1. 서 론

물류와 여객수송의 핵심은 신속한 주행성능확보가 최우선이다. 이러한 추세로 인하여 최근 개통되는 도로와 철도에서 터널이 차지하는 비중이 급증하고 있다. 특히, 터널공사량 측면에서 보면 우리나라의 동서방향으로 횡단하는 도로의 경우 전체연장에 비하여 터널연장 비율은 각각 61%, 43%, 54%로 이루어져 있고, 산지가 70%인 우리나라에서 기하구조와 환경보호적인 측면에서 터널이 더 증가되고 있는 추세에 있다. 우리나라에서 널리 사용되는 터널공법은 굴착하면서 현장계측 결과를 고려하여 설계하는 방법으로 암반과 지보재 거동에 대한 체계적인 분석이 중요하다. 즉 실제 굴착을 하면서 굴착면에 대한 관찰과 계측을 통해 초기의 설계조건과 비교하므로서 설계계획단계에서 예측하였던 사항에 대한 확인이 필요하다. 우리나라에서는 일반적인 터널설계는 터널 입구부에 수직 및 수평보링과 지표면에 물리탐사 자료만으로 지질도와 지보패턴을 결정한다. 그러나 설계시 조사자료만을 가지고 완벽하게 예측하기에는 한계가 있음에도 불구하고 설계타입에 의존하여 현장에서는 그대로 적용하므로써 다양한 문제들이 발생하게 된다. 특히, 터널구간 지형특성상 당초 설계시 도심지 구간 등은 건축물, 민원 등으로 접근이 어려워 설계시 수행되는 지반조사는 불확실성이 존재하게 된다. 이와 같은 상황에서 지반조건이 단층파쇄대와 같이 취약한 구간이 국부적으로 광범위하게 존재하는 경우에는 설계보다 지보패턴을 상향조정하여 시공하였으나, 막장부에서 단층파쇄대 분포에 의한 지하수를 다량 함유한 토사유출이 발생하는 경우에는 지보재의 과대변위에 의한 내공부족이 발생하게 된다. 이러한 내공변위는 상대적으로 지보간격이 넓은 구간에서 크게 발생하였으며, 터널 필러부 측에서 터널 내측방향으로 터널변형이 발생하였다. 이에 대한 대책방안 수립을 위해서는 수치해석을 통한 보강공법 지보적정성을 검토하게 된다. 대부분 검토결과는 차수그라우팅+대구경강관 +지보재 조정+인버트 설치시 지보재에 발생하는 부재력이 허용응력 이내로 터널의 구조적 안정성을 확보하는 것으로 검토된다. 본 연구에서는 터널굴착면에 단층파쇄대가 존재하고 있고 굴착 후 단층파쇄대로 인하여 변위가 발생한 상태에서 지하수 용출량이 급증한 경우에 붕락사례를 중심으로 단계별 거동특성을 현장변위 계측을 중심으로 분석하였다. 본 연구대상 터널은 1단계 변위가 수렴되지 않고 지속적으로 발생하므로서 보강조치를 하였고 그 이후 지하수 용출량의 증가로 인해 변위가 수렴되지 않고 2단계 변위가 발생하여 추가보강 작업중 3단계 변위발생 과정중 지표면 함몰붕락이 발생하였다.

2. 터널거동 일반

본 연구구간과 같이 불량한 지반에 위치한 터널은 굴착 초기에 큰 변형이 발생하므로, 가급적 터널 굴착이 수행된 직후 조기에 계측을 수행하여 정확한 지반 변형을 평가하여야 하며, 향후 막장 관찰자료 및 계측결과 등 시공자료의 지속적인 피드백을 통한 적정성 검증을 통하여 안정성 및 경졔성 모두를 만족하도록 하는 시공이 필요하다. 다음 Fig. 1과 같이 실제 설계와 시공 지보패턴이 다른 경우가 많다. 따라서 시공 중 터널 설계시 지표지질조사, 물리탐사, 시추조사 결과와의 상호 입체적 연계분석 후 종합적으로 판단하여 시행하는 것이 필요하다.

이와 같이 터널굴착시 굴착 대상 지반의 연약한 강도, 과다한 지하수 유입, 단층파쇄대 파쇄절리를 통한 굴착면에서 발생되는 변위 및 국부적으로 붕락이 주요한 원인으로 알려져 있다. 요약하면 터널 시공 중에 발생하는 외력을 터널 지보재가 충분히 저항하지 못하게 되는 경우로 설명될 수 있다. 따라서 안정성과 직결된 가장 중요한 조건은 터널굴착 및 지보재를 설치하는 동안 터널을 안전하게 지지할 수 있는 충분한 지지력의 확보이며 지보력이 충분하지 못한 경우에는 지반이완이 발생하고 하중이 점진적으로 크게 작용하여 국부적인 탈락 또는 균열, 파손등과 같은 현상이 발생하면서 최종적으로 전반적인 터널붕괴가 발생한다. 이와 같이 굴착 중에 발생하는 붕괴유형으로는 지지력 부족에 인한 붕괴, 측압증가에 의한 붕괴, 가지보재 파괴에 인한 붕괴가 있다. 지지력 부족에 의한 붕괴는 터널하반에 연약한 지반이 출현했을 경우에 주로 발생하며, 지지력의 부족으로 터널 상반에 설치된 1차 지보재의 우각부 침하로 변형이 발생하는 경우에는 내공단면의 유지가 곤란하고 지보재의 균열 등을 초래하여 직접적으로 터널의 붕괴로 이어질 수 있다.

측압 증가에 의한 붕괴는 일반적으로 원지반의 구속응력 중 연직응력보다 수평응력이 크게 발생하는 경우에 주로 발생하며, 측벽부에 과다한 변위발생으로 1차 지보재 천장부에 균열발생, 하부 지반의 융기 등이 발생할 수 있어서 터널의 붕괴로 이어질 수 있다(한국터널지하공간학회, 2010).

지보재 폐합 후에 발생하는 터널의 붕괴유형은 전단파괴에 인한 붕괴, 압축파괴에 의한 붕괴, 펀칭파괴에 인한 붕괴, 휨압축파괴에 인한 붕괴, 밀림현상에 의한 붕괴가 있다. 전단파괴에 의한 붕괴유형은 연약대, 파쇄대, 단층대 등 국부적으로 취약한 지층조건과 터널이 간섭될 경우 취약한 부분에 집중된 지반응력 및 하중 등이 터널의 지보재에 국부적인 외력으로 작용하여 지보재의 전단파괴를 유발하여 발생한다. 압축파괴에 의한 붕괴유형은 주로 지반응력이 지보재의 저항력을 초과하는 경우에 발생하는데 터널의 계획심도가 깊어 과지압이 작용하는 경우, 터널 내부로 지하수 침투가 원활하지 않아 지보재 배면에 수압이 집중되는 경우, 함수량이 높은 팽창성 지반에 터널이 계획되는 경우 등에서 볼 수 있다. 압축파괴에 의한 붕괴는 전단파괴에 인한 붕괴와 마찬가지로 국부적인 취약한 지반과 터널이 간섭할 경우 취약한 지반에 집중되는 과다변위로 인하여 발생할 수 있다. 휨압축파괴에 의한 붕괴유형은 압축파괴에 의한 붕괴유형이 발생하는 조건과 유사한 경우에 발생하며, 연속체 특성을 보이는 지보재에 압축하중이 발생할 경우 지보재의 휨저항력이 이에 대응하지 못 할 경우에 발생한다. 밀림현상에 의한 붕괴유형은 다른 붕괴유형과는 다소 상이한 붕괴특성을 보이는 경우로 지보재와 원지반이 충분히 밀착되지 못한 경우 지반변위 발생에 지보재가 함께 저항하지 못하고 상대변위가 발생하는 경우에 볼 수 있다(한국터널지하공간학회, 2010).

3. 소규모 단층파쇄대와 지하수 용출시 단계별 터널 거동 분석

3.1 1차 변위 발생 분석

터널은 크게 도심지 지하에 설치되는 터널과 산악지에 설치되는 산악지터널로 구분될 수 있다. 특히 산악지 터널의 경우, 지형조건에 따라 터널구간에 대한 설계시 지반조사 분석결과와 터널 시공 중 터널굴착면 지반조사 분석결과와 유사한 경우와 상이한 경우로 구분될 수 있다. 이와 같이 단층파쇄대와 지하수 상태에 대하여 설계시 예측과 시공 중 예측이 다른 경우에는 붕락 및 과다변위등이 발생하는 경우가 종종 발생한다. 이러한 원인은 크게 두부류로 구분할 수 있다. 터널 굴착면에 신속하지 대응방안 부족과 단층파쇄대와 지하수 용출이 동시에 발생되는 경우로 분류할 수 있다. 현실적인 측면에서 설계시에 지반조건을 정확하게 모두 조사분석 될 수 없으므로 보강설계를 고려하기에는 기술적인 한계가 있다. 특히 다음 Fig. 3과 같이 50~100 cm 정도의 단층파쇄대가 터널 굴착면에 존재하고 지하수가 발생하는 경우에는 적극적인 보강방안을 적용하는데 제약조건이 많다(기술보고서, 2007).

다음 Fig. 4는 상기 Fig. 3 단층파쇄대가 굴착면에 존재하고 있어 보강을 위한 강관다단 그라우팅 작업 중 터널 굴착면 지하수 용출로 인하여 추가 변위가 발생한 경우이다.

따라서 본 연구대상 터널은 다음 Fig. 5와 같이 압성토를 실시하여 추가적인 변위를 억제하도록 하였다.

원설계시 본 구간에 대하여 천단부에 풍화토층이 일부 분포하는 것으로 가정하였으나, 검토구간에 대해 시추조사를 실시한 결과 터널 천단부에는 자갈섞인 모래인 퇴적층이 약 2 m 내외의 층후로 분포하고 있으며, 단층파쇄대가 좌측부에 존재하고 퇴적층 상부에는 연약점토층이 분포하고 있다. 또한, 다음 굴착할 구간은 터널상반 및 하반부의 대부분이 풍화토, 풍화암층이 분포하고 있어, 원 설계시 가정한 지층조건과 상이한 것으로 검토되었다.

3.2 1차 변위 발생후 터널굴착면 지질조건을 고려한 수치해석 결과

붕락 후 터널굴착면 지질조건을 고려하여 터널 수치해석을 실시하였으며, 수치해석결과는 다음 Fig. 6~10과 같다. 본 분석을 위하여 터널 범용해석 프로그램을 널리 사용되고 있는 유한요소해석 프로그램인 마이다스 GTX으로 분석을 수행하였다.

천단부 변위가 최종 단계시 28.53~29.80 mm로 검토되었으며, 원설계시 10.63~11.73 mm에 비해 상대적으로 2배 이상으로 큰 값을 보이는데 이는 지층변화에 따른 것으로 분석되었고 최대 천단변위는 32.99 mm로 검토되었다.

록볼토 최대축력은 천단부에서 119.53 kN으로 허용치인 88.70 kN을 초과하므로, 안정성을 확보하지 못하는 것으로 분석되었으며, 숏크리트는 최대 6.18 MPa로 허용치 8.40 MPa 이내로 안정한 것으로 분석되었다.

3.3 지하수 용출에 따른 2차 변형 발생 분석

1차 변형 발생후 다음 Fig. 11과 같이 터널내 지하수 용출량 증가와 국부적으로 토사가 30 m³ 탈락하였고 이로인해 터널 좌측벽 숏크리트 균열 및 강지보재 변형발생하였다.

2차 발생원인 상부 실트질 풍화토층이 대수층에 의해 이완되어 있는 상태에서 굴착으로 인해 이완토압과 수압이 일시 지보재에 작용하여 지보재 저면 지지력을 초과한 것으로 분석되었다.

3.4 3차 변위로 인한 지표면 함몰붕락 발생 분석

2차 발생이후 추가적인 수발대책을 적용하고 보강 작업 중 다음 Fig. 13과 같이 지표면 함몰형태의 붕락으로 확대되었다. 지표면 함몰은 폭 9 m, 깊이 1.8 m, 40 m³로 조사되었다.

이와 같은 3차 변위 추가발생으로 인한 지표면 함몰붕락은 다음 Fig. 14와 같이 터널 천단부에 다량의 지하수가 포함되고, 지반강도특성이 매우 불량한 퇴적토(자갈질 모래) 및 풍화토층의 하향 분포로 터널 천장 및 아치부의 보강된 강관 사이로 토사유출(Q=27.0 m³)로 인하여 발생한 것으로 분석되었다.

3.5 단계별 변위 발생에 대한 대책방안

본 연구대상 터널과 같이 단층파쇄대와 지하수 용출이 시간적인 편차를 두고 지하수 용출이 서서히 증가하는 경우에는 변위가 억제되지 않고 단계별로 변위가 지속적으로 발생하므로서 굴착면에서 과다변위에 의한 안정성 문제가 다수 발생함에 따라 터널 바닥부에 다음 Fig. 17과 같이 인버트를 설치하고 지속적인 변위에 대한 터널 변형제어를 위해서 강재 인버트를 설치해야 하는 것으로 확인되었다. 이러한 인버트는 다음 Fig. 17과 같이 수치해석 결과에서 곡선형상 인버트 단면 적용시의 경우, 응력집중에 의한 소성영역 발생빈도가 상대적으로 감소되는 경향을 보이게 된다(기술보고서, 2002).

요약하면 터널 굴착시 곡선 형상의 강재인버트와 숏크리트 타설에 의한 조기의 링폐합은, 터널변형 및 터널주변 지반의 응력집중을 감소시켜 터널의 안정성을 증대시킨다. 다음 Fig. 18과 같이 터널 인버트 형상은 터널 변형억제 및 이완응력 집중 방지효과를 극대화 할 수 있는 곡선형 형상을 유지하여야 하고 인버트에 설치되는 숏크리트 두께는 설계된 숏크리트 두께 이상으로 설치하여야 한다.

4. 결 론

터널설계시 현장 접근이 어렵거나 민원등의 제한조건으로 인하여 지반조사가 부족할 경우에는 설계시 분석된 지반조건과 시공 시 터널굴착면 지반조건이 상이한 경우가 발생하게된다. 특히 소규모 단층파쇄대 존재하고 이러한 단층파쇄대로 인하여 변위가 지속적으로 증가하는 상태에서 지하수 용출이 동시에 발생하는 경우에는 단계별 변위 발생이 발생하고 지하수 용출량 증가시 대규모 붕락으로 발생하는 조건으로 확대된다. 본 연구에서는 1차, 2차, 3차 단계별 변위증가 이후 붕락이 발생한 실제 현장사례를 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.

1.터널설계시 추정한 지보패턴과 시공시 조사한 지보패턴 편차가 2등급 이상 발생하고 굴착면에 단층파쇄대가 소규모(폭 50~100 cm)단층파쇄대가 존재하고 터널굴착면에서 지하수 용출량이 서서히 증가하는 경우에는 1차, 2차, 3차 단계별 변위 및 붕락이 발생하는 경향이 분석되었다. 특히, 현장에서 선정한 터널 관리기준 이내 변위계측 값을 확인하여도 단층파쇄대가 존재하고 굴착면에서 지하수 용출이 서서히 발생하는 조건에서는 굴착완료 후에도 지속적인 관찰이 필요한 것으로 분석되었다.

2.터널굴착중 굴착면에서 지하수 용출량이 증가하면 우선적으로 수발공 등을 설치하여 배수처리를 우선적으로 조치하는데 단층파쇄대가 존재하는 경우에는 지하수로 인한 장기적인 지반강도 감소를 고려하여 보강방안을 현상태 조건에서 선정한 보강방안보다 보수적인 방안을 적용하는 것이 적정한 것으로 분석되었다.

3.단계별 변위 발생 및 붕락형태는 1차 변위발생 시에는 천단부 변위가 최종단계 시 29.80 mm로 분석되었으며, 원설계 시 11.73 mm에 비해 상대적으로 2배 이상으로 큰 값을 보이는데 이는 지층변화에 따른 것으로 분석되었고 최대 천단변위는 32.99 mm로 분석되었다. 2차 변위발생 시에는 1차 변형 발생 후 터널 내 지하수 용출량 증가와 더불어 터널 좌측벽 숏크리트 균열 및 강지보재 변형이 발생하였다. 3차 변위발생 시에는 터널 천단부에 다량의 지하수가 포함되고, 지반강도특성이 매우 불량한 퇴적토(자갈질 모래) 및 풍화토층의 하향 분포로 터널 천장 및 아치부의 보강된 강관 사이로 토사유출(Q=25.0 m³)이 발생하면서 지표면 함몰이 발생하였다.

4.본 연구대상 터널과 같이 단층파쇄대와 지하수 용출이 시간적인 편차를 두고 지하수 용출이 서서히 증가하는 경우에는 변위가 억제되지 않고 단계 별로 변위가 지속적으로 발생하여 굴착면에서 과다변위에 의한 안정성 문제가 다수 발생하였다. 터널 바닥부에 강재인버트와 숏크리트를 설치하여 지속적인 변위에 대한 터널 변형제어를 위해서 강재 인버트를 설치하였다.