1. 서 론
1.1 터널 주변 지반조건에 따른 거동 특성
1.2 터널 변상 유형
2. 터널 과다변위 발생 대규모 단층대 특성 분석
3. 터널 상부 단층대로 인한 터널 내 변상 발생 분석
3.1 붕괴유형 별 영향 분석
3.2 계측결과 분석을 통한 단층대 영향 분석
4. 결 론
1. 서 론
1.1 터널 주변 지반조건에 따른 거동 특성
지중에서 터널굴착에 따른 안정성은 터널 주변 지반특성에 따라 결정되는데 터널 굴작 주변 지반조건이 강도측면에서 불량한 경우, Fig. 1과 같이 주변지반의 최대주응력은 천단부 변화가 가장 크게 영향을 받게 된다. 이와같이 터널 아치부 및 천장의 최대주응력은 수평방향으로 이동하므로 지보재 보강력이 과소하거나 설치 등이 지연되는 경우에는 하향방향에 최소주응력으로 작용하므로서 터널붕괴 및 국부적인 과다변위가 발생하게 된다. 따라서, 터널 상부 및 인접구간에 풍화파쇄대 또는 단층파쇄대와 불량구간이 존재하는 경우에는 붕괴는 과대변위 또는 지보재 변형으로 강지보재 및 추가적인 보강공법을 적용하여야 한다.
일반적으로, Fig. 2와 같이 터널굴착 과정 중 또는 굴착완료 후에 변위가 발생함에 따라 지보재에 작용하는 지반에 의한 상부하중 감소하고 지보재 설치 후 지보재에의 일정 변위가 발생한 후 서로 평형상태(C점)를 유지하여 터널의 안정성이 확보된다. 터널 굴착작업과 지보재 설치작업이 완료 후, 시간이 경과함에 따라 시간의존적인 강도특성으로 지반강도가 감소하거나 적정하지 못한 시공적인 원인에 의하여 지보재 품질성능저하 등으로 인한 강도감소 등의 문제가 발생하는 경우에 전반적인 터널 안정성이 감소하게 된다. 지반강도가 감소되는 경우에 있어서는 Fig. 2와 같이 a에서 b로 이동함에 따라 주변 지반응력 증가로 터널 붕괴 및 과대변위, 지보재 변형이 발생되어 터널안정성이 저하되는 경우이다. 이와같이 지반강도 측면에서 불량한 풍화파쇄대 및 단층대에서 지반강도가 감소되는 주요원인은 터널굴착 시 주변지반 풍화가 급속하게 진행되고 강우량 증가 등의 지하수 변동요인으로 인한 함수비증가뿐만 아니라 이암, 응회암, 천매암 등 풍화에 취약한 강도특성 등을 들 수 있다.
지보재 품질저하로 인한 지보재 성능이 감소되는 경우는 Fig. 2와 같이 A에서 B거동으로 지보재의 강도와 강성이 감소되므로 과다변위 및 붕괴되는 경우로 부가적인 외력으로 지보재 강성 및 강도감소 등으로 요약할 수 있다.
터널굴착 중 과대변위 및 지보변상이 발생된 단층파쇄대가 분포하는 조건에서는 터널 굴착 및 지보재 설치 후, 단층파쇄대의 슬래이킹(Slaking)현상에 의한 지반의 변형특성이 증가되는 경우, 지반의 느슨해짐으로 지반 전단강도가 저하되었을 것이며, Fig. 3과 같이 파괴포락선의 위치가 1에서 3으로 이동 변형되고 터널주변의 응력은 지속적인 변위로 인하여, Mohr원이 a에서 b로 이동함에 따라 터널의 안정성이 감소되므로 터널 과다변위에서 터널붕락 등이 발생하게 된다. 터널 과다변위 및 붕락 등을 지하수유출조건에 의한 배수거동 및 비배수거동으로 나누어 응력경로분석을 수행하여 전단파괴 발생가능성을 요약하면 다음과 같다.
비배수거동의 경우 Fig. 4와 같이 응력경로는 A점에서 시작하여 굴착직후 B점에 도달하게 된다. 이후 부분적인 배수가 진행됨에 따라 지반강도 감소로 한계평형상태는 1에서 2로 이동하며 상대적으로 응력경로는 오른쪽으로 이동함에 따라 한계평형상태를 넘어서게 되어 터널붕락 등이 발생할수 있다. 터널 내 지하수 유출이 크지 않을 경우에는 비배수 거동 보다는 배수거동으로 분석할 수 있는데 이러한 경우 응력경로는 같은 A점에서 시작하지만 변형과 함께 C점으로 이동하게 되는데 한계평형상태가 지반이 느슨해짐으로써 1에서 2로 약화되었다면 터널은 전단파괴가 발생할 가능성이 높게 된다.
1.2 터널 변상 유형
터널굴착으로 인해 지반강도조건에 따라 지반 변형이 발생하게 된다. 이러한 지반변형은 지반조건, 막장면 상태, 굴착방법, 지하수 유입상태, 지보재 품질 등에 따라 일반적으로 4가지 유형의 붕락형태와 다양한 붕락규모를 보이게 된다. 이러한 붕락이 발생하는 경우 신속한 대응이 않될 시 막장 자립성, 지보재, 주변시설물 등의 안정에 직접적인 영향을 미치게 되며, 터널은 주변지반을 주지보재로 안정을 기하기 때문에 지반에서 이상 거동이 발생되면 경우에 따라서 파괴로 진행될 수 있다. 일반적으로 터널 천단부 및 주변지반이 연약하고 지하수의 영향을 직접적으로 받는 경우에 이완영역 증가에 따른 지반하중 증가로 터널에 과도한 변형과 지보재의 변상 및 파괴가 빈번히 발생된다. 일반적인 터널의 변형 및 붕괴구간은 시공순서에 따라 무지보 막장면구간, 1차 지보재 설치 구간 콘크리트라이닝 타설 후 붕락구간 등으로 구분되며, Fig. 5와 같은 세부적인 파괴 양상이 있다. 무지보 막장면의 경우에는 벤치부 파괴, 천장부 파괴, 막장면 파괴, 연약대 파괴, 표토층 파괴이고 1차 지보재 타설 후에는 막장면 파괴, 기초침하, 국부적인 파괴, 인버트 파괴이다. 콘크리트 라이닝 타설 후 붕락구간에서는 전단파괴, 압축파괴, 휨 응력파괴, 펀칭파괴가 발생한다. 2Arch 터널의 경우에는 1Arch 난형터널의 파괴양상을 나타내나, 중앙벽체가 설치 된 이후 좌·우 선·후행 터널을 굴착하는 상태에서는 지반응력 변화 및 지보재 구조계의 변화로 보다 다양하고 복잡한 터널파괴 양상을 보여준다. 최근 고속도로의 양호한 주행성을 확보하기 위하여 터널공사가 급증하고 있고 이러한 터널의 연장 또한 장대화됨으로서 터널공사 중 불량한 지반조건에 접하는 경우가 증가하고 있다. 따라서 터널시공 중 국부적으로 존재하는 불량한 단층파쇄대 등은 설계 등에서 조사 시 탐사가 어려우므로 시공 중 국부적으로 접하게 되는 단층파쇄대의 규모나 방향성, 지하수 발생여건에 따라서 굴착과 동시에 붕락이 발생하는 경우가 종종 있다. 그 중 특히 지표면 함몰형태의 붕락은 굴착과 동시에 붕락이 발생하므로 대비하기 어려운 특성이 있다. 이러한 지표면 함몰붕락에서 대해서는 각각의 유형은 서로 다른 지질학적 요인에 따라 구분된다. 각각의 함몰형 붕괴 유형들은 Fig. 6 터널 천단부상에 위치한 연약대, Fig. 7 수압을 저항하기에 불충분한 터널 상부 투수지층 두께, Fig. 8 사하중으로 작용하는 터널 상부 암체의 자중을 지지하기에 불충분한 지층 두께인 붕괴 유발 주요 요인으로 구분된다. 추가적으로 함몰형 붕괴는 수직 균열대, 수직 매설 파이프, 우물이나 하수구 매설공사 등과 같은 인위적인 요인으로도 발생될 수 있다(Korea Tunnelling and Underground Space Association, 2010).
첫 번째 함몰형 붕괴 메카니즘은 풍화되었거나 연약한 암반상이나 사전에 공동이 존재하고 있는 암반체 내에서 발생한다. 이것은 하나의 점진적인 파괴 메커니즘이며, 터널 막장의 천단부나 경사갱의 상반에서부터 파괴가 시작된다. 만일 안정되게 자체 지지력이 발현될 수 있는 아치형 구조 형성이 어렵다면 함몰형 붕괴는 점진적으로 지표를 향해 확장되어 나갈 것이다. 국부적으로 지반매질이 터널 천정부나 점진적으로 발생된 공동으로부터 떨어져 나갔을 때, 터널 천단부는 휘어지고 굴착장의 공간이 점진적으로 되메워지는 경향을 보인다. 굴착장이 초기에 넓게 비어있지 않았거나, 충분한 암체가 점진적으로 굴착으로부터 떨어져 나오지 않는 한, 굴착장은 결과적으로 붕괴돼 암체로 채워지고 이후 상부 지표를 지지함으로써 함몰형 붕괴의 진전을 저감시킬 것이다. 이러한 이유로 함몰형 붕괴의 점전적 확장은 연약대 내에서 아래로 붕괴되어 떨어지는 암체의 낙반상태와 매우 밀접하게 연계되어 있다. 이러한 점진적 파괴 메커니즘은 천층 사질토 및 점성토 터널의 파괴유형 고찰을 위해 수행된 모델실험을 통해 잘 수립되어 있다. 모델 실험을 통해 고찰된 결과는 사질토와 유사한 지반조건을 갖는 터널일 때 잘 반영될 수 있다. 여기서, 일반적으로 함몰형 터널 붕괴가 터널 천단부에서 시작되자마자, 상부방향으로의 함몰형 붕괴의 진행은 Fig. 9와 같이 불충분한 토피고 영역을 거쳐 지표까지 점진적이지만 매우 빠르게 진행되어 나간다. 이러한 함몰형 붕괴는 붕괴영역이 즉각적으로 지표까지 도달하며, 점진적으로 진행된다기 보다는 순간적으로 함몰하게 된다(Korea Tunnelling and Underground Space Association, 2010).
2. 터널 과다변위 발생 대규모 단층대 특성 분석
Fig. 10과 대규모 단층대가 터널 바닥부와 상부에 대규모로 존재하는 경우에는 터널 바닥부 융기가 발생하는 사례가 존재한다. Fig. 11은 이러한 터널바닥부 융기와 같은 변상 원인 파악을 위한 지층분석 목적으로 터널 축방향으로 전기비저항탐사를 수행한 결과로서 터널굴착에 따른 지하수 유출로 고비저항대 구간 변화가 있는 것으로 다음과 같이 조사되었다. 조사지역의 암석은 대부분 셰일과 응회암질 안산암으로 대별되며 구간별로 뚜렷하게 구분되는 것이 아니라 점이적으로 변화를 보이며 혼입 분포하는 상태이다. 그러므로 같은 암질이라도 분포 함량에 따라 비저항치값이 차이가 나는 것으로 분석되었으며, LINE-01이 Line-02~03에 비해 셰일의 함유량이 많을 것으로 전자현미경으로 조사결과 확인되었다. 전기비저항값을 좌우하는 요소는 여러원인이 분포하지만 실시설계 및 추가 조사의 결과가 신뢰성 있는 결과산출을 전제로 판단하면, 일반적으로 암반이 고지대 기반암 분포심도가 높을수록 고비저항값 증가가 일반적이나 47+730 구간에서 LINE-02가, 03에 비해 상대적인 고비저항값 분포 양상을 보이는 것은 중앙터널이 전부 굴착된 상태이고 좌우 본선터널은 일부 미 굴착된 상태로 중앙터널 굴착 시 이 지하수 유출로 고비저항을 나타내는 것으로 보인다. 따라서 조사구간에서의 물리탐사 결과는 지하수위와 기반암의 성분이 상당부분 영향을 미친 것으로 보인다. 기반암의 성분이 영향을 주었다는 이유는 막장관찰자료를 분석해서 터널 상부의 암반을 분석한 결과, Fig. 11과 같이 셰일과 응회암질 안산암으로 나타났으며, 그림에서 보는 바와 같이 셰일층에 비해 응회암질 안산암이 고비저항의 수치를 보인다. 이는 응회암질 안산암이 강우의 영향을 더 많이 받는 것으로 분석되었다. 이러한 화산 쇄설암과 응회암은 화산폭발 시 분출물의 퇴적층으로 겉보기와 달리 모암의 역 포함으로 강도가 낮고 또한 역질의 모암이 혼재되어 지하수 유·출입에 따른 공극이 발생할 가능성이 높을 것으로 조사되었고 응회암은 상대적으로 덜 불량하나 소단층(minor fault)에 의한 영향으로 지층 전체적으로 작은 절리가 발달하고 있는 것으로 조사되었다. 조사지역의 고비저항은 단순히 암반의 경화에 의한 것에만 기인한 것이 아니라 암반사이의 지하수 유출에 의해 공극 발생이 영향을 주는 것으로 분석되었다. 이 지역의 이완대는 응회암질 안산암의 함수비 감소로 인한 암반사이의 공극 생성으로 고비저항이 나타나며 이 부분에서 암반의 이완이 일어나는 것으로 분석되었다. 중앙터널의 비저항치가 높게 분포하는 것은 벽체시공을 위한 선굴착으로 상부 지하수의 유출로 저비저항 특성을 보이는 지하수의 영향이 사라진 것으로 조사되었으며, 좌우 본선 터널의 굴착이 완료되면 이러한 현상이 추가될 것으로 판단된다. 따라서 균열발생 전후구간에 분포하는 응회암의 특성상 절리면을 따라 지하수 유출입에 따른 특성 변화에 의해 상부 암반의 이완 영역대의 분포 확대 가능성이 있는 것으로 분석되었다. Fig. 11과 같이 설계 시에는 상부에 446Ω-m 내외의 비저항값이 분포하며, 중간부에는 대부분 151~446Ω-m 내외, 터널주변은 446~766Ω-m 정도의 비저항값이 분포한다. 시공 중 조사는 상부에 390Ω-m 이내의 비저항값이 분포하며, 중간부는 대부분 390~974Ω-m 내외이고, 터널주변은 974~15,207Ω-m 이상의 비저항값이 분포한다. 이는 실시설계시보다 전반적으로 높은 비저항값을 나타나는 경향이 있으며, 지질 분포 특성과 터널굴착에 의한 지하수 저하에 따른 함수비 감소로 분석되었다. 시공 전 확인 시추 시 지하수위는 GL.(-)6.7~15.2m 관측되었으며, 종점측 갱구사면 장기지하수위 관측결과 최저 시추심도(GL.(-)20m) 아래로 더 이상 측정 불가하고 현재 지하수위는 터널계획고 하부로 추정되었다. 터널굴착 중 지하수 저하로 고비저항 영역으로 변화한 것으로 분석되었다. BH-1 시추공 조사분석 내용을 요약하면 시추심도는 G.L 50.7m이며 상부는 풍화토로 0~14.0m 일부 암편이 육안 관찰되며 색조는 담갈, 암갈색이며 조밀~매우조밀 상태이다. 풍화암(셰일, 사암)층은 14.0~27.0m로 분포하며 암갈, 담적, 담녹색이며 매우 조밀한 상태이다. 기반암인 연암층은 셰일과 사암, 안산암질 응회암이 분포 출현하며, 터널 직상부 구간인 G.L-43.5~50.7m 구간은 심한 파쇄상태와 절리가 발달되어 있으며, 암질이 불량하고 5등급 또는 그 이하의 암반상태를 보였고 TCR : 23%, RQD : 0%, 47.0m~50.7m TCR : 22%, RQD : 5%로 조사되었다. BH-2 시추공 시추심도는 G.L 54.3m이며, 지상 풍화토는 18.0m 까지 분포하고 일부 암편이 육안관찰되며 색조는 담갈, 암갈색, 조밀~매우조밀 상태이다. 풍화암(셰일, 사암)층은 18.0~27.0m로 분포하며 암갈, 담적, 담녹색이며 매우 조밀한 상태이다. 연암층의 기반암은 셰일과 사암, 안산암질 응회암이 분포 출현한다. 터널 직상부 구간 G.L-43.5~50.7m 구간은 파쇄가 심하고, 절리가 발달되어 있으며, 암질이 불량하고 5등급 또는 그 이하의 암반 상태이고 TCR : 17%, RQD : 0% · 52.0m~54.3m TCR : 39%, RQD : 0%이다. Fig. 12와 같이 시추공 지상부는 풍화토로 0~12.0m 일부 암편 육안관찰 색조는 담갈, 암갈색이며 보통조밀~조밀 상태이다. 풍화암(셰일, 사암)층은 12.0~18.0m로 분포하며 암갈, 담적, 담녹색이며 매우 조밀한 상태이고 연암층의 기반암은 셰일과 사암, 안산암질 응회암이 출현한다. 터널 직상부 구간인 G.L-47.0~55.4m 구간의 경우 파쇄가 심하고 절리가 발달되어 있으며, 암질이 불량하고 5등급 또는 그 이하의 암반 상태를 보이고 TCR : 46%, RQD : 0% · 50.5m~55.4m TCR : 11%, RQD : 0%로 분석되었다.
3. 터널 상부 단층대로 인한 터널 내 변상 발생 분석
3.1 붕괴유형 별 영향 분석
Fig. 13과 같이 터널 상부에 대규모 단층대가 존재하는 경우에는 시공방법과 단층대 규모 및 방향성에 따라 붕괴유형을 분석해보면 4가지 유형으로 구분될수 있다. 일반적으로 터널의 경우 반원형으로 터널 천단부에 반원형 모양으로 설치되는 보조공법 적용 시 지반강성 증가로 인한 아칭효과의 발현을 기대할 수 있다. 터널은 시공 중 발생하는 응력변화를 최대한 억제하고 이를 적절하게 분배하면서 시공하여야 굴착안정성을 확보할 수 있는 구조체이며, Fig. 14와 Fig. 15 같이 붕락이 발생하였다. 일반적인 붕괴유형을 요약하면 전단파괴의 경우에는 단층대 및 연약대 활동에 의한 파괴, 좌·우측 터널의 과대변형에 의한 전단응력 증가 경우에 발생한다. 압축파괴는 과도한 터널변형 및 상부 상재하중 작용 등의 지반하중 증가에 의한 벽체의 압축응력이 크게 증가하는 경우 또는 터널의 기능이 상실(터널지보재 지보력 상실)되며, 휨 응력파괴가 진전되는 경우 발생한다. 휨응력 증가로 인한 파괴는 터널 상부로부터 지반하중이 크게 작용하는 상태에서 좌·우측 터널의 과대변형에 의한 수평하중이 동시에 작용하는 경우 중앙벽체에 휨응력 증가로 발생한다. 본 연구대상 터널에서 발생한 변형을 본 터널의 기하학적인 측면에서 분석한 결과, Fig. 15와 같이 단층대 위치 및 분포방향이 터널 상부에 작용하는 이완하중이 강지보재에 의해 일부 지지되고 일부는 하중으로 작용한 것으로 분석되었다.
3.2 계측결과 분석을 통한 단층대 영향 분석
Fig. 16과 같이 터널굴착 중 변상의 발생원인 분석을 위하여 현장계측을 실시하였고, 계측값을 분석한 결과는 다음과 같다. 본선 터널 굴착 후 천단 및 내공 변위 계측된 데이터를 분석한 결과, Fig. 16과 같이 변상 전 천단 및 내공변위는 최대 4~5mm로 계측되었으며, 변상 이후 최대 5~6mm로 계측되었다. 변위값 측면에서 보면 허용관리기준치 이내로 조사되었다. 이와같이 본 연구대상 터널현장과 같이 대규모 붕괴가 발생하였음에도 현장계측값이 허용관리기준치 이내에도 불구하고 붕락이 발생한 주요 원인은 현장계측 천단변위, 내공변위 값이 미소하지만 수렴이 되지 않고 추가적으로 변위가 계속 진행되고 있는 경향을 보였고 현장계측 측정시점이 다른 작업과정들과 연관성으로 인하여 초기계측값 측정값이 고려되지 않은 것으로 분석되었다(Korea Expressway Corporation, 2012).
4. 결 론
본 연구에서는 터널 굴착 중 붕락이 발생한 현장에 대하여 터널 막장면 단층파쇄대 분포 및 방향성에 따른 영향 분석을 위하여 현장계측을 실시하였고 터널 굴착 중 장기거동에 영향을 미치는 인자들에 대하여 연구하였으며, 이로부터 도출한 결론들은 종합하면 다음과 같다.
(1) 터널 굴착 중 지보재(숏크리트 및 강지보)의 균열 및 변상 등이 발생되지 않은 상태에서 현장에서 수행된 계측값을 고려할 때, 불량한 지반조건에 기인한 과대한 연직방향 지반하중과 강지보를 통하여 전달되는 수평방향 지반하중이 천단부 중앙부에 휨 응력파괴(combined bending)의 유형으로 나타나는 것으로 분석되었다.
(2) 본 연구대상 터널과 같은 유사사례 검토결과, 붕괴의 주된 원인은 지형, 지반의 낮은 강도특성 및 불연속면의 변형 등에 의한 과대한 지반하중이며, 터널에 작용하는 지반하중은 터널굴착에 의하여 발생됨에 따라, 반드시 터널 굴착에 의한 지반변형의 수렴상태를 확인하여야 하고, 터널 주변 지반의 응력이 평형을 유지하는 상태에서 단계적 추가 굴착 및 라이닝의 설치가 적정한 것으로 분석되었다.
(3) 실시설계 시 시추조사 및 탄성파탐사 등의 수행결과로 상부 저비저항대(Ⅳ등급) 분포를 확인하였으며, 터널 통과구간의 연장성은 없는 것으로 설계반영 되었으나, 터널 굴착 중 막장면 관찰결과와 같이 터널 막장면에 단층파쇄대 분포 위치 및 방향성에 따라 정량적인 현장계측 변위값이 허용관리기준치 이내인 경우라도 붕락 등이 발생할수 있는 것을 확인하였으며, 이는 설계 및 실시설계 시 지반조사의 한계 및 지반의 불확실성에 기인한 것으로 분석되었다.
