< Previous18 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 해저터널 계획 시 위험요소 극복을 위한 고려사항 - 설계사례를 중심으로 - 특히, 해저터널구간은 해저 저면과 연결성이 있는 수직절리가 발달하는 경우 해수가 터널에 유입될수 있으므로 위험 도에 중요한 요소로 반영하였으며 암토피가 작은 경우에도 위험도가 증가하므로 이를 고려하였다. 4.2 종합 위험도 평가를 통한 위험구간 선정 및 대응 시나리오 위험도 평가를 통해 위험도 Level 3이상의 위험구간 4개소를 선정하였다. 양화마을 인근의 심층풍화대는 약 29.2m까 지 풍화대가 존재하는 구간으로 과거 해수가 들어왔던 간척지로 추정되며 터널 하반까지 풍화대가 위치하여 높은 위험 도로 평가되었다. 화원~달리터널에서는 해저구간이 고위험구간이 집중되어 있다. 암종경계, 단층파쇄대, 낮은 암토피의 수직절리 예상 구간이 집중되어 있어 굴착안정성 확보에 유의하여야 한다. <그림 11> 위험도 평가를 통한 위험구간 선정 위험도 평가결과 고위험구간에 대해서는 시공중 지질조건 및 유입량 확인을 원거리 확인조사, 굴착 중 막장에서 지반 조건 확인과 안정성 평가, 굴착중 지반조건별 대응시나리오를 구성하였다. 위험요소 확인시 대응 방안으로 적극적인 지 반보강공법과 차수그라우팅을 적용하였으며 온라인암판정 시스템을 도입하여 지반조건 변경시 즉시 대응이 가능하도록 계획하였다. <그림 12> 위험요인에 따른 대응시나리오Vol. 23, No. 1 19 5. 해저터널 위험요소에 대한 안전성 확보 대책 5.1 미시추 해저구간을 위한 시공중 안정성 확보방안 화원~달리터널의 해저구간은 유조선, 컨테이너선 등의 대형선박이 빈번하게 통항하는 주항로로 이용되어 중앙부 시 추조사를 시행할 수 없었다. 해저구간의 지반조사는 양측 해안선에서 경사시추를 실시하고 해저구간에 대한 3차로 전기 비저항 탐사 및 탄성파탐사를 통해 해저구간 지반조건을 분석하였다. 미시추 구간의 지반조사를 확인하기 위해 시공중 조사 계획을 수립하여 반영하였으며, 전방지질 확인을 위해 고정밀 TSP탐사, 선진수평시추, 감지공, 천공데이터분석 및 디지털맵핑 등의 5단계 지질예측 방안을 수립하였다. (a) 선진수평시추, 감지공으로 이상대 확인 및 보강(b) 천공데이터 분석 <그림 13> 5단계 지질예측<그림 14> 미시추 해저구간 지반조사 계획 5.2 해저구간 지하수 유입에 따른 안정성 확보방안 해저구간은 터널 상부에 무한량의 해수가 존재하여 터널 굴착시 대량의 용출수로 굴착 안정성이 저하되며 심각한 경 우 침수우려가 있으므로 철저한 차수대책이 필요하다. 차수그라우팅은 지수 및 터널 주변 지반보강이 주목적이며 많은 천공과 주입으로 공기 및 공사비에 많은 영향을 미치므로 지반조건별 적정한 그라우팅 범위와 천공 간격을 선정하는 것 이 매우 중요하다. (a) 목표 유입량 기준(b) 그라우팅 주입범위 산정 (c) 무기질계 주입재효과 <그림 15> 차수그라우팅 설계20 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 해저터널 계획 시 위험요소 극복을 위한 고려사항 - 설계사례를 중심으로 - 해저구간의 차수그라우팅은 감지공의 유입량을 측정하여 결정하며, 감지공 1공의 유입량이 4l/min 이상 또는 감지공 3공의 합이 10l/min 이상인 경우 차수그라우팅을 시행하도록 하였다. 또한 터널내 목표허용 유입량은 0.5m3/min/km로 선정하였으며, 투수계수 k＜1.0×10-8m/s 인 경우, 주입범위는 5.0m 이상인 것으로 분석되었다. 해저구간의 차수그라 우팅은 환경에 영향이 적은 무기질계주입재를 계획하였다. <그림 16> 암반등급별 차수그라우팅 패턴<그림 17> 차수그라우팅 관리계획 지반특성을 고려하여 암반등급별 5단계 차수그라우팅 패턴을 적용하였으며, 이 경우 그라우팅 범위는 차수그라우팅 5~7m 정도로 계획하였고, 공간격은 1.0~2.0m로 선정하였다. 차수그라우팅은 검사공을 통해 차수효과를 확인하고 굴 착 중 유입량을 파악하여 필요시 포스트 그라우팅을 시행하도록 하였으며, 현장시험을 통한 그라우팅 적용성을 검토하 여 설계에 반영하였다. <그림 18> 구간별 지반특성 분석 및 차수그라우팅 패턴 상세계획 5.3 해저 단층대 굴착 및 보강방안 화원~달리터널은 퇴적암류인 일성산층과 달리도층 상부에 중생대 화산활동으로 인해 생성된 응회암과 유문암 지층 이 피복하고 있으며 터널은 주로 화산암층을 통과하고 있다. 터널구간은 지각운동으로 인해 3개조의 단층이 발달하고 있으며 터널 중앙부 해저 통과구간에서 F5 단층이 확인되었다. 해저 단층파쇄대 통과시 투수성이 높고 연약한 지층을 통 과하므로 해수 유입 방지와 막장 및 천장부 안정성을 확보하기 위한 보강계획을 수립하였다.Vol. 23, No. 1 21 (a) 해저구간 기반암 특성(b) 3D 전기비저항탐사 (c) 지표지질조사 <그림 19> 해저구간 단층대 현황 해저구간 STA.3+180지점에서 F5 단층과 조우하며 단층의 폭은 5~10m 규모로 추정된다. 해저구간의 수심은 약 33m, 암반 토피고는 26m이며 터널 노선과 사교하고 있다. 단층의 폭은 인접한 육상부의 노두에서 확인하였고 3D 전기 비저항 탐사에서 방향성이 확인되었다. 굴착 및 보강대책으로 차수그라우팅은 내염해 무기질계주입재를 적용하고, 그라우팅 주입범위를 7.0m, 주입간격은 1.5m를 계획하였다. 또한, 투수성이 높은 구간에서의 주입재 유실방지를 위한 1차 Blocker그라우팅을 적용하였다. 단층 파쇄대 전방에 대해 선진수평시추를 통해 단층 특성을 확인하고 직천공 대구경강관 선진보강 3열중첩, 굴착안전성 확보 를 위해 CD분할과 FRP보강 그라우팅 등을 적용하였다. (a) 해저구간 내염해 차수그라우팅(b) 해저 단층대 보강계획 <그림 20> 해저 단층파쇄대 굴착 및 보강방안 5.4 암종경계부 및 중· 소규모 단층파쇄대 보강방안 해저구간에 응회암과 유문암의 암종 경계부가 위치하는 것으로 예상되었다. 일반적으로 암석의 조성 및 강도특성이 서로 상이한 암종 경계부는 경계면이 발달하여 투수성이 크거나 층리면이 발달하여 구조적으로 취약할 가능성이 높다. 암종 경계면이 해저 구간에 위치하여 설계시 정확한 경계면을 특정하기 곤란하므로 시공중 경계면을 확인하고 공학적 특성을 파악하여 적합한 차수 및 보강을 실시하도록 계획하였다.22 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 해저터널 계획 시 위험요소 극복을 위한 고려사항 - 설계사례를 중심으로 - 시공중 암종경계부 확인을 위하여 경계면으로 추정되는 위치에 수평시추(L=60m)를 적용하였며 수평시추를 통해 경계 면으로 예상되는 위치는 감지공을 천공하여 지반특성과 지하수 유입량을 확인하도록 계획하였다. 암종경계면이 확인된 개소는 지하수 유입량과 지반특성에 따라 친환경 무기질계 차수그라우팅과 천단부 강관보강형 선진보강그라우팅을 적 용하도록 계획하였으며, 단층파쇄대 규모별 보강대책을 수립하여 단층파쇄대의 폭, 방향성 및 지반조건에 부합되는 보 강방안을 적용하였다. <그림 21> 해저 암종경계부 확인조사 및 보강방안<그림 22> 규모별 단층파쇄대 보강방안 6. 해저터널 시공중 및 운영중 안전대책 6.1 터널내 침수사고 발생 시 대피계획 터널 내 침수사고 발생 시 신속한 침수감지와 막장상황을 파악하고 작업자의 신속한 대피를 도와 인명사고를 방지하는 안전시설을 적용하였다. 터널 내 침수를 조기에 확인하기 위한 침수감지센서를 설치하고 24시간 막장상황을 확인할 수 (a) 터널내 침수시 감지(a) 터널내 침수시 대피계획 (b) 이상감지 센서(b) 위치관제 및 통합안전 관리구축 <그림 23> 터널내 침수 및 붕락 발생시 감지 및 전파<그림 24> 대피차량 활용 안전한 대피계획Vol. 23, No. 1 23 있도록 지능형 CCTV를 반영하여 침수상황 조기 감지와 신속한 초기대응 및 통제를 실시하도록 계획하였다. 침수발생시에는 작업자가 신속한 대피할수 있도록 위험구간에 안전패트롤카와 대피용 차량을 상시 비치하고 작업자 와 시공장비에는 IoT기반 스마트태그를 장착하여 실시간 위치를 확인하여 안전을 확보하는 터널내 통합 안전관리 시스 템을 구축하도록 계획하였다. 6.2 시공중 붕괴 및 침수발생시 대응시나리오 및 수방대책 설계시 예측한 해저단층대, 암종경계 및 저토피구간에서 과다 출수 발생 가능성이 있으므로 위험구간에 대한 안전한 시공을 위하여 공사중 단계별 대책을 계획하였다. 돌발 용수에 대비하여 방수문을 설치함으로써 침수시간을 지연하고 대피시간을 확보하여 작업원의 안정성을 확보하도록 계획하였고 터널 내에 비상 복구자재를 비치하였다. 돌발용수 및 붕락위험구간 전방 약 100~150m 구간에서 TSP 전방탐사를 실시하고 막장에서는 GPR 탐사를 실시하여 위험구간 발견 시 위험구간에 대해 차수그라우팅 시행하도록 계획하였다. 1단계2단계3단계4단계 (a) 붕락 시 응급조치(b) 침수구간 보강(c) 우회굴착/추가보강(d) 역방향관통 복구 <그림 25> 붕괴 및 침수발생시 대응시나리오 선행터널 굴착 시 해저구간 단층파쇄대 약 200m 전방에 방수문 설치하며, 후행터널은 선행터널의 선진도갱 효과를 반영하여 위험구간에 대해 사전에 대처 가능토록 계획하였다. 양방향 굴착 최초 1회는 신규 설치하고 다음 위치는 방수 문을 이동하여 재설치하도록 한다. 또한 터널 붕괴로 인한 고립시 작업자의 구조시간 확보를 위한 Refuge Chamber를 계획하였다. Refuge Chamber는 터널 내 작업조 운용인원을 고려하여 12인용을 적용하였으며, 산소탱크, 소화기, 응급 키트, 음용수 등 작업자 안전에 필요한 물품을 구비하였으며 공기 및 전력 차단 후에도 48시간의 안전시간을 확보하도록 계획하였다. (a) 방수문 계획(b) Refuge chamber 설치 <그림 26> 공사중 돌발용수 발생에 대비한 안전시설24 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 해저터널 계획 시 위험요소 극복을 위한 고려사항 - 설계사례를 중심으로 - 6.3 운영 중 단계별 침수방지 대책 및 침수시 대응시나리오 지하 공간 침수방지를 위한 수방기준(2019. 12 행정안전부고시)의 제2장 제5조에서는 『지하 공간은 대피로가 한정되 어 있으며 침수 시 외부상황 파악이 어려울 뿐만 아니라 대피할 수 있는 충분한 시간을 확보하기 어렵고, 배수설비 등의 기능이 정지되어 인명피해가 일어날 수 있으므로, 공간적 특성을 고려하고 지하 공간 이용자의 생명을 보호하기 위해 ~ 중략~ 단계적인 계획을 수립하여 침수피해로 인한 인명피해를 최소화하여야 한다.』라고 규정하고 있다. 1단계 터널 침수방지 2단계 정전 및 월류시 침수지연 (a) 터널 침수방지시설(b) 침수지연 시설 3단계 침수시 차량진입차단 및 대피로 확보 4단계 신속한배수 대책(침수복구) (c) 대피로 및 진입차단시설(d) 배수시설 <그림 27> 단계별 침수방지 대책 및 대응시나리오 법령에서 규정하는 단계적인 계획은 다음과 같다. 1단계 : 지하공간의 침수방지, 2단계 : 침수시간을 최대한 지연시킬 수 있는 대책확보, 3단계 : 진입차단시설 및 안전한 대피로 확보, 4단계 : 신속한 배수대책 지하공간에 대한 침수방지 대책을 수립하기 위해 수방기준을 준용한 단계별 침수방지 계획을 수립하고, 대응시나리오 를 작성하여 설계에 반영함으로써 안전한 해저터널 계획을 수립하였다.Vol. 23, No. 1 25 7. 맺음말 해저터널 계획 시 주요 위험요소를 분석하고 이를 극복하기 위해 설계에 반영하여 안전성을 확보하도록 하였으며 이 를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 첫째, 지질 및 지반조건의 정확한 분석은 해저터널 계획시 가장 주요한 요소이다. 최적의 선형계획을 위해서는 설계 단계에서 정확한 지반현황을 파악할 수 있는 조사가 이루어져야 한다. 둘째, 해저터널 계획 시 가장 큰 위험요소는 돌발적인 해수유입이다. 갑작스러운 해수유입의 위험도분석은 매우 중요 하며, 이러한 위험도는 지반조건의 정확한 예측에 좌우된다. 설계단계에서 위험분석과 불확실성에 대한 평가가 수행되 어야 한다. 셋째, 지반조사는 시공중에도 지속되어야 한다. 터널막장의 페이스매핑(mapping)은 경험있는 전문가에 의해 수행되 어야 하며, 합리적인 결정을 내릴수 있는 의사결정체계를 구축하여야 한다. 넷째, 해저터널 계획시 해수 유입의 억제와 유입수 처리가 중요하다. 일반적으로 고수압하의 위험구간에 대한 확실한 차수 및 보강공법 확보가 필요하다. 다섯째, 시공중의 안전과 대형 재해방지를 위해서는 작업막장 전방에 대한 체계적이고 계속적인 선 진 천공, 유입수 조절, 프리그라우팅 및 포스트그라우팅 등이 필요하다. 여섯째, 해저터널 구조물 및 터널 이용자 보호를 위하여 안전성, 경제성 측면에서 최적화된 환기 및 방재설비, 터널의 변형, 수위, 누수 등 실시간 모니터링 시스템이 요구된다. 참고문헌 1. 신희순, 2011, 해저터널건설을 위한 주요 기술적 과제, 2011 한국암반공학회 추계 총회 및 창립 30주년 기념 심포지엄 p.36~43. 2. 이성기, 이석천, 박동규, 허도학, 2011, 해협 횡단을 위한『도로 시설물』로서의 해저터널, 한국터널지하공간학회, 자연, 터널 그리고 지하공간, Vol.13, No.1, p.50~58. 3. 압해~화원(1공구)건설공사(2020), 설계보고서. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]26 자연,터널 그리고 지하공간 최근 도심지 터널공사의 체계적인 안전관리에 대한 관심과 노력은 꾸준히 증가하고 있으며, 지하터널공사에서의 안전문제는 중요 한 이슈가 되어 왔다. 특히 도심지 터널공사에서의 지반함몰(싱크홀)사고와 붕락사고는 안전문제에 대한 철저한 관리를 필요로 하는 제11강 도심지터널 지하안전 영향평가와 안전관리 Underground Safety Management in Urban Tunnelling 김영근 (주)건화 부사장/연구소장 공학박사/기술사 지하안전영향평가서 표준매뉴얼 (국토교통부, 2020) 도심지 터널 지하안전영향평가 (LH/한국터널지하공간학회, 2020)제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 Vol. 23, No. 1 27 중요한 계기가 되었다. 이러한 배경을 바탕으로 국토교통부에서는 2020년 지하공사에 대한 안전관리를 체계적으로 수행하도록 지하 안전평가서 표준매뉴얼을 제작하여 배포하였으며, LH는 한국터널지하공간학회와 공동으로 도심지터널 지하안전영향평가 평가기준을 작성하여 도심지 터널공사에서의 지하안전영향평가를 보다 효율적으로 수행하고자 하였다. 본 고에서는 지하안전영향평가 방법 중 특히 터널공사에 대한 지하안전영향평가 방법을 도심지터널 지하안전평가기준을 중심으로 소개하였으며, 지하터널공사에서의 안전관리체계를 해외의 리스크 안전관리 시스템과 비교분석하였다. 또한 도심지 터널공사의 안전 관리방안에 대하여 기술하고자 하였다. 1. 도심지 터널공사의 지하안전관리 2016년 1월 지반침하로 인한 위해를 방지하고 공공의 안전을 확보하기 위해 지하를 안전하게 개발, 이용하기 위한 안전관리체계를 확립하는 것을 목적으로 ｢지하안전관리에 관한 특별법｣이 제정되었으며, 이 법에 근거하여 지하개발사업자는 지하안전영향평가를 실 시하여야 하며 이는 2018년 1월 1일부터 시행되었다. 이후 각종 지하굴착공사 및 도심지 터널공사에서 지하안전영향평가가 수행되고 있다. 최근 그림 1에서 보는 바와 같이 도심지에서의 지하도로 및 도시철도사업이 적극적으로 활성화되면서 도심지터널공사에 대한 지하 안전영향평가가 매우 중요해 졌으며, 도심지 터널특성을 반영한 보다 효율적인 지하안전영향평가기준이 요구되었다. 이에 국토교통부 를 중심으로 터널공사에 대한 지하안전영향평가 방안이 구체적으로 마련되었으며, 도심지 터널공사에 대한 안전관리를 보다 적극적으 로 강화하였다. (a) 도심지 지하도로 터널(b) 수도권 광역급행철도사업 <그림 1> 도심지 터널 프로젝트 그러나 이와 같은 강화된 안전관리방침에도 불구하고 최근 도심지 터널공사에서 터널공사 중에 지반침하, 지반함몰 및 지반붕괴 사고가 발생함에 따라 보다 근본적인 대책마련이 시급히 요구되고 있다. 그림 2는 도심지 터널공사 중에 발생한 지반함몰사고의 예로 서 현재 사고 원인에 대한 공학적인 분석과 대책 마련 중에 있다. 도심지 터널공사는 지반리스크 뿐만 아니라 주변 안전 및 환경리스크 를 많이 포함하고 있는 가장 위험한 공종으로서 이에 대한 보다 적극적인 안전관리대책이 요구된다.Next >