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Geomechanical Stability Assessment of Underground Chalk Heritage Galleries Based on TLS-Derived 3D Geometry and Numerical Modelling

본 연구는 지상 레이저 스캐닝으로 도출된 3D 기하 구조를 수치 모델링 및 실험실 테스트를 거친 재료 매개변수와 통합함으로써, 쳄의 시장 광장 아래에 위치한 역사적 지하 백토 갤러리의 지질역학적 안정성을 평가하고 저안정성 구역 및 고응력 구간을 식별한다.

원저자: Mateusz Blajer, Wioletta Podwyszyńska-Sałosz, Krzysztof Tajduś

게시일 2026-10-29

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CC BY 4.0

원저자: Mateusz Blajer, Wioletta Podwyszyńska-Sałosz, Krzysztof Tajduś

원본 논문은 CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) 라이선스로 제공됩니다. ✨ 이것은 아래 논문에 대한 AI 생성 설명입니다. 저자가 작성하거나 승인한 것이 아닙니다. 기술적 정확성을 위해서는 원본 논문을 참조하세요. 전체 면책 조항 읽기

많은 역사적인 도시들의 지표 아래에는 오래전 건축 자재를 채굴하기 위해 부드럽고 다공성인 암석을 깎아 만든 터널과 방들의 네트워크가 존재합니다. 이러한 지하 공간은 단순히 비어 있는 빈 공간이 아닙니다. 이곳은 상부 지표의 무게, 암석 자체의 강도, 그리고 개구부의 기하학적 구조 사이의 섬세한 균형에 따라 지반의 안정성이 결정되는 복잡한 지질학적 구조물입니다. 수 세기 된 백토 터널이 북적이는 시장 광장 바로 아래에 흐르는 폴란드의 쳄(Chełm)과 같은 곳에서는 이 균형이 매우 중요합니다. '라이팅 초크(writing chalk)'로 알려진 이 암석은 건조할 때는 자연적으로 강하지만, 물을 흡수하면 취약해지고 부스러지기 쉬운 성질을 갖게 됩니다. 시간이 흐름에 따라 풍화와 습기는 암석을 약화시켜 천장에서 블록이 떨어져 나가게 하거나, 극단적인 경우에는 지표면의 붕괴를 초래할 수 있습니다. 이 고대의 구조물들이 어떻게 형태를 유지하는지 이해하려면 단순히 눈으로 보는 것 이상의 것이 필요합니다. 그것은 매일 이들에게 작용하는 보이지 않는 응력과 변형의 힘을 보는 방법을 요구합니다.

이러한 역사적 공간의 안전 문제를 해결하기 위해, 연구진은 고정밀 스캐닝과 첨단 컴퓨터 시뮬레이션을 결합한 현대적인 접근 방식을 도입했습니다. 그들은 16세기와 17세기에 활발히 개발되었다가 안전 문제로 인해 폐쇄된 폴란드 광업 역사의 독특한 기념물인 쳄 백토 터널의 특정 구간에 집중했습니다. 연구진은 지상 레이저 스캐닝을 사용하여 지하 갤러리를 매우 상세하게 매핑하는 것으로 시작했습니다. 이는 레이저 빔을 표면에 튕겨내어 터널의 정밀한 3차원 디지털 복사본을 만드는 기술입니다. 이 과정은 전통적인 측정 도구로는 정확하게 기록하기 어려운 불규칙한 모양, 좁은 통로, 그리고 백토 벽의 거친 질감을 포착했습니다. 이 디지털 모델은 지하 세계의 가상 재구성을 위한 토대가 되었으며, 과학자들이 취약한 환경을 방해하지 않고 터널을 연구할 수 있게 해주었습니다.

터널의 기하학적 구조가 컴퓨터 모델에 고정되자, 연구팀은 암석 자체의 물리적 특성을 이해해야 했습니다. 그들은 현장에서 백토 샘플을 채취하여 실험실에서 압력을 받을 때 재료가 어떻게 반응하는지, 자연적인 습윤 상태와 건조된 상태 모두에서 테스트했습니다. 테스트 결과는 극명한 차이를 보여주었습니다. 백토는 건조할 때 훨씬 더 강했지만, 수분이 존재할 때는 무게를 견디는 능력이 상당히 떨어졌습니다. 이 발견은 매우 중요했는데, 왜냐하면 터널 내부가 습하며 벽면에 결로 현상이 자주 관ل되기 때문입니다. 연구진은 이 실험실 결과를 컴퓨터 모델에 프로그래밍하여, 가상의 암석이 유사한 조건의 실제 암석처럼 행동하도록 했습니다. 그런 다음 그들은 시장 광장의 건물과 교통량, 그리고 주변 흙의 자연적인 압력을 시뮬레이션하여 지하 챔버가 어떻게 반응하는지 확인했습니다.

시뮬레이션 결과, 현재 조건 하에서 선택된 챔버들은 전역적으로 안정적인 상태를 유지하고 있는 것으로 나타났습니다. 컴퓨터는 대규모 붕괴를 방지하는 데 필요한 최소 임계값을 초과하는 안전 마진을 계산했으며, 이는 터널이 완전히 무너질 급박한 위험에 처해 있지 않음을 시사합니다. 그러나 분석 결과는 암석이 상당한 스트레스를 받고 있는 특정 구역 또한 강조했습니다. 컴퓨터 맵은 전체 구조는 유지되고 있지만, 특히 측벽과 일부 챔버의 천장을 따라 암석이 한계에 다다르고 있는 국지적 구역들이 있음을 보여주었습니다. 이 구역들은 실제 터널에서 벽으로부터 떨어져 나가는 것이 관찰된 얇은 백토 층과 일치합니다. 연구는 이 응력의 분포가 측면 압력에 따라 변한다는 것을 발견했습니다. 즉, 수평 압력이 증가하면 하중이 벽에서 천장과 바닥으로 이동하여 터널의 어느 부분이 가장 위험한지를 변화시킵니다.

가장 중요한 발견 중 하나는 터널이 안정성을 극대화하기 위해 자연적으로 형성된 듯한 모양을 띠고 있다는 점이었습니다. 챔버들은 종종 수직 방향을 가진 타원형 모양을 띠는데, 이는 지표의 하향 압력에 저항하는 데 효율적인 형태입니다. 연구진은 광부들이 작업하면서 약한 부분을 깎아내고 스스로를 지탱할 수 있는 구조를 남김으로써 터널의 모양을 조정했을 것이라고 언급했습니다. 이러한 내재적 안정성에도 불구하고, 연구는 현재의 안전이 미래를 보장하는 것은 아니라고 강조합니다. 시뮬레이션은 풍화의 느린 장기적 영향이나 수십 년에 걸쳐 물을 흡수함에 따라 암석이 점진적으로 약화되는 현상을 고려하지 않았습니다. 터널은 오늘날 안전하지만, 습기로 인한 지속적인 퇴화 과정은 컴퓨터 모델에서 식별된 취약 지점들을 결국 키워내어, 국지적 붕괴나 지표면의 손상을 초래할 수 있습니다.

이 연구의 가치는 단순히 안전성에 대한 일반적인 평가를 제공하는 것이 아니라, 위험이 정확히 어디에 있는지를 짚어내는 능력에 있습니다. 연구진은 레이저 스캔의 정밀한 3D 기하학 구조와 백토의 실제 거동을 결합함으로써, 향로 모니터링 및 보강 작업을 안내할 수 있는 도구를 만들었습니다. 그들은 터널의 가장 깊은 부분이 응력장의 변화에 특히 민감하며, 물의 존재가 암석의 강도를 위협하는 가장 중요한 요인임을 확인했습니다. 이러한 접근 방식은 엔지니어들이 터널 전체를 하나의 균일한 문제로 다루는 대신, 지원이 필요한 특정 구간에 주의를 집중할 수 있게 해줍니다. 쳄의 역사적인 백토 갤러리의 경우, 앞으로의 길은 습한 구역을 면밀히 관찰하고 이미 긴장이 나타나고 있는 구역을 표적 보강함으로써, 지상의 도시 안전을 위협하지 않으면서도 이 지하 기념물을 후대에 보존하는 것입니다.

기술 요약: 지하 초크 유산 갤러리의 지질역학적 안정성 평가

문제 제기
폴란드의 쳄(Chełm) 초크 터널과 같이 약하고 다공성인 암석에 굴착된 역사적인 지하 구조물은 독특한 지반 공학적 과제를 안고 있다. 주로 16세기와 17세기에 개발된 이 구조물들은 복잡한 기하학적 형상, 불균질한 암반 퇴화, 그리고 장기적인 환경적 영향으로 인해 불안정성 위험에 노출되어 있다. 특히, 터널이 굴착된 대상인 필기용 초크(writing chalk)는 낮은 함수율에서는 유리한 강도를 나타내지만, 함수율이 증가함에 따라 현저한 퇴화를 겪는다. 수분 유입은 결합력과 미세 구조를 저해하여 층 박리, 천장 붕괴 및 잠재적인 싱크홀을 유발한다. 안정성 평가에 경험적 방법이 자주 사용되지만, 문헌에 따르면 이러한 방법은 불규칙한 기하학적 형상을 가진 구조물의 안전성을 과대평가할 가능성이 크다. 또한, 초크의 변형률 속도 의존성(strain-rate dependence)과 유변학적 과정을 설명할 수 있는 구성 모델을 선택하는 것 역시 과제로 남아 있다.

방법론
본 연구는 고해Resolution 기하학적 데이터와 3차원 수치 해석을 통합한 "스캔 투 모델(scan-to-model)" 방법론을 채택하였다. 워크플로 단계는 다음과 같다:

기하학적 획득 및 재구성: 지하 작업 공간의 형상을 포착하기 위해 지표 레이저 스캐닝(TLS)을 활용하였다. 약 4,400만 개의 점으로 구성된 총 154개의 스캔 데이터를 처리하여 삼각 불규칙 네트워크(TIN)를 생성하였다. 이 과정에는 스캐닝 그림자와 공백 문제를 해결하기 위한 노이즈 필터링, 이상치 제거 및 수동 정밀화 작업이 포함되었으며, 이를 통해 불규칙한 챔버 프로파일의 정밀한 3D 표현을 얻었다.
지질역학적 특성 규명: 현장에서 채취한 필기용 초크 시료를 대상으로 구성 모델 파라미터를 결정하기 위한 실험실 테스트를 수행하였다. 테스트에는 자연 함수율 상태와 건조 상태 모두에서의 일축 압축 시험 및 브라질 인장 강도 시험이 포함되었다. 결과는 강도 및 변형 파라미터가 수분에 매우 민감하다는 점을 강조하였다. 암반 품질은 RMR89 및 GSI 시스템을 사용하여 평가되었으며, Class III "보통 암반(fair rock)" 등급을 얻었다.
수치 모델링: TLS 기반의 기하 구조, 지표 지형(LiDAR 데이터), 그리고 인위적 하중(건물 및 차량 통행)을 포함하는 3D 계산 모델을 FLAC3D에서 개발하였다. 모델은 Hoek–Brown 파괴 기준을 사용하였으며, 안전율(FS)을 계산하기 위해 전단 강도 감소(SRM)법을 적용하였다.
시뮬레이션 시나리오: 평균 측압 계수( $\bar{\lambda}$ )를 0.8과 1.2로 정의하여 응력장(stress-field)의 불확실성을 고려한 두 가지 현장 시나리오를 분석하였다. 시뮬레이션 순서는 주응력 상태 초기화, 지표 하중 적용, 굴착 시뮬레이션, 그리고 역사적으로 존재하는 지지 구조물 설치 단계를 포함한다.

주요 결과

전역적 안정성: 분석 결과, 시장 광장 아래의 선택된 챔버들은 전역적으로 안정적인 것으로 나타났다. 계산된 최소 안전율(FS) 값은 $\bar{\lambda} = 0.8$ 일 때 2.13, $\bar{\lambda} = 1.2$ 일 때 2.16으로, 모두 채택된 최소 임계값인 2.0을 상회하였다.
국부적 응력 집중: 전역적 불안정성은 나타나지 않았으나, 응력-강도비(SSR) 맵은 국부적인 고응력 이용 구역을 보여준다.
- $\bar{\lambda} = 0.8$ 시나리오에서는 고응력 이용 구역(SSR $\approx$ 1.0)이 주로 측벽을 따라 발달하며, 일부 구간에서는 두께가 60~70cm에 달했다.
- $\bar{\lambda} = 1.2$ 시나리오에서는 응력 재분배가 일어나 측벽 하중은 감소하지만, 천장과 바닥에서의 응력 이용도가 증가하였다(두께 8~25cm).
- 가장 깊은 챔버(예: 15m의 상부 하중 아래)는 응력장 시나리오에 민감하게 반응하였으며, $\bar{\lambda} = 1.2$ 조건에서 SSR $\approx$ 1.0 구역이 최대 55cm 두께까지 확장되었다.
변위: 챔버 내 전체 변위는 0에서 0.008m 범위 내에 있다. 국부적인 최대 변위는 기하학적 불규칙성과 관련하여 챔버 바닥에서 관찰되었다.
수분 민감도: 실험실 결과는 초크를 건조시켰을 때 일축 압축 강도가 자연 함수율 상태의 1.47–3.18 MPa에서 4.88–14.16 MPa로 증가함을 확인하였다. 이는 함수율이 하중 지지 능력을 결정하는 핵심 요소임을 입증하지만, 수치 모델은 시간 의존적 크리프나 미래의 퇴화를 명시적으로 모델링하지 않고 채택된 파라미터 세트를 기준으로 현재 상태를 평가하였다.

의의 및 기여
본 연구의 주요 기여는 TLS 기반의 3D 기하 구조, 초크의 지질역학적 특성(수분 효과 포함), 그리고 3D 수치 해석을 역사적 지하 작업 공간의 지질 재해 평가에 일관되게 통합한 데 있다. 본 연구는 챔버들이 전역적으로는 안정적이지만, 전역적 FS 값에만 의존하는 것은 종합적인 안전성 평가를 위해 불충 enough하지 않다는 점을 보여준다. 대신, SSR이 1.0에 근접하는 국부적 구역을 매핑하는 것이 약한 다공성 암석 내 얕은 공동에서 흔히 발생하는 블록 탈락이나 층 박리와 같은 잠재적 파괴 메커니즘을 식별하는 데 필수적이다.

저자들은 제안된 스캔 투 모델 방법론이 모니터링 프로그램 및 예방 조치 계획을 효과적으로 지원한다고 결론짓는다. 결과는 현재 상부 건물의 서비스 기능에 대한 위협은 없으나, 식별된 국부적 약화 구역은 향후 불안정성으로 이어질 수 있는 점진적 풍화를 방지하기 위해 주의가 필요함을 시사한다. 본 연구는 현재의 안정성 평가가 채택된 파라미터 세트에 대해 유효함을 강조하며, 장기적인 수문 지질학적 조건의 진화는 여전히 중요한 불확실성으로 남아 있음을 강조한다.

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