일반적으로 균열 암반 내 지하수 흐름을 이해하는 것은 터널 굴착과 지하 동굴 건설시 중요한 사안이다. 이런 경우에 굴착이전부터 굴착완료까지의 시추공 자료는 균열암반 내 지하수 유동 변화를 고찰하는데 있어서 유용하다. 그러나 충분한 시추공 자료가 여의치 않은 경우가 많다. 본 연구는 경기도 광주시 직리터널 지역에 대해 수리상수, 터널 굴착 후기의 지하수 모니터링 자료, 국가지하수관측망 자료, 전기비저항탐사 자료를 이용하여 직리터널 건설로 인한 지하수 유출량을 평가하였다. 해석학적 방법에 의해 계산된 지하수 유출량은 $7.12{\sim}74.4\;m^3/day/m$이었으며, 수치 모델링을 이용하여 산출된 지하수 유출량은 $64.8\;m^3/day/m$이다. 두가지 모델을 비교할 때, 수치 모델링에서는 공간적인 수리상수 변화를 고려할 수 있는 반면에 해석학적 방법으로는 이것이 불가능하기 때문에 수치 모델링에 의한 지하수 유출량이 더 합리적인 것으로 판단된다. 한편, 수치 모델링에 의하면 터널 건설이 완료되고 약 1년 후에는 하강되었던 지하수위가 터널 굴착이전으로 회복되는 것으로 모사되었다.
일반적으로 균열 암반 내 지하수 흐름을 이해하는 것은 터널 굴착과 지하 동굴 건설시 중요한 사안이다. 이런 경우에 굴착이전부터 굴착완료까지의 시추공 자료는 균열암반 내 지하수 유동 변화를 고찰하는데 있어서 유용하다. 그러나 충분한 시추공 자료가 여의치 않은 경우가 많다. 본 연구는 경기도 광주시 직리터널 지역에 대해 수리상수, 터널 굴착 후기의 지하수 모니터링 자료, 국가지하수관측망 자료, 전기비저항탐사 자료를 이용하여 직리터널 건설로 인한 지하수 유출량을 평가하였다. 해석학적 방법에 의해 계산된 지하수 유출량은 $7.12{\sim}74.4\;m^3/day/m$이었으며, 수치 모델링을 이용하여 산출된 지하수 유출량은 $64.8\;m^3/day/m$이다. 두가지 모델을 비교할 때, 수치 모델링에서는 공간적인 수리상수 변화를 고려할 수 있는 반면에 해석학적 방법으로는 이것이 불가능하기 때문에 수치 모델링에 의한 지하수 유출량이 더 합리적인 것으로 판단된다. 한편, 수치 모델링에 의하면 터널 건설이 완료되고 약 1년 후에는 하강되었던 지하수위가 터널 굴착이전으로 회복되는 것으로 모사되었다.
In general, understanding groundwater flow in fractured bedrock is critical during tunnel and underground cavern construction. In that case, borehole data may be useful to examine groundwater flow properties of the fractured bedrock from pre-excavation until completion stages, yet sufficient borehol...
In general, understanding groundwater flow in fractured bedrock is critical during tunnel and underground cavern construction. In that case, borehole data may be useful to examine groundwater flow properties of the fractured bedrock from pre-excavation until completion stages, yet sufficient borehole data is not often available to acquire. This study evaluated groundwater discharge rate into Jikri tunnel in Gyeonggi province using hydraulic parameters, groundwater level data in the later stage of tunneling, national groundwater monitoring network data, and electrical resistivity survey data. Groundwater flow rate into the tunnel by means of analytical method was estimated $7.12-74.4\;m^3/day/m$ while the groundwater flow rate was determined as $64.8\;m^3/day/m$ by means of numerical modeling. The estimated values provided by the numerical modeling may be more logical than those of the analytical method because the numerical modeling could take into account spatial variation of hydraulic parameters that was not possible by using the analytical method. Transient modeling for a period of one year from the tunnel completion resulted in the recovery of pre-excavation groundwater level.
In general, understanding groundwater flow in fractured bedrock is critical during tunnel and underground cavern construction. In that case, borehole data may be useful to examine groundwater flow properties of the fractured bedrock from pre-excavation until completion stages, yet sufficient borehole data is not often available to acquire. This study evaluated groundwater discharge rate into Jikri tunnel in Gyeonggi province using hydraulic parameters, groundwater level data in the later stage of tunneling, national groundwater monitoring network data, and electrical resistivity survey data. Groundwater flow rate into the tunnel by means of analytical method was estimated $7.12-74.4\;m^3/day/m$ while the groundwater flow rate was determined as $64.8\;m^3/day/m$ by means of numerical modeling. The estimated values provided by the numerical modeling may be more logical than those of the analytical method because the numerical modeling could take into account spatial variation of hydraulic parameters that was not possible by using the analytical method. Transient modeling for a period of one year from the tunnel completion resulted in the recovery of pre-excavation groundwater level.
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문제 정의
본 연구는 장기적인 지하수 모니터링이 이루어지지 않은 직리터널 건설 구간에 대해 수리지질, 국가지 하수관측망, 전기비저항 자료들을 분석하여 터널 건설 전과 후의 지하 수위 분포를 파악하고, 모델링과 지하수 변동 특성을 고찰하여 직리터널내로의 지하수 유출량을 정량적으로 평가하고자 하였다. 본 연구지역인 직리터널은 현대산업개발 주)에서 시공한 성남-장호원간 도로개설(1공구) 건설공사 구간에 속하며 (Fig.
가설 설정
이때 모든 변수는 일정한 값을 가진다고 가정한다. 또한 터널의 중앙선상(z = -D)에서 지하수 유줄과 z =D에서의 물의 함양에 의한 등수위선은 터널연변부에서 거의 원의 형태를 가지는 조건에서 r«D 가정한다. 그러나, Lei(1999)에 의하면, D/r = 2가 될 때 Polubarinova-Kochina(1962)식은 터널내 지하수 유출량을 5%까지 과소평가하며, D/r 시 더 작아질수록 과소평가의 정도는 극적으로 증가하게 된다.
(8)식은 (7) 식에서 d=0, D = H0인 경우에 해당한다. 또한, 터널 연변부의 수위 Φ0--H0로 가정한 것이다. 그러나 터널 경계부에서 수두가 0이지만, -Ho는 위치에 따라 해석해의 적용에는 한계가 있으며, 따라서 정확한 지하수 유출량을 결정하기 위해서는 수치 모델링이 필수적이다(허준석 외, 1997).
거리 (L), r 터널의 반경(L)이다. 이때 모든 변수는 일정한 값을 가진다고 가정한다. 또한 터널의 중앙선상(z = -D)에서 지하수 유줄과 z =D에서의 물의 함양에 의한 등수위선은 터널연변부에서 거의 원의 형태를 가지는 조건에서 r«D 가정한다.
그렇지만 상기 식은 매우 제 한적인 가정에 의해서 유도되었다. 즉, 지하수면이 포물선 모양이고 Dupuit-Forchheimer 수평 흐름이 성립되는 것을 가정한다. 아울러서, (9) 식은 지하수면이 터널 중심까지 하강한 경우에만 유효하다.
제안 방법
그리고 3층(Layer 3)은 호상 흑운모 편마암의 경암층이며 , 수리지질학적으로는 피압대수층으로 규정하였다. 3층의 두께는 50 m로서 두껍기 때문에 5개격자(3격자~7격자)로 구분하였으며, 각 격자 두께는 10 m 로 하였다. 또한 3층의 두께가 상대적으로 두꺼워서 계산 값이 수렴되지 않을 수도 있기 때문에 이산화작업(discretization)을 실시하였다.
2층은 연구지역의 기반암인 호상 흑운모 편마암의 연암층이며 , 수리 지질학적으로는 피 압대수층으로 규정하였다. 그리고 3층(Layer 3)은 호상 흑운모 편마암의 경암층이며 , 수리지질학적으로는 피압대수층으로 규정하였다. 3층의 두께는 50 m로서 두껍기 때문에 5개격자(3격자~7격자)로 구분하였으며, 각 격자 두께는 10 m 로 하였다.
87 m로 추정되었다. 따라서 이 수위를 초기수위로 하여 정상류 모델링을 수행하였다. 한편 터널 건설 후기의 지하수위 자료는 존재하므로 이 자료를 터널 굴착시 지하수위 자료로 이용하였다.
0B1호공에서는 약 9 m의 수위 차이가 있으나, 이는 MODFLOW프로그램의 특성상 지형기복이 큰 지역에서는 해발고도에 따른 지하 수위 차이를 크게 할 수 없기 때문이다. 따라서, 본 연구에서는 터널이 위치하는 해발고도인 0B-2의 지하수위 보 정에 중점을 두었다. 모델 보정으로 얻어진 정상류 상태 의 등수위선도에 의하면, 지하수 유동은 북쪽과 동쪽의 고 지대로부터 함양되어 토양층과 암반층을 통하여 서쪽 내 지 남서쪽으로 배출된다（Fig.
없다. 따라서, 직리터널 주변에 위치하는 국가지 하수관측망의 지하수위와 해발고도간의 관련성을 분석하여 직리터널 건설 이전의 자연상태의 지하수위를 추정하였다. 일반적으로 지하수위가 평형상태에 있을 때 지하수위와 해발고도는 선형적인 비례관계를 보인다.
3층의 두께는 50 m로서 두껍기 때문에 5개격자(3격자~7격자)로 구분하였으며, 각 격자 두께는 10 m 로 하였다. 또한 3층의 두께가 상대적으로 두꺼워서 계산 값이 수렴되지 않을 수도 있기 때문에 이산화작업(discretization)을 실시하였다.
부정류 모델링을 실시하였다. 부정류 모델링의 기간은 총 107개월간이며, 터널 굴착 기간 동안(13개월)과 터널 건설 이후로 구분하였다. 부정류 상태 모델링의 초기 지하수위는 정상류 모델링에서 결정된 지하수위와 같다.
배수 경계로 설정하였다. 수직적인 수리전도도는관측공 OB-1 호공과 OB-2호공의 수위강히시험과 수압시험에서 구해진 심도별 수리전도도를 수직 격자별로 적용하였다.
연구지역의 지하수 저류 변화량을 산정하기 위해서 물 수지 분석 방법을 이용하였다. 물수지 분석 방법을 질량 보존 법칙에 입각하여 식으로 표현하면,
터널 굴착 이전의 자연상태의 지하수위 분포를 모사하기 위해서 정상류 모델링을 수행하였으며, 시행착오법을 통한 모델보정을 실시하였다. 이때 국가지하수관측망과 해 발고도의 관계식에 의한 지하수위를 초기 평형상태의 지 하수위와 같다고 추정하여 정상류 모델보정을 하였다.
직리터널 굴착에 따른 각 단계별터널 굴착 초기, 중기 및 터널 완공 후) 라이닝을 하지 않은 자연 상태를 가정하여 지하수 유출량 및 지하수위 변동 특성을 평가하기 위하여 부정류 모델링을 실시하였다. 부정류 모델링의 기간은 총 107개월간이며, 터널 굴착 기간 동안(13개월)과 터널 건설 이후로 구분하였다.
터널 굴착 이전의 자연상태의 지하수위 분포를 모사하기 위해서 정상류 모델링을 수행하였으며, 시행착오법을 통한 모델보정을 실시하였다. 이때 국가지하수관측망과 해 발고도의 관계식에 의한 지하수위를 초기 평형상태의 지 하수위와 같다고 추정하여 정상류 모델보정을 하였다.
터널 굴착이전의 지하수위 모니터링이 실시되지 않은 직리터널의 지하수 유출량과 지하수위 변화를 정얀적으로 평가하였다. 모델링에 필요한 자연상태의 지하수위 자료가 존재하지 않기 때문에 주변지역의 14개소의 국가지 하수관측망의 지하수위와 해발고도 사이의 상관관계를 근거로 산정한 자연상태의 지하수위는 지하 4.
한편, 터널 건설에 따른 지하수위 변동 특성을 규명하기 위해서 전기비저항 탐사 자료와 지하수위 변동 자료와의 관련성을 분석히였다(Fig. 6). 연구지역에서 총 5회 (2006년 6월 13일, 2006년 7월 13일, 2006년 8월 14일, 2006년 9월 18일, 2006년 10월 24일)에 걸쳐서 직리터널에 평행한 방향으로 6측선, 수직한 방향으로 3 측선에서 전기 비저항 탐사가 수행되었으며, 전극간격은 5 m와 10 m이었다(안희윤 외, 2007).
대상 데이터
하였다. 본 연구지역인 직리터널은 현대산업개발 주)에서 시공한 성남-장호원간 도로개설(1공구) 건설공사 구간에 속하며 (Fig. 1), 동경 127°10'38“~127°11, 53", 북위 37°23'45”~37°24'52'사1]로서 행정구역상 경기도 광주시 직동에 위치한다. 직리터널은 NATM 공법으로 시공된 2차선의 쌍굴 터널로서, 2005년 11월에 착공되어 2006년 12월에 완공되었다.
연구지역의 모델 경계는 북쪽과 동쪽은 산지의 분수령을 무흐름 경계로 설정하였으며, 남쪽과 서쪽 경계인 직리천은 배수 경계로 그리고 모델영역 내부의 소하천들도 배수 경계로 설정하였다. 수직적인 수리전도도는관측공 OB-1 호공과 OB-2호공의 수위강히시험과 수압시험에서 구해진 심도별 수리전도도를 수직 격자별로 적용하였다.
연구지역의 수리지질학적 특성을 규명하기 위해 2006 년 6월 22일에 굴착된 OBJ호공과 OB-2호공의 시추자료를 분석하였다(Fig. 5). OB-1 호공과 OB-2호공의 굴착 고도는 해발고도로 162 m와 182 m이고, 굴진심도는 각각 지하 25 m, 50 m이다(한국건설기술연구원, 2006).
여기서, Afe 순수 지하수 함양량, P는 강수량, Qs는 증발산량, 0는 직접유줄량, 기저유출량이다. 연구지역의 연평균 강수량(1, 354.2 mm) 은 이천시의 30년간(1978년~2007년)의 강수량 자료를 이용하였으며, 증발산량(612.3 mm)은 Thomthwaite 방법, 직접 유출량(319.3 mm)은 SCS-CN 방법으로 결정하였다. 기저 유출량에 대해서는 현재까지 정확하게 연구된 자료가 없기 때문에 한강 유역의 평균값(12.
연구지역의 지층에 대한 수리적 특성을 규명하기 위해서 수위하강시험과 수압시험 자료(한국건설기술연구원, 2006)를 분석하였다. 시험구간이 지하수면 상부에 위치하는 경우의 수위강하법 (Fig.
연구지역의 지형은 북동쪽에는 능안산(해발고도: 332.7 m)이 위치하고 있으며, 북쪽에서 동쪽으로 길게 산릉선이 분포되고 있다. 전체적인 지형 기복은 북동쪽이 높고 남서쪽이 낮으며, 북북서-남남동 방향의 계곡을 따라 직리천과 소하천들이 발달하고 있다.
직리터널은 NATM 공법으로 시공된 2차선의 쌍굴 터널로서, 2005년 11월에 착공되어 2006년 12월에 완공되었다. 터널의 길이는 310m, 폭 16.4 m, 높이는 9.2 m이고, 터널의 천정은 평균 해수면 기준으로 약 149 m에 위치하며, 터널의 심도는 지표로부터 약 25~38 m이다(한국건설기술연구원, 2006).
따라서 이 수위를 초기수위로 하여 정상류 모델링을 수행하였다. 한편 터널 건설 후기의 지하수위 자료는 존재하므로 이 자료를 터널 굴착시 지하수위 자료로 이용하였다. 비슷한 시기의 전기비저항 탐사 자료를 지하 수위와 비교하였으나, 서로 관련성이 거의 없는 것으로 나타났다.
이론/모형
그러나 수치해석 방법은 불규칙하고 복잡한 대수층에 대해서 공간적인 수리상수값을 고려할 수 있으며 대상 영역내 임의의 지점의 수위를 알아낼 수 있다. 본 연구에서는 수치해석 방법으로 유한차분법의 3차원 지하수 유동 모델인 Visual MODFLOW version 4.3를 이용하여 터널내 지하수 유출량을 평가하였다. MODFLOW 의 프로그램 언어는 Fortran 77이다.
성능/효과
라이닝을 하지 않은 자연상태를 가정하여 해석학적 방법과 수치 모델링으로 직리터널 내로의 지하수 유출량을 산정한 결과, 해석학적 방법에 의한 지하수 유출량은 7.12~74.4m3/day/in평균 34.3 m'/day/m)이며 , 수치 모델링에 의한 지하수 유줄랑은 64.8 m'/day/m이었다. 수치모델링에서는 공간적으로 수리상수 값들을 고려할 수 있고, 불규칙한 영역을 모사할 수 있기 때문에 수치 모델링에 의해서 결정된 지하수 유출량이 더 합리적인 값이라고 판단된다.
후속연구
그러나 이러한 수치 모델링의 검증을 위한 지하수위 관측공이 존재하지 않기 때문에 실제 지하수위 확인은 불가능하다. 따라서 터널공사 기간 뿐만 아니라, 터널 굴착 이전의 지하수위 관측과 터널 건설 후의 지속적인 지하수위 변동 및 지하수 유출량을 감시하는 시스템이 제도적으로 확립되어야 할 것으로 생각된다.
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