< Previous58 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 쉴드 TBM 터널에서 피난연결통로(Cross-Passage) 설계 및 공법선정에 대한 고찰 <그림 18> 공사기간에 따른 지중온도의 변화(Fan & Yang, 2019) 3.3 Mini TBM 공법 최근 들어 연약한 토사지반에서 시공된 지하철 터널의 피난연결통로에서 박스 추진공법이 적용되기 시작하였다 (Casasus & Bansal, 2017). 박스 추진공법의 일반적인 개념은 그림 19와 같다. 본 공법은 굴착기간이 짧고 영구라이닝 의 시공기간이 단축되는 효과가 있으나 지반보강과 차수가 여전히 필요하고 추진을 위한 반력을 터널 라이닝에 의존하 여야 하므로 터널의 수평변형 발생 위험이 있다. 또한 발진부와 도달부의 본선 세그먼트 라이닝과 추진박스와의 차수문 제 등 기술적인 어려움으로 인해 일반적으로 사용하는 데는 한계가 있다. <그림 19> 박스 추진공법(Khokhar et al., 2020) Mini TBM 공법은 앞서 설명한 박스 추진공법의 여러 문제점들을 개선한 공법이다. Mini TBM은 본 공법에 대한 고유 한 명칭은 아니나 본선터널에 사용되는 TBM에 비해 구경이 작은 TBM장비를 사용하여 피난연결통로를 시공하므로 편 의상 붙인 명칭이다. Mini TBM 공법은 차수나 보강이 어려운 지반조건이나 고수압 조건에서도 안전하게 피난연결통로 를 시공할 수 있다. 하지만 장비와 추진시스템에 대한 초기비용이 많이 소요되기 때문에 동일한 크기의 연결통로가 일정 개수 이상 되어야 비용과 공기 측면에서 효과를 얻을 수 있다. Mini TBM 공법의 장점으로는 모든 지반조건과 수압의 크 기에 관계없이 시공이 가능하고 별도의 지반보강이 필요 없다. 또한 붕락 등의 위험을 가진 재래식 굴착 방법에 비해 안Vol. 26, No. 1 59 전하고 발생 변위가 적으며 본선터널 구조물에의 영향이 적으면서 공기가 매우 빠르다. 하지만 이런 장점에도 불구하고 장비가격과 추진 시스템의 가격이 워낙 비싸기 때문에 적용에 한계가 있으며 많은 숫자의 피난연결통로를 동일한 구경 으로 시공할 경우에는 경제성이 있다. Mini TBM을 이용한 피난연결통로 굴착공법은 비교적 새로운 공법이긴 하나 최근 10년 사이에 중국과 유럽에서 점차 많이 사용되고 있다. 특히 피난연결통로 개수가 많거나 연장이 길어지면 지반보강이 필요 없는 Mini TBM 공법이 더욱 유 리한데 중국에서는 52.8m의 피난연결통로를 Mini TBM을 이용하여 약 2개월 만에 굴착을 완료한 사례도 있다(Yunkang et al., 2023). 홍콩 Tuen Mun-Chek Lap Kok(TMCLK) Link 터널의 Mini TBM 공법 적용사례이다. TMCLK 터널에서 피난연결통 로의 배치와 단면은 그림 20과 같다. 본선터널은 지름 14m 병렬터널로서 본 공법으로 시공된 피난연결통로 개수는 총 46개이다. 피난연결통로 개소가 많아 TBM 굴진과 더불어 후방에서 피난연결통로 시공을 병행하여 공기단축을 하였으 며, Ø3.665m TBM 2대로 개소당 평균 20일의 시공기간이 소요되었다. <그림 20> 홍콩 TMCLK 터널에서 피난연결통로의 배치와 단면 TMCLK 터널에서 피난연결통로는 연약한 퇴적점토층과 모래층, 풍화토층 등 시공이 까다로운 다양한 지층에 100m 간격으로 시공되었으며 특히 작용하는 수압은 최대 5.8bar에 달하였다. 기본설계 단계에서는 동결공법을 계획하였으나 상세한 검토 결과 동결토사 강도가 초기 예상보다 작고 동결 소요 기간이 길어 최종적으로는 Mini TBM 공법으로 변경 하였다. 본선터널의 지질주상도는 그림 21과 같다(Chan et al., 2021). <그림 21> TMCLK 터널의 지질주상도60 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 쉴드 TBM 터널에서 피난연결통로(Cross-Passage) 설계 및 공법선정에 대한 고찰 Mini TBM 굴진을 위해서는 먼저 발진부와 도달부의 개구부 주변으로 세그먼트 라이닝에 보강이 필요였으며, 앞서 2 장에서 언급했던 임시 지보방식이 아닌 영구 갱문구조물(Tympanum)을 설치하였다. 영구 갱문구조물은 그림 22와 같이 세그먼트에 미리 설치된 커플러에 철근배근을 연결하여 일체화된 구조물을 완성하였다. 영구 갱문구조물은 절개가 되는 3개의 링을 지지함과 동시에 추진 시스템(Pipe Jacking)이 연결되어 추력을 지지해야 하므로 그림 22와 같이 철근보강 이 조밀하게 시공되었으며, Mini TBM이 발진해 들어가는 soft eye 부분의 세그먼트에는 GFRP(Glass Fiber Reinfor- cement Polymer)가 사용되었다. (a) 세그먼트에 설치된 커플러 노출작업(b) 갱문구조물 철근배근 <그림 22> 영구갱문구조물 설치과정(Schwob 2019) TBM 장비 추진은 영구 갱문구조물에 지지된 추진 시스템 4개의 유압잭에 의해 이루어졌다. 추진과정에서 우려되는 유입수의 차단을 위하여 8bar 이상의 수압에도 지지되는 EPDM 가스켓으로 방수를 실시하였다. 그림 23은 Mini TBM의 추진 시스템이다. <그림 23> 발진부 Mini TBM 추진 시스템 Vol. 26, No. 1 61 한편 도달부에는 TBM의 break-in 시 쏟아져 들어오는 유입수와 토사를 차단하기 위해 밀폐된 Steel Bell을 설치하 였다. Steel Bell 상세는 그림 24와 같다. Mini TBM은 먼저 영구 갱문구조물 사이의 본선터널 세그먼트를 절삭하고 관 입한 후 계속 후방에서 프리캐스트 링을 조립하면서 추진하여 Steel bell 안으로 TBM 본체가 완전히 진입한 이후 프리 캐스트 링과 본선 세그먼트 라이닝을 폐합하였으며 그림 24와 같이 Steel bell을 열어 TBM을 제거하고 굴진을 완료하 였다. <그림 24> 도달부 방수 Steel Bell을 통한 Mini TBM의 굴진완료 4. 맺음말 세계적으로 쉴드 TBM이 터널공사에 있어 점점 더 많이 사용되고 각광받는 이유는 무엇보다도 다양한 지반에서 안전 하고 빠르게 시공하면서 지반변위와 지하수 영향을 최소화 할 수 있다는 장점 때문일 것이다. 특히, 발진부와 도달부에 서는 Entrance/Exit Seal을 설치함으로써, 굴착면에서는 굴착토 또는 이수를 굴착챔버에 충진하여 막장압을 생성함으 로써 터널 시공 중에 비배수 조건을 유지할 수 있는 거의 유일한 터널공법이라고 할 수 있다. 하지만 피난연결통로의 접 속부에서는 더 이상 비배수 상태의 유지가 곤란하며 세그먼트 라이닝의 아칭효과와 침투수압 차단 효과를 기대하기 힘 들게 된다. 따라서 지반 붕괴의 위험과 지하수 유출에 대한 위험에 노출되어 있는 피난연결통로는 시공 방법에 따라 공 기에 상당한 영향을 미칠 수 있는 공종이므로 쉴드 TBM 시공시 기술적으로 극복해야 할 과제이다. 본 기술기사는 크게 개구부의 절개를 위한 세그먼트 라이닝의 임시 보강 방법과 세그먼트 라이닝의 개구 후 굴착을 위 한 지반보강의 대표적인 공법들에 대하여 기술하였다. 여기에 소개된 공법 중 몇몇은 아직 국내의 현장에 적용되지 않았 으나 수도권을 비롯한 도심지에 점점 더 많은 터널에 쉴드 TBM이 적용하고 있는 상황을 고려할 때 지반조건과 시공현황 에 따라 다양한 공법 검토와 함께 적용되지 않을까 예상해 본다.62 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 쉴드 TBM 터널에서 피난연결통로(Cross-Passage) 설계 및 공법선정에 대한 고찰 참고문헌 1. 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Yunkang, M., Wei, Y., Yanjie, S., Meiqin, Z., Sheng, Z., Tianfang, X., Jia, G., Xiaofan, L., Xuesong, C. (2023), “Safety and environmental impact control of cross passage construction in soft soil strata using tunnel boring machine method”, Scientific Reports, https://doi.org/10.1038/s41598-023-42082-5. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 26, No. 1 63 ∎ 제7강을 시작하면서 홍콩은 2009년 “함께 새로운 지평을 열다(Breaking New Ground Together)”라는 주제의 정책을 발표하고. 정책어젠다 ‘경제 성장 을 위한 인프라 개발’에 새로운 이니셔티브가 포함되어 홍콩의 지속 가능한 개발 추구의 일환으로 지하공동(Underground Rock Cavern)의 활용도 향상을 목표로 하는 지하공간의 계획된 개발을 촉진하기 위한 전략적 계획 및 기술 연구를 시작했다. 본 연구의 목적은 홍콩의 지하공간 이용 역사와 현재 상태를 검토하고, 홍콩의 관행과 다른 곳을 벤치마킹하고, 홍콩의 지하공간개발(Under- ground Space Development) 기회를 조사하고, 전략적 지하공공지역 구역지정의 실행 가능성을 평가하고, 이를 바탕으로 해결해야 할 전략 기획 및 기술 문제를 식별하는 것이다. 연구 결과는 토지를 다른 용도로 공개하기 위해 홍콩의 지하공동이용 증진을 촉진함으 로써 지하공간의 계획된 개발을 위한 접근법과 앞으로 나아갈 길을 제안하였다. 이 요약본에는 과제에 따른 주요 문제와 발견 사항은 물론 홍콩의 지하공간 활용강화를 위해 권장되는 접근 방식과 앞으로 나아갈 방향이 요약되어 있다. 제7강에서는 [홍콩의 지하공간개발과 활용에 관한 고찰]이라는 주제하에 홍콩의 지하공간개발 과제에 따른 주요 문제와 이슈 사항 은 물론 홍콩의 지하공간 활용강화를 위해 권장되는 접근 방식과 앞으로 나아갈 방향을 정리하였다. 또한 지하개발의 주요 특성을 중심으로 현재 홍콩에서 추진되었거나 진행 중인 주요 지하공간개발 내용과 특징 등을 파악함으로서 향후 지하공간개발시의 중점 과제와 도전을 고찰하여 터널기술자들에게 실무적으로 도움이 될 수 있도록 하였다. 제7강 홍콩의 지하공간 개발과 활용에 관한 고찰 Review of Enhanced Use of Underground Space Development in Hong Kong 김영근 한국터널지하공간학회 부회장 (주)건화 지반터널부 부사장 공학박사/기술사기술강좌 시리즈: 도심지 지하공간 개발과 대심도 지하인프라 구축 제7강. 홍콩의 지하공간 개발과 활용에 관한 고찰 64 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 1> 홍콩의 지하공간개발의 이용과 활용 1. 서 론 홍콩은 도시 지역, 특히 항구 프런트를 따라 현대화된 개발로 유명한 세계적 수준의 도시이다(그림 2). 독특한 도시경관에도 불구하 고 홍콩 토지의 약 4분의 1만이 개발되었다. 가파른 자연 구릉을 지닌 지형적 환경은 도시 확장의 범위를 크게 제한한다. 지속 가능한 도시개발을 위해서는 기술적으로 가능하더라도 언덕에 더 많은 토지를 형성하는 것이 바람직하지 않는다. 개발 가능한 토지가 제한되 어 있다는 점을 고려할 때, 홍콩의 사회 및 경제 발전을 지원하기 위해 새로운 토지 공급원을 탐색해야 할 절박한 필요성이 있다. 지하공간의 전략적 이용은 다양한 토지이용을 위한 공간을 창출하고 혼잡한 도시 환경에서 직면하는 문제를 해결하는 데 도움을 줄 수 있는 실행 가능한 솔루션으로 간주된다. 그 범위는 도시 지역의 지하공간을 더 잘 활용하는 것뿐만 아니라 도시 주변의 지하공동 (rock cavern)의 계획된 사용을 향상시키는 데까지 국한된다(그림 3). 이는 홍콩의 계획 및 개발 이익을 위한 새로운 기회를 가져오기 위해 이러한 ‘숨겨진’ 토지자원의 사용을 최적화하려는 관점에서 2차원 관점이 아닌 3차원에서 토지를 찾는 패러다임 전환이다. <그림 2> 홍콩섬의 항공사진제7강. 홍콩의 지하공간 개발과 활용에 관한 고찰 Vol. 26, No. 1 65 <그림 3> 홍콩의 지하공간개발 전략 홍콩은 수년 동안 상업, 커뮤니티, 교통 및 유틸리티 시설을 위해 지하공간을 사용해 왔다. 대부분은 다음을 포함하여 개별 프로젝 트 기반으로 계획되었다. (i) 공장과 주차장을 수용하고 소매 및 상업 활동을 위한 공간을 제공하기 위해 개별 개발에 통합된 지하실 (ii) 보행자 링크, 예: 대중교통 철도역의 지하철 및 보행자 연결 (iii) 운송, 예: 도로 및 철도 터널 (iv) 유틸리티, 예: 물, 하수, 배수 및 케이블 터널의 지하 네트워크 (v) 기타 혁신적인 용도, 예: 홍수 저류조, 산사태 완화대책 등 지하공동에 의도적으로 지어진 정부 시설도 몇 군데 있다. 주로 NIMBY 시설로 쓰레기 이송장, 하수 처리장, 두 개의 해수 서비스 저장소 및 폭발물 창고 등이 있다. Wallace와 Ng(2016)은 홍콩의 지하공간 개발 및 적용에 대해 종합적으로 검토하였다. 지하공간개 발은 홍콩에서 새로운 개념이 아니다. 그럼에도 불구하고 그 적용 가능성은 일반적으로 좁은 범위의 토지 이용으로 제한되며, 그 이용 은 필요에 따라 이루어졌으며, 최우선적인 상황이 존재하는 경우에만 고려되었다. 따라서 장기적인 토지 공급을 늘리는 지속 가능한 수단이 되기 위해서는 보다 적극적이고 전체적인 접근 방식이 필요하다. 2010년부터 홍콩특별행정구(HKSAR) 정부의 토목공학개발부 (CEDD)는 홍콩의 지하공동과 지하공간의 체계적 활용 잠재력을 발휘하기 위한 다양한 전략적 연구와 파일럿 프로젝트를 시작했다. 전반적인 전략은 도시 주변부와 도시 지역의 지하공간에 지하공동을 더 광범위하게 적용하기 위한 환상적인 계획을 수립하는 것이다. 본 고는 홍콩의 지하공동개발을 위한 장기 전략을 추진하기 위해 개발된 계획에 특히 초점을 맞춰 현재까지 진행 중인 연구 결과를 제시하는 것을 목표로 한다. 다양한 적용을 통해 얻을 수 있는 이점을 설명하기 위해 주목할 만한 해외 사례를 인용했으며, 실현과 관련된 과제와 솔루션도 논의되었다.기술강좌 시리즈: 도심지 지하공간 개발과 대심도 지하인프라 구축 제7강. 홍콩의 지하공간 개발과 활용에 관한 고찰 66 자연,터널 그리고 지하공간 2. 도심지 주변의 암반동굴 개발 2.1 기회와 이점 홍콩의 강한 결정질 화성암이 있는 언덕이 많은 지형은 지하공동개발에 매우 적합하다. 특히 도심지 주변 지역에서는 건설 및 향후 사용을 위해 쉽게 접근할 수 있기 때문이다. 지하공동 건설 역시 확립된 기술이며, 홍콩에 건설된 다양한 기존 시설에서 알 수 있듯이 입증된 현지 경험이 있다. 해외 경험을 바탕으로 적용 가능성은 단순히 유해 시설의 수용을 넘어 사회의 발전 요구를 충족시키는 다양 한 유익한 용도로 확장될 수 있다(그림 4). 커뮤니티 및 레크리에이션 시설(스포츠 홀, 수영장, 전시 갤러리, 모험 공원, 레스토랑, 소매점, 주차장), 저장 시설(기록 보관소, 음식, 와인, 석유 및 가스), 상업 및 산업 시설(데이터 센터, 사무실, 물류/창고, 경공업, 유지 관리 작업장, 지하 채석장) 및 특수 시설(시험실, 사격장, 소방 훈련장, 민방위)와 같은 광범위한 응용 분야를 포괄하는 많은 지하공동 계획이 전 세계적으로 성공적으로 구축되었다. 지하공동개발의 다양성은 이러한 주목할 만한 사례를 통해 잘 입증되었다. 토지 부족이 주요 원인인 홍콩 상황에서 지하공동개발의 이점은 다양하다. 적합한 기존 정부 시설을 지하공동로 재배치하면 지상 부지를 다른 유익한 용도로 사용할 수 있으며 지하공동에 인기가 없는 시설을 배치하여 양립할 수 없는 토지 사용을 제거할 수 있다. 지하공동은 또한 사용 가능한 표면 토지가 부족한 곳에 적합한 새로운 공공 및 민간 부문 시설을 수용할 수 있는 공간을 제공하여 추가 토지 사용을 줄일 수 있다.혁신적인 지하공동 활용을 도입하면 적합한 지상 부지를 찾는 데 어려움을 겪는 시설(예: 유지관리 창고 및 지하유골안치소)과 안정적이고 안전한 지하 환경(예: 기록 보관소, 와인 저장고, 실험실 및 데이터 센터)의 이점을 누릴 수 있는 시설을 수용하는 데 도움이 될 것이다. 지하공동 건설에서 발생하는 암석은 지역 건설 산업을 지원하기 위한 골재로 사용될 수도 있다. 홍콩의 높은 토지 및 부동산 가치를 고려할 때 지하공동개발은 다른 지상 옵션과 비교할 때 경제적으로 실행 가능한 솔루션이 <그림 4> 해외사례를 통한 지하공간 개발의 폭넓은 적용 가능성제7강. 홍콩의 지하공간 개발과 활용에 관한 고찰 Vol. 26, No. 1 67 될 수 있다. 지하공동에 시설을 배치하는 것과 관련하여 지역 사회가 얻는 이점 중 일부는 명확하지는 않다. 지역 사회에서 부적합한 토지 사용을 제거하고, 추가 개방 공간을 제공하고, 도시 시설을 도시 외곽으로 재배치하여 교통 혼잡을 줄이며, 이는 정부/지역 사회 관계 개선에 도움이 될 수 있다. (a) Itäkeskus swimming hall, Helsinki, Finland (b) Gjøvik Olympic Stadium, Gjøvik, Norway (c) Cavern Tech. Data Centre, KS, USA(d) National Archives of Norway, Oslo, Norway <그림 5> 해외사례를 통한 지하동굴개발의 다양한 활용 사례 2.2 전략적 연구 2010년 3월 CEDD는 계획된 지하공동개발을 통해 토지 자원의 효과적인 이용을 향상시킬 수 있는 기회를 탐색하기 위해 “홍콩 지하공간 활용 강화 - 타당성 조사”에 대한 연구를 수행했다. 2011년 3월에 완료된 이 연구는 다양한 시설 유형과 다양한 지리적 영역에 대한 지하공동개발의 광범위한 실행 가능성을 입증했다. 이 연구는 또한 계획된 방식으로 지하공동을 개발하는 데 해결해야 할 주요 문제를 검토했다. 지하공동 타당성 조사 결과를 추적하기 위해 CEDD는 2012년 9월 “지하공동개발을 위한 장기 전략 - 타당 성 조사”(전략적 지하공동 연구)에 대한 세부 연구를 시작하여 2016년까지 완료했다. 이 연구는 지하공동개발을 계획하고 실행하는 데 있어 전체적인 접근 방식을 개발하여 토지 자원 확장을 위한 지속 가능하고 혁신적인 수단을 제공하는 것을 목표로 하였다. 연구 범위와 의도된 결과의 개요는 Ng 외(2013)에 요약되어 있다. 또한 Ross 등(2014)은 연구에서 조사된 다수의 비-NIMBY 지하공동시설 개발의 타당성에 대해 논의했다. 이 논문은 홍콩의 지하공동개발을 위한 장기 전략을 추진하기 위해 공식화되고 있는 계획에 초점을 맞출 것이다. 이러한 검토는 다양한 차원에서 지하공동개발의 광범위한 적용을 촉진하고 촉진하기 위한 획기적인 발전과 지속적인 추진력을 창출하는 것을 목표로 하였으며, 검토 개요는 다음과 같다.Next >