지중환경 평가를 위한 지반 광물조성 원위치 평가 기술

1. 서 론

암석구성성분검층(borehole elemental concentration logs)은 중성자선원(neutron source)을 이용하여 지반의 광물조성을 원위치(in situ)에서 추정할 수 있는 기술로서 최근까지 장비 개발 및 관련 연구가 활발히 진행되고 있는 분야이다. 일반적으로 지층의 광물조성 평가는 토양 및 시추 코어에 대한 X선 회절법(X-ray diffraction analysis, XRD), X선 형광분석법(X-ray fluorescence analysis, XRF) 등의 실내 시험자료를 주로 이용하고 있다. 그러나 이는 조사 구간의 극히 일부분에 대한 결과이며 특히, 유체의 유동 경로 구간은 주로 충적층 및 파쇄대인데 이 구간들의 코어 회수율(core recovery)이 불량하여 조사 구간 전체에 대한 광물조성 평가는 매우 어렵다. 따라서 시추공 전 구간에 대한 원위치 광물조성 추정 기술은 지중환경(subsurface environment) 평가에 중요한 역할을 할 수 있으며 그 활용범위 또한 다양하다.

방사능검층법을 이용하여 지층의 원소 및 조성광물을 추정하는 기술은 1950년대부터 시작되어 많은 관련 연구가 수행되어 왔으나 장비 자체의 전자적 성능 문제, 계측 시스템의 정밀도(precision) 및 정확도(accuracy) 미흡, 정량적 분석을 위한 교정(calibration)의 어려움, 검층속도(logging speed)와 온도의 민감도 등의 여러 가지 기술적인 문제점을 가지고 있었다. 이러한 초기 연구에 대한 한계점을 극복하기 위하여 수년의 지속적인 연구를 거쳐 많은 중성자를 이용한 고성능 검층기(neutron-induced gamma ray spectroscopy sonde)가 개발되었으며, 다양한 지층 코어를 이용한 화학-광물학 데이터베이스(chemistry and mineralogy database) 구축, 기존의 역산방법을 보완한 새로운 모델 독립적 역산기법(model-independent inversion method)의 개발 등으로 복잡한 지층에 대해 정확도 높은 정량적 분석이 가능하게 되었다.

현재 방사능검층을 이용한 지반 광물조성 평가에 대한 국외 기술은 완성단계로 특히 석유 분야에서 케이싱 내 저류층 평가와 최근 셰일가스 개발까지 전통, 비전통 자원 평가에 많이 이용되고 있다. 또한 선원 및 검출기, 계측 기술의 비약적인 발전으로 많은 원소의 정량적인 추정이 가능한 새로운 검층기가 지속적으로 개발되어오고 있다. 그러나 본 기술은 몇 개의 서비스 회사(Schlumberger, Halliburton, Baker Hughes 등)의 독점 기술로 장비 판매 없이 고가의 서비스만 실시하고 있는 실정이다. 또한 장비 제작에 관련된 특허와 장비 활용의 우수성에 대한 논문만 공개되어 있고 설계, 제작, 장비 교정, 성능시험 및 현장적용 등의 모든 과정이 비공개로 되어 있어 국내 연구에 바로 적용하기에는 어려움이 있다.

본 기술기사에서는 지반 광물조성 원위치 평가 기술의 기본원리, 시스템 구성을 간략히 기술하고 현재 국내 자체기술로 개발하고 있는 암석구성성분검층 시스템을 소개하고자 한다.

2. 암석구성성분검층

2.1 지반 광물조성 원위치 평가 기술 기본원리

본 평가기술은 지반에 굴착된 시추공에 물리검층 존데(sonde)를 이동하면서 지층을 구성하는 주요 원소들을 실시간으로 측정하는 기술로, 존데의 중성자선원에서 발생되는 높은 에너지의 고속중성자(fast neutron)는 지층과 반응하여 빠른 속도로 에너지를 상실하면서 열중성자 영역(thermal energy level)으로 감속(moderation)된다. 이때, 초기 마이크로초(microsecond) 동안 에너지가 약 1 MeV 이하로 떨어지면서 중성자는 비탄성산란(inelastic scattering) 상호작용을 하게 되고, 반면 0.025 eV의 열중성자는 원자핵(atomic nuclei)에 흡착되어 중성자포획(neutron capture) 작용을 하여 각각 감마선을 방출한다. 이 두 가지 상호작용에 의한 고에너지의 감마선을 검출기로부터 측정하여 감마선스펙트럼(gamma-ray spectrum)을 구현하고 각 원소의 표준스펙트럼(elemental standard spectrum)을 기반으로 원소를 구분하는 것이 암석구성성분검층의 기본원리이다.

원소의 표준스펙트럼은 알려진 화학 성분의 지층에서 얻을 수 있다. 예로 실리콘(Silicon)과 칼슘(Calcium)의 표준스펙트럼은 순수 사암(clean sandstone, SiO₂)과 석회암(limestone, CaCO₃) 모형을 이용하며, 수소, 산소, 탄소의 표준은 물(H₂O)과 오일(C_nH_m) 탱크에서 획득이 가능하다. 측정된 스펙트럼은 oxide closure model 혹은 Elemental Log Analysis 같은 반복 역산 기법(iteration inversion technique)에 적용하여 각 원소들의 질량분율(elemental weight fraction)을 산출한다. 산출된 원소들은 정확한 원소와 광물 사이의 실험 관계식을 기반으로 한 순차 처리 기법인 SpectroLith algorithm 혹은 ELANPlus advanced multimineral log analysis (Techlog ELANPlus module of Schlumberger) 등의 모델링 프로그램을 이용하여 광물로 환산한다. 감마선스펙트럼으로부터 추정하는 지층을 구성하는 주요 원소들은 비탄성산란과 중성자포획 모드에 따라 각기 다르며 이 중 Al, Ba, Ca, Fe, Mg, S, Si 등은 두 가지 상호작용에 모두 나타나는 원소로 알려져 있다.

2.2 시스템 구성

암석구성성분검층 존데는 크게 중성자선원, 감마선 검출기, 자료취득 및 통신모듈로 구성된다. 선원은 주로 아메리슘(americium, ²⁴¹Am)과 베릴륨(beryllium, ⁹Be)의 혼합물인 AmBe 화학선원(chemical source) 혹은 핵융합 반응(fusion reaction)으로부터 중성자를 생산하는 자기제어 입자가속기(self-contained particle accelerator)인 펄스중성자발생장치(pulse neutron generator, PNG)를 이용한다. AmBe 화학선원은 예상된 에너지 범위에서 상대적으로 안정적인 중성자를 생산하며, 펄스중성자발생장치는 높은 에너지의 많은 중성자를 발생시키고 중성자를 항상 발생하는 화학선원에 비해 신호를 줄 때만 중성자를 발생시키므로 안전성을 가진다.

암석구성성분검층 시스템 제작에서 방사선 검출기 선정은 지층의 감마선 에너지 스펙트럼 취득의 분해능(resolution)을 높일 수 있는 매우 중요한 요소 중 하나이다. 시스템 구성을 위한 방사선 검출기의 이상적 조건은 높은 계측효율(detection efficiency), 섬광효율(scintillation efficiency), 선형성(linearity)을 가지며 짧은 감쇄시간, 무 조해성(hygroscopic), 온도에 대한 안정성 등이 있다. 섬광검출기(scintillation detector) 중 무기섬광체(inorganic scintillator)는 일반적으로 가시광선을 방출할 확률을 높이기 위하여 소량의 불순물을 첨가하며 높은 섬광효율과 선형성을 가지고 원자번호가 높아 감마선 계측에 주로 사용되는 반면, 유기섬광체(organic scintillator)는 유기물질로 구성되며 섬광효율이 낮고 원자번호가 낮아 적절치 않다. 고순도 저마늄 검출기(High Purity Germanium, HPGe), 카드뮴텔루라이드(Cadmium Telluride, CdTe) 등의 반도체검출기는 섬광검출기에 비하여 높은 에너지 분해능을 가지고 낮은 에너지 영역(10 keV 이하)까지 측정 가능하지만 지속적인 냉각이 필요해 암석구성성분검층에 이용되기에는 한계를 가진다. 물리검층에 사용되는 무기섬광체 중 NaI(Tl)은 일반적으로 널리 쓰이는 검출기로 높은 발광량(light output)을 가지며 가격이 저렴하지만 크기가 클수록 분해능이 떨어지는 단점이 있어, 암석구성성분검층에는 BGO(bismuth germanate)가 주로 이용되어 왔으며 비스무트(bismuth)의 높은 원자번호(93)와 밀도(7.13)로 인해 효과적인 감마선 측정에 용이하고 다양한 모양(geometry)으로 제작이 가능하였다. 최근에는 높은 밀도와 고분해능, 작은 배경치의 특징을 가지는 다양한 방사선 검출기가 개발되어 암석구성성분검층에 이용되고 있다.

감마선스펙트럼 측정모듈은 섬광체와 광전자 증배관(photomultiplier, PMT)을 포함하는 검출기와 섬광체의 출력 신호를 적분한 결과인 에지(edge) 신호 형태의 고주파 대역 특성의 출력신호를 만드는 전치 증폭기(preamp), 이를 아날로그 신호 처리하여 종형(bell-shape)을 갖는 저주파 대역의 신호를 만드는 증폭기(amp), 고전압 공급 장치(High Voltage, HV), 다채널 분석기(Multichannel Analyzer, MCA)로 구성된다. 지반에 적용할 감마선스펙트럼 측정모듈은 큰 계수율의 안정적 측정, 저전력 사용, 온도 안정성 등이 필요하다. 특히, 큰 계수율(예로 LaBr₃:Ce와 PNG의 조합의 경우 2,500,000 count/s 이상)을 가진 빠른 신호들의 처리를 위해서 전문화된 전자장치가 요구된다.

3. 소구경 시추공용 암석구성성분검층 존데 프로토타입 개발

3.1 암석구성성분검층 존데 구조 및 모듈에 대한 기하구조 도출

암석구성성분검층 시스템 제작을 위해 몬테카를로 전산모사(Monte Carlo simulation)를 기반으로 존데의 구조 및 모듈에 대한 기하구조를 도출하고, 개별 모듈 설계, 방사선 검출기의 특성 분석 등을 통하여 존데 설계 도면을 확보하였다. 전산모사는 중성자선원 선정, 중성자 차폐재 종류/두께 최적화, 존데 하우징 종류/두께 최적화, 감마선 계측기 최적 위치 도출, 감마선 계측기 선정, 계측기 크기 선정 등을 포함한다. 대표적인 중성자선원인 AmBe 화학선원과 D-T 중성자발생장치를 이용하여 다양한 지층에 대한 포획감마선을 통한 총 감마선 선속량을 비교하였다. 존데를 따라 바로 이동하는 중성자를 차폐하기 위해 차폐재의 종류/두께를 선정하기 위해 보론 및 텅스텐 4종에 대한 중성자 흡수단면적을 측정하고 또한 존데 하우징(housing)의 종류/두께, 감마선의 최적 위치 선정을 위한 모델링을 실시하였다.

본 연구에서 개발하고자 하는 암석구성성분검층 시스템은 일반적인 국내 지하수 시추공에 적용할 수 있도록 소구경용 존데를 구현하고자 하였다. 감마선스펙트럼 측정모듈 각 요소들의 직경을 최소화하는 것이 중요하였으며, Preamp, HV, amp, MCA를 하나로 구현할 수 있는 모듈을 사용하였다. 본 장치는 다양한 검출기에 활용 가능하고 다양한 온도조건에서 큰 계수율의 측정, 다채널 지원 및 방수 능력도 높아 암석구성성분검층 존데 제작에 적용성이 우수하였다. 각 측정모듈은 LAN과 microUSB을 이용하며, 국내 현장의 시추공에 적용할 수 있도록 원거리 센서로부터 유선으로 데이터를 수집하기 위해 최대 1.2 km까지 가능한 PoE 기반 통신모듈을 제작하였다.

3.2 소구경용 선원-검출기 일체형 존데 프로토타입 제작

암석구성성분검층 존데 구조 및 모듈에 대한 기하구조를 기반으로 암석구성성분검층 존데 프로토타입(Borehole Elemental Concentration Sonde, BECS3132)을 제작하였으며, 이는 감마선 검출기의 성능 및 분해능시험, 몬테카를로 전산모사를 이용한 최적 설계, 소구경용 개별 모듈 제작 등을 통해 완성하였다. 암석구성성분검층에서 감마선 검출기의 적절한 선정과 이를 위한 성능시험은 지층의 감마선 에너지 스펙트럼의 분해능을 높이기 위한 중요한 절차이다. 다양한 종류의 감마선 검출기에 에너지 교정, 효율시험 및 분해능시험을 수행하였으며, 성능시험을 위해 검출기 크기 및 종류에 따른 계측효율, 고유 배경치 비교, 검출기 이방성 시험 등을 실시하였다.

프로토타입 존데는 모듈 형태로 설계되어 선원 및 차폐 부분인 Module1과 검출기 및 통신 부분인 Module2로 구성되었다. 중성자선원으로 4.2 MeV의 아메리슘-베릴륨 선원(AmBe)을 결합할 수 있도록 하며, 지층을 투과하지 않고 존데를 따라 바로 이동하는 중성자 및 감마선을 차폐하기 위해 5 cm 두께의 6개 납을 탈부착 가능하도록 제작하였다. 전산모사 결과 감마선 계측기의 최적 위치는 선원으로부터 50 cm로 도출된 바 있으나, 중성자검층의 경우 선원의 세기보다는 선원과 검출기의 거리에 민감도가 큰 실험 결과로부터 본 암석구성성분검층 존데는 선원과 검출기의 거리를 조절 가능한 가변형으로 구축하였다.

4. 결론

본 기술기사에서 소개한 자체 설계·제작한 프로토타입 BECS3132는 국내 최초로 개발된 암석구성성분검층 시스템으로 기존의 토양시료 및 시추 코어를 이용하여 광물조성을 파악하는 방식과는 다른 지층의 광물조성을 원위치에서 파악하는 국내 독자적인 기술이다. 시스템 제작 정보 미공개에 따른 한계를 극복하고자 다양한 성능시험을 실시할 수 있는 플랫폼을 고안하고 전산모사와 현장 실증을 통해 자체 시스템을 개발하였다. 선원-검출기의 수치모사와 성능시험을 통해 검출기 선정, 최적 배열 등의 존데 구조 및 모듈에 대한 기하구조를 설계하고 지중환경 조건을 만족하는 소구경용 프로토타입 시스템을 제작, 모형을 이용하여 시험을 실시하였다. 현재 지층을 구성하고 있는 원소 표준스펙트럼 도출 및 암석구성성분검층기의 시험을 위해 다양한 시험 지층(test formation)과 시추공 환경(borehole condition)을 구현한 교정 시험장을 KIGAM포항지질자원실증연구센터에 구축하여 성능시험 중에 있다. 본 연구에서 개발된 기술은 국내 다양한 부지에 현장 실증을 통해 데이터베이스 축적이 필요하며, 추후 지중오염, 광물자원, 폐기물처분, 대규모 지하공간, 터널 사업 등 관련 분야에 다양한 규모와 관점으로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

본 결과물은 환경부의 재원으로 환경산업기술원의 지중환경오염위해관리기술개발사업의 지원을 받아 연구되었습니다(과제번호: 2018002440004).

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[본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다]

매입말뚝 지지력 조기 확인을 위해 말뚝 공중부에 

용수가열 히터를 이용한 시멘트풀 고온양생방법(건설신기술 제891호)

1. 신기술의 내용

가. 신기술의 범위 및 내용

나. 신기술의 시공 절차 및 방법

다. 시험 말뚝 시공 절차

라. 신기술의 특성

말뚝 중공부에 배치된 온도 센서와 연결된 케이블이 매입 말뚝으로부터 수 미터가량 떨어진 위치까지 연장되어 말뚝 중공부에 채워진 가열용 용수의 승온 상태 및 온도 유지 상태에 대한 모니터링이 매입 말뚝 시공 지점으로부터 떨어진 위치에서 이루어진다. 또한, 위 그림에서 확인할 수 있는 바와 같이 신기술에 의하면 말뚝 중공부에 채워진 가열용 용수에 대해 모니터링되는 온도정보는 무선으로 스마트폰과 같은 모바일 단말기로 전송될 수 있어 야간에도 원격으로 모니터링이 이루어질 수 있다.

마. 신기술의 효과검증

약 6년에 걸쳐 시행된 103개 현장에서 주면마찰력에 관한 645개 시험 자료를 수집 및 분석하였으며, 수집된 시험 데이터 중 재동재하시험(Restrike Test ; 시멘트풀 양생 이후 실시한 동재하시험)을 통해 측정된 주면마찰력 데이터를 추출하여 이를 기반으로 신기술이 적용된 고온 양생 말뚝과 기존기술이 적용된 상온 양생 말뚝의 전체 주면마찰력 차이, 단위면적당 주면마찰력 차이 등을 안전율이 적용되지 않은 극한 주면마찰력을 기준으로 비교하였다.

상기 표와 같이 상온 양생(기존기술) 조건 대비 고온 양생(신기술) 조건에서 전체 주면마찰력은 평균 77.7%로 나타났고, 단위면적당 주면마찰력은 평균 90.0%로 나타났다. 이러한 결과는 본 신기술은 기존기술인 상온 양생 방법과 비교해 보수적 결과이면서도 과소하지 않은 적정한 수준으로 지지력이 확인될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 시공조건 및 지반 조건이 유사한 동일 현장 내에서는 신기술의 고온 양생을 통해 확보되는 주면마찰력이 기존의 상온 양생을 통해 확보되는 주면마찰력에 더욱 근접하게 나타나는 것으로 확인되었다. 따라서 신기술 이용하여 말뚝의 주면마찰력을 시공 초기에 즉각적(1일 이내)으로 평가하고 관리기준을 선정한다면 합리적이고도 경제적인 말뚝의 시공이 가능한 것으로 판단된다.

2. 국내외 건설공사 활용실적 및 전망

가. 활용실적

활용실적은 표 2와 같다.

나. 향후 활용 전망

본 기술은 기존 매입 말뚝 양생 방법과 달리 주면마찰력을 확인하는 시간이 기존 공법 대비 크게 줄어 공기 단축 및 공사비용 절감과 말뚝 설계지지력을 극대화할 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 구조물의 기초시공을 위하여 반드시 거쳐야 하는 시항타 과정에서 말뚝의 충분한 지지력을 확보하기 위하여 다수의 시행착오를 겪게 되는데, 본 기술은 즉각적인 피드백을 통한 재설계 및 말뚝의 적정 심도를 결정하는 데 있어, 활용도가 상당히 높을 것으로 전망된다. 또한, 한국토지주택공사와 “상생 협약”을 통하여 더욱 발전된 IT 기술과의 접목을 연구·개발 중이며 사용 확대를 통한 공사비의 절감 및 공사 기간의 단축 등으로 탄소 배출량을 최소화하는 데 이바지할 수 있을 것으로 본다.

3. 기술적·경제적 파급효과

가. 기술적 파급효과

1) 국내외 기술과 수준 비교

현재까지 본 기술과 같이 파일 주면의 시멘트밀크를 고온, 고속으로 양생시켜 파일 주변 지반의 주면마찰력 증가 정도를 조기(최대 1일)에 파악 가능한 종류의 기술은 개발되지 않고 있다. 그러므로 동남아 지역뿐 아니라 중국과 일본 시장도 진입이 가능할 것으로 보이며, 본 신청기술의 기술적 우수성과 경제적인 효과 등을 적극적으로 홍보함으로써 신청기술의 해외 기술이전이나 해외 건설 현장 적용을 통한 외화 획득이 가능하고, 본 신청기술의 시장 진입으로 이와 유사한 기술도입을 방지함으로써 외화 유출을 억제하는 효과도 있을 것으로 기대된다.

2) 건설시장에 미칠 파급효과

최근 엔지니어링사와 제조업체의 기술영업과 건설사의 원가절감 노력이 상호 부합하여 국내 말뚝 시장은 대구경, 초고강도, 선단 확장 등으로 세분되었다. 특히, 구조물의 초고층화(대형화)와 지가상승, 환경문제 등으로 인한 특수공사들이 증가하여 연약지반에서의 건설과 해안 공사가 활발해져 구조물의 안전성이 중요하게 되었고, 이에 기초구조 보강을 위해 사용되는 말뚝의 고기능성의 공법이 필요하게 되어 시장에서 본 기술의 수요는 지속해서 증가할 것으로 예상한다.

3) 국내외 기술 대비 경쟁력공기 단축과 말뚝 설계지지력을 극대화하여 소요 말뚝의 총량을 줄여 원가절감도 가능하므로 충분한 기술 경쟁력을 갖추고 있다. 또한, 본 신청기술은 특허 등 지식재산권에 의해 보호받고 있으며, 신청기관의 자체 know-how 등이 집약된 기술력을 보유하고 있어 유사 기술이 향후 등장한다고 하더라도 충분한 경쟁력이 있는 것으로 사료 된다.

나. 경제적 파급효과

1) 설계단가

2) 공사기간

3) 공사비

4) 유지관리비

본 신청기술은 해당 현장에서의 본 말뚝 시공에 앞서 동재하시험을 통해 지지력을 확인하는 과정에 있어서 신속하게 이루어지도록 하는 매입 말뚝 시멘트풀 양생 기술에 관한 것으로서, 본 기술의 적용 이후에 현장에서의 별도 유지관리 사항은 필요치 않다.

5) 간접효과

지반 상태를 빠르게 확인·적용할 수 있어 시항타 기간을 단축할 수 있으며, 소음 및 진동의 총량을 절감하여 민원 발생을 최소화할 수 있다. 또한, 공사 기간 단축 효과로 건설기계의 사용시 배출되는 매연(비산먼지)의 양도 줄게 되므로, 미세먼지 저감 환경부하 저감, 시장 확대, 고용 창출, 타 산업 활성화 등 측면의 공익성을 갖는다. 

■ 기술문의

- 비티이엔씨(주) 032-461-8525 btenc@btenc.com

- 현대엔지니어링(주) 02-2134-1114 kimtnmg@hec.co.kr

- 한국토지주택공사 1600-1004 parkyb@lh.or.kr

- 삼표피앤씨(주) 02-6270-0301 orion413@sampyopnc.com

[본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다]