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문제 정의
- 본 연구는 충청북도 청원군 가덕면 청용리에 위치하는 지하수로 포화된 삼성석회석광산에서 발생한 지반침하에 대한 사례연구로서, 지반침하 원인 및 지반안정성 평가를 위해 지표지질조사, 전기비저항탐사, 시추조사, 현장시험, 공내영상촬영, 탄성파토모그래피탐사, 실내암석시험 등의 조사를 수행하였다. 그 결과를 바탕으로 지반의 분포상태 및 공학적 특성, 채굴적의 분포위치, 규모, 발달상태, 채굴적 상부지반의 물성치 등을 파악하고 응력아치 체적팽창이론 및 유한요소해석 등을 통해 지반안정성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 지하수로 포화된 삼성석회석광산에서 발생한 지반침하에 대한 사례연구의 일환으로 대상지역의 정밀조사를 통하여 지반침하 원인 및 지반안정성 평가와 향후 침하 가능성을 검토였으며 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- 본 연구는 충청북도 청원군 가덕면 청용리에 위치하는 지하수로 포화된 삼성석회석광산에서 발생한 지반침하에 대한 사례연구로서, 지반침하 원인 및 지반안정성 평가를 위해 지표지질조사, 전기비저항탐사, 시추조사, 현장시험, 공내영상촬영, 탄성파토모그래피탐사, 실내암석시험 등의 조사를 수행하였다. 그 결과를 바탕으로 지반의 분포상태 및 공학적 특성, 채굴적의 분포위치, 규모, 발달상태, 채굴적 상부지반의 물성치 등을 파악하고 응력아치 체적팽창이론 및 유한요소해석 등을 통해 지반안정성을 평가하였다. 또한, 연구지역을 채굴구역과 미채굴구역으로 구분하고, 구역별로 침하원인 및 향후 침하 가능성을 검토하였다.
- 그 결과를 바탕으로 지반의 분포상태 및 공학적 특성, 채굴적의 분포위치, 규모, 발달상태, 채굴적 상부지반의 물성치 등을 파악하고 응력아치 체적팽창이론 및 유한요소해석 등을 통해 지반안정성을 평가하였다. 또한, 연구지역을 채굴구역과 미채굴구역으로 구분하고, 구역별로 침하원인 및 향후 침하 가능성을 검토하였다.
- 본 연구에서는 전기비저항탐사를 실시하여 채굴적의 규모, 위치, 채굴적 상부 및 주변지반의 이상대 분포특성 등을 파악하였다(Fig. 4, Fig.
- 시추조사는 채굴공동 확인과 지반상태를 파악하여 지층의 구성과 각 지층의 지반공학적 특성 및 기반암의 암질상태 등을 분석하기 위하여 실시되었으며, 지하수위 측정, 실내시험용 시료채취 및 각종 원위치 공내시험을 실시하여 지반안정성 평가의 제반자료로 활용하였다. 시추조사는 계측공을 포함하여 총 20개소(계측공 9개소)를 계획하고 선정된 시추위치는 광파측량을 실시하여 위치 및 고도의 오차를 최소화하였다.
- 16). 안정성 해석에 사용한 지반입력물성치는 석회암지대 유사사례, 문헌자료, 시험결과와 N치 및 RMR 경험식을 이용하여 Table 3과 같이 선정하였다. 안정성 평가결과 지표변위 범위는 65~276 mm, 채굴적 직상부 변위의 범위는 287~720 mm로 허용침하량 기준을 초과하여 불안정한 것으로 평가되었으며 채굴적 근접지역의 지표변위는 2~8 mm로 미소하게 나타났다.
- 지반조사는 지질 및 채굴현황 등 현황조사 자료를 검토하고 연구지역을 채굴구역과 미채굴구역으로 구분한 후 각 구역에 적합한 조사가 수행될 수 있도록 조사항목 및 수량을 계획하였다. 조사항목은 전기비저항탐사, 시추조사, 물리검층(시추공영상촬영, 속도검층, 밀도검층), 현장시험(표준관입시험, 공내재하시험, 암반투수시험, 지하수위측정), 실내시험(암석 일반물성시험, 일축 및 삼축시험)으로 구분되며, 관련규정에 따라 조사를 수행하였다.
- 지반조사는 지질 및 채굴현황 등 현황조사 자료를 검토하고 연구지역을 채굴구역과 미채굴구역으로 구분한 후 각 구역에 적합한 조사가 수행될 수 있도록 조사항목 및 수량을 계획하였다. 조사항목은 전기비저항탐사, 시추조사, 물리검층(시추공영상촬영, 속도검층, 밀도검층), 현장시험(표준관입시험, 공내재하시험, 암반투수시험, 지하수위측정), 실내시험(암석 일반물성시험, 일축 및 삼축시험)으로 구분되며, 관련규정에 따라 조사를 수행하였다.
- 0 m의 두께를 가지며, 대부분 실트질 모래로 구성되어 있다. 토층 교란여부를 평가하기 위하여 채굴공동과 인접한 단독가옥 주변과 채굴공동에서 비교적 이격되어 있는 마을구역으로 구분하여 표준관입시험 결과를 분석하였다(Fig. 13).
대상 데이터
- 운교리층은 조사지역을 중심으로 반경 500 m 내외에서 확인되며, 주향은 북동-남서방향이고 경사는 북서방향으로 70~80o로 발달한다. 구성 암석은 저변성도를 보이는 세립사암, 니질암류, 규암 및 결정질석회암으로 삼성석회석광산은 운교리층내 협재된 결정질석회암이 개발대상이다(KORES, 2004).
- 연구지역은 옥천변성대의 남서부에 속하는 지역으로서 고생대 옥천누층군인 미동산층과 운교리층 등과 이를 중생대 쥬라기에 관입한 청주화강암 등으로 구성된다(Fig. 1).
- 9에 모식적으로 나타내었다. 채굴적 상부의 지반은 토사층과 기반암층으로 구성되어 있으며, 토사층은 두께가 11.7~17.0 m, 기반암(석회암)의 두께는 4.0~28.0 m로 확인되었다. 채굴적 상부지반은 비교적 신선한 상태로 대부분 경암에 해당하나, 기반암을 구성하는 석회암의 풍화특성상 불규칙한 용식작용에 의해 토사층과의 경계가 일정하지 않고 상당한 기복을 보일 것으로 판단된다.
데이터처리
- 연구지역 내에서 지반안정성을 평가하기 위하여 채굴적 상부지역에 대하여 5개 단면을 작성하고 단면별 안정성 분석을 수행하였다. 단면선의 길이는 하부 채굴적 분포 특성과 현재 주요 시설물 분포현황 등이 충분히 반영되도록 설정하였다(Fig.
이론/모형
- 지반의 역학적 특성인 응력-변형관계를 나타내는 구성모델에는 탄성모델, 탄소성모델, 점탄성 및 점탄소성 모델 등이 있는데 본 해석에서는 토사 및 암반의 거동특성을 비교적 잘 표현할 수 있는 탄소성 모델인 Mohr-Coulomb 모델(적용 프로그램 : VisualFEA)을 적용하여 해석을 수행하였다. 해석단면은 지반침하이론에서 불안정하게 평가된 단면 중 3개 단면(B-B', C-C', E-E')에 대해서 평가를 수행하였다(Fig.
성능/효과
- (1) 삼성석회석광산 채굴적 상부 지반은 토사층 두께가 11.7~17.0 m, 기반암(석회암)의 두께는 4.0~28.0 m로 확인되었고, 채굴적 연장은 갱구로부터 최대 162 m, 채굴적 폭은 최대 70 m에 이르는 것으로 파악되었으며, 채굴적 높이는 최대 16 m에 이르는 것으로 나타났다.
- (2) 연구지역내 지반침하는 3차례에 걸쳐 발생하였는데 1차와 2차 함몰형 침하는 채굴적 상부 농경지에서 발생되었고, 2차 침하는 채굴적 인근 소류지의 수위가 급격히 하강하면서 소류지내에 발생하였다. 이로 인하여 소류지 주변 지역 가옥, 도로 등에 균열과 변상이 발생하였다.
- (3) 지하 채굴적 상부지역을 대상으로 침하이론 및 전산해석에 의한 지반안정성을 평가한 결과, 채굴구역은 전반적으로 불안정하게 평가되었으며, 채굴구역의 주요 침하원인은 집중호우로 인해 강우가 지하로 유입되어 토사층의 하중이 증대되고 기반암층의 절리면 전단강도가 저하된 상태에서 기반암층의 두께가 얇은 채굴공동 상반이 토피 하중을 견디지 못하고 붕락되면서 상부토사가 채굴공동으로 유입되어 지표함몰이 발생된 것으로 판단된다.
- (4) 미채굴구역의 침하발생 주요 원인은 지하수위 하강에 기인한 것으로 판단되며, 구조물의 변상은 채광에 따른 지하수위 저하에 의한 인위적 요인과 자연적으로 상호 연결성을 갖는 자연 용식공동에서의 유로변화나 수위변화에 따른 침하, 자연 용식공동의 파괴에 따른 침하, 그리고 가옥의 구조적 특성, 즉 구조물의 재료, 골조형식, 노후화 정도 등 다양한 요인이 복합적으로 작용한 결과인 것으로 판단된다.
- 농경지에서 발생한 3차 지반침하는 1차 및 2차 지반침하와 달리 채굴적이 완전히 포화되어 있는 상태에서 발생하였다. 구조물 균열 및 변상이 발생한 위치를 보면 대체로 석회석이 분포하면서 지하수 유동이 발생한 방향에 분포하는 경향을 보이며 저수지 누수 사고 후 인근 도로와 단독가옥에 집중적으로 발생하였다.
- 미채굴구역에 대한 침하발생 당시의 자료조사, 지반상태 분석, 지하수위 변동 영향검토, 발파진동 영향검토, 가옥의 변상현황 등을 종합한 결과, 침하의 주 원인은 지하수 유동에 의한 지하수위 하강이며, 국부적(단독가옥)으로 발파진동도 건물 변상에 영향을 준 것으로 파악되었다. 광산개발 당시 갱내로 유입되는 지하수를 지속적으로 배수를 실시함에 따라 채굴적을 중심으로 수위하강이 발생되면서 지하수위가 저하되었다.
- 안정성 해석에 사용한 지반입력물성치는 석회암지대 유사사례, 문헌자료, 시험결과와 N치 및 RMR 경험식을 이용하여 Table 3과 같이 선정하였다. 안정성 평가결과 지표변위 범위는 65~276 mm, 채굴적 직상부 변위의 범위는 287~720 mm로 허용침하량 기준을 초과하여 불안정한 것으로 평가되었으며 채굴적 근접지역의 지표변위는 2~8 mm로 미소하게 나타났다. 그러나 수치해석결과는 지반의 불균질성, 이방성 등 지반 고유의 특성에 따라 차이가 발생할 수 있고, 갱내채광 후 시간경과와 지하수에 의한 영향 등을 고려하는데 한계가 있으므로 수치해석은 갱내채굴에 따른 지반거동 특성을 파악하는데 그 의미가 있다.
- 침하이론을 적용한 안정성 분석 결과는 Table 3과 같다. 응력아치 체적팽창이론을 적용할 경우 모든 단면에서 불안정한 것으로 평가되었고 한계평형이론을 적용한 결과 1개 단면(E-E')에서 안전율이 낮게 평가되어 채굴 구역은 전반적으로 불안정한 것으로 해석되었다.
후속연구
- (5) 향후 침하 가능성과 관련하여, 채굴공동 천단의 암반층 두께가 얇은 구간이나 인장절리 발달이 활발한 구간에서는 급격한 변형이 초래될 수 있고 채굴공동 주변의 지반상태가 불량하므로 침하가 발생할 경우 침하의 영향은 주변 지반으로 확산될 가능성이 있다. 또한 석회암 분포지역에서는 석회암층 내에서 다수의 자연 용식공동이 확인됨에 따라 자연 용식공동의 함몰로 인해 침하가 발생할 가능성이 있고, 미채굴구역의 침하가 주로 지하수위와 관련이 깊으므로 향후 양수 등의 인위적인 영향으로 인한 지하수위 저하나 강우침투에 의한 공동에서의 유로변화 및 수위변화가 발생할 경우 추가적인 침하가 발생될 수 있으므로 이에 대한 보강 및 관리대책이 필요하다.
- (5) 향후 침하 가능성과 관련하여, 채굴공동 천단의 암반층 두께가 얇은 구간이나 인장절리 발달이 활발한 구간에서는 급격한 변형이 초래될 수 있고 채굴공동 주변의 지반상태가 불량하므로 침하가 발생할 경우 침하의 영향은 주변 지반으로 확산될 가능성이 있다. 또한 석회암 분포지역에서는 석회암층 내에서 다수의 자연 용식공동이 확인됨에 따라 자연 용식공동의 함몰로 인해 침하가 발생할 가능성이 있고, 미채굴구역의 침하가 주로 지하수위와 관련이 깊으므로 향후 양수 등의 인위적인 영향으로 인한 지하수위 저하나 강우침투에 의한 공동에서의 유로변화 및 수위변화가 발생할 경우 추가적인 침하가 발생될 수 있으므로 이에 대한 보강 및 관리대책이 필요하다.
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