5. 터널 성과 분석

5.1 개요

5.1.1 중점분석 사항

- 본 과업구간의 경우 대부분이 화강암질 편마암으로 구성되어 있으며, 소록터널의 경우 일부 흑운모호상 편마암이 분포하고 있음

- 단층파쇄대 예상구간에 대해서는 조사횟수를 증가시키고 특수조사를 추가로 실시하여 파쇄대 특성 파악

- 종방향 물리탐사 선시행 후 이상대구간에 수직·수평시추 및 원위치시험 추가 실시

- 3D-Kriging을 통한 파쇄대, 단층대, 지질연약대, 저비저항대 확정

5.1.2 터널현황

- 거금터널

- 소록터널

5.2 지반조사 성과분석 및 활용

5.2.1 조사항목 및 수량

5.2.2 지반조사 결과분석

5.2.2.1 거금터널

5.2.2.1.1 종합분석결과

- 광역조사결과, 거금터널 인근지역에 2개소의 선형구조가 분포하나 터널에 영향을 미치지 않음

- 전기비저항탐사결과 STA.1+600~1+620 구간에 소규모의 저비저항대가 분포하고 있으나 지하수의 영향으로 판단되며 STA.1+700~1+730 구간의 이상대는 파쇄대의 영향으로 판단

- 탄성파탐사결과 STA.1+610~650 및 STA.1+790~800m구간에서 저속도 이상대가 관찰되나 시추결과와 상이하게 나타나며 STA.1+840~850 구간은 저속도대 이상대가 관찰됨

- 토모그래피탐사결과 TB-1의 GL(-) 13.5~20.3m 구간 저속도대 분포

5.2.2.1.2 DEM 선형구조분석

- 위성영상분석결과 거금터널 인근지역에 2개소의 선형구조가 분포하는 것으로 나타남

- 터널 인접한 선형구조는 파쇄대가 발달할 가능성이 높으나 통과 지점이 터널구간에서 벗어나 있어 터널의 안정성에는 영향이 없는 것으로 판단

5.2.2.1.3 전기비저항탐사

(1) 분석단면

- STA.1+600~1+620 구간에 소규모의 저비저항대가 분포하고 있음 -〉 시추조사결과와 일치 하지 않음.

- 전기비저항탐사에 의한 저비저항대가 터널기준으로 STA.1+700~1+730에 위치

- STA.1+600~1+620 구간의 이상대가 시추조사결과와 일치하지 않은 것은 일부에 집중되어 있는 지하수위의 영향으로 판단되나, STA.1+700~1+730 구간의 이상대는 파쇄대의 영향으로 판단 -〉 지보패턴 적용에 활용

5.2.2.1.4 굴절법 탄성파탐사

- 토사층에 해당하는 700m/s이하의 층후는 0.5~10.0m, 풍화암층에 해당하는 700~1200m/s는 0.5~5.2m의 분포심도를 보이며, 암반층(연암)에 해당하는 1900m/s 이상은 6.2~16.5m의 분포심도를 보임

- STA.1+610~650에서 매우 큰 저속도 이상대가 관찰되므로 설계시 반영이 필요하며, STA.1+670~720 구간은 풍화대가 매우 깊게 분포

- STA.1+790~800m, STA.1+840~850 구간은 작은 규모의 저속도대가 나타남 -〉 파쇄대로 추정

5.2.2.1.5 시추조사

- 붕적층 상부는 느슨한 상태이며 하부로 갈수록 매우 조밀함

- 풍화암의 출현심도는 GL(-) 3.2~7.5 하부에 분포하고 있으며 대체로 1~3.0m 내외의 박층으로 분포

- 기반암의 상부는 절리가 발달된 연암이 하부는 절리발달이 적고 신선한 경암이 분포함

5.2.2.1.6 현장공내시험

5.2.2.2 소록터널

5.2.2.2.1 전체 현황도

- 광역조사결과 소록터널구간을 통과하는 선형구조는 나타나지 않는 것으로 검토됨

- 지표지질조사 결과 충상단층(Thrust Fault)은 터널노선과 STA.5+440 전후에 교차

- 전기비저항탐사에서도 STA.5+400~5+440에 저비저항대 존재 -〉 지보패턴선정시 고려

- 격자형 전기비저항 탐사에서 STA.5+440, 5+460 구간에 저비저항대 관찰됨

- 토모그래피탐사 결과 STA.5+400~5+420 구간에 이상대 관찰

5.2.2.2.2 지표지질조사 및 선형구조분석

- 소록터널 종점부의 화강암을 비롯하여 흑운모 호상 편마암, 화강암질 편마암이 습곡과 충상단층에 의해 반복되어 나타남

- 충상단층(Thrust Fault)은 터널노선과 STA.5+440 전후에 교차하는 것으로 나타남

- 충상단층은 45°이내의 저경사를 가지는 단층으로 대체로 먼 이동거리를 나타내며(수km~수백km) 많은 파쇄대를 포함하기도 함

- 소록터널구간을 통과하는 선형구조는 분포하지 않는 것으로 판단

5.2.2.2.3 전기비저항 탐사

- 분석단면

- 전기비저항탐사에서도 STA.5+400~5+440에 저비저항대 존재 -〉 지보패턴선정시 고려

5.2.2.2.4 격자형전기비저항탐사에 의한 분석

- 본선종단측선에서 STA.5+400~5+450 사이의 터널심도에서 저비저항대가 관찰되나 4개의 횡단측선을 검토한 결과 일부(STA.5+440, 5+460의 터널상부)구간에만 저비저항대 관찰됨

- 저비저항대는 절대값이 아닌 파쇄경향을 나타내는 참고치이나 파쇄대 전구간에 대한 시추 조사 자료가 없으므로 터널지보패턴 설계시 이를 반영하도록 함

5.2.2.2.4.1 개요

- 토사층에 해당하는 700m/s이하는 3.8~13.2m, 풍화토층에 해당하는 700~1200m/s는 0.6~10.0 m의 분포심도를 보이며, 암반층(연암)에 해당하는 1900m/s 이상은 4.1~20.5m의 분포심도를 보임

5.2.2.2.5 굴절법 토모그래피

- 상세지표지질조사 및 전기비저항탐사시 파악된 충상단층의 이상대에 대하여 굴절법토모그래피에 의한 정밀탐사결과 STA.5+400~5+420 구간에 이상대 관찰됨 -〉 터널구간 지반분류시 등급하향조정

5.2.2.2.6 시추조사

- 전반적으로 상부는 느슨한 상태의 표토층(또는 붕적층)이 얇게 존재하고 그 하부에 조밀내지 매우 조밀한 상태의 풍화토가 10m정도의 두께로 분포함

- 소록터널의 중앙부는 자연녹지 구간으로 산림훼손 문제로 시추불가하여 노선중심에서 50m정도 이격된 곳에서 수직 및 수평시추를 실시하였으며 시추결과 전반적으로 암질상태가 양호하나 전기비저항탐사에서 예측된 파쇄대(암편상)가 폭 4m정도로 형성되어 있음

5.2.2.2.7 수평시추조사

단층대 확인을 위해 STA.5+420~5+430을 교차하도록 수평시추를 시행한 결과 터널 횡단노선 좌측에 부분적인 파쇄대 분포함 (RMR, RQD가 상대적으로 40 미만으로 나타남)

5.2.2.2.8 현장공내시험

5.3 암반분류와 지반등급

5.3.1 암반분류의 기준

5.3.1.1 개요

- 암반의 공학적 특성치 도출을 위한 암반의 정량적 분류

- 경험적 설계를 위한 최적의 정량적 자료 제공

- 정성적, 정량적으로 구분되는 기존의 암반 분류법 중 보다 객관성이 있고 조사, 설계, 시공단계에 걸쳐 일관성 있는 정량적 자료를 제공하는 분류법을 적용

- 따라서 현재 국내외에서 가장 많이 암반분류 방법으로 사용되고 있는 RMR 분류법, Q분류법을 주 분류법으로 적용하고 이 두 가지 분류법의 주요 평가 항목에 해당되는 RQD값에 의한 분류도 실시

5.3.1.2 암반분류 결과의 활용

5.3.1.3 암반분류의 기준설정

(1) 대상구간의 선정

- 유사 암질특성 및 거동을 하는 암반을 그룹화하여 설계를 위한 정량적인 데이터를 적용하는데 의미를 둠

- 정량적 데이터인 시추코아를 통한 암반분류와 시추공 사이인 공간 암반분류로 대별됨

- 암반분류 대상구간은 터널거동에 영향을 주는 터널상부 1D 및 하부 1D구간을 원칙으로 하였으며, 수평시추공의 경우 전구간을 대상으로 함

(2) 시추코아 암반분류

- 유사암반특성으로 분류하는 기준으로는 RQD, 강도, 탄성파속도, RMR, Q분류 등이 제안되고 있으나 평점의 개념으로 정량적 평가가 가능한 암반분류방법은 RMR과 Q분류로 대별되며, 가장 보편적으로 적용됨

- 상기 RQD, 강도, 탄성파속도등에 따른 암반분류법은 절리, 지하수 등의 암반거동에 영향을 주는 주 요인을 고려하지 않기 때문에 지반등급 및 지보패턴 결정시 직접적인 자료로 활용되기 어려움

- 본 과업에서는 수직 및 수평시추공의 RMR, Q분류법을 활용하여 터널 시추구간에 대한 암반분류를 수행하고 암반등급 및 지보패턴결정을 위한 기초자료로 활용함

(3) 시추공간 암반분류

- 구간별 암반등급 선정은 시추조사와 이와 관련된 전기비저항 및 탄성파 탐사값과의 상관관계로 결정되며, 지반특성, 굴착공법에 따라 암반등급 조정됨

- 본 과업에서는 지반조건 변화양상에 따라 주요 위험구간에 대해서는 수평시추 및 격자망 전기비저항탐사를 실시하여 충분한 시추데이터 확보로 인한 상관분석의 신뢰도를 향상시킴

5.3.2 RQD에 의한 암반분류

5.3.2.1 RQD에 따른 암반 상태 구분(Deere, 1968)

5.3.2.2 RQD에 의한 지보설계(터널직경 6~12m 기준, Deere 등, 1968)

5.3.2.3 각 시추공 RQD 분류 결과

WS : 풍화토, WR : 풍화암

암질등급이 구간에 따라 변별력이 매우 낮게 나타나고 있어 지보패턴을 선정하는데 보조수단으로 사용함

5.3.3 RMR에 의한 암반분류

5.3.3.1 개요

(1) 평가방법

- 현장 암반 특성과 시추 Core에서 획득한 5개의 항목에 대한 점수를 평가 합산하며 터널 굴진방향과 절리의 주향 및 경사 상호관계에 따른 보정을 통하여 암반의 등급을 5가지로 분류

- 평가 항목 : 암석강도, RQD, 절리간격, 절리상태, 지하수 상태, 터널 방향과 절리면 방향 및 경사각 관계

(2) 장점

- 기존의 많은 시공 사례를 통해 경험적으로 획득·분석된 암반특성과 지보형식 등의 관계를 토대로 암반을 정량화한 방법이므로 신뢰성이 큼

- 조사항목이 비교적 간단하며 숙련도에 의한 오차가 작음

- 실적용 사례가 많으며 현재에도 가장 널리 이용되고 있음

- 절리의 방향성 및 절리와 관련된 평가항목들에 주안점을 두어 합리적임

(3) 단점

- 현장 원지반에 대한 응력이 고려되어 있지 않음

- 암반평가 등급, 터널규모, 현장 조건 등을 감안한 보강형식이 제안되고 있지 않음(현재 제안되어있는 보강형식 제안은 터널폭 10.0m, 수직응력 25MPa 이하, 천공 발파식, 마제형 터널, 록볼트 직경 20mm 기준의 것이 제안되어 있음)

5.3.3.2 RMR 분류의 공학적 이용

- 암반 평가점수에 따라 암반의 등급 구분 및 개략적 지보패턴 선정

- 암반정수(강도정수 및 변형계수) 산정에 적용

- 터널의 무지보 자립시간과 최대안정폭에 대한 검토

- GSI값 산정에 적용

5.3.3.2.1 RMR 평가점수에 의한 암반등급 구분

5.3.3.2.2 RMR평점 합계에 의한 암반등급과 활용

- 터널 및 공동의 자립시간과 최대 안정 폭 제시

- 암반등급별 장기간 안전성 확보를 위한 천반지보 선택에 대해 지침 제공

- 암반기초 부분에서 RMR을 이용하여 원위치 변형계수(Em) 산정

5.3.3.2.3 RMR분류에 의한 암반터널의 굴착 및 지보설계에 대한 지침

5.3.3.2.4 암반 등급별 무지보폭과 최대 안정폭 관계

- RMR 등급에 의한 무지보 유지시간과 터널의 최대 안정폭과의 상관관계(Bieniawski, 1976)

5.3.3.3 각 시추공 RMR 분류 결과

거금터널 및 소록터널은 대체로 암질등급(RMR)이 대체로 양호한 상태를 나타내고 있으나 터널의 토피고가 낮고 구간에 따라 풍화대의 심도가 깊어 터널구간 뿐만 아니라 터널상단(1D) 구간까지 고려하여 최종 지보패턴을 선정하여야 함

5.3.4 Q에 의한 암반분류

5.3.4.1 Q 분류 결과의 이용

- 암반 평가점수에 따라 암반의 등급 구분

- 암반등급에 따른 지보 보강량 산정(숏크리트 두께, 록볼트 길이)

- 무지보 최대 스팬 및 영구 지보압력 산정

- 암반 변형계수(Em) 추정시 적용

5.3.4.1.1 Q 분류에 의한 암반등급 구분(Barton, 1974)

5.3.4.1.2 Q 분류에 의한 지보 보강량 산정(Grimstad ＆ Barton, 1993)

5.3.4.1.3 Q 값에 의한 최대 무지보스팬, 영구지보압력, 암반 변형계수 추정

5.3.4.2 각 시추공 Q 분류 결과

거금터널 및 소록터널은 대체로 Q-system 분류 결과 대체로 양호한 상태를 나타내고 있으나 측점에 따라 매우 많은 편차를 나타내고 있어 최종 지보패턴선정시 안전성 및 시공성을 고려하여 지보패턴선정에 활용하여야 할 것임

5.3.5 RMR 분류법과 Q-system 의 상관관계 분석

5.3.5.1 RMR 분류법과 Q-system의 비교 및 관계 분석

5.3.5.1.1 기존 관계식

(1) 기존 제안 상관식

- RMR = 9lnQ+44 (r2 = 0.77) : Bieniawski (1976)

- RMR = 13.5logQ+43 (r2 = 0.85) : Rutledge (1978)

- RMR = 5.4lnQ+55.2 (r2 = 0.55) : Moreno (1980)

- RMR = 5lnQ+60.8 : Clarke (1981)

- RMR = 10.5lnQ+44 (r2 = 0.66) : Budavari (1981)

- RMR = 8lnQ+30 (r2 = 0.92) : R. K Goel (1995)

5.3.5.1.2 본 조사에 의한 RMR-Q 상관관계 분석결과

(1) 기존의 제안식 및 조사분석 결과에 의한 RMR값에 대한 Q-value 산정치

- 회귀분석을 통한 RMR과 Q값에 상관관계를 분석한 식은 아래와 같음

RMR = 6.5145×LnQ+37.402

(R. K Goel (1995)와 유사한 값을 나타냄)

(2) RMR-Q 상관관계 적용기준

- RMR 〉 50 구간에서의 상관관계식은 R. K Goel (1995)의 상관관계 범위와 유사하게 분포함

- 본 과업 RMR 분류에서 보통암반 상태(Fair) 이하의 등급 구간에서 기존 제안식에 비해 다소 과소한 암반상태로 평가되는데 이는 RMR 최소값이 25이상으로 매우 불량한 암반상태(RMR 20 이하)에 해당하는 자료가 분석에 사용되지 못했기 때문으로 판단됨

- I등급 및 Ⅴ등급의 암반은 시추조사에서 나타나지 않고 있으며 산출된 RMR-Q의 상관관계에 제한적인 한계가 있어 기존의 제안식 경향을 감안하여 다음과 같은 기준을 설정하여 적용

5.3.5.1.3 미시추구간 지반등급 기준

5.3.5.1.3.1 거금터널

(1) RMR과 전기비저항치(ohm·m)관계

- 시추 지점의 시추 Core RMR 값과 해당위치의 전기비저항치(R)의 상관성 분석 : V(p) = 21.96 × RMR + 266.92

(2) RMR과 탄성파속도(Vp, m/sec)

- 시추 지점의 시추 Core Q값과 탄성파 속도(Vp) 상관관계 분석 : V(p) = 75.102 × RMR - 639.67

(3) RMR 값과 전기비저항탐사 및 탄성파탐사 결과 나타난 비저항(R) 및 탄성파속도(Vp) 와의 상관관계(R² = 0.5~0.6)가 비교적 낮게 나타나고 있고 이는 터널 토피고가 낮아 조사심도가 상대적으로 작은 것이 원인인 것으로 판단되는 바 각종 탐사자료를 비교 분석하여 암질등급을 선정하여야 함

5.3.5.1.3.2 소록터널

(1) RMR과 전기비저항치(ohm·m) 관계

- 시추 지점의 시추 Core RMR 값과 해당위치의 전기비저항치(R)의 상관성 분석 : R = 218.45 × RMR - 3567.8

(2) RMR과 탄성파속도(Vp, m/sec)

- 시추 지점의 시추 Core Q값과 탄성파 속도(Vp) 상관관계 분석 : Vp = 27.344 × RMR + 615.14

(3) 거금터널에 비해 상관관계(R² = 0.6~0.7)가 비교적 양호하나 전기비저항 및 탄성파속도값이 암질등급을 산정하기는 어려움이 있음. 따라서 시추조사 결과를 비교 분석하고 각종 탐사를 비교 검토하여 최종 암질등급을 산정함

5.3.5.1.3.3 결과

- 상관관계식을 바탕으로 암질등급, 전기비저항탐사, 탄성파탐사의 비교등급을 설정함

- 탄성파탐사 및 전기비저항탐사는 현장여건에 따라 비저항과 구역과 탄성파속도층이 구분되어 미시추구간에 대한 암질의 판단을 비교분석할 수 있으나 특징적 암반의 불균질성으로 인해 절대적인 암질을 대변하기는 한계가 있는 것으로 판단됨

- 따라서 다음과 같이 전기비저항과 탄성파속도는 기존시추결과에서 나타난 RMR 값과 비교 검토하여 다음과 같은 비교 등급을 설정하고 이를 암질등급 선정에 활용하였음

5.3.6 3D-Kriging을 이용한 암반분류

5.3.6.1 개요

- 지질조사자료, 시추자료, 탐사자료와 같이 암반 등급을 결정하기 위한 1D 및 2D 기초자료를 통합화하고 이를 Kriging 기법을 통해 3D 자료로 확장함

- 2D 단면에 각종 자료를 바탕으로 수작업화 되었던 암반 등급 분류 및 지보 패턴의 결정을 Lynx 내의 Kriging 기법을 사용하여 3차원의 Volume화 된 암반 등급 분포도로 가시화

- 각 구간별 터널 내부 암반 등급 결정을 위한 지구통계학적 처리 방안 구현

5.3.6.2 내용 및 방법

5.3.6.2.1 자료분포특성 분석

(1) 시추 및 탐사결과로부터 산정된 암반등급 입력

(2) 실제 입력 자료에 대한 분포 특성 분석 : Histogram 및 Scatter Plot

- Histogram과 정규분포곡선

- 상관성 분석을 위한 Scatter Plot

5.3.6.2.2 Variogram Model에 의한 3D Kriging 및 3차원 암반등급 분포도

- 이상과 같은 Variogram Model을 추정하고 Kriging할 영역을 설정함

- 영역의 설정은 3D Grid를 형성함으로써 이루어지는 데 이 3D Grid는 공간상의 X, Y, Z 좌표에 대해 일정한 간격으로 나눔으로써 수많은 단위 Cell로 구성됨

- 이러한 Cell 내부는 실측된 자료로부터 추정된 Variogram Model에 의해 Kriging되어 통계적인 값을 부여받게됨

- 시추자료로부터 산정된 RMR 입력에 따른 3차원 Kriging 및 3차원 암반등급 분포도

5.3.6.3 분석 결과

5.3.6.3.1 거금터널 3차원 Kriging 암반분류 결과

5.3.6.3.1.1 시추공 입력 자료

(1) 시추 코아로부터 산정된 각 시추구간에 대한 RMR 산정값에 대한 자료분포특성을 분석하기 위해 히스토그램과 누적돗수 분포표를 작성

(2) 전체 시추공 내의 총 69개의 RMR 값에 대한 평균값은 53.0이며, 최대값과 최소값은 각각 76와 23으로 나타남

(3) RMR 입력값의 히스토그램과 확률누적돗수분포표

- Number of Samples : 69

- Number of Defined Samples : 69

- 9Mean : 53.0

- Standard Deviation : 12.6

- Coefficient of Variation : 0.2

- Maxmum Value : 76.0

- Upper Quartile : 61.8

- Median Value : 54.0

- Lower Quartile : 47.8

- Minimum Value : 23.0

5.3.6.3.1.2 입력자료의 Variogram 계산 및 Variogram Model 추정

- 자료분포특성으로부터 해당 공간상에 분포하는 RMR값에 대한 Variogram을 계산함

- 이에 대한 가장 적합한 Variogram Model 추정

- 그 결과 거금터널구간의 RMR값에 대한 Variogram Model 추정 결과, Spherical Model을 따르는 것으로 나타남

- RMR 입력값에 대한 Variogram 계산과 Variogram model 추정결과(Spherical Model)

5.3.6.3.1.3 거금터널 3차원 Kriging 암반분류 결과

- STA. 1+565 ~ 1+605 : 4등급 이하 - 터널 상부 및 하단부는 3등급 영역이나 중앙부에 4등급이하 분포

- STA. 1+605 ~ 1+690 : 3등급 - 모든 영역이 3등급영역으로 분류

- STA. 1+690 ~ 1+735 : 4등급 - 하부 및 중앙부가 2~3등급으로 분류되나 상부가 4등급으로 분포

- STA. 1+735 ~ 1+780 : 3등급 - 하부가3등급영역이 분포하나 상부 및 중앙부가 3등급 영역으로 분포

- STA. 1+780 ~ 1+840 : 4등급 이하 - 4등급영역이 상부에 중앙부에 분포하며 터널구간상부 1D는 풍화대

5.3.6.3.1.4 전기비저항과 RMR, 탄성파탐사와 RMR과의 상관성 분석

- 3D-Kriging 분석결과 탄성파탐사, 전기비저항탐사 및 시추조사 결과와 대체로 부합하고 있으나 일부 탄사결과와 상이하게 나타남

- 2개이상의 암질등급이 분포할때는 안전을 중시하여 Kriging 등급을 산정함

- 전기비저항과 RMR, 탄성파탐사와 RMR의 정량적 분석값과 3차원 Kriging의 결과를 종합 분석하여 암반등급 분류에 반영

5.3.6.3.2 소록터널 3차원 Kriging 암반분류 결과

5.3.6.3.2.1 시추공 입력 자료

(1) 시추 코아로부터 산정된 각 시추구간에 대한 RMR 산정값에 대한 자료분포특성을 분석하기 위해 히스토그램과 확률누적돗수분포표를 작성

(2) 전체 시추공 내의 총 57개의 RMR 값에 대한 평균값은 56.1이며, 최대값과 최소값은 각각 94와 21로 나타남

(3) RMR 입력값의 히스토그램과 확률누적돗수분포표

- Number of Samples : 57

- Number of Defined Samples : 57

- Mean : 56.1

- Standard Deviation : 20.2

- Coefficient of Variation : 0.4

- Maxmum Value : 94.0

- Upper Quartile : 72.3

- Median Value : 59.0

- Lower Quartile : 37.5

- Minimum Value : 21.0

5.3.6.3.2.2 입력자료의 Variogram 계산 및 Variogram model 추정

- 자료분포특성으로부터 해당 공간상에 분포하는 RMR값에 대한 Variogram을 계산함

- 이에 대한 가장 적합한 Variogram Model 추정

- 그 결과 소록터널구간의 RMR값에 대한 Variogram Model 추정 결과 Power Model을 따르는 것으로 나타남

- RMR 입력값에 대한 Variogram 계산과 Variogram Model 추정결과(Power Model)

5.3.6.3.2.3 소록터널 3차원 Kriging 암반분류 결과

- STA. 5+205 ~ STA. 5+240 : 5등급

- STA. 5+255 ~ STA. 5+280 : 3등급

- STA. 5+350 ~ STA. 5+400 : 3등급

- STA. 5+450 ~ STA. 5+600 : 3등급

- STA. 5+610 ~ STA. 5+650 : 5등급

- STA. 5+240 ~ STA. 5+255 : 4등급

- STA. 5+280 ~ STA. 5+350 : 2등급

- STA. 5+400 ~ STA. 5+450 : 4등급

- STA. 5+600 ~ STA. 5+610 : 4등급

5.3.6.3.2.4 전기비저항과 RMR, 탄성파탐사와 RMR과의 상관성 분석

- 3D-Kriging 분석결과 전기비저항탐사, 탄성파탐사 및 시추조사결과와 대체로 부합하고 있음

- 지표지질조사결과 나타난 충상단층이 STA. 5+400 ~ STA 5+450 구간 통과할것으로 판단되며 전기비저항탐사에서 저비저항대로 구분됨

- 전기비저항과 RMR, 탄성파탐사와 RMR의 정량적 분석값과 3차원 Kriging의 결과를 종합 분석하여 암반등급 분류에 반영

5.3.7 구간별 암반등급산정

- 시추조사결과를 바탕으로 시추위치별 기반암 등급결정

- 검토된 RMR-Q 분류와의 관계, 전기비저항-RMR 관계 및 탄성파속도-RMR 관계식을 이용하여 비교 분석하여 미시추구간에 암질등급과 비교표를 작성함

- 지표지질조사, 시추조사, 각종물리탐사결과를 바탕으로 나타난 파쇄대 및 단층대, 저비저항대, 저속도대 등을 종합적으로 비교하여 최종적인 암질등급을 결정함

- 3D-kriging을 분석결과를 바탕으로 암반등급을 최종 결정함

5.3.7.1 거금터널

- 암반등급 I의 암질은 나타나지 않아 전기비저항 등급 및 탄성파탐사에서 구분을 제외함

- 또한 전기비저항 800 이하는 비저항치간의 변별성이 낮아 Ⅳ, Ⅴ 구분이 어려움

- 전반적으로 거금터널은 터널계획고가 낮게 분포하고 있어 대체로 낮은 등급을 선정하였음

- 전기비저항탐사결과 1+700~1+730 구간은 전기비저항 이상대구간이 분포함 -〉 Ⅳ

- 탄성파탐사 결과 1+790~1+800 , 1+840~1+850 구간은 저속도대 -〉 Ⅳ, Ⅴ

5.3.7.2 소록터널

- 종단상에 나타난 전기비저항과 암질등급의 관계가 I, II과 Ⅳ, Ⅴ 변별력이 떨어짐

- 탄성파탐사결과 암질등급 II과 III 구간에서는 저속도층이 얇게 분포하고 있어 구역별로 선별하는데 어려움이 있음

- 소록터널 지역은 거금터널지역에 비해 전기비저항의 편차가 심하게 나타나고 있으며 실제로 III등급의 범위를 2,410~10,210 ohm·m로 매우 큰 범위를 나타냄

- 따라서 I, II 및 Ⅳ, Ⅴ간의 변별력이 매우 낮게 나타나고 있어 구분하지 않았음

암질등급 -〉IV

- 지표지질조사결과 5+440 지점에 충상단층 통과 할 가능성 있음

- 굴절법토모그래피 탐사 결과 5+400 ~ 5+420 구간에 저속도대

- 전기비저항탐사 결과 5+400 ~ 5+440구간에 저비저항대

- 격자형 저비저항탐사 결과 5+400~5+460 구간 및 5+440~5+460(횡방향) 구간에 저비저항 이상대

- 수평시추조사결과 5+420~5+430 구간에 암질이 불량한 구간 확인

5.3.7.3 표준지보패턴 개요도

(1) 터널표준지보패턴 개요도

(2) 거금터널

(3) 소록터널

(4) 지보패턴 적용 흐름도

(5) 암질등급, 전기비저항

5.4 표준지보패턴 적정성 검토

5.4.1 개요

- 거금, 소록터널의 지보패턴은 경험적인 지보패턴 설계로 RMR System (1992)에서 제안한 암반터널굴착시 지보System의 Guideline과 Q system에 의한 터널지보재 선정 (Grimstad ＆ Barton 1993)을 검토하여 적용하였음

- 본 해석시는 암반등급별 이상화된 지반에서 지보패턴의 변경에 따른 굴진장, 록볼트 분담면적의 변화를 고려한 3차원 해석을 통해 지보패턴의 적정성을 검토함

5.4.2 경험적인 지보패턴 설계

5.4.2.1 무지보 자립시간과 무지보 굴착폭 검토

5.4.2.1.1 RMR System Guideline

5.4.2.1.1.1 터널의 천장폭-RMR-자립시간의 상관관계 (Bieniawski ‘1989)

- RMR분류에 따른 다양한 조건의 암반등급에서 자립시간과 천장폭의 상관관계로 표시

- 대입된 Data는 낙반조사를 나타냄 (■ : 광산 □ : 터널)

- 표준지보패턴은 RMR값에 따라 표준단면-1~표준단면-5로 분류함

- 2차로 터널에서 적용되고 있는 Cycle time과 RMR System Guidelines에서 제시하는 무지보자립시간을 비교함

5.4.2.1.2 Q-System에 의한 검토

5.4.2.1.2.1 Q값과 무지보최대폭의 상관관계

- ESR은 터널의 폭 혹은 높이의 안전율을 대표한 값임

- 또한 ESR은 지보규모를 변화시켜 비용 및 안정성의 변화를 줄 수 있음

- 표준지보패턴은 Q값에 따라 표준단면-1~표준단면-5로 분류함

- 2차로 터널에서 적용되고 있는 무지보폭과 Q-System 에서 제시하는 무지보폭 비교

5.4.2.2 지보량 검토

RMR System의 기본 지보 패턴제시안을 조정 적용

- 록볼트길이 L (m) = 6-0.05×RMR≥3 (RMR〈80)

- 록볼트간격 S (m) = 0.5+0.025×RMR≥1 (RMR〈80)

- 숏크리트두께 T (mm) = 200-2.5×RMR≥50 (RMR〈80)

- 강지보공간격 Sr (m) = 0.375+0.375×RMR (RMR〈40)

지보패턴별 지보재의 양은 표준지보패턴별 RMR값에 의한 지보량 산출식 사용

- 무지보

- 랜덤볼트

- 시스템볼트

- 시스템볼트, 숏크리트(4~10cm)

- 섬유보강숏크리트 (5~9cm)와 록볼트

- 섬유보강숏크리트(9~12cm)와 록볼트

- 섬유보강숏크리트(12~15cm)와 록볼트

- 섬유보강숏크리트(〉15cm)와 록볼트, 강지보재

- 보강콘크리트라이닝

5.4.2.3 경험적인 방법에 의한 지보패턴의 결정

- 숏크리트두께 -〉 와이어 메쉬보강 숏크리트를 기준으로한 RMR System보다 SFRS를 기준으로한 Q-System에서 적정성을 찾을 수 있음

- 록볼트 분담면적 및 록볼트 길이-〉 RMR System 과 Q System모두 만족

- 상기 검토로 표준지보패턴의 적정성을 확인할 수 있으며, 터널 구간중 암반분류시 고려 항목이외 요소가 터널지보의 안정성에 영향을 미치는 구간을 제외한 전구간에 표준지보패턴을 적용한다

주) 표준단면-6은 갱구부에 적용되는 패턴이므로 별도검토

5.4.3 적용지보패턴의 수치해석적 검증

5.4.3.1 해석순서

- 해석프로그램 : PENTAGON 3D

- 해석모델 : Elasto Plastic Model

- 파괴규준 : Mohr - Coulomb Failure Criteria

5.4.3.2 모델링

- 실제 시공상황을 모사화기 위해 종·횡방향 록볼트간격, 상하반굴착라인, 굴진장을 반영한 모델링

- 모든 지반 요소에 표준지보패턴에 해당하는 암반 분류물성치 적용

- 굴착영향범위를 고려한 모델링

- 모든 시공조건을 고려한 모델링

5.4.3.3 해석결과

5.4.3.3.1 굴착단계에 따른 변위 양상

(1) 천단부

(2) 측벽부

5.4.3.3.2 굴착단계에 따른 지보재 응력 양상

(1) 천단부

(2) 측벽부

5.4.3.3.3 지보재 응력 검토

- 전체변위도

- X방향변위도

- Y방향변위도

- 소성영역도

- 숏크리트응력도

- 록볼트축력도

5.4.3.4 검토의견

- 표준단면별 변위는 지반상태가 불량할수록 증가하는 양상을 보이고 있으나 모두 5mm 이하로 지보패턴의 적정성을 확인할 수 있음

- 지보재의 응력은 천장부, 측벽부 모두 허용력이내이며 록볼트의 축력은 표준단면-5에서 약간 큰 값을 나타내나 허용력 이내로 지보패턴의 적정성을 확인할 수 있음

5.5 터널설계 지반정수

5.5.1 연속체 해석을 위한 설계지반정수 요약

5.5.2 수리해석을 위한 투수계수,지하수흐름 특성치 산정 요약

5.5.2.1 투수계수 산정결과

5.5.2.2 암반투수계수 및 루전치 선정

5.5.3 내진해석을 위한 동적지반특성치 산정 요약

5.6 갱구비탈면 안정검토

5.6.1 토사비탈면 해석결과

5.6.1.1 해석결과 요약

5.6.1.2 비탈면안정해석

5.6.2 암반비탈면 해석결과

5.6.2.1 암반비탈면 안정성 평가

- 평사투영해석

- SMR-net 평가

- 파괴확률해석

- 평면파괴해석(한계평형)

- 쐐기파괴해석(SWEDGE)

- 전도파괴해석(UDEC)

- 평가 : 불연속면의 기하학적 파괴 형태 및 유형파악

5.6.2.2 표준경사(1: 0.5) 적용시 안정성 평가

○ : 안전, △ : 국부적 가능성 있음, × : 파괴 가능성 있음

5.6.2.3 경사완화(1:0.7)시 안정성평가