1. 서 론
SAR (Synthetic Aperture Radar)은 마이크로파를 발사한 후 물체에 반사된 전파를 이용하여 고해상도의 영상을 얻는 능동형센서이다. 안테나의 크기에 따라 공간해상도의 제약을 받는 레이더와 달리 SAR은 합성 빔 원리를 이용해 안테나의 크기와 상관없이 높은 해상도의 영상을 얻을 수 있다. 또한 가시광선을 이용하는 광학센서와 달리 높은 투과성을 지닌 긴 파장의 마이크로파를 이용하여 시간과 대기조건에 상관없이 데이터를 얻을 수 있다. SAR에 관한 연구는 1950년 Carl Wiley의 Doppler beam sharpening 이론을 바탕으로 처음 시작되었으며, 1970년대에는 항공기를 이용한 SAR 영상이 취득되기 시작했다. 1990년대부터 위상정보를 이용한 InSAR (Interferometry SAR) 기술이 지표면 변위 탐지 기법으로 급속하게 발전하고 있다. 최근에는 세계 각국에서 SAR 탑재 인공위성 개발을 진행 중이며, 국내에서도 2013년 SAR를 탑재한 최초의 레이다 위성인 아리랑5호(KOMPSAT-5)가 운용되고 있다(Yang, 2018). Table 1은 과거에 운영되었거나 현재 운영되어 InSAR 분석에 이용가능한 상업위성 리스트이다.
Table 1.
List of commercial satellites available for InSAR technology (ITAtech, 2015)
InSAR 기술은 변형을 측정하는 첨단 기술이지만 그 원리는 매우 간단하다. 수동 위성 시스템(Passive satellite system)과는 달리 능동 위성 시스템(Active satellite system)은 위성에서 직접 지구 표면으로 레이더 신호를 보내 반사된 레이더 신호의 진폭과 위상을 측정한다. 지표면의 특정지점에 대하여 반사된 두 개의 순차적 측정치의 위상차(Fig. 1의 빨간선 부분)로부터 두 순차시간 간격 동안 발생한 위성과 지표면사이의 거리변화, 즉 침하량을 산정한다. InSAR 기술의 정밀도는 위성의 해상도와 날씨에 따라 다르지만 일반해상도 위성의 경우 정밀도가 6~8 mm, 고해상도 위성의 경우 정밀도는 2~3 mm 수준으로 알려져 있다. InSAR 기술은 고정밀 위상데이터를 이용하여 저렴한 비용으로 비교적 정확하고 신뢰성있는 지표침하를 모니터링할 수 있는 기술로서 날씨, 계절, 시간에 상관없이 정기적이며 지속적으로 지표침하를 측정할 수 있어 본 연구와 같이 광역적인 지역에서 수직구 굴착시공 전 ‧ 후의 장기적인 침하양상을 시계열적으로 분석하는 데 적합한 기술이다. InSAR 기술의 종류에는 2장의 영상을 통해 지표면의 변위를 추적하는 방법인 D-InSAR (Differential InSAR), 안정된 위상신호를 갖는 긴밀도가 높은 PS (Permanent Scatterer) 포인트를 추출해 고정산란체에 대한 지표변위량을 구하는 방식인 PS-InSAR (Permanent Scatterer InSAR), 기선거리가 짧은 InSAR의 Subsets만을 이용하여 De-correlation 노이즈의 영향을 적게 받는 SBAS기술 등이 있다.
InSAR 기술은 남극의 빙하관측(Han et al., 2015), 백두산 지표면 변위 관측(Kim, 2003), 알레스카 화산 활동 관측(Lu et al., 2005), 상하이 지역 지반침하(Damoah-Afari, 2008), 광주 광산구 지반침하 관측(Lee et al., 2017), 포항 지진 발생원 분석(Fadhillah and Lee, 2021) 등 다양하게 활용되며 실용성이 증명되고 있다. 청주 오송역부터 광주 송정역을 통과하는 호남 고속철(약 188 km)의 일부 구간에서 지반침하가 발생하여 2016년 8월부터 2018년 9월까지의 SAR영상을 활용한 연약지반침하 분석 및 리스크평가가 수행되었다(Lee et al., 2018b; Sungkyunkwan University, 2019). 이 연구는 PS-InSAR기술을 이용해 수행되었으며, 2007년 발사된 독일의 첫번째 레이더 위성 TerraSAR-X와 2010년 발사된 쌍둥이 위성 TanDEM-X 위성을 통해 연구가 수행되었다. 분석결과 0.001 mm 단위의 침하량을 관측하였고, 정밀수준측량을 통한 데이터 검증을 실시한 결과 점, 선, 면단위 모두 1급(±0.6 mm)에서 2급(±1.0 mm) 수준측량의 정확도를 나타낸 것으로 확인되었다.
강원도 태백일대 폐광산주변의 지반침하를 분석하기 위해 2006년 10월부터 2010년 12월까지의 SAR 영상자료를 활용한 지반침하 관측 및 분석이 수행되었다(Cho and Kim, 2012). 이 연구에서는 D-InSAR 기술이 활용되었으며 일본의 항공 우주연구소(Japan Aerospace Exploration Agency, JAXA)의 ALOS PALSAR 인공위성레이더를 통해 연구가 수행되었다. X-밴드와 C-밴드에 비해 상대적으로 파장이 긴 L-밴드를 활용하여 decorrelation의 영향을 줄였고 대기에 의한 자연신호와 잡음의 제거를 위해 수직기선거리가 1,100 m 이하로 제한된 96개의 간섭쌍을 활용하는 SBAS 기술도 함께 적용했다. 연구결과 대상지역에서 연간 2~4 cm 수준의 침하가 발생하고 있으며, InSAR기술을 이용한 지반침하 관측이 휴 ‧ 폐광산의 침하조사 사전자료로 사용되기 충분함이 확인되었다.
본 연구에서는 국내 터널 및 수직구 굴착이 수행된 지역의 광역적인 시계열적 지반침하 경향을 파악하기 위해 InSAR 기술을 이용하여 분석하고 3차원 수치해석 결과와 비교하여 적용성을 평가하였다.
2. 터널굴착 중 침하발생사례 현장개요
최근 국내에서 터널 굴착 중 지하수위 변화에 따른 지반침하가 발생하는 사례가 늘고있다. 이에 따라 터널 굴착 중 지하수위의 변화가 지반거동에 미치는 영향에 관한 다수의 연구가 수행되었으며(Yoo, 2003; Yoo and Kim, 2007; Park et al., 2008; Lee et al., 2018a), 최근에는 터널 지하수 관리개념의 도입을 위해 도심지 대심도 터널의 지하수 변동영향 제어방안에 관한 연구도 수행되었다(Jeong et al., 2021). 본 사례는 GL-60 m의 수직구와 싱글 쉴드TBM으로 터널을 약 95 m 굴착 중 발생한 지하수 유입에 따른 지하수위 강하로 인하여 수직구 주변 약 200 m구간에서 최대 약 20 cm의 침하가 발생한 사례로서 수치해석과 InSAR기술을 이용하여 지하수위 변화에 따른 지반거동을 분석하였다.
대상지역은 과거 농경지와 염전이 발달한 지역으로 현재는 매립되어 산업단지로 조성되어 있다. 대상구간은 변성암류인 송악편마암과 평택혼성편마암이 주를 이루고 있으며 쥬라기의 신평화강암이 부분적으로 산재하여 발달하고 있다. 발진수직구와 터널노선을 따라 조사된 지층단면이 Fig. 2에 나타나있으며, Fig. 3은 지하수위 강하에 따른 변형이 발생한 대상지역 내 점토퇴적층과 풍화토층의 두께분포를 보여주고 있다.
대상지역의 지하수위는 GL-5 m 내외에 위치하는 것으로 나타났으며, 해안에 인접되어 있어 해수면 변동에 따른 지하수위변화를 확인하기 위해 간조 시와 만조 시의 수위를 측정하였으며 만조와 간조 시 수위변화는 크지 않은 것으로 파악되었다. 지층별 투수계수를 파악하여 수리지질 특성을 파악한 결과 매립층에 대한 투수시험 결과 투수계수는 1.8 × 10-3 ~ 8.46 × 10-4 cm/sec, 퇴적점토층의 투수계수는 8.09 × 10-6 cm/sec, 풍화토의 투수계수는 3.18 × 10-4 cm/sec, 단층파쇄대층의 투수계수는 5.99 × 10-4 cm/sec, 풍화암층의 투수계수는 3.25 × 10-5 cm/sec의 범위를 보였으며, N값에 의한 투수계수의 차이는 나타나지 않으나 지층별 투수계수는 차이를 보였다.
3. 수치해석을 통한 침하분석
본 연구에서는 지하수위 저하에 따른 침투발생과 지표침하를 합리적으로 고려한 침투-응력 연계해석을 수행하기 위해 FLAC-3D를 이용한 3차원 안정성 해석을 수행하였다. 광역적인 침하경향을 파악하기 위해 모델 해석영역을 700 m⨯700 m로 설정하여 지하수 변동에 따른 영향범위를 면밀하게 반영하였고 수직구 굴착에 따른 지반거동을 평가하기 위해 굴착/지보재 설치, 경계조건의 변화, 재료의 특성치 및 형상의 변화 등을 반영하여 모델링하였다. 상세지층 모델링에 활용한 시추공은 본 지반조사 시 시추한 총 40공과 국토기반정보 포털시스템을 이용하여 대상구간 인접 시추공 18공을 추가적으로 분석에 활용하였다. Table 2에 수치해석 시 적용된 지반의 물성치를 정리하였다. 물성치는 지반조사결과, 문헌조사, 유사현장 자료조사 등으로부터 검토하였다.
수치해석은 수직구 굴착에 따라서 지하수위 저하에 따른 침하영향범위를 검토하는데 활용되었으며, 지하수위 강하에 따른 즉시침하와 지하수 양수를 중단할 때까지 강하된 지하수위가 유지된 기간 동안의 추가적인 장기침하를 고려하여 침하영향범위를 파악하였다. 보수적인 평가를 위해 다수의 지하수 관측공에서 계측된 최저지하수위를 3차원 공간좌표로 입력하여 강제 강하시켜 적용하여 양수량 및 투수계수 등의 신뢰성에 따른 침하량 산정의 오차를 줄였다. 실제 계측된 최저지하수위를 적용하므로 지하수 유입량을 고려할 필요없는 지하수위 강하로 인한 침하를 추정하는 직관적이고 보수적인 산정방법이다. 수치해석 수행과정은 먼저 상세 지층모델링이 이루어진 초기단계, 부지조성 매립에 의한 침하량 분석단계, 수직구 굴착에 따른 지하수위 강하로 인한 침하량을 분석하는 순으로 진행하였다. 특히 침하량분석에서 가장 영향이 큰 풍화토의 변형계수는 현장 일부구간에서 파쇄대, 공동 등 지질취약구간이 산재되어 있는 지반의 불확실성이 큰 지반조건을 고려하여 지반조사보고서에서 추정된 범위(풍화토 E = 11.4~89.6 MPa, 점성토 E = 3.2~25.0 MPa) 내 하한치를 적용하여 침하량을 보수적으로 검토하였다.
Table 2.
Soil and rock properties
Fig. 4는 수직구 굴착이전 매립단계 침하 해석결과와 수직구 굴착 후 지하수위 강하로 인한 단기 및 장기침하 해석결과를 보여주고 있다. 매립에 따른 침하해석 결과 대상구간은 지질이상대 및 토사층 층후가 두꺼운 구간에서 침하가 뚜렷하게 발생하였으며, 최대 침하량은 수직구와 350 m 이격되어 매립 두께가 두꺼운 구간에서 최대 약 78 cm 침하가 발생한 것으로 추정되었다. 발진구 굴착 중 지하수위 저하로 인한 즉시침하 및 압밀침하를 지하수위 강제강하를 약 15개월 간 유지시켜 추정한 결과 발진구 주변 최종 침하량은 최대 21.8 cm이며 침하영향반경은 약 200 m 내외로 나타났다.
4. InSAR를 이용한 지반 침하 분석
InSAR 기술을 이용한 지표면 또는 구조물의 시간경과에 따른 거동분석은 이탈리아 TRE-Altamira사를 통해 상업위성인 COSMO-SkyMed (CSK)와 Sentinel-1의 위성레이더 데이터를 이용해 수행했으며, 수직구 굴착착수 전 32개월, 굴착착수 이후 22개월 총 4년 7개월 동안 6~16일 간격으로 분석하였다. Sentinel-1위성은 2015.01.18.~2019.08.31. 기간 동안 총 111장의 image, COSMO-SkyMed위성은 2015.01.05.~2019.08.12. 기간 동안 총 74장의 image를 취득하여 수직구 굴착작수 이전 4년 8개월간 지점별 누적 침하량 데이터를 취합하여 주요일정별로 누적침하 분포도를 도시하여 광역적 거동을 분석하고, 주요 지점에 대하여 시간에 따른 침하량 증가양상을 파악하기 위해 그래프를 도시하여 분석하였다. 또한 굴착착수(17.10.17) 이후 양수중단(19.07.02) 까지 약 21개월간 지반변형 편차를 계산하여 수직구 굴착에 따른 지하수위 저하로 인한 침하분포를 분석하였다.
Fig. 5는 InSAR기술을 통해 발진구 굴착 전 ‧ 후의 침하량을 분석한 결과이다. Fig. 5(b)는 2015년 1월부터 발진구 굴착 직전까지 약 32개월 동안 발생한 지표변위량을 InSAR를 통해 분석한 것이다. InSAR 기술을 통한 과업구간 내 광역적 침하량의 시계열적 변화 분석결과 과업구간 전구간에서 수직구 굴착 이전부터 지속적으로 잔류침하가 평균적으로 0.3~1.5 mm/month 수준으로 발생하고 있었던 것으로 파악되었다. 발진수직구 굴착 전 약 32개월(2015.02~2017.10) 동안 발진수직구 인근에서 10~50 mm, 대상구간 북서쪽 도달수직구 인근에서 약 30~60 mm의 침하 발생하였다.
Fig. 5(c)는 2015년 1월부터 터널 및 도달수직구 굴착중지 시(TBM 챔버 폐합 및 도달수직구 양수중단) 까지 약 50개월 동안 발생한 침하량 분포이다. 이 기간 이후에도 TBM이 터널 안에 방치되어 있고 발진수직구 콘크리트 타설이 완료되지 않아 발진수직구로 지속적으로 지하수 유입이 발생하여 양수를 중단하지 않았다. Fig. 5(b)와 비교하였을 때 침하는 주로 발진구 인접구간에서 발생하였으며, 주로 발진구 동쪽방향 도로를 따라 침하가 집중되어 최대 약 180 mm의 침하가 발생한 것으로 분석되었다. 침하가 도로를 따라 발생한 것으로 나타난 것은 InSAR 기술이 공장건물 지붕의 침하량을 측정하게 되어 공장건물은 기초로 인해 침하가 거의 발생하지 않기 때문인 것으로 추정된다. 반면 수치해석은 green field 조건에서 수행하므로 원형 형태의 침하가 발생한 것으로 나타났다.
Fig. 5(d)는 2015년 1월부터 발진수직구 양수중단 시까지 약 55개월 동안 발생한 침하량 분포이다. Fig. 5(c)와 비교하였을 때 침하량과 분포형태는 거의 동일하지만 발진구 양수로 인하여 발진구 인접구간 침하량이 최대 210 mm 수준으로 터널굴착 중지 이후 약 5개월 동안 발진구 지하수 양수로 인하여 추가로 약 30 mm침하가 발생하였다.
Fig. 6은 발진수직구 인근 특정지점에서 침하량 변화양상을 그래프로 나타낸 것이다. 전반적으로 발진구 굴착이 시작되는 17년 10월까지 지속적으로 침하가 증가하고 있는 양상이 보이며, 지하수 유입량이 급격히 증가하기 시작하는 18년 5월부터 침하량도 급격히 증가하는 것으로 나타났다. 특히 터널굴착 중지 및 TBM 챔버 폐합(19년 2월) 이후로도 침하속도의 변화가 거의 없는 것으로 나타나 발진구 주변 침하는 주로 약 60 m 심도의 수직구 벽면으로부터 유입되는 지하수로 인한 침하인 것으로 추정된다.
Fig. 7은 발진수직구 굴착착수(17년 10월) 이후 발진수직구 양수중단 시(19년 7월)까지 수치해석과 InSAR기술을 이용한 침하량 산정결과를 비교한 것이다. 수치해석결과 최대침하량은 217 mm, InSAR 분석 결과 최대침하량은 200 mm내외로 거의 유사한 값을 보였으며, 주요 침하발생 구간도 발진구 동쪽 도로구간으로 일치했다. 다만 건물이 있는 위치에서의 지표변위 탐지가 어려운 InSAR 기술 특성상 침하발생 구간이 도로와 공장 주차장에 국한된 것으로 보여진다. 지반침하가 주로 발진구 동쪽에서 발생한 것은 지층구조와 지하수 흐름과 관련이 있는 것으로 추정된다.
최대침하가 발생한 구간에 Fig. 3에서 나타난 바와 같이 풍화토층이 깊게 분포하고 동측 해안방향으로 갈수록 점토퇴적층의 층후가 크게 나타난다. 또한, 지하수의 흐름이 도로와 평행하게 서쪽에서 동쪽으로 흐르고 있음을 지하수위 저하량과 양수중단 후 지하수위 회복곡선으로부터 확인하였다. 고지형도 분석결과 대상구간은 소규모 구릉이 발달한 지역으로 계곡부가 동서방향 도로와 평행하게 나타났다. 발진구 지하수 양수 중 지하수위 강하가 발진구 남서쪽에 비해 북동쪽에서 5 m 이상 더 많이 발생하였으며, 발진구 양수중단 이후 지하수위 회복속도는 발진구 북동쪽보다 남서쪽에서 빠르게 나타났다. 따라서, 지하수 흐름은 고지형 계곡과 평행하게 발생하고 지하수공급이 남서쪽에서 북동쪽 방향으로 이루어지고 있는 것으로 추정되며, 지하수위 강하로 인한 침하량은 토층 두께가 크고 지하수위 강하가 크게 발생한 발진구 북동쪽에서 많이 발생한 것으로 추정할 수 있다.
대상구간은 과거 해성퇴적지반을 연약지반 처리를 통해 단지를 조성하였고 자연상태의 지반을 강제적으로 압밀침하를 유도하였다. 지반조사 결과 기반암층의 출현심도와 풍화대 층후도 단지 내 지점마다 크게 차이나고, 지중 계곡부를 따라 바다측으로 지하수 흐름이 있는 지역특성을 가지고 있다. 대상구간 매립이 15년 이상 경과된 시점에서 시간적으로 당초 설계 시 예측된 잔류 침하는 완료되었을 시점이므로 잔류침하의 가능성은 적다. 지형적인 요건에 의해 당초 조사 시 파악되지 않은 깊은 연약지반의 존재 가능성은 부정할 수 없으나 전반적인 지층분포로 볼 때 이러한 점은 국부적일 것으로 예상된다. 특히 과업구간의 경우 직접적인 지하수 유출에 의한 지반침하 현상은 공사 진행과 시간차이를 두지 않고 발생하였다. 공사가 진행되기 전이나 공사가 중지된 이후에 광범위하게 발생하는 것으로 관찰된 지반침하 현상은 공학적으로 볼 때 지하수 유출로 인한 풍화대 이상 지층의 압축침하 현상으로 설명하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 수직구 및 터널굴착 중 지반침하 사례연구를 통하여 InSAR기술의 적용성을 평가하였다. InSAR기술은 능동 위성 시스템(Active satellite system)은 위성에서 직접 지구 표면으로 레이더 신호를 보내 반사된 레이더 신호의 진폭과 위상을 측정하여 지표면의 변위를 측정하는 기술로 현재 이탈리아 등의 상용위성의 데이터를 이용하여 수 mm 이내의 정확도로 지반변위의 시계열적 분석을 수행할 수 있다. 현재 세계 각국에서는 InSAR기술을 활용한 지반침하 및 지표변화를 관측하는 연구들이 진행되고 있으며, 연구지역의 특성에 적합한 InSAR기술을 활용하여 mm 단위까지의 지표변화를 탐지할 수 있는 수준에 다다랐다.
본 사례에서는 광역적 지반시추조사, 장기간의 지하수위 계측, 3차원 수치해석 등을 수행하여 대상지역에 대하여 종합적으로 광역적인 지반침하 양상을 검토하고, 최종적으로 InSAR 기술을 이용한 지반침하 분석결과와 비교하였다. 분석결과 대상지역은 과거 낮은 구릉지가 발달하고 여러개의 소류지 및 염전이 위치한 해안지역을 매립한 산업단지 조성구간으로 광역적으로 장기간의 침하가 지속되고 있고 침하양상과 지하수 흐름양상이 고지형과 매우 관련성이 높은 것으로 파악되었다. InSAR 기술과 FLAC3D를 이용한 광역적 3차원 수치해석을 통하여 비교분석한 결과 본 공사 중 발생한 지하수위 저하로 인한 최대침하량과 영향범위가 유사하게 추정되는 것으로 확인되어 InSAR기술을 통한 침하량 분석방법이 충분한 신뢰성이 있다고 파악되었다. 대상구간과 같이 지속적으로 침하가 진행되고 있는 지역에서 시공 전 초기치 계측이 이루어지지 않았을 때 특정이벤트 발생으로 인한 지반침하량 산정 시 InSAR 기술이 유용하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다. 향후연구에서는 InSAR기술을 이용하여 파악된 침하량을 실제 계측침하량과 비교분석하여 InSAR기술의 유효성과 실무 적용성을 정확하게 검증하는 것이 필요할 것으로 판단된다.
