1. 개요

 

2009년 말 현재, 일본의 하수도 보급율은 70% 수준으로 하수도 정비가 지속적으로 진행되고 있으며, 도로 등에 매설되어 있는 하수도 관거의 총 연장은 지구 10바퀴에 해당하는 약 42만km에 달하고 있다. 일본의 근대적인 하수도 시설은 도쿄도 및 요코하마시, 오사카시 등 대도시가 메이지 시대에 착수한 것으로, 부설 후 50년이 경과한 관거는 약 1만km, 30년이 경과한 관거는 8만km가 존재한다. 한편, 도로 밑에 매설되어 있기 때문에 이상발견 및 보수가 곤란하다는 문제를 안고 있으며, 관거의 연간 점검 및 조사 비율은 총 연장의 약 1%로 저조하기 때문에 매설된 후 상태가 파악되지 않는 것이 현재 상황이다.

 

이러한 상황에서 하수도 관거가 원인이 되어 발생하는 도로함몰이 매년 약 4천건 정도로 시민의 안전을 위협하는 사회문제로서 대두되고 있다. 국토기술정책종합연구소에서는 2006년도부터 하수도사업을 실시하는 전체 지자체를 대상으로 매년 발생하는 하수도 관거에 기인하는 도로함몰 건수를 조사(전국 도로함몰 실태조사)하고 있다.

 

본 조사는 전국 하수도 관거시설에 기인하는 도로함몰의 원인 및 규모의 실태파악을 목적으로 실시한 것으로 하수도 사업을 실시 중 또는 실시한 전국 모든 지역 및 조합을 대상으로 하여 설문조사 형식으로 실시하였다. 본 보고서에서 취급한 자료는 2007년 (조사 1차년도)~2010년도에 실시한 자료이며, 2006년부터 2009년도에 발생한 도로함몰을 대상으로 하고 있다.

 

 

2. 하수도관 기원 도로함몰 경향

 

이번 분석에 의해 파악된 하수도 관거에 기인하는 함몰의 주요 경향은 다음과 같다.

(1) 하수도가 원인인 도로 함몰 건수는 연간 4,000건 정도 발생하고 있다.

과거 4년동안 하수도가 원인이라고 생각되는 도로 함몰 건수는 전국에서 4,000건/년 발생하였으며, 횡보 또는 약간 감소경향을 나타내고 있다.

 

(2) 관거 길이당 함몰 건수는 약 1건/100km/년이다.

도로함몰 건수를 관거 길이로 환산하면 약 1건/100km/년이 된다.

 

(3) 도로함몰 발생시기는 여름철 및 그 전후에 집중되는 경향이 있다.

여름철에 결함이 발생하기 쉬운 것은 기온이 높기 때문에 포장노면의 온도상승에 의해 아스팔트가 연화(軟化)되고, 포장이 침하, 함몰 되기 쉽기 때문이라고 생각된다. 또한, 여름철 전후인 5~6월 및 9월도 비교적 함몰이 많지만, 이것은 기온상승 이외에 장마 및 태풍의 영향에 의한 강우량의 증가로 인한 지하수위의 상승 및 급격한 변동, 관내 수량의 증가변동이 발생하여 관거 틈새로 토사 침입이 촉진되고 지하공동의 확대가 진행되기 때문이다.

 

(4) 관거의 경과연수수가 길수록 함몰 건수는 증가하는 경향이 있다.

부설연수 별로 나타낸 함몰 건수를 보면, 경과연수 30년~45년에 함몰발생이 비교적 많다. 부설길이(정비길이)는 매년 다르기 때문에 부설연도별 함몰길이에 각 연도의 부설길이(관거 100km)를 고려하면, 관거가 오래될수록 함몰비율이 높게 나타나는 경향이 있다. 특히, 경과연수가 30년을 넘으면 도로함몰의 비율이 뚜렷하게 증가하는 경향을 나타냈다. 하수도 유지관리 지침 2003년판(하수도협회)에 의하면, 점검조사의 빈도가 30년을 경계로 바뀌는 것은 이 경향에 기초한 것이다.

 

 

 

(그림) 경과연수별 관로길이 100km당 함몰 건수 경향

 

 

(5) 원인시설로는 취부관(取付管)의 함몰건수가 많은 경우가 있다.

하수도 관거시설(본관, 취부관, 맨홀 등) 중 가장 함몰건수가 많은 것은 취부관이며 전체의 반 정도를 차지하고 있다.

 

(6) 관의 종류로는 도관(earthware pipe, 陶管)의 함몰이 많은 경향이 있다.

관거 100km당 함몰건수는 도관이 가장 높아 약 0.9건/100km/년이고, 다음으로 콘크리트관이 0.4건/100km/년으로 콘크리트관과 비교하여 도관의 함몰 발생 가능성이 약 2배 높은 결과를 나타냈다.

 

(7) 함몰 규모는 대체로 작다

함몰의 크기(함몰 폭×함몰 깊이)는 “100cm² 이상 500cm² 이하”가 가장 많아 전체의 30%를 차지하고 있다(5,000m² 이하가 약 80%). 도로 위의 평면적인 함몰의 크기(함몰 폭)를 보면, 전체의 약 80%가 직경 50cm 미만(20cm 미만은 30%)의 작은 함몰이다. 또한, 깊이만을 보면, 전체 약 50%가 깊이 20cm 미만(50cm 미만은 90%)의 얕은 함몰로 대체로 작은 함몰이다. 그리고, 손상사고를 동반한 함몰은 4년간 79건 발생하고 있으며, 이것은 전체 함몰건수의 1% 미만이다. 손상사고는 도로 위의 평면적인 함몰의 크기와 밀접한 관계가 있다고 생각된다. 소형자동차(1,000~1,300cc급)의 타이어 외경을 약 60cm(165/70R/14)로 하면 함몰의 대부분이 50cm 미만의 작은 함몰이기 때문에 손상사고로 발전하는 사례가 작다고 추측된다.

 

(8) 기타 경향

- 원인 관경이 클수록 도로 함몰 규모가 크다.

- 흙덮개가 깊을수록 도로 함몰 규모가 크다

- 원인시설이 취부관과 맨홀의 접속부, 압송관과 관련된 경우에 도로 함몰의 규모가 크다

- 기온이 높을수록 도로 함몰 건수는 증가하는 경향이 있다.

 

 

3. 하수도 관료 시설에 기인한 도로 함몰 메커니즘

 

(1) 국토기술정책종합연구소에서의 실험

국토기술정책종합연구소에서는 도로 함몰의 메커니즘을 파악하기 위해 하수도 관거 파손부분에 지반재료가 유입되는 것에 관한 실험을 수행하였다. 도로 함몰은 하수도 관거의 파손부분에 지반재료가 유입되는 것이 발단이 되어 지반 중에 공동 및 느슨함이 발생하여 생기는 것으로 생각된다. 공동 및 느슨함의 진행은 지하수위 및 지반재료의 조건이 영향을 미치는 것으로 생각되지만, 지하수위는 강우에 의해 상하로 변화되기 때문에 어느 시점의 현장 지하수위 자료를 그대로 이용하는 것은 적절하지 못하다. 따라서, 안전을 고려하여 상정할 필요가 있다. 그래서 강우 이후를 상정하여 지하수위를 관경 100cm로 고정하고, 지반재료, 관거의 파손정도와 공동 및 느슨함 영역의 진행과의 관계를 비교하는 실험을 수행하였다.

 

 

(그림) 토조실험

 

 

실험결과는 다음과 같다.

① 지반재료의 차이에 의한 토조(土槽) 변화 특성

지반재료 A(력질토(礫質土)), B(자갈 혼합 모래), C(산모래) 세 종류별로 실험결과를 정리하면, 산모래를 사용한 실험에서는 다른 지반재료를 사용한 경우보다 토사의 배토(排土)량이 적었다. 또한, 배토 종료까지의 경과시간도 짧았기 때문에 산모래에 의한 복원은 급격한 붕괴(함몰)가 나타났다.  

 

② 슬릿 폭의 차이에 의한 토조 변화 특성

5㎜, 10㎜, 15㎜의 세 가지 경우의 슬릿 폭에 관하여 실험을 수행한 결과, 슬릿 폭이 클수록 배토량이 많았으며, 단시간에 토사가 유출되는 경향이 나타났다.

 

③ 다짐도의 차이에 의한 토조 변화 특성

다짐도 80%와 90%에 대한 실험을 수행한 결과, 지반재료C(산모래)의 경우에는 배토량 및 배토 종료 후까지의 경과시간에 차이가 나타났지만, 지반재료A(력질토)의 경우에는 다짐도가 불충분한 경우에 급격한 토사붕괴(함몰)이 나타났다.

 

④ 느슨한 영역의 관측

각 실험 케이스의 느슨한 영역을 관측하기 위해 지반재료를 10cm별로 굴삭하였다. 색깔을 띤 모래(색모래)를 설치한 동일 평면에서 색모래를 관측할 수 없는 상태를 느슨함이라고 정의하였다. 지표면을 함몰시킨 실험에서 case2 및 case6는 지표면이 막자사발 형태로 함몰되었으며, case 9는 느슨한 영역 전체가 함몰되었다. 재료C의 실험(case3, 5, 7, 8, 9)에서는 다른 재료를 이용한 실험과 비교해서 느슨한 영역이 수평방향으로 진행하는 경향이 나타났다. 그것에 비해 재료A와 재료B에서는 느슨한 영역이 지표면에 도달하는 시간이 빠르고(case 2, 6), 지반재료의 누계 건조 중량이 작은 case1에서도 지표면 인근까지 느슨한 영역이 넓어진 것으로 나타나 연직방향으로 느슨해지기 쉬운 가능성이 제기되었다.

 

(표) 실험조건의 설정

Case	슬릿 방향	지반재료	개구부(mm)	다짐도(%)	수위(cm)
1	관주방향	재료A	10	90	100
2		재료B	10
3		재료C	10
4		재료B	5
5		재료C	5
6		재료A	15
7		재료C	15
8		재료C	5	80
9		재료C	10
10		재료A	10

 

 

 

(2) 도로 함몰의 미연 방지를 위한 지반 내 공동 및 느슨함의 탐지에 관한 기초적 검토

하수관 파손부에서의 토사 유출에 미치는 강우의 영향은 다음과 같다.

① 강우 침투수의 관거 내로의 유출에 따른 토사 유출

② 지하수위 상승에 의한 물이 관거 내로 유출되어 발생하는 토사 유출

③ 집중 호우 시의 관내 물이 주변 지반에 유입 및 유출되어 발생하는 토사 유출

 

①은 강우가 지표로부터 침수하여 하수관 파손부에 유입되는 과정에서 토사가 물과 함께 유출된다는 프로세스이다. 그러나, 현재 도시지역에서는 지표면의 대부분이 포장된 도로이기 때문에 강우가 침투하기 어려운 상태에 있다.

②는 보통 매설관의 아래에 위치하고 있는 지하수위가 강우에 의해 상승하여 지반의 상태가 불안정하게 됨으로써 하수관 파손부위로부터 유출된다는 메커니즘이다.

③은 특히 최근에 자주 발생하고 있는 도시지역의 게릴라성 폭우 시에 하수관 내의 물이 넘쳐 주위로 유입되고, 강우가 시작되면 물이 유출되는 메커니즘이다.

 

(3) X선 CT를 이용한 파손형상의 차이에 의한 관거 주변 지반의 느슨한 영역의 평가

X선 CT 스캐너를 이용한 실험장치에 의해 관축(管軸) 및 관주(管周)방향으로 5mm의 크랙(crack) 등이 발생한 하수관 주변의 지반에 발생하는 느슨한 영역을 3차원적으로 가시화 하였다. 관축방향의 크랙인 경우, 관 모형 위쪽으로 타원형태로 진행되고 있다. 관주(管周)방향의 경우는 토양층 하단의 개구부 양측으로부터 동심원 형태로 확대되어 있다.

 

(4) Sewerage Rehabilitation Manual 4th Edition Book

이 자료는 영국의 WRC(Water Research Center)에서 발행한 관로 개선 매뉴얼이다. 초판은 1984년이고, 현재 제4판이 발간되어 있으며, 영국에서는 하수관의 개축 및 보수를 계획할 경우 중요한 서적으로서 이용되고 있다. 관로에 손상이 발생하여 지반의 느슨함과 공동형성으로 이어지는 메커니즘의 제 1단계로서 관의 접합부 및 취부관의 접합불량에 의해 침입수가 발생한다.

 

제 2단계는 지하수 침입, 관이 만수(満水)일 때 하수의 누출 및 침입에 의해 주변 지반재료가 관내로 유입된다. 주변지반이 지지력을 잃고, 관이 움직여 접합부의 손상이 확대된다. 이것에 의해, 주변 지반재료의 관내 유입량도 증가한다.

 

제 3단계는 불균등한 하중에 의해 관 접합부의 탈락이 발생하여 관에 균열이 발생한다. 관 단면이 변형되어 파손발생, 휨 및 사행 등이 발생한다. 그리고, 관내로 주변 지반 재료의 유입에 의해 공동 및 느슨함이 확대된다.  

 

4. 앞으로의 과제

 

이번 분석에서는 전국적인 도로 함몰에 대한 관하여 분석하였지만, 도로 함몰의 예방을 실시하기 위해 다양한 조건(지반조건, 시공조건, 도로 교통조건 등) 하에서 매설되어 있는 개개의 관거별로 상세하게 요인을 분석하는 것이 바람직하다. 함몰 정보뿐만 아니라 건전한 상태의 관거 정보도 필요하지만, 전국 자치체의 자료를 기초로 분석하는 것은 곤란하며, 하수도 관로 대장(台帳) 시스템이 정비된 자치체를 선정하여 그것을 모델 케이스로 분석하는 것이 적합하다.

 

대장 시스템에는 부설년도, 관 종류, 관경 및 흙덮개와 같은 기초정보와 압송관 하류, 빌딩피트 배수조, 역 사이펀(invert siphon), 구배불량 및 공장배수와 같은 정보도 입력하면 보다 분석 정확도를 높일 수 있을 것으로 생각된다. 위의 도로 함몰의 요인을 분석함으로써 어떤 조건의 관로가 함몰되기 쉬운가를 예측할 수 있으며, 예방 보전적 유지관리의 효율적인 실시가 가능하게 된다.