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문제 정의
- 본 논문은 서천터널에서의 용수유출에 대한 분석과 대책에 대한 사례이다.
- 선구조 분석을 통하여 지하수 유입경로 및 지하수 유입에 따른 인근 지역에 미치는 범위등을 파악하 고자 하였다. 선구조의 연장선, 위치, 방향성 등은 터널굴착과 관련하여 중요한 인자이다.
제안 방법
- 광역지질, 선구조, 지층탐사 및 막장관찰 자료를 토대로 지하수 유출부위에 대한 육안관찰을 위해 시 추공 영상 촬영을 실시하였다. 그림 10과 같이 공내 영상촬영을 위하여 막장 좌측 전면부 1개소와 지하 수 유출부위 좌측 2개소(측벽)에 대하여 직경75mm, 굴진장 20m의 수평천공을 실시하였다.
- 광역지질, 선구조, 지층탐사 및 막장관찰 자료를 토대로 지하수 유출부위에 대한 육안관찰을 위해 시 추공 영상 촬영을 실시하였다. 그림 10과 같이 공내 영상촬영을 위하여 막장 좌측 전면부 1개소와 지하 수 유출부위 좌측 2개소(측벽)에 대하여 직경75mm, 굴진장 20m의 수평천공을 실시하였다. 공내 영상촬영 결과, 그림 11과 같이 지하수 유출이 발생된 부위에서 빠른 속도로 용수 유출이 단층대를 통하여 진행되고 있는 것을 육안으로 확인하였으며, 2조의 단층이 터널굴진방향과 사교하고 있는 것으로 나타났다.
- 대규모의 지하수 유입이 발생된 본 지역의 지반 특성(단층 파쇄대 특성)을 고려하여 다음과 같은 보 수․보강대책공법을 선정․적용하였다. 현설계가 일정량의 지하수 유입을 허용하고 유입수를 유도배수하는 배수터널 개념으로 이루어진 것을 고려하였으며, 이에 따라 인근 지하수위 저하를 최소화, 장기적인 터 널의 안정성을 확보할 수 있도록 하였다.
- 본 대책공법 적용 후 유입된 지하수는 소량으로 배수시설에 의한 처리가 가능하였다. 또한 장기적인 터널의 안전성 확보에 대한 대책공법의 효과 확인을 위해 용출구간을 중심으로 계측을 통한 수압의 변화를 파악하였다. 계측 결과, 수두압은 최대 0.
- 터널 용수지역의 전반적인 지하수위 분포 및 유동경향을 파악하기 위하여 수리모델링을 실시하였다. 수리모델링은 터널계획고를 기준으로 하고, 수문경계 등 현장여건을 고려하여 설정하였다. 수치해석은 수문특성을 고려할 수 있는 Visual modflow를 사용하였다.
- 용수 유출에 대한 원인 분석을 위해서는 용출부위 측벽을 천공(L=10m~20m)하여 파쇄대 분포를 조사하 였으며, 수위계를 설치하여 매시간 수위변화를 측정하였다.
- 용출 유출 구간(STA54km610~ 54km575(L=35m))에 대하여 폴리우레탄계 TAS공법으로 1차 차수(L=3.0m) 를 시킨 후 시멘트계 강관다단 그라우팅(Cement Grouting)으로 보강하였다.
- 지하수 용출이 발생된 STA54km600구간(P-1)을 중심으로, 지층 하부의 지질구조(파쇄대, 단층, 지층 두께 및 심도 등)와 지하수, 지열지대의 분포 등을 파악하기 위하여 전기비저항 탐사를 실시하였다. 이 탐사법은 각 지층별 물리적 성질, 즉 전기 전도도의 차이에 따른 상대적 전기 비저항의 변화에 따라 지층의 특성을 규명할 수 있으며, 조사구간에 대하여 3점 배열법으로 탐사를 시행하였다.
- 서천터널 내에서 발생된 유출은 그림 1에서와 같이 절리면을 통하여 대규모로 발생하기 시작하였다. 이에 따라 그림 2, 3, 4과 같이 막장 붕괴를 방지하기 위해 임시로 암버력을 이용한 되메우기를 실시하 였으며, 막장후방으로의 침수면적 감소(후방 300m지점의 변압기 침수방지)를 위하여 막장후방 260m지점에 높이 1.0m의 Earth Dike를 축조하였다. 침수구간의 안개를 방지하기 위해 송기휀을 가동하여 지속적인 환기를 실시하였으며, 양수기 3대, 물차 2대를 동원하여 양수를 시행하였다.
- 지반의 보강효과를 기대할 수 있는 시멘트계 강관다단 그라우팅 시공을 원칙으로 하며, STA54km610~ 54km575(L=35m)구간은 폴리우레탄계 TAS공법으로 1차 차수(L=3.0m)를 시킨 후 시멘트계 강관다단 그라 우팅(Cement Grouting)으로 보강하였다.
- 지하수 용출이 발생된 STA54km600구간(P-1)을 중심으로, 지층 하부의 지질구조(파쇄대, 단층, 지층 두께 및 심도 등)와 지하수, 지열지대의 분포 등을 파악하기 위하여 전기비저항 탐사를 실시하였다. 이 탐사법은 각 지층별 물리적 성질, 즉 전기 전도도의 차이에 따른 상대적 전기 비저항의 변화에 따라 지층의 특성을 규명할 수 있으며, 조사구간에 대하여 3점 배열법으로 탐사를 시행하였다.
- 0m의 Earth Dike를 축조하였다. 침수구간의 안개를 방지하기 위해 송기휀을 가동하여 지속적인 환기를 실시하였으며, 양수기 3대, 물차 2대를 동원하여 양수를 시행하였다.
- 터널 용수지역의 전반적인 지하수위 분포 및 유동경향을 파악하기 위하여 수리모델링을 실시하였다. 수리모델링은 터널계획고를 기준으로 하고, 수문경계 등 현장여건을 고려하여 설정하였다.
- 대규모의 지하수 유입이 발생된 본 지역의 지반 특성(단층 파쇄대 특성)을 고려하여 다음과 같은 보 수․보강대책공법을 선정․적용하였다. 현설계가 일정량의 지하수 유입을 허용하고 유입수를 유도배수하는 배수터널 개념으로 이루어진 것을 고려하였으며, 이에 따라 인근 지하수위 저하를 최소화, 장기적인 터 널의 안정성을 확보할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 본 사례는 경춘선 6공구 내 연장 2, 535m의 서천터널(53km580~55km 1150) 굴착 중 종점에서 시점방향 으로 1, 151m 굴진한 지점 STA54km600에서 발생한 용수유출에 관한 보수․보강사례이다.
- 서천터널은 터널연장이 2, 535m (53km580~55km 1150)이며, 굴착 방향은 4‰역구배의 일방향굴착을 하였다. 이때 종점에서 시점방향으로 1, 151m 굴진한 지점 STA54km600에서 용수유출이 발생하였다.
- 용출수의 수질을 분석하기 위하여 터널 측벽부 공내 영상촬영시 20m정도의 천공위치에서 채취된 시료를 이용하여 분석하였다. 분석결과, 채취위치에서 지하수의 온도가 1번 공에서 13.
이론/모형
- 수리모델링은 터널계획고를 기준으로 하고, 수문경계 등 현장여건을 고려하여 설정하였다. 수치해석은 수문특성을 고려할 수 있는 Visual modflow를 사용하였다. 모델링결과, 터널굴착 1년경과 후 지하수위 감소는 용출지역 주변에서 24.
성능/효과
- 또한 장기적인 터널의 안전성 확보에 대한 대책공법의 효과 확인을 위해 용출구간을 중심으로 계측을 통한 수압의 변화를 파악하였다. 계측 결과, 수두압은 최대 0.109t/m2로 미소하였으며, 터널의 내공변위가 수렴하는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통하여 적용 대책공법은 지하수 용출을 방지하고 장기적인 터널 안정성 확보에 효과가 있는 것으로 판단되었다.
- 그림 10과 같이 공내 영상촬영을 위하여 막장 좌측 전면부 1개소와 지하 수 유출부위 좌측 2개소(측벽)에 대하여 직경75mm, 굴진장 20m의 수평천공을 실시하였다. 공내 영상촬영 결과, 그림 11과 같이 지하수 유출이 발생된 부위에서 빠른 속도로 용수 유출이 단층대를 통하여 진행되고 있는 것을 육안으로 확인하였으며, 2조의 단층이 터널굴진방향과 사교하고 있는 것으로 나타났다. 한편 막장 전면부에 대한 공내 영상촬영결과, 굴진장 20m중 2~3m 구간에서 지하수 유출이 소량 발생되고 있었으나, 이후 구간에서는 지하수 유출이 없었으며, 암질상태는 양호한 것으로 조사되었다.
- 대책공법의 효과 확인을 위해 수압의 변화에 대한 계측을 실시한 결과, 수두압은 최대 0.109t/m2로 미 소하였으며, 터널의 내공변위가 수렴하는 것으로 나타나 지하수 용출 방지 및 장기적인 터널 안정성 확보에 효과가 있는 것으로 나타났다.
- 용수 유출에 대한 원인 분석을 위한 광역지질 조사, 선구조 분석, 지층탐사, 유출부위에 대한 공내영상촬영 결과, 용출수가 발생한 위치(STA56km600~ 56km640)는 암종 경계구간(편마암, 규암)으로 단층 파쇄대 상태이며, STA54km600구간에서 굴진방향과 평행~사교하는 선구조는 다른 선구조와 연결성을 가지는 것으로 나타났다. 또한, STA54km600(P-1) ~ STA54km800(P-2) 구간에서 지하수 이동로로 추정되는 단층 파쇄대가 위치하고 지표에서 터널 유출부위까지 급경사를 이루는 형태로 존재하는 것으로 파악되었다. 채취된 용출수의 수질 분석결과, 지표수와 유사한 특성을 갖는 것으로 나타나 지표수의 단층파쇄대를 통한 대규모 유입이 확인되었다.
- 탐사결과, STA54km600구간에서는 지표면 지반고 GL(-)0~40m, GL(-)60~80m 및 GL(-)170~200m 깊이에서 지하수 이동로로 추정되는 낮은 값의 비저항치 분포가 확인되었다. 또한, STA54km800구간(P-2)구간에서 도 GL(-)0~20m, GL(-)25~65m 및 GL(-)95~150m에서 지하수 이동로로 추정되는 낮은 값의 비저항치 분포가 확인되었다. 그러나 STA55km000(P-3)구간의 경우, 지표면 일부를 제외하고 지하수 이동로로 추정되는 비저항치 분포는 나타나지 않았다.
- 수치해석은 수문특성을 고려할 수 있는 Visual modflow를 사용하였다. 모델링결과, 터널굴착 1년경과 후 지하수위 감소는 용출지역 주변에서 24.5m로 최대이고, 3년 경과 후 최대 28.2m, 5년 후 28.3m, 10년 후 28.5m로 각각 분석되었다. 터널 굴착 3년 이후 점진적으로 지하수위가 안정되는 것으로 분석되었으며, 인근 지역 마을의 지하수위 감소에 대한 장기적인 영향은 미소한 것으로 판단된다.
- 본 대책공법 적용 후 유입된 지하수는 소량으로 배수시설에 의한 처리가 가능하였다. 또한 장기적인 터널의 안전성 확보에 대한 대책공법의 효과 확인을 위해 용출구간을 중심으로 계측을 통한 수압의 변화를 파악하였다.
- 용출수의 수질을 분석하기 위하여 터널 측벽부 공내 영상촬영시 20m정도의 천공위치에서 채취된 시료를 이용하여 분석하였다. 분석결과, 채취위치에서 지하수의 온도가 1번 공에서 13.9℃로 지표의 대기온도(1~13℃)와 비슷하며, PH는 5.29로 일반적인 지표수와 비슷한 값을 나타냈다. 이러한 자료를 근거로 볼 때, 막장에서 유출되는 용출수는 지표로부터 단층파쇄대를 통하여 유입되고 있을 가능성이 큰 것으로 추정된다.
- 용수 유출에 대한 원인 분석을 위한 광역지질 조사, 선구조 분석, 지층탐사, 유출부위에 대한 공내영상촬영 결과, 용출수가 발생한 위치(STA56km600~ 56km640)는 암종 경계구간(편마암, 규암)으로 단층 파쇄대 상태이며, STA54km600구간에서 굴진방향과 평행~사교하는 선구조는 다른 선구조와 연결성을 가지는 것으로 나타났다. 또한, STA54km600(P-1) ~ STA54km800(P-2) 구간에서 지하수 이동로로 추정되는 단층 파쇄대가 위치하고 지표에서 터널 유출부위까지 급경사를 이루는 형태로 존재하는 것으로 파악되었다.
- 이러한 결과를 토대로 보수․보강대책 적용후 주변 지역의 장기적인 지하수위 변동 영향을 수치해석을 통하여 검토한 결과 장기적인 영향은 미소한 것으로 판단되었으며, 따라서, 인근 지하수위 저하를 최소 화 및 장기적인 터널의 안정성을 확보할 수 있는 대책을 수립․적용하였다.
- 109t/m2로 미소하였으며, 터널의 내공변위가 수렴하는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 통하여 적용 대책공법은 지하수 용출을 방지하고 장기적인 터널 안정성 확보에 효과가 있는 것으로 판단되었다.
- 지하수 유출이 발생 후 수위계를 이용하여 1일 유출량을 측정한 결과, 그림 5, 6에서 보는 바와 같이 최초 약 4000ton/day에 이르는 막대한 양의 유출이 발생하였으며, 약 10일 동안에 수위 및 수량이 급하게 감소하였다(Turbulent Flow). 그 이후 20일 동안에는 감소폭이 점차 완만해지는 천이구간 (transition Zone)을 나타냈으며, 마지막으로 1일 유출량의 변화가 거의 없이 일정량을 유지하고 있다 (Laminar Flow).
- 또한, STA54km600(P-1) ~ STA54km800(P-2) 구간에서 지하수 이동로로 추정되는 단층 파쇄대가 위치하고 지표에서 터널 유출부위까지 급경사를 이루는 형태로 존재하는 것으로 파악되었다. 채취된 용출수의 수질 분석결과, 지표수와 유사한 특성을 갖는 것으로 나타나 지표수의 단층파쇄대를 통한 대규모 유입이 확인되었다.
- 탐사결과, STA54km600구간에서는 지표면 지반고 GL(-)0~40m, GL(-)60~80m 및 GL(-)170~200m 깊이에서 지하수 이동로로 추정되는 낮은 값의 비저항치 분포가 확인되었다. 또한, STA54km800구간(P-2)구간에서 도 GL(-)0~20m, GL(-)25~65m 및 GL(-)95~150m에서 지하수 이동로로 추정되는 낮은 값의 비저항치 분포가 확인되었다.
- 5m로 각각 분석되었다. 터널 굴착 3년 이후 점진적으로 지하수위가 안정되는 것으로 분석되었으며, 인근 지역 마을의 지하수위 감소에 대한 장기적인 영향은 미소한 것으로 판단된다.
후속연구
- 이 단층에서의 지하수 유입은 유입량의 공급여부에 따라 침투속도가 빠르고 지속적으로 발생 가능성이 있어 장기적인 처리 대책이 필요하다. 단층파쇄대와 터널 막장면과의 공간에 대한 보강 및 차수대책을 통해 지하수 유입을 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
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