암반 분류

왜 배우는가: 암반분류는 터널, 사면, 기초 설계에서 지보와 굴진 방법을 정하는 출발점이 되므로 실무에서 가장 먼저 쓰이는 판단 도구이다. 여러 회차에 걸쳐 반복 출제된 개념이어서 RMR, Q-system, RQD를 비교하는 답안 구성이 시험의 핵심이다.

출제 이력: 제137회 3교시 2번, 제131회 4교시 6번, 제126회 2교시 3번, 제122회 4교시 6번, 제117회 4교시 3번, 제108회 1교시 4번, 제104회 2교시 5번, 제95회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

암반분류는 암반의 구성 인자를 점수나 지수로 종합하여 암반의 공학적 품질을 등급으로 구분하는 방법이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 암반분류: 암석과 불연속면을 함께 고려하여 암반 전체의 품질을 등급으로 나누는 체계이다.
• RMR: 암석강도, RQD, 불연속면 간격, 불연속면 상태, 지하수 상태의 다섯 인자를 점수로 합산하는 분류법이다.
• Q-system: RQD와 절리 관련 다섯 변수를 곱셈식으로 결합하여 Q값을 구하는 분류법이다.
• RQD: 시추코어에서 길이 100mm 이상인 코어 조각의 합을 전체 시추 길이로 나눈 백분율이다.
• GSI: 암반의 구조와 불연속면 표면 상태를 현장 관찰로 평가하는 지질강도지수이다.
• 불연속면: 절리, 층리, 엽리처럼 암반 안에서 강도가 낮은 면이다.

2. 개념 풀이

암반분류는 암석 자체의 강도와 암반을 나누는 불연속면의 간격, 방향, 상태, 지하수 조건을 점수나 지수로 환산하여 암반을 품질 등급으로 나누는 경험적 방법이다. 분류 결과는 터널의 무지보 자립시간, 지보 패턴, 암반의 변형계수와 점착력·마찰각 같은 설계 정수를 추정하는 데 쓰인다. 여기서 경험적이라는 말은 현장 사례와 관측 자료에서 얻은 상관관계를 기준으로 삼는다는 뜻이다.

암반은 암석 블록과 그 블록을 나누는 불연속면이 함께 거동을 지배하는 재료이다. 블록이 작을수록, 불연속면이 연속적이고 거칠지 않을수록, 풍화되었거나 지하수가 많을수록 암반의 품질은 낮아진다. 불연속면은 전단강도가 낮고 점토가 협재된 경우가 많아 미끄러짐이 쉽게 생기므로, 같은 암석이라도 불연속면 조건에 따라 암반의 강도와 안정성이 크게 달라진다.

블록 크기는 암석의 입도(grain size)에 대응하는 거시적 개념이다. 암반을 절리로 둘러싸인 개별 블록들의 집합으로 보면, 암반의 거동은 전형적인 블록의 크기와 강도에 따라 결정된다. 지표에서는 노출면을 관찰하여 블록 크기를 재고, 지하에서는 시추코어로 측정한다. RQD는 시추코어 기반의 블록 크기 지표로서 다음과 같이 정의한다.

$RQD(%) = 100자 이상 코어 길이의 합 / 코어 굴진 총길이 × 100$

RQD가 75% 이상이면 양질, 50% 미만이면 불량한 암반으로 본다. RQD는 블록 크기 정보만 담으므로 불연속면의 상태는 다른 변수로 보완해야 한다.

Q-system은 여섯 변수를 세 개의 비로 묶어 Q값을 구하는 방식이다.

$Q = (RQD / J_n) × (J_r / J_a) × (J_w / SRF)$

기호의 뜻은 다음과 같다. RQD는 암질지수(%), Jn은 절리군의 수, Jr은 절리면 거칠기 수, Ja는 절리면 변질 정도 수, Jw는 절리 내 지하수 저감계수, SRF는 응력감소계수이다. 첫째 항 RQD/Jn은 암반의 기하학적 상태를, 둘째 항 Jr/Ja는 블록 사이의 전단강도를, 셋째 항 Jw/SRF는 지하수와 응력이라는 환경 요소를 나타낸다. Q-system은 여섯 변수를 세 항의 곱으로 묶어 Q값을 구하는 분류법이다. 세 항의 곱이 커질수록 Q값이 커지고 암반 품질은 좋아진다.

RMR은 같은 원리를 점수식으로 나타낸다. 다섯 인자의 점수를 합산하여 0~100점의 값을 얻으며, 점수가 높을수록 암반이 양호하다. Q-system이 곱셈식이라면 RMR은 덧셈식이라는 점에서 구조가 다르다.

3. 등장 배경과 필요성

암반분류의 출발은 1946년 강재 지보(steel set)를 쓰는 터널을 위해 처음 제안된 경험적 분류이다. 당시의 목적은 암반 상태를 몇 가지 등급으로 나누어 필요한 지보의 종류를 정하는 데 있었다. 이후 1970년대에 들어 RMR과 Q-system 같은 점수식 분류가 제안되면서, 현장 관찰을 수치로 환산하여 설계에 직접 쓰는 방식으로 발전하였다.