< Previous18 자연,터널 그리고 지하공간 서울시 도로터널의 관리 현황 고찰 <표 4> 터널의 성능평가 시 성능지표(국토안전관리원, 2021) 구분성능지표 안전성능 상태안전성능 라이닝상태 ∙ 균열 ∙ 누수 ∙ 파손 및 손상 ∙ 박리 ∙ 층분리 및 박락 ∙ 줄눈부열화(재래식 터널의 조적식라이닝의 경우에만 적용) 터널주변 ∙ 배수상태 ∙ 지반상태 ∙ 공동구 상태 ∙ 내공단면 변형여부 ∙ 배면 공동 유무 구조안전성능상시/지진시∙ 안전율 ∙ 변위 ∙ 응력 내구성능 무근콘크리트∙ 표면부콘크리트 품질 ∙ 염해환경 ∙ 동해환경 철근콘크리트 ∙ 피복콘크리트 품질 ∙ 염화물량 ∙ 탄산화 깊이 ∙ 염해환경 ∙ 동해환경 사용성능 사용성능 주행성 ∙ 터널 내 휘도 ∙ 터널 내 조도 ∙ 포장상태 방재성 ∙ 방재시설 ∙ 비상대피시간 기능성능 유지관리성 ∙ 기계/전기설비의 기능성 ∙ 전력/통신/신호설비의 기능성 수요 및 용량 ∙ 통행량 ∙ 일 통행횟수 공중이 이용하는 부위 ∙ 추락방지시설 ∙ 도로포장 ∙ 도로부신축이음부 ∙ 환기구 등의 덮개 서울시 도로터널은 시설물의 안전점검과 유지관리와 함께 방재· 환기시설의 설치 및 관리도 매우 중요하다. ｢도로터 널 방재 · 환기시설 설치 및 관리지침(국토교통부, 21.12.)｣가 전부개정되었으며, 표 5와 같이 경보설비 중 자동사고감 지설비, 피난대피설비 중 유도등, 피난시설이 추가되었다. 자동사고감지설비는 터널 내 긴급상황을 도로터널에서 카메 라가 실시간으로 제공하는 영상을 분석하는 영상사고감지설비와 주파수를 이용하여 수신된 검지데이터를 실시간으로 분석하는 돌발상황감지설비가 있으며, 자동으로 감지된 긴급상황을 운영자에게 경보하는 장치를 말한다(국토교통부, 2021). Vol. 26, No. 2 19 <표 5> 등급별 방재시설 설치기준(일반 도로터널)(국토교통부, 2021) 터널등급 방재시설 1등급2등급3등급4등급비고 소화설비 소화기구●●●● 옥내소화전설비●○●○연장등급, 방재등급 병행 물분무설비○ 경보설비 비상경보설비●●● 자동화재탐지설비●● 비상방송설비○○○ 긴급전화○○○ CCTV○○○△△: 200m 이상 터널 자동사고감지설비△△△ 재방송설비○○○△△: 200m 이상 터널 정보표지판○○ 진입차단설비○○ 피난대피설비 비상조명등●●●△△: 200m 이상 터널 유도등○○○○(4)대피시설이 설치되는 연장4등급 터널 (4) 대피 시설 피난연결통로●●●●(4)250m 초과하는 연장4등급 터널(4) 피난대피터널(1)●△ 1등급: 피난대피터널을 우선 적용 2등급: 격벽분리형 피난대피통로를 우선적용 250m 초과하는 연장4등급 터널(4) 격벽분리형 피난대피통로(1) △●●●(4) 피난대피소(1)삭제 비상주차대○○ 소화활동설비 제연설비○○◎◎<삭제> 무선통신보조설비●●●△(2) 연결송수관설비●○●○ (비상)콘센트설비●●● 비상전원설비 무정전전원설비●●●△(3) 비상발전설비●○●○△ ● 기본시설 : 연장등급에 의함; ○ 기본시설 : 방재등급에 의함; △ 권장시설 : 설치의 필요성 검토에 의함; ◎ 보강설비 : 운영중 연장3등급 및 연장4등급 중 250m 초과하고 대피시설이 미흡한 터널 (1) 피난연결통로의 설치가 불가능한 터널에 설치 (2) 4등급 터널의 경우, 재방송설비가 설치되는 경우에 병용하여 설치함 (3) 4등급 터널은 방재시설이 설치되는 경우에 시설별로 설치함 (4) 연장4등급 중 250m를 초과하는 경우 정량적 위험도 평가결과에 따라 설치함 서울시에서도 터널사고의 신속한 감지 및 초동대응을 위한 레이더 기반 사고감지시스템을 그림 11과 같이 홍지문터널 에 2021년 도입하였다. 터널 레이더 기반 3-Mix(레이더+영상+음향) 감지 기술은 레이더와 영상, 그리고 음향정보를 분 석하고 사고 발생 수 초 내에 감지할 수 있다. 이러한 사고감지시스템은 그림 6에 제시된 서울시 교량터널 모니터링 시20 자연,터널 그리고 지하공간 서울시 도로터널의 관리 현황 고찰 스템과도 연동하여 터널의 유지관리와 사고대응을 함께 수행할 수 있는 방안과 시스템 마련이 필요하다. 음향 : 수집된 음원 분석 및 상황판단 출구부 입구부 레이더 : 터널 전 구간 감시 영상 : 돌발상황 확인 및 영상확보 <그림 11> 터널 레이더기반 유고감지시스템 개요도(서울시설공단, 2021) 서울시 소방재난본부에서는 ｢서울형 지하시설물 안전설계 및 재난대응 가이드라인(2021)｣을 마련하고, 지하시설물에 대한 화재예방 및 진화, 구조, 구급 등의 현장활동, 인명대피 등의 효율화를 위하여 허가청의 허가 절차 시 필요한 사항 을 정립하고, 지하시설물 안전관리시스템을 구축하고 있다. 서울시 소방재난본부에서는 위급상황에서 원활한 현장대응 을 위한 활동공간 확보를 위해 그림 12와 같이 터널의 형태별 폭과 높이 시설한계를 제시하고 있으며, 공용 중인 서울시 터널의 연장과 사용환경을 고려하여 적절한 화재감시 기능과 소화, 대피 등 효율적인 소방방재 환경 마련이 필요하다. 이러한 소방방재환경은 앞서 언급된 유지관리를 위한 교량터널 모니터링 시스템과 사고감지시스템 등과도 연계할 수 있 는 방안과 통합시스템의 마련이 필요하다. (a) 도시부 소형차 전용터널(b) 2차로~3차로 터널(c) 4차로 이상 터널 <그림 12> 터널의 형태별 폭과 높이 시설한계(서울시 소방재난본부, 2021)Vol. 26, No. 2 21 5. 결 언 서울시 도로터널의 주요 이슈 및 변화요인은 노후화와 기후 및 환경변화, 기술변화이다. 서울시 터널은 총 43개소로 모두 B등급 이상으로 관리되고 있으며, 구조적 문제가 발견되지 않았다. 관련 법령과 지침을 준수하고 점검이력을 검토 하여 서울시 특성에 적합한 성능평가 방법을 마련하는 것이 필요하였다. 그리고 터널 이용자의 안전 확보와 이용편의 제 공을 위해 방재시설과 관련 시스템에 대한 확대 적용과 필요시 통합시스템의 구축이 필요하였다. 기술변화 측면에서 터 널 관리에 필요한 영상, 로봇, 센서, 통신, 전력 등의 기술이 지속적으로 고도화되고 있으므로, 기술수준을 검토하여 실 효성 있는 통합시스템의 구축방안이 마련되어야 할 것이다. 마지막으로 외부 변화요인과 법령 및 기준 개정, 시 운영시 스템의 고도화를 위해 터널의 관리개선을 위한 장기적인 정책수립이 필요한 것으로 나타났다. 참고문헌 1. 서울특별시(2017), “서울시, 노후 인프라 예측 관리로 안전 강화, 미래비용 절감”, 서울특별시 보도자료. 2. 서울특별시(2020), “서울특별시 기반시설 관리계획(제1차 : 2020년-2025년)”, 서울특별시. 3. 박민철, 김종욱, 유진권, 이영석(2024), “서울시 도로터널의 유지관리 현황 분석 및 정책 검토”, 2024년 봄학술발표회, 터널지하공간 학회. 4. 국토안전관리원(2021), “시설물의 안전 및 유지관리 실시 세부지침(성능평가편)”. 5. 국토교통부(2021), “도로터널 방재· 환기시설 설치 및 관리지침”. 6. 서울특별시 소방재난본부(2021), “서울형 지하시설물 안전설계 및 재난대응 가이드라인”. 7. 한국시설안전공단(2014), “도로시설 진단결과 분석을 통한 취약요소 발굴 및 개선방안 연구”. 8. 서울기술연구원(2020), “IoT 기반 스마트 제설시스템 구축 방안”. 9. 서울연구원(2024), “대설 및 노면 살얼음 선제적 대응을 위한 IoT 기반 제설시스템 개발”. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]22 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 1. 서 론 TBM(Tunnel Boring Machine), 로드헤더 등 기계화 장비는 소음 및 진동에 애민한 도심지 지역, 지표면 침하 에 민감하여 굴착지반의 손상을 최소화해야 하는 지역 등 에서 적용되고 있다. 또한, 발파를 이용한 전통적인 NATM 공사에 비하여 빠른 굴진속도로 공기를 단축하는 계획과 공기가 단축되어 공사 예산을 절감하는 계획을 수 립하여 설계에 적용하고 있다. 기계화 굴착은 진동 및 소음 저감과 공기에 유리한 부 분이 있지만, 장비가 고가이기 때문에 공사금액에 차지하 는 부분이 크며, 장비의 정비, 수리, 운영을 위해 발생되 는 다운 타임(유휴기간)이 반드시 발생할 수 있기 때문에 공기와 예산 절감을 위해 적용하는 경우에는 사전의 분석 과 실제 적용을 위한 검토가 반드시 이루어져야 한다. 인천 지하철 1호선 연장 건설 공사 중 아라뱃길 하부를 통과하는 구간은 TBM 장비를 이용한 터널 굴착이 계획되 었고, 공사 수행을 위하여 다운 타임을 최소화하는 방안 에 대하여 검토하였으며, 이를 소개하고자 한다. 벨트 컨베이어를 적용한 TBM 굴착 공사에 대한 고찰 이민상 현대건설 현장소장 윤호성 현대건설 책임매니저 김주현 현대건설 책임매니저 이명재 현대건설 매니저 김동현 현대건설 매니저 최임철 현대스틸산업 책임매니저 김도훈 현대건설 책임매니저Vol. 26, No. 2 23 2. 현장 소개 인천 지하철 연장공사 현장은 현재 인천지하철 1호선 종점인 계양역에서 검단 신도시를 연결하는 공사로 대부 분의 구간이 터널로 계획되었다. TBM 및 로드헤더를 이 용한 터널 굴착이 계획된 1공구 건설공사의 연장은 전체 연장노선 약 6.5km의 절반에 해당되는 3.3km 구간이다. 1공구의 과업 노선은 그림 2에 나타낸 것과 같이 계양 역에서 검단 신도시 초입까지 연결되는 구간으로 기존의 민가지역, 공항철도, 공항고속도로, 아라뱃길, 축사 등의 하부를 통과하는 것으로 계획되어 소음, 진동, 지표면의 침하 등에 민감한 지상 여건을 통과하게 된다. 과업 시점 에서는 계양역과의 연결을 위해서 토공으로 계획되어 있 으며, 지하구조물 형성을 위하여 순차적으로 개착박스, 터널 구간으로 계획되었다. 1공구의 지층구조는 터널이 시작되는 구간에서 토사 (매립토, 퇴적층, 풍화토), 복합지층(토사+풍화암. 풍화 암+연암)으로 구성되어 있으며, 이후 종점부인 토사터널 구간까지는 암반구간으로 연암, 보통암, 경암이 분포되어 있다. 그림 3은 과업노선의 지층 구성 종단면도를 나타낸 것이다. 터널이 시작 구간은 저토피구간이며, 지층조건 또한 토 사 및 풍화암으로 구성되어 있으며, 암반구간으로 진입하 기전 일부 복합지층을 통과하는 것으로 조사되었다. 저토 <그림 1> 인천 지하철 1호선 연장 개요도 <그림 2> 인천지하철 연장공사 1공구 노선도 <그림 3> 지층 종단면도24 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 벨트 컨베이어를 적용한 TBM 굴착 공사에 대한 고찰 피 구간의 상부는 기존의 민가 구간을 인접 또는 하부로 통과하게 되며, 암반구간으로 진입하면서 공항철도, 공항 고속도로, 아라뱃길의 하부를 통과하게 된다. 시점부 터 널의 상부 지표면은 침하에 민감한 구조물로 이루어져있 어, 지표면 침하를 최소화하여 안정성을 유지하는 것이 필요하다. 터널 굴착 공사에서 굴착에 의한 Volume Loss 와 지하수의 유출은 침하의 주요한 요인으로 굴착공사에 서 Volume Loss를 최소화하고 굴착 중 및 공용 중의 지하 수 유출을 최소화하는 방안이 요구된다. 이를 위하여 시 점부 터널 구간은 TBM(Shield TBM)을 이용하여 굴착하 고 비배수 형식의 터널을 적용하는 것으로 계획하였다. 그림 4는 TBM 적용구간의 평면도를 나타낸 것이다. TBM 터널 굴착은 지상 구조물의 안정성을 확보하는 것과 동시에 발파로 조성된 아라뱃길 하부에서 암손상을 최소화하여 터널을 시공하기 위해서 적용되었다. 아라뱃 길은 과거 굴포천이었으며, 굴포천 방수로 사업에 의해 아라뱃길로 조성되었다. 산지에 대규모 발파를 이용하여 아라뱃길을 조성함으로써 수로 하부에 암반 손상대(EDZ) 가 발달되었을 것으로 예상되었고, 인접하여 터널을 굴착 하는 경우 EDZ의 확장을 방지하여 터널을 시공하는 방법 으로 TBM을 이용한 기계화 굴착이 계획된 것이다. 그림 5는 굴포천 조성 공사의 개요를 나타낸 것이며, 그림 6은 설계에서 손상대의 발달 정도를 분석하여 터널 심도를 계 획한 것을 나타낸 것이다. 3. TBM 터널 공사 계획 및 벨트 컨베이어의 적용 3.1 TBM 장비 소개 및 시공 계획 현장에 적용된 TBM은 굴착된 토사를 이용하여 막장압 을 유지하는 EPB(Earth Pressure Balanced) 형식의 쉴 드 TBM 장비로 중국의 TBM 장비 제작사인 CREG에서 제작하여 도입한 장비이다. 그림 7은 제작사에서의 장비 제작과 완성품을 나타낸 것이다. <그림 4> TBM 적용 구간 <그림 5> 굴포천(아라뱃길) 사업의 발파 개요도 <그림 6> EDZ를 고려한 TBM 기계굴착 적용 개요Vol. 26, No. 2 25 커터가 장착된 면판은 굴착 대상 지반이 토사층에서 암 반층까지 다양하게 변하는 복합지반임에 따라 개구율을 조정할 수 있도록 설계되었다. 면판의 개구율은 28%에서 35%까지 조정 가능하며, 토사구간에서는 35%를 적용하 였고, 암반구간에서는 28%의 개구율을 적용하여 굴착을 수행하였다. 디스크 커터는 총 53개가 면판에 장착되어 있다. 그림 8은 면판의 설계도를 나타낸 것이다. TBM 장비의 직경은 7.75m이며 표 1은 TBM의 주요 제 원을 정리한 것이다. TBM 터널굴착은 1대의 장비로 상· 하선을 굴착하는 것으로 계획되었으며, 발진구에서 하선 터널을 우선 굴착 하고, 도달구에서 장비를 분해하여 발진구로 운반하여 재 <그림 8> TBM 면판 설계도 <표 1> TBM 주요 제원 항목설명 직경 ∙ 장비 외경 : 7,750mm ∙ 세그먼트 외경/내경 : 7,410mm/6,810mm ∙ 세그먼트 분할 : 6 + 1(Key) 길이∙ 130m (TBM 본체 길이 : 11.5m) 총 중량 (후방 대차 포함) ∙ 1,039.5ton 커터헤드(면판) ∙ 디스크 커터 : 53EA ∙ 센터 커터 : 12EA ∙ 전면 커터 : 29EA ∙ 게이지 커터 : 12EA 구동부 파워∙ 3,500kW 총 추력∙ 66,490kN <그림 9> TBM 터널 굴착 계획 <그림 7> 장비 제작 전경26 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 벨트 컨베이어를 적용한 TBM 굴착 공사에 대한 고찰 조립한 후 상선 터널을 굴착하는 것으로 계획되었다. 그 림 9는 TBM 터널 시공 계획을 나타낸 것이다. 그림 10, 11, 12는 하선 터널굴진을 위한 장비의 조립, 하선 관통후 장비의 분해 그리고 상선 터널 굴착을 위한 장비 재조립 과정의 현장 사진을 나타낸 것이다. 3.2 TBM 터널공사 시공 조건 및 벨트 컨베이어 적용 현장의 터널은 앞서 소개한 것과 같이 아라뱃길 하부를 통과하기 위해 시점에서 종점측으로 하향경사의 터널로 계획되었다. TBM 터널은 시점에서 종점으로 하향 굴착하 는 것으로 계획되었으며, 발진구에서 도달구까지 경사는 (a) 면판 조립(b) 메인드라이브 조립(c) 중통 조립 <그림 10> 하선 굴착을 위한 장비 조립 (a) 후통 분해(b) 이렉터 분해(c) 모터 분해 <그림 11> 도달구 장비 해체 (a) 장비 운반(b) 추진잭 조립(c) 브릿지 조립 <그림 12> 장비 운반 및 재조립Vol. 26, No. 2 27 31‰ 및 4‰이다. 그림 13은 터널의 종단 경사를 나타낸 것이다. EPB TBM을 이용하여 터널을 굴착하는 경우에는 광차 를 이용하여 굴착토를 처리하는 방법이 일반적으로 적용 되고 있다. 당초 현장의 설계에서도 광차를 이용하는 것 으로 계획되었다. 하지만, 실제 착공을 위한 검토에서 1 회 운반 중량이 약 200ton 이상으로 예상되어 31‰의 경 사 구간의 이동시 미끄러짐, 탈선 등의 위험 요인이 있으 며, 수직구에서 중량물(약 50ton) 인양 작업으로 인한 낙 하의 위험 요인이 있는 것으로 검토되었다. 이에 대한 대안으로 검토된 것이 벨트 컨베이어를 이용 한 굴착토 처리 방안이다. 현장 여건은 그림 14에 보이듯 이, TBM 터널은 개착구간과 연결되어 있으며, 개착구간 의 끝은 토공 구간으로 수직 컨베이어 없이 터널 굴착토 를 벨트 컨베이어로 지상까지 운반할 수 있는 조건으로 벨트 컨베이어 적용에 유리한 조건이다. 벨트 컨베이어는 TBM 장비 후방에서 개착 구간을 통 과하여 토공구간인 사토장까지 연결하는 것으로 계획하 였으며, TBM굴진함에 따라 연장되는 것으로 적용되었다. 그림 15는 적용된 벨트 컨베이어의 개념도이며, 표 2는 주요제원을 정리한 것이다. TBM 굴착공사에서 벨트 컨베이어 적용되면, 배토 작 업이 벨트 컨베이어를 통하여 이루어짐에 따라, TBM 조 립과 동시에 컨베이어는 조립되어여 하며, TBM 운전실에 <그림 13> TBM 적용구간 노선 종단면도 <그림 14> TBM 터널 후방 조건 <그림 15> 벨트 컨베이어 개념도 <표 2> 벨트 컨베이어 주요 제원 항목설명 총 연장∙ 연장 : 1,250m 벨트 폭원∙ 800mm 운반 최대 직경∙ 300mm (암편 기준) 운반 능력∙ 500ton/hr 벨트컨베이러 속도∙ 0~3.15m/sec 구동부 파워∙ 220kWNext >