< Previous28 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 도심지 터널 붕괴· 붕락사고와 교훈 4.1 대심도 TBM 터널에서의 지반함몰 및 지반공동 발생 문제 쉴드 TBM 터널공사에서는 지반을 굴진하면서 발생되는 다양한 굴진 데이터로부터 시공관리를 진행하게 되며, 일정 구간을 굴진한 후 커터헤드 교환 및 수리를 위한 정지(CHI, Cutterhead Intervention)를 반복하게 된다. 특히 대단면 쉴드 TBM의 경우 굴진데이터 및 배토량 관리에 대한 경험치가 부족하여 과굴착에 대한 이상 여부를 관리하기가 어렵고, 정지구간에서의 장비와 지표면에서의 안정여부(침하 및 함몰 발생)를 지속적으로 확인하도록 해야 한다. 4.2 TBM 터널공사에서의 굴진관리 및 시공관리의 중요성 본 지반함몰 사고는 쉴드 TBM 굴진시 지층특성이 변화하는 구간에서 야간정지후 쉴드 장비의 재굴진 중에 과굴착으 로 인한 주변지반의 이완과 굴뚝모양으로 확대되어 지표면에 함몰과 공동이 발생한 것으로, 쉴드 TBM 터널시공시에 굴 진데이터 관리, 배토량 관리 및 TBM 정지구간에서의 안전관리 등에 중요성을 확인할 수 있다. 또한 공사구간에 대한 지 반의 분포 특성과 거동 특성을 상세히 정확히 파악하도록 해야 하며, TBM 굴진시 이를 반영하여 품질관리에 활용하도록 해야 한다. 4.3 철저한 사고원인조사와 재발방지대책 수립 본 지반함몰 사고가 발생한 직후 국토교통성을 중심으로 사고조사위원회를 구성하여 지반조사 및 TBM 시공자료 분 석을 통한 주요 사고원인과 발생메커니즘을 규명하고, 지반보강 및 재발방지대책을 제시하였다. 지반보강대책으로는 지 반구간과 주변영향 구간에 대하여 고압분사교반공법을 적용을 적용하여 지반을 보강하고, 주변 영향구간에 대한 상세조 사를 통하여 보상대책구역을 선정하여 보상을 실시하고, TBM 터널공사에서의 재발방지대책 및 안전관리대책을 수립하 고 이를 지역 주민들에게 공지하고 공유하도록 함으로써 시스템을 개선하였다. 4.4 TBM 터널공사 지반함몰 사고와 교훈 본 지반함몰 및 공동발생 사고는 일본에서의 도심지 터널공사에서의 안전관리, TBM 터널공사에서의 굴진 및 배토관 리 등 도심지 터널공사에 대한 제반 문제점을 확인할 수 있는 계기가 되었다. 특히 국토교통성 사고조사위원회 등을 중 심으로 1년 이상의 시간에 걸쳐 심도 깊은 논의와 분석을 진행하여 본 사고에서의 사고원인 규명과 재발방지대책 등을 수립하였다. 또한 일본 도심지 TBM 터널공사에서의 시공관리 및 안전관리 시스템을 재확인하는 계기가 되었다. 5. 후쿠오카 지하철 대단면 NATM 터널 붕락사고와 교훈 후쿠오카시 지하철 나나쿠마선 연장공사 현장에서 2016년 11월 8일 5시 15분경 하카타역 앞 교차로 부근 도로 포장면 에 균열이 발생하고, 이후 5시 20분경 도로 남쪽이 함몰, 5시 30분경 도로 북쪽이 함몰, 7시 20분경 도로 중앙부가 함몰 되기에 이르렀다. 지하철 공사현장에서는 11월 8일 0시 40분경부터 지보공 103기 부근 굴착을 시작했으며 4시 25분경 연속적인 부분 붕락을, 4시 50분경에는 막장천단에서 이상출수를 관측하여 5시 00분경 작업원 9명 전원의 지상 대피가 Vol. 26, No. 1 29 완료, 5시 10분경 차량 등의 진입금지 조치가 완료된 바 있었다. <그림 9> 후쿠오카 지하철 NATM 터널 붕락사고(일본, 2016) <그림 10> 터널붕락 및 도로함몰 사고 개요도 5.1 대단면 터널에서의 지질 및 지하수 리스크 본 현장에서는 시공 중에 설계상 예측한 지질 및 지반조건과 다른 지질 및 지하수 조건에 대한 기술적 대책을 수립하 여 적극적으로 반영하였으나 대규모 터널붕락사고가 시공 중에 발생하여 도로함몰에 이르게 되었다. 사고원인조사를 통 하여 지질 및 지하수에 대한 원인과 설계 시공에 관한 원인을 10가지로 분석하고, 특히 암토피고가 작은 풍화암층과 미 고결 대수 모래층에서 선진도갱 굴착에 의한 영향으로 천단부에 유로가 형성되어 급격히 토사와 지하수가 터널내로 유 입되면서 붕락이 발생한 것으로 분석되었다. 30 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 도심지 터널 붕괴· 붕락사고와 교훈 5.2 대단면 NATM 터널에서의 보조공법 시공 본 현장에서는 설계시공적인 요인으로 암토피고를 확보하기 위한 터널단면 변경 및 지반특성을 반영한 분할굴착 변경 및 보조공법 변경 등 보다 안전한 측으로 설계를 변경하여 시공하였으나, 결과적으로는 붕괴사고에 이르게 되었다. 본 현장과 같은 지반불량구간에서는 주지보에 추가적으로 시공되는 보조공법(강관보강그라우팅)의 경우 지보성능 확인 등 에 대한 품질 및 시공관리가 무엇보다 중요함을 할 수 있다. 따라서 보조공법을 적용하기 위해서는 터널주변 지반의 특 성을 파악하고 이에 적합한 보조공법을 선정하고 적용하도록 하여야 하며, 반드시 시험시공을 통하여 그 적정성을 검증 하여야만 한다. 5.3 사고원인조사와 복구대책 수립 주요 복구방안으로 사고구간에 대한 지상그라우팅에 의한 지반개량을 확실하게 실시하고, 터널내에서는 붕락된 터널 구간을 완전히 토사로 채우고 지보벽체를 설치한 후 수발공을 설치하여 지하수위를 제어하도록 하였다. 또한 터널주변 지반을 그라우팅하여 인공지반을 형성한 후 NATM 공법으로 재굴착하여 최종적으로 복구공사를 무사히 마칠 수 있었다. 5.4 도심지 대단면 NATM 터널 붕락사고와 교훈 본 붕락사고는 도심지 지하철 공사에서의 지질 리스크 관리문제, NATM 터널공사에서의 보조공법 시공에 대한 제반 문제점을 확인할 수 있는 계기가 되었다. 특히 후쿠오카 당국 및 사고조사위원회 등을 중심으로 심도 깊은 논의와 검토 를 진행하여 본 붕괴사고에서의 사고원인 규명과 재발방지 대책 등을 수립하여 일본 도심지 NATM 터널공사에서의 안 전시공관리 시스템을 개선시키게 되었다. 6. 상하이 메트로 TBM 하저터널 붕락사고와 교훈 2003년 상하이 지하철 4호선의 사고는 중국 지하철 역사상 가장 눈에 띄는 사고 중 하나였다. 이는 인공지반 동결공 법에 의해 굴착된 피안연결통로의 일차적인 파괴를 포함하고, 이후에 대규모의 물과 토사의 침투, 엄청난 지반침하, 기 존 구조물의 급속한 침하, 황푸강을 따라 인접한 제방의 붕괴, 부지의 홍수, 그리고 건물과 지하철의 붕괴를 포함한다. 터널 사고는 모래층 내에서 피난연락갱의 파괴가 직접적인 원인이었다. 처음에는 침투수가 동결지반을 무너뜨리고 나서 물과 토사가 피난연락갱과 터널 내로 쏟아져 들어왔다. 대규모 지반붕괴의 결과로 지표면은 4m정도까지 침하했고 기존 구조물들은 손상되었다.Vol. 26, No. 1 31 <그림 11> 상하이 메트로 TBM 터널 붕락사고(중국 상하이, 2003) <그림 12> 터널붕락 및 도로함몰 사고 개요도32 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 도심지 터널 붕괴· 붕락사고와 교훈 6.1 연약지반에서의 동결공법과 리스크 본 현장에서는 연약지반의 하저구간으로 피난연락갱 시공 시 지반개량효과를 증진하기 위여 인공동결공법을 적용하 였다. 하지만 설계보다 작은 동결심도와 동결파이프 시공으로 피난연락갱 주변의 지반보강의 상태가 양호하지 않았으 며, 특히 하절기에 냉동장치의 이상으로 여러 시간 동결지반의 온도가 상승하는 원인을 제공하게 되었다. 특히 사고가 발생한 지층은 실트질 모래층의 대수층으로 액상화가 발생하기 쉬운 지층으로서 동결지반의 결함으로 쉽게 지하수가 침 투된 것으로 분석되었다. 6.2 TBM 터널에서의 피난연락갱 시공 리스크 본 사고는 TBM 공법으로 시공된 상하행의 본선터널을 연결하는 피난연락갱 구간에서 발생하였다. 특히 연약지반구 간에 NATM 공법으로 시공되는 피난연락갱은 시공리스크가 큰 가장 취약한 구간이라 할 수 있다. 일반적으로 피난연락 갱 주변 연약지반을 개량하기 위한 지반보강그라우팅 또는 인공동결공법이 시공 전후에 수행되지만, 연약지반의 개량효 과를 공학적으로 확인하고 검증이 필수적이라 할 수 있다. 6.3 사고원인조사와 복구대책 수립 사고 원인은 피난연락갱 주변지반의 동결상태 불량으로 인한 모래층에서의 파이핑(piping)으로 물과 토가가 터널내로 급격히 유입되고 주변 지반이 유실됨에 따라 세그먼트 라이닝 파괴와 지상도로 함몰과 건물붕괴에 이르게 된 것으로 파 악되었다. 복구방안으로는 지하연속체 공법과 JSP공법을 적용하여 흙막이 굴착공사 후 손상된 구조물을 제거한후 개착 터널을 시공하는 방법이 적용되었다. 6.4 하저 TBM 터널 붕락사고와 교훈 본 사고는 TBM 공사의 연약지반에서의 지질 리스크 문제, 피난연락갱 공사에서의 인공동결공법의 품질관리 문제점 등을 확인할 수 있었고, 특히 지하터널공사에서의 설계변경 절 차 및 시공관리방법 등의 건설공사의 관리상의 제반 문제 점을 확인할 수 있는 계기가 되었다. 7. 호주 Forrestfield 공항철도 TBM 터널 사고와 교훈 2018년 9월 22일 토요일 오전 11시 45분경, 피난연락갱(Cross passage) Dundas와 제1터널 라이닝 링인버트 사이의 경계에서 누수(leak)가 발생했다. 누수는 Forrestfileld 역에서 북쪽으로 약 200m 떨어진 피난연락갱 Dundas(CP12) 굴 착과정에서 발생했다. 지하수 유입을 막기 위해 즉각적인 노력을 기울였지만, 상당한 수압으로 인해 유입량은 초당 약 50리터로 증가했고 그 결과 200m3 이상의 모래와 토사가 터널로 유입되었다. 9월 23일 일요일 아침, Dundas 도로에 인접한 지표면에 싱크홀이 형성되었다. Dundas 도로의 일부 구간은 폐쇄되었 고, 예방 조치로 두 TBM이 모두 중단되었다. 그날 늦게 전문시공자가 인접한 TBM 터널 주변 인버트에 그라우트를 주입Vol. 26, No. 1 33 하기 시작했고, 며칠 후 유입량이 크게 감소했으며, 지하수 유입은 10월 3일 수요일에 완전히 멈추게 되었다. 지하수의 압력과 관련 하중으로 인해 피난연락갱 지점 근처에서 약 16개의 터널 링 약 26m 구간이 변형되었다. <그림 13> Forrestfield 공항철도 TBM 터널 붕락사고(호주 Perth, 2018) <그림 14> 지하수 유입을 일으킨 경우 Flow Path 7.1 TBM 터널에서의 지반그라우팅 리스크 본 TBM 터널구간의 피난연락갱 시공시 지반개량 효과를 증진하기 위하여 TBM 굴진전에 제트 그라우팅(jet grou- ting)을 적용하였으며, TBM 굴진 완료후 피난연락갱 굴착 전에 피난연락갱 주변에 인공지반동결공법(artificial ground freezing)을 적용하였다. 사고가 발생한 구간은 하부에 모래층의 대수층이 분포하고 있어 피난연락갱 굴착시 피난연락 갱 주변 지반 그라우트체의 결함과 갭을 통하여 지하수가 터널 내부로 급격하게 침투된 것으로 분석되었다. 34 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 도심지 터널 붕괴· 붕락사고와 교훈 7.2 TBM 터널에서의 피난연락갱 시공 리스크 본 사고는 TBM 공법으로 시공된 상하행의 본선터널을 연결하는 피난연락갱 구간에서 발생하였다. 본 현장에서는 피 난연락갱 주변 지반을 개량하고 차수성능을 확보하기 위하여 지반 보강그라우팅과 인공동결공법이 적용되었지만, 라이 닝과 지반 그라우트체의 갭, 지반 그라우트체의 결함, 배면 그라우트의 결함 등으로 복합적인 문제가 생기면서 침수 사 고로 이어진 것으로 판단된다. 7.3 사고원인조사와 복구 방안 수립 사고 원인은 피난연락갱 주변 지반의 갭(gap)과 내부 결함(defect)으로 인한 하부 모래층에서의 파이핑(piping)으로 물과 토사가 터널 내로 급격히 유입되고 주변 지반이 유실됨에 따라 지상도로 함몰에 이르게 된 것으로 파악되었다. 복 구 방안으로는 터널을 재시공하지 않고 손상된 라이닝을 보강하는 방안을 채택하였다. 보강공법으로는 손상된 라이닝을 절삭하여 강재(SGI) 라이닝을 설치하도록 하였으며, 화재 등에 대비하기 위하여 강재(SGI) 표면에 스프레이를 타설하 였다. 7.4 TBM 터널 사고와 교훈 본 사고는 토사지반의 TBM 터널에서 배면 그라우팅 품질관리, 피난연락갱 구간의 지반그라우팅 품질관리, 피난연락 갱 주변 지반에 대한 지반동결공법의 시공관리 그리고 NATM으로 굴착되는 피난연락갱의 시공관리상의 문제점 등을 확 인할 수 있었고, 특히 TBM 터널공사에서의 설계변경 절차 및 시공관리방법 등의 건설공사의 관리상의 제반 문제점을 확 인할 수 있는 계기가 되었다. 8. 독일 Rastatt TBM 철도터널 붕락사고와 교훈 2017년 8월 12일 오전 11시경 터널 공사현장의 센서는 터널 위에 있는 기존 노선의 선로가 침하하고 있음을 나타냈다. 노선을 따라 설치된 신호가 위험으로 나타나 모든 열차는 자동으로 운행이 중단되었다. 그림 15에서 보는 바와 같이 약 6~8m 길이의 선로구간에서 0.5m 정도 함몰되었다. 이 구간의 터널 토피고는 4~5m로 터널의 길이에 걸쳐 지반을 -33°C의 냉각액으로 동결시켜 터널을 안정시킨 상태였다. 터널은 완전히 얼어붙은 재료를 통해 205m의 길이에 걸쳐 작 동하도록 시공되었다. 상부 지반 및 궤도 함몰직후 과다한 지하수 유출로 인해 처음에는 터널에 접근할 수 없었으며, 터 널의 붕락이 임박한 것으로 추정되었다.Vol. 26, No. 1 35 <그림 15> Rastatt 철도 TBM 터널 붕락사고(독일 Rastatt, 2017) <그림 16> 터널 붕괴 및 레일 함몰 개요도 8.1 TBM 통과구간에서의 지반동결 리스크 본 TBM 터널구간은 기존 철도하부를 저토피로 통과하는 구간으로 TBM 굴진공시 지반개량효과를 증진하기 위하여 TBM 굴진전 기존 철도하부지반에 지반동결공법을 적용하였다. 사고가 발생한 구간은 하부에 모래층의 대수층이 분포하 고 있어 세그먼트 라이닝 배면 그라우팅과의 갭을 통하여 지하수가 터널 내부로 급격하게 침투된 것으로 분석되었다. 8.2 저토피 철도하부 통과구간에서의 터널 리스크 본 사고는 기존 철도하부를 TBM 공법으로 저토피 터널로 통과하는 구간에서 발생하였다. 특히 기존 열차가 운행되는 구간에 저토피로 통과하는 것은 상대적으로 시공리스크가 큰 취약한 구간이라 할 수 있다. 본 현장에서는 지반을 개량하 고 차수성능을 확보하기 위하여 지반동결공법이 적용되었지만, 지속적인 열차하중과 주변 지반 온도상승으로 동결체가 약화되고 폭우로 인한 지하수위 상승으로 라이닝 배면으로 지하수가 유입되고, 터널 주변 지반이 이완되고 이완영역이 급격히 확대되면서 지반함몰이 발생한 것으로 판단된다.36 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 도심지 터널 붕괴· 붕락사고와 교훈 8.3 사고원인조사와 복구 방안 수립 사고는 TBM 막장 후방의 세그먼트 라이닝 설치구간에서 발생한 것으로, 지반동결체의 내부 결함(defect)과 라이닝 배면의 갭(gap)으로 인한 모래층에서의 파이핑(piping)으로 지하수와 토사가 터널 내로 급격히 유입되고 주변 지반이 유 실됨에 따라 지반함몰과 궤도 손상에 이르게 된 것으로 파악되었다. 긴급복구로는 손상/붕락구간에 콘크리트로 채우고, 콘크리트 플러그를 설치하여 손상부를 차단하였으며, 상부에 콘크리트 슬라브를 시공하여 기존 철도운행을 재개하도록 조치하였다. 복구 방안으로는 TBM 터널과 TBM 장비를 포기하고 붕락 및 영향구간에 대한 개착박스 터널로 재시공하는 방안을 채택하였다. 8.4 TBM 터널 사고와 교훈 본 사고는 토사지반에 지반동결공법의 시공관리, TBM 터널에서 배면 그라우팅 품질관리 그리고 동결지반을 슬러리 타입의 TBM 공법으로 굴진되는 시공관리 상의 문제점 등을 확인할 수 있었고, 특히 기존 철도하부 저토피 구간 터널공 사에서의 설계변경 절차 및 시공관리방법 등의 건설공사의 관리상의 제반 문제점을 확인할 수 있는 계기가 되었다. 9. 캐나다 오타와 LRT 터널 붕락 및 싱크홀 사고와 교훈 2016년 6월 8일 오전 10시 30분경 Ottawa 시내 Sussex 드라이브와 교차하는 Lideau 스트리트에 대형 싱크홀이 발 생하였다. 이 싱크홀은 Lideau 스트리트의 여러 차선의 도로를 붕괴시켰으며, Lideau 스트리트에 주차된 밴과 근처의 신호등이 싱크홀에 가라앉았다. 또한 싱크홀로 수도관이 파손되고 가스관이 새어 인근 건물 여러 곳이 대피하는 사고도 발생했다. 다행히 부상자는 보고되지 않았지만, 주변의 몇몇 건물들은 물, 전기, 가스가 없는 상태로 남겨졌다. 싱크홀 은 국내외 언론에 의해 광범위하게 보도되었다. 싱크홀은 Ottawa LRT의 도심지 터널공사 구간에서 발생했으며, 그 당시 작업자들은 지하 Lideau 지하정거장에서 작 업을 수행하고 있었다. 싱크홀의 결과로 터널은 붕괴되었고 싱크홀 발생지점에서 수백 미터 떨어진 곳까지 차단되었으 <그림 17> Ottawa LRT 터널 싱크홀 사고(캐나다 Ottawa, 2016)Vol. 26, No. 1 37 며, 싱크홀로 인해 지하터널공사 진행이 상당한 영향을 받았다. 싱크홀이 발생했을 당시 지하터널은 거의 완성되었으며, 약 2.5km 길이의 터널 중 50m 정도만 남아 있는 상태였다. <그림 18> 터널 붕괴 개요 및 싱크홀 사고 현황 9.1 NATM 터널 복합지반에서의 지반 리스크 NATM 터널구간은 석회암층에 발달한 빙적토 계곡(glacial valley)구간으로 조사 및 설계 당시부터 지반 리스크 (geo-risk)를 확인하고 이에 대한 대책을 반영하여 파이프 루프(pipe roof) 보강 등을 적용하여 시공하였다. 본 사고가 발생한 구간은 비교적 양호한 석회암에서 연역토사층인 빙적토층으로 변화하는 지질변화구간으로 터널 굴착에 따른 지 반이완이 진행됨에 따라 천단부 보강 파이프 사이로 지하수가 터널 내부로 급격하게 침투되고, 상부 토사층이 급격히 약 화되고 지반이완이 확대되어 지상도로에 이르러 싱크홀이 발생한 것으로 분석되었다. 9.2 NATM 터널 사고에서의 지반 리스크의 분담과 책임 본 터널 사고는 사고발생 직후 도로하부에 있는 400mm 상수도관이 파열되어 도로가 완전히 침수되는 상황으로 발전 하였다. 이에 상수도관의 커플링에서의 누수가 싱크홀 사고의 주요한 원인이 되었다는 주장과 연약토사구간에서의 터널 시공관리의 부실로 인한 것이라는 주장이 대립되었고, 이는 발주처와 시공자간의 주요 소송쟁점이 되었다. 이후 사고조 사위원회의 면밀한 조사와 검토를 통하여 싱크홀 사고원인은 터널 공사와 관련이 있음을 확인하였다. 9.3 NATM 터널 싱크홀 사고원인조사와 복구 방안 수립 사고 원인은 연약토사층 구간의 본선터널 천단부 파이프 루프보강구간으로 지하수가 급격히 물과 토사가 터널내로 급 격히 유입되고 주변 지반이 유실됨에 따라 지상도로 함몰에 이르게 되어 싱크홀이 발생힌 것으로 파악되었다. 복구 방안 으로는 싱크홀 구간은 콘크리트 채움을 실시하고, 이후 지상보강 그라우팅으로 터널 붕락구간 및 주변 지반을 보강하는 방안을 채택하였다. 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