터널 굴착 TBM 장비 형식은 어떻게 결정해야 하나
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Open TBM과 쉴드TBM
Open TBM은 주로 신선한 암반을 대상으로 굴진을 위한 반력을 암반 벽면을 지지하는 힘으로부터 얻는 반면, 쉴드TBM은 과거 주로 토사터널에서 사용되었으며 굴진을 위한 반력은 장비 후방에 설치되는 세그먼트 라이닝으로부터 얻는다는 차이점을 가지고 있다. kpi.or.kr
로드 헤더(Road Header)
로드헤더 등을 이용하여 막장면을 굴착한 후 숏크리트와 록볼트를 이용하여 지보를 설치하는 공법
도심지 터널공사에서 고성능 로드헤더 기계굴착공법은 NATM의 문제점과 TBM 공법의 한계를 보완
각종 지반조건 면밀히 조사 검토해야
최근 세계적으로 터널의 연장이 길어지고 있는 추세로 우리나라도 터널의 연장이 점차 길어지고 있다. 그만큼 복잡하고 어려운 지반조건을 극복하기 위해 터널 기술도 함께 발전하고 있으며, 특히 기계화 시공은 터널공사의 필수적인 공법으로 자리매김하고 있다.
현재 해외에서는 터널공사를 계획할 때 TBM(Tunnel Boring Machine) 공법을 우선으로 고려해서 계획하고, 특수한 경우에 대해서만 NATM (New Austrian Tunneling Method) 공법을 계획하고 있다. TBM 공법을 사용해 기계화 시공을 하는 큰 이유로는 도심지 인프라공사가 대부분을 차지해 도심지의 터널공사 특성상 소음, 진동, 안전성을 우선적으로 고려해야 하기 때문이다. 또한 화약을 사용하지 않는 방식으로, 터널공사로 인한 민원을 최소화하고 있어 최적의 공법이라고 평가받고 있다.
반면 국내의 경우는 기존에는 경제적인 측면을 고려해 공사비를 절감하기 위한 목적으로 NATM 공법을 선호해 왔으며, 실제로 대부분의 터널공사에서 NATM 공법이 적용돼 왔다. 하지만 터널 시공 시 발생하는 소음, 진동을 비롯한 안전상의 문제로 인해 최근에는 발주기관이 화약과 발파에 의존하는 NATM 공법을 대체할 기계화 시공의 필요성을 인식하고 있는 상황이다.
또한 터널 공사로 인해 발생되는 다양한 민원의 억제와 공사 중 안전의 필요성도 함께 고려해 TBM 공법을 이용하는 기계화 시공이 필요한 실정이다. 이러한 요구에 따라 최근 도심지 지하공간 개발과 장대화 터널이 증가되면서 TBM 공법을 활용한 터널 시공이 점차 활성화되고 있다.
한편, 우리나라에서 수행되는 도심지 터널의 특성을 보면, 지하철의 경우는 심도 20~30m하부에 설치되는 경우가 많아 지층조건이 토사~암반까지 매우 다양하다. 심도 30m보다 깊은 위치의 광역철도나 전력구 터널공사의 경우는 암반의 상태가 양호하지 못해 터널공사 중 수압의 영향을 받는 경우가 많아 지하수의 유출과 지반침하에 대비해서 적합한 TBM 장비형식을 활용해야 한다.
현재 TBM 공법 중 가장 많이 사용되는 장비형식은 토압식, 개방식, 이수식이 있다. 토압식의 경우는 낮은 수압과 균일한 지반조건에서 경제적인 경우가 많으며, 개방식의 경우 수압의 우려가 없는 양호한 암반조건에서 효율적이다.
또한 이수식은 점성이 높은 이수를 TBM 전면에 주입해 높은 수압조건과 불균질한 지반조건에서 안전성을 확보할 수 있는 방식으로, 우리나라의 지반조건과 도심지 터널공사의 특성으로 보면 이수식이 적합한 경우가 많을 것으로 예측되고 있다.
최근에는 터널의 길이가 2km를 초과하는 장대터널이 계획되는 경우도 있어 다양한 지반조건과 수압조건을 한 대의 TBM 장비가 굴착해야 하기 때문에 토압식/이수식, 토압식/개방형, 이수식/개방형과 같이 서로 다른 두 가지의 굴착방식을 한 대의 TBM에서 가능한 듀얼모드방식도 검토가 되고 있다.
듀얼모드방식을 채택하는 경우, 터널공사 중 장비형식의 특성을 이용해 토압식이 유리한 구간, 이수식이 유리한 구간, 개방형이 유리한 구간별로 기계화 시공의 효율을 극대화할 수 있는 장점이 있다. 단, 장비비용이 상승하는 단점이 있지만 복수의 장비를 사용하는 경우보다는 장비비용이 절감되고 공사인력이 감소되기 때문에 종합적으로 보면 경제적인 장점을 가지고 있다.
이처럼 기계화 시공은 터널 구간별 지반조건 등 다양한 조건에 대한 전문성과 노하우를 갖춰야하지만 전문성을 갖춘 전문가와 기업은 많지 않은 상황이다. 하지만 ㈜코템은 이러한 기계화 시공분야의 전문경험을 갖추고 2016년부터 TBM, 로드헤더 등 터널 기계화 시공분야에 집중해 TBM/로드헤더의 국내 보급, 입찰설계 컨설팅, 발주처/연구기관의 자문, 정부출연 R&D에 적극 참여하면서 꾸준히 성장을 거듭하고 있으며, 기술력 또한 인정받고 있다.
㈜코템 김재영 대표이사(사진)는 “터널 기계화 시공분야의 경우 터널장비도 중요하지만, 이와 관련된 부대시설과 시공계획도 중요한 요소”라며, “이에 코템은 굴착장비 외에도 세심한 분야까지 현장에서 필요한 각종 설비와 현장지원을 수행하고 있고, 2016년 이후 국내의 거의 모든 TBM 프로젝트에 직간접적으로 관여하고 있다”고 말했다.
그는 이어 “물론 기계화터널의 활성화를 위해 꾸준히 노력하는 것이 중요하다”며 “연간 20건 이상의 기계화 터널 현장에 굴착장비, 부대설비, 현장지원에 노력하고, 국내 건설회사와 함께 해외의 기계화 터널공사에도 참여해 국내의 TBM 공사 수행역량에 도움이 되길 희망한다”고 덧붙였다.
[공학저널 전찬민 기자]
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