1. 서 론

00공항 3단계 사업은 증가하는 항공수요에 적기 대응하고, 동북아 허브공항으로의 도약을 위하여 진행중인 사업으로서, 효과적인 사업추진을 위해서는 항공 운송환경 및 경제여건 변화, 주변 경쟁공항의 추진전략, 시설필요 시기 검토 등의 다양한 분석과 종합적인 검토가 필요하다. 특히, 공항철도의 고속화 및 고속철도 운영으로 00국제공항 위상제고 및 고속철도 수혜지역 확대 등 공항철도 활성화를 위한 공항철도 연계시설 확충의 일환으로 2012년 이후 T1역에 KTX운행이 예정됨에 따라 제2여객터미널의 직결운행 및 지방 공항이용객의 공항접근성 향상을 위해서 시설확충의 필요성이 요구된다. 따라서 00공항 3단계 핵심시설인 제2여객터미널(T2) 운영시 기존여객터미널(T1)과 동일한 수준의 철도교통서비스 제공 및 제2여객터미널까지 소요시간 단축으로 여객편의성 제고와 제2여객터미널에 KTX 및 공항철도 동시운행 철도교통서비스 제공으로 제1여객터미널 수요분산 효과 등을 위하여 00국제공항 제2여객터미널 연결철도를 계획하였으며, 계획노선 중 공항활주로 하부 통과구간은 Shield TBM 공법을 적용하였다(Fig. 1).

최근 국내에서는 굴착기술의 경우 터널이 장대화가 되어감에 따라 공사공정이 가장 큰 문제가 될 수 있으므로 경제성, 환경성, 안정성이 확보되는 기계화 시공의 적용에 대한 연구가 필요하다(Kim et al., 2012). 그러나 TBM 공법의 경우 실제 장비로 인한 실험이 경제적인 측면이나 장소의 제약으로 인하여 어려움이 있다. 따라서 이에 대한 대안으로 실제 TBM과 원지반을 차원해석하여 축소한 축소모형실험은 실제 시공 중 일어날 수 있는 문제점 및 굴착성능을 모사하므로써 합리적인 공사방안을 제시할 수 있다. 하지만 국내를 비롯한 국외에서도 TBM과 원지반을 차원해석하여 실험한 사례가 전무한 실정이다(Kim et al., 2012)

따라서 본 연구에서는 Shield TBM 공법을 적용한 00국제공항 제2여객터미널 연결철도공사 중 00공구를 바탕으로 TBM 장비 및 지반을 스케일에 맞추어 축소·제작하여 실제와 근접한 지반상태를 이상적으로 모델링하여 다양한 조건변화에 따른 경제적인 설계와 시공시 문제점 예측 및 시공중 파괴 메카니즘을 확인하고 정량적인 결과 도출을 위하여 시공전 또는 시공 중 안전 시공에 대하여 축소모형을 실시하였으며 이를 바탕으로 쉴드터널의 안전한 시공을 위한 기초자료로 활용하고자 한다. 또한, 본 연구는 Shield-TBM 구간에 대한 실내축소모형시험을 통하여 설계의 신뢰성을 확보하고 시공 시 안전을 위한 개선사항 등을 제시하며, 특히 Shield TBM 추진시 쉴드터널이 통과하는 공항 활주로의 안정성을 확보하기 위한 시공방안을 제시하고자 한다.

본 연구는 축소 모형장비의 제작과 시험을 통하여 터널 굴착시 지표침하의 영향을 검토하였다. 지표침하의 주요 영향인자인 Gap Parameter, 터널의 굴진속도, 병설터널의 굴착 영향 등에 대한 분석을 수행하였으며, 또한 Shield TBM 장비에 대한 굴진속도와 효율에 대하여 연구를 수행하였다.

2. 지반 현황

00국제공항이 위치한 지역은 선캠브리아기 경기편마암복합체와 이를 관입한 중생대 쥬라기 대보관입암류로 구성되었다. 육상부는 매립지와 제4기 충적층이 부정합으로 피복하고 있으며, 영종도는 편암류가 기반암으로 분포하고 있다. 노선 주변은 화강암이 기반암으로 분포하며 화강암은 석영, 흑운모, 장석류 등의 광물로 구성되었고, 중립 내지 조립질 크기로 나타난다. 다음 Fig. 2는 대상지반에 대한 지층현황을 나타내고 있다.

특히, 제3활주로 구간에 대한 지층과 Shield TBM공사를 나타내면 Fig. 3과 같다. Fig. 4는 대상지반 및 공사현황에 대한 1/48 축소 지반조성모델의 단면도를 보이고 있다.

대상지반에 대한 시추조사, 실내토질시험 및 암석시험을 수행하여 다음 Table 1～3과 같은 결과를 얻었다.

3. 쉴드 TBM 굴착 시 지반거동의 이론적 배경

Pantet (1991)은 깊은 터널과 얕은 터널에 대하여 두 가지 파괴모드를 제안하였으며, 토피(C)/터널직경(D) < 2.5에서 지보가 부족한 경우 터널굴착으로 인한 영향범위가 지표면까지 연장된다고 제시하였다. 터널 상부에 발생하는 지표침하 중 종방향 지표침하는 누적 가우스 정규분포함수로 해석할 수 있으며(Attewell, 1977), 횡방향 침하발생 한계영역은 침하형상폭 변수(i)의 2.5배로 알려져 있다(Schmidt, 1969, Attewell, 1977) Fig. 5는 Shield TBM 굴착 시 지반거동에 대하여 나타낸 것으로 터널 굴착 후에도 지속적인 거동이 나타나는 것이 일반적이다. 따라서 각 위치별 문제점을 사전에 예측하고 이에 대한 대책을 수립하여야 할 것으로 판단된다.

막장의 안정과 지표면의 침하곡선에 대하여서는 다음과 같은 이론적 접근이 설계시 반영되어야 할 것으로 판단된다. 각각에 대한 이론적 배경을 제시하면 다음과 같다.

(1) 지표침하예측

지표침하는 Fig. 6과 같이 Error Curve Method에 의해 예측한다. 이는 단일터널 굴착 시 지표침하분포-정규분포곡선(Error curve)을 이용하여 다음과 같은 식 (1)을 활용할 수 있다(Peck, 1969).

여기서, i : 침하형상폭 변수, s = 0.61 smax for x = i; s < 0.012 smax for x > 3i

체적변화가 없는 상태(No change in volume) 즉, 비배수상태 일 때 침하형상폭의 체적 VS는 와 같이 표현할 수 있다.

(2) 막장의 안정성검토

Broms & Bennermark (1967)는 점성토지반에 대하여 터널막장의 안정성 판단은 N (Stability Ratio) 또는 Overload Factor를 이용하여 예측하며, 다음과 같은 식 (2)를 제시하였다.

여기서, 는 surface load, 는 overburden, 는 support pressure, 는 undrained shear strength

상기 식 (2)에서 얻은 N값으로부터 N > 6 인 경우는 불안정, N < 4～5 인 경우는 일반굴착작업, 그리고 N < 1～2 인 경우는 탄성지반거동을 하는 것으로 판정한다.

4. 모형실험

4.1 쉴드 TBM 모형 장비 축소

TBM공법의 경우 실제장비를 이용하여 실험하는 것이 가장 이상적이겠지만, 이는 고가의 장비제작비용과 실험장소의 제약 등으로 인하여 어려움이 있다. 그러나 축소모형시험은 원지반 지반물성과 구조물의 형상 등을 축소율(scale factor)로 환산하여 원지반의 상태를 재현해 낼 수 있으며, 상사법칙을 적용하여 실제와 동일한 거동을 하는 장비를 제작하고 실험함으로서 원지반에 대한 굴착시 지반거동을 분석할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 00국제공항 Shield-TBM 단면에 대한 안정성 검토를 위하여 현장에서 실제 적용되는 장비에 대하여 축소모형 이론(차원해석)을 이용하여 1:48로 축소하여 다음과 같이 선정하였다.

(1) 실제 Shield TBM 제원

불량한 지반에서 굴착속도가 빠르고 터널안정성이 우수하다는 측면에서 Shield TBM공법이 적용되었으며 Single shield TBM EPB Mode로 다음 Table 4와 같이 제안하였다. 또한, 축소 모형장비는 실제 장비에 대한 상사율을 적용하여 Table 5와 같이 적용하였다.

(2) Shield-TBM 모형장비 제원

상기 실제 Shield TBM 장비에 대하여서 성능이 동일한 축소모형장비의 제원을 요약·정리하면 다음의 Table 6과 같다.

4.2 쉴드 TBM 모형 장비 제원

Shield TBM 공사에 대한 실내 시뮬레이션을 위하여 개발된 모형장비에 대하여 실제 공사용 장비와 비교하여 정리하면 Fig. 7과 같다.

4.3 지반조성 및 지반물성

(1) 조성지반물성

굴착모형시험을 위한 지반조성을 위하여 원지반의 특성과 조성지반의 특성을 실내실험을 통하여 실시하였다. 그 결과를 요약 정리하면 다음 Table 7과 같다.

(2) 모형시험 지반조성방법

모형시험용 지반조성을 위하여 현장 시료를 채취하여 기본적인 토질시험을 통하여 물성치에 대한 분석을 수행하였다. 모형시험용 지반은 시료 혼합기를 이용하여 기존시료에 함수비 5%를 추가하여 실험지반을 조성하였다. 조성 후 Fig. 8과 같이 성토하중을 가하여 지반 내 압밀 촉진 및 배수유도와 함께 장기간 압밀을 실시하고 지반 물성치 실험을 통하여 현장상태와 조건이 동일한 Shield 굴착 시뮬레이션용 지반을 조성하였다.

4.4 슬럼프 시험

이 시험은 Shield TBM장비의 버력처리과정에서 배토효율을 높이기 위하여 실시하는 시험으로 Shield TBM의 챔버내로 굴착되어 들어오는 버력을 원활하게 배토되게 하기위하여 사용되는 첨가제의 용량을 사전에 분석 검토하기 위한 매우 중요한 실험이다. 본 연구에서는 슬럼프 시험을 통하여 물을 첨가하는 경우와 폴리머를 첨가제로 사용할 경우에 대하여 사전 분석을 실시하였다. 슬럼프 실험의 경우 기존 슬럼프 시험 장비를 1:3.33으로 Fig. 9와 같이 축소하여 함수비 및 폴리머 배합비에 따른 슬럼프 시험을 실시하였다.

(1) 함수비 조건

윈지반 시료를 자연함수비가 25.38%인 점토와 27.64%인 실트를 구분하여 5%씩 함수비를 증가 시켜 실시한 함수비 변화에 따른 슬럼프 시험 결과를 정리하면 Fig. 10과 같다.

(2) 폴리머 배합비

이 실험은 폴리머의 배합비에 따른 점토와 실트의 슬럼프 시험 결과이다. 이 결과를 정리하면 다음의 Table 8과 같으며, Fig. 11～12와 같이 각각 정리할 수 있다. 특히, 축소실험으로부터 얻은 슬럼프값은 실제 슬럼프 값의 10/3으로 분석되었다.

(3) Form 배합비

이 실험은 Form 배합비에 따른 점토와 실트의 슬럼프 시험 결과이다. 이 결과를 정리하면 다음 Table 9와 같으며, Fig. 13～14와 같이 각각 정리할 수 있다. 이 결과도 축소실험으로부터 얻은 슬럼프 값은 실제 슬럼프 값의 10/3으로 분석되었다.

상기 실험결과로부터 검토 대상지반에 있어서는 폴리머를 이용한 배토의 Conditioning 방법의 적용이 타당할 것으로 판단된다.

4.5 배토효율 실험

(1) 스크류 컨베이어 축소모형시험 장비

스크류 컨베이어 축소모형시험은 지반의 버력을 Shield TBM 챔버 내에서 최상의 배토효율을 분석하여 최적의 버력배출에 대한 폴리머 배합비를 측정하기 위하여 실시하는 실험이며, 이를 위해 시험용 축소모형장비를 개발하였다. 사용된 시료의 물성치 및 스크류 컨베이어의 장비제원을 요약하여 정리하면 다음 Table 10과 같다.

(2) 실험 결과

굴착 실험 전 스크류 컨베이어 축소모형실험을 실시한 결과는 Fig. 15와 Fig. 16과 같다. 이들 결과로부터 배토량이 가장 효율적인 최적의 배합비는 폴리머혼합액/점토의 경우 30%로 나타났으며, 폴리머/물은 0.2%에서 최대의 배토량을 보였다. 따라서 이러한 결과는 실질적으로 굴착시 EPB Shield-TBM의 최적 배토성능을 보여줄 것이라 판단되어진다.

4.6 Shield TBM 굴착 시험

(1) 굴착 모사

Fig. 17～18은 Shield TBM 굴착 시뮬레이션을 위하여 지반조성 및 축소모형장비 그리고 계측시스템을 모두 설치한 상태를 보여주고 있다.

(2) 지중 침하계

본 연구는 지반 거동에 대한 안정성을 유지하기 위한 축소모형시험으로 터널 굴착시 대상지반의 침하거동이 무엇보다 중요하다. 따라서 검토지반을 조성 후 Shield-TBM 굴착시 발생하는 지중 침하량을 측정하기 위하여 Fig. 21와 같이 터널 중심 상부와 병행터널 중앙 상부, 터널을 중심으로 1D 간격으로 9개소에 침하계를 설치하였다. Fig. 19는 침하계 설치 광경을 보여주고 있다.

(3) 터널굴착 Simulation

터널의 굴착은 1차와 2차 터널을 구별하여 실시하였다. 1, 2차 터널 굴착시 측정한 자료는 지반과 Shield TBM장비를 구분하여 다음과 같은 항목을 정밀하게 측정하였다.

1) 지반 거동

- 지표침하 : 9개소 측정, Fig. 20 참조

- 지하수위 : 변화 측정

2) Shield TBM 장비 : Fig. 21 참조

- Cutter Head 회전속도 : rpm

- 추진압력 : 굴착전진에 따른 터널 막장압력

- 추진속도 : 터널 굴착속도

- 배토속도 : 스크류 컨베이어의 rpm

3) 부속설비 시스템

- 폴리머 첨가량

- 배토량 : 첨가제와 혼합된 상태의 버력 배출량, 배토의 물리적 특성

(4) 터널굴착 Simulation 결과

터널굴착 Simulation은 1차 2차 터널에 대하여 서로 다른 굴착제원으로 실시하였다. 이는 실질적으로 현장에서 적용할 최적의 굴착속도와 기타 방법을 규명하기 위함이다. 상기와 같이 실시한 터널굴착 Simulation 결과는 크게 추진압력과 굴진속도에 대한 분석을 실시하고 굴진거리 및 굴진속도에 따른 지표거동에 대하여 분석하였다. 1차 터널의 경우는 일반적인 굴진속도를 유지하며 실시하였으며 2차 터널은 굴진속도를 1차 터널 굴진속도의 2배로 실시하였다. 터널굴착 Simulation으로부터 얻은 결과는 Fig. 22～24와 같다.

1) 굴진속도에 따라 추진압력(막장압)변화

Fig. 22.에서 보여주는 바와 같이 굴진속도가 증가함에 따라 추진압력이 증가되며 따라서 막장압도 증가되는 것으로 나타났다. 따라서 현장 적용 시 상재하중을 고려하여 굴진속도를 적용하여야 할 것으로 판단된다.

2) 단계별 터널굴진에 따른 지표침하거동

Fig. 23에서 나타나듯이 1차 터널 굴착 시 지반침하가 2차 터널 굴착 시 보다 많은 량이 발생되는 것으로 측정되었다. 이는 굴진속도에 따라 굴착 주변지반의 거동에 영향을 받는다는 것을 의미한다. 이러한 양상은 특히 연약지반에서 터널굴진속도가 느리고 Shield TBM의 배토를 지속할 경우 굴착되기 전 막장의 연약지반이 장비의 Chamber 내로 압입되어 결국 지반침하를 야기시 킬 수 있다는 중요한 정보를 제공해주고 있다. 따라서 공사구간에 대하여서는 지반거동을 최소화하기 위하여 굴진속도를 가능하면 빠르게 함이 바람직하다는 결론을 얻었다. 그러나 실제 현장에서는 지반거동을 최소화하기 위하여 터널의 굴진속도에 따른 계측을 시행하여 적정 굴진속도를 찾아야 할 것으로 판단된다.

3) 터널별 굴진완료 후 지반침하량의 양상

Fig. 24와 같이 1차 터널 굴착 후 2차 터널 굴착 시 1차 터널 터널부에 추가적인 침하가 발생함을 알 수 있다. 또한 침하량은 언급내용과 같이 막장압과 굴진속도에 영향을 받음을 알 수 있다.

4) 배토된 버력에 대한 물성치 결과

배토된 버력의 물성치 결과는 Chamber내에서 이루어지는 Soil Conditioning에 있어서 첨가재의 량과 Mixing 상태를 알아내는 매우 중요한 자료이다. 따라서 본 Simulation에서도 Fig. 25와같이 배토된 버력에 대하여 슬럼프 시험 실시하고 이에 대한 결과를 나타내었다(Fig. 26, 27).

이 결과로부터 폴리머 배합비에 다른 사전 슬럼프 시험 결과와 매우 유사하며 Chamber내에서의 Mixing이 잘 이루어졌다고 판단된다 (Table 11).

(5) 터널굴착 Simulation결과의 활용

상기 터널굴착 Simulation 결과로 부터 본 Shield TBM 공사구간에 대한 설계와 시공 방법 및 방향에 대하여 제언하면 다음과 같다.

설계 시 막장의 안정성을 위한 막장압의 정확한 평가가 실시되어야 할 것으로 판단된다. Simulation 결과에서 보여주듯이 추진압력을 크게 하여 막장압력이 크게 될 경우 지표면의 융기가 야기 될 수 있으며 굴진압력을 작게하고 굴진속도를 느리게 할 경우 지표면의 침하가 추가될 수 있기 때문에 지반의 상재압력과 지반의 강도를 연계시켜 분석을 하여 굴진압력과 굴진속도를 예측하여야 할 것이다(Fig. 28).

또한 배토량과 굴진량과의 관계 도출하여 지반의 변형거동을 조정하여야 할 것이다.

Fig. 29는 Shield TBM 굴착 시 배토량과 굴진량의 관계를 나타낸 것으로 가장 최적의 굴진조건은 다음과 같은 식 (3)과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, Qin은 굴착량(굴착속도)을 의미하며, Qadd는 첨가재(챔버 내에서 Mixing)량이며, Qout은 배토량(버력처리량)을 의미한다.

따라서, 굴진속도에 좌우되는 굴진량의 설계는 배토량을 좌우하는 배토시스템의 제원을 면밀히 검토 분석하여 결정되어야 할 것으로 판단된다. 특히 장비의 Chamber 내에서 첨가재를 이용하여 Soil Conditioning이 잘되도록 할 수 있는 Mixing Brad 등과 같은 장치에 대하여 상세한 검토가 요구된다.

Gap Parameter에 대한 그라우팅재료의 시간 의존적 강성변화를 규명하고 이에 따라 굴진속도에 반영하여야 할 것이다(Fig. 29의 Qgrout 참조). 특히 Simulation 과정에서 Shield TBM의 Head가 지반의 지지력부족으로 하향되어 굴진의 어려움이 나타난 바 실제 현장에서는 Head 부를 지지할 수 있도록 보강이 필요할 것으로 판단된다. 또한 1차 터널 굴착 후 장기적으로 주변지반의 추가적인 압밀침하가 야기되지 않도록 연약지반 굴착시는 비배수상태를 유지하는 방안을 세워야 할 것으로 판단된다.

5. 결 론

00국제공항 제2여객터미널 연결철도공사 중 Shield-TBM 구간에 대한 설계의 신뢰성을 확보하고 시공시 안전을 위한 개선사항을 도출시키기 위하여 실내축소모형시험(터널굴착 Simulation)을 실시하였다.

이 연구를 수행하기 위하여 축소모형장비를 제작하였으며 시험으로부터 굴진 시 지표침하의 영향과 장비운영에 대한 거동영향 등에 대한 결과를 도출하였다. 이 결과로부터 설계 및 시공 지침에 대하여 제언하였다. 그 결과들을 요약정리하면 다음과 같다.

1.Shield TBM의 배토량 효율실험으로부터 폴리머 혼합액이 검토구간 대상지반에 30%를 추가했을 때 배토량이 2.07～2.50 (g/s)로 배토효율이 가장 높을 것으로 추정되었다.

2.굴진속도가 증가함에 따라 추진압력이 증가되며 따라서 막장압도 증가되는 것으로 나타나므로 현장 적용 시 상재하중을 고려하여 굴진속도를 적용하여야 할 것으로 판단된다.

3.굴진속도에 따라 굴착 주변지반의 거동에 영향을 받는 것으로 나타났으며, 특히 연약지반에서 터널굴진속도가 느리고 Shield TBM의 배토를 지속할 경우 굴착되기 전 막장의 연약지반이 장비의 Chamber 내로 압입되어 결국 지반침하가 발생되므로 지반거동을 최소화하기 위하여 굴진속도를 가능하면 빠르게 함이 바람직할 것으로 판단된다.

4.1차 터널 굴착 후 2차 터널 굴착 시 1차 터널부에 추가적인 침하가 발생하고 침하량은 막장압과 굴진속도가 영향을 받는 것으로 나타났다.

5.터널굴착 Simulation결과에 따라 설계 및 시공시 요구되는 사항으로 막장의 안정성 예측과 시공방안, 배토량과 굴진속도, Gap parameter의 그라우팅 방안, 굴진시 지표침하 예측 및 저감방안 등을 다각적으로 제시하였다.