분리형 기초시스템(Disconnected Piled Raft Foundation) 적용 사례 II 

(시공 및 모니터링)

1. 분리형 기초 시공

분리형 기초 설계가 적용된 쿠웨이트 LNG 터미널 프로젝트는 총 8기의 Tank로 구성되어있고, Tank기초 지반 보강을 위한 말뚝형 개량체인 RI(Rigid Inclusion)는 탱크 1기당 1,128본으로, 총 9,024본이 그림 1과 같이 시공되었다. RI는 직경 800mm의 무근콘크리트말뚝으로서, very dense sand 층에 선단을 근입하여, 약 20~28m의 길이로 시공하였다.

본 현장의 RI는 말뚝기초가 아닌 분리형 기초로서, 철근망이 없는 무근콘크리트 말뚝을 적용하기 때문에, 일반적인 현장타설말뚝공법 대신 CFA(Continuous Flight Auger)를 이용하여 시공하였다. 현장타설말뚝공법의 경우 그림 2 (a)와 같이, 케이싱 관입 → 굴착 → 철근망 삽입 → 콘크리트 주입 → 케이싱 인발 → 양생의 순서로 시공해야 한다. 철근이 포함되기 때문에 철근망 근입과 이를 위한 케이싱 관입/인발 과정이 필요하여 공정이 복잡하다. 또한, 철근망 제작에 따른 별도 부지가 필요하다. 만약 케이싱을 이용하지 않고, 안정액을 이용하여 굴착할 경우, 안정액 사용에 따른 별도 장비와 부지가 필요하며, 여굴로 인해 지지력 저하의 가능성이 높다는 단점이 있다. 본 현장에 적용한 무근콘크리트말뚝의 경우, 철근망이 필요 없기 때문에 굴착과 동시에 콘크리트를 주입하는 CFA 공법을 적용할 수 있어, 그림 2 (b)와 같이, 굴착 → 콘크리트 주입 → 양생의 순서로 공정을 단순화 시킬 수 있고, 이에 따라 공기를 단축시킬 수 있었다.

RI 시공 전, 별도로 3본의 시험시공 및 사전재하시험(Preliminary test)을 통해 성능을 검증하였고, 시공 후 그림 3 (a)와 같이 확인용 재하시험(Proof test)을 수행하였다. 확인용 재하시험은 탱크 1기당 6본씩 수행하였고, 최초 시공 된 8번 탱크만 11본을 수행하였다. 시험결과 그림 3 (b)와 같이, RI의 실제 침하량은 설계 상 추정되는 침하량 보다 작은 것으로 나타났다. 이와 같은 차이는 일반적으로 설계 지반물성치를 실제 지반물성치보다 보수적으로 평가하기 때문에 발생하는 것으로 추정되며, 이를 통해 보강체의 지지력 및 침하에 대한 안정성이 검증되었다.

RI 시공완료 후, 상부 구조물 하중을 RI로 전달해 주는 하중 전이 층(LTP : Load Transfer Platform)을 그림 4와 같이 두께 2.0 m로 시공하였고, 이 때 하중 전이 층 재료로서 입경 20 mm 이상의 쇄석이 적용되었다. 성토 다짐은 300 mm 두께로 수행하였고, 다짐도 95%를 맞추기 위해 최적함수비를 맞춰서 진동롤러를 이용하여 다짐을 수행하였다.

2. 분리형 기초 모니터링

본 현장 탱크기초의 설계검증을 위해, 그림 5와 같이 탱크의 중심부(Section 1) 및 외곽부를(Section 2) 대상으로 하중 모니터링을 계획하였다. 모니터링 대상으로 지정한 분리형기초의 RI 총 4곳에 (MR1, MR2 : 중심부, MR3, MR4 : 외곽부) 대하여 변형율계(Strain gage)를 그림 6과 같이 설치하였으며, 모니터링 시스템을 구축하여 현장 측량 담당자가 측정하였다.

RI에 작용하는 하중을 모니터링 한 결과, 탱크 중심부에서 계측한 데이터는 그림 7 (a)와 같다. 시공 단계에서 설계 하중보다 계측된 하중이 크게 나타난 이유는 그림 8과 같이 시공 중 구조물 중심부에 장비하중이 올라간 것이 주요 원인으로 판단된다. Hydraulic test 시 RI에 작용된 하중은 설계 값과 계측 값이 유사하지만, 계측 값의 경우 시공단계와 Hydraulic test 단계에서 RI에 작용하는 하중 차이는 적은 것으로 나타났다. 그 원인으로는 이미 시공 중에 장비하중이 반영되어, 각 단계에서 RI에 작용한 하중 차이가 감소했기 때문인 것으로 추정된다. 외곽부의 경우 그림 7 (b)와 같이 대체적으로 시공단계에서 설계 값과 계측 값이 유사한 것으로 나타났다. 다만 hydraulic test 시 계측 결과가 설계 값 보다 작게 나타났다.

RI에 작용하는 심도별 하중분포도는 그림 9에 나타나 있다. RI 상부의 경우 계측 값과 설계 값이 유사하게 나타났으나, RI 하부의 경우 계측 값이 설계 값 대비 작은 것으로 나타났다. 이에 대한 원인은 두 가지로 분석되는데, 분리형 기초의 경우 RI와 지반이 하중을 분담하고, 지반에 하중이 작용하게 되면 RI보다 침하가 커지기 때문에 주면마찰력이 반대로 작용하여, 설계상 중립축 위치까지는 하부로 갈수록 축하중이 커지는 것으로 나타난다. 하지만 실제 계측결과 주면마찰력이 거의 작용하지 않은 것으로 나타나며, 이는 RI 대비 지반에 발생한 상대변위가 매우 적었기 때문인 것으로 판단된다. 이를 통해 RI가 개별 말뚝보강체로 작용하기보다는 지반과 함께 하나의 block으로서 거동한 것으로 추정된다. 다른 이유로는 현장 일정에 따른 계측기 설치 문제인 것으로 추정된다. 철근망이 없는 CFA공법으로 시공된 RI의 특징상, strain gage를 설치할 때 말뚝체 타설 후 바로 센서를 설치한 것이 아니라, 그림 6과 같이 말뚝체 타설 시 중심부에 pvc관을 설치한 후에 strain gage가 연결된 철근을 설치하고 내부를 시멘트 풀로 채웠다. 이로 인해 RI와 strain gage가 완전히 일체로 거동하지 않았을 가능성도 존재한다.

또한, 광파기를 이용하여 탱크 외곽부 침하를 측정하고, 탱크 중심부는 수평경사계를 이용하여 외곽부와 내부의 상대침하를 계측하였다. 탱크 외곽부의 침하는 그림 10과 같이 hydraulic test 전까지 설계와 유사한 것으로 나타났지만, hydraulic test 시 계측된 침하량은 설계 시 예상한 값보다 상당히 작게 나타났다. 또한 중심부터 외곽부까지의 침하분포는 그림 11과 같으며, 마찬가지로 hydraulic test 전까지 설계와 상당히 유사한 것으로 나타났으나, hydraulic test 이후 unloading 시 잔류 침하량은 상대적으로 작은 것으로 나타났다. 이를 통해, 설계 시 적용된 지반 탄성계수가 상당히 보수적인 것으로 추정할 수 있었고, 구조물의 안정성은 문제 없는 것으로 판단되었다. 

3. 결 론

본 기사에서는 말뚝체와 상부 구조물을 직접 연결하지 않고 중간에 설치된 하중전이층(LTP : Load Transfer Platform)을 통해, 말뚝체와 지반이 같이 하중을 지지해 줄 수 있는 분리형 기초에 대해 총 2회에 걸쳐서(적용사례 I : 설계 및 성능평가, 적용사례 II : 시공 및 모니터링) 소개하였다. 

원심모형실험을 통해, 연직하중 작용 시 분리형기초의 지지 성능 및 침하 발생량이 기존의 말뚝기초 대비 크게 차이가 나지 않는 것을 확인하였고, 지진 시 분리형기초의 말뚝보강체에 작용하는 수평하중이 기존의 말뚝기초 대비 크게 감소하는 것을 확인하였다. 이와 같이 수평성능이 우수한 분리형 기초의 장점을 바탕으로, 강진지역에 분리형 기초 설계를 적용하였고, 설계 최적화를 통해 무근 콘크리트 말뚝을 적용할 수 있었다. 

무근콘크리트 말뚝으로 변경되면서 일반적인 현장타설말뚝공법 대신 CFA(Continuous Flight Auger)를 이용하여 무근콘크리트말뚝을 시공하여 공기를 단축시켰고, 재하시험을 통해 지지력 및 침하에 대한 안정성을 확인하였다.또한 기초 설계 검증을 위해 RI에 작용하는 하중 및 기초 침하량을 모니터링하였고, 분석결과 계측된 말뚝체에 작용하는 하중 및 기초 침하량 값이 설계 대비 상대적으로 작은 것으로 나타났기 때문에, 구조물 안정성에는 문제가 없는 것으로 판단되었다.

끝으로 본 프로젝트의 설계 및 시공사례를 바탕으로, 향후 국내외 다양한 프로젝트에서 분리형 기초가 적용되기를 기대한다.

참고문헌

1. Charles B. et al., “LNG tanks on rigid inclusions-Kuwait”, GeoMEast - Egypt, 2018.

[본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다]

숫자와 그림으로 보는 TBM 터널 II

Trends and Changes of TBM Tunnelling

TBM 공법은 TBM(Tunnel Boring Machine) 장비를 이용하여 터널을 굴진하는 터널 공법으로, 도심지 터널 등과 같은 안전 및 민원이 강조되는  터널공사에서 적용되는 가장 중요한 공법이 되었다. TBM 공법은 TBM 장비의 발전으로 인하여 토사, 연암 및 암반 등에 복합적으로 적용성이 확보되었고, 터널 단면도 대형화되어 직경 14m 이상의 Mega TBM 개발이 세계적으로 증가하고 있다.  

[표 1]에는 TBM 터널 기술의 특성과 기술 트랜드를 11가지 키워드로 정리하였다. 본 고에서는 11가지 키워드를 중심으로 TBM 터널 기술의 주요 특징과 핵심 사랑을 보다 알기 쉽게 기술하였다.      

TBM 공법의 역사

■ 토사지반(Soft ground)에서의 쉴드 머신 

프랑스 엔지니어 브루넬은 배벌레가 나무로 만든 배의 목재를 먹고 석회질로 구멍을 단단하게 만든 뒤 그 안에서 사는 점에  영감을 받아 쉴드 터널 공법의 원형을 고안했다. 쉴드 터널공법은 1825년 영국 런던 템스강을 가로지르는 하저 터널(연장 약 396m)에 처음으로 적용되었다. 현대식 쉴드 터널공법은 인력 대신 쉴드 머신(Shield machine)에 의한 굴착과 벽돌 대신 세그먼트 콘크리트 라이닝설치를 통하여 가능했으며, 안전성과 효율성이 발전함에 따라 연약한 토사 및 복합 지반(토사+암반) 등에서의 터널 굴착을 가능하게 하였다.

■ 경암반(hard rock)에서의 TBM 

1952년 로빈스는 미국 사우스다코타에서 오아헤 댐 프로젝트를 위한 최초의 경암 굴착용 TBM 장비를 개발했으며, 가장 기본적인 두 가지 개념을 도입했다.  이는 암석을 절단하고 쉴드의 전진을 허용할 수 있는 막장면에서 회전하는 커팅팅 헤드(Cutting head) 그리고 작업자와 장비를 보호하고, 내부에 터널 지지대를 세울 수 있는 원형 쉴드(Circular shield) 이다. 이 두 개념의 지속적인 개선을 기반으로 대부분의 현대식 TBM 장비가 개발되었다. 

TBM 공법의 명칭

TBM 공법은 크게 토사지반에서의 쉴드 공법과 경암반에서의 TBM 공법으로 개발되어 발전하여 왔다. 하지만 TBM 공법이 발전함에 따라 각각의 공법의 적용 범위가 넓어지고 각각의 공법의 장점을 서로 포함하게 됨에 따라 쉴드 공법과 TBM 공법의 구분은 점차 사라지고, 이제는 터널공법에서 모든 기계식 터널공법의 대명사로서 TBM 공법이 사용되고 있으며, 발파 굴착(Drill & Blasting)을 주로 하는 NATM 공법과 구별되는 터널 공법으로 인식되고 있다. 이와 같이 TBM 공법이 발전함에 따라 TBM 공법에 대한 분류와 명칭도 변하여 왔으며, 이를 정리하여 [표 2]과 [표 3]에 나타내었다. TBM 공법은 지반조건 및 쉴드 그리고 라이닝 둥에 따라 분류되며, 명칭도 TBM 공법으로 통일되어 사용되고 있다.  

1. 오픈 TBM VS. 쉴드 TBM  

TBM 공법은 TBM 장비의 굴진을 위한 반력을 그리퍼(Gripper)의 암반벽면 지지에 의해 얻는 Open TBM (Gripper TBM)과 세그먼트에 대한 반력을 이용하는 쉴드 TBM으로 구분된다. 이전에는 암반 굴착에는 Open TBM 그리고 토사지반 굴착에는 쉴드 TBM이 사용되는 것으로 인식되어왔으나, 현재는 오픈 TBM과 쉴드 TBM을 복합한 TBM이 개발되어 사용되고 있다.  

1.1  오픈 TBM(그리퍼 TBM)  

암반을 굴착할 수 있는 Open TBM은 터널 주면을 지지하고 내부 작업공간을 보호하기 위한 쉴드가 없으며, 굴착 벽면에 대한 그리퍼의 지지력으로 추진력을 얻는다. 또한 굴착 후 터널 안정성을 확보하기 위해 쉴드 TBM에 적용되는 세그먼트 라이닝(segment lining)이 아닌 숏크리트, 록볼트 등과 같은 지보와 콘크리트 라이닝이 활용되는 굴착장비이다.

1.2  쉴드 TBM  

쉴드 TBM은 커터헤드 회전 및 추진에 의해 지반을 굴착하는 것은 Open TBM과 동일하나, 주면 지지를 위한 쉴드가 포함되어 있으며 굴진단계에서는 추력 실린더를 이미 시공된 세그먼트 라이닝에 지지해 반력을 얻음으로 인해 쉴드를 전진하는 굴착장비이다.  또한 쉴드 TBM은 경우에 따라 암반, 토사지반 및 복합지반을 굴착할 수 있으며 막장면(face)의 안정성을 확보하기 위해 토압식(EPB), 이수식(Slurry), 혼합식(Hybrid or Multi) 등의 시스템을 채용할 수 있다.

쉴드 TBM 공법은 쉴드기 전면에 장착된 커터헤드를 회전시키면서 디스크 커터(면판)가 지반을 굴착한다. 이후 이수(Slurry) 또는 굴착된 버력으로 챔버를 채워 막장압을 유지한다. 이렇게 압력을 가하면서 회전·전진하며 터널을 굴진하면 분쇄된 암석과 흙은 컨베이어 벨트 또는 배관을 통해 TBM 장비 뒤로 옮겨지고 굴착과 동시에 이렉터를 이용해 터널 벽면에 세그먼트 라이닝(Segment lining)을 설치하여 하나의 링 구조(ring structure)을 완성하게 된다. 

2. EPB 쉴드 VS. Slurry 쉴드   

쉴드 TBM은 터널 굴진 후 챔버 내에 압력을 가하는 방식에 따라 이수식(Slurry Pressure Balanced, SPB) 과 토압식(Earth Pressure Balanced, EPB)으로 나뉜다. 막장압을 챔버 내에 채워진 굴착토로 메워서 지지하면 토압식(이토압식), 물을 섞은 점토인 이수(Slurry)로 채워서 압력을 가하면 이수식(이수가압식)이라 한다.  

2.1 EPB 쉴드 (토압식 쉴드)  

EPB 쉴드 TBM은 전단면 굴착을 위한 커터헤드(cutterhead)를 장착하고 챔버안에 굴착된 물질을 압축하므로써 막장면을 지지하면서 스크류 컨베이어로 배출한다. 일반적으로 막장면 토압이 확실하게 스크류 컨베이어에 전달되도록 소성유동화한 굴착토를 챔버에 가득 채우게 된다. 

EPB 쉴드 공법은 커터 헤드로 굴삭한 토사를 막장과 격벽 사이에 충만시키고, 필요에 따라 첨가재를 주입, 그 토압으로 막장의 안정을 도모하면서 굴진, 격벽을 관통하여 설치한 스크류 컨베이어로 배토하는 공법이다.

2.2 Slurry 쉴드 (이수식 쉴드)  

Slurry 쉴드 TBM은 커터헤드로 전단면굴착을 수행한다. 챔버내에 이수를 가압순환시켜 막장을 안정시키며 버력처리 역시 이수의 유동에 의하여 수행된다. 즉 수압, 토압에 대응해서 챔버내에 소정의 압력을 가한 이수를 층만 가압하여 막장의 안정을 유지하는 동시에 이수를 순환시켜 굴착토를 유체 수송하여 배토하는 공법이다.

Slurry 쉴드 TBM은 가압된 슬러리를 막장압을 유지하는 데 사용하며, 굴착된 버력을 외부로 운송할 때도 슬러리가 사용된다. 커터챔버에 고농도의 이수를 주입 이수의 특성과 이수압을 이용해서 굴삭면에 작용하는 토압과 수압에 대항시켜 절삭지반의 안정을 도모함과 함께 굴삭한 토사를 환류이수로서 유체수송하면서 굴진함으로 광범위한 지반에 적용할 수 있다. 슬러리 TBM 장비는 굴착 챔버(전면 챔버)와 작업 챔버(후면 챔버)가 슬러리로 채워진다. 슬러리는 물과 벤토나이트 입자의 현탁액을 말하며, 굴착 챔버와 작업 챔버는 격벽으로 분리되어 있다. 두챔버 사이의 흐름은 격벽 바닥의 오프닝에 의해 가능하다. 

3. TBM 장비 구성과 복합화 

3.1 TBM 장비 구성   

Open TBM은 디스크가 부착된 커터헤드, 추진장치, 버력운반 컨베이어 그리고 그리퍼로 구성된 본체가 있으며, 후속 트레일러 그리고 후속 설비로 크게 세 가지로 구성되며 터널 굴진후방에서 지보 설치 장치를 갖출 수 있다.

쉴드 TBM은 본체와 후속설비 등으로 이루어져 있고 본체 부분은 굴진면 측에서 부터 후드부, 거더부, 테일부의 3부분으로, 외피는 외판(Skin Plate)과 그 보강재로 구성되어 있다. 

3.2 복합 쉴드 TBM   

복합 쉴드 TBM은 오픈 TBM에서의 후방에서의 지보 및 콘크리트 라이닝 설치 문제점을 해결하기 위하여 막장면에 챔버가 없는 전면개방형 상태에서 세그먼트를 설치하는 TBM 장비이다. 그리퍼가 없으면 싱글 쉴드 TBM,  그리퍼가 있으면 더블 쉴드 TBM으로, 막장면 지지와 반력을 얻는 메커니즘을 혼용한 것이라 할 수 있다. 막장면에 안정을 위한 별도의 장치(챔버)가 없기 때문에 Soft Ground에는 사용이 불가능하며, 최소한 막장면 자립이 가능한 지반조건에 적용이 가능하다.   

멀티 모드 쉴드 TBM은 EPB와 슬러리 모드를 복합한 TBM 장비로서 복합지반에서의 지반조건의 변화에 터널링이 가능하도록 개발되었다. 터널링 전 과정에서 최적의 안전성과 유연성 제공할 수 있으며, 다양한 지반조건에 적용가능하다. 

4. TBM 커터 헤드와 대단면화 

4.1 TBM 터널 단면과 대단면화   

TBM 터널 단면은 원형이므로 NATM 터널 단면에 비하여 단면 규모가 크고 공간 활용성이 떨어지는 문제점이 있다. TBM공법을 적용한 도로터널에서는 상·하부 여유 공간을 환기 및 방재시설과 유지 관리 시설로 활용하게 되고, 터널 내에 슬래브를 설치하여 차량운행하중을 지지하고 공간을 확보하게 된다. 최근에는 TBM 단면이 직경이 14m이상의 대단면화 되고 있으며, 중간 슬래브를 설치하여 공간 활용도도 높이는 복층(Double-decked) TBM 터널도 적용되고 있다.   

TBM 철도터널의 경우 단선 (Single tube)와 복선(Double tube) 그리고 열차의 특성에 따라 단면 크기가 달라지는데, 일반적으로 단선 터널이 직경 7∼8m, 복선터널이 직경 11∼12m 이다. 최근 철도의 고속화에 따라 대단면화되는 추세이다. 

4.2 커터 헤드와 대형화

TBM에서 가장 핵심적인 부분은 지반을 직접 굴착하게 되는 회전식 커터헤드이다. 커터헤드는 TBM에서 터널의 굴착방향으로 최전방에 구비되어 있으며 회전에 의해 지반을 굴착하게 된다. 즉, 커터헤드가 회전을 하면서 터널을 굴착하게 되고, 굴착된 토사나 암석은 커터헤드의 개구부(opening)를 통해 후방으로 배출된다. 커터헤드는 TBM의 굴착성능과 굴착효율을 좌우하는 가장 중요한 부분이다.

TBM 커터는 커터 헤드에 설치되는 굴착 공구로서 암반용 디스크 커터와 토사용 커터비트로 구분되며 이들 커터는 커터헤드 전면에 설치되어 회전하면서 지반을 굴착하는 역할을 한다. 

5. TBM 시공 프로세스와 자동화 

TBM 시공프로세스의 핵심은 TBM 장비의 설치이다. 일반적으로 야드에서 굴진하는 방법과 수직구에서 굴진하는 방법으로 구분되는데, 도심지 터널의 경우 수직구를 굴착하여 TBM 장비를 조립하여 굴진하게 된다. 

TBM 장비가 준비가 완료되면 초기굴진 과정을 거쳐 본굴진을 시작하게 된다. TBM 굴진은 커터헤드의 회전과 추진력에 의한 굴착, 굴착토의 배토 및 운반, 세추진잭을 이용한 굴진 그리고 세그먼트 라이닝 운반 및 조립 순서로 진행된다. 

쉴드 TBM 터널의 굴진순서는 다음과 같다. 쉴드 장비 중통부에 설치된 잭으로 쉴드를 앞으로 추진하면서 쉴드 막장부에서 세그먼트 1링분의 굴착을 실시한다. 1링분의 굴착이 완료되면 쉴드 후방부에서 세그먼트 조립기계인 이렉터를 사용하여 세그먼트를 조립한다. 쉴드의 전진으로 쉴드 후방에서 발생한 세그먼트 외경과 쉴드굴착경 사이의 여굴에 뒷채움을 그라우팅하여 충진한다.

TBM은 굴진 중에 다양한 굴진 데이터 (커터헤드/챔버 데이터, 굴진 정보, 굴착토의 정보 등)에 대한 자료를 실시간으로 확인 모니터링 하여야 하며, 최근 다양한 첨단 기술이 적극적으로 반영되어 TBM 운전이 자동화되고 있다. 

6. TBM 굴진율(Advance Rate)과 급속 굴진 

6.1 굴진율과 Cycle Time   

TBM에서 굴진속도는 매우 중요한 시공성 평가지표이다. 일굴진율(AR, Advance Rare)은 각 작업일 동안 굴착된 터널의 길이로 정의되며 m/day로 표시된다. AR은 터널 프로젝트 공기 및 공사비 추정의 핵심 요소이며, 설계중 예측된 굴진율을  값을 시공중 확인하여 지반에 적합한 최적 TBM 운영에 반영하여야 한다.  

일반적으로 하나의 링을 완성하는 것을 링조립 시간과 TBM 장비의 가동시간과 다운 타임 등이 굴진율에 영향을 주는 요소이며, 가장 중요한 것은 지반조건 및 지반상태에 적합한 TBM 장비를 선정하여 운영하는 것이다.  

6.2 급속 굴진   

TBM 굴진율은 지반 특성과 장비 특성 그리고 현장여건에 따라 달라지는 경우가 많다. 일반적으로 초기 굴진시 낮은 값에서 시작하여 작업자가 기계 및 성능을 파악하여 적응함에 따라 점차 증가하여 안정상태의 정상속도에 도달하게 된다. 최근에는 TBM 장비의 제작 및 운영기술이 발달함에 따라 굴진율이 점차적으로 증가하고 있으며, 세계적으로 Gripper TBM의 경우 월평균 468m, EPB 쉴드 TBM의 경우 월 303m의 굴진율 실적이 보고되었다.    

최근 TBM 장비의 성능이 증가함에 따라 TBM 굴진성능도 점점 향상되고 있다. 일반적으로 TBM 터널은 고가의 TBM 장비를 투입하게 되므로 굴진율을 증가시키고 급속 굴진을 가능하게 하여 공사기간을 단축하게 함으로서 총공사비를 절감하도록 해야 한다. 그림에서 보는 바와 같이 스페인 M30 도로 프로젝트의 EPB 쉴드 TBM의 경우 주 굴진거리가 180m를 넘는 기록도 있으며, 스위스 Brenner Base 터널의 Gripper TBM의 경우 일 굴진거리가 61m인 기록도 보고되었다. 

7. 막장 안정성(Face Stability)과 고수압

TBM 터널에서 굴착전 지반의 상태는 안정된 원지반의 상태로 토압과 수압이 균형을 이루고 있으나 TBM 터널 굴착이 이루어진 후는 막장과 터널 벽체로부터 토압과 수압이 내부로 작용한다. 쉴드 TBM은 챔버내의 채워진 이토/슬러리 압력(Face pressure)으로 막장의 토압과 수압을 지지하게 된다. 막장 안정은 토압 및 수압과 챔버내의 압력을 조절하여 균형을 유지함으로써 지반교란을 최소화 할 수 있고 이러한 균형이 깨지면 지반침하나 융기, 지반함몰 등이 발생하게 된다.

EPB 쉴드 TBM에서 막장면(Face)의 지지압력은 굴진속도와 스크류 컨베이어의 회전수에 의해 제어되며 추진력에 의해 챔버내에서 가압된 굴착토의 토압이 굴진면 전체에 작용해 막장의 안전성(Face stability)을 확보하게 된다. 

쉴드 TBM 터널 시공에 있어 막장압 관리는 막장면 붕괴, 지반침하 등을 방지하여 막장 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 담당한다. 특히 챔버 내부의 굴착토로 막장압을 조절하는 EPB 쉴드 TBM의 경우 슬러리 쉴드 TBM에 비해 막장압의 관리가 어려우므로 굴진중 막장압에 대한 관리가 매우 중요하다.

해하저지반을 안전하게 굴착하기 위해서는 고수압 막장면에 대응할 수 있는 슬러리 쉴드 TBM 공법을 적용한다. 특히 해저터널의 고수압 위험구간에 적용될 수 있는 쉴드 TBM 굴진에 대한 기술 개발이 요구된다. 현재 10 bar 이상의 고수압 조건에서 다수의 적용사례가 있으며, 17 bar 이상의 고수압 조건에서도 적용 사례가 있다. 

8. TBM 부대 설비와 첨단화  

8.1 TBM 부대설비

TBM은 본체, 후속설비, 부대시설로 구성되고 본체는 커터, 커터헤드, 추진시스템, 클램핑 시스템, 이렉터 등이 있고 후속설비에는 벨트컨베이어, 광차가 있고 부대시설은 버력처리장, 오탁수정화시설, 환기시설, 수전설비, 급수설비, 배수설비 등으로 구성된다.

TBM 터널 작업장 계획은 TBM 장비의 조립, 해체, 발진, U-Turn, 지반조건 및 주변여건 등을 고려하여 수립해야 하며, 버력반출, 지보재 반입, 가시설 설치 등의 작업이 소정의 공정에 따라 원활히 진행될 수 있도록 수립해야 한다. 특히 도심지 TBM 터널의 경우 작업장 부지에 제한이 크다는 점에 유의해야 한다. 

8.2 특수 장비

이렉터(Erector)는 TBM 후방설비 내에 위치하여 후방설비 내로 운반된 세그먼트 라이닝을 굴착된 터널 벽면에 부착하여 세그먼트를 조립하는 기계장치를 말한다. 또한 광차(Muck car)는 전방 커터헤드부에서 분쇄된 버력을 후방설비인 벨트컨베이어에서 버력처리용 횡갱(수직갱)까지 운반하는 차량을 말한다. 

세그먼트 라이닝의 효율적인 운반을 제공하기 위하여 MSV(Multi Service Vehicles)이 이용된다.  MSV 신뢰성 있고, 효율적이며, 유연하게 터널 작업 현장의 트랙리스 공급을 제공하며, 터널링과 라이닝의 복잡한 작업 과정을 평행하게 유지한다. TBM 터널 공사중 비상사고에 대비하기 위한 대피 챔버(refuge chamber)는  비상 상황에서 작업자들이 모여서 구출을 기다릴 수 있는 안전한 'go-to' 영역을 제공하도록 한다. 또한 비상 대피챔버는 터널링 장비에 대한 안전 요구사항 및  시공중 대피 챔버 제공을 위한 지침을 준수하여야 한다. 

9. 세그먼트 라이닝과 고성능화 

세그먼트 라이닝(Segment lining)은 현장타설 콘크리트 라이닝과 달리 공장이나 야드에서 미리 제작된 세그먼트를 터널 내에 조립 설치해 완성하는 라이닝의 형태를 총칭한다. 세그먼트 라이닝은 쉴드 TBM 터널에서 공사 중의 안정성을 확보하고 영구적인 터널 라이닝으로 사용되는 중요한 구조체이다. 더욱이 세그먼트 라이닝은 쉴드 터널의 공사비에서 가장 큰 비중을 차지하기 때문에, 세그먼트의 경제성 향상을 위한 기술적인 개선 노력들이 이루어지고 있다.  

세그먼트 폭이 넓으면 링 설치당 생산량이 증가하고 터널 길이당 접합부의 수가 감소하지만 TBM 운반/적재에서 공간을 더 많이 요구하고 터널의 곡선 구간에서는 문제가 많다. 현장에 가까운 세그먼트 제조 공장을 보유한 프로젝트는 운송비가 적고 품질 관리가 우수하다.  몰드에 대한 3D 스캐닝 및 검증은 시공 단계에서의 지연을 방지하기 위한 필수적인 단계이다.

세그먼트 라이닝 단면 설계는 일반적으로 빔-스프링 모델을 사용하여 이루어지며, 산정되는 단면력은 모델구성요소인 작용하중, 지반반력계수, 세그먼트 조인트 위치 및 강성 등의 영향을 받는다. 각각의 링은 복잡한 구조적 반응을 나타내는 다수의 접합 구조(Jointed Structure)로 정의된 일정한 수의 세그먼트들로 구성되며, 이러한 구성에 의한 세그먼트 터널 라이닝의 3차원 거동과 인접한 링들 사이에 상호작용 메커니즘을 명확히 하여 세그먼트 설계 최적화에 반영하여야 한다. 

세그먼트에 철근 대신 강섬유를 보강 하면 콘크리트 구조물의 균열억제, 사용성 개선 등과 같은 2차적인 성능의 개선뿐만 아니라 휨 및 전 단 성능과 같은 1차적인 구조성능의 개선에도 이바지 할 수 있고, 또한 기존의 철근보강 세그먼트 에 비해 높은 경제성을 확보할 수 있다. 또한 터어키 Euro 터널의 내진구간에서는  별도의 내진용 강재 세그먼트 라이닝을 반영하기도 하였다. 

10. TBM 스마트 기술과 디지털화 

TBM은 일반적으로 규격화된 건설기계와 달리 지반상태 등 현장 조건에 따라 맞춤형으로 설계 및 제작을 해야 하는 고가의 건설기계다. TBM은 각종 센서와 디지털 기기를 탑재해 운영정보를 실시간으로 취득할 수 있도록 해야 한다. 최근 TBM 터널에서는 스마트 건설기술인 무인 현장관리에 활용 가능한 원격드론, 무인지상차량(UGV) 등도 터널현장에 투입해 AI 기반의 안전관리 및 라이다(LiDAR) 기반의 측량 업무 무인화를 실현하고 있다.

국내에서는 TBM 커터헤드 설계자동화 시스템과 TBM 장비 운전·제어 시스템기술을 개발하였다. TBM 장비 운전 제어 시스템은 커터헤드 회전속도, 굴진방향 등을 자동 제어하고 운전하는 TBM 운용의 핵심 기술이다.

최근 TBM 스마트 기술은 TADAS(TBM Advanced Driving Assistance System)을 활용해 굴착 데이터와 지반정보를 실시간으로 분석하고 최적의 운전 방법 제시하여 TBM 운전에 활용하고 있다. TBM 터널 시공정보를 포함한 전체 현장의 현황정보는 BIM 기반 디지털 시스템과 중앙 통합운영 시스템, 본사-현장 통합 운영 시스템, 디지털화된 현장들의 정보가 실시간으로 TBM 굴진 작업을 원격 지원·관리할 수 있다. 또한 터널 내부에서도 스마트 글래스를 활용해 실시간으로 본사·사무실과 원격 화상 회의를 수행하고, 홀로렌즈와 연계한 AR 기반의 품질관리업무에 활용하고 있다. 

TBM 장비는 건설기술과 기계를 운용하는 기술들이 결합돼 상당히 융합적인 분야로서 BIM 기반으로 설계자와 시공자가 플랫폼 단위로 데이터를 공유하고, 공사 후 유지관리에도 활용하고 있다. TBM 데이터베이스(DB) 통합관리시스템과 자동운전시스템 간 연계, 스마트운용시스템과 TBM 제어시스템을 연결하는 에지컴퓨터 기술 개발 등을 진행했다. TBM 스마트 운용시스템을 완성하고 현장에서 운전제어시스템과 에지컴퓨터 연결 시험을 진행하고 있다. 이와 같이 TBM 터널에서는 첨단화된 TBM 장비에 다양한 스마트 기술이 적용되고 디지털 기술이 응용되어 TBM 터널 설계 및 시공의 자동화 및 디지털화를 달성하고 있다.   

11. 터널  방재시스템과 안전 강화 

11.1 TBM 터널 방재시스템

최근 터널이 장대화됨에 따라 장대 터널내 사고 발생시 이에 대한 적극적인 대응을 요구하는 터널 방재기준이 강화되고 있다. [그림 42]에 나타낸 바와 같이 터널 계획시 다양한 방재 시스템을 고려하도록 하고 있으며, 초장대 터널의 경우 환기 및 방재목적으로 중앙에 서비스 터널을 설치하는 경우도 있다. 

특히 TBM 터널의 경우에는 원형단면으로 인하여 하부의 빈공간이 발생하게 되므로 이를 방재공간(피난통로)로 활용하고 있으며, [그림 43]에 나타난 바와 같이 TBM 터널내 각종 배연설비 등의 방재설비가 설치된다.

11.2 방재 성능과 피난연결통로 (Cross Passage)

단선 병렬의 터널의 경우 상행선과 하행선을 서로 연결해주는 방재통로의 의미인 피난연결통로(cross passage)를 일정한 간격으로 반드시 설치하도록 하고 있다.  [그림 44]에는 TBM 터널에 설치된 전형적인 피난연결통로가 나타나 있다.  

TBM 터널에서 피난연결통로는 가장 중요한 방재시스템이다. 하지만 피난연결통로는 NATM 공법으로 설계되고 시공되는 경우가 대부분으로 TBM 터널에서 가장 리스크가 큰 공정이다. 따라서 피난연결통로 시공시 안전관리가 요구된다. 

■ TBM 터널의 활성화 방향과 과제 

최근 지하 터널을 개발하거나 복잡하고 어려운 지반 조건을 극복하기 위해 최근 TBM 공법 시공이 늘어나는 추세이다. 해외의 경우 터널 공사 계획시 TBM을 활용한 기계화 굴착공법을 우선 고려하고 특수한 경우에만 NATM 공법을 계획하고 있다. 국내의 경우 터널 공사비 문제, TBM 기술 및 경험 부족 등을 이유로 하저 구간, 지반이 매우 불량한 구간 그리고 민원이 상당히 심각한 도심지 구간에서만 TBM 공법을 적용해왔던 것이 현실이다.  

TBM 공법은 소음과 진동이 저감되고, 굴착된 토사나 암반도 분진 없이 배출돼 도심 공사 시에 선호되며, 굴착 즉시 세그먼트를 설치하므로 안정성도 높다. 또한 굴진 속도가 NATM 공법에 비해 빨라 공사 기간을 줄일 수 있고 생산성도 높아 효율이다. 토사부터 연암, 경암 등 다양한 지층에 적용할 수 있고 지하수압이 높은 지반에서도 안전하게 시공할 수 있다.

이러한 TBM 터널의 장점을 바탕으로 이제는 TBM 공법이 보다 활성화되고 적극적으로 검토되어야 하지만, TBM 터널 적용상에 많은 문제점이 있는 것이 사실이다. 특히 공사비 중심의 발주방식의 문제는 실제로 TBM 공법을 적용하는 기술적 타당성에도 불구하고, 여러 가지 시공중 리스크를 가지는 NATM 공법을 적용할 수 밖에 없는 현실이다. 또한 외국산 TBM 터널 장비의 기술 의존과 TBM 장비 운영기술에 대한 경험 부족은 TBM 터널의 활성화에 대한 거대한 장벽이라고 생각된다. 국내에서는 오래전부터 터널 기계화 시공이 미래 터널기술의 핵심임을 인식하고 TBM 기술에 대한 연구개발을 활발히 진행해 왔으며, 국내 TBM 터널에서의 기술적 경험과 해외 현장에서의 기술 노하우 습득 등을 통하여 TBM 터널 기술에 대한 밑거름을 다져오고 있었다. 이제는 이러한 TBM 터널 기술에 대한 베이스를 중심으로 TBM 터널의 활성화를 위한 제도적 문제점을 개선하게 된다면 우리만의 TBM 터널 기술력 확보와 미래에는 TBM 장비의 국산화에 이를 것이다. 

이제는 지하터널의 시대가 오고 있다. 다가오는 지하터널의 시대에 가장 중요한 이슈는 안전하고 튼튼한 지하터널의 구축일 것이다. 이는 TBM 장비의 첨단화 시공프로세스의 자동화, TBM 터널의 스마트 기술 적용 그리고 BIM 기반의 디지털 기술의 응용을 통하여 실현될 것이다. 터널 기술자 모두가 [스마트 TBM 터널과 디지털 지하 구축]에 진심으로 힘을 모아 나아갈 때이다.   

[본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다]