암반내 존재하는 단층은 암반거동에 중대한 영향을 미치게 되며, 특히 단층내에 충전물이 협재되어 있거나, 파쇄대가 넓게 발달한 경우에는 암반구조물의 안정성에 보다 심각한 문제를 가져오는 경우가 많다. 이는 단층의 불연속적인 거동과 충전물의 거동이 복합적으로 작용하게 되며, 장기적인 시간을 두고 나타나기 때문이다. 본 검토에서는 단층의 공학적 특성을 분석하고, 단층대 구간에서는 보강설계 사례 및 단층대 구간에서의 붕락사고로 인하여 문제가 발생한 현장사례분석을 통하여 단층이 암반사면이나 터널과 같은 암반 구조물에 미치는 영향을 검토하였다. 이를 통하여 단층과 점토 그리고 지하수 등의 복합거동에 의한 장기적이고 잠재적인 거동을 수반할 수 있는 단층의 공학적 문제점을 고찰하였다.
한반도는 주변의 북중국, 일본과 같이 지구조적 활동이 활발한 지역들에 비해 상대적으로 안정된 것으로 알려져 있다. 그럼에도 불구하고 한반도 남동부 지역을 중심으로 지속적으로 보고되고 있는 제4기 단층의 존재는 한반도의 신기 지체구조 운동의 성격을 본질적이고 구체적으로 이해할 필요가 있음을 시사한다. 경주시 양남면 일대에서 확인된 수렴단층과 읍천단층은 그 최종 운동 시기가 제4기 후기로 확인되고 있어 현생 지구조 체계 하에서 발생하고 있는 지각 변형 사건임을 분명히 지시해 주고 있다. 이들 단층운동과 관련된 동-서 방향의 최대 압축 응력은 인도-호주판과 유라시아 판의 충돌 응력이 원거리에 전파되는 과정에서 발생하는 것으로 이해된다. 특징적으로 한반도 남동부 지역의 제4기 단층들은 반복적 재활성 가능성이 크므로 잠재적 지진 재해에 대비해야 할 것으로 판단되며, 특히 본 연구는 연구 지역 내에 위치하고 있는 원자력 발전소 인근의 지진 안정성에 관한 중요한 단서를 제공하고 있다.
단층대에 위치한 근접병설터널에 대하여 단층의 폭과 경사, 단층암의 물성을 달리한 수치해석과 모형실험을 통해 단층이 터널 안정성에 미치는 영향을 알아보았다. 병설터널 사이에 존재하는 필라의 강도/응력비를 구할 때는 필라 중앙부의 응력, 필라 전체의 평균응력, 필라 좌우단부의 응력을 각각 적용하였는데, 이중 마지막 방법은 단층대의 유무에 관계없이 터널 안정성의 보수적 평가에 적합하였고 터널 굴착시점을 실시간적으로 반영하였다. 필라 좌우단부의 응력을 적용하여 구한 강도/응력비는 단층의 폭과 경사가 커질수록, 단층암의 물성이 연약할수록 감소하는 경향을 보였다. 축소모형실험에서 단층을 포함한 모형은 불포함 모형에 비해 균열개시압력이 작았고, 단층의 폭이 큰 모형일수록 터널 안정성은 낮게 나타났다. 단층은 터널의 파괴거동에도 큰 영향을 미쳤는데, 단층이 없는 모형에서는 필라의 좌우하단부와 양쪽터널 측벽부에서 수평방향의 균열이 발생하였지만, 단층을 포함한 모형에서는 필라부 단층대에서 경사진 균열이 발생하였다.
영주다목적댐은 낙동강 중 하류 갈수기 하천유지용수 확보와 낙동강 본류 및 내성천 연안지역의 홍수재해 방어, 경북북부지역의 안정적인 용수공급을 위하여 계획되었다. 일반적으로 댐설계시 단층은 댐 안정성에 있어 매우 중요한 리스크 요소이므로, 단층의 공학적 특성은 반드시 고려되어야만 한다. 본 댐의 경우 지반조사결과 댐하부에 대규모의 단층대가 확인됨에 따라 댐의 장기적인 안정성을 확보하기 위하여 댐위치 및 댐형식에 대한 보다 공학적인 검토가 요구되었다. 본 연구에서는 노두와 시추조사시 확인된 대규모 단층대가 확인됨에 따라 단층대의 공학적 특성을 규명하기 위하여 다양한 지질조사 및 현장시험을 실시하였다. 이와 같은 단층대 특성을 반영하여 단층의 영향을 최소화할 수 있는 최적의 댐 위치를 선정하였으며, 단층대를 포함한 기초지반의 특성을 반영하여 좌안에는 콘크리트 중력식댐을 우안에는 콘크리트 차수벽형 석괴댐형식의 복합댐을 선정하였다. 또한 단층처리 및 기초지반 그라우팅을 실시하여 댐 구조물의 안정성을 확보하도록 하였다.
일반적으로 단층대는 지반의 공학적 특성이 불량하므로 터널 시공시 굴착으로 인한 지반변위가 과다하게 발생하여 인접구조물에 악영향을 줄 수 있으며, 지하수 유입으로 인한 지반강도의 급격한 저하로 터널의 안정성 확보가 어렵다. 따라서, 인접구조물의 영향을 최소화하고 터널의 안정성을 확보하기 위하여 지반안정을 위한 차수 및 보강대책이 수립되어야 한다. 본 연구에서는 경부고속철도 노선 중 양산단층대를 통과하는 약 570m구간의 터널시공 사례를 분석하여 보강대책의 적정성에 대하여 분석하였다. 침하량 검토결과, Loganathan 등(1998, 2000) 식을 활용하여 산정한 침하량은 수치해석 결과와 유사하게 나타나 예측식의 적정성을 확인하였다. 단층대 구간에서 수행된 시험시공결과를 분석하여 적용공법의 적정성을 검토하였으며, 수치해석적 방법을 통하여 보강공법의 적용성을 검토하였다. 검토결과 대책공법 적용으로 터널변위가 감소하고 지보재 응력이 허용치 이내로 발생하였으므로 적용된 대책공법은 적정한 것으로 판단된다.
일반적인 보통 등급의 지반(ground) 상 구조물의 안정성 확보를 위한 설계입력정수(input-parameters) 도출방법들은 보편적으로 잘 알려져 있다. 연구지역과 같은 습곡된(folded) 변성암(metamorphic rocks) 지반은 엽리가(foliation) 촘촘히 발달해 있고, 엽리에 평행한 소규모 단층들(faults)이 분포하고 있어 설계입력정수 도출을 위한 특별한 조사방법 및 시험, 등이 요구된다. 수 mm 간격의 엽리가 발달한 변성암 지반은 엽리면 직접전단강도시험(direct shear test), 엽리의 배향(strike/dip)과 맵핑(mapping), 엽리의 지하 연속성 파악을 위한 시추조사, 변성암반의 암반분류(rock mass rating), 등이 필요하다. 특정 엽리면을 따라 발달한 소규모의 엽리평행단층(foliation-parallel faults)이 다수 발달한 지반은 선구조선 분석, 단층 추적을 위한 지표지질맵핑, 단층면 직접전단강도시험, 등이 필수적이다. 습곡지반은 지질구조구(structural domain) 분석, 불연속면의 평사투영(stereonet)해석, 습곡축을 따른 전기비저항탐사, 등의 추가조사로 설계입력정수 도출이 합리적이다.
토목 구조물의 합리적인 설계를 위한 지반조사의 역할은 대상 구조물의 최적 위치를 설정하는 일에서부터 시공 방법의 선정이나 안정성을 확보하는 일에 이르기까지 필요한 각종 정보를 제공하는 것이다. 인간 생활 환경의 확대에 따라 불리한 지반 조건에 공사를 수행하여야 하는 경우가 점차 많아지고, 이에 따라 발생하는 문제에 있어서는 다양하고 복잡하여 이를 해결할 수 있기 위해서는 토목 시공뿐만 아니라 지반 자체에 대한 폭넓은 이해가 필요하게 되었다. 이에 본 고에서는 여러 가지 지질 구조 중 토목 구조물의 안정성에 가장 크게 영향을 미치는 단층과 관련된 여러 가지 사례를 소개하였으며 각 사례에 있어서 단층에 대한 대책을 분석, 요약하였다.
지진 활동의 결과로 발생하는 피해를 감소시키기 위해 지층의 단층구조를 파악하는 것이 중요하다. 지층 탄성파 데이터를 공간자료구조를 활용하여 분석하고 효율적인 공간정보를 생산하는 시스템 개발과 관련된 연구를 제안한다. 공간자료구조는 방대한 탄성파 데이터를 지층을 이루는 암석층을 공간데이터로 저장하고, 분석하여 단층대를 이루는 공간을 검색 가능하게 한다. 검색된 단층가능 구간은 전문가의 판단을 통해 주변의 다른 단층구간과 다양한 요소들과 결합하여 지진 활동 연구에 중요한 판단 자료로 사용될 수 있다. 최근의 불안정한 지진활동 피해에서도 알 수 있듯이, 단층대의 확인 작업은 다양한 지상/지하 구조물의 안정성에 중요한 역할을 하는 자료가 된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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