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문제 정의
- 여기에서는 고속국도 제60호선 동홍천～양양간 건설공사 중 행치2터널 종점부 단층대 통과구간에 대한 각종 조사, 보강설계 및 시공에 걸친 일련의 사례를 기술하고자 한다.
- 본 검토구간은 단층파쇄대가 분포하는 구간으로서, 암반등급은 RMR 분류상 Ⅴ등급에 해당하는 구간이다. 이 구간에 적용할 보강방안을 결정하기 위하여 단층파쇄대 등 지질 이상대 구간에 적용된 기존 사례 및 설계기준 등을 검토하여 보강방법을 결정하고자 하였다.
가설 설정
- 터널 굴착에 따른 터널 주변의 변위, 응력의 변화와 지중 및 지표에서 발생하는 연직 및 수평응력과 변위를 검토하기 위하여 유한 차분법(Finite Difference Method : FDM)을 이용한 2차원 해석 프로그램인 FLAC-2D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)를 사용하여 안정성 해석을 수행하였다. 대상 지반은 Mohr-Coulomb 항복기준을 연계(non-associated)한 탄소성 재료로, 숏크리트와 록볼트는 탄성재료, 보강재료(강관다단 그라우팅 등)는 탄성재료로 가정하여 해석을 수행하였다.
제안 방법
- (1) 터널 시공중 막장면에 단층파쇄대가 출현하여 선진수평시추를 포함한 6공의 시추조사, TSP 탐사 등을 수행하여 단층파쇄대의 규모(폭, 연장 등)를 파악하였다.
- (3) 보강대책 수립 후에는 2차원 및 3차원 수치해석을 실시하여 터널 안정성을 확인하였는데, 수치해석 결과는 다음과 같다.
- (4) 수치해석을 통한 안정성 검토를 수행한 다음 전문가 자문을 실시하고 보강방안을 확정하였으며, 시공시에는 일정 간격마다 일상계측과 정밀계측을 실시하였다. 단층파쇄대 구간을 통과하여 약 30m 굴진 후에 각종 계측값들은 안정적으로 수렴하였는데, 얻어진 계측값은 모두 계측관리기준 이내인 것으로 확인되었다.
- 2차원 수치해석에 적용한 입력 물성치는 실시설계 보고서 및 터널해석보고서에서 산정한 물성치를 적용하였으며, 강관다단 보강 후 지반의 물성치 중 점착력과 변형 계수는 등가환산물성을 적용하였고, 내부마찰각의 증가는 고려하지 않았다. 적용된 물성치는 표 11과 같다.
- 2차원 수치해석은 STA.1+570～1+632(지반고 29.6～62.3m) 구간과 STA.1+632～1+662(지반고 11.1～29.6m) 구간에 대하여 수행하였으며, 해석결과는 표 13 및 표 14와 같다.
- 3차원 수치해석은 단층대 분포 구간 중 지반고가 높은 STA.1+570～1+632(지반고 29.6～62.3m) 구간에 대하여 수행하였으며, 해석결과는 표 15와 같다.
- 계측관리 기준은 국내·외의 제안자 및 기관별로 차이를 보이는데, 본 검토 구간에 대해서는 기존 결과들을 참고하여 표 16과 같은 관리기준을 적용하였다.
- 터널 시공에 따른 지보재와 주변 지반의 응력 및 변위를 파악하여 터널 시공의 안전성을 확인하기 위하여 단면별 계측을 실시하였다. 계측은 단층파쇄대 구간을 통과하여 지층상태가 비교적 양호한 암반 지반이 출현할 때까지 집중적으로 실시하였다.
- 계측은 일상계측 항목으로 천단침하와 내공변위를 측정하였으며, 정밀계측 항목으로는 숏크리트 응력을 측정하였다. 검토 구간에 적용된 계측위치는 그림 15와 같다.
- 단층대 규모(연장, 폭 및 방향성 등) 파악을 위하여 TSP 탐사도 추가로 시행하였다(표 6, 그림 8 및 그림 9참조). 탐사 시점은 행치2터널 춘천방향 종점부 STA.
- 단층대 예상구간에 대하여 단층대 두께를 파악하기 위하여 먼저 수직시추를 시행하였으며, 수직시추 후 막장면에서 선진수평시추를 시행하여 단층 폭 및 연장을 산정하고자 하였다. 시추조사 위치는 그림 6과 같으며, 조사 결과는 표 5 및 그림 7에 제시되어 있다.
- 이 사례는 고속국도 제60호선 동홍천~양양간 고속도로 건설공사 중 행치2터널 시공과정에서 출현한 대규모 단층파쇄대에 대한 조사와 시공과정 등을 언급한 것이다. 단층대 출현에 따라 터널의 안정성을 확보하기 위하여 단층대 규모에 대한 상세한 조사와 보강방안 선정 및 설계, 보강방법에 따른 안정성 해석, 계측을 통한 안정성 확인 등을 수행하였으며, 이를 통하여 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 1+570~1+662 구간은 단층 파쇄대내를 터널이 통과하므로 굴착시 안정성 확보를 위한 여러 방안이 필요하다. 따라서 기존 사례 조사와 보강 방안에 대한 안정성 검토, 전문가 자문를 통하여 보강안을 결정하였다.
- 또한, 터널 상부의 지반고(그림 12 참조)에 따라 상재 하중 및 이완하중이 달라지며, 그에 따라 소성영역과 필요 지보력이 달라질 수 있으므로 구간별로 보강방법을 구분하여 선정하였다. 즉, STA.
- 보강방안 선정 후에는 2차원 및 3차원 수치해석을 실시하여 보강방안의 적정성을 확인하였다.
- 우선 굴착시 막장 자체의 안정을 위하여 단층대 구간 전체에서 링컷(Ring-cut) 분할굴착을 계획하였으며, 굴착 단면의 조기 폐합과 터널 바닥면으로부터의 팽창압을 지지하기 위하여 숏크리트에 의한 가인버트를 적용하였다(표 9 및 표 10 참조).
- 전반적인 터널구간의 지반상태를 파악하기 위하여 터널 전구간(춘천 및 양양방향)에 대하여 전기비저항 탐사가 수행되었다. 전기비저항 탐사 결과(그림 5 참조) 종점 구간인 STA.
- 즉, STA.1+570~1+632 구간은 천반 보강(대구경 강관다단 152°, 종간격 4.0m(8.0m 중첩))과 측벽보강(강관 보강, L=5m, 종간격 0.5m)을 함께 적용한 반면, STA.1+632～1+662 구간은 대구경 강관다단 그라우팅(보강영역 145°, 종간격 6.0m)만을 적용하는 것으로 계획하였다.
- 지반고가 높은 STA.1+570~1+632 구간(L=62m)에 대해서는 보강방안에 따라 대구경 강관다단 그라우팅 시공→ 상반 분할굴착(Ring-cut) → 측벽파일 설치 → 가인버트 설치 순으로 시공하였다(그림 13).
- 터널 시공에 따른 지보재와 주변 지반의 응력 및 변위를 파악하여 터널 시공의 안전성을 확인하기 위하여 단면별 계측을 실시하였다. 계측은 단층파쇄대 구간을 통과하여 지층상태가 비교적 양호한 암반 지반이 출현할 때까지 집중적으로 실시하였다.
- 터널의 표준지보패턴은 지반조사 결과와 지형, 지질상태를 분석하고, RMR 분류와 안정성 해석을 통하여 결정되었다. 실시설계 당시에는 단층파쇄대가 비교적 소규모로 분포하는 것으로 조사되어 별도의 보강패턴은 적용되지 않았다.
대상 데이터
- 본 검토구간은 고속국도 제60호선 동홍천~양양간 고속도로 제9공구 행치2터널 종점부로서, 행정구역상 강원도 인제군 상남면 일대에 위치하고 있다. 터널 시점부는 험준한 산악지형으로 형성되어 있으며, 종점부는 약 10°정도의 비탈면을 가진 구릉지로 형성되어 있다.
- 본 검토구간은 단층파쇄대가 분포하는 구간으로서, 암반등급은 RMR 분류상 Ⅴ등급에 해당하는 구간이다. 이 구간에 적용할 보강방안을 결정하기 위하여 단층파쇄대 등 지질 이상대 구간에 적용된 기존 사례 및 설계기준 등을 검토하여 보강방법을 결정하고자 하였다.
- 양방향 터널 중 춘천방향은 종점 갱구부(STA. 1+680)로부터 약 18m까지(STA. 1+662) 상부 반단면 굴착이 진행되었다. 설계에서는 암반등급 Ⅳ등급 구간으로 지보패턴 P-4를 적용하였으나, 시공중 막장면 관찰 결과 암반 등급 Ⅴ등급의 파쇄암반과 예상하지 못한 단층대가 출현하여 굴착을 중단하였다.
- 이 사례는 고속국도 제60호선 동홍천~양양간 고속도로 건설공사 중 행치2터널 시공과정에서 출현한 대규모 단층파쇄대에 대한 조사와 시공과정 등을 언급한 것이다. 단층대 출현에 따라 터널의 안정성을 확보하기 위하여 단층대 규모에 대한 상세한 조사와 보강방안 선정 및 설계, 보강방법에 따른 안정성 해석, 계측을 통한 안정성 확인 등을 수행하였으며, 이를 통하여 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 단층대 규모(연장, 폭 및 방향성 등) 파악을 위하여 TSP 탐사도 추가로 시행하였다(표 6, 그림 8 및 그림 9참조). 탐사 시점은 행치2터널 춘천방향 종점부 STA. 1+662이며, 가탐거리는 약 400m 정도이다.
데이터처리
- 터널 굴착에 따른 터널 주변의 변위, 응력의 변화와 지중 및 지표에서 발생하는 연직 및 수평응력과 변위를 검토하기 위하여 유한 차분법(Finite Difference Method : FDM)을 이용한 2차원 해석 프로그램인 FLAC-2D(Fast Lagrangian Analysis of Continua)를 사용하여 안정성 해석을 수행하였다. 대상 지반은 Mohr-Coulomb 항복기준을 연계(non-associated)한 탄소성 재료로, 숏크리트와 록볼트는 탄성재료, 보강재료(강관다단 그라우팅 등)는 탄성재료로 가정하여 해석을 수행하였다.
성능/효과
- (2) 각종 조사에서 확인된 결과와 지반특성, 유사 사례를 고려하여 터널 보강방안을 수립하였는데, 단층파쇄대가 넓은 규모로 분포하는 반면, 터널 상부의 지반고에도 큰 차이가 있어 보강방안은 지반고에 따라 다르게 수립하였다. 지반고에 따른 단층파쇄대 구간 보강 방안은 다음과 같다.
- TSP 탐사 결과 탐사구역내에서 2조의 단층과, 1조의 단층파쇄대, 1조의 암반 불연속면이 파악되었으며, 단층 파쇄대는 STA. 1+572～1+662 구간 약 90m에 걸쳐 나타나는데, 터널 좌·동측에서 먼저 출현하여 터널 우·서측으로 발달하고 있다.
- 막장 천단부는 풍화가 진행되어 토사화되어 있는 상태이며, 단층면을 따라 부분적으로 소량의 용수가 발생되었다. 단층대를 구성하고 있는 일부 암편의 강도는 19MPa 정도로 풍화암의 강도를 보이며, 암반등급 산정 결과 RMR값이 17로서 Ⅴ등급 지반으로 판정되었다.
- (4) 수치해석을 통한 안정성 검토를 수행한 다음 전문가 자문을 실시하고 보강방안을 확정하였으며, 시공시에는 일정 간격마다 일상계측과 정밀계측을 실시하였다. 단층파쇄대 구간을 통과하여 약 30m 굴진 후에 각종 계측값들은 안정적으로 수렴하였는데, 얻어진 계측값은 모두 계측관리기준 이내인 것으로 확인되었다.
- 막장면에 대한 조사 결과, 좌측 하단면에서 우측 상단면쪽(N26E)으로 단층활동에 의한 단층활면(Slickenside)이 관찰되었다. 막장 천단부는 풍화가 진행되어 토사화되어 있는 상태이며, 단층면을 따라 부분적으로 소량의 용수가 발생되었다.
- 1+629 지점에서 얻은 결과이다. 반단면 굴착이 단층파쇄대 구간으로부터 약 180m까지 시행되었는데, 계측 값은 단층대를 통과하여 약 30m를 굴진한 이후부터 안정적으로 수렴되었다. 이때까지의 계측값은 최대 천단침하가 12.
- 수치해석 결과, 고토피 구간에서는 최대천단침하가 12.40mm, 최대내공변위 4.09mm, 숏크리트 응력 7.3MPa 이 발생되었으며, 저토피 구간에서는 최대천단침하 6.89mm, 최대내공변위 5.62mm, 숏크리트 응력 4.95MPa이 발생되어 지반고에 따른 구간별 보강방안을 적용할 경우 발생하는 응력 및 변위가 허용범위 이내인 것으로 검토되었다.
- 수치해석 결과, 최대천단침하가 4.30mm, 최대내공변위 8.00mm, 숏크리트 응력이 8.1MPa인 것으로 해석되어 당초 계획한 보강방안이 적정한 것으로 검토되었다.
- 시추조사 결과 #1 시추공의 경우 막장면에서 약 52m까지 단층파쇄대(RQD=0)가 출현하였고, #2 시추공의 경우 수평시추를 실시한 전연장(L=92m)에 걸쳐 화강암질 편마암(RQD=0), 단층점토(Fault Clay) 및 단층각력암(Fault Breccia)이 교호되어 출현하였다. #4 시추공의 경우에는 막장면에서 32.
- 반단면 굴착이 단층파쇄대 구간으로부터 약 180m까지 시행되었는데, 계측 값은 단층대를 통과하여 약 30m를 굴진한 이후부터 안정적으로 수렴되었다. 이때까지의 계측값은 최대 천단침하가 12.1mm, 최대 내공변위는 20.0mm, 최대 숏크리트 응력은 4.82MPa로 측정되어 보강방안을 적용한 후의 터널 안정성이 확인되었다.
- 춘천방향 막장면 좌측에서 시행된 수평시추공 #1의 조사 결과 약 52.2m까지 단층대가 분포하며, 굴진방향 우측에서 시행된 수평시추공 #2의 조사 결과는 약 92.0m까지 단층대가 분포하는 것으로 나타났는데, 단층파쇄대 구간을 연결하면 단층대의 발달 방향을 N26E로 추정할 수 있다. 이를 도면으로 표시하면 그림 11과 같은데, 춘천방향 터널 전방으로 92.
- 한편, 단층대의 폭은 TSP 탐사 결과를 토대로 할 때 26~58m 정도로 변화를 보이지만, 특히 암질이 불량한 구간에서의 폭은 약 40m 정도로 판단되었다. 따라서, 단층파쇄대의 폭은 40m로 하여 향후 안정성 검토 등에 활용하였다.
후속연구
- 따라서 터널 건설에는 이러한 위험성이 항시 내포되어 있으므로 안전한 시공을 위해서는 설계단계뿐만 아니라 시공단계에서도 이러한 내용을 염두에 두어야 한다. 본 사례는 비교적 대규모의 단층파쇄대가 출현한 경우로서, 향후 유사한 사례가 발생하였을 때에 조금이나마 도움이 되었으면 하는 바이다.
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