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문제 정의
- 이 프로젝트는 발전소 건설에 있어서 안정적인 전력 생산을 위한 냉각수의 원활한 공급을 위하여 해상에서 취수구를 설치하여 육상까지 취수로 건설을 위한 기계식 터널의 설계 및 시공을 완료하여 향후 수행될 유사사업에 조금이나마 도움이 되고자 하였으며, 설계 및 시공시 주요 사항을 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
- c900) 으로 그림 6과 같이 주면 지반을 보강한 후에 육상에서 강제 케이슨을 제작하여 보강지반 내부에 거치하였다. 거치된 해상 강재 케이슨 내에서 미리 중공벽으로 제작된 철판을 제거하고 케이슨내 도달구 외곽을 보강한 후 쉴드 TBM을 작업구로 통과시킨 후 취수구 강제케이슨과 취수관로을 연결하였다. 쉴드 TBM을 인양한 후에 취수탑 구조물을 강재 케이슨 상부에 거치하였다.
- 세그먼트는 6조각(5+1key)으로 그림 9와 같으며 세그먼트 체결방식은 볼트박스 형식이다. 또한 연약지반 굴진시 굴진기 침하로 인하여 선형중심을 이탈할 경우 원상태 유지를 위하여 강재로 된 가동세그먼트를 별도로 제작하여 적용하였다.
- 2차 처리방식은 크게 대차 방식, 컨베이어 벨트식, 압송식 등이 있으며, 터널 계획단면 및 굴착 대상 지반의 특징에 따라 가장 적합한 시스템을 선택해야 한다. 본 현장에서는 국내 최초로 2차 굴착토사 지반 처리 방법으로 굴진속도에 영향을 주지 않고, 신속하게 굴착토사를 처리 할 수 있는 압송배관에 의한 배토방식을 적용하였다. 2차 버력처리 방식중 압송식은 쉴드TBM 장비 내 스크루컨베이어 게이트를 통해 배출되는 버력을 터널 내에 설치된 피스톤 펌프(압송 펌프), 압송관 등을 이용하여 연속적으로 지상으로 반출하는 방식으로 진공, 이수, 공기, 펌프(복동, 단동식 피스톤) 방식 등이 있다.
- 본 현장의 경우 굴진위치는 해수면 아래로서 일반적인 엔트런스가 아닌 수압에 의한 지하수 유출 등을 방지하기 위하여 그림 11과 같은 특수 엔트런스를 제작 적용하였다. 특수 엔트런스는 에어주입구를 설치하여 굴착지반과, 굴진기 및 세그먼트 사이의 공극을 밀착시켜 그라우팅제와지하수의 유입을 차단할 수 있게 하였다.
- 쉴드 TBM 굴진은 최소 토피고로 굴착외경(D)의 1.5D 이상으로 하였으며, 또한 취수구에서의 조수간만의 차의 영향을 받지 않는 기준으로 굴진 심도를 결정하였다. 굴진경사는 발진구 기준으로 취수의 자연유하를 고려하여 0.
- 수로터널의 경우 쉴드 TBM으로 굴진하여 터널을 완성하게 되는데, 굴진을 위한 수직작업구 조성의 경우 원형 지하연속벽으로 시공하였으며, 발진 작업구와 터널 접속부및 반력벽 배면 지반보강은 Jet Grouting으로 시공하였다. 쉴드 TBM의 굴착토사 처리 방식은 압송배관 배토방식으로 처리를 하여 보다 신속하고, 안전하게 처리하였다. 해상의 경우 연약지반을 고려하여 지반보강을 실시한후 육상에서 강재케이슨을 제작하여 거치시킨 후 쉴드 TBM을 관통하여 해상 인양하였다.
- 총 연장 1,270m에서 초기굴진(약 70m)과 본굴진(약 680m)에서는 그림 14에서와 같이 후방대차 후면( P1)과 수직구 하부(P2)에 2대의 압송펌프를 설치하여 버력을 배토하였으며, 750m 이후에서는 모래층을 통과하여 압송능력 저하를 고려하여 수직구까지는 토사대차를 이용하였으며, 수직구하부 P2펌프에서 지상 Hopper까지 압송하였으며, 수직구 중간에는 중계펌프를 설치하여 압송능력을 증대 시켰다.
- 본 현장의 취수로 터널은 그림 1과 같으며, 취수터널 연장은 1,270m이다. 취수터널계획은 육상 수직 작업 구를 통하여 쉴드 TBM를 굴진하여 굴진 중에 시공이 완료된 도달구에서 인양하는 것으로 계획하였다. 도달구는 충남 서천군 장항내로서 금강 하류에 위치하게 된다.
- 본 현장의 경우 굴진위치는 해수면 아래로서 일반적인 엔트런스가 아닌 수압에 의한 지하수 유출 등을 방지하기 위하여 그림 11과 같은 특수 엔트런스를 제작 적용하였다. 특수 엔트런스는 에어주입구를 설치하여 굴착지반과, 굴진기 및 세그먼트 사이의 공극을 밀착시켜 그라우팅제와지하수의 유입을 차단할 수 있게 하였다.
대상 데이터
- 4m로서 굴착지층은 점토, 모래 실트층이다. 발진작업구 벽체는 지하연속벽으로 벽체 두께는 1.2m, 심도는 41.6m이며, 내벽을 중심으로 직경 15m 원형으로 하였으며, Ring Wall은 그림 4에서와 같이 1단 시공하였다. 발진부 및 반력벽 지반보강은 Jet Grouting(Φ800, c.
- 본 현장에 적용된 쉴드 TBM 장비는 지상설비규모가 작고 경제적인 E.P.B TYPE 쉴드를 적용하였으며, 굴착 직경은 4.340m로서 장비반입부터 배치까지의 공정은 그림 8과 같다.
- 발전소에서 취수로는 안정적인 전력생산에 중요한 구조물 중 하나로서, 해상에 취수구 설치시 취수로의 위치및 구조형태, 시공 방법 등에 많은 문제점을 고려하여야 한다. 본 현장의 취수로 터널은 그림 1과 같으며, 취수터널 연장은 1,270m이다. 취수터널계획은 육상 수직 작업 구를 통하여 쉴드 TBM를 굴진하여 굴진 중에 시공이 완료된 도달구에서 인양하는 것으로 계획하였다.
- 세그먼트는 철근 콘크리트로 제작된 것으로 외경은 4,200mm, 내경은 3,800mm, 두께는 200mm, 폭은 900 mm이다. 세그먼트는 6조각(5+1key)으로 그림 9와 같으며 세그먼트 체결방식은 볼트박스 형식이다.
- 쉴드 TBM의 터널 굴진을 위하여 육상에서 발진작업구를 조성하였으며, 굴착심도는 약 31.4m로서 굴착지층은 점토, 모래 실트층이다. 발진작업구 벽체는 지하연속벽으로 벽체 두께는 1.
- 지반조사는 터널 작업구 및 굴진연장에 따라 조사를 실시하였으며 위치는 그림 2와 같다.
이론/모형
- 발진부 및 반력벽 지반보강은 Jet Grouting(Φ800, c.t.c600) 공법으로 하였다.
성능/효과
- 2) 취수터널의 시공을 위해서는 지질조건 및 물리탐사 등이 충분히 파악되어 설계와 시공오차를 최소화 하여야 한다.
- 3) 육상 발진구의 경우 심도가 깊고 해수에 가깝에 위치하므로 수압 등을 고려한 벽체를 검토해야하며, 쉴드 장비의 발진을 위한 충분한 크기의 작업구를 조성해야 한다.
- 5) 터널장비의 해상 인양을 위해 도달구의 조성은 충분한 지반조사를 통하여 안정된 지반에서 실시하여야 하며, 파랑 및 해류 등의 영향을 받지 않도록 보조공법 등을 강구하여야 한다.
- 또한, 후방설비 설치를 위한 보조터널이 필요 없어서 공사비를 절감할 수 있으며, 발진수직구 내 소요공간(압송관 설치)이 상대적으로 작아서 수직구 규모를 최소화할수 있다. 압송식 버력처리 시스템의 적용성을 평가하기 위하여, 굴진대상지반중 대표시료에 대한 입도곡선을 그림 13에 제시(일본지반공학회, 1997)된 압송가능 입도분포곡선과 비교 검토한 결과 SM, ML, CL 층 모두 첨가재주입(보통) 압송용 물 주입범위에 해당하였다. 즉, 압송을 위한 별도의 첨가재 주입 없이 굴진면 안정을 위한 첨가재 주입만으로 압송이 가능하며 일부구간에서는 물 주입만으로 압송이 가능한 것으로 나타났다.
- 압송식 버력처리 시스템의 적용성을 평가하기 위하여, 굴진대상지반중 대표시료에 대한 입도곡선을 그림 13에 제시(일본지반공학회, 1997)된 압송가능 입도분포곡선과 비교 검토한 결과 SM, ML, CL 층 모두 첨가재주입(보통) 압송용 물 주입범위에 해당하였다. 즉, 압송을 위한 별도의 첨가재 주입 없이 굴진면 안정을 위한 첨가재 주입만으로 압송이 가능하며 일부구간에서는 물 주입만으로 압송이 가능한 것으로 나타났다.
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