최근 들어, 지하철공사나 폐광의 관리와 같은 지하공간의 공사에 의한 지반침하에 대한 관심이 높아지고 있다 GIS (Geographic Information System; 지리정보시스템)를 이용한 지반침하의 분석은 공간자료의 처리 및 데이터베이스의 구축 차원에서 장점을 지니고 있다. GIS를 이용한 분석에 있어, 보다 나은 결과를 위해서는 기존의 침하 이론이나 모델의 보완이 필요하다. 복잡한 지형을 고려하기 위해서는 표면의 지형 기복을 고려한 모델의 민정이 필요하며, 3차원 상의 분석을 위해서는 2개의 직고하는 2차원 침하곡선을 동시에 고려할 필요성이 있다. 이러한 보완을 통해서 GIS를 이용한 지반침하 분석 모델을 구축할 수 있으며, 이의 실제 적용 가능성의 판단을 위해 이상적인 경우의 지하공동과 지반조건에 대해 분석을 수행하였다. 공동의 특성, 토층의 특성, 지하수 조건 및 지형조건의 현실적인 입력변수로의 활용을 통해, 보다 더 신뢰성 있는 결과와 활용분야의 확대를 기대할 수 있다.
최근 들어, 지하철공사나 폐광의 관리와 같은 지하공간의 공사에 의한 지반침하에 대한 관심이 높아지고 있다 GIS (Geographic Information System; 지리정보시스템)를 이용한 지반침하의 분석은 공간자료의 처리 및 데이터베이스의 구축 차원에서 장점을 지니고 있다. GIS를 이용한 분석에 있어, 보다 나은 결과를 위해서는 기존의 침하 이론이나 모델의 보완이 필요하다. 복잡한 지형을 고려하기 위해서는 표면의 지형 기복을 고려한 모델의 민정이 필요하며, 3차원 상의 분석을 위해서는 2개의 직고하는 2차원 침하곡선을 동시에 고려할 필요성이 있다. 이러한 보완을 통해서 GIS를 이용한 지반침하 분석 모델을 구축할 수 있으며, 이의 실제 적용 가능성의 판단을 위해 이상적인 경우의 지하공동과 지반조건에 대해 분석을 수행하였다. 공동의 특성, 토층의 특성, 지하수 조건 및 지형조건의 현실적인 입력변수로의 활용을 통해, 보다 더 신뢰성 있는 결과와 활용분야의 확대를 기대할 수 있다.
Recently, interests in subsidence hazard have been increased due to the underground construction such as subway construction and managements of abandoned mines. GIS analysis of subsidence hazard has a lot of advantages in handling of spatial data and managing database. For better result of GIS analy...
Recently, interests in subsidence hazard have been increased due to the underground construction such as subway construction and managements of abandoned mines. GIS analysis of subsidence hazard has a lot of advantages in handling of spatial data and managing database. For better result of GIS analysis, there are some necessities of modifying previous subsidence theory and model. To take surface profile into account allows the application of complicated topology. Furthermore. for 3-dimensional analysis. two subsidence profile curves that are perpendicular to each other should be considered simultaneously. Through these modifications, the model for subsidence analysis using GIS can be established. With ideal case of cavities and other conditions, GIS analysis was accomplished and meaningful results were produced. More realistic properties of cavity. soil layers, groundwater condition and topology will enable GIS analysis method to produce more reliable result and to widen the area of applications.
Recently, interests in subsidence hazard have been increased due to the underground construction such as subway construction and managements of abandoned mines. GIS analysis of subsidence hazard has a lot of advantages in handling of spatial data and managing database. For better result of GIS analysis, there are some necessities of modifying previous subsidence theory and model. To take surface profile into account allows the application of complicated topology. Furthermore. for 3-dimensional analysis. two subsidence profile curves that are perpendicular to each other should be considered simultaneously. Through these modifications, the model for subsidence analysis using GIS can be established. With ideal case of cavities and other conditions, GIS analysis was accomplished and meaningful results were produced. More realistic properties of cavity. soil layers, groundwater condition and topology will enable GIS analysis method to produce more reliable result and to widen the area of applications.
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문제 정의
기존의 연구는 하나의 단면만을 통해서 분석을 수행하였기 때문에 공간적인 3차원의 개념에서 다른 단면을 고려하게 되면, 2차원적인 해석에서 보다 복잡한 양상을 띠게 된다. 따라서 기존의 2차원적인 해석을 기반으로 하여 3차원적인 침하곡선함수의 필요성이 대두되며, 본 연구에서는 국내에서 처음으로 3차원 지반침하를 고려하는 GIS를 설계하였다.
본 연구에서는 국내외의 연구를 토대로, 지형기복 등 현실에 근접한 모델을 설정하고, 지반침하에 영향을 끼치는 필수 요소를 선정하고, GIS를 통해 위험의 정도를 정량적으로 분석하는 기법을 적용하는 것을 목적으로 한다.
최대수직침하량 및 지반침하영역은 공동 자체의 형상에만 영향을 받는 것이 아니라, 공동위의 지형, 토층의 종류 및 분포 양상, 지하수 조건 등에도 영향을 받는다. 이에 본 연구에서는 지형기복, 토층분포, 공동위 치조건, 지하수 강하 등의 지반의 실제 조건에 부합되는 변수들을 고려한 지반침하 GIS 모델을 개발하였다. 본 연구에 사용된 여러 변수들 및 가정들과 관련하여, 국내 광산 현장의 조건을 분석하여, 정량화된 데이터를 입력하면 정밀한 지반침하 위험도 작성이 이루어질 수 있다.
본 연구에서는 하부에 존재하는 공동, 지하수면의 변화량 및 해당 연구지역을 덮고 있는 도층의 심도와 종류만을 주된 요인으로 선정하였다. 즉 공동에 의해 침하되는 경우와 지하수면의 하강으로 인해 토충이 침하되는 경우의 두 가지 측면에 대해서 살펴보았다.
가설 설정
1. 지반침하의 해석은 공간적으로 이루어져야 한다. 기존의 연구는 하나의 단면만을 통해서 분석을 수행하였기 때문에 공간적인 3차원의 개념에서 다른 단면을 고려하게 되면, 2차원적인 해석에서 보다 복잡한 양상을 띠게 된다.
이 경우 각각의 단면도상에서 나타나는 침하량이 서로 차이를 보이기 때문에 침하곡선함수의 수식을 바로 적용시키기에는 어려움이 따른다. 따라서 공동의 수직 상부는 최대가능수직침하량을 보인다고 가정하고, 나머지 영역인 35°의 영향각으로부터 얻어진 영역(이 영역의 끝부분 침하량은 0이 된다)에 대해서는 보간법을 통해 침하량을 산출하였다. 이 결과는 다분히 보수적인 값을 보이게 된다.
지하수면의 하강에 따라서 생기게 되는 침하의 경우, 토층의 종류 및 깊이가 주된 변수로 작용하게 된다. 본 연구에서는 토층의 종류를 입자의 크기별로 3개로 나누고 각 종류에 따라서 지하수면 하강에 따르는 침하의 정도가 차이를 보인다는 가정 하에 각각의 종류에 대해 다른 가중치를 부여하였다. 토층의 종류 및 가중치와 사용한 레이어는 아래의 Table 2와 같다.
이렇게 분류된 토층의 두께와 지하수면의 하강폭은 100개의 임의의 관측지점을 선정하여 부여하였으며 나머지 부분에 대한 값은 보간법을 이용하였다. 이때 토층의 침하량은 지하수면의 하강 및 토층의 깊이와 비례한다고 가정하였다. 실제로 지하수면의 변화량과 침하량의 비례 관계는 여러 실험을 통해 알려진 바 있다 (Waltham, 1994).
제안 방법
이 방법은 많은 야외 관찰 결과를 토대로 하여 공동이 위치한 깊이와 공동의 폭을 이용해 최대가능수직침하량을 예측하는 방법으로서, 실제 영국지역의 탄광에서 발생한 많은 지반침하의 형태와 지하의 굴착상황과의 관계를 나타낸 그래프를 이용하는 방법이다. 그래프를 통해, 채굴 부분의 깊이와 채굴 공동의 폭을 이용하여 최대가능수직침하량과 탄층 두께의 비인 침하상수(Smax/m, subsidence factor)를 도 출한 후, 침하상수에 탄층의 두께인 이을 곱해서 최대 가능수직침하량(Sg)을 구해낸다.
이러한 영향은 지반침하 피해예상지역 선정에 현저한 차이를 나타내게 된다. 따라서 분석과정에 있어 수치표고모형을 통해 지형의 고도정보를 함께 사용하여 이러한 영향을 가미하였다.
본 연구에서는 공동이 원인이 되는 지반침하의 경우 영향각을 35°로 하였는데, 이 경우 공동의 경계부로부터의 수평거리(d)와 공동과 지표면의 고도차(h)를 이용해 침하가 일어나는 부분과 그렇지 않은 부분을 구분하면 다음과 같다.
본 연구에서는 구조물의 안정성을 저해하는 더 중요한 요인인 최대수평변형율과 최대경사각에 대해서는 아 직까지 정량적인 관찰 및 해석에 대한 연구가 부족하므로 본 연구에서는 최대수직침하량만을 고려하였다.
이외에도 지진운동도 지반침하의 원인으로 보기도 한다(Waltham, 1994). 본 연구에서는 하부에 존재하는 공동, 지하수면의 변화량 및 해당 연구지역을 덮고 있는 도층의 심도와 종류만을 주된 요인으로 선정하였다. 즉 공동에 의해 침하되는 경우와 지하수면의 하강으로 인해 토충이 침하되는 경우의 두 가지 측면에 대해서 살펴보았다.
지형도를 토대로 연구지역을 선정한 후, 가상의 지하공동을 5군데 설정하였다. 이들의 규모 및 심도 등은 장벽식 채탄법에 의해 발생되는 실제 규모를 고려하여 임의로 부여하였다.
이론/모형
GIS를 이용한 지반침하 분석에 있어 본 연구는 상용 GIS 프로그램인 IDRISI 32와 CartaLinx를 사용하였다. IDRISI 32는 지구통계기법모듈이 강조된 GIS 분석 프로그램이며, CartaLinx는 자료 입력 및 벡터방식 기본 연산이 가능한 상용프로그램이다.
이들의 규모 및 심도 등은 장벽식 채탄법에 의해 발생되는 실제 규모를 고려하여 임의로 부여하였다. 부여된 데이터와 앞서 언급한 영국의 National Coal Board에서 개발한 도해법(1975)을 이용하여 각 공동에 의해 발생되는 최대가능 수직침하량을 도출하였다. 자료 및 최대가능수직침하량 은 Table 1과 같다.
본 지역은 어느 정도의 지형기복을 가지고 있으며, 주거지 및 하천을 함께 포함하고 있는 지역으로 국내 광산지역의 상황과 유사하다. 우선 지형도에 나타나 있는 등고선의 수치화 작업을 통해 수치표고모형(DEM: Digital Elevation Model)을 작성하였다. 또한 나머지 지형정보(주택, 하천, 저수지 등)를 디지타이징하여 벡터파일의 형태로 작성하였다.
토층의 종류 및 가중치와 사용한 레이어는 아래의 Table 2와 같다. 이렇게 분류된 토층의 두께와 지하수면의 하강폭은 100개의 임의의 관측지점을 선정하여 부여하였으며 나머지 부분에 대한 값은 보간법을 이용하였다. 이때 토층의 침하량은 지하수면의 하강 및 토층의 깊이와 비례한다고 가정하였다.
최대가능 수직침하량은 주어진 조건하에서 발생할 수 있는 최대 침하량을 의미하며, 이의 정량적 값은 영국 의 National Coal Boaid에서 개발한 도해법(1975)을 통해 얻어질 수 있다. 이 방법은 많은 야외 관찰 결과를 토대로 하여 공동이 위치한 깊이와 공동의 폭을 이용해 최대가능수직침하량을 예측하는 방법으로서, 실제 영국지역의 탄광에서 발생한 많은 지반침하의 형태와 지하의 굴착상황과의 관계를 나타낸 그래프를 이용하는 방법이다.
성능/효과
2. 최대수직침하량 및 지반침하영역은 공동 자체의 형상에만 영향을 받는 것이 아니라, 공동위의 지형, 토층의 종류 및 분포 양상, 지하수 조건 등에도 영향을 받는다. 이에 본 연구에서는 지형기복, 토층분포, 공동위 치조건, 지하수 강하 등의 지반의 실제 조건에 부합되는 변수들을 고려한 지반침하 GIS 모델을 개발하였다.
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