< Previous38 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 도심지 터널 붕괴· 붕락사고와 교훈 9.4 NATM 터널 싱크홀 사고와 교훈 본 사고는 복합지반의 암반구간과 토사지반의 경계부 NATM 터널에서 파이프 루프공법의 시공관리, 본선터널과 정거 장 터널의 관통부 시공관리, 터널 상부의 상수도관등에 대한 지장물관리 상의 문제점 등을 확인할 수 있었고, 특히 NATM 터널공사에서의 지질 리스크 대응 및 시공관리 등 문제점을 확인할 수 있었다. 10. 브라질 상파울루 메트로 NATM 터널 붕락사고와 교훈 2007년 1월 12일 오후 2시경 브라질 상파울루 메트로 공사 중 터널이 붕괴되어 7명의 사망자가 발생하는 대형사고가 발생하였다. 본 사고는 브라질 상파울루 도심지 터널공사 공사에 적용되어 왔던 NATM 터널공사에 심각한 영향을 미쳤 다. 본 사고를 통해 NATM 터널공사에서 굴착 및 보강방법과 지질 및 지반 리스크 관리상에 여러 가지 문제점이 확인되 었다. 특히 도심지 구간을 통과하는 NATM 터널에서의 터널 및 수직구 붕괴사고는 조사, 설계 및 시공상의 기술적 문제 점을 제기하는 계기가 되었으며, 터널 붕괴사고 원인 및 발생 메커니즘을 규명하기 위하여 사고조사위원회를 구성하여 철저한 조사를 진행하게 되었다. <그림 19> 상파울루 메트로 NATM 터널 붕락사고(브라질 상파울루, 2007) <그림 20> 터널 붕괴 및 지반함몰 메커니즘 개요도Vol. 26, No. 1 39 Pinheiros 정거장 터널사고는 동측 터널에서 굴착 작업이 거의 완료되었을 때, 정거장 터널의 굴착 끝지점에서 수직 구 방향으로 벤치 굴착 작업을 수행하는 동안 발생했다. 첫 번째 붕괴 징후는 약 14시 30분에 터널 내부에서 발생했으 며, 14시 54분에 터널 붕락은 Capri 거리에 큰 지반함몰 형태로 확대되었다. 10.1 NATM 터널 층상/풍화암반에서의 지질 리스크 사고 원인은 엽리와 차별풍화가 발달한 흑운모 편마암구간에서 정거장 터널굴착 중 측벽의 연약층이 파괴되면서 천단 부의 암반 능선(rock ridge)이 붕락되면서 지상도로 함몰에 이르게 되고 수직구까지 붕괴된 것으로 파악되었다. 따라서 지질변화구간에서 막장뿐만 아니라 주변 터널의 암반상태를 확인하는 것이 무엇보다 중요하므로 지질상태를 면밀히 관 찰하고 이에 대하여 보다 적극적으로 대응하여야만 한다. 10.2 NATM 터널 사고에서의 계약 방식과 리스크의 책임 본 터널 사고는 지질 및 암반조건이 매우 복잡한 구간에서 발생한 붕락사고로 7명의 사망자가 발생하였고, 주변 도로 가 함몰되고 건물이 손상되는 상황으로 발전하였다. 이후 사고조사위원회의 면밀한 조사와 검토를 통하여 설계 및 시공 의 총체적인 시스템의 문제점이 확인되었지만 주요 사고원인은 지질 리스크로 결론지었다. 10.3 NATM 터널 붕락사고 원인조사와 복구 방안 수립 사고 원인은 설계 당시 확인하지 못한 지질특성(차별풍화의 암반능선 구조, 측벽 뒤의 열화된 흑운모층 등)으로 시공 중 측벽의 연약층이 파괴되면서 천단부의 암반 능선(rock ridge)이 붕락되면서 지상도로 함몰에 이르게 되고 수직구까 지 붕괴된 것으로 파악되었다. 복구 방안으로는 붕괴구간에 가시설 공법을 적용하여 단계별로 재굴착하고, 개착 박스 구 조물 설치하는 방안을 채택하였다. 10.4 NATM 터널 붕락사고와 교훈 본 사고는 터널 공사에서 지질 리스크 관리가 얼마나 중요한지를 보여주는 대표적인 붕괴사례로, 사고를 예방할 수는 없었지만 사고 발생 이후 적극적인 대처 및 긴급 대책방안 수행 등에 심각한 문제가 확인되었고 사고 이후 부적절한 대 응으로 인하여 대형 인명사고로 이어졌다는 점이다. 특히 철저한 조사결과를 바탕으로 사고 발생 시 대응시나리오 등에 대한 긴급구난계획(contingency plan) 등과 같은 안전관리가 대폭 강화되는 계기가 되었으며, 브라질 지하터널공사에 서의 안전관리 및 리스크 관리 시스템을 근본적으로 개선시키게 되었다.40 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 도심지 터널 붕괴· 붕락사고와 교훈 11. 국내 도심지 터널 붕락 및 싱크홀 사고와 교훈 11.1 서울시 지하철 TBM 터널 싱크홀 사고 2014년 8월 5일 석촌지하차도에서 폭 2.5m, 깊이 5m, 연장 8m의 싱크홀이 발생했다. 또한 13일에도 석촌지하차도 중심부 도로 밑에 폭 5~8m, 깊이 4~5m, 연장 70m의 공동이 추가로 발견됐다. 14일 지하철 9호선 3단계 건설을 위해 지하차도 하부를 통과하는 실드 터널 공사가 싱크홀 발생 원인으로 추정되었다. 본 사고는 도심지 터널공사의 지하안전 영향평가를 의무화하는 계기가 되었다. <그림 21> 서울시 지하철 TBM 터널 싱크홀 사고(2014, 서울) 11.2 인천 도시철도 NATM 터널 붕락 및 싱크홀 사고 2012년 2월 18일 인천도시철도 2호선 201공구 지점에서 40m 검단사거리부근의 6차선도로 한복판이 무너져 내리는 싱크홀 사고가 발생했다. 이번 사고는 지하철 공사 중 대형상수도관 파열로 누수현상이 발생해 지반이 약해져 붕괴된 것 으로 추정된다. <그림 22> 인천 도시철도 NATM 터널 붕락 및 싱크홀 사고(2012, 인천)Vol. 26, No. 1 41 11.3 별내선 지하철 NATM 터널 붕락 및 싱크홀 사고 2020년 8월 26일 구리시 교문동의 한 아파트 인근 도로가 내려앉으며 직경 16m, 깊이 21m 대형 싱크홀이 발생했다. 싱크홀 사고 발생 원인은 별내선 터널 공사로, 본 공사는 2015년에 착수해 후년 12월 완공 예정으로 공사를 진행 중이었 으나 별내선 3공구 지하터널(1~3터널) 구간이 포함된 도로에 대형 싱크홀 사고가 발생한 것이다. <그림 23> 별내선 지하철 NATM 터널 붕락 및 싱크홀 사고(2020, 구리) 11.4 부산 지하도로 NATM 터널 붕락사고 2023년 2월 25일 0시 40분께 부산 동래구 미남교차로 근처 지하 60m 지점에 있는 만덕~센텀 대심도 터널 공사현장 천장에서 토사 750m3가 쏟아졌다. 당시 이로 인한 인명 피해는 없었다. 토사유출에 따른 영향 범위가 반경 10m 이내로 분석됐고, 도시철도 3호선 터널과 32m가량 떨어져 있어 영향이 없을 것으로 평가되었다. 이후 상세한 사고 원인조사를 통하여 보강공사가 진행되었다. <그림 24> 부산 지하도로 NATM 터널 붕락사고(2023, 부산)42 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 도심지 터널 붕괴· 붕락사고와 교훈 ∎ 국내외 주요 터널 붕락사고 사례 - 요약 이상의 국내외 주요 터널 붕락사고 사례에 대한 주요 특징과 사고 원인을 요약하여 다음 표에 정리하여 나타내었다. <표 2> 국내외 주요 터널 붕락사고 사례 - 주요 특징 요약 구분내용비고 터널런던 히드로 급행철도 터널 / NATM 공법 특징영국 최초의 대규모 NATM 공법 적용현장으로 터널 굴착 중 발생 원인지반 보강그라우팅 부실로 터널 붕괴 및 지반침하 발생 터널싱가포르 MRT 니콜 하이웨이 터널 / 개착 공법 특징연약지반상의 대규모 수직구 및 가시설 공사 중 발생 원인설계 오류 및 시공관리 부실로 가시설 및 도로 완전붕괴 터널타이완 가오슝 MRT 터널 / TBM 공법 특징TBM 터널 피난연락갱(Cross Passage) NATM 굴착 리스크 원인피난연락갱 NATM 굴착 중 파이핑(Piping) 발생 후 붕괴 터널도쿄 대단면 도로터널 / TBM 공법 특징도심지 대심도 구간(40m 이하)에서의 대단면 TBM 터널굴진 원인TBM 정지시 지반이완 및 도로까지 연결되는 싱크홀 형성 터널후쿠오카 대단면 지하철 터널 / NATM 공법 특징정거장 터널구간에서의 대단면 NATM 분할 굴착 원인암토피고 부족으로 지반이완 및 토사 유입으로 터널 붕괴Vol. 26, No. 1 43 <표 2> 국내외 주요 터널 붕락사고 사례 - 주요 특징 요약(계속) 구분내용비고 터널상하이 메트로 하저터널 / TBM 공법 특징하저 연약지반구간 TBM 터널로 굴진 후 피난연락갱 굴진 중 발생 원인피난연락갱 NATM 굴착 중 파이핑(Piping) 발생 후 터널 붕괴 터널호주 Forestdfield 공항철도 터널 / TBM 공법 특징TBM 본선터널 굴진후 피난연락갱 굴진 중 원인피난연락갱 NATM 굴착 중 토사 및 지하수 유입과 지반함몰 터널독일 Rastatt 철도터널 / TBM 공법 특징철도하부 TBM 통과구간에 대한 지반동결공법 적용 원인동결지반에 대한 품질관리부실로 철도 및 TBM 장비 함몰 터널캐나다 오타와 LRT 터널 / NATM 공법 특징대단면 정거장 터널에서 본선터널 굴착 중 발생 원인토사층와 암반층 경계부에서의 터널 붕괴 및 지반함몰 터널브라질 상파울루 메트로 터널 / NATM 공법 특징대형 수직구에서 정거장 터널 및 본선터널 굴착 중 발생 원인지질 리스크로 1차 터널붕괴 및 2차 수직구 붕괴 발생 터널국내 도심지 지하철 터널 / NATM 공법 및 TBM 공법 특징도심지 지하철 구간 NATM 및 TBM 터널 굴착 중 발생 원인지질 및 지반리스크에 의한 붕괴 및 지반함몰(싱크홀) 발생44 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 도심지 터널 붕괴· 붕락사고와 교훈 ∎ 터널 붕락사고와 교훈(Lesson Learned) 터널은 종방향으로 긴 선형 구조물로서 지반 불확실성으로 인한 지질 및 지반 리스크가 상대적으로 크기 때문에 공사 중 사고발생의 위험성이 높고, 실제로 많은 터널 붕락 및 붕괴 사고가 발생하여 온 것이 사실이다. 실제 터널공학의 발전 은 이러한 사고로부터 문제점을 분석하고, 그 해결책을 찾아가는 과정이라 할 수 있다. 지난 수십 년 동안의 터널 사고현 장으로 얻은 교훈이 현재 터널의 역사를 만들어 낸 것이다. 터널 분야는 아직도 해결해야 할 문제가 많고, 여전히 터널공사 현장에서 발생하는 다양한 크고 작은 사고들을 목격하 면서 전문가로서 무엇을 할 것인지 깊이 고민하지 않을 수 없게 된다. 특히 열심히 일하는 엔지니어들에게 실무적인 고 민들과도 연결되는 실제적인 도움을 주고자 터널 전문가로서 알고 있고, 현장에서 배우고 경험한 것들을 중심으로 기술 적 경험과 지식을 공유하는 것이 반드시 필요하다. 특히 터널 분야는 상대적으로 리스크가 큰 지오 리스크(Geo-Risk)를 다루기 때문에 여러 가지 사고(Accident)가 발 생하여 왔지만, 이에 대한 정확한 원인 규명이나 발생 메커니즘에 대한 분석이 충분하지 못했다. 이는 사고의 원인에 따 라 부과될 책임소재에 대한 문제가 더욱더 크게 발생하기 때문으로 생각되며, 특히 국내의 경우 사고에 대한 여러 가지 자료들에 대한 공개를 엄격히 제한하고 있는 현실이다. 따라서 해외에서 발생한 터널 붕락사고 사례를 분석하여 터널사 고 발생원인 분석과 메커니즘, 주요 리스크와 이에 대한 대책 그리고 사고현장에 대한 응급 복구 및 보강대책 등을 중심 으로 기술적 사항을 검토하였다. 다시 말하면 터널공사에서 발생 가능한 지오 리스크와 이로 인한 터널 붕락 및 붕괴 특 성을 면밀히 검토하여, 터널사고로부터 얻을 수 있었던 여러 가지 교훈과 사고 이후 개선되거나 달라진 공사체계와 시스 템 등에 대하여 분석하였다. “사고로부터 배운다”라는 말이 있다. 사고가 발생하는 경우, 사고 원인에 대한 객관적인 분석과 함께 이에 대한 명확 한 책임과 이에 대한 대책을 수립하는 것이 가장 기본 것인 절차이지만, 사고 문제점을 확인하고 이러한 사고가 발생하 지 않도록 교훈(Lesson Learned)을 정리하여 이를 관련 기술자들에게 공유하고 일반에게 오픈하는 것이 가장 중요한 핵 심이라고 생각한다. 국내외 다양한 터널 붕락사고 사례를 검토하면서 몇 가지 핵심 사항을 정리하여 보았다. 가장 중요한 것은 터널 사고 가 발생한 이후 철저한 조사, 공학적 원인 분석과 리스크 대책 수립을 기반으로 사고조사보고서를 작성하고 공유하여야 한다는 것이다. 사고 원인에 대한 공학적 분석 - Geo-Forensic Engineering 터널 붕락사고 발생 시 터널 사고와 관련된 설계 및 시공 자료, 시공 중의 지질 및 암반 자료, 모든 계측자료 등을 바 탕으로 하여 터널 붕락사고의 발생원인과 메커니즘을 분석하여야 한다. 이는 철저한 사고조사 프로세스로서 모든 사고 에 대한 철저한 분석(Geo-Forensic)을 통하여 사고원인을 규명하는 것이 필요하다. 불가항력과 기술적 오류 - Unexpected Condition and Technical Mistake 터널 붕락사고에서의 가장 큰 쟁점은 이러한 사고가 예상을 할 수 없었던 불가항력적(Unexpected)인 것인지 아니면 Vol. 26, No. 1 45 설계 및 시공상의 기술적 오류나 잘못으로 인한 것인지 이다. 이는 사고이후의 책임(공기지연 및 공사비 증가)소재에 대 한 중요한 이슈로서 객관적이고 체계적인 사고원인 조사를 통해서만 가능하다. 지오 리스크와 리스크 분담 - Geo-Risk and Risk Sharing 터널공사는 지질/지반/암반 중에 건설되는 지하공사로서 불확실한(Uncertain) 요소로 인한 지질/지반/지오 리스크 (Geo-Risk)가 많은 특성을 가지고 있다. 터널공사 중 발생하는 지오 리스크에 대한 책임을 누가 질 것인가와 리스크를 어떻게 분담할 것인지에 대한 보다 정확한 공사관리가 수행되어야 한다. 사고 보고서의 오픈과 공유 - Official Report and Explicit Communication 터널 붕괴사고 사례에 대한 분석으로 부터 많은 기술적 문제점을 확인하고, 이를 개선하기 위한 다양한 제도적 법적 노력이 진행되어 왔음을 확인할 수 있었다. 이는 발주처를 중심으로 오픈된 사고조사보고서가 있었기 때문에 가능한 것 이다. 따라서 철저한 사고조사뿐만 아니라 사고조사결과에 대한 공식적인 보고서(Official report)를 제3자 또는 일반인 에 명확하게(Explicit) 오픈하고 공유하도록 함으로써 사고 사례로부터 교훈을 얻는 과정이 반드시 필요하다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]46 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 1. 머리말 도로, 지하철, 철도터널이 병렬로 계획될 경우 재난시 피난 대피의 목적으로 일정 간격의 피난연결통로(Cross- Passage)를 설치하게 된다. 특히 도로터널의 경우 국내의 도로터널 방재· 환기 지침이나 National Fire Protection Association(NFPA) 등의 방재기준에 따라 100~250m 정도의 간격으로 피난연결통로를 설치하고 있다. NATM의 경우 본선터널과 유사한 굴착공법과 보강방법을 이용하여 피난연락갱을 시공하게 되므로 설계와 시공에 있 어 특별한 어려움은 없다. 하지만 가스켓이 부착된 PC 세그먼트를 굴착과 동시에 설치하여 비배수 조건으로 시공하는 쉴드 TBM 터널에서 피난연결통로 설치를 위한 부분적인 세그먼트의 제거작업은 구조물의 응력 변화와 침투압에 따른 지반응력 변화를 발생시켜 터널 안정성 측면에서 취약한 부분이 된다. 특히, 도심지 하부 통과구간이나 하· 해저 터널의 경우에는 토사 및 연약지반, 고수압 조건에서 피난연결통로를 설치해야 하므로 매우 위험한 공종이 될 수 있다. 본 기술기사는 쉴드 TBM 터널에서 피난연결통로 설치를 위하여 사용되는 지반조건과 시공상황에 따른 여러 공법에 대해 고려해야 하는 설계 및 시공적인 측면을 다루었다. 2. 세그먼트 개구부 보강설계 2.1 세그먼트 개구부 보강방법 쉴드 TBM 터널에서 피난연결통로의 설치는 비배수 상태에서 토압과 수압을 지지하고 있는 세그먼트를 절개해야 하 쉴드 TBM 터널에서 피난연결통로(Cross- Passage) 설계 및 공법선정에 대한 고찰 김광균 (주)삼안 전무 공학박사 토질 및 기초 기술사 김성환 (주)삼안 상무 토질 및 기초 기술사 이재국 (주)삼안 전무 공학박사 토질 및 기초 기술사Vol. 26, No. 1 47 므로 설계와 시공이 어렵다. 세그먼트의 절개 범위도 피난연결통로의 폭에 맞춰 대부분 2개 이상의 세그먼트 링이 포함 된다. 토압과 수압을 지지하는 원형의 세그먼트에는 터널의 전 방향에서 압력을 받으므로 모멘트 보다는 주로 후프응력 에 의한 축력이 크게 발생한다. 그러나 피난연결통로 설치를 위해 세그먼트를 절개하게 되면 안정적인 구조계가 훼손되 므로 세그먼트 내에 전이되는 하중을 지지할 별도의 지지시스템이 마련되어야 한다. 세그먼트라이닝에 작용하는 하중과 개구부 주변으로 응력이 재배치되는 하중전이 모식도는 그림 1과 같다. 굴착과정에 있어서는 일반적으로 응력재배치에 의한 세그먼트의 변형 또는 파괴가 일어나지 않도록 가설 지지가 선행 되어야 하고, 연결통로의 굴착이 이루어지는 지반에는 필요에 따라 지반보강과 차수보강이 선행되어야 한다. 연결통로 라이닝 시공이 완료되고 나면 세그먼트 절개구간의 주변으로 영구구조물이 설치되어 안정한 상태가 된다. (a) 세그먼트 라이닝에 작용하는 하중(b) 세그먼트 절개에 의한 하중전이 모식도 <그림 1> 세그먼트 라이닝에 작용하는 하중과 하중전이 모식도(Jayasiri et al., 2022) Jayasiri et al. (2022)는 3차원 유한요소해석과 shell-spring 모델을 이용하여 세그먼트 라이닝의 개구부에 의한 주 변응력의 변화를 분석하였다. 그림 2는 shell-spring 모델에 의해 개구된 세그먼트 링의 잔여부분과 바로 인접한 링에 서 circumferential joint(링과 링간의 접합부)에 전단스프링을 모델링 했을 경우와 세그먼트 라이닝을 연속체로 모델하 여 circumferential joint가 고려가 안 되었을 경우의 해석결과이다. 그림 2에서 그래프와 같이 개구된 링의 잔여부분에서는 45°~120° 사이에 응력이 최대 4배 이상 증가하며 같은 범위 에서 모멘트의 증가량도 커지는 것으로 나타났다. 특히 circumferential joint에 의하여 인접한 링으로 응력의 전이가 작게 일어나게 되면 개구된 링의 잔여부분에 응력이 더욱 집중되는 결과로 나타났다. 세그먼트 라이닝의 개구부 보강방법은 가장 일반적인 방법으로 전단면 링보강과 개구부 부분보강이 있다. 또한 보조 공법으로 주로 사용하고 있는 bicone에 대해서도 설명하고자 한다.Next >