1서 론

최근 국내외적으로 지진발생 빈도와 규모가 증가하고 있으며, 이에 따른 지진과 지진재해에 관한 관심과 우려가 증대되고 있다. 특히 수도권을 중심 으로 다양한 활용목적의 재해도 구축 연구 및 행정적 공시가 시범적으로 적 용되고 있다[1]. 이와 같은 한반도 중서부에서의 다양한 영역과 자료 수준 에 대한 지진 및 지진재해정보에 관한 수요가 확대되고 있으며[1, 2], 이를 활용한 광역영역의 종합적 지진지반재해도 구축 연구의 필요성이 대두되 고 있다. 또한 댐, 교량, 항만, 공항 등 국가기반시설을 대상으로 지진발생 및 예상피해 규모를 지진이벤트 발생 이전 또는 준실시간으로 예측하는 알 고리즘 및 시스템 개발이 다양하게 시도되고 있다[3, 4]. 그러나 이러한 지 진재해도 구축 및 연계 시스템은 부지고유의 지진지반응답 특성 및 액상화 재해를 포함한 지진유발 지반재해의 정량적 평가 방법의 체계화가 미비하 고, 상부구조물 및 지하관로 등 지반구조물의 동적응답 특성을 고려한 지진 재해 규모 및 정도의 차별적 평가가 불가능하다.

일반적으로 재해도의 가시적 평가 및 연계정보 구현을 위한 시스템 플랫 폼(platform)은 주로 지리정보시스템(Geographic Information System, GIS) 기반 공간정보의 관리, 가공, 공간연산 모듈을 적용하여 개발된다. 특 히, 지진이나 홍수와 같은 재해관련 정보의 관리와 제공을 위한 재해 정보관 리시스템은 대정부 또는 대국민적 재해의 예방과 대책, 관심지역에 대한 재 해정보 취득의 욕구 충족을 위해서 반드시 필요하다[5]. 이러한 시스템은 재해 예방을 위한 계획, 분석과 관리 업무를 위한 폭넓은 GIS용 데이터베이 스(Database, DB) 접근이 가능해야 하며, 재해정보의 시각화와 수요자에 대한 자료 제공을 위한 재해 현황도 작성이 가능해야 한다[6]. 특히 지진재 해는 특성상 그 발생에 대한 예측이 어려워 재해예방업무에 매우 큰 어려움 을 겪고 있는 실정이다. 뿐만 아니라 지진재해 발생지에 대한 관리도 피해복 구로 인해 2차적인 문제로 남게 되었다. 그러나 추후의 지진재해에 따른 피 해를 최소화하기 위해서는 기존의 피해에 대한 분석과 그 양상을 파악하기 위한 노력을 기울여야 하며, 그렇기에 신뢰도 높은 지반조건과 다양한 지진 이벤트에 따른 응답특성 및 재해가능성을 포함한 발생지의 특성 파악이 선 제되어야 한다[3, 7].

이와 같은 GIS 플랫폼 활용 공간 지진재해의 가시적 평가는 우선적인 GIS용 DB(GIS-DB)의 구축이 필수적이며, 지반공학적 지진응답특성 및 재해평가를 위한 기저정보로써 시추조사를 포함한 지반조사 자료와 지진 계측 시계열 정밀 정보, 그리고 인접 지반구조물의 설계 및 성능평가 정보 등이 수집되어 표준화된다. GIS는 공간정보를 활용한 다양한 분석기법의 광범위적 연계호환 가능성이 높으며, 구축 GIS-DB를 토대로 신뢰도가 확 보된 지진재해평가 및 공간연산을 통한 종합적 재해도 구축의 포괄적 접근 법이 가능하다[4, 8]. 이와 같이 구축된 원자료 또는 지진재해 평가결과 GIS-DB는 대부분 공간형상 조건상 점형태의 1차원 정보이기 때문에 광역 적 지진지반재해 평가를 위해서는 공간상관성을 고려한 2차원 또는 3차원 공간보간을 통해 지진재해구역도의 선제적인 구축이 가능하다. 이와 같이 GIS를 기반시스템으로 하는 지진재해를 포함한 전천후의 자연재해의 피해 정도를 평가 및 분석하는 복합재해정보 시스템은 미국의 FEMA와 NIBS 에서 개발한 HAZUS-MH가 대표적이다[9].

한편 1995년 일본에서 발생했던 고베지진은 지하 파이프라인 구조물에 많은 손상을 가져왔고 이로 인해 가스누출로 인한 화재 등의 2차 피해를 야 기했다[10]. 이렇듯 지진에 의해서 유발되는 지하 파이프라인 파괴로 인해 심각한 재산 및 인명피해를 유발할 뿐만 아니라 교통 및 통신 등의 사회중요 시설물에 심각한 영향을 끼칠 수 있기 때문에 다른 어떤 인프라 구조물보다 도 중요시 된다. 그 결과 국외의 경우에는 매설 가스배관과 송유관 등에 대 한 연구가 비교적 상당수 수행되어온 반면에 국내 매설 지하관로에 대한 지 진응답 및 재해분석 관련연구는 상대적으로 매우 미비한 실정이다[10-12]. 이에 따른 지하 파이프라인이 매설된 지반의 지진응답 특성 및 재해관련 지 표의 정량적 가시화 평가를 수행함으로써 발생가능 지진위험도 예측이 가 능하다.

이에 따라 복합적 GIS-DB를 활용한 지하 파이프라인 구조물 대상의 지 진재해도 구축을 위해서 신뢰도가 고려된 지반, 지도 및 지진계측 정보 등 복합정보를 활용하여 부지효과 특성, 액상화, 구조물 손상, 산사태, 지반함 몰 등의 지진유발 지진재해를 예측 평가하는 융합 가시적 활용 방법이 필요 하다. 본 연구에서는 부지고유 지진 응답과 그에 따른 지진 재해는 지형 및 지반 동적 특성에 따라 주로 영향을 받기 때문에 광역적인 지진지반응답 특 성과 액상화 재해를 포함한 지진유발 지반재해 정보 구현 목적의 DB 정보 프레임을 구현하였다. 먼저 신뢰도가 고려된 3차원 복합 지반정보 확보를 위해서 지구통계학적 공간연산 기법을 활용한 우선적인 지반공학적 복합 공간그리드 정보를 구축하였다[3, 13]. 아울러 이러한 DB를 활용함으로써 지진발생시 수반되는 액상화, 산사태, 구조물 손상 등의 복합적 지진지반재 해의 시범적 예측평가를 위해 GIS 플랫폼을 기반으로 차별적 지진재해 정 보의 정량화 및 가시화 시스템을 개발하였다.

특히 수도권 서부해안 지역은 연약한 원지반 상에 준설매립된 지반조건 이 대부분이기 때문에 지진발생 시 지반 변형 및 액상화 발생 가능성이 높으 며 이로 인해 항만과 같은 해안 시설 영역들에서 지상 구조물 및 지하 파이 프라인의 복합적 지진피해를 야기할 수 있다[1, 12]. 본 연구에서는 수도권 서부 인천지역의 지반조사 자료를 우선적으로 확보하였으며, 공간적 자료 부족영역에 대해서 지반-지식 기반 지표지층 자료를 현장답사를 통해 보완 구축하였다. 이와 함께, 구축한 다중 지반공간 DB를 토대로 인천지역 내 2 곳의 해안 시설영역을 선정하고, 지진지반재해 복합정보 예측 가시화가 가 능한 정보프레임을 구현하였다. 특히 대상 영역 내 지하 파이프라인을 중심 으로 복합적 지반재해의 공간구역화를 시도하였다.

2공간 지진지반재해 가시적 복합평가 체계

지진유발 지반재해의 정량적 예측평가를 위해서 광범위한 대상영역의 지반공학 및 지진공학 특성 변수에 관한 신뢰도 높은 공간 구역화에 적합한 최적의 가시화 평가 체계를 Fig. 1과 같이 구성하였다. 이를 위해 GIS 프레 임웍(framework) 기반의 다중 레이어 정보 개념을 활용함으로써 각 평가 단계별 레이어 정보 연계 및 가시화가 용이하도록 공간연산 아키텍처 (architecture)로 설계되었다. 먼저, GIS기반 자료처리, 가공 및 가시화 기 법에 따라 공간적 상관성을 갖는 상부구조물, 지형 및 지리 조건, 지반(지층) 조건, 지하수 및 지중유체 조건, 지하 파이프라인 등의 복합지반정보를 표 준화하고, 공간보간 기법을 통해 다중 복합 공간그리드 레이어 정보 (Geospatial-Grid)를 데이터베이스화한다.

이 때 복합 지반공간 정보의 구역화 및 분석기법과의 호환 처리를 통해 2 차원 또는 3차원 공간상 도출된 재해정보의 가시화가 가능하다. 이에 따라 데이터베이스의 신뢰도 검증 및 공간보간을 위해 지구통계학적 공간연산 방법과 GIS 프레임웍의 다양한 공간처리 기법, 그리고 다양한 수준의 공간 가시화 도구를 연계 구현하였다. 이후 지진발생에 따른 지진유발재해 정보 는 지반운동증폭과 관련된 부지효과, 사질토의 과잉간극수압 증가로 인한 액상화 재해, 상부구조물 또는 지하 파이프라인의 지진취약도, 그리고 지진 시 산사태 재해 등으로 구분 가능하다. 각 단계별 평가 알고리즘은 국내외 내진설계 기준 및 문헌자료를 체계적 고찰, 표준화하여 재구성하였으며, 공 간그리드 정보를 연계하여 복합 재해정보를 공간 누적 중첩함으로써 통합 분석할 수 있도록 설계하였다[3]. 각 지진재해평가 지표들은 공간상 통합 중첩된 격자단위 또는 분포도 형태의 복합 지진재해도로 가시화된다. 특히 도심지 내 재해피해 가능성이 높은 건축물 및 지하 파이프라인의 공간영역 을 중심으로 차별적 지진재해 공간 구역화가 가능하도록 하였다. 본 연구에 서는 복합 지반 공간그리드 정보 구축 방법을 기반으로 지진지반응답 특성 정보와 부지응답 상관분석 및 액상화 재해 평가 방법을 연계 체계화하였다.

2.1지반 공간그리드 구축 방법

기존의 일반적인 지반 공간정보는 대상영역 내 확보된 지반조사 자료만 을 데이터베이스화하여 지역 전체의 지층 정보를 예측하므로, 자료가 부족 한 영역에서는 예측된 지층 정보의 오류가 발생하게 된다[14]. 특히, 대상 영역의 경계부 또는 자료가 상대적으로 부족한 산지나 구릉지에서는 암반 을 토사로 예측하는 경우도 발생할 수 있으며, 그로 인해 부지별 지진응답 특성의 평가 오류가 발생할 수 있다[3, 15]. 이와 같은 공간 지반정보 예측 오류를 최소화하고 신뢰성 높은 지역적 지진응답을 예측할 목적으로 부지 고유의 지반 공간그리드 구축 방법을 개발하였다(Fig. 2). 수집 및 표준화된 복합 지반 공간정보 중, 부지 지층 및 지반동적 특성정보를 확보하고자, 시 추조사 자료의 이상치 검증[16]을 통해 신뢰도를 확보한 후 대표적인 공간 보간 기법인 정규크리깅을 통해 최적 공간영역 정보로 구축한다. 이 때 시추 조사 자료가 상대적으로 부족한 일부영역에 대한 공간보간 결과의 신뢰도 를 확보하고자 물리탐사 토모그래피 자료의 추가 수집이 가능할 경우, 지시 자 크리깅 기법을 활용한 시추조사 층상 정보와의 통합분석을 수행한다[3]. 흙의 통일분류법(Unified Soil Classification System, USCS) 기반 지층 조건으로 구분되어 저장된 지반 공간그리드 데이터베이스는 부지조건별 지반동적특성에 따른 지진지반응답 특성 평가 및 유발 지반재해평가를 위 한 지반 입력변수로 활용된다. 지반종류 및 심도를 고려한 공간그리드 기준 의 비선형 지반응답 특성 정보 확보를 위해 대상 영역별 지반동적시험 결과 정보 및 관련 문헌정보를 고찰함으로써 전단파속도, 정규화 전단탄성계수, 감쇠비 등의 정보를 통일 분류법 기반의 지층과 연계 데이터베이스화한다. 특히, 시추공별 표준관입시험 N 값의 정규크리깅 결과를 공간그리드 셀별 로 연계함으로써 전단저항강성 평가 기반정보로 활용한다. 이에 따라 3차 원 공간상 격자타입으로 분할된 지층 및 지반동적 특성 정보를 구축한다.

또한 지표면 커버리지 레이어 정보는 적합한 지리, 지형, 지반 특성을 반 영하고자, DEM(Digital Elevation Model), 지질도, 지표피복도, 위성영 상 등의 다양한 레이어 정보가 중첩적용되어 기 구축된 지반 공간그리드 상 최상층 지표그리드로 추가 구성된다. 이 때 지반 공간그리드 구축 조건에 따 라 설정된 확대영역 내 대상영역의 그리드 간격, 크기를 기준으로 동일한 공 간좌표별로 지표층 그리드 정보를 구축한다. 먼저 수치지도 지형레이어의 공간보간 또는 항공 정밀측량을 통해 확보된 수치표고 자료, 즉 DEM 정보 는 실세계 지형 정보 중 건물, 수목, 인공 구조물 등을 제외한 디지털 지형으 로써, 기준 공간그리드 조건에 따라 우선적으로 격자타입의 공간좌표정보 로 변환된다. 이와 함께, 지질도, 지표피복도, 위성영상 등의 다양한 지도 자 료는 동일 공간좌표 체계를 기반으로 디지타이징되어 지반재해 해석 알고 리즘의 기반맵으로 활용될 수 있다.

2.2지진지반응답 특성 공간그리드 분석 방법

지진시 경험하는 지표면 부근 지진동의 크기 및 형태는 진원이나 진앙으 로부터 동일 거리의 부지들 일지라도 해당 부지 기반암까지의 전파 경로뿐 만 아니라 부지효과와 관련된 기반암부터 지표면까지 구성 토사의 전단파 속도 분포와 같은 동역학적 특성에 따른 응답 거동 차이로 크게 달라질 수 있다[1, 14]. 이와 같은 현상은 부지 효과(site effects)로 일컬어지는데, 부 지의 지진응답특성은 주기별 가속도와 속도 등으로 표출되는 지진동의 크 기 거동을 의미하며, 지표면 부근 구조물의 동적 응답에 직접적인 영향을 미 치게 된다[3]. 구조물에 내진 설계나 내진성능평가 과정에 부지효과를 고려 하여 설계 지반운동을 보다 체계적으로 결정하기 위하여 거의 모든 현행 내 진 설계 기준에 부지분류 체계가 제시되어 있으며, 지역적 지반 및 지질조건 에 따라 부지효과가 매우 상이하게 표출될 수 있음에 따라 지반 분류 체계에 대한 개선 및 합리화 연구가 국내외에서 다양하게 수행되고 있다[16].

이에 따라 지역적 축척 수준에 대한 부지효과 평가와 그에 따른 지진재 해 예측 및 내진 설계 활용 정보 제공을 위해서는 지반지진공학적 특성 지표 가 도입 이용될 수 있으며, 현행 지반 분류 체계의 분류 기준인 지표면부터 30 m 심도까지의 평균 전단파속도(V_S30)가 그 대표적인 지표이다. 뿐만 아 니라 실제 지진발생 및 전파 과정에서 기반암 상부 토사 두께에 따른 지반운 동 증폭정도의 차이와 토사 구성 재료 특성에 따른 주기별 증폭의 가능성에 대한 공학적 지표로서 각각 기반암 심도와 부지주기(T_G)가 제시되어 왔다 [6, 17]. 이 과정에서 지진응답특성 매개변수인 지층분류(층 두께분포 포 함) 및 기반암 심도 정보는 구축된 지반 공간그리드 정보를 통해서 지표그 리드 조건으로 연산된다. 이후 Fig. 3과 같이 Sun et al.[2]에 의해 제안된 대 표 지층(매립토층, 퇴적토층, 풍화토층, 풍화암층)별 전단파속도(V_S)에 관 한 정량적 기준을 토대로 T_G를 연계 연산한다. 최종적으로 지진응답특성 지 표 공간그리드 정보는 실질적 내진활용성을 확보하기 위하여 지표별 지반 분류 체계[2, 14]를 도입하여 지역적 내진활용 정보 제공의 기저 방안으로 적용한다. 이로써 부지분류 체계 기준의 공간그리드의 멀티스케일 지진재 해도 구축을 위한 공간구역화가 가능하다.

2.3부지응답해석 기반 상관 지진하중 공간그리드 결정 방법

지반의 최대가속도를 합리적으로 결정하기 위해 부지응답해석이 필요 하지만, 지진발생 시에 즉각적으로 부지응답해석을 수행하기 어렵기 때문 에, 본 평가 체계에서는 다양한 수준의 지진조건을 입력하여 선행적인 부지 응답해석을 수행하였다[1]. 이를 위한 입력 지반조건은 앞서 구축된 복합 지반 공간그리드 정보를 통해서 세부 층분류 및 지반동적 물성정보를 확보 하였다. 입력 지진조건의 경우, 암반노두가속도는 크기에 따른 지반 증폭의 비선형성을 모사하기 위해서 총 9단계의 가속도 수준을 적용하였으며, 다 양한 주기특성을 보이는 지진파의 영향을 고려하기 위해 현행 내진설계기 준에서와 같이 단주기 특성을 보이는 Hachinohe, 장주기 특성을 보이는 Ofnato 지진파와 단주기, 장주기 특성을 모두 보이는 인공 지진파를 부지 응답해석에 이용하였다[13]. 본 해석에서는 1차원 부지응답해석에 널리 쓰 이는 등가선형해석 프로그램인 ProShake를 이용하였다[18]. 해석 결과 공 간그리드 정보의 각 셀(cell)별로 9개의 암반노두가속도와 3개의 지진파조 건에 따라 총 27개의 암반노두가속도와 지반의 최대가속도 간의 상관관계 를 도출한다.

Fig. 4와 같이 입력 지진 세기가 증가할수록 파형별 증폭 정도의 차이가 나타나며, 인천항, 부산항, 부산신항 지역 일부영역의 부지응답해석 결과를 대상으로 비교분석한 결과, 셀별로 평균 4% 정도의 근소한 편차가 발생함 을 확인할 수 있었다[3]. 이 때 파형에 따라서 구분되는 증폭경향은 확인할 수 없었으며, 또한 다양한 현장 적용 및 해석의 간편성을 고려하여 암반노두 가속도와 최대가속도간의 상관관계 결정 시 파형에 따른 영향을 따로 고려 하지 않았다. 따라서 27개의 상관관계를 바탕으로 비선형 최적화 모델에 따 른 회귀분석을 수행하였으며, Fig. 4와 같이 셀별로 지진하중 결정 상관관 계식을 공간그리드 기반 데이터베이스로 구축하였다. 이에 따라 지진발생 시 계측된 암반노두가속도를 연계함으로써 본 상관식을 통해 셀별 최대가 속도를 결정하며, 이를 통해 액상화 재해분석 시 발생지진의 전단응력정도 평가에 연계 활용된다.

부지응답 상관평가를 위해서는 선행적인 다수의 부지응답해석이 필수 적이다. 그러나 다양한 지반조건 및 응답특성을 고려한 지반 공간그리드의 모든 3차원 셀별 부지응답해석 및 회귀분석은 광역적 멀티스케일의 지반재 해 공간그리드 구축에 있어서 비효율적인 방법일 수 있다. 이에 따라 다수의 부지응답해석 및 통계처리가공을 통한 지반조건 및 심도 조건에 따라 정규 화된 지진하중 상관관계(상관계수)의 수립이 필수적이다. 본 연구에서는 기존에 3개의 항만지역을 대상으로 해석, 수립한 상관관계식을 토대로 대 상 시설영역에 대한 지반분류 및 심도 조건에 따른 부지응답 상관관계 도출 알고리즘을 Fig. 5와 같이 수립하였다. 이 때 대상영역의 지반 공간그리드 가 결정되었을 경우, 1차적으로 지반분류(층상)조건을 결정하고, 2차적으 로 층상조건별 심도와 지진하중 상관계수와의 상관식을 통해 셀별 심도에 따른 지진하중 상관관계식이 즉각적으로 결정된다.

2.4액상화 재해 공간그리드 평가 방법

복합 지반 공간그리드 정보를 연계하여, 지진 유발 지반재해 중 대상영 역 전체에 대한 액상화 피해 정도의 공간분포를 정량적으로 평가할 수 있는 방법을 수립하였다. 지반 공간그리드 기반 액상화 공간재해 평가 체계 및 각 단계별 액상화 평가 지표의 결정식은 Fig. 6과 같다. 본 방법은 기존의 국내 외 액상화 간편 평가 방법에 기초하여, 액상화 피해의 공간정보화가 가능하 도록 액상화 가능 지수(Liquefaction Potential Index, LPI) 개념을 도입하 여 개발되었다. 먼저 구축된 3차원의 지반 공간그리드 정보를 기반으로 액 상화 발생 가능 지반조건을 기준으로 대상 셀을 선별하여 결정한다. 액상 화 발생 지반조건은 (1) 20 m 심도 이내, (2) 지하수위 아래, (3) 표준관입 시험 N 값이 20 이하인 경우 등이 이에 포함된다[19-21]. 이중 지하수위는 자연적인 변화와 인위적인 변화의 조합에 따라 고려되며, 주기적인 지하수 위 모니터링 자료를 이용하여 결정된다. 즉, 한국수자원공사에서 운용중 인 국가지하수 관측망을 통해서 대상지역의 관측 연보(월/일)별 지하수위 관측 통계특성값(평균값)을 지표 공간그리드와 연계하여 데이터베이스화 하였다[3].

결정된 평가대상 셀별로, 액상화에 대한 저항력을 평가할 수 있도록 N 값에 따른 전단저항강도비(Cyclic Resistance Ratio, CRR)을 선행적으로 평가한다. 이와 함께 지진발생시에 상관 지진하중 공간그리드로부터 호환 전달되는 셀별 최대가속도를 연계 받아, 액상화를 일으키는 외력인 전단응 력비(Cyclic Shear Stress Ratio, CSR)를 즉각적으로 평가한다. 이에 따라 셀별로 액상화 안전율(FS)을 결정한다. Iwasaki et al.[19]은 액상화가 발 생하는 층의 누적 두께 및 지표면으로부터의 심도와 1 미만인 액상화에 대 한 안전율(FS)에 따라 액상화에 대한 피해정도가 결정된다고 결론지었다. 이에 따라 지표면으로부터 심도 20 m까지의 액상화에 대한 취약성을 누적 한 값으로 표현하였으며, LPI를 도입 활용하였다[22]. 최종적으로 지반 공 간그리드로 구축된 액상화에 대한 안전율 및 층별 심도를 가중치를 부여하 여 누적 평가함으로써 지표면에서의 액상화 피해 정도를 결정할 수 있는 LPI를 평가한다. 이 때, 선행연구자들에 의해서 LPI에 따른 액상화 피해 정 도가 제시되었으며, 본 연구에서는 Chung et al.[13]이 제안한 피해정도 기 준(LPI = 0, Safe; 0 < LPI ≤ 5, Low; 5 < LPI ≤ 15, High; 15 < LPI, Severe)에 따라, LPI에 따른 액상화 피해등급을 판단하였다.

3해안 시설영역 지진지반재해의 가시적 평가

3.1해안 시설영역 복합 지반정보 구축

인천지역에 대한 지반 정보는 시추조사 자료 및 기완료 공간 자료분포 를 고려한 현장답사를 통한 지반-지식기반 지표지층 자료를 DB로 구축하 였다. 인천지역은 시추조사 자료 6980공과 지표지층 자료 689공이 수집 확 보되어 총 7669개의 지점형태의 지반 정보를 공간그리드 구축을 위한 기저 자료로 활용하였다. 이 때 신뢰도 높은 공간구역화를 위해 중서부 인천지역 내 2곳의 해안 산업거점 영역들에 대해 복합 지반 공간그리드 정보를 포함 하여 상부구조물, 지형, 지하수, 지하 파이프라인 등의 복합 공간그리드 DB 를 Fig. 7과 같이 우선적으로 시범 구축하였다. 즉, 인천항 내에서 영역 1(Area1)과 영역2(Area2)로 구성된 2개 연구영역을 선정하였으며, 각각 0.48 km²와 0.6 km²의 공간그리드 확장 영역정보를 확보하였다.

각 대상 시설영역별로 각각 12공과 14공의 시추조사 정보가 활용되었으 며, 영역 내 하수관로의 공간정보를 유관기관의 시설물 관리대장 CAD자 료로부터 확보하여 공간 DB화 하였다. 확보된 시추자료 외의 추가적인 지 표 지층 자료의 확보는 포장체로 이루어진 항만 영역의 구성적 특성상 진행 되지 못 했다. 대상영역 내 대부분의 하수관로는 지표면으로부터 약 4 m 지 중에 위치하고 있으며, 공간그리드 구축 방법에 따라 관로 인접영역의 지반 구조 분포를 확인 가능하다. 즉, 공간보간 분석을 통한 영역별 지층 및 다중 레이어 분포를 파악하였으며, 하수관로를 중심으로 지반공간특성을 분석 하였다. 특히, 하수관로의 공간분포상 지진지반응답 특성, 발생가능 지진지 반재해 및 지반상태에 따른 지반침하 취약성을 GIS 소프트웨어[23]를 이 용하여 가시적 평가를 수행하였다.

3.2시설영역 복합 지반 공간그리드 정보 구축

해안 시설영역 2곳의 구축된 복합 지반 공간정보 DB를 활용하여 수립 된 지진유발 지반재해 가시적 예측평가 체계를 적용 검증하였다. 먼저 GIS 기반 복합 지반 및 지표 공간 정보, 그리고 지하 파이프라인 정보 중첩 DB는 공간그리드 정보 구축 방법에 따라 Fig. 8과 같이 3차원 공간레이어 형태로 표출되었다. 해안 시설영역 2곳 모두 시추조사 자료만을 이용한 지수함수 (exponential model) 형태의 베리오그램 모델링 후, 정규크리깅 기법을 적 용하였으며, 이를 통해 5 m × 5 m × 1 m의 셀 크기를 갖는 3차원 지반 공간 그리드 정보를 구축하였다. 이 때 멀티스케일 영역의 2차원 지층공간분포 와 지층심도 방향과의 축척조건을 고려한 차별적 공간그리드 가시화를 위 해 OpenGL 함수를 적용하여 별도의 3차원 지반 가시화 프로그램을 개발 적용하였다(Fig. 8).

이와 함께 대상 시설영역 하수관로의 공간 및 형상정보를 구축 지반 공 간그리드 상에 중첩 적용하여 관로 인접영역의 지층공간분포를 추출하였 다. 그 결과 Fig. 8과 같이 영역1 내 하수관로 중 남쪽방향의 65%의 구간이 사질토층에 위치하고 있으며, 35%의 구간은 점토질 지층에 분포하고 있다. 이에 반해 영역2의 경우 42%의 구간은 사질토층에 매설되어 있으며, 25% 는 점토층, 33%는 자갈층에 위치하고 있다. 3차원 공간상 구획되는 하수관 로 인접 또는 대상영역 전반의 지표로부터의 지층주상 정보를 추출함으로 써 지진지반응답 특성 및 지진유발 지반재해 정보의 공간가시적 평가의 기 반자료로 활용하였다. 이와 함께 Sun et al.[17]이 제안한 N 값과 V_S와의 경 험적 상관관계(V_S=65.64N^0.407 )를 통해 공간그리드에 기 구축된 셀별 N 값 을 기준으로 결정된 V_S값을 Fig. 8(b)과 같이 연계 구축하였으며, 부지응답 해석 시 입력 지반조건으로 활용하였다.

3.3시설영역 지반 공간그리드 기반 지반재해 취약성 분석

시설영역 내 하수관로 단위구간별로 지진공학적 지반재해 취약 가능성 을 기준으로 차별적 복합지층 분류 정보를 가시적으로 평가하였다. 세분화 된 통일분류법 기준 층분류가 적용된 지반 공간그리드를 기반으로 기반암 심도, 점토층 두께, 실트질 모래층 두께를 선별하여 Fig. 9 및 Fig. 10과 같 이 공간정보화 하였다. 기반암 심도는 부지 효과의 주요 영향 요소적 지반 구성 재료인 토사의 동적 물성은 고려하지 않고 토사 두께라는 부지의 기하 학적 조건만을 반영함으로써 지반의 부지응답특성의 공간구역화가 가능하 다[15,24]. 영역1의 경우, Fig. 9(a)와 같이 기반암 심도 공간분포상 대상영 역 남쪽방향을 중심으로 16.0 m에서 18.6 m의 심도분포를 보였다. 또한 지 반분포 구역도상 하수관로 중심선 기준 5 m의 인접영역을 포괄하는 기반암 까지의 심도 분포를 확인한 결과, 11.0 m에서 13.0 m에 해당하는 구간은 37%로 파악되었다 (Fig. 9(d)). 이에 반해 영역2의 하수관로 인접영역의 기반암 심도는 북동쪽 구간을 중심으로 약 28.0 m의 비교적 두꺼운 토층이 분포하고 있는 것으로 판단된다(Fig. 10(d)).

또한 일반적으로 하수관로 배관의 매설심도가 깊어질수록 단부 변형률 의 크기는 작아지며, 특히 연약점토 지반이나 조밀한 사질토, 연약점토, 조 밀한 사질토의 복합지반조건의 경우에 축 방향 변위응답이 커진다[12]. 또 한 조밀한 사질토나 느슨한 사질토와 비교해 볼 때, 연약점토의 강성이 작은 관계로 큰 변위 응답이 발생한다. 이에 따라 하수관로의 지진응답 변위 가능 성이 높은 점토층은 영역1의 경우 일부구간(약 20%)에 걸쳐 1.5 m에서 2.0 m로 분포하였다. 영역2의 경우, 점토층은 6.5 m이상으로 구획된 영역이 11%정도로써 상대적으로 두꺼운 점토층 분포로 인해 지반응답 변위 가능 성이 높은 것으로 평가되었다.

한편 액상화 발생 가능 토사지반 조건상 사질토 20 m 이내, 지하수위 이 하, 점토 함유 20% 이내인 실트질 모래층 두께는 영역1의 남쪽 구간(공간 분포상 약 43%)을 중심으로 9.0 m에서 13.0 m로 확인되었다. 영역2의 경 우, 실트질모래층이 13 m에서 15 m이상인 구간은 27%로 영역1에 비해 액상화 발생 가능 지반조건의 공간점유율이 높게 분석되었다. 이러한 사질 토 지반에 위치한 하수관로는 굴진, 손상, 누수 등의 노후화의 원인으로 모 래 또는 자갈이 혼재된 토사의 이동, 즉 토사 유출, 유실이 발생할 가능성이 높다. 이로 인해 지반 내 인위적인 동공이 발생하여, 지반 내 지지력 부족으 로 지반함몰 내지는 광범위적 지반침하가 발생한다[25]. 따라서 지진지반 응답 특성의 가시적 공간구역화를 통해 영역2는 영역1에 비해 하수관로의 지진지반응답 변위 가능성, 액상화 재해 및 지반함몰 가능성이 모두 높게 평 가되었다.

3.4시설영역 지진유발 지반재해 평가

부지고유 지진응답 특성은 기반암에 도달한 지진파가 토사 매질을 통과 하여 지표면에서 표출되는 지진지반 운동으로 반영된다[6]. 이러한 지진응 답특성의 공간분포를 우선적으로 파악하고자, Sun[17]이 제시한 국내 부 지 분류 기준들인 기반암 심도, 지표면부터 30 m 심도까지의 평균 전단파 속도(V_S30), 그리고 부지 주기(T_G)를 기반으로 지반 공간그리드 연산을 진 행하여 구역화 하였다(Fig. 11). 그 결과 영역1의 경우, 대부분의 관로는 T_G 를 기반으로 78% 영역이 전반적으로 C3로 구역화 되었으며, 영역2는 32% 의 남서측 영역은 C3, 그리고 37%의 북동측 영역은 D1로 구분되어 분포하 였다. 이에 따라 부지분류 등급상 상대적으로 민감한 D1으로 일부 구역화 된 영역2가 영역1보다 지진증폭가능성이 높다고 판단하였다. 이러한 부지 분류 정보를 토대로 대상 하수관로 영역 내 부지에서의 부지 증폭 계수 산정 및 내진 설계 또는 내진성능 평가를 위한 설계 지반 운동 결정이 가능하다.

지진지반재해 평가 시설영역의 지반의 비선형 특성을 정규화한 후, 여러 조건의 지진파 주파수 성분을 고려한 부지고유 지진 응답 해석을 우선적으 로 수행하였다. 그 결과, 지반 공간그리드의 셀별로 입력 암반노두가속도 조건과 응답해석결과인 최대가속도와의 비선형 최적화 회귀분석을 통해 지반 공간그리드의 지반조건별 지진하중 상관관계를 수립하였다. 이를 토 대로 지진재해대책법상 500년 재현주기에 해당하는 0.11 g 암반노두가속 도 조건을 시범 적용하여 Peak Ground Acceleration(PGA)을 결정하였다 (Fig. 12 및 Fig. 13). 하수관로를 중심으로 구획된 공간분포를 살펴보면, 영역1의 경우 PGA는 0.154 g(1000년 재현주기 암반노두가속도) 이상 증 폭 응답된 구간은 북서쪽 부두영역을 중심으로 약 25%의 공간분포를 갖는 다. 영역2의 경우, PGA 공간그리드 상 하수관로 중 북동쪽 영역을 중심으 로 32%의 구간이 0.154 g 이상으로 증폭되었다.

또한 공간적 액상화 재해 예측평가를 위해 구축 지반 및 지진하중 상관 관계를 포함한 공간그리드를 기반으로 표준화된 액상화 간편 평가법을 적 용함으로써 CSR, CRR, 액상화 안전율의 3차원 액상화 재해 공간그리드를 구축하였다. 이후 액상화 안전율 공간그리드를 누적가중 평가함으로써 지 표면에서의 액상화 재해 구역도를 LPI를 토대로 연산 등급화 하였다. 영역1 은 일부 구간을 제외하고 대부분의 구간(00%)이 Safe로 평가되었으며, 영 역2의 경우 액상화 발생가능성은 Low 등급으로 평가된 22%정도의 북측 일부구간을 제외하고 Safe로 평가되었다. 주어진 지진이벤트에 대해서, 영 역2가 영역1보다 지반증폭 정도, 액상화 발생 가능성이 상대적으로 높게 나 타나며, 두 경우 모두 북측 하수관로 구간을 중심으로 지진재해 가능성이 높 게 공간구역화 되었다.

최종적으로 대상 시설영역을 중심으로 평가된 복합적 지진유발 지반재 해를 종합적으로 고려해 보았으며, 그 결과 중첩된 복합 지반 공간그리드를 기반으로 Fig. 14와 같이 구역화하였다. 먼저, T_G기반 부지효과에 따른 부 지분류 등급 조건상 D1의 영역을 민감구간으로 구역화 하였다. 사질토층 두께 공간분포에 따른 지하관로 지반함몰 취약성을 10 m이상으로 가정하 였으며, 해당 구간을 중심으로 상대적 함몰가능성이 높은 것으로 구역화 하 였다. 또한 500년 재현주기의 지진이벤트 조건에서 지진하중 결정 상관관 계 공간그리드 조건상 PGA가 1000년 재현주기로 응답 증폭된 구간(0.154 g 이상)을 차별적 구획하고, 액상화 재해의 취약구간은 Low 등급으로 판단 하였다. 이와 같은 시범적인 지진유발 지반재해 가시적 평가를 통해 지하 파 이프라인의 복합함몰 가능성의 공간분포를 결정할 수 있으며, 향후 구조물 안전관리 대책의 의사결정을 지원해 줄 수 있을 것으로 판단한다.

4요약 및 결론

본 연구에서는 다중 복합자료를 활용한 지진유발 공간지반재해의 가시 적 예측 평가 체계를 수립하였으며, 인천 해안지역 2곳의 시설영역의 복합 지반 공간정보를 GIS기반 DB로 구축함으로써 신뢰도 높은 직관적 지진지 반재해 복합공간정보를 예측하였다. 지진지반재해 가시적 평가체계는 크 게 지반 공간그리드 구축 방법, 지진지반응답 특성 지표 공간그리드 분석 방 법, 부지응답해석 기반 지진하중 상관 공간그리드 결정 방법, 그리고 액상 화 재해 공간그리드 평가 방법으로 구성된다.

먼저, 지진유발 지반재해의 정량적 예측평가를 위해서 멀티스케일의 지 반공학 및 지진공학 특성 변수에 대해 공간적 신뢰성을 고려한 공간구역화 를 위한 지반 공간그리드 구축 방법을 제안하였다. 이를 위해 상부구조물, 지형 및 지리 조건, 지반조건, 지하 파이프라인 등의 복합공간정보를 표준 화하고, 지구통계학적 공간보간 기법을 통해 GIS기반의 3차원 공간상 다 중 복합 공간그리드 정보로써 DB화한다. 두 번째로 구축 공간그리드 정보 를 토대로 부지효과 평가를 위한 지반지진공학적 특성 지표인 기반암 심도, V_S30, T_G 연산결과를 기준으로 부지분류를 공간구역화 한다. 세 번째로 공 간그리드 셀별 지반의 최대가속도를 합리적으로 결정하기 위해 다양한 수 준의 지진조건을 고려한 부지응답해석을 수행한 후, 입력된 암반노두가속 도와 응답해석 최대가속도와의 최적 회귀분석을 수행한다. 그 결과 공간그 리드의 셀별 암반노두가속도 수준별 지반 최대가속도의 응답상관관계식을 DB화하며, 특정 지진이벤트 발생시 계측 자유장 가속도를 입력함으로써 셀별 최대가속도 및 PGA를 결정한다. 네 번째로 지반 및 상관 지진하중 공 간그리드 정보를 연계하여 표준화된 액상화 간편 평가 방법에 기초한 LPI 기반 액상화 재해 공간그리드를 구축한다.

시스템 프레임웍으로 구축된 평가 체계를 바탕으로 인천항 내 2곳의 시 설영역의 DB 정보 프레임을 구현하였다. 이를 위해 각 시설영역별 12공과 14공의 시추조사 자료를 우선 수집하고, 하수관로 공간형상 정보를 확보하 여 공간 DB화 하였다. 먼저 최적 공간보간 모델링을 통해 3차원의 지반 공 간그리드를 구축하였으며, 하수관로 공간 및 형상정보를 기준으로 인접 또 는 지표로부터의 지층주상 정보를 추출함으로써 하수관로의 매설지반 특 성을 확인하였다. 이후 지진공학적 지반재해 취약 가능성을 2차원 복합지 층 구역화를 통해 평가하였으며, 하수관로 공간인접 중심의 기반암 심도, 지반응답 변위 가능성이 높은 점토층 두께, 액상화 발생 가능성과 관로 노 후화로 인한 동공 발생 및 지반 함몰 가능성이 높은 사질토층 두께의 공간 분포를 각각 평가하였다. 그 결과 영역2가 영역1에 비해 하수관로의 지진지 반응답 변위 가능성, 액상화 재해 및 지반함몰 가능성이 높게 평가되었다. 또한 지반유발 지진재해 평가 방법에 따라 부지고유 지진응답 특성분포를 우선적으로 확인하고, 부지응답해석 기반 PGA에 따른 지반증폭 취약성, 그리도 액상화 재해를 중첩 공간구역화 하였다. 최종적으로 영역2가 영역1 보다 하수관로의 지반증폭 정도 및 액상화 발생 가능성이 모든 구간에 대해 높게 평가되었으며, 특히 북동측 구간을 중심으로 지진재해 가능성이 높게 공간구역화 되었다. 이에 따라 해안 시설영역 지하 파이프라인 대상의 지진 지반재해 복합공간정보 구축을 통해서 잠재적 지진지반재해 발생가능성의 공간적 확률분포 및 직관적 재해도를 가시화하였다. 본 연구에서 제안한 지 진유발 공간지반재해의 가시적 예측 평가 체계를 통해 지하 파이프라인 외 에 상부시설물의 지진유발 지반재해의 복합적인 가시적 평가 제공이 가능 하다. 뿐만 아니라 향후 복합적 지진재해의 가시적 공간재해도 구축 시스템 개발의 기반자료로 활용하여 구조물 안전관리 대책 수립을 위한 의사결정 지원 시스템으로의 확장 가능성이 높다.