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터널과 지하공간 개발은 대부분 지표에서부터 수백 m 심도의 암반에 터널이나 대형 공동을 굴착하는 방법으로 이루어지므로 지상 구조물이나 토사층에 시공되는 구조물에 적용되는 것과는 다른 기술과 공법이 요구된다. 지하 암반 구조물의 안정성과 굴착 주변 암반의 역학적 거동은 대상지역의 암종, 지질구조, 초기응력장 분포상태, 수리 특성 그리고 굴착단면 조건 (크기 및 형상)의 복합적인 영향을 받는다. 불확실성이 많은 지하공간에 건설되는 터널과 지하 암반구조물의 경우 시공의 경제성과 안정성을 확보하기 위해서 단면 형상과 배열, 굴착방법, 보강방법 및 범위 등에 대한 제반 결정이 이루어지는 설계단계에 대상지역의 지반에 대한 상세하고 정밀한 정보가 충분히 파악되어야 한다. 이러한 지반정보의 필요성은 지반(암반) 상태가 불량하고 구조물의 시공 규모와 심도에 비례하여 그 중요성이 크게 증가하게 된다. 터널 및 암반구조물에 대한 지반조사를 통해 설계에 반영되어야 하는 요인들은 매우 광범위하지만 대표적 주요 항목들을 정리하면 다음과 같다.
 
 
터널 시종점부 상세 지반 특성
 
터널 설계에서 가장 중요한 구조물인 갱구부의 위치, 형식 그리고 인접되는 깎기부 사면의 굴착 범위 및 보강대책 수립에 활용되는 정보

- 토사, 기반암층의 연속적인 분포
- 지질 이상대의 분포 가능성 및 특성
- 주요 불연속면의 방향성 및 상태
- 발파 진동의 전달 특성 및 영향권 범위
 
지층과 암종의 분포 및 공학적 특성
 
지반 등급, 지보재 및 보강패턴, 굴착방법 및 공법 선정에 활용되는 제반 정보

- 분포 암종 (지층)의 연속적, 공간적 분포
- 굴착 및 굴착 영향권 암반에 대한 역학적 특성
 
지질 구조 및 대규모 연약/파쇄대 분포 및 공학적 특성
 
지반 등급, 지보재 및 보강패턴, 굴착방법 및 공법 선정 그리고 위험예상구간 예측/대책수립의 기본자료

- 엽리, 단층, 습곡구조의 전반적 분포 양상 및 불연속면의 주 방향성
- 단층/파쇄대의 위치, 방향성 및 규모
- 대규모 단층/파쇄대와 터널과의 교차 여부 및 예상위치 그리고 굴착시의 예상 영향권
- 단층/파쇄대의 상태와 역학적, 수리적 특성
 
초기응력 분포 특성
 
구조물의 안정성 및 암반의 역학적 거동 해석, 취성파괴 해석의 기본자료

- 초기응력의 크기 및 작용 방향
- 심도별 측압계수 변화 양상
- 대심도 구간에서의 취성 파괴 가능성과 발생 가능구간 예측
 
 
저토피구간과 터널 시, 종점부 지층구조 및 연약대 분포 특성
 
경상남도 김해시 일원에 시공예정인 A 철도터널 예정구간 중 저 토피구간과 종점부 구간에 대해 갱구부 구조물과 구간별 보강 설계를 위해 1차적으로 전기비저항탐사를 적용하여 지층구조와 파쇄대 위치에 대한 정성적 정보를 도출하였다. 이러한 1차 탐사결과를 기초로 취약 구간에 대해 종횡방향 탐사선을 병행한 격자형 굴절법 탐사를 실시하였다. 탐사 및 시추조사 자료에 대한 종합적 분석 결과 토사, 풍화암, 기반암층의 공간적 분포에 대한 입체적이고 정량적 정보를 획득하였다. 당초 터널 중 저토피구간은 기본설계 단계에서는 발파에 의한 NATM 공법이 적용되는 것으로 설계가 예정되었으나 조사결과 풍화대가 깊고 불규칙하게 분포하는 취약구간이 확인되어 개착식 공법으로 변경되었다.
 
 
대심도 암반내 초기응력 분포 및 취성 파괴 가능성 평가
 
일반적으로 지하 구조물의 안정성은 심도가 얕은 경우 불연속면 특성을 포함한 지질구조적 요인에 크게 영향을 받으나 심도가 증가할수록 이러한 요인보다 암반내 작용하는 초기응력 요인에 더 큰 영향을 받는 것으로 보고되고 있다. 따라서 시공심도가 깊은 대심도 터널, 암반구조물 설계과정에 대상지역에 형성된 초기응력장 특성 자료가 핵심요소로 작용한다. 강원도 춘천 일원에 예정된 대심도 B 도로 터널구간에 대해 심도별 응력장 분포 양상, 과지압 분포 가능성 그리고 Spalling에 의한 취성 파괴 가능성을 평가할 목적으로 수압파쇄법에 의한 현장 초기응력 측정과 분석을 수행하였다. 초기 응력장 해석자료와 분포 암종의 역학적 특성자료에 대한 분석결과 노선상의 심도 250m 이상 구간에서는 구조물 시공에 매우 불리한 방향의 과잉 수평응력장이 형성되어 있고 굴착시 굴착 주변 암반내에는 접선 압축응력에 의해 유도되는 Spalling 발생 가능성이 큰 것으로 나타나 잠재적 위험구간 선정과 시공시 모니터링 및 보강대책 수립 항목을 설계에 반영하였다.
 
 
단층파쇄대 분포와 공학적 특성
 
대규모 불연속면인 단층파쇄대는 분포 방향성, 영향권의 범위 그리고 충진물질의 상태에 따라 시공의 안전성과 구조물의 역학적 거동에 매우 불리한 작용을 한다. 단층대 특성에 대한 분석에서는 1차적으로 지질조사와 전기-전자탐사를 통해 단층의 가능성이 있는 위치에 대한 정보를 확보한다. 2차적으로 상세 전기비저항 탐사와 VSP탐사 등의 지표물리탐사와 BIPS, 탄성파 속도검층 등의 공내 조사법을 적용하여 단층파쇄대의 공간적 분포 특성을 파악하고, 실내 시험을 통해 단층대의 공학적 특성에 대한 정보를 얻게 된다. 경상남도 동남부에 분포하는 양산단층계의 주요 단층인 모량단층과 교차할 것으로 예상되는 C 도로 터널 예정지역에 대해 종, 횡방향 전기 비저항탐사를 적용하였다. 터널 구조물에 미치는 단층/파쇄대와 인접 영향권의 범위에 대한 입체적 분석 결과 단층대와 주변 모암과의 확연한 비저항차가 모든 측선의 탐사자료에서 관찰되었고 저비저항 연약대가 수평적으로 넓게 분포하는 동시에 단층의 중심으로 추정되는 지점에서는 터널 시공심도 하부까지 깊게 연장되는 것으로 추정되었다. 이러한 단층/파쇄대의 분포 특성과 단층 충진물에 대한 공학적 물성 정보를 토대로 안정성 해석과 보강 및 지보패턴 변경을 위한 기본 자료로 활용하였다.
 
 
지층과 암종의 분포 및 공학적 특성
 
시공의 안전성과 경제성을 확보한 터널설계 달성을 위해서는 미시추 구간을 포함한 터널 전 구간에 대한 지층, 암종 분포에 대한 연속적이고 불확실성을 최소로 하는 정보가 필수적이다. 경기도 광주시 일원에 시공되는 D 도로터널 전 노선에 대해 구간별 굴착방법, 1, 2차 지보재 패턴 및 보강 공법 설계의 기준이 되는 지반 등급 산정을 위해 현장조건을 고려한 단계적 조사를 수행하였다. 지질조사 결과를 토대로 전 구간에 대해 전기비저항탐사와 개별 시추공을 이용한 전기비저항 검층, 밀도검층, 탄성파 속도 검층 등의 물리검층을 적용한 후 시추자료와 공학적 물성자료들을 통합적으로 처리, 분석하였다. 그리고 구조물을 포함한 굴착 영향권에 대해 정량적인 물성값(탄성파 P파속도)과 Q 값에 의한 지반등급 산정을 위해 대심도 탄성파 탐사를 추가적으로 수행하였다. 조사에서 얻어진 지층, 암종 및 취약구간 분포와 전기비저항, 탄성파 속도의 연속적 변화값 특성을 최종 지반등급의 산정의 기본자료로 사용하였다.
 
 
 
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