< Previous48 자연,터널그리고 지하공간기술기사 2세계 최장 HZMB 해저터널의 주요 기술 혁신있는 소중한 기회였다고 생각하면서, 우리도 세계적인 해저터널을 우리자체의 기술력으로 메가 프로젝트를 계획하고, 설계하고 시공하는 그날을 그려본다. <그림 23> 홍콩대학교에서의 HZMB 기술세미나(Albert T. Yeng 교수와 주진현 교수)참고문헌1. Yeung, A.T. (2016): Geotechnical works of the Hong-Zhuhai-Macao Bridge Projects, Japanese Geotechnical Society Special Publication The 15th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering.2. Hans de Wit, Rene Kuioer, Ying Li, Quanke Su & Chen Yue : An innovative design concept for immersed tunnel of Hong-Zhuhai-Macao Bridge Project, WTC 2018 ITA-AITES World Tunnel Congress.3. Yeung, A.T. (2017): Design and construction of the Hong-Zhuhai-Macao Bridge Projects, I3C Symposium on Infrastructural Developments, Singapore.4. Ken Yeo (2013), Constructing Artificial Islands, AECOM.5. Liang Heng (2018). The immersed tunnel the Hong-Zhuhai-Macao Bridge Link, ITA Tunnelling Awards 2018.6. J.C.W.M. de Wit, E. van Putten. The Immersed Tunnel as fixed link – A successful alternative pushed by innovation. Proceedings of the World Tunnel Congress 2014 – Tunnels for a better Life. Foz do IguaIu, Brazil.7. N.Hussain, Carlos Wong, Matt Carter, Samuel Kwan & Tak-Wah Mak (2011), Hong Kong Zhuhai Macao Link, The Twelfth East Asia-Pacific Conference on Structural Engineering and Construction.8. M. Chan, D.S.H. Chan, P.W.H. Ng, Y.W. Leung and L.L. Yue, Innovative solutions in Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Hong Kong Link Road Project, ICE HKA Annual Conference 2015 Thinking out of the box in infrastructure development and retrofitting.[본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 21, No. 1 49기술기사 31. 서 론우리가 살고 있는 세계가 점점 도시화 되어감으로 인해 발생되는 교통체증, 교통사고, 환경오염 등의 문제에 대한 해결과 4차 산업혁명 시대에 맞는 초연결사회를 구현하기 위해 필요한 신교통수단에 대한 요구가 점점 커지고 있다. 미국 SpaceX사와 테슬라모터스사의 대표인 엘런 머스크는 2013년에 내부의 압력을 1/1000기압 정도로 낮추어 공기저항을 줄인 밀폐된 튜브형 운송관 내부를 캡슐형태의 차량이 1,000km/h 이상의 속도로 비접촉식(비행)으로 운행하는 개념의 하이퍼루프(Hyperloop) 시스템을 제안하였다(그림 1). 이런 신 교통수단이 국내에서 상용화될 경우 KTX로 2시간 이상 걸리는 서울-부산 간 이동시간을 20분 내외 정도로 획기적으로 단축시킬 수 있게 된다.하이퍼루프 시스템이 기존의 교통시스템에 비해 갖는 장점은 빠른 속도 뿐 아니라 밀폐된 운송관 내부를 운행하게 됨으로 날씨의 영향을 받지 않는다는 것과 기존 고속철도보다 건설 및 운영비가 저렴하다는 것이다. 엘런 머스크가 제안한 이후 하이퍼루프 시스템 상용화 기술을 개발하는 스타트업 회사들이 생겨났고 현재 전 세계적으로 자국에 도입하는 것에 대한 관심이 커지고 있으며 독자적 기술 개발로 향후 시장을 선점하기 위한 경쟁이 점점 치열해지고 있다. 하이퍼루프는 철도, 도로 등과 같이 통과하는 지형에 따라 지상뿐 아니라 지하공간의 활용이 필요한 교통수단이다. 우리나라에서도 최근 국토교통과학기술진흥원이 이러한 하이퍼루프 시스템을 상용화하기 위해 필요한 기술을 민간이 아닌 국가차원에서 개발하는 것에 대한 기획 연구를 발주하여 한국철도기술연구원을 주관으로 한국건설기술연구원, 한국전기연구원, 한국전자통신연구원, 한국기계연구원, 울산과학기술원, 과학기술전략연구소 등이 컨소시엄을 이뤄 수행프로젝트 소개- 대륙간 초고속 철도시스템 개발사업 기획 연구 -백종대한국건설기술연구원 수석연구원50 자연,터널그리고 지하공간기술기사 3프로젝트 소개하고 있다. 본 기사에서는 이 기획연구에 대해 소개하고자 한다.<그림 1> 하이퍼루프 시스템 개념도2. 대륙간 초고속 철도시스템 개발사업 기획 연구 프로젝트 소개□ 연구 기획 목표 ∙ 4차 산업혁명 초연결사회(Hyper Connected Society) 구현을 위한 초고속 운송수단인 대륙간 초고속 철도시스템 개발사업 기획 - 신규 국가연구개발사업 추진을 위한 정책적‧ 기술적‧ 경제적 타당성 등 사업의 추진 타장성 조사‧ 분석 및 기획□ 연구개발 필요성 ∙ 혁신 성장 동력 및 일자리 창출 필요 - 세계 최초 대륙간 초고속 철도시스템 실용화 기술선점을 통해 세계 신사업 시장을 선도 - 대규모 고용을 창출하여 국가경제의 새로운 성장 동력 기반 마련 - 철도산업 세계시장 규모 성장에 따른 대응 필요 ∙ 4차 산업혁명 초연결사회(Hyper Connected Society) 구현을 위한 초고속 운송수단 필요 - 초연결 사회를 지향하는 4차 산업혁명에 부합하는 차세대 교통수단으로써 신개념 교통시스템의 필요성이 대두됨 - 미래 중거리‧ 대도시간 및 대륙간 초고속 노선에 대한 필요성 증대에 따른 선제적 대응이 필요함Vol. 21, No. 1 51 ∙ First Mover로서 과학 기술을 선도하는 신교통 기술 개발 필요 - 추종자(Follower)가 아닌 선도자(First Mover)로서 선진국과 차별화되고 세계를 선도하는 철도 신기술이 필요함 - 세계 최초 대륙간 초고속 철도시스템 기술 선점을 통해 세계 신교통 기술을 선도하여 국가과학기술의 상징성을 제고□ 국내외 동향 ∙ 스페이스X, 미국 - 2013년 엘런 머스크가 하이퍼루프 최초 제안하였으며 차량 및 튜브 제원과 기초적인 공학적, 경제적 연구보고서인 Hyperloop Alpha 보고서 공개 - 2017년 축소형 진공 튜브를 이용하여 파드 추진 경진대회인 ‘Hyperloop Pod Competition’ 개최. 독일 Delft 공대 팀 우승 ∙ HTT(Hyperloop Transportation Technology), 미국(그림 2) - UAE 아부다비-알아인 구간 타당성 조사 완료 - 2018년 실물 크기 차량 프로토타입 공개 - 2019년 프랑스 툴루즈에 1km 길이 실험 튜브 구축 및 추진 실험 계획 중 - 2019년 두바이 알 가디어-알막툼 국제공항 간 10km 구간 착공 계획<그림 2> HTT 공개 실물크기 차량 프로토타입 ∙ Virgin Hyperloop One, 미국(그림 3) - 2016년 글로벌챌린지 개최하여 세계 하이퍼루프 최적 노선 선정 - 2017년 네바다 사막에 500m 길이의 진공 시험 튜브 구축 및 파드 추진 실험실시. 2018년 400km/h 이상 추진 속도 달성 - 2018년 실물 크기 차량 프로토타입 공개52 자연,터널그리고 지하공간기술기사 3프로젝트 소개<그림 3> Virgin Hyperloop One 사의 네바다 사막 시험 튜브 ∙ TransPod, 캐나다 - 30여명의 전문 기술자가 캡슐차량 위주 개발 중 ∙ 중국 우주과학공업그룹, 시난교통대학, 중국 - 초전도 자기부상기술과 진공터널을 응용한 최고속도 4,000km/h 급 하이퍼루프 개발 중 ∙ 한국철도기술연구원 - 초고속 튜브철도 핵심요소기술 개발 기초연구 수행(‘09-’11) - 아음속 캡슐트레인 초고속 튜브철도 핵심요소기술 개발 기초연구 수행(’16~ ) ∙ 한국건설기술연구원 - 하이퍼루프 인프라 핵심 기반기술 개발 연구(‘16~ ) ∙ 울산과학기술원(UNIST) - ‘유루프(U-Loop) 프로젝트’ 연구(‘16~ )□ 연구 내용 및 전략사업 전반 기획- 이슈 및 니즈 분석- 사업 정의 및 개념 수립- 현황 및 발전전망 분석- 비전 및 목표 설정- 사업추진체계 도출Vol. 21, No. 1 53중점추진분야 도출 및 분석- 중점추진분야별 동향 조사‧ 분석(특허,논문,시장 동향)- 기술역량분석- 기술분류체계 전개 및 분석- 단계적 추진전략 도출- 연구과제 평가체계(안) 도출- 핵심기술(과제) 도출 및 기술성숙도(Technology Readines Level)제시- 핵심기술 확보 전략- 핵심과제 공모를 위한 과제제안요구서(RFP) 작성- 핵심과제별 기술이 상호 연계되는 기술지도 작성정책적 타당성 분석- 정부정책과의 부합성- 사업추진의 타당성- 법‧ 제도적 위험요인 분석과학기술적 타당성 분석- 기획과정의 적절성- 사업목표의 적절성- 구성 및 내용의 적절성- 기술개발 성공 가능성- 기존사업과의 중복성경제적 타당성 분석- 소요예산 도출- 편익 분석□ 연구추진 체계54 자연,터널그리고 지하공간기술기사 3프로젝트 소개3. 결 언하이퍼루프가 처음 제안되었던 불과 몇 년 전만 하더라도 지상에서 비행기보다 빠른 속도로 두 도시 간을 오갈 수 있게 된다는 것이 아직 공상과학 영화에서나 봄직한 것으로 인식되었던 것이 사실이다. 그러나 인류가 만들어온 모든 문명들은 상상에서부터 출발하였음을 부인할 수 없고, 수년이 지난 지금은 그 실현 가능성을 높이기 위한 노력들이 세계 곳곳에서 이뤄지고 있으며 보다 구체화된 상용화 계획들이 속속 출현되고 있다.버진하이퍼루프사가 내놓은 향후 하이퍼루프 시장 전망은 100여 개국 2,600개 노선을 통해 약 2경 3천 조가 넘을 것으로 예측되고 있다. 이런 새로운 시장을 선점하기 위해 세계 각국이 경쟁에 뛰어들고 있는 이 시점이, 더구나 본격적인 노력만 이뤄진다면 고속철도 기술에서와 같이 뒤늦은 추종자가 아니라 세계 리더가 되어 국가 경쟁력을 높이고 신산업 창출을 통한 국가 신성장 엔진을 만들 수 있는 이 시점이야 말로 놓쳐서는 안 될 골든타임이라고 할 수 있다. 국가가 관심을 가지고 연구개발 사업에 대한 기획연구를 시작하게 된 것은 참으로 시기적절하며 향후 지속적인 관심과 지원이 필요하다.그 어느 때보다 남북한 간 긴장 완화와 경제협력 및 교류가 기대되는 시기이다. 우리가 만든 하이퍼루프를 타고 백두산 관광을 가고, 북한을 거쳐 중국 대륙과 유럽까지 물류가 뻗어나가는 날이 속히 오기를 기대해본다.[본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 21, No. 1 55기술기사 41. 들어가는 말노인이 내게 무얼 설명하면서 땅바닥에 집을 그렸습니다.그 그림에서 내가 받은 충격은 잊을 수 없습니다.집을 그리는 순서가 판이하였기 때문입니다.지붕부터 그리는 우리들의 순서와는 거꾸로였습니다.먼저 주춧돌을 그린 다음 기둥, 도리, 들보, 서까래, 지붕의 순서로 그렸습니다.그가 집을 그리는 순서는 집을 짓는 순서였습니다.세상에 지붕부터 지을 수 있는 집은 없습니다.- 신영복, <나무야 나무야>, 90쪽인용글처럼 모든 건축물은 기초 위에 지어진다. 건축물을 안전하게 사용하기 위해서는 기초 안정성이 최우선으로 확보되어야 하며, 설계 과정에서부터 구조 및 지반 분야 엔지니어 간 상호 의사소통이 긴밀하게 이루어져야 한다. 전 세계적으로 초고층 건설이 급격히 늘어나면서 두 분야 간 협력은 더욱 중요해지고 있으나, 사용 중인 건축물에 대한 상태 모니터링 기술의 다양성 측면에서는 다소 격차가 있다. 많은 사용자가 이용 및 거주하는 공간이며 접근이 상대적으로 쉬운 건축물 상부에는 구조물 건전도 모니터링(structural health monitoring, SHM) 시스템이 적용되어 지진, 태풍, 이상진동 등 재난 발생 시 실시간 상태평가와 피난, 대피와 같은 후속대책 수립이 가능하다(문기훈 등, 2015). 최근에는 스마트 재난대응 지하구조물 상태 모니터링 최신기법김현우한국지질자원연구원 선임연구원이종원한국지질자원연구원 석사후연구원김민준한국지질자원연구원 박사후연구원56 자연,터널그리고 지하공간기술기사 4재난대응 지하구조물 상태 모니터링 최신기법센서, 드론 등 최신 기술이 도입되면서 모니터링 기능과 적용 범위가 급속도로 확장되는 추세이다. 반면 건축물기초를 포함한 지중 구조물 대상 모니터링 기술은 지반을 통한 접근 및 유지보수가 매우 제한적인 탓에 상부구조만큼의 기술 개발 속도를 내지 못하는 상황이다.강한 지진이 작용하여 육안으로 확인할 수 있을 만큼 건축물이 기울거나 침하, 균열이 발생하여 기초 손상이 확실한 사례가 있는 반면에, 손상이 의심되지만 기울어짐이나 침하 발생이 크지 않은 건축물도 있을 수 있다. 이러한 건축물의 재사용 여부를 결정하고자 할 때 건축물기초 상태 모니터링은 지진으로 기초가 어느 정도 손상을 입었는지 정량적으로 감지하고 사후에 균열의 전파 여부, 지속적인 여진에 의한 추가 손상 여부 등을 감시할 수 있다. 실제 고베 지진 후 상부구조물 상태는 육안관찰을 통해 손상 파악이 가능했지만, 교량, 건축물의 기초 건전도를 평가하는 데는 상당한 비용과 시간이 소요되었다(Mita, 1999).본 기술기사에서는 지진에 의해 건축물기초가 손상된 사례를 제시하고 이러한 기초 손상 정도를 평가하기 위한 일본의 가이드라인을 소개하였다. 사용 중인 건축물의 기초 상태를 파악하기 위한 기술 개발 동향을 조사하였으며, 복합재난대응연구단이 개발 중인 건축물기초 모니터링 시스템을 간략하게 소개하였다. 2. 지진에 의한 지하구조물 손상 사례2011년 동일본지진 당시 센다이시 소재 14층 철근콘크리트 건물(1976년 완공되었으며 건물 두 동이 L자 형태로 연결된 구조)의 말뚝기초가 손상되면서 약 10cm 정도 건축물 침하가 일어났으며, 건물 한 동이 약 1도 정도 기울어 연결부가 최대 1m 이상 벌어지는 피해를 입었다(그림 1). 조사결과에 따르면 두 건물 중 한 동은 말뚝기초 두부 또는 기초 간 결합부에 심각한 손상이 있지만 상부구조에서는 큰 손상이 발견되지 않았던 반면에, 다른 한 동은 기초 손상은 없었지만 상부구조물의 전단벽체에 전단균열이 발생하였다. 전자는 말뚝기초가 심하게 손상되어 상부구조가 분리되면서 강한 진동을 면한 경우로, 후자는 기초 손상은 적지만 상부구조물도 함께 지반진동을 겪으면서 손상이 발생한 것으로 분석되었다(Motosaka and Mitsuji, 2012).(a) 건물 침하(b) 건물 연결부위가 벌어진 채 기울어진 건물<그림 1> 지진에 의한 기초 손상으로 기울어진 건축물(Tokimatsu et al., 2012)Vol. 21, No. 1 57또 다른 5층 철근콘크리트 장방형 건축물(9.3m × 106m)은 심한 지반진동을 겪으면서 그림 2와 같이 주거동(청색 영역)에 결합되어 있던 계단동 A, C의 말뚝기초가 손상되어 각각 1/50, 1/30씩 기울어지면서 분리되었다. 주거동 하부의 기초 가운데 부분도 손상되어 최대 1.1m의 단차가 발생하기도 하였다.(a) 건축물 피해 상황(b) 기초 단차 발생<그림 2> 동일본 지진으로 인한 건축물 피해 상황(Motosaka and Mitsuji, 2012)표 1은 주요 지진을 겪은 여러 건축물들의 기초 손상 여부를 보여준다(Bhattacharya et al., 2004). 표에서 알 수 있는 바와 같이 기초 및 지반 조건에 따라 일부 건축물의 기초는 손상이 없는 반면에 동일 지진에도 매우 심한 손상을 입은 사례도 있다. Bhattacharya et al.(2012)은 여러 사례들을 분석하여 지진에 의한 기초 손상 특징을 다음과 같이 도출하였다.1. 기초 손상은 측방유동(laterally spreading)이 일어나는 지반뿐만 아니라 평평한 지면 위에 구조물이 놓여져 있는 조건에서도 유사한 형태로 발생할 수 있다. 즉 지진에 의한 상부구조물의 손상은 적지만 건축물 자체가 상당히 기울어질 수 있다(그림 3(a)).2. 기초에서 균열은 주로 액상화 지층과 다른 지층 경계에서 발생하며 말뚝기초 두부에서 종종 발생한다. 소성힌지가 액상화 지층 중간에 발생할 수도 있다(그림 3(b)).3. 말뚝기초가 손상된 경우 기초의 수평이동도 발생하며, 때때로 지진에 의한 지반변위만큼 이동한 사례도 있다.4. 대구경 말뚝기초가 상대적으로 지진에 안전하다. 한 예로 2001년 인도 부즈 지진 때 칸드라항 부두의 직경 0.5m RCC(reinforced cement concrete) 말뚝기초에는 상당한 균열이 발생하였으나 같은 지역의 1m 직경 RCC 말뚝기초는 손상을 입지 않았다.Next >