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한국광해관리공단 국회 싱크홀 관련 기술 발표

글쓴이 : 홈페이지관리자 날짜 : 2016-12-20 (화) 09:18 조회 : 2614


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+ 목     차 +

1. 싱크홀 현황 및 지하수 유동

2. 대처 방안

3. 핵심요소기술 소개
   3.1 절리구조 3차원 입체 영상화 기술
    3.1.1.텔레뷰어 탐사
    3.1.2.절리구조 3차원 입체화 기술
   3.2 다점온도모니터링 기술


4. 결언


1. 싱크홀 현황 및 지하수위 변동


지난 30여 년간 서울의 여의도에 삐쭉 솟아있는 63빌딩은 그 높이를 자랑하는 소위 서울 명물이 되어왔다. 그런데 내년이면 우리나라도 고층빌딩 100층 시대에 접어들 예정이다.  서울 잠실 석촌 호수 가까이에는  높이 500미터, 층수 100층을 훨쩍 넘는 초고층 빌딩 롯데월드의 준공이 가까워지고 있기 때문이다. 이러한 상황에서 최근 석촌 호수 주변에서는 여러 차례 싱크홀이 발생하여 행인의 발걸음을 멈추게 하고 있다. 

 

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그림 1. 싱크홀의 여러 형태 

 

예고도 없이 도로 중에 바퀴가 빠질 수도 있고 아니면 아예 자동차가 땅속으로 사라질 수도 있으니 시민들은 불안할 수밖에 없게 되었다. 싱크홀 원인이 처음에는 롯데월드 건축과정에서 물을 많이 뽑아낸 데 있다고 하더니 그 다음에는 9호선 지하철 터널공사가 주 원인이라고 밝힌 바 있다. 만약 지하수가 싱크홀과 연관된다면 지하철 공사나 롯데월드 건축이나 앞으로 계속 물을 퍼 올려야 하니  싱크홀은 점차 증가할 것이 분명하다. 국내 많은 학자


들이 여러 차례 공개 토론을 가졌으나 아직까지 확실한 원인규명이나 혹은 이렇다 할 대처방안이 제시되지 않고 있는 실정이다.  한편, 이러한 싱크홀 문제는 외국 대도시에서도 대두되고 있다. 역시 그곳에서도 뚜렷한 대안을 찾지 못하고 있는 것으로 알고 있다.  우선 서울에서 발생한 싱크홀의 현황을 살펴보기로 한다. 

그림 2는 2008년부터 지금까지 발생한 싱크홀 210개의 위치(SBS 뉴스팀 서울시 싱크홀 지도)를 나타내고 있으며 그림 3에는 이들을 지하철 노선과 대조하여 표현하고 있다. 일별하여 거의 대부분의 싱크홀이 바로 지하철 건설과 연관되고 있으며(약 60%) 그들은 지하철 노선 위 도로에 집중되고 있음이 관찰되고 있다. 실제로 지하철 1-8호선은 이미 2000년에 완공된 상태인데 그로부터 약 10년이 지나서도 싱크홀 발생은 계속되고 있다. 만약 지하철에서 계속 배수하거나 혹은 지하수를 사용할 경우 절리암반 내 물은 더욱 빠져나가게 되며 그로인해 지하수위가 하락하고 그 만큼 지반의 응력이 균형을 잃게 되어 지상 건물이나 도로의 안전성이 보장받지 못하게 되거나 혹은 싱크홀이 유발될 수 있는 것이다.


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그림 2. 서울 싱크홀 분포 (2008~현재)

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그림 3. 서울 싱크홀 분포 + 지하철 노선 1호선~9호선

다음은 1996년 기준 지하철에서 매일 물을 퍼 올리는 양(그림 4참조)과 1996년부터 2000년 사이 지하수위 변화 폭(그림 5참조)을 서로 대조하여

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그림 4. 지하철역 일일 지하수 배출분포도


나타내고 있다.   주로 지하철 주위에서 특히 강변에서 큰 폭의 수위변동(최대 25미터)을 보여주고 있다.

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그림 5.  1996년부터 2000년 사이 지하수위 변화 폭

 

 

그림 6은 이전의 지하철 노선에 향후 건설될 지하 고속도로 노선을 중첩하여 나타내고 있다.  이러한 신규 대규모 터널 공사는 우선 또 다른 싱크홀 분포를 보여줄 것이 예상되며 나아가서 그들 두 개의 대규모 지하공간 활용은 새로운 형태의 싱크홀을 연쇄적으로 증폭할 우려를 낳게 될 것이 예상된다.

지하수와 연관하여 서울시 전체 지질을 살펴보면 크게 두 가지로 구별할 수 있다.  첫 번째는 한강을 끼고 있는 충적층으로, 여기에는 물의 투수성이 높은 대수층이 두텁게 자리 잡고 있다. 여기에서 물을 많이 퍼내게 되면 지하 공동화가 빨리 진행되며 그곳에서 싱크홀이 발생될 가능성이 높아진다. 두 번째는 한강변을 벗어난, 남/북에 널리 분포된 절리암반층(화강암, 편마암 등)이다. 여기서 지하수 유동은 거의 암반 내에 형성된 절리를 따라 일어난다. 그 중 단층, 단층 파쇄대 혹은 파쇄대에는 절리가 밀집된 상태이기 때문에 지하수 유동이 활발하다. 
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그림 6. 기존 지하철노선 +향후 건설될 지하고속도로 노선

 

그림 7은 최근 석촌 호수 주위 1974년 항공사진을 보여주고 있으며 그림 8은 현재 그곳의 변화된 모습을 위성사진으로 나타내고 있다. 잠실은 이전 큰 섬이었고 한강이 그 잠실을 끼고 두 갈래로 갈라져 흐르고 있었다. 이 후 잠실과 강남일대가 개발됨에 따라 지금은 잠실 북쪽이 한강 본류가 되었다. 지금의 석촌 호수는 구 한강의 본류 중 남게 된 것이다.  우선 강변의 충적층은 투수계수가 높기 때문에 물의 유동이 전 방향으로 신속히 일어난다. 그런데 그곳의 현재의 모습은 지표면은 포장되어 있고 한강으로 흘러가는 탄천은 제방된 상황 하에 이 곳 저 곳에서 계속 많은 양의 물을 퍼 올리는 형국이니 이전의 수리적인 균형이 신속하게 잃게 되면서 공동화가 촉진되고 그로 인해 싱크홀의 발생우려가  점차 높아지고 있는 상황이 되고 있다. 


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그림 7. 1974년 석촌호수 항공사진


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그림 8. 최근 석촌호수 항공사진

 

그림 9는 여의도 주위 최근 위성사진을 나타내고 있다. 이곳의 지질은 잠실 주위의 것과 유사하게 두터운 충적층이며 여기에 5호선 및 9호선 지하철이 지나가고 있다. 지금까지 싱크홀은 대체로 9호선 노선 국회의사당 주위에서 발생하였으며 이곳은 이전 일일 지하수 배출(그림 4참조)이 상대적으로 많은 지역이었다.

 

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그림 9. 최근 여의도 항공사진

 

그림 10은 서울시청-경복궁 주위 싱크홀 발생 현황을 보여주고 있다. 그들은 대체로 지하철 노선 주위에 집중되고 있다. 이곳의 지반상태는  거의 절리암반으로 구성되어 있기 때문에 지표와 인접한 암반 내 절리발달 상태(파쇄대 등)는 싱크홀 발생을 촉진하기 위한 좋은 지반 여건이 된다. 

여기에 지하공간 개발이나 지하수 이용에 따른 지하수 배출량의 증가는 절리암반 내의 물을 빠지게 하고 그로인해 지속적인 지하수위 강하를 초래하여 싱크홀의 발생우려를 더욱 고조시킨다고 볼 수 있다.

부차적으로는 도로블록이 제자리를 이탈한다거나 땅이 꺼짐 등으로 인해 행인의 발걸음을 늦추고 있다거나 혹은 건물이 기울어지는 사례도 흔히 발생하고 있는 실정이다.


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그림 10. 서울시청-경복궁 주위 싱크홀 발생현황


2. 대처 방안


도심지 서울 싱크홀 발생 문제에 바로 대처하기 위해서는 무엇보다 서울 지반에 대한

 

   1. 절리구조 3차원 입체화

가 구현되고 동시에

 

   2. 지하수위
   3. 지하수 유동
   4. 침하 진행 혹은 암반 거동 

 

을 모니터링 함으로써  싱크홀 발생에 대한 예보가 가능하여야 한다.

그런데 현존하는 국내외 기술들 즉, 시추코어에 의한 수리지질조사, 수리 투수시험, 수리 간섭시험, 추적자 시험, 양수 시험, 지하수 유동 모니터링 등은 상기 싱크홀 지하수 문제에 대처하기 위해서는 크게 미흡한 기술이거나 혹은 상당한 불확실성을 보여주고 있다는 것이 현실이다. 예를 들어 지하수 수치 모델링 보다는 지하수가 유동하는 것을 현실적으로 모니터링 할 수 있음이 바람직하다. 물론 지하수위는 자동으로 모니터링 되어야 한다. 지하수의 유동 방향을 보다 정확하게 파악하기 위해서는 절리구조 3차원 입체화 결과가 바탕이 되어야 할 것이다. 나아가서 지하 매질(암반, 토사, 모래, 물)의 이동이나 지하 공동화 진행과정 및 지표 함몰이 모니터링 되어 싱크홀 발생에 대한 예보를 할 수 있는 기술이 요구된다는 것이다. 최근 서울 석촌 호수 주위에서 싱크홀이 빈번히 발생함에 따라 국내 많은 학자들이 여러 차례 공개 토론을 통하여 싱크홀에 대한 대책마련을 시도하였으나 아직까지 별다른 성과를 거두지 못하고 있는 실정이다. 이러한 현실은 선진국에서도 유사하다. 따라서 여기에는 창의적인  새로운 핵심요소기술이 절실히 요구되고 있는 것이다.


지구촌에서 유일하게 한국광해관리공단은 바로 폐광산 지역에서 빈번하게 발생하는 싱크홀 혹은 일반 지반침하 예보를 위해 다음과 같은 두 개의 핵심요소기술을 개발하여 이미 수년간 실용화하고 있다. 즉,

 

      1. 절리구조 3차원 입체 영상화 기법(분석기법)

      2. 다점온도모니터링 기법(제품 ‘TLS’) 

 

다점온도측정이란 예를 들어 심도 50미터 시추공에 1미터 간격으로 온도센서를 배열(도합 50개 온도센서)한 후 그들로부터 동시에 온도 값을 얻는 것을 말하며 이러한 측정이 일정 시간 간격(예: 15분)으로 반복하는 것을 다점온도모니터링이라 한다. 이러한 기술의 응용효과를 비유한다면 다음과 같다. 즉, 만약 50미터 길이의 팔뚝을 시추공에 넣게 된다면 팔뚝 어느 부분에서 물이 흐른다거나 혹은 모래나 흙이 움직인다거나 아니면 지표가 내려않는다거나 하는 제반 움직이는 현상들이 단순히 온도변화로써 쉽게 감지될 수 있다는 것이다. 


상기 두 개의 핵심요소기술은 그 자체로 세계적인 기술수준에서 독보적이라 할 수 있으며 그들로 구성된 융합기술은 무엇보다 상기 싱크홀 대처방안 4개 항목에 대한 거의 완벽한 수준의 해답을 제시할 것이다.  다음은 지난 10여 년간의 현장응용사례를 바탕으로 상기 핵심요소기술의 효율성을 요약하고 있다.   

3. 핵심요소기술 소개


3.1 절리구조 3차원 입체 영상화 기술

 

 암반 내 절리는 지하수 유동의 주요 통로가 되고 있다. 더구나 절리 정보는 암반분류를 위한 기본 자료가 되기 때문에 무엇보다 터널설계에서는 보다 유용하게 반영되고 있다. 절리구조 3차원 입체 영상화 기술은 텔레뷰어에 의해 시추공 공벽을 초음파를 이용하여 스캔닝한 자료로부터 얻게 된 모든 절리자료를 바탕으로 각 절리 면들을 3차원 공간에 연장함으로써 지반의 절리발달상태를 3차원으로 표현하는 하나의 분석기술이다. 다음은 우선 절리에 대한 포괄적인 정보를 얻을 수 있는 텔레뷰어 탐사에 대해 요약하고 있다.

 


3.1.1  텔레뷰어 탐사  

 

그림 11은 텔레뷰어 탐사의 근본원리를 나타내고 있다. 시추공 축 상에 위치한 초음파 빔 발생원은 공벽을 향해 초음파 빔을 방사하고 공벽으로부터 반사되어 다시 되돌아온 초음파를 감지하여 그로부터 진폭 값과 주시 값을 자동 발췌한다. 이러한 측정이 모든 방사 방향에 따라, 그리고 시추공 축에 따라 반복 측정되면 바로 심도-방사각에 대한 진폭 이미지와 주시 이미지를 얻게 된다(그림 12 참조). 

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그림 11. 텔레뷰어 근본원리

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그림 12. 텔레뷰어 자료 기본전산처리 결과

 

대체로 진폭 값은 공벽의 거칠음, 암석강도, 절리 등에 의해 달리하게 된다. 만약 초음파가 공벽에 노출된 절리에 부딪치면 산란되어 돌아오는 초음파 진폭 값은 그 만큼 적게 된다. 여기서 절리가 폭 넓게 열려있을 경우 되돌아오는 초음파의 주시는 그만큼 느리게 될 것이다. 만약 시추공이 원형이 아닌 타원형을 띠게 되면 진폭 값 및 주시 값은 방사각에 따라 다소 달리할 것이다. 환원하면 진폭 및 주시 이미지에는 절리를 비롯해서 암석의 강도에 이르기 까지 다양한 정보가 담겨있다.

다음은 상기 이미지들을 이용하여 산출된 분석결과를 열거하고 있다. 즉,
  
  1. 텔레뷰어 이미지, 강도, 절리정보 상대 비교
  2. 암석강도 산출
  3. 통계학적 절리자료 분석 및 절리군 분류
  4. 절리 틈새 자동 산출
  5. Log Data Combination
  6. 절리 거칠기 자동 산출
  7. 수평 주 응력 방향 추정
  8. 고분해능 공경 검층
  9. 자력탐사 기능
 10. 시추공 천공 진로 추적

 

3.1.2  절리구조 3차원 입체화 기술


절리 면을 평면으로 가정할 경우 지하의 각 절리 면은 3개의 요소 즉, 심도, 절리 방향, 경사각으로 정의될 수 있다. 만약 이러한 각 절리 면을 3차원으로 확대 표현할 수 있다면 탐사 시추공 주위 어느 위치에서도 별도의 탐사 없이 거의 대등한 절리 정보를 산출할 수 있게 된다(그림 13 참조). 

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그림 13. 절리면의 확대 3차원 표현

 

물론 탐사 시추공과 인접하면 그 만큼 절리 정보의 정확성은 높아질 것이다. 환원하면 탐사 시추공에서 얻게 된 절리 정보를 바탕으로 탐사 시추공 주위 임의의 수직 단면 혹은 수평 단면에 대한 절리분포가 구현될 수 있다는 것이다.

여기서 절리 분포는 각 절리 면과 수직 혹은 수평 단면과 교차하였을 경우 표출되는 모든 절리 선들을 의미한다. 이것은 나아가서 탐사 시추공 주위 3차원 공간에서의 절리 발달 상태를 표현할 수 있다는 의미도 된다. 여기서 만약 텔레뷰어 분석결과 예를 들어 각 절리에 대한 틈새가 자동 산출되어 그 값을 상기 입체화 기법에 반영하게 되면 보다 절리구조에 대한 현실성이 부가될 수 있다. 즉, 틈새 크기에 따라 색깔도 바꾸고 동시에 절리 연장성도 조정하면 우선 단층 파쇄대 혹은 파쇄대는 쉽게 차별화 되어 표현된다. 따라서 절리구조 3차원 입체화는 무엇보다 정확한 텔레뷰어 탐사 수행과 풍부한 분석기법에 의한 자료 처리 결과에 따라 그의 효율성을  달리하게 된다. 
그림 14는 국내 국도 터널 시공 시 구현한 절리구조 3차원 입체화 현장사례를 나타내고 있다. 여기서 화살표로 표시한 단층은 이미 예견되어 붕락 사고 이전 적절한 조치를 할 수 있었으며 터널 굴착 종료까지 훌륭한 참고 자료로써 그 역할을 할 수 있었다.  이러한 일련의 분석기법은 여러 분야에서 그의 응용성을 찾게 되었다. 즉, 

 

  1. 지하수 유동에 대한 이해 내지 해석
  2. 지하 암반 거동 방향에 대한 판단
  3. 터널 설계 및 시공을 위한 기본 자료 제시.  즉, 노선에 대한 

     암반 상태(단층, 파쇄대, 암석강도 등)를 쉽게 파악할 수 있다. 

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그림 14. 절리구조 3차원 입체화 현장사례

 

본 기술은 이미 2003년 토목학회 최우수 논문상을 받은 바 있다.  그러나 당시 건설 분야에서 지반조사 전체가 눈 밖으로 밀려남에 따라 기술 활용이 잠시 정체되었으며 2006년 한국광해관리공단이 발족됨에 따라 지반침하 예보 기술개발사업에 다시 접목되어 발전되어왔다.  아직까지도 이 기술은 세계적인 기술수준에서 독보적으로 남아 있다.  

 

3.2 다점온도모니터링 기술


하나의 측점에 하나의 온도센서를 장착하여 그에 따른 제어장치에 의해 측정하는 기존 점 개념 측정기법(point sensing)에서 탈피하여, 하나의 케이블에 여러 개의 온도센서를 임의의 배열로 장착(최대 약 250개)하여 그들의 온도를 동시에 측정하고 또한 지하수위도 동시에 측정하는 기술을 다점온도모니터링(분포형 온도측정 기법: distributed sensing)이라 하며(그림 15 참조), 이것을 현실화하여  독보적으로 제품화한 장비명은 ‘TLS(Thermal Line Sensing)'이다. 다점온도모니터링은 분포개념 측정에 바탕을 둔 하나의 새로운 온도측정방식이라 할 수 있다. 이러한 온도측정은 무엇보다 ’온도분포‘를 현실적으로 구사할 수 있기 때문에 그의 응용성은 방대하다. 즉, 지금까지 난제로 되어온 많은 문제들이 다점온도모니터링에 의해 쉽게 해결될 수 있었던 것이다. 우선  지하수 관리 및 싱크홀과 관련하여 다점온도모니터링이 보여줄 수 있는 주요 기능을 다음과 같이 요약하고 있다.

 

 1) 지하수위를 자동 모니터링 할 수 있다. 
 2) 지하 지하수 유동을 파악할 수 있다.
 3) 싱크홀 혹은 땅꺼짐 및 함몰구멍 진행상태를 모니터링 하여
    그들에 대한 예보를 할 수 있다.
 4) 지하 내부에서의 암반거동을 모니터링 할 수 있다.
 5) 강우에 의한 물의 침투 진행(seepage)을 모니터링 할 수 있다.
 6) 지표수가 지하 절리를 통하여 전달되는 상태를 모니터링 할 수
     있다.      
 7) 강우 내지 일교차에 대한 모니터링이 가능하다.
 8) 지반보강을 할 경우 그에 대한 효율성 평가 혹은 그라우팅 
     성과판단이 가능하다.   
 9) 연약 지반 내  층서(thermal layer)의 변화를 인식할 수 있다.

 

 

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그림 15. 다점온도모니터링 근본원리

 

그림 16은 절리구조 3차원 입체화 결과와 다점온도모니터링 결과를 상호 대조하고 있다. 심도 약 300미터 시추공에 텔레뷰어 탐사를 수행하고 그로인한 절리자료를 바탕으로 절리구조 3차원 입체화를 구현하였다(그림의 왼쪽부분). 일별하여 단층이나 파쇄대가 발달된 위치가 쉽게 관찰되고 있다.  

 

동일한 시추공에 ‘TLS'를 삽입하여 온도를 측정한 결과에는 기대한바 그곳에서 지하수 유동을 대변할 수 있는 온도변화가 뚜렷하게 차별화되고 있음이 관찰되었다.   

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그림 16. 절리구조 3차원 입체화 & 다점온도모니터링 결과 대조


그림 17은 제주 동북부 관측공을 이용하여 해수침투에 대한 TLS 계측결과를 보여주고 있다. 해변으로부터 약 1.4km 떨어진 시추공에는 도합 143개의 온도센서가 1미터 간격으로 배열하였으며 측정 간격은 15분으로 하루 동안 모니터링 하였다. 그 결과(심도-시간경과 이미지)에는 조력(밀물, 썰물)에 따라 해수가 침투되고 그에 따라 담수도 유동되는 양상이 뚜렷이 관찰되고 있다. 만약 제주도 모든 관측공(수백 개)에 다점온도모니터링이 적용된다면 우선 제주 지하수의 유동이 3차원적으로 파악될 수 있을 것이며 이것만으로도 제주도 물 부족 문제가 상당 부분 해소될 것이 기대된다.


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그림 17. 제주도 해수침투 TLS 계측결과

 

그림 18은 한국광해관리공단의 주요 사업의 일환으로 다점온도모니터링이 지반침하 예보를 위해 활용된 현장사례를 보여주고 있다. 지표에 인접한 암반이 갑자기 움직이면 그곳에 공간이 생성되고 그곳으로 주위의 물, 공기, 토사 등이 밀려들어와 전체적으로 이전과 비교하여 온도차가 유발하게 된다. 그림의 왼쪽부분은 10월, 아직까지 지표수 온도가 지하보다 상대적으로 높기 때문에 온도차가 양의 값(붉은 색깔로 표시)을 나타내고 있으며 그 이듬해 해동시기인 4월에는 반대의 온도차(그림의 오른쪽 청색으로 표시)를 보여주고 있다. 이 때에 지표함몰이 발생하였으며 여기에는 침하가 발생한 심도 구간도 쉽게 인식될 수 있었다.

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그림 18. TLS 지반침하 예보 현장사례 (한국광해관리공단)

 

 

다점온도모니터링 장비 ‘TLS'가 독보적이니 그에 다른 분석기술도 독보적이다. 약 12년간의 이에 대한 연구 및 현장 경험에 의하면 다점온도모니터링은 물리검층 분야에서 비교적 쉽고 단순하면서도 명확한 결과를 보여줄 수 있는 핵심요소기술로 간주되고 있다. 

 

4. 결언


▶  도시화가 촉진되면 필연적으로 지하공간 활용이 늘어나게 된다. 지표에 인접한 다양한 매설물(상하수도관, 통신선 등)을 비롯하여 지하철, 지하고속도로, 지하 주차장, 지하상가, 지하 발전소 등에 이르기 까지 그곳에서 인위적인 공간이 형성되고 그 과정에서 지하수의 급격한 유동이 발생한다. 그런데 이러한 지하수 유동의 통로는 바로 절리에서 찾을 수 있기 때문에 절리구조 입체화는 지하 정보 DB 작성에서 가장 기본이 되는 자료가 된다고 볼 수 있다(그림 19참조)

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그림 19. 절리구조 입체화 모식도

 

▶ 다점온도모니터링은 지하수 유동은 물론 침하 예보를 위한 바람직한 정보를 제시하고 있음이 밝혀지고 있다. 지상에는 지금까지 막대한 예산을 들여 CCTV나 위성 그리고 모바일 통신 등을 통하여 방대한 정보가 실시간으로 구축되고 있다. 그런데 지하 정보화는 거의 등한시 되고 있는 실정이다. 차제에 우선 다음과 같은 구호로 시작하는 것은 어떤지?

 

지상에  CCTV가 있다면 지하에는 TLS가 있다 !!

 

 CCTV가 빛을 이용하여 사물을 식별하기 때문에 어두운 밤에는 그 기능을 제대로 발휘할 수 없다.  반면 지하의 TLS는 단순히 온도 변화를 감지하여 사물의 움직임을 감지하기 때문에 그의 효율성은 기대 이상이라

할  수 있다.

 

▶ 절리구조 3차원 입체화 기술과 다점온도모니터링으로 구성된 융합기술은 현안이 되고 있는 싱크홀 문제에 대처할 수 있는 최적의 기술이라 할 수 있다. 그림 20 은 융합기술을 바탕으로 한 통합관리 시스템 전모를 보여주고 있다.

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그림 20. 도심지 지하수관리 및 미소지반침하 싱크홀 감시 통합관리 시스템 

   


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