< Previous기술강좌기사 도심지 터널 위원회 68 자연,터널 그리고 지하공간 2.2 로드헤더 사양 및 성능 로드헤더는 기계설계적인 관점에서 로드헤더는 커팅모듈(1-3), 배출모듈(4-5), 하부체(6-7), 동력모듈(8-9), 작업제어(10-11)로 분류할 수 있다. 커팅모듈은 커팅헤드와 픽 커터, 커팅모터, 감속기로 구성되며, 버력배출모듈은 버력로더, 컨베이어벨트, 스테이지로 더로 이루어져 있다. 또한 이동하부체, 동력시스템 또한 세부 부품으로 구성이 되어 있으며, 암반을 굴착하는데 가장 중요한 부분 중 하나인 작업제어모듈은 텔레스코픽 붐의 회전 및 자세를 제어하는 역할을 한다. <그림 9> 로드헤더 구성요소의 기계적 분류 (a) 작업제어모듈(b) 버력배출모듈 <그림 10> 로드헤더의 구성모듈 한편 로드헤더는 대상 암반의 강도에 따라 동력성능과 등급을 구분하는 것이 일반적이며, 로드헤더의 형태와 크기가 달라지게 된 다. 소형 로드헤더는 주로 풍화암과 연암을 대상으로 면고르기 용도로 사용되며, 중형장비는 주로 연암-보통암 굴착용과 석탄광 개발 용으로 사용된다. 마지막으로 대형 로드헤더는 중경암-경암의 작업이 가능하다.Vol. 23, No. 1 69 도심지 터널에서의 로드헤더 기계굴착 적용과 전망 (a) 소형(b) 중형(c) 대형 <그림 11> 로드헤더의 등급에 따른 분류 <그림 12> 암석강도에 따른 픽의 형상 또한 로드헤더 커팅헤드에 배열되어 암석을 절삭하게 되는 픽 커터는 적용되는 암석에 따라 그 형상과 크기가 달라지게 된다. 경암 용은 마모성능을 위해 팁과 보호하기 위한 헤드의 크기가 큰 것이 특징이며, 연암이나 풍화암을 굴착할 때에는 뾰족한 형태의 픽을 사용하게 되는데, 공사비 측면에서 로드헤더 뿐만 아니라 대상 암반의 조건에 적합한 픽 커터의 선정이 매우 중요하다. <그림 13> 픽의 구성부품 및 암석의 강도에 따른 픽의 형상 변화기술강좌기사 도심지 터널 위원회 70 자연,터널 그리고 지하공간 2.3 로드헤더 암반굴착 기초 로드헤더를 이용하여 터널 비롯한 다양한 지하공간을 굴착할 때, 터널 및 지반공학자들이 주어진 암반조건에 적합한 로드헤더를 설계하기 위해서는 주어진 암반조건에 필수적으로 이해하여야 하는 로드헤더에 의한 암반의 절삭원리, 로드헤더와 커팅헤드의 핵심설 계변수들에 대하여 설명하였다. 로드헤더에서 가장 핵심적인 부분 중 하나는 실제로 암반에 맞닿아 굴착을 수행하는 커팅헤드이며 로드헤더가 주어진 암반을 성공 적으로 굴착하는지에 대한 여부는 로드헤더의 주요 사양인 토크, 자중, 동력 뿐만 아니라 주어진 암반조건에 적합한 커팅헤드의 설계 에도 크게 영향을 받는다. 커팅헤드의 설계에는 설치되는 픽의 개수, 배열 형태, 픽의 설치 각도, 1회전당 압입깊이, 커터간격 등이 중요한 변수로 고려된다. <그림 14> 픽 커터와 암석사이에 정의되는 변수 한편 굴착의 대상이 되는 암석은 대표적인 취성재료로서, 압축응력보다는 인장에 취약한 특성을 갖는다. 따라서 픽 커터에 의한 암석의 절삭에서는 암석의 관입에 의해 발생된 암석의 압축응력으로부터 인장응력을 유도시켜 암석을 치핑하는 원리로 암석을 절삭하 게 된다. Vol. 23, No. 1 71 도심지 터널에서의 로드헤더 기계굴착 적용과 전망 <그림 15> 픽 커터에 의한 암석의 파쇄 원리 픽 커터가 암석을 절삭할 때에는 세 방향의 직교하는 커터작용력이 암석을 파쇄하는 힘의 반력으로 작용한다. 이 커터작용력은 수직력(Normal force), 절삭력(Cutting/driving/drag force), 측력(side/lateral force)로 구분할 수 있다. 로드헤더의 암석 굴착효율 을 나타내는 지표로는 비에너지가 일반적으로 사용된다. 비에너지는 단위 부피의 암석을 파쇄시키는데 소요되는 일로써 정의되는 값 이며, 비에너지가 최소로 되는 조건에서 운용조건을 결정하여야 높은 굴착효율을 기대할 수 있다. (a) 커터작용력(b) 비에너지 <그림 16> 로드헤더의 핵심설계변수 이러한 로드헤더의 설계를 위한 핵심변수들은 암반 및 암석의 물성에 의존적인 특성을 갖기 때문에 로드헤더에 의한 터널공사에서 커팅헤드를 설계하고 로드헤더의 굴진성능을 예측하기 위해서는 암석과 로드헤더 사이에 정의되는 설계변수들을 주어진 암반조건에 최적화시키는 것이 필수적이다. 기술강좌기사 도심지 터널 위원회 72 자연,터널 그리고 지하공간 2.4 로드헤더 굴진성능 평가 로드헤더의 굴진성능에는 대상 암반조건과 커팅헤드의 절삭조건, 로드헤더의 운용조건 등이 복합적으로 영향을 미친다. 로드헤더 의 굴진선능을 예측하기 위한 방법으로 다양한 스케일의 암석절삭시험, 경험적인 예측방법, 현장시험 등을 고려할 수 있다. 암석절삭 시험은 그 방식에 따라 선형절삭시험, 회전식절삭시험, 실규모 현장시험으로 구분할 수 있다. 먼저 선형절삭시험은 암석블록을 대상으 로 실험실에서 절삭시험을 수행하여 다양한 설계변수 조합에 따른 절삭성능을 평가하는데 유용한 방법이다. 회전식 절삭시험은 선형 절삭시험보다 더 넓은 범위의 커팅헤드에 대한 실험을 수행할 수 있다. 이 실험은 커터의 배열, 커팅헤드의 회전속도, 절삭깊이에 따른 성능을 검증할 수 있으며, 실험 중 발생하는 진동 및 장비의 밸런스 등과 같은 커팅헤드의 거동을 평가할 수 있다. 현장시험은 로드헤더 전체를 제작하여 현장에서 굴진시험을 수행하는 방법으로 장비의 중량, 토크, 동력과 같은 장비 전체적인 측면에서의 설계요 소를 검토할 수 있으며, 설계된 커팅헤드의 성능을 전반적으로 검증할 수 있다. (a) 선형절삭시험 (b) 회전식 절삭시험 <그림 17> 로드헤더의 설계변수 획득을 위한 암석절삭시험Vol. 23, No. 1 73 도심지 터널에서의 로드헤더 기계굴착 적용과 전망 로드헤더의 설계에는 장비의 운용 및 굴착 측면에서 커터간격, 압입깊이 등의 절삭조건을 절삭시험을 통하여 도출하는 것도 중요하 지만, 암석의 마모도와 픽 커터의 수명을 예측하는 것도 매우 중요하다. 픽의 수명을 예측하는 방법으로 암석 마모시험이 대표적으로 활용된다. 통상 암석의 기계굴착에는 세르샤 마모시험, NTNU시험, LCPC시험, gouging시험, Taber 합경도 마모시험 등이 활용되고 있으며, 현장데이터와 마모시험으로부터 얻어진 상관관계를 통해 픽의 수명을 추정하는 것이 가장 합리적인 방법으로 고려되고 있다. <그림 18> 픽 커터의 마모성능 측정을 위한 세르샤 마모시험 로드헤더의 굴진성능에는 암석의 역학적 물성, 지질구조학적 특성, 로드헤더의 기계적 특성, 장비의 운용조건이 복합적으로 영향을 미치며, 현재까지 다양한 인자들로부터 로드헤더의 굴진성능 및 커터의 소모개수를 추정하기 위한 다양한 예측식이 고안되어 실무에 서 활용되어 오고 있으나 핵심적인 정보에 접근하는 것은 어려운 것이 현실이다. 국내에서도 지속적으로 현장데이터를 수집· 분석하 여 국내 암반조건에 적합한 예측모델을 개발하기 위한 노력이 필요할 것으로 판단된다. <그림 19> 로드헤더의 굴진성능 예측을 위한 경험적 예측모델 기술강좌기사 도심지 터널 위원회 74 자연,터널 그리고 지하공간 3. 도심지 터널에서의 로드헤더 기계굴착 적용사례 지속적인 기계적 발달로 기존에 효율성이 낮았던 암반에서도 시공이 가능한 고성능 로드헤더가 개발되었으며 2010년대 후반에는 도심지 터널에서 국내 굴착설계 적용사례가 증가하고 있다.특히, 도심지 터널 경쟁설계(T/K, 기술제안 및 민자경쟁)에서는 경제성과 안정성, 민원 최소화 효과 등 발파 굴착과의 비교우위가 집중적으로 부각되면서 반영이 증가하고 있는 추세이며 최근 로드헤더를 적용 한 국내 로드헤더 설계적용사례를 중심으로 현황, 지반조건, 로드헤더의 선정사유와 현장 장비 운영을 위한 고려사항 등의 내용을 정리하여 수록하였다. 국내 설계사례에서 적용된 일축압축강도 위주의 장비 적용성 평가에서 벗어나 비교적 굴착 효율이 높은 퇴적암 계열 이외의 화성암 이나 변성암 조건에서도 적용 가능한 장비 적용성 평가방식을 소개하여 실제 현장에서 보다 합리적으로 적용을 검토할 수 있도록 하였다. 해외 적용사례에서는 호주 시드니와 멜보른, 캐나다 오타와, 미국 뉴욕 등과 같은 도심지 지하터널 프로젝트에서 적용된 로드헤더 기계굴착공법의 내용과 특징을 고찰함으로서, 실제 적용사례로부터 도심지 지하터널공사에서의 로드헤더 기계굴착의 적용성과 문제 점 등을 분석하였다. 이를 통하여 향후 국내 터널공사에서의 로드헤더 적용가능성을 전망하였다. <그림 20> 호주 WestConnex 지하도로 - 로드헤더 적용 3.1 국내 터널프로젝트서의 로드헤더 설계 사례 아직까지 국내 로드헤더 시공 사례가 없는 점을 고려하여 설계사례를 중심으로 사업의 특성, 현장의 여건을 고려한 적용 사유와 그에 따른 개선사항 등을 정리하였다. 앞에서 언급한 바와 같이 설계사례는 모두 경쟁설계에 해당한다. 국내 설계사례의 특징으로는 모두 도심지를 통과하여 발파 굴착 적용시 민원의 우려가 높다는 점이다. 따라서 시공성을 확보하면서 도 민원을 최소화하기 위한 굴착공법 선정이 불가피 하였으며 각 사업 대부분이 여러 제어발파 공법과 무진동 암파쇄 공법에 비해 고가의 장비임에도 경제성을 확보할 수 있는 충분한 연장에서 로드헤더를 적용한 것으로 나타났다. 로드헤더 적용성은 모두 터널 통과구간의 일축압축강도를 기준으로 평가하였다. 일축압축강도의 분포는 100MPa 이하구간이 대부분 이었으나 100MPa을 초과하는 구간도 일부 분포하여 시공성 저하를 예상하였다. 다만 리스크 관리를 위해 1단계 암반균열 후 굴착과 Vol. 23, No. 1 75 도심지 터널에서의 로드헤더 기계굴착 적용과 전망 2단계 제어발파 및 필요시 무진동 굴착을 반영하였다. <표 2> 국내 고성능 로드헤더 설계사례 구분발주처굴착 단면적비고 서울~세종 고속도로 O공구한국도로공사116.88m2NATM 공법 선정 동탄~인덕원 O공구한국철도시설공단69.82m2실시설계 및 시공준비 중 검단 연장선 O공구인천지하철공사69.86m2실시설계 및 시공준비 중 월곶~판교 O공구한국철도시설공단90.42m2실시설계 및 시공준비 중 위례신사선 서울시47.65m2실시설계 및 시공준비 중 <그림 21> 인덕원-동탄 O공구 평면도 <표 3> 일축압축강도 분포 및 Risk 대처방안 서울~세종 고속도로 O공구 도심구간 일축압축강도검단 연장선 O공구 굴진율 저하시 대책 ∙ Ⅱ등급에서 최대 113MPa∙ 암반강도 100MPa 초과시 단계별 굴진율 저하대책 암반 굴착 시 불가피하게 발생하는 갱내 분진 및 미세먼지는 작업효율 저하는 물론 민원의 원인이 되므로 적극적인 저감 대책을 수립하였다. 굴착 단계 분진 저감을 위한 커터헤드 노즐에서의 연속적 살수(스프레이) 시스템, 막장 후방에서의 미분무 살수차, 이후 이동식 집진기 설치의 단계별 처리대책이 적용되었다. 장비 고장에 따른 공기 지연 최소화를 위해 주요 부품 현장 보관, 공사 초기 장비사의 Supervisor 상주, 주기적인 장비사 점검, 장비사와 Hot-Line 구축 등의 대책을 반영하고 있다. 기술강좌기사 도심지 터널 위원회 76 자연,터널 그리고 지하공간 <표 4> 공사중 분진 저감 대책 1단계 - 스프레이시스템2단계 - 미분무 살수차3단계 - 이동식 집진기 3.2 해외 터널프로젝트에서의 로드헤더 적용사례 국내에서의 로드헤더 기계굴착의 적용성을 검토하기 위하여 먼저 해외 터널프로젝트에서 로드헤더를 이용하여 굴착시공에 적용된 사례를 정리하였다. 표 5에서 보는 바와 같이 하여 많은 국가에서 로드헤더를 적영하고 있음을 확인하였으며, 다양한 암종과 암석 강도 조건에서 굴착율과 굴진율을 나타내고 있으며, 일반적으로 암석강도가 100MPa 이하인 경우가 많음을 볼 수 있다. <표 5> 해외 터널프로젝트에서의 로드헤더 적용 조건 터널명국가일축압축강도(MPa)암종굴착율(m3/hr) Premadio Ⅱ이탈리아 27~129편마암83.8 Airport Link Brisbane호주30~99응회암34~90 Markovec Tunnel슬로베니아55~126이암/사암 교호35~45 Durango멕시코20~100-50 Anei-Kawa Tunnel일본<143화강암- Bibao Metro Line 3스페인50~70석회암/사암36-38 WestConnex Tunnel호주20~50시드니 사암- NorthConnex Tunne호주20~50시드니 사암- East side Access미국80~95(평균 74)편암/Pegmatite17.39(최대 52.17) Pozzano이탈리아90~100-- St.Lucia Tunnel이탈리아90~200흑운모 편암/편마암4m/day Montreal Metro Line 2 캐나다<90석회암/셰일39 Bileca Water Tunnel보스니아최대 173(평균 84)10.53(최대 26.32) 현재 해외에서는 도심지 구간에서의 터널굴착은 기계화 시공을 점차적으로 확대 적용하고 있으며, 굴착방법으로서 TBM 터널과 로드헤더 기계굴착을 조합하여 운영하고 있음을 확인하였다. 특히 호주의 경우 시드니 메트로, 멜보른 메트로와 같은 도시철도 프로젝 트와 WestConnex 및 NorthConnex 지하도로 프로젝트에 로드헤더 기계굴착을 광범위하게 적용하고 있음을 볼 수 있다.Vol. 23, No. 1 77 도심지 터널에서의 로드헤더 기계굴착 적용과 전망 <그림 22> Melbourne Metro 로드헤더 적용<그림 23> WestConnex 지하도로 로드헤더 적용 해외 도심지 터널프로젝트에서의 로드헤더 기계굴착 적용사례를 정리하여 표 6에 나타내었다. 지하도로 및 도심지 지하철에 고성 능의 로드헤더가 적극적으로 도입 운용되고 있으며, 지하도로 터널의 경우 공기단축과 진동문제에 대한 대책으로서, 도심지 메트로의 경우 본선터널은 TBM 공법을 적용하고, 단면이 크고 복잡한 지하 정거장 구간에 로드헤더 기계굴착공법을 적용함을 알 수 있다. 또한 굴착효율과 굴진율 등은 암반 조건과 시공여건에 따라 차이가 큼을 볼 수 있다. <표 6> 해외 도심지 터널 프로젝트에서의 로드헤더 적용사례 터널 개요 및 특징로드헤더 적용 특성비고 WestConnex Tunnel/호주 시드니 ∙ 총 35대 로드헤더 운용 ∙ 공기단축을 위한 멀티막장 운영 ∙ 대단면으로 TBM 적용 불가 ∙ 정밀시공 - VMT System 적용 ∙ 지하도로(3차선/4차선) 터널 ∙ 평평한 아치형 단면 ∙ 암종 - 시드니 사암 NortheConnex Tunnel/호주 시드니 ∙ 총 19대 로드헤더 도입 운용 ∙ 굴착공기 32개월 ∙ 25-30m/주(시드니 사암) ∙ 심도 90m(시드니 최장심도) ∙ 고속도로(2/3차선) 병렬터널 ∙ 연장 9km(시드니 최장터널) ∙ 단면 : 폭 14m×높이 8m Melbourn Metro / 호주 맬보른 ∙ 총 7대 로드헤더 도입 운용 ∙ 지하정거장 구간에 로드헤더 적용 ∙ 본선터널구간 TBM 6대 적용 ∙ 심도 30-40m ∙ 단선 병렬터널 - 도시철도 ∙ 본선터널 9km ∙ 총 5개 정거장 Sydney Metro / 호주 시드니 ∙ 총 10대 로드헤더 도입 운용 ∙ 지하정거장 터널 - 130t 로드헤더 ∙ 24시간/일-7일/주 작업 ∙ 복잡한 지하공동 단면 굴착 ∙ 호주 최대 공공인프라 공사 ∙ 단선 병렬터널 - 도시철도 ∙ 13개 역/36kmNext >