1. 서 론
최근 들어 대도시 지역의 도로함몰, 싱크홀, 지진으로 인한 액상화 피해 등 다수의 지반침하가 많이 발생하고 있으며(Park et al., 2015), 앞으로 더 많은 지반침하로 인한 큰 피해가 발생할 수 있다는 점을 상기하여 전조현상이 있을 경우 미리 지반 물리탐사 및 현장조사를 수행하여 지반 보수⋅보강을 실시하는 것이 필요하다. 특히 Na et al. (2019)는 대부분의 대도시 지역에서는 지하공간(지하철, 터널) 개발, 노후 관로 파손 등으로 인해 도로함몰이 발생하여 차량 운행, 보행자 사고 등 대형 사고가 빈번히 발생하고 있으며, 이에 따라 국민의 실생활 속 안전을 위협하고 있다.
또한 2017년 포항지진(M5.4)으로 국내 최초 액상화 현상이 발생하였고, 지진으로 인한 상하수도 파손 등으로 지반 공동(空洞) 현상이 나타났다. 이러한 액상화 현상으로 인한 지반침하로 건축물 붕괴, 안벽붕괴 등 지역주민들의 불안감이 매우 증대되었으며, 많은 재산피해(피해액: 약 55,000백만원)가 발생하였다. 이와 더불어 액상화⋅지반침하 현상에 대한 사회⋅국민적 관심도가 증가하였으며, 국민의 불안감 해소를 위해 관련 연구 및 국내 실정에 맞는 지반 보수⋅보강 대책 마련 방안 마련이 시급히 요구되었다(Central Earthquake Disaster Cause Investigation Team, 2018).
Park et al. (2015)의 연구로는 지중에서 발생하는 공동에 기인한 지반함몰은 인명과 직결되는 중대한 사고로 연결되는 위험성이 있어서 지중의 공동 존재 여부를 조사하여 지반의 상태를 파악하는 것이 매우 중요하다고 판단하였다. 하지만 지반의 상태는 육안 점검으로 지중 공동 발생 상황을 파악하는 것이 곤란하므로 지표투과레이더(Ground Penetrating Radar, GPR)를 이용한 지반 내 공동 탐사로 신뢰성 높은 조사를 수행하여 공동발생 현황을 파악하는 것이 지반함몰 대책방안 마련에 필수적이라고 제시하였다.
Baek and Choi (2014)는 GPR 시험의 한계와 활용 가능성을 면밀하게 파악한 후 조사를 하여야 정확한 시험 결과를 얻을 수 있다고 주장하였다. Park and Cho (2006)는 상수관로 누수 탐사를 위하여 활용한 GPR 탐사 결과는 매우 유용하게 사용될 것으로 판단되며, 이에 따라 누수 발생 이력이 있는 다양한 관로 주변 조건을 대상으로 실시할 경우 상수 관망 시스템의 효율적인 관리 및 유지보수에 매우 유용한 방법이 될 수 있을 것으로 판단하였다.
이러한 지반침하 및 싱크홀은 지반 속의 흙, 암석, 지하수 유실로 공동 발생 후 상부 지반의 하중을 지탱하지 못하고 주저앉는 현상이 발생하기 때문에, 지반 속 공동을 검측하는 것이 지반피해 예방에 필수적이다. 게다가, 이러한 지반 속 공동은 육안 관측으로는 발견이 불가하므로 여러 가지 지반 물리탐사 장비가 이용되고 있다. 본 연구에서는 지반 하부 조사에 사용되는 다양한 물리탐사 중 지표투과레이더(Ground Penetrating Radar, GPR)를 활용하여 지반 속의 흙, 매설물, 공동 등을 탐사하여 결과를 분석하고, 이와 더불어 과거 지반 하부 매설물 위치도면 등의 객관적 자료를 활용하여 액상화 피해지역의 지반 공동 발생 여부를 판별하였다.
그리고 지진은 태풍처럼 미리 예측이 불가능하고 발생하는 지진을 막을 수는 없으므로 피해 저감을 위해서는 사전에 지진 방재 정책, 보강대책 등을 개선 및 수립하여 예방⋅대비를 하여야 한다. 또한 액상화에 대한 피해도 최소화하기 위하여 미리 기존 구조물 보수⋅보강 및 신규 구조물 시공 시 지반의 내진 보강공법 검토 및 적용방안이 요구된다.
2. 액상화 발생사례
2.1 국내 발생사례
국내 액상화 발생사례로는 2017년 11월 15일에 포항지역에서 발생한 규모 5.4 지진으로 계기 지진 관측 사상 두 번째로 큰 지진이며, 포항 일부 지역에서 액상화 현상이 국내 최초로 관측되었다. 진앙지는 경상북도 포항시 북구 북쪽 7 km (동경 129도 37분, 북위 36도 11분)이며, 진원 깊이는 약 9 km로 9.12지진(15 km)보다 상대적으로 얕은 깊이로 나타났다. 해당 지진으로 인하여 경북지역에서 최대 진도 Ⅵ이 기록되었고, 규모 2.0 이상의 여진은 100회 이상 발생하였다.
Fig. 1은 포항지진의 진앙지 및 주요 여진을 나타낸다. 본진은 역단층성 주향이동단층 운동을 나타내었으며, 주향이동단층이란 좌우로 미끄러지는 힘 때문에 땅이 수평으로 엇갈리는 것을 말한다. 포항지진은 여기에 더해 땅이 아래위로 밀려 움직이는 ‘역단층’이 강하게 섞여 있다(KMA, 2018).
Fig. 2는 KIGAM (Korea Institute of Geoscience And Mineral Resources)에서 보유하고 있는 포항지역 지질 주제도를 나타내며 액상화에 취약한 제4기 충적층은 망천리 인근 논 지역, 형산강 하구 및 중류 지역에 길게 분포하고 있다. 특히 본 연구에서 제시하고 있는 송도지역은 아래쪽의 붉은 원으로 형산강 하구의 북쪽에 있으며, 해당 위치는 포항 도심과 가까운 지역으로 대부분 충적층 상에 위치한다.
지반침하 및 액상화로 인한 지하공동 발생 원인에는 크게 세 가지를 들 수 있다(Na et al., 2019). 먼저 석회암 지대 붕괴 같은 자연적인 원인으로 발생하는 싱크홀, 두 번째는 노후 상하수도 파손, 지하공간 개발 등으로 발생하는 도로함몰 그리고 2017년 포항지진으로 국내 최초 발생한 액상화로 인한 공동 발생을 들 수 있다.
Fig. 3은 포항지진으로 인한 액상화 현상이 나타난 지역과 액상화로 인한 안벽붕괴를 나타낸다. Fig. 3(a)는 진앙지 근처의 논이며, Fig. 3(b)는 주민신고 지역을 나타낸다. 특히 Figs. 3(c)와 3(d)는 포항신항 안벽 피해로 조사 결과 액상화로 인하여 안벽이 수직으로는 약 5~10 cm 내려앉았고 균열은 약 15 cm 정도 발생한 것으로 나타났다.
2.2 국외 발생사례
1964년 니가타지진(M7.5)을 계기로 세계 최초 ‘액상화’라는 용어가 사용되었으며 액상화 연구의 시발점이 되었다고 제시하였다. 이와 더불어 현재까지 미국, 일본, 대만 등을 포함하여 전 세계적으로 국외 여러 나라에서 액상화에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다(Kramer, 1996; Jefferies and Been, 2006).
국립재난안전연구원(National Disaster Management Research Institute, NDMI)에서는 2018년 홋카이도 강진지역을 방문하여 현장조사를 실시하였으며, 이러한 강진으로 인한 국외 나라별 지반피해로는 강진으로 발생한 지반 액상화 및 부등침하가 대표적이다. 특히 제일 중요한 인명 피해(사망, 부상)와 더불어 각종 인프라(철도, 도로, 항만 파괴, 교량⋅건축물 붕괴 등)에 대한 피해가 발생하여 막대한 재산피해가 전 세계적으로 발생하였다(NDMI, 2019).
Fig. 4(a)는 1964년 니가타 지진(M7.5) 액상화로 인한 아파트 전도, Fig. 4(b)는 1989년 로마프리에타 지진(M7.1)으로 인한 도로파손, Fig. 4(c)는 1995년 고베 지진(M7.3) 시 액상화로 인한 항만 붕괴, Fig. 4(d)는 2011년 크라이스트처치 지진(M6.3)의 액상화로 인한 도시 전반적 지반침하, Fig. 4(e)는 2018년 홋카이도 이부리 동부 지진(M6.7) 액상화로 인한 주택 부등침하, Fig. 4(f)는 2018년 인도네시아 술라웨시 지진(M7.5)으로 인한 도시 파괴 등을 나타낸다. 이로 인해 세계 여러 나라의 도시들이 이러한 강진으로 지반피해와 더불어 인명, 재산피해 등 막대한 피해를 보았다. 그리고 본 논문에서 언급하고 있는 대부분 나라는 불의 고리인 환태평양 지진대에 속하고 있다(NDMI, 2019).
3. GPR을 활용한 액상화 발생지역 물리탐사
3.1 GPR (Ground Penetrating Radar) 장비 소개
GPR (지표투과레이더)는 수십~수백 MHz 주파수 대역의 전자기 펄스를 이용하여 천부의 지하 구조 파악 및 지하 시설물을 탐사하는 물리탐사 방법이다. 특히 주파수가 높은 안테나일수록 탐사 심도는 얕아지지만, 주파수가 낮은 안테나보다 선명하게 스캔이 가능하다(Sensors & Software Inc, 2015).
GPR 탐사 방법은 다른 탐사법에 비해 상대적으로 짧은 파장의 전자기파를 사용하므로 분해능이 높으며, 매질 간의 유전율 차이에 의한 전자기파 반사법(Reflective wave method)을 이용하여 2차원으로 현장에서 측정한 후 3차원으로 지하 구조 및 매설물 등을 파악한다.
Fig. 5(a)는 본 연구에서 사용한, Sensor & Software (캐나다)의 GPR 장비이다. GPR 안테나 주파수 대역은 250 MHz와 500 MHz이며, 전자기파 속도는 공기 중에서는 0.3 m/ns, 땅속에서는 0.06~0.15 m/ns이다. Fig. 5(b)는 지반조사에 대한 반사법을 나타내며, Fig. 5(c)는 현장에서 2차원으로 맵핑한 데이터를 3차원 분석 프로그램을 사용하여 정밀 분석하는 방법이다.
GPR 시스템은 전자기파가 목표물에 도달했다가 되돌아오는 시간을 기록하며, 대상 목표물까지의 깊이는 전자기파가 이동하는 속도를 기반으로 계산되며, 이상적인 반사기파는 Eq. (1)과 같다.
Eq. (1)에서D는 깊이(m)이고, V는 속도(m/ns), T는 양방향 이동시간이다.
전자기파의 속도는 재료의 특성에 따라 다르며 평균적으로 일반적인 지질공학적 재료에는 0.1 m/ns 값을 사용한다(Sensors & Software Inc, 2015). 그리고 현장 물리탐사 시 실시간 디스플레이에서 심부의 정확한 깊이를 원할 경우나 사용자가 대략적인 지반 투과 깊이를 확인하고자 하는 경우에는 프로그램에 평균 레이더 전파 속도를 정하여 사용하여야 한다. 탐사 지역의 레이더 속도를 결정하는 가장 좋은 방법은 쌍곡선 피팅 또는 CMP (Common Mid Point) 조사를 사용하여 속도를 추출하는 것이다. 그러나 레이더 속도 값이 부정확해도 수집된 GPR 데이터의 품질에는 영향을 미치지 않는다(Sensors & Software Inc, 2015).
그러므로 본 연구에서는 Table 1의 지질공학적 재료에 따른 레이더 속도를 참조하여 0.1 m/ns의 속도를 사용하였다.
Table 1
General Radar Velocity of Geotechnical Materials (Sensors & Software Inc, 2015)
| Material | Velocity (m/ns) |
|---|---|
| Air | 0.30 |
| Dry Soil | 0.15 |
| Dry Sand | 0.15 |
| Granite | 0.13 |
| Dry Rock | 0.12 |
| Concrete | 0.08~0.12 |
| Wet Soil | 0.06 |
| Wet Sand | 0.06 |
| Calys | 0.06 |
| Water | 0.033 |
3.2 포항 액상화 의심 신고지역 2차원 물리탐사
본 연구에서는 2017년 포항지진으로 인한 액상화 의심 신고지역에 대하여 휴대용(Portable) 타입 GPR을 사용하여 조사를 실시하였다. 특히 조사 현장은 액상화 발생으로 인한 주민피해 신고지역인 주택 및 이면도로를 중심으로 수행하였으며, 조사 대상 지역으로는 대로 및 이면도로 2곳, 개인주택 그리고 빌라 2곳을 조사하였다. 또한 피해 현장 상황으로는 지역 대부분에 모래가 분출되었으며, 피해가 심한 곳은 지진으로 인한 지하수위 상승으로 인해 토사가 물과 같이 섞여 나왔다(Fig. 6).
특히 조사한 지역 대부분은 지하 1 m 정도의 위치에 상하수도 배관 등이 지나가고 있으므로 강진 발생 시 배관 파손으로 인한 도시 전체의 대형 액상화가 발생할 수도 있는 실정이었다.
4. 물리탐사 3차원 분석 및 지반보강 결과
4.1 액상화 의심 신고 현장 조사 결과
GPR 장비를 활용하여 2차원 맵핑으로 현장 조사한 데이터를 활용하여 3차원 분석 프로그램을 통해 Fig. 6의 공동 의심 지역과 지반 융기가 발생한 지역에서 3차원 분석을 한 결과 액상화 발생 신고지역에서 피해지반의 크기 및 융기한 지반의 크기를 파악하였다. 해당 지역은 제4기 충적층 상에 위치하며 부지(공장, 택지 등) 조성을 위해 하천과 바다의 일부분을 매립하여 시공한 매립지가 포함되어 있으므로 지진 발생 시 액상화 발생 가능성이 높다.
또한 Fig. 6의 대부분 지역은 지진으로 인한 지반 융기, 높은 지하수위 등으로 액상화 피해가 발생하였으므로 지반조사를 통하여 명확한 지반정보 파악이 필요할 것으로 사료된다. Table 2는 본 연구에서 현장 물리탐사 위치 및 조사 크기, 피해 크기 등을 나타낸다.
Table 2
Site of Investigation
Fig. 8(a)는 액상화 발생 의심 신고지역인 ○○대로 부근 세차장에서 2차원으로 GPR 탐사(안테나: 500 MHz, 물리탐사 크기: 3.5 m × 3.5 m)를 수행한 그림이다. 노란색 원에 나타나듯이 지표면 하부 얕은 층에서 배관이 지나가는 것으로 판단되며, Fig. 8(a)에서 지표면으로부터 하부 50 cm까지 지반 붕괴(지름 50 cm, 깊이 50 cm 정도)가 발생한 지점을 중심으로 2차원 조사 결과 육안으로 파악하기 힘든 지반 파손이 의심된다. 또한 오른쪽의 파란색 원에서는 x-y 방향으로 탐사하여 깊이별로 배관 및 지반피해 지점이 확인되는 것으로 판단하였다.
Fig. 8(b)는 3차원 분석 결과 지표면으로부터 2 m 이상의 지반에는 관로 매설 및 공동 현상이 파악되지 않았다.
Fig. 9(a)는 액상화 발생 의심 신고지역인 포항 남구 송도동의 한 빌라에서 2차원 GPR 탐사(안테나: 500 MHz, 물리탐사 크기: 2.5 m × 2.5 m)를 수행한 그림이다. 배관이 지나가는 지역이나 공동이 생긴 곳은 비교적 명확하게 2차원으로 나타난다. 깊이는 지표면에서 약 50 cm에 있으며 공동으로 의심되는 크기는 x 방향 60 cm, y 방향 40 cm 정도로 판단하였다. 해당 지역은 주차장 전 지역에 모래분출로 액상화 현상이 발생하였다.
Fig. 9(b)는 보다 명확한 파악을 위하여 해당 빌라의 3차원 분석 결과이며, 지표면으로부터 50 cm 아래에서 공동이 나타난 것으로 판단되며 공동 크기는 x 방향 60 cm, y 방향 40 cm, z 방향(지층 깊이) 70 cm 정도인 것으로 판단되었다.
Fig. 10(a)은 포항 남구 송도동의 소방도로에서 2차원 GPR 탐사(안테나: 500 MHz, 물리탐사 크기: 3 m × 3 m)를 수행한 그림이며, Fig. 6(c)에 나타나는 것처럼 소방도로 인근의 전신주 하부에서 발생한 공동(육안으로 파악)으로 액상화 현상이 발생하였다.
해당 소방도로에서는 육안 파악보다 더 명확한 결과를 파악하기 위하여 현장 물리탐사를 실시하여 3차원 분석 결과 지표면 하부를 시작으로 60 cm 정도까지 공동이 위치한 것으로 판단되었으며 공동 크기는 x 방향 160 cm, y 방향 200 cm 정도로 나타났다. 해당 지역 역시 다른 지점에 비하여 주민이 많이 거주하고 있는 빌라, 개인주택 등이 위치하고 있는 소방도로에 공동이 크게 나타나 지진 발생 시 액상화에 대하여 매우 취약한 지반으로 판단된다.
Fig. 11(a)는 포항 남구 송도동의 한 개인주택에서 2차원 GPR 탐사(안테나: 500 MHz, 물리탐사 크기: 2.5 m × 2.5 m) 를 수행한 그림이며, Fig. 6(d)와 같이 개인주택 벽을 따라 모래분출로 인하여 매우 넓게 액상화 현상이 발생하였다. 또한 노란색 원에서 나타났듯이 지표면으로부터 약 40~50 cm 위치에 가정으로 들어가는 상하수도 및 전선 등 배관이 지나가는 것으로 판단된다.
Fig. 11(b)는 해당 주택에서 육안보다 더 명확한 피해 크기를 추정하기 위하여 3차원 분석 결과 지표면으로부터 70 cm에 아래까지 모래 지반이 위치한 것으로 확인되며 크기는 x 방향 90 cm, y 방향 270 cm, z 방향(지층 깊이) 70 cm 정도인 것으로 판단되었다. 해당 주택 역시 Fig. 8과 같이 제4기 충적층 및 매립층 상부에 위치하고 모래분출이 크게 발생하였다.
Fig. 12(a)는 포항 남구 송도동의 마을 주변의 노상에서 2차원 GPR 탐사(안테나: 500 MHz, 물리탐사 크기: 2.5 m × 2.5 m)를 수행한 그림이며, Fig. 4(e)에 나타나는 것처럼 지반 융기 현상으로 인하여 지표면 하부로부터 60 cm 정도 깊이에서 지반 진동과 지하수위 상승으로 인하여 지반 융기 등으로 지반 피해가 발생하였다.
Fig. 12(b)는 해당 노상에 대한 더 명확한 피해 크기 추정을 위하여 현장 물리탐사 결과에 대하여 3차원으로 분석한 결과이며, 지진으로 인하여 지표면으로부터 60 cm에 아래에서부터 지반이 융기한 것으로 판단되며 크기는 x 방향 100 cm, y 방향 170 cm 정도이다. 이는 다른 지역에 비하여 지표면에서 매우 얕은 지점에서 크게 나타났다.
Fig. 13(a)는 송도동의 전력회사 주변의 노상에서 2차원 GPR 탐사(안테나: 500 MHz, 물리탐사 크기: 4 m × 4 m)를 수행한 결과이며, Fig. 4의 f와 같이 액상화에 취약한 실트질 모래 등의 분출 현상이 크게 발생하였다. 또한 해당 지역은 상부에 트렌치가 위치하고 있으며, 노란색 원과 빨간색 원에서 나타난 것처럼 지표면에서 1.2 m 정도 아래에 상하수도 배관이 지나는 곳으로 판단되었다.
Fig. 13(b)는 해당 지역에 대한 3차원 분석 결과이며 지표면으로부터 약 120 cm에 아래에서부터 모래가 분출된 것으로 판단하였으며 배관 역시 비슷한 깊이에 지나는 것으로 파악되었다. 공동 크기는 x 방향 170 cm, y 방향 350 cm 정도이며, 해당 지역 역시 매립층 위에 조성된 노상도로 주변으로 지반피해가 지표면으로부터 깊은 지점에서부터 배관이 복합적으로 매설되어 있다.
5. 결 론
본 연구는 2017년 발생한 포항지진으로 국내 최초로 액상화 현상이 발견되었으며, 특히 액상화 발생으로 인한 주민의심 신고지역인 송도동 인근 6개소에 대하여 휴대용 2차원 GPR 장비를 이용하여 현장 조사를 수행하였다. 상세한 분석을 위하여 현장에서 취득한 결과를 토대로 3차원 분석 프로그램인 Golden Software 사의 Voxler3를 사용하여 분석을 수행한 결과 다음과 같은 결론이 도출되었다.
1) 액상화 발생 의심 신고지역에 대한 GPR 탐사 결과, 액상화로 인한 지반 공동 등 지반 이상 상태를 확인할 수 있었다. 이를 통해 액상화 발생 지역에 대한 지반 안전성 평가에 대하여 GPR 탐사 기법의 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
2) 한국지질자원연구원의 지질주제도를 검토한 결과, 포항 송도지역은 제4기 충적층 상에 위치하고, 부지(공장, 택지 등) 조성을 위하여 하천과 바다의 일부분을 매립하여 시공한 매립지가 포함되어 있으므로 액상화 현상이 많이 발생 했던 것으로 판단된다.
3) 국내 선행연구에서는 포항지진 이전 실제로 액상화 현상이 발생한 적이 없었으므로 국내 실정에 맞는 액상화 평가기준이 미흡하다. 따라서 한국형 액상화 평가기준 및 적절한 대책공법의 마련이 시급하다. 또한 국내에는 액상화에 대해서 강진에 대비한 진동모형실험 및 원심모형실험만이 진행되었을 뿐 현장에서 대응 가능한 액상화 피해 저감 대책에 관한 연구 수행 경험 역시 부족한 실정이다. 그러므로 액상화 발생이 높은 지역을 파악하여 현장 상황에 맞는 액상화 대책공법(시공성, 경제성, 환경성)을 적용하면 액상화 피해를 저감할 수 있다. 따라서 이러한 액상화 피해 저감을 위해서는 시급히 국내 실정에 맞는 액상화 가능 지반 보수⋅보강 대책이 마련되어야 한다.
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