< Previous8 자연,터널 그리고 지하공간 차원에서는 TBM의 재보수/재제작/재활용 활성화 및 SFRC(steel fiber reinforced concrete) 세그먼트를 적극 활용하여 철근량을 줄이는 방안 등에 대한 적극적인 고민이 필요하며 이러한 기술의 개발은 지속 가능한 터널 및 지하공간 개발의 중요한 축이 될 것으로 전망됩니다. 또한, 재활용 가능한 건설 자재를 사용하는 등 친환경 건축 자재에 대한 수요도 증가하고 있습니다. 이는 장기적으로 환경 부담을 줄이는 동시에, 지역사회와 조화를 이루는 인프라로 자리 잡는 데 기여할 것입니다. 터널은 더 이상 단순한 교통수단 연결을 넘어서, 새로운 형태의 도시 공간 창출과 교통 인프라 혁신을 이끌 수 있는 중심축으로서 역할을 하고 있습니다. 예를 들어, 전기차나 자율주행차 전용 터널과 같은 신개념 터널 구상은 미래 도시의 교통 체계를 크게 변화시킬 가능성을 제시합니다. 또한, 도심 지하 공간을 물류 및 저장 시설로 활용하는 방안도 검토되고 있으며, 이는 도시 내 물류 효율성을 크게 높일 수 있습니다. 결 론 국제터널협회(ITA, International Tunnelling and Underground Space Association)의 홈페이지에 게시된 ‘Why go underground?’의 홍보물을 보면 터널 및 지하공간을 개발하고 활용한 전 세계적인 다양한 사례들이 정리되어 있습니다. 그중에서 주요한 것들로 협소한 도심의 교통공간 확장(지상주차장의 지하 유치를 통한 도시경관 개선), 혐오시설의 지하화(페수처리장 지하설치), 기존 시설의 지하화를 통한 새로운 공간 창출(도로 지하화로 도심 녹지공간 창출, 터널공법 적용을 통한 환경보존, 민원해소, 도심지 고속화도로지하 대단면 2층터널) 등의 해외 선진국 사례들이 정리되어 있으며, 이제 유사한 프로젝트들이 국내에서도 이미 현실화 되었거나 진행 중에 있습니다. 방사성 폐기물 지하처분, 지하고속도로, 신지하공간 개발(융복합지하, 지하도시 등) 등의 터널 및 지하공간 활용방안에 대한 새로운 수요뿐만 아니라, 기존 터널 및 지하공간 시설물의 보수 및 확장기술, 자연재해예방과 관련한 터널기술측면에서의 발전이 요구되고 있습니다. 이에 16대 한국터널지하공간학회에서는 ‘지하는 소중한 국토, 살기 좋은 새로운 지하국토 개발의 선도학회로!’ 라는 슬로건아래 해당 기술위원회 중심의 연속 기술강좌 진행 및 단기 집중 교육 프로그램 개발뿐만 아니라 지하공간으로 특성화된 “지하공간 설계기준”과 “지하공간 시방서” 제안을 추진하고 광범위 하고 장기적인 안목의 지하공간 마스터플랜을 선도적 제시하고자 모든 학회의 임원진이 최선을 다하고 있습니다. 터널 및 지하공간 개발은 우리 사회의 새로운 가능성을 열어가고 있으며, 그 발전 방향은 매우 중요합니다. 앞으로 터널 및 지하공간 건설이 환경과 공존하며 지속 가능한 방식으로 진화하기 위해서는 정부와 학계, 산업계의 협력이 필수적입니다. 한국터널지하공간학회는 이러한 협력과 연구, 그리고 혁신의 장으로서 중요한 역할을 해야 할 것입니다. 터널 및 지하공간 개발의 선두주자로서 지속 가능한 미래를 함께 만들어 가는 길에 회원여러분들의 지속적인 많은 관심과 참여를 부탁드립니다. 한국터널지하공간학회 부회장 박 준 경Vol. 26, No. 4 9 1. 서 론 위성 측위 기술이란 위성 네트워크 시스템인 GNSS(Global Navigation Satellite System)를 기반으로 사용자 단말 의 지구상 위치, 시간 및 속도 정보를 제공하는 기술을 의미한다. 해당 기술은 시간, 날씨 등 여러 환경요인에 큰 영향을 받지 않고 서비스 대상 지역 전역에 대하여 실시간 측위를 제공할 수 있는 범용성과 높은 가성비로 인해서 글로벌 측위 기 술의 핵심 기술로 자리 잡아 널리 활용되고 있다. 특히 도로 환경에서 내비게이션, 운전 보조, 도난 방지, 카쉐어링, 교통 상태 분석 등 다양한 응용 서비스에 활용 가능한 장점이 있다. 하지만 기존의 위성 측위 기술은 복잡한 도심지, 터널 등의 GNSS 음영지역에서는 전파 방해, 다중 경로 오차 등의 문제로 차량 위치를 정밀하게 추정할 수 없는 한계점이 존재한다. 이러한 문제를 해결하기 위해서 위성뿐 아니라 기준국 인프라의 정보를 별도로 활용하는 DGPS(Differential GPS), RTK(Real Time Kinematic) 등 기존 GNSS의 정밀도와 신뢰성을 높이기 위한 융합 기술들이 개발되었으나 통신 의존 성 문제나 시스템 구축 고비용 문제가 여전히 존재한다. 본 기사에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 개발 중인 위성 측위 최신 기술 동향과 고속도로 음영지역에 위성 측위 기술을 적용하기 위한 연구 사례를 소개하고자 한다. 고속도로 위성 측위 기술 이원우 도로교통연구원 수석연구원 공학박사고속도로 위성 측위 기술 10 자연,터널 그리고 지하공간 2. 위성 측위 기술 동향 위성 측위 기술은 서비스 제공 지역에 따라서 글로벌 커버리지를 위한 GNSS와 일부 지역을 한정한 RNSS(Regional Navigation Satellite System)으로 구분된다. GNSS는 지구 전역에 4개 이상의 위성 전파를 도달시킬 수 있도록 위성을 지구 전역을 대상으로 배치해야 하며, RNSS는 목표 지역에 항상 4개 이상의 위성 전파를 도달시킬 수 있도록 위성을 배 치해야 한다. 이러한 인공위성 인프라 구축은 대규모의 자본력과 높은 기술력을 요구하기 때문에 일반적으로 주요 선진국을 중심으 로 개발 및 구축되었는데, 미국의 GPS, 러시아의 GLONASS, 유럽연합의 Galileo, 중국의 BeiDou가 있으며, RNSS로 는 일본의 QZSS(Quasi-Zenith Satellite System), 인도의 NAVIC(Navigation with Indian Constellation) 등이 있 다(표 1 참조). 우리나라 역시 기존의 다중 GNSS와 호환 가능하고 cm 단위 수준의 지역적 측위 정밀도 제공을 목표로 한 KPS(Korean Positioning System) 개발을 진행 중이다. <표 1> 국내외 위성 측위 시스템 구축 현황 구분개발 국가서비스 범위완전운용(FOC)위성 군집(수) GPS미국GNSS199531 GLONASS러시아GNSS201427 Galileo유럽연합GNSS202028 BaiDou중국GNSS202042 QZSS일본RNSS20244 NAVIC인도RNSS20228 KPS대한민국RNSS20358 출처: https://www.gps.gov/systems/gnss/ 3. 고속도로 측위 기술 동향 기존 위성 측위 기술은 고속도로 환경에서 자율주행 기술을 위해서 정밀 측위를 제공하기에 정밀도 및 커버리지 측면 에서 한계가 있다. 먼저 차량이 현재 주행 중인 차선을 구분할 수 있어야 하는데, 기존 위성 측위 기술의 정밀도는 이를 신뢰성 있게 구분하기 어렵다. 또한 도심이나 산악 지역에 존재하는 고속도로 터널 내부에서는 GNSS(GPS) 기반 측위가 제한적이거나 불가능할 경우가 빈번하다. 최근에는 이러한 한계점을 해결하기 위하여 저궤도 위성 기반 LEO-PNT 기 술, 차량 자체 센서 융합기술, UWB 기반 측위 기술 등 다양한 기술들이 제안되고 있다. LEO-PNT는 위성 측위 기술의 범용성 장점을 수용하면서 높은 고도로 인한 한계를 극복하기 위해서 개발 중인 기술 이다(그림 1 참조). GPS는 중궤도 위성(Medium Earth Orbit)으로 지표면에서부터 약 20,000km 고도에 존재하기 때 문에 초장거리 무선통신으로 인한 오차와 경로 손실이 크게 발생하게 된다. 이를 극복하기 위해서 지표면으로부터 약 500~2,000km 수준의 비교적 낮은 고도에 위성을 배치한다. 이렇게 되면 위성과 수신기 간 거리가 비약적으로 줄어들Vol. 26, No. 4 11 게 되면서 신호의 경로 손실 및 지연이 줄어들어 더욱 신뢰성 있고 정밀한 측위가 가능하게 된다. 특히 기존 위성 측위는 실내 환경에서 거의 활용이 불가능했지만, LEO-PNT는 경로 손실이 적어서 일정 수준의 실내에서도 활용이 가능할 것 으로 기대된다. 또한 위성의 입장에서 지구를 공전하기 위한 거리가 많이 감소하면서 동일 위치에서 여러 위성의 신호를 짧은 시간 내에 수신할 수 있게 된다. 다만, 저궤도 위성의 특성상 위성 한 대당 커버할 수 있는 영역이 좁으므로 더 많은 수의 위성이 필요하고, 저궤도 위성의 빠른 이동속도로 인해서 복잡한 알고리즘과 높은 계산능력이 요구되는 단점이 있 다. 최근에는 LEO-PNT를 위한 Modulation, Channel coding, MAC (Medium Access Control), Beamforming 등 다양한 무선통신 기술에 관한 연구가 활발히 진행되고 있으며 특히 인공지능 기술을 기반으로 저궤도 위성의 채널을 분석 하여 성능을 향상하기 위한 연구들이 집중적으로 진행되고 있다. <그림 1> 궤도 고도에 따른 위성 통신의 특성 비교 출처: https://www.qorvo.com/design-hub/blog/how-modern-leo-satellite-technologies-are-changing-the-space-race 4. 고속도로 GNSS 음영구간 해소 기술 GNSS(GPS)는 하늘이 보이는 곳에서만 작동하는 데 하늘이 보이지 않는 곳에서는 GNSS가 원활히 작동하지 않게 되 며, 이런 구간을 GNSS 단절구간이라고 한다. 최근 터널 연장과 지하 고속도로 건설계획 등으로 GNSS 통신 음영구간이 많이 늘어나고 있으며, 앞으로 더욱 증가될 것으로 예상된다.고속도로 위성 측위 기술 12 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 2> GNSS 단절구간 발생 사례 GNSS 단절구간 개선이 필요한 이유는 지하고속도로에서 분기점이나 합류점의 정확한 위치 정보를 제때 제공받지 못하면, 운전자는 당황하거나 돌발행동을 하는 상황이 발생할 수 있으며 큰 재해로도 이어질 수 있다. 자율주행을 위해 서는 터널 외부에 설치된 위성과 터널 내 중계기 간 시간 동기화가 필요하나, 현재는 시간 오차가 있어 자율주행 시 정확 한 데이터 송수신이 불가하다. <그림 3> 터널 GNSS 단절구간 위치오차 예시 (도로교통연구원, 2023) 이러한 GNSS 단절구간을 개선하기 위해서는 위치적인 면에서 터널 외부의 GNSS 위성정보를 터널 내부로 전달하기 위한 중계기를 설치하여 실시간으로 끊김 없이 GNSS 정보를 제공해야 한다. 하지만 터널 내부에서 GNSS 수신 시 반사 파 간섭 등의 문제가 발생할 수 있으므로 이를 해결하기 위한 시스템 최적화가 필요하다. 시간적인 면에서는 GNSS 위성 (터널 외부)과 중계기(터널 내부) 간의 신호 단절 해소를 위한 시간동기화(9~10초)가 필요하다. 한국도로공사 도로교통연구원에서는 이러한 고속도로 GNSS 음영구역(지하고속도로, 터널, 교량 등) 개선을 위한 연 구(고속도로 GNSS통신 음영구간 개선연구, ’23~’24년)를 진행하고 있으며, 고속주행에서도 모빌리티 서비스가 이용 가 능하도록 기술을 개발 중이다.Vol. 26, No. 4 13 <그림 4> 시스템 및 시간동기 기술 개념도 (도로교통연구원, 2023) <그림 5> GNSS 단절구간 위치오차 축소 개념도 (도로교통연구원, 2023) 고속도로 GNSS 음영구간 해소 기술이 개발되면 지하고속도로 GNSS 신호 수신으로 위치서비스가 가능해져 터널 내 내비게이션 작동 등 위치정보 제공이 가능해 질 것이다. 이를 통해 지하도로 분기점 진출입로 및 대피로 안내 등 교통안전 관리가 개선되어 국민 편의 및 안전을 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 고속도로 자율주행 서비스(V2X, Vehicle to Everything)를 위한 위상측위 기술의 기반이 마련될 것이다. <그림 6> GNSS 단절구간 해속 기대효과 (도로교통연구원, 2023)고속도로 위성 측위 기술 14 자연,터널 그리고 지하공간 <표 2> GNSS 단절구간 개선 효과 (도로교통연구원, 2023) As-IsTo-Be 지하고속도로 GNSS 신호 수신 불가 → 내비게이션 동작 안됨GNSS 신호 수신 가능 → 내비게이션(위치), 자율주행(시간) 서비스 제공 5. 결론 및 시사점 최근 자율주행 기술의 발전, 도로 및 철도 지하화 추세에 맞춰 더욱 정밀하고 안정적인 위치 정보 제공에 대한 수요가 증대되면서 위성 측위 기술의 신뢰성과 정밀도를 고도화하기 위한 연구의 중요성은 점점 높아지고 있다. 특히, 차량 센서 및 무선통신 등 다양한 기술과 위성 측위 기술을 융합하는 방식의 효용성이 커지고, 딥러닝과 같은 최신 인공지능 기술들 을 접목하여 위성 측위 기술의 정밀도와 신뢰성을 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 고속도로 위성 측위 기술은 향후에도 더욱 높은 정밀도와 신뢰성을 제공하기 위한 연구개발이 활발히 진행될 것으로 예상되며 이를 통하여 기존의 내비게이션, 교통량 관리 응용 서비스 고도화는 물론 차세대 지능형교통시스템 응용 서비스 등 미래 교통 혁신을 주도하는 기술로 그 중요성이 더욱 증대될 것이다. 참고문헌 1. 지하 고속도로 위성 측위 음영구간 해소방안 연구(2023, 한국도로공사) 2. 지하 고속도로의 스마트 교통안전체제(2023, 한국도로학회) 3. V2X 및 자율주행을 위한 GNSS 기술 강화(2020, AEM) 4. GNSS 기술현황과 활용성 검토에 관한 연구(2019, 서울기술연구원) 5. (사)한국측량학회 (2022), 폐색지역 내 GNSS 위치결정 정확도 해소를 위한 실증 연구 6. 유재준, 조영수 (2014), 실내 위치 기반 서비스 기술개발 및 표준화 동향, 한국전자통신연구원, 전자통신 동향분석 29권 5호, pp. 51-61. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 26, No. 4 15 1. 서 론 세계적으로 인구 증가와 기술 발전으로 도시화가 가속화되고 있으며, 한국의 도시화율은 이미 90%를 초과하였다. 한 국은 세계에서 세 번째로 높은 인구 밀집도를 보이는 국가로, 특히 수도권에 전체 인구의 약 49%가 집중되어 있다. 이러 한 도시 집중화는 도심지 내 지하공간 활용의 중요성을 더욱 부각시키고 있으며, 이에 따라 지하 굴착공사의 필요성이 점 차 커지고 있다. 그러나 지하공간 확보를 위한 굴착공사 과정에서 흙막이 벽체의 손상 및 붕괴 사례가 빈번하게 보고되면 서, 공사의 안전성이 중요한 과제로 떠오르고 있다. 흙막이 공사에서 흔히 발생하는 문제로는 흙막이 벽체의 설계 및 시 공 오류, 부실한 지반조사, 지하수 유출 등이 있다. 이러한 문제들은 지반 침하를 유발하며, 도심 내 구조물과 공공 매설 물에 심각한 손상을 초래한다. 특히 굴착공사가 지하수위에 도달할 경우, 지하수 유출로 인한 자원 고갈과 지반 안정성 저하가 동시에 발생하는 문제가 대두되고 있다. COSMIS 사고 통계에 따르면, 흙막이 공사의 주요 사고 원인은 지반조사 부실(27%), 가설구조체 불안정(20%), 지하수 영향(20%) 등으로 나타났다. 이러한 사고 원인들은 체계적이고 종합적인 해결 방안을 요구하고 있다. 현재 국내 지반 특성에 적합한 지반 변형 예측 모델의 부재는 지반 침하 문제를 해결에 큰 장애 요인으로 작용하고 있 다. 기존의 굴착공사 영향 범위 산정은 외국 사례와 경험적 방법론에 의존하고 있어, 국내 지반 환경에 특화된 정밀한 예 측 모델의 개발이 시급한 상황이다. 또한, 「지하안전관리에 관한 특별법」의 시행된 이후에도 선제적이고 효과적인 안전관 리 방안은 부족한 실정이다. 이는 향후 도심지 지하공간 개발과 굴착공사의 안전성을 확보하기 위해 반드시 개선해야 할 과제이다. 굴착공사 시 지반 안정성 평가 현황 및 제언 고준영 충남대학교 토목공학과 교수, 공학박사 문준식 경북대학교 토목공학과 교수, 공학박사 김재현 강원대학교 건축 ․ 토목 ․ 환경공학부 교수, 공학박사 박종전 일신지질 지사장, 공학박사 이지승 국토안전관리원 선임연구원, 공학석사굴착공사 시 지반 안정성 평가 현황 및 제언 16 자연,터널 그리고 지하공간 2. 지반 안정성 검토 범위 산정 방법 현재 국내에서 수행되는 지하안전평가에서는 지반 안정성 검토를 위한 대상 지역 설정 시 이론식, 경험식, 그리고 수치 해석 방법이 주로 활용된다. 이 중 이론식과 경험식은 아래 그림 1과 같이 정의된다. Peck 등이 제안한 기존 이론식은 일 반적인 사질토와 점토의 흙막이 굴착으로 인한 배면 침하량의 형태를 나타내며, 사질토의 경우 굴착 깊이(H)의 2배(2H), 점토는 4배(4H)로 침하 영향 범위를 제안하고 있다. <그림 1> 이론식 및 경험적 추정 방법 (국토교통부, 2024) 지하안전평가서 표준매뉴얼 (국토교통부, 2024)에 따르면, 수치해석 방법은 "국내 지반의 복합적 특성을 고려하여 굴 착에 따른 검토 범위를 산정하고, 과업 구간(지반 조건이 가장 취약한 구간, 최대 굴착 깊이 구간, 주요 인접 구조물 위치 구간 등)을 종합적으로 분석하여 가장 취약한 단면에 대해 2차원 수치해석을 수행한 결과를 반영한다"고 명시하고 있다. 또한, 검토 범위 산정을 위한 해석 기준으로 다음 사항이 제시된다: - 지하수위 변화를 고려하지 않는 응력 해석을 원칙으로 한다. - 해석 모델링은 지반 조건에 따른 검토 범위 산정을 목적으로 하므로 인접 구조물 현황은 고려하지 않는다.Vol. 26, No. 4 17 따라서, 지하수위와 인접 구조물은 해석에 포함되지 않는다. 이러한 방법론을 바탕으로, “이론식 및 경험적 추정 방법 과 수치해석에 의한 결과를 비교하여 안전 측면에서 적용한다”는 것을 원칙으로 삼는다. 이 산정 결과는 지하안전평가 대 상 구간 주변 시설물 선정과 계측 계획 수립에 활용된다. 지하안전평가에서 검토 영향 범위는 공사 중 및 공용 중의 안정성 평가와 계측 관리 영역을 결정짓는 핵심 요소로, 정 확한 산정이 매우 중요한 요소로 판단된다(그림 2). <그림 2> 대상지역 내 인접한 구조물의 조사범위 및 조사결과 사례 3. 지하안전평가 검토 사례 분석 현재 국내에서 수행되고 있는 지반 안전성 검토 대상 지역 설정의 실무 적용 결과는 아래 표 1~3에 요약되어 있다(국 토안전관리원, 2021). 지하안전영향평가서 검토 사례집(국토안전관리원, 2021)에 따르면, “지반 안전성 검토 범위 산정 시 신뢰성과 객관성 향상을 위한 제안”에서 검토된 45개 현장 중 수치해석 결과를 반영한 사례는 11개 현장(24.4%)에 불 과했으며, 대부분의 경우 이론식 및 경험식 결과를 기반으로 평가가 이루어졌다. 수치해석 결과에 따른 영향 범위는 3개 지역에서 이론식 및 경험식보다 평균적으로 0.24~0.5H 작게 나타났다. 이는 이론식 및 경험식이 수치해석보다 상대적 으로 보수적인 평가 경향을 보이는 것을 나타낸다.Next >