[200호 과학학술: 싱크홀] 싱크홀(Sinkhole), 자연현상인가 인재(人災)인가?

싱크홀(Sinkhole)은 본래 자연적으로 형성된 구덩이로 산과 들, 바다 어느 곳에서나 나타날 수 있는 자연현상이지만 최근에는 도심지에서도 자주 찾아볼 수 있으며 그 규모 또한 커져 재난으로 이어지기도 한다. 특히 도심지의 무분별한 개발과 공사는 싱크홀 형성의 가능성을 높이므로 싱크홀에 대해 앞으로 우리가 예의주시 할 필요가 있다. 그러므로 이번 호에서는 ‘싱크홀’에 관해 자세히 알아보고, 무심코 지나쳤던 자연현상에 대한 재고의 기회를 갖고자 한다.

 

“2012년 2월 인천 시내 한 가운데 길이 10~40m, 깊이 20m 크기의 구멍이 발생하여 지나가던 오토바이 운전자가 빠지는 사고가 발생하였다.”(뉴스한국, 2012)

“2014년 2월 미국 캔터기주 한 박물관에 깊이 9m의 거대한 구멍이 발생하여 전시중인 차량이 추락하는 사고가 발생하였다.”(New York Times, 2014)

최근 몇 년 간 도심지 한복판에 원형의 커다란 구멍, 일명 싱크홀이 발생하는 사고가 빈번하게 나타나고 있다. 사전예고 없이 갑자기 발생하는 싱크홀이 도시에 발생될 경우 큰 인명 및 재산 피해가 발생하므로 시민들에게 큰 불안을 줄 수 있다. 하지만 아직까지 이를 탐지하거나 사전에 예측할 수 있는 기술이 거의 전무한 실정이다. 본보에서는 싱크홀의 종류, 발생원인 및 탐지할 수 있는 방법에 대하여 알아보고자 한다.

싱크홀이란?

 싱크홀(Sinkhole)이란 짧은 시간에 땅이 지하의 빈 공간으로 무너져 생기는 원형 구멍 또는 지반침하를 의미한다. 자연적으로 형성된 싱크홀은 석회암의 주성분인 탄산칼슘이 지하수에 의한 풍화작용으로 녹아내려 형성된 커다란 구멍이 상부압력을 견디지 못하고 순차적으로 상부 지반이 붕괴된다.

싱크홀의 종류는 발생과정에 따라 크게 용해성(Solution Sinkhole)과 붕괴성(Collapse Sinkhole)으로 구분할 수 있다. 용해성 싱크홀은 지하수로 인하여 석회암과 같은 용해성 암석이 용해되어 발생하는 형태로 석회암 층 위에 퇴적층이 거의 존재하지 않아 붕괴까지는 이르지 않는 경우를 의미한다. 붕괴형 싱크홀은 두꺼운 퇴적층이 석회암이 용해되어 생기는 구멍(또는 동굴)으로 천천히 침하되거나(Cover-subsidence) 또는 갑자기 빠져 들어가면서(Cover-collapse) 발생되는 형태를 가진다. 또한 붕괴형의 경우 폭우, 가뭄, 과적차량하중 등으로 인한 급격한 지반상의 변화로 인하여 발생하기도 한다.

 200-06-1▲싱크홀 종류 : (a) Dissolution, (b) Cover-subsidence, (c) Cover-collapse

 

 싱크홀 형성 과정

 자연적으로 형성되는 싱크홀은 풍화와 침식의 과정을 통해서 주로 발생한다. 우선 암반 또는 상부퇴적물에 안정되게 존재하는 공동이 지하수의 유입으로 장시간에 걸쳐 점진적으로 침식된다. 이러한 공간이 커짐에 따라 상부 토사층의 압력을 견디지 못하고 어느 순간 붕괴된다. 이와 동시에 상부 토사가 갑자기 공동하부로 유입되면서 상층부에 커다란 공동이 발생하게 된다. 석회암 지대에서 발생하는 싱크홀은 특별한 전조현상 없이 발생하며, 발생 후 주변부가 계속 무너지면서 구멍이 계속 커지기 때문에 더 위험하다. 따라서 자연적으로 발생하는 싱크홀은 물에 의한 침식이 쉽게 발생하는 석회암이나 사암지대에서 주로 발견된다. 대표적인 지역으로는 미국 플로리다 석회암 지대로 자연 발생한 싱크홀 카르스트(Karst) 지형을 이루고 있다. 우리나라의 경우 강원도와 경상북도 일부 지역이 여기에 속한다.

자연적으로 생성되는 싱크홀과 달리 지하 공간 개발, 지하수 유출 등과 같은 인간 활동에 의해서도 싱크홀이 발생된다. 대표적인 예로 무분별한 지하수 개발로 인하여 지하에 공동이 생기거나 지반의 지지력이 약화되어 상부하중을 견디지 못하고 붕괴되기도 한다. 또한 상하수도관과 같이 지하에 설치한 많은 매설물이 파손되면서 싱크홀이 발생되는 사례도 많이 보고되고 있다. 대표적인 예로 2013년 캐나다 154번 고속도로에서 도심지 붕괴형 싱크홀이 발생하였다. 이러한 싱크홀의 원인으로는 사용기간이 50년 된 노후 지하 배수관이 파손되면서 상부의 도로구조체 및 차량 하중을 견디지 못하고 지반이 무너지면서 차량이 빠진 것으로 나타났다. 이러한 인간 활동에 의한 싱크홀은 주로 도심지에서 발생하고, 최근 발생 빈도가 급격히 증가하여 전 세계적으로 많은 이슈가 되고 있다.

 

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200-06-3▲ 붕괴형 싱크홀 생성과정(위, 석회암 지대 / 아래, 도심지)

 

대표적인 싱크홀 발생 사례

 자연적인 싱크홀 중 최대크기는 베네수엘라에 발생한 것으로 지름과 깊이가 무려 350m에 달한다. 우리나라의 경우 지층이 대부분 단단한 화강암 또는 편마암층으로 이루어져 자연적인 싱크홀이 많이 발생하지 않았다. 하지만 전남 무안에서 지난 10여 년 동안 20여 차례 싱크홀이 발생된 것으로 나타났고, 2013년 충정북도 청원에서도 싱크홀이 발생하였다.

도심지형 싱크홀로는 2010년 과테말라 도심지에 지름 30m, 깊이 60m의 대형 구멍이 발생하였다. 2007년과 2010년에 과테말라에서 발생한 싱크홀의 경우 허리케인이 쏟아 부은 빗물이 화산재 층을 함몰시켜 만든 경우이다. 또한 무분별한 지역 개발로 인한 지하수 고갈로 인하여 지반이 무너지는 경우, 공사도중 상하도관의 누수로 인한 지반약화, 공사 중 발파시의 충격으로 인한 지반붕괴 등 다양한 원인들이 있다. 예를 들어 2012년도 인천에서 발생한 싱크홀은 인근 지하철공사장의 지반붕괴로 인한 것으로 파악된다. 서울시에서 지난 5년간 발생한 크고 작은 도심지형 싱크홀만 133건으로 나타났다. 따라서 최근 들어 많이 발생하는 도심지형 싱크홀은 무분별한 개발과 이에 대한 충분한 사전적인 대책의 부족으로 인한 인재라고 볼 수 있다. 특히 노후된 상하수도관은 도심지형 싱크홀의 주범으로 볼 수 있다. 상하수도관의 수명은 약 20~30년으로 서울시의 경우 1980~1990년대 집중적으로 매설된 수도관들이 거의 한계수명에 다다른 것으로 나타났다. 이러한 낡은 관의 부식으로 누수된 물이 주변 토사와 함께 이동하게 되어 공동이 발생하게 되고, 상부 하중을 견디지 못하게 되면서 지반이 붕괴된다. 따라서 이러한 노후된 수도관들의 교체가 이루어지지 않는다면 앞으로도 싱크홀이 자주 발생할 것으로 예측할 수 있다.

또한 인구증가로 인한 지하수 개발이 싱크홀의 한 원인이다. 땅속은 2.5m 깊이마다 압력이 1기압씩 증가하므로 25m 깊이의 암반층에는 10기압이 가해지는 것이다. 따라서 지하수를 무분별하게 사용함에 따라 이러한 기압을 버텨내던 지하수위가 낮아지거나 사라지게 되므로 막대한 지반의 압력을 버텨내지 못하고 붕괴되게 된다. 최근 중국에서 발생한 싱크홀이 이와 같은 지하수의 개발로 인한 것으로 밝혀지고 있다. 우리나라의 경우에도 서울시에서 하루 17만 톤, 연간 6천 500만 톤의 지하수를 사용하고 있으므로, 지하수위 저하로 인한 지반침하가 생길 가능성이 높아지고 있는 실정이다.

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▲ 최근 발생한 대표적인 싱크홀

(a) 베네수엘라 (b) 청원 (c) 서울 (b) 과테말라

 

싱크홀 탐사 방법

 인구밀도가 높은 도심지에 생기는 싱크홀은 주변 건물 붕괴 또는 교통에 혼란을 주는 등 큰 재해로 이어질 수 있으므로 이에 대한 철저한 대비가 필요하다. 특히 싱크홀이 발생하기 전에 이를 발견할 수 있다면 붕괴를 예방할 수 있는 보강대책을 수리할 수 있기 때문에 싱크홀 발생 여부를 조사할 수 있는 방법이 필요하다. 현재 얕은 지하에 존재하는 공동의 위치 및 크기 등을 조사하기 위하여 다양한 종류의 비파괴시험 방법들이 이용되고 있다. 가장 정확한 조사 방법으로는 싱크홀이 발생할 가능성이 높은 곳에서 시추조사를 실시하여 직접적으로 공동이나 붕괴위험을 조사할 수 있으나 광범위한 대상에 대한 전수조사가 어려울 뿐만 아니라 시추조사가 오히려 붕괴를 야기할 수도 있기 때문에 위험지역에서는 조심해야 한다. 따라서 조사범위가 널고 빠른 물리탐사를 통한 비파괴시험 방법이 선호되고 있는 실정이다. 싱크홀이 발생되는 지반에서는 사전 징후로서 흙의 밀도가 낮아지거나(또는 공극률이 커지거나), 강도가 약해지므로 불규칙적인 지반 침하가 발생한다. 따라서 흙의 밀도, 공극률, 강도 등의 변화에 민감한 시험 방법이 선호된다. 가장 일반적으로 추천되는 물리탐사 방법으로는 지표투과레이더(Ground penetrating radar, GPR), 전기비저항 토모그래피(Electrical Resistivity Tomography, ERT), 탄성파 탐사가 있다.

이러한 시험방법 중 지표투과레이더 시험은 조사특성상 이동형 차량에 설치하여 주행 중에 시험을 실시할 수 있으므로 상대적으로 조사 속도가 빠르고, 조사 범위가 넓어 도심지와 같은 곳에서 활용성이 높은 것으로 알려져 있다. 지표투과레이더는 전자기파를 지표면으로 방사시킨 후 반사 또는 투과된 파의 속도 및 형상을 분석하여 지하수위, 지하매설물 및 공동 위치, 기반암 및 단층 위치, 터널 라이닝, 콘크리트 피복 등을 추정할 수 있다. 지반조사의 경우 일반적으로 50~500MHz의 중심주파수를 가지는 안테나가 사용되는데 주파수가 낮을수록 조사 심도가 깊어지는 반면에 깊이별 해상도는 낮아지게 된다. 예를 들어 200MHz 안테나의 경우 조사 심도가 약 5~10m 이고, 깊이별 해상도는 약 20~40cm이다.

공동이 발생한 위치에서 실시한 GPR 시험 결과를 살펴보면 반사파의 신호가 강하게 수평으로 나타나는 부분에 점토층이 위치하며 원으로 표시된 부분과 같이 일부구간에서 침하가 발생한 것을 알 수 있다. 이곳을 굴착하여 확인한 결과 커다란 공동이 존재하는 것을 확인할 수 있다. 여러 개의 측선을 설정하여 조사한 결과를 바탕으로 지반침하로 인한 공동의 위치와 크기를 3차원 상에서 확인할 수 있다. (Dobecki and Upchurch 2006)

200-06-5▲지표투과레이더(GPR)를 이용한 공동 탐사

 

 

국내의 경우 싱크홀 탐사는 한국건설기술연구원과 서울시에서 접촉식 400MHz GPR 시스템을 이용하여 도로에 발생된 싱크홀의 유무와 도로하부 상태를 진단하여 향후 붕괴 가능성을 진단하고 있다. 도로의 경우 조사 연장이 매우 길기 때문에 차량에 장착하여 조사하거나, 카트를 이용하여 조사할 수 있다. 이러한 조사를 통하여 도로 하부에 발생한 싱크홀 위치, 크기, 주변 침하정도를 확인 할 수 있다.

 

200-06-6▲접촉식 GPR 시스템 : GPR 조사 장비

 하지만 일반적으로 싱크홀은 갑자기 발생하는 현상이므로 현재까지 이를 정확하게 예측하는 것은 어려운 실정이다. 최근 미항공우주국(NASA)의 제트추진연구소(Jet Propulsion Laboratory)에서는 LA의 Bayou Corne 지역과 Louisiana 지역에 대한 항공기 탑재 레이더(Airborne RADAR) 데이터를 분석하여 거대한 싱크홀의 발생 전조를 예측하여 주민들이 미리 대피할 수 있었다고 알려졌다. 싱크홀의 발생을 예측한 방법은 C-20A 제트기에 탑재한 무인항공합성개구레이더(Uninhabited Airborne Vehicle Synthetic Aperture Radar, UAVSAR)로부터 획득한 영상자료를 분석하여 지구 표면의 아주 미세한 변형을 측정하였다. 이러한 변형량을 지속적으로 추적 조사하여 루이지애나의 경우 싱크홀이 발생하기 한 달 전에 싱크홀이 발생되는 지점 쪽으로 수평방향 260mm의 움직임을 포착 할 수 있었다. 그러므로 NASA 연구진은 이러한 지표면의 전조 움직임을 통하여 대형 싱크홀의 발생을 예측할 수 있다고 보고하였다. 아직은 초보적인 단계지만 NASA에서 싱크홀을 예측할 수 있는 방법론을 제시함에 따라서 앞으로 GPR을 통한 도심지형 싱크홀 평가뿐만 아니라 SAR을 이용한 싱크홀 사전 예방 기술이 개발된다면 재해 예방 및 피해를 최소화 할 수 있는 골든타임을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.

 

백종은 / 한국건설기술연구원 수석연구원

 

tip
● 포트홀(Pothole): 최근 도로 표면에 움푹 파인 포트홀이 자주 발생하여 주행 중 타이어가 빠져 교통사고가 발생하여 사회적인 문제가 되고 있다. 포트홀과 싱크홀은 원형의 구덩이라는 공통점이 있지만 발생원인, 크기 등에서는 거의 연관성이 없다. 포트홀은 그림 4와 같이 일반적으로 지름이 15cm, 깊이는 5cm 정도로 작은 규모이고, 아스팔트 도로에 발생한 균열부로 침투한 물로 인하여 결합력이 약화된 표층재료 일부가 차량하중에 의해서 떨어져 생성된다.
● 합성개구면레이더(SAR): 합성개구면레이더(SAR)는 대표적인 영상레이더로서 항공기나 위성에 탑재하여 넓은 지표면 영역에 대한 전장 정보를 획득하는 데 사용된다. SAR은 악천후와 야간에도 관측을 할 수 있는 큰 장점이 있다. 이러한 SAR은 1950년대에 Doppler Beam Sharpening이란 개념을 이용하여 개발된 이후 꾸준히 개발되어 현재 상용용 및 군사용 목적으로 사용되고 있다(정호령, 임효숙 2009). 우리나라의 경우 2013년에 발사된 다목적실용위성5호(아리랑5호)에 국내 최초로 1m 해상도의 SAR을 탑재하여 지구관측용으로 활용하고 있다.

참고문헌
1) 이슬 (2012) 순식간에 아스팔트 도로 집어 삼킨 싱크홀…CCTV화면 ‘경악’, 뉴스한국, 2012년 4월 12일
2) Benjamin Preston, “Wheelies: The Sinkhole Museum Edition,” The New York Times, 2014년 4월 24일
3) U. S. Geological Survey (USGS) (2014), Sinkholes.
4) Cockburn, N (2013) Better record management, inspections among ways to prevent another shinhole: staff, Ottawa Citizen, 2013년 10월 7일
5) MBC Home > 프로그램 > 뉴스데스크 [뉴스플러스] ‘숨겨진 도심 폭탄’ 싱크홀, 대책은?
기사입력 2013-09-03 18:53김윤미 기자
6) Cathleen E. Jones and Ronald G. Blom (2014) “Bayou Corne, Louisiana, sinkhole: Precursory deformation measured by radar interferometry,” Geology, February 2014, 42, p. 111-114.
7) Harrington, J. D. and Buis, A. (2014) “That Sinking Feeling-NASA Radar Demonstrates Ability to Foresee Sinkholes,” NASA news (2014년 3월 6일자)
8) Buttrick, D. B. and Van Schalkwyk, A. (1995) “The method of scenario supposition for stability evaluation of sites on dolomitic land in South Africa,” Journal of The South African Institute of Civil Engineers, 37(4), Fourth Quarter.
9) 커다란 ‘포트홀’ 피하는 자동차들, 이투데이, 2013년 2월 5일
10) 정호령, 임효숙 (2009) 외국 SAR 위성의 기술개발 동향, 항공우주산업기술동향, 7(2), p. 25~32.
11) Dobecki, T. L. and Upchurch, S. B. (2006) Geophysical applications to detect sinkholes and ground subsidence, The Leading Edge, March 2006, p. 336-341.

 

*그림 설명 및 출처

– 그림 1: ⓒ2014, USGS

-그림 2: ⓒ2006, The Society of Exploration Geophysicists

-그림 3: ⓒwww.ottawacitizen.com

-그림 4: ⓒwww.dailymail.co.uk, ⓒwww.imbc.com, ⓒnews.nationalgeographic.com

-그림 5: ⓒ2006, The Society of Exploration Geophysicists

-그림 6: ⓒ저자제공, www.kict.re.kr, ⓒwww.seoul.go.kr, ⓒ저자제공, www.kict.re.kr

작성자: khugnews

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