제7강에서는 암반 구분(Rock Mass Type)에 따라서 석회암으로 불리는 용해성 암반(Soluble Rock Mass)에 대에 기술하고자 한다. 용해성 암반은 석회암 지대에서 공동을 형성하고 있는 매우 특수한 암반으로서, 본 장에서는 용해성 암반의 공학적 특징과 거동 특성 그리고 터널과 사면 그리고 기초에서 발생하는 지오리스크(Geo-Risk)에 대하여 실제 사례를 중심으로 살펴보고자 한다.
용해성 암반 석회암 등 용해성 암석으로 구성된 암반은 용식 작용에 의해 형성된 석회공동 및 싱크홀(sinkhole) 등 다양한 용식 구조와 차별풍화에 의한 불규칙한 기반암선 등이 발달한다. 석회동굴 등 대규모 용식 지형들은 터널, 댐, 교량 등 각종 암반구조물의 파괴 또는 손상 요인을 제공하거나, 지하수 오염과 고갈 등 지질재해 유발요인으로 작용하는 등 지질재해의 원인을 제공하기도 한다. 이러한 석회공동 등 용식지형에 의한 재해는 석회 용식 과정의 진화와 관련되어 있다. 석회암 등 용해성 암석의 화학적 풍화에 의한 용식의 진전과 석회암 내 불균질성 및 지하수 유동에 의한 지하의 차별 용식은 하부의 석회공동 또는 동굴의 발달 및 그 붕괴 과정을 거치면서 각종 재해를 유발한다.
석회암 지대 국내에서도 강원도 일대를 중심으로 고생대의 다양한 석회암 층으로 구성된 석회암 지대가 넓게 분포하고 있어, 이러한 지질재해의 발생 가능성이 높다. 석회암 지대에서는 건기 시에는 지하수의 다량 채수로 인하여 지하수위 저하에 따른 공동이 생성될 수 있으며, 연 강수량의 60~70%가 집중하는 우기 시에는 많은 양의 지하수가 유입됨으로써 석회암과 같은 화학적 풍화에 대하여 취약한 지역에서는 지하수에 의해 용식작용이 일어나면서 지반 함몰의 발생 가능성이 높아진다. 이와 같이 석회암 지역에서 지하수를 다량 채수하면 공동이 자라는 것을 촉진할 뿐 아니라 지하수위가 하강함에 따라 상재압력이 증가하여 공동안정성이 위협을 받는 경우가 발생한다. 석회암 지역에서는 상재압력이 증가할 경우 지표면이 함몰되거나 붕괴로 이어지는 경우가 많다.
1. 석회공동의 형성
석회암 용식 방해석과 대기 중의 이산화탄소가 빗물 등에 용해되어 형성된 탄산(H2Co3)의 반응에 의해 진행된다.
CaCo3(방해석)+H2O+CO2 ↔ Ca2++2HCO3-(중탄산 이온) ↔ Ca(HCO3)2(중탄산 칼슘)
방해석은 이산화탄소 및 물과 반응하여 용해되는 것으로 몇 가지의 반응과정을 거친다. 이 반응과정에서 토양에 존재하는 이산화탄소와 반응하여 방해석을 용해시킨다.
카르스트 지형(Karst) 석회암 등의 물에 녹기 쉬운 암석으로 구성된 대지가 빗물 등에 의해서 용식되어서 생성된 지형이다.
석회공동의 특성 용해성 암석이 분포하고 있는 지역에서는 용식과정에 의해 다양한 용식구조들이 생성, 발전, 소멸되고, 지하수위의 저하에 따라 다시 생성되는 과정을 반복한다. 석회공동은 뚜렷하게 발달한 비교적 고각의 절리 및 단층 등의 지질구조와 관련되어 발달하고 있으며, 특정 구간에서 용식 규모가 확대되어 발달한다. 석회공동의 발달은 일반적으로 암석의 종류, 지질구조 및 지하수위 등에 의해 제어되는 것으로 알려져 있다. 이러한 분포 특성은 석회공동의 규모, 형상, 위치 및 연결 상태 등으로 정의할 수 있으며, 이외 공동 내 충전물의 상태 역시 중요한 특성화의 대상이다. 공동의 충전물은 공동 내 지하수에 의한 퇴적물뿐 아니라 다양한 기원을 가지고 있다. 그 기원에 따라 공동 충전물은 공동 내 지하수에 의한 퇴적층, 싱크홀을 통해 급격히 유입된 충전물, 공동 붕괴에 의한 충전물, 공동 벽면의 풍화층 등으로 구분이 가능하다.
석회공동의 유형 Fookes and Hawkins(1988)는 결정질 석회암 지역에서의 카르스트 특성을 공동 형성의 단계와 형태에 따라 Class I(Limestone surface)~Class V(Major doline karst)의 5개 등급으로 구분하였다. 석회암의 특성과 석회공동의 유형을 분석하여 석회공동과 관련된 카르스트 특성을 크게 홈과 공동시스템, 싱크홀과 동굴시스템으로 구분하였다.
공동내 충전물의 유형 공동 충전물을 충전물의 구성과 분급도 등에 의해 구분한 바 있다. 공동의 충전물은 공동 내 지하수에 의한 퇴적물뿐 아니라 다양한 기원을 가지고 있다. 석회공동은 공동 내 퇴적물에 의해 크게 4개의 유형으로 구분할 수 있다(윤운상 외, 1999). 첫째 퇴적물이 없는 빈 공동(Type I), 둘째 층상의 점토 및 실트로 채워진 공동(Type II, 셋째 비교적 원마도가 좋은 비용해성 암석의 자갈 및 점토질 실트의 혼합물에 의해 채워진 공동(Type III), 넷째 석회암의 각력과 암괴가 자잘, 점토, 실트 등과 혼합되어 채워진 공동으로 구분할 수 있다(Type IV).
석회암 분포현황
시생대에서 고생대까지의 지층 내에만 부존하는데 이는 세계적으로 중생대에 석회암의 부존이 광범위한 것과는 큰 차이가 있다.
■ 시생대 및 원생대 지층 내에 부존하는 석회암은 대부분 소규모이며, 고생대 내에 부존하는 석회암만이 광범위하며 양질의 석회암으로 채굴되는 것이 많다.하부고생대층의 조선누층군의 소위 ‘대석회암통’의 석회암류가 주를 이루며 국부적으로 선캄브리아기 및 상부고생대 층 내에서 일부 석회암층이 분포한다. 대석회암통이 포함된 조선누층군은 두위봉형과 영월형으로 크게 구분되는 층서상의 특징을 보이며, 그 외에도 정선형, 평창형으로 구분되기도 한다.
■ 조선누층군의 하부는 셰일 등의 불용해성 암석이 주를 이루는 양덕층군으로 이루어져 있으며, 그 상위에 소위 ‘대석회암통’이 놓인다. 이 층는 석회암 또는 돌로마이트 등 석회질 암이 주종을 이루며, 셰일 및 사암이 일부 협재한다. 조선누층군의 하부와 상부는 각각 부정합에 의해 선캄브리아기의 변성암류와 상부고생대의 쇄설성 퇴적물이 주를 이루는 평안누층군이 분포한다.
■ 대석회암통의 석회암층은 옥천대 내의 북동부 지역에 대상으로 넓게 분포하며, 대표적인 분포 지역은 남쪽에서부터 문경, 단양, 제천, 영월, 평창, 정선 등이다. 대석회암통이 발달된 지역이 옥천지향사 내에 위치함으로써 지구조대를 형성시킨 2차적인 힘에 의하여 발달된 많은 단열대를 포함하고 있다.
2. 용해성 암반의 Geo-Risk
싱크홀(Sinkhole) 석회암 지대에서 나타나고 있는 둥근 함몰구조를 doline 또는 sinkhole이라 하며, solution sinkhole은 느린 속도로 지표가 침식되면서 발생한 것으로 직하부에 공동이 존재하는 결정적인 증거가 된다.
collapse sinkhole은 하부기반암의 파괴로 인해 발생되는 것으로 지질학적 시간과정에서는 별로 발생되지 않는다. buried sinkhole은 위의 두 종류의 발생 후 상부가 토사층으로 덮인 경우이며 대부분 불규칙한 토사-암반 경계면(rockhead)을 나타내므로 기초공사 설계 시 주의할 요소이다. subsidence sinkhole은 석회암 지반 상부의 토사층 또는 연암의 붕괴로 말미암은 것으로 전 세계적으로 가장 흔하게 발견되는 형태이다. 또한 발생과정이 빠르게 진행되므로 토목공사에 치명적인 영향을 준다.
Sinkhole 붕괴는 상부토사층의 함몰을 동반한 형태가 많으며 이는 주로 지하수위의 변동에 따라 발생한다. 전 세계적으로 이러한 형태의 지반침하 발생이 다수 보고되고 있으므로 지하수위의 계절적 변화, 공사에 따른 급격한 수위변동 등의 자료를 확보하여 영향분석에 사용하게 된다.
불규칙한 기반암(Rockhead) 석회암의 차별침식으로 인한 기반암의 깊이가 다르게 형성되어 기초공사의 대상이 되는 기반암의 파악이 어렵게 된다. 따라서 말뚝기초 등 작업의 설계심도 결정과정을 위해 다른 암반지대에 비해 훨씬 더 정밀한 조사가 필요하다. 따라서 프로젝트 수행 시 기본조사에서는 pinnacled rockhead의 존재 여부를 확인해야 하며, 존재할 경우 분포형태를 정량적으로 파악하게 된다.
석회 공동(Cavity) 석회암에 존재하는 공동은 크기 및 하부로의 심도에 따라 위험도가 다르게 나타난다. 석회공동 상부암반의 두께가 10m 이상이면 붕괴의 위험성은 없다. 토목시공 시 시공하중으로 인해 붕괴할 위험이 항상 존재하지만 공동 상부암반의 두께가 30m 이상이면 영향이 거의 없다. 석회공동 상부암반의 두께가 공동의 폭보다 클 경우 붕괴 위험성은 없다(Waltham, 1989). 서로 다른 기준을 제시하고 있는 이상의 경험적인 자료들은 실제 공사 시 적절한 기준인 것으로 보고되고 있으나 석회암 공동의 형성을 좌우하는 용해 특성은 지역에 따라 현저히 다르게 나타난다. 석회공동의 제반 특성이 실제 지질재해 발생에 미치는 영향을 분석하기 위하여 가상 석회공동을 발생시켜 수치 모델링을 실시한 결과에 의하면 석회공동은 하중 경계의 중심부로부터의 공동의 심도(D), 이격 거리(E) 등 위치와 규모(W)의 변화에 따라, 주변 암반의 이방성 및 연결 단층, 주단열의 존재 및 특성에 따라 구조물에 미치는 영향이 다른 것으로 분석된 바 있다(임수빈 외, 1998; 윤운상 외, 2003). 석회암 지대의 층리의 간격은 대개 30~60cm 정도로 나타나지만 지역에 따라서는 수 센티미터 이하부터 수 미터 이상이 되는 경우도 흔하게 발견된다. 층리 간격 이외에도 절리 간격, 방향성 등에 의해 석회암 공동의 크기와 분포가 영향을 받는다.
3. 용해성 암반에서의 문제사례와 대책
석회암 암반사면
석회암에서의 사면 안정문제는 경사방향 및 급경사각도를 형성하는 층리면에 의한 붕괴발생 문제와 공동형성 및 공동구간에 점토층이 충전되어 굴착 후 사면에 노출되어 불안정한 사면을 형성하는 경우로 구분할 수 있다.
사면과 공동크기 공동이 소규모로 나타나는 경우에는 표면에 대해 물이 침투되거나 토층이 세굴, 침식되는 것을 방지하기 위하여 콘크리트 등으로 표면부를 채워 주는 방식이 효과적이다. 그러나 대규모의 공동이 노출되는 경우에는 암질불량 및 파쇄대를 수반하는 점토층 또는 토층에 의한 대규모의 붕괴 가능성을 가지고 있으므로 이에 대한 적절한 안정대책이 수반되어야 한다. 석회암 공동은 일반적인 공동이 비어 있는 경우는 드물고 대부분의 경우, 점토층 또는 토층이 혼합되어 있거나 암편이 혼재된 상태로 존재한다. 풍화는 매우 불규칙하게 분포하고 풍화 심도가 지역에 따라 차이가 크며, 풍화단면은 매우 불규칙한 양상을 보인다.
석회암 공동이 작은 경우
사면현황 연장 100m, 높이 15m 이내의 소규모 절토사면으로 하부에 점토가 충진된 공동이 관찰되며, 좌측 끝단부도 풍화로 인해 토층이 나타난다. 사면에서의 불연속면은 두 종류의 절리군이 우세하며 평사투영법에 의한 안정 해석을 실시한 결과, 두 불연속면의 교차에 의한 쐐기파괴 가능성이 있는 것으로 나타났다.
대책방안 쐐기파괴를 이루는 두 불연속면의 교선 각도인 45도로 사면의 경사를 완화하는 방안으로 대책안을 수립하고 사면 안정해석을 평사투영법으로 실시한 결과, 사면의 안정성이 확보되는 것으로 나타났다. 또한 사면 경사의 완화 후에도 공동이 관찰될 경우에는 공동의 발생 부분을 버림 콘크리트 등으로 채워 넣어 추가적인 공동의 확대나 지하수 유입 등을 차단해 준다.
석회암 공동이 작은 경우
사면현황 사면 내에 석회암과 공동 내에 토층이 혼재된 사면으로, 토층의 분포면적 50% 이상을 차지하며, CW(Completely Weathered)의 토층에 MW(Moderately Weathered)-SW(Slightly Weathered)의 풍화상태를 보인다.
대책방안 사면 안정성에 가장 크게 영향을 미치는 요인은 사면 내에 분포하는 토층에 지배적인 영향을 받을 것으로 보이지만, 토층의 분포가 일반적으로 지표면에 평행한 풍화단면을 보이지 않으므로 안정대책 방안으로는 사면경사를 1:1.5로 완화하였다.
터널 문제 사례 및 대책
석회암에서의 터널 안정문제는 터널 굴착에 의한 상부 지반의 침하(함몰)문제와 터널 주변 공동의 영향에 의한 터널 안전성 문제로 구분할 수 있으며, 석회암 공동을 통한 지하수 과다유출이 있을 수 있다.
터널굴착에 의한 지반함몰
현황 석회암 지역을 통과하는 터널로 종점부에서 굴착 중 막장천단부에서 낙반이 발생하여 터널상부의 지표면까지 함몰되었다. 이는 석회암 지대의 돌리네가 발달하여 터널깊이까지 토사층이 연결되어 있는 상태에서 터널 굴착으로 인한 싱크홀 영향으로 붕락되어 지표면에 16m×14m 크기의 함몰을 보였으며, 막장으로 약 10m 정도에 토사가 흘러내렸다.
보강대책 붕락구간에 대한 보강공법으로는 수평JSP보강과 대구경강관보강그라우팅 공법이 선정되었다. 제1단계로 이완된 토체가 막장면으로 밀려나오지 않도록 압성토를 실시하고 숏크리트로 보강하였다. 제2단계는 지표함몰부를 양질의 토사로 되메우기를 실시한 후 제3단계로 막장면 천단부에서 붕락부로 경사천공하여 마이크로시멘트로 터널천단에서 6m 범위까지 그라우팅을 실시함으로써 붕락부의 이완된 토체에 대해서 채움을 실시한다. 제4단계는 붕락부의 보강을 완결한 후막장면의 터널 굴착을 위해 터널단면 180°까지 수평 JSP 및 대구경강관보강을 실시하여 굴착 시 안정성을 확보하도록 하였다.
터널주변 공동붕락
특징 터널 주변 석회암 공동은 공동의 크기, 이격거리, 공동 채움물질의 형태에 따라 터널의 안정성이 달라지게 되며, 특히 터널 굴착면과 인접한 공동은 굴착 중 채움물질의 일시적인 붕락을 수반하여 터널 안정성에 큰 문제가 되는 경우가 많다.
보강방안 터널 주변 석회암 공동은 터널의 안정성에 영향을 미칠 수 있으므로 터널로부터 이격거리 및 위치에 따라 보강방안을 적용한다. 터널직경(D)의 0.5D 이내에 경우에는 콘크리트로 채우게 된다. 바닥의 경우 버림콘크리트와 모래채움 벌크 그라우팅으로 공동을 채우게 된다.
터널내 지하수과다 유출
지하수 유동 석회암 지대는 석회암 공동이 상호 연결되어 있고, 층리 등의 불연속면이 상대적으로 잘 발달하여 지하수의 충분한 유동경로가 확보되어 있는 상태로 터널 굴착에 의해 터널 내로 지하수가 과다 유출되어 시공에 문제가 발생하는 경우가 있다.
보강방안 터널 내로 지하수 유출이 과다할 경우에는 터널 주변 지반에 대한 차수 그라우팅을 실시하는데, 그라우팅의 범위와 방법은 지하수의 유출 정도 그리고 터널 주변에 위치하는 공동의 크기와 분포 형태에 따라 결정하게 된다.
기초에서의 문제 사례 및 대책
공학적 문제 석회암 지역 내 구조물의 기초를 시공하는 경우에 석회암 공동 및 기반암 깊이 차이에 의한 기초의 불안정성, 기반암층의 급경사에 의한 파일 불량시공 등의 공학적 문제요소가 크므로 석회암 지역의 지반특성을 고려한 적절한 보강대책을 수립하여야만 한다.
석회암 공동조사 석회암 지역 내 기초의 안정성을 확보하기 위해서는 석회암 공동의 분포특성을 정밀하게 조사하여야 한다. 조사방법으로는 전기비저항탐사, 시추공 영상촬영, 탄성파 지오토모그래피 방법 그리고 시추조사 등이 이용되며, 지반조사결과를 종합적으로 평가하여 석회암 공동의 크기, 형상 그리고 충진물 등의 특성을 파악한다. 하도록 한다. 석회암 공동조사는 먼저 개략탐사가 수행되어 개략적인 공동 분포를 확인한 후, 안정성 및 경제성 평가를 하고, 다음으로 보강설계를 위한 정밀조사가 수행되어 보강대책이 수립된다. 그리고 시공단계에서 보강에 대한 검증단계로 확인조사가 적용되어 구조물의 안정성에 대한 최종평가를 실시하여 추가 보강이나 상부구조물 시공의 여부를 판정한다.
보강공법 교량기초 보강공법은 지질여건과 상부구조물의 규모 등을 고려한 안전성 평가와 경제성에 의해 선택해야 한다. 석회암 지역 내 기초보강공법으로는 초고압분사공법, JSP공법, 현장타설말뚝공법 및 마이크로 파일공법 등이 적용될 수 있으나, 공동 및 연약대의 점토 퇴적물을 치환·충진할 수 있는 삼중관 초고압분사 주입공법의 가장 많이 적용되고 있다. 이 방법은 공동 내부에 충진되어 있는 점토를 고압수로 절삭해 내고 시멘트 페이스트로 충전하여 주변 암반과 일체화된 복합지반을 형성시킴으로써 구조적으로 장기적인 안정성을 확보할 수 있다.
교량기초 보강사례
기초암반 특성 연장 150m의 교량으로서 하부구조는 말뚝기초로 되어있다. 기반암은 석회암으로서 확인시추결과 교량기초하부에는 두꺼운 붕적층 및 석회암 공동(최대 5.0m)이 불규칙하게 분포되어있음을 확인하였다. 정밀지반조사를 위해 전기비저항 탐사, 시추공영상촬영, 지호토모글피 및 시추조사를 실시한 결과, 기초암반은 RQD가 7.4∼17% 정도로 파쇄대가 발달하고, 기초저부에는 점토가 혐재된 공동이 불규칙하게 형성되어 나타났다.
보강대책 교량기초 구조물의 안정성을 검토한 결과 침하량이 허용범위를 초과하는 것으로 나타남에 따라, 기초지반의 강성을 전반적으로 증가시키는 보강공법을 검토하여 초고압분사공법을 선정하였다. 보강심도는 공동분포 형상의 불규칙성을 고려하여 지반조사 시 확인된 공동의 최하부에 위치하는 공동의 바닥면에서 5.0m를 추가로 보강하였다. 보강 후 보강효과를 검증하기 위하여 시추조사, 고결체의 압축강도시험, 탄성파토모그래피 탐사를 실시하고, 강관말뚝재하시험을 통하여 그 효과를 최종 확인하였다.
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
■ 제7강을 마치면서
용해성 암반(Soluble Rock Mass)은 오랫동안의 용식작용에 의해 형성된 공동을 포함하고 있는 특수 암반으로 특히 석회암 지대에서 나타나는 전형적인 지질 특성을 보여주는 암반 타입이라 할 수 있다. 용해성 암반의 거동은 석회공동의 규모와 형태 그리고 충진 유무에 따라 결정되지만, 석회암의 공학적 특성과 공동으로 인한 불균질 특성을 복합적으로 가지기 때문에 이를 정확하게 분석하는 것이 중요하며, 특히 굴착중 석회공동의 불규칙한 분포 여부와 연결성 그리고 석회공동내 충진물의 급격한 거동은 가장 중요하게 고려하여야 하는 특성이다. 또한 용해성 암반에서는 지반조사에 의해 그 분포 특성을 사전에 알기가 어렵기 때문에 굴착중에 이를 조사하고 확인하여 적절한 대책을 수립하는 것이 무엇보다 중요하다. 따라서 석회암 지대에서 암반 구조물을 설계 및 시공하는 경우 석회공동의 분포 특성을 이를 예측하고 평가하는데 유의해야 한다.
이상으로 제7강이 마무리되었다. 보다 자세한 내용은 [응용지질 암반공학] 책을 참고하기 바란다. 아마도 용해성 암반은 석회공동으로 인하여 우리 지반기술자들에게 상당히 다루기가 어려운 골치 아픈 지층이라 할 수 있다. 특히 강원도 영월 제천 일대에서 나타나는 전형적인 석회암 지대는 많은 지반 문제를 수반하였고, 특히 준공이후에도 싱크홀과 같은 대규모 사고를 가져오는 경우가 많아 상당한 주의가 필요한 암반이다.
용해성 암반은 지반분야에서 지질분야의 중요성을 잘 보여주는 암반으로 기본적으로 지질에 대한 정확한 이해를 바탕으로 해야만 공학적으로 문제를 해결할 수 있고 대책을 수립할 수 있다.
터널현장에서 일할 때 제천 고속도로 현장에서 크고 작은 여러 번의 싱크홀을 수반하는 붕락사고 등을 경험하면서 고생한 기억이 새롭다. 터널기술자로서 현장에서 일을 하면서 지질의 중요성을 새삼 깨닫게 되었고, 지질과 지반 그리고 암반은 공학적 문제를 해결하기 위한 토대임을 인식하게 되었다.
우리 분야는 다양한 여러 분야의 기술자들의 코웍(Co-Work) 이 가장 필요하다고 생각된다. 엔지니어들의 상호 협력과 보다 나은 소통(Better Communication)과정이 지오리스크를 사전에 확인하고 공유하게 함으로서, 지오리스크에 대한 대응을 효과적으로 할 수 있을 것이다.
