한국지반공학회 (地盤 magazine)

해외 지반내진설계기준 및 액상화 가능성 평가

1. 서론

국내 지반내진설계 기술은 2000년대 초반을 기점으로 다양한 연구내용 및 실무성과 기반으로 빠른 속도로 발전해왔다. 국가 내진설계기준의 기반이 되었던 1997년 내진설계기준연구(II) 이후 국가 내진설계기준에 대한 개정작업 또한 지속적으로 진행되어, 2018년에는 시설별 공통으로 적용되는 상위개념의 내진설계기준인 “KDS 17 10 00 내진설계 일반” 이 제정되었고, 2017년 포항지진 이후로 중요성이 부각된 액상화에 대한 최신 연구내용을 반영하기 위한 개정작업이 최근(2022년)까지 진행되었다. 이러한 최신의 연구결과를 신속하게 반영하여 체계적인 절차를 확립하는 것은 지반기술자들이 지반내진설계를 수행함에 있어서 합리적인 판단과 최적화된 설계를 수행하는데 크게 도움을 줄 것으로 생각한다.

지반내진설계를 효과적으로 수행하기 위해서는 토질동역학 및 구조동역학을 기본으로한 동역학적 지식뿐만 아니라 내진설계기준에 대한 이해가 동시에 중요하다. 지반구조물의 내진설계를 위해서 지반기술자는 설계초기에 대상부지에 대한 지반조사와 시험 등으로 평가하는 부지특성평가 및 액상화 검토를 전담하여 수행한다. 이후 상세설계 과정에서는 지진하중에 대한 안정성 확보를 위한 지반보강 설계를 수행하는데, 이는 공사비와 직결되는 설계물량에 큰 영향을 미친다. 따라서, 지반기술자에 의한 지반내진설계는 프로젝트 진행과정에 있어서 매우 중요하고 신중한 판단이 필요한 부분이다. 국내에 비해 지진하중 규모가 큰 해외 프로젝트에서 지반내진설계를 수행할 때는 설계기준에 대한 개정이력을 상세히 파악하기 어렵기 때문에, 해당 국가의 내진설계기준을 이해하고 적용하는데 있어서 종종 어려움이 발생한다. 특히, 해외 프로젝트에 대한 준비는 단기간의 개략설계를 통해 경쟁력 있는 공사비를 산정해야 하기 때문에, 지반내진설계에 대한 상세검토가 어려운 경우가 많은데, 이럴 경우 해당 국가의 내진설계기준 및 현지 전문사로부터 입수하는 실무사례에 의존할 수밖에 없다. 따라서, 현지 내진설계기준을 신속히 입수하고, 정확한 이해를 통해 입찰설계 및 향후 공사중 발생할 수 있는 클레임 요소를 최소화하는 것이 매우 중요하다.

필자가 해외 프로젝트에 대한 기술검토를 수행하는 과정에서, 다양한 국가, 특히 강진지역 국가의 내진설계기준을 검토할 기회가 여러번 있었다. 해당 국가의 내진설계기준 및 로컬 또는 글로벌 설계사에서 작성한 설계내용을 검토하다 보면, 다양한 흥미로운 점들을 경험하게 되어 지반내진설계의 지식을 습득하는데 많은 도움이 되었다. 최근에는 비영어권의 자국언어로 작성된 기준서 또한, 각종 인터넷 번역기를 활용한 해석이 가능하여 해외 설계기준에 대한 접근성이 예전보다 훨씬 좋아진 환경이다. 본 고에서는 국내와 일본의 액상화 평가기준 및 필자가 업무 수행중 경험했던 해외 내진설계의 특징적인 몇 가지 사례를 간략히 소개하고자 한다. 각국의 내진설계기준은 검토 당시의 기준으로, 현재의 해당국가 최신 기준과는 차이가 있을 수 있음에 대해 미리 양해를 구한다.

2. 지반내진설계기준 및 액상화 평가

2.1 지진하중 및 액상화 평가절차

설계 지진하중(peak ground acceleration, PGA)은 각국의 내진설계기준에서 설정한 지진 구역계수(Z)를 이용하여 결정되거나, 프로젝트 부지에 대해 지진원, 전파경로, 부지효과의 불확실성을 고려하여 특정 기간내에 특정 크기를 초과하는 지진동이 부지에 발생할 확률을 결정하는 확률론적 지진재해분석(probabilistic seismic hazard analysis, PSHA)을 통하여 결정된다. 액상화 평가과정은 액상화 유발 지반의 가능성을 우선 판단하는 Susceptibility 단계, 기준안전율과의 비교평가를 통한 Triggering 단계, 시설물 액상화 피해를 평가하는 Consequence 단계의 총 3단계로 구분할 수 있다. 액상화 평가에 모든 영향인자를 고려하기 어렵기 때문에, 일반적으로 Triggering 단계의 응력기반 간편법을 이용하여 액상화 평가를 수행한다. 설계 지진하중에 대해 대상부지에서의 액상화 발생 가능성은 반복저항응력비(cyclic resistance ratio, CRR)와 지진하중으로 인한 반복전단응력비(cyclic stress ratio, CSR)의 관계에서 계산되는 안전율(FS=CRR/CSR)을 기준안전율과 비교하여 평가한다. 일반적으로는 표준관입시험(SPT)과 콘관입시험(CPT)에 의한 현장조사시험 결과를 통해 산정한 반복저항응력비로 액상화 가능성을 평가하지만, 국내와 일본의 액상화 평가절차에서는 부분적으로 반복삼축강도시험(cyclic triaxial test), 반복단순전단시험(cyclic direct simple shear test) 등과 같은 실내시험을 통한 상세법도 허용하고 있다. 액상화는 시설물 유형, 기초형식, 지반특성 등의 영향을 받기 때문에 발생유형이 복잡하다. 또한, 액상화가 발생하는 것으로 판정될 경우에는 액상화 대상층의 지반강도 유실 및 액상화층 상층부에서 발생하는 하향력이 지반설계 관련한 공사비에 큰 영향을 미치게 되므로, 액상화 판정시 내진설계기준에 대한 정확한 이해 및 신중한 적용이 중요하다.

국내 내진설계기준의 액상화 평가절차는 상위개념 내진설계기준인 KDS 17 10 00(2018)과 항만 및 어항설계기준·해설의 내진편인 KDS 64 17 00(2019) 및 구조물기초설계기준(2018)의 내진설계편, 기존 시설물(기초및지반) 내진성능 평가요령(2020) 등에 수록되어 있다. 일반적으로 액상화 간편법은 지반을 강체로 가정하고 심도에 따라 지표 최대가속도를 저감계수(r_d)로 감소시키는 방법을 이용하여 지진으로 인한 심도별 전단응력을 산정하나, 국내 기준에서는 구조물기초설계기준(2018)까지는 지반응답해석(ground response analysis, GRA)을 통해 심도별 지진가속도(a_depth)를 산정하는 것으로 반복전단응력비를 정의하였고, 2020년 기존 시설물(기초및지반) 내진성능평가요령 및 2018년 이후 신규로 개정작업이 진행되고 있는 KDS 17 10 00에서는 지진응답해석을 통해 산정한 심도별 최대전단응력((τ_max)_(d,GRA))을 이용하여 반복전단응력비를 계산하도록 하였다. 반면에, 항만 및 어항설계기준·해설인 KDS 64 17 00는 지표면 최대가속도(A_max)를 반복전단응력비 계산시에 적용하도록 제시하고 있어 상이한 결과를 도출할 수도 있다. 적용기준에 따라 반복전단응력 산정결과에 대한 일관성을 유지할 수 있도록, 각각의 시설물별 내진설계기준에도 동일한 반복전단응력비 산정법을 적용하도록 개정할 필요가 있다.

2.2 액상화 기준안전율

액상화 평가는 일반적으로 기준안전율 1.0을 사용하는 현장시험 기반의 간편법으로 수행되는데, Martin & Lew(1999)는 액상화로 발생하는 피해 양상과 흙의 상태에 따라서 기준안전율을 다르게 적용하도록 제안하였다(표 1). 한편, Eurocode 8에서는 반복저항응력비 산정을 위해 사용되는 추세선을 깨끗한 모래(clean sand)와 실트질 모래(silty sand)에 따라 다르게 제시하고 있고(그림 1), 기준안전율은 1.25을 적용한다. 또한, 액상화 평가시 규모보정계수(MSF)를 적용하였으며, 등가의 깨끗한 모래에 대한 보정을 적용하고 있다. 그리고, Taylor (2015)의 연구에서는 액상화 안전(낮은 발생 가능성)에 해당하는 기준안전율은 액상화 안전율 산정방법에 따라 액상화 발생 가능성이 다르게 평가되므로 안전율도 1.0~1.2로 상이하게 적용하도록 제안하고 있다. 국내의 경우에는, 이전에는 간편법 1.5, 상세법 1.0으로 기준안전율을 구분하여 적용하였다가, 현재는 기준안전율 1.0으로 적용하고 있다.

2.3 액상화 검토 대상층 및 반복연화

점토/실트층의 액상화 평가 대상층으로의 포함 여부와 액상화 발생심도(대상심도)는 액상화 대책공법의 설계물량 및 공사비와 직결되는 요소이므로, 지반내진설계시 중요하게 고려해야 하는 항목이다. 일반적인 액상화 평가는 20m 이내 심도에 존재하는 포화된 모래층을 검토대상으로 선정하며, Wang(1979)이 제안한 Modified Chinese Criteria(세립분 함유량, 액성한계, 함수비)를 적용하여 판단한다(그림 2). 그러나, 1999년 터키 및 대만지진 이후, 모래층뿐만 아니라 점토층에서의 지진동의 영향이 중요하게 부각되어, 지진동에 의한 세립토의 저항력 관련 연구가 수행되어 왔다. 최근 연구에서는 점성토 및 소성실트의 지진시 거동을 설명하기 위해서 반복연화(cyclic softening)라는 용어를 사용하며, 동하중에 의해 급격히 전단강도가 소실되는 예민점토의 경우에 이같은 현상이 우려될 수 있다고 보고하고 있다. 따라서, 대상지반이 점토질이라 하더라도, 지진동에 의해 강도를 유실할 가능성이 존재하는 경우에는 반복연화에 대한 고려가 필요하다. 점토질 토층에 대한 액상화 가능성을 소성도표상에서 분류하는 방법은 그림 3에 나타내었으며, Zone A(액상화 가능성 있음)와 Zone B(액상화 가능성 약간 있음)로 발생 가능성을 구분할 수 있다.

일반적으로 액상화 발생 사례에 근거하여 15m 이상의 깊은 심도에서는 높은 상재압력으로 인해서 액상화 가능성이 낮은 것으로 인식하고 있으나, 퇴적이력이 짧은(young) 충적층(alluvium)은 15m 이상의 심도에서도 액상화가 발생할 수 있다. 이 경우를 대심도 액상화(deep liquefaction)로 정의한다. 대부분의 액상화 관련 기준들은 15~24m를 실용적인 최대 액상화 발생 심도로 제시하고 있다. 1970-90년대 초반까지는 다수의 해외 기준서에서 액상화 검토대상 심도를 15m까지로 한정하여 제시하였으나, 지진으로 인한 피해사례가 증가한 1990년대 후반부터는 심도 20m를 일반적으로 설계에 적용하는 추세이다. 국내 기준은 액상화 발생 가능성이 있는 대상층은 20m로 제시하고 있다.

3. 해외 내진설계기준 및 액상화 평가법

이번 장에서는 동남아시아에서 적용하는 액상화 평가법의 근간인 일본 기준과, 5개 지역 6개 국가(북아프리카(알제리), 북아메리카(캐나다), 동남아시아(필리핀, 인도네시아), 남아시아(방글라데시), 중동(UAE)) 각국의 내진설계기준 및 액상화 검토 방법을 소개한다.

3.1 일본 도로교시방서·동해설(2017)

최근에는 미국의 내진설계기준이 국내 기준을 포함한 각국의 내진설계기준에 영향을 크게 미치고 있는데, 1997년 이전에는 일본의 내진설계기준의 주로 참고 되었다. 특히, 액상화 관련해서는 일본의 다양한 사례 및 연구결과가 현재에도 많은 내용이 인용되고 기준서에 반영되어 있다. 일본에서는 각 시설물별 내진설계기준에서의 각각의 액상화 판정기준을 적용하고 있으며, 주요 시설물별 기준서로는 건축기초구조설계지침(2019), 항만시설기술기준(2018), 도로교시방서·동해설(2017), 철도구조물설계표준(2012) 등이 있다. 2011년 후쿠시마 지진은 도호쿠 지방뿐만 아니라, 다양한 지역에서 광범위하게 액상화 발생이 확인되었는데, 액상화 발생사례 분석결과, 실제 액상화가 발생한 지점에서 기존의 액상화 판정법으로도 동일한 판정이 되는 것을 확인되었기 때문에, 기존의 액상화 판정법이 이후에도 크게 바뀌지는 않았다. 대상 토층에 대해 액상화 판정이 필요할 경우, 액상화에 대한 저항률(FL)을 구하고, 이 값이 1.0 이하인 토층에 대해서는 액상화가 발생한다고 판정하는 절차를 진행한다.

도로교시방서·동해설(2017)에서는 충적층에서, (1) 지하수위가 현 지반면에서 10m 이내에 있고, 지표면에서 20m 이내 깊이의 포화된 토층, (2) 세립분 함유율(FC)이 35% 이하의 토층 또는 FC가 35%를 초과하지만 소성지수(PI)가 15 이하인 토층, (3) 평균입경(D50)이 10mm 이하이고, 또한 유효입경(D10)이 1mm 이하인 토층, 앞의 3가지 조건을 모두 충족하는 경우에는 액상화 판정을 수행해야 한다고 제시하고 있다. 필요시 해당지점에서의 상세하고 최신의 지반조사·시험, 실내토질시험, 지반응답해석 등을 실시하여 액상화 판정을 수행할 수 있으며, 액상화로 인한 구조물 영향을 설계에 반영하기 위해서는, 표 3과 같이 토질정수 저감계수(DE)를 적용한다.

3.2 알제리 지진기준(2003, 2008) 및 액상화 조건

북아프리카 지중해 연안에 위치한 알제리는 국가내진설계기준인 RPA99-2003(R`egles Parasismiques Alg´eriennes, Algerian Seismic Rules)에서 지진구역(Z)을 구조물의 중요도(1A)에 따라 Z=0.15~0.40의 4개의 구역으로 구분하고 있으며, 북부 일부 구간은 0.4g에 해당하는 강진지역으로 구분된다. 액상화 평가절차는 RPA99-2003 및 도로교내진설계기준인 RPOA(R`egles Parasismiques Applicables au Domaine des Ouvrages d’Art)에 수록되어 있으며, 액상화 검토는 (1) 심도 20m 이내에 존재하는 깨끗한 모래와 실트질 모래, (2) 균등계수(C_u) 15 이하, 평균입경(D₅₀) 0.05~1.5mm를 대상으로 하고 있다. 액상화 가능성 평가는 현장시험인 SPT 및 CPT 시험을 수행하여 평가할 수 있고, 실내시험인 반복삼축시험을 불교란 시료에 대해 수행할 수 있다. Group 1Ams zone IIa, IIb, III 및 Group 1B는 Zone IIb, III에서 액상화 평가가 수행되어야 한다. CSR 대비 CRR 비로 안전율을 산정하고 기준안전율은 1.25 이상으로 한다. 기준서에서의 액상화 대상은 모래로 한정되어 있으나, 기준의 제정 연도가 각각 2003년과 2008년이다보니 최근의 반복연화에 대해서는 반영되어 있지 않다. 하지만, 최근 현지 실무에서는 발주처 담당자에 따라 점토/실트층에 대한 반복연화에 대한 검토를 요구하는 경우도 있으므로, 설계 검토시 주의가 필요하다.

3.3 캐나다 건축기준(2015) 및 대심도 액상화

캐나다 서부 British Columbia 지역에서의 시추조사 및 CPT 조사결과에 따르면, 프로젝트 지역은 점토(CL~ML)와 모래(SM)층이 약 40m 두께로 혼재하여 두껍게 분포하고 있다. 캐나다 건축기준인 NBCC(National Building Code of Canada) 2015에서 제시하고 있는 해당지역의 지진하중은 PGA=0.15g 내외로 큰 규모의 지진이 아님에도 불구하고, 지반조건으로 인해 대심도 액상화 가능성이 존재하는 것으로 기본설계시 평가되었다. 층서의 복잡성 및 현지사례를 반영하여 액상화 판정은 CPT 결과를 기준으로 하며(SPT는 참고용으로 비교), 모래층(sand like)과 점토층(clay like) 반복연화(cyclic softening)를 모두 액상화 현상으로 정의하는 북미지역의 연구 및 실무동향을 반영하여 세립토도 액상화 대상층에 포함하여 검토하였다(그림 7). Boulanger & Idriss(2014) 방법을 이용하여 FS=1.0 기준으로 액상화 발생심도를 산정한 결과, 구조물 구간에 따라 15~20m 심도까지 액상화 대책공법 적용이 필요한 것으로 검토되었고, 발주처 설계조건에 따라 액상화층 두께의 1/2에 해당하는 영역을 추가 개량폭으로 설정하여 지반개량공을 배치하였다.

3.4 강진지역 액상화 사례 및 필리핀 구조기준(2015)

환태평양 지진대에 위치한 필리핀은 대표적인 강진지역으로 알려져 있다. 특히 1990년 마닐라 인근에서 발생한 지진규모 7.8의 Luzon 지진은 20,000m²에 해당하는 광범위한 지역에 지진피해를 입혔으며, 특히 모래층의 액상화로 인해 건물의 부등침하, 액상화로 인한 교량붕괴 등의 피해사례가 보고되기도 했다(그림 8).

필리핀의 지진하중 기준은 구조기준(National Structural Code of the Philippines)에 수록되어 있다. 해당 기준의 내진설계 부분은 UBC97, IBC 2009, ASCE7-10을 근간으로 한 7차 개정판(2015년)이 최신이다(그림 9). 두 개의 지진구역계수(Z=0.2, 0.4)를 제시하고 있으며, 대부분의 지역은 Z=0.4(475년 재현주기)에 해당된다. 필리핀 코드에서는 지진규모에 따른 지진원 종류(seismic source type)과 지진원에서의 거리에 따른 Near-source factor(N_a, N_v)를 통해서 지진계수(C_a, C_v)를 산정하도록 하는 점이 특이점이다. 그리고, 설계응답스펙트럼 작성은 UBC97과 유사한데, Z=0.4 구역에서는 지반에 따른 지표증폭 특성이 크게 발생하지 않도록 설정한 것 또한 특징적이다(그림 10).

액상화 평가절차 및 판정기준은 NSCP 2015에는 포함되어 있지 않고, DPWH(Department of Public Works and Highways)에서 발간한 BSDS(Bridge Seismic Design Specification) Design Standard Guide Manual (2019)에 기술되어 있다. NSCP가 미국기준 기반으로 작성된 것과는 달리 교량설계기준은 JICA 펀딩으로 작성되어 일본 설계기준의 영향을 받은 것으로 판단된다. 액상화 기준안전율을 1.0을 사용하고, 액상화 발생여부에 따라 액상화 대상층에 대해서는 일본기준과 동일하게 DE=0~1로 적용하여 말뚝의 주면마찰력 계산에 반영한다.

액상화 평가는 (1) 지표면 이하 20m 이내의 포화된 토층이며, 지하수위가 지표면 하부 10m 보다 높은 경우, (2) 35% 이하의 세립분 함유량 또는 35% 이상의 세립분 함유시 소성지수(PI)가 15 보다 작은 경우, (3) 평균입경(D₅₀)이 10mm 미만이고 유효입경(D₁₀)이 1mm 미만일 경우에 해당하는 충적 사질층에 대해서 수행한다. 상세 절차 및 보정계수 적용은 일본 도로교시방서·동해설 구판(2012)의 내용과 동일하며, 세립분에 따른 N값의 보정영향 관련 내용을 제외하면 2017년 개정판과 동일한 절차이다.

3.5 강진지역 인도네시아의 내진설계기준(SNI 1726, SNI 2833)

환태평양 지진대의 자바 해구(Java Trench)에 인접한 인도네시아는 대표적인 강진지역중 하나이다. 2004년에는 수마트라섬 인근 해저에서 규모 9.1의 대지진으로 인한 대규모 쓰나미가 발생하기도 했다. 인도네시아는 자국 언어로 발간된 자체 내진설계기준인 SNI 1726 - Tata cara perencanaan ketahanan gempa untuk struktur bangunan gedung dan nongedung을 사용하고 있다. 2004년 대지진의 영향으로 2002년 이후 2012년에 내진설계기준이 대폭 개정되었고, FEMA P750 2009, IBC 2009, ASCE/SEI 7 10 기준에 근간을 두고 있어서, 현재의 미국 내진설계기준과 유사하다. 이후에 2019년 한차례 더 개정이 이루어졌다. 액상화 평가방법에 관한 상세절차는 교량내진설계 기준인 SNI 2833:2008 Standar perencanaan ketahanan gempa untuk jembatan에 수록되어 있었으나, 다음 개정본인 2016년에는 해당 내용은 누락되어 있다.

SNI2833: 2008의 4.6.4절 액상화 평가에서 설명하는 액상화 평가 절차는 평균입경(D₅₀)을 세립의 토질로 제한하는 것을 제외하고는 일본 도로교시방서에서 제시하는 방법과 동일하다. 액상화 가능성을 검토할 경우, 기반암 최대가속도(PGA)는 SNI 1726에서 제시하는 지진재해도(그림 12)를 통해 산정할 수 있고, 지반최대가속도(PGA_M)는 지반응답해석을 이용하여 산정하거나 지반증폭계수(F_PGA)를 이용하여 산정할 수 있다고 정의하고 있다. 일본기준에서 제시하고 있는 지지력 저감계수 DE(표 3 참조)도 적용할 수 있다고 설명하고 있다.

3.6 방글라데시 건축기준(2015) 및 실트층 액상화

방글라데시는 인도-호주판과 유라시아판의 교차점에 위치하고 있기 때문에, 지질구조적으로 지진 발생빈도가 높은 지역이다. 방글라데시 내진설계기준은 건축기준(Bangladesh National Building Code 2015)에 포함되어 있다. 4개 지진구역(Z=0.12~0.36)으로 구분하고 있으며(그림 13), 북동부의 지진가속도가 가장 큰 것으로 평가하고 있다. 액상화 평가내용은 BNBC 2015에서 기준 및 평가절차를 설명하고 있다. 특이한 점은 내진설계를 위한 기반암(SA지반, Vs>800m/s) 최대가속도(PGArock)는 구역계수(Z)의 2/3을 적용하여 산정하는 점과 SC지반(Vs=180~360m/s)이 SD지반(Vs<180m/s)에 비해 가속도 증폭은 감소하는 반면 주기특성을 변화시켜 적용한 점이다.

BNBC 2015에서는 실트층도 액상화 발생 가능 토층에 포함하고 있다. 실트와 모래가 교호하며 퇴적되어 명확한 지층구분이 불분명한 방글라데시 하상퇴적층의 특성상, 전 지층을 액상화 발생 대상층으로 판단하여 액상화 평가를 수행할 필요가 있다. BNBC 2015에서는 SPT N >30의 지층과 예민 점토를 제외한 점토는 액상화 검토대상 제외층으로 판정하고, 세립토(실트질 점토/점토질 실트) 중에서는 (1) 0.005mm 보다 세립토≤10%, (2) 액성한계(LL)≤36%, (3) 자연함수비 ≤ 0.9×LL, (4) 액성지수(LI)≤0.75인 경우에 액상화 가능성 검토대상으로 판정하며, 액상화 기준안전율은 1.0을 적용하고 있다. CRR 산정에는 SPT, 반복삼축시험, 지반응답해석을 이용할 수 있다고 언급은 있지만, 구체적인 절차는 생략하고 있다. CSR은 다음 식 (1)로 산정하도록 하고 있는데, τ_max를 τ_cyc = 0.65τ_max로 반영하지 않은 이유는 BNBC 2015에서 a_max = PGA_rock = 2/3 Z로 정의했기 때문인 것으로 생각된다.

여기서, τ_max = a_max r_d (γ_t)(z/g), r_d=1-0.015z

3.7 UAE 아부다비 건축기준(2013) 및 중동지역의 액상화 가능성

중동지역은 환태평양 지진대에서 벗어나 있어 지진리스크에 상대적으로 덜 노출되어 있는 편이며, 일부 지역은 우리나라와 유사 수준이거나 대체로 그 이하이다. 그러나, 부지위치에 따라 상부 느슨한 사질층에 대한 액상화 리스크가 존재하기도 하므로, 통상적으로 중동지역에서의 지반조사보고서에는 액상화 검토결과 또는 전문가 의견은 필수적으로 포함된다. UAE 아부다비는 자체 건축기준인 ADIBC 2013에서 지진하중에 대해 정의하고 있으며, 액상화 평가절차는 최근 개정된 아부다비 지반조사 및 지반설계 매뉴얼(2021)에 소개되어 있다. Youd 등 (2001)과 Idriss & Boulanger(2008)의 방법으로 액상화 평가를 할 것을 제안하고 있으며, 기준안전율은 1.25를 사용할 것을 권고하고 있다. 안전율 평가를 위한 현장시험법으로는 SPT와 CPT가 가능하다고 제시하고 있으나, 두 가지 시험법중 CPT를 권고하는 것이 특징적이다. 그리고, (1) 점토함량이 20% 이상이고 소성지수(PI)가 10 보다 큰 모래층, (2) 실트함량이 35%보다 크고, N₁₍₆₀₎이 20보다 큰 모래층, (3) N₁₍₆₀₎이 30보다 큰 깨끗한 모래(clean sand)에서는 액상화 평가가 생략 가능한 것으로 제시하고 있다.

4. 액상화 대책공법 적용

지진하중에 대해 액상화 가능성 있음으로 판정될 경우에는, 말뚝기초에 하향력을 반영하거나 액상화 대책공법을 설계에 반영해야 한다. 현지의 지반조건, 개량심도, 시공성, 장비 및 재료조달, 공사비 등을 고려하여 대책공법을 선정하며, 지반개량공법에 대해서는 그림 15와 같은 선정 가이드라인을 참고할 수 있다. 액상화 대책공법으로 적용할 수 있는 다양한 공법이 있겠으나, 본 장에서는 앞에서 소개한 해외사례에서 설계 및 시공시 고려했던 스톤컬럼(stone column 또는 vibro replacement) 공법에 대해서 간단히 설명한다.

4.1 스톤컬럼 개요

스톤컬럼은 쇄석이나 자갈 기둥이 연직배수재 역할을 하여 지진하중으로 인해 발생한 과잉간극수압을 신속하게 소산시키도록 배치하는 공법이다. 개량심도 및 시공중 공벽유지 가능여부 등을 고려하여, 그림 16에 나타낸 바와 같이 Top feed 방식 및 Bottom feed 방식의 적합한 시공장비를 채택하여 적용할 필요가 있다. 국내에서는 하부에 vibrator를 장착한 스톤컬럼보다는 상부 바이브로해머를 이용하여 진동을 가하는 쇄석다짐말뚝(gravel compaction pile, GCP)을 주로 사용하고 있다. 액상화 대책공법으로의 검토를 위한 스톤컬럼 설계법으로는 발생 간극수압 소산을 고려하는 Seed & Booker(1977) 방법과 개량율에 따라 반복전단응력비를 저감시키는 Priebe(1995) 방법을 적용할 수 있다.

4.2 간극수압 소산 설계법(Seed & Booker 1977)

스톤컬럼은 지반내 설치한 배수경로로 인해 수평방향 배수경로를 단축시켜 배수효과 증진을 통해 지진시 지반내 간극수압 상승을 경감시킬 수 있다. 설계목표인 과잉간극수압비(u-/σ'vo)max를 만족하기 위한 제원을 설계를 활용할 수 있다. 예를 들어, 목표 과잉간극수압비를 만족하기 위해 산정된 시간계수(Tl)와 웰저항계수(R)를 이용해서 그림 17의 설계도표를 통해 pile radius ratio(a/b) 를 산정하고, 이를 통해 스톤컬럼 설치 간격을 결정할 수 있다.

4.3 Priebe 방법(Priebe 1995)

일반적으로 스톤컬럼 설계에는 Priebe 방법(Priebe 1995)이 주로 사용된다. 스톤컬럼 설계는 StoneC나 DC-Vibro와 같은 Priebe 방법을 기반으로 하고 있는 독일 Software가 실무에서 자주 이용되고 있다. 액상화 방지를 위한 스톤컬럼 설계에서는 지반개량으로 인해 반복전단응력비를 감소시켜 반영할 수 있다. 감소계수(reduction factor for cyclic stress ratio) α는 식 (2)와 같이 정의될 수 있으며, 그림 18과 같이 개량율에 따른 감소계수를 나타낼 수 있다. 해당 도표를 이용하여 액상화 방지가 가능한 개량율을 결정하여 액상화 대책공법 설계에 반영할 수 있다.

여기서, p = 기초 작용응력, p_s = 토층 분담응력, n = 개량계수(improvement factor)

5. 결언

지반내진설계 분야는 최근 빈도가 증가하고 있는 지진현상에 대한 최신 연구내용이 실무에 빠르게 반영되므로, 지반공학 분야중 매우 변화가 많은 도전적인 분야이다. 따라서, 지반기술자들은 항상 최신의 연구내용에 대해 관심을 가지고 지속적으로 학습하여 지반내진설계를 합리적으로 수행해야 한다. 국내외 지반내진설계를 수행함에 있어 필자가 생각하는 몇 가지 사항들을 정리하면 다음과 같다.

(1) 최근 개정된 국내기준은 지반응답해석에서 산정한 최대전단응력(τ_max)을 반복전단응력비 산정에 이용하도록 하고 있으므로, 지반응답해석 입력치에 대한 표준화(?)가 필요하다. 참고로 “상호검증시험을 통한 지반응답해석”(한국지반공학회 2010)에서 제시하고 있는 국내지반에 대한 지반응답해석 입력치 관련 적용사례들은 지반응답해석을 수행하는 실무자에게 좋은 가이드라인이 될 것으로 생각된다.

(2) KDS 17 10 00 개정본에서는 반복전단응력으로 인한 지반의 동적변형이 크게 발생하는 반복연화를 고려하기 위해, 액상화 검토 대상층이 확대될 예정이다. SPT로는 점토층의 거동특성을 평가하기에는 한계가 있으므로, 반복연화를 포함한 액상화 평가를 효과적으로 수행하기 위해서는, 국내에서도 CPT 기반의 액상화 평가의 실무 적용이 지속적으로 확대되어야 한다.

(3) 각 시설물별 코드에서 액상화 관련 내용은 상위 코드인 KDS 17 10 00을 인용하고 있다. 그러나, 항만설계기준을 개편한 KDS 64 17 00의 경우에는 상위 코드와 차이가 있는 별도의 액상화 평가절차(LPI 연동 간편/상세법)가 포함되어 있다. 해당기준은 항만시설물에 대해서만 사용이 한정되어야 하지만, 간혹 기타시설물의 액상화 평가시에 혼용되는 경우도 있다. 두 가지 다른 평가절차로 인한 상이한 결론도출을 방지하기 위해서, 액상화 평가방법의 일원화 또는 각각의 사용용도를 명확화 하여 실무자의 혼란을 방지할 필요가 있다.

(4) 액상화 간편법은 여러 연구자별 제안 방법이 있고, 각각의 제안법에 해당하는 보정방법 및 기준안전율을 적용할 필요가 있다. KDS 17 10 00 개정본에서는 CRR, CSR 산정방법에 대한 자세한 절차와 기준안전율(FS=1.0)을 명시하고 있기 때문에, 지반실무자가 어려움 없이 액상화 평가절차를 진행할 수 있다. 그러나, 해외 프로젝트에서는 각종 파라메터의 적정성을 직접 판단하고 결정해야 할 경우가 많은데, 그 경우에는 일관성 있는 연구내용의 인용 또는 현지의 기준 및 사례를 기반으로 적합한 액상화 평가를 수행할 필요가 있다.

(5) 해외 프로젝트에서 액상화 대책공법은 현지에서 주로 사용하는 설계툴과 설계방법을 우선적으로 적용해야 하고, 지반조건, 시공장비 및 재료조달 등의 현지 시공성을 고려한 공법을 선정해야 한다. 당연한 이야기이지만, 그만큼 해외 프로젝트의 지반내진설계는 현지특성의 영향을 크게 받기 때문에, 해당사항에 대한 사전파악은 매우 중요한 요소이다.

참고문헌

1. 한국지반공학회 (2010), 상호검증시험(Round Robin Test)을 통한 지진 지반응답해석 이해, 216p.

2. Boulanger, R.W. and Idriss, I.M. (2007), “Evaluation of cyclic softening in silts and clays”, J. Geotech. Geoenviron. Eng. 133(6), 641-652.

3. Boulanger, R.W. and Idriss, I.M. (2014), CPT and SPT based liquefaction triggering procedures, Rep. No. UCD/CGM-14/01, Univ. of California, Davis, CA.

4. Chen, C.J. and Juang, C.H. (2000), “Calibration of SPT- and CPT-based liquefaction evaluation methods”, Proc. of Sessions of Geo-Denver 2000, Denver, Colo., pp. 49-64.

5. Idriss, I.M. and Boulanger, R.W. (2008), “Soil Liquefaction During Earthquakes”, monograph series, No. MNO-12, Earthquake Engineering Research Institute.

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8. Priebe, H.J. (1995), “The design of vibro replacement”, Grounding Engineering, 28(10), 31-37.

9. Robertson P.K. and Wride C.E. (1998), “Evaluating cyclic liquefaction potential using the cone penetration test”, Canadian Geotech. J., 35(3), 442-459.

10. Seed, H.B. and Booker, J.R. (1977), “Stabilization of potentially liquefiable sand deposits using gravel drains”, J. Geotech. Eng. Div., 103(GT7), 757-768.

11. Seed, R.B., et al. (2003), “Recent Advances in Soil Liquefaction Engineering: A Unified and Consistent Framework”, 26th Annual ASCE Los Angeles Geotechnical Spring Seminar, Keynote Presentation, H.M.S. Queen Mary, Long Beach, California, April 30, 2003.

12. Taylor, M.L. (2015), The geotechnical characterisation of Christchurch sands for advanced soil modelling, PhD Thesis, University of Canterbury.

13. Wang, W.S. (1979), “Some findings in soil liquefaction”, Water Conservancy and Hydroelectric Power Scientific Research Institute, Beijing, China.

14. Youd, T.L., et al. (2001), “Liquefaction resistance of soils: Summary report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF workshops on evaluation of liquefaction resistance of soils”, J. Geotech. Geoenviron. Eng. 127(10), 817-833.

*본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다.

[터널 막장관찰 지질조사 가이드]

터널 페이스 매핑 이란? Geo-Face Mapping in Tunnelling

■ 들어가는 말

NATM 공법을 적용한 터널공사는 굴착(excavation)과 지보(support)를 반복적으로 수행하면서 일정한 방향으로 단계적으로 굴진(advance)을 수행하게 된다. 이때 매 굴진시 만나게 되는 면을 막장, 막장면 또는 굴진면(rock face)이라고 한다. 그림 1에서 보는 바와 같이 터널 굴진시 만나는 막장면 상태를 확인하고 관찰하고 평가하는 작업을 막장 관찰(Face Mapping)이라고 하며, 막장면(굴진면)관찰, 막장 관찰조사, 막장 지질조사 등으로 불린다.

본 고에서는 일반적으로 불리는 막장관찰(페이스 매핑)을 응용지질 및 암반공학 측면을 고려하여 지오 페이스 매핑(Geo-Face Mapping)이라고 명명하였다. 지오 페이스 매핑은 모든 암반굴착과정에서 노출되는 굴착면에 대한 지질 상태 및 암반 특성을 관찰하고 조사하는 모든 과정(process)와 평가(evaluation)로 정의하고, 이에 대한 구체적인 수행 방법과 절차 그리고 기술적 사항과 공학적 의미에 대하여 기술하고자 한다.

1. NATM 터널의 특성

1.1 NATM 터널공사의 특징

일반적으로 터널은 긴 선형의 종방향 구조물로서, 종방향으로 다양한 지질 및 암반조건을 조우할 수 있는 가능성이 매우 크다. 따라서 터널 시공중에 설계단계에서 예측 평가한 지질 및 암반조건을 확인하는 과정이 필수적이라 할 수 있다. 이를 터널 막장면에서 수행되는 페이스 매핑(face mapping)을 포함한 암반 분류(rock mass classification) 결과를 바탕으로 한 암판정이라고 한다.

따라서 시공중 수행되는 페이스 매핑과 암반분류는 지질 및 암반에 적합한 지보를 시공하고 필요한 경우 추가적으로 보조/보강공법의 적용여부를 결정하는 기본적인 과정으로서 터널의 안정성을 확보하도록 하는 필수적인 프로세스이다. 또한 시공된 지보 및 보강에 의한 터널의 안정성을 확인하는 작업이 반드시 요구되며, 이를 계측 모니터링이라고 한다. NATM 터널에서 이러한 시공방법을 관찰적 접근법(observational approach or method)이라고 하고 설계중 제한된 지반조사의 한계에 의한 지반 불확실성(uncertainty)을 시공 중에 확인하여 적정한 시공을 수행하고 계측을 통하여 이를 검증하는 방법으로 대부분의 지반구조물 및 지하구조물에서 가장 유효한 방법으로 검증되어 왔다.

[그림 2]에는 터널 굴착에 대한 일반적인 개념을 도시한 것이다. 지질 및 암반상태에 따라 전단면(full face) 또는 분할단면(partial face)으로 단계적으로 굴착하게 되는데, 이때 최전방에서 만나게 되는 면을 터널 막장면(tunnel face)이라고 부르며, 터널 굴착방향으로의 지질 및 암반상태를 눈으로 직접 확인할 수 있게 된다.

1.2 NATM 터널의 설계개념 - 예비설계와 확정설계

NATM 터널공사에서 지오 페이스 매핑의 중요성 인식하기 위해서는 NATM 터널의 설계개념을 이해하는 것이 매우 중요하다. 앞서 설명 드린바와 같이 터널의 종방향의 긴 선형구조물로서 종방향의 지질 및 암반특성을 파악하는 것이 현실적으로 한계가 있다. 이는 지반조사를 완벽하게 수행해야만 가능한 것이지만, 지반조사방법, 조사시간 및 조사비용 등의 한계로 인한 것으로 이를 해결하기 위한 다양한 기술적 방법에 대한 연구가 진행되고 있다.

[그림 3]에는 NATM 터널의 설계개념을 정리하여 나타내었다. 설계단계에서 확정설계를 하기 위해서는 완벽한 지반조사가 수행되어야 하지만 터널과 같은 지하구조물에서는 전 구간에 대한 지질 및 지반상태를 안다는 것은 불가능하다, 따라서 한정된 지반조사결과(암반등급)를 바탕으로 표준지보패턴 개념의 예비설계(preliminary design)를 수행하고, 시공중에 확인된 지질 및 암반상태를 바탕으로 적정 지보를 변경하여 확정설계(final design for construction)를 수행하여 최종적으로 지보 및 보강공을 시공하는 것이다.

이와 같이 NATM 터널의 설계개념은 설계단계에서의 예비설계와 시공단계에서의 확정설계로 구분되고, 설계단계에서 예비설계의 내용을 터널 현장에서 확인된 지질 및 암반 상태를 바탕으로 시공단계에서 설계변경(change of field)이 가능하다는 점이다. 이는 설계단계에서의 지반 불확실성에 의한 지오리스크(geo-Risk)를 시공단계에서 확인된 지질 및 암반상태로부터 지반리스크를 줄여, 보다 안전한 터널시공을 달성하고자 하는 것이다.

1.3 설계단계에서의 1차 암반분류(지반조사)와 예비설계

NATM 터널 설계단계에서 우선적으로 하는 것은 암반분류(국내의 경우 RMR 및 Q-System 적용)에 의한 암반등급에 따른 표준지보패턴과 단층대, 갱구부와 같은 특수한 경우를 대비한 예비지보패턴을 고려하여 설계를 수행하게 된다. [그림 4]에는 표준지보패턴의 예가 나타나 있으며, 암반상태가 나쁠수록 지보량이 증가하고, 분할굴착을 적용되며, 보조공법 등이 적용되어 터널 안정성을 확보하도록 하고 있다.

또한 물리탐사 및 시추조사 등과 같은 지반조사결과를 바탕으로 [그림 5]에서 보는 바와 같이 터널 전 구간에 걸쳐 암반등급을 구분하고, 표준지보패턴 적용구간을 선정하여 터널 설계를 수행하게 된다. 이와 같이 설계단계에서 1차적으로 암반분류를 실시하고, 이에 따라 터널 전 전간에 대한 굴착 및 지보설계를 수행하게 되는데 이를 예비설계 또는 잠정설계라고 한다.

1.4 시공단계에서의 2차 암반분류(암판정)와 확정설계

시공단계에서 암판정은 터널 막장면 관찰을 통하여 막장면의 상태가 설계시에 조사된 지반조건과 일치하는 지를 확인하고 막장 전방의 지질변화를 고려하여 지보 패턴의 적정성 및 변경 여부를 판단하여 터널의 안정성 확보를 위한 조치사항을 제시하는 것을 말한다. [그림 6]에서 보는 비와 같이 이러한 과정은 설계를 확정하고 시공한다는 의미에서 확정설계(final design for construction)라고 한다. 또한 [그림 7]에 나타난 바와 같이 시공단계에서 수행되는 페이스 매핑은 2차 암반분류로 암판정 절차를 통해 설계변경을 진행하게 된다.

2. 터널 페이스 매핑과 암판정

2.1 페이스 매핑과 암반분류

페이스 매핑은 터널 막장의 지질 및 암반상태를 파악하고 그에 따른 적절한 지보패턴을 확정하는 중요한 과정으로, 시공중 지질 및 암반상태를 정확하고 적절하게 평가하는 것은 터널공사의 시공성 뿐만 아니라 안정성에도 큰 영향을 미친다.

페이스 매핑은 단순한 막장면의 지질 및 암반상태를 기록하는 작업일 뿐만 아니라(협의의 페이스 매핑) 설계단계에서 제시한 암반분류방법에 의한 암반등급을 분류하고 평가하는 것(광의의 페이스 매핑)을 포함한다.

암반분류는 암반을 공학적으로 평가하기 위하여 몇 가지 분류요소로 구분하고, 각각의 분류요소를 정량적으로 평가(rating)하여 그 각각의 합 또는 곱으로 만들어지는 값을 바탕으로 암반을 몇 가지로 구분(ranking)하여 암반등급(rock mass class)을 평가하는 과정을 말한다. 암반분류방법은 대표적으로 RMR(Rock Mass Rating)과 Q-System(Rock Quality)이 있으며 국내에서는 [그림 8]에서 보는 비와 같이 RMR 분류방법이 주로 쓰이고 있다.

2.2 암판정 절차와 현장 설계변경

암판정은 시공단계에서 막장의 지질 및 암반상태를 확인하는 절차로서 터널 지보패턴의 변경여부를 결정하는 중요한 의사결정과정이다. 따라서 암판정은 가능한 주관적인 요소를 최소화하고 객관적으로 그리고 공학적으로 수행되어야 하며, 이를 위하여 각 발주처별로 터널 시방서 등에 암판정 요령과 절차 등을 상세히 제시하고 있다.

암판정은 그 결과에 따라 지보패턴 및 보강여부를 결정하게 되고, 이에 따라 공사비의 증가 또는 감소 등에 상당한 영향을 미치게 되므로 발주자 및 시공자 그리고 감리자가 참여하도록 하여 합리적인 암판정 결과에 근거한 현장설계변경(field change of design)이 진행되도록 해야 한다. 하지만 반복적인 굴착 사이클이 진행되는 터널공사의 특성상 즉각적인 의사결정이 요구되는 경우가 많으므로 이에 대한 관리와 운영이 중요하다 할 수 있다.

3. 왜 지오 페이스 매핑이 중요한가?

■ 지보 및 보강 결정

지오 페이스 패팅은 터널 시공중 막장면의 지질 및 암반상태를 평가하여 가장 적합한 굴착 및 지보패턴을 결정하고 필요시 보강여부를 결정하는 중요한 프로세스이다. 이는 설계지보패턴을 시공지보패턴으로 변경하는 공학적 의사결정과정이다.

■ 지오 리스크(Geo-Risk)의 확인

지오 페이스 매핑은 터널 시공중 막장면의 지질 및 암반상태를 관찰하여 파쇄대, 단층대 및 연약대 등과 같은 지오 리스크를 확인하는 필수적인 프로세스이다. 이는 확인된(identified) 지오리스크에 대한 리스크 컨트롤 대책을 수립하는 리스크 관리과정이다.

■ 전방 막장상태 예측

지오 페이스 매핑은 터널 시공중 막장면의 지질 및 암반상태를 관찰하여 다음 막장에서의 지질 및 암반상태를 예측하고 핵심적인 프로세스이다. 이는 매 막장면의 관찰조사결과로부터 이를 연속적으로 연결하고 앞으로 굴착하게 될 막장 전방에 대한 지질 및 암반 상태의 변화를 예측하고 평가하는 터널 전방지질에 대한 예측과정이다.

■ 터널 전체적인 지질특성 파악

지오 페이스 매핑은 터널 시공중 막장면의 지질 및 암반상태를 관찰하여 터널 주변 및 터널 전체구간에 대한 지질 및 암반상태를 파악하고 확인하는 체계적인 프로세스이다. 이는 매 막장면의 관찰조사결과를 일관성 있게 연장하고 터널 종방향으로의 지질 및 암반 상태의 특성을 평가하는 터널구간에 대한 전체적인 지질에 대한 확인과정이다.

4. 터널 페이스 매핑의 Key Word

4.1 지질 및 암반에 대한 이해

지오 페이스 매핑은 대상 암반에 대한 지질적 특성과 공학적 특성을 파악하는 절차라 할 수 있다. 따라서 지오 페이스 매핑에서 가장 중요한 것은 지질 및 암반에 대한 기본적인 지식과 경험을 가져야 한다는 것이다. 특히 토목을 기반으로 한 터널기술자들에게 있어 가장 필요한 부분이며, 반드시 갖추어야 할 항목이다.

지질에 대한 이해는 암석의 종류의 특성 그리고 이들의 형성과정과 구조를 파악하는 것이다. 대상 암반이 어떤 종류의 암석인지, 현장에 어떤 지질구조(단층 등)가 있는지 등을 파악하는 것으로 지질조사보고서 또는 지반조사보고서 등을 참고하도록 한다.

암반은 암석(rock)과 불연속면(discontinuity or joint)의 집합체로서, 토목공사의 대상은 암석이 아니라 암반이라는 점을 이해하여야 한다. 암반의 거동은 암석 특성뿐만 아니라 불연속면의 특성에 좌우되므로 암반내 불연속면의 특성(간격 등)을 잘 파악하여야 한다.

4.2 암반 불연속면에 대한 기하학적 이해

암반내에는 지질특성에 따라 형성되는 수많은 불연속면이 존재한다. 대표적으로 암반성인에 의한 절리(joint), 층리(bedding), 편리(schistosity) 등과 지질구조에 의한 단층(fault), 부정합(unconformity) 등이 있다. 터널기술자들은 암반내에 갈라진 분리면으로 이해하면 된다.

암반 불연속면에 대한 분석에서 가장 중요한 것은 방향(orientation)과 절리군(joint set)을 파악하는 것이다. 불연속면은 일정한 방향성과 규칙성을 가지는 경우가 많으므로 평사투영해석(stereo projection)을 통하여 3차원적 형상을 2차원 평면내에 표현하여 처리하는 방법을 이용한다. 이는 불연속면의 주향(방향)과 경사를 점(pole) 등으로 표현하는 것으로 터널(천정, 벽, 막장)과의 기하학적 관계를 파악하는 가장 중요한 해석방법이다.

또한 암반 불연속면의 절리군의 개수와 방향성에 의해서 암반블록(block)을 형성하게 되는데, 터널 막장면과 천정에서의 암반블록의 형성은 터널의 안정성(낙반)과 관계되는 중요한 요소이므로 불연속면 방향과 터널 막장면과의 기하학적 특성을 파악하여야 한다.

4.3 암반분류의 공학적 의미 파악

암반분류(rock mass classification)은 암반 특성을 양호한 암반과 불량한 암반 등으로 구분하는 것으로 암석의 특성(강도)과 암반내 존재하는 불연속면의 특성(간격 등)으로부터 분류요소를 선정하여 이를 점수화(rating)하여 암반을 평가한다. 암반분류는 평가요소의 가충치에 대한 합과 곱으로 암반을 몇 개의 그룹으로 분류, 암반을 등급화(Rock class)하는 것으로 현재 RMR 분류법과 Q-System 분류법이 가장 많이 쓰이고 있다.

RMR(Rock Mass Rating) 분류법은 5가지 평가항목(암석강도, RQD, 절리간격, 절리상태, 지하수)에 따라 암반을 매우양호, 양호, 보통, 불량, 매우 불량의 5등급으로 구분하는 것으로 각각의 평가요소의 평점의 합을 계산하여 비교적 쉽게 RMR 값을 구할 수 있다.

Q-System(Rock Mass Quality) 분류법은 6가지 평가항목(RQD, 절리군의 수, 절리 거칠기, 절리 변질정도, 지하수, 응력조건)에 따라 암반을 A, B, C, D, E, F, G의 7등급으로 구분하는 것으로 암반등급에 따라 정량적인 지보 챠트를 제공하고 있다.

4.4 지질 리스크의 변화 파악

지질 리스크(geo-risk)란 지질 및 암반에 의해 발생 가능한 위험요소(hazard)를 의미한다. 터널공사의 지질 리스크는 대상 지질 및 암반특성에 따라 다양하게 발생할 수 있으므로, 공사구간의 지질 및 암반특성을 우선적으로 파악하는 것이 중요하다.

터널공사중 발생가능한 대표적인 지질 리스크는 단층대(fault zone), 파쇄대(fractured zone), 연약대(weakness zone) 등이 있다. 일반적으로 시추조사 및 물리탐사결과로부터 이를 사전에 파악하는 것은 한계가 있으므로, 시공중 확인되는 터널막장에 대한 지질조사로부터 지질 리스크를 확인하는 과정이 반드시 요구된다.

또한 지오 리스크에는 지형적 요인으로 갱구부, 계곡부, 저토피 구간, 공학적 요인으로 암질불량, 파쇄대, 용수/출수, 과지압 등이 있으며, 지질적 요인으로 석회암 공동, 미고결층, 심한 풍화층, 암질변화구간, 암종 경계부 등이 있다. 지질 리스크는 지반 불확실성(uncertainty)로 인하여 예상하지 못하는 경우가 많으므로 시공중에 이를 파악하는 것이 중요하다.

5. 터널 페이스 매핑을 잘하는 법

5.1 정확한 매핑 - 보이는 면을 그리고 기록하자

지하토목공사에서 페이스 매핑이란 보이는 또는 노출된 암반면(rock face)을 보이는 데로 그리고 기록하는 것(mapping)을 말한다. NATM 공법을 적용하는 터널공사에서는 일정한 길이를 한 번에 굴착하고 지보를 설치하는 과정을 반복하게 되는데, 이때 노출되는 굴착방향의 굴착면을 막장면 또는 막장(tunnel face)이라고 하며, 페이스 매핑은 막장면에서 관찰되는 지질상태, 암반특성, 절리특성 및 지하수 상태 등을 기록하고, 관찰된 자료를 바탕으로 암반분류 및 암반평가 등과 같은 공학적인 평가 작업을 수행하게 된다.

페이스 매핑을 잘하기 위해서는 야장(필드노트)에 막장면을 정확히 있는 그대로 그리고, 확인된 지질 및 암반 특성을 기술하게 된다. 또한 절리 간격(joint space) 및 방향(joint orientation/주향과 경사) 등을 측정하여 기록하게 된다. 하지만 커다란 막장면을 작은 야장에 축소하여 그리는 것은 쉽지 않기 때문에 사진 등을 찍어 그 위에 그리는 것도 하나의 방법이다. 또한 반드시 사진 또는 동영상을 찍어서 객관적인 기록을 남기도록 하여야 한다. 페이스 매핑은 가장 기본적인 작업이지만, 경험과 숙련도에 따라 편차가 가장 큰 작업이기도 하다.

5.2 취약한 경사방향 - 불연속면(절리)의 불리한 방향을 파악하자

암반 불연속면은 일정한 간격과 방향성을 보이는 그룹을 형성하는데 이를 절리군(joint set)이라고 한다. 절리군의 개수에 따라 블록성(blocky) 암반과 층상(stratified) 암반으로 구분되며 지질 성인에 따라 달라지게 된다. 예를 들어 퇴적암에서의 층리구조나 편암에서의 편리/엽리 구조는 전형적인 층상암반이다.

이와 같이 블록성 암반 또는 층상암반에서의 가장 중요한 요인은 터널 굴착방향과 만나게 되는 절리의 방향성이다. 그림에서 보는 바와 같이 막장면에 불리한 방향은 막장면 방향으로 형성되는 절리방향으로 이를 불리 경사(against dip)이라고 한다. 이는 상대적으로 막장면으로의 슬라이딩이 발생하기 쉽기 때문에 굴착시 주의해야만 한다. 대부분의 터널막장 사고는 절리의 against dip으로 인한 것이다.

터널굴착시 굴착방향과 절리방향과 경사의 상대적인 기하학적 관계를 파악하는 것이 중요하다. 굳이 평사투영해석과 같은 방법을 수행하지 않아도 막장면에서 보이는 절리의 경사가 불리한 방향인지(unfavorable or against dip) 아니면 양호한 방향인지(favorable or with dip)를 판단하는 것이 가능하다. RMR 암반분류에서는 터널의 안정성에 절리의 방향이 미치는 영향이 크게 때문에 절리군의 주향과 경사에 따라서 일정한 값을 보정(adjustment)하도록 제시하고 있지만 실무적으로는 잘 활용되지 않는다.

5.3 암적인 존재 - 단층파쇄대를 식별하자

단층(fault)은 습곡, 융기, 침강 등의 지각변동에 의해 심하게 움직여 암반중에 내부응력에 의한 파단면이 형성되어 생기는, 상대적인 변위(shear displacement)가 발생한 끊어진 면을 으로서 단층대(fault zone)을 형성하는 경우가 많다. 파쇄대(fractured zone)는 단층, 절리 등의 불연속면이 발달한 곳에서 단층면을 따라 물리적, 화학적, 풍화작용으로 암석이 파쇄되어 지하수로 풍화된 일정한 크기의 대(zone)를 형성한 것으로 주변암반에 비하여 강도가 현저히 떨어지는 구간을 말한다. 따라서 단층파쇄대는 단층으로 인해 형성된 파쇄대로서 단층암(faulted rock)과 단층가우지(fault gouge)를 포함하고 있다.

터널공사에서 가장 위험한 리스크는 단층파쇄대라고 할 수 있다. 단층파쇄대는 상대적으로 매우 연약한 파쇄대이며, 터널굴착에 따라 단층파쇄대를 따라 지하수 등이 유입되어 단층파쇄대의 열화와 변질을 진행시키고, 특히 점토로 구성된 단층가우지는 매우 미끄러운 슬라이딩면을 형성할 수 있는 가능성이 크기 때문이다. 따라서 터널 굴착중 단층 또는 단층파쇄대의 유무(지반조사보고서에 명기된 것 포함)를 파악하고 특성을 식별하는 것이 매우 중요하다. 특히 점토(단층가우지)같은 것이 확인되는 경우 즉각적인 조치와 대책을 수립해야 한다.

5.4 급격한 차이 - 상대적 암질변화구간에 주의하자

터널은 종방향의 긴 구조물로서 다양한 지질 및 암반상태를 조우하게 된다. 일반적으로 갱구부의 풍화대를 지나 터널중앙부로 갈수록 암반상태는 경암반(hard rock mass)으로 변하게 되며, 암반등급은 크게 차이가 나지 않는 경우가 대부분이다. 하지만 갑작스럽게 급격하게 암질이 불량하게 되어 연암반(soft rock mass)으로 되는 변하는 경우가 발생하게 되는데, 이를 암질변화구간이라고 한다. 암질변화구간은 단층파쇄대구간을 통과하거나 암종(rock type)이 달라지는 암종경계부를 통과하는 경우에 나타나는 경우가 많다.

페이스 매핑은 이러한 암질변화구간을 파악할 수 있는 가장 기본적인 절차라 할 수 있으며, 막장 전방에 암질상태를 확인하기 위한 방법으로 막장전방시추와 TSP 탐사 등이 있지만 막장전방시추가 가장 확실한 방법임을 명심해야 한다.

특히 화산암지질에서 많이 볼 수 있는 복합암반(composited rock mass)의 경우 연암반에서 경암반 그리고 경암반에서 연암반이 수시로 변하는 수평변화뿐만 아니라 심도별로도 변하는 수직변화(상부 경암반에서 하부 연암반으로)도 나타나므로 터널굴착중 지질변화에 대한 평가를 면밀히 수행해야만 한다.

5.5 다량의 용수 - 물이 많이 나오는 구간은 반드시 확인하자

터널을 굴착하게 됨에 따라 터널내로 주변 지하수가 흘러나오는 현상은 매우 당연한 현상으로 이를 용수(water inflow)라고 한다. NATM 터널은 굴착중에 용수를 허용하고, 터널 막장이나 벽면에서 흘러나오는 용수상태는 암반상태에 영향을 주게 되므로, 암반평가시 용수상태(또는 용수량)에 따라 암질상태를 평가하도록 하게 된다.

터널 굴착중 용수가 급격하게 증가하는 경우는 주변에 대수층이 있거나 상대적으로 연약한 단층파쇄대를 따라 흘러나오는 경우가 많기 때문에 용수가 많이 발생하는 구간에서는 특히 페이스 매핑 결과를 반드시 확인하여야 한다. 또한 지형적으로는 주변 하천에 근접하거나 계곡부 하부를 통과하는 경우에는 다량의 용수발생가능성이 매우 크다고 할 수 있다.

특히 용수가 발생하는 구간에 단층파쇄대가 확인되는 경우에는 단층파쇄대구간에 지하수의 유입과 지하수 유동에 따라 단층암 또는 단층가우지의 특성을 변화시켜 굴착당시에는 비교적 안정했던 막장면이 일정한 시간이 경과함에 따라 불안정한 상태로 변하여 막장 붕락 등이 발생하는 경우가 많으므로 특히 유의해야 한다.

5.6 나쁜 것들 - 불리한 조건은 함께 나타난다.

터널을 굴착하게 됨에 따라 터널굴착에 불리한 여러 가지 다양한 지질 및 암반조건 등을 조우하게 된다. 일반적으로 공학적으로는 암질불량구간, 파쇄대, 연약대 등이 가장 취약하지만, 이를 더욱 열화 또는 변질되게 만드는 용수가 발생하는 구간, 즉 불량구간에 용수가 발생하는 구간이 가장 안 좋은 경우가 된다. 여기에 파쇄대의 경사방향이 터널굴진방향과 Against Dip으로 만나게 되면 최악의 조건이 형성되게 되며, 막장면 붕락이 발생할 가능성이 매우 크게 된다. 다시 말하면 터널굴착이 불리한 조건들이 복합적으로 발생하게 되어 지질 조건 + 지하수 조건 + 기하 조건이 동시에 형성되어 가장 큰 리스크를 형성하게 된다. 일반적으로 터널 굴착공사중에는 이러한 불리한 조건이 동시에 발생하는 경우가 많다.

또한 집중 강우나 우수 등이 많은 경우에는 지상까지 연결된 단층패쇄대를 따라 우수와 지하수 등이 단층파쇄대를 따라 유입되면서 단층파쇄대의 열화 변질을 촉진시켜 장기적인 터널 변형을 일으켜 터널 안정성에 심각한 영향을 줄 수 있으므로 유의해야 한다.

5.7 막장면의 거동 - 계측 결과와 비교하자

터널을 굴착하게 됨에 따라 주변 암반은 느슨해지게 되며 일정한 거동을 일으키게 된다. 이는 터널 계측결과로 나타나게 되며, 계측모니터링은 터널 거동특성과 안정성을 평가하는 가장 중요한 과정이 된다. 이를 위하여 다양한 계측항목과 계측빈도 등에 대한 터널 계측관리기준을 제공하여 터널시공관리를 하도록 하고 있다.

막장면의 지질 및 암질 특성은 거동과 매우 밀접한 상관성을 가지게 된다. 이는 터널 단면방향 거동뿐만 아니라 터널 종방향 거동에서도 나타나게 된다. 따라서 페이스 매핑 결과는 반드시 해당구간(또는 인접구간)의 계측결과와 비교 검토하여야 하며, 천단침하를 포함한 내공변위의 방향성은 터널 막장면의 지질방향성과 유사한 특성을 보이게 된다. 따라서 터널 계측시 각 측점의 3차원 계측(X, Y, Z 방향)이 반드시 수행되어야 한다. 또한 터널 계측결과는 굴착조건에 따라 달라지므로 경시 변화(시간경과에 따른 거동)와 거리 변화(측점과 막장면으로 이격거리에 따른 거동) 등에 대한 평가가 수행되어야 한다.

5.8 전체적인 변화 - 모든 매핑 기록을 종합적으로 파악하자

터널 페이스 매핑은 굴착중에 확인된 하나의 단면을 확인하는 과정이다. NATM 터널은 굴착과 지보를 사이클로 되며 반복되는 공정이므로 매 막장마다 페이스 매핑을 수행하여야 하며, 하루에도 2번이상의 페이스 매핑 데이터가 쌓이게 된다. 따라서 터널기술자들은 한단면의 페이스 매핑자료를 기초로 하여 터널 종방향으로의 지질 및 암반상태의 전체적인 변화를 종합적으로 파악할 수 있도록 해야 한다. 이는 설계단계에서의 지질조사결과와 함께 시공단계에서의 페이스 매핑결과를 계속적으로 비교, 변경 및 업그레이드하여 터널구간에 대한 지질 및 암반특성을 전체적으로 그리고 종합적으로 분석하여야 한다.

또한 페이스 매핑 결과는 반드시 정량적인 데이터로 기록되고 데이터베이스로 저장되어야 한다. 많은 페이스 매핑 결과는 조사자의 주관과 경험에 의존할 수 밖에 없으므로, 이의 편차를 최소화하기 위하여 막장조사쉬트를 표준화하고, 막장사진과 관련 동영상 등으로 기록되어야 한다. 또한 각 막장면의 결과는 종방향으로 연결되어 종방향의 변화특성과 막장전방예측 등에 활용되도록 하여야 한다.

6. 터널공사에서의 지오 리스크 관리

6.1 지오 리스크 확인프로세스

터널 페이스 매핑은 조사·설계단계에서 지질 및 암반특성을 완전하게 파악할 수 없는 지반조사의 한계성을 시공단계에서 직접 확인하고 보완하기 위한 과정이다. 이는 모든 지하공사에서 지반 불확실성(uncertainty)으로 인한 지오 리스크(geo-risk)를 페이스 매핑 절차를 통하여 줄이고자 하는 기술적 노력이라 할 수 있다.

하지만 터널공사에서의 페이스 매핑 결과에 따라 당초 예상했던 공사비 및 공기에 미치는 영향이 매우 크기 때문에 페이스 매핑 절차는 객관성과 전문성 그리고 합리성을 가져야만 하므로 이해당자인 조사/설계자, 시공자, 감리자 및 감독과의 협의나 소통이 매우 중요하게 된다. 페이스 매핑에서의 객관성은 정량적인 공인된 평가도구를 통하여 확보되며, 전문성은 터널전문기술에 근거한 경험있는 기술자가 수행을 통하여 확보되며, 합리성은 이해당자자간 합리적인 의사결정 절차 과정을 수행하고 이를 확인하는 절차를 통하여 확보하도록 하여야 한다. 객관성과 전문성 그리고 합리성은 지오 페이스 매핑 수행체계에서 있어 중요한 요소이다.

또한 터널 페이스 매핑은 시공중 예상했거나 예상하지 못했던 지오 리스크를 직접 확인하게 됨으로서 시공중에 터널 안정성 및 시공성을 확보하기 위한 다양한 리스크 관리 및 컨트롤 대책을 수립하여 시공중 합리적인 공사관리를 수행하게 된다.

6.2 지오 리스크 관리 및 대처방안

터널 페이스 매핑은 NATM 터널의 기본적인 철학의 중심에 있다. 이는 설계단계에서의 지반조사의 한계를 해결하기 위하여 시공단계에서 직접 확인된 막장면의 암반상태 및 암반평가(암질) 결과에 따라 적절한 지보를 선정하고 시공함으로서 능동적이고 관찰적인 방법(observational method)이라는 NATM 공법의 원리를 실현하는 방법인 것이다.

하지만 터널공사에서의 페이스 매핑은 여러 가지 이유에 의해 터널현장에서 적극적으로 시행되고 있지 못하고 있다. 이는 지질 및 암반분야라고 하는 기술적 특수성뿐만 아니라 설계자, 시공자, 감리자 및 발주자와의 역할과 책임의 한계, 주관과 경험에 의존하는 평가절차 및 방법 등 실제 터널현장에서 많은 문제점을 가지고 있다.

최근 터널공사의 기술이 발전함에도 불구하고 많은 터널 사고 등이 꾸준히 발생함에 따라 터널 페이스 매핑을 보다 효율적이고 객관적으로 운영할 수 있는 시스템에 대한 니즈가 많다. 이를 위해서는 먼저 터널 페이스 매핑 방법을 간소화하고 및 표준화하는 작업이 필요하며, 경험이 있고 자격이 있는(accredited and qualified) 터널 기술자가 직접 수행하도록 하며, 암판정 평가결과를 체계적으로 시공프로세스에 적용하도록 하며, 확인된 지오리스크에 대한 리스크 대처방안을 수립하고 반영하도록 해야 한다. 이는 터널현장에서 직접 확인된 문제를 경험있는 기술자의 의사결정을 통하여 문제를 해결하고 관리하는 선진적인 터널공사 관리시스템을 구축하는 것이다.

6.3 지오 페이스 매핑 문제점 및 해결 과제

지오 페이핑 매핑은 터널공사에서 수행되는 가장 기본적인 프로세스임에도 불구하고 지오 페이스 매핑이 가지는 지질 및 암반 분야라는 기술적 특수성 때문으로 실제 터널현장에서 잘 안 되는 문제가 많은 것이 현실이다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 많은 기술적 개선노력이 진행되어왔고, 여러 가지 기술시스템이 연구 개발되어 왔지만, 실제 터널 현장에서 이를 활용하는 사례는 많지 않다는 점이다. 결국 중요한 점은 어떤 시스템을 만드는 것이 중요한 것이 아니라 어떻게 현장에서 운영하게 만들게 해야 한다는 점이다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 중요한 핵심은 터널공사에서 지오 페이스 매핑의 중요성을 인식하고 지오 페이스 매핑을 현장전문기술자 중심의 체계로의 전환이 시급히 요구된다 할 수 있다. 또한 지오 페이스 매핑에서 요구되는 주요 핵심 Key Word를 [전문화, 정량화, 객관화, 온라인화 및 디지털화]로 선정하고 각각에 대한 문제점 및 해결과제 등을 정리하여 [표 1]과 [표 2]에 나타내었다.

7. 터널 페이스 매핑의 특성과 전망

터널공사에서 페이스 매핑을 파악하는 것은 터널공사를 이해하는 것이다. NATM 터널뿐만 아니라 TBM 터널에서도 막장상태의 지질 및 암반특성을 파악하고 평가하는 것은 가장 중요한 공사프로세스이기 때문이다. 터널공사에서의 지오페이스 매핑의 특성을 정리하고 전망해보면 다음과 같이 요약할 수 있다.

7.1 터널 페이스 매핑의 특성

1) 기본에 충실한 공사 프로세스

터널 페이스 매핑은 터널공사에서 수행되는 가장 기본적이고도 중요한 프로세스이다. 이는 암반상태에 따라 지보를 변경하여 적극적으로 시공해고자 하는 NATM 터널의 철학이기 때문이다. 그동안 많은 터널현장에서 기본적인 프로세스를 간과하거나 소홀히 하여 여러 가지 사고를 일으킨 것은 사실이기 때문에, 터널 현장마다 적절한 자격을 가진 터널엔지니어를 투입하여 터널막장에서의 지질조사와 암판정 결과에 근거한 최적의 지보를 선정하는 확정설계과정을 거쳐 합리적인 NATM 시공을 달성해야 한다.

2) 경험에 기반한 의사결정 프로세스

지질 및 암반상태는 매우 다양한 특성과 문제가 많은 리스크를 포함하고 있다. 이는 터널현장마다 지질 및 암반특성이 다르며, 단층 및 용수 등의 상태를 사전에 예측하기가 쉽지 않기 때문이다. 실제로 터널 페이스 매핑은 보다 많은 경험이 필요한 작업이지만 실제로 터널현장에서는 초급기술자들에게 맡겨 놓은 경우가 많은 것이 현실이다. 따라서 터널공사에 대한 다양한 경험을 갖춘 터널엔지니어를 투입하여 터널 막장조사 및 암판정이 보다 기술적이며 체계적으로 수행되어야 한다.

3) 지질·암반·토목의 통합 프로세스

터널 페이스 매핑은 지질 및 암반공학적 요소 그리고 토목공학적 요소가 복합적으로 작용하는 통합프로세스이다. 이는 터널현장에서 토목기술자들이 이해하고 수행하기 접근하기 어려운 작업으로 터널 페이스 매핑을 수행하는 조사자와 시공을 담당하는 엔지니어들과의 소통을 통하여 시공성과 안전성을 확보할 수 있는 리스크 대응방안이 만들어져야 한다.

7.2 터널 페이스 매핑의 전망

터널공사에서의 페이스 매핑은 NATM 터널이전부터 재래식 터널에서 수행되어왔던 가장 기본적인 작업이다. 하지만 수행과정에서 주관적 경험적 수작업의 문제점을 개선하기 위하여 다양한 새로운 기술들이 개발되어 현장에 시험 적용되어 왔지만, 범용적으로 적용되고 있지 못한 실정이다. 제4차 산업혁명의 시대에 있어 앞으로 터널 페이스 매핑은 요구되거나 보완되어야할 기술쟁점을 전망해 보면 다음과 같이 정리할 수 있다.

1) 스마트 기술(Smart Technology)과 어떻게 결합할 것인가?

터널 막장면 조사(측정)에서의 고정밀 사진측량기술, 자동 고해상 3D 측량기술, AI 기술 등과 같은 스마트 기술을 어떻게 결합할 것인가 하는 점이다. 터널 막장면이 가지는 지질적 복잡성과 암반공학적 기하특성 그리고 조사수행의 난이성 등으로 첨단 스마트 기술이라 할지라도 터널 현장에서 적용하기는 쉽지 않기 때문이다. 따라서 스마트 기술을 터널 막장에서 운용가능한 현장적용성이 가장 중요한 해결과제이다.

2) 디지털 매핑(Digital Mapping)의 한계를 어떻게 개선할 것인가?

터널 디지털 매핑은 다양한 프로세스 기술을 이용하여 막장면의 암종 구분, 절리 특성 및 단층 분석 등을 수행함으로서 터널막장에 대한 데이터를 객관화하는 정량화하는 장점이 있지만, 실제로 현장에서 지질 및 암반특성을 정확하게 또는 완벽하게 구현하는 것은 매우 어렵다고 할 수 있다. 이는 디지털 매핑 결과는 기술자의 경험을 바탕으로 한 공학적 판단에 보조적인 또는 참고자료 일 수 밖에 없다는 한계를 가진다는 것을 의미한다. 따라서 디지털 매핑 결과를 터널공사 의사결정과정에 반영 가능한 활용성이 가장 핵심적인 숙제이다.

3) 터널 BIM과 어떻게 연계할 것인가?

앞으로 터널공사는 설계과정과 시공과정이 3D로 구현되고 정보화되는 터널 BIM이 실현될 것이다. 특히 터널공사는 지하정보를 포함하는 Geo-BIM과 연계되어 시공중 확인되는 지질데이타 및 실제 시공되는 지보 및 보강 데이터가 공정(공기)과 연동하여 구현되어야 한다. 따라서 터널 BIM에 터널 페이스 매핑 정보가 포함되도록 하여 터널 전 구간에 대한 모든 지질 및 암반 정보를 3차원적으로 가시화할 수 있도록 하는 것이 가장 필요한 사항이다.

■ 마치는 말

지반/터널기술자들에게 있어 가장 어려워하는 것 중의 하나가 바로 지질 문제이다. 지반문제를 다루다보면 필연적으로 지질 및 암반에 대한 특성을 이해하거나 분석해야하기 때문이다. 이는 토목지질 및 암반분야에 대한 제대로 된 교육이 없어. 실제로 많은 지반/터널기술자들은 지질 및 암반문제는 다른 분야의 영역으로 취급하기 쉽다. 특히 터널공사의 경우 매막장 마다 암판정을 수행하여야 하므로 지질에 대한 이해가 정말 중요하다 생각된다. 그동안 지반/터널기술자들에게 지질 및 암반에 대한 교육을 학회를 중심으로 지속적으로 진행해왔지만, 실제적으로 이를 적용하고 활용하기에는 한계가 있음이다.

최근 GTX-A 프로젝트와 같은 도심지 대심도 터널공사가 증가함에 따라 터널공사에서의 지질조사 및 암판정에 대한 관심 또한 증가하고 있다. 또한 NATM 터널공사에서의 안전문제가 중요한 이슈로 대두됨에 따라 터널공사에서의 보다 안전한 공사관리에 대한 관심 증가하고 있다.

터널공사에서의 페이스 매핑은 가장 기본적인 공사프로세스로서 토목과 지질 그리고 지반과 암반이 만나는 통합의 작업이라고 할 수 있다. 토목을 전공하는 엔지니어도 지질을 알아야 하고, 지반을 전공하는 엔지니어도 암반을 이해하여야 하는 소통의 엔지니어링이라고 생각된다. 지질은 왠지 접근하기 어렵고 관심이 없는 다른 분야가 아니라, 토목공사를 수행함에 있어 꼭 필요한 반드시 알아야 하는 분야인 것이다.

이러한 관점에서 터널공사에서 요구되는 기본 적인 지질 및 암반지식을 바탕으로 터널 페이스 매핑을 쉽게 이해하고 터널 페이스 매핑을 잘 수행할 수 있도록 핵심 내용을 알기 쉽게 정리하여 보았다. 사실 터널 페이스 매핑은 굉장히 반복적이며, 단순한 작업이지만 터널공사의 지오 리스크를 확인하고 컨트롤 할 수 있는 가장 중요한 작업이다. 따라서 보다 전문성을 가진 경험이 있는 기술자가 수행하는 것이 가장 이상적이라 할 수 있다. 하지만 현실적인 여건에서 모든 터널에 전문 기술자를 투입하는 것은 거의 불가능하다. 그렇기 때문에 각 현장에서 토목/터널 기술자들이 지질 및 암반에 대한 기본 지식을 이해하도록 하여 암판정과 설계변경이라는 터널공사의 독특한 공사수행방식을 합리적으로 수행하여야만 한다.

지금 지하터널의 시대가 오고 있다. 안전이슈가 증대되고 스마트 기술의 도입이 적극적으로 검토되는 지금, 가장 기본적인 것은 올바르게 수행되고 있는지 돌아볼 때라 생각된다. 가장 안전하고 완전한 터널구축이라는 궁극적인 목적을 달성하기 위하여 다양한 분야의 기술자들이 서로 소통하고 교류하여 기본 기술을 실현하는 터널과 지하공간의 기술 세상을 바래본다. 어렵고 힘든 터널공사일수록 더욱더 기본에 충실하자.