A study on the impact of excavation damaged zone (EDZ) on groundwater inflow and optimization of grouting design

Lymeng Ny; Jin-Sung Kim; Hyoung-Seok Oh; Joon-Shik Moon; Ho-Seok Lee

doi:10.9711/KTAJ.2025.27.6.605

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Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. 30 November 2025. 605-622
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2025.27.6.605

A study on the impact of excavation damaged zone (EDZ) on groundwater inflow and optimization of grouting design

굴착손상영역(EDZ)이 지하수 유입에 미치는 영향과 그라우팅 최적화 연구

Lymeng Ny¹

Jin-Sung Kim²

Hyoung-Seok Oh³

Joon-Shik Moon⁴^*

Ho-Seok Lee⁵

니 리멩¹

김 진성²

오 형석³

문 준식⁴^*

이 호석⁵

¹Master Student, Dept. of Civil Engineering, Kyungpook National University

²Ph.D. Student, Dept. of Civil Engineering, Kyungpook National University

³Ph.D. Candidate, Dept. of Civil Engineering, Kyungpook National University

⁴Professor, Dept. of Civil Engineering, Kyungpook National University

⁵CEO, Vision Tech

¹비회원, 경북대학교 토목공학과 석사과정

²학생회원, 경북대학교 토목공학과 박사과정

³정회원, 경북대학교 토목공학과 박사수료

⁴정회원, 경북대학교 토목공학과 교수

⁵비회원, 비젼테크 대표이사

^{*Corresponding Author}

License (open-access, https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

ABSTRACT

This study aims to quantitatively investigate the impact of the excavation damaged zone (EDZ), formed during tunnel excavation, on groundwater inflow, and to propose an optimized grouting design strategy for effective mitigation. Targeting rock mass classes IV and V, this study analyzes the influence of EDZ characteristics, hydraulic property changes, and variations in grouting permeability and thickness by applying analytical equations and PLAXIS 2D-based numerical simulations. The results show that the presence of the EDZ significantly increases groundwater inflow paths, becoming a major factor in tunnel instability. Reducing the permeability of the grouting material and ensuring sufficient grouting thickness were found to be critical in lowering inflow rates. In particular, when the grouting permeability ratio was 1/100 and the thickness exceeded 1.5–2.0 m, more than 95% sealing efficiency was achieved, and the analytical and numerical results showed close agreement. Therefore, this study offers a quantitative grouting design methodology that considers both cost-effectiveness and technical reliability for future tunnel engineering applications.

Keywords

Excavation damaged zone (EDZ)

Grouting

Groundwater inflow

Hydraulic conductivity

Waterproof design

본 연구는 터널 굴착 시 형성되는 굴착손상영역(excavation damaged zone, EDZ)이 지하수 유입에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고, 이에 효과적으로 대응할 수 있는 최적의 그라우팅 설계 방안을 제시하는 것을 목적으로 한다. 암반등급 IV 및 V를 대상으로 EDZ의 특성과 수리적 변화, 그리고 그라우팅의 투수계수 및 두께 변화가 지하수 유입량에 미치는 영향을 PLAXIS 2D 기반 수치해석과 해석식을 통해 비교·분석하였다. 그 결과, EDZ의 존재는 지하수 유입 경로를 확대하여 터널 안정성 저하의 주요 원인이 되며, 그라우팅의 투수성 저감과 충분한 두께 적용은 유입량 감소에 결정적인 영향을 미친다. 특히 그라우팅 투수계수비가 1/100, 두께가 1.5–2.0 m 이상일 경우 95% 이상의 차수 효율이 확인되었으며, 해석식과 수치해석 결과가 유사하게 나타났다. 따라서 본 연구는 향후 터널 설계에 있어서 경제성과 기술적 신뢰성을 고려한 정량적 차수 설계 기법을 제공할 수 있다.

키워드

굴착손상영역(EDZ)

그라우팅

지하수 유입

투수계수

차수 설계

MAIN

1. 서 론
2. 굴착손상영역(EDZ)의 수리적 특성과 그라우팅 해석 개요
2.1 굴착손상영역(EDZ)
2.2 EDZ 기반 수리 해석 모델 및 그라우팅 설계 최적화
3. 매개변수 설정 및 수치해석 방법
3.1 매개변수 설정
4. 결과 및 고찰
4.1 그라우팅 투수계수의 영향
4.2 그라우팅 두께의 영향
4.3 해석식과 수치해석 결과의 비교
4.4 그라우팅 두께와 허용 지하수 유입량의 관계
5. 결 론

1. 서 론

심부 터널 굴착 시 지하수 유입은 특히 지반 아래 풍화암 지대나 절리가 발달된 암반 구간에서 주요한 리스크 요인으로 작용하며, 터널 굴착에 따라 형성되는 굴착손상영역(excavation damaged zone, EDZ)은 굴착 과정에서 미세 균열 증가와 구속압 손실, 투수성 증대를 유발하여 지하수 유입량을 증가시키고 유지관리 부담을 가중시킨다. 또한 응력 해방에 의한 절리의 확장과 균열 형성은 터널 내 지하수 침투 가능성을 증가시켜 붕괴, 침수, 시공 지연 등의 위험을 높이는 동시에 일부 구간에서는 투수성 저감과 같은 복합적 거동이 나타날 수 있으며, 이러한 지하수 유입은 지보재의 부식, 숏크리트 및 라이닝의 강도 저하, 수압 증가, 세굴, 파쇄 등 다양한 방식으로 터널 구조물의 성능 저하로 이어지게 된다.

이를 방지하기 위한 차수 대책으로 그라우팅이 널리 적용되고 있으나, 실제 시공에서는 여전히 경험적 판단이나 시행착오에 의존하는 경우가 많아 과도한 재료 사용 또는 불충분한 효과가 빈번하게 발생하며, 기존 연구들은 EDZ의 형상, 투수성 변화, 지하수 유입량 예측, 그라우팅 효과 등을 개별적으로만 다루는 경향이 있어 굴착손상영역–유입–차수의 상호작용을 종합적으로 반영한 정량적 설계 기반이 부족한 실정이다.

이에 본 연구에서는 해석적 접근과 경험적 자료를 결합한 하이브리드형 수치해석 모델을 통해 EDZ가 존재하는 암반 조건에서 그라우팅의 두께 및 투수계수 변화가 터널 내부 지하수 유입량에 미치는 영향을 정량적으로 규명하고, 수리적 안정성을 확보하면서도 자재와 비용을 최소화할 수 있는 최적 그라우팅 설계 전략을 제시하고자 한다.

2. 굴착손상영역(EDZ)의 수리적 특성과 그라우팅 해석 개요

2.1 굴착손상영역(EDZ)

터널 굴착 시 암반의 구조적 변형은 지반 안정성 저하 및 지하수 유입을 유발하며, 이러한 손상이 집중되는 구역을 굴착손상영역(EDZ)이라 한다(Kelsall et al., 1984; Pusch and Stanfors, 1992). 초기에는 교란대(excavation disturbed zone, EdZ)와 동일하게 사용되었으나, 이후 연구에서는 손상 정도에 따라 구분하는 방식으로 발전하였다(Bäckblom, 2008).

EDZ는 굴착으로 인한 균열 확대, 강도 저하, 투수성 증가가 특징이며(Martino and Chandler, 2004; Tsang et al., 2005), 손상 정도에 따라 구조적 손상영역(construction damaged zone, CDZ), 고도 손상영역(highly damaged zone, HDZ), 굴착손상영역(EDZ)으로 구분되며, 이들 손상 영역을 모두 포함하는 굴착영향영역(excavation influenced zone, EIZ)으로 구분된다. Fig. 1은 이러한 손상 구분 체계를 개념적으로 도시한 것으로, 굴착면 주변에서의 교란 및 손상 영역을 시각적으로 보여준다.

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Fig. 1.

Excavation damaged zone (CDZ, HDZ, EDZ)

굴착손상영역(EDZ)은 굴착 시 발생하는 역학적 교란과 응력 재분포에 따라 형성되며, 이로 인해 암반 내에서는 물리적, 기계적, 수리적 특성이 복합적으로 변화하게 된다. 일반적으로 굴착에 의해 암반에 존재하는 기존의 불연속면이 연결되거나, 새로운 미세균열이 발생하여 암반의 구조적 연속성이 저하된다. 이러한 손상은 암반 강도의 저하, 탄성계수 감소, 파괴 에너지 흡수력 감소 등 다양한 측면에서의 변화를 수반하며, 동시에 암반의 투수성 증가, 차수 기능 저하 등 터널의 내구성에도 부정적인 영향을 미친다.

EDZ의 형성에 직접적으로 영향을 미치는 것은 터널 굴착 방식이다. 발파로 인한 굴착은 폭발에 의한 충격파와 응력 집중 현상으로 인해 상대적으로 넓은 손상 범위를 유발하며, 고에너지 파쇄로 인해 균열이 암반 심부까지 확장될 수 있다. 반면, 기계식 굴착은 절삭력 중심의 공법으로, 비교적 손상 깊이가 얕고 균열 밀도도 낮아 EDZ의 범위가 작게 나타나는 경향이 있다.

Matsui et al. (2003)의 현장 연구에서는 발파 시 벽체부에서 약 0.3 m, 바닥부에서 0.8 m에 이르는 손상 영역이 확인되었으며, 그에 비해 동일 조건에서의 기계식 굴착은 EDZ의 형성이 크게 억제되는 양상을 보였다. 이와 같이 굴착공법, 초기 응력 상태, 암반 강도 및 균열, 밀도 등의 요인은 EDZ의 범위 및 손상 정도에 중요한 영향을 미친다.

또한 EDZ는 암반 내부의 수리적 경계조건을 변화시켜 지하수 유동 특성에 중대한 영향을 미칠 수 있다. 암반의 투수성이 국지적으로 증가할 경우, 기존에는 지하수 유입이 미미하던 구간에서도 집중 유입 현상이 발생할 수 있으며, 이는 구조물의 침수 위험을 증가시키고, 장기적인 안정성 확보를 저해할 수 있다.

이러한 특성으로 인해, EDZ는 단순한 암반 물성이 변화하는 영역이 아니라, 구조물 설계의 핵심 고려 요소로 인식되고 있으며, 그라우팅 공법의 효율성과 안정성을 확보하기 위해, 형상 및 물성의 정량적 평가와 예측을 통한 그라우팅의 적절한 두께를 산정하는 기술의 고도화가 필수적으로 요구되고 있다.

2.2 EDZ 기반 수리 해석 모델 및 그라우팅 설계 최적화

굴착손상영역(EDZ)은 굴착에 따라 암반의 투수성이 증가하고 강도가 저하되는 구간으로, 이로 인해 지하수 유동이 집중되고 차수 성능이 약화될 수 있다. 특히 EDZ 내의 균열 연결성과 파쇄 구조는 기존 암반보다 훨씬 높은 투수성을 띄고 있으며, 터널 안정성을 크게 저하시킨다. 따라서 이러한 변화를 정량적으로 평가하고 적절한 차수 대책을 수립하기 위해서는 EDZ 특성을 반영한 수리 해석 모델이 필요하다.

본 연구에서는 EDZ의 범위와 물성 변화, 특히 투수계수 증가를 고려한 해석적 접근을 통해 그라우팅 조건에서의 최적 매개변수를 산정하기 위한 수치해석 기법을 적용하였다. 먼저 경험식을 이용해 EDZ 두께를 추정한 후, PLAXIS 2D를 활용하여 투수계수 및 그라우팅 두께 변화에 따른 지하수 유입량을 해석하였다.

선행연구 중 Karlsrud (2002)는 그라우팅의 차수 효과 및 시공성 평가를, Goodman et al. (1964)과 El Tani (2003)는 터널 내 지하수 유입 해석을 주로 다루었다. 그러나 본 연구에서는 EDZ 형성으로 인한 투수성 변화가 그라우팅 설계에 직접적인 영향을 미친다는 점에 주목하여, 두 요소를 통합적으로 고려한 하이브리드형 수치 해석 모델을 구축하였다. Chen et al. (2024), Wang et al. (2008), Ying et al. (2016)의 연구에서도 투수성 변화와 그라우팅 효과의 상호작용을 강조하였으며, 본 연구는 이러한 접근을 확장하여, Fig. 2에 도시된 바와 같이 터널 반경( $R$ ), 그라우팅 반경( $R_{g}$ ), EDZ 반경( $R_{E D Z}$ ), 그리고 영향반경( $R_{e}$ )간의 관계로 나타낼 수 있다.

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Fig. 2.

Simplified representation used to analyze groundwater flow through the EDZ and grouted zone

2.2.1 Hoek-Brown 기준을 적용한 소성영역 반경 산정

본 연구에서는 터널 굴착에 따른 EDZ의 반경을 Carranza-Torres and Fairhurst (1999)가 제안한 해석식을 기반으로 산정하였다. 이 해석식은 Hoek-Brown 파괴기준을 원형 터널에 적용하여 소성영역의 반경( $R_{p}$ )을 구하는 식으로, 터널 내벽 반경( $R$ )을 통해 산정이 가능하다.

(1)

R_{p} = R \exp [\frac{{\tilde{P}}_{i}^{c r^{(1 - \tilde{α})}} - {\tilde{P}}_{i}^{(1 - \tilde{α})}}{(1 - \tilde{α}) \tilde{μ})}]

여기서, $R_{p}$ : 소성영역의 반경(m)

$R$ : 터널 내벽 반경(m)

${\tilde{P}}_{i}^{c r}$ : 임계 내부 지압의 Hoek-Brown 변환 응력

$\tilde{P_{i}}$ : 실제 내부 지압의 Hoek-Brown 변환 응력

$\tilde{α}$ : Hoek-Brown 계수

$\tilde{μ}$ : 암반의 응력 변화율

2.2.2 EDZ와 그라우팅을 고려한 지하수 유입량 산정식

식 (6)은 외부 암반의 투수계수, 굴착손상영역의 투수계수, 그리고 그라우팅 재료의 투수계수를 각각 고려하여 반경 변화와 매질 특성 차이에 따른 수두 손실 분포를 정량적으로 표현한 것이다. 이 식은 서로 다른 수리적 특성을 지닌 영역을 연속적으로 연결하여 지하수 흐름 경로 전체의 수두 변화를 단계적으로 해석할 수 있도록 구성되어 있으며, 이를 통해 복잡한 암반 환경에서도 지하수 유입량의 정량적 예측이 가능하다. 특히, EDZ와 그라우팅의 두께, 투수계수, 그리고 이들의 상대적 비율이 터널 내 지하수 유입에 미치는 영향을 반영할 수 있어, 차수 효과 평가 및 그라우팅 효율 검토에 유용하게 적용될 수 있다. 또한, 소성영역의 반경( $R_{p}$ )을 구하는 식 (1)을 이용하여 EDZ의 반경( $R_{E D Z}$ )을 산정하였고 이를 본 해석식의 매개변수로 사용하였다. 이를 통해 본 해석식은 실제 현장의 불균질한 투수 구조를 보다 현실적으로 모사할 수 있다. 해석식인 식 (6)은 지하수 흐름을 단계적으로 유도한 것이며, 그 유도 과정은 다음과 같다.

지하수는 원형 터널의 주변 암반을 따라 터널 내부로 유입되므로, Darcy 법칙에 따른 유량은 다음과 같다.

(2)

Q = 2 π r k_{r} \frac{d h}{d r}

외곽 암반 경계 $R_{2}$ 에서 그라우팅의 경계 $R_{g}$ 까지의 수두변화에 따른 지하수 유량의 식을 적분하면 다음과 같다.

(3)

Q_{1} = \frac{2 π r k_{r} (h_{2} - h_{1})}{\ln (\frac{R_{2}}{R_{g}})}

그라우팅 영역 $R_{g}$ 에서 터널 내경 $R$ 까지 동일하게 적분을 하게 되면 다음과 같다.

(4)

Q_{2} = \frac{2 π r k_{r} (h_{1} - h_{0})}{\ln (\frac{R_{g}}{R})}

암반과 그라우팅 사이의 유량은 동일하기 때문에 유량 연속조건 $Q_{1} = Q_{2} = Q$ 를 적용하고, 터널 내경에서의 수두를 $h_{0}$ =0으로 가정하면 다음과 같다.

(5)

Q = \frac{2 π k_{g} h_{1}}{\ln (\frac{R_{g}}{R})} = \frac{2 π k_{r} h_{2}}{\frac{k_{r}}{k_{g}} \ln (\frac{R_{g}}{R}) + \ln (\frac{R_{2}}{R_{g}})}

EDZ가 존재하면 그라우팅과 지반 사이에 추가적인 수두 손실이 발생하기 때문에 다음과 같이 표현된다.

(6)

Q = \frac{2 π k_{r} H}{\ln (\frac{R_{2}}{R_{E D Z}}) + \frac{k_{r}}{k_{E D Z}} \ln (\frac{R_{E D Z}}{R_{g}}) + \frac{k_{r}}{k_{g}} \ln (\frac{R_{g}}{R})}

여기서, $Q$ : 터널로 유입되는 지하수 총 유량(m³/s)

$k_{r}$ : 외부 암반의 투수계수(m/s)

$H$ : 외부 지하수 수위와 터널 내 수두차(m)

$R_{e}$ : 영향반경, 지하수 유동이 도달하는 최대 반경(m)

$R_{E D Z}$ : 굴착손상영역(EDZ)의 반경(m)

$k_{E D Z}$ : 굴착손상영역(EDZ)의 투수계수(m/s)

$R_{g}$ : 그라우팅 영역 외곽 반경(m)

$k_{g}$ : 그라우팅 지반의 투수계수(m/s)

$R$ : 터널 내경(m)

3. 매개변수 설정 및 수치해석 방법

3.1 매개변수 설정

본 연구는 굴착손상영역(EDZ)의 특성을 반영하기 위해 암반등급 IV와 V를 대상으로 수치해석을 수행하였다. 대상 암반은 현장 조사와 실내시험 결과를 바탕으로 응회암으로 설정하였으며, 단위중량은 18 kN/m³으로 적용하였다. 터널은 무지보 굴착 조건으로 모델링하였다. 해석 모델은 Fig. 3과 같이 지하 50 m에 반지름 5 m의 터널로 구성되며, 지하수위는 지표면으로부터 15 m 아래로 설정하였다.

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Fig. 3.

Modeling for numerical analysis

EDZ 두께는 제2장의 식 (1)에서 계산된 소성영역의 반경( $R_{p}$ )과 터널 내경( $R$ )의 차이를 이용하여 IV 등급 0.7 m, V 등급 2.0 m로 산정하였고, 해석상 그라우팅 두께와 동일하게 가정하였다. 암반등급별 물성 차이에 따른 투수성과 그라우팅 효과의 상대적 변화를 비교하여, EDZ 발달 정도가 터널 차수 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 해석에서는 경계조건과 초기 수두조건을 정밀하게 부여하고, 매개변수 조정을 통해 수렴 안정성을 확보하였다. 적용한 암반 물성치는 Table 1에 제시하였다.

Table 1.

Rock Mass’s properties used in the parametric study

Rock grade	Cohesion (kPa)	Poisson’s ratio	Friction angle	Elastic modulus (MPa)	Permeability (cm/s)
IV	620	0.26	34.7	3,200	2.5 × 10^-5
V	150	0.28	32.3	700	3.9 × 10^-5

본 연구는 그라우팅 조건 변화가 터널 내 지하수 유입량에 미치는 영향을 정량화하기 위해, PLAXIS 2D를 활용한 유한요소 기반 지하수 유동 해석을 수행하였다. 지하수위는 터널 천단부 기준 상부 35 m에 위치하도록 설정하여 암반–지하수 상호작용을 모사하고, 투수성 변화와 그라우팅 효과를 함께 평가하였다.

경계 조건은 외곽에 일정 수두를 부여하고, 터널 내측은 유입 경계로 정의하였다. 좌우 측면은 수평변위 자유, 하부는 고정 경계로 설정하여 초기 지중응력 상태를 안정적으로 재현하였다. 또한, 실제 시공에서 EDZ와 그라우팅 경계가 명확히 구분되기 어려운 점을 고려하여, 해석에서는 EDZ 두께를 그라우팅 두께와 동일하게 가정하였다. 이러한 설정을 바탕으로 한 세부 해석 조건은 Table 2에 정리하였다.

Table 2.

Summary of grouting conditions for numerical analysis

Case No.	Applied condition	Permeability ratio $k_{g} / k_{r}$	Description
Case 1	No grouting	-	Baseline condition without any grouting, representing the maximum groundwater inflow into the tunnel
Case 2	Reduction Case ①	1/10	Grouting permeability reduced to one-tenth of the surrounding rock, used to evaluate inflow reduction effect
Case 3	Reduction Case ②	1/20	Permeability reduced to one-twentieth of the surrounding rock, representing a moderate sealing condition
Case 4	Reduction Case ③	1/50	Permeability reduced to one-fiftieth of the surrounding rock, representing an enhanced sealing condition
Case 5	Reduction Case ④	1/100	Permeability reduced to one-hundredth of the surrounding rock, representing the lowest permeability and maximum sealing effect

본 연구는 그라우팅의 차수 효과를 정량화하기 위해 무그라우팅을 기준선으로 설정하고, 주변 암반 대비 그라우팅 영역의 투수계수비를 1/10, 1/20, 1/50, 1/100으로 단계화한 해석 조건을 구성하였다. 각 조건은 동일한 지반·경계 설정 하에서 지하수 유입 저감률의 변화를 비교하도록 설계하였다.

추가로 그라우팅 두께를 0.5 m, 0.7 m, 1.0 m, 1.5 m, 2.0 m로 변화시켜 두께 민감도를 평가하였다. 이러한 매개변수 조합에 대한 해석 결과를 통해, 그라우팅 두께와 투수성 저감의 상호작용이 터널 내 유입량 감소에 미치는 영향을 정량적으로 검토하였으며, EDZ 존재 여부가 차수 성능에 미치는 효과도 함께 분석하였다.

4. 결과 및 고찰

본 연구는 EDZ가 존재하는 암반에서 그라우팅의 투수계수와 두께가 터널 내 지하수 유입량에 미치는 영향을 암반등급 IV·V 조건에서 수치적으로 평가하였다. 해석 결과, 투수계수비가 감소하고 그라우팅 두께가 증가할수록 유효 투수성이 낮아져 유입 경로가 차단·축소되고, 이에 따라 터널 주변의 지하수 유동이 안정화되며 지하수 유입량이 뚜렷하게 감소하였다. 이러한 경향은 두 암반등급에서 일관되게 관찰되었고, 그라우팅 지반의 투수성 저감과 충분한 그라우팅 두께 확보가 터널의 차수 성능을 좌우하는 핵심 변수임을 정량적으로 확인하였다.

4.1 그라우팅 투수계수의 영향

EDZ가 형성된 조건에서 터널 굴착 시 지하수 유입은 증가하는 경향을 보이므로, 본 절에서는 암반등급 IV·V를 대상으로 그라우팅 투수계수비 변화가 유입량에 미치는 영향을 수치해석으로 평가하였다. 기준 상태(무그라우팅)를 포함하여 투수계수비를 1/10, 1/20, 1/50, 1/100으로 단계화하였고, 각 조건에 대해 터널 내부 지하수 유입량을 산정하여 저투수화에 따른 차수 성능 향상을 정량적으로 비교하였다. 분석 결과는 Table 3에 정리하였으며, Fig. 4는 투수계수비( $k_{g} / k_{r}$ ) 변화에 따른 터널 1 m 길이당 하루동안 유입되는 지하수량( $Q_{g}$ )을 분석한 것이다.

Table 3.

Water inflow and reduction rate according to grouting permeability ratio

Rock grade	Permeability ratio $k_{g} / k_{r}$	Water inflow $Q_{g}$ (m³/day/m)	Reduction rate (%)	Remarks
IV	No grouting	3.616	-	Baseline condition
	1/10	1.239	66	Grouting permeability reduced to 1/10
	1/20	0.921	75	Moderate sealing condition
	1/50	0.521	86	Enhanced sealing condition
	1/100	0.298	92	Maximum sealing efficiency
V	No grouting	5.608	-	Baseline condition
	1/10	1.268	77	Grouting permeability reduced to 1/10
	1/20	0.872	86	Moderate sealing condition
	1/50	0.397	93	Enhanced sealing condition
	1/100	0.203	96	Maximum sealing efficiency

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Fig. 4.

Water inflow after grouting with permeability ratio

해석 결과, 투수계수비가 작아질수록 유입량이 일관되게 감소하였고, 동일 조건에서 암반등급 V가 IV보다 민감도가 크게 나타났다. 이는 상대적으로 낮은 암반등급에서의 그라우팅으로 인한 투수성 저감효과가 더 크게 작용하기 때문으로 분석하였다.

무그라우팅 상태에서 터널 내부 지하수 유입량은 암반등급 IV에서 3.616 m³/day/m, V에서 5.608 m³/day/m로 산정되었다. 투수계수비를 1/10으로 낮출 경우 유입량은 각각 1.239와 1.268 m³/day/m으로 감소하여 66–77%의 저감률을 보였고, 1/20에서는 0.921 (IV)과 0.872 m³/day/m (V)로 75–86%, 1/50에서는 0.521 (IV)과 0.39 m³/day/m (V)로 86–93%, 1/100에서는 0.298 (IV)과 0.203 m³/day/m (V)으로 92–96%의 저감률이 확인되었다. 전체적으로 투수계수비가 작아질수록 유입량이 감소하였으며, 동일 조건에서 감소율은 V 등급이 IV 등급보다 크게 나타났고, 1/100 조건에서는 V 등급의 절대 유입량이 IV 등급보다 낮았다.

4.2 그라우팅 두께의 영향

그라우팅 두께의 영향분석을 위해 투수계수비( $k_{g} / k_{r}$ )가 1/100일 때를 기준으로 그라우팅 두께를 0.5, 0.7, 1.0, 1.5, 2.0 m의 다섯 단계로 설정하였으며, 지반 물성·경계/초기 수두·요소망 기준은 모두 동일하게 유지하여 두께 변수의 효과만 분리하였다. 비교 지표는 각 조건의 지하수 유입량( $Q_{g}$ )과 기준 대비 감소율(%)이며, 암반등급 IV와 V에 대하여 동일 절차로 산정하였다. 또한 EDZ와 그라우팅 경계의 불확실성을 반영하기 위해 EDZ 두께와 그라우팅 두께를 동일하게 가정하여 차수 영역의 유효 두께에 따른 민감도를 일관되게 파악하였고, 수치해석의 결과는 Fig. 5에 정리하였다.

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Fig. 5.

Water inflow in rock type IV-V with the grouting thickness: (A/a) 0.5 m, (B/b) 0.7 m, (C/c) 1.0 m, (D/d) 1.5 m, and (E/e) 2.0 m

Fig. 5는 동일한 투수계수비( $k_{g} / k_{r}$ ) 1/100 조건에서 그라우팅 두께 변화에 따른 터널 내부 지하수 유입량을 확인할 수 있다. 이때 그림에 나타난 파란색 선은 지하수가 터널로 유입되는 유동 방향과 세기를 시각적으로 나타낸 것으로, 유속이 빠르거나 유입이 집중되는 구간일수록 선이 밀집되어 있다. Fig. 4에서 나타난 것처럼, 그라우팅 두께가 증가함에 따라 지하수의 흐름이 외측으로 분산되고 유속이 감소하는 양상을 보이며, 이는 그라우팅이 단순한 형상 요소가 아닌 차수 성능의 핵심 매개변수로 작용함을 보여준다.

각 조건에 대해 산정된 차수효율(%)과 실제 지하수 유입량은 Table 4에 정리되어 있으며, Fig. 6은 암반등급 IV와 V에서 그라우팅 두께 변화에 따른 터널 내부 지하수 유입량( $Q_{g}$ )을 나타낸 그래프이다. 암반등급 IV와 V 모두에서 그라우팅 두께가 증가할수록 터널 내부 지하수 유입량이 점진적으로 감소하는 경향을 나타냈다. 특히, 그라우팅 두께가 가장 적은 0.5 m 조건에서는 차수효율이 약 90% 수준으로 나타났으며, 두께가 1.0 m 이상으로 증가할 경우 약 94% 이상으로 향상되어 뚜렷한 개선 효과를 확인할 수 있었다. 그러나, 1.5 m 이상에서는 효율이 95–96% 수준에서 수렴하는 경향을 보여, 추가적인 두께 증가에 따른 차수효율 개선은 미미한 수준임을 알 수 있다.

Table 4.

Water inflow and sealing efficiency according to grouting thickness

Rock grade	Grouting thickness (m)	Water inflow $Q_{g}$ (m³/day/m)	Reduction rate (%)	Remarks
IV	0.5	0.365	90	Thin grouting (minimum sealing)
	0.7	0.298	92	Improved sealing with increased thickness
	1.0	0.227	94	Stable sealing condition
	1.5	0.164	95	Enhanced sealing effect
	2.0	0.130	96	Maximum sealing efficiency
V	0.5	0.578	90	Thin grouting (insufficient sealing)
	0.7	0.457	92	Improved sealing with increased thickness
	1.0	0.347	94	Stable sealing condition
	1.5	0.254	95	Enhanced sealing effect
	2.0	0.203	96	Maximum sealing efficiency

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Fig. 6.

Water inflow with grouting thickness for rock types IV-V

이러한 결과는 일정 두께 이상에서 그라우팅 침투 범위가 EDZ를 초과하여 상대적으로 투수성이 낮은 손상되지 않은 암반 영역에 도달하기 때문으로 해석된다. 즉, 차수 효과는 주로 EDZ 내부의 균열 충전 및 미세공극 차단에 의해 좌우되며, 일정 두께 이후에는 추가 주입이 수리적 저항을 크게 개선하지 못한다. 따라서 그라우팅 두께가 1.5 m를 초과할 경우 비용 대비 효율이 낮은 과도한 주입에 해당하며, 차수효율 향상은 점차 제한적인 구간에 이르게 된다.

4.3 해석식과 수치해석 결과의 비교

본 절에서는 앞서 제시한 식 (6)을 기반으로, 그라우팅 이후 터널 내부 지하수 유입량을 해석식과 수치해석 결과를 비교·분석하였다. 해석은 암반등급 IV와 V를 대상으로 수행하였으며, 투수계수비 1/100 조건을 일정하게 유지한 상태에서 그라우팅 두께(0.5–2.0 m)에 따른 터널 내부 지하수 유입량 변화를 검토하였다.

Table 5는 암반등급별 그라우팅 두께에 따른 해석식 결과와 수치해석 결과를 정리한 것이다. 그라우팅 두께가 증가할수록 터널 내 유입량은 점진적으로 감소하였으며, 이는 그라우팅 확장에 따른 차수율 상승에 기인한다. 해석식과 수치해석 모두 동일한 감소 경향을 보였고, 특히 1.0 m 이상의 두꺼운 그라우팅에서는 두 결과 간 차이가 매우 미미하였다. 반면 얇은 두께(0.5 m 이하)에서는 해석 결과 간 차이가 뚜렷하게 나타났으며, 해석식이 수치해석 대비 유입량을 크게 산정하는 경향을 보였다. 이러한 경향은 얇은 그라우팅이나 불균질한 암반 조건에서 더욱 두드러지므로, 해석식은 차수 설계의 초기 검토 단계에서 유용하되 설계 단계에서는 반드시 수치해석을 병행하여 검증하는 것이 바람직하다.

Table 5.

Comparison of the simplified equation and numerical analyses

Rock grade	Grouting thickness (m)	Simplified equation	Water inflow $Q_{g}$ (m³/day/m)
IV	0.5	0.402	0.365
	0.7	0.309	0.298
	1.0	0.231	0.227
	1.5	0.166	0.164
	2.0	0.132	0.130
V	0.5	0.637	0.578
	0.7	0.487	0.457
	1.0	0.364	0.347
	1.5	0.261	0.254
	2.0	0.207	0.203

4.4 그라우팅 두께와 허용 지하수 유입량의 관계

본 절에서는 굴착손상영역(EDZ)이 형성된 암반에서 그라우팅 두께와 터널 내부에 허용된 지하수 유입량 간의 상관관계를 분석하였다. 해석은 앞 절에서 도출된 투수계수비 1/100 조건을 기준으로 수행하였으며, 암반등급 IV와 V에 대해 각각의 최적 두께 범위를 비교·검증하였다.

Table 6은 그라우팅 두께 증가에 따른 터널 내부 지하수 유입량 감소율( $Q_{g} / Q_{0}$ )을 나타낸 것으로, 암반등급별 차수율의 정량적 비교가 가능하다. 이를 바탕으로 두개의 암반등급에서 요구되는 차수 성능을 만족하는 최적 그라우팅 두께 범위를 분석하였다.

Table 6.

Comparison of groundwater inflow reduction by grouting thickness in Rock types IV and V

Rock grade	IV					V
Grouting thickness (m)	0.5	0.7	1	1.5	2	0.5	0.7	1	1.5	2
$Q_{g} / Q_{0}$	0.100	0.082	0.062	0.045	0.035	0.103	0.081	0.061	0.045	0.036

수치해석 결과, 중간 정도의 투수성을 가진 암반등급 IV에서는 그라우팅 두께 0.7–1.0 m 구간에서 약 92–94% 수준의 유입 저감 효과가 나타났다. 이는 일반적인 터널 방수 설계 기준에서 요구되는 성능 수준(약 90% 이상 저감)과 유사하며, 비교적 얇은 두께의 그라우팅으로도 충분한 차수효과를 확보할 수 있음을 보여준다.

반면, 상대적으로 암반등급 IV보다 높은 투수성을 가진 암반등급 V에서는 동일 조건에서 얕은 두께(0.5–0.7 m)의 그라우팅만으로는 차수효과가 제한적이었다. 이 경우 최소 1.5–2.0 m 이상의 그라우팅 두께를 적용해야 약 95–96% 수준의 유입 저감 효과를 달성할 수 있다. 즉, 암반의 투수성이 높을수록 상대적으로 두꺼운 그라우팅이 필요하며, 투수성이 낮은 재료의 병행 적용을 통해 효과적인 차수 성능을 확보할 수 있음을 확인하였다.

이러한 결과는 국제적 설계 기준과도 일치한다. 일반적인 터널 설계에서 그라우팅 후 지하수 유입량은 약 80–95% 수준으로 제한되며(Mao et al., 2016), 도심지 또는 민감 지역, 특히 해저터널의 경우 더욱 엄격한 기준(95% 이상)이 적용된다(Garshol et al., 2012; Stille, 2015).

본 연구의 결과 또한 이러한 기준 범위에 부합하며, 암반등급 IV의 경우 0.7–1.0 m, 암반등급 V의 경우 1.5–2.0 m의 두께의 그라우팅을 적용할 때 각각 92–96% 수준의 터널 내부 지하수 유입 저감 효과를 확인하였다.

5. 결 론

본 연구에서는 굴착손상영역(EDZ)가 형성된 터널 구간에서의 지하수 유입량을 정량적으로 제어하기 위해, 그라우팅의 차수 성능을 해석적 접근과 수치해석을 병행하여 분석하였다. 해석적 방법과 수치해석(PLAXIS 2D)을 통합적으로 활용하여 EDZ 두께, 그라우팅 두께, 투수계수 감소율 등의 주요 변수를 체계적으로 검토하였으며, 두 해석 결과 간의 상관성을 비교·검증하였다. 그 결과, 해석식과 수치해석을 결합할 경우 터널 내부 지하수 유입량을 보다 합리적이고 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다.

1. 굴착손상영역(EDZ)의 발달은 암반의 투수성에 직접적인 영향을 미치며, 특히 암반등급 IV 및 V와 같은 연약한 암반에서 두드러지게 나타났다. 해석 결과, 암반등급 IV의 EDZ 두께는 약 0.7 m, 암반등급 V의 EDZ 두께는 약 2.0 m로 산정되었다.

2. 수치해석 결과, 암반등급 IV에서는 투수계수비 조건에서 그라우팅 두께 0.7 m 적용 시 지하수 유입량이 3.616에서 0.299로 약 92% 감소하였다. 반면, 상대적으로 높은 투수성을 가진 암반등급 V에서는 동일 조건에서도 지하수 유입량이 상대적으로 높았으나, 그라우팅 두께를 2.0 m로 확장할 경우 5.608에서 0.203으로 약 96% 감소하였다. 이는 그라우팅 두께와 투수계수 저감율이 모두 지하수 유입량 감소에 핵심적인 매개변수임을 보여준다.

3. 해석식과 수치해석 결과를 비교한 결과, 그라우팅 두께가 증가할수록 두 해석 간의 일치도가 높아졌으며, 특히 1.0 m 이상의 구간에서는 차이가 거의 발생하지 않았다. 그러나 얇은 두께의 그라우팅(0.5 m 이하)에서는 해석식이 지하수 유입량을 다소 크게 산정하는 경향을 보였는데, 이는 지반 내 지하수 유동 조건을 균질하게 단순화한 해석 가정에 기인한 것으로 보인다. 따라서 해석식은 실무 초기 설계 검토에 활용 가능하며, 정밀 설계 단계에서는 수치해석을 병행함으로써 예측 정확도를 향상시킬 수 있다.

4. 본 연구는 EDZ 두께–투수계수 저감율–그라우팅 두께를 통합적으로 고려한 하이브리드형 해석·수치 기반 차수 설계 체계를 제시하였다. 제안된 접근법은 다양한 암반 조건에서 맞춤형 그라우팅 설계를 가능하게 하며, 실무 설계자가 90% 이상의 지하수 유입의 차수효율을 목표로 한 경제적이고 신뢰성 높은 설계를 수행할 수 있는 근거를 제공한다. 향후 장기 모니터링 및 3차원 수치모델과 연계될 경우, 복잡한 암반 환경에서의 지하수 유동 예측과 차수 설계의 정밀성을 한층 향상시킬 것으로 기대된다.

본 연구에서는 암반등급에 따른 EDZ 두께를 기존의 해석식을 이용하여 산정하였다. 그러나 실제 현장에서는 터널 굴착 방식, 터널 단면 크기, 지보재 설치 시기 등에 따라 EDZ의 두께가 증가하거나 감소할 수 있다. 따라서 향후 연구에서는 EDZ 범위 산정에 관한 추가적인 연구와 그라우팅 두께 산정의 연구가 병행된다면 보다 정밀한 지하수 유입량 저감 효과 평가가 가능할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 지원(과제명: 초장대 K-지하고속도로 인프라 안전 향상 기술개발, 과제번호 RS-2024-00416524)을 받아 수행된 연구입니다. 이에 감사드립니다.

저자 기여도

니리멩은 데이터 해석을 담당하고, 김진성은 원고작성을 수행하며, 오형석은 데이터 수집과 분석을 담당하고, 문준식은 연구 개념 및 설계를 수립하고 원고를 검토하고 이호석은 현장 기술 자문과 실무 적용 가능성 검토를 수행하였다.

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Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association ISSN:2233-8292(Print) 2287-4747(Online) 한국터널지하공간학회 논문집

Preview

A study on the impact of excavation damaged zone (EDZ) on groundwater inflow and optimization of grouting design

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1.

Excavation damaged zone (CDZ, HDZ, EDZ)

Fig. 2.

Simplified representation used to analyze groundwater flow through the EDZ and grouted zone

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Fig. 3.

Modeling for numerical analysis

Table 1.

Rock Mass’s properties used in the parametric study

Table 2.

Summary of grouting conditions for numerical analysis

Table 3.

Water inflow and reduction rate according to grouting permeability ratio

Fig. 4.

Water inflow after grouting with permeability ratio

Fig. 5.

Water inflow in rock type IV-V with the grouting thickness: (A/a) 0.5 m, (B/b) 0.7 m, (C/c) 1.0 m, (D/d) 1.5 m, and (E/e) 2.0 m

Table 4.

Water inflow and sealing efficiency according to grouting thickness

Fig. 6.

Water inflow with grouting thickness for rock types IV-V

Table 5.

Comparison of the simplified equation and numerical analyses

Table 6.

Comparison of groundwater inflow reduction by grouting thickness in Rock types IV and V

Acknowledgements

저자 기여도

References