1. 서 론
2. 외국 장비발주 사례
2.1 입찰안내서 중 설계내용 제공자료 항목 검토
2.2 입찰안내서 중 장비사양 제시항목 검토
3. 토압식 쉴드TBM 장비설계를 위한 터널설계 항목의 제시
3.1 터널정보
3.2 지반정보
3.3 세그먼트
3.4 기타 필요한 정보
4. 토압식 쉴드TBM 장비 발주를 위한 세부요구사양의 구성
5. 결 론
1. 서 론
외국에서는 이미 많은 국가에서 쉴드TBM을 이용하는 다양한 프로젝트의 발주가 이뤄지고 있으며 국내 기업도 많이 참여하여 수행하고 있다. 국내의 경우는 직경 3 m급 전력구, 가스관로, 상하수도 터널공사에서 쉴드TBM을 주로 이용해 왔지만, 최근에는 7 m급 이상의 지하철에서도 쉴드TBM을 이용하는 터널공사의 발주가 점진적으로 증가하고 있는 추세이다.
쉴드TBM은 고가의 장비이며, 다양한 기능을 가지고 있기 때문에 발주 후 제작이 완료되어 터널공사를 시작하게 되면, 굴착 중에는 장비의 기능을 추가하거나 개조하기가 어렵다. 그러므로 쉴드TBM 장비를 발주하는 경우에는 최적의 장비를 제작할 수 있도록 설계 및 시공 시 참고할 수 있는 충분한 정보를 입찰안내서에 포함해서 제공하여 시공할 때 장비의 변경, 트러블로 인한 공기, 공사비에 대한 리스크를 최소화할 필요가 있다.
외국의 경우, 발주자는 쉴드TBM 제작을 위한 입찰안내서를 작성할 때, 과업의 노선 개요와 함께 터널구간과 계획에 대한 설계검토사항을 포함하여 터널공사 중에 예상되는 정보를 제공하고 있다. 그리고 이러한 정보에는 공사구간의 지반조건, 주변 현황과 제약조건, 쉴드TBM 장비에 요구되는 기능과 성능 등이 포함되어 있어, 입찰에 참여하는 제조사가 현장조건에 적합한 쉴드TBM를 제안할 수 있도록 하고 있다(Kim et al., 2017).
그러나 국내의 경우, 대부분의 쉴드TBM 제작을 위한 입찰안내서에서는 과업구간의 특성에 따라 쉴드TBM 장비를 제작하기 위한 정보라기보다는 터널단면의 조건과 굴착에 대한 일반적인 정보만을 제공하여, 입찰하는 제조사가 설계와 시공조건을 모두 검토하여 제안하도록 제시하고 있어, 제공된 짧은 시간 내에 과업조건에 적합한 장비설계가 매우 어려운 실정이다. 또한, 관련 전문가가 많지 않으므로 입찰하는 장비제조사별로 과업의 조건에 적합한 장비를 설계하였는지 판단과 비교검토가 어려운 상태이므로 명확한 입찰이 이루어지지 않고 있고, 결국 가격에만 의존하는 발주가 이루어지고 있는 실정이다.
국내 재정발주의 경우에는 입찰안내서에서 터널공법에 대한 사항과 쉴드TBM 장비제작에 대한 가이드를 명확하게 제시하지 않기 때문에 낙찰 받은 시공사는 장비 선정 시 전문자료와 데이터 없이 입찰하고 있으므로 터널공법과 장비선정에 대해 발주처 간에 분쟁이 발생하기도 하며, 시공 중에는 성능에 대한 검증이 없었으므로 굴진 효율이 떨어지거나 트러블로 인해 많은 어려움과 분쟁을 겪고 있는 실정이다.
이에 본 기술보고에서는 토압식 쉴드TBM 장비발주를 위한 설계항목과 세부 요구사양의 구성을 제시하여 향후 장비를 발주할 때 필요한 전반적인 방향을 제하고자 한다.
2. 외국 장비발주 사례
외국의 재정발주에 대한 사례로서, 싱가포르 LTA (Land Transport Authority)가 발주한 Circle Line Stage 6 (LTA, 2016), 영국 Thames Water Utilities Ltd가 발주한 Thames Tideway Tunnel (Thames Water Utilities Ltd, 2013), 태국 MRTA (Mass Rapid Transit Authority of Thailand)가 발주한 MRT Orange Line (Thailand Cultural Centre -Min Buri, 2017) 프로젝트의 입찰안내서에서 제시하는 토압식 쉴드TBM 장비 제작 사양서를 Fig. 1에 나타내었다.
장비설계를 위한 요청서는 장비 설계를 위한 기본 구성항목, 사양, 최소 필요 성능을 제시하고 있으며, 별도로 입찰자가 고려해야 하는 사항을 제시하고 있다.
입찰자의 장비 설계를 위해 발주자는 과업의 위치, 터널구간에 대한 종단 및 평면 선형계획과 지반조사(지반조사보고서 및 설계보고서), 장비가 투입되고 완료해야 할 공정계획, 운영되는 장비대수, 발진 및 도달부 작업장의 규모와 주변 환경 등에 대한 사항을 제공하고 있다. 그리고 세그먼트 설계, 굴진 중 시공관리에 주의가 필요한 구간의 정보, 현장에서 공급되는 전력과 관련된 내용도 제시하고 있다.
장비사양 제시항목에는 장비 제작과 관련된 기본적인 항목과 함께 세부설비, 시스템, 추력, 면판 등에 대한 사양, 후방시설과 같은 운영 시 장비가 갖춰야 할 필수 항목, 그밖에 검수와 주변설비, 시스템 등으로 크게 구분되어 제시되어지고 있다.
이와 같이 외국의 발주자는 입찰자가 과업의 특성에 맞게 쉴드TBM 장비를 설계하여 제작하고, 공사 중 운영 및 관리해야 할 기본 항목을 제시하고 있다. 즉 발주자는 입찰자가 최적의 장비를 설계 및 제작하고, 운영과 관리에 필요한 정보를 충분히 제공함으로서 사전에 리스크를 인지시키고 최소화하여 안전하게 터널공사가 시공될 수 있도록 계획하고 있다.
2.1 입찰안내서 중 설계내용 제공자료 항목 검토
과업특성에 맞는 쉴드TBM 장비를 제작하기 위해서는 기본적인 터널설계 내용과 함께 과업에서 고려하고 있는 굴진 중 시공관리 포인트 등 현황을 장비제작사가 파악할 수 있도록 하여야 한다. 국내에서는 앞서 언급하였지만 이러한 정보를 제공하고 있지 못한 반면 외국에는 명확하게 설계내용과 장비사양으로 구분하고 있다.
일반조건으로서 프로젝트명과 위치정보, 터널 시공계획(쉴드TBM 시점, 종점, 수직구, 병설터널 여부 등), 쉴드TBM 통과구간에 대한 지장물 접근현황, 세그먼트의 재질과 제원에 대한 정보를 제공하고 있다.
지반조건에 대해서는 발주처가 수행한 지반조사보고서를 별도로 제공하고 지반조건, 토피고 범위, 지하수위, 지질이상대, 쉴드TBM 굴진 시 주의구간에 대한 정보를 제공하여 면판설계 및 막장압 관리에 관련된 장비설계에 참고하여야 하는 사항을 제시하고 있다.
터널 내에서 이뤄지는 선형정보(종단 곡선, 평면곡선, 경사도), 장비대수 등을 제공하여 선형조건을 만족하는 장비제작이 가능하도록 하고 있다. 세그먼트 설계에 대해서는 세그먼트 재료와 외경, 내경, 두께, 분할계획, 세그먼트 링(ring) 당 중량. 1피스의 최대 중량 등을 제공하여 장비가 세그먼트를 충분이 운반하고 조립할 수 있는 성능을 가진 장비제작이 이뤄지도록 하고 있다.
그 외로는 수직구를 통한 작업구가 이뤄질 경우에는 수직구의 경사, 폭, 길이, 깊이에 대한 정보를 제공하여 장비 조립에 대한 공간을 고려할 수 있도록 제공하고 있다. 쉴드TBM이 전기로 운영되는 만큼 현장의 전원공급과 전기설비에 대한 정보를 제공하여 지역과 국가에 별로 전압과 주파수, 제어판, 계기판 등에 전기설비에 대한 전력공급에 문제가 없도록 하기 위해서이다.
2.2 입찰안내서 중 장비사양 제시항목 검토
입찰안내서 중 장비사양에 대한 요구 항목으로는 장비타입을 기본적으로 제시하고 있다. 쉴드TBM의 구성요소인 본체, 커터헤드나 막장부근 유지관리 작업을 위한 통로로서 맨록(Man Lock), 추진잭과 중절잭, 각 종 주입구와 제어, 커터의 종류, 버력처리 시스템, 세그먼트 이렉터 시스템과 호이스트, 그리스를 포함한 주입 시스템, 운전제어시스템, 화재감지시스템과 같이 장비 본체에 관련된 항목과 제반조건을 제시하고 있다. 그리고 장비본체 운영을 위한 후방설비, 편의시설, 공급시설 등을 제시하고 기타사항으로 장비검수를 비롯한 전반적인 관리시스템에 대해서 요구항목을 제시하고 있다.
외국의 입찰안내서 검토를 통해 장비견적요청서(Request for Quotation, RFQ)에는 장비의 설계와 제작에 필요한 세부 요구사항 중에는 구체적인 사양을 제시하거나 최소한 성능을 제시하는 경우도 있지만, 성능을 만족시키기 위한 용량과 수량에 대해서는 장비 제작사가 자체 노하우를 바탕으로 제안하고 향후 협의하여 조정할 수 있도록 제시하고 있는 것으로 파악되었다.
장비를 설계하고 제작하는 필요한 세부 요구사항을 살펴보면, 쉴드TBM 본체에 대해서 주로 제시하고 있는 항목 중 전통부, 중통부, 후통부는 장비사마다 차이가 있기 때문에 입찰자가 제안하도록 하고 테일부 내경에 대한 최소한의 테일클리어런스, 뒤채움 주입방식과 주입구 수량 등을 제시하고 있다. 터널구간에 작용하는 막장압은 최대 토압 또는 수압으로 제시하여 이에 견딜 수 있게 제작하도록 유도하고 있다. 또한, 현장까지 장비를 운반하는데 있어서도 고려해야할 분할계획과 하중조건을 제시하고 있다.
터널설계 항목으로 선형특성을 제시하고 있으며, 장비의 굴진능력과 관련된 구동부에 대해서는 구동방식, 추진잭, 중절잭의 제어시스템에 대한 구제적인 사항도 제시하고 있다.
쉴드TBM에서 중요한 요소인 커터헤드에 대해서는 개구율, 디스크커터, 비트커터, 오버커터, 카피커터, 마모감지 커터의 수량까지 제시하는 경우도 있고, 입찰자의 판단으로 제안하도록 요청하는 경우도 있다. 커터헤드 구동장치인 메인드라이브는 유압식 또는 전동식의 운전방식, 모터출력, 회전속도, 작용 토크압, 메인베어링의 사양과 크기를 제시하거나 압찰자의 판단으로 제안하도록 요청하는 경우도 있다.
굴착버력의 배토를 위한 스크류 컨베이어는 스크류의 형식과 용량에 필요한 세부사항을 제시하는 경우도 있으며, 후방반출을 위한 벨트컨베이어를 기본 사양으로서 최소한의 운반용량을 제시하여 과소하게 제작되지 않도록 하고 있다.
세그먼트 조립을 위한 이렉터와 운반 크레인에 대해서 제시하고 있으며, 최소한의 용량을 제시하거나 입찰자의 판단으로 제안하도록 요청하는 경우도 있다.
막장에서 작업원의 유지관리 점검을 위해 필요한 가압시설(Man Lock)에 대한 설치를 제시하고 있으나, 설치위치와 충분한 압력이 공급되기 위한 설비와 이를 위한 부속설비는 입찰자가 제시하도록 하고 있다.
후방대차에 대해서는 크기, 차량수, 주행형식을 제시하고, 구동/냉각/씰링을 위한 그리스와 오일의 공급을 위한 윤활시스템, 뒤채움 주입시스템 및 형식, 폼(foam)/폴리머(polymer)/벤토나이트(bentonite) 주입시스템, 안전과 관련된 화재감지 및 화재 제어를 위한 설비와 자동감지시스템, 변압기, 조명시스템, 환기시스템, CCTV 시스템, 선형관리 시스템과 제어항목을 기본 구성과 옵션으로서 구분하여 제시하고 있다. 그 외 장비의 공장검수에 대한 제반사항을 제시함으로써 발주자의 제작과정 중 검사계획을 사전에 제공하고 있다.
이에 비해, 국내 발주자의 입찰안내서에는 기본적인 터널의 선형정보와 지반조사보고서만 제공하고, 모든 제반사항을 입찰자의 경험과 판단으로 제안하도록 요청하고 있는 실정으로서 Table 1에 제공내용을 비교하였다.
Table 1.
Invitation to Bid (ITB) document’s contents
| Div | Details for TBM tunneling information | ||||||||
|
Geo- technical baseline report | Risk | Type |
Specifi- cation | Segment |
Manage- ment |
Ope- ration |
Equip- ment quality |
Docu- ment | |
| Circle line | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ |
| Thames tideway tunnel | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ |
| Bangkok metro | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ | ○ |
|
Seoul subway corporation line 9 (Seoul City Urban Railway Development, 2009) | ○ | × | × |
Depend on tenderer |
Depend on tenderer | × | × | × | × |
|
Incheon international airport 2nd passenger terminal connection railway (Korea Rail Network Authority, 2012) | ○ | × | × |
Depend on tenderer |
Depend on tenderer | × | × | × | × |
3. 토압식 쉴드TBM 장비설계를 위한 터널설계 항목의 제시
상술한 외국의 사례를 참고하여 향후 국내 입찰안내서에서 제시하여야할 최소한의 기본적인 사항을 Table 2에 제안하였다. 장비 설계를 위한 터널설계 항목으로는 사업명, 사업지역에 대한 굴착 중 고려사항, 터널계획에 대한 정보, 지반정보, 세그먼트 구조물에 대한 정보와 작업장 및 수직구 계획과 공급 가능한 전기용량에 대한 정보를 기본적으로 제공할 필요가 있다.
Table 2.
Tunneling information for shield machine design (for reference)
이러한 정보를 충분히 제공함으로써 최적의 장비를 설계 및 제작하고, 운영과 관리에 요구되는 사항을 사전에 파악할 수 있으므로 리스크 대응이 가능하고, 안전하게 터널공사를 완료할 수 있을 것으로 판단된다.
표 중, 발주처(자)가 제시하여야 할 필수항목을 (○), 필요시 제시 또는 제조사와 협의하여야 하는 사항을 (△)로 구분하였다.
3.1 터널정보
과업명과 과업지역을 알 수 있도록 제공하여 공장에서 제작한 후 운반해야 할 항구과 내륙운반경로의 조건을 참고할 수 있도록 하여야 한다. 터널의 형식과 쉴드TBM 적용구간, 굴진 중 리스크 회피를 위한 주변의 주요 구조물 및 지하 지장물 등 현황정보, 선형정보(최소 곡선 반경, 최대 종단 구배 등), 터널의 표준단면으로는 세그먼트의 내경, 외경 및 폭, 그리고 계획하고 있는 장비대수 등을 제시할 필요가 있다.
3.2 지반정보
지반조사로부터 파악된 지층구성과 지반특성, 강도, 토피고, 지하수위 현황을 종합적으로 파악할 수 있도록 터널구간의 종단 및 평면도를 작성하고 제시하여 수행 시에는 장비운영 및 리스크를 사전에 파악하고 예측하여 장비제작 시에 고려할 수 있도록 제공할 필요가 있다.
3.3 세그먼트
완성된 터널의 사용목적과 운영 시 터널내부의 설비계획을 참고할 수 있는 단면설계사항, 세그먼트의 종류, 외경, 내경, 두께, 폭, 링분할 계획 및 각 피스(A, B, Key세그먼트)의 중량을 제공하여야 한다.
3.4 기타 필요한 정보
쉴드TBM의 현장반입과 조립, 해체를 위한 현장 제반조건과 장비 운영 시 현장에서 공급 가능한 전기공급형식과 전기설비, 현장 작업장 면적과 입지조건을 제공하여 제조사가 장비설계에 참고할 수 있도록 한다.
4. 토압식 쉴드TBM 장비 발주를 위한 세부요구사양의 구성
발주자의 충분한 프로젝트 정보를 바탕으로 토압식 쉴드TBM 장비 발주를 위한 입찰안내서에 제시할 필요가 있는 세부 요구사양의 구성과 항목에 대하여 Table 3과 같이 제시하고자 한다.
Table 3에는 발주자가 반드시 제시하여야 하는 필수항목을 (○), 발주자가 제시하기 어렵거나 또는 장비 제조사와 협의가 필요한 사항을 (△)으로 구분하였다.
Table 3.
Suggestion as reference of detail requirements terms for EPB shield design (for domestic projects)
5. 결 론
토압식 쉴드TBM의 장비발주를 위한 설계항목과 세부 요구사양의 구성에 대해 외국의 사례를 바탕으로 국내에서도 활용 가능한 내용을 예시로서 제시하였다.
쉴드TBM은 일단 터널공사를 시작하면 이후에 사양과 성능을 개조하기 어렵기 때문에 프로젝트를 성공적으로 계획된 공기 내에 안전하게 수행하기 위해서는 장비 발주에 있어서 충분한 정보를 제공하고, 예상되는 리스크를 사전에 파악하여 발주자의 의도와 목적을 정확하게 제시할 필요가 있다.
또한 국내에서도 향후에는 외국에서 시행하는 방식과 같이 기본설계나 실시설계를 실시하고 건설회사가 입찰할 때 사전에 장비업체(2개 업체)의 장비 사양서를 제출하도록 하여, 경쟁력을 향상시키고, 건설사 선정 후 장비에 대한 기술미팅을 통해 선정된 장비제조사가 양질의 장비를 제작하여 현장에 반입될 수 있도록 하는 일련의 과정을 도입할 필요가 있을 것으로 판단된다.
본 제안 내용을 참고하여 발주자는 과업의 특성을 고려한 토압식 쉴드TBM의 사양과 성능, 항목을 조정할 수 있으므로 장비 발주 시 필요한 전반적인 제작 방향을 제시할 수 있고, 입찰자는 주어진 상세한 정보를 통해 최적의 장비를 설계, 제작하여 성공적인 터널공사를 수행하여 완료함으로서 민원이 없고, 안전한 터널공법으로서 향후 활성화되기를 기대한다. 또한, 발주자가 이수식 쉴드TBM을 적용하는 경우에는 이수식 쉴드TBM의 특징을 고려하여 추가해서 활용 가능할 것으로 기대된다.
