KSEG Conference / April 7 - 9, 2011 / Jeju / Korea
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운모편암 구간에서 도로터널 건설중 굴착거동 분석연구
Behaviour alaysis of road tunnel under construction in the mica schist
김 낙 영 Nag-Young Kim1)* , 박 영 호 Young-Ho Park1), 박 용 석 Yong-Serk Park1), 이 용 희 Yong-Hee Lee2)
1)
한국도로공사 지반팀, Dept. of Geotechnical Engineering, Korea Expressway Corp.
2)
한국전력연구원 , Research Institute, Korea Eletric Power Corporation
* 교신저자:
[email protected]
주요어: 운모편암, 천단부 과다변위, 진행성 후방 변위.
1. 서론
터널이 굴착되는 지반은 응력변화와 지반변형이 발생되어 지반이 거동하게 된다. 이러한 지 반거동은 지반조건, 막장상태, 굴착방법, 지하수유입상태, 시공수준 등에 따라 그 변화 형태나 크기가 다양하다. 따라서 대처시기가 지연되면 막장자립성, 지보재, 주변시설물 등의 안정에 직 접적인 영향을 미치게 된다. 터널은 현재 터널 지보재로 사용하고 있는 숏크리트와 록볼트가 보조지보재 역할을 수행하는 것이고 실제 터널굴착에 따른 안정에 가장 큰 영향을 주는것은 주 변지반을 주지보재로 안정을 기하기 때문에 지반에서 이상거동이 발생되면 경우에 따라서는 터 널파괴로 진행될 수 있다. 일반적으로 터널 천단부의 지반이 연약하고 지하수의 영향을 직접적 으로 받는 경우에 붕락 가능성이 가장 크다고 알려져 있으며, 다음 그림 1.과 같이 가장 흔한 붕락형태는 천단부의 국부적 파괴이며 대부분의 파괴가 터널 굴착 막장 주위에 집중하므로 터 널 굴착에 있어서 가장 불안정한 위치는 막장 굴착 후 지보가 설치되기 직전이라 할 수 있다.
그러나 최근 우리나라의 터널건설 개소가 증가하면서 지반조건이 매우 불량하여 숏크리트와 록볼트 설치가 완료된후, 굴착 막장면 후방에서 과다변위가 발생하여 터널 안정성에 매우 위해 한 영향을 주는 경우가 종종 발생하고 있다. 따라서 본 논문에서 막장 후방에서 지보재 설치 완료후 과다변위가 발생한 사례를 분석하였다.
그림 1. 막장위치에 따른 붕괴위험도(Chambon 등 1994)
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2. 터널과다 변위 발생 현장조건 및 거동 특성 2.1 지반조건
본 연구대상 터널 시공현장 주변에는 명봉층과 설옥리층이 산출하는데 이 두 층의 지질경계는 원래 부정합면이 습곡되어 접하고 있는 지질경계이다. 이 습곡의 습곡축면의 주향은 N70°～80E°
이며 경사는 40°～45°로 경사방향은 북쪽이며, 형상은 거의 등사습곡이다. 습곡작용 등 2차적인 지질구조 발달과정에 수반된 단층이 존재하며 단층대 산물인 단층가우지, 단층각력, 단열, 미세 단층 및 맥이 형성되어있다. 선구조 분석결과 본 지역은 주로 NE방향과 NW방향을 보이고 있 다. NE방향의 연장은 길게 분포하며, NW방향의 연장은 대체로 짧게 분포하고 있다.
그림 2. 본 대상 터널 시추코아 암상 분포
시추코아 검토 결과 암종분포는 사질편암, 탄질셰일, 규암, 운모편암의 순의 암상산출을 보인다.
부분적으로 단층대와 변질대도 관찰된다. NTB-1의 경우 풍화토의 지층은 실제 0.0∼1.3m이나 풍화암층내 8.7∼14.9m 구간에서 차별풍화에 의해 풍화토의 형태를 띠며 나타난다.
시추작업결과 코아상태는 NTB-3, 4번공이 제일 취약하며, 단층대(단층각력, 단층 가우지)가 출 현한다. 터널상부 1D ∼ 터널하부 1D의 암반분류 결과도 주로 Ⅳ∼Ⅴ으로 분류되어 지층상태 가 불량하다는 것을 알 수 있다. 다음 그림 3.은 전기비저항 분포도를 지질조사결과의 단층대 및 시추조사결과와 비교 분석 한 결과는 다음과 같이 분석되었다.
․탄층, 단층대는 주변 모암에 비해 현저히 낮은 값을 갖는 전기비저항 특성을 가짐
․전반적으로 수십∼수천 ohm-m의 전기비저항 범위를 보이며, NE방향의 저비저항이상대의 형태를 보임
- STA. 0+300 이전에 다수의 저비저항 이상대가 관찰되며, 지질조사결과의 F-02, F-03, F-04 단층대의 위치와 일치함
- STA. 0+400∼0+600 구간의 저비저항 이상대는 탄층의 영향으로 판단되며, 이러한 영향으로 수백 ohm-m이하의 전기비저항 분포를 보임
- STA. 0+550 부근의 저비저항 이상대는 지질조사 결과의 암종경계 / F-05의 단층대 위치와 일치함
그림 3. 본 대상 터널 시추코아 암상 분포
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2.2 거동분석본 연구대상 터널의 거동분석을 위하여 다수의 계측측선별 변위측정결과를 시공이력과 연계 하여 그림 4.～그림 5.와 같이 정리하였다. 계측자료 정리는 붕락이 기 발생하고, 복구 후 추가 과대변위가 발생한 과업구간인 목포방향 터널 계측결과 만을 정리하였다.
붕락 및 과대변위 발생구간의 천단침하 발생 추이인 그림 4. STA. 0+318.8～325.8 발생하였 고, 복구 후, 붕락구간의 재계측이 수행된 이래, 9일이 경과하여 계측측선 STA. 0+322구간에서 29mm 변위가 계측되어 설계당시 설정된 3차 관리기준치를 초과하였다. 이후 7월 13일경부터 보다 강화된 지보패턴(Type-6-d)로 시공이 재개되었으며, 8m 중첩의 소구경 강관다단 그라우 팅이 추가로 투입되었다. 하지만 그림 5.의 계측결과에 의하면 STA. 0+312 구간부터 투입된 것 으로 보이는 강화된 지보패턴과 강관다단 그라우팅 보강공법은 후방부 붕락구간 과대변위를 저 감시키지 못하므로서 보강된 막장에서도 지속적인 과대 변위가 발생하면서 막장의 불안정을 초 래하였다. 이에 현장에서는 과대변위가 발생하고 있는 좌측벽부에 2차례에 걸친 압성토 응급조치 를 하였으나, 천단침하는 90mm 수준까지 지속적으로 발생하였고, 압성토 타설 구간 측부에서의 내공변위(그림 5. 참조)도 70mm에 가까운 과대변위가 계측되었다.
325 318
측 선 330
붕락구간
322 317 312
327 307 302 297
일 자 상 황
7/5
6/15 7/18
붕락 재굴진
8/4
320 310 300
297 290
그림 4. 과다변위 및 계측위치
300
315 314 313 310 311 312 0
20 40 60 80 100
7/10 7/15 7/20 7/25 7/30
그림 5. 변위 발생 경향분석
사진 1. 과다변위 발생 사진
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3. 결과분석
지하수유입에 따른 측벽부 탄층파쇄대의 운모편암의 결속력 소실에 의해 탈락현상이 발생된 것으로 조사되었다.
이상변위 및 붕락지점에는 편암이 발달하고 있는데, 편암은 건조한 상태에 있을 때는 어느 정도 강도를 보이지만 습윤시에는 급격히 강도가 감소하는 특징이 있으며, 특히 편암은 편리가 발달하여 습윤시 이에 따라 붕락을 일으키는 주요 요인이 될 수 있다. 또한, 붕락지점의 암종은 탄층파쇄대와 균질한 편마암의 분포가 축소되어진 편암 및 slaking 화된 편암으로 되어 있고 대규모 단층이 발달되어 있는 것으로 분석되었다.
사진 2. 편암에 발달한 편리구조(예)
4. 결론
본 연구대상 터널은 풍화된 운모편암과과 탄층파쇄대등 연약대가 발달한 구간으로 터널 굴착에 의한 초기변위 억제를 위해 일부 보강을 실시하였으나 강우에 위한 지표수의 유입으로 연약대에 침투하므로서 진행성 변위가 막장후방에서 발생한 사례로서 다음과 같은 보강을 추가 로 실시하여 진행성 변위를 억제한 사례이다. 보강개념은 추가적인 보강과 구조검토를 수행하여 콘크리트 라이닝의 철근보강계획을 수립하였다.
① 탄층파쇄대 및 풍화대가 막장전반에 걸쳐 분포하는 구간에는 천단부 대구경강관다단그라우팅과 횡방향 보강공법을 적용하여 안정성을 확보함.
② 탄층파쇄대가 터널 천단부 일부에 분포하는 구간에는) 탄층파쇄대 구간에 대구경 강관다단그 라우팅을 적용함.
③ 막장면 전체가 풍화토 구간인 경우에는 천단부 대구경 강관다단그라우팅, 측벽 횡방향 보강공 법과 링컷 굴착공법을 적용하여 안정성을 확보함. 또한 지표에서 침투가 용이한 라우팅을 실시하여 지반 강도와 차수효과를 증대시켰다.
참고문헌
(사)한국터널공학회(2010), “터널 붕괴 사례집”
(사)한국터널공학회(2007), “소양강댐 보조여수로 설치공사 하부터널 낙반원인 및 안정성 평가 검토 연구 보고서”
(사)한국터널공학회(2008), “터널 붕락부 및 과대변위 발생부 원인 조사 및 대책방안에 관한 연구 보고서”
. International conference & exhibition on tunnelling & underground space(2002), "Cayeli tunnel project in eastern blacksea region", pp313～322.
