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문제 정의
- 역산 과정은 Geotomo Software사에서 개발한 소프트웨어 Res3Dinv (Loke and Barker, 1996)를 이용하였다. 3차원 결과의 해석은 2차원 해석에서 나타나는 저비저항의 공간적인 분포 양상을 파악하는데 주안점을 두고자 하였다.
- 본 연구에서는 지반침하가 발생한 두 곳의 석회석 광산 지역에서 전기비저항 탐사를 수행하여 침하 원인과 향후 위험지역을 추정하고자 하였으며, 해석의 한계성을 극복하기 위해 암반공학적 해석을 수행하여 광산 개발과의 연계성을 검토하고자 하였다. 연구지역은 점토와 모래질 토층의 석회석 광산 인근 지대(연구지역 1)와 석회석 광산 채굴적 상부(연구지역 2)를 대상으로 하였다.
가설 설정
- 연구지역 2에서는 전기비저항 탐사의 측선 7번이 채굴적상부에 위치하고 과거 지반침하가 발생했던 영역에서 전기비저항 분포가 저비저항임을 확인하였다. 따라서 전산해석을 실시할 때 용식동굴로 가정하였다. 지반거동을 분석한 결과, 용식동굴 상부 지표면에서는 최대 약 2 m 정도의 변위가 발생하였고 채굴적 주변 암반에는 소규모 변위가 발생하였다.
- 전산해석에 이용된 입력 물성치는 Table 2와 같다. 석회암층과 표토 사이에 존재하는 암반은 시추조사나 현장조사가 불가능하므로, 석회암층보다 풍화에 대한 영향을 많이 받았을 것으로 추정하여 보통 수준의 암반으로 가정하였다. 또한, 단위중량은 실내시험이 수행되지 못하여 Bieniawski (1989)에 의해 제안된 RMR (Rock Mass Rating) 암반등급을 기초자료로 이용하여 산정하였다.
- 전산해석은 이 지역의 주절리군이 70° 이상의 고경사각을 갖고 있어 현장 절리군의 특성을 반영할 수 있는 Itasca사의 UDEC 2D (Itasca Consulting Group, 2004)를 이용하였다. 일반적으로 석회암 지대에서 용식동굴 내에 점토질이나 지하수가 충전되어 있을 경우 저비저항의 특성이 나타나지만, 전산해석 상에서는 이를 실제와 동일하게 구현하기 어려워 저비저항을 공동형태로 가정하였다.
제안 방법
- 과거 지반침하 인접한 위치에 있는 측선 3, 4, 5, 10번을 이용하여 침하지에서의 전기비저항 분포 범위를 파악하고자 하였다. Fig.
- 석회암층과 표토 사이에 존재하는 암반은 시추조사나 현장조사가 불가능하므로, 석회암층보다 풍화에 대한 영향을 많이 받았을 것으로 추정하여 보통 수준의 암반으로 가정하였다. 또한, 단위중량은 실내시험이 수행되지 못하여 Bieniawski (1989)에 의해 제안된 RMR (Rock Mass Rating) 암반등급을 기초자료로 이용하여 산정하였다. 탄성계수, 점착력, 내부마찰각 등은 RMR을 적용한 경험식(Kim, 1993)에 의한 값과 실내시험값을 비교하여 결정하였다.
- 연구지역 2는 연구지역 1과 달리 석회석 광산 채굴적 상부에서 발생한 지반침하 현상에 대해 그 원인 및 연약대를 추정하기 위해 물리탐사를 이용한 지반조사를 수행하였다. 또한, 암반공학적 전산해석을 통해 연약대의 안정성 평가를 실시하여, 광산 개발이 연약대에 미치는 영향을 파악하였다.
- 본 연구에서는 석회암 지대의 지반침하(연구지역 1)와 석회석 광산 채굴적 상부에서 발생한 지반침하(연구지역 2) 지역을 연구지역으로 선정하여 전기비저항 탐사를 실시하였다. 전기비저항 탐사를 통하여 지반침하와 연관된 이상대를 영상화하여 해석에 용이함을 확인하고, 지구물리탐사뿐만 아니라 암반공학적 안정성 해석을 실시하여 지반침하의 원인을 규명하였다.
- 앞선 2차원 전기비저항 탐사 결과로부터 지반침하가 재발할 가능성이 있는 측선 7번의 저비저항 분포 양상 및 지반 침하이력을 이용하여 암반공학적 안정성 해석을 실시하였다.
- 이 지역에서는 석회암 지대에서 발생하는 지반침하와 연관된 저비저항이 상대를 기초로 3차원 영상화를 통해 지반침하 발생 가능성이 큰 위치를 제시하였다. 연구지역 2는 연구지역 1과 달리 석회석 광산 채굴적 상부에서 발생한 지반침하 현상에 대해 그 원인 및 연약대를 추정하기 위해 물리탐사를 이용한 지반조사를 수행하였다. 또한, 암반공학적 전산해석을 통해 연약대의 안정성 평가를 실시하여, 광산 개발이 연약대에 미치는 영향을 파악하였다.
- 2차원 전기비저항 탐사 결과 침하지와 인접한 3, 4, 5, 10번측선에서 상대적으로 낮은 70 ~ 120 ohm-m의 전기비저항 범위가 나타나는데, 이는 지반침하와 밀접한 관련이 있을 것으로 판단된다. 이에 따라 지반침하와 연관된 저비저항의 공간적인 분포 양상을 파악하기 위하여 3차원 해석을 실시하였다.
- 전극 간격은 연구지역 1에서 10 m, 연구지역 2에서는 지형조건을 고려하여 4, 5, 10 m를 대상으로 쌍극자배열 2차원 전기비저항 탐사를 수행하였다(Table 1). 전기비저항 탐사 결과는 DIPROfWin (Kim, 2001)을 사용하여 역산을 실시하였다.
- 9는 측선 7번에서 확인된 저비저항 위치를 용식동굴로 가정하여 2차원 단면으로 모델링한 것이다. 전기비저항 탐사결과에 근거하여 해석에 사용된 지층은 하부로부터 석회암층, 상부 암반, 표토층의 세 분류로 구분하였다. 갱내도에 근거하여 채굴적은 각각 약 17 m, 13 ~ 20 m의 폭과 6 m, 8 m의 높이로 설정하였다.
- 본 연구에서는 석회암 지대의 지반침하(연구지역 1)와 석회석 광산 채굴적 상부에서 발생한 지반침하(연구지역 2) 지역을 연구지역으로 선정하여 전기비저항 탐사를 실시하였다. 전기비저항 탐사를 통하여 지반침하와 연관된 이상대를 영상화하여 해석에 용이함을 확인하고, 지구물리탐사뿐만 아니라 암반공학적 안정성 해석을 실시하여 지반침하의 원인을 규명하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 연구지역 1에서 2차원 전기비저항 탐사 결과, 측선 3, 4, 10번의 지반침하가 발생한 위치에서 심도 10 ~ 30 m 사이에서 저비저항 이상대가 70 ~ 120 ohm-m로 관찰되었다. 지반침하와 연관된 이상대의 공간적인 분포 양상을 확인하기 위하여 3차원 해석을 실시하였다. 3차원 해석 결과 2차원 전기비저항탐사 단면으로부터 얻은 심도별 전기비저항 분포도와 유사하며 일부 영역이 지표에서 심도방향으로 분포하는 것을 확인하였다.
- 지표침하 원인 규명을 위하여 기본 모델에서 용식동굴이 존재하고 굴착한 이후의 지반거동을 분석하였다. Fig.
대상 데이터
- 3차원 역산은 측선 10번과 연결되지 않고 측선 8번과 상대적으로 거리가 멀어 측선 9번을 제외한 자료를 이용하였다. 역산 과정은 Geotomo Software사에서 개발한 소프트웨어 Res3Dinv (Loke and Barker, 1996)를 이용하였다.
- Fig. 1은 청원군 지역에 위치한 연구지역의 위치와 두 곳 연구지역의 지질도로, 운교리층과 이를 후기 관입한 화강암으로 구성되어 북동-남서 방향으로 분포되어 있고 협재된 결정질석회암으로 구성된다. 두 광산 모두 초기에는 지표에서 노천 채굴 이 후 채광지역이 깊어지면서 갱내채광을 실시하고 있다.
- 전기비저항 탐사결과에 근거하여 해석에 사용된 지층은 하부로부터 석회암층, 상부 암반, 표토층의 세 분류로 구분하였다. 갱내도에 근거하여 채굴적은 각각 약 17 m, 13 ~ 20 m의 폭과 6 m, 8 m의 높이로 설정하였다. 용식동굴은 지표 하부 10 m 부근의 존재하는 것으로 설정하였다.
- 연구지역은 점토와 모래질 토층의 석회석 광산 인근 지대(연구지역 1)와 석회석 광산 채굴적 상부(연구지역 2)를 대상으로 하였다. 연구지역 1은 개발 중인 석회석 광산과는 다소 거리가 떨어져 있어 지반침하 현상이 광산개발과 직접적인 상관성은 없을 것으로 예상되는 지역이다. 이 지역에서는 석회암 지대에서 발생하는 지반침하와 연관된 저비저항이 상대를 기초로 3차원 영상화를 통해 지반침하 발생 가능성이 큰 위치를 제시하였다.
- 1). 연구지역 1은 지반침하 이력이 있는 경작지 및 농경지의 넓은 영역을 대상으로 하였으며, 연구지역 2는 지반침하가 채굴적 상부에 위치하고 있음이 확인되어 굴진방향(북동)을 고려한 측선을 계획하였다.
- 본 연구에서는 지반침하가 발생한 두 곳의 석회석 광산 지역에서 전기비저항 탐사를 수행하여 침하 원인과 향후 위험지역을 추정하고자 하였으며, 해석의 한계성을 극복하기 위해 암반공학적 해석을 수행하여 광산 개발과의 연계성을 검토하고자 하였다. 연구지역은 점토와 모래질 토층의 석회석 광산 인근 지대(연구지역 1)와 석회석 광산 채굴적 상부(연구지역 2)를 대상으로 하였다. 연구지역 1은 개발 중인 석회석 광산과는 다소 거리가 떨어져 있어 지반침하 현상이 광산개발과 직접적인 상관성은 없을 것으로 예상되는 지역이다.
- 갱내도에 근거하여 채굴적은 각각 약 17 m, 13 ~ 20 m의 폭과 6 m, 8 m의 높이로 설정하였다. 용식동굴은 지표 하부 10 m 부근의 존재하는 것으로 설정하였다.
데이터처리
- 탄성계수, 점착력, 내부마찰각 등은 RMR을 적용한 경험식(Kim, 1993)에 의한 값과 실내시험값을 비교하여 결정하였다. 암반의 포아송비는 평균 실험값을 이용하였다. 해당 지역에 분포하는 주절리군은 두 조로서, Bandis et al.
이론/모형
- 역산은 유한 요소법(FEM)을 모델링 알고리듬으로 사용하며, 2차 미분 평활화 제한을 가한 반복적 최소자승 역산법을 사용하였다.
- 해당 지역에 분포하는 주절리군은 두 조로서, Bandis et al.(1983)의 제안식을 이용하여 값을 산정하였다.
- 3차원 역산은 측선 10번과 연결되지 않고 측선 8번과 상대적으로 거리가 멀어 측선 9번을 제외한 자료를 이용하였다. 역산 과정은 Geotomo Software사에서 개발한 소프트웨어 Res3Dinv (Loke and Barker, 1996)를 이용하였다. 3차원 결과의 해석은 2차원 해석에서 나타나는 저비저항의 공간적인 분포 양상을 파악하는데 주안점을 두고자 하였다.
- 전극 간격은 연구지역 1에서 10 m, 연구지역 2에서는 지형조건을 고려하여 4, 5, 10 m를 대상으로 쌍극자배열 2차원 전기비저항 탐사를 수행하였다(Table 1). 전기비저항 탐사 결과는 DIPROfWin (Kim, 2001)을 사용하여 역산을 실시하였다. 역산은 유한 요소법(FEM)을 모델링 알고리듬으로 사용하며, 2차 미분 평활화 제한을 가한 반복적 최소자승 역산법을 사용하였다.
- 전기비저항 탐사 장비는 스웨덴 ABEM사의 Terrameter-LS를 사용하였다. 탐사 측선 배열은 두 연구지역 모두 운교리층이 북동 방향으로 분포하는 것을 고려하였다(Fig.
- 전산해석은 이 지역의 주절리군이 70° 이상의 고경사각을 갖고 있어 현장 절리군의 특성을 반영할 수 있는 Itasca사의 UDEC 2D (Itasca Consulting Group, 2004)를 이용하였다.
- 또한, 단위중량은 실내시험이 수행되지 못하여 Bieniawski (1989)에 의해 제안된 RMR (Rock Mass Rating) 암반등급을 기초자료로 이용하여 산정하였다. 탄성계수, 점착력, 내부마찰각 등은 RMR을 적용한 경험식(Kim, 1993)에 의한 값과 실내시험값을 비교하여 결정하였다. 암반의 포아송비는 평균 실험값을 이용하였다.
성능/효과
- Fig. 10(a)의 변위 벡터 분포도 분석 결과, 용식동굴 상부 지표면에서는 최대 약 2 m 정도의 변위가 발생한 반면, 채굴적 주변 암반에서는 소규모 변위가 발생하였다. 응력텐서 분포도(Fig.
- 1. 연구지역 1에서 2차원 전기비저항 탐사 결과, 측선 3, 4, 10번의 지반침하가 발생한 위치에서 심도 10 ~ 30 m 사이에서 저비저항 이상대가 70 ~ 120 ohm-m로 관찰되었다. 지반침하와 연관된 이상대의 공간적인 분포 양상을 확인하기 위하여 3차원 해석을 실시하였다.
- 2. 연구지역 2에서는 전기비저항 탐사의 측선 7번이 채굴적상부에 위치하고 과거 지반침하가 발생했던 영역에서 전기비저항 분포가 저비저항임을 확인하였다. 따라서 전산해석을 실시할 때 용식동굴로 가정하였다.
- 2차원 전기비저항 탐사 결과 침하지와 인접한 3, 4, 5, 10번측선에서 상대적으로 낮은 70 ~ 120 ohm-m의 전기비저항 범위가 나타나는데, 이는 지반침하와 밀접한 관련이 있을 것으로 판단된다. 이에 따라 지반침하와 연관된 저비저항의 공간적인 분포 양상을 파악하기 위하여 3차원 해석을 실시하였다.
- 또한, A 지역에서는 지반침하가 발생한 지표 하부의 이상대가 나타나는 것을 확인하였다. 2차원 전기비저항 탐사 결과와 마찬가지로 분포 양상이 지표에서 심도방향으로 연결되는 것으로 보이며 공간적인 연약대의 형태를 확인하였다.
- 지반침하와 연관된 이상대의 공간적인 분포 양상을 확인하기 위하여 3차원 해석을 실시하였다. 3차원 해석 결과 2차원 전기비저항탐사 단면으로부터 얻은 심도별 전기비저항 분포도와 유사하며 일부 영역이 지표에서 심도방향으로 분포하는 것을 확인하였다. 이러한 양상을 보이는 이상대는 잠재적으로 지반침하를 발생시킬 수 있을 것으로 해석된다.
- 지반거동을 분석한 결과, 용식동굴 상부 지표면에서는 최대 약 2 m 정도의 변위가 발생하였고 채굴적 주변 암반에는 소규모 변위가 발생하였다. 또한 굴착 이후, 채굴적 붕괴는 발생하지 않았으며 용식동굴 상부암반에서 붕괴가 시작되어 인장균열과 소성항복이 발생한 것을 확인하였다. 따라서, 측선 7번에 위치한 조사지역의 과거 지반침하는 채굴적 붕괴에 의한 것보다 용식동굴에 의한 지반침하로 인하여 나타난 것으로 해석된다.
- 본 연구에서는 전기비저항 탐사를 통한 지반침하 이상대의 공간적인 분포 파악뿐만 아니라 지반침하의 원인 규명이 가능함을 확인하였다. 또한, 전기비저항 탐사를 통해 지반침하 발생 가능성을 확인하더라도, 지속적인 모니터링을 통하여 공동의 형성으로 인한 물성 변화에 대한 연구가 병행되어야 할 것으로 판단된다.
- 측선 1, 2번은 채굴적으로부터 약 150 m 떨어져 있는 측선이다. 심도 30 m까지 상대적으로 저비저항이 나타나며 심도가 깊어질수록 1000 ohmm 이상의 고비저항이 나타나는 것을 확인하였다. 측선 3 ~ 7번은 채굴적 상부에서 지반침하가 발생하였고 저비저항과 고비저항이 나타나는 위치가 북동방향으로 연결성이 있을 것으로 생각된다.
- 연구지역 2의 불연속면도 크게 3가지로, N60E, 70°SE, N15W, 82°SW, N55W, 33SW의 방향성을 나타내고 있으며 약한 풍화상태를 보였다.
- 또한, 토사층의 붕괴로 인해 용식동굴을 좌측 40 m 지표면 부근에서 인장파괴가 발생한 것으로 확인된다. 전산해석을 실시한 결과, 본 지역에서 과거 발생한 지반침하는 채굴적 붕괴에 의한 지반침하보다는 용식동굴에 의해 발생한 지반침하로 판단된다.
- 따라서 전산해석을 실시할 때 용식동굴로 가정하였다. 지반거동을 분석한 결과, 용식동굴 상부 지표면에서는 최대 약 2 m 정도의 변위가 발생하였고 채굴적 주변 암반에는 소규모 변위가 발생하였다. 또한 굴착 이후, 채굴적 붕괴는 발생하지 않았으며 용식동굴 상부암반에서 붕괴가 시작되어 인장균열과 소성항복이 발생한 것을 확인하였다.
- 사전 문헌에 나와 있는 현장조사 결과 지반침하가 발생한 이후에 공동을 매립한 지역이기 때문에 다소 높은 저비저항을 나타낸 것으로 해석된다. 측선 10번(Fig. 5)은 상대적으로 고비저항이 심도 30 m 이상에서 일정하게 나타남을 확인하였다. 이러한 고비저항은 측선 3, 5번의 일부 심도에서 나타나고 있다.
- 5는 측선 3, 4, 5번의 2차원 전기비저항 탐사 결과를 펜스 다이어그램으로 나타내고 측선 10번의 결과 단면을 제시하였다. 측선 3, 4, 5번의 수직인 측선 10번과 교차하는 위치와 동일하게 상대적으로 저비저항(70 ~ 120 ohm-m)이 연속적으로 나타남을 확인하였다. 사전 문헌에 나와 있는 현장조사 결과 지반침하가 발생한 이후에 공동을 매립한 지역이기 때문에 다소 높은 저비저항을 나타낸 것으로 해석된다.
후속연구
- 본 연구에서는 전기비저항 탐사를 통한 지반침하 이상대의 공간적인 분포 파악뿐만 아니라 지반침하의 원인 규명이 가능함을 확인하였다. 또한, 전기비저항 탐사를 통해 지반침하 발생 가능성을 확인하더라도, 지속적인 모니터링을 통하여 공동의 형성으로 인한 물성 변화에 대한 연구가 병행되어야 할 것으로 판단된다. 이와 더불어 시추조사를 통해 전기비저항 탐사에서 나타나는 연약대의 암반 특성을 파악하면, 보다 더 신뢰성 있는 결과를 얻을 것으로 판단된다.
- 또한, 전기비저항 탐사를 통해 지반침하 발생 가능성을 확인하더라도, 지속적인 모니터링을 통하여 공동의 형성으로 인한 물성 변화에 대한 연구가 병행되어야 할 것으로 판단된다. 이와 더불어 시추조사를 통해 전기비저항 탐사에서 나타나는 연약대의 암반 특성을 파악하면, 보다 더 신뢰성 있는 결과를 얻을 것으로 판단된다.
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