KR101722933B1 - 분해암에서의 지질공학적 암반분류방법 - Google Patents

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Abstract

분해암에서의 지질공학적 암반분류방법이 개시되어 있다. 본 발명은 터널 굴진면을 다수의 구역으로 나누어 각 구역에서 슈미트해머 시험을 수행하여 각 구역의 슈미트해머 값의 평균을 각각 산정하는 단계; 각 구역에서 획득한 슈미트해머 값 중 최댓값(Rmax)과 최소값(Rmin)을 이용하여 최댓값(Rmax)과 최소값(Rmin)의 비(Rmax / Rmin)를 산정하는 단계; 및 Rmax / Rmin 값을 기준으로 타입을 구분하여 암반을 분류하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

분해암에서의 지질공학적 암반분류방법{ENGINEERING GEOLOGICAL ROCK CLASSIFICATION METHOD OF DECOMPOSED ROCK}
본 발명은 분해암에서의 지질공학적 암반분류방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 현장에서 간단하게 암석의 강도를 측정할 수 있는 슈미트해머 시험을 이용하여 암반의 풍화정도를 구분하여 암반을 분류할 수 있도록 한 분해암에서의 지질공학적 암반분류방법에 관한 것이다.
터널에서의 암반분류는 관찰과 단순한 측정방법을 이용해 암반의 특성을 정량적으로 평가하고, 설계에 쉽게 적용하기 위한 목적으로 지난 수십년동안 발전해왔다(Palmstrm and Stille, 2007). 많은 암반 분류 방법 중 암반등급(RMR; Bieniawski, 1973)과 Q system (Barton et al., 1974)은 가장 널리 이용되는 경험적이고 정량적인 암반분류 방법이다. Riedmller and Schubert (1999)는 이 두 방법이 단순하고 실용적으로 적용할 수 있는 훌륭한 암반 분류 방법이지만 모든 암종에 보편적으로 적용되고, 암반의 붕괴 유형과 지반-지보의 상호작용에 대한 고려가 미흡하기 때문에 불균질하고 불량한 암반에서 잘못된 결과를 도출할 수 있다고 지적하였다. 도 1은 위험지반에서 암반등급(RMR)과 Q system의 적용에 어려움이 있음을 보여주는 본 대상 터널의 굴진면 사진이다. 도 1a는 완전히 파쇄되어 있는 암반이고, 도 1b는 잔류토의 형태로 분해되어 있는 암반이다. 즉, 이 두 암반은 서로 다른 지질 상태를 보이고 있기 때문에 터널을 굴착할 때 암반의 거동이 다를 수 있지만 암반등급(RMRbasic)은 23, Q value는 0.017로 동일하게 평가되었다. 그리고 두 암반 모두 상태가 매우 불량함에도 불구하고 암반등급(RMRbasic) 결과가 Ⅳ 등급으로 평가되었다. 많은 연구자들은 이런 단점들을 극복하기 위해 다양한 방법을 이용한 접근을 통해 새로운 암반 분류법을 제시하였다.
Gonzlez de Vallejo (1983)는 암반의 응력 상태를 고려하지 않은 기존의 암반등급(RMR; Bieniawski, 1973; 1979)의 단점을 극복하기 위해 원지반 강도비와 지구조 운동과 관련된 암반의 응력 상태를 추가한 surface rock clssification (SRC)을 개발하였다. 그리고 Unal and Ozkan (1990)과 Unal (1996)은 점토로 충전되어 있는 위험지반에서의 강도를 충분히 반영하지 못하는 암반등급(RMR)의 단점을 보완하기 위해 내구성 지수를 이용하여 암석의 풍화 특성을 결정할 것을 제안하였고, 그에 따른 조정 인자를 반영한 수정된 암반등급(M-RMR)을 소개하였다.
한편 Palmstrm (1995a; 1995b)은 암반의 강도를 나타내기 위하여 불연속면에 의한 변수를 고려한 암반지수(RMi)를 소개하였다. 이 분류 방법에서 절리의 거칠기(jR)와 절리의 변질계수(jA)는 Q system의 절리면 거칠기수(Jr), 절리 변질수(Ja)와 거의 유사한 특징을 가지고 있다. 그러나 Singh and Goel (1999)은 암반지수(RMi)가 단지 암반의 압축강도를 표현하는 것으로 제한되어 있어 다양한 물질과 결점이 복잡하게 조합된 암반의 강도를 평가하기에는 정확하지 않다고 지적하였다. 또한 Kumar (2002)는 암반의 강도를 평가할 때 Q system에 의한 평가가 암반지수(RMi)보다 더 좋은 결과를 보인다는 것을 증명하였다. 앞에서 기술한 암반분류 방법들은 터널에서의 많은 설계 및 시공 자료 등을 분석하여 개발된 것으로서 암반의 공학적 특성에 대해 정량적으로 접근하려고 노력하였다.
그러나 이 방법들은 암반의 지구조적 작용과 지질구조와 같은 지질학적 관점에서의 분석 결과를 충분히 반영하지 못하고 있고, 위험지반에서 0 또는 의미없는 값을 도출한다는 단점을 가지고 있다(Marinos et al., 2005). 이런 이유로 Hoek and Brown (1997)과 Hoek et al. (1998)은 지질 상태에 대한 육안 검사만으로 암반의 강도를 간단히 평가할 수 있는 지질학적 강도지수(GSI)를 차트와 함께 소개하였고, Marinos and Hoek (2001)는 해성퇴적암(flysch) 지반의 연구 결과를 바탕으로 불균질한 암반에서 적용할 수 있는 확장된 지질학적 강도지수(GSI) 차트를 개발하였다. 이 분류 방법은 암반의 지질 구조와 불연속면의 상태(거칠기, 변질도)를 평가하여 지질학적 강도지수(GSI)를 결정할 수 있고, 경험이 많은 엔지니어나 지질학자에 의해 신속하고 간단하게 암반을 분류할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나 Marinos et al. (2005)는 지질학적 강도지수(GSI)가 높은 이방성을 보이는 엽리상 또는 전단된 암반에서 신중하게 사용되어야 하고, 풍화로 인해 절리와 지질 구조가 없어진 흙과 같은 상태가 되었다면 적용할 수 없다고 설명하였다. 이와 같이 현재까지 개발된 암반분류 방법들은 대부분 불연속면의 특성과 암석의 강도에 바탕을 두고 개발되었으며(Gokceoglu and Aksoy, 2000), 서로의 평가 항목에 대한 부족한 점을 보완하고 수정함으로써 발전하였다. 또한 이 방법들은 지질학적 및 지질공학적 불확실성을 경험적이고 관찰적으로 접근함으로써 갑작스러운 지질학적 변화에 효과적으로 대처하고, 즉각적으로 지보 대책을 수립할 수 있는 보편적인 방법들이다(Singh and Goel, 1999). 그러나 상기의 방법들을 이용한 평가 결과는 터널 내에 위험지반이 분포할 때 지질상태 및 공학적 특성을 고려하지 못하고 단지 불량한 암반 또는 Ⅳ∼Ⅴ등급으로만 결정된다. 도 2는 이런 예를 보여주는 그래프로서 위험지반이 분포하는 본 대상 터널의 55개 굴진면에서 암반등급(RMR)과 Q system을 적용한 결과이다. 평가 결과, 암반등급(RMR)은 3개의 굴진면을 제외하고 30 이하의 Ⅳ, Ⅴ등급으로 평가되었고(도 2a), Q value는 대부분 0.1 이하의 '극히 불량'과 '예외적으로 불량'으로 평가되었다(도 2b). 또한 암반등급(RMR)과 Q system의 암반 등급별로 암석의 대표적인 공학적 특성 중 하나인 점하중지수(Is50)를 분석한 결과, 암반 등급과 점하중지수(Is50)는 상관성을 보이지 않는다(도 3). 특히, 점하중지수(Is50) 1.0 MPa 이하의 매우 낮은 강도를 가지는 암반에서 암반등급(RMR) 등급으로 평가된 굴진면은 21개로 등급 평가된 15개의 굴진면보다 더 많고(도 3a), Q system 평가 결과도 '극히 불량'으로 평가된 굴진면이 '예외적으로 불량'으로 평가된 굴진면보다 더 많은 것으로 나타났다(도 3b).
따라서, 터널 굴착 중 보강공법을 결정하기 위한 굴진면의 암반 분류 시 일반적으로 이용되는 암반등급(RMR) 또는 Q-system과 같은 암반 분류 방법은 암반의 지질 상태 및 특성, 풍화유형 등을 고려하지 못하는 단점이 있어 불량 등급 이하(RMR 30 이하 또는 Q-system 1.0 이하)의 위험지반에 대한 암반 분류 시 의미 있는 암반의 분류가 이루어지지 못하고 있는 실정이다.
또한, 관입 또는 열수 등과 같은 높은 온도의 환경에서 느리게 암반이 변질되는 연성 매커니즘의 지구조적 작용이나 화학적 작용에 의해 풍화된 분해암에서 암반의 풍화 상태 및 변질, 변색 정도에 따라 다른 지질상태를 보인다. 이런 풍화형태를 보이는 암반은 불연속면이 드물게 발달하고 있고, 육안으로 풍화의 정도를 쉽게 구분할 수 없다는 단점이 있다.
1. 대한민국 등록특허공보 제10-0185657호(1998.12.28) 2. 대한민국 등록특허공보 제10-0418134호(2001.01.29)
본 발명의 목적은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 현장에서 간단하게 암석의 강도를 측정할 수 있는 슈미트해머 시험을 이용하여 암반의 풍화정도를 구분하여 암반을 분류할 수 있도록 한 분해암에서의 지질공학적 암반분류방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 분해암에서의 지질공학적 암반분류방법은,
터널 굴진면을 다수의 구역으로 나누어 각 구역에서 슈미트해머 시험을 수행하여 각 구역의 슈미트해머 값의 평균을 각각 산정하는 단계; 각 구역에서 획득한 슈미트해머 값 중 최댓값(Rmax)과 최소값(Rmin)을 이용하여 최댓값(Rmax)과 최소값(Rmin)의 비(Rmax / Rmin)를 산정하는 단계; 및 Rmax / Rmin 값을 기준으로 타입을 구분하여 암반을 분류하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 암반을 분류하는 단계는,
Rmax / Rmin 값 2.0을 기준으로 유형 Ⅰ∼Ⅳ와 유형 Ⅴ를 구분하여 분류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 암반을 분류하는 단계에 있어서,
상기 유형 Ⅰ은 Rmax/Rmin 이 2.0 이하이고 굴진면 전체적으로 슈미트해머 값이 측정되지 않으며,
상기 유형 Ⅱ는 Rmax/Rmin 이 2.0 이하이고 각 구역에서 측정한 슈미트해머 값 중 15 이하가 50% 이상 분포하고,
상기 유형 Ⅲ은 Rmax/Rmin 이 2.0 이하이고 각 구역에서 측정한 슈미트해머 값 중 15∼30이 50% 이상 분포하고,
상기 유형 Ⅳ는 Rmax/Rmin 이 2.0 이하이고 각 구역에서 측정한 슈미트해머 값 중 30이상이 50% 이상 분포하며,
상기 유형 Ⅴ는 Rmax/Rmin 이 2.0 이상인 것을 특징으로 한다.
암석의 강도를 추정하기 위하여, 각 구역의 슈미트해머 평균값(R)을 하기 상관관계식에 대입하여 점하중지수(Is50)를 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. Is50 = 0.002 (R)2 + 0.01 (R) + 0.17
본 발명에 따르면, 현장에서 간단하게 암석의 강도를 측정할 수 있는 슈미트해머 시험을 이용하여 암반의 풍화정도를 구분하여 암반을 분류할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 따르면, 슈미트해머 시험의 결과에 따라 암석의 점하중지수의 범위가 달라지기 때문에 슈미트해머를 이용한 간단한 시험을 통해 현장에서 제안된 식을 이용하여 지질상태에 따른 암석의 점하중 지수(Is50)를 산정할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 다른 지질상태를 보이는 굴진면에서 암반등급(RMR)과 Q system이 동일하게 평가된 연구 대상 터널의 굴진면. 각 굴진면에서 나타나는 암종과 지질구조, 풍화 형태는 완전히 다르고, 매우 불량한 암반임에도 불구하고 암반등급(RMRbasic)은 23(Ⅳ등급), Q value는 0.017로 암반등급(RMR)과 Q system의 적용 결과가 각각 동일하게 평가되었다. (a) 안산암으로 구성된 파쇄된 암반, 그리고 (b) 화강암으로 구성된 분해된 암반.
도 2는 위험지반이 분포하는 본 대상터널의 55개 굴진면에서 암반등급(RMR)과 Q system을 적용한 결과. (a) 암반등급 점수에 따른 굴진면의 개수, (b) Q 값에 따른 굴진면의 개수.
도 3은 위험지반이 분포하는 본 대상 터널의 55개 굴진면에서 암반등급(RMR)과 Q system의 암반 등급에 따른 점하중지수(Is50)를 분석 결과. (a) 암반등급(RMR)에 따른 점하중지수와(Is50) 굴진면 개수, 그리고 (b) Q system 분류에 따른 점하중지수와(Is50) 굴진면 개수.
도 4는 대상 터널에서 보이는 암반의 풍화형태 및 주요 지질구조. (a) 대상터널에서 분석한 굴진면의 평면도 상 위치와 암종의 경계, (b) S13과 S14 사이에 위치한 굴진면 사진, 굴진면의 좌측부는 흑운모 화강암(biotite granite), 우측부는 안산암(andesite)이다. (c) S23의 굴진면 사진, 굴진면의 좌측부는 흑운모 화강암, 우측부는 각섬석 화강암이다. (d) 분해된 유형의 풍화 상태를 보여주는 S17의 굴진면 사진.
도 5는 대상 터널에서 보이는 암반의 풍화형태 및 주요 지질구조. (a) 굴진면의 평면도상 위치. (b) S27의 굴진면 사진, 암반이 전체적으로 변색 및 변질되었다. (c), (d) S24, S28의 굴진면 사진, 굴진면 내 부분적으로 전단변형을 받았다.
도 6은 화강암에서의 불연속면을 따라 분해된 풍화 유형을 보이는 굴진면. (a) S40 그리고 (b) S54.
도 7은 슈미트해머 시험 구역의 개요도. 슈미트해머 시험은 터널 상반 굴진면을 6개 구역(3x2m)으로 나누어 실시하였고, 국제암반역학회(ISRM 1981)에서 제시한 방법을 이용해 각 구역마다 20번씩 타격하여 평균값을 산정하였다.
도 8은 각 굴진면에서 측정된 슈미트해머 값의 범위에 따른 분포 비율과 최대값/최소값(Rmax/Rmin). 좌측 세로축은 슈미트해머 분포 비율로서 누적 막대그래프로 표현하였다. 우측 세로축은 Rmax/Rmin으로 실선으로 표현하였다. 유형 Ⅰ∼Ⅳ과 유형 Ⅴ는 Rmax/Rmin = 2.0(점선)을 기준으로 구분되고, 유형 Ⅰ∼Ⅳ는 슈미트해머 값의 분포 비율로 각 유형을 구분할 수 있다. 유형 Ⅰ: 슈미트해머 값이 측정되지 않는 부분 100%, 유형 Ⅱ: 슈미트해머 값 15 이하가 50% 이상, 유형 Ⅲ: 슈미트해머 값 15∼30이 50% 이상, 유형 Ⅳ: 슈미트해머 값 30 이상이 50% 이상.
도 9는 각 유형별 지질상태 및 풍화도를 보여주는 굴진면 사진. (a) 유형 Ⅰ (S15): 잔류토, 슈미트해머 값은 측정되지 않는다. (b) 유형 Ⅱ (S19): 부분적으로 암편으로 부서져 있고, 토사와 매우 약한강도(슈미트해머 값 15 이하)의 암석이 혼재한다. (C) 유형 Ⅲ (S53): 암석 표면이 토사로 얇게 피복되어 있고, 슈미트해머 값은 대부분 15∼30이다. (d) 유형 Ⅳ (S28): 암석의 산화로 인해 갈색으로 변색되거나 부분적으로 변질 및 전단변형을 받았다. 슈미트해머 값은 대부분 30 이상이다. (e) 유형 Ⅳ (S40): 암반의 차별풍화로 인해 암석과 토사가 함께 분포하고, 슈미트해머 값은 다양하게 나타난다. Rmax/Rmin > 2.0 이상.
도 10은 각 굴진면에서 측정된 120개 슈미트해머 값의 평균과 점하중지수(Is50) 평균값 사이의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 각 타입별 설명과 지수들을 설명하여 나타낸 개략도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 분해암에서의 지질공학적 암반분류방법에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에서, 도 4 및 5의 대상터널 구간은 주로 안산암을 관입한 화강암으로 구성되어 있다. 이 구간에서에서 관찰되는 주요 지질구조는 관입이고, 이 관입의 경계부는 S13과 S14 사이에 위치한 굴진면과 S15에서 뚜렷하게 관찰할 수 있다. S13과 S14사이에서 관찰되는 경계부는 안산암을 관입한 흑운모 화강암의 경계부이고, S15에서 관찰되는 경계부는 이 흑운모 화강암을 관입한 각섬석 화강암의 경계부이다(도 4b, 도 4c). 이 구간들에서의 화강암은 대부분 풍화암 내지 토사로 심하게 풍화되어 있고, 굴진면의 암반 전체가 변색 또는 변질되어 있는 분해된 풍화 유형을 보인다(도 4d; 도 5b). 또한 이 구간들에서의 암반은 파쇄암반과는 다르게 불연속면이 드물게 발달하고 있기 때문에 절리군을 구분하기 어렵고, 일부 굴진면에서의 암반은 전단변형을 받았다(도 5c, 도 5d). 이런 지질 상태는 연성 변형을 받은 암반에서 나타나는 특징으로서, 연성 변형은 느리고 복잡하며, 주로 높은 온도에 의해 발생된다(Fossen, 2010). 또한 연성 변형을 받은 암반은 미소 규모에서 취성 변형에 의한 불연속성을 가질 수 있으나, 대부분 물리적 작용에 의해 단절된 암석구간이 없기 때문에 단층과 같은 취성 변형의 암반과 달리 불연속면을 거의 가지지 않는다(Davis and Reynolds, 1996; Fossen, 2010). 따라서 이 구간들에서의 암반은 연성 변형에 의해 형성된 위험지반으로서 관입과 암맥이 암반내 침투될 때 광역적인 열수변질 작용의 결과로 인해 분해된(decomposed) 풍화 유형(type)을 보이는 것으로 판단된다.
일반적으로 화강암에서 분해된 유형의 풍화는 불연속면에서 장석과 운모류와 같은 광물의 분해로 인해 변질 및 변색되면서 시작되고(Mohd Amin and Kassim, 2000), 풍화가 진행됨에 따라 토사화된다(도 6). 대상 터널에서의 암반은 대부분 풍화가 상당히 진행된 상태이고, 거의 토사화되어 있다. 또한 암반 내에 발달하는 불연속면의 특성은 육안상으로 구분하기 어렵다(도 4; 도 5). 이와 같이 암반이 풍화가 상당히 진행되어 거의 토사와 같은 상태가 되면 불연속면의 영향은 크게 줄어들고, 광물, 입자 크기, 미세조직과 같은 미세규모의 구조가 공학적 특성과 거동을 지배한다(Ifran, 1996). 그러나 암반에서의 미세구조는 현장에서 육안으로 구분하기 쉽지 않고, 분석을 위해 실험실에서 별도의 시험을 수행하여야 한다. 따라서 분해된(Decomposed) 풍화 유형(type)을 보이는 암반에서 풍화도를 정량적으로 구분하기 위해서 불확실한 변수인 불연속면의 특성보다는 강도를 이용하는 것이 효과적일 수 있으며, 슈미트해머 값은 현장에서 간단하게 강도를 파악할 수 있는 지수가 될 수 있다.
슈미트해머 시험은 별도의 샘플링이 필요없고, 풍화된 암석의 절리면 압축강도(JCS)를 결정하는데 매우 효과적이다(Karpuz and Pasamehmetolu, 1997). 풍화도와 슈미트해머 값 사이의 상관관계는 이전의 많은 연구들에서 수행되어져 왔고, 이들 연구들은 대부분 화강암 및 안산암과 같은 화성암을 대상으로 암석 또는 암반의 화학적 풍화도에 따른 슈미트해머 값의 범위를 제시하고 있다(Hencher and Martin, 1982; Irfan and Powell, 1985; Martin and Hencher, 1986; Irfan, 1996; Karpuz and Pasamehmetolu, 1997; Santi, 2006; Ceryan, 2008; Ceryan 2011). 또한 기존의 연구들에서 암반의 풍화도는 풍화된 암석 물질들의 암반 내 구성 비율이나 분포 정도에 따라 구분하였고(Hencher and Martin, 1982; Martin and Hencher, 1986; Lee and de Freitas, 1989), Little (1969)과 Dearman (1986)은 암석과 흙의 비율을 이용해 암반의 풍화도를 구분한 바 있다. 본 발명에서는 기존의 연구 이론과 방법들을 응용하여 터널 굴진면에서의 슈미트해머 값의 분포 비율에 따라 풍화상태를 분석하였다. 슈미트해머 시험은 터널 상반의 6개 구역에서 수행되었고(도 7), 각 구역마다 20번씩 타격을 실시하여 평균값을 산정하였다(ISRM,1981). 도 8은 각 굴진면의 슈미트해머 값의 분포 비율을 분석한 그래프이고, 이 그래프에서 암반의 지질 및 풍화상태는 슈미트해머 값의 분포 비율에 따라 구분된다. 암반이 심하게 풍화되어 거의 토사화되어 있는 유형 Ⅰ은 6개 구역에서 모두 슈미트해머 값이 측정되지 않고, 암석학적, 지질학적 특징이 파괴되어 암반의 구조 및 형태를 관찰하기 어렵다(도 9a). 유형 Ⅱ는 육안상으로 거의 토사화되어 있으나, 부분적으로 매우 약한 강도의 암석이 형태를 유지하고 있고, 원암의 조직과 구조를 일부 관찰할 수 있다(도 9b). 유형 Ⅱ에 해당하는 암반은 슈미트해머 값 15 이하가 전체 암반의 50% 이상을 차지한다. 유형 Ⅱ에 비해 풍화가 상대적으로 덜 진행되어 암석의 형태를 유지하고 있는 암반은 암석의 강도에 따라 유형 Ⅲ와 Ⅳ로 구분된다. 이들 암반에서는 원암의 조직과 구조적 특징을 육안으로 확인할 수 있고, 일부 암반은 전단변형을 받은 지질구조적 특징 및 형태가 관찰되기도 한다. 유형 Ⅲ은 슈미트해머 값이 대부분 15∼30으로 측정된 암반이다. 이들 암반의 표면은 대부분 토사로 얇게 피복되어 있고(도 9c), 지질 해머로 타격 시 암편으로 쉽게 부서진다. 굴진면 대부분이 슈미트해머 값 30 이상으로 측정된 유형 Ⅳ는 갈색으로 산화되어 암석이 변색되거나 부분적으로 변질 및 약화되어 있고(도 9d), 일부 굴진면은 신선한 상태의 화강암이 함께 관찰되기도 한다. 한편 유형 Ⅴ는 슈미트해머 값이 "측정되지 않음 ∼30 이상"으로 하나의 굴진면에서 넓은 범위의 강도를 가진다. 이들 암반은 차별풍화로 인해 암석과 토사가 함께 분포하고 있고, 슈미트해머 값은 10∼65의 넓은 범위를 보인다(도 9e). 유형 Ⅴ도 유형 Ⅰ∼Ⅳ와 같이 분해암(Decomposed rock)에 속하지만 슈미트해머 값의 분포 비율만으로 분류할 수 없다.
따라서 본 발명에서는 암반 전체가 유사한 풍화도를 보이는 암반(유형 Ⅰ∼Ⅳ)과 차별적으로 풍화받은 암반(유형 Ⅴ)을 구분하기 위해 Rmax / Rmin을 제안하였다(식 2). 이 식은 Singh and Gahrooee (1989)와 Gokceoglu and Aksoy (2000)의 풍화계수(weathering coefficient)에 바탕을 둔 개념으로서, 그들은 암반의 풍화도를 정량적으로 구분하기 위해 σc / JCS와 Rf / Rw를 제안한 바 있다(여기서, σc: 풍화되지 않은 암석의 일축압축강도, JCS: 슈미트해머 시험에 의해 결정된 절리면 압축강도, Rf: 신선한 암석의 슈미트해머 값, 그리고 Rw: 풍화된 암석의 슈미트해머 값). 이 연구들에서 제안한 풍화계수(weathering coefficient)를 응용하여 Rmax /Rmin를 산정하면 한 굴진면내에서 암석의 풍화도에 대한 차이를 구분할 수 있다. 여기서 Rmax와 Rmin은 6개 구역에서 산정한 슈미트해머 평균값 중 최댓값과 최소값이고, 10보다 큰 값을 이용하여야 한다. Rmax /Rmin은 유형 Ⅰ∼Ⅳ와 같이 전체적으로 분해된 암반에서 1에 가까울 것이고, Rmax /Rmin가 크다는 것은 굴진면 내에서 암석의 풍화도 차이가 크다는 것을 의미한다. 따라서 식 (1)을 이용하면 하나의 굴진면 내에서 암석의 풍화도 차이를 정량적으로 분석할 수 있다. 각 굴진면의 Rmax /Rmin를 분석한 결과, 유형 Ⅰ∼Ⅳ와 유형 Ⅴ은 2.0을 기준으로 구분된다(도 8; 표 1).
Figure 112016092781581-pat00001
분해암(Decomposed rock)에서의 점하중지수(Is50)는 각 굴진면마다 10개씩의 암석을 샘플링하여 점하중시험을 실시하여 획득하였다. 표 1은 각 유형별 슈미트해머 값의 범위와 Rmax / Rmin, I50의 분석 결과를 요약한 것이다. Rmax / Rmin은 유형 Ⅰ∼Ⅳ의 경우 1.0∼1.8이며, 유형 Ⅴ에서 2.0∼2.9이다. 그리고 I50의 평균값과 range는 유형 Ⅰ에서 Ⅳ로 갈수록 커지며, tpye Ⅴ의 I50은 유형 Ⅲ과 Ⅳ의 사이에 분포한다. 한편, 각 굴진면의 6개 구역에서 측정된 120개의 슈미트해머 값의 평균과 점하중지수 평균 사이의 관계는 약 0.92의 높은 결정계수를 보이고(도 10), 이들 사이의 관계는 식 (2)로 표현될 수 있다.
Figure 112016092781581-pat00002
본 발명에 따른 분해암에서의 지질공학적 암반분류방법은 다음과 같다.
1. 터널 굴진면을 6개 구역(도 7 참조)으로 나누어 각 구역에서 슈미트해머 시험을 수행하여 각 구역의 슈미트해머 값의 평균을 각각 산정한다.
슈미트해머 시험은 각 구역마다 20번씩 타격하여 평균값을 산정한다. 최종적으로 각 구역의 평균값, 즉 총 6개의 값을 획득한다. 슈미트해머 값이 높을수록 암석의 강도가 강하다.
터널 굴진면에서 구역을 나누어 슈미트해머 시험을 수행하는 방법은 본 발명에서 처음으로 제안하는 방법이다.
2. 6개 구역에서 획득한 슈미트해머 값 중 최댓값(Rmax)과 최소값(Rmin)을 이용하여 최댓값(Rmax)과 최소값(Rmin)의 비(Rmax / Rmin)를 산정한다.
3. Rmax / Rmin 값 2.0을 기준으로 유형 Ⅰ∼Ⅳ와 유형 Ⅴ를 구분하여 암반을 분류한다.
유형 Ⅰ∼Ⅳ는 각 구역에서 측정된 슈미트해머 값의 분포에 따라 지질상태를 구분하여 암반을 분류할 수 있다. 유형 Ⅰ∼Ⅴ는 아래에 상세하게 기술되어 있다.
예를들어, 1∼6번 구역의 슈미트해머 평균값이 순서대로 10,15,11,14,18,15 로 측정되었을 때, Rmax/Rmin 는 18/10 = 1.8 로 2.0 이하이고, 슈비트해머 값은 15이하가 50% 이상 분포하기 때문에(1,2,3,4,6번 구역에서 슈미트해머 값 15이하) 유형 Ⅱ에 해당한다.
<유형 Ⅰ>
- Rmax/Rmin < 2.0
- 풍화 잔류토(토사)의 상태로 매우 연약하기 때문에 굴진면 전체적으로 슈미트해머 값이 측정되지 않는다.
- 원암의 조직과 구조가 거의 파괴되어 육안상 관찰이 어렵다.
- 굴진면 암반의 자립성이 거의 없으며, 암석은 손에 의해 쉽게 부서진다.
<유형 Ⅱ>
- Rmax/Rmin < 2.0
- 6개 구역에서 측정한 슈미트해머 값 중 15 이하가 50% 이상 분포한다.
- 육안상 거의 토사화되어 있고, 부분적으로 원암의 조직과 구조가 관찰된다.
- 손으로 쉽게 암반으로부터 암석을 분리할 수 있을 정도로 연약화되어 있다.
<유형 Ⅲ>
- Rmax/Rmin < 2.0
- 6개 구역에서 측정한 슈미트해머 값 중 15~30이 50% 이상 분포한다.
- 육안상 심한풍화 상태이나, 암석의 조직과 구조가 뚜렷히 관찰된다.
- 약한 강도를 가지는 암석이 암석의 형태를 유지하고 있고, 암석 표면은 토사로 얇게 피복되어 있다.
- 연성변형에 의해 부분적으로 전단변형을 받았으며, 지질해머로 타격시 암편 내지 암석으로 쉽게 부서진다.
<유형 Ⅳ>
- Rmax/Rmin < 2.0
- 6개 구역에서 측정한 슈미트해머 값 중 30이상이 50% 이상 분포한다.
- 육안상 풍화가 상당히 진행된 상태이고, 암석의 조직과 구조가 뚜렷히 관찰된다.
- 암석 표면은 갈색으로 산화되어 변색 및 변질되어 있고, 일부 암반의 경우 부분적으로 신선한 상태의 암석이 존재하기도 한다.
- 연성변형에 의해 부분적으로 전단변형을 받았다.
<유형 Ⅴ>
- Rmax/Rmin > 2.0
- 굴진면에 토사와 암석이 함께 분포하기 때문에 슈미트해머 값은 다양하게 나타나며, 값의 범위도 넓다.
- 차별풍화로 인해 암석과 토사가 함께 존재하며, 불연속면을 따라 두꺼운 토사대가 존재한다.
점하중지수(Is50)의 산정방법은 다음과 같다.
분석 자료 전체를 대상으로 6개 구역의 슈미트해머 평균값(R)과 각 평균값(R)별 평균 점하중지수의 상관관계를 분석하면 도 10과 같은 그래프를 얻을 수 있고, 아래와 같은 상관관계식을 얻을 수 있다.
Is50 = 0.002 (R)2 + 0.01 (R) + 0.17
따라서 각 굴진면에서의 6개 구역에서 측정한 슈미트해머 값들의 평균값(R)을 경험식에 대입하여 암석의 강도를 추정함으로써 터널 굴착 시 굴진면에서의 간단한 조사를 통해 암석의 공학적 특성 및 보강대책을 결정하는 데 활용할 수 있다.
본 발명에서는 각 위험지반의 형태를 보이는 터널 굴진면에서 지질공학적 특성을 분류할 수 있는 도표가 제안되었다(도 11). 이 도표는 간단한 조사와 접근을 통해 암석의 일축압축강도를 추정할 수 있으며, 정성적이고 정량적인 방법을 함께 포함하고 있다. 조사자들이 이 도표들을 이용하면 터널 굴착 시 출현하는 위험지반을 현장에서 즉각적으로 분류할 수 있을 것으로 판단되며, 이 분류 방법은 조사와 분석이 간단하고 쉽기 때문에 경험이 부족한 기술자들에게도 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

Claims (4)

  1. 터널 굴진면을 다수의 구역으로 나누어 각 구역에서 슈미트해머 시험을 수행하여 각 구역의 슈미트해머 값의 평균을 각각 산정하는 단계;
    각 구역에서 획득한 슈미트해머 값 중 최댓값(Rmax)과 최소값(Rmin)을 이용하여 최댓값(Rmax)과 최소값(Rmin)의 비(Rmax / Rmin)를 산정하는 단계; 및
    Rmax / Rmin 값을 기준으로 타입을 구분하여 암반을 분류하는 단계;를 포함하며,
    상기 암반을 분류하는 단계는, Rmax / Rmin 값 2.0을 기준으로 유형 Ⅰ∼Ⅳ와 유형 Ⅴ를 구분하여 분류하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분해암에서의 지질공학적 암반분류방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 암반을 분류하는 단계에 있어서,
    상기 유형 Ⅰ은 Rmax/Rmin 이 2.0 이하이고 굴진면 전체적으로 슈미트해머 값이 측정되지 않으며,
    상기 유형 Ⅱ는 Rmax/Rmin 이 2.0 이하이고 각 구역에서 측정한 슈미트해머 값 중 15 이하가 50% 이상 분포하고,
    상기 유형 Ⅲ은 Rmax/Rmin 이 2.0 이하이고 각 구역에서 측정한 슈미트해머 값 중 15∼30이 50% 이상 분포하고,
    상기 유형 Ⅳ는 Rmax/Rmin 이 2.0 이하이고 각 구역에서 측정한 슈미트해머 값 중 30이상이 50% 이상 분포하며,
    상기 유형 Ⅴ는 Rmax/Rmin 이 2.0 이상인 것을 특징으로 하는 분해암에서의 지질공학적 암반분류방법.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    암석의 강도를 추정하기 위하여, 각 구역의 슈미트해머 평균값(R)을 하기 상관관계식에 대입하여 점하중지수(Is50)를 산정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 분해암에서의 지질공학적 암반분류방법.
    Is50 = 0.002 (R)2 + 0.01 (R) + 0.17
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