< Previous38 자연,터널그리고 지하공간기술기사 1도시철도의 안전 건설을 위한 이수가압식 쉴드 TBM 공법 매뉴얼의 소개4. 서울시의 쉴드TBM 관련 개선 방향4.1 쉴드TBM 운전자 자격관리 제도 개선4.1.1 운전자 현황쉴드TBM 장비는 건설기계관리법령 및 규정상 천공기로 분류되어 건설기계관리법령에 의거, 현장에서는 쉴드TBM을 천공기 기능사가 운전하고 있다. 쉴드TBM 장비는 현장에서 많이 사용되고 있는 일반 천공장비(보오링, 오거 등)와는 운전기법이 크게 다르므로, 사실상 쉴드TBM 운전은 검증되지 않은 무자격자들이 운전하고 있는 상황이다. 따라서, 검증되지 않은 운전자로 인한 안전사고 위험성이 상시 노출되어 있으므로, 해외 현황을 조사‧ 분석하여 국내 실정에 적합한 현장 채용 기술인력 자격관리 제도를 마련함으로써, 검증되지 않은 쉴드TBM 장비 운전자에 의한 지반함몰 및 안전사고에 대한 위험성을 사전에 차단할 필요가 있다.4.1.2 현장 기술인력 경력 요구조건앞서 언급하였듯이 국내에서 쉴드TBM 시공 발주 시 발주기관에서 관리 매니저, 운전자 등과 같은 쉴드TBM 조직구성원에 대한 별도의 채용기준이 없어, 검증되지 않은 무자격자가 TBM장비를 운전하고 있는 상황이다. 따라서 해외 쉴드TBM 시공 발주 시 발주기관에서 제시하고 있는 쉴드TBM 관리 매니저, 운전자 등 주요 인력에 대한 경력 및 조직원 구성 시의 요구조건을 참고하여 별내선(8호선연장) 2공구를 포함하여 서울시 쉴드TBM 발주 시 현장기술인력 경력 요구사항을 단기적 제도개선(안)과 장기적 제도개선(안)으로 구분하여 제안하고자 한다.4.1.3 단기적 제도개선(안)현장시공인력 중, 주요 인력에 대하여 다음의 경력 요구조건을 제시하고자 한다.1. 시공사에서 개인 이력서와 한국건설기술인협회에서 발행한 경력증명서를 확인한 후 면접을 통해 선발하고, 선발된 인원에 대해서는 발주처의 전문인력이 면접을 실시하여 최종승인 한다.2. 요구 인력구성 및 경력년한을 공사시방서 또는 시공입찰 특기조건에 명기하며, 승인된 인력에 대해서는 별도의 안전 및 기술교육을 실시한다.<표 4> 현장 시공인력 경력 요구조건 제시구분경력 요구조건비 고 터널 관리자(원도급사)∙ 관련 분야 대학 교육 이수 후 15년 이상의 경력 ∙ 쉴드TBM 시공현장에서 공정관리 10년 이상의 경험 보유자 ∙ 국내 쉴드TBM 시공인력 부족을 고려하여 전력구, 통신구 등의 소구경에서 지하철의 중구경 쉴드TBM 경력을 모두 인정∙ 최소1건 이상의 중구경(지하철)경력포함∙ 경력은 해당 현장 참여일수를 의미함쉴드TBM 관리자 (하도급사)쉴드TBM 시공현장에서 10년 이상의 경험 보유자쉴드TBM 운전자 쉴드TBM 시공현장에서 5년 이상의 경험 보유자Vol. 20, No. 4 394.1.4 장기적 제도개선(안)현행 국가 기술자격의 직무분야 및 국가기술자격의 종목 상에 천공운전 기능사를 포함하여 장비운전관련 국가 자격종목은 총 11개로 구분되어 있다. 건설기계관리법/건설기계 관리법 시행규칙(국토교통부령 제341호)에 제시된 천공기 운전기능사 면허로서 조종할 수 있는 건설기계 중 쉴드 굴진기가 포함되어 있어, 천공기 면허로 쉴드TBM을 운전할 수 있지만, 쉴드 굴진기는 운전기법이 일반 천공기와 크게 다르므로 검증되지 않은 운전자로 인한 안전사고 위험성이 상시 노출되어 있는 상황이다. 따라서, 별도로 쉴드TBM기계를 운전할 수 있는 “쉴드TBM 장비 운전기능사” 국가 자격종목 신설이 필요하다. 향후 자격요건과 경력사항을 중복 검증하여 현장 운전자로 채용하여 안전한 건설현장이 되도록 국가적 차원의 쉴드TBM공법 기술인력 관리제도를 구축한다.4.2 장비와 굴진관리에 대한 개선 방향4.2.1 Manlock systemManlock 이란 압축공기 속에서 일하는 작업원을 위해 감압실로 쓰는 기밀실을 의미한다. 다시 말해 쉴드TBM 굴진 시 챔버 내 굴착토사의 원활한 배토가 어렵거나 갑작스런 막장 붕괴 또는 용수발생 시, 커터의 교체 및 커터헤드의 정비가 필요할 때 등 챔버 내 고압조건에서 긴급작업을 수행하는 경우에 작업자 안전성 확보를 위한 시스템 구축이 필요하다. 국내에서는 감압시스템(Manlock)의 적용사례가 전무한 상황이며, 작업자의 투입이 불가피한 경우 챔버의 압력을 유지한 상태에서의 챔버 내 작업이 불가능하므로 지상그라우팅 등 커터헤드부 지반보강을 실시한 후 작업을 수행하고 있는 실정이다.한강하저구간은 지상 그라우팅이 매우 어려우므로 높은 압력의 챔버 내에서 작업 후 대기압 조건으로의 철수를 대비한 Manlock 시스템을 추가하여 안전한 쉴드TBM 시공을 유도하여야 한다. Manlock 시스템의 운영은 작업 압력조건, 작업시간에 따라 Manlock에서의 휴식시간이 달라지며, 참고로 프랑스에서 적용되고 있는 작업자 안전을 위한 감압시간을 표 5에 제시했다. 아울러 국내의 작업자 안전을 위한 관련 기준이 전무한 바, 싱가포르 또는 독일‧ 영국 등에서 적용하고 있는 감압시스템 운영 실태를 확인하여 한강하저구간 시공계획 시 적용하는 것이 바람직하다.<표 5> 작업압력 및 시간에 따른 감압시간작업시간1차 정지(분)1.5BarAir(분)1.2BarAir(분)0.9BarOXY(분)0.6BarOXY(분)감압시간(분)전체시간0h 25910190h 440h 30710220h 520h 45720321h 171h 00715 5 10521h 521h 3065 5 25 5 20913h 012h 00531525 5 1015 5 25 5 25 5 101534h 3340 자연,터널그리고 지하공간기술기사 1도시철도의 안전 건설을 위한 이수가압식 쉴드 TBM 공법 매뉴얼의 소개4.2.2 전방 드릴링 및 그라우팅 시스템쉴드TBM 굴진 시 막장에서의 갑작스런 붕락 또는 지하수 유출이 발생될 경우에는 사전에 전방 지질상태 파악을 위한 드릴링과 갱내에서의 그라우팅 시스템이 매우 주요한 역할을 하게 된다. 특히 한강 하저 통과구간의 경우 지상에서의 보강 그라우팅이 현실적으로 어렵기 때문에 갱내에서의 전방 드릴링 및 그라우팅 시스템 구축 중요성이 가중된다. 대부분의 장비 제작사에서는 Option 사항으로서 전방 드릴링 및 그라우팅 시스템을 제안하고 있다. 국내 전력구 터널공사의 경우 기존 장비를 사용하여 쉴드TBM 굴진을 하는 경우가 많으며, 국내에 반입된 장비는 전방 드릴링 또는 선진그라우팅 시스템을 갖추지 않은 경우가 대부분임에 따라 쉴드TBM굴착 전 전방드릴링 및 그라우팅 시스템을 적용하는 경우 다음과 같은 문제점이 있다.∙ Probe Drill은 이렉터 설치 위치에 놓고 전방을 드릴링하므로 이렉터를 제거한 후 장착해야 하는 문제가 있다.∙ Probe Drill은 스킨플레이트 제작 시 사전에 고려되어야 하므로 위치와 경사각도 조정이 어렵고 지반 그라우팅 주입 위치에 대해 효과적으로 지반보강을 실시하기 어려운 경우가 많다.∙ 갱내 지반보강을 위해서는 그라우트공 내에 약액 역류 방지를 위한 두부 코킹이 수반되어야 하나, 두부코킹 위치가 스킨 플레이트 후면에 위치하여 현실적으로 두부코킹이 어려운 상황이다.따라서 다음과 같이 전방 드릴링 및 그라우팅에 대해 개선하고자 한다.∙ 장비 제작사 선정 및 제작 의뢰 시 전방 드릴링 및 그라우팅 시스템 사전 제작∙ 효과적인 그라우팅 주입재 적용∙ 그라우팅 주입재 선정 시 절리상태, 단층파쇄대 가우지(gouge) 영향 등을 고려하여 일반 시멘트가 아닌 마이크로 시멘트 또는 우레탄 등 사용∙ 전방 드릴링 시스템의 효과적인 기능 확보를 위해서는 유효 천공 길이 확보가 중요하며, 그라우팅 시스템의 경우 터널 내 긴급상황 발생 시 즉각적인 그라우팅이 가능하도록 플랜트 설비 구축이 필요4.2.3 챔버압 관리한강하저 구간의 경우 대부분 연경암층을 통과함에 따라 터널계획고로부터 한강수위차 만큼의 수압이 걸리지 않은 상황을 고려한 낮은 챔버압 관리에 유의하여야 하며, 단층파쇄대의 위치를 정확히 확인하여 수압조건을 고려한 챔버압 관리가 필요하다.∙ 설계 단계 및 시공 전, 이론적인 구간별 막장압 사전 평가로 위험도 최소화 유도∙ 실측에 의한 굴착 중 막장압 (토압, 수압) 선정 - 쉴드TBM 장비 제작 시 4개소 이상의 토압계 적정 배치 필요∙ 지반변위 및 변상 결과의 상호비교를 통한 측정된 토압+수압+여유압 산정Vol. 20, No. 4 41 - 산정된 적정 챔버압은 굴진 시 챔버압 변화량, 배토량 및 지반변위 또는 변상 여부를 동시 모니터링하여 적정성을 확인하고 주기적으로 재조정 관리함4.2.4 이수관리해외에서 이수식 쉴드TBM을 적용하는 경우 이수관리의 중요성을 고려하여 Mud Engineer가 별도로 현장에 상주토록 하고 있다. 국내의 경우 지하철 규모 이상의 쉴드TBM에서 이수식 쉴드TBM을 적용한 사례가 서울지하철 909공구가 유일하고 Mud Engineer의 현장배치 기준도 전무한 상태이다. 아울러 토피가 작은 조건의 단층파쇄대 조우 시 일니현상에 의한 이수분출 시 한강의 환경오염 피해 발생 가능성이 높으므로 현장에서의 이수관리 시스템이 매우 중요하다. 따라서, 싱가포르 LTA에서와 같이 경력 5년 이상의 Mud Engineer or Manager 현장 배치하고 현장에서 관리되는 이수의 배합비 및 비중, 점성 등에 대한 기준 제시 및 시공 중 현장검증이 필요하다.<표 6> 이수 배합비 및 비중‧ 점성 관리기준(예)구분흙의 종류벤토나이트폴리머물배합비사질층75kg1kg 1,000kg점토층25kg1kg1,000kg4.2.5 이수식 쉴드TBM의 배토량 관리이수식 쉴드TBM은 막장을 직접 볼 수 없기 때문에 송배니 계통에 설치한 유량계와 밀도계에 의한 계측을 통해 굴착토량을 관리하는 방법을 적용하고 있다. 관리 항목은 추진에 따른 굴착량(배니유량과 송니유량과의 차)과 건사량(배니 건사량과 송니 건사량과의 차) 2가지이다. 이러한 단점을 보완하기 위해 막장 탐사장치에 의한 계측을 병행하는 경우도 있으나 적용사례는 드물다.∙ 굴착량에 의한 굴진 및 배토관리∙ 건사량에 의한 굴진 및 배토관리 - 건사량은 지반 또는 송배니수의 토립자 체적이다. 토립자 비중은 지반 중, 송니수 중, 배니수 중에서 동일하므로 이를 계산하고, 계측하여야 한다.∙ 배니관 및 송니관 각각에 유량계 및 밀도계를 설치하여 굴착량에 의한 배토 및 건사량에 의한 배토를 중복 확인하여야 한다.4.2.6 뒤채움 주입관리쉴드TBM 장비는 굴진면(쉴드 장비 Skin plate 외주부)과 세그먼트 외주면 사이에 공극(테일보이드, Tail Void)이 필연적으로 발생된다. 발생된 테일 보이드를 충진하지 않을 경우 지반침하 발생의 주요 원인이 되며, 터널 심도가 작은 도42 자연,터널그리고 지하공간기술기사 1도시철도의 안전 건설을 위한 이수가압식 쉴드 TBM 공법 매뉴얼의 소개심지 터널의 경우 침하영향이 크게 된다. 따라서 굴착 후 빠른 시간 내에 적정 재료와 적정압으로 테일보이드를 충진해야 한다. 또한 테일보이드의 충진은 세그먼트 누수제어, Jack 추력에 의한 세그먼트 변상 방지 등의 목적이 있다.∙ 뒤채움 주입방법 중, 동시주입을 원칙으로 함. - 도심지 쉴드TBM에서 발생되는 지반침하는 인접건물의 변위발생과 매우 밀접한 관계가 있기 때문에 도심지 시공이거나 터널 상부가 충적충과 조우되는 복합지반조건인 경우 지반침하가 최소화 될 수 있는 동시주입을 원칙으로 함. - 아울러 장비 제작 시 동시주입공을 충분히 설치하여 뒤채움 주입 품질 확보 ∙ 주입량 및 주입압 관리 - 주입량에 대한 사전 정량적 평가로 충실한 주입량 확보∙ 주입압 관리 - 매 링마다 압력게이지에 의한 주입압과 유량 게이지에 의한 주입량을 확인 ∙ 적정 겔타임 선정 및 재료분리가 적고 조기강도가 우수한 가소성 주입재 적용 - 현장여건에 맞는 적정한 뒤채움재의 겔타임을 선정하여 쉴드TBM 후미 공극으로 인한 지반의 변형방지와 세그먼트에서의 누수방지, 세그먼트의 조기 안정성 확보∙ 액체와 고체의 중간영역을 갖는 가소성 재료를 이용하여 주입4.3 쉴드TBM 장비 고장시 조건을 고려한 대책 수립대부분의 쉴드TBM장비는 일본, 중국, 독일 또는 유럽에서 제작되는 경우가 대부분이기 때문에 굴진 중 장비 고장 시 장비수급에 많은 어려움을 겪은 사례가 적지 않다. 따라서 이러한 공사 중 상황에 대비하여 장비고장 사전방지 및 처리절차를 장비제작 발주 시 수립할 필요가 있다.∙ 쉴드TBM 장비 고장 시 대책∙ 예비부속품 운영 시스템 구축5. 맺음말공사관리관이 쉴드TBM 공사의 안전성과 시공성을 확보하는데 있어서 필요한 “도시철도 안전 건설을 위한 이수가압식 쉴드TBM공법 매뉴얼”을 간략히 소개하였다. 본 매뉴얼은 공사관계자가 짧은 시간에 쉴드TBM공법을 이해하고 파악하는데 도움이 되고자 하였으며, 서울시의 개선방향을 알리고자 하는 데 목적이 있다.참고문헌1. 별내선(8호선 연장)건설공사 기본 및 실시설계 보고서(서울특별시, 2017)2. 별내선(8호선 연장)건설공사 시방서(서울특별시, 2017)Vol. 20, No. 4 433. 별내선 건설공사 쉴드TBM 장비설계보고서(서울특별시, 2017)4. 서울시 도심지 지하철 쉴드TBM 공사관리 제도개선 방안(서울특별시, 2015.7)5. 쉴드장비 운전자 제도개선 및 시공중 안전시공 방안 마련(서울특별시, 2016.9)6. 쉴드 공법의 실제(토목공법연구회, 일광, 2012.3)7. 쉴드TBM 공법(일본 공익사단법인 지반공학회, 김재영 역, 2015.3)8. 지하공간 개발의 Shield Tunnel Method 건설지(박완석, 2008.3)9. 터널 설계기준(국토교통부, 2016)10. 터널 표준시방서(국토교통부, 2015)11. 별내선 건설공사 2공구 현장설명서(서울특별시, 2017)12. 별내선 건설공사 2공구 건설사업관리 과업지시서(서울특별시, 2017)13. 도시철도 안전 건설을 위한 공무원 맞춤형 이수가압식 쉴드TBM공법 업무관리 매뉴얼 연구(서울특별시, 2018.10)[본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]44 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2시멘트광물계 급결제를 적용한 숏크리트의 안전성 확보와 환경안정성 관점에서의 재료 공학적 특성고찰엄주일(주)유니온 기술연구소 연구소장황봉춘(주)유니온 기술연구소 연구2팀 차장이중복(주)유니온 사업1부 사업3팀 팀장이승환(주)유니온 사업1부 사업3팀 과장<그림 1> 시멘트광물계 급결제 주요적용 현황1. 개 요NATM 공법에서 터널굴착은 통상적으로 12~24시간 주기의 사이클로 반복적으로 수행된다. 각 단계가 유기적으로 진행되어야만 터널시공이 안정적으로 수행될 수 있는데 이 중 숏크리트의 경우에는 콘크리트에 사용되는 시멘트, 골재, 급결제, 콘크리트의 배합 및 시공성 등 많은 사항들이 고려되어야만 적정한 품질을 확보할 수 있으며, Vol. 20, No. 4 45고속도로 터널 낙반사고숏크리트 타설 후 낙반사고로 인한 작업자 피해<그림 2> 숏크리트 타설 후 낙반사고자료인용 : 한국암반공학회학술발표회(2009.03.26) 참조후속공정이 원활하게 진행될 수 있다. 따라서 숏크리트의 가장 중요한 목적은 안전성을 추구하는 것이며, 그에 따라 작업자의 생명 및 안전을 지킬 수 있고 후속공정이 원활하게 진행되어 추가적인 비용을 절감하는 효과도 기대할 수 있게 된다. 또한 최근 지속적으로 관심이 증가하고 있는 작업자의 건강과 환경을 보호하는 환경적인 측면도 고려해야 한다. 이러한 추세에 따라 국내에서도 수년 전부터 고성능의 시멘트광물계 급결제가 개발되어 최장대 고속도로 터널인 인제터널, 수서~평택간 SRT 고속철도, 보령~태안간 해저터널 등 국내현장 뿐만 아니라 일본 및 인도네시아 등 해외현장에서도 품질의 우수함을 인정받고 있다(그림 1). 하지만 이러한 시멘트광물계 급결제의 우수한 품질과 친환경적인 장점에도 불구하고 터널의 설계 및 시공과 관련되어 부정확한 정보가 있어 이를 바로 잡고자 한다.2. 숏크리트의 안전성터널 시공은 용수, 연약지반 등 예측하기 어려운 지하에서 이루어짐에 따라 상당한 리스크를 감수하고 진행하여야 하며, 터널상부에서 가해지는 압력과 발파에 따른 충격과 진동을 버텨야 하는 1차 지보재인 숏크리트가 불량할 경우 작업자의 안전을 보장할 수 없고 후속공정의 진행이 불가능하게 된다(그림 2). 이러한 숏크리트의 안전성을 확보하는데 있어서 선행적으로 필요한 인자는 적정한 강도 발현일 것이다.2.1 숏크리트의 강도기준터널표준시방서는 일반 숏크리트의 1일 강도를 10MPa 이상, 28일 강도 21MPa 이상으로 규정하고 있고, 최근 개정된 한국도로공사 전문시방서(2018년 06월 19일 제정)에서는 숏크리트 허용압축강도를 1일 10MPa 이상, 28일 28MPa 이상으로 상향 조정하였으며, 압축강도 측정시 코어압축강도를 기준으로 하여 숏크리트의 품질이 더욱 중요시 되고 있다(표 1-2).여기서 숏크리트의 강도를 발현하는 주요 재료인 1종 보통 포틀랜드 시멘트와 급결제의 규격을 살펴보면 시멘트의 압축강도는 3일 12.5MPa 이상, 28일 42.5MPa 이상이며, 급결제는 1일 9.0MPa 이상, 28일은 Plain 강도의 75% 이상으로 되어 있다(표 3).상기 규격을 비교해 보면 일반 숏크리트의 28일 강도 확보는 충분히 가능할 것으로 보이나 숏크리트의 1일 강도와는 차이가 있으며 코어 채취에 따른 강도 손실율46 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2시멘트광물계 급결제를 적용한 숏크리트의 안전성 확보와 환경안정성 관점에서의 재료 공학적 특성고찰<표 1> 숏크리트 허용압축강도구분터널 표준시방서콘크리트 표준시방서일반고강도일반고강도압축강도(MPa)3시간--1.0~3.01.0~3.01일10 이상10 이상5 ~ 105 ~ 1028일21 이상35 이상21 이상35 이상<표 2> 한국도로공사 숏크리트 압축강도 기준구분강도(MPa)비고1일28일설계기준강도코어강도(감소율)설계기준강도코어강도(감소율)압축강도108.5(15%)2823.8(15%)직경 75mm 8.0(20%)22.4(20%)직경 55mm<표 3> KS 규격에 따른 압축강도 기준구분1종 보통포틀랜트 시멘트급결제3일28일1일28일압축강도(MPa)12.5 이상42.5 이상9.0Plain 강도 대비75% 이상자료인용 : KS L 5201(포틀랜드 시멘트), KS F 2782(숏크리트용 급결제) 참조<그림 3> 강도 미달로 인한 불량공시체자료인용 : 한국도로공사 도로교통연구원 게시판(15%~20%)을 감안할 경우 상당한 차이가 발생한다. 따라서 콘크리트 배합만으로는 숏크리트의 강도 기준을 충족하기 쉽지 않기 때문에 급결제에 의한 초기 강도 발현 성능이 가장 중요한 인자라고 할 수 있다. 급결제의 강도 발현이 늦을 경우에는 1일 코어 채취 시의 진동 및 충격으로 인해 코어 채취 자체가 어렵거나 코어를 채취하더라도 내부의 조직들이 파괴되어 강도 발현이 정상적으로 이루어지지 않을 수 있다(그림 3).Vol. 20, No. 4 471시간24시간<그림 4> 시멘트광물계 급결제의 수화반응A현장 1일 강도 측정용 코어공시체B현장 1일 강도 측정용 코어공시체<그림 5> 시멘트광물계 급결제를 적용한 현장 1일 강도 코어공시체<표 4> 시멘트광물계 급결제가 적용된 5개 현장의 숏크리트 1일 압축강도 시험 결과 구분1일 압축강도(MPa)비고A현장13.66일반B현장18.27일반C현장18.16일반D현장21.14고강도E현장12.21일반2.2 숏크리트의 강도 발현국내에서 사용되고 있는 시멘트광물계 급결제의 대부분은 시멘트와의 반응성이 가장 빠른 비정질 C12A7을 주원료로 하며 C12A7은 시멘트와 혼합하면 시멘트 중의 Ca(OH)2 및 CaSO4와 반응하여 급속히 에트린자이트의 침상결정을 생성시켜 급결하게 되는데, 침상형 에트린자이트는 시멘트의 수화를 저해하지 않으므로 초기강도 발현이 빠르고 장기적으로 높은 강도를 얻을 수 있다(그림 4).이는 최근에 시멘트광물계 급결제를 적용한 현장시험 결과에서도 숏크리트 1일 강도가 충분히 발현하는 것을 확인할 수 있었다(그림 5, 표 4).Next >