< Previous28 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 벨트 컨베이어를 적용한 TBM 굴착 공사에 대한 고찰 연동되어 TBM 운전원이 TBM 및 컨베이어를 조정하여 TBM 굴진을 수행하게 된다. 그림 16은 벨트 컨베이어 조 립 과정의 사진을 나타낸 것이며, 그림 17은 TBM 굴진중 에 운영중인 벨트 컨베이어를 나타낸 것이다. 4. 벨트 컨베이어와 TBM 터널 다운 타임 약 직경 8m 터널에서 EPB TBM로 굴착하고 광차를 이 용하여 굴착토를 처리하는 경우, 광차로 인한 다운 타임 <그림 16> 벨트 컨베이어 주요 항목 조립 과정 <그림 17> 운영 중인 벨트 컨베이어 및 사토장 전경Vol. 26, No. 2 29 이 반드시 발생하게 된다. 직경 8m, 1회 굴진장이 1.5m 인 경우에는 1회의 광차로 전체 굴착토를 처리할 수 없어 광차를 교대하여 굴착토를 처리하게 된다. 그림 18은 두 대의 광차를 이용하는 경우, 광차 교대를 모식화 한 것이 다. 현장 여건에 따라 차이는 있지만, 광차가 대기하는 장 소(수직구 하부 또는 분기기)는 TBM에서 최대 500m 후 방이 일반적이다. 그림 18(a)는 A 광차가 TBM의 굴진하 는 동안 굴착토를 받는 것을 나타낸 것이며, 그림 18(b)는 광차가 교대되는 것을 모식화한 것이다. 광차가 교대되는 동안은 굴착토를 배토할 수 없어 TBM 굴착은 중지되어 다운 타임이 발생된다. 광차를 이용하여 굴진을 수행하는 경우, 광차 교대에 의한 다운 타임 이외에도, 분기기와 광차의 간격이 멀어 짐에 따라 다운 타임은 증가하게 된다. 또한, 수직구에서 인양 작업으로 광차 덤핑을 수행하여 지상의 Muck Pit의 정리가 원활하지 않거나, 수분이 다 량 함유되어 있는 굴착토에 고화처리가 이루어지지 않는 경우에는 광차 덤핑이 원활하게 수행되지 않아 추가적인 다운 타임이 발생하게 된다. 그림 19는 수직구에서의 광 차 덤핑을 모식화한 것이다. 광차를 적용하여 발생될 수 (a) TBM 굴진시 광차 위치 (b) 광차 교대 <그림 18> EPB TBM의 광차 교대 모식도 <그림 19> 수직구 광차 덤핑 모식도30 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 벨트 컨베이어를 적용한 TBM 굴착 공사에 대한 고찰 있는 다운 타임을 표 3에 정리하였다. 그림 20은 광차를 적용한 경우의 다운 타임 중 광차에 의한 다운 타임항목을 표기한 것이다. 전체 다운 타임 중 광차에 의한 다운 타임은 각 13%, 20%로 주요 다운 타임 항목임을 보인다. 벨트 컨베이어를 적용하면 광차에 의한 다운 타임 항목 은 제거될 수 있으며, 광차 교대에 의한 TBM 굴진 중단이 발생되지 않아 작업의 연속성이 개선될 수 있다. 하지만, 벨트 컨베이어도 벨트를 수용하는 카트리지에 따라 벨트 를 추가 공급하여야 하기 때문에 다운 타임은 발생하게 된다. 또한, 벨트 컨베이어에 운영 중 장비의 고장에 의해 발생되는 다운 타임 항목도 발생하게 된다. 표 4는 벨트 컨베이어와 광차의 다운 타임 항목을 비교한 것이다. 벨트 컨베이어의 연장 작업은 터널의 길이, 카트리지의 수용 능력 등에 따라 시행 횟수가 정해지게 된다. 벨트 컨 베이어 연장은 추가 벨트의 삽입 및 벨트 접합이 수행되 어 약 10시간 정도의 작업시간이 소요된다. 현장에서는 커터 교체 작업과 벨트 컨베이어 연장 작업을 동시에 수 행하는 것으로 계획하여 추가적인 다운 타임 발생을 최소 화하였으며, 장비 고장을 방지하기 위하여 벨트 컨베이어 제작사의 정비사가 현장 상주하고, 유지 관리 인력을 채 용하여 관리하도록 하였다. 또한, 소모품 항목에 대해서 는 현장에서 부품을 상비하여 문제 발생시 즉시 교체 가 능하도록 하였다. 그림 21은 벨트 컨베이어의 연장 작업 에서 벨트의 삽입과 접합을 나타낸 것이다. <표 3> EPB TBM에서 광차 적용시 발생 가능한 다운 타임 항목 구분항목 광차 관련 다운 타임 ∙ 광차 교대 ∙ 고화처리 지연, 사토 처리 지연에 의한 광차 덤핑 지연 ∙ 전기 전동차 충전 지연 ∙ 자재 지연에 따른 작업대차/광차 준비 지연 ∙ 탈선/크레인 고장 등에 따른 지연 (a) 다운 타임 중 광차 관련 부분 (Ex. 1)(b) 다운 타임 중 광차 관련 부분 (Ex. 2) <그림 20> EPB TBM 광차 적용 다운 타임 <표 4> 다운 타임 항목 비교 다운 타임 항목 광차 적용벨트 컨베이어 적용 ∙ 광차 교대 ∙ 광차 덤핑 지연 ∙ 전기 전동차 충전 지연 ∙ 자재 지연에 따른 작업대차/광차 준비 지연 ∙ 탈선/크레인 고장 등에 따른 지연 ∙ 벨트 컨베이어 연장 작업 ∙ 장비 고장 등에 의한 지연Vol. 26, No. 2 31 벨트 컨베이어를 적용하여 현장에서는 다운 타임을 절 감할 수 있었으며, 우수한 굴진율로 터널 굴착공사를 완 료하였다. 일 최대 상선 터널 시공시 17Ring/day인 25.5 m/day을 굴진율을 보였으며, 이는 TBM 굴진과 세그먼트 조립이외에 다운 타임이 없을 경우에 가능하였다. 월 최 대 굴진율 또한, 상선 터널시에 223Ring/month인 334.5 m/month을 굴진율을 보였다. 선 시공한 하선 터널에 비 하여 후속 굴착한 상선에서 우수한 굴진율을 보인 것은 선 터널 굴착시에 지반조건을 파악하였고, 굴진 테이터가 축척된 결과로 판단된다. 그림 22는 하선 및 상선의 일일 굴진량을 나타낸 그래표이며, 표 5는 굴진율을 정리한 것 이다. (a) 상선 TBM 터널 굴진율 <그림 22> 상·하선 TBM 터널 일굴진 현황 (b) 카트리지 벨트 추가 작업 (a) 벨트 추가 작업(c) 기존 및 추가 벨트 접합 작업 <그림 21> 벨트 컨베이어 연장 작업32 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 벨트 컨베이어를 적용한 TBM 굴착 공사에 대한 고찰 5. 결 론 EPB TBM 터널공사에서 벨트 컨베이어가 적용된 인천 지하철 연장공사 1공구 현장은 TBM 공사에서 발생되는 다운 타임을 최소화하여 우수한 굴진율로 공사를 마무리 하였다. 인천 지하철 현장과 같이 TBM의 발진구 후방이 개착 구간으로 수직이 아닌 수평으로 연결되는 특수성을 가진 경우에 벨트 컨베이어의 적용성을 확인하였으며, 광차 사 용에 비하여 다운 타임을 감소하여 TBM 굴진과 세그먼트 조립으로 구성되는 가동율을 최대로 할 수 있었다. 향후 EPB TBM이 터널 공사에 적용하는 것은 공사 여 건에 따라 벨트 컨베이어를 적용하면 공기 단축과 사고에 대한 위험성을 감소할 수 있는 대안으로 사료된다. 참고문헌 1. 인천도시철도 1호선 검단연장선 1공구 기본설계 보고서. (b) 하선 TBM 터널 굴진율 <그림 22> 상·하선 TBM 터널 일굴진 현황(계속) <표 5> 상·하선 TBM 터널 굴진율 상선 굴진율 최대 굴진율평균 굴진율 일 최대 굴진링17링/day 일 평균 굴진 거리8.08m/day 일 최대 굴진장25.5m/day 월 최대 굴진링223링/mon 월 평균 굴진 거리247.7m/mon 월 최대 굴진장334.5m/mon 하선 굴진율 최대 굴진율평균 굴진율 일 최대 굴진링15링/day 일 평균 굴진 거리7.86m/day 일 최대 굴진장22.5m/day 월 최대 굴진링188링/mon 월 평균 굴진 거리230.4m/mon 월 최대 굴진장282m/mon ※ 평균 굴진율은 커터교체 등 다운타임 포함Vol. 26, No. 2 33 2. 인천도시철도 1호선 검단연장선 1공구 실시설계 보고서. 3. Tunnel belt conveyor instruction manual (CREG). [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]34 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 1. 지하공간 개발의 필요성 Gil-Garcia et al. (2013)은 21세기에 주목할 점을 전례없는 도시성장율로 지목하였다. 도시성장은 과학기술 발전과 경제성장을 나타내는 지표로써 좋은 현상으로 간주할 수 있으나, 도시성장으로 수반되는 인구의 도시집중현상은 지상공 간 부족, 교통체증, 자연에너지 감소, 환경오염, 인프라 부족, 빈곤, 실업률, 범죄율 증가 등 각종 도시문제와 사회문제 터널 및 지하공간 개발을 위한 원심모형실험 활용방안 - 이전연구사례를 중심으로 - 윤종석 (주)태조엔지니어링 대리/공학박사 추연욱 국립공주대학교 교수 Population Ratio (P yea r / P 1960 ) (% ) Population Ratio (P yea r / P 1960 ) (% ) (a)(b) <그림 1> 전 세계 및 대한민국 인구증가율: (a) 총인구, (b) 도시인구Vol. 26, No. 2 35 를 초래할 수 있음을 언급하였다(Gil-Garcia et al., 2013). UN 도시화전망 자료(UN World Urbanization Prospects, 2018)로 조사된 인구의 도시집중현상은 다음과 같다. 그림 1과 같이 1960년 대비 2021년의 전 세계 총인구와 도시인구 는 260%, 207% 증가하였고, 대한민국의 경우 각각 437%, 608% 증가한 것으로 조사되었다. 이와 더불어 1950년과 비교 하여 2050년에 전 세계 도시인구는 68.4%(6,679,756천명), 대한민국이 86.4%(43,616천명)까지 증가할 것으로 전망하 고 있다(그림 2). 특히, 2022년 기준 대한민국 총인구의 81.4%가 도시에 거주하고 있어 대한민국의 인구 도시집중현상 은 현재도 진행 중이다. 19501960197019801990200020102020203020402050 Year 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Population Ratio (% ) WorldRep. of Korea <그림 2> 전 세계 및 대한민국 인구증가 예측 도시집중현상으로 인한 각종 도시 및 사회문제, 지상공간자원 부족을 해결하고 지속가능한 발전을 위해 인류가 이용할 수 있는 새로운 공간(New Frontier Space)이 필요하다(Roberts, 1996). 새로운 공간으로써 지하, 해양 그리고 우주공 간이 언급되고 있으나 해양공간과 우주공간은 기술적인 한계로 가까운 미래에도 인류가 이용할 수 있는 공간으로 개발 하기는 어려운 상황이다. 그에 비해 지하공간은 고대 로마시대부터 19세기까지 지하묘지, 지하도시 그리고 전염병으로 부터의 대피공간 또는 격리시설로써 사용된 역사가 있다. 지하공간은 항온성, 항습성, 내진성, 폐쇄성, 격리성 등 강점 을 가지고 있으며, Parker (1996)는 지속가능한 발전을 위한 지하공간의 미래역할을 아래와 같이 제시하였다(Roberts, 1996). 1. 기존의 지상시설을 지하로 옮길 경우, 지상공간을 2배 이상 증가시킬 수 있다. 2. 지하공간의 내진안전성이 충분히 검증되었기 때문에 안전한 도시 라이프라인 구축을 위해 터널을 활용하는 것이 좋다. 3. 지하공간은 방사성 폐기물을 저장할 수 있는 안전한 공간이며, 기타 유독성 폐기물 등을 저장하기에도 좋다. 4. 산업시설, 오피스시설 그리고 거주목적으로 지하공간 활용 사례가 증가하고 있다. 5. 식품, 액체류, 가스류 등의 대량 저장을 위한 시설로 지하공간이 활용되고 있다.36 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 터널 및 지하공간 개발을 위한 원심모형실험 활용방안 - 이전연구사례를 중심으로 - 6. 지하 터널을 개발하여 도시의 미관을 훼손하지 않는 친환경적인 교통시스템 구축이 가능하며, 이에 따라 도시의 교통 정체가 크게 감소하였다. 지하공간의 장점과 미래역할을 고려한 국내외 지하공간 및 터널 개발 사례는 그림 3과 같다. 도로의 지하화를 통해 교 통 혼잡을 완화하고 지상공간을 확보한 사례로 Big-Dig 지하도로(미국, 보스턴), 듀플렉스 A86도로(프랑스, 파리), 마 드리드 M30도로(스페인, 마드리드), SMART 터널(말레이시아, 쿠알라룸푸르)이 있으며, 국내에는 보령해저터널, 인천 북항터널, 수도권 광역 급행철도 등이 있다. RESO(캐나다, 몬트리올), PATH(캐나다, 토론토), 코엑스 몰, 영동대로 복 합환승센터 등 기존 인프라와의 유기체적인 연결을 통해 스마트시티 역할을 수행할 수 있는 지하공간을 개발하였으며, 그 외에도 요빅 지하경기장(노르웨이, 요빅), 로우라인(미국, 뉴욕), 시오도메 지구(일본, 도쿄), 여의도 지하벙커 리모 델링 등 지하공간 개발을 통한 문화공간 창출 사례가 있다. 국내외에서는 다양한 기능을 수행하기 위해 지하공간과 터널 을 개발하고 있는 상황이지만 도심지 대규모-대심도 지반굴착을 필연적으로 수반하기 때문에 기존 인접구조물과의 영 향을 무시할 수 없고, 길어지는 공사 기간으로 자연재난에 노출될 확률이 농후하다. 따라서, 지하공간 및 터널의 안전성 확보 및 유지관리를 위한 기술개발이 필요한 실정이다. Duplex A86 영동대로 복합환승센터 보령해저터널 Big-Dig 지하도로 요빅 지하경기장 RESO 지하도시 <그림 3> 지하공간 및 터널 개발사례 도심지 지하공간 및 터널은 기존 지상 또는 지하구조물과 인접하여 건설되거나 연결되기 때문에 안전성 확보 및 유지 관리를 위한 기술개발에는 지상구조물(Structure)-지반(Soil)-지하구조물(Structure) 상호작용(이하 SSSI) 해석이 필Vol. 26, No. 2 37 수적이다. 본 고에서는 지하공간 및 터널 안전성 확보 및 유지관리 기술개발을 위해 SSSI 해석에 적용할 수 있는 원심모 형실험기법과 원심모형실험의 지하공간 및 터널 분야 적용 사례들을 소개하고자 한다. 2. 원심모형실험 지반공학에서 다루고 있는 댐, 비탈면, 육상 및 해양기초와 같은 토류구조물의 응력-변형 거동 및 파괴 메커니즘 연 구를 위해 이론적인 방법과 실험적인 방법들이 활용되어 왔다. 이론적인 방법에는 유한요소해석 프로그램을 활용한 수 치해석기법을 예로 들 수 있다. 그러나, 수치해석기법을 통한 해석결과는 수치해석모델 입력변수, 경계면 조건, 재료모 델 등 다양한 조건에 영향을 받으며, 특히, 수치해석모델이 현장 또는 실험결과를 통해 검증되어야 한다. 따라서, 수치 해석기법은 독립적으로 수행되기보다 실험과의 상호보완을 통해 합리적인 해석결과를 도출할 수 있다. 실험적인 방법으 로는 실대형실험과 축소모형실험이 있다. 지반공학에서 다루는 흙은 강재, 콘크리트 등과 같은 재료에 비해 구속응력과 응력경로에 의존적인 재료이기 때문에 현장과 동일한 응력수준을 모사하지 않을 경우 부정확한 실험결과를 도출할 가능 성이 있다. 이와 같은 이유로 실대형실험을 통해 원형구조물을 대상으로 실험 및 분석하는 것이 가장 이상적이나 시간 및 경제적인 측면에서 소요되는 비용이 너무 크기 때문에 비현실적이라고 볼 수 있다. 또한, 축소모형실험에서는 토립자 자중에 의한 응력 효과가 무시되거나 상사법칙이 고려되지 않은 상태에서 시험이 수행되기 때문에 실험결과의 신뢰도에 대한 의문이 제기되고 있다. 앞선 실험적인 방법의 한계를 보완하고 지반공학적인 문제를 해결하기 위해 상사법칙에 따라 축소된 모형체에 현장조 건과 동일한 응력수준을 모사할 수 있는 원심모형실험기법이 고안되었다. 원심모형실험의 기본 원리는 그림 4와 같다. Prototype 1g Model Centrifugal Acceleration <그림 4> 원심모형실험의 원리Next >