제3강에서는 제1강에 설명한 바 있는 암반 구분(Rock Mass Type)에 따라서 불연속면에 의해 형성 되는 층상 암반(Stratified Rock Mass)에 대에 기술하고자 한다. 층상 암반은 퇴적암 지층에서 나타나는 전형적인 암반으로서, 본 장에서는 층상 암반의 공학적 특징과 거동 특성 그리고 터널 및 암반사면에서 발생하는 지오리스크(Geo-Risk)에 대하여 실제 사례를 중심으로 살펴보고자 한다.
층상 암반 한 방향으로 발달한 불연속면이 일정한 간격을 가지며, 연장성이 발달한 경우의 암반을 말하며, 암반의 거동은 이 불연속면에 의해 크게 지배되는 암반을 말한다. 일반적으로 화성암 생성과정에서 하중제거로 인해 형성된 판상절리(sheeting joint), 퇴적환경에서 만들어진 층리(bedding plane) 그리고 이질암의 변성작용에서 형성된 벽개(cleavage), 엽리(foliation), 편리(schistosity) 등이 대표적인 판상(planar)의 불연속면이며, 층리와 엽리구조에서는 이 불연속면을 가로지르는 많은 균열과 절리가 발달하여 일정한 형태의 블록을 형성하고 있는 경우가 많다. 또한 이와 같은 불연속면은 전단강도가 현저히 낮거나 불연속 사이에 점토 등이 협재되어 있는 경우가 많아 미끄러짐이 쉽게 발생하고, 우기나 집중강우에 의한 영향을 쉽게 받기 때문에 사면 등과 같은 암반구조물의 연약대로 작용하여 많은 지질재해의 원인이 되고 있다.
층상 암반의 Geo-Risk 일정한 방향으로 불연속면이 주로 발달하여 있기 때문에 이방성(anisotropy)을 뚜렷하게 보인다. 따라서 이러한 층상암반에서는 암석자체의 이방성 특성뿐만 아니라 불연속면의 이방성을 동시에 고려하여 연속체 해석과 불연속체 해석에 반영하도록 하여야 한다. 또한 암종에 따라 풍화변질에 매우 민감하여 굴착 후 잘게 부스러지거나 쪼개지는 특성을 가지는 경우가 많다. 층상암반은 불연속면의 발달 특성상 암반구조물에서의 파괴 및 붕괴 등이 발생가능성이 높으므로(특히 셰일, 편암), 암반의 공학적 특성을 파악하여 암반구조물의 설계 및 시공시 반영하도록 해야 한다.
1. 층상 암반의 지질 특성
층상 암반은 주불연속면이 연장성이 매우 발달하여 비교적 일정한 간격으로 불연속면이 형성되어 판상(planar/stratified)구조를 띠는 암반으로서 주로 주불연속면의 거동에 의해 전체 암반의 형성이 좌우된다. 지질적인 형성원인은 크게 화성에서의 판상절리, 퇴적암에서의 층리 그리고 변성암에서의 벽개, 엽리 및 편리구조 등이 있다.
1.1 판상절리(sheeting joint)
하중제거(unloading)로 인하여 지표에 평행하게 발달되는 절리를 말한다. 판상절리의 간격은 팽창률의 차이로 인하여 지표에 가까울수록 좁고 깊을수록 넓어지는데, 지하 70~100m 깊이까지 나타나는 경우는 드물다. 판상절리가 잘 발달되어 있으면 기반암에서 양파 껍질처럼 떨어져 나오는데 이러한 현상을 박리(exfoliation)라고 한다. 판상절리는 지표나 급하게 경사진 지형에 평행하게 발달하여 나타나고 그 연장성이 수백 m에 이르는 경우도 있다. 판상절리는 하중제거에 의한 인장균열로서 쉽게 빠르게 진행되어 나타나며, 긴 연장성과 rock bridge가 없는 것이 특징이다. 이것은 판상의 형태를 가지는 불연속면인 층리, 벽개 및 편리구조와 구별된다. 판상절리는 일반적으로 화성암 그리고 사암과 역암을 포함한 다른 암종에서 나타나기도 하지만 특히 화강암지형에서 잘 나타난다. 급경사를 가진 판상절리지형에서는 풍화와 침식 등에 의해 판상절리가 더 발달하고 일부 박리가 나타나면서 암반블록의 falling으로 인하여 암반사면에 있어 주요한 재해요소로 작용하게 된다.
1.2 퇴적암의 층리
퇴적층(Stratification) 대부분의 퇴적암에서 나타나는 암석의 겹쳐진 생태를 말한다. 그 두께는 수 mm서 수 m에 이르기까지 다양하게 나타나며, 외형도 매우 다양하다. 층은 수 km2는 얇은 판상체에서부터 측방으로 불과 수 m 정도만 연장되는 렌즈상 퇴적체에 이르기까지 다양한 규모로 나타난다. 개개 암층 사이의 분리면들을 층리면이라고 한다. 층리는 퇴적과정 동안 일어나는 조직이나 조성 변화에 의해 형성되며, 또한 퇴적이 잠시 중단될 경우에는 오래된 퇴적층이 새로운 퇴적층에 의해 덮이기 전에 변화를 받아 형성되기도 한다. 따라서 층리는 조립질 입자들과 세립질 입자들의 교호층으로 나타나거나, 광물조성의 차이로 인한 색의 변화를 보이는 연속적인 층으로 나타나며, 확실한 분리면에 의해 분리되기는 하지만 비슷한 특성을 지니는 층들로 나타난다.
층리(bedding plane) 퇴적암 등의 퇴적구조에서 보이는 평행한 줄무늬를 말한다. 침식물이 퇴적될 때 알갱이의 크기, 색, 성분, 퇴적 속도 등의 변화로 층리가 만들어진다. 층리의 종류로는 사층리, 점이층리, 연흔, 건열 등이 있다. 층리는 퇴적암에서 지배적으로 나타나는 파쇄구조이다. 많은 경우에 매우 얇은 층 또는 분리면으로 나타나며, 더 단단한 암석층 사이에 삽입된 셰일층이나 점토층이 나타난다. 또한 깨끗하게 깨진 면 또는 절리면으로 나타나는데, 이것은 퇴적과정에서의 구조작용으로 형성된 것이다.
호층구조 퇴적층이 얇고 연속적으로 반복되며, 서로 다른 암질의 지층이 주기적으로 반복해서 나타나 호층을 이루는 경우를 말한다. 이는 퇴적기원의 차이에 의한 것으로, 강한 지층사이에 약한 지층이 호층으로 나타나는 경우에 이러한 경계면이 주요 취약면으로 작용하여 공학적으로 불안정성이 증가한다.
1.3 경상분지 퇴적지층 - 사암과 셰일의 호층
경상분지는 경상계가 쌓인 퇴적분지로서 중생대 백악기 경상누층군이 퇴적한 거대한 분지를 가리키는 것이다. 층서는 하부로부터 신동층군, 하양층군, 유천층군, 불국사관입암류로 나누어진다. 경상분지 퇴적암은 층리와 절리가 잘 발달되어 있는 셰일, 이암, 사암, 역암 등의 퇴적암류로 구성되어 있으며, 퇴적환경에 따라 형성된 층리면과 호층구조를 보인다.
셰일 경상분지 내의 셰일은 지역에 따라 다소 다른 특성을 나타내는데, 암석의 색깔로 보면 의성지역에서는 적색셰일을 띄고 기타 지역에서는 녹색 또는 회색의 암색을 보인다. 셰일은 녹회색 내지 암회색의 셰일 및 사질셰일, 적색셰일로 구성되어 있으며 일부 사암과 호층을 이루며 나타난다. 석영, 장석 및 점토광물로 구성되며 장석류는 사암과 마찬가지로 대부분 고령토화 또는 견운모화되어 나타나며, 전체적으로 적색을 띠나 회록색을 띠기도 하며 층리발달과 박리성(fissility)이 현저하다. 셰일층은 층리면을 따라 잘게 쪼개지며 구성성분에 따라 다소의 차이는 있으나 대기노출 시 건습반복작용에 의하여 고결력이 급격히 떨어져 본래의 조직이 파괴되어 흐트러지는 현상인 Slaking 현상이 나타나고 있다.
사암 경상분지 내 사암은 다양하게 분포하나 일반적으로 회색∼회갈색을 띠며 석영, 장석, 암편으로 주로 구성되고 석영의 함량이 우세한 석영사암(quartz arenite)으로 분포한다. 또한 회록색 셰일, 아코스질 사암, 응회질 이암 등이 협재되어 나타난다. 적색사암은 석영, 장석으로 구성되나 장석의 함량이 우세하며 장석류는 대부분 고령토화 또는 견운모화되어 나타난다.
1.4 변성암의 이방성과 층상구조 - 엽리/편리
변성작용 이질암(mudrock/pelite)의 광역변성암은 변성강도에 따라 이암(mudstone)-셰일(shale)-점판암(slate)-천매암(phyllite)-편암(schist)-편마암(gneiss)으로 구분할 수 있다. 이암과 같은 이질암(pelite)의 광역변성과정에서 변성강도가 높아질수록 변성광물의 입자크기가 커지며, 벽개(cleavage), 편리(schistosity), 편마구조(gneissosity) 등 이방성 등 암석의 조직이 변한다. 점판암은 비현정질의 미세한 이질 입자로 구성되어 있으며, 저변성 조건에서 압력에 의해 형성된 벽개면(slaty cleavage)이 발달하여 얇은 찬상으로 쪼개지는 암석이다. 천매암은 입자 크기가 육안으로 겨우 식별할 수 있을 정도의 세립 광물로 구성되어 있어 점판암보다 크며, 벽개면과 평행하게 세립의 백운모 및 흑운모 등 운모류가 성장하여 특유의 광택(silky & shiny)을 지닌 천매질 엽리(pyllitic foliation)가 발달한다. 편암은 천매암보다 더 강한 변성 작용이 지속되어 생성된 변성암으로 천매암에 비해 변성 광물의 크기가 크고, 뚜렷한 편리구조를 보인다. 여기서 좀 더 변성 강도가 강해지면, 결정의 입자가 커지며 우흑대와 우백대가 구분되는 편마 구조를 가지는 편마암이 형성된다.
엽리(foliation) 결정편암 등에서 흔히 볼 수 있는 엷게 벗겨지기 쉬운 구조이다. 결정조각에는 운모나 녹니석 등과 같이 편상이나 인상광물이 일정한 방향으로 배열되어 편리를 이루고 있는데, 이것을 따라 암석이 벗겨지는 경향이 있으며, 편리와 일치되지 않는 경우도 있다.
편리(schistosity) 변성암의 조직에서 면모양의 평행구조를 말한다. 광물이 일정한 방향으로 규칙적으로 배열되기 때문에 쪼개지기 쉬우며, 편리면이라고 한다. 판상·인편상·주상 결정이 일정한 방향으로 배열하여 생긴 선상/면상 구조이다. 결정편암과 천매암에서 가장 뚜렷하다.
점판암과 천매암
o 천매암 비교적 낮은 온도와 압력의 영향으로 형성된 세립질의 광역 변성퇴적암으로, 주에 옥천대에 분포한다. 암상은 기원암에 따라 이질천매암, 사질천매암 및 함력천매암으로 산출되며, 변형작용의 결과로 인한 단층 및 습곡 구조가 잘 발달해 있다. 일반적으로 광택이 있는 벽개면(shiny cleavage surface)을 가진다.
o 점판암 벽개면을 따라 쪼개짐이 잘 발달하며, 박편에서 벽개면에 평행한 점토 광물 및 석역입자의 정향 배열을 관찰할 수 있다. 천매암은 광택이 있으며, 연속성이 좋은 뚜렷한 엽리면을 관찰할 수 있으며, 박편에서도 변성과정에서 생성된 세립의 운모류들의 평행 배열이 잘 나타난다.
편암과 편마암
o편암 강한 엽리상을 보이며 가끔 조립결정으로 띠상의 변성암을 형성하기도 한다. 편리는 통상 흑운모와 백운모에 의해 형성된다. 편암은 세일의 변성작용으로 기인한 것이나 점토물질로부터의 새로운 광물의 성장을 볼 수 있다. 이들은 주로 운모이다. 운모편암에서는 운모의 벽개면이 엽리면에 평행하게 놓이므로, 이를 편리라 부른다. 이질 또는 사질인 퇴적암이 저온에서 변성작용을 받으면 백운모·녹니석·조장석 등을 포함한 사질편암이 생기고, 고온에서는 흑운모·남정석·석류석 등을 주성분으로 하는 결정편암이 된다.
o편마암 강한 엽리성암으로 운모와 장석과 같은 서로 다른 광물의 띠로 분리된다. 이러한 암석은 신선할 경우 매우 견고하지만 극단적으로 방향 의존적 거동을 한다. 이질 또는 사질의 퇴적암이 높은 온도 하에서 광역변성작용을 받은 경우에 생성된다. 석영·장석·운모 등 입상광물이 많아 편상구조는 뚜렷하지 않지만 줄무늬상 구조가 있다. 엽리를 가진 변성암의 입자가 크면 그 암석의 평행구조를 편마구조라고 한다.
2. 층상 암반의 공학적 특성
2.1 평면 등방체와 등가 물성
평면 등방체 층리면이나 절리면의 존재로 인해 암반은 복잡한 이방성거동을 보인다. 암반거동에 있어 복잡한 이방성을 고려한다는 것은 어렵지만, 암반을 평면등방성(tranversely isotropy)재료로 가정하여 이방성 수치해석을 수행할 수 있다. 층리가 잘 발달한 퇴적암은 층리면상에서 어느 방향이나 역학적 성질이 동일한 평면등방성 매질로 가정하여 해석하는 것이 가능하다. 층리면에 수직한 방향을 z축으로 설정하면
이므로 컴플라이언스 행렬은 다음과 같이 5개의 독립적인 상수를 이용하여 구성된다.
등가 물성 절리면의 수직강성(kn), 전단강성(ks), 무결암의 탄성계수(E), 무결암의 포아송비(v)등 4개의 상수들과 절리간격(S)를 이용하여 등가의 탄정정수들을 결정된다(Amadei, 1993). n 방향으로 가해지는 수직응력에 의해 발생되는 n방향의 변형은 무결암의 변형과 절리면의 수직변형의 합으로 나타낼 수 있다. 또한 절리면에 평행하게 전단응력 tnt가 작용할 때 t방향으로 발생한 변형은 무결암에서(tnt /G)S, 절리면에서(tnt /ks)이고 이들의 합은 등가물체에서 발생하는 변형량(tnt /Gnt)S와 같아야 하므로 등가 전단탄성계수가 얻어진다.
규칙적인 간격의 단일 절리군을 포함한 암반을 등가의 평면이방성체로 대체하는 데 필요한 컴플라이언스 행렬은 다음과 같이 구성된다.
2.2 이방성을 고려한 거동해석
층상암반에서의 공학적 거동은 매우 다양하게 나타나는데, 파괴메커니즘은 층리 및 편리 등과 같은 주 불연속면의 특성(방향, 연장성 간격 등)에 따라 크게 좌우된다. 이방성 암반의 수치모델링은 연속체 해석과 불연속체 해석방법을 이용할 수 있는데 적정한 해석방법의 선정은 층상암반의 불연속면의 이방성에 의해 결정된다.
불연속체 해석 불연속체 모델에서는 암반을 불연속면에 의해 분리되도록 모델링한다. 결과적으로 불연속체 모델은 불연속면의 교차에 의해 형성된 블록의 집합체가 되며, 각각의 블록은 서로 상호작용하는 연속체로 취급한다. 불연속체 해석의 대표적인 방법이 개별요소법(DEM)과 불연속변형법(DDA)이 있다. 이방성 암반의 모델링에서 이방성의 방향성을 나타내는 하나의 절리군이 만들어지며, 암반거동은 블록과 불연속면의 지배방정식에 의한다. 블록은 유한요소나 유한차분요소로 탄성 또는 탄소성 지배방정식을 따른다. 불연속면은 절리면의 수직 또는 평행한 응력-변형률 관계를 포함하는 전단 모델에 의해 표현되며, 가장 간단한 관계는 절리강성(전단강성과 수직강성)으로 나타내는 선형탄성스프링이다. 불연속체 해석에 대한 대표적인 프로그램으로는 UDEC이 사용된다.
연속체 해석 연속체 모델에서는 불연속면의 거동을 포함하는 암반의 응력-변형률 거동을 하나의 지배방정식으로 모델링한다. 불연속면에 의해 일어나는 응력과 변위장에서의 불안정성은 재료법칙에 의해 평균화하여 안정화시킨다. 불연속면의 효과는 암반의 탄성 또는 소성거동에 영향을 준다. 연속체 해석에서 이방성은 방향의존적인 지배방정식에 의해 모델링되는데, 탄성이방성은 영률과 포아송비에 대한 방향의존성 특성치를 필요로 하고, 소성이방성은 방향의존성 절리특성치(ubiquitous law)에 의해서 모델링된다. 연속체 해석에 대한 대표적인 프로그램으로 FLAC이 사용된다. 암반의 파괴메커니즘이 절리간격에 의해 결정되는 경우에는 불연속체 해석이, 절리간격이 매우 얇은 경우(편암이나 천매암) 연속체 해석이 추천된다.
3. 층상암반에서의 Geo-Risk
3.1 층상암반에서의 터널거동과 리스크
Immediate roof deflection 층상암반은 층리와 같이 두께가 매우 작은 층이 연속적으로 존재하는 암반을 말한다. 이러한 층리는 인장강도가 매우 낮거나 0이며, 낮은 전단강도를 갖는 주요한 역학적 특징을 갖는다. 공동이 이런 암반에 굴착되면 천정부는 낮은 인장강도로 인해 암반으로부터 분리되며, immediate roof를 형성하게 된다. 실제로 대부분의 층상암반에서는 층리면을 가로지르는 수많은 절리(수직절리)로 인하여 개별블록을 형성하게 된다. 이러한 경우에는 층상암반은 암반블록을 형성하게 되며, 블록성 암반과 유사한 거동을 보이게 되지만, 층리면의 특성이 전체적인 거동을 지배한다.
Buckling / Sliding 층상암반 내 터널을 굴착하는 층리면의 경사방향과 방향에 따라 막장의 안정성이 달라진다. 경사가 급한 경우에는 bulking, 경사가 완만한 경우에는 sliding이 발생하여 암반블록이 falling된다. Terzaghi(1946)은 다양한 암반조건에서의 암반이완하중을 계산하였는데 층상암반에서의 터널주변의 과굴착을 고려하여 암반하중을 0.25B∼0.5B(B:터널 폭)평가하였다. 수평 층상암반의 이완하중이 수직층상암반보다 더 크게 나타남을 알 수 있다.
층상암반에서의 터널 Wittke(1983)은 층상암반에서의 터널에 대하여 층리방향에 따른 거동특성을 분석하였는데, 터널주위의 과응력존은 암반의 이방성 그리고 터널주위 미끄럼 거동의 가능성은 불연속면의 이방성에 좌우됨을 확인하였다. 또한 터널벽면에서 변위차는 이방성에 기인함을 보였다.
층상암반에서의 터널거동 분류 터널 굴착 시의 층상구조의 영향은 층리면이나 편리의 방향이 일정할 때 확실하게 나타난다. 전형적인 층상암반의 조건과 터널링에 따른 거동특성을 4가지의 경우로 구분하여 정리하였다. 먼저 수평층리를 가진 사암에 이암이 교호하는 경우(A)는 층리면을 딸라 슬라이딩이 발생하지 않음으로 안정하여, 단지 2차 절리에 의해 형성된 작은 규모의 웨지가 falling할 수 있다. 만약 같은 지층이 경사진다면(B) 층리면을 따라 falling과 슬라이딩이 발생하여 웨지파괴(wedge failure, 구조적으로 조절된 파괴)가 발생하여 할 수 있다. 이러한 파괴는 보통 사암과 이암의 경계면에서 시작된다. 위의 두 경우에서 층리면의 평행한 방향으로 높은 응력이 작용하게 되면, 취성적인 사암에서 bulking이 일어 날 수 있다. 또한 암반이 낮은 강도의 이암이고 사암이 교호한다면(C) 터널주변에 다양한 변형이 이방성을 특성(anisotropic deformation)을 보이며 발생하게 된다. 그리고 심하게 전단된 셰일층에서는 암반블록이 완전히 파쇄되어 불균질한 특성을 보이는 경우(D), 암반은 준등방성상태(pseudo-isotripic)로 스퀴징현상을 보이게 된다. 이 경우 과다변위가 발생하게 되며, 일정한 형태로 나타난다.
3.2 층상암반과 사면안정
층상암반에서의 사면은 절토에 의한 응력이완의 정도가 크고 사면이 동일한 암종 및 균일한 강도특성을 보이지 않으며 부분적으로 단층과 같은 지질구조를 가질 때 대규모 사면붕괴가 일어나는 경우가 많다. 층상암반 사면파괴 형태는 평면파괴(plane failure), 전도파괴(toppling failure), 버클링파괴(buckling failure)로 구분할 수 있다.
평면파괴(Plane failure) 층리면 등을 따라 암반블록이 미끄러져 내려 파괴가 일어나는 형태로서 층상 퇴적암, 엽리성 변성암, 화산성 용암류(volcanic flow)에서 발생한다. 사면의 미끄러짐 면에 작용하는 수압은 사면의 안정성에 결정적인 영향을 끼친다. 특히 우기시나 집중 호우 시에 지표수는 쉽게 사면내부로 침투하여 인장균열과 층리면에 수압이 작용하여 상대적으로 큰 규모의 평면파괴가 발생한다. 이때 사면하부에 셰일과 같은 치밀한 암반이 분포하는 경우 치밀한 지층이 불투수층으로 작용하여 경계를 이루는 층리면을 따라 파괴가 발생한다. 층리면에 층간의 점토가 협재될 경우에는 더욱 그러하다. 층리면에 협재되는 점토는 풍화에 취약하거나 지하수와 쉽게 반응하는 장석이나 방해석등으로부터 형성되는데, 층간점토층이 형성되고 사면파괴는 이 취약면을 따라 발생한다. 평면파괴 해석에서는 암반구조의 평가, 파괴모드 평가 및 암석의 강도를 필요로 한다. 일단 임계파괴모드가 정해지면 연속체 또는 불연속체 해석이 적용될 수 있다.
전도파괴(Toppling failure) 전도파괴는 층상암반에서의 사면 굴착 시에 쉽게 볼 수 있는데, Goodman 등(1983)은 전도파괴의 형태를 3가지로 구분하였다(flexural(a), block(b), block -flexural(c)). 규칙적으로 평행하게 발달한 층리면을 가진 사면에서 층리면의 경사가 사면에 반대방향으로 급한 경사각을 이룰 때 발생한다. 또한 Cruden(1994)은 주 절리군이 급하게 사면경사만큼 경사진 경우를 underdip(d)로 정의하고, 이 경우에 층리면에 수직인 균열로 인하여 block 또는 block-flexural 형태를 보인다. 전도파괴에 대한 해석에는 새로운 균열의 생성뿐만 아니라 불연속면의 파괴 진행과정을 쉽게 파악할 수 있기 때문에 불연속면체 해석이 보다 쉽게 적용될 수 있다. 사면의 파단면의 발전은 얇은 급경사층의 변형과 같은 점진적인 새로운 균열의 형태가 필요하다. 따라서 전도파괴의 모델링은 급경사의 불연속면과 수평절리의 개별요소로 파괴형태를 파악하게 된다.
버클링파괴(Buckling failure) 얇고 약하게 결합되어 있으며, 급하게 경사진 층상암반에서 상부블록의 슬라이딩으로 바닥근처에서 파괴가 발생하는 경우이다. 즉 사면 높이가 높고 층리면이 사면과 평행한 경우에는 사면바닥에서 slab failure와 buckling과 같은 파괴 메커니즘을 보인다.
4. 층상 암반에서의 문제사례와 대책
4.1 터널 문제사례와 대책 1 - 천매암
지질특성 본 지역은 옥천변성대로 터널구간 전역에 걸쳐 황강리층, 문주리층 등 퇴적기원 변성암이 주로 분포하고 있으며 암상은 천매암, 점판암 등이 분포하고 있다. 터널 내 천매암은 보통 내지 심한 풍화상태로 절리가 발달하고, 일부 방해석 암맥이 관입되어 있고, 점토 충진물이 다량 보이며 절리면은 매끄러운 상태를 보였다.
붕락현황 및 원인 터널입구에서 179m 굴진 후 막장굴착 후 높이 약 10m, 폭 3~4m으로 약 100m3이 붕락되었다. 막장상태는 천매암지역으로 층상암반의 형태를 보이나, 풍화가 심한 상태이며 절리간격이 조밀하고 절리표면이 매끄러운 상태로 수직절리가 많이 발달하여 있다. 본 지점은 천매암의 특징인 엽리와 수직절리가 발달하고, 지하수 유입으로 인하여 풍화변질이 심하게 진행되어 있으며, 단층의 영향으로 파쇄되어 매우 연약한 파쇄대를 형성하고 있다. 본 터널붕락은 절리가 매우 발달한 층상암반에 단층파쇄대가 조우하면서 지하수의 유입 등으로 터널막장이 매우 연약한 상태로 엽리면의 경사방향으로 파괴가 발생하였다.
보강대책 먼저 막장을 되메움하여 추가적인 붕락을 방지하고, 붕락주변 지반에 대한 상세한 지반조사를 실시하여 보강대책을 수립하였다. 보강대책으로는 상반굴착부분에 대구경 강관보강을 실시하고, 붕락부분은 경량기포콘크리트로 채움을 실시하였다. 또한 터널붕락주변 영향구간에 대해선서는 지보패턴을 상향조정하여 터널의 안정성을 확보하도록 하였다.
4.2 터널 문제사례와 대책 2 - 천매암
지질특성 옥천층군이 기반암으로 되어 있고, 터널의 전구간이 파쇄 및 절리가 발달된 흑색 천매암으로 이루어졌으며 RQD는 0%로 매우 불량한 상태이며 파쇄가 심하여 잘게 부스러진 상태로서 평행한 얇은 판상으로 쪼개진 상태로 있었다. 천매암은 자연상태에서는 비교적 자립도를 유지하나 기계적인 충격이나 지하수를 흡착하게 되면 엽리/절리면의 암편은 결합력을 잃고 엽리/절리면을 따라 쉽게 파쇄된다. 엽리면이 굴착방향과 평행을 이루고 있다.
붕락현황 및 원인 터널 굴착공사 중 3차례 붕락과 함몰이 발생하였다. 1차 붕락은 8m 구간에 걸쳐 발생하여 붕락면을 경량기포 콘크리트로 채우고 pipe roofing 보강을 실시하였다. 또한 하부 굴착 중 2차 붕락이 발생하여 약 500~600m2의 붕락토량이 발생하였다. 붕락의 진전을 막기 위해 양막장을 굴착토로 되메우기를 한 다음 숏크리트로 양 막장부를 폐쇄하였으며 더 이상의 붕락진전을 방지하기 위해 경향기포 콘크리트로 채우고 공사를 중지하였다. 이후 붕락이 계속적으로 붕락단면 직상부 지표에 12m×폭 6m×깊이 5m로 함몰이 발생하였다. 붕락원인은 엽리면과 절리가 발달한 구간에 단층대가 교차하여 매우 연약한 상태로 자립도가 극히 불량하여 기존 지보재로는 지보효과가 부족하였던 것으로 판단되었다.
보강대책 지반보강은 지상부와 갱내보강으로 나누어 시행하였다. 지상부에서는 함몰부를 시멘트모르타르로 충진하고 붕괴구간의 주변 지반은 시멘트밀크 주입공법으로 보강한 후 갱내에서는 터널단면의 이완영역범위를 SGR그라우팅 공법으로 먼저 시공한 다음에 터널단면에 가해지고 있는 상재하중, 토압 등의 분산 및 경감효과를 얻기 위해 강관보강형 다단그라우팅 공법으로 보강하였다.
4.3 사면붕괴 사례와 대책 1 - 사암/셰일
사면현황 및 지질 본 사면의 높이는 약 30m이고, 길이는 250m이다. 지질은 셰일과 사암의 호층구조로 이루어진 퇴적암 사면으로 층리와 수직절리 등이 발달되어 있다.
파괴현황 사면의 붕괴는 상대적으로 취약한 셰일과 사암의 경계를 따라 파괴가 일어났다. 절토사면은 굴착초기에 1차 붕괴, 굴착공사 중에 2차 붕괴, 3차 붕괴가 연속적으로 발생하였다. 파괴양상은 모두 평면파괴의 형태로 동일하게 나타났으며, 추가적인 굴착으로 더 광범위한 평면파괴가 예상되어 정밀지반조사와 이에 따른 사면에 대한 보강방안을 수립하였다.
보강대책 사면안정검토로서 평사투영해석과 한계평형해석 등을 실시하여 이 결과들을 토대로 록앵커와 사면구배를 조정한 사면보강안을 확정하여 시공하였다. 보강방안으로 층리면의 경사(25°)만큼 사면구배를 완화하는 방안, 록앵커와 사면구배(1:1.0)를 완화하는 안, 록앵커와 사면구배(1:0.6)안을 비교·검토하여 최종 선정하였다.
4.4 사면붕괴 사례와 대책 2 - 사암/셰일
사면현황 및 지질특성 사면길이는 150m, 사면고 30m, 사면구배는 1:1∼1:0.8, 3개의 소단이 개설되어 있으며 사면 좌·우측부는 암반사면, 사면중앙부는 토사사면으로 구성되어있다. 사면파괴는 단층을 중심으로 발달하였으며, 단층을 중심으로 단층선의 좌·우암반이 파괴되었다. 지질은 셰일 및 사암이 전체적으로 호층을 이루고 있으며 셰일은 박리가 발달되고 박리면은 팽윤성 점토광물인 견운모가 협재하여 있으며, 수직방향의 소절리에 의해 파쇄 또는 분리되어 나타난다.
파괴 원인분석 셰일은 불투수층의 역할을 하며, 집중호우로 인하여 암반 내로 침투한 지하수는 수직절리 및 층리면을 따라 수압을 발생시킨다. 특히 단층면이 인장균열의 역할을 하고 단층에 의해 분리된 암반블록이 완만한 층리면을 따라 급격하게 이동하면서 사면파괴가 발생하였다.
보강대책 토사사면과 암반사면을 구분하여 보강대책을 수립하였다. 단층선을 따라 토사사면의 파괴가 발생한 상태로 추가적인 사면파괴를 방지하기 위하여 대책수립이 요망된다. 사면 중앙부 토사사면은 심한 세굴 및 침식이 진행 중이므로 적절한 대책수립이 요망된다. 또한 암반사면 좌우측부에서는 단층선을 중심으로 거동이 발생하고 있으므로 단층발달구역을 중심으로 인장균열이 발달한 지점까지 억지공(계단식 옹벽+앙카공+배수공)의 시공이 필요하다.
■ 제3강을 마치면서
층상 암반(Stratified Rock Mass)은 기본적으로 층리가 발달한 퇴적암 지층에서 흔히 볼 수 있는 암반으로 암반의 이방성 특성을 전형적으로 보여주는 암반 타입이라 할 수 있다. 층상 암반의 거동 특성은 층리면의 역학적 거동과 층리면에서 의해 형성되는 층상 블록의 기하학적 거동에 의해 결정되는 것이다. 이는 이방성 암반의 가장 중요한 특징으로 설명될 수 있으며, 블록성 암반과의 차이점을 나타내는 것이도 하다.
이상으로 제3강이 마무리되었다. 보다 자세한 내용은 [응용지질 암반공학] 책을 참고하기 바란다. 아마도 층상 암반은 암반의 불안정의 중심이 아닌가 싶다. 한쪽 면으로만 발달한 불연속체 거동은 가장 취약한 암반거동을 보여주기 때문이다. 현장에서 가장 문제가 많았던 암반으로서 대구-포항 및 울산-포항 현장에서 암반 사면 파괴의 진수를 경험하고 공부했던 기억이 새롭다. 이러한 의미에서 층상 암반의 거동을 이해하기 위해서는 층리면에 대한 특성을 정확히 파악하는 것이 가장 중요하며, 실제 현장에서 발생하는 지오리스크(Geo-Risk)에 대하여 대응할 수 있을 것이다.
1. 응용지질 암반공학, 김영근, 2013
2. 지반기술자를 위한 지질 및 암반공학, 한국지반공학회 암반역학위원회, 2009
3. 지반기술자를 위한 지질 및 암반공학II, 한국지반공학회 암반역학위원회, 2011
4. 지반기술자를 위한 지질 및 암반공학III, 한국지반공학회 암반지질위원회, 2012
