1. 암반 블록 (Rock Block)

Jointing 절리는 일정한 절리패턴을 형성하는 특정 방향으로 나타나는데, 일반적으로 한 개에서 세 개 정도의 주절리군(prominent joint set)과 한 개 이상의 마이너 절리(minor sets)가 발생하며, 추가적으로 몇 개의 랜덤 절리(random joints)가 존재한다. 절리는 절리패턴(시스템)을 형성하면서 절리 강도(intensity)를 가지는 절리군의 형태로 나타난다. 절리는 블록을 형성하는데 블록의 크기와 모양은 절리간격, 절리군의 수와 랜덤 절리에 의해 결정된다. 암반블록의 크기와 체적은 절리 정도 또는 절리 밀도에 의해 정해진다. 특히 블록크기는 암반거동에 매우 중요한 요소이다.

블록 형태 절리정도는 암반에서 절리양에 대한 용어로 사용된다. 블록의 체적은 절리간격, 절리빈도, RQD의 측정으로 구할 수 있다. 블록형태는 절리에 의해 정해지며, 다양한 형태가 존재한다. 규칙적인 절리패턴에 따라 블록의 형태로 구분하기도 한다.
블록 크기 지하공동과 암반사면에서의 거동에 관련하여 가장 중요한 특성이다. 따라서 블록 크기의 측정은 암반분류시스템과 같은 정량적인 암반공학에 있어 매우 중요하다. 그림은 블록의 크기를 구하는 예를 보여주고 있다. 조사된 절리군의 자료로부터 암반블록을 형성하여 블록의 크기를 구할 수 있다.

블록 크기 지하공동과 암반사면에서의 거동에 관련하여 가장 중요한 특성이다. 따라서 블록 크기의 측정은 암반분류시스템과 같은 정량적인 암반공학에 있어 매우 중요하다. 그림은 블록의 크기를 구하는 예를 보여주고 있다. 조사된 절리군의 자료로부터 암반블록을 형성하여 블록의 크기를 구할 수 있다.

1.1  블록성 암반구분

규칙성(Regular Blocky) 세 개 이상의 절리군의 일정하고 규칙적인 교차에 의해 직교형의 블록구조이다. 프리즘 또는 컬럼성 구조는 드물지만 두 개의 우세한 절리군에 의해 형성된다. 비교적 강한 퇴적암(사암 등), 절리가 잘 발달된 화성암(화강암, 현무암 등) 그리고 강한 변성암(편마암 등)에서 나타난다. 응력이완에 의한 절리로 인해 균열이 진전된다.

불규칙성(Irregular Blocky) 불규칙한 절리의 교차로 인해 불규칙한 형태와 다양한 크기의 블록을 형성하는 암반이다. 응력개방 및 풍화 등으로 흐트러진 암석에서 나타난다. 적당히 비교적 강한 퇴적암(사암 등), 강한 변성암(편마암 등)그리고 규칙적인 절리가 없는 화성암에서 나타난다. 불규칙한 블록의 모양은 상호 맞물림을 유발하고 블록의 이완을 감소시킨다.

1.2 블록성 암반 모델링

절리망 생성 블록성 암반에서의 거동은 주로 불연속면에서 의해 지배되므로 암반시스템의 3차원 표현이 필요하다. 절리방향, 절리간격 및 절리발생 강도를 이용하여 암반을 3차원 절리계를 이용하여 블록성 암반을 표현할 수 있다. 모사범위는 높이(H), 길이(L) 폭(B)로 나타내며, 입력변수는 절리군에 기하학적 특성이다. 절리발생강도는 절리간격분포와 절리간격에 대한 통계량과의 매개변수에 따라 결정된다. 또한 3차원 절리망 생성 결과를 이용하여 원하는 위치에서의 2차원 절리망을 모델링 할 수 있다. 또한 암반 블록의 최대 크기를 샘플링 함으로써 예상암반 절리면에 나타나는 암반 블록의 최대 크기에 대한 분포를 얻을 수 있다.

Block System 여러 개의 절리군으로 구성된 암반을 모델링하여 하나의 블록시스템을 형성한다. 먼저 계산하고자 하는 영역을 설정하고(a), 절리자료를 바탕으로 절리망을 생성한다(b). 그리고 각각의 블록을 형성한 후 복합블록을 구성한다(d). 이후 지하공동을 굴착하게 되면 블록성 암반에서의 거동을 분석할 수 있게 된다. 암반블록시스템은 대상현장에 대하여 굴착 전에 불연속면 암반과 굴착과정을 단계적으로 가시화하여 분석할 수 있다.

2. 블록성 암반의 공학적 특성

지하공동의 파괴 블록성 암반 내 지하구조물에서 가장 일반적인 파괴모드는 공동 천장에서 떨어지거나 측벽으로부터 미끄러지는 쐐기파괴(wedge failure)와 관련이 있다. 이러한 쐐기들은 절리 등과 교차하는 구조적 특성에 의해 형성되고, 이로 인해 암반은 개별적이지만 서로 맞물린 부분으로 분리된다. 공동굴착으로 자유면이 형성되면, 주변 암반으로부터의 구속이 제거된다. 가두어진 면이 연속적이거나 불연속면을 따라 암석 브리지(rock bridges)가 깨어지면, 이러한 쐐기들 중 일부가 표면으로부터 떨어지거나 미끄러질 수 있다.

파괴메커니즘과 보강 블록성 암반에서 지보개념은 암반블록의 탈락을 방지하는 것이다. 대부분의 파괴는 느슨하게 되는 블록으로부터 시작되어, 계속적으로 느슨해지게 되는데, 터널이 붕괴되거나 응력상태가 평형될 때까지 진행된다(그림 11).
 Step 1- 블록 A 떨어짐
 Step 2- 블록 B와 블록 C 회전과 떨어짐
 Step 3- 블록 D와 블록 E 떨어짐
 Step 4- 블록 F 회전과 떨어짐

따라서 처음 블록이 그 자리에 고정된다면 응력은 스스로 재배열되어 터널 주위의 지반아치로 작용하여 터널은 안정상태를 유지하게 된다. 즉 숏크리트와 록볼트로 블록 A와 C를 고정하면 블록 B가 안정되고, 이어 블록 D, E, F가 안정화된다. 블록성 암반의 지보는 키블록에 대한 보강을 중심으로 이루어진다.

블록성 암반은 두 가지 형태로 구분되는데 수직절리가 연속성이 있어 규칙적인 블록을 형성하는 경우와 수직절리가 끊어져 캔틸레버 블록을 형성하는 경우이다. 후자는 퇴적암의 층상암반에서 쉽게 볼 수 있는데, 전자보다 아칭효과로 인해 암반변위가 감소하고 안정성이 높다. 

블록성 암반에서의 터널거동에 대한 해석결과 터널 천정부에서 일부 진행성 파괴가 발생하고 있으며, 터널 폭이 터널 높이보다 큰 경우에는 보다 큰 진행성 파괴가 발생하였고, 이와 같은 블록성 암반에서는 지하공동의 안정성을 지배하는 주요소는 절리의 마찰력 보다는 수직절리의 간격임을 확인하였다. 또한 이완영역의 크기는 주로 터널 폭에 대한 절리간격에 비(Sj/B)에 의해 결정된다. 또한 불연속면의 방향에 따라 천정부에 슬라이딩과 낙반이 발생하고, 이완영역은 절리군에 의해 결정된다. 응력이 증가함에 따라 전단파괴가 발생한다.

2.1 블록 이론 (Block Theory)

정의 블록이론은 암반의 거동이 불연속면의 조합으로 생겨난 블록(block)들의 이동으로 발생한다고 본다. 즉 블록의 3차원적 형상과 크기를 결정하며, 그 블록이 암반으로부터 이동하는지를 판단하는 것이다(Goodman, 1984).

가정 첫째 모든 불연속면은 완벽한 평면을 이룬다. 즉 모든 불연속면은 방향성을 가진 벡터로 표현될 수 있다. 둘째 모든 불연속면은 무한성을 지닌다. 즉 유한한 절리면의 조합일 경우 블록이 생성되지 않을 수 있기 때문이다. 셋째 불연속면과 블록은 단단하다. 즉 블록의 변형과 내부적인 파괴는 고려되지 않는다. 넷째 불연속면은 지질학적 정보에 의해 결정된다. 즉 모든 절리면이 사용되는 것은 아니며, 측정된 정보로 얻어진 불연속면에서 대표적인 불연속면을 사용한다.

블록이론의 적용 블록이론을 통하여 암반구조물의 안정성을 해석할 경우 거동가능블록의 발생범위와 거동방향을 제시할 수 있다. 또한 터널의 경우 단면형태와 축방향을 변화시켜가며 다양한 경우에 대해 해석을 실시하면 주어진 절리군의 방향조건에서 블록의 발생범위를 최소화하는 터널구조물의 형상 및 축의 방향을 결정할 수 있다. 사면의 경우 주절리군의 해석을 통하여 키블록의 형태와 크기를 파악하여 이로부터 사면의 안정성을 평가한다. 또한 해석을 통하여 얻은 결과로부터 붕락/낙반을 일으킬 수 있는 블록의 형상과 발생위치 등을 대략적으로 알 수 있으므로 공사 시 현장에서 발생하는 사고를 예방하는 데 도움을 줄 수 있다.

블록이론의 한계 암반을 강체로 가정 절리면의 변형을 허용하지 않으므로 암반 내에 작용하는 응력을 무시하며 변형 및 파괴에 의한 거동가능블록의 생성을 고려하지 않으므로 연약암반대나 높은 지압이 작용하는 심부의 환경에서는 적용의 한계를 가진다. 또한 블록의 최대 발생가능범위만을 제시해주기 때문에 블록의 부피가 커지려면 그것을 구성하는 절리면의 암반 내 연장도 커야 하는데 블록이론에서는 절리의 연장을 무한하다고 가정하므로 현장절리의 분포특성에 따라서 달라질 수 있는 블록의 평균적인 크기와 발생빈도에 대하여 알려줄 수 없게 된다. 현장절리의 방향을 몇 개의 특징적인 값만으로 고정시킴으로써 현장절리 방향정보를 처리하는 과정에서 보통 벡터합 계산 등에 의한 각 절리군의 평균방향을 그 절리군의 대표값으로 산정한다. 그러나 절리군 방향벡터들이 같은 평균값을 가지더라도 분산이 다른 경우에는 현장에서 나타나는 절리군의 존재 양상이나 이것의 조합을 통하여 발생하는 블록의 형상과 크기는 서로 차이를 보이게 되다. 따라서 절리 방향 분포의 분산 정도가 커질수록 블록이론에 의한 해석결과는 실제 상황을 제대로 반영하지 못하게 된다. 

3.1 터널 붕락사례 - 쐐기형 붕락

붕락 현황 본 터널은 연장 1,400m 2차선 병렬터널로서 붕락지점은 암반이 비교적 양호한 경우로 별다른 보강대책 없이 발파 후 막장면의 버력을 처리하는 과정에서 입구부 기준으로 223m 지점에서 약 7m 구간에 걸쳐 급작히 쐐기형태의 암반블록 붕락이 발생하였다. 시추조사 결과 붕락구간은 붕적층이 2.0m 내외로 분포하고 터널심도까지는 흑운모 화강암, 각섬석 화강암 등 일부구간을 제외하고는 전반적으로 보통~양호한 암반층이 분포한다. 본 터널의 붕락규모는 낙반량 27.85m3, 여굴깊이 약 4.69m, 폭 10.3m이다.

붕락 원인분석 붕락발생구간은 전반적으로 암질자체는 대부분 보통~양호 구간으로 지보패턴 II로 굴착작업이 진행되었다. 그러나 일부구간에서 여러 개의 절리교차로 인한 천정부에 쐐기형 암반블록이 형성되었고, 발파진동의 영향으로 암반블록이 이완됨에 따라 암반블록의 무게가 숏크리트의 지보력을 초과함에 따라 붕락이 발생되었다. 이러한 붕락형태는 절리가 불규칙적으로 발달한 경암반에서 전형적으로 관찰되는 쐐기형 암반블록의 낙석(rock fall)의 형태이다. 보강공법 암반상태는 대부분 암질이 양호한 화강암류로 구성되어 있다. 따라서 추가적인 그라우팅 등의 보조공법이 필요치 않으며, 본 붕락구간에 적용된 보강공법은 낙석부분에 대하여 록볼트의 길이를 4m에서 6m로 연장하고 와이어 메쉬와 숏크리트를 순차적으로 시공하여 붕락된 부분을 완전히 채워 보강을 실시하였다. 이는 낙반 채움부를 주변의 견고한 암반에 완전히 메달아 장기적인 안정성을 확보하기 위한 것이다.

3.2 터널 붕락사례 - 쐐기형 붕락

붕락 현황 본 터널은 3,300m의 2차선 병렬터널로서 붕락지점은 본선터널과 피난연락갱이 접속하는 지점으로 암질상태는 전반적으로 양호하나 부분적으로 파쇄대가 나타났다. 피난연락갱이 먼저 굴진이 완료된 상태에서 본선터널을 굴진하던 중 8m3 암반붕락 파쇄된 부근에서 급격하게 붕락이 발생하였다. 본 터널의 붕락규모는 국부적인 암반붕락 낙반량 8m3, 여굴깊이 약 3.0m, 폭 8.0m이다.

붕락원인 분석 암질상태는 부분적으로 파쇄대가 존재하는 연암정도의 암석으로 굴진방향 측으로 굴진방향 측으로 주향 30°~50°정도, 경사 40°~70°정도가 주를 이루고 있으며 굴진 측으로 수직된 주향 및 경사가 다소 발달되어 있다. 절리상태는 불규칙하게 전체적으로 발달되어 있으며 경사면은 기활동(붕락된)된 부분과 예각을 이루고 있고 연속적으로 발생되어 있어 본선 굴진시 발파로 인한 진동의 영향으로 경사 및 절리면을 따라 활동을 일으킨 것으로 조사되었다. 피난연락갱과 상행선(본선)이 만나는 지점에 주향 및 경사와 절리면을 따라 피난연락갱 상부가 붕락되었으며 터널 막장조사결과 주향 및 경사면이 연속적으로 겹쳐 있으므로 보강조치를 하지 않은 상태에서 터널 굴진 시 발파진동으로 인하여 붕락이 발생하였다.

보강 공법 암질상태가 다소 약한 연암 정도의 암반으로 피난연락갱과 본선이 만나는 지점에서 주향 및 경사와 절리면을 따라 피난연락갱 상부가 붕락되었으며 터널 막장 조사 결과 주향 및 경사면이 연속적으로 겹쳐 있고 활동부위의 암반이 터널 측과 예각을 이루고 있어 아주 나쁜 영향으로 작용하고 있으므로 지하환기소 접속부 보강을 9m 연장하여 삼각지보를 설치하고 숏크리트, 록볼트 수량을 증가시켜 불연속면이 더 이상 이완되지 않도록 조치하고 붕락이 발생된 측면에 설계 천공간격 사이에 무장약공을 시공하여 발파진동을 최대한 억제하였다.

3.3 블록성 암반사면 - 화강암반사면에서의 소규모 파괴

사면 및 지질현황 본 사면은 화강암층에 시공된 혼합비탈면으로 연장은 340m, 높이는 최대 35m 이며 경사/경사방향은 51/120이다. 지질은 암회색을 띠는 화강암으로 석영, 장석류, 운모류로 구성되어있으며, 3개 이상의 절리군이 방향성을 가지고 발달되어 있고, 일부 풍화 또는 완전풍화상태를 보인다.

사면 손상원인 굴착중 전 구간에 걸쳐 국부적인 쐐기 및 평면파괴 형태의 암반블록의 탈락현상 발생하였다. 풍화암 구간은 풍화가 심하게 진행되어 부분적인 유실이 나타났으며, 풍화암 구간의 구배는 1:0.7 정도로 지하수 유출흔적이나 전반적인 파괴양상은 나타나고 있지 않으나, 절리교차에 의해 일부구간에서 부분적으로 암괴가 탈락된 구간이 나타나고 있다. 또한 연암구간은 절리방향 역시 사면방향으로 발달하고 있어 부분적으로 평면파괴가 나타나며, 절리교차에 의한 국부적인 쐐기파괴가 발생하였다. 절리가 발달한 암반에서 풍화 정도와 절리의 위치, 교차정도에 따라 일부구간에서 유실, 탈락 그리고 소규모의 파괴가 나타난 것으로 판단된다.

사면 보강대책 토사 및 풍화암 구간은 비탈면의 장기적 안정성 확보를 위해서는 최소 1:1.2 이상의 구배를 확보하거나 이를 확보하지 못할 경우 Soil Nail 등으로 보강하고, 반드시 표면 보호공을 실시하여 지표수 침투에 의한 표면파괴를 방지하도록 한다. 또한 연암구간은 암반블록의 쐐기 및 평면파괴 방지를 위해 Rock Bolt 등으로 보강한다.

3.4 블록성 암반사면 - 퇴적암에서의 대규모 쐐기파괴

사면 및 지질현황 본 사면에서는 굴착이후에 총 4차에 걸쳐 쐐기형의 사면파괴가 발생하였으며, 4차 파괴규모는 폭 25m, 높이 30m, 파괴면 연장 55m이다. 지질은 경상누층군에 속하는 퇴적암층으로 셰일과 사암이 호층으로 구성되어 있다. 셰일층에서는 층리발달이 현저하고, 연장성이 양호한 3개의 절리군이 발달하였다. 평사투영해석결과 층리면과 절리군 J1의 결합에 의해 쐐기파괴의 발생가능성이 있는 것으로 나타났으며, 평면파괴 및 전도파괴의 발생가능성은 없는 것으로 평가되었다.

사면 파괴원인 사면굴착에 의해 응력이 부분적으로 제거되면서 암반이 이완되고, 특히 상부에 풍화도가 높은 지반의 절리면이 이완되고, 층리면과 J1 절리군에 의해 쐐기블록이 형성된다. 이 쐐기블록의 플런지(33 °)는 절취사면의 경사각(45°∼73°)보다 완만하고 암반의 내부 마찰각이 크므로 사면의 파괴조건을 형성한다. 특히 층리면 내에 점토가 협재되어 포화 시 팽윤되어 전단강도가 급격히 감소하여 활동면으로서의 역할을 할 수 있는 조건을 유지하게 된다. 또한 사면이 장기간 대기에 노출되는 조건에서 강우에 의한 지표수의 유입은 지반을 포화시키고 층리면의 전단강도가 급격히 감소되어 쐐기파괴가 발생하였다. 또한 시간경과에 따라 활동력의 증가로 대규모의 파괴가 발생한 것으로 판단된다.

사면 보강대책 보강공법은 앵커공법, 사면경사완화공법, 억지말뚝공법, 쏘일네일링공법 등을 보강안으로 검토하여 현장여건, 시공성 및 경제성을 고려하여 앵커공법을 선정하였다.

■ 제2강을 마치면서

블록성 암반(Blocky Rock Mass)은 기본적으로 암반은 암석과 불연속면의 총합체임을 고려한다면 가장 전형적인 암반으로 특히 경암반(hard rock)에서 관찰되는 암반 타입이라 할 수 있다. 다시 말하면 블록성 암반의 거동 특성은 불연속면의 역학적 거동과 불연속면에 의해 형성되는 블록(block)의 기하학적 거동에 의해 결정되는 것이다. 이는 암반공학의 가장 중요한 개념을 이해하는 것으로 토질역학의 개념과 가장 대별되는 지점이기도 하다. 

이상으로 제2강이 마무리되었다. 보다 자세한 내용은 [응용지질 암반공학] 책을 참고하기 바란다. 아마도 블록성 암반은 암반공학의 핵심이 아닌가 싶다. 연속체 거동에서 불연속체 거동으로는 전환은 암반공학의 중요한 개념이기 때문이다. Goodman의 블록이론(Block Theory)을 공부하면서 역학과 기하학의 절묘한 조화로움에 대하여 감동을 받았던 기억이 새롭다. 이러한 의미에서 블록성 암반의 거동을 이해하기 위해서는 불연속면에 대한 특성을 정확히 파악하는 것이 가장 중요하며, 실제 현장에서 발생하는 지오리스크(Geo-Risk)에 대하여 대응할 수 있을 것이다.