지하 공간 개발을 위한 수반 연구의 메카
상태바
지하 공간 개발을 위한 수반 연구의 메카
  • 임승민 기자
  • 승인 2010.11.12 10:43
  • 댓글 0
이 기사를 공유합니다

사회기반시설과 에너지·환경을 위한 암반의 공학적 응용 연구 진행

우리나라는 얇은 표토층을 제외한 대부분의 지반이 암반으로 구성되어 있기 때문에 지하 구조물을 시공하기 위해서는 암반을 굴착해야 한다. 암석 및 암반은 흙에 비해 매우 단단한 물질이어서 암반으로 이루어진 지하구조물은 안전할 것이라 생각하기 쉽지만 지하 공간개발과 같이 인간에 의해 암반에 가해지는 인위적인 변화는 암반의 변형 및 파괴를 야기할 수 있어서 암반의 역학적·수리학적 특성을 연구하는 것은 매우 중요하다.

암반공학은 지하에 매장되어 있는 광물 자원을 효율적으로 획득하기 위해 본격적으로 시작되었다. 그러나 차즘 지하 공간의 이용 필요성이 증가함에 따라 사회기반시설 분야로의 응용분야가 확대되었고 최근 들어서는 각종 에너지 지질환경 분야와도 밀접한 연관을 갖고 있어 여기에 대한 연구도 활발히 진행되고 있다.

서울대학교 암반공학연구실(http://rockeng.snu.ac.kr/전석원 교수/이하 연구실)은 이러한 지반을 구성하고 있는 암석 및 암반의 물리적·역학적·수리학적 특성을 이론 및 실험적으로 연구하고 아울러 이를 공학적으로 응용하는 연구를 수행하고 있다.

암석 및 암반의 공학적 응용 연구 진행

연구실은 광물자원 개발 및 석유개발, 지열발전 CO₂ 지중저장에 관련된 연구와 암반에 건설되는 지하철 및 교통터널, 석유 지하 비축기지, 각종 암반사면, 지하양수발전소, 도심지 지하 공간 구조물 등 다양한 지하구조물의 설계 및 시공에 수반되는 연구를 수행한다.

이를 위해 실험실 실험, 현지 실험, 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하고 있는 연구실은 첨단장비를 이용한 기존의 시험법과 새로이 고안된 각종 시험법을 사용하여 다양한 경계조건 하에서 암석의 강도, 변형거동, 파괴특성 등을 고찰한다.

그리고 이러한 기초적인 연구결과를 이용하여 터널, 지하공동, 암반사면 등의 설계 및 해석, 발파 및 굴착 등의 현장적용 문제를 다룬다. 특히 현지암반응력측정, 지보재의 선택 및 지보량 산정, 이방성 고려, 수치해석을 위한 암반의 입력물성치 결정, 발파진동제어 등의 현장 문제를 관심 있게 다루고 있다.

최근에는 불연속암반의 특성화, 열-수리-화학-역학의 상호작용 연구, 암석파괴인성 측정을 위한 새로운 시험법 개발, 제어발파기술 등을 포함한 연구를 활발히 진행 중에 있다. 

사회기반시설과 관련된 암반공학 연구

연구실이 사회기반시설과 관련해 수행되고 있는 연구는 주로 토목·건설 분야에 응용이 되는 연구로서 크게 터널 및 지하공간의 설계와 해석, 발파공학, 사면공학, 워터넷 기술 등에 관한 분야로 나눌 수 있다.

우리나라의 경우 지질학적 특성상 지하철, 도심지하터널, 고속도로 터널, 철도터널 절취사면 등을 시공하기 위해서는 암반 굴착이 불가피하다. 이러한 구조물을 안전하게 설계하고 시공하기 위해 연구실은 터널안정성 해석, 지하 굴착에 따른 지반침하, 지하수위 변화, 터널 건설에 따른 환경 영향 평가, 터널 화재에 대비한 환기, 사면안정성 해석 등에 대한 연구를 활발히 진행하고 있다.

암반을 굴착하기 위한 효과적인 방법으로 화약이 널리 사용되고 있으며, 연구실에서는 화약을 이용한 발파에서 주변 구조물 및 주거 환경에 영향을 미치는 소음과 진동을 제어하는 기법을 연구하고 있다. 화약을 사용하는 응용공법으로 고층건물의 해체발파를 위한 붕괴시뮬레이션 기법 개발 연구도 진행 중에 있으며 향후 국내 노후 된 고층건물의 해체 시 활용성이 매우 클 것으로 기대되고 있다.

최근 도심지 터널 굴착에 대한 수요가 증가하고 있으며 이에 따른 소음 진동의 영향을 줄이기 위해 기계식 굴착 방법이 적극 검토되고 있다. TBM(Tunnel Boring Machine)을 이용한 기계식 굴착은 이미 국내 여러 현장에서 적용된 바 있으나, 장비 제작을 외국에 의존하고 있는 현실에서 국내 지반 조건에 부합하는 기종의 선정과 운영 노하우 부족을 극복할 연구 및 기술 개발이 필요한 실정이다.

이에 연구실에서는 TBM 디스크 커터의 절삭 성능을 실험적 수치해석적으로 평가하여 TBM 커터헤드 부분을 설계하는 기법을 개발하였으며, 추가 연구를 통하여 국내 지반 특성에 맞는 최적의 설계 기법을 확보할 계획이다. 

암석의 절삭, 구조물의 부분 해체, 정밀가공, 세척 분야에서 널리 사용되고 있는 워터젯 기술에 대한 연구도 진행 중에 있다. 특히 연마제를 첨가한 고압 워터젯은 뛰어난 절삭 성능을 가지므로 구조물 해체 분야에서 자동화된 장비를 통하여 활용도가 증대할 것으로 기대하고 있다.

미래를 위한 에너지 지질환경분야 연구 수행

환경보존과 신재생에너지의 필요성이 강조되고 있는 가운데 암반공학은 인류의 미래와 직결된 각종 에너지 지질환경분야와도 밀접한 연관을 갖고 있다. 방사성 폐기물 지하 처분장 건설, 특수한 지질구조를 이용한 지하 심부 CO₂저장, 그리고 친환경적 재생에너지로 각광받는 지열에너지개발 등도 암반공학과 밀접한 연관을 갖는 분야이다.

현재 우리나라는 원유에 대한 높은 해외의존도 및 전략적 이유 등으로 인해 국가 석유 소비량의 넉달치 이상을 비축하고 있으며 이중 많은 양을 지하에 저장하고 있다. 이에 연구실은 원유 및 액화가스를 지하 암반 내에 저장하는 기술, 지하양수발전소, 지하압축공기저장소, 지하 냉동창고 등의 각종 에너지 관련 지하 공간 기술의 연구를 수행하고 있다.

한편, 무한의 에너지원을 확보하고 지구온난화 문제를 해결하는 것은 전 인류적 과제가 되고 있다. 이에 연구실은 심부의 고온 암체에 물을 주입하여 수증기를 발생시켜 전기를 생산하거나, 지하 천부의 열에너지를 냉난방에 활용하는 지열 에너지 연구, 그리고 지구 온난화의 원인인 이산화탄소를 회수하여 내륙 혹은 해저의 깊은 지층에 저장하는 CO₂ 저장 연구도 활발히 진행하고 있다.

이와 함께 방사성 폐기물 지층 처분에 대한 연구도 수행하고 있다. 원자력 발전소를 운영한 후 발생하는 사용 후 핵연료는 만년 이상 장기간 인간에 위해한 방사능을 방출하므로 지하심부에 격리시켜 보관하는 것이 가장 유력한 방안인 것으로 인식되고 있다. 이에 연구실은 지하 심부에 방사성 폐기물을 처분하였을 때 발생하는 각종 열적, 수리적, 역학적 변화를 예측하는 연구를 수행하고 있다. 


댓글삭제
삭제한 댓글은 다시 복구할 수 없습니다.
그래도 삭제하시겠습니까?
댓글 0
댓글쓰기
계정을 선택하시면 로그인·계정인증을 통해
댓글을 남기실 수 있습니다.
주요기사