< Previous38 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 일본의 개방형 TBM공법에 있어서 지질특성에 따른 불량지반에서의 지보패턴 변경에 대한 사례 분석 못하고 있다. 3. 개방형 TBM공법에 영향을 미치는 지질특성 그림 1에 일본과 유럽, 미국의 지질을 비교하였다. 그림을 보면, 시각적으로는 일본의 경우, 지질의 복잡함을 나타내 는 화강암을 시작으로 화산암류 및 퇴적암류가 복잡하게 분포하고, 많은 단층과 활화산이 존재한다. <그림 1> 일본과 유럽, 미국의 지질비교Vol. 25, No. 4 39 이에 비해 미국의 지질은 각 지질별 단위가 넓게 분포하고, 단층도 적고, 지질구조가 단조로우며 안정된 대륙특성을 형성하고 있다. 특히 일본은 유라시아 대륙판, 북미 대륙판, 태평양 대륙판, 필리핀 대륙판의 충돌부에 있으며, 세계적으로 활발한 Subduction Zone에 위치하고 있다. 이렇게 복잡한 일본의 암반조건이지만 구성적으로는 크게 3가지의 그룹으로 분류할 수 있다. 즉, 모래나 진흙 등의 쇄 설성 물질이나 생물의 유해나 각 종 유기물이 퇴적고결화해서 형성된 퇴적암, 마그마가 지각의 심부 또는 지표에서 고결 화함에 따라 형성된 화성암, 그리고 퇴적암과 화성암이 지각심부에서 고온과 고압을 받는 등 조건과 다른 조건에서 변질 된 변성암이다. 일본의 퇴적암, 화성암, 변성암의 분포면적은 표 1에 나타내듯이, 퇴적암은 약 61%, 화성암은 약 35%, 변성암은 약 4%로, 일본의 지표면 대부분에는 퇴적암이 분포하고 있다. 이러한 비율로부터 단순히 터널시공에 있어서 조우하는 지질 을 추정하기 어렵지만 사암이나 이암 등 고생대나 제3기의 퇴적암, 안산암이나 현무암 등 제3기~4기의 화성암, 화강암 류가 많은 것으로 추정된다. <표 2> 개방형 TBM공법에 영향이 있는 지질상의 문제점과 관련성이 높은 암종 지질상의 문제점퇴적암화성암변성암 공동이 존재한다석회암 막장이 자립하지 않는다신제3기 역암· 사암사문암결정편암 막장주변 붕괴(Rock Burst) 화강암· 섬록암화강편마암 용수가 많다 중· 고생생 역암· 사암· 석회암 고제3기 역암· 사암 신제3기 역암· 사암 제4기 용결응회암 화강반암· 분암, 안산암· 현무암 팽창성· 슬레이킹 특성을 가지고 있다 고제3기 혈암· 이암· 응회암 신제3기 이암· 응회암 사문암 <표 1> 일본의 암석의 지표노출 면적 암석면적(km2)면적(%) 퇴적암 제4기 퇴적암76,50020.7 제3기 퇴적암59,90018.9 중생대 퇴적암34,4009.3 고생대 퇴적암45,20012.2 화성암 제3 또는 4기 화산암75,40020.4 염기성 화성암5,8001.6 화강암49,30013.3 변성암광역 변성암13,3003.6 합계369,800100.040 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 일본의 개방형 TBM공법에 있어서 지질특성에 따른 불량지반에서의 지보패턴 변경에 대한 사례 분석 <표 2> 개방형 TBM공법에 영향이 있는 지질상의 문제점과 관련성이 높은 암종(계속) 지질상의 문제점퇴적암화성암변성암 유독가스가 존재한다 고제3기 혈암· 이암· 응회암 신제3기 이암· 응회암 이녕화(泥濘化) 중· 고생대 점판암·혈암 고제3기 혈암· 이암· 응회암 신제3기 이암· 응회암 사문암결정편암 석영함유량이 많다중· 고생대 역암· 사암· Chert · 혼펠스화강암· 섬록암· 강반암· 분암화강편마암 불균질(옥석 등 포함) 중· 고생대 역암· 사암 고제3기 역암· 사암 신제3기 역암· 사암 표 3에 암종으로부터 예상되는 성상과 개방형 TBM공법에 있어서 문제점을 정리하였다. 표의 내용을 참고하는 방법은 예를 들면 “사문암”은 “막장이 자립하지 않는다”라고 하고 해당하는 표 중 “●”로 표시되어 있다. 따라서 표를 이해하는 경우는 이와 같은 요령으로 “ㆍㆍㆍ암은 ㆍㆍㆍ일 가능성이 ㆍㆍㆍ”라고 하면 된다. 표 중 “＊”로 표시한 것은 예를 들면 “ 유문암=층리· 편리가 발달되어 있다”는 본래의 용어정의와는 다르지만, 거의 동 일하다고 할 수 있다. 또한 고·제3기층, 신· 제3기층에 “공동이 존재하는 경우가 있다”로서 “＊”를 표시한 것은, 탄갱의 채탄흔적이나 방공 호 등 인위적인 공동의 가능성을 의미하는 것이다. 그리고, 위와 같은 대비는 어디까지나 일본 국내의 것으로서 해외에서는 적용할 수 없다. 또한 갱구 시공에 관한 지질 상의 문제점은 고려하지 않았다. <표 3> 암종으로부터 예상되는 성상과 개방형 TBM공법에 있어서 문제점 암종 범례 ●：가능성 큼 ○：가능성 있음 ：가능성 작음 ×：가능성 없음 ＊：유사 현상 예상되는 성상· 문제점 퇴적암 화성암변성암 중· 고생대고· 제3기신· 제3기 제4 기 사 암 역 암 혈 암 점 판 암 녹 색 암 휘 록 응 회 암 혼 펠 스 석 회 암 사 암 역 암 혈 암 응 회 암 이 암 집 괴 암 응 회 각 력 암 사 암 역 암 응 회 암 이 암 집 괴 암 응 회 각 력 암 용 결 응 회 암 섬 록 암 화 강 암 분 암 화 강 반 암 석 영 조 면 암 유 문 암 현 무 암 안 산 암 반 려 암 휘 록 암 사 문 암 결 정 편 암 화 강 편 마 암 암석의 연경 신선부(新鮮部)는 경암이다●○●●●● ○ ×× ○ ●●●●●● ○○ ● 신선부는 중경암이다 ● ○ ●○● ○● ○ ○ ●● 신선부는 연암이다× ××× ○● ●●○ ×× ×× ○ × 층리· 편리가 발달해 있다○● ● ○ ●○ ×× ○* ××× ●○* 절리가 발달해 있다●○○○ ○ ○ ●●○○●○ ○○ ● 단층이 발달해 있다○●○○○○ ●○○ ○ ○ ○ ●● ○Vol. 25, No. 4 41 <표 3> 암종으로부터 예상되는 성상과 개방형 TBM공법에 있어서 문제점(계속) 암종 범례 ●：가능성 큼 ○：가능성 있음 ：가능성 작음 ×：가능성 없음 ＊：유사 현상 예상되는 성상· 문제점 퇴적암 화성암변성암 중· 고생대고· 제3기신· 제3기 제4 기 사 암 역 암 혈 암 점 판 암 녹 색 암 휘 록 응 회 암 혼 펠 스 석 회 암 사 암 역 암 혈 암 응 회 암 이 암 집 괴 암 응 회 각 력 암 사 암 역 암 응 회 암 이 암 집 괴 암 응 회 각 력 암 용 결 응 회 암 섬 록 암 화 강 암 분 암 화 강 반 암 석 영 조 면 암 유 문 암 현 무 암 안 산 암 반 려 암 휘 록 암 사 문 암 결 정 편 암 화 강 편 마 암 암반 상황 괴상으로 되어 있다● ●○●● ○●●●● ●●○○○○ ○ ● 파쇄되어 있다. ○○○ ○ ○ ○ ○○○ ○ ○○ 심층까지 풍화되어 있다○ ● ○ ●○○ ● ○ ● 공동이 존재한다 ● ○* ○* ○* ○○* ○* ○ ○ 막장이 자립하지 않는다 ○ ○ ○○○●○○ ○ ●● 막장붕괴를 일으킨다○ ○ ● ○ ○ ● 개방형 TBM 공법에 있어서 문제점 용수가 많다● ○○●● ○● ○ ●○●○●○ ○○ 팽윤성· 슬레이킹성질 가지고 있다 × ×××× ●●○ ●○ ××× × ○● × 유해가스가 존재한다 ××× ○ ●●○○●○ ×× ×××× 이녕화(泥濘化) 한다 ● ●●○●●○ ○ ●● 석영함유량이 많다● ● ○ × ●●○ ×× ● 불균질(옥석 등을 포함)하다● ● ○● ○ 표 3으로부터 개방형 TBM공법에 영향이 있는 지질상의 문제점과 관련성이 높은 암종에 대해서 정리한 것으로 표 2에 나타내었다. 4. 개방형 TBM공법에 있어서 지보패턴의 변경과 지질 개방형 TBM공법에 있어서 지보패턴의 변경과 지질과의 관계를 정리하였다. 대상 터널은 개방형 TBM공법으로 수행 한 9개 현장의 터널이다. 터널의 시공연장은 795m~5,901m로, 평균 시공연장은 약 3,149m이다. 각 터널의 지보패턴의 설계와 실적의 비율(각 지보패턴의 시공연장÷터널 시공연장)을 표 4에 나타내었다. 표 중 설계와 실적에 대한 지보패턴 비율의 차이를 그림 2에 정리하였다. 그림에서 시공 중 각 지보패턴이 어느 정도 변경되었는지를 나타내었고 (+)측은 증가, (-)측은 감소를 나타낸다. 표 및 그림으로부터, 지보패턴이 크게 변경되는 암종은 대략적이지만 신· 고제3기의 사암· 이암 및 이들의 호층, 화강 암류, 안산암, 응회암 및 응회각역암의 순이다. 이러한 지보패턴의 변경 경향은 당초 예상된 B-T, CⅠ-T패턴이 감소하 고, ＤⅠ-T·ＤⅡ-T 외 지보패턴이 현저하게 증가하는 특징을 나타내고 있다. 이번 조사에서 신· 고제3기 퇴적암계 및 응회암계의 지반에서는 B-T패턴은 실적이 거의 적용되지 않고 있는 경향임을 알 수 있었다.42 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 일본의 개방형 TBM공법에 있어서 지질특성에 따른 불량지반에서의 지보패턴 변경에 대한 사례 분석 선행굴착과 후행굴착의 지보패턴 변경의 차이는 후행굴착에서는 선행굴착의 결과를 반영하고 당초 지반분류의 수정 등을 수행한 현장도 있기 때문에 현저한 차이는 보이지 않았다. <표 4> 터널의 지보패턴 비교 (개방형 TBM) 터널명암종 선행/후행 터널 그림 2 번호 지보패턴 비율（전체 터널연장에 대한 ％) -B-TCⅠ-TCⅡ-TDⅠ-TDⅡ-T외 A고· 제3기 사암· 이암 호층선행1 설계03848150 실적00122563 B 중고생대 Chert, 사암· 점판암· 휘록응회암 선행2 설계04231270 실적11843380 후행3 설계04630240 실적11069210 C 중생대 화강암, 신· 제3기 사암· 이암· 패암, 혼펠스 선행4 설계25396310 실적17369390 후행5 설계224010270 실적93626290 D중생대 화강암 선행6 설계67220110 실적14684122 후행7 설계7220080 실적155520100 E 신제3기 안산암·응회암· 응회각역암, 고· 제3기 유문암질 응회암 단독8 설계156212011 실적0546049 F고제3기 유문암질 응회암단독9 설계66241000 실적0120845 <그림 2> 터널별 지보패턴 변경비율Vol. 25, No. 4 43 5. 맺음말 국내에서 연속굴착과 급속시공을 통해 터널공사의 굴진효율을 향상시키기 위한 방법으로 개방형 TBM공법을 적용하 는 경우, 지질특성에 대한 문제점과 설계 대비 지보패턴의 변경에 대한 참고를 위해 일본의 자료를 수집하고 분석하여 정리하였다. 그리고 국내에서도 지질조사 결과를 바탕으로 개방형 TBM공법의 설계시 지보패턴과 보조공법의 적용, 시 공계획을 수립하는데 있어서 참고가 되기를 바란다. 향후, 개방형 TBM공법의 보조공법에 대해서도 자료를 수집, 분석, 정리하여 별도의 참고자료로서 제시하고자 한다. 참고문헌 1. 社団法人日本トンネル技術協会(2006), 最新のＴＢＭの実態及び急速施工技術.. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]44 자연,터널 그리고 지하공간 ∎ 제6강을 시작하면서 토지가 부족한 싱가포르에서 지하공간 개발은 경제적 필수 요소가 되었다. 2007년 싱가포르 정부는 지하공간의 장기적인 개발을 계획하고 지하공간 개발을 전략적 수준으로 끌어올리는 것을 목표로 하는 지하 마스터 플랜(Underground Master Planning)을 수립 하였다(그림 1). 또한 다양한 계획과 연구와 함께, 많은 지하프로젝트를 시작했으며, 지하공간을 더욱 발전시키기 위한 방법을 모색하고 제6강 싱가포르 도심지 지하공간 개발에 관한 고찰 Review of Urban Underground Space(UUS) Development in Singapore 김영근 한국터널지하공간학회 부회장 (주)건화 지반터널부 부사장 공학박사/기술사 <그림 1> 싱가포르의 도심지 지하개발 - Going Underground제6강. 싱가포르 도심지 지하공간 개발에 관한 고찰 Vol. 25, No. 4 45 있다. 지하공간의 잠재력을 활용하기 위해 싱가포르 정부는 BIM 및 GIS 기술을 사용하여 시각화 및 향후 개발을 위한 고급분석을 위한 데이터를 통합하는 디지털 지하(Digital Underground)를 계획하고 있으며, 다양한 대심도 지하인프라 프로젝트를 실현하고 있다. 제6강에서는 [싱가포르 도심지 지하공간 개발에 관한 고찰]이라는 주제하에 2013년에 발표된 지하 마스터 플랜의 주요 내용을 살 펴보고, 도심지 지하개발의 주요 특성을 중심으로 현재 싱가포르에서 추진되었거나 진행 중인 주요 지하인프라 개발 내용과 특징 등을 파악함으로서 향후 도심지 대심도 지하공간개발시의 중점 과제와 도전을 고찰하여 터널기술자들에게 실무적으로 도움이 될 수 있도록 하였다. 1. 서 론 지하공간 개발은 토지가 부족한 싱가포르에 경제적 필수 요소가 되었다. 2007년 싱가포르 국가개발부는 지하공간의 장기적인 개발 을 계획하고 지하공간 개발을 전략적 수준으로 끌어올리는 것을 목표로 하는 부처간 지하 마스터 계획(Underground Master Planning) 태스크 포스를 설치했다. 2010년 싱가포르 경제전략위원회(ESC, Economic Strategies Committee) 기본계획, 지질조사, 연구개발 투자, 다양한 정책 현안에 대한 구체적인 권고사항을 포함하여 지하공간개발을 정부의 장기 경제전략의 일부로 삼았다. ESC 보고서는 정부가 지하공간 이용 촉진에 앞장서야 한다고 권고했다. 이러한 권고 사항을 바탕으로 싱가포르 정부는 다양한 계획과 연구를 진행했 으며 이러한 계획을 지원하는 다양한 연구 프로젝트를 시작했다. 본 고에서는 지하공간 개발의 역사를 검토하고, 잠재적 활용도를 강조하며, 다양한 최근 연구 및 계획 문제에 대해 논의하고, 싱가 포르 지하공간의 향후 활용을 위한 가능한 전략을 검토하였다. 싱가포르는 하나의 큰 섬과 여러 개의 작은 섬으로 구성되어 있으며, 말레이 반도의 남쪽 끝에 위치하며 위도 1°09'N 과 1°28'N사 이, 경도 103°38'E에서 104°06'0E 사이에 대략 다이아몬드 모양의 지역이 있다. 인구 밀도가 높고 경제가 지속적으로 발전하는 싱가포르는 개발을 위한 토지 공간이 심각하게 부족하다. 인구 증가는 인구를 위한 더 많은 녹지 공간에 대한 정부 계획과 결합되어 토지에 대한 경쟁이 더 심해짐을 의미한다. 표 1은 1960년부터 2007년까지 싱가포르 의 토지이용 분포 변화를 보여준다. <표 1> 싱가포르 토지이용 분포(1960∼2000) Year Land area km2 Build-up km2 Agriculture km2 Forest km2 Marsh & tidal waste, km2 Others (water, open space, gardens, cemeteries), km2 1960581.4162.3141.737.845.9193.8 1965581.4177.4131.635.035.0202.5 1970586.4189.9134.032.432.4197.7 1975596.8228.4105.932.432.4197.7 1980617.8275.180.930.026.0205.8 1985620.2298.847.128.618.5227.5 1990639.1311.610.828.615.7266.4 1995647.5319.39.328.615.7274.6 2000682.7324.09.328.615.7274.6 2012714.3418.49.328.615.7238.2기술강좌 시리즈: 도심지 지하공간 개발과 대심도 지하인프라 구축 제6강. 싱가포르 도심지 지하공간 개발에 관한 고찰 46 자연,터널 그리고 지하공간 싱가포르 정부는 토지를 항상 제약으로 인식해 왔다. 싱가포르 정부 통계부에 따르면 2013년 인구는 550만 명이다. 총 면적은 716.1km2이고 인구밀도는 7,540명/km2이다. 이는 마닐라의 인구 밀도가 42,852명/km2, 파리의 인구 밀도가 21,498명/km2인 것과 비교된다. 실제로 싱가포르의 인구 밀도는 세계 50대 도시에도 들지 않는다. 그러나 싱가포르를 독특하고 더욱 어렵게 만드는 것은 싱가포르가 하나의 국가라는 점이다. 이러한 관점에서 보면, 싱가포르는 모나코에 이어 국가별 인구 밀도 측면에서 2위를 차지할 것이 다. 싱가포르는 현대 대도시의 요구와 국가의 요구를 모두 충족해야 한다. 국방부의 지하 탄약시설 개발이 대표적이다. 세계 어느 도시도 도심지역에 탄약을 보관할 필요가 없다. 실제로 대부분의 도시는 싱가포르처럼 큰 규모의 국방 요구 사항을 충족할 필요가 없다. 인구 근처에 탄약을 보관하는 것은 토지 이용에 심각한 제약을 가할 뿐만 아니라 안전에 대한 요구도 크다. 이것이 싱가포르의 지하 탄약저장고가 다른 나라에 비해 훨씬 유리한 이유이다. 싱가포르 정부가 발표한 계획 수치에 따르면 토지 압박은 더욱 심해질 것으로 예상된다. 싱가포르 정부가 발표한 토지이용계획에 따르면 인구가 현재 550만명에서 650만명~690만명으로 증가할 것으로 예상되며, 2030년까지 예상 토지이용 면적은 766km2로, 2013년 716km2에서 약 50km2의 토지 요구량 순 증가이다(표 2). 토지 공간이 50km2 증가하더라도 이는 위의 수치를 기준으로 했을 때 인구 증가율이 18~25%인 것과 비교하면 7% 증가에 불과하다(표 3). 분명히 토지에 대한 압박은 증가할 것이다. 표 2를 보면 가장 큰 토지 이용자는 국방(19%), 주택(17%), 산업 및 상업(17%), 육상 교통 인프라(13%) 순으로 전체의 66%를 차지하 는 것을 알 수 있다. 이 그룹 다음으로 공원과 자연보호구역이 9%를 차지하는데, 이는 정원 도시로서의 명성을 유지하려는 국가의 의지를 반영한다. 또한 예비 토지의 양이 2010년 14%에서 2030년 4%로 감소하여 2030년 이후 추가 할당을 위한 예비 토지가 상대적 으로 거의 남지 않았다는 점도 중요하다. <표 2> 싱가포르 토지이용 계획 (2010년과 2030년, URA) Land use Planned land supply 20102030 Housing10,000 (14%)13,000 (17%) Industry and commerce9,700 (13%)12,800 (17%) Parks and nature reserves5,700 (8%)7,250 (9%) Community, institution and recreation facilities5,400 (8%)5,500 (7%) Utilities (power, water treatment plants)1,850 (3%)2,600 (3%) Reservoirs3,700 (5%)3,700 (5%) Land transport infrastructure8,300 (12%)9,700 (13%) Ports and airports2,200 (3%)4,400 (6%) Defence requirements13,300 (19%)14,800 (19%) Others10,000 (14%)2,800 (4%) Total71,000 (100%)76,600(100%) <표 3> 인구와 토지이용 비교 (URA) Land and populationYear 2014Year 2030Change Land size716 km2766 km250 km2 (7%) Population5.5 mil6.5-6.9 mil1-1.4 mil (18-25%)제6강. 싱가포르 도심지 지하공간 개발에 관한 고찰 Vol. 25, No. 4 47 전통적으로 싱가포르는 고층 건물과 토지 매립을 통해 토지 제약을 해결해 왔다. 실제로 현재 육지 면적의 20% 이상이 바다를 매립하여 만들어졌다(그림 1). 1965~2014년 독립 이후 싱가포르의 토지 크기는 매립을 통해 22% 증가했다. 그러나 지리적 경계, 수심 증가, 모래 공급비용 증가, 환경 문제 등으로 인해 토지 간척이 한계에 도달하고 있다. 고층 건물의 경우 싱가포르는 주로 국가 규모가 작기 때문에 민간 항공 및 국방 요구로 인해 추가적인 제약에 직면해 있으며 대부분의 다른 도시 지역에는 없는 문제가 있다. <그림 2> 원래 토지경계(흰색 선)와 매립으로 생성된 토지 면적을 보여주는 지도 2. 싱가포르 지질 싱가포르는 약간 낮은 지형을 갖고 있다. 대부분의 육지 지역은 고도가 10~30m에 이른다. 가장 높은 기복 지역은 싱가포르 북부 중앙인 Bukit Timah 지역으로, 가장 높은 언덕이 평균 해발 163m까지 솟아 있다. 지질학적으로 싱가포르는 유라시아 구조판의 남동쪽 끝인 말레이 반도의 남쪽 투영체이다. 2.1 주요 지질 구조 싱가포르 암석은 지질학적 연대에 따라 4가지 지질 구조로 구성된다. (1) Bukit Timah 화강암, (2) 변성 석영사암과 이암으로 이루 어진 Sajahat 층 (3) Gombak 노라이트, (4) ) Jurong 층 퇴적암. Bukit Timah 화강암(BT)은 주요 기바암을 형성한다. 싱가포르 섬의 약 1/3을 차지하며 중앙 본섬 등에 주로 분포한다. Sajahat 층(S)은 싱가포르에서 가장 오래된 암석층으로, 규암, 사암 등으로 구성된 다양한 변성 퇴적암이다. Sajahat 층(S)은 주로 북쪽 해안을 따라 분포한다. Gombak 노라이트(GN)는 Bukit Timah 화강암 서쪽에 노출된 반려암질 암체이다. Jurong층(JF) 퇴적암은 싱가포르에 서 가장 어린 암석층이다. 이는 기반암 상부에 위치하며 싱가포르의 1/3을 광범위하게 덮고 있다. 싱가포르 남부와 남서부에 분포한다. 위의 지하 암석위에 있는 얕은 퇴적층에는 잔류토, Kallang 층, Fort Canning Boulder 및 Old Alluvium이 포함된다. 오래된 충적층 (Old Alluvium Formation)은 육상 퇴적물로 싱가포르 동부에 분포하며, 주로 중간 밀도에서 매우 밀도가 높은 점토, 석영장석질의 Next >