[논문]TBM 장비선정의 핵심이슈와 기술적 딜레마 - EPB Vs. Slurry -

김영근

문제 정의

본고에서는 EPB TBM과 Slurry TBM의 장단점과 특징 그리고 그 차이를 살펴보고 공법 선정시 주요 설계고려사항을 기술하였다. 또한 해외 적용사례와 경험 등을 바탕으로 TBM 공법을 선정하는 방향에 대하여 고찰하고자 하였다.
특히 본 프로젝트는 도심지 밀집지역에서의 인접한 건물이나 구조물에 대한 침하관리는 가장 중요한 사항으로서 발주처는 Closed face TBM 터널링을 요구하였다. 본 고는 이러한 프로젝트 특성을 고려하여 어떻게 TBM 장비가 선정되었는지를 기술적인 관점에서 기술하였다.
본고는 EPB TBM과 Slurry TBM 차이에 대한 개략적인 설명과 함께 Boring 터널의 두 공법에 대한 기술혁신과 한계에 대하여 기술하였다.
본고에서는 EPB TBM과 Slurry TBM의 장단점과 특징 그리고 그 차이를 살펴보고 공법 선정시 주요 설계고려사항을 기술하였다. 또한 해외 적용사례와 경험 등을 바탕으로 TBM 공법을 선정하는 방향에 대하여 고찰하고자 하였다.

제안 방법

UG2 프로젝트에서 TBM 장비제작과 운반에 약 12∼14개월을 소요하는 것을 고려하여, 입찰단계에서 부터 장비선정과 제작/ 운반 등에 기술적 검토가 면밀하게 수행되었으며, 입찰에 참가한 시공사에서는 EPB TBM보다는 Slurry TBM을 제안하였다.
TBM 굴착시 전면이 경암 또는 토사층 그리고 두 개층 이상의 복합지층 통과가 예상되는바, 적합한 TBM 장비 선정 및 TBM 기술이 가장 중요한 설계이슈가 되었다. 특히 본 프로젝트는 도심지 밀집지역에서의 인접한 건물이나 구조물에 대한 침하관리는 가장 중요한 사항으로서 발주처는 Closed face TBM 터널링을 요구하였다. 본 고는 이러한 프로젝트 특성을 고려하여 어떻게 TBM 장비가 선정되었는지를 기술적인 관점에서 기술하였다.

대상 데이터

본 TBM 장비선정 사례는 인도 방갈로 메트로 UG2에 대한 것이다. UG2는 약 2500의 twin-bored 터널로서 암석강도 200MPa 이상의 화강암 또는 화강편마암에서부터 차별풍화의 특징을 갖은 풍화암층, 그리고 상부에 연약한 잔류토 지층을 통과한다.

이론/모형

또한 Herrenknecht사에서는 Hydro 또는 Mix shield라고도 부른다. 본고에서는 가장 일반적으로 사용되는 Slurry라는 명칭을 사용하였다). 쉴드 TBM에서의 EPB(Earth Pressure Balance) TBM 또는 Slurry TBM을 선정하는 작업은 설계의 핵심사항(Key design consideration)이라고 할 수 있다.
나타났다. 앞서 설명한 바 있는 Slurry TBM의 장점, 특히 지반손실과 침하리스크 저감을 고려하여 시공자와 발주처는 최종적으로 Slurry 공법을 선정하였다. 이는 표 3에 나타난 바와 같이 지반특성에 대한 가중치를 도입한 적합성 분석(suitability analysis)에서도 확인되었다.

성능/효과

즉 Slurry 보다는 EPB에서의 굴착토 처리가 훨씬 용이하기 때문이다. 그리고 본 조사에서는 리스크 인식이 흥미로운 요인으로 평가되었다. Slurry는 때로는 만능 해결책(one-size-fitsall solution)으로서 사용되는데, 이것은 100% 기술적인 결정이라기보다는 정서적인 선택의 경우인데, 이는 Slurry가 EPB에 비교하여 리스크가 적기 때문이다.
대체적으로 정확한 막장압 관리, 조립질 지반에서의 용이한 관리, 우수한 커터 마모 관리, 쉬운 근접성과 낮은 지반침하 가능성 등과 같은 리스크 저감측면에서 Slurry TBM이 본 현장에서 적합하다고 결론지을 수 있다. 한편 EPB TBM은 많은 사례에서 볼 수 있듯이, TBM 프로젝트에서 우선 선정될 만큼 경제적 이점을 가지는 것은 분명하다.
또한 토질샘플로 부터 구한 토사입경곡선으로 부터 적합한 TBM 장비를 결정한 일반적인 방법은 UG2와 같은 복잡한 지질조건에서는 적정하지 않다고 할 수 있다. 본 터널구간의 약 11%가 신선한 암반을, 그리고 약 65%가 토사와 암반의 복합지반을 통과하며, 단지 24%만이 토사지반을 통과하는 것으로 조사되었다. 나타났다.
설문조사에 의하면, EPB와 Slurry 선정시 다양한 변수(지질, 비용, 경험 그리고 리스크 등)가 있다고 하더라도 분명한 선호도가 있는 것으로 나타났다. 특히 변화가 많은 지반에서는 Slurry 장비가 보다 리스크가 적다고 인식되는 경우도 있었다.
이를 반영한 설계와 시공 관리가 국제기준(FIDIC)의 PM(project management)하에 수행되고 있어 안전/리스크 관리가 절차화되고 이를 준수하도록 한다는 점이다. 셋째는 토사구간 뿐만 아니라 경암구간에서도 Closed TBM 공법을 적용하고, 특히 화강암구간에 Slurry 타입을 적용하고 운영하고 있다는 사실이다. 또한 철저한 막장압(Face Pressure) 조절을 통하여 터널굴착에 의한 주변영향을 최소화하기 위하여 TBM 운영관리를 철저히 수행하고 있었다.
각각의 막장지반조건에 대한 터널연장은 30m부터 최대 160m까지 다양하며, 어떤 구간에서는 토사층에서 경암으로 급격한 변화를 보이는 경우도 있다. 즉 본 터널구간은 서로 매우 복잡한 지질구간으로 TBM 터널굴착이 어렵고 도전적인 복합지반으로 구성되어있음을 알 수 있다. 표 2에는 토사 및 암층의 공학적 특성이 나타나 있다.
(c)항목에서 기술된 조건들은 다음과 같이 조사되었다 - 수압(water pressure), 토사입자크기(soil particle size), 리스크 인식(perception of risk by the consultant and contractor). 특히 조사결과에서는 TBM 장비 선정시 가장 중요한 요인은 지반 조건(Ground Condition)이며, 지반 종류(Ground type)는 적정 장비 선정 뿐만 아니라 공사비를 결정하는 요소임을 확인해 주었다. 또한 Slurry 운영시 나오는 배출토도 중요한 요소다.
표 2에는 토사 및 암층의 공학적 특성이 나타나 있다. 표에서 보는 바와 같이 시험결과치의 범위가 매우 크며, 기반암인 화강암과 화강편마암의 압축강도는 최대 254MPa에 이른다.

후속연구

또한 TBM 설계 및 시공적용 확대를 위한 모두의 노력이 절대적으로 요구되는 시점이다. TBM 터널이 우리 터널기술자들이 앞으로 가야할 길이자 방향이라 생각하면서 우리의 TBM 터널기술이 활성화되고 세계에 진출할 그날을 기대한다.
이때 슬러리와 머드 스크린의 형성을 통하여 일정한 압력을 유지하게 된다. 각각의 장비가 최상으로 사용되도록 결정하는 것은 명확하지는 않지만, 만약 주어진 지반조건하에서 모든 것이 정상적으로 작동한다면, Slurry TBM 설계가 보다 용이한 조절을 제공할 것이다. 그러나 운영상에 에러가 일어나거나, 막장면에 공극이 생기고 머드 스크린의 손실을 가져오게 되는 또 다른 문제가 발생하게 된다면 막장 밖의 무언가가 장비 안으로 들어갈 수 있다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	쉴드 TBM에서 막장압을 유지하는 방법 두가지는?	쉴드 TBM에서 막장압을 유지하는 방법(type of face support)은 EPB(Earth Pressure Balance) 또는 Slurry의 두 가지 방법이 있다(참고로 Slurry 타입은 그냥 Slurry라 하기도 하고 SPB(Slurry Pressure Balance)라는 용어를 사용하기도 한다. 또한 Herrenknecht사에서는 Hydro 또는 Mix shield라고도 부른다.
	EPB TBM 과 Slurry TBM의 막장압 조절은 어떻게 이루어지는가?	일정한 관리 기준내에 침하를 관리하는 많은 이유가 있지만, 두 가지 타입 모두 정상적으로 운영할 경우 매우 양호한 조절을 유지할 수 있다. Slurry TBM은 슬러리 압력과 챔버 내의 밀도와 유동으로 침하를 조절한다. 반면에 EBP TBM은 굴착 중 챔버 내의 EPB의 압력조절에 의해 유지되는데, 이것은 굴진과 굴착토가 배출되는 매칭속도(matching rate)로 이루어진다.

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