암반 초기 지중응력 측정

왜 배우는가: 초기지중응력은 터널·지하공동 설계에서 굴착 전 암반이 받고 있던 응력 상태의 출발점이다. 이 값을 잘못 잡으면 과지압, 스폴링, 록버스트 같은 시공 중 사고의 원인 분석과 지보 설계가 모두 틀어진다. 시험 문제에서 측정 원리, 정의, 계산이 반복해서 출제되는 이유다.

출제 이력: 제136회 2교시 6번, 제116회 1교시 12번, 제115회 4교시 5번, 제111회 4교시 2번, 제96회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

초기지중응력은 굴착이나 구조물 축조 이전에 자연상태 암반 내부에 작용하고 있던 응력으로, 자중에 의한 연직응력과 지각 구조에 의한 수평응력으로 구성된다.

핵심 키워드

• 초기지중응력(initial geostatic stress)
• 연직응력(vertical stress)
• 정지토압계수(coefficient of lateral earth pressure at rest, K0)
• 응력해방법(overcoring method)
• 수압파쇄법(hydraulic fracturing)
• 응력회복법(stress recovery method)
• 초기지압계수

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 땅속 암반은 원래 제 무게와 지각 운동 때문에 이미 눌려 있다. 터널을 파기 전의 이 상태가 초기지중응력이다.

정식 정의는 다음과 같다. 초기지중응력은 지표면 아래 임의 깊이에서 굴착 등 인위적 교란이 가해지기 전의 자연 응력 상태를 말한다. 응력은 보통 연직응력과 수평응력의 두 성분으로 나누어 다룬다.

연직응력은 상재 암석이나 흙의 무게로 생긴다. 깊이 z에서 단위중량이 일정하면 연직응력은 σv = γ·z로 구한다. 여기서 γ는 단위중량(kN/m³), z는 깊이(m)다. 연직응력은 깊이에 비례하여 증가한다.

수평응력은 연직응력에 측방 구속 효과가 더해져 결정된다. 수평응력과 연직응력의 비를 정지토압계수(K0)라 한다. 지반이 수평 방향으로 변위하지 않는 자연 상태에서 정의된 값이다. 암반에서는 지질 구조, 지각 응력, 지형에 따라 K0가 크게 달라진다. 따라서 초기지중응력 계수는 단순히 1 근처의 값으로 가정할 수 없고 반드시 측정이 필요하다.

초기응력계수는 수평응력과 연직응력의 관계를 나타내는 값이다. 측정으로 얻은 최대·최소 수평주응력을 깊이별 연직응력으로 나누어 계산하는 경우가 많다.

3. 등장 배경과 필요성

지하 공동을 굴착하면 그 주변 응력이 재분배된다. 이때 굴착 전 응력을 모르면 재분배 후 응력과 파괴 가능성을 계산할 수 없다. 실무에서는 대심도 터널, 지하 유류비축공동, 광산 심부 굴착에서 이 문제가 특히 크게 나타난다.

초기응력이 높은 암반에서는 굴착면 주변에서 과지압(overstress) 현상이 나타난다. 대표적으로 록버스트, 스폴링, 스퀴징이 있다. 이들은 시공 중이나 시공 직후에 큰 사고로 이어질 수 있어 사전 응력 파악이 필수다.

초기응력 측정이 필요해진 배경은 다음과 같다.

• 과거에는 토질 방식의 토압 개념을 암반에 그대로 적용했으나, 암반은 절리와 강성 차이 때문에 그 방식이 맞지 않았다.
• 응력 방향과 크기가 지역마다 다르므로 현장 측정으로 확인해야 한다.
• 측정값은 지보 설계, 발파 설계, 굴착 순서 결정에 직접 쓰인다.

초기응력 측정은 암반 물성 시험과 함께 설계 입력값을 확정하는 단계로 본다. 측정 결과가 불확실하면 굴착 중 계측으로 응력을 재확인한다.

4. 구성요소·원리·절차

초기지압 측정은 응력해방법, 응력회복법, 수압파쇄법으로 나뉜다. 세 방법 모두 암반에 작용하던 원래 응력을 시험공 주변에서 읽어 내는 구조다. 측정 장치와 측정값의 성격이 달라서 구성요소도 방법마다 다르다.