제9강에서는 암반 구분(Rock Mass Type)에 따라서 팽창성 점토 광물을 포함하고 있어 물과 만나면 급격하게 팽창하게 되는 팽창성 암반(Swelling Rock Mass)에 대에 기술하고자 한다. 팽창성 암반은 굴착이후 급격한 팽창으로 인해 문제를 일으키는 매우 특수한 암반으로서, 본 장에서는 팽창성 암반의 공학적 특징과 거동 특성 그리고 터널 굴착에서 발생하는 지오리스크(Geo-Risk)에 대하여 실제 사례를 중심으로 살펴보고자 한다.
팽창성 암반 점토광물 중 팽창성 광물(특히 smectite계 광물)을 포함하는 암반은 물과 작용하게 되면 팽창하게 된다. 이러한 암반을 팽창성 암반이라 하며 주로 점토광물로 구성된 이암과 셰일 그리고 단층 가우지와 같은 단층물질에서 나타난다. 팽창성은 팽창압을 일으켜 암반구조물에 심각한 영향을 미치게 된다. 지하구조물 굴착 후 시간의존성 변형거동에 의한 내공변위발생은 팽창성 효과로 인한 경우가 많으며, 변위량은 팽창압과 물의 유입과 관계된다. 특히 터널링에서의 팽창성은 바닥부에서 발생하는 경우가 많으며, 높은 팽창압은 인버트 파괴와 라이닝 손상을 유발하여 터널 안정성과 사용성에 있어 중요한 문제가 될 수 있으므로 팽창성 암반에 대한 대책이 필요하다.
팽창성 암석 연약대나 단층 내의 충진물 또는 변질 생성물로 나타난다. 팽창성 암석은 몬트모릴로나이트를 포함한 이암, 변질 풍화된 현무암 또는 다른 화성암, 변성암 그리고 경석고를 포함한 퇴적암을 포함한다. 또한 팽창성 광물은 포함한 편암과 셰일은 대기 중에 노출되면 급격히 산화되고 팽창하여 쉽게 풍화된다. 이와 같이 팽창성 암반은 물의 흡착으로부터 높은 팽창압을 일으켜 구조물에 심각한 안정성 문제를 발생시킬 수 있다. 흡수팽창은 일반적으로 점토광물에서 현저하게 관찰되는 성질 중의 하나이다. 암석 간의 흡수팽창량은 암석학적 특징에 의해 큰 차이를 보인다. 상당량의 점토광물을 함유하고 공극률이 높은 퇴적암의 경우가 변성작용을 받거나, 점토광물의 함량이 적거나 또는 공극률이 낮은 암석보다 흡수팽창이 크다. 그러므로 흡수팽창의 이론 전개는 주로 점토광물을 전제로 설명된다.
1. 점토광물과 팽창성 암석
팽윤성/팽창성(swelling) 암반
토광물이나 이질암 등이 물을 흡수하면 전체 체적이 증가하는 현상이 발생하며, 흡수팽창(expansion)과 팽윤성(swelling)이 있다. 흡수팽창은 실질적인 변화는 없고 유효간극만이 물로 채워진 상태로서 물리적 체적 증가를 보인다. 이는 암석의 조직이나 구조에 지배되며, 불포화로 유효간극을 가진 결합력이 약한 암석에 보이는 현상이다. 흡수팽창은 굴착에 의한 응력해방 시 흡수팽창에 의한 문제가 일어나기 쉽다. 팽윤성은 유효간극이 물로 채워져 있는 상태에서 실질 부분을 구성하는 광물이 물을 흡수하여 큰 체적변화를 발생하는 현상으로 상온에서 물과 공존해서 결정학적 성질이 변화하는 광물로 구성된 경우에 일어난다. 특히 점토광물 중 팽창성 광물(일라이트, 몬트모릴라이트)을 포함하는 암반은 물의 흡착(absorption)에 의해 체적이 크게 증가하는 성질을 가진다.
팽창성 암석 이질암(clays)과 경석고(anhydrite)로 구분된다. 이질암의 팽창 메커니즘은 잘 알려져 있고, 팽창성 매우 빠르게 나타나며, 팽창압과 팽창변형률(2~8%)이 상대적으로 작다. 경석고의 팽창 메커니즘은 역학적 팽창성과 점토광물의 수화작용 그리고 석고로의 변화(CaSO4+2H2O=CaSO4·2H2O)와 관계된다. 이들은 서로 상호작용을 일으키며, 물의 흡수 정도에 크게 의존한다. 이질암보다 상당히 높은 팽창압과 변형률을 일으키는데, 이는 석고로의 변화가 중요한 역할을 하기 때문으로 체적이 60% 이상 증가하게 되는 경우도 있으며, 팽창은 매우 천천히 발생하여 수년 또는 수십 년에 걸쳐 발생하기도 한다.
2. 팽창성 암반의 공학적 특성
팽창압(swelling pressure) 팽창성 암반에서 가장 중요한 특징은 팽창압이다. 일반적으로 팽창성 광물의 존재 여부와 종류는 X선 회절분석과 DTA(Diifferential Thermal Analysis)를 통하여 정량적으로 평가할 수 있으며, 팽창압은 팽창점토에 대한 Oedometer test에 의해 구한다(Terzaghi, 1968).
팽창성 관계식(swelling rule) 팽창성 시험으로부터 팽창압(swelling pressure, σ)과 변형률(extension, ε)의 관계는 logσ가 증가함에 따라 ε가 선형적으로 감소함을 보여준다(log-normal 관계 t). 그림에서 ε0는 축박향의 비구속상태의 최대 변형량이고, σ*는 변형을 완전 구속할 수 있는 응력(최대 팽창압)으로서 팽창성 암반의 팽창 가능성에 대한 정보를 제공하는 가장 중요한 값이다. 일반적으로 높은 팽창량은 높은 팽창압과 연관되며, 팽창변형률이 제한받게 되면, 최대 팽창압은 증가하게 된다. 따라서 측변형이 구속된 실험결과는 팽창압이 과다 평가될 수 있으므로 현장적용이 유의해야 한다.
팽창성 곡선(swelling curve) 교란된 시료는 주의 깊은 시료 준비에도 불구하고 불교한 시료보다 더 큰 탄성적인 변형을 보인다. 따라서 현지상태의 순수 팽창성은 측정된 변형량(A)으로부터 표준 탄성변형(B)을 감하여 최종적으로 구할 수 있다. 표준 탄성변형은 팽창성이 없는 점토광물로부터 구한다. 이와 같은 방법으로 팽창압 곡선을 구하며, 팽창성과 탄성력이 하중제거 전까지 축적되었다가 하중제거 시 탄성력은 급격하게 감소되고 물의 영향으로 인한 체적 증가로 팽창압이 발생하게 된다. 팽창압은 초기에 최대(P1)를 보이며, 이후 급격하게 감소하게 된다. 따라서 팽창압은 초기 체적 증가 후에 거동곡선에서 주요 영향요소가 된다. 즉, 팽창성 암반에서 대부분의 탄성변형은 초기에 발생함을 알 수 있다.
Swelling test(ISRM, 1999) 팽창성 암석에 대한 팽창응력과 팽창변형률을 구하기 위한 시험 방법으로 국제암반역학회(ISRM)의 표준시험법으로 제안되었다. 먼저 코어 또는 블록모양의 암석시험편을 준비하여 수중에서 직경방향 변형을 구속하여 일정한 축압에 대한 축방향의 변위를 측정하여 변형률(swelling strain)을 계산한다. 또한 같은 방법으로 준비한 시료에 대해 축하중(N)과 축변위(d)를 측정하고 시간의 함수로서 기록하여 응력(swelling stess)을 구한다.
Odemeter test(Olzen, 1989) 점토의 팽창압을 측정하는 시험으로 일반적으로 사용되고 있다. 점토대는 대부분 이차광물과 다양한 크기의 암편의 혼합물로 구성되어 있어 흙보다 더 느슨한 조직을 가지므로, 불교란 상태의 시료를 얻기는 매우 어렵다. 따라서 시험은 20μm 이하의 건조한 입자상태의 시료로 수행되며, 이 크기는 거의 모든 팽창성 광물을 포함한다. 건조한 시료 20g을 oedometer에 넣고 4MPa로 하중을 가한다(Step1). 수침을 시작한 후(Step2) 시료가 팽창이 완료된 후에 시료의 두께를 측정한다(Step3). 측정된 팽창압과 체적변화로부터 점토의 팽창성 곡선을 구한다.
팽창압 시험(NTNU, 2009) 단층가우지 등에 포함된 팽창성 점토에 대한 팽창압을 측정하기 위한 시험방법이다. 압축, 하중제거, 팽창의 순서로 진행된다. 건조상태의 20μm 이하의 점토 20g을 용기에 넣고 24시간 이상 2MPa 하에서 체적 변화가 없을 때까지 압축시킨 후 하중을 제거한다. 그리고 시료에 물을 넣은 후 팽창시켜 팽창압을 측정한다. 측정된 최대 팽창압이 4MPa 이상도 있으며, 팽창압을 low(<0.1), moderate(0.1~0.3), high(0.3~0.75)로 구분하여 정의하였다(NBG, 2000).
2.1 터널링에서의 팽창압
팽창성 특성 팽창성 암반에서 터널을 굴착하는 경우 인버트에 히빙이 일어나거나 인버트 아치에 팽창압(
)이 작용하게 되며, 바닥부 히빙(
)과 천정부 변위(
) 모두 상향의 변위가 발생하게 된다. 실제 터널현장에서는 팽창성을 평가하기 위해서 지중변위를 측정하는 데 시간경과에 따라 변위가 점차적으로 증가하게 된다. 또한 팽창 변형률은 바닥에서 멀어질수록 점점 감소하며 약 1D에서 거의 0이 되며, 팽창압은 비교적 빠르게 발생하며, 배수조건에 따라 다르고, 어떤 경우에는 수십 년 이상 지속적으로 작용하기도 한다(Kovari, 1982).
팽창압의 특성화 곡선 Lombardi(1981)는 인버트아치와 팽창암 사이의 상호작용을 정량적으로 평가하기 위하여 히빙(
)과 라이닝 저항력(
) 사이의 관계를 제시하였다. 
는 라이닝에 의해 주변 암반에 작용하는 압력으로 팽창압에 의해 인버트 아치에 작용하는 힘이다. 이와 같은 관계에는 변형률은 깊이에 함수이며, 로그 팽창압과 변형률과 반비례 관계임을 가정하여 성립된다.
o변형률 곡선 
(
: shape factor)
o팽창성 관계 
따라서 위의 식을 정리하면 다음과 같다.
이는 Oedometer 시험 곡선과 동일한 거동으로 바닥부 히빙 
는 팽창성에 의한 팽창 변형률에 해당하며, 라이닝 저항력의 최댓값은 팽창압과 같다.
2.2 팽창성 암반에서의 지보
지보설계 팽창성 암반에서의 보강은 히빙을 제한하기 위한 인버트 아치, 앵커시스템을, 팽창압의 발생을 피하기 위한 오픈공간을 적용할 수 있다. 또한 인버트 아치에 가축성 지보를 사용하여 팽창과 팽창압을 허용하면서 조절하는 방법도 있다. 구조재의 크기를 결정하는 설계에는 충분한 지지력(bearing capacity)으로 팽창압에 의한 파괴를 방지하도록 하는 방법과 변형(히빙)을 허용범위 내로 유지하는 방법이 있다.
지보별 특성화 곡선 다양한 지보대책에 대한 라이닝과 암반의 상호작용이 특성화곡선으로 설명되었다(Lombardi, 1984). 인버트 아치의 경우(A) 아치의 강성으로 히빙이 제한되어 결과적으로 팽창압이 아치에 적용하게 된다. 이때 압력은 최대치인 Pa*에 이른다. 오픈공간을 설치하는 경우(B)는 변위를 완전 허용하므로 팽창압이 작용하지 않는다. 가축성 지보의 경우(C) 히빙을 허용하여 적정한 팽창압(
)이 필요하게 된다. 인버트 아치는 팽창압이 작은 경우에 적용할 수 있는 단순하고 경제적인 대책으로 두께는 40∼50cm이다. 오픈 공간은 최대 히빙이 작을 경우에만 적용하여야 한다. 팽창압이 큰 경우에는 인버트 아치의 가축성 지보가 가장 적정한 대책이 된다. 적용사례로서 Freudenstein 터널의 경우, 팽창압(6MPa)이 작용하는 구간에서 가축성 지보를 적용함으로써 라이닝 두께와 보강량을 줄임으로써 굴착단면적을 20% 이상 줄일 수 있음을 볼 수 있다.
3. 팽창성 암반에서의 Geo-Risk와 대책
3.1 팽창성 암반과 터널
팽창성 암반과 터널링 팽창성 암반에서 터널 굴착하게 되는 경우에는 팽창압에 의해 터널에 변형이 발생하거나 구조적 손상이 발생하게 된다. 이는 주로 터널 굴착방법, 라이닝의 강성 그리고 지반 특성에 따라 달라지게 된다. 일반적으로 팽창성 암반에서의 터널링은 바닥부에 히빙을 일으키거나 인버트에 압력으로 작용하게 되어 터널변상이나 인버트의 파괴를 유발하게 되는 경우가 많다. 저토피 또는 터널천단이 소성암반인 경우 대체적으로 변위가 위쪽 방향으로 발생하고 히빙을 일으킨다. 또한 운영 중에 팽창압에 의한 라이닝의 변상으로 보수나 보강이 필요한 경우도 있다. 특히 고속철도와 같은 경우는 작은 손상에도 심각한 문제를 일으킬 수 있으므로 보다 엄격한 기준이 요구된다.
히빙(heaving) 팽창압에 의해 터널 바닥부(invert)가 부풀러 오르는 현상으로서 인버트가 없거나 연성인 경우에 발생한다. 점차적인 팽창압의 작용으로 히빙은 수 mm/개월 속도로 나타나 굴착 당시에 제대로 파악하지 못하는 경우가 많다.
인버트 파괴(failure) 인버트가 강성인 경우 팽창압으로 인버트가 구조적으로 파괴되는 현상으로 누적된 팽창압으로 갑작스런 파괴를 유발하여 공용 중인 터널에 심각한 영향을 초래하며, 적절한 보강대책으로의 재시공이 요구된다.
라이닝 손상(damage) 팽창압으로 인하여 라이닝 구조물에 균열, 박락과 같은 구조적 손상이 발생하는 경우로 손상규모에 따라 보강방안을 수립하도록 하여야 한다.
보강 대책 초기에는 암반과 라이닝 사이에 가축성 재료를 넣거나 각부에 가축성 기초(yielding foundation)를 설치하는 방법이 고려되었다(Sch··achterle, 1926). 하지만 이 방법은 바닥에 히빙을 발생시켜 재굴착이 필요하였다. 팽창성 암반에서 터널설계는 발생하는 팽창압에 대해 저항할 수 있도록 지보(resisting support)를 설계하여야 한다. 이러한 경우 팽창성을 조절할 수 있도록 적절한 지보대책이 요구되는데, 충분한 내구력을 가져야 하고 변형을 어느 정도 허용하도록 하여야 하므로, 바닥부에 대한 앵커링(anchoring) 또는 가축성 지보(yielding support)를 설치하는 것이다.
가축성 지보 가축성 지보라는 보강개념이 Kovari(1988)에 제시되었다. 이것은 터널구조물에 작용하는 팽창압을 최소화시키고, 지하수를 조절할 수 있도록 한 것이다. 가축성 지보시스템 설계기준은 구조물의 변형과 라이닝에 작용하는 팽창압을 제한하기 위하여 변형과 팽창압 사이에 최적 평형상태를 구하는 것이다. 가축성 지보는 반경방향의 압력을 최소화하기 위해 두 개의 방법(foam과 slot)이 적용된다. 폼(foam)을 이용하여 인버트에 변형 가능한 존을 설치하는 것은 터널천단부에 지하수의 침투를 방지하기 위한 배수시스템과 결합되어 터널 라이닝의 보강과 두께를 줄일 수 있다. 이 방법은 이질암반의 팽창성에 대비하여 1970년대에 터널에 처음 적용되기 시작하였다. 또한 콘크리트나 강제 슬롯(slot)을 인터트 하단에 사용하는 가축성지보(modular yielding support) 방법은 팽창압이 상당히 커서 과다변형이 발생한 구간에 적용된다.
3.2 팽창성 암반 터널시공사례 - Pfander 터널
지질 및 터널개요 암반은 역암, 사암, 이암으로 구성된 이질암(molasse rock)으로 각 층이 수 mm부터 수 m 두께를 갖는 상호 호층구조를 보인다. 최대 토피고는 약 350m로 NATM 공법으로 시공되는 도로 터널이다.
팽창성 특성 터널시공 중에 인버트에서 히빙이 관찰되었는데, 주로 이암층에서 최대 300mm의 변형이 일어났다. 이는 이암에 포함된 팽창성 광물인 몬트모리노라이트(약 7%)로 인한 것으로 나타났다. 팽창 크기와 팽창압을 평가하기 위하여 이암시료에 대한 팽창압 실험을 통하여 최대 팽창압은 3.5 MN/m2, 최대 팽창률은 17.8%로 평가되었다.
보강 대책 팽창압의 크기에 따라 인버트에 영구앵커링과 보강인버트 아치를 설치하였다. 팽창성 크기를 결정하기 위하여 각 구간마다 10m 길이의 지중변위계를 설치하여 히빙을 계측하고, 암석시료에 대한 팽창압을 측정하였다. 특히 시공 중 이암구간에의 지하수의 유입에 유의하고, 굴착 즉시 숏크리트를 타설하고 보강인버트 아치(40cm)가 설치되었다. 이와 같은 보강대책으로 히빙은 제어되었으며, 인버트 아치 3m 이하에서는 팽창성이 구속됨을 확인할 수 있었다.
3.4 팽창성 암반 터널시공사례 - Chienberg Tunnel
지질 및 터널개요 2.3km 연장의 도로터널로서 1998년 공사를 시작하였으나 2002년부터 팽창성과 관련된 문제가 발생하여 보강공사를 진행하였다. 암반은 이암(clay stone)으로서 기질(matrix) 내에 맥상으로 다량의 경석고(anhydrite)를 포함하고 있는데 이는 팽창성이 매우 심한 광물로서 상당한 팽창압이 발생한다.
팽창성 특성 터널 굴착 중 상반의 바닥에서 3개월 동안 1.5m의 이상의 히빙이 발생하였다. 이는 이암 내 포함된 경석고의 팽창작용이 서서히 진행되면서 바닥부에 과다변형을 유발한 것으로 조사되었다. 또한 계측결과 팽창압으로 인해 대부분의 구간에서 터널단면도 변형된 것으로 나타났다.
보강 대책 다양한 검토를 통하여 팽창성 구간에 대한 보강대책으로 새로 개발된 가축성 요소를 가진 조립형 가축성지보를 적용하였다. 이를 위해서 터널 바닥부를 재굴착하고 평평하게 만든 후 측벽에서 가축성 요소(ø=90cm, H =100cm)를 설치한 후, 마이크로 파일형식의 록앵커(L=25m)를 시공한 후 가축성 앵커(ø=0.9m, 항복력 4.5~7.5MN)를 설치하여 팽창압을 조절할 수 있도록 하였다. 보강공사 이후 광범위하고 장기적으로 발생한 바닥부 히빙은 점차적으로 감소함을 확인하였다.
참고문헌
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
제9강을 마치면서
팽창성 암반(Swelling Rock Mass)은 이암이나 셰일 등과 같은 암반에서 팽창성 점토광물을 포함하고 있는 매우 특수한 암반으로 주로 이암질 퇴적지층에서 관찰되는 암반 타입이라 할 수 있다. 팽창성 암반의 거동은 팽창압의 크기뿐만 아니라 팽창 변위 특성에 따라 결정되므로 이를 정확하게 분석하는 것이 중요하다. 또한 팽창성 암반의 팽창특성은 굴착중에 단시간에 관찰되지 않고 굴착이후에 장기적인 거동을 나타내는 경우가 많으므로, 터널 및 암반사면 굴착시 이에 대한 거동 특성을 장기적으로 관찰하여 대책을 수립하여야만 한다. 따라서 이암과 셰일과 같은 지층에서 암반구조물을 설계 및 시공을 하는 경우에는 팽창성 광물에 대한 팽창성 시험을 반드시 실시하여 팽창압의 발생 유무와 그 정도를 파악하여 팽창성 암반에서 나타날 수 있는 팽창압에 의한 변형과 과다변위 발생 그리고 지보재 손상 등과 같은 지오리스크에 대한 충분한 공학적 검토가 수행되어야 한다.
이상으로 제9강이 마무리되었다. 보다 자세한 내용은 [응용지질 암반공학] 책을 참고하기 바란다. 팽창성 암반은 우리나라 지질에서 쉽게 관찰하기 어려운 암반이지만, 포항지역 등과 같은 미고결 이암층에서 팽창압과 지반이완으로 인한 장기적인 과다변위 발생으로 터널시공시의 문제(라이닝 두께 미확보 및 숏크리트 균열 등)가 발생하는 사례가 보고된 바 있다. 이러한 지질에서는 굴착이후 장기간 노출이나 공사 중단으로 인하여 굴착 중에는 문제가 없다가 이후에 문제가 발생하는 경우가 많으므로 상당한 주의가 필요한 암반이라고 할 수 있다. 팽창성 암반은 지질의 중요성을 잘 보여주는 암반으로 기본적으로 지질특성에 대한 정확한 이해를 바탕으로 해야만 공학적으로 문제를 해결할 수 있고 대책을 수립할 수 있음이다.
기억을 돌이켜보면 20년 전의 대구-포항 고속도로에서의 미고결층, 이암층, 셰일층에 대한 기술적 경험이 중요한 기술적 자산이 되어, 지금의 포항-영덕 고속도로 시공시 발생하는 여러 가지 문제와 리스크에 대한 대책을 고민함에 있어 많은 도움이 된다는 점이다. 우리업의 특성이 바로 다양한 경험을 통해서 배우고 또한 그러한 과정을 거쳐야만 전문엔지니어로 성장하고 발전할 수 있음이다.
지금 내가 관여하고 취급하는 현장과 고민하게 만들고 애를 먹이는 지질 및 지반에서의 경험이 바로 우리 지반기술자들의 소중한 기술적 자산임을 명확히 인식하고, 항상 내가 서 있는 지금의 현장으로부터 배우고 경험하고 또 공부하는 자세가 반드시 필요하다는 생각을 가져본다.
