1. 서 론

산악 지형이 많은 대한민국의 국가 도로망 구축에 있어 터널은 환경, 경제적인 측면에서 매우 중요한 역할을 수행하면서, 연장대비 연평균 19.2% 증가하는 추세로 터널건설이 이루어져 왔다. 현재 전국의 터널(도로터널 기준)은 1997년 말 이후 10년간 건설된 터널의 수가 전체 98년 간 건설된 터널의 82.7%(880개/총1064개)를 차지하고 있다. 이는 1997년 말 184개를 기준으로 578% 증가한 것이며, 연평균 19.2%의 급격한 증가율(2007년 기준)을 보이고 있다. 터널의 총 연장에 있어서는 1997년 말 150.134 km기준으로 10년 후 총 연장 754.495 km로 502%가 증가한 현황이다(KICT, 2009). 터널 건설 건수는 지속적으로 증가 추세에 있으며, 2002년부터 2007년까지 매년 터널 건설 공사 평균 건수는 253건으로 2002년부터 현재까지 터널 공사 건수의 증가율은 연평균 6% 수준이다(KICT, 2009). 이와 같이 활발히 진행되어온 터널 건설과 함께 터널기술의 발전도 괄목할 만하게 발전되어 왔으며, 많은 터널기술자들에 의해 다양한 설계/시공 경험이 축적되어 왔다.

하지만, 이러한 터널건설과 기술개발에도 불구하고 연 평균 중･대형급을 기준으로 붕괴사고 발생 건수가 약 20여건(KICT, 2009) 이상으로 추정되는 등, 끊임없이 터널붕괴가 발생되고 있다. 터널 붕괴는 붕괴현장 복구 및 공기지연에 따른 막대한 국가 예산 손실을 유발하고, 간접적인 사회적 불안정 요인을 초래한다. 그럼에도 불구하고, 1980대 초에 도입된 NATM (New Austrian Tunnelling Method) 터널의 기본개념에서 가장 중요하게 강조된 막장관찰 작업조차도, 현재의 국내 터널설계기준이나 터널시방서에서 독립적 전문항목으로 언급되지 않는 등 과소평가되어 왔다. 또한, 현장에서 의무적으로 수행되고 있는 막장관찰 작업이 계측전문가가 계측기 매설 및 측정 작업과 병행하여 수행하는 등 비전문가들에 의해 수행되고 있는 실정이다. 이러한 형식적인 막장관찰 작업 수행과 더불어, 수행된 막장관찰 결과조차도 적시적이고 효과적으로 시공관리에 반영되고 있는 경우는 드문 실정이다.

현재의 터널 막장의 붕괴 위험도 평가는 상기한 터널 막장관찰에 의존하고 있으며, 국내에서는 일반적인 RMR (Rock Mass Rating) 암반분류법(Bieniawski, 1989)에 기초하여 터널 막장관찰 항목을 구성하여 시행하는 것이 일반적이다. 따라서 RMR 암반분류 항목은 대부분 지질, 불연속면 및 지하수 조건 항목으로 구성되어 있으므로, 막장관찰 항목도 모두 동일한 평가항목으로 구성된다. 하지만, 실제 발생된 터널 붕괴사고 사례를 살펴보면, 대부분 취약한 터널막장의 지질조건과 지하수 조건에서 붕괴사고가 발생하였으나, 현장의 계측과 막장관찰 등을 통해 사전 인지된 터널 붕괴 위험조짐에 대해 현장에서의 적시적 지보등급 상향 조정 및 보강공법 투입을 통해 안정화 시킨 사례도 적지 않다(KTA, 2010). 직관적으로도, 터널 붕괴현상은 취약한 지반조건과 함께, 사전 조사된 지반조사를 기초로 행해진 터널설계 수준과 지보/보강공법 투입, 여굴 및 굴진장 관리 등의 시공 조건이 상호 연계되어 나타나는 현상으로 볼 수 있다. 따라서 현행의 막장관찰을 통한 막장 지반조건의 취약성 평가뿐만 아니라, 이에 대응한 설계 지보등급 적정성 평가가 적시적으로 이루어지고 있는지, 1회 굴진장 및 굴진속도 같은 터널 굴진관리가 관찰된 막장 지반조건에 부합되게 진행되고 있는지, 필요시 적시에 보강공법 투입이 이루어 질 수 있는 상황인지 등의 판단과 시공관리도 정량적인 지표를 기초로 수행하는 것이 바람직 할 것이다.

이에 한국건설기술연구원(KICT, 2009)에서는 터널 붕괴 위험도 지수(KICT Tunnel Collapse Index, KTH-index)라는 터널 시공관리 지표를 제안하였고, 막장관찰자료와 설계 및 시공정보들을 연계 고려하여 터널 붕괴 위험도 수준에 대한 가시적인 지수값을 산정할 수 있는 공학적 지수산정 체계를 개발한 바 있다(Shin et al., 2009). 여기서 제시된 터널 붕괴 위험도 지수화 문제는 일반적인 RMR, Q 암반분류체계 등과 같이 하나의 공학적 관점에서의 지수화 문제(indexing problem)로 분류할 수 있다(Barton, 1978; Bieniawski, 1989; Latham and Lu, 1999; Shang et al, 2000). 이러한 분류의 지수화 툴들은 대부분 지수 형태로 평가코자 하는 항목(effect)과 이룰 뒷받침하는 영향인자(causes)로 구성되며, 관련 자료의 통계처리 등의 일련의 절차를 통해 각 영향인자에 가중치를 부여하는 방식으로 구성된다. 구성 완료된 평가 툴들은 주어진 현장에서 평가된 영향인자의 등급이나 수치값에 대해 평가항목에 대한 지수값을 평가 할 수 있게 되며, 대부분 평가단계에서는 영향인자에 부여된 가중치는 고정된다. 이는 다양한 평가현장에 대해서, 각 영향인자들의 민감도는 변화하지 않음을 의미한다.

하지만, 한국건설기술연구원에서 제안한 붕괴 위험도 지수 산정체계에서는 기존 붕괴현장자료를 기초로 각 영향인자의 가중치를 계산하게 되며, 가중치 산정에 적용되는 현장자료 DB에서부터 가중치 산정까지의 일련의 절차를 통계 및 수학적 기반으로 정례화하여 시스템화하였다(Shin et al., 2009). 이를 통해, 주어진 영향인자들 마다 가중치를 재 산정하는 것이 자유롭고, 주어진 영향인자의 입력값에 대해 가중치가 변화하지 않는 ‘선형’ 모델뿐만 아니라, 주어진 영향인자 입력값 대해 영향인자의 가중치가 항시 재계산되어 달리 반영되는 ‘비선형’ 모델의 구현이 가능케 되었다. 즉, 비선형 모델을 이용하면, 상대적으로 지하수 조건에 크게 민감한 도심지 터널의 붕괴 영향인자들과 상대적으로 암반 불연속면의 특성에 영향을 크게 받는 산악터널의 붕괴 영향인자들의 가중치를 달리하여 붕괴 위험도 지수값을 산정할 수 있다.

본 논문에서는 사용된 터널 붕괴 위험도 산정체계를 간단히 소개하고, 붕괴된 100여개의 터널현장에 대해 산정된 붕괴 영향인자들의 ‘선형’ 가중치와 ‘비선형’ 가중치에 대해 비교검토를 수행하였다. 또한 본 논문에서는 막장관찰 및 현장자료들을 적시적으로 수집하여 상호 연계 작업을 수행할 수 있도록 붕괴 위험도 평가 체계를 구축하여 제시하였다. 이어, 구축된 위험도 평가체계는 실제 수도권 고속도로 확장구간 내 도로터널 한 개소에 적용되어 갱구부 개설 시부터 관통 시까지의 터널 막장 위험도 관리를 수행하였다. 따라서 본 논문에서는 실제 터널현장에 적용되어 얻어진 다양한 막장관찰, 설계 및 시공항목에 대한 입력자료 변화추이에 대해 상호 연계하여 분석을 수행하였고, 각 항목의 평가등급 변화추이 경향을 제시하였다. 또한, 각 터널막장 마다 변화하는 각 영향인자들의 민감도의 변화추이를 제시하였으며, 이에 대응한 터널 전 구간의 붕괴 위험도 지수 변화추이도 제시하고, 상호 분석하였다.

2. 터널 시공 위험도 평가

2.1 설정된 붕괴 영향인자 분류 및 배점 배정

본 연구에서는 기존 연구(Bae and Shin, 2007)에서 2개 항목이 추가된 총 15개의 붕괴 영향인자(Fig. 1)에 대해 최소 0점에서 최대 10점까지의 동일 범위의 평가배점을 부여하였으며, 각 인자의 평가등급은 Table 1과 같다. 본 평가등급표는 기존 평가등급표(Shin et al. 2009)에서 지난 다수의 현장적용과 전문가 의견을 반영하여 수정 보완된 표이다. 여기서, 영향인자는 크게 설계자료를 통해 결정할 수 있는 (1) 터널의 기하학적인 제원 항목과, 막장관찰을 통해 얻어지는 (2) 지하수 상태, (3) 막장지반 특성, (4) 불연속면 특성, 그리고 시공 현황자료를 통해 얻어질 수 있는 (5) 굴착조건과 (6) 지보/보강 조건으로 분류된다. 각 대분류에 대한 세부 분류는 총 15개 항목으로 각 대분류당 2-3개 항목으로 세분화된다(Fig. 1). Table 1의 평가표에서 각 영향인자 항목당 구분등급의 배점은 최대 배점인 10점을 구분등급수로 나누어 동일간격의 배점으로 배정한다. 각 등급에 배정되는 배점은 터널 안전에 불리한 배점표의 오른쪽으로 갈수록 10에 가까운 배점을 배정하였다. 즉, 각 항목의 배점이 10에 가까울수록 터널 붕괴 위험도에 크게 작용하게 된다. 하지만, 영향인자 평가표에서는 각 영향인자간 민감도는 최대 배점 10으로 동일하며, 영향인자의 민감도는 추후 시스템에서 계산된 각 영향인자의 가중치로 결정된다. 제시된 Table 1의 평가표 활용방법 및 세부 배점 산정 절차는 기존연구에 제시되어 있다(KICT, 2009; Shin et al., 2009b).

2.2 선형 및 비선형 가중치 산정

앞서 언급하였듯이 터널 시공 중 붕괴에 대한 위험도 평가는 어떠한 항목들로 붕괴 영향인자들을 설정할 것인가와 각 영향인지들에 어떠한 절차로 어떤 값을 가중치로 부여할 것인가로 정의될 수 있다. 이에 개발된 시스템의 신뢰성은 각 붕괴 영향인자들에 부여되는 가중치의 산정과정이 얼마나 과학적이고 객관적인가에 따라 좌우될 것이다. 하지만, 다양한 목적으로 제안되어온 다수의 지수적 평가기법들의 대부분이 제한된 범위의 설문조사와 몇몇 전문가의 주관적 판단에 기초하여 영향인자들의 가중치를 부여함으로써 그 신뢰성과 범용성이 결여되어 지속적으로 활용되지 못하고 사장되는 경향이었다(Latham and Lu, 1999; Shang et al., 2000). 이러한 배경에서 보다 지수산정의 객관성과 범용성 확보를 위해, 개발된 터널 시공 위험도 관리 시스템에서는 붕괴 위험도 지수 산정과정에서 각 영향인자에 부여되는 가중치를 인위적인 설정하는 것이 아니라, 100여개의 터널 붕괴사례를 기반으로 통계 및 수학적 처리절차를 통해 산정된다(Shin et al., 2009a). 따라서, 붕괴터널 현장자료가 증대되고 그 자료 완성도가 높아짐에 따라 계산절차의 변화 없이도 재 산정되는 붕괴 영향인자의 가중치의 신뢰도와 객관성은 자동으로 증대된다.

본 가중치 산정과정에서는 다수의 영향인자들의

복합적 상호연계성을 수학적으로 표현할 수 있는 상관도 행렬(interaction matrix) 개념이 도입되었으며(Hudson, 1992; Cancelli and Crosta, 1993), 현장자료의 민감도 분석을 위해 자체 개발한 인공신경망 민감도 해석기법이 적용되었다(Shin, 2001). 이러한 새로운 개념이 도입되어 각 영향인자의 가중치를 계산하는 과정과 최종 주어진 입력자료에 대한 막장의 붕괴 위험도 지수값 산정과정에 대한 개념도를 Fig. 2에 도시하였다. 도입된 새로운 해석기법에 대한 기술자료와 붕괴자료의 민감도 분석을 통해 정량적 수치로 구성되는 상관도 행렬을 기초로 가중치를 산정하는 수학적 처리 절차 등에 관한 상세사항은 기존 연구결과를 참조할 수 있다(Bae and Shin, 2007; Shin et al., 2009). 이러한 과정으로 계산된 각 막장의 위험도 지수값은 다양한 붕괴현장의 위험도 지수값 산정 및 통계처리를 통해 얻어진 붕괴 위험도 지수값 평가표를 이용해 현 단계의 위험도 등급(총 4단계의 위험등급)을 평가할 수 있다(Shin et al., 2009b).

본 연구에서 활용하고 있는 터널 시공 위험도 관리 시스템은 붕괴 영향인자의 가중치를 붕괴현장자료의 민감도 분석을 통해 결정하며, 일련의 과정이 시스템으로 구축되어져 있으므로, 위험도 평가단계에서 영향인자들에 대한 입력자료 조합에 따라 각 영향인자의 가중치를 재 산정하는 것이 자유롭다. 본 연구에서는 터널 붕괴자료의 민감도 분석 시, 선형함수를 사용하여 인공신경망 민감도를 분석하면, 이를 통해 산정되는 가중치는 ‘선형’ 모델이라 명명한다. 또한, 민감도 분석 시, 시그모이드(sigmoid) 함수나 벨형(radial) 함수 형태의 비선형 함수를 사용한 인공신경망 민감도 분석을 통해 산정된 가중치 모델은 ‘비선형’ 모델이라 칭한다. 위험도 지수 평가단계에서, ‘선형’ 모델은 주어진 영향인자에 대한 입력값에 대해 가중치가 변화하지 않으나, 반대로 ‘비선형’ 모델은 주어진 영향인자의 입력값에 따라 매번 영향인자의 가중치가 재 산정되어 달리 부여된다. 예를 들면, 비선형 모델을 이용하면, 상대적으로 지하수 조건에 보다 민감한 도심지 터널의 붕괴 영향인자들의 가중치와 상대적으로 암반 불연속면의 특성에 보다 민감한 산악터널의 붕괴 영향인자들의 가중치를 달리 배정하여 붕괴 위험도 지수값을 산정할 수 있다. 실제 터널현장의 위험도 관리에서는 터널 막장의 위험도 평가에서는 ‘선형’ 및 ‘비선형’ 모델로 부터 구해진 위험도 지수값을 병행하여 사용한다.

2.3 선형 및 비선형 가중치의 영향성 검토

본 논문에서는 각 현장여건을 반영하여 각 영향인자의 가중치를 달리 배정하여 터널막장의 위험도 평가를 수행할 수 있는 ‘비선형’ 모델의 이해를 돕기 위해, 도심지 지하철 터널(64%), 산악 도로 및 철도터널(33%) 그리고 기타 공동구터널(3%)의 붕괴자료로 구성된 100여개의 터널붕괴 현장에 대해 영향인자의 가중치를 산정해 보았다. 다음, 계산된 붕괴 영향인자들의 ‘선형’ 가중치와 ‘비선형’ 가중치에 대해 특성이 다른 각 터널군별로 구분하여 가중치 산정 결과를 비교･검토하였다.

Table 2에 의하면 선형모델에 의한 가중치 산정결과를 기준으로, 지반조건 및 지하수관련 대분류 내에서는 막장 풍화도, 불연속면의 방향성과 막장의 지하수 유입정도가 민감한 항목이며, 지보관련 조건보다는 보강공법 투입 정도가 민감한 것으로 분석되었다. 상대적으로 선형 모델에 의해 산정된 영향인자간 가중치값의 변화 범위는 비선형 모델에 의해 산정된 가중치 변화 범위보다 매우 적음을 알 수 있다. 앞서 언급한바와 같이 Table 2의 선형모델에 의한 가중치는 붕괴현장 자료가 확장되어 민감도 분석을 재수행하지 않는 한, 위험도 지수 산정단계에서는 평가 현장의 특성과 관계없이 변화하지 않는다.

이어, 붕괴현장 DB에 포함되어 있는 산악터널 현장들과 도심지 터널현장을 분리하여 각 터널군에 대해 비선형 모델을 이용한 가중치를 산정하였다. 비선형 모델에서는 각 산악터널현장에 대해 다른 영향인자별 가중치가 달리 산정되므로, 모든 산악터널 현장에 대해 산정된 각 영향인자의 가중치들을 평균하여 Table 2에 제시하였다.

Table 2에서 산악 도로 및 철도터널 현장들에 대한 가중치 평균값들을 살펴보면, 설계관련 항목에서는 토피고의 변화에 민감하며, 지반 및 지하수 관련해서는 단층대의 존재와 불연속면 방향성에 대체적으로 민감하였다. 시공관련으로는 설계시 설정된 표준지보패턴 강도보다는 시공 중 지보패턴 변경 유무가 위험도에 민감하게 작용함을 알 수 있으며, 보강공법의 반영도 민감한 인자로 평가되었다. 이는 도심지 터널에 비해 산악터널은 갱구부와 본선부의 토피고 차가 매우 심하며, 갱구부의 3차원적 응력분포와 지반조건이 매우 취약한 것이 일반적임을 감안할 때, 토피고가 민감한 인자로 평가된 것은 산악터널 조건을 잘 반영하고 있는 것으로 판단할 수 있다. 또한, 산악터널의 주요 붕괴유형(KTA, 2010)은 막장의 어깨부나 천단부에서의 암괴 낙반붕락이 주를 이루고 있음을 고려할 때, 불연속면의 관련 항목에 대한 가중치가 상대적으로 크게 산정된 것은 타당한 결과로 판단할 수 있다. 본 평가에서는 불연속면의 상태보다는 일정 두께를 갖은 단층 파쇄대의 존재와 그 발달정도가 막장 위험도에 보다 크게 영향을 미치는 것으로 분석되었다.

동일한 방법으로 도심지터널 군에 대한 영향인자의 가중치를 산정하여 각 영향인자별로 가중치 평균값들을 Table 2에 제시하였다. 도심지 터널에서는 지반조건 관련으로는 RQD/N치로 표현되는 막장의 지반등급이 상대적으로 가중치가 크며, 예상했던 바와 같이 막장 지하수 유입정도와 지하수위 항목이 매우 민감하게 위험도에 영향을 미치는 것으로 평가되었다. 특히, 시공관련 항목은 산악터널 보다 여굴과 같은 굴착효율 및 표준지보패턴 설정강도 항목도 가중치가 높았으며, 시공 중 패턴 변경과 보조공법 투입 여부도 민감한 것으로 평가되었다. 이는 일반적으로 도심지에서는 터널 막장의 안정성 확보는 지하수에 좌우되는 것이 일반적임을 감안할 때, 현장특성을 잘 반영하고 있는 가중치 산정결과로 판단된다. 또한, 토사지반 등과 같은 열악한 지반조건하가 일반적이므로 암반의 불연속면관련 항목에 대한 영향이 상대적으로 둔감하게 평가된 것도 합리적인 결과라 평가할 수 있다.

2.4 터널 시공 위험도 관리 체계 및 역할

제안된 붕괴 위험도 지수값 산정에 요구되는 자료들은 일련의 절차와 입력 주체의 설정을 통해 이루어진다. 본 연구에서는 효율적인 관리와 운용을 위하여 Fig. 3의 터널 시공 위험도 평가체계를 수립하고, 각 요구자료의 준비 및 입력 단계를 작업 시차와 자료 종류별로 구분하여 정리하였다. 본 시스템은 시공 중의 막장관찰 및 시공대응자료 뿐만 아니라 사전 설계정보가 반영되므로, 터널 굴진에 따른 위험도 관리 개시에 앞서, 사전에 설계 및 지반조사 자료를 이용해 터널 제원과 굴착조건 및 설계 지보패턴 등이 전 터널구간에 걸쳐 입력된다. 또한, 터널 횡단면 및 종단선형 설계도면 등의 사전 입력을 통해, 임의의 굴진단계마다 각 영향인자의 입력자료 변화추이 및 실시간으로 계산되는 위험도 지수값 변화추이 등을 종단선형 및 지반조사 자료 등과 연계하여 검토할 수 있으며, 상황을 보다 효과적으로 이해하며 현장대응을 할 수 있는 통합 정보를 제공한다.

본 시스템은 웹기반으로 작성되어 모든 작업이 입력 및 활용주체에 따라 원격지 작업으로 진행되며, Fig. 3의 오른쪽에 도시된 바와 같이 제공정보를 원격지에서 실시간으로 확인하고 기본적인 형식의 자료를 출력할 수 있다. 또한, 위험도 지수값의 계산과 함께 계산되는 각 영향인자의 민감도(선형 가중치에 대한 비선형 가중치의 비로 정의)는 현 단계의 위험도 지수값 산정에 영향을 미친 정도의 척도로 사용될 수 있으므로, 현 막장의 위험도에 민감한 영향인자의 우선순위를 이해하는데 도움이 된다.

또한, 이러한 영향인자의 민감도 우선순위는 위험등급 3등급 이상의 수준에서 요구되는 현장 정밀조사 항목의 작업 우선순위 선정에 직접적으로 반영될 수 있다. 이를 통해 보다 체계적인 현장조사 작업을 유도하며, 현 막장의 위험도 수준에 가장 민감하게 작용하고 있는 영향인자들의 점검결과에 따라 적시적으로 적절한 대응조치를 마련할 수 있다. 만일, 정밀조사를 통해 민감한 영향인자의 입력값이 과도하게 불리하게 평가된 것으로 판단 될 경우에는 해당 점검 항목에 대한 입력값 하향 조정을 통해 현재의 위험도 지수값과 위험등급을 낮출 수 있다. 이러한 입력값 조정 조치는 현 막장의 위험도 수준이 현 지반 및 시공조건에 잘 부합되는 값을 유지하도록 하며, 더 나아가 막장관찰 결과들을 재점검하고 보정하도록 유도하며, 결과적으로 신뢰도 높은 막장관찰 작업 수행과 막장관찰 결과물을 유지할 수 있도록 한다.

3. 현장 적용

3.1 적용현장 개요

본 적용현장은 수도권 외곽지역의 고속도로 확장공사 구간 내 신설터널로서 상･하행선 각 3차로이며, 각 상행선의 연장은 1,495 m, 1,555 m이다. 본 터널구간의 주 기반암은 편마암이며, 상행선 입구부 일부는 역암이 분포하고 출구부에서는 중성암맥의 관입이 간헐적으로 관찰된다. 입구부의 역암 및 출구부의 중성 암맥은 풍화에 취약하여 심한풍화(HW)～완전풍화(CW)의 풍화등급을 나타내고 있다. 출구부의 중성 암맥은 층리를 따라 거의 수평하게 관입하여 터널 구간에 비교적 넓은 분포를 보일 것으로 판단된다.

상행선 시점부의 암반등급은 풍화암 수준으로 풍화정도는 보통풍화 내지 완전 풍화된 상태이며 연암층의 코아회수율(TCR)은 92～100%, 암질지수(RQD)는 28～98%를 보이고 있다. 종점부에는 연암과 경암수준의 암반등급을 보이며, 연암부는 코아회수율(TCR)은 16～20%, 암질지수(RQD)는 0%로 나타나며, 경암층 구간의 코아회수율(TCR)은 28～100%, 암질지수(RQD)는 10～100%를 보이고 있다.

터널 상행선 및 하행선 터널의 터널 종단면도상의 전기 비저항 분포와 개략적인 암반등급 분포를 Fig. 4에 나타내었다. 더불어, 지상 선구조 조사를 통해 예측된 예상 단층파쇄대 구간이 풍화가 심한 암반구간이 출현하며, 종점부의 토피고가 터널 안정성을 확보하기 위한 아치효과 발현이 어려울 정도로 토피고가 낮은 구간이 존재함을 알 수 있다. 이러한 저토피고 구간은 강관다단그라우팅 등의 투입되어 막장안 안정성을 꾀하였다. 상대적으로 양방향의 시점부 구간은 상대적으로 양호하게 토피고 확보고가 되어 있으나, 지상에서 파악된 연약 선구조가 터널 깊이까지 깊게 발달되어 있을 것으로 예측되었다. 시점부에서도 상대적으로 터널 종단방향으로 암종의 변화는 심할 것으로 파악되었다. 참고로, 본 구간은 기존 고속도로 확장구간으로 신설 터널공사 구간에 인접하여 2개의 2차로 터널이 운행 중에 있다. 현재 운행 중인 2개의 인접 2차로 터널들에 대한 공사 기록에 의하면, 굴진시 종점부(저토피구간) 구간에서 수차례의 붕괴사고가 발생한 바 있으며, 적지 않은 인명피해와 공사진행의 어려움으로 인해 공기지연이 심했던 것으로 보고된 바 있다.

3.2 입력데이터 변화 추이

Fig. 5와 Fig. 6은 상행선과 하행선 터널의 전 구간에 대한 15개 영향인자의 입력값의 변화추이를 도시한 그림이다. 갱구부에서는 양방향 공히 환산심도비(1-2), 불연속면의 기하학적 상태(3-3), 환산지하수위(4-2)가 불리한 조건으로 나타난다. 특히, 하행선 터널에서는 상행선 터널에 비해 암석강도(2-1), 막장풍화도(2-3), 불연속면상태(3-1)가 상대적으로 불리한 것으로 평가되었으며, 패턴변경(6-2) 항목은 STA.6K+ 430～6K+498.8에서 설계패턴보다 하향 조정되어 시공되었다. 전 막장에 걸쳐 보조공법(6-3) 투입은 취약 갱구부를 제외하고 최대한 자제하여 시공하였다.

하행선 구간 STA.7+145～164.6에서 풍화도(2-3)가 일시적으로 한 등급 불리하게 평가된 바 있으나 바로 ‘매우양호’ 수준으로 원상복귀 하였다. 지하수유입량(4-1)과 지보패턴강도(6-1)는 국부적으로 변화구간 있었으나 전체적으로 ‘양호’ 이상의 안정된 수준이다. 상행선 구간 STA.7K+676.8～7K+698.4에서 지속적으로 토피고가 낮아지면서 막장의 암석강도와 풍화도가 취약해 진다. 특히, 절리면 상태가 전단변형에 유리하게 급격히 취약해 지고 있으며, 하행선 구간과는 달리 지하수 유입상태가 매우 불안정하고 유입량 또한 적지 않았다.

종점부에서 하행선 구간에서 전체적으로 토피고가 낮으며 STA.7K+722.8 이후 중간 이하로 토피고 확보가 매우 어려운 것으로 평가되었고, 지하수 관련 항목이 상대적으로 불리한 추이를 보였다. STA.7K+706.0 이후 기존에는 지보패턴Ⅱ로 설계되었으나 패턴Ⅳ로 하향 조정하여 시공되었다. 상행선 구간은 설계상 개착구간으로 되어 있었지만, 토피고가 10 m 이상으로 NATM으로 설계변경 되어 시공되었다. 낮은 암석강도와 높은 풍화도 등 지반조건이 전체적으로 불량하며 낮은 토피고와 더불어 절리의 방향성 및 상태 역시 불리하게 평가되었다. 지하수위는 매우 불량한 것으로 평가되었으며 지하수 유입량은 하향 안정화되었다. 설계 지보패턴Ⅴ로 시공하였으며 저토피고 구간은 강관다단그라우팅 보강을 통해 사전 막장 및 천단부 보강을 하며 굴진하였다.

양 구간 시점부와 종점부는 기하학적 특징과 지질조건이 불리하게 평가되었고 특히 종점부는 지하수 관련 항목 또한 불리하게 평가되었다. 그 이유로는 양 구간 시점과 종점은 저토피 구간으로 다양한 암종이 분포하고 있었으며, 풍화암이 두드러지게 나타났다. 종점부는 계곡부 통과구간으로 이전 평가구간에 비해 많은 지하수가 유출되었다.

3.3 각 막장별 영향인자의 민감도 변화

Fig 7과 Fig. 8은 변화하지 않는 선형 가중치에 대한 비선형 가중치의 비로 정의되는 각 막장당 영향인자의 민감도의 변화추이를 나타낸다. 계산된 민감도 값의 절대치는 특별한 물리적 의미는 없으나, 민감도 값이 ‘1’ 이상이며 민감한 인자, 이하이면 둔감한 인자로 평가토록 하였다. 하지만, 이러한 민감도 절대값 보다는 매 막장마다 산출되는 전체 15개 영향인자의 민감도를 큰 순으로 나열한 우선순위가 중요하며, 이는 붕괴 위험도 지수에 대한 위험등급이 위험수준으로 평가될 시 시행되는 정밀 현장조사의 조사항목 우선순위를 결정하는 중요한 지표가 된다. 또한, 정밀조사를 통해서도 막장 상태가 매우 불리한 것으로 확인되었다면, 현 막장의 민감도 우선순위는 현 막장의 위험도 수준을 저감시키기 위한 대응방안 강구를 위한 조정항목 우선순위로도 활용할 수 있다. 즉, 막장 조건이 매우 위험하다 판단될 경우, 대응방안은 지보패턴을 조정하거나 보강공법 투입을 고려할 수 있으며, 이때, 지보관련 항목과 보강관련 항목 중 민감도가 높은 항목의 조정이 현 막장 위험도 수준 저감에 보다 효과적으로 반영되기 때문이다.

상행선 터널에서 막장 지질 조건 관련 영향인자 중에서는 시점부 구간에서는 암석강도(2-1)가 상대적으로 민감하게 작용하였으나 종점부 구간에서는 RQD/N치(2-2)와 같은 암반등급 변화가 민감하였다. 이에 반해 막장 풍화 정도(2-3)는 이 2개의 인자보다는 둔감한 수준을 유지하였다. 불연속면 관련 인자들 중에서는 불연속면의 방향성이 전체적으로 민감한 항목으로 평가되었다. 시점부 및 종점부 초입 구간에서 막장 지하수 유입 정도가 막장 위험도에 영향이 컸던 것으로 평가되었다.

하행선 터널에서는 시점부와 종점부 초입구간에서 RQD/N치 항목이 상대적으로 암석강도나 막장 풍화도 보다는 민감하게 영향을 미쳤으며, 본선구간에서는 암석강도의 영향이 민감하게 작용했던 경향을 보인다. 상행선 터널과 같이 막장 풍화도는 상대적으로 영향정도가 적었으며, 불연속면 관련으로는 전 구간에 걸쳐 상행선의 경우와 같이 불연속면 방향성이 민감하게 영향을 미친 것으로 파악되었다. 지하수 관련으로는 시점부와 종점부 초입구간은 지하수 유입정도가 본선부에서는 지하수위 자체가 막장 위험도에 상대적으로 민감하게 작용했던 것으로 평가되었다.

불안전 요인에 대한 대응 항목인 시공항목에 대한 민감도 평가는, 양방향 터널 공히, 갱구부에서 굴착성능(5-2)과 지보패턴강도(6-1) 및 패턴변경(6-2)이 막장 위험도에 민감하게 작용한 것으로 나타났으며, 특히 지보패턴강도(6-1) 항목과 패턴변경(6-2) 항목이 갱구부에서 매우 민감하였다. 하행선 구간 STA.7K+ 407.4～7K+451.0, 상행선 구간 STA.7K+642.1～7K +674.4에서 터널 붕괴 위험도 지수에 가장 민감하게 영향을 미치는 요소로는 분할 굴착 등과 같은 굴착방법(5-1)과 여굴 등과 같은 굴착성능(5-2)이며 상대적으로 높은 민감도를 보였다. 따라서 이들 항목을 하향 조정할 경우에는 신중한 검토가 선행되어야 하지만, 위험수준 저감을 위해서는 효과적으로 고려될 수 있는 항목으로 판단된다. 특히, 상대적으로 여건이 좋지 않은 상행선 터널의 경우 패턴변경(6-2) 항목이 크게 민감하였고 분할 굴착 등과 같은 굴착방법(5-1)과 여굴 등과 같은 굴착성능(5-2)이 상대적으로 높은 민감도를 보였다. 따라서 위험수준 저감을 위해 효과적으로 고려할 수 있는 항목이 우선적으로 지보패턴 상향 조정이며, 이어 상하반 2분할이나 링컷 같은 분할 굴착을 강구해 볼 수 있다. 종점부 구간에서는 하행선에서 굴착성능(5-2)의 민감도가 상대적으로 높은 수준을 유지하고 있으며 지보패턴강도(6-1), 패턴변경(6-2) 항목 역시 높은 민감도를 보이고 있다. 상행선 7k+904.4에서 부터 패턴변경(6-2) 항목의 민감도가 큰 폭의 변화를 보였다.

이러한 붕괴 영향인자의 매 막장별 민감도 변화추이를 Fig. 4의 암반등급 및 현장 지형 특성과 비교 검토하며 정밀하게 살펴보면, 각 영향인자의 민감도가 각 막장 구간의 지반등급, 주변 지형지세 및 토피 변화 등과 잘 부합되는 경향임을 알 수 있다. 즉, 연약파쇄대 통과구간에서는 막장 지하수 유입 정도나 연약 파쇄대를 대별하는 단층대 존재나 RQD/N치 값이 민감하게 작용될 것이며, 상대적으로 견고한 경암반 지역에서는 불연속면의 방향성 등이 상대적으로 민감하게 작용하는 것이 합리적인 경향의 민감도 추이 변화라 할 수 있다.

3.4 터널붕괴위험도 지수변화추이

상기에서 산정된 영향인자의 선형 및 비선형 가중치를 통해 상행선 및 하행선 터널의 전 터널구간의 붕괴 위험도 지수 변화추이는 Fig. 9와 Fig 10과 같다. 붕괴 위험도 지수값에 대한 위험등급 수준 기준으로, 양방향 공히 갱구부 조성 시점에서 매우 높은 위험도 지수를 보이고 있었으나 이후 안전영역으로 수렴되어 갔다. 하행선 터널이 상행선 터널에 비해 붕괴 위험도 지수가 높게 나타났으며, 이는 입력데이터 고찰에서도 언급된 바와 같이 상행선 터널에 비해 암석강도가 상대적으로 낮았으며 불연속면의 상태 및 패턴변경 항목에서도 상대적으로 불리한 것으로 평가되었기 때문이다. 결국 갱구부 조성 이후에도 상당히 높은 위험도 지수를 유지한 직접적 원인이었던 것으로 평가되었다.

하행선 터널은 안전영역 수준을 유지하고 있으며 지수의 급격한 변화는 보이지 않고 있지만, 상행선 터널은 급격히 위험도 지수가 증가하여 붕괴확률 50%에 달하는 위험수준 3등급 초입까지 증가하였다. 주요 원인은 위험수준 3등급 구간에서서는 계곡부를 지났고, 전형적인 계곡부 지반특성인 지반 풍화정도가 심하고 지하수 유입량이 급격히 늘어났기 때문인 것으로 평가되었다. 계곡부를 완전 통과할 때까지는 설계 지보패턴을 상향조정하여 통과할 필요가 있고 지하수 유입 정도를 상시 관찰하고 유입량 과다 시 막장 수발공 설치를 고려한 바 있었다. 또한, 현 막장의 위험도 저감을 위해 발파 여굴 저감과 분할굴착(또는 막장 코아 설치) 시행이 효과적으로 고려될 수 있었다. 따라서 위험수준 저감을 위한 시공효율 증대를 위해 발파굴착 시 여굴 최소화를 위한 노력이 각별히 요구된 바 있다.

하행선 종점부 구간에서는 붕괴 위험도 지수가 지속적으로 급가하여 7K+716.8 이후에는 위험수준 3등급까지 진입하였다가 보강공법 투입으로 인해 2등급까지 점차 감소하며 수렴한 바 있다. 상행선 터널에서는 지질 조건과 절리면 상태(3-1)가 이전 평가 구간에 비해 불리하게 평가되어 위험수준 2등급과 3등급까지 상승하여 유지되었다. 결과적으로, 상기에서 언급한 바와 같이 양방향 모두 저토피의 한계와 다양한 취약 지반 막장조건에서도 체계적인 위험도 관리와 효과적인 시공 대응을 통하여 1차례의 붕괴사고 없이 무사히 관통된 바 있다.

4. 결 론

터널 시공현장에서는 필연적으로 막장마다 실시간 막장관찰이 이루어지고, 시공현황이 파악되어 관리된다. 실시간으로 조사된 현장자료들은 모두 터널 붕괴에 민감하게 작용하는 영향 인자들(지반조건, 설계항목, 시공조건 등)이며, 이들은 모두 상호 연계되어 최종적으로 막장의 붕괴 위험도에 영향을 미치게 된다. 따라서, 본 연구에서는 기존에 제안된 터널 붕괴 위험도 지수 개념을 활용하여 실제 취약한 조건의 터널현장의 막장 붕괴 위험도 관리를 수행하였으며, 이를 통해 다양하게 분석된 위험도 평가관련 자료 분석결과들을 제시하였다. 이를 통해 얻어진 결론은 다음과 같이 정리할 수 있다.

1.본 연구에서 적용된 터널 붕괴 영향인자들에 대한 비선형 가중치 모델은, RMR, Q시스템과 같이 입력값에 무관하게 고정된 형태의 가중치를 가지고 지수 평가를 수행하는 일반적인 유형의 지수화 평가 방법론에 비해 합리적으로 현장이나 막장의 상황을 반영하여 지수 평가를 수행할 수 있다. 이를 검증하기 위해, 가용한 100여개의 붕괴현장 자료 중, 천단부 암괴 낙반붕락 유형이 지배적인 산악터널과 심한 지하수 유입으로 인한 연악대 막장 붕괴가 지배적인 도심지터널로 구분하여, 각각의 터널현장에 대해 비선형 민감도 분석을 수행하여 붕괴 영향인자의 비선형 가중치를 산정하였다. 이를 통해 산악터널에서는 불연속면 관련 인자가, 도심지 터널에서는 지하수 관련 인자의 가중치가 상대적으로 크게 산정되어 붕괴 위험도 지수값 계산에 반영되었음을 보였다.

2.제안된 시스템을 이용하여 시공 중 실시간으로 관찰되는 터널의 막장상태와 설계․시공 자료를 이용하여 제안된 터널 붕괴 위험도 지수값을 적절히 평가함으로써 잠재적 붕괴 위험수준을 터널 종단 전 구간에 대해 사전에 파악하고, 위험요인을 사전에 인지하여 적시에 사전대응을 취함으로써 붕괴 위험을 최소화시킬 수 있다. 또한, 이러한 실시간 터널 붕괴 위험도 변화추이 인지와 함께 각 영향 인자의 민감도 수준이 정량적으로 산정되어 우선순위가 제공되므로, 현장 기술자들이 수많은 현장조사 항목의 시행 우선순위 결정이나, 현장조치 계획 수립을 용이하게 진행할 수 있다. 이러한 제안 시스템의 특징들은 제안 시스템의 실제 터널현장 적용사례를 통해 설명되었으며, 실시간으로 수집되는 현장정보들의 활용성을 극대화하여 보다 합리적인 시공 위험도 관리를 수행할 수 있음을 보였다.

3.본 시스템에서 수행하는 붕괴 위험도 지수의 가중치 산정은 구축된 붕괴터널 현장자료 DB의 민감도 분석을 통해 수행되므로, 붕괴터널 현장자료가 더욱 많아지고 자료완성도나 신뢰도가 높아짐에 따라, 시스템의 변경 없이 자동으로 영향인자의 가중치 및 붕괴 위험도 지수 산정의 신뢰도는 크게 향상될 것이며, 그 적용범위도 자동으로 확대될 것이다.

본 연구를 통해 위험도 평가 시스템의 현장 적용성을 파악하고 그 유용함을 확인하였으며 붕괴 터널 현장 자료가 확장되고 자료 완성도가 높아짐에 따라 터널 붕괴 위험도 지수평가의 신뢰도가 점진적으로 향상될 것이므로, 시스템의 현장적용 확대를 통한 지속적인 붕괴터널 현장자료 DB의 확대와 시스템 보완연구가 진행되어야 할 것이다.