< Previous8 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 춘천~속초 철도건설 제7공구 설계사례를 통한 대심도 초장대 산악터널 계획 시 주요 고려사항 (a) 경사갱 #9 갱구(b) 경사갱 #10 갱구 <그림 3> 환경영향 방지를 위한 경사갱 갱구 위치이동 4. 대심도 산악터널 조건을 고려한 Rock TBM 설계 본 노선은 환경부 협의결과로 인해 지역 대표단층인 미시령단층을 따라 터널 선형계획이 불가피하며 이로 인해 위험도 분석을 통한 굴착 안정성 확보와 지하수 영향 최소화를 위한 단계별 대응계획을 수립하여 굴착 및 보강계획에 반영하였다. (a) 4개 영향인자를 반영한 전구간 위험도 분석 (b) 16개 단층파쇄대 상세분석(c) 20개 단층대 교차구간의 차별 대응방안 수립 (d) 갱내보강을 통한 지하수 유입 방지(e) 갱외차수를 통한 지하수 유입 방지(f) 각려단층 특성을 고려한 보강계획 <그림 4> 위험도 분석을 통한 보강 및 단계별 지하수 유입 방지 계획Vol. 23, No. 1 9 먼저 본 사업의 터널계획에 앞서 미시령터널 등 기존 18개 사업의 지반조사 결과를 분석하고, 금회 시추조사 31공, 각 종 물리탐사 23.5km의 결과를 상세 분석하였다. 조사결과 백담3터널은 최대심도 633m의 산악터널로 암반등급 Ⅲ이상 76.1%의 양호한 지반조건으로 평가되었다. 상세 조사 결과, 본 노선은 16개 단층파쇄대와 총 20개소에서 교차하는 것으 로 확인되었다. 이에 따라 정밀한 암반등급 평가와 주변 현황 등을 반영한 전구간 위험도 분석을 실시하고 시공중 리스 크에 대한 직접적인 대응방안을 제시하였다. 특히 공사중 지하수 유출 최소화를 위해 단층파쇄대의 규모와 터널과의 교 차 형태에 따라 단계별 차수 계획을 수립하였으며 각력단층 조건에서는 빠른 지하수 유속을 고려하여 저유동 주입재를 적용토록 계획하였다. Rock TBM은 기계화 시공의 특성상 발파가 없기 때문에 모암의 강도가 유지되는 특성이 있어 발파공법(NATM)과는 다른 지보패턴 및 지보설계가 필요하다. 아직까지 국내에서는 암반구간을 대상으로 한 Open TBM의 설계사례가 적고 본 사업에 적용한 9.0m급의 Rock TBM은 적용한 사례가 없어 패턴계획이나 지보재의 선정에 대한 경험이 많지 않다. 본 설계에서는 모암의 강도특성이 훼손되지 않는 비발파 기계화 시공의 장점을 최대한 활용하여 패턴과 지보를 설계하 고자 하였으며, 이를 위해 해외 시공사례와 분석을 참조하여 Rock TBM 전용 지보패턴을 제시하였다. 또한 지보재 선정 에도 고강도 재료를 반영하였다. (a) 비발파 굴착 효과 비교(b) 원지반 교란 감소를 고려한 패턴 개선 (c) 절리면 순차개방시 응력증가를 고려한 GFRP 볼트 적용(d) 부분적인 응력집중을 대비한 고강도 숏크리트 적용 <그림 5> 지보패턴 차별화 및 지보재 선정 초장대 산악터널에서는 공기준수를 위해 지반조건과 장비특성을 고려한 적정 굴진율 적용이 중요하다. 이를 위해 노 선내 대표암종인 편마암, 반안, 화강암에 대한 굴진율 시험을 실시하였으며 2대의 TBM 굴진을 반영한 굴진 계획과 시공 구간을 고려하여 구간별 굴진율 재산정하였다. 구간별 굴진율 산정에는 전구간 위험도 분석결과를 반영하여 상대적 위 험도가 높은 시점구간 굴진율을 보다 여유있게 평가하여 안정적인 시공계획을 수립하였다. 10 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 춘천~속초 철도건설 제7공구 설계사례를 통한 대심도 초장대 산악터널 계획 시 주요 고려사항 (a) 국내 및 해외 굴진율 분석(b) 암종별 굴진율 시험 결과 분석 (c) 구간별 굴진율 평가(d) 리스크를 고려한 굴진율 차등적용 <그림 6> 위험도 분석을 반영한 구간별 굴진율 차등적용 또한 설계기준(KDS 27 25 00 TBM)에서 제시하고 있는 TBM 관련 제한사항과 기계굴착 특성을 반영한 계측계획 기 준을 준수하여 안정적인 굴착이 가능하도록 설계에 반영하였다. TBM 적용 시 안정적 굴진을 위한 토피고 1.5D 확보와 지보패턴의 상향과 함께 계측빈도와 간격을 확대하여 고성능 장비사용에 따른 장점을 최대한 활용하였다. 초장대터널 시공에 있어서 굴착중 작업환경 개선과 작업원 안전 확보도 매우 중요하다. 본 설계에서는 벨트 컨베이어 를 활용한 갱내 버력처리로 터널내 버력처리를 위한 차량의 진출입을 배제하였으며 작업원 교대, 자재 운반용 MSV 도입 으로 시공효율 향상과 안전사고를 예방토록 하였다. (a) 토피고 1.5D 확보 후 TBM 적용(b) 굴착 안정성 증가를 고려한 계측간격 조정 <그림 7> 설계기준에 따른 토피고 및 계측간격 조정Vol. 23, No. 1 11 (a) 전구간 벨트 컨베이어 설치(b) 양방향 운행 가능한 MSV 도입 <그림 8> 작업환경 개선과 작업원 안전을 위한 설계 반영사항 5. 초장대 단선터널 방재 설계 및 공기압 저감 대책 춘천~속초 철도건설 제7공구는 초장대 터널인 백담3터널과 시점 160m만 포함된 성천터널로 구성되어 있다. 본 사업 에 포함된 성천터널은 전체 1.5km 가량의 단선터널로, 기본계획 단계에서는 백담3터널과 분리된 별도의 터널로 계획되 어 환기, 방재계획에서 중요한 위치를 차지하고 있지 않다. 그러나 본 설계에서는 백담3터널과 성천터널을 복개형 개착 구조물로 연결하여 방재개념상 하나의 단일 터널로 계획함으로써, 결과적으로 15km를 초과하는 초장대 터널에 대한 종 합 방재계획을 수립하였다. 방재 안전성 강화를 위한 구조물 계획으로는 중증 외상환자 골든아워 확보를 위해 미시령 옛길을 배제한 긴급후송계 획을 수립하였으며 설계기준에 부합하는 비상구난역 설치로 승객 피난안전성을 확보하였다. 또한, 백담3터널~성천터널 사이 구간에 복개형 개착구조물을 설치하여 방재측면에서 단일터널로 계획함으로써 기존에 방재에서 제외되었던 성천 터널에도 제· 배연 기능을 부여하였다. <그림 9> 전체 사업 구간의 방재 개념도 백담3터널과 성천터널을 방재측면에서 통합할 경우 15.4km의 터널이 생성되기 때문에 15km 이상의 터널에서 요구 되는 방재구난역 설치가 필요하다. 본 설계에서는 대피, 구난, 제·배연, 소화, 내화설비 등 안전시설과 승강장 폭 2.0m 확보, 50m 간격 방연문(대피통로)설치 등 비상구난역의 설치기준을 만족하는 방재구난역을 환기구#10 접속지점에 계획12 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 춘천~속초 철도건설 제7공구 설계사례를 통한 대심도 초장대 산악터널 계획 시 주요 고려사항 하였다. 또한 열차 화재시 신속진압을 위한 소방시설과 구난대피소, 소화, 내화설비 등 대피 및 구난에 필요한 시설 계획 수립하여 화재시 열차정원 381명 전원이 안전하게 대피할 수 있도록 계획하였다. <그림 10> 비상구난역 주요 방재시설물과 기능 내공단면이 크지 않은 단선터널에서의 공기압 영향 저감을 위해 시종점 경사형 갱문설치와 단면적을 확대하는 등의 진입부 저감대책을 적용하였으며 기존의 노출되었던 백담3터널 종점과 성천터널 시점을 복개형 개착구조물로 계획하여 공기압 영향권을 근본적으로 제거하였다. 경사갱 접속부 및 백담3터널~성천터널 연결 개착구조물에 통풍구를 설치하여 공기압 저감하였으며 공기압 저감대책 적정성 검증을 통하여 기준이하의 영향발생 확인하였다. <그림 11> 백담3터널 및 성천터널 공기압 저감대책 개요Vol. 23, No. 1 13 6. 결 론 본 사업은 각종 환경보호지역을 통과하는 15km 이상의 대심도 장대터널 구간으로 환경, 시공, 지반, 방재 뿐만 아니 라 단선터널 공기압 저감 등 다양한 분야의 종합적인 검토가 필요하다. 기본설계에서는 환경보존을 최우선으로 고려하 여, 자연보존지역을 우회하고 기 개발된 미시령터널 하부를 통과하는 노선을 선정하여 공사중, 운영중 발생할 수 있는 환경피해를 최소화 하도록 하였다. 또한 사업구간의 대부분을 차지하는 터널 굴착공법에 있어 Rock TBM 공법을 적용하 여 공사중 발파로 인한 소음, 진동 피해를 최소화함과 동시에 단설터널 NATM 적용 시 발생되는 시공성 저하를 해소할 수 있는 시공계획을 반영하였다. 터널설계에 있어서는 대심도 산악터널을 고려한 신뢰도 높은 지반조사를 통해 암반상 태를 면밀히 파악하고, 전구간 위험도 분석을 통해 굴착 안정성 확보와 지하수 영향 최소화를 위한 단계별 대응계획을 수립하였으며 암반 타입에 따른 굴착 및 보강계획에 적용하였다. 백담3터널 및 성천터널은 15km 이상의 장대터널로 법적기준을 만족하는 비상구난역 및 비상구난지역을 설치하여 피 난 안전성을 강화하였다. 백담3터널~성천터널 사이는 복개형 개착구조물을 계획하여 터널을 단일화함으로써 기존에 방 재에서 제외되었던 성천터널에도 제· 배연 기능을 부여하였다. 또한 내공단면이 작은 단선터널의 공기압 저감을 위해 시 종점 경사형 갱문설치와 단면적을 확대하는 등 진입부 저감대책을 적용하였으며, 경사갱 접속부와 복개형 개착구조물 통풍구 설치하고 공기압 적정성 검증을 통하여 기준이하 영향발생을 확인하였다. 기존 국내철도 사업 중 장대터널의 TBM 적용실적이 미비함에 따라 체계적이고 경제적인 터널설계를 위해 더 많은 설 계자료와 시공경험의 축척이 필요할 것으로 판단되며, 춘천~속초 7공구 설계가 국내 터널설계에 있어 관련 기술자들에 게 많은 도움이 되기를 바란다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]14 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 1. 개 요 최근 국내 터널기술은 다양한 성과를 나타내고 있으며, 특히 하저 및 해저터널이 빈번하게 설계되며, 시공 중에 있다. 가덕 해저터널(3.7km)이 2010년 12월에 개통되었고 인천 북항터널(5.4km)은 2017년에 개통되어 운영 중에 있으며 대 천항~원산도간 보령해저터널(6.29km)이 금년에 준공될 예정이다. 해외의 경우도 노르웨이, 일본 등의 국가에서 다수의 해저터널이 시공되어 운영중인 것으로 알려져 있다. 일반적으로 해저터널은 단층대와 연약대에서 고수압 조건 및 대규 모 해수유입으로 인한 안정성 확보에 대한 문제가 중요한 사항이다. 해저터널 건설을 위한 주요 기술적 과제(Shin, 2011)에서 해저터널과 육상터널을 비교하여 다음과 같이 언급하였다. 첫째, 주요공사구간이 바다로 덮혀있고, 상당한 토사층이 해저바닥에 퇴적되어 있을 수 있어 양질의 지반조사와 설계 가 요구된다. 둘째, 해수의 유입시 유입량이 무제한이며 수압이 매우 높아 터널공사시 고수압의 유입수에 대한 대책이 중요하다. 셋째 해수유입의 예측은 어려우며 유입시 대형사고로 이어질수 있으므로 이에대한 대책이 필요하다. 넷째, 모 든 유입수는 펌프를 이용하여 터널 외부로 양수해야 한다. 다섯째, 유입된 해수는 염분을 함유하고 있어 터널굴착장비와 지보재에 상당한 부식을 발생시킨다. 여섯째, 터널상부 최소암반두께(minimum rock cover)의 최적화가 항상 해저터널 설계의 핵심요소가 된다. 일곱째, 터널 굴착중 지속적인 지반조사와 유입수 변화에 대한 관측이 필요하다. 본 기술기사에서는 해저터널 계획 시 다양한 위험요소 극복을 위해 설계시 반영하였던 안전성 확보 대책에 대하여 설 계사례를 중심으로 소개하고자 한다. 해저터널 계획 시 위험요소 극복을 위한 고려사항 - 설계사례를 중심으로 - 김영준 (주)태조엔지니어링 전무 박민수 (주)서하기술단 전무 임 구 (주)태조엔지니어링 상무 이재성 롯데건설(주) 수석 김주철 롯데건설(주) 토목설계팀장Vol. 23, No. 1 15 2. 사업현황 “국도77호선 신안 압해~해남 화원 도로건설공사(1공구)”는 국도77호선의 미연결 구간인 압해~화원간 도로 연결로 도 로이용자와 지역주민의 교통편의 제공 및 국도간선기능 확보하며, 관광상품화를 통한 지역 문화관광사업을 증대하여 지 역경제 활성화 및 균형발전을 도모하는 데 그 사업목적이 있다. 사업규모는 총연장은 5.95km이며, 터널은 1개소로 연장 2.73km(NATM : 2.68km, 개착BOX : 0.05km)로 일방향2차로 병렬터널(B : 10.0m)로 계획하였다. 출입시설로 회전교 차로 2개소와 평면교차로 4개소를 설치하였으며, 교량은 3개소로 연장은 133m 이다. <그림 1> 사업구간 위치도 3. 지층현황 분석 본 사업구간은 지체구조상 광주전단대 남서쪽에 위치하며, 북북동 방향 전단대의 최남단에 위치하고 있다. 사업구간 에 출현하는 암종은 일성산층 및 달리도층의 퇴적암과 매월리응회암, 유문암이 분포하고 있으며, 일성산층은 역암, 사 암, 이암 및 셰일의 호층으로 구성되었으며, 달리도층은 사암, 이암, 셰일 및 응회암이 분포하고 있다. <그림 2> 지반조사 현황 16 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 해저터널 계획 시 위험요소 극복을 위한 고려사항 - 설계사례를 중심으로 - 터널의 기반암은 응회암류와 유문암류가 분포하고 있으며, 균질절리영역분석(HFD)결과, 5개의 domain으로 분류하 였다. 전반적으로 광주단층에 수반된 북북동 방향의 주향이동단층이 우세하며, 화산함몰체의 영향으로 동서~북동 방향 의 정단층이 우세한 것으로 나타났다. 사업구간에 대한 지체구조 및 선구조 분석결과 광주단층의 분절단층이 예상되며 7개의 선구조와 교차되는 것으로 파 악되어 사업구간 교차단층에 대한 상세 분석을 수행하였다. 특히, 해저터널 구간은 다측선의 3차원 물리탐사와 시점부 및 종점부에서 경사시추를 수행하여 터널구간 기반암의 특성을 확인하였다. 이를 통해 해저구간은 3개의 단층대 (F4~F6)가 터널과 조우하는 것을 확인하였다. <그림 3> 지체구조 / 선구조 분석 <그림 4> 해저구간 경사시추 <그림 5> 터널구간 기반암 특성 단층파쇄대 및 지질이상대 분석을 위해 광역조사와 상세조사를 통한 10단계의 체계적인 단층파쇄대 분석 프로세스를 진행하였다. 광역지체구조 분석을 수행하여 광주전단대 및 광주단층의 이력을 파악하고, 시추공영상촬영을 통해 파쇄대 의 특성을 정밀 분석하였으며, 이를 통해 사업구간의 교차 단층파쇄대에 대한 상세분석과 정량화를 수행하였다. (a) 단계별 단층분석(b) 시추공 영상촬영결과(c) 단층영향분석 <그림 6> 단층파쇄대 및 지질이상대 분석 <그림 7> 터널 암반등급도 <그림 8> 해저구간 3D탐사 개요Vol. 23, No. 1 17 해저터널 건설계획을 안전하게 수행하기 위하여 해저터널 주변에 대한 상세 지반조사를 수행하였다. 이를 위해 이상 대구간의 확인시추, 해저구간에 대한 경사시추, 3차원 물리탐사 및 염분영향 분석 등을 수행하여 단층파쇄대 및 지질이 상대 분포 특성, 기반암의 암반등급 및 염분침투 영역을 고려한 지보패턴을 선정하였다. 4. 리스크 분석을 통한 위험구간 선정 4.1 지질현황 분석 및 위험도 평가항목 선정 화원~달리터널 구간은 퇴적암류인 달리도층 상부를 중생대 화산활동으로 인해 생성된 응회암류와 유문암류가 덮고 있다. 터널은 퇴적암층 상부의 응회암류와 유문암류 구간을 주로 통과하고 있으며, 특히 중앙부 해저구간은 유문암류 구 간에 해당된다. 터널구간은 화산활동과 지각운동으로 인한 다수의 단층파쇄대가 존재하여 최소 3개소의 단층을 통과하는 것으로 조 사되었다. 특히, 해저구간에 단층파쇄대 F5(폭10.0m)가 존재하며, 암종경계부, 해저토피로 인한 지하수유입 등 다수의 위험구간이 존재한다. <그림 9> 균질절리영역(HFD) 분석결과 터널 굴착 중 붕괴, 침수 등의 사고 발생 위험성을 평가하고 대책을 수립하기 위해 단층파쇄대, 암종경계, 수직절리, 해저구간 암반 토피고(Rock Cover) 등의 4개 주요 평가항목과 암반등급으로 표현되는 지반조건을 반영하여 종합위험도 평가를 실시하였다. (a) 단층파쇄대(b) 암종경계 (c) 수직절리(d) 암토피(Rock Cover) <그림 10> 위험도 평가항목Next >