KSEG Conference / April 7 - 9, 2011 / Jeju / Korea
만장굴 미공개 구간의 붕괴 특성
collapse properties of the Manjanggul un-opened area
이진형 Jin-Hyoung Lee1) , 이윤수 Yun-Su Lee2) , 김기덕 Ki-Deok Kim2) 김석일 Seok-il Kim2) , 김교원 Gyo-Won Kim2)*
1)
LS-Nikko 동제련, LS-Nikko copper inc.
2)
경북대학교 지질학과, Dept. of Geology, Kyungpook National University
* 교신저자 : [email protected]
주요어: 거문오름 용암동굴계, 만장굴, 슈미트해머
1. 서론
제주도의 동남부에 위치한 ‘거문오름 용암동굴계’는 그 지질학적 및 문화재적 가치를 인정받아 지난 2007년 세계자연유산으로 등재되었다. 특히 본 연구의 대상인 만장굴 미공개구간(2입구 ∼ 1 입구)은 지난 2009년, 앞으로 그 공개 여부를 위한 정밀안전진단이 이루어진 만큼 동굴의 구조적 안정성 분석이 필수적이며, 이러한 연구를 통해 앞으로 만장굴 미공개구간의 개발과 보존 대책을 강구함에 있어 기초 자료로 인용 될 수 있을 것으로 기대된다.
연구방법은 연구지역 전체를 10m 단위로 나누어 동굴 형태 측정을 실시하였으며 이렇게 분류 한 단면 형태에 따른 응력집중 분석을 실시함과 동시에 암반의 가장 큰 특징으로 여겨지는 암석강 도 크기, 그리고 구조물 및 지반의 구조적 안정도에 큰 결함으로 여겨지는 절리분포를 조사하여 지금까지 발생한 붕괴의 위치와 비교를 하였다. 이러한 연구 지역에서 과거 발생한 붕괴의 위치를 파악하여 동굴 단면 형태와 절리분포, 강도 등 붕괴에 작용할 수 있는 여러 요인들과의 상관관계 를 살펴보았다.
2. 지형 및 지질 2.1 지형
본 연구지역은 제주특별자치도 제주시 구좌읍 김녕리 만장굴 일원으로 해발고도는 약 60∼70m 의 범위를 나타내고 있다. 만장굴 미공개 구간 일대의 개략적인 지형분석을 위하여 수치지형도와 위성사진에 근거하여 인근 지형의 고도분석 및 경사분석을 실시하였다.
조사지역의 지형을 분석해보면 북측의 만장굴 제 2입구의 고도가 약 70m이고 남측의 만장굴 제
1입구의 고도가 약 60m이므로 만장굴 미공개 구간사이의 지표면의 고도는 북측으로 갈수록 완만
하게 낮아지고 있음을 알 수 있다. 지형경사는 약 0∼5°로 지형이 완만하다. 보통 산사태와 같은
재해 위험지역의 경사는 30도 내외로 나타나는데 비하면 지표의 안정성은 매우 높은 것으로 판단
되며 경사방향은 여러 방향으로 발달되어 있지만 지표 경사가 매우 완만하게 발달되어 있기 때문
에 방위에 따른 재해 위험성은 없는 것으로 판단된다.
Fig. 1 numerical topographic map
Fig. 2 geological map of the study area
2.2 지질
만장굴을 이루고 있는 기반암은 침상장석현무암 또는 표선리현무암 등으로 조사자에 따라 각 지역의 명칭을 붙여서 명명하고 있다. 용암동굴의 분포와 지표에서의 계단상 형상에 비추어 볼 때 이 일대의 현무암들은 거문오름 분석구(456m)에서 공급된 용암류에 의해 형성된 것으로 알려져 있다(황상구, 안웅산, 2008). 만장굴 주변에 나타나는 현무암은 암회색에서 담회색을 띠고 다공상 내지 괴상(dense)이며 침상의 미세한 사장석 결정과 1mm이내의 감람석을 반정으로 함유한다. 기 공은 구형 내지 타원형으로 2∼50mm범위의 크기이고, 기공 함량은 최대 약 40%를 차지하며 이 기공은 흐름단위의 상단에 가장 밀집되어 있고 하단에 다소 적게 분포하며 중간에는 거의 없는 경 우가 많다. 만장굴 미공개 구간 내부에서 관찰되는 주요 지질학적 및 지형적 구조들로서, 여러 차 례에 걸친 용암의 유입으로 형성 된 용암 발코니와 용암가스로 인해 내부 압력이 증가하여 동굴의 천정부가 위로 융기된 pop-up 구조, 벽면부와 바닥부에서 관찰되는 다수의 균열부와 과거 침수로 인해 박테리아의 서식 환경을 지시하는 침수표시선(water leakage) 등이 관찰된다. 만장굴 미공개 구간 일대 지표에서 관찰되는 특징적인 지질 및 지형 모습으로는 분출된 용암의 흐름 방향을 보여 주는 유상구조와 파호에호에 용암에서 관찰되는 로피구조(loppy structure), 지하의 팽창으로 지표 부가 위로 솟구쳐 올라온 투물러스구조(tumulus sturcture), 그리고 분출된 용암의 냉각으로 인한 수축현상으로 생성된 주상절리(columnar joint)가 있다.
3. 동굴현황
3.1 단면특성 및 붕괴현황
만장굴 미공개구간의 동굴 형태는 크게 가장 안정적인 형태를 보이는 반구형(A-type), 타원형
(B-type), 계속된 용암의 유입의 부가로 인해 형성된 낮은 타원형(C-type), 열적침식(thermal
erosion)에 의해 형성된 폭보다 높이가 더 큰 동굴의 형태(D-type), 그리고 비규칙적인 용암의 유
입으로 형성된 비대칭 반구형(E-type)으로 구분되어 진다. 그중 B-type과 C-type이 상대적으로
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많은 분포 구간을 보이고 있다. 연구 구간에서 관찰되는 주요 붕괴의 위치를 살펴보면 만장굴 제 2입구를 기준으로 300 ∼ 600m 구간과 900m 이후의 구간에서 주요 붕괴가 발생했다.
A-type B-type C-type D-type E-type
Fig. 3 contrast between shape and collapse
동굴의 단면 형태와 붕괴 발생 위치를 중첩시켜 본 결과, 특히 동굴 단면의 형태가 변화하는 구간 에서 많은 붕괴가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 또한 A-type, C-type의 단면 형태의 구간에서는 뚜렷한 붕괴가 발견되지 않아 대체로 안정한 단면 형태로 분류할 수 있으며, B-type과 D-type의 단면 형태 구간에서는 일부 붕괴가 관찰되어 다소 불안정한 상태, 그리고 E-type의 단면 형태에 서는 전체 약 170여 미터(m)중 dir 87m에서 붕괴가 관찰이 되어, 비율적으로 50%가 넘는 높은 붕 괴 빈도를 보여 아주 위험한 단면 형태로 분류하였다.
3.2 응력집중 분석
동굴안정성 해석에 사용된 수치 프로그램은 Phase2이다. 이 프로그램은 단계 굴착을 고려한 재 료의 탄소성 문제를 해석할 수 있으며, Mohr-Coulomb 및 Hoek & Brown 파괴기준 등 다양한 파 괴기준을 도입하고 있다. 국내외에서 터널이나 사면 등 지반공학 분야의 수치해석에 널리 사용되 는 범용프로그램이다.
분석결과 각 형태에 대한 현재 상태의 응력 분포 현황을 살펴보면 모든 형태에서 동굴의 좌우측
부에서 최대 주응력 집중을 보이고 있다. 응력분포해석의 결과 반구형과 타원형에서는 응력집중
이 타 형태에 비해 적게 나타났으며, 낮은 타원과 열적침식, 그리고 비대칭 아치형의 단면에서 응
력집중이 크게 나타났다. 이를 실제 붕괴 빈도와 비교하였을 때, 일부 적합성을 찾을 수는 있었으
나, 열적침식형과 같이 응력 집중도가 다소 낮았으나 붕괴가 일어난 것으로 미루어보아, 형태 이
외에도 동굴의 붕괴에 작용하는 다른 요소가 있었음을 간접적으로 추론할 수 있었다.
Fig. 4 maximum stress of C-type
Shape (chainage) Present Stress state (t/m
2) Collapse Frequency
A-type (140) 263.6 Low
B-type (500) 280.2 Middle
C-type (340) 320.1 High
D-type (170) 317.1 Low
E-type (980) 308.3 High
Table 1. stress state and collapse frequency of each shapes
4. 물리적 특성 4.1 강도 특성
동굴 내 암석강도 조사를 위하여 구간별 chainage 마다 슈미트해머 테스트를 실시하였다. 테스 트는 동굴의 좌우벽면과 바닥 및 천정에서 떨어진 대규모 낙석에 대해서 실시되었으며 한 지점에 서 상하좌우로 1cm 간격으로 총 25번에 걸쳐서 측정한 후 최대값과 최소값을 제외한 평균치를 슈 미트해머 반발치로 하였다. 본 연구에서 슈미트해머를 통해 확인한 chainage 별 일축압축강도의 분포 양상은 24 - 68MPa 범위에 들며 평균 38.5MPa(약 385 kg/cm
2)이다.
붕괴가 발생한 위치와 그렇지 않은 위치에서의 슈미트해머를 이용한 암석강도 시험 결과, 동굴
의 전역에서 비슷한 암석강도의 분포를 보이고 있어 붕괴의 여부에 따른 암석강도의 변화는 크지
않은 것으로 나타났다. 따라서 동굴 벽면 암석강도의 저하와 붕괴와는 직접적인 관련이 없는 것으
로 생각할 수 있다.
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Fig. 5 distribution and mean of qu
4.2 절리 특성
과업대상지역인 만장굴 미공개 구간을 포함하는 동굴 내외부의 절리분포를 파악하였다. 현장조 사를 통하여 각 지점에서 관찰되는 절리면의 경사방향과 경사를 클리노컴파스를 이용하여 측정하 였으며 실내에서 측정된 모든 절리면의 배향을 스테레오 네트에 하반구 투영을 통하여 절리면의 pole로 나타내었다. 이를 통해서 총 여섯 개의 대표배향을 관찰할 수 있었으며 그 배향은 215/79(N55W 79SW), 164/85(N74E 85SE), 074/80(N16W 80NE), 121/87(N31E 87SE), 043/77(N47W 77NE), 006/89(N84W 89NE)이다. 대표배향 절리면의 pole이 육면체에 가깝게 위치 하고 있으며 이를 통해서 지표현무암에서 주상절리가 잘 발달하는 것을 관찰할 수 있다. 동굴 내 에서 다양한 규모의 균열이 관찰되었는데 대부분 용암 냉각수축에 의한 인장절리로 추정된다.
연구지역 일대에서 관찰된 절리의 빈도, 길이 그리고 배향 등에 대한 분석 결과, 전체 구간에서 100 m 당 평균 100 여개 안팎의 절리가 발달하고 있으며, 동굴 진행 방향에 대해 수직 방향의 절 리가 대부분 발달하고 있다. 또한 제 2입구에서 제 1입구 방향으로 갈수록 절리의 연장이 길어지 는 양상을 보이며, 동굴 진행 방향에 평행한 배향의 절리의 빈도가 증가하는 양상을 보인다.
이러한 결과와 붕괴의 빈도를 비교해 보면, 대체로 균일한 분포를 보이는 절리의 빈도보다는, 실제 붕괴가 많이 발생한 동굴 후반부로 갈수록 절리의 연장 길이가 길어지고, 동굴 진행방향에 평행한 방향의 절리가 더 많이 분포하는 것으로 미루어보아, 절리의 연장길이와 배향에 더 밀접한 관련이 있는 것으로 사료된다.
5. 토의 및 결론
만장굴 미공개 구간(제 2입구 ∼ 제 1입구)에 대한 공개 여부를 위한 정밀안전진단의 연장으로 실시한 본 연구를 통해 자연용암 동굴에서 발생한 붕괴의 원인을 찾아내기 위해 동굴 단면형태 등 의 지형학적 특성과 강도, 응력분포, 절리 등의 지질학적 특성의 관계를 분석해 보았다.
만장굴 미공개 구간에서 관찰되는 동굴 단면의 형태는 크게 가장 안정적인 형태를 보이는 반구
형(A-type)과 타원형(B-type), 계속된 용암의 유입의 부가로 인해 형성된 낮은 타원형(C-type),
열적침식(thermal erosion)에 의해 형성된 폭보다 높이가 더 큰 동굴의 형태(D-type), 그리고 불규
칙적인 용암의 유입으로 형성된 비대칭 반구형(E-type)으로 구분되어 진다. 붕괴가 발생한 위치와 그렇지 않은 위치에서의 슈미트해머를 이용한 암석강도 시험 결과 동굴 벽면 암석강도의 저하와 붕괴와는 직접적인 관련이 없는 것으로 생각할 수 있다. 수치해석 프로그램을 통한 단면 형태별 동굴의 응력분포 분석 결과 대체로 안정한 구간임을 확인하였다. 동굴 내부에서 관찰된 절리의 빈 도, 길이 그리고 배향 등에 대한 분석 결과 절리의 연장 길이와 배향(동굴 진행방향에 평행한 방 향의 절리)에 더 밀접한 관련이 있는 것으로 사료된다.
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