최근 도심지 지상공간의 포화로 전세계적으로 지하공간개발이 활발히 진행되고 있으며, 지상 및 지하구조물에 인접하여 굴착이 많이 이루어지고 있다. 굴착공사 중 시공 부주의나 시공기술 미흡, 지하수 유출, 급격한 지층의 변화, 토류 시스템 구성품의 문제 등으로 인해 각종 지반함몰 사고가 발생하여 사회적 이슈로 부각되고 있다. 국가적으로 이를 대응하기 위하여 도심지 지하 시설물에 대한 예방중심의 선제적 재난 재해 관리 및 신속 복구 시스템 구축을 추진 중에 있다. 본 연구에서는 굴착공사 시 지반 내부적인 변화 요소(지하수위 변화, 지하매설물 손상 등)와 외부적인 변화요소(차량하중, 지진, 지반굴착 등)를 고려한 지하안전 확보를 위한 기술개발 동향에 대하여 자료를 수집하였다. 지반거동 해석 및 지반함몰 평가기술과 지반함몰 예방을 위한 안전한 굴착 및 보강기술, 지반함몰 발생시 긴급복구 기술의 개선 및 국내 자립화가 요구되고 있는 가운데 현재 도심지 굴착공사시 지반함몰 예방을 위한 기술개발 현황에 대하여 소개하고자 한다. 현재 연구가 진행되고 있는 부분도 있으나 크게 분류하여 예측/평가기술, 복합탐사기술, 차수보강기술, 긴급복구기술, 굴착기술의 5개 분야로 설명하고자 한다.
최근 도심지 지상공간의 포화로 전세계적으로 지하공간개발이 활발히 진행되고 있으며, 지상 및 지하구조물에 인접하여 굴착이 많이 이루어지고 있다. 굴착공사 중 시공 부주의나 시공기술 미흡, 지하수 유출, 급격한 지층의 변화, 토류 시스템 구성품의 문제 등으로 인해 각종 지반함몰 사고가 발생하여 사회적 이슈로 부각되고 있다. 국가적으로 이를 대응하기 위하여 도심지 지하 시설물에 대한 예방중심의 선제적 재난 재해 관리 및 신속 복구 시스템 구축을 추진 중에 있다. 본 연구에서는 굴착공사 시 지반 내부적인 변화 요소(지하수위 변화, 지하매설물 손상 등)와 외부적인 변화요소(차량하중, 지진, 지반굴착 등)를 고려한 지하안전 확보를 위한 기술개발 동향에 대하여 자료를 수집하였다. 지반거동 해석 및 지반함몰 평가기술과 지반함몰 예방을 위한 안전한 굴착 및 보강기술, 지반함몰 발생시 긴급복구 기술의 개선 및 국내 자립화가 요구되고 있는 가운데 현재 도심지 굴착공사시 지반함몰 예방을 위한 기술개발 현황에 대하여 소개하고자 한다. 현재 연구가 진행되고 있는 부분도 있으나 크게 분류하여 예측/평가기술, 복합탐사기술, 차수보강기술, 긴급복구기술, 굴착기술의 5개 분야로 설명하고자 한다.
Amid increasingly saturated ground space, development of underground space has been booming throughout the world and excavation has been underway near the structure above or under the ground level. But the ground subsidence caused by improper or poor construction technologies, underground water leak...
Amid increasingly saturated ground space, development of underground space has been booming throughout the world and excavation has been underway near the structure above or under the ground level. But the ground subsidence caused by improper or poor construction technologies, underground water leakage, sudden changes of stratum and the problem with earth retaining system component has been emerged as hot social issue. To deal with such problems nationwide, establishment of preventive and proactive disaster management and rapid restoration system has been pushed now. In this study, collection of the data on technology development trend to secure the underground safety was made, taking into account of internal change elements (changing groundwater level, damage to underground utilities, etc) and external change elements (vehicle load, earthquake and ground excavation, etc) during excavation. Amid the growing need of ground behavior analysis, ground subsidence evaluation technology, safe excavation to prevent ground subsidence and reinforcement technology, improvement of rapid restoration technology in preparation for ground subsidence and development of independent capability, this study is intended to introduce the technology development in a bid to prevent the ground subsidence during excavation. It's categorized into prediction/evaluation technology, complex detect technology, waterproof reinforcement technology, rapid restoration technology and excavation technology which, in part, has been in process now.
Amid increasingly saturated ground space, development of underground space has been booming throughout the world and excavation has been underway near the structure above or under the ground level. But the ground subsidence caused by improper or poor construction technologies, underground water leakage, sudden changes of stratum and the problem with earth retaining system component has been emerged as hot social issue. To deal with such problems nationwide, establishment of preventive and proactive disaster management and rapid restoration system has been pushed now. In this study, collection of the data on technology development trend to secure the underground safety was made, taking into account of internal change elements (changing groundwater level, damage to underground utilities, etc) and external change elements (vehicle load, earthquake and ground excavation, etc) during excavation. Amid the growing need of ground behavior analysis, ground subsidence evaluation technology, safe excavation to prevent ground subsidence and reinforcement technology, improvement of rapid restoration technology in preparation for ground subsidence and development of independent capability, this study is intended to introduce the technology development in a bid to prevent the ground subsidence during excavation. It's categorized into prediction/evaluation technology, complex detect technology, waterproof reinforcement technology, rapid restoration technology and excavation technology which, in part, has been in process now.
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문제 정의
굴착공사 현장 주변의 지반함몰 예측 및 피해저감을 위한 지하안전영향 평가를 목적으로 여러 가지 물리탐사 방법을 연구하고 이를 결합하여 복합해석(소프트웨어)하기 위한 통합적 시스템을 개발하는 분야로 지하공동 및 매설물 탐사와 굴착공사시 지하수위 분포와 지반의 이완정도를 파악하여 도심지 굴착공사시 지반함몰예측을 위한 복합탐사기술(심도 10 m 이상) 개발을 목표로 하고 있다.
도심지 굴착공사로 인한 지반함몰 발생 및 피해저감을 위한 차수･보강 기술 개발을 목표로 안전한 도시환경조성 및 세계시장 진출이 가능한 경쟁력 있는 차수･보강 기술 확보가 목표이다. 주요 기술개발로는 첫째, 도심지 지하굴착 공사 시 발생하는 지하수의 유입을 사전에 방지하여 지반함몰 사고를 사전에 예방하기 위한 차수용 박층 멤브레인 재료 및 시공기술을 개발하는 것이다(Fig.
도심지 지반굴착으로 인한 인접 지반 및 지하수위에 미치는 특성을 규명하고, 지반함몰에 대한 위험성 예측 및 평가기술 개발과 설계 및 시공기준에 대한 개발을 주요 목표로 하고 있다. 세부 기술개발 분야로는 원인 규명과 조사, 위험성 예측 및 평가, 정책 및 제도화로 구분할 수 있다.
이를 위하여 굴착벽체 품질개선 및 성능 극대화를 통한 지반함몰 위험도 최소화 공법에 관한 연구를 수행하고 있으며 시공법, 설계/해석법, 계측 및 공정/품질 관리방안, 위험도 관리 방안 등을 제시할 수 있는 토탈 솔루션 개발도 병행하고 있다. 또한, 굴착과 동시에 보강재 설치 등 시공단계를 단순화하여 기존 공법대비 시공성 및 경제성을 확보하고자 한다.
하지만 이와 같은 공법에는 양질의 토사 수급의 어려움, 최적의 다짐이 되지 않아 2차 지반 공동 발생의 가능성, 물과 그라우트의 접촉시 재로의 분리로 인한 보강효과 저하, 그라우팅 플랜트 설치시간 및 재료 혼합시간으로 긴급 복구에 부적절한 경우가 있다. 이에 본 연구개발에서는 이러한 문제점들을 최소화하기 위하여 지반공동에 의한 함몰 발생 지반의 긴급복구를 위하여 시간의존성이 고려된 지반 공동 보강용 무기질계 혼화재 개발과 능동적 다변형 지반신소재 포켓을 이용하여 지반공동 내 비개착 주입기술을 이용한 긴급복구기술을 개발하고 있다.
저토피 구간 굴착시 이완 영역에 대한 침하특성 평가기법, 굴착지반의 이완과 굴착 상부지반의 초기 침하 억제가 가능한 비개착식 지하횡단공법 개발, 현장시험시공을 통한 개발공법의 성능평가 및 효과분석, 개선된 지하횡단공법 설계･시공 기준개발을 통하여 ‘강관다단그라우팅･Fore poling 등 개선 적용-SEM 파일’과 ‘전면 가압식 함체’ 조합을 통한 중대구경 강관 대비 변위(이완영역) 20% 저감,‘마찰저감 장치 적용’에 의한 함체 견인 및 추진시 시공속도 향상 20%, 공기단축에 의한 공사비 20% 절감 등의 연구개발 목표의 정량화를 이루고자 연구를 수행하고 있다.
제안 방법
먼저, 복합탐사 결과와 지반 물성 간의 융･복합 해석기술 개발하는 것으로 세부적으로는 개별탐사와 지반 특성의 상관관계 분석을 통한 지반함몰 요소분석, 지반이완에 따른 토질 특성에 대한 수리･역학적 특성변화분석, 계측관리 시스템 분석, 복합탐사 자료와 토질 특성과의 연계성 분석, 계측 시스템과 탐사자료와의 연관성 연구, 실규모 현장계측 결과와 복합탐사와의 통합해석 기법을 개발하는 것이다. 두 번째는 복합탐사시스템기술 개발로써 복합설계, 해석기법 기반연구, 복합탐사시스템 설계, 복합탐사 소규모 현장적응을 하는 것이며, 세 번째로는 복합탐사 해석기법 개발로써, 지반특성을 고려한 모델 구성 및 GPR, ER inhouse 등의 모델링 알고리즘 개선을 통한 지반 위험인자에 대한 탐지 기능성을 향상시키는 것으로 이를 위하여 심도별 적용가능 탐사를 선정하여 공동, 매설관, 지하수위, 이완대를 탐지하도록 설계하였다.
먼저, 복합탐사 결과와 지반 물성 간의 융･복합 해석기술 개발하는 것으로 세부적으로는 개별탐사와 지반 특성의 상관관계 분석을 통한 지반함몰 요소분석, 지반이완에 따른 토질 특성에 대한 수리･역학적 특성변화분석, 계측관리 시스템 분석, 복합탐사 자료와 토질 특성과의 연계성 분석, 계측 시스템과 탐사자료와의 연관성 연구, 실규모 현장계측 결과와 복합탐사와의 통합해석 기법을 개발하는 것이다. 두 번째는 복합탐사시스템기술 개발로써 복합설계, 해석기법 기반연구, 복합탐사시스템 설계, 복합탐사 소규모 현장적응을 하는 것이며, 세 번째로는 복합탐사 해석기법 개발로써, 지반특성을 고려한 모델 구성 및 GPR, ER inhouse 등의 모델링 알고리즘 개선을 통한 지반 위험인자에 대한 탐지 기능성을 향상시키는 것으로 이를 위하여 심도별 적용가능 탐사를 선정하여 공동, 매설관, 지하수위, 이완대를 탐지하도록 설계하였다.
3). 축소모형실험을 통해 도출된 지반거동 예측 및 주요 원인인자를 도출하며, 원심모형실험을 통해 검증된 현장응력 재현은 굴착공사 현장의 조건과 유사한 환경의 특성을 구현하여 신뢰성 있는 지반함몰 모사를 수행하게 된다. 또한, 실험을 통하여 획득된 여러 실내실험데이터를 각 공동연구기관에 전달하여 안전한 지하굴착을 위한 지하수 변동 및 지반거동 정밀해석 기술개발에 적극 활용될 것이다.
성능/효과
본 연구의 기대효과는 경제･산업적 측면으로 긴급복구 시공 기간의 축소에 따른 중앙정부 및 지자체, 지역기업 등의 시공비용 감소효과, 지반공동 긴급복구를 위해 요구되는 시공구간의 범위 및 시간 축소로 공용성 제한 요소를 최소화함에 따라 간접적 감소와 예산절감효과를 얻을 수 있다. 또한, 지반공동에 대한 신속한 대응 방안 마련 및 복구에 의해 지반함몰의 사전 예방에 따른 2차사고 방지효과, 지반함몰의 위험요소를 신속히 차단함으로써 사회적 차원의 불안감 감소, 긴급복구에 따른 공용구조물의 활용성 확보로 시민불편 감소 효과가 있을 것으로 예산된다.
본 연구의 기대효과는 경제･산업적 측면으로 긴급복구 시공 기간의 축소에 따른 중앙정부 및 지자체, 지역기업 등의 시공비용 감소효과, 지반공동 긴급복구를 위해 요구되는 시공구간의 범위 및 시간 축소로 공용성 제한 요소를 최소화함에 따라 간접적 감소와 예산절감효과를 얻을 수 있다. 또한, 지반공동에 대한 신속한 대응 방안 마련 및 복구에 의해 지반함몰의 사전 예방에 따른 2차사고 방지효과, 지반함몰의 위험요소를 신속히 차단함으로써 사회적 차원의 불안감 감소, 긴급복구에 따른 공용구조물의 활용성 확보로 시민불편 감소 효과가 있을 것으로 예산된다.
후속연구
굴착공사에 따른 지반함몰 예측･평가의 고도화, 해석･탐사의 정교화, 굴착･보강기술의 효율화를 통한 지반함몰 최소화를 목표로 연구개발이 잘 수행된다면, 굴착시공에 따른 지반변형 해석기법 개발을 통한 지반함몰 예측 및 대응방안 도출, 도심지 지반함몰 예방을 위한 정책 및 제도화 방안 제시, 지하공동 및 매설물 탐사(심도 10 m 이상)를 위한 복합탐사 가능, 신속한 지반보강 및 차수를 통한 지반함몰 방지, 지반함몰 발생시 합리적인 긴급복구 설계 및 대응 매뉴얼 구축, 대심도 및 저토피구간 굴착시의 굴착 공법 개선 및 시공 성능 향상이 가능할 것이다. 향후 대도시를 중심으로 급증할 것으로 전망되는 국내 굴착공사 관련 건설사업, 지반굴착 모니터링 및 도시형 지반함몰 탐지기술, 굴착공사 시 인접지반이나 구조물의 영향과 연계된 관리기준 및 제도적 기반에 적극 활용이 가능하며, 세계적 수준의 안전한 지반굴착 설계･시공 기술 확보를 통한 국내･외 시장 상용화 등 제품화 가능한 성과물 도출과 사업화 추진이 가능할 것이다.
대심도(30 m 이상) 및 도심지 굴착시 지반변위 최소화를 위한 굴착공법 개발로 도심지 대심도 수직굴착 및저토피(3.5 m 이하) 비개착 수평굴착에 있어서 지반변위 및 지반함몰 위험도를 최소화할 수 있는 공법을 개발하는 것이 목표로 대심도 굴착시 수직도 및 저토피비개착 공법 개발이 지반변위 억제 및 지반함몰 위험도 감소 등 지반안전 확보 기술에 대한 연구결과를 도출할 예정이다.
축소모형실험을 통해 도출된 지반거동 예측 및 주요 원인인자를 도출하며, 원심모형실험을 통해 검증된 현장응력 재현은 굴착공사 현장의 조건과 유사한 환경의 특성을 구현하여 신뢰성 있는 지반함몰 모사를 수행하게 된다. 또한, 실험을 통하여 획득된 여러 실내실험데이터를 각 공동연구기관에 전달하여 안전한 지하굴착을 위한 지하수 변동 및 지반거동 정밀해석 기술개발에 적극 활용될 것이다.
향후 대도시를 중심으로 급증할 것으로 전망되는 국내 굴착공사 관련 건설사업, 지반굴착 모니터링 및 도시형 지반함몰 탐지기술, 굴착공사 시 인접지반이나 구조물의 영향과 연계된 관리기준 및 제도적 기반에 적극 활용이 가능하며, 세계적 수준의 안전한 지반굴착 설계･시공 기술 확보를 통한 국내･외 시장 상용화 등 제품화 가능한 성과물 도출과 사업화 추진이 가능할 것이다. 또한, 지침, 고시 등의 가이드라인 제정으로 과학적 근거에 따른 합리적 의사결정으로 지반함몰 복구비용 및 피해비용의 탁월한 절감효과 기대된다.
본 연구의 중점사항으로 첫째, 복합탐사 시스템을 개발하여 도심지 특성상 개별탐사의 탐지 한계를 극복하고 위험 인자(지하수, 공동, 이완대 등)를 도식하기 위한 탐사 시스템(프로그램)을 개발하고자 하며, 둘째, 지하수위 변동 특성을 파악할 수 있는 탐사 모니터링 기법을 개발하여, 굴착에 따른 주요 위험요소는 지하수위변동에 따른 토립자 유실에 있으므로 지하수위 분포를 확인하여, 안정성 검토에 활용하고, 셋째, 심도별 위험요소(공동, 지하수)에 대한 고정밀 탐지력과 현장적용 가능성을 확인할 계획에 있다.
6(b)). 이를 토대로 시작품 설계･제작 및 시공조건에 따른 최적 설계방안을 제시하고 현장적용을 통한 성능을 검증한 후 경제성을 검토하여 최종적으로 시공 매뉴얼을 제시할 예정이다.
지하굴착공사로 인한 도심지 지반함몰 사고의 상당수는 지하수 유입과 그에 따른 토사 유출과 관련되어 있기 때문에, 굴착공사 시에 유출되는 지하수에 대하여 신속하게 적용이 가능한 차수 및 보강기술이 필요하며, 더불어 적극적인 현장적용과 개발기술의 상용화를 병행할 예정이다.
굴착공사에 따른 지반함몰 예측･평가의 고도화, 해석･탐사의 정교화, 굴착･보강기술의 효율화를 통한 지반함몰 최소화를 목표로 연구개발이 잘 수행된다면, 굴착시공에 따른 지반변형 해석기법 개발을 통한 지반함몰 예측 및 대응방안 도출, 도심지 지반함몰 예방을 위한 정책 및 제도화 방안 제시, 지하공동 및 매설물 탐사(심도 10 m 이상)를 위한 복합탐사 가능, 신속한 지반보강 및 차수를 통한 지반함몰 방지, 지반함몰 발생시 합리적인 긴급복구 설계 및 대응 매뉴얼 구축, 대심도 및 저토피구간 굴착시의 굴착 공법 개선 및 시공 성능 향상이 가능할 것이다. 향후 대도시를 중심으로 급증할 것으로 전망되는 국내 굴착공사 관련 건설사업, 지반굴착 모니터링 및 도시형 지반함몰 탐지기술, 굴착공사 시 인접지반이나 구조물의 영향과 연계된 관리기준 및 제도적 기반에 적극 활용이 가능하며, 세계적 수준의 안전한 지반굴착 설계･시공 기술 확보를 통한 국내･외 시장 상용화 등 제품화 가능한 성과물 도출과 사업화 추진이 가능할 것이다. 또한, 지침, 고시 등의 가이드라인 제정으로 과학적 근거에 따른 합리적 의사결정으로 지반함몰 복구비용 및 피해비용의 탁월한 절감효과 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
각종 지반함몰 사고를 대응하기 위한 노력으로는 무엇이 있는가?
굴착공사 중 시공 부주의나 시공기술 미흡, 지하수 유출, 급격한 지층의 변화, 토류 시스템 구성품의 문제 등으로 인해 각종 지반함몰 사고가 발생하여 사회적 이슈로 부각되고 있다. 국가적으로 이를 대응하기 위하여 도심지 지하 시설물에 대한 예방중심의 선제적 재난 재해 관리 및 신속 복구 시스템 구축을 추진 중에 있다. 본 연구에서는 굴착공사 시 지반 내부적인 변화 요소(지하수위 변화, 지하매설물 손상 등)와 외부적인 변화요소(차량하중, 지진, 지반굴착 등)를 고려한 지하안전 확보를 위한 기술개발 동향에 대하여 자료를 수집하였다.
지반함몰 예방을 위한 기술개발 분야는 어떻게 구분되었는가?
지반거동 해석 및 지반함몰 평가기술과 지반함몰 예방을 위한 안전한 굴착 및 보강기술, 지반함몰 발생시 긴급복구 기술의 개선 및 국내 자립화가 요구되고 있는 가운데 현재 도심지 굴착공사시 지반함몰 예방을 위한 기술개발 현황에 대하여 소개하고자 한다. 현재 연구가 진행되고 있는 부분도 있으나 크게 분류하여 예측/평가기술, 복합탐사기술, 차수보강기술, 긴급복구기술, 굴착기술의 5개 분야로 설명하고자 한다.
각종 지반함몰 사고를 유발하는 원인은 무엇이 있는가?
최근 도심지 지상공간의 포화로 전세계적으로 지하공간개발이 활발히 진행되고 있으며, 지상 및 지하구조물에 인접하여 굴착이 많이 이루어지고 있다. 굴착공사 중 시공 부주의나 시공기술 미흡, 지하수 유출, 급격한 지층의 변화, 토류 시스템 구성품의 문제 등으로 인해 각종 지반함몰 사고가 발생하여 사회적 이슈로 부각되고 있다. 국가적으로 이를 대응하기 위하여 도심지 지하 시설물에 대한 예방중심의 선제적 재난 재해 관리 및 신속 복구 시스템 구축을 추진 중에 있다.
참고문헌 (7)
Construction safety information system of Ministry of Land Transportation (http://www.cosmis.or.kr)
Gyeonggi Research Institute, 2014, Cause of sinkhole and countermeasure.
KAIA, 2015(a), Development plan of instrumentation/evaluation/ management Technology of the groundwater and the ground structure effects, final report (R&D Report), 282p.
KAIA, 2015(b), Development plan of safe ground excavation technology, final report (R&D Report), 255p.
Kim, W.S., Y. Baek., J.H. Jung, J.H. Lee, D.M. Kim and O.I. Kwon, 2017, Development of the measures and technology to prevent ground subsidence in Korea, YSRM 2017&NDRMGE 2017-Challenges and innovations in rock mechanics and engineering, 189p.
Korea Institute of Construction Technology, 2016, in-house evaluation report of Geotechnical Engineering Research Institute, 272p.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2014, Diagnosis and Countermeasures of Sinkhole, Policy forum distribution.
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