1. 서 론
2. 연구지역 현황
2.1 지질개요
2.2 터널현황
3. 탄성파의 전파특성
4. TSP탐사
4.1 일반사항
4.2 현장자료 획득
4.3 자료처리
4.4 결과분석
5. 막장면 관찰 결과
6. TSP탐사와 막장면 관찰 비교 ‧ 분석
6.1 암반의 암질 예측 결과
6.2 함수대 예측 결과
7. 결 론
1. 서 론
터널 설계를 위해서는 터널 노선 주변의 지반구조 및 물리적 특성을 정확하게 파악하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해서 지표지질조사, 지구물리탐사 및 시추조사, 현장 원위치 시험과 실내시험 등을 수행하며, 그 결과를 종합하여 전반적인 암반상태를 평가하고, 터널 설계에 필요한 지반 정수 산정 및 지보패턴 등을 결정한다. 그러나 설계 단계에서 이루어지는 지반조사는 광범위한 지역의 지반상태나 개략적인 지하 구조를 추정하는데 중점을 두고 있기 때문에 실제 터널 시공 중에는 설계 단계의 지반조사에서 예측하지 못한 이상지반이나 파쇄대가 나타나는 경우가 다수 발생한다(Lee, 2014).
이와 같이 이상지반에 대해 적절한 대처를 하지 못한 경우 터널 붕괴, 지반 침하 등의 사고가 발생할 수 있으며, 인명사고, 주변 지장물에 악영향을 미치는 등의 시간적, 경제적 손실이 발생한다(Hasegawa et al., 1993; Cho et al., 1999; Kim et al., 2000; Shin et al., 2007).
이러한 문제점을 극복하기 위하여 탄성파 반사법탐사를 이용하여 굴착면 전방의 지반특성을 예측하기 위한 시도가 이루어졌으며, 터널 내 탄성파 반사법탐사(tunnel seismic prediction, TSP)를 통해 신속하고 경제적으로 굴착면 전방예측이 가능하게 되었다(Sattel et al., 1992).
TSP탐사는 매질의 밀도와 속도의 곱으로 표현되는 음향임피던스(acoustic impedence) 경계면에서 반사된 반사파를 분석하여 미굴착 구간의 불연속면 분포를 영상화하고 탄성파 속도의 변화로부터 암질변화를 예측한다. 또한 매질에 따른 P파(primary wave, 종파) 및 S파(secondary wave, 횡파)의 전파 특성을 이용하여 지반상태를 분석한다.
터널 굴착면 전방의 이상지반 중 특히 함수대(지하수로 포화된 파쇄대) 구간에서의 지하수 용출은 터널 굴착작업의 능률을 떨어트릴 뿐만 아니라 암반지반의 경우 내부마찰각 저하, 토사지반의 경우 간극수압 상승에 따른 전단강도 저하로 토사유출 등의 문제가 발생할 수 있다.
터널 굴착면 전방의 함수대 구간을 예측하기 위한 연구는 아직 미비한 실정이며, 전기비저항 탐사를 이용한 연구가 주로 수행되었다. 전기비저항 탐사를 이용하여 고수압이 작용하는 해저 지반의 파쇄대 내 해수 침투 가능성을 연구한 결과 해수가 침투된 지반은 극히 낮은 전기비저항을 나타내므로 전기비저항의 대비만을 이용하여 해수 침투 지반의 정확한 상태를 구분하는 것은 한계가 있는 것으로 분석되었다(Park et al., 2015).
이번 연구는 TSP탐사를 이용한 함수대 예측 가능성을 분석하기 위하여 단층파쇄대에 의해 붕락이 발생한 터널 시공현장에서 TSP탐사를 수행하였다. 탄성파 속도비(Vp/Vs)와 포아송비(poisson’s ratio) 분포로부터 함수대 구간을 예측하고, TSP탐사 예측구간에서 수행한 막장면 관찰(face mapping) 결과와 비교 ‧ 분석하여 함수대 예측 결과를 검증하였다.
2. 연구지역 현황
2.1 지질개요
연구지역은 Fig. 1과 같이 백악기의 경상분지와 제3기의 연일분지가 형성된 한반도의 동남부에 위치한다. 경상분지의 중동부에는 NNE-SSW 방향의 대규모 단층이 다수 발달하며, 동쪽에서 서쪽 방향으로 일광단층, 동래단층, 양산단층, 모량단층, 밀양단층 및 자인단층 등이 해당된다. 경상분지와 연일분지를 가르는 주요 단층은 울산단층으로 울산만~경주시 중심부까지 NNW-SSE방향으로 발달한다. 경상분지와 연일분지의 대규모 단층작용에 수반되어 여러 방향의 절리 및 중소 규모의 단층들이 형성되었으며, 주로 백악기~제3기초 이후에 형성되었다. 일부는 제4기에 형성 또는 재활성 된 것으로 보고된다(Ryu et al., 2006).
2.2 터널현황
○○터널은 울산시 북구에서 경주시 외동읍에 건설 중인 연장 10.22 km의 장대터널이다. Fig. 2와 같이 터널굴진 중 ○○방향 STA. 86 km 145.1 지점에서 붕락이 발생하여 SGR 그라우팅 등의 보강 후 굴진을 재개하였으나, STA. 86 km 149.1 지점에서 다시 붕락이 발생되어 막장면 후방 5.5 m 구간까지 붕락토가 자연 압성 되었다. 막장면 중앙 및 좌, 우측에서 20~125 ℓ/min의 지하수가 터널 내로 유입되었으며, 불규칙한 절리방향 및 지속적인 지하수 유입으로 추가 붕락 및 유실이 우려되는 불안정한 막장상태를 보인다.
3. 탄성파의 전파특성
P파의 입자운동은 파의 진행방향으로 압축과 팽창변형을 수반하며, 매질의 체적(또는 밀도) 변화에 의한 교란이 파동으로 나타난 것이다. P파 속도는 식 (1)과 같이 매질의 탄성상수로 표현할 수 있으며, 는 영률(young’s modulus), ρ는 밀도(density), 는 포아송비(poisson’s ratio), 는 Lame 상수, 는 체적탄성률(bulk Modulus), μ는 강성률(rigidity)이다.
S파의 입자 운동은 일반적으로 지면에 평행한 면상의 성분과 수직인 면상의 성분으로 나눌 수 있으며, 수직성분을 SV파, 수평성분을 SH파라 한다. S파 속도는 식 (2)와 같다.
일반적으로 암석의 포아송비는 0.25 정도의 값을 보이므로, P파와 S파의 속도비(Vp/Vs)는 이 되며, P파 속도는 S파 속도의 약 1.7배가 된다. 또한 유체의 강성률은 0이므로 S파는 유체(지하수 등)를 전파하지 못하는 특성이 있다.
4. TSP탐사
4.1 일반사항
TSP탐사는 터널 전방 혹은 주변의 지층 경계면에서 반사된 반사파를 기록, 분석하여 터널 굴진과정에서 조우하게 될 불연속면의 공간적 위치 정보 및 탄성파 속도 분포로부터 지질특성을 예측하는 지구물리탐사 방법이다. TSP탐사는 Fig. 3(a)와 같이 석유등의 지하자원 개발을 위하여 사용되던 VSP (vertical seismic profiling)탐사법을 터널 내에 응용한 탄성파 반사법탐사의 일종이다(Fig. 3(b)). 현장자료 획득 시 표면파(surface wave) 및 공기파(air wave) 등의 잡음 문제를 극복하기 위하여 수신기를 터널벽면에 일정 깊이만큼 인입하여 수신하고, 터널 벽면에서 발파하는 RVSP (reversed vsp) 방법이 적용되었다(Hardage, 1992).
4.2 현장자료 획득
4.2.1 수신기 및 발신공 배치
수신기는 터널 굴착 시 발파에 의한 이완영역과 표면파와 공기파 등의 잡음 영향을 최소화하기 위하여 터널 측벽 약 2.0 m 깊이에 설치하였다. 또한 급결 모르타르를 이용하여 수신기 끝단에 위치하는 3성분 센서를 원지반과 밀착시켰으며, 탄성파의 도달경로를 정확하게 계산하기 위하여 수신기의 인입 각도(vertical & horizontal angle, twist angle)를 정밀하게 측정하였다.
발신공은 Fig. 4와 같이 터널 굴진방향의 우측벽에 총 24개를 0.90~1.26 m 간격으로 천공하였다. 정확한 터널 모델을 작성하기 위하여 터널 중심을 기준으로 0°, 45°, 90°, 135°, 180°지점의 거리와 터널 좌, 우측 하단에 위치하는 배수로의 폭 및 깊이 등을 정밀하게 측정하였다.
4.2.2 자료획득
발신공의 화약 장약량은 수신되는 탄성파의 에너지 크기, 발파 후 발신공 주변 지반 상태등을 확인하고 결정하였으며, 수신기와 발신공의 이격거리를 고려하여 단계적으로 장약량을 조절하였다. 이번 연구에서는 수신기와 가까운 #1~#8번 발신공에 50 g의 화약을 장약, 발파 하였으며, 이후 75 g까지 장약량을 증가시켰다. 뇌관은 탄성파 자료의 시간지연 및 이중발파를 방지하기 위하여 무지연 순발 전기뇌관을 사용하였다.
현장자료 획득 시 샘플 주파수(sample frequency)는 48 kHz, 기록 길이(recording length)는 500 ms로 설정하였다.
4.3 자료처리
TSP탐사의 자료처리는 전처리 과정(survey processing)과 후처리 과정(3D processing)으로 구분하여 수행하며, Fig. 5와 같다.
4.3.1 전처리 과정(survey processing)
Fig. 6은 주요 전처리 과정으로 터널 모델링(geometry model)은 현장에서 측정한 수신공과 발신공의 위치정보, 터널 형상 등을 이용하여 실제 터널과 유사한 모델을 구현하는 과정이다(Fig. 6(a)). Fig. 6(b)의 오프셋 계산(offset calculation)은 작성한 터널 모델을 기본으로 직접파(direct wave)의 실제 이동 경로를 계산하여 직접파 속도를 산출하는 과정이다. Fig. 6(c)의 필터링(time variant highcut and band pass filter)은 탄성파 자료에 포함된 표면파 및 공기파 등의 잡음을 제거하여 신호대잡음비(S/N ratio)를 향상시키고, P파와 S파의 초기 도달시간을 분석하여 직접파 속도를 산출하였다(Fig. 6(d)).
4.3.2 후처리 과정(3D Processing)
Fig. 7은 후처리 과정 중 속도분석(3D velocity analysis)과 반사면 추출(reflector extraction) 과정이다. 속도분석은 터널 토피고를 고려하여 3차원 격자 모델(grid model)을 생성하고, P파와 S파의 직접파 속도로부터 공통거리단면(common distance gather)을 작성한다.
반사면 추출 과정은 계산적으로 구해진 모든 반사면 중 지구물리학적으로 의미를 갖는 우세한 반사면을 결정하는 과정으로 반사파 커버율(coverage quantile)을 여러 번 시험 적용하여 결정한다.
4.4 결과분석
TSP탐사 자료를 분석하여 터널 굴착면 전방 85.9 m (STA. 86 km 149.1~STA. 86 km 235.0)구간에 대한 지반상태를 예측하였으며, 암반의 탄성파 속도 및 물성 분포를 분석하여 암질상태 및 함수대 구간을 분석하였다.
4.4.1 암반의 암질 예측 결과
암반의 암질상태에 따라 예측구간을 4개 구간으로 구분하였으며, 그 내용은 다음과 같다.
(1) 1구간(S-1) : STA. 86 km 149.1~86 km 170.0 (연장 20.9 m)
1구간의 P파 속도는 평균 4,446 m/sec로 굴착면 부근과 유사한 분포를 보이는 반면 S파 속도는 2,049 m/sec로 굴착면 부근의 탄성파 속도 2,328 m/sec 보다 상대적으로 감쇠가 큰 것으로 분석된다. 또한 암반의 영률은 평균 27.0 GPa로 밀도(평균 2.35 g/cm3)와 함께 예측구간 내에서 최소치를 보인다.
반면 탄성파 속도비(Vp/Vs ratio)는 2.0~2.4, 포아송비는 0.32~0.39로 예측구간 내에서 가장 큰 값을 보이며 이는 P파 속도의 변화 보다 상대적으로 크게 발생한 S파 속도의 감쇠에 의한 영향으로 판단된다. 예측구간 암반 물성 분포(Fig. 8(a))와 영률의 종단 및 평면 분포(Fig. 8(b))를 분석한 결과 1구간은 단층파쇄대 및 붕락에 의한 이완영역으로 예측된다.
(2) 2구간(S-2) : STA. 86 km 170.0~86 km 182.0 (연장 12.0 m)
2구간의 경우 탄성파 속도와 밀도, 영률 모두 1구간과 비교하여 증가하는 양상을 보이고, 탄성파 속도비(평균 1.7)와 포아송비(평균 0.26)는 감소한 것으로 분석된다. 탄성파 속도 및 암반의 물성 분포로 미루어 2구간의 암질은 1구간과 비교하여 다소 양호한 것으로 분석된다.
(3) 3구간(S-3) : STA. 86 km 182.0~86 km 196.0 (연장 14.0 m)
3구간의 P파와 S파 속도는 평균 3,982 m/sec와 2,364 m/sec로 S파 속도 보다 상대적으로 P파 속도의 감쇠가 큰 것으로 분석된다(Fig. 8(a)).
P파와 S파는 진행방향에 따라 서로 다른 입자운동을 보이며, S파 속도의 변화가 적은 구간에서 P파 속도가 상대적으로 크게 감소할 경우 이는 암반의 공극(porosity) 증가 또는 절리(crack) 발달에 의한 영향으로 해석할 수 있다(Dickmann, 2014).
따라서 3구간 내에 터널축과 교차하는 다수의 절리가 분포할 것으로 예측되며, 암질 또한 불량한 것으로 예측된다.
(4) 4구간(S-4) : STA. 86 km 196.0~86 km 235.0 (연장 12.0 m)
4구간의 탄성파 속도 및 물성 분포를 분석한 결과 이전 구간과 비교하여 암질은 양호해질 것으로 예측된다.
4.4.2 함수대 예측 결과
S파는 강성률이 0인 유체를 전파하지 못한다는 특성 때문에 함수대 구간에서는 P파 속도에 비해 S파 속도의 감소폭이 크고, P파 속도와 S파 속도의 관계로 산출되는 탄성파 속도비와 포아송비 또한 상대적인 변화가 발생할 것으로 판단된다.
TSP탐사의 예측구간에서 S파 속도 및 탄성파 속도비, 포아송비의 분포를 분석하여 함수대 구간을 예측하였다(Fig. 9).
STA. 86 km 149.1~86 km 164.0 구간에서 S파 속도는 평균 1,970 m/sec로 가장 느리고, Vp/Vs는 2.37, 포아송비는 0.39로 예측구간 내에서 가장 큰 값을 보인다. 이를 근거로 STA. 86 km 149.1~86 km 164.0 구간을 함수대로 추정하였으며, 이후 터널 굴진과 함께 수행되는 막장면 관찰의 지하수 상태와 비교하여 분석 결과를 검증하였다.
5. 막장면 관찰 결과
시공 중 막장면 관찰은 일반적으로 굴착에 의한 터널 지반의 노출시간이 후속 공정에 의해 제한적인 관계로 일회 굴진장 단위의 막장관찰이 진행되며, 막장면 관찰 결과로 설계 시 적용한 굴착 및 보강공법의 적합성을 확인한다.
TSP탐사 예측구간에서 수행한 막장면 관찰 결과는 Table 1에 정리하였다. 막장면 관찰 결과 STA. 86 km 149.1~STA. 86 km 155.5까지 붕락에 의한 이완영역이 분포하고, STA. 86 km 156.3~STA. 86 km 173.1까지 심한 파쇄상태를 보이는 단층파쇄대 구간으로 분석되었다. 이후 구간은 상대적으로 양호한 암질의 암반이 분포하며, 일부구간(STA. 86 km 193.8~STA. 86 km 199.8)에 접촉 변질대에 의한 파쇄대가 분포한다.
지하수 상태는 STA. 86 km 149.1~STA. 86 km 167.1까지 물이 흐름(flow)~물방울 떨어짐(dripping) 상태를 보이고, 1~125 ℓ/min의 유출량이 관찰된다. 이후 STA. 86 km 174.3~STA. 86 km 177.3 구간에서 18~20 ℓ/min의 지하수 유출이 관찰된다.
Table 1.
Face mapping result
6. TSP탐사와 막장면 관찰 비교 ‧ 분석
6.1 암반의 암질 예측 결과
막장면 관찰 결과도 지반상태에 따라 4개 구간으로 구분하였으며, TSP탐사 예측결과와 비교하면 Table 2와 같다.
단층파쇄대 및 붕락에 의한 이완영역(1구간)은 TSP탐사에서 STA. 86 km 170.0 지점까지 예측하였으며, 막장면 관찰 결과 STA. 86 km 173.1까지 분포하는 것으로 확인되었다. TSP탐사의 예측 오차는 약 3.0 m발생하였다. 이후 TSP탐사에서 암질이 다시 불량해지는 구간이 STA. 86 km 182.0~STA. 86 km 196.0에 분포하며, 막장면 관찰 결과 접촉 변질에 의한 파쇄구간이 STA. 86 km 192.3~STA. 86 km 199.8 구간에 분포하는 것으로 확인되었다. 두 결과를 비교하면 접촉변질대의 시작 지점에서 약 10 m, 끝나는 지점에서 약 4 m의 오차가 발생하였다. 이후 구간에서는 TSP탐사와 막장면 관찰 결과 모두 동일하게 암질이 양호해 지는 것으로 확인되었다.
TSP탐사 결과와 막장면 관찰 결과를 비교하면 단층파쇄대 및 이완영역 구간에서 약 3.0 m, 이후 접촉 변질에 의한 파쇄대 구간은 약 4~10 m의 예측 오차가 발생하였으나, 암질의 변화 및 지반상태는 비교적 유사한 분포 양상을 보이는 것으로 분석된다.
예측결과의 오차 발생 주 원인으로는 굴착면 부근의 지속적인 다량의 지하수 유출과 붕락 및 이완된 지반에 의한 반사파의 감쇠 및 잡음 등의 영향으로 판단된다.
Table 2.
Comparison of TSP and face mapping results
6.2 함수대 예측 결과
TSP탐사 결과 함수대는 STA. 86 km 149.1~STA. 86 km 164.0 (연장 14.9 m)까지 분포하는 것으로 예측하였다. 막장면 관찰에서는 STA. 86 km 149.1~STA. 86 km 167.1 (연장 18.0 m)구간에서 1~125 ℓ/min의 지하수 유출이 관찰되었다.
Fig. 10과 같이 탄성파 속도비와 포아송비를 구간별로 작성하고, 막장면 관찰에서 확인한 지하수 유출 구간을 함께 도시하여, 함수대에서의 탄성파 속도비와 포아송비 분포를 분석하였다. 분석 결과 지하수 유출 구간에서의 탄성파 속도비는 1.79~2.37, 포아송비는 0.27~0.39의 값을 보이고, 지하수의 유출이 없는 젖은상태(Wet) 구간의 경우 탄성파 속도비는 1.61~1.89, 포아송비는 0.19~0.3의 값을 보이며, 지하수 유출 구간에서 탄성파 속도비와 포아송비는 상대적으로 큰 값을 보이는 것으로 분석되었다.
지하수 유출 구간에서의 탄성파 속도비와 포아송비 분포를 분석한 결과 탄성파 속도비는 2.0 이상, 포아송비는 0.3 이상의 값을 보이는 구간이 함수대 가능성이 높은 구간으로 분석된다.
7. 결 론
이번 연구는 TSP탐사를 이용한 암질 상태 및 함수대를 분석하기 위하여 단층파쇄대에 의해 붕락 및 다량의 지하수 유출이 발생된 터널현장에서 TSP탐사를 수행하고, 막장면 관찰 자료와 비교하여 그 결과를 검증하였다. 이번 연구의 결론은 다음과 같다.
1. 굴착면 전방의 암질 상태 분석 결과 단층파쇄대 및 이완영역 구간에서는 약 3.0 m, 이후 접촉 변질에 의한 파쇄대 구간에서는 약 4~10 m의 예측 오차가 발생하였으나, TSP탐사에서 분석한 예측구간의 암질 상태는 막장면 관찰 결과와 비교적 유사한 양상을 보이는 것으로 분석된다. TSP탐사의 예측 오차 발생 원인으로는 굴착면 부근의 지속적인 지하수 유출과 이완된 지반에 의한 반사파의 감쇠 및 잡음 등의 영향으로 판단된다.
2. 막장면 관찰에서 확인한 지하수 유출 구간과 탄성파 속도비와 포아송비 분포를 분석하면 지하수 유출 구간의 탄성파 속도비는 1.79~2.37, 포아송비는 0.27~0.39의 값을 보인다. 지하수의 유출이 없는 젖은상태(Wet) 구간에서의 탄성파 속도비는 1.61~1.89, 포아송비는 0.19~0.3의 값을 보이며, 지하수 유출 구간에서 상대적으로 탄성파 속도비와 포아송비가 큰 값을 보이는 것으로 분석된다.
3. 이번 연구지역은 화강암을 기반암으로 하는 단층파쇄대 구간으로 지하수 유출 구간에서의 탄성파 속도비와 포아송비 분포를 분석한 결과 탄성파 속도비는 2.0 이상, 포아송비는 0.3 이상의 값을 보이는 것으로 분석되었다. 그러나 암반의 생성 환경이나 지질조건, 암반 상태에 따라 탄성파의 전파 특성이 다르고 암종에 따라 고유한 탄성파 속도값을 보이기 때문에 다른 지질조건 및 환경에서 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.
