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문제 정의
- 본 논문에서는 리스크 관리를 위해 가장 먼저 선행되어야 하는 리스크 확인 과정에 대하여 알아보았다. 먼저 쉴드 TBM 터널에서 발생 가능한 리스크 요인들을 지질 요인, 설계 요인, 시공관리 요인으로 분류하였다.
제안 방법
- 위와 같이 정리된 리스크 요인과 리스크 사이의 원인과 결과에 대한 분석을 위하여 커터, 기계구속, 배토, 세그먼트로 분류한 FT도를 작성하였다. TBM 시공 전문가들을 통해 기본 이벤트인 리스크 요인에 대한 발생확률 등급을 설문조사하고 이를 바탕으로 쉴드 TBM 터널에서 발생가능한 총 12가지 리스크들의 발생확률을 계산하였다. 실제 현장에서 가장 빈번하게 발생하는 배토 관련 리스크의 발생확률이 가장 높게 나왔으며 커터의 절삭량 저하 리스크의 발생확률도 비교적 높았다.
- 다음 리스크 분석 단계에서는 리스크 확인 과정에서 파악된 각각의 리스크에 대하여 발생확률(likelihood of occurrence)과 영향도(impact)를 분석/평가한다. 이러한 발생 확률과 영향도를 분석하는 방법에 따라 리스크 관리 방법의 종류도 나누어지게 된다.
- 앞서 살펴본 것처럼 효율적인 리스크 관리를 위해서는 “리스크 확인” 과정이 선행되어야 한다. 따라서 쉴드 TBM 터널에서의 효율적인 리스크 관리를 하기 위하여 쉴드 TBM 터널에서 발생가능한 모든 리스크 요인을 확인한 후 카테고리 별로 분류하고 원인과 결과를 정리하는 과정을 수행하였다. 쉴드 TBM 터널 리스크와 관련된 설계 및 시공 자료와 같은 여러 문헌 자료뿐만 아니라 TBM 터널 현장 경험이 풍부한 TBM 설계 및 시공 전문가들과의 워크샵을 통해 얻어진 리스크 요인들을 Table 1과 같이 지질 - 설계 - 시공관리로 나누어 정리하였다.
- 작성된 FT도를 통하여 각각의 리스크와 리스크 요인들 사이의 원인과 결과를 확인할 수 있다. 또한 각각의 기본 리스크 요인들은 지질 요인(A), 설계 요인(B), 시공 관리 요인(C)으로 구분하여 분석 시 참고할 수 있도록 하였다.
- 이를 위해 본 논문에서는 쉴드 TBM에서 발생 가능한 리스크 요인들을 지질 – 설계 – 시공 관리요인으로 분류하여 정리하고 어떤 특정된 사상과 극단의 바람직하지 못한 사상과의 관계를 그래픽으로 표시한 Fault Tree도를 통해 원인과 결과를 분석하고자 한다. 또한 전문가들의 설문조사를 통해 리스크 요인별 발생확률 등급을 산정하고 이를 바탕으로 쉴드 TBM 터널에서 발생 가능한 리스크들의 발생확률을 계산하였다. 이러한 리스크 요인 분석을 통해 쉴드 TBM 터널 시공 시 경제적이고 합리적인 리스크 관리가 이루어질 수 있을 것으로 판단된다.
- 리스크 저감 대책 적용 이후 각각의 리스크에 대한 리스크 위험 수준을 재평가한다. 이 과정 이후에도 리스크 수용 한계를 넘는 잔류 리스크에 대해서는 상기에 설명된 리스크 관리 절차에 따라 재평가/분석 과정을 반복한다.
- 리스크 지질 요인으로는 암반의 종류, 암반의 성상, 지층의 종류 등에 따라 총 12가지로 분류되었으며 리스크 설계 요인은 커터 헤드 타입 설계, 커터·회전토크·추력 설계, TBM 장비 설계, 링 체결 방식, 지수재 선정과 같이 총 5가지로 정리되었다.
- 본 논문에서는 리스크 관리를 위해 가장 먼저 선행되어야 하는 리스크 확인 과정에 대하여 알아보았다. 먼저 쉴드 TBM 터널에서 발생 가능한 리스크 요인들을 지질 요인, 설계 요인, 시공관리 요인으로 분류하였다. 리스크 지질 요인으로는 암반의 종류, 암반의 성상, 지층의 종류 등에 따라 총 12가지로 분류되었으며 리스크 설계 요인은 커터 헤드 타입 설계, 커터·회전토크·추력 설계, TBM 장비 설계, 링 체결 방식, 지수재 선정과 같이 총 5가지로 정리되었다.
- 본 논문에서는 전문가들의 의견을 수렴하여 커터, 기계구속, 배토(굴진), 세그먼트로 분류한FT도를 작성하였다. 작성된 FT도를 통하여 각각의 리스크와 리스크 요인들 사이의 원인과 결과를 확인할 수 있다.
- 설문조사 결과와 식 1과 2를 활용하여 쉴드 TBM 터널에서 발생 가능한 총 12가지 리스크들의 발생확률을 계산하였다. 먼저 커터와 관련된 리스크의 발생확률은 커터의 과도한 마모가 23.
- 따라서 쉴드 TBM 터널에서의 효율적인 리스크 관리를 하기 위하여 쉴드 TBM 터널에서 발생가능한 모든 리스크 요인을 확인한 후 카테고리 별로 분류하고 원인과 결과를 정리하는 과정을 수행하였다. 쉴드 TBM 터널 리스크와 관련된 설계 및 시공 자료와 같은 여러 문헌 자료뿐만 아니라 TBM 터널 현장 경험이 풍부한 TBM 설계 및 시공 전문가들과의 워크샵을 통해 얻어진 리스크 요인들을 Table 1과 같이 지질 - 설계 - 시공관리로 나누어 정리하였다. 조사 결과 지질 요인이 12가지, 설계 요인이 5가지, 시공관리 요인이 17가지였으며 체계적인 데이터베이스(DB) 구축을 위해 지속적으로 갱신/보완 될 것이다.
- 위와 같이 정리된 리스크 요인과 리스크 사이의 원인과 결과에 대한 분석을 위하여 커터, 기계구속, 배토, 세그먼트로 분류한 FT도를 작성하였다. TBM 시공 전문가들을 통해 기본 이벤트인 리스크 요인에 대한 발생확률 등급을 설문조사하고 이를 바탕으로 쉴드 TBM 터널에서 발생가능한 총 12가지 리스크들의 발생확률을 계산하였다.
- 위와 같이 커터, 기계구속, 배토(굴진), 세그먼트로 분류하여 정리한 리스크 요인들을 바탕으로FT도를 구성하였다. 일반적으로 FTA에서 시스템의 발생확률은 n개의 기본 이벤트들의 논리게이트의 결합으로 계산되어진다.
- 먼저 리스크 확인 단계에서는 터널 시공에 따른 발생 가능한 모든 위험 요인을 확인하고 카테고리 별로 분류한다. 이를 위해 발생 가능한 여러 가지 리스크에 대한 전반적인 문헌조사 및 선행 프로젝트 분석, 현 프로젝트 연구 분석 내용을 바탕으로 전문가 평가, 설문 조사 또는 리스크 워크샵을 수행한 후 이를 통해 확인된 리스크의 원인과 결과를 정리한다.
- 이를 위해 본 논문에서는 쉴드 TBM에서 발생 가능한 리스크 요인들을 지질 – 설계 – 시공 관리요인으로 분류하여 정리하고 어떤 특정된 사상과 극단의 바람직하지 못한 사상과의 관계를 그래픽으로 표시한 Fault Tree도를 통해 원인과 결과를 분석하고자 한다.
- 이를 기준으로 TBM 현장 경력이 10년 이상인 TBM 시공 전문가들의 설문조사 결과는 Table 4와 같이 정리하였다. 총 5명의 TBM 시공 전문가들에게 설문조사를 실시하였으며 작성된 발생등급을 발생확률로 변환한 후 리스크 요인별 발생확률의 평균을 계산하였다.
- 이처럼 구성된 FT도를 바탕으로 각 리스크의 발생확률을 정량적으로 산정하기 위해서는 기본이벤트 즉, 리스크 요인들의 발생확률에 대한 자료를 수집하여야 한다. 하지만 TBM 터널 공사과정에서의 리스크 요인들의 발생확률 자료는 구하기 어렵기 때문에 전문가들의 설문조사를 통하여 쉴드 TBM 터널 공사 시 리스크 요인들의 발생확률 등급을 산정하였다. 본 논문에서는 프로젝트 특성을 고려하여 설문조사를 위한 발생확률에 따른 등급은 Table 3과 같이 결정하였으나 등급에 대한 가이드라인은 시공 전문가나 리스크 전문가의 판단에 따라 유동적이다.
대상 데이터
- 일반적으로 FTA에서 시스템의 발생확률은 n개의 기본 이벤트들의 논리게이트의 결합으로 계산되어진다. 본 논문에서 FTA 구성에 사용된 논리 구조는 기본 논리 구조인 AND gate와 OR gate로 이루어져 있다. 이러한 AND gate와 OR gate로 이루어진 사상의 발생확률(F)은 식 1과 식 2와 같다(구본희 등, 2008).
이론/모형
- 정리된 리스크 요인을 바탕으로 리스크의 원인과 결과를 분석하기 위하여 Fault Tree Analysis(FTA) 방법을 활용하였다. FTA란 문제 원인이 무엇인가 하는 연역적 사고방식으로 시스템이 문제를 결함 수 차트로 탐색해 나감으로써 어떤 요인이 문제의 원인이었는가를 찾아내는 해석기법으로 결함수 분석기법으로 불려진다.
성능/효과
- TBM 기계 구속과 관련된 리스크는 반력 부족으로 인한 기계 구속이 40.2%, 선형관리가 38.4%, 테일보이드 폐색에 따른 리스크가 10.0%로 계산되었다. 또한 세그먼트 관련된 리스크는 세그먼트파손이 44.
- 7%이다. 또한 배토가 과다하게 많은 경우도 71.3%로 계산되어 실제현장과 같이 높은 발생확률을 보였다
- 0%로 계산되었다. 또한 세그먼트 관련된 리스크는 세그먼트파손이 44.4%, 지수재 손상 및 누수 발생 리스크가 17.3%로 계산되었다. FTA를 활용한 쉴드 TBM터널에서의 리스크 발생확률을 정리하면 아래 Table 5와 같다.
- 먼저 세그먼트가 파손되는 경우에는 지반지지력이 부족(Event A7)하여 세그먼트 처짐이 발생하여 파손에 이르는 경우와 적절치 못한 링체결방식(Event B4)으로 설계했을 경우이다. 또한 시공 관리 요인으로는 무리하게 TBM의 방향을 변경(Event C14)하거나 뒷채움 주입재의 관리가 부족(Event C15)할 경우, 그리고 키 세그먼트의 조립 작업이 불량(Event C16) 할 때 발생하는 것으로 조사되었다.
- 지수재가 손상 되거나 누수가 발생하는 경우는 피압층이 존재(Event A12)하거나 지수재나 링체결방식 설계가 잘못 된 경우(Event B4, Event B5)에 나타난다. 또한 시공 관리 요인으로는 세그먼트 접착면에 이물질이 혼입되었을 경우(Event C17)에 발생하는 것으로 분석되었다. 전체적인 내용은 아래 Fig.
- 뿐만 아니라 커터의 교체시기가 너무 늦거나(Event C1) TBM 운전자(operator)의 지반변화에 따른 대응 능력의 부족(Event C2)과 같은 시공 관리 요인도 원인이 될 수 있다. 마지막으로 TBM 기계의 추진력과 회전력이 부족한 경우는 커터 크기, 추력, 회전력 설계를 위한 입력 정보 등이 불량하거나(Event B2) 복합 지층에서의 개구율 관리(Event C3), 부적절한 커터 타입 변경(Event C4)의 시공 관리 요인으로 인하여 발생되는 것으로 분석되었다
- 리스크 지질 요인으로는 암반의 종류, 암반의 성상, 지층의 종류 등에 따라 총 12가지로 분류되었으며 리스크 설계 요인은 커터 헤드 타입 설계, 커터·회전토크·추력 설계, TBM 장비 설계, 링 체결 방식, 지수재 선정과 같이 총 5가지로 정리되었다. 마지막으로 시공 관리요인으로는 커터 교체 지연이나 막장압 관리 부족, 배토량 관리 부족 등 총 17가지로 정리되었다. 여러 리스크 요인들을 정리한 결과 막장 전방 예측을 통한 리스크 지질 요인을 사전에 파악하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있다.
- 설문조사 결과와 식 1과 2를 활용하여 쉴드 TBM 터널에서 발생 가능한 총 12가지 리스크들의 발생확률을 계산하였다. 먼저 커터와 관련된 리스크의 발생확률은 커터의 과도한 마모가 23.1%,커터의 편마모가 36.9%, 추력 및 회전력 부족이 41.3%로 계산되었다. 이러한 리스크들은 결국 절삭량 저하로 이어지며 FTA를 통한 절삭량 저하 리스크의 발생확률은 71.
- 실제 현장에서 가장 빈번하게 발생하는 배토 관련 리스크들을 살펴보면 막장압 관리 부족이66.4%, 배토 불능한 경우가 46.3%, 벨트 컨베이어 고장으로 인한 리스크가 59.7%로 계산되었다. 이러한 리스크들은 결국 TBM 굴진을 불가능하게 하므로 이들을 통한 굴진 정지 리스크의 발생확률은 계산하면 81.
- TBM 시공 전문가들을 통해 기본 이벤트인 리스크 요인에 대한 발생확률 등급을 설문조사하고 이를 바탕으로 쉴드 TBM 터널에서 발생가능한 총 12가지 리스크들의 발생확률을 계산하였다. 실제 현장에서 가장 빈번하게 발생하는 배토 관련 리스크의 발생확률이 가장 높게 나왔으며 커터의 절삭량 저하 리스크의 발생확률도 비교적 높았다. 이러한 FTA를 통한 리스크의 원인 분석 과정을 바탕으로 리스크 요인에 대한 관리를 수행하고 추후에 발생 가능성이 높은 리스크들이 현장에서 발생하지 못하도록 제어 할 수 있을 것으로 판단된다
- 3%로 계산되었다. 이러한 리스크들은 결국 절삭량 저하로 이어지며 FTA를 통한 절삭량 저하 리스크의 발생확률은 71.5%로 비교적 높았다.
후속연구
- 실제 현장에서 가장 빈번하게 발생하는 배토 관련 리스크의 발생확률이 가장 높게 나왔으며 커터의 절삭량 저하 리스크의 발생확률도 비교적 높았다. 이러한 FTA를 통한 리스크의 원인 분석 과정을 바탕으로 리스크 요인에 대한 관리를 수행하고 추후에 발생 가능성이 높은 리스크들이 현장에서 발생하지 못하도록 제어 할 수 있을 것으로 판단된다
- 또한 전문가들의 설문조사를 통해 리스크 요인별 발생확률 등급을 산정하고 이를 바탕으로 쉴드 TBM 터널에서 발생 가능한 리스크들의 발생확률을 계산하였다. 이러한 리스크 요인 분석을 통해 쉴드 TBM 터널 시공 시 경제적이고 합리적인 리스크 관리가 이루어질 수 있을 것으로 판단된다.
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