Technical Note

Tunnel and Underground Space. 31 December 2024. 636-649
https://doi.org/10.7474/TUS.2024.34.6.636

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 연구 지역과 시험 위치

  •   2.1 연구 지역

  •   2.2 다학제적 현장시험 위치

  •   2.3 대심도 공내재하시험 위치 선정

  • 3. 대심도 공내재하시험 장치 및 시험방법

  •   3.1 시험 장치

  •   3.2 시험방법

  • 4. 화강암반의 변형 특성

  •   4.1 자료 획득과 처리

  •   4.2 심도와 반복 횟수에 따른 암반변형 특성

  • 5. 맺음말

1. 서 론

고준위방사성폐기물 심층처분에 있어 처분시설은 최소 300 m 이하의 지하 심부 암반에 건설될 것으로 예상된다. 지하 암반의 변형은 고준위방사성폐기물 처분시설의 안정성뿐 아니라 일반적인 지반구조물의 안정성에도 큰 영향을 미칠 수 있어, 구조물이 건설될 심도의 암반 변형 특성을 측정하거나 예측하는 것은 중요하다. 암반의 변형 특성을 평가하는 방법으로 시추공 내 재하시험을 통해 변형 특성을 직접 측정하거나 암반 분류법을 활용한 추정식 등을 이용하여 산정한다(Lee, 1997; Chun et al., 2006). 현장시험 중 하나인 공내재하시험은 시추공 내 벽면에 압력을 가하여 공벽면의 변형량을 측정하여 현지암반의 변형특성을 평가한다.

국내에서 수행된 공내재하시험은 상대적으로 천부에 위치하는 터널 등과 같은 지반구조물의 특성과 적용 장비 등의 한계로 인해 지표 부근에서 수행되어 왔다. 그러나 최소 300 m 이하의 심부에 건설될 고준위방사성폐기물 처분시설의 안정성을 평가하기 위해서는 처분 심도에서의 암반변형 특성을 획득하는 것이 필수적이다.

이에 본 연구는 대심도에서 암반 변형 특성을 획득할 수 있는 영국 Cambridge Insitu 사의 고압 팽창계(HPD, High-Pressure Dilatometer)를 이용하여 심도 약 450 m까지의 시험 구간에서 수행한 현장시험과 이로부터 획득한 암반 변형 특성에 관해 소개한다. 현장시험이 적용된 시추공은 고준위방사성폐기물의 다학제적 심부 특성을 평가하기 위해 옥천대에 속하는 원주 지역에서 수행되었다(Kim et al., 2021; Cheon et al., 2022; Cheon et al., 2024; Lee et al., 2024).

2. 연구 지역과 시험 위치

2.1 연구 지역

Cheon et al.(2022) 등에서 소개된 바와 같이 한국지질자원연구원(KIGAM)은 고준위방사성폐기물 지층처분을 위한 지체구조별 암종별 심부 특성 연구 목적으로 2020년부터 2024년까지 매년 2공의 750 m 급 심부 시추공을 시추하고, 지질을 비롯한 지화학, 수리지질, 물리검층, 암석역학 등 다양한 분야에서 연구를 수행하였다. 대심도 공내재하시험이 수행된 심부 시추공은 한국지질자원연구원 소유의 원주 지진연구센터(KSRS) 내에 위치해 있으며, 2020년에 시추된 시험공으로 최종 시추심도는 757.3 m이다. 암종은 중생대 쥐라기 화강암으로 각섬석-흑운모 화강암이 주로 분포하고 있다. 연구 지역의 개략적인 위치와 지질도 등은 Fig. 1과 같다.

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Fig. 1.

The geologic map and the location of the deep drilling site in Wonju study area (Kim et al., 2021; Park et al., 1989)

2.2 다학제적 현장시험 위치

심부 시추가 완료된 후 연구 지역의 시추공을 활용한 현장시험은 2020년에 물리검층, 지하수 채수, 현장 수리시험, 수압파쇄시험, 2021년에 지하수 채수, 현장 수리시험, 2022년에 지하수 채수, 2023년 대심도 공내재하시험 등이 있다(KIGAM, 2024). 회수된 코어와 ATV 등의 물리검층 자료를 토대로, 지하수 채수와 현장 수리시험은 지하수 유동이 좋을 것으로 예상되는 균열이 발달된 구간에서 수행되었으며, 수압파쇄시험과 대심도 공내재하시험은 신선한 구간에서 수행되었다(Table 1). 지하수 채수는 8구간, 현장 수리시험은 13구간, 수압파쇄시험은 21구간, 공내재하시험은 5구간에서 수행되었으며, 시험 구간이 긴 지하수 채수와 수리시험은 구간으로 표시하였고,시험구간이 짧은 수압파쇄시험과 공내재하시험은 시험 구간의 중앙값으로 표기하였다.

Table 1.

Depth and year of various field tests in study borehole

Groundwater sampling Field hydraulic test Hydraulic fracturing Pressuremeter test Note
Depth (m) Year Depth (m) Year Depth (m) Year Depth (m) Year
127.5-130.5
213.6-216.7*
338.-8-341.8
487.8-495.8 514.0-522.0*
577.5-585.5*
676.3-684.3
698.7-706.7
2020
2021
2022
126.5-130.5
213.0-217.0
337.0-341.0
398.0-402.0
423.5-247.5
468.0-472.0
475.0-479.0
488.0-496.0
503.0-511.0
513.0-521.0
554.0-562.0
577.5-585.5
598.0-606.0
2020
2021
74/101
137/155
179/203
242/270
281/320
380/392
442/449
543/572
632/674
708/723 729  
2020 101.5
200.0
301.8
404.5
449.0
2023 * section of groundwater sampling were additionally sampled in 2021 and 2022 years for long-term geochemical monitoring

2.3 대심도 공내재하시험 위치 선정

앞 절에서와 같이 대심도 공내재하시험의 위치를 총 5개로 선정하였으며, 시험 가능한 구간에서 일정한 간격(약 100 m)을 유지하고자 하였다. 449 m 지점의 대심도 공내재하시험 구간은 기존의 수압파쇄시험 구간과 중첩된다. 이는 대심도 공내재하시험 장치가 500 m까지 수행된다고 알려졌지만, 안전율을 고려하여 450 m 심도까지 고려한 점, 수압파쇄시험과 겹치는 구간이나 수압파쇄에서 생성된 균열이 인장균열로 3년이 지난 시점에서 공벽의 상태가 안정적인 점 등을 고려하여 선정하였다. 또한 2020년에 다학제적인 현장시험을 수행할 당시에 공내재하시험 등이 계획되어 있지 않아 가능한 많은 구간에서 수압파쇄시험을 진행하였던 점도 중첩된 구간을 선정하게 된 이유 중 하나이다.

Fig. 2는 대심도 공내재하시험의 위치 선정에 활용된 시추코어 사진과 ATV 검층 영상으로 Fig. 2(a)는 천부인 101.5 m구간이며, Fig. 2(b)는 하부인 404.5 m 구간이다. 공내재하시험에서 하중이 작용하는 구간은 빨간색 사각형 구간으로 매우 신선한 구간임을 확인할 수 있다.

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Fig. 2.

Core and ATV images at the location of the pressuremeter test

3. 대심도 공내재하시험 장치 및 시험방법

3.1 시험 장치

본 시험에 사용된 장치는 Cambridge Insitu 사의 73 mm 고압 팽창계(High-Pressure Dilatometer (HPD))로, 전자 인터페이스 장치 및 고압 제어 패널(High-Pressure Control Panel)을 갖추고 있다(Fig. 3). 고압 팽창계는 압력측정을 위한 2개의 전체 압력계(total pressure cells)와 변형측정을 위한 6개의 변형률 장치(strain arm)로 구성되어 있다. 프로브의 중앙 부분은 탄성 멤브레인으로 덮여 있고, 양단 부분은 강체로 구성되어 있다. 장비의 사양은 Table 2와 같다.

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Fig. 3.

Pressuremeter tester used in this study (high-pressure dilatometer (left), component of dilatometer (center), high-pressure control panel (right) (Cambridge-insitu.com)

Table 2.

Specification of high-pressure dilatometer

Component Spec. and characteristics
Probe diameter/field ready 73 mm/75 mm
Max working pressure 20 MPa
Max arm radial displacement 15 mm
No. of direct strain arms 6
Max strain 41.1%
Arm spacing at circumference 60 °
No. of total pressure cells 2
Length of expanding section 465 mm
Assembled length 1730 mm
Umbilical diameter 14 mm
Actuation Pneumatic/hydraulic
Power requirement 12 V
Thread type from probe EW

프로브가 정해진 시험 깊이에 도달하면 호스와 케이블을 통해 멤브레인 내부 표면에 압력이 가해진다. 멤브레인 내부 표면의 변위 및 압력측정은 프로브 주위에 균일한 간격으로 배치된 변형률 장치(3개 세트)를 통해 이루어진다. 전체 압력계는 시험 중에 프로브의 내부 전체 압력을 측정한다. 이들 자료는 변환기를 통해 압력(응력) 및 변위(변형률)가 제공된다. 변환기들의 분해능은 0.1 kPa 및 0.3 마이크론이며, 장비의 출력은 Cambridge Insitu 사의 자체 소프트웨어(Winsitu)를 통해 볼 수 있으며 실시간으로 제공된다. 본 장치는 강도가 매우 낮은 점토나 실트, 느슨한 모래부터 강도가 높은 암석까지 다양한 재료에 적용할 수 있으며, 육상 및 수중 등 다양한 환경에서도 적용할 수 있다.

3.2 시험방법

대심도 공내재하시험은 다음과 같은 방법으로 진행하였다(Fig. 4).

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Fig. 4.

Procedure of a pressuremeter test

1) 시험 전 장비를 점검한다.

본 시험에 앞서 프로브의 압력계와 개별 변형률 장치를 보정하고, 장치를 연결하여 정상 작동 여부를 확인한다.

2) 프로브를 시험 구간에 위치시키기 위해 로드와 연결한다.

3) 시험기를 사전에 정한 시험 위치로 이동한다.

가. 연결된 프로브를 시추 로드로 시추공 내의 시험 위치 아래로 내린다.

나. 프로브에 장착된 고정장치를 이용하여 약 6미터마다 일정한 간격으로 드릴 스트링에 테이프로 고정한다.

4) 프로브가 시험 위치에 도달 후 공내재하시험을 수행한다(일반적으로 약 60~90분 소요).

가. 전체 수직 응력을 극복할 수 있을 만큼 응력 수준에 충분히 도달하면 제하(unload)와 재하(reload)를 반복 수행한다.

나. 공내재하시험은 10초마다 기록되는 압력 및 변위 판독 값으로 응력을 조절한다.

다. 서로 다른 변형률 수준에서 최소 3번의 제하와 재하를 반복 수행한다.

5) 시험이 완료되면 시추 로드링에서 프로브를 회수하고, 다음 시험 위치 위로 이동한다.

시험 전 장비 점검 등을 수행했더라도 국내로 장비 반입 후 처음 적용하는 시험인 점과 함께 현장시험 도중 발생할 수 있는 다양한 상황을 고려하여 가장 낮은 심도인 101.5 m에서 먼저 시험을 수행한 후 200.0 m로 위치를 변경하여 시험이 이루어졌다. 이후 결정된 가장 깊은 심도인 449.0 m, 404.5 m, 301.8 m 위치 순으로 진행되었다. 4번째 시험 수행 중 6개의 변형률 장치 중에서 하나의 변형률 센서의 손상이 발견되어, 404.5 m와 301.8 m의 시험 구간은 총 5개의 변형률 장치의 평균을 활용하였다. 재하는 각 주기별로 압력을 증가시키는 단계별 증압 재하방식을 적용하였으며, 최대 재하압력은 20 MPa을 적용하였다.

4. 화강암반의 변형 특성

4.1 자료 획득과 처리

시험 완료 후 획득한 자료는 Cambridge Insitu 사의 자체 소프트웨어(Winsitu)를 사용하여 처리한다. 총 6개의 변형률 장치의 평균값과 재하된 압력에 관한 압력-반경 변위에 관한 곡선을 구하고, 이로부터 전단계수(shear modulus), 변형계수(deformation modulus)를 순차적으로 결정한다.

자료 처리에 있어 암반은 연속체이며 등방의 균질한 것으로 가정하고, 프로브의 팽창 부분의 직경 대 길이 비가 끝단의 효과를 무시할 수 있을 정도로 충분히 큰 것으로 간주하여 평면변형률로 가정한다. 또한 시추공이 원으로 팽창한다고 가정하고, 프로브 중심은 측정된 모든 변위의 기준이 되는 것으로 가정한다.

Fig. 5는 449.0 m의 위치에서 획득한 전체 압력 대 변형률 곡선이다. 변형률은 6개의 변형률 장치에서 획득한 평균값이 사용되었다. 처음 공벽에 압력을 가할 때 발생된 변형으로부터 산정된 초기 전단계수(Gi)와 함께 반복 제하(Fig. 5 그래프 내 노란색 원형 계측점)와 재하(Fig. 5 그래프 내 분홍색, 빨간색, 파란색 등의 원형 계측점)를 통한 곡선으로부터 산정한 제하/재하 전단계수(Gur)는 Fig. 6과 같은 곡선으로부터 일정한 변형이 발생하는 구간에서 산정하였다. 중앙 응력과 중앙 변형률은 Fig. 6(right)의 제하와 재하곡선에서 할선의 중앙값을 의미한다.

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Fig. 5.

Total pressure versus strain curve obtained at the 449.0 m test location

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Fig. 6.

Determination of initial shear modulus (left) and shear modulus of first unload/load cycle at the 449.0 m test location

4.2 심도와 반복 횟수에 따른 암반변형 특성

수행된 전 구간에서의 공내재하시험 곡선과 결과를 요약하면 Fig. 7Table 3과 같다. 푸아송비는 암석 평균인 0.25로 가정하여 계산하였다. 시험에서 획득한 전단계수로부터 변형계수의 산정은 식 (1)에 의해 계산된다.

(1)
E=2Gur(1+ν)

E: 변형계수, Gur: 제하/재하 곡선에서 획득한 전단계수, 𝜈: 푸아송비

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Fig. 7.

Total pressure versus radial displacement for all tests

Table 3.

Results of pressuremeter test for all test depths

No of
test
Test depth
(m)
Initial shear modulus
(Gi, MPa)
Cycle Shear modulus
(Gur,MPa)
Deformation modulus
(E, MPa)
Mean strain
(%)
Mean stress
(kPa)
1 101.5 9,249 1 5,171 12,928 -0.011 4,210
2 8,083 20,207 0.025 6,691
3 10,579 26,448 0.056 10,257
4 11,629 29,073 0.079 13,902
5 9,445 23,612 0.062 8,554
2 200.0 11,318 1 9,066 22,664 0.028 7,646
2 10,902 27,254 0.044 10,047
3 12,312 30,781 0.055 12,249
4 10,409 26,022 0.048 9,178
3 301.8 10,153 1 8,865 22,163 0.022 9,120
2 9,185 22,962 0.039 11,726
3 8,928 22,320 0.052 14,450
4 8,382 20,954 0.035 11,325
4 404.5 13,895 1 14,589 36,473 0.004 9,382
2 11,361 28,403 0.014 12,997
3 14,226 35,565 0.013 15,587
4 13,528 33,820 0.005 14,167
5 449.0 10,257 1 9,406 23,516 0.008 9,488
2 13,398 33,494 0.034 13,091
3 15,120 37,800 0.047 15,431
4 12,572 31,429 0.049 13,657

Table 3에서와 같이 1구간의 전단계수는 5,171~11,629 MPa로 측정되었으며, 변형계수는 12,928~29,073 MPa 범위로 산정되었다. 첫 번째 제하/재하에서 획득한 전단계수값인 5,171의 경우 음의 중앙 변형률 등의 값을 고려하였을 때 결과의 신뢰성에 문제가 있는 것으로 판단된다. 2구간의 전단계수는 9,056~12,312 MPa로 측정되었으며, 변형계수는 22,664~30,781 MPa 범위로 산정되었으며, 1구간에 비해 변형계수가 증가하였다. 3구간의 전단계수는 8,865~9,185 MPa로 측정되었으며, 변형계수는 20,954~ 22,962 MPa 범위로 산정되었고, 4구간의 전단계수는 11,361~14,226 MPa로 측정되었으며, 변형계수는 28,403~35,565 MPa 범위로 산정되었다. 5구간의 전단계수는 9,406~15,120 MPa로 측정되었으며, 변형계수는 23,516~37,800 MPa 범위로 산정되었고, 최대 변형계수값이 산정되었다.

5. 맺음말

고준위방사성폐기물 심층처분을 위해서 대심도 구간에서의 암반 변형특성을 평가할 필요가 있다. 본 보고에서는 천부에서 수행되어 오던 공내재하시험과 달리 대심도에서 수행이 가능한 Cambridge Insitu 사의 공내재하시험장치인 73 mm HPD와 HPCP를 이용하여 심도 449 m까지 시험을 수행하고 변형계수를 획득하였다. 획득한 변형계수는 초기 전단계수와 제하/재하 전단계수로부터 산정한 변형계수로 구분하였다.

초기 전단계수는 공내재하시험장치를 시험 구간에 위치시킨 후 초기 가압에서 산정한 전단계수이다. 초기 전단계수의 범위는 9.249~13,895 MPa를, 제하/재하 전단계수의 범위는 1구간의 초기값을 제외하면, 8.083~15,120 MPa의 값을 보이며, 이들로부터 산정한 변형계수는 20,207~37,800 MPa값을 보였다. 이상과 같이 본 보고는 국내 처음으로 도입한 대심도 공내재하시험장치를 활용하여 300 m 이하의 대심도 구간에서의 암반변형계수를 측정한 결과를 소개하였다. 앞으로 고준위방사성폐기물 처분시설 이외에도 대심도에 건설될 수 있는 다양한 암반구조물의 안정성을 평가하기 위한 대심도 공내시험장치의 도입과 적용을 통해 추정된 변형특성이 아닌 측정에 의해 확보된 변형특성 자료가 축적되기를 기대한다.

Acknowledgements

본 논문은 한국지질자원연구원 2024년 기본사업의 하나인 ‘HLW 심층처분을 위한 지체구조별 암종 심부 특성 연구(GP2020-002:24-3115)’사업의 지원을 받아 수행하였습니다.

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