[논문]단층파쇄대 구간에 시공되는 터널의 보강설계 사례

최기배; 이재인; 정수호; 최문용; 박재영

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문제 정의

본 기술기사는 고속국도 제60호선 동홍천~양양 고속도로 제9공구 행치2터널 시점부를 통과하는 단층파쇄대에 대한 각종 조사 결과를 이용한 합리적인 보강 방안을 제시하고자 한다.
따라서, 터널 건설시에는 지반자체가 불균질하고 복잡한 특성 및 복합적인 요인으로 항시 위험성을 내포하고 있으므로 설계단계에서의 정확한 지반상태 파악, 시공시 터널 막장관찰 및 계측관리, 유지관리 단계의 일련된 과정에 대해 체계적이고 지속적인 관리가 필요하다. 본 기술 기사는 대규모의 단층파쇄대가 발달된 터널에서의 설계사례로, 향후 유사한 사례 발생시 조금이나마 도움이 되었으면 하는 바램이다.

가설 설정

터널 굴착에 따른 터널 주변의 변위, 응력의 변화와 지중 및 지표에서 발생하는 연직 및 수평응력과 변위를 검토하기 위하여 유한 요소법(Finite Element Method : FEM)을 수치해석 기법으로 하는 2차원 평면해석 프로그램인 MIDAS GTS를 사용하였으며, 대상 지반은 Mohr-Coulomb 항복규준 비연계(nonassociated) 탄소성 재료, 숏크리트, 록볼트는 탄성재료, 보강재료(강관다단그라우팅 등)는 탄소성재료로 가정하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

따라서, 터널 갱구 비탈면 및 터널 갱내 안정성 확보를 위하여 상세지표지질조사, 시추조사, 물리탐사 및 현장시험을 실시하였다.
단층대 예상구간에 대하여 단층대 두께 파악을 위하여 먼저 수직시추를 시행하였으며, 수직시추 후 막장면에서 선진수평시추를 시행하여 단층 폭 및 연장을 추정하였다(그림 5).
단층파쇄대 구간으로 암반등급은 RMR분류상 Ⅴ등급에 해당하는 구간이다. 설계시 단층파쇄대 등 이상대 구간에 적용된 사례 및 설계기준 등을 검토하여 보강공법을 선정하였다. 보강방안 선정후에는 2차원 수치해석을 통한 보강 적정성 검토를 시행하였다.
설계시 단층파쇄대 등 이상대 구간에 적용된 사례 및 설계기준 등을 검토하여 보강공법을 선정하였다. 보강방안 선정후에는 2차원 수치해석을 통한 보강 적정성 검토를 시행하였다.
춘천방향 STA.0+330~0+538, 양양방향 STA.0+353~0+385 통과구간은 단층파쇄대내에 터널이 형성되므로 굴착시 안정성 확보를 위해서 굴착공법은 상·하반단면 분할굴착, 링컷 분할굴착을 적용하였다.
또한, 상부 토피별로 상재하중 및 이완하중에 따른 소성영역 증대와 터널의 Arching효과, 보강재의 보강력 등이 달라질 수 있으므로 그림 10과 같이 토피별로 보강공법을 구분하여 선정하였다.
기존 사례와 수치해석적 검토를 통해 단층 파쇄대 구간의 보강방안을 수립하였다. 고토피구간인 춘천방향 STA.
0+330~0+355, 양양방향 STA. 0+353~0+385 구간은 천단보강(대구경 강관다단 160˚, 종간격 C.T.C 4.0m~6.0m), 측벽보강(Rock Bolt, L=4.0m, 종간격 C.T.C 1.0m, 횡간격 C.T.C 1.5m)을 적용하였다(표 8, 표 9)
2차원 수치해석에 적용한 입력물성치는 실시설계 보고서 및 실내시험에서 산정한 물성치를 적용하였다. 강관다단 그라우팅 보강 후 지반의 물성치는 점착력, 변형계수는 등가환산물성을 적용하였으며, 내부 마찰각의 증가는 고려하지 않았다.
2차원 수치해석에 적용한 입력물성치는 실시설계 보고서 및 실내시험에서 산정한 물성치를 적용하였다. 강관다단 그라우팅 보강 후 지반의 물성치는 점착력, 변형계수는 등가환산물성을 적용하였으며, 내부 마찰각의 증가는 고려하지 않았다. 적용된 물성치는 표 10과 같다.
1) 본 검토구간은 갱구부 비탈면 절취중 단층파쇄대가 출현하여 상세지표지질조사, 수직 및 수평 시추조사, 전기비저항 탐사 등의 확인조사를 통하여 단층파쇄대 규모(폭, 연장 등)를 파악하였다.
2) 각종 조사에서 확인된 지반특성을 근거로 터널 토피고(저토피구간 및 고토피구간)에 따른 보강대책을 수립하였으며, 보강대책은 다음과 같다.

대상 데이터

터널 수치해석은 춘천방향 STA.0+330~0+355(토피고 5.4~17.3m), 양양방향 STA.0+353~0+385(토피고 4.8~50.1m)구간과 춘천방향 STA.0+373~0+538(토피고 27.7~132.6m)구간에 대하여 수행하였으며, 해석결과는 표 12~표 14와 같다.
본 고는 고속국도60호선 동홍천~양양간 고속도로 제9공구 행치2터널 시점부 시공시 출현한 단층파쇄대구간에 대한 다양한 지반조사를 통하여 안정성 평가를 통한 터널의 보강설계 사례이다.
본 검토구간은 고속국도 제60호선 동홍천~양양간 고속도로 제9공구 행치 2터널 시점구간으로 행정구역상 강원도 홍천군 서석면 일대에 위치하고 있다. 시점 부인 서석면 일대는 행치령과 높은 산지로 이루어져 있고, 종점부인 상남면 인근은 넓은 전답토와 검토구간을 따라 흐르는 소하천이 일부 형성되어 있다.
검토 구간은 강원도 홍천군 서석면 수하리 행치령에 위치하며 451 지방도로 하부를 통과하는 구간으로 도로 계획노선을 양측으로 마을과 전답이 형성되어 있다.

성능/효과

수직 시추조사 결과 지표면으로부터 0.8~4.5m에서 단층대가 출현하여 최대 38.5m 두께로 단층대가 분포하며, 단층점토(Fault Clay) 및 단층각력암(Fault Braccia)이 교호되어 출현하였다. 수평 시추조사 결과 갱구 시점으로부터 3.
지하 심부의 전반적인 단층대 분포를 파악하기 위하여 전기비저항탐사를 시행하였으며, 탐사결과 터널 전반에 걸쳐 전기비저항 이상대가 확인되었다.
전기비저항 탐사 결과 춘천방향은 단층파쇄대에 의한 영향으로 STA.0+540 부근까지 연약구간이 존재하는 것으로 조사되었으며, 양양방향은 국부적인 단층파쇄대의 영향으로 STA.0+380 부근까지 연약한 구간이 존재하는 것으로 조사되었다(그림 8).
양양방향은 터널 계획고에 고비저항대가 분포하는 특징을 보이며, 단층의 연장성이 춘천방향에 비해 비교적 짧게 나타나며, 단층 폭의 변화가 큰 것으로 나타났다.
시공전 상세 지표지질조사, 수직 및 수평 시추조사, 전기비저항 탐사에 대한 종합적인 조사결과 행치2터널 시점부에 분포하는 단층파쇄대는 단일방향과 폭을 가진 단층이 아닌 주단층으로부터 분절된 파생 단층대를 형성하는 것으로 조사되었다.
수치해석 결과 고토피구간에서는 최대천단침하 35.1mm, 최대내공변위 49.1mm, 숏크리트 응력 6.72Mpa이 발생되었으며, 저토피구간에서는 최대천단침하 29.1mm, 최대내공변위 24.0mm, Rock Bolt 축력 86.7kN, 숏크리트 응력 7.99Mpa이 발생되어 토피고에 따른 구간별 보강 적용시 허용응력 및 허용변위 이내인 것으로 검토되었다.
3) 보강대책 수립 후 수치해석에 의한 터널의 안정성 해석결과 터널의 안정성은 확보되는 것으로 검토되었으며, 수치해석 결과는 위 표와 같다.
4) 터널 및 지하구조물은 지반의 거동에 영향을 크게 받는 구조체로 균질하고 등방성을 띠는 일반 구조물과 달리 지반의 특성에 따라 안정성이 좌우된다. 따라서, 터널 건설시에는 지반자체가 불균질하고 복잡한 특성 및 복합적인 요인으로 항시 위험성을 내포하고 있으므로 설계단계에서의 정확한 지반상태 파악, 시공시 터널 막장관찰 및 계측관리, 유지관리 단계의 일련된 과정에 대해 체계적이고 지속적인 관리가 필요하다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

암반의 특징은 무엇인가?

최근 들어 암반상에 건설되는 구조물은 대형화, 대규모, 장대화되는 추세이며, 원지반 및 암반이 충분한 지내력과 강도 발현이 중요한 요소로 대두된다. 그러나, 암반(Rock Mass)은 견고한 암석(Intact Rock)과 달리 지질구조적 불연속면(절리, 단열, 습곡, 단층 등) 에 의해 암석 고유의 공학적인 특성이 달라지는 경우가 빈번하다.

최근 암반상에 건설되는 구조물의 추세는 어떠한가?

최근 들어 암반상에 건설되는 구조물은 대형화, 대규모, 장대화되는 추세이며, 원지반 및 암반이 충분한 지내력과 강도 발현이 중요한 요소로 대두된다. 그러나, 암반(Rock Mass)은 견고한 암석(Intact Rock)과 달리 지질구조적 불연속면(절리, 단열, 습곡, 단층 등) 에 의해 암석 고유의 공학적인 특성이 달라지는 경우가 빈번하다.

터널 및 지하구조물은 지반의 특성에 따라 안정성이 좌우되므로 건설시에 무엇이 필요한가?

4) 터널 및 지하구조물은 지반의 거동에 영향을 크게 받는 구조체로 균질하고 등방성을 띠는 일반 구조물과 달리 지반의 특성에 따라 안정성이 좌우된다. 따라서, 터널 건설시에는 지반자체가 불균질하고 복잡한 특성 및 복합적인 요인으로 항시 위험성을 내포하고 있으므로 설계단계에서의 정확한 지반상태 파악, 시공시 터널 막장관찰 및 계측관리, 유지관리 단계의 일련된 과정에 대해 체계적이고 지속적인 관리가 필요하다. 본 기술 기사는 대규모의 단층파쇄대가 발달된 터널에서의 설계사례로, 향후 유사한 사례 발생시 조금이나마 도움이 되었으면 하는 바램이다.

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