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문제 정의
- 남해고속도로 하부구간 통과에 따른 막장압 관련하여 굴진 전 막장압 계획을 실시하고 실제 운영·관리된 자료를 비교하여 향후 TBM 2호기(하선)에 대한 굴진 중 고속도로 및 인근 구조물의 균열 발생을 대비하고자 하였다.
- 그러나 양호한 토질이나 암반구간을 통과하는 구간의 쉴드 TBM으로 굴착하는 사례가 대부분이었으며, 특히 하저의 연약지반을 통과하는 쉴드 TBM 사례는 국외나 국내에서도 매우 드물다. 이에 최근 부전-마산 복선전철 민간투자사업 2공구에서 시공 중인 쉴드 TBM 설계 및 시공사례를 통해 연약지반을 통과하는 구간에 대한 쉴드 TBM 설계 개요, 쉴드 TBM선정, 쉴드 TBM 굴진관리 및 국내 최초로 적용된 쉴드 TBM에서의 Plastic Board Drain(PBD) 절단 사례 등을 소개 하고자 한다.
제안 방법
- 남해고속도로 하부의 연약지반 통과 및 낙동강 하저구간 굴착에 따른 사전검토를 실시하여, 향후 우려되는 침하방지 및 고수압 조건에 대응하기 위한 차별화된 기술을 적용하여 연약지반 통과 및 고수압 대응에 적합한 맞춤형 쉴드 TBM 장비가 되도록 하였다. 굴진면이 정확한 원형을 유지하고, 사행의 발생을 예방하고 세그먼트 체결의 안정성을 향상하기 위하여 진원유지 장치가 설치되었고, 연약점토 및 뒤채움 주입재 역류 방지, 낙동강 하저 고수압 대응을 위한 3단 테일씰이 적용되었다. 연약지반 굴착시 막장면의 안정성 확보를 위해 자동 토압 제어 장치가 설치되었으며, 동시주입 뒤채움 장치가 적용되어 굴착과 동시에 세그먼트 뒷채움을 실시하여 지반변위를 최소화하게 하였다.
- 연약지반 굴착시 막장면의 안정성 확보를 위해 자동 토압 제어 장치가 설치되었으며, 동시주입 뒤채움 장치가 적용되어 굴착과 동시에 세그먼트 뒷채움을 실시하여 지반변위를 최소화하게 하였다. 그리고 2단 스크류 컨베이어를 적용하여 낙동강 하저에서 예상치 못한 고수압 발생시 대비하도록 하였다. 또한 남해고속도로 하부의 PBD의 안전한 절삭을 위해 다양한 커터의 실대형 시험 결과를 토대로 PBD Cutter를 국내 최초로 쉴드 TBM에 설치하였다(그림 6).
- 그리고 장비반입과 작업 면적 등 현장 여건을 고려하였으며(표 2), 상대적인 장·단점 분석을 통해 장비를 토압식(EPB)으로 선정하였다(그림 5).
- 그밖에도 지반붕괴 감지장치 적용 등을 통해 최적의 쉴드 TBM장비가 되도록 설계 및 제작하였다.
- 남해고속도로 하부의 연약지반 통과 및 낙동강 하저구간 굴착에 따른 사전검토를 실시하여, 향후 우려되는 침하방지 및 고수압 조건에 대응하기 위한 차별화된 기술을 적용하여 연약지반 통과 및 고수압 대응에 적합한 맞춤형 쉴드 TBM 장비가 되도록 하였다. 굴진면이 정확한 원형을 유지하고, 사행의 발생을 예방하고 세그먼트 체결의 안정성을 향상하기 위하여 진원유지 장치가 설치되었고, 연약점토 및 뒤채움 주입재 역류 방지, 낙동강 하저 고수압 대응을 위한 3단 테일씰이 적용되었다.
- 남해고속도로구간(마산방향)에 연약지반개량 목적으로 사용된 PBD가 기설치되어 있으며, 이로 인한 쉴드 TBM의 굴진성능저하 방지를 위하여 국내 최초로 쉴드 TBM에 PBD Cutter를 커터헤드 전단면에 2개소 탑재하여 굴진시공하였다(그림 9). 뿐만 아니라, 절삭된 PBD가 커터헤드에 휘감기는 것을 방지하기 위해 중앙부에 대형 커터를 적용하였으며, PBD 2차 파쇄장치를 스크류 컨베이어 전면에 부착하여 절단된 PBD를 작게 절삭하여 스크류 컨베이어 내의 폐색을 방지하고자 하였다.
- 그리고 2단 스크류 컨베이어를 적용하여 낙동강 하저에서 예상치 못한 고수압 발생시 대비하도록 하였다. 또한 남해고속도로 하부의 PBD의 안전한 절삭을 위해 다양한 커터의 실대형 시험 결과를 토대로 PBD Cutter를 국내 최초로 쉴드 TBM에 설치하였다(그림 6).
- 국내의 경우에도 주변 환경의 훼손과 을 최소화 하는 공법의 일환으로 서서히 쉴드 TBM 장비를 통한 기계화 시공계획들이 나오고 있지만 아직까지 NATM공법의 경제성 논리로 인해 많이 시행되지 못한 상태이다. 본 과업도 사업초기에 NATM공법과 쉴드 TBM공법 모두 검토되었으나, 연약지반 및 하저라는 특수한 지질조건과 상부 근접 지장물에 대한 안정성 확보를 위해 쉴드 TBM 공법으로 선정되었고, 이에 따른 시공성 및 안정성확보를 위하여 여러 가지 TBM 장비의 개선이 적용되었다.
- 본 구간은 관련기관 협의를 통해 고속도로 하부횡단시비개착 횡단공사 관리체계 개선방안(도로처, 2012): 구조계산 한계치 13mm를 준수하도록 적용함에 따라, 쉴드 TBM 통과에 따른 안정성 검토에 이를 적용하였다. 따라서 본 구간 부전-마산 쉴드 터널도 고속도로를 횡단하는 횡단배수구조물과 같은 지중횡단구조물로서, 허용잔류침하량 적용기준은 다음 그림 7과 같이 산정하였다.
- 남해고속도로구간(마산방향)에 연약지반개량 목적으로 사용된 PBD가 기설치되어 있으며, 이로 인한 쉴드 TBM의 굴진성능저하 방지를 위하여 국내 최초로 쉴드 TBM에 PBD Cutter를 커터헤드 전단면에 2개소 탑재하여 굴진시공하였다(그림 9). 뿐만 아니라, 절삭된 PBD가 커터헤드에 휘감기는 것을 방지하기 위해 중앙부에 대형 커터를 적용하였으며, PBD 2차 파쇄장치를 스크류 컨베이어 전면에 부착하여 절단된 PBD를 작게 절삭하여 스크류 컨베이어 내의 폐색을 방지하고자 하였다.
- 쉴드 TBM 굴착에 따른 도로의 안정성을 확인하기 위하여 막장압, 잭추력, 그라우팅 압력을 실제 시공과 가장 근접한 모델링이 가능하고, 굴착직경과 장비외경의 차이에 의해 발생하는 지반수축 구현 가능하며 부력에 대한현실성 있는 해석 가능이 가능한 Plaxis-3D를 적용하여 예상 침하량을 검토하였으며 검토 시에는 사전 남해고속도로 잔류침하량을 예측하고 현재 시공중 계측자료를 검토하여 안정성 검토에 활용하였다. 해석영역은 터널 좌·우 및 하부경계 5.
- 연약지반 구간의 남해고속도로 하부구간 통과에 따른 지표침하 방지와 굴착의 안정성 확보를 위하여 막장압 관리, 첨가재(폴리머) 농도증가, 그라우팅 압력 및 주입량관리, 배토량(체적 및 중량)관리, TBM 이동편차(deviation)관리, TBM 기계장비 관리를 실시하였고 연약지반개량공법인 PBD 공법구간에서 PBD Cutting 장비를 통한 굴진안정성과 효율성 유지를 위하여 굴진 계획 및 관리를 실시하였다.
- 굴진면이 정확한 원형을 유지하고, 사행의 발생을 예방하고 세그먼트 체결의 안정성을 향상하기 위하여 진원유지 장치가 설치되었고, 연약점토 및 뒤채움 주입재 역류 방지, 낙동강 하저 고수압 대응을 위한 3단 테일씰이 적용되었다. 연약지반 굴착시 막장면의 안정성 확보를 위해 자동 토압 제어 장치가 설치되었으며, 동시주입 뒤채움 장치가 적용되어 굴착과 동시에 세그먼트 뒷채움을 실시하여 지반변위를 최소화하게 하였다. 그리고 2단 스크류 컨베이어를 적용하여 낙동강 하저에서 예상치 못한 고수압 발생시 대비하도록 하였다.
- 지반조건이 사질점성토로 이루어지는 연약지반이며, 낙동강 하저구간을 통과하므로 밀폐형(Closed Type)을 1차적으로 선정하였다(표 1). 그리고 장비반입과 작업 면적 등 현장 여건을 고려하였으며(표 2), 상대적인 장·단점 분석을 통해 장비를 토압식(EPB)으로 선정하였다(그림 5).
대상 데이터
- 3D GPR탐사는 총 8개 측선으로 전체 8차선에 대하여 3,900m를 수행하였다. 탐사결과 제2농로 육교부근 2m하부에 구조물 또는 기초가 존재할 것으로 판단되며, 부산방향 4차도로에는 일정한 간격의 철근이 도로를 횡단하는 방향으로 존재하고 있는 것으로 판단되었다.
- 남해고속도로 통과구간에 대해서는 각종 계측기들이 설치되었으며, 지표침하와 관련하여 무타켓 측정 계측 관리가 시행되었다. 계측기는 남해고속도로 부산방향 경계부 150m, 중앙분리대 125m 구간, 남해고속도로 냉정방향 경계부 110m 구간에 5m 간격으로 설치하였다. 계측기간은 10월 6일부터 11월 22일로서 계측 결과 침하는 모두 계측 관리 기준치 이내였으며, 지속적인 모니터링 및 굴진관리를 통해 침하를 방지할 수 있었다.
- “부전~마산 복선전철 민간투자시설사업”은 2009년도에 선정된 민간투자사업(BTL)으로 이후 민자적격조사와 민간투자사업심의를 걸쳐 2010년 SK건설 등이 민자투자사업 시공사로 선정되었다. 공사기간은 착공일로부터 72개월로 2014년 6월 27일부터 2020년 6월 26일까지이며, 운영기간은 운영개시일로부터 20년이다. 다음의 그림 1과 2에 부전-마산 복선전철 민간투자시설사업의 노선도 및 2공구의 사업 개요도를 나타내었다.
- 본 “부전-마산 복선전철 민간투자시설사업”은 부산 및 경남권 지역주민 교통편의 제공과 남해안 일대 공업단지 연결 및 관광자원 개발, 남해안축 철도망 확충으로 영‧호남의 교류촉진을 위해 부산광역시 부산진구 부전역과 경남 김해시 진례 신호소를 잇는 총연장 32.7km 복선 철도사업으로 정거장 5개소, 신호소 2개소, 환기구 5개소 등이며, 교량구조물은 21개소, 터널 5개소로 구성되어졌다.
- 본 구간은 낙동강 주변으로 부산도시철도2호선, 민간시설, 전력구, 남해고속도로, 제2농로육교 등을 통과하며 대부분이 토사구간이라 터널 굴착시 주변침하의 문제가 발생할 수 있는 구간이다(그림 4). 또한 최대 수압 3.
이론/모형
- 3bar의 낙동강 하저를 통과하게 된다. 따라서 터널 굴착시 주변 지하수위 영향 및 지반침하를 최소화하고, 안정성 및 시공성을 확보하기 위해서 쉴드 TBM공법을 적용하게 되었다.
- 해석영역은 터널 좌·우 및 하부경계 5.0D 이상, 측압계수 0.75(터널통과-점토층), 해석모델 Mohr-Coulomb, 하중조건으로는 차량하중 13.0 kN을 적용하였으며, 연약지반을 고려한 지하수위를 적용하여 검토하였다.
성능/효과
- PBD Cutter의 사용 전·후를 비교한 결과는 다음 그림 10과 같이 PBD Cutter 사용 전 잘려진 PBD의 길이는 약 70cm이었으나, PBD Cutter 사용 후 절삭된 평균 길이는 30cm로서 PBD Cutter의 절삭 효과를 확인할 수 있었으며, 굴착 중 PBD가 Cutterhead에 휘감기는 현상에 의한 지표 침하나 스크루 컨베이어 내에서의 폐색으로 인한 문제점이 발생하지 않고 안전하게 시공할 수 있었다.
- 계측기는 남해고속도로 부산방향 경계부 150m, 중앙분리대 125m 구간, 남해고속도로 냉정방향 경계부 110m 구간에 5m 간격으로 설치하였다. 계측기간은 10월 6일부터 11월 22일로서 계측 결과 침하는 모두 계측 관리 기준치 이내였으며, 지속적인 모니터링 및 굴진관리를 통해 침하를 방지할 수 있었다.
- 본 남해고속도로 해당구간은 실시설계 이후 대안설계로 발주되어 시공 중인 구간이며, 확장공사구간으로 연약지반 처리용 과재성토시 기존도로의 연동침하 등의 문제점이 예상되어, 횡단배수구조물의 허용잔류침하량 기준을 기존의 15~30cm보다 강화하여 5cm로 적용한 구간이다. 기존도로하부의 경우 현장시험 및 과잉간극수압계측과 이론식으로 산정한 기존도로의 하부지반의 압밀도는 도로개통(1982년)후 30년이 경과한 현재 95%이상인 것으로 평가하여 기존도로 하부는 압밀완료상태로 설계에 반영한 것으로 확인되었다.
- 89mm로 분석되었다. 남해고속도로 쉴드 TBM 굴착시 최대 침하량(쉴드 TBM 굴착시 발생침하량+잔류침하량)은 24.02mm로 지중횡단구조물의 허용잔류침하량 50mm만족하는 것으로 분석되었다.
- 본 공사 구간 중 남해고속도로 연약지반 하부 통과를 마친 상선 방향 TBM 1호기는 지속적인 침하 계측과 시공관리를 통하여 침하 관리기준 내에서 안전하게 굴착을 할 수 있었다. 향후 하선 방향 TBM 2호기의 굴착도 TBM 1호기의 관리 경험과 자료를 기반으로 안정적인 굴진관리를 실시할 계획이다.
- 지반조사 결과 쉴드 TBM으로 계획된 구간은 상부는 매립토, 상부사질토가 분포하고, 하부는 하부사질토가 분포하며 낙동강 통과구간은 연약점성토가 최상부 지층으로 분포하고, ML, CL로 구성되며, N치6이하의 매우연약~보통견고의 연경도로 분포하며, 연약지반 깊이는 7.8~18.9m의 층후로 분포하며, 부분적으로 Sand Seam이 존재하는 것으로 조사되었다(그림 3). 특히, 낙동강 하부통과구간에서의 수압은 최대 3.
- 3D GPR탐사는 총 8개 측선으로 전체 8차선에 대하여 3,900m를 수행하였다. 탐사결과 제2농로 육교부근 2m하부에 구조물 또는 기초가 존재할 것으로 판단되며, 부산방향 4차도로에는 일정한 간격의 철근이 도로를 횡단하는 방향으로 존재하고 있는 것으로 판단되었다. 일부구간에서 이상구간이 나타나고 있으나, 이는 아스팔트 하부에 존재하고 있는 골재의 불균질한 분포에 의한 영향으로 분석되었으며, 하부에 공동 등의 이상구간은 없는 것으로 판단되었다.
- 해석 결과 남해고속도로 쉴드 TBM 굴착시 최대 침하량은 12.23mm로 구조계산 한계치 13mm 이내로 분석되어 안정성을 확보하는 것으로 분석되었으며, 시공시 연약지반 계측 DATA를 이용한 쉴드 TBM 굴착공사 착공시 최대잔류침하량을 예측한 결과 11.89mm로 분석되었다. 남해고속도로 쉴드 TBM 굴착시 최대 침하량(쉴드 TBM 굴착시 발생침하량+잔류침하량)은 24.
후속연구
- 남해고속도로 하부구간 통과에 따른 막장압 관련하여 굴진 전 막장압 계획을 실시하고 실제 운영·관리된 자료를 비교하여 향후 TBM 2호기(하선)에 대한 굴진 중 고속도로 및 인근 구조물의 균열 발생을 대비하고자 하였다.TBM 굴진 중 선행구간 침하 방지를 위하여 TBM 직경(D)대비 전방 1.0~1.5D 주변 침하 가능성을 충분히 고려하여 막장압 관리를 하선에 적용할 예정이다.
- TBM 장비의 설계, 발주, 검사, 시공의 과정에서 더욱 기술 축적이 이루어져 향후 국내 터널 기술 발전에 이바지 하고자 하는 바램이며, 이미 해외에서 널리 사용되고 있는 쉴드 TBM 공법의 국내에서도 활발히 적용될 수 있는 계기가 되었으면 한다.
- 본 공사 구간 중 남해고속도로 연약지반 하부 통과를 마친 상선 방향 TBM 1호기는 지속적인 침하 계측과 시공관리를 통하여 침하 관리기준 내에서 안전하게 굴착을 할 수 있었다. 향후 하선 방향 TBM 2호기의 굴착도 TBM 1호기의 관리 경험과 자료를 기반으로 안정적인 굴진관리를 실시할 계획이다.
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