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문제 정의
- 본고에서는 이스탄불 보스포러스해협에 건설계획중인 유라시아 터널 사례를 중심으로 입찰설계에서의 주요사항인 고수압 및 복합지반 조건, 내진설계에 대해 간략히 소개하고자 한다. 또한 현재까지의 진행현황을 지반조사, 내진설계, 쉴드 TBM 장비개선 및 내화설계 내용을 중심으로 설명하고자 한다.
- 본 연구에서는 터키 이스탄불해협에 추진 중인 유라시아터널 프로젝트에 대한 사례를 바탕으로 해저 쉴드 TBM 터널 설계시 주요 고려사항과 현재단계의 설계추진현황에 대해 소개하였다. 본 고에서의 주요사항을 요약하면 다음과 같다.
- 현재 유라시아 터널 프로젝트는 전체 프로젝트 단계 중 preliminary design 단계가 진행 중이며, 고수압 및 복합지반조건에서의 해저터널 안정성 확보방안과 비상시 방재대책에 대해 검토 중이다. 본고에서는 이스탄불 보스포러스해협에 건설계획중인 유라시아 터널 사례를 중심으로 입찰설계에서의 주요사항인 고수압 및 복합지반 조건, 내진설계에 대해 간략히 소개하고자 한다. 또한 현재까지의 진행현황을 지반조사, 내진설계, 쉴드 TBM 장비개선 및 내화설계 내용을 중심으로 설명하고자 한다.
가설 설정
- (3) 콘크리트의 폭렬현상은 방지되어야 한다.
- Istanbul Technical University의 linear rock cutting rig(그림 14 참조)을 이용하여 쉴드 TBM의 굴진율을 산정하였고 굴진속도 산정시 쉴드 TBM 가동률을 30%로 가정하였다. 굴진속도를 산정한 결과 트라키아층의 무결암 굴진속도는 8.
제안 방법
- (1) 유라시아 터널 프로젝트에서는 고수압 해저구간에서의 터널안정성, 시공성 및 경제성 등을 고려하여 접속부가 발생되는 병렬터널 형식이 아닌 대단면 복층터널 형식으로 계획되었다.
- (2) 쉴드 TBM 장비의 선정은 고수압 대응성(최대수압 8bar이상), 대단면 굴진 및 버력처리 용이성, 시공중 지층변화에 대한 안정성을 고려하여 이수식 쉴드 TBM으로 선정하였다.
- (4) 쉴드 TBM 후방의 지수대책으로 3열 테일실 사이에 1열의 긴급지수장치가 적용되었으며 고수압 조건에서 디스크 커터 교체시 작업자의 안전성 확보를 위해 슬라이더 가이더를 이용한 교환방식을 적용하였다. 또한 세그먼트 연결부 방수공법으로는 장기적인 방수성능 유지를 위해 수팽창성 지수재와 결합된 복합형 고무가스켓 방식을 적용하였다.
- (5) 내진설계에서는 상대강성 차이가 큰 암반-토사층 경계부와 수직구-터널 접속부 구간에 대한 중점적인 검토가 수행되었으며 상대변위에 의해 세그먼트 손상이 예상되는 구간에는 가동 세그먼트와 섬유보강 고무제(탄성와샤)를 적용하여 지진발생에 의한 변형을 흡수할 수 있도록 하였다.
- 쉴드 TBM 터널 통과구간 중 상대강성의 차이가 큰 암/토사 경계부 및 수직구-터널 접속부 등은 지진 위험이 큰 구간으로 내진대책의 적정성을 검토하기 위하여 횡방향 및 종방향 구조물 안정성 검토를 수행하였다. 1차원 지반응답해석 및 횡방향 구조해석을 통해 세그먼트 두께 및 이음부 지수성에 대하여 검토하였으며, 2차원 지반응답해석 및 종방향 구조해석을 통해 이음부 지수성 및 가동세그먼트, 탄성와셔 등의 내진대책의 적정성을 검토하였다. 향후 상세 지반조사 결과를 반영하여 재검토할 계획이다.
- 34km이며, 터널형식은 지질 및 수리조건, 시공성과 경제성을 고려하여 병렬터널이 아닌 대단면 복층터널로 계획되었다. NATM터널과 개착터널은 쉴드 TBM터널과 수직구에서 접속되며 복층터널구간에서 병렬터널구간으로 분기되는 것으로 계획되었다. 터키는 지진이 많이 발생되는 강진다발 국가로서 특히 이스탄불은 유명한 단층대인 North Anatolian Fault와 인접하고 있으며 쉴드 TBM 터널이 통과하는 해저구간에는 연약한 사질토층이 상당부분 존재하는 것으로 파악되어 액상화 발생에 대한 위험성이 존재한다.
- Part 2구간의 해저 쉴드 TBM 터널은 그 연장이 3.34km이며, 터널형식은 지질 및 수리조건, 시공성과 경제성을 고려하여 병렬터널이 아닌 대단면 복층터널로 계획되었다. NATM터널과 개착터널은 쉴드 TBM터널과 수직구에서 접속되며 복층터널구간에서 병렬터널구간으로 분기되는 것으로 계획되었다.
- 결론적으로 유라시아 터널 프로젝트에서는 고수압 해저구간에서의 터널안정성, 시공성 및 경제성 등을 고려하여 대단면 복층터널형식으로 계획되었다.
- 유라시아터널은 보스포러스 해협중앙부에서 8bar이상의 고수압 구간을 통과하는 것으로 계획되었으며 이러한 고수압구간에서의 대단면 터널계획은 세계적으로도 그 사례를 찾아볼 수 없는 어려운 공사로 평가되어 진다. 고수압 구간에서의 터널안정성 확보는 본 해저터널 프로젝트에서 가장 중요한 요소이며 이에 대한 대책으로 고수압 대응을 위한 쉴드 TBM 장비개선, 세그먼트의 두께 및 폭, 연결부 방수개선을 중점적으로 검토하였다. 앞 절에서 언급한 바와 같이 고수압 조건에서의 굴진면 압력변화에 대한 신속한 대처가 가능한 이수식 쉴드 TBM을 적용하였고, 쉴드 TBM 후방의 지수대책으로 3열 테일실 사이에 1열의 긴급지수장치를 적용하였다.
- 고수압 조건하 터널 안정성에 직접적인 영향을 주는 세그먼트의 두께 및 폭의 결정은 해외 시공사례분석과 수치해석을 통해 수행되었다. 그림 4는 해외사례분석을 통한 세그먼트 외경(Do)과 폭(B), 두께(h)와의 관계를 나타낸다.
- 따라서 고수압 대응성(최대수압 8bar이상), 대단면 굴진 및 버력처리 용이성, 시공중 지층변화에 대한 안정성을 고려하여 이수식 쉴드 TBM으로 선정하였다.
- 앞 절에서 언급한 바와 같이 고수압 조건에서의 굴진면 압력변화에 대한 신속한 대처가 가능한 이수식 쉴드 TBM을 적용하였고, 쉴드 TBM 후방의 지수대책으로 3열 테일실 사이에 1열의 긴급지수장치를 적용하였다. 또한 고수압 조건에서 디스크 커터 교체시 작업자의 안전성 확보를 위해 슬라이더 가이더를 이용한 교환방식이 적용되었다.
- 4 Elbe 터널, 프랑스 Lyon 고속도로 터널). 또한 산정된 세그먼트 두께 550mm에 대한 구조검토를 수행하였다. 그러나 이는 입찰단계시 발주처에서 제공받은 인근지역의 지반물성을 바탕으로 수행된 검토이므로 향후 기본설계 단계에서는 수행된 지반조사결과를 바탕으로 정적안정성 및 동적안정성에 대한 세부적인 검토가 수행되어질 것이다.
- 또한 화재 특성곡선에 해당하는 화재강도를 가정하여 CFD(Computational Fluid Dynamics)해석을 통해 터널구조물의 온도분표 변화를 분석하였다(그림 16 참조). 고강도 세그먼트 라이닝으로 이루어진 쉴드 TBM터널 전체에 최대 화재온도를 직접 적용하는 것은 다소 과도한 화재강도의 적용이라 판단된다.
- 먼저 위에서 언급되어진 화재시 최대온도 1200℃를 터널구조물에 직접 적용하여 열전도 해석 등의 내화 해석을 수행하였다. 일반 현장타설 콘크리트의 강도보다 큰 40MPa이상의 강도를 가지는 세그먼트 라이닝의 경우에는 열전도율이 상대적으로 크기 때문에 최대온도 1200℃를 60분간 지속시킬 경우에는 내화기준을 만족시키지 못하는 경우가 발생하게 된다.
- 지진발생에 대한 주요사항은 상대강성 차이로 발생되는 상대변위로 인한 세그먼트의 손상이며 이에 대한 검토를 위해 상대강성이 암반-토사층 경계부와 수직구-터널 접속부 구간에 대한 중점적인 검토가 수행되었다. 상대변위에 의해 세그먼트 손상이 예상되는 구간에는 동경만 아쿠아라인에 적용된 사례가 있는 가동 세그먼트(flexible segment)와 섬유보강 고무제(탄성와샤)를 적용하여 지진발생에 의한 변형을 흡수할 수 있도록 하였다.
- 쉴드 TBM 장비의 커터헤드와 커터교체계획은 이러한 지반의 복합성을 고려하여 수행되었다. 암반구간에는 디스크 커터를 적용하였으며 토사지반에는 비트 커터와 special knife edge 커터를 적용하였다. 또한 커터헤드 전면의 개구율은 약 31%로 계획하였으며 선형 조정을 위한 카피 커터가 반영되었다.
- 고수압 구간에서의 터널안정성 확보는 본 해저터널 프로젝트에서 가장 중요한 요소이며 이에 대한 대책으로 고수압 대응을 위한 쉴드 TBM 장비개선, 세그먼트의 두께 및 폭, 연결부 방수개선을 중점적으로 검토하였다. 앞 절에서 언급한 바와 같이 고수압 조건에서의 굴진면 압력변화에 대한 신속한 대처가 가능한 이수식 쉴드 TBM을 적용하였고, 쉴드 TBM 후방의 지수대책으로 3열 테일실 사이에 1열의 긴급지수장치를 적용하였다. 또한 고수압 조건에서 디스크 커터 교체시 작업자의 안전성 확보를 위해 슬라이더 가이더를 이용한 교환방식이 적용되었다.
- 유라시아 터널의 사업구간은 강진 발생 위험이 높은 구간으로 발주처에서는 기능수행수준과 붕괴방지 수준의 두 가지 내진성능수준별로 구조물의 안정성을 확보하도록 요구하였으며, 각 수준의 설계지진가속도로 각각 0.4g와 0.6g를 제안하였다. 현재까지의 지반조사 결과를 바탕으로 진행되고 있는 내진설계 진행현황은 다음과 같다.
- 유라시아터널 프로젝트의 해저구간 쉴드 TBM 터널형식을 선정하기 위해 대단면 복층터널(Double Deck Tunnel) 형식과 병렬터널(Twin tunnel) 형식이 비교 검토되었다. 해저구간은 연약한 지층에 최대수압이 8bar이상 작용되는 구간을 통과하며 이스탄불 지역은 규모 7.
- (3) 유라시아터널의 해저지반은 균열과 절리가 매우 발달되어 있는 트라키아층과 보스포러스 해협중앙에 깊게 분포하는 연약 퇴적층으로 구성되어 있다. 이러한 복합지반 통과를 위해 암반구간에는 디스크 커터를 적용하였으며 토사지반에는 비트 커터와 special knife edge 커터를 적용하였다.
- 또한 커터헤드 전면의 개구율은 약 31%로 계획하였으며 선형 조정을 위한 카피 커터가 반영되었다. 커터 교체는 굴진 효율의 저하를 방지하기 위해 마모정도를 체크하는 센서가 적용되었으며, 지반상태에 따라 암반구간은 200～500m굴진, 토사구간은 2,000m 굴진시 커터를 교환하는 것으로 가정하여 암반구간에서 약 10회의 디스크 커터를 교체하는 것으로 계획하였다.
- 해외사례 분석결과를 바탕으로 유라시아터널 세그먼트 외경(Do=12,500mm)에 대응하는 세그먼트의 폭을 2.0m로 결정하고 세그먼트 두께는 550mm로 결정하였다. 세그먼트 폭 2.
이론/모형
- (4) 쉴드 TBM 후방의 지수대책으로 3열 테일실 사이에 1열의 긴급지수장치가 적용되었으며 고수압 조건에서 디스크 커터 교체시 작업자의 안전성 확보를 위해 슬라이더 가이더를 이용한 교환방식을 적용하였다. 또한 세그먼트 연결부 방수공법으로는 장기적인 방수성능 유지를 위해 수팽창성 지수재와 결합된 복합형 고무가스켓 방식을 적용하였다.
- 수팽창성 지수재는 재료의 팽창압과 탄성반력의 2가지 지수원리를 이용한 방수재이고, 고무 가스켓은 탄성반발력에 의한 접면압력으로 방수하는 방수재이다. 유라시아터널의 세그먼트 연결부 방수공법으로는 장기적인 방수성능 유지를 위해 수팽창성 지수재와 결합된 복합형 고무가스켓 방식을 적용하였다.
성능/효과
- (2) 내화설계시 적용되는 화재의 특성은 최대 1200℃의 온도로 60분간 연소되며, 110분간 냉각과정을 거치는 화재 곡선을 적용한다.
- (3) 유라시아터널의 해저지반은 균열과 절리가 매우 발달되어 있는 트라키아층과 보스포러스 해협중앙에 깊게 분포하는 연약 퇴적층으로 구성되어 있다. 이러한 복합지반 통과를 위해 암반구간에는 디스크 커터를 적용하였으며 토사지반에는 비트 커터와 special knife edge 커터를 적용하였다.
- (4) 구조물의 철근 온도는 350℃ 이하여야 한다.
- 입찰안내서의 내화설계시 적용되는 화재특성은 독일 RABT(Richtlinien fuer die Ausstattung und den Betrieb von Strassentunne)규정의 EBA 화재시간 관계곡선과 동일하다. EBA곡선을 구조물에 적용하여 해석을 수행하였으며 화재 발생 전과 화재 발생 후의 구조물 강도는 화재시에도 1.12의 안전계수를 확보하여 안전한 것으로 판단되었다. 그러나 시간에 따른 깊이별 온도변화 결과에서, 철근이 위치하고 있는 5cm 깊이에서의 온도는 최고 483℃까지 상승하여 설계기준에서 허용한 최대 온도 350℃를 초과하므로 내화보강이 필요한 것으로 분석되었다.
- Istanbul Technical University의 linear rock cutting rig(그림 14 참조)을 이용하여 쉴드 TBM의 굴진율을 산정하였고 굴진속도 산정시 쉴드 TBM 가동률을 30%로 가정하였다. 굴진속도를 산정한 결과 트라키아층의 무결암 굴진속도는 8.6 m/day이고, 파쇄암은 10.8 m/day이며, 관입암은 4.3 m/day로 추정되었다. 다이크의 분포현황을 고려할 때 암반구간의 굴진속도는 8.
- 3 m/day로 추정되었다. 다이크의 분포현황을 고려할 때 암반구간의 굴진속도는 8.0 m/day로 추정되었으며, 연약지반구간의 굴진속도는 11.0 m/day가 가능한 것으로 추정되었다.
- 이에 따른 장비구입비용 및 세그먼트 비용이 크게 증가하는 것으로 분석되었다. 또한 지상작업장 부지 및 수직구 규모 증가 등으로 인해 여러 요소가 불리한 것으로 판단되었으며 대단면 복층터널 형식이 병렬터널 형식보다 터널공사비 분석에서 약 16%정도 낮은 검토되었다. 물론 이러한 공사비 비교 수치는 각 현장의 특성에 따라 변할 수 있는 사항이며 암질이 양호한 국내 현장의 비교분석 사례를 보면 복층터널 형식의 공사비가 병렬터널 형식보다 오히려 증가하게 되는 경우도 발생하게 된다.
- 또한, 이수식 쉴드 TBM의 경우 챔버내에 이수를 채워 굴진하기 때문에 토압식에 비해 디스크 커터의 내구성이 우수한 반면 토압식 쉴드 TBM은 챔버내에 굴착버력을 충만시켜 굴진하기 때문에 챔버내에서 디스크 커터의 마모가 더욱 심하게 발생하는 것으로 분석되었다. 이러한 디스크 커터의 마모현상은 종단경사가 크게 계획된 터널의 하방향 굴진에서 더욱 심하게 발생하게 된다.
- 5m의 원형단면으로 계획되었다(그림 2 참조). 병렬터널과의 굴착단면적 비교결과 두 가지 형식의 단면직경의 큰 차이는 없으나 병렬터널의 양방향 굴착을 고려할 때 굴착단면적은 복층터널에 비해 병렬터널이 약 31%정도 증가하는 것으로 분석되었다. 터널직경이 작은 병렬터널 형식이 고수압조건의 연약지층에서 시공성이 우수하나 전체 프로젝트 일정을 만족시키기 위해서는 쉴드 TBM장비 2대를 투입하여야 하는 것으로 분석되었다.
- 그림 6에서 보듯이 시추조사는 총 22공이 계획되었으며 쉴드 TBM 터널이 통과하는 해상구간은 10공, 육상구간은 3공, 개착터널과 NATM 터널이 통과하는 육상구간은 각각 4공과 5공이 수행되었다. 시추조사 결과 기반암은 그림 7과 같이 사암과 이암이 교호하여 파쇄대구간이 매우 발달됨을 알 수 있으며 다이크가 간헐적으로 관입되어있다.
- 고강도 세그먼트 라이닝으로 이루어진 쉴드 TBM터널 전체에 최대 화재온도를 직접 적용하는 것은 다소 과도한 화재강도의 적용이라 판단된다. 실제 터널내 화재발생을 모사한 CFD해석결과를 살펴보면 측벽부 및 데크플레이트 하부에서 철근이 위치하는 지점에서 내화기준 350℃를 초과하지 않는 것을 확인할 수 있다(그림 17 참조). 이는 실제 터널내 화재발생시 터널 천단부에 비해 측벽부에는 온도변화가 크지 않다는 기존의 문헌 및 시험결과와 유사한 경향을 나타낸다.
- 병렬터널과의 굴착단면적 비교결과 두 가지 형식의 단면직경의 큰 차이는 없으나 병렬터널의 양방향 굴착을 고려할 때 굴착단면적은 복층터널에 비해 병렬터널이 약 31%정도 증가하는 것으로 분석되었다. 터널직경이 작은 병렬터널 형식이 고수압조건의 연약지층에서 시공성이 우수하나 전체 프로젝트 일정을 만족시키기 위해서는 쉴드 TBM장비 2대를 투입하여야 하는 것으로 분석되었다. 이에 따른 장비구입비용 및 세그먼트 비용이 크게 증가하는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 현재단계에서는 상세 지층분포 파악 및 동적물성치에 대한 실내실험이 완료되지 않은 관계로 인접 Marmaray 철도터널 프로젝트에 적용되었던 동적물성치를 이용하여 액상화 가능 심도별 간편법, 상세법, 유효응력해석을 통해 액상화 발생 여부에 대한 Case study를 수행하였다(그림 10 참조). 검토결과 해저구간 쉴드 TBM의 토피고를 25m이상 확보할 경우, 액상화 발생 확률이 적다는 것을 확인하였으며, 향후 지반조사 결과를 반영하여 상세한 검토를 추가적으로 진행할 예정이다.
- 또한 산정된 세그먼트 두께 550mm에 대한 구조검토를 수행하였다. 그러나 이는 입찰단계시 발주처에서 제공받은 인근지역의 지반물성을 바탕으로 수행된 검토이므로 향후 기본설계 단계에서는 수행된 지반조사결과를 바탕으로 정적안정성 및 동적안정성에 대한 세부적인 검토가 수행되어질 것이다. 그리고 세그먼트 누수량의 57%는 세그먼트의 연결부에서 발생하는 것으로 알려져 있으며 이에 대한 연결부 방수공법은 수팽창성 지수재와 가스켓의 두 가지 방식으로 구분되어 진다.
- 현재 지반조사는 쉴드 TBM 터널, 개착터널과 NATM터널이 있는 Part 2 구간에 대해 계획되어 해상구간에 대한 물리탐사 및 시추조사가 완료되었다. 또한 투수시험, 수압시험, PS 검층, CPT 등의 다양한 현장시험 결과가 분석중이며 내진설계가 중요한 과업구간의 특성을 반영하여 진동반복 삼축시험, 공진주시험 등의 동적물성치 산정을 위한 시험을 수행중이다. 해상물리탐사는 동서방향으로 9개의 측선과 남북방향으로 3개의 측선 등 총 11개의 측선을 따라 조사되었으며 물리탐사 결과분석을 통한 지층선 추정결과는 그림 5에 나타난 바와 같다.
- 본 프로젝트에서는 설계응답스펙트럼에 부합하는 인공지진파를 생성하여 검토를 수행중이며, 향후 인접 보스포러스 철도터널 프로젝트에 적용되었던 지진파 및 터키 현지의 계측파를 비교 검토하여 인공지진파에 대한 검증이 수행될 것이다.
- 보스포러스 해협의 경우 빠른 조류흐름으로 인해 해상시추시 상당한 어려움을 겪었으나 현지조사업체와의 조율을 통해 큰 무리 없이 시추조사가 마무리 되었다. 실내시험은 터키 현지 Istanbul Technical University(ITU)와 Istanbul Kutur University(IKU), FUGRO(네덜란드 社)에서 수행중이며 분석된 결과를 바탕으로 지반조사 성과분석이 수행될 예정이다.
- 1차원 지반응답해석 및 횡방향 구조해석을 통해 세그먼트 두께 및 이음부 지수성에 대하여 검토하였으며, 2차원 지반응답해석 및 종방향 구조해석을 통해 이음부 지수성 및 가동세그먼트, 탄성와셔 등의 내진대책의 적정성을 검토하였다. 향후 상세 지반조사 결과를 반영하여 재검토할 계획이다. 그림 11은 2차원 지반응답해석 결과를 보여준다.
- 이는 실제 터널내 화재발생시 터널 천단부에 비해 측벽부에는 온도변화가 크지 않다는 기존의 문헌 및 시험결과와 유사한 경향을 나타낸다. 향후 세부적인 설계단계에서는 보다 심도 깊은 검토가 수행될 예정이다.
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