< Previous기술강좌기사 기계화시공 위원회 58 자연,터널 그리고 지하공간 급곡선 및 세그먼트 모서리 편심쉴드이탈시 하중작용시공오차 및 교차부 파손 <그림 25> 세그먼트 파손 및 누수 원인 조립시 세그먼트의 파손 및 누수를 최대한 줄이기 위해서는 숙련된 Operator의 세그먼트 조립이 필요하고, 우각부 파손을 방지할 수 있는 완충재나 코너씰의 부착도 도움이 되며, 설계시 가스켓(Gasket) 외측의 파손 최소화를 위한 그루브 설치도 근래에 많이 적용 되고 있으며, 동절기 가스켓 접착시 열풍기를 동원한 밀실 접착이 요구되며, 제작, 운반, 현장하차, 조립시 철저한 검수가 필요하다. <그림 26> 완충재 및 코너씰 설치<그림 27> 외측그루브 설치 4.4 Dics Cutter 관리 Disc Cutter의 마모는 암반의 강도, 구성하는 광물의 성분, 터널 막장의 지반 구성 등의 요인으로 발생한다. Gripper TBM은 양호한 암반을 대상으로 굴착하므로 Cutterhead의 뒤쪽에서 Disc Cutter의 체크 및 교환주기의 관찰 및 예상이 가능하다. Cutter의 교환 및 체크는 매일 작업 시작전 표 7과 같은 사항을 확인하고 허용기준 이상 마모시, Cutter 교체를 시행한다. Cutter 마모한계(Wear limits) 및 교체주기는 표 8과 같이 예상 할 수 있으나, 암질의 종류, 석영함유량, Pe값의 적용범위, Disc Ring 의 계수에 따라 달라진다. <표 7> Cutter 점검사항 ① Cutter 마모상태: 마모용자 사용 ② 고정용 Bolt, Nut 이완상태: 편마모 발생여부 확인 ③ 고정용 Key 이완상태: 편마모 발생여부 확인Vol. 23, No. 1 59 TBM 시공 기초 <표 8> Cutter의 마모한계 및 교체주기(안산암 기준으로 변동 될 수 있음) 구분마모한계(Wear Limits)교체주기(예상) Center Cutter(Twin)25mm350m Face cutter15mm250m Gauge Cutter10mm100m Slurry Shield TBM의 Cutter 교체는 챔버안의 이수, 버력, 굴착토으로 인해 직접 육안 관찰은 어려우므로 Cutter의 교체시기 및 교체위치에 대한 선정은 매우 중요하다. 특히 해·하저구간의 통과 시 예상치 못한 Cutter의 교체는 안전 등의 이유로 상부수상그라우 팅을 시행해야 할 경우 공사비와 공사기간에 지대한 영향을 미치므로 충분한 검토가 필요하다. 또한 Cutter 교체 시 Shield TBM 장비 가 정지한 상태이므로 지반이 불량한 경우 장비의 침하 및 막장부를 통한 지하수 유입을 방지를 위한 차수그라우팅 및 지반보강이 필요하다. Disc Cutter의 교환주기 산정을 위한 분석은 표 9와 같으며, 이를 통해 Cutter의 교체간격을 선정 하여야 한다. <표 9> Disc Cutter 교환주기 산정을 위한 분석 구분세부내용 1. 설계시 굴진율 분석- 터널구간 통과 시료를 TBM분석모델(CSM모델, NTNU모델, KICT모델)을 이용하여 쉴드굴진율 분석 수행 2. 커터 마모율 분석- Cutter교환주기 산정을 위한 모델분석을 통한 Cutter 마모율 분석 수행 3. 경험사례 분석- 유사현장(지반조건, 장비타입, 유사직경) 교환주기 분석 4. 시공현장 굴진율 및 마모율 분석 - 예를들어, 전체 연장이 3.0km인 터널의 굴착완료된 1.0km의 굴진율 및 마모율 분석 근래에 TBM제작사들은 Gripper TBM 및 Slurry Shield TBM과 상관없이 Disc Cutter의 마모를 쉽게 파악 할 수 있는 시스템을 옵션사항으로 제공하고 있다. Disc Cutter 모니터링 시스템은 Disc Cutter의 Housing에 마모, 온도, 회전력에 대한 센서를 부착하여 Disc Cutter의 적정 교체시기를 확인 할 수 있다. 마모 및 온도 측정센서는 마모량 측정을 통한 Disc Cutter 교체시기를 결정하고, 온도측정을 통한 고온시 발생하는 베어링(Bearing)의 손상을 사전에 예측하며, 회전력 측정센서를 통해 균둥하지 않은 마모 및 베어링 문제를 사전에 예측하여 편마모를 방지 할 수 있다. <그림 28> Disc Cutter 마모센서 개념도(예시)기술강좌기사 기계화시공 위원회 60 자연,터널 그리고 지하공간 5. 결 론 Gripper TBM과 Slurry Shield TBM은 터널을 뚫는 굴착장비라는 점에서는 동일하지만, 지반조건, 지하수위, 심도, 주변현황, 터널 연장, 시공방법 및 상세공정 등에 따라서는 구조적이나 시공 관리적인 면에서 많은 차이가 있다. Gripper TBM과 Slurry Shield TBM 은 현대 터널 굴착방법의 큰 축을 이루는 장비로 국내는 물론 전 세계적으로 통용되어지고 있는 장비이다. 제한된 지면 조건으로 두 TBM장비의 특징적인 면만을 비교· 분석 하였지만, 두 TBM 장비에 대하여 지면에 할애하지 못한 구조적, 시공적 부분들이 더 많이 존재하며, 향후 더욱 심도 있는 검토가 이루어져 설계와 시공에서 적재적소에 맞는 TBM이 적용된다면 국내 기계화시공 기술발전이 한걸음 더 진일보 할 것으로 판단하며 본 강좌를 마친다. 참고문헌 1. (사)한국터널지하공간학회, 터널공학시리즈3 터널기계화시공 설계편, 2008 2. 삼성물산 건설부문, 쉴드TBM공법, 2012 3. ITA Working Group 2, Guidelines For The Design of Segment Tunnel Lining. 2019 4. DAUB(Deutscher Ausschuss fűr unterrirdisches Bauen e.V. German Tunnelling Commitee(ITA-AITES)), Recommendations for Face Support Pressure Calculations for Shield Tunnelling in Soft Ground, 2016 5. 서울시 도시기반시설본부, 쉴드TBM 활성화를 위한 경제성 확보방안 장비 및 부품편, 2020 6. 박진수, 해저구간 이수가압식 쉴드TBM터널 시공사례, 한국터널지하공간학회 기계화시공 심포지엄, 2013 7. 박진수, 쉴드TBM 공동구 설계 및 시공사례-해저공동구 시공을 중심으로, 한국터널지하공간학회지, 2016 8. 박진수, 송기일, 장대도수터널 건설공사시 Gripper TBM의 개선사례연구, 한국지반공학회 봄 학술발표회, 2019 9. 호반산업, TBM공법, 2016 10. Herrenknecht, Herrenknecht Homepage 11. 현대건설, 김포~파주고속도로 일반보고서, 설계도면, 해석보고서, 2020 12. 두산건설, 별내선 2공구 공사현황 보고자료, 2020 13. 삼환기업, 원주-강릉 11-3공구 시공계획서, 2015 [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 23, No. 1 61 최근 교통인프라의 확충으로 인한 도심지 지하터널 프로젝트가 급격히 증가함에 따라 기존의 발파굴착 공법에 의한 안전과 진동문 제가 지속적으로 이슈화가 되고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 도심지 터널공사에서 TBM과 로드헤더(Roadheader)와 같은 도심지 터널에서의 로드헤더 기계굴착 적용과 전망 Roadheader Excavation in Urban Tunnelling 김영근 (주)건화 부사장 공학박사/기술사 정호영 부경대학교 교수/공학박사 조정우 한국생산기술연구원 책임연구원/공학박사 박사원 (주)건화 상무 공학박사/기술사 이용준 단우기술단 전무/공학박사 KTA 기술강좌(한국터널지하공간학회, 2020) 로드헤더 기계굴착가이드(한국암반공학회, 2021)KSRM 기술포럼(한국암반공학회, 2020)기술강좌기사 도심지 터널 위원회 62 자연,터널 그리고 지하공간 기계굴착공법이 면밀히 검토되고 있으며, 특히 고성능 로드헤더 기계굴착공법은 NATM의 문제점과 TBM 공법의 한계를 보완할 수 있는 새로운 대안공법으로서 부각되고 있다. 본 고에서는 로드헤더 기계굴착에 대한 상세한 기술검토 내용을 중심으로 도심지 터널에서의 기계굴착, 기계굴착 가이드 및 로드헤 더 장비 설계 및 운영 그리고 국내외 로드헤더 적용사례 등을 소개하고자 하였다. 또한 고성능 로드헤더의 국내 터널현장에서의 적용 성을 분석하고 향후 전망 및 앞으로 풀어야할 숙제 등을 기술하였다. 1. 도심지 터널과 기계굴착 도심지 과밀화로 인한 토지자원의 수급문제와 도시자원의 고갈 등의 문제에 대비하여 도시공간의 효율적인 이용과 개발을 위한 대체공간의 확보가 필요한 실정이며, 최근 대심도 지하공간을 이용하는 방안이 활발히 제시되고 있다. 또한 다양한 경험과 노력을 바탕으로 고도화된 설계 및 시공 기술을 토대로 이를 실현하고자 하는 기술적 노력이 증가하고 있으며, 이와 더불어 도심지내 원활하 고 신속한 물류이동을 위하여 도심지와 외곽을 연결하는 철도 등의 개발이 최근 활발히 진행 중이거나 계획되고 있으며, 도심지 터널 은 교통인프라를 위한 공간으로도 그 중요성이 부각되고 있다. 본 장에서는 도심지 터널공사의 주요 특성과 현재 개발중인 도심지 터널공사에서 나타난 주요 이슈 사항을 중심으로 도심지 터널공 사의 문제점을 살펴보았다. 또한 기존의 발파 굴착공법의 문제점을 해결하기 위한 대안으로 제시되고 있는 TBM 공법과 로드헤더 (Roadheder) 기계굴착 공법 대한 장단점을 분석하고 도심지 터널공사에 적용가능성을 고찰하였다. 특히 국내 암반 특성과 도심지 터널 특성을 고려하여 향후 로드헤더 기계굴착공법의 공학적 특성을 검토하였다. <그림 1> 도심지 터널사업의 개념 1.1 도심지 터널 현황과 주요 이슈 최근 도심 교통문제를 해결하기 위하여 새로운 교통 인프라 개발사업이 활성화 되고 있으며, 특히 기존 도심구간 및 지하철 하부를 통과하는 도심지 터널로 계획되고 있다. 대표적인 사업으로 수도권 광역철도사업, 신안산선 도시철도사업, 인덕원 동탄 도시철도사업, 월곶판교 도시철도 사업 등과 같은 지하철도와 서부간선 도로 지하화 사업, 동부 간선 지하화 사업, 경인 고속도로 지하화 사업과 Vol. 23, No. 1 63 도심지 터널에서의 로드헤더 기계굴착 적용과 전망 같은 지하도로 등이 있다. 이와 같은 대규모 도로 및 철도사업은 사업특성상 지하화로 대부분의 구간이 지하 40m이하의 대심도 터널 로 계획됨에 따라 도심지 대심도 터널에 대한 다양한 기술적인 문제를 해결하여야 한다. (a) 서부간선 지하도로 사업(b) 신안산선 도시철도 사업 <그림 2> 현재 진행중인 대표적인 도심지 터널 프로젝트 도심지 터널사업은 기존 도심지 하부를 통과하는 특성에 따라 안전에 대한 문제(싱크홀 및 지반침하)와 환경에 대한 문제(발파진동 및 소음) 등에 다양한 민원이 발생하고 있다. 이러한 경우 기존의 터널공법을 적용하는 계획으로는 민원을 해결하지 못하여 계획단계 에서부터 상당한 어려움을 겪게 되므로 이에 대한 기술적 대책을 수립하여야만 한다. (a) 안전 이슈 - 지반침하(싱크홀) (b) 환경 이슈 - 발파진동 <그림 3> 도심지 터널공사에서의 주요 이슈 1.2 도심지 터널 굴착공법과 문제점 도심지 터널은 도심지 구간을 통과하는 터널로서 상대적으로 안전성이 취약하고 환경성에 민감하며, 시공성 확보가 매우 어려운 특징을 가진다. 최근 도심지 터널프로젝트에서 안전 및 환경에 대한 다양한 민원이 급증함에 따라, 이를 고려한 최적의 터널공법과 기술강좌기사 도심지 터널 위원회 64 자연,터널 그리고 지하공간 굴착방법을 선정하는 것이 매우 중요하다. 다음 표에는 도심지 터널에 적용가능한 터널공법으로서 발파굴착, 로드헤더 기계굴착, TBM 공법의 장단점을 비교분석하고, 각 공법의 주요 이슈에 대하여 정리하여 나타내었다. <표 1> 도심지 터널에서의 터널 굴착공법의 비교 터널공법NATM TBM 굴착공법 발파 굴착 (Drill and Blast) 기계식 굴착(Mechanical Excavation) RoadheaderShield Machines/Hard rock TBMs 개요 발파를 이용하여 막장면을 굴착한 후 숏크리트와 록볼트를 이용하여 지보를 설치하는 공법 로드헤더 등을 이용하여 막장면을 굴착한 후 숏크리트와 록볼트를 이용하여 지보를 설치하는 공법 TBM 장비를 이용하여 전단면(원형)으로 굴착하면서 세그먼트 또는 숏크리트 라이닝을 설치하는 공법 도 심 지 터 널 특징 ∙ 안정성 취약 - 빌딩 하부통과. 지장물과의 간섭, 기존 구조물과의 근접 시공 ∙ 환경성 민감 - 주민과 생활 시설물에 진동, 소음, 먼지, 지하수위 등 ∙ 시공성 불량 - 공사부지 협소, 자재 및 장비 운반의 한계 등 장점 ∙ 시공성 우수(Multi face) ∙ 기술경험 풍부 ∙ 지질/지반 대응성 우수 ∙ 상대적으로 공사비 저렴 ∙ 진동 소음문제 적음 ∙ 굴착면 양호 ∙ 이완영역 최소 ∙ 단면 적용성/이동성 우수 ∙ 진동 소음문제 적음 ∙ 굴착에 의한 주변영향 적음 ∙ 터널 안정성 우수 ∙ 굴진속도 빠름 단점 ∙ 발파진동 및 소음 문제 ∙ 발파불가구간 공사비 증가 ∙ 도심지구간 제한성 큼 ∙ 대규모 민원 발생 ∙ 시공성(굴진율) 검증 필요 ∙ 국내 기술경험 부족 ∙ 경암반에서 낮은 효율성 ∙ 공사비 자료 부족 ∙ 대규모 공사장 요구 ∙ 국내 기술경험 부족 ∙ 복합지반에서 낮은 적용성 ∙ 상대적으로 공사비 고가 이슈 ∙ 발파민원 문제에 대한 기술적/사회환경적 대응 대책 ∙ 국내 지질 및 암반특성에 대한 적합성/적용성 검증 ∙ 공사비 문제해결을 위한 발주방법 및 시스템 개선 비고 1.3 도심지 터널에서의 기계굴착 적용 최근 도심지 터널공사에서 이슈가 되고 있는 발파진동에 대한 문제를 해결하기 위하여 여러 가지 기계 굴착공법에 대한 적용이 검토되고 있다. 도심지 터널에 적정한 터널공법의 선정은 안전하고 합리적인 공사를 위한 가장 중요한 요소로서, 일반적으로 해당 구간의 지질 및 암반특성과 지하수위와 같은 지반 조건과 터널 단면, 연장 및 심도 등의 터널 특성을 종합적으로 고려하여야 한다. 다음 그림에는 도심지 터널에 적용가능한 기계 굴착공법으로서 부분단면 굴착이 가능한 로드헤더, 굴착기와 전단면 굴착용인 오픈 TBM, 쉴드 TBM 공법을 구분하고, 암반 특성에 따른 굴착공법의 적용 가능한 범위를 개념적으로 도시하여 나타내었다.Vol. 23, No. 1 65 도심지 터널에서의 로드헤더 기계굴착 적용과 전망 암반 굴착면 중/경 암반(Hard rock)연약 지반(Soft ground) 부분단면 굴착 Part face excavation (다양한 단면) RoadheaderExcavator ∙ 커팅헤드를 이용하여 굴착하는 완성차∙ 굴착기를 이용하여 토사/풍화토 등 굴착 전단면 굴착 Full face excavation (원형 단면) Hard rock TBMsShield machines ∙ 케터헤드 회전력과 그리퍼를 지지하여 추진 굴진 ∙ 커터헤드 회전력과 세그먼트를 지지하여 굴진 기계 굴착 선정 기준 ∙ 암석 특성(강도)와 암반 특성(절리발달 정도)에 따라 적용 가능한 굴착공법의 범위를 나타낸 것 ∙ 암석에 대한 여러 가지 실험 결과와 현장에서 확인되는 암반분류 값 등을 참고하여 결정 <그림 4> 암반 조건과 굴착 단면에 따른 기계 굴착의 적용범위 2. 기계굴착 가이드 로드헤더를 이용한 굴착공법은 기존 발파공법과 대비하여 소음, 진동 등의 장점을 가지며, 굴착단면이 원형으로 제한되는 TBM공법 과 비교하여 다양한 터널형상 및 굴착단면에 대응할 수 있다. 이러한 장점을 기반으로 국내외에서 도심지 터널 및 지하공간개발 공사 에서 로드헤더의 적용이 늘어날 것으로 전망되고 있다. 로드헤더를 이용한 암반굴착공법에서는 대상 암반의 역학적인 특성뿐만 아니 라 로드헤더의 기계적인 특성을 모두 이해할 필요가 있다. 따라서 본 고에서는 로드헤더의 정의, 종류, 발전 현황에 대해 소개하였고 최근 국내외 로드헤더 시장의 변화 및 연구개발 트렌드에 대해서 논하였다. 아울러 로드헤더의 부품 및 구성을 상세히 소개하고 로드헤더의 설계 시 고려할 점에 대해서 상세히 수록하였다. 또한 로드헤더의 기계식굴착공법에 의해 암반이 굴착되는 기본 원리, 로드헤더의 기계굴착에서 고려되는 설계변수, 로드헤더의 굴진 성능 평가를 위한 각종 이론과 시험법, 예측모델 등을 자세히 소개하였다.기술강좌기사 도심지 터널 위원회 66 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 5> 암반 커팅 프로세스와 암석 마모시험(Pittino 등, 2015) 2.1 로드헤더 소개 로드헤더는 암석과 광물을 굴착하기 위한 건설 및 광산용 장비로서 (1)전기유압 동력부(electro-hydraulic power train), (2)커팅헤 드(cutting head), (3)붐(telescopic boom), (4)버력이송장치(loading-conveyor system), (5)이동하부체(undercarriage), 5가지 모 듈/기능을 갖추고 있는 완성차로 정의할 수 있다. 커팅헤드의 회전과 압입에 따라 암석을 굴착하는 로드헤더는 커팅헤드의 형상에 따라 두 가지로 분류할 수 있으며 회전축과 붐의 축이 일치하는 콘타입과 회전축과 붐의 축이 직교하는 드럼타입으로 나눠진다. (a) 콘타입(axial type) 로드헤더 (b) 드럼타입(transverse type) 로드헤더(Sandvik, 2020) <그림 6> 커팅헤드의 형상 및 구동방식에 따른 로드헤더 분류 로드헤더의 커팅헤드 형태에 따라 각기 장단점을 가질 뿐만 아니라 암반을 굴착하는 썸핑(sumping)작업과 쉬어링(shearing)작업의 형태가 달라지기도 한다. 따라서 로드헤더에 의한 터널 공사 시에는 로드헤더를 구성하는 각 요소부품들에 대한 이해가 필수적이며, Vol. 23, No. 1 67 도심지 터널에서의 로드헤더 기계굴착 적용과 전망 대상 암반에 적합한 장비를 선정하는 것이 매우 중요하다. 따라서 로드헤더를 구성하는 구성요소들과 그것들의 기능에 대하여 이해하 고, 로드헤더의 형식에 따른 장단점 그리고 시공상에서 유의할 점에 대하여 주의 깊게 살펴볼 필요가 있다. <그림 7> 드럼타입과 콘타입 로드헤더의 작동방법 로드헤더와 굴진성능 및 작업효율을 증대시키기 위하여 꾸준한 연구가 수행 중에 있다. 과거에 수행되었던 연구개발 주제로는 커팅 헤드에 픽을 배열하고 사양을 설계하는 커팅헤드의 설계에서부터 픽의 수명과 관련한 금속재료의 내구성능, 픽의 암석절삭을 보조하 기 위한 워터젯 공법, 토크를 절감하기 위한 실험적 접근방법을 포함하고 있다. 현재 활발하게 연구되고 있는 주제로는 분진제어 및 집진 이슈, 기존의 굴착공법의 대안으로 연구되고 있는 언더커팅, 4차 산업혁명과 맞물려 로드헤더의 지능화, 자동화와 밀접한 관련을 갖고 있는 자동제어 및 모니터링에 대한 기술이 대표적이다. (a) 언더커팅(b) 워터젯 보조 굴착 (c) 토크절감(d) 분진저감 <그림 8> 과거 및 현재의 로드헤더 관련 연구 주제Next >