미니 파이프루프를 이용한 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)을 적용한 시공사례

문경선 신영완 박영만

1. 개요

도로, 철도, 지하철, 수로 및 통신구와 같은 사용 목적과 지형적인 특성을 고려하여 터널의 평면 및 종단선형이 계획되며, 터널의 입․출입 갱구부는 계획된 종단선형에 터널 갱구부의 지형, 지반 및 토피조건을 종합적으로 고려하여 안정성 확보가 용이한 위치에 형성시킨다.

터널 구간은 개착터널 및 갱문 구조물, 터널 갱구부 및 터널 일반부로 이루어지며, 전체 터널구간 중에서 터널 갱구부는 지반조건이 불량하고 터널 아칭효과를 크게 기대할 수 없기 때문에 터널의 구조적인 안정성 확보측면에서 가장 취약한 위치로 평가되어, 국내설계기준에 따르면 터널 길이방향으로 터널직경(D)의 1.0~2.0배 영역 및 1.5D 이하의 토피고(H) 영역을 터널 갱구부로 규정하여 적극적인 보강대책을 적용하여 안정성을 확보하도록 명시하고 있다.(그림1.1 참조)

특히, 기존 터널 갱구부는 대규모 깍기 비탈면 형성과 터널 접속부에 대한 되메움으로, 지진에 의한 영향을 가장 크게 받는 구조이다. 따라서, 국내설계기준에서는 터널운용 중에 작용할 수 있는 다양한 정적하중 및 지진하중 에 대하여 안정성이 확보될 수 있도록 갱구부 비탈면 안정화 대책과 적정한 구조설계를 통한 터널 갱구부 개착터널 설치 및 접속부 계획을 수립하도록 규정하고 있다.

종래의 터널 갱구부 형성기술은 안정성 및 터널 굴착을 위한 작업부지 확보를 위하여 암반(연암 및 경암) 또는 최소 풍화암 피복이 확보되는 위치에 갱구부 비탈면을 절취함으로써 형성하고, 터널 외측에 소구경 및 대구경 강관보강 그라우팅으로 보강하여 안정성을 확보하고 있다.

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<그림1.1 터널 갱구부 구조>

기존 터널 갱구부 형성기술은 지반조건이 불량하거나, 급경사 및 편경사 지형에서는 대절취 갱구부 깎기 비탈면을 형성시키데, 이를 해결할 목적으로 다량의 비탈면 보강공법(Soil Nailing 및 Earth Anchor 등) 및 절토옹벽을 적용하여 급경사 비탈면을 형성시킴으로써 시공성, 경제성, 유지관리 편의성, 경관 및 장기적인 안정성 확보측면에서 매우 불리하고 기존 주거지와 간섭되는 문제로 민원이 발생되는 경우가 다수 존재한다.(그림1.2 참조)

따라서, 고강도 미니 파이프루프(Ø165~315 mm)를 이용한 갱구부 토공작업을 최소화할 수 있는 ETPM공법을 적용할 경우, 기존 터널 갱구부 형성기술의 단점을 획기적으로 개선할 수 있다.

본 고에서는 친환경 터널 갱구부 형성공법인 ETPM공법의 기술적인 내용과 설계 및 시공사례를 소개한다.

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<그림1.2 기존 터널 갱구부 형성 기술의 문제점>

2. 미니 파이프루프를 이용한 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM, echo-environmental construction method of tunnel portal area using mini pipe-roof)

본 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)은 고강도의 미니 파이프루프(Ø165~315mm)를 이용한 터널 갱구 비탈면을 배제 또는 최소화 시키는 신개념 공법으로 기존 기술대비 다음과 같은 특징적인 장점이 있다.

1) 고강도 미니 파이프루프 보강을 통해 터널 갱구부 자연경사를 활용한 터널 갱구부 형성으로 환경훼손 최소화 및 비탈면 안정성 확보측면에서 매우 우수하다. 특히, 급경사 및 편경사 지형, 성토부 및 교량이 터널 갱구부와 접속되는 조건에서는 갱구 비탈면을 배제시키고, 터널 갱구부에 고강도 미니 파이프루프(Ø165~315mm)를 장심도(L=30.0~40.0m)로 수평하게 시공함에 따라 연속적인 터널 굴착 및 보강이 가능하게 되어 지형 친화적이고 시공성 및 경제성을 크게 향상시킬 수 있다.

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<그림2.1 지형조건을 고려한 터널 갱구부 형성>

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<그림2.2 터널 갱구부 미니 파이프루프 보강개요>

2) 국내 설계기준을 만족하는 갱구부 설계 및 시공이 가능하다. 국내 터널설계 기준에는 NATM 터널구간과 개착터널로(갱문포함) 구분하여 각각 이완하중과 되메움 토피하중 및 지진하중이 작용하는 조건에서 적정한 라이닝 두께 및 철근량이 보강되도록 제시되어 있는데, 기존 유사기술은 NATM구간 콘크리트 라이닝을 연장하는 형태로 설계기준을 만족하지 못하는 단점이 존재하는 반면에 본 기술은 NATM 터널구간(T=300mm)과 개착터널(갱문 포함, T=500mm이상)을 지형 및 시공여건에 맞도록 형성시킬 수 있다.

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<그림2.3 터널 갱구부 라이닝 구조물 접속 개요>

3) 일반적으로 지반조건이 불량한 터널 갱구부의 보강개념은 기존 대구경 강관(Ø114) 2열 보강 강성 대비 약 2.0~9.0배 큰 초대구경 강관(미니 파이프루프, Ø165~315mm)을 수평방향으로 L=30.0~40.0m 보강 후, 갱구부 터널의 단계적인 굴착과 고강도 H형 강지보를 초대구경 강관에 직각방향으로 신속히 설치하여 안정성을 확보하는 것이다. 기존 선행 기술에도 이와 동일한 개념의 터널 갱구부 토공을 최소화하는 기술이 <표2.1>과 같이 제안되었으나, 터널 갱구부의 협소한 시공여건, 공사장비 적용성 및 시공방법 등에 대한 실질적인 제한성에 의하여 실제 상용기술로 발시키는데 어려움을 격고 있다.

이에 반하여, 본 기술은 협소한 터널 갱구부 시공현황과 국내 터널현장에서 일반적으로 사용되는 공사장비를 운용하는 현실적인 보강공법이다.

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<그림2.4 미니 파이프루프(초대구경 강관) 강지보 보강 개요도>

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<그림2.5 대구경 및 초대구경 강관 강성비교>

4) 본 기술은 터널 공사 중 갱구부의 안정성 확보 및 발파소음을 최소화하기 위하여 설치되는 공사용 갱문에 갱문 강지보 체결 시스템을 장착시켜, 개착터널 및 갱문 타설 후 지형외측 돌출부를 철거하여 갱구부 지형에 순응한 갱문 구조물이 형성 될 수 있도록 하였다. 기존 갱구부의 안정화된 자연비탈면의 상태를 유지하여 산림훼손을 최소화하고 인공 구조물의 노출면적을 최소화하여 친환경적인 동시에 갱구부 비탈면의 항구적인 안정성을 확보할 수 있다.

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<그림2.6 공사용 갱문 강지보 체결 시스템>

<표2.1 기존 터널 갱구부 토공 최소화 제안기술 보강개념 및 현장 적용성 분석>

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<표2.2 터널 갱구부 ETPM공법 시공계획>

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3. ETPM공법을 이용한 친환경 터널 갱구부 설계 및 시공사례

본 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)은 기술개발 후, 터널 시·종점 갱구부의 지형 및 지반조건이 상이하고 갱구부 주변에 기존 주거지 및 중앙선 운행선이 근접 분포하여 터널 갱구부에 대규모 절토옹벽이 계획되었으며, 시공환경이 매우 불량한 중앙선「도담~영천 복선전철 제3공구 노반신설 기타공사」소재의 영주터널 갱구부에 ETPM공법을 적용하여 갱구부 시공성 개선, 공사비 절감, 환경훼손 및 공사중 민원을 최소화 하였다.

3.1 당초 터널 갱구부 계획 현황

영주터널은 전체연장(L)이 103.0m인 복선철도 터널로, 11.3m 좌측에 기존 중앙선 운행 중인 영암터널이 존재하며, 터널 시․종점 갱구부에 근접하여 주거지가 분포한다.

당초설계에서는 급경사 지형의 터널 시점 갱구부에 비탈면 표준경사를 적용할 경우 무한 비탈면이 형성됨에 따라, 절토옹벽 5~8단을 적용하여 이를 보완하였다. 또한, 터널 종점 갱구부는 불량한 지반조건과 근접된 주거지 현황을 고려하여 과도한 갱구 비탈면 절취 최소화를 위하여 절토옹벽 1~9단을 적용하도록 계획하였다.

당초설계 및 시공전 확인 지반조사 결과를 종합적으로 분석한 결과, 터널 시점부는 급경사 지형에 토사 및 풍화암 심도가 얕고 연암(화강암)이 부분적으로 노출되어 있으며, 종점부는 상대적으로 완만한 지형경사를 나타내고 토사 및 풍화암의 분포심도가 깊고 풍화암 하부에 암반의 공학적인 강도특성이 매우 불량한 열수 변질대가 분포하는 것으로 파악되었다.

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<그림3.1 영주터널 갱구부 현황>

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<그림3.2 영주터널 지반조건 현황>

3.2 당초 터널 갱구부 계획의 문제점

(1) 터널 시점 갱구부

터널 시점 갱구부는 지상부 주거지의 협소한 도로사정(B=2.0m미만)에 의한 공사차량 운행이 불가한 상태로 갱구부 전면부 토공작업이 이뤄져야 하나, 급경사 지형(θ=45°), 기존 영암터널 근접현황 및 터널 계획고 까지의 높은 표고 차이로 갱구부 토공 및 절토옹벽(5~8단) 시공을 위하여 별도의 작업로 성토 및 가시설이 필요한 상황이었다. 이로 인한 추가적인 부지확보, 공사비 증가 및 공사차량 안전사고의 위험성이 커서 보완대책이 요구되었다.

(2) 터널 종점 갱구부

터널 종점 갱구부는 좌측 지상부의 주거지 및 우측에 존재하는 기존 영암터널 근접현황과 불량한 지반조건을 고려하여 절토옹벽(1~9단)으로 계획하였으나, 갱구부의 협소한 작업환경 갱구부 굴착에 의한 기존 노후 영암터널의 안정성 저하 및 지반 침하영향권 내의 주거지의 공사중 민원이 극심할 것으로 파악됨에 따라, 이를 보완할 수 있는 갱구부 굴착 및 보강대책이 요구되었다.

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<그림3.3 영주터널 시점부 당초설계 문제점>

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<그림3.4 영주터널 종점부 당초설계 문제점>

3.3 ETPM공법 적용계획

당초 영주터널 시·종점 갱구부 계획이 현실적으로 시공이 곤란한 것으로 파악됨에 따라, 이를 해결하기 위하여 터널 갱구부의 토공을 배제하여 환경훼손 및 주변 보안물건과의 간섭을 최소화 할 수 있는 ETPM공법을 적용하였다.

(1) 터널 시점 갱구부 보강

터널 시점 갱구부는 토사 및 풍화암층이 얕고 부분적인 노두가 확인되는 비교적 양호한 갱구부 시공조건을 고려하여 터널면적에 대한 벌개제근을 수행한 상태에서 다음과 같은 보강대책을 적용하였다.

∙ 보강공법 : 미니 파이프루프(초대구경 강관, Ø165mm)

θ=180°, L=11.0~14.0m, 횡0.5m

∙ 지보패턴 : PD-7 및 PD-6

(2) 터널 종점 갱구부 보강

터널 종점 갱구부는 공학적인 강도특성이 매우 불량한 토사, 풍화암 및 열수 변질대가 깊게 분포하므로, 기존 영암터널 안정성과 주거지 침하방지를 위하여 다음과 같은 고강성의 보강대책을 적용하였다.

∙ 보강공법 : 미니 파이프루프(초대구경 강관, Ø216mm)

θ=180°, L=34.0~37.0m, 횡0.5m

∙ 지보패턴 : PD-7, PD-6A 및 PD-6B

또한, 미니 파이프루프(초대구경 강관)는 수평방향으로 장심도 천공하므로, 지층분포조건을 고려한 천공속도, 천공 직진성 확인 및 관리방안(Δε=1.0%) 을 수립하여 정밀한 미니 파이프루프 시공이 가능하도록 계획하였다.

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<그림3.5 영주터널 시․종점 갱구부 ETPM공법 적용현황>

<표3.1 영주터널 시·종점 갱구부 보강 및 지보패턴 적용계획>

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(3) 공사용 갱문 강지보 체결 시스템

본 ETPM공법의 공사용 갱문 강지보 체결 시스템을 터널 시·종점 갱구부 지형경사에 따라 계획하여 터널 굴착 중 공사용 갱문으로 사용 후, 내측에 개착터널 및 갱문을 시공하여 지형에 순응한 터널 갱구부 구조물이 되도록 계획하였다.

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<그림3.6 영주터널 시·종점 공사용 갱문 강지보 체결 시스템 적용계획>

(4) ETPM공법 안정성 검토

터널 갱구부에 ETPM공법을 적용한 조건에 대하여 비탈면, 터널, 기존 중앙선 운행터널 및 주거지, 내진성능에 대하여 중점적으로 검토를 수행한 결과, 현재 자립하는 자연비탈면의 안정성을 최대한 활용함에 따라, 갱구부 터널굴착에 의한 갱구비탈면 및 기존 중앙선 영암터널과 주거지의 안정성이 확보되는 것으로 검토되었다.

또한, 강도특성이 매우 큰 ETPM공법 보강 시스템에 의한 단계적인 터널 굴착 및 보강으로 갱구부 터널 안정성도 확보되며, 특히, 국내 지진발생 빈도 및 규모가 증대되는 현시점에 인공적인 갱구부 형성을 최소화함에 따라, 터널 갱구부 토공을 발생시키는 기존 시공방법 대비 내진성능 확보에 유리한 것으로 검토되었다.

❶ 터널 갱구부 비탈면 안정성 검토

본 ETPM공법이 적용되는 현황을 고려한 터널 갱구부에 대하여 한계평형해석(Talren97)을 수행한 결과, 터널 시·종점 갱구부 비탈면은 모두 허용 안전율(F.S)을 상회하는 것으로 검토되어 안정한 것으로 검토되었다.

실제, 터널 갱구부 굴착에 의한 지반이완으로 지반의 강도특성이 저하되는 상황을 고려할 때, 터널 갱구부 비탈면 안정성 확보측면에서 자연비탈면을 유지할 수 있는 ETPM공법의 적용이 매우 유리할 것이다.

<표3.2 터널 시·종점 갱구부 비탈면 안정성 검토결과>

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※ 허용 안전율 : 건기시 1.5, 우기시 1.2, 지진시 1.1

❷ 영주터널 안정성 검토

ETPM공법 적용 시 본 영주터널 및 기존 영암터널의 안정성 검토을 평가하기 위하여 지반조건 및 터널 시공단계를 모사한 3차원 연속체 수치해석(Midas GTS NX 3D)을 수행하였다.

수치해석 결과, ETPM 지보시스템(미니 파이프루프+고강도 H강지보)의 지보효과에 의하여 신설 영주터널 시·종점 갱구부의 천단침하 및 내공변위는 미소하며, 지보재의 부재력은 허용값을 만족하는 것으로 검토되었다.

<표3.3 시․종점 갱구부 터널 안정성 검토결과>

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또한, 정밀 안전진단에서 확인된 기존 영암터널(중앙선 운행터널) 콘크리트 라이닝의 평균 유효두께는 390mm이고 강도는 21.69MPa인 것으로 검토되었다.

따라서, 영암터널 콘크리트 라이닝의 안전측 검토를 위하여 단면두께는 350mm, 강도는20MPa 조건을 수치해석에 반영하였다.

<표3.4 기존 영암터널 안정성 검토결과>

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❸ 내진 안정성검토

일반적으로 지진발생 시 지반과 병행거동으로 터널의 안정성 변화는 거의 없는 것으로 알려져 있으나, 터널 갱구부는 본선구간대비 지반조건이 불량하고, 지반과 병행거동을 나타내지 않는 지형 및 구조적인 특성을 나타낸다.

따라서, 지반조건이 상대적으로 불량한 터널종점 갱구부를 지형, 지반 및 터널조건을 모사하여 3차원 연속체 내진해석을 수행하였다. 내진해석 결과, 갱구부(PD-7패턴) 변위는 터널 주변지반에 순응하는 수준(최대 천단침하 7.04mm, 수평변위 13.70mm)이며, 콘크리트 라이닝 단면(T=600mm) 및 보강 철근량으로 충분한 내진성능을 확보하는 것으로 검토되었다.

<표3.5 영주터널 콘크리트 라이닝 보강철근, PD-7>

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<표3.5 영주터널 내진해석 결과, PD-7>

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<표3.5 영주터널 내진해석 결과, PD-7 계속>

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대규모 지진에 의한 터널 갱구부 붕괴는 과다한 터널 변형에 의한 갱구부 비탈면 파괴보다는 지진에 의한 갱구부 지반강도 저하 및 지진하중이 동시에 갱구 비탈면에 작용하여 붕괴가 발생하는 경향이 지배적이다.

따라서, 본 ETPM공법은 갱구부 비탈면을 배제 또는 최소화하므로, 오랜기간 안정화된 자연비탈면의 안정성을 활용한다는 점에서 기존 토공을 발생시키는 갱구부 시공방법 대비 내진성능이 우수한 구조적인 장점이 존재하는 것으로 평가할 수 있다.

3.4 ETPM공법 터널 갱구부 시공현황

(1) 터널 시공현황

2017년 06월 현재, 현장의 시공계획에 따라 터널 시점에서 종점측으로 약 L=80.0m(잔여:33.0m)를 굴착하였다.

터널 시점부는 미니 파이프루프(초대구경 강관 Ø165 mm)를 시공한 후 단계적인 터널굴착을 수행하고 있으며, 종점부는 미니 파이프루프(초대구경 강관 Ø216 mm) 시공을 완료하여 터널 굴착을 하기 위한 준비작업을 진행중인 상태이다.

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<그림3.7 터널 시점 갱구부 ETPM공법 시공현황>

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<그림3.8 터널 종점 갱구부 ETPM공법 시공현황>

(2) 터널 계측자료 분석을 통한 굴착 안정성 검토

본 ETPM공법이 시공된 터널 갱구부의 계측자료를 분석하여 터널 굴착 중 안정성과 공법의 적정성을 평가하였다. 터널 종점부는 미니 파이프루프 시공 후 터널 굴착이 진행되지 않은 상태로, 터널 시점부의 계측자료를 분석하였다.

터널 시점 갱구부의 최대 천단침하 및 내공변위는 각각 6.0mm 및 7.0mm로 1차 관리기준(16.0mm)의 44% 수준이고, 최대 숏크리트 및 강지보 응력은 2.18MPa(<8.4MPa) 및 16.81MPa(<210MPa)로 허용값을 모두 만족하는 것으로 확인되었다.

따라서, ETPM공법을 적용한 친환경적인 갱구부 형성공법은 고강도 미니 파이프루프와 지보패턴 적용계획에 의하여 갱구부 터널의 구조적인 안정성이 확보되는 것으로 확인되었다. 아울러 기존 갱구부의 자연비탈면에 인위적인 토공작업을 최소화함에 따라, 갱구부 비탈면 안정성 확보측면에는 기존 갱구부 형성공법 대비 유리한 것으로 판단된다.

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<그림3.9 터널 시점 갱구부 계측자료 분석결과>

4.0 결언 및 제언

본 미니 파이프루프를 이용한 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM, echo-environmental construction method of tunnel portal area using mini pipe-roof)은 강성이 큰 미니 파이프루프(초대구경 강관Ø165~315mm)로 갱구부 절취면적을 배제 또는 최소화할 수 있는 공법으로 다음과 같은 장점을 갖는다.

첫째, 터널 갱구부 절취면적 배제 또는 최소화로 친환적인 터널 갱구부 형성이 가능하다. 특히, 다양한 지형 및 지반조건에 적용이 가능하며, 터널 완공 후 갱구부 자연비탈면에 순응하고 터널 갱구부 계획목적에 따라 다양한 형식의 갱문 및 개착터널 설치가 가능하다.

둘째, 본 ETPM공법은 국내 터널 설계기준에서 제시된 갱구부 관련 기준을 모두 만족시키는 상황에서 안정성이 확보되는 설계 및 시공이 가능하다.

셋째, 터널 갱구부의 토공작업 및 비탈면 보강을 배제하고 자연비탈면에 터널 형상의 영역만 벌개제근하므로, 시공공정이 단순하고 공사기간 및 공사비 절감효과를 기대할 수 있다.

넷째, 일반적으로 터널 갱구부는 토사 및 풍화암층이 깊고 지반강도특성이 불량하므로, 갱구 비탈면 및 터널의 구조적 안정성 확보가 곤란하다. 본 ETPM공법은 갱구 비탈면 굴착 최소화를 통한 갱구부 지반이완을 방지하여 터널 갱구부의 영구사면 안정성 및 내진성능 확보측면에서 유리하다.

다섯째, ETPM공법 시공은 일반적인 터널 시공장비를 적용하고 장비조합이 단순하여 협소한 갱구부 시공환경에 적합하며, 미니 파이프루프(초대구경 강관)가 설치된 구간은 터널 굴착 및 기본 터널지보재(숏크리트, 록볼트, 강지보) 설치만 이뤄지므로, 대구경 강관 중첩보강하는 일반적인 갱구부 보강공법 대비 시공성이 우수하다.

본 ETPM공법은 공법 개발 및 특허출원 후, 공법의 효과를 검증하기 위하여 철도터널 현장에 적용하여 시공이 진행중인 상태로, ETPM공법을 적용함으로써 당초설계 갱구부 계획의 문제점을 해결하는 동시에 시공성, 공사기간 단축 및 경제성 측면에서 큰 효과가 있는 것으로 확인되었다.

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문경선
하경엔지니어링

상무

(mks-good@nate.com)

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신영완
하경엔지니어링

사장

(geoeng@daum.net)

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박영만
대림건설

현장대리인

(ym5055@daelim.co.kr)

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