[논문]국내외 해․하저터널 건설 사례 분석

최승범; 이수득; 김현우; 전석원

doi:10.7474/tus.2014.24.2.120

국내외 해․하저터널 건설 사례 분석
Review of Subaqueous Tunneling Case Histories 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.24 no.2, 2014년, pp.120 - 130

최승범 (서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부) , 이수득 (서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부) , 김현우 (한국지질자원연구원 지구환경연구본부) , 전석원 (서울대학교 공과대학 에너지시스템공학부)

초록
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최근 전 세계적으로 여러 건의 대규모 해저터널 건설 사업이 완료되었거나 진행 혹은 계획 중에 있다. 우리나라 역시 한중, 한일 해저터널에 대한 기본 구상이 이루어지고 있으며 동시에 국내 도서 지역을 연결하는 해저터널이 구상 단계에 있다. 국내 기술수준과 해저터널 건설이 갖는 파급효과를 고려할 때, 해저터널 관련 기술의 확보 및 개선이 요구되어진다. 이 논문은 사례연구를 통하여 해저터널이 갖는 특징과 국내외 해 하저터널 건설동향을 분석하였고 해저터널과 관련된 사고 발생 사례를 수집하여 이로부터 요구되는 관련기술에 대하여 정리하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, a few mega projects of subsea tunneling are completed or ongoing or under planning stage all across the world. In Korea, subsea tunnels connecting to Japan and China have been considered in the past decades. At the same time, subsea tunnels connecting to domestic islands were planned with preliminary design concepts. Development and improvement of indigenous techniques regarding subsea tunneling are essential in light of current technical level in Korea and their future impact on tunneling industry. In this paper, distinct features of subsea tunnel and construction trend of subaqueous tunnels are analyzed via case studies. Also, case studies about incidents related to subsea tunneling and required techniques to secure safety are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 해저터널의 특징과 그에 따른 고려사항을 기술하고 국내외 해저터널 건설 동향을 소개하고자 한다. 또한 해저터널 건설 시 발생한 트러블 사례를 소개하고 그 유형 및 대처방안을 기술하고자 한다.
또한 해저터널 시공, 운영과 과정에서 안전문제가 발생한 사례와 그 원인, 대처방안을 소개하였다. 터널 천장부 및 막장면 붕락사고, 해수유입 사고 등 대부분이 연약 지반을 통과할 때 발생했으며 완공 후 운영 중에도 안전사고가 다수 발생한 것으로 조사되었다.
본 논문에서는 해저터널의 특징과 그에 따른 고려사항을 기술하고 국내외 해저터널 건설 동향을 소개하고자 한다. 또한 해저터널 건설 시 발생한 트러블 사례를 소개하고 그 유형 및 대처방안을 기술하고자 한다.
이러한 사례조사를 통하여 확인한 해저터널의 특징과 요구되는 기술적 과제에 대하여 기술하였다. 육상터널과는 다른 해저터널의 특징은 사전 지반조사의 어려움, 육상터널과는 상이한 해저지형의 구성 및 형태, 고수압의 작용 등으로 요약된다.

제안 방법

전 세계적으로 대형 해저터널 프로젝트의 계획 및 시공사례가 꾸준히 보고되고 있다. 국내에서도 몇몇 대형프로젝트가 논의되고 구체화되는 현 시점에서 관련 시장 및 기술동향을 파악하기 위하여 국내외 해저터널 및 하저터널 문헌자료를 수집, 분석하였다.
4km의 해저터널이다. 단선병렬의 철도 터널을 4개의 TBM으로 굴착했으며 기반암 두께와 수심 조건에 따라 굴착 중 최대 0.63 MPa의 수압이 작용했다. 빙력토(glacial till)와 이회토(chalk marl)로 구성된 현지의 복잡한 기반암 조건을 고려하여 4기 모두 EPB-TBM을 선정했으나 빈번한 커터 마모로 인한 TBM 가동률 저하, 막장면 불안정으로 인한 다수의 붕괴사례가 보고되었다.
탐지공을 통한 해수 유입량은 10 liter/min이며 자립시간은 약 30분으로 추정되었다. 발파 후 천장부에서 붕락이 시작되어 casting steel shield와 압성토로 조치한 후 콘크리트 플러그로 작업공간을 봉쇄하고 보강 작업을 실시하였다.⁸⁾
비슷한 해수유입 및 막장면 붕괴사고가 15차례 더 발생하자 ‘Moses project’ 라 명명된 해저지반 지하수 배수 작업을 시행했다(Table 4).
2의 PM777 구간이다. 선진탐지공 굴착 결과 약 25,000 liter/min에 달하는 해수 및 유사가 유입되어 작업장을 폐쇄하고 폐쇄구간 및 인근 공동에 그라우팅 재료를 주입하여 지반을 안정화시킨 후 굴진하였다.¹⁰⁾
수집된 문헌자료 중 해저터널 관련 안정성 문제를 정리하고(Table 3) 그 중 대표적인 사례에 대해 원인 및 보강 방법에 대하여 정리하였다.
완공 후 터널 유지관리 차원에서 가속도계 8개와 지진계 4개를 설치하여 지속적인 모니터링을 수행하였다. 개통 이후 2002년까지 네 번의 큰 지진이 발생하였고 이로 의한 안정성 문제가 발생하였다.
발파 직후 막장면 붕락이 시작되어 숏크리트를 분사했으나 점토 섞인 고압의 해수 유입 때문에 안정화되지 않았고 24시간 동안 붕락이 지속되어 최종적으로 막장면 상부 8~10 m 정도가 붕락되었다. 작업공간을 콘크리트 플러그로 봉쇄한 후 보강작업 시작하였으며 단층대를 포함한 20 m 구간을 5주에 걸쳐 굴진하였다.⁸⁾
4 m³의 파쇄암이 터널내부로 유입되었고 조사 결과 터널 내부 라이닝 바깥지역에 총 40 m³의 낙반이 발생한 것으로 파악되었다. 총 3개월간 락볼트, 그라우팅 등 추가 보강작업을 수행한 후 재개통되었다. 사고 지역은 급경사의 점토함유 이상대가 존재했으며 팽윤압이 최대 0.
2 km의 해저터널이다. 총 4개의 터널로 구성되었으며 최소 토피고는 30~50 m, 기반암은 강도가 매우 낮아 NATM과 roadheader를 혼용하여 굴착하였다.
비슷한 해수유입 및 막장면 붕괴사고가 15차례 더 발생하자 ‘Moses project’ 라 명명된 해저지반 지하수 배수 작업을 시행했다(Table 4). 터널 진행방향을 따라 총 6개의 바지선, 43개의 배수공을 통해 시간당 3400 m³의 지하수를 배수했으며 이를 통해 지하수압을 0.3MPa 이하로 유지하여 해수유입 및 막장면 붕괴를 방지했다.⁹⁾

대상 데이터

해･하저터널 건설현황 및 동향분석을 위하여 전 세계 275개소 해･하저터널 건설 사례에 대한 문헌을 수집하였다. 기록상 가장 오래된 Thames 터널부터 현재 시공중인 터널 가운데 관련 자료를 입수할 수 있는 터널을 모두 포함했으며 수집된 문헌 자료에는 철도, 도로터널 뿐만 아니라 송수관, 송유관 등의 터널이 포함되어 있다.
첫 번째 붕락사고는 기반암 심도 35 m인 2500 station 부근이며 암질이 매우 불량한 구간이었다. 두 번째 사고는 기반암 심도 45 m, 수심 20 m인 2090 station 부근이며 단층대를 통과할 당시 발생했다. 두 곳 모두 암질이 극히 불량하고 탐지공 천공 결과 파쇄정도가 심하며 점토광물이 포함되어 있었다.
두 차례에 걸쳐 붕락사고가 발생했다. 첫 번째 붕락사고는 기반암 심도 35 m인 2500 station 부근이며 암질이 매우 불량한 구간이었다. 두 번째 사고는 기반암 심도 45 m, 수심 20 m인 2090 station 부근이며 단층대를 통과할 당시 발생했다.
해･하저터널 건설현황 및 동향분석을 위하여 전 세계 275개소 해･하저터널 건설 사례에 대한 문헌을 수집하였다. 기록상 가장 오래된 Thames 터널부터 현재 시공중인 터널 가운데 관련 자료를 입수할 수 있는 터널을 모두 포함했으며 수집된 문헌 자료에는 철도, 도로터널 뿐만 아니라 송수관, 송유관 등의 터널이 포함되어 있다.

성능/효과

2000년에 완공된 Oslofjord 터널은 완공 후 3년 반 이상 문제없이 운영되었으나 2003년 12월 터널 내부로 갑작스런 낙반사고가 발생했다. 4 m³의 파쇄암이 터널내부로 유입되었고 조사 결과 터널 내부 라이닝 바깥지역에 총 40 m³의 낙반이 발생한 것으로 파악되었다. 총 3개월간 락볼트, 그라우팅 등 추가 보강작업을 수행한 후 재개통되었다.
대륙별 분류 결과, 137개소(49.8%)의 해･하저터널이 유럽에 존재하고 있으며 아시아, 북미에 각각 74개소(26.9%), 56개소(20.4%)의 해･하저터널이 조사되었다. 각 대륙 내에서도 침매공법에 의한 해･하저터널 굴착사례가 가장 많았다.
4차례에 걸친 해수유입 사고 중 가장 규모가 큰 사고는 1976년에 발생했다. 분당 유입량이 70,000 liter/min에 달하는 급격한 유입수 증가로 3,015 m의 서비스 터널과 1,459 m의 본선 터널이 침수되고 터널의 75m 가량이 붕괴되었다. 침수 당시 작업공간에 간이댐을 설치하고 긴급배수를 실시하여 유입량을 안정화 시킨 후 그라우팅을 실시하고 최종적으로 우회터널을 굴착하여 단층대를 통과하였다.
상술한 것과 같이 터널 연장이 짧은 해･하저터널의 경우 침매공법 적용이 선호되었으며 연장이 길어질수록 NATM, TBM 등 지중굴착 공법 적용이 선호되는 것으로 파악되었다.
연장 5 km 이상의 초장대 터널의 경우 NATM 공법의 적용이 65.8%로 가장 많았으며 그 뒤로 TBM, 침매공법이 각각 26.3%, 7.9%를 차지하는 것으로 조사되었다. NATM 공법으로 굴착된 초장대 터널 25개소 중 노르웨이 소재 터널이 16개소로 가장 많았으며 TBM 굴착 터널은 10개소 중 5개소가 중국, 일본 등 아시아에 분포하고 있다.
개통 이후 2002년까지 네 번의 큰 지진이 발생하였고 이로 의한 안정성 문제가 발생하였다. 지진 발생시 육상 및 해저구간 모두 터널 내부로의 물 유입량이 증가하였는데 특히 해저 구간의 단층대 부근에서 유입량 증가폭이 컸다. 해당 구간은 시공 당시에도 해수유입 문제가 발생했던 구간으로 화산암 암맥이 위치한 지점이었다.
NATM 공법의 적용은 경암의 분포가 우세한 노르웨이를 중심으로 유럽에서 1980년대 이후 지속적으로 증가 추세이며 TBM 공법의 적용 역시 꾸준하게 증가하고 있다. 터널 연장에 따라 분류한 결과 연장이 1 km 미만인 해･하저터널은 침매공법에 의한 건설이 선호되었으나 반대로 1 km 이상의 장대터널, 5 km 이상의 초장대터널의 경우 NATM, TBM 공법 등 지중건설 사례가 압도적임을 확인할 수 있다.

후속연구

5. 해저지반 환경에 적합한 성질의 지질조사, 시공 장비 및 지보재 개발이 요구된다. 지질조사 장비, 시공장비 모두 염수에 노출되므로 내염해 성능이 보장되어야 하며 특히 대심도 지질조사 장비의 경우 내압성능 역시 요구된다.
7. 현재 논의 중인 한일, 한중 해저터널 같은 초장대 해저터널의 경우 그에 적합한 방재, 환기시스템의 개발이 요구된다. 해저터널은 제반조건에 따라 수직갱의 설치가 제한적이므로 연장을 고려한 배기, 환기시스템 및 화재 시 대응 시스템이 필수적이다.
8. 상기 내용 외에 고수압의 영향이 반영된 합리적인 설계관련 지반정수 산정 기법 및 장･단기적 터널 안정성 해석 기법, 내진설계 기법, 완공 후 지속적인 안전 관리기법 등의 개발이 요구된다.
도심지 교통 수요를 만족하기 위한 지하철 노선 연장이나 새로운 급행열차(예, GTX) 시스템의 신규 공사 시 하저 통과구간이 발생하기 때문이다. 또한 가덕터널과 같이 섬과 육지를 연결하거나 만(灣)을 가로질러 교통효율을 증대시키기 위한 목적의 해저터널 수요가 증가할 것으로 보인다.
해저터널에 적합한 위험도 분석, 관리기법이 요구된다. 위험도 관리기법은 해당 공사의 특성이 반영되어 결정되므로 해저터널의 특징을 고려한 관리기법의 개발이 필요할 것으로 판단된다. 국내에서는 시공 중 다양한 지반조건에서 발생 가능한 위험요인 규명 및 대책법 수립을 위한 위험 시나리오 관리기법이 제안된 바 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내의 해저터널 시공 사례는 무엇인가?	특히 노르웨이, 미국, 일본, 영국 등은 다수의 해･ 하저터널 건설을 통해 관련 정보 및 기술에 대한 노하 우가 축적되어 있으며 연장 5 km 이상의 초장대 해저 터널 건설 경험 및 기술도 보유하고 있다. 1,2) 국내에서 는 가덕해저터널, 분당선 한강하저터널, 율촌 복합화력 발전소 취배수로터널, 보령-태안 터널 등이 완공 혹은 시공 중에 있으나 선진국에 비하여 건설 경험이 부족한 상황이며 특히 초장대 해저터널의 경우 선행 연구 및 기술개발이 미진한 실정이다.
	NATM 공법 적용의 추세는 어떠한가?	해･하저터널 건설 사례는 시간에 따라 지속적으로 증가하고 있다. NATM 공법의 적용은 경암의 분포가 우세한 노르웨이를 중심으로 유럽에서 1980년 대 이후 지속적으로 증가 추세이며 TBM 공법의 적용역시 꾸준하게 증가하고 있다. 터널 연장에 따라 분류한 결과 연장이 1 km 미만인 해･하저터널은 침매공법 에 의한 건설이 선호되었으나 반대로 1 km 이상의 장 대터널, 5 km 이상의 초장대터널의 경우 NATM, TBM 공법 등 지중건설 사례가 압도적임을 확인할 수 있다.
	본 연구의 전 세계 275개소 해･하저터널 건설 사례에 대한 문헌에서는 어떤 해･하저터널 굴착 공법이 가장 많이 적용되었는가?	Fig. 1에 정리된 바와 같이 수집된 전체 문헌자료 중 침매공법에 의한 해･하저터널이 144개소(52.4%)로 가 장 많았으며 그 뒤로 NATM 공법, TBM 공법이 각각 62개소(22.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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