1.서론

본 연구는 NATM 터널에서 일상적으로 수행되는 계측으로부터 얻어지는 자료를 적극적으로 활용하여 지질의 변화를 예측하는 방법을 다루었다.

기존의 인바테이프 (inbar tape)에 의한 내공변위 측정이나 수준측량기에 의한 천단침하의 측정은 각종 터널 굴착장비등 여러 가지의 방해물로 인하여 터널내의 측정작업이 용이하지 않을 뿐만 아니라 두 측정작업간의 정밀도가 서로 달라 정확한 내공 해석에 한계가 있었는바, 본 연구에서는 현장에서 수행한 터널의 3차원 절대 내공변위의 측정결과를 분석하여 막장전방의 지반변화에 따른 터널의 거동양상을 사전에 예측하고, 이에 대한 대책을 조기에 강구할 수 있도록 하는 방법을 다루었다.

계측용 광파기를 이용하여 10m 간격으로 측정된 3차원 절대내공변위의 분석결과를 TSP 탐사결과와 비교하였고, 현장 조사결과를 이용하여 타당성에 대한 검증을 실시하였다.

더불어, 3차원 절대내공변위의 분석결과를 3차원 수치해석으로 역해석하여 기존에 수행되었던 수치해석을 통한 연구 (이인모 등, 1997, 1998, 2001, 2002)를 보완하였다.

2.불연속면에서의 아칭효과

Schubert와 Vavrovsky (1994)는 그림 1과 같이 막장 전방에 연약대가 존재할 때 축방향 아칭효과에 의해서 축방향 변위가 달라질 수 있음을 제안하였다. 즉, 균질한 암반에서의 터널 막장 전방의 응력은 축방향 아칭효과에 의해 증가하게 되고, 이 증가된 응력에 의해 막장 전방에서 터널 안쪽으로 축방향 변위가 발생하게 된다. 그러나, 막장 전방에 연약대가 존재하면 증가된 응력이 구속을 받지 못하여 막장 안쪽으로의 응력은 작아지며, 축방향 변위도 작아진다.

터널 막장 전방에 파쇄대와 같은 연약대가 존재할 시에 아칭효과에 의해서 터널 막장의 바로 앞에는 응력이 증가된다. 이로 인하여 터널의 천단부에서 수직 변위가 증가하며, 터널 막장이 연약암반대에 더욱 근접할 시에는 아칭효과가 발생하지 않아 연약대를 구속하는 하중이 매우 작아지게 된다. 그리고, 연약대의 지반특성치는 터널 주위의 암반보다 상대적으로 작기 때문에 하중변화에 따른 암반수직변위가 급격히 증가하게 된다. 이와 같이 아칭효과로 인한 터널 막장면의 축방향 변위의 변화를 분석하여 막장 전방 연약대의 존재유무를 예측할 수 있다(이인모, 1997).

3.터널의 3차원 변위 분석방법

3.1 영향선과 경향선에 의한 막장 전방 지반 변화 예측

각기 다른 측정지점에서 측정한 터널의 변위를 하나의 선으로 연결한 것을 영향선 (influence line)이라 정의하고, 영향선의 시작점에서 같은 거리만큼 떨어진 값들을 연결한 선을 경향선 (trend line)이라고 정의할 수 있다.

그림 2에서 연약대에 막장이 접근해 감에 따라 천단 축방향 변위나 수직 변위가 증가하여 영향선과 경향선 모양의 변화를 볼 수 있다. 그러므로 영향선과 경향선을 이용하면 터널의 막장면 전방에 연약대가 존재하고 있음을 파악할 수 있다.

본 연구에서는 천단침하, L/C (L:천단부 축방향 변위, C:천단부 수직변위)비, C/Co비 (Co:계측 지점 이전까지의 5지점의 변위 평균), 좌측 X방향 변위, 좌측 Z방향 변위, 우측 X방향 변위, 우측 Z방향 변위에 대한 각각의 영향선과 경향선을 분석하였다 (그림 3 참조).

3.2 터널 천단부 축방향 변위/수직변위비에 의한 막장 전방 지반 변화 예측

Schubert와 Steindorfer (1996)는 터널 천단부의 절대변위 측정결과로부터 새로운 계측결과의 활용 기법을 제시하였다. 막장 전방에 연약대나 공동이 존재하면 아칭현상이 제대로 발현되지 않아 막장면의 응력 집중이 심화되어 천단부의 축방향 변위가 크게 증가하게 된다.

L값을 천단부 (crown)에서 터널 축방향 변위, C값을 터널 내부로의 수직 변위라 할 때, 그림 4와 같이 L과 C의 비를 이용하면 막장면과 이루는 각도, 내공경사각(α)을 정의할 수 있는데, 연약대나 공동이 존재하면 C값에 비해  L값이 크게 증가하므로 내공경사각의 크기가 커지게 된다.

즉, L/C 비가 증가하게 된다. 그러므로 계측된 3차원 변위 데이터로부터 L/C 비의 변화를 분석하면 막장 전방의 연약대 존재 여부를 예측할 수 있을 것이다. 그림 5는 경암층에서 연암층으로 굴착이 진행될 때의 L/C 값의 변화를 보여준다.

3.3 천단수직 변위의 분석 C/Co 해석에 의한 막장 전방 지반 변화 예측

터널에서 막장근처의 천단변위는 연약대에 접근할수록 증가하여 경향선의 변화를 초래한다. 그러나 실제 현장에 적용되는 각종 3차원 광파 계측기는 측정시마다 발생하는 기계오차 및 조작자의 오차에 의해 요동치는 측정결과를 나타내기 쉽다. 따라서, 이러한 특성의 현장자료로부터 의미있는 결론을 도출하기 위해서는 간편한 확률적 개념의 도입이 필요하다.

이인모 등 (2002)은 현장계측에서 발생할 수 있는 모든 오차를 정규분포로 가정하여, 계측 결과의 평균과 분산도를 구함으로서 결과분석에 활용할 수 있는 C/Co 평가기법을 도입하였다. 여기서 C는 해당 계측지점의 천단 수직변위이며 Co은 계측지점 이전까지 5지점의 천단 수직변위 평균이고 가로축은 굴착한 거리이다. 그 결과 진동범위 평균±2σ (σ=표준편차)를 기준으로 데이터의 경향선을 평가시 연약대 존재 유무를 사전에 예측할 수 있었다. 따라서 본 연구에서도 이러한 평가기법을 도입하여 막장전방의 지반변화 예측을 시도하였다.

4.현장 터널 TSP 탐사결과

3차원 광파계측시스템에 의한 터널 변위의 3차원 계측과 해석기법 적정성 검증을 위해 SK건설이 시공중인 원평-금구간 도로 확장공사 터널구간을 선정하여 TSP 탐사를 수행하였다. 솟튼 터널은 전라북도 정읍에 위치하고 있고 상행선 780m, 하행선 700m로 이루어져 있다. 본 탐사에서는 회절중합법을 이용하여 자료처리를 실시하였으며, 하행선 및 상행선 좌측부와 상행선 우측부로 나누어서 회절단면도를 작성하였다. 회절단면도는 단순히 각 영역별 (좌측 상․하단, 우측 상․하단) 기하학적인 면만을 고려하여 나타낸 것으로, 그 연장성과 지질학적 변화에 따라 터널축과 교차하지 않을 수 있으므로, 반드시 지질학적・지구조적인 해석을 부가하여야 한다. 그림 7과 그림 8은 회절단면도를 이용하여 탐사결과를 도시한 그림이다.

4.1 하행선 및 상행선 좌측부 탐사 결과

표 1은 하행선 막장굴착시 예상되는 연약대에 대한 특성을 표로 나타내었다. 탐사 결과, 상행선 및 하행선 모두 대규모 단층대나 파쇄대는 관찰되지 않으며, 소규모 파쇄대 및 암맥이 군데군데 협재되어 관찰된다.

4.2 상행선 우측부 탐사 결과

표 2는 상행선 결과를 나타낸 표이다. 탐사 결과, 상행선 터널 우측 구간은 매우 균질한 암질로 구성된 것으로 판단되며, 특이한 단층 파쇄대는 관찰되지 않는다. 다만 소규모 파쇄대가 2조 정도 관찰된다.

5.하행선 현장 3차원 계측 결과 분석

솟튼터널의 현장 계측 데이터에 대해 3차원 내공변위 분석을 실시하였다. 상․하행선에 대해 계측결과를 분석하였으나 상행선 구간은 지면상 생략하였다.

영향선은 같은 시간에 다른 측정지점에서 측정한 변위를 하나의 선으로 연결한 것으로서 막장 전방의 지반이 굴착되기 이전부터 굴착된 후까지 여러 시간에서 측정한 선들이므로 영향선 자료만으로 계측지점 (막장 근처 후방)에서 연약대 유무의 예측가능성을 판단하기는 어렵다. 따라서 막장 전방의 지반이 굴착되기 전 영향선 시작점에서 같은 거리만큼 떨어진 값을 연결한 선인 경향선이 보다 명확히 막장 전방 연약대 유무를 예측하는 척도로서 활용될 수 있다.

5.1 천단변위 영향선 및 경향선

그림 9는 하행선의 천단변위 데이터에 의한 경향선 및 영향선과 현장조사 및 TSP 탐사에 의한 연약대의 위치를 비교한 그래프이며, 세로축은 천단변위 (mm)이고 가로축은 굴착한 거리이다.

첫 번째 연약대 위치의 계측데이터에 의한 영향선 및 경향선은 약 STA. 1+990 지점부터 변화하여 STA. 2+000 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+000～2+005 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있으며,  STA. 2+022 지점에서 소규모 파쇄대를 예측한 현장조사 결과와 일치한다. STA. 2+030 지점에서 현장조사 및 TSP 탐사로, STA. 2+058 지점에서 TSP 탐사로 소규모 연약대가 확인되었으며, 계측데이터에 의한 경향선 변화로부터 예측할 수 있으나 그 변화양상이 미소하여 명확한 예측은 불가능하였다. 연약대 전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 1+990～2+000 구간의 10m 정도이다.

5.2 L/C비 영향선 및 경향선

그림 10은 하행선 계측 데이터에 의한 L/C비 영향선 및 경향선과 현장조사 및 TSP 탐사에 의한 연약대의 위치를 비교한 그래프이며, 세로축은 L/C로서, 여기서 L은 천단부 (crown)에서의 터널 축방향 변위이고, C값은 천단의 연직방향 변위이다.

첫 번째 연약대 위치의 계측데이터에 의한 영향선 및 경향선은 약 STA. 1+990 지점부터 변화하여 STA. 2+000 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+000～2+005 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 1+990～2+000 구간의 10m 정도이다.

두 번째 연약대 위치의 영향선 및 경향선은 약 STA. 1+050 지점부터 변화하여 STA. 2+060 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+060～2+065 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 1+050～2+060 구간의  10m 정도이다.

세 번째 연약대 위치의 영향선 및 경향선은 약 STA. 2+090 지점부터 변화하여 이후 감소하였다. 계측이 STA. 2+100에서 완료되어 이후 양상을 알 수는 없으나 STA. 2+100 근처에 연약대 존재를 예측할 수 있다. 현장조사 결과 2+095근처에서 연약대가 확인되었으며 계측에 의한 예측결과와 유사하다.

5.3 C/Co비 경향선

그림 11은 하행선의 현장 데이터에 의한 C/Co선과 현장조사 및 TSP 탐사에 의한 연약대의 위치를 비교한 그래프이며, 세로축은 C/Co로서, 여기서 C값은 천단의 연직방향 변위이고, Co값은 경향선의 굴착 초기 부분의 5지점 변위값들의 평균이다.

첫 번째 연약대 위치의 계측데이터에 의한 영향선 및 경향선은 약 STA. 1+990 지점에서 진동기준선인 평균-2σ(σ=표준편차)를 벗어남으로 연약대의 존재를 예측할 수 있다.

두 번째 연약대 위치의 영향선 및 경향선은 약 STA. 2+090 지점에서 진동기준선인 평균+2σ(σ=표준편차)를 벗어남으로 연약대의 존재를 예측할 수 있다.

5.4 좌측 x 방향 변위 영향선 및 경향선

그림 12는 하행선의 현장 데이터에 의한 경향선 및 영향선과 현장조사 및 TSP 탐사에 의한 연약대의 위치를 비교한 그래프이며, 세로축은 x변위 (mm)이다.

첫 번째 연약대 위치의 계측데이터에 의한 영향선 및 경향선은 약 STA. 1+990 지점부터 변화하여 STA. 2+000 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+000～2+005 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대 전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 1+990～2+000 구간의 10m 정도이다.

두 번째 연약대 위치의 영향선 및 경향선은 약 STA. 2+020 지점부터 변화하여 STA. 2+030 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+030～2+035 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대 전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 2+020～2+030 구간의 10m 정도이다.

세 번째 연약대 위치의 영향선 및 경향선은 약 STA. 2+050 지점부터 변화하여 STA. 2+060 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+060～2+065 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대 전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 2+050～2+060 구간의 10m 정도이다.

네 번째 연약대 위치의 영향선 및 경향선은 약 STA. 2+080 지점부터 변화하여 STA. 2+095 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+095～100 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 2+080～2+095 구간의 15m 정도이다.

5.5 좌측 z 방향 변위 영향선 및 경향선

그림 13은 하행선의 현장 데이터에 의한 경향선 및 영향선과 현장조사 및 TSP 탐사에 의한 연약대의 위치를 비교한 그래프이며, 세로축은 z변위 (mm)이다.

첫 번째 연약대 위치의 계측데이터에 의한 영향선 및 경향선은 약 STA. 2+020 지점부터 변화하여 STA. 2+030 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+030～2+035 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대 전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 2+020～2+030 구간의 10m 정도이다.

두 번째 연약대 위치의 영향선 및 경향선은 약 STA. 2+050 지점부터 변화하여 STA. 2+060 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+060～2+065 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대 전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 2+050～2+060 구간의 10m 정도이다.

5.6 우측 x 방향 변위 영향선 및 경향선

그림 14는 하행선의 현장 데이터에 의한 경향선 및 영향선과 현장조사 및 TSP 탐사에 의한 연약대의 위치를 비교한 그래프이며, 세로축은 x변위 (mm)이다.

첫 번째 연약대 위치의 계측데이터에 의한 영향선 및 경향선은 약 STA. 1+990 지점부터 변화하여 STA. 2+000 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+000～2+050 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대 전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 1+990～2+000 구간의 10m 정도이다.

두 번째 연약대 위치의 영향선 및 경향선은 약 STA. 2+020 지점부터 변화하여 STA. 2+030 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+030～2+035 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대 전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 2+020～2+030 구간의 10m 정도이다.

세 번째 연약대 위치의 영향선 및 경향선은 약 STA. 2+042 지점부터 변화하여 STA. 2+065 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+065～2+070 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대 전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 2+042～2+065 구간의 23m 정도이다.

네 번째 연약대 위치의 영향선 및 경향선은 약 STA. 2+080 지점부터 변화하여 STA. 2+090 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+090～2+095 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대 전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 2+080～2+090 구간의 10m 정도이다.

5.7 우측 z 방향 변위 영향선 및 경향선

그림 15는 상행선의 현장 데이터에 의한 경향선 및 영향선과 현장조사 및 TSP 탐사에 의한 연약대의 위치를 비교한 그래프이며, 세로축은 z변위 (mm)이다.

첫 번째 연약대 위치의 계측데이터에 의한 영향선 및 경향선은 약 STA. 1+990 지점부터 변화하여 STA. 2+000 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+000～2+050 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대 전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 1+990～2+000 구간의 10m 정도이다.

두 번째 연약대 위치의 영향선 및 경향선은 약 STA. 2+020 지점부터 변화하여 STA. 2+030 지점까지 하강한 후 점점 회복되는 모양을 보이는데 이로부터 STA. 2+030～2+035 정도에 연약대가 존재함을 유추할 수 있다. 연약대 전방에서 영향선 및 경향선의 모양이 변화하는 범위는 약 STA. 2+020～22+030 구간의 10m 정도이다.

6.하행선의 TSP 탐사 및 현장 조사결과와의 비교분석

현장조사 및 TSP 탐사에 의하여 막장전방의 연약대 존재유무의 예측결과, 3차원 광파기 계측에 의해 각종 변위 자료를 획득․분석한 결과 및 현장 막장 및 벽면의 조사를 수행한 결과를 비교함으로서 3차원 변위 분석에 의한 예측 결과를 검증하였다.

표 3에서 보는 바와 같이 3차원 광파기 계측자료 분석에 의한 하행선 터널 막장 전방 지반의 예측결과는 대부분 TSP 탐사결과 및 현장 조사 결과와 일치하였으며 높은 확률을 보였다.

- 현장조사, TSP 탐사, 3차원 변위에 의한 예측일치 : 1개소

- TSP 탐사와 3차원 변위에 의한 예측이 일치하지만 현장과는 불일치 : 1개소

- TSP 탐사가 예측 못했지만 3차원 변위에 의한 예측과 현장조사 일치 : 1개소

- TSP 탐사가 연약대를 예측했지만, 3차원 변위 예측과 현장조사 동일하게 비예측 : 1개소

- TSP 탐사와 3차원 변위에 의한 예측이 일치하지만 현장조사 미실시 : 1개소

분석결과, 하행선의 3차원 변위계측에 의해 실제 막장 전방 지반의 연약대 유무를 예측한 확률은 위의 4개소 중 3개소로 약 75%였다.

7.3차원 수치해석을 이용한 역해석

7.1 개요

터널 막장 전방의 다양한 지반 조건의 변화에 따라 기 굴착한 터널 안의 내공 변위가 어떻게 영향을 받고 있는지를 규명하고 현장 3차원 절대 변위의 계측분석결과와 비교하기 위하여 3차원 수치해석을 수행하였다.

7.2 해석 프로그램 및 경계조건

본 연구에서 사용한 수치 해석 프로그램은 유한 요소법 (FEM, Finite Element Method)을 이용한 PENTAGON- 3D를 사용하였고, Mohr-Coulomb 파괴규준이 사용되었다.

솟튼터널 하행선 STA. 1+960～2+120구간 중 TSP 탐사결과, 3차원계측 분석결과와 현장조사 결과에서 각각 연약대 위치가 확실하다고 판단되는 STA. 2+000지점과 STA. 2+095지점에 5m 두께의 연약대를 포함시켜 현장과 동일한 형상으로 모델링하여 해석하였고, 이를 실제 계측한 절대 내공변위의 3차원 각 요소에 대한 변위분석결과와 비교하였다.

7.3 지반특성치

본 해석에서 사용된 물성치는 원평-금구간 도로확장공사 터널보고서의 수치해석에 적용된 지반특성치를 적용하였다. 단, 연약대의 탄성계수는 경암의 1/10이라고 가정하였고, 포아송비는 경암의 2배라고 가정하였으며 그 밖의 특성치는 연암을 기준으로 적용하였다.

7.4 해석결과의 고찰

솟튼터널 하행선 STA. 1+980～2+100구간의 3차원 절대 변위 계측데이터 분석결과와 같은 조건으로 모델링한 수치해석결과를 다양한 방법으로 비교하여 현장조사결과와 얼마나 일치하는지 분석하였으나 지면상 천단변위, L/C비, C/Co의 결과를 수록하였다.

분석 결과, 수치해석상 연약대 이전 영향선 및 경향선의 변화는 일정한 특징을 갖고 나타나며 터널 직경의 1D～2D전에 연약대의 존재를 예측할 수 있었다.

7.4.1 수치해석 결과 천단변위 영향선 및 경향선

천단변위 분석결과 연약대를 지나는 영향선 및 경향선 모양의 변화가 일어나는 범위는 연약대 전방에서 터널 폭의 1～2배 정도인 10～20m로 일정하게 확연히 나타남을 알 수 있다.

또한, STA. 2+000지점에서 그림 18의 수치해석상 영향선 및 경향선과 그림 9의 3차원 계측결과 영향선 및 경향선의 변화양상은 유사함을 확인하였고, STA. 2+095지점에서 수치해석상 영향선 및 경향선의 변화는 확연하였으나, 3차원 계측결과에서는 조금 미흡한 결과를 보였다. 이상과 같이 현장에서 수행한 계측결과는 계측 장비의 오차, 계측을 수행하는 기술자에 의한 계측 오차등으로 인하여 수치해석 결과와는 다른 형태의 경향선 및 영향선을 나타내게 된다 (이인모, 2002).

7.4.2 수치해석 결과 L/C비 영향선 및 경향선

L/C비 분석결과 연약대를 지나는 영향선 및 경향선 모양의 변화가 일어나는 범위는 연약대 전방에서 터널 폭의 1～2배 정도인 10～20m로 일정하게 나타남을 알 수 있다.

또한, STA. 2+000지점에서 그림 19의 수치해석상 영향선 및 경향선은 그림 10의 3차원 계측결과 영향선 및 경향선의 변화양상은 유사함을 확인하였고, STA. 2+ 095지점에서 수치해석상 영향선 및 경향선의 변화는 확연하였으나, 3차원 계측결과 영향선 및 경향선에서는 수치해석결과와 같이 STA. 2+090부터 하강하지만 STA. 2+100까지의 계측데이터만 존재하여 그 이후의 변화는 알 수 없었다.

7.4.3 수치해석 결과 C/Co비 경향선

C/Co비 분석 역시 연약대를 지나는 영향선 및 경향선 모양의 변화가 일어나는 범위는 연약대 전방에서 터널 폭의 1～2배 정도인 10～20m로 일정하게 나타남을 알 수 있다.

또한, STA. 2+000지점에서 그림 20의 수치해석상 경향선은 평균+σ (σ=표준편차)를 조금 넘고 평균+2σ를 초과하지 않아 연약대 유무를 예측하기는 약간 미흡하였으며, 그림 11의 3차원 계측결과 경향선은 10m이전에 평균-2σ를 벗어나 예측하기에 충분하였다. STA. 2+ 095지점에서 수치해석상 경향선은 평균+2σ를 초과하여 예측이 가능하였고, 3차원 계측결과 역시 10m이전에 평균+2σ를 초과하여 연약대 존재유무를 예측하기에 충분하였다. 전체적인 경향선은 비슷한 양상이었다.

8.결론

본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.

1. 현장 계측 자료에 대한 3차원 변위 분석결과, TSP 탐사와 같은 지반조사를 통하여 예측된 연약대의 위치와 거의 합치한다는 사실을 확인하였다.

2. 3차원 변위 분석결과에 의하여 막장 전방 지반의 연약대 유무를 판별하는 정확도는 상행선 하행선 평균 70% 이상으로서 매우 좋은 결과를 나타내었다. 심지어 TSP 탐사가 예측을 못했거나 잘못 예측한 개소에서, 현장 조사 결과와 3차원 변위분석에 의한 예측이 일치하였다.

3. 3차원 변위 분석 그래프 중에서도, 터널 천단 축방향 변위와 수직변위비를 나타내는 L/C비 그래프가 대부분의 경우에 막장 전방 연약대 예측에 효과적인 것으로 확인되었으며, 천단침하 영향선/경향선 그래프 및 천단 수직변위의 분석 C/Co비 그래프 또한 효과적이었다. 그러나 C/Co비 그래프 기법은 지속적으로 양호한 암질 구간에서 갑자기 출현하는 연약대 예측에는 효과적이었으나, 연약대 구간간격이 좁은 경우 효과가 없었다.

4. 3차원 계측을 통한 절대내공변위 분석기법 적용시, 연약대 전방에서 경향선 모양의 변화가 일어나는 범위는 터널 폭의 1～2배 정도인 10～20m로 일정하게 나타남이 확인되었다. 그러므로, 터널 폭의 1～2배 정도 이전에 연약대의 존재를 미리 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

5. 기존의 3차원 수치해석에 의하여 막장전방의 지반상태변화를 파악하는 분석기법과 더불어 좌․우측 X, Z 방향 절대 변위의 영향선 및 경향선의 분석을 수행한 결과 더 많은 연약대를 예측할 수 있었다.

6. 3차원 절대 내공변위의 분석결과를 3차원 수치해석으로 역해석하여 기존에 수행되었던 수치해석을 통한 연구의 이론이 현장데이터 분석과 유사하다는 것을 확인하였다.

본 연구에서는 연약대의 규모, 방향성, 특성치에 대한 정확도가 수치해석에 중요한 인자임에도 본 현장조사결과에서 명확히 파악하지 못하였다. 이 후 연구에서는 연약대에 대한 인자를 파악하여 보다 정확한 수치해석을 통한 현장계측 결과분석과의 비교가 이루어졌으면 한다.