Water Seepage Induced Deformation and Stability Control of Weakly Cemented Soft-Rock Roadway

지하 깊은 곳, 탄광 노동자들이 귀중한 탄층에 도달하기 위해 긴 터널을 뚫고 들어가는 곳에서, 지층은 단단하고 변하지 않는 하나의 덩어리가 아닙니다. 많은 곳에서 터널을 둘러싼 암석은 부드럽고 잘 부서지며, 약한 천연 접착제에 의해 결합되어 있습니다. 이것은 약하게 시멘트화된 연암(weakly cemented soft rock)으로 알려져 있습니다. 물이 지층으로 스며들어 이 암석에 닿으면, 느리지만 파괴적인 과정이 시작됩니다. 물은 용매처럼 작용하여 약한 결합을 녹이고, 암석 내의 광물들이 마치 스펀지가 물을 흡수하듯 팽창하고 부드러워지게 만듭니다. 이러한 변화는 암석을 구조적 지지체에서 형태를 유지하기 힘든 약하고 진흙 같은 물질로 변모시킵니다. 터널을 개방된 상태로 안전하게 유지해야 하는 엔지니어들에게, 물과 암석 사이의 이러한 상호작용은 그들이 직면하는 가장 어려운 과제 중 하나입니다. 암석이 무너지면 터널이 붕괴하여 장비와 작업자를 가둘 수 있거나, 단순히 사용하기에 너무 좁아질 수 있습니다.

CCTEG 탄광 연구소와 후난 과학기술대학교의 연구진은 중국 닝샤 지역의 특정 탄광에서 정확히 어떻게 이러한 실패가 발생하는지 이해하기 위해 연구를 수행했습니다. 그들은 물에 특히 민감한 점토질 물질인 점토질 연암으로 이루어진 110803 운반 통로라고 알려진 터널에 집중했습니다. 연구팀은 현장 점검, 실험실 테스트, 그리고 컴퓨터 시뮬레이션을 결합하여 터널이 시간이 지남에 따라 어떻게 거동하는지 관찰했습니다. 그들은 터널의 문제가 단순히 암석이 약하기 때문만이 아니라, 물에 의해 촉발된 특정한 연쇄 반응 때문이라는 것을 발견했습니다. 암석에는 물에 젖으면 팽창하는 점토 광물이 다량 함유되어 있어 내부 압력을 생성합니다. 동시에, 물은 암석을 고정하기 위해 사용된 볼트와 케이블의 움켜쥐는 힘을 약화시킵니다. 기존의 지지 시스템은 이 팽창하는 암석과 물로 인한 접착력 상실에 맞서 싸우기에는 단순히 충분히 강하지 않았습니다.

연구진은 터널이 한꺼번에 무너지지 않는다는 것을 관찰했습니다. 대신, 터널은 세 가지 뚜는 단계의 움직임을 거쳤습니다. 첫째, 천장과 바닥이 서로를 향해 빠르게 이동하는 급격한 변화의 시기가 있었습니다. 이어지는 단계는 암석이 계속 부드러워지고 지지 시스템이 고정력을 잃기 시작하면서 움직임이 더욱 빨라지는 가속 변형 단계였습니다. 마지막으로, 움직임은 느려졌지만 결코 완전히 멈추지는 않았습니다. 터널은 몇 달 동안 계속해서 이동하고 침하되었으며, 이는 장기적인 불안정 상태를 나타냈습니다. 터널의 일부 구간에서는 바닥이 700mm 이상 솟아올랐고, 천장은 약 300mm 내려앉았습니다. 터널의 측면 또한 600mm 이상 안쪽으로 조여졌습니다. 이 거대한 변형은 연구팀이 "일수(one water)와 삼약(three weaknesses)"이라고 부른 요인들의 조합에 의해 발생했습니다. "일수"는 암석을 부드럽게 만드는 지속적인 침투였습니다. "삼약"은 볼트가 박힌 불량한 기초, 볼트의 조임력을 암석으로 전달하는 약한 층, 그리고 암석 자체의 낮은 강도였습니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 "일고(one isolation)와 삼강(three strengthening)"이라고 설명하는 새로운 전략을 제안했습니다. 첫 번째 단계인 고립(isolation)은 물이 연암에 닿는 것을 차단하는 것이었습니다. 그들은 터널을 굴착하기 전과 후에 물의 근원을 차단하기 위해 암석 깊숙이 그라우트(액체 시멘트 형태의 물질)를 주입함으로써 이를 달성했습니다. 또한 노출된 암석 표면에 콘크리트 층을 분사하여 방수 장벽을 만들었습니다. 두 번째 부분인 강화(strengthening) 전략은 세 가지 구체적인 방법으로 지지 시스템을 개선하는 것을 포함했습니다. 먼저, 젖은 상태에서도 암석을 단단하게 움켜쥘 수 있는 특수 방수 재료를 사용하여 앵커링 기초를 개선했습니다. 다음으로, 볼트의 힘을 전달하는 층을 강화하기 위해 더 크고 단단한 플레이트와 더 두꺼운 콘크리트 층을 사용했습니다. 마지막으로, 고강도 케이블을 사용하고 더 많은 그라우트를 주입하여 암석을 하나로 묶음으로써 암석 덩어리 전체의 강도를 높였습니다. 이를 통해 천장, 측면, 바닥을 제자리에 고정하는 완전한 폐쇄형 지지 시스템을 구축했습니다.

연구팀이 이 새로운 방법을 터널에 적용했을 때, 결과는 즉각적이고 극적이었습니다. 기존 지지 시스템이 있던 구간에서는 터nel이 몇 달 동안 천장과 바닥이 거의 0.5미터 가까이 이동하며 상당한 변형을 보였습니다. 반면, 새로운 "일고 삼강" 방식으로 보강된 구간은 움직임이 거의 없었습니다. 80일 동안 천장과 바닥의 이동은 50mm 미만이었고, 측면의 이동은 약 30mm에 불과했습니다. 암석 분리(rock separation), 즉 암석 층이 서로 당겨지면서 발생하는 틈은 이전의 아주 작은 부분으로 줄어들었습니다. 볼트와 케이블은 안정적으로 유지되었으며, 터널은 그 형태를 유지했습니다. 이 연구는 물과 연암이 상호작용하는 구체적인 방식을 이해하고, 물과 구조적 약점 모두를 해결하는 지지 시스템을 설계함으로써 엔지니어들이 심해 지하 터널을 장기적으로 안정적이고 안전하게 유지할 수 있음을 입증했습니다. 이 접근 방식은 물과 연암이 안정성을 위협하는 지역의 광업 운영에 명확한 길을 제시합니다.