1. 서론

도심지가 고도화되고 지상 공간이 포화됨에 따라 지하공간 개발은 필수적이지만, 지하공간 개발에 수반하여 지반함몰 현상의 증가로 국민의 안전이 심각히 우려되고 있는 상황에서 정부에서는 지반함몰을 사전에 예방할 수 있도록 지하안전관리에 관한 특별법(이하, 지특법)을 제정(2015.12) 및 하위 시행령, 시행규칙 등 관련법규를 정비하고 있다(Fig. 1). 한편, 최근 지반함몰 사고의 주요 원인으로는 상하수도 관로 등 지하매설물의 파손 및 노후화, 굴착공사에 의한 지하수 유출 증대 및 시공 불량이 주요 원인으로 파악되고 있으며, 건설현장 발생공종별 사고사례현황 중 지반굴착에 관련된 사건사고의 발생건수는 108건으로 33%에 달하며, 피해금액은 전체 피해금액의 14.5%를 차지하고 있다고 한다(http://www.cosmis.or.kr). 이에 국가R&D사업 차원에서도 지반함몰 등 지반안전 사고에 대응하기 위해 상하수도관 노후관로 인접 지반 모니터링 및 도로함몰 평가 등에 관한 연구개발과제의 추진이 필요한 상황이었다. 특히, 도심지 지반굴착으로 인한 지반함몰 피해 저감을 위하여 지반함몰 발생 메커니즘을 규명하고 위험성을 예측 및 평가하기 위한 요소기술의 개발과 이의 실행을 위한 관련 설계 및 시공기준의 정립이 시급히 요구되고 있으며, 도심지 굴착 공사에 있어서 주변 지반의 거동과 지하매설물을 고려할 수 있는 굴착공법이 요구되고 있다. 또한, 이를 적절히 평가할 수 있는 기법 또는 평가모델개발이 필요한 상황이다. 그 외에도, 도심지 지하굴착 공사 현장에서 발생하는 지하수 유입을 미연에 차단하여 지반함몰을 사전에 예방･저감하기 위한 차수 및 보강기술, 도심지 특성에 맞고 주변지반 및 구조물과의 상호 연관성을 고려한 보강 공법과 굴착공사 및 지중구조물의 노후화에 기인한 지반함몰이나 소규모 공동 발생을 방지하는 보수보강 기술, 도심지 개착식/비개착시 굴착현장에서 지반함몰 발생이 일어나는 경우 대형사건화 추세에 따른 함몰 예방을 위한 굴착공법의 개발이 필요하다(KAIA 2015(a); KAIA 2015(b)).

Fig. 1.

The occurrence of ground subsidence in KOREA (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2014)

2. 지반함몰 예방을 위한 기술

국내에서 도심지 굴착공사시 지반함몰 예방을 통한 안전한 도심지 생활 환경을 구축하기 위하여 개발되고 있는 주요 기술분야는 5가지로 구분하였다(Korea Institute of Construction Technology, 2016; Kim et al., 2017; Fig. 2). 첫 번째는 지반함몰 위험성 예측 및 평가와 지반함몰 예방정책을 위한 ‘지반함몰 예측/평가 및 정책/제도’ 분야 , 두 번째는 지하공동, 매설물, 지반이완 복합탐사 기술개발을 위한 ‘복합탐사기술’ 분야, 세 번째는 굴착면 차수용 재료 및 시공기술 개발을 위한 ‘차수보강기술’ 분야, 네 번째는 함몰발생 지반의 긴급복구 재료 및 시공기술 개발을 위한 ‘긴급복구기술’ 분야, 마지막 다섯 번째는 변위제어형 벽체조성 및 비개착 지하횡단공법 개발을 위한 ‘변위제어형 굴착기술’ 분야이다.

Fig. 2.

Field overview of development technology

2.1 지반함몰 예측/평가 및 정책/제도 분야

도심지 지반굴착으로 인한 인접 지반 및 지하수위에 미치는 특성을 규명하고, 지반함몰에 대한 위험성 예측 및 평가기술 개발과 설계 및 시공기준에 대한 개발을 주요 목표로 하고 있다. 세부 기술개발 분야로는 원인규명과 조사, 위험성 예측 및 평가, 정책 및 제도화로 구분할 수 있다. 지반함몰의 발생 매커니즘 규명과 지반굴착에 따른 위험성 예측 및 평가 기술로 이를 실제 유사 환경에 적용 및 검증하여 시작품의 prototype 제작, 지반함몰 예방 정책 및 제도 개발, 안전한 지반굴착을 위한 지침(안) 및 실무 매뉴얼(안) 개발을 주요 성과이다.

먼저, 지반함몰 발생 매커니즘을 규명하고 설계인자의 상관성 분석을 위하여 축소모형실험과 원심모형실험을 이용하여 연구를 수행하고 있다. 축소모형실험을 통해 도출된 지반거동 예측 및 주요 원인인자를 도출하며, 원심모형실험을 통해 검증된 현장응력 재현은 굴착공사 현장의 조건과 유사한 환경의 특성을 구현하여 신뢰성 있는 지반함몰 모사를 수행하게 된다. 또한, 실험을 통하여 획득된 여러 실내실험데이터를 각 공동연구기관에 전달하여 안전한 지하굴착을 위한 지하수 변동 및 지반거동 정밀해석 기술개발에 적극 활용될 것이다.

Fig. 3.

Identification of ground subsidence mechanism

굴착시공에 따른 지반변형 해석기법 개발을 통한 지반함몰 예측 및 대응방안을 도출하며, 굴착공사로 인한 지질특성별 지반함몰 위험성 평가기술과 관련하여 개발중이다. 또한, 지반함몰 예측 및 평가를 위한 프로그램 개발을 위하여 전문개발기업을 통하여 지반굴착에 의한 지하수와 지반변형 융합해석 알고리즘을 개발하고, 굴착 시공 중 지하수 변화와 지반변형 연계 해석이 가능한 토류 구조물 해석프로그램을 개발하고 있다.

Fig. 4.

Risk prediction and evaluation

정책 및 제도화 분야에서는 지특법과 연계하여 정부 및 지자체의 지반함몰 정책개선, 설계･시공가이드라인 제시, 지하굴착관련(지하안전영향평가) 지침(안) 및 매뉴얼(안) 등의 개발을 진행하고 있다. 지반함몰 예방을 위한 정부부처별 예방정책 분석, 도심지 지반특성을 고려한 정책 개선안 등을 제시할 예정이며, 국내외 지반굴착 설계 및 시공사례 등을 비교하여 지질특성별 지반굴착 가이드라인을 개발하고 있다. 또한, 지특법과 연계하여 지반굴착 관련 지침 및 매뉴얼(안) 제시를 통한 지반굴착시 체계 확립을 목표로 지하안전영향평가, 사후지하안전영향조사, 소규모 지하안전영향평가, 지반침하위험도평가를 그 대상으로 기본안을 작성하고 있다.

2.2 복합탐사기술 분야

굴착공사 현장 주변의 지반함몰 예측 및 피해저감을 위한 지하안전영향 평가를 목적으로 여러 가지 물리탐사 방법을 연구하고 이를 결합하여 복합해석(소프트웨어)하기 위한 통합적 시스템을 개발하는 분야로 지하공동 및 매설물 탐사와 굴착공사시 지하수위 분포와 지반의 이완정도를 파악하여 도심지 굴착공사시 지반함몰 예측을 위한 복합탐사기술(심도 10 m 이상) 개발을 목표로 하고 있다.

최근 도심지 지반함몰의 경우 지반굴착공사가 주요 발생원인 중 하나로 지적되고 있으며(Gyeonggi Research Institute, 2014), 대도시를 중심으로 지하 심도 10 m 이상을 굴착하는 사례가 급증하고 있는 실정으로 증가된 굴착심도를 대상으로 탐사의 한계성을 극복하고 굴착 배면의 지하안전영향평가에 대한 신뢰성을 극대화하기 위하여 복합탐사 심도와 해상도를 향상시키기 위한 알고리즘을 개발하고, 다양한 토질조건에 따른 복합탐사자료, 지반변상과 지반물성간의 융･복합해석 기술 개발뿐 만 아니라 시스템의 상용화 및 제품화를 통한 굴착공사와 관련된 지반침하 방지를 위한 복합탐사 최적 시스템 구축이 요구된다.

Fig. 5.

Complex detecting system for detecting cavities and underground utilities

먼저, 복합탐사 결과와 지반 물성 간의 융･복합 해석기술 개발하는 것으로 세부적으로는 개별탐사와 지반특성의 상관관계 분석을 통한 지반함몰 요소분석, 지반이완에 따른 토질 특성에 대한 수리･역학적 특성변화 분석, 계측관리 시스템 분석, 복합탐사 자료와 토질 특성과의 연계성 분석, 계측 시스템과 탐사자료와의 연관성 연구, 실규모 현장계측 결과와 복합탐사와의 통합해석 기법을 개발하는 것이다. 두 번째는 복합탐사시스템 기술 개발로써 복합설계, 해석기법 기반연구, 복합탐사 시스템 설계, 복합탐사 소규모 현장적응을 하는 것이며, 세 번째로는 복합탐사 해석기법 개발로써, 지반특성을 고려한 모델 구성 및 GPR, ER inhouse 등의 모델링 알고리즘 개선을 통한 지반 위험인자에 대한 탐지 기능성을 향상시키는 것으로 이를 위하여 심도별 적용가능 탐사를 선정하여 공동, 매설관, 지하수위, 이완대를 탐지하도록 설계하였다.

본 연구의 중점사항으로 첫째, 복합탐사 시스템을 개발하여 도심지 특성상 개별탐사의 탐지 한계를 극복하고 위험 인자(지하수, 공동, 이완대 등)를 도식하기 위한 탐사 시스템(프로그램)을 개발하고자 하며, 둘째, 지하수위 변동 특성을 파악할 수 있는 탐사 모니터링 기법을 개발하여, 굴착에 따른 주요 위험요소는 지하수위 변동에 따른 토립자 유실에 있으므로 지하수위 분포를 확인하여, 안정성 검토에 활용하고, 셋째, 심도별 위험요소(공동, 지하수)에 대한 고정밀 탐지력과 현장적용 가능성을 확인할 계획에 있다.

2.3 차수보강기술 분야

도심지 굴착공사로 인한 지반함몰 발생 및 피해저감을 위한 차수･보강 기술 개발을 목표로 안전한 도시환경조성 및 세계시장 진출이 가능한 경쟁력 있는 차수･보강 기술 확보가 목표이다. 주요 기술개발로는 첫째, 도심지 지하굴착 공사 시 발생하는 지하수의 유입을 사전에 방지하여 지반함몰 사고를 사전에 예방하기 위한 차수용 박층 멤브레인 재료 및 시공기술을 개발하는 것이다. 멤브레인 재료 제작 및 상용화, 설계 및 시공패턴 개발로 적용목적은 완전방수 또는 누수구간의 부분방수가 가능하며, 유입수가 전무한 상태까지의 적용성능을 목표로 하고 있다. 둘째, 굴착면 배면 차수보강을 위한 친환경 고화제와 다중 동시주입 펌프를 활용한 시공기술을 개발에서는 지하수가 노출된 지반조건에서도 환경 유해물질 배출이 없는 저유동성 모르타르 주입재용 무시멘트 고화제 개발과 시공성과 경제성을 향상시키기 위한 다중 동시주입 펌프 및 원격제어 모니터링 프로그램을 개발하고 있다(Fig. 6(b)). 이를 토대로 시작품 설계･제작 및 시공조건에 따른 최적 설계방안을 제시하고 현장적용을 통한 성능을 검증한 후 경제성을 검토하여 최종적으로 시공 매뉴얼을 제시할 예정이다.

Fig. 6.

Development of waterproofing and reinforcement method for urban ground excavation

지하굴착공사로 인한 도심지 지반함몰 사고의 상당수는 지하수 유입과 그에 따른 토사 유출과 관련되어 있기 때문에, 굴착공사 시에 유출되는 지하수에 대하여 신속하게 적용이 가능한 차수 및 보강기술이 필요하며, 더불어 적극적인 현장적용과 개발기술의 상용화를 병행할 예정이다.

2.4 긴급복구기술 분야

지반함몰 발생 시, 복구 방법은 토사의 되메우기 공법과 그라우팅 공법을 통한 복구방법이 많이 사용되고 있다. 하지만 이와 같은 공법에는 양질의 토사 수급의 어려움, 최적의 다짐이 되지 않아 2차 지반 공동 발생의 가능성, 물과 그라우트의 접촉시 재로의 분리로 인한 보강효과 저하, 그라우팅 플랜트 설치시간 및 재료 혼합시간으로 긴급 복구에 부적절한 경우가 있다. 이에 본 연구개발에서는 이러한 문제점들을 최소화하기 위하여 지반공동에 의한 함몰 발생 지반의 긴급복구를 위하여 시간의존성이 고려된 지반 공동 보강용 무기질계 혼화재 개발과 능동적 다변형 지반신소재 포켓을 이용하여 지반공동 내 비개착 주입기술을 이용한 긴급복구기술을 개발하고 있다.

먼저, 수용성 폴리머 기반의 무기질계 혼화재를 이용한 긴급복구 기술에서는 상시보전성이 확보되고 경화시점 조절이 가능하며 원지반 강도구현이 가능한 충전용 신재료 개발, 시공성 확보 개발재료의 주입성능이 최적화 된 주입시스템 개발, 신속한 작업환경 확보와 순차적 대응방안 제시가 가능한 긴급복구 매뉴얼을 구축하고 있다(Fig. 7). 둘째는 지반공동 발생 이후 GPR 탐사 등을 활용한 지반공동탐사에서 발견된 긴급을 요하는 지반공동을 대상으로 천공된 구멍을 통한 비개착 소형 주입장치를 적용하여 긴급복구용 팽창성 채움재 및 신소재 포켓섬유를 이용한 복구기술에 대하여 연구하고 있다(Fig. 8). 지반 내 공동에서의 압력 확인을 통한 주입충전률을 확인할 수 있으며, 회전식 압력분사 방식과 다변형 지반신소재 포켓 강도가 고려된 주입방법을 채택하고 있다.

Fig. 7.

Development of inorganic self-healing admixture based on soluble polymer

Fig. 8.

Development of active multi-deformable geosynthetics pocket for rapid restoration of subsurface cavity

본 연구의 기대효과는 경제･산업적 측면으로 긴급복구 시공 기간의 축소에 따른 중앙정부 및 지자체, 지역기업 등의 시공비용 감소효과, 지반공동 긴급복구를 위해 요구되는 시공구간의 범위 및 시간 축소로 공용성 제한 요소를 최소화함에 따라 간접적 감소와 예산절감 효과를 얻을 수 있다. 또한, 지반공동에 대한 신속한 대응 방안 마련 및 복구에 의해 지반함몰의 사전 예방에 따른 2차사고 방지효과, 지반함몰의 위험요소를 신속히 차단함으로써 사회적 차원의 불안감 감소, 긴급복구에 따른 공용구조물의 활용성 확보로 시민불편 감소 효과가 있을 것으로 예상된다.

2.5 변위제어형 굴착기술 분야

대심도(30 m 이상) 및 도심지 굴착시 지반변위 최소화를 위한 굴착공법 개발로 도심지 대심도 수직굴착 및 저토피(3.5 m 이하) 비개착 수평굴착에 있어서 지반변위 및 지반함몰 위험도를 최소화할 수 있는 공법을 개발하는 것이 목표로 대심도 굴착시 수직도 및 저토피 비개착 공법 개발이 지반변위 억제 및 지반함몰 위험도 감소 등 지반안전 확보 기술에 대한 연구결과를 도출할 예정이다.

첫째, 대심도 수직굴착시 지반변위 및 지반함몰 위험 최소화를 위한 CIP-SCW복합 연직 지지벽체 조성공법을 개발하고 있다(Fig. 9). 이를 위하여 굴착벽체 품질개선 및 성능 극대화를 통한 지반함몰 위험도 최소화 공법에 관한 연구를 수행하고 있으며 시공법, 설계/해석법, 계측 및 공정/품질 관리방안, 위험도 관리 방안 등을 제시할 수 있는 토탈 솔루션 개발도 병행하고 있다. 또한, 굴착과 동시에 보강재 설치 등 시공단계를 단순화하여 기존 공법대비 시공성 및 경제성을 확보하고자 한다.

Fig. 9.

Development of construction equipment and methods dor CIP-SCW Hybrid Vertical Wall

둘째, 도심지 저토피 구간 하부 횡단구조물 설치를 위한 굴착공사의 시공속도 향상을 통하여 공사비 절감이 가능한 변위제한 대응형 비개착 지하횡단 공법을 개발을 목표로 지반 내 응력균형을 유지하면서 상부 변형을 억제할 수 있는 차세대 지하횡단공법(Super Equilibrium; SEM) 개발을 진행하고 있다(Fig. 10). 저토피 구간 굴착시 이완 영역에 대한 침하특성 평가기법, 굴착지반의 이완과 굴착 상부지반의 초기 침하 억제가 가능한 비개착식 지하횡단공법 개발, 현장시험시공을 통한 개발공법의 성능평가 및 효과분석, 개선된 지하횡단공법 설계･시공 기준개발을 통하여 ‘강관다단그라우팅･Fore poling 등 개선 적용-SEM 파일’과 ‘전면 가압식 함체’ 조합을 통한 중대구경 강관 대비 변위(이완영역) 20% 저감,‘마찰저감 장치 적용’에 의한 함체 견인 및 추진시 시공속도 향상 20%, 공기단축에 의한 공사비 20% 절감 등의 연구개발 목표의 정량화를 이루고자 연구를 수행하고 있다.

Fig. 10.

Development of a underpass construction method (Super Equilibrium Method; SEM)

3. 결론

굴착공사에 따른 지반함몰 예측･평가의 고도화, 해석･탐사의 정교화, 굴착･보강기술의 효율화를 통한 지반함몰 최소화를 목표로 연구개발이 잘 수행된다면, 굴착시공에 따른 지반변형 해석기법 개발을 통한 지반함몰 예측 및 대응방안 도출, 도심지 지반함몰 예방을 위한 정책 및 제도화 방안 제시, 지하공동 및 매설물 탐사(심도 10 m 이상)를 위한 복합탐사 가능, 신속한 지반보강 및 차수를 통한 지반함몰 방지, 지반함몰 발생시 합리적인 긴급복구 설계 및 대응 매뉴얼 구축, 대심도 및 저토피 구간 굴착시의 굴착 공법 개선 및 시공 성능 향상이 가능할 것이다. 향후 대도시를 중심으로 급증할 것으로 전망되는 국내 굴착공사 관련 건설사업, 지반굴착 모니터링 및 도시형 지반함몰 탐지기술, 굴착공사 시 인접 지반이나 구조물의 영향과 연계된 관리기준 및 제도적 기반에 적극 활용이 가능하며, 세계적 수준의 안전한 지반굴착 설계･시공 기술 확보를 통한 국내･외 시장 상용화 등 제품화 가능한 성과물 도출과 사업화 추진이 가능할 것이다. 또한, 지침, 고시 등의 가이드라인 제정으로 과학적 근거에 따른 합리적 의사결정으로 지반함몰 복구비용 및 피해비용의 탁월한 절감효과 기대된다.