1.서론

지반공학적 설계의 주된 목적은 안정성 및 환경적 요구뿐만 아니라 암반 조건을 고려하여 건설의 경제적인 최적화라고 할 수 있다. 또한 암반 구조, 암반 및 토양 물성, 응력 및 지하수 조건을 포함한 다양한 지질학적 구조는 설계시 일관되고 구체적인 절차에 따라 적용되어야 하며, 지반공학적 설계를 결정하는 주 영향인자 (key in-fluences)는 지반조건과 지반 거동이라 할 수 있다.

기존의 도식적인 평가 시스템과 굴착 및 지보를 위한 범주 (category)는 주로 특정한 조건들에 대한 경험으로부터 개발되었으며, 따라서 굴착 대상 지반과 주변 조건에 대한 일반화는 종종 부적절한 설계를 야기시키기도 한다. 결과적 및 기술적으로 타당하고 경제적인 설계와 시공은 유연하고 구체적인 설계 및 시공 절차를 적용함으로써만 달성될 수 있다고 할 수 있다.

암반조건의 표현에 있어 모든 불확실성에도 불구하고 지하공간 설계는 전 프로젝트를 통해 사용가능한 일관적이고 논리적인 설계 절차를 허용하는 방법을 필요로 하며, 또한 시공중 계측 등의 결과를 feedback함으로써 시공중 설계를 보완하는 것이 필요하다고 판단된다. 따라서 본 논문에서는 기존의 터널 설계 기법을 조사 및 분석하고 국내에서 사용하는 터널 설계 기법과는 차이가 있는 오스트리아 터널 설계 가이드라인을 통해 국내 터널 설계 기법을 재조명해 보고자 하였다.

2.암반 분류 시스템 비교

최근까지 암반 분류에 관련된 많은 논문과 기법 등이 소개되어 터널 등과 같은 지하구조물 설계 및 시공에 널리 적용되고 있다. 초기 암반 분류는 Terzaghi의 암반 하중을 이용한 방법, Lauffer의 무지보 유지시간, Deere의 RQD 그리고 Wickman의 RSR 등이 있으며, 보다 세밀한 분류법으로는 Bieniawski의 RMR 및 Barton의 Q-시스템이 있다. 그 외 NATM 분류, Flanklin과 Louis의 size-strength 분류, ISRM 분류법 등이 있다(Bieniawski, 1989; Singh and Goel, 1999; Goricki, 2003).

2.1 암반 거동 관련 분류

암반 거동에 바탕을 둔 분류법으로는 Terzaghi의 암반 하중 분류법을 비롯하여 Stini, Lauffer, Rabcewicz 등이 제안한 분류법 등이 있으며, 특징 및 장단점을 표 1에 간단히 정리하였다.

먼저 Terzaghi 분류법은 터널 상부의 암반 하중을 평가함으로써 굴착에 따른 반응을 정량화하여 지보를 결정하는 방법으로 암반 사하중과 강지보에 바탕을 두고 있으며, 숏크리트와 록볼트를 이용한 터널 공법에는 적합하지 않다.

또한 Stini는 현장 경험을 바탕으로 굴착후 거동에 따라 암반을 9개 그룹으로 분류하였으며, 암반의 묘사, 특성, 분류 그리고 지보 결정 등에 관한 기준을 마련하였다. 그러나 이 분류법은 매우 정성적이고 주관적이며, 지반과 굴착 및 지보공법의 상호작용에 크게 의존한다는 단점이 있다.

반면에 Lauffer는 기존의 분류법은 다소 주관적이라고 설명하면서 정량적인 인자를 사용할 것을 제시하였으며, 무지보 굴착길이 (free span)를 도입하여 stand- up 인자를 결정하였다. 그러나 본 분류법은 응력 관련 부분이 포함되어 있지 않으며, 또한 지보된 터널의 거동을 반영하지 못하는 한계가 있다.

NATM의 창시자로 알려져 있는 Rabcewicz는 1944년에 암반 하중에 대한 암반의 종류와 관련된 지보를 위한 정성적인 시스템을 제안하였으며, 수정 보완을 통해 1974년 Pacher 등은 암반과 시공관련 인자의 관계를 통해 4개 주요 그룹으로 분류하고 세부 6 등급으로 구분하였다.

오스트리아에서는 Rabcewicz와 Pacher가 제안한 원칙을 바탕으로 암반 특성 평가 및 암반 분류 등의 기준을 지속적으로 개정해오고 있다. NATM 등의 터널공법 원리에 부합하도록 개발된 분류 시스템은 암반 특성, 암반의 종류 그리고 굴착 등급의 3가지 주요 요소로 이루어져 있다. Rabcewicz 시스템과 유사하게 오스트리아 기준은 암반 거동을 묘사하고 있으나, 굴착 및 지보 결정을 위한 객관적인 절차를 제공하지는 못하고 있다.

2.2 암반 인자 관련 분류시스템

본 절에서는 최근 세계적으로 널리 사용되는 암반분류시스템의 특징 및 장단점을 분석하였으며, 이를 표 2에 정리하였다.

1967년 Deere에 의해 제안된 암질지수 (RQD)는 암반 특성을 나타내는 매우 간단한 지표로서 사용이 간단한 장점이 있는 반면에 일반적인 암반 분류를 위한 충분한 암반 인자를 포함하고 있지 않고 불연속면 방향에 대한 시추공의 방향성을 무시했다는 한계가 있다.

RSR 시스템은 암반특성의 정량적 기술과 적절한 지보 선정 기준을 제시한 분류법으로, 최초로 암반분류에서 분류인자의 상대적 중요성에 따라서 가중치를 달리하는 정량적인 암반 분류 체계이다. RSR 분류법의 가장 중요한 특징은 터널 굴착에서 암반거동에 영향을 주는 두가지 일반적인 인자로 지질학적 인자와 시공 인자를 고려하여 각각의 인자에 대한 가중치의 합으로 산정되는 정량적인 배점의 도입이다. 즉 다양한 암반분류 인자의 상대적 중요성을 평가하였다. 그러나 RSR 분류법은 Ter-zaghi의  암반하중 분류법을 이용하지 않고는 강재지보량 또는 록볼트를 설정하는 것이 불가능하므로 RSR 분류법은 독립적인 체계라기보다는 Terzaghi방식의 개량이라는 견해가 있으며, 록볼트 및 숏크리트 지보로 이루어지는 터널에는 적합하지 않다.

지반역학적 분류법 (Geomechanics classification)으로 알려져 있는 RMR 분류법은 1973년 Bieniawski에 의해 개발되었다. RMR 분류법은 세계의 많은 과학자들에 의하여 시험과 수정 그리고 적용 등의 과정을 거쳐 많은 발전을 거듭하였다. 351개에 이르는 현장 적용 평가 결과, 본 분류법은 암반등급 분류법으로 적당하다는 평가와 함께 실제자료에 있어서의 편리함과 터널, 지하 공동, 광산, 사면, 기초 등의 다양한 분야에 폭넓은 적용성을 가지고 있다. 그러나 RMR 분류법은 초기응력 조건을 고려하지 못하는 단점때문에 일반적인 적용에 상당한 어려움이 있다.

Q-system은 1974년 Barton, Lien, Lunde 등에 의해 노르웨이에서 개발되었다. Q-system은 스칸디나비아의 212개 터널의 사례연구를 근거로 제안된 정량적인 분류체계 방법이며, 터널지보의 설계를 용이하게 해주는 공학적 분류체계이다. Q-System은 6개의 서로 다른 분류인자를 사용한 암질의 정량적 평가에 기초하며, 이러한 6개의 인자들은 전체암반등급을 설정하기 위해 3개의 지수그룹 (quotients)으로 묶여서 할당된 분류인자들의 점수에 의하여 계산된다. 암반의 Q값은 0.001～1000까지의 대수범위로 나타나며, Q값에 따라서 9개의 암반등급으로 분류된다. Q-system은 다른 경험적 시스템과 같이 조사 사례로부터 얻어진 자료 (정보)에 바탕을 두고 있어 제한성이 있으며, 복잡한 경험적 상관관계로 구성되어 있다는 단점이 있다.

RMi 분류법은 암반에 대한 강도 감소 특성을 분류하기 위하여 1995년 Palmström에 의해 개발되었다. 암반의 강도는 암석의 압축강도 그리고 절리 거칠기, 절리 변질 정도, 절리 크기 및 블록의 체적 등과 관련된 경험적 인자로부터 평가된다. RMi 시스템은 암반 물성 평가법으로 지하구조물의 지보를 위한 일반적인 분류 도구로 사용하기는 힘들다.

2.3 고찰

안정적이고 경제적인 터널 설계는 현실적인 지질학적 모델, 암반 특성 평가 그리고 영향인자의 평가 등에 의존한다. 따라서 암반 특성을 가능한 정확히 결정하고 그 각 인자의 영향 정도 및 암반 거동 또한 합리적으로 평가하여 설계에 반영하여야 한다.

암반 거동 분류 시스템은 암반 거동의 평가와 지보 결정에 초점을 맞추고 있기 때문에 굴착중 암반 반응 거동의 관찰이 필수적이다. 이 방법은 매우 융통성 있는 방법으로서 지반조건이 매우 복잡한 비균질성 지반 조건의 터널 프로젝트에 매우 적합하다고 할 수 있다. 그러나 분류 기준이 매우 주관적이고 불투명하며, 암반 거동 평가에 정량적인 암반 평가를 고려하지 못하는 단점이 있다.

반면에 정량적인 분류 시스템은 명확한 구조를 가지고 있으며, 그 적용이 매우 간단하고 문서로 잘 정리되어 있으므로 경험이 부족한 기술자도 쉽게 사용가능하다는 장점이 있다. 또한 설계시 정량적 평가가 가능하고 시공중 지반조사 자료로부터 예측한 조건 비교 분석이 가능하다는 장점도 있다. 그러나 이 분류법은 사례 조사 및 경험으로부터 유래되었으므로 프로젝트 현장 조건에 민감하며, 분류 인자들이 모든 암반의 종류에 일반적으로 적용되기가 매우 어렵고 지반-지보의 상호관계의 고려가 부족하다는 단점이 있다.

3.터널 설계 절차의 비교 및 분석

공학적 설계는 요구조건에 부합되도록 시스템, 구성요소 그리고 과정을 고안해 나가는 과정이다. 지하구조물 설계가 어려운 이유는 굴착 대상이 되는 암반의 복잡성, 지질 상황의 다양성 그리고 지질 조건 예측이 힘들기 때문이다.

3.1 관찰 기법 (Observation Method)

Terzaghi와 Peck에 의해 제안된 관찰 기술은 시공 과정의 일환으로 탐사, 가장 빈번히 발생하는 불량한 조건의 평가, 거동에 근거한 설계, 물성 결정, 설계 보완, 물성 조사 및 실제 조건 평가 그리고 실제 조건에 부합하는 설계 수정 등을 포함한다.

Wood는 관찰 기법에 근거한 절차를 도입하여 설계에 이용하였다. 먼저 개념 모델을 설정하고 예상되는 특징을 예측한 후 관찰 및 비교를 통해 편차 및 모델의 부적절성의 원인을 조사한다. 조사 분석 결과를 바탕으로 개념 모델을 개선하여 이를 적절할 때까지 반복하는 과정이다. 따라서 시공중 feedback을 위하여 설계를 위한 모델은 시공중 관찰이 가능한 입력자료 및 결과 인자를 반드시 포함해야 한다.

3.2 지하 암반 굴착의 설계 - Hoek and Brown 1980

Hoek와 Brown (1980)은 설계 절차를 소개하면서 지질 조사에서 시작하여 암반 특성을 평가하고 불리한 구조지질학적 조건, 과지압 조건, 풍화 및 팽창성 암반 조건 그리고 과다 지하수압 및 유입량의 4가지 불안정성에 영향을 주는 근본적인 원인에 대한 설계를 설명하였다.

본 과정은 암반 조건에 대하여 암반 분류 시스템을 적절히 통합시키는 과정을 설명하고 있다. 즉, 조사, 불안정성 조건의 분류 그리고 지보 설계로 구성된 주요 요소들의 통합이라고 할 수 있다. 반면에 다양한 파괴 양상을 야기하는 불안정성의 원인들을 종합적으로 고려하지 못하기 때문에 현실적인 절충과 공학적 판단이 매우 중요하다고 할 수 있다. 또한 관찰을 통한 정보의 통합 및 굴진중 지하 굴착의 재설계는 본 절차에 언급되어 있지 않다.

3.3 암반 터널 설계 절차 - Bieniawski 1984

Bieniawski (1984)는 터널 안정성에 영향을 주는 주요 요소와 암반 터널 설계 절차를 위한 명확한 도표를 제안하였다. 설계 절차는 예비 자료 수집, 예비 조사, 상세 현장 특성 평가, 안정성 분석 그리고 최종 설계 및 시공의 5가지 단계로 구성되어 있다.

각 단계는 feedback 과정을 통해 연관되어 있으며, 예비조사 단계에서는 주로 암반 분류 시스템이 적용되고 안정성 분석 단계에서의 절차는 앞서 언급한 Hoek와 Brown에 의해 제안된 불안정성의 4가지 원인에 바탕을 두고 있다. 본 설계 절차는 매우 명확한 구조를 가지고 있으며, 프로젝트에 따라 다른 암반 특성 평가 및 설계 방법으로 접근하고 있다. 본 설계방법도 4가지 다른 설계 옵션을 가지고 있으므로 Hoek와 Brown의 설계 절차와 유사한 단점을 가지고 있다.

3.4 터널 설계 절차 - ITA 1988

ITA (1988)에서는 현장 조사에서부터 시공중 관찰까지 터널 설계 과정을 제안하였으며, 그 단계는 현장 지질 조사, 지반 특성 조사, 굴착 방법의 평가 및 분석, 설계 기준의 결정, 터널 시공 그리고 현장 계측으로 이루어져 있다.

굴착공법 및 지보재를 선택한 후 안정성 분석이 수행되어야 한다. 프로젝트 단계 및 지반 거동에 따라 최적의 모델 분석을 실시하며, 절차에 따라 안정성 개념과 위험도 분석 그리고 현장 계측 등을 적용한다. 시공 중 지반 조건과 계측 결과의 비교 등을 위한 feedback 과정을 통하여 설계 모델을 실제 거동에 맞도록 조정할 수 있으며, 그 절차는 매우 논리적이고 적절하다고 할 수 있다.

3.5 암반공학적 설계 기법 - Bieniawski 1992

Bieniawski (1992)는 암반공학적 설계법에 초점을 맞추어 문제 해결에 매우 적합한 유연한 구조의 새로운 설계 절차를 제안하였다. 이 설계 기법은 구조적으로 목적, 설계 그리고 시공의 3개의 영역으로 구분되고 총 10단계로 구성되어 있으며, 6개 설계 원리로 이루어져 있다. 총 10단계는 문제 제기, 기능적 요구 및 제한, 정보 수집, 개념 구상, 해결 방안 분석, 대체 방안을 위한 통합 및 규정, 평가, 최적화, 권장 그리고 실행이다.

이 절차는 일반적이며, 암반공학에서 발생하는 많은 문제점에 대하여 적용 가능한 것으로 보인다. 또한 이 설계법은 체계화된 설계 개념을 강조하고 설계 과정에 대한 실제 적용 가능한 구조를 나타내고 있다.

4. 오스트리아 터널 설계 가이드라인

오스트리아 지반공학회 (Austrian Society of Geo-mechanics)에서는 터널 분야에서 발주처 (client), 지질학자 (geologist), 기술자 (engineer) 그리고 설계 및 시공사 (contractor) 사이의 의사소통을 원활히 할뿐만 아니라 암반과 토양을 포함하는 프로젝트의 설계 및 설계 과정을 향상시키기 위하여 가이드라인을 제시하였으며, 이 가이드라인은 암반 특성 (rock mass charac-terization)과 거동 평가 (behavior evaluation) 등을 다루고 있다 (OGG, 2004).

지하 건설 분야에서는 설계 단계에서 강조되는 2가지 주요 부분이 있다. 첫 번째이며 가장 중요한 것은 굴착의 결과로서 예상되는 암반 조건 및 거동 양상의 현실적인 평가이며, 두 번째는 결정된 거동에 대한 경제적이고 안전한 굴착 및 지보 방법을 설계하는 것이다. 설계 과정은 예비조사 (feasibility study)로 시작하여 예비 설계 (preliminary design), 세부 설계 (detail design) 그리고 시공중 설계 보완으로 이어진다. 설계는 정보를 이용할 수 있을 때까지 각 단계에서 지속적으로 갱신되어야 한다.

가이드라인은 지반공학적 설계를 위해 따르는 일반적 과정의 설명을 포함하고 있으며, 프로젝트의 모든 단계에 대해 지반공학적 설계 (geotechnical design)를 효과적으로 준비하고 조직화하는데 큰 도움이 될 수 있으므로, 본 논문에서는 오스트리아에서 제안된 터널 설계 가이드라인을 소개하고자 한다.

4.1 설계 단계

지반공학적 터널 설계는 굴착 등급 및 분포의 결정 그리고 현장에서 적용되는 굴착 및 지보공법의 결정을 위한 근거로 활용된다. 지하구조물의 설계는 그림 1과 같이 지반공학적 설계, 암반 종류 결정부터 시작하여 굴착등급의 정의로 마무리되는 5단계로 구성되어 있다. 처음 2단계에서는 주요 인자 및 영향 인자의 다양성 및 불확실성뿐만 아니라 프로젝트 지역 노선에 대한 분포를 설명하기 위하여 통계 및 확률 분석이 사용되며, 이를 통해 위험도 분석 및 굴착 등급의 분포 등을 알 수 있다.

그림 1. 오스트리아 굴착 및 지보공법의 적용을 위한 절차

설계 단계에서는 예상되는 암반 종류 (rock mass types, RMT)와 암반 거동 종류 (rock mass behavior types, BT)으로 분류되는 암반 거동뿐만 아니라 실제 주변 조건의 고려를 통한 암반 거동으로부터 파생되는 시공 기준 (construction measures)의 결정과 관계된다. 따라서 굴착 등급 (excavation class)은 거동종류 (BT)와 굴착 및 지보 방법을 바탕으로 결정된다.

암반 종류 (RMT) 결정

암반 종류는 불연속면 및 지질 구조 (tectonic structure)를 포함하여 지반공학적으로 유사한 특성을 가진 암반으로 정의된다. 따라서 1단계는 기초 지질 구조의 설명으로 시작하여 각 암반 종류에 대한 지반공학적 주요 인자를 결정한다. 주요 인자의 값과 분포는 공학적 및 지질학적 판단으로 평가된 정보로부터 결정되며, 지속적으로 획득되는 적절한 정보로 수정 보완된다. 따라서 암반 종류는 각 프로젝트의 성공적인 완료를 위해 중요성을 고려한 현 시점의 지식에 근거하여 주요 인자에 따라서 정의되며, 세밀하게 결정된 암반 종류의 수는 프로젝트 고유한 지반 조건 및 프로젝트의 종류뿐만 아니라 프로젝트 지역의 복잡한 지질학적 조건 등에 의존한다. 일반적으로 초기 설계 단계에서는 대략적인 구분으로도 충분하며, 부수적인 설계 단계에서 하나의 암반 종류는 많은 정보와 함께 세분화되고 더 자세하게 구분되어야 한다.

그림 2. 다른 종류의 암반에 대한 주요 인자의 선택의 예

그림 2는 다른 종류의 암반에 대한 관련 주요 인자를 선정하는데 도움을 제공하기 위한 도표이며, 일반적으로 선택된 주요 인자는 암반의 지반공학적 물성이다. 프로젝트 고유의 조건에 따라 각 인자들은 가중치가 요구되기도 하며, 때로는 선택된 인자가 암반 물성을 적절히 표현하고 있는지 검토하여야 한다. 그림 3은 암반 종류를 결정하기 위한 단계적 과정의 예를 보여준다.

암반 거동 형태 (BT)의 결정

2번째 단계는 굴착방향에 대한 불연속면의 상대적 방향, 지하수 조건, 응력 상태 등을 포함한 각 암반 종류 및 지역적 영향 인자를 고려하여 암반 거동 (rock mass behavior)을 평가하는 단계이다. 이 과정을 통해 프로젝트 고유의 거동 형태 (BT)를 정의하게 되며, 암반 거동은 굴착 방법 및 순서 그리고 지보 또는 보조공법을 포함한 어떠한 수정 보완 조치도 고려하지 않고 전단면 영역에 대하여 평가되어야 한다. 이러한 암반 거동 형태는 굴착 및 지보 방법을 결정하는 기초를 형성할 뿐만 아니라 시공중의 계측 자료의 평가에 도움이 된다.

암반 거동 형태의 결정을 위해서는 먼저 지하구조물 축에 대한 관련 불연속면의 상대적 방향성을 반드시 결정하고, 노선을 따라 단일 균일 구간에 대하여 적절한 응력 조건뿐만 아니라 지역적 지하수 조건을 정의하여야 한다. 각 구간에 대한 모든 관련 물성과 영향인자를 선정한 후, 지하구조물의 각 단면에 대하여 암반 거동 (굴착에 따른 반응)을 평가할 수 있다. 따라서 예상된 암반 거동은 표 3에 나타낸 일반적인 형태로 구분되어지며, 노선에 따른 암반 거동 형태의 분포가 결정된다.

암반 거동의 평가를 위해 고려되어지는 영향인자는 암반 종류 (RMT), 초기응력 조건, 지하구조물의 형태 및 크기 그리고 위치, 굴착 방법, 불연속면의 상대적 방향성과 그리고 지하수 조건 등이 있다. 또한 암반 거동의 평가에는 운동학적 분석, 수치해석을 통한 응력 및 변위 거동 분석, 시간의존성 해석 그리고 안정성 분석 등이 추천된다.

영향인자를 충분히 정확하게 결정할 수 없을 경우는 변수에 대한 예상 범위의 영향을 평가하는 확률 및 통계적인 분석을 사용하며, 주어진 경계 조건에서는 암반 종류의 특성에 대한 적절한 모델링 방법을 제공하는 해석적 (analytical) 및 수치해석적 (numerical) 방법이 사용되어진다. 그림 4는 2가지 암반 종류에 대하여 암반 거동 형태의 결정을 위한 단계적 과정을 보여주고 있다.

그림 3. 암반 종류 결정의 예

굴착 및 지보의 결정

암반 종류 및 거동 형태가 결정되고 적절한 시공법 (굴착 순서, 막장 분할, 지보공법, 보조공법)이 결정된 후 시스템 거동 (system behavior, SB)을 평가하고 설계 요구사항과 비교하게 되며, 프로젝트 고유의 거동 종류에 따라 굴착 및 지보 기준이 평가되고 적당한 공법이 결정된다.

시스템 거동 (SB)은 암반거동과 선택된 굴착 및 지보 기술과의 상호반응의 결과로서, 평가된 시스템 거동은 미리 결정된 요구사항과 비교되어야 하며, 시스템 거동이 요구시항에 부합되지 않으면 굴착 및 지보 기술은 부합될 때까지 수정되어야 한다. 이러한 시스템 거동의 영향 인자는 암반 거동 형태, 시공단계를 고려한 공동의 형상 및 크기, 공간적 및 시간적 시공 순서, 암반의 시간의존성 물성 및 지보요소 그리고 지보재의 설치 위치 및 시기 등이 있다. 기본적으로 시스템 거동은 이론적 방법, 수치해석적 방법 그리고 경험에 근거한 비교 연구를 통해 분석되고 설계 요구사항과 비교되며, 이를 통해 안정성 및 기준에의 부합 그리고 적합성 등을 증명할 수 있다.

1～3단계를 바탕으로 노선 (alignment)은 유사한 굴착 및 지보 요구조건을 가진 균질한 영역으로 구분되어진다. 이 기본노선 시공 계획은 각 구분 영역에 대한 굴착 및 지보 공법을 의미하며, 현장의 변화 가능성 및 수정에 대한 한계 및 기준을 포함하고 있다. 이는 지반공학적 설계 과정에서의 첫 번째 단계로서, 지질학적 조건은 잘 정의된 범위의 굴착 및 지보 공법뿐만 아니라 발생 가능성을 가지고 정리되어야 한다.

굴착 등급의 결정

설계 과정의 최종 단계에서의 지반공학적 설계는 입찰 과정을 위한 공사비 및 공사기간의 산정이다. 굴착 등급 (excavation class)은 굴착 및 지보 기준 평가를 바탕으로 하여 정의되며, 굴착 등급은 입찰 서류 (tender document)에 보상 조항을 위한 근거를 구성하는 것이다. 또한 예상되는 거동 형태 및 지하구조물 노선에 대한 굴착 등급의 분포는 입찰 과정에서의 입찰가 및 프로젝트 수행과정에서의 사용 물량 계산의 수립을 위한 근거를 제공한다.

다른 암반 거동 형태라도 같은 기준 (measure)이 적용될 수 있는 것과 같이 하나 이상의 거동 형태를 보이더라도 같은 굴착등급이 적용될 수 있다. 다른 한편으로 다양한 물성으로 넓은 범위의 지보 기준이 요구되는 경우에는 하나의 거동 형태에 대한 하나 이상의 굴착 등급을 설계하는 것이 요구되어지며, 명확한 제한 기준 (limiting criteria)으로 구분된 거동 형태를 정의해야 한다. 그러나 만약 하나의 거동 형태가 국부적 영향인자에 의존하는 다른 굴착 등급을 요구한다면, 기준 (criteria)은 재평가되어야 하고 명확한 제한 기준으로 새로운 거동 형태가 결정되어야 한다 (예를 들면 변위의 예상 범위, 예상 여굴의 체적 및 위치 등). 다른 요구조건 및 제한조건이 같은 거동 형태를 가진 다른 위치에 존재하는 경우, 같은 거동 형태에 대하여 다른 굴착 등급이 요구될 수도 있다.

예산 수량 계산을 위하여 굴착등급 분포를 가능한 정확히 예측하여야 하며, 노선을 따라 굴착등급의 분포를 확정할 때 암반의 비균질성을 고려하여야만 한다. 비균질성이 매우 심한 지반에서는 수시로 변하는 굴착 및 지보 공법은 기술적 및 경제적인 시공이 매우 힘들 것으로 판단된다.

보고서 작성

지반공학적 (geotechnical) 설계는 지반공학 보고서 (geotechnnical report)로 정리되어야 하며, 보고서에는 각 단계 (single step)가 결정 과정의 재검토가 가능한 방법으로 나타나야만 한다. 프로젝트에 관련된 여러 전문가 팀에서 제출된 개별 보고서는 지반공학 보고서의 근간을 형성하며, 전문가 및 지반공학 기술자 그리고 터널 설계 기술자들은 공동으로 보고서를 준비해야 한다.

보고서에 포함되어야 하는 내용으로는 지질학 및 지반공학적 조사 결과의 요약, 결과 설명, 암반 종류의 설명 및 관련 주요인자, 암반 거동 형태의 설명 및 관련 영향 인자, 수행된 분석 내용, 지반공학적 모델, 굴착 및 지보 결정에 관련된 분석 및 결과, 기본노선 시공 계획, 기본노선 시공 계획에 대한 세부 규정 그리고 굴착 등급 및 노선에 따른 굴착 등급의 분포 결정에 관한 요약 등이다.

그림 4. 암반 거동 형태 결정의 예

4.2 시공 단계

일반적으로 암반 조건은 시공에 앞서 충분히 정확하게 정의될 수 없기 때문에 지반공학적 모델의 지속적인 갱신 및 시공 중 실제 지반 조건에 대한 굴착 및 지보의 수정/보완이 요구된다. 대부분의 경우 지보 종류 및 지보량 뿐만 아니라 굴착 방법의 최종 결정은 현장에서만 가능하며, 충분한 안정성을 보장하기 위하여 안정성 관리 계획을 따를 필요가 있다. 그림 5는 시공중 굴착 및 지보의 결정과 시스템 거동 검토를 위한 기본 절차를 보여준다.

그림 5. 시공중 굴착 및 지보의 결정과 시스템 거동 검토를 위한 기본 절차

실제 암반 종류의 결정

암반 종류 (RMT) 결정을 위하여 현장에서 수집된 주요 인자는 설계 단계에서 정의되어져야 하며, 조사 단계에서 수집된 자료는 시공중 수집된 자료로 보완되어야 한다. 때로는 암반 거동에 직접적으로 영향을 미치는 것으로 관찰된 추가 인자를 정의할 필요가 있으며, 추가 인자의 사용은 프로젝트 관련자들의 동의가 있어야 한다.

각각의 주요인자는 유사한 범주로 분류되며, 가능하다면 정성적인 설명보다는 정량적으로 표현하는 것이 바람직하다. 그러나 현재 실용적인 문제 때문에 일부 인자는 정성적으로 설명되어질 수밖에 없다. 또한 미리 정의된 기준을 사용함으로써 인자는 가중치를 주고 조합되며, 적절한 암반 거동 형태로 구분된다.

현장 지질학자는 관련 지반공학적 자료를 수집하고 암반 구조를 관찰하고 기록하는데 집중하여야 하며, 균질하지 않은 암반 조건에서는 암반은 여러 구간으로 구분하여 각 구간별로 적절한 주요 인자들을 수집하여야 한다. 현장에서 수집되고 평가된 지질학적 및 지반공학적 자료는 암반 조건의 외삽 추정 및 예측을 위한 근거가 되므로 지질학적 작업은 막장 조건의 단순 기록뿐만 아니라 암반 반응을 제어하는 암석 체적에서의 조건 예측을 포함해야만 한다.

암반 거동 형태의 할당

과대 응력의 징후, 변형 패턴 및 관찰된 파괴 메커니즘, 그리고 전방 조사의 결과 등과 같은 시공중 관찰은 지반공학적 모델을 지속적으로 갱신하기 위하여 사용되며, 굴착에 대한 지반의 반응은 적절한 지반공학적 계측 방법 및 레이아웃을 이용하여 관찰되어야 한다. 시공중 관찰 및 측정 결과를 바탕으로 단기 예측 (short-term prediction)이 이루어지고, 다음 굴착 단계에 대한 실제 암반 거동 형태가 결정된다.

암반 종류 결정에 필요한 인자에 추가하여 시공중 거동뿐만 아니라 지하수 조건, 암반 구조, 평가된 응력 상태, 그리고 운동학적 조건과 같은 영향인자 역시 기록해야만 한다. 굴착 및 지보에 대한 암반 반응은 적절한 계측 (monitoring) 시스템을 이용하여 관찰하며, 터널의 공간적 변위와 결과 해석에 특히 주의해야 한다. 이러한 암반에서 발생하는 역학적 과정은 영향인자의 공간 및 시간 의존성 상호작용을 고려함으로써 상세히 지속적으로 분석되고, 분석 결과는 문서화되어야 한다. 또한 복잡한 지반 조건 또는 상당한 위험이 잠재되어 있는 프로젝트에 대해서는 지반공학 지술자가 현장에 상주하여 변위 측정 결과를 이용한 분석, 응력 분석, 변위 경향 및 변위 벡터 방향성의 추론 그리고 추가 계측 결과의 분석 등을 수행해야 한다.

지반공학적 상세 분석 결과는 최종적으로 굴착 및 지보를 결정하는데 도움이 된다. 또한 암반 구조에 대한 정보 및 현장 관찰 그리고 계측 프로그램을 통한 결과 분석을 통해 막장 전방의  단기적인 암반 거동을 예측할 수 있으며, 따라서 시공중 지반공학 모델은 지속적으로 갱신되고 정제되어야 한다.

굴착 및 지보 결정

굴착 및 지보 공법의 결정을 위하여 현장에서 관찰된 암반 종류 및 거동 형태가 설계 기준과 일치하는지 검토해야 하며, 허용오차를 초과하는 경우 즉시 조치를 취할 수 있도록 준비하여야 한다. 또한 시공 과정의 최종 결정은 안전하고 경제적인 작업 수행의 목적과 함께 현장에서 수집된 모든 정보에 기초를 두어야 하며, 이러한 결정은 소유자 및 계약자 등의 책임자의 동의를 받아야 한다.

설계시 각 암반 거동 형태에 따라 시공 순서 및 굴진장 (round length)의 범위 그리고 지보가 결정되며, 시공중 획득되는 정보를 통해 기준을 보다 세련되게 한다. 현장에서의 보다 자세한 결정을 위하여 각 인자를 위한 목록을 증가시키거나 추가 인자들을 정의할 수 있으며, 기준 및 인자 범주의 변화는 현장 자료 및 평가를 통해 보충되어야 하고 인자 범주 또는 기준이 변화함에 따라 기본노선 시공 계획을 갱신할 필요가 있다.

이용 가능한 많은 정보를 통해 거동 형태에 대한 적절한 시공 과정을 할당함으로써 실제 암반 거동은 정확하게 평가되고 특히 시스템 거동은 보다 정밀한 예측이 가능하다. 실제 막장 지점으로부터 10～20 m 전방 구간에 대하여 시스템 거동이 예측되어야 하며, 특히 터널 변위와 지표 침하의 크기 및 방향성, 시공중 예상 거동 그리고 지보재 사용 등의 예측이 필요하다.

시스템 거동의 검토

굴착 및 지보된 터널 거동을 모니터링함으로써 안정성 계획시의 요구조건 및 기준에 부합되는지 확인하여야 하며, 관찰 거동과 예상 거동 사이의 차이가 발생할 경우 암반 종류 (RMT)와 굴착 및 지보의 결정을 위하여 시공중 사용된 인자 및 조건은 재검토되어야만 한다. 변위 또는 지보의 사용이 예상보다 클 때 다른 시스템 거동의 원인에 대한 상세 조사를 수행하여야 하며, 만약 필요하다면 추가 지보를 설치하는 등의 조치를 하게 된다. 시스템 거동이 예상보다 양호할 경우에도 역시 원인 분석이 이루어져야 하며, 이러한 분석을 통한 결과는 지반공학적 모델과 한계 기준 및 인자를 재조정하는데 사용되어져야 한다.

실제 시스템 거동은 굴착중 거동 관찰과 측정 결과의 평가 및 분석을 이용하여 예측 시스템 거동과 비교하며, 거동의 편차에 대한 원인을 분석하여야 한다. 영향 인자에 관한 가정이 부적절한 경우, 인자를 수정해야 하며, 수정 및 보완은 적절한 자료와 분석을 통해 이루어져야 하고 갱신된 기본노선 시공 계획에 문서화되어야 한다.

암반 상태가 예상보다 양호한 경우 지반공학적 모델은 재검토되어야 하며, 큰 편차를 가지는 경우 굴착 및 지보 결정을 위한 기준 (criteria)이 수정되어야 한다. 반면에 암반 상태가 예상보다 나쁠 경우, 예를 들어 추가 볼팅 및 가인버트 설치 등의 보강 조치가 요구된다. 때로는 다음 굴진 막장에서 더 강한 지보를 설치함으로써 목표를 충분히 달성할 수 있으며, 다른 한편으로는 지반공학적 모델을 재검토해야하는 경우도 있다.

설계 갱신

시공중 사용할 수 있는 정보의 제한 때문에 설계에 많은 가정 및 단순화 모델을 사용하게 되며, 이는 기본노선 시공 계획과 입찰 보고서를 위한 근거가 된다. 지반공학 보고서 및 기본노선 시공 계획은 현장 시공 과정의 상세 설계의 바탕이 되며, 안전하고 경제적인 건설을 위하여 시공중 수집되는 자료를 바탕으로 지속적으로 지반공학적 설계를 갱신할 필요가 있다. 이는 암반 거동 형태의 결정뿐만 아니라 암반 종류 결정, 주요 파라미터의 할당, 기준의 수정 (calibration) 등에 적용되며, 파라미터 범주를 세분화하고 추가 기준을 채택함으로써 지반공학 모델을 향상시킬 수 있고 기본노선 시공 계획은 지반공학 모델과 함께 동시에 갱신되어야 한다.

5.결론

일반적으로 터널 굴착 대상이 되는 암반은 매우 복잡한 복합체 구조를 가지고 있으며, 불확실성으로 인하여 암반 물성 및 조건의 예측은 매우 어렵기 때문에 암반 조건 및 시공 과업에 대한 신뢰할만한 결과를 제공하는 보편적인 도구 및 기술을 확립한다는 것은 거의 불가능하다.

암반의 경험적인 분류와 지보 결정을 위한 도구로 이용되는 암반분류시스템은 사용이 편리한 장점이 있는 반면에 개발된 현지 암반과 유사한 조건에서만 적용이 이루어지고 파괴 메커니즘 등의 이론적 배경이 약하여 객관적 정량화가 어렵다는 단점이 있다. 또한 과도한 단순화된 시스템의 적용으로 설계 단계에서 적용성 및 융통성 (유연성) 부족과 객관성의 결여가 큰 문제로 대두되고 있다. 국내에서는 RMR 등을 이용한 획일적인 암반등급 평가를 통해 굴착 및 지보공법에 대하여 패턴화 설계를 함으로써 설계시 유연성 결여와 시공중 이상 현상에 대처할 수 있는 기술 및 설계 변경 등의 적용성이 더욱 결여되어 있다고 할 수 있다.

본 논문에서 소개한 오스트리아 터널 설계 가이드라인은 이러한 문제를 해결하기 위하여 제안되었으며, 그 특징은 암반 종류 결정뿐만 아니라 암반 거동 형태를 구분하여 암반 거동에 따른 굴착 및 지보공법을 결정하고 굴착 등급을 결정하는 것이다. 또한 일정한 패턴화된 설계가 아니라 시공중 계측 자료 등을 feedback함으로써 설계 검토 및 변경이 수시로 이루어지므로 기술자들이 현장에서 매우 유연하게 대처할 수 있는 장점이 있다.

따라서 국내에서도 패턴 설계가 아닌 불확실한 현장 조건에 맞도록 유연한 설계가 이루어지고 시공중 계측 자료를 이용하여 지반 조건의 변화 및 안정성 등을 분석하고 이를 통하여 굴착 및 지보공법을 결정할 필요가 있다고 판단된다.