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문제 정의
- 이 글에서는 국내에서 대규모 저장공동 건설시 실제 발생한 과지압 현상으로 인한 문제 및 특징을 살펴보았으며 문제 해결을 위한 검토 과정을 상술하였다. 현장 계측결과 분석을 통해 과지압 암반에서 일반 계측 항목들의 이상 징후들에 대해 확인할 수 있었다.
- 하지만 2004년 상반기에 저장공동의 bench II 굴착이 진행됨에 따라 수직구 인접 지점에서 내공변위와 숏크리트 응력의 급격한 증가와 함께, 몇 개소에서 아치부 숏크리트 균열현상이 관찰되었다. 이 글에서는 대규모 저장 공동 주변에서 과지압 현상에 대해 평가하고, 계측결과의 분석 및 저장공동의 안정성 해석을 실시하여 과지압 구간에 해당되는 지점의 저장공동의 안정성을 확보하기 위한 대책을 제시한 사례에 대해서 고찰한다. 특히 과지압 구간이 각 저장공동의 수직구가 연결되는 지점에 해당되므로, 추가 굴착에 따른 저장공동의 안정성을 확보하면서 최종적인 공동의 운영 목적에 부합하는 해결방안을 제시하고자 하였다.
- 이 글에서는 대규모 저장 공동 주변에서 과지압 현상에 대해 평가하고, 계측결과의 분석 및 저장공동의 안정성 해석을 실시하여 과지압 구간에 해당되는 지점의 저장공동의 안정성을 확보하기 위한 대책을 제시한 사례에 대해서 고찰한다. 특히 과지압 구간이 각 저장공동의 수직구가 연결되는 지점에 해당되므로, 추가 굴착에 따른 저장공동의 안정성을 확보하면서 최종적인 공동의 운영 목적에 부합하는 해결방안을 제시하고자 하였다.
제안 방법
- 3차원 효과 모사를 위한 하중 분담율을 표 5와 같이 적용하였다. Shaft 연결부와 Pump Pit의 경우 평면 변형율 상태가 아니므로 굴착 불균형력을 100%를 적용하면 비현실적이므로 3차원 해석 결과와 비교하여 하중분담율을 설정하였다.
- 앞에서 제안된 굴착형상 변경안은 C22 공동 Shaft 부에만 적용되었으며 다른 공동 위치에서는 탈락된 숏크리트 및 암반 균열부를 정리한 후 재보강하는 안이 추천되었다. 과지압에 의한 영향을 보강안에 명시적으로 고려하기 위해 카나다 Rockburst 발생 암반에서의 보강 Handbook에 근거 (Kaiser, 1996)하여 과지압을 고려한 숏크리트 및 록볼트 보강량 재평가하였다. Q-system에서 암반의 지압조건을 고려하는 항목인 SRF(Stress Reduction Factor)는 과지압 현상이 예측되지 않는 경우는 일반적인 심도 기준으로 그 값을 평가하고 있지만, 본 지역과 같이 수평 응력이 매우 크게 측정되어 과지압 현상이 예측되는 구간에 대해서는 별도의 판단 기준이 필요하다.
- 암반의 미소파괴 거동을 측정하기 위해서 암반의 미소파괴음(AE, Acoustic Emission) 자체를 측정하는 것이 바람직하나, 아직은 현장에 직접 적용하기는 곤란하다. 따라서 미소파괴와 동반되는 미소 탄성파 이벤트(Micro seismic event)를 직접 측정하는 방식으로 생각되어 시추공내 삽입 가능한 가속도계(Accelerometer)를 추천하였다. 또한 잡음등을 제거하여 3차원 위치추적이 가능한 Trigger 시스템을 동시에 구비하여 3차원 공간 상에서 센서 배치를 제안하였다.
- 또한 Unwedge를 이용하여 현장 절리 자료에 근거한 생성가능 절리블록의 크기 및 필요 록볼트 길이를 산정하였다. 또한 그림 19에서와 같이 변경된 Q 값에 근거하여 록볼트의 설치 간격도 재산정하였다.
- 따라서 미소파괴와 동반되는 미소 탄성파 이벤트(Micro seismic event)를 직접 측정하는 방식으로 생각되어 시추공내 삽입 가능한 가속도계(Accelerometer)를 추천하였다. 또한 잡음등을 제거하여 3차원 위치추적이 가능한 Trigger 시스템을 동시에 구비하여 3차원 공간 상에서 센서 배치를 제안하였다.
- 현재 상태는 Bench2까지 굴착한 경우를 의미한다. 수치해석을 통해 구한 천단 최대접선응력치를 이용하여 암반의 손상지수를 평가하였다. 실제 숏크리트 균열이 C12 cavern에 발생한 것은 과지압하 C11 부 (IV 등급)에 비해 C12 (II 등급) 부의 보강량이 상대적으로 작기 때문이며, Bench 3 굴착 시 추가적인 숏크리트 응력 증가를 완화하기 위해 보강량 늘릴 필요 있음이 확인되었다.
- 그림 7은 대표적인 연속체 및 불연속체 해석 모델을 나타낸다. 연속체 해석의 경우 각 굴착부 별 암반 등급 분류 결과를 이용하여 암층을 명시적으로 고려하였으며 불연속체 절리망은 Gallery 굴착 당시 절리망 조사를 이용하여 DIPS로 통계처리한 후 확률적 절리 생성을 통해 현장 절리와 등가의 절리망을 구성하였다.
- 이 조건에 따라 RMR과 최대주응력 대비 일축압축강도비에 따른 저장공동 불안정성 및 취성파괴를 평가하였다. 현지암반의 일축압축강도 σcm = 94 MPa(실험실 시험값과 RMi로 부터 추정), 현지암반의 초기지압 σ1=16.
- 이들 각 단면들에 대해 원안설계 조건 및 고려 대안을 고려하여 2차원 연속체 및 불연속체 안정성해석을 실시하였다. 해석에 사용된 프로그램은 FLAC ver.
- 본 저장공동은 설계시 수행된 초기 지압 측정결과에 따라 일부 구간에서 과지압 현상이 발생할 수 있는 가능성이 예견되었으며, 실제로 진입터널 굴착 시 일부 구간에서 popping과 spalling 현상이 발생하였다. 이에 따라 설계 시 제시된 시방에 따라 저장공동과 인접한 지점에서 2회의 응력개방법에 의한 초기지압 측정을 수행하였으며, 저장공동 굴착 시 과지압 구간으로 예상되는 지점에 대한 보강량 조정과 함께, 숏크리트에 대해 추가적인 계측이 실시되었다.
- 이외에도 정성적으로 취성파괴를 완화시키고 암반의 연성을 증대시키기 위해 와이어 메쉬와 같은 지보재를 도입하였다.
- 일반적인 내공변위 수준과 본 현장 과지압 구간 계측 자료의 수준을 비교하기 위해 Q 암반 분류 시스템에 표현된 적정보강량을 적용한 터널에서의 내공변위 통계 자료와 비교하여 내공변위 양상을 비교하였다.
이론/모형
- 2002년 과지압 구간 평가 당시 본 현장 암반의 취성파괴의 발생 가능성을 이론적으로 평가하기 위하여 카나다 Martin 교수의 연구결과를 활용 하였다(Martin, 1997, 1998). Martin은 암반의 취성파괴 사례를 암질 조건(RMR)과 응력조건에 따라 9가지로 분류한 바 있다(그림 3).
- 하지만 이 경우 암질이 비교적 좋은 암반 등급 (II, III 등급)에서의 취성파괴 현상을 정확히 모사하는데 한계가 있다. 따라서 이에 대한 고려를 위해 암석의 취성 파괴 현상을 잘 근사할 수 있는 것으로 알려진(Hajiabdolmajid et al., 2002) Cohesion Weakening-Friction Strengthening모델 (CW-FS)을 C1B1E150 단면에 적용하였다.
- 설계단계에서 저장공동의 보강을 결정하는 암질 분류 기준은 대규모 저장공동 설계에 보다 효과적인 것으로 인정되고 있는 Q-system을 적용하였다. 저장공동 C1 및 C2 주변에서 Bench 2굴착완료 시 굴착 단계별 암반 분류 결과를 도식화하면 그림 2와 같다.
- 암반 거동 모델은 모든 경우에 기본적으로 Mohr-Coulomb 탄소성 모델을 이용하였다. 하지만 이 경우 암질이 비교적 좋은 암반 등급 (II, III 등급)에서의 취성파괴 현상을 정확히 모사하는데 한계가 있다.
- 취성파괴 가능성에 대한 보다 상세한 진단을 위해 손상지수(Damage index) 기준 (Martin et al., 1999)을 이용하여 본 대상 부지 암반 조건을 다시 평가하였다. 손상지수는 벽면 경계 접선응력(σθ)과 일축압축강도(σc) 비율로서 취성파괴는 손상지수가 (1)의 조건을 만족하는 경우 취성파괴 가능성이 높음을 의미한다.
- 표 4에 나타낸 암반입력 물성치는 기 굴착된 부분의 현장 지반 조사 및 Q 시스템 암반등급 분류에 기초하고, 실시 설계 및 초기 응력 측정 시 측정된 실험실 암석 시험 결과를 참조하여 암반등급을 GSI(Geological Strength Index) 분류 값으로 환산한 후 Hoek-Brown 및 Mohr-Coulomb 파괴 기준 및 현지 암반 물성 예측법 (Hoek, 1998)을 이용하여 각 등급별 현지 암반의 물성을 구하였다.
성능/효과
- Bench 2굴착과 함께 Spalling 현상으로 인해 C22 저장공동 Shaft구간에서 대규모 숏크리트 균열 및 탈락 현상이 발생하였으며, 굴착이 이미 완료되어 1∼2개월의 시간이 흐른 상태에서 C21 및 C22 저장공동의 Gallery West 구간과, C12 Gallery East 구간에서도 숏크리트 균열이 관찰되었다.
- 단, C22 Shaft 구간 (□ 표시)에서 발생한 균열은 Gallery 암질 IV등급의 암반에서 발생하였다. C22 Shaft구간은 대규모 숏크리트 탈락후 수행된 암반 지질도 작성으로부터 암반 벽면에 소규모 단층이 노출되었다는 사실을 알 수 있었다.
- 검토 결과, II∼III 등급 암반에서 과지압에 의한 취성파괴가 발생할 수 있으며, 아치부의 벽면에서 Spalling이 발생하는 깊이는 0.9m 정도로서 암반의 국부적인 취성파괴와 암반 블록의 이동이 발생할 것으로 평가된다.
- 현장 계측결과 분석을 통해 과지압 암반에서 일반 계측 항목들의 이상 징후들에 대해 확인할 수 있었다. 과지압을 받는 현재 암반 상태 및 원안 설계대로 굴착시의 수치해석을 통해 저장공동의 안정성을 평가하였으며 그 결과로서 새로운 굴착 대안 및 보강 방안이 마련되었다. 취성파괴의 불확실성을 감안한 상시적인 감시 도구로서 현장 미소탄성파 이벤트 계측이 제안되었다.
- 굴착 단계별 천단부 숏크리트 응력 증가 경향이 뚜렷이 나타나며 현장 계측치에서의 증가경향과 한 굴착 단계별 내공 변위 역시 현장 변위 계측치와 상응하는 결과를 보였다.
- 따라서 개략적인 검토 결과 II∼III 등급의 양호한 암질의 암반에서 국부적인 취성파괴 및 블록거동이 가능하다고 평가되었다.
- 특수보강을 실제 FRP(강관) 물성을 이용하여 일반 보강요소(General Reinforcement)를 이용하여 모사한 결과 Gallery 천단응력 집중이 원안 굴착 대비 40% 감소하고 모든 부분에서 파괴 기준 이내 안정화가 되었다. 또한 Bench 2 부분의 암반 블록 이동 및 록볼트 하중이 안정화되었으며 암반 인장 파괴 영역이 사라졌다.
- 불연속체 모델로 대안 굴착을 모사한 결과 원안 대비 천단 암반응력 집중이 10%이상 감소하고 (Di=0.53→0.48) Gallery 록볼트 하중 및 숏크리트 탈락부 절리 이동이 안정되는 등 전반적인 개선효과를 확인할 수 있었다.
- 그림 1은 대규모 지하저장공동 C1 및 C2 저장공동에서 지압의 크기, 굴착 시 과지압 구간이 발생한 범위(녹색 곡선), 굴착 후 안정화 단계에서 추가적인 암반 거동 및 응력 집중으로 인해 숏크리트 균열이 관찰된 구간을 나타낸다. 실시설계 단계에서는 수압 파쇄법에 의한 초기지압 측정결과를 고려하여 수평 지압계수가 2.6 이상이 되는 범위를 추정하여 그림과 같이 직선으로 과지압 구간을 설정하였으나, 시공 중에 MCT와 BWT(Water Curtain Tunnel)에서 추가로 수행한 초기지압 측정결과를 고려할 때, 그 범위가 북쪽으로 확대될 것으로 예상되었고, 최대 수평응력의 크기도 증가할 것으로 평가되었다. 실제 Gallery 및 Bench 1굴착 시에는 막장면과 주변 암반 관찰에 의해 녹색 곡선과 같이 그 범위가 확대 되는 것으로 판단되었고, 이후 Bench 2 굴착 시에 숏크리트 균열이 관찰된 영역까지 과지압 구간으로 설정하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 6 이상이 되는 범위를 추정하여 그림과 같이 직선으로 과지압 구간을 설정하였으나, 시공 중에 MCT와 BWT(Water Curtain Tunnel)에서 추가로 수행한 초기지압 측정결과를 고려할 때, 그 범위가 북쪽으로 확대될 것으로 예상되었고, 최대 수평응력의 크기도 증가할 것으로 평가되었다. 실제 Gallery 및 Bench 1굴착 시에는 막장면과 주변 암반 관찰에 의해 녹색 곡선과 같이 그 범위가 확대 되는 것으로 판단되었고, 이후 Bench 2 굴착 시에 숏크리트 균열이 관찰된 영역까지 과지압 구간으로 설정하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 안정성 해석 결과로부터 현재 상태와 향후 Bench 3까지 굴착시 과지압으로 인한 영향으로 인한 공동의 불안정성이 증대될 것으로 예측되었다. 특히 C22 공동의 경우 Gallery부에 운영 shaft 및 Pump Pit가 통과하므로 더욱 안정성 문제가 중요하다.
- 이외에도 록볼트 축력 및 지중변위 측정 결과 역시 과지압 구간에서 뚜렷한 이상 현상을 보여 일반 구간에 비해 큰 값들을 보였다.
- 특수보강을 실제 FRP(강관) 물성을 이용하여 일반 보강요소(General Reinforcement)를 이용하여 모사한 결과 Gallery 천단응력 집중이 원안 굴착 대비 40% 감소하고 모든 부분에서 파괴 기준 이내 안정화가 되었다. 또한 Bench 2 부분의 암반 블록 이동 및 록볼트 하중이 안정화되었으며 암반 인장 파괴 영역이 사라졌다.
- 해석해를 통한 식으로 계산한 결과 최대 접선응력은 63.0 MPa로서 63.0/94 = 0.67 > 0.4로 역시 취성파괴 가능성이 있는 것으로 평가되었다.
후속연구
- 위에서 구간별 보강공법 제안으로 안정성이 확보되리라 예상되지만, 보수보강이 이루어지지 않지만 여전히 과지압 구간에 속하는 저장공동 구간에 대해, 향후 Bench 3 굴착에 따른 불안정성을 사전에 예측하기 위해서는 공동 벽면 암반의 취성파괴 및 암반 블록의 미끄러짐으로 인해 발생하는 미소파괴음을 계측해야 할 것으로 판단되었다. 이는 숏크리트, 록볼트와 같은 지보재에 응력 및 하중이 크게 작용하기 전, 또한 내공변위로서 큰 변위가 측정되기 이전에 불안정성이 시작되는 초기에 암반 거동을 측정하는데 미소파괴음 측정이 적절하기 때문이다.
- 국내에서는 이때까지 과지압으로 인한 명시적인 피해나 문제 사례가 광범위하게 제기된 적이 없어서 경암반에서의 취성파괴 기구나 문제의 심각성 대해서 인식이 부족한 실정이다. 향후 장대터널의 건설 증가 등으로 대심도 암반에서의 암반공학적 응용이 빈번해 질수록 과지압 문제가 발생할 가능성도 점점 많아질 것으로 예상된다. 통상적인 연속체나 불연속체 암반 안정성 해석으로는 이러한 경암반에서의 Spalling 현상과 같은 취성파괴 과정을 명확히 모사하는데 한계가 있다.
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