< Previous8 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 사용후 핵연료 처분장 굴착기술 사례 조사 및 고찰 국내에서는 2030년 이전 임시 저장소가 포화 되는 시점을 전후로 원자력 발전소 운영에 영향을 막기 위해 사용후 핵 연료 처분과 중간저장 시설 건설을 위한 고준위 특별법이 국회에서 논의 중이다. 정부에서는 지난 22년 7월 에 ‘고준위 방사성 폐기물 R&D 로드맵 토론회에서 2060년 처분시설 건설을 목표로 총 1조 4000천억 원의 예산을 투입하는 R&D 로드맵을 발표하고 관련 다양한 연구과제가 수행 중에 있다. 본 기술기사에서는 처분시설 건설을 위한 국외 처분연구시설 사례를 통해 굴착공법을 검토하고 국내 처분시설 건설을 위한 굴착공법 고려사항에 대해 고찰하였다. 2. 사용후 핵연료 처분장의 처분개념 및 국외 설계조건 분석 전 세계적으로 유일하게 건설 중인 핀란드 온칼로 처분시설의 처분개념은 스웨덴의 SKB(Svensk Kärnbränslehan- tering AB) 社 의 KBS-3 모델을 기본 컨셉으로 하여 해당 부지인 온칼로의 부지 특성을 고려하여 개발되었다. KBS-3 의 공학적 방벽 원리는 방사성 핵종 물질 유출을 막기 위해 캐니스터, 처분공, 버퍼, 처분터널, 플러그, 모암의 천연 방 벽을 이용하는 다중 방벽시스템으로써 하나의 방벽이 부족한 경우라 할지라도 전체 시스템이 인간의 환경을 방어할 수 있는 역할을 하게 된다. 이 중 모암은 장기적으로 핵종의 이동경로를 막는 천연방벽의 역할을 하기 때문에 핵종의 이동 을 차단하기에 적합한 조건을 갖춰야 한다. 특히 모암이 가진 불연속면은 핵종의 이동경로가 될 수 있기 때문에 엄격한 설계조건을 설정하여 불연속대, 파쇄대, 고투수성 암반을 배제하였다. 온칼로 처분시설의 관리 기관인 POSIVA에서는 처분시설의 설계요건을 5개 레벨로 구분하였고, 이중 Level 4와 Level 5 단계에서는 처분구조물 건설과 관련된 기본설계와 상세설계 수준의 요건을 제시하였다. Level 4 단계의 설계요 건에서 강조하고 있는 내용은 처분구조물 건설에 있어 모암에 손상을 최소화하여 처분안전성이 저하가 발생하지 않도록 규정하였다. 처분시설 건설에 있어 EDZ 평가 및 저감은 굴착공법 선정을 위한 중요한 인자 중 하나로써, 다음절에서는 굴착공법에 따른 EDZ 연구 사례를 고찰하였다. <표 1> 온칼로 처분시설 설계조건 Level 정의 분류 레벨정의 Level 1법적, 의사결정 상 이해관계자 요구조건 Level 2장기간 안전기능과 안전성 개념 정의에 따른 장기안전성 원칙 Level 3안전기능이 확보되는 모암에 대한 목표 성능과 공학적방벽을 위한 성능 요구조건 Level 4성능요구조건에 대한 암반 적합성 기준을 포함한 터널과 공학적방벽 설계 요구조건 Level 5설계 세부사양, 설계, 건설, 제작에 관한 상세 설계Vol. 26, No. 1 9 CanisterBufferBack fillHost rockClosureHost rockPlug <그림 2> KBS-3 처분 개념(SKB, TR-10-12) 3. 처분연구시설 굴착손상영역(EDZ) 연구 사례 터널의 굴착손상영역이란, 터널 굴착과 같은 인위적인 작업에 의해 터널 주변의 초기 암반 물성이 변화되는 구간으로 정의된다. 발파충격이나 응력 재분포에 의해 암반의 열적, 역학적, 수리적, 화학적 물성이 영구 변화되는 구간을 Exca- vation Damage Zone으로 표현하며 암반 물성의 변화 없이 응력분포가 변하는 구간은 응력재분포 구간(stress redi- stributed zone)으로 구분할 수 있다. 손상대 구간의 수리 특성 변화로 인해 터널 주변에는 불포화구간(unsaturated zone)이 형성된다. Perras and Diederichs (2016)는 기존에 정의된 굴착손상영역의 용어들을 정리하였다(그림 3(b)). 이들은 굴착손상영역을 구조손상영역(Construction Damage one, CDZ), 과손상영역(Highly Damaged Zone, HDZ), 굴착손상영역(Excavation Damaged Zone), 굴착영향영역(Excavation Influence Zone)의 4개 영역으로 나누었다. CDZ는 발파나 기계적 굴착과 같은 방법을 변경함에 따라 나타나는 공동의 구조적 손상 형태를 의미한다. HDZ는 굴착방 법에 관계없이 공동의 기하 형상, 공동 구조 및 유도 응력이 변화하며, 상호연결된 미세균열에서 관찰된다. EDZ는 손상 의 확장성 없이 영역 내에서 비가역적으로 변화된 암석 물성과 균열을 포함하며, 일정한 구간에서는 손상 정도가 점진적 으로 전이되는 영역으로 정의된다. EIZ는 영역 내에서 응력/변형률의 거동이 탄성적 변화만 일어나는 것을 의미한다. 10 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 사용후 핵연료 처분장 굴착기술 사례 조사 및 고찰 이 영역들은 Bäckblom and Martin (1999)이 정의한 손상영역과 비교해보면, CDZ와 HDZ는 암반파괴영역(EFZ), EIZ 는 암반교란영역(EdZ)으로 영역별 특징들이 포함된다(그림 3(b)). (a) 터널 주변의 EDZ 발달 개념(b) 터널 주변 영향범위 구분(Perras and Diederichs, 2016) <그림 3> EDZ 개념 및 구분 전 세계의 URL(Underground Research Laboratory)에서는 다양한 연구가 수행되었고, 그중 EDZ 영향에 대한 상 당수 연구되었다. 특히 기계화 굴착공법의 EDZ 감소 효과를 검증하기 위해 스웨덴의 Aspo URL에서는 1994~1997년에 진행된 Zone of Excavation Disturbance Experiments (ZEDEX) 실험을 수행하여 발파와, TBM(Tunnel Boring Machine) 공법의 EDZ를 비교하였다. Aspo URL은 발파공법이 주요하게 굴착되었으며, 일부 구간에 대해 그림 4의 암 반용 TBM으로 실증터널 일부를 굴착하고 EDZ 범위를 평가한 바 있다. <그림 4> Aspo URL 적용 TBM(SKB, 1999) <표 2> Aspo URL TBM 굴진 실적 터널 연장(m) 순굴진속도(m/h) 평균 굴진거리(m)/주최대 굴진거리(m)/주 (평균)(최대) 4091.362.53248.7Vol. 26, No. 1 11 또한 동일 심도에서 발파터널을 굴착하여 TBM 터널과 EDZ 범위를 비교하였다. 발파굴착에는 스무스 블라스팅 (Smooth blasting)을 사용하였으며 TBM 터널은 직경 5.03 m, 면적 20 m2의 TBM 장비로 굴착하였다. EDZ 비교를 위 해 다양한 실험이 적용되었으며, 이중 암석 절취 후 실내시험, 현장 탄성파 탐사, 투수실험 등이 수행되었다. 여러 실험 결과를 종합한 EDZ 평가 결과에서 발파굴착 후 터널의 벽과 지붕에서는 EDZ 범위가 0.3 m 이내였으며, 바닥에서는 0.8 m 이내였다. TBM 터널의 경우 EDZ 범위가 0.03 m 이내로써 발파공법이 TBM 대비 10배 이상의 EDZ가 발생한 것 으로 조사되었다. (a) ZEDEX D&B Drift (Wall) (b) ZEDEX D&B Drift (Round)(c) ZEDEX TBM Drift (Wall) <그림 5> Aspo URL 적용 TBM(SKB, 1999) <그림 6> Aspo URL EDZ 측정 결과(SKB, 1997)12 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 사용후 핵연료 처분장 굴착기술 사례 조사 및 고찰 이러한 ZEDEX 연구 외에도 표 3과 같이 전 세계 URL에서 EDZ 측정이 수행되었으며, 이를 통해 굴착공법에 따른 EDZ 범위를 비교할 수 있었다. 표 3에 따르면 발파공법에서의 EDZ는 대략 1~2m 수준으로 발생하였으며, 기계화 공법 의 경우에는 0.8m 이내로 EDZ가 발생하였다. 이러한 연구결과를 토대로 기계화 공법 적용 시 EDZ가 저감될 수 있을 것 으로 기대하나, 기계화 공법의 경우 공간 및 단면의 제약조건에 의해 처분시설 적용에 제한적일 수 있다. 다음 절에서 굴 착공법 선정 시 고려사항을 기술하였다. <표 3> Results of thermal conductivity tests conducted at URL (Lee et al., 2011) Rock typeTest siteExcavationEDZ size (m)Reference Stripa (Sweden) GraniteHydraulic conductivity testDrill and blast drift 0.3 (in the wall) 1.2 (in the floor) Gray (1993) Börgesson et al. (1992) Äspö (Sweden) Granite P-wave velocity Hydraulic conductivity test Acoustic emission TBM drift 0.03 Emsley et al. (1997) Bäckblom (2008) Chandler et al. (1996,2002) Drill and blast drift 0.3 (in the wall) 0.8 (in the floor) Porosity changeTBM drift0.02Autio et al. (2005) Fracture characterization Geophysical logging Borehole inspection Vibration measurements Hydraulic testing Normal blasting1.5~2.1 (in the floor)* Pusch and Stanfors (1992) SKB (1999) Careful blasting1.0~1.7 (in the floor)* Very careful blasting0.6~1.4 (in the floor)* Kamaishi mine (Japan) GranodioriteP-wave velocity Mechanical excavation0.8 Matsui et al. (1998, 2003) Blasting1.4 Tono mine (Japan) Sedimentary rock P-wave velocity Seismic tomography Hydraulic conductivity Mechanical excavation0.3 Sugihara et al. (1993) Kamemura and Sugihara (1993) Sato et al. (2000) Blasting 0.8 URL (Canada) Granite Hydraulic conductivity test Drill and blast drift 0.3Chandler et al. (1996) Source location of micro-seismic event Ultrasonic velocity 0.75 Carlson and Young (1993) Read and Martin (1996) Seismic refraction survey0.25~0.78Chandler et al. (2002) Olkiluoto (Finland) Tonalite C-PMMa and He-gas methods TBM drift0.02~0.04 Autio (1996) Autio et al. (2006) Bäckblom and Martin (1999) Grimsel Test Site (Switzerland) Grimsel- Granodiorite Permeability testDrill and blast drift2Bäckblom (2008) Wave velocityTBM drift0.5Marschall et al. (1999) Mont Terri Rock Laboratory (Switzerland) Opalinus clay Visualisation of the fracture network Drill and blast drift Roadheader 2 Bossart et al. (2002, 2004)Pneumatic and hydraulic characterization 0.5~0.7 Observations from field mapping0.2~1.5 KURT (Korea) Granite Rock core observation Blasting 2 Kwon et al. (2009) Goodman jack test2.3 Porosity 2.4 Lee et al. (2011) Wave velocity 1.1 (P wave velocity) 1.3 (S wave velocity) Young’s modulus 1.3 Uniaxial compressive strength 1.1 Thermal conductivity 1.8Vol. 26, No. 1 13 4. 처분시설 구조물 별 굴착공법 검토 4.1 구조물 별 굴착공법 고려사항 지하처분시설은 목적에 따라 접근터널, 중앙터널, 수직구, 처분터널, 처분공으로 구분할 수 있다. 각 구조물 별 목적 과 크기가 상이하기 때문에 다른 굴착공법이 고려될 수 있다. 예를 들어 접근터널의 경우에는 심도까지 도달하는 터널의 연장이 길어 발파공법 외에도 TBM 공법이 적용할 수 있으며, 처분터널에는 형상 및 공간 제약으로 인해 TBM 공법 적용 이 제한적이다. 보조 굴착을 포함/포함하지 않는 발파공법 적용이 합리적으로 판단된다. 처분공의 경우에는 현재까지 처 분시설이 건설된 사례가 온칼로 처분시설이 유일한 관계로 처분공 시공 사례는 극히 적으며, 온칼로 처분시설의 경우에 는 TBM가 유사한 원리를 가진 처분공 전용 굴착장비가 개발되어 적용되었다. 이중 처분과 밀접한 처분공과 처분터널은 굴착손상영역을 최소화하기 위한 공법이 적용된 것으로 확인되었다. 이러한 공법 특징을 고려하여 처분시설 굴착공법을 선정 할 수 있다. 다음의 표 4는 국외에서 적용된 굴착공법을 정리하였다. <표 4> 처분시설 구조물별 굴착공법 적용사례 Aspo (Sweden)Yucca URL (USA)ONKALO (Finland)Basin URL (China) 접근터널D&B, TBMTBMD&BTBM 중앙터널D&B, TBMTBM, D&BD&BD&B, TBM 처분터널D&BD&B, RoadheaderD&B- 처분공-TBM- 수직구TBM-TBMD&B, TBM <표 5> 굴착공법 별 특징 비교 장점단점 접근터널(진입로) TBM고속 시공 및 EDZ저감경제성 불리(발파대비) D&B경제성 유리EDZ 취약 중앙터널 TBM고속 시공 및 EDZ저감원형 외 단면 부족 D&B경제성 유리EDZ 취약 D&B + 보조굴착바닥부 수평도 확보, 바닥부 EDZ 유리경제성 불리(발파대비) 처분터널 D&B경제성 유리바닥부 수평도 부족, EDZ 취약 D&B +보조굴착바닥부 수평도 확보, 바닥부 EDZ 유리경제성 불리(발파대비) 처분공Micro TBMEDZ 유리별도 굴착장비 개발 수직구RBMEDZ 유리- 굴착공법 선정에 관하여, 접근터널은 TBM과 발파공법이 적용 가능하며, 이때 TBM 공법은 양호한 암질에서 굴진속 도가 빠르고 EDZ저감에 유리한 장점이 있다. TBM 특성 상 굴진 가능한 곡률반경과 경사도에 따라 적용이 제한될 수 있으며, TBM 공법의 적용을 위해서는 부지경계와 터널 계획이 확정되어야 한다. SKB의 Aspo URL은 연구목적에 따라 14 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 사용후 핵연료 처분장 굴착기술 사례 조사 및 고찰 다양한 굴착공법이 적용되었다. 최종 디자인을 기준으로 심도 340m 까지 발파 공법이 적용되었으며, 220m 심도까지 RBM(Raise Boring Machine)을 이용하여 수직구를 굴착하였다. 심도 340m 부터 목표 심도 까지 발파, TBM 공법이 적 용되었다. 이러한 사례를 참고하여 부지선정에 따라 가용한 굴착공법이 상이하기 때문에 부지선정 및 영역 결정 후 최종 굴착 공법 선정이 가능하다. 4.2 굴착공법 별 적용 사례 고찰 온칼로 처분시설은 접근터널과, 중앙터널, 처분터널을 발파공법을 적용하였다. 온칼로 처분시설을 관리하는 POSIVA 기술보고서에 따르면 처분터널 건설을 위해 발파공법이 적용되었으며, 이때 EDZ의 두께를 제어하기 위해 제어발파를 (a) 발파 설계도(b) 설계 굴착선 (c) GPR 측정을 통한 EDZ 거리 <그림 7> 온칼로 처분시설 발파 굴착 설계 및 EDZ 측정 결과Vol. 26, No. 1 15 적용하였다. 특히 처분터널 건설을 위해 선행 Pilot 터널을 굴착하여 EDZ를 평가하였다. 다음의 그림 7(a)는 Pilot 터널 에서의 발파공과 발파지연시간을 나타낸다. 발파 후 벽체 조사를 통해 EDZ 범위를 평가하였으며, 보편적으로 0.24m의 EDZ가 발생하였으며 최대는 0.4m 까지 발생한 것으로 조사되었다. 현장에서는 EDZ 최소화를 위해 발파공법을 Smooth blasting공법을 적용하여 외곽선으로부터 300 mm 까지 굴착 한계선으로 설계하였다. 또한 굴착 한계선까지 미굴 구간 에 대해서는 로드헤더 공법을 적용하여 스케일링하여 굴착하는 것으로 계획하였다. 따라서 굴착손상영역을 제거하여 최 종 굴착선에서부터 EDZ영역을 저감시키는 효과를 기대할 수 있다. 한편 TBM 공법은 원형 외 단면에 대해서는 제약사항이 존재하며, 장비가 설치되는 공간 확보가 필요하여 처분시설 적용이 제한적이다. 그럼에도 불구하고 기계화 공법의 장점으로 발파공법 대비 EDZ를 저감시킬 수 있는 장점이 있어 처 분연구시설에서는 접근터널 및 중앙터널을 대상으로 적용된 사례가 있다. 대표적인 TBM 터널 적용 사례로 미국의 Yucca Mountain 지하 처분연구시설이 있다. Yucca Mountain 프로젝트는 미국 네바다주에 위치한 핵연료 및 고준위 방사성 폐기물 심층 처분장 연구 프로젝트 시설로써 접근 경사 및 처분 메인 터널에는 직경 7.6m 급 TBM 장비가 투입되 었다. 북부 램프에 장비가 시작되었으며 최초 60m 구간에 대해서는 장비 초기 굴진을 위해 발파공법이 적용된 것으로 조사되었다. TBM 굴착은 북부 램프에 장비가 시작되었으며 최초 60m 구간에 대해서는 장비 초기 굴진을 위해 발파공법 이 적용되었다. 초기 굴착 이후 전체 굴착 터널연장은 7.6km에 해당하며 북부 램프 경사로로 처분장 위치까지 내려가 수평 주터널을 굴착하여 남부 램프 경사로로 빠져나가 굴착을 완료하였다. 또한 처분장 내에서 직경 5.5m급 TBM이 추 가로 굴진하여 처분장을 가로 지르는 터널을 추가 공사하였다. 암반용 그리퍼 TBM이 적용되었으나 특이하게 쉴드가 포 함된 특징이 있다. <그림 8> Yucca Mountain 적용 TBM 장비의 특징은 해당 장비는 그리퍼 타입(벽면 반력을 이용한 굴착 장비)임에도 불구하고 일반적인 그리퍼 타입과는 상이하게 전통과 후통으로써 쉴드가 설치되어 있는 특징이 있다. 이러한 경우에 예상치 못한 불량지반을 조우할 경우에 대해서도 작업자들의 안전을 확보할 수 있는 장점이 있다. TBM 전진은 그리퍼 장치를 이용하여 추력을 받아 굴진하게 된다. 그리퍼 장비는 총 4개의 그리퍼 슈를 사용할 수 있으며, 평소에는 2개의 그리퍼 슈를 사용할 수 있다가 더 높은 추 력을 필요로 할 경우 4개의 그리퍼 슈를 사용할 수 있다. 다음의 그림 9는 Yucca Mauntain 현장 TBM 장비 구성 및 특 징 사진을 나타낸다.16 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 사용후 핵연료 처분장 굴착기술 사례 조사 및 고찰 <그림 9> Yucca Mountain TBM 특징 5. 국내 심층처분 굴착공법 선정을 위한 사례 분석 5.1 심층 TBM 터널 건설 현장 고찰 국내 처분시설 부지 적합성 평가 및 안전성 평가 실증 연구를 위해서는 부지선정용 URL 건설이 필요하나 국내에는 아직까지 심층 URL은 보유하지 못한 실정이다. 국내 터널 대부분이 50m 심도 이내임을 감안할 때 산악 터널의 정보가 활용 가능하며, 본 기사에서는 처분터널과 유사한 조건의 터널을 대상으로 터널 굴착 및 지반정보를 검토하였다. ○○ 도수터널 공사는 기존 도수터널 노후화에 따라 신규 도수터널을 건설하는 공사이다. 신설되는 도수터널의 총 연장은 11.23km이며, 이중 TBM터널은 10.92km로 계획되었다. 터널형상은 수압작용에 유리한 원형터널이며 이때 터널 직경은 외경 4.0m, 내경 3.3m로 계획되었다. 터널 시공은 유입부와 유출부에 설치된 수직구를 통해 TBM을 반입하여 양방향 굴착을 하고, 터널 중앙부 관통 후에는 장비를 후방으로 반출하여 터널시공을 완료하였다. <그림 10> TBM 노선 및 TBM 전경 대상 현장의 터널 심도는 100~300m이며, 최대 토피고는 620m에 이른다. 터널구간 대부분은 반상변정질 편마암이 분포하며, 일부 구간은 화강암질 편마암이 우세한 것으로 조사되었다. 시추공에서부터 측정된 암석의 강도는 70~100 Vol. 26, No. 1 17 Mpa였으며 RMR은 20~95까지 평가되었다. 대상현장에는 2기의 Open TBM이 적용되었으며, 터널 장비 직경을 포함한 제원은 다음의 표 6과 같다. 그리퍼는 4방향으로 설치되어 다소 불량암질 상태에서도 안정적으로 벽면을 지지하여 굴착 할 수 있게 되었으며, 강지보재 설치를 위한 링빔 이렉터는 커터헤드 후방에서 즉시 지보 가능하도록 설치되었다. TBM 굴착은 1호기가 2017년 6월에 시작되었으며 굴착기간은 18개월이 소요되었다. 또한 2호기는 2017년 9월 굴착을 시작하 여 굴착기간은 17개월이 소요되었다. 각 터널 연장을 적용하여 평균 굴진속도를 검토한 결과는 다음의 표와 같다. TBM 평균 굴진속도는 321m/month이며, 설계속도 315m/month와 유사한 수치를 보였다. <그림 11> TBM 굴착 전경 및 터널 Face <표 6> TBM 제원 Type제작사 Diameter Main drive power 최대 토크 Cutterhead 회전속도 최대 추력 디스크 커터 사이즈 커터 개수 Cutterhead Inner diameter Gripper (Open) TBM Wirth (독일) 4000mm3300mm1000kW1500kN.m13.1rpm8,250kN17인치35개 <그림 12> TBM 굴진실적Next >