1. 서 론
2. 전단면 RBM 소개 및 주요 리스크
2.1 전단면 RBM 공법 개요
2.2 대구경 전단면 RBM 적용시 주요 리스크
3. 지반 분석 및 리스크 평가
3.1 대상 수직구의 암질 및 암반분류
3.2 M&S 법에 의한 리스크 평가
3.3 응력 조건에 대한 Risk 분석
3.4 무지보 유지기간 분석
3.5 블록 쐐기 해석
4. 리스크 저감 방안 및 고려사항
4.1 지표 그라우팅 및 지하수 배수공
4.2 공벽 보강 및 안정성 유지 방안
4.3 계측 방법
4.4 기타 고려 사항 및 시공사례
5. 결 론
1. 서 론
수직구(shaft) 굴착방법은 발파(blasting)에 의한 하향 굴착이 일반적이지만, 근래에는 터널 TBM 장비와 유사하게 연직방향으로 수직구를 굴착하는 장비(vertical sinking machine, VSM)의 발전이 가속화되고 있다(Khine et al., 2022). 이중, 하향에서 상향으로 굴착하는 방식인 RBM 장비(raiseboring machine)는 호주, 남아공, 캐나다와 같이 심부 광산 개발이 활성화된 곳에서는 다양한 굴착 및 적용 사례가 보고되어 왔다. 국내에서도 장대 터널 환기구, 양수발전소나 유류비축기지 등에 적용되어 왔는데(Jeong and Kim, 2005; Hong et al., 2006; Jeong et al., 2011; Choi et al., 2013), 주로 직경 2.5~3.5 m의 소구경 리밍 이후 하향 발파에 의한 확대 굴착식으로만 진행되어서 결국 발파 굴착과 병행되어 시공되고 있어 원래 RBM 장비의 이점이 한정적으로만 발현된다.
대구경 전단면 RBM은 직경 6 m 이상의 수직구를 전체 리밍을 통해 한 번에 굴착하는 방법으로 국내에서는 적용 사례가 아직 없으나, 해외에서는 호주, 캐나다, 남아공 등 심부 복잡한 광산이 많이 개발되는 지역에서 다양하게 적용되어 왔다(Peck and Lee, 2008; Lyle, 2017; Penney et al., 2018). 하지만 굴착시 수직구 벽면 암반에 매우 큰 힘과 모멘트가 가해지며, 지반 상태에 따라 암반 쐐기 활동에 의한 벽면 붕락, 응력집중에 의한 spalling 등 다양한 리스크에 노출되어 있다. 따라서 전단면 RBM 굴착시 수직구의 안정성이 보장될 수 있는지에 대해서 사전에 면밀한 검토가 필요하다(Denny and Goh, 2006; Miranda, 2020). 이러한 검토는 기존의 전단면 RBM 굴착 경험의 데이터베이스나 설계 지침(Edelbro et al., 2019) 등을 활용하는 것이 유용하다.
본 논문은 해외 철도 터널 공사시 환기구 굴착 사례로서, 국내에서는 적용된 적인 없는 전단면 RBM을 이용한 수직구 굴착시 지반 리스크 분석 방법 및 결과에 대해 논의한다.
상세 지반 분석 결과를 토대로 McCracken and Stacey (1989)에 의한 레이즈보어 암질 지수를 정량적으로 평가하여 전단면 수직구 굴착시 발생 가능한 리스크를 분석하였다. 전단면 굴착 시 동시 지보가 불가능하므로, 무지보 유지기간 분석을 통해 장비 적용성을 평가하였다. 현장의 지질 조건을 고려하여 발생 가능한 리스크를 최소화하기 위한 방안들을 도출하고자 하였으며, 전단면 RBM 굴착시 고려해야 할 기타 사항 등에 대해서도 논의한다.
2. 전단면 RBM 소개 및 주요 리스크
2.1 전단면 RBM 공법 개요
RBM 굴착 공법은 수직구 상부 및 하부에 작업공간을 확보할 수 있는 경우에 사용되는 굴착방법으로서 국내에서는 1980년대 광산에서 시작되어 건설분야에도 이용률이 증가해 왔다. RBM 공법은 굴착시 여굴(overbreak)이 최소화되고 암버력(muck) 사이즈가 매우 작으며, 기계 굴착방식으로 수직구 내 인원 투입이 제한적이라 시공 안전성 확보에도 용이하다. Fig. 1은 기본적인 RBM 공법의 원리와 이와 관련된 이슈들을 설명하고 있다.
먼저 지표에서 0.5 m 내외 직경의 선진공(pilot hole)을 천공한 후 공을 통해 로드를 조립하여 내린다. 다음으로 하부 지하공간에서 굴착을 위한 커터가 설치된 리머(reamer)를 조립 후 이를 상향으로 끌어올리면서 확대 굴착을 하여 수직구를 완성한다. 여기서 무엇보다도 중요한 이슈는 선진공 천공이나 상부로 리밍을 진행하는 동안이나 그 이후 공벽이 안정할 것인가 여부이다.
Fig. 1(b) and (c)의 사진과 같이, RBM 공법은 직경이 작은 RBM을 이용한 선진공을 굴착 후 하향식 발파 굴착을 하는 방법과 전단면을 RBM 공법만으로 굴착하는 방법으로 나뉠 수 있다. 하지만 아직까지는 국내에 직경 6 m 이상의 전단면을 한 번에 굴착을 완료한 사례는 보고된 바 없다. RBM+확대 발파 공법은 2번의 굴착공정으로 인해 공사기간 및 경제성이 불리해질 수 있으며, 리머 굴착 후 수직구 내 한정적인 작업공간에서 인력을 통한 발파와 보강 작업을 해야 하므로 시공성 및 안전성이 떨어진다는 문제점이 있다.
전단면 RBM 굴착의 경우 수직구 굴착공정이 전부 기계 굴착으로 이루어지므로 인력투입이 발생하지 않아 작업시공성이 매우 안전하고, 작업효율이 좋고 굴착 기간도 짧다. 또한, RBM을 통해 굴삭된 암버력 크기가 작고, 자유 낙하에 의해 하부 지하공간에 쌓여 암버력 처리(mucking)에도 매우 용이하다. 하지만, 굴착 중 수직구 벽면의 즉시 보강이 이루어질 수 없어 수직구 전구간이 굴착완료까지 공벽의 안정성이 보장될 수 있도록 지반조건이 양호해야 한다.
Fig. 2는 대상 현장에 적용되었던 전단면 RBM 굴착 장비의 기본 제원을 보여준다.
직경은 6.65 m이고 선진공의 직경은 0.5 m, 전단면 굴착장비인 리머의 직경은 6.65 m로 이루어져 있다. 지표에서 선진공 천공 후 하부 지하공간에서 리머를 로드에 연결 ‧ 조립, 상부로 끌어올리면서 리머에 설치된 커터로 지반을 압착 ‧ 절삭시키면서 굴착하게 된다.
지표 상부에 위치한 장비 추진 시스템은 마치 초대형 실험실 압축시험기와 흡사하며, 리머 시스템은 도심지 터널에서 많이 사용되는 일반적인 TBM 헤드를 뒤집어 놓은 형상이다. 굴삭의 원리는 TBM 장비의 커터 시스템과 동일하지만 굴착방향이 지표 하부에서 상부로 중력의 반대방향으로 이루어진다는 특징이 있다.
시공 중 수직도 오차를 최소화하기 위한 수직도 제어 시스템(rotary vertical drilling system, RVDS)이 있으며, 시공을 위한 모든 장비 및 시스템은 컨테이너 박스 형태로 모듈화되어 굴착장비의 신속한 현장 투입이 가능하다.
2.2 대구경 전단면 RBM 적용시 주요 리스크
Hudd and Martin (2010)은 대구경 RBM 공법을 효율적으로 적용하려면 기본적으로 다음의 4가지 질문에 명확한 답이 있어야 한다고 제시하였다.
• RBM 적용이 가능한 심도와 직경인가?
• 지반이 전단면 RBM 적용이 가능한가?
• 하부에 접근할 수 있는 지하공간이 있는가?
• 굴착시 하부에 발생하는 암버력을 처리할 수 있는가?
이 중 다른 질문들은 대부분 RBM 적용을 위해 필수 요건이지만, 결국 전단면 RBM 적용을 위해 가장 중요한 사항은 두 번째 질문인 지반조건이 적정한가 여부일 것이다.
이 4가지 질문은 대구경~소구경 RBM에 모두 적용되는 사항일 것이나, 대구경 RBM에서 더욱 고려되어야 할 것이 두 번째 질문인 지반조건이 적정한가에 대한 판단일 것이다.
전단면 RBM 공법 적용시에 지반 리스크에 영향을 주는 사항은 기본적으로 다른 굴착공법과 마찬가지로, 암석 종류, 지질 구조, 불연속면 강도, 무결암 강도, 암반 현지 응력, 지하수 조건 등이다. 직경이 작은 RBM 굴착(<3 m)의 경우 지반이 불량한 경우에도 대부분의 경우 안정하지만, 대구경 RBM을 적용하는 경우 지반 조건에 따라 다양한 암석 파괴가 발생 가능하며 Fig. 3은 이러한 지반 조건 및 공벽 안정과 관련된 주요 리스크들을 보여준다.
전단면 RBM 공법 적용을 위해서는 대상지반의 지질의 종류 및 구조, 불연속면의 강도, 무결암 강도, 암반 현지 응력, 지하수 조건 등을 고려하여야 한다. 특히, 직경 6 m 이상의 대구경 RBM을 적용하는 경우 굴착면에서 다양한 불안정성이 가능하며, 다음은 RBM 굴착시 관련된 주요 리스크를 보여준다.
• 쐐기 파괴/여굴(wedge failure/overbreak): 주로 리밍 시에 발생 가능하며, 공벽 암석 쐐기블록이 활동하면서 하부로 탈락하거나 굴착 중 로드나 리머에 손상을 줄 수 있으며, 심한 경우 굴착 시스템에 압착(stuck)되어 굴착 진행을 막을 수 있다.
• 공벽 불안정(unravelling or uncontrolled overbreak): 지반 상태에 따라 특정 구간에서 광범위한 여굴이나 공벽 불안정이 발생하여, 마찬가지로 리머나 로드 손상 등을 야기하며, 지보의 어려움이 증대된다.
• 압착 지반 조건(squeezing): 매우 큰 암반 현지응력으로 인해 연약 암반의 열화 과정에서 광범위한 공벽 변형이 발생할 수 있다.
• 과지압으로 인한 균열/스폴링(spalling): 불연속면이 적은 괴상 암반의 경우 과지압 상태에서 심한 암석 취성 균열 전파와 공벽 스폴링이 발생 가능하다.
• 시간의존 변형(creep): 풍화나 지하수 등의 영향과 더불어 시간에 따라 공벽 변형이 발생하거나 이후 인근 굴착 등으로 인한 추가 변형 등이 발생 가능하다.
• 지하수 유출 조건: 선진공 굴착시 대규모 대수층을 관통하는 경우 지하수 제어가 힘든 경우가 존재하므로, 지하수 유출량을 제어 가능한 정도여야 한다.
전단면 RBM 적용 사례가 풍부한 호주 광산의 경우 다양한 지반 조건에 대한 경험과 데이터베이스가 축적되어 왔다. Fig. 4(a)와 같이 극경암 암반 조건의 좋은 괴상 암석은 대구경 RBM의 적용 리스크가 작지만 암질이 불량한 파쇄 암반의 경우 단면 직경을 키우기에 리스크가 매우 커지며, 보다 많은 리스크 저감 방안이 필요하다.
Fig. 4(b)는 McCracken and Stacey (1989)에 의해 굴착 직경과 암질의 상관관계에 대한 데이터베이스를 축적한 것이다. 자료에 의하면 4~5 m 직경의 경우라도 암질이 좋지 않으면 공벽 붕괴들의 파괴 사례가 많이 있음을 알 수 있으며, 이러한 근거를 바탕으로 상세히 현장의 지반 조건과 리스크를 분석할 필요가 있다.
3. 지반 분석 및 리스크 평가
3.1 대상 수직구의 암질 및 암반분류
대상 ○○ 현장은 해외 장대 고속철도 터널 구간으로서 사업구간 중 2개의 장대 수직구가 있으며, 수직구 #1은 화강섬록암 지층에 굴착 직경 6.5 m, 심도 200 m, 수직구 #2는 사암 지질에 직경 6.5 m, 심도 100 m의 환기구를 건설하는 공사이다. 당초 설계는 일반적인 하향 발파 굴착으로 계획되었으나, 굴착시 작업자의 안전성 및 시공 효율성에 대한 이슈로 전단면 RBM 공법을 검토하였다.
Table 1은 현장의 두 수직구로부터 얻은 시추 자료를 분류한 것으로, 대상 수직구의 대표적인 암질 상태를 보여준다. 대부분 구간에서 암반등급이 1등급에서 3등급으로 심한 파쇄대나 토사층은 발견되지 않아, RBM 공법 적용성이 양호할 것으로 판단되지만, 이를 좀 더 상세하게 분석하면 다음과 같다.
Table 1.
Core photos and rock support class from borehole for two shafts
수직구 #1의 경우 상대적으로 Q < 2 구간에서 절리들이 상당히 발달한 구간이 나타나 쐐기 파괴나 여굴 등에 리스크가 있을 수 있다. 수직구 #2는 굴착 심도 내 지반이 RBM 적용에 매우 양호한 상태로 판단되지만, 굴착구간 인접지반의 층리의 상태나 풍화도에 따라서 공벽 안정성에 영향을 줄 수 있으므로 이에 대한 리스크를 고려해야 할 것으로 판단된다. 좀 더 상세한 분석을 위해 Fig. 5에 두 수직구의 심도에 따른 암질 Q 값 변화와 주요 구간의 코어 상태를 비교하였다.
Fig. 5(a)의 수직구 #1의 경우 심도에 따라 약 20~30 m 간격으로 일정구간의 파쇄가 심한 구간이 존재하였으며 특히 100~135 m, 156~178 m, 186~189 m 구간에서 RQD가 20 이하로 상대적으로 파쇄가 크게 나타났다. 이에 비해 Fig. 5(b)의 수직구 #2의 경우 50 m 까지는 약간의 풍화층과 균열 밀도가 증가하는 지역이 있지만 대부분의 심도에서 RBM 굴착에 양호한 좋은 암질을 보였다.
또한 두 수직구 모두 현장 지하수위는 존재하지 않아서 관련 리스크는 없을 것으로 평가되었으며, 암반 현지 응력의 영향 역시 실측 자료가 없어서 명확하게 판단하기가 어려웠다.
본 자료는 암질 지수 Q 값을 이용하여 리스크 평가를 수행하였으며, Q 값은 터널을 대상으로 평가한 암반 분류법이므로, 연직방향 굴착공사인 수직구 구조물의 특성을 고려하기 위해 심도에 따른 암질 자료를 아래와 같이 재 평가하였다.
3.2 M&S 법에 의한 리스크 평가
McCracken and Stacey (1989)는 기존 경험적인 Q 시스템을 업데이트하여 수직구에 적용하는 방법을 고안하였으며, 이 방법이 RBM 굴착시 수직구의 암질 평가 및 리스크 분석에 널리 사용되고 있다. 이 방법에 기초하여 평가되어 굴착된 RBM 사례가 150개 이상이며, 대부분의 경우 이 방법이 상당히 유용하다고 평가되었다.
레이즈보어 암질 지수 QR은 원래의 Q 값으로부터 다음과 같이 평가된다.
여기서 은 식 (2)와 같이 수직구 벽면이 측벽에 해당하므로 이에 따른 보정 계수이며, 는 절리 방향에 따른 보정 계수이며, W는 암석 풍화에 따른 보정 계수이다(McCracken and Stacey, 1989; Miranda, 2020).
식 (2)의 보정 계수는 원래 Q 시스템의 수직구에 대한 ESR 값과 유사하다고 볼 수 있다.
식 (1)에서 절리 방향에 대한 보정계수는 Table 2와 같이 구할 수 있으며, 암석 풍화에 따른 보정계수는 암석 절리 벽면 강도(joint wall rock strength)를 기준으로 약간 풍화된 암석의 경우 0.9, 보통의 풍화된 암석의 경우 0.75, 그리고 매우 심하게 풍화된 암석은 0.5를 적용한다.
Table 2.
Orientation adjustment factors (McCracken and Stacey, 1989)
| No. of joint sets | Flat (0~30º) | Steep (60~90º) |
| 1 | 0.85 | 0.85 |
| 2 | 0.75 | 0.75 |
| 3 | 0.60 | 0.60 |
별도의 지보 없이 안정할 수 있는 최대 폭(maximum stable span)은 다음 식 (3)과 같이 도출된다.
여기서 RSR은 레이즈보어 안정 계수(raisebore stability ratio)로서 환기구의 경우 RSR = 1.3을, 광석 통로(ore pass)의 경우 RSR = 1.6을 적용한다.
이 방법을 적용하여 대상 현장의 레이즈보어 암질 지수 QR을 재평가하였으며 그 결과를 Fig. 6에 제시하였다. QR 값은 Q 값이 1보다 큰 경우에 있어 대부분 기존 암질보다 크게 평가되었으며, 1보다 작은 경우에 있어서는 오히려 작게 평가되는 경향을 보였다.
수직구 #1의 경우 상부 40 m 내외에서 사암과 화성암의 경계가 존재하나 심도 100 m 정도까지는 대부분 QR이 1보다 크게 산정되어, 전단면 RBM 굴착에 큰 무리가 없을 것으로 평가되나, 심도 100 m 부터 약 4개의 구간에서 QR = 0.3~0.5의 값을 나타낸다. 즉, 이 구간에서는 쐐기 파괴나 여굴, 공벽 함몰과 같은 리스크가 어느 정도 상존할 가능성이 있다.
이에 비해 수직구 #2의 경우 QR 값이 가장 낮은 구간이 심도 40~50 m 부근 한 구간에서만 Q = 0.4 정도를 나타내며 대부분의 심도에서 Q > 10보다 큰 매우 양호한 경향을 보였다. Fig. 6에서 나타내는 바와 같이 QR 값이 낮은 심도 구간에서는 좀 더 상세한 추가 조사가 필요하며, 선진공 굴착 시 지반의 실제 조건을 확인할 필요가 있다. 레이즈보어 암질 지수(QR)값이 의미하는 바를 좀 더 살펴보기 위해 2018년까지 업데이트 된 실제 시공 사례 데이터베이스와 비교하였다(Fig. 7 참조).
Fig. 7에서 보는 바와 같이 직경 6~7 m 크기의 RBM의 경우 QR 값이 적어도 1 이상이 되어야 안정성을 보장할 수 있으며, 특히 QR 값이 0.2 이하의 경우에는 많은 경우에 공벽 붕괴 등의 사고가 발생하였음을 알 수 있다. 또한 노란색 점으로 표시된 여굴은 이보다 더 잦게 발생하였으므로, 결국 두 수직구 평가에 의하면, 수직구 #1의 경우 4개의 구간에서 안정성 리스크가 발생할 가능성이 있으며, 수직구 #2의 경우에는 1개의 구간에서 리스크가 의심이 되지만 수직구 #1에 비해 상대적으로 지반조건이 양호할 것으로 평가된다.
Fig. 7에서 RSR = 3은 지보가 필요한 경우이며, RSR = 1.3의 구간은 무지보가 가능한 구간의 RSR의 극한의 값들을 나타낸다. 대상 현장의 수직구의 경우 굴착 완료 후 숏크리트 지보가 계획되어 있으므로 RBM 공법 적용에 문제가 없을 것으로 평가되었다. 하지만 일부 구간에 대한 여굴이나 공벽 함몰, 쐐기 활동 등에 대한 리스크는 어떠한 방식으로든 저감할 필요가 있다.
3.3 응력 조건에 대한 Risk 분석
McCracken and Stacey (1989)의 방법은 상세한 암질 자료에 근거하여 RBM 굴착시의 리스크 요소를 정량적으로 평가할 수 있지만, 현지 암반 응력 상태에 대한 영향을 고려하기 힘들다. 특히 취성 암반 내 특이한 응력 상태 하에 경우 스폴링이나 압착(squeezing)과 같은 암반 불안정성을 정확히 예측하는데 한계가 있다. Edelbro et al. (2019)은 기존의 Brummer (1998)가 캐나다 광산 현장에서 축적한 자료들을 재분석하여 이러한 스폴링과 취성파괴, 그리고 압착 등에 대한 위험도를 평가하는 방법을 제시하였다. 이 방법은 암석의 일축 압축강도와 수직구의 최대 접선응력의 비()를 통해 RBM 직경에 따라 위험도를 평가하는 것으로서 기존 자료의 평가 검증을 통해 그 적용성을 입증한 바 있다.
Fig. 8은 이 제시된 응력 조건에 대한 설계 기준 차트를 이용하여 대상 현장의 응력 유도 파괴 및 균열 가능성을 평가한 결과를 보여준다.
Fig. 8에서 보듯이 현장 암반에 대해서 평가된 비는 약 0.4 내외로서 그래프에 도시된 바와 같이 모든 직경의 RBM과 길이에 대해서 응력 유도 균열에 대한 리스크가 없을 것으로 평가되었다. 두 수직구 모두 200 m 이하의 심도로서 취성파괴가 400 m 이상의 대심도에서 주로 발생할 것으로 예측되므로 이 정도 심도에서는 특별한 영향이 없을 것으로 판단되었으나, 본 기준을 통해 이 사실을 객관적으로 확인할 수 있다.
3.4 무지보 유지기간 분석
전단면 RBM은 광산 내 임시 시설이 아닌 모든 토목 영구 구조물의 경우 벽면 지보 및 보강이 실시되어야 한다. 때문에, 전단면 RBM 굴착 안정성의 주요 인자는 RBM 굴착 이후 공벽이 무지보 상태로 어느 정도 기간까지 안정할 수 있을까 여부이다.
임시 무지보 유지 기간(temporary stable stand up time)은 RMR 암반 분류에 의해 잘 정리된 설계 차트가 있으며(Bieniawski, 1993), 대상 지반의 무지보 유지 기간을 검토하기 위해 평가된 암질 지수 Q를 식 (4)의 상관관계를 이용하여 RMR 값으로 변환하였다. 이를 통해 심도별로 무지보 유지 기간의 범위를 평가하였으며, 그 결과를 Fig. 9에 나타내었다.
수직구 #1의 경우 RMR 값의 범위는 40~68, 수직구 #2의 경우 42~69의 범위를 보였다. 대부분 RMR 값은 50 이상이었으며, 수직구 #1의 경우만 RMR < 50인 구간이 전체 중 약 10% 내외의 구간을 보였다. Fig. 9에서 볼 수 있듯이 7 m 직경의 경우 이 구간의 RMR 값의 무지보 유지 기간은 약 1주에서 50년까지 넓게 분포함을 알 수 있다. 하지만 실제 RMR 값이 가장 낮은 구간은 일부 구간에 국한되고 대부분 RMR이 50 이상이므로 이 경우 대부분의 구간은 1년 이상의 무지보로도 안정할 수 있음을 나타낸다.
따라서, 전단면 RBM 굴착을 위한 무지보 자립시간은 충분히 확보될 것으로 판단되지만, 심도 내 일부구간에서 RMR < 50이 나타나므로 이에 대한 굴착 리스크 저감 방안이 필요하다.
3.5 블록 쐐기 해석
암석 블록의 쐐기 활동은 전단면 RBM 굴착시 그 효율에 큰 영향을 줄 수 있으므로, 이러한 쐐기 활동 가능성이 있는지 확인하는 것이 필수적이다(Walls et al., 2019). 따라서 현장 시추공 및 주변 절리 조사 결과를 토대로 Rocscience사의 Unwedge 프로그램을 활용하여 두 수직구의 쐐기 활동 가능성에 대해서 평가하였으며 그 결과를 Fig. 10에 제시하였다.
수직구 #1의 경우 화성암으로서 일부 구간에 암석 절리가 크게 발달되어 있어 쐐기 활동에 리스크가 상존할 것으로 예측되었다. 실제 unwedge 해석 결과 다양한 규모의 키블록이 생성 가능하고(Fig. 10(a)) 이중 일부 안전율이 0.3~0.75 정도로서 블록 이동의 가능성이 있음을 확인하였다. 이에 비해 수직구 #2의 경우에는 기본적으로 층리 외에 일부 수직에 가까운 절리만 교차하는 형태이므로 다양한 키블록 생성이 제한적으로 예측되었다. Unwedge 해석 결과도(Fig. 10(b)) 극한 조건에서 생성된 블록의 경우에도 길이가 10 m 이상이 넘고, 안정 블록이거나 안전율도 7 이상으로 나타나서 이러한 쐐기 활동의 가능성이 전혀 없음을 증명할 수 있었다.
따라서, 쐐기 활동의 리스크는 수직구 #1 구간에서 활동이 예상되며, 이러한 쐐기 활동을 억제하기 위해서는 절리면 접합 등을 통해 마찰 및 접합 능력을 높이는 것이 가장 효율적일 것이다.
4. 리스크 저감 방안 및 고려사항
앞서 평가된 리스크 분석을 통해 수직구별 위험도를 확인할 수 있었으며, 수직구 #1의 일부 구간을 제외하고는 전단면 RBM 굴착 적용성에는 문제가 없는 것으로 확인되었다. 하지만, 굴착 중 암반 쐐기 활동에 의한 벽면 붕락 및 낙석 등의 문제는 공사기간 및 굴착 효율성에 큰 영향을 미치므로 굴착 리스크 가능성을 사전에 차단하고 굴착 안정성을 보증하기 위한 적극적인 리스크 저감 방안이 필요하다. 이 장에서는 상세한 검토를 통해 도출하여 적용된 주요 리스크 저감 방안에 대해서 설명한다.
4.1 지표 그라우팅 및 지하수 배수공
기본적으로 대상 암반의 암질을 더 좋게 만드는 것이 가장 좋은 리스크 저감 방안일 것이다. Barton (2002)에 의하면 암반 물성 강화를 위한 그라우팅은 절리 등 불연속면을 접합시켜, Q 값을 최소 20배 정도 증대시키는 효과가 있다고 제안하였다. 암질이 불량한 구간을 그라우팅으로 암반 물성을 개선하는 것은 가장 효과적인 리스크 저감 방안이 될 것이다.
그라우팅 보강방안은 발파 굴착의 경우 매 굴착 막장 면에서 시공이 가능하지만 전단면 RBM 굴착의 경우 막장면에서 보강이 불가능하므로, 지표면 그라우팅 이외에는 방법이 없다. 하지만 심도가 수백 m에 이르는 수직구의 경우에는 지표면 그라우팅 자체의 노력과 시간이 매우 크게 소요되어 문제가 될 수 있으므로, 여러 조건을 잘 감안하여 효율적인 지반보강 방법을 적용해야 할 것이다. 본 대상 현장에서는 일부 구간의 지반 개량 용으로 RBM 굴착 준비 이전에 지표면 그라우팅을 실시하였으며, Fig. 11은 수직구 #2의 그라우팅 공 배치 및 실제 진행된 그라우팅 기록을 보여준다.
그라우팅 공은 예정 굴착 단면에서 1 m 떨어진 거리에서 방사형으로 일차 및 이차 그라우팅 공으로 나눠서 실시하였으며, 향후 굴착시 그라우팅 효과를 확인하기 위해 시멘트 그라우팅 주입재에 염색물감을 혼합하여 그라우팅 효과가 불량한 암반 구간에 제대로 되었는지 확인하였다.
수직구 #1의 경우 전반적으로 수직구 #2에 대비 저압의 더 많은 그라우팅 량이 소요되어, 전반적으로 암질이 수직구 #2보다 좋지 않음을 확인할 수 있었다. 수직구 #2 그라우팅의 경우 실제 주입된 그라우트 총량이 상당히 제한된 것으로 보아, 수직구 주변 절리가 발달되지 않고 암반조건이 양호하여 그라우팅 보강 필요성은 크지 않은 것으로 사료되었다.
하지만, 사업시행 중 발주처 등의 이해관계자의 의사 결정 과정에서 보다 확실한 굴착 리스크 저감 방안으로 선택된 사례라 하겠다. 리스크 저감방안으로 두 번째 반영된 사항은 지하수 유도공(groundwater relief hole)이다. 사실 해당 지역은 매우 건조하고 지하수위는 수직구 바닥 하부에 위치하여, 지하수 유도공의 필요성에 대해 회의적이기는 하다. 하지만 보수적인 설계 관점에서 예상치 못한 기후 변화나 극한 호우 발생 조건에서 수직구 내부로 다량의 지하수 유입을 방지하기 위해 필요한 리스크 저감 방안이 될 것이다. 또한, 이러한 지하수 유입을 고려하여 주변 배수공 설치를 통해 수직구 내로 발생하는 직접적인 지하수 유출을 제한하고, 하부 연결 터널의 배수 시설과 연결하는 것이 필요하다.
Fig. 12는 적용된 지하수 배수공과 유도 배수재(strip drain)를 이용하여 지하 터널 구조 배수 시스템에 연결되는 계획을 보여준다. 본 지역이 건조한 상황을 고려하여 배수공의 숫자는 최대한 제한하여 3개로 계획하였다.
4.2 공벽 보강 및 안정성 유지 방안
사업구간 수직구는 영구 구조물로서 공벽 보강을 위해 섬유보강 숏크리트(fiber reinforced shotcrete)가 두께 300 mm로 계획되었으며, 숏크리트는 RBM 굴착이 끝나고 장비가 완전히 해체된 이후에 타설하게 된다. 시공은 Fig. 13(a)에서와 같이 guide가 있는 로봇 숏크리트를 수직구 하부에서 상부로 인양하면서 벽면에 균일하게 숏크리트가 타설될 수 있도록 하여야 한다.
하지만 대구경 RBM 굴착이 진행되는 동안은 수직구 공벽은 아무런 보강 없이 지탱되어야 한다. 앞서 리스크 평가를 통해 일부 구간에서 소규모 낙석이나 쐐기 활동 또는 여굴 등의 발생을 완전히 배제할 수 없음을 확인하였다. 따라서 굴착 중 이러한 위험을 최소화하기 위해 박막 분사 라이너(thin spray liner, TSL) 적용을 계획하였다.
Fig. 13.
Shotcreting method and application of TSL (thin spray liner) against rockfall (Yilmaz, 2011)
TSL 공법은 원래 광산 등에 터널의 낙석이나 암반 내로 누출되는 유독가스를 밀봉하여 안전을 보증하기 위해 도포하던 레진 계열의 도막으로서 암반이 불량한 경우 어느 정도 전단 및 인장력을 벽면에 가하여 벽면의 안정성을 증진시킬 수 있다(Steyn et al., 2007). Fig. 13(b)는 이러한 TSL의 원리 및 효과를 도식적으로 보여준다. RBM 굴착을 진행하면서 리머에 설치된 노즐을 이용하여 이러한 TSL을 도포하게 되면 일정량의 인장 및 전단력을 통해 국소 규모의 낙석이나 여굴을 미연에 방지할 수 있는 효과를 기대할 수 있다. Fig. 13(c)는 TSL 도포 두께에 따른 인장 및 전단 강도 효과를 실험실에서 구한 예를 보여 준다(Yilmaz, 2011). 즉 1.35 ton의 전단력에 저항하기 위해서는 TSL 약 3.5 mm가 필요함을 알 수 있다. 하지만 TSL 적용은 비용이 많이 소요되므로 실제 굴착 시 수직구 벽면 상태를 관찰하면서 탄력적으로 적용할 필요가 있다.
4.3 계측 방법
설계 기준에 의하면 기본적으로 굴착 후 수직구 벽면의 변위와 거동을 계측해야 하지만, RBM 굴착으로 마감하는 경우 계측 타겟 등의 설치가 용이하지 않다. RBM 공법을 적용하는 주요 이유 중의 하나가 좁은 수직구 내부에 인력의 배치를 최소화하기 위함이기 때문에, 인력으로 직접 투입하여 실시하는 계측 방법을 적용하기 어렵다. 이에 따라 수직구 거동 계측을 위한 대안을 검토하였으며, 그 방법을 Fig. 14에 보여준다. 첫 번째 방법(Fig. 14(a))은 광섬유 케이블 계측 시스템을 수직구 벽면에 적용하는 것이다.
먼저 1차 숏크리트 50 mm를 타설한 후 계측용 케이블을 수직구 벽면 4개의 측선을 따라서 설치한다. 이 후, 케이블을 하부 지표에 고정시키고 2~3차 숏크리트를 타설하여 수직구 벽체와 일체가 되게 한다.
두 번째 고려될 수 있는 방법은 라이더-호버 매핑 시스템으로서 최근 IT 기술의 발달로 인해 급속한 진보를 이루고 있는 분야이다. Fig. 14(b)에 보듯이 수직구 표면에 고정된 권양(winch) 시스템에 탐침을 매달아 내리면서 레이저 시스템으로 벽면의 상태 확인, 변위 계측과 지질 매핑까지 가능하다. 또한, 고정된 탐침을 사용하지 않고 드론(drone) 등과 같은 이동장치를 사용할 수도 있다. 하지만 이 분야의 발전이 매우 빠르고 매력적인 방법이긴 하나, 아직까지는 적용사례가 부족하고 경제성이 떨어져져 첫 번째 광섬유케이블 매설을 통한 계측 시스템으로 계획되었다.
4.4 기타 고려 사항 및 시공사례
본 현장의 수직구 상부 지표는 충적된 토사층이 매우 제한적이고 신선한 암반으로 형성되어 있어 별도의 지표 보강이 필요하지 않았으며 매트 기초와 보강을 적용하였다.
Fig. 2에서 볼 수 있듯이, RBM 굴착 장비 작업시 매우 큰 하중과 회전력을 지탱해야 하므로 설치 장비 아래에는 이를 지지할 수 있는 기초가 필요하다. Fig. 15(a) and (b)는 이러한 매트기초 적용 사례를 보여준다. 본 현장은 토사층의 깊이가 매우 얕아서 매트 기초와 보강 만으로 문제가 없었으나 일반적인 경우 토사층으로 이루어져 지표면 보강 및 기초 작업이 필요하다. Marlow et al. (2013)은 이러한 조건에서 RBM 작업을 위한 지반 보강 방법 및 사례에 대해서 상세히 논의하고 있다. Fig 15(b)는 이러한 토사 층이 깊은 경우에 적용될 수 있는 보강용 그라우트 파일 설계 예를 보여준다.
그 다음으로 고려되어야 할 사항은 효율적인 리밍 장비 설치 및 해체작업이다. 우선 지하 하부에 리머의 설치와 해체를 위해 충분한 작업 공간이 가능해야 할 것이며, 커터 하나만 해도 120 kg이 넘는 매우 무거운 중장비이므로 기존 지하 암반 면을 활용하여 효율적인 설치 및 해체 계획이 필요할 것이다. Fig. 16은 이러한 리머 설치를 위한 작업과정을 보여준다.
결론적으로 앞서 분석된 각종 지반 리스크들을 효율적으로 제어할 수 있는 주요 저감 방안들을 도출, 적용하였고, 이에 따라 최종적으로 전단면 RBM 굴착을 성공적으로 완료하였다.
Fig. 17은 100 m 정도 심도의 수직구 #2의 최종 굴착 단면을 Insta 360 3D 카메라로 촬영한 것을 보여준다.
사진에서 확인할 수 있듯이 수직구 #2의 경우 거의 모든 구간이 매우 좋은 암질을 보였으나, 45~60 m 구간은 지반 리스크 분석에서 볼 수 있었던 약간의 연약층을 확인할 수 있었다. 또한 심도 75 m 이상에서는 상부의 사암과는 다른 실크임이 존재함을 확인하였다. 위 결과에서 보듯이 굴착된 단면은 매우 매끄럽고 벽면은 전혀 손상을 받지 않았음을 알 수 있다.
RBM의 순수 굴착시간은 리밍 작업이 개시된 후 10일 이내에 완료되었고, 선진공 굴착을 포함해도 1개월이 걸리지 않았으므로 굴착 효율성 측면에서는 매우 효과적인 방법임을 알 수 있다.
5. 결 론
본 논문에서는 국내에서는 적용사례가 없는 전단면 RBM 굴착을 계획 시 지반 리스크에 대해 상세하게 분석하였다.
대상 현장의 두 수직구는 화성암과 퇴적암으로 대비되며 서로 다른 암질 및 리스크 분포를 보였으며, 특히 대부분의 리스크가 화성암으로 구성된 수직구 #1에 집중되었다. 상세한 암반 상태 분석을 통하여 심도별 암질 지수 Q 값을 얻었으며, 이를 이용하여 M&S 법을 적용하여 정량적인 레이즈보어 암질 지수를 구하였으며 7 m 대단면 RBM 굴착이 가능한지 여부를 구간별로 검토하였다.
검토 결과 수직구 #1은 일부 구간에 낙석, 쐐기 활동 및 공벽 불안정과 같은 리스크가 여전히 존재 가능함을 확인하였고 수직구 #2의 경우 한 구간을 제외하고는 RBM 굴착에 매우 적합한 지질임을 확인할 수 있었다. 기존의 설계 지침 등을 활용하여 응력에 의한 균열과 파괴의 위험성을 평가하였으며 200 m 정도 심도에서는 이러한 위험성은 거의 없음을 확인하였다. 전단면 RBM 굴착시 무지보 유지기간의 평가가 중요하며, RMR 암반분류법을 이용하여 유지기간을 평가하였다. 또한 쐐기해석을 통해 주 리스크 역시 수직구 #1에서 발생할 수 있을 것으로 예측되었다.
리스크 평가 결과 이를 저감하기 위한 방안으로 지표면 그라우팅, 지하수위 유도공, 벽면 보강, TSL 적용 등이 적극적으로 도입되어 최종적으로 7 m 대단면 수직구 굴착을 성공적으로 완료하였다.
레이즈보어 암질지수(QR) 터널 지보평가에 널리 적용되어온 암반분류법인 Q 시스템을 수직구로 확장한 것으로서 기본적으로 Q 시스템에 고려할 수 있는 모든 암질 및 SRF와 같은 지하 응력 조건을 고려할 수 있으며, 수직구와 터널의 방향 및 특성을 고려하여 확장할 수 있 수 있는 장점이 있으므로 향후 다양한 수직구 고려시 특성에 맞게 고려될 수 있을 것이다.
대단면 RBM 굴착 공법은 향후 다양한 지하공간 개발 시에 공기 단축이나 작업 안전성 측면에서 아주 매력적인 방법으로서 더 많은 적용을 기대할 수 있다. 성공적인 시공을 위해서는 본 논문에서 검토된 바와 같이 체계적인 지반 사전 리스크 분석이 선행되고 적절한 고려사항을 반영하여 이에 따른 대응 방안을 미리 계획해야 할 것이다.
