1. 서 론
2. 전기비저항 및 유도분극 이론
2.1 전기비저항 이론
2.2 유도분극 이론
3. 복합지반 예측 실내실험 준비
3.1 전극 배열 선정
3.2 실내실험 준비
3.3 전극 배열의 저항-비저항 관계 도출
3.4 전류 흐름의 경계 영향 검토
4. 복합지반 예측 실내실험
4.1 실험 구성
4.2 풍화토-암 복합지반 실험 결과
4.3 풍화토-풍화암-암 복합지반 실험 결과
4.4 암반의 경사 여부 판단 실내실험 결과
5. 결 론
1. 서 론
터널 굴착 시 예상치 못한 지질조건의 변화가 발생하면 TBM이 지반 변화를 사전에 대처하지 못함에 따라 지하수 유입, 굴착면 붕괴, 천단부 이완 등으로 인한 사고가 발생할 수 있으며, 이는 공기 지연, 인명재해 등으로 이어져 터널 시공 중 큰 손실을 유발하게 된다. TBM 굴착 시 다양한 지반조건을 조우할 수 있는데, 복합지반(mixed-ground condition)은 TBM을 이용한 기계화 시공에서 가장 까다로운 조건 중 하나로 알려져 있다(Toth et al., 2013). Steingrimsson et al. (2002)은 복합지반을 ‘강도가 가장 약한 지반과 강한 지반의 일축압축강도의 차이가 최소 10배 이상인 지반이 혼재되어 있는 경우’로 제안하였으나, 이는 지나치게 단순화한 문제점을 지녔으며, 이에 최근에는 복합지반을 ‘다른 성질의 지반이 두 가지 이상 터널 굴착면에 동시에 존재하여 TBM 운영에 미치는 영향이 상당한 경우’로 제안되고 있다(Toth et al., 2013). 다양한 TBM 시공 현장에서 일반적으로 존재하는 복합지반의 형태로는 터널 굴착면이 1) 층리, 암맥 등의 띠나 층을 이루고 있는 지반, 2) 토사와 기반암(혹은 기반암의 풍화암)의 경계면이 포함된 지반, 3) 토사와 함께 핵석이 혼재된 지반이 대표적이다(Hongsu et al., 2015).
터널 굴착면에 토사와 암반이 함께 존재하는 경우, 토사와 암반의 경계에서 커터에 충격하중이 작용하게 되며, 이는 커터에 편마모를 가중시키게 되어 커터의 수명이 급격하게 감소하고 커터 소모량이 크게 증가하게 된다. 또한 암반이 토사에 비해 상대적으로 강도가 높아 굴착에도 어려움이 존재하기 때문에 토사 부분에서 과굴착이 발생하여 막장압 유지를 통한 안정성 확보에서 문제가 발생하게 된다(Park et al., 2017). 이 외에도 토사와 함께 큰 암석파편들이 TBM 챔버로 유입됨에 따른 버력 반출 문제, 지반 경계면 부근에서의 지하수 유입 문제 등이 발생하여 복합지반은 TBM 굴진에 어려움을 주고 있다. 따라서 TBM이 복합지반에 진입하기 이전에 출현 가능성을 예측하는 것이 중요하며, 이를 통해 추력 및 커터헤드 회전 속도 감소 등의 대비가 가능하다.
Park et al. (2017)의 연구에서는 TBM 커터헤드에서 전방의 굴착면에 4개의 전극을 접촉시켜 전기비저항 및 유도분극 탐사를 통해 전방 지반상태를 예측하는 방법을 제안하고, 전기비저항 탐사와 함께 유도분극 탐사를 활용하였을 때 더욱 신뢰성 있는 전방 예측이 가능하다고 하였다. 이에 따라 본 연구의 목적은 전기비저항과 유도분극 현상에 의한 충전성을 함께 이용하여 TBM 시공에 위험이 되는 굴착면 전방의 복합지반을 예측하기 위한 방법을 제안하는 것이며, 특히 지질단면도 상의 복합지반이 존재할 것으로 파악되는 주요 구간에 TBM 진입 이전에 복합지반의 실제 존재 여부를 파악할 수 있도록 하는 것이다. 또한 본 연구에서는 굴착면 전방의 복합지반을 진입 이전에 예측하기 위한 전극 배열을 선정하였다. 이를 통해 실내실험을 수행하여 복합지반에 가까워짐에 따른 전기비저항과 유도분극에 의한 충전성 측정값의 변화 양상을 확인하고, 실제 현장에서 활용할 수 있는 방안에 대해 고찰하였다.
2. 전기비저항 및 유도분극 이론
2.1 전기비저항 이론
전기비저항은 전류 흐름에 저항하는 특성으로 물체의 모양이나 크기와 무관하며, 물체의 고유한 전기적 특성을 나타낸다. 전기비저항 탐사는 지반의 전기비저항을 측정하여 매질의 전기적 특성 차이를 통해 지반 상태를 추정하게 된다. 지반의 전기비저항은 암석의 종류, 공극률, 포화도, 간극수의 전기비저항, 풍화도 및 점토 함유량 등에 의해 변화한다(KSEG, 2011).
지하수위 아래 포화 지반의 전기전도도는 지반 매질(흙 입자)의 전기전도도, 간극수의 전기전도도, 지반의 간극률의 함수이며, 관계식은 다음의 식 (1)과 같다(Santamarina et al., 2001).
(1)
여기서, 우변은 순서대로 흙 입자의 전기전도도(
)의 항, 간극수의 전기전도도(
)의 항 그리고 흙 입자의 이중층(double layer) 효과의 항으로 이루어져 있다. 또한, 
는 지반의 전기전도도, 
은 지반의 간극률, 
는 흙 입자의 단위중량, 
는 중력가속도, 
는 흙 표면의 전기전도도, 
는 흙 입자의 비표면적을 나타낸다. 일반적으로 흙 입자의 전기전도도는 간극수의 전기전도도에 비하여 상대적으로 매우 작으며(
), 모래나 실트 지반 및 간극수가 해수로 이루어져 이중층 효과가 작아지는 경우, 포화 지반의 전기전도도는 다음의 식 (2)와 같이 간단하게 나타낼 수 있다. 또한 전기전도도는 전기비저항의 역수이므로 지반의 전기비저항은 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.
(2)
(3)
여기서, 
는 지반의 전기비저항, 
은 간극수의 전기비저항을 나타낸다. 결국 포화 지반의 전기비저항은 간극수의 전기비저항과 지반의 간극률에 주요하게 영향을 받는 것을 알 수 있다. 간극수의 전기비저항이 증가할수록 지반의 전기비저항은 증가하며, 지반의 간극률이 증가할수록 지반의 전기비저항은 감소하게 된다. 따라서, 암반 파쇄대의 경우 간극률이 커지게 되므로 전기비저항이 작게 측정되며, 반대로 신선한 암반일수록 전기비저항이 크게 측정된다.
2.2 유도분극 이론
유도분극 탐사는 전기비저항 탐사와 마찬가지로 2개의 전류전극과 2개의 전위전극을 사용하여 탐사를 수행한다. 지반에 인위적으로 흘려 보낸 전류를 끊게 되면 전위전극 사이의 전압은 곧바로 사라지지 않고 수 초에서 수 분의 짧은 시간 내에 사라지게 되는데 이는 지반이 전하를 일시적으로 저장하기 때문이다. 이는 과전압(over- voltage)에 의해 나타나는 현상이며, 과전압은 외부 전류가 없어도 지반 내부에 집적된 양전하(charged cation)에 의해 발생한다. 지반 상태에 따라 지반 내부에 양전하가 집적되는 정도가 달라지게 되며, 유도분극 탐사는 이러한 특성을 활용한다(Park et al., 2015). 식 (4)는 겉보기 충전성(apparent chargeability, m)을 산정하는 식으로 전류를 끊었을 때 감소하는 전위를 시간의 함수로 측정하여 계산하며, 이는 측정전압에 대하여 일정한 시간간격에 감소된 전위의 상대적 비를 의미한다.
(4)
여기서, 
는 측정전압, 
, 
는 각각 전위 감소를 측정하기 시작한 시간과 종료한 시간으로 둘 사이의 시간 간격은 매우 짧은 시간을 나타낸다.
Park et al. (2015)은 지반에서의 유도분극 생성 메커니즘을 토대로, 흙 입자를 균등한 크기의 원형 입자로 가정하여 충전성을 계산하기 위한 이론식을 제안하였다(식 (5)).
(5)
여기서, 
, 
는 각각 입자 사이의 좁은 간극과 넓은 간극의 크기, 
, 
는 각각 양이온과 음이온의 유효전하, 
는 좁은 간극의 효율계수를 나타낸다. 
는 이중층의 두께(debye length)로 다음의 식 (6)과 같이 나타낼 수 있다.
(6)
여기서, 
는 이온가(ionic valence), 
= 9.65 × 104 Cmol-1는 패러데이 상수(Faraday constant), 
= 8.85 × 10-12 C2/Nm2는 유전율 상수(dielectric constant), 
는 상대유전율(relative permittivity), 
= 8.31 Jmol-1은 기체 상수, 
는 절대온도, 
는 몰농도(mol/m3)를 나타낸다.
간극수 내 양이온과 음이온의 유효전하량이 같다면, 식 (5)는 다음의 식 (7)과 같이 정리할 수 있다.
(7)
Fig. 1에서 넓은 간극의 크기(
)는 피타고라스 정리를 이용하여 흙 입자의 직경(
)과 좁은 간극의 크기(
)로 다음의 식 (8)과 같이 나타낼 수 있다.
(8)
결과적으로 충전성(
)에 영향을 미치는 변수는 다음 식 (9)와 같은 함수 관계를 갖는다. 또한, Park et al. (2016)은 충전성에 영향을 미치는 변수들의 민감도 분석을 통하여 각 변수들이 충전성에 영향을 미치는 정도의 상대적 크기를 식 (10)과 같이 제안하였다.
(9)
(10)
이를 통해 충전성에 가장 큰 영향을 미치는 변수는 좁은 간극의 크기(
)이며, 간극수의 농도(
)가 그 다음이다. 하지만 좁은 간극의 효율계수(
)나 온도(
), 흙 입자의 크기(
)는 상대적으로 충전성에 미치는 영향이 매우 작은 변수이다.
3. 복합지반 예측 실내실험 준비
3.1 전극 배열 선정
본 연구에서는 다양한 복합지반 중 Fig. 2와 같이 굴착면 상부에는 토사가 존재하고, 하부에는 토사에 비하여 상대적으로 단단한 암반이 존재하는 경우를 예측하기 위한 실내실험을 수행하였다. 이와 같은 복합지반을 진입 이전에 예측하기 위해서는 굴착면 전방과 더불어 TBM 굴진방향의 하부를 함께 탐사할 수 있는 전극 배열이 필요하다.
Schaeffer and Mooney (2016)는 TBM 굴착면 전방 예측을 위하여 다양한 전극 배열의 수치해석 연구를 수행하였다. Fig. 3은 그 중 하나의 전극 배열이며, 전류전극 A와 B사이의 전류 흐름을 정성적으로 나타낸 것이다. 이에 착안하여 TBM 굴진방향의 하부까지 전기비저항 및 유도분극 탐사가 가능한 전극 배열을 Fig. 4와 같이 선정하였으며, 다음과 같은 가정사항을 고려하였다.
1.굴착면 4전극 전방 예측 탐사와 선정된 배열을 활용한 탐사를 함께 수행한다. 따라서 전기비저항 및 유도분극 탐사는 세그먼트 조립을 위해 TBM을 세워놓은 시간 동안 수행한다.
2.변형된 배열의 굴착면 2전극은 가정사항 1의 4전극 중 2전극을 활용하며, TBM 후방의 2전극은 조립이 완료된 세그먼트에 설치하여 활용한다.
3.시공성을 고려하여 세그먼트에 설치된 2전극은 TBM 굴진여부와 무관하게 최초 설치된 위치에서 지속적으로 활용한다.
위 세 가지 가정사항과 함께 본 배열을 이용하여 TBM 굴착면 전방의 복합지반 예측 방안을 실험적으로 확인하였다.
3.2 실내실험 준비
TBM이 전방의 복합지반을 향해 굴진하며 전기비저항 및 유도분극 탐사를 수행하는 과정의 축소 모사 실험과 더불어, 전극 배열의 저항-비저항 관계를 도출하고 전류 흐름에 대하여 경계 영향을 검토하기 위하여 토조를 제작하였다. 비전도체의 폴리카보네이트로 가로 800 mm × 세로 220 mm × 높이 500 mm, 두께 20 mm 를 갖도록 제작하였으며, 좌측면에는 수위조절용 배수구를 수 개 제작하였다. 터널 굴착면에 설치된 전극과 세그먼트에 설치된 전극을 모사하기 위하여 동일한 재질의 토조를 추가로 제작하였으며, 앞서 언급한 토조 내부에서 실험이 가능하도록 가로 290 mm × 세로 200 mm × 높이 250 mm 를 갖도록 제작하였다. 앞서 선정한 변형된 배열을 활용하기 위하여 토조 측면과 하부에 전극설치구를 수 개 제작하였으며, 전극을 둘러싸는 두 개의 캡과 오 링(o-ring)을 활용하여 실험 시 물, 토사 등의 재료가 유입되지 않도록 하였다(Fig. 5).
모든 실험은 Advanced Geoscience Inc.의 Supersting R8/IP를 사용(RES/IP mode)하여 전기비저항(및 전기저항)과 시간영역 유도분극에 의한 충전성을 측정하였다. 최대 유입 전류는 200 mA, 전위의 감소는 2초 동안 측정하고 Total IP (induced polarization)를 계산하여 충전성으로 활용하였다.
3.3 전극 배열의 저항-비저항 관계 도출
굴착면 전방의 복합지반을 예측하기 위하여 선정한 전극 배열은 전기비저항 탐사에서 사용되는 기성의 전극 배열이 아니므로, 측정된 전기저항을 전기비저항으로 환산하기 위하여 저항-비저항 관계의 도출이 필요하다. 앞서 가정사항 3에 의해 TBM이 굴진함에 따라 전극 간격은 멀어지게 된다. 또한 일반적으로 전기저항은 전극 간격에 대한 함수이므로, 전극의 간격과 매질의 전기전도도(전기비저항의 역수)를 변화시켜가며 전기저항을 측정하고, 이를 통하여 전기저항과 전기비저항의 관계를 도출하였다. 물의 전기전도도는 증류수에 염화소듐(소금, NaCl)을 소량 투입하며 조절하였으며, Fig. 6의 L을 바꾸어 가며 9가지 전극 간격에 대해 수행하였다.
본 방법을 통해 도출한 저항-비저항의 관계는 Fig. 7과 같다. 매질(물)의 전기비저항이 증가할수록(전기전도도가 감소할수록) 측정되는 전기저항이 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 전기비저항이 동일할 경우(전기전도도가 동일할 경우), 전극 간격이 멀어질수록 측정되는 전기저항이 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 가정사항 3에 의해 TBM이 굴진하며 전극 간격이 멀어지게 되면, 측정되는 전기저항 또한 증가하는 것을 알 수 있는데, 도출된 저항-비저항의 관계(추세식)를 이용하여 전극 간격에 대한 보정이 가능하다. 각 전극 간격에 대한 정보와 도출된 추세식을 Table 1에 나타내었다. 이후 모든 실험은 전기저항을 측정하고 이를 전기비저항으로 환산해주어 결과 분석을 수행하였다.
Table 1. Resistance-resistivity relationship as a function of electrode interval  | |
Note) y = resistivity, x = resistance | |
3.4 전류 흐름의 경계 영향 검토
변형된 배열을 이용해 실내실험을 진행할 때, 전류전극 A와 B 사이를 흐르는 전류 흐름에 주변 경계가 미치는 영향을 검토하기 위해 다음과 같은 실험을 수행하였다. 전류전극 A에 대하여 경계가 되는 수위를 조절하며 전기비저항을 측정하고, 전류전극 B에 대해서는 토조의 정중앙에서부터 수평방향으로 이동시키며 전극 위치에 따른 전기비저항을 측정하였다(Fig. 8).
우선, 수위조절에 따라 전류전극 A부터 수위면까지의 거리가 가까워질수록 경계면이 전류 흐름에 방해를 주어 전기비저항이 증가하였으며(Fig. 9(a)), 이는 전극 간격(L)이 가장 짧은 경우(8 cm)와 가장 긴 경우(24 cm)에 대하여 수행되었다. 또한 전류전극 B로부터 경계면까지의 거리가 가까워지는 경우 실험장비 특성상 최소거리는 5 cm이며, 이로부터 경계면까지의 거리를 변화시키며 동일하게 전기비저항을 측정하였다. 전류전극 B의 경우 실험장비 특성상 경계 영향이 발생하지 않는 것으로 확인되었다(Fig. 9(b)). 따라서 실내실험 수행 시 전류전극 A의 경우 경계면까지의 거리가 최소 8 cm 이상 확보될 경우 경계 영향이 없는 것으로 확인되었으며, 전류전극 B의 경우 현재 조건에서는 경계 영향을 따로 고려하지 않아도 될 것으로 확인되었다.
본 실험 결과를 토대로 복합지반 모사 실내실험 시에 전류흐름에 경계 영향이 발생하지 않도록 전류전극 A의 상방향으로 최소 8 cm 이상의 경계가 형성되도록 하였으며, 전류전극 B의 경계 영향은 고려하지 않았다.
4. 복합지반 예측 실내실험
4.1 실험 구성
복합지반을 축소 모사하기 위하여 사용한 토사와 암반은 각각 화강풍화토(weathered granite soil)와 화강암(granite)으로 서울시 은평구 녹번동의 아파트 건설현장에서 채취한 것을 사용하였다. 화강암이 경사를 갖도록 절삭하였으며, 절삭된 화강암은 가로 495 mm × 세로 195 mm × 높이 300 mm를 갖도록 하였다. 이에 따라 화강암은 약 31°의 경사를 갖는다. 사용된 시료는 모두 담수로 24시간 이상 포화시켜 사용하였다. 이에 따라 실내실험 구성은 Fig. 10과 같으며, 실내실험의 모식도는 Fig. 11과 같다. 실험은 전극이 설치된 내부 토조가 전방의 복합지반으로 나아감에 따라 전기비저항 및 충전성을 측정하였으며, 이는 TBM이 복합지반으로 나아가는 것을 모사한 것이다. 세그먼트에 설치된 전극으로 가정된 전극(Fig. 11의 전극 B, N)은 내부 토조가 앞으로 나아가더라도 실험 시작 시의 위치에 그대로 존재할 수 있도록 하였다.
4.2 풍화토-암 복합지반 실험 결과
토사지반을 굴착 중인 TBM이 전방의 토사와 암으로 이루어진 복합지반을 향해 굴진하며, 동시에 전기비저항과 충전성을 측정하는 과정을 축소 모사하고 측정값의 변화 양상을 확인하였다. 해당 과정을 복합지반 예측을 위하여 변형된 전극 배열(굴착면 2전극, 세그먼트 2전극 조합)을 이용한 경우와, 굴착면의 4전극을 이용한 경우 두 가지를 함께 수행하였다. 이를 통해 세그먼트에 전극을 설치하는 방안이 굴착면 전방의 복합지반을 예측하는 것에 효과적인지 확인하고자 하였으며, 전기비저항과 충전성의 변화 양상을 통해 굴착면 전방의 복합지반을 예측할 수 있는지 확인하였다.
실험 결과는 토사에서의 전기비저항으로 정규화하여 나타내었으며, 충전성은 절댓값으로 나타내었다. 우선, 세그먼트 전극을 활용한 경우 정규화된 전기비저항의 결과를 보면(Fig. 12(a)), 화강풍화토의 토사에서 화강암의 암반으로 가까워지며 굴착면이 복합지반에 가까워짐에 따라(H/D 감소) 전기비저항이 증가하는 양상을 확인할 수 있다. 약 88% 이상 전기비저항이 증가하는 것을 확인하였으며, 이는 전기비저항에 영향을 미치는 지반의 간극률이 토사보다 암반에서 상대적으로 작기 때문이다. 굴착면 4전극을 활용한 경우 정규화된 전기비저항의 결과를 보면(Fig. 13(a)), 마찬가지로 토사에서 토사-암반의 복합지반에 가까워짐에 따라 지반의 간극률 차이에 의해 정규화된 전기비저항이 약 16% 증가하는 것을 확인할 수 있다. 굴착면 4전극을 활용하는 경우, 동일한 조건에서 세그먼트 전극을 활용하는 경우보다 전기비저항이 적게 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 굴착면 4전극을 활용하게 되면 전류의 흐름이 대부분 굴착면의 전방으로 발생하므로, 굴착면 하부 암반의 영향을 크게 받지 못하기 때문이다.
세그먼트 전극을 활용한 경우 충전성의 결과를 보면(Fig. 12(b)), 토사에서 토사-암반의 복합지반에 가까워짐에 따라(H/D 감소) 전기비저항과 마찬가지로 충전성이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 암반에서 큰 충전성을 보이는 이유는 토사에 비해 암반에서의 좁은 간극의 크기(
)가 작아 양이온의 집적이 활발해지고 이에 따라 좁은 간극의 통로에서 전위차를 형성하기 때문이다. 또한 굴진할수록 탐사범위 내의 토사의 비율은 감소하고 암반의 비율이 증가함에 따라 충전성이 점점 증가하는 양상을 나타내었다(Park et al., 2016). 굴착면 4전극을 활용한 경우 충전성의 결과를 보면(Fig. 13(b)), 마찬가지로 토사에서 토사-암반의 복합지반에 가까워짐에 따라 지반의 좁은 간극의 크기(
) 차이에 의해 충전성이 증가하는 양상을 확인할 수 있다. 세그먼트 전극을 활용한 경우 복합지반에 진입함에 따라 충전성은 약 9.5 msec 증가하였지만, 굴착면 4전극을 활용한 경우에는 약 2.3 msec 증가하였다. 이는 전기비저항과 마찬가지로 굴착면 4전극의 경우 전류 흐름이 굴착면 하부 암반의 영향을 크게 받지 못함에 따라 탐사범위 내에 암반이 차지하는 정도가 적기 때문이다.
전기비저항과 충전성 모두 세그먼트 전극을 활용했을 때 복합지반에 진입함에 따른 측정값의 변화 양상이 명확히 나타나며, 이에 따라 복합지반을 예측하기 위해 굴착면 4전극탐사가 아닌 세그먼트 전극을 활용한 탐사가 매우 유용함을 확인하였다. 또한 전기비저항과 함께 유도분극을 활용하는 것은 앞서 Park et al. (2017)의 연구에서 지반상태를 신뢰성 있게 예측할 수 있음에 따라 지속적으로 함께 수행되어야 할 것으로 판단된다.
4.3 풍화토-풍화암-암 복합지반 실험 결과
다음으로는 화강풍화토와 연암의 화강암 사이에 풍화암층이 존재하는 경우를 모사하였다(Fig. 14). 따라서 전극이 배치된 토조가 토사에서 토사와 풍화암의 복합지반을 거쳐 토사, 풍화암 그리고 연암의 복합지반에 진입함을 모사하여 동일하게 전기비저항과 충전성을 측정하였다.
실험 결과는 앞서 풍화암층이 없이 진행된 실험과 함께 도시하였으며, 마찬가지로 정규화된 비저항과 절댓값의 충전성으로 나타내었다(Fig. 15). 풍화암층의 두께(t)는 터널 굴착면 직경(D)에 대해 정규화하여 나타내었다. 정규화된 전기비저항의 결과를 보면(Fig. 15(a)), 화강풍화토의 토사에서 풍화암과 혼재된 복합지반으로 진입함에 따라(H/D 감소) 전기비저항이 약 20% 증가하며, 굴진이 더 진행되어 연암이 추가로 혼재된 복합지반에 진입함에 따라 추가적으로 전기비저항이 증가하여 총 약 102%의 증가를 확인하였다. 이는 전기비저항에 영향을 미치는 지반의 간극률 차이에 의한 것인데 토사에 비해 풍화암의 간극률이 작고, 풍화암에 비해 연암의 간극률이 작기 때문에 점차적으로 전기비저항이 증가하는 결과를 확인할 수 있다. 또한 풍화암층이 존재하지 않는 경우에 비해 굴진함에 따라 조기에 전기비저항이 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 마찬가지로 토사에 비해 풍화암의 간극률이 작기 때문이다.
충전성의 결과를 보면(Fig. 15(b)), 토사에서 토사-풍화암의 복합지반에 가까워짐에 따라(H/D 감소) 전기비저항과 마찬가지로 충전성이 약 1.6 msec 증가하며, 굴진이 더 진행되어 토사-풍화암-연암의 복합지반으로 진입함에 따라 추가적으로 충전성이 증가하여 총 약 9.5 msec 의 증가를 확인하였다. 풍화암 및 연암의 암반에서 큰 충전성을 보이는 이유는 토사에 비해 암반에서의 좁은 간극의 크기(
)가 작기 때문이다. 전기비저항의 결과와 마찬가지로 충전성 또한 풍화암층이 없는 경우에 비하여 조기에 충전성의 증가를 확인할 수 있는데, 이 또한 토사에 비해 암반에서의 좁은 간극의 크기(
)가 작기 때문이다. 하지만 전기비저항의 경우 풍화암과 연암의 간극률 차이로 인한 전기비저항의 차이로 인해 추가적인 증가가 발생하지만, 충전성의 경우 암반의 파쇄 정도와 측정값의 관계는 무관하다. 따라서 추가적인 충전성의 증가는 풍화암과 연암의 차이에 기인한 것이 아니라 굴진할수록 탐사범위 내의 토사의 비율은 감소하고 암반의 비율이 증가함에 따라 충전성이 점점 증가하는 양상을 나타내는 것이다.
결과적으로 TBM이 토사지반을 굴진하며, 세그먼트 전극을 활용하여 전기비저항과 충전성을 측정하였을 때, 두 측정값 모두 증가한다면 굴착면 전방 하부에서 암반이 점차적으로 굴착면에 가까워져 최종적으로는 TBM이 복합지반에 진입하게 될 것임을 예측할 수 있다.
4.4 암반의 경사 여부 판단 실내실험 결과
세그먼트에 하방향으로 설치된 전극을 활용할 경우 굴착면 하부의 지반의 탐사가 가능함을 확인하였다. 하지만 본 세그먼트 전극 활용 조건에서 TBM이 굴진하게 되면, 굴착면의 전극과 세그먼트의 전극 간격이 멀어져 탐지 가능 거리가 점차적으로 증가하게 된다. 따라서 TBM 굴진방향에 대해 하부에 수평으로 존재하는 지반의 경우에도 TBM이 굴진함에 따라 탐지 가능 거리 이내로 들어오게 되어 측정값의 변화가 발생하게 되고, 이를 통해 탐지 가능할 수 있다. 이러한 경우 지반이 TBM의 굴진방향에 대해 수평하여 복합지반에 진입할 가능성이 없는지, 경사를 이루고 있어 굴진함에 따라 복합지반에 진입하게 되는지에 대한 판단이 필요하다. 이를 판단하기 위한 방안을 제시하기 위해 다음의 실험을 진행하였다. 본 실험은 경사진 암반을 이용한 것이 아닌, 굴진방향에 대해 수평으로 암반을 배치하여 굴진함에 따른 전기비저항의 변화 양상을 앞선 실험과 마찬가지로 정규화하여 확인하였다. 실험의 모식도는 다음과 같다(Fig. 16).
세그먼트 전극과 굴착면 전극의 간격을 넓혀가며(L/D 증가) TBM이 굴진함에 따라 탐지 가능 거리가 증가하는 것을 모사하였다. 이에 따른 실험 결과를 굴진 방향 하부의 암반이 경사진 경우(4.2절의 실험 결과)와 비교하였다(Fig. 17).
Fig. 17(a)를 보면, TBM 굴진 방향에 대해 암반이 수평으로 존재하는 경우와 경사로 존재하는 경우 모두 굴진함에 따라 정규화된 전기비저항이 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 세그먼트 전극을 활용한 경우만으로 굴진 방향의 하부의 암반이 수평한지, 경사를 이루는지 판단하기 어렵다. Fig. 17(b)를 보면, TBM 굴진 방향 하부의 암반이 경사를 이루는 경우 굴진함에 따라 정규화된 전기비저항이 증가하지만, 수평을 이루는 경우에는 아무런 변화 양상이 나타나지 않음을 알 수 있다. 따라서 세그먼트 전극을 활용한 탐사와 동시에 굴착면 4전극탐사를 함께 진행한다면, 전기비저항의 변화 양상을 통해 TBM 하부 암반의 경사여부를 파악할 수 있을 것이다. 즉, TBM이 굴진함에 따라 세그먼트 전극을 활용한 경우 전기비저항이 증가할 때, 굴착면 4전극을 활용한 경우에도 마찬가지로 증가 양상을 보인다면, TBM 굴진 방향의 하부에서 경사진 암반이 점차 굴착면에 가까워짐을 판단할 수 있을 것이다.
5. 결 론
본 연구에서는 TBM을 이용한 기계화 터널 시공 중 굴착면 전방의 복합지반을 전기비저항 및 유도분극 탐사를 통해 예측하기 위한 방안을 제시하였다. 굴착면의 4전극을 활용한 탐사가 아닌 굴착면 전방의 복합지반을 효과적으로 예측할 수 있는 전극 배열을 제안하고, 해당 전극 배열에 대한 기본 특성을 검토하는 실험을 진행하였다. 이를 바탕으로 토사와 암반을 이용하여 복합지반을 모사하고, TBM이 굴진하여 복합지반에 가까워짐에 따른 전기비저항과 충전성의 변화 양상을 확인하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
1.토사 굴진 중 TBM 굴진 방향에 대해 하부의 암반이 TBM의 굴진 선상을 향하여, 결과적으로 굴착면 전방에서 복합지반을 조우하는 경우 이를 예측하기 위해 굴착면의 전극 2개와 조립된 세그먼트에 하방향으로 설치된 전극 2개를 활용하여 전기비저항 및 유도분극 탐사를 실시하면 굴착면의 전극 4개를 활용한 전기비저항 및 유도분극 탐사 결과에 비해 측정값의 변화 양상이 더욱 뚜렷한 것을 확인하였다. 이를 통해 굴착면 상부 토사, 하부 암반으로 이루어진 복합지반을 예측하기 위해 언급한 바와 같이 변형된 배열이 효과적인 것으로 판단된다.
2.세그먼트에 설치되는 전극은 시공성을 고려하여 초기 설치 위치에 고정되어 지속적으로 활용됨을 가정하였다. 따라서 TBM이 굴진함에 따라 굴착면의 전극 2개와 세그먼트의 전극 2개의 간격이 멀어지게 되며, 이러한 경우 측정되는 전기저항이 증가하는 것을 확인하였다. 각 전극 간격 별로 저항-비저항의 관계를 도출하여 측정된 전기저항을 전기비저항으로 환산해주는 과정을 통해 이에 대한 영향이 없도록 하였다. 따라서 반드시 변형된 배열로 측정된 전기저항을 전기비저항으로 환산해주어야 오로지 지반 변화에 의한 전기비저항의 변화를 확인할 수 있다.
3.TBM이 굴진함에 따라 굴착면의 전극 2개와 세그먼트의 전극 2개의 간격이 멀어지게 되어 탐지 가능 거리가 증가하게 된다. 따라서 TBM 하부에 굴진 방향에 대하여 수평으로 존재하는 지반에 대한 탐사도 가능하지만 이러한 경우 복합지반 조우를 예상할 수 없다. 굴착면 4전극탐사를 함께 수행한다면, 측정되는 전기비저항의 변화 양상을 통해 TBM 하부의 지반이 경사를 이루어 굴착면 전방에서 복합지반을 이룰 것인지 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
4.본 연구에서 제안한 복합지반 예측 기법이 실제 터널 현장에서 활용되기 위하여 추후 현장실험을 통한 적용성 검증이 필요할 것으로 판단된다. 특히, 커터헤드와 세그먼트에 전극을 설치하고 활용할 수 있는 구체적 방안과, 더불어 본 기법을 활용하였을 경우 굴착면 전방 복합지반까지의 거리를 파악하기 위한 연구가 함께 이루어져야 할 것으로 판단된다.
