[논문]토석류 산사태를 고려한 터널 갱구부 설계 사례

김영준; 이성기; 이승훈; 박동규; 이승주; 이동호

문제 정의

과거부터 산사태 취약성 또는 발생가능성을 파악하기 위해 많은 연구가 수행되어 왔으나 조사자 및 해석자의 주관적인 판단이 크게 적용되었을 뿐만 아니라 해석결과를 이용하는 목적과 이용자에 따라 그 의미가 다르게 이해되었다. 본 고에서는 한국지질자원연구원 산사태 팀에서 개발한 통계적 기법을 동원한 산사태 발생확률을 산정하는 기법을 적용하여 산악지역을 통과하는 철도노선에 대한 산사태 예측도를 작성하여 산사태 위험이 높은 갱구부를 정량적 기법으로 선정, 이에 대한 대책을 적용한 설계사례를 소개하고자 한다.
그러나, 이 연구에서는 강우의 영향을 제외하고 지질요인들 중 산사태에 영향을 미치는 요인을 파악하기 위해 강우량이 동일한(이틀간의 강우량이 200～250mm) 조건을 보이면서 산사태가 많이 발생한 지역을 대상으로 정밀 분석을 실시하였다. 이 방법의 궁극적인 목적은 통계적으로 산사태에 유의한 영향을 미치는 변수들을 찾아내고, 이 변수들을 토대로 산사태 발생 여부를 예측하는데 있다.

제안 방법

직관적으로 산사태 발생에 직접적인 영향을 주는 요인으로 강우량을 들 수 있다. 그러나, 이 연구에서는 강우의 영향을 제외하고 지질요인들 중 산사태에 영향을 미치는 요인을 파악하기 위해 강우량이 동일한(이틀간의 강우량이 200～250mm) 조건을 보이면서 산사태가 많이 발생한 지역을 대상으로 정밀 분석을 실시하였다. 이 방법의 궁극적인 목적은 통계적으로 산사태에 유의한 영향을 미치는 변수들을 찾아내고, 이 변수들을 토대로 산사태 발생 여부를 예측하는데 있다.
따라서, 대책공법의 적용시 계곡부에 설치하는 사방댐은 실효성이 적은 것으로 판단되어 링네트 공법을 적용하였다. 또한, 산사태 발생위치가 갱구부에 집중되어 있어, 산사태 발생으로 인한 토석류가 선로를 침범하여 열차운행의 장애를 초래하는 것을 방지하기 위하여 토석류 유입방지 갱문을 적용하였다.
링네트 설치 및 토석류 유입방지 갱문을 통한 산사태에 대한 직접적인 대책과 더불어 산사태에 의한 피해를 예방할 수 있도록 비탈면 변위 발뚝을 이용한 실시간 계측, 갱구부 비탈면 감시 C.C TV를 설치로 산사태 조기경보 시스템을 구축하여 열차의 안전한 운행 확보하였다.
해암 제1터널 및 제2터널 구간의 산사태 위험도 작성을 위하여 이용된 고도, 사면경사, 건조밀도, 공극률 및 투수계수의 주제도를 토대로 대상지역의 산사태 발생인자에 대한 분포특성을 표시할 수 있으며, 이는 산사태 위험도 작성을 위한 하나의 레이어를 이루게 된다. 모든 레이어는 산사태 예측모델에 의해 각 가중치가 곱해져 중첩되어 산사태가 발생할 확률로 계산되며, 이를 토대로 산사태 위험도를 분석하였다. 발생확률 70% 이상으로 산사태가 실제로 발생할 수 있는 면적은 0.
산사태 위험도가 가장 큰 1등급지역이 분포하는 위치에 해암 2터널 종점부, 해암 3터널 시종점부 및 중간개착부가 포함되는 것으로 나타났으며 해암 1터널은 산사태 위험등급 3등급지역이나 지형을 고려할 때 산사태 위험요인이 크므로 상세조사가 필요한 것으로 분석되었다. 산림청 고시 산사태 위험 등급자료를 토대로 중점 검토지역을 재선정하여 상세조사를 수행하였다.
통계적 기법을 이용해 현장조사 결과 및 실내시험에서 획득한 자료와 인자를 대상으로 각 인자별 상호 관련성을 검토하였다. 상호관련성이 높은 인자들을 별도로 추출해서 이들이 산사태 발생에 기여하는 상대 가중치를 결정하고, 이를 토대로 실제 산사태가 발생한 지역에 적용하여 통계적 측면에서의 타당성을 검증하였다.
앞 절에서 분석한 산사태 위험도의 정량적 분석을 토대로 이에 대한 대책공법을 검토하였다. 일반적으로 산사태(토석류)에 대한 대책 구조물로는 링네트 토석류 방호책, 사방댐 등이 주로 이용되며 각각의 특성은 아래의 표와 같다.
이 연구에서는 산사태 예측도 작성을 위해 GIS기법을 이용하여 조사지역의 산사태 취약성 분석을 수행하였다. 즉, 산사태 이력, 강우자료, 지형분석, 지질 및 토질특성 등의 여러 자료를 조사, 시험, 분석하여 데이터베이스화 하였고, 이를 산사태 예측모델에 적용하여 최종적으로 산사태 예측도를 작성하였다(그림 2).
이 연구에서는 산사태 예측도 작성을 위해 GIS기법을 이용하여 조사지역의 산사태 취약성 분석을 수행하였다. 즉, 산사태 이력, 강우자료, 지형분석, 지질 및 토질특성 등의 여러 자료를 조사, 시험, 분석하여 데이터베이스화 하였고, 이를 산사태 예측모델에 적용하여 최종적으로 산사태 예측도를 작성하였다(그림 2).
통계적 기법을 이용해 현장조사 결과 및 실내시험에서 획득한 자료와 인자를 대상으로 각 인자별 상호 관련성을 검토하였다. 상호관련성이 높은 인자들을 별도로 추출해서 이들이 산사태 발생에 기여하는 상대 가중치를 결정하고, 이를 토대로 실제 산사태가 발생한 지역에 적용하여 통계적 측면에서의 타당성을 검증하였다.

이론/모형

과업구간의 산사태 발생 예상구간은 해암 제1터널 종점부, 해암 제2터널 종점부 및 해암 제3터널 중간개착부 및 종점부로 계곡부가 아닌 산의 능선부에서 발생할 가능성이 높은 것으로 검토되었다. 따라서, 대책공법의 적용시 계곡부에 설치하는 사방댐은 실효성이 적은 것으로 판단되어 링네트 공법을 적용하였다. 또한, 산사태 발생위치가 갱구부에 집중되어 있어, 산사태 발생으로 인한 토석류가 선로를 침범하여 열차운행의 장애를 초래하는 것을 방지하기 위하여 토석류 유입방지 갱문을 적용하였다.
로지스틱 회귀계수를 추정하는 방법은 독립변수의 수준에서 반복적인 종속변수 관측여부에 따라 달라지는데, 각 독립변수의 수준에서 비교적 많은 종속변수의 반복적인 관측이 있으면 가중최소자승법(weighted least squares method)을 사용하고, 반복적인 관찰이 없거나 아주 작은 경우에는 최대우도추정법(maximum likelihood estimation method)을 사용한다.
산사태 예측기법은 2일 누적강우량이 약 200mm이상 발생 되었을 때 발생된 산사태 조사결과를 토대로 개발되었다. 정량적 산사태 발생가능성을 구하기 위해 통계학에서 최근 많이 사용하는 로지스틱 회귀분석(logistic regression) 기법을 이용한다. 회귀분석은 산사태와 관련 있는 다른 요인들을 이용하여 향후 발생 가능한 산사태를 예측하려는 시도에 적용 가능한 통계분석 방법이다.

성능/효과

과업구간의 산사태 발생 예상구간은 해암 제1터널 종점부, 해암 제2터널 종점부 및 해암 제3터널 중간개착부 및 종점부로 계곡부가 아닌 산의 능선부에서 발생할 가능성이 높은 것으로 검토되었다. 따라서, 대책공법의 적용시 계곡부에 설치하는 사방댐은 실효성이 적은 것으로 판단되어 링네트 공법을 적용하였다.
산사태 위험도 작성결과, 발생확률 70% 이상으로 산사태가 실제로 발생할 수 있는 면적은 0.1018km²인 것으로 해석되었다. 이 중 발생확률 70～90%와 90% 이상인 지점은 각각 0.
산사태 위험도가 가장 큰 1등급지역이 분포하는 위치에 해암 2터널 종점부, 해암 3터널 시종점부 및 중간개착부가 포함되는 것으로 나타났으며 해암 1터널은 산사태 위험등급 3등급지역이나 지형을 고려할 때 산사태 위험요인이 크므로 상세조사가 필요한 것으로 분석되었다. 산림청 고시 산사태 위험 등급자료를 토대로 중점 검토지역을 재선정하여 상세조사를 수행하였다.
70% 이상의 산사태 발생확률이 분포하는 지점가운데 터널에 영향을 미치는 구간은 해암 제3터널의 중간개착부와 해암 제3터널의 종점부이다. 해암 제3터널 중간개착부 인근에서 산사태 발생가능성이 높은 것으로 나타났다. 해암 제3터널의 종점부의 경우에도 인접한 사면에서 산사태 발생가능성이 높은 것으로 나타났으며, 산사태 발생시 터널 갱구부에 영향을 미칠 것으로 예상된다.

후속연구

본 설계 사례를 통하여 산사태의 가능성이 높은 산악터널 갱구부에서는 정량적 위험도 분석을 통한 산사태 대책 공법의 적용으로 보다 합리적이고 안전한 설계가 가능할 것으로 판단된다.
70% 이상의 산사태 발생확률이 분포하는 지점가운데 터널에 영향을 미치는 구간은 해암 제1터널의 종점부와 해암 제2터널의 종점부이다. 특히, 해암 제1터널 종점부의 경우 산사태 발생가능성이 높은 것으로 나타났으며, 추가적인 터널 갱구부 사면조성시 사면의 위험성이 가중될 것으로 판단된다. 해암 제2터널 종점부의 경우 산림청 산사태 위험지 관리시스템에서는 산사태 위험도 1등급으로 분류되었으나, 본 산사태 예측도 작성결과 산사태 발생가능성이 낮은 것으로 나타났다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	산사태와 관련해서 회귀분석은 어떤 방법인가?	회귀분석은 산사태와 관련 있는 다른 요인들을 이용하여 향후 발생 가능한 산사태를 예측하려는 시도에 적용 가능한 통계분석 방법이다. 일반적으로 회귀분석에서의 모형은 주어진 독립변수 하에서 종속변수의 평균이 독립 변수에 대한 선형식은 다음과 같이 표현된다.
	로지스틱 회귀계수는 어디에 사용되는가?	로지스틱 회귀계수는 다른 선형회귀계수와 마찬가지로 종속변수와 독립변수들 사이의 관계를 설명하고 주어진 독립변수의 수준에서 종속변수를 예측하는데 사용되어 진다. 그러나 회귀계수의 추정방법에 차이가 있다.
	산사태 연구팀에서 개발한 산사태를 예측하는 방법은 어떻게 개발되었는가?	국내에서는 그동안 반복적으로 발생하는 산사태를 더욱 정확하게 예측하고 이로 인한 피해를 최소화하기 위해서 과학적이고 정확한 접근 방법과 기준에 의해 산사태를 예측하는 방법이 요구되어 왔다. 한국지질자원연구원 산사태연구팀에서는 통계적 기법을 동원하여 산사태 발생 확률을 산정하는 기법을 개발하였다. 산사태 예측기법은 2일 누적강우량이 약 200mm이상 발생 되었을 때 발생된 산사태 조사결과를 토대로 개발되었다. 정량적 산사태 발생가능성을 구하기 위해 통계학에서 최근 많이 사용하는 로지스틱 회귀분석(logistic regression) 기법을 이용한다.

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