[논문]굴착 전 지반함몰 예측을 위한 위험등급 분류

임명혁; 신상식; 김우석; 김학준

doi:10.9720/kseg.2018.4.553

굴착 전 지반함몰 예측을 위한 위험등급 분류
Ground Subsidence Risk Ratings for Pre-excavation 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.28 no.4, 2018년, pp.553 - 563

임명혁 (대전대학교 건설안전방재공학과) , 신상식 (지산이엔지 주식회사) , 김우석 (한국건설기술연구원 인프라안전연구본부) , 김학준 (대전대학교 건설안전방재공학과)

초록
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최근 국내에서 지반함몰의 발생빈도가 증가하고 있으므로 지반함몰 가능성을 사전에 예측할 수 있는 기술개발이 필요하다. 본 연구에서는 굴착 전에 지반함몰에 영향을 미치는 18개의 인자들을 지반의 종류, 지하수, 외부 인자 등을 고려하여 6가지 카테고리로 분류하였다. 18개 인자들은 지반함몰 예측을 위한 굴착 전 적용 가능한 지반함몰 위험등급 분류(GSRp) 도표를 구성하는데, 이러한 영향인자들의 중요도, 신뢰성, 저자들의 공학적 판단 등을 종합적으로 고려하여 등급을 나눈 후 점수를 부여하였다. 지반조건과 현장 상황에 따라 적용되는 지반함몰 영향인자가 다르므로 영향인자 별 가중치와 카테고리 별 가중치가 곱해지게 되는데 가중치는 영향인자들의 인용 빈도수를 기준으로 결정되었다. 지반함몰 영향인자 별점수, 인자별 가중치, 지반조건에 따라 부여되는 가중치 등을 종합하여 계산하면 굴착 전의 지반함몰 위험등급을 정량화 할 수 있다. 본 연구를 통하여 제안된 GSRp 도표는 굴착 전 현장에서 실무자들이 지반의 지반함몰 위험성을 예측하는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The recent increase of ground subsidence in Korea requires the development of technology for predicting the possibility of ground subsidence. Eighteen parameters affecting the ground subsidence for pre-excavation are classified into 6 categories considering ground types, groundwater, and external factors. Eighteen parameters consists of a table which gives ground subsidence risk ratings for pre-excavation(GSRp). Certain scores are given to these parameters after they are divided into several classes considering the importance and the credibility of parameters and the engineering judgements of the authors. Because of the difference of ground subsidence factors depending on the ground and field conditions, weighting factors for the individual factor and for the each category are multiplied. Weighting factors are calculated from citation frequencies of influencing factors. Ground subsidence risk ratings for pre-excavation can be quantified by considering the individual score of each parameter and weighting factors for the individual factor and for the each category. The suggested GSRp tables obtained from this study are expected to be used by engineers for the estimation of ground subsidence risk ratings for pre-excavation sites.

주제어

표/그림 (5)

표 Table 1. Factors of Ground Subsidence risk Rating for pre-excavation (GSRp) due to geotechnical characteristics (modified from Park et al., 2017)
표 Table 2. Score by grade for factors of Ground Subsidence Rating for pre-excavation (GSRp)
표 Table 3. Abbreviation and constants for weighting factors for Ground Subsidence Risk rating for Pre-excavation (GSRp)
표 Table 4. Weighting(y) by categories according to ground condition during pre-excavation (GSRp)
표 Table 5. Final Rating (GSRp) for Ground Subsidence Risk

AI 본문요약
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문제 정의

(2016, 2017)과 Park et al.(2017)의 연구에서 도출한 지반함몰 영향인자를 바탕으로 지반 및 지질특성에 따른 지반함몰 위험성 인자들을 등급화 및 점수화하고자 한다. 이를 위하여 영향인자들과 카테고리(인자 그룹)들에 가중치를 부여한 후 각각의 점수를 합산 및 100% 기준으로 환산하여, 굴착 전에 지반함몰 위험성을 예측할 수 있는 지반함몰 위험등급(Ground Subsidence Risk Rating for pre-excavation: GSRp) 시트를 제시하고자 한다.

제안 방법

6으로 산출되어 지반함몰 위험도는 Ⅱ등급(Good Ground)으로 분류되었다. BL-31지점은 주변지반의 공동이 확인되지 않고 지층 상부의 흙(SL)과 지층 하부의 암반(RM)이 모두 분포(SR)하며 수리지질(HG) 및 외부영향(EF) 카테고리의 영향인자를 포함하는 P1(Conditions that can measure the boundary between soil and rock without cavities)의 지반조건을 적용하였으며, 최종 GSRp 점수는 39.3으로 산출되어 지반함몰 위험도는 Ⅳ등급(Poor Ground)으로 분류되었다. 현장적용 수행 과정에서, 지반함몰 영향인자 중 암반 카테고리에서 주 단열과의 거리 인자는 최대 50m 이상 이격되면 영향이 거의 없는 것으로 하여 100점을 설정하였다.
대표 값의 결정 방법은 100점을 균등하게 6 등급으로 구분하여 각 구간별로 최소값과 최대값을 부여한 후 각 구간의 중간 값을 대표 값으로 선정하였다. 각 영향인자의 등급 개수는 인자의 중요도, 신뢰성, 연구자의 공학적 경험과 판단 등을 종합적으로 고려하여 결정하였다.
즉 일반 사면의 경우 풍화가 지표면과 평행하게 발생하므로 흙과 암반의 경계가 경사지어서 형성되며, 이 면을 따라 흙이 미끄러질 가능성이 있으므로 지반침하 영향인자로 간주할 수 있다. 그러나 국내의 굴착공사가 진행되는 현장의 경우에는 흙과 암석 경계면의 경사가 거의 수평에 가까운 것이 일반적이므로 본 연구에서는 토층의 심도만을 영향인자로 간주하였다. 흙의 전단강도와 건조단위중량은 공사 전에 일반 실무자들이 얻기 어려운 인자이므로 사용하지 않고 이 인자들과 상관관계가 있는 표준관입시험 결과를 이용하여 간접적으로 평가하게 하였다.
지반함몰 영향인자 중 공동이 있을 경우, 공동의 심도와 두께에 따라 6 등급으로 구분하고 최저 8점에서 최고 92점이 대표 값으로 제시되었다. 대표 값의 결정 방법은 100점을 균등하게 6 등급으로 구분하여 각 구간별로 최소값과 최대값을 부여한 후 각 구간의 중간 값을 대표 값으로 선정하였다. 각 영향인자의 등급 개수는 인자의 중요도, 신뢰성, 연구자의 공학적 경험과 판단 등을 종합적으로 고려하여 결정하였다.
본 연구에서는 기존 연구에 의하여 도출된 22개의 지반함몰 영향인자 중에서 지반굴착 전에 지반함몰에 영향을 미치는 14개의 인자를 추출하였으며, 이 인자들은 다시 6개의 카테고리로 분류하였다. 이를 토대로 굴착 전에 지반함몰을 예측할 수 있는 위험등급 분류방법을 제시하였다.
본 연구의 검증을 위하여, 세종시 00현장의 BL-30구간과 BL-31구간 각각 1개소에 대하여 지반조사보고서와 현장 시험자료 등을 근거로 GSRp 점수를 산정하였다. BL-30지점은 탄성파탐사 결과 주변에서 소규모의 지반공동이 확인(CV)되고 지층 상부의 흙(SL)과 지층 하부의 암반(RM)이 모두 분포(SR)하고 있는 것으로 조사되었다.
BL-30지점은 탄성파탐사 결과 주변에서 소규모의 지반공동이 확인(CV)되고 지층 상부의 흙(SL)과 지층 하부의 암반(RM)이 모두 분포(SR)하고 있는 것으로 조사되었다. 수리지질(HG) 및 외부영향(EF) 카테고리의 영향인자를 포함한 지반조건은 P4(Conditions that can measure the boundary between soil and rock with cavities)를 적용하였으며, 최종 GSRp 점수는 60.6으로 산출되어 지반함몰 위험도는 Ⅱ등급(Good Ground)으로 분류되었다. BL-31지점은 주변지반의 공동이 확인되지 않고 지층 상부의 흙(SL)과 지층 하부의 암반(RM)이 모두 분포(SR)하며 수리지질(HG) 및 외부영향(EF) 카테고리의 영향인자를 포함하는 P1(Conditions that can measure the boundary between soil and rock without cavities)의 지반조건을 적용하였으며, 최종 GSRp 점수는 39.
이는 연구에 이용한 D/B에서 단열대와 이격거리에 따른 빈도 분포도에 따라 0∼50 m 구간을 0점∼100점으로 환산하는 것이 가장 일정한 등급분포를 나타내는 것으로 분석되었기에 이에 맞춰 등급화를 하였다.
(2017)의 연구에서 도출한 지반함몰 영향인자를 바탕으로 지반 및 지질특성에 따른 지반함몰 위험성 인자들을 등급화 및 점수화하고자 한다. 이를 위하여 영향인자들과 카테고리(인자 그룹)들에 가중치를 부여한 후 각각의 점수를 합산 및 100% 기준으로 환산하여, 굴착 전에 지반함몰 위험성을 예측할 수 있는 지반함몰 위험등급(Ground Subsidence Risk Rating for pre-excavation: GSRp) 시트를 제시하고자 한다.
본 연구에서는 기존 연구에 의하여 도출된 22개의 지반함몰 영향인자 중에서 지반굴착 전에 지반함몰에 영향을 미치는 14개의 인자를 추출하였으며, 이 인자들은 다시 6개의 카테고리로 분류하였다. 이를 토대로 굴착 전에 지반함몰을 예측할 수 있는 위험등급 분류방법을 제시하였다. 지반함몰 인자 카테고리별로 따로 각 인자별 D/B에서 등급 계산에 사용된 D/B의 빈도 분포에 따라 가중치 값을 결정하였으며, 6개의 지반함몰 카테고리와 14개의 인자 중 지반조건과 현장 상황에 따라 최소 2개에서 최대 4개의 인자까지 다양하게 적용된다.
이를 토대로 굴착 전에 지반함몰을 예측할 수 있는 위험등급 분류방법을 제시하였다. 지반함몰 인자 카테고리별로 따로 각 인자별 D/B에서 등급 계산에 사용된 D/B의 빈도 분포에 따라 가중치 값을 결정하였으며, 6개의 지반함몰 카테고리와 14개의 인자 중 지반조건과 현장 상황에 따라 최소 2개에서 최대 4개의 인자까지 다양하게 적용된다. 따라서 각 카테고리 별 등급 점수 및 인자 별 등급 점수가 경우에 따라 다르므로 지반함몰 영향인자 별 가중치(x)와 카테고리 별 가중치(y)가 곱해지게 된다.
흙과 암반의 경계면이 인지될 경우, 경계면의 심도를 7 등급으로 구분하고 최저 7점에서 최고 93점의 점수가 정해졌다. 흙의 경우, 유형(Type)은 국내외에서 널리 사용되고 있는 통일분류법(USCS)을 활용하도록 하였으며 종류에 따라 7 등급으로 구분하고 최저 7점에서 최고 93점의 점수를 대표 값으로 부여 하였다. 상대밀도 값은 표준관입시험의 N 값에 따라 50 등급으로 구분 가능하여 최저 0점에서 최고 100점의 점수가 N×2로서 나타낼 수 있도록 하였다.
그러나 국내의 굴착공사가 진행되는 현장의 경우에는 흙과 암석 경계면의 경사가 거의 수평에 가까운 것이 일반적이므로 본 연구에서는 토층의 심도만을 영향인자로 간주하였다. 흙의 전단강도와 건조단위중량은 공사 전에 일반 실무자들이 얻기 어려운 인자이므로 사용하지 않고 이 인자들과 상관관계가 있는 표준관입시험 결과를 이용하여 간접적으로 평가하게 하였다. 굴착 전의 강우 강도와 지하수위 변화는 굴착예정 현장의 지반함몰에 큰 영향을 주지 않을 것으로 판단되며, 굴착이 계획된 바닥면에서 굴착 전의 지하수위까지의 거리가 클수록 굴착면으로 지하수의 유입이 클 것으로 판단되어 지반함몰 영향인자로 포함하였다.

대상 데이터

(2017)은 220여 편의 논문과 외국 정부기관 문헌을 분석한 후 문헌에 인용된 빈도수에 따라 상대적인 중요도를 설정하여, 지반굴착에 따른 약 22개의 지반함몰 영향인자를 도출하였으나, 이는 지반 굴착 전과 굴착 중의 모든 경우를 감안한 분석 결과이다. 본 연구의 목적상 지반굴착 전(개착식) 혹은 시공 전 조사 및 설계 단계에서 굴착현장에서의 지반특성별 지반함몰에 영향을 미치는 인자는 굴착 중에 영향을 미치는 4개의 인자를 제외한 6개의 카테고리에 속하는 18개의 인자들이다(Table 1). 18개의 지반함몰 영향인자 사이의 상대적 중요도 순서는 220여개의 사례 연구에서 인용되고 사용된 빈도수에 따라 결정되었다(Park et al.
총 14개 지반함몰 영향인자들의 등급값의 설정은 연구에 이용한 220여개 D/B에서 지반함몰이나 붕괴가 있었던 현장에 나타나는 값을 선정하여 결정하였으며 그 결과는 Table 2와 같다. 지반함몰 영향인자 중 공동이 있을 경우, 공동의 심도와 두께에 따라 6 등급으로 구분하고 최저 8점에서 최고 92점이 대표 값으로 제시되었다.

이론/모형

Table 3과 Table 4에 제시된 가중치는 Park et al.(2017)이 제시한 각 지반함몰 영향인자들의 인용 빈도수를 기준으로, 가장 보편적으로 사용되는 Term Frequency(TF) 가중치 산출 법에 의거하여 산정되었다. TF 가중치 산출 방법은 인용 빈도수가 높은 인자가 더 중요하다는 가정을 전제로 하며 가중치는 인용 빈도수에 비례한다.
투수계수는 Powers(1992)가 제안한 통일분류법 유형에 따른 흙의 투수계수를 참고하여 분류하였다. 단지 자갈(GP, GW)의 경우 흙의 유형에서는 가장 점수가 높은데 투수계수에서는 가장 낮은 점수가 된다는 문제점이 있다.
수리지질 인자의 경우, 주 channel과의 거리에 따라 4 등급으로 구분하고 최저 13점에서 최고 87점의 점수가 부여되었다. 투수계수는 흙은 통일분류법, 암석은 불연속면의 포함 여부에 따라 7 등급으로 분류하였는데, 투수계수와 통일분류법의 상관성은 Powers(1992)의 연구결과를 참고하였다. 굴착 예정 바닥면과 지하수위 거리는 6 등급으로 구분하여 해당되는 대표 값을 부여하였다.

성능/효과

총 14개 지반함몰 영향인자들의 등급값의 설정은 연구에 이용한 220여개 D/B에서 지반함몰이나 붕괴가 있었던 현장에 나타나는 값을 선정하여 결정하였으며 그 결과는 Table 2와 같다. 지반함몰 영향인자 중 공동이 있을 경우, 공동의 심도와 두께에 따라 6 등급으로 구분하고 최저 8점에서 최고 92점이 대표 값으로 제시되었다. 대표 값의 결정 방법은 100점을 균등하게 6 등급으로 구분하여 각 구간별로 최소값과 최대값을 부여한 후 각 구간의 중간 값을 대표 값으로 선정하였다.
, 2017). 지하수위 변동, 흙의 종류, 암석의 종류, 주 단열과의 거리, 상재하중 심도, 상재하중 두께, 흙의 전단강도, RQD, 액성한계, 흙의 상대밀도, 흙의 다짐도, 투수계수, 흙의 함수비, 주요 하천(Main Channel)과의 거리, 인공시설물 유무, 강우 강도, 흙과 암반 경계면의 배향 및 심도, 흙의 건조단위 중량 순으로 상대적인 중요도가 낮아지는 것으로 분석되었다. Park et al.
흙과 암반의 경계면이 인지될 경우, 경계면의 심도를 7 등급으로 구분하고 최저 7점에서 최고 93점의 점수가 정해졌다. 흙의 경우, 유형(Type)은 국내외에서 널리 사용되고 있는 통일분류법(USCS)을 활용하도록 하였으며 종류에 따라 7 등급으로 구분하고 최저 7점에서 최고 93점의 점수를 대표 값으로 부여 하였다.

후속연구

이는 연구에 이용한 D/B에서 단열대와 이격거리에 따른 빈도 분포도에 따라 0∼50 m 구간을 0점∼100점으로 환산하는 것이 가장 일정한 등급분포를 나타내는 것으로 분석되었기에 이에 맞춰 등급화를 하였다. 그러나 주단열의 종류와 특성에 따라 50 m 이상 이격된 상태라도 양산단층대와 같이 대규모 단층대에는 동일한 기준으로 등급화 하기는 곤란하므로 향후 주 단열과의 거리 인자는 심도 있는 연구가 필요하다.
지반함몰 영향인자 중 외부영향 인자인 상·하수도관과 같은 파이프라인의 심도에 따라 5등급으로 구분하였으나, 이는 파이프라인에서 누수의 양 및 유실되는 토립자의 영향이 적용되지 않은 상황이므로 향후 이에 대한 연구와 보완이 추가되어야 한다고 판단된다.
지반함몰에 영향을 주는 인자를 도출하는 과정에서 전술한 6개 카테고리 및 14개 인자 외에도 소수의 인자들이 있으나 GSRp 시트 상에 점수로 나타낼 수 없을 만큼 영향력이 적은 인자들은 제외하였으나, 현재까지 고려치 못한 지반상황에서 향후 도출될 수 있는 인자들이 나온다면 GSRp 시트는 수정 및 보완되어야 할 것으로 판단된다.
산정된 GSRp 점수를 활용하면, 0∼100점 범위에서 특정 현장의 지반함몰 위험등급 분류가 가능하다. 최종적으로 지반함몰 위험등급(GSRp)을 매우 우량한 지반(I)에서 매우 불량한 지반(V)까지 5단계로 분류하였으며, 본 연구를 통하여 제안된 도표는 굴착 전에 현장 실무자들이 지반의 지반함몰 위험성을 예측하는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 추가적인 사례 연구를 통하여 제안된 영향인자 점수와 가중치에 대하여 검증과 보완 연구가 필요할 것으로 사료된다.
최종적으로 지반함몰 위험등급(GSRp)을 매우 우량한 지반(I)에서 매우 불량한 지반(V)까지 5단계로 분류하였으며, 본 연구를 통하여 제안된 도표는 굴착 전에 현장 실무자들이 지반의 지반함몰 위험성을 예측하는데 활용할 수 있을 것으로 기대된다. 향후 추가적인 사례 연구를 통하여 제안된 영향인자 점수와 가중치에 대하여 검증과 보완 연구가 필요할 것으로 사료된다.
현재 제안된 가중치는 문헌조사를 통한 빈도수를 이용하여 계산된 값이므로 더 많은 국내 사례연구를 통하여 가중치의 보완 연구도 필요할 것으로 사료된다. 현재 GSRp 적용에 대한 사례연구가 진행 중에 있으며 이러한 연구결과를 토대로 제안된 GSRp에 대한 지속적인 검증과 보완 작업이 필요하다.
현재 제안된 가중치는 문헌조사를 통한 빈도수를 이용하여 계산된 값이므로 더 많은 국내 사례연구를 통하여 가중치의 보완 연구도 필요할 것으로 사료된다. 현재 GSRp 적용에 대한 사례연구가 진행 중에 있으며 이러한 연구결과를 토대로 제안된 GSRp에 대한 지속적인 검증과 보완 작업이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내 현장에서의 지반함몰 예측연구 현황은?	따라서 국가적 차원의 대책 마련 및 지반함몰에 대한 예측 기술의 개발이 필요하다. 그러나 국내 현장의 경우, 지반함몰 예측 연구에 필요한 지질조사 항목들이 포함되지 않는 경우가 많고, 지질 특성에 따른 지반함몰 양상이 다양하기 때문에 지반함몰을 반영한 적절한 설계에 어려움이 있다. 외국에 비해 국내의 지반은 다양한 암반 등급과 복잡한 지질구조를 가지고 있는 경우가 많다.
	18개의 인자들을 6가지 카테고리로 분류한 기준은?	본 연구에서는 굴착 전에 지반함몰에 영향을 미치는 18개의 인자들을 지반의 종류, 지하수, 외부 인자 등을 고려하여 6가지 카테고리로 분류하였다. 18개 인자들은 지반함몰 예측을 위한 굴착 전 적용 가능한 지반함몰 위험등급 분류(GSRp) 도표를 구성하는데, 이러한 영향인자들의 중요도, 신뢰성, 저자들의 공학적 판단 등을 종합적으로 고려하여 등급을 나눈 후 점수를 부여하였다. 지반조건과 현장 상황에 따라 적용되는 지반함몰 영향인자가 다르므로 영향인자 별 가중치와 카테고리 별 가중치가 곱해지게 되는데 가중치는 영향인자들의 인용 빈도수를 기준으로 결정되었다.
	본 연구에서 도심지 굴착(개착식) 전에 현장의 지반함몰 위험성 예측을 평가하기 위해 시행된 것은?	본 연구에서는 도심지 굴착(개착식) 전에 현장의 지반함몰 위험성 예측을 평가하기 위하여, Ihm et al.(2016, 2017)과 Park et al.(2017)의 연구에서 도출한 지반함몰 영향인자를 바탕으로 지반 및 지질특성에 따른 지반함몰 위험성 인자들을 등급화 및 점수화하고자 한다. 이를 위하여 영향인자들과 카테고리(인자 그룹)들에 가중치를 부여한 후 각각의 점수를 합산 및 100% 기준으로 환산하여, 굴착 전에 지반함몰 위험성을 예측할 수 있는 지반함몰 위험등급(Ground Subsidence Risk Rating for pre-excavation: GSRp) 시트를 제시하고자 한다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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