은 터널굴착중 대기노출 시 지하수를 산성으로 변화시킬 가능성이 있는데(함주익, 1996), 본 터널구간중 지질이상대인 암맥관입부, 단층(F1) 통과부, 암종경계부 등에서 절리를 따라 황철석 광맥이 충전되어 있는 것을 시추코어를 통해 확인(그림 4)하고 산성암반배수(AMD, Acid Mine Drainage) 예상구간으로 설정하였다.
- 우선 단층파쇄대 피압수 예상구간에 대한 대책을 수립하기 위해서 침투류 해석을 통해 용수량을 산정하여 적정 차수대책을 검토하였다. 사용한 해석프로그램은 2차원 침투류 해석 프로그램인 SEEP/W을 사용하였으며, 단층파쇄대 투수계수는 풍화암 투수계수 값에 해당하는 7.
- 특히 화강암 구간 단층대와 암종경계부에서 다량의 유화물을 함유한 황철석이 절리 내에 충전할 가능성이 높을 것으로 예측되어 산성암반배수 유출이 우려되었다. 이에 대한 보강대책으로 내황산 콘크리트 라이닝을 적용하고, 조기 지보효과를 확보하기 위하여 내부식성 팽창성 강관 록볼트를 적용하였다.
- 0 적용시 라이닝의 휨 압축응력이 허용기준을 초과하는 것으로 나타났다. 이에 대한 보강대책으로 라이닝 강도를 27 MPa로 상향 적용하고, 철근보강 및 강관다단 그라우팅으로 천단을 보강하므로써 내진에 대한 구조물의 안정성을 확보하였다.
- 입력지진파는실지진기록인Hachinohe(단주기파), Ofunato(장주기파) 지진파와 인공지진파(0.154 g)를 국내 내진 1등급(리히터 규모 6.5)에 해당하는 설계응답스펙트럼에 만족하도록 수정하였다. 아울러 보다 보수적인 내진 안전성 검토를 위해 미국 서부 기준인 리히터 규모 7.
- 지질구조, 단층대, 암종경계 등 설계영향요소를 파악할 목적으로 시추 및 물리탐사를 수행하였으며 지반특성을 파악하기 위해 현장시험 및 실내시험을 실시하였다.
- 지질이상대를 통과하는 터널설계와 관련하여 지반조사에서 나타난 지질특성을 분석하고 터널 안정성 검토를 수행하여 보강대책을 수립하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 산성암반배수에 의한 콘크리트 열화를 방지하기 위한 구조물 보강대책으로 콘크리트 라이닝 재료를 내황산 콘크리트를 사용하였으며 라이닝 강도를 24 MPa에서 27 MPa로 상향 적용하여 구조적 건전성을 확보하였다. 추가적으로 내부식성 코팅도금을 한 팽창성 강관 록볼트를 적용하여 부식을 방지하고, 산성암반배수 유출구간에 대한 조기 지보효과를 발휘할 수 있도록 하였다(그림 8).
- 특히 터널구간 대심도 구간에서의 지반조사시 시추조사는 대상구간이 개발제한구역으로 수목밀집지역의 산림훼손 최소화를 위해 시추장비를 헬리콥터로 운송하여 시추조사를 수행하였다.
- 해석대상 지반은 상부의 풍화암층 및 암종별로 암반등급에 따라 구성되어 있으며, S-PS검층, 하향식탄성파 탐사 등의 현장시험을 통해 내진설계를 위한 동적 물성치를 산정하였다. 해석에 사용한 지반등급별 동적 설계 지반정수는 표 3과 같다.
- 해석모델은 실제 지반지형을 구조물과 함께 모델링하였으며, 하중재하방법은 3방향(X,Y,Z)에 대한 지진가속도를 시간에 따라 구조물의 하부지반에 입력하는 방식으로 하였다. 또한 지반을 탄성체로 모델링하였으며, 경계조건은 탄성파의 간섭을 최소화하기 위하여 무한요소를 적용하여 지반의 반무한성과 지진파의 소산영향을 고려하였다.
대상 데이터
- 89×10-6 cm/sec을 적용하였다. 그라우팅 보강 두께는 1.0 m를 적용하였으며, 적용 구간은 상행선 120 m, 하행선 108 m이다. 그림 9는 피압수 다량 유출구간 침투류 해석을 나타낸다.
- 도로터널은 폭 12 m의 2차선 병렬터널로서 안전과 방재 및 친환경 고속도로 건설을 최우선적으로 설계되었다.
- 본 구간은 백악기 경상분지 동남부의 주로 유천층군들이 분포하는 유천소분지의 동남단에 위치하는 지역으로 과업노선 주변은 대부분 산악지형으로 장년기에 해당하며, 200∼600 m 정도의 산세를 형성하고 있다.
- 본 연구대상 터널은 고속도로 건설사업 중 일부구간으로 경상남도 김해시 상동면에서 대동면에 이르는 고속도로로서, 총연장은 4,560 m이며 이중 터널이 1개소 4.297 m로 대부분을 차지한다.
- 본 연구대상 터널은 연장이 4,297 m의 장대터널로서 암종경계부 및 단층파쇄대 등을 통과하는 것으로 조사되었다.
- 5)에 해당하는 설계응답스펙트럼에 만족하도록 수정하였다. 아울러 보다 보수적인 내진 안전성 검토를 위해 미국 서부 기준인 리히터 규모 7.0에 해당하는 인공지진파(0.211 g)도 생성하여 입력지진파로 사용하였다. 시간이력해석시 3축 방향(수평 2축, 수직 1축) 동시 재하로 지진하중조합을 고려하였고, 수직방향 입력지진은 수평성분의 2/3를 적용하였다.
- 지반운동의 특징을 반영하기 위한 설계지반운동은 기준선 보정, 인공지진파 및 장･단주기파를 고려하여 선정하였다.
이론/모형
- 또한 지반을 탄성체로 모델링하였으며, 경계조건은 탄성파의 간섭을 최소화하기 위하여 무한요소를 적용하여 지반의 반무한성과 지진파의 소산영향을 고려하였다. 해석에 사용된 프로그램은 범용유한요소 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. 그림 12는 해석구간의 모델링도를 표시하고 있다.
성능/효과
- 단층대 통과시 구조물에 대한 내진성능을 검토하기 위해 국내에서 발생 가능한 최대지진규모를 6.5와 7.0로 적용하여 분석한 결과, 규모 7.0 적용시 라이닝의 휨 압축응력이 허용기준을 초과하는 것으로 나타났다. 이에 대한 보강대책으로 라이닝 강도를 27 MPa로 상향 적용하고, 철근보강 및 강관다단 그라우팅으로 천단을 보강하므로써 내진에 대한 구조물의 안정성을 확보하였다.
- 92 MPa이 발생하여 허용기준 초과로 구조적 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 라이닝 강도를 24 MPa에서 27 MPa로 상향하여 내진해석을 수행한 결과 지진하중에 대하여 발생응력 및 변위가 허용기준 이하로 나타났다(표 6).
- 본 터널노선 지반조사 결과 지질이상대로 암종경계부 및 4개의 단층파쇄대가 터널과 교차하는 것으로 확인되었다.
- 우선 콘크리트 강도 24 MPa에 대하여 내진해석을 수행한 결과, 리히터 규모 6.5 적용시는 구조물의 안전에 문제가 없었으나, 규모 7.0에 대하여 라이닝 휨압축 허용응력 12.77 MPa를 넘어가는 12.92 MPa이 발생하여 허용기준 초과로 구조적 안전성을 확보하지 못하는 것으로 나타났다. 따라서 라이닝 강도를 24 MPa에서 27 MPa로 상향하여 내진해석을 수행한 결과 지진하중에 대하여 발생응력 및 변위가 허용기준 이하로 나타났다(표 6).
- 터널구간 암종분포 및 특징은, 터널노선을 따라 시점부는 화강암, 종점부는 안산암질 응회암 및 안산암이 암종경계를 이루고, 경계부는 일체화되어 있으나 주변부에 파쇄가 발달한 것으로 조사되었다. 전반적으로 지질이상대를 제외한 암반등급은 우수한 것으로 평가되었다.
- 터널구간 암종분포 및 특징은, 터널노선을 따라 시점부는 화강암, 종점부는 안산암질 응회암 및 안산암이 암종경계를 이루고, 경계부는 일체화되어 있으나 주변부에 파쇄가 발달한 것으로 조사되었다. 전반적으로 지질이상대를 제외한 암반등급은 우수한 것으로 평가되었다.
- 또한 단층대는 터널노선을 따라 크게 4개소가 발견되었으며 파쇄대가 발달한 것으로 조사되었다. 특히 대심도 구간 NTB-12번 시추조사 과정중 신선한 암반구간 하부에서 단층파쇄대(F3) 및 피압에 의한 지하수 용출현상을 확인하였는데, F3 단층은 상부까지 연장되지 못하고 지하 심부에서 단절되어 있어 지하수의 주요 이동통로가 될 것으로 예상되었다. NTB-12 시추조사를 통해 확인한 단층은 그림 5와 같다.
- 본 연구대상 터널은 연장이 4,297 m의 장대터널로서 암종경계부 및 단층파쇄대 등을 통과하는 것으로 조사되었다. 특히 지질이상대 구간에 절리를 따라 황철석 광맥이 충전되어 있는 것으로 나타난 구간 통과시 산성암반배수가 발생할 것으로 예상되었고, 대심도 구간 단층파쇄대에서 다량의 피압수 발생도 확인되어, 터널시공시 침투류 유입에 따른 터널 안정성 확보가 필요할 것으로 판단되었다.
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그림 9. 침투류 해석
해석결과 표 2에 나타난 바와 같이, 피압구간 무처리 시 총 유출수량은 2.227 m3/min으로 분석되었으나, 차수그라우팅공법 적용시 총 유출량은 0.923 m3/min로 분석되어 보강시 파쇄대 유출량이 약 59% 감소되는 것으로 나타났다
. 결과적으로 터널상부에는 강관다단 그라우팅, 터널하부에는 차수그라우팅으로 보강하여 피압수에 대한 대책을 수립하였다(그림 10).
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