석회암 분포지에서 터널시공에 따른 지표침하 원인 분석

Ground Subsidence Caused by the Development of Underground Karstic Networks in Limestone Terrain, Taebag City Korea

Abstract

연구지역은 고생대 지층인 석회암류과 석회암층 사이에 셰일층이 협재하고 이 석회암 상부에 사암 및 탄질셰일층이 분포 한다. 이 퇴적암들의 층리는 서북서 방향의 주향에 북동방향으로 경사지고 있으며 절리들은 경사각이 75도 이상이고 주향은 여러 방향으로 발달한다. 이 지역에는 층리방향과 거의 평행한 파쇄대들은 대규모로 발달하며 이들 파쇄대는 지하 깊이까지 연장되고 있다. 급격한 지하수위의 변화는 5월에 일차 그리고 6월초와 6월 중순에 2차 약 1달 사이 총 3차례의 -4 m에서 시작하여 최대 -15 m까지 하강과 회복을 반복하였으며 이는 지표의 강수량과는 무관함이 확인되었다. 이에 따라 지표침하의 원인은 석회암 내 풍화대와 연결된 터널 심도까지 발달하는 파쇄대와 석회암과 셰일, 석회암과 사암 및 탄질셰일과의 경계부에 발달하는 파쇄대들에서 터널 시공 시 하루에 1000톤 이상의 지하수가 용출되며 지하수위의 급격한 강하와 이에 따라 지하수의 급격한 하강 시 지반에 흡입력을 증가하면서 지표에 침하가 일어난 것으로 해석된다.

The aim of this study is the safety and an accident prevention in limestone terrain by the underground tunneling. The geology of the study area consists of a Paleozoic sedimentary sequence dominated by limestone, sandstone, shale, and carbonaceous shale. The sequence gently dips to the northeast but the joint contains steep with variable trend. A significant fracture zone is developed in the limestone and shale beds, sub-parallel to bedding, and follows in part the limestone-sandstone contact. Monitoring of groundwater levels in the area shows marked fluctuations in the water table, which repeatedly rose to a level of -4 m before sinking to -15 m. These cycles occurred in mid-May, 2007 and in early and middle June. The data indicate that these fluctuations were unrelated to rainfall that occurred during the study period. We infer that the fluctuations were associated with the development of underground karstic networks along the deep fracture zone, and overlying ground subsidence is likely related to the rapid sinking of groundwater and the associated strong downward suction force.

서 언

최근 몇 년 동안 서울과 같은 인구 밀집 지역에서 몇 차례의 지표침하가 발생 하므로 말미암아 “씽크홀(sinkhole)”이란 단어가 우리들에게 자연재해의 한 요소로 알려지고 있다. 그와 함께 지반침하, 지표침하, 지표함몰 등의 용어 들이 혼동되며 사용 되고 있다. 각각의 용어들은 나름 약간의 차이를 가지고 정의 될 수 있다. 그러나 본 논문은 용어 정의가 아니므로 이곳에서는 지표침하란 용어로 통일하여 기술 한다.

지표침하는 지구상에서 자연현상에 의해 지반에 공동이 발생하여 지표가 침하하는 것으로 석회암 지대에서 가장 빈번하게 발생하는 것으로 알려지고 있다. 이는 전 세계적으로 퇴적암의 분포가 광범위하며 그 중 석회암 또한 상당한 면적을 차지하고 있는데, 이 석회암은 용해성이 강하기 때문이다(Beck and Pearson 1995). 석회암 지대는 용해과정을 거치면서 카르스트 지형으로 발달하게 된다.

석회암과 같은 탄산염류 암석은 약산성의 물에 의해 발생되는 용해작용으로 인해 지반의 공동이 형성된다. 대기 중이나 지반내부에 침투된 물은 공기나 토양으로부터 이산화탄소[CO2]를 용해시켜 H2CO3 형태로 변한다. 이 H2CO3가 토양에 스며들게 되면 석회암[CaCO3]이나 돌로마이트[CaMg(CO3)3]와 반응하게 된다. 탄산염 암석 내에 존재하는 공동이나 공극은 Ca++, Mg++ 그리고 HCO−의 이온에 의해 용해됨으로써 형성된다. 지하수가 용해된 광물로 과포화 될 때 더 이상의 용해는 발생되지 않고 물로부터 칼슘[Ca]과 마그네슘[Mg]이 침전된다. 이 반응은 가역적이며, 지하수가 불포화되면 이 침전물들은 재용해 된다. 이러한 지구 화학적 상호반응은 물의 순환에 의해 부분적으로 조절 된다.

이러한 과정으로 형성된 석회암 공동은 지반의 침하나 함몰을 초래한다. 석회암 상부의 미고결 퇴적층은 기존에 형성된 석회암 공동내로 침윤됨으로써 그 형태나 규모에 따라 상부지반의 갑작스런 함몰(sinkhole)이나 점진적인 침하(subsidence)가 일어난다. 이러한 침식(erosion) 형상은 탄산염 기반암의 직상부에서 시작해서 상부 퇴적층을 통과해서 결과적으로 지표면에까지 도달할 수 있다(Fig. 1).

Fig. 1.Example of ground subsidence in limestone terrain (modified from Tihansky, 1999).

석회암 지대에서는 이와 같은 과정을 거치면서 대규모의 지하 공동형성이나 함몰대의 발달에 기인한 하부 암반의 불규칙성 등으로 지반굴착공사 시 문제가 되어 이를 극복해야 할 과제로 많은 연구가 진행되고 있다(Beck and Pearson, 1995; Beck and Stephenson, 1997). 광산지대의 지표침하보다 터널굴착으로 인한 지표침하가 훨씬 불규칙한 침하양상을 보이므로 공학적 예측에 있어 지질학적인 현상들을 충분히 이해하고 그에 따른 지반조사 계획 및 대책 공법을 수립하는 것이 필요하다.

우리나라에도 하부고생대 지층인 조선누층군이 분포하는 강원도와 충북 단양시, 경북 문경시 일원에는 석회암이 분포하고 있어 곳곳에서 카르스트지형과 돌리네 지형들이 관찰된다. 실지로 석회암이 분포하는 지역인 강원도 태백시에서 건설된 “영동선 동백산-도계간 철도 이설 공사”에서 이 노선이 통과하는 OO마을에서 철도터널을 시공하던 중 지표에서 지표침하가 발생한 바 있다. 이 당시는 지표침하로 인해 문제점이 상당 제기되었으나 원인이 밝혀지고(Lee, et al., 2008) 이에 따른 지반 보강으로 인해 현재는 철도가 개통되어 안전히 운행되고 있다. 그 후 이 지역을 예로 하여 카르스트 지역에 발생하는 씽크홀의 식별과 개선 방향에 대한 관점에서의 연구가 진행된바 있다(Song, et al., 2012).

본 논문은 이 당시 지표침하가 발생한 석회암이 분포하는 지역을 대상으로 정밀 지표지질조사와 시추조사 및 그 지역에서 장기간 수집한 지표침하계의 자료와 지하수 수위의 변화자료 등의 자료를 분석하여 원인을 밝혀 앞으로 이와 유사한 석회암 지대에서의 터널시공 시 보다 안전하고 지반재해를 사전에 방지하기 위한 것이 목적이다.

 

지질 및 지질구조

지표침하가 발생한 곳은 한반도에 발달하는 하부고생대 지층인 조선누층군의 화절층에서 두위봉층까지 분포하며 북동쪽에 그 상부 지층인 평안층군의 만항층과 금천층이 대부분을 차지하고, 소규모로 상부 중생대의 응회암과 현생 퇴적층인 충적층이 골짜기와 강 연변을 따라 분포 한다(Fig. 2). 이 지역의 고생대 퇴적암층들의 층리는 대개 서북서 방향의 주향에 40-60도 정도의 경사를 가지며 북북동 방향으로 경사하고 있다.

Fig. 2.Geological map of the study area.

지표침하가 발생한 지역의 정밀 지질도는 Fig. 3으로 하부고생대 즉 오도비스기에 퇴적된 석회암류들이 주로 분포하고 그 외 셰일 및 상부 고생대 석탄기에 퇴적된 만항층이 분포한다. Fig. 3은 Fig. 2의 지표침하 지점에 대한 보다 정밀한 지질도이다. 이 지질도에서도 석회암은 조선누층군의 막골층과 두위봉층이며 그 사이에 직운산 셰일이 협재하고 두위봉층에 접해 만항층이 분포하고 있다. 여기서 석회암 분포지 내에는 풍화대가 깊은 지대(굵은 점선으로 표시됨)와 직운산층과 두위봉층과 인접한 만항층에는 파쇄대(실선으로 표시됨)가 발달 한다(Fig. 3). 이 그림에서 풍화가 깊은 지역은 지표에서 실시한 물리 탐사 결과를 토대로 미고결 퇴적응인 충적층과 암반과의 경계를 기준으로 작성되었으며 파쇄대는 지표지질조사 결과로 파악된 곳이다.

Fig. 3.Detail geological map of the area of ground subsidence.

연구지역에 분포하는 석회암의 층리는 북서 방향의 주향에 30 내지 60도 사이의 경사각을 가지며 북동쪽을 향한다. Fig. 4는 연구지역에서 측정한 층리들을 등면적망 하반구에 투영한 그림이다. 층리들의 주향은 대개 일정하게 N40-60°W 내외이나 경사각은 지층의 상부 즉 만항층 쪽으로 가면서 경사각이 조금씩 증가하는 경향이 있다.

Fig. 4.Orientations of bedding in limestone (lower hemisphere, equal area projection).

이들 지층 즉 석회암과 만항층의 사암에서 발달하는 절리는 Fig. 5에서 보여주는 바와 같이 매우 분산되어 발달한다. 절리의 경사는 대체로 60도 이상의 고각이나 주향은 여러 방향으로 발달함을 알 수 있다.

Fig. 5.Orientations of joints in the limestone and in the adjacent Manhang Formation (lower hemisphere equal area projection).

이상과 같이 연구지역의 지질구조적 특징은 층리는 거의 일정한 태위를 가지며, 절리는 다양한 형태로 발달한다. 또한 이 지역은 동쪽과 서쪽에 북북동 방향의 거의 평행한 두 단층이 통과하는 사이에 위치함에 따라 다소 그 영향을 받아 소규모단층이 Fig. 6에서와 같이 북동 방향 및 서북서 방향으로 발달한다.

Fig. 6.Orientations of the main faults in the study area (lower hemisphere, equal area projection).

 

시추조사와 지질특성 분석

지표침하의 원인을 규명하고 지하의 지질상태를 분석하기 위한 방법의 일환으로 연구지역 내에서 시추조사를 실시하였다. 본 연구에서는 기존 실시한 시추자료를 검토한 후 남북방향으로 BT-16, BT-17, BT-17-1, BH-18의 4개 지점에 대해 시추를 실시하였다. BT-17-1호공의 경우 시추과정에서 시추공의 붕괴로 인해 시추작업을 중단하고, 측면으로 약 1m 정도 이동하여 BT-17호공을 새로이 굴진하였다.

시추작업을 통해 회수된 시추코아를 대상으로 현장에서 정밀 코아검층을 실시하였다. 코아검층은 암종 구분, 색깔, 풍화도, 단열정도 및 단열면 상태를 정밀 관찰하였다. 암종 구분과 색깔은 암석의 야외명과 일반적인 색상명을 사용하였다. 풍화도, 강도, 단열정도의 구분은 여러 기준이 제시되어 있으나(Deere et al. 1977; ISRM, 1978), 이러한 기준을 응용하여 이번 조사목적에 맞도록 수정하여 사용하였다. 특히, 단열면에 대한 조사는 ISRM (1978) 기준에 의거하여 단열면 심도, 종류, 경사각, 충전물질 등을 기재했다. 본 시추코아 검층에서 중요한 요소 중 하나인 풍화대 또는 파쇄대의 경우 충전물질의 종류와 상태 등을 면밀히 기재하였고, 단층 파쇄대는 단층비지(fault gouge) 및 단층각력(fault breccia)이 미고결 상태로 남아 있는 것과 고결 상태인 것으로 구분하였다.

연구지역은 지표에서 약 3.4 m 구간까지 모래 및 자갈로 구성된 매립층이 분포하고 있으며, 이 하부에서부터 약 5.9 m 구간까지 퇴적층이 발달한다. 퇴적층은 주로 자갈과 모래 섞인 점토로 구성되어 있으며 매우 연약한 강도를 가진다.

퇴적층 하부는 전체가 석회암으로 구성된다. 석회암은 저각도의 경사를 가지는 층리가 잘 발달하고 있다. 4개의 시추공은 공통적으로 지하 20 m 지점을 기준으로 그 상부와 하부의 암반상태가 서로 다르게 나타난다. 지표에서부터 지하 20 m까지의 구간은 석회암이 풍화된 구간이 여러 곳에 발달하며, 이로 인해 암질지수(RQD)가 0%로서 암반의 상태가 나쁜 구간과 60-80% 정도의 비교적 양호한 구간이 교호하고 있다. 그러나 20 m 하부의 구간은 대체로 50-96%의 양호한 암질지수를 가지고 있어, 20 m 상부구간과 하부구간의 암반상태가 크게 다름을 알 수 있다. 이는 지하 심부 즉 20 m 이하에서는 지표로 부터의 풍화영향은 사라지며 그 이하는 단층작용 등의 지질구조현상에 영향을 받을 것으로 해석된다.

암석의 공학적 특성을 알 수 있는 풍화도(decomposition, D), 강도(strength, S) 그리고 파쇄도(fracturing, F)도 지하 20 m 지점을 기준으로 차이가 발생한다. 20 m 상부구간은 전체가 D-3에서 D-5의 풍화도 지수를 가지는 중간 풍화 내지 심한 풍화의 상태를 보이고, 암석의 강도 역시 S-2에서 S-5의 다양한 강도를 가진다. 파쇄 정도는 대부분 F-3에서 F-5의 등급을 가지는 중간 파쇄 내지 심한 파쇄의 상태이다. 특히, BT-17호 공의 지하 5.9 m ~ 13.4 m 구간은 D-5, S-5, 그리고 F-5로 이루어져 풍화가 매우 심하고, 이로 인해 암석의 강도가 매우 약하며 암석의 파쇄가 심한 상태로 존재하는 것으로 나타났다. 지하 20 m 지점부터 그 하부의 구간은 상부에 비해 비교적 신선하고 단단하며 파쇄가 심하지 않은 상태임을 알 수 있다.

각 시추공에서 관찰된 주요 공동이나 풍화에 의해 점토가 발달하는 구간의 위치를 주상도 형태로 나타내면 Fig. 7과 같다. 각 시추공은 BT-17호 공을 기준으로 각각 30 m의 비교적 짧은 거리를 가지고 있으나, 지표 하 암석의 풍화대 및 파쇄대의 분포는 상당히 다르게 나타난다. 특히, BT-17호 공과 BT-17-1호 공은 약 1 m 정도 이격되어 있음에도 불구하고 풍화대와 파쇄대의 분포 양상이 현저히 다른 것으로 나타났다. 이를 통해 지표침하 지역의 하부 암반은 풍화상태 및 파쇄상태가 매우 불규칙적인 것을 알 수 있다.

Fig. 7.Drill hole section showing the location of caves and open spaces filled by mud (black square), and the level of groundwater (broken line).

지표에서부터 지하 20 m까지의 구간은 여러 개의 풍화대가 발달하고 있다. 이러한 풍화대는 수 십 cm에서 수 m의 두께를 가지는데, 풍화대의 내부는 석회암 풍화토인 붉은 색의 점토와 암편(rock fragment) 등이 서로 섞여 있다. 이러한 점토와 암편은 시추 작업 시 굴진 용수에 의해 씻겨 나가거나 일부 회수되었다. 풍화대의 상부 및 하부의 경계부는 매우 불규칙한 상태를 보이며, 일반적으로 경계부 인근에서는 균열의 조밀한 발달양상이 관찰된다. 한편, 시추구간 내에는 수 cm 내지 수 십 cm 규모의 파쇄대가 발달한다. 파쇄대는 방해석 등으로 충진 되거나 일부는 심한 단층작용의 산물인 단층 비지(fault gouge) 또는 단층 점토(fault clay)가 충진 되어 있다. 이와 같이 본 지역의 지하에 발달하는 풍화대는 파쇄대와 인접하여 발달하고 있는데, 이는 파쇄대가 먼저 발달하여 이를 따라 지하수가 유동하면서 암석이 점차 풍화되었기 때문으로 해석할 수 있다.

이상과 같이 지표침하 지역을 중심으로 한 지하의 지질 및 지질구조 특성을 그림으로 표시하면 다음 Fig. 8과 같다. 즉 이 지역은 지표에서 2-4 m 정도의 충적층이 덥혀 있으며 그 아래는 매우 불규칙한 풍화면을 가지는 석회암의 풍화물인 붉은색 내지 갈색의 진흙이 채워져 있고 그 하부에 석회암이 분포한다. 또한 석회암 내에는 층리를 따라 파쇄대가 발달하며 이 파쇄대의 연장부에 지하 20 m의 깊은 곳에서도 불규칙하게 풍화토가 존재하기도 한다. 파쇄대가 지하 깊은 곳까지 발달하는 곳은 석회암과 사암의 경계부와 직운산 셰일이 분포하는 곳이다.

Fig. 8.3D model on the study area (red line indicates the fracture zone).

실지 터널 시공 시 터널 내부에서 지하수의 유출이 많았던 지점에 대해 지질단면도와 그 지점의 암상, 지질구조 및 유출된 지하수의 상태 등을 비교하여 표시한 것이 Table 1이다. 이표를 보면 터널의 103 km + 360 m 지점은 석회암으로 지표의 파쇄대와 연결되어 터널내부에서 석회암의 풍화토인 붉은색의 뻘이 섞인 지하수가 유출되어 가마터샘 지표 침하를 가져왔으나 차수 완료 후 안정화된 상태이며, 103 km + 580 m 지점은 직운산 셰일의 연장으로 셰일의 특징인 fissility가 발달하며 맑은 지하수가 터널 내에서 유출된다. 103 km + 750 m 지점은 석회암과 평안층군의 만항층의 경계부로 사암과 사암 내 협재된 탄질셰일이 파쇄대와 연결되어 탄질셰일을 함유하여 검은색을 띄는 용출수가 유출되었으나 이 지점은 이미 차수 그라우팅이 완료되어 안정세를 회복하였다.

Table 1.Characteristics of the study area, including the geology, structure, and hydrogeological features.

 

지하수 유동

암반 내에서의 지하수 침투는 매우 불규칙적이어서 복잡하게 분포된 불연속면에 의하여 지배되므로 Darcy의 법칙과 같은 단순한 해석은 불가능하다. 지하수면보다 낮은 지중에 배수형 터널을 건설하게 되면 터널은 지중에 설치된 배수관과 같은 역할을 하게 되며, 이에 따라 지하수의 흐름상태는 정상류 흐름과 부정류 흐름상태의 두 가지로 분류된다. 정상류 상태는 지하수의 유입원이 무한하여 시간에 따라 지하수위와 터널을 통한 배출수량이 크게 변하지 않는 상태를 말하며, 부정류 상태는 터널로 배수되는 배출수량이 터널 주변 지반으로 충원되는 지하수량보다 많아서 시간이 경과함에 따라 지하수위가 저하되면서 터널내로의 배출수량이 감소하는 것을 말한다(Lee, Y.S. et al., 2004).

일반적으로 석회암 지대에서는 지하의 공동 내지 풍화대가 형성됨은 앞에서 언급한 바와 같다. 석회암지대의 특징 중의 하나인 돌리네지형은 대부분이 지하수의 하강에 의해 지표가 침하하여 발생하는 현상으로 Fig. 9와 같은 과정을 거쳐 지표의 침하가 일어난다.

Fig. 9.Mechanism of ground subsidence triggered by lowering of the water table in limestone terrain (modified from Tihansky, 1999).

지표침하가 발생한 지역을 포함한 그 주위에서는 침하의 진행 상태를 관찰하기 위해 지표침하계, 균열측정계, 건물경사계 및 지중침하계와 같은 계측기를 설치하여 감시 하였고, 지하수위는 이미 꾸준히 모니터링 되어 왔다. 이들 관측 자료 중에서 지하수위의 변화가 지표침하의 원인을 밝히는 중요 단서가 되므로 이를 중심으로 검토하기로 한다.

연구지역에서 지하수위계의 설치된 위치는 Fig. 10에 보는 바와 같이 여러 곳에 고루 분포하고 있다. 각각의 관측지점에서 4월 7일부터 7월 7일까지 지하수위의 변화를 관찰한 결과(Fig. 11, Fig. 12), 수위의 변화 폭은 관측기간 동안 수 m에서 십 수 m에 이른다. 수위변화 폭의 크기에 따른 관측지점을 분류하면, 10 m 이상 하강한 지점이 BT3, BT3-1, BT4, BT10 및 BT12이며, 10 m 이하 5 m 이상인 곳이 BT1, BT2, BT6, BT7, BT8, BT9, 및 BT11 지점이다. 또한 5 m 이하인 곳이 BT13, BT14 및 BT15 지점이다. 지표침하가 발생한 지점에서 가까운 BT3, BT3-1 및 BT4 지점의 관측 결과를 보면 Fig. 11과 같으며, 관측 초기 지하수위가 약 2 m 내외로 관측되다가 3개 시점에서 수위가 급강하하는 것을 볼 수 있다. 이 세 시점에서 수위가 하강되는 시작시점에서 최저점을 거쳐 회복시점 까지를 살펴보면, 첫 번째 변화 시점은 5월 9일에서 5월 16일을 최하위로 하여 5월 18일에 회복 되었으며, 두번째는 5월 31일에서 6월 8일을 최하위로 하여 6월 10일에 회복 되었고, 세 번째는 6월 14일에서 6월 17일을 최하위로 하여 6월 22일에 회복 되었다. 즉 수위가 하강하는 첫 번째 자료를 보면 5월 9일부터 수위가 하강하기 시작하였으며 5월 16일, 6월 8일, 6월 17일 즉 약 한달 사이에 3번에 걸쳐 수위가 10 m 이상 급격히 하락 후 회복을 반복하는 현상을 알 수 있다(Fig. 11).

Fig. 10.Contours of the water table (solid lines) and locations of the sites of hydrogeological measurements (black circles).

Fig. 11.Groundwater level data collected between March 9 and July 7, 2007 at the BT3, BT3-1, and BT4 sites, close to the area of ground subsidence.

Fig. 12.Groundwater level data collected between March 9 and July 7, 2007 at the BT6, BT7, BT8, BT9, and BT11 sites, located 200 m from the area of ground subsidence.

Fig. 12는 지표침하가 발생한 지역에서 최소 200 m 이상 떨어진 지점들로(Fig. 10) 수위변화 폭이 5 내지 10 m 내외를 가지는 지점이다. 5개 지점에서의 초기수위는 약간씩 다르긴 하나 수위의 변화 양상은 Fig. 11과 거의 비슷한 것을 알 수 있다. 여기에서도 마찬가지로 수위가 급격하게 하강하는 3개 시점이 있으며, 이들의 각 시기 역시 Fig. 11에서 해석된 것과 같다. 그러나 수위의 강하 폭은 현저히 적음을 알 수 있다.

이번에는 지표침하 지점주위의 BT1, BT2, BT3과 BT3-1 지점의 지하수위에 대해 2007년 4월에서 2008년 5월말까지 약 1년에 가까운 시간 동안의 변화를 그림으로 표시해 보았다(Fig. 13). 이를 고찰해 보면 Fig. 11과 Fig. 12에서 표시된 시기에 지하수위가 급격히 감소와 회복을 3차례 겪은 후 5개월간은 안정을 찾았다. 그 후 11월부터 서서히 지하 수위가 낮아져 2008년 일월을 최하점으로 다시 서서히 회복되어 3월 초에는 다시 회복됨을 알 수 있다.

Fig. 13.Groundwater level data collected between April 2007 and May 2008 at the BT1, BT2, BT3, and BT3-1 sites.

이와 같이 지하수위가 강하하는 원인을 규명하기 위해 2007년 1월부터 2008년 4월 까지 이지역의 강우량을 기상청 자료에서 관찰하여 보았다(Fig. 14). 지하수위의 급작스런 감소가 있었던 시기인 2007년 4월과 5월 사이에 강수량이 적기는 하나 그 후 8월까지는 꾸준히 증가 추세이고 10월부터 강수량이 급격히 줄어 다음해 4월까지 이어 진다. 이로 미루어 볼 때 지하수위가 서서히 감소하였다가 서서히 증가하는 2007년 11월에서 다음해 3월의 기간은 강수량에 의한 기후 적 갈수기 영향이 확실하나 2007년 5월에서 7월 사이의 급격한 지하수위 변화는 강수량과는 무관함을 인지할 수 있다. 이 당시 터널의 103 km+360m 지점, 103 km + 580 m 지점, 103 km + 750 m 지점에서 용출수가 유출된 상태였다.

Fig. 14.Rainfall trend for the study area, for the period from January 2007 to April 2008.

연구지역의 지하수위 변동은 이 지역에 발생한 지표침하의 원인을 밝히는 하나의 중요한 요소이다. 이는 지하수위 측정위치가 터널로부터 가까운 곳에서 차차 멀어지는 지점에서의 지하수위 변화를 비교하면 지하수위의 변화 폭이 같은 날에도 터널로부터 가까운 곳에서 멀어지면서 변화폭이 줄어들고 있다. 이는 터널 시공과 지하수위 변화가 밀접한 연관성이 있음을 지시하고 있다. 우선 지하수위의 분석 결과에 의하면 2007년 5월에서 6월에 3회에 걸쳐 단기간 내에 급속한 지하수위 하강과 회복이 있었으며 그 이후는 11월부터 서서히 급강하가 있었으나 그 이후 2008년 2월 말까지는 갈수기의 영향에 따른 점진적인 지하수하강에서 갈수기가 끝나며 다시 서서히 회복하는 양상을 보이고 있다. 2007년 5월에는 실지로 터널 내에서 하루 약 1,000톤의 지하수가 유출 되었으나 그 후 터널 내 차수 공사가 계속 진행되면서 2007년 12월에는 터널 내 지하수 유출이 약 300톤까지 줄어들고 2008년 5월 말에는 터널 내 지하수가 현저히 줄어들면서 103 km + 580 지점은 250톤, 103 km + 750 지점은 80톤의 유출과 함께 지표의 지하수위도 안정세를 유지하고 있다.

 

결 론

연구지역은 하부고생대 즉 오도비스기에 퇴적된 석회암류들이 주로 분포하나 석회암층 사이에 셰일층이 협재하고 마을 북쪽에는 상부 고생대인 석탄기에 퇴적된 사암 및 셰일층이 분포 한다. 이 지역의 대부분을 차지하는 석회암들은 석회암 풍화의 특징인 붉은색 내지 갈색을 띠는 풍화토가 미고결 퇴적층 하부에 불규칙한 풍화면을 가지는 전형적인 카르스트 지형을 형성하며 암반 위에 놓여있다. 이들 석회암의 층리는 서북서 방향의 주향에 북동방향으로 경사진 태위를 가지며 절리들은 경사각이 75도 이상이며 주향은 여러 방향으로 발달한다. 그리고 소규모 단층들이 발달하는데 층리방향과 거의 평행한 파쇄대들은 대규모로 발달하며 이들 파쇄대는 지하 깊이까지 연장되고 있다.

지하수위의 변화는 2007년 5월 9일에서 5월 18일, 5월 31일부터 6월 10일 그리고 6월 14일에서 6월 22일 사이에 3회에 걸쳐 -4m에서 시작하여 최대 -15m까지 하강하였다. 이러한 갑작스러운 하강과 이 지역에 내린 강수량과의 관련성이 있는지를 알아보았다. 이를 위해 1년여에 걸친 연구지역에 내린 강수량과 지하수위 변동과의 관계를 고찰하면 지하수위의 급작스런 감소가 있었던 시기인 2007년 4월과 5월 사이에 강수량이 적기는 하나 그 후 8월까지는 꾸준히 증가 추세이고 10월부터 강수량이 급격히 줄어 다음해 4월까지 이어 진다. 이로 미루어 볼 때 지하수위가 서서히 감소하였다가 서서히 증가하는 2007년 11월에서 다음해 3월의 기간은 강수량에 의한 기후 적 갈수기 영향이 확실하나 2007년 5월에서 7월 사이의 급격한 지하수위 변화는 강수량과는 무관함을 인지 할 수 있다.

이상에서 연구지역에 나타난 지표침하의 원인은 석회암이 분포하는 지역에서 나타나는 카르스트지형으로 표토와 암반의 불규칙한 경계가 역시 이 지역에도 존재한다. 풍화대가 깊은 곳은 지하 20m 이하까지 선별적으로 발달하고 이 풍화대와 연결된 터널 심도까지 발달하는 파쇄대와 석회암과 셰일, 석회암과 사암 및 탄질셰일과의 경계부에 발달하는 파쇄대들에서 터널 시공 시 일 1000톤 이상의 지하수가 용출되며 지하수위의 급작스런 감소가 생겨났다. 이러한 지하수의 급격한 하강 시 지반에 흡입력이 증가하면서 지표침하가 일어난 것으로 해석된다.

이러한 지표침하는 터널 내 지하수 유출을 막기 위한 차수 그라우팅 시공이후 터널 내 지하수 유출이 현저히 줄어들면서 지표의 지하수위도 안정세를 유지하고 더 이상의 지표 침하는 없었다.