Cavity Geometry Evaluation beneath Shield Tunnel Linings using Ground Penetrating Radar and Acoustic Sensing

현대 도시의 번화한 거리 아래 깊은 곳에는 사회를 움직이게 하는 숨겨진 인프라의 세계가 존재한다. 지하철, 유틸리티 터널, 그리고 지하 통로들은 거대한 기계들에 의해 깎여 나가며, 그 뒤에는 흙을 버티어 주는 콘크리트 링들이 남겨진다. 이 링들이 안전하게 유지되도록 하기 위해, 작업자들은 새로운 콘크리트와 주변 토양 사이의 미세한 틈을 그라우트라고 불리는 걸쭉한 시멘트 형태의 페이스트로 채운다. 이러한 뒷채움(backfilling) 작업은 매우 중요한데, 이는 터널을 지지하고 지반이 이동하는 것을 방지하기 때문이다. 하지만 만약 이 그라우트가 완벽하게 타설되지 않거나 시간이 흐르면서 새어 나간다면, 터널 벽 뒤에 공기 주머니가 형성될 수 있다. 이러한 숨겨진 공동(cavity)은 구조를 약화시켜 갑작스러운 붕괴로 이어질 수 있는 위험 요소이지만, 터널 내부에서 볼 때는 콘크리트가 매우 매끄러워 보이기 때문에 눈에 보이지 않는다.

수십 년 동안 엔지니어들은 터널을 파손하지 않고 이러한 빈 공간을 찾아내기 위해 여러 도구를 사용해 왔다. 지표 투과 레이더(GPR)는 지표면 아래로 전파를 보내 물질의 변화를 관찰하고, 열화상 카메라는 온도 차이를 포착한다. 그러나 이러한 방식들은 대부분의 현대식 터널에 사용되는 철근 콘크리트 앞에서 사각지대를 갖는다. 이 벽 내부의 철근(rebar) 격자는 엔지니어가 찾고자 하는 결함 자체를 가려버리는 혼란스러운 신호를 만들어낸다. 레이더 파가 철근에 부딪히면 신호가 복잡하게 반사되어, 반사된 신호가 철근 때문인지 아니면 벽 뒤의 위험한 구멍 때문인지 구별하는 것이 거의 불가능해진다. 이러한 불확실성은 터널 운영자들이 기반 시설의 안전성에 대해 추측만 할 뿐 확신하지 못하게 만든다.

고려대학교와 건국대학교의 연구팀은 전통적인 레이더에 단순하지만 종종 간과되는 도구인 마이크를 결합하여 다른 접근 방식을 테스트하기로 결정했다. 그들의 목표는 이러한 숨겨진 공동을 탐지하고 그 크기를 추정하는 것이었다. 이를 위해 연구진은 실험실에 터널 라이닝의 대규모 모델을 제작했다. 그들은 실제 터널 벽을 모사하기 위해 약 38cm 간격으로 철근 격자가 배치된 두꺼운 철근 콘크리트 판을 만들었다. 그 아래에는 지면을 나타내는 두 번째 콘크리트 판을 놓았다. 이 하단 판 위에 네 개의 뚜렷한 빈 공간을 파내어 공동을 시뮬레이션했는데, 두 개는 사각형이고 두 개는 원형이었으며, 너비와 직경은 30~60cm 범위였다. 나머지 틈은 백필(backfill) 역할을 하는 모르타르로 채웠고, 지정된 공동 부분만 비워두었다.

연구진은 이후 철근 콘크리트 표면을 가로질러 두 가지 서로 다른 테스트를 실시했다. 첫째, 지표 투과 레이더 장치를 사용하여 특정 선을 따라 끌며 구역을 스캔했다. 레이더 이미지는 예상된 결과를 보여주었다. 즉, 철근이 강하고 곡선 형태의 반사를 만들어내어 화면을 압도했다. 레이더는 공동이 있는 영역에서 무언가 다르다는 것을 감지할 수는 있었지만, 빈 공간의 신호가 철근의 신호와 뒤엉켜 있었다. 연구진은 웨이브릿 변환(wavelet transform)이라는 수학적 기법을 사용하여 이러한 중첩된 신호를 분리하려고 시도했으며, 공동이 커질수록 신호 강도가 증가한다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 철근 때문에 구멍의 경계를 명확히 정의하거나 공동이 사각형인지 원형인지 판단하는 것은 매우 어려웠다. 연구는 공동의 형상을 식별하는 것이 여전히 도전적인 과제이며, 레이더를 이용한 치수 추정의 정확도가 떨어질 수 있다는 결론을 내렸다.

다음으로, 연구팀은 마이크로 눈을 돌렸다. 전파를 보내는 대신, 그들은 특수 해머를 사용하여 콘크리트 표면을 두드려 충격과 진동이 판을 통해 전달되도록 했다. 표면에서 불과 2cm 위에 위치한 민감한 마이크는 타격에 반응하여 공기 입자가 진동하는 소리를 들었다. 이 논리는 판 아래에 구멍이 있을 때 판이 어떻게 행동하는지에 기초한다. 콘크리트가 단단하고 지면에 의해 완전히 지지되고 있을 때, 판은 뻣뻣하며 굽힘에 저항한다. 하지만 판 아래에 빈 공동이 있으면, 그 부분의 판은 트램펄린처럼 유연해진다. 두드리면, 유연한 부분은 단단한 부분과는 다른 특성을 가진 소리를 내며 다르게 진동한다.

마이크를 통한 결과는 놀라울 정도로 명확했다. 연구진은 조사 경로를 따라 모든 지점에서의 판의 '유연성'을 측정했다. 콘크리트가 단단한 곳에서는 유연성이 낮고 일정하게 유지되었다. 하지만 마이크가 공동 위를 지나가자마자 유연성이 급격히 상승했다. 데이터는 구멍이 위치한 지점에서 유연성이 급증함을 보여주었으며, 이를 통해 팀은 높은 정밀도로 공동의 경계를 특정할 수 있었다. 마이크는 콘크리트 내부의 철근에 거의 영향을 받지 않았는데, 판이 구멍 위에서 휘어지며 발생하는 소리가 철근의 소음을 무시할 만큼 뚜렷했기 때문이다. 연구진은 공동의 존재를 탐지할 수 있을 뿐만 아니라 크기를 상대적으로 추정할 수 있다는 것을 발견했다. 더 큰 공동일수록 유연성의 증가 폭이 컸으며, 마이크는 30cm와 60cm 구멍을 명확히 구분해 냈다.

가장 흥eli로운 발견은 공동의 모양이 소리에 어떤 영향을 미치는지였다. 연구진이 사각형 구멍과 원형 구형을 비교했을 때, 동일한 너비를 가진 경우에도 사각형 구멍 위에서 유연성이 증가하는 영역이 원형보다 더 넓다는 것을 발견했다. 이는 사각형 모양이 조사 경로 전체 길이에 걸쳐 전체 너비를 유지하는 반면, 원형 모양은 가장자리로 갈수록 좁아지기 때문에 발생하는 현상이다. 그러나 연구는 음향 감지 방식이 공동의 경계를 묘사하는 데는 분명한 이점을 보였지만, 상세한 공동 형상과 관련된 유연성 차이는 미미하다는 점을 언급했다. 이러한 미묘한 차이는 연구진이 공동의 크기는 추론할 수 있어도, 유연성만으로 사각형인지 원형인지를 신뢰성 있게 구별할 수는 없음을 의미했다. 레이더가 구멍의 신호와 철근의 신호를 분리하는 데 애를 먹었다면, 마이크는 지면이 비어 있는 곳을 보여주는 깨끗하고 직접적인 지도를 제공했다.

본 연구는 지표 투과 레이더가 유용한 도구이긴 하지만, 철근의 간섭으로 인해 강화 콘크리트 뒤의 정확한 공동 기하학적 구조를 매핑하는 능력에는 한계가 있다고 결론짓는다. 반면, 마이크를 이용한 음향 감지는 이러한 숨겨진 빈 공간을 탐지하고 그 치수를 추정하는 데 더 신뢰할 수 있는 방법을 제공한다. 터널 벽이 어떻게 진동하는지 듣는 것만으로도 엔지니어들은 레이더 영상만 보는 것보다 훨씬 더 정확하게 공동의 경계를 식별할 수 있다. 이는 향후 이 두 가지 방법을 결합함으로써 터널 검사관들이 벽 뒤에 숨겨진 위험을 더욱 명확하게 파악하고, 우리 도시의 지하 동맥을 안전하고 견고하게 유지할 수 있음을 시사한다.