1. 서 론
2. SKB 고준위방사성폐기물 처분시설 설계 기준
2.1 설계시 고려사항
2.2 설계 조건
2.3 관찰 기법을 이용한 설계
3. 포쉬마크(Forsmark) 지역에 대한 처분 설계
3.1 처분장과 지반 조건
3.2 터널의 공간적 배치 설계
3.3 터널 방향 및 형상 설계
4. 지보 시스템 설계
4.1 지보 시스템 설계 요건
4.2 지반 유형과 거동을 고려한 지보 설계
4.3 POSIVA 지보 시스템과 비교
5. 결 론
1. 서 론
원자력 발전에서 나오는 사용후핵연료를 영구 처분하기 위한 연구가 국내외에서 활발히 진행되고 있고 실제 건설 및 운영을 위한 준비도 진행되고 있다. 고준위방사성폐기물 처분시설을 건설하기 위해 프랑스를 비롯한 여러 해외 선진국에서 처분부지를 결정하고 있으며, 스웨덴과 핀란드는 건설 허가도 받았다. 이 나라들의 고준위방사성폐기물의 처분 방식은 심층처분방식이며, 이는 스웨덴 SKB (Svensk Kärnbränslehantering AB)의 KBS-3 (Kärnbränslesäkerhet-3) 방식을 기본으로 한다. 심지층에 이러한 처분시설을 건설하기 위해서는 고온의 사용후핵연료를 장기간 격리시킬 수 있는 기능을 가지도록 특별한 설계와 시공이 필요하다.
국내에는 지하공간 건설에 관련한 설계 기준으로서 터널 설계 기준이 있다. 터널 설계 기준은 법적 기준, 계획, 조사, 안정성 해석 및 터널 주요 구성요소별 설계 지침과 같이 일반적인 터널 설계에 대한 전반을 다루고 있다. 그리고 실제 터널 설계는 지반 조사를 포함하는 사전조사 성과를 기초로 설계 기준 내에서 진행된다. 하지만 그 대상이 주로 도로터널 혹은 수로터널이므로 고준위방사성폐기물 처분시설과 같이 특별한 기능을 요하는 지하공간 설계에 바로 적용되기에는 한계가 있다.
스웨덴 SKB는 처분장 건설을 위한 설계 기준을 제시하고, 포쉬마크(Forsmark)라는 처분 후보지에서 부지조사를 기반으로 구체적인 처분장 설계를 진행했다. Fig. 1은 D2 Layout이라는 SKB의 처분장 기본 설계안을 보여준다(SKB, 2009a). 핀란드 POSIVA (POSIVA Oy)는 스웨덴보다 먼저 건설 허가를 받으면서 온칼로(Onkalo)에 세계 최초로 고준위방사성폐기물 처분시설을 건설하였으나, SKB가 먼저 설계를 마치고 처분장 건설 허가 신청을 하였고 POSIVA 또한 SKB의 KBS-3방식을 따르고 있다. 그래서 SKB와 POSIVA는 고준위방사성폐기물 처분시설 설계에서 각 지역 특성에 의한 차이점이 있기는 하나 전반적으로 유사한 설계 요소, 즉 안전 기능(Safety function), 기술적 설계 요건(Technical design requirement), 성능 목표(Performance target)을 가진다(POSIVA, 2017). 본 고에서는 SKB와 POSIVA의 SER (Site Engineering Report)을 주로 참고하여, 지하 공간 설계 및 시공의 관점에서 스웨덴 SKB의 처분시설 설계 사례를 먼저 전반적으로 소개하고 실제 시공에서 중요한 지보 시스템 설계에 대하여 핀란드 POSIVA의 경우와 비교 검토함으로써 국내 처분장 설계 및 시공에 필요한 요소를 도출하고자 한다.
2. SKB 고준위방사성폐기물 처분시설 설계 기준
SKB의 고준위방사성폐기물 처분시설 설계 기준은 국제 조약, 국내 법률 및 규정을 포함하여, 처분장이 가져야 하는 기능과 안전 평가 및 기술의 실현 가능성, 그리고 건설 계획 등을 고려하여 제안되었다 (SKB, 2010a). 이 절에서는 처분장이 가져야 할 기능을 기반으로 처분장 자체의 시공에 관련된 설계 요소들을 소개하고자 한다.
2.1 설계시 고려사항
2.1.1 KBS-3 심층처분시설의 안전 기능
최종 처분시설의 안전을 유지하기 위해 심층처분시설이 유지해야 할 기능과 속성을 안전 기능이라고 하며 (POSIVA, 2017), SKB가 제안한 안전 기능은 다음과 같다.
• (처분장 용량) 모든 처분 용기(Canister)를 수용할 수 있는 양의 처분공(Deposition hole)과 기타 지하 시설을 포함
• (다중방벽을 위한 모암 조건) 사용후핵연료 장기 보관을 위해 공학적 방벽에 유리한 열적, 역학적 조건
• (천연방벽으로서 모암 조건) 동위원소 유출 지연에 유리한 수리적, 화학적 조건
• (다중방벽을 위한 지하공간의 조건) 천연방벽과 공학적 방벽의 기능을 심각하게 저해하지 않는 지하공간
• (폐쇄) 채움재(Backfill)을 통한 폐쇄 작업 가능
• (설계 한계) 현재 인간의 생활 습관과 기술력을 전제로, 추후 발생 가능한 모든 인간 활동을 고려
• (안전) 원자핵 작업을 포함한, 처분시설에 수반되는 모든 활동에 대한 안전 보장
2.1.2 시공 관련 고려사항
심층처분시설을 시공하고 검사하는 과정은 신뢰성을 바탕으로 수행되어야 하므로 다음과 같은 사항을 고려해야 한다.
• 굴착, 지보, 밀폐는 검증된 기술을 바탕으로 수행
• 신뢰성 있는 기술을 통하여 설계 및 건설
• 명시된 기준을 통한 검사 가능
• 건설에 의한 환경 영향 반영(소음과 진동, 대기 및 수질에 대한 배출, 지하수에 대한 영향, 재료 및 에너지 소비 등)
• 시공 및 검사 중 안전 규정 준수
2.2 설계 조건
현재까지의 연구 결과를 기반으로 앞에서 제시된 안전 기능을 만족하기 위해 조정해야 하는 설계 변수는 아래와 같고, 이에 대한 기술적 설계 요건은 부록 Table A1에 정리되어 있다.
• 처분장 깊이, 처분장 넓이
• 처분공 간격, 처분공 위치(변형대와의 이격거리), 처분공 내 지하수 유입량, 처분공을 가로지르는 절리조건, 처분공 EDZ (Excavation Damaged Zone)의 투수율계수
• 처분 터널(Deposition tunnel) EDZ의 투수율계수, 기타 지하 공간 EDZ의 투수율계수, 지보의 재료 및 구성, 잔여 물질의 양
완충재(Buffer)를 포함하는 공학적 방벽 및 플러그(Plug)와 관련된 설계 변수는 다음과 같고, 관련된 안전 기능, 기술적 설계 요건은 부록 Table A2에 정리하였다.
• (완충재-처분공) 완충재 및 처분공 규격, 설치시 허용 변위 편차, 허용 기울기
• (채움재-처분 터널) 단면 편차, 바닥 편평도, 암석의 노출도, 지하수 유입량
• (플러그-처분 터널) 플러그 설치 위치에 지하수 유입과 암석 강도, 플러그 설치를 위한 앵커 및 형상 설계
이러한 설계 요소들은 완충재는 처분공에, 채움재와 플러그는 처분 터널에 안정적으로 적치되기 위한 조건이다(Fig. 2&Fig. 3). 반경 편차는 처분공의 중심선과 완충재의 중심선의 일치성, 중심선의 직진성, 암석의 탈락과 같은 오차 발생 요소들을 반영한다. 플러그는 폐쇄 과정을 완료한 지하공간의 입구에 설치되어 아직 폐쇄되지 않은 지하공간을 분리해내는 것이다. 플러그는, 암석 내의 열 및 수리적 전도현상을 차단하거나, 폐쇄물 설치를 용이하도록 처분 터널 뿐만 아니라 경사로 및 수직구에도 설치된다.
Fig. 2
(a) The geometric design of deposition hole (black thin line) and the acceptable deviations (red dotted line), (b) The geometric design of deposition tunnel and the acceptable volume deviations (SKB, 2010a)
폐쇄 과정의 기준 설계에 따르면 주 터널(Main tunnel), 수송 터널(Transport tunnel), 진입 터널(Ramp) 및 상부 수직구(Shaft)는 점토질로 채워지고, 중앙 지역(Central area) 및 심도 200 m 이상의 진입 터널과 수직구와 같은 나머지 공간은 암석 충전재로 채워진다. 점토질을 이용한 폐쇄의 기준 설계는 처분 터널의 채움재와 유사하게 블록 개념을 이용하지만 처분 터널보다 높은 수리전도도 허용치를 가진다. 터널 및 수직구의 체적에 대한 허용 가능한 변동성은 해당 체적을 굴착하기 전, 폐쇄 설계가 진행될 때 결정되며, 처분 터널보다는 큰 변동성이 허용될 가능성이 높다. 해당 단계에서의 설계 조건은 부록 Table A3에 정리되어 있다.
KBS-3 처분시설의 건설과 운영 중 방사선 피폭을 최소화해야 하고, 이에 따른 심층처분시설의 설계 조건은 부록 Table A4에 정리하였다. 심층처분시설의 배치, 그라우팅 및 지보는 원자력 운영과 관련하여 발생하는 고장 및 사고를 방지할 수 있도록 설계되어야 한다. 또한, 심층처분시설의 설계는 환경 및 지하수위에 미치는 영향을 수용 가능한 수준으로 유지하면서, 처분시설에서의 작업을 안전하고 효율적인 방식으로 수행할 수 있도록 해야 한다. 이와 관련하여, 수직구, 지하 대형 공동(Cavern) 및 처분 터널 이외의 터널로의 최대 허용 유입량은 Q ≤ 10 l/min/100 m 로 설정된다.
이외에도 조사와 시공을 위한 설계 조건도 있다. 먼저, 탐사 시추공을 통한 지하수 유동을 막기 위하여 시추공의 위치가 설계에 반영되어야 한다. 특히 지표면과 연결된 시추공이 처분공을 포함하는 심층처분시설과 교차하는 것을 방지해야 한다. 한편, 심층처분시설은 건설 중에 진동이 발생할 수 있으므로, 이를 고려하여 처분공 사이에 이격거리에 대한 조건이 필요할 수 있다.
2.3 관찰 기법을 이용한 설계
관찰 기법은 지하 설계와 건설에서 모니터링 및 측정 기술을 이용한 위험 기반 접근법이다(SKB, 2009a). 관찰 기법은 암반의 복잡성과 가변성으로 인해 건설 이전에 자세한 현장 조건을 알 수 없는 대규모 프로젝트를 수행하기 위해 개발되었다. SKB는 포쉬마크 지역에 대한 설계를 진행할 때, 건설 중에 관측되는 매개 변수를 계산할 수 있는 예측 모델 개발을 포함하여 Peck(1969)의 관찰 기법을 준용하였다. 건설 및 지반 설계를 위한 유럽 표준인 Eurocode 7에 의하면 관찰 기법의 주요 요소는 다음과 같다.
• 허용 가능한 거동 한계를 설정
• 발생 가능한 거동의 범위 평가 및 허용 가능 여부 판단
• 거동이 허용 한계 내에 있는지 알기 위한 모니터링 계획 수립
• 신속한 모니터링의 응답 시간과 결과 분석
• 모니터링 결과에서 허용 한계를 벗어난 거동이 확인될 경우 적용할 수 있는 비상 조치 계획을 수립
관찰 기법의 적용을 위해서 지하 설계와 건설의 모든 단계에서 현장 조건의 불확실성이 예상되어야 하고 이에 대한 위험이 평가되어야 한다. 예를 들면 처분 터널과 처분공에 대한 최종 배치를 설계하기 위해, 암반 구성 물질들의 위치와 변형, 굴착, 지보 및 그라우팅에 대한 반응 등이 넓은 지역에 대하여 파악되어야 한다. 그러므로 건설 이전에 수행되는 상세 설계는 현장 조건을 제공하는 SDM (Site Descriptive Model)을 기반으로, 가장 가능성이 높은 지반 조건과 가장 유리한 조건부터 최악의 상황까지 가능한 모든 변동을 고려하여 처분장의 배치 및 심층처분시설에 대한 사양과 도면을 제공한다.
관찰 기법은 지정된 중간점에서 설계 가정과 실제 지반 조건을 비교하여 실제 배치가 설계 조건을 만족하는지를 공식적으로 평가해야 한다. 만족하지 않고 편차가 발생한다면, SIP (Safety In Project)에 의한 공식적인 검토가 필요하다. 이는 배치가 설계 조건에 부합하는지를 모니터링하기 위해 사용되는 매개 변수가 명확하게 식별되고 허용 기준이 사전에 정량화되어야 함을 의미한다. SKB의 관찰 기법의 적용은 Fig. 4에 설명되어 있다.
2.3.1 모니터링
관찰 기법을 구현하기 위해 필요한 모니터링은 처분장의 기능적 요구 사항과 모니터링 대상인 특정 지질학적 위험요소에 따라 다르다. 모니터링 프로그램의 세부 내용은 단계적으로 개발된다. 예를 들어 SKB(2009a)에서는 처분장 출입구에 위치하는 지하수가 흐르는 균열군의 빈도와 지하수 유입량이 처분장 출입구에 가장 큰 영향을 미친다고 확인한 바 있다. 따라서 출입 통로로의 지하수 유입과 굴착부 주변 지하수위의 하강을 모니터링해야 하며, SDM을 검증하기 위해 유입이 발생하는 균열 방향과 그들의 공간적인 분포를 평가해야 한다. 대응되는 지하수 조건은 건설 보고 지침과 같은 형식을 사용하여 문서화된다. 처분장 출입구가 특정 중간 지점에 도달할 때 상세 설계에서 예측된 조건과 실제 현장 조건을 비교해야 한다. 비교 결과 실제 현장 조건이 예측된 가변성의 범위를 벗어나고, 이러한 편차의 결과가 중대한 영향을 미치는 경우, 가능한 완화 조치를 위해 실제 현장 조건은 SIP에 보고된다(Fig. 4).
위 예와는 다르게 어떠한 상황에서는 지질학적 위험요소를 직접 측정할 수 없는 경우도 있다. 예를 들어, 현지 응력은 지질학적 위험요소로 인식되지만, 최대 수평 응력은 수압파쇄, 오버코어링과 같은 간접적인 방법으로 측정해야 한다. 이럴 경우에 관측된 실제 현장 조건을 예측된 조건과 비교하기 위한 기준뿐만 아니라 간접 측정 결과를 해석하는 데 사용되는 방법론도 명시해야 한다. 측정 및 모니터링 요구 사항에 관계없이, 조사 및 모니터링의 주된 목적은 상세 설계의 기초로 사용된 현장 조건을 평가하고, 발생하는 경우 해당 조건과의 편차를 정량화하는 것임을 감안하여 절차와 지침을 개발해야 한다.
2.3.2 지하 시설의 단계별 개발
지하 시설의 개발은 단계별로 이루어진다. 초기에는 처분장 깊이로의 접근로가 개발되고, 이후 중앙 지역과 시험 운영을 위한 처분 터널과 처분공이 개발된다. 이후 이전 단계에서 완료된 처분 터널의 일부에서 처분 작업이 이루어지고, 다음 단계에서 건설될 처분 터널과 처분공을 위해 상세한 현장 조사와 건설 작업이 병행되며, 공간 분리를 위해 분할벽이 사용될 수 있다(SKB, 2009a). 처분장의 단계별 개발은 설계 및 건설 활동의 체계적인 검사를 가능하게 한다.
이에 더해 각 단계별로 기준이 만족되는지 검사하고 문서화하는 절차적 장치로 통제 프로그램, 품질 문서, 준공 문서가 있다. 통제 프로그램은 표준 품질 통제 및 보증 절차를 통해 재료 및 건설 작업과 그 결과물이 설계 조건, 품질 및 효율성을 충족하는 기준 방식으로 수행되도록 검사하는 것이고, 품질 문서는 품질과 검사 방법 등을 문서화한 것이다. 이들은 기준 방식의 장기적 안정성에 대한 성능 평가의 기초가 된다. 통제 프로그램의 전반적인 요구사항과 목표는 건설 시작 전에 정의되어야 하나, 단계적 개발 과정에서 수정될 수 있다. 준공 문서는 현장 조건과 해당 조건이 적용된 설계와 함께 시범 운영을 위한 필요 조건들을 기반으로 내용이 구성된다. 이 문서는 개발 단계 중 완료된 처분 터널 및 처분공의 초기 상태과 설계 조건과의 일치 여부에 대한 정보를 제공한다.
3. 포쉬마크(Forsmark) 지역에 대한 처분 설계
기준 설계는 당시까지 파악된 최신의 지질학적 조건과 암반 공학 분야 기술을 이용하지만(SKB, 2007b), 지반뿐만 아니라 설계 자체에서도 불확실성이 있으므로 관측 기법을 적용하여 새로 얻어진 지반 정보가 설계에 반영되는 것이 필요하다. 그러므로 현재 기준 설계를 기반으로 다음 단계 공사를 진행하고, 공사 중에 새로 얻어진 지반 정보를 통해 불확실성을 줄임으로써, 기준 설계는 단계별 개발론에 따라 점진적으로 발전할 수 있다. 이 장에서는 D2 설계의 결과물인, 포쉬마크 KBS-3 심층처분시설의 지하부의 기준 설계가 당시까지 파악된 지반 조건을 기반으로 설계 조건에 부합하는지 보여준다.
3.1 처분장과 지반 조건
포쉬마크 지역은 소성 변형이 많이 일어난 암반으로 둘러싸인 지층에 위치한다. 해당 지층은 두 종류의 암반으로 구성되는데, 하나는 RFM029라 불리며 중립질의 변성화강암-화강섬록암인 반면, 다른 하나인 RFM045는 주로 반변성화강암과 부차적인 중립질의 변성화강암-화강섬록암으로 구성된다. 균열 영역 FFM02는 처분 영역의 외곽을 차지하며, 높은 빈도의 수리적 연결된 것이 특징이며, 수평에서 살짝 기울어져 있다. 균열 영역 FFM01 및 FFM06은 유의미한 유입량이 없고 비교적 균열이 적으며, 주로 수직에서 가파른 정도의 경사를 가진다. 또한 수평 균열 아래로 약간 기울어져 있지만 SFR 시설에서의 경험에 따르면 그 분포는 더 제한적이다(SKB, 2007b). 처분 영역에는 적정 거리를 필요로 하는 충분히 큰(길이 3 km 초과) 취성 변형대는 ZFMENE060A 이 대표적이다. 이 영역은 동북동쪽으로 수직에서 가파른 경사 구조로, 특히 충진된 균열과 균열 네트워크로 구성되고, 투수계수는 일반적으로 낮다. 최종 처분장 시설은 접근 통로인 진입 터널 영역, 환기 시설과 스킵 및 승강로와 같은 수직구를 포함한 중앙 지역, 처분 터널 및 처분공, 환기용 수직구를 포함한 처분 영역, 총 세 가지 기능 영역으로 나눠진다. 지반과 처분 시설을 구성하는 각 영역들의 구체적인 위치 관계는 Fig. 5에 도시되어 있고, 지반을 유형별로 구분한 것은 Table 1에, 각 유형별 스폴링 강도와 탄성적 특성을 Table 2에 정리되었다. SKB(2009b)는 지하 공간의 안정성을 해석하기 위해 가장 가능성이 높은 응력 모델(Most likely)과 가능성은 낮지만 응력이 높은 모델(Unlikely maximum)을 정하였다. Table 3은 각 모델들의 응력과 방향을 보여주며, 앞선 검토에 따르면 처분장 깊이 범위가 450–500 m 여야 하므로, 모든 분석은 최대 깊이 500 m를 기준으로 수행되었다.
Table 1.
List of ground types (SKB, 2009c)
Table 2.
Spalling strength and elastic properties for ground types (SKB, 2009b)
| Ground type | Spalling strength (MPa) | Young’s modulus (GPa) | Poissons ratio (-) |
| GT1a | 120 | 60 | 0.23 |
| GT1b | 170 | 70 | 0.23 |
| GT2 | 120 | 50 | 0.3 |
| GT3 | 80 | 35 | 0.3 |
| GT4 | 80 | 35 | 0.3 |
Table 3.
Stress models for target depth in Forsmark site (SKB, 2009b)
3.2 터널의 공간적 배치 설계
3.2.1 처분장 깊이
SKB(2009b)은 처분공과 처분 터널에 대한 설계 조건과 건설 가능성을 고려하여 암반의 부피 및 처분장의 깊이를 최적화하기 위해 다음을 포함하는 여러 조건들을 고려했다.
• 현지 온도
• 균열 빈도
• 수리지질학적 특성
• 스폴링(Spalling)
• 인간의 침입 방지
• 사용 가능한 공간
• 건설 비용 및 환경 영향
SER에 따르면 이를 통해 450 m에서 500 m의 깊이가 처분장에 적합하다는 결과를 얻었다. 현지 응력의 크기, 경사 균열의 빈도가 주된 영향을 주었다. 지표면부터 측정한 기준 처분장은 최하단과 최상단이 각각 –470 m, –457 m이다. 최소 및 최대 깊이는 배수 시스템을 위해 필요한 터널 기울기를 기준으로 결정된다.
3.2.2 처분공의 배치
1) 열적 조건
SKB(2009d)에 제시된 열적 배치 방법론이 처분공 간격을 결정하는 데 적용되었다. 완충재내 온도를 100 ℃미만으로 유지하는 설계 조건을 만족하기 위해, 처분공간 최소 거리 6 m, 고정된 처분 용기 간격, 처분 용기 내의 최대 열출력 1,700 W, 처분 터널 간격 40 m로 제시되었다. 이를 바탕으로 SKB(2009b)에서는 서로 다른 암반 영역에 따라 6.0 ~ 6.8 m의 최소 처분공 간격을 제시했다. 이에 따르면 열전도율이 매우 낮은 암반에 처분공을 배치하는 것은 허용되지 않는다. 그러나 최근까지의 연구 결과에 따르면, 각섬석 등의 열전도율이 낮은 광물은 감지하기 어려울 뿐만 아니라 희박하게 존재하므로 현재 기준 처분공 간격의 계산에서는 열전도율이 낮은 암반의 존재를 고려하지 않았다. 그러나 추후 건설 중에 데이터가 확보되면 이러한 설계를 개선하고 처분공 간격을 조정할 수 있다.
2) 역학적 조건
역학적인 설계 조건은 처분장의 총용량과 처분장의 경계를 결정한다. 첫째, 처분장은 3 km 이상의 길이를 가진 손상대의 경계로부터 수직으로 100 m 이내에 위치할 수 없다. Fig. 6와 같이 포쉬마크 지역 처분장을 수용할 암반 부피 내에는 이격이 필요한 크기의 손상대가 네 개 존재하고, 기준 설계는 이격이 필요한 손상대의 3D 모델에 맞추어 조정되었다(SKB, 2009b).
Fig. 6
Section at –470 m depth with the deformation zones respect distance for design layout (SKB, 2010a)
둘째, 잠재적인 지진의 영향을 완화하기 위해 처분공은 균열과 교차하지 않도록 하고, 처분 위치는 EFPC (Extended Full Perimeter Intersection Criterion) 기준(SKB, 2010b)을 만족해야 한다. 이론적으로는 약 60 m에서 200 m 정도의 반경을 가진 균열만 피하면 되지만, 균열 크기를 측정하기가 어려우므로 더 보수적으로 다음과 같이 정의된 EFPC 기준이 적용된다.
터널의 전체 둘레와 처분공에서 처분 용기까지 교차하는 균열은 잠재적으로 중요하게 여겨지며, 이와 교차되는 처분공 배치는 허용되지 않는다(Fig. 7(a)).
터널의 전체 둘레와 교차하지 않는 대규모 균열을 포착하기 위해, 다섯 개 이상의 처분공과 교차하는 모든 균열은 잠재적으로 중요하게 여겨지며, 해당 위치에는 처분공이 배치될 수 없다(Fig. 7(b)).
Fig. 7
(a) FPC (Full Perimeter Intersection) criterion, (b) EFPC (Extended Full Perimeter Intersection) criterion. Red positions are not acceptable, and green positions are acceptable (SKB, 2010a)
암반 노출면 매핑과 코어 로깅을 바탕으로 처분장 내 균열을 예측할 때에는 불확실성이 존재한다. 이로 인해 기준 설계는 모든 설계 조건과 제약 조건을 고려하여 처분공의 수를 극대화하는 것을 목표로 개발되었다. 기준 설계는 총 7,818개의 처분공을 가지며, 처분공 배치 손실이 약 23% 정도 될 것으로 예상된다. 예상 처분공 배치 손실은 불확실하지만, 실제 손실은 이보다 훨씬 작을 것으로 판단된다.
3) 수리지질학적 조건
SKB(2010a)는 지하수 유입량 기준 초과로 인해 계획된 처분공 배치가 불가할 경우 대응 방안을 수립하기 위한 근거를 마련하였다. 과도한 유입수로 인해 부적합하다고 판단되는 처분공 배치는 EFPC 기준에 의해 사전에 제외될 가능성이 높다(SKB, 2006). 즉, 처분 터널과 균열의 교차 여부에 관계없이 내부의 처분공과 균열의 교차 여부에 따라 처분공 배치를 제한하였다. 가장 극단적인 경우, 유입수로 인해 추가적으로 약 6%의 처분공이 손실될 수 있다.
3.3 터널 방향 및 형상 설계
스웨덴의 다른 지역에 비해 포쉬마크에서 지반 응력이 크기 때문에 응력으로 유발되는 파괴(즉, 스폴링)에 주의를 기울여야 한다. SKB(2005)에 따르면, 스폴링 가능성은 초기에 결정론적 분석에 의해 판단하고, 스폴링 가능성이 큰 경우 확률론적 수단과 3차원 탄성 응력 해석을 사용하여 가능성을 평가해야 한다. 비원형 공동의 경우 응력 상황을 평가하기 위해 2차원 또는 3차원 수치해석이 필요하고, 특히 스프링라인(Spring line, 천장 아치와 평평한 벽 사이의 경계)의 압축 응력에 주의를 기울여야 한다.
SKB는 중앙 지역, 처분 터널(교차 포함), 처분공 주변의 응력과 스폴링 가능성, 스폴링 깊이 등을 분석하여 터널의 모양과 방향을 설계했다. 다만, 작업 환경, 벽의 응력 완화 영역, 바닥의 균열은 논의하지 않았다. 스폴링 깊이는 응력과 스폴링 강도를 이용하여 다음 식 (1)에 따라 산정하였다(SKB, 2005).
a = 처분공의 반경
σθθ=접선방향 응력
σsm= 스폴링 강도
3.3.1 주 터널의 단면 형상 설계
주 터널의 단면 형상, 즉 천단부 형상의 영향이 연구되었다. SKB(2001)에 따르면 파괴가 일어날 정도로 높은 응력에서 아치형 천단부와 평평한 천단부와 비교했을 때 아치형 천단부는 평평한 천단부에서 이미 파괴될 암석을 굴착한 것으로 간주할 수 있으므로 아치형 천단부가 더 안정하다고 할 수 있다. 그러나 취성 파괴가 일어나지 않을 조건에서는 평평한 천단부가 아치형 천단부보다 더 높은 응력에서 취성 파괴가 발생하므로 안정적이라고 할 수 있다(Fig. 8). 현재 응력 조건에서는 평평한 천단부가 응력 상으로는 더 유리할 수 있으나 파괴를 고려하여 약간의 곡률을 가지는 천단부가 바람직하므로 Fig. 9과 같이 스프링 라인이 서로 다른 아치형 단면에 대한 안정성을 검토하였다. 최대 주응력에 대하여 직각에서 평행한 방향까지 모델링하여 천단부에서 응력을 비교하였고, 그 결과 모든 방향에서 최우측 기준 단면이 가장 낮은 응력최대치를 가짐으로 가장 안정적인 단면임을 보였다.
Fig. 8
Normalized depth of brittle failure in the roof of tunnels with circular and square cross sections (SKB, 2001)
Fig. 9
Three types of sections of deposition tunnel. The right section is reference section (SKB, 2009b)
3.3.2 처분 터널 방향 설계
처분 터널은 주 터널에 연결되어 처분 터널의 벽에 실제 처분공이 시공되는 시설로서, 기준 설계에 따르면 처분 터널 중 약 90%는 방위각 123°~127° 방향을 가지며, 나머지 터널은 대략 방위각 140° 방향을 가진다. 이는 SKB(2009b)에서 제시한 가이드라인을 준수하여 처분 터널이 최대 수평 응력의 경사에서 ±30° 이내로 정렬되어있는 것이다. 이러한 가이드라인을 정하는데 처분공과 교차로에서의 스폴링에 대한 안정성이 다음과 같이 검토되었다.
1) 처분공의 안정성
처분 터널의 일부와 5개의 처분공을 모델링한 3차원 모델을 최대 주응력 방향에 대하여 직각에서 평행한 방향까지 회전하며 “Most Likely” 응력 모델과 “Unlikely maximum” 응력 모델에서 처분공 안정성을 분석하였다. 처분 터널은 지반 유형 GT1에 있다고 가정한다. Fig. 10과 같이 최대 응력은 처분공의 상단에서 약 1 m에서 발생한다. 처분 터널 방향의 함수로서 처분공 표면에서 최대 접선 응력은 Fig. 10에 나와 있으며, 최대 수평 응력의 방향에 ±25° 방향에서 스폴링 강도가 초과됨을 알 수 있다.
Fig. 10
(Left) The profile of tangential stress along the deposition hole axis with the deposition tunnel perpendicular to the maximum horizontal stress, (Right) The maximum tangential stress and depth of spalling depending on the orientation fo the deposition tunnel under “Most likely” stress model (SKB, 2009b)
이 결과를 Fig. 11과 같이 정리하고 5 cm 깊이의 스폴링까지는 허용한다면, “Most likely” 응력 모델의 경우, 처분 터널이 최대 수평 응력을 기준으로 0°에서 30° 사이로 정렬되었을 때 6,000개 중 약 100~200개의 처분공이 허용치 이상의 스폴링이 일어나고, "Unlikely maximum" 응력 모델의 경우, 처분 터널은 최대 수평 응력에 평행하게 정렬되는 조건에서 허용치 이상의 스폴링이 일어나는 처분공의 수는 100~200개로 큰 차이가 없다. 처분 터널을 최대 수평 응력에 평행하게 배치하는 이유는 30°로 기울어진 처분 터널에 비해서 처분공 경계에서의 최대 접선 응력을 크게 감소시킴으로써 처분공 스폴링을 방지할 수 있기 때문이다. 즉, 처분 터널은 최대 수평 응력 방향으로부터 ±30° 내외로 배치되어야 한다(SKB, 2009b).
2) 주 터널과 처분 터널 간의 교차로
주 터널과 처분 터널 간의 교차로의 응력 집중을 분석하기 위해 서로 다른 응력에 대한 방향과 터널간 교차각을 가지는 경우들에 대해 3차원 응력 해석이 수행되었다. Fig. 12에는 분석된 경우들이 도시되어 있고 Table 4에는 응력 계산 결과가 나와 있다. K1의 경우 최대 응력이 102 MPa임을 알 수 있고, K3v-15°와 K4v-15°의 경우를 비교하면 최대 응력의 크기가 거의 비슷하게 나타나 최대 응력의 크기는 주 터널과 처분 터널 사이의 각도에 의해 영향을 거의 받지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한 최대 응력이 발견되는 지점과 최대 응력의 크기 또한 다양함을 알 수 있고, 처분 터널 방향이 최대 수평 응력 방향과 유사한 경우 집중된 응력이 스폴링 강도에 미치지 못함을 확인할 수 있다.
Table 4.
Maximum calculated stress and its positions for crossings (SKB, 2009b)
3.3.4 중앙 지역
처분장에서 중앙 지역은 다양한 활동을 용이하게 하기 위해 설계된 다양한 터널, 수직구 및 피트뿐만 아니라 다양한 크기의 9개의 13-16 m 너비의 지하 대형 공동으로 구성된다. Fig. 13(a)은 응력 해석을 위해 이용된 중앙 지역의 배치와 각 터널 단면을 보여준다. 각 터널의 종방향이 최대 주 응력에 대하여 0°, 30°, 60°, 90°를 이루는 경우에 대해 분석되었다. 그 결과, 모든 경우에 최대 응력은 Cavern B의 왼쪽 스프링라인에서 관측되었고, 최대 주 응력에 터널의 종방향이 90°를 이루는 경우에서 GT3의 스폴링 강도, 80 MPa 초과의 압축 응력이 제한된 영역에서 발달한 것을 확인하였다(Fig. 13(b)).
Fig. 13
(a)Design layout and 2D sections of each type of tunnel, (b) The region with stress over 80 MPa around Cavern B and C (SKB, 2009b)
3.3.5 기타 설계 사항
위와 같이 3차원 탄성 해석에 의한 응력 집중 검토 외에도 다양한 요소를 고려하여 처분 터널의 방향과 형상을 설계해야 한다. 첫째로, 주요 수직 절리군과 최대 수평 응력 방향의 정렬 여부를 고려하여 처분 터널의 방향 결정에 반영해야 한다. 절리군의 방향이 처분 터널과 좁은 각도를 이룰 경우, 과굴착이 발생할 수 있다. 따라서, 스폴링 발생 가능성 및 이러한 수직 절리군과의 교차 가능성을 따져야 한다.
처분공에 스폴링이 발생하는 것을 일부 허용할 수는 있으나, 스폴링 발생 여부와는 독립적으로 처분공에 완충재를 설치하는 설계 기준 또한 만족되어야 한다. 처분 터널을 최대 수평 응력에 평행하게 정렬하는 것은 스폴링 현상을 줄이거나 제거하기 위한 사전 조치이며, 처분공의 표면에 스폴링으로 인해 암편이 낙하하고 처분공 형상이 변하는 경우, 설계 조건에 부합할 가능성을 높이기 위해 사후 조치를 취하는 방안을 완충재 설치시 고려해야 한다.
처분 터널 이외에도 처분장에는 중앙 지역, 진입 터널, 수직구 등 여러 기타 시설들이 있다. 진입 터널 및 수직구는 응력 및 스폴링 발생에 대해 별도로 분석되지 않았다. 그 이유는 장기적인 안전성 측면에서 해당 시설의 스폴링 효과는 미미하기 때문이다. 다만 최상부 폐쇄구역 하부의 스폴링을 완화하기 위해 진입 터널의 방향과 모양을 필요에 따라 수정할 수 있다(SKB, 2009b).
4. 지보 시스템 설계
SKB는 지보 시스템을 설계하기 위해 먼저 지반 유형을 나누고 발생 가능한 지반 거동 유형을 따로 분류하였다. 지반 유형은 암반 지보나 폐쇄를 고려하지 않고 굴착 후 각 지하 공간의 암반 특성을 평가하는 데에 기본이 되고, 지반 거동은 굴착시 관련 균열의 상대적 방향, 지하수 조건 및 현지 응력과 같은 요소들도 고려한다. 지반 유형과 지반 거동이 결정된 후 적절한 지보 유형이 제안된다. 그리고 지반 유형, 지반 거동 및 지보 유형 간의 상호 작용으로 정의되는 시스템 거동이 평가된다. 시스템 거동은 SFR (Final Repository for Short-lived Radioactive Waste)의 시공 경험, 경험적 Q-시스템 및 지보의 지지력에 대한 해석해를 사용하여 평가되었다.
4.1 지보 시스템 설계 요건
4.1.1 암반 지보
심층처분시설의 깊이, 방향, 단면 설계에 따르면 스폴링은 발생하지 않아야 하지만 지반의 불균질성, 굴착 공정 등에 의해 국부적인 불안정성이 발생 가능하다. 그러므로 설계 작업 수명 동안 작업 및 작업 환경을 확보하기 위해 암반 지보는 최종 처분장 시설에 충분한 안정성과 지지력을 제공해야 한다. 또한, 지보 작업에 사용되는 방법 및 재료는 최종 처분장의 하중지지력에 악영향을 미치지 않아야 한다. 예를 들어, 최소 100년의 설계 작업 수명을 가진 시설(즉, 처분 터널을 제외한 모든 시설)은 기준 설계에 따라 천단부와 측벽의 상부 모두에 최소 숏크리트 보강이 있어야 한다. 처분 터널 입구도 이 수준의 최소 지보가 있어야 한다. 또한 주로 처분 터널의 교차점 주변에 응력 집중을 예방하기 위해 모서리 부분은 적절히 처리되어야 한다. 처분 터널은 최소 5년의 작업 수명을 위해 설계되어야 하고, 보강 필요시 락볼트 대신 와이어 메쉬를 사용하도록 한다. 한편, 지보가 필요한 처분공은 지보를 하는 대신 배제해야 한다.
광범위한 지하 공사 경험을 기반으로, 지반 유형에 따른 암반 지보인 락볼트 및 숏크리트 등에 대한 지침이 SKB(2009b)에서 제공되고 기준 설계에서 지보의 양을 추정하기 위해 활용된다. 중앙 지역과 처분 지역을 서로 연결하는 수송 터널과 같이 NE 방향의 균열들과 평행하지 않은 방향으로 배치되어있는 터널에는 락볼트의 필요성이 적고 과굴착 가능성도 적다. 반면 진입 터널이나 처분장의 주 터널은 NE 방향의 균열 집합과 평행한 터널 구간을 가지므로 기준 설계에는 과굴착을 수용 가능한 수준으로 줄이기 위해 특별히 계획된 지보의 양이 명시되어 있다.
4.1.2 그라우팅
채움재가 신뢰성 있게 시공되도록 처분 터널로의 지하수 유입은 제한되어야 한다. 기준 설계에 따르면 진입 터널과 수직구에 지하수 유입이 사전에 제한되도록 설계되었지만 사후 대처를 위해 그라우팅재 사용 지침도 제시되어 있다. 기준 설계에 따르면 처분시설 주변 암반에 시멘트 기반 그라우트를 사용하여 사전에 그라우팅을 실시한다(SKB, 2007b). 다만, 지반의 불확실성으로 인해 시멘트 기반 그라우팅이 실용적이지 못한 경우를 위해 기준 설계에 Aspö Hard Rock Laboratory (HRL)에서 시험된 약액 주입과 같은 선택지들이 포함되어 있다(SKB, 2008).
그라우팅 방법은 터널 내부에서의 암반 조사를 기반으로 결정된다. 그러나 전통적인 탐사 시추를 통해서는 특히 상대적으로 작은 간극에 채널화된 유체 흐름이 있는 균열과 같이 탐지하기 어려운 균열이 있으므로 주의가 필요하다.
설계 조건에 따르면 처분공 주변의 그라우팅 자체를 제한하지는 않으나 차수 목적의 그라우팅은 처분 터널 설계에 고려되지 않았다. 처분 터널 굴착시 막장면에서 전방으로 그라우팅을 수행할 때 막장면 하부 그라우팅을 위한 주입공은 잠재적인 처분공과의 교차 방지를 위해 계획된 터널 윤곽 내부로 천공되야 할 것이다. 반면, 처분공이 위치할 수 없는 변형대에서는 이러한 제약 조건은 없다. 지면과 연결되는 처분 터널의 환기구는 Raise-boring 기술을 사용하여 건설될 것이다. 필요한 경우, 이곳에서의 그라우팅은 굴진 작업 이전에 실시될 것이다. 이러한 그라우팅을 위해서는 지표 또는 지하에서 시작하는 최소한의 편차를 가진 긴 시추공을 사용해야 한다.
현장 지반 조건에 따른 구체적인 그라우팅의 요건은 다음과 같다. 상대적으로 높은 투수량계수를 가진 균열 영역을 관통하는 터널에는 그라우팅 조치가 필요할 수 있다. 기준 설계에 따르면 현장 정보를 추가로 획득한 후에야 상세한 그라우팅 계획을 수립할 수 있다. 일반적으로 다양한 지하 공간에 대한 그라우팅은 선택적으로 사전 그라우팅을 실시할 수 있으며, 변형대나 균열대를 만날 경우 탐사공을 사용한다. 포쉬마크 지역 약 400 m 하부의 깊이에서는 지하수 유동이 매우 느리며, 처분 터널 주변에서 연속적인 그라우팅 시추공을 필요로 하지 않을 것이다. 20 m 길이의 수평 조사선에서 측정된 균열들의 투수량계수 값의 누적 밀도 함수에 따르면, 변형대들 사이에 20 m 구간 중 평균적으로 2% 미만의 부분에서 그라우팅이 필요하였다(SKB, 2009a).
4.1.3 잔여 인공 자재
암반 지보 및 그라우팅 작업으로부터 비롯된 인공 자재와 처분장 운영으로부터 생산된 잔류 자재는 처분장이 폐쇄되고 난 후에도 남게 된다. 숏크리트와 첨가제, 섬유 보강재, 와이어 메쉬는 지하 공간의 암반 표면에 남게 될 것으로 가정되며, 락볼트는 터널벽 및 천장에 남게 된다. SKB는 이러한 부피당 잔여 인공 자재의 양을 각 지하 시설별로 산정하였다(SKB, 2009b). 심층처분시설이 폐쇄되었을 때 자재의 양은 처분장 운영을 위해 사용된 재료의 1%가 최종 처분장에 남게 될 것으로 가정하여 계산된다. 잔류 자재 중 가장 큰 부피를 차지하는 것은 환기 장비와 케이블을 고정하는 락볼트로부터의 강철 및 녹, 시설 내의 방화벽, 펌핑 피트 및 도로와 같은 콘크리트 구조물로부터의 잔류물 등이 해당한다.
4.2 지반 유형과 거동을 고려한 지보 설계
4.2.1 지반 유형 분류
해당 지역의 지질학적 조건을 공학적 용어로 설명하기 위해 SKB는 네 가지 지반 유형(GT)을 정의했다. 이러한 지반 유형에 해당하는 포쉬마크 지역 지반의 Q값, RMR, GSI는 Table 1에 제시되어 있다(SKB, 2009c). 각 심층처분시설에서 지반 유형별 예상 분포는 SKB(2009b)에 정리되어있다.
4.2.2 지반 거동 분류
SKB는 일반적인 터널에도 범용될 수 있도록 처분장의 속성을 평가하는 데 사용해야 하는 지반 거동(GB, Ground behavior)의 세 가지 일반적인 범주를 정의했다(Table 5). 이를 포쉬마크에 적용한다면, 균열 영역 FFM02, 즉 처분장의 상부 50 m로 제한된 영역에서만 GB3의 발생이 예상된다. 응력으로 인한 파괴 위험이 있는 모든 암반을 포함하는 GB2의 발생은 더 깊은 심도, 즉 FFM01 및 FFM06으로 제한되는 것으로 가정한다. 변형대와 관련하여 편차가 발생할 수 있지만 이는 현재 기준 설계에서 고려할 필요가 없는 크기로 판단된다. 변형대는 균열 빈도 높으므로 이러한 구역에서 스폴링 가능성이 낮아질 수 있으나 본 고에서는 스폴링 발생과 변형대가 무관하다고 가정한다.
Table 5.
List of ground behaviors (SKB, 2009b)
4.2.3 지반 유형과 지반 거동의 조합
Table 6은 처분장에서 발생할 것으로 예상되는 지반 유형과 지반 거동의 조합과, 최대 응력 수준에서 가장 불리한 상황에서 스폴링이 발생하는 경우들에 대한 조합들을 보여준다.
Table 6.
Combinations of ground types and ground behaviors (SKB, 2009b)
4.2.4 지보 유형
숏크리트는 설비 보호와 유지 관리에 의한 목적뿐만 아니라 취성 파괴의 탐지를 용이하게 하는 측면이 있으므로 관찰 기법을 적용한 설계에서 중요하다. 기준 설계에 따르면 처분 터널을 제외한 처분장의 모든 부분은 최소한의 숏크리트 보강이 필요하다. 포쉬마크 지역 특성에 의해 지반 유형과 지반 거동의 조합은 한정되고, 그에 대응되는 지보 유형도 한정된다. 이에 더해 Table 7의 지보 유형은 각 재료의 연속성을 가지고 있으므로, 관측 기법에 의해 지보 설계 수정이 용이하다. 단, GT2의 지반일지라도 응력 조건 및 지반 조건이 불리한 조건이라면 ST4와 같이 보다 더 강한 지보 유형이 이용될 수 있다.
Table 7.
List of support types ((SKB, 2009b))
4.2.5 지반-지보 연계 안정성 검토
시스템 거동은 지보와 암반 사이의 상호작용을 의미하고, 시스템이 안정적이라는 것은 제안된 지보가 지반 거동에 대해 안정성을 확보한다는 것이다. 안정성 검토는 가장 가능성이 큰 시스템 거동과 가장 불리한 시스템 거동에 대해 수행된다.
제안된 총 지보량은 SFR에서 제시한 지보 시스템(SKB, 2007a)의 지보량보다 적다. 실제로 균열 방향과 터널 방향이 일치하는 일부 구간에서 낙반에 대비하기 위한 체계적인 볼트 고정이 필요할 수 있다. 이와 같은 추가적인 지보에 대해서는 관찰 기법에 기반한 설계로 대응할 수 있다. Q-시스템과 비교하면 처분 터널을 제외한 부분에서 현재 지보 시스템이 더 안전하다. 다만 현재 시스템은 처분 터널과 처분공에서는 숏크리트 사용이 제한되므로 스폴링 방지는 못하더라도 와이어 메쉬를 사용하여 안전한 작업환경을 확보하였다. 한편, 숏크리트 및 락볼트에 대하여 각 지보가 감당할 수 있는 블록 크기가 간단한 해석식으로 계산될 수 있다. 현재 기준 설계에 따르면 대부분의 블록은 지보가 감당할 수 있는 블록 크기 한계 내에 있으므로 안전한 지보 시스템임을 알 수 있다. 이에 더해 가장 불리한 시스템 거동에 대하여 검토한 결과, 스폴링 현상이 추가로 발생할 수 있다. 스폴링 현상은 숏크리드에 의한 약한 구속력에도 방지할 수 있으므로(r), 이에 대해 숏크리트 보강 면적을 증가시켜 대응할 수 있다.
4.2.6 시공성과 관련한 불확실성
‘시공성’은 주어진 조건을 충족하면서 처분장의 구조를 생성할 수 있는 가능성을 의미하고, '불확실성'은 생산에 구조적 또는 계약적으로 영향을 미칠 수 있는 요인을 말한다. 암반 지보의 관점에서 시공성에 영향을 미치는 주요한 불확실성들은 다음과 같다.
먼저 수평방향 절리가 존재하거나 암반이 쐐기나 블록형태로 탈락할 가능성이 큰 경우에 지보 설계에 반영이 되어야 한다. 이 경우 지보 성능을 증가할 필요가 있으나, 기존 지보 유형인 숏크리트나 락볼트의 양을 단순 증가시켜 위의 불확실성에 대응할 수 있으므로 시공성에 미치는 영향은 미미할 것으로 보인다. 다만, 공사기간과 비용에 미치는 영향은 고려되어야 한다. 다음으로, 설비 수명 동안 설치된 지보의 하중 지지력이 감소할 수 있다. 숏크리트와 락볼트의 장기 사용과 낮은 pH 그라우트 사용은 그 경험이 제한적이므로 각별한 주의가 필요하며 이를 위해서 지보의 주기적인 성능 모니터링이 요구된다.
블록 파괴나 스폴링과 같은 파괴는 시공성에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 적절한 모니터링과 대응이 필요하다. 이를 위해 계측 단계에서 응력과 블록 크기를 검토가 필요하고(Holmberg and Stille, 2007), 사전에 수립한 기준을 불만족할 경우 적합한 지보 시스템으로 변경하여야 한다. 블록 크기에 대한 중요 매개 변수는 지질 매핑으로 결정될 수 있고, 그 허용한계는 최악의 시나리오에 의해 결정될 수 있다. 스폴링 현상의 경우 미소 파열음 발생 수를 측정하거나 파일럿공을 통한 스폴링 현상 관찰 등으로 검토될 수 있다.스폴링현상이 자주 발생할 우려가 있다면, 숏크리트 양을 증가시키거나 와셔나 시스템 락볼트를 사용하는 것으로 대응할 수 있다. 현재 기준 설계에 따르면 처분공 상단에 스폴링이 발생할 수 있으므로 실제 이 현상이 관측될 경우 처분 터널을 최대 수평 응력에 보다 평행하게 설계 변경해야 할 가능성도 있다.
4.3 POSIVA 지보 시스템과 비교
처분시설 건설 시 터널굴착 방법과 지보설계를 위하여 암반분류체계가 필요하며 SKB가 포쉬마크 지역을 대상으로 수립한 암반분류체계와 유사한 체계가 온칼로 처분시설에 적용되었다(Table 8). Table 1와 Table 8를 비교해보면, 서로 대응되는 유형임에도 불구하고 지역에 따른 특징에 의해 서로 다른 암질지수를 가지는 것을 확인할 수 있다. 하나 주의할 점은 Table 8에서 제시된 터널공학적인 암반분류체계는 처분시설의 부지 적합성을 평가하기 위한 HRC (Host Rock Classification) 시스템과는 다르다는 것이다. HRC는 Hagros(2006)에 의해 제안된 암반분류체계로서, 처분시설, 처분 터널, 처분공의 설치 가능여부를 평가하기 위한 부지적합성에 관한 분류체계이다. 특히 부지적합성 측면에서 구조물의 규모에 따라 균열대의 영향성, 거리조건과 같은 기준이 상이한 특징이 있다. 또한 기준 수립 자체가 터널구조물의 굴착 안전성 측면보다는 장기적 운영 안정성 측면에서 암반을 규모별로 분류하고 처분구조물 설치 여부를 결정하게 된다. 또 다른 HRC의 특징으로는, Groundwater conditions (Jw)와 Stress Reduction Factor (SRF)를 각각 1과 5로 가정한 Q값을 Q’값이라 정의하여 활용하는데, 그 이유는 각 인자의 불확실성을 고려한 조치이다.
Table 8.
List of ground types (POSIVA, 2013)
POSIVA의 SER (POSIVA, 2013)에 따르면, 온칼로 처분시설에서는 따로 제안된 지보 시스템을 확인할 수 없었으나 Q 시스템이 적용된 것으로 추정된다. 지반 분류에서 사용된 Q 값을 이용하여 Fig. 14과 같은 Q-chart로부터 지보설계를 하였으며 GT1과 GT2의 경우에는 무지보로 설계된 것으로 기술되어 있다. Table 9는 온칼로 지역의 지반 유형에 따른 Q-chart에 의한 지보 설계를 보여준다.
Table 9.
List of support system by Q-system depending on ground types (POSIVA, 2013)
| Ground type | Span (m) | Excavation support ratio | Shotcrete thickness (mm) | Rockbolt | |
| Length (m) | Space (m) | ||||
| GT1 | 5 | 0.8 | Unsupported | ||
| GT2 | 5 | 0.8 | Unsupported | ||
| GT3 | 5 | 0.8~1 | 40 | 2.5 | 2.2 |
| GT4 | 5 | 0.8~1 | 45 | 2.5 | 2 |
POSIVA와 SKB의 지보 시스템을 비교한 결과, 숏크리트 두께는 포쉬마크 시설의 두께가 온칼로 시설 대비 두꺼운 것으로 조사되었으며, 포쉬마크의 GT1과 GT2의 지보량이 더 많았다. 이러한 차이는 각 부지의 암반특성을 고려한 설계 결과로 인한 것으로 추정된다. 다만, 실제 현장에서의 지보설계가 어떻게 되었는지는 확인이 필요하며, 향후 국내 처분시설 건설 시에는 부지 특성을 고려해 기준 및 지보설계를 해야할 것이다.
5. 결 론
국내 터널 설계는 주로 도로터널 혹은 수로터널을 대상으로 하는바 고준위방사성폐기물 심층처분시설은 고유의 특수성을 고려하여 설계해야 한다. 기존 터널 설계와 주요한 차이점으로는 고온의 사용후핵연료의 핵종 유출을 막기 위해서 높은 수준의 열적, 역학적, 수리적 기능들이 장시간 유지될 수 있도록 고준위방사성폐기물 처분시설이 건설되어야 한다는 것이다. 이를 위해 SKB는 고준위방사성폐기물 처분시설을 위한 안전 기능, 성능 목표, 기술적 설계 요건을 수립하고 이를 포쉬마크 지역에 적용하여 구체적인 설계를 수행하였다. 지반의 불확실성에도 이러한 기능을 갖추기 위해서 관찰 기법을 적용하여 지속적인 모니터링과 그에 따른 설계 변경, 그리고 단계별 개발이 제안되었다. SKB는 포쉬마크 지역에 고준위방사성폐기물 처분시설을 건설하기 위해 터널의 공간적 배치, 방향, 형상 등을 앞서 수립한 설계 기준에 맞출 수 있도록 기준 설계인 D2 Layout을 제시하였고 이후 건설 및 계측 과정에서 개선될 수 있도록 했다.
지보 시스템은 지하 구조물을 실제로 시공할 때 매우 중요한 요소이므로, SKB는 포쉬마크 지역에 대한 독자적인 지보 시스템을 제안하였다. 이는 지반과 그 거동을 분류하고 해당 지역에 존재하는 지반 유형과 거동 조합에 대해 대응되는 지보 유형으로 이루어졌고 Q 시스템과 같은 기존 지보 시스템과 비교를 통해 그 안정성이 확인되었다. 시공성과 관련한 불확실성은 적절한 검사와 그에 따른 지보 설계 변경으로 대응할 수 있다. POSIVA는 SKB와 유사하게 지반 유형을 분류하고 이에 따라 Q 시스템을 적용하였다. 이때 지반 유형 분류는 장기 안정성에 방점을 둔 부지 선정을 위한 암반 분류와 구분되어야 하며, 지반 유형에 해당하는 지반 특성은 지역마다 다르므로 각 지역에 맞는 구체적인 유형의 특징들은 조사되어 정립되어야 함을 확인하였다.
국내에도 화강암질의 암반이 다수 분포하므로 포쉬마크나 온칼로와 유사한 지반적 요건에서 고준위방사성폐기물 심층처분시설이 건설될 수 있다. 이 때, SKB가 제시한 설계 기준들이 준용될 수 있을 것이며, 각 기준에 대한 상세 기준을 수립하기 위한 방법론이 활용되어 우리나라에 적합한 설계가 이루어질 수 있을 것이다. 또한 국내 처분시설 후보지가 정해질 경우, 지반 유형에 따른 지반 특성을 파악하여 국내 처분시설 건설에 특화된 지보 시스템을 수립하여 활용할 수 있을 것이다.
Appendix
