도쿄외곽순환도로는 도심에서 약 16km를 환상으로 연락하는 전체 길이 약 85km의 고규격 간선도로이다. [그림 2]에서 보는 바와 같이 도쿄외곽순환도로는 수도권에서의 고속도로 계획 3순환 9방사 중 하나이며, 수도고속중앙순환선, 수도권중앙연락자동차도와 합쳐 수도권 3순환도로로 총칭되는 도교 도심외곽의 환상도로(Tokyo Ring Road)이다.

지반 함몰 및 공동사고가 발생한 현장은 도쿄외곽도로중 본선터널(남행)공사중 도메이 수직구에서 발진해 이노카시라 거리까지 남행터널을 구축하는 공사구간으로 [그림 3]에서 보는 바와 같이 3개의 JCT와 3개의 출입구로 구성되어 있다. 또한 지하도로구간은 [그림 4]에서 보는 지하 40m 이하의 대심도 터널로 계획하였으며, 일본 최대 직경 16.1m의 대단면 쉴드 TBM이 적용되었다. 

2020년 10월 18일에 본선 쉴드(남행) 공사장인 쉴드 터널 직상 지표부에서 5m×3m 정도, 지중부에서 6m×5m 정도, 깊이는 약 5m 정도로 추정되는 지표면 함몰이 발생했다. 또, 그 후의 함몰 장소 주변의 조사에서  11월 3일에 공동①(지표면으로부터 공동깊이 약 5m, 폭 약4m×길이 약 30m, 두께 약 3m), 11월 21일에 공동②(지표면으로부터 깊이 약 4m, 폭 약 3m×길이 약 27m, 두께 약 4m 정도), 2021년 1월 14일에 공동③(지표면으로부터 깊이 약 16m, 폭 약 4m×길이 약 10m, 두께 약 4m 정도)이 확인되었다. 이들 함몰 발생이나 공동 발견에 대한 상세한 상황이 [그림 5]에 나타나 있다.

함몰 부위는 발생한 10월 18일 당일 모래 140m³로 되매움이 진행되었으며 다음날 10월 19일 완료되었다. 또한 공동①에 대해서는 11월 7일부터 유동화 처리토 및 고유동재료(600m³)로 충진이 진행되어 11월 24일에 완료되었으며, 공동②에 대해서는 11월 23일부터 유동화 처리토 및 고유동 재료로 충진(200m³)이 이루어져 12월 3일에 완료되었고, 공동③에 대해서는 1월 18일부터 고유동 재료로 충진(90m³)이 이루어져 1월 22일에 완료되었다. [그림 6]은 지반함몰구간에 시행된 응급복구 장면이다.

[그림 7]에서 보는 바와 같이 주택지를 통과하는 도로가 폭3m, 길이1.5m, 깊이5m에 걸쳐서 함몰된 것은 2020년 10월 18일이다. 함몰크기는 폭6m, 길이 5m로 확대돼 일부는 주택지아래까지 달했다. 함몰지점 47m아래에 있는 대심도 지하에서는 도쿄외곽순환도로의 남행 본선터널공사가 진행돼 있었다. 동일본고속도로회사가 발주하고 가지마·마에다건설공업·미쯔이스미토모건설·텟겐건설·세이부건설JV가 시공을 맡고 있다. 함몰의 약 1개월전 국내최대인 외경 16.1m인 슬러리 쉴드TBM이 남쪽에서 북쪽으로 통과한 직후였다. 함몰이 생긴 시점에서 쉴드 TBM은 현장에서 북쪽으로 132m정도 전진하고 있었다.

도로에 발생한 함몰규모는 140m³정도로, 다음날 새벽까지 모래로 되메우기 하여 응급복구했다. 사고 후 주변지역에서 시추조사 등을 실시하여 함몰지점의 남복 2개소에서 토피 5m정도의 깊이에서 길이 27~30m, 폭3~4m, 높이3~4m정도의 길쭉한 공동이 있는 것을 2020년 11월에 발견했다. 북쪽에서 발견된 공동의 규모는 약600m³, 남쪽의 공동은 약200m³로 모두 쉴드 TBM이 굴진한 거의 직상에 위치하고 있다. 공동은 유동화처리토 등으로 되메우기 했으며, 함몰사고 후에 정지하고 있던 쉴드머신 근처에서 2021년 1월 14일 3번째 새로운 공동도 발견되었다.

함몰이나 공동이 발견된 지점은 주택지 근처로 1개월 전에 남행 본선터널의 쉴드 TBM이 통과한 데의 거의 직상에 위치한다. 북행 본선터널의 쉴드 TBM은 아직 통과하지 않았다. 

주변 지반은 지표면에서 깊이 5m정도까지 롬층이 주체가 된 성토로 되어 있다. 함몰지점의 바로 동쪽에는 하천이 북쪽에서 남쪽으로 흐르고 있다. [그림 8]에서 보는 바와 같이 1947년의 항공사진에 이번 함몰이나 공동이 발견된 지점을 겹쳐 보면, 하천주변에는 논이 펼쳐져 있었다. 국토지리원의 색별표고도에 이번 함몰이나 공동이 발견된 지점을 겹쳐 보면 함몰지점은 단구면 주변의 완사면에서의 소규모 집수역의 최하류부에 해당한다. 

사고이후 조사로 2개의 변상이 밝혀졌다. 하나는 터널 최상부에서 함몰장소나 공동장소까지 종방향으로 굴뚝모양의 길쭉한 이완영역이 발견된 것이다. 함몰지점에서 깊이 46m를 초과하는 시추조사를 실시한 결과, 지반의 N치는 3~22에 그쳤다. 공동이 발견된 2개 지점에서도 비슷한 경향이 보였다. 또한 이러한 이완영역은 터널의 최상부에서 위쪽으로 향해 발생한 것도 밝혀졌다. 공동이 생기지 않은 지점에서 실시한 시추조사의 결과는 터널 상부에서 상방향 약22m의 범위에만 이완영역이 발견되었다. 

한편 터널 직상부 이외의 지반에는 이완영역은 보이지 않았다. [그림 11]에 나타난 함몰지점의 터널 횡단면도를 보면 터널에서 동쪽이나 서쪽으로 10m~20m정도 떨어진 지점에서 실시한 시추조사에서는 사력층의 N치는 대체로 50이상 이였다. 터널에서 동쪽으로 떨어진「Bor 6」이나 서쪽으로 떨어진「Bor 7」의 N치는 대체로 50이상 이였다. 

사고후 조사에서 발견된 또 하나의 변상은 함몰이나 공동이 생긴 지점에서 단단한 사력층의 상부면이 국소적으로 함락하고 있던 것이다. 함몰지점에서 실시한 시추조사 등으로 사력층의 상부면이 최대 6.2m함락하고 있는 것이 밝혀졌다. 

이러한 지반조사 결과 등으로부터 지하공동이 세월을 거쳐 형성되어 종전부터 있었던 가능성은 매우적고,  지반함몰이나 공동이 생긴 지점의 하부가 터널방향으로 국소적으로 빨려 들어가고 있는 현상을 확인할 수 있었다. 결론적으로 쉴드 TBM 터널시공이 함몰장소를 포함한 공동발생 요인일 가능성이 높은 것으로 판단되었다.

함몰지점 부근의 지표면 경사각은 쉴드 TBM이 통과한 것을 경계로 증가하고 있었다. [그림 12]에서 보는 바와 같이 쉴드 TBM 통과 전에서 0.0001라디안 정도였던 반면에 쉴드 TBM이 직하를 통과한 이후에 증가하여 0.0006라디안 정도로 되어 있었다. 함몰지점 부근의 지표면 침하량은 쉴드 TBM 통과전과 통과후의 비교로 최대 19mm가 발생하였다. 

본 터널공사의 이토압식 쉴드머신은 발진용 수직갱에서 북쪽으로 굴착해 중앙자동차도를 지나 약 9.2km를 굴진한다. 쉴드머신이 사력층 굴진을 시작한 것은 2020년 3월로 발진용 수직갱부터 폭 1.6m의 세그먼트 1870번 링을 조립한 지점이다. 월 200m정도의 굴진속도로 굴진해 함몰지점 직하인 2766번 링은 2020년 9월14에 시공했다.

[그림 13]에는 쉴드머신의 굴진데이터를 나타낸 것이다. 그림에 나타난 바와 같이 2587번 링 이후 커터토크의 변동폭이 심해짐을 볼 수 있다. 배토량은 폭1.6m의 1링마다 환산했다.

상세 지질조사조사를 통해 함몰·공동개소 주변지반은 굴착단면 상부의 단일 모래층은 굴뚝 모양으로 변상이 전달되기 쉽고 진동이 전달되기 쉬운 층임을 확인했다. [그림 21]에서 보는 바와 같이 굴착단면은 세립분이 적고 균등계수가 작기 때문에 자립성이 부족하며 자갈층이 많이 포함되어 있어 쉴드 TBM터널 시공에 있어서 굴착토의 소성유동성 확보에 유의해야 하는 지반이며, 굴착단면 상부는 단일 모래층인 유동화가 쉬운 층이 지표면 근처까지 연속되어 있으며, 표층부는 다른 구간과 비교하여 얇은 지반으로 평가되었다. 

함몰·공동 발생 요인과 메커니즘을 검토하였다. 이를 정리하여 [표 1]에 나타내었다. 표에서 보는 바와 같이 굴착전 표층지반의 상황과 쉴드 TBM 시공의 영향으로 구분하였다.

지하 매설물이나 지하수에 의한 영향으로 공동이 미리 있었을 가능성은 낮다. 또한 함몰·공동개소의 하부가 터널 방향으로 국소적으로 인입되어 있는 현상이 조사에 의해 확인되었으며, 특수한 지반 조건하에서 커터가 회전 불능이 되는 폐색을 해제하기 위해 실시한 특별한 작업에 기인하는 쉴드 터널 시공이 함몰·공동사고의 요인으로 추정된다. 또한 함몰·공동 형성의 요인이 된 메커니즘에 대해서는 [표 2]와 같이 추정된다.

본 현장의 이토압식 쉴드는 야간정지 중에 커터를 회전 못해 복구작업이 필요하게 되었다. 복구작업의 과정에서 원지반의 토사를 과잉하게 걷어들이고 있었다. 시공사는 그 이상상황을 찾을 수 없었던 것일까. 만일 과잉하게 걷어 들이고 있던 것이 분명했더라면 어떻게 든 대응책을 강구하고 있었을 것이다. 사공상 어려운 조건이 겹쳤던 것은 사실이다. 

쉴드터널 시공에 있어서 쉴드머신이 걷어 들인 토사의 체적인 배토량 관리는 매우 중요하다. 터널 굴착단면체적보다 배토량이 많으면 쉴드머신이 토사를 과잉하게 굴착한 가능성이 높아 원지반의 이완이나 지표의 함몰 등에 직결하기 쉽기 때문이다. 

하지만 배토량 산정은 쉽지 않다. 쉴드머신으로 굴착하기 전의 원지반과 커터로 굴착한 토사는 상태가 크게 다르기 때문이다. 무엇을 계측하여 어떻게 보정하는가? 정확한 배토량을 추정하기 위한 기법은 상당한 노하우가 필요한 과정이다.  

시공사는 배토량을 아래와 같은 방법으로 계산했다. 우선 사전에 실시한 시추조사 결과를 토대로 원지반에 단위체적중량을 정한다. 쉴드머신이 사력층의 굴착을 시작한 직후의 1870번 링부터 2400번 링까지는 1m³당 2t으로 설정. 2401번 링에서 2620번 링까지는 2t에서 2.22t으로 서서히 늘려 2621번 링 이후는 함몰지점 직하2766번 링을 포함해 2.22t으로 정했다. 그 다음에 실제 굴착토의 중량을 계측한다. 계측에는 쉴드머신에서 발진 수직갱까지 굴착토를 반출하는 벨트컨베이어에 설치한「Belt Scale」을 사용했다. 질량을 단위체적중량으로 나누면 배토량의 체적을 알 수 있는 장치이다. 

시공사는 이렇게 계산한 배토량의 체적을 폭1.6m인 링 1개마다 관리하고 있었다. 직전의 20링분 굴진실적의 평균치를 바탕으로 터널 굴착단면체적의 ±10％을 1차 관리치, ±20％을 2차 관리치로 규정하고, 계산한 배토량이 관리치를 초과하지 않도록 확인하면서 굴진했다. 하지만 그 배토량 관리에는 3개의 문제점이 있었다. 

첫 번째 문제점은 사전 시추조사에 의거한 원지반의 단위체적중량과 실제로 굴착한 지반의 단위체적중량이 상이한 경우이다. 사고 후 조사결과나 분석내용을 정리해보면 단위체적중량을 1m³당 2.22t으로 설정한 구간에 있어서 실제 배토를 다져서 계측한 단위체적중량은 2.06t였다. 실제 지반의 단위체적중량이 2.22t보다 작으면 배토량의 정확한 체적은 계산치보다 컸을 가능성이 있다.

두 번째 문제점은 쉴드머신의 커터 배면에 있는 챔버내에 주입한 기포용액의 행방이다. 시공사는 기포용액 전량이 굴착토와 함께 챔버내에서 회수된다고 상정해서 Belt Scale로 계측한 중량에서 기포용액 전량을 제해서 굴착토의 중량으로 정하고 있었다. 그러나 기포용액의 일부는 원지반에 유실하고 있었던 가능성이 있다. 이 경우 정확한 굴착토의 중량이나 배토량의 체적은 계산치 보다 커진다.

세 번째 문제점은 굴진을 계속할 것인가 여부를 판단하는 배토량의 관리치를 터널 굴착단면체적의 ±10％으로 설정한 것이다. 본 터널공사에서는 일본 최대인 외경 16.1m의 쉴드머신을 채택했다. 1링당 터널 굴착단면체적은 약 320m³ 으로 10％라도 32m³에 달한다.

2020년 11월 3일에 발견된 공동의 길이는 터널의 약 20링분에 상당한다. 20링간을 굴진하는 터널굴착단면체적의 10％는 640m³임으로 공동의 용적인 약 600m³를 상회한다. 만약에 쉴드머신이 20링에 걸쳐서 공동의 용적에 해당하는 토사를 과잉하게 걷어 들이고 있었다고 해도 배토량은 관리치내에 들어간다. 

이번 공사에서는 스케일 디메리트를 고려하지 않았다는 점이다. 쉴드머신의 외경이 큰 만큼 관리치의 폭을 좁혀 놓았으면 이상을 눈치 챌 가능성이 있었다. 향후 배토량의 추정방법과 관리치의 폭을 어떻게 설정할 것인지 고민해야 한다.

터널공사에서는 종래 배토량을 ±10％의 범위로 관리하고 있으면 문제가 없어 경험칙으로 해왔지만, 앞으로는 굴진데이터 등을 세밀하게 분석하여 배토량을 정밀도를 높여서 추정하거나 쉴드머신의 외경에 따라 관리치의 폭을 좁히는 등 대책을 검토하여야만 한다. 

사전 시추조사에도 과제가 떠올랐다. 주변은 주택지이므로 터널 통과지점을 저스트 포인트로 조사하지 못했다. 도시지역의 일반적인 터널은 도로 등 공공용지 아래를 통과하기 때문에 시추조사를 실시하는 지점을 비교적 자유롭게 선택할 수 있다. 한편 깊이 40m 이하의 대심도 지하를 굴진하는 터널은 지상의 소유권자에 대한 용지협상이나 보상이 불필요하다. 주택지 등의 아래에 터널을 통과시키기 쉬운 반면, 사전 시추조사를 할 수 있는 지점은 한정된다.

쉴드머신이 토피 47m인 대심도 지하에서 토사를 과잉하게 걷어들인 메커니즘이 밝혀졌지만, 반면에 해명되지 않는 현상이 있다. 쉴드머신이 토사를 과잉하게 걷어 들임으로 포화된 단일모래층인 사력층의 원지반에 이완영역이 발생하고 이완영역은 그 후 사력층 위쪽으로 굴뚝형태로 확대해 갔다고 보인다. 원지반은 모래층이기 때문에 이완영역은 단시간내에 진전될 가능성이 높다.

함몰이 생긴 지점이나 공동이 생긴 지점에서 N치의 저하가 보인다. 공동 등이 발견되지 않았던 남쪽에서도 터널상부에서 위쪽 방향 약 22m의 범위에 이완영역이 퍼지고 있었다. 

쉴드머신이 함몰지점 직하를 굴진한 것은 2020년 9월 14일이다. 함몰은 약1달 후인 10월 18일에 일어났다. 사고 후 조사로 잇따라 발견된 공동을 포함해 함몰이나 공동은 지표에 가까운 롬층에서 사력층에 걸쳐 생겼다. 지하수위는 사력층 상면 부근에 있었다.

쉴드머신이 통과하는 약 2개월 전에 촬영한 함몰지점의 사진을 검증했다. [그림 22]에 나타난 바와 같이 함몰하기 직전에 촬영한 사진과 비교한 결과, 약2개월 전 시점에서 이미 지표침하가 생겼을 가능성이 있다. 

또한 함몰지점은 1981년에 부설한 직경 25cm의 하수도관이 통과하고 있었으며, 직경 10 cm의 파손된 하수배관도 있었다. 도심지에서 도로가 함몰하고나 공동이 발견되는 경우, 지중에 매설한 하수도관이 원인이 되는 경우가 많다. 관에 생긴 균열이나 접속부의 틈으로 토사가 빨려나거나 관에서 하수가 누출해 토사가 유출하거나 하기 때문이다. 그러나 본 사고는 하수도관이 함몰이나 공동의 원인일 가능성은 낮다고 보고 있다. 함몰된 구멍이나 사고 후 조사로 발견된 공동내의 지하수를 조사한 결과, 하수 성분은 검출되지 않았기 때문이다. 

다음은 지하수에 의한 침식이다. 함몰한 구멍의 내벽을 보면 위 반절은 거친 반면에 아래 반절은 결이 미세하고 매끄럽게 되어 있었다. 물로 씻겨나간 결과로 단면이 매끄럽게 된 가능성이 높다. 함몰지점의 남복에서 각각 발견된 공동 내부에도 세립분이 부착하지 않고 물로 씻겨나간 면이 있었다. 함몰지점의 주변은 완만한 집수지형으로 되어 있다. 강우시에는 지하수의 유속이 민감하게 변화하고 있는 것으로 밝혀졌으며, 강우시는 청천시보다 유속이 증가하고 있었다. 지하수 흐름에 의해 이미 공동이 생겨나 있던 가능성은 있으며 반대로 공동이 생겼기 때문에 지하수가 흘렸을 수도 있다.

사고 발생 직후부터 즉시 전문가 위원회를 구성해 사고 원인을 파악한 결과 쉴드 터널 시공에 문제가 있었던 것으로 확인되었다. 지반함몰 및 공동구간을 포함한 느슨해진 지반을 보수하기 위해 지반의 보수범위와 지반보수공사의 시공방법 등을 검토하였다. 또한 주택 점검조사를 실시하여 보수 공사를 실시하는 등, 필요한 보상·보수의 대응을 강구하였다.

지반보강공사는 주변 생활환경에 미치는 영향이 작은 고압분사 교반공법을 기본으로 진행하였다. 본 공법은 지반내에 공기와 고화재료(시멘트 슬러리)를 고압으로 분사시키고 흙과 혼합 교반하여 원기둥 모양의 개량체를 조성하는 공법으로 정치식 시공 설비가 필요하며, 대형 중장비를 이용하지 않고 땅속에서 고압분사에 의한 개량을 실시하기 때문에 중장비에 의한 진동이 작은 공법이다. 시공 과정은 [그림 23]에 나타내었다.

공동①, ②, ③개소는 시추조사에서 지표면에 경질 롬층의 존재가 확인되었으며, 공동 상황·크기로 인해 즉시 지표면에 변상을 미치는 것이 아니라 긴급한 대응은 필요 없지만 공동 조기 충진을 실시하여 항구적인 대응으로 유동화 처리토 등을 이용한 충진을 완료하였다. 장기적인 지반의 안정 확보를 위해 이번 사상에서 발생한 지반의 이완에 대한 보수를 실시해 나갈 필요가 있으며, 확인된 조사 결과 시공 데이터의 결과 및 함몰·공동의 추정 메커니즘에 근거해, 지반의 이완이 발생하고 있다고 추정되는 범위는 다음 중 하나에 해당한다. [그림 24]는 함몰과 붕락구간 주변의 지반보강범위를 나타낸 것이다.  

     (1) 폐색해제를 위해 특별한 작업을 실시한 범위

     (2) 시추 조사에 의해 N값의 저하가 확인된 범위

     (3) 물리탐사에 의해 불규칙한 속도저하가 확인된 범위

지반보강은 터널 갱내의 조사에 의해 지반의 이완이 확인된 범위에 대해 터널 바로 위까지를 대상으로 실시하였다. 지금까지의 조사를 통해 터널 바로 위의 인접지에서 지반의 이완은 발생하지 않았다고 생각하나, 지반보강시에 지반의 상황을 조사하고, 새롭게 인접지에 지반의 이완이 확인된 경우는 적절히 대응하도록 하였다. 

지반보강공사를 실시한 후의 식생 환경에 대해서는 공사를 실시하기 전의 현상 상태를 확보해야 한다. 지반 보강은 토사층을 기본으로 검토를 진행하고 있으며 식물 생육에 필요한 지반의 최소 두께 1.5m 이상은 현재 토양에서 변하지 않기 때문에 식생 환경에 미치는 영향은 없는 것으로 확인되었다. 

본 지역의 지하수위는 약 2m 정도의 범위에서 변동하고 있다. 지반보강공사에 따른 지하수위변동은 지하수위 상면 부근에서 10cm 미만과 최근의 강우영향 등에 의한 수위변동과 비교해도 작아 지반보수공사가 미치는 영향은 극히 작다고 판단되었으며, 또한 공사중 인근 관측정에서 계속적으로 지하수위를 관측하도록 하였다. 

추가조사에 이어 함몰·공동 장소 주변에 주민들의 의견을 토대로 하여 전문가에게도 상담 후 필요한 조사를 실시했다. 조사결과는 추가조사 결과와 동일하며 터널 굴진에 따른 진동에 의해 지반을 느슨하게 했다는 것은 없는 것으로 확인하였으며, 표층지반의 환산N값은 대략 5 이하로 터널 바로 위 이외에서의 상단 레벨의 지반침하는 확인되지 않았다. 또한 주변 건물 및 주택에 대한 상세조사를 실시하여 [그림 25]에 나타난 바와 같이 보상대상지역을 산정하였다. 

(1) 쉴드 굴진지반의 재확인

함몰·공동개소 주변 이외에도 세립분이 적거나 자갈을 포함하는 경우는 쉴드 터널 시공에서의 굴착토의 소성 유동성·높은 지수성 확보에도 유의할 필요가 있다. 향후 굴진구간에서 굴착단면의 세립분 함유율이 10% 이하이면서 토층의 균등계수가 5이하인 지반은 5개소 확인하였으며, 안전을 위해 이들 장소 등에서 향후 필요에 따라 추가시추를 실시하여 지반을 재확인하도록 한다. 추가 시추 등에서 얻을 수 있는 토질조사 결과를 토대로 사전 배합시험을 실시하고, 지반에 적합한 배합을 재확인한다. 굴착토사가 소성 유동성·지수성을 가진 양호한 이토가 되기 위해서는 세립분이 필요하며, 이를 점토·벤토나이트 등을 주재료로 보급하는 것이 광물계 첨가재이다. 따라서 세립분(점토 실트) 비율이 10% 이하인 지반에 대해서는 벤토나이트 용액을 포함한 광물계 첨가재의 사용에 대해서도 충분히 검토할 필요가 있다.

(2) 소성 유동성의 모니터링과 대응

지금까지의 소성유동성의 확인항목 외에 새롭게 챔버내의 압력구배, 미니 슬럼프, 입도분포에서의 확인을 실시하도록 한다. 소성유동성의 모니터링을 하면서 첨가재 주입량이나 첨가재의 종류를 적절히 조정하여 소성유동성과 지수성을 확보하도록 하며, 또한 소성 유동성의 확보가 곤란해지는 징후가 확인되었을 경우는 원인의 해명과 대책을 검토하여야 한다.

(3) 배토관리 

배토관리로서 지금까지의 실적을 바탕으로 종래의 1차 관리치보다 엄격한 ±7.5%를 새로운 1차 관리치로 한다. 또한 벨트 스케일 중량에 의한 굴착토량 관리에 더해 배토율(지반굴착토량과 설계지반굴착토량의 비율)에 따른 관리를 추가한다. 배토관리에서 1차 관리치(±7.5%), 2차 관리치(±15%)를 설정하고 관리하도록 한다.

(4) 커터회전불능(폐색)시의 대응 

상기 (1)~(3)에 따라 챔버 내 토사의 소성 유동성을 개선시킴으로써 커터 회전 불능을 발생시키지 않도록 대책을 강구하되, 만일 폐색 현상이 발생한 경우에는 공사를 일시 중단하고 원인 규명과 지표면에 영향을 주지 않는 대책을 충분히 검토하도록 한다. 또한 폐색 해제 후의 지반 상황을 확인하기 위해 필요한 시추 조사 등을 실시한다.

진동·소음 대책이나 지반변상 확인, 지역주민에 대한 정보제공, 긴급상황 시 운용 재검토에 대해 쉴드 TBM 터널 공사에 따른 지역의 안전과 안심을 높이기 위한 노력으로서 사업자가 함몰지역에서 실시한 설명회나 상담창구 등에서 받은 의견, 관할관청에서 받은 요청서 등을 참고로 계속해서 주민의 문의 등에 대해 적절히 대응하는 동시에 불안을 제거하는 데 힘써 나갈 필요가 있다. 

(1) 진동소음 대책

쉴드 TBM의 굴진에 의한 진동·소음은 최대 55dB 정도로 레벨 1 지진동 200~300gal의 1/100 이하이기 때문에 지반에 유해한 변형을 발생시킬 정도의 가압력은 없으며 지반에 이완이나 지반재해를 발생시키는 수준은 아니다. 진동·소음은 규제기준인 55dB를 초과하지 않았지만 이번 함몰·공동 발생 장소 주변은 진동·소음이 감쇠되지 않아 지상으로 전파되기 쉬운 지반이었다고 생각되어 진동·소음이나 저주파에 대한 문의를 많이 받았다. 향후의 굴진에서는 진동·소음 대책을 지역의 안전·안심을 높이는 노력의 일부로 실시하도록 한다.

(2) 지표면 변상확인 

도로상에서 수준측량을 통해 공사 전후의 지표면 변위를 확인하고 최대 지표면 경사각과 연직변위를 정기적으로 공지하도록 한다. 또한 굴진 후 대략 1개월 정도, 24시간 체제로 매시 1회 빈도로 감시원이 도보로 순회 실시하고, 1개월 경과 이후에도 굴진완료 전 구간 에 대해 매일 1회 빈도로 감시원이 차량 등에 의한 순회를 실시하도록 한다. 

(3) 지역주민에게 정보제공 

쉴드통과 전후에 GPR공동 탐사차의 주행을 실시하여 노면의 공동 조사를 실시하고, 게시판이나 홈페이지, 알림전단 등을 활용해 쉴드 공사 굴진 현황과 모니터링 정보를 알려주도록 한다.

(4) 쉴드 머신정지에 따른 보전조치 

챔버 내의 토사 분리를 방지하고 챔버 내의 압력을 적절히 유지하기 위해 정기적으로 커터를 회전시켜 토사를 교반한다. 또한 장기간 정지할 경우 수준측량 및 계측에 의해 지표면 변위모니터링을 하도록 한다. 

(5) 터널공사의 안전확보 대책 재검토 

터널 공사의 안전확보 대책에 대해 함몰·공동현상 발생 시의 대응이나 진동·소음 대책 등 공사 지역의 안전을 높이는 대책을 추가해 설명회 등을 통해 주지함과 동시에 확실하게 실시하도록 한다. 

최종적으로 사고조사위원회는 도쿄 외환도로의 대심도 TBM 터널구간에서의 지반함몰 사고의 상세한 원인조사 내용과 복구대책 등을 정리한 사고조사보고서가([그림 27])가 여러 차례 보고되었고, 향후 이와 같은 사고의 재발방지를 위하여 관련 터널기술자들이 공유하도록 하였다.

제5강에서는 도쿄외곽순환도로 대심도 대구경 TBM 터널공사에서 발생한 지반함몰 및 공동 사고사례를 중심으로 사고의 발생원인과 재발방지대책에 대하여 고찰하였다. 본 사고는 도심지 교통개선을 위한 대심도 TBM 터널 공사중 발생한 지반함몰사고로서, 본 사고 이후 도심지 대심도 TBM 터널공사에서의 지반함몰사고 및 안전사고를 재발방지하기 위한 다양한 개선노력이 진행되어 도심지 공사에서의 TBM 시공관리 및 안전관리 기술을 점검하는 계기가 되었다. 본 TBM 터널공사 지반함몰사고를 통하여 얻은 주요 내용을 정리하면 다음과 같다.   

■ 대심도 TBM 터널에서의 지반함몰 및 지반공동 발생 문제   

쉴드 TBM 터널공사에서는 지반을 굴진하면서 발생되는 다양한 굴진 데이터로부터 시공관리를 진행하게 되며, 일정구간을 굴진한 후 커터헤드 교환 및 수리를 위한 정지(CHI, Cutterhead Intervention)를 반복하게 된다. 특히 대단면 쉴드 TBM의 경우 굴진데이터 및 배토량 관리에 대한 경험치가 부족하여 과굴착에 대한 이상여부를 관리하기가 어렵고, 정지구간에서의 장비와 지표면에서의 안정여부(침하 및 함몰 발생)를 지속적으로 확인하도록 해야 한다. 특히 도심지 구간에서의 쉴드 TBM 터널공사는 상당한 시공리스크를 가지므로 철저한 시공관리를 통하여 상당한 주의를 기울여야만 한다.        

■ TBM 터널공사에서의 굴진관리 및 시공관리의 중요성 

본 지반함몰사고는 쉴드 TBM 굴진시 지층특성이 변화하는 구간에서 야간정지후 쉴드 장비의 재굴진 중에 과굴착으로 인한 주변지반의 이완과 굴뚝모양으로 확대되어 지표면에 함몰과 공동이 발생한 것으로, 쉴드 TBM 터널시공시에 굴진데이터 관리, 배토량 관리 및 TBM 정지구간에서의 안전관리 등에 중요성을 확인할 수 있다. 또한 공사구간에 대한 지반의 분포 특성과 거동 특성을 상세히 정확히 파악하도록 해야 하며, TBM 굴진시 이를 반영하여 품질관리에 활용하도록 해야 한다. 이를 위해서는 자격을 갖춘 경험있는 TBM 터널 전문가가 TBM 터널 시공관리에 관여하도록 해야 한다. 본 지반함몰사고는 도심지에 시공되는 TBM 터널공사에서 지반조사와 터널기술자의 중요성을 보여주는 사고사례이다. 

■ 철저한 사고원인조사와 재발방지대책 수립

본 지반함몰사고가 발생한 직후 국토교통성을 중심으로 사고조사위원회를 구성하여 지반조사 및 TBM 시공자료 분석을 통한 주요 사고원인과 발생메커니즘을 규명하고, 지반보강 및 재발방지대책을 제시하였다. 지반보강대책으로는 지반구간과 주변영향 구간에 대하여 고압분사교반공법을 적용을 적용하여 지반을 보강하고, 주변 영향구간에 대한 상세조사를 통하여 보상대책구역을 선정하여 보상을 실시하고, TBM 터널공사에서의 재발방지대책 및 안전관리대책을 수립하고 이를 지역 주민들에게 공지하고 공유하도록 함으로서 도심지 터널공사관리시스템을 개선하였다. 

■ TBM 터널공사 지반함몰 사고와 교훈  

본 지반함몰 및 공동발생 사고는 일본에서의 도심지 터널공사에서의 안전관리, TBM 터널공사에서의 굴진 및 배토관리 등 도심지 터널공사에 대한 제반 문제점을 확인할 수 있는 계기가 되었다. 특히 국토교통성 사고조사위원회 등을 중심으로 1년 이상의 시간에 걸쳐 심도 깊은 논의와 분석을 진행하여 본 사고에서의 사고원인 규명과 재발방지대책 등을 수립하였다. 또한 일본 도심지 TBM 터널공사에서의 시공관리 및 안전관리시스템을 재확인하는 계기가  되었으며, 이후 쉴드 TBM 터널공사에서의 안전관리대책이 더욱 강화되었다.    

이제 제5강이 마무리되었다. 보다 자세한 내용은 참고문헌을 읽어주기 바란다. 일본 도쿄 외곽순환고속도로 TBM 터널공사에서의 지반함몰사고는 일본 터널역사에 있어 중요한 전환점이 되었던 사고라 할 수 있다. 특히 심도 40m가 대심도 구간에서의 터널링에 의해 지표함몰과 공동이 발생하였다는 사실은 큰 충격이 아닐 수 없었다. 다행스럽게도 지반함몰이 비교적 일찍 감지되었고 주택가 도로에서 발생하였기 때문에, 인명사고 등이 발생하지 않았고, 지상건물 피해가 크지 않았다. 하지만 TBM 터널공사의 재개 시까지 지반보강공사 및 주변 건물 보상대책으로 상당한 손실을 끼쳤으며, 지속적으로 주민들로부터 안전민원이 발생하여 이에 대한 대응마련으로 이슈가 되었던 사고사례라 할 수 있다. 

또한 본 사고사례는 도심지 구간에서 안전하다고 알려진 쉴드 TBM 터널공사에서 발생한 지반함몰 사고로 TBM 터널공사에서 쉴드 장비의 굴진관리 및 배토관리의 리스크를 확인하게 되는 중요한 계기가 되었다고 할 수 있다. 따라서 도심지 구간에서 시공되는 TBM 터널공사에서의 안전 및 시공관리는 아무리 강조해도 지나치지 않으며, 세심한 주의와 관리가 무엇보다 요구된다 할 수 있다. 또한 이러한 리스크를 최소화하거나 회피할 수 있는 시공관리방안이 수립되고, 이를 시공중에 반드시 반영하여야 할 것이다. 

다음 강의에서는 일본 후쿠오카 지하철 공사중 NATM 터널공사에서 발생한 대규모 붕락사고로부터 사고의 원인과 메커니즘 분석, 사고 임시대책 및 보강·복구 방안 그리고 사고로부터 얻을 수 있었던 교훈에 대하여 설명하고자 한다. 이것은 도심지 NATM 터널공사중에 발생한 실제 붕락사례로 도심지 대단면 NATM 터널에서의 붕괴 및 붕락 문제에 관심이 많은 지반 및 터널 기술자들에게 실제적으로 도움이 될 것이다.