Research Article

The Journal of Engineering Geology. March 2020. 71-84
https://doi.org/10.9720/kseg.2020.1.071


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 연구지역 지질 개요

  • 비탈면 특성

  • 안정성해석

  •   평사투영을 통한 안정성 검토

  • 대책공법 선정

  • 토의 및 결론

서 론

국가의 경쟁력을 강화하고 국민생활의 질적 향상을 위해서 지속적으로 도로를 개설하고, 기존의 도로환경을 개선시키는 업무는 국가적으로 매우 중요한 프로젝트의 하나라고 할 수 있다. 특히 도로 건설시 산지를 절개하여 공사가 진행될 경우, 비탈면이 필연적으로 발생하며, 위험비탈면에 대해서는 도로를 개통하기 전에 안정성을 확보하는 것이 무엇보다 중요하다.

강원도 지역의 국도 31호선 신설도로공사와 관련하여, “영월-방림(1) 도로건설공사”구간 내에서 잦은 낙석이 발생하는 위험한 비탈면(강원도 영월군 방림면 일원, 이하 방림 지구)이 형성되었다. 방림 지구는 뱃재터널 입구부에 위치하며, 비탈면에서 붕괴가 발생될 경우 터널을 통과한 차량에 피해를 유발시킬 수 있는 상황으로서, 개통 전에 충분한 안정성 확보 노력이 강구되어야 할 상황이었다. 당시에 공사 관련자는 비탈면의 안정성에 초점을 둔 계획 마련에만 관심을 둔 상황이었으나, 방림 지구 내에서 지질학적으로 보기 어려운 거대 횡와습곡 노두가 확인됨에 따라 이에 대한 보존 가치도 함께 고려해야 하는 상황이었다.

횡와습곡(recumbent fold)은 습곡축면이 거의 수평으로 높인 습곡구조로서 외견상 지층은 거의 수평으로 놓여 있으나 한쪽 날개의 지층이 완전히 역전되어 있는 것이 특징이다. 우리나라에서는 횡와습곡에 대한 연구가 활발하지 않았다. Kihm and Hwang(2009)은 강원도 양구군 방산면에서 발견된 방산배사를 대상으로 한 연구에서 첫 번째 변형작용과 두 번째 변형작용의 결과로 횡와습곡이 형성되었음을 언급한 바 있다. 그러나 이 연구에서는 배사의 형태와 특징의 공간적인 분포와 방향성을 통한 구조횡단분석에서 이 결과를 도출한 것이었으며, 야외에서 직접 관찰한 횡와습곡의 크기는 크지 않은 편이었다. Kang et al.(2004)은 영양-울진 지역의 선캄브리아기 변성암류의 연구를 통해 수평적인 습곡축과 저각의 습곡축면을 갖는 동-서 방향의 횡와습곡의 존재를 밝혀냈으나 대규모 노두 형태로 노출되는 횡와습곡은 없었다. Kang et al.(2012)은 중부 옥천대의 지구조 발달과정 연구를 통해 전기~후기 쥐라기 동안에 북북동 방향의 우수 주향-이동성 호남전단운동의 횡압축응력 지구조환경하에서 발생하여 옥천누층군에 비대칭 파랑습곡과 조선 및 평안누층군에 북북동 방향의 횡와습곡과 후기 트라이아기 이전의 지층군이 대동층군의 상부로 충상하는 동남동-버젼스의 충상단층을 형성시켰음을 언급하였으며 경북 문경 부운령 지역에서 횡와습곡이 확인됨을 설명한 바 있다. 상기 연구를 통해 확인된 횡와습곡은 지질구조의 분석 및 소규모로 노출된 지점에서 국부적으로 확인된 것으로 횡와습곡을 대상으로 한 심층적인 연구에 제한이 있는 상황이었다.

이번에 발견된 횡와습곡은 연장 250 m 이상, 높이 40 m에 달하는 대규모 암반비탈면에서 확인된 지질구조로서 횡와습곡과 함께 소규모 칼집습곡, 방해석 광맥군, 충상단층, 킹크습곡 등 여러 지질구조가 동시에 나타나고 있어 지질유산으로서의 보존가치가 매우 높다고 할 수 있다(Cheon et al., 2019). Cheon et al.(2019)은 뱃재터널 입구부 횡와습곡에 대하여 상세한 야외조사를 통한 기술, 습곡축과 양쪽 날개에 대한 상세한 방향 분석, 방해석 광맥군에 대한 특성 및 분석 등을 통해, 노두가 노출되는 평창군 방림면 일대가 한반도의 중요한 지구조구인 옥천대 북서부에 해당되고 고생대말-트라이아스기 동안 남중국지괴와 북중국 지괴의 충돌 경계부에 해당됨(Kim et al., 1985; Lee et al., 1985; Yun et al., 1986; Ryoo, 1995, Ryoo, 1997, Ryoo, 2008; Kim et al., 1997; Chough et al., 2010; Kim, 2012; Kim and Ree, 2013)을 보다 명확하게 보여주는 중요한 증거라고 표현하고 있다.

방림 지구의 횡와습곡은 수백 m 규모의 대규모 횡와습곡으로서 지질학적 보존가치가 매우 높다. 뛰어난 경관과 지구과학적 특징 그리고 학술적 가치를 지닌 지역을 보호함과 동시에 교육과 관광 사업으로 활용하기 위하여 지질공원(geopark) 또는 지질유산(geoheritage)으로서 보존하기 위한 다양한 노력들이 있어 왔다(Kang et al., 2014; Ju and Woo, 2016; Kim and Lim, 2016). 지질공원으로 지정이 되면, 주민들이 참여하는 교육 관광을 시행하고 관광 활성화를 추구하여 지역발전 및 지역 주민의 소득을 증가시키는 효과가 높아져 그 지역의 가치를 널리 알리는 것이 가능해진다(Woo, 2014). 국가지질공원은 환경부장관이 인증한 공원으로서 현재 우리나라의 경우, 백령-대청 국가지질공원, 한탄강 국가지질공원, 강원평화지역 국가지질공원, 강원고생대 국가지질공원, 전북서해안권 국가지질공원, 진안-무주 국가지질공원, 무등산권 국가지질공원, 경북동해안 국가지질공원, 울릉도-독도 국가지질공원, 청송 국가지질공원, 부산 국가기질공원 그리고 제주도 국가지질공원 등 총12개소의 국가지질공원이 지정되어 있다(National Geopark of Korea, 2020). 이번에 발견된 횡와습곡은 지역적으로 강원고생대 국가지질공원에 포함될 수 있는데, 현재 이 지역은 강원고생대 국가지질공원의 21개 지질명소에서 빠져 있는 상황이다. 따라서 이에 대한 추가적인 지정 절차가 필요하다고 할 수 있다.

방림 지구는 지질학적 가치가 매우 높은 비탈면이기는 하지만, 횡와습곡 및 이에 수반된 다양한 구조지질학적 미세구조 등이 발견되고, 소규모 단층 및 단층파쇄대가 곳곳에서 확인됨에 따라 “지질학적 약대”의 영향 및 터널 출구부에 위치하는 지리학적 문제점 등으로 지질공학적인 측면에서는 그 위험성이 높은 현장이라고 할 수 있다. 따라서 비탈면의 안정성을 확보할 수 있는 적절한 대책공법의 적용이 불가피한 상황이었다. 이를 위해 본 연구에서는 현황도 작성, 상세 정밀조사, 드론 촬영, 현장시험 등을 수행하고, 이를 토대로 위험 발생 원인을 정확히 규명하고, 안정해석 등을 실시하였다. 또한, 안정적이고 체계적인 위험비탈면 관리 방안을 모색하기 위하여 효율성, 시공성, 친환경적 측면 등을 종합적으로 고려한 적정 대책공법(안)을 제안하는 데 본 연구의 최종 목적이 있었으며, 특히 방림 지구의 지질학적 가치를 보존하기 위한 방법을 함께 강구하기 위한 노력을 수행하였다.

연구지역 지질 개요

강원도 평창군 방림면 방림리 일원은 한반도의 중요한 지구조선인 “옥천대”에 해당되는 지역으로서, 특히 이 지역은 과거 지질시대 동안 남중국 지괴와 북중국 지괴의 대규모 충돌이 있었던 지역으로 보고되어 있는 곳이다. 이 지역은 고생대 페름기-트라이아스기 시기 동안 남중국지괴와 북중국지괴의 대규모 충돌이 있었을 뿐만 아니라, 수차례의 변형작용을 받아 지각이 형성된 것으로 알려져 왔다. 방림 지구의 구성암석은 캄브로-오르도비스기의 조성누춘군에 해당되며, 이는 강원도 삼척, 태백, 영월, 정선 등 태백산 지역에 넓게 분포하며 충북 단양과 경북 문경의 일부 지역에서도 확인되는 암석이다(Cheon et al., 2019). 평창군 일대에 분포하는 평창형 조선누층군은 변성작용을 심하게 받고 화석이 산출되지 않은 지층으로 알려져 있으며, 복잡한 지질구조와 과거 좋은 노두의 노출이 없는 이유로 층서의 정립, 구조지질학적 분석에 어려움이 있는 지층군에 해당된다. 이번에 방림 지구에서 새롭게 발견된 현장의 경우, 과거에 보고되지 않았던 다양한 지질학적 특징의 관찰이 가능하며, 지질학적으로 매우 가치 있는 현장으로 판단되며, 최근에야 이에 대한 구조지질학적 분석이 Cheon et al.(2019)에 의해 이루어졌다. 상기 연구에 의하면 연구지역 일원은 장산층, 모봉층, 정선석회암이 분포하고 있고, 횡와습곡이 관찰되는 대상지층은 정선석회암에 해당되는 것으로 분류하였다. 정선석회암은 평창강의 동쪽 하안을 따라 나타나는 것이 특징으로 평창강 동측의 정선석회암층은 평창강 서측까지 연속하여 분포되며, 전반적으로 습곡의 형태를 띠는 것이 특징이다. 방림 지구에서 발견되는 횡와습곡의 머리는 북쪽으로 향하며, 상부가 북쪽으로 이동하는 S-형의 비대칭 습곡을 상부 날개에서 확인할 수 있다. 습곡의 중앙부와 후면부에서는 신장성구조를 확인할 수 있는데 이는 대부분 저각의 경사를 가지며 남쪽으로 침강하는 특징을 보이고 있다. 비탈면의 좌측부에는 수십 cm 또는 최대 1 m 이상의 두께를 가지며 엽층이 발달하는 석회질 셰일층이 관찰된다. 이들 셰일층에는 방해석 광맥들이 집중적으로 확인되고 있으며, 방해석 광맥의 경우 습곡측 지층면을 따라 주입된 것과 동서 주향을 가지며 고각으로 지층을 절단하는 광맥군으로 구분 가능하다. Cheon et al.(2019)은 횡와습곡의 형태와 방해석 광맥들의 주입형태를 분석하여 본 현장의 횡와습곡이 대형 칼집습곡의 한 단면일 가능성을 설명하였다. 즉 습곡의 머리로 갈수록 하부 날개의 층리면 자세서 동에서 동남동 방향으로 회전하면서 경사가 증가하는 이유로 횡와습곡이 북쪽으로 향하는 강력한 전단력에 의해 만들어진 칼집습곡일 가능성이 높다고 판단하였다.

“횡와습곡”의 존재와 그 지질학적 분석결과는, 고생대말-트라이아스기의 송림조산운동동안 태백산 일대에서 동서 방향과 남북 방향의 압축응력이 작동하였음을 의미하는 것으로 이러한 대규모 응력을 유발한 지구조 사건은 당시 북중국-남중국 지외의 충돌을 시사할 뿐만 아니라 당시 유라시아 동부에 분포하는 소규모 지괴들의 봉합과 관련된 것이다(Cheon et al., 2019).

방림 지구에서 확인되는 횡와습곡과 다양한 지질학적 증거들은 고생대 시기의 중요한 지질학적 특성을 밝히는데 매우 중요한 것들이라고 할 수 있다. 그렇기 때문에 연구자와 국민들을 위하여 이 가치를 보존하는 노력이 필요하다고 할 수 있다. 하지만 비탈면에서 확인되는 반복적인 낙석과 그 붕괴 가능성으로 인한 도로이용자의 불편함도 해결할 필요가 있기 때문에 비탈면의 안정화를 위한 대책공법의 선정에 있어 “안전”과 동시에 “지질학적 보존 가치”를 함께 도모할 수 있는 접근이 필요하였다.

비탈면 특성

방림 지구는 연장 340 m, 최대 높이 40 m의 깎기 암반비탈면이며, 비탈면의 경사는 63° (1:0.5)로서, 비탈면 높이 20 m 지점에 소단이 적용되어 있으며, 소단의 폭은 3.0~3.5 m로 비교적 넓게 조성되어 있어 부체도로로 활용할 계획을 가지고 있었다(Fig. 1). 비탈면의 경사는 암반강도만을 고려하여 결정된 경사였기 때문에 시각적으로 절벽과 같은 느낌을 주어 도로이용자에게 압박감을 줄 수 있는 상황이었다. 상부자연비탈면 부분의 경우 완만하게 상승하는 형태를 보이며, 경작지 및 주거지가 위치하고 있다. 일반적으로 비탈면에서 낙석이 자주 발생하거나 붕괴가 발생될 가능성이 높은 경우, “깎기”를 통해 비탈부의 경사를 보다 완만하게 조정하는 것이 가장 효율적인 대책공법이라고 할 수 있으나 방림 지구는 급경사의 비탈부가 40 m에 달하고 상부에 경작지와 주택이 존재하기 때문에 깎기를 통한 안정화 공법을 적용하는 데에는 한계가 있는 현장이었다. 그러므로 방림 지구 내 위험 구간을 보다 면밀히 분류하고 위험구간의 지반공학적, 지질공학적, 수리학적 특성을 종합적으로 고려하여 대책공법을 적용할 필요가 있었다(Fig. 2).

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Fig. 1.

Bangnim site.

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Fig. 2.

Face map at Bangnim site.

본 연구대상은 원주지방국토관리청에서 시행한 국도31호선 신규노선에 해당되며, 본 도로공사 구간 뱃재터널 입구부에 기존의 산지를 절개하여 두 개소의 비탈면이 본 구간에 노출되었으며, 절취 공사가 90% 이상 진행된 상태에서 비탈면 내 위험구간이 발견되었고, 반복적인 낙석이 발생하는 등 준공 전 위험요인을 제거하기 위한 일련의 안정화 과정이 요구되었다. 이들은 STA.10+180~STA.10+520 구간에 위치하며, 서로 마주보고 있는 형태로 노출되었다. 이 중 동측의 비탈면이 본 연구에서 설명하는 방림 지구에 해당되며, 방림 지구의 규모는 “시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법” 기준상 2종시설물에 포함되어 정기적인 정기점검, 정밀점검과 유지관리를 통해 재해 및 재난에 대비한 특별한 관리가 필요한 현장에 해당된다. 조사당시 STA.10+266~10+490 구간에만 높이 1 m 내외의 L형 측구가 적용되어 있었을 뿐 특별한 비탈면 보강공법이나 보호공법은 적용되지 않은 상황이었다. 특히, STA.10+180~10+266 구간에서는 이완암괴의 탈락으로 인하여 발생한 낙석이 도로로 유입되어 적치되어 있는 상황이었다. 따라서 현재의 상태로 비탈면을 관리할 경우, 대책공법 적용이 미흡한 지점에서는 낙석의 제어가 올바로 이루어지지 못하여 예상치 못한 낙석이 도로로 유입, 차량 통행시 피해가 발생할 수 있는 상황이다. 방림 지구 최초 계획은 낙석방지망 및 낙석방지울타리 등 낙석제어시설물 적용 계획이 수립되어 있으나, 비탈면 안정성 확보를 위한 붕괴 및 위험 구간에 대한 활동억제 대책공법이 요구된다. 또한 횡와습곡이 나타나는 구간에 L형측구만으로는 예상치 못한 낙석의 도약시 도로이용자에게 직접 피해를 유발할 수 있는 상황이었다.

횡와습곡은 STA.10+315~10+420에 구간에 넓게 나타나고 있으며, 소단 하단부에서 잘 관찰된다(Fig. 3a~3d). 이 구간은 신장구조가 조밀하게 발달한 영향 및 단층과 수반된 수직절리를 따라 물리적 풍화가 가속됨으로 인하여 낙석이 쉽게 발생하는 부분에 해당되었다. 횡와습곡의 습곡축은 지표면에 거의 수평으로 발달하고 있으며, STA.10+400 지점 부근이 습곡의 최정점인 배사(anticline)에 해당된다. 일반적으로 습곡 구조에서의 벽개는 습곡축면에 평행하게 형성되는 것이 특징인데, 방림 지구의 벽개는 특이하게 습곡축면에 대하여 수직으로 발달하고 있는 것이 특징이다. 이는 대규모 조산운동의 결과 횡압력이 N-S 방향으로 작용했음을 지시하는 것이며, 벽개는 비탈면 상에서 수직절리의 형태로 노출되고 있어 낙석의 형태로 이완암괴들이 탈락하는 것이 특징이었다. 습곡축 분을 중심으로 다양한 인장틈새(tension gash)들이 집중적으로 발달하고 있으며, 이들의 방향은 대부분 습곡축의 발달 방향과 평행 또는 거의 아평행 형태로 발달하고 있다. 만약 습곡축이 경사져 있어 주변의 수반절리와 쐐기파괴 형태를 가지거나, 습곡축의 발달 방향이 도로방향과 일치하게 되어 평면파괴 형태로 노출되는 경우, 비탈면 안정성 측면에서 대규모 붕괴를 유발할 수 있는데, 방림 지구의 경우 습곡축이 거의 수평이기 때문에 안정성에 크게 문제가 없을 뿐만 아니라 습곡의 양쪽 날개의 방향 역시 거의 수평(습곡축 중심 상단면 우측 날개) 또는 역방향(습곡축 중심 하단면 좌측날개)으로 발달하기 때문에 대규모 붕괴를 유발할 수 있는 형태는 아니었다. 그럼에도 불구하고 벽개 및 층리의 발달, 단층 영향 동일 방향의 불연속면의 조합으로 소규모 암탈락은 지속 발달할 수 있는 상황으로 이에 대한 대책이 강구될 필요가 있었다. 본 구간의 상단부 지반은 역방향쐐기파괴(anti-wedge shaped failure)가 발생하는 것이 특징으로 이 부분을 중심으로 반복적인 파괴부가 좌우측으로 확대될 가능성이 잠재되어 있고(Fig. 3e) 특히 STA.10+325~10+340 구간의 소규모 단층의 단층틈새는 대부분 토사로 변질되었으며, 경작지의 영향을 받아 단층 주변부의 변질이 뚜렷하게 진행되는 것이 특징이다. 단층과 수직절리의 틈새는 10 cm 이상 이완된 상황이었으며, 직경 약 1 m 내외의 다수의 동공(cavity)이 확인됨에 따라 보강공법을 고려하는 대책공법이 요구되는 것으로 판단되었다(Fig. 3f).

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Fig. 3.

Characteristics of slope exposure in section of recumbent fold (STA.10+315~10+440); (a) Recumbent fold, (b) S-shaped folded axis right wing & en-echelon tension gash, (c) Cleavage exposure form, (d) Forms in which carbonate minerals fill cracks that develop along the fold axis, (e) Alternation by the influence of arable land, (f) Cavity.

방림 지구 STA.10+260~10+315 구간은 단층파쇄대가 발달한 구간으로 다른 구간에 비하여 가장 위험한 구간으로 분류되는 부분으로서, 지형적으로 집수지형에 해당되어 우기시 상부로부터의 유수가 집중되는 부분에 해당된다(Fig. 4a). 본 구간은 단층파쇄대 발달 부분으로서 그 폭이 약 40 m로 넓은 편이며, 불연속면 간격은 1 cm 이하로 매우 조밀하게 발달하고 있고, 다양한 방향으로 발달하는 불연속면이 혼재되어 나타나고 있다. 비탈면 하단부에서 관찰되는 단층 내에는 폭 10 cm 내외의 단층점토(fault gouge)가 포함되어 있으며 단층의 영향으로 이 구간 전체의 풍화도가 심한풍화~완전풍화에 해당되는 상황이었다. 이러한 현상은 지질학적인 요인과 수리학적인 요인이 복합적으로 작용하여 비탈면의 안정성을 저하한 것으로서 이 구간 자체를 완전히 폐압하는 형태의 대책공법을 적용하는 것이 가장 효율적인 공정이라고 판단되었다. 보통 위험구간에 대하여 앵커나 네일링 등 지보재를 활용한 대책공법을 적용하는 것이 일반적인데, 본 구간과 같이 수리학적 영향이 큰 곳은 지보재의 정착이 어려울 뿐만 아니라 굴착시 홀의 자립이 문제가 되는 경우가 많으므로 지보재를 활용하는 공법보다는 계단식옹벽과 같은 공정이 상대적으로 효율적이며, 계단식옹벽의 자립을 돕기 위하여 계단식옹벽과 함께 앵커를 같이 적용하는 것이 안전율을 높이는 효과를 발휘할 수 있다.

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Fig. 4.

The most dangerous Section (STA.10+260~10+315); (a) Fault zone, (b) Weak section by fault fracture zone (STA.10+300), (c) Rockfall.

뱃재터널과 가까운 부분인 STA.10+180~10+260 구간(방림 지구의 우측 부분)은 대부분 수평 또는 역방향의 층리가 발달하고 있으며(Fig. 5a), 이를 절단하면서 수직절리가 발달하는 것이 뚜렷하였다. 소단 경계부를 따라 이완암괴의 부분 탈락 현상이 뚜렷하게 관찰되며, 발생되는 낙석이 도로로 유입되고 있었으며 산마루측구에도 상단부로부터 탈락된 토사들이 집적되어 산마루측구의 기능이 제대로 발현되기 어려운 상황이었다(Fig. 5b).

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Fig. 5.

Right side and left side status at Bangnin site; (a) Released rocks alongside discontinuities (STA.10+250), (b) Soil deposition within gutter (STA.10+230), (c) Rock/soil boundary (STA.10+440), (d) Shallow soil failure (STA.10+440~10+455).

STA.10+440 지점은 암반과 토사의 경계 지점에 해당되며 좌측은 토사로, 우측은 암반으로 뚜렷하게 구분된다(Fig. 5c, 5d). STA.10+440~10+520 구간(방림 지구의 좌측 부분)은 다른 구간에 비하여 풍화가 많이 진행되었으나, 높이가 10 m 이하이며 경사는 약 50°로 완만한 편이며 토사층의 표면을 따라 유실이 진행되고 있어 토층이 유실되더라도 그 이동량은 많지 않을 것으로 예상되나, 비탈면 보호공을 적용하여 표면부의 침식을 예방할 필요가 있다고 판단되었다.

안정성해석

평사투영을 통한 안정성 검토

불연속면의 발달 방향에 대한 안정성 여부를 판단하기 위하여 평사투영해석을 수행하였다. 방림 지구의 비탈면 경사 및 비탈면 경사방향은 63/270이며, 불연속면의 대푯값은 55/100(Set 1), 20/110(Set 2), 65/000(Set 3), 64/215(Set 4)이다. 하반구투영망해석에 요구되는 지반강도정수인 내부마찰각 값은 구성암석의 RMR을 통하여 경험식으로 산정된 32°값을 사용하였다. Set 1은 횡와습곡의 좌측날개의 대표적인 불연속면이며, Set 2는 횡와습곡의 우측날개의 대표적인 불연속면이다. 또한 Set 3은 방림 지구에서 발견되는 대표적인 단층과 이에 수반된 불연속면이며, Set 4는 상기 세 개의 불연속면에 포함되지 않으나 소규모로 노출되는 불연속면들이다.

DIPS를 활용한 쐐기파괴 안정성 해석 검토에서는 모든 불연속면의 대원의 교점이 쐐기파괴 발생가능영역에 도시되지 않아 쐐기파괴의 가능성은 없는 것으로 확인된다. 또한 평면파괴 및 전도파괴 안정성 해석 검토에서는 모든 불연속면의 극점이 평면파괴 발생가능영역에 도시되지 않아 평면파괴나 전도파괴의 가능성이 없는 것으로 확인되었다(Fig. 6).

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Fig. 6.

Stability analysis using DIPS; (a) Wedge failure (stability), (b) Planar failure and toppling failure (stability).

방림 지구는 불연속면의 의한 대규모 파괴 가능성은 낮으나, Set 3과 Set 4로 규제되는 교차선(현장의 쐐기형태의 블록의 교차선)은 그 파괴 가능 구간의 경계부에 가까이 존재하기 때문에 쐐기 형태의 블록이 낙석 형태로 반복 탈락 가능성이 잠재되어 있다고 판단되므로 이와 같은 불연속면의 군이 노출되는 구간에 대해서는 별도의 보강공법이나 보호공법의 적용을 고려하여야 하였다.

방림 지구는 불연속면의 발달 방향에 의한 평면파괴나 쐐기파괴가 인지되지 않았다. 방림 지구의 경우, STA.10+290 지점 부근을 중심으로 단층파쇄대 발달 및 지형적 영향으로 두꺼운 토사층이 형성되어 있고, STA.10+330 지점의 경우 소단 상단부를 중심으로 토사층이 확인된다. 따라서 지층의 특성에 따라 달라지는 비탈면의 거동을 확인하기 위하여 대표 2개의 지점에 대하여 한계평형해석을 실시하였다.

STA.10+290 지점에 대한 한계평형해석 결과 건기시의 안전율은 1.301로 허용안전율 기준인 1.5를 만족하지 못하는 것으로 확인된다. 또한 우기시의 산출 안전율은 0.588로 건기시에 비하여 확연히 안전율이 떨어지며, 지진시의 산출 안전율 역시 0.553으로 허용안전율을 만족하지 못한다. 따라서 STA.10+290 지점뿐만 아니라 이와 유사한 지층 특성을 가지는 구간에 대해서는 보강을 통해 비탈면의 안정성을 확보할 필요가 있는 것으로 판단된다(Fig. 7).

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Fig. 7.

Limit equilibrium analysis using Slope/W (STA.10+290); (a) Dry season stability analysis (Fs = 1.301 < 1.50 ∴N.G), (b) Rainy season stability analysis (Fs = 0.588 < 1.20 ∴N.G), (c) Earthquake stability analysis (Fs = 0.553 < 1.10 ∴N.G).

STA.10+330 지점에 대한 한계평형해석 결과 건기시의 안전율은 1.388로 허용안전율 기준인 1.5를 만족하지 못하는 것으로 확인된다. 또한 우기시의 산출 안전율은 0.632로 건기시에 비하여 확연히 안전율이 떨어지며, 지진시의 산출 안전율 역시 0.577로 허용안전율을 만족하지 못한다. 따라서 STA.10+330 지점뿐만 아니라 이와 유사한 지층 특성을 가지는 구간에 대해서는 보강을 통해 비탈면의 안정성을 확보할 필요가 있는 것으로 판단된다(Fig. 8).

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Fig. 8.

Limit equilibrium analysis using Slope/W (STA.10+330); (a) Dry season stability analysis (Fs = 1.388 < 1.50 ∴N.G), (b) Rainy season stability analysis (Fs = 0.632 < 1.20 ∴N.G), (c) Earthquake stability analysis (Fs = 0.577 < 1.10 ∴N.G).

대책공법 선정

비탈면의 대책공법을 결정할 때 가장 처음 고려하여할 요소는 정밀조사와 안정성 해석을 통해 비탈면이 안정성을 충분히 갖추고 있는가 하는 것이다. 일반적으로 비탈면의 안정성을 평가할 때는 허용안전율이라는 지표를 산정하여 이를 기준으로 보강공법과 보호공법의 적용 여부를 결정하게 된다. 즉 허용안전율에 미달되는 비탈면은 “보강공법”을 적용하며, 허용안전율을 만족하는 비탈면은 “보호공법”을 고려하게 된다. 만약 보강공법을 적용하여할 현장에는 첫 번째로 상부자연비탈면의 경사를 고려해야만 한다. 상부자연비탈면의 경사가 30°인 경우는 깎기 공법을 적용하게 될 때 기존보다 높이가 2배에 달하는 비탈면이 새롭게 만들어진다. 또한 상부자연비탈면의 경사가 30° 이상인 경우에는 무한비탈면이 발생하기 때문에 깎기 공법을 적용하는 것은 적절치 못하다. 따라서 상부자연비탈면의 경사가 30° 이하인 경우는 최우선적으로 깎기 공법을 고려할 수 있으며, 30° 이상인 경우는 활동억제공법을 적용하는 것이 좋다. 또한 상부자연비탈면 내 제거가 어려운 인공시설물(봉분, 송전탑, 참호 등)이 위치할 경우 깎기 공법의 선택은 배제하여야만 한다. 다음으로 고려할 사항은 위험구간의 비율이다. 상부자연비탈면의 경사가 30° 이하인 비탈면에서, 만약 붕괴부를 포함하여 비탈면 위험구간이 50% 이상인 경우에는 깎기 공법을 선택하는 것을 추천한다. 그러나 위험구간이 50% 이하라면 깎기 공법보다는 부분적으로 위험요인을 제거할 수 있는 상부깎기공법이나 면정리를 적용하거나 계단식옹벽 등을 통해 비탈면 안정화를 추구하여야 할 것이다. 상부자연비탈면의 경사가 30° 이상인 비탈면에 대해서는 위험구간이 50% 이상인 경우는 앵커나 쏘일네일링 등의 지보공을 이용하여 비탈면을 안정화시킬 것을 제안하며, 위험구간이 50% 이하인 경우는 계단식옹벽, 기대기옹벽 등을 이용하여 비탈면 안정화를 도모하여야 할 것이다. 허용안전율이 확보되어 있는 비탈면은 보강공법은 불필요하지만 비탈면 내 위해요인이 잠재되어 있을 수 있다. 낙석의 도로침입이 우려되는 비탈면에 대해서는 낙석의 잠재적 에너지와 낙석의 도약높이, 이동경로 등을 감안하여 낙석방지옹벽, 낙석방지망, 낙석방지울타리 공법을 적용해야 할 것이다. 만약 비탈면 재료가 토사로 구성되어 있고 우기시 세굴 및 침식이 우려되는 비탈면에 대해서는 돌망태옹벽이나 돌쌓기 등을 통해서 토사의 도로침입을 예방하여야 한다. 만약 토사의 도로침입이 당장 발생할 수 있는 상황은 아니더라도 지속적인 비탈면 침식과 세굴이 진행되는 비탈면에 대해서는 비탈면 녹화공법이나 격자블록을 적용하여 이에 대비하여야 한다. 상부자연비탈면의 경사가 상승형인 경우에는 다수의 지표수가 비탈면 깎기부로 유입될 수 있다. 이러한 경우에는 지표수의 영향으로 비탈면 열악화가 진행될 수 있으므로 산마루측구, 종배수구, 소단배수구를 적절히 병행하여 설치함으로서 비탈면에 대한 지표수의 영향을 최소화시킬 수 있을 것이다. 또한 특정 부분을 따라 지하수 누수가 발생되는 부분에 대해서는 수평배수공을 적용하여 비탈면 내 지하수(또는 침투수)의 배제에 만전을 기하여야 할 것이다. 경우에 따라 대형비탈면으로 공법 적용이 시공상 어려운 현장이 종종 발생된다. 만약 이러한 비탈면에서 붕괴가 발생될 경우 대형사고의 발생은 불가피하다. 다행히 비탈면이 붕괴되더라도 붕괴산물을 유도할 수 있는 하천을 끼고 있는 현장에 대해서는 피암터널 공법을 선택하여 비탈면 붕괴시 도로시설의 보호가 가능할 수 있도록 해야 한다. 비탈면 유지관리의 측면에서 항구대책을 결정하고, 설계, 시공하기 전까지 상당한 시일이 소요되기도 한다. 이럴 경우에는 붕괴산물의 침입을 방지하는 차원의 임시구조물인 암파쇄방호시설 적용을 추천한다. 또한 비탈면 사이의 계곡부를 따라 토석류 발생이 우려되는 현장에 대해서는 토석류 제어시설 적용을 통해 계곡부의 붕괴산물의 도로침입, 유송잡물의 도로침입 등을 미연에 방지하여야 한다.

KICT(2013)는 위험비탈면 또는 붕괴비탈면에 적용하여 왔던 대책공법의 적용 특성과 상기의 조건 등을 종합적으로 검토하여 Fig. 9와 같은 대책공법 결정 흐름도를 마련하였다.

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Fig. 9.

Slope mitigation decision flowchart (KICT, 2013).

방림 지구는 깎기부 상부의 자연비탈면 경사가 10° 내외로 완만하게 깎기를 통하여 안정성을 확보하는 것이 최적의 방안이기는 하였으나, 상부자연비탈면 내에 인공구조물인 인가와 밭이 존재하고 있으므로 깎기 공사를 위해서는 용지 구입 등의 행정 절차가 필요하고 깎기 공사를 추가로 실시하더라도 예상치 못한 약대 구간이 노출될 수 있으므로 공법 고려 과정에서 제외시켰다. 부분적으로 보강공법을 적용하는 안을 선택할 수밖에 없는 상황이었으나 전반적인 불연속면의 발달 방향이 도로방향으로 발달하는 형태는 아니었으므로 대규모 보강은 불필요하다고 판단하였다.

그럼에도 불구하고 단층파쇄대가 넓게 나타나며 집수지형에 해당되는 구간, 소규모 단층을 따라 물리적 화학적 풍화가 빠르게 진행되는 지점 등은 반복적인 낙석의 발달이 예상되고 그 지점이 점차 확장될 경우 붕괴로 이어질 수 있기 때문에 이 부분에 대해서는 계단식옹벽과 지지앵커를 함께 적용하여 비탈부를 보강시키는 것을 최종 보강방안으로 선택하였다. 방림 지구의 공법 선정에 있어 가장 논란이 된 부분은 낙석이나 토사층의 표면유실을 예방하기 위하여 비탈면 보호공법으로 적정한 공법이 무엇이냐는 문제였다. 일반적으로 경사가 비교적 급하고 암반으로 주로 구성된 비탈면에서는 소규모 낙석에 대한 대비 및 환경적인 조화를 고려하여 녹생토 형태의 보호공법을 적용시키는 사례가 많다. 방림 지구의 횡와습곡은 우리나라에서도 지금까지 발견된 적이 없는 대규모의 횡와습곡으로 지질학적 보존가치가 매우 큰 부분이므로 녹생토를 적용할 경우 횡와습곡이 완전히 피복되어 지질유산으로서의 그 가치를 확보하기가 불가능하다고 판단하였다. 횡와습곡 노출 구간은 대규모 붕괴를 유발할 수 있는 지질공학적인 문제점을 가진 것은 아니었지만 반복적인 낙석은 충분히 예상되는 부분이었고, 도로와 바로 인접하여 위치하기 때문에 비교적 높은 지점에서 낙석이 발생될 경우 도로이용자의 안전을 위협할 수 있는 수준이었다. 따라서 횡와습곡에 대하여 후대의 연구자들이 보다 다양한 학문적 접근 방법을 통하여 연구 수준을 높이고, 방문객들이 지질명소로서 지질학 또는 지구과학적 소양을 가질 수 있는 교육 기회를 제공하는 것이 중요하므로, 녹생토 공법은 적용하지 않기로 결정하였다.

토의 및 결론

도로비탈면은 위험 요인이 존재하여 붕괴가 발생되게 되면, 도로이용자의 안전성을 침해하고, 국가의 인적 ‧ 물적 피해를 유발할 수 있는 국가주요 구조물이다. 본 연구에서는 도로건설공사와 관련하여 발생한 위험비탈면에 대한 정밀조사를 실시하고, 안정성 해석을 수행하여 효율성, 시공성 등을 감안한 적절한 대책공법을 제시하였다. 특히 방림 지구에서는 비탈면의 위해 요인을 중심으로 대책공법을 선정하는 절차 과정에서, 새로운 비탈면에서 나타난 횡와습곡의 지질학적 보존 가치를 고려한 대책을 마련하고자 노력하였다.

부산대학교에서는 방림 지구에 대하여 지질학적 가치 보존 연구를 실시하였다(PNU, 2018). PNU(2018)은 지질유산으로서의 평가를 위하여 가치평가와 보전 ‧ 관리 분야의 평가를 수행하였고, 대표성, 희소성, 다양성, 전형성, 재현성, 특이성, 규모, 심미성, 관광자원, 지질자원, 접근성 측면에서 높은 점수를 부여하였으며, 결과적으로 가치 및 관리등급 산출과 관련된 본질적 가치 부분의 총점(44점/50점)이 국가급 보호대상(II등급)의 지질유산으로 평가됨을 정량적으로 입증하였다(Fig. 10). 또한 횡와습곡의 문화재 지정 타당성 평가를 위하여 우리나라의 습곡 구조와 관련된 군산 말도 습곡구조(천연기념물 제501호)와 웅진 백령도 남포리 습곡구조(천연기념물 507호)와 비교하여, 기존 지정문화재인 ‘군산 말도 습곡구조’와 ‘옹진 백령도 남포리 습곡구조’가 모두 선캄브리아시대 지층에서 발달된 습곡구조인 반면, ‘평창 방림리 횡와습곡’은 고생대 퇴적층에서 발달한 습곡 구조로서 차별성이 있으며, 우리나라 고생대의 퇴적환경과 그 후 변형사를 이해하는데 중요한 학술적 가치를 지님을 지적한 바 있다. 특히, 횡와습곡의 노출규모와 국내에서는 거의 보고되지 않았던 연성전단운동에 의한 전단습곡(혹은 칼집습곡)이라는 부분에서도 기존에 보고된 습곡 구조에 비하여 더 높게 평가된다고 해석하였다.

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Fig. 10.

Evaluation result for geological heritage value (PNU, 2018).

2020년 현재, 본 현장은 제안된 대책공법 적용이 완료되었으며, 특히 횡와습곡 노출 부분에 대해서는 낙석방지망을 적용하여 낙석 발생시 하단부로 자연스럽게 유도될 수 있도록 조치하였으며, 암석의 색깔과 유사한 망을 적용하여 횡와습곡을 그대로 관찰할 수 있도록 하였다. 또한 일반적으로 적용하는 낙석방지울타리가 아닌 투명 펜스를 적용하여 횡와습곡을 자유롭게 관찰할 수 있도록 하였다(Fig. 11).

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Fig. 11.

Countermeasure for Bangnim site.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부 국토교통과학기술진흥원의 국토교통기술사업화지원 사업(전주기 통합 건설관리와 선제적 도심지 재난재해 RESILIENCE 향상을 위한 5 cm급 정밀분석 무인영상취득 기술 및 다중 동시접속 CLOUD플랫폼 사업화 및 실용화, 과제번호 20TBIP-C144066-03)으로 수행되었으며 이에 깊은 감사를 드립니다.

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