제6강에서는 암반 구분(Rock Mass Type)에 따라서 신생대 지층 등에서 형성 되는 미고결 암반(Uncemented Rock Mass)에 대에 기술하고자 한다. 미고결 암반은 특수한 일부 지역과 지층에서 나타나는 매우 연약한 암반으로서, 본 장에서는 미고결 암반의 공학적 특징과 거동 특성 그리고 터널과 암반사면에서 발생하는 지오리스크(Geo-Risk)에 대하여 실제 사례를 중심으로 살펴보고자 한다.
미고결 암반 미고결 또는 반고결 상태의 퇴적층과 현무암 또는 안산암 등의 강한 암석이 혼재되어 나타나므로, 충분한 지질에 대한 이해가 없을 경우, 건설 과정에서 많은 어려움을 초래한다. 연약한 충적층 내에 단단한 거력이 존재하는 등 지층 자체의 불균질성뿐 아니라, 단단한 현무암 아래 미고결의 충적층이 존재하는 등 수직적으로 심대한 불균질성이 나타날 수 있는 지질 조건을 가지고 있다. 이러한 지질 특성은 신생대 지층이 비록 국내에 소규모 지역에 국한되어 발달해 있지만, 이에 대한 특성을 고려하지 않을 시에 지반 상태에 대한 오판을 초래하여 설계나 시공에 심대한 차질을 빚을 수 있으며, 더 나아가 재해의 원인이 되기도 한다.
1. 미고결 퇴적층
교결작용(cementation) 떨어져 있던 퇴적물 입자 또는 광물이 교결물질의 침전으로 공극률 감소와 함께 굳어 퇴적암화되는 작용을 말한다. 퇴적물이 퇴적암으로 되는 과정을 속성작용이라 하는데, 여기에는 퇴적물의 자체 하중에 의해 일어나는 압축작용(compaction)과 교결 물질에 의한 교결작용(cementation)이 있다. 지하수가 공극을 통하여 이동할 때 교결물(cement)이라 부르는 고형물질들이 공극 내에 침전되어 미교결의 퇴적물입자들을 서로 묶어주어 단단한 암석을 형성하도록 한다. 이 교결물은 입자들에 매우 단단히 부착되어 단단한 틀 속에 이들 입자들을 고정시키는 역할을 한다. 교결물이 공극을 부분적으로 채우거나 거의 완전히 충진함에 따라 전체의 공극률은 더욱 감소하게 되어 미교결 입자들이 단단한 퇴적암으로 되는 과정을 교결작용이라 한다. 보통 볼 수 있는 교결물질은 탄산석회·규산·산화철 등으로, 쇄설물과 함께 퇴적하거나 순환수에 녹아서 퇴적물 안에 운반된다. 이 작용 때문에 퇴적물의 공극률은 감소되고 경화되어 간다.
미고결 퇴적층 퇴적물이 굳어져 암석이 되는 과정에 있는 아직 굳어지지 않은 암석으로 비교적 균열이 적고, 있다 해도 암체의 역학적 성상에서는 그리 영향을 주지 않기 때문에 흙과 같이 연속체에 준한 취급이 가능한 것이고, 암석이나 흙과 달라서 굴착할 때는 암체의 성질이 급속히 변화하고, 그 정도가 큰 것이다. 또 암석과 달리 함수상태의 변화에 대해서 민감하지만, 흙과도 다른 성상을 나타낸다. 따라서 미고결 퇴적층의 성질을 다루는 경우에는 강도, 변형성 등의 특성 이외에 함수상태 및 열화 정도를 종합적으로 평가하는 것이 중요하다.
신생대 지층 국내 분포가 소규모이며, 대부분 동해안을 따라 분지 퇴적층 또는 단구 퇴적층으로 분포하거나, 제주도 또는 전곡 등의 현무암 등 화산암으로 분포한다. 제3기층은 포항-경주 일원의 양남분지와 포항분지에 분포하며, 주로 석영 안산암질 화산암과 응회암 및 응회질 이암 또는 사암, 역암이 이에 해당한다. 제4기층은 산록의 낮은 경사 지역이나, 계곡 및 평야 지대에 미고결 상태의 퇴적층과 현무암 등 화산암 등이 주로 나타난다.
제3기층 경상분지 동편의 포항-장기 지역 일대에는 퇴적층과 화산암류로 구성된 제3기 퇴적분지가 발달하며, 포항지역은 백악기 퇴적암류, 제3기의 화산암류를 기반으로 우향 및 좌향의 주향이동단층과 정단층들에 의해 구분되는 포항분지, 장기분지, 울산분지 등의 제3기 퇴적분지로 구성되어 있다. 포항분지의 제3기층은 하부로부터 단구리역암, 천고사층, 이동층과 두호층으로 구분되며 이중 상부의 이동층과 두호층은 미고결 이암으로 구성된다.
제4기층 전곡 한탄강 일대로 선캄브리아기 변성암을 신생대 제4기 퇴적층(백의리층)과 그 상위의 현무암(전곡현무암)이 부정합으로 덮고 있는 지역이다. 백의리층은 제4기 분출현무암 직하부에 반원통형으로 분포하는 고화되지 않은 고기하성층(구하상 퇴적층)으로, 경기변성암복합체를 부정합으로 덮고 있다. 주로 변성암으로 구성된 역은 사질 또는 점토질 물질과 함께 사력층을 이루면서 해발고도 30~90m 구간에 지역에 따라 불규칙적이나 대체로 1~3m 내외 층후로 분포한다. 전곡현무암층은 변성사질암류, 화강섬록암, 퇴적암, 유문암질 화산암, 백의리층을 분출하여 덮고 있으며 한탄강변을 따라 현무암대지 및 수직절벽을 형성하고 있다. 백의리층과의 경계에서 공동을 형성하고 있으며 3~4차례의 분출상을 보인다.
미고결 이암층(포항) 본 층의 두께는 150~200m 정도이며, 고화된 정도가 상이한 사암과 이암이 호층으로 발달하여 층리 발달이 양호하며 암종의 차이에 따라 공학적 성질이 매우 복잡하다. 또한 점토광물 구성비가 50% 내외이며, 팽윤성의 몬모릴로나이트가 많이 포함되어 있어 슬레이킹 현상이 일어나기 쉽다. 완전히 고화되지 않은 상태에서 지반융기로 인해 지표에 노출되어 암석강도 차가 상이하다. 암회색~담회색의 이암이 우세하며, 구성광물은 석영, 장석 및 카올린, 몬모릴로나이트 등의 점토광물로 되어 있다.
미고결 역암층(경주) 본 층은 직경 1m 이상의 거력을 포함하여 다양한 크기의 화강암 또는 안산암의 역과 사질 또는 이질의 연약한 기질부로 구성되어 있다. 기질부는 점토광물이 다량으로 포함되어 있어 팽창성 암반상태를 유지하고 있다. 역암층은 토사의 압밀영역으로부터 교결작용영역에 이르는 과정에 있으며, 역과 기질부 사이의 틈, 역암층 자체의 절리들도 비교적 발달하고 있는 상태로 이들 역암층 사이에는 사암과 박층의 갈탄층들이 협재, 이방성을 보이고 200m 이상의 층후를 가진다. 역이 전체 암석의 50~70%를 차지한다.
미고결 퇴적층(전곡) 본 층은 제4기 분출현무암 직하부에 발달하는 고화되지 않은 고기하성층으로 이의 역은 주로 경기변성암복합체의 구성암석인 편마암, 편암 및 규암, 화강섬록암으로 되어 있고, 원마도는 양호하다. 역들은 분급이 불량한 편이고 사질 또는 점토질 물질과 함께 사력층을 이루며 층후는 지역에 따라 불규칙적이나 대체로 1~3m 내외이다. 거력(boulder)의 지름은 약 1~30cm 정도로 다양하며, 상향 세립화를 보인다.
특성 연약암은 흙과 경암의 중간적인 단계로서 지질학적 과정에 의해서 상호 연결되어 있으며, 그 경계는 명확하지 않다. Sciotti(1990)에 의하면 연약암은 높은 변형성, 물과 온도에 대한 강한 의존성, 변질되기 쉬운 특성을 갖는다고 하였다. 특히 물과 공기 중에 노출되면 짧은 시간 내에 쉽게 부서지는 특성을 가진다.
정의 공학적 관점에서 연약암을 정의하는 가장 일반적인 방법은 암석의 단축압축강도(UCS)를 사용하는 것이다. 국제암반역학회(ISRM)에서는 0.25∼25MPa를 extremly weak∼weak rock으로 분류하고 있으며, 그 밖의 수많은 분류기준을 정리하면, 연약암의 범위는 일반적으로 0.25∼1.2MPa에서 12∼25MPa까지이다. 하한치(흙과의 경계치)는 수침 시 점착성 결합의 손실로 정의할 수 있으며, 상한치(연약암과 경암의 경계치)는 15MPa가 적정하지만 해당 암반특성에 따라 달라질 수 있다. 또한 단축압축강도와 영률에 의한 Deere의 분류표에서 weak rock은 강도가 매우 낮고(E, very low) 낮은 변형계수비(low modulus ratio) 해당하는 암반을 의미한다(Martin, 2003). 연약암은 이암, 점토셰일, Marl을 포함하는 퇴적암과 응회암, 각력을 포함하는 일부 화산암 그리고 열수변질작용을 받은 모든 종류의 변질암, 단층이나 전단대에서 나타나는 연약대가 해당한다.
특징 다양한 지질학적 기원에 의해 흙과 암석의 혼합상태로서 미세한 입자의 결합된 기질(matrix)에 공학적 특성을 갖은 블록(block)의 혼합체(mixture)로 정의한다(Medley, 1994). 이러한 기질암에서는 기질과 블록의 강도, 크기범위 및 체적비 등이 전체적인 암반의 특성을 결정한다. 풍화암반에서의 핵석, 단층대에서의 단층암(단층점토와 각력), 미고결 퇴적층에서의 역암층(점토와 각력)이 대표적인 기질 블록암의 예로 복합암(complex rock)의 특성을 가지므로 공학적으로 특성을 평가하기가 매우 어렵다. 기질 블록암에서 기질 내 블록의 특성을 파악하기 위하여 블록크기를 측정하고 시험을 실시하여 크기와 분포특성 그리고 강도특성을 파악하도록 한다.
사례 대표적인 기질 블록암은 제3기 지층인 미고결 역암층(송전층)이다. 본 층은 부분적인 균열만 발달하고 있을 뿐 연장성이 있는 절리면의 발달이 거의 없어 절리간격이나 절리면 상태를 평가할 수 없는 괴상의 연약암에 해당한다. 역의 구성은 화강암이 주이고, 역이 전체의 50-70%를 차지하며, 역의 압축강도는 900-2,500kg/cm2, 기질부의 일축압축강도는 38-485kg/cm2 조사되었다. 미고결 역암층에 대한 암반분류는 함수상태와 고결도가 따라 구분하였다. 함수상태를 대분류기준(I,II)으로, 고결도를 소분류기준(a, b)으로 정하였다. 고결도는 역과 기질의 결합사태와 분리 정도에 따라 구분하였다. 전체적으로 총 4개의 암반(Ia, Ib, IIa, IIb)으로 분류하였다.
3.1 미고결 퇴적층에서의 터널 시공사례와 대책
터널 및 지질 본 터널은 강원도 동해에 건설되는 연장 512m의 고속도로터널(북평 1터널)로서, 석회암층, 규암층 그리고 신생대 제3기층이 기반암으로 분포하고 있다. 제3기층은 미고결 퇴적층으로 터널구간에 걸쳐 분포하며 대부분 토사/역으로 이루어져 있으며, 절리발달이 거의 없는 상태이며, 고결도 및 강도가 매우 약하여 기계굴착으로 시공하고 있다.
미고결 퇴적층 분류 본 층은 각력과 각력의 공극을 채우고 있는 기질(Matrix) 성분으로 구성되어 있어, 공학적 거동은 각력과 기질의 성분 및 강도, 변형특성 등에 의해 좌우된다. 미고결 퇴적층의 고결 정도를 정량화하기 위해 점하중시험 및 슬레이킹시험을 통한 분석을 수행하였다. 각력과 기질의 고결상태와 점하중강도와 슬레이킹 내구성지수(Id3)로부터 미고결 퇴적층을 분류하였다. 먼저 고결도가 매우 불량한 경우와 비교적 양호한 경우로 구분하여 기질 기준 1MPa과 5MPa을 중심으로 미고결 퇴적암 암반을 분류하였다. 슬레이크 내구성 지수의 경우는 기질의 3-cycle 슬레이크 내구성 지수(Id3) 60%를 고결도의 판단기준으로 결정하였다. 또한 본 층은 용출수에 의한 강도 저하가 발생하므로 지하수 상태를 고려하도록 하였다.
보강대책 불량한 미고결 퇴적층에서의 굴착공법은 기계굴착의 링컷굴착(굴진장 80cm)을 적용하고 가인버트를 설치하였다. 주지보로서 숏크리트 30cm, 강지보 H-150, 보조공법으로 직천공 강관다단그라우팅과 하부 인버트 설치, 하부 그라우팅, Elephant Foot 및 레그파일을 설치하여 터널의 안정성을 확보하도록 하였다.
3.2 미고결 이암층에서의 터널 시공사례와 대책
터널 및 지질 경북 포항에 건설되는 연장 935m의 2차로 병설의 고속도로터널(다산터널)로서 지질은 중생대백악기 퇴적암류로부터 신생대 제3기의 미고결 퇴적암류에 이르는 다양하고 복잡한 기반암을 이루고 있다. 미고결 퇴적암류는 주로 이암 및 사질이암으로 구성되어 있으며, 고결상태가 불량하고 강도가 매우 낮은 연약암의 특성을 가진다.
미고결 이암 특성 미고결 이암에서의 점토광물의 특성을 파악하기 위한 X-ray 회석분석(XRD)을 실시하였다. 그 결과 팽창성 광물인 몬트모리로나이트와 석영, 장석, 운모 등이 주요 구성광물로 조사되었다. 또한 팽창성 시험과 슬레이킹 시험 결과, Swelling Strain은 1.0~6.4%, 슬레이킹 내구성지수(Id2)는 90.12~72.64의 범위로 내구성 등급이 Medium 및 Low에 속하는 것으로 나타났다. 이와 같은 팽창압과 슬레이킹 정도의 차이는 점토의 구성비(함량)에 따라 차이가 나타남을 확인하였다.
보강대책 미고결 이암을 포함한 연약 암반구간에 대한 별도의 지보패턴을 반영하였다. 먼저 상하반 분할굴착공법(굴진장 1.0m)을 적용하여 상반은 Ring cut 굴착을 하고, 상하인버트를 설치하도록 하였다. 또한 보조공법으로 직천공 대구경 강관보강공법을 적용하고, 장기적인 팽창압에 대비하도록 인버트에 철근 콘트리트를 반영하였다.
1. 암반공학 제2판, 김영근, 2020
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
■ 제6강을 마치면서
미고결 암반(Uncemented Rock Mass)은 지층형성과정에서 고결작용과 같은 암석화의 과정을 거치지 않아 매우 약하고 잘 부스러지는 특성을 보여주는 연약 암반으로 특히 신생대 제3기 지층에서 나타나는 전형적인 지질 특성을 보여주는 암반 타입이라 할 수 있다. 미고결 암반의 거동은 고결도의 규모와 정도에 따라 결정되는 되지만, 토사의 특성과 암반의 특성을 복합적으로 가지기 때문에 이를 정확하게 분석하는 것이 중요하며, 특히 굴착후 노출시 급격한 열화 특성과 지하수 및 우수 등에 의한 토사화 특성은 가장 중요하게 고려하여야 하는 특성이라 할 수 있다. 또한 미고결 암반은 장기적인 열화 특성으로 인하여 굴착당시에는 문제를 보이지 않다가 상당기간 이후에 변형이 나타나는 특성을 가지기 때문에, 이러한 지질구간에서 암반 구조물을 설계 및 시공하는 경우 이를 예측하고 평가하는데 유의해야 한다.
이상으로 제6강이 마무리되었다. 보다 자세한 내용은 [응용지질 암반공학] 책을 참고하기 바란다. 아마도 미고결 암반은 우리 지반기술자들에게 상당히 다루기가 어려운 골치 아픈 지층이라 할 수 있다. 특히 경상도 포항 및 경주 일대에서 나타나는 전형적인 미고결 지층은 많은 사고를 수반하였고, 특히 개통이후에도 대규모 사고를 가져오는 경우가 많아 상당한 주의가 필요한 암반이라고 할 수 있다.
미고결 암반은 지질과 토질 그리고 암반분야의 기술자들이 어떻게 협력하고 소통해야 하는지를 잘 보여주는 암반이라고 할 수 있다. 지질적으로 생성기원이 불완전하고(지질학) 연약하여 때로는 흙의 거동(토질역학)을 보이고, 어떤 구간에서는 암의 거동(암반공학)을 보이기 때문이다.
오래전 대구-포항 고속도로 현장에서 크고 작은 여러 번의 붕락사고 등을 경험하면서 고생한 기억이 새롭다. 터널기술자로서 현장에서 일을 하면서 지질의 중요성을 새삼 깨닫게 되었고 그 뒤에 많은 지질기술자들과 교류하면서 지질을 배우고 지반을 이해하고 공학을 적용하면서 성장하였다고 생각된다.
“아는 만큼 느낀다”라는 말이 있다. 우리 지반분야에서는 “경험한 만큼 다룰 수 있다”라는 말로 바꿀 수 있지 않을까 생각한다. 다양한 지질 및 지반에 대한 필드에서의 경험만이 가장 전문적이고 합리적인 지반기술자를 완성시키지 않을까 생각해본다.
