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문제 정의
- 본 연구에서는 일반적으로 공동 및 지반침하 위험도 평가를 위해 실시되는 하수관로 건전도 평가, 지표에서의 GPR 탐사, 내시경 조사 등이 가지는 한계를 극복하기 위해 하수관로 내부에서 직접적인 조사를 통해 배면의 공동을 탐지하기 위한 시스템을 구축하는 방안이 지반 침하를 사전에 예방할 수 있는 효과적인 방안으로 고려되었다. 이를 위해 하수도 내부에서 관체 주변에 발생된 공동을 탐지하기 위한 다양한 물리탐사 기술을 검토하였으며, 그 결과 1) 충격응답, 2) 관내 GPR, 3) 밀도검층의 3가지 조사방법이 하수관내 활용의 용이성, 공동 탐지의 신뢰성 등의 측면에서 최적의 조사 방법으로 선정되었으며, 성능 검증 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- 5와 같이 하수관로 바닥을 기준으로 깊이에 따른 공동을 찾을 수 있는지 확인하기 위해, 하수관로 배면 0cm, 30cm, 60cm, 90cm 심도에 공동을 설치하였다. 공동 깊이 0cm와 30cm에서는 공동모델 1을 사용하였으며, 공동 깊이 60cm와 90cm에서는 공동모델 2를 사용하여 심도별 공동모델을 제작하였다.
- 밀도검층을 이용하여 심도별 공동모델 탐지를 수행하였다. 밀도검층 방법은 검출기 반경 30cm 이내의 지반상태 평가가 가능하며, 하수관의 두께를 고려할 때, 지층 20cm 이내의 다짐상태를 확인할 수 있다.
- 충격 탄성파 조사의 경우는 현재까지 하수도를 대상으로 적용한 사례가 전무하며, GPR 탐사의 경우는 파일럿 플랜트를 대상으로 250MHz, 500MHz, 1GHz의 세 가지 주파수 유형을 병행하여 조사를 실시하였으며, 주파수 유형에 따른 결과값의 신뢰성 및 하수관로 내부에서의 활용성을 확인하고자 하였다. 방사선에 의한 밀도검층 조사 방법도 하수도에 적용된 사례는 전무한 것으로 조사되었으며, 본 실험에 활용하기 위해 방사선 차폐 장치 및 견인 장치 등을 새롭게 구성하여 파일럿 플랜트에 적용하여 성능을 확인하였다.
- 앞서 기술한 3개 물리탐사 기술의 성능 검증을 수행하기 위해 한국건설기술연구원의 안동하천실험센터 부지에 다양한 관종과 공동을 모사한 파일럿 플랜트(Pilot Plant)를 구축하였으며, 동일한 환경 조건에서 3개의 물리탐사 기술을 적용하여 공동 탐지의 신뢰성과 효율성을 평가하였다.
- 충격 탄성파 조사의 경우는 현재까지 하수도를 대상으로 적용한 사례가 전무하며, GPR 탐사의 경우는 파일럿 플랜트를 대상으로 250MHz, 500MHz, 1GHz의 세 가지 주파수 유형을 병행하여 조사를 실시하였으며, 주파수 유형에 따른 결과값의 신뢰성 및 하수관로 내부에서의 활용성을 확인하고자 하였다. 방사선에 의한 밀도검층 조사 방법도 하수도에 적용된 사례는 전무한 것으로 조사되었으며, 본 실험에 활용하기 위해 방사선 차폐 장치 및 견인 장치 등을 새롭게 구성하여 파일럿 플랜트에 적용하여 성능을 확인하였다.
- 충격응답 기법을 이용하여 심도별 공동모델의 하수관경별 공동모델 탐지를 수행하였다. 충격응답 탐사는 신호원으로 사용하는 해머에 부착된 로드셀로부터 타격력과 가속도계로부터 측정된 휨운동 속도로부터 속도 및 힘 스펙트럼의 비를 구하며, 이를 운동성으로 표시한다.
- 하수관로 하부 공동의 심도는 Fig. 5와 같이 하수관로 바닥을 기준으로 깊이에 따른 공동을 찾을 수 있는지 확인하기 위해, 하수관로 배면 0cm, 30cm, 60cm, 90cm 심도에 공동을 설치하였다. 공동 깊이 0cm와 30cm에서는 공동모델 1을 사용하였으며, 공동 깊이 60cm와 90cm에서는 공동모델 2를 사용하여 심도별 공동모델을 제작하였다.
대상 데이터
- GPR탐사 현장 자료 획득은 PulseEKKO PRO를 사용하였으며(Fig. 8), 사용한 안테나의 주파수는 250MHz, 500MHz, 1GHz를 사용하여 자료를 획득하였다. GPR탐사의 고주파수 안테나는 작은 이상체 탐지에 효과적이며 천부탐사에 주로 사용되며, 높은 분해능을 보여준다.
- 국내 하수관로의 대부분이 흄관으로 매설되어 있기 때문에 현장 실험용 매설관의 종류는 흄관을 매설하여 현장을 조성하였다. 공동을 모사하기 위해서 본 실험에서는 EPS(Expandable polystrene) 블록을 사용하였다. EPS 스티로폼은 경량성과 내압축성이 상대적으로 높아 단위중량이 작아 지중 매설 후에도 형태가 보존되며 공동과 같이 작은 체적중량을 가진다.
- 밀도검층 현장 자료 획득은 Robertson Geologging 사의 Sidewall density probe를 사용하였으며, 감마선 신호원은 10 밀리큐리(mCi)의 Cs137 동위원소를 사용하였다. Fig.
- 본 연구에서는 하수관로 배면의 공동 발생 유무와 규모를 관로 내부에서 확인하여 조사의 정확도와 신뢰성을 확보하기 위해 기존의 공동 탐지에 활용 가능한 다양한 조사 기술들에 대해 검토하여 하수관로 내부에서 적용하기 용이하면서 조사의 신뢰성을 확보할 수 있는 조사 방식으로 1) 충격 응답 기법, 2) 공내 GPR 조사, 3) 방사선 밀도 검층 조사의 3가지 조사법을 선정하였으며, 다양한 시나리오에 대응하여 3가지 조사법 중 적합한 조사 방식을 채택하거나 필요할 경우 2가지 이상의 조사법을 병행하여 복합 분석할 수 있는 체계화된 활용 방안을 도출하기 위해, 3가지 조사법을 하수관로 내부에서 적용하기 위한 장치 개발 및 운영 프로그램을 개발하고, 각각의 조사 방법들로 인해 수집되는 DB들의 신뢰성을 검증하였다. 하수관의 대부분을 차지하는 관종인 600mm 흄관을 조사 대상으로 하였다.
성능/효과
- (2) GPR탐사는 높은 분해능과 가탐심도를 가지는 것으로 나타났다. GPR탐사 적용 시 다중 주파수(2개 이상의 주파수를 가지는)를 이용한 조사 방법이 단일 주파수 사용 방법보다 뛰어난 결과를 제공할 것으로 확인되었으며, GPR탐사가 가지는 복잡한 지층에서 발생하는 다양한 반사 이벤트의 해석 어려움 또한 어느 정도 해결할 것으로 예측된다.
- (3) 감마선을 이용한 밀도검층 방법은 배면공동, 얕은 심도의 지층 이완대에서 효과적으로 나타났으며, 감마선을 이용한 방법은 얕은 조사심도 및 고중량의 차폐장치에 대한 해결 방안이 필요하다. 감마선의 감쇄 특성상 30cm 이내의 조사심도에 대한 해결 방안은 전무하며 차폐장치를 5kg 이내의 저중량으로 설계하기 위해서는 배면 공동 탐지에 초점을 맞추고 차폐장치 규격에 따른 선행 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 9(a)는 1GHz 안테나를 사용하여 콘크리트 흄관에서 획득한 결과를 보여주고 있다. 1GHz 안테나를 사용한 GPR 탐사 결과, 공동모델 심도 0cm, 30cm, 60cm 깊이에 존재하는 공동모델을 잘 탐지하는 것으로 나타났으나, 90cm 하부에 존재하는 공동모델은 탐지가 안 되는 것으로 나타났다. 이것은 1GHz의 탐사 깊이가 1m 이내 조사에 적합하여 1m 깊이까지 전파된 전자파의 신호를 기록하지 못하기 때문이다.
- 9(c)는 250MHz 안테나를 사용한 콘크리트 흄관의 GPR 결과를 보여주고 있다. 250MHz 안테나를 사용한 GPR탐사 결과, 공동모델 심도 30cm, 60cm, 90cm 깊이에 존재하는 공동모델을 잘 탐지하는 것으로 나타났으나 배면공동의 탐지는 어려운 것으로 나타났다. 이것은 250MHz의 안테나가 깊은 심도 탐사는 가능하나 배면공동과 같이 천부 탐사는 어려운 것을 말해준다.
- 본 연구에서는 일반적으로 공동 및 지반침하 위험도 평가를 위해 실시되는 하수관로 건전도 평가, 지표에서의 GPR 탐사, 내시경 조사 등이 가지는 한계를 극복하기 위해 하수관로 내부에서 직접적인 조사를 통해 배면의 공동을 탐지하기 위한 시스템을 구축하는 방안이 지반 침하를 사전에 예방할 수 있는 효과적인 방안으로 고려되었다. 이를 위해 하수도 내부에서 관체 주변에 발생된 공동을 탐지하기 위한 다양한 물리탐사 기술을 검토하였으며, 그 결과 1) 충격응답, 2) 관내 GPR, 3) 밀도검층의 3가지 조사방법이 하수관내 활용의 용이성, 공동 탐지의 신뢰성 등의 측면에서 최적의 조사 방법으로 선정되었으며, 성능 검증 결과는 다음과 같다.
- 3) 방사선 밀도 검층 조사의 3가지 조사법을 선정하였으며, 다양한 시나리오에 대응하여 3가지 조사법 중 적합한 조사 방식을 채택하거나 필요할 경우 2가지 이상의 조사법을 병행하여 복합 분석할 수 있는 체계화된 활용 방안을 도출하기 위해, 3가지 조사법을 하수관로 내부에서 적용하기 위한 장치 개발 및 운영 프로그램을 개발하고, 각각의 조사 방법들로 인해 수집되는 DB들의 신뢰성을 검증하였다.
- 9(b)는 500MHz 안테나를 사용하여 콘크리트 흄관의 하수관경별로 획득한 결과를 보여주고 있다. 500MHz 안테나를 사용한 GPR탐사 결과, 공동모델 심도 0cm, 30cm, 60cm, 90cm 깊이에 존재하는 공동모델을 잘 탐지하는 것으로 나타났다. 이것은 500MHz의 탐사 깊이가 2~3m 이내 조사에 적합한 것으로 해석된다.
- (2) GPR탐사는 높은 분해능과 가탐심도를 가지는 것으로 나타났다. GPR탐사 적용 시 다중 주파수(2개 이상의 주파수를 가지는)를 이용한 조사 방법이 단일 주파수 사용 방법보다 뛰어난 결과를 제공할 것으로 확인되었으며, GPR탐사가 가지는 복잡한 지층에서 발생하는 다양한 반사 이벤트의 해석 어려움 또한 어느 정도 해결할 것으로 예측된다. 향후, 하수관 이음매에서 발생된 다양한 공동에 대한 GPR탐사가 연구될 경우보다 신뢰도 높은 결과를 제공할 것으로 예상된다.
- 해석된다. 공동모델 심도 0cm 및 30cm 깊이의 공동모델보다는 상대적으로 60cm 및 90cm 깊이의 공동모델을 선명하게 찾는 것으로 나타났다.
- 콘크리트 흄관 1개를 기준으로 양 끝단 접합부 경계면에서의 동적강성도는 중심부에 비하여 낮게 나타나고 있으며, 중심부 중앙에서는 지반굴착 및 공동모델에 의해 동적강성도가 다소 낮아지는 경향을 보였다. 이를 통해 연속적인 콘크리트 흄관의 지층 이완대, 공동 매설부에서 낮은 동적강 성도를 보이는 것을 확인하였다.
후속연구
- 2는 하수관 내부에서 배면에 위치하는 공동을 탐지하기 위한 GPR 탐사 방법을 설명하는 개요도이다. GPR 탐사법은 조사 데이터의 높은 해상도로 인해 지표에서 공동을 찾기 위한 대표적인 조사법으로 활용되고 있으며, 관로 내부에서 실시할 경우 CCTV로 판독 불가능한 관로 외부의 손상 및 공동(void)까지 관측하여 싱크홀로 확대되는 것을 방지할 수 있을 것으로 기대된다.
- (3) 감마선을 이용한 밀도검층 방법은 배면공동, 얕은 심도의 지층 이완대에서 효과적으로 나타났으며, 감마선을 이용한 방법은 얕은 조사심도 및 고중량의 차폐장치에 대한 해결 방안이 필요하다. 감마선의 감쇄 특성상 30cm 이내의 조사심도에 대한 해결 방안은 전무하며 차폐장치를 5kg 이내의 저중량으로 설계하기 위해서는 배면 공동 탐지에 초점을 맞추고 차폐장치 규격에 따른 선행 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 이와 같이 다양한 시나리오에 대응하여 3가지 조사법 중 적합한 조사 방식을 채택하거나 필요할 경우 2가지 이상의 조사법을 병행하여 복합 분석할 수 있는 체계화된 활 용 방안을 도출하여 도로함몰 발생 위험을 줄이는 것이 필요하다.
- GPR탐사 적용 시 다중 주파수(2개 이상의 주파수를 가지는)를 이용한 조사 방법이 단일 주파수 사용 방법보다 뛰어난 결과를 제공할 것으로 확인되었으며, GPR탐사가 가지는 복잡한 지층에서 발생하는 다양한 반사 이벤트의 해석 어려움 또한 어느 정도 해결할 것으로 예측된다. 향후, 하수관 이음매에서 발생된 다양한 공동에 대한 GPR탐사가 연구될 경우보다 신뢰도 높은 결과를 제공할 것으로 예상된다.
- 이는 도로 포장층 조성 시 사질토로 지층을 구성하고 도로층 하부에 하수관로가 다수 매설되어 있기 때문이다. 현장 실험 검증은 복잡한 지질 조건을 배제하고 단순화된 지층에서 작업이 수행되어야 양질의 자료가 획득된다. 따라서 하수관로에 의한 공동 발생 메커니즘을 만족하고 균질한 지층 구성을 가지는 사질토 지반이 현장 실험 검증에 필요하다.
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