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1. 서 론

시설물통합정보관리시스템에 등록된 1종, 2종, 3종 시설물은 175,838개소(2024년 10월 기준)이며, ‘시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법(이하 시특법)’에 따라 정밀안전점검 및 정밀안전진단을 정기적으로 실시하는 제1종 시설물은 12,356개소, 제2종 시설물은 108,283개소이다. 이와 같은 시설물 대부분은 사회기반시설로써 손상 시 그 파급효과가 크고 복구까지 오랜 시간이 필요한 구조물로 이에 대한 관리 및 유지 보수가 필요하다(Woo et al., 2021).

사회기반시설 중 전력구는 ‘지하 송전구조물’로 지칭되는 지중 구조물로써 1970년대 중반부터 전력 공급의 주요 시설로 이용되고 있다. 현재까지 준공된 전력구는 약 1,200여 개소, 총연장 578 km 이상으로 점차 확대되고 있으나 최근 전력구 구조물의 사용 연한이 급격히 증가되고 있는 실정이며(2020년 3월 기준 총연장 길이의 10.8% 이상은 사용 연한이 30년 이상이며, 10년 후 32.3%로 확대, 전력연구원) 이에 유지관리가 어느 때보다 중요해지고 있다.

전력구는 교량, 빌딩과 같은 지상 구조물에 비해 공간적 제약 및 특성이 있어 시설물 점검 및 보수, 이설 등이 용이 하지 않고 전력구 사용수명 종료에 따른 재건설에 막대한 비용이 발생할 수 있으며 전력구 사용성 손실에 의한 사회적⋅경제적 손실이 크다. 이에 정부에서는 ‘시특법(1995년)’을 제정하여 관리하고 있다. 그러나 전력의 송⋅배전을 위해 지중에 설치되는 전력구는 국가 전력망을 구성하는 주요 기간시설물임에도 도로⋅항만⋅철도 등 유사한 목적으로 운영되는 지하 공동구 시설물과는 다르게 ‘시특법’에서 규정하고 있는 범위(제1종, 2종 시설물)에 포함되지 않아 합리적인 안전점검 및 진단체계가 수립되지 않아 시설물의 종합적 성능평가가 이루어지지 않고 있다.

전력구는 깊은 깊이에 적용되는 터널형과 상대적으로 얕은 깊이에 적용되는 개착형으로 구분할 수 있다. 토피고가 얕은(6 m 미만) 전력구의 형식은 대부분 개착식이며 토피고가 깊은 경우 터널식 형식이 적용된다(Kang et al., 2018). 토피가 얕은 개착식의 경우, 표층까지의 깊이가 얕아 지하수의 영향과 상부 활하중에 의한 영향(균열 등), 자동차 및 산업용 인근에서 배출되는 높은 이산화탄소 농도(전력구 특성상 내외부 출입이 제한적으로 이루어짐에 따른 밀폐형식의 지속 노출 환경) 등 콘크리트 열화 촉진에 대한 다양한 특성이 존재함에 따라 이에 부합하는 내구성 평가 방법이 필요하다.

현행 시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침에는 전력구 정밀안전점검 및 정밀안전진단에 대한 별도 규정이 없으며, 실무에서는 공동구 편을 준용하여 점검 및 진단, 종합성능평가를 수행하고 있다. 또한 안전성 평가 없이 상태평가 결과를 토대로 해당 시설물의 종합평가 등급을 산정하고 있어 전력구 특성이 반영된 종합성능평가 체계 구축이 시급하다.

이에 본 연구에서는 전력구 현장 조사를 중심으로 전력구 종합성능평가체계 개발을 위한 내구성 평가 영향요인을 도출하고자 한다.

2. 시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(성능평가)

시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침의 성능평가는 안전성능(상태안전 및 구조안전성능), 내구성능, 사용성능의 3대 성능 항목을 토대로 성능 간 가중치를 부여하여 5단계 성능 등급으로 평가하고 있다. 안전성능평가는 상태안전성능평가와 구조안전성평가를 토대로 결함지수 및 수치해석결과를 기준으로 등급이 산정되며, 내구성능평가의 경우 최솟값 또는 평균값을 토대로 부재별 가중치를 고려하여 평가지수 및 등급이 산정된다(KISTEC, 2021).

콘크리트의 내구성능 평가항목은 크게 열화진전평가와 열화환경평가로 구분되며, 열화진전평가에 탄산화 깊이, 염화물 침투량, 피복콘크리트의 품질, 열화환경평가에는 제설제에 의한 염해환경, 비래염분에 의한 염해환경 및 동결융해의 반복에 의한 동해환경이 포함된다(KISTEC, 2021). 이러한 평가 지침을 준용하고 있는 전력구에 있어 현행 평가 항목 검증이 필요하며, 이에 대표 전력구 현장조사를 토대로 전력구 내구성 영향 요인을 분석하였다.

3. 전력구 현장 조사

3.1 전력구 현장 조사 계획 및 방법

콘크리트의 주된 열화 인자는 탄산화, 염해, 동해, 화학적 침식, 알칼리골재반응 등의 환경 작용과 피로나 과대 하중 등의 하중조건에 의한 것으로 분류할 수 있다. 이에 현장 조사는 전국 200여 개 전력구를 표본 조사하여 전력구의 환경영향 특이성을 중심으로 7곳의 현장을 선정하였다. 전력구의 환경영향 특이성으로 이산화탄소 농도, 지하수 유출 유무 및 범위, 해안 및 하천 범위, 내륙 및해안가 위치로 선정하였다.

전력구 환경영향도 조사는 전력구 내부 이산화탄소 농도, 지하수 수질 분석을 수행하였으며 측정분할 2,000 m를 기준으로 전 구간을 조사 분석하였다(Fig. 1 참조).

Fig. 1

Field Investigation of Indoor Air Quality and Groundwater Water Quality

현장 조사는 현행 시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(안전점검 및 진단)을 토대로 1~2 m 구간을 측정분할(50 m)하여, 균열, 누수 등의 상태평가와 현장 탄산화 시험을 수행하였다(Fig. 2 참조).

Fig. 2

State Assessment of Ogin Electric Power Utility Tunnel

3.2 전력구 현장조사 결과

3.2.1 환경영향도 조사

전력구의 환경 영향도는 Fig. 1과 같이 전력구 전 구간에 대하여 CO₂ 농도 분포도를 측정하였으며, 지하수 누출 부위를 중심으로 지하수를 채취하여 수질을 분석하였다.

5대 지역 7곳의 환경영향도 조사 결과는 Fig. 3과 같으며, 주요 결과는 Table 1과 같이 전력구 상부 토피고가 얕으며(개착식 전력구), 교통량이 많은 서울 내륙 소재 전력구와 경기 내륙 소재 전력구에서는 상대적으로 높은 CO₂ 농도분포를 보였다. 그러나 상대적으로 깊은 곳에 위치한 부산소재 전력구의 경우 낮은 CO₂ 농도를 보였다. 지하수 수질분석 결과 해안가 혹은 인근의 대규모 산업단지에 위치한 전력구에서는 다량의 염이온, 황산이온, 암모니아성질소 등이 검출되었다.

Fig. 3

Field Investigation of Environment Condition in Electric Power Utility Tunnel

Table 1

Field Investigation Results of Indoor Air Quality and Groundwater Water Quality

전력구는 터널 및 지하 상가 등과 같은 일반 지하 구조물에 비해 출입제한 등으로 밀폐성이 매우 크며, 이로 인한 환기가 부족하여 다량의 CO₂에 장기간 노출되는 특성을 갖고 있는 것으로 판단된다. 또한 전력구 외벽손상 등의 다양한 원인으로 인해 전력구 내부로 유출되는 지하수에 콘크리트 내구성에 영향을 미치는 성분이 다량 함유되어 있음을 의미하며 전력구 내구성 평가 시 고려되어야 할 인자로 특정할 수 있을 것으로 사료된다.

3.2.2 상태평가 조사

전력구 상태평가조사는 균열 및 결함조사, 콘크리트 압축강도 조사, 철근 배근상태 조사, 탄산화 깊이 측정을 수행하였다. 상태평가 조사 중 환경 영향도와 비교를 위해 탄산화 조사결과를 분석하였다. 전력구 내 CO₂ 농도가 상대적으로 높은 서울 소재 전력구의 현장 탄산화시험 방법 및 결과는 Fig. 2(d) 및 Table 2와 같다.

Table 2

Carbonation Test Results of Field (Ogin Electric Power Utility Tunnel)

해당 전력구(Ogin)를 CO₂의 상대적 농도를 기준으로 Fig. 4와 같이 A~D구간으로 구역설정하였으며, 저농도 구역(CO₂ 농도 499~600 ppm, A, B구간), 중농도 구역(CO₂ 농도 1,000~1,500 ppm, C구간), 고농도 구역(CO₂ 농도 1,500~2,357 ppm, D구간)으로 구분하여 현장 조사를 수행하였다. 해당 전력구는 출입구부터 종점까지 약 1 km 길이의 전력구로서 타 전력구에 비해 길이가 짧으며 분기점이 없어 종점은 막다른 형태의 전력구이다. 이로 인한 공기 순환이 상대적으로 취약하며 종점 구역(C, D구간)으로 갈수록 CO₂ 농도가 매우 높게 형성되어 있음을 확인하였다. 이를 토대로 구간별 탄산화 깊이를 측정하여 CO₂ 노출에 따른 콘크리트 탄산화 영향도를 비교하였다.

Fig. 4

Carbon Dioxide Concentration

CO₂ 농도가 낮은 A, B구역은 출입구로부터 약 650 mm 구간이며 평균 CO₂ 농도는 약 550 ppm으로 타나났다. Table 2와 같이 A구간의 평균 탄산화 깊이는 40.6 mm로 평균 피복두께를(37 mm) 상회하는 완전 탄산화가 진행되었다. B구역의 경우 평균 탄산화 깊이는 16.9 mm로 비교적 양호한 것으로 측정되었다. 또한 CO₂ 농도가 상대적으로 높은 두 구간인 C와 D구간은 탄산화 촉진 현상이 두드러지지 않았다(C구간 평균 탄산화 깊이: 3.34 mm, 피복 두께: 45 mm, D구간 탄산화 깊이: 20.15 mm, 피복 두께: 47.75 mm).

4. 현장 조사 결과 분석

대상 전력구 탄산화 깊이 및 온습도 측정 결과를 Fig. 5에 나타내었다. 측정 결과 CO₂ 농도와 탄산화 깊이와의 상관관계를 명확히 확인할 수 없었다. 옥인 전력구의 경우 91번 구간에서 탄산화 깊이가 가장 높게 측정되었으나, 해당 구간에서 CO₂ 농도는 약 500 ppm으로 가장 낮게 측정되었다. 또한 450번 구간에서도 CO₂ 농도는 낮으나 탄산화 깊이는 높게 측정되었으며, CO₂ 농도가 가장 높았던 570번 구간의 경우 탄산화 깊이가 가장 낮게 측정되었다.

Fig. 5

Influence of Relative Humidity and Temperature on the Carbonation

이는 고습도 환경에 노출될 경우 콘크리트 내부 세공용액의 증가로 CO₂ 확산이 저하되며 탄산화 진행이 느려지게 되기 때문으로 판단된다(Yusuke and Ichiro, 2016). 옥인 전력구의 570번 구간의 경우 장마철과 관계없이 항상 90%RH 정도의 고습도 환경에 노출되어 있는 것을 확인할 수 있었으며 이로 인해 탄산화가 느리게 진행된 것으로 판단된다. 반면에 450번 구간의 경우 장마철이 시작되기 이전에는 약 60~70 %RH의 중습도 환경에 노출되어 있으며, 일반적으로 콘크리트는 50~70%RH에서 가장 탄산화 진행이 빠르게 이루어진다고 알려져 있다(Xu et al., 2022). 이로 인해 91번과 450번 구간의 콘크리트에서는 CO₂ 농도는 낮지만 중습도 환경으로 인해 콘크리트 내부로 CO₂의 확산과 반응이 빠르게 이루어져 탄산화 깊이가 높게 나타난 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 전력구 특성이 반영된 종합성능평가 체계 구축을 위하여 전력구 현장 조사를 중심으로 전력구 내구성 영향요인을 도출하고 분석하였다. 다만, 종합성능평가체계 개발을 위하여 이산화탄소, 습도 등 다양한 전력구 환경 조건에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다. 본 연구를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.

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