서 론

고준위방사성폐기물은 높은 수준의 열과 방사선을 방출하는 사용후핵연료 또는 이를 처리하는 과정에서 발생한 폐기물을 의미한다. 국제원자력기구(International Atomic Energy Agency, IAEA)에서는 고준위방사성폐기물을 처분하는 방안으로, 지하 수백 미터 깊이의 안정적인 지층 구조에 심층처분장을 건설하여 처분하는 방법이 가장 폭넓게 받아들여지고 있는 것으로 기술하고 있다(Gonzalez, 1997). 이러한 심층처분장을 안전하게 건설하고 운영하기 위해서는 지하 심부 암반에 대한 물리적, 화학적, 역학적, 열적, 수리적 물성 및 더 나아가 처분 환경에서의 공학적 방벽과 암반의 거동이 처분장의 안전성과 안정성에 미치는 영향을 종합적으로 파악해야 한다. 이를 위해 운영되는 지하연구시설(underground research laboratory, URL)은 실제 처분장과 유사한 환경에 건설하여 암반 특성을 파악하고 처분 시스템의 성능 및 안전성을 실증하여 심층처분장 운영 및 관리 시스템의 타당성, 적합성, 그리고 안정성을 평가하는 시설이다(Bae et al., 2013). 이러한 고준위방사성폐기물 처분시설이 위치하는 지반은 자연적인 생성 과정을 거쳐 형성되므로, 공간적으로 불균질하고 변동성이 높으며, 이런 지반의 특성을 완벽하게 파악하기 어렵기 때문에 해당 시설의 설계 및 건설 과정에는 불확실성이 개입된다. 따라서 이러한 시설의 위치를 선정하고 설계하는 과정에서는 다양한 원인으로부터 비롯되는 상당한 규모의 불확실성을 고려해야 하며, 이를 최소화하여 지반 특성을 파악하고 설계해야 한다. 특히, 처분시설에서 방사성 핵종의 누출을 방지하기 위해서는 지질, 암반, 지하수 특성이 매우 중요한 요소로 작용하므로(IAEA, 1999), 이들 특성에 내재된 불확실성과 변동성에 대한 고려가 필수적이다.

지반의 불확실성은 처분시설뿐만 아니라 지반을 대상으로 하는 모든 구조물의 설계 및 건설 과정에서 직면하는 문제이다. 이와 같은 불확실성을 정량적으로 고려하기 위해 지반 특성을 확률변수로 고려한 확률론적 해석기법을 적용하거나(IAEA, 2012; Cao et al., 2017; Posiva, 2019; Baecher, 2023), 신뢰성 설계(reliability design) 등이 사용되고 있다(CEN, 2004; Phoon and Retief, 2016; Zhang et al., 2023). 그러나 지반의 특성은 콘크리트나 강재 등의 인공 재료에 비해 불균질성이나 변동성이 훨씬 크기 때문에 확률론적 해석 또는 신뢰성 설계를 적용하기 위한 입력자료의 확률 특성을 파악하기 위해서는 상당한 규모의 자료가 필요하다는 어려움이 있다(Baecher and Christian, 2005).

최근 여러 나라에서 설계법의 하나로 활용되고 있는 관찰 기법(observational method)은 예비 설계를 기초로 건설 공사를 진행하는 과정에서 새롭게 획득되는 자료를 활용하여 설계에 반영함으로써, 불확실성 등으로 인해 지반의 상황을 정확하게 파악하기 어려운 경우에도 적용할 수 있는 설계 방법이다(Powderham, 2002). 이 기법은 유럽의 설계기준인 유로코드(Eurocode) 7에서도 계산(calculation)에 의한 설계법, 규범적 방법(prescriptive measures)에 의한 설계법과 함께 공식적인 설계 방법으로 활용되고 있다(CEN, 2004). 또한, 다양한 국가에서도 관찰 기법을 설계기준에 도입하고 있는데, 대표적으로 프랑스의 ‘La Methods Observationnelle pour le dimenionnement interactif des ouvages’, 독일의 ‘Section 4.5 of the German Standard DIN 1054:2005-1 Verification of the safety of earth-work and foundation’, 그리고 네덜란드의 ‘Dutch CUR document 166: sheet pile constructions’ 등이 있다(Patel et al., 2007). 한편 고준위방사성폐기물 처분시설의 설계 및 건설에서도 관찰 기법이 활용되고 있는데 캐나다, 스웨덴 그리고 핀란드에서는 지하연구시설의 설계 및 건설 과정에서 불확실성을 고려하기 위해 관찰 기법을 활용함으로써, 현장의 지반 상태를 반영하고 지하연구시설 건설의 신뢰성을 높이기 위한 노력을 수행하였다(SKB, 2014).

국내의 경우, 사용후핵연료 공론화위원회의 논의를 통해 마련된 ‘사용후핵연료 관리에 대한 최종권고안’에 따르면, 지하연구시설에서의 실증 연구와 처분시설의 건설 및 운영이 명시되어 있다(Kwon and Kim, 2017). 그러나, 국내 지질 환경은 오랜 지질시대를 거치는 동안 수차례에 걸친 조산운동, 화성활동, 변성활동 등의 영향을 받아 매우 복잡한 지질구조를 형성하고 있으므로, 향후 심층처분장 및 지하연구시설의 건설 과정에서도 불확실성이 내재된 암반을 대상으로 설계와 시공이 이루어질 가능성이 높다. 따라서 본 논문에서는 고준위방사성폐기물 처분시설과 지하연구시설의 설계 및 건설 과정에서 발생하는 불확실성을 효과적으로 관리하기 위한 관찰 기법의 기본 개념과 기존 설계법과의 차이점에 대해 분석하고, 적용 절차를 검토하였다. 또한, 캐나다의 지하연구시설 건설, 스웨덴의 Äspö Hard Rock Laboratory (HRL), 핀란드의 ONKALO(underground rock characterization facility for spent fuel disposal at Olkiluoto) 적용 사례를 통해 관찰 기법의 활용 방안을 살펴보고, 국내 지하연구시설과 고준위방사성폐기물 처분시설에서의 적용 가능성을 검토하였다.

지반 특성의 불확실성과 관찰 기법

지반 특성의 불확실성

지반은 자연적인 생성 과정을 통해 형성되었기 때문에 공간적으로 불균질하고 변동성이 크다. 이러한 특성으로 인해 지반을 대상으로 하는 조사, 설계 및 건설 과정에는 불확실성이 개입될 가능성이 높다. 지반 성질의 불확실성은 다양한 원인에서 기인하며, 그중 본질적 변동성(inherent variability), 측정 오차(measurement errors), 통계 오차(statistical errors), 모델의 불확실성(model uncertainty)이 중요한 원인으로 고려된다(Fig. 1).

지반의 본질적 변동성은 지반의 생성, 풍화, 운반, 퇴적 과정 등의 지반 형성 과정과 이후 변화 과정에서 발생한다. 이는 지반을 구성하는 광물, 응력 상태, 함수비 등의 차이로 인해 나타나며, 그 결과 지반은 비균질성과 비등방성의 특성을 갖게 된다. 이러한 본질적 변동성은 지반 특성에 대한 이해 및 자료 부족과는 무관하며, 지반에 대한 이해가 증가하더라도 감소하지 않는 무작위 불확실성으로 간주된다. 측정 오차는 측정 장비, 측정 방법, 측정 인력, 그리고 무작위 실험 효과(random testing effects) 등 여러 요인으로 인해 발생한다. 측정 장비의 오차는 장비 자체의 부정확함이나 성능 차이에서 비롯되며, 측정 방법과 측정 인력의 차이에서 발생하는 오차는 실험 규범 또는 측정자의 숙련도 차이로 인해 발생한다. 따라서 조사자가 크게 관여하거나 실험 방법이 복잡할수록 결과의 변동성이 커질 가능성이 높다. 무작위 실험 효과는 이러한 요인 외에 발생하는 측정 오차를 총칭한다. 통계 오차는 측정자료 부족으로 생기는 오차로, 데이터가 증가함에 따라 줄어드는 경향이 있다. 모델 오차는 경험적 또는 다른 관련 식 등을 활용하여 현장 또는 실내 시험 값을 설계 지반 정수로 변환하는 과정에서 발생하는 오차를 말한다(Phoon and Kulhawy, 1999).

Fig. 1.

Uncertainties relating to the subsurface (modified from Phoon and Kulhawy, 1999).

Fig. 2.

Basic concept of the observational method (Einstein and Baecher, 1983).

관찰 기법의 기본 개념과 기존 설계법과의 비교

관찰 기법은 Terzaghi and Peck(1948)이 처음 제안한 개념으로, 현장 조사 및 실험을 통해 얻은 지반 자료 및 설계 변수에 상당한 규모의 불확실성이 내포될 것으로 예상되는 경우, 설계 및 시공 과정에서 이를 고려하기 위한 방법으로 제안되었으며, Peck(1969)에 의해 개념과 실행 과정이 구체화되었다.

관찰 기법의 기본 개념은 설계 이전 및 설계 과정에서 획득된 자료를 활용하여 지반구조물에 대한 설계를 실시하고 이를 기초로 건설 공사를 수행하며, 건설 공사 중 새롭게 획득되는 관측 결과 및 모니터링 결과를 설계에 반영하는 과정으로, 필요시 설계를 수정할 수 있도록 체계적인 절차를 제공하는 설계 방법이다. 관찰 기법은 크게 설계 단계에서의 프로세스와 시공 단계에서의 프로세스로 구분된다. 먼저 설계 단계에서는 현장 실험과 지질 및 지반 조사를 통해 지반 특성을 파악하고, 그 결과를 토대로 가장 가능성이 높은 조건(most likely condition)을 기준으로 설계를 수행한다. 그리고, 최악의 조건을 검토하여 우발적 상황(contingency condition)에 대한 설계도 고려한다. 이러한 과정에는 시공 중 지반이나 지반구조물의 상태를 파악하기 위한 모니터링 또는 관측의 위치와 빈도에 대한 사항이 포함된다. 또한, 지반이나 구조물의 상태 판단에 필요한 지반 특성 인자들을 결정하고, 이 인자들의 예측값을 현장 조사나 실험 결과에 따라 판단하고 이를 설계에 반영한다. 시공 단계에서는 이러한 설계를 바탕으로 건설 공사가 진행되며, 시공 과정 중 모니터링 또는 관측된 지반 특성 인자 값이 설계 시에 예측한 값과 차이를 보일 경우, 피드백 과정을 거쳐 설계에 사용된 인자의 값 및 설계 조건을 변경하여 설계를 수정한다(Fig. 2).

관찰 기법은 이러한 과정을 통해 불확실성의 개입으로 인해 설계에 활용되는 값이나 조건을 확실하게 판단할 수 없는 경우에도 합리적으로 적용할 수 있는 설계 방식으로 활용된다(Nicholson et al., 1999). 관찰 기법에 관한 상세한 지침을 제시하는 영국 CIRIA(Construction Industry Research and Information Association)의 보고서 R185는 관찰 기법을 설계, 시공, 모니터링 그리고 검토 과정이 지속적이고 통합적으로 운영되며, 필요시 사전에 합의된 범위 내에서 설계나 공사 과정을 조정할 수 있는 방법으로 정의한다. 이러한 관찰 기법의 궁극적 목적은 구조물의 안전성을 유지하면서 전반적인 건설 공사의 경제성을 높이는 것이다(Patel et al., 2007). 특히, 관찰 기법은 1) 실제 현장 여건을 반영한 적절한 건설공법의 선정, 2) 암반 상태를 반영한 설계안 도출, 3) 실제 현장 환경에 적합한 시공 방법 조정, 4) 선제적 의사 결정에 의한 공사 기간 단축, 5) 현장 조건 변화에 따른 적절한 문서화 등이 장점으로 언급된다(Posiva, 2002).

반면, 기존의 전통적인 설계법은 초기에 마련한 단일 설계안을 바탕으로 건설 공사를 수행하며, 공사 과정에서 설계를 변경할 가능성은 고려되지 않는다. 이처럼 사전의 설계안을 계속 유지하는 설계 방식을 ‘사전 정의된 설계(predefined design)’라 부르며, 공사 과정 중 모니터링을 수행하기는 하지만, 이는 설계 시 예측했던 값이 유효한지를 확인하거나 현장 이해관계자(stakeholders)에게 별다른 이상이 없음을 알리기 위한 수동적 성격을 지닌다. 반면 관찰 기법에서는 사전에 합의된 이해관계자의 동의하에서, 공사의 설계 및 시공 과정을 능동적으로 조정하기 위해 모니터링 결과를 적극적으로 활용한다. 즉, 관찰 기법에서의 모니터링은 단순 확인이나 보고에 그치지 않고, 실제 설계와 시공 절차를 수정 및 보완하는 데 핵심 역할을 담당하는 능동적 기능을 수행한다.

한편, 전통적인 설계에서는 불확실성을 고려하기 위해 일반적으로 설계자의 판단에 따라 ‘적절히 보수적인(moderately conservative) 입력변수’ 또는 유로코드에서 정의된 ‘입력변수의 특성값(characteristic values)’을 사용하여 설계를 진행한다. ‘적절히 보수적인 입력변수’라는 용어는 영국의 CIRIA 104 보고서에서 처음 제안된 것으로, 주로 경험 많은 기술자들이 설계 과정에서 자주 활용하는 값을 의미한다(Padfield and Mair, 1984). 특히, ‘적절히 보수적(moderately conservative)’이라는 개념은 입력변수의 범위에서 가장 가능성이 높은 값(most probable value)과 가장 불리한 값(most unfavourable value) 사이의 분포 범위를 의미한다(Fig. 3). 이때 가장 가능성이 높은 값은 평균값을 의미하며, 통계적으로는 50% 분위 수에 해당한다. 반면, 가장 불리한 값은 자료의 0.1% 분위 수에 해당하는 값으로, 설계자가 실제로 예상할 수 있는 입력변수 중 가장 작은 값을 나타낸다. 한편, 유로코드에서는 ‘적절히 보수적인 입력변수’라는 용어 대신 ‘특성값’이라는 용어를 사용하며, ‘한계상태 발생에 영향을 미치는 신중하게 추정된 값(cautious estimate of the value affecting the occurrence of the limit state)’이라 정의한다(CEN, 2004). ‘적절히 보수적인 입력변수’라는 용어나 입력변수의 ‘특성값’이라는 용어 모두 구조물의 상태를 고려하며 신중한 추정을 통해 결정된 값이라는 점에서 공통점을 가지며, CIRIA C580에서는 두 용어가 유사한 의미로 사용되고 있다고 정의한다(Gaba et al., 2003).

Fig. 3.

Design input parameter (Gaba et al., 2003).

관찰 기법의 적용 과정 및 요구사항

관찰 기법에서는 크게 두 가지 접근 방식이 활용된다. 먼저 Peck(1969)이 제안한 방식은 초기에 가장 가능성이 높은(most probable) 값을 활용하여 설계를 수행하고, 위험이 감지되었을 경우 적절히 보수적인 입력변수를 사용한 설계로 변경하는 방식이다. 이에 반해 CIRIA는 초기 설계 단계에서 적절히 보수적인 입력변수를 활용하여 상대적으로 보수적인 설계를 수행한 후, 현장 관찰 결과를 바탕으로 점진적으로 수정해 나가면서 가장 가능성이 높은 조건으로 설계를 변경해 가는 방식을 제안하였다(Nicholson, 1996). 이때 CIRIA가 제안한 접근 방식에서 사용되는 적절히 보수적인 입력변수는 전통적인 설계법에서 사용되는 입력변수에 비해 덜 보수적인 값이 적용된다(Powderham, 1994).

관찰 기법의 핵심 과정은 1) 예비 설계(preliminary design) 수립, 2) 우발적 상황에 대한 조치(contingency action) 수립, 3) 건설 과정에서의 모니터링 요소 결정 및 수행, 4) 현장 조건에 따른 설계 수정으로 구성된다(Tidlund et al., 2023). 이러한 설계 과정에서 불확실성을 엄밀하게 다루는 것이 필수적이며, 따라서 관찰 기법에 관한 구체적인 실행 체계와 요구사항을 명확히 수립해야 한다. CIRIA 185 보고서가 제안한 구체적인 관찰 기법의 실행 단계는 Fig. 4와 같다.

예비 설계 단계

관찰 기법의 첫 단계인 예비 설계에서는 Fig. 4의 흐름도 최상위 프로세스와 같이 각 국가 및 지방 단체 또는 기업의 설계기준과 지침을 충족하는 설계가 제시되어야 한다. 그리고 프로젝트 이해당사자들 사이의 역할 및 책임이 명확하게 정의되어야 한다. 그리고 모든 이해당사자들이 계획된 우발 상황에 대한 조치가 시행되는 경우의 위험성과 리스크를 이해하여야 하며, 비상조치가 실행될 경우 프로젝트에 미치는 영향과 예상 비용에 대해서도 숙지하고 있어야 한다(Patel et al., 2007). 이러한 과정을 통해 우발적 상황에 대비할 수 있는 조치 계획을 수립한다.

Fig. 4.

Flowchart of the observational method execution system proposed in CIRIA 185 (Patel et al., 2007).

또한 예비 설계 단계에서는 구조물의 허용 가능한 거동 한계(acceptable limit of behavior)를 설정하고, 허용 가능한 구조물의 거동 범위를 평가한다. 그리고 모니터링 계획을 수립하여 시공 중 모니터링에 따라 실제 구조물의 거동이 허용 가능한 한도 내에 있는지 여부를 파악하여야 한다.

한계상태(limit state)라는 개념은 유로코드에 제시되어 있으며, 극한한계상태(ultimate limit state)와 사용한계상태(serviceability limit state)로 구분된다. 극한한계상태는 구조물이나 지반이 평형을 상실하거나 구조물 과다 변형 또는 내부 파괴가 발생한 상태, 지반의 강도 손실로 인한 과다 변형이나 파괴가 발생한 상태 등과 같이 심각한 안정성의 문제가 나타나는 상태를 의미한다. 반면 사용한계상태는 극한한계상태와 같이 손상이 심각하지는 않지만, 정상적인 사용이 어렵고 수리나 보수가 필요한 상태를 의미한다(Kim et al., 2014). 관찰 기법에 의한 설계법은 구조물 거동의 허용한계 중 사용한계상태를 기준으로 구조물의 거동을 판단한다. 따라서 사용한계상태를 기준으로 가장 가능성이 높은 값과 특성값을 이용하여 설계를 수행하고, 이를 통해 구조물과 지반의 안정성을 예측하게 된다(CEN, 2004). 이러한 한계상태를 정의할 때는 지반 조건, 구조물의 안정성과 관련된 현장 조건, 설계 수명, 구조물의 특성 및 크기, 구조물의 주변 환경, 지진 발생 가능성, 환경 영향 등을 종합적으로 고려해야 한다.

건설 단계

구조물의 건설 과정은 사전에 마련된 예비 설계에 따라 진행되며, 이 과정에서 설계 목표를 달성하기 위해 다음과 같은 핵심 요구사항이 만족되어야 한다. 먼저, 사전에 수립된 계획에 따라 구조물의 상태를 상시 모니터링하고 평가하는 것이 필수적이며, 특히 초기 단계에서는 우발적 상황에 신속하게 대응하기 위해 모니터링 결과가 신속히 제공되어야 한다. 또한, 구조물 거동이 예비 설계에서 설정한 허용 한도를 지속적으로 충족하고 있는지 확인해야 하며, 구조물의 거동이 한계를 초과할 경우 계획된 우발적 상황에 대한 조치를 시행한다. 이를 위해 모니터링 장비의 응답 시간과 결과 분석 절차가 시스템의 대응 속도를 충분히 고려하여 효율적으로 운영되어야 한다. 만약 모니터링 장비가 적절한 자료를 제공하지 못하거나 신뢰성이 낮은 경우에는 즉시 교체가 이뤄져야 하며, 허용한계를 벗어난 구조물 거동이 관찰될 경우, 즉각적인 우발적 상황 대응 조치를 시행해야 한다(CEN, 2004). Nicholson et al.(1999)은 장비 오작동을 조기에 파악하고 모니터링 결과의 신뢰성을 높이기 위해서는 모니터링 시스템이 기본(primary) 및 보조(secondary) 역할의 두 가지 수준으로 구성되어야 하며, 보조 시스템은 기본 시스템의 성능을 확인하는 역할을 해야 한다고 제안하였다.

지하연구시설 및 심층처분장에서의 관찰 기법 적용 사례

캐나다 지하연구시설

캐나다 마니토바주(Manitoba)에 건설되었던 지하연구시설은 AECL(Atomic Energy of Canada Ltd.)에 의해 처분장의 부지 선정, 선정 부지 예비 평가, 운영 가능성 평가를 주요 목적으로 설계되었다(Simmons and Soonawala, 1982). 지하연구시설이 위치한 부지는 선캄브리아대 화강암 지반으로, 대규모 단층과 단층 사이를 연결하는 단열망을 포함하고 있으며, 현지 응력 상태에 따라 구분되는 여러 유형의 단층대가 존재한다(Chandler, 2003). AECL은 처분시설의 건설 이전부터 지하연구시설에서의 특성화 및 모니터링 프로그램을 시작하였으며, 지하연구시설의 위치 선정 및 설계 과정에 관찰 기법의 일반적인 개념을 적용하였다. 특히, 관찰 기법은 안전성 및 경제성 확보라는 기존의 장점을 넘어, 개별 실험의 위치와 배치를 최적화하는 등 실험 프로그램에서의 유연성 확보에 활용되었다(Everitt et al., 1994). AECL이 활용한 관찰 기법의 접근 방식은 Fig. 5와 같다. 먼저 현장 지반의 지질 특성에 대한 전반적인 조사 및 탐사를 수행한다. 그리고 수행한 조사 및 탐사 결과를 바탕으로 가장 발생가능한 조건(most probable condition)과 가장 불리한 조건(unfavourable condition)에 대해 판단하고 이 조건을 기초로 지하연구시설에 대한 설계를 실시한다. 그리고 설계 과정에서 설계에 활용된 핵심 요소들에 대한 예상값을 산정한다. 다음으로 제안된 설계를 기초로 건설 공사를 수행하며 공사 중 측정 가능한 핵심 요소에 대한 반응을 현장으로부터 측정한다. 모니터링 결과, 공사 중 측정된 핵심 요소의 값과 설계 과정에서 예측되었던 값을 비교하여 두 값의 차이가 허용할 수 없는 수준의 값이라면 설계를 수정한다.

Fig. 5.

Flowchart of the observational method used in AECL (Simmons and Baumgartner, 1994).

관찰 기법을 활용한 설계는 현장 지질 조사를 통해 확보한 지질학적 및 수리지질학적 특성을 토대로, 처분시설의 기능에 대한 요구사항을 충족할 수 있도록 설계안을 여러 단계에 걸쳐 수정하는 데 핵심적인 역할을 담당하였다. AECL이 관찰 기법을 적용하여 지하연구시설의 설계를 수정한 과정은 다음과 같다(Fig. 6). 먼저, 현장으로부터 획득한 지질학적 및 수리지질학적 자료가 전혀 없는 상태에서 지하연구시설에 대한 예비 개념 설계를 수행하였다(Fig. 6a). 이 과정에서는 100~500 m 사이의 심도를 가정한 초기 설계가 제안되었으며, 이후 지하 탐사를 통해 현장별 지질학적 및 수리지질학적 조건에 대한 이해도가 높아짐에 따라 이 초기 설계는 향후 계획 수립을 위한 가이드라인으로 활용되었다. 다음 단계에서는 현장에 대한 특성화 결과를 바탕으로 평가가 수행되고 이를 기초로 설계 수정이 시행되었다. 이 단계에서는 지표 지질 조사와 단열대 조사, 그리고 5개의 시추공에서 획득한 자료를 기반으로, 단일 레벨(240 m)만으로는 파쇄 암반과 비파쇄 암반의 특성을 모두 파악하기 어렵다는 결론이 도출되었다. 이에 따라 두 개의 레벨로 구성된 설계안이 제안되었으며, 상부 레벨(130 m)에서는 개방 단열이 필요한 실험, 하부 레벨(240 m)에서는 높은 응력이 요구되는 실험을 각각 수행할 수 있도록 설계가 변경되었다(Fig. 6b). 이후 진행된 단계에서는 지질학적 및 수리지질학적 자료를 검토한 결과, 화강암 분포가 예상보다 광범위하다는 사실과 130 m 깊이에서 수리지질학적 및 수리화학적 실험을 위한 개별 단열 영역이 존재하지 않다는 점이 확인되었다. 또한, 적절한 단열대가 예상보다 깊은 심도에서 발견됨에 따라 130 m 레벨의 실험 영역을 제외한 상세 설계가 새롭게 제안되었다(Fig. 6c). 마지막으로 건설 및 설계 수정 단계에서는 지하연구시설 굴착 과정에서 얻어진 지질학적 조사를 통해 정밀한 지질 모델이 제시되었으며, 추가 시추공 조사를 통해 240 m 레벨의 지질학적 및 수리지질학적인 정보를 추가로 확보하였다. 이러한 지질 모델과 조사 결과에 기반하여 지하연구시설의 상세 설계안이 최종적으로 수정되었다(Fig. 6d).

Fig. 6.

The AECL URL design modification process (Posiva, 2002).

스웨덴 Äspö HRL

Äspö HRL은 스웨덴에 위치한 지하연구시설로, 지하 약 450 m 깊이에 3,600 m 길이의 터널을 포함하고 있다. 이 연구시설은 스웨덴 SKB(Svensk Kärnbränslehantering AB)가 운영하며, 실제 처분장과 유사한 조건에서 공학적 방벽과 주변 암석의 통합 성능을 연구하는 것을 주된 목적으로 한다.

Äspö HRL의 설계는 체계적인 관찰 기법을 적용하지는 않았으나, 암반 및 현장의 상태를 고려하여 설계에 반영하였다. 초기 설계에서는 지하연구시설로의 접근 터널 중 나선형 부분(Fig. 7a)이 양호한 암반 내에 위치하도록 설계되었으며, 여러 차례 현장 조사를 통해 해당 접근 터널이 주요 단열대를 관통하지 않는다는 사실이 확인되었다. 한편, 초기 설계에서는 접근 터널을 Äspö 섬에 설치할 계획이었으나, 지방자치단체의 제안을 반영하여 Simpevarp 지역으로 건설 위치가 변경되었다(Fig. 7b). 그러나 변경된 설계에 따르면 접근 터널이 주요 단열대를 통과하는 상황이었으며, 이에 따라 건설 과정에서 해당 단열대를 상세히 특성화하는 작업이 병행되었다. 주요 단열대와 현장 암반에 대한 조사 결과를 바탕으로 SKB는 일부 구간의 설계를 재검토하고, 건설 방식을 TBM(Tunnel Boring Machine) 공법으로 변경하였다. 또한, 현장 특성화 이후 수정된 요구사항을 종합적으로 반영하여 시설의 위치를 최종적으로 결정하였다. Äspö HRL의 건설 과정에서 체계적인 관찰 기법이 공식적으로 적용된 것은 아니지만, 실제 현장에서 가장 발생 가능성이 높은 상황과 가장 불리한 상황을 정의하고, 새롭게 확보되는 정보를 바탕으로 설계를 보완 및 수정하는 등 관찰 기법의 일부 개념이 활용되었다(Posiva, 2002).

Fig. 7.

(a) Overview of the Äspö HRL (SKB, 2014) and (b) location of the access tunnel at the Äspö HRL (SKB, 1997).

스웨덴의 처분시설에서 관찰 기법이 활용된 다른 사례로는 Äspö 확장 프로젝트가 있다. SKB는 사용후핵연료 심층처분을 위한 추가적인 실험을 수행하고 이를 위한 기술을 개발하기 위해 Äspö 확장 프로젝트를 진행하였으며, 해당 확장 프로젝트를 통해 Äspö HRL의 410 m 지점에 TASU 터널과 TASP 터널이 추가로 건설되었다(Fig. 8). 이러한 확장 프로젝트 과정에서 설계와 건설 과정에 관찰 기법을 적용하였다(SKB, 2014).

Fig. 8.

The Äspö expansion project (SKB, 2014).

Äspö 확장 프로젝트의 주요 설계 요건은 터널 건설 과정에서 발생하는 지하수위 저하를 공사 종료 시점에 50 m 이하로 유지하는 것이었다. 과거 Äspö HRL의 운영 경험을 통해, 그라우팅이 터널로의 지하수 유입을 억제하는 가장 경제적인 방법으로 확인되었고, 이를 기반으로 확장 프로젝트에서도 그라우팅이 최대 지하수위 저하를 50 m 이하로 제한하기 위한 핵심 수단으로 채택되었다.

SKB는 확장 프로젝트에 앞서 파일럿 홀에서 유입량 테스트를 실시하여, 지하수위 저하를 유발할 수 있는 최대 유입량을 예측하기 위한 자료를 확보하였다. 해당 자료는 그라우팅 계획 수립 및 공사 중지 기준 설정에 활용되었다. 유입량 테스트 결과, 예측된 유입량이 40~50 L/min 범위를 나타내며, 지하수위 저하가 설계 허용치인 50 m 범위 내로 유지될 가능성이 높은 것으로 확인되었다. 이에 따라 공사 착수 전 기준 수위를 설정하고, 수위 모니터링 시스템을 통해 공사가 지하수위에 미치는 영향을 지속적으로 관찰하였다. 이 모니터링 시스템은 다양한 건설 활동에 따른 단기 및 장기적인 지하수위 저하 정보를 제공하며, 50 m를 초과하는 수위 저하가 발생할 경우를 대비한 비상 계획도 수립되었다. 공사 과정에서 관찰 기법을 활용하여 지하수위 저하와 관련된 위험을 효과적으로 관리한 결과, 프로젝트는 성공적으로 마무리되었다. 공사 종료 6개월 후 측정된 최대 지하수위 저하는 약 25 m로, 허용 한도의 50% 수준에 불과하였으며, 이는 설계 단계에서 예측한 값과 일치하는 결과이기도 하다(SKB, 2014).

핀란드 ONKALO 지하연구시설

핀란드의 ONKALO 지하연구시설은 실제 고준위방사성폐기물이 처분될 예정인 부지에 위치한 부지 특화 지하연구시설(site-specific URL)로, 고준위방사성폐기물 처분장의 건설 인허가를 획득하기 위한 목적으로 건설되었다(Fig. 9). 핀란드는 2015년에 처분장 건설 인허가를 취득하였으며, 운영 허가를 받은 후 2020년대부터 심층처분장이 본격적으로 가동될 예정이다(Hong et al., 2019). 관찰 기법은 ONKALO 지하연구시설의 건설 과정 중 암반 지보, 그라우팅, 발파 및 굴착, 그리고 전반적인 시설 설계에 활용되었다.

Fig. 9.

Design of ONKALO (blue) and final disposal facility (red) as planned in January 2019 (Posiva, 2022).

먼저 암반 지보, 그라우팅, 발파 및 굴착 설계 단계에서는 각 구간별 암반 상태를 예측하여, 가장 가능성이 높은 암반 조건에 맞는 설계 방식을 적용하였다. 또한, 예상치 못한 상황에 대응하기 위해 각 단계에서의 불리한 조건을 정의하고, 이에 적합한 암반 지보, 그라우팅, 발파 및 굴착 방식을 사전에 마련하였다(Posiva, 2002).

암반 지보의 경우, 각 심도에서 가장 가능성 높은 Q-값을 기반으로 설계되었으며, 수직 방향의 지하수 유입 통로, 팽창성 점토, 단층대, 약한 암반 및 낮은 물성, 높은 암반 응력 또는 응력 변화, 대량 또는 비정상적인 화학 성분을 포함한 지하수 유입, 심한 암반 파쇄 및 갱도 변형 등을 불리한 조건으로 분류하여 이에 대한 대비책을 마련하였다. 그라우팅은 각 심도의 가장 가능성 높은 투수계수를 바탕으로 설계가 이루어졌으며, 불리한 조건으로는 수직 방향의 지하수 유입 통로, 단층대, 건설 및 발파 중 추가적인 지하수 유입 통로 발견, 갱도 하부의 지하수 누출, 여러 차례 그라우팅된 제어 홀(control holes)에서의 물 누수, 그라우트 유출 및 낮은 침투성, 과도한 그라우트 손실로 인한 압력 증가 실패, 높은 그라우팅 압력으로 인한 암반 균열, 그리고 비정상적인 화학 성분을 포함한 지하수 유입 등의 조건이 포함되어 설계에 반영되었다. 발파 및 굴착 설계 역시 각 심도의 가장 가능성 높은 암반 상태를 토대로 수립되었으며, 점토 함유, 단층대, 약한 암반, 지하수 유입, 과도하거나 불량한 암반 파쇄 상태 등을 불리한 조건으로 고려하여 설계에 반영되었다(Posiva, 2002).

전반적인 시설 설계의 경우 조사 레벨의 위치, 최종 심도, 단면적, 원형 집수 구조(water-collecting rings) 설계에 관찰 기법이 적용되었다. 초기 계획 단계에서 조사 레벨의 위치는 300 m, 400 m, 470 m로 설정되었으며, 암반 상태와 설계 요구사항에 따라 세부적으로 조정되었고, 예상치 못한 단층대나 암반 상태 변동이 확인되는 경우 새로운 설계 절차가 추가되었다. 최종 심도는 400~500 m 범위에서 암반 안정성과 지하수 조건을 종합적으로 고려하여 결정되었으며, 건설 중 암반 응력, 단층대, 높은 염분 농도 등 불리한 조건이 관찰되면 즉시 설계를 수정하였다. 단면적 설계 시에는 암반 지지 및 발파 방식의 적정성을 검토하였으며, 발파 과정에서 여굴(overbreak)이 발생할 경우 이를 보완할 수 있도록 설계가 변경되었다. 원형 집수 구조는 지하수 유입을 최소화하기 위해 마련된 설계 요소로, 그라우팅이나 라이닝(lining) 과정을 통해 압력을 완화하고 지하수를 수집하는 방식을 채택하였다. 또한 암반 상태에 따라 링(ring)의 위치를 조정하였으며, 설계 예상 범위를 초과하는 지하수 유입이 확인되면 추가 설계를 도입하였다. 이와 같은 일련의 설계 조정 과정은 건설 중 획득된 데이터를 기반으로 이루어졌으며, 관찰 기법을 적용함으로써 설계의 경제성과 안전성 그리고 유연성을 확보하였다(Posiva, 2002).

결 론

고준위방사성폐기물 처분시설이 건설되는 지반은 공간적 변동성이 크고 불균질성을 지니고 있어 지반 특성을 파악하는 과정에서 불확실성이 개입된다. 이러한 불확실성을 효과적으로 고려하는 것은 처분시설 건설의 안전성과 경제성을 확보하는 데 있어서 매우 중요한 요소로 작용한다.

그러나 전통적인 설계 방식은 지반의 불확실성을 고려하기 위해 제한된 지반 정보만을 활용하여 보수적으로 설계한다는 특징이 있으며, 이에 따라 과도한 비용지출이 발생할 가능성이 높다. 또한, 건설 공사 중 설계 변경을 고려하지 않기 때문에 예기치 못한 위험에 대응하는 것이 어려워지는 문제가 발생할 수 있다. 이러한 문제는 공사가 시작되기 전에 지반을 완전하게 이해하기 어렵다는 점에서 비롯된다. 따라서 공사 과정에서 새롭게 확보되는 자료는 불확실성이 큰 지반에 대한 이해를 높이는 데 유용하며, 결과적으로 건설 공사의 안전성을 높이고 예산과 관련된 위험을 줄이는 데 중요한 역할을 할 수 있다.

관찰 기법은 전통적 설계 방식이 지닌 한계를 보완할 수 있는 설계 방식으로, 설계 이전 및 설계 과정에서 획득된 자료를 활용하여 지반구조물에 대한 설계를 실시하고 이를 기초로 건설 공사를 수행한다. 관찰 기법은 건설 공사 중 새롭게 획득되는 관측 결과 및 모니터링 결과를 설계에 반영하는 과정으로, 필요시 설계를 수정할 수 있도록 체계적인 절차를 제공하는 설계 방법이다. 따라서 공사 중 획득된 자료와 모니터링 데이터를 통해 지반의 불확실성을 단계적으로 줄여 나간다. 이 기법은 현장 조건에 따라 설계를 지속적으로 수정하고 최적화하는 과정을 통해 위험을 최소화하고, 안전성과 경제성을 동시에 확보할 수 있으며, 무엇보다도 설계와 시공 사이의 관련성이 높아지고 지질과 구조물 사이의 상호작용에 대한 이해가 높아진다는 장점을 가지고 있다. 본 논문에서 살펴본 캐나다, 스웨덴 그리고 핀란드의 사례는 국내에서도 지하연구시설과 심층처분장 건설에 관찰 기법의 적용을 적극적으로 검토할 필요성을 시사한다. 국내 지질 환경은 복잡한 지질구조와 높은 변동성을 지니고 있어, 공사 과정에서 불확실성이 발생할 가능성이 크다. 따라서 관찰 기법을 통해 공사 중 획득되는 지반자료와 모니터링 데이터를 토대로 설계를 최적화하고 불확실성을 효과적으로 관리함으로써, 국내 지하연구시설 및 심층처분장 건설의 안전성과 경제성을 동시에 확보할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 국외 성공 사례에서 입증된 바와 같이 관찰 기법은 지반 조건에 따른 설계 조정과 최적화를 통해 공사의 유연성을 높이고, 예상치 못한 위험을 최소화하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.