터널 단층대구간 보강사례
이 득 복 롯데건설(주) ㅇㅇ 현장소장
김 기 석 (주)희송지오텍
대표이사
이 석 진 롯데건설(주) 기술연구원 수석
최 성 록 롯데건설(주) 기술연구원 책임 ([email protected]) 이 주 호
롯데건설(주) 기술연구원 원장
1. 서 론
터널 설계 시에는 비용 및 시간, 현장 진입조건 등의 제약으로 인하여 상세한 지반조사를 실시하지 못하는 경우가 빈번하다. 더욱이 현장이 개설되어 터널 공사 가 진행될 경우에는 공사비와 직결된 시간과의 싸움이 기 때문에 공사 중 별도의 조사가 진행되기는 쉽지 않 으며, 터널 막장에서 실시하는 Face Mapping을 토대 로 공사가 진행된다. 따라서 터널 공사 중 대규모 위험 요소가 발견되지 않는 이상 별도의 비용과 시간을 투 입하여 추가로 정밀 지반조사를 실시하는 경우는 매우 드물다.
본 기술기사에서는 터널 굴착 중 발견된 단층파쇄대 구간에 대하여 정밀 지반조사를 통해 지질 구조적 특 징과 형상을 파악하고, 이를 근거로 합리적인 보강방
안을 수립한 사례에 대하여 소개하고자 한다.
2. 현 황
대상 현장의 OO터널은 총 연장 2.2km의 4차로 단 선병렬터널이다. 토피는 약 40~60M이며, 터널 전 구 간이 OO산을 통과하는 산악터널에 해당한다. 또한 국 내에서도 시공사례가 많지 않은 편도4차로 터널로서 폭원이 19.5m이며, 굴착방식은 NATM으로 상·하반 반단면 굴착으로 진행된다.
대상 지역은 경기육괴 서부에 속하며 구성 암석은 변성암류인 선캠브리아의 흑운모 괴상편마암, 흑운모 편암, 흑운모 호상편마암과 화성암류인 쥬라기 대보 화강암, 백악기 암맥류이며, 이를 부정합으로 피복하
는 제4기 충적층이 분포한다.
3. 지반조사
3.1 지반조사 계획
본 조사는 OO터널 공사 중 발견된 대규모 단층파쇄 대에 대한 지반특성을 파악하여, 주요 지질 이상대 규 명하고 위험 구간에 대한 통과방안을 수립하는데 그 목적이 있다. 따라서, 지표지질조사, 시추조사, 물리탐 사, 공내시험 등의 현장시험과 토질과 암석에 대한 실 내시험을 실시하였다.
그림 1. 지질도
그림 2. 지반조사 위치도
3.2 지표지질조사
대상구간에는 총 7개의 단층이 존재하고 지표노두 상에서는 F3와 F3-1등이 관찰되었다. 단층은 흑운모 편암 분포지역에서 확인되었으며, 단층방향은 흑운모 편암의 엽리방향과 동일한 방향으로 나타난다. 노두 에 확인된 단층폭은 1m~0.2m이며, 단층대는 주로 단 층가우지 및 각력으로 구성되었다.
F1과 F2단층은 서로 평행한 방향으로 경사지며 순 폭은 0.2m의 고각단층으로 분석된다. F3단층은 북쪽 방향으로 경사진 저각단층으로 순폭은 25.0m의 가장 넓은 폭을 보이고 F-1과 F4단층으로부터 끊어졌다.
F3-1과 F3-2단층은 F3과 동일한 주향과 경사로 각 F4와 F5단층에 의해 어긋나 있다. F4, F5단층은 서로 다른 경사방향을 보이며 88˚의 고각단층으로 순폭은 0.2m로 분석된다. 그리고 TB-8번 시추공일대에 순 폭이 5.5m의 규장질암맥이 확인되었고 규장질암맥의 경사/경사방향은 88˚/120의 고각으로 존재 한다.
3.3 시추조사
금회 추가로 9개소에 대한 시추조사를 실시하였으 며, 지층별 특징은 다음과 같다.
• 붕적층은 1.6m~3.7m의 두께로 실트섞인 모래 ~ 자갈 및 전석으로 구성.
• 풍화토층은 1.1m~7.0m의 층후로 점토 및 실트 섞인 모래로 구성.
• 풍화암층은 0.5m~1.3m의 층후, 실트섞인 모래, 부분적으로 암편상~세편상으로 코어 회수.
• 연암층은 흑운모편암과 편마암이 모암, TCR/
RQD=10~100%/0~93%, 부분적으로 단층대(단 층각력, 단층가우지)가 출현.
• 경암층은 화강암, 흑운모편암 및 편암, 규장암질 암 맥 등으로 구성, TCR/RQD=63~100%/4~99%, 일부 파쇄구간을 포함하고 있으나, 전반적으로 양 호한 지층.
그림 3. 지표지질도 표 1. 단층조사 결과
그림 4. 종단면도
단층명 경사 경사방향 순폭(m)
F1 78 307 0.2
F2 78 307 0.2
F3 38 001 25.0
F3-1 38 001 4.0
F3-2 38 001 9.5
F4 88 120 0.2
F5 88 254 0.2
F-3 단층의 노두사진 F-3 단층의 노두사진
3.4 단층파쇄대 조사결과
시추코아에서 확인된 단층대들이 노두조사 결과 확 인된 F3 단층인지 여부를 보다 정확히 규명하기 위해 F3 분포예상심도에서 각 시추공별 단층대 분포를 분 석함으로써 F3 단층의 연장여부를 분석하였다.
분석결과, TB-8, TB-9 모두 단층 F3의 예상분포 구간에서 시추코아에서도 수직 폭 1.0m 내외의 단층 각력 및 단층가우지로 구성된 단층대가 확인된다. 그 러나, TB-6, TB-7의 경우 단층 F3의 예상분포구간 에서 시추코아상 단층대가 거의 나타나지 않고, 예상 분포구간보다 얕은 심도에서 나타나고 있다. 이러한 A-A'(STA.2+128) B-B'(STA.2+168) C-C'(STA.2+234) D-D'(STA.2+262)
그림 6. 단면별 단층분석
그림 5. 천단고 지질평면 및 추가 시추조사 단층 분석단면 위치
그림 7. 저비저항이상대 분포현황 종합분석도
시추조사 결과로부터 단층 F3이 또 다른 단층에 의해 단절 및 변위되는 것으로 추정할 수 있다.
그림 7의 단층 및 암종분포 현황은 지표고 지질평면 이며, 이 지질평면에 총 11개 측선의 저비저항이상대 를 도시하여 TB-8과 TB-7 사이 지점에서 단층 F3의 단절 및 변위를 유발한 추정단층의 존재여부를 규명하 였다. 전기비저항탐사의 종합분석 결과, 대규모 단층 F3의 단절 및 변위를 유발한 단층 2개소를 확인하였 으며 이를 각각 단층 F4, F5으로 명명하였다.
이상의 분석결과 터널 천단고에서의 지질평면도는 다음 그림 8과 같다.
3.5 암종 경계부 분석결과
화강암의 관입경계부가 약 45도의 경사각을 지닐
것으로 추정하였으나, 관입경계부의 경사각이 45도 일 경우 TB-6과 TB-7 하부에서 확인되어야 할 화 강암이 나타나지 않은 점과, 전기비저항 탐사 결과 (Line-4, Line-5, Line-6)를 반영하여 경사각 약 80 도의 고각의 관입경계를 형성하는 것으로 확인된다.
4. 단층파쇄대 구간 보강방안 검토
4.1 사례분석 및 공법 선정
단층파쇄대 통과구간 보강공법 사례검토결과, 파쇄 대 규모에 따른 차이는 있으나 대부분의 사례에서 대 구경 강관다단 그라우팅을 적용하여 막장 및 터널의 안정성을 확보하였다.
그림 8. 지반조사결과 재분석된 터널 천단고 지질평면
STA.2+148.5 STA.2+240
그림 9. 지반조사 결과 재분석된 지질단면
그림 11. 규장질 암맥과 흑운모 편암 경계부(TB-8)
그림 13. 최종 지질종단(B방향) 그림 12. 최종 지질평면도 그림 10. 암종 경계부 위치특성 분석결과
• 단층대 통과구간에 대한 보조공법으로 대구경 강관다단그 라우팅 공법이 대다수(55.6%)를 차지함
• 시공경험 및 기술력 확보에 용이한 보조공법을 적용한 것으 로 분석됨.
표 2. 보조공법 적용사례 조사결과
구분 강관다단 그라우팅 대구경 강관다단 그라우팅 강관우레탄 주입공법(소구경)
공법 개요
• 막장 굴착면 주변에 강관을 적절한 간격 으로 삽입하고 주입재에 의한 지반고결 로 강관과 주변지반을 일체화시켜 Beam Arch를 형성하는 공법
• 막장 굴착면 주변에 대구경강관을 적절 한 간격으로 삽입하고 주입재에 의한 지 반고결로 강관과 주변지반을 일체화시켜 Beam Arch를 형성하는 공법
• 천공 후 특수제작된 우레탄 주입용 강관 (5~6m)을 삽입하고 순결성의 고분자계 우레탄 주입재를 주입하여 막장주변의 차수 및 안정성을 증대시키는 공법
개요도
보강재 주입재
•강관(φ50~70mm, t=3~5mm)
• 시멘트현탁액 + 혼화재
• 시멘트 + 규산소다
•강관(φ114mm, t=6mm)
• 시멘트 + 규산소다
• 강관주입볼트(φ50mm, t=3~5mm)
• 고분자계 폴리우레탄
특징
• 불량한 지반 조건(얇은 암층 및 풍화대 구간)에 적용성이 큼
• 공사비 비교적 저렴
• 지반이완 및 과다여굴 방지
• 지하수 과다 유입시 완벽한 차수효과 기 대곤란
• 소형 천공장비로 이동 용이
• 강성이 크며 보강효과 우수
• 터널전용 천공장비를 사용하므로 시공 정밀성 우수
• 강관하부를 굴착하고 강지보를 밀착시 키므로 지보효과가 큼
• 시공각도에 따른 여굴량 발생
• 순결성약액주입으로 굴착 Cycle Time에 영향이 적음
• 발포성으로 차수효과가 우수하고 미세 크랙에도 주입 가능
• 시공비 고가
• 고분자계 약액으로 환경오염 우려
• 보강길이에 한계(최대 6.0m)
적용 조건
• 풍화대 또는 터널천단부에 기반암이 얇 게 분포해 있는 구간
• 토피가 낮고 터널주변이 풍화대층, 및 대규모 단층 통과구간
• 환경피해가 적고 지하수 유출이 우려되 는 소규모 보강구간
적 용 ◎
적용 사유
• 본 현장은 폭 4.5m의 3매단층인 F3단층대 통과구간임을 고려하여, 경제성과 시공성 및 안정성을 확보하며 시공실적이 풍부한 대 구경 강관다단 그라우팅을 적용함.
표 3. 보강공법 비교
4.2 보강패턴 선정
F3 단층의 영향을 고려한 합리적인 갱내보강패턴을 산정하였다. F3단층이 터널의 일부구간 저촉에 따른 보강방안으로 강관다단 장비의 시공성과 터널내의 안 정성을 고려하여 좌·우측 80°대구경강관보강을 계획 하였으며, F3단층이 터널전단면을 감싸며 통과하는 경우는 터널상반의 160°를 대구경강관다단 보강하는 패턴을 계획하였다.
4.3 터널 안정성 검토
단층파쇄대와 터널 단면의 위치관계에 따른 대표단
면을 선정하고, 선정한 보강패턴을 적용하여 터널의 안정성 검토를 실시하였다. 여기에서는 대표적으로 STA.2+148.5 구간에 대한 해석 결과를 수록한다.
본 구간의 경우 A방향 터널의 대구경 강관다단 그라 우팅 보강을 160° (L=12.0m, 41공), 굴착 직후 굴착면 의 조기 및 장기강도 확보를 위하여 고강도 숏크리트 (fck=35MPa)를 적용하였다. B방향은 대구경 강관 우 반 80°(L=12.0m, 21공) 및 고강도 숏크리트를 적용하 였다.
검토결과 최대 천단변위(허용치 20.00mm)는 A 방향 19.71mm, B방향 16.88mm, 최대 내공변 위(허용치 20.00mm)는 A방향 19.10mm, B방 향 7.42mm 발생하였다. 록볼트 최대 축력(허용치
대구경강관 우반 80°보강 대구경강관 좌반 80°보강 대구경강관 상반 160°보강
그림 15. 검토구간 평면현황 그림 14. 보강패턴 단면
그림 16. 연직 변위도 그림 17. 록볼트 축력도 그림 18. 숏크리트 휨압축도
No. 검토위치(STA.) 안정성 검토내용 비 고
1 2+098.5 •A방향 하반 및 B방향 원설계 패턴
A방향 상반 기시공 및 지상보강 구간 2 2+108.5 •A방향 : 지상보강 및 B방향 : 패턴 하향조정
3 2+118.5 •A방향 : 지상보강 및 B방향 : 패턴 하향조정 4 2+148.5 •A방향 : 대구경 160°, B방향 : 대구경 우반 80°
갱내보강 적정성 및 원설계 패턴 적정성
검토구간 5 2+158.5 •A방향 : P-5(고강도 S/C), B방향 : 대구경 160°
6 2+180.0 •A방향 : P-5(고강도 S/C), B방향 : 대구경 160°
7 2+200.0 •A방향 : P-5(고강도 S/C), B방향 : 대구경 160°
8 2+220.0 •A방향 : P-5(일반 S/C), B방향 : 대구경 160°
9 2+240.0 •A방향 : P-5(일반 S/C), B방향 : 대구경 80°
10 2+260.0 •A방향 : P-4 패턴, B방향 : P-3 패턴 11 2+320.0 •A방향 : P-2 패턴, B방향 : P-4 패턴 표 4. 검토위치 선정
표 5. 해석단면(STA.2+148.5)
해석모델링도 해석조건
•A방향
- 대구경 강관다단 160°
- 지보패턴 : P-5 (고강도 S/C, 시스템 록볼트)
•B방향
- 대구경 강관다단 우반 80°
- 지보패턴 : P-5 (고강도 S/C, 시스템 록볼트)
88.7kN)의 경우 A방향 64.19kN, B방향 69.31kN이 발생하였으며, 숏크리트 휨압축응력(허용치 : 고강도 S/
C 14.0MPa)은 A방향 12.80MPa, B방향 11.81MPa 발생하여 변위 및 지보재 응력이 모두 허용치 이내로 안정한 것으로 나타났다. 따라서 본 구간의 경우 A방 향 터널이 F3 단층대와 소폭 이격하나 그 영향이 상당 수준 발생하며, 주변암반이 5등급인 점을 감안하여 대 구경 강관다단 그라우팅 160° 보강이 적절한 것으로 나타났다.
4.4 보강패턴 선정 결과
대구경 강관다단 그라우팅의 횡방향 보강각도(80°
또는 160°)와 일반 강섬유 보강 숏크리트 또는 고강도 숏크리트의 적용을 세분화하여 A 및 B방향의 터널지 보패턴 적용연장 및 종방향 보강영역을 합리적으로 선 정하여 안전성, 경제성 및 시공성을 도모하였다.
표 6. 해석결과(STA.2+148.5)
구 분
측압 계수
천단변위 (mm)
내공변위 (mm)
록볼트 축력(kN)
S/C휨압축 응력(MPa)
A 방향
0.5 17.94 7.40 33.25 12.30 1.0 17.87 11.91 59.77 12.48 1.5 19.71 19.10 64.19 12.80
구 분
측압 계수
천단변위 (mm)
내공변위 (mm)
록볼트 축력(kN)
S/C휨압축 응력(MPa)
B 방향
0.5 16.88 1.79 41.44 10.98 1.0 15.53 3.88 50.51 11.02 1.5 16.30 7.42 69.31 11.81
그림 19. 구간별 천단 및 내공 최대변위 (B방향)
그림 20. 구간별 숏크리트 최대휨압축응력 (B방향)
5. 결 론
본 기사에서는 단층파쇄대를 통과하는 터널현장에 서의 지반조사 및 보강설계 사례를 소개하였다. 그러 나 현실적인 설계단계 또는 시공단계에서 본 사례와 같은 정밀 지반조사 및 다양한 경우의 수에 대한 설계 를 하는 경우는 거의 없다고 할 수 있다.
단, 시공 중 문제가 발생할 때에는 무리하게 시공을 강행하기 보다는 시추조사 및 물리탐사 등의 기본적인 조사를 우선 실시하고, 조사결과에 대한 해당분야 전 문가의 분석 및 판단을 근거로 한 상세 설계를 실시해 야 할 것이다.
비록 정밀 지반조사 및 다양한 경우의 수를 고려한 설계에 소요되는 비용 및 시간이 부담요소이기는 하지
만 사고를 미연에 방지할 수 있다는 측면에서, 오히려 이익이 될 수 있다는 생각을 가져야 할 것이다.
1. (사)한국터널공학회(2010), “터널붕괴 사례집”
2. (사)한국터널공학회(2004), “터널의 이론과 실무”
3. (사)한국터널공학회(2007), “터널설계기준”
4. 도서출판 씨.아이.알(2009), “건설기술자를 위한 토목지질학”
5. (사)한국터널공학회(2009), “한국의 터널과 지하공간”
그림 21. 구간별 록볼트 최대축력 (B방향)
그림 22. 보강 현황
