1. 서   론

국내에는 총 932개소(건설교통부. 2006년 12월 31일 기준) 이상의 도로 및 철도 터널이 시공되었으며, 현 시점에도 많은 지역에서 시공이 이루어지고 있다. 터널은 이동 거리와 시간을 단축하여 연료 소모를 줄이고, 소음 및 먼지를 차단하는 경제적, 환경적 장점을 가지는 동시에 시공 시 인근 지반의 변형과 침하를 유발할 수 있다는 문제점을 가지고 있다. 특히 터널 굴착 과정에서 발생하는 지하수위 강하는 지표수 및 용수 고갈, 식생 활력의 저하, 지반 침하 등의 문제를 발생시키기도 한다. 이러한 문제점들의 해결을 위한 유지관리기법 및 감시 시스템의 개발이 절실한 상황이다.

기존의 터널 설계에서는 터널구간에 대한 지질, 지반 등 지반공학적 위험에 대하여 각각의 요소에 대한 평가 방법이 사용되어 왔다. 즉 시추 및 물리탐사결과를 이용하여 터널 구간에 대해 암반분류를 실시하고, 단층 등과 같은 지질공학적 위험요소를 포함한 전반적인 지반조사 결과를 터널 지보패턴 및 보강설계에 반영하고 있다.

다양한 물리탐사법 중에서도 전기비저항 탐사법은 터널 주변에 발달한 각종 파쇄대 등과 같은 연약대의 조사에 효과적인 방법이며, 일반적으로 터널설계 단계에서 미리 조사가 수행되어 시공비용을 절감하고 안정성을 확보하기 위한 중요한 기본 자료로 이용되고 있다. 지반 물성 중 전기비저항은 지하수, 포화도, 공극률, 간극수의 전기전도도, 점토함유량, 온도 등에 따라 결정되며, 이 중 지하수의 유무에 따라 큰 변화를 갖는 특징을 갖는다. 한편, 전기비저항 탐사를 이용한 대수층 및 수리상수 추정에 관한 연구는 Archie(1942)가 전기비저항 검층 자료를 이용하여 전기전도도 추정 연구를 시도한 이래로 최근까지 다양한 방법을 이용한 연구가 진행되어 오고 있다(송성호 등, 2003; 박삼규, 2004; 박미경, 2005; 배위섭 등, 2006).

터널 굴착이나 기 굴착된 터널의 유지관리를 위해서는 터널 주변의 시간에 따른 지하수의 분포상황 변화 등이 관측되어야 하며, 이를 위한 효과적인 모니터링 기법이 도입될 필요가 있다. 물리탐사 모니터링은 시간의 흐름에 따른 지하 물성의 변화를 이해하기 위한 목적으로 환경, 토목 등 다양한 분야에서 응용되어 오고 있는 최신 물리탐사 분야이다(Slater et al., 2000; Alpak et al., 2004; 박삼규 등, 2005, 2006; 김정호 등, 2007; 안희윤 등, 2007).

이 연구는 터널 예정지역에서 전기비저항 모니터링 기법을 통해 터널굴진에 따른 지하 암반의 비저항 특성 파악 가능여부이다. 즉 연구의 일차목적은 지하수위 및 터널고가 최대 80 m에 이르는 비교적 깊은 심도 터널의 지하수 거동의 평가여부이며, 이차적으로는 지반안정성 평가 및 터널굴진에 따른 피해 예측 및 피해 개선 기술로서의 현장 적용성 고찰을 목적으로 한다. 이러한 목적에 따라 터널 굴착에 따른 전기비저항 변화 파악을 위하여 격자형 측선을 설치하여 총 6회의 전기비저항 모니터링을 수행하였다. 또한 모니터링 시스템을 통해 조사지역에 분포하는 단층대에 상세한 정보를 제공함으로써 안전시공에 예측 시스템으로 가능유무를 평가하고자 하였다.

2. 지질 현황

연구지역은 경부고속도로 기흥 IC와 인접해 있으며, 동쪽으로는 신갈저수지가 위치한다. 지형적으로 남북 내지 북북서 방향의 능선이 주를 이루고 있으며, 기반암은 경기육괴의 경기편마암복합체(Gyeonggi gneiss complex)를 구성하고 있는 흑운모편마암과 규장편마암으로 구성되어 있다(그림 1). 흑운모 편마암은 주로 석영, 장석류 그리고 흑운모로 구성되어 있으며 일부 지역의 경우 알칼리 장석과 석영이 우세한 우백대와 주로 흑운모가 우세한 우흑대로 구분되는 호상구조를 띄기도 한다.

구성성분의 차이로 정의되는 엽리의 경우 그 방향이 북동～동서 주향에 이르기까지 다양하며 경사각 또한 저각~중각으로 다양하게 나타나 수차례 이상 복잡한 변형작용을 거쳤을 것으로 판단된다. 규장편마암의 경우 흑운모 편마암에 대비되어 주로 석영, 장석류로 구성되어 있으며, 흑운모 편마암과 마찬가지로 다양한 방향의 엽리가 관찰된다. 이로 미루어 보아 흑운모 편마암과 규장편마암은 동시에 변성 및 변형작용을 받았을 것으로 예상된다. 한편 연구지역은 터널을 가로지르는 동서방향의 선구조가 우세한 것으로 나타났으며(그림 1(a)), 최대 37 m의 폭을 가지는 단층대가 동서방향으로 발달하는 것으로 파악되었다(그림 1(c)).

3. 탐사 현황

그림 2는 연구지역의 전기비저항탐사 모니터링 측선 및 시추조사 현황을 도시한 것이다. 탐사 측선은 터널 예정노선을 중심으로 격자형 측선을 설계하였다. 종방향 4개 및 횡방향 3개 측선이며, 종방향(종단 1～4 측선) 측선의 길이는 380 m, 횡방향(횡단 1～3 측선) 측선의 길이는 340 m이다. 또한, 터널의 영향을 고려하여 쌍굴터널 직상부에 종단 2 및 종단 3측선을 설계하였으며. 정밀 탐사를 목적으로 종방향 및 횡방향 각각 2개의 측선을 계획하여 수행하였다.

모니터링 자료에서 가장 중요한 점은 자료의 신뢰도로서 통상적으로 1번 측정하는 독립측정의 경우보다 높은 신뢰도를 확보하여야 한다. 이를 위하여 전극을 고정시키는 방법을 사용하였으며, 입력 전류는 최소 70 mA 이상 주입되도록 중점을 두어 탐사를 수행하였다.

전기비저항 모니터링은 phase 1에서 phase 6까지 총 6회의 자료를 측정하였다(표 1). 측정에 사용된 전기비저항 탐사기는 미국 AGI사의 SuperSting R8/IPTM 시스템이며, 측정에 사용된 전극배열로는 쌍극자배열과 변형된 단극배열(김정호 등, 2001)을 함께 측정하였다. 자료의 해석은 역산 결과의 분해능을 향상시킬 수 있는 ACB(Active Constraint Balancing) 방법(Yi et al., 2003)을 이용하는 DIPRO for Windows를 사용하였다.

4. 전기비저항 탐사결과 및 지질이상대 분석

모니터링 탐사를 위해 터널 예정지역에 격자형 측선을 설치함으로써 해석방법에 따라 단층 등의 지질 이상대를 2차원 및 3차원 영상으로 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 터널 설계단계에서 기조사 자료가 부족한 경우,

모니터링 탐사결과는 더 많은 지반 정보를 제공함으로써 안전시공에 도움을 줄 수 있다. 이 연구에서는 일반적으로 터널 설계에서 가장 많이 사용되는 2차원 전기비저항 탐사 결과를 이용하여 해석하고자 하였다.

그림 3은 phase 1의 전기비저항 탐사 영상이며, 기조사 결과에서 나타난 단층 및 저비저항 이상대를 함께 도시하였다. 기조사에서 나타난 동서방향의 단층은 실선으로 저비저항 이상대의 경계는 점선으로 표시 하였다. 그림 3의 (a) 및 (b)는 종단 2, 3측선의 해석 결과이며, (c), (d)는 횡단 1, 2측선의 해석 결과이다. 그림 3의 (a), (b) 결과에서 STA.5+000 위치를 경계로 좌측은 800 ohm-m 이하, 우측은 2,000 ohm-m 이상의 전기비저항 값을 나타내고 있다. 횡단측선 결과인 (c), (d)는 좌 80 m 이전구간 및 우 240 m 이후 구간에서 저비저항 이상대를 나타내고 있다.

그림 4는 시추조사위치 및 단층대 분석결과이다. 터널 설계 시 수행된 지반조사에서 시추조사는 수직시추 3공(81～120 m), 경사시추 1공(103 m)이며, 경사시추를 통해 단층대 영향 범위는 폭 49 m로 분석되었다. 단층대는 단층토사 및 단층 각력암으로 구성되어 있는 것으로 확인되었다. 단층 각력암은 풍화가 많이 진행되어 있으며, 각력암을 제외한 부분은 GP-GC, GC-GM에 해당하는 점토 및 실트로 구성되어 있다.

그림 3의 결과에서 시추조사 및 지질조사 결과에서 나타난 동서방향 단층대의 위치는 잘 표현하고 있는 것으로 생각된다. 반면에 동서방향의 단층 이외의 700 ohm-m 이하의 저비저항 이상대가 좌측상단에서 우측하단으로 경사진 형태를 보이고 있으며, 그 폭은 최대 100 m 정도로 나타나고 있다.

일반적으로 전기비저항 탐사 결과에서 나타나는 전기비저항은 값은 동일한 암석의 암반일 지라도 조성광물, 풍화정도, 지하수 함량 등에 따라 다르며, 파쇄대나 단층 등의 규모에 따라 차이가 나타날 수 있다. 그림 3의 경사진 저비저항 이상대는 함께 표현하지 않았으나 종단 1, 4 탐사결과에서도 모두 동일하게 나타났다. 기 시추조사 결과에서 확인된 단층대 및 단층손상대는 주향이 EW방향이며, 수직에 가까운 경사각으로 단층대의 폭은 40미터에 달하는 단층으로 알려져 있다. 만약, 경사진 저비저항 이상대가 단층이라면 터널 시공시 단층으로 인한 지하수 유출, 붕락 등의 1차적 문제와 보강구간의 확대 등 여러 문제점이 발생할 수 있다는 점에서 이를 고려하여 보다 정밀한 전기비저항 영상을 획득을 목적으로 전극간격 10 m의 추가탐사를 종단 2 및 3측선에 수행하였다(그림 5). 그 결과는 그림 3과 유사하게 나타났으며, 모니터링 측선 결과 및 추가 탐사 측선 결과에서 경사진 저비저항 이상대의 주향은 N50ºE~N70ºE로 분석되었다.

표 2는 연구지역의 터널 설계 시 적용된 암반분류 결과이다. 일반적으로 터널 설계 시 미시추구간의 암반 분류를 위해 시추결과의 RMR 및 전기비저항탐사 결과와의 상관성 분석으로 터널지보패턴을 결정하게 된다. 여기서 주목할 점은 경사진 저비저항이상대에서 나타난 700 ohm-m 이하의 비교적 낮은 전기비저항 값이다. 저비저항 이상대의 전기비저항 값을 암반분류 결과를 적용하면 IV～V등급에 해당하게 된다. 낮은 전기비저항 값의 정확한 분석을 위해 시추코아 분석 및 XRD 분석을 하였다.

그림 6은 TB-13-1시추공의 45.4～56.2 m 구간에서 관찰되는 시추코아 사진과 XRD 분석 결과이다. 그림에서 시추코아에서 검은색의 탄질물로 의심되는 광물이 분산형태로 관찰되고 있다. XRD 분석을 통해 전기비저항 탐사에 영향을 주는 요소가 있는 광물이 존재하는지 분석하였다. XRD 분석결과 탄소 동소체(allotrope of carbon)인 Chaoite가 다량 함유되어 있었으며, 또한 단층 구간에서 카올리나이트도 포함되어 있었다(그림 6(a)). XRD 분석결과에서 나타난 Chaoite는 변성과정 또는 점토 혼합물의 영향으로 생성되는 것으로 알려져 있다. Chaoite가 포함되어 있는 시추조사 구간에서는 시추코아의 성형이 어려워 전기비저항 측정이 어려웠다. 대신 암석의 저항을 측정하고자 5 cm의 암석시료 3개를 테스터기로 측정한 결과 일반적인 암석의 저항값이 수십만～수백만 ohm이 나타나는 반면에 Chaoite는 20～50 ohm의 저항을 나타냈다. 따라서 Chaoite가 전도성 광물이라고 예상할 수 있었으며, 터널 시공 관계자의 관찰결과도 물리탐사 결과와 일치함을 확인할 수 있었다.

또한 시추코아를 통해 경사 단층의 유무를 확인하고자 시추코아의 단층활면을 분석하였다(그림 6(b)). 시추코아 분석 결과에서 고각의 단층 및 경사진 단층도 함께 관찰되었으며, 시추코아에서 나타난 경사진 단층의 경사각은 38～45º 정도로 나타났다. 또한 시공 중 막장조사 결과에서도 주향은 N43ºE～N52ºE, 경사는 52～62ºSE인 불연속면이 관찰되었다. 시추공 영상촬영(borehole imaging) 결과 등을 종합적으로 분석하여 경사진 저비저항 이상대가 단층 가능성이 높을 것으로 판단하였으며, 경사단층의 주향은 SE 방향으로 추정하였다.

그림 7의 (a)는 phase 1의 전기비저항탐사 결과와 추가 측선 결과를 도시한 3차원 담장형 영상이며, 그림 7(b)는 시공 중 선진시추결과와 전기비저항 탐사 결과에서 예상단층을 비교한 것이다. 기존 동서방향의 단층과는 달리 주향/경사에 차이가 발생함에 따라 오산방향 터널보다 서울방향 터널에서 단층이 먼저 나타날 것으로 분석되었다. 이러한 정보는 안정적인 시공을 위하여 터널 시공관계자에 정보를 제공하였으며, 이러한 결과는 터널 시공과정에서 부합한 결과를 나타냈다. 그림 7(b)의 선진 시추결과에서 폭이 넓게 나타나는 (B)구간은 예상 단층대와 매우 유사한 결과를 나타냈다. 일반적으로 경사단층의 경우 단층에 인접한 파생단층의 존재할 가능성이 높으므로 상대적으로 폭이 좁게 관찰되는 (A)구간은 소규모의 파생 단층으로 분석하였다.

5. 전기비저항탐사 모니터링

이 연구에서 터널 굴진에 따른 지반물성 변화 파악을 위하여 전기비저항 변화량 분석을 수행하였다. 모니터링 탐사에서 서로 다른 시기에 측정한 자료에 대하여 차이나 변화를 구하는 것은 가장 기본적이면서 중요하다. 통상적으로 모니터링 자료의 해석 방법은 서로 다른 시간대에 획득한 탐사자료를 독립적으로 역산하여 각 시간대의 영상을 얻은 후, 그들을 비교함으로써 시간에 대한 지반의 변화를 해석하는 접근방법을 취하고 있다. 이를 위하여 전기비저항 변화영상을 구하기 위해 다음 식과 같이 phase i와 j간의 변화를 구하였으며,

여기서, 와 는 phase i와 phase j에서의 전기비저항 분포를 나타내며, Diff(i,j)를 전기비저항 변화비(resistivity ratio)라 명한다. 단위는 무차원이다. 이 변화비의 값이 1인 경우에는 변화가 없는 경우이며, 1보다 작은 경우에는 전기비저항 값이 감소한 것이 된다. 는 모니터링 결과의 기준자료가 된다. 한편, 이 연구에서는 총 6단계의 전기비저항 영상을 획득하였다. 따라서 5가지의 전기비저항 변화영상을 구할 수 있게 된다. 그 중 phase 1의 전기비저항 영상은 모든 전기비저항 변화비를 계산하는데 매우 중요한 자료이다. 따라서 기준자료를 검증하는데 있어서 phase 2의 결과와 phase 1의 결과를 이용하였다. 그림 8은 횡단 1측선 phase 1 및 phase 2의 전기비저항 영상이다. 그림 8은 육안으로 구별하기 힘들 정도로 매우 유사하며, 두 phase 간의 시간차는 12일이다. 이 기간에서 강우가 있었던 관계로 약간의 전기비저항 차이를 보이지만, 역산시 RMS 오차도 7% 정도로 매우 낮기 때문에 자료 획득상의 문제점은 거의 없는 것으로 판단하였다. 따라서 phase 1의 자료를 기준자료로 활용하였다.

이 연구는 전기비저항 모니터링을 적용하여 터널 굴진에 따른 지하수위 변화를 파악하고, 예측하고자 함이었다. 일반적으로 지하수위와 전기비저항 변화비와의 정량적 분석을 위해서는 지하수위 관측공을 설치하여 그 결과를 활용하는 것이 타당하다. 그림 9는 터널 갱구부에 위치한 지하수위 관측공과 수원 기상청 강우자료를 함께 도시하였다. 모니터링 기간 중 phase 1 및 phase 2 기간에는 지하수위 관측공이 설치되지 않은 관계로 지하수위 자료가 없었다. phase 3 이전에는 강우량도 적었다. 지하수위 안정화 관계로 감소하는 경향을 보이고 있으나, 우기시인 7월～8월 기간에는 지하수위가 최대 1.5 m 증가한 것으로 나타났다. 그림 9의 결과에서 강우량이 가장 많았던 phase 4 기간을 모니터링 자료의 우기자료라 판단했으며, phase 4 기간까지 모니터링 측선 내에 터널 굴진은 이루어지지 않았으므로, 인위적인 지하

물성 변화는 없었다.

그림 10은 종단 2측선 및 종단 3측선의 Diff(1,3) 및 Diff(1,4)를 나타낸 것이며, 두 변화비의 결과는 매우 유사하다. 그림 10에서 Diff(1,3) 및 Diff(1,4)은 동서방향의 단층대를 기준으로 좌우로 전기비저항 감소영역이 터널하부까지 연장하고 있다. 전반적으로 강우량이 많았던 Diff(1,3) 보다 Diff(1,4)에서 전기비저항 감소가 상대적으로 크게 나타나고 있다. 반면에 그림 10의 (b)와 (d)의 결과를 비교했을 때, STA. 4+920 하부에서는 Diff(1,3)가 오히려 큰 전기비저항 감소를 보이고 있으며, STA. 5+080 구간 하부에는 Diff(1,4)가 더 큰 전기비저항 감소를 나타내고 있다. 한편, 지표부근에서는 Diff(1,4)의 결과가 Diff(1,3)의 결과보다 5～20%의 더 큰 전기비저항 감소영역이 관찰되고 있다.

그림 11은 횡단 1 및 2 측선의 Diff(1,4)를 도시한 것이다. 그림 10에서와 같이 상부 표토층의 전기비저항 감소 경향을 볼 수 있으며, 횡단 1측선의 경우 터널 좌측에서, 횡단 2측선의 경우 터널 우측에서 전기비저항이 감소하는 경향을 보이고 있다. 지하로 흘러들어간 강우는 상부 표토 층에 머무르게 되며, 일부는 하부 암반에 발달한 파쇄대 혹은 단층대를 따라 유동하게 된다. 따라서 국내의 지하수 탐사는 지하수의 유동통로가 되는 단층, 파쇄대가 주 대상체가 된다. 만약 강우로 인하여 지하수 유동량이 증가한다면, 이들 파쇄대의 전기비저항 감소를 예상할 수 있다.

앞 절의 경사 단층의 주향은 N45°E로 나타났다. 그림 11의 결과에서와 같이 횡단 1측선 좌측의 전기비저항 감소, 횡단 2측선 우측의 전기비저항 감소는 단층의 주향과 일치한다. 한편, 그림 8의 종단 측선 결과에서 경사진 저비저항 이상대 하부에서 전기비저항 값이 낮아진 경향을 보이고 있다. 이 구간은 선진시추결과인 그림 7에서 (b)의 (A)와 (B)는 시추코아에서 다수의 절리 및 단층이 분포하는 구간으로 투수계수가 높을 것으로 예상되는 구간이다. 또한, 그림 7에서 (b)의 (B)는 기존 조사의 시추결과(DIST. 298)에서 심도 16.0 m 하부 구간에 경암이 분포하지만, 심도 112.0～117.0 m에서 RQD 30 이하의 매우 불량한 암질의 파쇄대가 분포하는 것으로 파악되었다. 단층대의 영향에 의한 파쇄대 혹은 파생단층이 분포하여 지하수의 유입량이 많이 유입되었기 때문에 전기비저항이 감소한 것으로 생각된다.

일반적으로 전기비저항탐사 역산은 평활화 제한을 가한 감소최소자승법이 사용된다. 이때, 역산의 안정성을 위하여 평활화 제한 조건을 이용하게 되며, 이로 인해 이상대가 확대되어 보이는 현상이 나타나기도 하며, 주변 이상체의 영향으로 주변보다 높거나 낮은 값을 보이기도 한다. 한편, 전기비저항 탐사는 지표와 인접한 곳에서는 분해능이 높으며, 하부로 갈수록 분해능이 감소하는 특성을 보인다. 이러한 이유로 전기비저항 탐사에서 역산시 발생한 인위적인 이상대의 완벽히 제거하기는 어렵다(손정술외 2007).

반면에 Diff(1,4)의 결과를 살펴보면, 전기비저항이 감소된 것뿐만 아니라, 그림 8 및 9의 중앙부는 결과와 같이 전기비저항 값이 오히려 증가했다는 점이다. 통상적인 모니터링 자료의 해석 방법은 서로 다른 시간대에 획득한 탐사자료를 독립적으로 역산하여 각 시간대의 영상을 얻은 후, 그들을 비교함으로써 시간에 대한 지반의 변화를 해석하고 관찰하는 접근 방법을 취하고 있다. 그러나 이러한 접근은 대부분의 경우 지반 물성의 변화 정도가 그다지 크지 않기 때문에 역산잡음(inversion artifacts)에 의해 잘못된 해석을 유발할 가능성이 있는 것으로 알려져 있다(김정호, 2006).

그림 12는 종단 2, 3측선의 Diff(1,5) 전기비저항 변화비 결과이다. 그림 12에서 phase 5에서의 터널굴진은 (a)는 STA. 4+922, (b)는 STA. 4+907까지 진행되었다. 그림 12에서는 phase 4 이전의 변화비 결과와는 달리 터널 굴착구간과 인접하여 매우 낮은 크기의 전기비저항 감소 영역이 새롭게 나타나고 있다는 점이다. 반면에 터널 굴진이 적었음에도 불구하고 오히려 그림 12의 (b) 0+920～0+980 구간에서 (a)에 비해 (b)가 더 큰 전기비저항 감소 경향을 보이고 있다. 이 구간은 그림 10의 (d)에서 전기비저항이 감소한 구간과 일치하고 있다.

Diff(1,6)의 결과를 그림 13에 도시하였다. 표 1의 결과에서와 같이 모니터링 측선 내에는 대부분 쌍굴 터널이 관통된 상태이다. 그림 13의 결과는 터널 계획고에서 매우 낮은 크기의 전기비저항변화비가 Diff(1,5)와 유사한 0.5 이하의 값을 나타내고 있다. 한편, 그림 13의 (c), (d)결과에서는 종단결과와 유사하게 오산방향 터널은 큰 변화비를 나타나는 반면에 서울방향터널에서는 작은 변화비를 보이고 있다. Diff(1,5)와 Diff(1,6)의 종단결과를 비교했을 때, 변화비의 영상은 비교적 잘 일치하고

있는 것으로 판단된다.

그림 14는 터널 굴착과정에서 발생한 지하수의 유출량과 강우자료를 분석한 결과이다. 지하수 유출량은 두 방향 터널 굴착에 사용된 굴착장비의 용수 유입량 및 유출량을 측정하여 지하수 유출량으로 환산한 그래프이다. 지하수의 유출량과 강우량과의 상관관계를 정량적으로 분석하기 위해서는 다양한 터널 환경에서의 강우량과 지하수 유출량, 기타 터널 주변의 지질구조에 대한 고려 등이 필요하다. 각 방향에서의 지하수 유출량의 결과를 활용할 수 있다면 정량적인 분석이 가능하겠지만 자료의 부족으로 현 시점에서의 정량적 해석에는 어려움이 있다. 그림 14에서 특이한 점은 phase 5(04 Oct 2007)에서 지하수 유출이 많이 발생했다는 점이다.

그림 12의 (b) 결과에서 (a)에 비해 터널 굴진이 적었으나 0+920～0+980 구간에서 전기비저항 감소 영역이 상대적으로 크게 나타나고 있다. 또한 그림 13의 (b) 결과에서 변화비의 크기가 터널 굴착구간과 상이하게 전기비저항 감소 영역이 확장되어 나타나고 있다. 상기구간은 그림 7의 (b)에서 선진시추조사 결과에서 파생단층이 위치한 구간이다. 터널내 지하수의 유입은 지하수 유동의 흐름이 적은 지반상태에서 지하수 흐름 통로가 열림으로서 지하수 유출의 증가를 예상할 수 있다.

만약, 터널 굴착 작업에 따른 지반의 교란으로 인하여 터널 주변에 추가로 생성된 절리 및 파쇄대가 지하수의 함량을 증가시킨다면, 지하수 함량 증가는 전기비저항을 감소가 예상된다. 이 지역의 지하수위가 설계보고서(한국토지공사, 2006)의 자료와 같이 터널 상부에 위치한다고 가정하면 터널 굴착으로 지하수면 하부에 생성된 균열 내에 지하수가 유입되어 결과적으로 전기비저항을 감소시킨 것으로 해석할 수 있다. 선진시추조사 결과에서도 절리 및 단층이 발달한 구간에서 전기비저항 감소가 두드러지게 나타나고 있다. 다만 현 연구시점에서 자료가 부족하여 단정하기는 어려운 부분이 있다. 

한편, 터널이 관통되었음에도 불구하고, 그림 13의 (a)에서 STA. 5+050 구간 이후로 오히려 전기비저항 값이 증가하는 경향을 보이고 있다는 점이다. 또한 Diff(1,4)～Diff(1,6) 기간의 변화비 결과에서 공통적으로 나타나고 있다. 터널은 속이 빈 공동 형태의 구조물이다. 공동의 경우 전기비저항 값이 무한대로서 높은 전기비저항 값을 나타내는 것이 일반적이다. 이 구간은 다른 구간에 비하여 신선한 암반이 위치하고 있으므로 터널 굴착 시 지반의 교란이 상대적으로 작을 수 있다. 즉 고비저항인 터널이 지하수에 의한 전기비저항 감소에 큰 영향을 주지 않았다고 예상할 수 있으나 독립 역산 해석 시 발생하는 역산잡음의 영향이 크게 좌우한 것으로 판단된다.

터널 굴착 작업에 따른 효과를 확인하기 위해서는 phase 5와 phase 6 기간 사이의 전기비저항 변화량을 비교함이 타당하다. 이를 위하여 Diff(5,6)의 결과를 그림 15에 도시하였다. 전기비저항 탐사의 특성상 측선 중앙부에 비해 측선 양단의 분해능 감소는 자명하다. 터널 굴착이 모니터링 측선 중앙부에 위치하고 있다는 점에서 터널 굴착에 의한 영향으로 전기비저항 값이 감소했다면 터널 굴착의 영향이 크게 나타날 것이다. 그림 15에서 Diff(5,6)의 (b)에서 중앙부는 전기비저항 감소가 크게 나타나고 있으며, 변화비 영상의 양 끝은 중앙부에 비해 변화비 폭이 상대적으로 작게 나타나고 있다. 터널 굴착 작업에 의해 생성된 절리로 인해 터널 주변으로 지하수가 모여 전기비저항이 감소한 것으로 예상할 수 있으나, 정밀한 분석으로 위해서는 전기비저항 토모그래피 또는 전기비저항 검층 등이 적용이 필요할 것으로 판단된다.

이 연구에서는 각 단계별 전기비저항 탐사 결과를 각각 해석하여 그 변화량을 분석하였다. 전기비저항 모니터링을 통해 터널 굴착에 의한 영향의 효과를 확인할 수 있었다. 반면에 독립역산에 의한 영향으로 역산 잡음이 발생하였으며, 이러한 문제점 해결을 위해서는 역산잡음을 최소화 시키는 새로운 해석법이 필요하다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 시간경과 역산법이 요구된다(김정호 외, 2006). 또한 연구지역과 같이 터널고가 깊은 지역은 분해능이 높은 전기비저항 토모그래피 탐사나 추가 탐사법 등으로 동시에 수행함으로써 전기비저항 변화량에 정량화가 가능할 것으로 생각된다.

6. 결   론

이 연구에서는 터널 시공 시 지하수위 저하로 발생할 수 있는 환경문제를 보다 합리적으로 접근하고 이러한 문제를 최소화하기 위한 모니터링 시스템 구축을 위해 전기비저항 모니터링을 수행하였다. 이상의 결과로부터 얻은 결론은 다음과 같다.

1.터널 공사 중 위험요소로서 터널 주변 지질이상대 파악을 위해 격자형 측선을 설계하고 고정식 전극을 사용함으로써 신뢰도 높은 탐사 결과를 얻을 수 있었다.

2.격자형 측선에 대한 자료를 측정함으로써 연구지역에 분포하는 단층대의 주향 및 경사를 효과적으로 파악할 수 있었으며, 그 결과는 시공 중 조사 자료와 부합하는 결과를 확인할 수 있었다. 이러한 정보를 시공 이전에 제공함으로써 보다 안정적인 터널 시공 및 조사에 도움을 줄 수 있었다.

3.연구대상 터널에 대한 지하수위 파악을 위해 각 단계별 전기비저항 영상을 획득하고 각 단계에 따른 전기비저항 변화비를 통해 분석하였으며, 단층, 파쇄대가 발달한 구간에서 우기시에 전기비저항 감소를 확인할 수 있었다.

4.터널 굴착에 대한 영향을 전기비저항 변화비를 통해 효과적으로 관찰할 수 있었으며, 터널 굴착시 전기비저항 값이 감소한 것으로 나타났다.

5.연구지역과 같이 독립역산에 의한 전기비저항 변화비 분석과정에서 역산잡음이 발생하였으며, 탐사심도가 깊을수록 그 잡음의 영향이 커지는 점을 확인할 수 있었다.

전기비저항 탐사 모니터링 방법을 통해 유추된 결론은 기 시추조사와 터널 시공 중 선진시추조사, 막장조사 등과 일치하고 있어 터널 유지관리기법 및 감시 시스템의 개발 기술로서 효과적인 방법으로 생각된다. 그러나 연구지역과 같이 가탐심도가 깊거나, 독립역산으로 발생하는 역산잡음으로 인하여 정성적인 해석으로 제한되는 한계점이 나타나 보다 정밀한 해석을 위해서는 새로운 모니터링 해석법 및 탐사법 등이 요구되며, 이에 대한 심도 있는 향후 연구가 필요할 것으로 생각된다.