Application of HWAW Method to Detect Underground Anomaly in Shallow Depth

地 盤 工 學

第29卷 第1C 號·2009年 1月 pp. 11~20

지표 근처 지중 이상체 파악을 위한 HWAW 기법의 적용

Application of HWAW Method to Detect Underground Anomaly in Shallow Depth

방은석*·김경섭**·손정술***·김동수****

Bang, Eun-Seok·Kim, Gyeong-Seob·Son, Jeong-Sul·Kim, Dong-Soo

···

Abstract

A new alternative method based on HWAW method to detect underground anomaly was introduced. The location of under- ground anomaly can be estimated by using 2-dimensional image of phase velocity image with position and wavelength based on distortion phenomena of surface wave due to underground anomaly. Overall procedure of proposed method such as field testing, signal processing and interpretation of the result was introduced. Numerical verification study was performed by using various ground models containing underground anomaly. According to the condition of anomaly, the propagation and reflec- tion characteristics of surface wave were different and this could be more easily shown in the image of phase velocity. Some rules of distortion phenomena were found and these become clues for estimating underground anomaly in interpreting real field data. Field verification tests were performed with conventional geophysical methods such as DC resistivity method and GPR.

Though field condition is not homogeneous like numerical models, similar distortion phenomena were found in the testing results and estimated location of underground anomaly was agreed well with the results of another geophysical methods.

Keywords :Nondestructive method, HWAW, underground structure, site investigation

···

요 지

지표 근처에 있는 지중 이상체를 효율적으로 파악하기 위한 대안으로 HWAW 기법을 이용한 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 HWAW 기법을 적용하여 위치-파장에 대한 위상속도의 영상을 획득한다. 지중 이상체로 인해 표면파 위상 속도의 왜곡 현상이 발생하며 이를 근거로 획득한 영상으로부터 그 위치를 추정하는 방법이다. 현장 실험 방법에서부터 신호 처리, 결과 고찰에 이르는 과정을 소개하였으며 다양한 조건의 지중 이상체가 포함된 지반 모델을 이용하여 수치해석을 수행, 제 안된 방법을 검증하였다. 지중 이상체의 성격에 따라 표면파의 진행 및 반사 특성이 달랐으며 이러한 현상은 제안된 방법의 위상속도 영상을 통해 더욱 용이하게 확인할 수 있었다. 여러 지반 모델에 대한 수치해석 결과로부터 지중 구조물에 의한 위상 속도 왜곡 현상의 규칙을 파악할 수 있었으며 이러한 규칙은 실제 현장 자료 해석에 있어 단서가 되었다. GPR, 전기 비저항 탐사 등의 기존 물리탐사 기법들이 수반된 현장 검증 실험을 수행함으로써 제안된 기법의 현장 적용성을 확인하였다.

실제 지반은 수치해석과 달리 균질하지 않은 상태임에도 수치해석에서와 같이 지중 이상체 근처에서 위상 속도의 왜곡 현상 이 관찰되었으며 추정된 위치는 타 물리탐사 기법들의 결과와 일치하였다.

핵심용어

비파괴 기법, HWAW, 지중 구조물, 지반조사

···

1.

서 론

터파기 작업 등의 토목 공사를 하면서 기존 지중 시설물 들의 현황을 파악하는 것은 중요하다. 지표면 근처에 매설되 어 있던 통신구나 상하수도 시스템과 같은 라이프라인 시설 물들이 공사시 부주의로 인하여 파손되어 작업이 중단되고 주민들에게 피해를 주는 사례가 종종 보고되고 있다. 또한 석회암 지대에서는 지표면 근처에 존재하는 석회암 공동으

로 인하여 지반침하가 발생하는 등 지반 안정성에 문제가 되기도 한다. 주변 지반과 확연히 그 성격을 달리하는 이러 한 지중 이상체(underground anomaly)의 파악은 지반조사에 있어 매우 중요하다. 시추를 통한 지중 이상체의 파악은 현 장 상황 및 지중 이상체의 성격에 따라 시추가 불가능한 상 황이 많고 대상 부지 전체 영역을 입체적으로 파악하기에는 매우 비효율적이다. 따라서 현업에서는 GPR(Ground

Penetrating Radar),

중력탐사(gravity survey), 자력탐사

*정회원·교신저자·한국지질자원연구원 광물자원연구본부 선임연구원 (E-mail : [email protected])

**한국과학기술원건설및환경공학과석사과정

***한국지질자원연구원광물자원연구본부선임연구원

****정회원·한국과학기술원 건설 및 환경공학과 교수 (E-mail : [email protected])

(magnetic survey),

전자탐사(electromagnetic method), 전기 비저항 탐사(DC resistivity survey) 등의 여러 가지 비파괴 물리탐사 기법을 사용하여 이러한 문제를 경제적으로 해결 하고자 노력해 왔다(김창렬 등, 2006). 하지만 물리탐사 기 술의 원리적 특성상 해당 지반의 조건에 따라 그 적용성이 제한되는 경우가 많으며 어느 한 기술의 결과로 지중 이상 체의 위치를 정확히 추정하기에는 어려움이 따른다.

본 논문에서는 지중 이상체를 파악하기 위한 추가적인 수 단으로 탄성파 탐사중 하나인 표면파 기법(Surface wave

method)

을 적용하여 보았다. 지표면 수직 가진에 의해 발생

된 표면파는 지중 이상체에 의해 진행이 방해받게 되며 이 는 분산곡선의 왜곡으로 이어진다(Ganji et al., 1997).

HWAW(Harmonic Wavelet Analysis of Waves)

기법은 2

채널 기법(two-channel method)임에도 불구하고 시간-주파수 해석(time-frequency analysis)을 통해 주변 잡음을 극복할 수 있으며 분산곡선 도출을 위한 신호처리 과정이 자동화 되어 있다(박형춘과 김동수, 2004a). 따라서 타 표면파 기법 에 비해 HWAW 기법이 지중 이상체를 찾는 추가적인 수단 을 연구하는데 유리하다고 판단하고 최종 결과를 영상

(image)

으로 표현함으로써 지중 이상체의 위치를 쉽게 추정

할 수 있는 방안을 제안하였다. 수치해석을 통해 지중 이상 체에 의한 표면파의 진행 및 반사특성을 확인하고 제안된 방법의 현장 적용 가능성을 살펴보았다. 실제 지중 구조물이 매설되어 있는 현장에서 제안된 방법을 적용하고 지중 이상 체의 위치를 추정해 보았으며 또한 기존 물리탐사 기법들을 동일 현장에 적용하여 그 결과를 비교하여 봄으로써 제안된 방법을 평가해 보았다.

2. HWAW

기법을 이용한 지중 이상체 파악 방법의

제안

HWAW

기법은 기존 표면파 기법의 문제점을 개선하고자

신호처리 부분에서 하모닉 웨이블릿(harmonic wavelet)을 이 용한 시간-주파수 해석을 도입한 기법이다(박형춘과 김동수,

2004a).

이러한 신호 처리의 개선을 통해 HWAW 기법은

현장 실험 방법 및 역산 과정에서 다른 표면파 기법에 비해 좀 더 용이한 방안을 도입하였다(박형춘과 김동수, 2004b).

HWAW

기법은 그림 1에 도시한 바와 같이 다간격 실험을

수행해야 하는 SASW 기법, 다수의 감지기를 이용하는

MASW

기법과는 달리 2개의 감지기와 간단한 가진원만으로

깊은 심도까지의 지반 정보를 획득할 수 있다. 표면파 기법 에서 공학적 해석을 위한 최종 결과물인 전단파 속도 주상 도를 획득하기 위해 역산 과정(inversion procedure)이 요구 된다. 표면파 기법은 수평층 가정에 기반을 두고 있으며 이 러한 가정에 위반되는 사항이 있으면 분산곡선의 왜곡으로 이어지게 된다. 지중 구조물 같은 지중 이상체가 지반 내에 존재할 경우 이러한 현상은 더욱 두드러지게 된다. 이러한 왜곡된 분산곡선은 지반 물성치를 반영하는 것이 아니므로 이러한 왜곡된 분산곡선을 이용한 역산은 무의미하다. 반대 로 지중 이상체를 찾는 문제는 지반 물성치를 원하는 것이 아니므로 분산곡선 자체를 이용할 수 있다. 그리고 위치별 분산곡선에 대해 그 값을 2차원적인 영상으로 표현하고 그 영상을 바탕으로 지중 구조물의 위치를 유추하는 것이 가능 하다. 표면파 기법은 지표면에서 수행되며 다른 지표면 탄성 파 탐사인 굴절법, 반사법에 비해 주변 잡음에 강하고 해석 과정이 단순하다. 지중 이상체를 파악하고자 대표적인 표면 파 기법인 SASW(Spectral Analysis of Surface Waves) 기법 및 MASW(Multi-channel Analysis of Surface Waves) 기법을 이용한 기존 연구자들의 연구 사례가 보고된 바 있 다(Ganji et al., 1997; Park et al., 1999). 하지만 제안된 방법은 SASW 기법을 이용한 기존 방법에 비해서는 분산곡 선 도출의 자동화 및 객관성 측면에서 장점이 있으며

MASW

기법에 비해 국부적 특성 도출 여부 및 현장 실험

이 용이성 측면에서 장점이 있다고 할 수 있다.

이러한 고찰을 바탕으로 HWAW 기법을 이용하여 지중 이상체를 파악하는 방안을 다음과 같이 제안하였다.

① 실험 준비 단계 : 본 기법을 수행하기 위해서는 크게 감지기, 가진원, 신호 획득 장비 및 자료 처리 프로그램 등 이 필요하다. 감지기는 가격이 저렴하여 다채널로 운용이 용 이하며 넓은 주파수 영역에서 양호한 신호 획득이 가능한

그림

기법의 현장 실험 방법 모식도 및 타 기법과의 비교

4.5Hz

속도계를 추천한다. 가진원은 넓은 주파수 대역에서 충분한 에너지를 발현하는 것이 가장 바람직하다. 감지기들 은 전개 케이블(spread cable)을 통해 신호 획득 장비에 연 결되어 자료를 획득할 수 있다. 획득한 자료의 처리는

HWAW

기법으로 분산곡선을 도출하기 위한 프로그램인

HWAW analyzer(

박형춘, 2007), 이렇게 획득한 분산곡선들

을 시각화해 주는 그래픽 툴을 필요로 한다.

② 현장 실험 단계 : 대상 부지에서 지중 이상체가 존재 한다고 추정되는 지점을 중심으로 시험 측선을 설정한다. 지 중 이상체가 관로와 같은 형상일 경우 되도록 측선이 관로 방향에 직교하도록 설계하며, 지반 진동을 측정할 감지기를 해당 측선에 일정한 간격으로 설치한다. 감지기 설치 간격은 지중 이상체의 크기에 따라 그 영향이 다르겠지만 분산곡선 의 왜곡현상을 더욱 두드러지게 파악할 수 있도록 2m 이하 로 촘촘하게 설치하며 그 개수는 12개 이상으로 한다. 첫 번째 감지기로부터 일정 간격 떨어뜨려 가진 작업을 수행하 며 전파되는 탄성파를 다채널 신호 획득 장비를 통해 한꺼 번에 수집 및 기록한다. 획득 시간(recording time)은 가장 멀리 위치한 감지기까지 표면파 성분이 올바로 기록되도록 충분하게 설정하며 데이터 획득 간격(sampling interval)은

이하로 하여 충분한 고주파수 성분까지 기록될 수 있도 록 한다. 가진원의 주파수 대역이 좁을 경우 가진 방법을 달리하여 충분히 넓은 영역에서 양질의 자료를 얻을 수 있 도록 한다.

③ 신호 처리 단계 : 연속된 2개의 감지기 조합에 대해 그 신호들을 이용하여 실험 분산곡선을 도출한다. 하모닉 웨 이블릿에 기반한 시간-주파수 해석, 위상속도 계산 및 복원 과정 등을 통해 분산곡선을 획득하게 되며 이러한 과정이 구현된 프로그램인 HWAW Analyzer를 이용한다. 각 감지

기 조합 별로 모든 분산곡선을 획득한 뒤 이 위치별 분산곡 선 자료를 이용하여 X축은 위치(offset), Y축은 파장

(wavelength)

으로 해당 측선에 대한 위상 속도 영상을 획득

한다. 조합된 2개의 감지기 위치가 각각 2m, 4m였다면 X 축 상의 대표 위치는 3m가 된다.

④ 결과 도출 단계 : 획득한 영상으로부터 지중 이상체 존재 지역을 추정한다. 영상에서 지반 물성치에 의한 분산곡 선의 형태 변화보다 지중 이상체에 의한 분산곡선의 왜곡이 더욱 심하므로 결과물에서 지중 이상체로 인한 특이 지역의 구분이 가능하다. 지중 이상체 존재 의심 지역을 중심으로 추가적으로 여러 측선을 입체적으로 설정하고 제안된 방법 을 반복적으로 수행함으로써 지중 이상체의 영역을 더욱 명 확히 추정한다.

3.

제안된 방법의 수치해석적 검증

제안된 방법을 수치해석으로 검증하기 위해 제작된 지반 모델 일례를 그림 2에 도시하였다. 3차원으로 모델링하기 위 해 축대칭 요소(CAX4)를 적용하였으며 가진 지점은 축이 위치한 지점의 지표면이고 지반 모델 경계에는 무한 요소

(CINAX4)

를 첨부하여 모델 경계에서의 반사파를 최소화 하

였다. 요소(element) 형태는 정사각형이며 한 변의 크기는

0.2m,

전체 모델의 크기는 100m×100m로 설계함으로써 단

파장에서부터 장파장에 이르기까지 수치해석적 오류가 적은 합리적인 자료를 얻고자 하였다. 본 수치해석에서는 대략적 으로 1m-50m 정도의 파장 영역에서 결과를 얻고자 하였다.

지중 이상체는 대표적인 지중 구조물인 통신구를 가정하여 가로, 세로 길이가 각 2m이며 속이 빈 형상으로 정하였다.

지반은 전단파 속도가 200m/s인 균질한 상태로 규정하고 그

그림

제안된 방법을 검증하기 위해 설계한 지중 이상체를 포함한 지반 모델 일례

기본 모델

에 따른 영계수(elastic modulus) 및 포아슨비(Poisson's

ratio)

를 입력하였다. 가진은 삼각형 형태의 충격 하중 방식

이며 계산 간격은 0.0005초, 총 기록 시간은 4초이다. 범용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS/standard(ABAQUS,

2005)

를 이용하여 수치해석을 수행하였으며 가진원으로부터

2m

간격으로 지표면에 가상 감지기 총 12개를 설정하고 가진에 의한 지표면 진동을 획득하였다. 그림 2의 기본 모 델을 중심으로 이상체의 거리, 심도 및 내부 조건을 달리하 여 표 1과 같이 총 10개의 모델에 대해서 수치해석을 수 행하였다.

수치해석을 통해 획득한 가진원으로부터의 거리별 획득 신 호 일례는 그림 3과 같다. 해석을 위한 가상 감지기는 2m 간격으로 설정하였지만 각 위치별 신호 변화 형상을 더욱 세밀히 관찰하기 위해서 1m에서부터 24m에 이르기까지 1m 간격의 신호를 도시하였다. 신호의 형태는 수직 방향 가진에 의한 지표면 움직임 중에 수직방향 입자 속도를 의미한다.

선두파인 압축파 도달 뒤에 표면파인 레일리파의 도달을 확 인할 수 있으며 압축파에 비해 레일리파의 에너지가 상당히 큰 것을 볼 수 있다. 그림 3(a)의 Case #1은 지중 구조물 의 위치가 10m, 그림 3(b)의 Case #2는 18m인데 그 위치

와 반사파의 발생 시점이 동일한 것을 관찰할 수 있다. 즉, 지중 이상체가 표면파의 진행에 있어 반사면의 역할을 하고 있는 것을 알 수 있다. 지중 이상체의 규모가 작고 지표면 에 위치하고 있으므로 일부분은 반사되지만 대부분은 그대 로 진행하는 것을 볼 수 있다. 입사된 표면파에 비해 반사 파는 에너지 크기가 상대적으로 미약하지만 육안으로 관찰 할 수 있다. 그러므로 이와 같은 이상적인 조건에서는 이러 한 측선상의 일련의 위치별 신호만으로도 지중 이상체의 위 치를 추정할 수 있을 것이다.

그 외 다른 모델 조건에서의 반사파의 형태에 대해 그림

에 비교하여 도시하였다. 그림 4(a)는 지중 구조물 심도에 따른 표면파의 반응을 비교한 것으로 대표적으로 각각 심도 가 3m, 1m, 10m인 Case #1, #3, #5의 결과를 동시에 도 시한 것이다. 반사파의 주파수 특성이 지중 구조물 심도에 따라 달라지는 것을 볼 수 있다. 지중 구조물이 지표면 근 처에 존재할 경우 고주파를 포함한 많은 주파수 성분이 반 사되게 되지만 지중 구조물의 심도가 깊어질수록 고주파는 지중 구조물 상부에서 그냥 통과되므로 저주파 성분이 주되 게 반사되게 된다. 그림 4(b)의 결과는 지중 이상체의 강성 조건에 따른 표면파의 반응을 비교한 것으로 속이 빈 상태 표

설계된 검증 지반 모델의 개요

Model Name Location of Obstacle

Obstacle Condition Difference compared with Basic Model Distance (m) Depth (m)

Case #1 10 3 Hollow Basic Model

Case #2 18 3 Hollow Obstacle Distance

Case #3 10 1 Hollow Obstacle Depth

Case #4 10 5 Hollow Obstacle Depth

Case #5 10 10 Hollow Obstacle Depth

Case #6 10 15 Hollow Obstacle Depth

Case #7 10 20 Hollow Obstacle Depth

Case #8 10 3 Soft Condition Obstacle Inner Condition (V_S=50m/s)

Case #9 10 3 Stiff Condition Obstacle Inner Condition (VS=2000m/s)

No obstacle No obstacle

그림

거리가 다른 곳에 위치한 지중 이상체에 의한 표면파의 반응

가진원으로부터

거리에 지중 이상체가 위치한 모델

Case #1

결과

거리인

결과

(Case #1)

와 주변 지반보다 강성이 큰 조건(Case #9)에서 반사파의 위상이 바뀌는 것을 확인할 수 있다. 속이 빈 형 태(Case #1)가 아닌 주변 지반보다 강성이 작은 조건(Case

#8)

에서의 반사파의 형태는 속이 빈 형태(Case #1)와 동일 하지만 그 크기는 작게 될 것이다. 이렇듯 반사파가 육안 으로 확연히 관찰될 경우 반사파의 위상으로 지중 구조물 의 강성 상태 또한 추정할 수 있다. 이러한 지중 구조물의 상태에 따라 상이하게 나타나는 표면파의 진행 및 반사 특 성을 바탕으로 지중 구조물의 위치 및 상태를 평가할 수 있다.

그림 3과 그림 4와 관련하여 고찰한 바와 같이 수치해석 결과에서는 획득한 파형만을 이용하여도 지중 구조물의 위 치, 상태 등을 어느 정도 평가할 수 있었다. 하지만 실제 지반은 수치 모델에서와 같이 균질하지도 않으며 분산 특성 이 존재하므로 수치해석에서와 같이 입사파와 반사파의 형 태를 뚜렷하게 확인하기가 쉽지 않다. 획득 신호만으로는 지 반 특성을 추정하기가 어렵지만 신호처리를 통해 다른 형태 로 획득한 신호를 표현할 경우 우리가 원하는 결과를 얻을 수도 있다. 표면파 기법에서는 분산곡선이 그 역할을 할 수 있다. HWAW 기법을 적용하여 각 위치별로 분산곡선을 도 출하였으며 그림 5에 기본 모델인 Case #1의 결과를 도시 하였다. 2m 간격의 가상 감지기 위치에서 획득한 신호를 이 용하였으며 각각의 모델에 대해 총 11개의 분산곡선을 획득 하였다. 그림 5(a)는 Case #1의 결과 중 획득 신호 2m와

를 이용하여 분산곡선을 획득한 것(R_2m&4m)으로 지중 이상체가 없는 모델(No obstacle)의 경우와 비교 도시한 것 이다. 지중 이상체가 없는 경우 본 모델의 전단파 속도를

200m/s

로 하였으므로 위상 속도 180m/s 정도로 분산곡선이

거의 일정한 반면에 지중 이상체가 있는 경우 특정 파장 이 상에서 위상 속도의 증감 현상을 보인다. 이러한 증감 현상 이 바로 지중 이상체에 의해 생성된 반사파에 의한 분산 곡

선의 왜곡 현상인 것이다. 모든 이웃한 2개의 신호들을 이 용하여 각각 분산곡선을 획득하였으며 그림 5(b)에 도시하였 다. 가진원으로부터 거리에 따라 분산곡선의 왜곡 정도 및 형태가 다른 것을 볼 수 있으며 왜곡현상이 보이기 시작하 는 파장 경계가 지중 구조물이 위치한 심도와 상당부분 유 사한 것을 볼 수 있다. Case #1의 경우 지중 이상체의 위 치는 3m로서 그림 5(b)를 보면 3m보다 짧은 파장에서는 왜곡이 거의 없으나 3m보다 긴 파장에 있어서 위상 속도의 급격한 증감 현상을 관찰할 수 있다. 이러한 왜곡 현상은 획득한 각 위치별 신호에서 표면파의 진행 및 반사 특성들 이 분산곡선에 나타난 결과인 것이다.

거리별로 획득한 분산곡선의 왜곡 현상을 지중 이상체의 위치와 연관하여 고찰하기 위해 위치(offset)-파장(wavelength) 에 대한 위상속도의 2차원 영상으로 표현하였으며 그림 6에 각 모델별로 그 결과를 도시하여 비교하였다. 위치별 분산곡 선을 개별적으로 보는 것보다 이러한 영상을 통해서 보면 각 위치별 특성을 보다 용이하게 관찰할 수 있음을 알 수 있다. 지중 구조물이 없을 경우(No obstacle)에는 반사파가 없으므로 전체 영역에서 거의 동일한 속도를 가지는 것을 볼 수 있다. 가진원으로부터 거리에 따라 약간의 다른 형상 을 보이는 것은 표면파의 근접장 효과(near field effect)에 의한 것이다. 가진원과 가까운 거리에서는 분산곡선은 근접 장 효과에 의해 장파장에서 실제 속도보다 약간 작은 값을 보이지만 거리가 멀어질수록 모든 파장영역에서 실제 값과 유사한 값을 보인다. 지중 이상체가 있는 모델들은 지중 이 상체의 거리, 심도, 강성에 따라 다른 위상 속도의 영상을 보여주고 있다. 그 특징을 정리해보면 우선 그림 5에서 확 인한 바와 같이 지중 이상체의 심도보다 짧은 파장의 분산 곡선은 왜곡 정도가 작으며 그 이상의 파장의 경우 왜곡이 심한 것을 볼 수 있다. 그리고 지중 이상체가 위치한 지역 을 중심으로 왜곡이 심한 것을 볼 수 있다. 지중 이상체의

그림

다양한 지중 이상체 조건에 따른 표면파의 반응

지중 구조물의 매설 심도에 따른 비교

및

결과

지중 구조물의 강성 상태에 따른 비교

과

결과

속이 비었거나 주변지반보다 강성이 작은 경우(Case #1-

#8)

에 지중 이상체 위치 바로 앞에서는 모델의 속도보다 그 값이 매우 크며 바로 뒤에서는 속도가 작은 것을 볼 수 있다.

지중 구조물의 심도가 얕을수록 이러한 왜곡은 그 정도가 심하지만 지중 구조물 심도가 깊을수록 왜곡 현상이 줄어들 며 10m 이상의 모델(Case #6, #7)에서는 그 왜곡 형태 또 한 다르다. 이는 표면파는 에너지의 상당 부분이 지표면 근 처에 존재하므로 깊은 심도의 지중 이상체에 대해서는 반사 된 표면파 에너지가 미약하기 때문이다. 즉, 지중 이상체의 크기에 따라 다르겠지만 제안된 방법으로는 이상체가 깊은 심도에 존재할수록 파악하기가 어렵다는 것을 보여 준다.

통신구나 상하수도 관로와 같은 시설물들은 지표 5m 이내

에 존재하는 경우가 대부분이므로 제안된 방법의 적용이 가 능하리라 판단된다. 또한 지중 이상체의 심도가 깊다고 해 도 그 크기가 매우 크다면 그 존재 가능성 및 위치의 추 정이 어느 정도 가능하리라 판단된다. Case #9와 같이 지 중 이상체의 강성이 주변 지반보다 클 경우에는 왜곡 형상 이 다른 것과 반대의 형상을 보인다. 이는 그림 5에서 확 인한 바와 같이 반사파의 위상이 반대이기 때문이다. 지중 이상체가 위치한 지점 주변에서 속도 영상의 왜곡이 다른 지역에 비해 심한 것을 알 수 있으며 지중 이상체 위치를 중심으로 증가 및 감소하는 형태이다. 실제 현장 결과의 해 석시 이러한 규칙이 지중 이상체의 위치를 추정하는 단서가 될 수 있다.

그림

지중 구조물로 인해 왜곡된 거리별 실험 분산곡선 형태

일례

그림

제안된 방법으로 작성된 각 지반 모델별

차원 위상속도 영상

4.

현장 검증 실험의 수행

제안된 방법의 현장 적용성을 검증하기 위해 지중 이상체 가 존재하는 부지에서 현장 실험을 수행하였다. 대전 카이스 트(KAIST) 캠퍼스 내에는 공동구가 지하 곳곳에 매설되어 각 연구동의 통신망 등을 연결하고 있다. 공동구 매설 도면 을 참조하여 그림 7과 같이 시험 부지를 결정하고 탐사 영 역을 결정하였다. 주 측선을 결정하고 주변으로 25m×24m의 영역을 설정하였다. 주 측선에서는 제안된 방법과 더불어 전 기비저항 탐사, GPR(Ground Penetrating Radar) 탐사가 수 행되었으며 해당 영역에서는 전자탐사 및 자력탐사를 수행 하여 매핑(mapping)을 시도하였다. 도면에 따르면 공동구의 크기는 2.2m×2m(폭×높이)이고 지표면으로부터 상부면을 기 준으로 약 1.8m 깊이에 매설되어 있다. 공동구가 매설된 지 점은 정확하게 표시가 되어 있지는 않으나 주 측선의 시작 점으로부터 약 10m 정도 떨어져 있는 것으로 명시되어 있 다. 우선 전자탐사 및 자력 탐사를 통해서 공동구의 존재를 확인하고 공동구가 지나는 정확한 지점을 추정하고자 하였 으며 이후 전기비저항, GPR 및 제안된 기법을 수행, 그 결 과를 비교 고찰하였다.

4.1

전자탐사 및 자력탐사

전자 탐사(electomagnetic method)는 전자기 유도현상을 이용한 방법으로 전기비저항 탐사와 같이 전기전도도(electric

conductivity)

이상체의 탐지에 사용된다. 송신코일에 교류

전류를 흘려주면 자기장이 발생하며, 이러한 자기장이 지하

매질 또는 이상대를 통과하면서 유도전류를 발생시키게 된 다. 이러한 유도 전류에 의해 발생한 2차 자기장 및 전기 장을 수신기에서 측정하고, 이의 해석을 통해 지하의 전기 전도도 분포를 규명하는 방법이다. 자력탐사(magnetic

method)

는 지구 자기장에 의해 자성을 가지는 이상체는 자화

(magnetization)

가 되는데 이러한 자기강도를 자력계를 이용

하여 측정함으로써 지하 자성광체를 탐지하고 지질구조를 추 정하는 기법이다. 공동구는 철근콘크리트 구조물로 철근은 전자탐사 및 자력탐사 모두에 있어 좋은 이상체 역할을 한 다. 전자 탐사는 Geophex사의 GEM-2H를, 자력탐사는

Geometrics

사의 G-858 장비를 사용하였다. 해당 영역을 탐

사기를 이동해 가면서 매핑을 위한 각 위치별 자료를 수집 하였으며 결과는 그림 8과 같다. 전자탐사에서는 반응 강도 가 가장 큰 지점이 자력탐사에서는 그 값이 양에서 음으로 바뀌는 지점이 지하 공동구가 위치하는 지점이라 할 수 있 다. 두 영상에서 지하 공동구가 지나는 영역을 확연히 관찰 할 수 있으며 거의 일치하는 것을 볼 수 있다. 따라서 해당 현장 지하에 지하 공동구가 존재함을 확인할 수 있었으며 주 측선 상에서 그 중심이 약 12m임을 알 수 있다.

4.2

전기비저항 탐사

전기 비저항 탐사는 땅속으로 전류를 흘려 전기장을 형성 하고 이 때 두 전극 사이의 전위차를 측정함으로써 지반의 전기비저항을 측정하는 기법으로 지반 상태를 영상화하는데 가장 널리 사용되는 기법이다. 전기비저항 탐사는 주측선에 대해서 수행되었으며 해상도를 높이기 위해 전극 간격은

그림

지하공동구 위치 및 측선의 설정

현장 위성 사진 및 공동구의 위치

주 측선 및 탐사 영역의 설정

그림

매핑이 가능한 탐사 기법을 통한 지하 공동구 위치의 규명

전자탐사

자력탐사

1m,

전극 배열은 쌍극자(dipole-dipole) 배열을 적용하였다.

탐사 장비는 AGI사의 Super Sting R8/IP를 사용하였다. 공 동구는 철근 콘크리트 구조물에 속이 비어있기 때문에 공동 구를 둘러싸고 있는 토질보다 비저항이 더 높을 것으로 판 단된다. 그림 9의 시험 결과를 보면 고비저항대가 뚜렷하게 관찰되며 이 부분이 공동구가 매설되어 있는 곳이라고 추정 할 수 있다. 그 위치는 중심이 약 12m로 자력탐사 및 전자 탐사로 추정한 위치와 동일하며 그 형상을 참고하여 매설 심도를 추정한 결과 약 2.2미터인 것으로 판단된다. 이는 추 정 매설 심도 1.8m 보다 깊은 것으로 준공 이후 추가적인 복토 등으로 인한 것으로 사료된다.

4.3 GPR

탐사

GPR

탐사는 상당한 고주파수(10MHz-수GHz) 대역의 전 자기파(레이다파)를 이용하여 천부의 지하구조물을 파악하는 방법으로서, 매질간 유전율 차이에 의한 전자기파의 반사와 회절현상 등을 측정하고 이를 해석하여 지하구조를 파악한 다. GPR은 콘크리트 구조물이나 지반 조사에 있어 이상체 파악에 널리 사용되는 기법이다. 지하공동구는 주위의 토질 과 비교했을 때 유전율 측면에서 그 크기가 확연히 다르므 로 지하 공동구 주위에서 전자기파의 반사가 많이 일어날 것으로 판단된다. 본 실험에서는 탐사장비로 Sensors &

Software

사의 Pulse Echo 장비를 사용하였으며 주 측선에서

수행된 결과는 그림 10과 같다. 다른 탐사 결과를 참고하여 볼 때 약 12m 근방의 위치에 심도 2m 정도에서 포물선 형태의 뚜렷한 반사파를 기대할 수 있지만 실제로는 확인되 지 않았다. 반면에 얕은 심도에서는 매립토에 포함된 자갈 등으로 인한 작은 규모의 반사파 형태를 많이 관찰할 수 있 다. GPR의 경우 지반의 전기전도도에 따라 레이다파의 침 투 심도가 영향을 받게 되는데 전기전도도가 높을수록 즉

전기비저항이 낮을수록 침투 심도는 제한된다. 그림 9의 전 기비저항 탐사의 결과를 보면 현장 지반의 전기비저항이 비 교적 저비저항대에 속하는 것을 알 수 있다. 따라서 레이다 파가 지하 공동구 위치까지 침투하지 못하여 반사파를 확인 하지 못한 것으로 보인다. 이렇듯 이상체 파악에 가장 널리 쓰이는 GPR 탐사도 지반 조건에 따라 적용이 제한됨을 알 수 있으며 지하 이상체 탐지에 있어 실험 실패를 줄이고 결 과의 정확성을 높이기 위해 여러 기법을 동시에 적용하여야 함을 보여준다.

4.4

제안된 기법

주 측선에 대해서 제안된 기법을 수행하였다. 1m부터

까지 1m간격으로 4.5Hz 속도계를 설치하였으며 0m 지 점에서 슬러지 해머를 이용하여 가진 하였다. 신호 획득 장 비는 Geometrics사의 Geode를 사용하였다. 현장 실험을 통 해 획득한 신호는 그림 11과 같다. 획득 신호 상에서 제일 선두에 P파의 직접파 및 굴절파가 보이며 뒤를 이어 큰 에 너지를 가지는 레일리파의 진행이 관찰된다. 수치해석의 경 우와는 다르게 실제 지반은 불균질하므로 분산 특성이 존재 하며 가진에 의한 지반 움직임에 의해 지속시간이 존재한다.

따라서 지중 이상체가 시작되는 위치로 추정되는 11m 지점 에서 레일리파의 반사파를 관찰하기가 쉽지 않다. 따라서 획 득 신호 파형만을 이용하여 지중 이상체의 특성을 규명하는 것은 불가능하다. 제안된 방법에 따라 각 지점별 분산곡선을

HWAW

기법에 기반하여 획득하였으며 이를 이용하여 위치

(X-position)-

파장(wavelength)에 대한 위상속도의 영상을 그

림 12와 같이 도출하였다.

수치해석 결과에서 지중 이상체 근처에 위상 속도의 증가 혹은 감소 현상이 관찰되었는데 본 영상에서도 그러한 특성 을 보이는 곳이 관찰되었으며 그 위치는 다른 탐사 결과에 그림

지하공동구 위치 및 측선

그림

지하공동구 위치 및 측선

서도 공동구가 위치한 부근으로 추정된 약 12m 지점이다.

의심 지역 앞에서 속도가 증가하고 뒤에서 속도가 줄어드는 형상으로 지중 이상체는 속이 비었거나 주변 지반에 비해 강성이 작은 것으로 판단된다. 왜곡 영상을 보고 매설 심도 를 정확히 추정하기는 용이하지 않다. 파장 1m 정도의 자료 를 획득하기 위해서는 100-200Hz 정도의 주파수 성분이 요 구되나 고주파 성분은 가진원으로부터 멀어질수록 빨리 감 쇠하여 고주파 대역에서의 신호대잡음비(signal to noise

ratio)

가 매우 작기 때문이다. 제안된 기법에서는 HWAW 기

법의 시간-주파수 해석을 통해 이러한 점을 어느 정도 극복 할 수 있었으며 영상에서 보면 파장 2m 이상에서부터 왜곡 발생이 심해지는 것으로 보아 지하 공동구는 약 2m 정도에

매설되어 있는 것으로 보이며 이것은 전기비저항 탐사 결과 및 실제 설계 도면에 적시되어 있는 내용과 유사하다.

철근 콘크리트 구조물인 공동구는 속이 비어 있으며 구조 물의 두께가 얇은 편이므로 구조물의 강성은 무시한다고 볼 때 수치해석 모델에서 Case #1 및 #3과 유사하다고 볼 수 있다. 이러한 결과로 미루어 볼 때 제안된 기법이 지중 구 조물의 위치를 찾은 다른 하나의 방편이 될 수 있음을 알 수 있다. 실제 본 검증 실험에서는 제안된 기법에 비해

을 제외한 다른 물리탐사 기법들이 지중 이상체를 찾는 데 더욱 탁월한 성능을 보여주고 있다. 하지만 이상체가 단 순 공동일 경우 전자탐사 및 자력탐사에서는 나타나지 않으 며 본 현장에서와 같이 GPR에서도 확인되지 않을 확률이 크다. 또한 공동에 물이 채워지고 주변 지반의 전기비저항이 물의 전기비저항과 유사하다면 전기비저항 탐사에서도 이러 한 이상체를 확인할 수 없다. 하지만 이러한 상황에서도 제 안된 기법은 지중 이상체에 대한 표면파의 반사 특성을 이 용하므로 다른 탐사법이 적용되기 어려운 조건에서 적용 가 능하기 때문에 지중 이상체 파악을 위한 대체 수단으로의 의미는 크다고 볼 수 있다.

5.

결 론

표면파 기법 중 하나인 HWAW(Harmonic Wavelet Analy-

sis of Waves)

기법을 이용하여 지중 이상체 파악을 위한

새로운 방안을 제시하였다. 수치해석을 통해 제안된 방법을 검증하였으며, 이를 실제 현장에 적용하여 봄으로써 적용성 을 검토하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1.

제안된 방법은 현장 실험이 용이하고 해석 과정이 자동화 되어 있어 최종 결과인 위치-파장에 대한 위상 속도의 영 상을 매우 용이하게 획득할 수 있다.

2.

수치해석을 통해 지중 구조물에 의한 표면파의 반사특성 이 지중 구조물의 위치, 심도, 강성 조건에 따라 다른 특 성을 보이는 것을 확인하였으며 제안된 방법이 지중 이상

그림

획득한 거리별 신호상에서 레일리파의 진행 및 지중 이상체에 의한 반사파의 추정

그림

제안된 기법으로 획득한 위상 속도 영상 및 지중 이상체

위치 추정 결과

체를 파악하는데 적용 가능하다는 것을 확인하였다.

3.

실제 지중 구조물이 매설되어 있는 현장에서 제안된 방법 을 적용하고 기존 기법들의 결과와 비교하여 본 결과 제 안된 방법의 현장 적용성이 있음을 알 수 있었으며 지중 이상체를 파악하는 대체 수단으로의 역할을 할 수 있으리 라 판단된다.

감사의 글

본 연구는 한국지질자원연구원 2009년 기본사업인 ‘광상 맞춤형 자원탐사 채광 최적기술개발’ 연구의 일환으로 수행 되었으며 이에 감사드립니다.

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(

접수일: 2008.10.14/심사일: 2008.11.13/심사완료일: 2009.1.19)