최근 대도시에서 빈번하게 발생하는 도로함몰로 인해 국민들의 불안감이 증대되는 가운데 도로함몰 발 생 원인 및 위험도 평가를 위한 기초연구가 필요한 실정이다. 이를 위해 한국건설기술연구원에서 보유한 포장가속시험기(Accelerated Pavement Tester, APT) 운영을 통해 동공 심도 및 크기에 따라 아스팔트 포장체 파손에 미치는 영향을 파악하고자 한다. 먼저 예비실험 및 동공 관련 문헌조사 결과 동공 생성에 얼음이 적합한 것으로 판단되어 테스트베드 구축 시 가로×세로×높이가 50cm×50cm×30cm인 얼음을 주문 제작하여 포장가속시험기 바퀴축의 중앙에 깊이 0.3m와 0.7m 지점에 매설하였다. 동공 매설 깊이 와 크기를 결정한 기준은 일본의 도로함몰 위험도 등급 기준과 서울시에서 발생된 동공의 심도 중 그 빈 도가 높은 위치를 선정하였다. 동공 매설 시 내시경 촬영을 위한 관을 매립하여 동공 생성 여부 및 함몰 진행상황을 모니터링 하였다. 테스트베드 구축한 후 FWD 장비를 이용하여 동공을 매설한 동공구간과 매설하지 않은 건전구간의 구 조적 지지력을 측정하였으며, 동공구간이 건전구간보다 처짐값이 약 10% 정도 낮은 것으로 파악되었다. 1차 포장가속시험 후(운행횟수 90,000회) 소성변형량 측정 결과 건전구간은 약 10mm 정도의 소성변형이 발생했으나 동공구간은 약 30mm정도 발생하여 약 3배의 차이가 나는 것으로 파악되었다.

최근 서울시 송파구를 비롯한 도심지 내에서 도로상부가 함몰되는 사례가 적지 않게 발생하고 있다. 이 로 인한 인명 및 재산 피해가 속출하고 있으며 시민들의 불안감 또한 증폭되어 사회적 큰 문제로 부각되 고 있다. 도로함몰이란 도로하부에서 발생한 동공에 의해 상부도로가 지지력을 상실하여 도로포장이 내려 앉은 현상을 의미한다. 도심지 도로하부에 발생된 동공은 상하수관 손상 및 누수, 도로굴착 복구 시공 상 의 문제 및 공사불량, 지하수위 강하 등이 주요원인으로 알려져 있다. 현재 국내의 다양한 기관 및 업체들 이 동공탐사 장비를 보유하고 있지만 이를 이용한 체계적인 조사가 이루어지지 않고 있으며 구체적인 분 석시스템 또한 미비한 실정이다. 특히 현재의 동공탐사는 오직 탐사데이터 분석 전문가의 경험을 토대로 발생유무를 판단하고 있어 탐사장비와 연동되는 동공자동분석시스템 개발이 필요성이 증대되고 있다. 2015년 7월 세종대학교 산학협력단을 주관으로 국토교통부, 국토교통과학진흥원이 지원하는「도로함 몰위험도 평가 및 분석기술 개발」에 대한 연구가 시작되었다. 본 연구는 장기적이고 근본적으로 도로함몰 을 예방하기 위한 도로함몰 위험도 탐지시스템 및 분석 프로그램 개발, 도로함몰 위험도 평가기술 개발, 재난예방형 도로관리 시스템 구축을 핵심목표로 설정하였다. 현재 본 과제의 1차 연도에는 도로지지력평 가 시작품, 분석 알고리즘 등이 개발되어 각 핵심기술개발의 기반을 구축하였다. 향후 본 과제에서는 도로동공 탐지 및 위험도 진단에 대한 첨단 복합탐사장비를 구축하여 도로함몰 위 험도 평가기술 및 도로함몰 위험을 예방하는 도로 관리 기술의 세계선도기술력을 확보하고자 한다. 또한 기술의 현장 적용성을 극대화하고 탐지, 분석, 도로공학을 연계하는 융합 공학 분야에 대한 발전을 도모 하여 미래 건설 산업의 시장창출과 전문 인력 양성에 이바지 하는 것을 목표로 하고 있다.

2014년 6월 말 제2롯데월드 건축공사장 주변에서 작은 규모의 도로침하가 발생했다. 이런 사례가 외국 의 싱크홀 사례와 대비되어 SNS, 매스컴 등을 통해 전파되면서 시민불안이 확산되었고, 이에 서울시는 전국 최초로 2014년 8월 말 경 도로함몰 특별관리대책을 수립하고 노후하수관, 지하수, 굴착공사, 노면하 부 동공 등에 대한 종합적인 예방대책을 시행해 오고 있는 바, 현 시점에서 노면하부 동공탐사는 도로함 몰 예방의 유일한 대책이 되고 있다. 서울시는 노면하부 동공탐사에 대한 해외의 우수한 기술을 조기 도 입하여 도로함몰 개연성이 높은 주요 간선도로 61㎞ 구간을 2014년 11월 경에 시범적으로 동공탐사를 실 시, 국내 최초로 동공 37개소를 발견하였다. 이에 따라 발견된 동공을 대상으로 도심지 도로함몰의 원인 을 밝히고 발생 메커니즘을 규명하기 위하여 2015년 2월부터 6월까지 굴착조사를 실시하였다. 동공으로 분석된 구간에 대하여 굴착조사를 실시한 결과 25개는 동공이었고 나머지 4개는 동공이 아닌 것으로 확 인 되었다. 동공으로 확인된 25개에 대한 원인을 살펴보면 주로 ʻ물이 흐르는 관로의 결함ʼ(11개, 44%)과 ʻ굴착복구 미흡ʼ(14개, 56%)인 것으로 나타났다. 동공의 구조를 살펴보면 차량하중 등의 상재하중에 저항 하면서 지지력을 발휘하는 상부 토피, 동공 부피의 대부분을 차지하는 몸체, 동공 발생의 원인부로 연결 되는 꼬리로 구성되어 있다. 동공 몸체는 투수계수가 높고 유실이 쉬운 모래･자갈층인 기층 및 보조기층 에 주로 형성되어 있었다. 동공 뿌리는 대부분 토사유실 속도가 느린 점질토층에 형성되어 있다. 또한 일 부 도로함몰 사고 사례를 분석한 결과“차수대책 미흡”으로 인해 토류벽(또는 구조물) 배면의 지하수와 세립토가 공사장 내부로 유입되면서 발생한다는 사실을 확인하였다. 이러한 현장굴착조사 결과를 종합한 동공발생 원인은 ① 물이 흐르는 관로의 결함, ② 굴착복구 미흡(준공 후 장기경과), ③ 굴착공사 부실(굴 착 진행 중) 등 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 동공이 생성되는 형태, 즉 흙이 유출되는 경로는 ① 하수 관 유입형, ② 매설관 하부 공간 유입형, ③ 매립재 공간 유입형, ④ 공사장 내부 유입형1(물+세립토), ⑤ 공사장 내부 유입형2(사질토)으로 분류할 수 있다. 이러한 도로동공의 발생과정을 고려한 도로함몰 예방 대책은 다음과 같다. 첫째 물이 흐르는 관로의 결함의 경우는 관로 연결부, 맨홀과 관로 접합부 등에 대하 여 규정된 시공법을 의무준수 하여야 한다. 둘째 굴착복구 미흡의 경우는 기존의 도로포장 구조를 그대로 복구하고 그 하부지반 복구는 재료와 다짐에 대한 시공법을 의무준수 하여야 한다. 셋째 굴착공사 부실의 경우는 ① 굴착 전에는 지하수위, 지질 등의 사전 지반조사 실시하고, ② 공사 중에는 실제지반 시추조사 등을 실시하고, 필요 시 차수대책 시행해야 하며, ③ 복구 시에는 복구재료, 다짐 등의 시공법을 의무준수 하고, ④ 준공 직후에는 지반의 동공유무 탐사 실시 등으로 동공발생을 사전에 예방하는 것이 무엇보다 중요하다.

최근 도로하부에 생성된 동공으로 인한 도로함몰이 빈번하게 발생되고 있다. 동공의 주요 발생 요인으 로는 굴착복구 시 다짐불량, 노후 하수관 파손, 대형공사장 지하수처리 미비 등으로 알려져 있다. 서울시 에서는 도로함몰을 사전에 예방하기 위하여 지표투과레이더(GPR, Ground Penetrating Radar)를 이용 한 동공탐사를 2015년부터 본격적으로 실시하였다. GPR 시험에서는 전자기파가 유전율이 상이한 재료 경계부에서 반사되는 특성을 이용하여 포장층 두께, 지하매설물의 위치 등을 탐지할 수 있다. GPR 안테 나는 주파수 대역, 채널 수, 설치방법 등에 따라 다양한 형식을 가진다. 서울시의 경우 도로함몰로 발전할 확률이 높은 1.5m 내외의 얕은 심도의 동공을 탐지하기 위하여 250MHz 또는 500MHz 접촉식 안테나를 사용하고 있다. 조사연장이 긴 차도에는 조사 효율성이 높은 16채널 안테나를 사용하고, 좁은 폭의 차도 및 보도에는 단채널 안테나를 사용하고 있다. 본 연구에서는 서울시에서 실시한 GPR 시험으로부터 획득 한 GPR 신호로부터 동공 및 지하매설물, 자갈 등을 구분하기 위한 정성적 패턴 분석을 실시하였다. 일반 적으로 원형, 연속적인 형태를 가지는 하수관에서 반사된 GPR 신호는 위로 볼록한 포물선 형상으로 되어 있고 반사강도가 크게 나타난다. 반면 동공 대부분은 비정형, 불연속 형태이므로 신호패턴이 찌그러진 비 대칭형 포물선으로 나타내고, 반사파의 강도가 약하거나 (+)신호와 (–)신호가 뒤바뀌는 경향으로 나타났 다. 또한 지하매설물은 1.0~1.5m 사이에 위치하므로 약 30cm 두께의 아스팔트 포장층에서 1.0m 이상 깊은 곳에서 신호가 나타난다. 반면 동공의 경우 포장층 직하부에 주로 존재하므로 포물선의 상부가 포장 층에 가까이 나타났다. 그러나 포장하부에 존재하는 건설폐기물, 자갈 등도 동공신호와 유사하게 나타나 므로 탐지율을 향상시키기 위해서는 더 많은 GPR 신호 패턴이 필요하다.

지난해 6월말경 제2롯데월드 건축공사장 주변에서 작은 규모의 도로침하가 발생했다. 이런 사례가 외국의 싱 크홀 사례와 대비되어 SNS, 매스컴 등을 통해 전파되면서 시민불안이 확산되었고, 이에 서울시는 전국 최초로 지난해 8월말에 도로함몰 특별관리대책을 수립하고 노후하수관, 지하수, 굴착공사, 노면하부 동공 등에 대한 종합적인 대책을 시행해 오고 있는 바, 현 시점에서 노면하부 동공탐사는 도로함몰 예방의 유일한 대책이다. 이에 서울시는 세계 최고수준의 노면하부 동공탐사기술을 보유한 지오서치(주)를 2014.11에 초빙하여 주요 도로 4개 권역, 차로연장 61㎞에 대해 2014.11.30.~12.4에 무상으로 시범탐사를 실시했고 19일까지 분석을 완료한 결과 총 41개소의 동공이 탐지되었다. 또한 도로함몰 대응기술이 고도로 축적된 도쿄도를 2015.2에 방문하여 다양한 관리정책을 소개 받았고,「도로함몰 대응업무 기술협력에 관한 행정 합의서」 를 체결(2015.2.2) 하여 인적교류를 통해 서울시는 조기에 개념적인 도로함몰 예방대책을 갖추게 되었다. 도로함몰 발생과정과 원인을 규명하고 서울시 여건에 맞는 실질적인 도로함몰 방지대책을 수립하기 위 하여 탐지된 동공 41개소 중 위험등급 A급과 B급 29개(A급 18개, B급 11개, C급 12개)를 대상으로 2015.3.28까지 굴착조사를 실시했다. 조사결과 25개는 동공으로 나머지 4개는 동공이 아닌 것으로 확인 되었다. 동공이 아닌 4개는 특정물체에 대한 GPR 반사신호의 데이터를 잘못 분석한 사례이거나 일본의 노면하부 구조와 다른 특성으로 인한 분석사례 미보유로 동공 판단이 어려웠던 것으로 추정된다. GPR 자 료를 통해 분석오류가 있었던 지반의 매개체는 매립된 순수 자갈층, 아스팔트덩이, 흙시멘트, 전력관보호 커브 등이다. 동공으로 확인된 25개에 대해서 원인별로 나누어 보면 ʻ물이 흐르는 관로의 결함ʼ(11개, 44%)과 ʻ굴착복구 미흡으로 인한 장기침하ʼ(14개, 56%)였다. 구체적으로 살펴보면 먼저 물이 흐르는 관로 의 결함은 하수관이 9개(36% 전체구성비), 전력관과 통신관이 각각 1개였다. 그리고 굴착복구 미흡으로 인한 장기침하는 전력관 복구 4개, 지하철 복구 4개, 상수관 복구 4개, 하수박스 복구 1개, 통신관 복구가 1개였다. 확인된 동공을 대상으로 분석한 결과 동공의 구성은 동공의 함몰을 좌우하는 상부의 토피, 동공 대부분을 차지하는 몸체, 동공의 발생 근원지로 연결되는 꼬리로 되어 있다. 동공 위험등급 A급과 B급 중 동공 토피는 대부분 아스팔트 혼합물층이였고 아스팔트 혼합물층(평균두께 30cm)보다 두꺼운 토피는 3개(12%)였다. 동공 몸체는 투수계수가 높고 유실이 쉬운 모래‧자갈층인 기층 및 보조기층에 주로 형성되어 있었다. 동공 꼬리는 대 부분 토사유실 속도가 느린 점질토층에 형성되었으며 본 조사결과에 의하면 꼬 리 길이는 원형관 구간 0.2m, 하수박스 구간 0.8m, 지하철 박스구조물 구간 1.9m 등 매설물의 심도와 지반의 토질에 따라 다르게 형성된 것을 확인하였다. 본 연구에는 2014.6.30 이후 발생한 도로함몰 발생사례 37건도 참고하였다. 동공이 생성되는 형태, 즉 흙이 유출되는 경로의 형태를 네가지 유형으로 분류된다. 그 네개 유형은 ʻ하수관 유입형ʼ, ʻ매설관로 공간하부 유입형ʼ, ʻ매립재 공간 유입형ʼ, ʻ구조물‧공사장 배면에서의 유입형ʼ으로 분류해 볼 수 있다. 결론적으로 동공발생에 따른 도로함몰을 예방하기 위해서는 신규공사의 경우 하수관 연결, 맨홀과의 접합, 지반조사, 차수대책, 복구재료, 다짐 등 의 시공법을 의무준수하고 유지관리의 경우 포장면을 통한 물 침투 방지, 각종 매설관 또는 박스 구조물의 정기조사를 실시하여 손상부나 틈새를 상시 보수하고 관리하는 것이 가 장 중요하다.

최근 들어 빈번히 발생하고 있는 도로함몰 사고로 국민 불안이 커지고 있으며 이에 대한 대책 마련이 필요하다. 우리나라의 도로함몰 조사는 기초적인 수준이 전부였으며 최근에 동공 파악을 위해 외산 장비 를 수입하여 현장에서 사용 중이나, 현장에서 수집한 자료는 도로함몰의 형태만 분석하는 수준으로 정밀 화․체계화된 분석이 불가능하다. 그리고 현재 우리나라는 우리나라의 토질 및 도로환경을 감안한 분석노 하우를 보유하지 못했기 때문에 제대로 된 DB 구축을 통한 한국형 도로하부 위험도 분석기술 및 프로그 램 개발 요구가 높은 실정이다. 그렇기 때문에 다양한 우리나라의 환경조건에 따른 도로함몰 구간의 조사 기법을 구축하여 도로함몰 위험도 평가 기술 개발에 기여하는 것이 본 연구의 목적이다. 본 연구는 국내·외 도로함몰 관련 자료 및 현장 조사서 확보와 분석을 통해 기초 DB를 구축하고 추가적 인 취득 자료를 통해 도로함몰 패턴 분석 및 지속적인 DB화를 진행하여 위험도 등급 선정 기초자료로 활용 하려고 한다. 먼저 도로함몰이 빈번하게 발생하는 일본, 뉴욕 등의 국외는 GPR을 통하여 예상지역을 선정 하며, CPT를 통하여 지반의 특성을 분석하고 내시경을 통하여 추가 동공여부를 파악하는 방법을 구축하고 있다. 그러나 국내는 최근에 GPR을 사용하여 예상지역을 선정할 뿐 도로함몰이 발생한 후에는 형태만을 조 사하는 기초적인 조사방법으로 파손 구간의 넓이, 깊이, 높이를 재는 등 조사 방법이 미흡하여 도로함몰이 발생하였을 경우와 추가적인 동공유무에 대한 대책이 없는 실정이다. 이에 따라 본 연구의 조사방법으로는 도로함몰이 발생하기 전 예상되는 도로에서 예상 지역의 예측동공의 존재유무를 확인하기 위해 LFWD로 처 짐과 탄성력, 천공하여 DCPT 및 내시경을 진행하여 강도특성을 측정한다. 도로함몰이 발생한 후에는 도로 함몰이 발생한 구간에서 무너진 도로의 잔해를 제거한 후 도로 잔해를 제거한 곳에서 하부 지반의 강도특성 을 알기위해 DCPT 시험을 진행하며, 추가 동공의 존재유무를 확인하기위해 천공 및 내시경을 진행한다. 현 장의 다짐도와 지지력등 강도특성들을 파악하기 위해 함몰 내부 주위 지반의 시료를 채취 하여 현장 함수비 체크를 하고 최적 함수비와 비교한다. 도로함몰 구간의 복구 후 복구한 지역과 주변 도로의 추가 이상 사항 을 체크하기 위해 LFWD 시험을 진행한다. 본 연구는 교통물류연구사업으로 진행된 ʻ도로함몰 위험도 평가 및 분석기술개발ʻ이라는 연구과제의 일환으로 도로함몰구간 현장조사 및 위험도 기준개발부분으로써 진행되 는 것이며 추후 도로포장유지관리시스템에 도로함몰 조사기법을 추가할 때 자료로써 사용될 수 있을 것이 고, 다른 연구부분인 영향인자에 따른 도로함몰 위험도 평가하기 위한 연구부분에 기초자료로써 사용됨으로 써 우리나라의 환경조건에 따른 도로함몰 위험도 평가 기술 개발에 활용한다. 본 연구는 서울시와 지자체의 동공발생 DB구축을 역학적 평가를 수행할 수 있도록 구축하였고, 현장의 추가 동공 발생가능성을 평가하였다. 구축된 조사기법을 통하여 형태조사수준이 아닌 우리나라의 토질 및 도로환경을 감안한 지반의 특성과 강도특성을 파악하고 추가 함몰 여부 판단근거 자료와 추후 함몰 발생 가능성 평가 인자 DB 구축을 통해 다양한 우리나라의 환경조건에 따른 도로함몰 구간의 조사기법을 구축 하여 도로함몰 위험도 평가 기술을 개발할 수 있을 것으로 예측된다.

It is known that sewer problems are the major causes of road cave-in. The objective of this study is to analyze the risk of road cave-in due to storm sewer laterals. We investigated 174 storm sewer laterals using a zoom camera at O-dong area in Seoul. The causes of road cave-in were classified into five cases: breakage of rigid pipe, deformation of flexible pipe, out of pipeline alignment, changing pipe material or changing pipe diameter, and a poor linkage between lateral and sewer. In addition, all defects were sorted into five grades based on the severity rating at storm sewer laterals. In this study, the most fragile pipe materials were found to be concrete pipe and polyethylene pipe, which recorded 2.3 and 1.69 defect rates. With regard to the causes of road cave-in, deformation of flexible pipe has a large influence on road cave-in at present. On a long-term basis, the two causes, out of pipeline alignment and a poor linkage between lateral and sewer, could have more influence on road cave-in.

공용중인 도로 상태를 조사 및 평가하기 위하여 다양한 종류의 비파괴시험 장비가 활용되고 있다. 이 중 에서 충격하중에 의한 표면처짐량을 측정하는 FWD(Falling Weight Deflectometer)는 포장 하부의 지지 력 평가를 위하여 널리 사용되고 있다. 하지만 표면처짐 또는 지지력만으로 복잡한 포장 하부의 상태를 정 확하게 평가하기에는 한계가 있다. 특히 최근 들어 사회적으로 큰 이슈가 되고 있는 도로함몰(일명 싱크 홀)은 일반적으로 도로하부에 발생한 공동으로 인하여 상부 포장층이 연쇄적으로 함몰되는 현상이다. 도로 함몰은 전조현상 없이 갑작스럽게 발생되기 때문에 이를 사전에 발견하기는 어려운 실정이다. 따라서 이를 사전에 예방하고, 발생 후 올바른 보수를 하기 위해서는 도로 하부에 존재할 수 있는 공동 여부를 비롯한 도로 하부 상태에 대한 철저한 조사가 우선되어야 한다. 석회암지대 또는 광산지대에서 주로 발생하는 대 규모의 싱크홀의 경우 전기비저항, 단층촬영 등과 같은 조사를 통하여 공동에 대한 조사가 가능하다. 하지 만 도로의 경우 조사 연장이 길고 교통통제가 어렵기 때문에 정적인 시험 보다는 이동하면서 조사할 수행 할 수 있는 지표투과레이더(Ground Penetrating Radar, GPR)가 보다 현실적으로 가능성이 높다. 본 연구에서는 두 가지 종류의 GPR을 이용하여 도로함몰이 발생한 현장에 대한 도로 하부 조사 결과를 비교 평가하였다. 조사에는 500MHz 접촉식 GPR과 1000MHz 비접촉식 GPR이 각각 사용되었다. GPR 조사는 도로함몰이 발생된 후 응급보수로 되메움 공사가 완료된 후에 추가적인 공동 여부를 확인하기 위 하여 실시하였다. 그림 1은 1000MHz 비접촉식 GPR 시험 장비와 조사 결과를 나타낸다. 도로함몰이 발 생한 구간의 경우 40~50cm 깊이까지 단면 교란이 발생하였나, 되메움 구간에 추가 공동이 발견되지는 않아 시공은 양호하게 이루어진 것으로 나타났다. 함몰 주변 도로 하부의 경우 60~70cm 깊이에서 체류 수가 존재하는 것으로 나타났다. 본 구간의 경우 도로 하부에 매설된 하수관이 일부 막히고 노후화로 인 한 파손으로 누수가 발생하여 세립분이 빠져나가 공동이 발생된 것으로 추정되었다. GPR 조사 결과 주변 에 추가적인 공동 또는 도로함몰 위험은 없는 것으로 나타났다. 따라서 되메움 후 덧씌우기를 실시하고, 주기적인 현장 점검을 통하여 추가적인 함몰 발생 조짐을 감시하는 것이 바람직하다고 판단된다.

As the road sink phenomenon occurred continuously at the center of seoul in 2014. The road sink phenomenon was emerged as a social big issue in korea. So far, government, municipalities and related experts have been making a lot of efforts to prevent road sink accident, but it is still happening all over the country. Therefore, In this study aims to present the restoration action procedures and checklist items that can be used by government officials in order to recover quickly in the event of a road sink.

As the road sink phenomenon occurred at the center of Seoul area in 2014, the road sink phenomenon was emerged as a social issue in Korea. Even so far, governments, municipalities and related experts have been making a lot of efforts to prevent road sink, but it is still happening all over the country. The most effective way to prevent road sink phenomenon is judged as a policy alternative. Therefore, In this study, we analyzed the representative policy cases in the government for providing the behavioral procedures and checklists to be use person in charge.

A new research project entitled 「Development of Evaluation and Analysis Technologies for Road Sink」 was initiated last year under the sponsorship of Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement and Ministry of Land, Infrastructure and Transport. In this article, outlines of this project is briefly introduced including research goal, scope, current major activities, etc.