실무 설계사례 - 1_기존 OPEN TBM 장비 설계사례

1. 개요

최근 수도권광역급행철도(GTX) 프로젝트가 진행되면서 도심지 터널의 기계굴착 공법이 이슈화되고 있다.

대표적인 이슈는 GTX-C 노선의 대치동 은마아파트 통과 구간에 관련된 민원일 것이다. GTX-C 노선은 우여곡절 끝에 당초 노선으로 결정된 것으로 알려졌다.

도심지 구간의 터널 굴착은 기존 발파에 의한 소음, 진동 문제, 수직구 (작업구 등) 위치에 따른 각종 민원 발생으로 공사 진행에 어려움이 발생하고 있다.

그 중 발파 소음 및 진동은 현재 가장 많이 적용하는 있는 NATM 공법 특성에 따른 것이다.

따라서 대안으로 도입하고 있는 공법이 TBM (Tunnel Boring Machine)과 로드헤더 (Road Header)를 이용한 기계굴착 공법이다.

TBM과 로드헤더를 이용한 기계굴착 공법은 종종 시공 되어 왔다.

하지만 기계굴착 공법을 적용하면 대부분 굴진율로 인한 공기지연, 굴진중 Jamming 문제 등 각종 문제에 직면하게 된다. 뿐만 아니라 지반조건이 맞지 않아서 시공 도중 NATM 공법으로 변경한 사례도 꽤 많았다.

 

쉴드 TBM (김포~파주 2공구, 한국도로공사)	로드헤더 (인천지하철 1공구 검단연장선)

 

하지만 수로 터널, 전력구 터널, 하저 및 해저 통과구간은 꾸준히 TBM을 적용하고 있다.

최근에 시공 되고 있거나, 완료된 프로젝트를 보면 다양한 분야에서 TBM 공법을 많이 적용하고 있다.

• 수도권광역급행철도 GTX-A,

• 대곡~소사 민간투자사업,

• 부전~마전 민간투자사업,

• 오송~평택,

• 춘천~속초와 같은 철도 프로젝트,

• 김포~파주와 같은 고속도로 프로젝트,

• 운문댐 안전성 강화사업,

• 영천댐 안전성 강화사업,

• 주암댐 안전성 강화사업 등 수자원 프로젝트,

• 반포천 유역사업 등 하천 관련 프로젝트 등

또한 로더헤더를 이용한 기계굴착 공법은 서울~세종 13공구 방아다리 터널 T/K에서 적용하여 (수주까지는 하지 못했다) 로더헤더의 장점을 부각시키는데 성공했다고 할 수 있다.

그리고 현재는 아래의 프로젝트 등에 활발히 적용되고 있을 뿐만 아니라 장비 또한 많이 도입되어 시공 되고 있다.

• 검단연장선,

• 위례신사선 등 지하철프로젝트,

• 월곶~판교,

• 인덕원~동탄 등 철도 프로젝트 등

이 글에서는 기존 OPEN TBM 장비를 활용한 설계 및 시공사례로 필자가 수행한 T/K “운문댐 안전성 강화사업” 프로젝트에 관한 내용을 적어보려고 한다.

기존 장비를 활용한 기계굴착 프로젝트 수행 시 조금이나마 도움이 될까 싶어서 몇 가지 정리해보았다.

2. 운문댐 안전성 강화사업 (2018년, 대우건설 시공, T/K 사례)

우리나라에서 수로터널 및 전력구 터널 쪽에서는 발파를 이용한 NATM 공법 보다 TBM를 이용하여 기계굴착 공법이 많이 적용되고 있다. 상대적으로 터널단면은 작지만 터널연장이 긴 장대터널이 많기 때문에 철도나 도로에 비해 많이 적용하는 것 같다.

그 중 OPEN TBM 적용 실적은 수로터널에서 제일 많고, 대부분 3m~6m급의 OPEN TBM 장비를 적용하였다.

운문댐 안전성 강화사업은 아래의 항목을 목적으로 한 프로젝트로 현재 시공 중이다.

• 기존 댐의 비상방류능력 보완,

• 기존 취수탑 내진성능 향상,

• 신설 취수탑 설치

2018년 운문댐을 시작으로 영천댐(2018), 주암댐(2022)이 T/K로 수행되었으며 2023년 올해는 안동댐과 소영강댐이 T/K로 발주될 예정이라고 한다.

앞으로도 댐 안정성 강화 사업은 계속해서 발주될 예정인데, 그 이유는 현재 건설되어 있는 댐들 중에는 비상방류능력 보완이 필요한 댐들이 많기 때문이다.

비상방류능력이 보완되어 있지 않은 댐은 집중호우 등으로 수위가 상승하여 계획고를 넘어 월류하게 되면 댐이 붕괴되고, 큰 인명사고로 연결될 수 밖에 없다.

운문댐 안전성 강화사업 프로젝트가 더 의미가 있는 이유는 바로 비상방류터널 프로젝트의 가이드 프로젝트라는 것이다. 왜냐하면 운문댐을 필두로 그 이후로 나오는 프로젝트가 다 똑같은 방식으로 발주 공고 되기 때문이다.

운문댐 안전성 강화사업에 적용한 두 가지 공법은 바로 원형 벽강관 가물막이 공법과 OPEN TBM 굴착 공법이다.

 

원형 벽강관 가물막이	OPEN TBM  기계굴착

 

원형 벽강관 가물막이 공법은 기존의 토공 방식의 가물막이 공법을 해상교량의 우물통 기초처럼 원형의 벽강관을 이용한 가물막이로 바꾼 사례로 기존 토공 방식에서의 엄청난 토공 물량을 획기적으로 줄일 수 있다.

당초 댐에서의 원형 벽강관 가물막이 공법은 일본 사례를 참고로 하여 우리 프로젝트에 도입하였고, 성공적으로 적용하여 현재는 대표적인 방식이 되었다.

 

원형 벽강관 가물막기 공법 일본 적용 사례

 

T/K 당시 원형 벽강관 가물막이 설계를 지반팀이 수행하였다.

원형 벽강관은 가설 작업대를 비롯하여 업무의 대부분이 구조와 관련되어 있으나 이 프로젝트에서는 계약 관계에 따라 지반팀이 맡아서 수행하게 되었다.

다음으로는 OPEN TBM 장비를 적용한 터널설계로 당시 시공 중인 “주암댐 도수터널 시설안정화 건설공사”를 많이 참고하였다.

기존 OPEN TBM 장비 적용에 따른 문제점을 설계 성과품에 최대한 반영하였다는 점이 추후 유사 프로젝트 수행 시 참고가 될 것이다.

 

주암댐 도수터널 시설안정화 건설공사 시공사진

 

먼저 우리나라의 OPEN TBM 장비에 대해서 간략히 알아보자.

우리나라의 대표적인 OPEN TBM 시공회사는 호반건설이다. 그 외 전문 시공사로 동아지질, 강릉건설, 특수건설 등이 있고, TBM 제작업체로 이엠코리아, 강릉건설 등이 있다.

설계경력이 있는 분들은 보통 TBM이라고 하면 유원건설이라고 알고 있을 것이다. 유원건설이 나중에 울트라건설로, 그리고 호반건설로 이어져 현재에도 계속 이어지고 있다.

TBM과 같은 기계굴착 공법 적용 시 제일 중요한 부분은 굴착장비 도입 단가와 굴진율이다. 굴진율은 공사기간과 관련된다.

굴착장비를 신규장비로 도입한다면 대부분 외국에서 구매, 제작해서 들어오기 때문에 도입 단가가 높고 제작 및 운반시간도 꽤 소요된다. 하지만 국내에 이미 도입된 굴착장비를 사용한다면 그 문제는 해결된다.

OPEN TBM 장비는 3m 이하, 4~6m급의 작은 단면 위주로 국내에 이미 여러 대가 있고, 지금도 재사용 하고 있다. 대부분 전력구, 수로터널 등에 많이 적용되고 있다.

다음으로 중요한 것이 굴진율을 들 수 있는데, 공사기간 산정과 관련이 깊다. NATM 공법이 싸이클 타임으로 공사기간을 산정한다면 TBM 공법에서는 굴진율로 공사기간을 산정한다고 생각하면 된다.

현재 TBM을 이용한 프로젝트가 많지 않다 보니 운영요원들의 전문성이 많이 부족한 편이다. 그래서 TBM 신규장비 도입 시에는 장비에 대한 초기 교육비가 포함되는데 비용이 만만치 않다. (견적서에 비용 포함되어 있음)

그리고 해외 프로젝트의 TBM 굴진율에 비해 많이 모자란다. 더욱이 기존 OPEN TBM 장비의 노후화로 인한 한계는 분명 있기에 설계시 굴진율과 실제 굴진율의 차이가 발생하게 된다.

실제로 “주암댐 도수터널” 사례를 보면 굴진율 향상과 현실적 시공단계를 반영하기 위해 무지보 자립시간을 검토하여 보완하였다.

실제 기존 OPEN TBM 장비로 굴진을 하다 보면 굴진 후 다음 단계인 지보재 설치가 바로 시행되지 않는다.

커터헤드 바로 뒤에 강지보 이렉터가 있지만 숏크리트 타설 장비,  록볼트 설치 장비는 일정거리 이후에 설치되어 있기 때문이다.

앞서 시공중인 주암댐 도수터널 OPEN TBM 시공현장에서는 지보패턴 변경을 통하여 굴진율 향상을 이루었다.

시공성 향상방안으로 암반등급 III 까지 숏크리트를 미설치하는 지보패턴으로 변경하여 굴진율을 향상시켰다.

시공성 향상방안의 근거가 바로 무지보 자립시간이다.

굴진 후 지보가 설치 될 때 까지의 시간을 검토하여 지보재를 설치하지 않아도 되는 지보패턴으로 일부 변경하여 반영하는 단계로 시공순서를 수정하였고 월 굴진율 또한 설계 굴진율에 근접할 수 있게 되었다.

운문댐 프로젝트에 적용한 OPEN TBM 장비 또한 도입시기가 대부분 1980년~1990년대이고 추가 옵션 장비 설치가 쉽지 않았다.

그리고 일부 록볼트 및 숏크리트는 인력으로 설치하여야 한다.

기존 OPEN TBM 굴착장비들은 기본 굴착장비 위주로 되어 있어 추가 옵션을 설치하여야 하나 비용이 만만치 않았다.

본 과업을 수행하면서 견적 받은 금액은 대략 강지보 이렉터 약 90만불, 숏크리트 시스템 약 99만불, 록볼트 시스템 약 73만불로 총 263만불로 한화 약 29억원 상당이었다.

이 모든 것이 현재와 같은 완전 자동화는 아니고 일부 인력으로 시공하는 시스템이다.

운문댐 비상방류터널은 OPEN TBM 공법을 적용한 기계굴착을 적용함으로써 기존 운문댐 본댐에 미치는 영향이 최소화되도록 설계되었다.

OPEN TBM 설계는 단면 및 표준지보패턴 설계, 라이닝 구조설계 등 대부분은 설계사가 주도적으로 진행하였다. 그리고 공사비 산출, TBM 장비 반출, 작업장 배치 등 TBM 장비 운영 관련해서는 TBM 장비 업체 쪽에서 지원을 받았다.

이 프로젝트를 수행하면서 가장 어려운 점은 기존 장비 TBM을 적용해서 시공한다는 점이다.

대부분의 기존 OPEN TBM 장비가 1980년대 혹은 1990년대 도입된 장비이었기에 설계 관련 심의 뿐만 아니라 시공사 내부 검토에서도 오래된 장비로 과연 공기를 준수하면서 시공이 가능하냐는 지적이 있었다.

하지만 당시에 OPEN TBM 장비 2대로 시공 중인 “주암댐 도수터널 프로젝트”의 성공적인 시공 사례와 “반포천 프로젝트” 등 추가 설계에 반영되고 있었기 때문에 어렵지 않게 문제를 해결할 수 있었다.

3. 지반 불량 구간 기존 OPEN TBM 통과 방안

운문댐 프로젝트에서 설계심의 당시 기계굴착의 문제점으로 제기된 것은 지반 불량 구간의 통과 방안이 있었다.

기존 장비다 보니 프로브드릴, 카메라에 의한 전방 막장 조사 등은 어느 정도 가능했지만, 강지보 설치 후, 숏크리트 타설 장비와 간격 차이가 존재했다. 그래서 지반 불량 구간에서는 숏크리트 타설 인력을 통한 숏패치(Shot Patch)를 이용하였다.

 

지반 불량 구간 통과 방안

 

지반 불량 구간 보강은 강지보 설치 간격을 줄이고, 강판을 대고, 숏패치로 숏크리트를 타설하는 방식으로 OPEN TBM 장비의 클림핑 패드 부위를 보강하여 통과한다.

 

Shot Patch (레미탈 타설장비)

 

4. 이 글을 마무리하며

이제 우리나라도 기계굴착에 대한 적용사례가 많아지고 있다.

대표적으로 도심지 대심도 터널프로젝트인 GTX-A, C에 OPEN TBM과 쉴드 TBM이 많이 적용되고 있다.

TBM을 적용하는 현장도 늘어나고 있을 뿐만 아니라 연구도 활발해지고 있기 때문에 그만큼 노하우가 더 많이 축적될 것이다.

그리고 로드헤더(Road Header)라는 기계굴착 방식도 많이 적용하고 있다.

로더헤더는 TBM보다는 장비 도입비가 저렴하고, 다수의 공사에 적용되고 있다 보니 기존에 도입된 장비도 많고, 추가 적으로 도입되는 장비도 많아지고 있다. 그만큼 운영 노하우도 쌓여가고 있다.

하지만 로더헤더를 검토해 보면 암반등급 4~5등급에서는 효율이 굉장히 좋지만, 3등급이상 혹은 일축압축강도 100MPa에 근접하면 굴진효율이 확 떨어지는 문제가 설계 및 시공에서 나타나고 있다는 것을 인지해야 하고 있어야 한다.

앞으로는 기계굴착을 더 잘 활용하면 좋을 것 같다는 기대가 있지만 공사비를 우선으로 생각하는 기존 방식을 버려야 하는 문제가 있다. 국가 주도의 프로젝트에서는 입찰 조건에 기계굴착을 반영한다면 이런 문제를 해결할 수 있을 것이다.

추후 기회가 되면 기계굴착의 관련된 내용은 계속해서 작성하겠다.

마지막으로 우리나라의 암반 특성이 외국과 다른 점은 계속해서 연구하고, 관련 기술을 발전시켜 나가야 할 필요가 있다. 또한 대단면 TBM 및 로더헤더 장비 같은 굴착장비를 만드는 회사를 국가 차원에서 키워나가야 한다.

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