1. 서론

최근 전력, 통신, 가스시설등의 수요가 급격히 증가함에 따라 소음, 진동 및 환경적인 측면의 문제로 인해 소규모 지하공동구 기계화 시공이 증가하고 있다. 현재 국내에는 약 200Km이상 연장의 터널식 전력구가 운영중에 있으며, 제10차 전력수급기본계획(Ministry of Trade, Industry and Energy, 2023)에 따라 전력구 건설이 계획되어 있다. 당 현장은 당진지역 전기공급시설 송전선로 건설사업 구간 중 서해대교 양측구간의 지중케이블 설치 및 전력구 설치를 위한 공사이다.

본 고에 기술한 현장은 충남 당진시 송악읍 345kV 북당진-신탕정 서해대교 횡단 구간이며, 총연장 L=604M, 케이블규모 345kV송전 6회선(2Cx3B), 통신 1조로 계획된 Shield TBM을 적용한 현장이다.당 현장의 과업 구간과 공사 및 회선 규모는 [표 1], [그림 1]과 같다.

2. 공법 선정 배경

2.1 선정 배경

2.1.1 공법별 선정 검토

당 현장의 지반 특성상 파쇄대 통과 구간이 존재하고, 해상구간 시공으로 고수압에 대한 대응성이 우수한 공법이 필요하며, 발주처의 요구에 따라 공사기간 단축 및 인접 구조물(서해대교 하부 통과)에 대한 안정성 확보가 가능한 적절한 공법을 선정하고자 다음과 같이 검토하였다.

① 개착식 공법    

▶ 가물막이/바지선 설치 및 해체 반복작업으로 시공성이 매우 불량하며 과다한 추가 공사비가 소요     

▶ 각종 해상 인허가 협의 등으로 과다한 공기지연 유발 초래

② 침매터널    

▶ 전력구 함체 운송, 침설, 보호공 확보 등 시공을 위한 수심확보 불가     

▶ 각종 해상 인허가 협의 등으로 과다한 공기지연 유발 초래

③ NATM공법    

▶ 파쇄대 등의 지질 불량구간 및 고수압 구간 통과시 지반의 침하 및 변형 발생에 따른 상부의 서해대교 안정성 확보에 문제가 우려됨  

▶ 발파에 의한 굴착으로 굴진 속도가 느려 공기 측면에서 불리하며 보강공 및 차수공 등으로 경제적 측면에서 불리함

④ Semi-Shield 공법    

▶ 경제적 측면에서는 유리하며, 고수압 대응성, 인접구조물 안정성 확보에 유리함    

▶ 후방에서 추진관을 압입하여 굴직하는 특성상 추진관과 지반과의 마찰력 증가, 증압잭 사용에 따른 굴진속도 저하가 불가피함     

▶ 단면적용의 한계성 및 장기적으로 누수발생 가능성이 높아 적용성이 다소 부족 

⑤ Shield TBM 공법    

▶ 굴착장비의 굴진성능과 고수압 대응성 성능이 우수   

▶ 연속적인 굴착과 세그먼트 설치로 굴진속도가 빨라 공사기간 단축에 유리    

▶ Shield 내부에서 굴착과 지보작업으로 상부의 서해대교 안정성 확보와 경제성 측면에서도 유리상기와 같이 현장의 특성, 발주처 요구 및 민원 사항에 대하여 검토한 결과, Shield TBM 공법이 가능 적절한 공법으로 검토되었다. 

2.1.2 막장 지지압에 의한 Shield TBM 선정

Shield TBM공법은 막장의 지지방법에 따라 이수가압식과 토압식으로 나누어진다. 이수가압식은 이수안정액(Slurry)을 통해 굴착면에 투수성이 낮은 이수 멤브레인(Membrane)을 형성시켜 토·수압에 대응하는 방식이며, 토압식은 챔버 유지압을 스크류 컨베이어의 회전속도, 굴진속도와 적절한 컨디셔너 주입에 의해 조절하는 방식이다. 다양한 조건에서의 이수가압식과 토압식 TBM의 선정기준은 모호하나 DAUB-Working Group(2022)에서는 [표 2]와 같이 제시하고 있다.

여기서 제시하고 있는 선정 기준의 가장 큰 차이점은 양호한 암반에서의 적용성과 구속압력의 크기이다. 당 현장은 지반조사 결과를 분석하여 터널 의 계획 심도를 산정하였으며, 산정된 심도에서의 지층 및 수압등에 대응이 가능한 이수가압식 Shield TBM공법을 선정하게 되었다.

3. Shield TBM 공법

3.1 공법 개요

터널 굴착을 위한 기계화 시공 방법이며, 기계 굴착으로 터널을 굴진함과 동시에 후방에서 미리 제작된 세그먼트를 조립하는 일련의 과정을 반복하는 터널시공 공법이다.

3.2 Shield TBM 주요 부위 및 기능 

3.2.1 Front Shield 

▶ Cutting Head : 전면부에 배치된 굴착도구    

- 굴착경: Ø 4,325mm    

- 개구율: 25%    

- 중량 : 28.5ton      

- 복합지반 적용

▶ Main Drive Motor    

- Cutting Head 회전 구동기   

- 회전속도: 0 - 6.5 rpm   

- 회전방향 : 양방향  

3.2.2 Machine Can

▶ Main Drive motor   

- 파워 : 400kW(200kW x 2motors)

▶ Steering Cylinder(방향수정 잭)

▶ Air Lock

3.2.3 Thrust Can

▶ Elector(세그먼트 조립)   

- 인양중량 : 3,061kg   

- 타입 : Mechanical pin   

- 상향력: 120kNm

▶ Thrust Cylinder(추진 잭)   

- 회전속도: 0 - 6.5 rpm   

- 회전방향 : 양방향

3.2.4 후방 트레일러

▶ 후방 트레일러는 총 7개로 구성되며, 각 트레일러는 원활한 터널링 작업을 위한 별도의 장치들로 구성 된다.   

- Segment Lifter 및 Crane     

- 오퍼레이터 공간 및 전원장치   

- 배전반 및 그리스 자동공급장치   

- 고압케이블 및 송니, 배니 파이프   

- 터널 환기형 송풍관   

- 기타 시설을 증축공간 등

3.3 Shield TBM 시공 순서

터널 굴착을 위한 시공 순서 및 방법을 단계별로 요약하였으며, 다음의 [표 4]와 같다.

3.3.1 지상설비 준비

이수가압식 쉴드 TBM은 커터 수압 및 토압에 대응하기 위해 챔버내에 소정의 압력을 가한 이수를 충만, 가압하여 막장의 안정을 유지하는 공법의 특성상 지상 설비가 다소 복잡하다. 이수 플랜트를 위한 각종 배관 및 설비 등이 필요하며, 때로는 이수를 순환하기 전 폐수를 정화하는 장치가 필요하다. 또한 뒷채움 플랜트, 세그먼트 야적장, 세그먼트 운반을 위한 문형크레인 등이 설치 된다.(단, 당 현장에서는 공기 및 공간 부족으로 문형크레인을 크롤라 크레인으로 대체함)

3.3.2 수직구 굴착 및 반력 구조물 설치

쉴드 TBM공사시 TBM 장비투입, 자재운반, 굴착토사 배출 및 환기를 위한 수직구는 필수적이다. 수직구 설치는 공사용 장비, 자재의 반입, 버럭 반출 등 필요한 공간을 확보함과 동시에 경제성을 고려한 계획이 필요하며, 주변의 지반침하 및 공사 영향도를 분석하여 민원 발생을 최소화하는 방안을 고민하여야 할 것이다. 또한 수직구 굴착 후 굴진을 위한 반력대, 엔트란스, 후방대차 등이 설치된다.

3.3.3 장비 반입 및 초기 굴진

수직구를 통한 장비 반입 후 초기 굴진을 위한 각종 설비 및 배관이 연결되면 초기 굴진을 위한 준비가 완료된다. 초기 굴진은 장비가 완전히 지중으로 진입하기 전까지 스틸세그먼트의 반력을 받을 수 있는 하부 쉴드Jack을 사용하여 진행하게 된다. 초기 굴진시 이수가 엔터런스를 통하여 유출되지 않도록이수압을 1kg/cm2이내로 관리하며, 장비가 완전히 근입되고 뒷채움이 진행됨에 따라 막장압을 올리면서 관리하게 된다. 초기 굴진은 후속 대차를 전부 설치할 수 있는 약 75m까지 굴진 완료 후 본 굴진을 준비하게 된다.

3.3.4 본 굴진 준비

본 굴진을 위한 준비는 다음과 같다

▶ 초기 굴진시 사용한 유압, 전기, 송배니라인은 본 굴진에 맞추어 해체 후 후방트레일러를 통하여 재연결한다.

▶ 초기 굴진시 사용한 반력대 및 스틸 세그먼트를 해체 후 본 굴진을 위한 수직구 받침대, 횡형 대차, 레일 설치

▶ 수직구내 펌프 및 수직 배관 설치 연결

3.3.5 본굴진

① TBM굴착 중 측량(자동측량시스템)

당 현장의 TBM에 장착한 자동측량 시스템에 의해 터널 선형과 굴진 선형의 시공편차를 수치로 모니터링하여 굴진방향을 결정하고 시공 오차를 줄인다. 

▶ SLS-T APD(1세트)는 터널굴진 중에 설계치와 측량치의 편차를 mm단위로 표시하여 장비조정원이 편차를 수정할 수 있는 장비이다

▶ 레이저 빔을 이용하여 후시를 관측하고 터널에 설치된 타켓에 현 굴진방향의 위치정보를 제공하게 된다 

② 커터의 교체

디스크 커터의 교체는 커터의 마모율 및 교환 위치는 지반조건, 쉴드 TBM 형식이나 회전거리 등 다양한 요소 및 현장 여건에 따라 교체 시기가 달라진다. 당 현장의 교체주기는 [표 5]의 주기를 기준으로 점검을 실시하고, 점검시 마모량에 따라 교환을 실시한다. 또한 이상 소음이 발생하거나 굴착중 토크에 이상이 발생시 챔버를 개방하여 디스크 커터를 점검하여 교환하도록 진행 하였다.  

③ 세그먼트의 조립 

당 현장에서는 직선터널용(S형)과 곡선 터널용(T형)으로 나누어 시공하였으며, 6개의 Seg.는 A1 → A2 → B1 → B2 → K로 분할하여 시공하였다. 

특히, 세그먼트 조립시 접착면에 이물질 혼입이 되지 않도록 관리하여야 하며 KeySeg의 파손에도 유의하여야 한다. 또한 세그먼트 연결부는 누수의 주원인으로 굴진효율 등에 영향을 미치는 부분이므로 체결력이 높아 방수성능이 우수하고 곡선부 시공 안정성 확보에 유리하며 시공기술이 축적되어 시공성 및 안정성 면에서 유리한 볼트체결 방식으로 시공하였다.추가적으로 수팽창지수재 1열과 가스켓 지수재 1열을 적용함으로써 5Bar의 고수압에 대응하였다.

④ 뒷채움재 주입 

일반적으로 쉴드TBM 시공시 지반침하를 방지하고 지반과 세그먼트를 일체화하여 구조적으로 안정성을 확보하기 위해 세그멘트에 설치된 주입구를 통해 뒷채움재를 주입하게 된다. 주입은 갱외 Plant에서 그라우트 펌프를 이용하여 터널 내 압송하게 되며, 장거리일 경우 중계펌프를 이용하여 주입하게 된다. 뒷채움 주입시 일반적인 주입압은 2~4를 표준으로 하나, 배면 공동을 충분히 충전시킬수 있는 범위에서 구조물에 손상이 오지 않도록 조정하여 시공한다.

⑤ 설비 관리

본 굴착 진행 중에는 장비의 구동 및 조작이 원활하도록 관리하여야 한다. 또한 전력, 유압설비, 급수장치등의 후방설비 뿐만아니라 상부 폐수처리시설, 이수플랜트 등의 상부 설비 관리도 중요하다. 굴착이 진행됨에 따라 송니, 배니파이프 연결, 레일 연장 등의 부대 설비에 대한 관리도 필요하다.

4. 현장에서의 중점 관리 사항

4.1 터널 초기 굴진시 세그먼트 처짐 현상 

터널 초기 굴진시 TBM 장비가 받침대를 벗어나 원지반에 진입할 경우, 장비 중량으로 인한 하부 침하 발생과 그로 인한 세그먼트의 처짐이 발생할 수 있으며, 처진 구간의 세그먼트의 벌어짐 및 파손, 물고임의 문제가 발생할 수 있다. 

▶ 대처방안 

- 원지반의 지지력이 약한 토사 지반의 경우 처짐이 심하게 발생할 수 있으므로 원지반 진입부 그라우팅을 검토하여 시행.

- 장비 받침대의 상부를 상향으로 설치하여 원지반 진입시 장비의 굴진 방향이 상향될 수 있도록 조정함

- 세그먼트간 처짐 방지를 위한 임시 브라켓 또는 처짐 방지봉 설치

- 처짐이 발생하였을 경우, 배수 불량으로 물고임이 발생하지 않도록 인버트 타설시 인버트 두께를 조정하여 물흐름 레벨 조정

4.2 수직구 Tunnel Eye 시공 

Tunnel Eye 시공시 수직구에 보강된 보강 철근/락볼트 시공부는 장비 굴착이 불가능하므로 해당 Tunnel Eye를 파쇄하여 철근 및 락볼트를 제거하여야 한다. 이러한 작업시 원지반의 노출로 인해 지하수 유입 또는 벽면 붕괴가 발생하는 문제가 생길 수 있다.

▶ 대처방안 

- Tunnel Eye 시공시 TBM장비를 통하여 파쇄가 가능한 GFRP철근을 대안으로 시공하여 별도 Hacking없이 바로 원지반으로 진입 또는 도달 관통할 수 있도록 시공함으로써 Enterance Packing 및 그라우팅 홀을 통한 유입수 차단 작업을 진행하였다.

4.3 고압수 구간 굴진 

고수압에 의한 다량의 유입수 발생 구간은 실드 TBM 굴진을 위한 초기 및 도달 굴진시 Entrance packing 만으로는 차단이 어려운 상황이 발생할 수 있다. 

▶ 대처방안  

- 2중 entrance packing 설치하여 유입수를 차단함o?장비 원지반 진입 후 유도 배수 및 차수 그라우팅 가능한 포트 설치 시행

- 초기 및 도달부의 수직 그라우팅으로 차수(그라우팅 범위는 장비 폭과 길이보다 커야 함.)

5. 결 론

당진지역 전기공급시설 전력구공사(서해대교) 현장은 주변의 경관 확보를 위해 서해안 하부를 통과하는 지중케이블 구간으로 시공성, 안정성 확보를 위하여 기계식 터널굴착 공법인 Shield-TBM으로 계획되었다.서해대교를 횡단하다 보니 굴착으로 인한 서해대교 변위의 자동계측을 통한 지속적 관리 및 굴착 후 즉시 뒷채움을 실시하여 변위발생 소지를 최소화하였다. 또한 현장 주변에서 굴, 바지락 양식 및 장어 치어 채취를 하고 있어 민원 발생이 예상되어 현장내 공사중 발생하는 혼탁수 등의 처리를 위한 오폐수처리장치를 설치하여 오탁수 처리후 방류하였으며, 굴착시기의 장어치어 채취기간(2~6월)과 겹치는 시간을 최소화하여 민원방지 노력에 최선을 다하였다. 작업공간이 부족하여 안전관리에 어려움이 있었으며, 공기도 부족하여 굳은 날씨도 마다하지 않고 당 공사의 완벽한 수행을 위하여 고생하는 당사 및 협력사 직원, 근로자들의 노력에 경의를 표하며, 물심양면으로 도와주시는 분들게 깊은 감사의 말을 전하고 싶다.