제5강에서는 암반 구분(Rock Mass Type)에 따라서 단층대, 파쇄대 및 변질대 등에서 형성 되는 파쇄 암반(Crushed Rock Mass)에 대에 기술하고자 한다. 파쇄 암반은 모든 암반 지층에서 나타나는 가장 불량한 암반으로서, 본 장에서는 파쇄 암반의 공학적 특징과 거동 특성 그리고 터널 및 암반사면에서 발생하는 지오리스크(Geo-Risk)에 대하여 실제 사례를 중심으로 살펴보고자 한다.
파쇄대 암반은 지질학적인 여러 과정을 통하여 주변 암석에 비해 극히 낮은 인장강도와 대단히 높은 투수계수를 가지는 단층 등 역학적으로 불연속적인 연약대(파쇄대)를 포함하고 있다. 파쇄대는 모암과 뚜렷이 구분되는 역학적, 수리적 특성을 보여 암반의 주요 이상대를 형성하게 되어, 암반구조물의 중대한 공학적 문제를 발생시킨다. 단층대는 수 cm에서 수 km에 이르는 복잡한 변형존으로, 특히 지각에 5∼10km에 걸쳐 형성된 취성단층(brittle fault)이 문제가 된다. 이 단층에서는 주응력장의 방향에 따라 전단균열과 인장균열이 발달하게 된다. 파쇄로 인하여 광물입자 크기가 작아지고 전단에 의해 광물입자가 재배열되는 암석의 취성변형으로 점토성분의 단층가우지를 형성하게 되고, 주변에 균열이 심하고 각력상의 입자를 포함한 암반을 형성한다.
파쇄 암반 일반적으로 파쇄암반(crushed rock)은 암반 중 가장 취약한 상태로 공학적으로 가장 큰 지질리스크를 갖는다. 즉 단층작용에 의해 형성된 단층파쇄대, 열수변질작용에 의해 만들어진 변질대, 관입작용에 의한 암맥 등은 상대적으로 주변 암반에 비해 공학적으로 매우 연약한 특성을 가지며, 풍화 등에 매우 민감하며 심한 풍화상태로 변하기 용이하며, 지하수 및 강우 등에 의해 풍화변질이 급속히 진행되는 특징을 갖는다. 따라서 터널이나 사면 굴착 중에 조우하는 이러한 파쇄암반에서는 과다변형, 붕괴 및 붕락 등이 쉽게 발생하는 경우가 많으므로 굴착 중 이에 대한 적절한 대책이 요구된다. 또한 파쇄암반은 장기적인 소성변형을 일으키는 경우가 있어 시공 중뿐만 아니라 시공이후의 유지관리 상태에서도 많은 공학적인 문제점을 야기하므로 파쇄암반에 대한 특성을 분석하여 설계 및 시공에 반영하여야 한다.
1. 파쇄 암반과 단층
파쇄 암반 광역지질작용에 의해 암석이 완전히 파쇄되어 암편은 각상 또는 원형의 입자로 부서지고, 재결합이 없는 상태의 암반을 말한다. 파쇄 암반은 매우 취약하고 연약한 상태로 분해암(disintegrated rock), 완전 교란암(very disturbed rock) 등으로 표현되기도 하며, 공학적으로 연약대(weakness zone), 전단대(shear zone), 단층대(fault zone), 파쇄대(fractured zone) 등과 관련된다.
단층 어떤 면을 기준으로 양편에서 이동한 흔적이 관찰되는 단열구조(fracture)를 말한다. 일반적으로 0.5mm 이상의 변위가 인지되면 단층이라고 하는데, 그 규모에 따라 연장이 수 미터 이상일 경우를 단층, 수 cm 이하일 경우를 전단단열(shear fracture), mm이하일 경우를 미세단층(micro faults)이라고 한다. 단층은 취성변형의 대표적 산물인 단층은 암체 내에서 변형작용에 의해 만들어진 불연속면으로, 이 불연속면이나 불연속대를 중심으로 두 암체의 블록이 상대적으로 이동한 지질구조이다. 절리와의 차이점은 불연속면을 기준으로 양쪽 암체가 변위를 가진다는 점이다. 단층이 변위를 가짐으로써 단층면 상의 미끌림으로 인해 단층활면(slickenside)이 형성되며, 단층조선(striation)이 발달한다.
단층대 단층은 일정한 폭을 가지게 되는 존(zone)으로 흔히 단층파쇄대라고 한다. 그 구성은 단층핵부(fault core/fault gouge)와 단층영향대(transition zone) 또는 손상대(damage zone)를 구별되며, 단층 코어에서 균열이 매우 발달되어 있으며 점토질의 가우지와 각력질 암편을 함유한다. 또한 단층의 연장과 폭에는 상관관계가 있으며, 연장이 길면 그 폭도 상대적으로 크고, 연장이 작으면 단층폭도 작다.
2. 파쇄 암반의 지질 특성
연약대(weakness zone) 주변 암반에 비해 현저히 낮은 역학적 특성을 갖는 층을 말한다. 이것은 일반적으로 단층대(fault zone), 스러스트대(thrust zone), 파쇄층(layers with weak or broken rocks) 등을 말하며, 주변암반과 완전히 다른 수리지질특성을 갖는다. 단층과 연약대는 단층작용(파쇄), 열수작용 등과 같은 지질작용으로 모암(host rock)과 전혀 다른 물질, 즉 충전물 또는 특수한 특성을 가진 재료(swelling or soluble minerals, clay seams 등)를 포함하게 되어 복합적인 구성을 띠게 된다. 연약대의 크기는 수 cm에서 수백까지 다양하며 연약대의 거동에 중요한 영향을 미친다. 연약대는 관입과 풍화 등에 의한 연약층과 단층대로 구분되는데 단층대는 중심으로 주변 암반까지 전이부를 형성하며, 다양한 형태의 연약파쇄대가 존재한다. 연약대는 주변 암반과는 다른 거동을 보이는데 다양한 구조와 복잡한 성분으로 인해 특성화화기가 쉽지 않으므로 부분적인 구조로서 취급하도록 한다.
전단대(shear zone) 단층면을 따르는 변형 형태에 따라, 단층을 다시 취성(brittle)파괴에 의한 단층면을 기준으로, 불연속적인 변위를 보이는 취성단층(brittle fault)과, 연성(ductile)파괴에 의해 일정한 전단영역 내에서 연속적인 변형을 보이는 전단대(shear zone)로 구분할 수 있다. 전단대는 높은 변형률을 가진 강한 변형대로서 폭에 대한 길이의 비가 큰 것(5:1 이상)이 특징이다. 발생 깊이가 깊어짐에 따라 취성전단대(단층)에서 연성전단대로 전이되며, 변형폭도 점점 증가하게 되며, 변형폭 내에서도 다양하게 변화한다. 또한 단층변위가 하나의 단층면이 아닌 수조의 밀집한 취성단층면에 의해 연속적인 형태로 발달할 때 이를 단층대(fault zone)라 한다. 전단대와 단층대는 균열이 발달하고 심하게 파쇄된 암반층을 형성한다.
열수변질대(hydrothermal alteration zone) 마그마 분화작용의 후기나 화산활동 시 화성암체로부터 기원된 잔류용액은 수증기와 휘발분이 풍부하며, 이로부터 열수용액(hydrothermal solution)이 형성되고 열수는 주변의 암석과 쉽게 반응하여 열수변질작용(hydrothermal alteration)을 진행시킨다. 열수변질작용시 열수의 침입으로 재결정작용이 진행되어 암석의 투수성이 높아지고 탈색과 새로운 광물이 형성된다. 대표적인 열수변질작용으로 이질화 작용, 견운모화 작용, 황철석화 작용, 녹니석화 작용 등이 있으며 이러한 작용은 암석의 색, 조직, 화학적 변화 등을 초래하고 공극을 증가시켜 암석을 약화시킨다. 열수변질작용은 파쇄작용도 동반하므로 열수변질작용이 진행된 곳은 쉽게 풍화되고 다량의 점토광물과 변질광물이 포함되어 낮은 강도정수를 유지하게 되어 파괴에 취약한 파쇄암반을 형성하게 된다.
단층암(Fault rock) 취성단층과 연성전단대 사이에는 상이한 응력조건이 존재하며, 이러한 응력조건은 단층 생성 심도, 즉 생성 당시의 열과 압력에 지배를 받는다. 일반적으로 심도 10~15km 하부에서는 250~ 350도가 넘는 온도에서 연성변형의 결과로 발생한 압쇄암(mylonitic rock)이 발달한다. 단층대 영향권 내에서 취성변형작용으로 단층비지, 단층각력암, 단층파쇄암, 단열, 미세단층 및 맥(vein)이 형성된다. 단층암은 단층이나 단층대에서 마찰과 움직임이 일어나는 동안 형성되는 암석으로 성장광물, 상태, 변형기각에 의해 조절되어 발달한다. 또한 단층암은 암석과 광물에 파쇄작용과 분쇄작용이 일어나고 단층이 재발하는 동안 미균열 조직을 따라 재균열작용, 미끄럼작용, 마찰미끄럼작용을 가져온다.
단층암 분류 단층암은 다양한 크기의 암석파편과 암편을 포함한 세립의 기질로 구성되어 있다. 단층암 내에 모암의 잔류 흔적이 남지 않을 정도의 변형을 받을 경우에는 약한 엽리, 선구조, 광물의 선택배향 등을 가지기도 한다. 단층암은 기질의 함량, 암편의 고결과 미고결의 정도, 입도와 그 비율 및 세립 기질부의 엽상구조 등의 유무를 기준으로 하여 분류된다. 단층암은 단층의 공학적 특성을 결정하는 주된 물질로서, 단층으로 인한 문제는 불량한 단층물질에 기인한다. 단층물질의 특징은 단층 생성 당시의 단층물질 특징과 이후 열수 및 지표수에 의한 단층물질의 변질상태에 의해 결정된다.
단층중첩 각각의 전단단열이 동일한 응력장에서 단층을 구성하거나 단층과 연관된 단열계라 하면, 단층운동이 진행됨에 따라, 지속적인 압축력 또는 전단응력으로 변형을 가중시키고 단층의 경사면을 중첩시켜 형성된 복잡한 단층구조를 단층중첩구조 또는 듀플렉스(duplex)라 한다. 듀플렉스는 특정 위치에서 집중적으로 단층면을 발달시켜, 결과적으로 단층대의 폭을 두껍게 하고 변형을 집중시킨다. 특히 조산대에서 강한 압축력에 의해 발달하는 충상단층(thrust)의 경우, 이러한 듀플렉스 구조의 형성으로 인해 급격한 압력변형을 발생시켜 대규모의 단층파쇄대를 형성하게 된다.
단층 분류 단층의 연장 및 폭, 형성과정, 지하수유동 등의 정량적, 정성적 분류기준에 따라 4~7등급으로 분류한다. 각 등급에서 단층의 연장과 폭의 수치는 다양하게 나타난다. 등급분류의 주요 인자는 단층의 규모에 해당하는 연장과 폭이지만, 등급에 따라 공학적 특성을 구분할 수 있게 한다. 국내의 파쇄대에 대한 특성을 조사하여 길이와 변위 그리고 폭에 따라 4등급으로 구분하였다.
3. 파쇄 암반에서의 Geo-Risk와 대책
단층대 터널링 주변암반과 단층파쇄대의 암반특성의 차이는 암반거동에 있어 심한 변형차이와 굴진에 따른 2차 응력의 분배에 영향을 미치게 된다. 또한 수압과 지하수 유동은 단층대를 따라 심하게 변하게 된다. 단층대에서의 터널 굴착 중 만날 수 있는 문제를 해결하기 위해서는 지반공학적인 조사와 단층대의 특성을 바탕으로 한 실제적인 3차원 지질모델링 수행을 통하여 적절한 대책이 수립되어야 한다. 또한 시공 중 암반평가를 실시하여 터널주변에 암반에 대한 구조지질적인 특성을 파악할 수 있도록 하여야 한다. 단층파쇄대 통과시의 터널링 리스크는 단층파쇄대의 특성에 따라 다르게 나타나는데 블록성 단층에서는 중력에 의한 슬라이딩과 낙석이, 각력질 단층에서는 파쇄 암편으로 인한 막장불안정, 점토질 단층에서는 전단파괴가 발생할 수 있다.
파쇄암반에서의 터널파괴모드 파쇄암반에서의 터널 굴착은 굴착중 터널붕괴, 과다변위 발생등과 같은 터널리스크가 가장 크다. Schubert 등(2000)은 암반상태에 따라 터널의 거동타입(Behavior Type)을 구분하여, 각각에 대하여 파괴모드와 해석모델을 제시하였다. 파쇄암반에 해당하는 거동타입으로, BT III은 암반의 지지력(load bearing capacity)이 초과되어 암반은 점차적인 전단파괴를 발생하여 대규모 소성변형이 일어나 과다변형을 발생시킨다. BT IV는 지하수와 관련된 취약한 파쇄암반으로서 다량의 지하수가 함유되어있어, 굴착 중 지하수의 대량 유입으로 터널의 대규모 파괴가 발생하는 경우이다.
단층대 보강 터널 굴착 중 단층대통과시의 터널안정성은 단층대의 규모(크기)에 좌우된다. 소규모 단층파쇄대는 일반패턴 또는 휘폴링 보강하고 중규모에서는 보조공법으로 강관그라우팅공법을 적용한 별도의 단층대 지보패턴을 적용하고, 수치해석을 통해 지반조건을 고려한 최적 보강범위를 선정한다. 또한 용출수 예상구간에는 선진수평시추를 통해 용수출현 가능성을 예측하고 필요시 차수그라우팅 적용한다.
연약대 통과방안 연약대의 폭이 터널크기에 비하여 상대적으로 클 경우에는 일반적인 보강방법으로 터널의 안정성을 확보하는 것이 쉽지 않다. 이러한 경우에는 굴착과 동시에 콘크리트를 타설하고 막장터널천단에 포아폴링 또는 강관보강을 실시하도록 하여야한다. 특히 막장안정을 위하여 압성토를 실시하고 천정부에 거푸집을 설치하여 콘크리트를 타설도록 하고, 이와 같은 과정을 반복적으로 실시하여 연약대를 안전하게 통과하도록 하여야 한다.
터널내 단층대 확인 터널 굴착 중 단층파쇄대에 정보를 사전에 파악하는 것은 터널의 안정성을 조기에 확보할 수 있어 매우 중요하다. 일반적으로 터널 내 탐사방법(TSP)을 이용하기도 하지만 막장면에서 선진보어링을 실시하거나 탐지공(exploratory drilling)을 실시하여 직접적으로 확인하는 방법이 있지만 시공성 등을 고려하여 결정한다.
대규모 단층 터널시공 사례
터널현황 및 특징 경부고속철도 경주-울산 간에 위치한 복안터널은 지반상태가 매우 불량한 대규모단층(양산단층)대 구간(700m)을 통과하고 있고, 터널상부로 경부고속국도와 국도 35호선 미호육교를 횡단하게 되어 단층대 통과시의 터널안정성 뿐만 아니라 상부구조물의 안정성 확보가 요구된다.
단층 분포특성 양산단층은 단층선을 중심으로 동측부에는 퇴적암(셰일)이, 서측부에는 응회암이 분포한다. 양산단층에 사교하여 2차 단층이 발달하며 2차 단층의 주변은 심한 파쇄작용이 진행되어 단층가우지가 발달한다. 양산단층대의 폭은 50∼130m이며 최대 시추심도(105m)까지 계속해서 단층대가 분포하는 것으로 확인되었다.
단층대 구분 변질과 파쇄정도에 따라 단층대를 공학적으로 구분하였다. 양산단층대 외곽부에 분포하며 변질작용과 파쇄작용의 영향을 받지 않은 비변질대(unaltered zone), 양산단층대 내에서 파쇄작용은 받지 않고 변질작용의 영향만을 받은 변질대(altered zone), 변질작용과 파쇄작용이 동시에 진행된 변질·파쇄대(altered, fractured zone), 극심한 파쇄작용을 받아 형성된 단층 가우지대(fault gauge zone) 등 4개로 구분할 수 있다.
열수변질작용 구성광물의 분해, 화학성분의 용탈과 반응에 의한 새로운 광물의 형성, 이에 따른 입자 경계의 열림과 결합력의 약화, 미세균열의 증가와 공극의 발달 등은 암석의 물리적 특성을 변화시키고 궁극적으로 암반의 공학적 성질을 약화시킨다. 열수변질작용은 지반의 공학적 특성과 밀접히 관련되며 열수변질대를 기준으로 구분된 4개의 구역은 공학적으로 중요한 의미를 갖는다.
터널 변상현황 단층대 구간 굴착 중 굴착면 후방 L=30m지점에서 과다변위가 발생하고, 이후 급격한 변위증가양상(최대 천단침하 398mm)과 숏크리트면 종횡방향 균열 및 강지보 변형이 발생하였다. 또한 지상부에서는 지표침하(최대 137mm)가 발생하여 터널 직상부 국도35호선 미호육교 부근에서 균열 발생과 농경지 침하가 발견되었다. 응급조치로는 막장면 숏크리트 타설, 압성토 및 천단부 콘크리트 타설을 시행하였고, 지상부에서는 균열부의 그라우팅 시행, 지상충전 그라우팅 및 농경지 우수유입 방지조치를 시행하였다.
터널 변상원인 단층대 지반에서 터널 굴착에 따라 소성압이 발생되고 시간경과에 따라 소성영역이 확대되어 종균열과 천정부 압좌가 발생하였다. 단층가우지 내 함수비가 증가함에 따라 고각의 절리와 층리면이 복합적으로 작용하여 터널거동이 점진적으로 발생하고 인버트 열화 후 좌상부 지반침하가 발생되었다.
보강대책 지상부 시공가능 구간은 구조적 보강공법으로 활동방지와 지반보강 효과가 우수한 마이크로파일을 적용하되 보강위치는 지장물을 고려하여 선정토록 하였다. 지상부 지장물(경부고속도로, 국도35호선)간섭구간 터널내 상부는 대구경강관보강, 하부는 마이크로파일 공법 적용하여 시행하였다. 표준지보패턴은 숏크리트 25m, 강지보 H-250을, 굴착공법으로 CD분할굴착공법을 적용하였다. 단층가우지내 팽창성 광물을 함유하어 하반굴착의 안정성 확보를 위해 강지보재의 규격보강과 인버트부 폐합으로 보완 시공하였다.
단층대 터널붕락사례 1
지질현황 및 특징 경기 편마암 복합체의 변성퇴적암류로 호상 편마암층과 규암층, 흑운모 편마암과 편암으로 구성되어 있다. 또한 터널중간에 백양리 대단층이 지나고 있다.
단층특성 단층대에는 단층점토가 관찰되고, 상대적으로 강한 석영맥에서 코어가 형성되었으며 단층점토는 매우 약한 강도를 보이며, 단층대는 완전 변질되고 매우 심한 파쇄상태를 보였다.
붕락현황 굴착 중 변위발생 속도가 급격히 증가하고 과다변위가 발생하여 임시보강작업 준비 중 붕락이 발생하였다. 1차로 붕락구간의 붕락면에 숏크리트를 타설하고, 2차로 붕락구간과 이상변위구간을 암버력 및 토사로 채워 붕락영향으로 터널의 진행성 붕락을 막아 안정성을 확보하였다.
붕괴원인 분석 및 특징 상세 지반조사결과 수십 m 규모의 단층파쇄대가 터널을 통과하고 있으며, 단층 내 단층가우지와 단층각력들이 터널 굴착 후 이완되면서 소성압에 의한 파괴가 발생한 것으로 판단된다. 본 현장은 굴착 중 발생하는 붕락특성과는 달리 굴착 이후 지보를 완료한 후 발생한 점이 특징이다. 이는 단층가우지 등이 지하수 및 강우 등에 영향을 받아 단층대 내에서 점진적인 소성영역 확장현상과 함께 시간 의존적으로 거동하여, 점진적으로 대형 변위가 장기간에 걸쳐 발생하여, 점차 큰 사하중이 숏크리트 라이닝에 작용하여 과도한 터널변형과 붕락을 초래한 것으로 판단된다.
보강대책 붕락부는 경량기포콘크리트로 채운후 지반과 일체화가 되도록 록볼트를 시공하였다. 강지보를 80cm 간격으로 설치하면서 대구경 강관다단그라우팅을 실시하여 터널붕락부와 주변에 이완된 붕락영향부를 보강하였다.
단층대 터널붕락사례 2
지질현황 선캠브리아기의 호상 흑운모 편마암, 화강암질 편마암, 반상 변정질 편마암 등의 편마암류와 이들을 관입하고 있는 맥암류로 구성되어 있다. 엽리가 발달된 호상 흑운모 편마암은 광역변성작용과 관입활동으로 인해 단층, 압쇄대가 많이 발달하고 심하게 교란된 불량한 암반상태를 보인다. 또한 규질석회암이 협재되어 있고 불연속면은 방해석, 녹리석 등이 피복되어 거의 경면(slickenside)에 가까운 취약한 불연속면상태를 보인다.
붕락현황 및 원인 터널 시공 중 터널 천단부에서 암반붕락이 발생하였다. 붕락규모는 높이 약 12m, 길이 약 40m 정도인 것으로 나타났다. 현장조사결과 터널붕락원인은 붕락구간을 통과하는 2개의 단층파쇄대(F3와 F4)가 직접적인 원인이 된 것으로 판단되며, 붕락형태는 붕락구간에서 두 단층이 교차하면서 형성된 쐐기형태의 붕락 또는 파쇄대구간의 암괴붕락일 것으로 분석되었다.
보강대책 붕락구간의 단층파쇄대를 고결 강화시키기 위하여 터널 내에서 시멘트 밀크 그라우팅을 실시하고, 이완된 암반하중을 경감시키기 위하여 터널 아치부에 강관보강 다단 그라우팅을 실시하였다. 적용지보패턴은 지보형식 6으로 바꾸어 반단면 굴착에 16cm 숏크리트와 4m 록볼트 및 강지보를 1m 간격으로 설치토록 하였다. 라이닝에는 터널 굴착 후 장기간에 걸친 지반압에 견딜 수 있도록 철근을 배근하였다. 그라우팅 이후 확인천공을 하여 그 효과를 검증하였다.
단층대에서의 파괴 단층은 상대적으로 큰 규모의 불연속면으로서 단층면은 대체로 연약하고 풍화가 진전되어 나타나며 지하수의 누수통로가 된다. 단층은 파쇄대를 수반하거나 단층활면, 단층점토, 단층각력암 등이 발달되는데, 단층점토는 단층운동시의 파쇄작용에 의해 형성되거나. 단층면을 따른 열수변질작용 또는 지하수의 작용에 의해 형성된다. 단층면상의 단층점토, 단층활면, 파쇄대등은 강도정수가 낮아 쉽게 활동파괴가 발생하거나 변이가 발생한다.
관입암맥에서의 파괴 기존 암석중의 틈을 따라 수직으로 관입한 판상의 화성암체로서 판상체라고도 한다. 암맥은 주로 반심성암으로 되어 있고, 다른 암석과의 두 접촉면은 거의 평행하다. 암맥은 그 연장이 수 m∼100 km 이상, 두께는 수 cm∼수 100m에 이른다. 특히 주변암반과의 특성차이로 인해 연약대를 형성하며 그 접촉부를 중심으로 사면파괴가 발생하는 경우가 많다.
지층 경계부에서의 파괴 상이한 지층이 접촉하는 경우는 단층, 부정합, 관입 등에 의할 수 있으며, 구조적인 접촉이 아니더라도 단순히 퇴적상의 변화나 퇴적환경의 변화에 의해 다른 종류의 암석이 접촉할 수 있다. 이 경우 접촉하는 암 사이에는 풍화에 대한 저항도나, 강도, 투수성 등의 차이가 있을 수 있으며, 그 결과 취약한 지층에 국한되어 사면파괴가 발생할 수 있다. 상이한 암석이 접촉하는 구간에서 풍화작용이 진전되어 사면 전체가 토사사면으로 분포하는 경우에 단순히 토사사면으로 간주하고 지질분포의 변화를 간과하는 사례가 빈번하다.
단층대 암반사면 붕락사례
지질 특징 대상사면은 편마암 구간으로 최대높이 35m(소단 4개)로 계획되었으나 사면절취 중 파괴로 인해 3차에 걸쳐 사면경사 조정 및 사면보강이 시행되었다.
붕괴현황 및 원인분석 사면절취 중 사면상부로부터 약 20m 굴착된 상태에서 단차 약 5.0m, 균열폭 2.2m~ 4.2m의 대규모 사면파괴가 발생하였다. 이는 사면 내 단층파쇄대면이 응력이 이완된 상태에서 단층면에 협재된 단층점토가 우수 등으로 인해 포화되면서 사면파괴를 초래한 것으로 판단된다. 단층면의 발달방향은 사면 절취방향과 약 30~50° 각도를 이루며 사면굴착에 따라 사면배면에 발달된 단층면 상부의 암괴 및 토괴가 앞쪽으로 이동되면서 사면붕괴가 발생되었다. 또한 기존의 단층면을 따라서 인장균열 및 표면암괴 탈락이 진행되는 양상을 보이는 등 면유실 형태의 2차 사면파괴가 발생하였다. 또한 보강공법으로 Soil Nailing을 적용하여 하단부 사면을 굴착하는 과정에서 인장균열이 크게 발생되면서 3차 사면파괴가 발생하였다. 깊이 4.0m, 폭 0.5m의 인장균열이 진행되어 단차가 발생되었다. 3차 사면파괴는 사면 내에 발달된 단층파쇄대가 완전히 제거되지 않은 상태에서 사면 앞부분이 추가 절취됨에 따라 사면 선단부의 전단저항이 크게 줄어들어 단층파쇄대면을 따라 암괴 및 토괴가 사면 앞쪽으로 활동한 것으로 추정된다.
보강 대책 사면파괴가 발생한 구간을 재절취하고, 단층파쇄대가 발달한 구간을 배제하도록 사면경사를 완화하고 3차 파괴가 발생된 사면하부는 옹벽 및 영구Anchor로 보강하는 방안을 적용하여 소구경 말뚝을 시공하여 안정성을 확보하도록 하였다.
대규모 단층 암반사면 붕락사례
지질 특징 기반암은 조면암과 이암질 응회암이며, 상부 조면암은 괴상의 암체로 신선한 상태로 보이나, 하부에 이암질 응회암이 층상으로 분포하고 풍화에 약하여 풍화잔류토∼풍화암 상태이다.
사면 현황 및 원인 공사 중 대절취 비탈면에 집중강우로 인하여 다수의 인장균열과 변위가 발생하고 3차의 대규모 붕괴가 발생하였다. 1차 붕괴는 연장 180m 구간에 약 3m의 단차와 인장균열이 발생, 비탈면 완화(1:1.5)와 억지말뚝3열을 보강하였다. 2차 붕괴는 연장 30m 구간이 붕괴되고 인장균열 발생, 억지말뚝 시공부에 Mini 강관말뚝을 추가 시공하여 보강한 상태였다.
붕괴 원인은 단층대의 지반교란 및 지하수에 의한 급격한 풍화현상으로 점토된 연약대를 따라 활동이 발생한 것으로 판단된다. 활동면은 지표 하 25m의 범위 내에서 형성되었다. 이 활동면은 단층파쇄대 내의 점토성분이 혼재된 층으로 단층면에 수반된 저부의 층리면이 활동면으로 작용한 평면파괴로 판단된다.
보강 대책 비탈면은 기반암 노출에 따른 풍화로 붕괴진행 중 또는 붕괴 위험성을 내포한 구간으로 구분하여 붕괴가 진행 중인 위험구간은 억제공법으로 계단식 옹벽+록앵커+강관파일을 적용하고, 잠재적인 붕괴위험구간은 록앵커+강관파일을 적용하여 장기적인 안전율을 유지하고 절취를 최소화하도록 하였다.
관입암맥 암반사면 붕락사례
지질 특징 대상사면은 연장 110m, 최대 절취고 약 39.4m의 대규모 암반사면으로 천매암질 변성퇴적암류와 이를 관입한 화강반암(산성암맥)이 분포하며, 엽리 등의 불연속면이 발달하고 있고 전반적으로 암회색~흑색을 띠며, 지표노두에서는 풍화되어 대부분 소규모 판상의 암편으로 분리되어 있다. 화강반암은 상대적으로 풍화에 강한 편이나 부분적으로는 암질 간의 차별풍화양상이 관찰되며 암종 경계부에서는 파쇄대가 발달하고 있다.
붕괴 현황 및 원인분석 사면 절취 중 이완된 천매암의 엽리면과 암종 경계면을 따른 평면파괴가 발생하였다. 강우에 의한 절취된 사면에 간극수압이 증가하여 부분적으로 사면 표면부 유실이 시작되면서 대규모 활동으로 진행되었다. 붕괴원인으로는 암종 경계부에 관입 접촉에 의한 단층파쇄대가 발달하고 있으며 파쇄대 내에는 엽리면의 경사방향 및 경사는 사면의 방향성과 거의 유사하여 평면파괴의 가능성이 크며, 관입 파쇄대 또한 파괴면으로 작용했을 것으로 판단된다. 또한 단층파쇄 내 점토물질이 협재되어 있고, 강우에 의한 침투수 등으로 인하여 불연속면의 전단강도 저하가 가중되어 표층부에서 심층부로의 파괴범위 확장된 것으로 분석되었다.
보강 대책 본 대상사면의 보강공법으로 사면경사 완화, Anchor, 말뚝공 등이 적용 가능할 것으로 검토되었으나 활동에 의하여 이미 이완이 발생한 층을 제거할 수 있는 경사 완화공법(사면구배 : 1:1.7)의 적용이 가장 타당한 것으로 판단되었다. 사면 하부에는 터널 갱구 배면 옹벽과 일체감을 줄 수 있는 PAP 옹벽공법의 적용으로 사면 절취면적을 최소화할 수 있도록 계획하여 사면 안정성을 확보하였다. 또한 풍화에 의한 사면 안정성 저하 영향이 클 것으로 예상되므로 섬유거푸집 몰탈 격자블록에 의한 사면 보호식생공법을 적용하였다.
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
■ 제5강을 마치면서
파쇄 암반(Crushed Rock Mass)은 모든 암반 지층에서 나타나는 가장 불량한 암반으로 완전히 부서지고 압쇄되어 토사층과 같은 특성을 보여주는 암반 타입이라 할 수 있다. 파쇄 암반의 거동은 파쇄대의 규모와 정도에 따라 결정되는 되지만, 가장 중요한 요소는 바로 단층가우지(단층점토) 특성이라 할 수 있다. 또한 파쇄 암반은 전체 암반 중에 일부 구간에서 부분적으로 나타나는 특성을 가지기 때문에 지반조사시에 이를 예측하고 평가하는 것이 상당히 어렵다는 점을 유의해야 한다.
이상으로 제5강이 마무리되었다. 보다 자세한 내용은 [응용지질 암반공학] 책을 참고하기 바란다. 아마도 파쇄 암반은 우리 지반 기술자들에게 가장 악명이 높은 지층이라 할 수 있다. 이는 대부분의 지반관련사고가 바로 단층파쇄대와 관련이 있기 때문이다. 전반적으로 암질이 양호한 구간에서도 부분적으로 갑작스럽게 나타나거나 또한 공사중에는 문제가 없었는데 이후 장기적인 변형거동을 보이면서 문제가 발생하는 경우가 있기 때문이다. 따라서 지반조사시에 미처 파악하지 못한 파쇄 암반(단층 파쇄대)을 공사중에 정확히 파악하고 대응하는 것이 매우 중요하며, 이러한 이유로 시공중에 막장관찰(Face Mapping)이 강조되는 이유이다.
흔히들 단층파쇄대는 암(cancer)적인 지층라고 말한다. 단층파쇄대의 규모나 특성을 정확히 파악하여 발생 리스크를 사전에 또는 시공중에 대응한다면 문제가 없지만, 이를 방치하고 적절히 대응하지 못하는 경우에는 상당한 정도의 사고를 발생하여 공사비 증가와 공기 증가의 주요한 원인이 되기 때문이다. 이러한 관점에서 단층대와 같은 파쇄 암반에 대한 공학적 특성을 정확히 파악하고 평가하는 것이야말로 중대한 지오 리스크를 방지하고 대응할 수 있는 가장 확실한 방법이라 할 수 있다.
