1. 서 론

최근 도심지의 지하 공간 개발 가속화로 인해 인구 밀집 지역의 지하 터널 건설 수요가 증가하고 있다. 특히 지하 기반 시설이 이미 갖추어진 난공사 지역에서의 터널 굴착 시공은 매우 어려운 도전과제를 안고 있으며 적절한 지반 보강 공법을 통해 굴착 공사를 원활하게 수행하는 것이 매우 중요하다(Tacim et al., 2023; Li et al., 2016; Naithani et al., 2022; Zhou et al., 2023). 연약지반에 적용할 수 있는 다양한 지반보강공법들이 존재하지만, 이 중 인공지반동결(artificial ground freezing) 공법은 지반의 강성을 높이고, 지하수를 차단하며, 시공 과정 전반에 걸쳐 구조물을 안정화하는 강력하고 효과적인 지반보강 공법으로서 주목받고 있으며(Andersland and Ladanyi, 2004; Shin el al., 2018), 최근 들어 선진국을 중심으로 활발히 적용되고 있다(Jin et al., 2020; Cicchetti, 2018; Go and Le, 2025)(Fig. 1 참조).

Fig. 1

Case of application of artificial freezing method at Northern Boulevard’s tunnel construction in New York State (Schmall and Dawson, 2017)

하지만 국내의 경우, 인공동결공법의 적용 사례가 극히 드물며, 효율적이고 경제적인 공법적용을 위한 체계적인 설계 기술의 확립이 시급한 실정이다. 특히, 지하수 유동이 활발한 하저(또는 해저)지반의 경우, 인공동결 적용 시 동결구근의 연결, 동결 벽체의 두께 및 형성 속도 등이 지하수 흐름에 의해 상당히 큰 영향을 받게 된다(Schmall and Dawson, 2017; Huang et al., 2018; Lao et al., 2017; Li et al., 2019). 기존에 지하수 흐름 영향을 고려한 실내 인공동결실험을 수행한 연구들이 보고된 바 있고, 지반의 현실적인 지하수 흐름을 모사할 수 있는 실험적 방법론에 대해 제시하였다(Jin et al., 2020; Jin et al., 2021). 이들 연구는 육안 관찰 또는 열화상 카메라를 활용하여 벽체 형성 양상을 평가하였으나, 육안 관찰이 가능한 제한된 단면에서만 동결 거동을 확인할 뿐 토조 내부에서 형성되는 동결벽체의 발달 과정을 정밀하게 파악하는 데에는 한계가 있었다. 따라서 지반 내부에서의 동결벽체 발달 메커니즘을 체계적으로 규명하고, 벽체 형성 과정을 효과적으로 파악하기 위해서는 기존 관측기법의 한계를 보완할 수 있는 새로운 접근이 필요하다.

이에 본 연구에서는 지하수 흐름 조건에서의 인공동결시스템의 동결거동을 모사할 수 있는 실내모형토조시스템을 자체 제작하였고, 다수의 온도센서(thermocouple)와 데이터로거를 통해 토조 내 지반온도를 실시간으로 모니터링 하였다. 또한, Python 기반의 후처리 기법을 새롭게 제안하여 육안 관찰이 어려운 지반 내부의 동결 벽체 형성 과정을 시각화하였다. 특히, 지하수 흐름이 일정 수준 이상으로 빠른 경우에는 장기간 인공동결시스템을 가동하더라도 인접한 동결구근 간의 연결이 이루어지지 않는 ‘윈도우’ 현상이 발생하는데, 이를 유발하는 임계 지하수 유속을 다수의 동결실험을 통해 제시하였다.

2. 실내 실험

본 연구에서는 빠른 지하수 흐름 조건에서의 지반 인공동결 거동을 규명하기 위해실내 동결토조시스템을 자체 제작하였다. 동결토조시스템은 Fig. 2와 같이 유량 제어 장치, 항온수조, 칠러냉동기, 고성능 모니터링 장비 등으로 구성되어 있으며, 내부에는 총 19개의 온도센서를 설치하여 동결 과정에서 시간별, 공간별 온도 변화를 모니터링 할 수 있도록 설계하였다. 또한, 모형 토조 규격은 가로(0.205m), 세로(0.600m), 높이(0.290m)의 직육면체 형태로 제작되었으며, 흙 시료는 주문진 표준사가 사용되었다. 토조 규격 내 안정적인 온도구배를 구현하기 위해 동결 실험 전 토조지반을 약 4℃로 조성하였다. 또한, 토조 하부에서 4℃로 항온 처리된 일정 유량의 지하수가 토조 상부쪽으로 주입되도록 설계하였다. 실제 지반에서는 지하수가 무한한 수평 영역을 지나며 지반 온도와 열평형 상태를 이룬 채로 대상 영역으로 유입되는데, 이러한 조건을 모형 실험에서 구현하고자 유량 주입 전에 항온 수조에서 초기 온도를 맞추는 과정이 요구된다. 이후, 초기 지하수 유속 조건을 달리하여 동결 실험을 수행하였으며, 각 지하수 흐름 조건에서의 동결벽체 형성과 온도 분포 특성을 비교하였다. 이를 위해, 토조와 별도로 연결된 보조수조(Fig. 2 참고)의 수위차(head difference)를 조절하여 동수경사를 변화시켰고, 이 과정에서 주입부와 배출부의 수위 차이를 정밀하게 제어하여 원하는 유속을 형성하였으며, 각 조건에 따른 수리학적 매개변수는 Table 1에 정리하였다.

Fig. 2

Indoor soil chamber for artificial freezing experiments (a) schematic diagram of soil freezing system (b) photograph of experimental setup

인공동결공법 시공 효율을 모니터링하기 위해서는 동결구근 접합시점(closure time) 및 동결 벽체 도달 시간(required time for icewall)을 정밀하게 예측하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이 동결구근 접합 지점 및 동결 벽체 예상 도달 지점에 온도센서를 다수 설치하였고, 데이터 로거(data Logger)를 통해 내부 온도를 실시간으로 계측하였다.

Fig. 3

Temperature sensors installed in the indoor soil freezing chamber

3. 결과 및 고찰

3.1 지하수 유속 조건 별 인공동결 토조실험

구축된 장비를 활용하여 다양한 초기 지하수 유속 조건 별 동결실험을 수행하였고, 각 실험 조건 별로 지반 내 온도 분포 및 동결벽체 양상을 비교하였다. Fig. 4는 실험종료시점(약 21시간)에서의 동결벽체형성 양상을 지하수 흐름이 있을 경우와 없을 경우로 비교한 결과이다. 지하수 흐름이 존재하는 조건에서는 지하수 이류에 의해 방사형의 동결구근 확장에 제한을 받으면서 지하수 흐름과 직교하는 방향으로 동결벽체가 상대적으로 얇게 형성되는 것이 관찰되었다. 이러한 현상은 지하수 유동이 동결 영역의 형성 속도와 벽체의 연속성에 직접적인 영향을 미친다는 것을 의미하며, 따라서 인공동결공법 적용 시 초기 지하수 유속의 크기 및 유동 방향을 정밀하게 고려한 설계가 필수적임을 시사한다.

Fig. 4

Comparison results of soil freezing under different seepage flow conditions: (a) Without seepage flow, (b) With seepage flow, (c) comparison of frozen wall section

한편, 본 실험에서는 토조 하부에서 상부로 유량이 주입되기 때문에 Fig. 3의 T8 지점이 지하수 흐름 영향에 가장 취약한 위치이며, 따라서 이 지점에서의 지반온도를 면밀히 계측하였다. Fig. 5는 T8 지점에서의 지반 온도 변화를 초기 지하수 유속 조건별로 비교해서 나타낸 결과이다. 초기 지하수 유속이 빠를수록 토조에서의 지반동결이 느려지는 경향을 관찰하였다.

Fig. 5

Soil temperature change curve at point T8 according to groundwater flow conditions

또한, 선행연구에서는 인접한 동결관으로부터 발달된 동결구근이 서로 만나 지반의 투수계수가 닫히게 되면 이 시점을 동결구근 접합시점(closure time)으로 정의하고 있다(Konrad, 1999; Yamamoto and Springman, 2014). 본 실험의 경우, 지하수 유동이 존재하지 않는 조건에서는 T8 지점에서 동결구근들이 빠르게 서로 접합한 것으로 나타났다. 반면, 지하수 유동이 존재하는 조건에서는 동결구근 접합시점에 도달하기 위해 상대적으로 더 많은 냉각시간이 요구되었다. 또한, 초기 지하수 유속이 2.2m/day인 조건에서는 T8 지점에서 동결구근이 접합한 것으로 나타났지만, 매우 빠른 지하수 유속 조건인 10m/day인 경우에서는 동결구근들이 서로 연결되지 않고 그 사이로 유량이 벽체 내부로 유입되는 현상이 발생하였다. 이러한 결과는 ‘윈도우’를 유발하는 임계 유속이 2.2m/day와 10m/day 사이에 존재함을 시사한다. 향후 인공동결공법이 적용된 현장의 취약 지점 별로 지반 온도를 정밀하게 모니터링한다면 동결벽체 인근의 ‘윈도우’ 발생 여부를 확인할 수 있음과 동시에 해당지반의 동결공법의 적용성 여부를 평가할 수 있을 것으로 사료된다.

3.2 데이터 시각화

실험종료 시점에서는 얼지 않는 토사를 털어내어 동결벽체양상을 확인할 수 있지만 실험 도중에는 이러한 방법이 불가능하며, 아크릴이 설치된 토조실험이 아닌 실제 현장에서는 지반 내 동결벽체양상을 시각적으로 확인하는 방법이 전무하다. 따라서, 본 연구에서는 센서로부터 계측된 지반 온도 데이터를 Python 기반의 후처리를 통해 시각화하는 기술을 확립하였다. 각 센서로부터 측정된 원시 데이터를 기반으로 센서 간 미측정 영역에 대해 보간(interpolation)한 후, 보간된 온도분포를 바탕으로 등온선(contour)를 생성하여 평면적 온도장을 시각화하였고 이를 Fig. 6과 같이 나타내었다. Fig. 6의 (a), (b), (c), (d)는 Table 1에 제시된 초기 지하수 유속 조건 별 동결벽체형성 양상을 나타낸다. Fig. 6의 시각화 결과는 Fig. 5에 도시된 T8 지점에서의 시간별 온도변화와 비교하여 분석할 수 있으며, 초기 지하수 유속이 빠를수록 동결벽체 형성이 지연되고 불완전해지는 양상과 ‘윈도우’ 발생 여부를 가시적으로 확인할 수 있었다. 본 연구에서 제안한 후처리 시각화 기법은 직접 관찰이 어려운 지반 내부의 동결 벽체 형성 과정을 온도 데이터 시각화를 통해 가시적으로 확인할 수 있다는 장점이 있으며, 향후 인공동결공법의 시공성 평가와 안정성 확보에 효과적으로 활용될 수 있음을 시사한다.

Fig. 6

Planar temperature field visualization results based on interpolated temperature distribution. (a) V_i = 0 m/day, (b) V_i = 1.1 m/day, (c) V_i = 2.2 m/day, (d) V_i = 10 m/day

4. 결 론

본 연구에서는 지하수 흐름 조건에서의 지반의 동결거동을 모의 평가하고자 실내모형토조시스템을 자체 제작·구축하였고, 다수의 온도센서(thermocouple)와 데이터로거를 통해 토조 내부 온도를 실시간으로 모니터링하였다. 또한, 확보된 원시 온도 데이터를 평면적 온도장으로 시각화함으로써 동결 벽체 형성 양상을 신뢰성 있게 분석하였다. 본 연구의 주요 결론은 다음과 같다.

(1) 지하수 흐름이 존재하는 경우, 지하수 이류에 의해 방사형의 동결구근 확장에 제한을 받으면서 지하수 흐름의 수직 방향으로 동결벽체가 상대적으로 얇게 형성되는 것이 관찰되었고, 지하수 흐름이 동결벽체의 형성 속도 및 동결구근 연결에 상당한 영향을 미쳤다.

(2) 초기 지하수 유속이 2.2m/day인 조건에서는 동결구근이 접합하였지만, 10m/day 정도 되는 비교적 빠른 유동 조건에서는 인접한 동결구근이 서로 연결되지 못하고 동결 영역 내부로 지하수가 지속적으로 유입되는 현상이 관찰되었다. 이는 ‘윈도우’를 유발하는 임계유속이 2.2m/day와 10m/day 사이에 존재함을 시사한다.

(3) 본 연구에서 제안된 Python 기반의 후처리 기법을 통해 직접 관찰이 어려운 토조지반 내부의 동결 벽체 형성 과정을 온도 데이터 시각화를 통해 간접적으로 확인하였다. 해당 방법론이 실규모 조건에서도 동일하게 재현될 수 있는지를 후속연구를 통해 검증하게 된다면 향후 인공동결공법의 시공성 평가와 효율성 확보에 이 기법이 적극 활용될 수 있을 것으로 사료된다.