< Previous인문학 산책 108 자연,터널 그리고 지하공간 조금씩 변한다. 하지만 세라믹은 수천 년이 지나도 그 형태 그대로의 모습을 유지한다. 고려시대 장인이 만든 청자가 지금도 광택을 발하고 품페이 사람들이 쓰던 포도주 항아리가 멀쩡한 모습으로 발견되는 것도 이 때문이다. 하지만 세라믹이 미래의 신소재로서 중요한 이유는 다른데 있다. 그동안 전산환경을 주도해 온 반도체는 거의 실리 콘 소재로 만들어 왔다. 그러나 세라믹 역시 특수한 형태로 가공하면 반도체로 만들 수 있고 전자기적인 성질을 갖도 록 유도할 수도 있다. 성능도 실리콘에 비교할 수 없을 정도로 우수하다. 인류가 수천 년 전부터 사용해 온 세라믹 안 에 이렇게 엄청난 비밀이 숨겨져 있다니 놀라운 일이다. 아마도 차세대 반도체나 전자장비 우주선 원자로는 거의 세 라믹에 의지하게 되지 않을까 싶다. 우리가 손에 들고 다니는 휴대폰의 부속품은 이미 80% 이상 세라믹으로 만들어 져 있다. 형상기억합금 카를로 로벨리7)는 나는 누구인가라는 자기인식은 기억에서 비롯된다고 말한다. 살아온 기억을 통해 정체성이 형성 되고 나라는 주체로서 살아갈 수 있게 된다는 것이다. 그런데 금속에도 이렇게 자신의 모습을 기억하는 물질이 있다. 형상기억합금(shape memory alloy)으로 불리는 이 물질은 힘을 가해서 변형시켜도 일정한 온도가 되면 다시 본래 모습으로 돌아온다. 마치 물질이 자신이 만들어질 때의 온도와 모습을 기억하고 있는 것처럼 느껴진다. 형상기억물질 은 금· 카드뮴 합금이 온도에 따라 형상이 바뀌는 모습을 보고 아르네 올랜더(Arne Olander)라는 공학자가 처음으로 알아냈다. 그 뒤 구리· 아연 합금을 비롯한 다른 금속에서도 같은 현상을 관찰할 수 있었다. 어떤 금속이 형상기억합금과 같은 현상을 보이는 것은 그 물질에 포함된 탄소량 그리고 원자배열과 관계있다는 것 이 밝혀지면서 이를 공학적으로 이용할 수 있는 기술도 개발되었다. 가장 많이 이용되는 물질은 니티놀(nitinol)이라는 물질로 티타늄·니켈의 합금이다. 니티놀은 온도에 따른 형태변화가 규칙적이어서 우주탐사계획에도 이용된다. 아폴 로 11호에 장착된 안테나는 달의 온도에 맞추어 제작되었다. 그 덕에 비행할 때는 접혀 있던 안테나가 달에 착륙하자 우산처럼 활짝 펴지면서 기능을 수행하게 된 것이다. 이러한 기술은 목성탐사선인 갈릴레오, 태양계 행성을 탐사한 보이저 2호에도 활용되었다. 현재 형상기억합금은 다양한 분야에 이용된다. 형상기억합금으로 제작된 방화문은 불이 났을 때 별다른 기계설비가 없어도 신속히 화재를 차단한다. 최근에는 인공장기와 같은 의료기구, 가전제품과 같은 일상생활에서도 편리하게 사 용된다. 형상기억합금은 미래도시의 모습을 바꾸는 데도 쓰일 수 있을 것으로 보인다. 계절에 따라 외부 디자인이 바 뀌는 건축물, 바람이나 햇빛 기온에 따라 자동으로 조절되는 옥상구조, 날씨가 추워지면 저절로 두꺼워지는 창문 등 도 상상해볼 수 있지 않을까. 기온이 올라가면 자동으로 펼쳐지는 파라솔이 횡단보도나 공원에 설치되어 있다면 정말 근사한 일이 될 것이다. 7) 카를로 로벨리(Carlo Rovelli.1956~) 이탈리아의 물리학자. 저서 ‘시간은 흐르지 않는다’에서 자아는 각 개인의 경험을 통해 저장된 기억이 외부세계와 상호작용을 하는 과정에서 형성되는 구성물로 보았다. Vol. 23, No. 3 109 문명을 이끄는 미래의 신소재 수소, 무한한 청정재료 우리가 사는 우주에 가장 많은 물질, 가장 먼저 만들어진 물질, 그것은 바로 주기율표 가장 앞에 있는 수소다. 눈에 보이지 않는 공기는 물론이고 우리가 마시는 물에도 수소가 가득 들어있다. 수소는 석유처럼 배기가스로 공기를 오염 시키지도 않고 오존층 파괴나 기후문제를 일으키지도 않는다. 수소는 냄새도 맛도 색깔도 없다. 지난 20세기부터 시 작된 석유사용의 급격한 증가는 인류의 삶을 그 이전과 완전히 바꾸어 놓았다. 자동차 기차 항공기로 물류 혁명을 가 져왔고 의복이나 가전제품 주방기구에 이르기까지 석유화학과 관련되지 않은 물건을 찾아보기 힘들 정도다. 하지만 이로 인해 우리가 사는 도시 그리고 지구의 환경은 형편없이 나빠졌다. 급기야 세계기후협약이 체결되고 이산화탄소 (CO2)와 같은 온실가스를 규제하고 있지만 나라마다 사정이 달라 어려움이 있는 실정이다. 이러한 시점에서 수소의 사용은 선택의 문제가 아니라 피할 수 없는 현실의 문제라고 생각된다. 수소는 연소하기 쉬운 물질로서 공기와 섞인 상태에서 불을 붙이면 강한 화염을 일으키며 타오른다. 다시 말해 많은 에너지를 품고 있 다는 뜻이다. 발열량을 기준으로 에너지를 비교해 보면 석유보다 거의 3배나 많다. 이 때문에 연소과정만 잘 통제하 면 미래의 에너지원으로 손색이 없다. 현재는 원자력발전이나 석유화학 수소전지 또는 연구소에서 극히 적은 양만 사 용되고 있다. 지금처럼 전기분해를 통해 수소를 얻는 방법으로는 비용도 적지 않고 시간도 너무 오래 걸리기 때문이 다. 지금은 기술적인 어려움이나 비용의 문제가 적지 않지만 머지않아 수소가 미래 에너지의 신소재가 될 것은 자명 해 보인다. *** 우리의 뇌에는 금속은 다른 재료보다 월등히 강하다는 고정관념이 자리잡고 있다. 선사시대부터 사용해 온 쇠가 섬 유질인 나무나 무기질의 돌보다 훨씬 단단하고 강해보였기 때문일 것이다. 하지만 이렇게 매겨진 우선순위는 앞으로 는 당연하지 않을 것이다. 신소재가 우후죽순처럼 쏟아지는 미래에는 쇠보다 강한 프라스틱이나 섬유제품도 얼마든지 나올 수 있다. 앞에서 살펴본 것처럼 지금의 신소재 분야는 고분자화학이나 금속재료 또는 비금속 무기재료 분야로 나누어지지만 이렇게 각각의 분야에서 개발된 소재들은 자연스럽게 서로 융합되면서 새로운 복합재료로 탄생하게 되 지 않을까 싶다. 신소재를 만드는데 각자의 영역이나 지켜야 할 규칙 따위는 없으니 말이다. 유리와 세라믹이 합쳐져 유리세라믹스(crystallized glass)가 되고 유리섬유와 플라스틱 제조기술이 합쳐져 방탄 핼 맷이 만들어지지만 이렇게 이질 재료를 접합하여 복합재료를 만드는 것은 쉬운 문제가 아니다. 나무와 나무를 못으로 연결하거나 강재를 용융하여 이어붙이는 것처럼 강도나 성질이 비슷할 때는 별 어려움이 없다. 그러나 금속과 비금속, 무기재료와 수지, 세라믹과 금속 등을 이어붙이기 위해서는 고난이도의 접합기술이 동원되어야 한다. 복합재료를 만 들어내는 기술은 이렇게 많은 어려움이 있지만 인류가 이를 해결하지 못할 것으로 생각되지는 않는다. 이미 고분자화 학에 대한 지식도 충분히 쌓여있고 필요하다면 원자 단계까지 추적해 내려가서 해결방법을 찾아낼 테니 말이다. 이렇 게 해서 얻어진 신소재로 인간들이 무엇을 만들어낼지, 우리가 살아갈 미래도시를 어떻게 바꾸어놓을지 궁금하다. 끝.최신 터널 뉴 스 110 자연,터널 그리고 지하공간 편집위원 : 도종남(한국도로공사 도로교통연구원) □ 한국도로공사, 쉴드TBM 공법 한강터널 홍보관 개관 쉴드TBM 축소모형, VR 체험, 가상 터널 체험 등 콘텐츠 구성 ◦한국도로공사가 국내 쉴드TBM 터널 중 최대 직경(14m)인 한강터널의 홍보관을 경기도 파주시 송촌동에 위치한 김포- 파주 2공구 현장사무소에 개관했다. ◦한강터널은 수도권제2순환고속도로 노선 중 김포에서 파주 까지 연결하는 2.98km의 국내 최초 한강하저 도로터널이다. ◦굴착직경이 14m로 쉴드TBM 터널 중 국내 최대 규모이다. ◦쉴드TBM(Tunnel Boring Machine) 공법은 원통형 굴삭기 를 땅속에 넣어 수평으로 굴진해 터널을 시공하는 방법으로, 기존의 발파를 통한 굴착 방법과 비교했을 때 소음, 진동, 분 진 등의 환경피해를 최소화 할 수 있다. [수도권 제2순환선(김포-파주) 한강터널 사업도] ◦해당 공법에 쓰이는 쉴드TBM 장비는 세계 최대 TBM 제작사인 독일 헤렌크네히트 사의 제품으로 장비길이 125m, 무게 3,200톤, 최대 추진력은 17,100톤이다. ◦올해 8월 국내 반입 후 조립과정을 거쳐 내년 2월부터 터널 굴진이 가능하다. ◦홍보관은 한강터널의 사업 개요 및 시공 공법에 대한 설명과 쉴드TBM 축소모형을 배치해 시공 원리 등을 소개하 고, VR 기기로 쉴드TBM의 내부구조를 체험할 수 있다. ◦또한, 가상 터널 체험관을 통해 터널의 시공 과정과 완공 후의 모습을 다면영상으로 볼 수 있다. [쉴드TBM 사진]최신 터널 뉴 스 Vol. 23, No. 3 111 □ 지하철 8호선 연장(별내선) 한강하저 터널구간 관통 쉴드TBM 터널공법, 절리, 단층 파쇄대 등 어려운 구간...안전사고 없이 3.5개월 단축 [위치도. 별내선(암사~별내) 복선전철 건설사업] ◦서울시는 서울 암사동 암사역에서 별내역(경춘선)을 연결하는 서울 도시철도 8호선 연장(별내선)구간 중 강동구 암사동과 구리시 토평동 구간의 한강하저를 통과하는 1,280m 터널을 6월 28일 15시 관통했다고 밝혔다. ◦한강 하저를 통과하는 서울시 구간 도시철도는 ▲도시철도 5호선 광나루역~천호역 ▲마포역~여의나루역 ▲분당 선 압구정로데오역~서울숲역 ▲도시철도 8호선 연장구간이 네 번째다. ◦도시철도 8호선 연장(별내선)구간은 현재 운행 중인 지하철 8호선 종점역인 암사역(강동구 암사동)을 시작으로 한 강 하부를 통과해 구리시 구간을 지나 남양주시 별내읍까지 12.906km에 구리역(경의중앙선), 별내역(경춘선) 등 환승정거장 2개소를 포함한 정거장 6개소가 설치되며, 총 사업비는 1조 3,403억 원이다. ◦전체 6공구 중 암사동과 한강 하부를 지하로 통과해 구리시 토평동까지 연결하는 1~2공구(3.72km)는 서울시가 맡 아 시행하고 있으며, 총 사업비는 5,214억 원으로 2023년 완공을 목표로 추진되고 있다. 2021년 6월 현재 69%의 공정률을 보이고 있다.최신 터널 뉴 스 112 자연,터널 그리고 지하공간 [쉴드TBM 터널(상행선) 후방 장비] ◦별내선 한강하저터널은 상‧하행 분리터널로 지난 2019년 12월부터 구리시 토평동에서 쉴드TBM 터널공법으로 터 널 굴착공사가 착수되어 9개월 만인 지난 2020년 8월 하행선(강동구 암사동 방향)이 관통되었다. ◦또, 장비해체·이동 및 보수 후 2020년 12월부터 구리시 토평동에서 상행선(강동구 암사동 방향) 굴착공사가 시작 되어 7개월 만인 2021년 6월 관통한다. ◦한강하저 구간은 지리적인 특성상 지반에 절리, 단층 파쇄대 등으로 터널에 큰 수압이 작용할 수 있는 어려운 구간 이나 철저한 현장관리로 안전사고 없이 당초 계획보다 약 3.5개월 단축되어 상·하행선이 관통된다. ◦쉴드TBM 터널공법(Shield Tunnel Boring Machine)은 원통형 커터 날을 회전시켜 암반을 잘게 부숴 수평으로 굴 진한 후 공장에서 제작한 콘크리트 구조물(세그먼트)을 조립하여 터널을 시공하는 방법으로 직경 7.66m, 길이 10.7m, 무게 392톤의 초대형 쉴드TBM 장비가 사용되었다. ◦김진팔 서울시 도시기반시설본부장은 “남양주시 별내에서 송파구 잠실까지 이동 시간이 27분으로 기존 도시철도 노선 이용시 보다 약 17분 정도 단축된다.”라며, “남양주시 별내와 구리시를 강동구 암사동과 바로 연결해 수도권 동북부 지역 주민의 서울 강남권 접근성이 좋아질 것으로 기대된다.”고 말했다.Vol. 23, No. 3 113 ▨ 수도권 광역급행 철도(GTX) 사업(GTX-A노선을 중심으로) 1. 사업개요 □ 사업명 : 수도권 광역급행 철도 (GTX(Great Train eXpress)) □ 사업목적 및 기대효과 - 수도권 교통난 해소와 장거리 통근자들의 교통복지 제고를 위해 수도권 외곽에서 주요 거점을 30분대에 연결하는 철도망 구축 - 수도권 생활권 광역화에 따른 장거리 통행수요에 대처하고, 수도권의 글로벌 경쟁력 강화 - 출퇴근 시간을 30분대 이내로 단축하여 수도권 주민의 빠르고 쾌적한 이동을 통해 삶의 질을 향상 □ 사업위치 - (A노선) : 삼성~동탄 39.5km, 파주~삼성 46.0km - (B노선) : 송도~마석 80.1km - (C노선) : 덕정~수원 74.8km □ 총사업비 : 15조 5,244억 원 □ 사업연장 : 3개 노선 240.3m 국내사업 편집위원 : 김기환((주)삼보기술단) [사업 위치도(국토교통부 홈페이지 참조)]114 자연,터널 그리고 지하공간 프로젝트소개 □ 추진현황 - (A노선 삼성~동탄) 수직구(환기구) 및 터널 굴착 등 노반 공사 중 - (A노선 파주~삼성) 수직구(환기구) 굴착 등 노반 공사 중 - (B노선 송도~마석) 타당성조사 및 기본계획 용역 중(’20. 1월 착수, 국토부) - (C노선 덕정~수원) 시설사업기본계획 고시(’20. 12월), 민자 제3자공고(2021년) □ 향후계획 - (A노선 삼성~동탄) 2023년 개통 목표로 공정 관리 추진 - (A노선 파주~삼성) 2023년 개통 목표로 공정 관리 추진 - (B노선) 시설사업기본계획고시 절차 추진 - (C노선) 협상 및 실시협약 체결 등 착공 절차 추진 2. 수도권 광역급행철도(GTX) 사업 GTX사업은 2010년 초기에는 A, B, C, D 노선으로 사업이 수립되어졌으나 2014년 수도권 광역급행철도(GTX) 건설 사업 예비타당성은 A, B, C노선에 대해서만 조사가 이뤄졌으며, 이후 각 노선별로 세부 사업검토를 통해 개별사업으로 진행되어지고 있다. 각 노선의 사업 진행과정에서 사업비에 따른 경제성, 시공성, 사업효과, 민원 등을 고려하여 GTX-A, GTX-C 노선은 민자 투사사업으로 진행되었고, GTX-B는 제정사업으로 진행 중이다. 그중 GTX-A노선이 가장 먼저 진 행되어 노선 중 제정구간(삼성~동탄)과 민자투자구간(파주~삼성) 모두 현재 시공 중이다. 본 사업 소개에서는 현재 사 업이 가장 진행이 빠른 GTX-A의 노선을 중심으로 소개하고, 나머지 노선에 대해서는 노선계획과 간단한 사업개요 일정 을 소개하고자 한다. 3. GTX-A 사업 3.1 사업 개요 GTX-A노선은 수도권 광역급행철도 노선 중 하나로, 파주 운정신도시 운정역과 화성 동탄신도시 동탄역을 연결하는 노선이다. 예비타당성 조사에서 경제성이 가장 높다고 평가받음에 따라 현재 제안된 세 노선 중 현재 가장 진척이 빠르다. 본 노선 중 삼성~동탄 구간은 제정사업으로 2017년에 착공하여 현재 공구별로 시공 중이며, 파주~삼성구간은 2018년 민사사업공고를 통해 신한은행 컨소시엄이 우선협상자로 선정되었고 이후 대정부 협상과 실시설계를 통해 2019년에 착 공하여 현재 시공 중이며, 향후 2023년 운정역~동탄역 개통을 목표로 사업이 진행되어지고 있다. 본 노선은 시공의 난이도와 사업비를 고려하여 총 6공구로 계획 되어졌으며, 1공구는 3,951m로 차량기지, 입출고선, 정거장 1개소, 환기구 3개소, 2공구는 8,935m로 정거장 1개소, 환기소 5개소, 3공구는 6,235m로 정거장 1개소, 환기소 4개소, 작업구 1개소, 4공구는 10,645m로 정거장 1개소, 환기소 6개소, 5공구는 8,714m로 저거장 1개소, 환기소 4개소, 경사터널 1개소, 6공구 환기구 3개소, 경사터널 1개소로 이뤄져 있다(그림 1, 표 1 참조).Vol. 23, No. 3 115 국내사업 <그림 1> GTX-A 시공 공구분할도(종평면도) <표 1> 각 공구별 시설규모 구분1공구2공구3공구 시설 규모 연장 운기(현)0km000~1km500 (L=3,951m) 운기(현)1km500~10km435 (L=8,935m) 운기(현)10km435~16km670 (L=6,235m) 주요 공정 ∙ 차량기지 ∙ 입출고선 : 2,451m ∙ 정거장 : 1개소(운정역) ∙ 환기구 : 3개소 (입출고선 환기구, 환기구#1~#2) ∙ 정거장 : 1개소(킨텍스역) ∙ 터널 : 8,755m(NATM) ∙ 환기구 : 5개소(환기구#3~#7) ∙ 정거장 : 1개소(대곡역) ∙ 터널 : 6,055m(NATM) ∙ 환기구 : 4개소(환기구#8~#11) ∙ 작업구 : 1개소 구분4공구5공구6공구 시설 규모 연장 운기(현)16km670~27km315 (L=10,645m) 운기(현)27km315~36km029 (L=8,714m) 운기(현)36km029~42km635 (L=6,606m) 주요 공정 ∙ 정거장 : 1개소(연신내역) ∙ 터널 : 10,465m(NATM) ∙ 환기구 : 6개소(환기구#12~#17) ∙ 정거장 : 1개소(서울역) ∙ 터널 : 8,534m (NATM : 4,091m, Gripper TBM 4,443m) ∙ 환기구 : 4개소(환기구#18~#21) ∙ 경사터널#1 : 1개소 ∙ 터널 : 6,606m (NATM : 4,675m, 쉴드 TBM 1,314m, 확폭터널 598m) ∙ 환기구 : 3개소(환기구#22~#24) ∙ 경사터널#2 : 1개소116 자연,터널 그리고 지하공간 프로젝트소개 3.2 터널 현황 GTX-A의 터널 굴착공법은 선형 및 시공성, 경제성, 민원, 안정성, 지반상태 등을 고려하여 대부분의 구간에서 NATM 공법을 적용하였고, 숭례문 등 중요 문화재와 다수의 운행 중인 지하철 하부를 통과하고 각종 문화행사가 빈번한 서울의 핵심 도심지 구간에 대해서는 발파굴착에 따른 위험요인을 배제하고 쾌적한 도시문화공간 보호를 위해 친환경적 터널굴 착공법인 저진동 기계화 시공공법인 Gripper TBM공법을, 한강하저의 통과구간은 지층현황, 수위조건 및 주요지장물 현황과 고수압, 시공성 및 안정성, 하저구간의 특성을 고려하여 화재시 승객의 피난대피효율 향상을 위해 병설 쉴드TBM 공법을 적용하였다. 본선터널 연장은 42.635km로 복선터널 중 NATM구간의 36.877km와 Gripper TBM구간의 4.443km이고, 단선(병렬) 터널은 쉴드TBM 구간으로 1.314km로 계획되었다(그림 2, 표 2 참조). 터널정거장도 총 5개소로 그 위치와 규모는 표 3 과 같다. <그림 2> 터널굴착 공법 및 현황 <표 2> 본선 터널 현황 구분 NATM 터널TBM 터널 본선 총연장 (운기(현)) 정거장 (터널) 환기구 (수직구/경사갱) 단선복선Gripper TBM 쉴드 TBM (단선병렬) 실시설계-36,877.7m4,443.0m1,314.4m42km635.15개소24개소/2개소Vol. 23, No. 3 117 국내사업 <표 3> 터널정거장 위치 및 규모 구분운정정거장킨텍스정거장대곡정거장연신내정거장서울역정거장 위치 시점운기(현)0km459.5운기(현)6km613.5운기(현)13km518.5운기(현)23km417.5운기(현)32km835.1 종점운기(현)0km640.5운기(현)6km794.5운기(현)13km699.5운기(현)23km598.5운기(현)33km016.1 연장181.0m181.0m181.0m181.0m181.0m 터널폭25.7m25.7m25.7m25.7m30.7m 승강장폭6.9m6.9m6.9m6.9m9.5m 3.3 터널단면 NATM터널 표준단면은 복선터널로 관련기준 및 삼성~동탄 적용 표준단면 기준과 인터페이스를 반영하여 보조도상은 100mm, 공동구는 400×400, 배수구는 편측으로 2개소, 대피로는 800mm×2,100mm를 확보하여 철도 운영과 유지관 리 효율성, 미기압파, 방재, 관련기관 인터페이스, 자문 등을 통해 각 굴착공법별로 표준단면을 선정하였다(표 4, 그림 3 참조). <표 4> 표준단면의 적용기준 구분설계 기준 인터페이스 반영 실시설계 적용기준 관련 기준 ① 궤간1,435mm1,435mm철도건설규칙 ② 궤도중심간격(TC)4,300mm 이상4,300~4,400mm철도의 건설기준에 관한 규정 ③ 도상궤도(F.L~R.L)472mm472mm철도표준도, 인터페이스 협의 ④ 보조도상 두께150mm100mm터널 단면 및 배수체계 개선(안) 알림(2017) ⑤ 직선구간 건축한계3,600mm×5,300mm3,600mm×5,300mm철도건설규칙 ⑥ 곡선구간 건축한계 캔트최대 180mm최대 180mm철도의 건설기준에 관한 규정 슬랙미적용미적용철도의 건설기준에 관한 규정 곡선확대량최대 40mm최대 83mm철도의 건설기준에 관한 규정 ⑦ 공동구(W×H)400mm × 200mm400mm × 200mm공동관로 표준횡단면도 ⑧ 배수구중앙부 1개소편측 2개소터널 단면 및 배수체계 개선(안) 알림(2017) ⑨ 대피로(W×H)700mm 이상×2,100mm800mm×2,100mm철도시설의 기술기준 ⑩ 전차선 절연이격거리 550mm 550mm철도설계지침 및 편람 ⑪ 천단높이(F.L~천단)- 7,660mm 이상 (7,720mm 이상) -Next >