대심도 암반 파괴특성 지하공동 주변의 암반은 낮은 반경방향의 구속과 벽면 가까운 곳에서의 접선방향의 재하 및 제하 조건을 초래하는 독특한 응력경로를 받기 쉽다. 그 결과, 굴착공동주위의 암반강도는 낮은 구속압에서 우세한 파괴 메커니즘에 의해 좌우된다. 지하공동의 안정성 문제는 크게 쐐기형태의 파괴를 유발하는 자중에 의한 파괴(structurally controlled gravity failure)와 스폴링(spalling), 슬래빙(slabbing) 형태의 응력에 의한 파괴(stress induced failure) 두 가지 범주로 구분할 수 있다. 전자는 반경 및 접선방향 응력이 낮은 경우에 우세하고, 후자는 낮은 접선방향 응력이 암반파괴를 유발할 때 우세하다. 즉, 구조적으로 조절된 파괴는 낮은 심도에서 매우 빈번하게 관찰되는 반면에, 슬래빙 파괴는 깊은 심도에서 주로 발견된다.

1.  과지압 암반의 공학적 특징

1.1 취성파괴와 파괴모드

취성파괴 지하공동의 경계응력이 손상개시 한계를 초과할 때 취성암석에서 스폴링이 발생하기 때문에, 파괴포락선을 사용하여 예측할 수 있다. 손상한계(damage threshold, m=0) 이하에서는 지하공동 주변의 암석이 손상을 받지 않고, 비교란 상태로 존재한다. 손상한계를 넘어서면, 미소균열음(AE)이 관찰되고 손상이 축적되기 시작한다. 만약 구속이 없다면 공동 주변의 표면에 평행한 균열을 가진 스폴링을 유발하고, 현지암반의 강도는 현저히 낮게 된다. 만약 인장이 발생된다면, 암석 브리지의 인장파괴로 인하여 암석은 파괴된다. 따라서 지하공동에서의 응력장은 피해 없음(탄성), 스폴링 파괴, 그리고 인장파괴로 구분된다.

응력경로와 파괴모드 지하공동 주변에는 기본적으로 2가지 뚜렷한 파괴모드와 이러한 파괴모드를 유발하는 다른 응력경로가 존재한다. Martin 등(1999)에 의해 제안된 응력경로와 이에 따른 파괴모드의 개념은 지하공동 주변의 지반조정문제의 가능성을 평가하는 데 사용되었다. 가능한 파괴모드를 평가하기 위해 응력경로를 이용하는 방법의 장점은 만약 응력경로가 바뀔 수 있다면, 그로 인하여 파괴모드 또한 바뀔 수 있다는 것이다. 일반적으로 응력경로는 굴착 단계와 연속성, 굴착형태의 변경, 주응력방향에 대한 공동배열의 변화 등의 요인들에 의하여 변경될 수 있다. 예를 들면,  에 평행한 원형터널은 천정부의 스폴링을 유발하는 응력경로를 따르기 쉬운 반면, 동일한 방향으로 배치된 사각형태의 터널은 구조적으로 조절된 쐐기형태의 파괴를 유발할 수 있는 천정부의 이완을 가져오는 응력경로를 따르기 쉽다는 것이다.

1.2 지하공동 파괴모드와 형태

지하공동의 파괴모드 Martin 등(2001)은 취성파괴의 가능성을 정량적으로 평가하기 위하여 암반등급(GSI), 현지응력의 크기 및 손상지수(Di)를 이용하여 지하공동의 파괴모드를 정의하였다. 심도가 얕고 낮은 초기응력을 가지는 암반의 파괴과정은 기존 절리의 연속성과 분포에 의해 좌우된다. 이에 반하여 심도가 증가함에 따라(현지응력의 크기가 증가함에 따라), 기존 절리들은 밀착되기 시작하고, 파괴 과정은 취성화되면서 굴착 공동에 평행하게 발달하는 새로운 응력유도균열이 우세해진다. 경암 내 취성파괴를 특징짓는 중요 변수 중의 하나는 신선하거나 단단히 밀착된 절리암반을 통하여 이러한 응력유도 균열들이 시작되고 전달되는데 필요한 응력크기이다. 중간 심도에서는 초기엔 이러한 응력유도균열영역은 터널 주변에 국한되지만, 심도가 깊어짐에 따라 파괴는 굴착공동의 전체로 확장된다. Martin 등(1999)은 spalling의 가능성을 정량화하고자, 손상지수(Damage Index, )를 제안하였다.

여기서,  는 원형공동 경계면에서의 최대접선응력,  는 신선암의 일축압축 강도이다.  와  비율 간의 상호관계에 의하면, spalling은  or  0.15의 조건에서 발생하지 않는 것으로 나타났다.

파괴 형태 과지압 상태에 있는 터널 주변의 파괴는 터널 벽면 주위의 접선응력이 암반강도에 도달할 때, 국부적인 Spalling 또는 Slabbing에 의해 시작된다. 이러한 스폴링 과정은 응력 상승(stress raiser)으로부터 나오는 균열을 생성하고, 기하학적으로 더욱 안정된 터널 형상이 형성될 때에만 평형 상태에 도달하게 된다. 이러한 안정된 터널 형상은 일반적으로 V-shaped notch로 나타나나, 예리한 모서리를 가진 사각형 터널의 경우엔 보는 바와 같이 baggage 형성이 필연적이다. 만약 새롭게 형성된 터널 주위에서 응력 집중이 암반강도를 초과한다면, 파괴는 새로운 평형에 도달하는 어떠한 파괴심도( )까지 전파될 것이다.

Hoek-Brown 파괴기준에서는 취성강도 포락선의 첫 부분이 취성강도변수(m=0, s=0.11~0.25)를 사용하여 맞춰진다. Hoek-Brown 식에 이러한 값을 대입함으로써 주응력 식은 다음과 같다.

여기서, K는 암반의 함수(결정질 암반의 경우, K = 1/3)이고, 이 항복기준은 지하공동 주변의 손상을 정의하는 데 적절하다.

파괴 심도 Martin 등(1999)은 스폴링의 파괴심도( depth of failure)와 응력 크기(stress magnitude) 간의 관계를 제시하였다.
 

여기서,  는 파괴심도,  는 터널반경을 의미한다.

2. 과지압 암반에서의 Geo-Risk

과지압 암반에서 지보에 의해 변형을 구속하지 않으면 붕락에 이르게 된다. 만약 변형이 순간적으로 소리를 내면서 발생하면 이런 현상을 Rock burst라고 한다. 만약 변형이 점차적으로 천천히 발생한다면 Squeezing이라고 한다. 록버스트는 화강암이나 규암과 같은 취성 경암반에서 조각이나 슬랩으로 깨지며 발생하며, 스퀴징은 이암, 편암, 운모편암, 파쇄대 또는 심하게 절리가 발달한 연성암반에서 터널 안쪽으로 변위가 이동하여 발생하는 것이다. 따라서 과지압 암반에서 암석의 변형특성 또는 강성이 두 종류의 응력문제를 결정하게 된다.

표 1. 과지압 대심도 암반에서의 Geo-Risk         

2.1 Rock Burst

굴착에 의해 주변 암반으로 축적된 에너지가 급작스럽게 방출하면서 파괴가 유발하는 현상이며, 종종 1000m 이상의 대심도에서 발생하지만 높은 수평응력이 작용하는 천부에서도 나타날 수 있는데, 최대 및 최소 주응력의 차이로 기인한다. 록버스트는 작은 암편 또는 수 m 크기의 판상으로 파괴되는데, 이는 천정이나 벽면의 이동과 관련된다. 록버스트는 점차적인 파괴가 아니라 갑작스럽게 발생하기 때문에 굴착 중 심각한 안전상의 문제가 된다.

손상 메커니즘 Kaiser 등(1996)은 Rock burst 손상 메커니즘을 분석하였는데, 진동에 유발된 암반 탈락, 암반강도를 초과하는 정적 동적 응력에 의한 암반파괴 그리고 급격한 에너지 방출에 의한 암반의 분출이다. 또한 손상 정도는 파괴과정에 연관된 암반 크기와 방출된 에너지의 크기에 의해 결정된다. 암반 크기는 공동주위의 과응력존과 에너지는 파괴 시의 응력 반응시스템에 의해 결정된다. 손상 정도는 적정한 지보대책을 수립하는 데 있어 매우 중요한 가이드가 될 수 있다.

Rock Burst 발생가능성 Hoek와 Brown은 남아프리카의 터널현장 사례로부터 터널벽면의 법선응력( )와 암석의 강도( )의 비로부터 rock burst를 구분하였다. 또한 변형에너지밀도( ), 강도지수( ) 응력지수( )를 이용하여 Rock burst에 대한 발생가능성을 평가하는 방법이 제안되기도 하였다.

표 2. Rock Burst의 분류         

보강대책 록버스트 문제를 가진 터널에서는 적절한 구속지보로서 숏크리트와 록볼트에 의해 보강된다. 초기에는 와이어 메쉬와 스케일링이 사용되었으며, 록버스트 정도와 암반특성에 따라 지보대책이 제시되었다.

표 3. 과지압 문제와 대책(노르웨이 터널링, 2002)         

2.2 Rock Spalling

Spalling은 과지압 대심도 암반에서 굴착 후 막장이나 천단, 측벽의 암반이 시간에 따라 점차 판상이나 조각상으로 얇게 떨어져 나가는 현상을 말한다. Rock burst보다는 작은 응력범위에서 발생하며 발생규모나 크기도 작다.

Spalling 발생가능성 Q-시스템에서는 응력저감계수(SRF)에서 암석석강도와 법선응력 또는 주응력의 비로부터 Spalling 발생가능성을 구분하였으며, Anderson 등(2000)은 손상지수( )개념을 적용하여 spalling은   or  의 조건에서 발생하지 않는 것으로 나타났다.

표 4. Spalling 가능성 평가         

발파 굴착에서는 공동 주변에 이완대를 형성하게 된다. 발파에 암반의 손상은 응력을 보다 빠르게 재분배시키게 되는데, TBM 굴착보다는 발파 굴착에서 록버스트가 덜 발생하는 것으로부터 확인할 수 있다. 발파로 인한 터널주변에 균열이나 절리의 발달증가는 록버스트 문제를 감소시킬 수 있으며, 동일한 응력조건 하에서는 절리암반이 괴상암반보다 록버스트 발생가능성이 적다.

보강대책 암반에서의 지보시스템은 세 가지 기능으로 구성된다. (1) Reinforce : bulking을 조절하고 강화하기 위한 암반보강 (2) Retain : 키블록 탈락을 방지하고 깨진 암반블록을 묶음 - 계속적인 붕락을 방지 (3) Hold : 묶인 요소를 안정한 암반에 잡아둠. 과지압 암반에서는 항상 Retain 기능이 요구되며, bulking 과정을 조절하도록 한다.

표 5. 지보기능과 지보재         

암반의 bulking과정 Bulking Factor, BF로 정량화할 수 있으며, 이는 파괴심도( )에 대한 내공변형의 비율이다. Bulking의 정도는 지보용량에 의해 특성화된 지보타입에 의해 결정된다(Kaiser, 1996). 전형적인 지보타입은 경량지보(메쉬가 있는 볼팅), 항복지보(메쉬가 있는 마찰볼트) 그리고 중량지보(암반보강을 포함한 강성지보)로 구분할 수 있다. 과지압 암반에서 지보압만으로 Bulking을 조절할 수 없으므로 균열의 오픈을 막을 수 있는 그라우트 철근 등과 같은 암반보강을 통해 Bulking을 효과적으로 줄이도록 해야 한다. 또한 파괴심도( )와 적용된 지보타입으로부터 내공변위를 예측할 수 있도록 하였다. 즉 파괴심도로부터 적절한 지보조건을 예측할 수 있다.

2.3 Squeezing

Squeezing은 굴착으로 유도되는 응력이 주변암반의 한계강도를 초과하여 작용하는 경우 내공변위가 크게 발생하여 붕괴 및 지보재 파괴를 유발한다. 스퀴징은 매우 규모가 크게 나타나는데, 인도의 한 터널에서는 터널직경의 17%까지 변형이 발생하는 경우도 보고되었다. 스퀴징은 터널 측벽과 천정뿐만 아니라 바닥에서도 일어나며, 시간에 따른 변형, 즉 전단크리프(shear creep)와 관련된다. 일반적으로 스퀴징은 터널변위가 안쪽으로 진행되는 부피팽창과 연관된다.

표 6. 스퀴징 분류(Aydan 등, 1993)      

스퀴징 발생가능성 평가 Aydan(1993)은 일본의 이암, 응회암, 셰일 등과 같은 연성암반(강도 20MPa 이하)에 대한 실제사례로부터 스퀴징 발생가능성을 토피고와 암석강도부터 평가할 수 있는 차트를 제시하였다. 또한 Q 값과 토피고, 터널심도 및 터널직경, 암반계수 그리고 일축압축강도 등을 이용하는 방법 등이 제안되었다.

터널 변형과 스퀴징 스퀴징 암반은 공동주위의 소성영역과 심각한 막장 불안정성과 관련된다. 현지 암반 압축강도가 터널주변 암반에 작용하는 유도응력보다 작게 되었을 때 암반은 취약하게 된다. Hoek 등(2000)은 무지보 시스템에 기초한 스퀴징 가능성을 예측할 수 있는 차트를 제시하였는데, 변형률이 2.5% 이상이면 심각한 스퀴징 문제가 발생할 수 있음을 보여준다.

표 8. 스퀴징 평가(Hoek, 2000)

보강대책 모든 보강대책에는 장단점이 있으며, 지반조건에 적합한 방법을 결정하는 것은 쉽지 않다. Hoek 등(2000)은 분할굴착방법과 스퀴징 정도에 따른 보강대책을 제시하였다. 상대적으로 약한 스퀴징에서는 록볼트와 숏크리트가 주지보재로 사용되며, 스퀴징이 심해질수록 보다 강하고 좁은 간격의 강지보가 사용되며, 심한 스퀴징 조건에서는 막장에 대한 사전보강이 추가된다. 또한 천단보강은 불량한 암반에 록볼트가 효과가 없는 경우에 적용되는데, 그 끝단이 강지보에 지지되도록 해야 한다. 또한 과다변위가 발생하는 경우에는 변형을 허용하는 가축성 지보가 효과적이다.

3. 과지압 암반에서의 문제사례와 대책

3.1 Rock burst / Spalling - 지하유류저장공동

취성파괴 발생 지하저장공동 굴착 중 일부구간에서 popping과 spalling 현상이 발생하였고, 굴착이 진행됨에 따라 수직구 인접 지점에서 내공변위와 숏크리트 응력의 급격한 증가와 함께, 몇 개소에서 아치부 숏크리트 균열현상이 관찰되었다. 이러한 취성파괴의 원인은 하부 벤치굴착에 따른 응력변화와 암반 자체의 변형흡수력이 작은 괴상암반에서 측압이 크게 작용하는 경우로 절리의 패턴에 따라 그 안정성이 불리해질 수 있다. 즉 비축기지의 경우 공동형상이 불리해지는 벤치2 굴착 시 수평절리가 발달한 지역의 암반 내 변형에너지가 증가하여 취약부에서 취성파괴가 발생하였다.

과지압 특성 수압파쇄법과 Leeman법을 이용하여 초기지압을 측정결과 국내 다른 지역에서의 측정값과 비교하여 과지압 상태이다. 수평지압계수가 2.6 이상이 되는 범위를 추정하여 과지압 구간을 설정하였다. 과도한 수평응력은 C1 및 C2 저장공동 일부 구간에 국한하여 나타나고 있으며, C1 및 C2 저장공동은 N60∼70E방향으로 발달한 두개의 구조대 사이에 위치하고 있으며, N20∼30W 방향의 구조대가 C1, C2 저장공동 영역을 구분하고 있으며, N70E 및 N100E 방향의 소규모 파쇄대가 존재하였다. 과지압 영역은 지질 구조적인 요인에 의한 것으로서 국부적으로 발생하고 있는 것으로 판단된다.

과지압 구간 보강방안 과지압구간의 전반적인 보강패턴은 응력저감계수(SRF)를 수정하여 Q값을 재적용하여 추가 보강량을 적용하였다. 또한 지압의 편하중을 고려하여 남측 헌치부에 대한 록볼트 보강을 강화하였으며, 공동벽면에 매우 큰 록볼트 축력이 작용하므로 9m 장대볼트 사이에 5m 록볼트를 교환시공하여 응력작용에 효과적으로 변위를 제어할 수 있도록 하였다. 또한 강단다단그라우팅을 설치하고 압밀그라우팅을 실시하여 저경사 파쇄대 심도까지 휨강성을 증대하도록 하였다. Bearing plate를 설치하여 천심부의 Skin Bursting를 억제하도록 하였으며, 암파열구간에는 인성을 강화할 있도록 와이어 메쉬를 설치하여 국부적인 하중을 분배하여 균열을 억제하도록 하였다.

굴착단면 변경 벤치 1, 2를 굴착하여 누적된 한 후 접선응력으로 깨지긴 쉬운 취성상태에서 형상효과 및 측벽변위 안정을 위하여 헌치부를 굴착단면을 축소하여 시공하도록 하였다.

AE/MS 계측 굴착에 따른 불안정성을 사전에 예측하기 위해서는 공동 벽면 암반의 취성파괴 및 암반 블록의 미끄러짐으로 인해 발생하는 미소파괴음을 계측하도록 하였다. 암반의 미소파괴 거동을 측정하기 위해서 미소파괴와 동반되는 미소 탄성파 이벤트(Micro seismic event)를 직접 측정하는 방식으로 생각되어 시추공 내 삽입 가능한 가속도계를 설치하였다.

3.2 Squeezing - Lyon Turin Base 터널

스퀴징 거동 본 구간은 특징은 단층작용에 의해 심하게 교란되고 파쇄되어 불균질한 상태를 보이며, 토피고는 300∼550m의 범위이다. 암질을 평가하기 위하여 자세한 페이스 메핑이 수행되었으며, 터널 내공변위에 대한 체계적인 계측이 수행되었으며, 일부 구간에서 최대 100cm 이상의 과다변위가 발생하였으며, 시간에 따라 변위가 지속적으로 증가하는 전형적인 시간의존적 거동으로 보였다.

스퀴징 대책 본 구간에서의 지보시스템으로는 강성지보는 실현성이 없어 슬라이딩 조인트를 가지는 가축성(yielding) 강지보를 적용하여 전단면 굴착에 따른 변위(최대 400mm)를 허용하도록 하였다. 또한 터널 내 과대변형(2m)이 발생하여 재굴착이 요구되는 구간에 원형에 가까운 인버트 단면을 채택하도록 하였다. 보강단계는 먼저 터널주변지반을 사전보강한 후, 기계굴착을 실시한 후 록볼트(8m)와 가축성 지보(TH 타입) 그리고 숏크리트(10cm)를 타설한다. 최종적으로 굴착면 80m후방에서 콘크리트 라이닝을 설치하도록 하였다.

3.3 국내외 스퀴징 문제사례 및 보강대책

국내를 포함한 세계에서 보고된 Squeezing 사례 정리하였다. Squeezing 가능성이 큰 경우에는 굴착공법 변경(분할굴착), 지보재 증대 및 인버트 폐합을 적용하고, Squeezing 가능성이 작은 경우에는 계측을 통해 변위 수렴여부를 모니터링하여 필요 시 보강대책 수립한다.

표 8. 국내외 스퀴징 문제사례 및 보강대책         

1. 응용지질 암반공학(제2판) 김영근, 씨아이알, 2021

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

제8강을 마치면서

과지압 암반(Overstressed Rock Mass)은 대심도에서 현지 암반응력(Insitu rock stress)에 의해 나타나는 특수한 암반으로 주로 광산과 같은 지하심부에서 관찰되는 암반 타입이라 할 수 있다. 과지압 암반의 거동은 현지 암반응력의 크기와 방향 뿐만 아니라 암반 및 암석의 강도에 따라 결정되므로 이를 정확하게 분석하는 것이 중요하다. 또한 과지압 암반은 암반공학(rock engineering)에서 가장 중요하게 다루는 암반으로 암석이라는 재료와 불연속면을 포함한 암반 그리고 지중에 작용하는 현지 암반응력과의 복합적이며 상호연관된 특성을 나타나고 있다. 따라서 지하유류비축공동와 같은 대심도에 대형/대규모 암반구조물을 설계 시공하는 경우에는 암반응력의 분포특성을 파악하여 과지압 암반에서 나타날 수 있는 록버스트나 스폴링 및 스퀴징과 같은 지오리스크에 대한 충분한 공학적 검토가 수행되어야 한다.   

이상으로 제8강이 마무리되었다. 보다 자세한 내용은 [응용지질 암반공학] 책을 참고하기 바란다. 아마도 과지압 암반은 암석과 암반 그리고 현지 암반응력이라는 특성으로 인하여 지반기술자들에게 상당히 다루기가 어려운 암반이라고 할 수 있다. 근본적으로  토질에서 취급하는 토압과는 상당히 다른 접근 방식이 요구되며, 특히 대심도 굴착에서의 다양한 공학적 문제를 수반하는 경우가 많고, 특히 시공중이나 시공이후에 대형 사고를 가져오는 경우가 많아 상당한 주의가 필요한 암반이라고 할 수 있다.

과지압 암반은 지반공학분야에서 암반공학의 중요성을 잘 보여주는 암반으로 기본적으로 암반에 대한 정확한 이해를 바탕으로 해야만 공학적으로 문제를 해결할 수 있고 대책을 수립할 수 있음이다.

기억을 돌이켜보면 대학원에서 암반공학을 처음 접할 때 가장 강조되었고 많이 공부한 분야가 바로 암반 응력과 과지압에 대한 것들이었다. 특히 스위스 알프스지역에서의 엄청난 문제 사례를 보면서 암반공학에 대한 흥미를 더욱 가질 수 있었다. 최근 국내에서도 대규모 단층대에서의 스퀴징에 의한 터널변상사례가 관찰됨에 따라, 터널과 같은 토목구조물에서도 과지압 암반특성에 대한 면밀한 검토가 수행되어야 할 것이다.   

마지막으로 강조하고 싶은 우리 지반기술자는 단지 지금 현재의 현상에 대한 것을 바탕으로 공학적으로 분석하고 평가하는 것이 가장 기본적인 임무이긴 하지만, 지질 및 암반특성에 따라서는 장기적이고 시간의존적인 복합 거동을 수반하여 상당한 문제를 일으키는 경우가 있으므로 이에 대한 충분한 검토 또한 필요하다는 인식이 요구되며, 실제 문제사례를 통하여 이에 대한 교훈(Lesson Learned)을 배워야 할 것이다.