1. 서론

도심지 도로에서 지반함몰 사고가 발생하는 이유는 도로 하부에 상수관로, 하수관거, 통신관로, 가스관로, 배전지중관로, 지하철 등의 부적절한 시공, 관로 등의 노후로 인한 시설물 손상, 유지관리 소홀이 그 원인으로 추정되고 있다.

도로에서 지반함몰은 노면하부에서 공동이 발생한 후 성장 확대되어 포장면 하부까지 도달하고 도로를 통행하는 차량의 하중을 도로포장 부분이 지탱할 수 없을 정도의 소성변형이 발생하여 갑자기 발생하는 도로재해로 정의할 수 있다.

도로에서 지반함몰이 발생할 경우 인명피해 및 교통장애를 초래하는 등 사회 전반적인 안전과 경제 발전에 위협이 될 수 있다. 따라서 도로 하부의 공동이 함몰되기 이전 단계에서 3D GPR 탐사를 통해 발견하여 복구함으로써 피해를 사전에 차단하는 노력이 우선적으로 진행되고 있다.

서울시는 2014년 8월 28일 도로함몰 특별 관리대책의 일환으로 차량형 GPR 탐사를 통해 교통흐름을 방해하지 않는 속도로 데이터를 취득하여 분석한 후에 천공과 내시경을 사용하여 공동을 발견하여 도시의 노후화 등에 따라 발생하는 도로함몰 사고를 사전에 방지하기 위한 사업을 시행하고 있으며, 그 사례를 소개하였다.

2. GPR 탐사의 원리

지표 투과 레이다(Ground Penetrating Radar, GPR) 탐사원리는 송신기(Tx)에서 지표면으로 방사된 전자기파가 유전상수가 다른 경계면에서 굴절, 회절, 반사, 산란된 뒤 수신기(Rx)에 돌아온 전자파의 특성을 분석하여 내부 상태를 평가하게 된다. 여기서, 유전상수는 진공에서의 전자기파 속도에 대한 매질을 통과하는 전자기파의 상대적인 속도의 비를 말한다.

대표적인 유전상수는 공기가 1, 아스팔트 콘크리트가 3~10, 콘크리트가 3~18, 석회석이 5~9, 건조된 모래가 3~5, 젖은 모래가 20~30, 물이 81이다(Harry M. Jol, 2010). 유전상수의 범위가 큰 이유는 구성 재료, 함수량, 공극률이 다르기 때문이다.

3. 지반함몰의 메카니즘

지표함몰로 연결되는 지반내 공동과 이완의 형성, 확대과정 모형실험 사례 및 현장탐사에 의한 굴착 확인조사를 통해 공동의 발생 형태와 요인을 분석한 결과, 공동의 발생 메카니즘은 크게 3가지로 분류하며 함몰로 연결되기 쉬운 주된 조건은 다음과 같다(Kuwano R et al., 2012, Kweon, 2016).

3.1 토사유출 경로의 존재

Fig. 1(a)와 같이 지반내에 공동이 형성되어 지표에 영향을 미치려면 지반 내에 토사가 유출되는 곳과 운반경로가 존재해야만 하며, 지중매설관의 파손은 토사가 계속해서 유출되기 쉬운 전형적인 경우이다.

Fig. 1.

Ground subsidence mechanism

3.2 침식되기 쉬운 토질

Fig. 1(b)와 같이 입도분포가 불량하고 투수성이 큰 흙은 물의 침투로 인한 지반포화에 의해 세립분의 유출되기 쉬운 조건이 되며, 공동발생의 진전이 빠르다.

3.3 강우와 지하수의 변동

Fig. 1(c)와 같이 강우에 의한 지하수 변동에 의해 공동 상부 지반의 불안정화와 붕괴를 반복하여 공동이 마치 지표로 이동해오고 있는 것 같은 거동을 보이며, 지표 부근 얕은 곳으로 공동이 상승하여 최종적으로 함몰되는 경우도 많다.

4. 서울시의 공동탐사 절차

4.1 1차 탐사 및 분석

GPR탐사 장비를 차량에 장착하여 일반차량의 교통흐름에 방해하지 않는 속도로 노면하부 공동을 탐사하며, 탐사연장은 1개 차로를 기준으로 하며, 동공의 크기는 지중에서 평면상 좁은 폭이 0.5 m 이상이고, 면적이 0.25 m2이며, 빈 공간 높이는 20 cm 이상으로 규정하고 있다. 1차 탐사에서 취득한 데이터를 분석하여 ‘분석 공동조사서’를 작성한다.

4.2 2차 조사 및 확인

1차 탐사 및 분석결과에서 확인된 공동의 위치에 대하여 관할 도로사업소, 자치구, 관할 경찰서에서 일시 도로점용 인허가 및 협의를 거쳐 교통통제 계획을 수립하고, 지하매설물 관련 부서 및 기관을 입회시켜 저촉 매설물에 대하여 관계자 대응대책 및 계획 수립한다. 핸디형 GPR 장비를 사용하여 공동 위치의 정확성을 확인 후 천공을 실시하고, 공내 360° 회전단면 영상을 촬영하여 공동 규모 등을 확인한 후 천공한 곳은 물이 침투되지 않도록 복구한다.

4.3 공동 조사서 작성

공동조사서의 기재내용은 1차 탐사 및 2차 조사의 작업일자, 탐사방향, 위경도 등의 공동 위치 정보와 공동의 토피, 종 횡단 길이 등의 규모 정보를 기입한다. 1차 탐사에서 취득한 GPR data 분석 이미지 및 노면영상을 기입하고, 2차 조사 결과로 확인된 공내영상촬영 이미지를 기입한다.

4.4 공동의 위험등급 산정 및 관리방안

도로함몰은 “도로 위를 통행하는 차량의 하중을 도로포장 부분이 지탱할 수 없게 되어 갑자기 발생하는 도로의 재해”로써 도로의 통행에 장해가 발생하며, 인명과 관련된 중대한 사고로 이어질 수 있는 위험성이 크기 때문에 노면하부 공동 조사를 통하여 위험등급을 분류하여 복구방안을 수립하여 관리하는 것이 매우 중요하다. 서울시는 국내기준이 마땅히 없어 2014년 12월부터 일본 간선도로의 공동 관리기준을 적용하였으며 공동의 폭과 토피에 따라 A급(우선 복구), B급(우기철 이전 복구), C급(일정기간 관찰 후 복구)으로 관리등급을 도입하여 적용해왔으나, 국내와 일본의 도로상황이 달라 국내 실정에 맞도록 실제 공동이 확인된 지점에 차량하중 재하실험 통한 파괴실험 등 다양한 연구를 거쳐 2016년 11월 자체적으로 공동관리 기준을 마련했으며 공동상부 토피의 두께와 아스팔트 포장층 두께 및 고동의 폭에 따라 Fig. 2와 같이 ①긴급복구 ②우선복구 ③일반복구 ④관찰대상 4개 단계로 구분하여 관리하고 있다.

Fig. 2.

Seoul city cavity management standard (2016. 11)

5. GPR 탐사 사례

탐사에 사용된 차량형 GPR 탐사 장비는 이탈리아 IDS에서 제작된 Stream EM 모델로서 200 MHz와 600 MHz 안테나가 이중분극 형태로 배열되어 있으며, 38 체널의 다중 안테나로 구성되어 6 cm 간격의 조밀한 자료를 취득하고, 탐사진행방향과 탐사진행 방향에 직교하는 방향의 탐사가 가능하다. 1회 탐사 폭이 1.84 m이며, 최적의 탐사 속도는 15 km/hr 이다(Fig. 3). 상수관로, 하수관거, 통신관로, 가스관로, 배전지중관로 등의 지하매설물과 공동 등의 이상대의 데이터를 취득한다.

차량형 3-D GPR 탐사를 통해 Fig. 4(a)와 같이 도로노면하부 21 cm에서 종단길이 약 72 cm, 횡단길이 약 55 cm의 공동을 확인하였으며, 현장 굴착작업을 통해 도로 노면의 포장층 하부까지 공동이 발생한 것을 확인하였으며, 공동이 발생, 성장한 원인은 하수관로의 파손에 의한 것을 확인하였다(Fig. 4(b)).

Fig. 3.

Mobile 3D GPR (STREAM EM)

Fig. 4.

3D GPR survey result

6. GPR 탐사에 의한 공동의 분석방법

도로함몰 방지를 위한 GPR 탐사는 노상 재료의 차이는 물론이고 동일한 재료 간에도 유전율 차이로 인하여 파형에 이상반응이 나타난다. 또한 매설관 내부가 빈 공간일 경우도 있기 때문에 공동반응과 반드시 구별해야 한다. 파형 분석 결과 공동 가능성이 있는 파형 즉, ｢이상신호｣에 대한 구별하는 방법이 노면하부 공동 조사의 핵심으로서 다음과 같은 방법이 있다.

6.1 반사파의 극성

공기와 매질은 유전율은 매우 다르다(Annan, 2005). 이러한 점에 착안하여 파형의 흰색 부분과 검은 부분의 출현 순서에 따라 공동을 판별하는 방법이다. 일반적인 도로 노면 아래 지층의 구성은 깊이 방향에 따라 상대유전율은 커지고 위상이 검은색에서 흰색으로 전환됨을 알 수 있다(Fig. 5(a). 그러나 노면 하부에 공동이 존재하는 경우 깊이 방향으로 유전율이 작아지기 때문에 반사파의 위상이 180° 역전되어 흰색에서 검은색으로의 전환을 나타낸다(Fig. 5(b)).

Fig. 5.

Polarity of reflected wave

6.2 반사파의 강도

파형 색상의 명암으로 해석하는 방법이다. 예를 들어 Fig. 6(a)과 같이 유전율 16 인 모래층 아래에 유전율 1의 공동이 있는 경우에는 유전율의 감소폭이 매우 크기 때문에 흑백의 색조가 뚜렷하게 나타나는 반면에, 유전율 16 인 모래층 아래에 유전율 9의 자갈이 있는 경우에는 공동에 비해 유전율의 감소폭이 작기 때문에 반사강도는 공동의 경우와 대비하여 흑백의 색조가 흐려지게 된다(Fig. 6(b)).

Fig. 6.

Amplitude of reflected wave

6.3 반사파의 형상

반사파의 형상 분석은 매설물 내부의 ｢공간｣과 ｢공동｣을 구별하기 위한 방법으로 파형의 좌우대칭 양상에 의해 판단한다. 예를 들어 지반함몰을 유발하는 공동의 경우 Fig. 7(a)와 같이 반사파의 형상이 비대칭 형상을 나타내고, 매설관 등의 인공 구조물은 Fig. 7(b)와 같이 완전한 좌우대칭 형상을 나타내어 공동과 지하매설물 내부 공간을 구별한다.

Fig. 7.

Shape of reflected wave

7. 서울시 도로 노면하부 공동탐사 결과

서울시 14개 자치구 49개 노선의 550.9 km를 대상으로 공동탐사 결과 공동은 358개소(km당 0.65개)가 발견되었다. 발견된 공동의 규모를 분석결과 대체로 종 방향 길이는 80~180 cm(평균 120 cm), 횡방향 길이는 60~150 cm(평균 105 cm)로 나타났다. 공동의 높이는 20~50 cm 규모가 90% 이상을 차지하며 최대 80 cm 이상도 확인되었다. 서울시의 공동관리 기준에 의해 분류하면 Fig. 8(a)에서와 같이 일반복구에 해당 등급이 62%, 우선복구 등급이 29%로 전체 공동의 91%를 차지하는 것으로 나타났다.

차로별 공동의 발견 빈도를 분석한 결과 대체로 1~3차로 구간이 대부분을 차지하며 2차로에서 가장 많은 발생 비율을 나타내었다. 그러나 차로 위치에 따른 공동발생의 상관관계는 크지 않으며, 주로 하수관로 등의 지하매설물 노후화 및 파손 등의 요인과 지하철 건설공사 등 굴착복구가 많았던 곳이 상대적으로 공동 발생율이 높은 것으로 파악되었다.

Fig. 8.

Cavity Occurrence in Seoul (Seoul City, 2016)

8. 결 론

서울시의 도로함몰 사고 발생현황은 2010년 이후 2016년 6월까지 연평균 677건(일 평균 1.8건) 발생하였다. 도로함몰 사고는 주로 우기철(5∼9월)에 70% 이상이 집중되고, 발생원인 별로는 하수관 손상에 의한 것이 78%, 굴착복구공사 미흡 20%, 상수관 파열 2% 순으로 나타났다(Fig. 8(b). 이는 도로함몰이 도로하부의 물의 흐름과 밀접한 관련이 있음을 나타낸다.

하수관 유입 형태는 물이 관 접속부의 빈틈으로 반복적으로 유출과 유입되면서 관 내부로 토사가 유출되는 것으로, 하수관 자체의 손상뿐 아니라 하수관과 맨홀 또는 관거 연결부 등에서 불완전한 결합을 포함한다.

도로함몰로 연결되는 공동 발생의 조건으로는 첫째, 지반 내에 공동이 형성되어 지표에 영향을 미치려면 지반 내에 토사가 유출되는 곳과 운반 경로가 존재해야 하며, 둘째, 투수성이 큰 흙은 물의 침투로 인한 지반 포화에 의해 세립분의 유출되기 쉬운 취약한 토질 조건을 갖추어야 하며, 셋째, 공동 주변의 토사 유출에 물의 침투가 관여하는 것 외에도 지하수 변동이 심한 지역 등이다. 집중호우시 하수관거의 파손부를 통해 강우가 지반으로 유입되어 지하수위를 상승하게 하고, 지하수위 하강시 세립질 토사가 함께 유출되어 공동이 발생하는 것으로 파악되었다.