1. 서 론
2. 현장 개요
3. 리스크 분석을 통한 위험구간 선정
3.1 해저터널 시공 중 특정 위험시나리오 구성
3.2 위험 시나리오 항목 분석 및 선정 사유
3.3 지질현황 분석 및 위험도 평가항목 선정
3.4 종합 위험도 평가를 통한 위험구간 선정 및 대응 시나리오
4. 해저터널 위험요소에 대한 안전성 확보 대책
4.1 미시추 해저구간을 위한 시공 중 안정성 확보방안
4.2 해저구간 지하수 유입에 따른 안정성 확보방안
4.3 해저 단층대 굴착 및 보강방안
4.4 암종경계부 및 중 ‧ 소규모 단층파쇄대 보강방안
5. 해저터널 시공 중 및 운영 중 안전대책
5.1 시공 중 터널 내 침수사고 발생 시 대피계획
5.2 시공 중 붕괴 및 침수발생시 대응시나리오 및 수방대책
5.3 운영 중 단계별 침수방지 대책 및 침수 시 대응시나리오
6. 맺음말
1. 서 론
최근 국내 터널기술은 다양한 성과를 나타내고 있으며, 특히 하저와 해저터널이 빈번하게 설계되며 시공 중에 있다. 일반적으로 해저터널에서는 단층대와 연약대에서 고수압 조건 및 대규모 해수 유입으로 인한 안정성 확보에 대한 문제가 중요하다. 해저터널 건설을 위한 주요 기술적 과제에서 해저터널과 육상터널을 비교하여 다음과 같이 언급하였다(Park and Shin, 2007).
첫째, 주요공사구간이 바다로 덮혀 있고, 상당한 토사층이 해저바닥에 퇴적되어 있을 수 있어 양질의 지반조사와 설계가 요구된다. 둘째, 해수의 유입 시 유입량이 무제한이며 수압이 매우 높아 터널공사 시 고수압의 유입수에 대한 대책이 중요하다. 셋째, 유입된 해수는 염분을 함유하고 있어 터널굴착장비와 지보재에 상당한 부식을 발생시킨다. 넷째, 터널상부 상부 암석층 최소두께(minimum rock cover)의 최적화가 항상 해저터널 설계의 핵심요소가 된다. 다섯째, 터널 굴착 중 지속적인 지반조사와 유입수 변화에 대한 관측이 필요하다(Hong et al., 2008; Kim et al., 2021).
따라서 본 논문에서는 해저터널 계획 시 다양한 위험요소에 대하여 리스크 분석을 수행하여 위험시나리오를 구성하였다. 위험시나리오는 크게 지질적 요인과 상부 암석층 두께(rock cover) 요인으로 분류하였으며 이에 따른 종합적인 위험도 평가를 통하여 위험구간 선정과 안정성 확보대책을 수립하였다.
2. 현장 개요
“국도77호선 신안 압해~해남 화원 도로건설공사(1공구)”는 국도77호선의 미연결 구간인 압해~화원 간을 연결하는 계획으로 총연장은 5.95 km이며, 터널은 1개소로 연장 2.73 km (NATM: 2.68 km, 개착BOX: 0.05 km)로 일방향 2차의 병렬터널(B: 10.0 m)로 계획하였다.
본 구간은 지체구조상 광주전단대 남서쪽에 위치하며, 북북동 방향 전단대의 최남단에 위치하고 있다. 이 지역에 출현하는 암종은 일성산층 및 달리도층의 퇴적암과 매월리응회암, 유문암이 분포하고 있으며, 일성산층은 역암, 사암, 이암 및 셰일의 호층으로 구성되었으며, 달리도층은 사암, 이암, 셰일 및 응회암이 분포하는 것으로 조사되었다. Fig. 1은 이 구간의 지질현황을 보이고 있다.
해저터널 건설계획을 안전하게 수행하기 위하여 해저터널 주변에 대한 상세 지반조사를 수행하였다. 이를 위해 이상대 구간의 확인시추, 해저구간에 대한 경사시추, 3차원 물리탐사 및 염분영향 분석 등을 수행하여 단층파쇄대 및 지질이상대 분포 특성, 기반암의 암반등급 및 염분침투 영역을 고려한 지보패턴을 선정하였다.
터널의 기반암은 응회암류와 유문암류가 분포하고 있으며, 균질절리영역(homogeneous fracture domain, HFD) 분석결과, 5개의 영역(domain)으로 분류하였다. 전반적으로 광주단층에 수반된 북북동 방향의 주향이동단층이 우세하며, 화산함몰체의 영향으로 동서~북동 방향의 정단층이 우세한 것으로 나타났다.
단층파쇄대 및 지질이상대 분석을 위해 광역조사와 상세조사를 통하여 Fig. 2와 같이 10단계의 체계적인 단층파쇄대 분석 프로세스를 진행하였다. 광역지체구조 분석을 수행하여 광주전단대 및 광주단층의 이력을 파악하고, 시추공 영상촬영을 통해 파쇄대의 특성을 정밀 분석하였으며, 이를 통해 사업구간의 교차 단층파쇄대에 대한 상세분석과 정량화를 수행하였다. 본 구간에 대한 지체구조 및 선구조 분석결과 광주단층의 분절단층이 예상되며 7개의 선구조와 교차되는 것으로 파악되었다.
3. 리스크 분석을 통한 위험구간 선정
3.1 해저터널 시공 중 특정 위험시나리오 구성
3.1.1 위험 시나리오 구분 사례
해저터널을 굴착할 때 다양한 지반조건에서 발생하는 기술적인 위험에 대한 원인 규명과 조치를 수립하기 위해서는 예상되는 위험 시나리오를 구성하는 것이 중요하다(Park et al., 2009). 또한 위험 시나리오를 분류할 때 터널 굴착노선 전반에 걸쳐 발생되는 시나리오와 일부구간에 국한하여 발생되는 시나리오를 함께 고려함으로써 프로젝트 관리측면에서 체계적이고 조직적인 대응을 할 수 있는 논리적인 틀을 제공할 수 있다(Park et al., 2009). Park et al. (2009)은 프로젝트 관리측면에서 체계적이고 논리적인 틀을 제공하기 위해 해저터널 시공 중 위험 시나리오에 대해 다음 Table 1과 같이 정리하였다.
Table 1.
Risk scenarios for a subsea tunnel (Park et al., 2009)
해저지반의 형태, 해수 유입 가능성, 굴착안정성 등에 의한 지반취약개소에 적용하는 특정 위험 시나리오를 Table 1과 같이 6가지 유형으로 구분하였다. 6가지 위험 시나리오는 시추조사와 물리탐사를 통하여 단층대나 연약대 등 위험구간의 위치가 확인되고, 이러한 위험구간 단면은 터널의 안정성을 확보하기 위해 보강공법이 추가된다. 위험 시나리오는 크게 지형적인 요인과 단층, 암맥, 관입경계 등 구조적 요인, 상부 암석층 두께(rock cover) 요인, 연약 퇴적암 등으로 분류할 수 있다.
3.1.2 압해-화원 해저터널의 지반조건을 고려한 위험 시나리오 구성
해저터널 시공 중 특정 위험시나리오 구성을 위해 압해-화원 해저터널의 지반조건에 따른 시나리오를 작성한 결과는 아래 Table 2와 같다. 특정 위험 시나리오 항목은 크게 지반조건을 지질 조건과 상부 암석층 두께(rock cover) 조건으로 분류하였고, 이중 지질조건은 지반조사 결과를 참고하여 단층대, 암종경계, 투수성 절리로 나누어 총 4가지 시나리오를 구성하였다.
Table 2.
Risk scenarios for Abhae-Hwawon subsea tunnel
3.2 위험 시나리오 항목 분석 및 선정 사유
3.2.1 AH-RS-1 : 단층대
① 단층의 파쇄대 영향범위 및 정의
시공 전 조사 결과 확인된 단층대 이외에 예측하지 못한 단층대와 파쇄대 발달로 인한 터널의 불안정성 및 누수 가능 시 이에 대한 대책 수립이 필요하다.
단층이 출현할 경우 Fig. 3과 같이 단층대는 단층점토가 발달하는 구간, 주위에 조밀한 파쇄대 및 인근의 파쇄대로 3구간으로 구분된다(Lee, 2006). 대부분 단층의 경계부에서 대규모 누수가 발생하며, 단층 중심부에서 대규모 누수가 발생하는 경우는 적다고 한다. 또한 해저 터널의 특성상 단층으로 인한 터널 불안정성을 고려할 때 보다 안정적인 접근이 필요한 것으로 판단되므로 양호한 기반암을 제외하고 단층으로 인해 절리가 조밀하게 발달하는 구간까지를 전체 폭으로 규정하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
② 단층대의 예상 폭
해저터널은 조사 여건의 어려움으로 단층대의 규모를 유추하는데 어려움이 있다. 단층대의 정확한 폭은 추정하기 어려우나 문헌(Pusch, 1995; Lee and Cheong, 2007)을 통해 유추 결과 Table 3과 같이 이 구간에 발달한 단층은 2~3등급 이하의 단층일 가능성이 높고, 그 폭은 파쇄대를 포함하여 최대 10~20 m 범위 일 것으로 판단된다.
Table 3.
South Korea’s classification of the wide area fractures zone (Jang, 1997)
③ BRS-1 시나리오 구분 및 사유
고각의 단층대는 터널 불안정성 외에도 저각 단층에 비해 양호한 투수 특성을 가질 가능성이 높으므로 별도로 분류하였다. 저각의 단층대는 경사가 터널 방향일 때와 터널 반대방향일 때 각각 터널의 불안정성에 미치는 영향 및 대책 방법이 상이하여 다음 Table 4와 같이 분류하였다.
Table 4.
AH-RS-1 scenario classification
3.2.2 AH-RS-2 : 지질경계
① 지질 경계
지질경계부는 연장성이 매우 크게 발달하며, 일반적으로 파쇄대가 발달하는 경우가 많으므로 경계부를 따라 해수의 유입 통로가 될 수 있다. 화원~달리터널의 지질경계는 응회암 내 유문암이 관입경계를 이루고 있으며, AH-RS-2는 해저구간 시추조사가 불가하므로 지층불량 가능성에 대한 시나리오를 작성하였다.
② 지질경계 특성분석
지층경계부에서 파쇄대가 발달하는 경우 연장성이 큰 특성으로 인해 양호한 수리특성을 보이는 경우가 많으며, 지층경계 전후로 암질이 상이한 경우 터널 내 붕락사고 발생 사례가 다수 보고되고 있다. 화원~달리터널의 해저구간은 응회암 내 유문암이 관입하였다. 응회암-유문암의 관입경계부는 시추조사를 수행하지 못하였으며, 전기비저항 탐사 및 탄성파 반사법 탐사결과에서 특이한 저비저항 이상대나 파쇄구조를 확인하지는 못하였다. 그러나 관입경계부는 지반조건이 불량한 경우가 다수 존재하므로 국부적인 파쇄대가 발달할 가능성을 고려하였다.
③ AH-RS-2 시나리오의 구분 및 사유
지층 경계부는 지질 특성상 암맥 관입부에 비해 규모가 크고 수리적 연결성이 양호하며, 터널 불안정성도 높은 것으로 판단되어 암맥 관입부와 구별하여 적용하였다. 또한 암맥자체는 주변 기반암과 물성 차이가 달라 차별적인 풍화나 파쇄대가 암맥 내에만 발달하는 경우가 많으므로 지층경계부와 다르게 Table 5와 같이 구분하였다.
Table 5.
AH-RS-2 scenario classification
| Division | Condition |
| AH-RS-2-1 | Geological boundary (rock boundary, rock grade with rapid difference) |
| AH-RS-2-2 | Intrusion boundary of the dike |
3.2.3 AH-RS-3 : 투수성 절리
① 투수성 절리
기반암 내 발달한 절리를 통해 해수 유입이 발생하나 기반암 자체는 양호한 특성을 가지는 지반조건이며 단순히 절리밀도가 높은 경우 해수의 유입 가능성이 높다는 의미가 아니라 절리밀도가 높지 않은 경우에도 절리의 성격에 따라 많은 양의 해수 유입이 가능한 결과를 보이기도 한다.
투수성 절리가 다수 발달한 경우에는 예상하지 못한 대량의 누수가 발생할 가능성이 있으며, 이와 같은 사례로써 노르웨이 Romeriksporten 터널 사례를 들 수 있고 Fig. 4에서 보는 바와 같이 단층과 연관된 수직 인장절리의 발달로 상부 호수로부터 다량의 누수가 발생하였다(Holmøy and Nilsen, 2014).
압해-화원 해저터널 대상 현장의 투수성 절리는 다음과 같은 특성을 갖는다. 첫째, 연장성이 양호하다. 조밀하게 발달한 절리라 하더라도 연장성이 크지 않으면 다량의 해수 유입 가능성이 적다. 응회암은 시추조사에서 보이듯 절리가 발달하지 않았으며 절리의 연장성이 크지 않다. 유문암의 경우 지표지질 관찰에서도 연장성이 양호한 전단절리가 발달하는 경우가 많은 것으로 조사되었다. 둘째, 인장 절리가 우세하다. 인장절리가 발달한 경우 틈새가 크게 발달하여 지하수의 유동통로가 되며, 이 지역에서 인장 절리는 대체로 광주단층의 영향으로 발달했을 가능성이 높다. 셋째, 절리 내 충전물이 없는 경우 투수성이 좋은 특성을 보여 다량의 해수 유입이 발생한다. 절리 내 연약한 충전물이 있는 경우 터널 굴진 시 높은 수압으로 인해 충전물이 씻겨 내리면서 갑작스런 다량의 해수 유입이 일어날 가능성이 많으며, 이 경우 유입수를 예측하기 어렵다. 넷째, 일반적으로 퇴적암 구간은 지표관찰 결과 층리면이 대체로 40° 미만의 저각이 우세하며, 화강암은 일반적으로 수직절리와 수평절리가 양호한 연장성을 보이고 있으며, 취성적인 파괴 특성을 가지므로 양호한 수리 특성을 가지는 경우가 많다. 이 지역의 절리경사는 일부구간에서 고각을 나타내고 있는 것으로 조사되었다.
Fig. 4.
Longitudinal profile for the Romeriksporten tunnel, modified from Beitnes (Holmøy and Nilsen, 2014)
② 투수성 절리에 대한 정의 및 기준
시공 중 조사 결과 코아 관찰을 통해 AH-RS-3에 해당하는 투수성을 가질 것으로 예측 되는 절리 특성은 다음 Table 6과 같이 정의하고 기준을 선정하였다.
지표지질조사, TSP탐사, 막장 관찰을 바탕으로 구간 내 연장성이 양호한 절리를 추정하였다. 인장 절리는 시공 전 조사를 통해 지질 구조적으로 인장 절리가 발달할 개연성이 높은 구간을 선정하고, 시추코아 관찰을 통해 Table 6과 같이 ISRM분류를 바탕으로 틈새의 크기가 Moderately wide 이상(2.5 mm 이상)인 경우를 선정하였다.
Table 6.
Aperture size and description of joint gap by ISRM classification
절리 내 충전물은 시추조사 코아 관찰을 통해 충전물 관찰하였으며, 절리 경사는 TSP탐사, 시추코아 관찰을 통해 일부의 절리 경사가 고각인 경우를 확인하였다. 절리 간격은 Table 7과 같이 ISRM 기준에서 평균 절리 간격인 Close spacing의 기준인 200 mm 이하인 결과를 보이고 있다.
Table 7.
Description of joint spacing by ISRM classification
③ AH-RS-3 시나리오의 구분 및 사유
투수성 절리 중 충진물이 없는 경우는 수리특성이 비교적 양호한 특성을 갖는다. 점토 충진물이 다수인 경우 수리특성은 충진물이 없는 경우에 비해 다소 불량하나 점토 내 함수율이 높은 경우는 전단강도가 급격히 저하되어 터널 불안정성에 영향을 줄 수 있으므로 Table 8과 같이 세분화하였다.
Table 8.
AH-RS-3 scenario classification
3.2.4 AH-RS-4 : 상부 암석층 두께(rock cover) 조건
① 개요
상부 암석층 두께(rock cover)는 터널 천단에서 기반암인 연암까지의 두께로 정의하며, 상부 암석층 두께가 얕을 경우 동일한 투수계수의 지반이라도 터널 내 잠재적인 불안정성 요인과 터널 내 해수 유입 가능성이 높을 것으로 판단된다. 반면, 상부 암석층 두께가 얕은 경우라도 기반암이 2등급 이상의 양호한 암반일 경우에는 터널에 미치는 영향은 작으므로 기반암이 3등급 이하인 경우에 한해서만 AH-RS-4 시나리오를 적용하였다.
② 상부 암석층 최소 두께(minimum rock cover)의 정의 및 분석
잠재적인 불안정성이 발생할 가능성이 높은 최소한의 상부 암석층 두께는 Fig. 5와 같이 노르웨이 해저 터널 사례를 참고하였다. Fig. 6에서 압해~화원 터널 구간의 기반암 깊이(depth to bedrock)은 대부분 24.5 m 이상에 해당한다. 노르웨이 사례 검토 결과 상부 암석층 최소 두께(minimum rock cover)에 대한 최소 기준은 지반조건, 지반조사의 내용에 따라 결정되어지며 정량적인 값이 제시되지 않는 것으로 분석된다. 이는 상부 암석층 최소 두께 이상의 토피고를 확보하더라도 잠재적인 불안정성이 전혀 없다는 의미는 아니며, 실제 노르웨이의 경우 50 m 이하 토피고일 경우는 자세한 지반조사 결과가 필요한 것으로 보고 있다. 또한 상부 암석층 최소 두께 이하라 하더라도 상세한 지반조사를 통해 암반이 매우 양호할 경우 잠재적 불안정성은 그만큼 줄어드는 것으로 보고 있다.
③ AH-RS-4 시나리오의 세분화 및 사유
상부 암석층 두께가 24.5 m 이하인 경우 감지공 천공 시 유입량이 기준 이하라 하더라도 잠재적 누수 가능성이 매우 높으므로 감지공 유입량이 기준 이하인 경우와 기준초과인 경우로 Table 9와 같이 세분화 하였다. 감지공 유입량의 기준은 감지공 1공의 유입량이 4.0 L/min 이상 또는 감지공 3공의 합이 10.0 L/min 이상인 경우 차수그라우팅을 시행하는 것으로 산정하였으며, 이 기준은 노르웨이 해저터널 시공 시 적용하였던 기준을 참고하였다.
Table 9.
AH-RS-4 scenario classification
3.3 지질현황 분석 및 위험도 평가항목 선정
압해~화원터널 구간은 퇴적암류인 달리도층 상부를 중생대 화산활동으로 인해 생성된 응회암류와 유문암류가 덮고 있다. Fig. 7과 같이 터널은 퇴적암층 상부의 응회암류와 유문암류 구간을 주로 통과하고 있으며, 특히 중앙부 해저구간은 유문암류 구간에 해당된다.
터널구간은 화산활동과 지각운동으로 인한 다수의 단층파쇄대가 존재하여 최소 3개소의 단층을 통과하는 것으로 조사되었다. 특히, 해저구간에 단층파쇄대 F5 (폭10.0 m)가 존재하며, 암종경계부, 해저토피로 인한 지하수유입 등 다수의 위험구간이 존재한다.
터널 굴착 중 붕괴, 침수 등의 사고 발생 위험성을 평가하고 대책을 수립하기 위해 Fig. 8과 같이 단층파쇄대, 암종경계, 수직절리, 해저구간 상부 암석층 두께(rock cover) 등의 4개 주요 평가항목과 암반등급으로 표현되는 지반조건을 반영하여 종합위험도 평가를 실시하였다.
특히, 해저터널구간은 해저 저면과 연결성이 있는 수직절리가 발달하는 경우 해수가 터널에 유입될 수 있으므로 위험도에 중요한 요소로 반영하였으며 상부 암석층 두께가 작은 경우에도 위험도가 증가하므로 이를 고려하였다.
3.4 종합 위험도 평가를 통한 위험구간 선정 및 대응 시나리오
3.4.1 위험도 평가(Risk Assessment) 목적 및 기법
특정 시나리오가 터널 굴착 중 나타날 가능성과 그로 인해 터널에 미치는 영향과 피해수준은 각각 다르게 나타나게 되므로 위험도 평가를 통해 각 시나리오의 상대적인 위험도에 대해 정량적으로 평가하고 제시한 대책들을 적용했을 경우 예상되는 위험도의 감소를 분석하여 터널 굴착 중 가장 주의를 필요로 하는 우선 순위를 결정하였다.
터널공사와 관련된 위험도 평가는 위험 가능성과 피해 수준으로 다음 식 (1)과 같이 정의된다.
평가기법은 위험도에 대한 Table 10과 같이 가중치를 주는 방법과 위험도를 점수화해서 평가하는 방법이 있으며, 본 논문에서는 항목점수별 분류방법을 적용하였다. Table 11은 위험도 평가항목을 나타내고 있으며, Table 12와 Table 13은 각각 위험도 평가지수와 위험도 평가지수의 정의를 나타내고 있다.
각 위험 시나리오별 위험도를 분석하여 대책을 검토하고 잔류 위험도(residual risk)에 대해서도 같은 방식으로 평가를 하였다.
Table 10.
Risk assessment method
Table 11.
Frequency rating and severity rating
Table 12.
Risk index matrix
Consequence Likelihood | Catastrophic | Critical | Serious | Marginal | Negligible |
| Probable | 15 | 12 | 9 | 6 | 3 |
| Occasional | 10 | 8 | 6 | 4 | 2 |
| Improbable~Remote | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 |
Table 13.
Definition of risk index
3.4.2 위험도 평가 결과 및 대책
위험도 평가를 통해 Fig. 9와 같이 해저구간에 위험도 Level 3 이상의 위험구간 3개소를 선정하였다. 압해~화원 터널의 고위험구간은 암종경계구간, F5 단층파쇄대 통과구간, 그리고 낮은 암토피의 수직절리가 예상되는 구간으로 터널 시공 시 굴착안정성 확보에 유의하여야 한다. 위험구간으로 판단되는 3개구간에 대해서는 위험요인별 대응 시나리오를 구성하여 시공 시 안정성을 확보하도록 계획하였다. Table 14는 특정 시나리오의 위험도 평가결과이다.
Table 14.
Risk assessment result of specific scenario
위험도 평가결과 고위험구간에 대해서는 Fig. 10과 같이 시공 중 지질조건 및 유입량 확인을 원거리 확인조사, 굴착 중 막장에서 지반조건 확인과 안정성 평가, 굴착 중 지반조건별 대응시나리오를 구성하였다. 위험요소 확인 시 대응 방안으로 적극적인 지반보강공법과 차수그라우팅을 적용하였으며 온라인 암판정 시스템을 도입하여 지반조건 변경 시 즉시 대응이 가능하도록 계획하였다.
4. 해저터널 위험요소에 대한 안전성 확보 대책
4.1 미시추 해저구간을 위한 시공 중 안정성 확보방안
압해~화원터널의 해저구간의 상부는 유조선, 컨테이너선 등의 대형선박이 빈번하게 통항하는 주항로로 이용되어 중앙부 시추조사를 시행할 수 없었다. 해저구간의 지반조사는 양측 해안선에서 경사시추를 실시하고 해저구간에 대한 3차로 전기비저항 탐사 및 탄성파탐사를 통해 해저구간 지반조건을 분석하였다. 미시추 구간의 지반조사를 확인하기 위해 Fig. 11과 같이 시공 중 조사 계획을 수립하여 반영하였으며, 전방지질 확인을 위해 고정밀 TSP탐사, 선진수평시추, 감지공, 천공데이터분석 및 디지털맵핑 등의 5단계 지질예측 방안을 수립하였다.
4.2 해저구간 지하수 유입에 따른 안정성 확보방안
해저구간은 터널 상부에 무한량의 해수가 존재하여 터널 굴착 시 대량의 용출수로 굴착 안정성이 저하되며 심각한 경우 침수우려가 있으므로 철저한 차수대책이 필요하다. 차수그라우팅은 지수 및 터널 주변 지반보강이 주목적이며 많은 천공과 주입으로 공기 및 공사비에 많은 영향을 미치므로 지반조건별 적정한 그라우팅 범위와 천공 간격을 선정하는 것이 매우 중요하다. Fig. 12와 같이 해저구간의 차수그라우팅은 감지공의 유입량을 측정하여 결정하며, 감지공 1공의 유입량이 4.0 L/min 이상 또는 감지공 3공의 합이 10.0 L/min 이상인 경우 차수그라우팅을 시행하도록 하였다. 또한 터널 내 목표허용 유입량은 0.5 m3/min/km로 선정하였으며, 투수계수 k < 1.0 × 10-8 m/s인 경우, 주입범위는 5.0 m 이상인 것으로 분석되었다. 해저구간의 차수그라우팅은 환경에 영향이 적은 무기질계 주입재를 계획하였다.
지반특성을 고려하여 Fig. 13과 같이 암반등급별 5단계 차수그라우팅 패턴을 적용하였으며, 이 경우 그라우팅 범위는 차수그라우팅 5~7 m 정도로 계획하였고, 공간격은 1.0~2.0 m로 선정하였다. 차수그라우팅은 검사공을 통해 차수효과를 확인하고 굴착 중 유입량을 파악하여 필요시 포스트 그라우팅을 시행하도록 하였으며, 현장시험을 통한 그라우팅 적용성을 검토하여 설계에 반영하였다. Fig. 14는 해저구간에 적용된 차수패턴이다.
4.3 해저 단층대 굴착 및 보강방안
화원~달리터널은 퇴적암류인 일성산층과 달리도층 상부에 중생대 화산활동으로 인해 생성된 응회암과 유문암 지층이 피복하고 있으며 터널은 주로 화산암층을 통과하고 있다. 터널구간은 지각운동으로 인해 3개조의 단층이 발달하고 있으며 터널 중앙부 해저 통과구간에서 F5 단층이 확인되었다. 해저 단층파쇄대 통과 시 투수성이 높고 연약한 지층을 통과하므로 해수 유입 방지와 막장 및 천장부 안정성을 확보하기 위한 보강계획을 수립하였다.
해저구간 STA.3+180지점에서 F5 단층과 조우하며 단층의 폭은 5~10 m 규모로 추정된다. 해저구간의 수심은 약 33 m, 상부 암석층 두께는 26 m이며 터널 노선과 사교하고 있다. 단층의 폭은 인접한 육상부의 노두에서 확인하였고 3D 전기비저항 탐사에서 방향성이 확인되었다.
굴착 및 보강대책으로 Fig. 15와 같이 차수그라우팅은 내염해 무기질계 주입재를 적용하고, 그라우팅 주입범위를 7.0 m, 주입간격은 1.5 m를 계획하였다. 또한, 투수성이 높은 구간에서의 주입재 유실방지를 위한 1차 Blocker 그라우팅을 적용하였다. 단층파쇄대 전방에 대해 선진수평시추를 통해 단층 특성을 확인하고 직천공 대구경강관 선진보강 3열중첩, 굴착안전성 확보를 위해 CD분할과 FRP보강 그라우팅 등을 적용하였다.
4.4 암종경계부 및 중 ‧ 소규모 단층파쇄대 보강방안
해저구간에 응회암과 유문암의 암종 경계부가 위치하는 것으로 예상되었다. 일반적으로 암석의 조성 및 강도특성이 서로 상이한 암종 경계부는 경계면이 발달하여 투수성이 크거나 층리면이 발달하여 구조적으로 취약할 가능성이 높다. 암종 경계면이 해저 구간에 위치하여 설계 시 정확한 경계면을 특정하기 곤란하므로 시공 중 경계면을 확인하고 공학적 특성을 파악하여 적합한 차수 및 보강을 실시하도록 계획하였다.
시공 중 암종경계부 확인을 위하여 경계면으로 추정되는 위치에 수평시추(L = 60 m)를 적용하였으며 수평시추를 통해 경계면으로 예상되는 위치는 감지공을 천공하여 지반특성과 지하수 유입량을 확인하도록 계획하였다. 암종경계면이 확인된 개소는 지하수 유입량과 지반특성에 따라 친환경 무기질계 차수그라우팅과 천단부 강관보강형 선진보강그라우팅을 적용하도록 계획하였으며, 단층파쇄대 규모별 보강대책을 수립하여 단층파쇄대의 폭, 방향성 및 지반조건에 부합되는 보강방안을 적용하였다.
5. 해저터널 시공 중 및 운영 중 안전대책
5.1 시공 중 터널 내 침수사고 발생 시 대피계획
터널 내 침수사고 발생 시 Fig. 16과 같이 신속한 침수감지와 막장상황을 파악하고 작업자의 신속한 대피를 도와 인명사고를 방지하는 안전시설을 적용하였다. 터널 내 침수를 조기에 확인하기 위한 침수감지센서를 설치하고 24시간 막장상황을 확인할 수 있도록 지능형 CCTV를 반영하여 침수상황 조기 감지와 신속한 초기대응 및 통제를 실시하도록 계획하였다.
침수 발생 시에는 작업자가 신속하게 대피할 수 있도록 위험구간에 안전패트롤카와 대피용 차량을 상시 비치하고 작업자와 시공장비에는 IoT기반 스마트태그를 장착하여 실시간 위치를 확인하여 안전을 확보하는 터널 내 통합 안전관리 시스템을 구축하도록 계획하였다.
5.2 시공 중 붕괴 및 침수발생시 대응시나리오 및 수방대책
설계 시 예측한 해저단층대, 암종경계 및 저토피 구간에서 과다 출수 발생 가능성이 있으므로 위험구간에 대한 안전한 시공을 위하여 Fig. 17과 같이 공사 중 단계별 대책을 계획하였다. 돌발 용수에 대비하여 방수문을 설치함으로써 침수시간을 지연하고 대피시간을 확보하여 작업원의 안정성을 확보하도록 계획하였고, 터널 내에 비상 복구자재를 비치하였다. 돌발용수 및 붕락위험구간 전방 약 100~150 m 구간에서 TSP 전방탐사를 실시하고 막장에서는 GPR 탐사를 실시하여 위험구간 발견 시 위험구간에 대해 차수그라우팅을 시행하도록 계획하였다.
선행터널 굴착 시 해저구간 단층파쇄대 약 200 m 전방에 Fig. 18과 같이 방수문을 설치하며, 후행터널은 선행터널의 선진도갱 효과를 반영하여 위험구간에 대해 사전에 대처 가능토록 계획하였다. 양방향 굴착 최초 1회는 신규 설치하고 다음 위치는 방수문을 이동하여 재설치하도록 한다. 또한 터널 붕괴로 인한 고립 시 작업자의 구조시간 확보를 위한 비상피난처(refuge chamber)를 계획하였다. 비상피난처(refuge chamber)는 터널 내 작업조 운용인원을 고려하여 12인용으로 적용하였으며, 산소탱크, 소화기, 응급키트, 음용수 등 작업자 안전에 필요한 물품을 구비하였으며 공기 및 전력 차단 후에도 48시간의 안전시간을 확보하도록 계획하였다.
5.3 운영 중 단계별 침수방지 대책 및 침수 시 대응시나리오
지하 공간 침수방지를 위한 수방기준(Ministry of the Interior and Safety, 2019)의 제2장 제5조에서는 「지하 공간은 대피로가 한정되어 있으며 침수 시 외부상황 파악이 어려울 뿐만 아니라 대피할 수 있는 충분한 시간을 확보하기 어렵고, 배수설비 등의 기능이 정지되어 인명피해가 일어날 수 있으므로, 공간적 특성을 고려하고 지하 공간 이용자의 생명을 보호하기 위해 ~중략~ 단계적인 계획을 수립하여 침수피해로 인한 인명피해를 최소화하여야 한다.」라고 규정하고 있다.
법령에서 규정하는 단계적인 계획으로 1단계는 지하공간의 침수방지이고, 2단계는 침수시간을 최대한 지연시킬 수 있는 대책의 확보이다. 3단계는 진입차단시설 설치와 안전한 대피로의 확보이며, 마지막 4단계는 신속한 배수대책의 수립이다. 이와 같은 운영 중의 단계별 침수방지 대책과 단계별 대응시나리오를 확보하기 위하여 Fig. 19와 같은 시설계획을 수립하였다.
Fig. 20에서와 같이 터널 침수방지를 위해 전기실을 지상화하고 2회선 수전을 계획하였으며, 침수지연을 위해 집수터널을 계획하였다. 또한 터널 저점부 부근에 수직갱을 설치함으로써 대피동선을 최소화 하였다. 지하공간에 대한 침수방지 대책을 수립하고 단계별 침수방지 계획과 대응시나리오를 작성하여 설계에 반영함으로써 안전한 해저터널 계획을 수립하였다.
6. 맺음말
해저터널 계획 시 예측되는 다양한 위험요소를 검토하고 이에 대하여 특정 위험시나리오를 구성하여 위험도를 분석하였다. 또한, 분석된 문제점을 극복하기 위해 설계단계에서 최적의 대책방안을 제안하여 안전성을 확보하도록 하였으며 이를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
1. 압해-화원 해저터널의 특정 위험 시나리오 항목은 크게 지질조건과 상부 암석층 두께(rock cover)조건으로 분류하였고, 이중 지질조건은 지반조사 결과를 참고하여 단층대, 암종경계, 투수성 절리로 나누어 총 4가지 시나리오를 구성하였다.
2. 위험도 평가를 통해 해저구간에 위험도 Level 3 이상의 위험구간 3개소를 선정하고, 위험구간으로 판단되는 3개구간에 대해서는 위험요인별 대응 시나리오와 대책방안을 제안하여 시공 시 안정성을 확보하도록 계획하였다.
3. 지질 및 지반조건의 정확한 분석은 해저터널 계획 시 가장 중요한 요소이다. 최적의 선형계획을 위해서는 설계단계에서 정확한 지반현황을 파악할 수 있는 조사가 이루어져야 한다. 또한, 해저터널 계획 시 가장 큰 위험요소는 돌발적인 해수 유입이다. 갑작스러운 해수 유입의 위험도분석은 매우 중요하며, 이러한 위험도는 지반조건의 정확한 예측에 좌우된다. 설계단계에서 위험분석과 불확실성에 대한 평가가 수행되어야 한다.
4. 지반조사는 시공 중에도 지속되어야 한다. 터널막장의 페이스매핑(face mapping)은 경험있는 전문가에 의해 수행되어야 하며, 합리적인 결정을 내릴 수 있는 의사결정체계를 구축하여야 한다.
5. 해저터널 계획 시 해수 유입의 억제와 유입수 처리가 중요하다. 일반적으로 고수압하의 위험구간에 대한 확실한 차수 및 보강공법 확보가 필요하며, 시공 중의 안전과 대형 재해방지를 위해서는 막장 전방에 대한 체계적이고 계속적인 선진 천공, 유입수 조절, 프리그라우팅 및 포스트그라우팅 등이 필요하다.
6. 해저터널 구조물 및 터널 이용자 보호를 위하여 안전성, 경제성 측면에서 최적화된 환기 및 방재설비, 터널의 변형, 수위, 누수 등 실시간 모니터링 시스템을 반영하여 안정성을 확보하였다.
