양산단층대 지역에서 터널굴착 중 붕락 메카니즘에 대한 연구

서론

연구배경

우리나라는 국토의 70%가 산간지역으로, 고속 도로와 철도의 발달로 터널 건설이 급증하고 있습니다. 따라서 대규모의 구조적 지질단층대가 있는 지역, 예를 들어 지반에 국부적으로 분포하는 소규모 단층대(미고결단층, 점토층 등)와 같은 연약한 지반에서 터널굴착을 하는 경우에는, 예를 들어 양산 단층대 구간과 마찬가지로 설계터널 붕괴는 당시 예상했던 것과 전혀 다른 거동으로 인해 공사 중 발생할 수 있다.

연구동향

마지막으로 붕괴사례를 통한 터널의 파손거동에 관한 연구이다. 본 연구에서는 또한 터널 붕괴 사례를 분석하고, 균열단층대에서의 터널 굴착에 관심을 두고 있다.

연구내용

터널 붕괴사고는 지반과 시공여건이 좋지 않은 공사구간에서 자주 발생하고 있다. 터널붕괴 주변의 지반(균열지대)을 강화하기 위한 대책은 Fig.

이론적 배경

터널 거동 연구방법

Limanov(1957)는 원형터널의 탄성해석을 수행하여 침하량을 계산하는 방정식을 제안하였다. 최근에는 토양 손실을 직접적으로 설명하기 위해 터널 주변의 특정 변위를 초기 조건으로 채택하는 방법이 사용되었습니다.

터널붕괴 특성

터널이 붕괴될 경우 가장 시급한 것은 현장 응급조치다. 그러나 터널 붕괴 등 사고가 발생하면 초기 대응이 이뤄지지 않거나 지연되고 있다.

Fig. 2.1 Risk of collapse of NATM tunnels by location(Chambon and Corte, 1994)

위치별 터널붕괴 발생 양상

일반 구간의 터널 붕괴
갱구부 및 저토피 구간 터널 붕괴

따라서 터널붕괴 발생시 붕괴위치의 특성을 고려하여 신속한 초기대응이 긴급복구 및 대응방안 수립에 반영되어야 할 것으로 사료된다. 각 붕괴 유형에 따라 붕괴로 인한 충격의 크기를 고려하고 대책방안 수립 시 반영해야 한다. 지형 특성상 터널 샤프트와 하부 상부 붕괴로 인해 지표면까지 연장되어 침하될 가능성이 매우 높습니다.

따라서 터널 갱도의 붕괴를 방지하기 위해서는 터널 갱도의 지형적, 층위조건 등을 세밀하게 고려하여 입지계획을 수립하는 것이 필요하다.

터널굴착으로 인한 붕락 유형

터널굴착중 붕락 유형
터널굴착 완료후 붕락

지지재의 폐쇄 이전에 발생하는 붕괴의 종류에는 지지부족으로 인한 붕괴, 횡압력 증가로 인한 붕괴, 지지재의 파괴로 인한 붕괴 등이 있다. 압축파괴로 인한 붕괴형은 주로 지면반력이 지지재의 저항력을 초과할 때 발생한다. 전단파괴에 의한 붕괴와 마찬가지로 펀치파괴에 의한 붕괴는 터널이 국부적인 연약지반을 간섭할 때 연약지반에 과도한 변위가 집중되어 발생될 수 있다.

굴곡-압축 실패 유형의 붕괴는 압축 실패 유형의 붕괴가 발생하는 조건과 유사한 조건에서 발생합니다.

Fig. 2.8 Type of collapses in case of a first support closed tunnel

해외 터널 붕괴유형 파악 사례

터널 붕괴 및 방벽 안정성에 대한 요인의 영향을 평가하기 위해 토양 및 지질 조건별로 분류한 평가점과 방벽 붕괴의 대표적인 현상과 방벽 안정성에 영향을 미치는 요인을 Table 2.2에 나타내었다. 서로 다른 물리적 특성을 지닌 층이 호를 이루는 지반입니다. 매우 단단한 돌이 있고 구조는 조인트 또는 석재 단열재에 있습니다.

Table 2.1 Geological classification and tunnel concept

양산단층대 지질특성

특히 저복토 구간에서는 파쇄 정도가 매우 심한 것으로 나타났다. 붕괴 형태로 보아 측벽이 아닌 중앙 천장에서 발생한 것으로 보인다. 또한, 추락이 발생한 터널 우측벽 19m 이내에는 소규모 단층이 다수 발생한 것으로 평가됐다.

시행해야 한다는 분석이다.

Fig. 2.9 Faults developed in the southeast of the Korean Peninsula(우상우 외, 2015)

연구대상 터널 현장

연구대상 지역의 지질특성

새로 생성된 돌이 배포됩니다. 이 지역에서 가장 흔한 돌은 화강암으로 1억년 전에 생성되었으며 입자간의 결합이 약해 물과 공기에 노출되면 풍화작용이 매우 빠르고 모래로 변해 시공이 어렵다. 토함산 우측과 포항 일대에 넓게 분포하는 역암은 바다나 강에서 모래와 자갈이 굳어 형성된 암석으로, 모래와 자갈은 눈으로 또렷이 구분되며, 결합력도 뚜렷하다. 입자 사이가 약하다. 그래서 모래나 자갈에서는 아주 쉽게 분리되는 경향이 있습니다.

이 지역에 분포하는 암석의 종류와 형성은 크게 4단계로 이루어졌다.

Fig. 3.1 The fault zones around the tunnels adopted for this study

양산단층대 구간에서 발생된 터널 붕락유형

터널내 굴착 중 굴진면 천단부 함몰
터널내 굴착 중 굴진면 토사유출
터널내 굴착 중 굴진면 후방부 천단부 함몰
숏크리트 타설 완료 후 숏크리트 균열발생

이는 파쇄대나 연약대를 반영하기 때문에 저항률이 낮은 이상대 주변 지역은 암질이 좋지 않음을 나타내는 것으로 추정되었다. 붕괴지대 횡방향으로 측정한 저항력을 측정한 결과, 터널 천장 우측에 저저항지대가 나타나 붕괴가 발생한 것으로 분석됐다. 젖고 젖었을 때 강도가 크게 저하되는 부식부와 약한 파단부가 깊게 분포되어 있는 것으로 나타났다.

본 연구의 대상이 된 터널은 <그림 2>와 같이 전반적으로 열악한 지반여건으로 인해 공사 초기부터 여러 차례 지반붕괴 및 누수를 겪었다. 따라서 지형 및 지질학적 특성으로 인해 파괴정도가 심각하였다. 그리고 굴착 중에 느슨해진 굴착 표면의 일부가 혼합된 포화 토양으로 인해 아래로 흘러내렸습니다. 막장천 끝부분의 흙과 모래가 일시적으로 훼손된 것으로 분석됐다. 자신의 무게로 무너졌습니다. 붕괴지역에서는 그림 2와 같이 천정 상부에 작은 붕괴가 발생함과 동시에 포화된 샘물이 일시적으로 지반으로 유입된다.

Fig. 3.2 Chimney collapse of crown in the tunnel face

양산단층대 구간의 터널 설계 및 시공사례 : 양북1터널

이를 위해 우리나라의 대표적인 양산단층대에 건설된 터널부지 붕괴사례 4건을 연구대상으로 선정하였다. 일반적인 터널 공사 중 붕괴 위치는 대개 굴착면 상단에 발생하며, 굴착 직후에는 굴착면 주변의 붕괴가 발생합니다. 양산단층지역 터널 굴착시 발생한 붕괴형태는 단계적으로 발생하는 붕괴형태를 보였다.

1차 붕괴 이후 2차 붕괴가 발생한 양산 단층대 일부에 대해서는 단계별 붕괴 원인을 고려한 보강 방안이 필요한 것으로 분석됐다.

Fig. 3.20 Change of geological map of the Yangbook 1 tunnel in final design phase and after additional site investigation

결론