< Previous48 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 베트남 최초 지하저장 유류비축기지 시공 및 기밀시험 사례 <그림 6> CAT 시험 계획일정 4.3 CAT 시험 시행전 준비 CAT 시험을 위해서는 구조물 공사, lift 제거, 센서 준비, 장비 준비, 터널 물채움 준비 등의 절차가 필요하다. 시행전 준비 사항들을 표 3과 같이 List 화 하였다. <표 3> CAT 시험 준비 list 구분CAT 역할구분CAT 역할 Shaft Plug저장고 밀폐수도배관저장고 물공급 RTD저장고 온도측정Water curtain효율성시험 Pressure CellWater curtain 수압Water curtain 가배관운영상태 전환 Cavern Plug저장고 밀폐OS 물채움PLUG 상부 수압재하 Air compressor공기 가압AT 물채움충수 준비 Pressure Standard압력 측정Lift 철거가설 구조물 철거 Air Cooler공기 온도 강하AS 물채움저장고 측면 수압재하Vol. 26, No. 4 49 4.4 CAT 시험 시행 CAT는 준비작업을 거쳐 프로판 저장용 Cavern 부터 공기 가압을 시작하였으며, 부탄 저장용 Cavern에 질소 충진을 끝으로 완료하였다. 총 소요일은 공기 가압 착수를 시작으로 하여 계획한 53일보다 5일 단축한 48일이 소요되었다(그림 7). <그림 7> CAT 시험 시행 4.5 온도 안정화와 누수 시험 Cavern 내에 압축공기를 가압시, Cavern 내부는 압력과 함께 온도가 증가하게 된다. 온도 변화는 내부 압력의 변화 를 발생시키므로 온도의 안정화가 필요하다. 이를 확인하고 일정하게 유지시키기 위하여 준비된 냉각기를 가압기와 같이 <그림 8> Cavern 내 온도 측정50 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 베트남 최초 지하저장 유류비축기지 시공 및 기밀시험 사례 운영하였으며, 내부에 설치한 24개소의 RTD(Resistance Temperature Detector)을 통해 온도 변화를 모니터링 하였다 (그림 8). 온도가 안정화된 이후에는 Cavern 내부의 압력 변화를 100 시간 동안 모니터링을 실시하는 누수 시험을 진행하였다. Cavern 내 압력은 ① 지하수의 유입으로 인한 압력 상승, ② 배수 펌프 가동으로 인한 압력 하강, ③ 온도 감소로 인한 압 력 하강 등의 이유로 파동이 생기게 되며, 그 변동 폭이 허용 기준(Acceptance Criteria) 이내로 유지됨을 확인하며 적절 함을 평가하였다. 그림 9는 CAT 시험 중 압력 변화 기록 분석 결과이다. <그림 9> Cavern 내 압력 변화 4.6 수리 지질학적 분석 CAT 시험을 통해 최종적으로 수리 지질학적 안정성을 분석하여야 한다. 수리 지질학적 분석은 Hydraulic Margin과 Local Margin의 계산을 통해 평가한다. Hydraulic Margin은 Cavern의 수위에 따른 지하수의 흐름으로 정리되는 상승류와 하강류의 수리적 Potential의 차 이로 잘 알려져 있으며, 수벽공에서의 공급수의 흐름 방향이 항상 Cavern 쪽을 향해야 함을 의미한다. 이를 표현한 수식 은 식 (2)와 같이 표현하였으며, 표현방식은 여러가지 방법이 있을 수 있다. (2) Local Margin은 수벽공 터널 내에 설치된 Pressure Cell의 측정 압력으로부터 산정된 Cavern 주변 암반의 균열층에 대한 [Hydrodynamic Potential]과 Cavern 내부의 [Hydraulic Potential]의 차로 표현되며, 해당 사업의 경우 Local Margin을 평가한 수식은 식 (3)과 같다. (3)Vol. 26, No. 4 51 CAT 기밀 시험 기간 동안 수리지질학적 분석 모니터링 결과, 수벽공 내 물공급이 정상 방향이며 Cavern 내 누수가 없 음을 확인할 수 있었다(그림 10). <그림 10> 수리 지질학적 평가 결과 5. 결 과 베트남 최초 지하 유류비축 저장기지는 설계 최적화와 적극적 공사 추진을 통하여 계획 공기 내에 공사를 마무리하였다. 수벽공은 지하 유류비축 저장기지의 장기적 운영시 안정성 확보를 위한 필수 사항이며, 최적화 시공을 성공적으로 완 수하였다. 또한, 설계 최적화를 통해, 시공 물량과 시험 수량 또한 최적화할 수 있었다. 저장기지의 굴착 이후 Cavern 적합성 시험(CAT, Cavern Acceptance Test)을 실시하였으며, 시험 기간 동안 모니터 링 및 상세 분석 결과를 통해 Cavern의 기밀성과 주변 수벽공 간의 수리지질학적 특성의 적합성을 확인하였다. 해당 결 론은 Cavern의 안정적인 비축 능력을 보증해 주었으며, 이러한 결론은 여러 지하 유류비축기지 시공 사례 중 성공적인 적합성 시험 사례 중 하나가 될 수 있다고 기대한다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]52 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 1. 개 요 지하공간개발에 관한 관심이 급증하면서 도심지 대규모 굴착공사의 수요는 꾸준히 증가하는 추세이며 그와 함께 지반 침하 사고도 지속적으로 증가하고 있다. 굴착공사 시 발생한 지반침하사고의 문제는 대부분 지하수로부터 기인하고 있으 므로 정확한 설계지하수위 산정과 적절한 계측관리기준을 수립하는 것은 흙막이 굴착공사의 안정성 향상에 매우 중요한 요소임은 틀림없다. 그래서 본 기사에서는 지반조사 결과로부터 확인한 지하수위와 유동방향의 결정 및 침투해석 결과의 적정성 분석과 시 공관리계획의 수립까지 지하안전평가에 표준매뉴얼에 미처 실리지 못한 내용들을 안내함으로써 안전한 굴착환경을 조성 하는데 도움이 되고자 한다. 2. 지하수 유동 방향의 확인 평가서 작성 시 현장의 지하수 유동 방향을 파악한다면, 시공 시 많은 이점을 가질 수 있다. 침투해석 결과 및 계측관리 기준의 적정성을 검증할 수 있고 계측기 설치 위치의 최적화가 가능하며, 시공 과정에서 발생할 수 있는 다양한 문제를 사 전 예측하여 보다 안전하고 효율적인 굴착공사를 시행할 수 있기 때문이다. 상기 사항을 하나씩 짚어보면 침투해석이란 굴착공사 시 발생한 지하수위 저하를 예측하고 이를 바탕으로 시공계획 및 계측관리기준을 수립하는 과정이며 해석 전에 지하수 유동 방향을 이해하고 있다면 해석 결과의 신뢰성을 높이면서 계측 관리기준의 적정성 검증하여 시공 시 발생될 수 있는 다양한 이벤트에 대해 사전대책을 마련할 수 있게 한다. 지하안전평가서 검토 사례를 중심으로 합리적인 누적지하수위 저하량 관리 기준 선정 방법의 제안 조한기 국토안전관리원 지하안전관리실 양유홍 (주)삼안 지반터널부 이사 백필순 동부엔지니어링(주) 지반공학부 상무 전진용 (주)일신이앤씨 지반공학부 이사Vol. 26, No. 4 53 지하수위계 설치 위치도 최적화할 수 있다. 지하수위계는 지하수위의 변화를 지속적으로 모니터링하는 중요한 장비로 이를 적절한 위치에 설치하면 현장의 지하수 상태를 정확히 파악할 수 있고 시공 중 발생한 지하수 관련 문제를 조기에 발 견하고 대응함으로서 굴착 공사의 안전성과 효율성을 높여준다. 마지막으로 차수그라우팅 시험 시공 위치 선정이다. 차수그라우팅은 지반 내 지하수 등 침투를 막기 위한 중요한 공법 으로, 이를 효율적으로 실시하기 위해서는 적절한 위치 선정이 필수적이다. 만약, 지하수 유동 방향을 해석과 지반조사를 통해 확인하였다면 시공 시 차수그라우팅의 효과를 극대화할 수 있는 최적의 위치 선정이 가능하며, 이를 통해 흙막이 벽 체 품질 향상 등을 기대할 수 있다. 다시 한 번 강조하면 평가서 작성 시 현장의 지하수 유동 방향을 이해하는 것은 성공적인 시공을 위해 매우 중요하다. 이는 침투해석 결과의 정확성을 높이고 지하수위계 및 차수그라우팅 시험 시공 위치 선정 등 시공의 여러 측면에서 시공 품질을 높일 수 있는 중요한 요소로 작용한다. 따라서 지하수 유동 방향을 어떻게 파악하는지에 대해 지하안전평가서 등 의 검토 사례별로 아래와 같이 안내한다. 2.1 건축물 등, 소규모 지하안전평가 대상 사업의 지하수 유동 방향 확인 20m 이상을 굴착하는 현장을 대상으로 작성한 지하안전평가서는 양수시험 및 유향 ․ 유속 시험 등을 통해 지하수 유동 방향의 확인이 가능하다. 지하수 흐름과 관련된 상세 데이터를 얻을 수 있으며 침투해석 결과의 정확성을 높이고 지하수 위계 및 차수그라우팅 시험 시공 위치를 최적화할 수 있다. 하지만 소규모 지하안전평가의 경우 지하수 흐름을 확인할 수 있는 유향 ․ 유속 시험항목이 포함되지 않으므로 시추공 을 통한 지하수 유동 방향 확인하는 방법을 제안한다. 시추조사로 확인된 지하수위를 평면도에 표기한 후 등고선을 연결 하면 지하수위의 높고 낮음이 파악되며 이를 통해 지하수 유동 방향을 간접적으로 확인할 수 있다. 왜냐하면 물의 흐름은 위치수두, 압력수두, 속도수두 및 확산(고농도에서 저농도로 이동) 등의 요인에 의해 결정되고 시추공 측정 지하수위를 등고선으로 연결하면 수두차에 의해 지하수의 유동 방향 및 지하수 관리와 관련된 계획 수립이 가능하다고 사료되기 때문 이다. 그림 1은 소규모 지하안전평가 대상 현장(예: 건축물)에서 시추공을 통해 측정한 지하수위를 연결하여 3차원으로 구현 한 것이며, 이를 통해 지하수위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 흐름을 쉽게 확인할 수 있었다. 이때 지층선의 경사 및 단층 파쇄대의 위치(시추공 내 심도) 등을 미리 검토하는 것을 추천한다. 이는 지층 경계와 암반의 연약면이 지하수의 이동 경로이며, 단순히 수위차에 의한 지하수 흐름 분석 결과의 오류를 짚어 보는데 도움이 되기 때문이다. 관측점에서의 지하수 흐름을 파악하는 방법은 먼저 지층별로 지하수의 주요 흐름 방향(main stream)을 이해하는 것 이다. 이를 위해 각 지층의 특성을 분석하고 지하수가 주로 어느 방향으로 흐르는지 파악한 후 주 흐름 방향을 기준으로 유속 분석을 실시한다. 유속 분석은 지하수가 얼마나 빠르게 이동하는지를 측정하는 중요한 단계로 공사 중 수위 관리와 시공계획 수립에 있어 필수 정보이다.54 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 지하안전평가서 검토 사례를 중심으로 합리적인 누적지하수위 저하량 관리 기준 선정 방법의 제안 <그림 1> 수위 Countour Diagram 또한 관측점 인근에 하천이 있는 경우 하천의 수위 변동이 지하수 흐름에 미치는 영향을 고려해야 한다. 우기 시와 집 중호우 등의 영향으로 하천 수위 상승은 지하수 흐름에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 예를 들어 그림 2와 같이 평상시에는 지하수위가 북쪽에서 남쪽으로 흐르지만 공사 시 굴착으로 인해 흙막이 벽체 뒷 면의 수위가 하천 수위보다 낮아져 기존의 지하수 흐름이 역전된 경우는 굴착 시 다량의 지하수가 굴착면으로 유입될 가 능성이 있음을 시사하므로 설계 시 평면상에 저류지 및 저수지 등의 위치를 미리 확인하여 공사 중 발생 가능한 문제를 최 소화해야 한다. (a) 관측지점 지하수 흐름 분석 예시 <그림 2> 지하수 흐름분석 예시Vol. 26, No. 4 55 Direction Velocity 시험심도(GL. -m)4.5m (퇴적층)6.3m (풍화암)18.0m (연암) 주 흐름방향 및 유속분석 Flow Di recti on (Deg) Flow Rate (cm/d) 평가 결과 • 관측 지점 기준 북쪽에 매봉산이 위치하고, 남쪽에는 동-서로 유동하는 남한강이 위치하며, 동쪽에는 사탄천이 남류하여 남한강에 합류함 • 풍화토의 유향은 197.28°, 유속은 5.00×10-4cm/s, 풍화암의 유향은 189.73°, 유속은 7.64×10-5cm/s, 연암의 유향은 196.41°, 유속은 2.22×10-5cm/s로 측정됨 • 전반적인 지하수 유향은 지형 고도와 수계의 영향을 받아 남한강을 따라 남-남남서 방향으로 유동함 (b) BH(3)-20 유향 ․ 유속시험 결과 <그림 2> 지하수 흐름분석 예시(계속) 2.2 선형 사업 등, 지하안전평가 대상 사업의 지하수 유동 방향 확인 광범위한 영역에서 굴착공사가 이루어지고 있는 철도, 도로와 같은 선형 구조물의 지하수 흐름 분석은 그림 3과 같이 초기에는 넓은 범위에서 시작하여 점차 상세 구간으로 좁혀가는 접근 방식을 제안한다. 먼저 전 구간에 걸쳐 지하수위 등 고선을 작성하여 전체적인 지하수 흐름의 경향을 확인하고 이를 바탕으로 구조물별 상세 분석을 실시하여 결과의 신뢰성 을 높이는 것이 중요하다. 이는 공사 전부터 종료 후 지하수위가 회복되는 시점까지 지하수위 회복 경향을 파악하는 데 유의미한 자료를 제공하 고 안정적인 지하 공간 개발이 이루어지는지를 확인할 수 있다. 여기에 광역 지하수위 분석을 더하여 전반적인 지하수 흐 름과 변동 패턴을 이해하였다면 구조물 생애 주기에 걸쳐 지하수 관련 문제를 최소화할 수 있다. 철도와 도로와 같은 선형 구조물의 지하수 분석은 건축물보다 고려해야 할 요소가 많다. 예를 들어, 하천(건천 포함) 및 56 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 지하안전평가서 검토 사례를 중심으로 합리적인 누적지하수위 저하량 관리 기준 선정 방법의 제안 저수지, 동시 굴착 현장, 기존 터널이나 인접 구조물의 바닥부 깊이, 아스팔트 포장 및 공원과 같은 투수층 및 불투수층 지역 등을 모두 고려해야 한다. 이러한 요소들이 모여 지하수 흐름을 결정하며 종합적인 분석을 통해 공사의 안정성과 효 율성을 극대화할 수 있기 때문이다. 구간별 지하수위 Countour 주요 구조물 (정거장)별 주 흐름 방향 분석 결과 • 인천대 입구 정거장, 인천시 정거장은 서측 및 북측 방향으로 유향을 보인다. • 부평 정거장, 부천종합운동장 정거장은 굴포천, 부천종합운동장 방향의 유향을 보인다. • 신도림 정거장, 여의동 정거장은 한강과 안양천 방향의 유형을 보이는 것으로 나타났다. <그림 3> GTX-B 민자구간 지하안전평가 지하수 흐름 분석 우수사례 3. 침투해석 결과의 적정성 확인 3.1 차수그라우팅 미폐합 구간의 침투해석 결과 분석 차수그라우팅은 지반굴착 공사 시 흙막이 벽체의 안정성과 품질을 보장하고, 지하수의 불필요한 유입을 제어하여 시공 안전성을 높이는 보조적인 공법이다. 일반적으로 소규모 건축물과 같은 굴착공사에서는 차수그라우팅 폐합을 통해 안정 성을 확보할 수 있으나 아파트와 같은 대단위 부지를 공사하는 곳이나, 지하차도와 같은 선형 구조물은 차수그라우팅 미 폐합으로 굴착 시, 차수그라우팅 미실시한 곳을 중심으로 지하수 유입이 발생하고 주변 지하수위도 함께 감소하게 된다. 그 결과는 계측관리기준 초과로 인한 공사 중지 및 추가 보강 비용의 지출로 이어지므로 평면도를 통해 차수그라우팅 폐Vol. 26, No. 4 57 합 여부를 확인하는 것은 중요하다. 아래의 그림 4를 살펴보면 부지 북측에 차수그라우팅 미 실시한 비탈면이 위치하고 남측에 인접한 해석 대표 단면 A가 있는 것으로 확인된다. 그리고 A단면의 2차원 해석 결과, 굴착 시 발생한 지하수위 저하는 2.52m로 나타났다. 하지만 차 수그라우팅 미실시한 북측 비탈면을 통해 굴착 시 다량의 유출수가 발생 될 것으로 예상되며, 지하수위 저하는 2.52m를 초과할 것으로 판단하였다(본 현장은 사례 설명을 위해 제시한 예시 현장임). 그래서 책임기술자 및 참여 기술자는 본 사례와 같이 설계 전 공사계획 평면도를 검토하고, 차수그라우팅 미폐합 여부 를 확인하여 2차원 해석의 한계점을 이해하려는 노력이 필요하다. 지금도 국토안전관리원에서 검토하는 평가서 중 일부 는 해석 결과의 단순 나열로 기술되어 있고 해석 결과에 대한 적정성 검토 내용은 부족한 사례가 종종 확인되곤 한다. 본 사례를 통해 전문기관에서는 차수그라우팅 시공계획, 지하수 유동 방향 등과 같은 거시적인 안목을 가지고 현장을 전체적으로 살피려는 자세가 필요하며 경우에 따라 해석조건을 변경(대표 단면 재선정 등)과 같은 2차원 해석의 단점을 보완하려는 노력이 필요하다. (a) 평면도(b) 단면 A-A <그림 4> ○○프로젝트 침투해석 결과 3.2 대표 단면이 서로 근접한 경우의 침투해석 결과 분석 이번 사례는 대표 단면이 서로 근접한 경우다. 여기에는 소규모 건축물이나 목적 구조물을 위해 인근 지역에 추가적인 시설 굴착이 필요한 교각, 집수정 중간 맨홀 및 수직구 등이 해당되며 대단위 부지를 굴착하는 현장은 우각부 및 지지공법 변화 구간과 같이 선정된 대표 단면 간의 거리가 가까운 경우가 여기에 해당 된다. 대표적인 예를 살펴보면, 그림 5와 같이 최대굴착 심도가 13.0m인 본 현장에서 근접한 A와 B 단면의 우측 지하수위 Next >