1. 서 론
2. 물리탐사개요
2.1 탄성파 굴절법 탐사(Seismic Refraction Survey)
2.2 전기비저항 탐사(Electrical Resistivity Survey)
3. 현장 시험
3.1 시추조사
3.2 탄성파 측정
3.3 전기비저항 측정
4. 실험결과 및 토의
4.1 시추조사
4.2 탄성파 측정 결과
4.3 전기비저항 측정 결과
5. 요약 및 결론
1. 서 론
최근 도심지 내 지하공간의 개발기술 및 운영은 지상공간의 건설부지 부족 현상에 대한 대안으로 사회적 관심을 받고 있다. 현대 사회의 사회기반시설로서 새롭게 거론되는 CO2 저장소 및 핵 폐기물 보관소의 건설은 지하공간 활용의 예시이며 지하공간의 효율적인 이용이 미래 사회 기반시설의 중요한 부분임을 보여준다(Yoo et al., 2014). 이러한 측면에서 도심지 지하화를 안전하게 진행하고 운영하기 위한 지하공간 설계, 시공 및 유지관리 기술 및 지속적 확장이 가능한 지하공간 모듈러 시공기술 등의 개발이 요구되고 있다. 안정적인 도심지 지하화를 위해서는, 시공 전 시추조사 또는 지표 물리탐사를 선 수행하여 원지반 지층 및 강성 구조를 파악해야 한다.
시추조사의 대표적인 시험방법인 표준관입시험은 지반의 특성을 정확하게 평가할 수 있다는 장점이 있지만, 장비특성 및 기술자의 숙련도에 따라 오차가 발생할 수 있으며 조사지역이 넓은 경우 비경제적이라는 단점이 있다. 반면에 지표 물리탐사는 광범위한 지역의 지반조사를 위해 경제적인 측면에서 효과적이지만 각 지층 간의 임피던스 차이(Impedance mismatch)가 작은 경우 신뢰성이 떨어진다는 단점이 있다(Park et al., 2013). 각 조사방법의 단점을 최소화하기 위해 일반적으로 시추조사와 지표 물리탐사를 병행하여 대상 지역의 1차원 또는 2차원 주상도를 획득한다(Sun et al., 2006). 이렇게 획득한 지반정보는 3차원으로 가시화하여 3차원 지하공간통합지도를 구축하기 위한 기본정보로서 사용되고 있다(Lee et al., 2017; Ji et al., 2021).
지반의 불균질성은 지반조사 결과의 신뢰성을 떨어뜨린다(Kim et al., 2011). 성공적인 도심지 지하화 프로젝트를 위해서는 시추조사와 지표 물리탐사를 병행한 신뢰성 높은 데이터 획득이 필수적이다. 기존에 수행된 선행연구들은 탄성파를 이용한 굴절법 탐사는 충적층 내 지하수위 파악에 효과적이라는 것을 입증하였으며, 제한적인 조사심도에서 높은 해상도와 정밀성이 필요한 경우, 탄성파 및 지하투과레이더(Ground Penetration Radar)를 이용한 복합적 물리탐사는 대상지반의 퇴적구조 파악에 매우 효과적인 것으로 나타났다(Kim et al., 2003; Kim et al., 2002; Park et al., 2013). 시추조사와 물리탐사를 병행한 기존연구들은 시추조사와 전기비저항탐사 결과를 통해 얻은 데이터의 연관성을 분석하였고, 전기비저항 측정에 최적화된 전극의 간격을 제안하였으며 표준관입시험을 통해 얻은 N값과 전기비저항의 선형적 관계를 제시하여 필댐의 안정성을 분석하였다(Oh and Sun, 2004; Yoo et al., 2005; Ham et al., 2013). 탄성파 및 전기비저항탐사를 이용하여 지반의 특성을 평가한 선행 연구들은 일반적으로 단일 지표 물리탐사 기법으로 추정한 지반 물성치와 시추결과를 통해 비교/분석을 진행하였다. 그러나 종합적인 물리탐사기법을 이용하여 획득한 결과를 복합적으로 해석 및 적용하므로 지반조사 접근방법으로서 미흡하다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 지하공간 활용 도시기반 복합플랜트 실증연구 사업의 일환으로 탄성파 및 전기비저항 탐사를 이용하여 심도에 따라 획득한 지반 물성치들을 분석하고, 시추조사를 통해 획득한 데이터와 비교하여 물리탐사 결과자료의 신뢰성을 검증하였다.
본 논문은 탄성파 및 전기비저항 탐사방법에 대한 간략한 소개를 시작으로 지하복합 플랜트 건설 후보지의 현장개요와 대상지반 현장 물리탐사 실험방법에 대하여 서술하였다. 비파괴 물리탐사로부터 얻은 결과를 이용하여 탄성파와 전기비저항 펜스 다이어그램을 도시화 하였고, 표준관입시험을 통해 획득한 시추결과와 상호 비교하여 후보부지 내 이상대의 가능성을 분석하였다. 마지막으로 본 연구는 지하복합 플랜트 후보부지에 대한 지반특성 파악 및 탐사방법들의 신뢰성을 평가하였다.
2. 물리탐사개요
본 연구에서는 탄성파와 전기비저항 탐사를 포함하는 물리탐사 기법을 활용하여 복합플랜트의 도심지 지하화를 위한 지반특성을 분석하였다. 이번 장에서는 지질이상대 및 지층분포 파악하기 위하여 수행된 각각의 탐사방법을 개략적으로 소개하였다.
2.1 탄성파 굴절법 탐사(Seismic Refraction Survey)
탄성파 굴절법 탐사는 인공적인 소스에 의해 발생되는 신호가 지하 매질을 전파하다 불연속 경계면에서 굴절 또는 반사되는 원리를 통해 수신기로 되돌아오는 신호를 분석하여 지하구조를 조사하는 방법이다. Fig. 1과 같이 지표에 여러 개의 수신기를 배열하고 지표 송신점에서 충격을 발생시키면, 각 수신기는 전달된 파형을 획득한다. 수신기에는 직접파(direct wave), 굴절면에서 반사되는 반사파(refraction wave) 그리고 굴절면을 따라 진행하는 임계 굴절파(critical refraction wave) 세 가지 형태의 파가 도달하며, 이때 수신된 기록을 하나의 트레이스로 나타낸다. 각 트레이스에서 초동(first arrival)시점을 판독하여 거리와 시간에 대한 전파시간 곡선(travel time curve)을 작성할 수 있다. 전파시간 곡선은 표토층으로 전해지는 직접파의 속도(V1)와 전파속도가 빠른 기반암을 따라 전파하다 지표로 되돌아오는 굴절파 속도(V2)의 역수를 기울기로 하는 직선으로 표현할 수 있다. 두 직선이 교차되는 지점을 교차 거리(χ0)라 하며, 각 층의 속도 V1, V2와 교차거리를 이용하여 지층의 속도와 두께를 계산할 수 있다(Lee, 2005).
지반공학 분야에서 탄성파 굴절법 탐사는 지층의 분포, 기타 불연속면 등에 대한 정보 등을 획득하기위해 사용되며, 2차원 및 3차원 영상자료를 획득하여 지반의 층상정보 분석한다. 기존의 2차원 탄성파 굴절법 탐사는 지표면의 측선 상에 송신점과 수진점을 배치하여 측선 하부의 속도구조를 나타내며, 심부로 갈수록 속도가 감소하는 지반에서는 적용할 수 없다는 한계점이 존재한다. 반면, 3차원 탄성파 굴절법 탐사는 2차원 탐사와 달리 송신점과 수신점이 대상 지반을 둘러싸도록 하는 배열법을 이용하기 때문에 적용성이 뛰어나며, 대상지반의 속도분포를 높은 정밀도로 파악할 수 있는 장점이 있다. 이러한 3차원 탄성파 굴절법 탐사는 지반구조가 복잡하여 정확한 지반해석이 어려운 경우에 층상정보를 효과적으로 획득할 수 있는 탐사방법이다.
2.2 전기비저항 탐사(Electrical Resistivity Survey)
전기비저항 탐사는 지반에 인공적으로 직류 전류 혹은 낮은 주파수의 교류 전류를 흘려보낸 후 발생되는 전위차로부터 지하의 불균질성 및 지하지반의 전기적 성질인 전기비저항 분포를 추정하는 방법이다(Kearey et al., 2002). Fig. 2와 같이 2개의 전류전극을 이용하여 지하에 전류를 주입하고 이때 발생되는 전위차를 2개의 전위전극에서 측정하여 지하의 전기비저항 분포를 영상화 할 수 있다. 전기비저항 탐사 대상인 지하매질은 불균질한 각종 물질로 구성되어 있으며, 암석과 흙의 종류, 공극수의 전도도, 공극률, 점토함유량 및 온도 등 여러 물성요인들이 복합되어 측정 값에 영향을 미친다. 이러한 물성요인들로 인하여 탐사결과를 통해 정량적으로 지반공학적 특성을 평가하기에는 어려움이 있다. 그러나 특정 심도에서 오염물질, 해수 등이 유입이 없는 경우 간극수의 전기 전도도는 동일 부지에서 거의 유사하고, 지하수의 전기 전도도 특성 및 토질의 전기적 특성을 파악할 수 있는 경우에는 획득한 전기비저항 값을 이용하여 지반상태 평가가 가능하다(Archie, 1942; Bang et al., 2012).
전기비저항 탐사는 전극의 기하학적 위치에 따라 지반의 전기비저항 분포를 획득하므로 전극배열은 측정자료의 특성을 결정하는데 매우 중요한 요소이다. 또한 전극배열에 따라 다른 해상도, 가탐심도 및 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio)를 가지므로 이는 전기비저항 결과에 영향을 주게된다(Barker, 1979; Dahlin and Zhou, 2004). 전극배열에 대하여 Szalai(2008)은 최소 102 종류의 전극배열법이 존재하며, 주로 사용되는 배열로서 단극 배열(Pole-pole array), 쌍극자 배열(Dipole-dipole array), 슐럼버저 배열(Schlumberger array), 웨너배열(Wenner array)등을 설명한바 있다. 일반적으로 단극 배열과 쌍극자 배열은 신호대 잡음비가 낮고 수직구조에 대해 높은 분해능을 가지며, 슐럼버저와 웨너 배열은 잡음에 덜 민감하고 수평 구조에 대해 높은 분해능을 가진다(Loke et al., 2010). 따라서 높은 신뢰도의 전기비저항 측정을 위해서는 탐사방법의 특징, 지형 및 지질조건 및 탐사측선 주변상황 등을 고려하여 적합한 전극 배열법을 적용해야 한다.
3. 현장 시험
현장실험은 부산광역시 기장군 기장읍 기룡리 명례산업단지 남쪽에 위치하는 환경기초 복합플랜트 후보부지 내에서 수행되었다. 시험 부지의 지질 및 지층구조, 암종, 파쇄대 및 연약대등을 조사하기 위해 표준관입시험(Standard Penetration Test, SPT)과 탄성파 굴절법 탐사 및 전기비저항와 탐사와 같은 물리탐사를 수행하였다. 각각의 측정 결과를 비교하여 지반특성 평가에 대한 신뢰성을 검증하고자 하였다.
3.1 시추조사
본 연구에서는 대표적인 현장 지반 조사시험 중 하나이며, 지층의 수직적 특성평가가 용이하고 실험방법이 간편한 표준관입시험을 수행하였다. 시험공 굴착은 작업수를 사용하면서 드릴롯드와 비트를 이용하는 회전 수세식 굴착 방법을 적용하였다. Fig. 3과 같이 표준관입시험은 BH-1 ~ BH-9까지 총 9개 시추공에서 수행하였으며, 일정한 간격을 유지하여 각 공에서의 지반강도, 지하수위, 지질구조의 수직분포 등에 대한 정보를 획득하였다.
3.2 탄성파 측정
본 연구에서는 시험 부지의 기반암 깊이와 심도 별 탄성파 속도를 파악하기 위해 지표 탐사인 탄성파 굴절법 탐사를 수행하였다. 굴절법 탄성파 탐사는 선행적으로 실시한 시추조사와의 결과를 비교하기 위해 총 16개 측선에서 수행하였으며(Fig. 3 참조), Line 1~Line 16의 측선에서 수행된 정보는 Table 1과 같다. 탐사 측정변수 설정은 수신기간격 8.0m, 샘플링 간격 0.125ms, 기록시간은 0.512s이며, 각 측선마다 정방향 원거리 송신원(forward far shot), 정방향 근거리 송신원(forward near shot), 정방향 1/4지점 송신원(forward quarter shot), 중앙 송신원(center shot), 역방향 1/4지점 송신원(reverse quarter shot), 역방향 근거리 송신원(reverse near shot), 역방향 원거리 송신원(reverse far shot)을 발생시켜 한 측선당 6∼8개의 기록을 얻는 것을 원칙으로 하였다. 또한 고품질의 자료획득을 위해 5~10회의 자료중합을 실시하였으며, 송신원으로는 슬러지햄머와 순간 충격형 탄성파 발생원(SISSY)을 사용하였다.
Table 1.
Summary of experiment for refraction seismic survey
3.3 전기비저항 측정
전기비저항 탐사 위치는 표준관입실험을 수행한 BH-1~BH-9에 대해서 격자 형식으로 배열하였다(Fig. 3 참조). 총 6개 측선에서 시험을 수행하였으며, 전극 간격 및 측선 길이는 Table 2에 정리하였다. 대상 지반의 전기비저항 측정을 위해 수직적 특성 평가에 활용도가 높으며 2차원적 구조의 영상을 구현하는데 적용성이 높은 쌍극자 배열법을 적용하였다(Cho, 2020). 측선길이는 Line 2, 4, 6 측선은 184.0m, Line 9, 12, 15 측선은 136.0m으로 설정하였으며, 전극간격은 8.0m, 전극전개수(N)은 12로 설정하였다. 탐사측정변수를 최소화 하기위해 전극설치 전 지표를 다져 전극과 지표 사이의 접촉면적을 극대화하였으며, 전극 설치 후에는 주변에 전해질 용액을 주입하여 접지저항이 최소화되도록 하였다.
4. 실험결과 및 토의
4.1 시추조사
시추조사 및 표준관입시험은 총 9개 공에서 수행하였으며, Fig. 4는 시추공내에서 측정된 지하수위와 표준관입시험으로부터 얻은 N 값을 심도별로 나타냈으며, N 값은 KS F 2307에 근거하여 최대 50 blow/30cm 까지 측정하였다. 각 공에서 측정된 표준관입시험 결과는 동일 부지에서 측정한 결과임에도 불구하고 상관성이 낮은 결과를 보여준다. 이는 국부적으로 자갈이 혼재되어 있는 사질토 지층으로 인한 오차로 볼 수 있다. 또한 시료 채취를 통해 암층의 풍화 및 균열을 확인하였으나, 이러한 파쇄대의 광범위한 분포를 파악하기에는 어려움이 있다. 따라서 표준관입시험은 간편한 방법이나 한계가 있는 점을 인식해야 하며, 다른 시험과 병행하여 수행할 경우 시험 결과의 신뢰도를 향상시킬 수 있다. 대상지반 토사층의 기본물성을 파악하기 위해 교란시료 샘플링은 표준관입시험과 병행하여 수행하였다. 각 토사층(매립층, 충적층, 풍화토층)에서 채취된 시료들에 대하여 기본물성시험을 수행한 결과를 Table 3에 정리하였다(ASTM D422). 채취된 시료들은 통일 분류법에 따라 자갈 및 전석이 혼재되어 있는 SM(silty sand)으로 나타났다.
Table 3.
Properties of soil
| Layer | Specific gravity GS | Gravel [%] | Sand [%] | Silt [%] | USCS |
| Landfill | 2.65 | 38.7 | 42.5 | 18.8 | SM |
| Alluvium | 2.65 | 37.7 | 48.2 | 14.1 | SM |
| Weathered soil | 2.66 | 15.2 | 66.6 | 18.2 | SM |
Fig. 5는 대상지역에서 수행한 시추조사 결과를 바탕으로 토층 및 기반암선의 펜스 다이어그램(fence diagram)을 보여준다. 지층단면도 작성 결과 BH-2(GL.-45.0m) 및 BH-3 시추공 인근과 BH-7(GL.-38.2m) 시추공 인근에서 상대적으로 깊은 기반암 심도로 나타났으며, BH-8(GL.-5.6m) 시추공 인근에서 가장 얕은 기반암 심도를 보이고 있다. BH-3 시추공의 경우 시추조사로 기반암이 확인되지 않았으며, 확인된 풍화암의 최종심도를 고려하여 기반암 심도를 유추하였다. Fig. 6은 지층 단면도를 토대로 작성된 해당부지의 기반암 분포를 3차원으로 보여주고 있으며, BH-1에서 BH-9 시추공 방향으로 기반암 심도가 점차 얕아지는 것으로 나타났다.
4.2 탄성파 측정 결과
2차원 탄성파 굴절법 탐사로 수행된 결과는 Fig. 7과 같으며, 총 16개 측선에 대한 심도별 탄성파속도를 나타낸다(Fig. 3 참조). Fig. 7에서는 굴절법 탐사 결과인 지하의 P 파 속도 단면과 시추조사와의 비교를 통해 파쇄대의 영향으로 예상되는 저속도 구간을 점선으로 나타내었다. 파쇄대 영향으로 인한 저속도 구간은 Line 2와 Line 16을 제외한 모든 측선에서 나타났으며, 매립, 충적, 풍화층에서의 P 파 속도는 대략 700~1,800m/s, 기반암의 경우 2,400m/s 이상으로 나타났다. Fig. 8에서는 2차원 P 파 속도 단면도를 근거로 시험 부지의 P 파속도를 펜스 다이어그램으로 나타냈으며, 저속도 이상대로 판단되는 2개의 측선이 관측되었다.
탄성파 굴절법 탐사 자료의 3차원 해석결과는 Fig. 9와 같이 심도별 탄성파속도 분포도를 나타내었다. 3차원 해석결과 대상부지 남동쪽에서의 탄성파속도가 상대적으로 빠르게 형성된 것을 알 수 있으며, 서쪽은 풍화대 및 파쇄대에 의한 영향으로 상대적으로 낮은 탄성파속도를 보여준다. 심도별 탄성파속도 분포도(XY plane)를 살펴보면 저속도영역은 G.L (-) 35.0m에서부터 나타나고 있으며 Fig. 8(b)와 같이 대상부지 서쪽과 중앙부분에 저속도영역이 형성되었다. 저속도영역의 방향은 종방향 북서에서 남동쪽, 횡방향 서남에서 동북쪽으로 나타났다. 이러한 분석결과는 탄성파 굴절법 탐사가 비교적 정확하게 각 지층의 구간별 속도 및 저속도 이상대를 평가할 수 있다는 것을 보여준다. 그러나 탄성파 굴절법 탐사는 서로 다른 임피던스를 가지는 지층에서의 반사 혹은 굴절되어 오는 파형을 분석하는 방법으로서, 만약 임피던스 차이가 거의 없는 동일한 지층 하부에서 균열이나 파쇄가 있을 경우 심각한 오류를 야기할 수 있다.
4.3 전기비저항 측정 결과
격자형 전기비저항탐사는 Fig. 10과 같이 시추공을 지나가는 총 6개의 측선에서 수행되었다. Line 2 측선은 BH-1, BH-2, BH-3 시추공을 W-E 방향으로 가로지르는 측선으로 전체적인 전기비저항값은 45~2,600ohm-m의 분포를 보이고 있으며, Dist. 60~180m 구간에서 140ohm-m 이하의 저비저항 이상대 영역이 넓은 영역으로 분포하고 있다. Line 4 측선의 전기비저항은 Line 2 측선에서 남쪽방향으로 40m 이동하였으며, 저비저항 이상대 분포 양상은 Line 2 측선과 유사하게 형성하고 있다. Line 6, 9는 풍화암과 연암의 경계면을 따라 저비저항 이상대가 발달한 것을 확인할 수 있다. Line 12는 BH-2와 BH-5 사이의 풍화암층에서 저비저항 영역을 보여주며, Line 15는 BH-3의 풍화토 및 풍화암 층에서 저비저항 이상대가 나타났다. 이러한 결과를 종합하여 Fig. 11과 같이 대상지반의 전기비저항 분포를 펜스 다이어그램 형태로 나타냈으며, 저비저항 이상대를 3 측선으로 표시하였다. 2개의 측선에서 저속도 구간을 관찰한 탄성파 굴절법 탐사와 달리 전기비저항 탐사는 3개의 측선에서 저비저항 구간을 관찰하였으며, 남서쪽의 고비저항대에 비하여 상대적으로 북동쪽에 저비저항대가 나타나고 있음을 알 수 있다. 이는 대상부지의 암반은 신선한 암반으로 보기 어려우며, 풍화도가 진행된 암반으로 판단된다.
5. 요약 및 결론
본 연구에서는 국내 지하복합플랜트 건설 부지의 지하구조 특성을 평가하기 위하여 시추조사, 탄성파 굴절법 탐사, 전기비저항 탐사 그리고 실내 토질 시험을 종합적으로 수행하였으며, 각각의 탐사 방법에 대한 적용성을 검토하였다.
(1) 대상부지내 9개의 시추공에서 시추조사 및 실내시험을 수행한 결과, BH-1에서 BH-9 시추공 방향으로 기반암 심도는 점차 얕아지는 양상으로 나타났다. 이를통해 기반암의 심도 및 지층을 분류할 수 있다. 그러나 표준관입시험 결과인 N 값은 토사층에 국부적으로 자갈이 혼재되어 있어 정확도가 떨어진다. 또한 샘플링 결과를 통해 암층의 풍화 및 균열을 확인하여 풍화된 암반층의 존재를 확인하였으나, 기반암 주변에 광범위하게 분포하고 있는 이상대의 정확한 분포를 파악하기에는 어려움이 있다고 판단된다.
(2) 탄성파 굴절법 탐사는 대상지반의 지층구조가 다소 복잡한점을 고려하여 2차원 및 3차원 탐사를 수행하였다. 2차원 해석결과 통해 지층의 분포 및 기타 불연속면을 파악하고 펜스다이어그램을 통해 이상대로 예상되는 저속도 구간을 나타내었다. 3차원 해석결과 대상부지 남동쪽에서의 탄성파속도가 상대적으로 빠르게 형성된 것을 알 수 있으며, 서쪽은 풍화대 및 파쇄대에 의한 영향으로 상대적으로 낮은 탄성파속도를 보여준다. 그러나 임피던스 차이가 거의 없는 동일한 지층 하부에서 균열이나 파쇄가 존재하는 경우 이를 탐지하기는 어려운 것으로 나타났다.
(3) 전기비저항 탐사는 수직적 특성 평가에 활용도가 높으며 2차원적 구조의 영상을 구현하는데 적용성이 높은 쌍극자 배열법을 적용하였다. 대상지역의 전기비저항은 토사 및 암반에서 저비저항 영역이 넓게 분포하고 있음을 보여주며, 특히 풍화암과 연암의 경계면을 따라 저비저항 이상대가 발달한 것을 보여준다. 대상부지의 저비저항대는 북동쪽 방향에서 주로 나타났으며, 풍화도가 진행된 암반이 주로 분포하고 있다고 판단된다.
(4) 시추조사 및 물리탐사로부터 획득한 결과들을 종합적으로 비교/분석하였으며, 이를 통해 시험부지의 지반특성을 평가하였다. 이러한 조사기법들은 장단점이 명확하며, 조사 목적 및 탐사 대상지역의 특성에 따라 적절한 탐사방법을 선정하여 수행해야한다. 본 연구에서는 시추조사로 기반암선 파악 및 풍화된 암반층의 존재를 확인하였다. 이를 근거로 탄성파 굴절법 탐사에서는 대상지반의 속도분포에 따른 지층분포를 파악하였으며, 파쇄대의 영향으로 예상되는 저속도 구간을 관측하였다. 마지막으로 전기비저항 탐사를 통해 저속도 이상대로 관측되는 지층에 대해 전기비저항 분포 양상을 확인하여 이를 검증하였으며, 시추조사와 물리탐사 결과들을 종합적으로 분석할 경우 지반 특성을 신뢰성 높게 평가할 수 있음을 입증하였다.
