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Korea Institute of Ocean Science & Technology

해저지반 무인탐사용 해양콘관입시험기 개발

  • 조회 : 12670
  • 등록일 : 2007-07-12

권오순(항만·연안공간연구사업단 책임연구원)

신항만을 비롯한 다양한 해양구조물의 안전한 설계와 시공을 위해 해저 지반의 특성을 정확하게 판정할 수 있는 현장 시험 장비인 ‘해양콘관입시험기(Offshore Cone Penetration Testing System)’가 개발되어 연내에 상용화에 들어갈 예정이다. 우리 연구원과 서울대학교는 해양수산부로부터 지난 2002년부터 지금까지 총16억원의 예산을 지원받아 무인 착저형 해양콘관입시험기를 개발하였다.

각종 항만 시설물의 건설과 해양 자원의 활용을 위해 해양구조물의 설계와 시공은 앞으로 더욱 가속화될 전망이며, 해양구조물의 설계와 시공에 있어 구조물을 지지하는 해저지반의 특성을 정확하게 판정하는 것은 매우 중요한 일이다. 해상에서 실시되는 지반조사는 육상에서의 지반조사보다 난이도가 높은 작업임에도 불구하고 시험 단가가 낮아 시험인력과 지반조사 장비가 부족하여 지반조사의 질적인 수준이 많이 떨어지는 것이 현실이다. 이로 인해, 국내의 사례에서도 실시한 지반조사의 오류로 인해 시공 중이나 공용 중에 피해가 발생해 막대한 경제적?시간적 손실이 야기된 경우가 있다.

해양콘관입시험기는 해저 지반 속에 원추형의 콘을 집어넣으면서 해저 지반의 선단 저항력과 마찰저항력, 간극수압 등을 측정하여 지반의 강도와 압밀특성, 지층의 분포 등을 파악하는 시험 장비이다. 국내의 기존 해양콘관입시험은 해양에 고정된 구조물인 작업장(SEP barge)을 설치하여 시험을 수행하기 때문에 수심 20m 정도까지가 한계였으며, 그 이상의 수심에서는 작업장의 설치도 어렵고 바람과 파랑으로 인해 설치된 작업장의 안전을 확보하기가 어려워 실제 적절한 시험방법이 전무한 실정이었다. 현재 수심이 깊은 위치에서 실시하는 지반조사는 선박에서 채취한 간단한 시료를 이용하여 실내실험을 수행한 후 경험적인 방법에 의존하여 결과를 유추하거나, 정밀한 결과가 필요할 경우에는 해외 지반조사업체에 용역을 의뢰하고 있어 전적으로 외국기술에 의존하고 있다고 할 수 있다. 

해양에서 지반조사의 역할은 육상에서의 역할에 비해 보다 중요하게 인식되어지고 있다. 해양지반에서는 기본적으로 교란되지 않은 상태로 시료를 채취하기 힘들기 때문에 대부분의 지반조사는 현장시험에 의존하고 있어, 일반적으로 해양 지반조사에는 현장시험이 필수적인 항목으로 포함되어 있다. 해양에서 이루어지고 있는 지반조사 기법은 크게 두 가지 방식으로 구분할 수 있는데, 해상에 고정된 플랫폼이나 흔들리지 않는 특수 장치를 장착한 전용 선박에서 장비를 직접 제어하여 조사를 수행하는 다운홀(downhole) 방식과 해저 바닥 면에 장비를 안착시킨 후 직접 해저 면에서 장비를 제어하여 시험을 수행하는 착저(seabed) 방식이 있다. 해양 지반조사에 대한 현재의 추세는 착저형에 초점이 맞추어져 있는데, 이는 착저형이 시험장비의 이동이 쉽고 경제적이면서도 보다 정밀한 결과를 얻을 수 있다는 장점을 지니고 있기 때문이다. 착저 방식과 다운홀 방식 중 어느 방식의 시험을 수행할 것인가는 보유하고 있는 장비의 종류 및 원하는 시험 결과의 품질과 관련이 있다. 일반적으로 다운홀 방식의 시험은 굴착에 의한 지반교란효과가 있고 파랑이나 조류의 영향을 많이 받기 때문에 시험결과의 품질이 떨어지는 것으로 알려져 있다.

                  


최근 해양 지반조사 장비로 콘관입시험이 각광을 받고 있는데, 콘관입시험은 다양한 지반 특성을 비교적 정확하게 구할 수 있을 뿐만 아니라 연속적인 측정이 가능하기 때문에 지층을 정밀하게 구분할 수 있으며 연약지반의 다양한 특성을 심도에 따라 일관성 있게 얻을 수 있어, 세계적으로 널리 보급되어 사용되고 있다. 콘관입시험은 육상은 물론 해상에서도 많은 수행실적을 가지고 있는데, 다양한 연안구조물이나 해양구조물의 종류에 관계없이 적용되고 있어 준설현장에서부터 연약지반 위에 놓이는 방파제, 안벽 및 석유시추를 위한 자켓 구조물 등 그 적용 범위는 매우 광범위하다. 현재 세계적으로 개발되어 사용되고 있는 해양 지반조사장비의 성능을 다음 표에서 정리하였다. 해양 콘관입시험기는 최대 50m~3000m 수심까지 실험이 가능하며, 최대 실험 깊이는 60m인 것으로 알려져 있다. 


지반조사 장비의 성능 


Equipment Description

Water Depth (m)*

Penetration (m)*

Deck- or frame-operated penetration tests

20m

2m ~ 60m

Seabed wheeldrive penetration tests

50m ~ 3000m

2m ~ 60m

Drilling mode downhole penetration tests

Unlimited**

Unlimited**

PRODTM seabed penetration tests

20m ~ 2,000m

2m ~ 100m

Light weight wheeldrive penetration tests

2,000m

2m ~ 5m

ROV penetration tests

300m ~ 2,000m

1m ~ 2m

Minicone penetration tests

250m ~ 2,500m

5m ~ 6m

Seabed vane test

250m ~ 2,500m

5m ~ 25m


* 이 표는 일반적인 경우에 해당함       ** 윈치와 각종 부대 장비에 의해 결정됨 

 

 

다음 그림은 현재 세계 최대 규모의 해양콘관입시험기인 PROD 장비이다.

 

이번에 우리나라에서 최초로 개발한 해양콘관입시험기는 시험 장비를 해저 면에 내려두고 시험을 원격조정으로 수행하는 착저형 장비이며, 따라서 깊은 수심에서 시험이 가능하면서도 매우 정밀한 시험 결과를 제공한다. 이 시험기에 적용된 핵심기술은 ▶무인작업을 위한 센싱 및 자동제어기술 ▶대형 시험 장비를 구동하는 유압제어기술 및 전동 모터 제어기술 ▶강성의 로드를 자동 연속관입하기 위한 관절형 로드 제작기술 ▶휠드라이브를 이용한 관입장치 제작기술 ▶길이 변화가 자유로운 신축 시그널 케이블의 제작기술 등이다. 현재 세계적으로 최고 수준의 장비와 동일한 수준의 성능인 지중 60m까지 시험이 가능하며, 국내 항만 입지 가운데 가장 수심이 깊은 60m까지 시험이 가능하도록 제작되었다. 또한 해외의 대형 장비와 같이 전용선박이 필요 없는 경제적인 구조로 제작하였다. 장비가 상용화된다면 기존 해외 장비를 사용하는 것과 비교하여 1/2 수준의 비용으로 신뢰성 있는 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
이번에 개발된 해양콘관입시험기는 외국에서 사용 중인 해양콘관입시험기와는 달리 국내 해안 지반의 특성을 고려하여 특별히 제작되었다. 우리나라 인근의 해저 면은 장비가 제대로 서 있지 못할 만큼 매우 연약하여 표층 1~2m 정도에서 대형 장비의 기동이 어려운 점을 감안하여 원통형의 기초를 3함 설치하고 석션 기초 기술을 이용하여 지반에 완전히 밀착시킴과 동시에 지반에 안정적으로 위치할 수 있도록 제작되었다.
현재 이 시험기는 울산 신항, 부산 신항, 거가대교 침매터널 건설현장, 마산 원전항 등 실제 대수심과 대심도 조건의 현장에서 검증시험을 수행하여 장비의 성능 평가를 성공적으로 마치고, 지난 6월 7일에는 외부 산학연 관계자들을 초청하여 장비 시연회를 개최하였다. 연구팀은 성능시험을 통해 나타난 문제점을 보완하여 금년 하반기에 상용화에 들어갈 예정이다.
앞으로 대수심 방파제 개발이 확대되고 초대형 컨테이너선용 항만개발이 추진되고 있다는 점을  감안할 때 이번에 개발된 해양콘관입시험기는 신뢰성 있는 조사결과를 제공할 뿐만 아니라 순수 국내기술로 개발되어 예산이 절감됨은 물론, 개발된 세부 핵심기술들은 향후 다양한 해양 조사 장비 개발을 위한 독자적인 기술 확보에 밑거름이 될 것으로 기대된다.

 

    


2007-07-12

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2018-11-05