< Previous기술강좌 시리즈: 도심지 지하공간 개발과 대심도 지하인프라 구축 제3강. 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 58 자연,터널 그리고 지하공간 5. 일본의 도심지 대심도 인프라 개발 일본은 국토 면적에 비해 산림이 많고 평야부가 적다는 특징을 가지고 있다. 이 때문에 대도시에서는 한정된 토지를 효율적으로 활용하기 위해 중층적인 지하이용이 진행되고 있다. 그 안에서 대심도 지하는 지권자 등이 통상 사용하지 않는 공간으로 공익성을 가진 사업을 위해 사용권을 설정해도 실질적인 손실이 생기지 않는 공간으로서 대심도 지하 사용법에서 특별한 절차, 요건 등이 정해 져 있다. 또한 상기 지형적 특징은 산림과 바다로 분리된 도시 간을 연결하는 철도, 도로 등 터널 기술을 키워 세계 최고 수준의 굴착 기술을 보유하고 있다. 이러한 제도면에서의 정비, 기술면에서의 진보 등에 따라 보다 효율적이고 효과적인 사회자본 정비가 진행되어 풍요로움과 여유를 실감할 수 있는 도시생활의 실현이 기대된다. 그림 15에는 도심지에서의 대심도 지하이용에 대한 적용가능한 주요 인프라 사례를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 하수 도 터널, 철도 터널, 지하하천 터널, 지중운송선 터널, 송수도 터널, 지하가스터널 등이 있다. <그림 15> 일본의 대심도 지하이용 또한 그림에서 보는 바와 같이 기존의 지하철, 하수도, 상수도, 공동구 하부의 대심도 지하에 지하도로, 지하 철도, 지하빗물저류시 설, 지하운송시스템과 같은 대심도 터널을 구축함으로서 기존 인프라를 대체하여 새로운 지하공간을 활용하여 도심지의 지속가능한 가치를 창출할 수 있을 것이다.제3강. 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 Vol. 25, No. 1 59 5.1 지하도로터널 - 도쿄외곽순환도로 5.1.1 대심도 지하방식으로 변경 도쿄외곽순환도로는 2007년 4월에 기존 고가방식에서 대심도 지하를 이용한 지하터널방식으로 도시계획을 변경했다(그림 16). 외 환순환도로를 건설함으로써 다양한 효과를 기대할 수 있지만 동시에 생활환경이나 자연환경에 미치는 영향을 최대한 억제할 필요가 있다. 고가구조의 경우 다수의 이전이나 지역분단이 수반될 수 있으나 소음, 진동 등 환경에 미치는 영향 등의 우려가 문제가 되었다. 이를 위해 고가 구조를 대심도 지하터널구조로 변경하는 노선을 제시해 환경에 미치는 영향을 억제하도록 하였다. (a) 당초(고가 방식)(b) 변경(대심도 지하 터널방식) <그림 16> 대심도 지하방식으로 변경 5.1.2 프로젝트 개요 도쿄외곽순환도로(칸에츠도~토메이고속간)는 도심에서 약 16km를 환상으로 연락하는 전체 길이 약 85km의 고규격 간선도로로 수도권 정체 완화, 환경 개선 및 원활한 교통 네트워크 실현에 중요한 도로이다. 그림 17에서 보는 바와 같이 도쿄외곽순환도로는 수도권에서의 고속도로 계획 3순환 9방사 중 하나이며, 수도고속중앙순환선, 수도권중앙연락자동차도와 합쳐 수도권 3순환도로로 통칭되는 도교 도심외곽의 환상도로(Tokyo Ring Road)이다. 외곽순환도로가 정비되면 도심을 통과하는 교통을 우회시켜 도심 정체 해소가 기대된다. <그림 17> 도쿄외곽고속도로 노선 현황기술강좌 시리즈: 도심지 지하공간 개발과 대심도 지하인프라 구축 제3강. 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 60 자연,터널 그리고 지하공간 본 프로젝트는 그림 18에서 보는 바와 같이 3개의 JCT와 3개의 출입구로 구성되어 있다. 또한 지하도로구간은 그림 19에 나타난 바와 같이 지하 40m 이하의 대심도 터널로 계획하였으며, 일본 최대 직경 16.1m의 대단면 쉴드 TBM이 적용되었다. <그림 18> 도쿄외환고속도로 종단면도 <그림 19> 대심도 지하와 쉴드 TBM 공법 5.1.3 대심도 터널 본 공사는 남행터널과 북행터널에서 총 4대의 쉴드기가 투입되어 공사가 진행중이다. 간오이즈미 JCT에서 토메이 JCT로 향하는 남행터널과 토메이 JCT에서 오이즈미 JCT로 향하는 북행터널을 각각 토메이 JCT측과 오이즈미 JCT측 쌍방으로부터 굴착한다. 남행 터널 및 북행 터널은 빌딩 4층 높이에 해당하는 약 15.8m의 외경으로 굴진된다. 도메이 JCT에서 발진한 2대의 쉴드기는 약 9km의 터널을 굴진하며, 오이즈미 JCT에서 발진한 2대는 약 7km의 터널을 굴진한다. 양측 쉴드기는 이노가시라 인근 지하에서 접합할 계획 이다. 그림 20에는 쉴드 TBM 굴진장면이 나타나 있다. 제3강. 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 Vol. 25, No. 1 61 <그림 20> 대심도 대단면 쉴드 TBM 터널 5.2 지하철도터널 - 리니어 중앙신칸센 5.2.1 프로젝트 개요 리니어 중앙 신칸센은 시속 500km로 달릴 수 있는 초전도 자기부상식(리니어 방식)을 채택해 도쿄-신오사카 간을 최고 속도로 40분 만에 연결하는 신칸센으로 JR 동해가 건설하고 도쿄-나고야 간은 2027년, 도쿄-신오사카 간은 최소 2037년에 개통할 전망이 다. 본 프로젝트는 동해도 신칸센과 함께 국토의 대동맥을 이중계화함으로써, 재해에 강한 국토 만들기를 향해서 중요한 역할을 담당 하고, 인구 집적지역인 3대 도시권간의 고속 안정적인 수송을 실현하기 위한 프로젝트이다(그림 21). <그림 21> 리니아 중앙 신간센 철도 프로젝트기술강좌 시리즈: 도심지 지하공간 개발과 대심도 지하인프라 구축 제3강. 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 62 자연,터널 그리고 지하공간 본 프로젝트중 도쿄와 아이치의 양도시권의 대심도 지하에 건설하는 구간은 쉴드 터널로 계획되었다(그림 22). 도쿄측은 연장 36.9km에 이르는 제1수도권 터널중 시나가와역에서 도토리키 비상구까지의 9.2km로 시나가와역 남서쪽에 건설중인 키타시나가와 비상구를 발진시켜 시나가와와 카와사키의 양방향으로 굴진하며, 이 구간의 토피고는 최대 90m이다. 아이치 측은 34.2km의 다이이 치추쿄권 터널 중 사카시타 비상구에서 가쓰카와 비상구까지의 10.1km로 이 구간에서는 토피고는 최대 약 100m에 이른다. (a) 북품천공구 - 위치도(b) 북품천공구 - 종단면도 <그림 22> 리니아 신간센 철도 프로젝트의 대심도 터널구간 5.2.2 대심도 지하터널 JR동해는 시나가와~나고야간의 대심도 지하사용에 대해서 국토교통성으로부터 인가를 받았다. 국가의 대심도 지하인가로는 도쿄 외곽순환도로(외환도)에 이은 두 번째이고 철도공사로는 본 프로젝트가 처음이다. 그림 23에는 본 프로젝트에 적용된 쉴드 TBM 터널 계획이 나타나 있다. <그림 23> 쉴드 TBM과 터널 계획 5.2.3 쉴드 TBM 공법 리니어 중앙 신칸센의 대심도 지하 터널굴착이 도쿄도 시나가와구에서 시작되었다. JR 동해가 2021년 10월 14일 실드기 발진 작업 에 착수, 지상에 미치는 영향과 공정을 검증하기 위해 구간을 약 300m로 한정하여 굴진하였다. 도쿄외곽순환도로(외환도) 건설 공사제3강. 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 Vol. 25, No. 1 63 에서 일어난 도쿄도 도심지구간 함몰사고 등에 따른 대응으로 검증 결과를 주민들에게 공개하고 대심도 공사에 대한 불안 해소를 도모하였다. <그림 24> 쉴드 TBM과 터널 계획 <그림 25> 대구경 쉴드 TBM 5.3 지하물류터널 - 대심도 지하물류시스템 5.3.1 지하물류시스템 2005년도 지하이용추진회에서 지하공간 이용의 하나로 수도권의 대심도 지하를 활용하여 도쿄만에 들어가는 국제해상 컨테이너를 교외로 수송하는 시스템이 제안되었다. 이에 따라 2020~22년도의 3년간, 도쿄항 오이 부두 에리어로부터 3순환도로의 외측의 권오 도의 오메 인터까지, 약 50km의 대심도 지하 터널을 2개 건설해, 오이 부두 에리어로 수입되는 국제 해상 컨테이너를 수송하는 시스 템을 계획하였다. 도심지 내부에 들어가는 대형 트레일러를 제한함으로써 B/C(비용 대비 효과)는 1.4 정도로 향상되어 도심지내 CO2 배출량 삭감에 크게 기여할 수 있을 것으로 분석되었다. 동시에 도쿄항의 세관 시설 등을 오메 지구로 이전할 수 있기 때문에 도쿄항의 용지를 유효 이용할 수 있는 장점도 있어 도쿄항의 국제 경쟁력 향상에도 크게 공헌할 수 있으며, 이러한 성과를 바탕으로 현재 PPP/PFI 사업등에 제안하고 있다. 그림 26에는 대심도 지하를 이용한 지하터널물류시스템에 대한 개념을 나타낸 것으로 항구에서의 물류운송을 대심도 지하터널을 기술강좌 시리즈: 도심지 지하공간 개발과 대심도 지하인프라 구축 제3강. 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 64 자연,터널 그리고 지하공간 이용하도록 함으로서 도심지 복잡구간을 피하고 빠르고 효율적인 새로운 물류운송시스템으로 계획하고 있으며, 특히 도쿄 등과 같은 매우 복잡한 대형 항구에서는 매우 유용한 물류시스템으로 계획하였다. <그림 26> 대심도 지하물류시스템의 개념 일본에서는 해운 컨테이너의 효율적인 운송 대책의 관점에서 대심도 지하를 활용한 지하 물류 터널· 신수송 시스템의 기본 구상을 책정하기 위해서 상세한 검증을 실시하고 있다. 특히 증대하는 대형 컨테이너 수송에의 대응으로부터 도쿄만~내륙부· 물류 루트의 재구축이 필요하다. 동시에 대심도 물류터널의 이용도를 높이기 위해서 도쿄항, 요코하마항 등의 각 컨테이너 터미널의 광역 제휴와 루트 구축도 중요 하기 때문에 보다 상세한 기술적 검토가 수행되어야 한다. 이와 같은 물류전용 지하루트(지하터널)는 직접적 효과 외에도 CO 2 대책으 로부터 매우 큰 파급효과가 예상되므로 이러한 효과를 상세하게 검증해 B/C를 정확하게 평가하여 관련사업에 대한 타당성을 검증하 여 대심도 지하물류시스템이 구축될 수 있도록 하여야 한다. 5.3.2 대심도 지하터널 2008년에 가시마건설을 중심으로 대심도 지하를 이용한 수도권 터널· 신운송시스템을 검토하였다. 본 프로젝트에서는 현황 조사 (기존연구, 해외사례, 자료수집 등), 수요예측과 검토, 기존 검토의 확인과 재검토를 통하여 지하물류터널시스템 컨셉을 수립하고, 그 림 27에서 보는 바와 같이 도쿄를 대상으로 노선을 선정하여 지하물류시스템의 타당성을 검토하고, 이로 이한 각종 효과를 평가하고 <그림 27> 대심도 지하를 활용한 지하물류시스템 노선 검토(도쿄)제3강. 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 Vol. 25, No. 1 65 제반 사항(신기술, 복합이용방법, 사업화, 시스템 실현방안 등)에 대하여 제안하였다. 그림 28에는 도쿄 지하물류시스템의 종단면도가 나타나 있다. <그림 28> 도쿄 지하물류시스템의 종단면도 5.3.3 쉴드 TBM 공법 본 프로젝트는 그림 29에서 보는 바와 같이 지하 40m이하의 대심도 지하구간을 쉴드 TBM 터널로 굴진하고 수직구를 이용하도록 계획하였다. 쉴드 터널의 외경은 6.6m, 내경은 6m이며, 두 개의 병렬터널로 구성하였다. <그림 29> 쉴드 TBM과 수직구 5.4 도쿄 지하빗물배수터널 5.4.1 지하저류시스템 - 수도권 외곽방수로 수도권 외곽 방수로(Metropolitan Area Outer Underground Discharge Channel: MAOUDC)는 일본 수도권에서 수해를 경감하는 것을 목적으로 한 치수시설(조정지)이다. 사이타마현 가스카베시의 가미카네자키지에서 오부치에 걸친 연장 약 6.3km로 국도 16호 직하부 약 50m 지점에 설치된 세계 최대급의 지하 방수로이다. 기술강좌 시리즈: 도심지 지하공간 개발과 대심도 지하인프라 구축 제3강. 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 66 자연,터널 그리고 지하공간 주변의 나카가와, 구라마츠 강, 오치후루토네 강, 18호 수로, 고마츠 강과 같은 중소 하천이 홍수가 났을 때, 이들 홍수의 일부를 에도 강으로 흘려보내 홍수의 피해를 경감한다. 1993년 3월에 착공하여 2002년 6월에 일부 공용을 개시한 후, 2006년 6월부터 전 구간의 완성과 전천의 공용이 개시되었다. 수도권 외곽 방수로 홍수유입은 각 하천 제방에 마련된 ‘월류제’에서 이루어지며 하천 수위 가 상승하여 월류제 높이를 넘으면 자연스럽게 유입시설로 흘러든다. 월류제의 높이는 주변의 최저 지반 높이와 같은 정도로 하고 있어 중소 홍수에도 충분히 기능하도록 배려하고 있다. 본 강유역은 큰 강에 둘러싸여 있어 이 지역은 땅이 낮고 물이 고이기 쉬운 접시 모양의 지형으로 지금까지 여러 차례 홍수 피해를 입었다. 또한 강의 경사가 완만하여 물이 바다까지 흐르기 어려운 특징이 있어 폭우가 내리면 수위가 좀처럼 내려가지 않는다. 또한 최근에는 도시화가 급속히 진행되어 내린 비가 땅속으로 스며들기 어려워 빗물이 단번에 강으로 흘러들어 홍수가 발생하기 쉬웠다. 수도권 외곽 방수로의 완공으로 주변 지역에서 침수되는 가옥의 호수와 면적은 크게 줄어 오랜 세월 홍수에 시달려온 유역의 피해를 크게 줄였다. 본 시스템은 구성은 그림 30에서 보는 바와 같이 먼저 각 하천에서 홍수를 수용하는 유입시설과 수직구, 홍수를 흘리는 지하하천인 터널, 그리고 지하공간에서 물의 기세를 약화시켜 원활한 흐름을 확보하는 조압수조, 지하에서 홍수를 배수하는 배수기장 등으로 구성 되어 있다. <그림 30> 일본 수도권 외곽방수로의 구성도 5.4.2 대심도 지하터널과 수직구 수도권 외곽방수로에는 직경 25~32m, 깊이 약 65m의 수직갱이 5개, 그리고 내경 10.6m, 연장 6.3km의 지하터널로 구성된다. 수직구으로부터 지하터널에 취입된 물은 배수기장에 이르러 거대한 터빈의 회전력으로 에도강에 방류되며, 가스 터빈을 4대 사용한 다. 배수능력은 초당 200m3 로 1초에 25m 수영장 규모에 해당한다. 그림 31에는 수직구와 터널의 주요 제원이 나타나 있다.제3강. 일본에서의 대심도 지하와 지하개발에 관한 고찰 Vol. 25, No. 1 67 <그림 31> 대구경 쉴드 TBM 5.4.3 쉴드 TBM 공법 본 터널공사에는 슬러리 실드공법(터널 내경 10.6m)을 선택하였으며, 지하 50m에서 시공이 이뤄어졌다. 또한 내수압을 받는 터널 의 특성을 고려하여 내수압 대응의 가능하고 유수에 대응할 수 있도록 요철이 생기지 않는 세그먼트를 적용하였다(그림 32). 또한 이음부에 쐐기 구조를 이용하여 세그먼트의 결합력을 높이고, 고속 자동조립을 통하여 쐐기효과에 의한 체결관리와 보조작업을 생략 하도록 하였다. <그림 32> 쉴드 TBM과 세그먼트 라이닝 신기술 적용Next >