1. 서 론

2015년 5월 11일 국토부는 환경부, 산업부, 안전처 및 17개 시도가 참석한 가운데, 전국 도심지를 중심으로 연이어 발생 하고 있는 지반침하 사고에 대한 대책회의를 진행하였다. 이 날 회의에서 최근 지반침하의 주요 원인과 사고 사례를 공유 하고 관련 예방대책을 점검하였다. 이날 회의에서는 최근 발 생하는 중·소규모 지반 침하는 노후 상·하수관 파손과 지하 굴 착 및 매설 공사 과정에서의 부실 등이 주요 원인이라고 밝혔 다. 또한 국토부는 지자체의 지반침하 예방활동을 지원하기 위해 한국시설안전공단 지반탐사반 조사를 하반기 중 확대 시행하고 지하공간통합지도 구축 시범사업 추진·특별법 제정 등 ‘지반침하 예방대책’을 차질 없이 추진한다는 계획을 발표 하였다.

위에서 언급하였듯이 중·소규모의 지반침하는 상·하수관 의 파손에 기인한 것이 대부분이다. 워터저널 2014년 11월호 에 의하면 상하수도 노후화에 따른 지반침하 메카니즘을 아 래와 같이 제시하였다. 지반의 공동화는 강우 침입수에 의한 공동 형성 메카니즘, 지하수위 상승에 의한 공동 형성 메카니 즘 및 하수유출 반복에 의한 공동 형성 메카니즘이 주된 요인 이다. 또한 관로이음부 불량에 의한 지반침하는 3단계를 거쳐 발생한다. 1단계에서 관로 접속부 불량에 따라 침입수가 발생 하고, 2단계에서 지하수 침입, 만관시 하수 누수, 지지력 상실 로 주변 토사가 유입된다. 마지막 3단계에서는 접속부가 이탈 하고 관 단면 변형 파괴가 발생하면서 주변 토사가 유입되고 지반이 함몰하게 되는 것이다.

2007년 박인찬 등은 GPR을 이용한 누수 탐사를 진행하였 는데, GPR 탐사는 지하 매질에 따라서 그 양상이 매우 다양하 므로, 다양한 후처리과정 등이 필요하다고 기술하였다. 또한 ^{정호찬 등(2007년)}은 GPR을 이용한 관로 배면을 탐사하였는 데, 탐사결과가 다양하여, GPR을 이용한 관로 배면 탐사 결과 를 데이터베이스화하여야 한다고 기술하였다. 이외에도 ^{현승 엽 등(2012)}은 GPR 탐사결과의 비균일 클러터 저감을 위한 고유 영상기반 신호처리 등을 발표하였다. 그렇지만 지반탐 사에 있어 GPR 적용은 매우 제한적이고 특히 다양한 현장 조 건을 토조로 구현한 실증적 탐사는 매우 부족한 실정이다.

본 연구에서는 실증적인 탐사자료의 확보를 위하여 모의 토조를 만들고, 토조에 설치한 관의 종류 및 매립 깊이, 공동 깊이 및 포장 조건 등에 대한 GPR(Ground Penetrating Radar) 탐사를 진행하여 매립관의 깊이 및 종류에 따른 공동 검침 능 력을 실험적으로 규명하고자 한다.

2. GPR 원리

레이다(Radar: Radio Detecting and Ranging)는 원래 비행 기나 군함 등 공간에 위치해 있는 물체의 존재를 파악하고 거 리를 알아내기 위해 군사적 목적으로 만들어진 장비이다. 이 레이다 기술을 지상이 아닌 지하에 적용하여 지표연구, 매설 물탐사 등에 응용하는 것을 GPR(Ground Penetrating Radar) 탐사법이라고 한다. 일반적인 GPR 장비의 기본 신호처리 시 스템은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1

Signal processing system of GPR

GPR 탐사는 송신안테나(Transmitter)로부터 수 MHz~GHz 범위의 전자기파를 지표면이나 구조물의 노출면에서 내부로 방사시킨 후, 전자기적 물성이 다른 매질을 만나 반사되어 돌 아온 신호를 수신안테나(Receiver)에서 받고 이를 시간축에 기록하는 원리이다. 이러한 과정을 미리 설계된 탐사 측선을 따라 안테나를 수평으로 이동시키면서 계속하여 시간을 표시 하는 수직축과 수평거리를 나타내는 수평축에 반사강도를 표 시하는 2차원 단면도를 얻는 것이다. 또한 매질 내에서의 전 자기파의 속도를 알면 단면도에 나타난 수신파의 시간, 거리 간격으로부터 반사체의 거리, 방향과 같은 정보를 얻게 되는 것이다.

GPR은 전자기파를 단속적으로 발생시키고 수신하는 측정 장비로서 그 측정한계는 전자기파의 측정한계를 따른다. 전 자기파가 안테나에서 방출되면 파동의 회절특성 때문에 진행 방향에 대해서 일정한 각도로 퍼져나가게 된다. 또한 매질 내 를 진행하면서 매질의 유전상수에 따라 그 진행속도와 매질 에 대한 파의 에너지 흡수율에 차이가 발생된다.

수신되는 파에 상당하는 매질의 깊이를 알 수 있다면 식 (1) 과 같은 속도와 유전상수의 비례식이 만들어 진다. 여기서 유 전상수(dielectric constant)는 상대 유전율로 전기장이 주어졌 을 때 물질이 전하를 상대적으로 어느 정도 저장할 수 있는가 를 나타내는 척도이다. 참고로 Table 1과 같이 공기의 유전상 수는 1이고 물의 유전상수는 81이다.

전자기파가 하나의 매질에서 다른 매질로 진행할 때 매질 경계면에서 다음의 현상이 일어난다. 전자기파의 일부는 입 사각과 동일한 각도로 되돌아가고 나머지는 굴절하여 계속 다른 매질로 진행한다. 이때 반사되는 전자기파의 절대크기 (반사도)를 측정하고 흡수도를 측정할 수 있으면 상대 굴절율 을 계산할 수 있고 따라서 유전상수를 측정할 수 있다. 매질의 유전상수를 알고 있다면 매질 내 전자기파의 진행속도를 계 산할 수 있고, 전자기파를 발신한 후 수신될 때까지 걸린 시간 을 측정하면 대상물의 심도를 계산할 수 있다.

Table 1은 지반을 구성하는 대표적인 물질의 유전상수를 정리한 것으로, 점토는 모래보다 유전상수와 감쇠율이 커서 전자파의 투과 깊이가 짧고, 따라서 탐사가능심도가 훨씬 낮 을 것임을 예측할 수 있다.

3. 모래 채운 토조 실험체 제작 및 탐사

GPR 탐사를 위하여 가로 2 m, 세로 3 m, 높이 2 m인 대형 토조 실험체를 제작하였다. 실험체는 원활한 탐사를 위하여 재료 특성이 균일한 모래로 채웠다. 실험체의 공동은 공기 채 움으로 하였으며, 2개의 실험체를 제작하였다. 공동은 매립깊 이 공동 상고를 기준으로 한 실험체당 1 m, 1.3 m, 1.5 m로 설 치하였다. 여기서 공동은 가로 205×세로 205×깊이 130 mm의 락앤락 통을 사용하였다.

실험체는 테스트베드(Test bed, TB)로 나누어지는데, 이는 매립관의 종류 및 깊이에 의하여 구분한 것이다. TB1은 Φ 300 mm의 콘크리트 흄관과 Φ 200 mm의 PE관을 관 상고 기준 1.0 m로 매립한 것이다. TB3은 Φ 200 mm 및 Φ 300 mm의 주철관 을 관 상고 기준 1.0 m로 매립한 것이다.

각각의 테스트 베드는 4개의 포장으로 구분되는데, 비포장, 무근 콘크리트 포장, 철근 콘크리트 포장 및 아스팔트 포장으 로 변수를 선정하였다. 포장의 마감두께는 150 mm이고, 철근 콘크리트 포장은 8×100×100 mm의 와이어 메쉬를 사용하였 다. 이상의 실험체 일람은 Table 2와 같으며, 실험체 도면은 Fig. 2와 같다.

Fig. 2

Specimen detail

매립관 및 공동 탐사용 GPR은 Photo 1과 같이 미국 Geophysical사의 SIR-3000를 사용하였으며, 탐사는 400 MHz 의 안테나를 사용하였다. 또한 탐사 데이터는 Geophysical사 의 RADAN 7을 사용하여 분석하였다. Fig. 3에 GPR 탐사 측 선을 나타내었다.

Photo 1

GPR system

Fig. 3

GPR detection layout

Table 2에 의한 Sa A TB1실험체의 제작 및 GPR 탐사 전경 은 Photo 2와 같이 정리할 수 있다.

Photo 2

Installation and test situation

4. GPR 탐사 결과

4.1 TB 1 실험체

락앤락 통으로 공기 공동을 만들어 매립한 모래 채움 토조 의 GPR 탐사 결과를 라인 1, 라인 2, 라인 3, 라인4, 라인 5 및 라인 6에 대한 각각의 포장조건별 정리한 결과를 Table 3~5에 나타내었다. Table 3의 경우 탐사 라인 1과 2를 정리한 것인데, 라인1은 관 상고 1 m로 Φ 300 mm 콘크리트 흄관을 매설한 것 이며, 라인 2는 공기 공동 매립 깊이 1.0 m, 1.3 m, 1.5 m를 순 차적으로 측정한 것이며, Table 4의 라인 3은 Φ 200 mm PE관 을 매설한 것이다.

Table 3

GPR detection of air cavity in line 1 & 2(TB1)

Pavement type	Line 1	Line 2
No
Concrete
RC concrete
Asphalt

Table 4

GPR detection of air cavity in line 3 & 4(TB1)

Pavement type	Line 3	Line 4
No
Concrete
RC concrete
Asphalt

Table 5

GPR detection of air cavity in line 5 & 6(TB1)

Pavement type	Line 5	Line 6
No
Concrete
RC concrete
Asphalt

라인 1의 경우 포장 조건 상관없이 관 상고 1 m로 매립된 콘크리트 흄관의 연속 신호를 확인할 수 있었다. Table 4에 나 타낸 라인 3의 경우도 PE관의 신호를 확인할 수 있었다. 라인 2의 경우 매립된 공기 공동의 명확한 탐지가 어려운 것으로 분석되었는데, 이는 수평 중심간격 0.5 m의 근거리로 묻힌 콘 크리트 흄관과 PE관의 신호 간섭에 의한 것으로 판단된다. 또한 토조 제작시 사용한 유로폼 강철 테두리의 신호가 강력 하여 탐사시 반사파가 많이 흡수된 것에 기인한 것으로 판단 된다.

Table 4의 라인 4는 관 상고 1 m로 매립한 흄관과 공기 공동 및 PE관의 탐사 신호를 정리한 것으로, 아스팔트 포장 및 비포 장 경우 공기 공동이 탐사됨을 확인할 수 있었다. 콘크리트 및 철근콘크리트 포장의 경우, 공기 공동이 탐사되지 않았으며, 이는 매질의 유전 상수 등에 기인한 것으로 판단된다.

Table 5의 라인 5는 공기 공동의 매립 깊이 1.3 m이고, 라인 6은 공기 공동 매립깊이 1.5 m인 경우이다. GPR 탐사 결과는 포물선의 형태로 나타나는데, 콘크리트 흄관과 PE관의 신호 에 공기 공동의 신호가 묻혀서 제대로 탐사되지 않았다. 아스 팔트 포장의 경우, 깊이 1.5 m에 묻힌 공기 공동이 탐사되었 는데, 이는 매립 깊이를 알아서 추정 가능한 것이다.

4.2 TB 3 실험체

주철관과 락앤락 통으로 공기 공동을 만들어 매립한 모래 채움 토조의 GPR 탐사 결과를 라인 1, 라인 2, 라인 3, 라인4, 라인 5, 라인 6에 대한 각각의 포장조건별 정리한 결과를 Table 6~8에 나타내었다. Table 6의 경우 탐사 라인 1과 2를 정 리한 것인데, 라인1은 관 상고 1 m로 Φ 300 mm 주철관을 매설 한 것이며, 라인 2는 공기 공동 매립 깊이 1.0 m, 1.3 m, 1.5 m 를 순차적으로 측정한 것이며, Table 7의 라인 3은 Φ 200 mm 주철관을 매설한 것이다.

Table 6

GPR detection of air cavity in line 1 & 2(TB3)

Pavement type	Line 1	Line 2
No
Concrete
RC concrete
Asphalt

Table 7

GPR detection of air cavity in line 3 & 4(TB3)

Pavement type	Line 3	Line 4
No
Concrete
RC concrete
Asphalt

Table 8

GPR detection of air cavity in line 5 & 6(TB3)

Pavement type	Line 5	Line 6
No
Concrete
RC concrete
Asphalt

라인 1의 경우 포장 조건 상관없이 관 상고 1 m로 매립된 주 철관의 연속 신호를 확인할 수 있었다. Table 7에 나타낸 라인 3의 경우도 주철관의 연속 신호를 확인할 수 있었다. 라인 2의 경우 매립된 공기 공동의 명확한 탐지가 어려운 것으로 분석 되었는데, 이는 수평 중심간격 0.5 m의 근거리로 묻힌 주철관 의 신호 및 토조 제작시 사용한 유로폼 강철 테두리의 신호가 강력하여 탐사시 반사파가 많이 흡수된 것에 기인한 것으로 판단된다.

Table 7의 라인 4는 관상고 1 m로 매립한 주철관과 공기 공 동의 탐사 신호를 정리한 것으로, 아스팔트 포장 및 비포장 경 우 공기 공동이 탐사됨을 확인할 수 있었다. 콘크리트 및 철근 콘크리트 포장의 경우 공기 공동이 탐사되지 않았으며, 이는 매질의 유전 상수 등에 기인한 것으로 판단된다.

Table 8의 라인 5는 공기 공동의 매립 깊이 1.3 m이고, 라인 6은 공기 공동 매립깊이 1.5 m인 경우이다. GPR 탐사 결과는 포물선의 형태로 나타나는데, 주철관의 신호에 묻혀서 공동 탐사가 불가능하였다. 비포장 및 아스팔트 포장의 경우, 주철 관의 탐사 신호가 명확히 포착되었는데, 이는 전자기파에 대 하여 강재가 강하게 반응하기 때문이다.

5. 탐사 결과 분석

6. 결 론

본 연구에서는 국내에서 가장 이슈가 되고 있는 지반침하 의 원인이 되는 매립관 및 공동에 대한 실증적 실험을 수행한 결과, 아래와 같은 결론을 도출하였다.