[논문]전기비저항 모니터링을 이용한 터널 주변 지반상태 변화 파악

안희윤; 정재형; 조인기; 박삼규; 김기석; 정래철

문제 정의

이 연구는 터널 굴착에 따른 지하수의 유출과 이에 따른 환경적 영향의 예측 방법 및 저감방안에 대해서 지하수의 거동을 파악할 목적으로 굴착이 완료된 터널에 대하여 전기비저항 모니터링, 시추조사 및 각종 현장시험, 장기 지하수위 측정 등을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이 연구에서는 터널 굴착이 완료된 연구대상 지역에 대해 지하수와 밀접한 물성인 전기비저항의 물성변화를 파악하고 이를 이용하여 지하수와의 관계를 도출하고자 하였다. 연구대상 지역에 전기비저항 값을 측정할 수 있는 시스템을 구축한 후 이를 주기적으로 측정함으로서 전기비저항 변화추이를 비교 분석할 수 있는 전기비저항 모니터링 수행하였다.

제안 방법

관측공의 굴진심도는 지층상태와 조사목적을 감안하여 지표면으로부터 각각 25.0 m(OB-1), 50.0 m(OB-2)까지 굴진 후 종료하였다. Table 2는 시추코어를 이용하여 지층의 층후를 구분한 것이다.
전극간격 5 m의 경우 전극전개수 N=12, 전극간격 10 m의 경우에는 N=8 까지 측정하였다. 또한 양질의 자료를 획득하고자 최소 100 mA이상의 전류가 투입되도록 하기 위하여 접지저항을 최대 5,000 ohm 이하로 낮추도록 노력하였다.
본 조사 지역에 대한 전기비저항탐사는 Fig. 1과 같이 종방향 6측선 및 횡방향 3측선의 총 9개 측선에 대해 수행하였다. 종방향 및 횡방향 측선의 간격은 각각 20, 50m이며, 탐사는 케이블 설치 후 표토층의 교란이 안정화 되었을 것으로 판단되는 6월 12일에 자료를 측정, 자료의 신뢰도 검토를 위해 6월 13일 반복 측정하여 기준 자료의 결정에 활용하였다.
연구 일정에 따라 수행된 1차 전기비저항탐사 결과를 분석하여, 연구 지역에 대한 전반적인 지하수위 파악을 만족하는 2개소에 대하여 시추조사 위치(OB-1, OB-2)를 선정하여 수행했으며, 현장시험으로 투수시험 및 수압시험 등을 수행하였다(Fig. 1). 한편 장기 지하수위의 관측을 위해 시추가 끝난 후 3일간 지하수위를 측정하여 안정수위를 확인한 후 DIVER를 안정된 지하수위의 6 m 하부에 설치하였으며, 또한 대기압 보정을 위하여 Barometer를 OB-1 관측공 심도 3 m 위치에 설치하였다.
이 연구에서는 터널 굴착이 완료된 연구대상 지역에 대해 지하수와 밀접한 물성인 전기비저항의 물성변화를 파악하고 이를 이용하여 지하수와의 관계를 도출하고자 하였다. 연구대상 지역에 전기비저항 값을 측정할 수 있는 시스템을 구축한 후 이를 주기적으로 측정함으로서 전기비저항 변화추이를 비교 분석할 수 있는 전기비저항 모니터링 수행하였다.
자료 획득 시 전극 간격 5 및 10 m의 자료를 동시에 획득하였으며, 사용된 전극 배열법은 경우 쌍극자 배열 및 변형된 단극 배열을 이용하여 탐사를 수행하였다(김정호외, 2001). 전극간격 5 m의 경우 전극전개수 N=12, 전극간격 10 m의 경우에는 N=8 까지 측정하였다.
1과 같이 종방향 6측선 및 횡방향 3측선의 총 9개 측선에 대해 수행하였다. 종방향 및 횡방향 측선의 간격은 각각 20, 50m이며, 탐사는 케이블 설치 후 표토층의 교란이 안정화 되었을 것으로 판단되는 6월 12일에 자료를 측정, 자료의 신뢰도 검토를 위해 6월 13일 반복 측정하여 기준 자료의 결정에 활용하였다. 자료측정은 분기별 정기 측정 및 건․우기 시 측정 등 총 6회에 걸쳐 자료를 획득하였다.
1). 한편 장기 지하수위의 관측을 위해 시추가 끝난 후 3일간 지하수위를 측정하여 안정수위를 확인한 후 DIVER를 안정된 지하수위의 6 m 하부에 설치하였으며, 또한 대기압 보정을 위하여 Barometer를 OB-1 관측공 심도 3 m 위치에 설치하였다. 본 연구에서 수행된 조사 및 시험 항목은 Table 1과 같다.

대상 데이터

연구지역은 경기도 광주시 직동 일대에서 시공 중인 성남∼장호원간 도로개설(1공구) 건설공사 노선 중 OO터널 구간으로 이는 NATM 공법으로 시공 중인 쌍굴 터널이다.
2는 두 관측공(OB-1, OB-2)에서의 지하수위 현황을 도시한 것으로 7월의 지하 수위가 가장 높았으며, 경기도 이천 기상대의 강우자료에서도 동일한 결과가 나타냈다. 이와 같이 강수량과 지하수위의 변화를 고려했을 때 7월에 획득한 자료는 우시 시 측정자료, 10월에 측정한 자료는 건기 시 측정 자료로 판단하였다. 한편, OB-2의 관측 결과를 살펴보면 측정한계초과라고 표현된 곳이 3개소에 관찰된다.
종방향 및 횡방향 측선의 간격은 각각 20, 50m이며, 탐사는 케이블 설치 후 표토층의 교란이 안정화 되었을 것으로 판단되는 6월 12일에 자료를 측정, 자료의 신뢰도 검토를 위해 6월 13일 반복 측정하여 기준 자료의 결정에 활용하였다. 자료측정은 분기별 정기 측정 및 건․우기 시 측정 등 총 6회에 걸쳐 자료를 획득하였다.
3차원 해석은 각각의 Phase 별로 전극 간격 5 m 자료에 대해 수행하였으며, 사용된 소프트웨어는 RES3DINV를 사용하였다(Loke and Barker, 1996). 해석에 사용된 역산 블록의 수는 7326개 이다. 3차원 역산에 사용된 방법으로는 Gauss-Newton 최적화 기술을 적용한 평활화 제한 감쇠최소자승법이다.

이론/모형

해석에 사용된 역산 블록의 수는 7326개 이다. 3차원 역산에 사용된 방법으로는 Gauss-Newton 최적화 기술을 적용한 평활화 제한 감쇠최소자승법이다.
3차원 해석은 각각의 Phase 별로 전극 간격 5 m 자료에 대해 수행하였으며, 사용된 소프트웨어는 RES3DINV를 사용하였다(Loke and Barker, 1996). 해석에 사용된 역산 블록의 수는 7326개 이다.

성능/효과

각각의 Phase 별로 비교했을 때, 우기에 해당하는 결과에서 전반적으로 전기비저항 값이 낮아진 것으로 관찰되나 Phase 별 전기비저항 분포 양상이 거의 유사하여 직접적으로 그의 변화를 판단하기가 쉽지는 않다. 이러한 전기비저항 변화를 정확하게 분석하기 위하여 모니터링 기법에서는 각각의 Phase 간의 전기비저항 값의 비를 구하게 된다.
전기비저항 모니터링을 실시한 결과 전반적으로 분해능이 높은 천부지역에서는 지하수위의 변화에 부합하는 영상을 나타냈으나 하부로 갈수록 역산 잡음이 많이 발생하는 것으로 해석되었다. 또한 지하수위 변화가 클수록 전기비저항 변화비 또한 크게 변화하는 것을 파악할 수 있었으며, 정밀한 결과해석을 위해서 전기비저항 토모그래피탐사, 물리검층등과 병행하여 수행하면 더 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
전체적으로 전기비저항 값이 감소하였으나 전기비저항 영상에서 비교적 저비저항대로 관찰된 Dist. 55∼50 구간과 Dist. 120∼150구간의 경우 도리어 전기비저항 값이 상승했다는 점이다.

후속연구

전기비저항 모니터링을 실시한 결과 전반적으로 분해능이 높은 천부지역에서는 지하수위의 변화에 부합하는 영상을 나타냈으나 하부로 갈수록 역산 잡음이 많이 발생하는 것으로 해석되었다. 또한 지하수위 변화가 클수록 전기비저항 변화비 또한 크게 변화하는 것을 파악할 수 있었으며, 정밀한 결과해석을 위해서 전기비저항 토모그래피탐사, 물리검층등과 병행하여 수행하면 더 나은 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

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