터널공사에 이용되고 있는 암반의 분류

1. Terzaghi의 암반하중분류

▪ 처음 소개된 Terzaghi의 암반하중분류법은 터널 굴착시에 그 보강방법을 steel sets로 했을 경우에 이에 대한 암반하중을 추정하는데 적합한 방법으로서 특히 steel support를 이용한 터널설계에 아주 적합한 방법이다. 예전 한 때 암반터널 굴착에는 거의 모두 steel sets 보강을 이용했기 때문에 이 방법은 상당히 중요한 부문을 차지하고 있었다.

▪ 그러나 요즈음 흔히 사용되는 shotcrete나 rockbolts를 이용한 터널굴착에는 적합하지 못하다. 또한 어떤 목적에 따른 암반평가를 할 수 없을 뿐 아니라, 보강공법 선정에 필요한 암반의 특성을 파악할 수 없는 게 단점이다.


2. Lauffer의 암반분류법

▪ Lauffer에 의한 분류방법은 터널보강 형태나 보강정도를 결정하는 것으로서 Active span의 stand-up time 개념으로 소개된 이래 상당히 개발 보완되었다. Lauffer의 암반분류 방법은 터널 및 암반역학 분야에 널리 알려진 오스트리아의 Stini의 Tunnel geology에 근거를 두고 개발한 것이다.

▪ Stini는 터널을 굴착하는데 암반의 지질구조가 미치는 영향에 대하여 상당히 강조를 하였으나 Lauffer는 active unsupported rock span의 stand-up time이 여러 등급으로 나누어진 암반의 등급과 관련이 있음을 개발하였다.

▪ 그러나 Lauffer의 분류방법은 stand-up time과 span을 추정하기가 어렵고, 또한 이것을 추정하기 위해서는 상당히 많은 실무경험을 토대로 해서 이루어져야만 가능하다.

▪ 하지만 Lauffer 방법의 주 내용인 stand-up time과 span이 터널보강 방법과 보강정도를 결정하는 요인이기 때문에 이것이 요즈음 개발된 암반분류 이론에 크게 영향을 주었음은 부인할 수 없다.


3. Deere의 Rock quality designation(RQD)

(1) RQD법

① Deere는 시추한 코아에 대한 코아채취율을 근거로 해서, 전체 시추 심도에 대한 10cm이상의 코아가 차지하는 비를 나타내는 하나의 Index(RQD)를 제안하였다. RQD 방법은 상당히 널리 이용되어 왔으며 터널보강방법 선정에도 아주 도움이 된다.

② 암반에 대한 코아의 채취상황은 시추공법, 암질, 절리 등에 따라 크게 좌우되므로, Deere는 다음과 같이 RQD(Rock quality desination)를 표시하고 암반을 질적으로 분류하였다.

 
▪ 시추시 굴진한 길이에 대한 10cm이상의 joint 간격을 갖는 코어 길이합의 백분율.

▪ 즉, 암심(boring recovery core)에서 굴진한 길이에 대한 10cm이상의 간격을 갖는 joint 수를 고려하여 암심의 판단 상태를 수량화 시킨 것(절리의 빈도 및 암반의 강도 측정) 


(2) NX규격의 이중관 시료채취기

국제암반역학회(ISRM)는 암반의 RQD를 결정할 때 이중관 시료채취기(double barrel diamond drilling)을 사용해서 시추한 NX코아를 기준으로 할 것을 제안하였다.

(3) RQD의 지질공학적 상관성

R. Q. D	25이하	25～50	50～75	75～90	90～100
상태	매우 나쁨 (very poor)	나쁨 (poor)	보통 (fair)	좋음 (good)	매우 좋음 (excellent)

(4) 기타 : TCR > SCR > RQD

① 회수율(코아채취율), T.C.R(Total Core Recovery) : 조사대상의 보링연장에 대한 실제 채취된 코아연장의 비율

② S.C.R(solid core recovery) : 주상으로 채취된 코아 연장의 비율

(5) 한계

RQD index 자체는 쉽게 core quality를 추정하는 좋은 자료가 될 수 있겠으나 암반의 상태를 파악하기에는 부족하다.

① RQD index는 절리가 만약에 얇은 점토층이나 풍화를 받은 다른 물질로 채워져 있을 경우에는 그 역할을 잃게 된다.

② 하지만 절리의 방향, 밀착정도 또는 협재물의 영향 등을 고려할 수 없는 상당히 많은 단점을 포함하고 있다.


4. Rock structure rating(RSR) concept

Wickham 등이 제안한 Rock structure rating(RSR) 방법은 터널보강을 위한 모델시험(RSR concept)을 통해 암반분류에 필요한 자료를 그 중요도 별로 Rating한 방법이다. 본 RSR 방법은 암반의 상태를 기술하는 것은 물론 적절한 보강방법을 선정할 수 있는 기능도 포함하고 있으며, Terzaghi 방법이 나온 이후 처음으로 개발된 상당히 논리적인 암반분류 방법이라고 할 수 있다.

(1) RSR법 : A + B + C

┏ A : 암석의 종류 및 습곡 단층들의 지질상태
┣ B : 절리 간격 방향 터널의 축과 절리 방향과의 관계
┗ C : 절리의 상태와 지하수의 용출상태

임의의 터널구간의 RSR값은 각 parameter의 가중치를 합한 것이고, 따라서

RSR = A+B+C로 최대값은 100이 된다. 이 값은 터널보강과 관련되는 암반 상태를 뜻한다.

RSR 방법에 의한 암반분류는 상당히 진전된 방법으로서 Terzaghi 방법은 정성적인 것이데 비해 이것은 정량적인 것이며, core quality를 기술하는 RQD index와는 달리 암반의 성질에 미치는 여러 가지 요인을 감안한 암반분류방법이고, 또한 stand-up time과 span으로 주어지는 Lauffer 방법 즉, 암반등급을 결정하기 위해서는 실제 경험에만 의존하는 것과는 달리 입력자료와 출력자료가 분명한 암반분류방법이다.

RSR 방법의 좋은 점은 암반을 평가하기 위해서 처음으로 Rating system을 개발했다는 것이다. Rating이라 함은 각 parameters의 가중치의 합을 의미한다. 다시 말하면 암반분류를 위한 여러 형태의 parameters의 상대적인 중요도를 분석할 수 있는 방법이라고 할 수 있다. RSR 방법은 터널에 대한 여러 분야의 많은 기존 문헌과 터널보강에 대한 기술도서를 포함해서 시범조사를 통해서 개발된 것이다. 이 방법은 암반터널 굴착에 미치는 영향을 크게 두 가지 형태로 나누어 이것을 근거로 해서 개발되었는데, 즉 지질이 미치는 영향과 실제건설 규모나 그 자체가 미치는 영향으로 구분하였다.

이와 같은 모든 자료들은 Wickham등에 의해서 3개의 parameters 즉, A,B,C로 나누어져 있고 여러 형태의 지질여건을 고려했을 때, 터널보강공법 선정에 필요한 기능을 갖게 되어있다. 이들 는 다음과 같다.


(1) 암반분류를 위한 3가지 기본 parameters

① Parameter A (일반적인 암의 구조)
    ▪ 암석의 종류 및 형성 기원(화성암, 변성암, 퇴적암)
    ▪ 암석의 경도(경암, 보통암, 연암, 풍화암)
    ▪ 지질구조(Massive, Fault, Fold)

② Parameter B (터널굴착 방향과 절리의 방향)
    ▪ 절리간격
    ▪ 절리방향(주향과 경사)
    ▪ 터널굴착방향

③ Parameter C (지하수)
    ▪ parameter A와 B를 합한 Overall rock mass quality
    ▪ 절리상태 (Good, Fair, Poor)
    ▪ amount of water inflow


5. Geomechanics 암반분류

Bieniawski에 의해서 제안된 Geomechanics 분류방법과 Barton에 의해서 제안된 Q-system은 각각 별도로 개발된 것이며, 이 두 방법은 모두 Rockbolt나 Shotcrete 등과 같은 요즈음의 터널보강 공법을 선정할 수 있는 기능을 갖추고 있다. 그러나 Q-system은 터널에만 적용할 수 있으나 Geomechanics 방법은 개발당시에는 터널을 기준으로 제안되었으나, 그 후에 암반사면과 기초, Rippability는 물론 Mining에 까지 이용할 수 있게 보완하였다.

Geomechanics 암반분류 혹은 RMR(Rock mass rating) system은 Bieniawski에 의해서 개발된 암반분류 체계로서 이는 야외조사 또는 시추조사에서 측정가능한 6가지의 parameter를 토대로 암반의 특성을 정량화시켜 평가하는 방법이다. 암반을 평가하는 방법으로서 6가지의 parameter

즉,

㉠ 암반의 일축압축강도 (15점)
㉡ RQD(rock quality designation) (20점)
㉢ 불연속면의 간격 (20점)
㉣ 불연속면의 상태 (30점)
㉤ 지하수 상태 (15점)
㉥ 불연속면의 방향(0 ~ -12점) 등의 분류기준을 두고 있다.

(1) 분류방법

Geomechanics 분류방법을 적용해서 암반분류를 하고자 할 때는 우선 터널을 따라서 암반을 여러개의 지질학적 동일 구조 지역으로 구분하고, 이러한 동일지질구조 지역에 대한 상술한 6가지 Parameter를 현장에서 측정하여 결정한다.

․ RMR에서 적용하는 암반분류 기준은 ㉠~㉤에서 고려되는 5가지 parameter 별로 암반상태에 대한 점수를 가산하여 대상구간에 대한 암반의 평점을 구하는데 이것이 Basic RMR이다. 그리고 산정된 Basic RMR 값으로 터널굴착에 대한 불연속면의 주향과 경사에 따른 영향을 고려하여 Basic RMR 값을 조정한 후 Final(Adjust) RMR 값을 산정한다. 방향성을 고려한 최종적인 RMR 값이 확정되면 5가지의 암반등급 기준에 따라 분류되며, 각 등급은 평점 20점 단위로 구분되어 있다.

․ Geomechanics 분류에 의하면 터널굴착 목적으로 암반을 분류할 때는 어떠한 단일 Parameter나 혹은 Index 만으로는 절리가 발달해 있는 암반을 정확하게 정량적으로 조사할 수 없음을 알 수 있고, 여러 가지 요인들이 각기 다른 중요성을 가지며 이들 요인들을 모두 종합했을 경우에만 가능함을 알 수 있다.

① 암석의 강도 (Rating : 0~15까지 7등급)

일반적으로 암반을 분류할 때는 암석의 일축압축강도가 상당히 중요한 요인이 된다. 예를 들면 절리의 간격이 상당히 좁고 암석의 가도가 약할 때는 암석의 강도가 암반의 특성에 미치는 영향이 크다. 암석의 일축압축강도를 결정하기 위해서는 일반적으로 실내시험을 거쳐서 시험을 하는 것이 보통이지만 암석분류가 그 목적일 경우에는 점하중시험을 하는 것이 편리하다. 왜냐하면 점하중시험은 현장에서 간단히 시추한 코아를 이용해서 시험을 할 수 있을 뿐 아니라 시료를 별도로 준비할 필요가 없기 때문이다. 코아시료의 점하중 강도는 실제 가한 하중과 코아의 직경의 제곱의 비로서 계산할 수 있다. 일축압축강도(σ)와 점하중강도(Is)와의 관계는 σ≅ 24 Is 이다.

② RQD (Rating : 3~20까지 5등급)

RQD index는 암반을 기술하는데 충분하지는 못하나 터널보강공법을 선정하는데 하나의 지침이 되며, 세계 여러나라에서 상당히 많이 이용되고 있고, 이 방법은 간단하며 비용이 적게 들 뿐 아니라 쉽게 조사할 수 있는 장점이 있다. 원칙적으로 RQD값은 시험코아 상에서 결정하는 것이 원칙이지만 사정이 여의치 못할 때는 노두에서의 측선법을 이용할 수도 있다.
(․RQD = 115-3.3 Jv). Jv : ㎥에 대한 절리수

③ 절리의 간격 (Rating : 5~20까지 5등급)

일반적으로 절리라 함은 암반에 발달해 있는 모든 불연속면을 가리키며 이에는 절리, 층리, 단층 기타 약한 부분을 일컫는다. 절리의 발달상태에 따라 암반 전체의 공학적 특성이 달라지는데 암반에 절리가 있으므로 해서 암반의 강도가 감소하게 되며 특히 절리의 간격은 암반의 강도를 좌우하는 요인이 된다.

④ 절리의 상태 (Rating : 0 ~30까지 5등급)

절리의 상태란 절리면의 Roughness, 연속의 정도, 절리면 틈새의 간격 즉, open이나 separation, 절리면을 채우고 있는 물질, 절리면을 구성하고 있는 암석의 풍화정도 등을 말한다. Roughness는 절리면의 전체 모양에 따라 stepped, undulating, planar로 구분하며, 절리의 연속성은 암괴의 크기를 결정하게 되며 암반의 특성에 영향을 준다. 절리면간의 거리는 절리면 사이를 채우고 있는 물질과 암석 그 자체가 절리면 간의 전단정도에 영향을 준다.

⑤ 지하수 (Rating : 0~15까지 5등급)

터널 단위길이(10m)에 대하여 단위시간별 지하수의 inflow rate가 어느 정도인지 조사해야 하며, 이에 대한 조사가 가능하지 않을 때는 일반적으로 지하수의 상태 즉 completely dry, damp, wet, dripping, inflowing 등으로 구분한다.

⑥ 절리의 방향

터널의 안정성에 절리의 방향이 미치는 영향에 대해 절리의 방향과 경사가 터널 안전성에 미치는 영향을 고려하여 정성적으로 분석 검토한다. 예를들면 절리의 주향과 경사가 매우 불리하게 작용할 경우 basic RMR값에 12점을 감하고, 매우 유리하게 작용될 경우에는 산정된 basic RMR값을 그대로 적용한다.


(2) 이용방법

Geomechanics 암반분류 방법의 장점은 암반터널에 이용할 수 있음은 물론 일반 기초와 사면 안정성조사에도 이용할 수 있다는 점이다. 예를들면 이 방법은 터널 portals 지역의 사면안정을 위한 설계자료를 제공할 뿐 아니라 교량 등의 기초에 대한 암반의 변형을 추정할 수 있다

․Geomechanics 분류의 각 parameter에 의해 산정된 최종적인 RMR값은 각 암반의 등급에 따라 실제적인 의미가 내포되어 있다. 즉 산정된 RMR 등급에 따라 터널 지반의 최대 안정굴착경간과 자립시간이 도출되어 있어 지보의 필요성을 검토할 수 있으며, 각 암반의 등급에 따라 암반의 변형계수 및 점착력, 마찰각을 추정 할 수 있다. 따라서 이러한 점들이 터널의 지반평가에 있어 RMR의 적용에 가장 중요한 사항들이다.

․또한 지보공에 작용하는 암반하중을 RMR값을 토대로 하여 산출할 수 있으며, RMR에서는 암반등급별로 터널지반의 장기적인 안정성 보장을 위한 지침이 제시되어 있는데 이에는 지하심도(현장으력), 터널규격, 터널형태, 굴착공법 등이 요인으로 고려되고 있다.

(2) Q 분류법(NGI, Q-System) 

➀ Q-System은 Norwegian Geotechnical Institute의 Barton et al(1974)에 의하여 개발되었다. 이 분류 방법은 여러 가지 면에서 암반분야에 크게 공헌하고 있으며, 특히 스칸디나비아반도에 있는 약 200여개 터널시공사례 분석 자료를 기초로 하여 개발된 것으로서 정량적인 암반분류체계일 뿐 아니라 터널보강공법을 선정할 수 있는 engineering system 이다.

┏ RQD : 100(양호) - 0(불량)
┣ Jn: 절리군의 수, 0.5(괴상) - 20(파쇄)
┣ Jr: 절리면의 거칠음 정도, 4(불연속절리) - 0.5(경면상태)
┣ Ja: 절리면의 변질정도, 0.75(밀착, 풍화 없음) - 20(두께 5mm이상의 충진물)
┣ Jw: 지하수의 용출, 1.0(건조) - 0.05(용수량 많고, 간극수압 > 10kg/m)
┗ SRF: 응력저감계수, 0.5(높은 응력) - 15(암석이 팽창할 정도의 높은 압력)

위 Ｑ 산정식에서 첫번째 지수는 암반의 전반적인 구조를 의미하는 것으로 암괴의 상대적인 크기를 나타내며, 두 번째 지수는 암괴사이의 절리면에서 발생하는 전단강도를 지시하는 것이다. 세 번째 지수에 포함된 Ｊｗ는 수압을 나타내며, ＳＲＦ는 전단대나 점토질 암반에서의 이완하중, 소성의 연약 지반에서의 압축 또는 팽창하중, 암반에서의 응력조건 등 전반적인 응력조건을 나타내는 항목으로서 세 번째 지수는 주동응력(active stress)의 뜻을 나타낸다.

․이상의 내용을 요약해 보면 Q-system은 암괴의 크기(ＲＱＤ/Ｊｎ), 암괴사이의 전단강도(Ｊｒ/Ｊａ), 주동응력(Ｊｗ/ＳＲＦ)등으로 구성되어 있음을 알수 있다.

․그러나 Q-system에서는 불연속면의 방향성에 대한 영향이 미흡하게 반영된 것으로 지적되는데 이에 대하여 Barton은 Jn, Jr, Ja 등의 항목이 절리의 방향성보다 암반의 거동에 중요한 영향을 미치며 절리의 방향성이 반영되면 암반분류체계의 보편성이 저하된다고 주장하였다. Q 값은 틈이 거의 없는 암반에서는 1000, 지극히 연약한 팽창성 암반에서는 0.001 정도의 값을 갖는다.

➁ 이용방법

Q값은 굴착에 따른 등가치수(equivalent dimemensions)로 정해지는 터널의 보강방법과 관계가 있으며, 등가치수(De)는 굴착의 목적과 규모 즉 Span, Diameter, 혹은 굴착벽의 높이를 주어진 excavation support ratio(ESR)로 나눔으로써 얻어진다.(De = SPAN/ESR) Q값과 굴착에 따른 등가치수에 의하여 지보의 설치 여부가 결정되며, 이에 따라 Barton이 제시한 Q값에 따른 38가지의 보강공법 설치유형을 토대로 영구지보 체계가 이루어 진다. 또한 산출된 Q값을 이용하여 지보의 설치없이 굴착 가능한 최대경간을 구할 수 있으며, 지보공에 가해지는 압력을 구할 수 있다.


7. Laubscher의 분류

Bieniawski의 분류를 약간 수정한 것으로서 분류에 필요한 parameter는 RMR과 마찬가지로 5가지이다. 단지 RMR과 다른 것은 풍화, 굴착, 폭파 등으로 인한 응력변화를 추가로 보완했다는 점이다.