단층활동 이력지반의 터널 통과구간 보강사례

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(1)기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.2 | pp.8~20. 단층활동 이력지반의 터널 통과구간 보강사례. 이명훈. 조동식. 박동구. 임신환. 금동백. 한국도로공사 안동영덕건설사업단 사업단장. 한국도로공사 안동영덕건설사업단 공사관리팀장. 한국도로공사 안동영덕건설사업단 16공구 책임감독. ㈜도화엔지니어링 안동영덕건설사업단 토질기술감리 ([email protected]). 삼환기업(주) 안동영덕16공구 현장소장. 1. 개 요. 상북도 영덕군 지품면 수암리∼달산면 인곡리까지 연 장 7.32km이다.. 현재 건설중인 상주-영덕간 고속도로 건설사업은. 본 계획노선 중 지품6터널 종점 갱구부 위치는 과거. 공사기간 2010.12월∼2015.12월(60개월), 총 연장. 소규모 단층활동에 의한 열개(裂開)가 폭 5∼30cm로. 107.56km, 교량 115개소, 터널 38개소, 분기점 2개. 터널 부근까지 형성되어 있으며, 구성 암반은 사암 및. 소, 나들목 7개소, 휴게소 3개소로 구성되어 있다. 설. 셰일층으로 층리 및 수직절리가 발달되어 있어, 터널과. 계속도 100km/h의 4차선으로 설계되어 있으며, 중. 비탈면의 역학적 거동과 안정성을 검토하게 되었다.. 부내륙고속도로(남북4축)와 중앙고속도로(남북5축) 를 연결하여 경북 동북부 지역인 의성, 청송, 영덕 등 의 관광자원과 산업자원 개발을 촉진하여 수도권과 대. 2. 지품6터널 종점부 지반 특성. 구, 포항, 경남권을 연결하는 남북방향 고속국도를 직 접 연결하므로서 물류지원체계 확보를 통한 지역 균형. 2.1 지질조건. 발전을 도모하기 위하여 계획되었다. 이중 안동-영덕 고속도로 건설사업구간은 경상북. 조사지역의 지질은 국지적으로 분포하는 선캠브리. 도 안동시 길안면 만음리에서 영덕군 강구면 남산리까. 아의 석회규산염암이 최하부에 위치하며, 그 상부에. 지 총 56.8km이며, 지품6터널이 위치한 16공구는 경. 트라이아스기의 각섬석화강암과 쥬라기의 오천동층. 8 • 地盤.

(2) 단층활동 이력지반의 터널 통과구간 보강사례. 이 분포한다. 또한 이들과 부정합으로 분포하는 백악. 계동층과 아코오스사암과 적색사암으로 이루어진 가. 기의 가송동층과 도계동층, 백악기의 관입 및 분출로. 송동층이 주를 이루며 북측으로는 각섬석화강암이 광. 생성된 각력질 안산암, 그리고 최상부에 부정합으로. 범위하게 분포한다. 조사지역내에 분포하는 제4기 충. 피복되어 있는 충적층이 분포한다. 지품6터널 종점부. 적층은 주로 하천의 퇴적작용으로 생성된 하상퇴적층. 에 분포하는 기반암은 적색사암과 셰일로 이루어진 도. 으로 역질, 사질, 점토 및 이토로 구성되어 있다.. 그림 1. 안동-영덕 고속도로공사 전체 노선도. 그림 2. 지품6터널 종점부 현장 위치도. 그림 3. 지질도. 2014. 2 Vol.30, No.2 • 9.

(3) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.2 | pp.8~20. 2.2 지반조사. 의 활동 또는 지하수에 의한 풍화에 기인하여 점토층 이 형성된 것으로 분석할 수 있다. 이러한 점토층은 많. 2.2.1 지표지질조사. 은 문제점을 내포하고 있는데 특히, 토공구간 굴착시. 본 계획노선 중 지품6터널 종점부 상주방향. 응력해방과 지하수 유입에 따른 전단응력 증가 및 점. STA.2+050∼2+200에 시공 예정인 갱구부 위치에서. 토층의 전단강도 저하로 대규모 사면활동이 일어날 가. 지표지질조사를 수행하였다. 그 결과, 수직절리에 의. 능성이 크다.. 한 열개(裂開)가 폭 5∼30cm로 터널부근까지 발달되 어 있으며, 인접부 비탈면에 과거 소규모 단층활동부. 2.2.3 전기비저항탐사. 가 확인되고 층리면은 점토를 협재하고 있어 평면파괴. 지품6터널 상주방향 구간에서 총 1,200m 연장 5측. 및 인장균열의 요인으로 나타났다. 수직절리는 지표면. 선의 종횡단방향 2차원 전기비저항탐사를 수행하였. 으로부터 계획터널 하부까지 연장되어 있어 터널 굴착. 다. 탐사자료의 역산후 지층의 전기비저항 분포를 이. 시 천단부에 블록형 붕괴가 발생할 것으로 예상되었다.. 용하여 연속적인 지층상태를 파악하고 구조대를 추 정하며, 시추조사 및 암반분류 결과와 종합적으로 비. 2.2.2 시추조사. 교·검토하여 암반등급 분류에 적용하였다. 전기비저. 시추조사를 통해 심도 약 9.2∼9.7, 11.4∼11.5,. 항탐사 결과 전체적인 비저항값은 5∼4,000 Ωm로. 15.4∼16.8m에 점토충진물이 존재하는 것을 확인하. 비교적 넓은 범위의 값을 가지며 전반적으로 다소 낮. 였다. 이는 장기간에 걸친 수평방향의 취약층(층리면). 은(5∼500Ωm) 분포를 보였다. 열개가 발달된 부분. 열개 (폭30cm). 10 • 地盤. 그림 4. 위치도. 사진 1. 노두 사진. 그림 5. 시추조사 위치도. 그림 6. 점토층의 활동연계성. 단층면 65/100.

(4) 단층활동 이력지반의 터널 통과구간 보강사례. 그림 7. 시추주상도와 시추코아사진 표 1. 시추조사 결과 구분. 시추공번. 조사결과 요약. 실시 설계. TB-9. 암반의 출현심도는 2.7m의 분포로 나타나며, 암반의 회수율은 62∼100%, 암질지수는 35∼93%로 나타남.. 1차 확인. TB“-1,2. 암반의 출현심도는 0.7∼1.4m의 분포로 나타나며, 암반의 회수율은 33∼100%, 암질지수는 10~100%로 나타남. 암반 심도 3.0m 이하부터 50%이상의 양호한 암질지수를 보임.. TB#-1,2. 암반의 출현심도는 0.0~4.9m의 분포로 나타나며, 암반의 회수율은 60∼100%, 암질지수는 0~87%로 나타남. 암반 심도 4.0m이하부터 40%이상의 암질지수를 보여 양호한 암반상태이나 5∼30cm의 점토가 협재된 잠재된 활동면이 파악되었음. 영덕방향 굴착시 응력해방에 의한 전단응력 증가와 지하수 유입에 의한 잠재 활동 점토의 전단강도 감소로 평면파괴 발생이 예상됨.. 2차 확인. 비고. 기반암은 대부분 적색 셰일과, 사암이 호층으로 나타남.. 그림 8. 전기비저항탐사 결과. 2014. 2 Vol.30, No.2 • 11.

(5) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.2 | pp.8~20. 은 충진물이 없어 고비저항(1,000∼4,000Ωm)으로. 시추공영상촬영 결과 관찰된 불연속면은 층리 방향. 나타나고 있으며, 충진물로 채워진 부분은 저비저항. 의 공동 및 불연속면이 대다수를 차지하며, 주절리군. (100∼800Ωm)으로 나타났다. 수직으로 발달된 고비. 은 (21∼26)/(209∼215)의 경사 및 경사방향을 형성. 저항대인 열개가 반복하여 나타나고 있으며 표면에 나. 하고 있다. 또한 주절리군은 인장균열 및 활동이 발생. 타나지 않은 고비저항대가 다수 나타나고 있는 것은. 한 사면의 경사방향과 유사한 방향성을 보인다. 기 발. 잠재된 수직절리가 다수 발달되어 있음을 시사한다.. 생한 사면활동은 사면의 경사방향으로 발달한 저각의. 저비저항대는 수평적·수직적 연속성이 크며 대규모. 주절리군에 큰 영향을 받았을 것으로 추정되며, 과거. 의 지질구조와 연관되어 터널안정성에 문제가 예상된. 사면활동이 일어난 방향은 주절리군의 경사방향과 다. 다.. 소 차이를 보이는데 이는 사면 좌측으로 인접해 있는 급경사 계곡의 지형적 영향을 받았을 것으로 추정된. 2.2.4 시추공영상촬영. 다.. 공내영상촬영결과 위경사 분포(횡단도). 공내영상촬영결과 능곡을 따른 경사방향. 시추공 영상(TB#-1). 시추공 영상(TB#-2). 심도 4.1∼6.6m. 심도 9.3∼11.6m. 심도 6.7∼9.2m. 심도 9.3∼11.7m. B#-1과 TB#-2 시추공에서 관찰된 개구성 절리들 중 넓은 간극을 갖는 열린 절리와 국지적인 파쇄대 중 점토가 협재된 부분이 관찰됨 그림 9. 시추공영상촬영 분석 결과. 12 • 地盤.

(6) 단층활동 이력지반의 터널 통과구간 보강사례. 평사투영분석 TB#-1. TB#-2. 평사투영. 로즈다이아그램. 평사투영. 로즈다이아그램. SET1. 26/209. SET1. 21/215. SET2. 65/022. SET2. 71/360. -. -. SET3. 73/055. 그림 9. 시추공영상촬영 분석 결과(계속). 조사현황. 기반암 균열. 기반암 공동. 그림 10. 예상활동면의 결정. 2014. 2 Vol.30, No.2 • 13.

(7) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.2 | pp.8~20. 1차 사면파괴. 2차 블록형 천단붕괴 및 사면파괴 그림 11. 불연속면 활동으로 인한 예상 붕괴 형태. 2.2.5 예상 파괴형태 예측 및 문제점. 3. 터널 원지반 사면활동 보강방안 검토. 지반조사결과를 종합적으로 고려하여 파괴활동면 을 예측하였다. 심도 약 11.4∼11.5m의 점토협재층. 3.1 보강방안 검토. 연장추정선(Line-1)과 심도 약 15.4∼16.8m의 연장 추정선(Line-2)이 지배적인 활동파괴면을 형성하고. 지품6터널 종점부는 위에서 예상한 바와 같이 토공. 있는 것으로 예측되었다. 지하수위 확인 결과도 활동. 구간 비탈면 깍기 및 터널굴착시 지반 이완 및 붕락에. 시 형성된 지하수이동에 따라 Line-1에 유사하게 형. 대한 보강대책이 필요하다. 터널 직상부는 갱외 선지. 성되고 있는 것을 확인할 수 있었다. 점토가 협재된. 보네일 공법으로 수직보강하고 터널 단면 좌측상부 원. 주된 활동파괴면(Line-1, Line-2)과 배면상부 활동. 지반 사면은 압력식 네일로 추가 보강하여 사면 안정. 의 흔적이 보이는 층을 연계할 때, Line-1의 파괴면. 과 터널 안정성을 동시에 확보하도록 계획하였다. 이. 의 점토협재층이 다소 두껍게 형성되어 지배적이나. 공법은 갱외 선지보네일과 더불어 상부에 경사네일을. 터널우측부 토공 작업시 잠재 활동층인 Line-2가 전. 보강하여 장기적인 사면 활동을 억제하여 원지반 비. 단응력의 규모와 기하학적인 형태를 고려할 때, 보다. 탈면을 안정화 시킬 수 있으며, 터널 굴착전에 사전 보. 지배적인 예상활동면으로 판단되어 주 활동파괴면을. 강하므로 터널굴착시 시공속도가 빠르고 사전안정성. Line-2로 결정하였다.(그림10 참조). 이 확보되는 것이 장점이다. 또한 암반 불연속면에 협. 그림 11과 같이 현재 층리면을 따른 활동 진행중으. 재된 점토층 및 공극을 가압그라우팅을 통해 효과적으. 로 불연속면의 전단강도가 잔류강도 정도로 떨어져 있. 로 충진하므로써 절리면 전단강도 향상과 암괴의 분리. 고, 터널 하부까지 수직 절리가 연장 되어 있는 구간을. 거동을 방지하였다. 지반보강 그라우팅 효과를 나타. 지반 보강 없이 터널 굴착을 할 경우, 1차적으로 층리. 낼 수 있는 선지보네일 공법의 경우 네일(이형철근)과. 면을 활동면으로 하는 사면파괴가 예상되고, 2차적으. 터널강지보재의 결속을 통해 암반 봉합 및 구속효과를. 로 터널 굴착시 지상에서부터 연장된 수직절리에 의한. 발휘하여 터널굴착시 블록파괴 및 암괴탈락 등의 위험. 블록형 천단붕괴 발생이 예상된다. 따라서 활동이 진. 요소를 방지할 수 있는 장점이 있다.. 행 중인 구간의 비탈면 안정을 확보하면서 NATM터 널 구조물의 장기적인 안정성 확보를 위한 보강 공법 이 요구되었다.. 14 • 地盤. 3.2 보강시 안정성 검토.

(8) 단층활동 이력지반의 터널 통과구간 보강사례. 그림 12. 보강대책 평면도. 그림 12-1. 보강개요도. 그림 13. 보강대책 종단면도. 그림 13-1. 보강대책 횡단면도. 3.2.1 사면안정 검토. Rocplane을 이용하여 해석한 결과 건기시, 우기시 모. 사면 안정성과 터널 안정성을 동시에 확보하기 위. 두 허용안전율을 만족하는 것으로 확인되었다.. 한 대책 방안으로 제시한 갱외선지보네일 + 상부보 강 경사네일 적용에 대한 안정성을 검토하였다. 사. 3.2.2 터널안정 검토. 면 상부 인장균열이 발견된 부분에는 C.T.C=2.5×. 터널안정성 검토는 갱외 선지보네일(C.T.C=1.2×. 1.2m 간격으로 압력식 네일(L=20m, HD29, 설치각. 1.2m)을 적용한 후, 선보강된 구간의 터널 굴착에 따. 도 40°)을 계획하였으며, 터널 직상부는 갱외선지보네. 른 지반의 역학적 거동과 안정성 등을 평가하였으며,. 일(C.T.C=1.2×1.2m)로 계획하였다. 터널우측 토공. MIDAS-GTS를 사용하여 터널 해석을 수행하였다.. 구간 비탈면은 절취시 국부적인 평면파괴가 예상되어. 해석에 이용된 지반정수들은 지반조사결과와 각종 문. 압력식네일(C.T.C=2.0×2.0m, L=4.0∼12.0m)로 계. 헌자료를 분석하여 산정된 값을 이용하였고, 실제의. 획하였다. 사면 안정성 검토에 적용한 해석모델은 상. 굴착 단계를 고려하여 터널 거동분석과 적용된 지보. 부 인장 균열로 인한 전체 사면이 층리면에 따라 활동. 재의 안정성을 검토하였다. 안정성 검토는 측압계수. 하는 블록파괴로 적용하였으며, 파괴면의 경사는 층. Ko=0.5, 1.0, 2.0로 3가지 조건으로 검토하였으며, 터. 리면 경사의 평균값인 20°로 검토하였다. 해석프로그. 널변위, 숏크리트 응력, 록볼트 및 선지보네일 축력에. 램은 TALREN4 프로그램으로서 건기시, 우기시 안정. 대해 허용기준치를 만족하는지를 평가하였다.. 해석 결과 모두 만족하는 것으로 검토되었다. 또한 터. 2차원 터널안정성 수치해석 검토결과 터널의 최대. 널 우측비탈면은 암반사면 한계평형 해석프로그램인. 변위는 Ko=0.5조건에서 -2.2mm로 천단부에서 발생. 2014. 2 Vol.30, No.2 • 15.

(9) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.2 | pp.8~20. 검토단면. 구분. 건기시. 우기시. FS = 2.11 > 1.5, O.K. FS = 1.29 > 1.2, O.K. FS = 2.11 > 1.5, O.K. FS = 1.39 > 1.2, O.K. 전체 사면. 결과. 터널 우측 비탈면. 결과. 그림 14. 보강시 안정성 검토결과(Talren 4, Rocplane). 하여 안전한 것으로 판단되며, 터널 지보재인 숏크리. 4. 시공시 문제점과 대책. 트의 휨압축응력, 전단응력의 최대값은 Ko=2.0조건 에서 1.89MPa, 0.02MPa로, 선지보네일의 최대 축력. 4.1 균열 및 다공질 지반보강. 은 Ko=2.0조건에서 21.45kN으로, 록볼트 최대 축력 은 Ko=2.0조건에서 8.17kN으로서 모두 허용기준치 이내로 안전한 것으로 검토되었다.. 16 • 地盤. 다수의 균열을 내포하거나 다공질 지반에서 그라우 팅 주입을 위해 천공시 공동부로Air가 분산되어 천공.

(10) 단층활동 이력지반의 터널 통과구간 보강사례. 표 2. 적용지반정수 구분. 단위중량 γt(kN/㎥). 점착력 (kPa). 내부마찰각 (˚). 변형계수 (E, MPa). 포아송비 (υ). 토사(사질토). 17.0. 10.0. 30. 15. 0.35. 보강 토사. -. -. -. 390. -. 풍화암. 20.0. 30.0. 32. 400. 0.30. 보강 풍화암. -. -. -. 866. -. Ⅰ. 27.0. 3000. 50. 16000. 0.20. Ⅱ. 26.0. 2000. 45. 10000. 0.23. Ⅲ. 25.0. 700. 40. 3000. 0.25. Ⅳ. 23.0. 200. 35. 1500. 0.27. Ⅴ. 20.0. 50. 33. 400. 0.30. 기 반 암. 표 3. 해석 조건 및 지보패턴 해석조건. 지보 패턴. 해석위치. •STA. 2+080.00. 굴착공법. -. 측압계수. •Ko=0.5∼2.0. 굴진장(m). 1.5/3.0. 적용단면. •직선구간. 숏크리트두께(m). 0.12. 지보패턴. •갱외선지보 적용(C.T.C=1.2×1.2). 길이(m). Var.. 간격(종/횡, m). 1.2×1.2. 길이(m). 4.0. 간격(종/횡, m). 1.5×1.5. 네일 하중분담율. •50%-20%-30%. 적용프로그램. •Midas GTS Ver.410 록볼트. 해석모델. •Mohr-Coulomb 파괴규준에 의한 탄소성 해석. 그림 15. 해석단면 (STA2+080). 그림 16. 유한요소 해석 모델링(MIDAS-GTS). 2014. 2 Vol.30, No.2 • 17.

(11) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.2 | pp.8~20. 표 4. 해석단계별 시공순서 STEP. 시공순서. 하중 분담율. 0. 초기단계. 1. 시공개요. STEP. 시공순서. 하중 분담율. -. 4. S/C 강성화. 30%. 선지보네일. -. 5. 하반 굴착. 50%. 2. 상반 굴착. 50%. 6. 연성 S/C + R/B. 20%. 3. 연성 S/C + R/B. 20%. 7. S/C 강성화. 30%. 시공개요. 그림 17. 최종단계 지반변위(Ko=0.5). 그림 18. 최종단계 선지보네일 축력(Ko=2.0). 슬러지를 밖으로 배출하기 어려워 천공홀 형성이 곤란. 심도를 산출하였다. 또한 급경사부에서 시공시 천공. 하였다. 따라서 당현장에서는 지반내 공동 구간을 그라. 오차가 커지는 것을 방지하기 위해 천공시 크롤라드릴. 우팅으로 먼저 채운 후 천공을 시행하여 크롤라드릴의. 의 Boom 수직도를 상시 체크할 수 있도록 각도계 또. Air 분산을 억제하여 슬러지 배출을 용이하게 하였다.. 는 수평계를 설치하고 각 천공홀마다 천공깊이를 기록 하도록 하였다.. 4.2 정밀 시공 관리 4.3 급경사지 시공대책 보강재의 정확한 설치위치 및 심도의 확보를 위하여 천공위치를 각각 측량후 측점의 좌표값(X,Y)을 기록. 갱구사면의 급경사부는 사면 절취이전에 Top. 하고, 각 측점의 지반고를 확인측량하여 정확한 천공. Down방식으로 시공하여 천공오차가 최소화가 되도. 18 • 地盤.

(12) 단층활동 이력지반의 터널 통과구간 보강사례. 사진 2. 각도계 설치. 사진 3. 수평 수직계 설치. 록 하였으며, 급경사부 갱외선지보네일 천공시에는. 4.4 지압판 체결시 오차발생. 사면 경사가 30˚이내인 경우 크롤라드릴로 천공작업 이 가능하지만 정밀성 확보를 위해 수평 평탄 작업 후 천공하도록 하였다.. 갱외선지보네일은 터널 굴착전 사전에 지표에서 계 획된 터널 천단까지 네일에 팩커를 설치 후 가압그라. ① 급경사 원지반. ② 1단 터파기 및 톤마대 쌓기. ③ 면정리 및 천공위치 측량. ④ 갱외 선지보 천공. ⑤ 갱외 선지보 네일 삽입 및 가압 그라우팅. ⑥ 1단 원지형 복원, 다음단 반복시공. 그림 19. 급경사지 갱외선지보네일 시공방법. 2014. 2 Vol.30, No.2 • 19.

(13) 기술기사  | 한국지반공학회지 | Vol.30, No.2 | pp.8~20. 사진 4. 선지보네일 체결사진. 우팅을 시행하며, 굴착후 선지보네일을 강지보재 사. 그림 20. 선지보네일 지압판 체결 개념도. 과 시공시 문제점을 예측하였다.. 이에 선지보용 지압판과 함께 체결하여 지반과 일체화. 4) 터널 굴착시 1차적으로 층리면을 활동면으로 하. 시키도록 하였다. 선지보용 지압판은 선지보네일의. 는 사면파괴가 예상되고, 2차적으로 지상에서부. 시공오차를 감안하여 버팀용 철근을 따라 이동 가능하. 터 연장된 수직절리에 의한 블록형 천단붕괴 발생. 도록 제작하여 설치하도록 하였다.. 이 예상되어, 사면 안정성과 터널 안정성을 동시 에 확보하는 보강대책이 요구되었다. 5) 사면 상부 인장균열이 발견된 부분에는 C.T.C. 5. 결 언. = 2.5×1.2m 간격으로 압력식네일(L=20m, HD29, 설치각도 40°)을 계획하였으며, 터널 직. 1) 상주-안동 고속도로 건설사업구간내 지품6터널. 상부는 갱외선지보네일(C.T.C=1.2×1.2m)로 계. 종점부 상주방향 STA.2+050∼2+200 구간에 시. 획하였다. 터널우측 토공구간 비탈면은 국부적인. 공 예정인 갱구부 원지반에 인장균열이 다수 관찰. 평면파괴가 예상되어 압력식네일(C.T.C=2.0×. 되어 지반조사를 수행하였다.. 2.0m, L=4.0∼12.0m)로 계획하였다.. 2) 그 결과, 과거 소규모 단층활동 및 수직절리에 의. 6) 계획된 보강대책의 안정성 검토는 비탈면 안정해. 한 열개(裂開)가 폭5∼30cm로 터널부근까지 발. 석을 우선 시행하고 터널안정에 대한 확인 검토를. 달되어 있으며, 층리면은 점토를 협재하고 있어. 수행한 결과 모두 허용기준치를 만족하였다.. 진행성 평면파괴 및 인장균열의 원인으로 나타났. 7) 선지보네일의 수직도, 적정심도 확보를 위한 시. 다. 수직절리는 지표면으로부터 계획터널 하부까. 공관리를 중점적으로 시행하고 시공시 문제된 공. 지 연장되어 있어 터널 굴착시 천단부 블록형 파. 동부를 우선 충진후 보강재 시공부 천공을 실시하. 괴가 발생할 것으로 예상되었다.. 여 안전한 터널 구조물의 시공을 완료할 수 있었. 3) 시추조사, 전기비저항탐사, 시추공 영상촬영 등 을 시행하여 획득한 자료를 분석하여 예상 활동면. 20 • 地盤. 다..

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