싱크홀(Sink hole) 예방 및 대책에 관한 연구

2017. 12.

목    차

표 목 차	ⅲ

그림목차	ⅳ

Ⅰ. 서  론	1

Ⅱ. 이론적 개념	2

2.1 싱크홀의 개념	2

2.2 자연발생적 싱크홀	3

2.3 인공적 싱크홀(지반함몰, 지반침하)	5

Ⅲ. 국내ㆍ외 싱크홀 발생현황 및 유형	9

3.1 국외 싱크홀 발생 사례	9

3.1.1 미국	9

3.1.2 유럽	11

3.1.3 중국	13

3.1.4 일본	15

3.1.5 그 외 사례	16

3.2 국내 싱크홀 발생 사례	17

3.2.1 자연발생적 싱크홀	18

3.2.2 인공적 싱크홀	21

Ⅳ. 싱크홀 대책	28

4.1 국내 현행 제도의 문제점	28

4.2 해외의 싱크홀 대책	30

4.2.1 미국	30

4.2.2 일본	33

4.2.3 영국	37

4.2.4 미국과 호주의 싱크홀 대응 기준

및 매뉴얼	38

4.3 싱크홀 예방 대책 방안	43

4.3.1 석회암분포 상세 지질도 및 싱크홀

발생 위험지도 작성	39

4.3.2 폐광산의 GIS DB정보를 이용한 싱크홀

발생 위험지도 작성	41

4.3.3 3D 지하공간 통합지도 구축 및 지하공간

통합관리 체계 마련	42

4.3.4 싱크홀 사전 탐지 및 지하공동 탐지

기술 개발	45

4.3.5 굴착공사 주변의 안전관리 강화	50

참고문헌	51

표 목 차

표 1 미국 싱크홀 발생 사례	10

표 2 유럽 싱크홀 발생 사례	11

표 3 중국 싱크홀 발생 사례	13

표 4 싱크홀 발생 유형	17

표 5 국내 석회암지대와 폐광산에서 발생하는 싱크홀 사례	18

표 6 지반굴착에 의한 싱크홀 발생 사례	21

표 7 지하 시설물 누수로 인한 싱크홀 발생 사례	26

표 8 지반침하 및 기타 요인에 의한 싱크홀 발생 사례	27

표 9 싱크홀 발생 징후	31

표 10 미국 플로리다 지역의 싱크홀 방지를 위한 6가지 방법	32

표 11 일본 지반침하 규제	35

표 12 일본 지반침하 예방대책	36

표 13 국외 싱크홀 대응 메뉴얼	38

그 림 목 차

그림 1 싱크홀 발생 개념도	2

그림 2 지표 붕괴형 싱크홀의 발생 개념도	3

그림 3 지표 침하형 싱크홀의 발생 개념도	4

그림 4 지표 용해형 싱크홀의 발생 개념도	4

그림 5 지하 매설관로 노후로 인한 싱크홀 모식도	5

그림 6 부실 우수관로 균열부 및 주변 토사 침전물	6

그림 7 건축물 기초터파기로 인한 싱크홀 모식도	6

그림 8 지하수 유입으로 인한 싱크홀 모식도	7

그림 9 방수기법 차이로 인한 접합부 누수현상	8

그림 10 2013년 미국 플로리다 클레르몽 베이 리조트

싱크홀 사례	10

그림 11 스페인 산 세바스티안의 싱크홀 발생 사례	11

그림 12 이탈리아 피렌테 도심 싱크홀 발생 사례	12

그림 13 독일 슈말 칼덴 도심 싱크홀 발생 사례	12

그림 14 중국 광동성 광저우시 싱크홀 발생 사례	14

그림 15 중국 허베이성 우안시 싱크홀 발생 사례	14

그림 16 일본 후쿠오카시 하카다 역 싱크홀 발생 사례	15

그림 17 콰테말라시티 싱크홀 발생 사례	16

그림 18 전남 무안읍 일대의 지질분포도	20

그림 19 문경 가은읍 왕능리 일대 지질분포도	20

그림 20 인천 지하철 공사장 싱크홀 발생 사례	22

그림 21 송파구 일대 지하 공동 발생 사례	24

그림 22 송파구 일대 싱크홀 발생 사례	24

그림 23 서울 방이동 일대 싱크홀 발생 사례	25

그림 24 부산시 해운대구 제송동 싱크홀 발생 사례	25

그림 25 지반 침하에 의한 싱크홀 발생 사례	27

그림 26 미국 증발잔류암과 석회암류의 분포도	30

그림 27 미국 중서부의 Missouri주의 싱크홀 분포도	31

그림 28 SAR(Synthetic Aperture Radar)를 이용한

싱크홀 예측 사례	32

그림 29 일본 각 지방의 지질정보협의회	33

그림 30 간사이 지역의 지질정보 DB 구축 사례	34

그림 31 고베-오사카 지질단면 정보	34

그림 32 3D 지질모델링(BGS)	37

그림 33 시추 자료를 바탕으로 2D/3D 지질도 작성(BGS)	37

그림 34 국내 석회암 분포도(1:20만)(한국지질자원연구원)	40

그림 35 국내 석회암 지대의 싱크홀 발생 위치 및

위험도(한국지질자원연구원)	40

그림 36 국내에 분포하고 있는 폐광산 위치(한국지질자원연구원)	41

그림 37 지하정보 분포 모식도(한국시설안전공단)	42

그림 38 2D지하정보와 3D지하정보 예시 비교(한국시설안전공단)	43

그림 39 지하공간의 통합지도 개념도(한국시설안전동단)	43

그림 40 다점온도 모니터링의 근본원리 모식도(국토교통부)	46

그림 41 미소진동 모니터링의 근본원리 모식도(국토교통부)	47

그림 42 시추공을 이용한 전기비저항 토모그래피 탐사적용

사례(한국지질자원연구원)	48

그림 43 전남 무안읍 응월리 석회암 싱크홀 발생 현장	49

그림 44 3차원 전기비저항탐사 결과로부터 석회암 공동분포 해석	49

1장 서 론

최근 5년간 우리나라의 지반함몰(싱크홀) 발생건수는 2011년 573건에서 2015년 1035으로 증가하고 있으며, 이 중 88%가 서울시에서 발생하고 있어 시민의 안전이 우려되며 언론을 통해 보도되어 많은 시민이 불안감을 느끼고 있는 실정이다.

국내의 경우 불과 얼마 전까지만 해도 지반함몰(싱크홀)이라는 단어는 일반 사람들에게 매우 생소한 단어였으며 지반, 지질 등 관련 전문가에게도 자주 회자되지 않던 용어라 할 수 있다.

우리나라 도심지에서 일어나고 있는 지반함몰(싱크홀)은 석회암 지역에서 발생하고 있는 지반함몰(싱크홀)과는 지하공동발생 메커니즘과 그 원인이 다르다. 싱크홀은 석회암이 분포하고 있는 지역에서 발생한다. 석회암의 주성분인 탄산칼슘이 탄산가스가 녹아있는 지하수에 의해 용해되어 공동이 발생되고, 이것이 지표부근까지 확대되어 상부 지층이 갑자기 무너져 내려 생긴 구멍을 말한다.

반면, 우리나라는 동공이 발생될 수 있는 자연적 원인인 석회암층이 매우 적으며, 주로 화강편마암 지질로 구성되어 있기 때문에, 미국 플로리다와 같은 자연발생적인 대규모의 싱크홀이 발생하기는 어렵다. 국내에서 서울을 중심으로 발생하고 있는 지반함몰(싱크홀)은 자연적 원인에 의해 발생되는 것이 아니라 인공적 원인으로 의해 발생된 것으로 노후화된 하수관로 등의 파손에 의한 공동 발생, 지하수 유동 변화에 의한 토사유실, 지하구조물 공사 등에 기인한 것으로 확인된 바 있다. 서울시 발표에 따르면 2010년부터 2014년 7월까지 지반함몰(싱크홀) 건수 3119건 중 하수관 파손에 의한 것이 2636건으로 가장 많고, 그 다음으로 인접 굴착공사, 상수도관 파손 등으로 나타났다. 이와 같이 인공적 원인에 의해 발생되는 지반함몰(싱크홀)의 경우 도시개발 및 도시의 노후화 등에 주요 원인이 있다고 볼 수 있으며 원인 및 책임소재를 명확히 구분할 수 있는 인재로 고려해야 된다.

국내에서 발생하는 지반함몰(싱크홀)의 경우 발생 원인에 대한 조사 및 분석, 관련 문제 해결을 위한 기술적 검토 및 연구개발, 발생 원인을 제거 또는 최소화할 수 있는 정책적 제도 등이 뒷받침 된다면 충분히 예방 및 대응이 가능한 사고라 할 수 있다.

2장 이론적 개념

2.1 싱크홀의 개념

싱크홀이란 지하 암석이 용해(dissolution)되거나 지하공동(underground cavity)이 붕괴 되며 지반이 원기둥이나 깔때기 모양으로 가라앉는 현상을 말한다. 여기서 암석의 용해란 지표수가 이산화탄소를 흡수하는 과정과 식물의 대사 작용에 참여하는 과정을 통해 산성화가 되는데, 이 산성화된 지표수가 기반암으로 흘러가면 암석의 구조적 결속력(structural integrity)을 약화시킨다. 특히, 기반암이 석회석이나 탄산염암석과 같은 부드러운 광물로 이루어졌을 때 이러한 현상이 두드러지게 나타나게 된다. 아래 그림1은 싱크홀의 발생 개념도를 도식화한 것이다.

<그림 1. 싱크홀 발생 개념도>

2.2 자연발생적 싱크홀

주로 용해가 잘 되는 석회암 지역에서 발생하는데 오랜 기간 동안 흐르는 지하수에 의해 석회암이 녹게 되고 이러한 현상이 지속되면 지하수 길이 점점 커지며 결국 큰 공동이 형성된다. 땅속으로 2.5m 깊이 들어갈 때마다 1기압씩 압력이 증가하므로, 깊이 25m의 암반층에는 10기압이, 250m지점에는 100기압의 압력을 받는데, 이러한 힘을 지하수가 버티고 있다가, 어느 순간 지하수위가 저하되면 물로 가득 차 있던 공동이 비어있는 상태가 되고 지하수로 인해 존재하던 수압이 사라지게 되면서, 결국 상부하중(overburden pressure)을 견디지 못한 공동이 무너지며 싱크홀이 발생하게 되는 것이다. 이러한 자연현상으로 만들어지는 싱크홀은 크게 세 가지로 분류할 수 있다.

① 지표 붕괴형 싱크홀(Cover-collapse sinkhole)

이 형태의 싱크홀은 상부 퇴적물이 점토같이 부드러운 물질로 되어있을 때 발생한다. 지하공동이 기반암 아래에 생겨 상부퇴적물의 일부가 공동에 의해 만들어진 빈 공간으로 떨어져 들어가 표토층을 점차 약하게 만들어진다. 결국은 약해진 상부퇴적물이 함몰되며 붕괴가 일어난다. 대부분 대규모의 싱크홀이 생기면 매우 오랜 시간이 걸리지만 붕괴는 갑자기 일어나기 때문에 피해가 매우 심각하다.

<그림 2. 지표 붕괴형 싱크홀의 발생 개념도>

② 지표 침하형 싱크홀(Cover-subsidence sinkhole)

이 형태의 싱크홀은 작은 규모로 발생한다. 표층이 사질토인 경우가 많으며 동시에 지하수가 지표에 가까울 경우 주로 발생한다. 점진적으로 가라앉는 것이 특징이며 대부분의 경우 주택의 정원 내에서 발생하기도 한다.

<그림 3. 지표 침하형 싱크홀의 발생 개념도>

③ 지표 용해형 싱크홀

이 형태의 싱크홀은 지표면에 노출된 석회암이 지표수나 빗물에 의해 용해되면서 발생하는 유형으로 암반표면으로부터 용해가 진행되어 점진적인 진행에 의해 작게 용해된 부분이 점진적으로 진행된다. 또한 싱크홀로 유입된 암석파편은 배수 흐름을 막아 물웅덩이나 습지가 형성될 수 있다.

<그림 4. 지표 용해형 싱크홀의 발생 개념도>

2.3 인공적 싱크홀(지반함몰, 지반침하)

도심에 생기는 싱크홀은 지하수 네트워크에 이상이 생기면서 만들어진 것인데, 지하수를 너무 많이 끌어다 쓰면 지하수가 감당하던 압역을 땅 속 공간이 고스란히 받게 되고, 그 결과 지표가 무너져 싱크홀이 만들어진다. 지하수를 대량으로 양수(pumping)할 경우(대규모 식수개발, 대규모 지하 터파기, 지하철 공사 등)에 멀리 떨어진 곳의 지반도 내려앉는데, 이는 지하수도 지표수처럼 높은 곳에서 낮은 곳(수두차)을 향해 흐르므로, 지하수위가 낮은 지점에서 물을 많이 끌어 쓰면 높은 곳에 있는 지하수가 이동해 공동이 생기면서 땅이 내려앉게 되는 것이다. 2005년 6월 전남 무안과 2008년 5월 충북 음성에서 발생한 싱크홀도 이와같은 원인으로 발생한 것으로 밝혀졌다.

또한, 이 밖에도 지표수 물길을 다른 곳으로 돌릴 경우 그동안 물이 많지 않았던 흙에 물이 가득해질 수 있는데, 평소 물이 많지 않던 지반에 지표수가 유입되면 지반의 유효응력이 감소하게 되고 이로 인해 상재하중을 견디지 못한 지반이 무너져 내리게 되기도 한다. 또한 공장에 쓸 저수지를 모래가 많은 지표층 위에 만들거나 도시 상하수관이 새면서 주변 흙에 물이 많이 스며들어도 싱크홀이 생길 수도 있다. 인공적인 싱크홀 발생 원인을 정리하면 다음과 같다.

① Life Line(상하수도, 전력통신구 및 가스관로) 중 상하수도 지하 매설관로 노후로 인한 누수발생 후 주변지반의 급속한 동공화

<그림 5. 지하 매설관로 노후로 인한 싱크홀 모식도>

특히 하수도 또는 우수관 등의 비압력 지하 매설관로 시공부실 및 노후화에 따른 균열부위 주변 토사의 유입으로 인한 급속한 동공발생 및 그 확대로 기인한 지반침하 가능성 증가로 최근까지 도심지 싱크홀의 주원인으로 의심되고 있다.

<그림 6. 부실 우수관로 균열부 및 주변 토사 침전물>

② 조립토(실트질 지반 일부)지반 내에 대규모건축물 기초터파기 공사 시 차수벽 시공부실 및 양수를 목적으로 하는 무분별한 지하수 방출과 더불어 기초주변 토사의 급격한 유실로 인한 싱크홀 발생, 또는 조립토(실트질 지반 일부)지반 내에 대규모건축물 기초터파기 공사 중 암반 내 피압대수층(Confined Aquifer)을 교란시켜 다량의 대수층의 지하수를 양수하게 됨으로써 지표층의 대수층 유입을 유도하게 되어 발생하는 싱크홀 현상

<그림 7. 건축물 기초터파기로 인한 싱크홀 모식도>

③ 조립토(실트질 지반 일부)지반 내에 개착공법으로 시공된 지하차도 하부의 지하수이동에 의한 국부적인 동공화로 인한 지표면 싱크홀 발생, 또는 조립토(실트질 지반 일부)지반 내에 지하구조물 건설시 막장면 관리 부실로 다량의 지하수 유입으로 인한 상부 지표면 동공발생

<그림 8. 지하수 유입으로 인한 싱크홀 모식도>

④ 조립토(실트질 지반 일부)지반 내 건설된 지하구조물의 공법차이로 인한 구조물 접하부 지하수 누수 현상 발생으로 인한 상부 지반의 동공화 발생

터널시공 시 지반 및 교통조건에 의해 개착시공과 NATM 시공부, 비개착시공과 NATM 시공부, TBM시공과 NATM시공부 등으로 나누어 공사가 진행되는데, 최종 구조물이 상호 접합하는 부분에서 방수기법이 달라서 발생하는 접합부 누수현상 등이 있다.

<그림 9. 방수기법 차이로 인한 접합부 누수현상>

3장 국내ㆍ외 싱크홀 발생현황 및 유형

3.1 국외 싱크홀 발생 사례

미국을 비롯한 중국, 일본, 멕시코 등 해외에서 발생하는 대규모 싱크홀은 대부분 자연 형상으로 인한 싱크홀 발생이 두드러지며, 이는 기후변화에 의한 지표수의 성질변화 또는 집중호우에 의한 토실유사가 많은 영향을 미치는 것으로 조사되었다.

석회암지대에서 지하수에 의한 용해작용으로 지하공동이 형성되고, 지하수위 상승과 하강으로 지표가 붕괴되어 나타나는 것으로 발생 메커니즘이나 원인은 동일하다.

3.1.1 미국

표 1에서 샌디에고 시내 지반 함몰, 플로리다 주 함몰 사고는 지하 상수관 파손 및 공사에 의한 누수로 인해 토양의 석회가 용해되어 발생한 싱크홀 사례로 판단된다.

그림 10은 2013년 8월에 발생한 플로리다 주 3층 리조트가 함몰된 싱크홀 사례이다. 이 사례는 휴가철 발생한 사고로 많은 인명피해 발생이 예상되었으나 투수객의 신속한 대피로 인명피해가 발생하지 않았다. 이는 미국의 싱크홀 사고 발생 시, 국가의 기술적ㆍ경제적 대응체계가 잘 적용된 사례로 판단된다.

<그림 10. 2013년 미국 플로리다 클레르몽 베이 리조트 싱크홀 사례>

<표 1. 미국 싱크홀 발생 사례>

발생년도	발생장소	규모
1981년	미국 플로리다 지질층	지름 105m, 길이 30m
1989년	펜실베니아주 도로함몰	-
2007년	샌디에고 시내 지반 함몰	지름 12m, 길이 20m
2010년	북중미 과테말라 화산재 지질층	지름 18m, 길이 60m
2013년	플로리다주 3층 리조트 함몰	지름 18m, 깊이 5m
2014년	테네시 Austin Peay 대학 경기장 붕괴	-

3.1.2 유럽

유럽은 도심지에 인구 과밀화 현상이 높고, 지하시설물 등의 오랜 사용으로 많이 노후화 되어 있지만 현재 유럽 경제상 시설물 교체가 어려운 실정이다. 하지만 유럽 내에서도 최근 싱크홀 사고가 다수 발생하고 있어 지하시설물의 지반 안정성 등에 대한 파악이 필요하다.

유럽에서는 주로 도로 하부 지하시설물이 매설된 위치에서 다양한 싱크홀이 발생하고 있으며, 싱크홀 발생 사례는 다음과 같다.

<표 2. 유럽 싱크홀 발생 사례>

발생년도	발생장소
2002년	스페인 카스텔 데 페스
2003년	포르투갈 리스본
2007년	이탈리아 갈리폴리
2008년	스체인 산 세바스티안
2009년	스페인 테 네리페
2010년	독일 슈말 칼덴
2014년	영구 켄트주 메이트스톤

<그림 11. 스페인 산 세바스티안의 싱크홀 발생 사례>

<그림 12. 이탈리아 피렌테 도심 싱크홀 발생 사례>

<그림 13. 독일 슈말 칼덴 도심 싱크홀 발생 사례>

3.1.3 중국

중국은 한국과 비슷하게 급속한 경제 발전이 이루어지면서, 지역의 향후의 구조적 안정성 검토 보다는 무분별한 개발에 초점을 두고 있는 상황이다. 중국의 경제 개발로 인한 문제는 비교적 한국보다 빨리 대두되고 있으며, 중국 내에서 발생한 싱크홀 사례는 다음과 같다.

<표 3. 중국 싱크홀 발생 사례>

발생년도	발생장소	규모
2006년	중국 북부 고속도로	길이 10m, 폭 10m
2008년	중국 광동성 광저우시	직경 15m, 깊이 5m
2011년	중국 항주 저장성	도로 붕괴
2012년	중국 상하이	너비 2m, 깊이 5m
2012년	중국 산시성 시안	폭 10m, 깊이 15m
2013년	중국 허베이성 우안시	지름 50m, 깊이 20m

가장 큰 피해로는 2013년 5월말에 중국 허베이성의 우안시 허우산촌에 있는 공장부지가 싱크홀에 의해 갑자기 무너져 내려 건물 안에서 자고 있던 16명의 건설 노동자가 참변을 당한 사례가 있다. 당시 싱크홀은 지름 50m, 깊이 20m로 초대형 규모에 속한다. 허베이성 싱크홀의 경우 정확한 원인은 밝혀지지 않았지만 전문가들은 무분별한 도시 개발과 채굴을 참사의 주된 원인으로 추정하였다.

표 5와 같이 중국의 싱크홀 현상은 2000년대 들어 발생한 것으로, 중국은 급격한 경제 개발과 맞물린 시기라 할 수 있다. 중국의 경제 발전으로 인해 지반침하 문제는 중국 전역의 문제로 대두되고 있으며, 2012년 2월 24일까지 중국 전역의 지반침하 사례는 693건으로 확인되었다. 그 중 20cm 이상의 지반 침하된 지역은 50곳에 달하며 지반침하 사례는 급격하게 증가하고 있는 추세이다.

중국 전역에서 발생하는 싱크홀 현상은 아직 분명하게 규명되지 않았지만, 전문가들은 무분별한 지하수 개발로 지반이 약해지는 현상과 일정부분 연관이 있다는 분석을 내놓고 있다. 특히 베이징의 경우 지하수 난개발로 인해 지반이 약해져 현재까지 2,650[eqn: km ^{2}] 규모의 지반이 침하되고 있어 중국 또한 싱크홀 발생을 사회적 이슈사안으로 심각하게 분석하여야 할 것이며, 싱크홀 발생에 대응하기 위한 체계 마련이 시급하다.

<그림 14. 중국 광동성 광저우시 싱크홀 발생 사례>

<그림 15. 중국 허베이성 우안시 싱크홀 발생 사례>

3.1.4 일본

일본의 경우는 자연적으로 생기는 싱크홀 보다는 인공적 싱크홀이 발생하는 경우가 주를 이룬다. 또한 일본은 지반함몰보다는 지반침하에 더욱 민감하며, 일본에서는 주로 연약지반으로 인한 침하 발생이 두드러진다. 이는 지하수와 지진이 많은 영향을 미치는 것으로 보인다.

가장 큰 사건은 최근 2016년 11월 후쿠오카시 하카다 역 주변 도로에 싱크홀 발생이다. 세로 10m, 가로 15m에 걸쳐 지반함몰이 발생하였으며, 시간이 경과할수록 지반함몰은 더욱 커져 결국 5차선 도로의 너비와 맞먹을 점도로 거대해졌다. 이로 인해 800여 가구가 정전을 겪고, 주변 10개 빌딩 내에 있는 사람들은 대피하였으나 인명피해는 없었다. 지하철 연장 공사가 원이이라 분석되며 터널 굴착 공사 중 공사 현장 천장에서 물이 흘러나오자 공사를 중단하였고 그 직후 바로 지반함몰이 발생되었다.

<그림 16. 일본 후쿠오카시 하카다 역 싱크홀 발생 사례>

3.1.5 그 외 사례

그 외 대표적 싱크홀 사례로 과테말라 콰테말라시티 공장 지대 싱크홀이다.

2010년 5월 콰테말라 콰테말라시티 공장 지대 일부가 땅 밑으로 꺼지면서 지름 20m, 깊이 30m의 싱크홀이 생겼다. 이 과정에서 3층 높이의 공장이 그대로 붕괴됐고 15명이 숨졌다. 콰테말라정부는 중남미를 강타한 열대성 폭풍인 ‘에거사’가 몰고 온 집중호우로 인하여 지하지반이 휩쓸려 생긴 싱크홀이라 발표하였지만, 현지 지역주민 및 지질학자들은 부실한 배수체계 및 노쇠한 배수관이 파손되면서 흘러나온 물로 인한 토사 유실이 원인이라고 추정하였다.

<그림 17. 콰테말라시티 싱크홀 발생 사례>

3.2 국내 싱크홀 발생 사례

국내 싱크홀의 발생 유형은 크게 자연적인 요안과 인위적인 요인으로 구분된다. 먼저 자연적인 요인으로 석회암 공동이나 인공적으로 조성된 동굴(탄광 등)의 천정 붕괴 사례가 대표적이다. 인위적인 요인으로는 굴착공사에 따른 지반 약화 및 붕괴, 지하수 유출에 따른 토사유실, 상하수관, 전기ㆍ통신관로 등 지하매설물 주변의 다짐 부실, 노후ㆍ충격ㆍ침하 등으로 파손된 상하수관의 누수에 따른 토사 유실, 건축물 등 지하구조물의 지하수위 저하에 따른 영향 등으로 발생이 가능하다.

<표 4. 싱크홀 발생 유형>

유형		유형별 원인	발생빈도
자연적 요인		자연ㆍ인공적으로 형성된 동굴이 무너지는 현상 석회지반이나 폐탄광 지역에서 주로 발생	규모는 매우 크나 국내 발생빈도는 매우 낮음
인위적 요인	굴착	굴착에 따른 충격, 지하수 유출 등으로 발생하며, 지하수위 변화에 민감한 충적층에서 주로 발생	다양한 크기의 침하가 발생하고, 발생빈도는 중간 수준
	지반약화	다짐이 부실한 지반이 압축되거나 빗물ㆍ지하수 등에 침식되어 발생하며, 넓은 면적에 낮은 깊이로 발생	지하매설물 주변에서 주로 발생하며, 발생빈도는 중간수준
	상하수도	상하수관의 누수로 토사가 유실되어 발생 상하수관의 노후화나 굴착ㆍ매설공사에 따른 관로 파손이 주원인	대부분 규모가 작고, 발생빈도는 매우 높음
	지하수 유출	농업, 공업용수 등 과도한 지하수 배출로 발생 건축물, 지하철 등의 배출에 따른 침하는 아직 보고된 바 없음	발생빈도는 매우 낮음

3.2.1 자연발생적 싱크홀

국내의 석회암지대와 폐광산에서 발생하는 대표적인 싱크홀 사례는 표 10와 같다.

<표 5. 국내 석회암지대와 폐광산에서 발생한 싱크홀 사례>

석회암지대 싱크홀은 석회암이 분포하고 있는 지역에서 발생하고, 폐광산에서의 싱크홀은 금속광산을 비롯한 석탄광산, 골재 및 석재 채굴적 등에서 발생하고 있다. 특히 충북 청원군 가덕면 일대에서 발생하고 있는 싱크홀은 석재로 석회암을 채굴한 뒤 방치된 폐갱도로 지하수가 방출되어 갑작스런 지하수위 하강으로 폐광산 주변에서 싱크홀이 빈번히 발생되고 있다.

또한 전영적인 석회암지대의 싱크홀은 전남 무안읍일대를 들 수 있다. 전남 무안읍 시가지와 주변의 농경지에서 여러 차례 싱크홀이 발생하여 가옥이 붕괴되고 농경지가 유실되는 등 피해를 가져왔다. 무안읍 일대의 싱크홀 발생원인은 아래와 같이 지질 구조적 측면과 상부지반의 특성 및 지하수 개발 측면을 볼 수 있다.

① 지질구조적 측명

- 지질조사자료에 의하면 그림 18과 같이 광주 단층대가 조사대상지역을 통과

- 수직에 가까운 단층대로 추정되며, 석회암 지대의 층리는 60° 이상의 고경사

- 시추코어조사에 의하면 많은 절리들이 혼재

- 따라서 좁은 폭을 가진 네트워크 형태의 작은 석회 공동들의 존대 가능성

② 상부지반 특성 측면

- 시추조사에 의하면 지표하 4m 내외 두께의 토사층은 점토질이 많은 점성토의 특성을 보이는 것이 많음.

- 따라서 작은 싱크홀 형태의 지반 함몰 발생 가능성

③ 지하수 개발 측면

- 이 지역은 기본적으로 유량이 풍부하고 지질구조상 단층대, 절리 등의 존재로 지하수 유동성이 클 것으로 추정

- 과거 지하수 개발로 인한 지하수위 강하 영향 : 이로 인한 지하수위 강하는 최대 지표하 30m까지로 추정

- 지하수 강하로 인한 천부의 작은 석회 공동 형성 및 장기적으로 상부 토사층의 하부 석회 공동 내로 유입 및 유실로 인한 소규모적 싱크홀 발생 가능성

<그림 18. 전남 무안읍 일대의 지질분포도>

경북 가은읍 왕능리는 문경탄전의 은성갱도 주변으로 석탄합리화사업으로 폐광된 이후 지반안정성 문제가 제기되어 여러 차례 지반조사가 이루어졌다. 그림 19에서와 같이 왕능리 일대에도 석회암이 분포하고 있어 탄전에서 석탄 챙광을 하면서 주변 지하수가 유출되어 인위적으로 지하수위가 하강하면서 석회암 공동 상부가 함몰되어 싱크홀이 발생한 것으로 보고 있다.

<그림 19. 문경 가은읍 왕능리 일대 지질분포도>

3.2.2 인공적 싱크홀

최근 국내 시가지를 중심으로 발생하는 싱크홀은 자연적 현상에 의한 발생과 달리 인공적 요소에 의한 인공적 싱크홀이 대부분이다.

현재까지 국내 지반함몰에 대한 통계조사에 따르면 지속적으로 지반함몰 발생빈도가 높아지고 있으며, 초기 발생된 함몰보다 규모 또한 높아지고 있는 상황이다. 국내에서 발생하는 싱크홀 사례는 하수관의 노후화 또는 부실시공 이음에 의한 누수로 인해 주로 발생하는 것으로 분석되고 있다.

국내에서 발생하는 지반 함몰의 주요 원인을 크게 네 가지로 구분할 수 있으며, 최근 사례를 통해 주요 원인을 파악하였다.

① 지반굴착 및 주변 공사로 인한 발생

아래 표 11에서 제시한 사례는 건축물 굴착공사를 진행하면서 발생한 토사 유실에 의한 싱크홀 사례이다. 이와 같은 사례는 주로 지하수가 높은 토사지반에서 지하 터널 굴착공사를 진행할 때 발생되며, 지반이 붕괴되어 터널 상부에 공간이 형성되어 발생하는 침하 사례이다.

<표 6. 지반굴착에 의한 싱크홀 발생 사례>

연도	장소	원인
2007년	서울시 서대문구 가좌역	옹벽붕괴로 인한 선로 파괴
2012년	인천 지하철 공사장	지하철공사에 의한 지하 공동 발생
2014년	인천도시철도 2호선 201공구 공사장	지하철 터널 공사 영향
2014년	전남 목포시 산정동 신안비치 아파트	주변 터파기 공사 영향
2014년	영종하늘도시 신명스카이뷰	굴착공사로 인한 토사유실
2014년	서울시 송파구 석촌동 9호선	지하철 공사영향

국내에서 발생한 싱크홀 사례 중 지반 굴착공사에 의한 사례는 대표적으로 두 가지를 들수 있다.

2012년 2월 인천시 서구 왕길동 검단사거리부근 도심지에서 인천지하철 2호선 공사현장 주변 왕복 6차선 도로 한 가운데서 붕괴가 발생하여 이곳을 지나던 시민 1명이 사망하고 수도관이 파열되어 서구 왕길동과 오류동 일대 수천 가구에 상수 공급이 중단되는 사고가 발생되었다. 아래 그림 20에서 보여지는 지반함몰부분은 폭 약 12m, 길이 약 14m, 깊이 27m의 크기로 사고 원인은 지하철 굴진공사로 인한 하부의 지반침하와 이 침하로 인한 상부의 대형 상수도관파열, 그리고 주변의 토사 지지력 약화가 복합적으로 연결된 재해로 분석되었다. 이 싱크홀의 원인을 순차적으로 본다면 첫 번째는 하부지반의 지하철 터널 굴진작업이 이루어지고 있는 동안 서서히 상부 지반이 침하가 진행되고 있었으며 그 후 상부지반의 침화를 통해 상수도관의 누수가 중첩되면서 토사의 유실이 이루어졌다, 마지막으로 상부 하중이 그대로 작용하여 붕괴되는 순서로 연결된 사고이다.

<그림 20. 인천 지하철 공사장 싱크홀 발생 사례>

또 다른 예시는 서울 송파구 일대를 들 수 있다. 송파구 일대에서는 여러건의 싱크홀이 비슷한 시기에 발생하였다. 2014년 8월 지하철 9호선의 터널공사 주변인 석천동 석촌지하차도 종점부에서는 폭 2.5m, 길이 7~15m, 깊이 10m 크기의 지반함몰이 발생하였다. 또한 석촌지하차도 싱크홀 원인 조사 중 인근 지역에서 폭 5~8m, 깊이 4~5m, 연장 80m,의 동공을 비롯한 다수의 동공이 추가로 발견되었다.

지반함몰 원인분석을 보면 이사고 역시 복합적인 원인들로 발생하였음을 알 수 있다. 첫 번째는 하수관의 노후와 손상으로 인한 내용이다. 노후와 손상의 형태를 보면 노후화로 인한 부식, 균열, 접합불량, 관 주변 굴착공사, 되메우기 도중의 과도한 하중으로 인한 배관의 어긋남 등이다. 두 번째는 도로 시공불량 및 지하공사 관리 소홀이다. 이 경우는 굴착공사로 인한 지하수의 저하로 침하가 급격히 진행된 것으로 의심되었다. 지하굴착에 의한 지반함몰 규모는 상대적으로 크게 나타나는 양상이 될 수 있다. 따라서 사전 지반조사 및 철저한 공사 관리가 필요하며 석촌지하차도에서 발생한 대형 동공역시 공사 중 관리소홀로 추정된다.

<그림 21. 송파구 일대 지하 공동 발생 사례>

<그림 22. 송파구 일대 싱크홀 발생 사례>

②지하 시설물의 누수로 인한 발생

아래 표 12는 상하수도 등 지하 시설물의 누수로 인해 발생하는 싱크홀 사례이며, 관 누수로 인해 발생하는 싱크홀은 발생빈도가 가장 높다. 상하수도 관에서의 누수는 상하수도 연결부의 노후화, 지반 침화와 같은 외적 요인에 의한 연결부 파손으로 인하여 연결부 및 노후화된 부위에서 누수가 발생되고, 토사가 물과 함께 빠져나와 유실이 되면 지반에 공간이 형성되고 지반의 응력 한계치에 달하면 지반함몰이 발생하게 된다.

<그림 23. 서울 방이동 일대 싱크홀 발생 사례>

<그림 24. 부산시 해운대구 제송동 싱크홀 발생 사례>

<표 7. 지하 시설물 누수로 인한 싱크홀 발생 사례>

연도	장소	원인
2012년	부산시 해운대구 제송동	하수관거 파손
2014년	서울 영동포구 국회의사당 앞	지중 매설관 주변 토사 유실
2014년	서울 방이동 이면도로	가정 하수관 연결공사로 인한 빗물받이 연결관 파손
2014년	서울 방이동 잠실	상수도관 누수
2014년	서울 방이동 방산초등학교 인근도로	통신선로 공사로 인한 빗물받이 연결관 파손
2014년	서울 잠실종합운동장 동문 앞	하수박스 분기지역 임시 거치 나무판 파손

③ 연약지반의 침하와 기타요인으로 인한 발생

아래 표 12는 연약지반의 침하와 기타원인으로 발생한 사례이다. 연약지반에서의 지반침하는 상부 지반의 작은 침하로 인해 하부에서 더 큰 침하가 발생하여 싱크홀이 발생하게 된다. 우리나라는 상하수도 매설심도가 1.2m정도이기 때문에 연약지반 상부에서 하중이 가해지면 부분적으로 지반침하가 발생하여 하부에 매설된 관이 파손되는 경우가 종종 나타난다.

<표 8. 지반침하 및 기타 요인에 의한 싱크홀 발생 사례>

연도	장소	원인
2008년	울산광역시 북구 천곡동	공사현장 발파 및 집중호우
2013년	울산광역시 남구 삼산동	연약지반 침하 영향
2013년	부산광역시 북구 화명동	연약지반 침하로 인한 관로 손상
2014년	서울 여의도 국회의사당 앞	포장공사 불량

이 외 기타 싱크홀 발생 요인으로 지반의 동상, 굴착공사 시 지반 진동, 발파 작업, 포트홀 등이 있다.

<그림 25. 지반 침하에 의한 싱크홀 발생 사례>

4장 싱크홀 대책

4.1 국내 현행 제도의 문제점

① 지하공간 이용에 대한 총괄법령 부재 및 지반정보 분산관리

현재 국내 지반 및 지질 등 지하공간 이용에 대한 총괄법령이 아직 없는 상황이고, 지질 및 지하수 등 지반에 대한 정보도 관련기관과 지자체가 각각 분산하여 관리하고 있는 실정이다. 지반정보의 구축 및 보유 현황은 14개의 시설물 정보와 4종류의 지질정보를 11개 법령에 따라 5개 부처가 총괄하고, 중앙부처, 지자체, 공공기관, 민간업체가 각각 구축하여 관리하고 있는 실정이다. 이로 인하여 지하매설물, 지반 등 지하상황과 관련된 정보를 통합관리하는데 어려움이 발생하고, 총괄 컨트롤 타워의 부재로 인해서 안전한 지하 이용을 위한 정책개발에도 한계점을 가진다.

② 지하수 변동에 관한 조사 및 관리 미비

지하수는 “지하수법”과 “환경영향평가법”에서 지하수 영향을 조사 및 평가하도록 규정하고 있으나, 수질 등의 지하수 이용과 보존에만 중점을 두고 있다. 또한, 환경영향평가에서 사전재해영향평가는 자연재해 위험을 평가하여 도심지 침하와는 전혀 무관한 것으로 조사되었다. 이를 통해 도심지 개발 중 발생하는 지하수 변동에 대한 조사 및 관리는 미흡한 것으로 나타났다.

③ 지반특성을 고려하지 않은 굴착공사 세부지침

굴착공사 시 설계ㆍ시공기준에 계측, 보강, 다짐 등 굴착에 필요한 안전기준을 규정하고 있으나, 지반상태에 따른 구체적인 세부실행이나 지침은 미흡한 것으로 조사되었다. 이에 따라 지반 특성을 고려하지 않은 채 일괄적인 기준에 의해 실시된 굴착 공사로 인하여 지반이 취약하거나 지하시설물이 밀집된 지역은 위험도가 높은 것으로 조사되었다.

④ 상하수도의 보수보강 미흡

상하수도에 있어서 수도관은 “수도법”에 따라 5년 주기로 기술진단을 실시해야 하며, 하수도관은 “하수도법”에 따라 5년 주기로 실태점검을 실시해야 한다. 이에 따라 상하수도 기술진단과 하수도 실태점검을 통해 관로의 노후, 누수 등을 확인하고 있으나, 정부의 부족한 국고지원과 지자체의 열악한 재정여건으로 상하수도 시설물의 보수 및 보강은 미흡한 것으로 조사되었다. 이로 인하여 국내 상하수도 전체 관로 중 20년 이상 사용한 노후화된 관로가 30%수준에 달하고 있어, 관로의 누수 등에 따른 지반침하의 위험이 증가하고 있는 상황이다.

⑤ 지하구조물 및 매설물의 구체적 기준 미비

지하시설물과 관련하여 지하매설물이나 지하 건축물 등 구조물에 의한 인접지반의 영향분석 또는 매설물 간격에 대한 구체적인 기준이 미비한 것으로 조사되었다. 이는 지하구조물의 침수와 부력에 의한 건축물의 안정성 저하를 방지하기 위해 지하수를 배출하고 있느나, 배출에 따른 영향분석은 실시하지 않고 있는 것으로 판단할 수 있다. 또한 지하매설물은 시방서마다 인접 매설물을 보호하고 서로 간섭하지 않도록 규정하고 있으나, 증가하고 있는 매설물에 대한 지하공간은 매우 제한적인 것으로 판단된다. 이를 통해 지하수위 변동과 지하매설물 밀집 등에 따른 지반약화의 우려가 심각할 것으로 예상된다.

4.2 해외의 싱크홀 대책

4.2.1 미국

미국은 플로리다, 텍사스, 펜실베이니아, 앨라바마, 켄터키 등 7개 주는 싱크홀 피해가 매우 큰 지역으로 조사됐으며, 미국 지질조사국(United States Geological Survey; USCS)에 따르면 자연적인 싱크홀이 발생할 수 있는 암석으로 그림 10과 같이 석회암(limestone)이나 백운암(dolomite)뿐만 아니라 증발잔류암인 암열(salt), 석고(gypsum), 경석고(anhydrite) 등이 있으며, 미국 전체 면적의 약 35~40%를 차지하고 있어 싱크홀 발생이 높은 것으로 보고되고 있다. 특히 미국 남동부의 플로리다주의 경우 멕시코 만과 대서양 사이에 위치하고 있어 비가 많이 오고 습한 지형으로 석회암의 용해작용에 의한 지하공동이 형성되어 있어 싱크홀 발생 사례가 많다. 그림 11은 미국 중서부의 Missouri주에서 발생한 싱크홀 분포도를 나타내고 있다.

<그림 26. 미국 증발잔류암과 석회암류의 분포도>

<그림 27. 미국 중서부의 Missouri주의 싱크홀 분포도>

미국에서는 석회암지대의 싱크홀 분석지도 작성과 건축기준 및 시공방법에 대한 등급기준을 마련하여 싱크홀을 예측함과 동시에 발생에 따른 피해를 최소화하기 위하여 노력하고 있다. 플로리다 주는 싱크홀 방지를 위한 시공방법 뿐 아니라 표 2과 같이 일반시민들이 싱크홀 발생 징후를 쉽게 인지할 수 있는 지침 등을 제시하여 사전대비에 실효성을 높이고 있으며, 표 3와 같이 지하수량 보전이 싱크홀 방지에 있어 필수적이라는 점을 고려하여 도시 물순환 체계조성 및 식수ㆍ생활용수 공급방안을 핵심내용으로 제시하고 있다.

<표 9. 싱크홀 발생 징후>

<표 10. 미국 플로리다 지역의 싱크홀 방지를 위한 6가지 방법>

또한 그림 12와 같이 미 항공우주국에서 인공위성과 항공기에서 촬영한 해상도가 매우 높은 레이더 자료를 이용하여 싱크홀 예측 기술을 연구개발하고 범용화를 추진하고 있다. 그 결과 2012년 8월 루이지애나주 바이우 콘에서 발생한 넓이 약 100,000[eqn: m ^{3}] 규모의 거대 싱크홀을 예측하여 인근 주민을 대피시켜 피해를 최소화하는 등 이미 뚜렷한 성과를 내고 있다.

<그림 28. SAR(Synthetic Aperture Radar)를 이용한 싱크홀 예측 사례>

4.2.2 일본

일본의 경우 일본에서 발생하는 유형은 주로 연약지반으로 인한 침하 발생이 두드러지며, 이는 지하수와 지진이 많은 영향을 미치는 것으로 조사되었다. 하지만 일본도 70~80년대 지반침하 문제가 연이어 발생하고, 이후 탐지기술이 발전하고 관련 구제가 도입되었다.

일본은 간사이, 규슈 등 각 지역별로 지반정보 협의회를 결성하고 시추조사 자료를 수집하여 Geo-informatics DB를 구축하고 있으며, 도심지의 지하철 등의 토목공사, 지진 및 지질재해 예방에 활용하고 있다. 그림 12는 일본 각 지자체의 지질정보협의회를 구성하여 수집한 자료를 바탕으로 각 지역의 지질정보 DB를 구축하고 활용한 사례이다. 간사이 지역의 경우 약 40,000개의 시추자료를 바탕으로 그림 24처럼 고베-오사카 사이의 지층 단면도를 작성하여 연약지층의 분포를 파악하고 있다.

<그림 29. 일본 각 지방의 지질정보협의회>

<그림 30. 간사이 지역의 지질정보 DB 구축 사례>

<그림 31. 고베 – 오사카 지질단면 정보 >

또한, 지반침하 관련 조례 및 법규가 제정되고, 지반침하 조사사업을 매년 시행해 연구개발을 통한 지반침하에 대처 할 기술력을 축척하고 있으며, 일본에서는 지반침하가 발생하는 사고에 대응하기 위한 기준 및 예방대책 관련 사항은 아래 표 7과 같다.

<표 11 일본 지반침하 규제>

구분	주요내용
환경성(지반침하)	전국 지반 환경 정보 디렉토리(지하수 및 지반침하 상황 등) 전국의 지반침하 지역의 개황 지하수 채취 규제에 관한 조례등 지반침하 모니터링
국토교통성 (지반침하)	지하수 이용 현황 지하수 보전 및 지반 침하 현상 지하수 관련 법 제도 지반 침하 방지 등 대책 요강 지역 정보
방재백서(2014년) 지반침하 대책사업	지반침하 대책 사업 등 지하수 조사(보전 조사) 지반 침하 방지 대책 사업 저지 대책 관련 대강 사업 지하수 대책조서 지반 침하 대책 조사

이 외에 많은 지방 자치 단체(니가시타현 조에츠시, 요코하마시, 치바현, 카나가와시 등)에서는 지반침하 방지를 위해 지하수 채취 규제, 지반 침하 방지 협정, 지반 침하 모니터링(정밀 수준 측량 실시, 지하수 및 지반 수축량 관측, 지하수 펌핑량 실태조사)등 주요 지반침하에 대한 조례 등을 제정하고 있고, 광범위하게 지반 침하가 보였던 관동 평야 북부 노비 평야, 쿠고사가 평야의 3지역에 대해서는 관계 각료회의에서 결정된 지반 침하 방지 등 대책 요강에 의해 종합적인 대책이 취해지고 있는 상황이다.

<표 12 일본 지반침하 예방대책>

구분	주요내용
양수시설 설치 등에 관한 신고	양수시설을 설치하는 경우 규모에 관계없이 신고 지반 침하 방지를 위해 설치 장소 및 우물의 깊이에 따라 설치 할 수 있는 양수설비 규모가 규제
지하수위 및 지층 수축량 모니터링 및 긴급조치	지하수 펌핑에 의한 지반 침하 방지를 위해 지하수 및 지층 수축량을 모니터링 일정기준을 초과시 “지반 침하 주의보 및 지반 침하경보”가 발령된 경우, 홍보 차량 등에 의해 사업자와 시민들에게 주의시킴과 동시에 지하수 절수 협력 요청
지반침하 모니터링	매년 도시 수준 측량을 실시하여 지반 침하의 상황을 감시
지하수 펌핑량 실태 조사	범ㆍ조례의 허가를 받아 지하수 채취자 및 온천수의 채취에 대하여 조사를 실시하고 양수량의 실태 파악을 실시
동경 전체 지하에 대한 2차원 지도 및 3차원 지도	동경의 지반데이터로 상시 실시하는 지반 조사로부터 얻어진 지질주상도를 제공

4.2.3영국

영국 지질조사소(BGS)에서는 지반조사 자료를 수집하고 GIS, CoCAD 등의 소프트웨어를 사용하여 3차원 지질정보를 구축하여 공개하고 있으며, 고속철도 건설 등의 토목공사, 환경 모니터링, 지질재해 예방에 활용하고 있다. 그림 10은 3D 지질 모델링과 시추 자료를 바탕으로 2D/3D 지질도 작성 사례이다.

<그림 32. 3D 지질모델링(BGS)>

<그림 33. 시추 자료를 바탕으로 2D/3D 지질도 작성(BGS)>

4.2.4 미국과 호주의 싱크홀 사고 대응 기준 및 메뉴얼

미국 및 호주와 같은 선진국에서는 빈번하게 발생하는 싱크홀 사고에 대응하기 위한 기준 및 매뉴얼 등을 제작하고 있으며 관련사항은 아래 표와 같다.

<표 13. 국외 싱크홀 대응 매뉴얼>

국가	구분	주요내용
미국	Planning and Urban Design Standards(2006)	American Planning Association (Apa) 발간 도시 계획 및 설계를 위한 다양한 고려사항 기술 지반침하 및 도로함몰에 대한 고려 기술
	Drainage Criteria Manual(2014)	City of Springfield, Missouri 발행 지반 침하 및 카스트로 지역에 대한 조사 및 평가 기준 제시
	Model Ordinance for Development on Karst in Kentucky(2009)	Kentucky Geological Survey, University of Kentucky 발간 카르스트 지역에서의 건설 가이드라인 제시 지반침하, 홍수 재해 등 다양한 자연재해에 대한 주의사항
호주	Residential Design Guidelines, Peterborough, Victoria(2006)	MGS Architects for Moyne Shire Council 발간(Australia) 지반침하 지역에서 건물 위치 규정

표 6은 미국과 호주에서 제정하고 있는 싱크홀 대응 기준 및 매뉴얼이다. 위에서 제시한 매뉴얼을 분석하면 미국은 주로 석회질 토양으로 구성되어 있어, 석회암의 융해로 인한 지반침화를 대비하고자 건설 가이드라인 및 고려사항을 매뉴얼로 구성하여 제시하고 있다.

이 외에도 미국에서는 2010년부터 싱크홀 관련 조례를 제정하여 정책적 사안으로 심도 있게 다루고 있을 뿐 아니라 싱크홀에 영향을 미치는 건축 및 시공방법에 대한 등급기준을 설정하고 있다.

4.3 싱크홀 예방 대책 방안

4.3.1 석회암분포 상세 지질도 및 싱크홀 발생 위험지도 작성

한국지질자원연구원이 발간한 1.:20만 지질도폭에 의하면 지표에서 관찰되는 석회암의 분포 면적은 1,899[eqn: km ^{2}]로 국토의 약 1.9%에 불과하지만, 석회암 상부에 충적층이 덮고 있는 지역까지 포함하면 국토의 18% 정도를 차지하고 있다. 그림 21은 1:20만 지질도폭에서 남한의 석회암 분포도를 나타낸다. 이 지질도폭은 지표에서 나타나는 석회암의 노두를 대상으로 조한 것으로 싱크홀 예방을 위한 석회암 분포도와는 다르다. 석회암 상부에 충적층이 덮고 있는 경우가 많은데 이는 석회암으로 표시되는 것이 아니라 충적층으로 표시되고 있어 실제적으로 싱크홀 발생 가능성이 높은 충적층 하부의 석회암 분포도를 작성할 필요가 있다. 지표에 석회암 노두가 나타나 있는 산지의 경우 싱크홀 발생이 일어나도 재해로 이어지지 않지만, 주거지나 농경지 등 충적층으로 표시되어 있는 하부의 석회암이 분포하고 있을 경우는 싱크홀 발생이 재해로 이어질 가능성이 높다. 따라서, 석회암지대의 싱크홀 예방을 위해서는 1:5000 정도의 상세한 지질조사가 요구된다. 또한, 과거에 석회암 지대에서 발생한 싱크홀 위치 및 이력을 관리할 수 있는 시스템을 구축하고, 이를 바탕으로 싱크홀 발생 위험지도를 제작하여 지자체에서 관리하는 것이 지반재해를 예방할 수 있다. 그림 21은 석회암지대의 싱크홀 발생 위치를 바탕으로 싱크홀 발생 위험도를 표시한 것이다.

<그림 34. 국내 석회암 분포도(1:20만)(한국지질자원연구원)>

<그림 35. 국내 석회암 지대의 싱크홀 발생 위치 및 위험도(한국지질자원연구원)>

4.3.2 폐광산의 GIS DB정보를 이용한 싱크홀 발생 위험지도 작성

광산지역에서 발생하는 지반침하는 지하광체 채굴로 형성된 지하공동의 상반이 시간이 경과함에 따라 붕괴되고 그 붕락이 점차 상부로 발달되면서 지표까지 연결되어 발생하는 지표붕괴 및 지반의 균열을 말한다. 2005년도에 한국지질자원연구원에서 수행한 정밀실태조사에 따르면 그림 22에 나타낸 것과 같이 전국 각지에 1,082개 휴ㆍ폐금속광산이 존재하고 있는 것으로 파악되었고, 936개 휴ㆍ폐금속광산에서 지반침하, 수질 및 토양오염 등 다양한 문제가 발생하고 있으며, 이중 광해정도가 심각하게 우려되어 광해방지사업이 필요한 광산 수는 396개로 조사되었다.

전국에 분포하고있는 폐광산에 대해서는 한국광해관리공단이 이미 GIS DB를 구축하고 있으며, 공간분석 모델링 기술을 보유하고 있다. 이러한 기술을 바탕으로 패굴된 광산의 갱도 구조를 입체적으로 묘사하고, 폐관상 GIS DB에 구축돼 있는 지형, 지질도, 도로 등의 GIS 기본도면과 지반침하 영역 등을 종합하여 싱크홀 발생 위험지도를 작성하여 관리해야 한다.

<그림 36. 국내 분포하는 폐광산 위치(한국지질자원연구원)>.

4.3.3 3D 지하공간 통합지도 구축 및 지하공간 통합관리 체계 마련

지하공간의 안전한 이용을 위해 지하시설물, 지질, 지하수 등 지반의 상태를 한눈에 확인할 수 있는 통합지도의 필요성이 제기되고 있고, 현재 지하시설물과 지반에 대한 15종 정보를 11개 소관 법령에 따라 중앙부처, 지자체, 공공기관, 민간업체가 각각 관리하고 있는 실정이다.

이에 따라 지하공간 안전관리 대책방안의 세부사항으로 지하시설물 및 지반에 관한 지하정보를 3D 기반으로 통합하여 지하공간 통합지도를 구축하여야 하고, 지자체 및 개발주체에게 제공되어야 할 것이다. 지하정보는 지표 아래 지반에 대한 특성을 파악하기 위해서 실시되며, 토층에 대한 시추정보, 암층에 대한 지질정보, 지하수정보로 분류할 수 있다. 또한, 지하공간의 시설물 관점에서는 크게 생활기반시설과 교통관리시설로 구분되며, 생활기반시설에는 상하수도, 통신시설, 전력시설, 가스시설, 난방시설, 공동구, 터널형 전력구등에 대한 정보로 구성되고, 교통관리시설은 지하보도, 지하차도, 지하상가, 지하주차장 및 지하철에 대한 정보로 표시될 수 있다. 지하정보와 관련된 개녕므 아래 그림 23과 같다.

<그림 37. 지하정보 분포 모식도(한국시설안전공단)>

그리고 기존 2D 지하정보를 3D기반으로 통합 및 제작하여 관리해야된다.

<그림 38. 2D 지하정보와 3D 지하정보 예시 비교(한국시설안전공단)>

지하공간의 통합정보를 데이터베이스화하기 위해서는 지하시설물 정보, 지하구조물 정보, 건설 시추 정보, 지하수 관측망, 지질정보로 구분하여 지하공간정보를 관리해야 한다. 이는 해당 지하공간정보를 누구나 쉽게 조회할 수 있고, 안전사고 및 대책수립에 활용하기 위함이다. 지하공간과 관련하여 통합지도를 도식화한 개념은 아래 그림 24와 같다.

<그림 39. 지하공간의 통합지도 개념도(한국시설안전공단)>

이미 구축된 지하정보를 최대한 활용하고, 공동구 및 지하철 등 아직 구축되지 않은 정보는 준공 도면과 BIM기법(Building Information Modeling)을 활용하여 신속히 제작가능 하도록 해야 할 것이다. 또한, 통합지도의 지속적인 업데이트와 정확성을 제고해야 한다. 통합지도와 관련하여 현재에는 국토해양부장관이 정보 제공을 요청 할 수 있는 체계로 신속히 통합하는데 어려움이 따르고 있으며, 지하공간 정보의 구축과 관리에 관한 컨트롤 타워가 미비하여 정보의 취함, 표준화, 업데이트 등에 한계점을 가지고 있다. 이에 따라 지하공간 정보의 데이터 구축기관의 자료제공과 업데이트 등을 의무로 규정하고, 데이터의 표준화와 정밀도 개선을 장기적으로 추진하는 등 지하공간 정보의 공동 활용에 필요한 사항을 법제화 하여야 할 것 이다. 이를 위해서는 데이터 구축기관에 정보제공 의무를 부여하여야 하고, 지하매설물 통합 DB를 운영중인 “한국건설기술연구원”에 업데이트 기능을 수행할 수 있도록 조치를 취해야 할 것이다.

지하공간 통합관리체계의 기반을 마련하기 위해서는 통합안전관리체계의 특별법 마련과 지반의 안전 확보를 위한 기술개발 추진으로 요약할 수 있다.

통합안전관리체계의 기반이 되는 특별법을 제정이 필요하다. 현행지하공간과 관련하여 관계법형을 검토한 결과, 지하공간에 관련된 법령이 각 부처마다 분산되어 있고, 그로 인해 실효성 있는 안전관리를 추진하기 위해서 총괄법령을 운영할 필요성이 제기되고 있다. 대책방안에 따른 구체적인 세부내용으로는 통합지도를 구축하여 지하공간 정보의 통합, 분야별 데이터 구축기관의 정보제공 및 업데이트 등에 관한 의무, 기술지원센터 설치 등 근거를 마련해야 하고, 안전관리를 통해 지하공간을 개발 및 이용하는 자와 인허가기관에게 인근 지반과 시설물에 미칠 수 있는 위험을 예측 및 대비하는 의무를 부여해야 한다. 또한, 지하개발 사전안정성 분석을 통해 지하공간 개발자가 사전안전성 분석을 실시하고, 인허가기관의 승인을 받은 후 착공하도록 규정하여야 하며, 최종적으로 국토교통부가 지반침하에 관한 전국 통계를 구축 및 관리해야 한다.

지반 안전확보를 위한 기술개발은 최근 빈번하게 발생하는 지반침함 및 지반함몰을 계기로 지하 공간정보, GPR 등 지반탐사에 대한 필요성이 대두되고 있으나 기술개발은 미약한 것으로 조사되었다. 이에 따른 대책으로 지하공간의 정보를 제작하고, 지하수 흐름을 조사해야 하며, 도심지 지반을 대상으로 안전성 평가를 실시함으로써 안전관리에 필요한 기술개발을 발굴 및 추진하여야 할 것이다.

4.3.4 싱크홀 사전 탐지 및 지하공동 탐지 기술 개발

석회암지대와 폐관산에서 싱크홀을 사전에 탐지하기는 쉽지 않다. 지하공동이 지표면 가까이 확장되면서 싱크홀이 발생하기 전에 균열이 발생할 때 전달되는 미소진동을 측정하거나 미세한 병형 및 온도 등을 계측하는 방법이 있다.

최근 센서기술, 신호처리 기술, 컴퓨토의 발전으로 안정적이면서 정밀성이 우수한 계측기의 구성이 가능해짐에 따라 이를 활용한 계측 시스템 도입이 활발히 이루어 지고있는 추세이다. 따라서 이러한 IT 기술의 발전에 힘입어 개발된 지반침하 계측시스템은 다점온도 및 미소진동 모니터링 시스템이 있다. 다점온도 및 미소진동 모니터링 계측기법은 무선망 및 유선망을 이용하여 실시간으로 계측자료를 획득 할 수 있는 특징이 있다. 다점온도 모니터링 계측기법의 경우 여러 개의 시추공에서 여러 심도의 온도를 동시에 모니터링하기 위해 개발된 온도센서 배열은 케이블은 기존의 단일 센서를 이용한 온도측정과는 달리 시추공 내의 여러 심도에 대한 온도를 동시에 측정할 수 있는 장점을 가진다. 또한 미소진동 모니터링 시스템은 여러 개의 시추공에 설치된 센서를 이용하여 미소진동이 발생될 경우 발생된 진원지 및 강도를 파악하여 그의 빈도 및 진원지의 분포를 도면화하면 채굴적의 대규모 붕괴 가능성 여부를 판단하는데 그 장점을 가진다.

① 다점온도 모니터링(Themal Line Sensing; TLS)

온도측정의 중요성과 그 결과에 대한 유용성은 이미 오래 전부터 인식되어 왔다. 그러나 재래의 온도측정은 대체로 단일 센서에 바탕을 두고 있었기 때문에 그의 3차원 응용은 근원적으로 제한되었다고 볼 수 있다. 이러한 문제를 다소 완화하기 위하여 일부 학자는 단일 센서 케이블을 여러 개 묶어 온도 측정을 시도하였으나 여기에도 그에 따른 새로운 문제 즉, 센서 케이블 다발의 전체 두께에 대한 제한성, 측정 데이터 제어에서 오는 문제점, 온도측정 오차 및 케이블 다발을 이동하며 반복 측정하는데 따르는 인력과 시간의 소모에서 오는 문제점 등이 발생되었다. 이러한 여러 가지 문제점을 해결하고 동시에 온도 측정의 현실화를 실현하기 위해 개발된 것이 바로 온도센서배열 케이블에 의한 온도 모니터링 측정 시스템이다. 다점온도 모니터링 계측기법의 가장 중요한 특성은 모든 센서가 각각 고유 주소를 가지고 있다는 것이다. 따라서 케이블 내에 많은 센서가 장착되더라도 각 센서가 장착된 케이블의 정확한 위치에 대한 온도 값이 동시에 측정될 수 있는 것이다.

일반적으로 대기나 지표는 지상 기후에 크게 영향을 받게 되나 지하의 온도는 기후에 크게 영향을 받지 않는다. 지하 어느 지점에서의 온도가 그 주위와 비교하여 크게 차별화되고 동시에 그 온도가 지상의 것과 대등하다면 이것은 바로 지표수 유입으로 간주될 수 있으며, 이러한 현상이 주기적으로 계측된다면 온도 모니터링자료는 침하 과정을 이해하는 데는 물론 침하 대책마련을 위한 유용한 정보가 될 것으로 판단된다.

<그림 40. 다점온도 모니터링의 근본원리 모식도(국토교통부)>

②미소진동 모니터링(Ground Motion; GMO)

매질에 역학적인 힘을 가하면 항상 P파와 S파가 동시에 생성되어 매질의 진동을 유발하게 되며 그 위치를 진원지라 한다. 발생된 탄성파는 입자 움직임 형태로 사방에 전달되며 그의 에너지는 매질의 물성에 따라 감쇄된다. 진동을 느낀다는 것은 바로 그 곳에서 입자가 움직이고 있다고 하거나 혹은 탄성파가 도달하여 전달되는 상태를 의미한다. 탄성파가 전달되는 과정은 미시적 측면에서 하나의 입자 움직임으로 관찰되며 이 때 P파는 파의 진행에 평행한, S파는 그와 수직인 입자 움직임을 나타내고 있다. 탄성파 전달 측면에서 각 암층은 그들 각각의 임피던스에 의해 차별화되며 그 경계면이 바로 지층 경계면을 대변하게 되며, 탄성파가 이러한 경계면에 입사되면 그로부터 반사되고 동시에 굴절된다. 이러한 과정은 지층 경계면이 증가할수록 그로 인한 탄성파는 기하급수적으로 파생되며 그들의 진행 상황을 전체적으로 관찰하면 이들은 지표로 상행하는 탄성파와 지하로 하행하는 탄성파로 구분된다. 여기서 관심의 대상은 바로 상행하는 탄성파이며 이들은 그림 20에서와 같이 설치된 수진기들에 의해 포착된다.

진원지에서 출발한 탄성파는 전달과정에서 진동을 유발하게 되는데 여기서 진동 크기는 바로 지반 혹은 구조물의 안전과 연관된다. 만약 진원지가 관심의 초점이 된다면 진원지 주위 최소한 4개 지점에서 탄성파 도달을 관찰하여야 한다. 계측에 관찰되는 탄성파의 파형은 대체로 짧은 시간 내의 진동을 나타내고 있다. 여기서 파형요소의 도달 주시는 진원지 규명을 위해, 파형요소의 진동특성은 지반침하의 안전진단을 위해 활용된다.

<그림 41. 미소진동 모니터링의 근본원리 모식도(국토교통부)>

③ 지하공동 탐지 기술

석회암지대와 폐광산의 지하공동을 탐지하는 기술에는 주로 물리탐사기술이 사용된다. 석회암지대와 폐광산의 지하공동은 대부분 지하수와 점토가 채워져 있기 때문에 전기비저항탐사, 시추공을 이용한 전기비저항 토모그래피탐사가 널리 사용되고 있으며, 지표하부에 분포하고 있는 공동탐지를 위하여 GPR탐사가 사용된다. 그러나 지하공동에 지하수가 채워져 있지 않은 경우는 암반과 지하공동의 전기적물성 차이가 크지 않아 전기비저항탐사 결과로 지하공동을 해석하기 어려우며, 이러한 경우 주로 탄성파탐사가 이용된다.

그림 21은 전남 무안읍에서 발생한 석회암 지대의 지하공동을 탐지하기 위해 시추공을 이용한 전기비저항 토모그래피탐사를 실시하고, 그 결과를 바탕으로 지반침하지역 설정 및 지반 안정도를 해석한 사례이다.

<그림 42. 시추공을 이용한 전기비저항 토모그래피 탐사 적용 사례(한국지질자원연구원>

그림 21은 전남 무안읍 용월리 농경지에서 발생한 싱크홀에 대한 3차원 전기비저항 탐사 결과로부터 석회암 공동분포를 해석한 사례이다. 이 탐사결과를 바탕으로 지반보강을 위한 그라우팅 공법의 주입량을 산정하였다.

<그림 43. 전남 무안읍 응월리 석회암 싱크홀 발생 현장>

<그림 44. 3차원 전기비저항탐사 결과로부터 석회암 공동분포 해석>

4.3.5 굴착공사 주변의 안전관리 강화

굴착공사 주변의 안전관리 강화를 수행하기 위한 방안은 다음과 같다.

첫째, 굴착공사에 대한 기존의 평가ㆍ조사는 관련성이 없거나 지하수의 이용과 환경 및 자연재해 예방으로 한정하기 때문에 안전관리에 한계를 가지고 있다. 이에 따라 지하공간 개발 전에 안전성 확인을 의무화하여, 대규모 지하개발 사업에서 지하수, 지반 및 인근 시설물 안전성을 사전에 검토하고 대책을 수립하여야 할 것이다. 또한 해당 지자체는 인허가 전에 분석결과를 확인하고, 개발완료 후 검증ㆍ보완하는 과정을 수행하여야 한다.

둘째, 굴착공사 시 지상의 안전까지 고려하는 지하개발의 안전기준이 마련되어야 할 것이다. 굴착 시 터널 내부의 계측은 의무화 되어 있는 반면에 상부지반의 계측은 임의로 시행하는 등 대부분의 기준이 시공대상 시설의 안전으로 국한되어 있다. 이에따라 설계ㆍ시공에 필요한 안전기준의 적용범위를 굴착공사 현장뿐만 아니라 굴착영향의 범위까지 확대되어야 한다.

셋째, 지하개발 과정의 철저한 시공관리가 필요하다. 굴착공사의 안전관리는 주로 시공자와 감리자에게 크게 의존하고 있으며, 지하작업의 특성상 예고식 점검으로는 부실 시공 및 관리를 적발하기에는 한계가 있다. 이에 따라 대형 굴착공사는 외부전문가가 공사 중 굴착으로 드러난 지하공간의 지반특성, 지지력 등에 대한 분석을 실시하여 안전성을 객관적으로 확인하여야 하고, 국토교통부와 인헉가 관련기관의 지도 및 감독도 강화되어야 할 것이다.

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