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문제 정의
- 본 논문에서는 국내에서 터널공사중 발생한 환경피해에 대한 사례를 조사·분석하여 터널에 미치는 환경영향인자를 도출해내고, 이러한 인자에 대하여 수치해석 등을 통하여 그 영향을 분석하여 향후 터널건설에 따른 환경피해를 최소화하기 위한 기초자료로써 활용하고자 한다.
- 본 연구에서는 터널건설에 따른 환경영향을 조사·분석하여 환경적 영향을 최소화하기 위한 기초자료로 활용하기 위하여 연구하였으며, 분석결과 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 앞절에서 사례분석을 통하여 터널건설로 인한 환경에 미치는 인자로서 지하수, 소음, 진동 등을 도출하였다. 본절에서는 환경에 영향을 미치는 인자중 하나인 지하수에 대하여 침투류 해석을 실시하여 터널굴착후 시간에 따른 지하수위 저하 경향과 간극수압 분포 등을 알아보고자 한다.
- 터널건설에 따른 환경에 대한 영향을 알아보기 위하여 국내의 지하철 및 도로터널 현장에 근무하는 사람들에 대하여 설문조사를 실시하였다. 주요 항목은 실제 터널건설에 있어서 가장 환경에 민감하게 영향을 미치는 항목에 대한 조사와 지하수 그리고 소음, 진동의 영향 여부를 조사하였다.
제안 방법
- 그림 4는 중앙환경분쟁조정위원회와 국민고충처리위원회 및 기타 자료로부터 터널발파 및 공사장비에 대한 소음측정 자료를 분석한 것이다. 각 사례마다 이격거리가 다르지만, 터널발파시와 공사장비가 운용 중일 때 피해가 클 것으로 예상되는 지점에서 측정하였다. 측정결과, 조사대상의 약 65%가 국내 소음·진동규제법중 생활소음 규제기준인 70dB(A)(주간 08:00～18:00, 공사장 기준)을 초과하는 것으로 나타났다.
- 해석영역은 지층조건을 고려한 해석심도를 모델링하였으며 지하수 용출범위는 지하수유동 해석결과로부터 터널 단면좌우측으로 150m를 적용하였으며 하부는 3H(터널고)이상 적용하였으며 모델링에 적용된 지하수위는 적용구간의 상시평균 지하수위를 적용하였다. 또한, Transient 해석에 적용한 유입기간은 시공기간을 고려하여 굴착초기부터 2년간 유입조건을 적용하였다.
- 앞절에서 사례분석을 통하여 터널건설로 인한 환경에 미치는 인자로서 지하수, 소음, 진동 등을 도출하였다. 본절에서는 환경에 영향을 미치는 인자중 하나인 지하수에 대하여 침투류 해석을 실시하여 터널굴착후 시간에 따른 지하수위 저하 경향과 간극수압 분포 등을 알아보고자 한다.
- 터널건설에 따른 환경에 대한 영향을 알아보기 위하여 국내의 지하철 및 도로터널 현장에 근무하는 사람들에 대하여 설문조사를 실시하였다. 주요 항목은 실제 터널건설에 있어서 가장 환경에 민감하게 영향을 미치는 항목에 대한 조사와 지하수 그리고 소음, 진동의 영향 여부를 조사하였다.
- 터널건설로 인하여 발생한 피해사례에 대하여 피해유형별 조사 및 분석을 하였다. 터널건설에 따른 환경피해 사례 분석은 1999년 1월부터 2004년 6월말까지 중앙환경분쟁 조정위원회에 제기된 385건의 환경분쟁 조정 사례중 터널공사와 관련된 분쟁사례와 국민고충처리위원회에 제기된 사례 및 각종 터널공사현장에서 조사한 사례 등에 대하여 분석을 실시하였다.
- 터널굴착이 완료된 후의 시간경과에 따른 지하수위 변화를 검토하기 위하여 부정류해석을 실시하였다. 해석결과 터널주위의 지하수가 터널로 유입됨에 따라 그림 15와 같은 지하수위 변화를 보인다.
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3.3 해석조건
해석영역은 지층조건을 고려한 해석심도를 모델링하였으며 지하수 용출범위는 지하수유동 해석결과로부터 터널 단면좌우측으로 150m를 적용하였으며 하부는 3H(터널고)이상 적용하였으며 모델링에 적용된 지하수위는 적용구간의 상시평균 지하수위를 적용하였다. 또한, Transient 해석에 적용한 유입기간은 시공기간을 고려하여 굴착초기부터 2년간 유입조건을 적용하였다.
- 해석은 굴착시점을 기준으로 굴착완료시 갱구부의 1일 배출량을 분석하였으며, 다음과 같은 방법으로 해석을 실시하였다.
대상 데이터
- 본 해석에 적용된 터널은 부산 지하철 ○○ ～ ○○ 구간으로서 터널굴착구간으로 지방하천이 흐르며, 지층현황은 터널천단부 위로는 매립층, 충적층, 풍화토와 풍화암층 등으로 구성되어 있으며, 지하수위는 G.L -3.0m에 위치하고 있으며, 천단부 보강을 위하여 강관다단 그라우팅을 적용하였다. 그림 10은 본 구간의 지하수위 및 지반현황을 나타낸다.
- 터널건설로 인하여 발생한 피해사례에 대하여 피해유형별 조사 및 분석을 하였다. 터널건설에 따른 환경피해 사례 분석은 1999년 1월부터 2004년 6월말까지 중앙환경분쟁 조정위원회에 제기된 385건의 환경분쟁 조정 사례중 터널공사와 관련된 분쟁사례와 국민고충처리위원회에 제기된 사례 및 각종 터널공사현장에서 조사한 사례 등에 대하여 분석을 실시하였다.
데이터처리
- 시간의 경과에 따른 지하수의 저하로 인한 영향을 검토하기 위하여 부정류해석(transient analysis)을 실시하였으며, 부정류 해석결과 시간경과에 따른 유출량 변화는 그림 12와 같이 나타났다.
이론/모형
- 경험식(Goodman)에 의하여 터널내로 유입되는 유입량을 산출하였다. Goodman의 식은 다음과 같으며, 산정결과 표 3과 같이 2.
성능/효과
- (1) 터널굴착중 가장 환경에 영향을 미치는 항목에 대하여 설문조사를 한 결과, 터널발파로 인한 소음의 피해가 42%로 가장 큰 것으로 나타났다. 소음에 이어서 지하수에 영향을 미친다는 응답이 29%, 발파로 인한 진동에 의한 영향은 25%, 기타 분진에 의한 피해는 4%로 나타났다.
- (2) 터널공사로 인하여 발생된 피해유형으로는 크게 터널공사현장 인근에서 사육중인 가축에 대한 피해와 발파로 인한 진동에 의하여 인근 주택이나 건물에 균열이 발생하는 피해가 가장 큰 것으로 나타났다. 건물피해의 경우 33%를 차지하여 가장 많은 피해형태로 나타났으며, 가축피해와 발파로 인한 정신적 피해가 각각 20%, 18%로 이들 3가지 유형이 전체의 약 70% 이상을 차지하는 것으로 나타났다.
- (3) 분쟁사례가 발생한 지역에 대해 소음 및 진동에 대한 계측결과, 일부 현장에서는 기준치를 초과하는 것으로 조사되었으며, 진동 및 소음이 법적인 규제치 이내로 발생하였더라도 진동 및 소음이 인간 및 동물에 미치는 영향은 어느 정도 개연성이 있다는 것으로 조사되었다.
- (5) 부산지하철 ○○구간을 대상으로, 시간의 경과에 따른 지하수의 저하로 인한 영향을 검토하기 위하여 부정류해석(transient analysis)을 실시하였으며, 부정류 해석결과 굴착직후 약 2.11m3/min/km가 유출되는 것으로 해석되었으며, 시간의 경과에 따라 유출량이 감소하며 약 6개월 이후로는 유출량이 최대 1.45m3/min/km보다 작은 값으로 점차 수렴하는 것으로 나타났다.
- (6) 부정류해석결과 터널주위의 지하수가 터널로 유입됨에 따라 터널 굴착이 지하수거동에 영향을 미칠 수 있으나, 초기와 비교하여 지하수위는 약 4.5m 정도 하강하는 것으로 보여 굴착에 의한 영향은 크지 않은 것으로 판단된다.
- (2) 터널공사로 인하여 발생된 피해유형으로는 크게 터널공사현장 인근에서 사육중인 가축에 대한 피해와 발파로 인한 진동에 의하여 인근 주택이나 건물에 균열이 발생하는 피해가 가장 큰 것으로 나타났다. 건물피해의 경우 33%를 차지하여 가장 많은 피해형태로 나타났으며, 가축피해와 발파로 인한 정신적 피해가 각각 20%, 18%로 이들 3가지 유형이 전체의 약 70% 이상을 차지하는 것으로 나타났다.
- 터널공사로 인하여 발생된 피해로는 크게 터널공사현장 인근에서 사육중인 가축에 대한 피해와 발파로 인한 진동에 의하여 인근 주택이나 건물에 균열이 발생하는 피해가 가장 큰 것으로 나타났다. 건물피해의 경우 33%를 차지하여 가장 많은 피해형태로 나타났으며, 가축피해와 정신적 피해가 각각 20%, 18%로 이들 3가지 유형이 전체의 약 70% 이상을 차지하는 것으로 나타났다. 이밖에, 분진 및 소음피해, 지하수 고갈 등의 피해도 발생가능한 유형이다.
- 또한, 김태희 등(2004)은 터널 굴착 이전인 현재의 시점에 대한 데이터 확보와 자연적 실태를 조사함으로써 터널 굴착에 따른 하천의 영향을 검토하였다. 검토결과, 터널 굴착을 통해 지하수의 기저유출량에 해당하는 39%의 유량을 감소시킬 개연성이 존재함을 확인하였다.
- 경험식에 의해 계산된 유입량은 굴착후 지하수위 저하가 고려되지 않은 관계로 2차원 부정류(Transient) 해석결과에 비해 상당한 차이를 보이는 것으로 나타났다. 굴착단계별 최대 유출량의 수치해석 결과는 터널의 연장, 시공기간, 지반성상 등을 종합적으로 고려한 결과이며 실제 용출수는 암반에 발달한 절리와 같은 불연속면을 따라 침투가 이루어지는 것이 대부분이다.
- 경험식에 의해 계산된 유입량은 굴착후 지하수위 저하가 고려되지 않은 관계로 2차원 부정류(Transient) 해석결과에 비해 상당한 차이를 보이는 것으로 나타났다. 굴착단계별 최대 유출량의 수치해석 결과는 터널의 연장, 시공기간, 지반성상 등을 종합적으로 고려한 결과이며 실제 용출수는 암반에 발달한 절리와 같은 불연속면을 따라 침투가 이루어지는 것이 대부분이다.
- 4m로서 점차 이 값에 수렴할 것으로 판단된다. 굴착완료후 지하수위의 변화는 초기상태와 비교하여 약 4.5m 내외로서 지하수위 강하가 크지 않으며, 자연적으로 회복가능한 정도로 보이며, 지표수의 고갈 등에 대한 환경적인 영향은 없을 것으로 판단된다. 그러나, 파쇄대와 같은 지하수의 이동경로가 터널굴착구간을 지나간다면, 많은 양의 지하수가 터널내부로 유입될 가능성이 있으므로 터널공사시 파쇄대와 같은 단층대에 대한 세심한 주의 및 보강이 필요할 것이다.
- 굴착직후 약 2.11m3/min/km가 유출되는 것으로 해석되었으며, 시간의 경과에 따라 유출량이 감소하며 약 6개월 이후로는 유출량이 굴착직후의 약 68% 수준인 1.45m3/min/km에 점차로 수렴하는 것으로 나타났다. 이는 터널굴착에 의해서 터널내로 지하수가 유입됨에 따라 주위의 지하수위가 낮아지면서 평형상태로 수렴하는 과정에서 유입량이 점차 감소하여 약 6개월후 1.
- 그림 7은 중앙환경분쟁위원회 및 국민고충처리위원회에 조정을 의뢰한 사례중에서 보상요구액 및 실제 배상액을 도시화한 것이다. 사례들을 살펴보면 대략 터널공사로 인한 건물균열 및 소음, 진동에 의한 정신적 피해, 축사피해 등에 대한 보상액을 약 3천만원에서 12억원 가량을 요구한 것으로 나타났으며, 이에 대한 법원의 배상판결은 피해보상요구액의 약 10% 정도를 인정하는 것으로 나타났다.
- (1) 터널굴착중 가장 환경에 영향을 미치는 항목에 대하여 설문조사를 한 결과, 터널발파로 인한 소음의 피해가 42%로 가장 큰 것으로 나타났다. 소음에 이어서 지하수에 영향을 미친다는 응답이 29%, 발파로 인한 진동에 의한 영향은 25%, 기타 분진에 의한 피해는 4%로 나타났다.
- 그림 1은 터널굴착 중 가장 환경에 영향을 미치는 항목에 대하여, 터널발파로 인한 소음의 피해가 42%로 가장 큰 것으로 나타났다. 소음에 이어서 지하수에 영향을 준다고 응답한 사람이 29%, 발파로 인한 진동에 의한 영향은 25%, 기타 분진에 의한 피해는 4%로 나타났다. 조사결과 터널굴착시 환경에 영향을 주는 항목은 크게 소음, 진동, 지하수의 3가지 요소가 있음을 알 수 있었으며, 향후 터널건설시 이에 대한 항목에 중점을 두어 터널건설을 해야 할 것으로 판단된다.
- 시간에 따른 지하수위 변화를 보면, 그림 16과 같이 굴착완료후 약 6개월 동안 지하수위의 강하는 약 4.0m의 변화를 보이나 이후의 지하수위의 저하는 점차적으로 줄어드는 경향을 보이며, 4년후의 지하수위는 약 4.4m로서 점차 이 값에 수렴할 것으로 판단된다. 굴착완료후 지하수위의 변화는 초기상태와 비교하여 약 4.
- 여러 분쟁조정사례들을 보면, 진동 및 소음이 법적인 규제치내로 발생하였더라도 진동 및 소음이 인간 및 동물에 미치는 영향은 어느 정도 개연성이 있다고 보며, 피해일부를 배상해야 한다는 것으로 조사되었다.
- 조사에 응한 응답자들이 자신들이 근무하는 터널현장에서 지하수와 소음진동이 환경에 영향을 미친다고 응답한 사람이 약 20%이며, 지하수에 영향을 전혀 미치지 않는다고 응답한 사람은 40%, 소음진동의 경우 약 17%를 차지하는 것으로 나타났다. 조사결과, 지하수의 경우 영향을 주지 않는다는 응답이 약 40%로서, 소음진동에 비해서는 실제로 환경에 영향을 미치지 않는다는 의견을 보였다. 이러한 이유는, 소음진동의 경우 인근마을의 민원 발생, 건물의 균열, 가축의 피해 등으로 가시적으로 보일 수 있지만, 지하수의 경우 그 특성상 소음진동에 비하여 실제 그 피해를 쉽게 알지 못한다는 특성인 것으로 판단된다.
- 그러나, 중앙환경분쟁조정위원회에서는 이러한 기준보다는 인체가 영향을 미칠 수 있는 수인한계 기준으로 73dB(V)로 하여 분쟁조정시 이 값을 적용하고 있다. 조사결과, 진동도는 34dB(V)～90dB(V)로 분포하며 수인한계인 73dB(V)을 초과하는 사례는 전체의 50%로 나타났다
- 그림 2는 지하수와 소음진동이 실제로 터널현장에서 환경에 영향을 미치는가에 대한 조사이다. 조사에 응한 응답자들이 자신들이 근무하는 터널현장에서 지하수와 소음진동이 환경에 영향을 미친다고 응답한 사람이 약 20%이며, 지하수에 영향을 전혀 미치지 않는다고 응답한 사람은 40%, 소음진동의 경우 약 17%를 차지하는 것으로 나타났다. 조사결과, 지하수의 경우 영향을 주지 않는다는 응답이 약 40%로서, 소음진동에 비해서는 실제로 환경에 영향을 미치지 않는다는 의견을 보였다.
- 해석결과 터널주위의 지하수가 터널로 유입됨에 따라 그림 15와 같은 지하수위 변화를 보인다. 즉 터널굴착은 터널 주변의 지하수거동에 영향을 미치나, 그 영향은 크지 않는 것으로 판단되며, 터널 천단부 지점의 지하수위가 가장 큰 것으로 나타났으며, 초기와 비교하여 지하수위는 약 4.5m 정도 하강하는 것으로 보여 굴착에 의한 영향은 크지 않은 것으로 판단된다. 그림 15에 표기된 1～9는 각각 굴착후 1일, 7일, 30일, 60일, 90일, 6개월, 1년, 2년, 4년을 나타낸다.
- 그림 6은 발파진동에 대한 측정결과이다. 측정결과 구조물 손상기준 발파진동 허용치(1999년 건설교통부 제정)인 일반가옥에 대한 기준인 1.0cm/sec 이내로 관리되고 있으며, 대부분의 경우 문화재 관리기준인 0.3cm/sec 이내로 측정되어 진동도, 소음에 비해서는 그 영향이 크지않는 것으로 나타났다.
- 각 사례마다 이격거리가 다르지만, 터널발파시와 공사장비가 운용 중일 때 피해가 클 것으로 예상되는 지점에서 측정하였다. 측정결과, 조사대상의 약 65%가 국내 소음·진동규제법중 생활소음 규제기준인 70dB(A)(주간 08:00～18:00, 공사장 기준)을 초과하는 것으로 나타났다. 이러한 분쟁사례에서 중앙환경분쟁조정위원회에서는 소음으로 인해 인체에 영향을 미칠 수 있는 수인한계를 70dB(A)로 정하여 소음에 의한 피해를 인정하고 있다.
- 그림 3은 터널공사로 인해 발생된 피해를 유형별로 분석한 것이다. 터널공사로 인하여 발생된 피해로는 크게 터널공사현장 인근에서 사육중인 가축에 대한 피해와 발파로 인한 진동에 의하여 인근 주택이나 건물에 균열이 발생하는 피해가 가장 큰 것으로 나타났다. 건물피해의 경우 33%를 차지하여 가장 많은 피해형태로 나타났으며, 가축피해와 정신적 피해가 각각 20%, 18%로 이들 3가지 유형이 전체의 약 70% 이상을 차지하는 것으로 나타났다.
- 표 1은 국내의 터널공사로 인하여 민원이 제기된 공사현장과 피해원인 및 보상내용 등을 나타내고 있다. 표 1에 의하면 터널건설공사로 인한 발생되는 환경영향은 터널발파로 인한 인근주민의 정신적 피해와 가축피해, 터널발파로 인한 소음진동, 터널굴착으로 인한 지하수 고갈, 자연생태계 훼손, 지하수 오염 등의 피해가 발생하는 것으로 나타났다.
후속연구
- (4) 본 사례조사 분석을 통하여 터널건설에 따른 환경영향 최소화 기술은 민원발생이나 분쟁사례가 가장 많은 소음․진동 및 지하수에 대하여 중점적으로 그 연구가 이루어져야 하며, 법적인 규제치 이내로 억제할 수 있는 기술 이외에도 인간공학적인 측면에서의 접근도 필요한 것으로 판단된다.
- (7) 파쇄대와 같은 지하수의 이동경로가 터널굴착구간을 지나간다면 많은 양의 지하수가 터널내부로 유입될 가능성이 있으므로 터널공사시 파쇄대와 같은 단층대에 대한 세심한 주의 및 보강이 필요할 것이다.
- 그림 13은 굴착후 시간경과에 따른 유속벡터 및 간극수압분포를 나타낸 것이다. 그림 13으로부터 시간이 경과함에 따라 간극수압은 점차로 작아지는 경향을 보이며, 라이닝에도 일부 수압이 작용하므로, 이에 대한 영향을 검토하여야 할 것으로 판단된다.
- 소음에 이어서 지하수에 영향을 준다고 응답한 사람이 29%, 발파로 인한 진동에 의한 영향은 25%, 기타 분진에 의한 피해는 4%로 나타났다. 조사결과 터널굴착시 환경에 영향을 주는 항목은 크게 소음, 진동, 지하수의 3가지 요소가 있음을 알 수 있었으며, 향후 터널건설시 이에 대한 항목에 중점을 두어 터널건설을 해야 할 것으로 판단된다.
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