A Study of Stability Analysis for Tunnelling in Fault Zone 단층대 터널굴착시 안정성 확보에 관한 연구 A Study of Stability Analysis for Tunnelling in Fault Zone

연구개요 터널설계시 지반조사 및 암반분류를 통해 지보패턴을 선정하지만 조사범위가 넓고 많은 비용문제로 단편적인 정보만을 얻게됨 터널설계시 지반조사 및 암반분류를 통해 지보패턴을 선정하지만 조사범위가 넓고 많은 비용문제로 단편적인 정보만을 얻게됨 시공시 막장관찰을 통해 지보패턴 변경 및 보조공법 적용 단층은 터널과 조우시 주변암반등급, 교차각도, 단층폭이나 상태에 따라 터널거동이 상이하며 대처방안이 달라짐 본 연구에서는 중규모 단층대 조우시 암반등급별 단층규모가 미치는 영향을 분석하기위해 Loset(1990)식과 수치해석을 통해 적정지보패턴을 제시하고, 실제 도로터널 시공현장에 적용하였고, 단층의 암질에 따라 차등적용 하였음

대상지역 지반상태 양산단층과 동래단층 사이에 백악기 경상누층군의 최상부 유천층군의 화산암류와 이를 관입한 백악기 불국사 화강암류가 분포 양산, 법기단층은 단일 불연속면 단층이 아니라, 평행한 무수한 소단층과 단층점토로 이루어진 복잡한 단층대, NS~N60E의 우세 주향방향을 갖고 있음 실제 시공시 대규모 단층대는 조우하지 않았고, 중규모~소규모 단층대와 수시로 조우

터널현황 원설계 단층대 통과방안 편도 2차선 병렬터널, 연장 : 2.1km, 터널폭 : 12.7m, 터널높이 : 8.8m 구 분 대규모단층 중규모단층 소규모단층 단층폭, 연장 10m 이상, 10km 이상 1~10m, 10km 미만 1.0m 미만, 1km 미만 보강공법            보강계획 ․단층대 패턴(F-2) 사용 ․단층대 패턴(F-1) 사용 ․일반패턴적용 ․훠폴링 or 록볼트 보강 주변암반등급 고려없이 일괄적인 F-1 패턴적용은 무리가 있다고 판단됨 수치해석을 통한 매개변수 연구 및 공학적 판단을 통해 적정등급 하향조정 및 보조공법을 상황에 맞게 변경

Q-분류를 이용한 단층대 규모별 지보패턴 검토 연약대는 대부분 긁으면 부스러지는 상태이며, 절리간격을 산정할 수 없기 때문에 암반등급을 분류하기 어려움 파쇄대의 Q값을 좋은 경우 0.1, 나쁜경우를 0.01로 가정 파쇄대 폭은 1m, 3m, 6m로 변화시켜 가면서 Loset식 에 의거해 터널의 전체Q값을 계산 Qm : 연약대/주변암반의 평균 Q값 Qso : 연약대 Q값 Qsb : 주변암반의 Q값 b : 터널축을 따라 측정된 연약대너비(m)

단층대 규모에따른 지반 평균Q값 산정결과 RMR-Q 관계는 원설계식을 참고하였고, 괄호안 값은 RMR 환산 암반등급임 1등급 (81~100) 2등급 (61~80) 3등급 (41~60) 4등급 (21~40) 5등급 (20이하) 암반의 Q 값 40 이상 40~4 4~1 1~0.1 0.1 이하 파쇄대 Q 값 0.01 0.1 파쇄대 폭 1m (재산정등급) 0.77 (4) 2.45 (3) 0.45 1.41 0.14 0.07 (5) 0.22 0.02 파쇄대 폭 3m 0.09 0.49 0.38 0.04 0.21 0.03 0.15 0.08 파쇄대 폭 6m 0.25 0.13

Q-분류 결과 검토 1등급 1m폭 이내 경우 : 약 2등급 하향 조정 그 이상의 경우 : 별도의 파쇄대 패턴 필요 파쇄대에 의한 영향 : 암반등급 높을수록 높게 나타나며, 5등급 에서는 영향 거의 없음 파쇄대 상태에 따라 각 등급별로 1등급 정도의 차이 발생 (2등급 폭3m 경우 : 암질좋은 경우 4등급, 나쁠경우 5등급)

수치해석에 의한 매개변수 연구 0.5D 내는 집중보강영역, 1.0D내는 선택적보강영역 단층대의 경사각은 45˚로 가정, 암반등급별 단층대 규모를(1m, 3m, 6m) 변화시켜 가면서 수치해석 실시 범용 2차원 프로그램인 FLAC ver 3.3 이용

본선 표준지보패턴 구 분 Type-1 Type-2 Type-3 Type-4 Type-5 Type-F-2 개요도 RMR 굴진장                                    RMR 81 이상 80~61 60~41 40~21 20 이하 단층대(예비) 굴진장 3.5m 3.0m 2.0m/2.0m 1.5m/3.0m 1.2m/1.2m S/C 두께 50mm(일반) 50mm 80mm 120mm 160mm 록볼트 종 랜덤 3.0 2.0 1.5 1.2 횡 보조공법 - 필요시 훠폴링 FRP보강 그라우팅

적용 지반 설계정수 실내시험, 현장시험등을 토대로 산정한 원설계정수 사용 단층대 역시 직접전단시험 등을 실시한 원설계정수 사용 구 분 단위중량 γ (t/㎥) 변형계수 E (t/㎡) 내부마찰각 φ (°) 점착력 c (t/㎡) 포아송비 ν 1 등급 2.7 2.4×106 50 700 0.2 2 등급 2.6 1.0×106 47 300 0.22 3 등급 2.5 4.5×105 43 0.25 4 등급 2.3 1.0×105 35 30 0.30 5 등급 2.0 5.0×104 5 0.33

파쇄대 규모별 최대 숏크리트응력 구 분 1등급 2등급 3등급 4등급 비 고 변경전 변경후 파쇄대폭 1m 57 (OK) - 67 74 76 허용 응력 : 84 kgf/㎠ 파쇄대폭 3m 85 (NG) 63 97 61 87 83 파쇄대폭 6m 110 43 115 45 112 56 130 73 단층대 규모별 해석결과 숏크리트응력이 허용응력을 초과하거나 변형율이 1% 이상인 경우 지보패턴을 변경하여 재해석 수행 파쇄대폭 1m인 경우는 등급에 상관없이 허용범위 이내 파쇄대폭이 3m(0.2D)인 경우 허용응력을 초과 ☞ 1등급은 3패턴으로, 2등급은 4패턴으로 2등급 하향조정, 3등급은 4패턴으로 1등급 하향조정 파쇄대폭이 6m(0.5D)인 경우 모든 암반등급에서 허용응력을 초과 ☞ 모든 등급에서 F-1패턴 으로 변경(변경후 허용응력 이내)

부재별 숏크리트응력 파쇄대폭 1m 파쇄대폭 3m (보강전) (보강후) 파쇄대폭 6m (보강전) (보강후)

파쇄대 규모별 발생 내공변위 국내 변위 관리기준이 제시되지 않고 있으므로 일본 관리기준 참조(10cm) 구 분 1등급 2등급 3등급 4등급 비 고 변경전 변경후 파쇄대폭 1m 0.615 - 1.449 3.225 5.218 허용변위 10cm 파쇄대폭 3m 0.681 0.673 1.631 1.583 3.499 3.431 5.546 파쇄대폭 6m 0.766 0.622 1.769 1.438 3.659 3.125 5.797 4.863 국내 변위 관리기준이 제시되지 않고 있으므로 일본 관리기준 참조(10cm) (보강전) (보강후) <3등급 암반 파쇄대 3m 폭의 경우 변위도 및 전단변형율도>

단층대 터널 시공시 지보적용 사례 파쇄대폭 2~3m(단층대 암질 양호한 경우) 무지보 전단면굴착(Type-1) (a) 3m폭 파쇄대 출현 (b) 2막장후 2개로 갈라짐 (c) 종방향 막장관찰결과 무지보 전단면굴착(Type-1) 막장 중앙부에 예상치 못한 단층파쇄대 폭 2~3m 규모로 수직 분포함 파쇄대의 천공자국 확인시 파쇄대 암질이 강할것으로 예상됨 패턴변경없이 숏크리트 조기타설만으로 굴진 파쇄대는 2막장 굴진후 그림과 같이 2개로 갈라졋다가 1~2회 굴진후 막장에서 소멸

파쇄대폭 3m(단층대 암질 나쁜 경우) < 막장 Mapping 자료 > 무지보 전단면굴착(Type-2)

결 론 Loset식 검토 및 수치해석결과 파쇄대에 의한 영향은 암질이 좋을수록 높게 나타나고, 파쇄대 상태에 따라 파쇄가 심할수록 영향이 더 큰 것으로 나타남 파쇄대폭 1m일 경우는 모든 암반등급에서 허용응력 이내 (필요시 부분보강) 파쇄대폭 3m(0.2D~0.5D)인 경우 1등급은 3패턴으로, 2등급은 4패턴으로 2등급 하향조정, 3등급은 4패턴으로 1등급 하향조정. 4패턴은 허용응력에 근접하여 그라우팅 등의 보강이 필요 파쇄대폭 6m(0.5D)이상인 경우 모든 암반등급이 허용응력을 초과하여 단층대패턴(F-1)적용 및 FRP보강 그라우팅 적용이 필요 실제시공시 파쇄폭 3m출현시 파쇄대 암질이 나쁜 경우 Type-2(전단면 굴착)에서 Type-4(반단면굴착)으로 2등급 하향조정하였으나 암질이 좋은경우 Type-1에서 패턴변경없이 숏크리트 조기타설 만으로 굴진 설계시 제공하는 단층대패턴은 암반 및 파쇄대 암질과는 무관하게 폭만을 근거로 산정하게 되므로, 시공시 파쇄대 상태에 따라 달리 적용할 필요가 있다