1. 서 론

최근 들어 국내에서는 GTX 사업 및 Smart Way 사업 등 대규모 철도 및 도로 건설 사업이 가시화 되고 있으며 한일, 한중 해저 터널 등 국가사업들의 논의가 본격화 되고 있다. 이러한 사업들은 교통구조물의 특성상 지하에 건설되며 특히 대심도 및 장대화 되고 있어 대심도 장대터널의 수요가 그 어느 때 보다 높아가고 있다고 할 수 있다.

터널 굴착은 지반내 응력을 변화시키므로 기존의 응력상태에서 새로운 응력상태로 전이되는 과정에서 지반변형을 동반하게 되며 주변지반의 새로운 응력상태가 평형조건(equilibrium condition)에 도달하게 되면 터널은 안정을 확보하게 되나 그렇지 않은 경우에는 붕괴로 이어지게 된다. 따라서 터널 시공 중 설치하는 지보재(support)는 이러한 응력 전이 과정에 있어 주변 지반이 평형조건을 확보할 수 있도록 도와주는 역할을 하게 된다. 이러한 터널시공 중 응력전이 형태 및 지반변형 패턴은 다분히 주변지반의 지반/암반공학적 특성 및 시공방법에 좌우 된다. 즉, 암반내 불연속면의 공간적ㆍ역학적 특성, 지하수상태, 초기응력 상태, 시공방법 등에 따라 응력전이 및 지반변형 패턴이 달라지고 따라서 터널거동 특성이 달라지므로 이에 대한 평가와 아울러 설계시 반영하여야 한다(김창용 등, 2006; HSE, 1996; Kun and Onargan, 2013; Yoo et al, 2010; Yoo, 2013).

특히 대심도 장대 터널은 심도가 얕은 천층 터널에 비해 환기 및 방재 등의 시공 외적인 특수 고려사항 이외에도 조사지역이 방대하기 때문에 설계단계에서 충분한 지반정보를 얻기가 어려우며 터널이 다양한 지반조건에 위치하고 각종 단층 등의 지질구조대와 조우할 가능성이 매우 높다. 또한 암반이 보유하는 강도에 비해 초기응력이 매우 크기 때문에 암반파열(rock bursting), 팽창(swelling) 및 암반압출(squeezing) 등 이상 거동이 발생할 수 있어 터널시공에 이에 대한 고려가 필요하다(김창용 등, 2004; 신휴성 등, 2007; 한국건설기술연구원, 2009; 한국터널공학회, 2010; Matos et al, 2004; Vlasov, 2001; ITA Report WG17, 2010). 이러한 관점에서 본 연구에서는 대심도 터널을 대상으로 “시공 리스크 분석 및 대응 시스템 개발”에 관한 종합적이고 구체적인 연구의 일환으로 파쇄대의 공간적 특성 및 기하조건이 터널의 거동에 미치는 영향에 관한 연구를 수행하였다. 이를 위해 발파굴착(drill and blast)공법이 적용되는 터널을 대상으로 다양한 파쇄대 조건을 도출하고 이에 대한 2차원 및 3차원 해석을 수행하여 파쇄대의 주향 및 경사, 터널과의 이격거리, 토피고, 측압계수 등에 대한 매개변수 연구를 실시하였다. 또한 해석결과를 토대로 매개변수 조건에 대한 터널 변위 및 지보재 부재력의 변화경향을 고찰하여 파쇄대의 공간적 분포 및 기하특성이 터널의 거동에 미치는 영향에 대한 메카니즘을 분석하였다.

2. 매개변수 연구 조건

2.1 터널 단면 및 지보패턴

Fig. 1에서는 해석에서 고려한 터널 단면을 보여주고 있다. 보이는 바와 같이 터널 단면은 폭 10 m, 높이 8 m의 제원을 가지며 1차 지보재로서 두께 10 cm의 숏크리트와 길이 4 m의 록볼트(D25)가 수평 및 종방향 간격 각각 1.8 m 및 1.3 m로 설치되는 것으로 가정하였다. 대심도 터널의 경우 심도에 따라 지보패턴이 다르게 적용될 수 있으나 본 연구에서는 상호 직접적인 비교를 위해 토피고 및 파쇄대 조건 등에 따른 관계없이 동일한 지보패턴을 적용하였다.

2.2 터널 심도 및 파쇄대 조건

2.2.1 터널 시공조건

본 연구에서는 단일지층에 터널이 시공되는 경우를 대상으로 하였으며 터널 시공 조건의 다양성을 확보하기 위해 다양한 터널 심도() 및 측압계수()를 고려하였다. 즉, 다양한 터널 심도() 대 직경()비 () 및 측압계수()를 고려하여 이에 따른 터널 거동 특성을 고찰할 수 있도록 하였다.

2.2.2 파쇄대 조건

파쇄대의 공간적 분포 특성이 터널의 거동에 미치는 영향을 분석하고 관련 DB 구축을 위해 터널 굴진 방향 대비 다양한 공간적 분포 특성을 갖는 파쇄대를 고려하였다. 즉, 아래와 같이 파쇄대의 주향이 터널 굴진 방향과 평행한 조건과 그렇지 않은 조건으로 대별하여 각 조건에서 다양한 파쇄대 공간 분포조건을 고려하였다.

1) 파쇄대 주향이 터널 굴진방향과 평행한 조건

파쇄대의 주향이 터널 굴진 방향과 평행한 경우에는 Fig. 2와 같이 2차원 문제로 단순화 시킬 수 있다. 따라서 모델링에 필요한 노력을 줄이고 해석시간의 단축을 위하여 평면변형률 문제로 단순화 하여 2차원 해석을 수행하였다. 본 시공조건에서는 파쇄대의 폭() 및 이격거리(), 그리고 파쇄대의 경사각()을 변수로 하여 다양한 터널 시공조건에서 파쇄대의 기하적 및 공간적 분포 특성에 따른 터널의 거동 특성 DB를 구축하였다. 구체적인 고려 조건은 Table 1과 같다.

2) 파쇄대 주향이 터널 굴진방향과 평행하지 않은 조건

파쇄대의 주향이 터널 굴진 방향과 평행하지 않은 조건은 2차원 모델링으로 검토가 불가능 하므로 3차원 모델링을 수행하였다. 이때 해석 모델의 단순화를 위해 파쇄대의 폭을 으로 고정하고 파쇄대의 주향이 터널 굴진방향과 직교하는 조건과 파쇄대 주향이 터널 굴진방향과 의 각도를 이루는 조건으로 단순화하여 파쇄대의 공간적 분포에 따른 거동 특성에 대한 3차원 DB를 구축하였다. 본 검토에서 적용한 좌표계는 Fig. 3과 같으며 구체적인 해석조건은 아래와 같다.

(1) 파쇄대의 주향이 터널 굴진 방향과 직교하는 조건

파쇄대의 주향이 터널 굴진 방향과 직교하는 조건()으로는 Fig. 4와 같이 파쇄대 경사각 및 을 고려하였다. 이때 터널 토피고는 로 변화시키고 측압계수는 을 고려하여 터널 심도 및 측압계수에 따른 파쇄대의 영향을 고찰하였다.

(2) 파쇄대 주향이 터널 굴진방향과 30°를 이루는 조건

파쇄대의 주향이 터널 굴진 방향과 직교하지 않은 경우는 무수히 많을 수 있겠으나 해석의 편의상 파쇄대의 주향이 터널 굴진방향과 의 각도를 이루는 경우에 대한 조건 중 방향 및 방향 경사각이 , 인 경우와 , 인 경우를 고려하였다. 한편, 파쇄대 주향 - 터널 굴진축 직교조건과 마찬가지로 터널 토피고를 으로 변화시키고 측압계수 또한 를 고려하여 터널 심도 및 측압계수에 따른 파쇄대의 영향을 고찰하였다. 구체적인 검토조건은 Fig. 5와 같다.

2.2.3 지반 및 파쇄대 역학적 특성

본 연구에서는 풍화암～연암 정도의 암반에 터널이 시공되는 것으로 가정하였다. 물론 터널 심도별 지반/암반의 응력-변형률-강도 특성이 달라 질 수는 있겠으나 파쇄대 조건별 정량적인 상대적 비교를 위해 터널 심도에 관계없이 동일 지반조건에서 터널이 시공되는 것으로 가정하였다. 파쇄대 또한 다양한 지반정수를 가질 수 있으나 본 연구에서는 기존 문헌조사를 통해 확인된 지반정수를 적용하였다. Table 2는 본 연구에서 고려한 지반 및 파쇄대에 대한 지반정수를 나열하고 있다.

3. 유한요소해석 모델링

해석에서는 범용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus ver. 6.12 (Abaqus 2011)를 사용하였다. Abaqus는 토목 및 기계 등 다양한 분야의 정적 및 동적 응력 해석, 그리고 응력-유체 연계해석에 적용되는 다목적 유한요소해석 프로그램으로서 특히 지반공학분야에 있어 다양한 흙에 대한 구성모델을 제공하고 효율적인 소성 응력-변형률 거동 모사 알고리즘을 제공한다. 이와 아울러 해석대상 도메인에 대한 요소의 제거 및 추가가 자유롭게 수행될 수 있어 굴착 및 지보재 설치과정이 반복되는 터널 분야에 매우 효율적으로 사용될 수 있다는 장점이 있다. 본 절에서는 유한요소해석 모델링에 대한 상세내용을 기술하였다.

3.1 2차원 해석 모델링 - 파쇄대-주향 터널 굴진방향 평행조건

앞서 언급한 바와 같이 파쇄대 주향-터널 굴진방향 직교조건에 대한 유한요소해석에서는 2차원 평면변형률 모델링을 수행하고 하중분담율 적용을 통해 터널 굴진과정을 모사하였다. Fig. 6은 해석 도메인과 해석에 적용된 유한요소망을 보여주고 있는데 보이는 바와 같이 좌·우측 경계는 터널중심으로부터 6D (D=10 m) 떨어진 지점에, 그리고 하부 경계면은 터널 인버트로부터 3D 이격된 지점에 설치하여 인위적으로 설치된 경계의 영향을 최소화 할 수 있도록 하였다. 이때 변위 경계조건으로 수직 경계면의 경우 해당 면의 수평방향의 변위를 구속하였으며 바닥부 경계면은 힌지를 설치하였다. 또한 대심도 터널 해석모델링에 있어 터널 상부 3D이상의 지반은 단순 상재하중으로 처리 할 수 있는 점에 착안하여 터널 상부 3D이내 지반은 해석모델에 반영하고 상부 지반은 상재하중으로 처리하여 해석을 수행하였다.

한편, 지반 및 지보재의 이산화에 있어 지반은 8절점 가감 적분 평면변형률요소(CPE8R)를 이용하여 이산화 하였으며 숏크리트와 록볼트는 각각 2절점 보요소(B22)와 3절점 트러스 요소(T2D3)를 이용하여 이산화 하였다. 한편, 재료모델링에 있어 지반은 Mohr-Coulomb 파괴규준과 Davis (1968)가 제안한 비관련흐름 법칙을 따르는 탄소성 재료로 가정하였으며 숏크리트와 록볼트는 탄성재료로 모델링하였다. 이때 지반 및 파쇄대의 팽창각은 로 가정하였다. 한편, 연화 및 경화 숏크리트의 탄성재료 정수로는 포아송비 0.2와 함께 각각 5 GPa 및 15 GPa의 탄성계수를 적용하였으며 록볼트의 경우 포아송비 0.15, 탄성계수 210 GPa를 적용하였다.

한편, 해석에서는 전단면 굴착이 이루어지는 것으로 가정하였으며 아래 Table 3과 같이 해석단계를 무지보굴착단계, 연화 숏크리트+록볼트 단계, 경화 숏크리트+록볼트 단계로 구분하고 각각의 단계에 50%, 25%, 20%의 하중분담율을 적용하여 3차원 굴진과정을 모사하였다. Fig. 7에서는 해석 순서 개요도를 보여주고 있다.

3.2 3차원 해석 - 파쇄대-주향 터널 굴진방향 비평행 조건

앞에서 기술한 바와 같이 파쇄대의 주향이 터널 굴진 방향과 평행하지 않은 시공조건은 2차원 해석이 불가능하므로 3차원 해석을 수행하였다. 먼저 Fig. 8에서는 사용된 유한요소망을 보여주고 있는데 이 그림에서 보이는 바와 같이 좌․우측 경계면은 터널중심으로부터 6D의 위치에, 그리고 하부 경계면은 터널 인버트로부터 3D되는 지점에 설치하였으며 굴진방향으로는 굴진 시점으로부터 6D 위치에 경계면을 설치하여 해석 모델을 설정하였다. 이러한 인위적으로 설치되는 경계면의 위치는 좌·우측 및 시·종점 경계의 영향을 최소화 할 수 있도록 예민도 검토를 통해 결정하였다. 이때 변위 경계조건으로서 수직 경계면의 경우 해당 면의 연직방향의 변위를 구속하였으며 바닥부 경계면은 힌지를 설치하였다. 한편, 2차원 모델링과 마찬가지로 터널 상부 이내 지반만 해석모델에 반영하고 상부 지반은 상재하중으로 처리하여 해석을 수행하였다.

한편, 지반 및 지보재의 이산화에 있어 지반은 8절점 가감 적분 고체요소(C3D8R)를 사용하여 이산화 하였으며 숏크리트는 가감적분 4절점 쉘요소(S4R) 그리고 록볼트는 3절점 빔요소 요소(B31) 를 사용하여 모델링하였다(Fig. 9). 재료 모델링 관련 내용은 2차원 모델링과 동일하게 수행하였다.

한편, 3차원 해석에서는 “굴착 ⇒ 숏크리트 타설 ⇒ 록볼트 타설”로 이어지는 터널 시공과정을 Abaqus에서 제공하는 요소의 제거 및 추가 기능을 활용하여 상세히 모델링하였다. 해석에서는 편의상 2차원 해석과 동일하게 전단면 굴착이 이루어지는 것으로 가정하였으며 [1회 굴진장 2 m 무지보 굴착 ⇒ 이전 굴착 단면 구간 숏크리트 및 록볼트 타설]의 과정을 반복하여 총 60 m의 터널굴진을 모사하도록 하였다. Fig. 10은 시공과정 모델링에 대한 개요도를 보여주고 있다.

4. 결과 분석 및 고찰

4.1 파쇄대-주향 터널 굴진방향 평행조건

1) 파쇄대의 경사각에 따른 터널 거동 특성

Fig. 11 및 12에서는 측압계수 , 파쇄대 이격거리 의 조건에 있어 다양한 토피고 및 파쇄대폭(, )을 갖는 시공조건에 대해 파쇄대 경사각 에 따른 터널 거동 지표들의 변화 경향을 보여주고 있다. 여기서 변위는 터널직경() 대비 %로 표현하였으며 숏크리트 응력은 로 정규화된 값으로 나타내었다.

파쇄대 경사각에 따른 터널 변위를 보여주고 있는 Fig. 11에서는 천단침하()의 경우 파쇄대 경사각()이 증가할수록 감소하는 경향을 보이는 것으로 나타났으며 내공변위()의 경우 경사각이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이는 것으로 검토되었다. 또한 파쇄대 폭 ()이 클수록 에 따른 변위 변화폭이 큰 것으로 나타나 파쇄대 경사각이 터널의 거동에 미치는 영향은 파쇄대 폭이 증가할수록 가중되는 것으로 검토되었다. 또한 전반적으로 내공변위가 에 따른 변위 변화폭이 가장 큰 것으로 나타나 파쇄대 인접구간 통과시에는 터널의 내공변위 추이 검토에 세심한 주의를 기울여야 할 것으로 판단된다.

파쇄대 경사각에 따른 숏크리트 압축응력 변화경향이 Fig. 12에 제시되어 있다. 여기서 숏크리트 압축응력은 앞서 언급한 바와 같이 지반의 단위중량()과 토피고()로 정규화 시켰다. 보이는 바와 같이 천장부 압축응력 의 경우 경사각이 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며 측벽부 의 경우 반대로 경사각이 증가함에 따라 증가하는 경향을 보이는 것으로 검토되었다. 아울러, 본 연구에서 검토한 파쇄대 조건에서 에 따른 터널 위치별 숏크리트 압축응력 변화는 측벽부에서 가장 크게 나타나 대심도 터널의 경우 측벽부 숏크리트 압축응력 관리가 매우 중요한 것으로 검토되었다.

위에서 관찰한 바와 같이 파쇄대의 경사각은 터널의 거동에 큰 영향을 미치는 인자로 나타났으며 파쇄대의 경사각이 터널의 거동에 미치는 영향이 일괄적으로 동일한 것이 아니라 터널 위치별로 다소 상이한 영향을 미친다는 점이 특이한 사항으로 관찰 되었다. 즉, 완만한 경사각을 지닌 파쇄대의 경우 터널 천장부에서 변위 및 숏크리트 압축응력이 크게 발생하나 경사각이 급해질수록 측벽부의 내공변위 및 숏크리트 압축응력이 크게 증가하는 경향을 보이는 것으로 검토되었다. 이로 미루어 볼 때 경사각이 완만한 파쇄대의 경우 천장부에서의 변위 및 숏크리트 압축응력 대한 집중적인 관리가 필요하며 경사각이 다소 급한 경우에는 측벽부 내공변위 및 지보재 부재력에 대한 계측관리를 통한 안정성 평가 및 관리가 이루어져야 할 것으로 판단된다.

2) 파쇄대의 이격거리에 따른 터널 거동 특성

Fig. 13과 14에서는 토피고 , 측압계수 , 파쇄대 폭 의 조건에 있어 파쇄대 경사각()에 대해 파쇄대 이격거리 에 따른 터널 거동 지표들의 변화 경향을 보여주고 있다. Fig. 13에서는 예상할 수 있는 바와 같이 전반적으로 터널 변위는 파쇄대 이격거리 가 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며 전반적으로 에는 파쇄대 폭에 관계없이 일정한 값에 거의 수렴하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 한편, 전반적으로 터널 내공변위가 파쇄대 이격거리에 따른 변화에 가장 민감한 변화를 보이는 것으로 검토되었으며 천단 및 인버트 변위는 파쇄대 이격거리에 따른 변화에 그다지 민감하게 반응하지 않는 것으로 검토되었다.

터널 위치별 숏크리트 압축응력 변화경향을 보여주고 있는 Fig. 14에서도 터널 변위와 유사한 경향을 보이는 것으로 관찰되었다. 즉, 숏크리트 압축응력 또한 터널위치에 관계없이 에는 파쇄대 폭에 관계없이 거의 수렴하는 경향을 보이는 것으로 나타나 파쇄대 이격거리가 의 경우에는 파쇄대의 영향을 무시하여도 무방한 것으로 검토되었다. 아울러 인버트에서는 파쇄대 이격거리 에 따른 변화폭이 그다지 크지 않아 에 따른 변화는 거의 없는 것으로 간주하여도 무방한 것으로 검토되었다. 한편, 에 따른 터널 위치별 숏크리트 압축응력 변화는 측벽부에서 가장 크게 나타나 대심도 터널의 경우 측벽부 숏크리트 압축응력 관리가 매우 중요한 것으로 검토되었다.

위에서 검토한 바와 같이 터널거동 지표들은 파쇄대 이격거리 가 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며 전반적으로 에는 파쇄대 폭에 관계없이 거의 수렴하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 향후 추가 연구가 필요하겠으나 본 연구에서 고려한 조건에서는 파쇄대 이격거리가 의 경우에는 파쇄대의 영향을 무시하여도 무방할 것으로 판단된다.

3) 터널 심도 및 파쇄대 경사각의 영향

Fig. 15 및 16에서는 파쇄대 폭 , 이격거리 , 측압계수 인 조건에 대해 다양한 파쇄대 경사각()을 갖는 시공조건에 대해 파쇄대 토피고 에 따른 터널 거동 지표들의 변화 경향을 보여주고 있다.

이 그림들에서 보이는 바와 같이 전반적으로 토피고 가 증가할수록 터널 변위 및 숏크리트 압축응력이 증가하는 경향을 보였으며 증가율은 파쇄대 경사각 및 측압계수에 따라 변화하는 경향을 보이는 것으로 나타났다. 즉, 천장부 변위 및 숏크리트 압축응력 의 경우 파쇄대 경사각이 완만한 경우(즉, )가 다소 급한 의 경우보다 토피고 증가에 따른 증가율이 다소 높은 것으로 나타났으며 반면에 측벽부 내공변위 및 인버트 변위 , 그리고 측벽부 숏크리트 압축응력 및 인버트 숏크리트 압축응력의 경우 반대의 경향을 보이는 것으로 검토되었다. 또한 임의 심도에서 파쇄대 경사각에 따른 터널 거동 지표의 차이는 터널 심도가 증가할 수 있는 것으로 나타났는데 이는 터널심도가 증가할수록 파쇄대가 터널의 거동에 미치는 영향이 가중됨을 암시하는 경향으로서 대심도 터널의 경우 저심도 터널에 비해 파쇄대의 영향을 더 심도 있게 반영하여야 함을 의미한다고 하겠다.

4) 측압계수 및 파쇄대 경사각에 따른 영향

Fig. 17과 18에서는 파쇄대 폭 및 이격거리, 그리고 심도가 각각 , 인 시공조건에서 파쇄대 경사각()별 측압계수 에 따른 터널 거동 지표들의 변화 경향을 보여주고 있다. 이 그림들에서 관찰할 수 있는 바와 같이 측점 위치별로 에 따른 변화 경향이 다소 상이한 것으로 나타났다. 즉, Fig. 17에서 제시되어있는 천장부 변위의 경우 가 증가할수록 감소하는 경향을 보이고 있으나 터널 내공 변위 및 인버트 변위의 경우에는 증가에 따라 같이 증가하는 추세를 보이는 경향을 관찰 할 수 있다. 반면 숏크리트 압축응력을 보여주고 있는 Fig. 18에서는 가 증가함에 따라 터널내 모든 위치에서 증가하는 것으로 검토되었으며 완만한 파쇄대의 경우(즉, )가 경사가 급한 경우()보다 증가율이 높은 것으로 검토되었다.

또한 임의 측압계수에서 파쇄대의 경사각에 따른 터널 거동 지표의 차이가 측압계수가 증가할수록 증가하는 것으로 나타났는데 이는 측압계수가 클수록 파쇄대가 터널의 거동에 미치는 영향이 커짐을 의미하는 것으로서 파쇄대가 터널에 미치는 영향은 파쇄대의 공간적 분포 및 지반의 초기 응력상태의 복합작용에 의해 결정됨을 의미한다고 하겠다.

4.2 파쇄대-주향 터널 굴진방향 비평행 조건

본 절에서는 파쇄대의 주향이 터널 굴진 방향과 평행하지 않은 조건에 대해 수행한 3차원 해석 결과를 터널 변위 및 지보재 부재력을 중심으로 제시하였다. 여기서 터널심도 를 기본조건으로 설정하고 에 따른 파쇄대 영향에 대한 변화경향 또한 고찰하였다.

1) 파쇄대 주향이 터널 굴진방향과 직교하는 조건

앞서 언급한 바와 같이 파쇄대의 주향이 터널 굴진방향과 직교하는 조건에서는 앞의 Fig. 4에서 도시된 바와 같이 Case A (, , )와 Case B (, , )의 두 가지 파쇄대 조건을 고려하였다. Case A는 파쇄대의 경사방향과 굴진방향이 반대인 경우(against dip)의 경우이며 Case B는 파쇄대 경사방향과 굴진방향이 동일한 경우(with dip)로 간주할 수 있다.

Fig. 19와 20은 각각 시공단계별 터널 변위와 측벽부 숏크리트 압축응력 및 어깨부 록볼트 축력 변화경향을 보여주고 있는데 여기서는 파쇄대 조건별 상호 비교의 효율성 제고를 위해 파쇄대가 없는 경우의 최대값으로 정규화된 결과를 제시하였다. 먼저 터널 변위를 보여주고 있는 Fig. 19에서 보이는 바와 같이 천단침하의 경우 파쇄대의 경사방향과 굴진방향이 반대인 Case A가 파쇄대의 경사방향과 굴진방향이 동일한 경우인 Case B에 비해 1.15배정도 크게 발생하는 것으로 나타났으나 인버트 히빙 및 내공변위에서는 그다지 큰 차이가 나지 않는 것으로 나타났다. 한편, 지보재 부재력의 경우 Fig. 20에서와 같이 측벽부 숏크리트 압축응력 및 어깨부 록볼트 축력 공히 Case B가 Case A에 비해 큰 값을 보이는 것으로 나타났으며 특히 록볼트 축력의 경우에는 최대 1.4배 정도 크게 발생하는 것으로 나타났다.

검토한 바와 같이 파쇄대의 주향이 터널의 굴진방향과 평행하지 않은 경우에 대한 3차원 해석 결과 파쇄대 주향과 터널 굴진방향이 직교하는 시공조건에서는 파쇄대의 경사방향이 터널 거동 지표에 영향을 미치는 인자로 검토되었다. 즉, 터널의 변위 측면에서는 파쇄대 경사방향과 굴진방향이 반대인 경우인 Case A가 동일한 경우인 Case B 보다 더 큰 천단침하를 발생시켜 다소 불리한 시공조건으로 검토되었으나 지보재 부재력의 경우 파쇄대 경사방향과 굴진방향이 동일한 경우에서 더 큰 부재력이 발생하는 것으로 검토되었다. 따라서 이러한 경향은 동일한 제원 및 역학적 특성을 지닌 파쇄대라고 할지라도 공간적 분포 특성에 따라 터널 거동 지표에서 큰 차이가 발생할 수 있음을 의미하는 것으로서 파쇄대 대책공법 종류 및 적용시기 설정시에는 파쇄대의 공간적인 분포특성을 고려하여야 함을 나타낸다고 하겠다.

2) 파쇄대 주향-터널 굴진방향 각도 30o 조건

앞서 언급한 바와 같이 파쇄대의 주향이 터널 굴진방향과 직교하지 않는 조건에서는 앞의 Fig. 5에 도시한 바와 같이 Case C (, , )와 Case D (, , )의 두 가지 파쇄대 조건을 고려하였다. 여기서 Case C는 , 의 파쇄대가 연직()으로 위치하는 경우이며 Case D는 동일한 파쇄대가 터널 굴진 10시방향으로 의 경사진 경우이다.

Fig. 21과 22는 각각 시공단계별 터널 변위 및 숏크리트 측벽부 압축응력 및 어깨부 록볼트 축력 변화경향을 보여주고 있다. 먼저 Fig. 21에 제시되어 있는 터널 변위의 경우 천단침하 및 인버트 변위의 경우 보이는 바와 같이 Case C가 Case D에 비해 1.1배정도 크게 발생하는 것으로 나타나 파쇄대 경사각에 따른 큰 차이를 보이지 않았으나 내공변위의 경우에는 이와는 반대로 Case D가 Case C에 비해 1.25배정도 크게 발생하는 것으로 나타나 파쇄대 경사각에 따른 차이는 내공변위에서 현저한 것으로 검토되었다.

한편, 지보재 부재력에 있어 록볼트 축력의 경우에는 파쇄대 경사방향에 따라 큰 차이를 보이지 않았으나 측벽부 숏크리트 압축응력에서 Case C가 Case D에 비해 1.2배정도 크게 발생하는 것으로 나타났다. 다만 숏크리트 축력의 경우 Case C 및 Case D 공히 파쇄대가 존재하지 않는 경우에 비해 각각 80% 및 60% 정도의 수치를 보이는 것으로 검토되었는데 이는 지보재 설치 이전 무지보 굴착단계에서 많은 변위가 발생하여 숏크리트 타설 후 추가로 발생하는 변위가 상대적으로 적음에 기인하는 것으로 판단된다.

검토한 바와 같이 파쇄대의 주향이 터널굴진 방향과 일정한 각도를 가지고 형성되어 있는 시공조건에서는 파쇄대의 굴진방향 대비 경사각()에 따라 터널 거동에서 큰 차이를 보이는 것으로 나타났으며 특히 내공변위에서 가장 큰 차이를 보이는 것으로 검토되었다. 이러한 경향은 파쇄대의 주향이 터널 굴진방향과 평행한 조건에서 이미 관찰한 바와 같이 파쇄대의 공간적 분포특성이 터널의 거동에 지대한 영향을 미침을 의미하는 것으로서 터널 거동 예측시 파쇄대 공간적 분포에 대한 정밀한 고려가 필요하며 이와 아울러 굴진시 파쇄대 관통이전에 파쇄대의 공간적 분포에 대한 정확한 파악이 매우 중요함을 의미한다고 하겠다.

3) 터널 심도에 따른 파쇄대 경사각 영향 변화

파쇄대의 공간적 분포 특성이 터널에 미치는 영향과 터널 심도의 상관관계에 대한 검토를 위해 터널거동 지표들의 최대값을 토대로 이들의 터널 심도별 변화경향을 에 대해 검토하였다. Fig. 23과 24는 파쇄대 조건에 따른 최종단계에서의 터널변위 및 지보재 부재력을 터널 심도에 따라 도시하고 있는데 여기서의 터널 변위는 터널 직경()으로 그리고 숏크리트 압축응력과 록볼트의 축력은 각각 와 (암반의 변형계수)로 정규화 하였다. 이 그림에서는 전반적으로 파쇄대 조건별 터널 거동 지표의 차이가 터널 심도 가 증가할수록 증가하는 경향을 뚜렷하게 관찰할 수 있는데 이는 터널 심도가 증가할수록 파쇄대의 공간적 분포 특성이 터널의 거동에 미치는 영향이 커짐을 의미한다고 하겠다. 보다 구체적으로는 터널 천단침하 및 내공변위의 경우 파쇄대의 주향이 터널 굴진방향과 직교하는 조건의 경우()에서 그렇지 않은 조건()에서 보다 전반적으로 심도에 따른 변화정도가 큰 것으로 나타나 조건이 조건에 비해 에 민감하게 반응하는 것으로 검토되었으며 내공변위의 경우 반대의 경향을 보이는 것으로 검토되었다. 한편, 지보재 부재력의 경우 숏크리트 압축응력 및 록볼트 축력 공히 터널 굴진방향과 직교하는 조건의 경우()가 그렇지 않은 조건() 보다 에 민감하게 반응하는 것으로 검토되었다.

위와 같이 파쇄대의 공간적 분포 특성이 터널에 미치는 영향과 터널 심도의 상관관계에 대한 검토 결과 파쇄대의 공간적 분포 특성 대비 파쇄대의 영향은 터널 심도가 깊어짐에 따라 증가하는 것으로 검토되었으며 이러한 경향은 전반적으로 파쇄대의 주향이 터널 굴진방향과 직교하는 경우에서 보다 뚜렷하게 나타나는 것으로 검토되었다. 이러한 경향은 대심도 터널의 경우 천층터널 보다 파쇄대의 영향이 더 크다는 점을 의미하므로 이에 대한 세심한 검토가 필요한 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 파쇄대의 공간적 분포 특성에 따른 터널 거동 특성 DB 구축의 일환으로 파쇄대의 공간적 분포가 터널의 거동에 미치는 영향에 대한 2차원 및 3차원 유한요소해석을 수행하여 파쇄대와 터널의 상대적 공간분포 특성에 따른 터널 거동을 고찰하였다. 그 내용을 요약하면 다음과 같다.

1.파쇄대의 경사각은 터널의 거동에 큰 영향을 미치는 인자로 나타났으며 완만한 경사각을 지닌 파쇄대의 경우 터널 천장부에서 변위 및 숏크리트 압축응력이 크게 발생하나 경사각이 급해질수록 측벽부의 내공변위 및 숏크리트 압축응력이 크게 증가하는 것으로 검토되었다.

2.터널거동 지표들은 파쇄대 이격거리 가 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며 전반적으로 에는 파쇄대 폭에 관계없이 거의 수렴하는 경향을 보여 향후 추가 연구가 필요하겠으나 본 연구에서 고려한 조건에서는 파쇄대 이격거리가 의 경우에는 파쇄대의 영향을 무시하여도 무방할 것으로 판단된다.

3.임의 터널심도 혹은 측압계수에서 파쇄대의 경사각에 따른 터널 거동 지표의 차이는 터널심도 혹은 측압계수가 증가할수록 증가하는 것으로 나타났는데 이는 터널심도 혹은 측압계수가 클수록 파쇄대가 터널의 거동에 미치는 영향이 커짐을 의미하는 것으로서 파쇄대가 터널에 미치는 영향은 파쇄대의 공간적 분포 및 터널심도, 그리고 지반의 초기 응력상태 등의 영향인자들의 복합작용에 의해 결정됨을 의미한다고 하겠다.

4.파쇄대의 주향이 터널굴진 방향과 평행하지 않은 시공조건에서는 파쇄대의 굴진방향 대비 경사각()에 따라 터널 거동이 큰 차이를 보이는 것으로 나타났는데 이러한 경향은 파쇄대의 공간적 분포특성이 터널의 거동에 지대한 영향을 미침을 의미하는 것으로서 터널 거동 예측시 파쇄대 공간적 분포에 대한 정밀한 고려가 필요하며 이와 아울러 굴진시 파쇄대 관통이전에 파쇄대의 공간적 분포에 대한 정확한 파악이 매우 중요함을 의미한다고 하겠다.

5.검토 결과 동일한 제원 및 역학적 특성을 지닌 파쇄대라고 할지라도 공간적 분포 특성에 따라 터널 거동 지표에서 큰 차이가 발생할 수 있으므로 파쇄대 영향에 대한 평가, 대책공법 종류 및 적용시기 설정시에는 파쇄대의 공간적인 분포특성을 고려하여야 할 것으로 판단된다.