< Previous8 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 고속도로 급경사 터널 갱구부 친환경 공법(ETPM) 시공사례 <표 1> 기존 터널 갱구부공법 대비 ETPM공법 차이점(계속) 구분기존 터널 갱구부 공법ETPM공법 갱구 구조물 소규모 매입형 갱문 적용 ⇒ 시공성 개선(공사기간 단축) 및 공사비 절감 (a) 초대구경 강관보강그라우팅 시공(b) 터널 굴착 및 지보 (c) 콘크리트 라이닝 설치(d) 매입형 갱문 설치 <그림 4> ETPM공법 시공순서 3. 천황산터널 시점 갱구부 ETPM공법 설계현황 본 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)은 ｢고속국도 제14호선 함양~창녕간 고속도로 제9공구｣에 계획된 천황산터널 (L=5.525km) 시점 갱구부에 적용되었다. 터널 시점 갱구부는 급한 자연경사(∠30° 이상) 지형에 의하여 터널 갱구부 형 성을 위하여 대절취 비탈면 또는 과도한 비탈면 보강공법 적용이 요구됨에 따라 과도한 환경훼손이 발생되며, 오산교 교 대가 매우 근접하여 계획됨에 따라 터널 갱구부 시공환경이 불량한 것으로 파악되었다(그림 5). 따라서, 천황산터널 시점 갱구부의 지형, 지반 및 시공여건 등을 종합적으로 고려하여 표 2와 같이 터널 갱구부의 비 탈면 절취가 거의 발생되지 않도록 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 적용계획을 수립하였다. 또한, 터널 갱구부에 고성 능 초대구경 강관보강 그라우팅(Ø216.3mm)을 터널 외주면에 보강하여 갱구부 안정성이 확보되도록 하였다.Vol. 25, No. 1 9 ∙ 천황산터널 연장 및 환기방식 : 함향방향 L=5,541m, 창녕방향 L=5,525m / 기계환기∙ 갱문형식 : 벨마우스 변형형 ∙ 피난연결통로 : 대인용29개소, 차량용4개소 및 대형차량용4개소∙ 사갱 : 2개소(#1 : L=269.0m, #2 : L=227.0m) <그림 5> 함양~창녕간 고속도로 제9공구 천황산터널 현황 <표 2> 천황산터널 시점부 친환경 터널 갱구부 형성계획(ETPM공법) 구분천황산터널 시점부 친환경 터널 갱구부 계획(ETPM공법) 설계 현황 지형 및 시공여건 ∙ 자연사면 종단경사 30° 이상의 매우 급한 터널 갱구부 지형 형성 : 대절취 비탈면 또는 대규모 절토옹벽 계획 필요로, 과도한 갱구부 환경훼손, 시공성, 안정성, 경제성 저하 및 공사기간 증대 ∙ 터널 갱구부 7.0m 전방, 오산교 교대 근접계획(교대 날개벽 및 갱문 이격거리 : 30.0cm) 설계개념 (ETPM) ∙ 터널 갱구부 비탈면 절취 최소화로, 안정성, 시공성, 경제성이 확보되는 친환경 터널 갱구부 형성 ∙ 터널 갱구부의 협속한 공간 및 자연경사에 순응되도록 매입형 갱문 적용10 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 고속도로 급경사 터널 갱구부 친환경 공법(ETPM) 시공사례 <표 3> 천황산터널 시점 갱구부(ETPM공법) 보강계획 천황산터널 시점 갱구부 지보패턴 굴착공법상하반분할 굴착 굴진장상반/하반 : 1.0m/1.0m 숏크리트고성능 강섬유, 16.0cm 강지보H-125 / (종)1.0m 보강공법 초대구경 강관보강 그라우팅 Ø216.3mm, θ=150°, L=15.0m (횡) 0.5m 4. 천황산터널 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 시공현황 2022년 05월 현재, 천황산터널 시점 갱구부는 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)의 초대구경 강관보강 그라우팅(Ø216.3 mm, L=15.0m)을 완료한 후, 본선터널을 굴착하여 관통(함양방향 관통 : STA. 0+246.0, 창녕방향 관통 : STA.0+231.0) 이 완료된 상태로 콘크리트 라이닝 타설을 위한 공동구 및 방수막 설치와 철근조립 공정이 진행중이다. 급경사 터널 갱구 부 지형조건 및 오산교 교대 설치를 위한 작업환경 개선을 위하여 공사 초기에 작업부지 성토부를 갱구부 전방에 조성하 였으며, 터널 갱구부 산림훼손이 최소화되도록 일부 터널영역에 대한 벌개제근 및 숏크리트 타설 면처리를 수행하였다. 터널 갱구부 산림훼손 최소화 <그림 6> 천황산터널 시점 ETPM 갱구부 전경(2022. 05 현재, 터널굴착완료)Vol. 25, No. 1 11 ① 터널 갱구부 작업부지 형성② 터널영역 벌개제근 및 면처리 ③ 초대구경 강관 보강④ 초대구경 강관보강 완료 ⑤ 갱구부 터널 굴착 및 공사용 갱문 설치⑥ 본선터널 굴착 <그림 7> 천황산터널 시점 ETPM 갱구부 시공순서 4.1 ETPM공법 초대구경 강관보강 그라우팅 보강효과 증대방안 적용 본 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)의 안정성 확보를 위한 지보 시스템은 터널 외측에 고성능 초대구경 강관보강 그 라우팅(Ø216.3mm, L=15.0m)을 장심도 수평보강 구조로 보강한 후, 단계적으로 터널을 굴착하면서 강지보(H-125) 및 숏크리트(ts=160mm)를 초대구경 강관에 직교되도록 설치하여 복합 지보력의 발휘가 유리하도록 하였다(그림 8).12 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 고속도로 급경사 터널 갱구부 친환경 공법(ETPM) 시공사례 <그림 8> 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)의 복합지보력 발휘 개념 따라서, 초대구경 강관천공의 직진도(ε)와 충분한 그라우팅 효과가 발현되는 것이 중요하므로, 시공중 초대구경 강관 보강 그라우팅의 품질관리방안을 수립하였다. 초대구경 강관의 허용 천공직진도(ε)는 강관연장의 2.0%로 관리하였으며, 정밀한 시공을 위하여 직천공식 천공비트와 강관 천공중 지속적인 중심축 측량을 수행하였고 강관 천공완료 후 강관 직 진도(ε=2.0%) 측량을 통하여 검증하였다(그림 9). 또한, 동시주입 그라우팅 방식과 주입재 유량· 유압 관리시스템을 적 용하였고 강관의 격공시공 및 천공후 즉시 그라우팅을 통한 충분한 그라우트 양생시간(20일 이상)을 확보하여 그라우팅 품질을 개선하였다(그림 10). (a) 직천공 비트(b) 천공중 강관 중심축 측량(c) 강관천공 후 직진도 확인측량 <그림 9> 초대구경 강관 천공 직진도(ε=2.0%) 확보방안 (a) 동시주입 및 주입재 유량· 유압 관리시스템(b) 강관 격공시공 및 천공 즉시 그라우팅 <그림 10> 초대구경 강관 그라우팅 품질확보 방안Vol. 25, No. 1 13 천황산터널 시점 갱구부에 보강된 초대구경 강관의 직진도(ε) 측량자료를 검토한 결과, 초대구경 강관(L=15.0m)오차 는 -22.5~+23.4cm로 허용기준(ε=2.0%, ±30.0cm)을 모두 만족하는 것으로 확인되었다(그림 11). (a) 함양방향(b) 창녕방향 <그림 11> 천황산터널 시점 갱구부 초대구경 강관 직진도 측량결과 5. 시공중 계측자료 분석을 통한 터널 갱구부(ETPM공법) 안정성 검토 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)이 적용된 천황산터널 시점 갱구부의 계측자료를 분석하여 터널 시공중 안정성을 검 토하였다. 함양방향 및 창녕방향 터널의 천단침하, 내공변위, 숏크리트 휨응력 및 록볼트 축력을 측정하였고 터널 천단 지표부 에 지표침하계를 설치하여 터널 굴착에 따른 지반침하를 측정한 결과, 계측관리 1차 관리기준 이하를 나타내어 ETPM 터널 갱구부 시공중 안정성이 확보되는 것으로 파악되었다(표 4). 특히, 고강성의 초대구경 강관(Ø216.3mm)보강 및 충 분한 그라우팅 양생시간 확보와 더불어 터널 갱구부 지반 굴착을 최소화함으로써 원지반 강도가 유지(지반이완 최소화) 됨에 따라, 터널 갱구부의 안정성을 확보하는데 유리한 환경이 조성된 것으로 판단된다. <표 4> 천황산터널 ETPM 시점 갱구부 최대 계측결과 구분천단침하(mm)내공변위(mm)숏크리트 휨응력(MPa)록볼트 축력(kN)지표침하(mm) 계측값 함양방향-2.02.01.522.42-2.0 창녕방향-2.03.0---2.0 허용값(1차)20.030.08.9671.0-14 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 고속도로 급경사 터널 갱구부 친환경 공법(ETPM) 시공사례 (a) 함양방향 천단침하(mm)(b) 창녕방향 천단침하(mm) (c) 함양방향 내공변위(mm)(d) 창녕방향 내공변위(mm) (e) 숏크리트 휨응력(MPa)(f) 록볼트 축력(kN) (g) 함양방향 지표침하(mm)(h) 창녕방향 지표침하(mm) <그림 12> 천황산터널 시점 갱구부 계측결과Vol. 25, No. 1 15 6. 맺음말 ｢고속국도 제14호선 함양~창녕간 고속도로 제9공구｣ 소재의 천황산터널 시점 갱구부는 터널 시점 갱구부는 급한 자 연경사 지형의 영향으로 터널 갱구부에 대절취 비탈면 또는 과도한 비탈면 보강공법 적용에 의한 과도한 환경훼손이 발 생되고 오산교 교대가 매우 근접하여 계획됨에 따라 터널 갱구부 시공환경이 불량한 것으로 파악되었다. 따라서, 터널 갱구부의 협소한 시공환경에서 환경훼손이 최소화될 수 있는 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)을 천황산 터널 시점 갱구부에 적용함으로써 안정성을 확보하는 상태에서 환경 친화적인 터널 갱구부를 형성시킬 수 있었다. 향후, 천황산터널은 본선 콘크리트 라이닝 설치 후, 터널 갱구부에 ETPM 매입형 갱문을 시공하여 완공할 예정이다. 갱문 외부 거푸집 규모를 최소화한 상태에서 본선 라이닝 강재거푸집을 최대한 활용하고 NATM구간 방수쉬트를 갱문에 연장하여 단순하게 시공함으로써 시공성이 개선되어 공사기간 단축이 예상된다. 또한, 원지반 지형이 유지되고 콘크리 트 갱문 돌출부가 최소화되는 자연 친화적인 터널 갱구부가 형성됨에 따라, 운용중 차량주행 안전성과 유지관리 편의성 및 유지관리비용 감소를 기대할 수 있을 것으로 판단된다(그림 13). (a) 공사중 전경(b) 완공 예시도 <그림 13> 천황산터널 시점 친환경 터널 갱구부(ETPM) 전경도 참고문헌 1. 문경선, 서윤식, 강시온, 김상환, 2018, 터널 갱구부 보강방법에 따른 터널 변형 및 지조재 응력특성에 관한 연구, 한국터널지하공간학회 논문집, Vol.20, Issue3 pp.625-639. 2. 신영완, 문경선, 2020, 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM) 적용사례, 대한토목학회 학회지, 제68권, 제6호, pp.48-53. 3. 문경선, 신영완, 박영만, 2018, 미니 파이프루프를 이용한 친환경 터널 갱구부 공법(ETPM)을 적용한 시공사례, 한국지반공학회 학회지, Vol.34, No.1 pp.57-71. 4. 문경선, 신영완, 최성훈, 김재영, 2021, 친환경 터널 갱구부 공법의 거동특성에 관한 연구, 한국지반환경공학회, pp.30-35. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]16 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 1. 서 론 현대(Modern)의 TBM터널은 직접적인 굴착에 관련된 토목 및 지반에 대한 설계와 시공 기술 발달은 물론 기계, 전기, 통신, 재료, 환기, 방재, 버력처리 및 운송, 지상설비 등 관련기술이 동반성장을 하면서 더욱 크고(대구경화), 길고(장대 화), 똑똑해(스마트화)지고 있다. 특히, 고수압조건의 해· 하저터널이나 환경과 민원발생의 최소화를 위한 환경보호구역 과 도심지 통과구간에 TBM적용은 더욱 가속화 될 것으로 판단된다. 대표적인 굴착도구(Excavation tools)인 디스크커터(Disc cutter)는 굴착과 동시에 필연적으로 발생되는 소모품으로 마모와 교체주기에 대한 정확한 예측이 수반되지 않으면, 공사비는 물론이고 공사기간에 막대한 영향을 주게 되므로, 디 스크커터는 주어진 현장 지질여건에 맞게 신중하게 선택되고 적용되어야 한다(Park, 2022). 또한, 해· 하저 구간에서 디스크커터 점검과 교체를 위한 CHI(Cutter Head Intervention)는 되도록 지반 및 지하수 조건이 좋은 곳에서 실행 할 수 있도록 계획하지만, 예기치 못한 곳에서 발생한 CHI는 챔버(Chamber)내 고수압 조건에서 작업자의 안전과 작업효율 에 많은 영향을 미친다. 근래의 굴착도구 관련 기술은 CHI도 대기압 상태에서 할 수 있는 구조로 되어있으며, 굴착도구 의 모니터링을 통해 더 나은 다운타임(Downtime)의 최소화가 가능 할 것으로 분석된다. 본고에서는 대구경 단면에 적용된 굴착도구(Excavation tools) 관련 기술에 대하여 아래와 같은 순서로 고찰하여 기 술하였다. 대구경 쉴드TBM 굴착도구 관련 기술 고찰 A consideration on technologies related excavation tools for large diameter shield TBM 박진수 공학박사 / (주)호반산업 김포파주고속도로 수석 한국터널지하공간학회 기계화시공 기술위원장Vol. 25, No. 1 17 - 쉴드 및 굴착도구 관련 발전 요약 - 대표적인 굴착도구인 디스크커터(Disc cutter) 일반사항 - 디스크커터 마모예측모델 고찰 - 근래에 적용된 굴착도구 관련 기술 고찰 - 결론 본고는 국내 최초 적용된 굴착관련 기술에 대하여 소개하고, 향후 설계와 시공의 참고자료로 제공하고자 한다. 2. 쉴드 및 굴착도구 관련 발전 요약 쉴드의 탄생과정은 프랑스계 영국인인 마크 이잠바드 브루넬(Marc Isambard Brunel)이 여러 개의 셀(Cell)안에서 작 업자가 독립적으로 작업 할 수 있는 쉴드를 이용한 터널링 공법의 원리를 발견하고, 그림 1과 같이 차츰 변형하고 개선하 여 영국 템스(Thames)강 하부를 통과하는 터널을 뚫는 프로젝트에 적용하였다(TBM터널 이론과 실무, 2022). 이 당시 브루넬의 쉴드를 관찰해보면, 현대의 TBM에서 중요한 핵심요소인 커터헤드와 디스크커터는 인력굴착으로 당시의 기술력으로는 굴착도구는 아쉽게도 사람의 손을 이용한 수동도구였던 것으로 분석되며, 단지 작업자의 안전을 위해 지반의 하중을 쉴드가 받아주는 역할이 가장 큰 특징으로 판단된다. <그림 1> 템즈강 아래를 지나는 브루넬의 쉴드(Maidl, 2000) 쉴드는 터널의 내부 둘레면을 따라 생기는 공간을 쉴드에 의해서 유지되는 동안, 터널 굴진면을 안정화 시키는 방법으 로, 지질 및 지하수 상태를 고려하여 그림 2와 같이 크게 5가지 굴진면 지지방식으로 발전하였다(Maidl et al., 2000).Next >