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문제 정의
- 본 연구는 조사 지역의 기반암에 대한 여러가지 지질공학적 특성을 지역별로 비교, 분석하여 터널의 굴착이나 도로 공사시 발생할 수 있는 안정성 문제 및 주변 환경에 끼칠 수 있는 중요한 암반의 특성을 연구하고자 하며, 암석의 물리적 성질에 영향을 끼치는 중요한 요소 중 절리의 방향성, 절리간격, 절리밀도, RQD(Rock Quality Design), 및 암석의 일축압축강도 등을 측정하거나 또는 계산하였다. 절리의 방향성, 절리간격 및 절리밀도 측정을 위하여 선조사법 (Scanline Survey), 원형 조사법 (Circle-Inventory Method), 또는 면적 조사법 (Window Survey)을 사용하여 야외에서 직접 측정하였으며, RQD 및 암석의 일축 압축강도의 측정에는 간단한 응용 공식을 이용하여 계산하였다.
- 본 연구에서는 철원-포천-동두천-의정부-서울-안양으로 이어지는 큰 구조선을 따라서 북북동-남남서 방향의 중생대 서울화강암의 암반 공학적 특성에 관하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다
제안 방법
- 대표적인 절 리 군의 방향성 을 구하기 위해 수락산지역 과 불암산지역 으로 구조구를 구분하여 가장 우세한 절리군의 방향성을 구하였다. 수락산지역의 면구조 자료에 대한 분석 결과 최대집중점은 경사각/경사방향(Dip/Dip direction)으로 표현할 때 각각 86/160, 87/080 그리고 12/206으로 나타났다.
- 서로 비교하여 분석하였다. 또한 노두 상태가 아주 양호한 지역에서 대표적인 절리 군을 포함하는 상세한 Fracture Map을 작성하여 면적조사를 수행하였다.
- 분석결과 수락산 터널입구지역에서 측정한 절리의 개수는 모두 300개 이상이었으나 면적조사법을 수행하기 위해 특정절리군의 방향과 개수를 개별적으로 측정하였다. 주절리의 주향이 N22°W인 경우, 평균 절리길이는 1.
- 분석하였다. 이를 위해 컴퓨터 프로그램인 DIPS를 이용하였으며 스테레오 투영망에 투영한 결과 최대 집중군을 분석하여 여러 조로 구성된 절리군의 최대 집중 방향을 측정하였다. 이번 조사시 조사선의 방향을 고려하지 않은 Unweighted Analysis 방법으로 분석하였다.
- TRQD(Theoretical RQD)값은 Priest(1993)는 여러 암석의 시추코아 시료를 이용하여 측정한 RQD값과 불연속면의 절리간격을 이용하여 계산한 이론적인 RQD(TRQD)값과는 서로 매우 유사한 대비관계가 있음을 보여주었다. 이번 조사에서는 조사선법에 의해 측정된 불연속면의 절리간격을 이용하여 이론적인 RQD(TRQD)값을 계산하였다.
- 절리 의연 장성을 분석하기 위해 면적 조사법을 실시했으며 이를 위해 조사창(Face window)의 너비 (w)와 높이(h) 그리고 조사창 내에 포함된 3조의 절리군을 다음과 같이 측정하였다(Priest, 1993): 1) 조사창내에 포함된 절리군(Contained : nc); 2) 조사창을 어느 한 방향으로 절단하는 절리군(Dissect : 山); 3) 조사창의 양쪽을 관통하는 절리군(Transect : nt). 그리고 그 각각의 절리군의 합을 구하고 Pahl(1981)에 의해 제안된 식(3)으로 평균 절리 길이 (Mean trace length)를 측정하였다.
- 절리간격과 TRQD를 구하기 위해 총 16개소의 선조사와 절리군의 밀도를 측정하기 위해 6개소의 지역을 선정하여 원형조사법을 수행하였으며 대표적인 절리의 밀도를 측정하고 그 값을 서로 비교하여 분석하였다. 또한 노두 상태가 아주 양호한 지역에서 대표적인 절리 군을 포함하는 상세한 Fracture Map을 작성하여 면적조사를 수행하였다.
- 조사지역 내에 16개소에서 선조사법을 실시하여 구한 절리 간격을 사용하여 위의 공식을 이용해 절리의 평균빈도수Q)를 구하여 계산하였다. 조사지역에서 계산된 RQD 값은 최소 73.
- 조사지역에 나타나는 불연속면은 절리구조와 단층구조, 그리고 석영맥, 규장암맥과 염기성암 맥이 있으며, 스테레오 투영망과 장미도표(Rose Diagram)를 사용하여 불연속면의 방향성을 분석하였다. 이를 위해 컴퓨터 프로그램인 DIPS를 이용하였으며 스테레오 투영망에 투영한 결과 최대 집중군을 분석하여 여러 조로 구성된 절리군의 최대 집중 방향을 측정하였다.
대상 데이터
- 수락산 지역은 서울특별시에 속하지만 불암산지역의 북서방향이 일부는 서울특별시에, 그리고 남동지역의 일부는 경기도 남양주시에 속한다. 또한 조사지역은 경위도상으로는 동경 127° 03' 21” 에서 127° 06' 49” 와 북위 37° 39' 31” 부터 37° 41' 53” 에 해당하는 지역이다(Fig. 1).
- 면적조사법을 수행하기 위해 대표적인 절리군을 포함하는 1개소의 지역(수락산 터널 입구부)을 선정하여 절리군의 방향성과 절리의 연장성에 대한 통계자료 수치를 얻었다. 절리 의연 장성을 분석하기 위해 면적 조사법을 실시했으며 이를 위해 조사창(Face window)의 너비 (w)와 높이(h) 그리고 조사창 내에 포함된 3조의 절리군을 다음과 같이 측정하였다(Priest, 1993): 1) 조사창내에 포함된 절리군(Contained : nc); 2) 조사창을 어느 한 방향으로 절단하는 절리군(Dissect : 山); 3) 조사창의 양쪽을 관통하는 절리군(Transect : nt).
- 선조사는 암반의 노두상태가 양호한 지역에서 16개소의 대표적인 지역을 설정하여 실시하였다. 그 중 노두상태가 매우 양호한 용굴암골에서 실시한 선조사법의 결과 절리간격의 평균은 10.
- 조사 지역은 행정 구역상 서울특별시 북북동지역(노원구 상계동 지역)과 경기도 남양 주시 별 내면 덕송리 지역으로 서울특별시 노원구 상계동과 경기도 남양주시 덕능고개를 잇는 구조선을 중심으로 상부의 수락산지역과 하부의 불암산지역으로 구조구를 구분하였다. 수락산 지역은 서울특별시에 속하지만 불암산지역의 북서방향이 일부는 서울특별시에, 그리고 남동지역의 일부는 경기도 남양주시에 속한다.
- 조사 지역의 지질은 선캠브리아기의 호상편마암을 관입한 서울화강암이라고 명명된(홍승천외 2인, 1982; 한국지질도, 1995; 대한지질학회, 1999; 이병주외 6인, 1999) 중생대 쥬라기의 대보화강암이 대부분을 점유하고 있다(Fig. 1). 방사성 동위원소에 대한 암석의 절대 연령 측정결과 대부분 1억 6천만년에서 2억년전에 생성된 것으로(홍승천외 2인, 1982), 대부분의 구성광물은 육안상 구분할 수 있는 조립질로서 석영, 사장석, 정장석, 흑운모가 주성분 광물이며 부성분 광물로는 인회석과 적철석등 불투명 광물이 존재하나 그 양은 매우 적다.
- 조사지역(Fig. 1)은 최근 서울외곽순환도로 건설공사의 일환으로 터널과 도로가 건설 중에 있다. 하지만 조사지역의 서울화강암 (대보화강암)에 대한 지질학적인 연구는 도폭 제작 시 연구된 바 있으나, 이 화강암의 지질 공학적 특성에 관한 연구는 아직 미흡한 편이다 (한국도로공사, 1997; 서울고속도로(주), 2001).
이론/모형
- 절리 의연 장성을 분석하기 위해 면적 조사법을 실시했으며 이를 위해 조사창(Face window)의 너비 (w)와 높이(h) 그리고 조사창 내에 포함된 3조의 절리군을 다음과 같이 측정하였다(Priest, 1993): 1) 조사창내에 포함된 절리군(Contained : nc); 2) 조사창을 어느 한 방향으로 절단하는 절리군(Dissect : 山); 3) 조사창의 양쪽을 관통하는 절리군(Transect : nt). 그리고 그 각각의 절리군의 합을 구하고 Pahl(1981)에 의해 제안된 식(3)으로 평균 절리 길이 (Mean trace length)를 측정하였다.
- 불연속면은 암반 내의 발달하는 풍화작용에 일차적인 영향을 받으며 또한 불연속면을 따라 열수 변질 작용이 우세하게 진행된 면으로 지질해머의 타격시험에 의한 조사나 슈미트 해머의 타격 시험 및 암반의 풍화 등급의 기재(ISRM, 1981)등의 방법을 이용하여 암석의 강도를 판단한다.
- 암석의 일축압축강도를 측정하기 위해서는 암석의 코아 시료로 직접 실험하는 직접측정 방법이 있으나 이번 조사에서는 Deer and Miller(1966)에 의해 제안된 간단한 대비 방법으로 계산하였다. 즉 슈미트 해머의 타격 시험에 의한 타격값(Rebound Value)과 암석의 압축강도 사이에는 매우 유사한 공식으로 표현된다는 것이다(Cheong and Lee, 1998).
- 이를 위해 컴퓨터 프로그램인 DIPS를 이용하였으며 스테레오 투영망에 투영한 결과 최대 집중군을 분석하여 여러 조로 구성된 절리군의 최대 집중 방향을 측정하였다. 이번 조사시 조사선의 방향을 고려하지 않은 Unweighted Analysis 방법으로 분석하였다. 불연속면의 방향성 분석은 암석의 공학적 특성 중 가장 중요한 요소 중의 하나이다.
- 절리의 방향성, 절리간격, 절리밀도, RQD(Rock Quality Design), 및 암석의 일축압축강도 등을 측정하거나 또는 계산하였다. 절리의 방향성, 절리간격 및 절리밀도 측정을 위하여 선조사법 (Scanline Survey), 원형 조사법 (Circle-Inventory Method), 또는 면적 조사법 (Window Survey)을 사용하여 야외에서 직접 측정하였으며, RQD 및 암석의 일축 압축강도의 측정에는 간단한 응용 공식을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- 1) 조사지역 내에 발달하는 대표적인 지질구조는 화강암내에 잘 발달된 절리구조이며, 절리 구조는 전지역에서 고루 발달된 3조의 절리군으로 구성된다. 2개의 서로 직각으로 교차하는 수직 정발절리와 일정한 방향성이 없고 저각도로 경사하는 1조의 판상절리이다.
- 2) 화강암의 지질공학적 특성을 통계적으로 분석한 결과 절리밀도는 0.039 ~ 0.066/cm로낮으며, 면적조사법으로 측정된 절리의 평균길이는 대체로 1.3~4.52m, 평균절리간격은 10.3cm에서 최대 59.6cm로 방향에 따른 변화가 심하다. 길이가 긴 절리는 대부분 주조화 절리의 방향과 일치한다.
- 그 중 노두상태가 매우 양호한 용굴암골에서 실시한 선조사법의 결과 절리간격의 평균은 10.0cm이었으며 이때 절리의 평균 빈도수, X=10.0/m로 측정되었다. 절리사이의 간격은 앞서 설명한 대로 음의 지수를 갖는 확률 밀도 분포를 보여준다.
- 보여주었다. 따라서 불연속면의 일축압축강도는 이번 야외 조사시 슈미트 해머의 타격 시험에 의한 타격 값을 이용하였으며, 이는 암석의 일축압축강도를 구하기가 매우 쉽고, 편리하며, 또한 암석의 시추코아 시료를 구하기 어려울 때 많이 이용하며, 막대한 비용절감의 효과가 있다.
- 불연속면의 틈새구분은 지역에 따라 다르나 경암인 경우 Tight에서 Very Tight로 닫힌 절리로 판단된다. 또한 Schmidt 해머에 의한 절리면의 일축압축강도는 217 에서 335 MPa로 매우 양호하며 평균절리간격에 기초하여 계산된 이론적 RQD값은 73.7~98.7%의 값을 갖는다.
- 이 지역에서의 방향성 분석 역시 세 개의 최대집중점이 나타났으며 그 중 두 개의 절리는 고각도로 경사하는 수직정방절리였으며, 나머지 하나는 저각으로 경사하는 판상절리임이 밝혀졌다. 분석 결과, 수락산지역과 불암산 지역에서 특정 절리군의 방향성에는 큰 차이를 보여주지 않는다.
- 2개의 서로 직각으로 교차하는 수직 정발절리와 일정한 방향성이 없고 저각도로 경사하는 1조의 판상절리이다. 수락산 지역의 2조의 수직 정방절리의 Dip / Dipdirectione 각각 86/160과 87/080이고, 1조의 판상절리의 방향은 12/206이었으며, 불암산지역 의 2조의 수직 정방절리의 Dip / Dip directione 각각 87/167과 88/257이고, 1조의 판상절리의 방향은 12/092이었으며, 수직 정방절리와 의 판상절리의 Dip / Dipdirectione 두 지역에서 큰 차이가 없는 것으로 알려졌다. 수락산 지역과 불암산지역의 절리 방향성 비교에서 서로 상이한 점이 발견되지 않았으며 모두 주향과 경사에 있어 매우 유사한 특징을 가지고 있다.
- 가장 우세한 절리군의 방향성을 구하였다. 수락산지역의 면구조 자료에 대한 분석 결과 최대집중점은 경사각/경사방향(Dip/Dip direction)으로 표현할 때 각각 86/160, 87/080 그리고 12/206으로 나타났다. 즉, 두 수직 정방절리는 86°에서 87°의 고각도로 경사하고 있는 주 조화 절리이고, 나머지 하나의 절리는 일정한 방향성 없이 매우 낮은 각도로 경사하는 판상절리임이 밝혀졌다.
- 원형 조사는 조사지역을 수락산지역과 불암산지역으로 구분하여 암반의 노두 상태가 양호한 6개소에서 실시하였으며, 원형 조사법의 분석 결과 절리 밀도는 0.039에서 0.067/cm로 전 지역에서 낮은 절리 밀도의 결과를 보여주고 있다.
- 조사지역에서 측정된 슈미트 해머의 타격 값은 46.9에서 64.7이었으며, 이를 근거로 계산된 암석의 일축압축강도는 217 에서 335 MPa의 강도를 갖는 것으로 계산되었지만 절리 면의 상태 즉 풍화 정도, 절리간격 또는 충진물 등에도 큰 영향을 받는다. 특히 불암산 터널 입구부에서 측정된 암석의 일축 압축강도는 다른 지역에서 보다 상대적으로 낮은 값을 나타내는데 이것은 이 지역에서 암석의 풍화정도가 더 심했기 때문인 것으로 해석된다.
- 특히 불암산 터널 입구부에서 측정된 암석의 일축 압축강도는 다른 지역에서 보다 상대적으로 낮은 값을 나타내는데 이것은 이 지역에서 암석의 풍화정도가 더 심했기 때문인 것으로 해석된다. 조사지역의 화강암에서 측정된 일축압축강도는 매우 높은 값을 얻었으며 따라서 조사지역의 암질은 양호한 암석임을 지시한다.
- 수락산지역의 면구조 자료에 대한 분석 결과 최대집중점은 경사각/경사방향(Dip/Dip direction)으로 표현할 때 각각 86/160, 87/080 그리고 12/206으로 나타났다. 즉, 두 수직 정방절리는 86°에서 87°의 고각도로 경사하고 있는 주 조화 절리이고, 나머지 하나의 절리는 일정한 방향성 없이 매우 낮은 각도로 경사하는 판상절리임이 밝혀졌다. 또한 불암산지역의 분석 자료에 의하면 최대집중점은 87/167, 88/257, 그리고 12/092의 면구조가 가장 우세하게 나타났다.
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