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문제 정의
- 본 연구는 터널 굴착 시 용수구간에서 실시된 그라우팅이 암반의 투수성에 미치는 영향을 분석하고자 Q 시스템의 분류항목과 투수계수의 상관성을 분석하였다. 이를 위해 지반특성에 따른 주입량 특성 및 지반특성별 그라우팅 전･후의 암반 투수계수 경향을 분석하였다.
- 암반터널에서의 지하수 유출은 대부분 절리를 따라 유출되므로 절리의 특징과 투수계수, 주입량의 관계는 그라우팅 설계 및 시공 시 매우 중요한 요소이다. 본 연구에서는 Q 분류 값이 1 이하의 절리가 발달한 암반터널에서 그라우팅 전･후의 암반 투수계수와 그라우팅 주입량과 Q 분류 파라미터간의 상관관계를 분석해 보았고, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
제안 방법
- Table 1에는 Q 시스템 요소 및 그라우팅 전･후의 암반투수계수에 대하여 나타내었다. 그라우팅 전･후의 투수계수 시험은 Fig. 3과 Fig. 4에서 심도 5 m를 천공하고 상부 1.5 m는 코킹작업을 하였으며 주입압을 0～700 kPa로 상승과 하강을 하면서 측정하였다.
- 주입압은 그라우팅이 수행된 곳은 모두 4～5등급의 암반으로서 국부적으로 파쇄정도가 다르며 심도 또한 각각이지만 수위회복 후의 최대수두가 약 1,000～1,500 kPa 정도인 점을 고려하여 최종 허용주입압력을 2,000 kPa 내외로 제한하여 적용하였다. 당 현장의 그라우트 배합비는 시멘트와 물만 사용하였으며 배합비는 적용지반의 암질 및 유출량 등에 따라 시멘트-물 비를 1:3에서 1:0.7 사이의 값으로 적용하였다. 본 현장의 천공방법은 공 붕괴가 발생하지 않은 곳은 충격식 방법으로 천공하였으며 파쇄대 구간 등에 대해서는 회전수세식을 적용하였다.
- 본 연구의 대상은 경상북도에 위치하는 ○○터널로서 지반은 백악기 퇴적암류를 제3기의 화강 섬록암이 관입한 형태로서 화강섬록암 주변은 이암, 실트암(siltstone), 사암의 호층으로 구성되었고 터널 구간은 화강섬록암으로 이루어져 있다. 본 논문은 지반분류의 점수와 그라우팅 전･후의 암반투수계수, 주입량과의 관계를 분석한 것으로서 당 현장의 지반분류는 Q 시스템에 의한 분류가 이루어졌다. Q 값은 6가지의 변수에 의해 식 (1)과 같이 구해진다.
- 본 연구구간에서의 그라우팅 공 배치는 지하수 용출현황, 지질구조, 펌프용량 등을 감안하여 Fig. 3과 Fig. 4와 같이 적용하였는데 그라우팅 간격은 Q 값이 0.1～1 사이는(4등급) 종방향·횡방향 간격을 모두 2.0 m씩 하였으며 0.1 이하의 암반은(5등급) 1.5 m씩 시스템으로 적용하였고 주입심도는 7 m로 하였다.
- 본 터널에서의 그라우팅은 4～5등급의 절리와 파쇄대가 존재하는 곳이 많은 곳에서 굴착이 이루어졌으므로 천공홀 붕괴 및 주입재 누출 등을 고려하여 하향식 그라우팅과 순환식 그라우팅을 적용하였다. 하향식 그라우팅은 홀 붕괴가 심할 경우에 적용하는 방법으로서 일정심도를 천공하고 주입재를 주입한 후 고결시간이 경과하면 주입한 구간을 재천공하여 1단계 주입을 종료한다.
- 7 사이의 값으로 적용하였다. 본 현장의 천공방법은 공 붕괴가 발생하지 않은 곳은 충격식 방법으로 천공하였으며 파쇄대 구간 등에 대해서는 회전수세식을 적용하였다. 천공경은 모두 NX구경으로 하였다.
- 본 연구는 터널 굴착 시 용수구간에서 실시된 그라우팅이 암반의 투수성에 미치는 영향을 분석하고자 Q 시스템의 분류항목과 투수계수의 상관성을 분석하였다. 이를 위해 지반특성에 따른 주입량 특성 및 지반특성별 그라우팅 전･후의 암반 투수계수 경향을 분석하였다.
- 주입압은 그라우팅이 수행된 곳은 모두 4～5등급의 암반으로서 국부적으로 파쇄정도가 다르며 심도 또한 각각이지만 수위회복 후의 최대수두가 약 1,000～1,500 kPa 정도인 점을 고려하여 최종 허용주입압력을 2,000 kPa 내외로 제한하여 적용하였다. 당 현장의 그라우트 배합비는 시멘트와 물만 사용하였으며 배합비는 적용지반의 암질 및 유출량 등에 따라 시멘트-물 비를 1:3에서 1:0.
대상 데이터
- 11까지는 당 현장에서 실시한 차수그라우팅 전･후의 암반투수계수 변화를 Q 값 및 Q분류의 요소별로 나누어 나타내었다. 본 분석에 사용된 투수시험값은 총 42개이며 암반등급 4～5에서 시험된 값인데 이중 4등급 데이터가 23개 이며 5등급 데이터가 19개이다. Table 1에는 Q 시스템 요소 및 그라우팅 전･후의 암반투수계수에 대하여 나타내었다.
- 본 연구의 대상은 경상북도에 위치하는 ○○터널로서 지반은 백악기 퇴적암류를 제3기의 화강 섬록암이 관입한 형태로서 화강섬록암 주변은 이암, 실트암(siltstone), 사암의 호층으로 구성되었고 터널 구간은 화강섬록암으로 이루어져 있다. 본 논문은 지반분류의 점수와 그라우팅 전･후의 암반투수계수, 주입량과의 관계를 분석한 것으로서 당 현장의 지반분류는 Q 시스템에 의한 분류가 이루어졌다.
- 투수계수 시험 및 그라우팅은 약 2 km의 병설터널 및 수직구의 4, 5등급 암반에서 굴착된 구간을 대상으로 하였다. 4 등급은 Q 시스템에서 0.
성능/효과
- 1. Q 값이 1 이하인 암반의 경우 6가지 항목 중에서 투수계수에 큰 영향을 미치는 인자는 RQD와 Jn(절리군의 수)로 나타났으며 측정된 RQD 및 Jn을 이용하여 암반터널에서 투수계수 범위를 예측하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
- 3. Q 값이 0.1～1 범위의 암반에서는 그라우팅 시 64～269 liter/m이 주입되었으며 Q 값이 0.1이하의 암반에서는 85～160 liter/m이 주입되어 Q 값이 1 이하의 암반에서는 지반의 상태가 양호할수록 주입량은 증가하는 경향이 있으며 파쇄대의 상태가 불리할수록 주입양은 작아지는 경향이 있는 것으로 나타났다.
- 4. 그라우팅 전의 암반 투수계수는 RQD/Jn이 클수록 작아지는 경향이 있으며 주입량 또한 RQD/Jn이 비교적 상관성을 보이며 Jw/SRF의 값이 증가할수록 최대 주입량이 증가하는 경향을 보이고 있다.
- 주입량은 RQD/Jn이 가장 큰 상관성을 보이고 있으나 3 이상에서는 명확한 관계를 보기 어렵다. Jw/SRF는 값이 증가할수록 최대 주입량도 증가하는 경향을 보이고 있으며 Jr/Ja와는 큰 상관이 없음을 보이고 있다. 따라서 절리의 발달이 Q 값 1 이하의 암반터널에서의 투수계수 및 그라우트의 주입량은 RQD/Jn과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다.
- RQD는 암반의 절리수와 간격에 밀접한 관련이 있는 항목으로서 지하수의 유출특성이 불연속면의 발달특성에 좌우되는 것으로 보았을 때 암반의 투수성과 밀접한 관련이 있는 것으로 판단되며 측정된 RQD를 이용하여 투수계수의 범위를 예측하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
- 0×10-9 m/sec 정도로 개량되었음을 보고하였다. 또한 초미립자 주입재가 보통시멘트 주입재보다 암반상태, 투수성, 탄성계수 및 변형계수, 단위주입량 및 주입재 회수율 측면에서는 유리하지만 전단응력 측면에서는 특이한 차이가 없는 것으로 확인되었다. 또한 일본의 미즈나미 심지층 연구소(일본원자력연구개발기구)에서 보통시멘트 그라우트의 주입시험 결과 그라우팅 전 암반 투수계수가 2.
- 19에는 주입량과의 관계를 나타내었다. 먼저 그라우팅 전의 암반 투수계수는 RQD/Jn이 클수록 작아지는 경향이 있으며 Jr/Ja 및 Jw/SRF와는 큰 상관이 없음을 보이고 있다. 주입량은 RQD/Jn이 가장 큰 상관성을 보이고 있으나 3 이상에서는 명확한 관계를 보기 어렵다.
- 본 연구의 데이터도 2개의 데이터를 제외하면 그라우팅 후 1.0×10-8 m/sec 이하로 감소되지 않는 것을 알 수 있는데 이는 입자크기가 40 ㎛ 이하인 포틀랜드 시멘트를 주재료로 한 주입재의 주입한계로 판단된다.
- 16에는 Ja(절리면의 변질정도)에 따른 단위주입량을 나타내었다. 특징적인 점은 Ja의 값이 클수록 즉 절리면의 변질정도가 클수록 주입량은 일정하나 값이 작을수록 주입량의 차이가 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 이는 Ja값이 클수록 절리사이에 충전물이 협재되는 경우가 많아 주입이 어려워지기 때문인 것으로 판단된다.
후속연구
- 터널공사에서는 굴착시 안전이나 지반침하 등을 방지하기 위하여 특수한 경우에만 차수그라우팅을 실시하는 경우가 많으며 이에 대한 효과 검증은 정량적인 방법이 마련되지 않아 그라우팅 전･후의 유출량을 검측하거나 시공자의 경험에 의해 다음 공정을 진행하는 경우가 많다. 그러나 향후 건설될 해저터널(유광호와 김은혜, 2010), 방사성폐기물 저장공간, 석유 및 이산화탄소 저장공간 등에서는 굴착 시 시공안전 뿐만 아니라 주변 지반의 투수성 및 그라우팅 후의 성능 평가는 매우 중요한 공학적 요소가 될 것이다.
- 본 연구는 암반터널에서 Q 값이 1 이하의 경우 지반 분류 항목들과 그라우팅 전･후의 암반 투수계수, 단위주입량에 관한 고찰로서 추후 암반 상태가 비교적 양호한 경우의 관련 자료들을 분석하면 그라우팅 설계 및 평가에 보다 실용적인 연구 성과를 얻을 수 있을 것이라 판단된다.
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