< Previous58 자연,터널 그리고 지하공간 기술강좌 시리즈 막장면 암질평가와 관련한 최근 기술동향 <그림 1> Terzaghi 이완하중의 가정 <표 2> 강아치 지보에서 터널의 암반하중 분류(by Rose, Terzaghi 하중의 50%) 암반의 상태암반의 하중고(Hp, ft)RQD비고 1. 견고한 신선암-95~100암파열, 암편탈락될 경우만 간단한 라이닝 2. 견고한 층상 또는 편암상0~0.5Bt90~99암파열 방지목적의 간단한 지보공 3. 대괴상, 보통절리0~0.25Bt85~95하중은 장소에 따라 불규칙 변화 4. 보통괴상, 균열있음0.25Bt~0.2(Bt +Ht)75~85측압 없음 5. 현저한 소괴상, 균열 많음(0.2~0.6)(Bt +Ht)30~75측압이 적거나 거의 없음 6-1. 완전 파쇄상, 화학적으로 신선(0.6~1.1)(Bt +Ht)3~30 상당한 크기의 측압 및 터널바닥이 누수에 의해 약화되었을 때는 연속지보공 또는 원형지보공 설치 6-2. 모래, 자갈(1.1~1.4)(Bt +Ht)0~3 7. 압출성 암반, 중간 심도 토피(1.1~2.1)(Bt +Ht)- 큰 측압, 인버트폐합 필요, 필요시 원형강지보공 8. 압출성 암반, 깊은 심도 토피(2.1~4.5)(Bt +Ht)- 9. 팽창성 암반 (Bt+Ht) 값에 무관하게 80m 이상을 사용 -원형 강지보공, 심한 경우에 가축성 지보공 설치 2.3 RMR 암반분류 • Bieniawski(1973)에 의해 개발됨. • 5가지 평가항목(무결암 강도, RQD, 불연속면 간격, 불연속면 상태, 지하수상태, 불연속면 방향) + 1가지 보정 항목(절리의 방향성) <표 3> 암반분류 등급 평점 합계100~8080~6160~4140~21<20 암반 등급ⅠⅡⅢⅣ∨ 암반 상태매우 양호양호보통불량매우 불량 평균자립시간15m폭 20년10m폭 1년5m폭 1주일2.5m폭 10시간1m폭 30분 암반의 점착력>400kPa300~400kPa200~300kPa100~200kPa<100kPa 암반의 마찰각<45도35도~45도25도~35도15도~25도<15도Vol. 22, No. 3 59 막장면 암질평가와 관련한 최근 기술동향 <표 4> 항목별 평점 배분표 변수평점 범위 1 무 결 암 강 도 점하중 강도지수 >10Mpa4~10Mpa2~4Mpa1~2Mpa 이 범위에서는 단축압축 강도 시험이 필요함 단축압축 강도 >250Mpa100~250Mpa50~100Mpa20~50Mpa5~25Mpa 1~5Mpa<1Mpa 평점151274210 2 RQD90~100%75~95%50~75%25~50%<25% 평점20171383 3 절리간격>2m0.6~2m0.2~0.6m0.06~0.2m<60mm 평점20151085 4 절리상태 매우거침 연속성 없음 벌어짐 없음 절리면이 풍화되지 않음 약간 거침 불리 틈새 (<1mm) 절리면 약간 풍화 약간 거침 불리 틈새 (<1mm) 절리면 심한 풍화 매끄러운 면 충전물 (5mm두께 또는 분리틈새 1~5mm 연속절리 연약한 충전물 >5mm 두께 또는 분리 틈새 >5mm 연속적인 절리면 평점302520100 5 지 하 수 출수량(/10m)없음10l/분10~25l/분25~125l/분>125l/분 절리수압/ 최대주응력 00~0.10.1~0.20.2~0.5>0.2 일반상태완전 건조습기젖은 상태물방울흘러내림 평점1510740 <표 5> 절리방향에 따른 점수 보정 절리의 주향과 경사매우유리유리양호불리매우불리 점수0-2-5-10-12 <그림 2> RMR 평점에 따른 지보 산정 예60 자연,터널 그리고 지하공간 기술강좌 시리즈 막장면 암질평가와 관련한 최근 기술동향 2.4 Q-System 암반분류 2.4.1 Q 분류 방법 Q = RQD × Jr × Jw JnJaSRF 여기서, RQD : 암질지수(Rock Quality Designation) Jn : 절리군 수(Joint Set Number) Jr : 절리면 거침 계수(Joint Roughness Number) Ja : 절리면 변질 계수(Joint Alteration Number) Jw : 지하수에 의한 계수(Joint Water Reduction Factor) SRF : 응력에 의한 계수(Stress Reduction Factor) <표 6> Q-값에 의한 암반등급 구분 Q값암반등급Q값암반등급 400~100011~46 100~40020.1~17 40~10030.01~0.18 10~4040.001~0.019 4~105 2.4.2 Q-분류 항목별 점수 1) 암질별 RQD값 <표 7> 암질에 따른 RQD값 암질상태아주 불량 불량양호우수아주 우수 RQD0~25점25~50점50~75점75~90점90~100점 2) 암괴의 상대적 크기(Jn) • 하나의 절리군 : 2 • 세 개의 절리군 : 9 • 토양과 같이 파쇄된 형태 : 20Vol. 22, No. 3 61 막장면 암질평가와 관련한 최근 기술동향 3) 절리의 거칠기(Jr) a) 절리면간이 접촉된 경우 • 불연속적인 절리 : 4.0 • 평활면, 기복이 있음 : 1.5 • 평활면, 판상 : 0.5 b) 절리면간 전단시에도 접촉이 없음 • 절리의 벽면이 접촉할 수 없을 정도로 점토광물이 충전 : 1.0 • 절리의 벽면이 접촉할 수 없을 정도의 모래, 자갈, 파쇄대가 두껍게 존재 : 1.0 4) 절리면의 변질정도(J a ) a) 절리면이 서로 접촉되어 있음(충전물이 없고 피복만된 상태) • 변질이 없고 완전 밀착, 단단한 불투수성 충전물 : 0.75 • 약간 변질 절리면, 연화안된 광물 피복, 사질입자, 점토성분이 없는 풍화암 : 2.0 • 연화되었거나 마찰력이 작은 점토성광물 피복, 소량의 팽창성 점토(2mm이하) : 4.0 b) 10cm 이내의 전단으로도 절리면 양쪽이 접촉됨. • 사질입자, 무점토성 풍화암 등 : 4.0 • 심하게 과압밀된 불연화성 점토광물의 충전 : 6.0 • 보통 또는 약간 과압밀된 불연화성 점토광물의 충전 : 8.0 c) 10cm 이내의 전단시에 절리면 양쪽이 접촉이 안됨. • 몬트모릴로나이트 등 팽창성 점토의 충전(연속적이거나 두께 5mm 미만) : 8~12점 d) 전단시에도 절리면이 접촉안됨(두꺼운 충전물). • 풍화나 파쇄된 암석의 대상 분포 및 영역 : 6~8점 • 두껍고 연속적인 점토의 대상 분포와 영역 : 13~20점 5) 지하수에 의한 저감계수(Jw) : 작용응력 항목 절리간극수에 의한 저감계수, 물이 많으면 작은 값, 수압의 척도, 전단강도의 감소 • 건조 혹은 소량의 용수(국부적 5l/min 미만) : 1.0점(수압 <1kg/cm2) • 시간과 무관하게 지속적으로 많은 용수와 높은 수압 : 0.05~0.1점(수압>10kg/cm2) 6) 작용 응력(SRF) 암반이 압력을 받았을 때의 변형에 대한 계수. 견고한 암반에서는 암반응력의 척도이고 견고하지 않은 소성성 암반에서는 압축 및 팽창 하중의 척도임. a) 굴착시 터널과 교차할 경우 암반을 이완시킬 수 있는 정도의 연약대 • 점토나 화학적 풍화 암석을 포함하는 연약대의 빈도가 잦은 경우(임의 심도) : 10점 • 점토나 화학적 풍화 암석을 포함하는 연약대의 빈도가 한번(굴착심도 50m 이상) : 2.5점 • 느슨한 절리, 절리가 심한 경우(임의 심도) : 2점62 자연,터널 그리고 지하공간 기술강좌 시리즈 막장면 암질평가와 관련한 최근 기술동향 <표 8> 암질별 암반응력(SRF) 구분σc/σ1σt/σ1SRF b) 견고한 암석에서의 응력 문제 ∙ 낮은 응력(지표 부근)>200>132.5 ∙ 높은 응력, 매우 견고한 구조5~100.33~0.661.0 ∙ 심한 암반 파열(괴상 암반)<2.5<0.1610~20 c) 압축성 암반, 높은 압력의 영향으로 소성변형 ∙ 보통 압축압력5~10 ∙ 심한 압축압력10~20 d) 팽창성 암반 : 수화작용으로 화학적 팽창 ∙ 보통 팽창압5~10 ∙ 심한 팽창압10~15 2.4.3 Q값과 지보패턴 <그림 3> Q-값에 따른 지보패턴Vol. 22, No. 3 63 막장면 암질평가와 관련한 최근 기술동향 2.4.4 Q-값과 RMR의 상관관계 RMR과 Q값의 관계식(Hoek and Brown, 1987년) • RMR = 9ℓnQ + 44 (토목터널, 스칸디나비아 62, 남아공 28개) • RMR = 10.5ℓnQ + 42 (탄광갱도, 스페인 187개) 2.5 GSI 분류법 • GSI(Geological Strength Index)는 Hoek(1994)이 도입, Sonmez and Ulusay(2002), Cai et al.(2004) 등이 정량화함. • Basic RMR(= RMRb)은 불연속면 방향에 의한 보정은 미실시, 지하수상태 포함한 5가지 파라미터로 구성됨. • Hoek and Brown 파괴조건의 강도 산정 • 육안관찰에 의한 정성적 파라미터 : 암석의 구조(불연속면 수와 위치), 불연속면 표면 상태만 고려함. • 거칠기, 풍화도와 충진물로 다시 정의(Sonmez and Ulusay, 2002) <표 9> Influence of different parameters 구분RMRb(′89)GSI비고 UCS(일축압축강도)150 Structure of rock mass4050RQD + Joint space Condition of discontinuities3050 Presence of water150 • RMR : 터널설계 전용으로 실험에 의해 암반의 정성적 등급 평가 인자 제공 최소값이 23(RMR 89 )이기 때문에 더 낮은 값에 대해서는 분류가 어려움. 추가 계산없이 경험에 근거한 터널 라이닝과 보강에 대한 설계 가능 터널굴진과 관련한 절리면 방향성과 같은 외부인자에 의한 보정이 필요함. • GSI : 암질을 간단히 정의하기 위한 등급값을 부여하기 위해 개발됨. 후속 분석의 입력data로 사용되고 전단강도, 변형률과 외부조건(지하수영향, 절리 방향)은 후속되는 수치해석에서 추가로 고려함. <표 10> Equation of existing correlation between RMR89 & GSI 상관식제안자비고 RMR89 =GSI + 5Hoek and Brown(1997) RMR89 ∙ RQD+절리간격 : 8~40 ∙ 불연속면상태 : 0~30 ∙ 지하수상태 : 0~15 RMR89 = 2.38GSI - 54.93Cosar(2004) RMR89 = 20ln(GSI /6)Osgoui and Ünal(2005) RMR89 = 1.35GSI -16.40iravani et al.(2013) RMR89 = 1.36GSI +5.90Singh and Tamrakar(2013) RMR89 = 1.01GSI +4.95Ali et al.(2014)64 자연,터널 그리고 지하공간 기술강좌 시리즈 막장면 암질평가와 관련한 최근 기술동향 3. 암판정 예제 3.1 암판정 기초 자료 막장 관찰 일지 공사명 : ○○~ ○○ 고속도로 3공구 건설공사 ○○터널 일시 : 2020년 8월 ㅇ일 작성자 : 홍길동 1 확인자 : 홍길동 2 <그림 4> 막장관찰 일지(예시)Vol. 22, No. 3 65 막장면 암질평가와 관련한 최근 기술동향 <그림 5> 막장면 페이스 맵핑(예시) 3.2 암판정에 기초한 지보패턴 선정 1) 그림 2에 따라 숏크리트 두께, 록볼트 길이와 간격 및 강지보 간격을 결정할 수 있고 RMR등급에 따라 아래와 같이 개략적인 지보패 턴을 적용할 수도 있음. <표 11> 암판정 결과에 따른 지보패턴 암반등급굴착형태 지보 록볼트(20mm지름의 전면접착형)숏크리트강재지보 1. 매우 양호한 암반 (RMR=81~100) ∙ 전단면 : 1발파 ∙ 굴진장 3m ∙ 경우에 따라 국부적으로 록볼트 설치 ∙ 이 외의 지보설치는 일반적으로 불필요 2. 양호한 암반 (RMR=61~80) ∙ 전단면 : 1.0~1.5m ∙ 굴진 : 막장 20m 후방까지 완전한 지보 ∙ 천장부에 길이 3m, 간격 2.5m 록볼트 ∙ 경우에 따라서 와이어 메쉬도 함께 설치 ∙ 천정부의 필요한 곳에 50mm 두께로 타설 ∙ 불필요 3. 보통의 암반 (RMR=41~60) ∙ 계단식(Top Heading & Bench) : 상단면을 1.5~3.0m씩 굴진 ∙ 발파 직후 지보설치 ∙ 막장에서 10m 후방까지 완전한 지보 ∙ 길이 4m, 간격 1.5~2.0m의 록볼트를 천장부 및 측벽에 체계적으로 설치 ∙ 천장부는 와이어 메쉬설치 ∙ 천장부에 50~100mm 두께 ∙ 측벽부에 30mm 두께로 타설 ∙ 불필요 4. 불량한 암반 (RMR=21~40) ∙ 계단식 : 상단면을 1.0~1.5m씩 굴진 ∙ 굴착과 동시에 지보설치 (막장 10m 후방까지) ∙ 길이 4~5m, 간격 1.0~1.5m의 록볼트를 와이어 메쉬와 함께 천장부 및 측벽부에 체계적으로 설치 ∙ 천장부에 100~150mm 두께 ∙ 측벽부에 100mm 두께로 타설 ∙ 필요한 곳에 1.5m 간격의 소형 철재 지보 설치 5. 매우 불량한 암반 (RMR<20) ∙ 복수터널을 이용한 굴착 : 상단면을 0.5~1.0m씩 굴진 ∙ 굴착과 동시에 지보 ∙ 발파후 가능한 빨리 숏크리트타설 ∙ 길이 5~6m, 간격 1.0~1.5m의 록볼트를 와이어 메쉬와 함께 천장부 및 측벽부에 체계적으로 설치 ∙ 인버트에도 설치 ∙ 천장부에 100~200mm 두께 ∙ 측벽부에 150mm 두께 ∙ 막장면에 50mm 두께로 타설 ∙ 0.76m 간격의 중형 또는 대형 철재 지보를 철재 살창(Lagging)과 함께 설치. 필요하다면 포어폴(forepole) 설치. 인버트 폐합66 자연,터널 그리고 지하공간 기술강좌 시리즈 막장면 암질평가와 관련한 최근 기술동향 2) 불량한 암질의 지보패턴 결정 • 암반등급 Ⅴ 이하의 암질이 불량한 지반조건의 경우, RMR로 더 이상 세분할 수 없으므로 GSI분류와 연계하여 지보패턴을 결정할 수 있다. • GSI(Geological Strength Index)는 막장의 암질상태에 따라 0~100으로 세분화 할 수 있으므로 불량 암질의 지보패턴 결정할 수 있음. • RMR′ = RMR89 - (절리상태와 지하수 상태 등급 값) RMR′ GSI값 지보등급 19~25 P5 14~18 P5-1 8~13 32~35 27~31 26이하 P6 P6-1 P6-2 <그림 6> RMR과 GSI를 혼용한 지보패턴 결정(예시) <그림 7> GSI를 이용한 세부 지보패턴 선정(예시)Vol. 22, No. 3 67 막장면 암질평가와 관련한 최근 기술동향 4. 디지털 맵핑 4.1 기술의 개요 • NATM은 지반조사의 한계성과 자료의 불확실성 등의 문제점를 탈피하기 위한 관찰법에 근거함. • 굴진면 관찰자료는 잠정설계단계의 보강공법을 시공단계에서 확정하기 위해 가장 중요한 자료임. <그림 8> 디지털 맵핑 도입 배경 4.2 도로공사 EX-TM(Expressway Tunnelling Method) 고속도로 맞춤형 터널설계 가이드라인 발간하면서 EX-TM을 시행함(2016.03). 설계 단계에서 조사된 자료를 통해 다양한 지보패턴 을 제시하고 시공 단계에서는 현장 기술자의 판단에 따라 지반특성에 적합한 지보패턴을 결정하는 한국도로공사의 터널 설계 및 시공 관리 방안(디지털 맵핑 도입) <그림 9> 고속도로 터널공법(디지털 맵핑 권장)Next >