< Previous기술강좌 시리즈: 지하터널공사 리스크 안전 관리 제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 38 자연,터널 그리고 지하공간 ②수치해석에 의한 검토 - 필요시 수치해석을 통해 검토대상 구조물에 발생하는 발파진동값 예측 2.4 계측 계획 ▣ 검토개요 • 계측계획의 적정성을 확인하기 위한 계측기 설치 계획, 측정 빈도, 계측관리 기준치에 대해 검토 ▣ 검토결과 • 계측기 설치 위치 및 측정 빈도 - 터널구간 구분설치간격 및 위치측정시기측정빈도비고 천단침하계 20m (지반조건에 따라 간격 증가 및 감소 가능), 막장후방 1m 이내 0~15일2회/일 단면당 천단 1개소 설치15~30일1회/2일 30일~1회/주 내공변위계 20m (지반조건에 따라 간격 증가 및 감소 가능), 막장후방 1m 이내 0~15일2회/일 단면당 설치15~30일1회/2일 30일~1회/주 지표침하계 정밀계측구간, 횡방향 : 1.5D + αm (D : 터널직경) 0~15일1회/일 터널상부 설치 15~30일1회/2일 30일~1회/주 숏크리트응력계정밀계측구간 0~15일1회/일 막장부 후방 3m 설치 직후 (수평, 수직방향 5개) 15~30일1회/2일 30일~1회/주 록볼트축력계정밀계측구간 0~15일1회/일 막장부 후방 3m 설치직후 (5개의 다른 심도 설치) 15~30일1회/2일 30일~1회/주 지중변위계정밀계측구간 0~15일1회/일 막장후방 3m 또는 굴착후 24시간 이내 설치 직후 (3~5개의 다른 심도 설치) 15~30일1회/2일 30일~1회/주 지중경사계 및 지중침하계 정밀계측구간, 20m 0~15일1회/일 터널전방(H+h1) 혹은 2D설치 직후 (터널상부 5개소 설치) 15~30일1회/2일 30일~1회/주 • 천단침하계와 내공변위계는 표준시방서(KCS 27 50 10 : 2016)에 따라 계측기 설치간격은 20m 간격을 표준으로, 토피가 터널직 경의 2배 이하인 구간은 10m 간격을 표준으로 하되 지반조건이 불량한 구간이나 변화가 심한 구간에 대하여는 계측간격을 표준 간격보다 좁혀야 하며, 지반조건이 양호하고 구간 내에서 지반 변화가 적을 때에는 사전검토 결과를 토대로 계측간격을 표준보 다 넓히거나 계측을 생략할 수 있다.제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 Vol. 23, No. 1 39 • 모든 계측기는 현장여건에 따라 증감할 수 있다. • 계측관리 기준 - 계측관리기준은 수치해석결과, 경험치, 타 계측결과 및 현장지반조건 등을 참조하여 결정하며, 계측치의 절대변화량 및 변화속 도 등을 참고하여 계측관리기준치를 설정하고 그에 따라 안전성을 평가한다. - 계측관리기준 선정시 수치해석결과에 의한 설계예상치를 적용할 경우, 제한된 지반조사결과를 활용한 결과로 현장여건(지반조 건, 지하수위 등)이 상이하면 적용하기 어려우므로 1차관리기준은 3차관리기준의 60%, 2차관리기준은 3차관리기준의 80%를 적용하는 것이 적절할 것으로 판단된다. - 또한, 안전성 평가 및 대책공의 실시(지보패턴 변경 등)는 단일항목의 결과만으로 평가하기보다는 관련된 계측항목(지보재 응 력, 축력 등)을 종합적으로 고려한다. - 계측관리기준 선정 예 구분1차 관리기준(안전)2차 관리기준(주의)3차 관리기준(위험) 지중경사계 일간 변위량 토사σ = 2mm (7일간)σ = 4mm (7일간)σ = 10mm (7일간) 암반σ = 1mm (1일간)δ ≤ 2mm (1일간)σ = 4mm (1일간) 최대변위량3차관리기준× 0.63차관리기준× 0.8 0.002~0.003H (H= 최대굴착깊이) 지하수위계 일 수위변화량(ΔH)ΔH = 0.5HΔH = 0.75m△H = 1.0m 누적 수위변화량 (MH) 3차 관리기준 × 0.63차 관리기준 × 0.8 지표침하량 25mm가 발생하는 지하수 저하량의 80% 지표침하계최대변위량3차 관리기준 × 0.63차 관리기준 × 0.825mm(허용치) 응력계최대변위량3차 관리기준 × 0.63차 관리기준 × 0.8허용치 균열계최대변위량0.20.380.5 건물경사계각변위1/1,0001/8501/500 천단침하계연암조건, 복선터널단면18mm24mm30mm 내공변위계연암조건, 복선터널단면18mm24mm30mm 천단침하 및 내공변위 속도 -5mm 이상/일 막장부 근처 10mm/일 이상, 후방 5mm/일 이상 변위의 가속 록볼트 축력 (kN) D25-SD350 53.0 (3차관리기준× 0.6) 70.9 (3차관리기준× 0.8) 88.7(허용응력) 숏크리트응력 (Mpa) 일반 5.0 (3차관리기준× 0.6) 6.7 (3차관리기준× 0.8) 8.4(허용응력) 1) 누적 지하수위 저하량은 지하수위 저하에 따른 인접 지반 침하영향을 확인하기 위해 참고자료로 활용하며, 공사장 지하수 관리매뉴얼 (2016.12)의 누적지하수위 3차관리기준 기준(8m)은 구조물 최대허용침하량(25mm)이 발생하는 것으로 검토된 값(Sowers, 1962)의 80% 이며, 지하수위의 계절적 자연변동량은 배제하고, 관측자료 최저 지하수위에서 굴착으로 인해 추가로 저하된 지하수위를 말함 서울시 지층은 일반적으로 매립층(5m), 충적층(15~20m), 풍화토(5m), 풍화암, 연경암 순으로 구성되어 이를 단순화하여 충적층을 대상 으로 지하수위 강하량을 10m로 가정하였을 때 25mm의 지반침하가 발생할 수 있는 것으로 개략 검토됨 누적지하수위 3차관리기준은 사업대상지역의 지반조건을 반영하여 지표침하량 25mm가 발생하는 지하수 저하량을 산정하여 적용하는 것 이 적절할 것으로 판단되며, 기준에 대한 추가적인 연구가 필요함 • 계측계획도면은 계측관리계획(계측기 설치시기, 계측주기, 계측관리기준 등)을 수록하여 현장에서 계측관리가 원활하게 확인 할 수 있도록 하여야 함기술강좌 시리즈: 지하터널공사 리스크 안전 관리 제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 40 자연,터널 그리고 지하공간 3. 터널 지하안전영향평가와 해외 안전관리시스템 비교 지금까지 설명한 터널 지하안전영향평가 방법을 해외의 안전관리시스템과 비교하고자 하였다. 이를 위하여 싱가포르 LTA에서 시 행되고 있는 PSR(Project Safety Review)방법과 비교분석하였다. 그림 4에는 국내 터널지하안전영향평가 방법과 싱가포르 PSR 프로 세스에 대한 비교내용이 정리되어 나타나 있다. 그림에서 보는 바와 같이 국내 터널지하안전영향 평가는 설계검토 중심으로 수행됨을 볼 수 있다. <그림 4> 터널 지하안전평가 방법과 PSR 프로세스 비교 또한 그림 5에는 국내 터널지하안전영향평가서와 싱가포르 PSR 보고서에 대한 비교내용이 정리되어 나타나 있다. 그림에서 보는 바와 같이 국내 터널지하안전영향평가서는 지반안전성 및 지하수 변화 등을 중심으로 설계 검증의 보고서이며, 싱가포르 PSR 보고서 는 리스크 분석 및 평가내용이 포함되어 있는 안전 리스크 보고서라 할 수 있다. <그림 5> 터널 지하안전평가서와 PSR 보고서 비교제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 Vol. 23, No. 1 41 4. 도심지 터널공사의 안전관리 방안 4.1 선진형 터널공사 건설시스템 선진국에서 운영되는 터널공사관리방법을 참고하고, 국내 현재의 여건을 반영하여 선진형 터널공사 건설관리시스템을 도출하였다. 본 시스템의 기본적인 체계가 그림 6에 나타나 있다. 그림에서 보는 바와 같이 발주자와 시공사 그리고 책임감리자외에 현장에 상주하 는 터널 전문기술자로 구성된다. <그림 6> 선진형 터널공사 건설시스템(김영근, 2017) 본 시스템의 기본적인 방향은 터널전문가가 현장에 상주하면서 지반의 불확실성에 대한 리스크를 시공 중에 확인하고 이에 대한 즉각적인 대처를 하도록 하자는 것이다. 이러한 역할을 담당하는 전문 감리자(T-CMr)는 발주자와 시공자로부터 객관성과 독립성을 확보하여 기술적인 의사결정을 하도록 하는 것이다. 또한 터널설계의 책임기술자(T-PDr)이 설계단계에서부터 리스크 평가를 통한 안전설계를 수행하고, 설계내용이 시공에 실현되는 과정을 확인하도록 하여 설계자가 시공단계에서의 권한과 책임을 가지도록 하는 것이다. 또한 설계자는 설계내용과 성과품에 대하여 독립적인 체커엔지니어(T-ICr)에게 검증을 받도록 하여 설계자의 오류 및 문제점 을 사전에 방지하도록 하는 것이다. 이와 같이 본 시스템은 각각의 기술자가 업무를 수행하면서 일정한 권한과 책임하에서 독립적이고 동등한 관계를 가지며, 상호 체크를 통한 협업 시스템이다. 4.2 도심지 터널 안전관리 방안 도심지 터널공사는 지질리스크를 포함한 다양한 리스크가 존재하는 가장 위험한 공종이라고 할 수 있다. 따라서 보다 확실하고 철저한 안전관리가 무엇보다 요구되며, 기본적인 안전관리 방안은 다음과 같다. 기술강좌 시리즈: 지하터널공사 리스크 안전 관리 제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 42 자연,터널 그리고 지하공간 지반조사는 아무리해도 지나치지 않다. Detailed Site(Ground) Investigation • 정밀한 지반조사 : 도심지 터널설계시 지반조사는 100~200m 간격으로 시추조사를 실시하고 있으나, 지반이 매우 불량하거나 완전 풍화된 토사 지반 등 취약구간에서는 시추조사 간격을 50m당 최소 1개소 이상 실시하거나 확보해 이를 설계에 반영하도록 하여야 한다. 또한 설계시 예상한 지반조건을 시공 중에 전문가에 의한 Face mapping을 실시하여 반드시 이를 확인하고 변경하 도록 하여야 한다. 터널공사는 현장을 아는 전문가가 해야 한다 Tunnel Expert in Site • 터널전문가 현장배치 : 앞서 설명한 선진형 터널공사 건설시스템의 핵심사항으로서 안전한 터널시공을 위해 지반 및 터널 기술자 를 현장에 상주시켜 터널 막장면 확인, 보강대책 수립, 계측관리 등 지하안전 업무를 총괄하도록 하고 터널공사 중 지반공학적 문제 발생시 주도적으로 독립적인 권한으로부터 안전대책을 수립하도록 하여야 한다. 상시 계측관리는 안전의 핵심이다. Robust Monitoring during Construction • 철저한 계측관리 : 도심지 터널의 경우에는 터널굴착 중에 발생하는 제반 현상을 즉각적으로 주기적으로 모니터링 하여야 하며, 필요시 자동계측 시스템을 적용하여 공사 관계자간 실시간 계측데이터를 공유하고 대처하도록 하여야 한다. 특히 건물 및 도로 하부등 주요 통과 구간에 대한 계측관리기준(설치 갯수, 측정 빈도, 관리 기준)등을 일반구간 보다 더 강화하여 관리하여야 한다. 리스크 감소의 키는 정보공유와 상호소통이다. Better Communication through Organizations • 공사정보 소통공유 : 시공단계에서 발생하는 모든 자료가 발주자, 시공자(전문업체 포함) 감리자에게 공유하도록 하고, 이상 징후 발견시 SNS 등을 통하여 즉각적으로 경고하고 같이 대응할 수 있도록 한다. 또한 시공사는 조사 및 설계단계의 모든 자료(입찰시 직접 실시한 지반조사 외에 경쟁사의 지반조사 자료, 지하정보 통합체계 등)을 통해 확보 가능한 정보를 적극 반영하도록 하여야 한다. 안전관리는 모든 단계에서의 리스크 평가로부터 만들어진다. Risk Management at all stages • 리스크 평가관리 : 도심지 터널공사에서 선진국에서 수행하고 있는 정량적 리스크 분석 및 평가방식을 적용하고, 설계에서부터 시공 그리고 유지관리까지 모든 단계에 반영하도록 하여 리스크 평가를 실시하고 이를 보고서로 제출하도록 하여야 한다. 이를 위해 발주처 또는 관계부처에서는 국내 터널공사 특성을 반영한 리스크 평가기준과 관리방안을 조속히 마련하여야 한다. ▪ 제11강을 마치면서 이상으로 도심지 터널공사와 관련하여 지하안전영향평가와 지하안전관리를 살펴보았다. 이러한 평가기준이나 방안은 최근에 만들 어진 것으로 지하터널공사에서의 안전이라는 이슈가 매우 중요하게 됨에 따라, 이에 대한 적극적인 대응을 하고 있음을 확인할 수 있다. 터널 지하안전영향평가는 터널공사로 인한 안전문제에 보다 적극적으로 대응하기 위하여 설계단계에서부터 지하안전영향평가를 수행하도록 하고, 이에 대한 평가기준을 마련하여 보다 객관적으로 평가업무를 수행하고자 하는 것이다. 지난 몇 년 동안 비교적 많은 제11강. 도심지터널 지하안전영향평가와 안전관리 Vol. 23, No. 1 43 터널지하안전영향가가 수행되어 왔지만, 발주자 및 전문기관 모두 만족하지 못한 상태로 단순한 하나의 검토과정으로 인식되어 있고 설계자, 시공자 그리고 감리자와의 책임과 역할이 불분명한 것이 사실이다. 지하안전영향평가라는 틀 속에서 터널공사의 특성을 반영 하는 것이 매우 중요하며, 평가과정에서의 제반 문제점에 대한 개선을 통하여 터널공사에서의 지하안전영향평가와 지하안전관리가 제대로 정착하여야만 한다. 특히 도심지에서의 대심도의 연장이 긴 터널특성을 고려하여 이에 대한 평가기준과 방법에 대한 지속적인 검토나 개선이 필요하다 고 생각된다. 특히 선진국에서 의무적으로 수행하고 있는 리스크 평가를 어떻게 터널공사에 반영하고 적용해야 할지 고민할 필요가 있음이다. 이제 안전이라는 것은 우리에게 있어 필수 불가결한 이슈가 되었다. 특히 지하공사에서의 안전문제는 국민적 관심사가 되었다. 여전히 매스컴을 통해서 보도되는 터널공사중의 사고소식을 접하면서 이제는 정말 새로운 변환을 통하여 터널공사에 대한 안전문제를 불식시키고 안전한 터널공사의 이미지를 제고하는 노력이 정말 필요한 때라고 생각한다. 이를 위해서는 터널 전문가 및 터널 기술자들 의 부단한 노력과 더불어 선진시스템을 반영하여 우리만의 시스템을 개선하고 구축하여야 할 것이다. 참고문헌 1. 지하안전영향평가서 표준매뉴얼, 2020, 국토교통부 2. 도심지터널 지하안전영향평가 평가기준 수립 연구보고서, 한국토지주택공사 및 한국터널지하공간학회, 2020 3. 지하공사에서의 프로젝트 리스크 및 안전관리 시스템, 2017, 한국프로젝트경영협회 2017 PM 심포지엄 4. 선진국형 터널공사 건설시스템, 2018, KTA 정책연구보고서, 한국터널지하공학회 5. 선진국 지하대심도 개발에서의 핵심이슈와 대책, 2019, 지하대심도 건설기술세미나 6. AS/NZS 4360:2004, Risk Management (Standards Australia) 7. BS 31100:2008, Risk Management - Code of Practice (BSI) 8. Identifying Hazards in the Workplace - A Guide for Hazards in the Workplace (Australia Comcare) 9. ISO 31000: 2009 Risk Management - Principles and guidelines on Implementation 10. LTA General Specification Appendix A 11. Construction Safety Handbook, LTA, 2012 12. Managing Safety and Risks in Singapore Mass Rapid Transit Projects, LTA [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]44 자연,터널 그리고 지하공간 1. 서 론 국내에서는 현대인들의 소득 및 생활수준이 향상됨에 따라 지하공간 굴착에 대한 인식 변화가 소음· 진동을 최소화하는 공법적용 으로 바뀌어 가고 있고, 또한 대도시와 주변도시의 인구증가와 산업화로 인해 도시간의 교통수단 문제를 해결하기 위해 많은 교통터널 들이 요구 되어지고 있다. 이러한 시대적 흐름에 부응하여 지하공간에서 TBM의 적용은 꾸준히 늘어나고 있는 실정이며, 향후에도 계속적인 증가가 예상된다. 해외에서는 도심지 및 산악 터널공사는 기본적으로 TBM공법이 우선 검토되어지고 있으며, 싱가포르 같은 경우는 TBM공법과 개착 공법만이 터널공사에 채택되어지고 있다. 이는 지반조건의 영향이 가장 큰 이유겠지만, 터널공사 시 안정성 확보, 민원발생 최소화, 반복공정에 따른 터널공사의 효율성, 터널의 연장이 길어져도 빠른 굴착속도로 계획공기 달성이 수월해 작업구(수직구)를 다수 만들어 야 하는 NATM보다 우수하기 때문으로 검토된다. 우리학회는 지난 2020년 10월 8일에 회원들의 터널 기술향상 및 최신 정보교류 차원으로 “실무자를 위한 무료 터널기술강좌”를 개최하였다. 필자에게는 “TBM 시공 기초”에 대한 강좌가 주어져 요즘 이슈가 되고 있는 “Gripper TBM과 Slurry Shield TBM”을 현장 경험 바탕으로 비교· 분석하였다. 본 고에서는 발표자료를 기반으로 특징적인 사항들을 TBM의 구조적, 시공 관리적 차이로 나누어 기술하였으며, 향후 설계와 시공 의 참고자료로 제공하고자 한다. TBM 시공 기초 (The Basics of TBM Construction) - Gripper TBM과 Slurry Shield TBM 비교 중심으로 (Focusing on the comparison between Gripper TBM and Slurry Shield TBM) 박진수 (주)호반산업 토목공사팀 TBM-Part / 수석 서울시 도시기반시설본부 별내선 Slurry Shield TBM 자문위원Vol. 23, No. 1 45 TBM 시공 기초 Gripper TBM(서울도심) GTX-A 제5공구(L=4,443m, ∅11.60m) Slurry Shied TBM(한강하저) 김포~파주 제2공구(L=2,860m, ∅14.01m) <그림 1> 국내 대구경 TBM 프로젝트(예) 2. What is the TBM? Tunnel Boring Machine의 약자인 TBM은 터널의 뚫는 기계를 말한다. 현대의 TBM은 단순한 굴착 도구에서 진화하여 다양한 지질 환경에 대응하는 첨단 굴착 Plant로 빠르고, 안전하고, 소음과 분진을 최소화 하여 터널을 창조하는 터널장비이다. 이는 직경에 따라 아래와 같은 개념으로 분류 할 수 있다. <표 1> 직경에 따른 TBM의 개념과 용도 직경(m)개념용도 0 ~ 3Tool 개념Utility Tunnel(전력구, 가스관로, 도수로 등) 4 ~ 6Machine 개념Utility Tunnel, Traffic Tunnel(가스관로, 경전철 등) 7 ~ ∞Semi-Plant 개념Traffic Tunnel(철도(단선, 복선)), 도로(1, 2차로) 소구경 대구경 <그림 2> TBM의 직경별 사진 3. TBM의 구조적 차이 한국터널지하공간학회가 제안한 기계화시공법의 분류기준안에 따르면 다양한 명칭 및 종류의 TBM으로 분류되지만, 국내에 대표적 으로 적용되고 있는 TBM은 대상 지반조건, 심도, 터널주변현황에 따라 크게 3가지로 구분되며 표 2와 같다.기술강좌기사 기계화시공 위원회 46 자연,터널 그리고 지하공간 <표 2> 적용지반과 현황에 따른 명칭 및 종류 명칭세부명칭적용지반 및 현황 Gripper TBMGripper or Open풍화암 이상 적용(암반구간) Shield TBM Slurry Type복합지반 적용(해· 하저구간) EPB Type복합지반 적용(일반적으로 3Bar 이하구간) 표 3은 장비 Type별 구조적 차이를 나타낸 장비개요도이며, 특히 세부명칭에 두껍게 표시한 부분은 터널굴착 시 TBM장비의 구조 적 역할이 확연히 다른 부분이다. 1번 Gripper TBM과 2,3번 Shield TBM은 Cutterhead의 형상, Thrust cylinder의 추력방법, 터널내 지보설치 방법, 쉴드의 유무(or 길이)에 따라 구조적으로 다르며, 2번 Slurry Shield TBM과 3번 EPB Shield TBM은 굴진면 지지방식 과 버력처리 방법에 따라 구조적인 차이가 있다. <표 3> TBM의 구조적 차이 구분구조적 차이 나타낸 장비개요도세부명칭 1Gripper TBM ① Cutterhead ② Main bearing ③ Disc cutter ④ Muck conveyor ⑤ Muck bucket ⑥ Thrust cylinder ⑦ Gripper ⑧ Machine support 2Slurry Shield TBM ① Cutterhead and excavation chamber ② Submerged wall ③ Working chamber ④ Bulkhead ⑤ Slurry circuit ⑥ Thrust cylinder ⑦ Segment erector ⑧ Tailskin ⑨ Segment 3EPB Shield TBM ① Cutterhead ② Excavation chamber ③ Stator ④ Bulkhead ⑤ Screw conveyor ⑥ Thrust cylinder ⑦ Segment erector ⑧ Tailskin ⑨ SegmentVol. 23, No. 1 47 TBM 시공 기초 3.1 CutterHead Gripper TBM과 Slurry Shield TBM의 Cutterhead는 형상, Disc cutter와 Bit의 조합여부, 개구율의 유무에 따라 표 4와 같이 구분 된다. <표 4> Cutterhead 구조적 차이 구분Gripper TBMSlurry Shield TBM 개요도 형상 세미돔형(Semi-Dome Type) (암반용, 절삭효과 극대화) 평판형(Flat Type) (토사+복합지반용, 굴진면 자립 필요) 굴삭도구Disc cutter(암반)Disc cutter(암반) + Bit(토사) 개구율개구율 없음개구율(10~30%) 버력처리Bucket으로 퍼올려 중앙컨베이어 이동하부 배니관을 통해 이동 3.2 Thrust Cylinder TBM 장비가 추진을 얻는 방법에 따라 Gripper TBM과 Slurry Shield TBM은 매우 다르다. 지반을 잡고(Grip) 중심축(Main-Bean) 으로 힘을 전달하여 추진하는 Gripper TBM과 영구 구조물인 세그먼트를 종방향으로 밀어서 추친하는 Shield TBM은 구조적으로 차이 가 있다. 한국터널지하공간학회 기계화 시공설계편에 의한 Gripper TBM과 Shield TBM의 추력 산정은 아래와 같다. 먼저, Gripper TBM의 추력 FTh은 디스크커터에 작용하는 커터하중 Fc, 추진부(Gripper plate or Clamping pad)의 저항 FR, 안전을 위한 여유 추력 ΔF의 합으로 계산된다. Shield TBM의 필요한 추력은 Gripper TBM의 추력 산정식에서 쉴드외판과 지반사이의 마찰력과 굴진면 지지압력을 추가로 고려하 는 것으로 계산된다. Next >