Investigation Study on Underground Cavity Scale Estimation Based on GPR Exploration

지하공동 규모 평가를 위한 GPR 탐사 기반의 조사 연구

Abstract

Purpose: Ground subsidence due to cavity can bring about various problems, such as casualties, decrease of the safety of the structures, and indirect social costs. Therefore, ground subsidence should be prevented through the exploration and recovery of the cavity under the pavements. Method: In this study, GPR exploration method was carried out on both actual roadway and mock-up site to compensate for the problems caused by excavation and restoration process. Result: This study compared the cavity scales obtained from GPR exploration results and the direct excavation of the identified cavity. It was confirmed that the predicted soil depth by GPR exploration was similar to the identified soil depth, but the predicted cavity scale by GPR exploration overestimated the longitudinal and cross-sectional widths compared to the identified cavity scale. Conclusion: Based on the correlation between the predicted cavity scales by GPR exploration, it is possible to qualitatively estimate the cavity scales using the empirical formula proposed in this study.

연구목적:도로에서 공동에 의해 지반함몰이 발생하는 경우에는 인명피해, 구조물의 기능성 저하 및 사회적 간접비용 증가와 같은 다양한 문제가 나타나게 된다. 따라서, 도로가 함몰되기 전에, 도로하부의 공동 탐사 및 복구를 통한 지반함몰 방지가 필요하다. 연구방법: 본 연구에서는 기존의 개착을 통한 공동규모 산정방법의 문제점을 보완하기 위하여, GPR 기반의 공동규모 확인실험을 수행하였다. 연구결과: 실제 도로에서 발생한 공동을 대상으로 GPR 탐사결과와 개착을 통해 공동의 규모를 확인하였다. 그 결과, 공동의 발생 깊이에 대한 예측결과는 확인공동의 토피고와 유사한 것을 알 수 있었다. 그러나 공동의 종단 및 횡단 규모 차이를 분석한 결과, GPR 탐사결과가 확인공동에 비하여 매우 크게 예측하는 것으로 분석되었다. 도로현장 실험에 있어서, 공동 규모의 차이 및 비율은 일정한 경향을 발견할 수 없었으며, 이는 공동 확인 과정에서 일부 공동의 붕괴 및 함몰과 같은 문제점이 원인으로 분석되었다. 결론: 실험 결과로부터 도출된 공동의 규모 비와 산정 식으로 보정된 규모 비를 비교한 결과, 산정식 기반의 경험적 산정 방법을 바탕으로 공동 규모의 정량적 예측이 충분히 가능한 것을 알 수 있었다.

서론

도로 하부 공동 탐사는 교통흐름에 영향이 없도록 하기 위하여, 차량형 멀티 지표투과레이더(Ground Penetrating Radar, 이하 GPR) 장비를 이용한다(Daniels, 2004; Cassidy et al., 2011; Kang et al., 2013). 즉, 도로 하부 공동의 GPR 파형 자료를 취득하여 공동의 위치, 깊이 및 규모를 산정하게 된다. 이러한 공동의 규모는 공동파형 분석 이론에 의한 포물선 형태의 단면에서 공동 여부의 확인을 통해 산정할 수 있다(Endres et al., 2000; Hagrey et al., 2000; Pyke et al., 2008; Kim et al., 2013). 이때, 공동파형의 가로축은 측정 거리, 세로축은 깊이를 나타낸다. 또한 공동파형 결과를 분석하여 종 방향과 횡 방향의 규모를 추정하여, 공동 규모를 산정한다. 그러나 실제 공동의 규모는 복구 작업을 통하여 개착시에만 정확한 확인이 가능하다(Park et al., 2019a; Park et al., 2019b).

한편, 공동탐사와 공동 규모의 산정은 1차 GPR 탐사를 통하여 조사 후 2차 내시경 조사를 실시한다. 1차 조사는 종 방향, 횡 방향 평면의 공동 규모를 추정하고, 2차 조사는 내시경 카메라를 사용하여 공동 내부의 두께와 깊이를 확인한다. 이와 같이 1차 GPR 탐사와 2차 조사 결과를 바탕으로, 서울시에서는 자체기준을 통하여 서울시 공동관리 기준에 따라 공동의 규모와 함께 아스팔트포장의 두께, 포장 면의 균열 깊이를 고려하여 긴급, 우선, 일반, 관찰 등급(4등급 체계)으로 공동의 위험도를 분류하고 있다. 이때 긴급 및 우선 등급은 공동 복구를 전제로 하는 위험등급이다(Lee et al., 2017).

그러나 일반 및 관찰 등급은 긴급 및 우선 등급으로 공동의 확장 가능성을 고려한 모니터링 등급이다. 따라서 일반 및 관찰등급에 해당하는 공동이 더욱 위험한 등급으로 확장되는 과정을 모니터링하기 위해서는 정확한 공동의 규모 산정이 필요하다. 또한, 공동이 복구가 요구되는 긴급 및 우선 등급에 해당하는 경우, 공동 복구에 소요되는 비용 산정을 위하여 정확한 공동 규모 산정이 매우 중요하다. 그러나 현재의 공동 규모 산정 방법은 공동을 개착하여 확인하고 있으며, 이는 굴착 비용 및 복구와 같은 직접비용과 함께 교통통제에 따른 사회적 간접비용 증가를 야기한다. 또한 선행된 GPR 탐사 결과에 의한 공동파형의 크기와 비교하여 차이가 발생하기 때문에, GPR 탐사 결과의 신뢰성을 감소시킨다. 따라서 공동에 대한 GPR 탐사 결과의 신뢰성 확보 및 소요 비용의 감소를 위해서는, 객관성을 확보할 수 있는 GPR 탐사 결과 기반의 공동 규모 산정 방법에 대한 연구가 필요하다(Park et al., 2018; Pyke et al., 2008; Kuroda et al., 2009).

공동의 종횡단의 규모 측정은 영상에서 나타나는 포물선의 양쪽 끝단을 기준한 전폭에 대하여 공동의 위치 심도와 규모 그리고 매설물 현황 포장층 하부 재료 등에 의한 유전율 변화 등 여러 가지 변수를 고려하여 분석사가 판단하여 포물선 횡단 전폭에 대하여 일정한 범위(60~100%)로 산정하고 있다.

따라서 본 연구에서는 확인된 공동에 대하여 GPR 탐사 결과에 의한 규모와 직접 굴착에 의한 규모를 비교·분석하기 위한 현장 실험을 실시하였다. 공동복구시 확인공동에 대한 분석은 분석공동 10개소에서 수행하였으며, 분석방법은 굴착에 의한 공동발생 생성원인에 대한 분석이 우선 이루어졌다. 그리고 공동의 규모와 위치, 심도(공동 두께)등에 대한 사전 예상 종횡단 공동규모와 공동파형 포물선 전폭에 대한 길이 차이와 비율 등을 분석하였다. 공동의 평면 형태, 심도와 크기 상관성, 심도와 실공동 폭과 파형 폭과의 관계 등에 대한 상관성을 분석하였다.

공동 규모 조사 방법 및 장비

GPR 탐사는 현재 이용되는 물리탐사 기술 중 해상도가 가장 뛰어난 물리 탐사 기술 중의 하나이며 국내에서도 최근에 매설물 탐지나 지반조사 분야에서 지하 정밀 영상화를 위해 거의 빠짐없이 사용되고 있다. 레이다 탐사는 고주파수의 전자기파를 이용하므로 큰 의미의 전자 탐사에 속하나, 전자 탐사가 일반적으로 지하의 전자기유도 현상에 근거하는 데 반해, 레이다 탐사는 원리상 탄성파 탐사와 마찬가지로 파동의 전파, 반사 및 굴절 성질 등을 이용하므로 전자 탐사와 구분하여 다루고 있다(Korean Society of Earth and Exploration Geophysicists, 2011).

GPR 탐사는 송신 안테나로부터 전자기파가 발사된 후, 지하 임의의 매질에서 반사되거나 혹은 투과되어 수신 안테나에 감지된 전자기파의 도달 주시를 이용하여 지반 구조, 지하 매설물 등을 영상화하여 지하 매설물의 위치 또는 지하구조 등을 추정하는 물리탐사법이다. 레이다 탐사는 지표에서 수행하는 GPR 탐사와 시추공 레이다 탐사로 구분할 수 있으며 GPR 탐사가 가장 많이 사용된다(Cassidy et al., 2011; Benedetto et al., 2007).

획득한 자료는 2차원 단면으로 작성되며, 수평축은 안테나의 이동 거리를 나타내고 수직축은 반사파의 도착시간을 거리로 환산한 심도를 나타낸다. 수직축에는 수신안테나를 통해 기록된 반사 신호의 강도를 색상으로 나타내며, 나타난 색상은 전자기파가 매질 경계면에서 반사된 반사 강도를 나타낸다. 탐사 단면상 주변에 비해 상대적으로 강한 반사 신호 혹은 파의감쇠, 회절이 심한 영역이나 난반사로 인한 불규칙한 반사 신호가 집중되어 나타나는 영역은 지반 내 함수량의 증가, 연약 대 및 불균질성 등과 같이 지층의 상태가 반영되어 나타난 것으로 판단할 수 있다. 만일 3차원의 지장물이 존재한다면 이는 GPR 단면에서 포물선 형태로 나타나게 되는데, GPR 단면도 상의 포물선 형태 시그널은 지하 매설물 조사에 중요한 단서를 제공한다. 지반 하부의 반사 경계면이 곡면이면 GPR 단면에서도 곡면을 보게 되므로 이를 통해 지반 형태를 유추할 수 있다.

Fig. 1에 나타낸 바와 같이 본 연구에서 사용한 GPR 탐사장비는 차량 탑재형으로 중심 주파수는 400MHz이고, 포장체 도로조건에서의 탐사심도는 2.0m이내이다. 또한 탐사 깊이 1.0m 이내에서 15cm(2.0m 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. 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 통합프로그램은 탐사결과의 신뢰성을 증가시킨다(Park et al., 2020).

Fig. 1. The extended multi-channel GPR exploration equipment mounted on a vehicle

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 통합운영을 통하여 채널별 단면 데이터 분석을 수행하고, 이상위치에 대해 노면영상과의 비교·분석을 통해 지하매설물, 맨홀 등 신호의 필터링을 한다.

한편, GPR탐사를 1차원 배열로 구성하고 이동하면서 지하에 존재하는 공동이나 매설물을 탐지하면 표적은 GPR 데이터상에 포물선 형태의 특징으로 표현된다. 이는 GPR의 전자기파를 송수신하는데 걸린 지연시간과 수신신호 세기의 감지로부터 데이터를 형성하게 된다.

공동파형과 규모 비교분석

공동굴착 현황 및 조사 결과

공동 복구를 위한 굴착 공사 시 현장 입회를 통해 공동의 형상 등의 현황을 조사 검토하였다. 공동굴착 복구 방법은 복구작업 시 백호 1대, 덤프트럭2대, 포장 장비, 싸인보드2대, 작업원 5명으로 예상 복구 공동 상부 지점 도로를 커팅 후 굴삭기를 이용하여 포장 층을 걷어낸 다음 공동을 확인하는 과정으로 이루어진다.

포장 층 직하 부의 공동 확인 후 원인분석을 위해 공동의 측면부를 굴착하여 공동을 확인하고 공동이 무너지지 않도록 인력을 투입하여 굴착 후 공동의 규모를 측정하며 하부로 추가 굴착을 진행하여 공동의 뿌리가 보이게 되고 공동의 뿌리를 추적하여 공동별로 발생원인을 분석한다. 또한 포장 층 하부 보조기층에 대한 토성의 특성도 함께 관찰하여 공동 발생원인을 분석하는 자료로 활용하였다. 공동굴착 과정은 굴착 준비와 포장 층 커팅→아스팔트 포장 층 제거→공동 규모 확인→공동 발생 원인조사→복구 순으로 실시하였다. 공동 복구를 위한 도로 포장층 굴착 및 공동확인과 복구과정은 Fig. 2에 나타내었으며, 포장층 굴착결과 확인한 공동별 공동 발생원인 조사결과는 Table 1과 같다.

Fig. 2. Cavity excavation recovery site

Table 1. Common causes for each excavation cavity

공동별 파형과 실규모 확인 결과

GPR 탐사에 의한 공동 규모와 현장에서 실제 컷팅에 의한 공동 규모 확인 결과는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3. Joint confirmation by GPR waveform at the exploration location and actual cutting

예측공동과 확인공동 평가

예측 공동과 확인 공동이 위치하는 깊이 관계를 정성적으로 평가한 결과, 아스팔트 포장 층으로부터 예측 공동이 형성된 깊이는 확인 공동의 깊이와 거의 일치하는 것을 확인하였다.

확인 공동의 토피고에 따른 GPR 파형에 의한 예측 공동의 토피고와 전체 폭(종단 폭, 횡단 폭)의 관계를 분석한 결과, 확인 공동의 토피고는 0.11m에서 0.51m에 위치하고 있으며, 토피고가 감소할수록 예측 공동의 토피고와 확인 공동의 토피고가 거의 일치하였으며, 토피고가 증가할수록 예측 공동의 종단폭의 차이는 증가하였지만, 횡단 폭의 차이는 거의 유사하게 나타났다.

공동이 위치한 토피고에 따라, 예측 공동의 폭과 확인 공동의 종단 및 횡단 규모의 차이를 각각 비교한 결과, 일부를 제외하고는 공동 상부의 토피고에 따라 종단면 및 횡단면별로 예측 공동의 폭과 확인 공동의 규모의 차이는 일정한 경향을 확인하는 것이 어려웠다. 이는 탐사 결과에 대한 분석 결과 오차와 함께, 굴착을 통한 공동 규모 확인 시에 공동주변의 이완된 흙이 굴착 외력에 의해 일부 붕괴가 발생하였기 때문에, 규모의 차이가 불규칙적으로 나타난 결과라 판단되었다. 따라서 공동의 토피고에 따른 확인 공동의 규모와 예측 공동의 상관관계는 크지 않은 것으로 분석되었다.

그리고 발생한 공동의 토피고 별로 예측 공동으로 평가되는 포물선 형태의 GPR 파형 전체 폭과 확인 공동 규모의 비율을 분석한 결과, 예측 공동의 전체 폭에 대한 확인 공동 규모의 비율은 종단면이 44%~100%, 횡단면이 57%~100%를 보였다. 즉, 실제 발생한 공동의 규모에 비하여 GPR에 의해 탐사된 공동이 크게 예측되는 것을 알 수 있었다.

결론

본 연구에서는 확인된 공동에 대하여 GPR 탐사 결과에 의한 규모와 직접 굴착에 의한 규모를 비교·분석하기 위한 현장 실험을 실시하였다. 공동의 규모와 위치, 공동 두께 등에 대한 사전 예상 종횡단 공동규모와 공동파형 포물선 전폭에 대한 길이차이와 비율 등을 조사하였으며, 공동의 평면 형태, 심도와 크기 상관성, 심도와 실공동 폭과 파형 폭과의 관계 등에 대한 상관성을 분석하였다.

결과, 토피고가 감소할수록 예측 공동의 토피고와 확인 공동의 토피고가 거의 일치하였으며, 토피고가 증가할수록 예측 공동의 종단폭의 차이는 증가하였지만, 횡단 폭의 차이는 거의 유사하게 나타났다.

또한, 발생한 공동의 토피고 별로 예측 공동으로 평가되는 포물선 형태의 GPR 파형 전체 폭과 확인 공동 규모의 비율을 분석한 결과, 예측 공동의 전체 폭에 대한 확인 공동 규모의 비율은 종단면이 44%~100%, 횡단면이 57%~100%를 보였다. 즉, 실제 발생한 공동의 규모에 비하여 GPR에 의해 탐사된 공동이 크게 예측되는 것을 알 수 있었다.

즉, 예측공동과 확인공동이 위치하는 토피고는 유사하게 나타났지만, 공동 규모의 차이 및 비율은 일정한 경향을 발견할 수 없었다. 이는 공동을 확인하는 과정에서 일부 공동의 붕괴 및 함몰과 같은 문제점이 원인으로 분석되었기 때문에, 향후 인위적으로 정형화시킨 모의공동 기반의 실대형 현장실험을 통하여 공동 규모 산정방법을 제안할 필요가 있다.