< Previous28 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 광양-여수지역 전기공급시설 전력구공사 1구간 쉴드터널 시공 사례 (a) 평균 사이클 타임(전체 굴진)(b) 평균 사이클 타임(본 굴진) (c) 월별 사이클 타임 (d) 월별 다운타임 <그림 9> TBM굴진 공정별 사이클 타임 현황Vol. 25, No. 4 29 3.4 커터 소모율 커터헤드에는 총 25개의 15인치 디스크 커터가 장착되어 있다. 커터헤드 위치에 따라 센터 영역에는 8개, 페이스 영 역에는 9개, 게이지 영역에는 8개 디스크 커터가 장착되어 있다(그림 10). <그림 10> 디스크 커터 배치도 중심으로부터 멀리 위치한 커터일수록 커터 교환 빈도수는 증가하는 것으로 나타났으며, 굴진 전주기 과정에서 25번 디스크 커터가 20회로 가장 많이 교환된 것으로 파악되었다(그림 11(a)). 전체 게이지커터 소모량은 136개, 페이스커터 및 센터커터 소모량은 각각 57개, 26개로 나타났으며(그림 11(b)), 단위 굴진 거리(m) 당 센터커터, 페이스커터 및 게이 지커터 소모율은 각각 0.001개, 0.004개 및 0.008개로 분석되었다(그림 11(c)). 굴진 과정에서 교환한 커터 총계는 237 개로 2차 포물선 형태의 회귀식을 통해 굴진 거리에 따른 교환 누계 추정이 가능한 것으로 파악되었다(그림 11(d)). 굴진과정에서 커터는 정상마모, 파손 및 편마모 형태로 나타남을 확인하였고, 정상마모는 약 71%, 커터 파손은 18%, 편마모는 약 11%로 파악되었다(그림 11(e)). 중심으로부터 멀리 위치한 커터 영역으로 갈수록 정상마모 및 편마모 비율 은 낮아지고 커터 파손 비율은 상대적으로 높아지는 것으로 분석되었다(그림 11(f)).30 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 광양-여수지역 전기공급시설 전력구공사 1구간 쉴드터널 시공 사례 (a) 커터 위치별 교환현황 (b) 커터 위치별 평균 마모 상태(ea)(c) 커터 위치별 평균 마모율 (d) 커터교환누적개수 <그림 11> 커터 소모율 현황Vol. 25, No. 4 31 (e) 커터 마모 상태 현황(f) 커터 위치별 평균 마모 상태(%) <그림 11> 커터 소모율 현황(계속) 3.5 뒤채움재 주입 굴진 과정에서 고수압 조건에 다량의 해수유입이 발생할 것으로 예상되어, 총 3차에 걸쳐 규산계 가소상 그라우트 뒤 채움 주입이 수행되었으며, 주입은 수링 후방에서 세그먼트 주입홀을 통한 후방주입방식이 적용되었다(그림 12). <그림 12> 뒤채움 후방주입 위치도 일부(예시) 전체 뒤채움 주입량은 장비 외경과 세그먼트 외경 차이와 굴진 거리를 통해 산정된 테일보이드 용적 대비 약 2.5배 이 상이 주입된 것으로 파악되었다. 일반적으로 TBM 터널 시공에서 설계 뒤채움 주입량은 테일 보이드의 1.2~1.3배 주입 을 원칙으로 한다. 해당 구간에는 가소상 그라우트를 사용함에도 주입하는 과정에서 고수압 조건에 다량의 해수가 빠르 게 유입되어 그라우트가 겔화되어 정착하기도 전에 많이 씻겨 나갔고, 굴진 초기에는 현장 여건상 측면 주입(3시, 9시 방향)만 진행되었기 때문에 계획대비 과다 주입이 이루어질 수밖에 없던 것으로 판단된다(그림 13(a)). 1차 뒤채움 주입 횟수는 122회이고, 1회 평균 주입량은 약 20m3로 나타났다. 2차 주입의 경우 주입 횟수는 70회, 평균 주입량은 약 5.3m 3로 파악되었으며, 마지막 3차 주입은 평균 약 7.5m3로 138회에 거쳐서 진행된 것으로 나타났다. 굴진 과정에서의 전체 뒤채움 주입량은 3,841m 3로 1차 누계 주입량은 2,432m3로 전체 대비 약 63%를 차지하며, 2차 및 3차 32 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 광양-여수지역 전기공급시설 전력구공사 1구간 쉴드터널 시공 사례 (a) 뒤채움재 누적 주입량 (b) 링별 뒤채움재 주입량 <그림 13> 뒤채움 주입 현황Vol. 25, No. 4 33 (c) 뒤채움재 주입압 (d) 뒤채움재 배합비 <그림 13> 뒤채움 주입 현황(계속)34 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 광양-여수지역 전기공급시설 전력구공사 1구간 쉴드터널 시공 사례 뒤채움재는 각각 372m3, 1,037m3를 주입하였다(그림 13(b)). 일반적으로 뒤채움 주입은 2차에 걸쳐서 진행되며, 2차 주 입은 1차 주입의 단점을 보완할 목적으로 일정 시간 경과 후에 시행된다. 본 현장은 고수압(최대 9.0bar)이 작용하는 해 저터널구간으로, 주입된 뒤채움재의 초기강도가 발현되기 전에 해수에 씻겨나가는 문제가 빈번히 발생하였다. 이로 인 해 테일보이드 미충전부에 대한 추가 뒤채움 주입을 3차까지 수행하였다. 뒤채움 주입압은 약 3.0bar 정도이며, 굴진 과정에서의 막장압 평균은 약 2.3bar로 나타났다. 일반적으로 뒤채움재는 약 3.0~5.0bar 사이에서 막장압 이상으로 주입하는 것을 원칙으로 하나, 과대 압력으로 주입 시 뒤채움재 역류가 발생 하여 테일보이드 손상과 챔버 내로의 뒤채움재 유입이 발생할 수 있다. 본 현장에서는 막장압 평균 대비 약 1.3배로 주입 을 진행하였으며, 굴진 과정에서 뒤채움재 역류 관련 시공트러블은 발생하지 않았다(그림 13(c)). 규산계 가소상 뒤채움재는 2액형 재료로 크게 A액과 B액으로 구성되어 있다. A액은 특수벤토, 안정제, 가소상시멘트 및 물로 구성되어 있으며, B액은 특수규산이다. 일반적으로 뒤채움재 재료 배합비는 시공 시 현장 여건을 종합적으로 고 려하여 적정한 겔타임(Gel time)을 갖도록 결정해서 사용하는데, 본 현장의 경우 굴진 전 주기 동안 뒤채움재의 표준 배 합비는 변하지 않았다(그림 13(d)). 3.6 주요 시공트러블 고수압의 해저 구간을 통과하는 과정에서 터널 내로 다량의 해수 및 이수가 유입되어 굴진 성능의 큰 저하가 발생하였 다. 세그먼트 연결부 사이로 다량의 해수가 유입되었으며 이에 따라 각종 장비 부품 및 후방 설비가 부식 및 파손되어 장 비 정비와 펌프 배관교체 시간 등에 따른 다운타임 증가가 나타났다(그림 14). <그림 14> 터널 내로의 해수 및 이수 유입Vol. 25, No. 4 35 굴진 과정에서의 해수 유입 최소화를 위해 동시주입방식(테일보이드 발생과 동시에 장비 주입구를 통해 주입)도입을 추진하려고 했으나, 현장 및 장비 여건상 동시주입장치 적용이 어려워 기존 후방주입방식이 그대로 적용되었다. 대신, 터널 내 상부에 설치되어 있던 후방설비라인 일부를 측벽으로 옮겨 기존 측면 주입(3시, 9시 방향)에만 국한되었던 뒤채 움 주입을 상부 주입(12시 방향)까지 확대하여 뒤채움 주입 효율을 최대한 극대화하고자 하였다(그림 15). 또한, 기존에 사용하던 4mm 두께의 세그먼트 수팽창 지수재를 5mm 두께 지수재로 교체하여, 세그먼트 연결부 사이를 통해 터널 내 로 유입되는 해수를 최소화하고자 하였다. <그림 15> 송·배니관 위치 변경을 통한 뒤채움 주입홀 개수 확대 4. 맺음말 당사는 국내 쉴드TBM 전문시공사로 쉴드터널 공사를 30년 가까이 집중적으로 수행해 오면서 수많은 기술력을 축적 해 왔다. 이에 따라 본 프로젝트에 당사의 경험 및 노하우와 현장 여건에 최적화된 쉴드 장비 운용을 통해 고수압 및 극 경암이라는 극한의 굴진 환경 속에서도 꾸준히 높은 굴진율을 확보하며 프로젝트를 성공적으로 완수할 수 있었다. 또한, 본 프로젝트 수행에 적합한 최적의 신규 TBM장비 구매를 위해 여러 제작사와 미팅을 진행하였다. 이전까지만 해도 국내 쉴드 터널 시장은 독일과 일본 제작사가 양분하고 있었으며, 중국 제작사는 국내에서 인지도가 매우 낮았다. 당사는 철저한 내부 검토와 미팅을 통해 CRCHI사가 중국 내부에서 꾸준히 쌓아온 수많은 장비 제작 및 시공 경험을 바 탕으로 기존 제작사 대비 뒤처지지 않는 기술력을 갖고 있음을 확신할 수 있었다. 그리고 TBM장비 가격 측면의 장점뿐 만 아니라 시공사(당사)의 철저한 요구사항에 따라 장비 주문 제작이 가능하였기 때문에 결과적으로 국내 최초로 중국 제작사 장비를 프로젝트에 투입할 수 있었다. TBM 제작사와의 기술협약체결을 바탕으로 프로젝트 수행 과정에서 제작사의 적극적인 기술 지원을 통한 최적화된 장비 운용이 가능하였고, 이를 바탕으로 굴진 과정에서 발생할 수 있는 시공 트러블을 최소화하여 굴진율을 극대화 할 수 있었다. 36 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 광양-여수지역 전기공급시설 전력구공사 1구간 쉴드터널 시공 사례 본 프로젝트의 성공을 계기로 국내 시장에 TBM제작사가 진출할 수 있었다. 이에 따라 시장에서의 신규 TBM장비 가격 이 과거 대비 적정선에서 조정될 수 있었고, 결과적으로 국내 쉴드터널 공사비 절감에도 일정 부분 이바지할 수 있었다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 25, No. 4 37 기술기사 2 1. 머리말 최근 국내에서는 도심지 및 산악지역에서 NATM에 의한 소음· 진동· 민원의 영향을 최소화하고 연속굴착과 급속시공 을 통해 터널공사의 굴진효율을 향상시키기 위해 발파공법을 대체하는 개방형 TBM공법의 적용성을 검토하고 활용하는 사례가 증가하고 있다. 그러나 아직까지 국내 개방형 TBM장비를 사용하는 터널 현장의 시공실적이나 지보패턴에 대해 설계대비 변경한 실적이 공개되거나 데이터가 축척되어 있지 않기 때문에, 설계시에는 기존 유사 사례를 바탕으로 적용 하고 있는 실정이다. 이에 국내 지반조건과 유사하고, 설계시 많이 참고하고 있는 일본의 개방형 TBM공법에 대해 지질 조건과 있어서 지보패턴의 변경에 대한 문헌을 조사하고 분석하여 정리하였다. 여기서는 일본의 지질조건에 대해 개방형 TBM공법을 적용하는 경우에 영향을 미치는 지질의 특성과 설계 대비 지보 패턴의 변경사례를 제시하여 향후 국내에서 설계와 시공계획을 수립하는데 있어서 참고적 자료를 제공하고자 한다. 2. 일본의 개방형 TBM공법과 지질 개방형 TBM공법은 급속 및 안전한 굴착이 가능한 산악터널 시공방법의 한가지이나 일본에서는 지질이 복잡하기 때 문에 불량지반에 기인한 트러블이 많은 실정이다. 특히 비교적 단순한 지질로 구성된 미국과 비교하면 일본에서는 TBM 공법 도입이래 장비의 개량이나 보조공법 등 지보기술의 발전에 따라 신뢰성은 높아져 있으나, 충분한 성능을 발휘하지 일본의 개방형 TBM공법에 있어서 지질특성에 따른 불량지반에서의 지보패턴 변경에 대한 사례 분석 김재영 (주)코템/공학박사Next >