[논문]터널굴착 중 지하수위 강하 및 깊이별 투수계수 변화를 적용한 지하수 유입량 변화 분석

문준식; 쩡안치; 장서용

doi:10.9711/ktaj.2017.19.2.109

터널굴착 중 지하수위 강하 및 깊이별 투수계수 변화를 적용한 지하수 유입량 변화 분석
Assessment of groundwater inflow rate into a tunnel considering groundwater level drawdown and permeability reduction with depth 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.19 no.2, 2017년, pp.109 - 120

문준식 (경북대학교 토목공학과) , 쩡안치 (경북대학교 토목공학과) , 장서용 (전남대학교 건축공학과)

초록
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터널 내 지하수 침투는 터널붕괴와 그에 따른 지반침하의 주요 원인 중 하나이다. 따라서 터널굴착 중 시간에 따른 지하수 침투량과 간극수압 변화를 적절히 예측하는 것이 중요하다. 실무에서는 균질한 지반조건으로 가정하는 Goodman의 산정법을 사용하여 지하수 침투량을 계산하지만, 터널굴착 중 지하수위 강하와 깊이에 따른 투수계수 변화를 고려하지 않아 설계단계에서 지하수 유입량을 과다하게 산정할 우려가 있다. 따라서 본 연구에서는 지하수위 강하 및 깊이별 투수계수의 감소를 적용한 매개변수분석을 통해 지하수 유입량 변화를 분석 비교하였으며, 시간에 따른 지하수 침투량 변화와 지하수위 및 간극수압 분포 변화를 분석하기 위해 비정상류 해석을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Groundwater seepage into a tunnel is one of the main causes triggering tunnel collapse and the consequent ground subsidence. Thus, it is important to estimate adequately the groundwater inflow rate and porewater pressure change during tunneling with time elapse. In current practice, Goodman's analytical solution (or image tunnel method) assuming homogeneous ground condition around a tunnel is commonly used for estimating groundwater inflow rate. However, the generally-used analytical solution for estimating groundwater inflow rate does not consider groundwater level drawdown and permeability change with depth, and the inflow rate can be overestimated in design phase. In this study, parametric study was performed in order to investigate the effect of groundwater level drawdown and permeability reduction with depth, and transient flow analysis was carried out for studying the inflow rate change as well as groundwater level and porewater pressure change around a tunnel with time elapse.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 일반적인 터널 설계에 사용되는 유입량 산정방법이 고려하지 못하는 지하수위 강하와 깊이별 투수계수 감소 현상의 영향을 분석하였다. 터널 설계에서 일반적으로 사용하고 있는 Image Tunnel 방법과 지하수위 강하와 투수계수 감소영향을 고려한 수치해석을 통해 기존 방법이 유입량을 과다하게 산정할 우려가 있음을 확인하였고, 추가적으로 시간의 개념이 도입된 비정상류 해석을 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구에서는 절리암반 터널 내 지하수 유입량 산정 시 일반적으로 무시되는 지하수위 강하 및 투수계수 감소 효과를 파악하기 위해 수치해석을 수행하고 시간에 따른 터널 깊이별 지하수위 및 지하수 유입량 변화 추이를 분석하였다.
터널 굴착 직후 터널 인접 절리 내 지하수가 유입되며, 동수경사가 급증하여 비교적 큰 지하수 유입(Flush flow)이 발생하고 점차 동수경사가 완만해지고 지하수위가 강하하면서 시간에 따라 지하수 유입량이 감소하게 된다. 본 절에서는 시간에 따른 지하수 유입량과 간극수압의 변화를 분석하기 위해 비정상류 해석을 수행하였다. 정상류 해석과 달리 비정상류 해석을 수행함으로써 시간에 따른 지하수 유입량 및 간극수압 변화를 분석할 수 있다.

가설 설정

11(a) Case II의 지반의 투수계수가 Fig. 11(b) Case III의 터널 인접지반의 투수계수보다 30배 이상 큰 것을 주의해야 한다. Fig.

제안 방법

5. 본 연구에서 적용한 투수계수는 깊이에 따른 감소만을 적용하였다. 하지만 절리암반의 경우 이 외에도 터널 내 지하수 유입에 의한 유효응력 증가가 발생하고 절리간극이 감소로 인해 투수계수가 감소할 수 있다.
또한, 모델별 지하수 강하의 영향과 투수계수 변화에 대한 영향을 분석하기 위해 Table 1과 같이 Case I ~ Case III으로 구분하였다. Case I의 경우 Image Tunnel 방법을 통해 유도된 산정식 (2)를 이용하여 산정하였으며, 깊이별 투수계수 변화 적용의 경우 Fig. 2의 Snow (1968)의 실험결과를 토대로 깊이별 감소율을 적용하였다.
본 연구에서는 터널 굴착에 의한 유효응력 변화에 따른 투수계수의 변화는 고려하지 않았으며, Fig. 2의 Carlson & Olsson (1977)의 실험결과를 토대로 깊이에 따른 초기 투수 계수 변화만을 고려하여 해석을 수행하였다.
터널 굴착 직후 터널 내 지하수 유입량은 시간에 따라 점차 감소하다가 정상류 상태로 수렴한다. 정상류 상태는 외부환경 변화에 의해 지하수 흐름이 발생한 후 시간에 따라 변화하다가 평형상태에 도달한 상태로서, 정상류 상태의 지하수 유입량에 대하여 지하수위 강하와 심도별 투수계수 변화의 영향을 분석하기 위해 Table 1의 Case I ~ Case III로 구분하여 해석을 수행하였다.
지하수위는 GL-6 m이며, 지반의 투수계수는 등가 투수계수(km=10-4 cm/sec)를 적용한 경우와 깊이별 투수계수 변화(km=4×10-4 ~ 10-6 cm/sec)를 고려한 경우로 구분하였다.
본 연구에서는 일반적인 터널 설계에 사용되는 유입량 산정방법이 고려하지 못하는 지하수위 강하와 깊이별 투수계수 감소 현상의 영향을 분석하였다. 터널 설계에서 일반적으로 사용하고 있는 Image Tunnel 방법과 지하수위 강하와 투수계수 감소영향을 고려한 수치해석을 통해 기존 방법이 유입량을 과다하게 산정할 우려가 있음을 확인하였고, 추가적으로 시간의 개념이 도입된 비정상류 해석을 통해 다음과 같은 결과를 얻었다.

대상 데이터

GTS NX 프로그램은 정해석, 침투해석, 응력-침투 연계해석 등 다양한 해석기능을 제공하며, 지반 및 터널, 기초, 가시설 등 지반구조물의 정확한 모델링을 위해 다양하고 특화된 요소를 제공한다. 해석에 사용된 모델은 Fig. 4와 같이 가상 지반을 대상으로 GL-15 ~ 150 m 심도에 직경이 3 m 인 원형 터널을 적용하였으며, 모델의 크기는 폭과 길이에 대한 매개변수 분석을 통해 경계조건의 영향이 최소화가 되도록 선정하였다. 지하수위는 GL-6 m이며, 지반의 투수계수는 등가 투수계수(k_m=10^-4 cm/sec)를 적용한 경우와 깊이별 투수계수 변화(k_m=4×10^-4 ~ 10^-6 cm/sec)를 고려한 경우로 구분하였다.

데이터처리

수치해석은 유한요소 해석법을 근거로 지반 및 터널 시스템에 대한 수치해석을 위해 개발된 마이더스아이티사의 GTS NX 프로그램을 사용하였다. GTS NX 프로그램은 정해석, 침투해석, 응력-침투 연계해석 등 다양한 해석기능을 제공하며, 지반 및 터널, 기초, 가시설 등 지반구조물의 정확한 모델링을 위해 다양하고 특화된 요소를 제공한다.

이론/모형

깊이별 투수계수의 변화는 Fig. 2의 Carlson & Olsson (1977)의 packer 시험결과를 적용하였다.
터널 내 지하수 유입량은 Harr (1962)과 Goodman et al. (1965)이 제안한 Fig. 3의 Image Tunnel 방법을 통해 산정할 수 있다. Image Tunnel 방법은 복잡한 반무한 경계조건의 문제를 비교적 간단한 무한 경계조건으로 변환하여 Fig.

성능/효과

1. 터널깊이가 얕을수록 지하수위 강하율이 크며 지하수위 강하를 고려하지 못하는 Image tunnel 방법은 터널 내 지하수 유입량을 과다하게 산정함을 알 수 있었다. 따라서 얕은 터널의 경우 터널 내 지하수 유입량 산정식의 수정이 필요하다.
2. 지반에 동일한 투수계수를 적용한 경우(Case II)와 심도별 투수계수 감소를 적용한 경우(Case III)의 결과에서 터널의 깊이가 얕을 경우 두 Case의 유입량 차이가 작게 발생하나 깊은 터널에서는 그 차이가 크게 발생함을 확인하였다. 따라서 깊은 터널의 경우 심도별 투수계수 감소의 영향을 고려한 지하수 유입량의 산정이 필요하다.
3. 비정상류 해석을 수행한 결과 시간에 따른 터널 내 지하수 유입율(q_t/q₀)은 심도별 투수계수 감소를 적용할 경우(Case III) 터널심도에 따라 변화 양상이 다르게 나타났다. 터널심도가 얕을수록 초기에 터널 내부로 많은 양의 지하수 유입이 발생하고 깊은 터널에서는 일정 시간이 경과 후 서서히 감소함을 확인하였다.
4. 심도별 투수계수 변화를 적용할 경우(Case III) 시간에 따른 지하수위 강하와 간극수압 변화는 터널심도가 얕을수록 간극수압의 변화범위가 깊게 발생하고, 지하수위 강하와 간극수압 변화구간이 넓게 나타났다. 반면 깊은 터널의 경우 간극수압 변화구간이 주로 터널주변에서만 발생하였고 지하수위 강하가 거의 발생하지 않는 것을 확인 하였다.
이는 심도가 깊을수록 터널주변 지반의 투수계수가 작아서 터널 내 지하수 유입이 작게 발생하여 반지름 방향의 흐름만으로도 터널 내 유입에 따른 지하수 유입/손실에 대한 재충전이 충분하기 때문으로 판단된다. 결과적으로 터널 주변의 간극수압의 영향범위가 지하수위선까지 확대되지 못하여 지하수위 강하가 거의 발생하지 않은 것으로 나타났다.
심도별 투수계수 변화를 적용할 경우(Case III) 시간에 따른 지하수위 강하와 간극수압 변화는 터널심도가 얕을수록 간극수압의 변화범위가 깊게 발생하고, 지하수위 강하와 간극수압 변화구간이 넓게 나타났다. 반면 깊은 터널의 경우 간극수압 변화구간이 주로 터널주변에서만 발생하였고 지하수위 강하가 거의 발생하지 않는 것을 확인 하였다.
하지만, 터널심도가 90 m이상의 경우 시간에 따른 지하수 유입율이 초기에는 거의 일정하게 나타나다가 서서히 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 터널심도 30 m에서는 터널주변 지반의 투수계수가 크므로 터널 굴착 후 초기에 많은 양의 지하수가 터널 안으로 빠져나오기 때문에 지하수 유입율 변화가 급격하게 감소하는 형태를 나타내며, 터널심도가 90 m이상의 경우에서는 터널주변 지반의 투수계수가 작으므로 터널 굴착 직후에는 비교적 적은 양의 지하수가 터널 안으로 유입되고 주변 지반 내 지하수가 재충전되면서 비교적 일정하게 유입이 발생하다가 일정시간이 경과한 후 서서히 지하수위 강하가 발생하면서 지하수 유입량이 감소하는 것으로 분석된다.
비정상류 해석을 수행한 결과 시간에 따른 터널 내 지하수 유입율(q_t/q₀)은 심도별 투수계수 감소를 적용할 경우(Case III) 터널심도에 따라 변화 양상이 다르게 나타났다. 터널심도가 얕을수록 초기에 터널 내부로 많은 양의 지하수 유입이 발생하고 깊은 터널에서는 일정 시간이 경과 후 서서히 감소함을 확인하였다.

후속연구

하지만 절리암반의 경우 이 외에도 터널 내 지하수 유입에 의한 유효응력 증가가 발생하고 절리간극이 감소로 인해 투수계수가 감소할 수 있다. 따라서 터널 내 지하수 유입량과 시간에 따른 지하수위 변화를 적절히 예측하기 위해서는 이와 같은 절리암반의 유효응력 변화에 의한 투수계수 변화를 추가적으로 적용하여 수리-역학적 연계해석 연구를 추가적으로 수행하여야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정상류 상태란 무엇인가?	터널 굴착 직후 터널 내 지하수 유입량은 시간에 따라 점차 감소하다가 정상류 상태로 수렴한다. 정상류 상태는 외부환경 변화에 의해 지하수 흐름이 발생한 후 시간에 따라 변화하다가 평형상태에 도달한 상태로서, 정상류 상태의 지하수 유입량에 대하여 지하수위 강하와 심도별 투수계수 변화의 영향을 분석하기 위해 Table 1의 Case I ~ Case III로 구분하여 해석을 수행하였다.
	터널 내 지하수 침투를 미리 예측하기위해 중요한 것은 무엇인가?	터널 내 지하수 침투는 터널붕괴와 그에 따른 지반침하의 주요 원인 중 하나이다. 따라서 터널굴착 중 시간에 따른 지하수 침투량과 간극수압 변화를 적절히 예측하는 것이 중요하다. 실무에서는 균질한 지반조건으로 가정하는 Goodman의 산정법을 사용하여 지하수 침투량을 계산하지만, 터널굴착 중 지하수위 강하와 깊이에 따른 투수계수 변화를 고려하지 않아 설계단계에서 지하수 유입량을 과다하게 산정할 우려가 있다.
	절리암반의 경우 유효응력 증가는 무엇을 초래하는가?	터널이 지하수위 아래에 굴착될 경우 지하수위는 일반적으로 시간이 경과할수록 정상류상태가 될 때까지 강하하며, 지반의 투수계수는 심도가 깊어질수록 감소하는 경향을 보인다. 하지만 투수계수의 변화는 이뿐만 아니라 터널굴착에 따른 터널주변 지반의 간극수압 감소에 따른 유효응력증가에 의해 발생할 수 있으며, 특히 절리암반의 경우 유효응력 증가는 터널 주변 절리의 닫힘현상을 초래하고 이러한 닫힘현상으로 인해 투수계수 감소가 발생한다. You와 Lee (2008)은 불연속 암반 내 해저터널의 안전성 평가를 위해 연계해석을 수행하여 절리 내 지하수 흐름이 터널거동에 미치는 영향을 분석하였다.

참고문헌 (12)

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Harr, M.E. (1962), Groundwater and Seepage, Chap. 10, pp. 249-264.
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Snow, D.T. (1968), "Hydraulic characteristics of fractured metamorphic rocks of the front range and implications to the Rocky Mountain Arsenal Well", Col. Sch. Mines Quart., Vol. 63, pp. 167-99.
Yoo, C.-S. (2008), "3D coupled analysis on tunneling under groundwater", Tunnelling Technology, Vol. 5, No. 2, pp. 175-187.
You, K.-H., Lee, D.-H. (2008), "Coupled analysis for the stability estimation of a subsea tunnel in discontinuous rock masses using sensitivity analysis", Tunnelling Technology, Vol. 10, No. 4, pp. 421-430.
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