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문제 정의
- 본 터널은 토피고가 600m 내외인 대심도 암반을 통과하는 터널로서 지반조사결과를 바탕으로 단층대가 통과하는 구간에 대한 스퀴징 가능성 및 대심도 구간에 대한 취성파괴 가능성을 다양하게 검토하였다. 검토결과 스퀴징 및 취성파괴의 가능성은 크지 않은 것으로 나타났지만, 터널 시공중 안정성을 확보하기 위하여 이에 대한 대책을 수립하여 터널설계에 반영하였다.
- 본 고에서는 대심도 암반구간에서의 위험도 평가 및 터널 설계사례를 검토하여, 대심도 암반특성을 고려한 터널구조물 설계시 합리적인 방안을 도출하고자 하였다.
- 본 터널은 토피고가 600m 내외인 대심도 암반을 통과하는 터널로서 지반조사결과를 바탕으로 단층대가 통과하는 구간에 대한 스퀴징 가능성 및 대심도 구간에 대한 취성파괴 가능성을 다양하게 검토하였다. 검토결과 스퀴징 및 취성파괴의 가능성은 크지 않은 것으로 나타났지만, 터널 시공중 안정성을 확보하기 위하여 이에 대한 대책을 수립하여 터널설계에 반영하였다.
가설 설정
- 그림 3에서는 보는 바와 같이 일축압축강도 및 지중응력계수는 국내 과잉 수평응력 분포 특성에 관한 연구(배성호 등, 2005)결과를 활용하여 심도 15~310m의 110개 개별 시추공을 대상으로 540개의 시험구간을 선정하고, 과잉 수평응력장(심도 200m 이상의 영역에서 3.0에 가까운 측압계수를 가지는 지역)을 참고하여, 본 구간은 과잉수평응력장에 해당할 것으로 예측하여 일축압축강도 150MPa, 측압계수 1.5 가정하였다. 심도 100m 이상일 때 암석의 일축압축강도는 100~150MPa 정도의 분포를 보이며, 지중응력계수는 1.
제안 방법
- 1. 대심도 암반구간에 대한 스퀴징 발생가능성을 정량적으로 평가하였다. 단층대가 통과하는 구간에 대한 스퀴징 가능성을 평가한 결과, 단층대와 터널이 사교하고, 단층대의 폭이 3m 이내일 것으로 예상되어 실제적인 스퀴징의 영향은 없을 것으로 판단되지만, 시공중 조사를 통해 단층대 위치 및 폭을 확인하고 필요시 보강토록 계획하였다.
- 2. 대심도 암반구간에 대한 취성파괴 발생가능성을 정량적으로 평가하였다. 재료적 측면과 응력적 측면에서 터널 굴착시 취성파괴의 발생 가능성은 매우 낮은 것으로 분석되어 일반 지보패턴을 적용하고 시공 중 취성파괴 발생시 보강대책 및 변경 지보패턴 제시하였다.
- 그림 6에는 단층대 현황 및 수치해석결과가 나타나 있다. F3단층대와 터널이 사교하고, F3단층대의 폭이 3m 이내일 것으로 예상되어 실제적인 스퀴징의 영향은 없을 것으로 판단되지만, 시공중 조사를 통해 단층대 위치 및 폭을 확인하고 필요시 보강토록 계획하였다.
- Squeezing이 발생할 수 있는 한계심도와 터널 설치심도를 비교하여 개략적인 위험 정도 평가하였다. F3단층대의 경우 Moderately Squeezing의 가능성이 있는 것으로 검토되어 상세검토를 수행하였다. 그림 5에는 Squeezing 위험구간에 대한 분석내용이 나타나 있다.
- 표에서 보는 바와 같이 SED에 의한 방법, Bi에 의한 방법 등이 암반 취성의 특성을 반영한 평가방법의 적용성이 더 높게 분석되었다. Rockburst 발생가능성은 암반의 취성적 특성과 지중응력계수의 영향을 동시에 고려하여야 하나, 이를 고려할 수 있는 방법은 없으며, Rockburst와 Spalling은 동시에 발생할 수 없으므로, Rockburst 발생가능성과 Spalling 발생가능성을 모두 검토한 후 선택적으로 결과를 취하여 예측하였다.
- Squeezing이 발생할 수 있는 한계심도와 터널 설치심도를 비교하여 개략적인 위험 정도 평가하였다. F3단층대의 경우 Moderately Squeezing의 가능성이 있는 것으로 검토되어 상세검토를 수행하였다.
- 그림 16에서 보는 바와 같이 기존 Hoek-Brown 탄소성 모델과 Hoek-Brown mb=0모델을 비교·검토하여 취성파괴 발생 여부와 영역을 평가하였다.
- 그림 9에 나타난 바와 같이 응력적 측면에서 터널 굴착시 취성파괴의 발생 가능성을 분석한 결과 가능성은 0.11 이내로 낮은 것으로 분석되어 일반 지보패턴을 적용하고 시공 중 취성파괴 발생시 보강대책 및 변경 지보패턴 제시하였다.
- 그림 4에는 대심도 구간 위험도 분석 및 대책수립이 나타나 있다. 그림에서 보는 바와 같이 대심도 구간에서의 위험도를 크게 Squeezing, Rockburst 및 Spalling 으로 구분하여 구간별로 상세한 지반조사결과를 바탕으로 경험식 해석으로으로 부터 발생가능성을 예측하고, 문제가 되는 경우에 구첵적인 대책을 수립하여 안정성을 확보하게 되는 것이다.
- 대심도에 굴착되는 터널의 경우 높은 현지응력과 굴착에 따른 유도응력으로 인하여 터널 경계면에서 스폴링이나 슬래빙과 같은 취성파괴가 발생할 수 있다. 기존 Mohr-Coulomb 또는 Hoek-Brown 탄소성 모델의 구성방정식을 사용하여 취성파괴영역을 모사할 경우 V-notch 파괴형상을 예측할 수 없으므로 기존 Mohr-Coulomb 탄소성 모델과 Hoek-Brown mb=0 모델을 비교하여 실제 터널주변에 발생하는 취성파괴영역을 예측하는데 적합한 모델을 채택하였다.
- 대심도 암반구간에 대한 스퀴징 발생가능성을 정량적으로 평가하였다. 단층대가 통과하는 구간에 대한 스퀴징 가능성을 평가한 결과, 단층대와 터널이 사교하고, 단층대의 폭이 3m 이내일 것으로 예상되어 실제적인 스퀴징의 영향은 없을 것으로 판단되지만, 시공중 조사를 통해 단층대 위치 및 폭을 확인하고 필요시 보강토록 계획하였다.
- 먼저 구간별 위험도 예측은 터널전구간에 대한 지반조사결과를 바탕으로 Squeezing, Rockburst 및 Spalling에 대한 위험도를 평가한다. 표 12에는 구간별 위험도 예측결과의 예가 나타나 있다.
- 보강대책으로는 대심도 구간에 파쇄대가 위치하고 Squeezing 가능성이 큰 경우에는 굴착공법 변경(분할굴착), 지보재 증대 및 인버트 폐합 적용하고, Squeezing 가능성이 작은 경우에는 지속적인 계측을 통해 변위 수렴여부를 monitoring하여 필요시 보강대책 수립하도록 하였다.
- 본 설계구간 중 터널 상부토피가 최대인 STA.3+745 구간에 대하여 2차원 수치해석을 수행하여 최대심도구간에서 터널의 안정성을 검토하였으며, 현장에서 적용하는 시공순서와 동일하게 해석순서를 적용하였다. 본 구간은 암반등급Ⅰ으로 최대심도 585m 이다(그림 13).
- 5)를 적용하여 굴착단계별로 터널의 지반 변위 및 지보재 응력을 검토하였다. 요소의 분할 수 및 크기로 인한 영향을 최소화하기 위하여 터널주변 영역의 요소망을 충분히 작게 하고 터널에서 멀어질수록 일정 비율로 요소크기를 증가시켜 모델링하였다(그림 14). 해석모델은 Mohr-Coulomb 탄소성 모델, Hoek-Brown mb=0 모델이며 해석 프로그램은 FLAC-2D Ver.
- 대심도 암반구간에 대한 취성파괴 발생가능성을 정량적으로 평가하였다. 재료적 측면과 응력적 측면에서 터널 굴착시 취성파괴의 발생 가능성은 매우 낮은 것으로 분석되어 일반 지보패턴을 적용하고 시공 중 취성파괴 발생시 보강대책 및 변경 지보패턴 제시하였다.
- 그림 10에는 취성파괴에 대한 저감대책과 그림 11에는 취성파괴에 대한 보강대책이 나타나 있다. 최대주응력과 최소 주응력의 차이가 클 경우 발생하므로 조기에 지보재를 설치하여 내압을 작용 시키는 것이 적절하므로, 굴진장 축소로 지보재 조기 설치하고 숏크리트 파괴시 탈락 방지를 위해 강섬유보강 숏크리트 적용하였다.
- 취성파괴시 발생하는 V-notch 크기 변화에 따른 터널안정성 해석을 수행하였다. 그림 18에서 보는 바와 같이 해석조건은 지반등급은 Ⅱ등급, 측압계수는 K0= 1.
- 취성파괴에 의해 발생된 V-notch로 인해 터널주변에 국부적인 응력집중이 발생할 가능성이 크다 할수 있다. 터널형상과 현지응력방향에 의한 높은 응력집중현상으로 인해 취성파괴가 발생할 경우 발생된 V-notch 크기에 따른 터널 안정성 해석을 통한 터널거동 검토하였다.
- 해석구간에 측압계수(K0 = 1.5)를 적용하여 굴착단계별로 터널의 지반 변위 및 지보재 응력을 검토하였다. 요소의 분할 수 및 크기로 인한 영향을 최소화하기 위하여 터널주변 영역의 요소망을 충분히 작게 하고 터널에서 멀어질수록 일정 비율로 요소크기를 증가시켜 모델링하였다(그림 14).
대상 데이터
- 대심도 터널 건설에 따른 위험성 검토를 위한 지반물성치는 본설계 구간의 지반조사결과를 바탕으로 그림 3에서 나타난 바와 같이 본 구간에 인접한 건설현장의 지반조사결과(창원~부산간 도로건설공사, 소사~녹산간 도로건설공사, 의곡교차로~부산과학단지간 도로건설공사, 웅동~장유간 도로건설공사 등)를 참고하여 선정하였다(표 2).
- 본 터널은 최대 토피고 600m 정도의 산악지역을 통과하는 도로터널로서 NATM 터널 연장은 L=6,050m 이다. 그림 1에서 보는 바와 같이 대심도 구간으로는 토피고 250m 이상이 L=2,150m, 토피고 400m 이상이 L=805m 로 나타났으며, 대심도구간 통과에 따른 터널의 안정성 예측과 이에 따른 시공 및 보강계획 수립 필요하였다.
데이터처리
- =0모델을 비교·검토하여 취성파괴 발생 여부와 영역을 평가하였다. 측압계수를 매개변수로 하여 해석수행 (K0 = 1.0, 1.5, 2.0)하였으며, 적용모델은 Hoek-Brown 탄소성 모델과 Hoek-Brown mb=0 모델이며, 적용 해석프로그램은 FLAC-2D Ver. 5.0 이다.
이론/모형
- 취성파괴를 수치해석적으로 파악하기 위해서는 CWFS(Cohesion Weakening Frictional Strenthening) 모델, mb=0 모델을 적용하도록 한다. 표 14에 나타난 바와 같이 CWFS 모델은 변형률연화(strain softening) 모델 (Hajiabdolmajid 등, 2002)이며, mb=0 모델은 Hoek-Brown 파괴기준을 적용하고 mb=0을 적용한 모델 (Martin 등, 2001) 이다.
- 요소의 분할 수 및 크기로 인한 영향을 최소화하기 위하여 터널주변 영역의 요소망을 충분히 작게 하고 터널에서 멀어질수록 일정 비율로 요소크기를 증가시켜 모델링하였다(그림 14). 해석모델은 Mohr-Coulomb 탄소성 모델, Hoek-Brown mb=0 모델이며 해석 프로그램은 FLAC-2D Ver. 4.0 이다.
성능/효과
- 3. 대심도 구긴에 대한 안정성 검토결과, 소성 영역은 발생하지 않으며 최대 천단변위, 최대 내공변위, 최대 휨압축응력, 최대 전단응력 모두 허용치 이내로 나타나 최대심도 통과구간의 지보패턴 및 안정성에는 문제가 없는 것으로 분석되었다.
- F3단층대의 지반 특성치만으로 예측한 스퀴징 가능성은 0.89로 가능성이 높은 것으로 나타났다. 그림 6에는 단층대 현황 및 수치해석결과가 나타나 있다.
- 국내 대부분의 대심도 터널에서는 대심도 구간에서 별도의 대책을 마련하지 않고 시공되었다. 국내사례조사 결과, 암반의 일축압축강도가 135MPa 내외이며 측압계수가 커 Rockburst의 가능성은 매우 낮으며, Spalling의 가능성은 있으나 암반 강도가 양호하여 탄성변형 거동만 보였을 것으로 판단된다.
- 암반등급Ⅰ~Ⅲ의 경우 토피고에 따라 적정한 강도를 확보하여 Squeezing의 위험성은 거의 없는 것으로 예상되었다. 또한 대심도 구간에 파쇄대가 위치하고 암반등급Ⅳ 이하인 경우 Squeezing의 가능성이 일부 있음을 확인하였다.
- Spalling/Slabbing에 대한 발생가능성 예측방법 표 8에 정리되어 있다. 본 구간의 취성파괴 발생 가능성을 예측한 결과는 표 9에서 보는 바와 같이, 암반등급Ⅰ은 Rockburst, 암반등급Ⅱ 이하에서는 Spalling 으로 나타났다.
- 해석결과는 그림 15에서 보는 바와 같다. 소성 영역은 발생하지 않으며 최대 천단변위는 13.49mm, 최대 내공변위 12.17mm, 최대 휨압축응력은 5.19MPa, 최대 전단응력 6.73MPa 로 모두 허용치 이내이므로, 최대심도 통과구간의 지보패턴 및 안정성에는 문제가 없는 것으로 나타났다.
- 5 가정하였다. 심도 100m 이상일 때 암석의 일축압축강도는 100~150MPa 정도의 분포를 보이며, 지중응력계수는 1.3~1.5 정도의 분포를 보이고, 취성파괴의 잠재적 위험성을 유발할 수 있는 범위는 심도 250m 이하 영역에서는 측압계수 1.5 이상인 것으로 판단하였다.
- 그림에서 보는 바와 같이 평균일축압축강도는 238 MPa 로 매우 강한 강도를 보여 주고 있다. 암석의 재료적 측면만을 고려하여 취성파괴 가능성 분석을 수행한 결과 취성파괴의 가능성이 높은 것으로 나타났다. 그림 8에서 보는 바와 같이 변형에너지 밀도(SED)는 0.
- 해석결과 V-notch깊이가 증가할수록 변위 및 지보재 응력이 증가하는 경향을 나타냈다. 최대주응력 방향에 평행한 방향으로 터널을 굴착하는 것이 취성파괴의 가능성을 최소화하고 터널 안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 그림 19에는 해석결과가 나타나 있다.
- 표 10에서 보는 바와 같이 대심도 구간 위험도 예측결과 대심도구간의 위험도 예측결과 암반등급Ⅰ은 Rockburst, 암반등급 Ⅱ~Ⅲ은 Spalling, 암반등급 Ⅳ~Ⅴ는 Squeezing 발생가능성 있는 것으로 평가되었다. 심도 600m, 암반등급별 물성치는 주변 현장자료로부터 얻는 조건이므로 실제 위험도 예측을 위한 상세검토 필요하며, 표 11에는 설계 및 시공방안이 정리되어 있다.
- Rockburst에 대한 경험적 평가방법은 표 6에 정리되어 있으며, 각각의 방법에 의한 Rockburst 가능성을 평가한 결과는 표 7에 나타나 있다. 표에서 보는 바와 같이 SED에 의한 방법, Bi에 의한 방법 등이 암반 취성의 특성을 반영한 평가방법의 적용성이 더 높게 분석되었다. Rockburst 발생가능성은 암반의 취성적 특성과 지중응력계수의 영향을 동시에 고려하여야 하나, 이를 고려할 수 있는 방법은 없으며, Rockburst와 Spalling은 동시에 발생할 수 없으므로, Rockburst 발생가능성과 Spalling 발생가능성을 모두 검토한 후 선택적으로 결과를 취하여 예측하였다.
- 해석결과 V-notch깊이가 증가할수록 변위 및 지보재 응력이 증가하는 경향을 나타냈다. 최대주응력 방향에 평행한 방향으로 터널을 굴착하는 것이 취성파괴의 가능성을 최소화하고 터널 안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 국내 대표적인 대심도 암반구간에서의 터널구조물의 설계사례를 중심으로 위험도 평가 및 대책을 고찰하였는데, 이러한 자료들이 암반기술자들의 설계 및 시공업무에 활용되길 바라며, 향후 보다 합리적인 보강대책에 대한 체계적인 기술개발이 이루어져 한다.
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