< Previous시론 시론 Vol. 23, No. 2 9 인프라시설 百年大計는 자산관리(Asset Management)로 부터... 박치면 한국터널지하공간학회 부회장 (주)에스코컨설턴트 대표 매년 8월이면 국권 회복과 우리 대한민국 정부 수립을 기념하는 국경일인 광복절 8월 15일이 우선 떠오르 는데, 지하철, 터널 설계 경력을 일부 가지고 있는 나에게는 몇 해 전에 서울시 지하철 관련 역사를 정리하 면서 알게 된 서울지하철 1호선 서울역~청량리 구간이 개통된 날(1974년 8월 15일)로도 기억되고 있다. 우 리에게 빨간색 차량으로 각인되어 있는 서울지하철 1호선은 서울 도심에서 하루에 50만 명 이상이 이용하고 있는 중요 교통수단이다. 나이를 계산해 보면 올해로 47돌을 맞이하고 있고, 3년 후면 반백년이 되니, 명실 공히 우리나라 지하철의 역사가 그대로 담겨있는 소중한 국가 자산이라 할 수 있겠다. 지하철 1호선의 목표 연한이 설계와 시공당시에 얼마로 적용되었는지는 확인할 수 없지만, 향후 100년을 위해서는 교통수단으로 써의 성능을 유지하기 위한 자산 가치를 향상시키고, 생애 주기 비용을 사전에 예측하고 운용의 효율성을 제 고하는 등 예방적 유지관리 개념, 즉 성능 중심의 관리(자산관리)가 절실하게 필요한 시점이라고 할 수 있다. 인프라시설에 대한 ‘자산관리(Asset Management)’ 필요성 최근 ‘자산관리’라는 용어가 회자되고 있는데, 일반 국민 대부분의 관심사는 주식, 가상화폐 등을 포함한 금융이나 부동산과 관련된 재테크, 재산증식과 관련된 내용일 것이다. 하지만 서울지하철 1호선과 같은 인10 자연,터널 그리고 지하공간 프라시설도 우리 생활과 밀접한 중요 국가 자산이므로 공공 측면에서 자산관리의 주요 대상이고, 그 활동 은 시설의 기능유지 뿐 만 아니라 유지관리 예산 확보와 운용 등과도 직접적으로 관련이 있다. 국제 규격인 ‘ISO55000’에 의하면 자산관리는 ‘특정 조직의 가치를 실현하기 위한 일련의 활동’으로 정의하고 있고 한 정된 보유 자산을 활용하여 가치를 극대화하는 경영관리 체계의 의미를 내포하고 있다. ‘국제시설물관리 매뉴얼’에는 ‘경제적이고 효율적인 관리를 통해 현재와 미래의 소비자를 위해 자산의 서비스 수준을 유지 시키는 것‘으로도 정의하고 있다. 종합해 보면, 인프라시설의 운영적 측면에서는 금융, 경영, 경제학적으로 접근하고, 관리적 측면에서는 경영학적 방법과 공학적 대책을 이용하여, 기존의 ’사후대응 차원의 유지관 리‘를 성능 평가 기반의 ’예방적 유지관리‘ 활동으로 전환하는 것을 의미한다고 볼 수 있다. 국내 인프라시설의 급속한 고령화로 인한 유지관리 비용 증가 인프라시설의 목표연한이나 건전도, 유지관리 상황에 따라 다르겠지만, 아파트 재건축 연한도 30년으로 정해져 있는 바와 같이, 30년이 지난 시설물은 노후화된 구조물로 볼 수 있다. 우리나라의 경우 2019년 9 월 기준으로, 건설 후 30년 이상의 노후화된 시설물은 전체 시설물의 17.2%이지만, 2029년에는 41.8%로 급증하고, 2030년 이후에는 매년 증가하여 전체 시설물의 74%까지 도달하여, 집중 관리 대상 시설물이 급 증될 것으로 전망되고 있다고 한다(FMS 2019). 따라서 고도 경제성장기에 집중적으로 건설된 상당수의 인 프라시설은 노후화로 인한 유지관리와 개량에 소요되는 비용이 크게 증가할 것으로 예상해 볼 수 있다. 이 에 대한 대책이 절실한데, 인프라시설의 유지관리에 성능 평가를 도입하여 시설물의 제원, 상태, 성능을 판 단하고, 유지관리에 투입되는 비용, 예산과 자산 가치 등을 종합적으로 평가하여 실시간 점검 및 관리가 가 능한 선제적인 보수보강 계획을 수립하고 적용하는 것이 그 방안중의 하나가 될 수 있을 것이다. 인프라시설 노후화에 대한 안전사고 대응 및 유지관리 정책 제도화 정부에서는 인프라시설의 안전관리에만 초점이 맞춰진 기존 ｢시설물의 안전관리에 관한 특별법｣을 개정 한 ｢시설물의 안전관리 및 유지관리에 관한 특별법｣으로 유지관리 개념을 도입하였으며, 인프라시설 관리 의 지속가능성을 확보하기 위한 체계적인 관리 절차와 필요 예산 확보를 담보하는 ｢지속가능한 기반시설 관리기본법｣을 제정하였다. 기반시설관리기본법에 의하면 시설물 관리주체는 인프라시설의 성능평가를 기 반으로 관리계획을 수립하고, 관리계획에 의한 재원 마련과 인프라시설의 운영, 관리(성능개선, 유지보수 등), 즉 체계적인 ‘자산관리’를 해야 한다. 이는 인프라시설을 일정수준 이상으로 관리함으로써, 사후관리 가 아닌 선제적 예방관리로 안전성을 높이고 급격히 노후화된 인프라시설의 유지관리에 소요될 막대한 예 산을 적절히 분배하여 사전에 투입시키는 것을 의미한다. 최근 정부기관 및 지자체에서는 이러한 정책에 부응하기 위해서 관련 기반시설 통합관리시스템을 개선하고 운영하기 위한 사업을 발주하는 등 노력을 경 주하고 있다.Vol. 23, No. 2 11 시설물 유지관리에서 자산관리로 패러다임 전환 ｢시설물의 안전관리 및 유지관리에 관한 특별법｣과 ｢기반시설관리기본법｣에 의거하여 시설물관리주체는 ‘성능평가 기반의 시설자산관리 시스템(Facility Asset Management System, FAMS)’을 구축하고 운영하 도록 하고 있다. 그 세부 내용에 의하면 인프라시설 운영자(시설물관리주체 즉, 국가· 지방자치단체, 공공기 관, 지방공기업 등)는 시설물 관리 개념을 기존의 ‘사후대책형’에서 ‘예방보전형’으로 전환해야 한다. 미국, 일본 등에서는 이미 시설물의 안전을 담보하면서 비용을 최소화하기 위해 성능 중심의 유지관리 정책을 실 시하여 노후화에 대비하고 있는데, 우리나라의 유지관리 정책도 구조물의 점검· 모니터링, 진단, 보수· 보 강이라는 개별적인 요소 기술에 중점을 둔 안정성 위주의 관리에서 탈피하여, 이용자의 사용성, 구조물 내 구성 등을 종합적으로 평가하고, 생애주기에 따라 관리하는 성능 중심의 관리로 전환해야 한다. 더불어 4 차 산업 혁명 시대에 부응하기 위해 국제표준체계(ISO 55001 등)를 충실히 반영하고, ‘BIM, IoT, VR/AR, Sensors, Big Data, AI’ 등과 같은 스마트 기술을 활용하는 등 디지털 전환(Digital Transformation)을 지 향하여야 하며, 건설단계에서 생성되는 데이터 및 정보와 통합 가능한 지능형 시설자산관리 개념을 도입하 여야 한다. 2018년 1월 ｢시설물의 안전관리 및 유지관리에 관한 특별법｣ 시행, 2020년 1월 ｢기반시설관리기본법｣ 시행, 2020년 5월 ‘제1차 기반시설관리 기본계획(2020~2025)’ 수립, 2020년 7월 ‘한국판 뉴딜 종합계획’ 발표 등 관련 현황으로 볼 때, 현시점은 기반시설 관리를 위한 국가체계를 만드는 중요한 시기로써, 공공 시설물의 노후화에 따른 기반시설 관리의 중요성뿐만 아니라 중장기적으로 재무 및 경영적 측면에서의 시 설자산관리에 대한 관심이 조명되고 있다. 또한 작년부터 시작된 코로나-19 장기화로 인해 사회·경제· 문화 전반에 걸쳐 디지털 전환도 가속되고 있으며, 인프라시설 자산관리 분야에서도 디지털 기술이 적극 적으로 시험, 적용되기 시작하고 있다. ‘백년대계(百年大計)’, 향후 100년을 위한 공공 인프라시설에 대한 ‘자산관리(Asset Management)’ 운용에 있어서, 기술적 측면에서는 기반시설관리 기본법에서 요구하고 있는 인프라시설에 대한 성능평가 기술 정립이 필요하며, 경제적 관점에서는 유지관리 점검ㆍ보수를 저비 용으로 고효율화 할 수 있는 체계 구축이 필요하다. 이러한 기술적, 경제적 측면을 종합하여 중요 인프라 시설의 유지관리 수준을 향상시키고 장수명화 함으로써, 국가예산을 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 성능기반 유지관리를 적용한 통합 자산관리를 지속적으로 수행해야 한다. 이를 위해서는 시설물의 계획부 터 설계, 시공, 운영 후 폐기까지 전 생애 주기에 걸친 광범위한 정보를 통합 관리하고 자산 개념을 도입하 여 유지관리와 관련된 이력을 데이터베이스화함으로써 각종 평가와 분석이 가능한 체계적인 관리 시스템 개발이 선행되어야 할 것이다. (주)에스코컨설턴트 박 치 면12 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 1. 서 론 수도권 제2순환 고속도로 중 고속국도 제 400호선 김포~파주간 건설공사 제2공구는 국내 최초 하저 도로터널이다. 특히, 굴착직경이 14.010m로 국내 최대 직경인 쉴드TBM 터널이며, 이는 세계적으로도 흔하지 않은 대구경 쉴드TBM이 다. 한강하저라는 지질적, 수리적 특수성을 감안하여 본 공사의 장비는 수압 대응성이 우수한 이수가압식(Slurry) 쉴드 TBM이 적용되었으며, 해· 하저구간의 무한한 수원에 대응하여 안정적인 공사를 효율적으로 수행 할 수 있는 다양한 첨 단장치를 적용하였다. TBM터널공사는 TBM장비가 전체공사의 성패를 좌우하며, 현장에 한번 투입되면, 공사중 장비의 주요사양 변경 및 보 수 등이 어렵기 때문에 지반조건과 현장운영조건에 맞는 장비의 사양 설계가 중요하며, 기계적인 트러블을 최소화 할 수 있는 개선이 필요할 경우, 현장 투입전 즉, 제작 당시에 반영이 이루어져야 한다. TBM은 고가의 주문제작 장비로 구매 자의 의도대로 올바르게 제작되어 졌는지가 중요하다. 원래는 장비의 제작공장을 방문하여 제작현황을 파악하고 검수하 는 것이 우선이지만, 지금과 같이 전세계를 휩쓸고 있는 COVID-19로 인해 여건이 허락되지 않으면 화상 검수를 진행 할 수도 있다. 본 고에서는 한강하저통과의 특수성을 고려한 당 현장 이수가압식 쉴드TBM장비에 적용된 장비적 사양을 기술하였 고, 현장 반입 전 TBM장비에 대한 검수를 부득이하게 화상으로 수행한 사례를 소개하여 향후 유사사례(화상검수)에 필 요한 정보를 제공하고자 한다. 국내최대직경 쉴드TBM의 현장 반입전 고려사항 (한강하저통과를 감안한 첨단장비사양과 화상검수를 중심으로) 전삼수 한국도로공사 김포파주2공구 한강터널 팀장 박종건 한국도로공사 건설처장 류재하 한국도로공사 김포양주 사업단 단장 안병철 (주)현대건설 김포파주2공구 한강터널 현장소장 박진수 (주)호반산업 김포파주2공구 한강터널 수석Vol. 23, No. 2 13 2. 과업 및 구조물 현황 본 과업은 김포시 하성면 마곡리에서 파주시 연다산동을 한강하저로 연결하는 노선으로서, 왕복 4차로, 총연장 6.734 km의 도로로 TBM터널과 나들목, 교량 2개로 구성돼있다. <그림 1> 과업구간 평면 및 종단면 한강터널은 운영 시 안전을 최우선으로 계획하여 피난연락갱, 환기용 제트팬 및 1등급 방재시설인 물분무시설 등을 설치하였다. 한강터널의 구조물 현황은 표 1과 같다.14 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 국내최대직경 쉴드TBM의 현장 반입전 고려사항 <표 1> 구조물 현황 구분인천방향포천방향 행정구역김포시 하성면 마곡리파주시 연다산동 설계속도(km/h)100 터널위치 (Sta) 시점Sta. 7km621.403Sta. 7km620.000 종점Sta. 10km486.163Sta. 10km480.000 연장(m)2,864.762,860.00 차로수2차로 차로폭(m)3.6 평면선형(m)R = 6,040 ~ 직선 ~ 7,000R = 6,165 ~ 직선 ~ 8,000 종단경사(%)-2.69 ~ -0.5 ~ +2.59-2.69 ~ -0.5 ~ +2.59 환기방식종류식 기계환기 피난연결통로차량용 : 3개소, 대형차량용 : 1개소 방재시설물방재 1등급 시설(전구간 물분무설비) 특히, 80~100m 간격으로 62개의 피난슬라이드가 설치되어 있어 화재가 발생했을 경우 차량이 운행하지 않는 터널 하부 안전한 공간으로 신속히 대피할 수 있도록 계획하였다. <그림 2> 한강터널 하부 비상대피구간 3. 한강하저 특수성을 고려한 터널공법 선정 과업구간은 한강하저로서 터널상부 흙의 토피고가 낮고, 3Bar 이상의 고수압이 작용하며, 복합지반을 통과하는 구간 으로 굴착중 안정성은 물론 운영중 안전을 최우선으로 확보될 수 있는 공법으로 선정하였다. 또한 Drill & Blasting 공 법으로 적용 할 경우 무한한 수원에 대한 붕괴와 침수 등의 위험성을 배제할 수 없어 쉴드TBM공법 중에서도 막장압 조 절이 해·하저에서 유리한 이수가압식 쉴드TBM 공법이 선정 되었다. 1996년 이후 한강을 통과하는 교통터널(Traffic Tunnel)중 대부분은 TBM공법으로 적용되었거나, 공사 중에 있다. 세계적으로 해· 하저구간의 공법별 비율도 대부분 쉴드TBM공법으로 적용하였다.Vol. 23, No. 2 15 <그림 3> 국내외 해·하저구간 쉴드TBM 적용현황 4. 한강터널 이수가압식 쉴드TBM 장비에 적용된 첨단장치 4.1 쉴드TBM 장비 주요사양 본 과업에 적용된 TBM장비는 더블챔버를 사용하는 이수가압식 쉴드TBM으로 최대 막장압 6Bar를 대응 할 수 있으 며, 쉴드 본체를 포함한 장비 길이는 125m, 장비 무게는 약3,200톤이다. 14m가 넘는 대구경 쉴드TBM장비임을 감안할 때 장비의 길이는 125m로 크게 길지 않은 이유는 유압, 전기, 압력, 크레인 장치 및 후방설비 등의 배치에 대한 공간효 율성이 원활한 것으로 기인한다. 쉴드 본체는 세그먼트 외경 13.500m를 고려하였으며, 굴착경 14.010m, Front Shield 13.960m, Middle Shield 13.930m, Tail Shield 13.900m으로 쉴드 스킨을 제작하여 압착성 지반이나 팽창성지반에 대 한 장비 Jamming에 대비 할 수 있도록 하였다. 본 과업의 쉴드TBM 장비의 주요사향은 표 2와 같다. <그림 4> 한강터널 이수가압식 쉴드TBM장비16 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 국내최대직경 쉴드TBM의 현장 반입전 고려사항 <표 2> 한강터널 이수가압식 쉴드TBM 주요사양 구분최종 설계사양구분최종 설계사양 장비형식슬러리 쉴드TBM메인드라이브파워5,950kW 최대운영압6 Bar메인베어링수명10,000시간 장비직경굴착경 : 14.01, 세그외경 : 13.50m최대토크39,727kN·m 장비무게약 3,200톤최대RPM0~4RPM 최소곡선반경1,000m최대추력171,003kN 최대종단경사±3.00%스트로크길이3.5m 커터헤드형식Accessible CutterHead감압시스템맨락, 매티리얼락(각 2개소) 커터크기/개수19인치, 17인치 / 71개테일스킨씰링브러쉬3열+스프링플레이트1열+익스클루더1열 페이스커터간격90~130mm전방탐사탄성파(SSP-E) 시스템 반영 커터마모감지DCRM 시스템반영프로브드릴링경사28개소, 수평10개소 이렉터 형식진공흡착식피난챔버2개소(20인@72시간, 5인@72시간) 4.2 작업자의 안전을 고려한 커터 교체 방식 적용 : Accessible CutterHead TBM에서 대표적인 소모성 부품인 디스크커터는 주기적인 교체가 필요하다. 해· 하저구간에서 디스크커터의 교체는 터널심도에 따라 막장에 작용하는 토압과 수압에 대하여 대응압력으로 굴착 챔버를 지속해야 하며, 작업자는 감압시스 템인 맨락을 통하여 서서히 챔버 안으로 투입되어 디스크커터를 교체하여야 한다. 이러한 과정은 챔버에 작용하는 압력 으로 인하여 작업자의 안전과 효율성 면에서 매우 불리하다. 본 과업에서는 커터헤드 뒷면에 별도의 공간을 만들어 주어 작업자가 대기압 상태인 후방에서 쉽게 교체 할 수 있어 안전과 편의성이 우수하다. <그림 5> 대기압상태의 커터교체 가능한 Accessible Cutter Head 4.3 디스크커터 마모 감지를 통한 공정관리 : DCRM 디스크커터의 마모는 암반의 강도, 구성하는 광물의 성분, 터널막장의 지반구성 등의 요인으로 마모율이 다르게 나타 날 수 있으며, 복합지반의 경우 토사 및 암반 등을 동시 굴착 함으로써 커터헤드 회전시 암반층 충격으로 디스크커터 마 모 과다 및 굴진효율 저하가 다수 발생 할 수 있다, 이로 인해 디스크커터의 교체 주기 산정은 편마모 주변의 디스크커터 Vol. 23, No. 2 17 파손 등을 일으킬 수 있고, 심한 경우에 커터하우징의 손상이 발생하므로 매우 중요하다. 본 과업에서는 DCRM(Disc Cutter Rotation Monitoring system) 시스템을 이용하여 디스크커터의 온도 및 회전수를 통한 마모 상태를 파악하여 교체 주기를 예측할 수 있도록 하였다. <그림 6> DCRM 시스템 적용 4.4 풍화토 및 점성토 지반 통과시 폐색방지 : Flushing Nozzel 이수가압식 장비에서 Downtime 발생원인의 하나인 면판의 폐색은 다양하게 발생하지만, 디스크커터의 회전 불량으 로 발생하는 폐색으로 편마모가 일어나면, 그 주변 디스크커터에서 다수 발생 할 가능성이 농후하며, 특히 센터커터 주 변의 디스크커터는 같은 RPM으로 회전한다고 해도 외각 게이지커터 보다는 매우 느리게 회전하게 된다. 이러한 경우를 대비하여 본 과업에서 센터커터와 센터커터 주변의 페이스커터에는 플러싱 노즐을 설치하여 최대한 디스크커터의 회전 불량을 방지하도록 계획하였다. <그림 7> 폐색 방지를 위한 플러싱 노즐의 배치Next >