1. 서 론

일반적으로 퇴적 암반의 거동은 이방성을 띠며, 이는 개별 암층을 분리하는 층리가 반복되어 형성된 층상 구조에 기인한다(Kim, 2020). 이러한 이방성으로 인해 터널 굴착시 강도와 변형 거동은 층리와 하중 작용 방향의 각도(β)에 따라 뚜렷한 차이를 보인다. 국내외에서는 편마암, 셰일, 사암, 편암 등 뚜렷한 이방성 구조를 보이는 다양한 암석에 대한 강도 및 탄성 변형 상수의 방향성(Park, 2001, Park et al., 2008, Lee, 2023)에 따른 많은 연구가 진행되어 왔으며(Cho et al., 2012), 대부분 이론적 또는 실험실 시험에 기초한 결과들을 보고하였다(Fortsakis et al., 2012, Yim, 2022).

터널 설계시 널리 사용되는 RMR이나 Q와 같은 암반 분류법의 경우 이러한 이방성에 따른 영향을 직접적으로 고려하기 힘들므로(Hoek, 1998), 최근에는 이방성을 명시적으로 고려한 설계, 즉 이방성 절리 암반 모델(Anisotropic Joint Rock Model)이 도입되기도 하였다(Wittke and Sommer, 2024, Zhang et al., 2022). 퇴적암반 내 터널 굴착시 층상 구조나 이방성이 매우 규칙적인 경우 Jaeger(1960)에 의해 이론적으로 도출한 특성들이 명확히 고려될 수 있다(Amadei and Goodman, 1981, Min et al., 2017). 하지만 실제 암반은 층리 등의 구조가 균질하지 않고 다양한 암층이 교호하고 그 폭도 다 다르며, 국부적인 절리나 결함 등의 영향을 받으므로(Marinos and Hoek, 2001), 터널 설계시 규칙적인 이방성 모델을 적용하는 것에 대한 효용성에 대해서 더 많은 고려와 검증이 필요하다.

국내의 경우 터널 및 지하공간 건설 시 퇴적 암반의 거동에 관한 정보나 보고는 매우 제한적인데(Seo et al., 2010), 한국 지질에서 퇴적암 지대가 상대적으로 강원도 석탄층이나 경상 분지 지역에 한정되어 있기 때문이다. 특히 뚜렷한 층리를 가진 암반에서 굴착에 따른 거동에 대한 상세한 보고가 한정적이다.

이 논문에서는 해외 연약 퇴적 암반 내 고속철도 터널 현장 굴착 중에 발생한 특이한 과도 변위 및 이에 따른 다양한 터널 손상 현상에 대하여 상세 분석하고 그 원인 및 메커니즘에 대하여 평가하고자 한다. 주 터널 굴착을 위한 공사용 수평 터널(Construction Adit, CA) 및 공사용 임시 터널(Temporary Construction Tunnel, TCT)을 굴착하는 도중, 설계시 예상치 못한 최대 100 mm 이상의 매우 과도한 변위가 관찰되었으며, 막대한 추가 보수 및 보강이 불가피하였다. 당초 설계시에는 이방성 등의 퇴적암 특성을 고려하지 않은 단일한 균질 암층으로 파악되었지만, 실제 굴착 시에는 예상하지 못한 얇은 퇴적층의 교호하는 뚜렷한 층리가 관찰되었다. 또한 사막 지형 평원에서 발생하기 어려운 과지압의 징후도 뚜렷이 관찰되었다. 계측 결과 및 막장 조사 등의 상세한 분석에 기초하여, 층리를 명시적으로 고려한 수치해석 결과 비교를 통해 기존 설계의 문제점을 확인하고, 퇴적 암반 내 터널 설계시 고려해야 할 사항에 대해서 논의하고자 한다.

2. 주요 발생 현상 분석 및 설계 고찰

이 프로젝트는 중동 고속철도 산악터널을 건설하는 과업의 동쪽 구간으로서 3개의 공사용 터널을 통해 진입하여 장대 병렬 주 터널(main tunnel)을 굴착하는 대형 공사이다. 주 터널과 공사용 터널이 교차하는 부분에는 터널 기전시설 등의 설치를 위해 높이 20 m의 대형 교차 공동(Cross Cavern)이 계획되었으며. 주 터널 굴착은 공사용 수평 터널로부터 교차 공동 굴착이 완료된 후에 동시에 4방향으로 주 터널들을 굴착하는 계획이었지만, 시공시에 매우 촉박한 공사 기간을 단축하기 위해 교차 공동을 우회한 양방향의 공사용 임시 터널(TCT)을 추가하는 것으로 변경하였다. 총 3개의 공사용 수평터널 구간 중, 문제가 발생한 심도 100 m 내외의 3번째 공사용 터널(CA3) 주변(Fig. 1 참조)은 설계시 단일한 사암층으로 예측되었으며, 나머지 구간은 다양한 화성암 및 변성암 변종 등 다양한 암종으로 이루어져 있다. 이 장에서는 CA3 및 TCT 굴착시 발생한 예측하지 못한 이상 현상 및 문제들에 관해 설명하고 이러한 현상이 발생한 현장 조건에 대해 기존 설계 내용에 대한 비교와 함께 검토한다.

Fig. 1.

Summary of abnormal incidents during the construction adit CA3 excavation and changed rock supports

2.1 터널 손상 및 보강 현황

주 터널 굴착을 위한 공사용 터널 CA3 굴착시 초기 입구부(Fig. 2)에서 측정된 계측치는 2~3 mm 미만으로 매우 안정적이었으나 공사용 임시 우회터널인 TCT 분기를 위한 굴착 지점에 근접함에 따라 기존 변위의 수십 배에 달하는 급격한 변위가 발생하였으며, 기존 굴착 및 보강이 완료된 구간에 연속적으로 숏크리트 균열 및 간헐적인 미소파괴음이 관찰되었다. Fig. 1은 구간별로 발생한 주요 현상과 이에 따른 지보량의 증가 양상을 보여주며, Fig. 2는 대표적인 숏크리트 균열 양상과 일부 구간에서 발생한 터널 천단부 부분 붕락 현상 사례를 보여준다. 막장 지질조사로 판정된 암반 등급은 대부분 2~3등급의 양호한 암반이며, 지하수위가 관찰되지 않은 완전히 건조한 상태로 특별한 구조대나 풍화대가 관찰되지도 않았다. 하지만, 계속해서 증가하는 터널 변위에 대해 명확한 원인을 단정하기 어려웠으며, 당초 설계시 계획된 지보량 대비 록볼트 길이 증대 및 추가, 숏크리트 추가 타설 등 보강량을 증대시켜 터널 안정성을 확보하는 방안으로 공사가 계속 진행되었다.

Fig. 2.

Typical shotcrete cracks (left) and roof slabbing view (right)

숏크리트 균열은 Fig. 2에 보는 바와 같이 대부분 천단부 또는 어깨부에 걸쳐 발생하여 터널 종방향으로 연속적으로 이어지는 양상을 보였으며, 일부 구간에서는 천단부에 약간의 붕락이 관찰되기도 했는데, 이는 층리 구조가 지배적인 상황에서 슬래빙(slabbing)의 영향으로 발생한 것으로 보인다.

관찰된 천단부 부근의 숏크리트 균열과 슬래빙 현상은 터널 수평 변위가 훨씬 크게 발생하여 터널 천단부에 굴착 유도 응력이 집중되어 일부 전단 파괴가 발생되었다고 유추할 수 있다. 실제 계측 결과를 조사했을 때 수평 방향의 변위가 전반적으로 크게 발생함을 확인하였다.

막장 조사 결과 암질 자체는 매우 양호한 상황이므로 결국 이러한 이상 변형이 발생하는 원인은 암반 현지 응력 조건이나 암반 자체의 지질 공학적 특성 이외에는 특별히 유추하기 어렵다. Fig. 3은 CA3 굴착시 이상 변위가 발생한 막장면의 대표적인 막장 지질조사 결과를 보여준다. 변위가 매우 미소했던 다른 막장들에 비해 확실한 차이점은 뚜렷한 수평 층리 구조가 교호하는(inter- bedded) 모습을 보이며 특히 짙은 색의 밴드 상의 이암(mudstone) 또는 실트암(siltsone)이 관찰된다는 점이다. 막장 조사 결과 일부 미소 수직 또는 경사 절리들이 관찰되지만, 모든 절리들이 닫힌 상태이며 연속성 또한 미미하였다. 이는 결국 다른 터널 굴착시에는 발견되지 않았던 교호하는 이암/실트암 층의 존재가 어떠한 방식으로든 전반적인 터널 거동에 영향을 미칠 수밖에 없음을 의미한다.

Fig. 3.

Typical face mapping record during the CA3 excavation

2.2 암반 상태 및 현황 고찰

원설계 당시 CA3 구간의 지질 조건은 단일한 지층인 사암으로 규정되었고 간헐적으로 지반조사 시추 자료에 이암 또는 실트암의 존재가 보고되었으나 설계 정수나 지보 산정 등에 관련 지층의 존재나 이방성의 영향 등은 전혀 고려되지 않았다. 현장에서 발견되는 사암은 총 3가지로서 Oєr로 표기되는 Rand & Um Sham 사암, Єq로 표기되는 Quweira 사암, 그리고 Єs인 Siq 사암의 3종이지만, 터널 심도에서 주로 Siq 사암만이 존재하고 나머지 사암은 천부 일부에서만 발생하는 것으로 파악되었다. 현장 지역 사암은 고생대 초기 퇴적암이지만, 교결 작용이 충분히 진행되지 않아, 대략 30-40 MPa 범위의 연암 강도 특성과 부분적으로 층리 등의 이방성을 뚜렷이 보였다.

Fig. 4와 Table 1은 좀 더 뚜렷한 사암의 특성을 살펴보기 위해 지반 조사시 실시한 많은 양의 일축압축시험 결과 및 분석한 결과를 나타낸다.

일축압축시험 결과는 단일 위치에서 채취된 코어가 아니지만 일반적으로 사암의 종류, 심도나 풍화도에 따라 뚜렷한 경향을 도출하기 어려울 정도로 심한 분산을 보였다. 이 정도의 차이를 보이는 암석 시편들이 과연 단일한 암종으로 분류될 수 있는지에 대한 의문이 발생한다. 더욱이 강도 시험 결과 5-15 MPa 정도의 매우 낮은 시험 결과가 많이 보였지만, 단지 3가지 사암의 종류로만 분류하였을 뿐 이암과 실트암을 별도로 평가하지 않았음을 알 수 있다.

결국 Table 1에서 보듯이 대부분 3가지 사암은 편차에도 불구하고 평균적으로 30-45 MPa 정도의 강도를 보이는 것으로 분석하였다.

Fig. 4.

Uniaxial compressive strength of typical sedimentary rocks distributed in the project area

Table 2는 터널 구간에 적용된 터널 지보 등급 패턴 분류와 이에 따른 지반 정수를 보여준다. 대체로 암질이 양호한 4등급까지는 Hoek-Brown 기준이 적용되었으며 지보 분류에 적용된 암석은 Siq 사암만이 규정되었다. 또한 터널 안정성 해석에 적용한 암반 현지 응력비(k)가 0.5-1.5 또는 0.5-1.0이 적용되었는데, 지반조사 시 암반 응력 측정이 실시되지 못한 한계를 고려하더라도, 과지압의 영향이 설계시 전혀 고려되지 못했음을 알 수 있다.

지반조사 결과와는 다르게 Fig. 3에서 보는 바와 같이 실제 굴착 시에는 해당 구간에서 뚜렷하게 다른 지층들이 교호함을 확인 할 수 있고, Fig. 5와 같이 현장에서 채취한 암편을 비교한 결과 육안으로도 명백한 암질의 차이를 확인 할 수 있다.

Fig. 5.

Typical rock types and feature of mudstone and sandstones

암석의 명확한 학명을 특정하기는 어려우나 사진과 같이 흰색 사암과 갈색 사암, 그리고 이암의 세 가지 형태로 뚜렷이 구분되며, 시료를 채취하여 현장에서 실시한 점하중시험 결과 강도 범위는 흰색 사암은 40-50 MPa, 갈색 사암은 25-35 MPa, 이암/실트암은 5-10 MPa로 암종에 따른 뚜렷한 일축압축강도 차이를 보였다. 또한, 채취된 이암 암편을 물에 담가 분해 시험을 했을 때 5시간 이내에 암석 시료가 완전히 분해되는 특성을 보였다. 이러한 암반 특성은 본 현장에 만일 지하수위가 존재하였다면, 암석 팽창(swelling)이나 압착(squeezing) 현상이 발생할 가능성이 높으며, 터널의 안정성이 더욱 심각하게 위협될 수 있었음을 보여준다.

이암 등 교호 층리의 존재 양상이 어떻게 터널 거동에 영향을 주는지 좀 더 상세하게 살펴보기 위해 Fig. 6과 같이 공사용 터널에서 암층 구성에 따라 개별 구역으로 분류하였다.Zone 1(CH980-1007)에서는 이암층이 미미하게 존재하며, 터널 막장 전반이 흰색 사암으로 구성되어 다른 막장보다 안정할 것으로 예상된다. Zone 2(CH1007-1020)에서는 갈색 사암과 이암층이 발견되기 시작하여 그 두께가 점차 증가하며, Zone 3(CH1020- 1052)과 Zone 4(CH1052-1060)는 전 구간 가장 많은 이암층이 발견된다. Zone 5(CH1060-1082)에 이르러서 이암층이 점차 다시 줄어들며, 터널 천단부에 이암층이 일부 발견된다. Zone 6(CH1082-1120)에는 이암층이 줄어드는 양상이 뚜렷하며 CH1100에 이르러서는 CH1030-1060에 비해 작게 발견된다. Zone 7(CH1120-1130)은 다시 이암층이 터널 막장 하부에 발견되며, 이는 교차 공동 방향으로 경사진 이암층이 형성된 것으로 확인되었다.

Fig. 5에 나타낸 것과 같이 흰색 사암이 상대적으로 견고하고 강도가 강하므로, 막장 내 흰색 사암의 발생 정도와 위치에 따라 터널 거동 및 안정성에 영향을 미칠 것으로 예상된다. 결국 Fig. 6에 분류된 바와 같이 이암층의 위치 및 막장 내 함유 정도가 터널 거동 간의 뚜렷한 관계가 있을 것으로 판단된다. 또한 명확히 확인되지 않았지만, 미소한 변위가 장기간에 걸쳐 계속 증가하는 것으로 보아 이암층과 교호하는 층리의 특성은 장기적으로 점성 거동을 보일 가능성도 있다.

Fig. 6.

Classification of geological zones considering inter-bedding conditions

3. 계측 결과 및 이상 변형 원인 분석

과도한 이상 변형이 발생한 구간의 원인을 규명하기 위해 현장에서 계측된 내공 변위를 분석하였다. 터널 막장 간 15 m 간격으로 각 단면 당 천단부에서 측벽부까지 총 5개 측점에 대해 레이저 타겟 형태의 3차원 절대 변위 값을 측정하였다.

3.1 공사용 터널(CA3) 계측 분석

터널 굴착에 따른 계측된 변위 결과를 주변 지반의 거동과 함께 상세하게 검토하기 위해서는 각 계측 점이 아니라 종방향 선형(chainage)에 따라 전체 자료를 도시하는 것이 더욱 편리하다(Schubert, 2011). 이렇게 도시하면 굴착에 따른 각 위치에서의 변화 양상 및 단층과 같은 지질구조의 영향을 쉽게 비교할 수 있다(AFTES, 2005, Austrian Society of Geomechanics, 2014). 터널의 한 단면에 대해서 5개 측점에 대해서 측정된 계측치를 시간에 따라 Fig. 7에 정리하였다. 측정된 계측 점은 굴착 막장으로부터 약 7.5–10 m 간격으로 설치되었다. Fig. 7에서 확인 할 수 있듯이 일반적인 변위벡터 합은 CH1020부터 점차 증가하여 CH1050- CH1060 구간에서 최대치를 보였다. 전반적으로 천단부 변위(RF)가 측벽부에 비해 작게 나타났는데, 향후 변위가 추가로 증가한 경우에도 대부분 숏크리트 균열 등의 영향이거나 또는 임시공사용 터널(TCT) 굴착 개시 후 발생한 교차부 효과인 것으로 판단된다. 전반적으로 몇 개 위치를 제외하고 굴착 진행 후에 약 40-50 mm 범위까지 변위가 증가하였다. 측벽부(SD-L/SD-R) 변위는 최대 70~90 mm까지 증가하였으며 확실히 천단부에 비해 큰 변위 크기와 변화를 보였다. CH1100 이후 급격한 증가 양상은 또한 공사용 임시터널(TCT) 굴착 개시와 관련된 교차부 효과와 관련되므로 실제 암반 특성에 따라 반응하는 종방향 변위 경향선(trend line)은 CH1050-1060에서 최대치를 보였으며, 상당히 규칙적인 양상을 보였다.

Fig. 7.

Typical convergence monitoring results for CA3 excavation

즉 이러한 규칙성과 대칭성은 단층이나 연약대와 같은 특이 지질 특성에 의한 것이 아니라 막장 암반 자체가 반응한 것임을 확인 할 수 있다. 따라서 상대적으로 매우 큰 변위 양상은 이암 교호 층리 등의 영향으로 인한 지질구조 및 암석 자체의 특성에 더욱 영향을 받은 것으로 평가할 수 있다. 초기 변위 증가에 따라 추가 보강들을 실시하였지만, 최종 변위의 최댓값 역시 상당히 일정하다.

따라서 추가 터널 굴착 등으로 인한 효과를 배제하기 위해 CA3의 굴착이 완료된 후에 실시된 계측 결과만으로 종방향 변위 분포를 비교하고자 하였으며, 이를 Fig. 8에 도시하였다.

Fig. 8.

Longitudinal variation of resultant displacement after completion of CA3 excavation (before TCT opening)

Fig. 8에서 보는 바와 같이 굴착이 끝난 직후에는 순전히 암반 반응에 따라서 CH1050-1060 구간에서 최대 변위를 보이며 전반적으로 종방향 변위 곡선은 상당히 대칭적인 모습임을 뚜렷이 확인할 수 있으며, 앞서 설명한 교차부 효과 등이나 지보재 손상의 영향 또는 시간 지연에 따른 creep 효과 등을 제외한 경우 계측치는 순수하게 막장을 구성하는 암반 특성에 따라 굴착에 따른 반응을 보여줌을 확인할 수 있다. 또한 종방향 굴착에 의한 변위 양상이 천단부에 비해 측벽부가 전반적으로 큰 경향이 잘 나타나 있다. 이러한 변형 거동은 Fig. 6에서 막장 조사 결과 따라 분류한 구역들과 상당히 잘 일치하며, 결국 막장면 내 이암층의 위치 및 분포 양상과 어느 정도 상관관계가 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 7에 비교된 변위는 최종 벡터 합으로서 정확한 방향을 알기 힘들며, 실제로는 CH1087에 대해 터널 단면 및 3 평면에 도시된 바와 같이 3차원적으로 변화한다(Schubertand and Steindorfer, 1996). 따라서 3차원적 변위벡터의 방향을 좀 더 명확하게 파악하기 위해서 Tecplot 상용 그래픽 소프트웨어를 사용하여, Fig. 9와 같이 각 측점 계측치의 최댓값을 이용하여 3차원 공간상에 벡터로 도시하였다. X-방향 변위가 터널 단면상의 수평면이며, 전반적으로 수평 방향 변위벡터가 매우 지배적임을 쉽게 알 수 있다. 특히 CH1030-CH1060 구간의 최대 변위가 발생한 구역에서 측벽부에서 매우 큰 X-변위벡터를 확인 할 수 있다. CA3가 또한 점점 심부로 굴착하는 하향 경사이므로 굴착 진행에 따른 변위벡터의 변화 양상을 확인할 수 있다.

Fig. 9.

3D absolute displacement vectors after CA3 excavation

굴착이 진행된 CA3의 심도는 100 m 정도 되므로, 이 정도의 심도에서 이러한 과도한 X-변위는 상당히 이례적인데, 일반적으로 상재하중의 영향으로 천단부 변위가 수평 변위보다 큰 경우가 대부분이기 때문이다.

따라서 이러한 3차원 변위벡터 양상을 통해 본 굴착 구간이 수평 응력이 월등하게 커서 측벽부에서의 터널 안쪽으로의 수평 변위가 지배적임을 확인하였다.

3.2 공사용 임시터널 계측 분석

CA3 굴착이 완료된 후, 동쪽 구간 공사용 임시터널(ECT) 굴착이 진행될 때 CA3와 공사용 임시터널의 교차부에서 추가 변위가 발생하였다. 특히 교차부가 만나는 굴곡 어깨 부위에서 많은 숏크리트 균열이 관찰되어서 결국 다량의 추가 보강을 하였으며, 이후에도 계속적으로 터널 변위가 안정화되지 않을 경우를 대비해 강성 지보를 추가 계획하였다. 이후 서쪽 공사용 임시터널(WCT)이 굴착되었지만, 전반적으로 과도 변위와 터널 손상 현상은 주로 ECT에서 집중되어 관찰되었다.

Fig. 10은 공사용 임시터널(TCT) 굴착이 완료된 후에 CA3를 포함한 TCT 터널의 3차원 변위벡터를 도시한 것이다. 동쪽 터널(ECT)이 서쪽터널(WCT)에 비해 큰 변위를 보임을 알 수 있다. CA3의 경우와 같이 수평 방향 변위가 우세하며, 측벽부에서의 변위가 매우 크게 나타남을 알 수 있다. 이러한 변형 양상으로 유추해 볼 때, 100 m 내외의 심도에서 이러한 과도한 수평 변위가 발생하려면 현지 수평 응력이 수직 응력보다 적어도 2배 이상 매우 크게 작용하고 있다고 판단된다. 일부 변위벡터 경향이 부분적인 파쇄대나 타 굴착 영향 등으로 불균질하지만, 전반적인 경향을 볼 때 최대 주응력 방향은 NE20-30 정도로 추정된다.

Fig. 10.

3D absolute displacement vectors after TCT excavation

계측 결과를 더욱 상세하게 평가하기 위해 ECT와 WCT 굴착시 각 단면 당 5개 측점에서의 계측치를 종합하여 분석하였으며, 더욱 큰 변위가 발생한 ECT의 계측치를 Fig. 11에 정리하였다. 선형이 곡선으로 변화하는 구간에서 터널 왼쪽(SH-L/SD-L) 수평 변위가 오른쪽보다(SH-R/SD-R) 더욱 크게 나타났지만, 이러한 경향은 CH90-120 구간 이후에는 역전되어 오른쪽 방향 변위가 지배적으로 나타난다. 이러한 변위 방향의 역전 거동이 발생하는 명확한 원인을 규정하기는 어렵지만, 이암층의 국부적인 집중 분포, 벽체 부근의 국부적인 파쇄대 존재 가능성 및 매우 큰 현지 응력에 따른 터널 노선과 굴곡 기하 형상의 영향 등이 복합적으로 작용한 것으로 추정된다. 공사용 임시터널의 굴착 단면은 CA3 구간 대비 작지만, 발생 변위는 최대 100 mm 이상으로 매우 크게 발생하였다. 계측치와 막장 조사 결과를 비교 검토한 후에 ECT 굴착 영역을 특성에 따라 3~4개 구역으로 분류하였으며, 이를 Fig. 12에 정리하였다.

Fig. 11.

3D absolute displacement vectors after ECT excavation

Fig. 12.

Typical face mapping photos and zoning after ECT excavation

zone 2와 zone 3은 매우 심각한 숏크리트 균열이 관찰되어, 이 구간의 변위 안정화를 위해 록볼트 추가 및 와이어메쉬와 200 mm 이상의 숏크리트로 보수 보강되었다. 보수 보강 이후, 약간의 추가 변위 증가가 관찰되었지만, 전반적으로 더 이상의 급격한 변위 증가는 발생하지 않았다.

CA3 분석의 경우와 마찬가지로 굴착 단면 내 이암의 위치 및 분포 양상이 전반적으로 터널 거동에 영향을 주는 것으로 판단된다. 특히, spring line 하부에 더 많은 이암층이 교호하는 경우 흰색 사암이 분포할 때 비해 변위가 월등하게 크게 나타났다.

이때까지 CA3 및 ECT의 계측치 및 현장 막장 조사를 분석한 결과, 과도한 이상 변위와 이에 따른 터널 손상은 결국 원설계 단계에서 인지하지 못한 이암층의 분포가 일차적인 영향을 주었음이 명백하다고 평가된다.

3.3 이상 변형 원인 고찰

일반적으로 수평 층리가 규칙적으로 발달한 이방성 암반의 경우에는 횡등방성 재료(transversely isotropic material)로 고려되며, 3차원 구성 방정식의 도출이 가능하다. 이러한 재료의 실험과 이론적 고찰들은 대부분 수직 방향의 변형 계수(E2)가 평면 등방 변형 계수(E1)에 비해 훨씬 작아서, 수직 방향의 변형이 지배적인 것으로 알려져 있다. 하지만 본 현장에서 관찰된 거동은 대부분 수평 방향의 변형이 지배적이며, 수직 방향의 탄성 변형은 이보다 작게 나타났다.

이러한 차이가 나는 이유는 기본적으로 두 가지로 요약될 수 있다. 먼저 해당 퇴적 암반은 층리가 수평적으로 분포하지만 일정 암석층이 규칙적으로 교호하는 것이 아니라 이암, 흰색 사암 및 갈색 사암층들이 복잡하게 교호하는 불균질성을 보였다. 특히, 앞서 막장 조사 및 계측 결과 검토에서 확인하였듯이 이암층의 위치와 분포 양상이 전반적인 터널 거동에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다. 이암층의 공학적 특성이 설계 시에 고려되지 못하였으므로, 향후 수치해석 평가를 위해서 이암층과 유사한 지반조사 결과를 재해석하여 이암층의 기본적인 특성을 Hoek-Brown 기준(Hoek and Brown, 2019)에 따라 재평가하였으며, 그 결과를 Fig. 13 및 Table 3에 제시하였다.

Fig. 13.

Typical Uniaxial compressive test result and assessment of Hoek-Brown Criteria for mudstone

Table 3에서와 같이 Hoek-Brown 기준에 따라 추정된 이암층의 현지 암반 변형계수(rock mass modulus)는 약 1,100 MPa로서 이는 비슷한 암반 등급에 대해 Table 2에서 설계시 사용된 사암의 현지 변형계수 4,000-5,000 MPa보다 약 4~5배 정도 차이가 남을 알 수 있다. 이는 이암층이 존재하는 경우 기본적인 암반의 탄성 변형계수가 작아서 사암층만 존재할 때 비해 변형이 매우 크다는 것을 의미한다.

하지만 막장 조사에 관찰된 바와 같이 이암층은 다른 사암층들과 복잡하게 교호하고 두께도 각 위치에 따라 다 다른 분포를 보이므로 이러한 암반에서는 비록 이방성이 뚜렷한 지층이지만 이보다 거동에 더 영향을 주는 이암층의 불균질성 특성에 보다 좌우되므로 일반적인 이방성을 고려한 횡등방성 모델 등을 적용할 수 없을 것으로 평가된다. 그렇다면, 이러한 서로 다른 물성의 층리의 불균질성을 더욱 정량적으로 고려할 방법이 필요하다. Saroglou(2013)은 불균질성이 존재하는 암석을 정량화하는 방법을 제시한 바 있다. 즉 일축압축시험편에 사암과 실트암 층의 함량의 비율에 따른 다양한 시험을 실시하여 다음과 같은 결과를 얻었다.

여기서 A는 사암의 평균 일축압축강도이고, B는 시험으로 구한 강도 감쇠곡선의 경사이며 sl은 실트암의 함유 %이다. 이 식은 실트암 함량이 37% 이상인 경우 아래와 같이 단순화할 수 있다.

하지만 이러한 관계식은 일축압축시험 규모에서 결정된 것으로서 암층에 적용할 수 있을지는 좀 더 면밀한 검토가 필요하다. 이러한 방법 보다는 수치 해석적으로 명시적으로 불균질한 암층을 직접적으로 모델화하여 고려하는 것이 국부적인 위치 및 분포 양상의 영향을 더욱 잘 구현할 수 있을 것으로 판단된다.

이상 변형이 발생한 두 번째 주요 원인은 이미 계측 분석에서 언급했듯이 이례적으로 큰 수평 응력의 영향으로 볼 수 있다. 당초 설계시에는 현지 응력비 k를 1.5까지만 반영하였으므로, 이보다 현지 응력이 높은 경우에는 설계시 도출된 결과들이 적용될 수 없다. 일반적으로 지표면 근처에서는 k 값이 큰 경우가 종종 발생하지만, 심도가 증가할수록 점점 정수압인 1에 가까워지게 된다. 하지만 Fig. 14의 CA3 주변의 위성사진을 보면 현장 주변이 왜 매우 큰 수평 응력이 작용할 수밖에 없는지에 대한 단서를 파악할 수 있다. 즉 해당 지역은 오랜 지질 풍화 및 침식 작용으로 인해 매우 큰 두께의 지반이 제거되었으나, 광역적인 침식에도 불구하고 수평 잔류 응력은 암반 내에 남아서 특징적으로 큰 수평 응력이 발생한 것으로 평가된다. 이러한 침식의 증거는 주변에 돌출해 있는 거대 잔류 암체 노두들에서 명확히 알 수 있다.

Fig. 14.

Satellite image of CA3 area and profile

이러한 암체의 존재는 지표 하부에서 3차원적인 복잡한 현지 응력장을 야기할 수 있으며, 거대 돌출 암체의 하부에 터널이 통과하는 경우 특이 응력장에 노출되어 터널이 더 불안정해질 수 있다. 수평 현지 응력 값의 추정을 위해 굴착 진행 이후 주변 암석 시편으로 AE/DRA 시험을 실시하였으며, 측암계수의 평균값이 k=1.8-2.0 정도로 크게 발생하였음을 확인하였다. 하지만 돌출 암체 등의 영향을 고려하였을 때, 국부적인 실제 현지 응력은 훨씬 더 복잡한 양상을 띨 것으로 보인다.

결국 설계 단계에서 적용된 암반 등급에 따른 지보량은 k=2 이상의 큰 수평 현지 응력 및 지표 돌출 암체로 인해 특정구간에서 발생하는 이상 응력의 존재를 예측하지 못함으로써, 실제로 터널 굴착 과정에서 매우 많은 양의 추가 보강이 불가피하였다.

따라서 위와 같은 원인들로 인해 막장 조사를 통해 Q 값이 1 이상의 양호한 암반으로 판정되었지만, 굴착 중 과도한 변위가 발생할 수밖에 없었던 것으로 평가된다. 이러한 상황에서 암반분류 체계 내에서 지보량을 조정하는 방법은 결국, 예외적으로 높은 현지 응력비를 고려하여 SRF (Stress Reduction Factor) 값을 적절히 조정함으로써 지보 등급을 하향시키는 것이 필요하다(NGI, 2015).

4. 이방성 및 불균질성을 고려한 터널 수치해석

앞서 평가된 터널 굴착 중 이상 변형의 원인이 적절히 발생한 현상들을 설명할 수 있는지 검증하기 위해서 굴착시 실제 현장 조건에 근거하여 일련의 수치해석을 실시하였다. 실제 수치해석은 매우 다양한 사례에 대해서 수행되었지만, 이 장에서는 현장 조건을 반영할 수 있는 조건의 몇 가지 경우에 대한 특징적인 결과들에 대해서만 간략히 설명한다.

4.1 수치해석 모델 개요 및 방법

원설계의 조건에서는 이암층의 존재 영향이나 큰 현지 수평응력의 영향이 고려되지 않았으며, Table 2의 원설계시 암반 물성치를 적용하여 수치해석을 진행하면, 발생 변위가 10 mm 내외로 실제 굴착시 발생한 과도한 이상 변형 현상을 설명할 수 없다. 따라서 실제 관찰된 현상 재현을 위해 3.3절에서 평가된 이암 물성치를 사용하여 수치해석을 실시하였다. 수치해석 프로그램은 Rocscience사의 2차원 유한요소 소프트웨어인 RS2를 사용하였다(Rocscience Inc., 2019). 연속체(continuum) 및 불연속체(discontinuum) 2가지 모델들로 구성하여 관찰된 이방성과 불균질성을 수치모델에서 직접 고려하고 층리와 절리를 명시적으로 표현하였으며, 이렇게 구성된 각각의 대표적인 모델들을 Fig. 15에 보여준다. 연속체 모델의 경우 Generalized Hoek-Brown 파괴 모델을 이용하여 도출된 현지 암반 물성(Hoek and Diederichs, 2006)을 적용하여 사암 및 이암 두 개 층으로 구성된 불균질 모델을 구성하였다. 불연속체 모델의 경우 굴착 후 조사된 층리 및 절리 자료를 활용하여 수평 층리 교호와 수직절리를 해석 모델에 구현하였다.

Fig. 15.

Numerical model approach considering inter-bedded layers

Table 4에 불연속체 해석에 사용된 물성을 정리하였으며, 현장에서 관찰된 절리나 층리가 틈이 없고 거의 연속적으로 결합되어 있는 것을 고려하여 열린 절리 상태에 비해 상대적으로 큰 강도 및 강성 물성을 사용하였다. 또한 단순화를 위해 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였다. 이외 사암의 물성은 Table 2의 설계시 입력치를, 이암의 물성은 Table 3에 재평가된 물성치를 사용하였다. 이암층의 일축압축강도는 점하중 강도 시험 결과 5-10 MPa이었지만 모델에서는 15 MPa로 약간 큰 값을 사용하였는데, 이는 이암층이 단일 층으로만 존재하지 않고 다른 층과 얇은 교호로 존재하는 경우가 많기 때문이다.

이 논문에서는 대표 단면으로서 CA3의 CH1060 위치의 층리 분포 양상(Fig.15 (c))을 천단과 중앙에 2개의 이암층이 교호하는 것으로 모델링하였다. 현지응력의 경우 설계 시에는 최대 k=1.5로 해석하였지만, 현장 관찰 결과 및 AE/DRA 시험 결과들을 참조하여 k=2를 적용하였다.

4.2 수치해석 결과

다양한 공사용 수평터널 CA3 단면들을 모델링하였으며 이를 실제 계측치 및 지보 거동과 비교하였다. 모델에 적용한 지보는 실제 보강량(6 m 록볼트 1.5×1.5 m 간격, 150 mm 숏크리트)을 기준으로 같게 적용하였으나, 숏크리트 균열 등 터널 손상 이후 추가된 보강량은 고려되지 않았다.

먼저 전체 암반이 사암과 이암만으로 구성된 경우의 연속체 해석 결과를 보면, Fig. 16에서와 같이 암반이 사암만으로 구성되었을 때 최대 변위량은 11 mm 정도로 발생하였다. 이러한 수치는 실제 계측치에 비해 매우 낮은 것으로서 실제 이암층 등이 교호하는 현 조건을 설명하지 못한다. 또한 록볼트 등 지보재의 항복도 거의 발생하지 않았으며, 소성 영역 역시 인버트 주변에만 집중되었다. 반면에 이암층만을 고려하였을 때 최대 변위는 167 mm 정도로서 매우 큰 변위 양상을 보였다. 실제 암반은 두 층의 혼재된 불균질한 지층이므로 이 값은 발생할 수 있는 조건 중 최대 변위 값으로 간주할 수 있다. Fig. 15에서 보듯이 CH1060 단면은 천단부와 spring line 부에 이암층이 교차하는 2개의 층으로 교호되는 것으로 모사될 수 있다. Fig. 17은 CH1060 단면에 대해서 연속체 및 불연속체 모델을 사용하여 굴착 거동 모델링을 한 대표적인 결과를 보여준다.

Fig. 16.

The modeling results for the designed condition (sandstone only)

Fig. 17.

Typical modeling results and predicted tunnel behavior considering inter-bedded layers

모델링 결과 측벽 및 crown 부에서 최대 100-110 mm의 변위가 관찰되었다. 변위의 분포 양상과 크기는 실제 계측치와 상당히 유사한 경향을 보였다. 즉, 해석 결과에서 산출한 최대 변위 값은 지보가 설치되지 않은 굴착 초기부터 진행된 총변위량이나, 실제 계측치는 지보가 모두 설치된 이후의 값만 반영한다. 따라서 굴착 초기부터 발생한 총 변위는 50-60% 정도 계측치보다 클 수밖에 없다. 순수 CA3 굴착의 영향으로 계측된 변위량의 최댓값이 50-60 mm 정도임을 고려하면, 이러한 결과는 상당히 현장 계측 결과와 부합함을 확인할 수 있다.

측압이 큰 조건을 모델링하였으므로, 측벽 및 spring line 부의 변위가 크게 나타났고 응력 집중은 천단부에서 크게 나타나서 현장에서 관찰된 현상과 일치하였다.

또한, 연속체 모델은 좌우 대칭적인 형태를 보였으나 불연속체 모델은 다소 불균질한 응력 및 소성 영역 분포를 보였다. 즉, 현지 절리 조건을 명시적으로 고려한 불연속체 모델이 현장에서 관찰된 불균질한 이상 거동을 좀 더 유사하게 모사함을 알 수 있다. 또한 불연속 모델은 국부적으로 절리의 기하형상과 배치양상에 따라 불안정성이 증가될 수 있음을 보여준다. 소성 영역은 터널 주변으로 2-3 m 정도 크기로 발생하였으며, 이러한 정도의 소성 영역은 일부 구간에서 록볼트 항복이 발생하지만, 6 m 이상 록볼트가 설치되어 있으므로, 전체 록볼트 기능이 상실하지는 않는 것으로 판단된다. 이에 비해 숏크리트는 모든 방향에서 광범위한 항복 상태를 보여서 현장에서 발생한 숏크리트 균열이 발생한 상황과 유사함을 확인하였다.

즉, 원설계가 3 m 록볼트였지만 굴착시 6 m로 변경함으로 인해서 어느 정도 터널의 안정성을 증대시키는 효과를 거둔 것으로 평가할 수 있다. 연속체 모델의 경우 비정상적으로 큰 소성 영역을 보였는데 이는 상부 이암층의 광범위한 항복 거동으로서 실제 현장 조건과 정확히 부합하지는 않는 것으로 보인다.

결국 설계시 고려되지 않은 이암층을 명시적으로 고려하고 수평 초기 응력이 큰 조건(k=2)을 반영할 때 설계시 모델링 결과에 비해 현장 관찰값과 매우 유사한 경향을 보였다. 따라서 굴착시 발생한 이상 변형 현상 또는 손상은 이암층 존재로 인한 재료 자체의 영향과 더불어 큰 수평 초기 응력의 영향으로 발생하였음을 검증할 수 있다.

5. 결 론

이 연구에서는 해외 현장에서 발생한 퇴적암반 내 터널 굴착시 발생한 이상 변형 및 터널 손상 현상에 대한 원인 및 메커니즘을 파악하기 위해 터널 계측, 막장 조사 결과 및 관찰된 현상들을 심층 평가하였으며, 평가된 내용이 실제 현장 상황을 설명하는지 확인하기 위해 수치해석을 실시하였다. 이 연구를 통한 결론은 다음과 같이 요약할 수 있다.

(1) 겉보기에 양호한 암반으로 평가되었지만, 예상치 못한 최대 100 mm 이상의 변위 및 터널 손상에 대한 원인 규명 및 대책을 위해 막장 지질조사에 대한 상세한 분석과 계측치의 상관관계를 평가한 결과, 터널 막장 내 이암층의 위치와 함량 등의 분포 양상이 직접적으로 과도한 변형의 원인이 되는 것으로 평가되었다.

(2) 3차원 절대 변위벡터의 분석을 통해 전반적으로 매우 큰 측벽 수평 변위가 발생함을 확인하였으며, 이로부터 추가 조사를 통해 이 지역이 이례적으로 수평 응력이 큰 상태임을 확인하였다. 상부 지형 분석을 통해 이러한 이상 응력이 광범위한 침식에 의한 잔류 응력 영향으로 평가하였다.

(3) 종방향 계측치 분석에 의하면 변위 반응이 굴착에 따라 대칭적으로 발생하였으므로 단층과 연약대와 같은 지질구조의 영향이 아니라 암반 자체의 재료적 특성이 일차적으로 영향을 준 것으로 평가되었다. 하지만 향후 추가 굴착시 예상치 못한 광범위한 취성 파괴 현상(brittle fracture)이 관찰되었는데, 이 역시 대심도가 아닌 퇴적암에서 매우 이례적인 상황이다.

(4) 이방성 및 불균질성을 고려한 수치해석을 통해 기존 설계의 고려 사항으로는 매우 낮은 10 mm 미만의 변위만이 발생하지만, 이암 존재 및 높은 측압 등의 현장 조건을 그대로 고려하였을 때 현장에서 계측된 변위와 상당히 유사한 결과를 얻었다. 따라서 이 두 요인이 이상 변형 현상의 주 원인임을 다시 확인 할 수 있었다.

(5) 결국 이상 변형 현상은 설계 당시 이러한 이암층의 존재 및 높은 수평 현지 응력 상황을 제대로 고려하지 못한 것으로써, 설계로 도출된 지보량은 현 상태의 암반에 충분하지 않으므로 추가 보강이 필요하다. 수치해석 결과를 보면 실제 적용된 록볼트 길이 증대 및 설치 간격 축소와 숏크리트 두께 증대 등의 추가 보강으로 인해 터널 전반적인 안정성에는 큰 문제가 없을 것으로 평가된다.

(6) 일반적으로 사용되는 횡등방성 구성 모델은 층리 구조의 규칙성이 없고 이암층의 두께나 위치가 매우 불균질한 이 현장에서 관찰된 특징에는 적용하기 어렵다고 판단된다. 불균질성을 고려한 강도 저하 실험식을 고려할 수도 있으나 실제 조건과 유사한 수치해석을 통해 터널 거동을 예측하는 것이 더 실용적일 것이다. 이방성 및 불균질성을 동시에 띠는 이러한 층리 구조의 거동을 명확하게 예측하기 쉽지 않으므로 이에 관한 추가적인 연구가 필요하다.