1. 서론
2. 지반침하의 개념
3. 지반침하 방지기술
3.1 지반침하 조사기술
3.2 지반안정성 평가기술
3.3 지반침하 보강기술
3.4 지반침하 계측(Monitoring) 기술
4. 지반침하방지기술 발전방향
5. 결론 및 제언
1. 서론
광산지역에서 지반침하란 하부 채굴적 공동에 의해 발생하는 상부지반의 이완과 이로 인한 지반함몰과 침하를 말한다. 국내에서 광산지역 지반침하는 1980년대 후반 탄광들이 폐광하면서 사회적 이슈가 되었고, 지반침하방지사업은 1990년대에 석탄산업 합리화사업단에 의해서 본격적으로 진행되었다. 지반침하방지사업이 진행됨에 따라 지반침하방지기술도 관련분야별로 발전하게 되었다. 본고에서는 그동안 국내 현장에서 적용되어온 지반침하방지 관련기술들을 정리하고, 향후 지반침하방지기술의 발전 방향을 고찰해봄으로서 학계와 기관 그리고 관련업계에 종사하는 전문기술자들이 현재의 위기상황을 극복하는데 도움이 되길 바란다. 지반침하방지기술에는 조사기술, 안정성평가기술, 보강기술, 계측기술 등이 있다. 지반침하방지기술은 관련분야와의 협력과 상호보완을 통하여 계속적으로 발전하여 왔다. 특히 지반침하방지기술에서 발전된 조사기술들이 건설공사 지반조사 등 관련분야 발전에 영향을 주었다. 향후 지반침하방지기술은 최근에 급속도로 발전하고 있는 정보통신기술을 접목하여 개별기술의 발전을 도모해야 할 것이다. 원격조정, 무인자동화, 자료의 집적 및 공동 활용 등은 향후 기술발전의 기본방향이 될 것이다.
2. 지반침하의 개념
지반침하란, 지표상의 한 점이 하부로 가라앉는 것과 어떤 구조선을 따라 지반이 내려앉는 것, 그리고 지하하부 공동으로 지표층이 붕괴하는 것을 의미한다. 자연적인 지반침하는 토층 자체의 압축 수축변화, 지하수위 변동, 용식작용, 판구조 운동 및 화산활동 등에 의해 발생하게 된다(B.N. Whittaker, D.J.Reddish, 1989). 이러한 자연적인 지반침하는 자연재해로서 보다 광범위한 대책수립이 필요하다. 본고에서 지반침하는 광산운용과 연관되어 발생하는 침하를 의미한다. 광산운용에 따른 지반침하에 대하여는 산업혁명이후 광물 특히 석탄채광이 일찍 시작된 유럽에서부터 과학적인 연구가 진행되었다. 영국에서는 연구자들의 정확한 관찰에 의해 지반침하 관련개념과 모델이 만들어졌으며, 현재까지도 이러한 경험적인 방법들이 적용되고 있다. 무엇보다도 지반침하는 불균일하고 복잡한 지질구조를 포함하고 있는 땅속에서 이루어지는 일이기 때문에 어떤 한 가지 이론과 모델로 모든 침하문제를 풀 수 없어서 지반침하 관련 기술도 다양하게 발전하고 있는 것이다.
광산지역의 지반침하는 채광법과 지질구조에 따라 그 규모와 형태가 다르다. 석탄광의 경우 일반적으로 탄층이 일정하고 지층경사가 완만하며 지질구조가 단순한 곳에서는 장벽식 채탄법(longwall mining method)과 주방식 채탄법(room and pillar method)이 적용되며, 탄층 상태가 좋은 미국, 호주, 캐나다 등에서 주로 적용되었다. 이러한 채탄법으로 채탄된 지역에서는 지표의 넓은 범위에 걸쳐 완만한 침하형태를 나타내는 트라프(trough)형 침하가 발생한다. 우리나라의 경우는 탄층의 경사가 급하고 탄층의 변화가 크며 복잡한 지질구조를 갖고 있어 탄층의 경사 방향을 따라 채탄작업이 가능한 위경사승 붕락식 채탄법(slant chute block caving method)에 의해 주로 채탄작업이 이루어졌다. 이러한 채탄법이 적용된 지역에서는 복잡한 지질구조에 의해 특이한 침하가 발생하거나 좁은 지역에 갑자기 지반침하가 발생하는 함몰형(sink hole)침하 형태가 발생할 가능성이 높다. 실제로 국내 일부 산악지형에서는 함몰형 침하가 발생한 사례가 있으며 이에 대한 예측은 대단히 어렵다. 실제 현장에서는 채굴적 공동의 형태와 규모 그리고 지질구조와 상하반의 지반특성에 따라 지반침하 형태는 Fig. 1과 같이 다양하게 나타나고 있다. 채굴적 천반 암층의 휨파괴, 전단파괴에 의한 침하와 지질구조에 따라서 프러그(plug)형, 블록파괴(block failure)형태 그리고 크라운 홀(crown hole) 형태의 침하가 발생한다.
3. 지반침하 방지기술
3.1 지반침하 조사기술
지반침하 조사기술은 광역조사와 상세조사로 나누어진다. 광역조사는 자료의 수집 및 분석, 지표지질조사, 채굴현황조사, 복합도면 작성 등으로 이루어진다. 우선 기존자료를 수집하고 광구도, 갱내도, 지형도, 지질도 그리고 항공사진 등의 자료를 분석한다. 지표지질조사를 통하여 현장 지질조건과 불연속면을 조사하고, 현장조사를 수행하여 갱도위치, 채굴적, 폐석장, 침하흔적 등을 조사하여 현장여건이 반영된 지질복합도면을 완성한다. 최근에는 3차원 지질복합도면을 작성함으로서 복잡한 하부 갱도들을 정확히 해석해 낼 수 있게 되었다. 또한 광산개발프로그램을 활용하여 광체의 발달현황과 개발방법까지 모델링이 가능하게 되어 정확한 채굴적 형상을 파악할 수 있게 되었다. 과거에는 관련업계에 광업관련기술자가 없어 광구도, 갱내도 분석에 어려움이 많았다. 특히 채굴적의 형상과 크기를 정확히 조사하는 것이 지반침하조사기술의 핵심인데 채광법과 갱내도 분석기술 인력이 없어 많은 시행착오를 거치기도 하였다. 광역조사와 상세조사 기술의 세부내용은 아래 Table 1과 Table 2와 같다.
상세조사는 광역조사결과를 반영하여 조사구역을 선정하고 시추조사와 물리탐사, 현장시험, 실내시험으로 이루어진다. 시추조사는 가장 중요한 지반조사 기술이다. 그동안 건설현장에서 수행된 지반조사는 구조물(도로, 철도 등)설계를 위한 기초자료를 습득하는데 목적이 있었으나, 지반침하방지사업에서 지반조사는 지반 자체에 대한 조사가 목적이므로 보다 정확한 지반조사기술이 필요하다. 하부 채굴적 공동에 의해서 이완된 지반을 시추하기 위하여 이전보다 숙련된 시추기술자가 필요하게 되었고, 이완 파쇄대 지반에서 코아(core) 회수율을 높이기 위한 기술도 발전하게 되었다. 물리탐사기술에서도 많은 기술이 개발되고 발전되었다. 전기비저항 탐사, 탄성파 토모그라피 탐사, BIPS(Borehole Image Processing System), Televiewer 탐사 등이 적용되었고, 특히 Fig. 2에서 보여주는 것과 같은 탄성파 토모그라피 탐사와 BIPS 조사기술은 채굴적 공동과 이완대 조사를 위하여 다양한 형태로 적용되면서 지반조사의 중요 기술로 발전하게 되었다. 지반침하 방지 조사기술의 발전은 기술발전 뿐만 아니라 관련 업계의 발전에도 영향을 주었다. 엔지니어링 표준품셈에 따라 합리적인 지반조사 가격 산출내역서가 만들어지고, 정확한 현장 검수 문화가 정착되면서 지반조사 시장이 그동안보다 한 단계 업그래이드(upgrade) 되는 계기가 되었다.
3.2 지반안정성 평가기술
지반안정성 평가기술은 지반침하방지 기술에 있어서 가장 핵심적인 기술이다. 채굴방법과 하부지반의 특성에 따라서 지표상에서 침하형상이 크게 달라지기 때문에 지반침하를 예측하고 안정성을 평가하기는 쉽지 않다. 가장 먼저 안정성을 평가하는 기술은 영국의 NCB (national coal board)에서 개발한 경험적인 방법이다. Fig. 3 좌측그림과 같이 이것은 그동안의 침하기록을 모두 분석하여 지반침하를 예측하는 기법으로서 현재까지도 기본적인 원리로서 적용되고 있다. 그러나 모든 지역이 동일한 조건이 아니기 때문에 침하예측에는 한계가 있다. Fig. 3 우측그림과 같이 한계평형이론이나 Bulking Factor를 이용하는 기술도 경험적인 방법을 보완하여 많이 적용되었다.
학계와 기관을 중심으로 국내 실정에 맞는 침하예측기술 개발이 계속되어 왔다. 조사결과를 항목별로 입력하여 그동안의 학습효과를 통해 침하를 예측하는 인공신경망을 이용한 기술, 상부지반의 역학적 특성과 채굴적 형상을 분석하여 침하가능성을 예측하는 기술, 채굴적의 형상(높이, 폭, 깊이)을 이용하는 방법, 채굴적의 경사방향과 상부지반의 불연속면의 방향을 분석하는 기술 등이 개발되었다. 또한 채굴적 형상을 스케일 모델링하여 침하현상을 파악하는 기술도 개발 되었다. 최근에는 GIS(Geographic information system)와 퍼지모델(Fuzzy model)을 이용한 지반침하예측 기술도 개발되고 있다. Fig. 4는 상부암반의 점착력에 따른 침하형상을 보여주며, Fig. 5는 침하위험지도 예를 보여주고 있다. 현재는 지반침하를 예측하고 지반안정성을 평가하기 위하여 어떤 한 가지 방법을 적용하기 보다는 경험적인 방법을 포함하여 다양한 방법을 적용하여 분석한 후 이를 통합하여 지반침하위험지도를 작성하고 위험구역에 대하여는 보다 정밀한 정량적인 분석을 수행하여 보강여부를 판단하고 있다.
지반침하를 예측하고 침하량을 계산하는 정량적인 방법으로 컴퓨터 프로그램(FLAC, UDEC, UNWEDGE, PENTAGON 등)이 사용되었다. 그러나 우리나라는 채굴적 형상이 다양하고 지반조건이 복잡하여 정확한 해석을 하기가 곤란하다. 국내광산 특성을 반영하는 해석프로그램 개발을 위한 장기적이고 지속적인 연구가 필요하다. Fig. 6은 실제 현업에서 다양한 해석프로그램을 적용하여 해석한 예들이다.
3.3 지반침하 보강기술
지반침하방지공법에는 채굴적 공동을 직접 충전하는 공동충전공법과 구조물에 영향을 미치는 부분에만 국부적으로 보강하는 국부보강공법이 적용되었다. Fig. 7 에서 보이는 것과 같이 공동충전공법은 충전제로 시멘트 밀크나 시멘트 몰탈로 충전하는 그라우트 충전법이 많이 사용되었고, 채굴적 공동을 완전히 충전하는 것이 어려울 경우에는 국부보강공법이 적용되었다. 채굴적 공동의 충전을 위하여 고압주입기술에 대한 연구와 충진재료에 대한 연구가 진행되었다. 공동의 특성을 반영하여 저유동성 몰탈과 고유동성 충전재가 개발되고 이를 효과적으로 주입하기 위한 그라우팅 공법들이 개발되어 적용되었다. 구조물의 하부를 보강하는 국부보강공법으로는 마이크로 파일이나 강관을 이용하여 그라우팅 보강하는 공법이 적용 되었다. 각각의 보강공법은 Fig. 8에서 보는 것과 같이 채굴적의 형상과 현장작업 여건, 경제성 등을 고려하여 적용되었으며, 충전재에 대한 연구와 보강재에 대한 연구가 현재까지도 계속되고 있다. 앞으로 충전재로서 광미 등을 활용하는 방법에 대한 연구가 필요한 것으로 생각된다.
현재까지 국내 폐석탄 광산에 적용된 지반침하 보강공법의 기본개념은 다음 Fig. 9와 같다. 석탄채굴적 공동은 상부지반이 부분적으로 붕락되어 일부 공동이 느슨하게 채워져 있고, 이러한 공동에 대하여는 시멘트 몰탈로 충전하고 상부 이완된 지반에 대하여는 시멘트 밀크로 고압 그라우팅하여 공극을 채운다. 구조물 하부지반에 대하여는 마이크로파일로 이완된 지반을 일체화 시켜 보강하는 공법을 적용하고 있다. 터널구조물에 대하여는 터널배면 공동을 폴리우레탄 그라우팅 또는 시멘트 몰탈 그라우팅으로 충전하고, 하부에는 인버터를 설치하고 공동을 충전하는 공법을 적용하고 있다.
3.4 지반침하 계측(Monitoring) 기술
지반침하 계측기기는 초기에 건설현장에서 사용되던 전통적인 계측기가 사용되었다. Fig. 10에서 보는 바와 같이 지표 침하핀, 다점지중 침하계, 기울기 측정기, 균열 측정기, 경사계 등이 사용되었고, 일부에서는 액상 침하계나 간극수압계, 토압계 등이 사용되었다. 그러나 이러한 계측기들은 대부분 인력이 직접 현장에서 계측을 수행해야하므로 효과적인 상시계측시스템으로는 적합하지 않았다. 최근에는 Fig. 11에 보이는바와 같은 광케이블을 이용한 계측과 미소진동모니터링, 다점온도 모니터링과 같은 기술들이 개발되어 지반침하 우려가 있는 광범한 지역 계측이나 무인 상시계측 시스템이 적용되고 있다. 또한 항공측정 장비를 활용하여 위험지역에 대한 주기적인 모니터링도 가능하다. 광케이블을 이용한 계측은 한국광해관리공단에서 개발한 것으로 최대 30 km 까지 0.5 m 간격으로 측정이 가능하여 지반침하지역 전체 계측이 가능한 기술이다. 향후 관로의 누수탐지, 댐 제체의 안정성, 전력선 온도관리 등 다양하게 적용될 것으로 예상된다.
미소진동 모니터링은 저주파인 지진파와 달리 고주파인(20~1000 Hz)인 암반 균열과 붕락, 낙석 등으로 발생하는 진동파를 계측하여 지반안정성을 관리하는 것이다. 한국광해공단에 의해서 개발된 것으로 지반침하계측뿐만 아니라 지하채굴갱도의 안정성 관리와 터널건설공사시 안정성 계측 등에 활용될 수 있을 것이다. 다점온도 모니터링(TLS) 기술은 지하 또는 지상에서 매질의 이동은 온도변화를 유발하는 현상을 이용하는 것이다. 지중에서 온도변화를 모니터링하면 하부 지반의 변화를 알 수 있다. 이 기술은 측정지점별로 일개 온도를 측정하는 전통적인 온도계측 기술을 각각의 위치에서 센서칩(Sensor chip)이 온도 정보를 제공하도록 단순화(Linear system)함으로서 동시에 다점온도 측정이 가능하도록 한 것이다. 지중에서 다점온도를 동시에 모니터링 함으로서 지반거동 예측이 가능하게 되었다. 앞으로 지반침하계측뿐만 아니라 댐 제체 누수관리, 해수유동모니터링, 농업용 하우스관리 등 광범위하게 사용될 것으로 기대된다.
4. 지반침하방지기술 발전방향
지반침하 방지기술은 그동안 다른 산업의 발전과 함께 발전하여 왔다. 과거 국내에서는 석탄광을 비롯하여 연아연 광산 철광산 등의 금속광산과 비금속광산 그리고 금은 등 귀금속광산이 활발하게 개발 운영되었다. 그러나 현재는 대부분의 광산이 폐광되고 석회석을 비롯한 몇몇 비금속광산이 명맥을 유지하고 있는 실정이다. 그동안 지반침하방지기술은 폐광산에 대한 복원사업 일환으로 적용되며 발전하여 왔으나, 국내 시장이 정체되고 있어 기술발전의 원동력이 작아지고 있다. 또한 국내 공기업의 해외자원개발과 함께 해외사업 진출의 돌파구를 마련하는 과정에서 부실해외자원인수 등 각종 악재가 돌출되며 광업계 전체적으로 어려운 상황에 직면해 있다. 이러한 상황에서 지반침하 방지기술 발전을 위하여서는 관련자들의 보다 혁신적인 노력이 필요하다.
Fig. 12는 최근 광산물 가격이 하락한 상황에서 해외 메이져(major) 광산업자들이 해야 할 혁신사항들을 BMI 에서 정리한 것이다. 이는 비슷한 상황에 처해 있는 우리에게도 적용할 수 있는 것으로 생각된다. 향후 지반침하 방지기술은 정보통신기술을 기반으로 무인자동화 네트워크(net-work)를 구축하고, 시설물에 대하여 원격조정이 가능하도록 하여야 하며 획득한 자료는 통합분석이 가능하여야 할 것이다. 또한 기존 장비 이외에 새로운 장비를 계속적으로 개발하려는 노력이 필요하다. 지반침하 방지기술 분야별로 주요기술과 발전방향을 요약하면 Table 3과 같다.
5. 결론 및 제언
이상에서 현재까지 국내에 적용된 지반침하방지기술 현황을 정리하고, 메이저광산업체들의 혁신사항을 참고하여 지반침하방지기술 발전방향에 대하여 간단히 살펴보았다. 향후 기술은 무엇보다도 현재 발전하고 있는 정보통신기술을 활용하는 것이 중요하다. 정보통신 기술발전으로 무인화 자동화 시스템이 가능하며 다양한 소스의 자료 통합처리가 가능하게 되었다. 장비의 개발은 용도에 따라서 끊임없이 시행착오를 거침으로서 가능할 것이다. 무엇보다도 향후 지반침하방지기술이 계속적으로 발전해 나가기 위해서는 분야에 종사하는 연구원, 사업자, 공공기관이 공동으로 노력하는 것이 중요하다.
현재의 어려운 상황을 극복하고 계속하여 지반침하방지 기술을 발전시켜 나가기 위하여서는 먼저 현재까지 개발된 기술이 통합정리 되어야 한다. 그동안 개발된 광해방지사업 관련 기술들을 통합하여 정리하고, 사업수행도 각 지역별 광산별로 모든 광해를 통합복원 관리하는 방향으로 진행하여야 할 것이다. 둘째로 공공기관과 민간전문사업자가 긴밀히 협력하여야 할 것이다. 좁은 사업영역에서 경쟁보다는 협력하여 기술을 집약해 나가는 노력이 필요하다. 셋째로 개발된 기술을 관련 산업분야에 적용하여 사업영역을 확장해 나가야 한다. 최근에 이슈가 되고 있는 도심지역 지반함몰과 관련하여 지하안전에 관한 특별법이 제정되어 시행예정이다. 그동안 축적되어온 지반침하방지기술을 기반으로 지하안전 환경영향평가 사업 등에 적극적으로 진출하여 관련사업 분야확장을 위하여 노력하여야 할 것이다. 마지막으로 세계시장 진출이다. 해외자원개발 시장이 위축되고 있지만 이미 한계에 도달한 국내시장에서 벗어나 축적된 기술로 해외시장에서 경쟁하며 사업을 확장해 나가야 할 것이다.
