[논문]석회암 공동발달지역의 터널지보패턴개발에 대한 연구

김상환; 허종석; 전덕찬

문제 정의

이상과 같이 카르스트 형태의 크기와 모양의 복잡성 때문에 정확한 카르스트의 형태예측은 불가능하다고 말 할 수 있다. 그러나 본 연구에서는 이와 같은 불확실성에 대한 체계적인 자료 분석을 통하여 추정 가능한 특별 지보패턴과 이에 따른 보강 및 보조공법에 대하여 제시하였다. 이를 위하여 우선적으로 카르스트 지반에서 예측 가능한 공동시나리오에 대한 추정 분석이 요구되어 진다.
특히, 석회암공동발달지역에 대한 지반의 등급화기법 뿐만 아니라 이에 따른 터널지보패턴 선정기법에 대하여서도 제시하였다. 또한, 석회암 공동 발달 지역에 대한 지반등 급과 지보패턴별 요구되는 보강 및 보조공법에 대하여서도 상세 서술하였다. 이 연구를 수행하기 위하여 석회암 공동이 발달되어 있는 00지역에 계획되었던 터널에 대한 설계시 적용함으로써 본 연구에서 제시한 간편화 기법의 현실적인 적용성에 대하여서도 분석 검토하였다.
특히, 석회암 공동발달지역에 대한 지반의 등급화 기법 뿐만 아니라 이에 따른 터널지보패턴 간편화 기법에 대하여서도 제시하였다. 또한, 석회암 공동지반등급과 지보패턴 별 요구되는 보강 및 보조공법에 대하여서도 상세 서술하였다.
본 연구는 국내의 석회암 공동발달지역의 불확실한 지반조건에서의 터널지보 System 설계의 간편화 기 법에 대한 연구결과를 기술하였다. 특히, 석회암공동발달지역에 대한 지반의 등급화기법 뿐만 아니라 이에 따른 터널지보패턴 선정기법에 대하여서도 제시하였다.
따라서 불확실성과 복잡한 지반조건을 보이는 카르스트지 형 에서는 1차지보에 대한 설계기법 및 기준을 사전에 설정 하여 보수 및 보강대책 이 수립 될 수 있도록 보강개념에 대한 계획이 수립되어야 할 것이다. 본 연구에서는 카르스트 형태 분류법에 의하여 분류된 카르스트 형 태(Karst Tyoe)별 1차 표준지보 System과 이에 대한 보강개념에 대하여 기 편화 기법의 개발연구이다. 표 6은 Karst Type에 따른 표준지보형식 및 보강패턴도를 나타낸 것이다.
이 연구를 수행하기 위하여 석회암 공동이 발달되어 있는 00 지역에 계획되었던 터널에 대하여 실질적으로 설계과정을 통하여 지보패턴의 형식선정기법의 적용에 대한 연구를 실시하였다. 이 연구결과를 통하여 향후 석회암 공동발달지역뿐만 아니라 이와 유사지반에서의 터널지보 설계에 적용하므로써 터널기술향상을 도모할 것이다.
또한, 석회암 공동 발달 지역에 대한 지반등 급과 지보패턴별 요구되는 보강 및 보조공법에 대하여서도 상세 서술하였다. 이 연구를 수행하기 위하여 석회암 공동이 발달되어 있는 00지역에 계획되었던 터널에 대한 설계시 적용함으로써 본 연구에서 제시한 간편화 기법의 현실적인 적용성에 대하여서도 분석 검토하였다. 이들로부터 얻어진 결과를 요약 정리하면 다음과 같다.
이에 따라, 이 연구는 국내의 석회암 공동발달지역의 불확실한 지반 조건에서의 터널지보 System 에 대한 간편화 기법에 대하여 기술하였다. 특히, 석회암 공동발달지역에 대한 지반의 등급화 기법 뿐만 아니라 이에 따른 터널지보패턴 간편화 기법에 대하여서도 제시하였다.
카르스트 형태의 위치, 크기, 종류 및 형상과 관련하여 앞장에서는 광역적으로 서로 다른 여러 카르스트 형태에 대한 시나리오들을 간단하고 예측 가능한 형태로 분류하는 기법에 대하여 제시되었다. 이와 같이 카르스트를 분류하는 목적은 해당된 카르스트 Type에 가능한 터널 지보의 종류를 사전에 규정하기 위함이다.
이에 따라, 이 연구는 국내의 석회암 공동발달지역의 불확실한 지반 조건에서의 터널지보 System 에 대한 간편화 기법에 대하여 기술하였다. 특히, 석회암 공동발달지역에 대한 지반의 등급화 기법 뿐만 아니라 이에 따른 터널지보패턴 간편화 기법에 대하여서도 제시하였다. 또한, 석회암 공동지반등급과 지보패턴 별 요구되는 보강 및 보조공법에 대하여서도 상세 서술하였다.
본 연구는 국내의 석회암 공동발달지역의 불확실한 지반조건에서의 터널지보 System 설계의 간편화 기 법에 대한 연구결과를 기술하였다. 특히, 석회암공동발달지역에 대한 지반의 등급화기법 뿐만 아니라 이에 따른 터널지보패턴 선정기법에 대하여서도 제시하였다. 또한, 석회암 공동 발달 지역에 대한 지반등 급과 지보패턴별 요구되는 보강 및 보조공법에 대하여서도 상세 서술하였다.

제안 방법

대상 지역을 광역적으로 인접 지역에 노출되어 있는 암반의 노두(Outcrops)에 대한 Scan line 및 Window mapping 등을 통하여 이 지역의 불연속면에 대한 분석을 실시하였다. 분석 결과에 따라 지역적으로 분포되어 있는 불연속면들의 특성에 따라 6개의 군으로 분류하여 지역적인 지질학적 특성을 파악하였다.
본 연구에서는 터널 단면과 연계하여 공동발달 형태에 따라 그림3와 같이 6가지로 카르스트지형을 세분화하여 복잡한 카르스트 형태를 구분하는데 적용하였다.
대상 지역을 광역적으로 인접 지역에 노출되어 있는 암반의 노두(Outcrops)에 대한 Scan line 및 Window mapping 등을 통하여 이 지역의 불연속면에 대한 분석을 실시하였다. 분석 결과에 따라 지역적으로 분포되어 있는 불연속면들의 특성에 따라 6개의 군으로 분류하여 지역적인 지질학적 특성을 파악하였다. 이 결과에 의하면, 대상 지역의 터널의 경우, 터널 건설에 있어 매우 불리한 불연속면의 특성을 보이는 지역임을 알 수 있었다, 이 지역의 Joint Set에 대한 주향은 NW-SE 분류상 3 또는 4군)로 발달되어 있으며, 터널 노선상 매우 불리한 조건으로 나타났다.
상기 언급 내용을 근거로 본 석회암 지역에 가능한 카르스트 형태에 대하여 예측하였다. 비록 백운암 지역 의 경우 지표면에 카르스트에 대한 형태가 나타나지는 않았지만 단층 및 파쇄대 지역에는 분포되어 있을 가능성은 배제할 수 없다.
상기 적용사례는 우선적으로 본 지역과 관련하여 조사된 지반자료의 분석을 통하여 크게 4개의 구역으로 구분하고 구역별로 해당되는 예상 카르스트 Type을 선정하여 적용한 것이다. 카르스트 Type의 예상은 그림5에서 제시된 지반 조건과 같이 구역별로 발달되어 있는 지반에 대한 암석 종류, 주 절리에 대한 Orientation, 단층과 파쇄대 발달상황 등을 검토 분석하여 선정되어진 것이다.

대상 데이터

그림2에서 보여주는 것과 같이 본 연구 대상 지역의 경우 Doline 또는 Sinkhole들의 규모는 최소 30m에서부터 최대 100m의 지름으로 구성되어 있다.
0m 이하의 폭으로 발달되어 있는 소규모의 Cave 등의 형태로 구분 할 수 있다. 본 대상 지역에서는 계획 터널 노선 직상부에 비교적 규모가 큰 2개 이상의 돌리네(Doline)들이 발달되어 있는 것으로 조사되었다. 이러한 돌리네들은 물리탐사를 통하여 터널 저면 위치까지 발달되어 있다는 것을 간접적으로 예측할 수는 있었다.
본 연구 대상 지역은 전반적으로 백악기 화강암질 (Cretaceous Granitic) 지역으로 오르도비스기 석회암 (Ordovician Limestones)과 백운암(Dolomites) 등이 발달되어 있는 지역이다. 특히 이 지역은 지질 구조 적으로 단층대가 발달되어 있으며, 이 지역에 분포되어 있는 화감암의 경우는 상당히 풍화되어 있으며, 연구 대상 터널 지역의 경우 석회암과 백운암이 단층대를 경계로 주로 발달되어 있다.
연구 지역은 국내 석회암 공동발달지역으로 널리 알려진 00 지역으로 그림1에서 보여주는 것과 같이 총연장 4 km로 계획된 철도이설공사의 노선상에 계획된 11개의 터널들 중에 공동발달이 심한 지역에 계획된 00터널로서 연장 약 1150m인 노선상 가장 긴 터널을 대상으로 수행하였다.

성능/효과

이러한 돌리네들은 물리탐사를 통하여 터널 저면 위치까지 발달되어 있다는 것을 간접적으로 예측할 수는 있었다. 결과적으로 시 추조사, 3차원 전기비저항, 수질분석 결과로부터 대상 지역은 카르스트 공동 존재 가능성이 매우 높은지 역이라는 것을 알 수 있다.
분석 결과에 따라 지역적으로 분포되어 있는 불연속면들의 특성에 따라 6개의 군으로 분류하여 지역적인 지질학적 특성을 파악하였다. 이 결과에 의하면, 대상 지역의 터널의 경우, 터널 건설에 있어 매우 불리한 불연속면의 특성을 보이는 지역임을 알 수 있었다, 이 지역의 Joint Set에 대한 주향은 NW-SE 분류상 3 또는 4군)로 발달되어 있으며, 터널 노선상 매우 불리한 조건으로 나타났다. 이러한 경우에는 터널 굴진 공사 시 터널의 Crown 및 Side wall 부분에 상당한 여굴이 발생될 것으로 예측할 수 있다.

후속연구

그러나, 공동 또는 파쇄대의 실질적인 규모에 대한 불확실성으로 터널굴진시 안전에 상당한 문제점을 야기 시킬 가능성을 대비하여, 추가적인 특별 지보 보강계획과 영구 라이닝 구조물 보강 및 Bridge-like 구조물등 추기적인 보강등을 통하여 안정성을 도모하여야 할 것이다.
시나리오의 작 성은 해당 카르스트지역에 대한 조사자료를 근거로 광역적인 분류를 수행하여야 할 것이며, 본 연구에서 제시한 카르스트 형태 분류별로 지보패턴 및 보강개념에 대한 간편화된 기준을 설립하여야 할 것이다. 끝으로, 이 연구결과를 통하여 향후 석회암 공동발달지역 뿐만 아니라 이와 유사지반에서의 터널지 보 설계에 적용하므로써 터널기술향상을 도모할 것이다.
여기서 카르스트 Type의 분류는 기존자료 및 대상 지역의 지반 조건을 근거로 예측 가능한 공동발달 형태 들을 분석하여 터널 공사 시 굴착이나 구조물에 경미한 영향을 주는 경우를 제외하고 대표적으로 형태만을 제시한 것이다. 따라서 향후 타지역에 적용 시에는 해당 지역에서 조사된 카르스트 형태를 추가로 분석하여 그림4에서 제시된 분류 형태의 수정 및 추가가 필요하다.
상기 언급된 지보형식은 카르스트지역에서 적용 가능한 지보패턴들로써 총 7등급의 표준패턴을 나타낸 것이다. 따라서, 카르스트 매우 큰 공동이 발달되어 있는 구간에 대하여서는 실질적인 지반조건에 따라 특별하게 추가적인 지보보강 방법 및 라이닝의 보강이 병행되어야 할 것이다.카르스트지역에서의 터널공사에서는 터널내로의 지하수유입에 대한 예측은 복잡하며, 시공성에 많은 영향을 준다.
석회암지역에 대하여서는 지역 및 지형적으로 차이는 있지면 일반적으로 카르스트 공동의 존재에 대하여 면밀한 검토가 요구된다. 또한, 카르스트 공동의 정확한 규모 및 위치에 대하여서는 지반조사시 어려 움이 따르고, 불규칙적이고 불확실하기 때문에 사전에 세밀한 분석을 통하여 터널 건설시 야기 될 수 있는 카르스트와 터널구조물과의 연계되는 시나리오의 작성이 필수 적이라고 판단된다. 시나리오의 작 성은 해당 카르스트지역에 대한 조사자료를 근거로 광역적인 분류를 수행하여야 할 것이며, 본 연구에서 제시한 카르스트 형태 분류별로 지보패턴 및 보강개념에 대한 간편화된 기준을 설립하여야 할 것이다.
또한, 카르스트 공동의 정확한 규모 및 위치에 대하여서는 지반조사시 어려 움이 따르고, 불규칙적이고 불확실하기 때문에 사전에 세밀한 분석을 통하여 터널 건설시 야기 될 수 있는 카르스트와 터널구조물과의 연계되는 시나리오의 작성이 필수 적이라고 판단된다. 시나리오의 작 성은 해당 카르스트지역에 대한 조사자료를 근거로 광역적인 분류를 수행하여야 할 것이며, 본 연구에서 제시한 카르스트 형태 분류별로 지보패턴 및 보강개념에 대한 간편화된 기준을 설립하여야 할 것이다. 끝으로, 이 연구결과를 통하여 향후 석회암 공동발달지역 뿐만 아니라 이와 유사지반에서의 터널지 보 설계에 적용하므로써 터널기술향상을 도모할 것이다.
그림에서 보여주고 있는 Doline 또는 Sinkhole들은 모두 입구붙가 토사 등으로 덮여 있는 상태로 조사 되었으며, 주로 석회암 분포구역에 발달되어 있다. 이 그림에서 보여주는 결과와 같이 본 연구대상 지역에 대하여서는 카르스트에 대한 시나리오의 예측이 요구하며, 이에 따른 새로운 터널지 보 패턴의 체계적인 선정기법이 제시되어야 할 것이다.
이 연구를 수행하기 위하여 석회암 공동이 발달되어 있는 00 지역에 계획되었던 터널에 대하여 실질적으로 설계과정을 통하여 지보패턴의 형식선정기법의 적용에 대한 연구를 실시하였다. 이 연구결과를 통하여 향후 석회암 공동발달지역뿐만 아니라 이와 유사지반에서의 터널지보 설계에 적용하므로써 터널기술향상을 도모할 것이다.
이 표에서 제시된 Karst Type별 표준지보형식과 이에 대한 보강개념도는 실질적으로 카르스트지형에 있어서도 제한되어 적용되어져야 할 것이다. Slots 또는 Fissures와 같은 경미한 카르스트 공동의 경우에는 공동을 채운 후 국부적으로 지보를 보강하는 것이 경제적이라고 말 할 수 있다.
터널시공과 지보설치에 있어서 본 연구에서 제시된 표준지보등급 I, Ⅱ, Ⅲ 에 대하여서는 전단면 굴착으 로 굴진 가능 할 것으로 판단된다. 그러나, 지보등급 IV, V, VI에 대하여서는 상하반 분할굴착으로 굴진 하여야 할 것이며, 등급 VⅡ의 경우는 3등분이상의 분할굴착으로 터널굴진이 실시하는 것이 바람직 할 것이다.

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