< Previous18 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 사용후 핵연료 처분장 굴착기술 사례 조사 및 고찰 대상 현장은 일반적인 교통터널과 다르게 국외 처분시설과 유사한 터널 크기를 가지며, Open TBM을 굴진하면서 양 호한 암반조건에서는 설계지보패턴에 따라 숏크리트가 시공되지 않았다. 따라서 암반이 그대로 노출되어 벽체 절리면 조사가 용이하며, 발파 균열도 존재하지 않아 모암의 절리면을 그대로 관찰할 수 있었다. 다음의 그림 14는 현장에서 조 사된 맵핑 결과 예시를 나타낸다. 맵핑 조사조사에 따르면 심층 구간에서 다양한 절리군을 확인하였고 일부구간에서는 다양한 암맥을 확인할 수 있다. 특히 일부구간에서는 석영맥과 산성암맥이 발견되어 이러한 암맥이 처분환경에서 어떠 한 영향을 미치는 지에 대한 연구 필요할 것으로 사료된다. 스웨덴의 포쉬마크 중저준위 처분시설 사례에 따르면 처분시 설은 장기간 처분환경을 유지하기 위해 인공 건설 자재 사용을 엄격히 제한하기 때문에, 국내 처분시설 굴착 지보설계를 위해 심층터널에서 지보재 사용량을 최소화하는 방향으로 지보 최적 설계 방법에 대한 연구가 필요하다. <그림 13> 지층단면도 <그림 14> 벽체 맵핑 예시Vol. 26, No. 1 19 <그림 15> TBM 터널 벽체 절리면 조사 5.2 선균열 발파공법 시험시공 온칼로 처분시설의 처분터널 굴착공법은 발파공법이 적용되었으나, EDZ 저감하기 위해 일정 두께까지 미굴선을 포함 하여 로드헤더를 이용한 추가굴착하는 방법으로 계획하였다. 이와 유사한 방법으로써 선균열 로드헤더 공법에 대한 시 험시공을 수행하였다. 선균열 공법은 국내 로드헤더 굴착 중 강한 암질을 조우하는 경우 굴착이 어려운 한계를 극복하기 위해 선균열 유도 발파를 통해 암반을 취약화 후에 로드헤더를 굴착하는 공법이다. 선균열 공법은 일반 제어발파 대비 소량의 장약량으로 발파를 실시하여 사전 균열만을 유도함으로써 발파로 인한 영향을 저감하는 동시에 로드헤더 굴착효 율을 개선시키는 효과를 기대한다. 아직까지 국내 암질을 대상으로 로드헤더 적용 사례가 극히 드물어 해당 공법의 적용 성을 검증한 사례가 부족하였으며, 국내 로드헤더 적용 현장을 대상으로 시험시공을 수행한 바 있다. 시험시공 대상 현 장은 암석강도가 140Mpa 수준의 고강도 암석구간으로 로드헤더 적용이 어려운 조건에 해당한다. 해당 현장을 대상으로 발파 전후 로드헤더 굴착을 수행한 결과, 20% 가량 굴착효율이 향상되는 것을 확인하였다. 일부 결과인 한계는 있으나, 선균열 발파를 통해 굴착효율이 향상 가능함을 확인하였으며, 추후 연구를 통해 보다 객관적이고 정확한 평가가 가능할 것으로 사료된다. <그림 16> 온칼로 처분터널 굴착 계획선<그림 17> 선균열 공법 로드헤더 시험시공20 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 사용후 핵연료 처분장 굴착기술 사례 조사 및 고찰 <그림 18> 선균열 공법 시험시공 전경 및 장약량에 따른 굴착손상영역 저감 효과 한편 선균열공법의 EDZ 특성을 평가하기 위해 야외 채석장에서 일반제어발파와 선균열 발파를 수행하고 굴착손상영 역을 비교하였다, 일반 제어발파 대비 선균열 발파의 굴착손상영역이 30% 가량 감소되는 것을 확인할 수 있었다. 시험 시공 결과를 통해 처분터널의 굴착손상영역 저감을 위해 보조공법으로써 로드헤더를 이용한 선균열 공법의 적용성을 확 인하였다. 추후 연구를 통해 처분시설 건설을 위한 최적의 굴착공법 선정의 근거자료를 확보할 계획이다. 6. 맺음말 본 기술기사에서는 사용후 핵연료 처분시설 건설 시 굴착공법 선정을 위해 국외 처분시설 사례를 고찰하였다. 국외 처 분시설 사례에서 굴착공법에 따른 굴착손상영역 평가 연구가 수행되었으며, 기계화 굴착공법이 발파공법 대비 굴착손상 영역 저감효과가 크다는 사실을 정량적으로 규명하였다. 그러나 기계화 공법의 적용에 관한 제약조건이 존재하기 때문 에 적용에 한계점 또한 존재하여, 구조물 종류와, 부지경계, 단면 형상을 고려하여 최적의 굴착공법 선정이 필요할 수 있 다. 한편, 처분공의 경우에는 굴착손상영역 손상에 가장 민감한 구조물이기 때문에 기계화 굴착이 예상되며, 핀란드 사 례를 참고하여 향후 처분공 전용굴착장비를 이용한 처분공 굴착 및 EDZ 평가에 관한 연구가 필요할 것으로 사료된다. 참고문헌 1. Benjamin Grove, “The Machiine’ now a symbol Yucca project”, 2006. 2. SKB, “ZEDEX-A study of damage and disturbance from tunnel excavation by blasting and tunnel boring”, 1997, Technical report, 97-30. 3. SKB, “Aspo Hard Rock Laboratory, Experience from design and construction”, 1999, International Progress Report, IPR-99-05. 4. POSIVA, “Underground Openings Production Line 2012”, 2013, Posiva Report 2012-22. 5. Changsoo Lee, Sangki Kwon, Seokwon Jeon, “An Estimation of the Excavation Damaged Zone at the KAERI Underground Research Tunnel. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 26, No. 1 21 기술기사 2 본 고에서는 국내외에서 발생한 터널 붕락사고 사례 분석을 하여 터널사고 발생원인 분석과 메커니즘, 주요 리스크와 이에 대한 대책 그리고 사고현장에 대한 응급 복구 및 보강대책 등을 중심으로 기술하고자 한다. 다시 말하면 터널공사 에서 발생 가능한 지오 리스크와 이로 인한 터널 붕락 및 붕괴 특성을 면밀히 검토하여, 터널사고로부터 얻을 수 있었던 여러 가지 교훈과 사고 이후 개선되거나 달라진 공사체계와 시스템 등에 대하여 기술하였다. <표 1> 국내외 터널 주요 붕락사고 사례 구분내용공법 1영국 히드로 급행철도 터널 붕락사고와 교훈 NATM 터널 2싱가포르 MRT 니콜 하이웨이 붕락사고와 교훈 수직구/ 개착터널 3타이완 가오슝 MRT 터널 붕락사고와 교훈TBM 터널 4도쿄 대단면 TBM 터널 지반함몰 사고와 교훈TBM 터널 5후쿠오카 지하철 대단면 NATM 터널 붕락사고와 교훈 NATM 터널 6상하이 메트로 TBM 하저터널 붕락사고와 교훈TBM 터널 7호주 Forestdfield 공항철도 TBM 터널 사고와 교훈TBM 터널 8독일 Rastatt TBM 철도터널 붕락사고와 교훈TBM 터널 9캐나다 오타와 LRT 터널 붕락 및 싱크홀 사고와 교훈NATM 터널 10브라질 상파울루 메트로 NATM 터널 붕락사고와 교훈NATM 터널 11국내 도심지 터널 붕락 및 싱크홀 사고와 교훈TBM / NATM 터널 도심지 터널 붕괴·붕락사고와 교훈 Tunnel Collapse Accident and Lesson Learned in Urban Tunnelling 김영근 한국터널지하공간학회 부회장 (주)건화 지반터널부 부사장 공학박사/기술사22 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 도심지 터널 붕괴· 붕락사고와 교훈 1. 영국 히드로 급행철도 터널 붕락사고와 교훈 히드로 급행철도(Heathrow Express, HEX) 터널 프로젝트는 히드로 공항과 런던 중심부에 있는 패딩턴 역을 연결하 는 프로젝트로서, 프로젝트 관리는 처음부터 여러 가지 어려움에 직면했으며, 그중에는 제한된 예산문제, 경직되고 복잡 한 조직, 제대로 이해되지 않은 NATM 공법과 관련된 기술적 문제가 있었다. 이러한 결과로 직접적으로 취해진 몇 가지 결정은 전체 프로젝트를 위태롭게 했고 1994년 10월 21일 밤에 터널 붕괴사고가 발생하게 되었다. <그림 1> 영국 히드로 급행철도(HEX) 터널 붕락사고(영국, 1994) <그림 2> 터널 붕락 및 붕락 메커니즘 1.1 새로운 기술의 적용과 시행착오 NATM 터널공법은 오스트리아에서 개발되어 광범위하게 적용되었으며, 이후 영국에서 대형 도심지 터널공사인 히드 로 공항철도 터널에 처음으로 적용되었다. 이러한 이유로 NATM 공법 도입 초기에 설계 및 시공상 많은 시행착오를 거Vol. 26, No. 1 23 듭하였고, 특히 런던 점토층(London Clay)과 같은 연약지반에 대한 기술 노하우와 경험이 부족하여 발주처 및 시공사의 시공상의 잘못이나 관리상의 문제가 발생하여 심각한 붕괴사고를 초래하였다. 1.2 터널 붕락사고 원인과 메커니즘 본 터널의 붕락사고의 원인은 런던 점토층의 지반공학적 특성을 고려하지 않은 설계와 NATM 공법의 특성을 이해하 지 못한 시공상의 결함으로 발생한 것으로 평가된다. 즉 연약 점토층에서의 수직구와 3개의 터널을 동시에 시공하고, 바 닥 인버트(Invert)를 평편하게 하여 링폐합 구조(Ring Closure)를 제대로 형성하지 못하고, 건물 하부구간에서의 무리 한 잭그라우팅으로 인한 터널에 심각한 영향을 미쳐 지속적인 터널변형 발생과 숏크리트 라이닝의 손상으로 인하여 터 널 붕괴가 발생한 것이다. 1.3 터널사고 방지에 대한 해결책 본 터널사고가 발생한 직후 발주처에서는 솔루션팀을 구성하여 터널복구방안을 수립하고 주요 대책을 제시하였다. 기 술 솔루션으로 붕괴구간에 코파댐(coffer dam)을 시공하여 복구공사를 수행하도록 하였으며, 조직 솔루션으로는 공사 비 위주에서 품질과 안전가치를 중심으로 공사목표로 조정하도록 개선하였다. 또한 정보 흐름구조를 만들어 공사담당자 와 책임자에 대한 통지와 공사에 대한 이해를 증진하도록 하고, 또한 의사결정과정에 모든 공사담당자들이 참여하고 의 사소통을 개선하도록 하였다. 또한 터널공사에서의 안전과 리스크 평가를 시행하도록 하여 리스크 관리를 보수적으로 진행하도록 하였다. 1.4 터널붕괴 사고와 교훈 본 터널사고는 그 당시 영국에서 진행되어 왔던 발주자 및 시공자와의 계약관계, 프로젝트 관리방식 및 발주시스템에 대한 제반 문제점을 확인할 수 있는 좋은 계기가 되었다. 특히 영국 HSE 위원회와 영국토목학회(ICE) 및 영국터널학회 (BTA)를 중심으로 심도 깊은 논의와 연구를 진행하여 “NATM 터널에서의 안전시공” 및 “지하터널공사에서의 리스크 관 리” 등에 보고서를 발간하여 지하터널공사에서의 공사관리 시스템을 혁신적으로 개선시키고 발전하게 되었다. 2. 싱가포르 MRT 니콜 하이웨이 붕락사고와 교훈 2004년 4월 20일 오후 3시 30분경 그림 3에서 보는 바와 같이 싱가포르 MRT 공사 중 니콜 하이웨이(Nicoll High- way)가 붕괴되는 사고가 발생했다. 본 사고는 싱가포르의 건설 산업에 깊은 영향을 미쳤다. 이 사고를 통해 깊은 굴착공 사를 할 수 있는 자격을 갖춘 지반 기술자를 임명하고 임시공사에 대한 권한 제출을 요구하는 등 많은 규제가 강화되었 다. 그 붕괴로 4명이 사망하고 3명이 부상당했다. 프로젝트 몇몇 당사자들이 법정에서 기소되었고, 프로젝트 완료가 지 연되었다.24 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 도심지 터널 붕괴· 붕락사고와 교훈 <그림 3> 니콜 하이웨이 붕락사고(싱가포르, 2004) <그림 4> 니콜 하이웨이 붕락사고 메커니즘 2.1 지반공학에서 해석오류와 설계 연약지반 중에 구축되는 흙막이 가시설 설계에서 연약 점토에 대한 합리적인 지반물성 산정과 평가는 매우 중요한 것 으로, 해석상에 잘못된 평가나 오류는 과소설계를 가져오게 되어 결과적으로 붕괴사고에 대한 기본적인 원인을 제공한 사례이다. 특히 지반기술자는 지반설계 시 해석결과에 대한 지나친 과신을 가져서는 안 되고, 지반물성 적용 및 해석프 로세스 및 해석결과 분석에 상당한 주의를 가져야 한다. 2.2 계측 모니터링과 시공관리의 중요성 본 붕괴사고의 경우 시공 중 다양한 계측데이터로부터 과도한 지반거동, 심각한 벽체변형 등을 감지할 수 있었으며, 이에 대한 합리적인 역해석 등을 통하여 설계 및 시공상의 문제점을 확인하여 붕괴사고에 방지할 수 있었을 것이다. 하 지만 시공자의 공사비 및 공기를 우선시하는 관행과 지반관련 전문가가 현장에 없어 지반공학적 문제에 대한 부실평가 그리고 자격이 없는 계측담당자에 의해 수행된 계측결과의 무시 등으로부터 붕괴사고까지 이르게 되었다.Vol. 26, No. 1 25 2.3 사고방지에 대한 해결책 본 붕괴사고가 발생한 직후 발주처에서는 사고조사위원회를 구성하여 입찰, 설계 및 시공에 대한 전 과정에 대한 철저 한 조사로 주요 사고 원인을 규명하고, 제발 방지 대책을 제시하였다. 기술적으로 붕괴구간을 되메워 완전 복구하여 고 속도로가 가능한 빨리 운행토록하고, MRT을 변경하여 신설하는 방안을 수립하였다. 또한 건설시스템으로는 공사비/공 기 위주에서 품질과 안전을 중심으로 공사목표로 조정하고, 관련 제도와 정책을 정비하여 모든 지하공사에서의 안전 리 스크 관리를 의무화하고, 설계변경 절차를 엄격히 제한하도록 하였으며, 시공 중 전문가가 현장에 상주하여 공사를 관리 하도록 하였다. 2.4 붕괴 사고와 교훈 본 붕괴고는 그 당시 싱가포르에서 진행되어 왔던 발주자 및 시공자와의 계약관계, 프로젝트 관리방식 및 발주시스템 에 대한 제반 문제점을 확인할 수 있는 확실한 계기가 되었다. 특히 싱가포르 사고조사위원회(COE) 및 육상교통부(LTA) 및 노동부(MOM) 등을 중심으로 심도 깊은 논의와 연구를 진행하여 “건설공사에서의 통합안전관리시스템(Total Safety Management System, TSMS)” 및 “PSR 프로세스(Project Safety Review)”, “DfS 제도(Design for Safety)” 등을 제정 하여 지하공사에서의 공사관리 시스템을 혁신적으로 개선시키고 발전시키게 되었다. 3. 타이완 가오슝 MRT 터널 붕락사고와 교훈 2005년 12월 4일 오후 3시 30분경 대만 가오슝 MRT 공사 중 TBM 터널이 붕괴되는 사고가 발생했다. 본 사고는 타이 완에서 도심지역에 적용되어 왔던 지하공사(Underground construction)에 깊은 영향을 미쳤다. 본 사고를 통해 지하공 사에서 입찰단계에서부터 자격을 갖춘 지반전문기술자가 조사, 설계 및 시공에 관여하도록 하는 등 많은 규제가 강화되 었다. 또한 TBM 터널공사에서의 대규모 터널 붕괴사고는 상당한 기술적 문제점을 제기하는 계기가 되었으며, 대규모 복구공사로 인하여 MRT 개통을 지연시키는 막대한 피해를 가져오게 되었다. <그림 5> 가오슝 MRT 터널 붕락사고(타이완, 2004)26 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 도심지 터널 붕괴· 붕락사고와 교훈 <그림 6> 파이핑 파괴로 진행되는 붕락 메커니즘 3.1 TBM 터널에서의 횡갱(NATM)공사의 문제 일반적으로 도심지 지하철과 같은 터널공사에서는 상하행의 병렬터널을 굴진한 후, 두 개의 터널을 연결하는 방재목 적의 피난연결통로(횡갱, cross passage)를 설치하게 된다. 특히 지반이 연약한 경우에는 본선터널은 TBM 공법을 이용 하지만, 피난연락갱의 경우 어쩔 수 없이 NATM 공법을 이용하여 굴착을 수행하게 된다. 특히 횡갱굴착공사 시 굴착에 앞서 주변지반의 차수성능을 철저히 확인하여 지하수 유입을 제어하도록 해야 한다. 연약지반상의 NATM 공사는 상당 한 리스크를 가지므로 시공 중 엄청난 주의를 기울여 관리해야만 한다. 3.2 연약지반의 지반공학적 특성 규명 및 지반기술자 중요성 본 붕괴사고의 경우 피난연락갱 하부 섬프공사 중 갑작스러운 파이핑(piping) 현상으로 발생한 것으로, 연역지반에 대한 그라우팅 품질관리, 즉 횡갱하부에 대한 지반그라우트 개량체에 대한 그라우트 성능 확인이 매우 중요함을 할 수 있다. 또한 공사지역의 지반의 고유한 특성과 공학적 거동 특성을 설계 단계에서 파악하도록 해야 하며, 시공 중에 이를 확인하도록 해야 한다. 이를 위해서는 자격을 갖춘 경험있는 지반 전문가가 설계 및 시공에 관여하도록 해야 한다. 3.3 사고원인조사와 복구대책 수립 본 붕괴사고가 발생한 직후 발주처에서는 타이완 건설연구소를 중심으로 사고조사위원회를 구성하여 설계 및 시공에 대한 철저한 조사로 주요 사고 원인을 규명하고, 복구대책을 제시하였다. 주요 복구대책으로는 사고 구간에 대한 다이아 프램 월을 설치하고, 연결구간에는 지반동결공법을 적용하여 지반을 보강한 후 붕락구간의 토사와 손상된 세그먼트를 제거하고, 개착공법으로 세그먼트 라이닝을 조립한 후 되메워 최종적으로 복구공사를 무사히 마칠 수 있었다. 또한 사고 원인으로부터 도심지 지하철공사에서의 시공 리스크를 관리할 수 있는 지반전문가를 현장에 상주하여 공사를 관리하도 록 도심지 지하공사관리 시스템을 개선하였다. Vol. 26, No. 1 27 3.4 붕괴 사고와 교훈 본 붕괴사고는 타이완에서 진행되어 왔던 도심지 지하공사에서의 시공관리 문제, TBM 터널공사에서의 횡갱 시공에 대한 제반 문제점을 확인할 수 있는 계기가 되었다. 특히 가오슝 당국 및 사고조사위원회 등을 중심으로 심도 깊은 논의 와 검토를 진행하여 본 붕괴사고에서의 사고원인 규명과 재발방지 대책 등을 수립하여 타이페이 도심지 지하공사에서의 공사관리 시스템을 개선시키게 되었다. 4. 도쿄 대단면 TBM 터널 지반함몰 사고와 교훈 2020년 10월 18일 오전 9시 30분경 도쿄 외곽순환도로 TBM 터널공사 중 지반함몰(Sinkhole) 사고가 발생하였고, 각 종 매스컴에 대대적으로 보도되어 일본에서 굉장한 이슈가 되었다. 본 사고는 일본 도심지역에 적용되어 상대적으로 안전 하다고 믿어왔던 대심도 터널공사(Deep Tunnelling)에 대한 안전성뿐만 아니라 도심지 지하터널건설공사에 대한 신뢰성 에 상당한 영향을 미쳤다. 도심지 대심도 터널공사에서의 지반함몰 사고는 TBM 시공관리기술의 문제점을 제기하는 계기 가 되었으며, 지반보강공사와 주변주택에 대한 보상 등으로 인한 민원으로 터널공사에 심각한 지장을 초래하게 되었다. <그림 7> 도쿄외환고속도로 TBM 터널 공사 중 지반함몰 사고(도쿄, 2020) <그림 8> TBM 터널 지반함몰(싱크홀) 발생 개요 및 메커니즘Next >