절리구조 3차원 입체 영상화 기법(프리마기법) > 저서

2016년 12월 28일 발행

총 쪽수 411

저자 김중열

발행처 (주)소암컨설턴트

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물리탐사가 국내 토목분야에 접목이 된 시점은 약 1980년대가 된다. 당시 댐 제체 누수나 지하수(파쇄대) 탐지를 위해 전기 비저항탐사가, 천부 지층상태 파악을 위해 탄성파 굴절법 탐사가 사용되었다. 물리탐사가 국내 토목분야에서 공개적으로 큰 관심을 불러일으킨 사례는 1993년 구포기차전복사고 당시 새로운 기술 즉 탄성파 토모그래피 탐사기술에 의해 철도선로 하부 약 40m 전력구 터널 진행 상태를 정확하게 CT 촬영함으로써 당시 시공사(삼성건설)의 책임소재 법정시비를 쉽게 풀 수 있었다는 것이었다. 이러한 성과는 당시 탄성파 탐사 전용 뇌관 개발, 측정 시스템 개발, 토모그래패 분석 SW Package개발이 무엇보다 사건 바로이전 때맞추어 완성된데 있었다(김중열 등, 1993). 한편 터널설계에서 암반분류의 기준이 되는 Q-시스템이나 RMR은 무엇보다 절리에 대한 폭 넓은 정보를 요구하고 있다는 것은 잘 알려진 사실이다. 1995년 이를 위해 텔레뷰어 탐사 장비를 독일 DMT사로부터 도입하여 국내 서해대교 주탑 지반조사에 활용하였으며 그로부터 괄목한만한 성과를 거두게 되었다. 그 이후 약 5년간 텔레뷰어 탐사와 탄성파 토모그래피에 의한 결과가 대부분의 턴키 지반조사에서 주요 성과품으로써 긍정적으로 반영되었다. 2000년 초에는 부산 신항만 건설이 진행되면서 이전부터 불거진 사석침하량 판단에 대한 법정시비가 끝나지 않았다. 당시 해양수산부는 이에 대한 대처방안으로 탄성파를 이용한 정밀 탐사 기법(탄성파 토모그래피와 텔레뷰어의 병합기술)의 기능을 극대화하여 사석침하층에 대한 총체적인 정보(예: 사석층 경계면, 사석층 내부구조, S.C.P. 구조 등)를 얻을 수 있는 소위 사석침하량 조사기법을 개발하게 하였으며 나아가서 현장 검증 및 평가 후 기술의 표준화에 이르게 되었다. 1990년대는 국내 물리탐사 기술이 상기 과정을 거치면서 현실적으로 지반조사 분야의 상당한 발전을 촉구하기에 이르렀다. 반면 이러한 과정에서 하나의 불확실성이 극복되면 그 이후에는 더 큰 또 다른 불확실성이 눈에 띠기 시작한 것이었다. 예를 들면 텔레뷰어에 의해 하나의 시추공에서 수십 내지 수백 개의 절리(단층 포함)에 대한 정보(절리방향, 경사각, 강도 변화 등)가 정확하게 파악될 수 있게 되어 그 결과가 토목분야에서 크게 활용될 것으로 기대하였다. 그러나 그중 실제로 토목설계에 반영할만한 내용은 제한적이며 동시에 상당부분 불확실하다는 것이다. 우선 하나의 시추공에서 얻게 된 많은 양의 절리정보를 그 주위 지반에 바로 확대 적용하는 데에는 무엇보다 상당한 불확실성이 뒤따르고 있다는 것이다. 예를 들어 텔레뷰어에 의해 단층(절리)이 관찰되었다고 하더라도 그 단층(절리)면을 지하 공간에서 확대 전개하여 임의의 지점에서도 그 단층면을 인식할 수 있는 적절한 알고리즘이 필요한 것이다. 만약 터널 내 막장에서 터널진행 방향으로 천공하여 설사 텔레뷰어 혹은 BIPS에 의해 절리정보를 고분해능으로 얻게 된다고 하더라도 그들 절리 면들의 방향 및 경사를 3차원 공간에서 정확하게 표현할 수 있어야만 비로소 탐사의 효율성이 보장될 수 있다는 것이다. 이에 대한 부연설명을 요약하면 다음과 같다. 우선 지하에 N개의 절리 면이 존재한다고 가정하고 그 곳에 텔레뷰어 탐사 시추공이 천공되어 검층하면 공벽에는 N개의 교차선 타원이, 텔레뷰어 이미지에는 N개의 절리 정현곡선이 관찰될 것이다. 만약 탐사 시추공과 인접하여 새로이 천공한다면 그 시추공 공벽에도 대체로 N개의 교차선 타원이 관찰될 것이다. 역으로 텔레뷰어 탐사에 의해 얻게 된 N개의 교차선 타원을 지하 공간에서 각각 연장하여 N개의 절리 면을 만들 수 있다면 탐사 시추공 주위 어느 곳이든 적절한 전산 알고리듬에 의해 탐사 시추공 절리정보를 그대로 받아들일 수 있다는 것이다. 이러한 착상은 다시 face mapping 개념으로 이어지게 된다. 만약 탐사 시추공 주위에서 터널 노선이 계획되었다면 터널노선과 수직인 수직단면과 기존 N개의 절리 면들과의 교선들이 수직단면에 표현된 것이 바로 절리선 단면 결과(face mapping)이다. 그중 일부분이 바로 막장 face mapping이라 할 수 있다. 상기 절리선 단면 결과는 탐사 시추공 주위 임의의 수직 및 수평 단면에서도 가능하다. 보다 현실적인 표현을 위해 각 단면을 격자(cell)로 분할한 후 일정 절리틈새 값을 갖는 각 절리선이 그와 교차하는 격자에 틈새밀도로 특정지위지게 한다. 이때 각 격자에 부가되는 틈새 값은 각 격자를 절단하는 절리선의 길이에 비례한다. 편의상 상기 결과를 절리틈새밀도 분포라 하며 이러한 전산이 촘촘히 이웃하는 단면에도 적용되면 절리틈새밀도 3차원 입체화가 된다.

본문에서 소개하는 절리구조 3차원 입체영상화 기법 일명 프리마(PREMA: PREview of fracture face MApping)기법은 바로 지반상태를 바로 대변할 수 있는, 재래의 물리탐사기법 모두가 동원되더라도 결코 다다를 수 없는 지반정보를 제시하고 있다. 환언하면 한차례 텔레뷰어 탐사를 통하여 원위치 연속적인 암석강도 산출, 원위치 절리 거칠기 산출, 원위치 심도별 절리틈새 밀도 산출, 수평 주응력 분포 추정 등으로부터 각 절리 면의 3차원 입체화에 이르기까지 집대성한 소위 절리구조 3차원 입체화 기술은 무엇보다 절리발달 상태와 암석강도에 대한 정확성 및 객관성 면에서 기존의 것과 크게 차별화되고 또한 부차적으로 수직 및 수평 단면에 대한 절리 face mapping 미리보기를 가능하게 하기 때문에 향후 지반조사 분야에서 하나의 표준기술로 평가될 것으로 본다