[논문]멀티채널 GPR 장비를 이용한 도로하부 공동의 크기 변화 분석

박정준; 김인대

doi:10.15683/kosdi.2020.3.31.060

멀티채널 GPR 장비를 이용한 도로하부 공동의 크기 변화 분석
Analysis of the under Pavement Cavity Growth Rate using Multi-Channel GPR Equipment 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.16 no.1 = no.47, 2020년, pp.60 - 69

박정준 (Incheon Disaster Prevention Research Center, Incheon National University) , 김인대 (Department of Civil and Environmental Engineering, Incheon National University)

초록
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연구목적: 공동 성장과정 모니터링은 일반 및 관찰등급을 대상으로 공동의 규모 및 토피의 변화를 주기적으로 관찰하여 공동의 크기 변화를 관측하는 것으로서, 일반 및 관찰등급 공동을 비파괴적인 방법으로 평가하여 체계적인 공동관리방안 수립을 위한 것이다. 연구방법: GPR탐사 장비를 활용하여 취득한 노면영상 및 주변현황 영상을 시험 대상 공동조사서에 표기되어 있는 주변 현황과 GPR 탐사 레이더그램에서 해당위치의 심도별 평면과 종단 및 횡단면을 분석한다. 최초 발견 공동의 노면영상에 나타난 거리와 주변 표식을 활용하여 정확한 위치를 선정하고, 해당위치의 레이더그램을 호출하여 시험 공동을 분석한다. 연구결과: 일반 및 관찰등급의 공동 30개소에서 모니터링 시험을 실시한 결과, 9개소가 복구가 완료되었으며, 시험공동 21개소에서 규모의 변화가 나타났고, 13개소에서 규모 및 등급의 변화가 동시에 발생하였다. 결론: 노면하부 공동은 매설관의 손상, 시공불량, 지하수 유출에 의한 토사유출, 폐기물, 지반진동 등의 다양한 원인으로 발생되나, 장기적인 모니터링을 통한 시험 결과, 지하수 및 국지성 호우 등의 환경적 외부 요인이 주된 영향임을 판단 할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: Cavity growth process monitoring is to periodically monitor changes in common size and topography for general and observational grades to predict the rate of common growth. The purpose of this study is to establish a systematic cavity management plan by evaluating the general and observational class community in a non-destructive method. Method: Using GPR exploration equipment, the acquired surface image and the surrounding status image are analyzed in the GPR probe radargram in depth, profile, and cross section of the location. The exact location is selected using the distance and surrounding markings shown on the road surface of the initial detection cavity, and the test cavity is analyzed by calling the radar at the corresponding location. Result: As a result of monitoring tests conducted at a cavity 30 sites of general and observation grade, nine sites have been recovered. Changes in scale were seen in 21 cavity locations, and changes in size and grade occurred in 13 locations. Conclusion: The under road cavity is caused by various causes such as damage to the burial site, poor construction, soil leakage caused by groundwater leakage, waste and ground vibration. Among them, indirect factors could infer the effects of groundwater and localized rainfall.

주제어

표/그림 (7)

표 Table 1. Seoul city cavity management standard
그림 Fig. 1. The extended multi-channel GPR exploration equipment mounted on a vehicle
그림 Fig. 2. The position of long-term monitoring
그림 Fig. 3. Changes in Seoul's precipitation(2014~2016)
그림 Fig. 4. Changes in the soil depth for identified cavities
그림 Fig. 5. Changes in the longitudinal scale for identified cavities
그림 Fig. 6. Changes in the cross scale for identified cavities

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 체계적인 공동관리방안 수립을 위한 기초 자료 확보를 위하여 도로 노면하부에 대하여 차량형 멀티채널 GPR 탐사장비를 이용하여 일반 및 관찰등급 공동에 대한 모니터링을 장기적으로 수행하여 시간경과에 따른 공동의 규모 및 등급변화를 관찰하였다.
본 연구에서의 모니터링 공동의 정확한 위치를 확인하기 위하여 발주기관이 제공한 공동조사서를 토대로 포털 사이트의 로드뷰 이미지를 활용하여 공동 위치를 사전 조사하였다. 총 11개 자치구에 위치한 모니터링 공동 30개소에 대한 위치를 최초발견 공동조사서와 대조한 결과 해당 위치를 정확하게 선정할 수 있었으며, 위치 확인 결과를 토대로 효율적인 모니터링 시험 수행을 위한 최적의 GPR 탐사 경로 및 탐사 순서를 결정하였다.
이에 도로함몰에 대한 시민들의 불안을 조기에 해소하고 보다 안전하게 통행할 수 있는 도로환경을 조성하고자 “도로함몰 특별관리 대책”을 수립하였다(Seoul Metropolitan City, 2014; Lee et al., 2017).

제안 방법

GPR탐사 장비를 활용하여 취득한 노면영상 및 주변현황 영상을 시험 대상 공동조사서에 표기되어 있는 주변 현황과 GPS 좌표를 검토한 후에 GPR 탐사 결과단면(레이더그램)에서 해당위치의 심도별 평면과 종단 및 횡단면을 분석하였다. 시험공동의 위치는 최초발견 공동의 주변현황과 모니터링 영상의 주변현황을 비교한 후에 분석할 노면영상을 선정하였다.
노면하부의 공동 발생은 지하수 및 국지성 호우 등의 요인이 영향을 끼치므로 장기적인 모니터링 시험을 통해 30개의 시험개소를 Fig. 2에서와 같이 지역별로 4개 지역으로 구분하여 상호관계를 분석 하였다. 4개 지역으로 구분한 이유는 첫째, 도시의 형성과정이 비슷한 시기에 형성된 점과 둘째, 비슷한 지반조건, 기후조건 등이 유사함을 우선으로 하였으며, 그 외 공동의 생성원인을 들 수 있으나 공동의 생성 원인은 굴착 원인조사 과정이 포함되지 않아 분석에서는 제외하였다.
노면하부의 공동 발생은 지하수 및 국지성 호우 등의 요인이 주된 영향을 미치므로 Fig. 3과 같이 장기 모니터링에 의한 환경적인 외부요인 조사를 위하여 시험구간의 강수량을 조사하였다. 서울시 전체 지역의 2014년 평균 강수량은 44.
차량형 GPR 탐사 장비에 의한 공동탐사 과정과 탐사결과의 분석방법을 요약하면 다음과 같다. 먼저, 탐사자료를 기록 및 제어하는 소프트웨어를 활용하여, 자료 취득 시의 안테나 배열, 심플링 간격, 자료 위치 초동값 등을 설정한다. 그리고 송수신 채널 구성, DMI, 탐사시스템을 이용하여 자료를 취득한다.
2014년에는 종로구, 영등포구, 강남구, 서초구 지역 6개소, 2015년 1단계에서는 용산구, 송파구 지역 4개소, 2015년 2단계에서는 중구, 영등포구, 강서구, 강남구 지역 7개소, 2016년 1단계에서는 강남구 지역 5개소, 2016년 2단계에서는 송파구, 구로구, 종로구, 강남구, 서초구, 마포구, 성동구 지역 8개소로 총 30개소에 대한 탐사 모니터링을 수행하였다. 멀티채널 GPR 탐사를 통한 공동 성장과정 모니터링은 다음과 같이 1차, 2차, 3차, 4차로 구분하여 실시하였다.
본 연구에서 수행한 공동 성장과정 모니터링은 일반 및 관찰등급을 대상으로 공동의 규모 및 토피의 변화를 주기적으로 관찰하여 공동의 크기 변화를 예측하였다. 체계적인 공동 관리방안 수립을 위한 기초 자료 확보를 위하여 차량형 멀티채널 GPR 탐사장비를 이용하여 일반 및 관찰등급 공동에 대한 모니터링을 장기적으로 수행하여 시간경과에 따른 공동의 규모 및 등급변화를 관찰하였다.
GPR탐사 장비를 활용하여 취득한 노면영상 및 주변현황 영상을 시험 대상 공동조사서에 표기되어 있는 주변 현황과 GPS 좌표를 검토한 후에 GPR 탐사 결과단면(레이더그램)에서 해당위치의 심도별 평면과 종단 및 횡단면을 분석하였다. 시험공동의 위치는 최초발견 공동의 주변현황과 모니터링 영상의 주변현황을 비교한 후에 분석할 노면영상을 선정하였다. 최초 발견 공동의 노면영상에 나타난 거리와 주변 표식을 활용하여 정확한 위치를 선정하고, 해당위치의 레이더그램을 호출하여 시험 공동을 분석하였다.
이때, 포지셔닝 시스템을 통합 운영을 통하여 채널별 단면 데이터 분석을 수행하고, 이상위치에 대해 노면영상과의 비교·분석을 통해 지하매설물, 맨홀 등 신호의 필터링을 한다.
최초 발견 공동의 노면영상에 나타난 거리와 주변 표식을 활용하여 정확한 위치를 선정하고, 해당위치의 레이더그램을 호출하여 시험 공동을 분석하였다. 주변현황 및 노면영상을 분석하여 선정된 위치의 레이더그램을 호출하여 대상공동의 토피와 종단 및 횡단의 길이를 측정한 후에 최초발견 공동과의 차이점을 평가하였다.
본 연구에서 수행한 공동 성장과정 모니터링은 일반 및 관찰등급을 대상으로 공동의 규모 및 토피의 변화를 주기적으로 관찰하여 공동의 크기 변화를 예측하였다. 체계적인 공동 관리방안 수립을 위한 기초 자료 확보를 위하여 차량형 멀티채널 GPR 탐사장비를 이용하여 일반 및 관찰등급 공동에 대한 모니터링을 장기적으로 수행하여 시간경과에 따른 공동의 규모 및 등급변화를 관찰하였다.
본 연구에서의 모니터링 공동의 정확한 위치를 확인하기 위하여 발주기관이 제공한 공동조사서를 토대로 포털 사이트의 로드뷰 이미지를 활용하여 공동 위치를 사전 조사하였다. 총 11개 자치구에 위치한 모니터링 공동 30개소에 대한 위치를 최초발견 공동조사서와 대조한 결과 해당 위치를 정확하게 선정할 수 있었으며, 위치 확인 결과를 토대로 효율적인 모니터링 시험 수행을 위한 최적의 GPR 탐사 경로 및 탐사 순서를 결정하였다.
시험공동의 위치는 최초발견 공동의 주변현황과 모니터링 영상의 주변현황을 비교한 후에 분석할 노면영상을 선정하였다. 최초 발견 공동의 노면영상에 나타난 거리와 주변 표식을 활용하여 정확한 위치를 선정하고, 해당위치의 레이더그램을 호출하여 시험 공동을 분석하였다. 주변현황 및 노면영상을 분석하여 선정된 위치의 레이더그램을 호출하여 대상공동의 토피와 종단 및 횡단의 길이를 측정한 후에 최초발견 공동과의 차이점을 평가하였다.
그리고 송수신 채널 구성, DMI, 탐사시스템을 이용하여 자료를 취득한다. 탐사자료 분석 프로그램을 활용하여 자료의 전처리(Preprocessing), 보간(Interpolation), 구조보정(Migration)과 같은 자료처리 과정을 통해 결과분석을 수행한다. 이때, 포지셔닝 시스템을 통합 운영을 통하여 채널별 단면 데이터 분석을 수행하고, 이상위치에 대해 노면영상과의 비교·분석을 통해 지하매설물, 맨홀 등 신호의 필터링을 한다.

대상 데이터

2에 나타내었다. 2014년에는 종로구, 영등포구, 강남구, 서초구 지역 6개소, 2015년 1단계에서는 용산구, 송파구 지역 4개소, 2015년 2단계에서는 중구, 영등포구, 강서구, 강남구 지역 7개소, 2016년 1단계에서는 강남구 지역 5개소, 2016년 2단계에서는 송파구, 구로구, 종로구, 강남구, 서초구, 마포구, 성동구 지역 8개소로 총 30개소에 대한 탐사 모니터링을 수행하였다. 멀티채널 GPR 탐사를 통한 공동 성장과정 모니터링은 다음과 같이 1차, 2차, 3차, 4차로 구분하여 실시하였다.
Fig. 1에 나타낸 바와 같이 본 연구에서 사용한 GPR 탐사장비는 차량 탑재형으로 중심 주파수는 400MHz이고, 포장체 도로조건에서의 탐사심도는 2.0m이내이다. 또한 탐사 깊이 1.
먼저, 탐사자료를 기록 및 제어하는 소프트웨어를 활용하여, 자료 취득 시의 안테나 배열, 심플링 간격, 자료 위치 초동값 등을 설정한다. 그리고 송수신 채널 구성, DMI, 탐사시스템을 이용하여 자료를 취득한다. 탐사자료 분석 프로그램을 활용하여 자료의 전처리(Preprocessing), 보간(Interpolation), 구조보정(Migration)과 같은 자료처리 과정을 통해 결과분석을 수행한다.
모니터링 데이터 취득 및 분석과정은 사전에 확인한 모니터링 공동의 위치로부터 약 100m 후방 지점부터 차량형 GPR탐사 장비를 이용하여 일반 통행차량의 속도로 관찰등급 공동에 대한 GPR탐사 데이터를 취득한다. 시험 대상 공동의 차선 및차선별 위치를 고려하여 데이터를 취득하며, 대상 공동의 위치를 통과한 후에 약 100m 가량 더 전진하여 데이터를 취득을 종료한다.

성능/효과

1차 탐사에 의한 데이터 분석 결과, 토피의 경우 0~20cm 감소된 것으로 나타났는데, 2016년 2단계의 경우 1차 탐사시 취득한 데이터 파형을 분석한 결과에서의 토피고의 평균 두께는 28cm였으나, 2차조사시 천공을 통해 확인한 실제 토피고의 평균 두께는 25cm로 약 14% 감소 된 것으로 나타났다. 공동 성장과정 모니터링에서의 결과도 실제 2차 조사를 수행해서 확인할 경우 2016년 2단계의 경우와 같이 감소될 것으로 예측된다.
Figs. 4~6은 일반 및 관찰등급의 공동 30개소에서 모니터링을 실시한 결과로서 9개소가 복구가 완료되었으며, 시험공동 21개소에서 규모의 변화가 나타났고, 13개소에서 공동의 크기 및 등급 변화가 동시에 발생하였다.
1차 탐사에 의한 데이터 분석 결과, 토피의 경우 0~20cm 감소된 것으로 나타났는데, 2016년 2단계의 경우 1차 탐사시 취득한 데이터 파형을 분석한 결과에서의 토피고의 평균 두께는 28cm였으나, 2차조사시 천공을 통해 확인한 실제 토피고의 평균 두께는 25cm로 약 14% 감소 된 것으로 나타났다. 공동 성장과정 모니터링에서의 결과도 실제 2차 조사를 수행해서 확인할 경우 2016년 2단계의 경우와 같이 감소될 것으로 예측된다.
0m 이내에서 30cm) 이상의 공동 및 지하매설물 탐지에 효율적이다. 또한 본 연구에서 사용된 탐사장비와 같은 멀티채널 GPR의 경우, 3차원 해석을 수행하기 때문에, 재료의 차이 뿐만아니라 동일한 재료일지라도 유전율 차이로 인한 이상신호를 감지할 수 있다.
모니터링 결과를 살펴보면, 2014년 탐사에 의한 공동의 경우에는 모니터링 경과일 988일~989일(평균 989일)이 경과하였으며, 공동의 성장은 토피고가 2~17cm 감소, 종단방향으로는 16~58cm 증가, 횡단방향으로는 0~20cm 증가 또는 4~24cm 함몰되었다. 토피고가 상승함에 따라 공동 관리번호 2014-016, 020, 024, 025의 경우 관찰등급에서 일반등급으로 등급이 상승하였으며, 나머지 공동의 경우 등급변화가 발생하지 않았다.
모니터링 시험 결과, 공동 크기의 변화는 토피고가 0~20cm 감소, 종단길이는 8~58cm 증가 또는 3~316cm 함몰, 횡단 길이는 0~20cm 증가 또는 0~72cm 함몰된 것으로 나타나 전체적으로는 시간이 경과함에 따라 지속적으로 공동이 성장하는 것으로 나타났다.
모니터링 시험 결과, 공동성장은 토피고는 0~20cm 감소, 종단길이는 8~58cm 증가 또는 3~316cm 함몰, 횡단 길이는 0~20cm 증가 또는 0~72cm 함몰된 것으로 나타나 전체적으로는 시간이 경과함에 따라 지속적으로 공동이 성장하는 것으로 판단된다. 종단방향 및 횡단방향의 공동길이는 공동 크기가 증가 또는 함몰이 혼재되어 있어 뚜렷한 경향을 보이지 않는 것으로 나타나고 있는데, 증가된 경우는 시간경과에 따라 공동에서 세립분이 지속적으로 유출되고 있는 것으로 예측할 수 있고, 공동이 함몰된 경우에는 공동 상부의 흙이 공동 하부로 무너져 내리면서 공동의 크기가 감소되었다.
서초구, 송파구, 강남구 지역은 최초 발견으로부터 모니터링 경과일은 209일~989일(평균 463일)이 경과하였으며, 공동의 성장은 토피고가 0~8cm 감소, 종단방향으로 30~58cm 증가 또는 3~316cm 함몰, 횡단방향으로는 0~20cm 증가 또는 0~72cm 함몰되었다. 관찰등급 5개소가 관찰등급 1개소, 일반등급 3개소 및 복구완료 1개소로 변경되었으며, 일반등급 9개소가 일반등급 2개소 및 복구완료 7개소로 변경되었다.
영등포구, 강서구, 구로구 지역은 최초 발견으로부터 모니터링 경과일은 265일~989일(평균 533일)이 경과하였으며, 공동의 성장은 토피고가 0~20cm 감소, 종단방향으로 29~58cm 증가 또는 4~20cm 함몰, 횡단방향으로는 15~20cm 증가 또는 10~30cm 함몰되었다. 복구완료 1개소는 당초에 일반등급이었으며, 관찰등급 4개소가 일반등급 3개소와 우선등급 1개소로 변경되었다.
용산구, 마포구 지역은 최초 발견으로부터 모니터링 경과일은 218일~526일(평균 403일)이 경과하였으며, 공동의 성장은 토피고가 0~4cm 감소, 종단방향으로 8~48cm 증가, 횡단방향으로는 0~10cm 성장 및 0~40cm 함몰되었다. 관찰등급 2개소가 일반등급 2개소로 변경되었으며, 일반등급 3개소는 등급의 변화가 없었다.
모니터링 시험 결과, 공동성장은 토피고는 0~20cm 감소, 종단길이는 8~58cm 증가 또는 3~316cm 함몰, 횡단 길이는 0~20cm 증가 또는 0~72cm 함몰된 것으로 나타나 전체적으로는 시간이 경과함에 따라 지속적으로 공동이 성장하는 것으로 판단된다. 종단방향 및 횡단방향의 공동길이는 공동 크기가 증가 또는 함몰이 혼재되어 있어 뚜렷한 경향을 보이지 않는 것으로 나타나고 있는데, 증가된 경우는 시간경과에 따라 공동에서 세립분이 지속적으로 유출되고 있는 것으로 예측할 수 있고, 공동이 함몰된 경우에는 공동 상부의 흙이 공동 하부로 무너져 내리면서 공동의 크기가 감소되었다.
종로구, 성동구, 중구 지역은 최초 발견으로부터 모니터링 경과일은 211일~988일(평균 571일)이 경과하였으며, 공동의 성장은 토피고가 2~18cm 감소, 종단방향으로 11~39cm 증가, 24cm 함몰, 횡단방향으로는 0~30cm 증가하였다. 관찰등급 4개소가 일반등급 1개소와 우선등급 1개소로 변경되었고, 일반등급 2개소는 등급의 변화가 없었다.
총 9개소가 복구가 완료된 것으로 확인되었는데, 2014년 탐사에서는 2014-011이 2017년 6월 27일, 2015년 2단계 탐사에서는 2015-2-082가 2017년 5월 8일, 2015-2-107, 109는 2017년 6월 29~30일, 2016년 1단계 탐사에서는 2016-1-184, 185, 187, 189는 2017년 06월 17일, 2016년 2단계 탐사에서는 2016-2-124가 2017년 06월 07일에 복구를 완료하였다.

후속연구

노면하부에 발생한 공동은 강우의 영향으로 공동 내부에 지하수위 상승 및 하강이 반복되면서 공동 내부의 토사를 유출하므로 공동이 확대되어 지반함몰에 이르게 된다. 이러한 공동의 성장과정을 관찰함으로써 공동의 성장속도 등을 정량적으로 평가하여 노면 하부 공동의 발달, 함몰 가능성 평가 및 분석자료로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
오늘날 도심지를 중심으로 재개발 사업 및 초고층 건물 개발 등으로 시설 밀도가 높아지고 있다. 지상공간의 밀집 및 포화됨에 따라 지하공간개발 및 활용이 활발히 이루어지고 있으나, 지반함몰 발생 및 지하공동의 발생 빈도가 증가하고 있어 이에 대한 연구 및 제도개선이 필요하다. 지반함몰이 발생되었던 지역에서는 추가적인 피해에 대한 주민 불안이 증가하고, 지반함몰이 발생하지 않은 지역에서는 지반함몰 발생될 가능성이 있다는 사회적 불안감이 가중되고 있다(Han et al.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공동 성장과정 모니터링에서 모니터링 데이터 취득 및 분석과정은 어떻게 이루어졌는가?	모니터링 데이터 취득 및 분석과정은 사전에 확인한 모니터링 공동의 위치로부터 약 100m 후방 지점부터 차량형 GPR탐사 장비를 이용하여 일반 통행차량의 속도로 관찰등급 공동에 대한 GPR탐사 데이터를 취득한다. 시험 대상 공동의 차선 및차선별 위치를 고려하여 데이터를 취득하며, 대상 공동의 위치를 통과한 후에 약 100m 가량 더 전진하여 데이터를 취득을 종료한다.
	GPR 탐사장비는 무엇으로 구성되는가?	GPR 탐사장비는 GPR 안테나, 노면영상 카메라, GPS 및 포지셔닝 카메라로 구성되며, 이들은 노면에서 이상신호 위치의 정확히 파악할 수 있다. 또한 멀티채널 GPR 분석프로그램과 포지셔닝 시스템의 통합 프로그램은 탐사결과의 신뢰성을 증가시킨다.
	차량형 GPR 탐사 장비에 의한 공동탐사 과정과 탐사결과의 분석방법은 어떻게 이루어지는가?	차량형 GPR 탐사 장비에 의한 공동탐사 과정과 탐사결과의 분석방법을 요약하면 다음과 같다. 먼저, 탐사자료를 기록 및 제어하는 소프트웨어를 활용하여, 자료 취득 시의 안테나 배열, 심플링 간격, 자료 위치 초동값 등을 설정한다. 그리고 송수신 채널 구성, DMI, 탐사시스템을 이용하여 자료를 취득한다. 탐사자료 분석 프로그램을 활용하여 자료의 전처리(Preprocessing), 보간(Interpolation), 구조보정(Migration)과 같은 자료처리 과정을 통해 결과분석을 수행한다. 이때, 포지셔닝 시스템을 통합 운영을 통하여 채널별 단면 데이터 분석을 수행하고, 이상위치에 대해 노면영상과의 비교·분석을 통해 지하매설물, 맨홀 등 신호의 필터링을 한다.

참고문헌 (11)

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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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