1. 서 론
2. 연구방법
3. 지질환경 정보
3.1 고지형
3.2 지하수위
3.3 지질 및 시추정보
3.4 지표면 기복
3.5 GPR 탐사
4. 중력장 해석
4.1 완전부게이상 및 잔류중력이상
4.2 순산 방식의 밀도 모델링
5. 토 의
6. 결 론
1. 서 론
지반을 구성하는 매질의 유실과 이동으로 발생하는 공동현상은 도로 및 인도의 지반침하로 이어져 국민의 안전과 생명, 물적 피해를 동시에 발생시키며 사회적 재난의 한 형태로 인식되고 있다. 빈번하게 발생하는 지반침하는 도시의 지하공간 개발과 기반시설 노후화 등의 인위적 요인과 연약지반, 지하수위 변화와 불균질한 분포 특성을 가진 저밀도층 등의 자연적 요인으로 발생하며 인명 및 재산 피해로 이어져 사회적 문제로 부각되고 있다(Chae, 2017; Choi et al., 2021; 2023; Ham, 2019). 특히, 대규모 인공구조물이 집중된 도심지역과 산업단지는 매설관로의 파손 및 굴착에 의한 지반의 이완으로 인해 싱크홀 발생 가능성이 증가하고 있고 지반침하로 인한 피해는 단순한 지표 변형을 넘어 교통 기능 저하, 상수도 및 통신 인프라 손상, 심지어는 인명 피해까지 초래할 수 있으므로, 이에 대한 사전 조기 진단 및 대응 체계 구축이 필수적이다.
대도시의 주요 지하매설물 중 평균 1.1-1.2m 심도에 위치하는 상하수도 관로시설은 지하공간에서 차지하는 비율이 크고 특히 도로 하부에 90% 이상 매설되어 있으므로 사용도로의 상재 하중과 사용 빈도에 따라 도로 함몰 사고가 잦으며, 노후 상하수도 관로의 구조적 결함과 매설지역의 지질 특성, 강수량과 매설 환경, 관로의 부실시공, 매설 경과 년수에 따른 내구성 저하 등 다양한 원인으로 하수관로의 붕괴 사고가 발생되고 있다. 이러한 상황에서, 지층 구조의 불균질성과 지하 매질의 특성을 신속하고 비파괴적으로 평가할 수 있는 지질조사 방법의 중요성이 점점 강조되고 있다. 지질조사는 지반침하와 땅꺼짐의 원인이 되는 지하 환경을 파악하기 위한 필수 과정이며 특히, 지표 하부의 층서구조, 기반암 심도, 매립지 여부, 공동 및 파쇄대 존재 여부 등을 확인함으로써 지반의 안정성을 종합적으로 평가할 수 있다. 그러나 전통적인 시추조사는 공간적 연속성과 해상도가 제한되며 이를 보완하기 위한 지구물리탐사의 필요성이 대두되고 있다. 또한 정확한 지질조사는 침하 원인 규명뿐만 아니라 향후 시설물 건설 및 유지관리 전략 수립에도 필수적이다.
재난을 예방하기 위한 방안으로 지하안전관리에 관한 특별법이 2016년 개정되어, 2018년 1월 1일부터 시행되었고 안전관리항목으로 계측관리와 지하탐사 항목으로 지하투과레이더(GPR; Ground Penetration Radar, 이하 GPR)탐사 방법 등이 명시되었다(MOLIT, 2022). 지구물리탐사는 지표를 파괴하지 않고 넓은 범위를 신속하게 조사할 수 있는 장점이 있으며, 특히 GPR 탐사는 고주파수 대역의 전자파를 이용하여 지하 구조물, 공극, 매립층 등을 영상화할 수 있어 지반침하를 선제적으로 진단하는데 효과적이다(Kim, 2023). 그러나 GPR 탐사는 최근까지도 분석가의 경험에 의해 공동의 의심·추정·판단 및 그 결과를 도출하는 것이 대부분이며 많은 시간이 소요되고, 수 m 이상의 지층은 깊이에 비례하여 분해능이 감소하므로 탐지의 오류가 발생하기 쉽다(Hou et al., 2021).
지반을 구성하는 물질 중 흙은 압축성으로 외력에 의해 질량, 밀도, 부피 등의 상태가 변화되며 노후관로 주변의 토사가 유실되면 일정 부피에 질량이 감소하고 이에 비례하여 밀도가 감소한다. 이러한 관점에서 매질의 밀도 변화를 파악할 수 있는 중력장 해석은 지하 공동이나 연약지반 분포를 파악하는 데 유리하다(Chae, 2017).
경상남도 진주시 상평일반산업단지(이하 상평산단)를 남북 방향으로 종단하는 대신로는 지중 매설된 노후폐관로가 원인으로 추정되는 지반침하가 반복적으로 발생하였다(Table 1). 지표면의 변형은 하수관로가 매설된 상행(남→북) 차선을 따라 2018년 7월 지반침하가 발생하였고 2024년 5월 14일까지 4회에 걸쳐 반복되었다. 침하가 발생한 도로의 지반 상태를 진단하기 위한 목적으로 지표면 평탄성과 GPR 탐사, 그리고 중력장 해석을 실시하였다. 지구물리탐사를 통한 정밀 지층 분석은 도시 안전성 강화와 지반침하 사고 예방에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대된다.
Table 1.
Ground subsidence history along Daesin Road in the Sangpyeong industrial complex
상평산단 일원은 백악기 분지에 해당하는 경상분지의 남서부에 위치하며 중생대 경상계의 퇴적암류와 후기에 이를 관입한 화강섬록암, 염기성 암맥 및 산성 암맥으로 구성되어 있으며, 대신로는 신동층군의 진주층과 하양층군의 칠곡층 기반의 범람원으로 구성된 충적층이 피복하고 있다(Fig. 1).
Fig. 1
Location and geological map of study area. (a) Study area, located in the south-western part of the Gyeongsang Basin. (b) Geological map of the study area around Daesin Road (Choi and Yoo, 1969; Kim et al., 1969) shows geological formations and groundwater observation wells (GN-HIN-G1-0057 and GN-HIN-G1-0026)
2. 연구방법
상평산단 대신로 일대 상습 지반침하 구간의 지표면 특성과 불균질 지층 분포를 파악하기 위한 조사법으로 지질환경정보 분석과 중력장 해석을 포함한 지구물리탐사를 수행하였다(Fig. 2). 지질환경정보는 민간 및 공공기관의 DB로부터 조사지역에 해당하는 자료를 수집하여, 지반의 취약성 평가에 활용할 수 있도록 구축되었다. 최종적으로, 상평산단 일원의 지질환경정보와 중력장 해석을 포함한 복합 지구물리탐사를 수행하여 침하의 원인을 규명하고 부등침하 예상범위를 도출하였다.
Fig. 2
Integrated workflow for ground subsidence risk assessment using geophysical and geological methods (This flowchart presents the assessment procedure applied to Daesin Road and the Sangpyeong Industrial Complex. Geological, topographic, and hydrological data are first collected, followed by GPR and gravity surveys to identify subsurface anomalies. Gravity anomaly data are then incorporated into 3D density modeling using IGMAS+, enabling the detection of low-density zone (LDZ) and the prediction of potential collapse areas for preventive planning.)
연구에 적용한 중력장 해석은 시추 및 지표 관찰에서 확인하기 어려운 지층 구조를 파악하기 위해 수행되었다. 또한 지질환경정보를 반영한 3차원 밀도모델링 기법을 도입함으로써 상평산단 대신로 구간뿐만 아니라, 향후 유사한 지반 특성을 가진 타 지역(예: 하천 범람지 매립지역, 산업단지)에도 지반 안정성 관리 및 모니터링 체계 수립을 위한 모델 사례(Model Case)로 활용될 수 있는 확장성을 지닌다.
3. 지질환경 정보
3.1 고지형
국토지리정보원(구 국립지리원)에서 발간한 1963년, 1974년, 1999년, 2024년 1/5만 지형도를 Global Mapper 프로그램을 이용하여 GRS80 좌표계로 정사보정 후 지형 변화를 관찰하였다. 고지형도 분석에서 대신로 일원은 과거 남강(Fig. 3의 NR)의 범람원에 해당하며 상평산업단지의 단계적인 개발에 따라 남서-북동 방향으로 산업단지를 횡단하는 고하천(터질목, Fig. 3의 ①)이 매립되고 기초적인 인프라 설치와 토지 정리 등이 이루어졌다.
Fig. 3
Temporal Topographic Changes and Floodplain Development along Daesin Road Based on Historical 1:50,000 Maps (1963-2024) (This figure presents the spatial evolution of the Sangpyeong Industrial Complex area derived from 1:50,000 topographic maps issued by NGII and orthorectified in GRS80 using Global Mapper. It highlights the transition of the Daesin Road area from a natural floodplain of the Nam River to an urbanized zone with buried paleo-channels and restructured surface drainage.)
터질목의 매립은 지표수 및 지하수 흐름의 변화를 수반하여 이는 미고결 지층에서 지반의 불안정성이 증가하는 요인이 될 수 있다. 대신로의 평균 경사는 3°미만의 평탄한 지형으로 침하 발생부 일원은 지표수가 수렴하는 영역에 해당한다.
3.2 지하수위
지하수위 변화는 지반침하의 원인이 되기도 하며, 역으로 침하 현상이 지하수위와 수질에 영향을 미칠 수 있다. 산업단지 일원은 남강 하류에 속하며 조석의 영향이 미치는 지역으로 지하수위는 강수 이외에도 조석의 영향을 받아 변동할 수 있다. Fig. 4는 침하 시점을 기준으로 강수량과 지하수위 변화를 나타내고 있다. 강수 자료는 최근접지역에 위치한 진주 ASOS(기상관측소)와 대곡 AWS(자동기상관측소) 자료를 수집하였고 2개의 관측정(GN-HIN-G1-0057, GN-HIN-G1-0026, Fig. 1 참조) 중에서 GN-HIN-G1-0057이 대신로와 200m 거리에 위치하고 있다. 관측 자료에서 강우량이 증가하면 지하수위가 즉시 상승하는 것을 확인할 수 있으며, 3차 침하(2023.09.17) 직전에는 72시간 누적 강우량이 130mm를 초과하였다. 지하수위 변화에서 대신로와 가까운 GN-HIN-G1-0057 관측망에서는 침하 발생 직후 급격한 지하수위 강하가 동반되었으며, GN-HIN-G1-0026에서는 지하수위 변동이 완만하며 침하 시점에서도 큰 변동이 관찰되지 않는다. 이는 관측망의 설치 위치와 지질특성, 강수 영향 범위 차이 등에 기인한 것으로 해석할 수 있다.
3.3 지질 및 시추정보
연구에서 지질도 및 시추조사를 통해 조사 대상지의 지질학적 특성과 지하구조를 분석하고, 이를 기반으로 3차원 밀도 수치해석(IGMAS+)의 초기 모델(Initial model) 구축에 활용하였다.
한국지질도 1:50,000 진주·사천 도폭(Choi and Yoo, 1969; Kim et al., 1969)에 따르면, 연구 지역은 백악기 신동층군 진주층 및 칠곡층의 쇄설성 퇴적암으로 구성되며 퇴적층은 실트질 점토와 모래층이 교호하는 불균질 구조를 가진다(Fig. 1).
시추자료를 활용한 RockWorks 3D 층서 모델링을 통해 지층단면도를 제작하였고 매립층 두께는 평균 2.5~3.5m, 퇴적층 두께는 평균 4~8m로 확인된다. 특히 침하 발생구간 하부에서는, 토질이 느슨하고 높은 간극률을 가진 점토질 퇴적층이 연속적으로 분포한다. 모델링을 통해 제작한 지층단면도는 밀도 수치해석의 초기 모형으로 활용하였다(Fig. 9 참조).
3.4 지표면 기복
드론을 이용한 사진측량 자료를 활용하여 1.0cm 격자 간격으로 수치 지형을 구축한 후 도로의 차선을 따라 고도 단면을 작성하였다. Fig. 5는 드론 영상과 남쪽(South)에서 북쪽(North) 방향으로 대신로 구간의 지표면 기복을 나타낸 것이다. 지표면 고도는 상·하행 차선의 2차로 및 3차로에 해당하며, 지표면의 거리에 따른 고도를 기준으로 표현하였다.
하행 차선은 비교적 고도 변화가 점이적인 반면 지반침하가 발생한 상행 차선은 전체적으로 더 불규칙한 고도 변화를 나타내며, 도로 노면의 불규칙한 요철의 빈도가 증가한다. 차선별로 뚜렷한 고도 차이를 보이지는 않지만 기복의 빈도와 규모는 상이하며 이는 포장층 변형의 징후로 해석될 수 있다.
3.5 GPR 탐사
도로 하부 지반 상태를 확인하기 위해 침하가 발생한 상행 2개 차선에 대해 700MHz 안테나를 이용하여 GPR 탐사를 수행하였다. Fig. 6의 지층반사 양상에서 침하가 발생한 지역 주변에서 반사층의 끊김(Discontinuity) 및 굴곡(Deformation)이 명확히 관찰되며 일부 구간에서는 반사신호가 약화(Attenuation)되고, 다중 반사(Multiple reflections) 형태가 나타난다. 이러한 특징은 지층의 함수량 증가에 의한 전자파 감쇠를 반영하는 신호로 해석되며(Daniels, 2004), 지반침하의 전조 현상으로 알려진 특징과 유사하다(Gutiérrez et al., 2014).
4. 중력장 해석
4.1 완전부게이상 및 잔류중력이상
얕은 깊이의 지층구조를 파악하기 위해서는 좁은 측점 간격의 정밀 중력측정이 필요하다. 이를 만족하기 위해 CG-5(Scintrex, Canada) 상대 중력계를 이용하여 대신로 상행 차선의 186개 지점에서 중력 측정점을 추가하였고 측선은 남북 방향 도로를 따라 배열하였다(Fig. 7 참조).
중력이상의 계산에서 지리적 기준은 GRS-1980계를 적용하였으며, 조석보정을 위한 기조력의 계산은 Tamura(1982)가 제시한 방식을 이용하였다. 중력 측점의 위치는 R4S(Trimble, USA) GNSS 수신기를 이용하여 기록하였다. 위치 정보는 고도이상(Free-Air anomaly) 및 단순부게이상(Simple Bouguer anomaly)의 계산에 사용하였고 단순부게이상 계산에 적용한 지각의 평균 밀도는 2.67g/cm3이다. 지형에 의한 중력효과(Terrain effect)를 계산하기 위해서 NGII의 육상 지형자료를 기반으로 제작된 250m 해상도의 100km×100km 범위의 지형자료를 이용하였으며 지형에 의한 중력 효과는 최소 0.16mGal에서 최대 0.23mGal의 범위를 가진다. 연구진이 제작한 GR3 지형보정 프로그램을 이용하여 단순부게이상에서 지형에 의한 중력효과를 제거하여 완전부게이상(Complete Bouguer anomaly) 값을 계산하였으며, 보정과정을 거친 연구지역의 완전부게이상의 분포는 Fig. 7의 (a)와 같다.
완전부게이상 분포(Fig. 7의 a)에서 -0.10mGal 내외의 저중력이상대는 4개 영역(Fig. 7a의 ①, ②, ③, ④)에서 관찰된다. 이는 지층 밀도가 뚜렷하게 구분되는 지층이 불연속으로 분포하는 것을 의미하며, 일부는 저밀도 지층 내지 공극의 가능성을 시사한다(Hinze et al., 2013). 잔류중력(Residual gravity)은 완전부게이상에서 깊은 심도의 기반암 효과를 제거하여, 국지적인 천부지층의 밀도 변화나 지하구조 이상(anomaly)을 강조하는 방법으로 이용된다(Hinze et al., 2013; Blakely, 1996; Choi et al., 2021; 2022; 2023). 연구에서는 고속푸리에변환(Fast Fourier Transform, FFT) filtering 방식을 이용하여 30m 이상 깊이의 광역적인 층서 변화와 기반암 기복에 의한 중력 효과를 제거하였다. 이렇게 계산된 잔류중력이상은 지층의 두께와 밀도 차이를 반영하며 지표면과 가까운 밀도 분포에 기인한 영향을 계산한 결과를 나타낸다.
잔류중력 분포에서 4개 영역(Zone A, Zone B, Zone C, Zone D)에서 -0.1 mGal 수준의 저중력이상대가 고립된 분포를 보인다(Fig. 7b). 이러한 결과는 지하 매질 내부에 상대적으로 저밀도층(LDZ, Low Density Zone)이 분포하는 것을 지시한다(Fig. 7의 b, c). 2018년 이후 지반침하가 발생한 부분(Fig. 7b의 파선으로 표시한 원)은 복구 후 주변과 유사한 중력값을 보인다.
Fig. 7
Gravity anomaly analysis results along Daesin Road. (a) Complete Bouguer anomaly (CBA) map corrected for terrain effects, indicating four localized low-gravity zones (①–④), suggestive of subsurface discontinuities or low-density materials. (b) Vertically exaggerated (×5) residual gravity section showing near-surface density variations along Daesin Road. Zones A–D exhibit isolated low-gravity anomalies potentially corresponding to low-density zones (LDZs); locations of subsidence are marked by dashed circles. (c) Plan view map of residual gravity anomalies with spatial distribution of Zones (-) identified as low-density anomaly zones
저중력이상대는 지하 매질의 평균 밀도가 주변 대비 현저하게 낮은 것을 의미한다. 일반적으로 지하수 흐름이 활발하면 소규모 공동이 형성되기 쉽고 토사의 유실과 공극이 확장된다. 이러한 과정의 상태변화는 중력의 국지적인 감소로 관찰되며 이를 통해 저밀도층을 확인할 수 있다. 토사유실이 더 진행되면 상부 지반이 붕괴되고 최종적으로 지표면 함몰과 싱크홀이 형성되는 메커니즘으로 연결된다(Gutiérrez et al., 2014). 따라서 중력장 해석을 통해 관찰되는 저중력이상대는 대신로의 하부 지반에 저밀도층이 존재할 가능성을 강력히 시사한다.
Fig. 8은 대신로 상행선의 차선별 완전부게이상(Complete Bouguer anomaly)과 잔류중력이상(Residual gravity anomaly)을 나타낸 것이다. 완전부게이상은 -0.1mGal에서 0.1mGal 범위로 약 0.2mGal의 변화를 보이며, 주변 지역과 비교해 중력이 낮은 구간이 여러 곳에서 관찰된다. 특히 100m, 230m, 290m, 340m 지점에서 중력 저하 현상이 뚜렷하게 나타나고, 차선별로 중력값의 차이가 크게 변동하는 경향이 확인된다(Fig. 8의 a).
기반암에 의한 중력 효과를 제거한 잔류중력이상에서는 특히 290m 부근의 2차선에서 뚜렷한 저중력 이상대가 관찰되며, 하부 퇴적층과 매립층에서 밀도 차이를 지시한다(Fig. 8의 b). 완전부게이상과 잔류중력이상 모두에서 공간적인 중력 저하 구간이 확인되며, 특히 잔류중력이상에서 확인되는 저중력 이상은 미고결 지층의 변화를 나타내는 것으로 침하 위험성이 높은 지역을 파악하는 데 중요한 지표가 될 수 있다.
4.2 순산 방식의 밀도 모델링
중력장 해석은 역산법 및 순산법의 두 가지 방식이 사용된다. 역산 방식은 측정된 중력값을 다양한 해석 수단을 이용하여 원인이 되는 지층의 지구물리적 성질(예, 밀도, 대자율)을 규명하는 것이다. 이와는 반대로 중력을 이용한 순산 방식 해석은 원인이 되는 지각 물성의 분포를 먼저 가정한 다음에 순산 방식의 알고리듬(예, Talwani et al., 1959; Götze and Lahmeyer, 1988)을 이용하여 지각 물성의 중력 효과를 계산하는 것이다. 이렇게 계산된 효과 값들을 실제로 측정된 중력값과 비교하여 계산된 효과 값들이 측정된 실제 값들과 만족할 정도로 근접했을 때 제시된 지각 모델을 해석한다. 순산 모델링 과정에서 가장 중요한 것은 초기에 주어져야 할 지각 모델의 정확성이므로 모델을 결정할 수 있는 가능한 한 많은 자료가 종합적으로 비교 분석되어야 한다(Choi et al., 2021; 2022; 2023).
3차원 중력장 및 자기장 순산 모델링 프로그램(IGMAS+)은 독일 베를린 자유대학과 독일 킬(Kiel) 대학의 중력측정 연구소 및 GFZ-Potsdam에서 공동으로 개발한 것으로 3D 지반정보와 객체 및 응답형 기능(interactive function)이 탑재되어 다양한 형태의 연구 결과들을 3차원적으로 비교 분석하여 주어진 지층 구조 모델을 발전시킬 수 있다. 순산 모델링은 다음과 같은 방식으로 진행한다. 먼저 주어진 입력자료(지질환경정보)를 IGMAS+ 순산 방식 알고리듬(예, Talwani et al., 1959; Götze and Lahmeyer, 1988)을 통해서 초기 모델을 완성한 후에 중력장 효과를 계산한다. 다음으로 초기 모델로부터 계산된 중력효과 값들을 측정된 중력장 값들과 비교하고 측정된 값과 계산된 값들이 차이가 나는 부분에 대해서는 입력 모델 중에서 지층의 깊이를 수정하거나 초기에 주어진 지층의 밀도 값을 변환하는 방식으로 초기 모델을 개선한다. 마지막으로 계산된 효과 값들이 측정된 값들과 근접한 범위 내(일반적으로 약 10%의 측정된 중력값 범위)에 도달할 때까지 반복적으로 수정하여 최종 모델을 완성한다.
IGMAS+ 프로그램을 이용한 3차원 밀도 모델링에서 대신로 하부 지반은 상부에서부터 포장층, 매립층, 퇴적층(실트·모래), 풍화토, 풍화암, 기반암으로 구분된다(Fig. 9). 순산모델링을 통해 지층별 밀도는 명확하게 구분되며, 기반암과 풍화암은 각각 2.60g/cm3과 2.30g/cm3으로 일정한 밀도를 보인다. 반면, 퇴적토는 점토가 우세한 상부층(평균 밀도, 1.9g/cm3)과 모래가 우세한 하부층(평균 밀도, 1.8g/cm3)으로 구분되며 측정한 중력과 밀도모형에서 계산된 이론적 중력이 근사한다. 지표로부터 약 4 ~ 5m 깊이에서 측방으로 불연속적인 저중력이상대가 관찰되며, 약 1.65-1.75g/cm3 범위의 밀도를 가지는 저밀도층(LDZ, Low Density Zone)에 해당한다. 차선별로 상행 2차선의 하부에서 저밀도층의 빈도가 증가하며 중앙선에 가까운 1차선에서 규모와 빈도가 감소한다.
하부 지반에 빈 공간이 있는 경우 밀도는 체적 손실(volume loss)에 따라 큰 규모로 감소하는 반면 대신로의 하부 지층에서 관찰되는 저밀도층은 주변보다 약 10% 정도 밀도가 낮으며 느슨한 상태로 추정된다. 밀도 모형에서 도출된 저밀도층의 수직적인 위치가 과거 지반침하 이력이 있는 노후 폐관로 직하부에 해당하고 저밀도층이 수평으로 불연속적으로 분포하는 점을 고려하면 관로의 누수 내지 지하수위의 변화 등에 의한 침하 우려가 있는 것으로 판단된다.
3차원 수치해석을 통해 도출된 밀도 모형은 층서구조와 수평적 밀도 변화를 파악할 수 있으며 침하 위험 범위를 식별하는 데 효과적이며 지반 안정성 평가 및 보강 설계 수립에 있어 중요한 기초 자료로 활용될 수 있다.
5. 토 의
경상남도 진주시 상평산단 대신로 일원에서 반복적으로 발생한 지반침하의 원인과 지층의 내적 상태를 파악하기 위해 지질환경정보, 수리지질, 그리고 중력장 해석 기반 3차원 밀도 모델링을 수행하였다. 도출된 결과에서 침하는 단일 원인이 아니라 지질적 특성, 수문 변화, 구조적 취약성 등 자연적 원인과 지중 관로 등의 인위적 요인이 복합적으로 작용한 결과로 해석된다.
고지형에서 관찰되는 상평산업단지는 남강의 범람원에 해당하며 미고결 점성토와 모래층이 교호하는 불균질 퇴적층이 분포한다. 하천 매립지의 특성상 수분이 집적되고 지표수 흐름이 정체되기 쉬운 취약 지형으로 지하수 흐름과 수분 함량의 변동성은 압밀과 강도 저하를 유발할 수 있는 잠재적 요인이 될 수 있다.
도로 함몰을 수반한 지반침하는 강우 동안 발생하였고 지반침하 후 급격한 지하수위 강하가 관찰되는 특성을 보인다. 특히, 2023년 9월 17일의 3차 침하가 발생하기 직전 72시간 누적 강우량이 130mm를 초과했고, 대신로에 인접한 GN-HIN-G1-0057 관측소에서는 지하수위가 급격히 하락하는 현상이 나타났다. 이는 강우 이후 지하수 유출과 간극수의 감소로 인한 지반의 강도 저하가 발생했을 것으로 예상된다. 지하구조를 파악하기 위해 실시한 GPR 탐사에서 침하 구간의 지층경계는 반사 신호의 감쇠가 관찰되며 이는 고함수 지층의 특징이다.
중력장 해석의 완전부게이상(CBA) 분포는 -0.1 ~ +0.1mGal 범위의 변화를 보이며, 국부적으로 고립된 저중력이상대가 관찰된다. 기반암 중력효과를 제거한 잔류중력(Residual gravity anomaly)은 퇴적토층의 밀도 차이를 반영하며 대신로 하부 지반의 국지적 저중력이상대로부터 저밀도층의 존재를 식별할 수 있다.
3차원 밀도 모델링(IGMAS+ 해석)에서 주변 지층에 비해 약 10% 정도 밀도가 낮은 고립된 형태의 저밀도층을 확인할 수 있다. 대신로의 저밀도층은 밀도가 다른 지층의 경계부에 집중되며 분포 심도는 폐관로의 직하부에 해당하며 지반침하의 인위적 요인이 된다.
중력장 해석과 밀도 모델링의 결과는, 전통적인 시추조사로는 한계가 있었던 공동 및 저밀도 이상대를 식별할 수 있었던 사례를 제시함으로써, 이는 본 연구의 중요한 성과 중 하나이며, 향후 도시지역의 지반침하와 싱크홀 위험 예측 및 사전 경보 시스템 구축에 있어 중요한 기술적 기초를 제공하는 지반조사 방법이 될 수 있다(Ford and Williams, 2007; Gutiérrez et al., 2014).
그러나 연구는 단기간 관측 데이터에 기반하고 있어 장기간에 걸친 지하수위 변동과 계절별 강우 패턴을 반영하지 못하는 한계가 분명하다. 또한 중력장 해석은 해상도가 측점 간격과 매질 복잡성에 따라 제한될 수 있고, 3차원 밀도 모델의 초기 모형이 제한적인 시추 정보에 의존하는 점은 불확실성을 내포하고 있어 다양한 지질환경정보를 통합한 해석은 보완이 필요한 부분이다(Hinze et al., 2013; Li and Oldenburg, 1998).
이러한 한계에도 불구하고, 이 연구는 매립지와 같이 지질 취약성이 높은 지역에 대해 선제적 지반 안정성 평가 및 침하 위험 예측에 있어 실질적이고 적용 가능한 분석 체계를 제시하며, 향후 장기 모니터링 데이터와 AI 기반 예측 모델을 연계하여 보다 정교한 침하 사전 경보 시스템 구축으로 발전시킬 수 있을 것으로 기대된다.
6. 결 론
이 연구는 반복적인 지반침하가 발생한 경상남도 진주시 상평산단 대신로를 대상으로 지반침하의 원인과 내적 상태를 파악하기 위해 지질환경정보와 중력장 해석 기반의 밀도 모델링을 적용하였다.
연구 결과를 종합하면, 대신로 침하는 하천 매립지 기반의 지질적 취약성, 집중호우에 수반된 지하수위의 급상승과 강하에 따른 지반 강도 저하, 밀도가 상이한 다층 구조의 퇴적토 경계 등 자연적 요인이 있다. 또한, 지층의 밀도 경계부에 매설된 폐관로와 불연속적으로 발달하는 저밀도층의 깊이가 유사한 점은 인위적 요인으로 해석된다.
중력장 해석과 3차원 밀도 모델링을 이용한 저밀도층의 분포와 위험 구간 도출은 공간적 해상도가 우수하며 지반침하, 싱크홀 등 불연속적인 밀도 분포에 원인이 있는 지층 붕괴를 예측하고 안정성을 평가하는 유효한 방법으로 판단된다.
이 연구는 지질-수문-지구물리 데이터의 다중 교차검증을 통해 대신로 지반침하를 유발한 지층의 특성을 규명하였으며 또한, 3차원 밀도 모델링을 통한 위험 구간 선별의 사례를 제시하여 도시형 지반침하 및 싱크홀 예방 및 관리 체계 구축에 기여할 것으로 기대된다.
