서 론

지하공간은 우리의 생활환경질 향상에 크게 기여하였으나, 지하공간을 만드는 과정은 굴착을 위한 발파작업이 수반되기 때문에 소음, 진동 및 비산 등으로 인해 인체와 가축의 건강을 해치는 환경공해를 넘어 인근 구조물의 안전사고를 유발하며 민원을 야기 시켜 막대한 보상 금액, 공사 기간의 연장 및 설계변경 등의 문제점이 발생하고 있다(Lee, 2013). 발파는 천공에 화약을 장약하고 폭파시켜 암석에 균열을 발생 시키는 과정에서 막대한 탄성에너지가 공기와 암반을 통해 주위에 전파되어 소음과 진동을 야기 시키며, 또한 엄청난 양의 분진을 대기 중에 배출시켜 공기오염을 수반하여 환경오염 및 공해 대응 요구가 시급한 실정이다(Ryu, 2001; Kang, 2004).

발파를 위한 천공에 화약대신 높은 수압을 가하여 암석을 절개하면 발파에 수반되는 소음, 진동 및 분진을 현저히 감소시킬 수 있어 상기한 환경오염 및 공해를 야기 시키지 않을 뿐 아니라 주위의 구조물에도 영향을 주지 않아 안전사고로 인한 민원 및 비용 증가를 수반하지 않아 친환경적이고 안전한 시공법이 될 수 있다(Lee et al., 2003).

시추공에 높은 수압을 가하여 인위적으로 암반에 균열을 발생시키는 수압암반절개기술은 주로 수압곡선을 이용한 암반의 초기응력 측정 및 지하심부의 암반을 분쇄하여 셰일가스 및 오일을 생산하거나(Ouchterlony, 1972; Lee, 2013; Lee, 2014), 고온 건조암체에 균열을 통하여 물을 순환시켜 지열을 회수하기 위한 공법 등에 널리 응용되어 왔다. 그러나 수압암반 절개 기술이 지하공간을 형성하기 위한 굴착공법으로 사용된 적은 국내외적으로 없다.

수압 암반절개 기술은 시추공 내의 암반에서 파괴하려는 심도의 한 구간에 이중 패커를 부풀려 고정시킨 후 그 패커 사이의 공간(Interval; 인터벌)에 물을 주입하여 압력을 가하여 암반에 인장응력을 발생시켜 암반을 절개하는 방법이다. 수압파쇄로 발생한 절개면의 방향은 암반에 작용하는 응력의 크기와 방향 그리고 암반의 인장강도에 영향을 받으며 인위적으로 이들 인자들을 변경할 수 없으므로 절개면의 방향을 조절하는 것은 쉽지 않다. 또한 암반에 내재하는 균열이 있을 경우 인터벌에 수압을 가하기 어려워 굴착공법은 사용하지 않는다(Ouchterlony, 1974).

팽창성 파쇄제는 수화반응에 의해 2.0~2.3배의 체적이 팽창하면서 그 팽창압에 의해 발생하는 인장응력이 피 파괴체의 인장응력 이상이 되면서 균열이 전파 되어 균열폭이 증대되고 파괴되는 현상으로, 일반적으로 암석파쇄에서 팽창압이 30MPa 이상이 되면 파쇄가 되고 있다(Lee, 2013; Kang, 2014). 그러므로 수압 암반절개 기술은 일차적으로 시추공 내에 패커를 부풀려 암반에 고정시켜야 하므로 최소한 암석파쇄에 요구되는 50 MPa 이상의 팽창압을 갖는 패커 개발이 필요하고, 천공 내에 패커를 장착 후 인터벌에 물의 주입량에 따른 균열 발생 크기 및 배열설계에 따른 균열방향성을 갖는 차별적 기술이 필요하다. 기존 공법은 일반적으로 암반 절개가 수직 방향만 가능하기 때문에 2자유면 확보 및 소규모 오픈컷 현장에 적합하나, 본 연구에선 모암으로부터 암편을 분리시킬 수 있는 수직·수평 암반절개 기술개발이 필요하다.

따라서 본 연구의 목적은 천공의 배열, 패커의 성능향상, 천공주변에 슬롯 형성, 균열의 연장성 및 방향제어 등을 적용한 수압 암반절개 기술로 무진동·무소음인 친환경적 지하 공간을 개발 하여, 생활환경질 개선을 위한 기술을 획득하는 데에 있다. 또한, 현장 시험의 목적은 수직으로 노출된 2 자유면과 평탄한 1 자유면을 선정하여 1, 2 자유면에 따른 균열 연장성 및 방향을 확인하는데 있다.

현장 시험에 대한 이론적 배경

수압암반파쇄는 시추공에 패커를 이용하여 일정 부분을 밀폐시킨 후 수압을 통하여 공벽에 인장응력을 가해 파쇄 시키는 방법으로 일반적으로 초기응력 측정에 직접 이용된다.

원통형의 암석시료 중앙에 소구경의 천공을 한 후 위와 아래에 압축기를 이용하여 밀폐시킨 후에 물을 천공에 주입하여 공 내부에 압력을 증가하면 공벽에 접선응력이 작용된다. 수압파쇄 경우는 원통형 샘플에서 외경이 내경보다 현저하게 크기 때문에 접선응력이 내부압력으로 표현되며, 암석이 파괴될 때의 내부수압은 그 샘플의 인장강도가 된다.

연직으로 작용하는 응력이 주응력 중의 하나라면 나머지 두 개의 주응력은 수평으로 작용하여 크기가 큰 것을 최대 수평주응력, 작은 것을 최소수평주응력이라 한다. Fig. 1은 최대 및 최소 수평 주응력에 대한 균열 발생(Fig. 1(A))과 3성분의 주응력의 방향에 따른 크기를 sinusoidal 곡선(Fig. 1(B))으로 나타낸 도식도이다. Fig. 1(B)에 의하면 최대수평 주응력방향(θ=0° and 180°)에서 접선응력이 최소가 되므로 시추공에 수압이 증가할수록 수평주응력의 크기가 점차 작아지며 압축응력이 인장응력으로 바뀌고 인장응력이 인장강도를 넘어서면 수압파쇄가 발생하므로 수압파쇄의 방향이 최대수평응력의 방향과 일치하게 된다.

Fig. 1.Horizontal main stress (A) Example for a crack occurred, (B) Tangential stress (σθ) and axial stress (σz).

이러한 이론을 배경으로 한 수압암반절개 기술은 시추공 내에 수압을 가해 공벽과 연결된 균열 내로 물이 침투하게 되고, 수압에 의해 벌어지게 되는 균열의 첨단부에 응력집중이 일어나 기존 균열로부터 발달 전파에 의한 파괴현상을 의미한다(Lee and Yang, 1997). 암석에서 응력의 크기와 방향은 지열, 셰일가스 및 지진의 예측에 있어 중요한 요소이며(Lee, 2014), 암석에 있어 초기응력 측정을 수압파쇄 기술로 적용하며, 수압파쇄 기술은 암반의 강도정수와 초기응력 측정에서 초기파쇄압력이 암반균열에 중요한 변수가 된다(Haimson, 1978; Arnold et al., 1998; Haimson et al., 2003; Haimson and Cornet, 2003).

국내 지역별 암종에 따른 강도정수는 압축강도가 약 100.0MPa내외, 인장강도가 약 10.0 MPa 정도로 나타나서 인장강도가 압축강도보다 1/10 이하로 나타나고 있다(Yim and Seo, 2009). 국내에서 측정되었던 암석의 인장강도는 6.4~7.5 MPa 정도를 보여주고 있고, 균열개구압력은 대부분 10.0 MPa 이하이며 5 MPa 내외를 보여준다(Haimson et al., 2003). 유류비축기지 설계를 위한 수압파쇄시험 결과에서 파쇄압력은 심도에 따라 변화는 있지만 약 7.0~20.0 MPa 정도를 보여주고 대부분 10MPa 내외이다(Choi et al., 1999). 그러므로 일반적으로 파쇄압력은 대체로 약 10.0~15.0 MPa 정도가 될 것으로 보인다.

연구 방법

수압을 이용한 암반절개는 하나의 천공에 고압의 패커를 이용하여 밀폐시킨 후 물을 주입하여 공 내부에 압력을 증가하여 발생된 접선응력으로 암반을 절개하는 방법을 응용하여 여러 개의 천공에 각각 패커를 삽입하고 패커 사이의 공간인 인터벌(Interval)에 물을 주입하여 암반을 절개한다(Fig. 2).

Fig. 2.A schematic diagram for hydraulic rock splitting.

수압으로 발생된 절개면의 방향은 암반에 작용하는 응력의 크기, 방향 및 암반의 인장강도에 영향을 받으며, 또한 암반 종류 및 지질 구조적인 특성에 기인된다. 그러므로 수압에 의한 암반절개는 인위적으로 이들 인자들을 변경할 수 없으므로 절개면의 방향을 조절하는 것은 쉽지 않으며, 암반에 내재하는 균열이 있을 경우 인터벌에 수압을 가하기 어려워 암반굴착에 사용하기 곤란한 측면이 내포된다. 즉, 수압암반절개 방법은 여러 개의 천공 간에 대한 배열설계, 인터벌 간격, 균열 정도에 따른 주입 유량과 압력, 암반절개에 적합한 패커와 같은 문제점 등을 해결할 과제이다. 또한 암종에 따른 천공간격은 현장조건 및 공경, 암종에 따른 파쇄계수가 달라지며, 응력은 홈의 첨단부에 집중되기 때문에 천공 주변에 홈을 내어 균열 방향을 제어하는 연구가 필요하다.

암반파쇄는 수압파쇄에서 심도에 따라 변화는 있지만 약 7.0~20.0 MPa 정도를 보여주고 대부분 10MPa 내외이며(Choi et al., 1999), 팽창성 파쇄제에서 수화반응에 의해 2.0~2.3배의 체적이 팽창하며 일반적으로 팽창압이 30 MPa 이상에 파쇄된다(Kang, 2014). 그러므로 상기 연구에서 제시된 파쇄압력은 일반적으로 약 10.0~15.0 MPa 정도이다.

그러므로 본 연구에서는 상기 연구에서 제시된 파쇄압력을 근거하여 4개의 고무재질 이중패커를 제작하였으며, 수압을 패커와 인터벌에 각각 가할 수 있는 수압공급장치를 제작하였다(Fig. 3). 수압공급장치는 50.0MPa의 펌프, 15마력의 모터, 인버터, 감속기 등으로 패커 및 인터벌에 수압을 각자 가할 수 있도록 하였으며, 여러 개의 천공에 패커를 분리하여 수압을 주입하는 다중시스템 장치로 구성된다. 이중패커는 고무재질로 ϕ44 mm 규격, 상·하단의 패커 길이를 90 cm, 인터벌 구간을 20 cm, 최대 17.0 MPa까지 수압에 견딜 수 있는 사양으로 설계하였다.

Fig. 3.Used hydraulic rock splitting for field tests.

현장 시험

본 연구는 수압파쇄기법을 사면·터널 굴착에 적용하여 소음·진동 및 비산 발생이 전혀 없이 친환경적으로 암반을 절개하는 것으로 환경오염 및 공해를 야기 시키지 않을 뿐 아니라 주위의 구조물에도 영향을 주지 않는 공법을 개발하기 위해 영월군에 있는 석회암 광산과 부강면에 있는 화강섬록암 석산에서 수행하였다(Fig. 4).

Fig. 4.Location map of study areas.

석회암 광산

본 시험은 강원도 영월에 있는 석회암 광산으로 광산의 굴진면에서 수직으로 노출된 2 자유면과 평탄한 1 자유면을 선정하여 수압파쇄로 균열발생에 따른 연장성 및 방향 등을 확인하고자 한다(Fig. 5). 시험 장소는 광산 진입부에서 수평으로 약 500 m 지점에 위치한다.

Fig. 5.A schematic diagram for the field tests in the limestone mining. (a) The location of the hydraulic test in the 2 free surface, (b) The location of the hydraulic test in the 1 free surface.

2 자유면에서는 우측면에 있는 자유면에서 약 40 cm 떨어진 위치에 3개 공을 자유면과 평행하게 ϕ51 mm 공경으로 심도 2.5 m을 수직으로 천공하였으며, 천공 간격을 55 cm로 일정하게 하였다. 암상은 대체적으로 무결암이나 시추공과 자유면 사이에 암질의 변화를 보이는 맥상이 자유면에 평행하게 발달한다(Fig. 5(a)).

1 자유면에서는 2 자유면과 동일하게 3개 공을 상단와 중간부분에 65 cm, 중간과 하단부분에 45 cm 간격으로 천공하였으며, 상단과 중간 부분에 대각선 방향으로 절리와 맥들이 분포한다(Fig. 5(b)).

시험방법으로는 3개의 이중패커를 천공 내에 삽입한 후 각 패커에 동일하게 수압을 가하여 공벽에 패커를 부착하였으며, 인터벌 부분에서 공 내부의 밀폐 여부를 판단하기 위하여 각 공마다 단계별로 수압을 걸어 센서 모니터링 시스템의 장치를 통하여 확인하였다. 이때 인터벌 내에 유입되는 유량 및 수압, 패커 내의 수압 결과물은 센서 모니터링 시스템 장치로부터 0.1초마다 제시된 자료로 근거하였다. 천공 내의 인터벌 구간은 상단 패커의 길이가 90 cm이며, 인터벌 구간의 간격이 20 cm이므로 자유면에서 90~110 cm 사이의 깊이에 위치한다.

시험결과는 암반 내에 있는 인터벌 구간에 수압을 가하여 내부에서 발생된 균열의 연장성 등이 자유면까지 도달되어 나타나는 틈새와 센서 모니터링 시스템 장치로부터 얻어지는 유량 및 수압의 자료로부터 확인된다.

화강섬록암 석산

본 시험은 세종특별자치시 부강면에 위치한 석산으로서 산을 절취한 사면의 경계선에 돌출된 2 자유면을 선정하였다(Fig. 6). 본 지역은 화강섬록암으로 전반적으로 청색내지 흑색을 갖는 괴상암체로 시험위치에 수평·수직 절리가 많이 발달되어 있다.

Fig. 6.Photography represented from the known cut slope in the Bugang site. (a) a front view, (b) a side view, (c) drilling site.

천공은 좌측면에 있는 자유면에서 약 30 cm 떨어진 위치에 2개 공을 30 cm 간격, 약 50 cm 떨어진 위치에 2개 공을 50 cm 간격, 약 80cm 떨어진 위치에 2개 공을 80 cm 간격으로 하였다(Fig 6(c)). 이때 천공 심도는 2.5 m이며, 천공 내의 인터벌 구간은 자유면에서 90~110 cm 사이의 깊이에 위치한다.

시험방법으로는 2개의 이중패커를 좌측면에 있는 자유면으로부터 떨어진 2개의 천공 내에 각각 삽입한 후 패커에 동일하게 수압을 가하여 공벽에 패커를 부착한 후 인터벌에 수압을 가하는 방식으로 하였다. 즉, 본 시험은 자유면으로 부터 이격된 거리에 대한 수압의 차이에 따른 균열발생의 연장성 등을 확인하기 위함이다. 또한 암반에 내재하는 균열이 있을 경우 인터벌에 수압을 가하여도 균열을 통하여 물이 새어나가기 때문에 원하는 암반절개가 어렵다. 그러므로 본 시험은 자유면에 노출된 많은 균열이 있으므로 암반 내에 있는 균열에 따른 인터벌에 가하는 수압 작용을 파악하기 위함이다.

그러나 본 시험은 2개의 패커를 가지고 시험하려고 천공에 대한 설계를 하였으나 1개의 패커가 파손되어 1개의 패커로 30 cm 간격인 천공 상부에 패커를 삽입하여 시험을 수행하였다.

결과 및 토의

석회암광산 현장시험

석회암 광산에서 현장시험은 1과 2 자유면에서 각각 실시하였으며, 천공 내에 3개의 패커를 동일하게 삽입하여 실시하였다.

Fig. 7은 2 자유면에서 수압암반절개를 통한 시험 결과도이다. Fig. 7(a)는 상부 천공(A)과 중간부 천공(B) 영역에서 수압암반절개 시험으로부터 제시된 결과로서 천공 B의 상부에 수압으로 인한 작은 틈새들이 시추공 A방향으로 연장성이 보인다. Fig. 7(a)의 중앙부의 타원형 부분은 시추공의 우측으로 비교적 넓은 균열이 거의 수직으로 발달하였으며, 그 균열을 따라 시추공 방향으로 미세한 균열들이 연장됨을 알 수 있다. Fig. 7(b)는 중간부 천공(B)과 하부 천공(C) 영역에서 제시된 결과로서 천공 B와 C의 우측에 거의 수직방향 균열대의 발달이 맥상을 따라 연장된다. Fig. 7(b)의 중앙부의 타원형 부분은 맥상을 따라 연장된 균열들이 수평과 수직방향으로 연장되며, 하부천공(C)의 우측에 비교적 넓은 균열이 자유면을 따라 연장됨을 알 수 있다.

Fig. 7.The test results for the hydraulic rock splitting in the 2 free surface of limestone mining area. (a) Crack occurred between A spot and B spot, (b) Crack occurred between B spot and C spot.

Fig. 8은 상기 시험에 대한 이중패커의 수압 및 인터벌 내에 유입되는 유량과 인터벌 내의 수압을 센서 모니터링 시스템을 통하여 얻어진 결과도이다. 이중패커의 수압은 3개 천공 내에 12.0MPa의 수압을 가하였으며, 시간이 갈수록 패커 내의 압력이 8.0MPa 이하로 감소하여 다시 14.0MPa로 증가하였다(Fig. 8(a)). 인터벌 내의 수압은 각 천공 내에 있는 인터벌에 압력이 걸리는지 확인하기 위하여 2.5MPa, 6.5 MPa 및 4.0MPa의 수압을 각 패커에 개별적으로 가한 것으로 Fig. 8(c)의 처음의 3차례 피크 부분이다. 그 이후에 나타난 곡선들은 3개 천공에 동시에 가한 수압으로 1차에 약 6.5 MPa, 2차에 약 5.8 MPa, 3차에 약 5.0 MPa로 단계별로 수압을 가한 도표이다. 본 결과에서 보면, 1차에 높은 압력을 보이면서 단계적으로 수압이 감소하는 경향을 보이는데, 이는 1차 주입에 균열이 발생되었으며 틈이 벌어지면서 단계별로 수압이 떨어짐을 알 수 있다. 인터벌 내의 유량은 1차에 약 3.6 LPM, 2차에 약 3.8 LPM, 3차에 약 2.6 LPM을 주입하였으며, 유량을 주입한 시간은 약 10분 내외이다(Fig. 8(b)).

Fig. 8.Sensor monitoring system in the 2 free surface of the tested limestone mining. (a) The water volume of the interval area, (b) The water power of the double packer, (c) The water power of the interval area.

수직인 2 자유면에 약 40 cm 떨어진 3 개 천공에 대한 시험 결과를 보면, 약 6.5 MPa 이내의 수압에 균열이 발생하고 그 연장성이 자유면과 평행 연장됨을 알 수 있으며, 균열이 발생 후에도 인터벌 내에 수압이 작용하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 9는 1 자유면에서 수압암반절개 시험을 한 것이며, Fig. 10은 상기 시험에 대한 이중패커의 수압 및 인터벌 내에 유입되는 유량과 인터벌 내의 수압을 센서 모니터링 시스템을 통하여 얻어진 결과도이다.

Fig. 9.A schematic diagram for the hydraulic rock splitting in the 1 free surface of the limestone mining.

Fig. 10.Sensor monitoring system in the 1 free surface of the tested limestone mining. (a) The water volume of the interval area, (b) The water power of the double packer, (c) The water power of the interval area.

시험방법은 3개의 천공 내에 이중패커를 삽입하고 이중 패커 수압을 약 13.0 MPa을 계속 유지하였으며(Fig. 10(b)), 인터벌의 수압은 각 천공 내에 있는 인터벌에 개별적으로 약 1.0 MPa 정도로 가한 것으로 처음 부분에 3차례 피크지점이며(Fig. 10(c)), 이후 3개 천공에 동시적으로 약 12.0~14.0MPa의 수압을 가하였으며, 이때의 인터벌 유량은 약 2~2.5 LPM을 주입하였다(Fig. 10(a)).

시험결과는 인터벌 수압을 14.0 MPa까지 가한 시점에서 암반의 균열이 발생되지 않고 상부 시추공(A) 내에 있는 패커의 파손으로 시험을 중단하였다. 즉, 1 자유면에서는 14.0MPa 정도의 수압으로 암반절개가 발생되지 않는 것으로 판단되었으며, 패커와 인터벌 수압은 인터벌 수압의 증감에 따라 패커의 수압도 비례하여 변화되는 것을 알 수 있었다(Fig. 10(b,c)).

화강섬록암 석산 현장시험

화강섬록암 석산에서 현장시험은 사면의 경계선에 돌출된 2 자유면을 선정하였으며, 1개 패커로 시험하였다.

Fig. 11은 자유면에서 30 cm 떨어진 위치에 있는 30 cm 간격인 2개의 천공 중 상부에 이중패커를 삽입하여 시험한 결과도이다. 시험방법은 이중패커에 약 13.0MPa의 수압을 가하고 인터벌에 약 12.0 MPa의 수압을 가했으며, 이때의 유량은 모터펌프의 최대 유량인 20.0 LPM을 주입하였다.

Fig. 11.The field test results for the Granodiorite suksan. (a) Front diagram at the before test, (b) Side diagram at the after test.

시험결과를 보면, Fig. 11(a)는 정면도로서 시험 전에 없었던 균열이 수압을 가한 후 자유면과 평행하게 균열이 100 cm 이상으로 발생되었으며, 기존 균열이 존재 시에 신규 균열이 교차한 양상으로 나타났으며, 균열 후에도 수압이 계속 걸리는 경향을 보였다. Fig. 11(b)는 측면도로서 수압이 작용 시에 기존 절리의 틈새를 통해 많은 물이 분출되면서 지속적으로 수압이 걸리는 것을 확인하였다. 즉, 많은 균열이 분포하더라도 더 많은 유량을 주입하면 수압이 걸리면서 신규 균열발생 및 기존 균열의 확장 효과를 기대할 수 있다.

결 론

수압 암반절개는 여러 개의 천공에 각각 패커를 삽입하고 패커 사이의 공간인 인터벌에 물을 주입하여 암반을 절개하는 기술로서 영월군에 있는 석회암 광산과 부강면에 있는 화강섬록암 석산에서 시험을 수행하였다. 본 연구는 1과 2 자유면에서 3개와 1개의 이중패커를 이용하여 인터벌 내에 수압을 가하는 방식으로 하여 암반의 절개방향 및 절개압력을 파악하고자 한다.

1) 석회암 광산의 2 자유면에서는 3개의 천공을 이용한 시험으로서 약 6.5MPa 이내의 수압에서 천공방향과 자유면 사이에 넓은 균열 및 미세 균열이 자유면을 따라 연장됨이 확인된다. 또한 균열이 발생 후에도 인터벌 내의 수압이 작용됨을 알 수 있다.

2) 석회암 광산의 1 자유면에서는 3개의 천공을 이용한 시험으로서 인터벌 수압을 14.0 MPa까지 가한 시점에서 암반의 균열이 발생되지 않고 상부 시추공(A) 내에 있는 패커가 파손되었다. 또한 패커와 인터벌 수압은 인터벌 수압의 증감에 따라 패커의 수압도 비례하여 변화되는 것이 확인되었다.

3) 화강섬록암 석산의 2 자유면에서는 인터버 수압을 13.0MPa까지 가한 시점에서 자유면과 평행하게 신규 균열이 100 cm 이상 발생하였으며, 기존 균열이 존재 시에 신규 균열이 교차한 양상으로 나타났으며, 균열 후에도 수압이 계속 걸리는 경향을 보였다.

4) 종합적으로 결과를 보면, 2 자유면에서 약 6.5MPa과 13.0 MPa에서 자유면과 평행한 방향으로 균열이 발생하였으며, 1 자유면에서 14.0MPa의 수압에 암반의 균열이 발생되지 않고 상부 천공부에 있는 이중패커가 파손되었다. 그러므로 1개 자유면에서의 수압암반절개는 절개를 위한 천공 배열방법 및 고압의 패커 개발에 대한 연구가 요구된다.