Analysis of Scale and Shape of Limestone Cavities using Borehole Drilling and Geophysical Investigations

251

Gyu-Jin Song

, Hyun-Seok Yun

, Il-Ho Jang

, Yong-Seok Choi

, and Yong-Seok Seo

*

1

Department of Earth and Environmental Sciences, Chungbuk National University

2

JS Eng Co., Ltd.

3

Groundwater and Geological Technology Department, Chungbuk Regional Headquarter, Korea Rural Community Corporation

Received 27 April 2015; received in revised form 13 June 2015; accepted 17 June 2015

본 연구에서는 석회암 공동이 분포하는 지역에서 발생한 지반침하 현상의 원인을 파악하고 공동의 분포 위치 및 규모 를 분석하기 위하여 지표지질조사, 시추조사, 전기비저항, 토모그래피 탐사 등을 실시하였다. 지표지질조사 및 시추조사 결과에 의하면 연구지역에서 석회암은 방해석의 함량에 따라 고함유대와 저함유대가 교호하며 분포한다. 시추조사 결과 를 중심으로 전기비저항 및 탄성파 토모그래피 탐사 결과와 비교분석한 결과에 의하면 대부분의 공동은 지반침하가 발 생한 지점을 중심으로 심도 7~14 m의 토사층과 암반의 경계부 주변에 집중되어 분포하고 있다. 또한 공동의 규모는 558~835 ㎥ 로 소규모이며, 침하의 형태는 사질토 지반에서 흔히 발생하는 Suffosion sinkhole에 속한다.

주요어: 석회암 공동규모, 지반침하, 시추조사, 전기비저항 탐사, 탄성파 토모그래피 탐사

Geological mapping, borehole drilling, electrical resistivity, and seismic tomography surveys were conducted in order to map underground cavities and better understand the mechanisms driving subsidence in a limestone region in Korea. Limestone outcrops in the study area generally alternate between calcite-rich and calcite-poor rock. The results reveal that in areas experiencing subsidence, cavities occur mainly around soil-rock boundaries at depths of 7~14 m. These results are based on comparative analyses of electrical resistivity, seismic tomography, and bore- hole logging data. The volumes of the cavities are relatively small in a range of 558~835 m

and they have a shape typical of suffosion sinkholes, which are typically found where sandy soils overlie bedrock cavities.

Key words: volume of limestone cavities, subsidence, borehole drilling, electrical resistivity survey, seismic tomography survey

*Corresponding author: [email protected]

ⓒ 2015, The Korean Society of Engineering Geology

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서 론

석회암이 분포하는 지반은 용해 및 용식, 풍화 작용 등에 의해 형성된 공동이 잘 발달하며, 지질의 불균질성 및 지하수 유동에 의한 차별 풍화로 불규칙한 기반암선 이 발달하는 경우가 많다. 석회 공동이 존재할 경우 용 식 작용에 의해 지반 침하 및 함몰이나 구조물 붕괴 및 손상으로 인해 인명 및 재산 피해를 야기하며, 지하수원 의 오염 및 고갈 등 각종 지질 재해를 유발시키기도 한 다(Wilson and Beck, 1988; Goodman, 1993; Beck, 1996; Waltham and Fookes, 2003). 일반적으로 석회암 의 용해 및 용식은 주요 구성 광물인 방해석이 지반 내 존재하는 이산화탄소 및 물과 반응하여 발생하며, 다음 과 같은 반응식으로 나타낼 수 있다.

석회암 내 발달하는 공동의 규모와 형태는 암석의 종 류, 지질구조 및 지하수위 분포와 같은 지질조건에 따라 결정되며, 용해성 암석과 비용해성 암석의 분포특성에 따라 수 cm에서 수백 m 두께에 이르는 다양한 규모와 형태의 공동이 형성된다(Goodman, 1993). 또한 비용해 성 암석의 경우 토사와 암반의 경계부가 평면에 가까운 형태를 보이나 석회암에서는 용식작용으로 인해 불규칙 한 형태를 보이기 때문에 공학적 예측이 상대적으로 어 려우며(Waltham, 1994), 석회암 주변에 분포하는 단층 및 층리와 같은 불연속면은 물의 유동 통로 역할을 하 여 공동의 형성과 발달 방향에 큰 영향을 미친다 (Culshaw and Waltham, 1987). Waltham (1989) 은 불 연속면에 의해 형성된 공동의 크기를 좁은 폭의 네트워 크 형태와 수십 내지 수백 미터 규모의 대규모 구조 등 2 가지 형태로 구분하였으며, Gillieson (1996)은 수직절 리 및 층리, 단층 등 불연속면의 종류에 따라 공동의 형상과 크기를 구분하였다. 일반적으로 석회암 내 공동 은 주로 지하수위 상부나 인접한 부분에 많이 분포하는 데 지하수위의 변동 및 최저 수위의 조사는 공동의 분 포 위치와 심도를 추정하는 데 중요한 자료로 활용 될 수 있다(Yoon et al., 1999).

한편 Kihm et al. (2005)은 상기의 여러 요인에 의 해 결정되는 공동의 특성을 파악하기 위해 지층 및 암 상, 지질 구조에 따른 상관 관계를 분석하여 단양 석회 암 지역의 용식 지형에 대한 지질학적 특성을 분석하였 으며, Ahn (2007)은 지반 침하가 발생한 무안 지역에서 의 지표 지질조사 및 광물 분석을 통해 석회암의 용식

에 따른 공동의 형성과 지반 침하에 대해 연구한 바 있 다. 이 밖에도 석회암 지역에서의 구조물 시공 시 지반 침하를 예방하기 위해 공동의 안정성 평가 및 보강 방 법에 대한 연구도 여러 연구자에 의해 활발히 진행되고 있다(Han et al., 2007; Hong et al., 2008; Kim et al., 2010; Lee et al., 2011; Park et al., 2013). 상기 의 연구결과들에서도 알 수 있듯이 공동의 규모 및 분 포 형태를 파악하기 위해서는 지표지질조사, 시추조사 그리고 물리탐사 등 다양한 방법을 이용한 지반조사를 통해 지반 내 구조를 정밀하게 분석할 필요가 있다. 특 히 물리탐사는 공동에서의 지반 침하의 원인뿐만 아니 라 규모를 파악하는 데 있어 유용하게 활용할 수 있는 기술로 국내외에서 공동 탐지를 위해 다양한 종류의 탐 사 방법이 응용되고 있다. 일반적으로 공동 탐지를 위한 물리탐사는 전기비저항 탐사(Mark and Eric, 1999;

Roth et al., 2002), 고정밀 중력탐사(Yuhr et al., 1993;

Dourado et al., 2001; Debeglia et al., 2006), 탄성파 탐사 등이 이용되고 있으며, GPR (ground penetrating radar) 탐사는 지표 천부에 분포하는 공동 탐지에 응용 되고 있다(KIGAM, 2005; Dourado et al., 2001). 또 한 Kim et al. (2006)은 지반 침하 조사 시 지하공동 탐지를 위한 복합 물리탐사 시스템 구축의 일환으로 전 기비저항 탐사, 전자 탐사, 고정밀 중력탐사를 실시하여 공동의 위치 및 분포를 추정하고 시추조사 결과와 비교 분석함으로써 다양한 물리탐사 기술에 대한 공동 탐지 의 적용성을 검토하였으며, Park (2006)은 3차원 전기 비저항 탐사를 통해 지하 공동을 영상화하여 시추조사 결과를 분석함으로써 3차원 전기 비저항 탐사의 유용성 에 대해 연구하였다. 한편, 비교적 심부에 위치하는 공 동 탐지를 위하여 시추공 탄성파 토모그래피, 전기비저 항 토모그래피 등의 탐사도 이용되고 있다(Gritto and Majer, 2000; Kim et al., 2004a; Kim et al., 2004b;

Yi et al., 2011).

본 연구에서는 소규모 지반 침하가 발생한 석회암 지 역의 농경지를 대상으로 전기비저항 및 탄성파 토모그 래피 탐사를 수행하여 석회암 내 발달하고 있는 공동의 위치를 파악하였으며, 주변 노두에서의 지표지질조사와 시추조사의 결과를 비교분석함으로써 3차원적인 지하 공 동의 분포 형태와 규모를 산정하였다.

석회암 공동의 지반 침하 형태 및 특성 석회암 공동에서의 지반 침하는 대부분 암반 상부의 CaCO

+ H

O CO +

Ca

2 HCO

+ Ca HCO (

)

↔ ↔

토사가 점진적으로 하부에 위치하는 공동으로 이동함에 따라 발생하며, 불연속면을 따라서 발달하는 공동은 시 간이 경과함에 따라 상부로 붕괴 범위가 확산되면서 지 반 침하를 발생시키기도 한다(Gillieson, 1996). Waltham (1994) 은 지반의 붕괴 형태 및 지층의 특성에 따라 느 린 속도로 지표가 침식되는 Solution sinkhole, 하부 석 회암의 급작스런 파괴로 인해 발생하는 Collapse sinkhole, 1 차적인 붕괴 발생 후 토사층으로 덮여 불규 칙한 경계면 (rockhead)을 나타내는 Buried sinkhole,

상부 토사가 공동으로 이동하여 발생하는 Subsidence sinkhole 등 4가지로 침하 형태를 구분하였으며, 이 후 Waltham and Fookes (2005) 는 Collapse sinkhole과 Subsidence sinkhole 의 유형을 세분화하여 6가지의 지반 침하 형태를 제시하였다(Fig. 1).

한편 Waltham et al., (2005)은 Waltham (1994)의 Subsidence sinkhole 의 형성 과정을 석회암 상부의 토사 층 종류에 따라 구분하여 제시하였다. Fig. 2a와 같이 사질토의 경우 토사층 하부의 공동에서 붕락이 시작되 Fig. 1. A classification of sinkholes, with respect to the mechanisms of the ground failure and the nature of the material which fails and subsides (Waltham and Fookes, 2005).

Fig. 2. Schematic view of subsidence shapes by soils characteristics of the upside cavities (Waltham et al., 2005).

어 점차 규모가 커지면서 그 영향이 지표까지 전달되어 서서히 지반 침하가 발생하며, Fig. 2b의 점성토는 자체 의 지지력이 사질토에 비해 상대적으로 높아 하부 공동 에서의 붕락 초기에는 영향이 지표까지 나타나지 않다 가 붕락이 어느 정도 진행되고 나서 지반 침하가 발생 한다. 연구 지역에서 발생한 지반 침하 형상은 지름 2 m 내외의 원형으로 깊이 약 20 cm의 소규모 침하이며 (Fig. 3), Subsidence sinkhole 중 사질토 지반에서의 Suffosion sinkhole 의 형태를 보인다.

연구지역의 지질

본 연구지역은 시대미상의 석회암과 화강암질 편마암 이 주로 분포하며, 옥천 변성대와 영남 지괴가 접하는 곳에 위치한다. 석회암 층은 옥천누층군의 천매암 하부 층 또는 평안누층군 하부 층으로 시대 미상의 고기 화 강암질 편마암과 쥬라기 흑운모 화강암에 의하여 소규

모 포획체로 산재되어 분포한다(Fig. 4; Hong et al., 1980). 또한 일부 구간에서 소량의 호상 흑운모 편마암 과 운모 편암을 협재하며, 이들 사이에 관입 접촉이 관 찰되기도 한다. 석회암 주변에 분포하는 화강암질 편마 암은 회색 내지 암회색을 띄며, 부분적으로 편마 구조 및 입상변정 조직을 보인다. 주 구성 광물은 석영, 미사 장석, 정장석, 사장석, 흑운모, 백운모, 각섬석, 응회석, 저어콘, 스핀, 불투명 광물 등으로 사장석은 대개 견운 모화 되고 누대구조를 보인다. 연구지역 남동쪽에 분포 하는 중생대 백악기 역암은 영동층군의 최하부층으로 석 회암과 화강암질 편마암 상부에 부정합으로 퇴적되어 있 으며, 소규모 단층으로 접촉되어 분포한다. 또한 석영 반 암은 맥암류를 제외한 중생대의 모든 암체를 관입하여 분포하며, 반정은 자형 내지 반자형으로 산출되어 나타 난다. 주 구성 광물은 세립질 내지 유리질의 석영과 정 장석, 사장석, 흑운모, 각섬석이다.

Fig. 3. Field photographs showing the size and shape of subsidence in the study area.

Fig. 4. Geologic map and locations of surface geological survey in the study area (modified after Hong et al., 1980).

지표지질 조사 및 암석학적 특성 분석 지표지질 조사

연구 지역 일대의 지질 구조를 분석하기 위해 지반침 하 지점 주변의 노두를 대상으로 지표지질 조사를 수행 하였다. 지표지질 조사는 지반침하 발생 지점으로부터 남서 방향으로 약 80 m 이격된 지점에 위치하는 노두 (Site-1) 와 북동 방향으로 약 600 m 이격된 비탈면 (Site-2) 등 총 2개소에서 수행하였다(Fig. 4).

Site-1 은 편마암과 석회암이 함께 분포하고 있으며, 일 부 편마암에서는 석회암이 국부적으로 협재되어 나타난 다(Fig. 5a). 석회암은 회색 내지 암회색을 띄며, 층리면 은 대체로N78°W~N86°W, 55°NE의 방향성을 보인다 (Fig. 5b; Fig. 6). 층리의 간격은 10~20 cm로 비교적 밀착되어 있으며, 전반적으로 보통 풍화 상태를 보인다.

또한 석회암과 석회질이 협재된 일부 편마암의 경우 곳 에 따라 염산에 격렬하게 반응하는 방해석 고함유대와 미약한 반응을 보이는 저함유대가 교호하고 있어 석회

질 성분 및 함량에 차이가 있는 것으로 나타났다.

Site-2 는 석회암이 분포하는 약 20 m 높이의 비탈면으 로 중앙에 N20°W/55°NE 방향의 단층이 위치하며, 비 탈면에 역방향의 경사를 보이는 층리면은 N85°W/45NE 의 방향으로 발달하고 있다(Fig. 6). 이 층리면은 Site-1 의 층리면과 동일한 방향으로 발달하고 있어 연장선으 로 판단된다. 절리의 간격은 10~25 cm로 비교적 규칙적 으로 발달하고 있으며, 절리면은 약간 거친 상태로 약 1 cm 내외의 간극 사이에 토사 충전물이 국부적으로 관 찰된다. 염산의 반응 결과, Site-1과 같이 곳에 따라 염 산에 격렬하게 반응하거나 미약한 반응을 보이며, 방해 석 고함유대와 저함유대가 약 3~7 m 내외의 두께로 교 호하면서 나타나는 것이 특징적이다(Fig. 7). 또한 비탈 면의 중앙 상부와 하부, 우측 하부에 높이 약 30~60 cm, 폭 20~30 cm의 공동이 발달하고 있으며, 공동 주변 으로 파쇄가 심한 상태이다.

지표지질 조사 결과, 지반침하 지역은 국부적으로 석 회질을 협재한 편마암과 방해석 고함유대 및 저함유대 Fig. 5. Outcrop photographs of gneiss and limestone at site-1.

Fig. 6. Stereographic projection showing the orientations of bedding and fault in the study area.

의 석회암이 교호하는 지반으로 고함유를 보이는 층준 에서 지하수에 의한 용식 작용으로 공동이 발달한 것으 로 판단되며, Site-2에서 관찰되는 소규모의 공동들은 이 가능성을 잘 보여주는 결과이다.

편광 현미경 분석

지표지질 조사를 통해 나타난 방해석 고함유 및 저함

유 석회암의 구성 광물 및 성분 등 암석학적 특성을 분 석하기 위해 편광 현미경 관찰과 XRD 분석을 수행하 였다. Fig. 8은 방해석 고함유대 석회암의 편광 현미경 관찰 결과를 나타낸 것으로 대부분 재결정 조직으로 이 루어진 암회색 내지 회백색의 방해석으로 구성되어 있 으며, 재결정된 입자는 서로 맞물려 있는 봉합상 구조를 보인다. 현미경 하에서 관찰되는 벽개는 120°의 각도를 Fig. 7. Outcrop photographs showing: (a) alternating calcite-rich and calcite-poor layers, (b) the boundary between calcite- rich and calcite-poor layer, and (c) and (d) limestone cavities at site-2.

Fig. 8. Photomicrographs of calcite-rich limestone showing sutured texture of calcite, muscovite, and quartz in (a) PPL and

(b) XPL. Mineral abbreviations are as follows: calcite (Cal), muscovite (Ms), and quartz (Qtz).

보이며, 이중선이 나타난 곳도 있다. 방해석 결정들은 0.7~1.2 mm 범위의 고른 입도분포를 보이며, 소량의 석 영과 백운모도 관찰된다.

방해석 저함유 석회암의 현미경 관찰 결과, 0.1~1 mm 크기 타형의 결정질 방해석이 주로 존재하며, 고함 유 석회암보다 많은 양의 석영이 관찰된다(Fig. 9). 방해 석은 암회색 내지 회백색을 띄며, 기질부에 micrite가 관 찰되기도 한다.

Table 1 은 현미경 관찰 결과를 바탕으로 모드 분석을 수행한 것으로 고함유 석회암에서 방해석과 돌로마이트 는 98.7 vol.%로 암석의 대부분을 구성하고 있으며, 석 영은 0.5 vol.%, 백운모는 0.8 vol.%로 소량 분포한다.

저함유 석회암의 경우 방해석과 돌로마이트는 66.2 vol.% 이며, 석영은 31.3 vol.%, 백운모는 1.6 vol.%, 그 외의 광물은 0.9 vol.%로 나타난다.

XRD (X-ray diffraction) 분석

방해석 고함유 및 저함유 석회암을 구성하는 광물의 정량적인 분석을 위해 각 시료에 대한 XRD 분석을 수 행하였다. XRD 분석에 사용된 기기는 네덜란드에서 생 산된 RA/FR-571로 Ni-필터링 CuKα (1.54056 Å)선을 이용하여 40 kV, 30 mA의 가속전압과 전류 조건에서 분석을 수행하였다. 측정 범위는 5°~65°로 0.02° 간격으 로 1초씩 스캔하여 측정하였다. 시료는 상온에서 충분 히 건조시킨 후 오븐에서 완전히 건조시켰으며, 분말화

작업 후 분석을 수행하였다.

분석 결과, 방해석 고함유 석회암은 박편 관찰에서와 동일하게 대부분 방해석으로 구성되며, 소량의 백운모를 함유하고 있는 것으로 나타났다(Fig. 10a; Table 2). 방 해석 저함유 석회암의 경우 방해석보다 돌로마이트의 함 량이 85.9%로 월등히 많으며, 석영 및 백운모가 관찰된 Fig. 9. Photomicrographs of the calcite-pure dolostone showing fine-grained calcite, muscovite, and quartz in (a) PPL and (b) XPL. Mineral abbreviations are as follows: calcite (Cal), muscovite (Ms), and quartz (Qtz).

Table 1. Modal analysis of calcite-rich and calcite-poor rock. Unit is volume percent.

Sample Calcite / dolomite Quartz Muscovite Etc.

Calcite-rich limestone 98.7 0.5 0.8 -

Calcite-poor dolostone 66.2 31.3 1.6 0.9

Fig. 10. Results of XRD analyses of the calcite-rich and calcite-poor rocks. Mineral abbreviations are as follows:

biotite (Bt), calcite (Cal), dolomite (Dol), and muscovite

(Ms).

박편에서와는 달리 흑운모가 12.7%로 나타났다(Fig.

10b; Table 2). 이는 주변에 분포하는 편마암의 영향으 로 인해 동일한 석회암 내에서도 국부적으로 광물 조성 이 다른 것으로 판단되며, 방해석과 돌로마이트의 함량 에 따라 염산의 반응도가 다르게 나타난 것으로 판단된 다. 또한 돌로마이트의 함량이 높은 저함유 석회암의 경 우 백운암으로 구분할 수도 있다.

시추 조사 및 물리탐사

공동의 분포 위치와 규모 등을 파악하기 위해 지반침 하 지점 주변에 대한 시추조사 및 전기비저항 탐사, 탄 성파 토모그래피 탐사를 수행하였다. 시추조사는 총 6 개소에 심도 30 m까지 수직 시추를 수행하였고, 전기 비저항 탐사는 지반 침하 지점을 중심으로 횡방향 4측 선, 종방향 5측선 등 총 9측선에서 실시하였으며, 시추 공을 활용하여 탄성파 토모그래피 탐사를 수행하였다 (Fig. 11).

시추조사 결과

Fig. 12 는 시추조사 결과를 나타낸 것으로 모든 시추 공의 코어에서 공동 구간이 관찰되었으며, 지반침하 지 점 인근에서 조사된 BH-1과 BH-2의 경우 다수의 공동 이 분포하는 것으로 나타났다. 대부분의 시추공에서 공 동은 심도 7~14 m에 분포하며, 토사층과 암반의 경계부 주변에 밀집되어 분포하는 것이 특징적이다. 이는 지표 면에서 침투한 지표수가 흙과 암의 경계부로 이동하면 서 암석을 풍화시키고, 용해 및 용식 작용이 일어나 직 하부에 공동이 발달된 것으로 판단된다. 또한 코어에서 관찰된 공동의 장경은 0.5~2.4 m로 지표지질 조사에서 도 확인된바와 같이 고립된 상태의 석회암 공동이 국지 적으로 발달하고 있다.

전기비저항 탐사

지표지질조사 및 시추조사를 통해 일부 공동을 확인 할 수 있었으나 석회 공동의 특성상 공동의 방향 및 연 장성은 매우 불규칙하게 나타나므로 지표지질조사 및 시 추조사를 통해 분포 형태를 정확히 추정하기는 어렵다.

Table 2. Mineral contents of the calcite-rich and calcite-poor rocks, as determined by XRD analysis. Unit is volume percent.

Sample Calcite Dolomite Muscovite Biotite

Calcite-rich limestone 99.3 - 0.7 -

Calcite-poor dolostone 1.4 85.9 - 12.7

Fig. 11. Location map of boreholes and arrangement of survey profiles for electrical resistivity survey in the study area.

따라서 지하 심부에 발달하고 있는 공동의 위치와 규모 를 효과적으로 파악하기 위해 전기비저항 탐사를 수행 하였다. 전기비저항 탐사는 미국 AGI사에서 개발한 Super sting R8/IP 를 이용하였으며, 획득한 자료로부터 RES2DINV VER 3.4b 해석 프로그램을 이용하여 역산 과정을 거쳐 2차원 전기비저항 영상을 도출하였다. 탐 사는 쌍극자 배열을 이용하여 총 9측선에서 수행되었으 며, 횡방향 측선의 길이는 200 m와 300 m, 종방향의 측 선 길이는 60~130 m이다.

Fig. 13 은 주요 저비저항대가 나타나는 profile 1~4의 전기비저항 탐사 결과와 이들의 3차원 펜스 다이어그램 을 나타낸 것이다. Profiles 1~3의 20~60 m에 저비저항 대가 발달하고 있으며, profile 1에서 profile 3로 갈수 록 저비저항대의 심도가 북동방향으로 깊어져 이 저비 저항대는 북쪽 방향의 경사를 보이는 층리를 따라 연속 성을 가지고 발달하고 있을 것으로 판단된다. Profile 1 과 profile 2의 경우 각각 60~150 m, 100~120 m 지점 에서 심도 10~20 m에 저비저항대가 발달하고 있으며, Fig. 12. Drilling logs showing geomaterials, cavity location, and photographs of the core.

Fig. 13. Inverted 2-D resistivity sections of profile 1~4 and 3-D fence diagram of profile 1~9.

그 주변으로 profile 5~7의 저비저항대가 동일한 심도에 서 나타난다. 이는 이 측선들 내에서 수행한 BH-1, 2, 3 의 시추조사 결과와 일치하는 것으로 공동이 분포하고 있을 경우 시추공에서 확인된 지하수위가 지표 근처에 형성되어 있어 고립된 형태의 저비저항대가 나타나기 때 문에 심도 10~20 m에 공동이 넓게 발달하고 있을 것으 로 판단된다. 또한 profile 2에서 150~190 m, 심도 40~50 m 의 저비저항대는 profile 3과 profile 4의 동일 한 심도에서도 나타나 북서방향으로 연장성이 있는 것 으로 확인된다. 한편 profile 2와 profile 6이 교차하는 지점에 발달한 심도 5~10 m의 저비저항대와 profile 2의 220~260 m 에서 나타나는 심도 40~50 m의 저비저항대는 주변 측선에서 저비저항대가 나타나지 않아 국부적으로 존재하는 공동으로 판단된다.

탄성파 토모그래피 탐사

석회암 공동과 토층/기반암의 경계부 변화에 대한 정 밀한 분석을 위해 지하 공동의 탐지에 효과적인 탄성파 토모그래피 탐사를 수행하였다. 6개의 시추공 중 지반 침하 지점으로부터 약 120 m 이격된 BH-4를 제외한 5 개의 시추공을 이용하여 총 7개 단면에서 탄성파(p파) 속도분포를 획득하였으며, 탐사 심도는 5~28 m로 스웨 덴 ABEM사의 탐사 장비를 이용하였다.

Fig. 14 는 각 단면에 대한 탄성파 토모그래피 탐사

결과를 나타낸 것으로 탄성파 속도는 1,4003,600 m/sec

에 분포하며, 심도가 깊어질수록 속도가 증가하는 경향

을 보인다. 주변의 원지반에 비해 낮은 탄성파 속도를

보이는 저속도 이상대는 공동이 예상되는 구간으로 속

도 범위는 1,700~2,300 m/s이며, 석회암 내 저속도 이상

대는 총 16개소로 나타났다. Fig 14a는 BH-1~2, BH-

Fig. 14. Seismic tomography survey profiles shown with boreholes. Cavities are indicated by circled numbers.

2~3, BH-3~6, BH-6~5, BH-5~1 의 5단면에 대한 결과 로 심도 10~25 m에 분포하는 저속도 이상대 No. 1~6 과 No. 11은 BH-1, 2, 3, 5의 시추조사에서 확인된 공 동의 위치와 일치하는 것으로 나타났으며, 특히 No.

1~6 은 전기비저항 탐사에서도 비저항대로 확인된 구간 이다. No. 7~10, No. 12와 Fig. 14b, Fig. 14c에서 저 속도 이상대로 나타난 No. 13~16은 시추공과 이격되어 있어 직접적인 확인은 불가능하지만 주변 암반에 비해 저속도대층으로 나타나 공동 또는 연약대로 판단된다.

조사결과 비교 및 공동의 규모 분석 BH-1, 2, 3 에서 확인된 공동은 탄성파 토모그래피 탐 사에서 나타난 저속도 이상대와 비교적 정확히 일치하 며(Fig. 14a), BH-1, 2, 3과 인접한 구간에서 수행된 profile 4 의 전기 비저항 탐사 결과에서도 저비저항대로 나타나 Fig. 14에서의 No.1~6은 공동으로 확인되었다 (Fig. 15). 또한 BH-5의 심도 20~21 m에서 확인된 공

동은 탄성파 토모그래피 탐사에서 저속도 이상대 No.

11 로 나타나 일치하는 결과를 보였지만, 인접한 구간에 서 수행된 profile 4, 5, 6의 전기비저항 탐사 결과에서 는 저비저항대로 나타나지 않았다. 이는 전기비저항 탐 사의 측선이 시추공의 위치와 정확히 일치하지 않아 나 타난 결과로 판단되며, No. 11 공동은 소규모의 고립된 공동으로 발달하고 있을 가능성이 높다. 한편 BH-6에서 확인된 공동은 전기비저항 및 탄성파 토모그래피 탐사 에서 이상대로 나타나지 않아 파쇄대 등의 core loss 구 간으로 판단된다. 심도 20~30 m에 주로 분포하고 있는 저속도 이상대 No. 7~10과 No. 12~16의 경우 시추조 사 결과와 직접적인 비교가 불가능하여 인접한 전기비 저항 탐사 profile 2, 3, 4, 6, 7의 조사 결과와 비교하 였다. 그 결과, 이상대가 일치하지 않는 것으로 나타났 으며, 이 이상대들은 No. 11과 동일하게 연장성이 없는 소규모의 고립된 공동이거나, 파쇄대 및 연약대 분포로 인한 저속도 이상대로 판단된다.

상기에서 분석한 결과를 바탕으로 공동으로 예상되는

Fig. 16. Calculation of the 3-D volume of cavity.

구간의 분포 위치와 형태를 3차원으로 나타내어 체적을 산정하였다. Fig. 16a와 같이 No.1~16을 모두 공동으로 가정하였을 경우 체적은 835 m

으로 산정되었으며, 시 추조사 및 전기비저항 탐사, 탄성파 토모그래피 탐사에 서 일치하는 결과를 나타낸 No.1~6과 No. 11을 공동으 로 가정하였을 경우(Fig. 16b) 체적은 558 m

으로 산정 되었다.

결 론

지반침하가 발생한 석회암 지역의 지하 공동의 발달 특성과 분포 위치, 규모 등을 분석하기 위해 지표지질 조사를 통한 지질학적 특성 분석 및 시추조사, 전기비저 항 탐사, 탄성파 토모그래피 탐사를 수행하였다.

1. 연구 지역에서 발생한 지반 침하 형상은 Subsi- dence sinkhole 중 사질토 지반에서의 Suffosion sinkhole 의 형태를 보인다.

2. 연구 지역의 석회암은 주로 주구성광물이 방해석인 고함유대와 주구성광물이 돌로마이트인 저함유대로 구 분되고, 이들은 동서 방향의 주향으로 교호하며 분포하 고 있다.

3. 시추조사 결과, 공동은 심도 7~14 m의 토사층과 암반의 경계부 주변에 밀집되어 분포하고 있으며, 이 경 계부가 지하수의 유동 통로 역할을 하여 주변으로 용해 및 용식 작용이 일어나 공동이 발달된 것으로 판단된다.

4. 시추조사와 전기비저항 탐사, 탄성파 토모그래피 탐 사를 통해 분석된 공동은 지반침하가 발생한 지점 주변 에 밀집되어 분포하고 있으며, 그 규모는 558~835 m

으 로 산정되었다.

5. 지하 공동의 발달 형태 및 분포 위치, 규모 등을 파악하기 위해서는 다양한 지반조사를 통한 복합적인 분 석이 이루어져야 하며, 이를 통해 지반 침하의 원인을 규명할 수 있을 뿐만 아니라 지반 및 기초 등의 설계와 시공 시 중요한 정보를 제공함으로써 각종 안전사고를 예방할 수 있는 방법이 될 수 있다.

사 사

본 연구는 국토교통과학기술진흥원 건설기술연구사업 13 건설연구S03 “터널시공 중 디지털 맵핑을 통한 온라 인 암판정 기술 및 운영모델 개발” 과제의 지원을 받아 수행되었습니다.

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