1. 서 론

최근 들어 국내에서는 GTX 사업 및 Smart Way 사업 등 대규모 철도 및 도로 건설 사업이 가시화 되고 있으며 한일, 한중 해저 터널 등 국가사업들의 논의가 본격화 되고 있다. 이러한 사업들은 교통구조물의 특성상 지하에 건설되며 특히 대심도 및 장대화 되고 있어 대심도 장대터널의 수요가 그 어느 때 보다 높아가고 있다고 할 수 있다.

터널 굴착은 지반 내 응력을 변화시키므로 기존의 응력상태에서 새로운 응력상태로 전이되는 과정에서 지반변형을 동반하게 되며 주변지반의 새로운 응력상태가 평형조건(equilibrium condition)에 도달하게 되면 터널은 안정을 확보하게 되나 그렇지 않은 경우에는 붕괴로 이어지게 된다. 따라서 터널 시공 중 설치하는 지보재(support)는 이러한 응력 전이 과정에 있어 주변 지반이 평형조건을 확보할 수 있도록 도와주는 역할을 하게 된다. 이러한 터널시공 중 응력전이 형태 및 지반변형 패턴은 다분히 주변지반의 지반/암반공학적 특성 및 시공방법에 좌우 된다. 즉, 암반내 불연속면의 공간적·역학적 특성, 지하수상태, 초기응력 상태, 시공방법 등에 따라 응력전이 및 지반변형 패턴이 달라지고 따라서 터널거동 특성이 달라지므로 이에 대한 평가와 아울러 설계시 반영하여야 한다(HSE, 1996; Kim et al., 2006; Kun and Onargan, 2013; Yoo et al., 2010; Yoo, 2013).

특히 대심도 장대 터널은 심도가 얕은 천층 터널에 비해 환기 및 방재 등의 시공 외적인 특수 고려사항 이외에도 조사지역이 방대하기 때문에 설계단계에서 충분한 지반정보를 얻기가 어려우며 터널이 다양한 지반조건에 위치하고 각종 단층 등의 지질구조대와 조우할 가능성이 매우 높다. 또한 암반이 보유하는 강도에 비해 초기응력이 매우 크기 때문에 암반파열(rock bursting), 팽창(swelling) 및 암반압출(squeezing) 등 이상 거동이 발생할 수 있어 터널시공에 이에 대한 고려가 필요하다(Kim et al., 2004; Shin et al., 2007; KICT, 2009; KTA, 2010; Matos et al., 2004; Vlasov, 2001; ITA Report WG17, 2010).

지금까지 다수의 연구자에 의하여 터널 실험에 대한 연구들이 진행 되어 왔다. 그 중에서도 불연속면을 포함하는 터널 실험에 관한 연구로는 Lee (2011)는 파쇄대에 근접한 터널에 대해 다양한 조건에 대해 축소모형실험을 통해 터널의 거동을 비교 분석하였다. 이 연구에 따르면, 파쇄대가 터널에 근접할수록, 경사각이 수직에 가까울수록 파쇄대가 터널 거동에 미치는 영향이 더욱 큰 것으로 나타났다. Hunag et al. (2013)은 터널과 주변 암반의 단층영역의 관계에 대해 실내모형실험과 수치해석의 비교 연구를 하였다. 암반 지반에 시공된 터널에서도 단층영역이 터널을 관통하는 경우에 대한 연구로 단층영역이 존재 하지 않는 경우 상재하중 가압에 따라 터널 천단부에서 파괴 형상이 보였으나 단층역역이 존재하는 경우에는 단층영역에서 파괴 형상이 나타났다. Kim et al. (2004), Kim et al. (2006), Yoo (2013) 은 수치해석을 통해 터널에 있어서의 파쇄대층의 영향을 분석하였다. 실제로 많은 연구에서 파쇄대층의 존재는 터널 거동에 큰 영향을 미치고 있는 것으로 나타났다.

실제 파쇄대층과 터널거동과의 관계를 파악하려는 연구는 다수 존재하고 있는데, 실험 연구 뿐 만 아니라 수치해석에 관한 연구도 다수가 있다. 본 연구에서는 기존의 연구들과는 다르게 터널의 시공과정에서의 안정성에 대해 미치는 영향을 파악하고자 압축공기기법을 통해 시공과정에서 파쇄대가 터널 거동에 미치는 영향을 분석하였다.

2. 이론적 배경

터널 굴착 시 아칭(Arching) 현상이 발생하는데 지반 내의 특정 부분에서 변위가 크게 발생함에 따라 변위가 작게 발생한 부분으로 전이 되는 것을 아칭(Arching) 현상이라고 정의한다. 터널 굴착 시 터널이 유지되는 것은 아칭(Arching) 현상의 한 것으로 터널에 작용하던 하중이 주변지반으로 전이 되어 주변 지반에 의해 지지된다. 아칭(Aching)현상에는 수평(Convex) 과 수직(Inverted)으로 나눌 수 있다. Fig.1 (a)는 수평(Convex) 아칭 현상을 나타낸 것으로 터널 굴착 시 상부에서의 하중이 접선 방향으로 전이 되는 것을 발하며 접선방향으로 최대 주응력이 발생 하게 된다. Fig. 1(b)는 수직(Inverted)아칭현상을 나타낸 것으로 터널 상부에서 변위가 크게 발생하게 되면 상대적으로 지반 변위가 적게 발생하는 부분으로 하중이 전이 되어 아래로 볼록한 모양이 된다(Kim et al., 2012).

Arching 현상에 의해 터널 굴착 시 에도 터널이 유지되지만 터널 시공에서 잘못된 지보재 선택이나 설치시간 지연 등과 같이 설계 및 시공 불량에 의해 터널 붕괴가 발생할 수 있다. 또한 지반조사 및 지하수 유입등에 의해 막장면 붕괴가 발생할 수 있으며 터널 붕괴 전에 나타나는 대표적인 현상으로 균열, 측벽부의 침하, 토사의 유입과 지하수 용출 등이 있다. 붕괴 유형으로 갱구부에서의 붕괴가 대부분을 차지하고 있는데 이는 갱구부는 삼축상태(triaxial state)가 아니라 2축상태(biaxial state)의 응력상태에 놓이게 되어 구속 압이 부족한 상태에서 터널 굴착이 이루어지기 때문에 발생하며 터널 막장면이나 터널 주변에 파쇄대 구간을 파악하지 못하고 지반조건과 부합되지 않은 부적절한 시공법이 적용될 경우 붕괴가 발생 할 수 있다.

3. 축소모형실험

3.1 터널 및 토조

3.1.1 모형 터널

터널의 굴착과정에서 파쇄대가 터널 및 지반에 끼치는 영향평가를 목표로 한 본 연구 목적을 달성하기 위해 굴착과정을 표현 할 수 있는 터널을 제작하여 실험을 수행하였다. Fig. 2(a)에서 보이는 바와 같이 직경 15 cm의 원형 방수천(두께 0.5 mm)을 이용하여 터널을 모사하였으며 터널 굴착 과정은 Fig. 2(b), (c)와 같이 공기를 이용하여 정지토압 상태를 유지한 후 감압하는 방법으로 터널굴착 효과를 시뮬레이션 하였다. 즉, 모형 터널 입구부에 Latex Membrane을 설치하고 압축공기압을 가하여 굴착 전의 지중응력상태를 구현하였으며, 공기압력을 점차 감소시켜 터널 굴착과정을 모델링 하였다. 또한 토조 종방향 폭 전체를 1회 굴진으로 가정하여 평면 변형률(Plane Strain) 조건으로 모사하였다.

3.1.2 모형 토조

Fig. 3은 축소모형실험의 개요도를 보여준다. 모형 토조는 터널의 굴착으로 인해 지반변위 범위를 예비 실험을 통하여 고려한 바, 길이(1,800 mm) × 높이(1,200 mm) × 폭(380 mm)의 크기로 설정 하였으며, 측면과 후면부는 철제프레임으로 제작 되었다. 전면부에는 지반의 거동을 확인 할 수 있도록 15 mm 두께의 투명 아크릴판으로 제작하였으며 지반 조성 시 측면변형(배부름)이 없도록 프레임을 설치하여 휨 변형이 억제될 수 있도록 하였다. 지반 조성 시 나타날 수 있는 흙의 유실을 막기 위해 벽체와 벽체, 벽체와 벽면 사이를 강력 테이프로 이중테이핑 하였다.

Table 1에서와 같이 토조 상부 및 터널 내부에 최대 200 kPa의 등분포 상재압력을 작용시킬 수 있도록 구성하였으며 토피고 변화는 상재하중을 변화시킴으로서 모사를 하였다. 가압장치는 길이(1,800 mm) × 높이(150 mm) × 폭(380 mm)로 토조의 단면적과 동일하며 에어백 형태로 제작 하여 공기압 조절 장치를 통해 일정한 압력을 유지할 수 있도록 하였다.

실험 중 발생하는 변위계측은 사진측량기법(PIV)으로 수행하였으며 이를 위해 지반 및 터널의 거동을 분석할 수 있도록 벽면에 가로(30 mm) × 세로(30 mm)의 격자로 파란색 스티커를 부착한 멤브레인을 설치하였다. 초기조건을 조성 후 터널굴착을 모사하는 내압의 감압시 멤브레인에 표시된 스티커의 거동을 분석하여 사진측량기법인 PIV 분석 프로그램을 통해 변위 벡터 값을 도출하였다.

3.2 모형 지반

모형지반과 파쇄대는 각각 화강풍화토와 고령토를 사용하여 조성하였으며 화강풍화토와 고령토의 물성치는 Table 2와 같다. 화강풍화토의 입도분포를 확인하기 위해 Fig. 4에서와 같이 체분석을 통해 입도분포곡선을 얻었으며 입도분포 수치인 균등계수와 곡률계수로 각각 8.78, 0.773이 산정되었다. 통일분류법(USCS)에 의한 분류한 결과 본 실험에 사용하는 화강풍화토는 SP로 분류되어 세립분이 거의 없고 입도분포가 균질하지 않는 모래질 흙으로 검토되었다.

화강풍화토의 강도정수는 삼축압축시험(CU test)을 수행하여 결정하였으며 이때 구속압 50 kPa, 100 kPa, 150 kPa 으로 변화시키며 실험을 실시한 후 Mohr-Coulomb 파괴포락선(Fig. 6)으로부터 점착력과 내부마찰각을 결정하였다. 삼축압축시험 수행시 성형된 화강풍화토는 본 연구의 실험시 사용된 지반의 단위중량 18.34 kN/m³ 의 0.3 kN/m³ 오차범위에 해당하는 18.2 kN/m³의 단위중량을 갖도록 성형하여 모형지반의 재성형 시료로 대체하였으며, 각각의 case 실험마다 가로 1,800 mm 세로 400 mm 높이 1,100 mm의 모형지반을 5층으로 나누어 층당 평균 2개의 함수비 측정용 can을 설치하여 얻는 평균 단위중량과 함수비가 삼축압축시험 수행시 성형된 화강풍화토의 단위중량의 오차 범위에 포함을 확인하였다.

3.3 실험 조건 및 방법

3.3.1 실험 조건

본 연구에서 수행한 실험 조건을 Table 3에 정리하였다. 정리된 바와 같이 파쇄대 폭, 파쇄대와 지반과의 경사각, 파쇄대와 터널간의 이격거리 등을 변화시켜 다양한 실험 조건을 구축하였다. Table 3의 실험조건에서 Case 1은 파쇄대가 없는 조건으로 파쇄대의 유무에 따른 지반 및 터널의 거동을 확인하고자 원지반 상태의 실험을 수행하였으며 Case 2∼4는 파쇄대의 경사각이 지표면과 수평인 조건, 수직인 조건, 45° 경사인 조건을 포함한다. 또한 Case 4, 5는 파쇄대와 터널간의 이격거리에 따른 결과를 확인하고자, 파쇄대가 터널과 0.3D 떨어져 있는 조건과 터널을 관통하는 조건으로 나타낸다. 실험시 파쇄대의 폭은 0.7D로 일정하게 유지하였다.

3.3.2 실험 방법

실험을 수행하는데 있어 터널 하부의 원지반은 2D의 높이로 구성하였다. 원지반 조성 전 화강 풍화토에 대해 다짐 실험을 통해 다짐에너지를 산정하였다. 5층으로 나눠 각 층별로 동일한 다짐에너지 및 횟수로 지반을 조성하였으며 함수비 캔을 층별로 2개씩 배치하여 실험 종료 후 흙의 단위중량 확인을 통해 지반의 균질성을 확보하였다. 또한 파쇄대가 경사진 경우 파쇄대의 표현을 위해 원지반을 경사진 상태의 일정한 다짐상태로 조성하고, 수직파쇄대의 경우 가이드를 설치하여 파쇄대와 원지반을 각각 조성하였다.

하부 지반 조성 후 제작된 터널 라이닝을 삽입하고 터널 상부 지반 조성 시 라이닝에 변형이 올 수 있기 때문에 공기압 조절을 통해 라이닝에 변형이 생기지 않도록 했다. 본 실험에서는 터널 설치 시 5 kPa의 내부 압력을 가하여 터널의 형상을 만든 후, 지반 조성과정에서 압력을 증가시켜 형상의 변형을 최소화 하였다. 터널 설치 후 지반거동 분석을 위한 격자(30 mm × 30 mm)가 인쇄된 멤브레인을 토조 전면부 아크릴판에 그리스를 사용하여 부착하였다.

터널을 조성한 후 파쇄대의 위치까지 원지반을 조성하였다. 조성방법은 하부 지반과 동일하며 파쇄대 위치까지 지반을 조성한 후 고령토를 사용하여 파쇄대를 조성하며, 파쇄대의 정확한 구현을 위해 전면 아크릴에 위치를 표시하여 정밀한 과정을 거치도록 하였다. 파쇄대 조성 후 다시 원지반을 도성하여 최상부까지 지반을 조성하였으며, 지반 조성 과정에서 터널 내압을 조절해가며 터널 형상에 변형이 없도록 실험을 수행하였다.

조성된 지반은 축소모형이며 충분한 높이의 조건이 충족되지 않는다. 따라서 상재하중을 가압하여 실제 지반 상태를 모사할 수 있도록 하였다. 토조 상판에 설치된 Airbag은 지반 전체에 등분포하중을 가할 수 있도록 제작되었다. 본 실험에서는 100 kPa의 상재하중을 가압하였으며, 상재하중 가압 시 터널의 내압은 예비실험을 통해 산정하였다. 토조 앞면에 터널 형상의 Guide Line을 설치하고 상재하중 가압 시 터널의 내압에 따른 터널의 변형을 관찰한 결과 터널 내압 100 kPa에서 터널의 변형이 발생하지 않았으며 이 결과를 바탕으로 터널의 내압을 100 kPa까지 증가시켜 지반의 초기 응력 상태를 구현하였다.

초기 응력상태의 구현 완료 후 사진 촬영을 시작하여 터널 내부 압력을 줄이면서 터널 굴착을 모사하였으며 터널의 내압을 10%씩 감소시켜가며 터널 굴착에 따른 터널의 내공변위 지반의 거동을 파악하였다. Fig. 7은 터널 내압 제거 전/후를 나타낸 것으로 내압을 완전 제거 후 터널 및 지반에 변화가 생긴 것을 확인 할 수 있다.

4. 결과 분석 및 고찰

4.1 파쇄대 유무에 따른 터널의 거동 분석

Fig. 9∼14은 파쇄대의 존재 유무에 따른 터널 거동에 대해 실험 결과를 보여주고 있다. 각 그림의 좌측 Case 1은 파쇄대가 존재하지 않는 원지반의 실험 결과이며, 우측 Case 3은 폭 0.7D, 터널과의 이격거리 좌측 0.3D, 지표면과의 경사각 90°인 파쇄대가 존재하는 경우의 실험 결과이다.

먼저 Case 1의 경우 Fig. 9에서 나타나듯이 터널의 거동은 천단부에서 가장 큰 변위가 발생하며 각 지점 변위들이 터널의 중심을 향하고 있다. 한편, Case 3에서는 터널 좌측 상부에서 최대 변위가 발생하였는데 이는 파쇄대의 위치가 터널 좌측에 위치하고 있기 때문이라고 판단된다. 또한 Fig. 10에서 보이듯이 Case 1은 터널 직상부를 중심으로 지표면까지 V자 형태로 변위가 크게 발생하는 경향을 보이고 있는데 이는 일반적인 터널 파괴영역과 일치하는 것으로 나타났다. 반면 Case 3에서는 터널 좌측상부를 중심으로 V자 형태의 변위가 크게 발생하여 파쇄대의 위치에서 변위가 크게 발생한 것으로 나타났다.

Fig. 11은 지반 변위 벡터를 컨투어화 한 것으로 결과를 좀 더 정확히 판단할 수 있도록 하였다. 편의를 위하여 터널은 그림 내에 원으로 나타내었고 파쇄대는 실선으로 나타냈다. Case 1은 터널 직상부와 터널이 위치한 지표면에서 가장 큰 변위가 발생하였다. 앞서 언급하였듯이 일반적인 터널파괴영역인 V자와 일치하는 형태를 나타내고 있지만, Case 3의 경우 터널 좌측 상부를 중심으로 변위가 가장 크게 발생하였으며, 이는 파쇄대가 존재하는 영역과 터널 상부의 영역의 교차 지점이라 할 수 있다. Fig. 12은 x방향 변위 컨투어로 Case 1은 국부적인 변화가 존재하긴 하나 전체적으로 고른 변위 분포를 보이는 반면 Case 3은 파쇄대 위치에서 가장 큰 변위가 발생하였다. 하지만 x방향으로는 변위의 수치자체가 매우 작기 때문에 x방향에 대한 검토는 무시하여도 무방할 것으로 판단된다. Fig. 13은 y방향 변위 컨투어를 보여주고 있는데 전체 합벡터 컨투어와 거의 동일한 경향을 보이고 있다.

Fig. 14은 터널 내부 압력 변화에 따른 터널 천단변위를 나타낸 그림으로서 굴착과정 모사에는 내부압력 100 kPa에서 10%인 10 kPa씩 감소시켜 실험을 수행하였다. 그래프에서 나타나듯이 천단변위는 터널 내압이 60% 이상 감소하였을 때 점차 크게 발생하며, 파쇄대가 없는 경우에는 16 mm의 천단변위가 발생하였으나 파쇄대가 수직으로 분포하는 경우에는 32 mm가 발생하였다. 이는 파쇄대가 존재하는 경우 터널의 거동에 영향을 미친다고 판단할 수 있다.

4.2 파쇄대 경사각에 따른 터널의 거동 분석

Fig. 15∼20은 파쇄대와 지표면이 이루는 경사각에 따라 파쇄대 조건을 달리한 실험 결과를 보여주고 있다. Fig. 15(a) 은 폭 0.7D, 터널 천단으로부터 터널과의 이격거리 0.3D, 지표면과의 경사각 0°인 수평으로 파쇄대가 존재하는 실험 결과이며, Fig. 15(b)는 폭 0.7D, 터널과의 이격거리 좌측 0.3D, 지표면과의 경사각 90°인 파쇄대가 존재하는 경우의 실험 결과 이며 Fig 15(c)는 터널에서 부터 좌측 상단으로 이격거리가 0.3D 폭 0.7D 지표면과의 경사각 45°인 파쇄대가 존재하는 경우의 실험 결과이다.

Case 2의 경우 Fig. 15에서 나타나듯이 터널은 천단부에서 가장 큰 변위가 발생되며 터널 천단부분을 기점으로 좌우의 변위가 비슷하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이것으로 볼 때 천단부위로의 변위가 가장 크게 생기고 그 좌우로 퍼지면서 동일하게 토압을 받는 것을 알 수 있다. Case 3에서는 터널 좌측 상부에서 최대변위가 일어난 것을 알 수 있으며, 이는 파쇄대가 터널의 좌측 존재하면서 이 부분의 변위가 터널 오른쪽 부분보다 크게 나타나면서 일어난 현상이라고 파악된다. Case 4의 경우 천단부분의 변위는 좌우 비슷하게 일어났지만 터널 좌측 부분의 변위에서 x축 쪽으로의 변위가 터널 안으로 향하고 있으며 다른 터널의 변위와 비교 시 더욱 큰 것을 알 수 있다.

Fig. 17에서 나타나듯이 Case 2는 터널 직상부에서 가장 큰 변위가 발생하였다. 앞서 언급하였듯이 일반적인 터널파괴영역인 V자와 일치하는 형태를 나타내고 있으며, 파쇄대와 터널의 직상부의 사이에서 가장 큰 변위 발생 영역을 나타내고 있다. Case 3의 경우 터널 좌측 상부를 중심으로 변위가 가장 크게 발생하였으며, 이는 파쇄대가 존재하는 영역과 터널 상부의 영역의 교차 지점이라 할 수 있다. 또한 Case 4의 경우 터널 상부를 중심으로 변위가 가장 크게 발생하고 있지만 터널을 기준으로 좌측영역이 우측영역에 비해 변위가 큰 것을 확인할 수 있다. 파괴 영역인 V형태가 좌측으로 좀 더 넓게 분포하며 우측으로는 매우 좁아진 것을 확인 할 수 있다. Fig. 18은 x방향 변위 컨투어로 Case 2은 국부적인 변화가 존재하긴 하나 전체적으로 고른 변위 분포를 보이는 반면 Case 3은 파쇄대 위치에서 가장 큰 변위가 발생하였다 또한 Case4의 경우 좌측 하단부분의 변위가 우측보다 큰 것으로 나타나며 파쇄대의 영향이 좌측 하단까치 영향을 미친다는 것으로 나타난다. Fig. 19은 y방향 변위 컨투어로 합 벡터 컨투어와 거의 동일한 경향을 보이고 있다.

Fig. 20은 앞 터널 내부 압력 변화에 따른 터널 천단변위를 나타낸 그림으로 Case 2∼4에 대한 실험 결과 이다. 그래프에서 나타나듯이 천단변위는 터널 내압이 60% 이상 감소하였을 때 점차 크게 발생하며, 각 파쇄대 조건별로 큰 차이를 보이지는 않지만 파쇄대가 수직인 경우가 32 mm로 가장 크게 발생하였고, 수평인 경우엔 30 mm, 경사진 경우에는 25 mm로 경사진 경우에 가장 적게 발생하였다.

4.3 파쇄대 관통 여부에 따른 터널의 거동 분석

Fig. 21∼26에서는 파쇄대가 존재할시 파쇄대가 터널을 관통 여부에 따른 터널 거동에 대한 그림을 보여주고 있다. 여기서 Case 4는 터널에서 부터 좌측 상단으로 이격거리가 0.3D 폭 0.7D 지표면과의 경사각 45°인 파쇄대가 존재하는 경의 실험 결과이며 Case 5는 터널을 통과하는 폭 0.7D의 동일한 크기의 파쇄대가 존재하는 실험조건이다.

Case 4의 경우 Fig. 21에서는 나타나듯이 좌측의 x축에서 변위가 일어나는 반면 Case 5는 터널의 상단 좌측에서 변위가 크게 나오는 것을 볼 수 있다. 이는 파쇄대가 관통하면서 터널에 끼치는 영향이 터널에 떨어져 있을 때 보다 크다는 것으로 볼 수 있다. 또한 Fig. 21와 Fig. 22에서 나타나듯이 Case 5의 변위가 Case 4의 변위보다 좌측으로 치우쳐져있는 것으로 보이며 터널 쪽으로의 변위가 더욱 확실하게 우측 상단에서 터널 안쪽으로 이동하는 것을 볼 수 있다. 또한 Case 5의 실험시 터널구간의 파쇄대가 붕괴하면서 터널 주위의 타겟들이 소실되어 관측이 되지 않았으나 육안으로 확인시 터널의 붕괴와 같은 대략 0.5D 이상의 변위를 보였다. 이러한 결과로 파쇄대의 관통 여부가 터널에 끼치는 영향이 매우 큰 것으로 판단된다.

Fig. 23∼25는 지반 변위 벡터를 컨투어화 한 것으로 결과를 좀 더 정확히 판단할 수 있도록 하였다. 편의를 위하여 터널은 그림 내에 원으로 나타내었고 파쇄대는 실선으로 나타냈다. 파쇄대가 터널을 관통하는 Case 5의 경우 파쇄대 영역에서 터널이 붕괴되어 빗금으로 붕괴 영역에 대한 표시를 나타내었다.

Fig. 23에서 관찰할 수 있는 바와 같이 Case 4는 변위 발생 영역에 넓게 분포하는 반면, Case 5는 터널 주변에서 붕괴에 근접한 경향을 보여주고 있다. 또한 Case 4의 경우 파쇄대와 터널 사이의 지반이 가장 큰 변위를 보여주고 있으나 Case 5의 경우 파쇄대의 붕괴부분의 변위가 가장 크게 나온 것으로 검토되었다. Fig. 24는 x축의 변위를 나타낸 그림으로서 2개의 그림이 터널 상단 좌측 이 제일 크고 좌측에의 변위가 우측보다 크게 발생하는 것으로 나타났다. Fig. 25는 y방향 변위 컨투어로 합벡터 컨투어와 거의 동일한 경향을 보이고 있다. 이러한 결과로 인해 파쇄대가 터널에 가까워질수록 지반의 변위가 더욱 크게 나타나며 특이 Case 5의 경우 파쇄대가 터널에 위치하기 때문에 파쇄대가 지반에 끼치는 영향이 가장 크게 나타나는 것으로 판단된다.

Fig. 26은 터널 내부 압력 변화에 따른 터널 천단변위를 나타낸 그래프로 Case 4 및 5에 대한 실험 결과를 보여주고 있다. 그래프에서 관찰할 수 있는 바와 같이 천단변위는 터널 내압이 60% 이상 감소하였을 때 점차 크게 발생한다. 이격거리가 0.3D인 Case 4에서는 변위가 25 mm가 발생하였지만, 터널을 관통하는 경우인 Case 5에서는 터널의 붕괴가 일어나 100 mm이상의 변위가 발생하였다. 이는 300%이상 큰 수치로 파쇄대가 터널을 관통하는 경우에는 그렇지 않은 경우에 비해 시공 위험도가 더 큰 것으로 검토되었다.

5. 결 론

본 연구에서는 파쇄대의 공간적 분포 특성에 따른 터널거동 영향분석의 일환으로 평면 변형률 상태로 지반을 구성하여 실내 모형시험을 수행하였다. 파쇄대와 터널의 상대적 공간분포 특성에 따른 터널 거동을 고찰하였으며 그 내용을 요약하면 다음과 같다.

1.파쇄대가 존재하지 않는 원지반 터널의 경우 터널의 최대변위는 천단부이며, 내공 변위는 터널 중심방향을 향한다. 또한 지반의 거동은 V자 형태의 변위 발생 영역을 나타내고 있다.

2.파쇄대가 존재하는 경우에는 터널의 최대 변위가 파쇄대의 위치와 천단부의 교차점에서 발생하며(본 실험에서는 좌측상부) 지반의 거동 또한 파쇄대의 위치에서 V자 형태의 변위 발생 영역을 나타낸다. 위와 같은 결과를 토대로 지반내의 파쇄대의 존재는 터널 및 지반 거동에 있어 매우 큰 영향을 끼치는 것으로 판단된다.

3.파쇄대와 지표면의 경사각이 이루는 조건에 따른 실험 결과에서 파쇄대와 터널 천단부 사이에서 가장 큰 변위 영역이 발생하고 이는 지반의 변위에 따라 파쇄대의 위치를 예측 할 수 있는 근거로 활용될 수 있다고 판단된다.

4.경사에 따라 터널 변위에 큰 차이는 없지만 파쇄대가 수직으로 존재하는 경우에 가장 큰 변위가 발생하였으며, 45° 경사 진 경우에 가장 적은 변위가 발생한다.

5.파쇄대와 터널의 이격거리에 따른 실험 결과에서 터널을 관통하는 경우에는 그렇지 않은 경우에 비해 300% 이상의 변위가 발생하여 붕괴를 일으켰다. 위와 같은 결과를 토대로 지반내의 파쇄대가 존재하는 경우에서도 터널을 관통하는 경우에는 터널 및 지반 거동에 있어 매우 큰 영향을 끼치는 것으로 판단되어 각별한 주의가 요구된다.