Tech Trend - 도심지 싱크홀 원인과 대책
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서울 송파구 지하차도 아래에서 무려 길이 80m나 되는 거대 공동이 발견되어 사람들은 큰 충격에 빠진 바 있다.
그 원인이 무엇인가에 대해 지하철 공사 또는 롯데월드공사 측을 두고 수많은 추측들이 분분할 뿐, 아직까지도 명쾌한 해답은 없는 상황이다.
최근 필자는 이와 관련하여 도서 < 도심지 싱크홀 원인 및 대책 >을 발간한 바 있다.
물리탐사분야에서 40여 년간 연구개발에 전념해왔으며 세계적 지구물리 전문지인 < Journal of Applied Geophysics >의 편집위원으로 17년간 활동한 본 필자의 연구 내용을 담은 책이다.
이 책에 소개된 내용을 통해 우리가 살고 있는 도심지가 얼마나 싱크홀에 취약한지, 그리고 어떻게 대비해야 할지에 대해 알아보고자 한다.
싱크홀 발생 원인
도심지 싱크홀 현상은 지하수위 강하가 주요 원인으로, 이로 인해 지반이 약해지거나 혹은 지반 내에 공동이 형성되어 발생되는 것이다. 여기서 지하수위 강하 현상을 불러일으키는 주된 원인은 다음과 같다.
① 도시화에 의한 빗물 지하 침투량 감소
② 생활 및 공업용수의 사용 증가에 의한 지하수 과잉 채수
③ 지하철, 고층 빌딩 등 지하 인공구조물 건설에 따른 지하수 유출량 증가
UNESCO 발표(1984)에 따르면, 전 세계적으로 지반침하의 80% 이상은 지하수 과잉 개발에 의해 나타나며 그 결과 건물, 도로, 철도 및 상하수도관 등이 파괴된다고 한다.
대부분의 경우 지하수위가 저하되면, 지하수를 포함하고 있는 대수층(Unconfined Aquifer) 사이에 분포한 점토나 실트질로 구성된 준대수층(Aquitard)이 압축되고 이로 인해 지하에 공동이 형성되면서 지반침하로 이어지게 된다.
이때 지반침하 등으로 야기된 표토층의 수평적 불균질성은 지하에 매설된 상하수도관의 변형을 유발하며 여기서 지하수위마저 하락하게 된다면 상하수도관의 변형은 보다 빠르게 진행되어 급속히 누수현상으로 이어질 수 있다.
다시 말하면, 지하수위가 하락하지 않는다면 상하수도관 수명도 늘어나고(누수 발생도 그만큼 줄어들게 됨) 또한 싱크홀 발생률도 크게 떨어질 것이 기대된다.
해외의 싱크홀 사례
지하수의 과잉개발로 인해 지반침하가 매우 크게 발생된 대표적인 지역으로 미국 캘리포니아주의 산-조아퀸 계곡(San Joaquin Valley)이 있다.
이곳은 지하수를 이용하여 농업용수를 공급하고 전체 용수사용량의 40%를 지하수에 의존하고 있는데 이 지역 중 어떤 곳은 1925년부터 1977년까지 무려 9m나 지반이 침하되었다.
미국 텍사스주 휴스턴시에서는 1940년 초반부터 1970년대까지 석유화학산업들이 크게 신장됨에 따라 지하수 채수량이 급격하게 증가하여, 이 기간 동안 최대 2m 이상의 지반침하가 발생되었으며 거의 약 3,200 평방마일에 걸쳐 30㎝ 이상의 침하가 발생하였다.
상하이의 구도심 지역은 기반암 위에 충적층이 약 300m 가량 존재하는데, 1921년부터 1965년 사이에 거의 2m 가량이 침하되었으며 정부 당국은 저류층에 지하수를 다시 주입함으로써 침하문제를 해결하려는 노력을 기울이고 있다.
상하이시 푸동신구(Pudong New Area)는 엄청난 수의 고층 빌딩이 밀집되어 있어 매년 3㎝씩 도시가 가라앉고 있다.
420m 높이의 상하이 최고층 빌딩의 기초는 2002년도에 6.3㎝가 가라앉았으며, 이는 빌딩의 엄청난 무게가 침하를 유발한 것이지만 지하수 채수도 이를 부추긴 것이다.
서울의 싱크홀 현황
서울의 지질은 크게 하천변에 분포한 충적층과 기반암이 지표에 노출된 절리암반층으로 구분된다.
충적층에는 투수성이 높은 대수층이 두텁게 자리 잡고 있어 여기서 물을 많이 퍼내게 되면 지하 공동화가 빨리 진행되어 싱크홀이 발생될 가능성이 높아진다.
한편 한강변을 벗어난 남·북에 널리 분포된 절리암반층에서의 지하수 유동은 거의 암반 내에 형성된 절리를 따라 일어난다.
그중 단층파쇄대는 절리가 밀집된 상태이기 때문에 지하수 유동이 활발하다.
그림 2 에서는 거의 대부분의 싱크홀이 지하철 노선 위 도로에 집중되고 있음이 관찰되고 있다.
지하철 1~9호선은 지하 10~40m에 건설되었는데, 터널 개착 초기부터 완공까지 지속적으로 지하수를 양수하고 있으며 운행 중에도 집수정을 통해 지하수를 배출하고 있다.
그림 3 은 서울지하철의 사례로 지하철 건설 전의 자연 지하수위는 대체로 지하 3~7m에 분포하지만 건설 중에는 4~33.1m까지 하강하였으며 평균 15m 수위강하가 발생한 것으로 나타났다.
대도시에서 지하철 건설과 운행은 지하수에 대하여 거대한 Line Sink로 작용한다.
결국 고층빌딩 밀집지역이나 지하철 주변은 지하수위 강하로 인해 그만큼 싱크홀 발생 위험도가 높다는 것을 의미하는 것이다.
한편, 향후 건설될 ‘지하 고속도로’ 노선은 지하철, 고속도로 노선과 거의 겹치고 있다.
이러한 신규 대규모 터널 공사는 또 다른 싱크홀 분포를 보여줄 것으로 예상되며, 나아가서 그들 두 개의 대규모 지하공간 활용은 새로운 형태의 싱크홀을 연쇄적으로 증폭시킬 우려를 낳게 될 것이 예상되므로 매우 신중할 필요가 있다.
부산의 싱크홀 현황
부산지역은 낙동강 하구에 위치하고 있기 때문에 충적층이 넓게 분포되고 있다.
부산지역은 지하철이 건설되기 이전에도 연약지반으로 간주되어 왔다.
부산의 지하철 노선은 서울과는 달리 많지 않아 싱크홀 발생 빈도가 그만큼 적을 뿐이다.
그런데 남북 고속도로와 지하철이 겹치고 또한 그 노선에는 단층대가 자리 잡고 있다.
한편 동서 고속도로 노선은 전혀 다른 물성을 갖는 충적층, 절리암반, 충적층을 가로 지르고 있기 때문에 각 고속도로 노선을 따라 철저하게 싱크홀에 대처해야 할 것으로 본다.
약 22년 전인 1993년 충적층 지역인 부산 구포에서 싱크홀이 발생하여 달리던 기차가 전복하는 사고가 발생하였다.
함몰사고 현장에서는 전력구 터널공사가 철도 노면 지하 약 39m 지점에서 진행되고 있었다. 터널 굴착공사가 철도 노선 직하부 인근을 지날 때 굴착지반이 경암층에서 급격하게 연약대(모래자갈층)로 변함에 따라 지하수와 함께 모래자갈 등이 터널로 빠르게 흘러들게 되었고 이어서 그 상부 철로노반이 침하되었다.
이로 인해서 기차가 탈선되어 곤두박질침에 따라 수백 명의 사상자가 속출한 대형 인재 사고였다.
이러한 도심지 싱크홀은 지하터널(예: 지하철, 지하 고속도로)과 그로 인한 지하수 유동에 의해 발생되었다고 볼 수 있다( 그림 6 참조).
싱크홀 대처 방안
싱크홀과 관련해서는 선진국조차도 뚜렷한 대안을 마련하고 있지 못한 상태이다.
지하철 건설이 도심지 싱크홀 발생의 주요한 원인으로 지목되고 있는 상황에서도, 지하철과 고층건물 등 지하구조물의 건설은 갈수록 증가하고 있고, 이로 인해 절리 암반 내 지하수가 고갈되어 지하수위가 더욱 하락하게 되면 도심지 싱크홀은 엄청난 양으로 증가할 것으로 예상된다.
이러한 원인을 염두에 두고 도심지 싱크홀에 효과적으로 대처하기 위해 다음과 같은 몇 가지 방안이 추진되어야 할 것이다.
첫째, 절리구조 3차원 입체화 구현이 필요하다. 지하수 유동의 주요 통로가 되는 절리구조를 3차원적으로 이해하는 것이 필요하다.
암반 내 절리는 지하수 유동의 주요 통로가 되고 있으며, 더구나 절리 정보는 터널의 암반분류를 위한 기본 자료가 되기 때문에 무엇보다 유용하게 반영되고 있다.
둘째, 다점온도 모니터링이다.
지하수 관리 및 도로 함몰과 연관하여 시간 경과에 따른 중요한 지반 내 변동정보를 다점온도 모니터링으로 확보하는 것이 필요하다.
모니터링 정보를 통해 알 수 있는 것은 ① 지하수위 ② 지하수 유동 ③ 도로 함몰 진행 상태 ④ 지하공동화 과정 ⑤ 지하 내부 암반거동 ⑥ 지반 보강시 효율성 평가 혹은 그라우팅 효율성 검증이다.
이들 ‘절리구조 3차원 입체화 기술’과 ‘다점온도 모니터링 기술’로 구성된 융합기술은 바로 현안이 되고 있는 도심지 싱크홀 내지 지하수 관리 문제에 근원적으로 대처할 수 있는 최적의 방법이라 할 수 있다.
셋째, 광케이블 이용 선 개념 온도 및 변형률 모니터링 기술이다.
상수도관이 신설되거나 교체할 경우에는 매설할 홈 바닥에 광케이블을 포설하여 지반의 변형율과 온도를 계측함으로써 싱크홀의 진행 상태와 파이프관 누수과정을 파악할 수 있는 ‘광케이블 이용 선개념 온도 및 변형률 모니터링 기술’이 활용될 수 있다.
현존하는 국내외 기술들 즉, 수리지질조사, 수리 투수시험 등은 싱크홀 문제에 대처하기 위해서는 크게 미흡하거나 불확실한 것이 현실이다.
예를 들면 지하수 수치 모델링보다는 지하수가 유동하는 것을 현실적으로 모니터링할 수 있어야 하며, 지하수의 유동방향을 정확하게 파악하기 위해서는 절리구조 3차원 입체화 결과가 바탕이 되어야 할 것이다.
나아가서는 지하매질의 이동이나 지하 공동화 진행과정 및 지표 함몰이 모니터링 되어 싱크홀 발생에 대한 예보를 할 수 있는 기술이 요구된다는 것이다.
지구촌에서 유일하게 한국광해관리공단은 폐광산 지역에서 빈번하게 발생하는 싱크홀 혹은 일반 지반침하 예보를 위해 상기 세 개의 핵심요소기술을 개발하여 이미 수년간 실용화하고 있다.
이중 두 개의 핵심요소기술인 절리구조 3차원 입체화, 다점온도 모니터링은 그 자체로 세계적으로 독보적 기술수준이라 할 수 있으며 그들로 구성된 융합기술은 무엇보다 상기 싱크홀 문제에 근원적으로 대처하여 거의 완벽한 수준의 해답을 제시할 것으로 본다.
절리구조 3차원 입체 영상화 기술
본 기술은 텔레뷰어(Televiewer)를 사용하여 시추공 공벽을 초음파로 스캐닝한 후, 이로부터 얻게 된 모든 절리자료를 바탕으로 각 절리 면들을 3차원 공간에 연장함으로써 지반의 절리발달 상태를 3차원으로 표현하는 하나의 분석기술이다.
텔레뷰어 스캔 영상으로부터 산출될 수 있는 분석결과는 ① 텔레뷰어 이미지, 강도, 절리정보 상대 비교 ② 암석 강도 ③ 통계학적 절리자료 분석 및 절리군 분류 ④ 절리 틈새 자동 산출 ⑤ Log Data Combination ⑥ 절리 거칠기 자동 산출 ⑦ 수평 주 응력 방향 추정 ⑧ 고분해능 공경 검층 ⑨ 자력탐사 기능 ⑩ 시추공 천공 진로 추적 등 10여 가지에 달한다.
그림 7 은 국내 터널시공 당시 구현한 ‘절리구조 3차원 입체화’현장사례를 나타내고 있는데, ‘절리구조 3차원 입체화’과정을 통해 붕락이전에 적절한 조치를 할 수 있었다. 이를 통해 다음과 같은 응용도 가능하다.
① 지하수 유동에 대한 이해 내지 해석
② 지하 암반 거동 방향에 대한 판단
③ 터널 설계 및 시공을 위한 기본 자료 제시
다점온도 모니터링 기술
하나의 측점에 하나의 온도센서를 대응하여 장착·측정하는 기존 ‘점 개념 측정기법(Point Sensing)’에서 탈피하여, 하나의 케이블에 여러 개의 온도센서를 장착(최대 약 250개)하여 그들의 온도를 동시에 측정하고 또한 지하수위도 동시에 측정하는 기술을 ‘다점온도 모니터링’이라 한다.
다점온도 모니터링은 분포 개념 측정에 바탕을 둔 하나의 새로운 온도 측정 방식(분포형 온도 측정 기법: Distributed Sensing)이라 할 수 있다.
이 기술은 구현하기 매우 어려운 ‘온도 분포’를 현실적으로 구사할 수 있기 때문에 그의 응용성은 방대하다.
즉, 지금까지 난제로 여겨지던 많은 문제들이 다점온도 모니터링에 의해 쉽게 해결될 수 있었다.
우선 지하수 관리 및 싱크홀과 관련하여 다점온도 모니터링이 보여줄 수 있는 주요 기능은 다음과 같다.
① 지하수위를 자동 모니터링
② 지하 지하수 유동 파악
③ 싱크홀 혹은 땅 꺼짐 및 함몰구멍 진행 상태를 모니터링, 예보
④ 지하 내부에서의 암반거동을 모니터링
⑤ 강우에 의한 물의 침투 진행(Seepage) 모니터링
⑥ 지표수가 지하 절리를 통하여 전달되는 상태 모니터링
⑦ 강우 내지 일교차에 대한 모니터링
⑧ 지반보강을 할 경우 그에 대한 효율성 평가 혹은 그라우팅 성과판단
⑨ 연약 지반 내 층서(Thermal Layer)의 변화 인식
그림 9 는 다점온도 모니터링이 지반침하 예보를 위해 활용된 하나의 현장사례를 보여주고 있다.
지표에 인접한 암반이 갑자기 움직이면 그곳에 공간이 생성되고 그곳으로 주위의 물, 공기, 토사 등이 밀려들어와 이전과 비교하여 온도차가 유발하게 된다.
그림의 좌, 우는 10월, 이듬해 4월의 온도차를 통한 모니터링 사례를 보여주고 있는데, 온도 이상대가 발생한 시기에 지표함몰이 발생한 사실과 침하가 발생한 심도 구간을 쉽게 인식할 수 있다.
광케이블 이용기술(선 개념 온도 및 변형률 모니터링)
광케이블에 대단히 폭이 좁은 레이저(Pulsed Laser)를 보내면 대부분은 광케이블을 따라 전달되며 그 중 극히 일부분만 반사 산란(Back Scattering)된다.
여기서 라만 파는 온도 측정을 위해, 브릴루인 파는 변형률 측정을 위해, 레일리 파는 광케이블의 건전도 파악을 위해 사용된다.
우리나라에서는 2008년 광해방지를 위해 한국광해관리공단의 발주로 산학협력연구센터(소암컨설턴트-경북대학교 센서연구소)가 결성되어 장비 FSLS(Fibre optic Strain Line Sensing)가 개발되었다.
일반 통신용 광케이블 끝 부분을 본 장비에 연결하면 바로 광케이블 자체가 센서 역할을 하게 된다.
본 장비는 BOTDR 원리에 바탕을 두고 있으며, 약 30㎞ 측정구간에서 0.5m 간격으로 온도와 변형률 값이 동시에 측정될 수 있다( 그림 10 참조).
그림 11 은 광케이블을 이용한 상수도관 누수 모니터링 현장사례로, 대전 가양동 일대 상수도 189m 구간(매설 심도 약 1.5m)이다.
인위적으로 누수를 유발시킨 결과 광케이블에 의한 온도반응을 훌륭하게 대변하고 있음을 볼 수 있는데, 이는 광케이블에 의해 상수도 누수가 쉽게 탐지될 수 있다는 것을 입증하는 것이 된다.
맺음말
도시화가 촉진되면 필연적으로 지하공간 활용이 늘어나게 된다.
지표에 인접한 다양한 매설물(상하수도관, 통신선 등)을 비롯하여 지하철, 지하 고속도로, 지하 주차장, 지하상가, 지하 발전소 등에 이르기까지 그곳에서 인위적인 공간이 형성되고 그 과정에서 지하수의 급격한 유동이 발생한다.
그런데 이러한 지하수 유동의 통로는 바로 절리에서 찾을 수 있기 때문에 ‘절리구조 3차원 입체화’는 지하정보 DB 작성에서 가장 기본이 되는 자료가 된다고 볼 수 있다.
‘다점온도 모니터링’은 지하수위, 지하 공동화, 지하수 유동, 지반침하 등을 동시에 자동으로 모니터링할 수 있는 유일한 기술로 간주되고 있다.
지상에는 지금까지 막대한 예산을 들여 CCTV나 위성 등을 통하여 방대한 정보가 실시간으로 구축되고 있다.
그런데 지하 정보화는 거의 등한시되고 있는 실정이다. 차제에 다음과 같은 구호가 필요할 것으로 생각한다.
‘지상에 CCTV가 있다면 지하에는 다점온도 모니터링(TLS)이 있다.’
상하수도 누수로 인한 도로 함몰을 조기에 예보하고 대처하기 위해서는 노후관로를 교체할 시점에 광케이블을 관로를 따라 바닥에 포설한 후 그로부터 온도 및 변형률을 모니터링하는 것이 단순하면서도 최선의 대안이 될 것이다.
여기서 온도 값은 누수 위치를, 변형률 값은 함몰 위치를 정확하게 찾을 수 있는 매개변수가 된다.
이러한 모니터링을 가능하게 하는 기술이 바로 ‘광케이블 이용 분포형 온도 및 변형률 계측 기술’이다.
따라서 지하관로 매설 시에는 반드시 광케이블 포설을 의무화하는 것이, 즉 광복합 매설관로 개념을 적용하는 것이 바람직하다.
결론적으로 ‘절리구조 3차원 입체화 기술’ , ‘다점 온도 모니터링 기술’과 ‘광케이블 이용 기술’로 구성된 융합기술은 현안이 되고 있는 싱크홀 문제에 대처할 수 있는 최적의 기술이라 할 수 있다.
국토교통부는 싱크홀 재난을 대비하여 지하공간통합지도 구축사업을 2017년 완료를 목표로 추진하고 있다.
이러한 지하공간통합지도 작성 시 상기의 융합기술을 바탕으로 실시간 통합 모니터링 시스템을 적용함으로써 도심지 싱크홀을 효과적으로 예보하고 대비 할 수 있는 환경이 만들어질 것이다.