[논문]세계 최장 HZMB 해저터널의 주요 기술 혁신 - Subsea Immersed Tunnel and Artificial Land -

김영근

문제 정의

강주아오 대교 HZMB는 홍콩-주하이 또는 마카오간 차량운행 소요시간은 현재 3시간 30분에서 30분으로 단축된다. 또한 기존 해상페리로 접근하는 방법을 차량으로 직접 접근 가능하도록 상당한 교통수요를 가져올 것이며, 향후 홍콩국제공항을 확장하여 홍콩을 통해 마카오나 주하이로 보다 쉽게 갈 수 있도록 하는 목적이 있다. 또한 강주아오 대교 Vol.
본 고에서는 세계 최장 강주아오 대교 HZMB 해저터널에 대한 주요 특징을 고찰해보고 기술적 혁신 및 대책 등을 살펴보고자 하였다. 특히 인공섬과 두 인공섬을 연결하는 해저터널에 대한 주요 설계 내용과 및 시공기술을 기술함으로서 해저터널에 관심이 있는 터널 기술자들에게 기술적으로 도움이 되고자 하였다.
지금까지 홍콩과 마카오, 중국 주하이를 연결하는 세계최장 강주아오대교 HZMB 프로젝트에 대하여 살펴보았다. HZMB 프로젝트는 해상 및 해저 횡단을 위한 터널, 교량 및 지반에 관련된 모든 관련기술이 총 집합된 메가 프로젝트이다.
본 고에서는 세계 최장 강주아오 대교 HZMB 해저터널에 대한 주요 특징을 고찰해보고 기술적 혁신 및 대책 등을 살펴보고자 하였다. 특히 인공섬과 두 인공섬을 연결하는 해저터널에 대한 주요 설계 내용과 및 시공기술을 기술함으로서 해저터널에 관심이 있는 터널 기술자들에게 기술적으로 도움이 되고자 하였다.

제안 방법

HZBM 프로젝트에서는 10개 이상의 서브시스템에 대한 구조 설계, 터널/지반 설계 및 시공에 BIM을 적용하였다. 본 프로젝트에서는 Revit을 사용하여 모든 교량, 터널 및 인공섬의 BIM 모델을 완성했으며, 매개변수화 기술을 사용하여 복잡한 설계에서 평면과 수직 곡선의 기술적 문제를 해결하였다.
HZMB 프로젝트에서는 건설중에 중국 흰돌고래를 포함한 대기질, 소음, 수질, 폐기물 관리, 생태 등에 미치는 영향을 정기적으로 모니터링하기 위한 종합적인 환경 모니터링 및 감사(Environmental Monitoring and Audit, EM&A)프로그램을 실시하였다.
그림 8에서 보는 바와 같이 인공섬의 연결되는 구간은 고압분사 젯트 그라우팅과 SCP(Sand Compaction Pile)을 이용하여 침매함 기초지반을 개량하였으며, 침매터널 기초지반에 자갈층을 타설하여 침매함의 안정성을 확보하도록 하였다.
이러한 기술적인 문제를 해결하기 위하여 최종적으로 두 개의 인공섬을 설치하고 이를 해저터널로 통과하는 방안이 선정되었으며, 3개의 사장교는 마카오 쪽으로 계획하였다. 또한 초속 56m의 태풍과 규모 8.0 지진에도 견딜 수 있도록 설계되었으며, 계획단계에서부터 시공단계에 이르기까지 철저한 환경영향평가를 수행하여 환경문제에 대한 대책을 수립하고, 이를 적극적으로 관리하도록 하였다.
HZMB는 그림 20에서 보는 바와 같이 공항섬 북동쪽 해상에 중국 흰 돌고래의 주요 활동지역의 보호지역내에 위치하므로 이에 미치는 영향을 충분히 고려해야하며, 주변 도시에 공기의 질과 소음, 주민들에게 미치는 시각적 영향을 최소화한다. 비준설 방식(non-dredging)으로 인공섬을 계획하고 자연 암석을 채택하여 시각적 충격을 완화하도록 하였다. 해저터널은 해저, 수질, 해양환경, 서식지 등에 미치는 영향을 최소화하기 위해 인공섬 연결구간에서는 침매터널방식을, TM-CLKL 구간에서는 TBM 터널방식을 선정하였다.
HZMB 해저터널에서는 공식적인 화재시험을 거쳐, 내화 판넬로서 25mm 두께의 Promatect-H를 선정하고, 이를 콘크리트 라이닝면에 부착하도록 하였다. 이 판넬은 섬유와 충전재로 보강된 불연성 매트릭스 광물질 판넬로서, 방식 스테인리스강으로 만든 앵커 볼트를 사용해 콘크리트 라이닝에 직접 고정하였다. 그림 19에는 터널 콘크리트 라이닝면에 내화 판넬을 설치하는 모습이 나타나 있다.
강주아오 대교 HZMB의 기술적 난제는 홍콩 국제공항에 인접하여 교량 주탑의 높이가 제한된다는 점, 유조선을 포함한 대형 선박이 통과한다는 점, 지진과 태풍에 견딜 수 있도록 하는 안전 문제, 그리고 세계적 보호어종인 흰 돌고래 보존과 같은 환경 문제 등이다. 이러한 기술적인 문제를 해결하기 위하여 최종적으로 두 개의 인공섬을 설치하고 이를 해저터널로 통과하는 방안이 선정되었으며, 3개의 사장교는 마카오 쪽으로 계획하였다. 또한 초속 56m의 태풍과 규모 8.
터널에서의 내화설계시 교통 유형과 교통량을 평가해야 한다. 이러한 정보와 설계 기준에 근거하여, 고온 화재시 온도 상승 시뮬레이션을 나타내는 RABT 화재곡선을 선택하였다. 실제 화재의 시뮬레이션을 위해, 화재 곡선은 5분 이내에 최대 1200℃까지 가열되어 터널 라이닝 콘크리트에 대규모 열 쇼크를 일으키고, 2시간 동안 1200℃에 머무른다.
HZMB 프로젝트의 설계 및 시공 단계에서 많은 환경대책이 검토되었으며, 계획단계에서 프로젝트의 다양한 부지와 옵션을 조사하였다. 이후 광범위한 공공 협의를 통해 환경 영향대책을 수립하였다.
직경 32m의 강관 실린더를 이용하여 인공섬을 시공하는 방법으로 기존의 준설을 이용한 인공섬 시공기술에 비하여 2년의 공기단축과 21백만 유로의 공사비 절감을 달성하였으며, 인공섬 시공시 비준설 방법을 적용하여 공사기간을 절감하고 환경문제를 최소 화 하도록 하였다.
해성점토에 대한 전통적인 지반개량과는 별도로, 그림 13에서 보는 바와 같이 모든 해양 퇴적물을 그 자리에 남겨둔 150ha의 인공섬을 형성하기 위하여, 스톤 컬럼(stone column)형태로, 얇은 시트파일를 포함하는 최대 32m 직경의 원형 실린더 모양의 강관(steel cylinder)을 이용한 코퍼댐으로 만들어진 혁신적인 완전 비준설(non-dredged)방법의 인공섬 시공계획을 수립하였다.
해저를 통과하는 연장 6.7km의 도로터널에서의 환기 및 방재는 가장 중요한 안전이슈로서, 본 터널에서는 종류식 방식을 기본으로 화재발생시 중앙통로를 이용하여 배연하는 방식을 적용하였으며, 화재발생시 즉각적으로 대응할 수 있는 각종 첨단 설비 등을 반영하였다.
비준설 방식(non-dredging)으로 인공섬을 계획하고 자연 암석을 채택하여 시각적 충격을 완화하도록 하였다. 해저터널은 해저, 수질, 해양환경, 서식지 등에 미치는 영향을 최소화하기 위해 인공섬 연결구간에서는 침매터널방식을, TM-CLKL 구간에서는 TBM 터널방식을 선정하였다.
해저터널통과 구간이 중국의 흰돌고래 보호존을 통과하므로 이에 대한 환경보호 대책을 반영하여 해상작업의 최소화및 작업선박의 운행 속도 및 시간을 제한하였으며, 대기질, 소음, 수질, 폐기물 관리, 생태 등에 미치는 영향을 정기적으로 모니터링하기 위한 종합적인 환경 모니터링 및 감시시스템(EM&A)을 반영하였다.

대상 데이터

2003년 7월에는 베이징시를 방문한 도널드 창 홍콩 행정장관이 중국 정부당국자들과 함께 해상교량 건설계획을 논의했다. 이후 기본 및 실시설계를 거쳐 2009년 12월 15일에 리커창 중국 부총리가 기공식에 참석한 가운데 공사를 시작하였으며, 이후 9년간의 공사를 거쳐 2018년 10월 24일 시진핑 중국 주석이 참석한 가운데 공식적으로 개통되었다. 그림 3에는 강주아오 대교와 관련된 발주자, 시공사 및 설계사 등이 나타나있다.
총연장 55km인 강주아오 대교는 그림 2에서 보는 바와 같이 22.9km의 교량 구간과 6.7km 해저터널 구간, 터널 양쪽의 인공섬, 출‧입경 시설 등으로 구성되었다. 양쪽의 교량 구간과 가운데 해저터널 구간이 해상에 건설된 두 개의 인공섬을 통해 연결되었다.
침매터널은 그림 6에서 보는 바와 같이 길이 180m, 높이 11.4m, 폭 37.95m의 33개의 프리케스트 콘크리트 박스형태로 제작된 침매함(직선 28개, 곡선 5개)으로 구성되어 있으며, 침매함 element의 무게는 76,000톤이며, 침매함의 총 연장은 약 5.7km에 이른다.

이론/모형

실제적인 모든 파도와 기상 조건을 수용하기 위해 필요한 침매함은 구조적으로 실현 가능하지 않거나 매우 비용이 많이 들 수 있다. 따라서 수많은 파도 데이터를 수집하는 파도 예측시스템을 기반으로 의사결정모델을 적용하였다. 거치된 침매함은 방수를 보장하도록 특수 고무씰을 이용하여 서로 연결된다.

성능/효과

HZMB 프로젝트에 대한 기술 혁신내용을 정리하면서, 바다를 가로질러 교통과 물류를 획기적으로 개선하고자 하는 엔지니어의 노력은 해상교량과 해저터널로 구현되었으며, 경제적인 측면뿐만 아니라 환경과 안전 측면에서 해저터널이 가장 중요한 솔루션으로 자리 잡고 있으며, 이러한 메가 프로젝트에서의 각종 기술적 난제에 대한 고민과 해결을 통하여 보다 더 나은 기술적 발전과 혁신을 가져올 수 있음을 확인할 수 있다.
일반적으로 설계가 시공정보 모델에 결합되는 동안 구조물과 장비간의 상충이 발생할 수 있으나, BIM 적용시 엔지니어들은 언제든지 3D모델을 점검할 수 있고, 발생할 수 있는 문제점을 발견하고 설계를 즉시 조정할 수 있다. 또한 그림 22에서 보는 바와 같이 시스템 운용 및 실시간 제어의 3D 디스플레이는 BIM 모델을 바탕으로 유지관리 서비스의 신속한 대응을 위한 데이터 및 정보 지원을 제공하게 되며, 3D 시각화의 결과로 의사소통의 효율이 30% 이상 향상되었다.
HZMB 프로젝트는 해상 및 해저 횡단을 위한 터널, 교량 및 지반에 관련된 모든 관련기술이 총 집합된 메가 프로젝트이다. 본 프로젝트를 수행하면서 얻어진 주요 기술적 혁신사항은 세계 최대/최장이라는 수식어를 가져올 수 있었으며, 해상교량과 해저터널 그리고 인공섬으로 구성된 세계 최장 강주아오 대교는 2018년 개통식에 시진핑 중국국가 주석이 참여할 정도로 중국의 토목 굴기(土木倔起)의 상징으로 부각되었으며, 이러한 배경으로 2018년 건설관련 각종 상을 수상하기도 하였다.
HZBM 프로젝트에서는 10개 이상의 서브시스템에 대한 구조 설계, 터널/지반 설계 및 시공에 BIM을 적용하였다. 본 프로젝트에서는 Revit을 사용하여 모든 교량, 터널 및 인공섬의 BIM 모델을 완성했으며, 매개변수화 기술을 사용하여 복잡한 설계에서 평면과 수직 곡선의 기술적 문제를 해결하였다. 또한 BIM은 설계, 시공은 물론 운영 및 시스템 유지보수를 포함한 전체 프로젝트 수명주기 전체에 걸쳐 적용되었다.
그 하부에는 충적토, 잔류토 및 기반암이 나타난다. 이용 가능한 지반공학적 자료로부터 그림 5에서 보는 바와 같이 터널과 인공섬의 지반조건이 상대적으로 열악하고, 지질 및 지반의 지층특성이 비교적 짧은 거리에 걸쳐 상당히 다르게 분포하는 것을 확인하였다.
프로젝트 계획단계에서부터 운영관리 단계까지 BIM을 적용함으로서 가장 적절한 플랫폼의 선정, 세부 설계 및 시공의 3차원 가시화, 설계 에러 및 간섭사항 체크, 기술적 문제에 대한 다양한 해결방안 제시, 3차원 설계도면 작성, 각종 장비 운영 및 설비 설치, 공사 스케쥴 관리 및 통합 운영관리가 되도록 하였다.

후속연구

본 해저터널의 깊이와 위치는 터널 구간의 중간에 환기구를 도입할 수 없기 때문에 6km에 이르는 해저터널에 대한 안전성을 대한 구체적인 검토가 요구되었다. 또한 HZMB는 프로젝트 전체 뿐만 아니라 특별히 침매터널을 위한 통합 안전 개념을 필요로 한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강주아오 대교가 보유하고 있는 세계 최고 기록은 무엇인가?	세계 최장의 해저 침매터널, 세계 최장의 철골 교각 등 강주아오 대교는 세계 최고 기록을 여럿 보유하고 있다. 강주아오 대교는 본체 구조물 공사에만 40만t의 철강이 투입되었는데, 이는 프랑스 파리 에펠탑의 40여 배에 해 당하는 무게이다.
	강주아오 대교(HZMB)의 특징은?	홍콩과 마카오, 중국 본토인 광둥성 남부 주하이를 잇는 세계 최장 해상교량인‘강주아오 대교(港珠澳大橋, Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge, HZMB)’가 지난 2009년 공사를 시작한지 9년 만에 완공되어, 2018년 10월 개통되었다 (그림 1). 세계 토목역사에 이정표가 될 강주아오 대교(HZMB)는 편도 3차선(양방향 6차선)의 제한속도 시속 100m의 자동차 전용도로로서, 전체 길이가 55km로 해저와 인공섬 등을 뺀 해상 교량구간은 29km이며, 두 인공섬을 바다 밑 해저로 연결하는 해저터널(subsea tunnel)은 길이 약 7km이다. 또한 HZMB 해저터널은 설계 및 시공기술의 혁신이 인정되어 ITA(국제터널협회)주관의 2018년 올해의 터널상(Winners of the 2018 ITA Awards)에 선정되었으며, ENR 선정 2018년 최고 프로젝트(Best project, Bridge/Tunnel)상을 수상하였다.

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