[논문]단층대 터널굴착시 안정성 확보에 관한 연구

홍창수; 황대진; 이강호; 이용훈; 이창원

단층대 터널굴착시 안정성 확보에 관한 연구
A Study of Stability Analysis for Tunnelling in Fault Zone 원문보기

홍창수 (삼성물산(주) 건설부문 기술연구팀) , 황대진 (삼성물산(주) 건설부문 기술연구팀) , 이강호 (삼성물산(주) 건설부문 TA팀) , 이용훈 (삼성물산(주) 건설부문) , 이창원 (서영기술단)

This paper deals with the numerical study for excavation crossing the fault zone and the change of support pattern in field. The numerical analyses by FLAC program were performed to evaluate the suitable support pattern influenced by the width of Fault Zone, considering rock mass condition(RMR classification). Based on the results, it is found that partial reinforcement or degrading support pattern is suitable, when the width of Fault is under 3m. But when the width of Fault is more than 6m(0.5D), extra support pattern for fault zone is acceptable. At field, this result is generally used as a guide in the construction of roadway tunnel, but it is also possible to vary this assessment along the condition of fault.

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가설 설정

5D내에 단층대가 존재할 경우 그 영향범위 및 보강대책을 검토하였다. 단층대의 경사각은 45°로 가정하였으며, 각 암반등급별로 단층대 규모를(1m, 3m, 6m) 변화시켜 가면서 범용 2차원 프로그램인 FLAG ver. 3.3을 이용하여 수치해석을 실시하였다. 해석에 사용된 지보패턴은 표 3과 같다.

제안 방법

터널 굴진중 무지보 전단면굴착(Type-1)에서 그림 8(a)와 같이 막장 중앙부에 예상치 못한 단층파쇄 대가 폭 3m 규모로 수직분포하여 막장관찰을 실시하였다. 이 경우 파쇄대의 천공자국을 통해 파쇄대 암질이 강할 것으로 예상되어 패턴변경없이 숏크리트 조기타설 만으로 굴진하였다.
이로 가정하여 파쇄대 폭을 1m, 3m, 6m로 변화시켜 가면서 식(1)에 의거해 터널의 전체Q값을 계산하여 표 2에 나타내었다. RMR과 Q분류와의 관계는 원설계식을 참고로 결정하였으며, 괄호안의 값은 RMR로 환산하였을 때의 암반등급을 나타낸다.
기반암의 설계정수는 표 4와 같이 실내실험, 현장시험 등을 토대로 산정한 원설계정수를 사용하였으며, 단층대 물성치 역시 직접전단시험 등을 실시한 원설계정수를 사용하였다.
기존 연구결과에 의하면 그림 2와 같이 0.5D내는 집중보강범위내로, 1.0D내는 선택적 보강영역으로 알려져 있으므로 본 연구에서는 터널 횡단상 이격거리 0.5D내에 단층대가 존재할 경우 그 영향범위 및 보강대책을 검토하였다. 단층대의 경사각은 45°로 가정하였으며, 각 암반등급별로 단층대 규모를(1m, 3m, 6m) 변화시켜 가면서 범용 2차원 프로그램인 FLAG ver.
본 검토구간은 양산단층과 거의 평행한 무수한 소단층으로 이루어진 구간을 통과하는 편도2차선 병렬도로 터널로써 중규모(폭 1~10m, 연장 10km 미만) 단층대 통과에 대한 안정성 연구를 위하여 암반 등급별로 단층대 폭을 변화시켜가면서 Loset식 검토 및 수치해석을 실시하여 적절한 지보패턴을 선정하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 중규모 단층대와 조우시 암반등급별로 단층의 규모가 미치는 영향을 분석하기 위해 단층대 폭을 각각 1m, 3m, 6m(0.5D)로 변화시켜 가면서 암반등급별, 파쇄대 조건을 변경하여 식(1) 및 수치해석을 통해 각 경우 적정 지보패턴을 제시하였으며, 이러한 결과들을 바탕으로 실제 도로 터널 시공 시 현장에 적용하였으며, 단층의 암질에 따라 차등적용을 하였다.
본 해석에서는 단층대 규모별로(폭 1m, 3m, 6m) 수치해석을 수행한 결과를 토대로 숏크리트 응력이 허용응력을 초과하거나 변형율이 1% 이상인 경우는 지보패턴을 변경하여 재해석을 수행하였다.
8m 이다 원 설계 시 표 1과 같이 단층대 규모별로 대책을 수립하였으나, 실제시공시 대규모 단층대는 없었으며, 중규모~소규모 단층대와 수시로 조우하였다. 이에 주변암반의 등급 고려없이 일괄적 인 F-1 패턴 적용은 무리가 있다고 판단하여 수치해석을 통한 매개변수 연구를 실시하여 및 공학적 판단을 통해 적정한 등급으로의 하향조정 및 보조공법 등을 사용하여 상황에 맞게 변경하였다.

대상 데이터

본 현장은 편도 2차선 도로 병렬터널로써 연장은 2.1km 이고, 터널폭은 12.7m, 터널높이는 약 8.8m 이다 원 설계 시 표 1과 같이 단층대 규모별로 대책을 수립하였으나, 실제시공시 대규모 단층대는 없었으며, 중규모~소규모 단층대와 수시로 조우하였다. 이에 주변암반의 등급 고려없이 일괄적 인 F-1 패턴 적용은 무리가 있다고 판단하여 수치해석을 통한 매개변수 연구를 실시하여 및 공학적 판단을 통해 적정한 등급으로의 하향조정 및 보조공법 등을 사용하여 상황에 맞게 변경하였다.

성능/효과

Losset 식 검토 및 수치해석결과 파쇄대에 의한 영향은 암질이 좋을수록 높게 나타났으며, 파쇄대의 상태에 따라 파쇄가 심할수록 영향이 더 큰 것으로 나타났다.
교호하여 분포하며, 단층점토와 단층각력을 함유한 전형적인 단층파쇄대이다. 지반조사시 코아 회수율(TCR) 40%, 암질지수(RQD)는 0%로 심하게 파쇄되었으나, 실제시공시 현장에서는 위치별로 다르게 나타났다. 단층대 투수계수는 k = 1.
별도의 파쇄대패턴을 적용해야 되는 것으로 나타났다. 파쇄대에 의한 영향은 암반등급이 높을 수록 높게 나타났으며, RMR 5등급에서는 그 영향이 거의 없는 것으로 나타났다.

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