점토질 암반에서 건조습윤 반복에 의한 강도저하 현상과 암반 평가방법 설명

점토질 암반에서 건조와 습윤이 반복될 때 강도 저하 현상은 주로 점토 미네랄이 물에 의해 팽창하거나 수축하는 물리적인 특성 때문에 발생합니다. 건조 상황에서는 점토 입자가 수축하면서 강도가 소폭 증가할 수 있지만, 습윤 상황에서 물이 점토 미네랄 사이로 침투하면 점토 입자가 팽창하고, 이로 인해 암반 내부의 응력이 증가하여 결국 암반의 강도가 저하됩니다. 또한, 이러한 반복적인 과정은 암반 내부의 균열을 확장시켜 구조적 약화를 초래합니다.

점토질 암반의 강도 저하 현상과 암반 평가 방법은 다음과 같습니다:

1. 현장조사 방법:

   • 지질학적 조사: 암반의 종류, 구조, 균열의 분포 및 방향, 습윤 상태 등을 관찰합니다.
   • 시추 조사: 암반 샘플을 채취하여 건조와 습윤 상태에서의 물리적, 화학적 특성을 분석합니다.
   • 암반 분류: RMR(Rock Mass Rating), Q-시스템 등과 같은 암반 분류 방법을 사용하여 암반의 품질을 평가하고, 건조와 습윤 상태에서의 강도 변화를 추정합니다.

2. 실험실 시험 방법:

   • 일축압축시험: 건조 상태와 습윤 상태에서 암석 샘플의 압축 강도를 측정합니다.
   • 삼축압축시험: 암반의 기계적 특성과 강도를 다양한 응력 상태에서 측정합니다.
   • 습윤-건조 사이클 시험: 암석 샘플을 여러 번 건조하고 습윤하게 한 뒤, 강도 변화를 측정하여 건조-습윤 반복에 의한 강도 저하 정도를 평가합니다.

3. 지질기술적 분석:

   • 포화지수: 암반의 포화도를 측정하여 습윤 상태에서의 암반 성능을 추정합니다.
   • 수리지질학적 조사: 지하수의 존재와 흐름을 조사하여 습윤 상태에서의 암반의 거동을 이해합니다.

이와 같은 방법들을 종합하여 점토질 암반에서의 건조-습윤 반복에 의한 강도 저하 현상을 평가하고, 암반의 안정성을 검토할 수 있습니다.

다짐 시공은 점성토체의 조성에 있어 핵심적인 공정이며, 다 조건은 점성체의 공학적 특성에 중대한 영향을 미칩니다. 다짐 조건에는 다짐 에너지(타격의 강도 및 횟수), 수분 함량, 및 층별 다짐 두께 등이 포함됩니다. 이러한 조건들은 점성토체의 밀도, 강도, 투수성 및 압축성 등의 공학적 특성을 결정짓습니다.

1. 다짐 에너지: 다짐 에너지가 증가할수록 점성토체의 밀도는 증가합니다. 밀도가 높은 토체는 보다 높은 강도와 낮은 압축성을 가지며, 투수성이 감소하여 물이 적게 통과합니다. 이는 구조물의 안정성을 향상시키고, 침하를 줄이며, 지하수의 유입을 제한하는 효과가 있습니다.

2. 수분 함량: 다짐 시의 수분 함량은 점성토체의 다짐 효율에 크게 영향을 줍니다. 적정 수분 함량(최적 수분 함량)에서는 토체가 가장 높은 밀도에 도달할 수 있습니다. 수분 함량이 너무 낮으면 토립자 간의 마찰이 증가하여 다짐이 어려워지며, 너무 높으면 물이 토립자를 분리시켜 밀도가 낮아지고 강도가 감소하게 됩니다.

3. 층별 다짐 두께: 다짐을 할 때 층별로 나누어 진행하는데, 각 층의 두께가 너무 두꺼울 경우 다짐 에너지가 하단까지 충분히 전달되지 않아 하단 층의 밀도가 낮아질 수 있습니다. 반대로, 너무 얇으면 과도한 노동력과 시간이 소요됩니다. 따라서, 적절한 층별 두께 설정이 중요하며, 이는 토체의 균질한 밀도와 공학적 특성을 보장하는 데 필수적입니다.

이상과 같이, 다짐 조건은 점성토체의 공학적 특성에 중요한 영향을 미치며, 해당 특성은 구조물의 설계와 안정성에 직접적으로 관련됩니다. 따라서, 공사 전 적정 다짐 조건을 결정하기 위해 충분한 실험과 계획이 요구됩니다.

흙의 다짐 영향 요소에는 함수비, 다짐에너지 크기, 흙의 종류 등이 있으며, 이들은 다짐의 효과와 최종적으로 형성되는 토체의 공학적 특성에 큰 영향을 미칩니다.

1. 함수비가 다짐에 미치는 영향:

함수비, 즉 흙 속 물의 비율은 다짐 과정에서 흙의 밀도와 강도에 직접적인 영향을 줍니다. 함수비가 적절한 경우(최적 함수비), 흙 입자 사이의 윤활작용을 통해 입자 간의 재배열이 용이해져 다짐이 잘 이루어지고, 토체의 단위체적 무게가 최대가 됩니다. 반대로, 함수비가 너무 낮거나 높으면 흙의 입자 간 마찰이 증가하거나 과도한 물이 공극을 차지하여 다짐 효율이 떨어지게 됩니다.

2. 다짐에너지 크기가 다짐에 미치는 영향:

다짐 에너지는 망치로 토체를 다져주는 힘의 크기나 진동판으로 압축하는 에너지의 정도를 말합니다. 다짐에너지가 커질수록, 즉 더 강한 힘 또는 더 많은 횟수로 다짐할 경우 흙 입자는 더욱 밀집되어 밀도가 증가하며, 이는 흙의 안정성과 지지력을 높입니다. 그러나, 에너지의 과도한 적용은 토체 내에 과다한 응력을 유발하여 구조적 약점을 초래할 수 있습니다.

3. 흙의 종류에 따른 다짐 효과:

흙의 입자 크기, 분포, 그리고 점토 미네랄의 함량 등에 따라 다짐 효과는 달라집니다. 일반적으로, 모래와 같은 비점토성 토양은 큰 입자 크기 때문에 좋은 배수성을 가지며, 비교적 낮은 에너지로도 높은 밀도를 얻을 수 있습니다. 반면, 점토와 같은 점성토는 미세한 입자 크기와 높은 수분 함량으로 인해 높은 다짐 에너지와 최적 함수비가 요구되며, 다짐 후에도 높은 압축성과 낮은 투수성을 나타냅니다.

따라서, 흙의 다짐 과정에서는 이러한 요소들을 적절히 고려하여 토체의 공학적 성질을 개선하고, 공사의 목적에 맞는 최적화된 조건을 설정하는 것이 중요합니다.

터널 설계 시 2차원 모델링 기법을 사용하는 이유는 여러 가지가 있으며, 이 방법은 특정 상황에서 유용하게 적용될 수 있지만 일정한 장단점이 존재합니다.

사용 이유

1. 단순성 및 접근성: 2차원 모델은 3차원 모델보다 구축하기가 상대적으로 간단하며, 해석이 빠르고 쉽습니다. 이는 초기 설계 단계에서 빠른 의사결정을 가능하게 합니다.
2. 계산 시간 및 비용 절감: 2차원 모델은 계산량이 적어 더 빠른 해석이 가능하며, 이는 시간과 비용을 절약할 수 있게 해줍니다.
3. 결과의 해석 용이성: 단면이나 길이 방향의 절단 면을 통해 터널 주변의 암석이나 토양의 거동을 이해하는 데 유용하며, 결과의 해석이 간단합니다.
4. 특정 조건에서의 적합성: 터널의 길이가 매우 길고, 지질 및 지반 조건이 터널 축을 따라 크게 변하지 않는 경우, 2차원 모델로 충분한 해석이 가능합니다.

장점

1. 간편한 구축과 해석: 빠르게 모델을 생성하고 결과를 도출할 수 있습니다.
2. 경제성: 시간과 비용을 절감할 수 있습니다.
3. 해석의 직관성: 구조물과 지반의 상호작용을 이해하기 쉽습니다.

단점

1. 3차원 효과 무시: 실제 터널근방의 복잡한 3차원 거동을 완전히 반영하지 못할 수 있습니다.
2. 지반 조건의 변화 무시: 지질 조건이나 지반 조건이 변화하는 경우, 이를 모델에 정확히 반영하기 어려울 수 있습니다.
3. 근접 구조물의 상호 작용 무시: 인접한 구조물이나 터널 사이의 상호 작용을 포함시키기 어렵습니다.

이러한 이유와 장단점을 고려하여, 터널 설계 시 2차원 모델링이 적합한지, 아니면 보다 복잡한 3차원 모델링으로 넘어가야 할지 결정해야 합니다. 특정한 경우를 제외하고는, 최종 설계 단계에서는 보다 정확한 해석을 위해 3차원 모델링 기법을 사용하는 것이 일반적입니다.

발파공에서 발생하는 응력파는 발파 지점으로부터 거리에 따라 다른 전파 형태를 보입니다. 발파 공정에서 발생하는 응력파는 크게 체적파(응력파)와 표면파(진동파)로 구분할 수 있으며, 이들의 전파 특성은 다음과 같습니다.

1. 근거리 지역 (Near Field):

   • 발파 지점으로부터 상대적으로 가까운 거리에서는 응력파가 매우 강력합니다.
   • 이 지역에서는 고주파수 응력파가 지반을 통해 전파되며, 주로 체적파인 P파(압축파)와 S파(전단파)가 포함됩니다.
   • 진동 속도가 높고, 암반 또는 토양의 입자가 격렬하게 움직이며, 이로 인해 지반반응이 크며, 구조물에 피해를 줄 수 있는 위치입니다.

2. 중간 거리 지역 (Intermediate Field):

   • 발파로부터 어느 정도 거리가 있는 중간 지역에서는 응력파의 강도가 감소하기 시작합니다.
   • 체적파와 함께 지표면을 따라 전파되는 레일리파 같은 표면파가 나타나기 시작합니다.
   • 표면파는 저주파수 성분이 더 많고, 지면의 표면 가까이를 따라 움직이기 때문에 지표 표면에서의 진동이나 구조물에 대한 영향을 줄 수 있습니다.

3. 원거리 지역 (Far Field):

   • 원거리 지역에서는 응력파의 강도가 상당히 감소합니다.
   • 이 지역에서는 체적파보다는 표면파의 영향이 더 크게 나타납니다. 표면파는 체적파에 비해 에너지 손실이 적고, 장거리를 전파할 수 있습니다.
   • 원거리에서는 표면파가 주된 진동과 소음의 원인이 되며, 구조물에 대한 충격은 상대적으로 낮지만, 지속적인 진동은 구조물에 장기적인 영향을 줄 수 있습니다.

발파로 인한 응력파의 전파는 지반 조건, 발파 방법, 발파 에너지 등 다양한 요인에 의해 영향을 받습니다. 따라서 발파 작업 시에는 발파 응력파가 주변 환경과 구조물에 미치는 영향을 고려하여 적절한 발파 설계와 예방 조치를 수행하는 것이 중요합니다.

각력암층은 파쇄된 암석이 서로 맞물려 있는 지층으로, 건설시 공학적 난이도가 높은 지질 조건 중 하나입니다. 이러한 조건에서 터널을 굴착 및 보강할 때는, 지반의 안정성을 확보하고 붕괴 위험을 최소화하기 위해 특별한 주의가 필요합니다. 각력암층에서 적용 가능한 굴착 및 보강 공법을 설명합니다.

1. NATM (New Austrian Tunneling Method, 신오스트리아 터널공법)

NATM은 지반 자체의 강도를 최대한 활용하여 터널을 보강하는 방법으로, 각력암층과 같이 약한 지반에서 효과적으로 사용될 수 있습니다. 공법의 핵심은 굴착 직후 스프레이 콘크리트, 록 볼트, 와이어 메쉬 등을 사용하여 초기 보강을 실시하는 것입니다. 이를 통해 굴착면의 안정성을 확보하고, 이후 주변 지질 조건에 따라 추가적인 보강을 진행합니다.

2. 강관 쉴드(Tube Shield) 공법

강관 쉴드 공법은 각력암층과 같이 지반 조건이 불안정한 곳에서 적용 가능한 방법 중 하나로, 굴착면 앞부분에 강관을 밀어넣으며 진행하는 공법입니다. 이 강관이 굴착 지역의 초기 지지 체계 역할을 하여 지보 구조를 형성하고, 안정성을 확보합니다.

3. 포어 폴링 (Forepoling) 공법

포어 폴링 공법은 각력암층에서 굴착 전 지반의 보강을 목적으로 사용됩니다. 이 방법은 굴착 지역의 바깥쪽에서 미리 롱스틸을 삽입하여 지반을 보강하고, 굴착 시 지반의 붕괴 및 이동을 방지합니다. 주로 굴착 선단에서 수행되며, 지반의 안정성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

4. 마이크로파일 공법

마이크로파일은 각력암층을 포함한 다양한 지반 조건에서 지지력을 증가시키고 지반을 강화하기 위해 사용됩니다. 작은 지름의 철근을 삽입한 후 시멘트 모르타르로 채워넣어 지반을 보강하며, 굴착과 동시에 또는 굴착 전에 시공할 수 있습니다.

5. 앵커 및 록볼트 보강

앵커와 록볼트는 굴착된 터널 주변의 암반 또는 각력암체를 상호 연결하여 지반의 안정성을 강화하는 데 사용됩니다. 이 방법은 터널 굴착 후 각력암층의 조각이 서로 분리되는 것을 방지하고 전체 지반의 강도를 증가시킵니다.

결론

각력암층에서 터널 굴착과 보강을 진행할 때는, 지반의 특성과 터널의 설계 요구사항을 면밀히 고려하여 적절한 공법을 선택하는 것이 중요합니다. 각 공법은 그 특성과 적용 조건에 따라 장단점이 있으므로 프로젝트의 성공을 위해서는 전문적인 지식과 경험이 필요합니다.

NATM(New Austrian Tunneling Method, 신 오스트리아 터널링 방법)은 지반 자체의 강도를 최대한 활용하여 터널을 안정화하는 공법입니다. 이 공법에서 중요한 개념 중 하나는 내공변위-제어법(Convergency-Confinement Method)이며, 이 방법은 터널 주변의 지반 거동을 이해하고 효과적으로 터널을 지지하기 위해 사용됩니다. 내공변위-제어법의 3가지 주요 요소는 다음과 같습니다:

1. 내공변위 (Convergency):

   내공변위는 터널 굴착으로 인해 발생하는 터널 주변 지반의 변위, 즉 터널 벽면이 서로 가까워지는 현상을 말합니다. 이러한 변위는 굴착으로 인한 응력 해방의 결과로, 지반의 안정성이 변화하며, 터널의 안정성을 결정하는 데 중요한 역할을 합니다. 내공변위를 측정하고 이해함으로써, 굴착 직후 터널의 초기 안정성 상태와 지반 지지력을 평가할 수 있습니다.

2. 제어단계 (Confinement):

   제어단계는 굴착으로 인해 감소된 지반의 지지력을 회복하거나 강화하기 위해 취하는 조치들을 의미합니다. NATM에서는 적절한 시기에 스프레이 콘크리트, 록볼트, 이음철근 등의 지지 재료를 사용하여 터널 내부를 지지합니다. 이는 터널 벽면의 내공변위를 효과적으로 제어하고 추가적인 변위로 인한 구조적 손상을 예방합니다.

3. 굴착과 지지 시기의 최적화 (Optimization of Excavation and Support Timing):

   굴착과 지지 재료의 설치 시기는 NATM의 성공에 매우 중요한 요소입니다. 내공변위-제어법의 핵심은 터널 굴착 직후 지반의 자연 지지력을 최대한 활용하면서, 필요한 시점에 적절한 지지 시스템을 설치함으로써 터널의 안정성을 보장하는 것입니다. 굴착 후 지지 시스템을 너무 늦게 설치하면 과도한 변위로 인해 지반 붕괴나 구조물 손상의 위험이 증가할 수 있으며, 너무 일찍 설치하면 지반의 자연 지지력을 충분히 활용하지 못할 수 있습니다.

내공변위-제어법은 터널 굴착 시 지반의 거동을 이해하고, 적절한 조치를 통해 터널의 안정성을 최적화하기 위한 중요한 방법입니다. 이를 통해 터널의 안정성과 경제성을 동시에 확보할 수 있습니다.

NATM(신오스트리아 터널공법)에서의 터널 설계 및 보강은 지반반응곡선(Ground Response Curve)과 지보재 특성곡선(Support Characteristic Curve)을 중심으로 이루어집니다. 이 두 곡선을 이용하여 지보재의 압력 작용 원리를 설명하겠습니다.

지반반응곡선 (Ground Response Curve)

지반반응곡선은 굴착으로 인한 주변 지반의 변위와 해당 지점에서의 지반 압력 사이의 관계를 나타낸 곡선입니다. 굴착이 진행됨에 따라, 압력(또는 응력)은 초기에 낮다가 지반의 변위(변형)가 증가함에 따라 점차 증가하다가, 결국 지반의 강도에 도달하면서 평형에 이르게 됩니다. 이때의 최대 압력을 지반의 궁극 지지력이라고 하며, 이 점 이후에는 지반 붕괴가 발생할 수 있습니다.

지보재 특성곡선 (Support Characteristic Curve)

지보재 특성곡선은 지보재(예: 스프레이 콘크리트, 록볼트 등)가 주어진 지반 압력에 대해 제공할 수 있는 지지력과 그에 따른 변위를 나타내는 곡선입니다. 지보재는 일반적으로 초기에는 유연하게 하중을 받아들이며 변위가 일어나지만, 일정 지점 이후에는 저항력이 증가하여 지반의 추가적인 변위를 제한합니다.

지보재 압력작용의 원리

1. 지반 반응 및 지보재의 상호작용: 터널 굴착 후, 지반반응곡선은 지반의 변위가 증가함을 나타냅니다. 이때 지보재를 설치하면, 지보재 특성곡선이 지반반응곡선과 교차하는 지점에서 지보재와 지반의 상호작용이 발생합니다.

2. 지보재의 효과적 작동: 굴착으로 인해 지반 변위가 시작되면 지보재는 점차적으로 하중을 받아들이기 시작하며, 지보재 특성곡선에 따라 지지력을 발휘합니다. 이러한 지지력은 지반변위를 억제하고, 터널 주변의 지반 붕괴 위험을 줄여줍니다.

3. 평형 상태 도달: 이상적으로, 지보재가 제대로 설치되고 작동하면, 지반반응곡선과 지보재 특성곡선이 교차하는 지점에서 평형 상태에 도달합니다. 이는 지반의 추가적인 변위 없이 안정적인 상태를 의미하며, 이를 통해 터널과 주변 지반의 안정성을 확보할 수 있습니다.

요약하자면, NATM에서는 지반반응곡선과 지보재 특성곡선을 이용하여 굴착에 따른 지반 변위와 이에 대응하는 지보재의 지지력 사이의 균형을 찾는 것을 목표로 합니다. 이를 통해 터널 굴착 시 발생할 수 있는 지반의 불안정성을 최소화하고, 터널의 안전성을 확보하게 됩니다.

포화된 연약한 세립토 지반에서의 지하철 공사에는 여러 가지 문제점이 발생할 수 있으며, 이에 대한 적절한 대책을 마련해야 합니다.

예상되는 문제점

1. 지반 침하: 포화된 연약한 세립토 지반에서 터널 굴착은 지반의 강도를 떨어뜨리고 지반 구조를 약화시켜 주변 지역에서 침하를 일으킬 위험이 있습니다.

2. 수리적 문제: 지하수의 유입이 발생할 수 있으며, 이는 공사 중 터널 내 작업 환경을 악화시키고 구조물의 안정성에 부정적인 영향을 줄 수 있습니다.

3. 안정성 문제: 연약한 지반이 터널 굴착으로 인한 하중을 제대로 지지하지 못해 터널의 붕괴나 지반의 이동이 발생할 수 있습니다.

대책

1. 사전 토질 조사 및 모니터링: 굴착 전에 포괄적인 지반 조사를 실시하여 지반 조건을 정확히 파악하고, 굴착 중과 후에 지반 변위 및 지하수 수위를 지속적으로 모니터링합니다.

2. 지반 강화: 지반 교체, 석회나 시멘트를 이용한 토목 주입(grouting), 동결법, 점토매트리스 층 설치 등의 방법으로 굴착 지역과 주변 지반을 강화합니다.

3. 수압 조절: 지하수 수위를 조절하여 굴착 중 수리적인 문제를 최소화합니다. 웰포인트 설치, 양수 작업 등을 통해 지하수 수위를 관리할 수 있습니다.

4. 적절한 굴착 방법의 선택: 연약한 지반에서는 쉴드 TBM(Tunnel Boring Machine) 공법이나 냉동법 등과 같이 지반 강도 저하와 지반 변형을 최소화할 수 있는 굴착 방법을 선택하는 것이 좋습니다.

5. 적절한 지지 시스템 설치: 터널 라이닝이나 스프레이 콘크리트, 록볼트 등을 사용해 굴착 직후 터널을 지지하여 추가적인 지반 변위와 붕괴를 방지합니다.

6. 사전 배수 시스템 설치: 터널 굴착구역에서 사전에 배수로를 설치하여 지하수가 공사 영역으로 유입되는 것을 방지합니다.

이와 같은 대책들은 터널 굴착 시 발생할 수 있는 다양한 문제들을 최소화하고, 안전하고 효율적인 지하철 공사 진행을 위해 필수적으로 고려되어야 합니다.

연성암반에서 터널시공 중 발생할 수 있는 압착(Squeezing) 현상은 지반압력의 증가로 인해 터널 주변 암반의 변형이 발생하는 것을 말합니다. 특히 깊은 지하에서 큰 암반 스트레스와 낮은 암반 강도의 조합으로 인해 이러한 현상이 빈번하게 발생합니다. 압착 현상에 대한 경험적 평가 방법과 대책은 다음과 같습니다.

경험적 평가방법

1. 바르튼의 Q 시스템: 터널 품질지수(Q)를 활용하여 압착 가능성을 평가합니다. Q값이 낮을수록 암반이 약하고 압착 가능성이 높음을 의미합니다.
2. 싱-굽타의 기준: 무차원 압착 지수(σci/γH)를 이용하여 압착 현상을 예측합니다. 여기서 σci는 암반의 일축압축강도, γ는 단위중량, H는 덮개 깊이입니다. 이 값이 1 이하일 경우 압착이 발생할 가능성이 높다는 것을 나타냅니다.
3. 호저의 기준: A값(A = P/GSI)을 사용하여 압착을 평가합니다. 여기서 P는 주변 암석의 스트레스, GSI는 암반경도지수입니다. A값이 특정 기준 이상일 경우 압착이 발생할 가능성이 있음을 의미합니다.

대책

1. 전면 예보 시스템: 터널 굴진 전 자세한 지질 조사와 암반 분류를 통해 압착 발생 가능성을 사전에 파악하고 준비하는 방법입니다.
2. 주변 암반 강화: 그라우팅, 프리즈링(Freezing), 전면 보강 등을 통해 굴착 전 주변 암반을 강화하여 암반의 품질을 향상시키고 압착을 방지합니다.
3. 구조적 보강: 굴진 후 즉시 스프레이 콘크리트와 록볼트를 이용하여 초기 보강을 강화하고, 필요에 따라 강관 라이닝, 강판, 콘크리트 라이닝 등을 추가하여 터널을 보강합니다.
4. 굴착 방법의 최적화: 굴착 속도를 조절하고, 파이프 루프(Pipe Roof), 포어 폴링(Fore Poling) 등의 사전 보강 공법을 적용하여 압착이 발생하는 것을 최소화합니다.
5. 적절한 배수 조치: 암반 내 수압을 제어하기 위한 배수관 설치 등을 통해 물에 의한 압착 현상을 방지하고, 암반의 안정성을 유지합니다.

압착 현상은 터널 굴착 시 발생할 수 있는 복잡하고 어려운 문제 중 하나입니다. 따라서, 정확한 지질 조사와 적절한 평가 방법을 통해 사전에 위험을 파악하고, 효과적인 대책을 마련하는 것이 중요합니다.