[논문]근접시공에 대한 수로터널 지반조사 및 안정성 분석

전제성; 김기영; 이상덕; 김두준

문제 정의

본 연구에서는 사면 간섭 부 및 터널 간섭 부에 대하여 신규 도로 터널 시공에 따른 세부적인 수로터널 안정성을 검토하였다. 사면 간섭 부에 있어서는, 수로터널 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 Hydraulic Fracture/Jacking 및 수로터널에서의 누수와 파쇄대 층을 통한 연속적 침투현상 및 이에 의한 불안정성, 신규 도로터널 시공 시의 발파.
본 연구에서는 수로터널 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 Hydraulic Jacking, 수로터널에서의 누수와 파쇄대 층을 통한 연속적 침투현상 및 이에 의한 불안정성 등을 중심으로 전체적인 수로터널의 안정성 검토를 실시하였다. 구체적인 안정성 검토 방법을 살펴보면, 유한요소해석 프로그램인 Pentagon 2D 및 SEEP/W 2D를 이용하여 수치해석을 실시하였는데, Hydraulic Jacking 등을 기존 연속체 해석의 개념으로 평가하는데 있어서의 한계점을 인식, 해외에서 압력 터널 설계 시 널리 적용되는 이론 식을 적용한 안정검토를 동시에 실시하였다.
있다. 본 연구에서는 육안분류 및 기존 수로터널 인근 지층상태(파쇄대, 단층대 등) 파악을 위한 시추 조사 4개소, 공 내 영상 촬영, 공간적 지층분포 형태 및 특성 파악을 목적으로 전기비저항 탐사 및탄성파토모그래피탐사(공대공, 공대지) 등을 수행하였다.
본연구에서는, 신규 도로 터널 굴착 시 발생되는 주변 지하수위 하강이 수로터널의 운영에 어떤 영향을 미치는지에 관하여 검토하고, 수로터널과 교차되는 터널 간섭 부의 안정성을 고려하기 위해 광역 지하수 모델링 프로그램(Visual MODFLOW Pro v.3.1)을 이용하여 굴착 시 지하 수위 변화 및 신규도로 터널 내 유입 수량을 분석하여 수로터널의 안정성을 평가하였다.
Hydraulic Jacking는 수로터널의 운용수압보다 주변 지반의 최소주응력의 크기가 작을 때 발생한다. 이에 수압이 없는 상태에서 굴착에 의한 최소주응력의 변화양상을 파악하고 Hydraulic Jacking이 발생할 가능성이 있는 영역을 구하였다. 또한 사면과 수로터널의 수평 이격거리를 증가시키면서 Hydraulic Jacking에 대해서 안정성을 확보할 수 있는 최적 이격거리를 산정하였다.

제안 방법

실시하였다. 구체적인 안정성 검토 방법을 살펴보면, 유한요소해석 프로그램인 Pentagon 2D 및 SEEP/W 2D를 이용하여 수치해석을 실시하였는데, Hydraulic Jacking 등을 기존 연속체 해석의 개념으로 평가하는데 있어서의 한계점을 인식, 해외에서 압력 터널 설계 시 널리 적용되는 이론 식을 적용한 안정검토를 동시에 실시하였다.
이에 수압이 없는 상태에서 굴착에 의한 최소주응력의 변화양상을 파악하고 Hydraulic Jacking이 발생할 가능성이 있는 영역을 구하였다. 또한 사면과 수로터널의 수평 이격거리를 증가시키면서 Hydraulic Jacking에 대해서 안정성을 확보할 수 있는 최적 이격거리를 산정하였다.
그 결과 WTB-1 방향에서의 단층 파쇄대 심도가 상부로 조정되었고, 시추공 사이 하부지역에 경암 파쇄대가 존재하는 것으로 분석되었다. 또한 최종적인 구역화 결과에 대하여, 각 구역별 역학적 특성규명을 위한 현장 원위치 시험과 실내 암석 시험, 파쇄대 구간을 대상으로 한 현장수압시험 등을 실시하였으며, 암석의 물리적 특성과 역학적 특성 파악을 위한 실내시험을 병행하였다.
본 연구에서는 기존 수로터널과 신규 도로 터널과의 간섭사례를 대상으로, 세부 안정성 검토를 위한 지반조사 및 세부 구역화, 각 구역별 지반 특성치 분석, 이들을 바탕으로 한 안정성 분석 등을 수행하였다. 구조물 간섭에 따른 상호영향 및 안정성 검토를 수행하는데 있어, 구조물 인근 지반의 지층구성 파악과 적정 지반 공학적 특성치 산정은 가장 기본적인 동시에 중요한 과정임을 알 수 있었는데, 본 연구에서와 같이, 현장 시추 결과 및 물리탐사, 각종 시험 결과 등의 종합적 분석과정을 통해 공간적 구역 구분과 각 구역별 특성치를 산정하는 일련의 과정은 기존 암종별 지층구분 및 획일적 대표치 적용의 모순점을 극복할 수 있는 방법임을 알 수 있었다.
측면의 경계조건은 수평 변위를 구속하고, 하부의 경계조건은 연직 방향의 변위를 구속하였다. 수로터널 안정성에 가장 중요한 역할을 하는 수압은 터널의 각 절점에 수두를 가하여 방식으로 구현하였다. Hydraulic Jacking는 수로터널의 운용수압보다 주변 지반의 최소주응력의 크기가 작을 때 발생한다.
신규 도로 터널 굴착 중 각 구간별 터널 내 지하수 유입 수량을 라이닝 상태가 불량한 조건하에서 계산하기 위해 시공 조인트 및 라이닝 조사 자료를 근거로 수로터널의 0.5〜1.0%에 0.05m의 라이닝 균열을 설정하였으며, 수로터널의 압력이 신규 도로 터널에 미치는 영향을 고려하기 위해 수로터널이 운영 중일 경우와 운영하지 않을 경우의 두 가지로 나누어 검토하였다.
신규 도로 터널 시공에 따른 지반 이완 및 응력 집중에 대한 기존 수로터널의 안정성을 응력-변형 해석을 통해 검토하였다. 본 해석에 이용된 프로그램은 실제 현장 조건을 구현하기 위한 3차원 유한차분해석 프로그램인 FLAC₃D 이다.
실제 현상을 수치 해석상에 표현하는 데 있어, Hydraulic Fracture/Jacking에 대한 안정성을 연속체 개념의 수치해석 방법으로 평가하는 것은, 실제 현상과 많은 차이를 야기시킬 수 있으므로, 개략적인 비교 차원의 평가로 이용하였다.
수치해석 시 해석영역은 일반적인 투수해석에서 적용하는 좌. 우 8D를 적용하였으며, 하부로는 3D를 적용하였다. 측면의 경계조건은 수평 변위를 구속하고, 하부의 경계조건은 연직 방향의 변위를 구속하였다.
있었다. 이러한 시추공 사이의 지층변화 파악 및 기존 구역 구분내용에 대한 보정수단으로서 탄성파 토모그래피 탐사 결과를 이용하였다. 그 결과 WTB-1 방향에서의 단층 파쇄대 심도가 상부로 조정되었고, 시추공 사이 하부지역에 경암 파쇄대가 존재하는 것으로 분석되었다.
본 연구대상 지역은 지반의 불균질성이 매우 심하고, 간섭대상 터널의 심도가 100m 에 달하는 점을 고려할 때, 심도별 공간적인 구역화 및 각 구역에 대한 적정 물성치 산정이 매우 중요하다. 이를 위하여, 본 연구에서는 대심도 시추 조사 및 물리탐사, 다양한 현장시험 및 실내시험등을 수행하였으며, 이들의 종합적인 분석을 통해 최종적인 대심도 공간 구역화 및 물성치 산정을 수행하였다. 한편, 이러한 지반조사 결과를 바탕으로 하여, 기존 수로터널과 신규 도로 터널의 간섭 부를 사면 간섭 부 및 터널 간섭 부로 분류하고, 수로터널에서 발생할 수 있는 Hydraulic Fracture/Jacking 및 응력-변형 거동, 발파영향 등에 관한 세부 안정성 검토를 수록하였다.
사면 간섭 부에 있어서는, 수로터널 안정성에 가장 큰 영향을 미치는 Hydraulic Fracture/Jacking 및 수로터널에서의 누수와 파쇄대 층을 통한 연속적 침투현상 및 이에 의한 불안정성, 신규 도로터널 시공 시의 발파.진동 영향 등을 중심으로 전체적인 수로터널의 안정성 검토를 실시하였다. 터널 간섭부에 있어서는, 수로터널 하부로의 신규 도로 터널 교차통과조건(10m 내외의 수직이격거리) 에 대한 안정성 분석 및 수리영향 검토를 통한 침투현상 등을 중심으로 전체적인 수로터널의 안정성 검토를 실시하였다.
우 8D를 적용하였으며, 하부로는 3D를 적용하였다. 측면의 경계조건은 수평 변위를 구속하고, 하부의 경계조건은 연직 방향의 변위를 구속하였다. 수로터널 안정성에 가장 중요한 역할을 하는 수압은 터널의 각 절점에 수두를 가하여 방식으로 구현하였다.
진동 영향 등을 중심으로 전체적인 수로터널의 안정성 검토를 실시하였다. 터널 간섭부에 있어서는, 수로터널 하부로의 신규 도로 터널 교차통과조건(10m 내외의 수직이격거리) 에 대한 안정성 분석 및 수리영향 검토를 통한 침투현상 등을 중심으로 전체적인 수로터널의 안정성 검토를 실시하였다.

대상 데이터

시설물 안전관리에 관한 특별법상 1종 시설물로 분류되어 있다. 본 수로터널은 1989년에 준공된 터널로서, 터널 통과 유량 1, 543(천 톤/일)의 압력 터널이며 평상시 내압은 2.5〜3.5kg/cm², 수격압작용시 최대 6.0kg/cm² 규모이다. 수로터널은 NATM 형식이며, 단면은 D=3.
0kg/cm² 규모이다. 수로터널은 NATM 형식이며, 단면은 D=3.2m의 마제형 터널이다. 한편, 신규도로 건설 계획 중, 신규 도로 터널이 기존 수로터널의 하단부 교차 통과 및 출구 부에 근접 굴착토록 계획되어 있었다.

이론/모형

기존 이론식에 의한 검토는 Fernandez의 이론을 적용하였는데, 이 이론은 Hydraulic Fracture/Jacking 에 대한 안정성을 검토하는 이론으로서, 모든 응력은 유효응력을 그 전제로 한다.
통해 검토하였다. 본 해석에 이용된 프로그램은 실제 현장 조건을 구현하기 위한 3차원 유한차분해석 프로그램인 FLAC₃D 이다.

성능/효과

구조물 간섭에 따른 상호영향 및 안정성 검토를 수행하는데 있어, 구조물 인근 지반의 지층구성 파악과 적정 지반 공학적 특성치 산정은 가장 기본적인 동시에 중요한 과정임을 알 수 있었는데, 본 연구에서와 같이, 현장 시추 결과 및 물리탐사, 각종 시험 결과 등의 종합적 분석과정을 통해 공간적 구역 구분과 각 구역별 특성치를 산정하는 일련의 과정은 기존 암종별 지층구분 및 획일적 대표치 적용의 모순점을 극복할 수 있는 방법임을 알 수 있었다. 또한 수로터널의 안정성을 검토하는데 있어, 기존 도로 터널과는 달리 응력-변형 관점에서의 안정성뿐 아니라 수로터널로부터 인근 지반으로의 누수 및 수격압작용, 이로인한 Hydraulic Fracture/Jacking에 대한 검토가 필수적임을 알 수 있었다.
이러한 시추공 사이의 지층변화 파악 및 기존 구역 구분내용에 대한 보정수단으로서 탄성파 토모그래피 탐사 결과를 이용하였다. 그 결과 WTB-1 방향에서의 단층 파쇄대 심도가 상부로 조정되었고, 시추공 사이 하부지역에 경암 파쇄대가 존재하는 것으로 분석되었다. 또한 최종적인 구역화 결과에 대하여, 각 구역별 역학적 특성규명을 위한 현장 원위치 시험과 실내 암석 시험, 파쇄대 구간을 대상으로 한 현장수압시험 등을 실시하였으며, 암석의 물리적 특성과 역학적 특성 파악을 위한 실내시험을 병행하였다.
그러나, 본 지반조사에서 확인된 단층 파쇄대(Zone IV-1)는 우측 본선 터널 방향 하향경사로 발달되어있는 관계로, 본선 터널에 약 23°로 교차되는 수로터널이 이 단층파쇠대로 접근함에 따라 수로터널의 천단 및 인버트 변위의 경향은 해석 종점으로 갈수록 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 우측 본선터널직상부를 통과하는 지점에서의 최대 연직변위량은 내수압 미작용 시 12.
구조물 간섭에 따른 상호영향 및 안정성 검토를 수행하는데 있어, 구조물 인근 지반의 지층구성 파악과 적정 지반 공학적 특성치 산정은 가장 기본적인 동시에 중요한 과정임을 알 수 있었는데, 본 연구에서와 같이, 현장 시추 결과 및 물리탐사, 각종 시험 결과 등의 종합적 분석과정을 통해 공간적 구역 구분과 각 구역별 특성치를 산정하는 일련의 과정은 기존 암종별 지층구분 및 획일적 대표치 적용의 모순점을 극복할 수 있는 방법임을 알 수 있었다. 또한 수로터널의 안정성을 검토하는데 있어, 기존 도로 터널과는 달리 응력-변형 관점에서의 안정성뿐 아니라 수로터널로부터 인근 지반으로의 누수 및 수격압작용, 이로인한 Hydraulic Fracture/Jacking에 대한 검토가 필수적임을 알 수 있었다.
또한 신규 도로 터널 굴착 진행에 따라 유입 수량이 전반적으로 증가되는 경향을 보이는데, 이는 초기지하 수위 조건에 있어, 사면 간섭 부보다 터널 간섭 부가 높기 때문에 야기되는 현상으로 판단되며, 다른 구간에 비해 터널 간섭 부에서 터널 내 유입 수량이 급증하는 양상을 보이고 수로터널을 운영 중일 때가 운영하지 않을 때보다 유입 수량이 많은 것으로 분석되었다. 이는 현재 경우 도로 터널 굴착 시 수로터널의 운영압이 터널 내 유입 수량에 영향을 주는 것으로 판단되며, 라이닝 균열에 의한 수로터널의 운영압손실이 발생할 것으로 예측되었다.
및 인버트 변위의 경향은 해석 종점으로 갈수록 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 우측 본선터널직상부를 통과하는 지점에서의 최대 연직변위량은 내수압 미작용 시 12.6mm, 내 수압 작용시에는 12.1mm 로 기존 실시설계 시의 값보다 약 5배 이상 증가한 것으로 해석되었다. 이는 수로터널과 본선터널 상부에 존재하는 단층파쇄 대가 그 원인으로 작용된 것이나 터널의 구조적 안정성은 확보되고 있는 것으로 판단된다.
시추 조사 등에 의한 RQD, RMR 분류 및 탄성파 토모그래피탐사 결과 등을 종합적으로 분석하여 터널 간섭 부에 대한 구역 구분을 실시하였는데, 구역 구분 시 RQD, RMR 값은 1차적으로 회수된 시추코아에 대하여 2.0-3.0m 구간별로 값을 구한 후 각 구간에서의 극한치를 제외한 체, 심도별 가중치를 감안하여 적용하였다. 그림 3은 일반적인 암질 기준 및 RQD, RMR, 탄성파 토모그래피탐사 각각에 의한 구역 구분 결과를 나타내고 있다.
임의의 최소 이격거리(사면 직각 방향으로의 수로터널과 사면의 최단 거리)별 Hydraulic Fracture/ Jacking 에 대한 안전율을 각각 검토한 결과, 피복 두께가 두꺼워지면서 즉, 수로터널과 사면의 이격거리를 증가시킴으로서 안전율이 증가하는 것을 확인할 수 있는데, Hydraulic Fracture/Jacking에 대한 허용안전율 1.3을 만족하는 최소 이격거리는 31m로 나타났다.
이를 위하여, 본 연구에서는 대심도 시추 조사 및 물리탐사, 다양한 현장시험 및 실내시험등을 수행하였으며, 이들의 종합적인 분석을 통해 최종적인 대심도 공간 구역화 및 물성치 산정을 수행하였다. 한편, 이러한 지반조사 결과를 바탕으로 하여, 기존 수로터널과 신규 도로 터널의 간섭 부를 사면 간섭 부 및 터널 간섭 부로 분류하고, 수로터널에서 발생할 수 있는 Hydraulic Fracture/Jacking 및 응력-변형 거동, 발파영향 등에 관한 세부 안정성 검토를 수록하였다.
신류 도로 터널 굴착 전. 후의 지하수의 흐름과 분포내용의 분석 결과, 신규 도로 터널 굴착 후 지하수 흐름 방향이 터널 외곽부에서 터널 쪽으로 향하며 전반적인 지하 수위 하강을 야기하는 것으로 분석되었다.

후속연구

단, 이 결과는 사면 굴착으로 인한 사면 활동 및 수로터널 주변 지반의 변위 발생 영향이 없다는 가정하에 성립될 수 있는 결과로서, 사면 굴착으로 인하여 수로터널 주변에 사면 활동 및 변위가 예상되는 경우는 별도의 사면 안정 대책 수립 및 이격거리 증가가 필요하다.

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