절토사면 현황도 작성 및 분석에 따른 설계변경 사례연구

An Example of Changed Design through the Face Mapping and Slope Analysis

Abstract

연구지역의 지질은 흑색천매암, 석회암 및 함역천매암과 중생대 관입안인 흑운모화강암과 석영반암으로 구성되어 있다. 이 중 흑색천매암이 분포하는 구간에서 건설 중인 도로 사면에서 절토사면 현황도(face map)를 4월부터 6월까지 3개월간 작성하였으며 이때 탄질슬레이트 분포지 부근을 포함 사면 내에는 3-4개소에서 사면붕괴와 산 정상부에는 최고 3 m의 변위를 보이며 움직이고 있음이 확인 되었다. 사면 붕괴의 원인은 엽리 및 단층 등의 불연속면의 경사방향이 사면의 경사방향과 일치하는 곳에서 붕괴가 발생하였고 탄질 슬레이트는 빗물을 머금을 때 팽창성을 가짐도 붕괴가 일어나는 원인이다. 반면 본 사면의 도로 맞은편 사면에서는 같은 암상 및 지질구조 조건을 가지고 있으나 엽리 및 불연속면들의 경사 방향이 사면의 경사 방향과 반대방향이므로 안정된 사면을 유지하고 있다. 사면의 붕괴가 일어난 곳에서 안정화를 위해 절개 후 복구(cut and cover) 방법으로 도로의 양쪽 사면 사이 도로 상에 터널 구조물을 설치하여 절개식 터널(cut and cover tunnel)을 시공하였으며 시공 후 사면은 안정화 되었다.

The geology of the study area which is located in Samkoe-dong, Dong-gu, Daejeon city comprises black slate, limestone, and pebble-bearing phyllitic rock as meta-sedimentary rocks; and biotite granite and quartz porphyry intrusions. Face mapping revealed sliding in three or four sites of contained coaly slate, where the dip of the foliation and other discontinuities is parallel to the surface slope. The cause of the slope sliding is this parallelism as well as the swelling of the coaly slate when wet. In contrast, the slop on the opposite side of the road is relatively stable because the dip of the foliation and other discontinuities are oblique or normal to the surface slope. To ensure slope stability, a cut-and-cover tunnel was designed and constructed for the new road.

서 언

우리나라는 기존의 절토사면을 과학적으로 관리하기 위하여 CSMS (Cut Slop Management System) 체계를 구축, 일반국도 상의 절토사면을 D/B화하여 관리하고있으나, 건설된 기존의 절토사면은 녹화 등으로 원 지반이 덮여있는 상태로 정확한 지질조사가 어려우며, 건설 당시의 참고 자료가 없는 상태에서 관리기관에 인수인계 되므로 절개면 정비사유 발생 시 안전검토를 위한 새로운 현황조사를 실시하여야 하나 정확한 조사가 불가능하다. 이에 따라 절토사면의 효율적 관리를 위하여 건설당시 사면의 지질상태 등 현황을 기록한 절토사면 현황도(face map)를 작성하여 도로공사 준공 후 도로관리 기관에 인계하여 절토사면 보수 정비 시 안전검토의 기초 자료로 활용하게 한다(Koo et al., 2004). 이 과정의 일환으로 충청남도 금산군 추부면에서 대전시를 연결하는 국도 17호가 확장 공사 시 대전시 동구 삼괴동에 위치한 국도 절토사면에 대해 4월부터 6월까지 시공현장에서 절토 사면 현황도(face map)를 작성하면서 시공 사면과 그 주위 지반상태의 변화를 조사 기재하였다.

현장조사는 각각 사면의 전체 상황을 보여주는 사진을 찍어 합성한 절토사면 전경을 작성하였으며, 사면의 시점 및 종점부의 위도 및 경도를 GPS를 이용하여 좌표를 읽어 기재하였다. 또한 절토사면의 연장, 높이 및 방향과 절토사면 내 암상, 절리, 단층 및 엽리 등의 불연속면들과 풍화정도를 측정하여 표시하였다. 이 사면의 조사 및 분석 과정에서 사면을 포함한 사면 정상부에서 대규모의 인장균열이 발생하면서 사면 상에 붕괴가 일어나고 있음이 관찰되었다. 산사면의 붕괴가 일어나면 토석류가 사면 아래 가옥을 덮칠 우려가 야기되어 기설계된 사면방식을 수정해야만 하여 최종적으로는 이곳을 절개식 터널로 시공하여 사면의 안정과 산사태를 막을 수 있게 되었다.

본 논문은 연구지역에서 3개월간에 걸쳐 작성한 절토사면 현황도를 제시하고 분석하며 이 지역에 발생한 대규모 사면 붕괴의 지반공학적 원인과 본 사면의 안정을 위해 시공된 절개식 터널 공법에 대한 특성을 연구하여 제시하는 것이 목적이다.

 

지 질

연구지역을 포함한 주위를 구성하고 있는 암석은 옥천층군의 변성퇴적암에 해당하는 흑색천매암, 석회암 및 함역천매암과 중생대에 이들 변성퇴적암들을 관입한 흑운모화강암과 석영반암이다(Fig. 1). 옥천층군은 현재 지질시대에 대해 논란이 있어 시대미상의 암석으로 분류되고 있으며 3차례 이상의 연성변형작용 및 단층작용과 같은 변형작용을 받아 매우 복잡한 지질구조 형태를 가지고 있다.

Fig. 1Geological map of study area (after Lee et al., 1980)

흑색천매암

이 암석은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 연구지역의 대부분을 차지하며 옥천층군의 창리층이라 명명되어 불리는 지층이다. 이 층은 주로 흑색 천매암 내지 흑색 점판암으로 구성되며 부분적으로 함탄대를 협재하기도 하는데 이외에 흑색 변질 셰일, 탄질 셰일, 담회색 결정질 석회암, 각섬암, 운모질 천매암, 운모편암 등을 부분적으로 포함한다. 구성광물은 석영, 장석, 흑운모, 각섬석, 녹염석, 견운모, 탄질물, 불투명 광물 등으로 되어있다. 전체적으로 미립 조직으로 운모류가 압연 배열되는 경향을 이루어 엽리를 발달시켰다. 이 지층이 넓게 분포되는 것은 지질 경계의 불규칙성과 습곡으로 반복되었기 때문이다. 본 암석 내에 발달하는 엽리면들은 북동 내지북동 방향의 주향에 30-50도 정도의 각을 가지며 북서방향으로 경사져 있다.

특히 본 암이 분포하는 지역에서 사면이나 터널을 시공할 때 Fig. 2에서와 같이 암편을 형성하여 불안정한 사면 내지 터널에서는 여굴을 만드는 등의 공학적 문제점을 일으키며. 협재된 탄질슬레이트는 강수에 의해 수분을 흡수하여 팽창 하는 등 시공 시 문제를 제기하는 암반들이다.

Fig. 2Dark grey blocky phyllite (a) and coaly slate(b) at the excavated slope.

석회암

이 암석은 연구지역 17번 국도 남쪽인 마전리쪽에 분포하며 마전리층이라 명명된 지층이다. 이 지층 내에는 결정질 석회암, 석회질 슬레이트, 석회규산염암 등으로 이루어져 있으며 이들은 보통 서로 교호하여 나타난다. 결정질 석회암은 주로 암회색 또는 회백색을 띠며 풍화면은 부분적으로 충식상을 보여주기도 한다. 석회규산염암은 암회색 석회암과 호층을 이루며 나타나거나 화강암 부근에서는 화강암체의 저부를 따라 나타나기도 한다. 이 암석은 담녹색이고 치밀하여 일견 쳐트질 암석인 것처럼 보이지만 엽상구조의 발달과 변성광물의 존재 등으로 미루어 석회질 암석이 변성되어 생성된 것이 확실하다. 화강암체의 접촉부이나 화강암체 내에 포획되어 산출되는 경우도 많다.

함역천매암

함역천매암은 Fig. 1에서와 같이 조사 지역 북동쪽에 분포하며 황강리층이라 명명된 지층이다. 이 암석은 규암, 석회암, 화강암, 편마암, 암회색 천매암 등 다양한 종류의 역을 가지며 석기(matrix)는 천매암질암이다. 이 암석의 기원에 대해서는 대규모 쇄설류(debris flow)에 의한 것으로 알려져 있으나, 또 다른 의견을 가진 학자들은 기원암이 빙퇴석에서 기원한 것으로 간주하기도 하였다. 본 암석 내의 신장된 역들은 Fig. 3에서보는 바와 같이 신장선구조를 형성하고 있으며 선구조의 방향은 북동 내지 북북동방향으로 배열하고 있다.

Fig. 3Pebble-bearing phyllitic rock containing elongate pebble.

흑운모화강암

본 화강암은 연구지역 동남 귀퉁이에 석회암을 관입하며 분포하고 있다. 본암은 야외에서 석영, 장석 및 흑운모로 구성된 중립질 입상석리(granular texture)를 가지는 중생대 소위 대보화강암이다. 비 화강암체의 일부에서는 장석들이 가끔 반상 석리(porphyritic texture)를 가지는 곳도 있다. 본 암의 주구성광물은 석영, 정장석, 사장석, 흑운모, 각섬석 등으로 본 화강암체는 옥천군 일대에서 금산군 부리면 일대에 이르는 지역에 넓게 분포되는 저반(batholith)의 일부이다.

석영 반암

이 암석은 17번 국도를 따라 비교적 넓게 분포하며 세립질 바탕(matrix)에 3 mm 정도의 석영 또는 장석 반정을 가지고 반상조직을 보인다. 이 암체 내에는 석영반암, 화강반암으로 이들은 담황색, 홍색, 담회색 등을 띠는 세립질 입상 석리를 이루고 가끔 반상 석리를 보이기도 한다. 장석과 석영은 미문상 연정(micrographic intergrowth)과 구과상 석리(spherulithic texture)를 이루는 것이 특징이다.

 

절토사면 현황도 작성(Face Mapping)

일반적으로 토목구조물의 설계 시 지반에 대한 정밀조사가 실시되어 시공현장에 적용하는 것이 기본적인 과정이다. 그러나 절토사면의 설계와 시공에는 다른 토목구조물에 비해 지질조사에 대한 자료가 부족하고 조사항목도 상대적으로 적은 것이 현실이다. 대규모 절토사면의 경우 설계에서 지질조건과 지질구조에 대한 정확한 조사 자료가 없는 상태에서 시공이 이루어지고 있어 사면의 유실, 붕괴 등 경제적인 손실들이 가끔 발생하고 있다. 절토사면의 시공자 또는 지질기술자들에게 시공시 사면에 대한 충분한 암종의 공학적 특성 및 지질구조 등 비탈면에 대한 지질정보를 가장 정확하고 간결하며 포괄적으로 표현을 할 수 있는 것이 절토사면 현황도(face map) 작성이다.

연구지역에서 도로 확장 공사가 시행중인 국도 17번 구간에서 모두 5개 지역의 대절토 사면에 대해 4월부터 6월말까지 3개월에 걸쳐 절취공사를 실시할 때 마다 절토사면 현황도(face map)를 작성하며 주위의 지반 형태를 관찰 조사 하였다. 이들 관찰 사면들 중 Fig. 1의 face mapping area로 표시된 지점에 도로를 중심으로 동쪽과 서쪽의 두 사면이 형성되어 있으며 같은 암종이 분포함에도 서쪽 사면은 안정되어 있으나 동쪽 사면은 붕괴가 발생하였다. 그래서 동쪽 사면에 대해 집중적으로 지반 상태를 조사 및 분석 하였다.

이 문제의 사면은 지질도에서 지질도에서의 흑색천매암으로 구성된 옥천층군의 창리층에 해당하는 곳으로 암회색 천매암 및 탄질슬레이트로 이루어진 사면이다. 사면의 총연장은 280 m, 최고 사면의 높이는 67.6m이며 사면의 방향의 북북서쪽으로(250도 방향) 향하고 있으며 평균 사면 경사는 남서쪽으로 약 40도이다. 흑색천매암의 엽리는 Fig. 4 (a)에서 보여주는 바와 같이 북동 내지 북북동방향의 주향에 45도 내외의 경사각으로 북서쪽으로 경사진 엽리와 북북서방향의 주향에 45도 내외의 경사각으로 북동쪽으로 경사진 엽리가 있으며, 이는 이들 엽리면들이 습곡작용을 받았음을 제시하고 있다. 또한 이 사면에서 측정한 절리 및 단층들은 북동방향의 주향에 70-85도 경사각을 가지며 북서쪽으로 경사진 것들과 북서방향의 주향에 70-85도 경사각을 가지며 남서쪽으로 경사진 것들이 우세하게 발달 한다(Fig. 4 (b)).

Fig. 4Great circles of (a) and poles to (b) discontinuities (foliation, joints and faults at slope lower hemisphere equal area projection).

이 사면에서 처음 절토사면 현황도 작성(face mapping)을 작성한 시기는 4월로 Fig. 5에 표시한 바와 같이 조사된 사면전경(Fig. 5(a)) 및 절토사면 현황도(Fig. 5(b))이다. 이 사면의 경위도 상의 좌표는 N36o14'35.5''-36o14'30.8'', E127o28'35.9''-127o28'38.6''이다. 이 당시 공사 현황은 산사면의 상부 즉 3번째 소단 상부는 작업이 거의 완성되어 있었다 (Fig. 5(a)). 풍화 구간은 지표에서 약 5-7 m까지는 완전풍화(CW) 구간 이고 그 아래는 매우풍화(HW) 구간이나 탄질슬레이트가 분포하는 구간은 완전히 풍화가 일어나 매우 연약한 암반을 이루고있다. 상부 절취된 사면에서 흑색천매암 내 엽리의 주향은 사면방향과 대체로 사교하고 있으나 본 암석은 습곡작용으로 인해 엽리가 교란되어 있다. 그러나 탄질슬레이트가 분포하는 부분에서의 엽리는 주향과 경사 방향이 사면 방향과 거의 평행하며 이 사면 내에 발달하는 단층파쇄대 역시 사면 방향과 일치하여 불안한 사면 형태를 가지고 있다(Fig. 5).

Fig. 5Photograph (a) and face map (b) of the slope in April 2004.

Fig. 6은 Fig. 5 작성 한 달 후인 5월에 조사된 사면 전경(Fig. 6(a)) 및 절토사면 현황도(Fig. 6(b))로 전달에 비해 두 번째 소단이 완전히 시공 되었고 세 번째 소단이 만들어 지고 있었다. Fig. 6의 (a)에 보면 2번째 소단 아래에 검은색이 사면을 덮고 있는데 이는 사면에 분포하는 탄질슬레이트 들이다. 이 탄질슬레이트가 분포하는 지역에서 인장 균열이 발달함이 관찰되었으며 이균열의 주향 방향은 사면의 방향과 슬레이트의 엽리의 주향방향과 모두 일치 하고 있다(Fig. 7(a)). 이 탄질슬레이트 내 와 그 주위에 사면 붕괴가 일어나 있었으며 사면 정상부에 약 2 m의 변위를 가지는 땅밀림 현상이 발생하였다(Fig. 7(b)).

Fig. 6Photograph (a) and face map (b) of the slope in May 2004.

Fig. 7Photograph showing a tension crack in coaly slate (a) and a sliding plane with 2 m of displacement (b).

Fig. 8은 Fig. 6 작성 한 달 후인 6월에 조사된 사면 전경(Fig. 8(a)) 및 절토사면 현황도(Fig. 8(b))로 전달에 비해 사면 하반의 공사는 진척이 없었으나 탄질슬레이트 분포지 부근에 사면 붕괴가 더 진척되어 지표를 비닐 포장지가 덥고 있으며 사면 정상부에도 인장균열로 인해 포장지가 덥여 있는 것이 확인 된다(Fig. 8(a)). 이 당시는 사면 전체가 3-4개소에서 활동면을 따라 움직이고 있었는데 이들이 미끄러져 내려오는 방향은 Fig. 8(b)에 그려진 방향과 같이 활동면을 형성하면서 사면을 따라 밀려 내려오고 있다. 산 정상부에는 최고 3 m의 변위를 보이며 5월 보다 약 1 m 정도 더 변위를 가지고 움직이고 있음이 확인 되었다(Fig. 9).

Fig. 8Photograph (a) and face map (b) of the slope in June, 2004.

Fig. 9Photograph showing surface sliding at the top of the slope (a) and 3-4 examples of step slidings with displacement of > 3 m (b).

이상과 같이 3개월간에 걸쳐 조사 분석된 사면에서 진행된 사면 붕괴의 원인은, 사면의 방향과 옥천층군의 창리층인 흑운모천매암의 엽리는 습곡작용에 의해 교란되어 있으나 탄질슬레이트가 협재된 부분은 엽리의 방향이 사면의 방향과 거의 일치하여 엽리면과 평행한 활동면을 가지면서 붕괴가 일어난다. 또한 사면 내 암반에는 습곡 및 단층 작용을 받아 절리나 단층과 같은 불연속면들이 발달하며 이 불연속면들의 경사방향이 역시 사면과 평행하게 발달하고 있다. 이들 엽리를 포함한 불연속면들과 사면과의 일치성이 사면붕괴의 원인이다. 또한 탄질 슬레이트와 풍화토에 우기 시 빗물이 스며들며 붕괴가 발생하는데 특히 탄질슬레이트는 빗물을 머금을 때 팽창성을 가지는데 이러한 현상도 붕괴가 일어나는 원인이다.

이러한 결과는 본 사면의 도로 맞은편 사면에서는 같은 암상 및 지질구조 조건을 가지고 있으나 엽리 및 불연속면들의 경사 방향이 사면의 경사 방향과 반대방향이므로 상대적으로 안정된 사면을 유지하고 있다.

 

사면 보강과 절개식 터널

풍화가 땅속으로 깊게 발달하는 저토피 구간을 지나거나 본 연구지역과 같이 암반 내 불연속면들이 사면방향과 평행하게 발달하면서 연약 암반으로 이루어진 곳에서는 개착식 내지 반개착식 공법의 터널시공이 적합함은 알려진 사실이다(Bickel et al., 1996; Yoo, 2002; Bae et al., 2003; Yang and Lee, 2010; Roh et al., 2013). 이 절개식 시공 방법은 오랫동안 도시 내 지하철건설이나 상대적으로 짧거나 표고가 낮은 도로 터널 시공에 적용되어 왔다. 그 후 이 방법은 터널의 입출구부분에 잘 응용되고 있으며 터널 입출구 부분의 지반이 건설되는 도로의 방향과 평행하게 발달한 단층이나 절리 및 층리 등의 불연속면에 의해 암괴붕락(rockfall), 지표붕괴(surface slide) 및 땅밀림(landslide) 현상이 일어나는 곳에서 자주 시공되고 있다(Sauer, 1992; An et al., 2009). 즉 터널을 시공하는 구간에서 지반의 상태에 따라 “절개 후 복구(cut and cover)” 및 “보강 후 절개(cover and cut)” 시공 기술이다. 국내의 경우도 시공완료된 터널의 갱구부가 1.0D 이하인 경우가 37.6%로 큰 비중을 차지한다(Roh et al., 2013). 또한 이런 곳에서는 터널 갱구부의 터널 지지 원리인 아칭효과를 발휘하기 어렵고 굴착이나 지반조건의 변화로 인해 굴착 사면이 대부분 불안정하다(Han et al., 2002).

연구지역에서도 3개월간 사면의 변화 과정을 앞장에서 사면 현황도를 통해 조사 관찰되었으며, 결국 이 사면을 안정화할 가장 최선의 방안은 절개 후 복구(cut and cover) 방법의 일환인 건설 중인 도로의 양쪽 사면을 터널 구조물을 설치하고 복구하기로 하였다.

개착식 터널 공법의 시공이 계획된 곳에서는 먼저 지표에서 터널의 크라운 부분 상부까지 지표 부분을 파내고 그 아래로 파일을 박는다. 그리고 파일과 파일 사이에 슬라브를 치고 파일과 슬라브 사이를 파내어 그 공간에 콘크리트 아치형 주조물(casting final concrete arch)을 삽입한 후 지표에서 파일 상부 처음 파낸 지표구간을 메워 완성하는데 이 방법은 “cover and cut” 방법이다.

연구지역의 경우는 처음에는 사면을 설치할 목적으로 도로를 중심으로 동쪽과 서쪽 양쪽으로 산사면을 절개하였으나 사면 현황도에서 언급한 바와 같이 동쪽 사면이 3개월간의 추적 결과 사면을 건설하면서 점점 더 산 정상부에 인장 균열이 발생하고 급기야는 산 전체가 밀려 내려오는 상황에 이르렀다. 이를 보강하고 사면을 안정화하기 위한 수단으로 Fig. 10과 같이 절개 후 복구(cut and cover) 방법을 시공하였다.

Fig. 10Stages of construction in the “cut-and-cover tunnel” technique.

Fig. 10의 stage 1에서 오른쪽 사면이 연구 지역의 동쪽 즉 불안정한 사면이며 왼쪽 사면이 연구지역 서쪽 사면으로 안정된 사면이다. 실지로 본 지역에서는 stage 2의 과정이 없이 기존에 사면으로 건설계획이 바뀌어 절개식 터널로 건설되기로 결정되므로 이때 이미 stage 3 과 같은 모양을 갖추고 있었다. 그 후 stage 4 단계인 아치형 주조물을 도로위에 설치하였으며(Fig. 11) 그 위를 stage 5와 같이 초기 지형인 동쪽 사면의 정상부까지를 되메움 하므로 시공이 종결되고 사면은 안정화 되었다.

Fig. 11Stage 4 (See Fig. 10) in constructing of the “cut and cover tunnel”.

 

결 론

연구지역은 옥천층군의 변성퇴적암에 해당하는 흑색 천매암, 석회암 및 함역천매암과 중생대에 이들 변성퇴적암들을 관입한 흑운모화강암과 석영반암이 주위를 구성하고 있는 암석이다. 옥천층군은 현재 지질시대에 대해 논란이 있어 시대미상의 암석으로 분류되고 있으며 3차례 이상의 연성변형작용 및 단층작용과 같은 변형작용을 받아 매우 복잡한 지질구조 형태를 가지고 있다. 이 지역 내 흑색천매암이 분포하는 구간에서 건설 중인 도로 사면에서 절토사면 현황도(face map)를 4월부터 6월까지 3개월간 작성하면서 삼년의 지반 특성을 조사하고 분석하였다. 그 결과 사면 내 탄질슬레이트 분포지 부근에 사면 붕괴가 계속 일어났으며 사면 정상부에도 인장균열이 발생하였다. 사면 내에는 3-4개소에서 활동면을 따라 움직이고 산 정상부에는 최고 3 m의 변위를 보이며 움직이고 있음이 확인 되었다.

사면 붕괴의 원인은 탄질슬레이트가 협재된 부분에서 엽리의 방향이 사면의 방향과 거의 일치하여 활동면이 발생하여 붕괴가 일어났으며 또한 단층과 절리 등 불연속면의 경사방향이 사면의 경사방향과 일치하는 곳에서 붕괴가 발생하였다. 또한 탄질 슬레이트와 풍화토에 우기 시 빗물이 스며들며 붕괴가 발생하는데 특히 탄질슬레이트는 빗물을 머금을 때 팽창성을 가지는데 이러한 현상도 붕괴가 일어나는 원인이다. 반면 본 사면의 도로 맞은편 사면에서는 같은 암상 및 지질구조 조건을 가지고 있으나 엽리 및 불연속면들의 경사 방향이 사면의 경사 방향과 반대방향이므로 상대적으로 안정된 사면을 유지하고 있다.

이상과 같이 사면의 붕괴가 일어난 곳에서 안정화 방안으로 절개 후 복구(cut and cover) 방법이 결정되어, 건설 중인 도로의 양쪽 사면 사이 도로 상에 터널 구조물을 설치하고 복구하기로 하였다. 연구지역의 경우는 처음에는 사면을 설치할 목적으로 도로를 중심으로 동쪽과 서쪽 양쪽으로 산사면을 절개하였으나 동쪽 사면이 인장 균열이 발생하고 급기야는 산 전체가 밀려 내려오는 상황이었으므로 이를 보강하고 안정화하기 위한 수단으로 절개식 터널(cut-and-cover tunnel)을 시공하였으며 시공 후 사면은 안정화 되었다.