KIGAM 한국지질자원연구원

우리나라의 지하공간과 터널 등은 여러 가지 형태로 암반 내에 건설되어 왔다. 이때 중요한 기술 분야 중 하나가 바로 암반공학이다. 암반공학은 암반과 관련된 공학적인 문제를 다루는학문으로 무엇보다 지질학적 기초를 요구하는 학문이기도 하다. 한국지질자원연구원은 암반공학 분야의 연구를 오랫동안 수행한 기관 중 한 곳으로, 국내 최대 규모의 암반공학실험실을 운영하고 있다.

암반공학의 모든 것

암반공학실험실

writer. 박찬 박사(심지층연구센터)

긴 시간과 노력 끝에 탄생한 실험실

1970년대 후반 광산공학연구실에서 암석역학분야의 각종 실험이 연구에 필수적이라는 의견이 제시되었다. 이에 실험실을 구축하려는 다양한 노력이 이루어졌고, 1980년대 초반부터 시험장비를 마련하기 시작하여 30년이라는 긴 시간을 꾸준히 노력해온 결과 지금의 암반공학실험실의 모습이 갖춰지게 되었다.

암반공학은 암석이나 현지 암반의 변형, 파괴, 변위에 대한 것을 연구하는 학문이다. 대부분의 물질은 물리적 특성, 역학적 특성, 화학적 특성 등이 있는데 암반공학실험실에서는 암석의 물리·역학적 특성에 대한 실험이 진행된다. 한국지질자원연구원의 암반공학실험실은 국내 최대 규모의 암석역학 분야 실험실로 국가기술표준원의 한국인정기구(KOLAS)*로부터 인정받은 8개 시험코드 14개 시험항목에 국제공인시험기관으로 지정되어 있다.

그 외 약 30개 항목의 실험실 시험, 현장상황을 모사한 실험실 모델시험, 현지 암반에 직접 시험을 수행하는 수압파쇄시험 등 약 10개 항목의 현장시험 등을 수행할 수 있다. 시험항목과 규모면에서는 국내는 물론 국제적으로도 찾아보기 힘든 크기를 자랑한다. 현재 암반공학실험실은 한국지질자원연구원 지질환경연구본부의 심지층연구센터, 국토지질연구본부의 방사성폐기물지층처분연구단, 석유해저연구본부의 CO2지중저장연구단 등 3개 부서에서 공동으로 운영하고 있다. 3개 부서의 연구실뿐만 아니라 연구원 내부의 실험의뢰, 또 외부 민원시험에 대해서도 시험을 수행해주고 있다.암반공학실험실은 시험일정 협의를 통해 시험장비의 공동 활용 신청을 하면 연구 장비 공동 활용도 가능하다.

KOLAS시험장비에서 자체개발 시험장비까지

암반공학실험실은 3개 실험실로 구성되며, 모두 실증연구동 내에 위치해있다. 101호 실험실에는 이축압축시험장치, 진삼축압축시험장치, 대형열삼축크립시험장치, 전단시험장치 등이 있다. 이중이축압축시험장치와 진삼축시험장치는 한국지질자원연구원내에서 자체적으로 개발한 시험장치다. 현재 심지층연구센터, 방사성폐기물지층처분연구단, CO2지중저장연구단 등 3개 연구부서에서 공동으로 사용하고 있다.

102호에는 시험실 세르샤마모시험, 크립(Creep)시험장치 등이 있다. 크립(Creep)시험장치를 활용한 암석의 크립(Creep)시험은 장기간 시료에 일정 하중을 가하고 변형거동을 관찰하는 시험으로 장기간에 걸쳐 시험이 진행된다. 시험 중 외부의 충격이나 간섭으로 부터 분리가 필요하기 때문에 별도의 실험실로 운영하고 있다.

기본역학시험은 주로 103호 실험실에서 수행한다. 160톤 하중 용량의 MTS, 5MN 하중용량의 INTERLAKEN시험장비, 460톤 하중용량의 MTS 815 시험장비 등이 있다. 이곳에서는 암석의 일축압축시험을 비롯한 기본물성시험과 절리면 전단시험, 고온·저온 하에서의 시험 등 각종 역학시험을 수행한다.

극저온과 고온, 극과 극의 환경

암반공학은 우리생활과 밀접하게 연관되어 있다. 우리나라는 산악지역이 많아 도로의 대부분이 터널과 교량으로 구성되어 있다. 터널은 보통 산을 관통하며 암반에 조성되게 되는데, 암반공학실험실에서 시험한 암석의 역학적 특성 시험 결과가 이때 활용된다. 또한 지하 에너지 저장시설, 방사성 폐기물 처분장 등 지하 암반에 조성되는 구조물의 설계 및 안정성 평가에 사용된다. 뿐만 아니라 암석의 역학적 특성 시험 결과는 암반의 굴착, 굴착된 공간의 유지 및 보강 등에도 필요한 자료로 사용되고 있다.

최근 액화천연가스(LNG), LPG 같은 에너지 자원의 효율적인 수급을 위한 에너지 저장시설의 확충, 국토의 효율적인 이용과 안전성 등의 문제로 인하여 지하공간을 활용한 지하 저장시설의 건설이 증가하고 있다. 지하저장시설의 경우 저온상태에서 운영되기 때문에 암반도 저온·극저온의 환경에 노출되며, 저온상태에서 암석의 물리적 특성 파악이 필요해진다.

암반공학실험실에서는 극저온·고온(-190~300℃)에서의 시험이 가능하다. 그래서 저온 상태에서의 암석의 물리적 특성을 파악하기 위해 챔버 내부에 시료를 위치시키고 내부 온도를 -180℃까지 내려서 5시간 이상을 유지한 상태에서 시험을 수행한다.

고온에서의 암반 평가 시험도 진행된다. 태양열을 이용한 신재생에너지발전은 반사판을 이용해 600℃까지 고열을 발생시켜 전력을 생산한다. 태양이 떠 있는 낮에 발생시킨 열에너지는 열 형태 그대로 저장했다가 밤에 발전에 사용한다. 이때 열에너지를 지하에 저장하게 되면 암반에 열에너지가 전달되어 고온의 환경에 노출된다. 고온 상태에서 암반의 특성을 파악하기 위해 챔버의 온도를 300℃ 까지 조정하여 저온시험과 같은 방법으로 시험을 진행하고 있다.

세계를 향한 발돋움

현재 연구원 내 3개 부서가 공동으로 사용하는 암반공학실험실은 향후 연구원 내 역학분야와 관련된 실험을 수행하는 타부서의 실험도 통합하여 서로 시너지 효과를 볼 수 있도록 준비 중에 있다. 또한 노후화된 장비 교체와 새로 개발된 장비 도입을 기획하고 있으며, 새로운 시험법에 대한 연구도 진행되고 있다. 앞으로 국내 최대, 최고의 실험실을 넘어 세계적으로 인정받는 암석연구 분야의 실험실로 발돋움해 나갈 계획이다.

* 한국인정기구(Korea Laboratory Accreditation Scheme)

산업통상자원부 산하의 국가기술표준원에서 운영하는 제도로 국가표준기본법에 의거 국제공인시험기관으로 인정받은 기관의 성적서는 2019년 현재 APAC(아시아태평양인정협력체, Asia-Pacific Accreditation Cooperation) MRA(상호인정협정, Mutual Recognition Arrangement)에는 28개국 46개 인정기구가, ILAC(국제시험기관인정협력체, International Laboratory Accreditation Cooperation) MRA에는 104개국 102개 인정기구가 가입하여 상호간의 공인성적서로 인정된다.