영종-신도 평화도로 사례로 보는 해상교량 계획 및 설계

이번에 소개할 내용은 2020년 4월 설계・시공 일괄입찰(T/K, 일명 턴키)로 진행된 “영종~신도 평화도로 건설공사” 중 해상교량의 계획과 설계에 대한 내용입니다.

1. 개요

본 과업은 영종도와 신도를 연결하는 해상연륙교로서 신도, 시도, 모도 지역의 접근성 및 이동성 개선과 신도~모도~장봉도의 관광수요 창출 등 지역경제를 활성화시키는데 그 목적이 있다.

또한 향후 강화도, 개성공단까지 연결하는 “서해 남북평화 연도교 구축”을 위한 1단계구간 사업이다.

 

과 업 명	영종~신도 평화도로 건설공사
과업위치	인천광역시 중구 운서동 ~ 옹진군 북도면 신도리
교량규모	B=6.25~32.74m, L=2,070m(연결교 L=450m)
총사업비	1,122억원
발주방식	설계･시공 일괄입찰(T/K)
시 공 사	㈜한화건설
발 주 처	인천광역시

 

 

2. 교량계획

(1) 교량형식 선정시 고려사항

본 과업구간은 인천공항 인근에 위치하여 구조물 고도제한을 고려한 주경간교 교량계획이 필요하였다.

또한 어선, 요트, 경비정 등 통항선박의 안전을 위하여 항로폭과 항로고를 충분히 확보하여야 하고 별도의 항로가 존재하지 않아 수심, 지층조건, 경관성 등을 고려한 주경간교의 위치 선정이 필요하였다.

비행 고도제한	통항선박을 고려한 항로공간	교량폭원 설계기준 준수
고도제한 EL.52m를 준수하는 교량형식	항로폭, 항로고를 만족하는 시설계획	차량 및 교량의 안전성 확보 기준준수

입찰안내서에 장래 4차로 계획을 전제로 한 왕복 2차로 계획을 제시하고 있어 장래 확장계획을 반영한 접속2교 4차로 교량확장, 장래 확장교량을 고려한 상세해석 수행, 장래 4차로를 고려한 교량 편경사 계획을 수립하여 장래 교량확장시 구조물 변경 배제로 미래비용을 절감하였다.

4차로 확장한 접속2교 교량계획	장래 확장교량을 고려한 상세해석 수행	교량 편경사를 고려한 배수 및 포장계획
장래 4차로 선시공으로 교통단절 배제	확장교량을 고려한 세굴영향 검토 수행	편경사 반영한 배수계획으로 중복투자 방지

과업시점부 육상접속교(영종도 측)는 유수지, 단층파쇄대, 지장물(전력지중관, 가스관), 기존 운서IC 램프교량(Ramp-A, C)이 있어 이를 고려한 교량형식과 경간장이 필요하였다.

연결교	접속1교

(2) 경관계획

현재 교량으로 연결되어 있는 신도, 시도, 모도의 삼형제섬을 형상화한 주탑 및 조형물 계획으로 관문경관과 지역상징성을 극대화하였으며, 교량내 다수의 전망대 및 쉼터를 설치하여 관광객과 지역주민의 이용성을 증가시켰다.

주경간교의 위치는 조망빈도, 노출도, 시각경관영향 검토결과 해상구간 시점측이 가장 우수함을 확인하였다.

(3) 교량계획

본 과업구간 내에 설치되는 교량은 본선교량 1개소(L=2,070m), 연결교 1개소(L=450m)이고, 본선교량은 주경간교와 접속1~3교로 구분되어 있으며, 연결교는 신도에서 영종도로 진입하는 1차로 접속교로 계획되어 있다.

주경간교 교량형식은 기본계획에서 제시한 교량형식(PSC BOX교 FCM공법, 주경간장 150m) 이상으로 비행 고도제한, 항로폭 등을 고려하여 사장교와 현수교를 제외한 모든 교량형식에 대하여 검토하였다.

특히 본 과업은 과업연장(특히 교량연장)에 비해 공사비 여유가 많지 않아 턴키설계로서 공사비를 만족하면서 최상의 교량형식을 선정하기가 매우 어려웠다.

경쟁력있는 주경간교 교량형식 선정을 위하여 접속교 기초형식 변경(단일현장타설말뚝 적용), 접속교 상부거더 최적화, 유지관리 시설물 최소화 등 공사비를 최대한 절감하여 주경간교 교량형식과 주경간장을 상향시키는 방법을 고려하였으며, 여기에 관문성과 지역특색을 반영한 조형물을 설치하여 인천지역의 다른 해상교량과 차별화하였다.

연결교와 접속1교 교량형식은 장경간 교량계획이 가능하여 복잡한 경관을 해소하고, 상부중량이 적어 시공성이 우수하며 곡선선형에 유리한 HD.BOX교(강교)로 선정하였다.

또한 낮은 형고의 강교를 적용함으로써 기존 운서IC Ramp교와의 시설한계도 만족하였다.

접속2교와 접속3교는 시공안전성 및 경제성이 우수하고 해상환경에 유리한 콘크리트 계열의 IPC거더교로 계획하였고 50m, 55m, 60m의 VE/LCC검토를 수행하여 최적의 경간장을 선정하였다.

3. 교량설계

(1) 주경간교 교량설계

주경간교는 주경간장 165m의 2면 2주탑 Fan Type 케이블을 배치한 2Cell 보강형의 Extradosed교로 FCM공법과 FSM공법을 병행하는 가설방식을 적용하였다.

주탑부는 상･하부를 강결시켰고, 측경간부는 교량받침으로 계획하였다.

주경간교 해석시 교량의 주요부재는 Frame으로 모델링하고 지반과 말뚝의 강성을 대표하는 6자유도 강성행렬을 적용하여 경계조건을 구성하였다.

또한 대상 구조물의 가설시 안전성을 확보하고 실제 시공의 가능여부를 검증하기 위하여 기초시공부터 공용하중 적용(10000일)까지 총 38단계의 시공단계해석을 수행하였다.

주경간교 기초형식은 PC House와 현장타설말뚝(Φ3.0m) 5본을 적용하였다.

보강거더는 시공중 및 공용중 종방향해석과 횡방향해석을 수행하였다.

특히 주경간교의 경우 시공성 확보측면에서 측경간측 FSM구간을 최소화하기 위하여 비대칭 FCM공법(측경간 보강거더가 1 Seg 더 가설된 시공단계)을 적용하였으며 시공단계별 비대칭에 대한 안전성을 검토하였다.

케이블은 Φ15.2mm(0.6inch) 37strand/cable의 규격을 사용하였으며, 케이블 교체 및 파단시 검토를 통해 극단상황에서의 케이블 안전성을 확보하였다.

주탑과 하부구조물은 응력교란부재인 격벽, 정착구에 대해서는 Strut-Tie 해석을 수행하였고 기둥과 기초는 P-M상관도를 통해 구조물을 설계하였다.

보강거더 설계	케이블 설계	주탑 설계
시공중 및 공용중 응력검토 수행	케이블 교체/파단시 안전성 확보	주탑부재에 대한 P-M상관도 검토

(2) 접속교 교량설계

접속교는 일반 거더교로서 한계상태별로 상부구조와 하부구조를 각각 설계하였고, 상･하부 모델링을 통한 내진해석을 수행하였다.

유지관리 시설물을 최소화하기 위해 육상접속교(강교)는 전경간 연속으로 신축이음장치 개수를 최소화하였고, 해상접속교(콘크리트 거더교)는 종방향 1열 교량받침을 적용하여 교량받침 개수를 대폭 절감하였다.

특히 전경간을 연속화한 육상접속교(강교)의 경우 곡선반경에 의해 교량받침에 부반력이 발생하지 않도록 횡방향 교량받침 개수를 산정하였다.

접속교 기초형식은 환경성, 시공성, 경관성, 경제성 등을 고려하여 단일현장타설말뚝을 적용하였으며, 상부폭원에 따라 말뚝직경을 Φ2.0~3.0m로 달리 적용하였다.

(3) 교량 특화설계

교량설계시 주요 동하중, 교량형상(교량형식 및 연장), 시공안전성 등을 고려한 교량 상세해석을 수행하여 구조안전성을 확보해야 한다.

본 교량은 케이블이 설치된 장대 해상교량으로 내풍설계, 내진성능평가, 선박충돌 안전성, 화재 안전성, 응력집중부 상세해석, 수화열해석, 세굴영향검토 등 상세해석을 수행하여 교량의 안전성을 확보하였다.

내풍설계	내진설계	선박충돌해석
전산유체해석을 수행하여 안전성 검증	지반-구조물 상호작용 고려	선박충돌시 교량의 응력검토 수행

화재 안전성 검토	응력집중부 상세해석	수화열해석
관리기준 온도 이내로 안전성 확보	거더, 주탑 등 응력집중부 상세해석 수행	온도균열지수 1.2 이상으로 균열발생 제한

4. 교량 가설계획

(1) 가설지역 여건분석

본 과업구간은 시점부 유수지와 현재 운행중인 운서IC Ramp를 통과하는 노선이며, 해상구간의 조수간만의 차는 최대 9.27m 발생한다.

이를 고려하여 육상구간은 유수지, 운서IC Ramp와 가설장비의 간섭을 배제하도록 크레인 가설계획을 수립하였고, 해상구간은 크레인, Form Traveler(F/T), 런처 등 지형과 수심을 고려하여 시공효율성이 확보된 해상 가설계획을 수립하였다.

(2) 사업지 여건을 고려한 교량 가설계획 수립

시점부 연결교와 접속1,2교는 현재 운용중인 운서 IC와의 시공간섭을 배제하는 최적의 크레인 위치를 선정하여 시공중 주행차량과 교량의 안전성을 확보하였다.

특히 운서IC R-A와 R-C 사이를 통과하는 접속2교의 경우 거더 인양/이어받기/정위치 가설 등 시공단계별로 크레인 위치를 계속해서 이동시키면서 가설하도록 계획하였다.

주경간교는 해상공사의 풍부한 시공사례로 안전성이 검증되고 하부 통항선박의 안전성을 확보할 수 있는 FCM공법(Free Cantilever Method)을 적용하였다.

교량연장이 1km가 넘는 접속3교는 수심이 깊지 않아 바지선의 진입이 용이치 않으므로 해상에서의 작업을 최소화할 수 있는 런칭 가설공법을 적용하였다.

Ramp-A,C 통과구간	주경간교 가설구간	접속3교 가설구간
단계별 크레인 가설로 시공안전성 확보	통항선박을 고려하여 해상작업 최소화	런칭 가설공법으로 해상작업 최소화

5. 결론(소회)

우리가 하는 설계일이 쉬운 일이란 하나도 없다고 생각한다.

집앞에 있는 보도육교를 설계하든 해상의 장대교량을 설계하든 모든 설계과정을 다 거처야 하기에 공사비, 구조물 규모와 상관없이 설계자의 노력이 필요하다.

그런데 턴키와 같이 타 설계와 경쟁을 할 경우에는 더 많은 시간과 노력을 쏟아붓게 된다.

수많은 비교안에 대한 검토와 공사비 산출, 선정안에 대한 특화 아이템 발굴, 계획과 설계, 타분야와의 인터페이스 등 시간이 짧게 느껴질만큼 많은 일들을 수행해야 하고 업무강도 또한 매우 높다.

본 과업도 예외는 아니였다.

공사비는 빡빡한데 주변 교량과 차별화된 교량을 선정해야 하며, 다양한 교량에 대한 설계와 새롭고 특별한 아이템 발굴 등 합사에서 해야 할 일들이 많았다.

다행히도 합사에는 든든한(?) 우리 팀원들이 있어 최적의 교량계획과 설계, 공사비 산출 등 문제들을 잘 해결했던 것 같다,

이러한 설계과정을 거처 “영종~신도 평화도로 건설공사” 해상교량은 현재 하부시공이 완료되었으며, 2025년 준공될 예정이다.

사업이 준공되면 가족들과 함께 이 교량을 건너 신도, 시도, 모도 여행을 갔으면 하는 바람이다.

마지막으로 합사에서 저와 같이 고생하며 멋진 해상교량을 같이 설계해주신 든든한 우리 팀원(멀리 계신 강이사님과 가까이에 있는 진부장, 최차장, 이대리)에게 고맙다는 말 전합니다.

Topic

해상연륙교

교량계획

교량형식 선정

경관계획

주경간교

접속교

교량설계

특화설계

가설계획

About the Editor

최익용

(주)한국종합기술 상무, 토목구조기술사 경력 20년 이상

토목구조기술사

저는 20년 넘게 토목구조 설계를 하고 있는 “토목구조쟁이”입니다.

주로 교량설계를 하고 있으며, 지하철, 지하차도 등 지하구조물과 풍력기초, 가설구조물 등 이것저것 기타구조물도 설계하고 있습니다.

※ Topics 아래 키워드를 누르시면 관련 콘텐츠를 보실 수 있습니다.