한국지반공학회 (地盤 magazine)

1. 광폭시트파일의 연동침하 방지대책 사례 및 적용성 평가

1. 개요

국토의 효율적 이용을 위해 해안지역, 강하구, 인공 매립지반 조성을 통해 연약지반 상에 대규모 단지 및 단지 진입을 위한 철도 및 도로가 건설되고 있다. 이에 연약지반상에 인접하여 기 시공된 구조물의 연동침하 발생이 우려되어 이에 대한 방지대책으로 다양한 공법이 적용되고 있다.연동침하 방지대책으로 적용되는 광폭시트파일에 대한 사례분석과 적용성에 대하여 소개하고자 한다.

2. 연동침하 방지공법

근접시공은 건설과정에서 주변 지반의 응력증가에 따른 침하를 발생시킴으로써 인접구조물에 피해를 유발하는 것을 의미하며, 근접시공에 따른 계획, 설계 및 시공에 대해 주변지반과 인접구조물의 변형을 예측해야 하지만 예측의 정밀도에서 한계가 있다.

지반-구조물의 상호작용에 불확정 요소가 많아 인접지반 변형의 예측은 어렵다. 일반적으로 피해예측을 어렵하게 하는 요소로는 다음과 같은 문제를 들 수 있다.

- 지반의 변형특성을 파악하는 문제

- 인접 구조물의 기초 및 허용변위를 파악하는 문제

- 지반 변형해석 및 예측방법의 문제

- 방지대책 공법 적용시 효과규명에 관한 문제

- 인접 구조물의 기초 및 허용변위를 파악하는 문제

- 3차원 거동의 정확한 규명 문제

따라서 지반조사 결과와 인접 구조물의 허용변위 한계를 고려한 해석모델 적용으로 변위를 예측하고 문제 발생시 대책공법을 수립해야 한다. 또한 대책 공법적용시 인접구조물에 피해를 최소화 할 수 있는 공법을 선정하고 실시공시 계측결과와 병행하여 그 효과를 검증하는 것이 필요하다.

2.1 성토하중 지지공법

가. SCP공법

연약지반 속에 직경이 큰 압축모래말뚝을 조성하여 점성토를 포함한 복합지반을 형성시켜 전단저항이나 수평저항을 증대시키는 공법이다.

모래말뚝과 점성토 지반이 복합체를 형성하여 지반강도 증가효과와 배수효과를 함께 발현되며, 다짐시 응력집중효과를 기대할 수 있는 장점이 있다. 그러나 즉시 침하량이 커서 연동침하 및 측방유동 발생방지를 위한 관리가 필요하고 전용장비와 양질의 모래가 다량 소요되는 단점이 있다.

나. GCP공법(또는 Stone Column 공법)

SCP공법 시공에 따른 양질의 모래조달이 어려워 모래대신에 자갈, 쇄석, 슬래그를 다짐재료로 사용하는 공법이며, 입경이 큰 쇄석을 사용함으로서 배수효과가 탁월하여 압밀도를 개선할 수 있다.지지력의 증대로 연약지반의 압밀침하량을 감소시킬 수 있으며, 느슨한 사질토 지반의 경우에는 액상화 방지대책으로도 적용할 수 있다. 지반교란으로 인한 강도저하가 적고 다짐효과에 의한 강도증대효과가 우수할 뿐만 아니라 사면안정을 위한 방법으로도 널리 사용된다.

다. 심층혼합처리공법(DCM)

석회, 시멘트계를 주로 하는 분말 형태 혹은 물에 희석한 상태(슬러리)의 화학적 안정재를 지중에 주입하고 연약층의 점성토와 강제적 혼합을 통해 포졸란 반응 등의 화학적 고결작용을 이용하여 지반 중에 임의 형상의 견고한 안정처리토를 형성하는 연약지반개량공법이다. 구조물 또는 성토체 안정성 확보 및 침하량 감소를 위한 고결 말뚝체를 형성한다.DCM공법은 시공성이 양호하고 점성토 지반의 개량효과가 뛰어나지만 시공관리가 어려운 단점이 있다.

2.2 성토하중 차단공법

가. 주열식 말뚝공법(SCW, DCM)

SCW는 어스오거를 사용하여 지반을 굴착하여 그 속에 모르타르를 타설한 후 철근망 또는 H형강을 삽입하여 연속적으로 말뚝을 축조하여 벽체를 조성하는 공법이다.DCM은 안정재를 주입하면서 지중에서 연약층과 교반하여 말뚝체를 형성하며, 말뚝체를 중첩시켜 벽체를 조성하는 공법이다. SCW와는 달리 철근 또는 H형강을 삽입하지 않으므로 경제적이나 전단응력이 작아 대규모 하중 작용시 전단 및 휨에 의한 파괴가 발생할 수 있다. 주열식 말뚝공법은 대부분의 지반에 사용이 가능하고 비교적 강성도 크지만 공벽의 안정성 관리와 시공 정밀도 확보가 어려워 보조대책을 필요로 한다.

나. 시트파일 공법

시트파일을 유압해머 또는 진동압입으로 지상에서 연속적으로 타입하여 벽체를 형성하는 공법이며, 시공이 간단하고 연속의 강성체로서 다양한 단면의 형상을 시공할 수 있다. 또한 연약지반에서의 근입성이 좋고 대규모 장비가 필요하지 않으며, 주변지반으로의 응력전달 및 과잉간극수압을 차단하는 효과가 우수하여 성토하중 차단공법으로 널리 사용되고 있다.

2.3 성토하중 경감공법

구조물 배면 뒷채움에 주로 사용되는 공법으로 성토체 하중을 경감시켜 주변지반 침하저감 및 구조물 측방유동 방지를 위해 사용된다. 주요 공법으로 EPS 및 경량기포 혼합토가 있으며, EPS 공법의 경우 발포폴리스틸렌의 경량성 및 자립성 특성을 이용하여 성토재 대체 재료로 사용된다. 경량기포혼합토의 경우 원료토에 물과 시멘트 등의 고화재와 기포재를 혼합하여 기포가 첨가된 경량의 혼합토로 성토체를 형성하는 공법이다.

3. 연동침하 방지공법 적용사례 분석

3.1 부전~마산 OO전철 건설공사

OO전철이 신설됨에 따라 인접한 부산신항 배후철도의 연동침하가 발생하여 보강대책 수립이 필요하였으며, 보강대책으로 신설되는 배후철도 하단에 DCM 설치 및 경계부에 시트파일을 설치하여 배후철도의 연동침하를 억제하였다.

검토방법은 유한요소해석 프로그램인 Plaxis를 사용하였다.

3.2 경인 OO뱃길 물류단지 조성공사

물류단지 신설에 따른 인접한 교량의 수평변위가 발생하여 보강대책 수립이 필요하였으며, 보강대책으로 물류단지 연약지반 개량을 위한 성토 끝단에 시트파일을 설치하여 인접교량의 수평변위 발생을 억제하였다.검토방법은 유한요소해석 프로그램인 Plaxis를 사용하였다.

3.3 김포 OO 일반산업단지 개발사업

단지부 연약지반 개량시 인접한 도로의 연동침하가 발생하여 보강대책 수립이 필요하였으며, 보강대책으로 단지부 연약지반 개량을 위한 성토 끝단에 시트파일을 설치하여 인접 도로의 연동침하 발생을 억제하였다.검토방법은 유한요소해석 프로그램인 GeoImprove를 사용하였다.

4. 광폭시트파일의 적용성 평가

4.1 개요

광폭시트파일의 연동침하 방지효과 검토를 위하여 일반적으로 사용되는 그라우팅(DCM)공법과 비교하여 연동침하 방지효과를 평가하였다.그라우팅(DCM)공법은 지반조건에 따라 설계강도가 큰 차이를 보이므로 연동침하 방지공법 적용시 효과검토를 위해 선정된 단면은 그라우팅(DCM)공법 현장시공으로 강도가 확인된 낙동강 하구 지역의 대표단면을 선정하였다.

광폭시트파일공법과 그라우팅(DCM)공법은 차단벽 설치를 중심으로 비교하였으며, 지층조건 및 지반정수는 적용사례에서 수행된 지반조사 보고서를 참조하고 대표단면을 통해 공법별 연동침하 방지효과를 비교하였다.연동침하 방지대책으로 주로 사용되는 광폭시트파일의 규격 및 치수는 표 7과 같다.

4.2 사례. I (경부선 철도변 신설도로)

가. 검토단면 및 설계지반정수

검토단면은 단면 좌측에 경부선 철도가 위치하며, 지반조건은 상부 1.8m의 매립토 및 퇴적토(모래)와 그 하부에 연약층이 17.8m 분포하고 있다. 원지반이 일부 매립되어 있으며, 계획 성토고는 9.4m이다.신설 도로구간의 연약지반 처리대책으로는 PBD+Preloading이 계획되어 있으며, 계획고 상부의 Preloading 높이는 3.7m이다.

나. 해석조건 및 해석단계

그라우팅(DCM)공법과 시트파일의 연동침하 방지효과를 비교하기 위하여 유한요소 해석프로그램인 PLAXIS를 사용하였다.해석조건은 설계시와 동일한 시공단계로 검토되었으며, 연동침하 검토시 대상 인접구조물인 경부선 철도는 1905년 준공되어 100년 이상 경과되었으므로 건설당시 매립하중에 의한 압밀은 완료된 것으로 가정하였다.해석단계 1단계(경부선 철도구간 성토 및 방치(100년))→2단계(시트파일 설치)→3난계(재하성토(순성토 + Preloading, H=13.1m))→4단계(성토제거(Preloading, H=3.7m))→5단계(차량 및 포장하중 재하 및 방치(압밀완료))로 검토하였다.

다. 해석결과

그라우팅(DCM)공법의 경우 N＞30/30 이상의 모래지반에서는 교반이 어려우므로 하부모래층에 착저되는 것으로 검토하였으며, 원설계와 같이 연동침하 방지공법으로 그라우팅(DCM)공법 적용시 안정성을 만족하는 것으로 나타났다.시트파일 Type별 연동침하 방지효과 검토시 Z형의 경우 연동침하량 및 부재응력이 허용기준 이내로 안정성을 만족하나 광폭 U형의 경우 연동침하에 대한 허용기준을 초과하는 것으로 나타났다.Z형의 경우 광폭 U형에 비해 단면적 및 단면2차모멘트가 커 강성이 크므로 토압에 대한 저항력이 크며, 연동침하 방지효과가 광폭 U형에 비해 큰 것으로 나타났다.본 사례의 경우 그라우팅(DCM)공법 3열 보강이 시트파일에 비해 연동침하 억제효과가 크지만 Z형 시트파일 적용시에도 경부선 철도의 안정성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

4.3 사례.II (공장 밀집지역 인근 단지성토)

가. 검토단면 및 설계지반정수

단지부 연약지반 처리구간은 남측에 인접구조물로 정밀기계 공장이 위치하며, 지반조건은 상부 5.7m의 매립토가 분포하고 그 하부에 연약층이 22.9m 분포하고 있다.신설 도로구간의 연약지반 처리대책으로는 PBD+Preloading이 계획되어 있으며, 계획고 상부의 Preloading 높이는 0.95m이다.연동침하 방지대책 미수립시 단지부 진입도로 성토시 인접구조물의 연동침하량이 최대 210mm 발생하여 허용침하량를 초과하므로 별도의 보강대책이 필요한 것으로 검토되었다. 이때 구조물 허용침하량은 원설계에서 선정된 Skempton(1956)의 구조물 손상한계 중 독립기초 최대 침하량 50mm를 준용하였다.

나. 해석조건 및 해석단계

그라우팅(DCM)공법과 시트파일의 연동침하 방지효과를 비교하기 위하여 유한요소 해석프로그램인 PLAXIS를 사용하였다.해석조건은 설계시와 동일한 시공단계로 검토되었으며, 상부 매립층 하중에 의한 압밀침하는 완료된 것으로 가정하였다.해석단계 1단계(시트파일 설치)→2단계(재하성토(순성토 + Preloading, H=3.95m))→3난계(성토제거(Preloading, H=0.95m) 및 하중재하)로 검토하였다.

다. 해석결과

그라우팅(DCM)공법의 경우 N＞30/30 이상의 모래지반에서는 교반이 어려우므로 하부모래층에 착저되는 것으로 검토하였으며, 원설계와 같이 연동침하 방지공법으로 그라우팅(DCM)공법 적용시 안정성을 만족하는 것으로 나타났다.

시트파일 Type별 연동침하 방지효과 검토시 Z형 및 광폭 U형 모두 연동침하량 및 부재응력이 허용기준 이내로 안정성을 만족하는 것으로 나타났다. 본 사례의 경우 그라우팅(DCM)공법 3열 보강이 시트파일에 비해 침하억제효과가 작은 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 그라우팅(DCM)공법의 경우 회전날개에 의한 지반교반으로 벽체가 매끈하지 않아 개량체가 지반과 완전히 부착되어 인터페이스를 고려하지 않고 개량체와 지반의 상대적 변위가 발생하지 않아 사업부지 침하가 구조물 하부지반으로 전달되었기 때문이다. 시트파일은 벽체가 매끈하여 부착력이 적어 벽체와 지반의 상대적 변위가 발생함으로써 구조물 위치의 연동침하를 최소화하였기 때문이라 판단된다.일반적으로 그라우팅(DCM)공법이 연동침하 억제효과가 시트파일에 비해 큰 것으로 알려져 있으나 적용조건에 따라 시트파일의 억제효과가 커질 수도 있음을 확인하였다.적용조건은 방지공 차단벽의 설치위치, 지반조건 및 재하성토 하중에 따라 변경될 수 있으므로 설계 단계에서 안정성 및 경제성을 비교하여 최적의 공법을 선정해야 할 것으로 판단된다.

4.4 평가결과

그라우팅(DCM)공법의 경우 연동침하량 및 부재응력이 허용기준 이내로 연동침하 방지공법으로 안정성을 확보하는 것으로 나타났다.시트파일공법은 Z형의 경우 연동침하량 및 부재응력이 허용기준 이내로 안정성을 만족하고, 광폭 U형의 경우 부재응력이 허용기준 이내로 안정하나 현장상황에 따라 연동침하에 대한 허용기준을 초과하는 것으로 나타났다.

일반적으로 그라우팅(DCM)공법이 연동침하 억제효과가 시트파일에 비해 큰 것으로 알려져 있으나 사례.II와 같이 시트파일공법이 연동침하 억제효과측면에서 보다 우수할 수 있음을 확인하였다.그라우팅(DCM) 및 광폭시트파일을 연동침하 억제공법으로 적용시 차단벽 설치위치, 지반조건 및 재하성토 하중, 지반과 개량체의 경계조건에 따라 검토결과가 달라질 수 있으므로 설계단계에서 현장상황, 지반상태, 해석조건, 시공성 및 경제성을 비교하여 최적의 공법을 선정해야 할 것으로 판단된다.

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[ 본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다 ]

2. 지질 특성을 고려한 비탈면, 터널현장 관리방안

1. 서 론

현재 건설 중인 합천-창녕 고속도로는 전국 간선도로망(7×9) 계획에 의한 동서 9개축 중 동서 2축에 해당하는 노선으로 상대적으로 낙후된 경남 중·북부지역 개발촉진과 영호남을 연결하는 산업, 관광 교류 활성화를 위한 함양~울산 고속도로 중 일부 구간이다.노선의 공사기간은 2018.02~2024.12(전체 2,100일)이고, 과업규모는 설계속도 100km/hr의 4차선으로 총 연장은 L=36.84km으로 교량 40개소(L=7.72km, 21%), 터널 22개소(19.76km, 54%), 출입시설 2개소, 휴게시설 1개소, 깎기비탈면 94개소 등으로 계획되었다.산악지형을 통과하는 노선으로 토층 심도가 얇고 암반층이 두껍게 분포하며, 터널과 깎기비탈면이 많이 계획되어 노선의 지질 구조적 특성을 파악하는 것이 중요하다. 따라서, 노선에 분포하는 퇴적암의 지질 구조적 특성을 조사하고, 붕괴사례 및 설계도서 등을 분석하여 사업 초기에 터널과 비탈면에 대한 중점 관리사항을 소개하고자 한다.

2. 지질 특성

2.1 광역 지질 및 지체구조

사업지역은 한반도 동남부에 위치하고 지체구조상 중생대 백악기 경상분지에 해당되며 사업지역 서쪽에는 영남육괴, 동쪽에는 어일분지가 위치한다.본 노선은 중생대 백악기 퇴적암류인 경상누층군과 불국사 관임암류로 구성된다. 경상누층군은 대보조산운동 이후 형성된 퇴적분지 또는 함몰지 내에 화산활동을 수반한 육성퇴적층으로 암상에 따라 신동층군, 하양층군, 유천층군으로 세분된다.지체구조는 한반도 지체구조와 동일한 북동~남서방향으로 발달하고 단층선은 주로 우수향 주향 이동 단층으로 북동방향인 주방향과 일치하는 단층대가 발달되어 있다. 경상분지 동쪽은 대규모 활성단층이 발달하고 단층의 확실도도 높은 것으로 조사되나, 본 노선이 위치한 경상분지 서쪽은 활성단층이 조사되지 않고, 미조사 단층이 부분적으로 존재한다.(활성단층 지도 및 지진 위험지도 제작, 2012)

2.2 지질 각론

본 노선은 중생대 백악기 신동층군(K1), 하양층군(K2)이 주로 분포하고, 이들을 관입한 불국사 화강암류와 중성 및 산성 암맥이 협소하게 분포하며 제 4기 충적층이 피복 되었다.

(1) 신동층군

백악기 화산활동 이전에 퇴적된 지층으로 본 노선은 하산동층, 진주층이 분포한다.하산동층은 회색의 이암, 셰일, 사암, 역암으로 주로 구성되며 자색의 이암, 셰일층을 협재하는 것이 특징이다. 노선 인근 층리의 주향과 경사는 N10~70E/5~20SE로 나타난다.진주층(동명층)은 회색의 사암, 셰일, 이암, 흑색~암회색의 셰일, 사질셰일과 역질사암 등으로 구성되어 있다. 노선 인근 층리의 주향과 경사는 N20~60E/5~25SE로 나타난다.

(2) 하양층군

백악기 화산활동과 동시에 퇴적된 지층으로 본 노선은 칠곡층, 신라역암층, 함안층이 분포한다. 칠곡층은 자색셰일, 사질셰일, 담홍색 사암 등으로 구성되며, 일부 지역에서 적색 셰일 및 이암 등이 협재되기도 한다. 노선 인근 층리의 주향과 경사는 N15~80E/5~25SE로 나타난다.신라역암층은 자색 또는 회갈색의 역암, 역질사암, 사질역암, 사암 등으로 주로 구성되고 화산암질 역을 포함하고 있다. 역암의 층리는 불량하나 대체로 NS~70E/8~35SE로 나타난다.함안층은 적색의 셰일, 이암, 사질 셰일, 녹회색 사암, 셰일, 이암, 실트스톤 등으로 구성된다. 노선 인근 층리의 주향과 경사는 습곡에 영향으로 N60W~N80E/5~15NE~SE로 다양하게 나타난다.

(3) 불국사 화강암류

중생대 백악기에서 신생대 초까지의 지층을 관입한 화강암류로 지질도상 노선의 중앙부 칠곡층, 신라역암층을 관입하여 부분적으로 분포하며, 흑운모화강암으로 나타난다.

3. 붕괴사례

3.1 사업구간 붕괴사례

제0공구 00터널 시공중 종점부 배면비탈면에서 2019년 7월 13일과 15일, 두 차례에 걸쳐 그림 5와 같이 폭 4.0~6.0m, 깊이 2.5~4.0m, 높이 8.5~10.5m으로 슬라이딩이 발생하였다. 셰일과 사암이 호층을 이루고 도로방향으로 수평의 절리와 층리가 발달하였으며, 셰일의 차별 풍화와 상부의 사암이 인장균열에 의한 육면체 형태로 쪼개어지는 특징을 나타낸다. 붕괴 원인으로 도로방향으로 발달된 지질 구조적 요인과 7월 10일과 15일에 내린 강우의 영향으로 불연속면층 사이에 협재된 점토층에 우수에 의한 수압 상승 및 전단강도 감소로 붕괴가 발생된 것으로 추정된다.

비탈면의 경사방향(dip direction)과 경사(dip)는 113/55~63이고, 붕괴면의 경사방향과 경사각은 100/36, 112/37로 경사방향 차는 1~13°로 일반적인 평면파괴 발생조건인 경사방향 차 ±20°이내에서 인장균열을 포함한 평면파괴가 발생되었다.

3.2 인접구간 붕괴사례

중생대 백악기 퇴적암으로 본 노선과 인접한 고령, 진주, 의령, 창녕, 마산, 사천 지역에서 시공 중 또는 준공 후 붕괴사례를 표 2와 같이 조사하였다. 조사지역은 평면파괴가 주로 발생하였고, 전체 14개소 중 10개소(71.4%)에서 경사방향이 091~180°(대부분 100~140°) 범위 내 남동방향으로 많이 발생하는 것으로 나타났다.

비탈면과 붕괴면의 경사방향 차이는 ±20°범위 이내 9개소(64.3%), ±20°범위 초과 5개소(35.7%), ±30°범위 초과 3개소(21.4%)에서 붕괴가 발생했다. 특히, ±30°범위까지 뚜렷한 평면파괴 증가 추세를 보이고, 이러한 경우 대부분 불연속면 내에 점토 충진물 등이 협재된 것으로 조사되므로 중점 관리가 필요한 것으로 판단된다.

4. 비탈면 중점 관리방안

4.1 비탈면 설계현황

노선의 비탈면은 총 94개소로 토층 심도가 얇고 암반층이 두껍게 분포한다. 암반비탈면 설계현황은 표 5와 같이 비탈면 경사는 1:0.7~1.0이고, 대책공법은 일부구간 앵커공법을 제외하면 비탈면에 낙석 및 전도파괴 등을 고려하여 락볼트(Rock Bolt Random) 공법이 반영되어 있다.

4.2 비탈면 중점 고려사항

(1) 중점 관리 비탈면

지질도와 붕괴사례 및 설계도서를 분석결과, 노선의 일부구간을 제외하고 층리의 경사방향은 100~150°범위 내에서 주로 발달되며 노선의 진행방향 약 100°와 서로 평행하다. 따라서, 노선에 발생하는 터널 시·종점부 배면방향, 함양방향 및 울산방향 비탈면 중에 터널 종점부 배면방향 비탈면은 경사방향이 약 100°로 비탈면과 주 층리의 경사방향과 차이가 ±0~50°이므로 평면파괴 가능성이 높아 중점 관리가 필요하다. 이러한 방향성 측면에서 터널 시점부 배면방향과 울산방향 비탈면은 평면파괴 가능성은 적으나, 각 공구 비탈면의 위치에 따라 비탈면과 불연속면의 경사방향이 상이하므로 절취 전 이러한 방향성을 미리 체크하여 중점 관리 비탈면 여부를 판단하여야 한다. 인접구간 붕괴사례 등에 의하면 비탈면과 붕괴면의 경사방향 차이가 ±20°범위를 초과하는 경우에도 평면파괴가 많이 발생하고, 이러한 경우 대부분은 불연속면 내에 점토층 등이 협재한 경우 대규모 붕괴가 많이 발생하므로 불연속면 내에 점토층 등 충진, 단층 및 파쇄대 등 구조적 약대층 출현 시에도 중점 관리가 필요하다.

(2) 불연속면 지반정수

설계도서 검토결과, 비탈면과 불연속면의 경사방향 차이가 ±20°이내로 평면파괴 가능성이 높은 터널 종점부 배면비탈면은 설계시 안정한 것으로 설계되었다. 이는 불연속면의 내부마찰각이 활동면의 경사각 보다 상대적으로 커서 평사투영 해석상 평면파괴 영역내에 Pole이 위치하지 않아 평면파괴 가능성이 없는 것으로 해석된다. 그러한 예로 제0공구 00터널 종점부 배면비탈면 평사투영 해석결과, 비탈면과 층리의 경사방향 차가 ±3°로 평면파괴 발생 조건인 ±20°범위 이내이나, 불연속면의 내부마찰각 30°이고, 층리의 경사각이 15°로 내부마찰각이 경사각보다 커서 평면파괴 가능성이 없는 것으로 검토되었다(그림 8참고).

위와 같이 비탈면과 불연속면의 경사방향 차이가 ±20°범위 이내라도 본 노선에 설계시 적용된 불연속면의 내부마찰각 ø=27.9~33.2°(평균=29.61°)이 층리의 경사각 dip=5~30°보다 큰 것으로 조사된다. 그러나, 본 노선 설계시 적용된 불연속면의 지반정수는 인접한 퇴적암 지역 붕괴사례시 적용된 불연속면의 지반정수보다 크게 적용되었다. 즉, 설계시 점착력 C=19.0~30.0kN/㎡(평균=23.14kN/㎡), 내부마찰각 ø=27.9~33.2°(평균=29.61°)이나(표 5참조), 붕괴사례는 점착력 C=3.4~30.0kN/㎡(평균=16.95kN/㎡), 내부마찰각 ø=10~30°(평균=19°)으로 설계값이 상대적으로 큰 값이 적용됨을 알 수 있다(표 2 참조). 설계시 불연속면의 지반정수는 절리전단시험, Barton의 제안식, 기존 적용사례 및 문헌자료 등을 비교하여 적용했으나, 절리면 전단시험은 시추 조사시 물을 사용해 획득한 시편으로 전단 시험하는 문제와 Scale Effect 및 상재하중 등의 문제로 적용에 한계가 있다. 또한, Barton 경험식도 불연속면 내에 충전물이 있는 경우 이를 반영하지 못해 설계시 적용 된 불연속면의 지반정수는 점토층 등이 협재된 경우를 반영하지 못한다. 붕괴사례에 같이 평면파괴시 비탈면과 불연속면의 방향성에 관계없이 불연속면 내에 점토층 등이 협재한 경우 대부분 발생하므로 공사 중 안정성 검토시 점토층, 단층 및 파쇄대 등 협재 유무에 따라 불연속면의 지반정수 적용시 주의가 필요하다.

(3) 암반비탈면 안정해석 범위

설계시 평사투영 해석상 평면파괴 가능 범위는 Hoek & Bray(1982)이 제시한 비탈면과 불연속면의 경사방향 차이 ±20°범위 이내로 설계되었다. 그러나, 여러 붕괴사례와 같이 경사방향 차이가 ±20°범위를 초과한 경우에도 평면파괴가 많이 발생하므로 공사 중 이에 대한 대책이 필요하다. 평면파괴를 최소화하기 위해 일반적인 경우 평사투영 해석상 파괴 가능 범위를 기존 ±20°에서 ±30°으로 확대 적용하고, 불연속면 내에 점토층 등 충전물이 있는 경우는 안정성 해석 범위를 파괴영역 내의 모든 불연속면으로 확대 적용하여 비탈면 안정관리가 필요하다(암반비탈면 안정해석 방법 개선, 한국도로공사, 2019.07).

5. 터널 중점 관리방안

5.1 터널 설계현황

본 노선은 총연장 L=36.84km, 터널 연장 L=19.76km(54%, 22개소)으로 산악지형을 통과하는 도로터널로 기본 지보패턴은 고속도로 터널공법(ex-TM)으로 설계되었다.

5.2 터널 중점 고려사항

(1) 터널의 굴진방향

터널의 굴진방향 결정은 경제성과 시공성, 안정성 등을 고려하여 적용하나, 제반 여건이 비슷하다면 굴착 중 낙반 등의 안전사고와 안정성 측면에서 노선의 지질 구조적 특성을 고려하는 것이 중요하다. 노선에 발달된 주 층리의 경사방향(미끄러짐 방향)이 남동방향 100~150°이고, 노선도 남동방향 약 100°정도로 계획되어 굴착 중 낙반 등의 안전사고 예방 및 경제적 측면에서 시점에서 종점 방향으로 굴착하는 것이 더 유리하다. 그러한 예로 제0공구 00터널은 시점에서 종점 방향으로 굴착 중으로 현재 막장면 전경사진 및 Face Mapping은 그림 11과 같다.

굴착방향에 따라 시점부터 굴착한 경우와 종점부터 굴착한 경우 RMR 점수를 비교한 결과, 시점부터 굴착하는 것이 터널의 안정성과 경제성 측면에서 유리한 것으로 나타난다(그림 12참조). 동일 막장에서 굴착방향만 반대이므로 RMR 평가시 5개 항목 합은 59점으로 동일하나, 불연속면의 주향·경사와 터널 진행방향에 따른 보정값이 서로 상이하므로 RMR 점수는 각각 57점과 49점으로 서로 상이하다(그림 13참조). 시점부터 굴착시 굴진방향 120°, 주절리(J1)의 주향(Strike) N10E, 경사(dip) 25SE, 불연속면 방향에 대한 보정값 (-)2점이므로 최종 RMR 값은 57점, 지보패턴 C-1 Type으로 결정된다. 그러나, 종점부터 굴착시 굴진방향 300°, 주절리(J1)의 주향(Strike) N10E, 경사(dip) 25NW, 불연속면 방향에 대한 보정값 (-)10점이므로 최종 RMR 값은 49점, 지보패턴 C-2 Type으로 결정되어 굴착방향에 따라 RMR 값이 서로 상이하게 나타난다.

(2) RMR 평가시 천단부 가중치

본 노선은 “고속도로 터널공법(EX-TM) 가이드라인(2016, 한국도로공사)”에서 제시하는 기본 지보패턴을 적용하고, 굴착 중 막장 안정성에 가장 영향력이 큰 천단부의 지반특성에 따라 RMR 평가시 가중치를 부여하여 적용한다. 하부 지반이 양호할 경우 측면 하부의 록볼트 미 설치 등 탄력적인 적용이 필요하다. RMR 평가시 천단부 가중치를 고려한 경우와 미고려시 RMR 값을 비교하면, 그림 15와 같이 천단부 가중치 고려시 RMR=45점 C-2 Type, 미고려시 RMR=57점 C-1 Type으로 막장 천단부 가중치 고려시 막장 안전사고를 줄일 수 있을 것으로 예상된다.

6. 결 론

1) 합천-창녕 고속도로 건설사업은 산악지형을 통과하는 노선으로 터널 및 깎기비탈면 비중이 높아 노선의 지질 구조적 특성을 파악하는 것이 중요하다. 따라서, 노선에 분포하는 퇴적암의 지질 구조적 특성을 조사하고, 붕괴사례 및 설계 자료 등을 분석하여 터널과 비탈면에 대한 중점 고려사항을 소개하였다.

2) 노선의 암종은 중생대 백악기 신동층군, 하양층군으로 셰일, 사암, 이암, 역암 등 쇄설성 퇴적암이 주로 분포하고, 지질 구조적 특성상 층리가 일정한 방향으로 발달되어 평면파괴가 자주 발생하며, 수직절리가 발달하여 지표면 노출시 육면체 형태로 쪼개어지는 특징을 나타내고, 낙석 및 차별 풍화 등이 심하다.

3) 노선에 발달된 층리의 경사방향(미끄럼방향)은 100~150°로 계획 노선방향 100°와 평행한 남동방향에 저경사 5~30°로 주로 분포한다.

4) 따라서, 공사 중 비탈면 중점 고려사항으로 층리의 방향성을 고려하여 터널 종점부 배면비탈면과 점토층, 단층 및 파쇄대층이 협재한 비탈면을 중점 관리 비탈면으로 선정하였고, 점토층 등이 협재 또는 단층 및 파쇄대층이 발달한 경우 지반정수 적용에 주의가 필요하며, 평면파괴를 최소화하기 위해 암반비탈면 안정 해석범위를 확대 적용하도록 계획하였다.

5) 터널 굴착시 중점 고려사항으로 층리의 방향성을 고려하여 시점에서 종점 방향으로 굴착하는 것이 유리하고, 굴착 중 막장 안정성에 가장 영향력이 큰 천단부의 지반특성에 따라 RMR 평가시 가중치를 부여하여 안전사고를 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌

1. 한국도로공사, 고속국도 제14호선 함양~창녕간 건설공사 제7, 8, 10, 12공구 지반조사 보고서, 2017.09

2. 한국도로공사, 고속국도 제14호선 함양~창녕간 건설공사 제9공구 지반조사 보고서, 2018.10

3. 한국도로공사, 고속국도 제14호선 함양~창녕간 건설공사 제11공구 지반조사 보고서, 2018.12

4. 한국지질자원연구원, 활성단층지도 및 지진위험지도제작, 2012년

5. 한국도로공사, 고속국도 제12호선 함양~성산간 건설공사 STA.2+680~2+820(광주방향) 절토사면 안정대책 자문 검토서, 2010.04

6. 계룡건설, 88선 지리산~성산간 제14공구 깎기비탈면 안정 검토보고서(광주방향 STA.2+890~3+160, STA.4+990~5+130), 2011.07

7. 계룡건설, 88올림픽고속도로(담양~성산간) 확장공사 중 STA.3+661.01~3+821.75구간 비탈면 안정검토 보고서, 2013.06

8. 계룡건설, 88올림픽고속도로(담양~성산간) 확장공사 중 STA.2+070~160외 1구간 깎기비탈면 안정성검토 보고서, 2014.06

9. 진주시, 명석~대평 진양호 일주도로 선형개량 및 확포장공사 비탈면 검토의견서, 2020.02

10. 롯데건설, 진주혁신도시 조성공사 공룡발자국 발견부지 지표지질조사 보고서, 2014.09