< Previous28 자연,터널그리고 지하공간특집기사EMP방호를 고려한 지하전산센터구분Cavern TechnologiesIron Mountain The Underground구축형태지상 터널형지상 터널형위치Lenexa, KansasButler County, Pen.공용연도20071998지하심도38m67m내부면적3,700m25,570m2공간높이4.9~5.5m3.0~4.6m초기용도석회석 광산석회석 광산현재용도민간 데이터 센터민간 데이터 센터3. 재래식 무기에 의한 지중폭파 영향권∙ 미공병 교범(TM 5-858-2)을 기준으로 TNT0.9ton폭발시 소성심도를 고려하는 경우 실폭발 깊이(DOB)는 5.9m, 폭발구 반경은 14.1m이며, 소성심도는 23.4m로 계산된다.∙ 따라서 터널의 방호성능 확보를 위해서는 토피고 25m 이상을 확보하여야 할 것으로 판단된다.Vol. 20, No. 4 29검토근거검토조건검토내용미 공병단 핵시설 방호기준 적용(Technical Manual (TM 5-858-2, TM 5-858-8))∙ TNT 0.9ton에 대한 방호기준 검토∙ 미사일 직격에 대한 폭발 영향범위 검토∙ 장약량(W) : 0.9 ton∙ 폭발심도(z) : 1.0m (지하심도)∙ 지반조건 : Dry hard rock∙ 겉보기 폭파반경(Ra) : 10.1m∙ 겉보기 폭파심도(Da) : 4.2m∙ 실 폭파반경(Rt) : 14.1m∙ 실 폭파심도(Dt) : 5.9m∙ 파쇄반경(Rr) : 28.2m∙ 파쇄심도(Dr) : 17.6m∙ 소성반경(Rp) : 56.4m∙ 소성심도(Dp) : 23.4m4. 지하전산센터의 터널단면∙ 터널형 지하전산센터는 공간이 클수록 터널내부에 건축되는 전산센터가 효율적으로 배치될 수 있으나, 단면이 커짐에 따라 터널 안정성은 저하되는 단점이 발생한다. 따라서 대단면터널의 기존사례에서 사용된 폭원 20~30m 정도가 전산동의 본래 목적인 차폐가 가능한 건축물 축조가 가능하면서 터널의 안정성도 확보할 수 있을 것으로 판단된다.00사업 시설소양강 비상여수로폭 25.0m, 높이 22.0m (추정) 폭 25.2m, 높이 16.7m여빅경기장(노르웨이)밍탄 발전소(대만)폭 61.0m, 높이 24.1m 폭 22.0m, 높이 46.0m30 자연,터널그리고 지하공간특집기사EMP방호를 고려한 지하전산센터타카야마 페스티발음악당(일본)맨하탄(ESA) 철도터널(미국)폭 40.5m, 높이 20.3m폭 19.5m, 높이 36.0m5. 터널 구조∙ 지하의 전산센터가 위치하는 터널은 대단면 터널로 건축물이 위치하여 미관유지가 필요 없으며, 터널이 양호한 암반에 위치하여 적은 지보량으로 터널 안정성 확보가 가능하고, 대단면으로 콘크리트 라이닝 타설이 곤란하다. 따라서 2차 지보재(콘크리트 라이닝)의 필요성이 낮으며, 공기, 시공성, 경제성 등을 고려하여 Single Shell 구조의 적용이 합리적이다.∙ 지하 전산센터와 연결되는 진출입터널 등은 인원 및 차량이 계속적으로 통행하므로 미관유지와 유지관리가 요구되므로 Double Shell구조를 적용할 수 있다.구분Double ShellSingle Shell개요도NATM 공법∙ 싱글쉘 NATM∙ NMT(Norwegian Method of Tunnelling)특징∙ 1차 지보재(숏크리트)와 2차 지보재(콘크리트 라이닝) 사이의 전단력 전달은 없음∙ 1차 지보재는 각 지보부재의 능력을 최대한 발휘하여 지반과 일체화된 구조로 터널 안정성 확보∙ 2차 지보재는 1차 지보재의 열화작용으로 인한 지보능력 저하, 시간 경과에 따른 원지반 특성 저하 등의 장기적인 터널 안정성을 확보하기 위한 구조체 역할, 미관유지, 터널내 시설물 보호를 위해 설치∙ Double Shell의 2차 지보재(콘크리트 라이닝) 미설치∙ 숏크리트 라이닝은 숏크리트와 콘크리트 라이닝의 역할을 함께 수행하면서 균질하지 않은 각 층간에 전단력이 충분히 전달되는 구조특성을 가짐∙ 라이닝의 전체 두께를 줄일 수 있어 공기와 공사비 절감Vol. 20, No. 4 316. 결 론∙ 최근 북한의 핵공격 위협이 가중되고 있는 상황이므로, 전산장비를 무력화시키는 EMP탄 공격에 대한 방호성능 확보에 대한 관심도 높아지고 있다.∙ EMP방호시설은 EMP공격에 대한 방호성능 외에 적의 재래식무기와 화생방공격에도 안전하도록 계획되어야 하므로 지상보다는 터널형식으로 계획하는 경우 다양한 방호가 가능하므로 해외의 전산센터 적용사례를 살펴보고, 지하 전산센터 계획시 고려해야 할 점에 대해 조사하였다.∙ 해외의 전산센터는 높은 보안성 및 방호목적을 고려해 대부분 지하심도 15m 이상에 설치되어 있는 것으로 나타났으므로 견고한 터널형의 전산센터 구축이 바람직한 것으로 나타났다.∙ 미공병 교범(TM 5-858-2)을 기준으로 TNT0.9ton폭발시 소성심도를 고려하는 경우 실폭발 깊이(DOB)는 5.9m, 폭발구 반경은 14.1m이며, 소성심도는 23.4m로 계산되므로 터널의 방호성능 확보를 위해서는 토피고 25m 이상을 확보해야 한다.∙ 터널형 지하전산센터는 공간이 클수록 터널내부에 건축되는 전산센터가 효율적으로 배치될 수 있으나, 단면이 커짐에 따라 터널 안정성은 저하되는 단점이 발생하므로 폭원 20~30m 정도가 전산동의 본래 목적인 차폐가 가능한 건축물 축조가 가능하면서 터널의 안정성도 확보할 수 있을 것으로 조사되었다.∙ 지하의 전산센터가 위치하는 터널은 대단면 터널로 건축물이 위치하여 미관유지가 필요 없으며, 터널이 양호한 암반에 위치하여 적은 지보량으로 터널 안정성 확보가 가능하고, 대단면으로 콘크리트 라이닝 타설이 곤란하다. 따라서 2차 지보재(콘크리트 라이닝)의 필요성이 낮으며, 공기, 시공성, 경제성 등을 고려하여 Single Shell 구조의 적용이 합리적이다. 다만, 지하 전산센터와 연결되는 진출입터널 등은 인원 및 차량이 계속적으로 통행하므로 Double Shell구조를 적용할 수 있다.32 자연,터널그리고 지하공간기술기사 11. 머리말서울시 지하철 건설공사에서 별내선(8호선연장) 2공구 건설공사 한강통과 구간의 터널 굴착에 적용하는 이수가압식 쉴드TBM은 지하철 9호선 1단계 909공구 이후 두 번째이며, 또한 이수가압식으로 한강 하저를 통과하는 경우는 처음이기 때문에 시공성과 안전성 확보 문제가 대두되고 있는 실정이다. 즉 한강 하부 통과 시에는 높은 수압과 파쇄대가 존재하고 있으므로 터널굴진 시 각 진행 단계별로 현장에서 적정하게 시공되고 있는지에 대한 면밀한 점검이 요구된다. 또한 공사관리관은 이수가압식 쉴드TBM공법의 단계별 상황을 고려하여 공사 중의 안전성을 확인하고 확보하기 위한 매뉴얼을 작성하여 계획적으로 점검할 필요가 있다. 이에 이수가압식 쉴드TBM 터널공사를 수행하는데 있어서 공사관리관이 각 단계마다 점검하고 확인하면서 현장의 실정에 맞게 사고 없이 전체 단계가 완료될 될 수 있도록 공무원 직접수행 학술용역 연구를 2018년 3월부터 9월까지 수행하였고, “도시철도 안전 건설을 위한 이수가압식 쉴드TBM공법 매뉴얼”을 작성하였다. 그 결과를 관련 업계와 기술자들에 소개하여, 향후 서울시의 쉴드TBM 관련 개선 방향에 대해 함께 공유하고자 한다.2. 별내선(8호선연장) 2공구 쉴드TBM 공법의 검토서울시는 이토압식 쉴드TBM을 서울 지하철 7호선과 9호선 공사구간에 일부 적용하였고, 이 공사에 참여하여 이토압식 쉴드TBM에 대한 경험을 가진 공사관리관을 보유하고 있다. 그러나 이수가압식은 서울시에서 지하철 9호선 1단계 도시철도의 안전 건설을 위한 이수가압식 쉴드 TBM 공법 매뉴얼의 소개박동룡서울시 도시철도사업부 부장성원배서울시 도시철도사업부 과장박노성서울시 도시철도사업부 주무관왕태현서울시 도시철도사업부 주무관김동일서울시 도시철도사업부 주무관Vol. 20, No. 4 33909공구에서 처음 도입된 후 별내선이 두 번째인 관계로 현재 이수가압식을 경험한 공사관리관은 없는 실정이다. 따라서, 처음 경험하게 되는 공사관리관이 쉽게 이수가압식 쉴드TBM을 이해할 수 있도록 공법의 정의 및 종류, 장비의 특성 등을 정리하였다.2.1 별내선(8호선연장) 2공구 건설공사의 개요별내선(8호선연장)은 서울시와 경기도 북부지역을 연결하는 철도망을 구축하여 광역교통 수요에 능동적으로 대처하고 지역주민의 교통편의 제공과 경기도 동북부지역의 대규모 택지개발 지구인 별내지구의 수송수요 증가에 대비한 광역교통 개선대책 일환으로 환경 친화적인 교통인프라 구축을 통한 경쟁력 강화로 지역발전을 도모하기 위한 지하철 건설공사이다.∙ 공 사 명 : 별내선(8호선연장) 2공구 건설공사∙ 위 치 : 강동구 암사동 ~ 구리시 토평동∙ 규 모 : L=2,536m (환기구2개소, 본선터널 (NATM 및 쉴드TBM))∙ 공사기간 : 2017.09.30.~2023.09.28. (72개월)<그림 1> 별내선 2공구 노선도 및 종단도34 자연,터널그리고 지하공간기술기사 1도시철도의 안전 건설을 위한 이수가압식 쉴드 TBM 공법 매뉴얼의 소개2.2 쉴드TBM 공법의 선정 사유2.2.1 한강하저 지반조사 분석별내선(8호선연장) 건설공사 기본 및 실시설계에 있어서 한강하저 지반조사결과는 다음과 같다.∙ 한강하저 구간 지반조사 결과, 터널 계획심도에는 화강편마암인 연․경암층 출현∙ 터널계획심도의 연‧ 경암 구간은 구간별 소규모 단층파쇄와 수직절리의 발달로 암질불량∙ 시점부인 STB-1, 2구간은(암사취수장 오탁방지망 설치로 인접 시추 수행) 암질상태가 불량하며, STB-3, 4 구간은 암질이 불량한 연암층이 분포하며, 중앙부 및 종점부는 연암파쇄대가 약 100m~160m 정도 분포되어 있으며, 암질 상태가 불량한 것으로 조사됨∙ 고수압을 받는 한강하저는 수압과 단층과 같은 지질구조선의 영향을 받기 때문에 터널굴착 중 막장의 붕락은 무한한 하천수의 유입으로 터널막장 유실 또는 복구에 큰 지장을 초래할 수 있음∙ 수심은 상시 수위 약 9.6m, 최고홍수위 약 23.0m로 3.4bar에서 최대 4.7bar 이상의 수압이 예상됨<그림 2> 쉴드TBM 구간의 지층 종단도Vol. 20, No. 4 35<표 1> 시추조사 결과분석시료사진[한강하저]STB-1 [연암파쇄대]STB-6 [경암]STB-9 [연암파쇄대]STB-14 [연암파쇄대]∙ GL(-)17.3m~24.9m∙ TCR : 90~100%∙ RQD : 22%~31%∙ GL(-) 15.9m~23.7m∙ TCR : 100%∙ RQD : 56% ~ 75%∙ GL(-) 16.2m~24.0m∙ TCR : 100%∙ RQD : 27%~53%∙ GL(-) 16.7m~24.5m∙ TCR : 100%∙ RQD : 22%~41%STB-4 [연암파쇄대]STB-7 [연암파쇄대]STB-10 [연암파쇄대]NTB-31-1 [단층파쇄대]∙ GL(-) 15.7m~23.5m∙ TCR : 100%∙ RQD : 46%~100%∙ GL(-) 16.0m~23.8m∙ TCR : 100%∙ RQD : 23%~53%∙ GL(-) 16.3m~24.1m∙ TCR : 76%~100%∙ RQD : 5%~40%∙ GL(-)30.8m~38.64m∙ TCR : 90%~100%∙ RQD : 28%~34%지층조건∙ 화강편마암 연암∙ 45~60°정도 경사 절리군이 발달∙ 중간 중간 절리면 전단 파쇄대가 심하게 분포∙ 전단파쇄대가 한강하저 까지 연장 가능성 존재∙ 화강편마암의 연‧ 경암∙ 60~80°정도의 고각으로 절리분포∙ 터널 천단부 암반파쇄가 매우 발달∙ 터널구간은 비교적 암질상태가 양호한 구간∙ 화강편마암 연암파쇄대∙ 45~60°정도 경사 절리군 발달∙ 전단파쇄대(소규모단층대 포함) 매우발달∙ 터널상부 및 본선부 암 질의 매우 불량한 상태∙ 화강편마암 연암파쇄대∙ 45°정도의 경사 절리군 발달∙ 단층파쇄대 발달로 암질 불량구간∙ 단층으로 인한 암반파쇄 및 압쇄대 구간 존재시공시예상문제점∙ 전단파쇄대를 통한 다량의 유입수 예상 ∙ 굴착초기 차수방안 대책으로 막장 붕괴 대비 필요∙ 터널 본선구간의 암질은 양호∙ 터널 천단부 상부 파쇄 로 인한 국부적인 용수발생∙ 전단파쇄대를 통한 다량의 유입수 예상 ∙ 차수 및 지반보강 방안 으로 막장 붕괴 대비 필요∙ 전단파쇄대를 통한 다량의 유입수 예상 ∙ 차수 및 지반보강 방안으로 막장 붕괴 대비 필요2.2.2 쉴드TBM 터널공법의 선정한강하저 구간의 지반조사자료를 분석한 결과, 터널 계획심도에서는 최대 4.7bar의 고수압이 작용하고 있으며, 암질상태가 불량하고 중간부와 종점부에 파쇄대가 약 100m~160m 구간에 걸쳐 분포하는 등 굴착 중 막장이 붕락한다면 하천수가 거의 무한정으로 유입되어 터널 막장 유실 또는 복구에 큰 지장을 초래할 수 있기 때문에 쉴드TBM 공법을 선정하였다.2.3 쉴드TBM 장비형식 선정쉴드TBM 장비형식은 주변 조건과 현장 여건을 다음과 같이 검토하여 이수가압식으로 선정하였다.∙ 3.0bar 이상의 고수압이 작용하는 하저구간에 EPB (Earth Pressure Balanced) 및 SPB (Slurry Pressure Balanced) 공법 적용사례 있음: 분당선 한강하저 (EPB), 부산지하철 수영강 (SPB), 원주-강릉 남대천구간 (SPB)36 자연,터널그리고 지하공간기술기사 1도시철도의 안전 건설을 위한 이수가압식 쉴드 TBM 공법 매뉴얼의 소개∙ 굴착 중 막장압 관리능력, 커터의 마모율, 연속적인 버력처리 등 시공성, 안정성, 환경성 측면 검토 시 SPB공법이 양호∙ 별도의 버력처리 플랜트가 필요 없고, 최저 유지관리비용 등 경제성에서는 EPB type이 양호∙ 하저횡단 고수압 구간은 EPB 형식도 최근 수압에 대한 대응력이 향상되었으나, 3.0bar 이상의 고수압 대응이 곤란하며, 버력의 함수율이 높아 별도의 처리가 필요하여 불리∙ 사업구간의 쉴드TBM 장비 형식 비교검토 결과, 환기구2 부지 내 예상되는 민원이 없는 점, 이수식 플랜트 설치 부지 확보가 가능한 점, 그리고 한강하저 구간 통과에 따른 안전성 및 시공성을 고려할 때 이수가압식 쉴드TBM (SPB) Type이 적정한 것으로 판단됨<표 2> 쉴드TBM 장비형식 검토구분토압식 쉴드TBM이수가압식 쉴드TBM개요도막장압지지방법커터 후방에 설치된 격벽과 막장면 사이에 굴착한 토사를 채워 막장안정 및 지반이완 억제막장의 수압과 토압에 대응하여 챔버내에 소요 압력을 주어 굴착면 안정 및 지반이완 억제버력처리벨트 컨베이어 및 버력대차로 지상반출파이프에 의한 유체수송으로 반출작업부지지상설비 비교적 간단(세그먼트 야적장, 뒤채움 플랜트 등)지상설비 복잡(이수플랜트, 세그먼트 야적장 및 뒤채움 플랜트 등)환경성세립분 함유량에 따라 일부 폐기물 발생이수적용으로 일부 폐기물 발생3. 국내ㆍ외 쉴드TBM 공법의 적용 현황과 사고사례 조사3.1 국내외 쉴드TBM 공법 적용 현황국내‧ 외 도심지 터널공사에서의 쉴드TBM 적용 현황은 다음과 같다.∙ 유럽 : 환경성, 민원, 시공성을 고려하여 90% 이상 쉴드TBM 공법 적용∙ 중국, 일본 : 80% 이상 쉴드TBM 공법 적용∙ 한국 : 일부 하저통과구간이나 도심지 구조물 근접통과 구간 등 제한적으로 쉴드TBM공법 적용Vol. 20, No. 4 37그리고 하저나 해저에 건설되는 터널공사에 있어서 쉴드TBM을 적용하고 있는 현황을 조사하면 다음과 같다.∙ 시공 중이나 계획 중인 터널은 쉴드TBM 공법이 대다수 이고, 일부 NATM, 침매터널 공법 적용 ∙ 거가대교 해저터널이 침매터널로 시공∙ 한‧ 일 해저 터널은 쉴드TBM 공법으로 계획 중∙ 하‧ 해저 터널 특성상 쉴드TBM 공법 적용 급증3.2 쉴드TBM 공법 및 NATM공법 터널 사고사례기존 터널 건설공사의 주요 사고 사례에 대한 조사 및 원인 분석을 수행하여 시공 계획 수립에 참고하였다.<표 3> 주요 터널사고 및 침수 사례구분사고사례발생원인NATM사고사례지하철5-18공구∙ 공사중 붕락 및 홍수시 터널 완전 침수(하수암거 월류)∙ 본선, 피난갱 접속부 붕괴∙ 단층 및 지반조건 예측 미비∙ 하수암거 등 개구부 관리 미흡세이칸(일본)∙ 발파시 해수유입, 터널전체 침수 ∙ 4차례 지하수유입, 인명사고 발생단층 및 최대심도 240m에 이르는 고수압 영향신영천(대만)∙ 3차례 지하수유입∙ 540m 구간터널 매몰∙ 고수압(최대수압：5MPa), 파쇄대와 충진물 때문에 발생쉴드TBM사고사례광주지하철(토압식)커터헤드 손상으로 굴착 정지∙ 장비선정 능력 미흡 ∙ 암반 대응형 커터 미고려○○분기전력구(Open Type)TBM 챔버내 과다 용출수 발생지하수를 고려치 못한 Open Type TBM 선정분당선 3공구(토압식)파쇄대 구간 다량의 지하수 유출에 의한 트러블 발생 및슬러지 상태의 버력 발생으로 반출이 곤란하여 공기 지연경제성 측면의 EPB형식 장비를 선정하였으나, 3 bar이상의 수압에 대응이 곤란하여 시공성 저하○○대교 한강하저통신구현장(ø2.2m Slurry 쉴드-TBM)∙ 배니파이프 마모 파열∙ 쉴드-TBM 굴진 정지∙ 강한 강도의 암편 지속적 마찰∙ 청수사용으로 암분이 침전되어 쉴드 밑바닥 폐색 후 고결∙ 폐쇄적인 파이프 유체수송이 아닌 개방형 벨트컨베이어 방식(EPB) 적용 검토∙ 암반구간 굴진시 첨가재로 이수와 청수 적절 사용Great Belt해협(덴마크)∙ 66m의 수압작용∙ 해수유입으로 침수∙ 고수압 대처 미비∙ 장비운영능력 저하Next >