단층파쇄대 통과 터널의 특이사항 분석을 통한 설계 개선

Abstract

본 연구는 단층 파쇄대 구간을 통과하는 터널의 안정성을 확보하기 위하여 기존 설계법의 한계를 분석하여 대안을 제시하고 그 대안이 적정했는지 확인하였다. 이러한 단층 파쇄대의 과다 변위 발생을 보완하기 위해 현장에서 구해진 점착력, 내부마찰각, 변형계수 등의 지반정수와 목표변위량을 산정하여 역해석을 수행하였다. 그리고 추가적으로 풍화민감도 분석을 시행하여 암석의 풍화에 따른 안정성을 확보하였다. 따라서 본 연구의 결론을 구체적으로 요약하면 다음과 같다. 역해석은 해석영역과 경계조건을 설정한 후 매개변수인 지반변형계수, 점착력 및 내부마찰각을 변화시켜 연속체 해석모델로 해석하여 목표함수와 부합하는 지반정수를 재산정하였다. 재산정된 지반정수를 통해 구해진 천단침하량은 목표변위량과 유사한 결과를 나타내고 있어 역해석 결과는 충분히 유효한 것으로 판단된다. 향후에도 단층 파쇄대 구간을 통과하는 터널 설계시에는 시추조사에서 구해진 Sample을 이용하여 지반정수를 산정하고 역해석을 수행하여 지보패턴을 결정하는 것이 유효할 것으로 판단된다. 따라서, 흥해터널의 기존 설계 지보패턴에 의한 천단침하와 역해석 결과에 의한 지보패턴 변경에 따른 천단침하를 비교해 본 결과, 변경전에는 3차 관리구간에 근접 또는 초과한 천단침하가 발생한 반면, 변경후에는 10mm 내외의 천단침하가 발생한 것으로 보아 변경 지보패턴은 충분한 지보력을 확보한 것으로 판단된다. 단층 파쇄대 통과터널의 공사 중 변위 및 응력은 지반의 거동상태, 인접구조물의 안전한계와 역학적인 조건에 의하여 결정되므로 기본적인 수치를 정확히 제시하기가 어렵다. 따라서 이론해석, 수치해석, 유사조건의 시공실적 등을 참고하여 초기의 시공실적을 토대로 계측관리 기준치를 수시로 수정해가는 방법이 가장 합리적이고 실질적인 방법이라고 할 수 있다. 그리고 계획 단계에서 설정된 관리기준은 시공 초기단계의 표준이기 때문에 시공 중에는 여러 가지 단면에 대한 지반조건, 계측치의 변화, 계측 항목간의 상호관계로부터 지반공학적인 검토를 추가하여 종합적으로 판단하는 것이 중요하다. 풍화민감도 분석은 암석이 지표환경에서 지하수, 강우(산성비), 대기오염물질 등 여러 가지 영향이 암석의 강도에 영향을 주는 정도를 정량적으로 예측하여 대응방안을 도출하는 기법이다. 특히, 대기에 노출시 강도저하, 풍화작용이 급속히 진행되는 단층 파쇄대의 경우에는 설계시 풍화민감도 분석에 따른 평가를 시행하여 그 결과를 설계에 반영하여야 한다. 따라서, 단층 파쇄대를 통과하는 터널의 설계시에는 안정성 해석 단계에서 지반정수 재산정을 위한 역해석 및 풍화민감도 분석을 시행하는 것이 시공중 발생할 수 있는 과다변위, 막장 붕괴 등의 사고를 미연에 방지할 수 있다.