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문제 정의
- 본 연구에서는 암반비탈면에서의 주요 붕괴요인인 불연속면과 지질구조의 중요성 및 이에 의한 붕괴사례를 조사, 분석하였다. 다양한 불연속면 중 비탈면 붕괴에 큰 영향을 미치는 주요 지질구조인 단층, 엽리 및 암맥관입접촉부 파쇄대와 국내 사례가 거의 없는 특수한 지질구조인 심부 암종 경계면(부정합면으로 점토대)이 발달한 암반비탈면의 붕괴현황, 조사, 원인분석 및 대책에 관한 연구 사례를 소개하고자 한다.
- 본 연구에서는 암반비탈면 시공 시 다양한 내부 및 외부 요인에 의해 발생한 붕괴사례 중 비탈면 붕괴에 큰 영향을 미치는 주요 지질구조인 단층, 엽리, 암맥관입접촉부 파쇄대 및 심부 암종경계면(점토대)이 발달한 암반비탈면의 붕괴 사례를 통하여, 지질구조적 특성이 비탈면 안정에 미치는 영향 및 항구적인 비탈면 안정대책에 대해 고찰하였다. 각각의 붕괴 사례에 대한 주요 결과 및 종합적인 결론을 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 암반비탈면에서의 주요 붕괴요인인 불연속면과 지질구조의 중요성 및 이에 의한 붕괴사례를 조사, 분석하였다. 다양한 불연속면 중 비탈면 붕괴에 큰 영향을 미치는 주요 지질구조인 단층, 엽리 및 암맥관입접촉부 파쇄대와 국내 사례가 거의 없는 특수한 지질구조인 심부 암종 경계면(부정합면으로 점토대)이 발달한 암반비탈면의 붕괴현황, 조사, 원인분석 및 대책에 관한 연구 사례를 소개하고자 한다.
제안 방법
- 보강방안 검토를 위한 설계정수 산정을 위해 현장 시험값, 원안설계, 문헌자료, 설계사례, 경험식 및 역해석을 비교·분석 후 설계정수를 산정하였으며, 적용된 지반강도정수는 Table 5와 같다. 계획된 보강공법의 안정성 검토를 위해 산정된 지반강도정수 및 관련 조사자료를 토대로 비탈면 구간중 안정성 확보가 불리한 단면을 선정하여 한계평형해석(TALREN) 및 강도감소법(PLAXIS)에 의한 비탈면 안정성을 검토하였다. 공법적용 후 안정성 검토 결과는 Table 6 및 Fig.
- 또한 대상 비탈면의 지질특성과 지반의 상태를 파악하고 비탈면 붕괴의 원인분석 및 대책을 마련하기 위해 지표지질조사, 시추조사 2공, 전기비저항탐사 2측선, 시추공영상촬영(BIPS) 1공, 현장 및 실내시험 등을 실시하였다.
- 또한 터널 갱구부에 위치하는 대상 비탈면은 불연속면의 발달이 심한 천매암이 주구성 암종으로 분포하고 있어 향후 풍화에 의한 비탈면 안정성 저하가 예상되므로 비탈면 보호 공법 중 하나인 섬유거푸집 몰탈격자블럭을 적용하였다(Park at al., 2011)
- 보강방안 검토를 위한 설계 정수 산정을 위해 원안설계, 문헌자료 및 현장조사결과를 비교·분석 후 설계정수를 산정하였으며, 또한 정확한 지반정수 산정을 위해 암반층을 통과하는 평면파괴로 가정한 후지반강도정수 산정을 위한 역해석을 실시하였다(You, 2002).
- 보강방안 검토를 위한 설계정수 산정을 위해 현장 시험값, 원안설계, 문헌자료, 설계사례, 경험식 및 역해석을 비교·분석 후 설계정수를 산정하였으며, 적용된 지반강도정수는 Table 5와 같다.
- 본 불안정 비탈면에 대한 보강공법으로 앵커+계단식 옹벽을 적용하는 것으로 검토하였다(Fig. 7). 안정성 검토는 한계평형해석프로그램인 TALREN을 사용하였으며, 공법적용 후 안정성 검토 결과 건기시 및 우기시 공히 기준안전율을 만족하는 것으로 분석되었다(Table 2, Fig.
- 본 비탈면의 정확한 지층, 암종 및 지질구조 특성 등을 파악하기 위해 총 3차에 걸쳐 정밀 지표지질조사, 전기비저항탐사, 시추조사, 시추공 영상촬영(BIPS) 등의 정밀지반조사 및 시험을 실시하였다(Fig. 20~22).
- 본 재활성 산사태에 의한 비탈면 안정화 대책방안으로 지층조건과 깊은 심도 즉 심부에 존재하는 추정 활동면 등을 고려하여 대규모 암반블록의 활동면에 대해 충분한 전단저항력을 발휘할 수 있는 영구앵커공법과 억지말뚝공법 위주의 보강방안을 적용하였으며, 예상 파괴면 부근의 파쇄대 구간은 지반보강 그라우팅공법을 병행하여 비탈면 활동에 대한 저항력을 증가시킴으로써 장기적인 비탈면 안정성을 확보하였다. 또한 상부 토사비탈면의 안정성 확보를 위하여 Soil Nailing 공법을 적용하였다(Fig.
- 붕괴 원인은 천매암의 급속한 풍화, 쪼개짐 및 Slaking 특성, 엽리면(점토 협재) 발달, 화강반암의 관입 접촉에 의한 암종경계부 파쇄대 형성 등의 지질구조 특성 및 비탈면내 침투수 등으로 인한 불연속면의 전단강도 저하 등의 복합적 요인에 의한 것으로 분석되었다. 비탈면 안정대책으로 비탈면 경사를 1:1.7 이하로 완화하여 비탈면 활동력을 최소화하였으며, 비탈면 하부에 PAP옹벽공법의 적용으로 비탈면 절취면적을 최소화 할 수 있도록 계획하여 안정성을 확보하였다.
- 사례 A - 단층에 의한 비탈면 붕괴 사례: 대상 비탈면은 유문석영안산암이 주분포하고 있으며, 붕괴 원인은 단층 점토가 협재된 단층면의 교차에 의한 쐐기파괴, 집중호우에 의한 간극수압 증가 및 전단강도 저하 등의 복합적인 요인에 의한 것으로 분석되었다. 비탈면 안정대책으로 앵커+계단식 옹벽을 적용하여 비탈면 활동에 대한 저항력을 증가시켜 비탈면 안정성을 확보하였다.
- 비탈면 안정대책은 천매암의 엽리면, 절리면 및 단층파쇄대의 방향성 및 낮은 불연속면 전단강도를 고려하여 우선적으로 비탈면 경사를 1:1.7 이하로 완화하여 비탈면 활동력을 최소화하였으며, 비탈면 하부에 터널 갱구 배면 옹벽과일체감을 줄 수 있는 Prestressed anchor & precast panel(PAP) 옹벽공법의 적용(Fig. 14)으로 비탈면 절취면적을 최소화 할 수 있도록 계획하였다.
대상 데이터
- 대상 비탈면은 경상남도 하동군 북천면 소재의 철도 건설현장에 위치하고 있으며, 광역지질 측면에서 볼 때 시대 미상의 변성암류 및 심성암류(회장암, 섬록암 등), 쥬라기 퇴적암류 및 백악기 심성암류가 분포하고, 제4기 충적층이 이를 부정합으로 피복하고 있다.
- 대상 비탈면은 당초 설계 및 시공 시 연장 85 m, 최대 절취고 약 41 m로서, 과거 1차적으로 비탈면 하부 구간이 산사태에 의하여 활동 후, 약 12 m 내외의 두꺼운 붕적층이 퇴적되었으며, 이후 비탈면의 우측 하부 및 최상부 그리고 배후 비탈면부로 인장균열이 점점 확대, 진행된 것으로 추정된다. 최상부 비탈면에 존재하는 인장균열부(연장 : 약 40 m, 깊이 : 약 3~4 m)의 제거 등을 고려한 경사완화(1:1.
- 대상 비탈면은 부산광역시 강서구 생곡동 소재의 부산신항 배후 국제산업물류도시 조성공사 현장에 위치하고 있으며, 안산암질화산각력암을 피복하는 유문석영안산암질 화산각력암과 이를 관입한 유문석영안산암 및 본 유천층군의 화산암류를 관입한 각섬석화강섬록암으로 주구성되고, 신생대 제4기 퇴적층(충적층 및 삼각주 퇴적물)이 이를 부정합으로 피복하고 있다(Fig. 2).
- 대상 비탈면은 연장 110 m, 최대 절취고 약 39.4 m로서, 비탈면 절취 중(토사 1:1.2, 리핑암 1:0.7, 발파암 1:0.5) 이완된 천매암의 엽리면과 암종경계면을 따른 평면파괴가 발생하였다. 활동이력 조사 및 분석 결과 본 대상 비탈면의 활동은 2005년 5월 우기를 시작으로 절취된 비탈면에 침투수에 의한 간극수압이 증가하여 부분적으로 비탈면 표면부 유실이 발생하면서 대규모 활동으로 진행된 것으로 판단되었다.
- 대상 비탈면은 최대 절취고 약 35.5 m, 시공구배는 토사 1:1.2, 리핑암 1:1.0, 발파암 1:0.8로 설계 및 시공되었다. 지표지질조사결과, 유문석영안산암(Rhyodacite, H.
- 대상 비탈면은 충북 충주시 소재의 국도 건설현장에 위치하고 있으며, 시대미상의 옥천계 변성퇴적암류와 이를 관입한 백악기의 화강반암(산성암맥)이 기반암으로 분포하고 있고, 제4기 충적층이 이를 부정합으로 피복하고 있다. 대상 지역의 대부분은 옥천계의 황강리층에 해당하며, 주구성암석은 역을 함유한 천매암(Phyllite)으로서 엽리 등의 불연속면이 발달하고 있고 전반적으로 암회색~흑색을 띄며, 지표 노두에서는 풍화되어 대부분 소규모 판상의 암편으로 분리되어 있다.
- 대상 비탈면은 충북 충주시 소재의 국도 건설현장에 위치하고 있으며, 시대미상의 옥천계 변성퇴적암류와 이를 관입한 백악기의 화강반암(산성암맥)이 기반암으로 분포하고 있고, 제4기 충적층이 이를 부정합으로 피복하고 있다. 대상 지역의 대부분은 옥천계의 황강리층에 해당하며, 주구성암석은 역을 함유한 천매암(Phyllite)으로서 엽리 등의 불연속면이 발달하고 있고 전반적으로 암회색~흑색을 띄며, 지표 노두에서는 풍화되어 대부분 소규모 판상의 암편으로 분리되어 있다. 천매암을 관입한 화강반암(Granite porphyry)은 상대적으로 풍화에 강한 편이나 부분적으로는 불연속면 및 풍화 특성 등에 기인한 차별풍화 양상이 관찰되며 암종경계부에서는 파쇄대가 발달하고 있다(Fig.
- 상세지질 측면에서 볼 때 본 대상 비탈면은 유문석영안산암이 기반암을 이루고 있으며, 상부에 풍화대 및 박층의 붕적층이 분포하고 있다.
- 상세지질 측면에서 볼 때 터널 갱구부에 해당되는 본 대상 비탈면의 상부층은 쥬라기 원지층인 사암, 셰일 및 역암으로 구성되고, 하부층은 부정합면을 형성하면서 회장암(Anorthosite)의 변질 및 풍화대로 구성되어 있다(Fig. 16).
데이터처리
- 7). 안정성 검토는 한계평형해석프로그램인 TALREN을 사용하였으며, 공법적용 후 안정성 검토 결과 건기시 및 우기시 공히 기준안전율을 만족하는 것으로 분석되었다(Table 2, Fig. 8).
- 적용된 지반강도정수는 Table 3과 같다. 안정성 검토는 한계평형해석프로그램인 TALREN을 사용하였으며, 공법적용 후 안정성 검토 결과 건기시 및 우기시 공히 기준안전율을 만족하는 것으로 분석되었다(Table 4, Fig. 15).
이론/모형
- 본 재활성 산사태에 의한 비탈면 안정화 대책방안으로 지층조건과 깊은 심도 즉 심부에 존재하는 추정 활동면 등을 고려하여 대규모 암반블록의 활동면에 대해 충분한 전단저항력을 발휘할 수 있는 영구앵커공법과 억지말뚝공법 위주의 보강방안을 적용하였으며, 예상 파괴면 부근의 파쇄대 구간은 지반보강 그라우팅공법을 병행하여 비탈면 활동에 대한 저항력을 증가시킴으로써 장기적인 비탈면 안정성을 확보하였다. 또한 상부 토사비탈면의 안정성 확보를 위하여 Soil Nailing 공법을 적용하였다(Fig. 26). 보강방안 검토를 위한 설계정수 산정을 위해 현장 시험값, 원안설계, 문헌자료, 설계사례, 경험식 및 역해석을 비교·분석 후 설계정수를 산정하였으며, 적용된 지반강도정수는 Table 5와 같다.
성능/효과
- 1. 사례 A - 단층에 의한 비탈면 붕괴 사례: 대상 비탈면은 유문석영안산암이 주분포하고 있으며, 붕괴 원인은 단층 점토가 협재된 단층면의 교차에 의한 쐐기파괴, 집중호우에 의한 간극수압 증가 및 전단강도 저하 등의 복합적인 요인에 의한 것으로 분석되었다. 비탈면 안정대책으로 앵커+계단식 옹벽을 적용하여 비탈면 활동에 대한 저항력을 증가시켜 비탈면 안정성을 확보하였다.
- 2. 사례 B - 엽리 및 암맥관입접촉부 파쇄대에 의한 비탈면 붕괴 사례: 대상 비탈면은 천매암을 기반암으로 하고 있으며, 엽리면을 따라 관입한 화강반암으로 인해 암종 경계부에는 단층파쇄대 및 단층활면과 같은 불량암질대를 형성하고 있다. 붕괴 원인은 천매암의 급속한 풍화, 쪼개짐 및 Slaking 특성, 엽리면(점토 협재) 발달, 화강반암의 관입 접촉에 의한 암종경계부 파쇄대 형성 등의 지질구조 특성 및 비탈면내 침투수 등으로 인한 불연속면의 전단강도 저하 등의 복합적 요인에 의한 것으로 분석되었다.
- 3. 사례 C - 심부 암종경계면(점토대)에 의한 비탈면 붕괴사례: 대상 비탈면은 셰일, 사암 및 역암 등이 호층 상태로 불규칙하게 나타나며, 본 퇴적암류의 하부에 회장암이 분포하고 있다. 대상 지역은 시공 전 및 시공 중 수 차에 걸쳐 산사태가 기 발생되었으며, 정밀지반조사 결과, 파쇄 및 풍화 상태가 심한 상부 역암과 하부 회장암이 부정합면을 형성하면서 분포하고 있고, 역암과 회장암의 암종경계 주변부는 파쇄대, 회장암 점토대 및 회장암 열수변질대 등의 연약 대가 다수 분포하고 있는 것으로 파악되었다.
- 23~25). 궁극적으로 산사태 발생 원인은 본 회장암 점토대를 따른 전단강도와 마찰저항력의 감소 및 간극수압의 증가 등에 의한 것으로서, 추가적으로 본 점토대를 기저로 하여 상부 퇴적암 파쇄대 및 풍화토층으로 이어지는 대규모 암반 블록의 이동(Rock slide)에 의한 재활성 산사태(Reactivated landslide)가 예상되었다.
- 사례 C - 심부 암종경계면(점토대)에 의한 비탈면 붕괴사례: 대상 비탈면은 셰일, 사암 및 역암 등이 호층 상태로 불규칙하게 나타나며, 본 퇴적암류의 하부에 회장암이 분포하고 있다. 대상 지역은 시공 전 및 시공 중 수 차에 걸쳐 산사태가 기 발생되었으며, 정밀지반조사 결과, 파쇄 및 풍화 상태가 심한 상부 역암과 하부 회장암이 부정합면을 형성하면서 분포하고 있고, 역암과 회장암의 암종경계 주변부는 파쇄대, 회장암 점토대 및 회장암 열수변질대 등의 연약 대가 다수 분포하고 있는 것으로 파악되었다. 붕괴 원인은 회장암 점토대를 따른 전단강도와 마찰저항력의 감소 및 간극수압의 증가 등으로 분석되었으며, 비탈면 안정대책으로 Soil Nailing공법, 영구앵커공법 및 억지말뚝공법 등을 적용하였으며, 파쇄대 구간은 지반보강 그라우팅공법을 병행함으로써 비탈면 안정성을 확보하였다.
- 천매암은 연속성이 높은(High) 엽리가 발달하고 있으며, 엽리면의 경사방향 및 경사가 비탈면의 방향성과 유사한 방향으로 형성되어 있어 엽리면을 따른 평면파괴가 발생된 것으로 파악되었다. 또한 시추조사, 전기비저항탐사 및 시추공영상촬영 분석 결과 천매암과 화강반암의 암종경계부에는 암맥관입접촉에 의한 단층 파쇄대(화강반암 파쇄대 및 천매암 파쇄엽리면 발달)가 비탈면의 방향성과 거의 유사하게 발달함으로써 평면파괴가 유발된 것으로 분석 및 판단되었다(Fig. 12~13).
- 5 mm)에 의한 우수침투에 따른 간극수압 증가 및 전단강도 저하 등의 복합적인 원인에 의한 붕괴현상으로 분석되었다. 또한 평사투영해석결과(Fig. 5) 쐐기파괴 가능성이 예상되는 구간에 대하여 한계평형해석프로그램인 SWEDGE를 사용하여 비탈면 안정성을 검토하였으며, 검토 결과 단층과 절리, 절리와 절리의 교차에 의한 추가 쐐기파괴가 예상되는 불안정 비탈면을 형성하고 있어 대책방안이 강구되었다(Table 1, Fig. 6).
- 사례 B - 엽리 및 암맥관입접촉부 파쇄대에 의한 비탈면 붕괴 사례: 대상 비탈면은 천매암을 기반암으로 하고 있으며, 엽리면을 따라 관입한 화강반암으로 인해 암종 경계부에는 단층파쇄대 및 단층활면과 같은 불량암질대를 형성하고 있다. 붕괴 원인은 천매암의 급속한 풍화, 쪼개짐 및 Slaking 특성, 엽리면(점토 협재) 발달, 화강반암의 관입 접촉에 의한 암종경계부 파쇄대 형성 등의 지질구조 특성 및 비탈면내 침투수 등으로 인한 불연속면의 전단강도 저하 등의 복합적 요인에 의한 것으로 분석되었다. 비탈면 안정대책으로 비탈면 경사를 1:1.
- 대상 지역은 시공 전 및 시공 중 수 차에 걸쳐 산사태가 기 발생되었으며, 정밀지반조사 결과, 파쇄 및 풍화 상태가 심한 상부 역암과 하부 회장암이 부정합면을 형성하면서 분포하고 있고, 역암과 회장암의 암종경계 주변부는 파쇄대, 회장암 점토대 및 회장암 열수변질대 등의 연약 대가 다수 분포하고 있는 것으로 파악되었다. 붕괴 원인은 회장암 점토대를 따른 전단강도와 마찰저항력의 감소 및 간극수압의 증가 등으로 분석되었으며, 비탈면 안정대책으로 Soil Nailing공법, 영구앵커공법 및 억지말뚝공법 등을 적용하였으며, 파쇄대 구간은 지반보강 그라우팅공법을 병행함으로써 비탈면 안정성을 확보하였다.
- 예비안정성 평가인 평사투영해석 결과, 대상 비탈면은 평면, 쐐기 및 전도 파괴의 가능성이 있는 불안정한 비탈면으로 분석되었다.
- 이러한 조사결과를 종합해 볼 때, 대상 비탈면의 활동 원인은 천매암의 급속한 풍화, 쪼개짐(Fissility) 및 Slaking 특성, 엽리면(점토 협재) 발달과 같은 천매암의 불연속면 특성, 천매암을 관입한 화강반암의 관입 접촉에 의한 암종경계부 파쇄대 형성 등의 지질구조 특성 및 비탈면내 침투수 등으로 인한 불연속면의 전단강도 저하 등의 복합적 요인에 의한 것으로 판단된다.
- 지반조사 결과, 대상 비탈면은 변성퇴적암의 일종인 천매암을 기반암으로 하고 있으며, 산성암맥인 화강반암이 부분적으로 엽리면을 따라 관입한 지질구조적 특징을 보이고 있다. 화강반암 관입으로 인해 암종 경계부에는 단층파쇄대(Fault shear zone) 및 단층활면(Slickenside)과 같은 불량암질대가 발달하고 있다(Fig.
- 지반조사 결과, 대상 비탈면은 주로 파쇄 및 풍화 상태가 심한 상부 역암과 하부 회장암이 부정합면(Unconformity)을 형성하면서 분포하고 있고, 역암과 회장암의 암종경계 주변부는 파쇄대, 회장암 점토대 및 회장암 열수변질대 등의 연약대가 다수 분포하고 있다. 특히, 회장암 점토대는 심한 열수변질 및 풍화 작용에 의하여 형성된 것으로 추정되며 층후는 대체로 평균 약 1~2 m (최소 10 cm, 최대 2.
- 8로 설계 및 시공되었다. 지표지질조사결과, 유문석영안산암(Rhyodacite, H.W.~M.W.)이 주분포하고 있으며, 약 10~15 cm 두께의 단층점토(Fault clay)가 협재된 단층면의 교차[F1(48/292) + F2(50/009)]에 의한 쐐기파괴(규모 : 약 720 m3, L=12 m, H=20 m, D=1~3 m)가 붕괴의 원인으로 판단되며(Fig. 3, 4), 붕괴발생 전 집중호우(1일간 약 217.5 mm)에 의한 우수침투에 따른 간극수압 증가 및 전단강도 저하 등의 복합적인 원인에 의한 붕괴현상으로 분석되었다. 또한 평사투영해석결과(Fig.
- 5) 이완된 천매암의 엽리면과 암종경계면을 따른 평면파괴가 발생하였다. 활동이력 조사 및 분석 결과 본 대상 비탈면의 활동은 2005년 5월 우기를 시작으로 절취된 비탈면에 침투수에 의한 간극수압이 증가하여 부분적으로 비탈면 표면부 유실이 발생하면서 대규모 활동으로 진행된 것으로 판단되었다.
후속연구
- 특히 다양성과 불확실성이 매우 큰 암반으로 구성된 비탈면의 경우에 있어서는 불연속면이나 지질구조 특성 등이 붕괴의 주요인으로 고려되고 있으므로, 암반비탈면의 설계 및 시공 시 원지반의 지질상태와 특성을 정밀하게 파악할 수 있는 적합한 지반 조사 및 시험을 실시하여야 한다. 아울러 이의 종합적이고 정밀한 지반분석이 무엇보다도 중요하다고 할 수 있으며, 이러한 정밀지반분석 결과를 활용하여 안정성, 품질, 경제성 등이 고려된 최적의 대책공법을 선정해야 할 것으로 판단된다.
- 우리나라에 분포하는 다양한 암종 및 복잡한 지질구조 특성상 대규모 비탈면 시공 시 다양한 내부 및 외부 요인에 의한 붕괴사례가 빈번하게 발생하고 있으며, 이의 영향으로 절취공사 도중이나 완공 후에 급작스런 파괴에 의한 대형사고가 발생함으로써 공기지연이나 막대한 경제적 손실 등을 초래하기도 한다. 특히 다양성과 불확실성이 매우 큰 암반으로 구성된 비탈면의 경우에 있어서는 불연속면이나 지질구조 특성 등이 붕괴의 주요인으로 고려되고 있으므로, 암반비탈면의 설계 및 시공 시 원지반의 지질상태와 특성을 정밀하게 파악할 수 있는 적합한 지반 조사 및 시험을 실시하여야 한다. 아울러 이의 종합적이고 정밀한 지반분석이 무엇보다도 중요하다고 할 수 있으며, 이러한 정밀지반분석 결과를 활용하여 안정성, 품질, 경제성 등이 고려된 최적의 대책공법을 선정해야 할 것으로 판단된다.
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