지하구조물 건설, 적정 설계·시공·안전관리가 ‘핵심’ / 유라시아 해저터널 탐방 영상
지하구조물 건설, 적정 설계·시공·안전관리가 ‘핵심’
‘차수용 박층 멤브레인’ 시공 ... 지하수 유입 등 지반함몰 사고 막아
무기질계 혼화재 등 지반신소재 포켓 이용 공동 함몰지반 긴급 복구
대심도 수직굴착 비개착 수평굴착 시 지반변위 함몰 최소화 기술 선봬
국토의 70% 이상이 산지와 임야로 구성된 국내 지형 특성과 세계적으로도 과밀한 인구밀도 등으로 지하공간 활용은 더 이상 선택이 아닌 필수적인 요소로 다가왔다.
전문가들은 지하공간 개발 시 가장 큰 선결과제는 안전성 확보로 지반을 정확히 파악할 수 있는 기술과 함께 이에 기반 한 지하구조물에 대한 적정 설계·시공기술 확보가 반드시 필요하다고 입을 모은다. 이 기술 안에는 지하공간 활용에 따른 소음과 온도, 습도, 오염방지, 화재, 방재, 배수 등 안전관리기술도 포함된다.
특히, 지하공간 개발로 인한 지하수 오염, 지표침하 등 기술적인 문제와 토지소유권과의 마찰 등 법률, 제도상의 문제 등을 내포하고 있는 만큼 이 같은 문제들을 해결할 수 있는 기술 마련이 무엇보다 중요하다고 지적하고 있다.
지하공간 활용의 가장 큰 장점은 지상공간의 환경보전과 에너지 절약으로, 해외에서는 지하철과 역사, 터널, 지하교차로, 지하보도 등 지하공간의 이용률을 점차적으로 확대하고 있다. 특히, 대심도 지하공간의 경우 토지보상이 별도로 필요 없어 인허가 상의 민원이나 개발 지연에 대한 위험성 감소로 활용도를 높여 나가고 있는 추세다.
지하공간 활용의 또 다른 장점은 합리적인 선형으로 인한 사업비용 절감을 비롯해 소음·진동 감소, 경관유지, 지상부 환경보전, 태풍과 수해 등 자연재해 피해 경감, 배기가스 감소로 인한 친환경적인 기능 강화 등이다.
국내외적으로 지하공간 활용을 위한 다양한 프로젝트가 계획되거나 추진되고 있는 가운데 지하공간 개발을 위한 기술적 안정성 확보가 대두되고 있다.
국내에서는 이미 지하공간 개발 시 장점을 극대화시키는 한편, 발생할 수 있는 문제를 최소화하기 위한 다양한 연구개발을 통해 관련 기술들을 선보이고 있다.
지반안전연구단
도심지 고도화 지상공간 포화로 인해 지하공간 개발이 필수적으로 다가왔지만, 지하공간 개발에 따른 지반함몰 현상 증가로 국민의 안전이 우려되고 있는 상황이다.
이에 정부에서는 지난 2015년 말 지반함몰을 미연에 방지하기 위해 ‘지하안전관리에 관한 특별법’을 제정하고, 하위 시행령과 시행규칙 등 관련 법규를 정비하고 있다.
최근 지반함몰 사고의 주요 원인으로는 상하수도 관로 등 지하매설물의 파손과 노후화, 굴착공사에 의한 지하수 유출 증대, 시공 불량 등으로 파악되고 있다.
국토부 자료에 따르면, 건설현장 발생공종별 사고사례 현황 중 지반굴착에 관련된 사건사고 발생건수는 108건으로 33%에 달하며, 피해금액은 전체 피해금액의 14.5%를 차지하고 있다.
이에 국가 R&D사업 차원에서도 지반함몰 등 지반안전 사고에 대응하기 위해 상하수도관 노후관로에 인접한 지반 모니터링과 도로함몰 평가가 가능한 기술 개발 과제 추진이 필요한 상황이다.
특히, 도심지 지반굴착으로 인한 지반함몰 피해 저감을 위해 지반함몰 발생 매커니즘을 규명하는 한편, 위험성을 예측·평가하기 위한 요소기술 개발과 실행을 위한 관련 설계·시공 기준 정립이 시급히 요구되고 있다.
따라서 도심지 굴착 공사 시 주변 지반의 거동과 지하매설물을 고려할 수 있는 굴착공법, 이를 적절히 평가할 수 있는 기법 또는 평가모델 기술 개발 필요성이 제기되고 있다.
또한, 도심지 지하굴착 공사 현장에서 발생하는 지하수 유입을 미연에 차단, 지반함몰을 사전에 예방․저감하기 위한 차수·보강기술과 함께 도심지 특성에 적합하고, 주변지반과 구조물과의 상호 연관성을 고려한 보강 공법과 굴착공사, 지중구조물의 노후화로 인한 지반함몰이나 소규모 공동 발생을 방지하는 보수보강 기술 개발 요구도 대두되고 있다.
건설기술신문
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이에 이 과제(연구단장 한국건설기술연구원 백용 박사)에서는 ‘지반함몰 예방을 위한 기술 개발’ 분야에서 도심지 굴착공사 시 지반함몰 예방을 통한 안전한 도심지 생활환경 구축을 위한 기술 개발에 나서고 있다.
‘지반함몰 예측·평가와 정책·제도’ 분야에서는 도심지 지반굴착이 인접 지반과 지하수위에 미치는 특성을 규명하고, 지반함몰에 대한 위험성을 예측·평가할 수 있는 기술 개발과 함께 설계·시공기준을 정립하고 있다.
현재 원인규명과 조사를 비롯한 위험성 예측·평가, 정책·제도화 등 세부연구가 진행되고 있다.
‘복합탐사기술’ 분야에서는 굴착공사 현장 주변의 지반함몰 예측과 피해 저감을 위한 지하안전영향 평가를 목표로 지하공동, 매설물 탐사와 함께 굴착공사 시 지하수위 분포와 지반의 이완정도를 파악해 도심지 굴착공사 시 지반함몰을 예측할 수 있는 복합탐사기술(심도 10m 이상)을 개발하고 있다.
또한, 굴착에 따른 주요 위험요소인 지하수위 변동에 따른 토립자 유실을 정확히 파악하기 위한 지하수위 변동 특성을 파악할 수 있는 탐사 모니터링 기법 개발과 함께 이 긱법의 심도별 위험요소인 공동과 지하수에 대한 고정밀 탐지력과 현장적용 가능성을 확인하고 있다.
‘차수보강기술’ 분야에서는 도심지 굴착공사로 인한 지반함몰 발생과 피해 저감을 위한 차수·보강 기술 개발을 목표로 안전한 도시환경 조성과 세계시장 진출이 가능한 경쟁력 있는 차수·보강 기술 확보를 위한 연구가 이뤄지고 있다.
현재 도심지 지하굴착 공사 시 발생하는 지하수 유입을 사전에 방지해 지반함몰 사고를 방지할 수 있는 차수용 박층 멤브레인 재료와 시공기술을 개발하고 있으며, 굴착면 배면 차수보강을 위한 친환경 고화제와 다중 동시주입 펌프를 활용한 시공기술을 개발하고 있다.
‘긴급복구기술’ 분야에서는 지금까지 지반함몰 발생 시 적용되던 되메우기 공법과 그라우팅 공법의 단점을 보완하기 위한 연구가 진행되고 있다.
현재 지반공동에 의해 발생한 함몰 지반의 긴급복구를 위한 지반 공동 보강용 무기질계 혼화재와 함께 능동적 다변형 지반신소재 포켓을 이용한 지반공동 내 비개착 주입기술인 긴급복구기술을 개발하고 있다.
이 기술들은 긴급복구 시 시공 단축과 범위 축소, 지반함몰의 사전 예방에 따른 2차사고 방지 효과 등을 거둘 수 있어 대국민 불안감 감소에 기여할 것으로 예상된다.
진동 소음 지반변위 최소화 공법 예시/건설기술신문
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‘변위제어형 굴착기술’ 분야에서는 30m 이상의 대심도 수직굴착과 3.5m 이하의 저토피 비개착 수평굴착 시 지반변위와 지반함몰 위험도를 최소화할 수 있는 공법이 개발되고 있다.
향후 이 기술들은 대도시를 중심으로 급증할 것으로 전망되는 국내 굴착공사 관련 건설사업을 비롯해 지반굴착 모니터링과 도시형 지반함몰 탐지기술, 굴착공사 시 인접 지반이나 구조물의 영향과 연계된 관리 기준과 제도 마련에 적극 활용될 것으로 예상된다.
특히, 지침이나 고시 등 가이드라인 제정을 통해 과학적 근거에 따른 합리적 의사결정으로 지반함몰 복구비용과 피해비용 절감 효과가 탁월할 것으로 전망된다.
복층터널연구단
최근 도심지에서 터널에 대한 다양한 수요가 증가하고 있는 가운데 기존 터널을 효율적으로 개량, 터널단면의 활용을 증대시키고 공사비를 절감시키는 방안으로 복층터널이 부각되고 있다.
복층터널은 하나의 터널에 중간층을 나눠 여러 층으로 사용하는 공법으로 터널 단면을 효율적으로 사용할 수 있는 장점과 함께 병렬터널 대비 구조물 형태를 1개 노선으로 단순화 시킬 수 있어 역학적으로 유리하다.
이에 국토교통부의 건설기술연구사업의 일환으로 국내 특성에 최적화된 복층터널의 설계와 시공, 안전, 방재 기술 개발을 목표로 ‘대심도 복층터널 설계 및 시공 기술개발’ 연구(연구단장 한국건설기술연구원 김창용 박사)가 진행되고 있다.
이 과제에서는 기존 터널 설계 형식에서 탈피해 국내 실정에 적합한 복층터널에 대한 계획과 설계기술을 제시하기 위해 기존에 설계 접목이 어려웠던 터널 내 분기와 최적의 복층터널 단면 설계를 정립해 나가고 있다.
또한, 세계적으로 경쟁력을 갖춘 복층터널 건설을 위한 굴착, 확폭, 보강 등 차별화된 기술 개발을 위해 도심지 내 대심도 지하터널의 안전한 시공기술과 모니터링을 통한 생애 전주기 관리 등이 포함된 미래형 복층터널 시공·관리 기술을 개발하고 있다.
이외에도 세계 최초로 시도되는 교차로를 갖는 대심도 복층터널(지하도로) 네트워크의 환기 설계 기준 작성과 해석기술을 개발하는 한편, 현행 설계기준에 마련돼 있지 않은 복층터널(소형차 전용)의 화재안전설계를 위한 연구를 통해 대심도 복층터널의 환기와 화재에 대한 안정성을 확보하기 위한 기술 개발에도 나서고 있다.
한편, 지난 1970년 7월 완공된 경부고속도로는 최초 왕복 4차로로 개통된 이후 현재 왕복 8~10차로로 운영되고 있다.
하지만, 1970년과 비교할 경우 경부고속도로를 이용하는 교통량은 약 31.8배가 증가한 반면, 차로수는 2.5배 증가에 그치고 있다.
특히, 상습 정체구간인 한남 IC에서 양재 IC구간은 지하화를 통해 구간별 진출입로를 지상과 지하로 나눠 교통을 분산시키고, 상부의 일부 여유 부지의 공원화에 대한 사회적 요구가 강한 곳이다.
또한, 경부고속도로의 버스 전용차로는 서초구에 위치한 3개의 버스 터미널에서 운영하는 광역버스와 다인승차량들을 위한 중요 교통시설이지만, 진출입을 위한 전용램프가 없어 교통 정체와 잠재적 사고의 요인으로 지적받고 있어 종합적인 개선이 요구되고 있다.
이에 이 과제에서는 개발된 기술을 바탕으로 수행한 가상설계를 실시했다.
이 가상설계는 잠원 IC부터 양재 IC까지 연장 약 9km 구간에 대한 지하화 가정 하에 경부고속도로를 통과하는 장거리 주행 차량들과 서울 시내를 이동하는 단거리 차량을 분리하는데 중점을 두고 있다.
또한, 도심구간 통과로 고속도로 운영에 영향이 적은 쉴드 TBM 공법을 적용하는 방안이 역사적 유물이나 지장물, 지반 조건 등 잠재적 리스크가 적고 보상비와 민원이 최소화되는 것으로 나타났다.
연구 성과를 반영한 중간 슬래브는 약 13m 폭을 조립하는 방식으로 설계, 기존의 재래형 터널보다 공사기간 단축과 공사비 절감 효과를 거둘 것으로 예측됐다.
이 과제는 향후 도심지 홍수문제를 해결하기 위한 수로를 겸하는 다목적 복층터널과 가상설계를 진행하고 있는 경부고속도로 지하화 계획을 제안할 계획이다.
중·대단면 TBM 국산화
전 세계적으로 도심지 터널과 해저터널, 장대 산악터널 시공 시 친환경성과 고속 시공성을 확보한 TBM(Tunnel Boring Machine) 기술을 적용하는 사례가 증가하며, 시장 규모도 지속적으로 성장하고 있다.
TBM은 도심지 내 굴착 시 환경성과 안정성, 경제성 향상을 위한 최적의 터널공법으로 우선적으로 고려되고 있다.
현재 국가 간, 대륙 간 연결통로로 초장대 해저터널 건설이 활발히 진행 구상되고 있으며, 경제성과 안전성 측면에서 TBM을 필수적으로 적용하고 있는 추세다.
특히, 최근 들어 발주되고 있는 해외 터널 프로젝트의 대부분이 TBM터널이다. 국내에서는 TBM 적용이 유력한 수도권 급행 광역철도 ‘GTX’(Great Train eXpress)와 서울시 ‘U-SMARTWAY’ 등의 메가 터널 프로젝트들이 구체적으로 검토되고 있으며, 호남~제주 해저터널, 한~중 해저터널, 한~일 해저터널 등의 초장대 해저터널들도 구상되고 있다.
하지만, 현재 국내 기술력으로는 TBM 자체 설계, 제작이 불가능해 외국 TBM 도입이 불가피한 상황이다. 따라서 국내 건설사의 해외공사 참여 시 기술적인 애로사항을 해결해 줄 수 있는 국제적 수준의 기술 개발이 시급히 요청되고 있다.
국내 기술력으론 TBM 자체 설계 제작 ‘한계’ ... 직경 7m 이상 중·대단면 TBM ‘국산화’ 적극 추진
TBM은 기술집약적 건설장비로 관련 핵심기술은 극소수의 제작사들이 비공개로 보유하고 있는 실정이다.
유럽은 세계 최고 수준의 기술을 보유하고 있음에도 불구하고, 11개국 41개 기관이 참여한 ‘EU공동 프로젝트’(EU-FrameworkProject)인 ‘TUNCONSTRUCT’ 프로젝트 등을 통해 지속적으로 기술 개발을 수행하며, 타 국가와의 기술격차를 더욱 벌리고 있다.
이 같은 추세에 중국에서는 정부 차원의 전폭적인 R&D 지원과 외국 제작사와의 M&A를 통해 세계 최대의 TBM 제작국가로 급부상하고 있다.
한편, TBM 산업은 국내 기반산업의 장점을 융합한 고부가가치 사업으로 신규 고용 창출이 가능해 TBM 기술의 국산화를 통한 미래 성장산업으로 기대된다.
이에 국내에서도 한국건설기술연구원을 중심으로 직경 7m 이상의 중 대단면 TBM 설계제작 기술의 100% 국산화를 위한 연구개발 과제가 기획, 국산 TBM 기술 개발을 위한 시도가 이뤄졌다.
이 과제는 ‘중·대단면 TBM 국산화를 통한 글로벌 시장 진출’을 위해 중·대단면 TBM의 국산 설계·제작기술 개발을 목표로 설정하고 있다.
이 과제에서 진행한 설문조사를 살펴보면, 국내 전문가들은 시장수요가 많아 국산화할 경우 효과가 크고 국산화 성공 가능성도 높은 7~9m급 TBM터널 완성품이 국산화 대상으로 가장 적합한 것으로 나타났다.
따라서 이 과제에서는 세부목표로 ‘TBM 완성품 설계 및 제작기술 자립화’와 ‘국산화 시뮬레이터 기반 TBM 운영 전문인력 확보’로 설정하고, 이를 위해 ‘TBM 완성품 개발’을 비롯해 ‘TBM 핵심부품 개발’, ‘TBM 커터헤드 설계자동화 기술 및 TBM 시뮬레이터 개발’을 중점 추진 분야로 설정한 바 있다.
오성덕 기자 건설기술
http://www.ctman.kr/news/16465
세계 최초의 자동차 전용 복층 해저터널인 유라시아 해저터널 탐방
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