1. 서 론

지반함몰은 암석의 구조적 결속력이 약해지거나 지중 공동이 붕괴되어 지반이 가라앉는 현상이다. 지반함몰은 그 원인에 따라 자연발생적 지반함몰과 인공적 지반함몰로 나눠지는데, 우리나라는 석회암 지역이 강원도 일부에만 분포하고 있어서, 그 외 지역에서는 자연발생적 지반함몰이 일어날 확률이 적고 지질학적인 측면에서 안정적이라고 할 수 있다. 최근 우리나라 곳곳에서 발생하여 큰 이슈가 되고 있는 지반함몰은 대부분 인공적 지반함몰이라고 볼 수 있다. 인공적 지반함몰은 보통 상하수도, 전력구, 통신구 등의 지중매설관의 노후, 접합 불량으로 인한 누수에 의하여 일어나거나, 터널 굴착 및 지하구조물 시공시 잘못된 공법의 선택 또는 관리 부실로 인한 지하수의 유입으로 지중 공동이 발생되어 일어난다(Park et al., 2014). 대규모의 공사에서 지나친 지하수의 이용은 지하수위를 낮춰 지반함몰을 유발하기도 하고, 지하수위가 높은 곳에서의 많은 양수는 수두차로 인한 지하수의 흐름을 유도하여 지하수위가 높은 지역의 지반을 내려앉게 만든다. 또한, 원래 함수비가 적었던 지역에 물이 유입되면, 지반의 유효응력이 감소하여 지반이 무너지기도 한다.

이 중, 도심지에서 발생되는 지반함몰의 대부분은 지하수 이용량 증가에 따른 지하수위 저하와 노후, 불량 하수관으로의 지하수 유출에 의한 것으로 나타났다. 지하수 개발 및 이용시설은 1994년부터 2010년까지 연평균 5.1% 증가하였고, 2010년 말 기준 총 시설 수 1994년 63만여 개소, 이용량 25.7억m³/년에서 2010년에는 2배가 넘는 시설 수 138만여 개소, 이용량 38.1억m³/년으로 조사되었다(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2012). 또한, 서울시를 중심으로 조사한 결과, 서울시 하수관 총 연장 10,392 km 중 20년 이상 된 노후하수관이 73%로 나타났으며, 30년 이상 된 하수관은 48.4%나 되는 것으로 나타났다. Table 1에서 볼 수 있듯이 서울시 도로함몰의 가장 큰 원인은 하수관 손상이며, 인접 굴착공사에 의한 발생이 그 뒤를 이었다.

본 연구에서는 우리나라 도심지 지반함몰의 사례들 중 터널 굴착 및 지하시설물 시공 관련 지반함몰 사례와 지중매설관 관련 지반함몰 사례를 지반공학적인 관점으로 조명하고자 한다. 먼저, 터널 굴착 및 지하시설물 시공 시 지하수 흐름 변화에 대해서는 대표적인 사례로, 최근 가장 이슈가 되었던 용산역 지반함몰과 석촌 지하차도 지반함몰의 발생원인을 분석하였다. 또한, 터널 굴착 시 유출지하수 발생량을 알아보았고, 터널 지하수 관리 현황 및 관련 법규를 알아보았다. 마지막으로 굴착이 지하수와 지하수위에 미치는 영향과 수치모델링을 통하여 지하수 유출량을 평가할 수 있는 방법을 알아보았다. 다음으로, 지중매설관의 관종에 따른 특성을 조사하였고, 관이 손상되는 매커니즘을 알아보았다. 또한, 경화, 압축성, 경량화를 통한 관 주변의 토압 감소, 관 주변에서의 지지력 증대, 부식 방지를 이용한 관의 노후화 및 손상을 막을 수 있는 방법들을 알아보았다.

2. 터널 굴착 관련 지반함몰 사례 분석

2.1 용산역 지반함몰 발생

2015년 2월 20일, 용산역 앞 공사현장 옆에서 약 3 m 깊이의 지반함몰이 발생했다(Fig. 1). 현장 지반은 두터운 점토층과 얇은 모래 자갈층으로 이루어져 있었으며, 용산역 앞 공사현장에서는 CIP (Cast-in-Place) 흙막이 공법과 SGR (Space Grouting Rocket) 차수 공법이 이용되었다. CIP공법은 보링기로 지반을 굴착하여 천공한 뒤, 그 안에 철근 망이나 조골재로 채우고 몰탈을 주입하는 공법이다(Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2013). CIP공법은 차수성이 뛰어나지 않기 때문에 지하수위가 높은 곳의 경우 차수 공법과 함께 쓰이게 되는데, 본 공사의 경우 SGR 차수 공법을 이용하였다. 지하굴착공사 중 불완전한 차수벽 설치로 인해 지하수와 모래의 유출이 발생하였고, 이로 인하여 상부 점토층 함몰이 발생된 것으로 보고되었다(Jang, 2015).

2.2 석촌 지하차도 지반함몰 발생

2014년 8월 4일, 석촌호수 인근 지하철 9호선 실드TBM 터널공사 주변에 7개의 지반함몰이 발견되었다. 이 때, 터널 상부에는 모래, 자갈 그리고 풍화암의 충적층이 존재하는 것을 확인되었다. 특히, 연약한 충적층에서 실드TBM공법을 적용하여 굴착을 할 때, 설계 굴착량보다 더 많은 굴착량이 발생되었고, 이로 인해 주변 지반에 함몰이 생긴 것으로 추정된다(Fig. 2). 석촌 지하차도 내 지하철 공사가 시행된 구간에서만 지반함몰이 발견되었으며(Fig. 3), 시행되지 않은 구간에서는 지반함몰이 발견되지 않았다. 또한, 지중 공동 내부 콘크리트 블록 주변으로 15 cm 정도의 채움재 층이 형성되어 있어야 하지만, 채움재가 지중 공동까지 과다하게 분출된 것으로 나타났다. 지중 공동 내의 벽체와 지하차도 바닥 콘크리트가 최근에 무너졌다는 것이 발견되었고, 지중 공동 내에서 방수포가 발견됨에 따라 지하차도 공사 이후에 생긴 지중 공동이라는 것이 증명되었다. 또한, 지하차도로 인하여 지상에서의 수직 지반보강이 곤란하여 수평으로 지반보강을 했지만 충분하지 못했던 것으로 나타났다(Seoul Seokchon-dong Cavity Cause Investigation Committee, 2014). 이와 같이, 충적층과 같은 연약한 지반에서의 굴착이 이루어질 때, 실제 굴진량과 발생되는 토사의 양을 비교하는 것이 중요한 것으로 밝혀졌으며, 두 수치의 차이가 많이 날 경우, 적절한 지반보강과 함께 굴착을 수행해야 한다는 것을 알 수 있다.

3. 상하수도 관련 지반함몰 사례 분석 및 원인

Table 1은 서울시에서 보고한 2010년부터 2014년 상반기까지의 지반함몰 사례 3,119건을 조사한 결과이다. 2010년 435건, 2011년 573건, 2012년 689건, 2013년 854건 그리고 2014년 상반기에만 568건의 지반함몰이 발생하는 등 지속적으로 증가하는 모습을 보이고 있다. 특히, 전체 사고 중 약 85%가 하수관로 손상에 의한 누수로 발생된 지반함몰인 것으로 보고된 바와 같이, 지중매설관의 손상이 지반함몰 발생빈도와 매우 밀접한 연관성을 가진다는 것을 알 수 있다.

이처럼 지중매설관의 손상은 지반함몰 발생을 일으키기 때문에, 관종에 따른 특성을 파악한 뒤 사용 목적과 설치 위치에 적합한 관종을 선택하는 것이 매우 중요하다. 일반적인 관의 경우, 원주방향으로 가장 많이 파손이 일어난다. 또한, 두께가 얇은 소구경 관이 부식에 약하기 때문에 대구경관에 비해 파손율이 크다. 상수도관은 주철관, 석면시멘트관, 강관 등이 주로 사용되고, 하수도관은 콘크리트관(흄관, VR관, PC관 등)이 주로 사용된다(Lee, 2007). 재질의 따른 관의 특성을 Table 2에 나타내었다.

Fig. 4는 지중매설관의 상부와 하부에 손상이 생길 경우, 지반함몰이 발생되기까지의 과정을 나타내고 있다. 지중매설관의 상부에 손상이 생기면 지중의 우수 또는 지하수가 토사와 함께 관 내로 흘러 들어오면서 토사유실이 발생된다. 지속된 토사유실로 인해 발생된 지중 공동이 상부로 확장되어, 상부지반의 자중을 버티지 못하고 가라앉는 현상이 지중매설관의 상부 손상에 의한 지반함몰이다(Fig. 4(a), (b), (c)). 반대로, 지중매설관의 하부에 손상이 생기면 관을 통과하는 유체가 관의 하부로 유출되어 주변 지반의 지지력의 감소로 이어져 지반함몰이 발생된다(Fig. 4(d), (e), (f)).

지중매설관의 불량, 손상의 원인으로 시공 시의 부주의가 가장 많다. 시공 시의 부주의는 매설관 이음새의 연결불량, 매설토의 다짐부족, 기타 공사로 인한 파괴 등이 대표적이다(Fig. 5).

시공 시의 부주의 외에 지중매설관 손상의 원인을 지반공학적인 접근을 통해 분석하여 다음과 같이 정리하였다.

첫 번째로, 지중매설관은 오랜 시간이 지나면서 수직 토압에 의해 관의 상부와 측면부가 하중의 영향을 많이 받아, 상부는 아래로 측면부는 바깥으로 변위가 발생되어 손상이 일어날 가능성이 크다. 하중 재하지점 ± 45° 위치에서 축력이 가장 크고 관거가 취약하다(Choi et al., 2009). 연성관에서는 관 상부의 하중과 관의 탄성계수(관의 강성)의 관계를 통해 관의 변형을 구할 수 있다. 연성관에 작용하는 응력은 관의 폭 전체에 균등하게 작용하는 연직토압, 기초의 폭 전체에 균등하게 작용하는 연직반력, 관의 중간에서 100°까지 호를 이뤄 분포하는 수평토압의 세 가지로 나누어진다(Fig. 6, Spangler, 1951; Lee et al., 2006b).

두 번째로, 연약지반에서 관의 부등침하가 일어나는 경우이다. 관의 부등침하는 매설관의 손상을 일으키는 주요 원인 중 하나로 특히, 연약지반에서 영향이 매우 크다. 관이 휘어지는 것은 한계가 있기 때문에 지반 전체가 움직이는 경우에 관의 원형을 유지하기 어렵다. 지중매설관의 파손확률은 매설깊이와 내압의 크기에 비례하며, 관의 두께가 얇은 경우에 더 커진다(Lee et al., 2004).

마지막으로, 지중매설관 중에서 상하수도관의 부식으로 인해 관의 두께가 얇아지는 경우로, 하수가 흐르는 강성관(콘크리트 관)에서의 황화수소에 의한 부식과 상수가 흐르는 금속관에서의 전류, 이온에 의한 부식으로 나누어진다. 황화수소에 의한 부식은 관 속을 흐르는 하수 중 단백질이나 유화물이 분해되어 생성된 황화수소가 관의 상부에서 물방울과 반응하여 생성된 황산에 의해 일어난다. 발생된 황산은 콘크리트에 함유된 철(Fe), 알루미늄(Al), 칼슘(Ca) 등과 반응하여 황산염이 되고, 이러한 과정에서 콘크리트 관의 부식이 발생된다(Fig. 7). 특히, 물이 고여있는 관의 상부와 물이 벽을 따라 흘러내려 오수와 섞이는 관의 측면부가 부식이 심하게 발생된다(Song et al., 2006). 상수가 흐르는 금속관에서 발생되는 부식은 전식과 자연부식이 있다. 전식은 철도의 누설전류나 방식전류에 의해 생기는 부식이고, 자연부식은 토양 내 폐수, 염분, 석탄재 등의 이온입자들의 작용으로 인해 생기는 부식이다(Hyun, 2010).

대표적인 지중매설관의 손상 원인을 살펴보았지만, 관의 손상은 복합적인 원인에 의해 발생되는 경우가 많기 때문에 적절한 원인을 제시하지 못하는 경우가 빈번하다.

4. 터널 굴착 시 지하수 흐름에 대한 기존 기술 현황

2014년 상반기, 서울시 도시 안전실 물관리정책과에서 서울시 지하철, 건축물, 전력구와 통신구의 지하수 유출량을 조사한 결과, 하루 동안 총 166,418톤의 지하수가 유출되며, 지하철 터널에서 108,965톤, 건축물에서 32,675톤, 전력구에서 16,776톤 그리고 통신구에서 8,002톤이 유출되는 것으로 나타났다. 한편, 지하수 이용시설과 지하수 이용량은 각각 연평균 5.1%, 2.6%씩 증가하고 있다. 매년 강수량은 줄어들고 있으나, 유출 지하수 발생량은 증가하고 있기 때문에 유출 지하수를 관리할 수 있는 대책을 강구할 필요가 있다(Seoul Water Management Policy Dept., 2014). 과다한 지하수 이용과 지하수 흐름의 교란은 지반함몰과 지중 공동 발생의 주된 원인이 되므로, 대규모 공사 중 발생하는 과다한 유출 지하수량을 정확하게 예측하고, 지하수 유출 및 지하수위 관리 체계를 구축할 필요가 있다.

대규모 공사 중 하나인 터널 굴착은 과잉 양수로 인한 지하수위 하강과 지하수 고갈이 사회적으로 큰 문제가 되고 있고, 그 중에서도 터널로 유출되는 지하수가 가장 심각한 상황이다. 하지만, 현재 지하수 관련 법령에서는 굴착 시 지하수 유출에 관하여 직접적으로 언급하지 않는데, 그 이유는 터널 굴착 시 지하수 유출은 불가피하며, 기타 다른 용도로 전환되지 않기 때문이다. 하지만 주변에 지하수가 주 용수공급원인 농업지구가 있어 영향을 줄 가능성이 있는 경우에는 지하수 영향평가가 실시된다. 지하수법은 굴착 시 유출되는 지하수를 최소화하는 방향으로 개정되고 있으며, 지하수법 제 9조 2항에서는 터널 1개소, 지하철 역사 1개소에서 1일 850 m³/일 이상의 지하수 유출이 있을 경우엔 지하수 유출 방지대책을 시행하도록 규정하고 있다(Kang, 2009).

지하수 유출 예측을 위해 지하수의 유입량이나 굴착시의 지하수위 하강 산정 모델링과 지질공학적 접근으로 연구가 국한되어 있었으나, 최근 MODFLOW 프로그램을 이용하여 3차원적으로 지하수 유출 예측이 가능하게 되면서 다양한 연구가 진행 중이다. MODFLOW 프로그램은 유체를 온도와 밀도가 일정한 층상흐름으로 가정하여, 수두값이 시간 종속적인 대수층내 지하수 저류량의 변화, 지하수 유동속도 그리고 유동방향의 계산이 가능하다(Lee et al., 2009). 일례로, 터널 굴착 시 지하수위는 일시적으로 하강하였다가 완공된 후에 초기의 수위로 돌아오지만, 지하수를 주 용수 공급원으로 사용하고 있는 지역에서는 지하수위 회복 시간을 예측하는 것은 매우 중요하다. 보통 방수시공 직후에 지하수위가 빠른 속도로 회복되며, 회복속도는 터널의 깊이가 깊을수록 더 빠르다. 하지만 지하수위 회복 속도에 가장 큰 영향을 주는 것은 대수층의 위치 및 특성이므로 정확한 현장 시추조사와 지반조사가 이루어져야 한다(Kang, 2009).

5. 지중매설관 손상 방지를 위한 기존 기술 현황

앞서 언급한 바와 같이, 지반함몰 발생 사례 중 가장 많은 비율을 차지하는 발생원인은 지중매설관의 손상이다. 지중매설관 손상의 원인은 (1) 관의 상부가 오랜 기간 동안 토압에 노출되어 관이 손상되는 경우, (2) 연약지반에서의 지반침하로 인해 관이 불균등하게 침하되는 경우 그리고 (3) 관의 부식으로 인해 관의 두께가 얇아지는 경우 등으로 다양하다.

토압과 연약지반에서의 부등침하로 인한 관거의 손상을 막기 위해서는 관거의 두께를 늘려 관의 강성을 증대시키는 방법이 있다. 하지만 관거의 두께를 늘리는 것은 추가적인 비용이 발생되기 때문에 비경제적이다. 이러한 이유로 관거의 두께를 늘리지 않으면서 토압을 감소시킬 수 있는 방법에 대한 연구가 수행되어왔다.

지중매설관의 설치과정을 살펴보면, 설치하려는 위치에 적절한 깊이까지 굴착 후, 굴착면을 정리하고 모래 혹은 콘크리트로 기초를 설치한 후 관을 기초 위에 올린다. 관이 기초 위에 올려지면 굴착된 여유 공간을 흙으로 뒷채움하는 방식이다. 이러한 일련의 과정에서 알 수 있듯이 지중매설관에 작용하는 토압은 관 하부의 기초와 관 주변을 둘러싼 뒷채움재의 종류, 강도, 그리고 다짐 정도에 의해서 크게 좌우된다. 그 중 다짐 정도는 시공 과정에서 많이 영향을 받는다.

 본 장에서는 관 하부의 기초와 관 주변을 둘러싸고 있는 뒷채움재와 관 상부에 위치한 흙을 교체함으로써 관에 가해지는 토압 뿐만 아니라, 연약지반에서 발생되는 관거의 손상을 감소시킬 수 있는 공법에 대해 알아보았다.

5.1 관 주변에서의 토압 감소

뒷채움재와 관 상부에 위치한 지반을 두 가지 방법으로 변화시킬 수 있다. 한 가지는 관의 상부 지반을 더 큰 강도를 지니게 하여 관의 안정성을 꾀하는 경화 방법이고, 다른 한 가지는 압축성이 있는 재료를 설치하여 토압의 완충을 통해 관을 보호하는 방법이다. 또한, 관의 상부 흙을 경량화하는 방법도 있다.

5.1.1 유동성 채움재(CLSM)

유동성 채움재(Controlled Low Strength Material, CLSM)란 흙, 플라이애쉬, 물, 시멘트를 혼합하여 만든 유동성, 강도조절 등의 특성을 가지는 지반공학적 재료로, 저강도 콘크리트의 개념을 적용한 것이다. 유동성 뒷채움재는 타설된 직후 유동성에 의해 빈 공간으로 주입되고, 일정 시간이 지나면 굳기 시작하여 목표 강도를 발현하게 된다. 이와 같은 특성으로 인해 시공자가 직접 흙으로 뒷채움하는 것보다 큰 효율을 보이며, 경제적인 면에서도 큰 장점이 있다.

유동성 채움재의 초기 유동성은 매설관과의 일체화를 이루어, 두께가 매우 큰 하나의 관거와 같이 거동하여 표토가 감소되기 때문에 상재하중이 줄어든 효과를 보이며, 관에 작용하는 수평, 수직 토압이 저감된다. 결과적으로 관의 단면강도가 증가한다. 일반 모래로 뒷채움 한 경우와 비교할 때, 방식사 CLSM을 사용한 경우에 토압이 98.4% 이상 저감되었고, 현장발생토사 CLSM을 사용한 경우 토압이 96.9% 이상 저감되는 결과가 나타났다(Park et al., 2004).

유동성 채움재의 본래의 효과(유동성, 하중저감 등) 이외에도 기존의 채움재인 모래를 사용하였을 경우보다 다양한 장점이 있다. 일반 모래를 사용하는 경우에는 모래의 가격과 외부에서 현장까지 운반하는 비용이 관 매설 공사의 큰 부분을 차지하지만, 현장발생토사를 재활용한 유동성 채움재를 사용하면 토압 저감의 효과뿐만 아니라, 잔토 처리비용의 절감의 효과도 얻을 수 있다(Lee et al., 2006b). 이외에도 산업부산물인 폐주물사와 플라이애쉬를 재활용한 유동성 채움재(Cho et al., 2002), 산업 폐기물인 매립석탄회를 재활용한 유동성 채움재(Chae et al., 2014) 등 다양한 산업부산물의 재활용이 연구되고 있다.

5.1.2 압축재 포설

압축재를 관의 상부에 포설할 경우 압축재의 변형특성을 이용하여 관의 상부하중을 완충할 수 있다. 압축재의 완충능력으로 아칭효과가 발생되기 때문에 하부에 위치한 관에 가해지는 상부하중을 저감시킨다. 기본적인 압축재료로는 점토, 이토, 지푸라기 등의 자연재료가 있다. 하지만 이러한 자연재료를 현장에 적용하는 경우 품질 관리가 어려운 단점이 있다(Kim et al., 2003). 이러한 단점을 보완하기 위해 포장재, 단열재로 사용되는 스티로폼을 이용하는 EPS (Expanded Poly Styrene) 방법이 제시되었다. 스티로폼은 자연재료와는 달리 규격에 맞게 제조할 수 있고 쉽게 유실되지 않는 장점이 있다. 일반적으로 EPS는 블록형태로 사용되며, 블록의 개수와 블록 사이의 간격이 중요한 변수가 된다. 연성관거가 기존의 방식으로 매설되었을 경우와 비교할 때, EPS블록이 관의 직경만큼의 포설폭을 갖고 하나만 포설된 경우에는 63%의 하중이 저감되고, 이중 포설된 경우에는 하중이 71% 가량 저감된다(Kim et al., 2003).

건설 폐기물을 재활용하는 EPS 방법뿐만 아니라, 폐타이어 조각이나 도시 쓰레기를 가공하여 압축성을 이용하는 방법이 있으며, 일반적인 모래에 비해 저렴한 가격에 시공이 가능한 장점이 있다.

5.1.3 경량성토공법

경량성토공법이란 상부에 위치한 흙 자체의 하중을 감소시켜 하부에 매설된 구조물 등을 보호하는 방법이다(Lee et al., 2006a). 지반굴착으로 생긴 잔토에 경량물질인 경량토사, 경량폐기물 등을 섞어 흙의 밀도를 줄이게 된다. 즉, 하중의 작용을 줄이는 것이 아닌 하중 자체를 줄이는 방법이다. 대표적인 경량성토 재료로는 앞서 언급한 EPS가 사용된다. 압축재로 사용되는 EPS는 블록형태로 포설되지만, 경량성토공법에 사용되는 EPS는 보다 작은 형태로 파쇄하여 흙, 시멘트와 배합하여 사용된다. 일반적인 화강풍화토와 인산석고를 7:3의 비율로 혼합할 경우 건조단위중량이 9% 감소하지만, EPS를 0.2% 혼합하게 되면 건조단위중량이 추가로 10% 감소하게 된다(Kim et al., 2009). 또한, 경량성토재는 일반적인 화강풍화토에 비해 2배의 지지력을 보이며 두께가 증가할수록 지지력이 증가하고, 연약지반에서 매우 효과적이다(Lee et al., 2006a). 하지만 EPS의 비율이 커질수록 지지력은 감소하게 된다.

5.2 관 주변에서의 지지력 증대

5.2.1 지반보강용 실리카졸 용액 주입

주입재를 이용해 지반을 경화시켜 지지력을 높이는 방법이다. 주로 연약지반에 사용되는 방법으로 지반의 경화를 통해 전반적인 안정화를 일으켜 지반함몰로부터 지중매설관을 보호한다. 지반의 투수율을 낮추는 효과가 있지만, 지속적으로 지하수에 노출될 경우 내구성이 낮아진다(Kim et al., 2010; Chun et al., 1996). 최근에는 실리카졸 용액을 이용하여 토양 입자들을 고분자성 구조로 연결하여 보다 높은 차수능력으로 흙이 유실되는 것을 방지하는 연구와 실리카졸 용액을 일반적인 포틀랜드 시멘트가 아닌 고로 슬래그 시멘트와 사용하여 투수계수를 낮춰 알칼리 성분의 용탈현상을 감소시키는 친환경적인 연구가 진행되고 있다(Cho et al., 2011).

5.2.2 매설관 보강용 지오그리드

지오그리드는 토목섬유 중 하나로 폴리아미드, 폴리에스터, 폴리에스틸렌 등을 이용한 합성섬유이다. 주로 지반보강에 많이 사용되며, 기존의 수지 네트와 비교하여 강성이 높고, 그물망 형태로 원형을 유지하려는 특성 때문에 큰 효과를 얻을 수 있다(Kim et al., 2014). EPS 블록과 지오그리드를 함께 포설하는 경우에는 EPS 블록에 의한 아칭효과와 지오그리드에 의한 전단력의 작용이 반대로 일어나기 때문에 서로의 효과를 상쇄시키게 된다(Kim et al., 2002).

5.3 부식방지

하수가 흐르는 강성관(콘크리트 관)에서의 황화수소에 의한 부식을 방지하는 방법으로는 콘크리트 표면에 PVC (Poly Vinyl Chloride) 또는 HDPE (High Density PolyEthylene) 시트를 부착시키는 방법, 폴리우레탄 또는 에폭시 등을 콘크리트 표면에 코팅하는 방법, 부식에 강한 특수 콘크리트를 사용하는 방법, 환기시설의 설치 빈도를 늘리는 방법 그리고 하수 이동 시에 미리 화학약품을 처리하는 방법 등이 있다(Moon et al., 2014).

상수가 흐르는 금속관에서 전식으로 인한 부식을 방지하는 방법으로는 관에서 흐르는 전류와 반대의 전하를 띠는 전압을 걸어주는 방법, 전류를 다른 곳으로 흘려 피해를 막는 방법 그리고 표준 단극 전위가 낮은 금속을 설치하여 방식을 이끌어 내는 방법이 있다(Hyun, 2010).

6. 결 언

본 연구에서는 최근 도심지에서 빈번하게 발생하는 지반함몰 현상의 원인, 현황, 예방에 대해 지반공학적인 관점으로 조명하였다. 국내 발생된 지반함몰은 대부분 굴착 공사와 지중매설관의 손상에 의한 것으로 나타났다.

첫째로, 굴착 시 지반함몰 사례를 살펴보면, 개착식 굴착 시공시, 불완전한 차수벽으로 인한 지하수와 모래의 과다 유출에 의한 메커니즘과, 비개착 굴착 시공시, 충적층과 같은 연약지반에서의 뒷채움재 불완전 주입으로 인한 과다 굴착 토사량 발생과 같은 메커니즘에 의해 지반함몰이 일어나는 것으로 확인되었다. 특히, 실드TBM공사시, TBM굴진을 멈춘 지역에서 대규모 지반함몰이 발생한 점은 시사하는 바가 많다. 따라서, 대규모 굴착 시의 지하수의 유동 및 유출량과 함께, 토립자 유실을 모니터링하고 지반함몰 발생을 예측하여 대처하는 방안이 필요할 것으로 보인다. 이를 위해서는, 토사의 침식, 토립자 유실 그리고 토사의 이동에 대한 근본적인 이해를 필요로 할 것이다.

둘째로, 지중매설관의 손상으로 인한 지반함몰 메커니즘을 살펴보면, 관거의 손상은 물의 흐름을 유발시켜 토립자 유실을 발생하고, 이로 인해 관거 상하부 지반의 지지력을 감소시겨, 결국 지반함몰을 발생시키는 것으로 나타났다. 지중매설관 중 상하수도관은 약 50년의 수명을 목표로 설계된다. 하지만 현재 설치된 지 15-20년 밖에 되지 않은 상하수도관의 노후에 의한 손상사례가 급증하고 있다. 서울시에서 발생된 지중매설관 손상의 현황 조사에서는, 시공 시의 부주의, 노후화, 토압, 연약지반에서의 관의 부등침하 등이 지중매설관 손상의 주된 원인으로 나타났다. 지중매설관의 손상으로 발생된 지반함몰 피해를 줄일 수 있는 지반공학적인 방안으로, 유동성 채움재, 압축재 포설, 경량성토공법과 같이 관 주변의 토압을 감소시키는 방법과, 실리카졸 약액 주입 및 지오그리드 매설을 통해 지지력을 증대시키는 방안이 제시되고 있다.