1. 서 론
2. 수도권 전력구 매설지반 지진시 위험도 평가
2.1 대상지역
2.2 연구절차 및 위험도 평가방법
2.3 Macro영역 기법을 적용한 LPI재해도 예비평가
2.4 지진응답해석을 이용한 상세평가
2.5 현장조사
3. 결 론
1. 서 론
2016년, 2017년 연속적으로 발생한 경주지진과 포항지진은 과거 한반도내에서 발생한 지진들과 다르게 진원지 근처의 국민들뿐만이 아니라 수백km 떨어진 수도권지역에서도 지진을 느낄 수 있을 정도의 큰 규모로 발생하였다. 지진의 안전지대라 여겨진 한반도에서의 예상 밖 규모의 지진 발생 후, 국내 지진연구자들뿐만 아니라 국민들까지도 지진으로 인한 피해에 관심이 집중되었으며, 특히, 포항지진으로 액상화 의심지역이 발생하며 지반의 액상화 현상에 대한 관심이 높아지고 있다. 국토가 협소하여 해안지역을 개간한 매립지가 많은 국내의 경우, 강한 진동으로 인해 흙 내부에 과잉간극수압이 발생하여 흙이 보유한 저항능력 상실로 마치 액체처럼 거동하는 액상화 현상에 대한 대책마련 및 국가적 차원의 액상화재해도 및 지진해도 제작이 시급한 사항이다.
우리나라의 경우, 국토부가 중심으로 내진설계기준이 1,997년에 제정되어 그 이전에 건설된 시설물의 경우 내진설계기준이 반영되지 못한 건물이 다수 존재하며 특히, 지하 구조물 내진설계기준은 2,000년 초반 철도, 상수도, 전력구 등의 내진설계기준의 제정되어 내진설계기준을 적용하지 못한 기존시설물이 다수 존재하고 있다.
지상시설물과 지중시설물의 내진성능 향상 및 평가에 관한 연구는 2,000년 이후 꾸준히 진행되었으며 2,013년 한국시설안전공단에서 제정한 기존시설물 내진성능 평가요령에 평가절차 및 방법이 자세하게 설명되어 있다(기존시설물 내진성능 평가요령, 한국시설안전공단, 2013). 기존구조물(건축물)의 내진성능평가의 경우 시공 후 사용연수에 따른 상태저하나 실질적 평가기법 보완을 위한 프로그램을 개발 등의 연구가 지속적으로 진행되었으며(Cho et al., 2015), 도시철도 시설물의 경우 현재의 내진설계기준 적용시 예비평가에서 도시철도 특성이 반영되어 있지 않으며, 상세평가에서 부재의 연성능력을 평가 할 수 있는 비선형평가의 필요성을 제안 한 바 있다(Heo and Kim, 2011).
지하시설물은 국민의 생활과 도시 기능 유지 및 국가산업시설의 운영에 있어 필수불가결한 기본적인 시설로써, 다른 사회 기반시설과의 상호 의존성이 높을 뿐만 아니라 피해 복구가 빨리 이루어지지 않을 경우 사회 경제 시스템의 기능이 장시간 마비 될 수 있다(Yoon, 2007). 2017년 환경부가 제출한 상수도시설 내진현황 분석 결과, 전국의 지방상수도 시설 5,045개 중 62.9%인 3,174개 시설은 내진설계 또는 성능인증이 되지 않은 것으로 조사되었다(국회의원 송옥주 보도자료, 2017.10.9., https://blog.naver.com/songok4740). 이러한 실정을 반영하여 서울시는 2,020년까지 내진율 61.4%인 서울시 공공시설물을 80.2%로 끌어올리기 위해 3년간 총 2,819억원을 투입하는 서울시 지진안전종합대책을 보도한 바 있다(서울시. 보도자료. 2018.04.16., http://www.dailyt.co.kr/news/articleView.html?idxno=25997).
액상화 재해도를 이용한 지진위험도 평가는 서울을 대상지역으로 재현주기 500년, 1,000년과 2,400년에 해당하는 지진가속도(0.11 g, 0.154 g, 0.22 g)를 적용하여 지진응답해석을 이용한 LPI 액상화 위험지도와 지반증폭계수를 이용한 LPI 액상화 위험지도를 비교·분석하여 액상화 위험지도 작성 시 지반증폭계수 적용의 타당성을 증명한 사례(Kwak et al., 2015)가 있으며, 이는 이전의 여러 연구(Kwak, 2001; Ku, 2010; Baek, 2014; Choi et al., 2014; Baek et al., 2015)연속이며, 최근 들어 액상화 위험지도에 대한 많은 연구(Baek et al., 2018; Ahn et al., 2018)가 진행되고 있다.
액상화 재해도를 이용한 시설물 중심의 연구는 최근 지진이 빈번하게 발생하고 있는 동남권(경상남북도, 부산, 울산 광역시)을 대상지역으로 Macro영역기법을 적용한 액상화 재해도와 지진응답해석을 이용하여 전력구의 지진시 액상화 평가를 한 사례가 있다(Choi et al., 2018). 하지만 대상지역의 전력구의 내진공법적용 여부 및 보강공법 적용 등 현장상태가 제외된 연구결과로 본 연구에서는 이러한 사항을 보완하여 연구를 진행하고자 한다.
본 연구에서는 인구밀집도가 가장 높고 중요 사회기반시설이 집중된 수도권지역에 대하여 액상화 발생시 가장 먼저 피해를 받는 지중구조물 중 생활 유지에 영향력이 높은 전력구 시설을 중심으로 액상화 평가를 지반증폭계수를 이용한 Marco영역기법 액상화 평가와 상세평가 개념인 기법인 지진응답해석으로 나누어 2단계로 수행하여 지진시 위험성을 분석하고, 현장조사를 통한 내진공법의 적용유무 및 보강공법반영 등 현장상태를 고려하여 최종 위험지역을 선정하였다.
2. 수도권 전력구 매설지반 지진시 위험도 평가
2.1 대상지역
본 연구의 대상지역인 수도권은 우리나라의 수도인 서울 및 주변지역을 통칭하는 권역으로 서울특별시, 인천광역시, 경기도를 포함하며 수도권(서울, 인천, 경기)의 면적은 전국토의 11.8%에 불과하지만, 2016년 말을 기준으로 전국 인구의 약 49.5%, 지역생산액의 48.1%를 차지하고 있다(통계청 국가통계포털). 상수도 보급률, 전력보급률, 도시철도 보급률 등 사회기반시설의 비중이 수도권에 집중되어 있다. 본 연구는 중요한 사회기반시설 중 하나인 전력구를 중심으로 수도권지역의 지진시 위험도를 평가하고자 하며 대상지역은 Fig. 1과 같다.
2.2 연구절차 및 위험도 평가방법
2.2.1 연구절차
본 연구는 수도권지역에 매설된 전력구 시설을 대상으로 광범위한 지진시 위험도를 평가하기 위하여 다음과 같은 단계로 연구를 수행하였다. 첫 번째 단계는 수도권(서울, 인천, 경기)지역의 지반조사 정보와 시추주상도를 우선적으로 수집하고 필요한 지반조사 정보를 필터링하고, 전력구의 위치정보가 포함된 전력구 자료를 수집한다. 이때 지반조사 정보와 시추주상도는 국토지반정보 통합DB센터에서 수집하였으며, 전력구자료는 한국전력원의 자료를 이용하였다.
두 번째 단계는 광역지역의 모든 지반조사 정보를 이용할 수 있는 지반분류를 우선적으로 수행한 후 ,지반증폭계수를 이용한 Macro영역 액상화 위험평가기법을 적용하여 액상화재해도를 작성한 후, 전력구 주변 액상화 가능성이 매우 높은 수준으로 평가된 시추공 데이터를 선별하여 위험지역 후보지를 선정한다.
세 번째 단계는 1단계에서 파악된 위험지역 후보지 중 전력구 주변의 액상화 가능성이 매우 높은 전력구 설치지역의 시추주상도를 기반으로 지진응답해석을 수행하여 액상화 발생 가능성을 재산정 하는 상세평가를 실시하여 후보지를 선정한다.
네 번째 단계는 2단계에서 액상화 발생가능성이 매우 높음으로 판별된 전력구를 현장 방문하여 보강공법적용, 내진설계반영 및 현장상태 등을 파악한 후 최종적으로 위험지역을 선정하였다. 이러한 분석기준을 토대로 연구내용의 단계별 흐름을 설명하면 다음의 Fig. 2에 나타낸 바와 같다.
2.2.2 LPI산정 및 Macro영역 기법
본 절은 앞서 언급한 연구절차에서 Step 2 해당하며 지진의 평가를 액상화 위험도를 이용하였으며 이때, 액상화 위험도를 파악하기 위해 LPI(Liquefaction potential index)산정식(Iwasaki et al., 1978)을 이용하였으며 산정식 (1)은 다음과 같다.
| $$P_L=\int_0^{20}F(z)w(z)dz$$ | (1) |
여기서 z는 깊이, w(z)는 액상화 발생 깊이를 고려하기 위한 가중치함수 [w(z) = 10 - 0.5z], 그리고 F(z)는 각 깊이에서의 액상화에 대한 안전율(CRR/CSR)의 함수이다. 기준 안전율이 1보다 작은 경우에는 F(z) = 1 – CRR/CSR로 정의되며 안전율이 1보다 클 경우에는 0으로 정의된다. 또한, Iwasaki는 63개의 액상화 발생지역과 22개의 액상화 미발생 지역을 대상으로 하여 LPI값에 따른 액상화 피해정도와의 상관관계를 Table 1과 같이 제안했다.
Table 1. Level of liquefaction damage by LPI (Iwasaki et al., 1982)
| LPI | Level of liquefaction damage |
| 0 | No damage |
| 0<LPI≤5 | Minor damage |
| 5<LPI≤15 | Medium damage |
| 15<LPI<100 | Extensive damage |
LPI산정을 위해 먼저 지반분류가 선행되어야 한다. 국내 내진설계 기준의 지반분류와 그에 따른 지반 증폭계수는 미국 서부 지역의 기준을 준용한다. 이러한 내진의 경우, 단주기와 중장주기에 관한 두 종류의 지반증폭계수들을 30 m 심도까지의 평균 전단파속도라는 기준에 따라 SA, SB, SC, SD, SE 다섯 종류로 분류를 적용한다. 또한, 지반 특성이 지진 공학적으로 매우 불리할 경우 추가적인 부지 특성 평가가 요구되는 SF로 구분할 수도 있다. 다음의 Table 1은 지반종별분류에 대한 기준으로 시추공정보를 이용하여 지반깊이 30 m까지의 전단파속도 평균값을 산정하여 지반종류를 판정하게 된다. 전단파속도 는 Sun et al.(2005)이 제안한 식 (2)을 사용하였다.
| $$V_S=65.64N^{0.407}$$ | (2) |
여기서 N은 표준관입시험(Standard Penetration Test; SPT) 30 cm 관입에 필요한 타격횟수를 말한다.
본 연구에서 사용된 지반분류 및 증폭계수는 전 세계적으로 공통되게 사용되는 기준이나 최근 국내 지질조건에 대한 반영을 통해 국민안전처 내진설계 공통적용사항 내 새로운 지반분류체계가 제안된 바 있다. 본 연구의 대상지역인 수도권의 시추공의 지반분류를 개정 이전에 실시하여 이를 반영하지 못하였다. 추후 이를 반영한 연구 및 비교·분석 연구 등 후속 연구를 통하여 보완할 필요가 있다. Table 2는 본 연구의 2단계 지반분류에 적용된 분류기준이다.
Table 2. Amplification coefficient according to soil type (EESK, 1997)
먼저 액상화에 대한 지반의 저항력인 진동저항응력비(Cycle Resistance Ratio; CRR)산정은 표준관입시험 SPT) N치를 이용하여 산정한다. 또한 CRR은 세립질 함유량이 증가함에 따라 그 값이 증가한다(Seed et al., 1985). 지반의 CRR 산정에 사용된 식은 (3)과 같으며 여기서 산정된 CRR은 지진규모 7.5에 대한 값이다.
| $$CRR_{7.5}={\left(\frac{\tau_l}{\sigma_v'}\right)}_{7.5}=\frac1{34-(N_1)_{60}}+\frac{(N_1)_{60}}{135}+\frac{50}{\lbrack10(N_1)_{60}+45\rbrack^2}-\frac1{200}$$ | (3) |
식 (3)에서 은 SPT-N시험시 N을 에너지효율 60% 기준으로 환산한 값이며 이때, 으로 환산하는 방법은 식 (4)와 같다.
| $$(N_1)_{60}=NC_NC_EC_BC_RC_S$$ | (4) |
여기서 N은 측정된 SPT값, CN은 상재하중에 대한 보정값이며, CE는 해머의 에너지 효율에 대한 보정, CB는 굴착홀 직경에 대한 보정, CR은 롯드 길이에 대한 보정, CS는 샘플러 종류에 대한 보정이다. 시추자료를 토대로 보정값이 적용되어 하나의 산정된 데이터가 산출되며 각 시추공에 맞는 값에 따른 보정계수를 적용하였다. 또한, 내진설계기준을 참고하여 지반조사결과를 토대로 액상화 평가 생략지반을 분류하였으며 생략지반으로 판정된 경우에는 LPI값을 0으로 간주하였다.
지반에 작용하는 외력인 진동전단응력비(Cycle Stress Ratio)는 지반분류에 따라 지표면의 가속도와 감쇠계수를 적용하거나, 지진응답해석을 수행하여 심도별 전단응력 혹은 가속도를 산정한다. 지반분류를 기준으로 CSR을 계산한 할 경우 (Seed and Idriss, 1971)가 제시한 Simplified Method를 2004년 개정한 (Eurocode 8- part 5, 2004)에서 적용한 변형식을 사용하였으며 이는 식 (5)와 같다.
| $$CSR=\frac{(\tau_d)_{max}}{\sigma'_v}=0.65\times\frac{a_{bedrock}\times S}g\times\frac{\sigma_v}{\sigma'_v}$$ | (5) |
여기서 σv는 연직전응력, τd 는 전단응력, v’는 연직유효응력, 는 기반암에서의 지반가속도를 말하며 S는 지반분류별 증폭계수로 Table 2에 설명한 값을 적용하였다.
지진규모 6.5시의 액상화 안전율(SF)은 위에서 구한 진동저항응력비와 진동전단응력비로 구할 수 있다. 안전율을 구하는 식은 식 (6)과 같다.
| $$Sf_{Final(M=6.5)}=\left({\left(\frac{\tau_l}{\sigma'_v}\right)}_{7.5}/\frac{(\tau_d)_{max}}{\sigma'_v}\right)MSF$$ | (6) |
여기서 MSF는 지진 규모의 따른 보정계수로 1.5를 사용하였다. 최종적으로 LPI는 식 (1)을 통해 산정된다.
본 논문은 전력구 시설을 대상으로 하기 때문에 한국전력의 내진설계시방을 기준으로 하였으며 적용된 내진성능기준은 붕괴방지 1등급으로 기반암에서의 가속도는 0.154 g, 설계지진규모는 6.6으로 이때 지진규모 보정계수는 1.45를 적용하였다.
특히, 본 논문에서는 지반조사 자료에서 지하수위에 대한 정보가 대부분 누락되어 있는 점을 고려하여 국가 지하수센터의 유역별 연평균 지하수위 정보를 인용하였으며 분석시 적용한 지하수위는 5 m이다.
최종적으로 산정된 LPI데이터를 대상지역의 시추공데이터에 입력하여 LPI값과 전력구를 Arc GIS를 이용하여 Mapping하고 Table 1을 적용한 액상화재해도에서 LPI가 15이상으로 매우 위험한 지역의 전력구 시설을 확인한다.
2.2.3 지진응답해석
본 연구는 Step 3에 해당하며 Step2에서 파악된 위험지역의 전력구 주변의 시추주상도를 파악하여 지진응답해석 프로그램을 이용하여 LPI를 재계산하는 상세평가를 실시하였다. 이때, 1차원 지진응답해석 프로그램인 Deepsoil v6.0(Hashash et al., 2015)을 사용하였으며 점토와 사질토의 동적곡선은 PI 지수와 깊이별 구속압 조건을 고려 할 수 있는 Darendeli(2001) 곡선을 사용하였고 자갈층과 풍화토는 흙 알갱이의 입도를 고려할 수 있는 Menq(2003)곡선을 적용하였다. 이러한 조건들을 적용하여 산정된 각 지진파의 깊이별 가속도를 적용하여 진동전단응력비를 계산하였다.
지진응답해석시 입력지진으로 3가지 실지진기록인 Northridge-LA, Northridge -Vasquez, Iwate-Japan 가속도 시간이력곡선을 사용하였다. 이때, 지반운동의 최대지반가속도는 재현주기 1,000년에 부합되는 0.154 g로 정하였으며 설계스펙트럼에 상응하도록 Spectral Matching기법을 적용하였다. 설계스펙트럼은 국내 내진설계기준의 표준설계응답스펙트럼을 사용하였으며 Spectral Matching에는 RspMatch 2009(Linda and Abrahamson, 2010 Park et al., 2012)를 적용하였다. 다음의 그림은 입력자료로 사용된 조정 후의 가속도 시간이력곡선과 표준설계스펙트럼을 비교한 것이다.
Fig. 3에서 Northridge 지진시 2가지 기록을 사용한 이유는 실제 Northridge 지진발생시 암반노두와 매립지반에서 각각 계측된 지진기록으로 지반증폭의 차이를 잘 나타내는 기록인 점을 고려한 것이다. 진동전단응력비 산정시 식 (7)을 적용하였으며, αmax는 심도별 최대가속도이다. 식 (5)와 차이점은 지진응답해석을 이용하여 산출된 각 심도별 최대가속도값을 적용하여 CSR을 산출 하는 것이다.
| $$CSR=\frac{(\tau_d)_{max}}{\sigma'_v}=0.65\times\frac{a_{max}}g\times\frac{\sigma_v}{\sigma'_v}$$ | (7) |
2.2.4 현장조사
Macro영역 액상화 평가를 통하여 액상화 위험도 작성 후 위험지역을 우선적으로 선정하였다. 광역지역 액상화 평가법은 많은 양의 지반정보데이터를 이용하여 빠르게 액상화 발생가능성 지수, LPI를 산정하기 위해 지진응답해석의 결과보다 다소 보수적으로 나오는 경향이 있다. 따라서 현장조사지역을 선정하기 위하여 광역지역 액상화 평가법(광역평가)을 통하여 산정된 LPI지수와 지진응답해석(지반응답평가)을 통한 LPI의 비교를 통하여 Table 3과 같은 현장조사 조건을 설정하였다.
Table 3. Field survey standard criteria
2.3 Macro영역 기법을 적용한 LPI재해도 예비평가
본 연구는 액상화재해도를 이용한 예비평가를 우선적으로 수행하였다. 이때 광범위한 지반조사 자료로 서울, 인천, 경기도로 대상지역을 나누어 평가하였으며 예비평가로 선정된 위험지역은 인천 7개 전력구, 서울 2개 전력구, 경기 4개 전력구로 파악되었으며 Fig. 4는 서울, 인천, 경기도의 위험지역을 나타내고 있다.
Step 2에서 평가한 액상화 위험도는 지반조사 정보를 토대로 6가지의 지반분류 중의 하나를 선정하고 그 분류에 해당하는 지반증폭계수를 적용한 것이다. 즉, 실제 지반의 특성을 그룹으로 분류하여 그 그룹에 속한 모든 지반은 지진시 동일한 증폭비를 갖는다는 의미이다. 이러한 방법은 빅데이터의 정보를 처리해야 하는 광역지역에 적용하기에 편리한 반면, 실제 지반 내 지층에 따른 증폭특성을 정확하게 반영하는 데에는 다소 신뢰성이 떨어진다. 따라서, 실제 지반의 정보를 충분히 반영하여 지진시 액상화와 같은 동적거동 특성을 분석하는 경우에는 지반의 지진시 증폭현상을 반영하기 위한 지진응답해석이 필요하며 이를 토대로 액상화 발생 여부를 파악하였다. Step 2의 액상화재해도를 분석을 통하여 Fig. 5와 같이 확대하여 지진응답해석시 필요한 시추공 정보를 파악하였다.
2.4 지진응답해석을 이용한 상세평가
지진응답해석을 이용한 액상화 위험도 분석에 사용될 시추공 정보는 인천 7 전력구, 서울 1전력구, 경기 3전력구로 선정하였다. 서울의 1개소와 경기의 1개소는 시추공위치와 전력구와의 거리가 3 km이상으로 파악되어 제외하였다. 각 지반조사 자료를 토대로 Fig. 3의 3가지 입력지진에 대해 Shake프로그램(Idriss & Sun, 1997)을 이용하여 지진응답해석을 수행한 결과는 Fig. 6과 같다. 또한, 응답해석시 필요한 입력자료는 경험식(Sun et al., 2005; Sun, 2010)을 적용하였다.
지진응답해석결과, 대부분 지반조건이 하부 연약지반이 존재하는 이유로 인해 하부에서는 다소 증폭이 발생하였으나 이후, 모래지반에서 지표로 지진이 전달되는 구간에서는 증폭보다는 감쇠되는 것으로 나타났다. 이 응답해석에서 나타난 모래지반의 가속도를 이용하여 액상화 평가를 재수행하여 산정한 LPI값은 Table 4와 같으며 지진응답해석 수행 결과, 인천 3개 전력구와 경기 1개 전력구의 액상화지수가 20보다 높게 산정되었다.
Table 4. LPI from response analyses
2.5 현장조사
액상화재해도를 이용한 지진시 위험성 평가와 지진응답해석을 이용한 액상화 위험도 분석 결과를 최종적으로 Table 3에 해당하는 곳을 선별한 결과 인천 3개 전력구와 경기 1개 전력구를 대상으로 현장조사를 실시하였다. 현장 조사시 현 장담당자와의 면담을 통해 설계당시 내진공법 여부 및 지반보강 등의 적용을 위해 설계도면검토와 시공시 보강공법 등의 적용여부를 파악하여 최종 위험도를 평가하였다.
현장조사 결과, 인천 3개 전력구는 매설 전 PHC말뚝기초 보강, 팽이말뚝기초 보강, 잡석기초 보강 등을 적용하여 기초를 보강한 것으로 파악되었으며, 경기 1개 전력구는 잡석채움으로 보강된 하부 통과구간을 확인하였다. 최종 현장조사를 위험지점의 최종 분석결과, 수도권지역의 위험지역으로 판단되었던 전력구 매설지역은 모두 안전한 것으로 파악되었다.
3. 결 론
본 연구의 분석결과, 증폭계수를 이용한 Macro영역기법인 액상화재해도 액상화 위험도 분석은 지반 내 지진거동변화를 반영하는 지진응답해석 액상화 위험도 분석보다 LPI값을 더 크게 산정하는 결과를 주고 있으나 많은 데이터를 처리함에 있어 지진응답해석의 수행을 대신하는 점에서 많은 해석시간을 단축할 수 있으므로 광역지역을 대상으로 평가하는데에는 유효적절한 것으로 파악되었다.
본 연구흐름과 같이 우선적으로 Macro영역기법으로 해당 지역의 위험도를 파악하고, 위험하다고 판정된 경우 지진응답해석을 추가하여 신뢰성 있게 재해석하고, 원지반의 시추자료를 사용하는 만큼 현장조사를 통해 내진공법 적용 및 지반보강의 유무를 파악함으로써 유효적절하게 시설물의 액상화 취약도를 평가할 수 있는 것으로 파악된다.
특히, 이 연구에서 다루고 있는 전력구는 지중에 설치되어 지진시 지반의 액상화가 가장 크게 영향을 줄 수 있으므로 이러한 연구방법이 매우 효과적임을 알 수 있었으며 향후 지중의 라이프라인들, 예를 들어 수도관, 통신관, 가스관 등은 이러한 평가시스템으로 액상화 취약도를 산정하게 될 경우, 지진대책마련에 도움을 줄 수 있을 것으로 판단된다.
