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문제 정의
- 본 검토지역은 굴착중인 터널갱구사면에서 붕괴가 발생된 사례를 살펴보았다. 검토지역은 엽리 및 단층 등의 불연속면이 잘 발달된 편마암 지역으로서, 불연속면의 주향은 남북방향이고 경사는 서쪽 방향으로 발달하였다.
- 본 논문은 고속도로 중심으로 그동안 붕괴가 발생된 절토사면의 붕괴사례를 통해 상호 연관성을 살펴보고, 차후 사면붕괴를 최소화하기 위한 노력과 이러한 단층의 수반에 의해 발생되는 절토사면에서의 대책방안에 사례중심으로 알아보고자 하며 편마암이 광범위하게 분포하는 지역에 건설되는 고속도로 중에서 동서 방향의 터널을 시공하면서 터널 입구 사면에서 유사한 파괴 경향을 나타내는 시공사례를 바탕으로, 도로건설시 노선 설계 및 사면 보강 방안을 수립할 경우 광역적 지질을 고려해야 한다고 판단된다.
제안 방법
- 이는 검토자 마다 견해를 달리할 수 있다. 본 검토에서는 붕괴가 발생된 구간의 붕괴당시 상황이 우기시에 붕괴가 발생되었기보다 굴착 중에 붕괴가 발생되었으므로 역해석을 통해 물성값을 적용하였다. 해석에 적용된 강도정수는 단위중량(X)은 2.
- 본 사면은 원설계에 의한 시공시 최소안전율이 확보되지 않으므로 안정화 공법이 적용되어야 한다고 판단되며, 현장 여건상 사면의 경사를 완화 하였을 경우 사면의 절토고가 커지며 환경영향 평가에 문제가 발생할 수 있으므로 경사완화 방안을 배제하고 보강하는 방안을 제안하였다. 사면 상단부에 분포할 것으로 예상되는 활동면의 심도가 매우 깊을 것으로 판단하여 앵커공법이 적절할 것으로 판단된다.
- 진전될 가능성이 매우 높으므로 안정화 대책방안이 요구되는 사면이다. 붕괴가 발생된 구간은 활동면의 경사각도가 30°~35' 정도로 저각을 형성하고 있으므로 붕괴면 상부를 모두 제거하는 방안은 대규모의 장대사면을 형성하게 되므로 불합리할 것으로 판단되므로 사면경사완화와 앵커보강을 병행하는 방안을 제안한다.
- 사면 내에 발달하는 불연속면의 방향을 측정하여 사면안정해석을 실시하였으며, 본 해석은 DIPS Ver.5.0 프로그램을 이용하여 불연속면을 평사투영망에 도시하였다. 해석에 적용된 절리면의 마찰각은 암반의 일반적인 마찰각, 인근 지역의 지반보고서 및 역해석을 통하여 약 15’의 값을 적용하였다.
- 조사지역에 대한 한계평형해석은 파괴가 발생된 구간에서 임의의 파괴면에 의한 안전율 해석을 실시하였으며 당초와는 풍화단면의 차이를 보인다. 해석에 사용된 프로그램은 Terrasol 사에서 개발한 TALREN 97 프로그램을 사용하였으며, 검토단면은 터널진행방향의 단면을 선정하여 당초 설계시에 적용된 네일공법으로 해석하였다.
- 조사지역에 대한 한계평형해석은 파괴가 발생된 구간에서 특정파괴면에 의한 안전율 해석을 실시하였다. 해석에 사용된 프로그램은 Terrasol사에서 개발한 TALREN 97 프로그램을 사용하였으며, 검토 단면은 터널진행방향의 단면을 선정하였다.
- 조사지역에 대한 한계평형해석은 평면파괴가 발생된 구간에서 절리면에 의한 안전율 해석을 실시하였다. 해석에 사용된 프로그램은 Slope/W를 사용하였으며, 검토단면은 지형적 변화가 심하므로 좌측터널 단면, 우측터널단면, 측벽을 따라 형성된 사면의 단면(대표단면), 3개의 단면을 선정하였다.
대상 데이터
- 본 검토지역은 굴착중인 터널갱구사면에서 붕괴가 발생된 사례를 살펴보았다. 검토지역은 엽리 및 단층 등의 불연속면이 잘 발달된 편마암 지역으로서, 불연속면의 주향은 남북방향이고 경사는 서쪽 방향으로 발달하였다. 이러한 지역에서 고속도로를 건설 중에 다음과 같은 사항을 고려하여 시공해야 한다고 판단된다.
- 본 지역이 속해 있는 행정구역은 강원도 홍천군 00면이며, 동-서방향의 터널을 굴착 중에 터널 입구 사면에서 붕괴가 발생되었다. 사면의 최대 높이는 약 38m 정도이며, 사면의 경사는 45。~73。로서 터널 입구부에서 상부로 갈수록 경사가 완만해진다.
- 본 지역이 속해 있는 행정구역은 강원도 홍천군 OO면으로서, 반대편에서부터 터널이 굴착중이며 붕괴가 발생된 지점에서 터널시공을 위한 공사 준비중에 붕괴가 발생하였다. 사면 굴착 도중 대규모의 단층 파쇄대가 발견되었으며, 파쇄대 내에 점토가 두텁게 충전되어 붕괴가 발생되었을 것으로 판단된다.
- 본 지역이 속해 있는 행정구역은 강원도 홍천군 OO면이며, 터널을 굴착 중에 터널 입구 사면 붕괴 및 터널 내부 벽체의 변위가 발생되었다. 사면의 최대 높이는 약 45m 정도이며, 전반적인 사면 경사는 45。로서 비교적 완만한 경사를 갖는다.
- 사면의 최대 높이는 약 38m 정도이며, 사면의 경사는 45。~73。로서 터널 입구부에서 상부로 갈수록 경사가 완만해진다. 조사지역의 지질은 경기육괴를 형성하는 선캠브리아기의편마암으로 이루어진 지역으로 대상구조(Banded)가 잘 발달하며, 편마암은 판상의 백운모성분이 많이 함유하고 엽리 및 단층이 우세하게 발달한다.
- 해석에 사용된 프로그램은 Slope/W를 사용하였으며, 검토단면은 지형적 변화가 심하므로 좌측터널 단면, 우측터널단면, 측벽을 따라 형성된 사면의 단면(대표단면), 3개의 단면을 선정하였다.
이론/모형
- 최소안전율 적용기준은 건설교통부 비탈면 설계기준(2006)에 의하여 건기시 Fs>1.5, 우기시 Fs21.2를 적용하였다.
- 당초와는 풍화단면의 차이를 보인다. 해석에 사용된 프로그램은 Terrasol 사에서 개발한 TALREN 97 프로그램을 사용하였으며, 검토단면은 터널진행방향의 단면을 선정하여 당초 설계시에 적용된 네일공법으로 해석하였다.
- 해석에 사용된 프로그램은 Terrasol사에서 개발한 TALREN 97 프로그램을 사용하였으며, 검토 단면은 터널진행방향의 단면을 선정하였다.
성능/효과
- 1) 현재 건설 중인 OO고속도로와 OO고속도로는 동서방향으로서 불연속면의 주향과 거의 수직을 이루고 있으며, 이로 인하여 서쪽을 향하는 터널갱구사면(서울방향)에서 사면방향과 유사한 방향의 엽리면이 발달하게 터널 갱구사면에서 유사한 형태의 사면 붕괴가 다수 발생하였다.
- 붕괴는 단층 및 엽리면을 따라 사면 상부에서부터 평면파괴가 발생되었고, 우측 터널 상부에서는 단층 점토층에 의해 대규모의 붕괴가발생되었다. 단층면에 점토층 및 암편이 두텁게 충전되어 있으며, 파쇄 및 풍화가 심하게 발달되어 있어 강우 시 추가 붕괴가 발생될 가능성이 높을 것으로 판단되었다.
- 사면의 최대 높이는 약 30m 정도이며, 사면의 경사는 40。~63。로서 사면 상단부로 갈수록 경사가 완만해진다. 본 검토지역은 풍화암 구간의 풍화정도가 완전풍화(CW)정도로 거의 토사에 가깝게 풍화가 심하게 진행되었다. 굴착이 진행되지 않았기 때문에 정확한 판단은 어려우나 현 노출된 지반의 풍화상태 및 암질로 판단해 볼 때, 측면절토부에 엽리가 우세한 편마암이 노출되었으며 터널 입구부가 위치하는 구간에서는 엽리구조가 미약하게 발달하고 있다.
- 본 지역의 암종은 편만암으로 다른 지역에 비해 엽 리의 발달이 우세하여 뚜렷한 방향성을 가지는 특징을 보이고 있다. 엽리(foliation)의 경사방향으로 270~290: 200-200- 방향이 우세하며 습곡구조의 양상을 보이기도 한다.
- 발생할 수 있으므로 경사완화 방안을 배제하고 보강하는 방안을 제안하였다. 사면 상단부에 분포할 것으로 예상되는 활동면의 심도가 매우 깊을 것으로 판단하여 앵커공법이 적절할 것으로 판단된다. 보강공법을 적용한 후 해석된 안전율은 건기시 Fs=2.
- 안정화 공법을 적용한 후 해석된 안전율은 다음과 같다. 상재하중 제거후, 건기시 Fs=0.91, 우기시 Fs=0.54로서 불안정한 상태로 해석되었으며, 보강공법이 적용된 후에는 건기시 Fs=1.96, 우기시 Fs=1.25 로서 최소안전율을 만족하였다.
- 0(t/m2), 내부마찰각(*)은 20。로 적용하였다. 안정성해석결과, 건기시 Fs=0.89, 우기시 Fs=0.51 로서 불안정한 상태로 해석되었다.
- 2(t/nf), 내부마찰각(屮)은 30。로 적용하였다. 안정성해석결과, 건기시 Fs=1.47, 우기시 Fs=0.59로서 불안정한 상태로 해석되었다.
- 좌측터널단면에 대한 안정성해석결과, 건기시 Fs=l.lll, 우기시 Fs=0.794로서 모두 불안정한 상태이었으며, 우측터널단면에 대한 결과는 건기시 Fs=0.857, 우기시 Fs=0.561 로서 모두 불안정한 상태이었다. 또한 측벽을 따라 형성된 사면의 단면(대표단면)의 경우, 건기시 Fs=0.
- 해석에 적용된 절리면의 마찰각은 암반의 일반적인 마찰각, 인근 지역의 지반보고서 및 역해석을 통하여 약 15’의 값을 적용하였다. 평사투영법해석에 의한 사면안정 검토 결과, 조사된 불연속면이 파괴영역에 도시됨으로써 평면파괴가발생될 가능성이 매우 높은 것으로 판단되었다.
후속연구
- 그러나 현재 사면의 경사가 비교적 완만하므로, 상재하중을 제거하기 위해서 사면의 경사를 완화할 경우 무한사면의 형태가 될 수 있으며 노출되는 사면의 면적이 클 것으로 판단된다. 따라서 터널 굴진 방향으로 10m 전진후, 현재 사면경사(1:1.0)와 같은 경사도로 절취한 후 보강을 시공하며, 보강으로서 억지 말뚝 공, 앵커공 및 네일공을 적용할 것을 제안하였다.
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