< Previous38 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2세계 최장 HZMB 해저터널의 주요 기술 혁신 <그림 8> 침매함의 기초 지반보강 및 자갈층 기초 3.3 침매함의 제작 및 설치(Construction of Subsea Immersed Tube)HZMB 해저터널의 침매함(180×38×11.4m)은 현재 세계에서 가장 크고 무거운 것으로, 제작장에서 해상으로 운반되어 터널위치의 지반에 거치해야 한다. 운반 및 거치 단계는 침매함 설계에 필수적인데, 이는 관련된 위험을 파악 및 평가하고, 예방 또는 시정 조치를 초기 단계에서 정의해야 함을 의미하며, 설계 결정과 시공 공정에 큰 영향을 미칠 수 있기 때문이다. 여기에는 침매함의 제작 장소, 침매함의 유형 선택, 허용가능한 설계 파도와 바람 조건 등이 포함되며, 비용이 많이 드는 대책과 허용 가능한 위험 수준 사이의 지속적인 고려가 이루어져야 한다. 예를 들어 기본적으로 어떤 파도를 수용할 수 있는 매우 비싼 침매함을 갖는 접근방식을 언급할 수 있다. 바람 또는 보다 제한된 범위의 파도 기후에 적합하지만 신뢰할 수 있는 날씨와 파동 기후 예측 모델로 확장되는 보다 경제적인 터널 요소를 가지고 있다.침매함의 제작장의 위치는 운반 거리와 파도와 풍향 조건에 중요한 영향을 주므로 위험도 및 시공비 측면을 고려하여, 가능한 제작장 위치가 검토되었다. 가장 유리한 위치 중 하나는 프로젝트 위치에서 약 10km 떨어진 기샨섬(Guishan Island)이다. 이 섬은 비교적 고립되어 있고 전력, 용수, 원자재의 공급이 원활하며, 거리는 상당히 작고, 침매함 운반에 충분한 수심이 확보되어 있다. 그림 9는 제작장에서 만들어진 침매함의 모습이다.<그림 9> 침매함의 제작Vol. 21, No. 1 39그림 10에서 보는 바와 같이 최적의 운반 및 거치는 구조적 용량(품질), 허용 위험 및 비용 사이에서 균형을 얻을 필요가 있다는 것을 의미한다. 실제적인 모든 파도와 기상 조건을 수용하기 위해 필요한 침매함은 구조적으로 실현 가능하지 않거나 매우 비용이 많이 들 수 있다. 따라서 수많은 파도 데이터를 수집하는 파도 예측시스템을 기반으로 의사결정모델을 적용하였다. 거치된 침매함은 방수를 보장하도록 특수 고무씰을 이용하여 서로 연결된다. <그림 10> 침매함 진수 및 예항 4. 인공섬의 설계 및 시공(Design and Construction of Artificial Land)4.1 인공섬의 설계(Design of Artificial Land) HZMB 해저터널에서는 인공섬을 통해 해상교량과 해저터널의 전환이 구현되었다. 인공섬의 길이가 약 625m이고 너비가 160m이다. 인공섬에 대한 설계와 형태는 환경영향(보호대상 흰 돌고래 보호구역에 위치한 섬), 항법 측면(섬은 주요 항법 경로의 경계), 항공 측면(홍콩 공항과 가까운 곳), 펄 리버 삼각주 등에서의 수리적 차단 효과 등을 고려하였다. 또한 인공섬내에 기술서비스 건물들이 위치해 있으며, 그림 11은 인공섬의 전경이다.<그림 11> 해상교량과 해저터널의 연결부인 인공섬40 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2세계 최장 HZMB 해저터널의 주요 기술 혁신본 구간에서의 인공섬의 시공을 위한 지반조건은 그다지 유리하지 않다. 대규모 매립과 광범위한 백필 작업이 포함되기 때문에, 지반공학적 설계는 규정된 침하 및 변형 요건을 충족시키기 위해 상당히 정밀해야 하므로 다음과 같은 설계개념이 개발되었다(그림 12).∙ 상부 연약 해상퇴적층의 굴토∙ 지반의 점착력을 증가시키는 SCP 시공∙ 거친 모래로 압축 채움∙ 돌로스 호안블록으로 구성된 방호벽의 형성∙ 개착터널 주변에 원형 시트파일 또는 디월 시공∙ 보어드 파일 기초위에 개착터널 시공<그림 12> 인공섬의 기본 설계개념해성점토에 대한 전통적인 지반개량과는 별도로, 그림 13에서 보는 바와 같이 모든 해양 퇴적물을 그 자리에 남겨둔 150ha의 인공섬을 형성하기 위하여, 스톤 컬럼(stone column)형태로, 얇은 시트파일를 포함하는 최대 32m 직경의 원형 실린더 모양의 강관(steel cylinder)을 이용한 코퍼댐으로 만들어진 혁신적인 완전 비준설(non-dredged)방법의 인공섬 시공계획을 수립하였다.<그림 13> 원형 강관을 이용한 비준설 매립Vol. 21, No. 1 414.2 인공섬의 시공(Construction of Artificial Land) 대형 강관 실린더의 제작/운반 및 거치, 강관 실린더내의 백필과 연결작업, 인공섬 내부의 지반 개량작업 그리고 호안블록을 이용한 방호벽 구축을 거쳐 인공섬이 완성된다. 그림 14에는 서측 인공섬의 설계와 시공, 그림 15에는 동측 인공섬의 설계와 시공이 나타나있다. 앞서 설명한 바와 같이 서측 인공섬은 공기를 고려하여 2단계로 분할하여 침매터널과 연결되는 부분을 1단계로 구축후 나머지 부분을 2단계로 시공하였다.특히 인공섬의 장기적인 안정성은 가장 중요한 기술적 이슈사항으로 인공섬에 설치된 일부 호안블록의 유실과 상당량의 변형이 계측되어 향후 지속적인 유지관리가 요구되고 있다. <그림 14> 서측 인공섬의 시공 <그림 15> 동측 인공섬의 시공42 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2세계 최장 HZMB 해저터널의 주요 기술 혁신그림 16에는 대형 강관 실린더의 설치 모습과 인공섬 내부에서 진행되는 지반 개량공사의 모습이 나타나있다. <그림 16> 인공섬의 시공 - 강관 실린더 설치와 지반개량5. HZMB 해저터널의 방재 및 환경대책(Satey and Green Measures)5.1 환기 및 방재 대책(Tunnel Ventilation and Safety Measure)본 해저터널의 깊이와 위치는 터널 구간의 중간에 환기구를 도입할 수 없기 때문에 6km에 이르는 해저터널에 대한 안전성을 대한 구체적인 검토가 요구되었다. 또한 HZMB는 프로젝트 전체 뿐만 아니라 특별히 침매터널을 위한 통합 안전개념을 필요로 한다. 이는 프로젝트의 적절한 안전 수준을 수용, 유지 및 통제하기 위한 매우 중요한 전제조건이다. 터널내 안전은 가능한 한 사고를 적게 내는 것이 최선이다. 그러나 예방이 완벽할 수 없기 때문에, 사고에 대한 적절한 대응 또한 중요하다. 사고발생시 운전자와 승객은 최대한 빨리 사고현장에서 벗어나 안전한 환경으로 이동할 수 있어야 한다. 긴급 서비스는 최적의 상태를 유지해야 한다. 터널 및 사고 위치로의 접근은 사고를 통제하거나 가급적 종료시키는 데 도움이 되며, 희생자들을 구조하기 위해 필요한 경우. 사고와 관련된 차량과 인원의 수를 제한하고, 대피 및 접근 경로를 안전하게 이용할 수 있도록 하기 위해서는 즉시 터널 진입이 금지되어야 한다. 터널을 안전하게 만드는 것은 6개의 기능적인 영역과 관련이 있다. 1)사건 및 사고 예방 2)모니터링 및 탐지 3)사고의 통제 4)셀프 구명 5)긴급서비스의 대응 6)교통처리 및 관리 이다. 이들 6개 영역의 종합적으로 수행되면 충분한 안전성이 확보된다. 이 개념은 HZMB 프로젝트의 예비 설계와 터널의 상세 설계에 적용되었다. HZMB 터널의 안전개념은 터널에서 구현될 특정 요소로 반영되었으며, 다음이 포함된다.∙ 제트팬에 의한 종류식 환기∙ 독립적인 연기 배출 환기∙ 폼미스트 소화장치 또는 스프링클러 ∙ 각 방향 터널에서 90m 간격의 비상탈출용 탈출문Vol. 21, No. 1 43∙ 교통정보시스템∙ 비상 전원공급장치∙ 비상 조명∙ 긴급 탈출 안내 ∙ 사고정보 공지시스템∙ 구조적 패시브 화재방재시스템∙ 터널 모니터링 및 화재경보시스템 (특수 화재 감지기로부터의 자동경보신호 포함)다양한 검토후 운영단계에서 종류식 환기시스템의 환기 개념이 선택되었다. 화재시 개별 연기 배출셀(탈출셀 상단에 위치)을 포함한 반횡류식 환기시스템을 이용한 평행 연기배출시스템이 폼 미스트 소화시스템이나 스프링클러 시스템과 같은 추가 시스템과 결합해 작동하게 된다. 그림 17에는 운영단계에서 터널내 화대발생기 환기 및 배연 원리를 나타낸 것으로 침매함 중앙통로를 거쳐 양측 인공섬으로 배기됨을 볼 수 있다. 또한 그림 18에는 화재발생시 비상대응시스템을 나타낸 것으로 운전자는 중앙통로로 탈출하고, 측벽부에서 신선한 공기를 제공하도록 하고 있다.<그림 17> 운영단계에서의 화재시 환기 원리 <그림 18> 터널내 화재시 비상대응시스템44 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2세계 최장 HZMB 해저터널의 주요 기술 혁신터널에서의 내화설계시 교통 유형과 교통량을 평가해야 한다. 이러한 정보와 설계 기준에 근거하여, 고온 화재시 온도 상승 시뮬레이션을 나타내는 RABT 화재곡선을 선택하였다. 실제 화재의 시뮬레이션을 위해, 화재 곡선은 5분 이내에 최대 1200°C까지 가열되어 터널 라이닝 콘크리트에 대규모 열 쇼크를 일으키고, 2시간 동안 1200°C에 머무른다. 이후 110분의 점진적인 냉각 단계가 뒤따른다. 이 때 콘크리트 온도가 380°C를 초과하거나, 철근 온도가 250°C를 초과할 경우 파괴 기준에 도달한다. HZMB 해저터널에서는 공식적인 화재시험을 거쳐, 내화 판넬로서 25mm 두께의 Promatect-H를 선정하고, 이를 콘크리트 라이닝면에 부착하도록 하였다. 이 판넬은 섬유와 충전재로 보강된 불연성 매트릭스 광물질 판넬로서, 방식 스테인리스강으로 만든 앵커 볼트를 사용해 콘크리트 라이닝에 직접 고정하였다. 그림 19에는 터널 콘크리트 라이닝면에 내화 판넬을 설치하는 모습이 나타나 있다. <그림 19> 내화 판넬의 설치 및 시공5.2 환경 대책(Environment Protection and Green measure)HZMB 프로젝트의 설계 및 시공 단계에서 많은 환경대책이 검토되었으며, 계획단계에서 프로젝트의 다양한 부지와 옵션을 조사하였다. 이후 광범위한 공공 협의를 통해 환경 영향대책을 수립하였다.HZMB는 그림 20에서 보는 바와 같이 공항섬 북동쪽 해상에 중국 흰 돌고래의 주요 활동지역의 보호지역내에 위치하므로 이에 미치는 영향을 충분히 고려해야하며, 주변 도시에 공기의 질과 소음, 주민들에게 미치는 시각적 영향을 최소화한다. 비준설 방식(non-dredging)으로 인공섬을 계획하고 자연 암석을 채택하여 시각적 충격을 완화하도록 하였다. 해저터널은 해저, 수질, 해양환경, 서식지 등에 미치는 영향을 최소화하기 위해 인공섬 연결구간에서는 침매터널방식을, TM-CLKL 구간에서는 TBM 터널방식을 선정하였다.특히 중국 흰돌고래 보호존에서는 해상에서의 현장작업을 최소화하여 조립작업을 주로 하며, 에코시스템의 간섭과 소음을 최소화하기 위하여 작업선을 업그레이드 했으며, 인공섬에 물리사이클링시스템을 설치하였다. HZMB 프로젝트에서는 건설중에 중국 흰돌고래를 포함한 대기질, 소음, 수질, 폐기물 관리, 생태 등에 미치는 영향을 정기적으로 모니터링하기 위한 종합적인 환경 모니터링 및 감사(Environmental Monitoring and Audit, EM&A)프로그램을 실시하였다.Vol. 21, No. 1 45 <그림 20> 중국 흰돌고래의 보호 6. HZMB 프로젝트에서의 BIM 적용(BIM Application of HZMB Project)HZBM 프로젝트에서는 10개 이상의 서브시스템에 대한 구조 설계, 터널/지반 설계 및 시공에 BIM을 적용하였다. 본 프로젝트에서는 Revit을 사용하여 모든 교량, 터널 및 인공섬의 BIM 모델을 완성했으며, 매개변수화 기술을 사용하여 복잡한 설계에서 평면과 수직 곡선의 기술적 문제를 해결하였다. 또한 BIM은 설계, 시공은 물론 운영 및 시스템 유지보수를 포함한 전체 프로젝트 수명주기 전체에 걸쳐 적용되었다. 본 프로젝트에서의 BIM 적용의 목적은 다음과 같다. 1.도면 작업 절차 최적화, 시공도면 품질 보장, 설계 에러 및 변경 축소2.프로젝트 및 보완 계획 등에 대한 3D 시각화 모델 3.BIM 플랫폼을 기반으로 한 4D 공정관리 및 시뮬레이션4.BIM 데이터로 달성한 교통정보시스템의 3D 모니터링 및 관리그림 21은 BIM에 의해 구현된 통합운영관리(Integrated operation management) 시스템이다.<그림 21> HZMB 프로젝트 BIM 적용 - 통합 운영관리시스템 46 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2세계 최장 HZMB 해저터널의 주요 기술 혁신일반적으로 설계가 시공정보 모델에 결합되는 동안 구조물과 장비간의 상충이 발생할 수 있으나, BIM 적용시 엔지니어들은 언제든지 3D모델을 점검할 수 있고, 발생할 수 있는 문제점을 발견하고 설계를 즉시 조정할 수 있다. 또한 그림 22에서 보는 바와 같이 시스템 운용 및 실시간 제어의 3D 디스플레이는 BIM 모델을 바탕으로 유지관리 서비스의 신속한 대응을 위한 데이터 및 정보 지원을 제공하게 되며, 3D 시각화의 결과로 의사소통의 효율이 30% 이상 향상되었다. <그림 22> 3D 디스플레이 운영시스템과 실시간 컨트롤7. HZMB의 주요 기술 혁신 - Smart Construction 지금까지 홍콩과 마카오, 중국 주하이를 연결하는 세계최장 강주아오대교 HZMB 프로젝트에 대하여 살펴보았다. HZMB 프로젝트는 해상 및 해저 횡단을 위한 터널, 교량 및 지반에 관련된 모든 관련기술이 총 집합된 메가 프로젝트이다. 본 프로젝트를 수행하면서 얻어진 주요 기술적 혁신사항은 세계 최대/최장이라는 수식어를 가져올 수 있었으며, 해상교량과 해저터널 그리고 인공섬으로 구성된 세계 최장 강주아오 대교는 2018년 개통식에 시진핑 중국국가 주석이 참여할 정도로 중국의 토목 굴기(土木倔起)의 상징으로 부각되었으며, 이러한 배경으로 2018년 건설관련 각종 상을 수상하기도 하였다. 이상의 검토 내용을 바탕으로 HZMB 프로젝트에서의 주요 기술 혁신내용을 다음과 같이 정리해 보았다. 1) Artificial Island Construction with Large Steel Cylinder 직경 32m의 강관 실린더를 이용하여 인공섬을 시공하는 방법으로 기존의 준설을 이용한 인공섬 시공기술에 비하여 2년의 공기단축과 21백만 유로의 공사비 절감을 달성하였으며, 인공섬 시공시 비준설 방법을 적용하여 공사기간을 절감하고 환경문제를 최소 화 하도록 하였다.2) The deepest/largest Subsea Immersed Tunnel 세계에서 가장 깊은 심도에 건설되는 침매터널로서 해상연약지반에서의 안정성을 확보하기 위한 암반블록과 자갈베드를 복합적용한 터널 기초, 곡선형 침매함의 제작과 조립, 침매함 운반 및 거치시의 경보예측시스템 및 최종 결합 조인트 시공기술을 적용하여 많은 기술적 난제들을 해결하였다. Vol. 21, No. 1 473) Tunnel Ventilation and Safety Measure해저를 통과하는 연장 6.7km의 도로터널에서의 환기 및 방재는 가장 중요한 안전이슈로서, 본 터널에서는 종류식 방식을 기본으로 화재발생시 중앙통로를 이용하여 배연하는 방식을 적용하였으며, 화재발생시 즉각적으로 대응할 수 있는 각종 첨단 설비 등을 반영하였다. 4) Environment Protection and Green Measure해저터널통과 구간이 중국의 흰돌고래 보호존을 통과하므로 이에 대한 환경보호 대책을 반영하여 해상작업의 최소화 및 작업선박의 운행 속도 및 시간을 제한하였으며, 대기질, 소음, 수질, 폐기물 관리, 생태 등에 미치는 영향을 정기적으로 모니터링하기 위한 종합적인 환경 모니터링 및 감시시스템(EM&A)을 반영하였다.5) Integrated BIM Application프로젝트 계획단계에서부터 운영관리 단계까지 BIM을 적용함으로서 가장 적절한 플랫폼의 선정, 세부 설계 및 시공의 3차원 가시화, 설계 에러 및 간섭사항 체크, 기술적 문제에 대한 다양한 해결방안 제시, 3차원 설계도면 작성, 각종 장비 운영 및 설비 설치, 공사 스케쥴 관리 및 통합 운영관리가 되도록 하였다.HZMB 프로젝트에 대한 기술 혁신내용을 정리하면서, 바다를 가로질러 교통과 물류를 획기적으로 개선하고자 하는 엔지니어의 노력은 해상교량과 해저터널로 구현되었으며, 경제적인 측면뿐만 아니라 환경과 안전 측면에서 해저터널이 가장 중요한 솔루션으로 자리 잡고 있으며, 이러한 메가 프로젝트에서의 각종 기술적 난제에 대한 고민과 해결을 통하여 보다 더 나은 기술적 발전과 혁신을 가져올 수 있음을 확인할 수 있다.8. 맺는말 - 기술교류와 소통의 힘정말 우연한 기회에 세계최장 강주아오 대교 HZMB 프로젝트에 대한 소식을 접하게 되었고, 이를 시발점하여 관련 기술자들의 뜻이 모아져 지난 1월 HZMB 해저터널을 방문하게 되었다. 엔니지어의 기술적 관심과 노력이 세계적인 메가 프로젝트와 해저터널기술에 대해 점점 알아가게 되었고, 그 과정을 통하여 다시 한 번 터널기술자로서의 보람과 한계를 인식하게 되었다.특히 이번 HZMB 해저터널 견학을 다녀오면서 메가 프로젝트를 구상하고, 계획하고 이를 실현시키기 위한 많은 사람들의 중국 기술자들의 노력을 확인 할 수 있었으며, 이를 통하여 중국의 토목굴기를 세계적으로 알리고 중국 토목기술의 거대한 힘을 보여주고자 하는 중국의 내면을 보게 되었으며 참으로 대단하다는 생각을 지울 수 없었다. 우리도 이제는 미래지향적인 관점에서 제주도를 KTX로 갈 수 있는 해저장대터널과 일본과 중국을 연결하는 한일해저터널과 한중해저터널에 대한 보다 구체적인 고민을 해야 하지 않을까 생각해 본다. 또한 기술자의 교류와 소통은 기술자를 힘나게 하고 격려하게 하는 원천임을 느낄 수 있었다. 특히 그림 23에서 보는 바와 같이 홍콩대학교의 Albert T. Yeung 교수의 열정적인 강의와 설명은 정말 감동적이었으며, 멀리서 온 우리를 성심성의껏 맞아준 홍콩대학교의 주진현 교수와 홍콩성시대학의 김정인 교수에게 고맙고 감사한 마음이다. 엔지니어에게 있어 기술적 관심사항을 서로 얘기하고, 함께 공유하며 같이 고민하는 것이야 말로 가장 행복하고 즐거운 일임을 느낄 수 Next >