< Previous38 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 운영 중 철도(지하철) 본선터널에 신규 정거장 설치기술 <그림 18> 터널 정거장 신설작업 절차도Vol. 26, No. 4 39 5. 맺음말 터널구간에 정거장 신설 요구 민원은 국내 뿐 아니라 해외의 여러 지하철 노선에서도 대응에 어려움을 겪고 있는 난제 라 할 수 있다. 정거장 신설의 당위성이 인정되는 데도 불구하고, 민원 수용이 어려운 주 이유는 운영 중 터널의 이용을 중단할 수 없고, 터널 구조물의 특성상 확장과 연결공사 시 안전 확보가 어렵다는 기술적 한계 때문이라 할 수 있다. 본고에 소개한 기술은 구조적으로 실현가능한 혁신적 제안이지만, 매일 수만 명 이상이 이용하는 지하철도의 운영의 중단 없이 정거장을 신설한다는 것은 매우 리스크가 높은 작업임이 틀림없다. 따라서 신설 터널정거장 건설 및 운영 과정 에서 생각할 수 있는 모든 리스크를 사전에 파악하여, 제약요소를 도출하고 이를 기술개발 목표로 하는 연구를 선행하여 추진할 필요가 있다. 모형을 만들어 검증하고 다양한 시뮬레이션을 통해 기술의 검증과 최적화를 위한 노력이 이루어져야 할 것이다. 지자체, 터널 운영기관 그리고 설계와 시공을 담당하는 실무 기술자의 기술적 확신, 그리고 승강장 정위치 정 차의 오차를 최소화하여야 하는 열차 기관사의 의견도 중요한 고려사항이 될 것이다. 체계적인 연구개발 과정을 거처 요 소별 시범공사를 시행하고, 이를 효과적으로 휘드백하여야 완성된 터널 정거장 신설기술 확보가 가능할 것이다. 최근 스페이스-X가 2단 로켓 부스터를 재사용하기 위해 낙하하는 로켓을 기계식 팔로 잡아 안착시키는 기술을 선보였 다. 상상을 현실로 보여준 일론 머스크의 기술적 성취를 눈으로 확인하며, 많은 기술자들이 기술적 한계를 규정하고 그것 을 초월하려는 노력을 포기하고 있지는 않는지 스스로 자문해보는 계기가 되었다고들 한다. 한계에 부딪힌 어떤 건설 난제 도 결국 개술개발로 극복하여 삶의 질을 향상시켜 온 것이 기술의 역사이다. 시민의 교통편의를 증진하여 삶의 질을 개선 하는 것이 교통 인프라의 존재 이유라면, ‘터널구간 정거장 신설기술’은 반드시 시도되고, 구현되어야 할 기술일 것이다. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]40 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 들어가며 베트남 남부 지역 Cai Mep 산업단지에 505,000m3 규모로 시공된 효성 LPG Cavern은, Water Curtain System의 Hydrodynamic Containment를 Hydraulic Potential로 활용하여 LPG (Liquefied Petroleum Gas)를 안전하게 저장 및 운영하기 위한 베트남 최초의 지하저장시설이다. 당 프로젝트의 지하저장시설의 주요 항목에 대한 설계 조건 소개와 함께, Cavern의 시공 완료 후 Cavern의 기밀을 보 증하는 CAT(Cavern Acceptance Test) 시험 과정과 그 결과를 간략히 기술하고자 한다. 주요어 : 베트남 유류비축기지, Cavern, CAT 1. 서 론 베트남 남부 Bà Rịa-Vũng Tàu 지역 Cai Mep 산업단지에 시공된 LPG 비축기지는 저장용량이 각각 370,000m3, 135,000m3인 Propane Cavern 4개소와 Butane Cavern 2개소로 시공되었다(그림 1). 각 Cavern은 퇴적층 하부 중생 대 화강암 Batholith 층에 위치하며, 그 깊이는 Cavern 바닥 기준 지하 172m와 132m 수준이다. Cavern 상부에는 지하 저장고의 안정성을 보장하기 위해, 총 연장 12,424m인 수벽공(수평 Water Curtain Borehole)과 총 연장 1,444m의 수 벽터널(Water Curtain Tunnel)이 설치되었다. Water Curtain System을 최적화하여 공사 기간을 단축하고 목표 기간 내에 시설 운영이 가능하도록 하였다. 효율성 시험과 Cavern 적합성 시험을 통해, Cavern 및 Hydrodynamic Containment의 수리지질 특성과 가스의 기밀성을 입증 베트남 최초 지하저장 유류비축기지 시공 및 기밀시험 사례 First Underground Storage Cavern in Vietnam and Cavern Acceptance Test Case 주채만 토목기술지원팀 책임매니저 이성동 지하공간설계팀 책임매니저 김대근 파나마 현장 팀장 현기동 사우디 현장 팀장 이종진 사우디 현장 책임매니저Vol. 26, No. 4 41 하였으며, 저장기지의 운영 중 안정성을 확인하였다. <그림 1> 지하 Cavern 현장 전경 2. 공사 개요 2.1 현장 개요 지상부는 LPG 입/출하 및 판매를 위한 기계설비, 배관, 전기설비, 계장설비로 구성되었다(표 1). 지하 가스저장 터널은 Propane과 Butane을 분리하여 저장할 수 있으며, 가스저장을 위한 Propane Cavern은 4기 (17만 톤), Butane Cavern은 2기(7만 톤)의 용량이며, Water Curtain Borehole 설치를 위한 Water Curtain Tunnel 및 공사를 위한 Access Tunnel로 이루어져 있다. Propane Cavern과 Butane Cavern은 Invert 기준으로 각각 지하 172m, 132m에 위치하고 있으며, 최대 허용압력 또한 별도로 운영된다. Cavern 주변의 수리지질상 안정성을 확보하기 위해 Water Curtain System이 적용되었으며, Water Curtain Borehole은 Propane 94개, Butane 26개로 구성되어 있다(그림 2). 지상과 지하는 총 3개소의 Shaft로 연결되는데, 직경 20m의 Access Shaft에는 Transport Lift를 설치하여 장비 및 자재, 인원 등을 이송하였으며, Operation Shaft는 Propane/Butane Cavern 당 각 1개소로 가스 입/출하 배관 및 Seepage Water 유출배관, 계측 설비 등의 설치 용도로 사용되었다. Propane 수직구에는 194m 길이에 13개의 Casing 배관과 8개의 Tubing 배관이 설치되었으며, Butane 수직구에는 154m 길이에 12개의 Casing 배관과 7개의 Tubing 배42 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 베트남 최초 지하저장 유류비축기지 시공 및 기밀시험 사례 관이 설치되어 있다. 수직구 내 배관 시공은 현장 상황을 고려하여, 24m의 배관 Spool(12m Double Joint)을 사용하였 으며, Temporary Working Tower를 설치하여 Top Down 방식으로 설치 완료하였다. <표 1> 베트남 효성 LPG Cavern 및 입출하시설 건설공사 개요 구분내용 공사명Hyosung LPG Cavern and Loading/Unloading Facilities Project 현장 위치베트남 호치민 남동쪽 50km Cai Mep 산업단지 내 공사기간 2018.11.01.∼2021.07.31.(33개월) 발주처HYOSUNG VINA CHEMICALS Co. LTD 주요 공사내용 - 지하터널 굴착/보강 ∘ Propane Cavern 4개소 ◦ Butane Cavern 2개소 ∘ Access Shaft 1개, Operation Shaft 2개 ∘ Access Tunnel 및 Water Curtain Tunnel - 가스 입출하 시설 기전공사 ∘ 철골 (Pipe Rack) ∘ Ball Tank (300 Ton) ∘ Truck Loading Bay ∘ 기자재 : Rotating Equipment (Pump and Fan) : Static Equipment (Vessel 등) / Heater PKG ∘ 배관 ∘ 전기 ∘ 계장 ∘ MCC 건물 (Motor Control Center) <그림 2> 현장 위치도Vol. 26, No. 4 43 2.2 주요 설계 사항 효성 LPG Cavern 프로젝트의 저장용량은 총 505,000m3으로, 서측의 Propane Cavern(370,000m3)과 동측의 Butane Cavern(135,000m3) 2종류의 액화상태의 유류를 저장할 수 있게 구성되어 있다. 터널은 목적에 따라 5개의 주 요 단면으로 구성되며, Layout상 위치는 그림 3과 같다. - Storage Cavern (2개소) - Water Curtain System (Water Curtain Tunnel 및 Water Curtain Borehole) - Operation Shaft (2개소) - Access Shaft - Access Tunnel <그림 3> 지하 Layout44 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 베트남 최초 지하저장 유류비축기지 시공 및 기밀시험 사례 2.2.1 Storage Cavern Storage Cavern은 각각 4개(Propane Cavern), 2개(Butane Cavern)의 평행한 주 저장 터널로 작은 연결 터널들로 서로 연결되어 있다. 이 연결 터널들은 시공 중 진/출입 용도로 활용되며, 운영 중에는 저장 터널로 활용된다. Cavern의 단면 형상은 해당심도의 최대 주응력 방향과 평행한 타원형이 가장 이상적이나, Crown의 압축 응력 분배와 Invert의 시 공성을 고려하고, Wall에 작용하는 인장응력을 감안한 종횡비를 적용하여 최종 단면이 결정된다. 본 공사에서는 높이 22m, 폭 17m의 Cavern 단면(면적 310m2)이 채택되었다. Cavern의 심도는 지반공학적 안정성과 수리지질학적 특성을 고려하여 결정되며, 본 공사의 Cavern 심도는 표 2와 같다. <표 2> Cavern 심도 구분Propane CavernButane Cavern Cavern Crown-150 MSL-110 MSL Cavern Invert-172 MSL-132 MSL 2.2.2 Water Curtain System Cavern 프로젝트에서는, Cavern 주위의 Hydraulic Containment 조건을 충족시키기 위해, 수벽터널(Water Cur- tain Tunnel)과 수벽공(Water Curtain Borehole)으로 구성된 Water Curtain System이 필수적이다. 수평 Water Curtain Borehole은 Water Curtain System의 주요 항목으로, Storage Cavern의 Crown으로부터 20m 상단에 배치되며, Propane Cavern과 Butane Cavern 구역의 수평 Borehole의 위치는 각각 -130 MSL, -90 MSL이다. 수평 Borehole은 Water Curtain Tunnel의 벽면에 수직으로 시공되며, 평면상 Cavern 외곽선으로부터 15~20m를 초과하는 지점까지 연장되어야 하며, 주로 100mm의 직경이 적용된다. Propane Cavern과 Butane Cavern 모두 투수성이 높은 퇴적층이 인접해 있으나, 이와 무관하게 수평 Borehole로 인접 지반의 수두 조건을 Cavern 보다 높 게 유지할 필요가 있다. 수직 Water Curtain System은 Propane과 Butane Cavern의 상호 연결성을 막기 위해 필요하다. 2.2.3 Operation Shaft 각 Cavern 별로, 지상부와 Cavern의 Crown을 관통하는 내경 7m의 원형수직구(Operation Shaft)를 시공하여 Cavern 운영시 필요한 배관 Casing(Injection Line, Pumping Line, Water Seepage Line, Instrumentation Level 등)을 설치하게 되며, 지상부의 간섭사항을 고려하여, 시공 중 Operation Shaft의 위치를 확정한다. 수직구 상부에 Diaphragm Wall을 시공 후 토사 구간 기계 굴착을 진행하며, 이후 암반 구간은 목표지점에 도달시까지 발파로 굴착을 진행한다. Diaphragm Wall 하부는 암반에 근입되어야 하며, 필요시 지보재를 설치하여 시공 및 운영 중 안정성을 확보 해야 한다. Vol. 26, No. 4 45 Shaft 내 Casing 설치 후, Cavern Crown 상부 3~5m 지점에 Concrete Plug를 시공하여, 설치된 Casing의 Sup- port 역할을 수행함과 동시에 Plug 상단을 물로 채워 Hydraulic Potential을 지표면까지 유지하도록 한다. 2.2.4 Access Shaft 공사 중 장비 및 인원 이동, 굴착 버력 처리를 위해 Access Shaft를 시공한다. 공사 중 필요에 따라, 장비 진출입, 환기 Duct 설치, Car Lift 용량을 고려하여, Shaft 내경이 결정되어야하며, 당 프로젝트에서는 내경 18m의 Shaft를 계획하 여, 상부 토사구간은 Diaphragm Wall 설치 후 기계 굴착하며, 암반 구간은 발파 굴착을 실시하여, 양 방향의 Cavern 진 입을 위한 Access Tunnel 심도인 -98 MSL까지 도달하게 된다. 추후 운영시에는 Shaft에 채워진 물의 정수압으로 Hydraulic Potential을 지표면까지 유지하게 되며, Water Curtain Tunnel 및 Water Curtain Borehole의 주입 또한 Shaft에 상시 채워진 물을 활용하게 된다. 2.2.5 Access Tunnel Access Tunnel은 Propane Cavern과 Butane Cavern 방향으로 진입을 위한 통로로 활용되므로, 시공 중 안정성이 확보되어야 한다. 적용 장비의 크기 및 이동, 기타 설비(Ventilation Tube, 급/배수 배관 등)의 설치를 고려하여 단면적 과 구배가 결정되는데, 본 프로젝트에는 폭 10m, 높이 8m의 단면이 적용되었으며, 구배는 10~11%로 제한하였다. Access Tunnel의 바닥에는 콘크리트 포장이 요구되며, 각 Cavern과의 연결부에는 Plug를 타설하여, Cavern 내 Gas 유출을 막아야 한다. Plug 설치 위치는 터널 굴착 후 양호한 지반을 선정하여 추후 결정한다. 양 방향의 Water Curtain Tunnel은 별도의 Branch를 구성하여, Water Curtain System이 Cavern 상부에 위치할 수 있도록 한다. Access Shaft와 마찬가지로, Access Tunnel도 운영시에는 전 구간에 물을 채워 포화상태를 유지해야한다. 2.2.6 Concrete Plug Concrete Plug는 두 구간의 수리학적 특성을 물리적으로 분리하기 위해 설치되는 구조물로써, Access Tunnel과 Cavern, Access Tunnel과 Water Curtain Tunnel, Operation Shaft와 Cavern 사이에 설치되어야 하나, 당 프로젝 트의 특성(Access Tunnel, Access Shaft의 운영 중 포화유지 조건)을 고려하여 총 4개소의 Plug를 적용하였다. Shaft Plug에는 Shaft 내에 설치되는 Casing의 Anchor Belt를 통해 하중을 Support하는 기능이 추가된다. 다양한 위치에 설치되는 Plug는 기본적인 형상이나 설계 방식은 유사하나, 크기나 방향, 목적에 따라 구분되어야 한 다. Operation Shaft Plug에는 Casing이 Plug 구조물을 관통하여 시공되어야 하며, Access Tunnel Plug에는 잔여 작 업을 위한 Manhole이 설치되어야 한다. Plug 형상은 Plug 면에 작용하는 수압(배관 하중 포함) 및 가스압에 대한 안정성, 암반 접합부의 수밀성을 고려하여, Wedge 모양의 Plug Key가 암반에 근입되는 방식으로 시공이 되며, 압력에 따라 Plug 두께 또한 차이가 있다. 46 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 베트남 최초 지하저장 유류비축기지 시공 및 기밀시험 사례 3. 지질 조건 분석 3.1 지질 정보 당 현장의 지질은, 지표 60m 깊이까지는 토사층으로 이루어있으며, 풍화토, 풍화암층은 거의 분포하지 않으며, 그 하 부는 암반으로 구성되어 있다. 암반은 대부분 중생대 흑운모 화강암(Biotitic Granite)으로 이루어져 있으며, 압축 강도 98±22MPa 정도로 연암~보통암으로 구분된다. 그 외에 휘록암(Diabase), 석영 등이 암맥상에 나타나며, 8개소 정도의 소규모 단층이 프로젝트 구간을 가로지르고 있다(그림 4). 초기 지반조사 결과에서는, 풍화층 사이에 점토층이 일부 분포 하는 것으로 확인되었으나, 추가 지반조사에서는 점토층이 확인되지 않았다. 하지만, 기본 설계상에는 보수적으로 점토 층을 불투수층으로 가정하고, Shape Factor 증가로 인한 Cavern의 최대허용압력의 감소를 고려하여, 보다 안정한 상태 의 운영조건을 반영하였다. <그림 4> Cavern Layout 및 지질 조건 3.2 지반 물성 자료 지반 조사는 2017년 10월 ~ 2018년 2월에 걸쳐 진행되었으며, 총 18개소의 시추공에 대한 분석을 실시하였다. 기본 설계상에는, 2가지 암반 등급(양호, 보통)에 대해 암반 시험 결과값(일축, 삼축, 인장 시험)과 GSI Index를 Input으로 RocLab 프로그램을 활용하여 지반 물성을 산정하였다. 상세 설계시에는 총 5 등급으로 구분(그림 5 참조)하여 동일한 방 식으로 분석을 진행하였으며, 유사 프로젝트의 물성치를 참고하여, 프로젝트 물성치를 확정하였다. Vol. 26, No. 4 47 (a) Propane Storage Cavern(b) Butane Storage Cavern <그림 5> Cavern 암반 등급 분포 4. 비축 기지 기밀 시험 CAT(Cavern Acceptance Test) 사례 4.1 CAT 시험 목적 CAT(Cavern Acceptance Test)는 Cavern 시공 완료 후 Cavern의 기밀을 보증하기 위하여 실시하는 시험이다. CAT는 가압 공기를 이용하였으며, 일반적인 지상 Vessel(일정이상의 압력을 갖는 유체를 저장하는 목적으로 사용하는 압력용기 형태의 석유화학 장치물)에서 시험하는 방법과 같은 절차의 시험이며, 저장 공간이 매우 크고 지하 유출수 및 터널의 미굴과 여굴로 인한 비정형 형상을 고려해야 하는 특징이 있다. 압축공기를 Cavern 내로 주입하여 시험압력을 가하고 100 시간의 기밀성을 확인하였으며, 시간별로 측정되는 압력 (P)과 누유가 없는 조건에서의 계산상 압력(P cal )간의 상관성을 확인하였다. 계산상 압력(Pcal)은 이상기체 방정식인 식 (1) 을 통해 계산하였다. ∙ ∙ ∙ (1) 4.2 CAT 시험 절차 프로판 저장용 Cavern과 부탄 저장용 Cavern의 CAT를 순차적이고 독립적으로 수행하도록 초기 계획되었으나, 동시 시험을 통한 기간을 단축하기 위해 시험 방법에 대한 검토 후 최적화 절차를 수립하였으며, Test 시작 후 운영시까지 53 일 이내에 완료되도록 계획하였다(그림 6).Next >