1. 서 론
격자형 또는 주방식 공법(room and pillar method)은 광산 분야에서 먼저 시작된 공법으로서 수평 또는 거의 수평으로 매장되어 있는 광물을 채굴할 목적으로(Hartman and Mutmansky, 2002) 수평 굴착을 진행하고 광물의 매장 형태에 따라 일정 간격으로 방(room)을 형성하여 방과 방 사이에 암주(rock pillar)를 남겨 놓는 형태로 여러 곳의 작업장을 운영하는 방식을 일컫는다(Lee et al., 2013). 이러한 방식은 우리나라에서도 석회석 , 골재 광산 등을 중심으로 적용 중인 방식이나 인간이 활용할 목적으로 지하에 건설되는 지하 구조물 개념에서 적용된 사례는 많지 않다. 즉, 광산분야에서 주방식 공법은 광물 채광 목적으로 대상 지반을 임시 굴착하고 추후 구조체 역할을 하는 암주까지 잔여부를 채광하면서 광물 생산률을 높이는 방식을 사용하기 때문에 구조적인 안정성을 확보하고 암주와 천정부 변위 등을 고려하면서 굴착된 공간을 활용하는 지하공간 개발의 개념까지 사전에 반영하여 광산을 운영하는 사례는 많지 않다. 국내의 경우 기존 광산의 폐광에 한정하여 일부 공간이 와인 저장고, 세미나실, 체험관 등 제한적으로 활용되고 있다.
주방식 공법이 지하구조물 시공에 적용된 사례는 현재까지 많지 않으며 대표적으로 미국 캔자스(Kansas)의 서브트로폴리스(Subtropolis)라는 대규모 상업 지하공간 단지가 물류센터, 우편물 집중국, 사무실 등 다양한 용도로 운영되고 있다(Lee et al., 2013). 국내의 경우, ○○ 신항 북컨테이너 항만배후단지 조성공사에서 ○○산 하부에 주방식 공법을 활용한 지하공간 건설이 설계에 적용되어 있어 지하공간 활용을 목적으로 주방식 공법이 적용된 첫 사례가 될 예정이다.
본 기사는 양호한 암반 지반에 건설된 지하 복합플랜트의 운영중 확장을 고려한 격자형 지하공간 건설에 대하여 파일럿 테스트를 수행한 내용으로 후보지 선정, 상세 조사, 설계, 1차 부지 조성 공사를 수행한 내용을 소개하고 있다. 파일럿 테스트가 수행된 지역은 경북 경산시에 위치한 광산으로 파일럿 테스트가 가능한 전국 광산 후보지를 조사하여 부지 적합성과 조사 결과를 평가한 후 선정하였다. 평가를 통해 선정된 4개 후보지에 대해 기초 물성 조사를 수행하였으며 이를 토대로 최종 후보지를 결정하였다. 설계에서는 조사된 지반 조건과 건설 예정지의 지형적 특성을 고려하여 기존 연구에서 고려한 지하 주방식 구조에 대한 설계 방식으로 파일럿 테스트 부지 건설 계획을 수립하였으며 이를 토대로 1차 공사를 수행하였다.
2. 파일럿 테스트 부지 암반 특성
파일럿 테스트 부지 건설은 지하 복합플랜트 연구와 연계하여 수행되며 연구에서 고려하는 적절한 상재하중(심도 약 30 m)과 무지보 건설을 위한 높은 등급의 암반 조건 등이 요구되었다. 지상의 부지를 선정할 경우, 적정 심도까지 굴착을 진행해야 하고, 진입로와 버력 처리 등의 추가 비용이 발생하는 등의 어려움이 있으므로 파일럿 테스트 부지는 우선적으로 적정 심도를 갖춘 광산을 대상으로 조사하였다. 2020년 기준 국내 일반광 가행 광산 수는 총 306개소로 이중 비금속광이 286개소로 가장 많고 석회석과 백운석을 포함한 석회석 광산이 98개소, 고령토 광산이 78개소를 차지하고 있다. 이중 연구에서 요구되는 지하공간 확보와 파일럿 테스트 구조물 건설이 가능한 광산은 석회석, 규석 또는 장석 광산이다. 갱내채광법을 적용 중인 석회석, 백운석, 규석, 장석 및 납석 광산을 대상으로 파일럿 테스트 부지 건설을 협의하여 총 10개 업체가 소유한 17개 광산에 대해 후보지를 평가하고 상세조사가 필요한 4개 후보지를 선정하였다. 4개 후보지의 입지와 건설 방식, 지반 상세조사를 통해 파일럿 테스트 부지 건설에 가장 적합한 후보지를 선정하였으며 해당 후보지에 대해서는 지반조사와 더불어 파일럿 테스트 건설 예정 부지에 대한 별도의 수평 시추 조사를 수행하였다.
파일럿 테스트 후보지로 선정된 4개 광산의 테스트 부지 주변부 암석을 대상으로 실내 물성시험을 수행하였으며 산정된 물성의 평균값이 Table 1에 제시되어 있다. 표에서 나타나듯이 S-1과 S-2 후보지의 평균 일축압축강도는 170 MPa 이상으로 국제암반역학회(ISRM)에서 제시한 일축압축강도에 의한 신선암 분류 상 경암 등급에 해당하며 상당히 양호한 강도 특성을 보였다. Fig. 1은 대표적으로 S-2 테스트 후보지 주변의 일축압축시험 결과와 삼축압축시험 결과를 나타낸다.
Table 1.
Results of laboratory test
4개소 후보 중 S-1은 무결암의 일축압축강도가 가장 높았으나 시험시공 예정 위치에 단층이 교차하여 암반강도의 저하가 예상되는 바 제외시켰으며 S-2가 가장 적합한 장소로 판단되었다. S-2 채굴편 주변부는 모두 화강암 내에 채굴되어 있으며, 대표적 불연속면은 Fig. 2와 같이 동남동방향의 단층과 북북동방향의 단층 등 2개 방향성의 고경사 단층이 분포하는 것으로 조사되었다. 이는 노두에서 보이는 단층면과 동일한 방향성을 보이며, 단층 상태는 일부 단층면을 따라 지하수가 젖음(Wet) 또는 떨어짐(Dripping) 정도로 유입되는 것을 제외하고는 대부분 간극이 좁고 접촉되며, 신선하고 거친 특성을 보였다.
파일럿 테스트 부지 건설에 사용될 S-2 부지는 동쪽 진입로를 별도로 사용하며 기존 갱도에서 북쪽으로 약간 떨어진 위치에서 52.0 m × 52.0 m 규모로 계획되었다. 시험시공 위치에 교차할 것으로 예상되는 단층은 Fig. 3에서 보이는 바와 같이 3개의 북북동방향 단층 및 1개의 동남동방향 단층이다. 동남동 방향의 단층은 주단층 방향으로 상태가 불량한 반면, 북북동방향 단층은 소규모로 신선한 단층면과 양호한 암반상태를 보였다. 따라서, 북북동방향 단층이 시험시공 위치의 암반상태에 미치는 영향이 크지 않을 것으로 판단되어 단층에 의한 암반의 강도특성 저하는 크지 않을 것으로 예상되었다.
파일럿 테스트 부지의 시험시공 위치에 대한 정확한 암종 확인 및 암반의 공학적 분류에 필수 요소인 암질지수(Rock Quaility Designation, RQD) 획득, 그리고 시험시공 위치에 대한 실내물성시험용 시료 채취를 위하여 수평시추를 수행하였다. 수평시추는 Fig. 4와 같이 시험시공 위치에 인접한 채굴갱도에서 수행하였으며, 부지 전반의 암종을 확인하도록 남북방향 50 m (HBH-1), 북동방향 70 m (HBH-2)의 시추가 계획되었다. 시추 장비는 수평시추 전용 시추기인 SSG600, 공경은 NX 사이즈(외경 76 mm, 내경 54 mm)로 수행하였다.
수평시추 결과, 코어를 통해 확인된 시험시공 위치 내 암종은 모두 기존 갱도와 동일한 화강암으로 확인되었다. HBH-2 공의 일부 구간에서 포획된 폭 30 cm 이내의 산성암맥을 제외하고는 모두 조립질의 신선한 화강암 암추가 회수되었다. 시추코어를 통해 산정한 암질지수(RQD)는 HBH-2 공의 시작부 일부를 제외하고 모두 91 이상의 높은 값으로 산정되었다. 절리간격은 50~150 cm로 양호하며, 절리면 상태는 방해석이 충전된 일부를 제외하고, 충전물 없이 신선하고 거친 특성을 보여 매우 양호한 상태로 판정되었다(Fig. 5와 6). 따라서, 지하공간 및 암주 상태는 기존 갱도와 유사할 것으로 예상되었다.
파일럿 테스트 구역 내 암석의 정확한 물리역학적 특성을 평가하고 암반의 공학적 특성 분석에 적용하고자 수평시추에서 회수된 암석 코어를 대상으로 실내물성 시험을 추가 수행하였다. 시료는 각 시추공의 전단, 중간 및 후단부의 코어를 회수하여 실험 결과 값이 가급적 시험 시공 부지의 전반적인 특성을 반영하도록 하였다. 실내 물성시험을 수행한 결과는 Table 2에 제시되어 있다. 단위중량, 일축압축강도 및 변형계수는 주변부 암석 실험값보다 약간 상회하는 결과를 보였으며, 내부마찰각은 기존 측정값보다 높게 산정되었고, 점착력은 약간 하회하는 값을 보였다. Fig. 7은 대표적으로 수평시추 코어에 대한 삼축압축시험 결과를 나타낸다.
Table 2.
Results of laboratory test by horizontal drilling
3. 파일럿 테스트 부지 설계
파일럿 테스트 대상부지는 앞서 나타낸 바와 같이 52.0 m × 52.0 m 규모로 계획되었다. 부지 내에 총 4개의 암주를 형성하는 것으로 계획하였고, 룸 폭 12.0 m, 룸 높이 8.0 m의 공간을 형성하며, 암주의 크기는 8.0 × 8.0 m로 선정하였다(Fig. 8).
파일럿 테스트 부지 설계는 Lee et al.(2014)가 제안한 주방식 지하구조 설계법을 적용하였다. Lee et al.(2014)는 주방식 지하구조의 암주와 룸의 형상비에 따라 강도/응력비와 한계변형율 산정하고 이를 통해 구조 안정성을 검토하며 지하공간 활용성과 시공장비 적용성 등을 감안하여 최종 형상을 결정한 후 지보 패턴을 설계하는 방법을 제시한 바 있다. 설계법에 따라 Type I (E=18 GPa) 암반에 대한 형상별 구조해석을 수행하여 산정된 안전율과 변형율을 Table 3에 나타냈다.
Table 3.
safe factor depends on W/H and S/H
| S/H | |||||||
| 1.0 | 2.0 | 3.0 | 4.0 | 5.0 | 6.0 | ||
| W/H | 0.5 | 1.34 | 0.87 | 0.54 | 0.00 | ||
| 1.0 | 2.38 | 1.07 | 1.00 | 1.00 | 0.90 | 0.80 | |
| 1.5 | 3.02 | 1.54 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | 1.00 | |
| 2.0 | 5.15 | 3.18 | 2.28 | 1.90 | 0.00 | 0.04 | |
| 3.0 | 5.58 | 3.76 | 2.76 | 2.01 | 1.56 | 0.06 | |
: > 2.0 stress-strength ratio구조해석을 통해 산정한 안전율은 암반의 변형계수를 Type I (18 GPa)으로 가정하여 계산한 값으로 파일럿 테스트 부지의 수평시추 결과에서 나타난 변형계수 60.55 GPa에 비해 3배 가량 낮은 값을 사용한 결과이다. 따라서 당초 설계값보다 높은 안전율 확보를 기대할 수 있을 것으로 판단되었다. 수평시추를 통해 산정된 실내물성 시험값을 적용하여 파일럿 테스트 부지 형상에 대한 안정성 해석 수행 결과를 Fig. 9에 나타냈다. 해석결과 시공단계별 필라부의 강도응력비는 선행 검토결과의 허용기준값인 2.0 이상을 만족하며, 모든 필라부의 강도응력비가 최대값인 10에 해당되므로 충분한 안전율을 확보하는 것으로 판정되었다. 이는 파일럿 테스트 부지의 암반 변형계수 및 강도정수 등이 선행 연구에서 가정한 TypeⅠ의 3배 이상의 값을 가지는데 기인한다. 일반적인 서울시 지반조사편람에서 제시하고 있는 극경암보다 양호한 암반특성을 보이므로 숏크리트를 타설하지 않은 무지보 상태에서도 미소한 변위발생 및 높은 강도/응력비를 확보하는 것으로 사료된다. 실제 파일럿 테스트 시에는 지반의 불확실성 및 절리 발달 가능성 등을 감안하여 숏크리트 타설을 계획하였으므로 추가적인 안전성 확보가 가능할 것으로 판단되었다.
Fig. 10(a)는 대표적인 천단부 배수계획을 보여준다. 금번 파일럿 테스트 부지 건설에서 배수재는 시공되지 않았으나, 설계안으로 배수계획을 수립하고 주어진 형상과 단면 모양에 따라 배수를 고려하는 방안을 제시하고자 하였다. 기본적으로 양측면 배수가 되도록 구배를 주었으며 천정부의 지하수를 유도배수하기 위해 상부단면도 곡선형태로 구성하였다. 암주가 격자형으로 형성되므로 암주와 암주사이의 상부 배수는 × 자 형태의 배수재를 시공하는 것으로 설계하였다. 측벽으로 유도된 배수재는 측벽과 암주면을 따라 하부로 유도 배수되며, 측벽에 모인 지하수는 바닥면의 구배를 따라 외부로 배수되도록 하였다. 파일럿 테스트의 시공은 주통로 방향의 터널을 가장 먼저 굴착하며 주통로의 굴착이 완료되면 주통로의 직각방향으로 중앙부 횡방향 터널을 굴착하도록 계획하였다. 중앙부 터널 굴착이후 상하의 횡방향 터널을 굴착하며, 상하부 횡방향 터널의 굴착시 중앙부 터널 방향으로 굴착하여 암주를 형성토록 하였다(Fig. 10(b)). 이때 관통 방법은 기존 테스트 부지 광산의 관통방식을 준용하여 일방향 관통이 되도록 계획하였다.
발파패턴은 지보패턴 계획상의 굴진장 3.0 m에 대해 심발공법으로 경사심발공법(V-Cut)을 적용하였으며, 장공발파시 발파효율 저하에 대한 대책 방안으로 평행심발 공법(Cylinder-Cut)을 적용하였다. 최외곽공은 암반 이완 및 암반손상 최소화를 위하여 조절발파공법인 Smooth Blasting 공법을 적용하였으며, 응력집중구간에 여굴량이 증가하거나 과도한 손상이 발생할 경우 필요시 Line-Drilling을 적용하여 안정성을 확보하도록 설계하였다. 현장에서는 설계에서 제시한 발파패턴과 기존 광산에서 사용하던 발파패턴을 검토하여 몇 차례 시험 발파를 통해 최종적으로 Fig. 11과 같은 발파패턴을 결정하였다. 설계에서 제시한 바와 같이 최외곽공은 Smooth Blasting 공법이 적용되었으며 총 89공이 실제 현장에 적용되었다. 천공작업은 반자동 천공시스템이 적용된 2붐 점보드릴을 사용하였으며 최대 14.09 m × 9.29 m 까지 작업이 가능하다.
4. 파일럿 테스트 부지 1차 건설 공사
파일럿 테스트 부지 1차 조성공사는 Fig. 10의 시공순서①과 시공순서②에 해당하는 구간을 수행하였다. 굴진길이는 약 92 m로 2024년 2차 공사를 통해 전체 공간 건설을 완료할 계획이다. Fig. 12는 현장 진입로 부근 전경과 굴착상태를 나타낸다. 현재 진행된 현장의 평균 높이와 너비는 약 8.3 m와 12.5 m로 측정되어 설계 표준 단면 내에서 공사가 진행된 것으로 확인하였다(Fig. 13). 보다 자세한 형상과 단면 모양은 공사가 완료된 후 정밀 측정할 계획이다. 그림에서 보이는 바닥면의 물은 천공과 부석처리 과정에서 발생한 것으로 천정부나 벽면의 누수는 확인되지 않았다. 2차 부지 조성공사는 2024년 계획되어 있으며 금년도 시공분 외의 잔여구간에 대하여 진행할 예정이다. 지보재는 2023년 일부 설치를 완료하고 2024년 중앙부 고성능 합성지보재 설치를 포함하여 모든 단면에 대해 천정부와 어깨부까지 시공할 계획이다.
파일럿 테스트 부지의 암반 자체 강도가 충분하고 심각한 불연속면 등이 출현하지 않았으므로 고성능 숏크리트를 100 mm 내외로 실링한 후 S社의 제품 M을 이용하여 뿜칠 멤브레인을 약 5 mm 피복하는 형태로 천정부와 어깨부에 시공할 계획이며, 현장 공시체를 제작하여 재령에 따른 물성 테스트를 별도로 진행할 계획이다.
5. 결 론
본 기사에서는 양호한 암반 지반에 건설된 지하 복합플랜트의 운영중 확장을 고려한 격자형 지하공간 건설에 대하여 파일럿 테스트를 수행한 과정을 설명하였다. 또한, 파일럿 테스트 후보지 선정, 상세 조사, 설계, 1차 부지 조성 공사를 수행한 내용을 소개하였다. 상세 지반 조사를 수행한 결과와 건설 예정지의 지형적 특성을 고려하여 기존 연구에서 제시된 주방식 지하구조 설계 기법으로 파일럿 테스트 부지 건설 계획을 수립하였으며, 이를 토대로 1차 공사를 수행하였다. 발파패턴 설계를 토대로 현장 시험발파를 수행하여 발파패턴을 수정하였으며, 현재까지 약 92 m 굴진을 성공적으로 진행하였다. 설계에서 고려한 단면 모양으로 순조롭게 굴착을 진행하였으며, 암주 중앙부 전단파괴나 천정부 대변위 등이 관찰되지 않아 설계에서 고려한 무지보 건설이 가능할 것으로 판단되나 추후 공간 활용 측면에서 지보재를 최소한으로 적용하는 것을 고려하고 있다.
