[논문]NATM 터널의 리스크 관리 시스템 개발 및 현장적용

정희영; 이강현; 김병규; 이인모; 최항석

doi:10.9711/ktaj.2020.22.2.155

NATM 터널의 리스크 관리 시스템 개발 및 현장적용
A risk management system applicable to NATM tunnels: methodology development and application 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.22 no.2, 2020년, pp.155 - 170

정희영 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 이강현 (한국도로공사 도로교통연구원) , 김병규 (한국건설기술연구원 미래융합연구본부) , 이인모 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 최항석 (고려대학교 건축사회환경공학부)

초록
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본 논문의 목적은 NATM 터널에 적용 가능한 리스크 관리 시스템을 구축하는 것이다. 이를 위해 먼저 NATM 터널 현장의 붕괴 사례를 조사하고, 이를 바탕으로 NATM 터널시공 중 발생 가능한 리스크 사건과 그 발생원인인 리스크 요인을 분석하였다. 리스크 요인은 지질, 설계, 시공 리스크 요인의 세 가지 카테고리로 구분하여 분석하였고, 리스크 사건은 과대변형, 과대변형 및 지표침하, 터널내부 붕락, 붕락 및 지표침하/함몰의 네 가지 유형으로 분석하였다. 또한, 리스크 요인으로부터 리스크 사건이 발생하는 일련의 리스크 시나리오를 리스크 요인별로 식별하였으며, 해당 NATM 터널 리스크 시나리오에 대한 리스크 분석 및 평가 방안을 제시하였다. 평가결과에 따라 리스크 대응이 필요한 시나리오에 대해 최적의 리스크 저감 대책공법을 선정하는 방안을 제시하였고, 일련의 NATM 터널 리스크 관리 프로세스를 효과적으로 수행할 수 있도록 NATM 터널 리스크 등록부 및 대책공법 관리대장을 개발하였다. 또한, 구축한 리스크 관리 시스템을 실제 도로터널 프로젝트에 적용하여 리스크 식별, 분석 및 평가, 대응 과정을 수행함으로써 그 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a risk management system applicable to NATM tunneling projects is proposed. After investigating case histories in NATM tunnel collapse, this paper analyzes the potential risk factors and their corresponding risk events during NATM tunnel construction. The risk factors are categorized into three groups: geological, design and construction risk factors. The risk events are also categorized into four types: excessive deformation, excessive deformation with subsidence, collapse inside tunnels, and collapse inside tunnels with subsidence. The paper identifies risk scenarios in consideration of the risk factors and proposes a risk analysis/evaluation method for the NATM tunnel risk scenarios. Based on the evaluation results, the optimal mitigation measure to handle the risk events is suggested. In order to effectively facilitate a series of risk management processes, it is necessary to develop a risk register and a management ledger for risk mitigation measures that are customized to NATM tunnels. Lastly, the risk management for an actual NATM tunnel construction site is performed to verify the validity of the proposed system.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Overall process of NATM tunnel risk management
표 Table 1. NATM tunnel risk factors
그림 Fig. 2. NATM tunnel risk events
표 Table 2. NATM tunnel risk scenarios
표 Table 2. NATM tunnel risk scenarios (continue)
그림 Fig. 3. Classification of economic loss (Eskesen et al., 2004)
그림 Fig. 4. Risk matrix and risk acceptance criteria for risk evaluation
표 Table 3. NATM tunnel risk mitigation measures
그림 Fig. 6. NATM tunnel risk register form
그림 Fig. 7. Risk management ledger form for NATM tunnel risk mitigation measures
그림 Fig. 5. MCDM flow chart (Chung et al., 2016)
그림 Fig. 8. Longitudinal geological profile
표 Table 4. Results of risk and residual risk evaluation for the NATM tunnel project
표 Table 5. Result table of the Multi Criteria Decision Making (MCDM)

AI 본문요약
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문제 정의

NATM 터널은 쉴드 TBM 터널에 비해 다양한 보조공법이 적용되기 때문에 이를 고려하여 적용 가능한 여러 대책공법 중 최적의 대책공법을 선정하는 과정이 필요하다. 따라서 객관적인 기준으로 최적의 대책공법을 선정하기 위하여 Chung et al. (2016)이 제안한 다기준 의사결정론(Multi Criteria Decision Making, MCDM)을 활용한 최적의 대책공법 선정 방법을 제시하였다. 다기준 의사결정론은 Fig.
따라서 본 논문에서는 NATM 터널시공 중 발생 가능한 리스크를 식별하고, 식별된 리스크를 분석 및 평가하여 대응이 필요한 리스크에 대해 리스크 저감대책을 적용하는 한편, 일련의 리스크 관리 프로세스를 통제할 수 있는 체계적인 NATM 터널의 리스크 관리 시스템을 제안하고자 한다.
본 연구에서는 NATM 터널 리스크 관리 시스템을 구축하기 위하여 국내외 여러 터널공사 현장에서 발생한 붕락사례들을 중심으로 발생원인 및 결과, 보강방안 등을 분석하여 NATM 터널 리스크 요인과 사건을 도출하였고, 지질 리스크 요인별로 리스크 사건이 발생되는 NATM 터널 리스크 시나리오를 식별하였다. 해당 지질 리스크 요인별 리스크 시나리오를 분석하고 평가할 수 있는 방안을 제시하였고, 리스크 평가결과 대응이 필요한 경우 리스크 저감 대책공법을 적용할 수 있도록 가능한 터널 보조공법을 정리하였으며, 다기준 의사결정론을 활용하여 최적의 대책공법을 선정하는 방안을 제시하였다.

제안 방법

리스크 분석/평가를 위하여 국내외 여러 기준과 적용사례를 조사/분석한 결과, NATM 터널 리스크 평가에 적용할 의사결정 방법으로 국토교통부 고시 제2020-47호 ‘건설공사 안전관리 업무수행 지침’과 국토교통부 정책 자료 ‘설계 안전성 검토 업무 매뉴얼’에서 제시하는 평가 방법인 리스크 매트릭스 평가 방법을 선정하였다. 4등급의 발생빈도와 심각도 기준을 리스크 평가기준으로 수립하였으며, 심각도의 경우 인적피해와 물적피해(공사기간 및 경제적 손실) 모두를 고려할 수 있게 하였다. 리스크 허용기준(리스크 레벨)은 3단계(허용, 조건부 허용, 허용불가)로 구분하였으며, 리스크 레벨에 따라 리스크 저감 대책공법의 적용 여부를 결정할 수 있다.
NATM 터널 굴착 중 안전성 확보를 위한 터널 리스크 저감 대책공법(터널 보조공법)을 막장 및 갱구/사면 안정 공법, 용출수 처리공법으로 나누어 조사하였으며, 막장 안정공법은 천단, 막장면, 각부, 측벽 보강공법으로 구분하였고 용출수 처리공법은 차수, 배수 공법으로 구분하였다. 또한, 다기준 의사결정론을 활용하여 여러 리스크 저감 대책공법 중 최적의 대책공법을 선정하는 방안을 제시하였다.
NATM 터널 리스크 분석을 위한 발생빈도 및 심각도의 등급(점수) 기준을 수립하기 위하여 국내외 여러 기준과 적용사례를 조사하고 분석하였다. 그 결과 Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2017)의 정책자료 ‘설계 안전성 검토 업무 매뉴얼’에서 제시하는 기준을 활용하여 발생빈도 및 심각도 기준을 수립하였으며, 심각도의 경우 인적피해와 물적피해 모두를 고려할 수 있게 하였다.
따라서 NATM 터널에서는 위험지반(지질 리스크 요인)이 주된 리스크 발생원인임을 알 수 있다. NATM 터널 리스크 사건의 경우 Fig. 2와 같이 과대변형, 과대변형 및 지표침하, 터널내부 붕락, 붕락 및 지표침하/함몰 네 가지 유형으로 분석하였다. 과대변형은 터널 내부에 과도한 변형이 발생되는 경우이며, 과대변형 및 지표침하는 터널 내부에 과도한 변형이 발생될 뿐만 아니라 지표침하까지 동반되는 경우이다.
NATM 터널 리스크 요인과 사건 분석결과를 바탕으로 리스크 요인별 NATM 터널 리스크 시나리오를 식별하였다. 리스크 시나리오를 식별함에 있어 리스크 요인으로부터 리스크 사건이 발생하는 과정을 분석하였고, 그 결과 설계 및 시공 리스크 요인은 설계 및 시공단계에서 지질 리스크 요인에 대한 대응이 적절하지 못해 발생하는 것임을 알 수 있었다.
NATM 터널붕괴 사례 분석결과 기반으로 NATM 터널에 대한 리스크 요인과 사건을 식별하였다. 일반적으로 건설공사에 대한 리스크 관리 시 지질, 설계, 시공 리스크 요인을 리스크 발생원인으로 고려하기 때문에 NATM 터널붕괴 사례 또한 이 세 가지 카테고리로 구분하여 리스크 요인을 Table 1과 같이 분석하였다.
NATM 터널시공 중 발생할 수 있는 리스크 및 리스크별 대책공법을 도출하기 위해 국내외 여러 NATM 터널 현장에 대한 터널붕괴 사례(총 183개소)를 조사하여 붕괴 발생원인과 결과 그리고 현장에서 적용한 대책공법 등을 분석하였다. 해당 분석결과를 바탕으로 NATM 터널 리스크 요인과 사건에 대한 식별을 수행하였다.
Project Management Institute (2013)에서 제시하고 있는 일반적인 프로젝트 리스크 관리 프로세스를 바탕으로 Fig. 1과 같이 리스크 식별, 분석 및 평가, 대응, 통제 단계로 이루어진 NATM 터널 리스크 관리 시스템을 구축하였다. 본 터널 리스크 관리 시스템은 Act No.
각각의 지질 리스크 요인별 리스크 시나리오의 발생빈도와 심각도를 분석하여 리스크 저감대책 적용 여부를 판단할 수 있도록 앞서 구축한 4등급의 발생빈도와 심각도를 고려한 4 × 4 매트릭스 평가 방법을 적용하여 리스크 평가를 수행하였다.
구축한 NATM 터널 리스크 관리 시스템을 실제 도로터널 프로젝트에 적용하였으며, 프로젝트 현장에서 발생할 수 있는 지질 리스크 요인별 리스크 시나리오의 리스크 레벨을 평가함으로써 그 타당성을 검증하였다.
그 결과 Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2017)의 정책자료 ‘설계 안전성 검토 업무 매뉴얼’에서 제시하는 기준을 활용하여 발생빈도 및 심각도 기준을 수립하였으며, 심각도의 경우 인적피해와 물적피해 모두를 고려할 수 있게 하였다.
1건의 조건부 허용 등급을 제외하고는 모두 허용불가 등급으로 리스크 대응(저감대책 적용)이 필요한 것으로 확인되었다. 따라서 조건부 허용 등급의 리스크 시나리오를 포함한 모든 시나리오에 대하여 리스크 저감 대책공법 적용 검토를 수행하였다.
해당 지질 리스크 요인별 리스크 시나리오를 분석하고 평가할 수 있는 방안을 제시하였고, 리스크 평가결과 대응이 필요한 경우 리스크 저감 대책공법을 적용할 수 있도록 가능한 터널 보조공법을 정리하였으며, 다기준 의사결정론을 활용하여 최적의 대책공법을 선정하는 방안을 제시하였다. 또한, NATM 터널 리스크 등록부 및 리스크 대책공법 관리대장을 개발하여 리스크 식별, 분석 및 평가, 대응, 통제 단계에서 리스크를 효과적으로 관리할 수 있는 NATM 터널 리스크 관리 시스템을 구축하였다.
NATM 터널 굴착 중 안전성 확보를 위한 터널 리스크 저감 대책공법(터널 보조공법)을 막장 및 갱구/사면 안정 공법, 용출수 처리공법으로 나누어 조사하였으며, 막장 안정공법은 천단, 막장면, 각부, 측벽 보강공법으로 구분하였고 용출수 처리공법은 차수, 배수 공법으로 구분하였다. 또한, 다기준 의사결정론을 활용하여 여러 리스크 저감 대책공법 중 최적의 대책공법을 선정하는 방안을 제시하였다. 의사결정을 위한 속성은 공사비 및 공사기간, 신뢰성, 적용성으로 선정하였으며, 네 가지 속성 기준으로 대안을 평가하여 최적의 대안을 선정하도록 하였다.
갱구부의 경우 기본적으로 낮은 토피고이며, 연약지반(풍화층, 토사/토석층)과 지하수/고수압 조건이나 불연속면(단층파쇄대)의 지질 리스크 요인이 확인되었으며, 일반 굴착부는 불연속면(단층파쇄대), 낮은 토피고, 큰 압력을 받는 지반의 지질 리스크 요인이 확인되었다. 또한, 일반 굴착부 중 시추공 근처의 터널 노선이 아닌 구간(큰 토피고의 산지 구간)에서 전기비저항 탐사 등으로 폭이 좁고 수직적 경향의 저비항대가 확인되어 해당 이상대를 불연속면(단층파쇄대)로 선정하였다.
총 183개소의 국내외 NATM 터널에 대한 터널붕괴 사례를 분석하여 NATM 터널 리스크 요인과 사건 그리고 리스크 시나리오를 도출하였다. 리스크 요인은 지질 리스크 요인, 설계 리스크 요인, 시공 리스크 요인의 세 가지 카테고리로 분류하여 분석하였으며, 리스크 사건은 과대변형, 과대변형 및 지표침하, 터널내부 붕락, 붕락 및 지표침하/함몰 네 가지 유형으로 구분하였다. 이를 바탕으로 13가지 지질 리스크 요인별 리스크 시나리오를 식별하였다.
리스크 평가와 동일한 방식으로 각각의 지질 리스크 요인별 리스크 시나리오에 대한 잔존 리스크를 평가하여 리스크 관리의 지속여부를 결정하였다. 리스크 저감 대책공법이 적용된 후의 발생빈도 및 심각도 등급(점수)을 산정하여 잔존 리스크를 평가하였으며, 잔존 리스크 평가 또한 10명의 터널 설계 전문가 및 시공 전문가 설문조사를 통해 산정하였다. 잔존 리스크 평가 역시 각각의 발생빈도와 심각도 등급(점수)은 각 시나리오별 설문조사 결과의 평균값을 사용하였으며, 각 시나리오별 표준편차의 최대값은 0.
리스크 평가를 위한 의사결정 방법으로 4등급의 발생빈도와 심각도를 고려한 4 × 4 매트릭스 평가 방법을 적용하였으며, 본 NATM 터널 리스크 관리 시스템의 리스크 평가 매트릭스 및 리스크 허용기준(리스크 레벨)은 Fig. 4와 같다.
리스크 평가와 동일한 방식으로 각각의 지질 리스크 요인별 리스크 시나리오에 대한 잔존 리스크를 평가하여 리스크 관리의 지속여부를 결정하였다. 리스크 저감 대책공법이 적용된 후의 발생빈도 및 심각도 등급(점수)을 산정하여 잔존 리스크를 평가하였으며, 잔존 리스크 평가 또한 10명의 터널 설계 전문가 및 시공 전문가 설문조사를 통해 산정하였다.
이 리스크 시나리오의 시점부(0+686)에 대한 최적의 대책공법 선정과정은 다음과 같다. 먼저 리스크 저감을 위한 세 가지의 대책공법을 선정하고, 각 대책공법별 속성값을 결정하였다. 속성값은 대책 공법들을 해당 현장에 적용할 경우 소요되는 공사비(백만원), 공사기간(일)과 9점 척도를 활용한 신뢰성, 적용성 점수이다.
리스크 평가결과 허용기준에 부합하지 않아 대응이 필요한 경우(조건부 허용 및 허용불가의 리스크 레벨) 리스크 저감 대책공법을 선정하여 적용하여야 한다. 문헌조사와 NATM 터널설계 및 시공 전문가 자문을 통하여 리스크 저감을 위한 NATM 터널 보조공법(대책공법)들을 다음과 같이 정리하였으며, 최적의 대책공법 선정 방안 또한 제시하였다.
, 2004)을 활용하여 물적피해에 경제적 손실 항목을 추가함으로써 심각도의 물적피해 기준을 보완하였다. 발생빈도 및 심각도 등급(점수)은 건설공사의 특성상 정성적인 방법으로 결정하도록 하였으며, 중간 등급(점수) 위주의 발생빈도 및 심각도 추정을 피하기 위해 3등급이나 5등급이 아닌 4등급으로 기준을 수립하였다. 수립한 기준은 Fig.
본 논문에서 제안한 NATM 터널 리스크 관리 시스템을 터널 프로젝트 현장에 적용하여 해당 현장의 위험지반(지질 리스크 요인)과 그로 인해 발생 가능한 리스크 사건(리스크 시나리오)을 식별하였고, 식별된 리스크 시나리오를 분석 및 평가하여 대응이 필요한 리스크에 대하여 리스크 저감대책을 적용하는 일련의 리스크 관리 프로세스를 수행하였다. 그 결과 위험지반(지질 리스크 요인)으로부터 발생 가능한 리스크를 효과적으로 관리할 수 있었다.
공사비, 공사기간과 같이 낮을수록 유리한 속성은 비용기준(cost criteria)을 적용하였고, 신뢰성, 적용성과 같이 높을수록 유리한 속성은 혜택기준(benefit criteria)를 적용하였다. 속성의 상대적 중요성을 나타내는 속성 가중치는 다기준 의사결정론에서 중요한 요인이며, 정규화된 속성값 간의 차이가 큰 속성을 중요한 속성으로 보는 엔트로피 절차를 통해 산정하였다. 마지막으로 단순가중합법을 적용하여 최종 의사결정 점수를 산정하였으며, 최적 대책공법 선정을 위한 다기준 의사결정표는 Table 5와 같다.
각각의 지질 리스크 요인별 리스크 시나리오의 발생빈도와 심각도를 분석하여 리스크 저감대책 적용 여부를 판단할 수 있도록 앞서 구축한 4등급의 발생빈도와 심각도를 고려한 4 × 4 매트릭스 평가 방법을 적용하여 리스크 평가를 수행하였다. 앞에서 제시한 발생빈도 및 심각도 기준으로 10명의 터널 설계 전문가 및 시공 전문가 설문조사를 수행하였고, Fig. 4의 리스크 평가 매트릭스 및 리스크 허용기준(리스크 레벨)을 통해 각각의 리스크 시나리오를 평가한 결과는 Table 4와 같다. 각각의 발생빈도와 심각도 등급(점수)은 각 시나리오별 설문조사 결과의 평균값을 사용하였으며, 각 시나리오별 표준편차의 최대값은 0.
그 결과 Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2017)의 정책자료 ‘설계 안전성 검토 업무 매뉴얼’에서 제시하는 기준을 활용하여 발생빈도 및 심각도 기준을 수립하였으며, 심각도의 경우 인적피해와 물적피해 모두를 고려할 수 있게 하였다. 여기서 물적피해는 공사기간 손실을 의미하지만 Fig. 3에 제시된 국제터널학회(ITA)의 가이드라인(Eskesen et al., 2004)을 활용하여 물적피해에 경제적 손실 항목을 추가함으로써 심각도의 물적피해 기준을 보완하였다. 발생빈도 및 심각도 등급(점수)은 건설공사의 특성상 정성적인 방법으로 결정하도록 하였으며, 중간 등급(점수) 위주의 발생빈도 및 심각도 추정을 피하기 위해 3등급이나 5등급이 아닌 4등급으로 기준을 수립하였다.
4와 같다. 여기서 심각도의 경우, 공사기간 손실(물적피해), 경제적 손실(물적피해), 인적피해에 대한 각각의 등급(점수) 중에서 상위 등급(점수)을 심각도 등급(점수)으로 선택하도록 하였다.
또한, 다기준 의사결정론을 활용하여 여러 리스크 저감 대책공법 중 최적의 대책공법을 선정하는 방안을 제시하였다. 의사결정을 위한 속성은 공사비 및 공사기간, 신뢰성, 적용성으로 선정하였으며, 네 가지 속성 기준으로 대안을 평가하여 최적의 대안을 선정하도록 하였다.
리스크 요인은 지질 리스크 요인, 설계 리스크 요인, 시공 리스크 요인의 세 가지 카테고리로 분류하여 분석하였으며, 리스크 사건은 과대변형, 과대변형 및 지표침하, 터널내부 붕락, 붕락 및 지표침하/함몰 네 가지 유형으로 구분하였다. 이를 바탕으로 13가지 지질 리스크 요인별 리스크 시나리오를 식별하였다.
지하수/고수압 조건의 경우 불연속면, 연약지반, 낮은 토피고, 카르스트 지형, 인공 구조물의 지질 리스크 요인과 함께 작용하여 리스크 사건이 발생되므로 13가지 리스크 시나리오에 대하여 식별하였다. 이후 해당 NATM 터널 리스크 시나리오에 대한 분석 및 평가를 수행한다.
3707로 가장 큰 강관 보강 그라우팅을 최적의 리스크 저감 대책공법으로 제시하였다. 이후 해당 리스크 저감 대책공법을 적용한 후에도 잔존하고 있을 리스크에 대한 평가(잔존 리스크 평가)를 수행하였다.
지금까지 서술한 리스크 식별, 평가, 대응, 통제에 이르는 일련의 리스크 관리 프로세스의 결과를 설계단계 이후에도 지속적이고 효과적으로 활용할 수 있도록 본 논문에서는 NATM 터널 리스크 관리를 위한 리스크 등록부(Fig. 6)와 대책공법 관리대장(Fig. 7)을 개발하였으며, 이를 통해 NATM 터널 프로젝트에서 발생 가능한 리스크를 통제/관리할 수 있는 NATM 터널 리스크 관리 시스템을 구축하였다.
따라서 NATM 터널에서의 주된 리스크 발생원인인 지질 리스크 요인별로 리스크 시나리오를 Table 2와 같이 식별하였다. 지하수/고수압 조건의 경우 불연속면, 연약지반, 낮은 토피고, 카르스트 지형, 인공 구조물의 지질 리스크 요인과 함께 작용하여 리스크 사건이 발생되므로 13가지 리스크 시나리오에 대하여 식별하였다. 이후 해당 NATM 터널 리스크 시나리오에 대한 분석 및 평가를 수행한다.
총 183개소의 국내외 NATM 터널에 대한 터널붕괴 사례를 분석하여 NATM 터널 리스크 요인과 사건 그리고 리스크 시나리오를 도출하였다. 리스크 요인은 지질 리스크 요인, 설계 리스크 요인, 시공 리스크 요인의 세 가지 카테고리로 분류하여 분석하였으며, 리스크 사건은 과대변형, 과대변형 및 지표침하, 터널내부 붕락, 붕락 및 지표침하/함몰 네 가지 유형으로 구분하였다.
현장 적용성 검증을 위하여 구축한 NATM 터널 리스크 관리 시스템을 ○○터널 건설공사 현장에 적용하였다. 프로젝트 현장의 위험지반 식별, 위험지반별 발생 가능 리스크 시나리오 파악 및 평가, 리스크 저감대책 적용을 통한 대응 그리고 통제에 이르는 일련의 리스크 관리 프로세스를 수행하였다. 그 결과 리스크 레벨이 높은 위험지반별 리스크 시나리오를 파악하고 해당 리스크를 사전에 대응함으로써 리스크 레벨을 낮추어 효과적으로 리스크를 관리할 수 있음을 확인하였다.
NATM 터널시공 중 발생할 수 있는 리스크 및 리스크별 대책공법을 도출하기 위해 국내외 여러 NATM 터널 현장에 대한 터널붕괴 사례(총 183개소)를 조사하여 붕괴 발생원인과 결과 그리고 현장에서 적용한 대책공법 등을 분석하였다. 해당 분석결과를 바탕으로 NATM 터널 리스크 요인과 사건에 대한 식별을 수행하였다.
본 연구에서는 NATM 터널 리스크 관리 시스템을 구축하기 위하여 국내외 여러 터널공사 현장에서 발생한 붕락사례들을 중심으로 발생원인 및 결과, 보강방안 등을 분석하여 NATM 터널 리스크 요인과 사건을 도출하였고, 지질 리스크 요인별로 리스크 사건이 발생되는 NATM 터널 리스크 시나리오를 식별하였다. 해당 지질 리스크 요인별 리스크 시나리오를 분석하고 평가할 수 있는 방안을 제시하였고, 리스크 평가결과 대응이 필요한 경우 리스크 저감 대책공법을 적용할 수 있도록 가능한 터널 보조공법을 정리하였으며, 다기준 의사결정론을 활용하여 최적의 대책공법을 선정하는 방안을 제시하였다. 또한, NATM 터널 리스크 등록부 및 리스크 대책공법 관리대장을 개발하여 리스크 식별, 분석 및 평가, 대응, 통제 단계에서 리스크를 효과적으로 관리할 수 있는 NATM 터널 리스크 관리 시스템을 구축하였다.
현장 적용성 검증을 위하여 구축한 NATM 터널 리스크 관리 시스템을 ○○터널 건설공사 현장에 적용하였다. 프로젝트 현장의 위험지반 식별, 위험지반별 발생 가능 리스크 시나리오 파악 및 평가, 리스크 저감대책 적용을 통한 대응 그리고 통제에 이르는 일련의 리스크 관리 프로세스를 수행하였다.
현장 적용의 첫번째 단계는 해당 프로젝트의 지질 리스크 요인을 선정하는 것이며, 지질 리스크요인은 프로젝트 구간에 대한 지반조사 보고서를 바탕으로 선정하였다. 갱구부의 경우 기본적으로 낮은 토피고이며, 연약지반(풍화층, 토사/토석층)과 지하수/고수압 조건이나 불연속면(단층파쇄대)의 지질 리스크 요인이 확인되었으며, 일반 굴착부는 불연속면(단층파쇄대), 낮은 토피고, 큰 압력을 받는 지반의 지질 리스크 요인이 확인되었다.

데이터처리

4의 리스크 평가 매트릭스 및 리스크 허용기준(리스크 레벨)을 통해 각각의 리스크 시나리오를 평가한 결과는 Table 4와 같다. 각각의 발생빈도와 심각도 등급(점수)은 각 시나리오별 설문조사 결과의 평균값을 사용하였으며, 각 시나리오별 표준편차의 최대값은 0.6으로 최대 표준편차가 1 이하로 확인되었다. 1건의 조건부 허용 등급을 제외하고는 모두 허용불가 등급으로 리스크 대응(저감대책 적용)이 필요한 것으로 확인되었다.

이론/모형

서로 다른 단위를 갖는 속성값을 비교하기 위해서는 정규화 과정이 필요하며, 로그정규화 방법을 활용하였다. 공사비, 공사기간과 같이 낮을수록 유리한 속성은 비용기준(cost criteria)을 적용하였고, 신뢰성, 적용성과 같이 높을수록 유리한 속성은 혜택기준(benefit criteria)를 적용하였다. 속성의 상대적 중요성을 나타내는 속성 가중치는 다기준 의사결정론에서 중요한 요인이며, 정규화된 속성값 간의 차이가 큰 속성을 중요한 속성으로 보는 엔트로피 절차를 통해 산정하였다.
속성값 정규화는 로그정규화 방법(logarithmic normalization method)을 활용하였으며, 속성 가중치는 엔트로피 절차를 통해 산정하였다. 또한, 가중치를 적용한 각 대책공법별 최종 의사결정 점수를 비교하기 위해 단순가중합법(Simple Additive Weighting Method, SAW)을 활용하였다. 최적 대책공법 선정 방법에 대한 자세한 과정은 Chung et al.
리스크 분석/평가를 위하여 국내외 여러 기준과 적용사례를 조사/분석한 결과, NATM 터널 리스크 평가에 적용할 의사결정 방법으로 국토교통부 고시 제2020-47호 ‘건설공사 안전관리 업무수행 지침’과 국토교통부 정책 자료 ‘설계 안전성 검토 업무 매뉴얼’에서 제시하는 평가 방법인 리스크 매트릭스 평가 방법을 선정하였다.
리스크 허용기준(리스크 레벨)은 Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2017)의 정책자료 ‘설계 안전성 검토 업무 매뉴얼’을 비롯하여 프로젝트 관리 분야의 대표 단체인 Project Management Institute (2013), 미국 연방 정부기관인 Centers for Medicare & Medicaid Services (2014)에서 제시하는 기준을 활용하였다.
본 터널 리스크 관리 시스템은 Act No. 16272 (2019)의 ‘건설기술 진흥법’ 제62조(건설공사의 안전관리), Presidential Decree No. 30256 (2019)의 ‘건설기술 진흥법 시행령’ 제75조의2 (설계의 안전성 검토) 및 Ministry of Land, Infrastructure and Transport Notice No. 2020-47 (2020)의 ‘건설공사 안전관리 업무수행 지침’에서 제시하는 설계 안전성 검토(Design For Safety, DFS)와 국제터널학회(International Tunnelling and Underground Space Association, ITA) Working Group No. 2에서 제시하는 터널 리스크 관리 가이드라인의 내용을 반영하여 구축하였다.
속성값은 대책 공법들을 해당 현장에 적용할 경우 소요되는 공사비(백만원), 공사기간(일)과 9점 척도를 활용한 신뢰성, 적용성 점수이다. 서로 다른 단위를 갖는 속성값을 비교하기 위해서는 정규화 과정이 필요하며, 로그정규화 방법을 활용하였다. 공사비, 공사기간과 같이 낮을수록 유리한 속성은 비용기준(cost criteria)을 적용하였고, 신뢰성, 적용성과 같이 높을수록 유리한 속성은 혜택기준(benefit criteria)를 적용하였다.
속성의 경우 공사비와 공사기간의 양적기준 속성과 신뢰성과 적용성의 질적기준 속성을 고려하였다. 속성값 정규화는 로그정규화 방법(logarithmic normalization method)을 활용하였으며, 속성 가중치는 엔트로피 절차를 통해 산정하였다. 또한, 가중치를 적용한 각 대책공법별 최종 의사결정 점수를 비교하기 위해 단순가중합법(Simple Additive Weighting Method, SAW)을 활용하였다.
지질 리스크 요인별 리스크 시나리오를 분석 및 평가하기 위하여 여러 의사결정 방법 중에서 발생빈도와 심각도를 평가기준으로 리스크를 분석하고 평가하는 매트릭스 평가방법을 적용하였다. 리스크 매트릭스는 Ministry of Land, Infrastructure and Transport Notice No.

성능/효과

6으로 최대 표준편차가 1 이하로 확인되었다. 1건의 조건부 허용 등급을 제외하고는 모두 허용불가 등급으로 리스크 대응(저감대책 적용)이 필요한 것으로 확인되었다. 따라서 조건부 허용 등급의 리스크 시나리오를 포함한 모든 시나리오에 대하여 리스크 저감 대책공법 적용 검토를 수행하였다.
현장 적용의 첫번째 단계는 해당 프로젝트의 지질 리스크 요인을 선정하는 것이며, 지질 리스크요인은 프로젝트 구간에 대한 지반조사 보고서를 바탕으로 선정하였다. 갱구부의 경우 기본적으로 낮은 토피고이며, 연약지반(풍화층, 토사/토석층)과 지하수/고수압 조건이나 불연속면(단층파쇄대)의 지질 리스크 요인이 확인되었으며, 일반 굴착부는 불연속면(단층파쇄대), 낮은 토피고, 큰 압력을 받는 지반의 지질 리스크 요인이 확인되었다. 또한, 일반 굴착부 중 시추공 근처의 터널 노선이 아닌 구간(큰 토피고의 산지 구간)에서 전기비저항 탐사 등으로 폭이 좁고 수직적 경향의 저비항대가 확인되어 해당 이상대를 불연속면(단층파쇄대)로 선정하였다.
프로젝트 현장의 위험지반 식별, 위험지반별 발생 가능 리스크 시나리오 파악 및 평가, 리스크 저감대책 적용을 통한 대응 그리고 통제에 이르는 일련의 리스크 관리 프로세스를 수행하였다. 그 결과 리스크 레벨이 높은 위험지반별 리스크 시나리오를 파악하고 해당 리스크를 사전에 대응함으로써 리스크 레벨을 낮추어 효과적으로 리스크를 관리할 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서 제안한 NATM 터널 리스크 관리 시스템을 터널 프로젝트 현장에 적용하여 해당 현장의 위험지반(지질 리스크 요인)과 그로 인해 발생 가능한 리스크 사건(리스크 시나리오)을 식별하였고, 식별된 리스크 시나리오를 분석 및 평가하여 대응이 필요한 리스크에 대하여 리스크 저감대책을 적용하는 일련의 리스크 관리 프로세스를 수행하였다. 그 결과 위험지반(지질 리스크 요인)으로부터 발생 가능한 리스크를 효과적으로 관리할 수 있었다. 하지만 위험지반 식별을 지반조사 보고서에만 의존하여 수행하였고, 리스크 시나리오 식별 시 리스크 요인과 발생 가능 사건 사이의 인과관계 분석 과정이 불명확한 문제점이 존재하였다.
일반적으로 건설공사에 대한 리스크 관리 시 지질, 설계, 시공 리스크 요인을 리스크 발생원인으로 고려하기 때문에 NATM 터널붕괴 사례 또한 이 세 가지 카테고리로 구분하여 리스크 요인을 Table 1과 같이 분석하였다. 또한, 183개소의 터널붕괴 사례에 대한 각 리스크 요인별 붕괴 발생분포 분석결과, 지질 리스크 요인이 약 84%, 설계 리스크 요인이 약 7%, 시공 리스크 요인이 약 9%로 나타났다. 따라서 NATM 터널에서는 위험지반(지질 리스크 요인)이 주된 리스크 발생원인임을 알 수 있다.
NATM 터널 리스크 요인과 사건 분석결과를 바탕으로 리스크 요인별 NATM 터널 리스크 시나리오를 식별하였다. 리스크 시나리오를 식별함에 있어 리스크 요인으로부터 리스크 사건이 발생하는 과정을 분석하였고, 그 결과 설계 및 시공 리스크 요인은 설계 및 시공단계에서 지질 리스크 요인에 대한 대응이 적절하지 못해 발생하는 것임을 알 수 있었다. 따라서 NATM 터널에서의 주된 리스크 발생원인인 지질 리스크 요인별로 리스크 시나리오를 Table 2와 같이 식별하였다.

후속연구

하지만 위험지반 식별을 지반조사 보고서에만 의존하여 수행하였고, 리스크 시나리오 식별 시 리스크 요인과 발생 가능 사건 사이의 인과관계 분석 과정이 불명확한 문제점이 존재하였다. 향후 보다 체계적인 NATM 터널 리스크 관리 시스템을 구축하기 위해서는 굴착면 전방 예측 결과 활용방안 및 리스크 요인과 사건간의 인과관계 분석 등의 후속 연구를 수행하여야 할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강관보강 그라우팅은 어떤 방식입니까?	Table 3은 모든 터널 보조공법에 대해 작성한 것이 아니므로, 리스크 저감 대책공법 선정 시 Table 3뿐만 아니라 적용 현장 조건에 적합한 공법들을 모두 고려하여야 한다. 예를 들어 막장 안정공법 중에 천단 보강공법으로 강관보강 그라우팅은 천공 후 삽입하는 방식(일반천공)으로 천공홀의 자립이 불가능할 경우에는 직천공 방식의 공법을 적용해야 한다. 또한, 주입 분사방식에 따라 단관식(주입재 분사), 이중관식(주입재 및 공기 병용 분사), 삼중관식(주입재, 물 및 공기 병용 분사)으로 구분할 수 있으며, 주입재 종류별로도 여러 공법들이 존재한다.
	실제 터널시공 중에 발생할 수 있는 문제는?	특히 터널공사의 경우 설계단계에서 수행하는 지반조사는 광범위한 지역을 탐사하기 때문에 조사결과의 불확실성이 존재한다. 실제 터널시공 중에 예상하지 못한 지질조건과 조우하는 경우가 많으며, 터널시공 중 예상치 못한 위험지반에 대한 적절한 대처가 이루어지지 않으면 터널 붕괴 ‧ 붕락 등으로 인한 공사비용 및 공사기간 증가를 비롯하여 인명피해까지도 발생할 수 있다. 따라서 안전성과 경제성을 확보한 성공적인 터널공사를 위하여 설계 및 시공단계에 적용 가능한 리스크 관리 시스템이 필요하다.
	본 연구에서 NATM 터널의 리스크 관리 시스템을 제안한 이유는?	국내의 경우 Ministry of Land, Infrastructure and Transport Notice No. 2020-47 (2020)의 ‘건설공사 안전관리 업무수행 지침’에서 설계 안전성 검토(Design for Safety, DFS)가 법령화됨에 따라 향후 건설공사에서는 리스크 분석을 수행하여야 한다. 하지만 이 또한 건설공사 설계단계에 대한 일반적인 리스크 관리에 대한 내용이며, 현재 국내에서는 터널공사를 비롯한 건설 산업분야에서의 리스크 분석 및 관리는 미진한 실정이다.

참고문헌 (13)

Act No. 16272 (2019), Construction Technology Promotion Act, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Sejong, Korea.
Centers for Medicare & Medicaid Services (2014), XLC Risk Management Guidance and Risk Register Instructions Version 2, Office of Information Services, Centers for Medicare & Medicaid Services, Baltimore, MD, USA.
Chung, H., Park, J., Lee, K.H., Park, J., Lee, I.M. (2016), "TBM risk management system considering predicted ground condition ahead of tunnel face: methodology development and application", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 18, No. 1, pp. 1-12.

원문보기 상세보기
Eskesen, S.D., Tengborg, P., Kampmann, J., Veicherts, T.H. (2004), "Guidelines for tunnelling risk management: International Tunnelling Association, Working Group No. 2", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 19, No. 3, pp. 217-237.

상세보기
Land Transport Authority (2012), Construction Safety Handbook, Land Transport Authority, Singapore.
Land Transport Authority (2018), Safety, Health and Environment (General Specification Appendix A), Land Transport Authority, Singapore.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2017), Task Manual on Design for Safety, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Sejong, Korea.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport Notice No. 2020-47 (2020), Construction Safety Management Task Guidelines, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Sejong, Korea.
Pennington, T.W. (2011), Tunneling Beneath Open Water, Parsons Brinckerhoff Inc., NW, USA.
Presidential Decree No. 30256 (2019), Enforcement Decree of the Construction Technology Promotion Act, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Sejong, Korea.
Project Management Institute (2013), A guide to the project management body of knowledge (PMBOK guide) Fifth Edition, Project Management Institute, Inc., Newtown Square, PA, USA.
Tasmanian Government (2011), Project Management Guidelines, Office of eGovernment, Department of Premier and Cabinet, Hobart, Tasmania, Australia.
WSP | Parsons Brinckerhoff (2016), NCHRP 08-36 Task 126 Development of Risk Register Spreadsheet Tool, Transportation Research Board, National Academy of Sciences, Washington, DC, USA.

저자의 다른 논문 :

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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