For the tunnel planning of the Yeonghae area in north Gyeongsang province, known as the soft rock area, shear and deformation characteristics are analyzed based on the results of field and indoor tests, and refer to existing cases and research cases, etc., Donghae-line Pohang∼Samcheok railroad construction 7th site to be executed Under cementation sedimentary rock of the Tertiary Period, we propose classifications and supporting pattern plan. The main constituent rock are mudstone and mudstone-brecia, and their compressive strength were 3.1 to 14.8 MPa and characterized by absorption/extension/collapse in a water bath within 18hrs. Therefore, the commonly used RMR and Q-system rock-classification method cannot be applied. This is because the RMR or Q-system method, which is the main evaluation factor for the discontinuity conditiontion, is not applicable, since its discontinuity is rare. A special method of rock classifying Under cementation sedimentary rock of the Tertiary Period is required.
김상철 이사(지질및지반기술사), 철도사업부(sckim3@samaneng.com)
김도헌 상무(철도기술사), 철도사업부(dhkim1@samaneng.com)
장부식 부사장(철도기술사), 철도사업부(bsjang2@samaneng.com)
1. 서론
암반의 공학적 분류는 경험적 터널설계방법의 중추를 이룬다. 가장 많이 사용되는 암반분류법에는 Terzaghi(1946) 암반하중 분류법(rock load classification), Lauffer(1958) 자립시간 개념, Deere(1964) RQD분류법, Wickham etc.(1972) RSR분류법, Bieniawski(1973) RMR분류법, Barton etc.(1974) Q-system 분류법, Franklin(1957) 강도/블록크기 분류법 등이 있다. (J.I Jung et al., 1997)
그러나, 상기 분류법들은 주요 평가요소는 무결암의 일축압축강도, RQD, 불연속면의 간격, 불연속면의 상태, 지하수의 상태, 불연속면의 방향, 불연속면의 수, 불연속면의 거칠기, 불연속면의 풍화상태, SRF, 터널의 폭, 높이 등이다. 이러한 요소로는 신생대 제3,4기 미고결 퇴적층의 암분분류를 하기에는 부적당하다. 포항이암으로 대표되는 신생대 제3,4기 미고결 퇴적층은 절리발달이 미약하여 불연속면의 특성을 파악하기 곤란하며, 습윤시에는 급격히 풍화가 가속화되어 암반으로서의 특성을 상실하기 때문이다. 따라서, 본 고에서는 지반조사에서 도출된 다양한 공학적 특성과 국내․외 연구 사례들을 분석하여, 미고결 퇴적층 지역인 한반도 경북 영해지역의 동해선 포항∼삼척 철도건설 00공구에 적용될 암반분류 방법과 지보/보강패턴을 제시하고자 한다. 또한 시공중 계측결과 분석하여 설계단계에서 계획된 지반등급분류/지보패턴 계획 및 수치해석의 적정성을 검증하고자 한다.
2. 과업구간 및 미고결 퇴적구간 분포 현황
본 과업구간의 위치는 경상북도 영덕군 영해면∼울진군 후포면 일원이다.
포기(현)53km400.00∼65km346.87 (L=11km946.87)에 해당 된다. 주요 구조물은 토공1식, 터널 2개소(1,016m), 교량 9개소(1,565m), 정거장 2개소(영해, 병곡)로 이루어져 있다. fig.1에 나타난 바와 같이, 본 과업구간은 영농층(Te, 제3기 미고결 최적층)이 주된 지질조건이며, 그 상부를 제4기 충적층이 덮고 있다. 터널 2개소는 모두 신생대 제3기 미고결 퇴적층을 통과하고 있다.
Fig. 1. 신생대 제3기 미고결 퇴적층 분포현황(지질종평면도)
3. 신생대 제3기 미고결 퇴적층의 공학적 특성
3.1 미고결 퇴적층(연약암반)의 정의 및 분포특성
연약암반의 정의는 한반도의 신생대 제3기, 제4기 지층에 해당된다. 점토나 실트로 구성되며, 퇴적물이 석화(lithification)되는 과정에서 지반의 융기로 고화작용이 중단되어 암석과 퇴적물의 특성을 동시에 갖는 퇴적암이다.
그 분포특성은 fig.2와 같이 한반도의 동해안을 따라 주로 분포, 남한의 경우 강원도 북평지역, 경북 영해, 포항, 어일, 경남 울산 및 제주 서귀포 지역에 분포하며, 포항~어일 지역의 분포 범위가 가장 넓게 분포한다(포항지역의 이암이 가장 대표적임). 주 구성암석은 이암(mudstone), 셰일, 각력암(breccia), 미사암(siltstone), 응회암(tuff), 현무암(basalt), 용암류(lava), 화산암류, 기타 미고결 퇴적층으로 이루어져 있다. fig.3은 설계당시 샘플링한 포항 이암이다.
Fig. 2. 한반도의 연약암반 분포도
광물학적 특성은 주 구성광물이 몬모릴로나이트, 일라이트, 카올리나이트 등의 점토광물로 구성되어 있다. 이들 광물의 특성으로 인해 지표 노출 및 습윤시 풍화가 급속히 진행되며, 비화현상(slaking) 및 팽윤현상(swelling)이 일어나는 불안정한 연약암반이다.
Fig. 3. 이암(경북 영해, 2014.01)
3.2 압축강도, 전단강도, 변형특성, 투수특성 분석 결과
Table 1. 신생대 미고결 퇴적층에 대한 압축강도, 전단강도, 변형, 투수특성 분석 결과
주1)사례ⓐ:서울대 에너지･자원신기술연구소, ⓑ윤지선 외2, ⓒ:김영근 외3, ⓓ:배규진 외1, ⓔ:동해선 부조∼포항간(1공구) 철도건설 지반조사보고서, ⓕ:영일만신항 배후도로 지반조사보고서
미고결 퇴적암의 압축 및 전단강도는 보통의 연암( =20~100MPa)과 대비해서 1/20~1/100의 값은 나타났다. 점토광물의 특성으로 인해 투수계수는 1.0 ㎝/s이하로 거의 불투수층에 가까운 특성을 나타내었다. 이는 터널 굴착시 강성이 큰 지보재의 보강이 필요하며, 주입재는 극미세로 침투성이 양호한 재료가 적용되어야 됨을 의미한다.
3.3 내구성 평가(Slaking/Swelling시험 결과)
Slaking현상(시험)은 연약한 암석이 공기중에 방치되면 응력해방에 따른 인장력(suction pressure)으로 인하여 미세균열이 발생/확장되고 공기가 유입되며, 습윤시 모관현상에 의해 물이 암석속으로 침투되고 갇혀있던 공기는 암석의 골격구조에 압력으로 작용하여 더욱 파쇄가 가속화 된다. 이러한 슬레이킹을 일으키는 메카니즘은 암석의 구조, 점토광물의 흡수팽창, air breakage, 응력해방 등이 있으며, 신생대 미고결 퇴적층의 경우 이러한 작용이 복합적으로 일어난다고 볼 수 있다.
Fig. 4. 시추코아 수침시험(2014) Fig. 5. 시추코아 수침시험(2006년)
수침 4∼18시간 후에는 붕괴 및 세편화 되면서 토사화 된다. NATM 터널구간 굴착시에는 무수보링, 터널 지보재 및 보강재 사용시 물사용을 최소화 하도록 것이 바람직할 것으로 판단된다.
4. 신생대 제3기 미고결 퇴적층의 암반분류 및 지보/보강계획
4.1 미고결 퇴적층(연약암반)의 암반분류
미고결 퇴적암의 경우 TCR값은 65%정도이나, RQD 값이 10%내․외이며, 절리발달이 미약하여 보통의 암반분류(RMR, Q)를 적용할 수 없다. 통상의 암반분류 방법인 RMR 및 Q-system에서는 절리연장, 절리면 상태에 따른 값이 70%이상을 차지하는데, 절리발달이 미약한 미고결 퇴적층 적용이 어렵다. 국내 사례는 많지 않으나, 일부 도로 및 철도건설 사업에서 해외기준을 참조하여 재정립 적용하였으며, 본 과업 지반조건과 기존사례를 비교 분석하여, 현지 지반여건을 반영한 합리적인 암반분류 및 지보패턴을 계획토록 하였다.
국내 연구사례를 살펴보면 “미고결 역암에 대한 암반분류 기준”(I,J Jeong et al., 2004)에서는 역함량, 기질고결도, 탄성파속도, 침수붕괴시험, 투수계수를 평가요소로하여 미고결 역암에 대한 암반분류 기준을 제시하였고, “미고결 퇴적암에 대한 암반분류”(N.R Kim et al.,2013)에서는 일축압축강도, 고결상태, 막장확인, 습윤상태 및 슬레이킹 내구성지수를 평가요소로 하여 미고결 퇴적암의 암반분류 기준을 제시하였으며, “북평제1터널 미고결 각력암”(Korea Expressway Co., 2009)에서는 일축압축강도, 전기비저항, 탄성파속도 및 침수붕괴시험결과를 이용하여 미고결 각력암의 암분분류 기준을 제시한 사례 등이 있다.
상기 국내 연구사례들은 우리나라보다 신생대 미고결 퇴적층의 분포가 훨씬 많아 오래전부터 그 분류기준을 정립한 “일본 국유철도 지반분류”를 참조하여 현지 지반여건/지반조건을 감안하여 정립한 것으로 판단된다. 주요 분류인자는 미고결 퇴적암의 특성에 따라 일축압축강도, 탄성파속도, 지반강도비, 슬레이크 내구성지수 등 이다. (table 2. 참조)
Table 2. 일본 국유철도 지반분류 기준
Table 3. 경주∼감포2 국도건설 설계 사례
국내에서는 신생대 미고결 퇴적암층에 터널을 시공한 사례가 많지 않았으며, 또한 이를 미고려하고 설계 및 시공한 사례들도 있다. 경주∼감포2 국도건설에 적용 된 분류기준 및 사례가 그나마 좋은 예가 될 것이다.
지반조사자료 및 국내․외 연구자료들을 참조하여, 본 과업에 적용할 “한반도의 경북 영해지역 신생대 제3기 미고결 퇴적층에 대한 암반분류 기준”을 “Table 4.”와 같이 제시한다.
Table 4. 경북 영해지역 신생대 제3기 미고결 퇴적층에 적용할 지반분류 기준
4.2 미고결 퇴적층(연약암반)의 지보패턴/보강 계획
미고결 퇴적암반에서 터널 지보패턴/보강 계획 사례로는 “이암/셰일지역에서의 터널 및 사면 시공시의 문제점_2차선 고속도로 병설터널(다산터널 사례)”(Y.G Kim et. al.,2005), “미고결 퇴적암 터널에서의 암반분류 및 보강에 관한 연구_2차선 도로터널(북평1터널 중심으로)”(N.R Kim, 2013) 등이 일부 있다. 신생대 제3,4기 퇴적층의 출현이 잦은 일본에서는 Table 5.에서와 같이 다양한 사례가 있다.
Table 5. 신생대 미고결 퇴적층에서의 지보패턴 적용사례
기존 문헌, 설계사례 및 동해선 부조~포항간(시공 1공구) 현장 경험을 토대로하여, 본 과업구간에 적용할 지보패턴을 계획하였다. 신속한 원형아치의 조기폐합을 위해 인버트단면 계획, 천공작업시 무수보링 원칙, H형강지보, 보조공법 설치시 극미세 침투/차수/보강을 위하여 우레탄 주입재 사용, 축하중에 의한 변위발생 억제를 위해 보강록볼트 계획하였다. 단 당초설계(2006년)는 S.L하부에까지 선진강관보강공법(대구경강관보강)을 적용하였으나, 실효성이 없는 것으로 파악되어 배제하고, 각부보강 및 측벽보강, 록볼트 교호 설치로 개선하고, 사업비 절감하였으며, 굴진장 0.8m는 실시공시 의미가 없는(최소굴진장은 1.0m가 적정) 것으로 분석되었다. (Table 6)
Table 6. 경북 영해지역 신생대 제3기 미고결 퇴적층에 적용할 지보패턴 계획(안)
지보패턴 계획(안)에 대한 적정성을 검증하기 위하여 수치해석이 시행되었다. 숏크리트 휨압축응력, 숏크리트전단응력, 록볼트 축력이 모두 허용치 이내로 안전한 것으로 나타났다.
Fig. 6. PSS-B 패턴에 대한 수치해석 결과도
Table 7. 지보패턴 계획(안)에 대한 수치해석 결과(지보적정성 검증)
5. 시공중 계측결과 분석을 통한 지보패턴 계획의 적정성 검증
굴착 초기부터 대표개소에 대하여 록볼트 축력과 숏크리트응력 및 각종 변위를 측정하였으며, 계획된 지보패턴 대로 굴착을 진행한 결과 안전하게 터널시공이 완료되었다.
Fig. 7. 시공중 계측결과(숏크리트휨압축응력) (2017.01∼2018.04)
Fig. 8. 시공중 계측결과(록볼트 축력) (2017.01∼2018.04)
6. 결 론
본 연구에서는 한반도의 연약암반 지역으로 알려진 경북 영해지역의 터널계획을 위하여, 신생대 제3기 미고결 퇴적층 구간에 적용가능한 암반분류법, 지보 및 보강패턴을 제시하였고, 설계단계의 수치해석과 시공중의 계측결과를 분석하여 그 합리성과 신뢰성을 검증하였다. 이러한 연구과정을 통하여 도출한 결과는 다음과 같다.
1. 미고결퇴적암(포항이암)에 대한 압축강도, 전단특성, 변형계수 및 투수특성을 분석한 결과, 일축압축강도가 0.08∼20MPa로서, 강도특성이 보통의 연암( =20~100MPa)과 대비해서 1/20~1/100의 값을 나타내고, 점토광물의 특성으로 인해 투수계수는 1.0×10-5㎝/s이하로 거의 불투수층에 가까운 특성을 나타냄.
2. 수침시험결과 수침 4시간∼18시간 이내에 흡수/팽창/붕괴되어 토사화됨
3. 미고결 퇴적암의 경우 TCR값은 65%정도이나, RQD 값이 10%내외이며, 절리발달이 미약하여 통상의 암반분류(RMR, Q) 방법을 적용할 수가 없으므로, 국․내외 연구사례들을 분석하여 본 과업에 적정한 암반분류 방법을 제시함
4. 탄성파속도, 일축압축강도, 지반강도비를 평가요소로 하여 4단계의 분류기준을 정립합
5. 지보 및 보강패턴은 굴진장 1.0m, 숏크리트 강섬유 보강 200㎜이상 적용을 기본으로하고, 신속한 원형아치의 조기폐합을 위해 인버트 단면 적용, 천공작업시 무수보링 원칙, 강성이 우수한 H형강 지보, 보조공법 설치시 극미세 침투/차수/보강을 위하여 우레탄 주입재 사용, 축하중에 의한 변위발생 억제를 위해 보강록볼트를 반영함
6. PSS-A, PSS-B, PSS-C, PSS-D 지보패턴에 대한 수치해석 결과 발생변위가 (-)5㎜이내이었으며, 록볼트 축력 및 숏크리트 휨압축응력이 허용치 이내로 안전한 것으로 평가됨
7. 시공중 계측(2017.01∼2018.04) 분석결과, 내공변위는 (–)7㎜∼(-)1㎜, 천단변위는 (–)5㎜∼(-)1㎜로 모두 1차 관리기준치 이내이었으며, 록볼트 축력 (-)0.13kN∼0.82kN, 지중변위는 (–)0.08㎜∼(-)1.89㎜, 숏크리트휨압축응력은 –0.26MPa∼0.83MPa를 나타내어 모두 허용치 이내로 안정한 것으로 나타남
이상의 연구에서 나타난 바와 같이 터널의 건설에 있어서, 현지지반의 조건에 부합하는 지반분류(암반분류) 방법과 지보패턴 계획이 매우 중요하며, 본 연구는 한반도의 경북 영해지역의 신생대미고결퇴적층(주암종: 이암)에 부합하는 지반분류와 터널 지보/보강패턴을 계획하고 안전하게 시공을 완료하였다는데 큰 의의가 있다.
Reference
1.J.H Lee, T.J Cho, Y.K Lee(1997), “Tunnel Design Using Rock Dynamics”, Goomibook publishing co., pp. 121-167.
2.I.M Lee(2016), “Principle of rock mechanics”, CIAl publishing co., pp. 50-55.
3.Korea Rail network Authority(2014), “Report of construction design for Donghae-line Pohang∼Samcheok railroad construction 7th site”, Korea Rail network Authority, pp. 3-6-1-3-6-23.
4.Dong-Bu Construdtion co.,(2018), “Report of measurement management for Donghae-line Pohang∼Samcheok railroad construction 7th site”, Dong-Bu Construdtion co, pp. 1-30.
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