압출현상

왜 배우는가: 압출현상(squeezing)은 연성암반이나 토피가 큰 터널에서 굴착 후 주변 지반이 시간에 따라 내공 안쪽으로 밀려 나오는 현상으로, 지보 설계와 굴착 공법 선정을 좌우한다. 시공 중 과대변위와 재굴착을 막기 위해 실무에서 반드시 판단해야 하며, 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제125회 2교시 3번, 제104회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

압출현상은 응력이 암반의 강도를 초과해 터널 주변 지반이 시간에 따라 굴착 공간 안쪽으로 소성 변형하며 밀려 나오는 현상이다.

• 압출현상(Squeezing)
• 연성암반
• 시간의존적 변형
• 가축성 지보
• 소성 변형
• 토피고
• 내공변위
• 경험적 평가

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 터널을 파면 주변 흙과 암반이 천천히 안쪽으로 밀려 들어오는 현상이다. 굴착 직후에 한꺼번에 무너지는 것이 아니라 몇 주에서 몇 달에 걸쳐 변위가 계속 늘어난다. 이 점이 붕락이나 낙반과 구별되는 핵심이다.

정식 정의로는 지반의 초기 응력이 지반의 강도를 넘어서 굴착 주변에 넓은 소성영역이 생기고, 그 결과 지보 내측으로 변위가 시간에 따라 지속적으로 진행하는 현상을 말한다. 압출현상은 주로 점토광물을 많이 포함한 연성암반이나 단층대 파쇄 지반에서 나타난다.

핵심 용어를 나누어 보면 다음과 같다.

• 소성 변형: 응력이 강도를 넘어 되돌아오지 않는 변형이다. 압출현상의 본질이다.
• 시간의존성: 변형이 굴착 후 시간에 따라 증가하며, 크리프(creep) 성질과 관련이 깊다.
• 내공변위: 터널 내벽에서 측정하는 변위이며, 압출 여부를 판단하는 가장 직접적인 계측값이다.

압출은 팽창성 지반의 팽창(swelling)과 구별해야 한다. 팽창은 수분 흡수에 따른 체적 증가이고, 압출은 응력에 의한 소성 흐름이다. 두 현상이 함께 나타나기도 하므로 답안에서는 원인을 분리해 서술하는 것이 좋다.

3. 등장 배경과 필요성

터널 공사 초기에는 지보를 강하게 설치하면 변형을 막을 수 있다고 보았다. 그러나 연성 지반이나 토피가 큰 구간에서는 강성 지보가 파괴되거나 과도한 응력을 받아 재굴착이 필요해지는 사례가 많았다. 그래서 변형을 어느 정도 허용하면서 지반의 응력을 해소하는 방향으로 설계 사고가 바뀌었다.

이 과정에서 압출현상을 미리 예측하는 경험적 평가법이 필요해졌다. 시공 전 지반 조사 결과로 토피고, 암질, 지반의 강도를 평가하고, 그 값으로 압출 가능성을 구분한다. 토피고가 크고 지반 강도가 낮을수록 압출 위험이 커진다. 이렇게 예측된 위험은 굴착 공법, 지보 종류, 인버트 설치 여부를 정하는 근거가 된다.

설계와 시공에서 압출을 다루는 이유는 다음과 같다.

• 과대 변위에 따른 라이닝 균열과 파손을 막는다.
• 공용 중 변위 누적으로 생기는 유지관리 비용을 줄인다.
• 재굴착에 따른 공기 지연과 공사비 증가를 피한다.

이러한 배경 때문에 압출현상은 연성암반 터널의 설계 조건으로 반드시 검토해야 하는 항목이다.

4. 구성요소·원리·절차

압출현상(Squeezing)은 굴착 후 주변 암반의 변형이 시간에 따라 계속 증가하며 응력이 암반 강도를 초과해 터널 내공으로 밀려드는 현상이다. 발생 원리를 이해하려면 초기지압, 암반의 변형계수, 일축압축강도의 관계를 먼저 보아야 한다.

압출은 크게 두 가지 조건이 겹칠 때 생긴다. 첫째, 암반의 응력이 강도보다 커서 소성변형이 계속 진행한다. 둘째, 점토광물 등에 의한 시간의존성 거동이 있다. 이 때문에 변위는 굴착 직후 빠르게 증가하다가 천천히 수렴하지 않고 지속적으로 증가하는 경우가 많다.

압출은 시간의존적 소성변형이 지속되는 현상으로, 지보 강성보다 변형 허용이 핵심 대책이다

절차는 다음과 같다.

• 막장 관찰과 시추조사로 암질과 토피고를 파악한다.
• 초기 변위율과 탄성해석으로 압출 가능성을 판정한다.
• 가능성이 크면 굴착 방법을 분할굴착으로 바꾸고 지보 강성을 조정한다.
• 가축성 지보와 인버트 폐합으로 변위를 허용·구속한다.
• 내공변위를 계측해 변위 수렴 여부를 확인하고 2차 보강을 결정한다.

압출 판정에 널리 쓰는 경험식은 Hoek와 Marinos의 변형률 개념이다. 터널 주변 암반의 변형률은 다음과 같이 쓴다.

$\varepsilon_\theta = \frac{u_r}{r}$

여기서 u_r은 터널 반경 방향 변위(m), r은 터널 반경(m)이다. 변형률이 관련 기준이 정한 값 이상이면 압출 가능성을 크게 본다. 암반의 강도비는 다음과 같이 계산한다.

$\text{강도비} = \frac{\sigma_{cm}}{p_0}$

여기서 \sigma_{cm}은 암반의 일축압축강도(MPa), p_0는 초기지압(MPa)이다. 강도비가 작을수록 압출 위험이 크다.

도식은 다음 흐름을 따른다.

5. 관련 법령·기준·표준

압출 관련 기준은 법령보다 설계 지침과 학술 기준에 근거한다. 국내 설계에서는 도로·철도 터널 설계기준과 암반분류 기준을 함께 쓴다. 기준값을 판정할 때는 다음 표를 쓴다.

표의 값은 사례와 경험식에 근거한 판정 기준이다. 실제 설계에서는 현장 암반 시험과 해석으로 보정한다. 개정 연혁은 설계기준 판본에 따라 달라지므로 현행 판본을 기준으로 적용한다.

강도비 1 미만 구간은 가축성 지보와 인버트 폐합을 우선 검토하며, 팽창압이 작은 경우에는 인버트 아치만으로도 충분하다. 지보 강성을 높이는 것만으로는 압출을 억제하기 어렵다.

(중략 없이 위 두 소제목만 쓴다.)

6. 유형과 비교

압출현상은 터널 굴착 후 주변 지반이 응력 재분배로 소성 변형을 일으키며 안쪽으로 밀려 나오는 현상으로, 발생 원인과 지반 특성에 따라 몇 가지 유형으로 나눌 수 있다. 유형별로 변형 메커니즘과 대책 방향이 다르므로 구분하여 이해해야 한다.