굴착 시 빠져나간 지하수 회복을 위한 함양공법
지하철, 지하차도와 같은 지하구조물 시공 시 굴착에 따른 지하수 유출은 주변 지하수위의 하강을 발생시킨다. 하강된 지하수위에 의해 토립자에 작용하는 부력이 소실되면 지층의 자중이 증가해 지반침하가 발생하게 된다.
또한 대심도 지하수위 하강 시 침투속도가 높아짐에 따라 토립자 내 세립분의 이동과 유실에 따른 지반함몰, 그리고 지하수 유출구간에 파이핑 현상이 발생할 수 있다. 하지만 도심지 지하교통인프라 건설시 지하수 유출에 따른 지하수위 저하를 불가피한 일로 간주하기에는 주변에 미치는 재산상, 안전상의 문제가 상당히 큰 편이다.
이러한 지하수 유출 방지를 위해 적극적인 차단 공법과 저하된 지하수위를 회복시키는 함양공법 2가지에 대해서 적극적인 연구가 지난해 ‘도심 지하 교통 인프라 건설 및 운영 기술 고도화 연구’를 통해 수행되고 있다. 이중 지하수 회복을 위한 함양공법은 눈여겨볼 기술이다.
시공 시 유출된 지하수를 회복시키기 위해서 유출 지하수를 주입하는 것만으로 단순히 문제가 해결되는 것은 아니다. 높은 압력으로 지하수를 주입하게 되면, 주입된 수압이 지층에 추가적인 간극수압으로 작용된다.
지반공학에는 지반의 안정성을 유효응력의 개념으로 평가하는데 지층에 간극수압이 높아지면 대상 토층의 유효응력이 줄어들어 지반이 파괴에 도달할 수 있다. 사질토의 경우 유효응력 상실에 따른 파이핑이나 퀵샌드 같은 현상이 발생할 수 있으며, 점성토의 경우 유효응력 감소에 따른 비배수 전단파괴가 발생할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서는 대상 지층에 주입되는 수압의 분포를 공간적으로 예측하고, 토층 내 지반파괴에 도달하지 않도록 적정압력을 결정하는 기술이 중요하다. 이 기술을 이용해 결정된 함양 압력을 지속적으로 유지하며 지하수를 주입할 수 있는 장치의 개발과 적용을 목적으로 연구가 한창이다.
이러한 지하수 회복을 위한 함양공법을 개발하고 있는 ㈜이피에스엔지니어링은 지반, 수자원, 환경에 관련된 설계와 조사에 특화된 전문기업이다. 이피에스엔지니어링은 지난 2014년 석촌호수 물빠짐 현상과 주변 지반함몰 원인 조사에 참여해 다양한 현장 시험과 광역 지하수 유동해석 등을 통해 그 원인이 지하철 9호선 공사와 제2롯데월드 건설사업에 기인함을 밝혔다. 또한 2013년 국토교통과학기술진흥원이 발주한 ‘청정 지하저수지 개발 연구단’에 공동연구기관으로 참여해 지하수 함양에 관련된 지반침하 방지와 안정화 연구에 기여했다.
이러한 기술적 배경을 가지고 도심인프라 건설시 지하굴착공사에 따른 지하수 저하를 막기 위한 지하수 함양공법에 대한 연구에 참여하게 됐다.
이피에스엔지니어링 최진오 대표이사(사진)은 “도심지 지하공사에 따른 지하수위 저하로 지반함몰, 지반침하에 관련한 민원과 이에 따른 공사 중지 등이 발생하고 있다. 지하굴착 공사에 따른 주변 구조물의 안정을 위해서 지하수위의 관리대책이 불가피하다”며 “함양공법을 활용해 지하수의 과도한 저하를 막아 주변 지반의 침하를 방지할 수 있을 것으로 기대되며, 지하수를 저장해 필요시 활용할 수 있는 시설들의 안정적인 함양 기술에 기여할 수 있다”고 말했다.
이피에스엔지니어링은 이 밖에도 노후관의 부식, 균열의 상태를 정확하게 진단하기 위해 한국환경산업기술원이 발주한 연구과제에 공모해 라이다를 이용한 관내 부식, 손상도 검증 기술과 관 주변의 공동화를 탐지할 수 있는 관내 GPR 측정장치를 기계화했다.
이 기술은 현재 CCTV만으로 관내 손상도를 정성적으로 평가하는 한계를 넘어서 관의 부식도, 균열 등을 정량적으로 수치화하게 돼 매립관의 수명을 파악하고 선별적으로 교체할 수 있는 지표를 제공할 것으로 예상된다. 또한 도로 하부 공동 탐사로는 알 수 없는 관로 주변의 공동화 현상을 관 내부에서 GPR로 탐사함으로써 지반함몰의 초기 대응이 가능하다는 것이 장점이다. 현재 진행 중인 연구개발을 마치고 개발된 장비와 기술에 대한 실용화를 앞두고 있다.
최 대표는 “현재 노후관로의 조사는 CCTV만으로 수행되도록 돼 있다”며 “정밀탐사로 각관의 부식도와 노후화를 수치화 할 수 있는 기술이 개발돼도 이를 사용하도록 정부와 관련 기관이 매뉴얼과 테스트베드 제공에 조력해주지 않는다면 실용화의 실제적 방안은 마련되기 어렵다”고 아쉬움을 전했다.
하지만 이피에스엔지니어링은 토목 시설물의 설계와 관리를 위해 연구과제로 개발된 기술들이 현장에 적용돼 경제적, 안전성을 높이는데 기여하고자 더욱 최선을 다할 예정이다. 또한 4차 산업과 연계돼 이러한 기술이 건설산업의 고도화에 일정정도 밑거름이 되길 희망하고 있다.
이것이 이피에스엔지니어링과 그 기술을 주목할 수밖에 없는 이유다.
[공학저널 전찬민 기자]
출처 : 공학저널(http://www.engjournal.co.kr)
