< Previous28 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 남대천 저토피 구간 및 강릉역 하부 통과 쉴드TBM 터널설계 사례 본 기사에서는 강릉 도심과 남대천을 저토피로 통과하는 쉴드TBM터널과 강릉역사의 말뚝기초 하부를 근접 통과하는 2Arch터널 설계시 검토한 사항들에 대하여 기술하였으며, 이와 유사한 도심지 철도터널 설계시 이를 참고함으로써 보다 우수한 품질의 터널을 최소의 리스크로 건설할 수 있도록 도움이 되었으면 하는 바람이다. 이 기사의 내용은 기본설계에 해당되며 현재 진행 중인 실시설계에서 일부 변경될 여지가 있음을 밝혀두는 바이다. 참고문헌 1. 국토교통부(2018), “터널설계기준”. 2. ITA-AITES(2019), “Guidelines for the Design of Segmental Tunnel Linings”. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 24, No. 1 29 기술기사 3 1. 머리말 Slurry 쉴드TBM과 EPB 쉴드TBM은 챔버에 Slurry 또는 굴착토사를 채워 막장을 지지하는 밀폐형 TBM이다. 개방형 TBM과는 달리 막장 진입이 용이치 않아 막장 상태를 확인할 수 없는 단점이 있다. 따라서, 밀폐형 쉴드TBM 굴진시에는 굴진 중 측정되는 굴진 데이터를 이용하여 막장면 상태를 추측해야만 한다. 시공 중 막장면 상태를 추정하기 위해 주로 분석하는 굴진 데이터 항목은 막장지지 압력, 굴착토량, 추력, 토크이며, 이와 계측된 침하값과의 연관성을 분석하는게 일반적이다. 본 기사에서는 Slurry 쉴드TBM 중 이중 챔버 방식의 Slurry 쉴드TBM 굴진 시 막장 거동에 따른 굴진 데이터의 경향 을 다루고자 한다. 2. 막장지지 압력 Slurry TBM은 단일 챔버 방식과 이중 챔버 방식으로 구분할 수 있다. 이중 챔버 방식은 아래 그림 1과 같이 굴착 챔 버(Excavation chamber)와 작업 챔버(Working chamber)로 2개의 챔버를 갖는다. 단일 챔버 방식 쉴드TBM이 챔버 내 부로의 Slurry 유입-유출 유량 조정을 통해 막장지지 압력이 제어되는 반면, 이중 챔버 방식은 작업 챔버의 Slurry level을 통해 막장압 제어가 이루어진다(그림 2). Slurry TBM의 굴진 데이터를 이용한 막장 거동의 추측 오주영 삼성물산(주) 책임30 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 Slurry TBM의 굴진 데이터를 이용한 막장 거동의 추측 <그림 1> 이중 챔버 방식 Slurry TBM의 주요 구성 및 압력구성(Mooney, 2016) Excavation chamber Working chamber dP=dh*g dh dP=dh*g dh (a) 평수위(b) 고수위(c) 저수위 <그림 2> 작업 챔버 Slurry 수위에 따른 막장압과 막장지지 압력 분포(Guglielmetti, 2008) TBM 굴진 전 작업 챔버의 공기압 조절을 통해 Slurry 수위가 챔버 중심에 위치하게 한다. 이 상태가 유지되는 경우, 막장압과 막장지지 압력이 평형상태에 있다고 판단할 수 있다. 작업 챔버의 Slurry 수위가 챔버 중심보다 상승하여 고수 위가 되는 경우, 막장압이 굴진 전 설정한 막장지지 압력보다 큰 상태를 의미한다. 과굴착을 의심할 수 있는 정황으로 굴 착토량의 증가 여부를 확인하여야 하며, 굴착토량이 증가한 경우 공기압을 상승시켜 Slurry 수위를 원위치로 회복시켜 야 한다. 굴착토량의 증가가 없는 경우, Slurry 수위 상승으로 막장지지 압력이 보충된 것으로 판단할 수 있다. 작업 챔 버의 Slurry 수위가 저하되는 경우, 설정한 막장지지 압력이 막장압보다 큰 상태를 의미한다. 이 경우 Slurry가 막장으 로 유실될 수 있는 상황으로 Slurry 유실정도를 파악하여야 한다. Slurry 유실이 큰 경우, 공기압을 낮추어 Slurry 수위 를 원위치로 회복시키거나, 상황에 따라서는 Slurry 품질을 조정하여 침투 길이를 줄여줄 필요가 있다. Vol. 24, No. 1 31 3. 굴착토량 Slurry 쉴드TBM의 굴착토량은 유량계와 밀도계를 통해 측정된다. 그림 3과 같이 TBM 추진에 따른 굴착량(Slurry 배출 유량과 유입유량의 차이)와 건사량(유입/배출되는 Slurry 건조 토량의 차)를 산정하여 관리한다. 경우에 따라서는 건사량 을 별도로 산정하지 않고 유입/배출 Slurry의 밀도 관리로 대체하여 Slurry 내 건조 토량 변화를 추정하는 경우도 있다. <그림 3> Slurry TBM의 굴착토량 측정방식(김재영, 2016) 굴착토량을 통한 막장 상황 추정시에 유념할 사항으로 굴착량 분석만을 통한 추정은 지양하고, 건사량(Slurry 밀도 변화) 분석을 병행해야 한다는 것이다. 그림 4에서 볼 수 있는 바와 같이 막장 붕괴시 붕괴부에 Slurry가 유입되는 경우, 해당 붕괴부가 Slurry로 치환되게 된다. 이때 배출되는 Slurry 밀도의 증가로 인해 건사량이 증가하게 되는 반면, 굴착 량의 증가는 나타나지 않기 때문에 막장 상황을 파악할 수 없게 된다. 따라서, 굴착량과 건사량(Slurry 밀도)는 병행관 리하여야 하며, 상황에 따라서 표 1과 같이 막장 상황을 추측해 볼 수 있다. Slurry inflow Slurry outflow 막장 붕괴부의 치환 막장 전방 지반의 챔버 유입 Slurry flow <그림 4> Slurry에 의한 막장 붕괴부 치환 개념도32 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 Slurry TBM의 굴진 데이터를 이용한 막장 거동의 추측 <표 1> 굴착토량을 이용한 굴진상황 판단 예시 굴착토량 상황판단원인대책 Q> Q3, V > V3토량이 적정수준-- Q< Q3, V < V3과다 굴착막장지지 압력 부족공기압 증가 Q> Q3, V < V3과다굴착 가능성막장지지 압력 부족공기압 증가 Q>> Q3, V < V3 막장압 유지 불가 Slurry 유실 + 과다굴착 Slurry 유실에 따른 막장지지 압력 부족 Slurry 품질 개선 Q>> Q3, V >> V3굴착토량의 부족 챔버 내부 폐색 배출 라인 폐색 폐색부 조치 Slurry 품질 개선 4. 추력과 토크 밀폐형 쉴드TBM의 추력을 구성하는 주요 하중은 Cutting tool에 작용하는 Contact force FC, 쉴드 스킨플레이트에 작용하는 마찰력 FF, 막장지지 압력에 의한 하중 FS이다(그림 5). <그림 5> 밀폐형 쉴드TBM의 추력 산출 개념(Wittke, 2007) 이 중 Contact force의 변화 경향을 통해 막장 상태를 추측할 수 있다.Vol. 24, No. 1 33 암반의 경우, PI(Penetration Index)를 이용할 수 있다. 굴진 데이터로부터 산정된 PI 값이 해당 암반의 추정값(그림 6)에 비해 낮은 경우, 실제 암반 강도가 예측된 강도보다 작고, 막장 안정성도 예측한 것보다 낮다고 추측할 수 있다. (1) : 디스크 커터 당 Contact force : 커터헤드 1회전당 관입깊이 막장 상태 추정을 위해 Contact force를 이용할 수 있는 경우는 TBM이 정지상태에 있을 때이다. 세그먼트 조립 중 또 는 챔버 감압 중 추력이 감소하는 상황에 반해 Contact force가 증가하는 경우 막장이 터널 내측으로 변형되었음을 추정 할 수 있다. <그림 6> 회귀분석에 따른 추정 PI(Penetration Index)(Hassanpour, 2011) 토크는 지반의 종류에 따라 다르게 판단할 수 있다. 토사 지반의 경우, 유사 수준의 막장지지 압력에서 토크 수준 파 악을 통해 지반 변화 유무를 추측할 수 있다. 암반의 경우, 토크의 수준으로부터 커터헤드 외주부에 위치한 개구부에 암 블록 등의 끼임 여부를 추정할 수 있다. 34 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 Slurry TBM의 굴진 데이터를 이용한 막장 거동의 추측 <그림 7> 밀폐형 쉴드TBM의 토크 산출 개념(Wittke, 2007) 5. 분석 사례 <그림 8> 굴진 데이터의 변화Vol. 24, No. 1 35 (1) 구간 ①, ②, ④에서 Slurry bypass 중 커터헤드를 회전시켰으며, 특히 구간 ②, ④에서는 커터헤드 회전 중 굴착량 이 증가하고 있다. 또한, 이 때 커터헤드의 Contact force가 증가하고 있는 것으로 볼 때, Slurry bypass 중 회전으 로 인해 막장 지반이 이완되어 챔버 내부로 유입된 것으로 추정할 수 있는 상황이다. (2) 구간 ③의 경우, 막장지지 압력을 약 2bar까지 내리는 과정에서 굴착 챔버의 압력이 증가하는 것으로 볼 때 챔버 내 부로 암편 또는 지반이 챔버 내부로 유입된 것으로 보인다. (3) 커터헤드의 공회전과 챔버 압력 감압으로 인해 막장 전방부 암블록이 터널 방향으로 탈락되어 커터헤드의 개구에 끼 임으로 인해 구간 ④에서 TBM 굴진 재착수시 큰 토크를 형성한 것으로 추정된다. 참고문헌 1. 김재영, 채종길, 전기찬 (2016), “이수식 쉴드 막장안정관리(1)” 한국터널지하공간학회지 Vol.18, No.3, p.5~19. 2. Guglielmetti, V., Grasso, P., Mahtab, A., and Xu, S. (2008), “Mechanized tunnelling in urban areas - design methodology and construction control”, Taylor and Francis. 3. Hassanpour, J., Rostami, J., and Zhao, J. (2011) “A new hard rock TBM performance prediction model for project planning”, Tunnelling and Underground Space Technology, 26, p.595~603. 4. Mooney, M.A., Grasmick, J., Kenneally, B., and Fang, Y. (2016) “The role of slurry TBM parameters on ground deformation: Field results and computational modelling”, Tunnelling and Underground Space Technology, 57, p.257~264. 5. Wittke, W., Druffel, R., Erichsen, C., Gattermann, J., Kiehl, J. Schmitt, D., Tegelkamp, M., Wittke, M., Wittke-Gattermann, P. and Wittke-Schhmit, B. (2007) “Stability analysis and design for mechanized tunneling”, Grundbau und Felsbau GmbH, Aachen. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]터널 질의 답변 36 자연,터널 그리고 지하공간 ○ 현재 시공 중인 공사에 대해 간단한 설명 부탁드립니다. (시공 현장 사진 첨부) 답변 : 현재 시공 중인 공사는 고속국도 제14호선 창녕~밀양간 건설공사(총 6개공구, 연장 28.54km) 제6공구(연장 5.52km, 폭원 23.4m(4차로)) 현장(이하 “본 노선”)으로 총공사비는 2,594억 원으로 2017년 6월 착공하여 2024년 12월 개통을 목표로 45.1%의 공정률로 원활하게 공사를 진행하고 있습니다. 공사 구간은 경상남도 밀양시 부북면 용지리에서 밀양시 산와면 남기리 구간입니다. 본 노선은 전국 간선 도로망 계획 (7x9)의 동서 1축과 2축의 간격(70km)이 동서간선도로망 평균 간격(30∼40km)보다 넓어 이를 보완하는 고속도로를 구 축하여 상대적으로 낙후된 경남 북부지역 개발 촉진, 익산∼장수 고속도로와 연계하여 영호남을 연결하는 산업ㆍ관광 동맥 역할을 담당하기 위한 함양∼울산 고속도로 중 창녕∼밀양 고속도로를 건설하는데 그 목적이 있습니다. 본 노선의 연장은 5.52km이며 토공부 1,053m, 터널 2개소 3,252m(부북2터널 2,124m 산외1터널 1,128m), 구조물 2개 소 1,215m(용지교 35m, 밀양강교 1,180m)로 구성되어 있습니다. 터널구간의 비중이 59%를 차지하고 있습니다. 터널기술자 인터뷰관련 질문 박진만 금호건설(주) 수석매니저Vol. 24, No. 1 37 부북2터널은 총 연장2,124m의 장대터널로 일방향 폭원(2차로) 10.7m, 기계환기 방식이며 피난연결통로 대인용 10개소, 대형차량용 5개소로 NATM공법으로 굴착공사를 진행하여 굴착 및 방수시트 시공은 완료되었으며 현재 콘크리트 라이 닝 시공 중입니다.Next >