< Previous48 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도심지 저토피 구간에서 고속도로 대단면 근접병설터널의 안전시공관리 로드맵 활용사례 강연선에 작용하는 긴장력 평가를 위해 EM(Elasto Magnetic) 센서를 설치하였으며 프리스트레싱 도입에 따른 필라 의 응력 변화를 측정하기 위해 필라부 중앙 및 양 측면에 연직 및 접선응력계를 설치하였다. 향후 현장 계측결과를 바탕 으로 강연선 인장력과 필라부 응력상태의 변화에 대한 상관성을 평가하여 현장관리기준을 수립할 예정이다. 특히 현재 필라부의 안정성 평가를 위해선 국부안전율 개념의 평가가 지배적이나 일부 과대평가의 경향이 있어 관련 연구를 지속 할 예정이다. 4.5 유사시 대비 비상대응 체계 확립 대구 지하철 화재 참사, 세월호 참사 사고와 같이 수많은 인명 피해를 수반한 사고의 공통점을 살펴보면 사고에 대한 비상 대응 시스템의 부재와 비상사태에 대한 대응 절차의 숙지 미흡이 사고의 피해 심각성을 키운 주요 원인으로 작용하 고 있다. 안전시공관리 로드맵에 따라 지반침하(함몰)사고에 대한 대응 매뉴얼을 작성하여 위기관리 및 보고 체계, 비상연락망 구축, 비상자재 및 장비 동원방안 등을 사전에 확보할 수 있도록 비상 대응 시스템을 구축하고, 주기적인 비상대응 모의 훈련을 통해 지반침하(함몰) 및 터널 막장 붕괴를 가정한 상황 전파, 부상자 구호, 2차사고 예방, 복구작업 등 사고 대응 절차를 전직원 및 근로자가 숙지할 수 있도록 하였다. <그림 15> 방아다리터널 지반침하(함몰)사고 대응 매뉴얼 Vol. 21, No. 3 49 사고 발생 가정재해자 발견비상사태 상황실 구축 현황 실시간 전파(SNS)현장 출입문 폐쇄구호물품 운반 재해자 응급 조치재해자 안전지대 대피구급차 유도 재해자 구급차 이송침하구간 압성토터널내부 지반 보강 <그림 16> 비상대응 모의훈련50 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도심지 저토피 구간에서 고속도로 대단면 근접병설터널의 안전시공관리 로드맵 활용사례 5. 결 론 도심지 최초로 건설되는 대단면 고속도로 근접병설터널인 본 공사는 지하철 9호선 병행 및 5호선 하부 통과, 생태공 원 및 천호대로 등 저토피구간 통과, 대형 학교 및 병원 인접, 지장관로 매설에 따른 씽크홀 발생 등 극복해야할 다수의 과제를 가지고 있다. 계획단계에서부터 해당 문제를 해결하기 위한 다각적인 검토가 이루어졌지만 실제 현장에서 발생 하는 모든 문제를 예측 및 해결하는 것은 현실적으로 불가능하다 할 수 있다. 이를 극복하기 위해 본격적인 터널굴착시 행이전에 ｢안전시공 관리로드맵｣을 수립하고 단계별 대응을 통해 현재까지 안전한 시공을 진행할 수 있었다. 단편적 문 제 발생에 대한 일시적 대응이 아닌 종합적 문제 해결방식을 준수하고 특히 전문가의 조언을 제도적으로 활용할 수 있었 다는 측면에서 큰 의미가 있다고 할 것이다. 당 현장에 적용된 종합적이고 체계적인 안전관리 시스템 도입 사례를 통하 여 향후 유사 공사에 참고가 되기를 기대한다. 참고문헌 1. 고속국도 제29호선 ○○-○○간 건설공사(제○○공구) 지반조사보고서. 2. 고속국도 제29호선 ○○-○○간 건설공사(제○○공구) 터널해석보고서. 3. 고속국도 제29호선 ○○-○○간 건설공사(제○○공구) 계측결과 보고서. 4. 한국터널지하공간학회,2019, 연구보고서 ｢세종~포천 고속도로 ○○-○○간 건설공사 제○○공구 도심지 저토피구간 안전시공 관리방안｣. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 21, No. 3 51 기술기사 2 1. 서 론 도시화에 따른 도시경관을 개선하기 위하여 전선 및 통 신 케이블의 지하화에 대한 수요가 증가하는 추세와 함 께, 공동구의 수요도 증가하고 있다. 대부분의 터널식 공 동구는 소단면 3.54m 내외이며 도심 민원 저감을 위해 소단면 Tunnel boring machine(TBM)을 이용한 터널굴 착공법을 주로 사용한다. TBM장비는 고가의 건설장비로 써 굴착 대상 지반조건에 적합하게 제작하여 현장에서 사 용하지만, 대상 현장의 시공이 완료된 이후에도, 다른 현 장에 투입을 하는 TBM 재사용 케이스가 증가하고 있다. 이렇게 재사용되는 TBM의 경우, 성능개선 및 개조의 한 계점으로 인해, 재투입되는 현장 조건에 최적화하기 어렵 다는 단점이 있다. 또한, 재사용 TBM은 출고 시 보다 성 능/사양이 저하되어 있을 가능성이 높기 때문에, 재사용 되는 TBM의 정확한 성능을 검증할 필요가 있다. 하지만, 국내외에서 TBM 성능 검증 시설은 매우 드문 반면, 실제 수행을 할 때 야산 등지에서 TBM 굴진을 해야하기 때문에 경제적/환경적/기술적 한계로 검증이 어려운 실정이다. 또한, TBM터널굴착을 위해서는 수직구(발진구/도달구) 시공이 먼저 시행되어야 하며 수직구 시공을 위해서 가시 설 설치를 위한 부지확보가 필요하다. 이로 인한 비용문 제와 민원문제가 발생되고 있으며 수직구 시공시 지반융 기나 지반침하로 인한 위험상황이 발생되고 있다. 이러한 이유로 공동구 연구단 컨소시움(주관기관: 한국과학기술 원, KAIST)에서는 수직구 시공부터 소단면TBM터널 굴 착까지 필요한 다양한 시공 기술 및 건설장비의 성능검증 을 수행할 수 있는 공동구연구센터 실험동을 구축하였다. 본고에서는 소단면 TBM 실대형 성능검증의 중요성 및 TBM굴진시험에 대해 다루고 있으며, 수직구 시공 시 필 요한 특수공법인 수직구 외주면 선행 굴착공법을 함께 소 개하고 있다. 3.5미터급 소단면 TBM 및 수직구 시공 기술 개발을 위한 실대형 시험 기술 개발 이기준 KAIST 건설및환경공학과 박사과정 강석준 KAIST 건설및환경공학과 박사과정 조계춘 KAIST 건설및환경공학과 교수 홍은수 국립공주대학교 토목환경공학과 연구교수 김경열 한국전력 전력연구원 차세대송변전연구소 책임연구원 권태혁 KAIST 건설및환경공학과 부교수52 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 3.5미터급 소단면 TBM 및 수직구 시공 기술 개발을 위한 실대형 시험 기술 개발 2. 공동구연구센터-실험동 공동구연구센터 실험동에서는 소단면TBM터널 시공기 술, 수직구 시공기술 등 공동구 건설 관련 다양한 시공 기 술을 검증할 수 있다. 공동구연구센터 실험동은 1750m2 의 면적으로 내부 평균 높이는 약 12m이다. 본 실험동에 서는 실대형 소단면 TBM을 현장에서 굴착하는 것과 동일 한 방법으로 세그먼트를 설치하면서 실굴진이 가능하다. 또한 최대 10미터 깊이의 수직구 시공이 가능하며, 수직 구 굴착기술부터 터널굴착 기술까지 검증이 가능한 국내 에서 유일한 공동구 시공 기술검증 실험동이다(그림 1). 2.1 실대형 TBM 굴진 시험을 위한 지하 토조 직경 3.54m급 소단면 TBM의 성능검증을 하기 위해서 는 후드부까지의 TBM을 수용가능한 공간이 필요하다. 따 라서 3.54m급 TBM의 후드부까지의 길이와 작업공간을 고려한 수직구 공간의 발진부와 15m 직선거리를 굴진 할 수 있는 중앙 굴착부와 TBM을 인양할 수 있는 종착부, 3 구간으로 나누어진 깊이 10m의 지하토조를 한국과학기술 원 공동구센터-실험동에 시공하였다. 구축된 지하토조의 중앙 굴착부는 복공판을 덮거나 열어둠으로써 경계조건 을 달리 할수 있다. 추가로, 중앙 굴착부에서 수직구 시공 기술 검증공간으로도 사용이 가능하다. 2.2 소단면 TBM의 실대형 굴진 시험 시설 및 장비 한국과학기술원(KAIST) 공동구센터에서는 소단면 TBM 의 실대형 굴진 시험 시설 및 장비를 구축하였다(그림 2). 본 시험 시설은 크게 암반 시료를 모사/성형하는 토조와 TBM 반력과 추력에 대해 저항하는 지지물로 이루어져 있 으며 TBM을 받쳐주는 베이스, TBM을 전진 또는 후진 시 킬 수 있는 실린더 잭, 그리고 버력 처리를 위한 벨트 컨베 이어로 이루어져 있다. 구축된 실대형 소단면 TBM 굴진 시험 장비의 허용 반력은 최대 8000kN으로 설계되었다. 본 시험 시설을 이용하여, 기존의 TBM의 기계 성능 및 굴 진 성능에 대하여 본체 장비 그대로, 실제 규모로 실험이 가능하다. 또한 면판 설계 기법, 디스트 커터의 절삭 기 법, 굴진 시공 기술 등에 대한 새로운 기술이 개발되었을 경우, 실검증이 가능한 시설이다. <그림 1> 공동구연구센터-실험동 전경Vol. 21, No. 3 53 2.3 소단면 실대형 TBM 굴진 시험의 의의 소단면 실대형 TBM 굴진 시험 장비와 직경 3.54m급 EPB-TBM을 이용하여, 동일 굴착 매질에 대해서 추력, 커터헤드 회전 속도, 스크류컨베이어 회전속도 변화에 따 른 굴진 결과를 도출할 수 있다. 궁극적으로는, 특정 지질 조건 및 지반에서 장비의 성능에 따라서, 적정 추력 및 적 정 커터헤드 RPM을 도출해 낼 수 있을 것으로 사료된다. 이러한 과정을 통해, TBM자체의 성능을 사전에 검증하 고, 대상 지반에 따라 TBM 운용 조건을 최적화에 활용이 가능할 것으로 예상된다. 또한, 시험자가 직접 TBM을 운용하기 때문에 시험자 는 전반적인 TBM 운용에 대한 지식을 필요로 한다. TBM 운용 전략을 달리해가면서 각 전략에 따라 굴진 결과를 비교해볼 수 있으며, 이는 TBM 운용전략 수립 및 운용자 의 교육에 큰 공헌을 할 것으로 예상된다. 국내에 TBM 건 설 경험이 다수 있는 반면, 장비 제작 및 운용에 대한 경 험이 상대적으로 부족한 실정이다. 현장과 장비 조건에 따라서, 해외 제조사의 TBM 오퍼레이터를 고용하고 있기 도 하다. 이에 KAIST의 실대형 TBM 굴진 시험 시설은 장기적으로 TBM 시공 기술 개발, 운용 전략의 수립, 오 퍼레이터 전문가 양성을 위해 실용적인 활용이 가능할 것 으로 예상된다. 3. 수직구 시공시 위험발생을 줄이는 수직구 외 주면 선행 굴착공법 수직구 외주면 선행 굴착공법은 그림 3과 같이 외주면 을 선행 굴착한 뒤 수직구 벽체를 관입시켜 굴착 하부지 반에 작용하는 수평방향 토체 응력을 해소시킴과 동시에 벽체 내부의 토사의 무게로 하부 지반의 융기를 방지함으 로써 굴착 중 지반 안정성을 확보하는 것을 목적으로 설 계되었다. 수직구 외주면에 벽체가 관입되면서 벽체 내부 에 미굴착된 지반이 존재하게 되며, 해당 지반을 관내토 로 칭한다. 수직구 굴착 중 하부 지반의 안정성은 관내토 의 자중과 수직구 벽체로 인한 주변 토사의 유입의 방지 로 인해 향상될 것이므로 연약지반을 대상으로 하는 수직 구 굴착 시 관내토의 확보와 그 깊이의 선정에 대해 고려 하여 굴착 도중 발생할 수 있는 문제를 방지할 수 있다. <그림 2> TBM굴진 지상 시험장비54 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 3.5미터급 소단면 TBM 및 수직구 시공 기술 개발을 위한 실대형 시험 기술 개발 이 공법과 공법에 적용 가능한 장비는 공동구 연구단에서 국토교통부 연구개발사업의 일환으로 개발하였으며 현재 실대형 성능 검증 중에 있다. 이 굴착공법은 가시설을 배 제하고 지반보강 없이 최종구조물을 시공함으로써 공기 와 공사비를 절감하도록 방향을 설정하였으며, 안정액을 배제하고 관내토를 활용하기 때문에 경제적, 친환경적 측 면에서 이점을 가진다. 수직구 외주면 선행 굴착장비는 그림 4와 같이 설계되었다. 원통형의 프레임을 따라 8개 의 굴착 모듈이 외주면을 따라 선행 굴착하여 수직구 중 심부로 흙을 배토하고, 그와 동시에 라이닝을 압입하여 지반변형과 지하수의 유출을 방지하는 것이 수직구 중심 부 굴착보다 선행된다. 수직구 벽체가 먼저 설치되기 때 문에 가시설로 인한 부지점유가 없으며 단순한 구조와 공 정을 가지므로 공기와 공사비가 절감되는 효과가 있다. 충분한 깊이만큼 외주면 굴착이 완료되어 지반 안정성이 확보된 후 수직구 중심부가 굴착되는 순서로 진행되며, 기계굴착을 통해 시공성을 확보한다. 이 공법은 수직구 급속시공을 위해 외주면의 기계굴착을 총 8개의 모듈로 수행하며 외주면 굴착과 라이닝 시공, 그리고 중심부 굴 착을 동시에 병행할 수 있도록 설계되었다. 4. 결 언 본고에서 공동구 시공에 필요한 기술 및 성능검증을 할 수 있는 공동구 연구센터-실험동에 대한 간략한 소개와 실대형 성능검증의 중요성 및 TBM 굴진시험의 의의와 활 용, 그리고 수직구 외주면 선행 굴착공법을 소개하였다. 공동구 시공에 필요한 다양한 기술과 성능을 검증 할 수 있는 본 시설을 활용함으로써 수직구 시공 기술과 소단면 TBM 기술의 발전에 다양한 형태로 공헌할 수 있을 것으 로 예상한다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.] <그림 3> 수직구 외주면 선행 굴착공법 개념도<그림 4> 수직구 외주면 굴착장비(전체 및 단위모듈)Vol. 21, No. 3 55 기술기사 3 ４차 산업혁명시대 지능형 토공사를 위한 스마트 토공플랫폼 개발 이재강 한국건설기술연구원 건설자동화연구센터 수석연구원/공학박사 최창호 한국건설기술연구원 건설자동화연구센터 센터장/연구위원/ 공학박사 김주형 한국건설기술연구원 복합대응재난연구단 연구위원/공학박사 조진우 한국건설기술연구원 건설자동화연구센터 수석연구원/공학박사 김진영 한국건설기술연구원 건설자동화연구센터 수석연구원/공학박사 백성하 한국건설기술연구원 건설자동화연구센터 수석연구원/공학박사 박상혁 한국건설기술연구원 건설자동화연구센터 수석연구원/공학박사 1. 개 요 건설업이 가지는 Low-tech ＆ ３D 업종으로의 인식, 그리고 최근 대한민국 전 분야에 신규 생산인력에 가장 큰 영향을 미치는 저출산 문제로 인하여 다른 제조산업 또는 기술 중심의 신산업과 비교하여 유입인구가 크게 줄 고 있는 상황이다. 통계청 자료에 따르면２014년 기준 필 요 건설기능 인력 대비 약 13% 이상이 부족한 상황이며, 현재 운용되고 있는 건설기능 인력의 대부분도 외국인 인 력으로 대체되어 현장이 운영되는 경우가 다반사이다. 이 러한 국내 건설기능 인력의 부족은 건설 생산성과 직접 연결되어 2015년 기준 영국, 네덜란드, 스페인 등의 건설 생산성과 비교하는 경우, 우리나라는 그 절반에도 미치지 못하는 시간당 13.6달러로 조사되었다[1]. 이러한 낮은 생산성의 문제는 비단 우리나라의 문제가 아니라 대부분의 국가에서도 발생하는 글로벌 이슈임에 틀림없다. 실제로 낮은 건설생산성으로 인해 국내‧ 외 전 반적인 건설시장이 침체하고 있으며, 건설경기 둔화에 따 른 고급 건설인력 양성과 취업이 정체되는 악순환으로 인 해 전 세계적인 건설산업 경쟁력 약화가 꾸준히 발생할 것으로 예상되고 있다. 최근 이러한 문제점을 해결하고자 하는 연구‧ 개발이 전 세계적으로 활발히 이뤄지고 있는데, 특히 ４차 산업 혁명시대에 이슈화되고 있는 다양한 스마트 기술(ICBM 기술: IoT, Cloud, Big data, Mobile)을 통하여 건설생산 성을 향상 시키려는 노력이 다수 국가별로 시도되고 있다. 특히 영국의 “Construction 2025”, 일본의 “I-Construction” 및 싱가포르의 “Construction Productivity Roadmap” 등이 국가적인 정책을 통해서 건설생산성을 향상하고자 하는 대표적인 사례라고 할 수 있다. 우리나라 정부는 제 6차 건설기술진흥기본계획을 통해 “Smart Construction 2025”을 설정하고, 지능형‧ 스마트 건설자동화기술 도입을 56 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 ４차 산업혁명시대 지능형 토공사를 위한 스마트 토공플랫폼 개발 <그림 1> 스마트 토공 플랫폼 개요도 위한 스마트 건설 전략로드맵을 수립하였다. 뿐만 아니 라, 2018년 4월에 발표된 ‘국토교통과학기술 연구개발 종 합계획’에서는 융합기술을 통한 건설지능화 실현을 위하 여 건설 자동화 분야를 전략목표로 제시하고 있다[2]. 본 기고에서는 지능형 때로는 스마트라고 형용되는 다 양한 건설관련 자동화 기술 중 토공분야와 관련하여 한국 건설기술연구원 건설자동화연구센터에서 수행 중인 스마 트 토공 플랫폼을 소개하고자 한다. 스마트 토공 플랫폼 의 궁극적인 목표는 토공 공정 단계별 지능화 시스템 구 축에 있으며, 이는 그림 1과 같이 크게 세 가지 세부 기술 로 요약된다. ① BIM 기반의 스마트 토공 플랫폼 ② 인공지능 기반 지반 속성정보 예측 정확도 향상 기술 ③ 첨단센서를 활용한 지능형 성토-다짐 관리기술 본 기고문은 현재 수행 중인 스마트 토공 플랫폼 과제 와 기존 연구와의 차별성을 중점으로 구성되었고, 특히 드론 분야와 지능형 다짐분석 시스템에 직접 활용되는 한 국형 측위 보정기술에 대해서 논하고자 한다. 2. 건설드론 ROC와 건설 지형도 제작 대기업 건설회사를 중심으로 건설자동화 또는 토공사 와 관련하여 각자의 플랫폼을 개발하여 현업에 사용하고 있다. 이들 플랫폼이 활용 될 경우 기존 토공업무와 비교 하여 가장 큰 차이는 실시간성, 실감 콘텐츠 반영을 통한 현장관리에 있다. 현장에서 진행되는 공정(업무)의 흐름 을 얼마나 빠르고 정확하게 반영하느냐가 각 플랫폼의 성 과 및 활용성에 직접적으로 영향을 미치게 된다. 최근 4차 산업혁명시대가 도래함에 따라 드론의 수요 가 사회 전 분야에 급증하였고 이는 건설 분야에서도 나 타난다. 드론은 비접근지역의 정보 취득, 경제성, 편리성 등 기존 시스템과 비교할 수 없을 만큼 높은 생산성과 장 점을 가지는 시스템이다. 그러나 건설현장에 사용되는 드 론이 공정별 또는 활용 목적에 부합하는 드론을 사용하고 Vol. 21, No. 3 57 6km 기준도로 드론 촬영영상 <그림 2> 건설 드론 ROC 분석 <그림 3> 스마트 토공 플랫폼 활용 UAV 영상 및 중첩 있는지의 여부는 또 다른 문제이다. 이를 달리 표현하면 건설드론에 대한 사용자 성능요구 분석이 제대로 수행되 었는지 여부와 이를 통해 적정 건설정보가 드론을 통해서 제공되는지 확인해볼 필요가 있다. 이에 본격적인 드론활용에 앞서, 한국건설기술연구원 건설자동화연구센터에서는 토공사를 위한 건설드론 ROC(Requirement for Operation Capability)를 조사분 석하였다. ROC 분석은 6km 연장 도로를 대상으로 실시 하였으며 고정익과 회전익에 대해서 조사되었다. 그림 2 에서는 건설드론 ROC 분석방법에 대해서 간략하게 소개 하고 있다. ROC 분석은 해당공정별 적정기체의 선정과 임무장비 및 임무 비행의 설정과 관련된다. ROC 분석을 통해 도로 토공사의 현장정보 취득을 위 한 드론 기체의 선정과 적정 임무장비의 가이드라인을 제 시할 수 있었다. 이는 공정의 효율성(시간, 경제적 차원) 과 직접적으로 관련될 뿐만 아니라 건설현장 정보 구축의 정확도와 신뢰도에도 영향을 미치게 된다. 필요 해상도와 위치정확도를 확보한 건설드론의 정보는 그림 3과 같이 현장 건설지형도 제작과 플랫폼의 기본맵으로도 충분히 활용이 가능하다. 3. 한국형 위치정보 보정신호를 기반한 토공 품질 관리 시스템(IC: Intelligent Compaction) 토공은 전체 건설 공정의 약 ２０％ 이상 차지하는 가 장 기본적이고 중요한 공정이다. 토공 공정 중에 노상과 노체의 품질을 확보하는 다짐공정은 향후 전체 도로의 품 질과도 아주 밀접한 상관관계를 가지는 중요한 공정이다. Next >