[논문]RMR과 암석종류가 터널 천공속도에 미치는 영향

김해만; 이인모; 홍창호

doi:10.9711/ktaj.2019.21.4.561

초록
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NATM 공법을 이용한 터널굴착 시 발파공 천공 및 장약 작업은 전체 터널 굴착 시간의 30% 이상을 차지하는 중요한 과정이다. 최근에는 이 공정을 활용하여 천공작업 도중 얻어지는 타격압, 천공속도 등을 바탕으로 터널 굴착면 전방의 지반상태, RMR 등을 예측하는 연구들이 진행되어 왔다. 하지만 선행 연구들은 대부분 화강암으로 대표되는 화성암질 지반에 대해서만 수행되어 왔다. 본 연구에서는 유사한 RMR의 범위를 가지는 화성암의 천공속도를 퇴적암(특히, 역암, 사암 및 셰일)의 천공속도와 비교/분석하였으며, 유사한 RMR 값을 가지는 암이라 하더라도 암질 종류에 따라서 천공속도가 크게 달라질 수 있음을 확인하였다. 퇴적암에서의 천공속도가 화성암에서의 속도보다 더 빨랐으며, 또한 화성암의 경우 천공속도와 RMR등급에 따른 천공속도의 차이는 거의 없는 것에 반하여, 퇴적암의 경우는 RMR등급이 낮아질수록 천공속도는 증가함을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Drilling and charging of the blast holes during NATM tunneling works take more than 30% of construction time among the whole tunneling work process. Prediction of ground condition ahead of tunnel face has been studied by several researchers by correlating percussion pressure and drilling speed durin...

Drilling and charging of the blast holes during NATM tunneling works take more than 30% of construction time among the whole tunneling work process. Prediction of ground condition ahead of tunnel face has been studied by several researchers by correlating percussion pressure and drilling speed during tunneling work with the ground condition and/or RMR values. However, most of the previous researches were conducted in the granite rock condition which is the most representative igneous rock in the Korean peninsula. In this study, drilling speeds in igneous rocks were analyzed and compared with those in sedimentary rocks (most dominantly composed of conglomerates, sandstones, and shales) under the similar RMR ranges; it was identified that the drilling speed is pretty much affected by rock types even in a similar RMR range. Under the similar RMR values, the drilling speed was faster in sedimentary rocks compared with that in igneous rock. Moreover, while the drilling speed was not much affected by change of the RMR values in igneous rocks, it became faster in sedimentary rocks as the RMR values got lower.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. Jumbo drill utilized in this study
표 Table 1. Specification of jumbo drill (Atlas Copco XL3C & COP 2238)
그림 Fig. 2. Test sites
그림 Fig. 3. Sectional view of the tunnels and measured sections
표 Table 2. Summarization of the obtained data
그림 Fig. 4. Acquisition of average drilling speed (underground manager)
그림 Fig. 5. Drilling process
그림 Fig. 6. Drilling speed with different RMR
그림 Fig. 7. Drilling speed with different types of rock and RMR class
그림 Fig. 8. Sandstone near the tunnel site B
그림 Fig. 9. Relationship between RMR and drilling speed

AI 본문요약
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문제 정의

, 2006). 따라서 본 연구에서는 2개의 터널현장에서 얻어진 지반특성과 RMR값, 점보드릴을 이용한 천공속도를 활용하여 화성암질 지반과 퇴적암 지반에서의 RMR에 따른 점보 드릴 천공속도에 관한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 화성암과 퇴적암질 지반으로 구성된 두 개의 터널에서 얻어진 RMR값과 천공속도의 관계에 대한 연구를 진행하였다. 본 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.

가설 설정

1. 화성암질 지반을 통과하는 터널의 경우 점보드릴의 천공속도가 터널 굴착면의 RMR값의 변화에 큰 영향을 받지 않는다. 반면, 퇴적암질 지반을 통과하는 터널에서는 굴착면의 RMR이 감소함에 따라 점보드릴의 천공속도가 증가하는 것을 확인하였다.
획득된 4개 굴착 면의 설계당시 RMR은 모두 4등급이었고, 실제 굴착결과 역시 4개 굴착면에서 RMR값이 각각 35, 35, 20, 36으로 RMR 4등급이었다. 이를 근거로 터널 설계도서의 자료와 실제 굴착 자료가 유사하다고 가정한 후 설계도서에서 천공 위치의 RMR을 획득하였다(Fig. 3). RMR값은 설계도서를 바탕으로 A터널에서는 RMR I등급(80~100)에 해당하는 6개, RMR II등급(60~80)구간에 해당하는 8개, RMR III등급(40~60)구간에 해당하는 4개, RMR IV 등급(20~40)구간에 해당하는 18개의 굴착면에 대한 데이터를 수집하였다(Fig.

제안 방법

3. 퇴적암의 RMR등급에 따른 천공속도를 추정할 수 있는 경험식을 제시하였다. 본 연구를 통해 획득된 경험식은 터널 전방의 RMR등급을 유추하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
4. 본 연구에서는 실측 RMR의 값 획득이 어려워 설계상 RMR값과 천공속도의 값을 비교하였다. 추후에는 보다 많은 사이트 연구를 통해 실측 RMR값을 획득하여 본 연구에서 도출된 결과를 검증할 필요가 있다.
천공속도 데이터는 점보드릴에 설치 되어있는 Underground manager로부터 굴착면마다 얻은 붐대별 천공 홀의 개수, 천공 길이, 천공 시간 등을 획득하였다. 각 홀마다의 길이 및 시간을 계산하는 것이 어려워 한 단면에 해당하는 붐대의 총 천공길이 및 총 천공시간을 바탕으로 평균 천공속도를 획득하였다(Fig. 4 and Table 2). 천공작업은 Fig.
실제 터널 굴착면에서 발파공을 천공할 당시에 4개의 굴착면에 대해서만 RMR값을 획득할 수 있었다. 따라서 터널 설계도서에 나와있는 RMR값과 실제 RMR값을 비교하여 그 신뢰성을 확인하였다. 획득된 4개 굴착 면의 설계당시 RMR은 모두 4등급이었고, 실제 굴착결과 역시 4개 굴착면에서 RMR값이 각각 35, 35, 20, 36으로 RMR 4등급이었다.
암석 종류에 따른 천공속도의 영향을 확인하기 위해 동일한 RMR 등급을 가지지만 구성 암질이 다른 경우를 RMR 2~4등급으로 나누어 평균천공속도를 확인하였다(Fig. 7). RMR이 II등급(60~80)인 경우 화성암질인 곳과 퇴적암인 곳의 평균천공속도는 각각 2.
1(b))으로 자동천공 깊이 설정, 천공각도 및 위치 표시, 천공 데이터 확인 및 출력, 터널레이저 사용 시 무측량 천공 등이 가능한 점을 고려하여 해당 천공장비를 실험에 사용하였으며 자세한 스펙은 Table 1과 같다. 점보드릴에는 천공깊이(Hole Depth), 상향점보각도(Lookout), 상향천공(Lookout Angle), 천공방향 (Lookout Direction), 평균천공속도(Average Speed) 등을 계측할 수 있는 Underground manager라는 천공관리 프로그램이 설치되어 있으며, 본 연구의 대상지반 모두에서 동일한 점보드릴로 천공하며 해당 프로그램에 기록된 측정값을 활용하였다.

대상 데이터

3). RMR값은 설계도서를 바탕으로 A터널에서는 RMR I등급(80~100)에 해당하는 6개, RMR II등급(60~80)구간에 해당하는 8개, RMR III등급(40~60)구간에 해당하는 4개, RMR IV 등급(20~40)구간에 해당하는 18개의 굴착면에 대한 데이터를 수집하였다(Fig. 3(a) and Table 2).
3(b) and Table 2). 굴착면의 개수가 적은 구간의 경우에도 단면마다 천공 개수가 100개 이상이기 때문에 1,700 m 이상의 천공 데이터를 포함하게 된다.
본 연구에 활용된 천공데이터는 네오그린(주)으로부터 제공받았습니다. 이에 감사드립니다.
연구대상지반은 경상남도 고성지역(A터널)과 전라남도 영암지역(B터널)에 위치한 고속도로용 터널이었다 (Fig. 2). 각 터널의 현장지질조건을 살펴보면 A터널의 지반은 기본적으로 화강암으로 유색광물의 함량이 10% 전후로 담색, 유백색 및 담홍색을 띠고 있다.
천공속도 데이터는 점보드릴에 설치 되어있는 Underground manager로부터 굴착면마다 얻은 붐대별 천공 홀의 개수, 천공 길이, 천공 시간 등을 획득하였다. 각 홀마다의 길이 및 시간을 계산하는 것이 어려워 한 단면에 해당하는 붐대의 총 천공길이 및 총 천공시간을 바탕으로 평균 천공속도를 획득하였다(Fig.

성능/효과

2. RMR이 II~IV등급에 해당하는 화성암질과 퇴적암질 지반 굴착면에서 획득된 천공속도는 화성암질보다 퇴적암질에서 약 14~55%가량 빠른 것을 확인하였다. 이는 퇴적암질 지반이 역암, 사암, 셰일 등으로 이루어져 있기 때문이다.
A 터널에서 얻어진 평균 천공속도는 RMR이 I등급(80~100)일 때 2.25 ± 0.21 m/min, II등급(60~80)일 때 2.23 ± 0.06 m/min, III등급 일 때 1.98 ± 0.03 m/min, 그리고 IV등급일 때 2.05 ± 0.24 m/min이었다(Fig.
A터널에서 RMR III등급일 때의 천공속도가 II, IV등급일 때에 비해 작게 나타난 것은 상대적으로 적은 4곳의 굴착면의 평균값을 사용하였기 때문으로 판단된다. Fig. 6의 결과를 통해 화성암질 암반에서는 점보드릴의 천공속도가 RMR에 큰 영향을 받지 않는 것을 확인할 수 있었고, 반대로 퇴적암질 암반에서는 RMR 등급이 증가함에 따라(즉 암반상태가 좋아질수록) 천공속도가 감소하는 것을 확인할 수 있었다.
7(a)). RMR이 III등급(40~60)인 경우 화성암질과 퇴적암질에서의 천공속도는 각각 1.98 m/min과 2.87 m/min으로 퇴적암질에서 약 45%가량 빠른 것을 확인하였다(Fig. 7(b)).
7). RMR이 II등급(60~80)인 경우 화성암질인 곳과 퇴적암인 곳의 평균천공속도는 각각 2.23 m/min과 2.53 m/min로 퇴적암인 구간에서 천공속도가 약 14%가량 빠른 것을 확인할 수 있었다(Fig. 7(a)).
화성암질 지반을 통과하는 터널의 경우 점보드릴의 천공속도가 터널 굴착면의 RMR값의 변화에 큰 영향을 받지 않는다. 반면, 퇴적암질 지반을 통과하는 터널에서는 굴착면의 RMR이 감소함에 따라 점보드릴의 천공속도가 증가하는 것을 확인하였다.

후속연구

퇴적암의 RMR등급에 따른 천공속도를 추정할 수 있는 경험식을 제시하였다. 본 연구를 통해 획득된 경험식은 터널 전방의 RMR등급을 유추하는 데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 실측 RMR의 값 획득이 어려워 설계상 RMR값과 천공속도의 값을 비교하였다. 추후에는 보다 많은 사이트 연구를 통해 실측 RMR값을 획득하여 본 연구에서 도출된 결과를 검증할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	화성암보다 퇴적암에서 천공(굴착) 속도 빠른 원인은 무엇인가?	이는 퇴적암질 지반이 역암, 사암, 셰일 등으로 이루어져 있기때문이다. 역암의 경우 역(rock)으로 불리는 큰 입자와 역 사이를 연결하는 기질(matrix)로 구성되며 역의 입자크기, 역-기질의 비율, 역과 기질의 물성차 등에 따라 변화를 보인다. 사암이나 셰일의 경우 퇴적 방향에 따라 이방성을 가지는 경우가 있고, 이암의 경우 공기 중에 노출 시 급격한 강도 저하가 발생하며, 전반적인 퇴적 암의 강도가 화성암보다 낮은 것으로 알려져 있다. 이러한 요소들이 화성암에서보다 퇴적암에서 천공(굴착) 속도가 빨랐던 원인으로 사료된다.
	NATM공법으로 시공되는 터널은 어떤 과정을 거치게 되는가?	NATM공법으로 시공되는 터널은 점보드릴(jumbo drill)과 같은 천공장비를 이용하여 발파공을 천공하고 화약을 장약한 후 발파하여 시공된다. 발파공 굴착 및 장약 작업은 1싸이클 시간의 30% 이상을 차지하는 매우 중요한 과정이다(Kim et al.
	역암의 특징은 무엇인가?	퇴적암은 역암, 사암, 셰일 등으로 구성되어 있었다. 역암의 경우 역(rock)과 기질(matrix)로 구성되어 있어 역암의 역학적인특징은 역암의 입자크기, 역-기질의 비율, 역과 기질의 물성차 등에 따라 변화를 보인다(Park et al., 2007).

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