1. 서론
2. 노후 하수관로 현장조사
2.1 하수관로 CCTV 조사
2.2 GPR 조사
3. 현장조사 결과 및 분석
3.1 하수관로 결함 유형
3.2 GPR 조사 결과 분석
4. 결론
1. 서론
도시의 대형화에 따른 도심개발 공사 증가와 기반시설의 노후화로 인한 도심지 지반함몰 발생이 점차 증가되고 있는 추세이다. 도심지에는 상･하수관로, 전력관, 통신관 등 많은 지중 매설관이 설치되어 있으며, 매설관의 노후화로 인해 균열, 파손 등 손상이 발생한다. 2014년 8월부터 2016년 12월까지 서울시에서 발생한 도로함몰 건수는 총 148건으로 연평균 70건, 일평균 0.2건이 발생하였다. 도로함몰 분석결과 깊이 0.8m 미만의 포장층이 41%, 깊이 0.8~1.5m의 매설물층이 39%, 1.5m의 깊은 층이 20%로 밝혀져 도로함몰의 약 80%가 지하매설물 평균심도인 1.5m 이내에서 발생하는 것으로 분석되었다(Seoul sity, 2017). 도로함몰의 원인으로는 굴착공사로 인한 흙막이 누수, 상･하수관로 파손, 불량 되메움재 사용, 다짐불량 등이 있다. 서울시의 경우 2010년 이후 발생한 도로함몰 3,205건 중 노후 하수관이 원인인 것은 2,714건으로 약 84%에 달하는 것으로 보고 되었다. 2013년 기준 총 연장 10,392 km에 이르는 하수도관 중 20년 이상된 노후 관로가 약 73.3%에 이르러 노후 하수관에 대한 긴급복구가 요구 되고 있다(Seoul sity, 2014). Kuwano et al.(2010)은 도심지 지반함몰의 원인이 되는 하수관의 파손은 상부하중과 지반이완 등으로 인해 하수관에 미세균열이 발생하고 관로내부로 물과 흙의 반복적인 침투로 인해 발생한다고 하였다. 하수관로 파손으로 인한 관로내 토사유입은 관로 주변의 공동을 유발시켜 지반함몰의 주요 원인으로 작용하는 것으로 알려져 있으며, Lee et al.(2015)은 서울시 도로하부 공동 원인 조사를 통해 하수관로 접속부위 손상으로 인한 관로내 토사유입이 발생한 경우 주변지반 내에 공동이 있는 것을 확인한 바 있다. Kim et al.(2017)은 실내모형실험을 이용한 상수도관 파손으로 인해 발생하는 지반함몰발생 메카니즘 연구를 수행하였으며, 지반의 상대밀도 및 세립분 함유율에 따른 공동발생 범위와 지반파괴모드 변화를 고찰하였다. Lee et al.(2018)은 도로하부 공동발생 지역의 긴급복구공법에 대한 실내실험 및 수치해석연구를 통해 팽창재료를 이용한 비개착 복구공법의 적용방안에 대해 고찰하였다.
Fig. 1은 하수관로의 균열 메카니즘을 보여주고 있다. 상부 하중 및 지반이완으로 인해 하수관에 미세균열 발생하게되고, 외부 지하수 수두차에 의한 침입수가 균열 부위로 세립토, 세립질 모래와 같이 침투하게 된다. 이로인해 관로주변 지반이 이완되어 공동이 생기게 되고, 균열 및 주변 공동이 점차 확대됨으로써 관의 변형으로 인해 붕괴가 발생하게 된다(Water Environment Federation, 2009).
지반함몰 예방을 위해서는 노후 하수관로의 정확한 상태 조사를 통한 손상관로의 보강, 교체가 필요하다. 현재 국내 하수관거 정비사업시 불량관거에 대한 조사는 관경 800mm 이상은 조사자에 의해 육안 조사를 수행하고 800 mm 미만의 경우 CCTV를 이용하여 관거 내부 불량을 파악하고 있다(Ministry of Environment, 2010). 하수관로 CCTV조사는 하수관로 결함등급 산정에 따른 하수관로 보수․ 보강에 활용되고 있으나, 관로 배면의 공동 탐지와 관로손상으로 인한 주변지반 침하를 평가하는데는 어려움이 있다. 또한 하수관로 조사용 CCTV의 해상도 차이에 따라 하수관로 내부의 손상 평가의 정확도에 차이가 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 고화질 CCTV를 사용하여 하수관로의 손상 상태를 보다 정확히 진단하는 방법이 필요하다. 최근 들어 노후하수관로로 인해 발생하는 지반침하를 사전에 예방할 수 있는 조사방법에 대한 필요성이 증가하고 있다. 하수관로결함으로 인한 관로 배면의 공동발생, 지반이완 등의 지반이상 상태는 CCTV 조사를 통해 확인이 어려우며 이를 파악하기 위해서는 GPR 조사가 필요하다.
본 연구에서는 하수관로로 인한 지반침하를 사전에 효율적으로 예방할 수 있는 평가기법을 개발하기 위한 선행연구로 서울시내 노후 하수관로 일부 구간을 대상으로 고화질 CCTV 조사를 수행하였다. 120만 화소 고화질 CCTV를 이용한 노후하수관로 조사를 통해 하수관로 결함상태와 노후하수관로의 주요 손상유형을 확인할 수 있었다. CCTV 조사 결과를 통해 하수관로의 결함으로 인해 지반침하 발생 우려가 있는 지점을 대상으로 상부 지표면에서 GPR 조사를 수행하여 하수관로 손상과 지반함몰의 상관성을 검토하였다. 현장 조사결과 하수관로 결함이 발생한 구간에서 지반침하, 지반이완 등 이상신호가 나타난 것을 확인할 수 있었다.
2. 노후 하수관로 현장조사
도심지 지반함몰의 주원인으로 알려진 노후하수관로 조사를 위해 교통량 증가로 지반하중을 많이 받는 이면도로의 하수관로 중 유량이 적어 CCTV 조사에 장애가 적은 지점을 조사대상으로 선정하였다. 노후하수관로의 인근 노면상태를 육안으로 식별하는 간이 현장조사를 통해 도로침하 발생 흔적이 있는 곳, 도로균열 및 도로변형이 발생하는 등 지반함몰이 예상되는 지점을 현장조사 구간으로 선정하였다(Kim et al., 2015). Fig. 2는 현장조사구간 및 하수관로의 위치를 나타내고 있으며, Fig. 3은 조사대상 노면의 도로균열과 도로침하 모습을 보여주고 있다.
2.1 하수관로 CCTV 조사
본 연구에서는 하수관로 내부의 손상, 변형 등 관로 건전성 평가를 위해 CCTV 조사장비를 이용하였다. 조사대상 지역은 서울 ○○구 일대의 노후 관로 중 연속으로 연결된 하수관로 위주로 진행하였다. 전체 조사길이는 약 600m로 매설관종은 흄관(HP)이다. 조사에 사용된 CCTV는 HD급으로 환경부(2015)의 CCTV 판단기준을 동일하게 적용하여 하수관 결함여부를 평가하였다. 고화질 CCTV 조사 결과를 바탕으로 하수관로 노후도 평가항목중 지반침하의 원인이 될 수 있는 주요 손상항목으로 예상되는 이음부 이상(결함, 이탈, 단차)과 토사퇴적을 중심으로 분석하였다. CCTV 조사에 사용된 장비는 130만화소의 고화질 카메라를 탑재한 자주차로 촬영영상을 바로 차량에 설치된 모니터로 분석이 가능하다. Fig. 4는 본 조사에 사용된 고화질 CCTV 장비와 현장조사차량을 보여주고 있다. Table 1은 본 조사에 사용된 CCTV 조사장비의 제원을 나타내고 있다.
Table 1. Specification of CCTV system
2.2 GPR 조사
GPR탐사는 현재 상업적으로 이용되는 물리탐사 기술 중 그 해상도가 가장 뛰어난 탐사 기술 중 하나이며 매설물, 공동, 지반이상대 탐지나 지반조사 분야에서 활발히 사용되고 있다. GPR 탐사 원리는 Fig. 5에서 나타난 바와같이 송신 안테나로부터 전자기파가 발사된 후, 지하의 임의 매질에서 반사되거나 혹은 투과되어 수신 안테나에 감지된 전자기파의 도달 주시를 이용하여 지반 구조, 지하 매설물 등을 영상화하여 지하 매설물의 위치 혹은 지하구조 등을 추정하는 물리탐사법이다 사용 주파수로는 수십 MHz 에서 수 GHz에 걸친 전자기파를 사용하며 전기비저항과 유전율의 차이에 따른 전자기파의 반사 신호를 해석한다.
본 연구에서는 하수관로를 촬영한 고화질 CCTV영상 분석결과 지반침하가 의심되는 이음부 이상과 토사퇴적이 발생한 지점과 지표관측시 지표침하 흔적이 있는 구간을 대상으로 GPR탐사를 실시하였다(Fig. 6 참조). GPR탐사는 하수관로 매설깊이 주변의 지반상태 평가를 위해 300 MHz, 500MHz 두 종류의 안테나를 사용하였으며 측정된 데이터를 약 45m 간격으로 수록하였다. Table 2는 본 연구에 사용된 GPR 장비의 제원을 나타내고 있다. 또한 GPR 탐사단면의 깊이에 따른 지반의 정밀분석을 위해 GPR Slice 프로그램을 이용하여 수평단면인 Time Slice를 작성하였다. GPR탐사로 획득한 수직단면자료를 Grid에 나란히 배열하여 임의의 시간 축으로 자료들을 잘라 평면적으로 표현하는 Time-slice 방법을 사용하여 2차원의 수직단면자료를 수평단면으로 전환하여 자료 해석을 하였다.
Table 2. Outline of model tests
| Specification | Photograph of eqipment | |
| GPR | - Zond 12e(RADAR Systems, Inc.) - Shield Antenna (300MHz, 500MHz) - Notebook P/C - S/W (Prism2.5) |  |
3. 현장조사 결과 및 분석
3.1 하수관로 결함 유형
하수관로 간이 현장조사를 통해 지반침하 의심 개소는 총 4개소로 조사되었으며, 그중 도로균열 발생 지점은 3개소, 도로함몰발생지점은 1개소로 파악되었다. 조사대상 관로번호는 각각 DK-1, DK-2, DK-3, DK-4로 구분하였으며, Table 3은 관로 조사결과를 타나내고 있다. 조사결과 하수관로 주요 결함 유형은 이음부 변형(이음부 단차, 이음부 이탈), 토사유입, 균열 및 파손 등으로 나타났다(Fig. 7 참조). 이음부 단차로 인한 변형이 가장 심하게 발생한 관로는 DK-1으로 이음부 단차 5건이 발생하였다. DK-2관로는 이음부 단차 2건, DK-3은 1건, DK-4는 3건으로 확인되었다. 손상정도가 심한 ‘대’에 해당하는 결함은 DK-1과 DK-4의 관로가 각각 4건으로 나타났다. DK-1의 ‘대’에 해당하는 결함은 관 균열 및 이음부 변형으로 나타났으며, DK-4는 이음부 이탈, 토사퇴적, 관로파손 및 변형이 각각 1건으로 나타났다. DK-2, DK-3 관로는 ‘대’에 해당하는 중대한 결함이 관측되지 않았으나, 연결관 접합부와 이음부 이탈 등 이음부에서 발생하는 결함과 관파손이 관찰된 것을 확인하였다. CCTV 조사결과를 통해 노후관로의 손상형태는 다양하게 복합적으로 발생하며, 손상부위의 결함 정도가 큰 DK-1과 DK-4의 관로가 지반침하에 취약한 것을 확인 할 수 있었다.
Table 3. Sewer structural defect code in CCTV inspection
실제 도로에서 발생하는 함몰은 하수관로 결함 항목 중 관 파손의 빈도수와 정도에 가장 밀접한 관련이 있는 것으로 판단되며, DK-1번과 DK-4번의 경우와 같이 파손으로 토사유입이 발생할 경우 지반함몰과 공동발생의 위험이 큰 것으로 관찰되었다. 또한 토사퇴적이 발생한 DK-1번과 DK-4번 관로의 경우 손상부위의 빈도가 DK-3, DK-4의 관로에 비해 크게 나타난 것으로 볼 때 하수관로의 노후화로인한 하수관로의 건전도가 낮음을 알 수 있다. CCTV 조사 결과를 통해 하수관로에 관파손, 이음부 손상, 토사퇴적이 발생한 경우 지반함몰의 위험성이 상대적으로 높으므로 GPR 조사를 통한 동공발생 여부 및 지반함몰의 사전 징후를 파악하여야 함을 알 수 있다.
3.2 GPR 조사 결과 분석
3.2.1 하수관로 손상부위 GPR 탐사결과 분석
Fig. 8(a)는 CCTV 영상에서 GPR 탐사 측선의 거리 약 24～25m, 38～39m에서 하수관의 이음부 이탈이 관찰된 동일위치에서 측정한 GPR탐사 결과를 나타내고 있다. 하수관로의 이음부 이탈이 발생한 지점에서 위로 볼록한 형태의 반사면이 분포하는 것으로 나타났으며 이는 하수관로 이음부 변형으로 인한 지반이완을 의미함을 알 수 있다.
Fig. 8(b)는 노후하수관로의 고화질 CCTV 조사를 통해 주변지반의 침하가능성이 높은 관로내부 토사퇴적구간을 대상으로 상부 GPR 조사를 수행한 결과를 보여주고 있다. 하수관로 CCTV영상에서 GPR탐사 측선의 거리 18.0m에 하수관 내부로 외부토사가 유입된 것이 관찰되었다. 동일위치의 GPR탐사 결과 심도 약 0.8∼1.0m 전후로 아래로 오목한 반사면이 분포하여 이는 하수관 내부로 유실된 토사에 의해 지반이 이완되어 나타난 신호임을 알 수 있다. 또한 하수관로 측면부 파손으로 인해 관 내부로 토사가 유입되어 이로 인한 주변지반의 지반이완과 공동 발생의 가능성을 의미하는 것을 알 수 있다. Fig. 8(c)는 CCTV영상에서 GPR탐사 측선의 거리 66m, 73m에 토사퇴적이 관찰되고, 거리 74m에 하수관의 이음부 이탈이 관찰된 동일위치의 GPR탐사 결과를 나타내고 있다. 탐사결과 거리 66m구간 아래로 볼록한 반사면은 하수관으로 유입된 토사로인해 발생한 지반이완 및 지반내 공동의 흔적으로 추정되며, 거리 73∼74m구간 아래로 볼록한 반사면은 이음부 이탈에 따른 하수관 상부의 지반이완 상태를 나타내고 있다. GPR 탐사결과 분석을 통해 하수관로 손상형태에 따른 지반의 이완 및 공동발생 가능성과 이에따른 GPR 반사신호 형태를 확인할 수 있었다.
3.2.2 GPR Time Slice 분석
Fig. 9는 노후 하수관로 주변 지반의 GPR time slice 분석을 통해 하수관로 주변지반의 심도별 GPR 반사신호를 나타내고 있다. 상부심도 Time Slice 수평단면에서는 종방향 측선위치를 따라 강한 반사강도가 연장성 있게 나타나고 있으며, 이는 약 1.0m 내외에 매설되어 있는 것으로 확인된 하수관로의 분포가 반영되어 나타난 것으로 판단된다. 주변에 비해 구분되는 상대적으로 약한 반사강도 영역은 GPR 탐사단면에서 파의 감쇠현상이 나타났던 영역과 연관성을 보이는 것으로 판단되며, 하수관로 주변에 국부적으로 지반이 이완된 것을 알 수 있다. 하부심도 Time Slice 수평단면에서는 종방향 측선위치를 따라서 약한 반사강도가 우세하게 나타나며, 하수관 상부 심도에 비해 약한 반사강도 영역이 발달한 것을 알 수 있다. 이는 하수관 하부 지반의 함수량 증가에 따른 영향으로 하수관 균열 등으로 인해 누수가 발생한 것으로 판단된다. GPR Time Slice 분석은 거리와 심도로 나타내주는 수직적인 데이터인 GPR탐사자료를 반사신호의 평면적인 분포양상을 나타내어 심도별 지층의 변화를 파악하는데 효과적임을 알 수 있다.
4. 결론
본 연구에서는 노후하수관로로 인한 지반침하 사전예측을 위한 연구로 고화질 CCTV 데이터와 GPR 데이터를 이용한 평가기법을 개발하기 위해 서울시내 노후하수관로를 대상으로 현장조사를 수행하였다. 고화질 CCTV 조사를 통해 하수관로의 손상구간을 파악하고 해당구간에 대해 지표에서 GPR 조사를 수행한 후 상관관계 분석을 수행하였다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 하수관로 CCTV 조사결과 하수관로의 노후화로 인한 주요 결함형태는 이음부 이상, 토사퇴적, 관로 파손 등으로 나타났다. 노후 하수관로의 결함은 하수관로의 건전도 뿐만 아니라 손상 부위로 우수 및 토사가 유입되어 관로 주변에 공동을 발생의 원인이 될 수 있음을 확인할 수 있었다.
(2) GPR 탐사결과 하수관로 이음부 이탈면이 있는 지점에서는 위로 볼록한 형태의 반사면이 분포하는 것으로 나타났으며 이는 이음부 이탈에 따른 주변 토사의 교란으로 인한 지반이완으로 추정된다. 파손된 관로 내부로 토사가 퇴적된 발생한 지점에서 나타난 GPR 신호는 공동에서 발견되는 형태의 신호로 손상관로 배면에 공동이 발생한 것을 의미하는 것을 알 수 있다. 이러한 조사결과로 볼 때 관로 파손으로 인한 토사퇴적은 배면지반의 공동을 유발시켜 지반함몰의 가능성이 매우 높은 것을 알 수 있다.
(3) GPR Time Slice 분석은 거리와 심도로 나타내주는 수직적인 데이터인 GPR탐사자료를 반사신호의 평면적인 분포양상을 나타내어 하수관로 주변 지반의 심도별 변화를 파악하는데 효과적인 분석방법임을 알 수 있다.
(4) 노후하수관로 손상은 하수관로 자체의 건전성을 저하시키는 것과 동시에 지반침하의 원인이 될 수 있으므로 하수관로 손상부위의 경우 GPR 조사를 통해 공동발생 및 지반이상 여부의 확인이 필요함을 알 수 있다. 또한 하수관로 CCTV 데이터와 GPR 데이터의 상관관계 분석을 이용하여 하수관로 손상으로 인한 지반침하를 효율적으로 탐지할 수 있음을 알 수 있다.
