< Previous18 자연,터널 그리고 지하공간 특집 기술강좌: 지하터널공사 리스크 안전 관리 제7강. 국내 지하터널공사 안전관리 제도와 체계 검토 라 새롭게 얻어지는 정보와 평가결과를 지속적으로 갱신함으로 써 터널공사의 리스크를 통제할 수 있다. 따라서 리스크 등록부 에 대한 국내외 문헌과 국외 터널현장 적용사례 등을 조사하여 터널공사에 최적화된 터널 리스크 등록부를 표 13과 같이 구축 하였다. 구축한 리스크 등록부에 작성되는 내용들은 설계안전 검토보 고서에도 포함되는 내용이며, 터널 프로젝트 수행 시 효과적으 로 리스크 관리가 가능하도록 리스크 등록부를 구축하였다. 본 리스크 등록부는 리스크 식별, 평가, 대응계획, 통제 단계 를 모두 포함하고 있으며, 설계 및 시공단계에서 작성하고 갱신 함으로써 리스크를 관리할 수 있다. 리스크 식별 단계에서는 터널공사 현장에서 발생 가능한 리 스크 사건, 사건의 발생구간 및 시기/위치, 리스크 요인, 리스크 시나리오들을 작성하고, 각각의 리스크에 대하여 리스크 발생 예상 구간)과 리스크 관리주체 및 관리단계를 기록함으로써 해당 터널공사 현장에서 발생 가능한 모든 리스크를 관리할 수 있다. 리스크 평가 단계의 경우 앞서 수립한 터널 리스크 발생확률 및 심각도 기준과 리스크 평가매트릭스 및 리스크 허용기준을 활용하여 각각의 리스크 시나리오(리스크 요인으로부터 발생되 는 리스크 사건)별 리스크 평가를 수행하여 리스크 대응 여부를 결정한다. 리스크 대응 계획에는 대응이 필요한 각각의 리스크에 대한 리스크 저감 대책공법을 선정하여 기입한다. 리스크 통제 단계 에서는 리스크 대응계획을 수행하고 그 내용을 대응 현황에 기 입하여 관리함으로써 리스크 대응을 통제할 수 있다. 리스크 통 제 단계에서 대응한 각각의 리스크에 대하여 잔류 리스크 평가 를 수행하고, 잔류 리스크 평가 결과에 따른 리스크 상태를 기입 하여 현재 리스크의 관리 상태를 확인할 수 있다. 표 13에는 터 널 리스크 등록부의 예가 나타나 있다. 3.5 NATM 터널 리스크관리 체계 개선 방안 본 리스크관리 체계는 터널사고사례로부터 리스크 발생 원인 을 분석하고 이를 평가하는 방법으로 NATM 터널에서의 적용성 을 검증하였다. 다만 본 체계는 시공중 리스크 관리에 중점을 준 것으로서 설계 단계에서의 리스크 분석 및 평가방법과 ITA 등의 국제기준과 연결방안에 대한 추가적인 검토가 요구된다. 또한 실제 터널 현장의 안전관리에서의 이와 같은 리스크 관 리시스템을 어떻게 반영하고, 이에 대한 수행주체 등을 명시한 리스크 관리 절차 및 매뉴얼 작성을 통하여 한국도로공사에서 관리하는 터널현장에 적극적으로 반영할 수 있도록 하고, 설계 및 시공관련 실무자들의 사용이 가능하도록 해야 한다. 또한 다양한 터널 현장 적용사례를 데이터 베이스화 하고, 이 를 통하여 지질 및 지반 특성에 따른 리스크 관리 방안을 수립하 도록 해야 한다. 또한 장기적으로는 TBM 터널공법에 대한 리스크 평가 및 관리방안에 대한 추가적인 연구가 수행하여 종합적이고 체계적인 터널공사 리스트 안전관리시스템이 필요할 것이다. 제7강을 마치면서 이상으로 지하터널공사와 관련하여 설계안전성 검토제도와 지하안전영향 평가 그리고 터널 리스크 관리체계를 살펴보았다. 이러한 제도나 방안 최근에 만들어진 것으로 지하공사에서의 안 전이라는 주제가 중요한 국민적 이슈로 부각되었으며, 이에 대 한 적극적 대응을 국토교통부 및 공공기관 중심으로 준비하고 있음을 확인할 수 있다. 설계안전성 검토제도는 건설공사 안전관리의 일환으로 해외 선진국의 안전설계개념을 도입하여 매뉴얼까지 작성되어 현제 국토지방관리청의 실시설계업무에서는 반영되고 있지만, 설계 자들의 설계 안전성검토 개념에 대한 정확한 이해가 부족하고, 설계단계에서의 공학적 안전성과 시공중 안전관리방법과의 차 이로 인하여, 하나의 인허가 절차로 받아들이고 있는 실정이다. 실제적인 안전 리스크 관리는 설계단계에서 뿐만 아니라 시공 단계 및 유지관리 단계까지 프로젝트 전 과정에서 검토되어야 할 사항임을 인식하여 이러한 통합적인 관리방안의 수립이 요구 된다. 지하안전영향 평가는 터널공사를 포함한 지하굴착공사로 인 한 안전문제에 보다 적극적으로 대응하기 위하여 설계단계에서 부터 별도의 전문기관으로부터 지하안전영향평가를 수행하도Vol. 22, No. 1 19 제7강. 국내 지하터널공사 안전관리 제도와 체계 검토 록 하고, 이에 대한 승인절차를 엄격하게 한 제도이다. 본 제도 가 수행된 지난 2년간에 수많은 지하안전영향평가가 수행되어 왔지만, 발주자 및 전문기관 모두 만족하지 못한 상태로 단순한 하나의 검토과정으로 인식되어 있고 설계자, 시공자 그리고 감 리자와의 책임과 역할이 불분명한 것이 사실이다. 제도의 틀 속 에 지하안전을 들여오는 데는 성공했지만 이의 수행과정상의 제 반 문제점에 대한 개선을 통하여 우리분야의 기술적 분야로 자 리 잡아야만 한다. 특히 도심지에서의 대심도하에 연장이 긴 터 널특성을 고려하여 이에 대한 안전평가 기준과 방안에 대한 정 립이 필요하다. 한국도로공사의 터널 리스크 관리체계는 많은 터널 사고사례 로 리스크 발생요인을 분석하고 이에 대한 리스크 평가방법을 체계화된 국내 최초의 리스크 관리시스템으로서 NATM 터널에 서 시공 중 리스크 안전관리에 유용할 것으로 보이며, 향후 TBM 터널 등에 대한 자료를 보완함으로서 종합적인 터널 리스 크 관리시스템으로 발전하길 기대해 본다. 가장 우려가 되는 점 은 단순한 연구과제로 남아, 실제 터널현장에서의 적용이 이루 어지지 않는 다는 것으로, 현장에서의 적용시 수행 주체 및 수행 프로세스에 대한 제도적 뒷받침이 요구된다. 이제 안전이라는 것은 우리에게 있어 필수 불가결한 이슈가 되었다. 특히 지하공사에서의 안전문제는 국민적 관심가가 되었 음이다. 앞서 살펴보았듯이 다양한 제도와 방안들이 만들어지고 있지만, 이러한 제도나 방안들이 현실적인 업무 영역에 정착하 고 실질적인 업무로 인식되기에는 아직도 부족한 점이 많은 것 이 사실이다. 하지만 이러한 과정을 통하여 조금씩 발전하고 변 화됨을 인식하고, 지반공학 및 터널공학엔지니어들은 이에 대한 기술적 준비를 철저히 해야 할 것이다. 또한 모든 건설공사에서의 리스크 안전관리는 필수적인 사항 이 되고 있다. 프로젝트 전 과정에서 리스크 관리(Risk Manage- ment)는 이제 우리 엔지니어들의 반드시 수행해야 할 것으로, 특히 불확실성이 많은 지하터널공사에서는 보다 체계적인 관리 방안이 무엇보다 만들어져야 할 것이다. 이를 위해서 관과 학회 등이 협력하여 우리의 터널공사 특성을 반영한 터널 리스크 평 가기준과 관리시스템이 제정되어야 하며, 이는 설계 및 시공 그 리고 유지관리단계에서 기존의 설계안전성 검토제도와 지하안 전영향평가 제도와의 연계하여 수행하도록 하는 방안을 수립해 야 할 것이다. 참고문헌 1. 김영근, 지하공사에서의 프로젝트 리스크 및 안전관리 시스 템, 한국프로젝트경영협회 2017 PM 심포지엄, 2017. 2. 김영근, 선진국형 터널공사 건설시스템, KTA 정책연구보고 서, 한국터널지하공학회, 2018. 3. 김영근, 선진국 지하대심도 개발에서의 핵심이슈와 대책, 지 하대심도 건설기술세미나, 2019. 4. 이군재, VE기법을 고려한 설계안전성 검토에 대한 고찰, 한국 건설관리학회, 2018. 5. 지반침하 안전관리 및 사고사례(굴착공사, 흙막이 공사), 한 국시설안전공단, 2019. 6. 신주열, 설계안전성 검토(DfS) 발전방안, 터널과 지하공간, 한국암반공학회, 2017. 7. 설계안전성 검토 매뉴얼, 국토교통부, 2017. 8. 설계안전성 적용 매뉴얼 개선방안 연구, 한국시설안전공단, 2017. 9. 터널시공중 안전관리를 위한 리스크관리 체계 구축연구, 한국 도로공사 도로교통연구원, 2017. 10. 지하안전관리에 관한 특별법(약칭 지하안전법) 법률 제 14545 호 시행, 국토교통부. 11. 지반침하(함몰) 안전관리 매뉴얼, 국토교통부, 2015. 12. 터널 시공 위험도관리 상용화 시스템 개발 및 제도화 연구, 한국건설기술연구원, 2014. 13. Design for Safety Review Task Manual, LTA, Singapore, 2017. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]20 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 1. 개 요 1970년대 이후 다양한 TBM type의 개발/발전과 함께 TBM 직경 또한 증가하고 있다. 이러한 경향은 TBM 터널 계획 에 있어서 새로운 option들이 요구되어지고 있다. 터널산업에서 확실한 정의는 없으나, 직경 14m 이상 규모의 TBM을 대단면 TBM으로 분류되어지고 있으며, 최근 약 20년 동안 완료되었거나, 현재 진행 중인 대단면 TBM 프로젝트가 약 49개로, 최근에 오면서 프로젝트 수가 점차 증가하 고 있으며(그림 1), 향후 적용 건수가 비약적으로 증가할 것으로 예상된다. <그림 1> 1994년 이후 대단면 TBM의 적용 현황(Tunneltalk, 2014) 대단면 TBM 터널 - 계획단계에서 고려되어야 할 기술적인 측면 오주영 삼성물산(주) 책임 박현구 삼성물산(주) 책임Vol. 22, No. 1 21 본 기사에서는 대단면 TBM 터널 계획시 기술적인 측면에서 고려되어져야 할 사항을 몇 가지 기술코자 한다. 2. Cutter Head Intervention 안전한 굴진, 특히 Cutter head intervention(CHI)을 위한 최소 토피고는 쉴드 TBM 직경이 증가함에 따라 함께 증 가하게 된다. Thewes(2010)는 단순한 경계조건의 parameter study를 통해 앞서 언급한 쉴드 TBM 직경과 최소 토피고 의 관계를 제시하였다(그림 2). 해당 연구에 따르면 챔버압을 완전히 제거하고 압축공기로 지지하는 경우, 쉴드 TBM이 5m에서는 소요 토피고가 약 5m로 쉴드 TBM 직경정도 수준이나, 쉴드 TBM 직경이 20m로 증가하는 경우 소요 토피고 는 약 33m로 쉴드 TBM 직경의 약 1.65배 수준까지 확보가 필요한 것으로 나타났다(그림 3). 결과적으로 CHI를 위한 압 축공기 압력이 쉴드 TBM의 직경의 영향을 받아 쉴드 TBM 직경이 10m인 경우 약 2.5bar, 15m인 경우 약 4bar, 20m 규 모의 쉴드 TBM에서는 약 6bar의 압력을 필요로 하였다. 압기 내에서 허용 체류시간은 압기 압력 증가와 함께 감소하게 된다. 일반적인 압축공기 내 작업은 최대 3.6bar 이하에서 가능하다. 따라서 쉴드 TBM 직경 증가함에 따라 소요 압축공 기 압력이 증가하기 때문에 예측되는 압력 범위에 따라 적절한 CHI 방법을 선정하여야 한다(그림 4). 지표하중: 10kN/m2 지하수위: -4.0m 지반물성 내부 마찰각: 30deg 점착력: 0 단위중량: 19kN/m3 터널직경: 5, 10, 15, 20m Blowout 방지를 위한 최소 토피고 안전률 : 1.2 <그림 2> Parameter study 경계조건(Thewes, 2010) 소 요 압축 공기 압력 [b ar ] 1/3 감압1/2 감압2/3 감압100% 감압 챔버압력 감압 조건 <그림 3> 쉴드 TBM 직경과 챔버압력 감압조건에 따른 압축공기 압력(Thewes, 2010)22 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 대단면 TBM 터널 - 계획단계에서 고려되어야 할 기술적인 측면 <그림 4> 압력조건에 따른 Cutter head intervention 방법 3. 대단면 TBM의 기술적 고려 사항 3.1 Cutter head 설계 쉴드 TBM 직경이 증가함에 따라 굴진면 지지를 위한 챔버압력도 증가하게 된다. 이에 따라 대단면 쉴드 TBM에서의 굴착 방법과 Cutting tool 교체에 대한 기술적인 고려가 중요하다. 쉴드 TBM의 굴착량은 쉴드 TBM 직경의 제곱에 비례하여 증가하게 되므로, 쉴드 TBM 직경이 증가함에 따라 Cutter head의 굴착 효율을 증가시켜야 한다. 이는 Disc cutter, Shell bit 등 각 Cutting tool의 굴착 효율을 증가시키는 방법 과 동일 궤도 상에 2개 이상의 Cutting tool 설치하는 방법을 선택할 수 있다. 후자의 방법은 초기 굴진 중 효과를 확인 하여 본굴진에 적용여부를 결정할 필요가 있다. 쉴드 TBM 직경이 증가함에 따라 Cutting tool의 연동거리와 굴진면 지지 압력의 증가하게 된다. 이는 중/소구경 TBM에 비해 Cutting tool의 큰 마모 원인이 되며, 이로 인해 Cutting tool 교체횟수가 증가하게 된다. 이러한 잦은 Cutting tool 교체는 대단면 TBM 굴진 효율을 저하시키게 되며, 챔버 진입 횟수 및 작업시간을 경감하기 위한 대책을 쉴드 TBM 계획단계에서 고려해야 한다. 대단면 TBM에서의 Cutting tool 교체 방법에서 대해서는 장비 제작사에서 여 러 가지 방법을 소개하고 있으며(그림 5), 쉴드 TBM 직경에 적절한 방법을 선택하여 tool 교체로 인한 정지시간을 최소 화할 필요가 있다.Vol. 22, No. 1 23 스포크 내부로 진입 막장에서의 작업 위 험없이 대기압 하에 서 유지관리 작업 Back loading cutting tool (a) Accessible 커터헤드(b) 작업 광경 (c) 디스크커터 분리 순서 <그림 5> Accessible 커터헤드(Elbe River Tunnel in Germany) 3.2 굴착 속도 TBM의 굴착속도 또한 TBM의 직경에 영향을 받게 된다. 일반적인으로 Cutting tool 속도는 Closed type의 쉴드 TBM은 최외각에서 40m/min, 경암용 Open TBM은 최대 180m/min 정도로 수준이다(Burger 등 2018). 굴착경이 커질 수록 최외각부의 속도가 증가하므로 커터헤드의 회전속도를 경감, 즉 굴착속도를 감소시켜야 한다. 그림 6은 일정 수준 의 근입깊이(Closed type 쉴드 TBM 25mm, 경암용 Open TBM 8mm)에서 TBM 직경에 따른 굴착 속도의 변화를 보여 주고 있다. TBM 직경의 증가함에 따라 굴진면 면적이 증가하여 굴진 중 복합 지반 조우 가능성이 증가하게 된다. 특히 암반과 토 사로 이루어진 복합지반 통과가 예상되는 경우, 암반용 굴착도구와 토사용 굴착도구를 혼용하게 된다. 이는 암반에 의한 근입깊이의 감소와 토사로 인해 회전속도의 감소로 굴진속도가 현저히 감소하게 된다. 따라서 대단면 TBM 설계시에는 굴착속도를 향상할 수 있는 방안을 고려하여 한다. 이에 대한 하나의 대안으로 2중 Cutter head를 적용하여 내측 Cutter head에서는 회전속도를 높여 운영하고(그림 7), 외측 Cutte head는 회전속도를 낮추고, 한 궤도에 다수의 cutter를 설 치하여 복합지반에 대응이 가능하다. 또한 내측과 외측 cutter head의 회전 방향을 반대로 운영하여 cutter torque의 감소라는 부가적인 효과를 얻을 수 있다.24 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 대단면 TBM 터널 - 계획단계에서 고려되어야 할 기술적인 측면 굴착 속도 [mm/ mi n] 경암용 Open TBM 토사용 Closed type 쉴드 TBM TBM 직경 [m] <그림 6> 쉴드 TBM 직경 증가에 따른 굴착속도 변화(Burger 등, 2018)<그림 7> 이중 Cutter head 3.3 후방설비 및 Logistics 12m 이상의 터널 내경에서는 3~4층으로 구성된 후방대차 투입이 가능하여, 중/소단면 TBM에 비해 짧은 후방대차의 제작이 가능하다. 또한, 다층으로 구성된 후방대차로 인해 세그먼트 feeding 공간이 넓어져 feeding 속도가 빨라지는 부 가 효과를 얻을 수 있다. 일반적으로 대단면 TBM에서는 굴착토 배토를 위해 연속배토 적용이 일반적이다. Slurry TBM의 Slurry transport system 뿐만 아니라 EPB TBM과 경암용 Open TBM에서도 벨트 컨베이어가 적용되어 연속 배토가 가능하다. 3.4 Invert 설치 과거 대단면 TBM의 경우, 후방대차 내부에서 Invert 부분 시공이 가능하도록 Logistics를 위한 공간 뿐만 아니라 Invert 시공을 위한 공간을 고려하여 제작하였다(그림 8). 이러한 장비 Concept은 후방대차 연장의 증가를 야기할 뿐만 아니라 Logistics의 효율에 영향을 미쳤다. 최근에는 TBM 굴진과 Invert 및 터널 내부 구조물(2차 라이닝 등)의 시공이 별개 공정이 되도록 별도의 후방대차를 운용하고 있다(그림 9). 이 대차는 TBM 굴진에 이용되는 후방 대차와 간격을 두 고 운행되며, TBM 굴진과는 별도로 독립적으로 후방에서 Invert 및 터널 내부 구조물 작업이 이루어진다. 4. 결 론 과거 NATM 공법이 주를 이루던 대단면 터널 시공이 최근 대단면 TBM의 도입으로 새 국면을 맞이하고 있다. 대단면 TBM 터널의 시공은 중/소단면 TBM 터널에서는 고려되지 않는 다수의 기술적인 측면이 고려되어져야 한다. 앞에서 대 단면 TBM 터널 계획 수립시 고려되어져야 할 사항들에 대해 간략히 기술하였다. 이외에 간과해서는 안되는 주요 항목들 이 존재하며, TBM 기술의 비약적인 발전과 함께 이러한 항목들이 증가할 것으로 사료된다. 성공적인 대단면 TBM 터널 의 시공을 위해 터널 기술자들의 관심과 노력이 요구되어지는 바이다.Vol. 22, No. 1 25 <그림 8> 터널 내부 구조물 시공(후방대차 내부, Burger 등, 2018)<그림 9> 터널 내부 구조물 시공 후방 대차(Burger 등, 2018) 참고문헌 1. Thewes, M. (2010) Shield tunneling technology for increasing difficult site conditions, Proceedings of the 11th International Conference Underground Construction Prague 2010, Czech Tunneling Association, Prague 2013. 2. Burger, W., Thewes, M., Wehrmeyer, G. (2018) Supersize TBM - Designaspekte bei she grossen Tunnelvortriebsmaschinen (TVM), Handbuch fuer Tunnelbau. 3. TunnelTalk (2014) Tracking the world’s mega-TBMs, http://tunneltalk.com/Discussion-Forum-Mega-TBM.php. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]26 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 Abstract Tunnelling to bypass major landslide areas is considered as a good and long-term environmentally friendly solution to reduce an existing hazard. In Norway, hundreds of kilometres of tunnels have been constructed in areas prone to landslides and snow avalanches. Although tunnelling is considered as an expensive mitigation strategy for bypassing landslides, analysis indicate that in some cases the cost of building a tunnel can be repaid by savings in driving costs (fuel) alone over a period of 5-10 years due to reduced driving distances. The other benefits of constructing tunnels in landslide areas include savings in time and increased safety. The Norwegian Method of Tunnelling (NMT) is considered safe, efficient and cost effective compared to other tunnelling techniques. Some aspects of NMT, which are considered safe and cost efficient, are presented. The application of updated rock support techniques, including reinforced ribs of shotctrete (RRS), which is a key component of the Norwegian Method of Tunnelling (NMT), is highlighted. Keywords: Landslides, Tunneling, Rock Support, Reinforced ribs of shotcrete Application of Norwegian Method of Tunnelling (NMT) Principles to bypass landslides in mountainous terrain Rajinder Bhasin Technical Expert Norwegian Geotechnical Institute Arnstein Aarset Division Director Norwegian Geotechnical InstituteVol. 22, No. 1 27 1. Introduction The Norwegian Method of Tunnelling (NMT) was originally coined by a group of reputed engineers from various Norwegian consulting and construction companies to distinguish the tunnelling philosophy of Norway from the New Austrian Tunnelling Method (NATM) (Barton et al., 1992). It was pointed out that NATM appeared more suitable for soft ground where jointing and over break were not dominant and monitoring played an important role in deciding on the timing and type of secondary support. It was also stated that NMT appeared suitable for hard ground where jointing and over- break were dominant and where drilling and blasting or hard rock TBM’s were the most common methods of excavation. Over the past two decades, several new tunnels have since been constructed in Norway in relatively weak and poor rock conditions using the NMT method wherein flexible rock support with reinforced ribs of shotcrete (RRS) has been used. This paper describes the application of NMT principles to bypass major landslides in mountain terrain with examples from Norway. Although tunnelling is considered as an expensive mitigation strategy for bypassing landslides, some simple cost-benefit analysis indicate that the advantages of constructing a tunnel outweigh the maintenance costs for keeping the road open to vehicular traffic (Bhasin et al., 2019). These analysis indicate that in some cases the cost of building a tunnel can be repaid by savings in driving costs alone over a period of 5-10 years due to reduced driving distances (Bhasin et al., 2016). The other benefits of constructing tunnels in landslide areas include savings in time and increased safety. 2. Norwegian Method of Tunnelling Principles The principles of Norwegian Tunnelling are well documented in a publication by the Norwegian Tunnelling Society (NFF, 2017). In Norway, several thousands of kilometre of tunnels were constructed after the Second World War to transport water for producing hydropower in the country. Tunnels and underground caverns for the hydroelectric power development dominated into the nineteen eighties, which was followed by road and rail tunnels to improve the communication link in the country. Norwegian tunnelers have constructed a number of pioneering projects which includes the World’s Largest Man-Made Cavern for public use commonly known as Norway’s Olympic Ice Hockey Cavern near the city of Gjovik and the World’ longest road tunnel known as Laerdal tunnel which has a length of 24.5 km long. Some of the key components of NMT, which are considered essential for the design of tunnels to bypass landslides, are described underneath. These include: a) Rock mass characterization using the six Q-system parameters b) Rock support design measures using the updated Q-support chart c) Site investigations using ground and/or airborne surveys d) Numerical verification of the rock supportNext >