1. 서 론

쉴드 TBM에 의한 터널링 공법은 암반조건에서 부터 연약한 토사지반에 이르기까지 적용 범위가 매우 넓은 터널링 공법이다. 이 중에서도 Drill and Blast (NATM)에 의한 터널형성이 어려운 연약지반에서 쉴드 TBM 공법의 적용사례가 증가하고 있어서 쉴드 TBM은 미래의 대단면, 대심도, 초연약지반에서의 터널링 공법으로 중요성이 부각되고 있다. 또한, 최근 도심지의 인구과밀화, 토지가격 상승, 환경보호 등으로 인해 도로, 철도 등 토목구조물의 터널화 필요성이 증가함에 따라 근접시공, 천층터널 조건 등 어려운 여건 하에서 쉴드TBM 공법의 적용은 지속적으로 증가할 것으로 예상되고 있으며, 최근에는 국내 최초로 한강을 통과하는 고속도로 터널(고속국도 김포~파주)에서 직경 13.3 m의 대구경(이수압식 쉴드 TBM)으로 시공될 예정이다.

본 연구에서는 연약지반에서 쉴드 TBM의 적용 사례 중 암반지반에서 적용되는 경우와는 다른 성격의 트러블 사례를 고찰하였으며, 쉴드 TBM공법 적용 시 가장 주요한 사안인 지표 침하제어를 위한 챔버압 관리에 대한 축소모형실험을 수행하였다. 또한, 천층조건의 연약지반에서 이수압식 쉴드 TBM을 적용할 경우 소요 챔버압을 굴진전면에 작용시킨다고 해도 연약한 지층조건과 지반의 불균질성으로 인하여 이수가 쉴드 TBM 장비 전방의 지표로 분출할 가능성이 있고, 이로 인한 환경피해 및 민원 발생 가능성이 산재함에 따라 축소모형실험을 통하여 이수분출 제어를 위한 적정 토피고가 확보되는 종단계획 수립에 대한 연구를 수행하였다.

2. 연약지반에서의 쉴드 TBM 형식별 적용성

터널건설 기술의 발전으로 하저 및 해저터널의 건설이 증가함에 따라 고수압 조건이나 연약지반 조건과 같은 특수 조건하에서 터널을 건설하는 사례가 세계적으로 증가하고 있다. 이러한 고수압 및 연약지반 조건에서 주로 적용하는 쉴드TBM 공법은 밀폐형 쉴드TBM공법으로써 굴진면에 적정 챔버압을 가하여 지반붕괴와 용수 유입을 막아 안전한 굴착 및 라이닝 시공을 하기 위해 주로 적용된다. 밀폐형 쉴드 TBM공법은 굴진면 가압 방식에 따라 토압식(Earth Pressure Balance) 쉴드TBM과 이수압식 쉴드TBM으로 나뉜다. 연약지반에서 쉴드 TBM공법으로 터널을 건설하는 경우 토압식 쉴드TBM과 이수압식 쉴드TBM의 결정은 공사의 성패를 좌우할 수 있는 중요한 인자이기 때문에 최근에는 설계단계에서부터 해당 위치에서의 챔버압을 예측해야 한다는 의견도 많이 나오고 있다.

챔버에 작용하는 수압조건 및 지층구성에 따른 쉴드TBM 공법의 적용사례 분석을 위해 쉴드TBM 터널 시공경험이 많은 일본의 최근 10년간 쉴드 TBM 시공현황을 분석하였다. 1998년에서 2008년 사이 일본에서 시공된 쉴드 TBM사례 중 직경 5.0 m 이상의 사례 총 149건에 대해 분석한 결과는 Figs. 1~4와 같다.

Fig. 1.

Case study by shield TBM type (Japan Power Construction Association, 2001)

Fig. 2.

Case study by tunnel diameter (Japan Power Construction Association, 2001)

Fig. 3.

Case study by hydraulic condition (Japan Power Construction Association, 2001)

Fig. 4.

Case study by ground condition (Japan Power Construction Association, 2001)

일본에서 시공이 완료되었거나 현재 시공중인 쉴드 터널현장에 대한 장비 적용사례 분석결과 토압식 쉴드가 이수압식 쉴드보다 많이 적용되었지만, 직경 7 m 이상의 중~대구경 터널에서는 이수압식 쉴드가 많이 적용되었다. 이는 작업설비가 간단하며 이수압식 쉴드보다 장비가격이 저렴한 토압식 쉴드가 통신구 및 상하수도 터널과 같은 소구경의 터널 건설 시 많이 사용되었으나, 정교한 챔버압의 관리를 통해 굴진면의 자립유지가 중요한 직경 7 m 이상의 대구경 터널에서는 이수압식 쉴드가 적용된 것으로 볼 수 있으며, 최근 국내에서도 대구경 쉴드 TBM에 슬러리 쉴드 TBM 적용 사례가 증가하고 있다(Koh et al., 2020)

현장 수압조건에 의해 3 Bar 이상의 고수압이 작용하는 조건에서는 안정성 확보측면에서 유리한 이수압식 쉴드가 83% 적용되었으며, 3 Bar 이하에서는 이수압식 및 토압식 장비가 비슷한 비율로 사용되었다. 현장 지층조건에 따라서는 세립토 및 조립토 모두 이수압식 장비 사용이 많은 것으로 나타났으나, 자갈 및 전석 출현가능성이 있는 복합지반에서는 굴착토의 확인이 가능하고 송 ‧ 배니관의 폐색 및 파열 가능성이 없는 토압식 쉴드장비 사용이 상대적으로 많은 것으로 나타났다.

3. 이수압식 쉴드 TBM의 굴진면 안정기구 및 트러블 사례

3.1 이수압식 쉴드 TBM의 개발 배경

높은 지하수 조건과 투수성이 큰 지반조건에서 쉴드 TBM을 이용한 굴착 시 굴진면 안정성 확보는 쉬운 일이 아니다. 이러한 지반조건에서 최초로 쉴드 TBM을 적용한 사례는 1828년 영국의 Thame강 하부굴착이다. 굴진면 안정성 확보를 위하여 Admiral Sir Thomas Cochrane이 제안한 압축공기를 이용하는 방법이 사용되었으며(Fig. 5), 압축공기에 의한 방법을 개선하고자 개발된 형식이 1874년 Greathead (Copperthwaite, 2016)에 적용되었던 이수압식 쉴드 TBM이다(Fig. 6).

Fig. 5.

Flooding of the tunnel under the River Thames on 12th January

Fig. 6.

Slurry shield used by Greathead, Patented 1874

이후 1960년 Schneidereit의 아이디어에 의해 벤토나이트를 이용한 이수가 적용되기 시작되었으며, 1967년 일본에서 현재의 장비 형식인 회전식 Bit를 이용한 직경 3.1 m의 이수압식 쉴드 TBM을 적용하였고, 1974년 독일에서도 Wayss & Freytag AG가 이수압식 쉴드 TBM을 개발하게 되었다. 따라서 현재의 이수압식 쉴드 TBM과 같이 이수를 이용한 굴착장비 형식은 지금으로부터 약 60년 전인 1960년대 이후라 할 수 있다.

한편 이수압식 쉴드 TBM과 유사한 시스템을 가지고 있는 Mixed 쉴드 TBM은 유럽에서 1970년대 후반부터 적용되고 있다. Fig. 7과 같이 Mixed 쉴드 TBM의 경우 장비 최전방에 챔버가 2개의 칸으로 구분되어 있으며, 앞면 칸은 순수하게 이수로 충진되어 있고, 뒷면 칸은 이수 및 Air Cusion으로 구분되어 압축공기에 의해 이수압을 조절하는 시스템으로 구성되어 있으며, 안정적 챔버압 조절이 장점이기 때문에 최근에 많이 사용되는 형식이다.

Fig. 7.

Chamber pressure control system of mixed shield TBM (Guglielmetti et al., 2003)

3.2 이수압식 쉴드 TBM의 굴진면 안정기구 및 트러블 사례

이수압식 쉴드 TBM은 커터헤드 후면의 챔버내에 이수압을 가압시켜 굴진면 붕괴를 제어하면서 굴착하게 된다. 이수는 송니관(Feed Line)을 통하여 공급되며, 굴착토사는 이수와 함께 배니관(Discharge Line)을 통하여 배출하면서 굴착하게 된다. 이수압식 쉴드TBM 공법의 굴진면 안정기구는 가압된 이수압력에 의해 굴진면 토압, 수압에 저항하여 굴진면의 안정을 도모하면서 굴진면의 변형 및 지반침하를 억제하게 된다. 이를 위하여 굴진면에 저투수성 이수 침투에 따른 Mudcake를 형성하여 이수압력을 유효하게 작용시킴과 동시에 굴진면의 일정 범위에 침투하여 지반의 점착력을 증가시킨다.

Müller 등은 굴진면의 Mudcake (이막)형성 형태를 토층에 따라 3가지 Type으로 분류하였다(Fig. 8).

① Type-1: 이수의 침투가 거의 없고 이막만 형성
② Type-2: 지반의 간극이 커서 이수는 침투할 뿐 이막의 형성 없음
③ Type-3: Type-1과 Type-2의 중간으로 이수가 침투해 가면서 이막을 형성

Fig. 8.

Slurry seepage type of tunnel face (Müller-Kirchenbauer, 1972)

Type-1의 여과형태는 투수계수가 작은 점성토층에서, Type-2는 투수계수가 큰 사력층에서, Type-3은 사질토층에서 주로 발생되는 현상이다. 매우 미소한 두께의 이막이 형성되면 굴진면 지지압력인 이수압의 효율은 크게 저하하게 되며, 지반에 이수가 과도하게 침투하면 이수압이 굴진면에 유효하게 작용하지 않을 뿐만 아니라, 지반 간극수압이 상승하여 유효응력의 저하를 초래하기 때문에 굴진면 안정에 바람직하지 않다. 따라서 투수계수가 큰 사질토층과 사력층에서 이막의 형성 성능을 향상시키기 위한 대처가 필요하다. 즉 이수압식 쉴드 TBM 적용 시 이수품질 관리에 대한 중요성뿐만 아니라 이막이 형성되지 않는 조건에서 지상으로의 분출 가능성 또한 검토가 필요한 항목이라 할 수 있다.

본 고에서 제시하는 트러블 사례는 이수분출 사례는 아니지만 이막형성이 어려운 전석층에서의 지반 함몰 사례이다(Japan Power Construction Association, 2001)

일본 고난 공동구 쉴드터널 공사는 국도 2호선 지하에 상수도관, 가스관, 전력 케이블 및 통신 케이블 등을 설치할 수 있는 공동구터널을 건설하는 공사로써 외경 6.6 m의 이수압식 쉴드 TBM장비를 이용하여 시공하였다. 터널의 총연장은 1,860 m이며 대부분 구간이 국도 2호선 하부이거나 수도관, 통신선 등의 지장물을 통과하여 시공되므로 터널 시공에 따른 지장물의 영향을 최소화하기 위해 ECL 공법을 적용하여 라이닝을 설치하였다.

터널시공이 완료되고 약 1년여가 경과한 1999년 7월 21일 오후 0시 20분경에 오카야마 시내의 국도 2호선에서 원인불명의 노면함몰이 발생하여 직경 약 0.85~1.1 m의 공동이 도로에 발생하였다(Figs. 9, 10). 붕괴 발생원인 규명을 위한 검토위원회가 약 6개월간의 조사를 수행한 끝에 내린 붕괴발생의 원인은 1년 전에 시공한 쉴드 터널에 의한 것이었다. 검토위원회에서 조사한 바에 따르면 공동이 발생한 구간의 지반은 직경 30 cm가량의 전석을 함유한 N치 0의 초연약지반으로 쉴드터널 굴착 중 전석이 배니관에 폐색되면서 굴진면에 과다한 이수압이 가해져(붕괴가 발생한 구간 전 ‧ 후방 1.2 m구간에서 3회의 배니관 폐색이 발생함) 연약한 주변지반에 할렬파괴가 발생하였고 시간이 지나면서 점차 이완범위가 확대되어 결국 지표에까지 이르러 붕괴가 발생했다는 것이다. 이러한 조사결과에 따라 고난 공동구 쉴드터널 전구간에 대한 현장조사를 수행한 결과 함몰 부분 이외에도 총 10개소의 지반에서 할렬 및 이완이 관찰되어 지반보강이 수행되었다.

Fig. 9.

Outline of occurred collapse

Fig. 10.

Site picture after collapse

4. 축소모형실험을 통한 챔버압 관리 및 이수압 분출 가능성 평가

4.1 모형실험 개요

고수압 조건의 연약지반에 이수압식 쉴드TBM을 적용하는 경우 저토피구간에서 이수누출 가능성을 판단하기 위해 축소모형실험을 수행하였다(Ajou University IGUA, 2010). 직경 10 m 이상의 고수압조건에서 이수압식 쉴드 TBM 형식이 토압식보다 많이 적용되고 있기 때문에, 본 연구에서는 쉴드외경 12 m의 TBM을 가정해 1/40 크기의 모형 이수압식 쉴드TBM과 모형토조를 제작하였다(Figs. 11, 12). 모형실험기는 이수압에 의한 지반변위, 이수누출 등의 현상을 파악하기 위한 2차원 모형실험기와 쉴드TBM 굴진, 굴착토 배출, 이수가압 등의 영향을 총체적으로 고려할 수 있는 3차원 모형실험기를 제작하여 이수가압에 의한 지반변위 및 이수누출 현상을 비교검토하였다.

Fig. 11.

2-dimensional model test box

Fig. 12.

3-dimensional model test box

실험에 사용한 이수는 벤토나이트를 농도 5%로 증류수와 혼합하여 24시간의 안전화를 거친 뒤에 사용하였으며, 슬러리 콘트롤 장치로부터 챔버압을 조정하였다. 모형지반으로는 연약지반 시료를 채취하여 토조를 제작하였다. 균질한 지반을 조성하기 위해 다짐을 실시하였고 층별 다짐 후 베인시험(KS F 2342)과 휴대용 콘관입시험(DIN 4094)을 수행해 지반의 균질함을 확인하였다. 모형지반의 물리적 성질 및 역학적 성질은 Fig. 13, Table 1과 같고 통일분류법 상 SC이다.

Fig. 13.

Grain size distribution curve

Table 1. Physical and mechanical properties of soil

4.2 이론챔버압에 대한 실험적 적정성 평가

터널 굴진면에 작용하는 챔버압에 대한 이론적․실험적 고찰은 모래지반의 경우 Horn (1961)의 쐐기파괴 이론과 이를 이용한 Anagnostou and Kovári (1996)의 모형실험 연구, logspiral형태의 파괴제안 등의 많은 이론적 접근이 이루어져 왔다. 점토지반의 경우 파괴형태가 모래지반과 다르기 때문에(Fig. 14) 이론적 접근만으로는 한계가 있다. 시공사례를 조사한 연구 중 COB Commissie (1996)에서는 굴진면 내 최소 챔버압으로 $s_{min}=K_a\sigma {\text{'}}_v+{\sigma }_w+20$ kPa을 제시하였다. Kanayasu는 일본 내에서 시공된 토압식과 이수압식 쉴드TBM에서의 챔버압을 조사하였는데, 굴진면에 작용하는 이론 토압과 수압, 또는 수압에 현장 조건을 고려한 변동압을 추가 적용한 사례가 많았다(Table 2).

Fig. 14.

Overall shape of the failure mechanism observed in sand and clay

Table 2. Support pressure used in several Japanese tunnelling projects (Japan Power Construction Association, 2001)

이와 같이 점토지반에서는 챔버압 산정을 위한 파괴이론에 대한 연구가 미흡하고 불확실성이 큰 지반변수 상에서 챔버압을 정량적 수식으로 나타내기에는 한계가 있다. 이에 잘못된 챔버압을 가압할 경우 지반의 함몰이나 이수누출의 가능성이 큰 천층터널에서 이론챔버압과 실제챔버압을 비교하기 위해 터널 굴진면에서 심도별 챔버압을 측정해 보았다.

4.2.1 실험개요

모형실험(Fig. 15)에서는 터널 심도와 지하수위를 변화시키면서 얕은 토피에서 터널굴착 시 작용하는 챔버압을 검토하였다. 점성토지반에서는 투수계수가 낮아 상부수압이 하중으로만 작용하므로 지하수위는 상재하중으로 나타내었다. 실험 중 천단부 심도를 0, 1.0D, 2.0D, 지하수위를 지표, 0.8D, 1.5D, 2.2D, 2.9D로 변화시키면서 이론챔버압과 실제 측정한 챔버압을 비교하였다.

Fig. 15.

Tunnel face pressure diagram of 2-dimensional model test box

4.2.2 실험결과

굴진면이 안정을 이루기위해서는 굴진면 토압과 챔버압이 같아 지중 및 지표변위가 없는 상태가 가장 이상적인 상태라고 할 수 있다. 따라서 챔버압이 구속되어 변위가 발생하지 않는 상태를 모사하여 실험하였으며, 이론챔버압은 식 (1)을 이용해 계산해 계측 굴진면 토압과 비교하였다. 토압계수 $K$는 정지토압이나 주동토압을 이용해서 이론상 계산하지만 얕은 심도의 연약한 점토지반임을 고려하여 0~1.0까지 비교하였을 때, 토압계수 1.0을 적용한 Fig. 16의 점선이 계측된 굴진면 토압과 큰 차이가 없는 것을 알 수 있어 이론적 굴진면 토압을 3차원 모형실험에 사용하였다.

여기서, $K$는 Coefficient of earth pressure, ${\sigma }_v\text{'}$은 Earth pressure, ${\sigma }_w$는 Water pressure 이다.

Fig. 16.

Face pressure comparison measured value with theoretical value

4.3 연약지반 천층터널에 대한 이수압분출 가능성 평가

4.3.1 실험개요

연약지반에서 이수압식 쉴드TBM으로 천층터널 굴착 시 이수압에 따른 굴진면의 안정성과 주변지반의 거동을 파악하고 이수압 분출 가능성을 평가하기 위해 쉴드외경 Ø12 m 터널을 1/40규모로 축소한 모형실험을 수행하였다(Fig. 12 참조). 모형실험기는 이수압에 의한 지반변위, 이수누출 등의 현상을 파악하기 위한 2차원 모형실험기와 쉴드TBM 굴진, 굴착토 배출, 이수가압 등의 영향을 총체적으로 고려할 수 있는 3차원 모형실험기를 제작하여 이수가압에 의한 지반변위 및 이수누출 현상을 비교검토하였다. Fig. 16의 이론챔버압으로 가압한 경우의 지반거동을 계측하였고, 그 후 챔버압을 높이며 지반 내 할렬파괴가 발생해 이수가 분출(leakage)할 때까지 가압하였다. 수위는 지표면에 존재하는 조건으로 심도별 토피고 만큼의 수위가 작용하도록 하였다.

4.3.2 실험결과

이론챔버압을 가압하였을 때와 지반 내 할렬파괴가 발생하여 이수누출이 발생한 이수누출압 가압 시의 터널심도별 이수압과 지표변위는 Figs. 17, 18과 같다.

Fig. 17.

2-dimensional test result

Fig. 18.

3-dimensional test result

실험결과 모형실험지반 조건에서는 이론챔버압 가압 시 터널 심도가 얕아도 이수누출이 발생하지 않지만, 심도가 깊은 경우에서 얕은 심도로 갈수록 이론챔버압과 이수누출압의 차이가 작아지는 것을 확인할 수 있다. 2차원 실험의 경우 토피고 0.6D 이상은 이수압의 차이가 10 kPa 이상으로 나타나지만 0.4D의 경우 5 kPa 정도로 나타나 얕은심도의 경우에 이수누출압이 낮아 실제 시공현장에서도 유출가능성이 높아짐을 확인 할 수 있다. 3차원 실험에서도 토피고 1.0D 이상에서는 10 kPa 이상의 차이를 확보하지만 0.75D 이하의 토피고에서는 7~8 kPa로 이수누출압이 작아진다. 균질하게 조성된 실험지반조건에서는 지반의 불확실성이나 불균등성이 낮기 때문에 이론챔버압 가압 시 이수누출이 발생하지 않았지만 실제 연약지반에서 터널굴착 시 지반의 불확실성, 불균등성이 높기 때문에 이론챔버압 가압 시 이수누출이 발생할 가능성이 있을 것으로 판단되므로 이에 대한 상시 모니터링이 필요하다.

3차원 모형실험을 진행하면서 이론챔버압에서 ±2 kPa의 챔버압을 가하여 챔버압에 변화를 주었을 때 지표변위의 변화를 Fig. 19에 나타내었다. 심도가 깊어질수록 이론챔버압과 비교해 변동압(±2 kPa)의 비가 작기 때문에 지표변위의 변화가 작은 것으로 나타났다. 그러나 이론챔버압과 이수누출압의 차이가 가장 작았던 0.5D 토피고에서는 지표변위가 작게 나타난 것으로 미루어보아 실제 굴진 시 터널 토피고가 터널직경의 1/2 이하로 낮아지는 지반에서는 지표변위가 작게 계측되더라도 이수누출이나 굴진면 붕괴에 유의해서 굴진할 필요가 있는 것으로 판단된다.

Fig. 19.

Ground settlement according to face pressure

5. 결 론

본 연구에서는 이수압식 쉴드 TBM의 적용사례 ‧ 조건, 굴진면 안정기구를 문헌고찰을 통하여 재고하였고, 축소 모형실험을 통한 토피조건별 이수압식 쉴드 TBM의 챔버압 및 이수분출 가능성 평가를 위하여 2D 및 3D 모형실험을 수행하였다. 이에 대한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 이수압식 쉴드 TBM은 대구경, 하해저 구간의 고수압 조건에서 적용성이 높은 형식이나, 지반조건 및 토피고 조건에 따라 굴진면 안정화를 위한 챔버압 선정은 매우 주요한 사항이다.

2. 2D 모형실험으로 부터 이론적 굴진면 토압과 계측 토압을 비교한 결과, 토압계수 1.0을 적용한 조건에서의 이론적 굴진면 토압과 계측토압간의 차이는 크지 않았다. 그러나 이는 이론적 굴진면 토압이 적정하다는 의미는 아니며, 실내에서 수행된 결과임에 따라 실제 굴진면 토압은 토압, 다양한 토층이 혼재된 조건임을 고려하여 선정하는 것이 적정하다.

3. 3D 모형시험에서는 계측을 통해 이론챔버압으로 가압한 경우의 지반거동과 챔버압을 높이면서 지반 내 할렬파괴가 발생해 이수가 분출(Leakage)할 때까지 가압하여 두 압력간의 차이를 분석하였다. 실험결과 터널심도(터널 토피고)가 0.5D로 얕은 상황에서도 이수누출은 발생하지 않았으나, 깊은 심도로 갈수록 이수 분출압 및 이론적 굴진면 토압간의 차이가 크게 나타나는 것이 확인되었다. 토피고 1.0D 이상에서는 10 kPa 이상의 차이를 확보하지만 0.75D 이하의 토피고에서는 7~8 kPa로 이수누출압이 작아진다. 균질하게 조성된 실험지반조건에서는 지반의 불확실성이나 불균등성이 낮기 때문에 이론챔버압 가압 시 이수누출이 발생하지 않았지만, 실제 연약지반에서 터널굴착 시 지반의 불확실성 및 불균등성이 높기 때문에 이론챔버압 가압 시 이수누출이 발생할 가능성이 있을 것으로 판단되므로 균질하지 않은 현장 지반조건에서는 이수 분출 가능성에 대한 상시 모니터링이 필요하다.

4. 연약지반상의 쉴드 TBM 계획 시 종단심도는 터널의 부력으로 안전한 토피고 확보에 대한 검토가 우선적으로 진행되게 된다. 그러나 이수압식 쉴드 TBM의 경우 현장관리상 이수 관리 전문기술자(Mud engineer)가 별도로 상주토록 해외에서는 제안하고 있을 정도로 이수관리가 매우 중요한 항목이 된다. 따라서 부력 안정성 외에 굴착대상 지반의 토질특성으로부터 Mudcake (이막)형성, 이수 분출제어의 안전한 시공관리 되기 위한 기초자료로 본 논문이 활용되길 바란다.