< Previous8 자연,터널 그리고 지하공간 도심지 지하에 대규모 환경기초 복합플랜트를 건설하고 운영하기 위한 지하복합플랜트 연구단 소개 <그림 2> 지역 혐오시설의 랜드마크화 사례(하남, 용인) 폐기물 기반의 환경기초시설과 에너지 생산시설의 복합플랜트를 지하화할 경우, 제한된 도심지 지하공간을 효과적으 로 사용하고 안정성을 확보할 수 있는 시공기술, 플랜트 최적 배치 및 구조물 안전성 평가 등의 관련 인프라 기술 개발이 필요한 상황이다. 그러나 국내에서는 도심지 내의 지하 대공간 활용을 위한 설계, 시공 및 유지관리 등 전반적인 기술개 발에 대한 요구와 대응책 마련이 미흡한 실정이다. 따라서 성공적인 지하 복합플랜트 건설을 위해서는 지하공간에 플랜 트를 고집적으로 배치하기 위한 지하 대공간 건설 핵심 기술 확보가 필요하며, 복합플랜트 지하 최적배치 설계, 시공법, 복합플랜트 지하공간 상부 지지하중 최적 분배 기술이 필요하다. 지하 복합플랜트 구조물이 완공된 이후, 유지관리 측면에서 구조물의 안전성을 확보하기 위해서 물리탐사기법을 적용 할 수 있지만, 기존의 탄성파 탐사기법은 좁은 범위에 대한 정밀도가 낮아 벽체 주면부에 발생한 미세한 공동부 검측에 한계가 있다. 또한 전자기파를 이용한 탐사는 지보재, 앵커 및 철근과 같은 금속의 영향으로 강한 신호가 측정되어 벽체 주면부와 인접한 지반에 대한 조사가 어려우며, 벽체 주면부 지반의 공동에 지하수가 유입하여 유전율이 과도하게 클 경 우 전자기파가 투과하지 못하여 가탐범위가 급격하게 저하될 수 있다. 또한, 지하 복합플랜트 구조물의 주변지반의 침하 문제, 수평하중(지진 등), 급작스러운 수위 변화, 장시간 경과된 지하 콘크리트 벽체의 부식 등으로 인해 손상이 발생할 경우, 플랜트 운영 및 계획에 차질이 예상되므로 구조물에 대한 급속한 보수보강 기술과 지하 복합플랜트 구조물 손상을 최소화 할 수 있는 유지관리 기술이 필요하다.Vol. 23, No. 3 9 <그림 3> 지반침하 발생 사례 3. 주요 연구 내용 <그림 4> 도심지 지하복합플랜트 연구단 연구 개요10 자연,터널 그리고 지하공간 도심지 지하에 대규모 환경기초 복합플랜트를 건설하고 운영하기 위한 지하복합플랜트 연구단 소개 3.1 핵심기술 1: 복합플랜트 지하 시공 가능 공간 확보(배치) 기술 개발 핵심기술 1에서는 복합플랜트의 지하 공간 활용도를 극대화하기 위하여 신개념 설계기법(벽식/돔식 등)을 개발하여 기둥과 벽배치 구성안을 수립하고, 하중지지 파이프랙 모듈 배치 및 하중 설계 지침 도출한다. 복합플랜트가 위치한 지 하공간 상부의 지지하중 분배 Space program을 개발하여 지상의 활용도를 극대화하고, 파일럿 테스트를 통해 실증적용 타당성을 검증한다. 개발된 Space program를 이용하여 파일럿의 엔지니어링 실시설계를 진행하고, 시공현장의 애로사 항 피드백을 통한 설계 및 시공 매뉴얼(안)을 구축함으로써, 향후 개발기술의 활용성 극대화를 유도한다. 동시에 지표면 활용에 있어서도 친환경적인 계획 아이템을 제안하여 혐오시설에 대한 인식전환을 꾀할 수 있다. <그림 5> 핵심기술 1 연구내용 3.2 핵심기술 2 : 구조물/벽체 건전도 평가 및 유지관리 기술 개발 핵심기술 2는 플랜트 벽체 및 주면부 지반 특성에 따른 상호거동 분석기법을 정립하고 벽체를 통해 전파되는 탄성파 등을 이용한 주면부 지반상태 평가기법을 개발한다. 기존 탐사장비에 비해 동시다발적으로 여러 지점을 측정할 수 있어 효율적이며, 매우 경제적인 탄성파를 이용한 소형화 및 경량화된 센서와 측정시스템을 개발한다. 플랜트 지하공간 시공 Vol. 23, No. 3 11 이전에도 지질조사를 수행하여 적합한 부지를 선정하고, 시공 이후 플랜트 운영 중 벽체 및 주면부 평가의 비교 자료로 활용할 수 있다. 유지관리 측면에서 개발 시스템을 이용하여 피해지점을 실시간 감지할 수 있으며 플랜트 운영 중에도 지속적으로 모니터링할 수 있다. <그림 6> 핵심기술 2 연구내용 3.3 핵심기술 3: 복합플랜트의 지하 공간 주변지반 및 피해지점 급속 보강과 유지관리 최적화 기술 개발 고도의 기술 및 시설이 집약된 복합플랜트가 설치된 지하 대공간의 구조물은 예기치 못한 외부의 충격(토압, 수압, 지 진, 노후화) 등이 발생하여도 지속적이고 효과적인 유지관리를 통해서 안전하게 시설물을 보호하여야 한다. 또한, 복합 플랜트 지하공간 구조물에 발생되는 균열 및 하자 등의 형태와 양상은 지층의 상태, 지하수의 분포 등에 따라 다양하게 나타나며, 구조물 배면의 침하 등도 지층의 상태 및 변위의 양상에 따라 다양하게 나타나므로, 그 특성을 고려한 보수보 강 기술 확보가 필요하다. 이를 위해 핵심기술 3에서는 복합플랜트가 위치한 지하공간 구조물/벽체 건전도 평가 기술을 기본으로 구조물/벽체 의 손상 및 피해지점을 확인하고 급속보강을 통한 시설물의 정상적인 운영방안을 개발한 다음, 상황별 특성을 고려한 지 하공간 보강 관련 가이드라인을 제시하여 현장적용이 가능한 유지관리 최적화 기술 개발을 목표로 한다.12 자연,터널 그리고 지하공간 도심지 지하에 대규모 환경기초 복합플랜트를 건설하고 운영하기 위한 지하복합플랜트 연구단 소개 <그림 7> 핵심기술 3 연구내용 3.4 핵심기술 4: 복합플랜트 시설의 증설(확장)을 고려한 격자형 지하공간 설계 기술 개발 지하공간은 암반의 열전도율이 낮고 온도 및 습도조절이 지상시설물에 비하여 용이한 장점이 있으며 생활환경 불편, 미관 저해, 안전과 건강에 대한 우려 등으로 인해 환경기초시설 및 에너지 생산시설 등의 기피시설을 지하화하여 지하공 간의 효율적 활용을 통한 사회 갈등해소의 움직임이 지속적으로 나타나고 있다. 핵심기술 4에서는 지하공간 개발 기술과 <그림 8> 핵심기술 4 연구내용Vol. 23, No. 3 13 관련하여 운용 중에도 확장이 가능하며 기존의 대규모 터파기 굴착과 인공적인 철근보강 콘크리트 구조물의 시공을 최 소화 할 수 있는 격자형 지하공간, 즉 자연암반을 구조체로 사용하는 주방식 공법을 환경기초 복합플랜트 지하공간 활용 기술에 적용하는 것을 목표로 종합적이고 체계적인 설계기술을 검토하고 있다. 이를 위해, 격자형 지하공간 설계 공법 구축, 격자형 지하공간을 위한 고성능 합성지보재 성능 평가, 격자형 지하공간 동시 버력처리 기술 등 구체적인 세부기 술에 대해 연구하고 있다. 4. 맺음말 본 연구단에서는 도시 발생폐기물 3종 이상(하수슬러지, 음식물류폐기물, 생활계폐기물 등)을 대상으로 에너지 생산 극대화를 위한 Compact 복합플랜트 개발하고자 한다. 최종적인 목표는 공간 집적율(사용공간 감소율) 30% 이상, 혐기 소화효율(VS감량율) 70% 이상, 유효에너지 회수율((생산에너지-소비에너지)/잠재에너지) 70% 이상이며, 지하공간 구 성측면에서 플랜트 규모는 40 m×40 m, 깊이 10 m이고 공간의 배치를 사각과 원형으로 고려하여 지하공간 설계가 이루 어질 예정이다. <그림 9> 도심지 지하복합플랜트 공간 구성14 자연,터널 그리고 지하공간 도심지 지하에 대규모 환경기초 복합플랜트를 건설하고 운영하기 위한 지하복합플랜트 연구단 소개 (a) 사각 배치(안)(b) 원형 배치(안) <그림 9> 도심지 지하복합플랜트 공간 구성(계속) [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 23, No. 3 15 기술기사 1 1. 들어가는 글 도시지역은 지속적인 인구 및 교통량 증가로 교통 혼잡문제로 출퇴근시간을 포함하여 하루 종일 정체가 발생하고 있 다. 이로 인해 교통혼잡비용이 지속적인 증가로 경제적인 손실 및 대기오염물질 배출량 중 도로이동 오염원의 비율이 지 속적으로 높아지고 있다. 전 세계 적으로 지상도로를 대체하는 지하 도로를 건설 또는 운영 하여 교통문제 및 환경 문제 를 해결 하려 노력 중이다. 하지만 도시지역은 지하철, 상· 하수도 등 다양한 용도로 지하공간을 활용하고 있으며, 지상 에는 인구가 밀집한 주거지역들이 많아 효율적인 공간 활용 및 상부공간의 피해를 최소화 하는 기술이 필요하다. 한국건 설기술연구원에서는 2014년부터 하나의 터널을 두 개 이상의 층으로 나누어 활용하는 복층터널 연구를 연구단의 주관기 관으로 연구를 수행하였고, 연천 SCO실증연구센터에 실규모 복층터널을 구축하여 실증을 완료하였다. 본글에서는 도시 지역 지하 공간을 효율적으로 활용할 수 있는 복층터널의 장점과 기술 현황에 대해 기술하고자 한다. 2.복층터널 기술을 활용한 효율적인 지하공간 활용 2.1 도시지역 지하공간의 효율적 활용 사례 서울시내에만 지하철과 상· 하수도 시설 등 약 2만km에 달하는 지하시설물이 존재하며, 최대 약 80m까지 거미줄처 럼 복잡하게 구성되어 있다. 기존 지하 인프라에 미치는 영향을 최소화 하기 위해서는 대심도 공간을 활용하면서 터널 도시지역 지하 교통인프라의 효율적 구축 방안 황성필 한국건설기술연구원 수석연구원16 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 도시지역 지하 교통인프라의 효율적 구축 방안 내부의 유휴공간을 최소화 시켜야 한다. 미국, 프랑스, 터키, 말레이시아 등 일부 국가에서는 복층터널 형태의 지하도로 를 구축하여 지하공간을 효율적으로 활용하여 지상의 교통분산 및 환경문제를 개선하고 있다. (a) 미국 SR99(b) 중국 Sanyang Road Tunnel <그림 1> 서울시 지하시설물 현황 (지하공간 종합기본계획, 서울시(2006)) (c) 말레이시아 SMART터널 <그림 2> 복층터널 활용 사례 2.2 도시지역 상부 구조물 등 영향 최소화 기술 도시지역 지하도로는 터널과 같이 상· 하행 차선이 구분된 병렬형식으로 구축되는 것이 일반적일다. 하지만 도시지역 지하도로에 복층터널을 적용하면 병렬터널과 비교하면, 유리한 부분들이 있다. 최근 GTX 등을 중심으로 도시지역 교통 인프라 구축으로 큰 이슈가 되었던 안전 문제의 경우 병렬터널 대비 복층터널 형식이 지상에 미치는 영향을 줄여 줄 수 있다. 지하 인프라 굴착으로 인해 발생되는 지상부의 영향범위가 줄어들어 지반침하 등 안전문제의 발생을 줄일 수 있다. 향후 다수 지하 인프라가 구축되는 경우 지하도로는 서로 연결되기 위해 복잡한 분합· 류 구조를 가지게 되는 경우, 병렬 터널과 비교하여 복층터널이 연결부 구성을 단순화 할 수 있는 점도 장점이라 할 수 있다. 이러한 다양한 장점을 가지는 <그림 3> 굴착영향 범위 비교(서부간선도로 지하화 사례)Vol. 23, No. 3 17 복층터널의 시공을 위해 ‘대심도 복층터널 설계 및 시공 기술 개발’ 연구단에서는 다양한 기술들을 개발하였고, 기술의 검증을 위해 연천 SOC통합센터에 실규모의 복층터널 구조체 제작을 통해 검증하였다. 2.3 도시지역에 공사에 필요한 급속 시공 기술 도시지역의 경우 공사에 따른 교통정체 등 밀집된 공간에서의 주민 피해가 크게 발생할 수 있다. 복층터널 연구단에서 는 이러한 문제의 해결을 위해 공기를 단축시킬 수 있는 기술의 개발을 수행하였다. 일반적인 터널 공사와 비교하여 복 층터널에서 가장 많은 공사기간이 소용되는 부분은 슬래브를 구축하는 부분일 것이다. 해외 사례를 보면, 복층터널에서 차량이 통행하는 등 가장 중요한 슬래브 구조물은 현장타설공법을 이용하여 시공에 오랜 시간을 필요로 하였다. 하지만 프리캐스트 공법으로 슬래브를 제작 후 가설장비로 거치를 하는 경우 하루 60m 이상의 시공이 가능하다. 이는 2020년 4 월 14일 연천 SOC통합센터 내 복층터널 Testbed 구조체 시험시공에서 슬래브 1개의 시공에 약 12분이 소요되는 것으로 검증하였다. 국내 수직구 시공은 대부분 현장타설 공법으로 시공되고 있으며, 1개층(약 3m) 시공에 10~20일 가량 소요되고 있다. 연구단에서는 하루 4m시공이 가능한 수직구 기술을 개발하였다. 특히 히팅슬립폼 기술을 적용하여 겨울철의 공사에도 시공 품질의 영향이 없는 장점을 가지고 있다. 필요한 심도까지 굴착 후 하루 4m를 수직으로 상승하며 시공하고, 계단 등 부수적인 구조물을 조립하여 수직구를 시공시간을 획기적으로 단축할 수 있다. 1. 적재장비에 거치2. 이동 및 거치장비 진입3. 이동 및 거치장비 적재 4. 가설위치로 이동5. 슬래브 거치 위치로 상승6. 회전 후 제위치 거치 <그림 4> 중간슬래브 가설 장비 및 가설 순서Next >