1.1 연구배경

지반함몰은 지반 내의 공동이 형성되고 지반이 붕괴하면서 생기는 현상으로 ｢지하안전관리에 관한 특별법｣에서는 ‘지하개발 또는 지하시설물의 이용, 관리 중에 주변 지반이 내려앉는 현상’으로 정의하고 있다. 이현상은 기본적으로 자연적인 원인과 인위적인 원인으로 나눌 수 있다. 자연적인 원인으로는 카르스트 지형이 대표적이다. 카르스트 지형은 석회암으로 이루어져 있어, 지하수가 변화하면 암석이 물에 녹아 지반함몰이 발생하게 된다. 반면, 인위적인 원인으로는 지하수 과다 사용, 관거 손상, 건설 공사 등으로 인해 지반 내의 흙이 유실되면서 발생한다. 우리나라의 경우, 지형이 주로 화강암으로 이루어져 있어 대부분의 지반함몰이 인위적인 원인으로 발생한다(Kim et al., 2015; Bae et al., 2016).

2014년 송파구에서 발생한 대규모 지반함몰 사고를 계기로 지하 안전 관리의 필요성과 중요성이 사회적으로 인식되기 시작하였다. 이후 지하 안전 관리를 위한 특별법이 제정되었지만, 우리나라의 지반함몰 문제는 여전히 심각한 수준이다. 현재 지반함몰에 대한 대응은 사고의 사전 예측이나 원인 분석보다는 사고 발생 이후의 대책 마련 및 신속한 복구에 집중되어 있는 실정이다(Choi et al., 2022). 최근 서울 연희동(2024.08)과 부산 사상구(2024.09)에서 연이어 대규모 지반함몰 발생한 사례는, 지반함몰이 여전히 예측과 체계적 관리가 어려운 문제임을 단적으로 보여준다.

지반함몰은 국민의 생명과 안전에 직결되는 중대한 위험 요소이므로, 그 원인을 체계적으로 분석하는 것이 매우 중요하다. 또한, 국내 사례에 국한하지 않고, 해외의 지반함몰 관리 체계를 함께 분석함으로써 국내의 관리 체계의 한계를 진단하고, 이에 대한 개선 방안을 제시하고자 한다.

1.2 선행연구

국내에서는 지반함몰의 전체적인 원인을 포괄적으로 분석하기보다는, 특정 원인에 초점을 맞춘 연구가 주로 수행되어 왔다. Choi et al. (2022)은 하수관로에 의한 공동 발생 메커니즘을 설명하면서, 빗물이 하수관로를 통해 흐를 때 과로에 파손이 존재할 경우, 물과 함께 토사가 유출되어 지반함몰이 발생할 수 있다고 보고하였다. 또한, 지반함몰은 누적 강수량과 매우 밀접한 연관성이 있다고 제시하였다. 이와 유사하게 Kwak et al. (2019)은 지하수위 상수 이후 손상된 하수관을 통해 지하수와 토사가 동시에 유출되면서 지반 내부에 공동 형성되고, 그 동공이 확장됨으로써 최종적으로 지반함몰이 발생하는 과정을 모형시험을 통해 분석하였다. 더불어 Choi et al. (2005)은 인공적인 양수, 즉 지하수의 무분별한 이용이 공극수압을 저하시켜 전응력과 유효응력 간의 균형을 무너뜨림으로써 지반침하에 결정적인 영향을 미친다고 지적하였다. 이처럼 하수관로 손상, 지하수 변화, 집중호우 등 특정 원인에만 국한된 연구는 지반함몰을 체계적으로 관리하는 데 한계를 초래할 수 있다.

현행 ｢지하안전관리에 관한 특별법｣ 제46조 제1항에 따르면, 지반침하로 인한 사고가 발생한 경우 지체 없이 응급 안전 조치를 시행해야 하며, 대통령령으로 정한 일정 규모 이상의 사고가 발생 시에는 관할 지방자치단체장에게 즉시 사고 발생 사실을 통보하여야 한다(South Korea, 2020). 여기서 대통령령으로 정한 일정 규모란, 면적 1 m² 이상 또는 깊이 1 m 이상의 지반침하 사고를 의미한다. 그러나 이와 같은 지반함몰 관련 데이터는 대부분 각 지방자치단체에서 개별적으로 수집⋅분석되어 보고되고 있어, 국가 차원의 통합적이고 체계적인 관리가 미흡함을 보여준다. 어울러 기존 연구들은 역시 지반함몰의 원인 분석보다는 발생 시기와 장소 등 통계적 특성에 초점을 맞추는 경향이 있다.

1.3 연구범위 및 분석 방법

본 연구는 공공데이터포털에서 Open API를 통해 제공하는 지하안전관리에 관한 특별법에 의해 수행되는 지하안전정보를 사용하였다(Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, 2023). 2019년부터 2023년까지 5년간의 지반함몰 현황을 분석하였다. 특히 지반함몰의 발생 원인과 규모 등의 자료를 활용하여, 시기별⋅원인별⋅지역별로 세분화된 분석을 수행하였다. 이와 더불어, 지반함몰이 빈번하게 발생한 지역인 화성시를 중심으로 보다 심층적인 사례 분석을 진행하였다. 또한 국내 지반함몰 관련 규정과 해외 사례를 함께 제시함으로써, 현행 관리 체계의 한계를 진단하고, 지반함몰 예방 및 관리 방안에 대한 개선 방향을 제안하였다.

2.1 시기별 분석

2.1.1 시기별 통계 자료

먼저, 2019년부터 2023년까지 보고된 지반함몰 발생 건수를 연도별 및 월별로 분석하였다. 그 결과, 총 940건의 지반함몰이 발생하였으며, 연도별 발생 현황은 Fig. 1에 제시하였다. 이를 통해 매년 평균적으로 약 188건의 지반함몰이 지속적으로 발생하고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 1

Number of Ground Subsidence Occurrence by Year

월별 발생 현황은 Fig. 2에 나타나 있으며, 전체 지반함몰의 약 52.8%가 6월부터 8월 사이에 집중되어 발생하는 경향을 보인다. 이는 Fig. 3에 제시된 월별 강수량 분포와 비교할 때, 지반함몰 발생이 강수량과 밀접한 관련이 있음을 나타낸다.

Fig. 2

Number of Monthly Subsidence Occurrences

Fig. 3

Monthly Precipitation

2.2 지역별 분석

2.2.1 지역별 통계 자료

전국 지반함몰 발생 건수를 지역별로 세분화한 결과는 Table 2와 Fig. 4에 나타내었다. 2019년부터 2023년까지 최근 5년간 보고된 지반함몰 건수는 경기도가 194건(20.6%)으로 가장 많았으며, 광주광역시 118건(12.6%), 서울특별시와 부산광역시가 각각 81건(8.6%)으로 뒤를 이었다. 특히 수도권 지역인 서울특별시, 경기도, 인천광역시에서 전체 지반함몰의 약 32.5%가 집중적으로 발생하였으며, 이 중 경기도에서 가장 많은 건수가 보고 되었다.

Table 2

Number of Ground Subsidence Occurrences by Region

Fig. 4

Regional Distribution of Ground Subsidence Occurrences in South Korea

이러한 경향은 도심지와 교외 지역 간의 지하 환경 차이에서 기인하는 것으로 분석된다. 교외 지역은 지하 시설물이 상대적으로 적고, 강우 시 우수가 지표를 통해 자연스럽게 스며들어 지하수위가 안정적으로 유지되는 반면, 수도권과 같은 도심지역은 하수관 등 지하 시설물이 밀집되어 있고, 빗물의 지표유출이 많아 지하수위 저하에 따른 위험요인에 더 많이 노출된다. 이러한 요인은 지반함몰 발생 빈도 증가에 영향을 미치며, 지하수위 변화가 지반함몰 발생에 중요한 역할을 함을 의미한다(Kim and Jung, 2018). 또한 지반함몰의 발생 원인은 규모와 지역 특성에 따라 다르게 나타난다. 일반적으로 소규모 지반함몰은 상하수도 등등 지하 시설물의 유지관리 미비가 주요 원인으로, 대규모 지반함몰은 굴착공사와 같은 개발 행위가 주요 원인으로 지적되고 있다. 특히 인구 밀집지역인 수도권에서는 각종 관로가 복잡하게 매설되어있으며, 관로의 노후화와 반복적인 신설⋅변경으로 인해 하자 발생 가능성이 높다(Joung and Lee, 2017). 실제로 2023년 하수도정보시스템 통계에 따르면, 서울시의 노후 하수관로 비율은 66.1%로 나타났다. 반면, 신도시는 대규모 조성 과정에서 발생하는 지하수위 변화나 굴착공사 등의 영향으로 지반함몰 위험이 존재한다.

2.3 원인별 분석

본 연구에서는 기존 지하안전정보 자료에 기술된 내용을 바탕으로 지반함몰 발생 원인을 체계적으로 정리하였으며, 최종적으로 14개의 유형으로 분류하였다. 분류된 지반함몰 발생원인은 ‘관로 손상’, ‘원인불명’, ‘다짐 불량’, ‘공사’, ‘집중호우’, ‘자연 침하’, ‘누수’, ‘동공 발생’, ‘맨홀 손상’, ‘원도심 지반침하’, ‘지하수 유출’, ‘연약지반’, ‘측구 손상’, ‘기타’이다. 이 중 ‘관로 손상’에는 하수관, 폐수관, 수도관, 오수관 등 모든 지하 관로가 포함되며, 관로의 노후화 및 부식에 따른 손상을 의미한다. 다양한 관로 손상 유형은 결과적으로 누수를 유발하고, 이에 따라 인근 지반의 토사가 약화되어 지반이 함몰되는 공통의 메커니즘을 가지므로 하나의 원인 범주로 통합하였다. ‘공사’ 항목에는 부실시공, 굴착공사 등 지반에 직접적인 영향을 미치는 모든 유형의 공사 활동이 포함된다. ‘기타’ 항목은 최근 5년간 발생 빈도가 5건 미만인 사례로, 조위차 영향, 관리 부실, 지표수 유입 등 비교적 드문 원인들이 이에 해당된다.

2.3.1 원인별 통계 자료

전국에서 발생한 지반함몰의 원인을 Table 3에 정리하였다. 분석 결과, 가장 주요한 원인은 ‘관로 손상’으로 전체 940건 중 354건(38%)을 차지하였다. 그 외 ‘원인불명’ 139건(15%), ‘다짐불량’ 100건(11%), ‘공사’ 62건(6.6%), ‘집중호우’ 54건(5.7%) 등의 순으로 나타났다.

Table 3

Number of Ground Subsidence Occurrences by Region

지반함몰의 원인을 분류할 때, ‘관로 손상’, ‘누수’, ‘집중호우’ 등 개별 항목으로 보고하는 사례가 많지만, 앞서 언급한 바와 같이 집중호우로 인해 관로에 과부하가 발생하거나, 관로 손상이 연쇄적으로 누수를 유발하는 등 원인 간의 상호작용이 존재한다. 그럼에도 불구하고 현재 국내 보고 체계에는 이러한 연관성을 고려하지 않고, 원인은 개별적으로 분리하여 분류하고 있어 체계적인 원인 분석에 한계를 초래하고 있다. 또한 2019년부터 2023년까지 보고된 지반함몰 원인 중 87건(9.3%)은 “추정”이라는 표현이 포함되어 있었으며, 이는 원인이 명확하게 규명되지 않은 채 보고된 사례가 적지 않다는 점을 보여준다. 이러한 기술 방식은 지반함몰 원인에 대한 신뢰도와 향후 대책 수립의 정확성 측면에서 개선이 필요한 부분으로 판단된다.

2.3.2 빈발 지역 지하수위 분석

지하수위 저하는 지반함몰을 유발하는 주요 원인 중 하나이며, 지하수가 이후 재충진되더라도 지표면은 원래 상태로 완전히 회복되지 않는 것으로 알려져 있다. 지하수에 의한 지반함몰은 전 세계적으로 공통적으로 발생하는 문제이기 때문에, 지하수위 변화에 대한 분석이 필수적이다(Lee and Koo, 2007). 지하수위가 높을수록 토사의 유출량이 증가하는 경향이 나타났는데, 이는 유출 시간과 유출 속도가 함께 증가하기 때문으로 해석된다. 따라서 지하수위가 지속적으로 하강하는 지역에서는 지하 공동의 발생 가능성이 상대적으로 높다고 판단된다(Kim and Jung, 2018).

본 연구에서는 지반함몰이 빈번하게 발생하는 경기도 화성시를 대상으로 지하수위 조사를 수행하였다. 화성시 내 지반함몰 발생 지점, 시추 정보 위치, 지하수위 측정 지점을 지도상에 각각 표시하고, 지반함몰이 발생한 지역 인근의 지하수위 측정 지점을 중심으로 지하수위 변화에 대한 조사를 실시하였다.

각 지점을 시각적으로 구분하기 위해, 지도상에 지반함몰 발생 지점은 원(circle), 시추 정보 위치는 사각형(square), 지하수위 측정 위치는 삼각형(triangle)으로 표기하여 Fig. 5에 나타내었다. 또한, 지도 상에서의 화살표는 이후 분석에서 다루는 주요 지하수위 측정 지점을 나타낸다.

Fig. 5

Location of Ground Burrowing, Groundwater Level Measurement, Drilling Information Location

지하수위 측정 지점과 인접한 지반함몰 사례로는 다음 두 가지를 선정하였다. 첫째, 2019년 3월 15일 경기도 화성시 양감면 신왕리에서 발생한 지반함몰 사례(가로 1 m, 세로 1 m, 깊이 0.2 m)와, 둘째, 2022년 11월 18일 경기도 화성시 팔탄면 구장리에서 발생한 사례(가로 3 m, 세로 2 m, 깊이 0.5 m)이다. 지하수위 측정 자료는 국가지하수정보센터의 한국수자원공사에서 설치, 운영 중인 시설인 국가관리측정만 자료를 활용하였다.

본 연구에서는 지하수위 관측 지점과 지반함몰 발생 위치가 정확히 일치하지 않아 수위 변화와의 직접적인 연관성을 정밀하게 분석하는 데 한계가 있었다. 이에 수집된 자료 중 가장 근접한 측정말 데이터를 활용하여 분석을 진행하였다.

첫 번째 사례의 경우, ‘화성양감(암반)’ 지하수위 측정 지점의 자료를 활용하여 2019년 1월 1일부터 3월 31일까지의 지하수위 변동을 분석하였다. 이를 통해 지반함몰 발생 전후의 지하수위 데이터를 파악하였으며, 관련 분석결과는 Fig. 6에 나타내었다.

Fig. 6

Changes in the Groundwater Level of Hwaseong-Yanggam

두 번째 사례에서는 ‘화성팔탄(암반)’ 지하수위 측정 지점의 데이터를 바탕으로 2022년 8월 1일부터 11월 30일까지의 지하수위 변동을 분석하였으며, 결과는 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7

Changes in the Groundwater Level of Hwaseong Paltan

화성양감 지점의 경우, 지반함몰 발생 약 3개월 전 지하수위 최고치는 22.18 m였으며, 발생 당일의 지하수위는 21.67 m로, 약 0.51 m의 수위 저하가 관측되었으며, 사건 발생 2달 전인 1월의 경우에는 22.18 m에서 21.68 m로 한 달간 0.51 m의 지하수위 변화가 관찰되었다. 화성팔탄 지점에서는 지하수위 최고치가 28.71 m였고, 지반함몰 발생일의 28.01 m로 측정되어 약 0.61 m의 감소를 보였으며, 사건 발생 2달 전인 9월의 경우에는 28.61 m에서 28.08 m로 한 달간 0.53 m의 지하수위 변화가 관찰되었다.

이와 같이 두 사례 모두 지반함몰 발생 이전 일정 기간 동안 지하수위의 점진적인 저하가 발생하였으며, 이는 지하수위 변화가 지반함몰 발생과 밀접한 연관성이 있을 가능성을 시사한다. 따라서 지하수위 변화와 지반함몰 간의 상관관계를 정량적으로 규명하고, 이에 기반한 체계적인 지하수 관리가 필요하다.

3.1 미국

미국에서는 플로리다주와 텍사스주의 휴스턴 지역을 포함한 여러 지역에서 지반함몰이 빈번하게 발생하고 있다. 이는 해당 지역에 카르스트 지형이 광범위하게 분포하고 있기 때문이다. 카르스트 지형은 석회암과 같이 물에 용해되기 쉬운 암석으로 구성된 지역에서, 지하수나 빗물에 의한 지속적인 용식 작용(dissolution)에 의해 형성된다. 이러한 지형적 특성으로 인해 지하에 공동이 발달하기 쉬우며, 따라서 지반함몰 발생 가능성이 상대적으로 높다.

플로리다주는 미국 내에서 지반함몰이 가장 빈번하게 발생하는 지역으로, 이에 따라 싱크홀(sinkhole)과 관련된 법률 및 보험 체계가 다수 구축되어 있다. 플로리다주에서는 지반함몰의 예측과 예방을 위해 ‘지반함몰위험지도(sinkhole risk map)’를 제작하고 있으며, 이를 통해 지반함몰의 발생 위치, 원인, 규모 등을 파악하였고, 고위험 지역을 중심으로 보다 정밀한 대응 계획을 수립하고 있으며, 인공위성 및 항공사진 등을 통해 중장기적인 측면에서 싱크홀 발생 현황을 모니터링하고 DB화 하고 있다. 또한 주민들에게 싱크홀 방지 메뉴얼과 예측 방법 등을 제공하여, 지반함몰의 위험성을 인식시키고 예방을 위한 교육 활동도 병행하고 있다(KALIS, 2015). 이와 같은 사례는 우리나라 또한 단순한 발생 원인의 분석 및 보고에 그치지 않고, 지반함몰을 사전에 예측하고 체계적으로 예방할 수 있는 관리 시스템의 구축이 필요함을 시사한다.

한편, 휴스턴 지역은 지하수의 과도한 이용으로 인해 지반함몰이 심각하게 발생한 대표적인 사례이다. 지하수의 과잉 채취는 지반함몰을 유발할 뿐만아니라, 단층 이동을 초래하여 지반 균열, 지표면 붕괴, 건출물 손상 등의 2차적인 피해를 야기하였다. 미국 내 지반함몰 발생의 약 80% 이상이 지하수 취수와 관련되어 있으며, 이에 따라 미국은 지하수 변동에 대한 관찰 및 지하수 관리에 높은 관심을 기울이고 있다. 이를 위해 각 지역에서는 지하수자원관리프로그램(Ground Water Resources Program, GWPR) 및 GPS 기반 모니터링 시스템을 설치하여, 지하수위 및 지반함몰 발생 가능성을 지속적으로 모니터링하고 있다(Kim et al., 2020). 이처럼 우리나라도 역시 지하수위를 체계적으로 관측하고, 지반함몰 위험을 사전에 예측⋅관리할 수 있는 기반 구축이 시급해 보인다.

3.2 일본

일본은 연약지반, 지하수위 변화, 지진 등의 복합적인 원인으로 지반함몰이 빈번하게 발생하는 국가 중 하나이다. 특히 고도 경제성장기에는 지하수의 과도한 채취로 인해 광역적인 지반침하 현상이 심각한 사회문제로 대두되었다. 이후에도 노후화된 지하 관로로 인한 지반함몰이 지속적으로 발생하였으며, 이에 따라 일본은 지하수와 지하관로에 대한 규제를 강화하고, 지반함몰 예방 및 탐지를 위한 다양한 제도를 도입하였다(KALIS, 2015).

도쿄의 사례에서는, 지반함몰의 주요 원인 중 하나가 하수관의 노후화로 확인되었으며, 이에 따라 1995년부터 ‘하수도관 재구축 사업’이 본격적으로 추진되었다. 그 결과, 2015년까지 약 40%의 하수관이 재구축되었고, 지반함몰 발생 건수는 약 70% 감소한 것으로 보고되었다. 이후에도 일본은 노후 하수관의 교체와 체계적인 유지관리를 통해 지반함몰 예방에 지속적인 노력을 기울이고 있다. 이는 관로 손상이 지반함몰의 주요 원인으로 작용하고 있는 우리나라에서도 시사하는 바가 크며, 노후 관로에 대한 선제적 관리 및 교체를 통해 지반함몰 예방 대책을 강화할 필요가 있다.

또한 일본은 ‘물순환기본법’을 제정하여 지하수의 보존과 지속가능한 이용을 국가 차원에서 규정하고 있다. 과거 지하수의 과잉 채취가 광범위한 지반침하를 유발한다는 사실을 인식한 이후, 일본은 지역별 적정 채수량을 고려하여 법적 기준을 설정하고, 지방자치단체를 중심으로 지하수 채취 규제, 지반함몰 방지 협정, 정밀 수준의 모니터링 등 통합적인 제도 운영을 통해 지반안전 관리를 수행하고 있다(Kwon et al., 2020). 이처럼 일본은 지반함몰 문제를 지하수 관리와 연계하여 통합적으로 접근함으로써 보다 체계적인 예방 및 관리 체계를 구축하고 있다.

반면, 우리나라는 지하수와 지반함몰 문제를 각각의 기관과 지방자치단체에서 개별적으로 다루고 있어, 통합적 분석 및 관리에 한계가 존재한다. ‘지하수법’에 따라 지하수 보존과 관리를 위한 법적 기반은 마련되어 있으나, 실제 이행 수준은 미흡한 실정이다. 따라서 우리나라 역시 지하수 관리와 지반안전 문제를 연계한 종합적인 대응체계를 구축하고, 실효성있는 법제도 운영과 조사⋅관측 역량 강화를 통해 지반함몰 예방을 위한 철저한 대책을 수립할 필요가 있다.