1. 서 론

철탑은 안정적인 전력공급에 있어 가장 중요한 역할을 하며 철탑 기초는 상부구조물인 철탑이 어떠한 조건에도 무너지지 않도록 해야 한다. 철탑의 기초 설계 시 기초 형상은 철탑 기초로 전달되는 하중에 의해 달라지며, 하중의 주요 외적 인자는 풍압이다. 과거 우리나라의 철탑 기초는 30년(1951~1980) 동안의 기상 자료가 반영된 기준속도압을 바탕으로 설계되었다. 그러나 최근 기후변화로 인해 풍속 설계기준 보완의 필요성이 제기되었고, 20여년의 기상관측자료가 추가되어 일부 지역에 대해 기준속도압이 상향되었다. 이에 따라 12,000 여기 철탑 기초에 대한 안정성 평가가 필요하였고, 그 중 기초 제원이 존재하지 않아 안정성 평가가 불가능한 1,500 여기의 철탑에 대해 철탑 기초 제원 파악 기술 개발이 필요하게 되었다.

철탑 기초 제원 파악을 위해서는 굴착을 통해 확인하는 방법이 있으나, 굴착 장비가 진입하기 어려운 산악지에서는 적용이 불가하고 비용이 많이 소요된다. 반면에, 물리탐사 기술을 적용할 경우 탐사 장비를 사람이 휴대할 수 있고 굴착장비가 필요하지 않아 경제적이다. 물리탐사 기술은 탐사 위치에 따라 지표탐사와 시추공탐사로 구분된다. 지표탐사는 굴절법 및 반사법 탄성파탐사, 전기비저항탐사, 초음파법이 적용되고 있으며, 시추공 탐사로는 탄성파 토모그래피, 속도 검층법, 하향식 탄성파탐사 등이 주로 적용된다. 그 중, 탄성파 탐사 기술은 지하구조를 상대적으로 명확히 영상화 할 수 있어 건설 및 토목, 석유가스 탐사분야 등에서 지반조사나 지층내부구조 탐사 목적으로 광범위하게 사용되고 있다. 탄성파 탐사 기술은 일반적으로 충격반향기법(impact-echo), 평행 탄성파법(parallel seismic, PS)과 같이 파일 기초나 지면에 충격을 가한 뒤 전파된 탄성파를 측정하여 파일 기초의 제원을 추정하는 방법이 있다. 그 중, 충격반향기법은 일반적으로 슬래브와 같이 너비에 비해 깊이가 작은 구조물에 이상적인 방법이다(Carino and Sansalone, 1984; Pratt and Sansalone, 1992; Sansalone, 1997; Carino, 2001; 2015; Song and Cho, 2009). 파일 기초에 적용 시 상부에서 탄성파를 발생시킨 뒤 파일 기초 하부에서 반사된 반사파를 측정하여 파일 기초의 근입 깊이를 추정할 수 있지만, 반사파를 사용하기 때문에 주변 잡음과의 중첩으로 인해 신뢰성 있는 결과를 얻기 어려운 경우가 많아, 적절한 자료처리 과정을 필요로 한다.

이에 반해, 전기비저항 탐사는 땅 속을 2차원 또는 3차원으로 탐사할 수 있는 방법이다. 이 방법은 땅에 접지시킨 한 쌍의 전극을 통하여 땅속으로 전류를 흘려보내고, 전위차를 측정하여 지하매질의 전기비저항 분포를 알아내는 방법이다. 지하 매질은 여러 가지 복잡한 지질 및 구조를 갖는 불균질, 이방성의 특징이 있기 때문에 전류의 투과량과 흐름의 방법이 다양하다. 전기비저항 탐사는 지하수위 조사 및 지하수오염 탐지에 적극 활용되고 있을 뿐만 아니라 지하공동의 위치조사, 단층 및 균열대 파악, 광산수갱 및 동토대의 위치 조사와 더불어, 고대 건축물의 기초가 묻혀 있는 유적지 조사 등과 같은 고고학 분야 등 여러 분야에 사용되고 있다(Rizzo et al., 2004; Cardarelli et al., 2010; Metwaly and AlFouzan, 2013; Xiao et al., 2013; Raji and Adedoyin, 2020).

본 연구에서는 철탑 기초의 효율적인 보강사업 추진을 위하여 물리탐사를 활용하여 기초 규격이 확보되지 않은 철탑의 제원을 예측할 수 있는 기술을 개발하였다. 이를 위해 충격반향기법과 전기비저항 탐사 기술을 활용하였고, 휴대용 탐사장비를 개발하여 기초의 제원이 확보된 기설 철탑에서 탐사를 수행하여 현장 검증을 하였다. 추가적으로 규격이 확보되지 않은 철탑 기초에 적용하여 물리탐사를 활용한 철탑 기초 제원 예측의 현장 적용성을 확인하였다.

2. 물리탐사를 활용한 철탑 기초 제원 탐사

2.1 충격반향기법을 활용한 철탑 기초 깊이 추정

본 연구에서 사용한 충격반향기법은 콘크리트 내부의 결함(공극, 균열 등)을 찾기 위해 개발된 비파괴 검사방법 중 하나로, 터널 라이닝 콘크리트의 배면 그라우팅 평가, 교량의 결점 조사 그리고 도로의 콘크리트 포장 두께 조사 등에 사용되는 기술이다. Fig. 1(a)와 같이 매질 표면에 물리적 충격을 가하면 매질 내부로 전파된 응력파의 일부는 하부의 경계면에서 반사되어 표면으로 돌아오고, 일부는 다른 매질로 전파된다. 반사되어 돌아온 응력파는 물리적 충격을 가한 매질의 표면에서 반사되어 다시 매질 내부로 전파된다. 반복되어 반사된 응력파는 표면에 설치된 수신기에서 측정되며, 공진 주파수와 매질의 응력파 속도간의 관계를 통해 매질의 길이를 구할 수 있다.

여기서, L은 매질의 깊이, Vp는 매질의 P파 속도, fn은 n번째 공진 주파수, n은 공진 주파수 번호이다.

Fig. 1.

Impact-echo results for the tower foundation

일반적으로 얕은 깊이의 매질은 주파수 영역 그래프에서 하나의 피크가 나타난다. 그러나 철탑 기초처럼 깊이가 깊고 형상이 복잡한 경우 매질의 경계에서 다수의 반사파가 생성되기도 하고, 표면의 경계에서 반사되는 응력파가 우세해져 깊이 방향에서 반사되는 응력파는 상대적으로 가려지게 된다. 따라서 철탑 기초 제원 예측을 위해 충격반향기법을 활용하기 위해서는 철탑 기초에 맞는 적절한 데이터 해석이 수반되어야 한다.

본 연구에서는 실제 현장 데이터를 토대로 충격반향기법을 활용하여 철탑 기초 제원 예측을 위한 데이터 해석 방법을 제안하였다. Fig. 1(b)는 가속도계와 속도계로부터 얻은 시간 영역 결과를 나타낸다. 해당 결과에서 분석하고자 하는 센서 결과를 선택하여, 주파수 영역 결과로 나타낸 후, 각각의 공진 주파수 영역을 결정한다. 1자유도계(single degree of freedom)에서의 주파수 응답 곡선 이론식과 비교하여 추세선을 구한 후, 각각의 공진 주파수를 산정한다(Fig. 1(c)). 얻어진 공진 주파수로부터 식 (1)을 이용하여 깊이를 계산하였다. 콘크리트의 P파의 속도는 일반적으로 3,500~4,300 m/s로 콘크리트 상태나 강도에 따라 상이하나, 본 연구에서는 3,800 m/s로 가정하였다.

2.2 전기비저항 탐사기법을 활용한 철탑 기초 저판 크기 추정

전기비저항 탐사기법은 지반 내 전류를 발생시켜 전극 사이의 전위차를 측정하여 전기비저항 분포를 분석하는 방법이다. 자원탐사 또는 터널 막장면 이상 지질대 탐사 등에서 측정된 저항 값을 통해 전기장을 역해석하여 지반 조건의 변화를 감지한다. 그러나, 지하 구조물의 형상을 파악하기에는 구조물의 크기, 형상, 재질 등을 고려하기 어렵다는 한계가 있다.

본 연구에서는 구조물로 인한 지반의 전기비저항 변화를 통해 철탑 기초의 형상과 크기를 예측하고자 하였다. 철탑 기초의 되메움재는 조밀하게 다지기가 어렵고, 느슨한 지반 내부에 수분이 침투하여 원지반과 다른 특성을 가지게 된다. 또한, 철탑 기초는 콘크리트 구조물로 원지반과 다른 전기적 특성을 지니게 되어 기초지반과 구별되는 특징을 나타낸다. 그러나, 철탑규모에 따라 철탑기초의 규격이 다르고, 기초의 형상과 재질에 따라 주변 지반에 대한 전기장의 영향이 달라진다. 따라서 기초의 형상 및 재질은 역T형 콘크리트로 고정하여 변수를 통제하였고, 딥러닝 기법을 활용하여 제원을 알고 있는 철탑기초의 저항 자료와 철탑의 크기를 학습시키는 방법으로 철탑 기초의 깊이와 너비를 도출하고자 하였다.

전기비저항 탐사기법을 활용하여 철탑 기초 제원 추정을 위해서는 기초를 중심으로 좌우 일정한 간격으로 전극을 배치하고 저항 값을 측정해야 한다(Fig. 2). 소스센서와 측정센서가 탑재된 탐침봉을 철탑 기초 좌, 우에 각각 4개씩 설치하여 총 56개의 저항 값을 측정한다(Fig. 3(a)). 소스센서와 측정센서를 서로 바꾸어 가면서 측정하여 센서간 측정값 차이를 최소화하였다. 탐사 장비는 전압을 발생시켜 측정 대상의 전류 값을 측정하고 저항 값을 계산한 후 제어부에 전달하는 기능을 수행한다. 전달된 데이터는 제어부에서 딥러닝 학습 결과가 반영된 해석 프로그램을 거쳐 최종적인 기초 제원이 도출된다(Fig. 3(b)).

Fig. 2.

Schematic diagram of the electrical resistivity system for estimating tower foundation specifications

Fig. 3.

Electrical resistivity based program for estimating tower foundation specifications

3. 물리탐사를 활용한 철탑 기초 제원 탐사 현장적용

본 절에서는 상기의 개발된 기술을 기초 제원이 확보된 철탑 기초에 적용하여 실제 도면과 비교하여 정확도를 분석하였다. 추가적으로 기초 제원 정보가 확보되는 않은 철탑에 적용하여 철탑 기초 제원 예측을 수행하였다.

3.1 철탑 기초 제원 탐사 시스템

현장 적용을 위하여 Fig. 4와 같이 탐사 장비를 구축하였다. 일반적으로 철탑은 산악지에 설치되어 있다. 따라서, 철탑 기초 제원 탐사를 위해 현장 접근 시 차량 통행이 불가하며 인력으로 장비 운반 및 운영을 해야 하므로 장비의 휴대성이 중요하다. 본 연구에서는 5 kg 이내로 소형화된 장비를 개발하였다. 충격반향기법 탐사를 위해 휴대용 장비에 개발된 분석 소프트웨어를 탑재하였고, 신호 측정 센서(가속도계, 속도계), 트리거 장치, 타격판 및 타격망치를 준비하였다(Fig. 4(a)). 전기비저항 장비는 데이터 해석 프로그램이 내장된 제어부, 전압 발생 및 전류와 저항 값을 측정하는 탐사장비, 탐침봉 그리고 케이블로 구성되었다(Fig. 4(b)).

Fig. 4.

Portable devices for estimating tower foundation specifications

충격반향기법으로 철탑 기초 제원을 파악하기 위해 기초 표면이 평평한 곳에 센서를 설치하고, 반대편에는 타격판과 트리거 장치를 설치하였다(Fig. 5(a)). 본체와 센서 연결을 확인한 후, 타격을 실시하였다. 만약, 신호가 제대로 측정되지 않았을 경우, 측정된 신호를 확인하여, Trigger Delay를 조절하여 재타격 하였다. 획득된 신호를 이용하여 철탑 기초 제원을 파악하였다. 전기비저항 탐사 기법으로 철탑 기초 제원을 파악하기 위해서 탐침봉을 제원을 알고자 하는 기초를 중심으로 일직선 형태로 설치하였다(Fig. 5(b)). 인접한 철탑 기초가 측정에 영향을 줄 수 있으므로 센서 배치는 두 기초 사이 거리의 반을 넘어가지 않게 하였다.

Fig. 5.

Overview of field application

3.2 물리탐사를 활용한 철탑 기초 제원 탐사 현장적용 결과

개발된 장비들을 활용하여 제원이 확보된 36개의 역T형 콘크리트 철탑 기초를 대상으로 충격반향기법과 전기비저항 탐사 기술에 대한 현장검증을 수행하였고, 그 결과를 Table 1에 정리하였다. 철탑 기초 제원 예측 현장 검증 결과, 충격반향기법은 깊이에서 6.3%의 오차율을 나타내었다. 전기비저항 탐사기법은 깊이에서 9.2%, 저판 너비에서 1.3%, 저판 두께에서 5.1%의 오차율을 나타내었다. 충격반향기법은 깊이를 정확히 예측하는 반면, 전기비저항 탐사기법은 저판 너비와 두께를 오차범위 내에서 정확히 예측하였다. 따라서, 철탑 기초 제원 예측 시 깊이 정보는 충격반향기법 결과를 활용하고, 저판의 너비와 두께 정보는 전기비저항 결과를 활용하는 것이 합리적임을 확인할 수 있었다.

충격반향기법의 오차는 콘크리트 P파 속도를 3,800 m/s로 일률적으로 적용하기 때문이거나, 버림콘크리트의 깊이를 잘못 산정한 경우, 기초 표면의 상태가 양호하지 않아 신호를 제대로 발생시키고, 획득하지 못한 경우에 발생된다. 또한, 기초 내부에 공동이 있는 경우에도 오차가 발생될 수 있다. 전기비저항 탐사기법의 오차는 현장 탐사조건에 따라 발생된다. 철탑 부지의 경사, 지반물성에 따른 저항 값의 차이 등을 반영하기 어렵고, 암반이 일부 노출된 경우 전기비저항 결과에 영향을 주기 때문에 오차가 발생될 수 있다.

기초 제원이 확보되지 않은 14개의 철탑을 대상으로 충격반향기법과 전기비저항 탐사를 활용한 기초 제원 예측을 수행하였고, 그 결과를 Table 2에 정리하였다. 해당 결과는 경제적이고 합리적인 철탑 기초 제원 예측 평가로 철탑 보강 계획 수립 및 철탑 인근 굴착공사 시 참고 자료로 활용될 수 있다.

본 연구 결과를 현장에 적용 시, 충격반향기법의 경우 기초 표면에 센서를 설치 시 표면상태가 양호한 곳에 설치해야 한다. 그렇지 않을 경우 제대로 된 신호가 획득되지 않아 결과 분석이 어려워진다. 또한, 타격 시에는 충분한 에너지로 타격해야 탄성파가 기초 하단까지 전파될 수 있다. 주파수 영역 결과 분석 시에는 정수배로 증가하는 공진 주파수를 선택해야한다. 콘크리트의 P파 속도는 기초마다 다르기 때문에 설치된 지 오래되어 풍화되거나 열화된 콘크리트의 경우 P파 속도를 정확하게 측정해서 사용해야, 정확한 기초의 깊이를 추정할 수 있다. 전기비저항 탐사기법의 경우 센서의 설치가 가장 중요하다. 센서의 간격과 관입 깊이에 따라서도 전기비저항 값에 차이가 발생할 수 있다. 또한, 센서가 인접 기초 또는 지장물과 너무 가깝게 설치되는 경우 전기장에 영향을 미치기 때문에 센서의 설치 위치와 방향을 고려하여 결정해야한다.

4. 결 론

최근 기후변화로 인해 기준속도압이 상향되어 국내에 설치된 철탑 기초에 대한 안정성 평가가 필요하였다. 그 중, 오래된 철탑 기초의 경우 설계 자료가 거의 남아 있지 않아 철탑 기초 안정성의 정확한 분석과 적절한 보강이 어려운 실정이다. 따라서 본 연구는 철탑 기초의 보수 ‧ 보강 계획 수립에 필요한 기초 제원 정보를 정확하게 파악하기 위해 충격반향기법과 전기비저항 탐사 방법을 적용하였다. 철탑 기초 제원 파악을 위한 알고리즘 및 휴대용 장비를 개발하여 산지 등 진입이 어려운 곳에 위치한 철탑에도 적용할 수 있도록 하였다. 개발된 기술을 활용하여 역T형 철탑 기초 36개소에 적용하여 검증한 결과, 충격반향기법은 깊이를 정확하게 예측하였고, 전기비저항 탐사 기법은 깊이 보다는 저판의 너비와 폭을 더 정확하게 예측하는 것으로 나타났다. 두 방법을 활용하여 철탑 기초 제원 예측 시 깊이에 대한 예측 정확도는 93.7%이며, 저판 너비에 대한 예측 정확도는 98.7%이며, 저판 두께에 대한 예측 정확도는 94.9%로 나타났다.

충격반향기법을 이용한 기초의 두께 추정 또는 결함 측정과 관련된 기존의 선행 연구는 대부분 탄성파 신호의 시간 영역 결과를 분석하기 때문에 분석하는 시각에 따라 결과가 다르게 도출될 수 있다. 하지만, 이번 연구에서 개발된 기법은 주파수 영역에서 결과를 분석하기 때문에 일관된 결과를 도출할 수 있다. 본 연구에서는 원지반과 전기전도도가 크게 달라 전기비저항 예측이 용이한 재질인 콘크리트를 대상으로 분석하였다. 그러나, 기초의 설치 형태에 따라 콘크리트, 말뚝, 강관, 철근(앵커)등 전기비저항 특성이 상이하게 표출되기 때문에 재질별 특성을 고려한 알고리즘 개발이 필요하다. 또한, 역T형 기초가 아닌 다른 형상(심형 등)의 기초 탐사 시 측정된 데이터가 상이할 것으로 예상되기 때문에, 측정 데이터를 통해 기초의 형태를 자체적으로 분류할 수 있는 연구가 필요하다.

본 연구 결과는 철탑 기초의 보수 ‧ 보강 계획 수립 시 근거자료로 활용될 수 있으며, 철탑 인접 공사 시 철탑 기초의 안정성 평가를 위한 기초자료로도 활용될 수 있다. 아울러 땅 속에 묻힌 다양한 토목 구조물의 제원을 경제적으로 평가하는데 있어 크게 기여할 것으로 판단된다.