† Korea Water Resources Cooperation (Corresponding Author : [email protected])
터널 굴착 및 가물막이 시공에 따른 주변 지하수계 유동분석
Evaluation of the Impact on Surrounding Groundwater of Waterway Tunnel Excavation and Cofferdam Construction
유 영 권†･ 임 희 대1)･ 최 재 원2)･ 엄 성 일2)
Youngkwon You ･ Heuidae Lim ･ Jaiwon Choi ･ Sungill Eom
Received: February 11
th, 2014; Revised: March 19
th, 2014; Accepted: April 24
th, 2014
ABSTRACT : This study is to quantitatively evaluate the impact on surrounding groundwater of waterway tunnel excavation and cofferdam construction in which A-dam and B-dam, so prediction of groundwater fluctuation and tunnel lining installation was studied.
As a result, drawdown of groundwater level during tunnel excavation and cofferdam construction occurred about 3.58 m in the tunnel shaft. The initial condition of groundwater level recovered by up to 90 % was simulated after the completed the construction of the tunnel and lining installation. Groundwater inflow in the tunnel evaluated was analyzed to have exceeding water design criteria of the tunnel. The groundwater inflow is reduced to maximum 0.006 m
3/min/km after lining installation done in the tunnel, so effect of lining installation was evaluated as 93 % or more. Drawdown of about 0.04～0.31 m occurs in the houses and temples analysis of groundwater system of the surrounding area from construction. Drawdown has occurred nearly by considering annual groundwater level fluctuation of National Groundwater Observation Network.
Keywords : Groundwater, Waterway tunnel, Cofferdam, Groundwater inflow, Drawdown
요 지 : 본 연구는 A호와 B호를 연결하는 도수로터널 굴착 및 가물막이 공사가 주변 지하수계에 미치는 영향을 정량적으로 평가하 고자 수행하였으며, 이를 통해 인근 지하수 환경 변화 예측 및 터널의 라이닝 타설에 대한 효과를 검토하였다. 그 결과 터널 굴착 및 가물막이 공사기간 동안 터널 갱구부에서 최대 3.58 m의 지하수위 강하가 나타났으며, 터널 완공 및 라이닝 타설 시공 후 약 2년 경과 시점에서 자연상태 지하수위의 최대 90 %까지 회복하는 것으로 모사되었다. 터널 굴착에 따른 터널 내 지하수 유입량은 주향이동단층과 접하는 구간에서 터널의 배수설계기준을 초과하는 것으로 분석되었다. 이후 터널의 라이닝 타설이 완료된 후 지하 수 유입량은 최대 0.006 m
3/min/km로 감소하여, 라이닝 타설에 의한 효과는 93 % 이상으로 평가되었다. 또한 공사로 인한 인근 지역의 지하수 환경에 대한 분석 결과 민가, 사찰 및 견사 등에서 약 0.04∼0.31 m의 수위강하가 발생하였으며, 이는 연구지역 인근 에 위치한 국가지하수관측소의 연간 수위 변동량(1.3 m)의 24 %에 해당하는 수치로 분석되었다.
주요어 : 지하수, 도수로터널, 가물막이, 지하수유입, 수위강하
Journal of the Korean Geo-Environmental Society15(6): 5～15. (June, 2014) http://www.kges.or.kr
ISSN 1598-0820 DOI http://dx.doi.org/10.14481/jkges.2014.15.6.5
1. 서 론
우리나라는 지형적인 특성상 지하 공간 활용을 극대화 하기 위해 대형 국책건설사업의 일환으로 지하구조물(고속 철도, 도로, 지하철, 도수로 등) 건설을 진행하여 국토의 효 율적인 발전을 도모하고 있지만, 한편으로는 터널 굴착에 따라 지하수 관련 환경 문제가 대두되어 결국에는 환경갈등 으로 이어지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 지 하수 영향에 대한 보다 과학적이고 객관적인 연구가 다각적 으로 진행되어야 하며, 지하수 환경문제에 대한 활발한 사 회 관심을 바탕으로 개선방향에 대한 논의가 지속적으로 이 루어져야 할 것이다.
인위적인 터널 굴착은 수리적으로 지하수가 배출되는 역할을 하므로, 터널 주변 지하수계에서는 자연 상태의 지 하수 흐름이 교란되고, 지하수위 저하가 초래되어 갈수기 에 이르러 하천 건천화 및 기존 지하수 관정의 양수율이 감 소되는 현상이 발생할 수 있다. 지하수 유출 정도에 따라서 는 장기적으로 지반침하나 생태계의 변화 등 터널 주변의 환경에 심각한 영향을 미칠 수 있다(Lee et al., 2000; Lee et al., 2005; Dho et al., 2006; Lim & Chang, 2008; Lee et al., 2010). 따라서 터널 굴착이 인근에 미치는 환경적 영향 을 정확하게 평가하기 위해서는 터널 굴착에 따른 지하수 유출의 정량적 평가 및 예측이 필수적으로 요구되며, 이를 위해 3차원 지하수 수치 모델의 사용이 불가피하다. 지하
(a) Geologic Map (b) Topographic Map Fig. 1. Geologic map of the study area
수 수치모델은 미국지질조사소(USGS)에서 3차원 유한차 분 지하수 흐름을 모의하기 위해 개발한 MODFLOW이다.
MODFLOW를 사용하여 부지 내 지하수계를 실제와 유사 하게 재현한 후, 부정류 모사를 진행함으로써 지하수유동을 예측하였다. 그래픽 입출력 처리기는 캐나다 Schlumberger Water Services사의 Visual MODFLOW PRO v.2011.1을 사 용하였다.
본 연구는 A호와 B호를 연결하는 도수로터널 굴착 및 가 물막이 공사가 주변 지하수계에 미치는 영향을 정량적으로 평가하고자 수행되었다. 지질조사, 수리특성조사, 지하수위 자료 등을 바탕으로 수치 모델링을 수행하였으며, 이를 통 해 터널 및 가물막이 공사로 인해 저하된 지하수위의 회복 시기를 예측 분석하고, 그라우팅 전･후의 터널 내 유입량 분석을 통해 그라우팅의 효과를 검증하였다. 또한 터널 구 간에 접촉되는 단열대에 의한 영향 여부를 파악하여 연구지 역 내 분포하는 단열대의 수리지질학적 특성을 규명하였다.
2. 지형 및 지질
연구지역은 지형학적으로 노년기 지형에 해당하며, 심한 풍화가 진행되어 낮은 구릉성 산지 지형을 형성하고 있다.
수계는 댐 건설이후 A호 및 B호로부터 발현되는 1, 2차 및 3, 4차 지류들로 구성되며, 예천전단대, 안동단층군 및 가음 단층군의 간접영향권에 해당하는 것으로 확인된다(Fig. 1).
연구지역은 최하부에 저반상의 중생대 쥬라기 흑운모화 강암이 기반암으로 분포한다. 기반암은 백악기 초～중기의 퇴적암류에 의해 부정합으로 피복되어 있으며, 국부적으로 백악기 후기의 맥암류가 기반암을 관입하고 있다(Fig. 1).
상기 지층 모두 제4기 충적층에 의해 부정합으로 피복되어 있다(한국지질자원연구원, 1970). 지표지질조사 결과, A호 -B호 연결터널 구간은 전 구간에 걸쳐 K-장석을 함유한 조 립질 흑운모화강암 단일암종이 분포한다. 연결터널 노선을 중심으로 B호측 동측부에 백악기 퇴적암류가 분포하나 연 결터널 노선과는 간섭되지 않는다.
절리 및 단층 등의 단열군은 지하수의 주 유동통로 역할 을 하며, 터널 내로 유출되는 지하수의 대부분은 터널과 교 차하는 단층 및 단층파쇄대, 연장성이 양호한 절리면들을 따라서 유동한다(Lee et al., 2001). 따라서 결정질 암반 내에 서 지하수의 흐름을 해석하기 위해서는 단열의 특성을 파악 하는 것이 매우 중요한 일이다(Morin et al., 1997). 연구지 역은 4조의 주향이동 단층이 연결터널 노선과 인접하여 발 달하며, 이 중 3조의 주향이동단층은 연결터널과 교차한다.
연구지역 내 분포하는 단열의 주향과 경사를 측정한 결과, 가음단층군 파생단층인 N68～70NW/70NE 방향의 주향 이 동 단층 2조(F1, F2) 및 N15～23E/70～80SE 방향의 단층 1조(F4)에 의해 불연속면의 특성차이가 발현되어 세 개의 단열군으로 구분된다. 이들 단열군은 이들 세 단층과 연관 되어 북서, 북동 방향의 단열들이 우세하게 발달하여있다.
3. 수행방법
3.1 모델링 수행 흐름
터널 굴착 및 가물막이 시공에 의한 터널 내 지하수 유입 량 분석과 주변 지하수계 영향 분석을 위하여 지하수 유동 모델링을 실시하였으며, 모델설계, 정류상태보정, 예측의 순으로 진행하였다(Table 1).
Table 1. Flowchart of Modeling
Numerical Model Design Calibration Predictions
∙ Construction on - Model area & mesh - Boundary condition - G/W Recharge Ratio
∙ Input parameter(K, S etc.)
∙ Actual G/W table
∙ Hydraulic Parameters
∙ Boundary condition
∙ Validation on Cal. G/W table
∙ Sensitivity analysis
∙ G/W table distribution before Tunnel Excavation
∙ Time series analysis on G/W table during tunnel excavation
∙ G/W inflow rate analysis during tunnel excavation
Fig. 2. Construction plan for waterway tunnel
3.2 터널 및 가물막이 시공현황
A호-B호 연결터널은 총 1,925 m이며, 본선터널과 2개 의 경사갱 터널로 구성되어 있다. 굴진은 연결터널의 양 갱구부와 각 경사갱의 중심에서 남북 방향으로 이루어진 다. 1단계로 경사갱을 통한 굴착, 2단계로 가물막이 완공 후 갱구를 통한 연결터널 굴착, 마지막 3단계로 연결터널 관통부 공사 순으로 진행되며, 터널 굴착과 동시에 수로터 널의 육상화 시공을 위한 가물막이 시공 과정이 수행된다 (Fig. 2).
가물막이는 경사갱 갱구부 굴착 완료 후, 경사갱을 통한 양방향 굴착공사 시 병행되며, 시공은 A호, B호의 수위를 고려하여 암버럭 및 토사 1차 축조, 차수 그라우팅, 단계별 암버력 토사 축조 후 마감공사의 순서로 단계별 시공되며, 연결터널 완전 개통 후에는 해체된다.
터널 시공 중 라이닝 타설은 경사갱 및 연결터널 굴착 및 가물막이 시공이 완료 된 후 수행된다. 연결터널 라이닝 후 유지관리용 터널 순으로 라이닝이 진행되며, 이런 과정을 정 확히 반영하여 실제 시공 상황과 근접하게 모델링을 계획하 였다. 본 연구에서는 터널경계조건을 DRN(Drain Package, 배수경계)으로 설정하고, 가물막이 조건은 차수벽 경계조건 (Wall package)으로 설정하여 터널 내 지하수 유입량과 가 물막이 주변 지하수위 변화를 파악하였다. 또한 터널 굴착 순서에 맞게 Zone Budget을 설정하여 각 구간별 유/출입량 을 정량적으로 파악하였으며, 터널 굴착에 따른 주변 지역 의 수두강하 및 라이닝 타설을 모사하여 차수효과를 검증하 였다.
4. 지하수 수치 모델링
4.1 모델 설계
4.1.1 모델영역 및 격자망 설정
연구지역은 동쪽과 서쪽에는 낮은 구릉성 산지가 형성되 어 있으며, 북쪽과 남쪽으로는 A호와 B호가 위치하고 있다 (Fig. 3). 지질은 조립질 흑운모화강암이 기반암으로 분포하 고 있고, A호와 B호로 유입되는 지류들을 따라 제4기 충적 층이 발달하고 있으며, 현장조사 결과 4조의 주향이동 단층 이 연결터널과 교차하거나 인접해 있는 것으로 추정된다.
연구지역의 지형 및 지질 특성에 따라 지하수 수치모델링의 모델영역을 설정하였다. 본 연구지역의 주 관심대상인 A호 -B호 연결터널과 4조의 단열군을 중심으로 북쪽과 남쪽은 각각 A호와 B호를 모델 경계로 설정하였으며, 동쪽과 서쪽 은 지하수 무흐름 경계로 적용할 수 있는 지형분수령을 따 라 경계를 적용하였다.
연구지역을 포함한 모델의 면적은 가로 3 km × 세로 3 km로 총 9 km2이고, 이 중 위에서 언급한 무흐름 경계 및 수리적 경계를 기준으로 설정한 활성셀(Active cell)의 면적 은 5.5 km2이다. 모델의 격자망은 254행 × 312행 × 3층으로, 총 237,744개의 블록으로 구성하였다. 본 수치모델링의 주 관심대상인 연결터널은 굴착에 따른 지하수 변동특성을 정 밀하게 모사하기 위하여 5 m × 10 m의 세격자망(fine grid) 으로 설정하였으며, 그 외 지역은 20 m로 격자의 간격을 넓 혀 수치모델의 효율을 제고시켰다(Fig. 4).
Fig. 3. Geological setting of model area
Fig. 4. Setting of model grid Fig. 5. Setting of model boundary condition
4.1.2 경계조건 설정
경계조건은 모사하려는 영역의 수리적인 경계를 이용하여 도출해내며, 경계면들에 수두(Head)와 전도계수(Conductance) 등의 종속변수 값을 입력하는 형태로서 모사 대상지역의 지 하수계를 합리적으로 모사하는 데 있어 필요한 정보를 제공 한다.
연구지역의 동쪽과 서쪽의 지형적인 경계는 수리적 분 수령을 이루고 있으므로, 능선을 따라 무흐름경계(No flow boundary)로 설정하였다. 북쪽의 A호와 남쪽의 B호는 대 수층과 항시 수리적으로 연결되어있으며, 관리수위가 각
각 평균 EL.+153.8 m, EL.+149. 8m로 비교적 일정하게 유 지되므로 제1형 경계조건인 고정수두경계(Constant head boundary)로 처리하였다. 그밖에 모델영역 내에 분포하는 하천들은 계절적인 영향에 상당히 민감한 간헐하천이므로 제3형 경계조건인 배수경계(Drain pakage)로 설정하였다.
모델영역 내 경계조건은 Fig. 5와 같다.
4.1.3 입력변수 산정
연구지역의 대수층 수리특성과 지하수 산출 특성 파악을 위해 터널구간에서 수행된 장기양수시험, 순간충격시험, 양
Table 2. Hydraulic conductivity of each soil layer
Geological features H. conductivity (k, cm/sec )
Specific storage (Ss)
Specific yield (Sy)
Eff. porosity (ne)
Alluv-ium Sediments 2.12×10-3 0.03 0.1 0.15
W. soil 4.33×10-5 0.003 0.05 0.06
Rock mass
Soft rock 3.43×10-5 0.003 0.001 0.03
Int. rock 1.41×10-5 0.000472 0.0001 0.01
hard rock 2.08×10-6 0.000472 0.0001 0.01
Fault Fracture 8.03×10-5 0.003 0.001 0.01
Gouge 1.93×10-5 0.01 0.1 0.01
Fig. 6. Total avg. precipitation (mm/yr)
수 및 회복시험, 투수 및 수압시험으로부터 산정된 수리상수 및 인근 유사사례를 종합 분석하였다. 순간수위변화시험 및 양수시험 결과 수리전도도는 1.26 × 10-5∼6.39 × 10-5 cm/sec 의 범위로 나타났으며 단층대 구간의 경우 점토 충진으로 인해 1.26 × 10-5∼1.5 × 10-5 cm/sec의 분포로 나타났다. 양 수시험 결과 수리전도도 값은 9.6 × 10-5∼1.06 × 10-4 cm/sec, 풍화암 평균 1.81 × 10-4 cm/sec의 범위로 분석되었다. 수압 시험 결과에서 풍화암은 1.52 × 10-4 cm/sec 분포를 나타냈 다. 일반적인 기질별 수리전도도에서 풍화된 화강암은 3.3 × 10-6∼5.2 × 10-5 cm/sec의 분포를 가지므로(이민효 등, 2006), 연구지역은 보통의 화강암보다 수리전도도가 10배 이상 큰 경향을 나타낸다. 지하수 흐름 방정식에서는 저유계수의 변 화보다 수리전도도의 변화에 더 민감하여, 수리전도도가 10 배 정도 차이나면 수위강하에 미치는 영향은 매우 크다(한 정상, 1998; Chung et al., 2007). 따라서 연구지역은 우리나 라의 일반적인 화강암지역에 비해 터널 굴착에 의한 수위가 민감하게 반응하지 않을 것으로 예측된다.
모델링을 위한 3차원적인 지층 구조는 조사공의 시추자 료를 고려하여 2개의 층(충적층, 암반층)으로 구분하였으며, 이 중 암반층은 터널심도를 고려하여 다시 3개의 층으로 구 분하였다. 각 지층의 수리전도도값은 등방(isotropic)하다고 가정하였으며, 투수시험 및 수압시험, 순간수위변화시험, 양수시험을 통해 취득한 수리전도도를 기준으로 하여 산정 하였다. 또한 시추자료를 연계 분석하여 단층대 구간을 점 토 충진 단층대와 단층파쇄대로 구분하여 수리전도도를 산 정하였다(Table 2).
4.1.4 함양량 산정
연구지역의 기상대 10년간(2001～2010년) 강우자료를 분석하여 취득한 연 평균강수량은 1,096.1 mm/year이다 (Fig. 6).
선행된 연구에 따르면 연구지역이 위치한 낙동강 권역의 함양률은 12.31 %이며, 우리나라 평균 지하수 함양률은 18
%로 보고되었다. 보다 신뢰성 있는 함양량 산정을 위해 보
고된 지하수 함양률 범위(최병수와 안중기, 1997)를 참고하 여 민감도분석을 수행하고 정류상태의 보정을 거친 결과, 연 평균 강우량의 15.33 %인 168 mm/year가 본 수치 모델 에 가장 합리적인 함양량 수치인 것으로 평가되었다.
4.2 자연상태의 주변 지하수계 모사
4.2.1 정류 보정(Calibration)
모델에서의 지하수계를 실제 자연상태의 지하수계와 유 사하도록 재현해내기 위해 모델 보정을 수행하였다. 현장 시험으로 획득한 모델링의 초기 입력 값들은 국지적인 지 하지질 수리특성 값에 대한 불확실성을 내포하고 있으므 로, 모델링 과정에서 현장 상황에 맞게 보정하여 최적의 수 리지질인자를 결정해야 한다. 연구지역에서 관측한 지하수 위(observed head)와 모델에서 계산된 지하수위(calculated head)를 비교･분석하여, 비교 지점의 계산된 수위가 실제 관측수위와 합리적으로 일치할 때까지 시행오차법을 통해 수리지질인자들을 증감시키면서 정류보정을 수행하였다(한 정상과 한찬, 1999). 정류보정에는 시추조사 시 획득한 17개 의 지하수위 측정자료를 이용하였다(Fig. 7).
수리지질인자 중 현장조사를 통해 획득한 수리전도도와 비저류계수는 값을 변화시키지 않고 지질 및 암반등급에 따 라 적절한 구역화(zoning)를 통해 조절하였으며, 불확실성 을 가장 많이 내포하고 있는 함양량의 경우에는 민감도분석 을 통해 값을 결정하였다. 보정결과, SEE(표준추정오차)는 0.379 m, RMS(평균평방근) 1.521 m, Normalized RMS가
Fig. 7. Location of observation well
Fig. 8. Relationship between Calculated and Observed Head
Fig. 9. Groundwater level and flow at steady sate
3.318 %로 17개 관측공의 지하수위와 계산된 수위가 비교 적 잘 일치하며, 본 연구지역의 지하수계를 합리적으로 재 현한 것으로 판단된다(Fig. 8).
4.2.2 연결터널 굴착 전 자연상태의 지하수위 분포 정류 보정을 통해 모델영역 내 지하수계를 합리적으로 재현한 결과 연구지역 내 전체 지하수위는 EL.+140～300 m 의 분포를 나타내며, 지형고도에 따라 큰 차이를 보이고 있 다. 지하수의 전반적인 흐름은 연결터널 동쪽과 서쪽의 구 릉성 산지 능선으로 함양되어 계곡부를 따라 소하천 지류에 합류된 후, 지형구배를 따라 최종적으로 A호 및 B호로 유출 되는 형태를 보인다. 터널 굴착 전 자연상태의 지하수계를
재현하여 획득한 지하수위는 터널 굴착에 따른 부정류모델 의 초기조건으로 활용하였다.
인위적인 영향이 가해지지 않은 모델영역 내 정류상태의 지하수위 분포 및 지하수 흐름방향은 Fig. 9에 도시하였다.
4.3 공사 진행에 따른 부정류모사 (Transient Simulation)
공정에 따른 경계조건의 영향을 합리적으로 구현하기 위 해 터널 굴착, 가물막이 완공, 가물막이 해체가 병행되는 공 정의 3단계로 나누어 부정류모사를 진행하였으며, Fig. 10 에 단계별 모델개념도를 나타내었다. 정류모사에서는 자연 상태의 지하수위 분포를 정류보정을 통해 모델에 구현하여, 현 상태 지하수위 분포 및 지하수 흐름방향을 분석하였다.
부정류모사 Step.1은 정류상태의 지하수위분포를 초기수위 로 설정하여, A측과 A호측의 갱구부 100 m 구간을 제외한 본선 구간의 터널 굴착을 일 굴착량으로 반영하여 터널 굴 착에 따른 수두강하 및 터널 내 지하수 유입량을 분석하였 다. 부정류모사 Step.2는 가물막이가 완공되고 A호, B호측 의 갱구부 100 m 구간 굴착과 동시에 연결터널구간을 차수 그라우팅 시공에 의한 모사를 진행하여 가물막이와 터널 굴 착에 따른 지하수 영향을 분석하였다. 부정류모사 Step.3는 가물막이 해체 후 지하수위 회복 및 운영 중 터널 내 지하수 유입량 산정과 지하수 안정수위 회복을 분석하였다.
4.3.1 터널 굴착에 따른 주변 지하수계 수위변화(Step.1) 정류상태의 지하수위를 초기수위로 설정하고 터널 굴착 및 가물막이 완공과 해체 이후의 지하수 유동 및 연결터널
(a) Steady-State (b) Step 1. transient ; tunnel excavation
(c) Step 2. transient ; construct cofferdam (d) Step 3. transient ; break cofferdam up Fig. 10. Numerical modelling concepts in each step
(a) 20 % of drilling progress (b) 50 % of drilling progress (c) Completion of excavation Fig. 11. Drawdown in accordance with the progress of tunnel excavation
(a) Tunnel shaft of A lake (b) Tunnel shaft of B lake
Fig. 12. Cofferdam completed in accordance with changes in groundwater shaft part
내 유입량을 분석하고자 지하수 부정류 모사를 실시하였다. 터널 굴착은 지하수계에서 강력한 유출원 역할을 한다.
본 모사에서 연결터널은 터널 굴진 공정을 포함시킨 배수 경계조건(DRN)으로 설정하였으며, 주변 지하수계에서 터 널 내로의 유입량을 분석하기 위해 Zone Budget을 활용하 였다. 부정류 모사에서는 A-B 연결터널 공정 진행을 현실 적으로 반영하였다. A호･B호측 갱구부 100 m 구간을 제외 한 나머지 연결터널 구간을 굴착함에 따라 0.3∼5.0 m의
수위강하가 발생하지만, 빠른 시일(약 5일) 내에 수위가 회 복되는 것으로 분석되었다. 굴착완료 시 수위 강하구간(0.3 m 하강)은 연결터널로부터 143 m까지 최대 범위가 나타난 다(Fig. 11).
4.3.2 가물막이 완공과 갱구부 굴착에 따른 지하수위 변 화(Step.2)
Step.1의 터널 굴착 완료 시 지하수위를 초기수위로 설정하
(a) Tunnel shaft of A lake (b) Tunnel shaft of B lake Fig. 13. Analysis of water level recovery rate after the cofferdam demolition
(a) Maximum flow rate before and after the tunnel lining installation (m
3/day)
(b) Operating in the largest inflow shaft section (m
3/min/km)
Fig. 14. Part of the shaft tunnel excavation and lining by placing a drop of the head, and order inflow Efficiency
고 가물막이 완공 이후의 지하수 유동 및 연결터널 내 유입량을 분석하였다. 가물막이는 차수벽 경계조건(Wall pakage) 으로 설정하여 가물막이에 의한 A호, B호측 갱구부 주변의 지하수위 변화를 분석하였다. 가물막이의 완공으로 갱구부 주변의 지하수계는 인위적으로 A호 및 B호와 차단되며, 가 물막이 내측의 지표수를 제거하는 것에 기인하여 수위강하가 발생된다. 본 단계에서는 연결터널 굴착공정을 합리적으로 반영하고 경계조건에 의한 과다영향을 배제하기 위해 가물막 이 완공 후 갱구부 굴착이 실시되는 구간을 벗어난 지점에서 수위강하를 모사하였다. 각각 A호, B호측 갱구부로부터 연결 터널 중앙부로 향하는 150 m 지점에서 가물막이 존치기간의 지하수위 변동량을 모사한 결과, A호측의 수두강하량은 최 대 3.58 m, B호측은 최대 0.20 m로 나타났다(Fig. 12).
4.3.3 가물막이 해체 및 라이닝 타설 후 수위회복(Step.3) Step.2 과정에서 터널 굴착 및 가물막이 완공에 따른 부 정류 모사를 진행하였고, 본 과정에서는 라이닝 타설 등의 공사가 완료되고, 가물막이를 해체하면서 일어나는 지하수 변동을 모사하였다. 라이닝의 투수계수는 불투성에 가까 운 1.0 × 10-7 cm/sec로 입력하였다. 가물막이 존치기간 동 안 차단되었던 지표수체가 양측 갱구부와 접촉하며 본래의
지하수위로 회복됨에 따른 지하수위강하 및 지하수위 회복 율을 분석한 결과 A호측 갱구부가 90 %, B호측 갱구부는 29 %로 나타났다. Fig. 13에 가물막이 존치기간 동안 발생 했던 수두강하와 가물막이 해체 후 지하수위가 회복되는 수 두변화를 그래프로 도시하였다.
4.3.4 터널 굴착에 따른 지하수 유입량 분석
A호, B호측 갱구부와 전체적인 터널 내부로의 지하수 유 입량을 파악하고 이에 따른 영향을 예측하였다. 분석결과 가물막이 완공 후 갱구부 터널 굴착에 따른 최대 유입량은 A호측이 2.97 m3/day, B호측은 12.63 m3/day이며, 라이닝 타설 후 각각 60 %, 88 %의 차수 효과가 나타났다. 공사완 료 후 운영 중 갱구부 터널 내 단위길이당 최대 유입량은 0.003～0.0039 m3/min/km로 나타났으며(Fig. 14), 연결터널 의 전 구간을 대상으로 모사한 터널 굴착 중 터널 내 단위길 이당 지하수 유입량은 단층대 및 풍화대 구간이 상대적으로 큰 것으로 분석되었으며, 그 값은 0.041～0.563 m3/min/km 의 범위를 가진다. 운영 중 단위길이당 지하수 유입량은 0.003～0.006 m3/min/km으로 나타났으며, 전체적인 연결터 널의 라이닝 타설의 효과는 93 % 이상인 것으로 분석된다 (Fig. 15).
(a) Groundwater inflow per unit length of tunnel excavation
(b) Groundwater inflow per unit length of the tunnel in operation Fig. 15. Per unit length of the tunnel operation compared to groundwater flow
(a) Complaints facilities location map (b) Change in the groundwater in the major complaints Fig. 16. Analysis of the impact of the civil construction facilities
4.3.5 주요 지점의 수위강하 분석
터널 굴착 주요 지점에 대해 공사기간 중 발생하는 수위 강하량을 분석하였고, 연결터널구간의 공사 진행에 따른 수 위강하 및 회복율 분석을 위해 연결터널기준 수직방향의 상 하부에 가상관정 10개를 배치하였다. 분석결과 모사지역의 전체적인 지하수위는 EL.140∼300 m로 분포하며, 주요 지 점의 지하수위 강하량은 00마을이 0.04 m, 민가는 0.05 m, 견사는 0.27 m, 그리고 사찰의 경우는 0.31 m의 수위 강하 량을 나타냈다(Fig. 16). 하지만 인근지역에 위치한 국가지 하수 관측소의 2010년 장기지하수위 관측 자료의 연간 최 대수위 변동량이 1.31 m인 것을 감안할 때 최대 변도폭의 24 %에 해당하는 수치로 큰 영향은 없는 것으로 판단되었
다. 가상관정의 수위강하 및 회복율은 분석결과 전체적인 최대 수위강하량은 0.20∼1.88 m의 범위를 가지며, 수위회 복율의 범위는 0∼90 %로 나타났다. 지하수위 영향권역 분 석에서 터널 굴착에 따른 최대 지하수 영향권역은 303 m 이며, 준 정류상태에 도달하여 상태유지 후 가물막이 해제 시점부터 수위회복이 일어나는 것으로 예측되었다(Fig. 17).
5. 결 론
본 연구는 지하수 수치 모델링을 통해 A호와 B호를 연결 하는 도수로 터널과 가물막이 공사에 따른 인근 지하수 환
(a) S-1 (b) S-3
(c) S-5 (d) S-8
Fig. 17. Analysis of drawdown and recovery rate by location
경 변화를 예측 분석하였으며, 터널 그라우팅에 대한 효과 를 수리적인 영향을 통해 검토하였다.
지하수 수치 모델링 결과, 터널 굴착과 가물막이 공사기 간 동안 터널 갱구부에서 최대 3.58 m의 수위가 하강하는 것으로 나타났으나, 터널 완공 및 라이닝 타설 이후 가물막 이를 해체하면서 2년 안에 자연상태의 지하수위의 최대 90
%까지 회복되었다. 터널 굴착에 따른 터널 내 지하수 유입 량을 분석한 결과, 주향이동단층(F1, F4)과 접촉하는 구간 에서 본 터널의 배수설계기준(0.5 m3/min/km)을 초과하는 것으로 분석되었으나, 그 값이 최대 0.563 m3/min/km로 우 려할 수준은 아닌 것으로 나타났다. 이는 터널구간과 접촉 하는 3조(F1, F2, F4)의 주향이동단층의 수리특성 값이 점 토 충진으로 인해 주변에 분포하는 기반암의 값과 유사한 것에서 기인한 결과로 판단된다. 터널의 라이닝 타설이 모 두 완료된 후에는 단위길이당 지하수 유입량이 최대 0.006 m3/min/km로 감소하여, 라이닝 타설로 인한 효과는 93 % 이상으로 평가된다.
터널 굴착 및 가물막이 공사로 인한 수위강하 정도를 정 량적으로 파악하기 위해 주요 지점을 선정하여, 모델링을 통해 수위강하 정도를 분석하였다. 그 결과, 공사 중 주요지 점에서 약 0.04～0.31 m의 수위강하가 발생하였고, 이는 연 구지역 인근에 위치한 국가지하수관측소의 연간 최대수위 변동량(1.3 m)의 24%에 해당하는 수치로 분석되었다.
6. 토의 및 제언
본 연구의 결과는 연구지역의 현장 조사 결과를 바탕으 로 터널 및 가물막이 시공으로 인한 인근 지하수계에 미치 는 영향을 수치 모델화하여 시뮬레이션 한 결과이므로, 불 확실성(Uncertainty)이라는 문제를 내포하고 있다. 수치 모 델의 한계를 극복하고, 본 연구 결과를 검증(Validation)하 기 위해서는 장기적인 지하수위 관측 자료와 도수로 터널 내로의 지하수 유입량 자료를 획득하는 것이 필요하다. 이 를 위해서는 터널 주요 지점에 충분한 지하수위 관측공을 설치하여 장기적인 지하수위 관측이 이루어져야 하며, 터널 시공 후 터널 내 지하수 유입량을 감시하는 시스템을 설치 하여 실제의 지하수 환경 변화에 대한 지속적인 모니터링이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
References
