Research Article

The Journal of Engineering Geology. September 2021. 295-306
https://doi.org/10.9720/kseg.2021.3.295

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구 지역

  • 연구방법

  •   지하 공동과 암반의 변수설정

  •   철도 하중조건 설정

  •   공동 조건에 따른 침하량의 전산해석

  • 결과 및 고찰

  • 결 론

서 론

철도는 국가의 기반시설로서 물류수송과 국민의 교통수단으로서 중추적인 역할을 수행하고 있다. 따라서 기존에 개설된 철도시설 이외에 추가적인 철도의 건설이 지속적으로 추진되고 있다. 그러나 기존에 인지되지 못한 지하 공동의 존재에 따라 지반침하가 빈번히 발생하고, 이에 따라 추가적인 공사비와 사고 발생 시 큰 피해를 유발할 가능성이 존재하고 있다. 특히 많은 상하수도 및 지하시설이 존재하고, 지하로 시공이 되는 도시철도와 달리 지표에 시공되는 철도의 경우 도심지역 뿐 아니라 산지와 노지 등 다양한 환경을 반영하여 건설된다. 이러한 철도의 경우, 지하에 존재하는 공동은 지하수 및 지질학적 작용에 의해 발생하는 자연적인 공동과 과거 있었던 광산활동에 따른 광산 채굴적이 대부분을 차지한다. 이러한 공동들의 경우 지표에서 인지가 어렵고, 과거 광산활동의 경우 매우 오래전에 채광되어 채굴적의 존재 위치 및 규모에 대한 정보획득이 어렵다. 따라서 이러한 부분을 인지하지 못하고 철도가 시공될 경우 지반침하가 발생하여 사고의 위험이 매우 높다.

철도가 시공되기 위해서는 지반의 안정성평가가 필수적이며, 지하에 존재하는 공동의 규모와 암반의 조건에 따라 지반안정도가 변화한다. 지반의 안정성평가에 따라 지반에 대한 처리의 필요여부가 결정되며, 따라서 암반조건과 공동의 규모에 따른 지반안정도의 분석은 추후 철도시공에 있어 필수적인 정보를 제공할 수 있다. 기존의 철도지반과 관련된 연구를 살펴보면, 철도하중에 따른 지반거동 특성(Um et al., 2001; Choi et al., 2006; Kim, 2016; Likitlersuang et al., 2018), 도시철도 공동영향에 의한 노반 안정성 평가(Guerrero et al., 2008; Jeon et al., 2018), 철도건설 지반보강 및 안정화 기법(Gong, 2009; Lee, 2017; Zhao and Liu, 2018; Kim and Kim, 2019; Lazorenko et al., 2019) 등의 연구가 수행된 바 있는 반면, 지하공동의 조건과 암반특성에 따른 철도지반으로서의 안정성 평가는 이루어 진 바가 없다.

본 연구는 충청북도 충주시 앙성면 일대에 분포하는 마장광산의 갱도를 기본 자료로 활용하여 지하 공동의 조건을 채굴적의 위치, 규모 및 암반상태를 다양하게 설정하고, 각 조건에 대해 철도의 용도에 따른 지반안정성 평가를 전산해석을 통해 실시하였다. 이를 기반으로 지하공동 및 암반조건의 철도지반 안정성 임계치를 제시하고자 한다.

연구 지역

본 연구는 충청북도 충주시 앙성면에 마련리 일대에 위치한 마장광산의 공동과 암반 조건을 기본변수로 설정하여 지하공동과 암반조건에 따른 지반침하 영향을 고찰하고, 철도건설의 안정성을 확보하는 공동과 암반 조건의 임계치를 제시하고자 한다. 연구지역은 지리 좌표상으로 북위 37°5'~ 45°0', 동경 127°46'~ 11°4' 사이에 해당된다(Fig. 1). 마장광산 일대의 지질은 선캠브리아기의 편마암류와 이를 후기에 관입한 중생대 중기의 흑운모화강암과 암맥류로 구성된다(Fig. 1).

마장광산은 행정구역상으로는 충북 충주시 앙성면 마련리에 속하며 1938년 광업권이 설정된 후 수차례 걸쳐 이전되어 오다가 1978년 현 광업권자 외 1명이 인수하여 1979년까지 본격적인 탐광과 채광이 실시되었으며, 일 처리 7톤 규모의 선광장을 보유했던 광산이다. 마장광산은 주로 화강암내의 열극을 충전한 함중석 석영맥으로 광구내에는 수개 조의 평행맥들이 발달되어 있다. 맥들의 대체적인 주향 및 경사는 N20~50W, 70~85NE이고 맥폭은 0.2~0.7 m, 품위는 WO3 1.0~2.4%이다. 마장광산은 수갱을 개설하여 약 45 m 굴하하였고, 수갱 입구로부터 20 m 지점에 하1갱을 개설하여 연맥으로 약 200 m 정도 굴진하였다. 하1갱 하부에 하2갱이 개설되었으며, 1978년 시추 7개공 1,000 m 시공한 결과 모두 착맥되었음이 확인되었다(Korea Resources Corporation, 1980). 또한 연구지역에 대해 시추를 해 본 결과 2갱의 위치는 1갱의 하부 5~10 m에 위치하며, 2갱의 하부에 채굴적이 발견되어 3갱의 위치는 지표로부터 약 50 m로 사료되며 이를 바탕으로 지하공동의 변수를 선정하였다(Fig. 2).

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Fig. 1.

Geological map of the study area (Park and Yeo, 1971).

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Fig. 2.

Plane and profile maps of mine shafts in the study area (Korea Resources Corporation, 1980).

연구방법

본 연구는 지하공동과 암반의 조건에 따른 철도건설의 안정성평가를 위해 마장광산의 갱도 및 채굴적 분포를 기본 조건으로 하고, 채굴적의 규모와 암반상태를 다양한 조건으로 설정하여 철도의 용도에 따른 지하공동의 안정성 분석을 실시하였다. 제시된 변수를 바탕으로, 각 조건에 대해 MIDAS-GTS 유한요소법(Finite Element Method)을 이용하여 철도의 용도에 따른 지반안정성과 공동과 암반의 안전성 분석을 실시하였다. 본 프로그램은 유한요소법을 기본 이론으로 하여 2차원 또는 3차원의 연속체를 해석하고, 단계별 해석, 내진해석, 침투해석 등의 다양한 해석유형을 제공한다. 본 연구는 토사 및 암반의 거동특성을 비교적 잘 표현할 수 있는 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb모델을 적용하여 각 조건에 따른 지반침하를 모사하였다.

지하 공동과 암반의 변수설정

한반도에는 1만 577개의 등록광구가 있으며, 이중 66.6%에 달하는 7,023개소에 금-은 광상이 분포하는 것으로 알려져 있다(Korea Institute of Energy Research, 1982). 그러나 현재 대부분의 금-은 광상이 휴, 폐광 중이며 극히 일부 광상만이 가행되고 있다. 한국의 금-은 광상은 성인적으로 대부분 화성광상에 해당된다. 남한의 금-은광상은 주로 취라기 대보화강암 및 백악기 불국사화강암과 관련되어 형성된 것으로 모암의 분포는 화강암류와 화강편마암이 70% 이상을 차지한다(Kim, 1970, 1986; Son and Cheong, 1971; Shin, 1974; Kim and Hwang, 1986). 따라서 본 연구는 화강암과 편마암 그리고 이들 암석의 풍화도 및 경도를 기준으로 수치모델링의 암반조건을 설정하였다.

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Fig. 3.

Schematic diagram of cavity, mine shaft, and rock conditions for land subsidence simulation based on data from Majang mine. (a) Mine shaft only condition. (b) Mine shaft and cavity above level 2 shaft condition. (c) Mine shaft, level 2 cavity, and cavity above level 1 shaft condition at various magnitudes.

대한광업진흥공사 한국의 광상 제5호와 광상 시추조사보고에 따르면 국내 금-은 광상은 대부분 열극충전형 함금석영맥으로 구성된다(Lee et al., 2007). 이들 맥들의 일반적인 주향과 경사를 검토해 볼 때 맥폭은 0.2~4 m 정도이고 채광은 2~3 m인 것으로 확인되었으며, 대부분 1편 갱도는 지표 하 20 m 내외에서 개설되었다(Korea Resources Corporation, 1987). 따라서 지하 공동 변수의 설정에 있어 갱도의 분포는 마장광산의 분포를 대상으로 지하 20 m에 1갱, 하부 5 m에 2갱, 2갱의 하부 25 m에 3갱이 분포하는 것으로 설정하였으며, 채굴적의 규모는 최소 2 m를 기준으로 확대하여 1갱 상부의 지표로 2 m 간격으로 확대하여 다양한 규모의 공동을 설정하여 철도건설에 따른 공동규모에 따른 지반침하 모델링을 실시하였다. 그러나 3갱 상부에 존재하는 채굴적은 심도가 깊고 주변이 암반으로 구성되어 지반침하여 영향이 없다. 따라서 본 연구는 갱도만 존재하는 경우(Fig. 3a), 2갱 상부에만 채굴적이 존재하는 경우(Fig. 3b), 2갱 상부의 채굴적과 1갱 상부에 채굴적의 규모가 2, 4, 6, 8 m인 경우(Fig. 3c)와 각 규모에 따라 파쇄가 없는 암반, 일부파쇄 암반, 파쇄암반의 조건을 전산해석의 변수로 설정하였다(Fig. 3).

철도 하중조건 설정

기존 광산활동의 특성을 반영하여 설정한 지하 공동과 암반의 조건에 대해 철도 하중에 따른 지반침하영향을 전산해석으로 분석하기 위해 철도의 하중 조건을 철도시설공단이 제시한 설계기준 노반편(Korea Rail Network Authority, 2017)에 명시되어 있는 표준열차하중을 적용하였다. 표준열차 하중은 다시 여객, 화물 혼용 구간과 여객전용선으로 구분된다. KRL-2012 표준열차하중도에 따르면 혼용철도 구간의 하중은 80 kN/m, 여객전용구간의 하중은 혼용철도 구간 하중의 75%에 해당되는 60 kN/m로 제시되었다(Fig. 4). 따라서 본 연구는 광산활동에 기인한 공동의 암반 조건과 규모에 상기의 하중을 적용하여 침하량을 전산해석하였다.

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Fig. 4.

Railway load conditions (KRL-2012) used in this study: (a) both passenger and freight trains and (b) passenger trains only.

주어진 조건에 대한 침하량의 적정성 판단은 철도설계기준 노반편(Korea Rail Network Authority, 2015)과 선로유지관리지침(Korea National Railway, 2016)을 따라 설정하였다. 철도설계기준에 따른 국내 콘크리트궤도의 허용잔류 침하량은 25 mm를 넘지 않는 것을 조건으로 한다. 또한 선로유지관리지침에 따르면, 열차의 속도가 160 km/hr 초과 또는 230 km/hr 이하일 경우 선로의 뒤틀림이 9 mm 이상일 경우 1개월 내에 보수를 하는 것을 지침으로 한다. 따라서 본 연구는 설정된 지하공동의 조건에 열차의 하중조건을 적용하여 침하량을 계산하고 각 조건의 침하량에 따른 철도지반적정성 평가를 위의 기준을 바탕으로 실시하였다.

공동 조건에 따른 침하량의 전산해석

본 연구는 설정된 지하공동의 규모 및 암반의 상태에 따른 철도하중에 대한 지반안정성을 분석하기 위해 전산해석을 실시하였다. 수치해석방법은 크게 지반을 연속체로 가정한 접근방법과 불연속체로 가정한 접근방법 및 이 두 가지 모델을 조합한 방법 등으로 구분할 수 있으며, 본 연구는 MIDAS-GTS프로그램을 사용하였다. 본 프로그램은 유한요소법(Finite Element Method)을 기본 이론으로 하여 2차원 또는 3차원의 연속체를 해석하는 프로그램으로 단계별해석, 내진해석, 침투해석 등의 다양한 해석유형을 제공하는 범용성을 가지고 있다.

지반의 역학적 특성인 응력-변형 관계를 나타내는 구성모델에는 탄성모델, 탄소성 모델, 점탄성 및 점탄소성 모델 등이 있는데 본 해석에서는 토사 및 암반의 거동특성을 비교적 잘 표현할 수 있는 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb 모델을 적용하여 해석하였다. 수치해석에서 해석영역의 크기는 공동의 형상, 크기, 지질 및 초기응력 상태 등에 의존하는데, 사전해석 단계를 거쳐 채굴적 붕락에 따른 영향이 미치지 않는 영역을 대상으로 전산해석을 실시하였다.

지반안정성 평가를 위한 전산해석은 지반의 단위중량, 변형계수, 포아송비, 점착력 및 내부마찰각 등 물성치를 설계정수로 활용하며, 지층을 토사층, 풍화암층, 연암층으로 구분하여 산정하였다. 또한 설계정수 설정 시 경험식과 문헌자료, 기존 시험 결과들을 종합적으로 비교, 분석하여 가장 합리적인 설정계수를 설정하고자 하였다(Table 1). 토사층의 단위중량, 점착력 및 내부마찰각의 경우 도로설계요령(Korea Expressway Corporation, 1996a)과 기존 시험 결과에 근거하여 설정계수를 산정하였으며, 변형계수와 포아송비의 경우 Braja M. Das 경험식에 의거하여 설정계수를 산정하였다(Korea Authority of Land and Infrastructure Safety, 2006). 풍화암층의 경우 단위중량, 변형계수, 포아송비 및 내부마찰각의 설정계수는 서울시지반조사편람(Seoul Metropolitan City, 1996)을 기본으로 산정하였다. 풍화암층의 변형계수와 포아송비 설정계수 산정에는 Korea Authority of Land and Infrastructure Safety(2006) 경험식을 함께 고려하였으며, 점착력 설정계수 산정에는 Ohsaki에 의해 제시된 경험식을 참고하였다(Kwon et al., 2010). 연암층의 경우 일반 연암, 일부 파쇄 연암, 파쇄 연암에 대하여 각각 설정계수를 다르게 산정하였으나, 단위중량, 포아송비 및 내부마찰각의 경우 모두 서울시지반조사편람(Seoul Metropolitan City, 1996)에 근거하여 설정계수를 설정하였다. 일반 연암 및 일부 파쇄 연암층의 변형계수는 Civil Engineering Research Society(2003)에서 제시한 값을 사용하였으며, 점착력은 Korea Expressway Corporation(1996b)에 근거하여 설정계수를 설정하였다. 파쇄 연암층의 경우 변형계수는 Seoul Metropolitan City(1996)에서 제시된 값을 사용하였으며, 점착력은 Ohsaki에 의해 제시된 경험식을 참고하여 설정계수를 선정하였다(Kwon et al., 2010).

Table 1.

Physical parameters of base rock materials used for land subsidence simulation

Type of material Unit weight
(kN/m3)
Modulus of deformation
(MPa)
Poisson’s
ratio
Cohesion
(kPa)
Friction angle
(°)
Soil 18 40 0.35 5 25
Weathered rock 20 150 0.33 20 30
Soft rock 23 800 0.28 100 36
Soft rock (partially fractured) 23 400 0.30 60 35
Soft rock (fractured) 23 200 0.32 30 33
Cavity 17 10 0.35 5 25

결과 및 고찰

채굴적에 따른 공동이 존재하지 않고 갱도만 존재할 경우를 대상으로 전산해석을 실시한 결과, 여객 화물 혼용선의 열차하중에 따른 지반침하는 연암일 경우 5.98 mm, 일부 파쇄연암의 경우 6.87 mm, 파쇄연암의 경우 7.63 mm가 발생하는 것으로 나타났다(Fig. 5). 상대적으로 하중의 조건이 낮은 여객전용 하중조건의 경우, 침하량이 연암 4.74 mm, 일부 파쇄연암 5.32 mm, 파쇄연암 6.28 mm로 혼용선의 하중 조건에 비해 지반침하량이 상대적으로 혼용선 대비 약 80% 내외의 침하량을 보인다(Fig. 6).

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Fig. 5.

Land subsidence simulation results when loads from both passenger and freight trains are applied to various base rock and cavity conditions.

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Fig. 6.

Land subsidence simulation results when loads from passenger trains only are applied to various base rock and cavity conditions.

채굴적이 2갱 상부에만 존재하는 경우 여객화물 혼용선의 열차하중에 따른 지반침하는 연암 7.65 mm, 일부파쇄 연암 9.03 mm, 파쇄연암 10.96 mm로 갱도만 존재하는 경우보다 높은 침하율을 보이며, 이는 여객전용 하중조건에서도 유사한 양상으로 6.83 mm에서 8.92 mm의 침하율 범위를 보인다(Figs. 5 and 6).

2갱 상부와 1갱 상부에 모두 채굴적이 존재하는 경우 침하량은 급격하게 증가하는 양상을 보인다. 1갱 상부에 2 m의 채굴적이 있는 경우 혼용선에서는 연암 10.64 mm, 일부파쇄연암 12.06 mm, 파쇄연암 14.02 mm에서 8 m 채굴적이 있는 경우 연암 23.10 mm, 일부파쇄연암 24.45 mm, 파쇄연암 26.78 mm로 두 배 이상의 침하량을 보인다. 1갱 상부 전체가 채굴적인 경우는 연암 51.74 mm, 일부파쇄연암 52.04 mm, 파쇄연암 52.21 mm로 암반조건에 상관없이 침하가 극심하게 발생하는 것으로 나타났다(Fig. 5). 여객전용 하중 조건의 경우, 2 m의 채굴적에서 연암 7.92 mm, 일부파쇄연암 8.97 mm, 파쇄연암 10.43 mm, 8 m 채굴적에서 연암 13.40 mm, 일부파쇄연암 15.81 mm, 파쇄연암 18.06 mm로 두 배 가까운 침하량의 증가양상이 보인다. 1갱 상부 전체가 채굴적인 경우는 연암 38.00 mm, 일부파쇄연암 38.52 mm, 파쇄연암 38.73 mm로 암반조건에 상관없이 침하량의 급격한 증가가 관찰된다(Fig. 6).

이들 공동의 규모를 지표로부터 공동의 심도와 암반조건에 따라 분류하고 침하량의 변화양상을 분석하였다. 1갱 상부 전체가 채굴적일 경우 공동의 심도는 2 m이고, 채굴적의 규모가 8 m에서 2 m로 줄어듦에 따라 공동의 심도는 11 m까지 깊어진다. 2갱의 채굴적만 있는 경우 공동의 심도는 15 m, 갱도만 있는 경우 심도 20 m로 설정하였다(Fig. 7). 분석결과, 갱도만 존재하는 경우는 지반의 침하량이 모든 암반에서 뒤틀림보수기준 9 mm 미만으로 발생하여, 모든 종류의 열차하중에 적정한 침하량을 보인다. 따라서 철도용도의 지반침하에 영향을 주는 광산활동은 채굴적에 의한 공동의 발달이 아닌 경우 상대적으로 영향이 미미한 것으로 사료된다. 그러나 지하 15 m에 채굴적이 존재하는 경우 표준열차하중 침하허용범위를 넘지 않는 침하가 발생하나, 암반의 상태에 따라 뒤틀림보수기준을 만족하지 못하는 경우가 발생한다. 연암암반의 경우 모든 하중조건에서 9 mm 이하의 침하가 발생하나, 약간파쇄연암 및 파쇄연암에서는 표준열차하중이 적용되었을 때 9 mm 이상의 침하가 발생하여 뒤틀림보수가 필요한 것으로 나타났다(Fig. 7).

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Fig. 7.

Assessment of land subsidence by cavity depth from surface and base rock conditions compared with the standards for subsidence allowance (Korea Rail Network Authority, 2017) and railway warping repair (Korea National Railway, 2016).

1갱위에 다양한 규모의 채굴적이 존재하는 경우, 채굴적의 규모에 따라 침하량이 노반의 침하허용범위와 뒤틀림보수기준을 만족하는 조건이 변화한다. 2 m 규모의 공동이 존재하는 11 m 공동심도에서 연암과 약간파쇄연암의 암반조건 하에 여객전용하중이 적용되었을 때 침하허용범위와 뒤틀림보수기준을 만족하나, 그 외의 경우에서는 뒤틀림보수 기준을 만족하지 못하였다(Fig. 7). 채굴적의 규모가 4 m일 경우 연암암반의 여객하중조건만 뒤틀림보수기준을 만족하고 나머지는 모두 뒤틀림보수 기준을 만족하지 못하였으나 침하량이 노반의 침하허용범위보다는 낮았다. 채굴적의 규모가 6 m 이상일 경우 침하량이 모든 하중과 암반조건에서 뒤틀림보수기준을 만족하지 못하였다. 채굴적의 규모가 8 m일 경우 암반조건이 파쇄연암이면 표준열차하중 조건에서 노반의 침하허용범위를 초과하는 침하가 발생한다. 1갱 상부 전체가 채굴적인 경우에는 침하량의 급격한 증가가 발생하여 모든 조건에서 노반의 침하허용 범위를 만족하지 못하였다(Table 2).

Table 2.

Summary of land subsidence simulation results and satisfaction assessment of stability

Cavity status Depth form
surface
Load conditions Upper rock status Subsidence Satisfaction of
criteria
Mine shaft only 20 m Load of railway condition for
passenger train/freight train
combined railway (80 kN/m)
Soft rock 5.98 mm
Partially fractured soft rock 6.87 mm
Fractured soft rock 7.63 mm
Load of railway condition for
passenger train only railway
(60 kN/m)
Soft rock 4.74 mm
Partially fractured soft rock 5.32 mm
Fractured soft rock 6.28 mm
Mine shaft and
cavity above level 2
15 m Load of railway condition for
passenger train/freight train
combined railway (80 kN/m)
Soft rock 7.65 mm
Partially fractured soft rock 9.03 mm
Fractured soft rock 10.96 mm
Load of railway condition for
passenger train only railway
(60 kN/m)
Soft rock 6.83 mm
Partially fractured soft rock 7.72 mm
Fractured soft rock 8.92 mm
Mine shaft and
cavity, and cavity
above level 1 shaft
(cavity size: 2 m)
11 m Load of railway condition for
passenger train/freight train
combined railway (80 kN/m)
Soft rock 10.64 mm
Partially fractured soft rock 12.06 mm
Fractured soft rock 14.02 mm
Load of railway condition for
passenger train only railway
(60 kN/m)
Soft rock 7.92 mm
Partially fractured soft rock 8.97 mm
Fractured soft rock 10.43 mm
Mine shaft and
cavity, and cavity
above level 1 shaft
(cavity size: 4 m)
9 m Load of railway condition for
passenger train/freight train
combined railway (80 kN/m)
Soft rock 11.84 mm
Partially fractured soft rock 13.72 mm
Fractured soft rock 16.21 mm
Load of railway condition for
passenger train only railway
(60 kN/m)
Soft rock 8.81 mm
Partially fractured soft rock 10.15 mm
Fractured soft rock 12.00 mm
Mine shaft and
cavity, and cavity
above level 1 shaft
(cavity size: 6 m)
7 m Load of railway condition for
passenger train/freight train
combined railway (80 kN/m)
Soft rock 14.31 mm
Partially fractured soft rock 16.80 mm
Fractured soft rock 19.87 mm
Load of railway condition for
passenger train only railway
(60 kN/m)
Soft rock 10.56 mm
Partially fractured soft rock 12.33 mm
Fractured soft rock 14.65 mm
Mine shaft and
cavity, and cavity
above level 1 shaft
(cavity size: 8 m)
5 m Load of railway condition for
passenger train/freight train
combined railway (80 kN/m)
Soft rock 23.10 mm
Partially fractured soft rock 24.45 mm
Fractured soft rock 26.78 mm
Load of railway condition for
passenger train only railway
(60 kN/m)
Soft rock 13.40 mm
Partially fractured soft rock 15.81 mm
Fractured soft rock 18.06 mm
Mine shaft and
cavity, and cavity
above level 1 shaft
(cavity size: 11 m)
2 m Load of railway condition for
passenger train/freight train
combined railway (80 kN/m)
Soft rock 51.74 mm
Partially fractured soft rock 52.04 mm
Fractured soft rock 52.21 mm
Load of railway condition for
passenger train only railway
(60 kN/m)
Soft rock 38.00 mm
Partially fractured soft rock 38.52 mm
Fractured soft rock 38.73 mm

이를 종합해보면 채굴적의 규모 및 위치가 지표에 가까울수록 침하의 발생이 노반 침하허용 범위에 가까워지며 뒤틀림 보수기준에는 심도 15 m 이하의 공동일 경우 암반상태를 고려하여 지반보강 설계가 이루어져야 할 것으로 보인다. 노반의 침하허용 범위만 고려할 경우 심도 5 m 이하의 공동에서 암반상태가 고려되어야 한다. 이는 공동의 규모와 암반조건에 따른 침하량이 체계적으로 변화함을 지시하며, 이러한 연구결과는 기존에 제시된 바가 없는 자료이다. 도심철도의 공동분포를 대상으로 한 연구에서도 공동의 규모가 중요한 역할을 하는 것으로 분석되었으며, 철도와의 이격 거리도 지반침하의 중요한 요소로 제시된 바 있다(Jeon et al., 2018). 본 연구는 하나의 사례를 기준으로 다양한 암반조건과 공동의 규모에 열차하중을 공동 상부에 위치시켜 안정성 평가를 실시한 것으로, 철도와 공동과의 이격 거리에 따른 지반 침하 안정성 평가는 추가적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다. 그러나 기존연구에서는 본 연구와 같은 다양한 암반조건과 공동의 조건에 따른 철도지반의 침하량을 고찰한 바가 없어, 본 연구는 추후 철도건설이 광산지역에서 이루어질 경우 중요한 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

결 론

본 연구는 마장광산의 갱도를 기본 자료로 활용하여 지하 공동의 조건을 채굴적의 위치, 규모 및 암반상태를 다양하게 설정하고, 표준열차하중 조건 중 여객, 화물 혼용 구간과 여객전용선 용도에 따른 지반안정성 평가를 전산해석을 통해 실시하였다. 기존 한국에 분포하는 광산들의 특징을 미루어볼 때 대부분 1편 갱도는 지표 하 20 m 내외에서 개설되으며, 채굴폭은 평균적으로 3 m 정도이다. 본 연구에서는 지하 20 m, 25 m, 50 m에 갱도를 설정하고 각 갱도위에 채굴적이 분포하는 경우와 지표 부근 채굴적의 규모를 0, 2, 4, 6, 8 m인 경우로 공동의 규보를 설정하고, 암반 조건을 파쇄가 없는 연암, 일부파쇄 연암, 파쇄연암으로 설정하여 MIDAS-GTS프로그램을 통해 지반안정성을 평가하였다. 안정성 평가는 철도설계기준 노반편에 따른 허용잔류 침하량과 선로유지관리지침 뒤틀림 보수조건을 기준으로 실시되었다.

그 결과, 채굴적에 따른 공동이 존재하지 않고 갱도만 존재할 경우, 혼용선의 열차하중에 따른 침하가 여객전용 열차하중에 비해 높은 침하량을 보이지만, 모든 암반조건에서 안정성기준을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 철도용도의 지반침하에 영향을 주는 광산활동은 채굴적에 의한 공동의 발달이 아닌 경우 상대적으로 영향이 미미한 것으로 사료된다. 그러나 지하 15 m에 채굴적이 존재하는 경우 침하허용범위를 넘지 않는 침하가 발생하나, 약간파쇄연암 및 파쇄연암에서는 표준열차하중이 적용되었을 때 뒤틀림보수가 필요한 것으로 나타났다. 1갱위에 다양한 규모의 채굴적이 존재하는 경우, 채굴적의 규모에 따라 침하량이 노반의 침하허용범위와 뒤틀림보수기준을 만족하는 조건이 변화한다. 11 m 공동심도에서 연암과 약간파쇄연암의 암반조건 하에 여객전용하중이 적용되었을 때 침하량이 침하허용범위와 뒤틀림보수기준을 만족하나, 그 외의 경우에서는 뒤틀림보수 기준을 만족하지 못하였다. 채굴적의 규모가 4 m일 경우 연암암반의 여객하중조건만 뒤틀림보수기준을 만족하고 나머지는 모두 뒤틀림보수 기준을 만족하지 못하였으나 침하량이 노반의 침하허용범위보다는 낮았다. 채굴적의 규모가 6 m 이상일 경우 침하량이 모든 하중과 암반조건에서 뒤틀림보수기준을 만족하지 못하였다. 채굴적의 규모가 8 m일 경우 암반조건이 파쇄연암이면 표준열차하중 조건에서 노반의 침하허용범위를 초과하는 침하가 발생한다. 1갱 상부 전체가 채굴적인 경우에는 침하량의 급격한 증가가 발생하여 모든 조건에서 노반의 침하허용 범위를 만족하지 못하였다.

종합해보면 채굴적의 규모 및 위치가 지표에 가까울수록 침하의 발생이 노반 침하허용 범위에 가까워지며 뒤틀림 보수기준에는 심도 15 m 이하의 공동일 경우 암반상태를 고려하여 지반보강 설계가 이루어져야 할 것으로 보인다. 노반의 침하허용 범위만 고려할 경우 심도 5 m 이하의 공동에서 암반상태가 고려되어야 한다. 이는 공동의 규모와 암반조건에 따른 침하량이 체계적으로 변화함을 지시한다.

본 연구는 하나의 사례를 기준으로 다양한 암반조건과 공동의 규모에 열차하중을 공동 상부에 위치시켜 안정성 평가를 실시한 것으로, 철도와 공동과의 이격 거리에 따른 지반 침하 안정성 평가는 추가적으로 이루어져야 할 것으로 사료된다. 그러나 기존연구에서는 본 연구와 같은 다양한 암반조건과 공동의 조건에 따른 철도지반의 침하량을 고찰한 바가 없어, 본 연구는 추후 철도건설이 광산지역에서 이루어질 경우 중요한 참고자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

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