시 론 최항석 2 특집기사 박영곤, 김병규 6 기술기사 문경선, 김용수, 남정봉, 김홍주 12 한성남, 정갑영, 정상준, 강준호 22 오주영 29 터널 질의 답변 박진만 36 터널 신기술 소개 이강현 43 인문학 산책 김재성 48 최신 터널 뉴스 도종남 56 프로젝트 소개 김기환 60 국제소식 서상연 66 정혁상 68 논문 소개 나유성 69 72 73 76 신간소개 곽창원 80 학회소식 및 국내외 회원동정 학회 사무국 82 편집후기 고성일 94 한국터널지하공간학회 임원명단 고 문 : 정형식, 홍성완,이인모,배규진, 김승렬,이상덕, 김상환, 신종호, 유한규 회 장 : 이석원 감 사 : 전덕찬, 구웅회 부회장 : 김동규, 김영근,류지오,박치면, 최항석,권택규, 김낙영, 손병두 전담이사 : 김범주, 문훈기,박준경,사공명, 손무락,신영완, 신휴성, 이성원,장수호,정종원, 조계춘,최창림 특임이사 : 문준식, 유용호, 이 호 일반위원회 위원장 : 고성일, 곽창원, 손영진, 송기일, 이재국, 전기찬 이 사 : 김경열, 김기림,김기석,김돈희, 김동현,김병민, 김석기, 김선홍,김시격,김영신, 김영준,김정구, 김정한, 김제경,김택곤,김형건, 김형목,김홍문, 김효규, 문철화,박봉기,박윤규, 박의섭,박종식, 박종호, 박한철,반호기,배상호, 서경원,손 빈, 송 훈,신태균,안성율, 양태선,오세준,우상백, 우종태, 유재성,윤지남,이강현, 이득복,이선복, 이승원, 이용주,이철주,이형규, 임형덕,장석부, 장일호, 장현익,정경식,정경한, 정용복,정일택, 정찬규, 정혁상,조 현, 조형제,주광수,차경렬, 채휘영, 최덕찬,최명식,최영근, 최재희,최충락, 추석연, 한신인,현기창,황영철, 황철비 학회지 편집위원회 위원장 : 김범주 간 사 : 고성일, 반호기,이강현,전기찬, 정혁상 위 원 : 고태영, 곽창원,김기환,김영준, 나유성,도종남, 문경선, 문준배,문준식,박정준, 박종식,변요셉, 서상연, 송기일,양정훈,오주영, 윤지남,최순욱, 최창림 발행처 : 사단법인 한국터널지하공간학회 06720 서울시 서초구 효령로 304 14층 11호(국제전자센터) 전 화 : 02-3465-3663 전 송 : 02-3465-3666 E-mail : ktastaff@hanmail.net Home Page : www.tunnel.or.kr 편집 및 발행인 : 이석원 인쇄인 : (주)에이퍼브(02-2274-3666) 인 쇄 : 2022.3.18. 발 행 : 2022.3.21. 분기별 / 비매품 Vol. 24. No. 1 2022년 3월시론 시론 2 자연,터널 그리고 지하공간 TBM 시대를 맞이하며... 최항석 한국터널지하공간학회 부회장 고려대학교 교수 소위 ‘박수칠 때 떠나라’는 표현이 있습니다. 이 말은 말 그대로 모두에게 환영받고 찬사받을 때 알아서 그 자리에서 물러나라는 뜻이지요. 이석원회장님을 모시고 출범한 14대 터널지하공간학회 임원진이 벌써 2 년의 여정을 끝내고 귀항하여 박수를 받으면 떠날 채비를 하는 순간이 왔습니다. 14대에 이룩한 중요한 업 적 중에 하나인 [TBM 터널 이론과 실무]의 출간을 즈음하여 14대의 문을 닫는 마지막 학회지의 시론을 TBM 터널의 단상으로 써보려 합니다. 터널인이라면 모두가 잘 알고 있듯이, 1818년 영국 템즈(Thames)강 하부를 통과하는 터널을 굴착하기 위해서 프랑스 출신 엔지니어인 Marc Isambard Brunel은 최초의 쉴드터널 개념을 도입하였습니다. 그는 배좀벌레조개가 목재 선박 표면을 파먹는 과정을 관찰하여 생체모방기술을 통해 TBM 기술에 대한 영감을 얻었으며, 자립성이 부족한 터널 막장의 붕괴 위험성을 감소시키기 위하여 지반을 직사각형 형태의 쉴드로 지지하는 공법에 대하여 특허를 획득하였습니다. 이러한 Brunel이 발명한 공법은 오늘날 쉴드 TBM의 원 형이 되었습니다. Brunel이 고안한 쉴드터널 굴착공법은 총 중량 90톤, 총 단면적 80m2의 쉴드를 스크류 잭을 이용하여 벽돌 터널 라이닝으로부터 반력을 얻어 굴진 방향으로 추진하도록 설계되었고, 터널 내부 작업을 위하여 증기 엔진으로 동력을 공급하고 36명의 광부가 굴착 작업에 투입되었습니다. 하지만, 이러 한 혁신적인 터널공법이 처음부터 성공한 것은 아니고 템즈강을 횡단하는 하저터널을 공사하는 데 있어 여 러 번의 실패를 거듭하였습니다. 1825년 쉴드 공법을 이용한 터널 굴착이 착공되었으나, 1827년에는 1차 Vol. 24, No. 1 3 침수사고가, 1828년에는 2차 침수사고를 겪으며 7년간 공사 중단이 되었습니다. 이후 1834년에 공사가 재개 된 이후에도 추가 침수사고가 발생하는 등의 우여곡절 끝에 1840년 11월에 드디어 하저 터널이 완공되었습 니다. Brunel의 발명 이후, 19세기와 20세기 사이에 TBM 기술은 계속 발전하여 철도, 도로 등의 많은 터널 공사에 적용되었습니다. 예를 들어, 1869년 템즈강 횡단 지하철 터널인 Tower Subway 건설에는 Greathead 가 고안한 원형 쉴드와 Balow가 고안한 최초의 주철제 세그멘트가 라이닝으로 사용되었고 1882년 영국과 프랑스를 잇는 해저 철도터널인 Channel 터널은 영불해협에서 가장 좁은 부분인 도버해협에 건설되어 총 50.45km 중 38km의 해저터널 구간을 싱글쉴드 TBM 공법으로 시공되었습니다. 이후 20세기에는 일본을 중심으로 다양한 TBM 공법들이 개발되었고 특히 일본국철은 1920년에 처음으로 쉴드 TBM 공법을 도입하 여 사용하기 시작하였는데, 1968년도에는 슬러리를 이용하여 굴착토를 배토하는 이수식 쉴드공법을 개발 하였으며, 1974년에는 굴착토로 막장압을 지지하는 토압식 쉴드공법을 개발하였습니다. 현재에는 도로, 철 도, 지하철, 전력구, 통신구, 상하수도 터널 등 다양한 터널공사에 TBM 공법이 널리 적용되고 있습니다. 2세기에 걸친 짧고도 긴 TBM 기술 발전의 여정은 세계 각국의 터널 공학자들에게는 단순히 지나간 역사 책 속의 한 단락이 아닌 현재에도 활발히 쓰여지고 있는 현재진행형인 교과서라고 할 수 있습니다. 기존의 TBM 설계 개념을 바탕으로 하루가 다르게 새로운 TBM 기술들이 소개되고 있으며, 기존의 고정관념을 벗 어난 다양한 규모와 형상의 TBM 장비들이 등장하고 있습니다. 이처럼 다양한 종류의 TBM 기술이 터널 시 공의 주류로 자리 잡은 현재에도 TBM 장비가 tailor made식 설계 및 제작되는 가장 큰 이유는 하나의 TBM이 여러 현장에 반복· 교차 적용될 수 없다는 TBM 공법의 독특한 특성에 기인합니다. 즉, TBM은 투 입되는 현장의 지질학적 특성, 수리적 특성, 지상부지 여부, 공사비 등 다양한 조건에 맞추어 주문 제작되 어 현장에 적용되어야 합니다. 즉, TBM의 설계를 우리 생활에 비유하자면 TBM은 기성복이 아닌 개인의 신체 조건을 고려해야 하는 맞춤 정장이라고 할 수 있습니다. 전 세계 터널시장에서는 TBM 공법이 발파 및 굴착(drilling and blasting)에 의한 재래식 터널공법 (NATM 공법)에 비해 많은 장점을 가지고 있다는 점에서 터널을 시공을 위한 대표 공법으로 이미 자리 잡 았습니다. 그러나, TBM 공법의 장점에도 불구하고 국내에서는 1985년에야 처음으로 TBM이 터널 시공에 도입되었으며, 비록 최근에는 괄목할 만한 TBM 관련 기술의 발전과 전문가들이 증가하였지만, 아직 독일, 미국, 일본 등 TBM 선진 국가에 비해 TBM 기술 수준과 기술자의 공급은 여전히 저조한 상황입니다. 특히, 한국의 눈부신 산업기술 수준을 고려할 때 국내 TBM 관련 기술은 국외 기술 수준의 약 60~70% 수준으로 낮게 평가되고 있습니다. 국내에서 TBM 기술이 발전하지 못하는 이유는 TBM 장비 조달과 핵심기술의 대 부분을 외국에 의존하고 있다는 점과 이로 인한 터널 공사비 상승과 더불어 역설적으로 NATM 기술이 세계 최고 수준이기 때문이라는 시각이 있습니다. 예를 들어, 2021년 12월 1일에 개통된 보령과 태안을 잇는 보 령해저터널은 연장 6.927km로 세계 5위에 해당하는 해저터널로 고수압 및 단층대의 매우 불리한 시공조 건을 감안할 때, 국내 기술진 이외에는 누구도 NATM공법으로 이렇게 공사를 성공적으로 마무리 하리라는 생각조차 못했을 것입니다. 4 자연,터널 그리고 지하공간 혹자는 NATM과 TBM 기술을 각각 청동기시대와 철기시대 기술로 비교하여 평가하기도 합니다. 아무리 청동기 검이 날카롭고 단단해도 철제 칼에 질 수 밖에 없는 것은 역사적 흐름이라는 견지에서 일맥상통합 니다. 안전하고 친환경적인 사회를 추구하고, 메가 터널(대단면, 초장대, 대심도)의 수요가 증가하고 있는 오늘날, 전 세계적으로 TBM의 적용은 이미 선택이 아닌 필수사항이 되었고 우리도 이러한 TBM시대 도래 에 대한 적극적인 대응책이 필요합니다. 이러한 움직임의 좋은 예로서 서울시 도시기반시설본부에서 발주 하고 한국터널지하공간학회에서 2018년 6월부터 2020년 6월까지 약 2년간 수행한 [쉴드 TBM 활성화를 위한 경제성 확보방안] 연구를 들 수 있습니다. 이 연구를 통하여 도심지 터널공사에서 쉴드 TBM 적용을 활성화하기 위해 쉴드 TBM 장비 및 부품, 세그먼트 라이닝, TBM 공사비 산출의 3가지 분야에 대해 해결 책을 다음과 같이 제시하였습니다. (1) 쉴드 TBM 장비 및 부품 분야 - 재제작 쉴드TBM 활용 방안 - 합리적인 신규 쉴드TBM 설계 및 제작 방안(장비 입찰기준 정립, 옵션장치 최소화) - 분리형 디스크커터를 활용하는 방안 - 원형인 쉴드 TBM 무효공간을 활용하는 방안 (2) 세그먼트 라이닝 분야 - 내역품에 의한 세그먼트 단가 현실화 - 구간별 소요 철근보강 차등화 - 원형 세그먼트 형상의 축력을 고려한 현실적인 설계 방안 - SFRC 세그먼트를 활요한 설계방안 도출 (3) 공사비 산출기준 분야 - 쉴드 TBM 내역체계 표준화 - 쉴드 TBM 표준작업인원 편성 - 세그먼트 제작 품기준 제시 - 쉴드 TBM 장비비 기준 제시 위와 같은 기술적인 활성화 방안을 모두 반영하더라도 아직 NATM에 비해 경제적 우위를 확보하기 어렵 지만, NATM에 비해 쉴드 TBM 공법이 갖는 사회적 경제적 간접편익(비배수 시공에 따른 지하수 보존, 미 발파로 인하 소음 및 진동에 대한 민원 저감과 사고 감소, 근접시공 및 천층 정거장 건설에 따른 이용객의 시간 편익)을 종합적으로 고려할 때 가까운 미래에 국내 쉴드 TBM 시장이 급속하게 확대될 것으로 예상할 수 있습니다. 또한 쉴드 TBM 단면 표준화를 통한 TBM 장비 재활용 증대나 터널공사 공구 연장을 통한 쉴 드 TBM 장점 극대화 등과 같은 정책적인 방안에도 관심을 기울일 필요가 있습니다.Vol. 24, No. 1 5 도심지 내 지상구조물의 포화, 환경 보호, 땅값 상승 등으로 인해 터널를 비롯한 지하공간 개발은 불가 피하며, 따라서 TBM의 수요는 미래에 더욱 증가할 것입니다. 전 세계 TBM 장비의 시장규모가 매년 20% 씩 고성장 중이며 특히 해외에서의 도심지 교통터널에 TBM의 적용비율은 유럽 80%, 일본 60%, 미국 50%, 중국 50%에 달합니다. 도시의 지속 가능한 개발 및 국가 경쟁력 제고를 위해 사회 인프라 교통시설, 유틸 리티 터널, 그리고 공유 서비스 터널(CST) 등 지하시설물의 개발을 순차적으로 계획 및 시공이 요구되어 친환경적으로 터널 시공이 가능한 TBM의 미래 수요는 더욱 증대될 전망입니다. 국내의 경우, 공사 수주 실 적을 기준으로 신규 터널 건설시장 규모는 ‘18년 12,384억 원에서 연평균 약 8%의 비율로 증가하여 ’25년 에는 33,998억 원 규모로 예상됩니다. 현재 국내 터널 중 TBM의 적용비율은 1% 수준으로, 국외 주요 경쟁 국(평균 적용비율 약 52%)에 비해 매우 낮은 수준이나, TBM 공법의 안정성과 소음진동 최소화 및 비배수 터널의 특성에 따른 지하수 보존 등 사회적 편익을 고려할 때 국내 TBM의 수요가 급속히 증가될 것으로 전 망됩니다. 최근에는 TBM공법도 인공지능, 로봇, VR/AR, IoT, 빅데이터, 탐사기술 등의 첨단 미래기술에 힘입어 자동화 고속화 등 새로운 모습으로 진화되고 있습니다. 말레이시아 MMC-GAMUDA사는 TBM 굴진율, 굴진속도, 슬러리 시스템과 같은 오퍼레이터의 운전 작업을 자동화하기 위해 인공지능I기술을 이용하여 Autonomous TBM 모듈을 구성하였고 기계데이터를 모듈과 PLC로 연결하여 세계 최초로 TBM 자동운전 을 수행하고 그 공로로 ITA Tunnelling Award를 수상하였습니다. 국내에서도 국토교통부의 스마트건설 기술연구사업의 일부로 [도로구조물 원격· 자동화 시공 기술 개발] 연구에서는 머신러닝 기반 터널 기계화 시공(TBM) 자동화 기술 개발을 진행하고 있습니다. 또한, TBM의 고속 시공을 위하여 나선형 세그먼트를 개발하여 TBM 굴진과 동시에 세그먼트 라이닝 설치를 할 수 있는 연속 굴착TBM 기술 개발 등 진화하는 TBM공법의 미래 모습을 기대하면서 이상으로 TBM시대를 맞이하는 우리의 단상을 몇 자 적어 보았습니다. 한국터널지하공간학회 부회장 / 고려대학교 교수 최 항 석6 자연,터널 그리고 지하공간 BIM기반 철도 통합운영시스템 개발 현황 및 추진 방향 1. 서 론 철도인프라 BIM 연구의 최종목표는 2015년부터 2018년까지 수행된 “BIM 기반의 철도인프라 관리 표준기술개발” 과 제를 통해 확보된 원천기술을 기초로, 2020년도부터 향후 5년간 철도인프라 BIM 기반의 전 생애주기(발주· 계획-설계- 시공-운영-유지관리) 관리를 위한 통합운영시스템을 구축하고 현장 실증하는데 있다. 본 연구의 배경으로는 기술경쟁력 향상 및 체계적인 기술발전을 유도하기 위해 ‘철도 BIM 2030 로드맵(2018)’이 마련 되었고, 이를 통하여 철도인프라 분야의 설계, 시공 등 단계별 기술 개발 확보와 보급이 이루어지게 되었다. 또한 국내‧ 외 BIM 분야의 기술 생태계 변화와 발전을 고려할 때 실제 철도사업에 기반한 융합연구(4차 산업혁명관련 기술 접목) 개 발이 시급하였고, 이를 위해서 철도 시범사업을 통해 BIM 발주에서 유지관리 단계까지 BIM으로 작성된 성과품의 체계 적인 검증과 BIM 기술 개발 검증이 이루어질 예정이다. 따라서 철도인프라 BIM기반 통합운영시스템을 개발 및 구축을 위한 연구단 과제는 2020년 4월부터 국토교통과학기 술진흥원 사업으로 5년동안 수행되고 있다. 본 과제는 3가지 연구 분야 즉, 철도인프라 BIM 발주체계 확립과 철도인프라 생애주기 통합운영 시스템의 실용화를 위한 시범구축 및 운영기술 연구, 철도인프라 BIM 설계 데이터 고도화를 위한 생산·품질관리· 납품 시스템과 철도인프 라 BIM 데이터센터 구축 및 운영 기술 연구, 그리고 AR/VR 등 IT 기술을 접목한 지능형 안전 시공 및 준공 기술과 수요 처 유지관리 시스템과의 연계기술 연구로 나뉘어 시범사업 적용을 목표로 진행 중에 있다. 본 고에서는 각각의 연구 분야를 간략히 소개하고, 현재까지의 연구와 향후 계획 등을 소개하고자 한다. BIM기반 철도 통합운영시스템 개발 현황 및 추진 방향 박영곤 한국철도기술연구원 책임연구원 김병규 한국철도기술연구원 선임연구원Vol. 24, No. 1 7 2. BIM 기반 철도 통합운영시스템 2.1 시스템 구성 발주기관과 설계사, 시공사에서 활용하기 위한 철도인프라 BIM 통합관리시스템은 그림 1과 같다. 여기서 발주기관의 관리자는 프로젝트 관리를 통해 신규 프로젝트를 생성할 수 있으며, 생성된 프로젝트별로 설계사, 시공사에서 접속하여 해당 패키지를 등록하여 해당 공구를 관리한다. 발주기관에서는 모든 프로젝트에 대한 정보를 대쉬보드를 이용해 전체 모니터링이 가능할 수 있도록 사업관리코드를 이용하여 프로젝트의 연결이 될 수 있도록 하였다. 그림에서 계약자는 BIM 설계가 완료된 시점과 관계없이 발주기관의 요구 또는 단계별로 BIM 성과품을 제출할 수 있도록 하였는데, 발주기 관은 설계 진행 현황을 납품된 성과품을 통해 확인할 수 있으며 통합뷰어를 이용하여 별도의 설계 프로그램이 설치되지 않았더라도 등록된 BIM 성과품을 확인할 수 있다. <그림 1> BIM기반 통합플랫폼 구성(안) 2.2 시스템 적용 및 검증 철도인프라 BIM 통합관리시스템의 적합성을 확인하기 위하여 철도시험선‘철도종합 시험선로 건설공사’를 대상으로 다양한 공종의 BIM 설계 성과품을 활용하여 1차적으로 시범 적용하였다. 그러나 실제 철도 현장에의 적용 및 검증이 부 족하여 발주기관에서 도입하여 사용하는데 한계가 있고, 그림 1의 철도인프라 공공 데이터센터와 같이 설계사, 시공사가 발주기관의 정보를 원할히 공유하여 사용하기에는 어려운 점이 있어 이에 대한 BIM 비즈니스 모델을 추가적으로 개발하 고 활용하기 위해 추가적인 시스템 적용 및 검증이 이루어질 예정이다.Next >