1. 서론

○ 영구동토의 물리적 및 화학적 성질은 매우 일정치 않으며 기후변화에 따른 토양온도의 변화에 매우 민감한 반응을 나타낸다(Zou 등, 2000).

○ 기후변화와 인간 행위는 영구동토대 활동층(active layer: 해마다 해동과 동결을 겪는 상부 지층)의 두께와 온도를 좌우한다. 영구동토 테이블(permafrost table: 활동층의 최하단부) 위의 활동층 해동은 부등침하를 일으켜 구조물과 공학적 건설에 큰 위험을 준다.

○ 영구동토대의 구조물 기초설계원리는 기초완료 후 일어날 수 있는 영구동토의 해동을 방지하거나 허용하는 것 및 건설 전 미리 해동시키는 것을 포함한다. 영구동토대의 철도 건설은 지난 세기 성공적으로 이뤄졌다고 할 수 있으나 여전히 여러 가지 공학적 문제가 남아 있다.

○ 이 글의 주목적은 칭하이-티베트 철도를 건설하는 데 적용한 주된 방법과 건설 중 터득한 교훈을 개관하는 데 있다.

2. 철도 건설에 따른 영구동토의 공학적 문제

○ 토목지질학적 문제

– 영구동토, 탤릭(talik: 영구동토와 활동층 사이에 산발적으로 존재하며 연중 계속해서 녹아 있는 토양), 영구동토의 연평균온도 및 얼음이 풍부한 영구동토층(얼음 함유량이 체적으로 약 20％ 이상)의 분포는 안정성 설계와 철도 건설비용에 영향을 미친다.

– 영구동토층의 얼음 분포는 고르지 않아 둑 조성은 노반의 안정성에 직접적으로 영향을 미친다. 활동층의 동상(frost heave) 및 해동침하(thaw settlement) 현상은 토목지질재해를 일으키기도 한다. Wu 및 Zhu(1998)는 철도의 설계, 건설 및 운행단계에서 이 두 가지 현상을 모두 고려해야 한다고 제의했다.

○ 기후변화가 영구동토와 철도 노반 안정성에 미치는 영향

– 1996~2006년 티베트고원 기온은 0.6~1.6℃ 상승했으며 2050년까지 티베트고원 기온이 약 2.2~2.6℃ 더 상승할 것으로 보고 있다. 지구온난화는 영구동토대에 직접적인 영향을 미쳐 동토대에 건설된 구조물은 활동층 두께와 영구동토 온도의 증가, 영구동토층 최하부의 상향이동 등으로 공학적 재해를 입을 수 있다.

– 칭하이-티베트 철도의 Golmud와 Lhasa 간(1,142㎞) 중 총 632㎞ 구간은 영구동토대를 통과한다. 이 중 약 275㎞ 구간은 따뜻한 영구동토대(깊이 10~15m의 땅속 연평균 온도가 0~-1℃), 나머지는 대체로 얼음이 풍부한 영구동토대를 지나간다. 특히 따뜻한 영구동토대는 지구온난화와 구조물 건설에 따른 교란의 영향에 매우 민감해 철도 건설에 가장 큰 장애물로 군림했다.

3. 노반냉각방법에 의한 영구동토대 철도 건설

○ 영구동토대를 통과하는 칭하이-티베트 및 칭하이-캉딩 고속도로의 기존 건설자료가 많은 도움이 됐다. 이 자료를 참작해 아래와 같은 제어방법을 고안해 내어 이들을 영구동토대의 철도 건설에 적용했다.

○ 태양 복사 제어

– 티베트고원은 태양 복사 강도가 지구에서 가장 큰 지역 중 하나다. 볕가리개(awning)는 영구동토 노반의 해동을 막는데 매우 좋은 효력을 발휘했지만, 강한 바람으로 부적합했다(Ling, 2002).

– 그 대신 그늘막이 판자를 Beiluhe지역의 철도 둑 사면에 설치해 관찰한 결과, 판자 아래의 연평균 온도는 판자 위보다 3.2℃, 자연 지표면보다는 1.5℃ 더 낮았다(Feng 등, 2007).

○ 열대류(heat convection) 제어

– 쇄석 철도 둑: 둑의 쇄석은 열 반도체 역할을 한다(Wu 등, 2008; Sun 등, 2007). 겨울철 공기는 영구동토보다 더 차가워 쇄석 둑 내에 대류현상이 일어난다. 이 결과 영구동토는 공기에 열을 빼앗긴다. 여름철에는 공기가 영구동토보다 더 따듯하다. 차가운 공기는 더 무거워 밑바닥으로 가라앉으며 대류열전달이 전혀 일어나지 않거나 약간 일어나며 열교환은 전도 형태로 이뤄진다.

– 통풍관 설치: Beiluhe지역 철도 둑에 PVC와 콘크리트로 만든 통풍관을 설치했는데, 이 시설은 지표온도를 낮추는 데 이바지 했다(Niu 등, 2006). 냉각 효과를 증진시키고자 온도에 따라 자동으로 개폐하는 뚜껑 달린 통기관도 설치했다. 이 통풍관을 설치한 둑 아래 3.5m 땅속 온도는 뚜껑 없는 것보다 0.45℃ 더 낮았다.

– 열사이펀(thermosyphon) 설치: 영구동토대 철도 둑의 약 34㎞ 구간에 둑의 높이에 따라 7, 9 및 12m 길이의 열사이펀을 수직으로, 비스듬히 또는 둑 사면 밑바닥에 설치했다. 열사이펀은 땅속 온도를 더 낮춰 영구동토 테이블을 높였다(Pan 등, 2003 Ran 등, 2004).

○ 열전도 제어: 단열재판을 철도 둑에 묻으면 노반냉각에 효과가 있다. 이 방식은 주로 복합형 제어방법으로 이용됐다.

○ 복합형 제어

– 고가철도: 125㎞에 달하는 고가철도가 얼음이 풍부하고 매우 불안정한 영구동토 구간에서 파일(지름 1.2m, 길이 25~30m) 기초 위에 건설됐다. 철도 개통 이후 침하량은 평균 2㎜ 이하였다. 고가철도로 그늘지는 곳은 다른 곳보다 지면온도가 낮은 것으로 나타났다.

– 이외의 복합형 제어방법은 그늘막이 판자와 쇄석 옹벽, 열사이펀과 단열재판 및 쇄석 옹벽과 단열재판을 결합한 것이었다.

4. 철도건설 후 문제점 및 제어

○ Ma 등(2006), Nie 등(2006) 등이 보고한 바로는 철도 둑 구조와는 상관없이 둑의 남쪽 사면과 둑 밑 땅 온도는 북쪽 사면의 것보다 더 높았다. 이 온도분포 차이는 둑의 남 및 북쪽 사면의 변형 차이를 가져와 둑 북쪽 사면 상부에 균열을 발생케 했다.

○ 이 균열현상을 제어하고자 두께가 다른 쇄석 옹벽을 설치하거나 둑 남쪽 사면 밑바닥에 열사이펀을 삽입해 효과를 봤다. 그래서 불안정 예상지역의 철도를 따라서 둑 온도, 변형 등을 장기간 관측할 수 있는 모니터링 시설이 설치됐다.

5. 결론

○ 칭하이-티베트 철도 건설에서 고려한 주요 사항은 영구동토층의 분포, 땅속 얼음의 공간적 분포 및 지구온난화와 건설 행위에 따른 동토의 변화였다.

○ 지구온난화를 고려했을 때 노반냉각 접근법은 특히 따뜻하고 얼음이 풍부한 영구동토 지대의 철도 및 도로 건설에 적합하다. 따라서 이 노반냉각 접근법에 따라 칭하이-티베트 철도 건설에 사용한 그늘막이 판자, 쇄석, 통풍관, 열사이펀 및 고가철도는 지층 온도를 낮추고 노반을 안정시키는 데 만족스럽게 이바지했다고 본다.

○ 칭하이-티베트 철도 건설에 적용한 모든 방법은 대체로 성공적이었지만, 앞으로 더욱 정량화 및 최적화하는 연구는 계속돼야 한다.

◃전문가 제언▹

○ 칭하이-티베트 철도(1,956㎞)는 칭짱 철도 혹은 칭하이-시짱 철도라고도 불린다. Xining-Golmud 구간(815㎞)은 1984년에 완성됐다. 영구동토대 구간(632㎞)을 포함한 Golmud-Lhasa 구간(1,142㎞)은 2001년 6월 29일에 첫 삽을 들어 2006년 7월 1일에 정식 개통했는데, 총 건설비용은 36억 8천만 불(US $)에 달했다.

○ 동토는 영구동토와 계절적 동토로 구분한다. 전자는 적어도 2년 이상 0℃ 이하 온도를 유지하는 땅으로 지구 육지면적의 20％~25％를 차지한다. 후자는 계절적으로 연간 15일 이상 어는 땅으로 북반구 육지면적의 약 55％를 차지한다. 그린란드의 약 99, 알래스카의 약 80, 러시아의 약 50 및 중국의 약 20％는 영구동토로 이루어져 있다.

○ 지역에 따라 영구동토층의 상부(활동층: active layer)는 따뜻한 계절에 녹고 추운 계절에는 다시 어는 것을 반복한다. 따라서 이 활동층과 계절 동토에 건설된 구조물은 피해를 보기도 한다. 시베리아에서는 바이칼-아무르 철도 노반 피해의 약 70％가 영구동토대 활동층의 해동(thawing)과 동결(freezing)에 의한 것이라고 한다.

○ 우리나라 대부분은 계절적 동토대에 속한다. 그래서 땅이 겨울철 얼고 해빙기에 녹아 축대가 붕괴하기도 하고 잘못된 설계 때문에 도로는 지반의 동결과 해동에 의한 동상(frost heave)과 연화(frost boil) 현상으로 파괴되기도 한다.

– 한국동력자원연구소 재직 시 본인은 1985년 지반의 동결 심도 산출과 도로설계에 적용할 수 있는 연구, “한국에서의 설계 동결지수치(design freezing index value) 분포와 그 응용”을 수행했다. 그 당시엔 기온자료가 많지 않아 10년간 자료에 의한 방법으로 설계 동결지수치 분포도를 작성했다.

– 그동안 기온자료도 많아졌고 기후도 변화해 30년간 기온자료에 의한 방법으로 설계 동결지수치 분포도가 작성된다면 이 자료는 오늘날의 도로안정성 설계에 유익하게 이용될 것으로 본다.