1. 서 론

지하공간 개발은 제한된 토지의 활용성을 증대시키기 위한 가장 적극적인 형태의 토지개발 방식으로써, 특히 고밀도의 개발이 완료되고 상주인구 밀집도가 높은 핵심 도시권역을 중심으로 개발 수요가 급증하고 있다(Mavrikos and Kaliampakos, 2007; Bobylev, 2009; Sterling et al., 2015; Broere, 2016). 지하공간 개발을 위한 굴착공법 중 하나인 Tunnel Boring Machine (TBM)은 1) 검증된 기계 장비와 기성 세그먼트 라이닝을 활용한 지반 안정성의 확보, 2) 누적된 경험과 장비 운용시스템의 활용을 통한 시공 효율의 극대화, 3) 발파공법 미적용으로 인한 진동과 소음의 최소화, 4) 상대적으로 낮은 소요 인력 규모와 인명피해 발생 가능성 등의 장점들로 인해 도심지 내 굴착에서 활용성이 높은 시공법으로 자리 잡고 있으며 재래식 굴착공법인 New Austrian Tunneling Method (NATM) 대비 상대적으로 높은 건설단가에도 불구하고 그 적용 사례가 꾸준히 늘어나고 있다(Shin, 2013; Chen et al., 2018; Lin et al., 2022). 최근에는 토사 및 하저터널과 같이 굴착면의 안정성 확보가 어려운 조건, 또는 장대형 및 대심도 터널과 같이 시공 난이도가 높은 프로젝트에 TBM 공법의 활용이 더욱 확대되고 있다(Barla and Pelizza, 2000; Kim et al., 2011; Dehnavi et al., 2016; Hassanpour et al., 2019; Thanh et al., 2022).

TBM을 통한 기계식 굴착 중 특히 소구경 터널식 전력구용 TBM 장비는 대부분 설치 및 해체 작업을 위해서 수직구의 설치가 요구된다. 하지만 공사 현장 인근 지반과 구조물의 안정성 확보 및 공사 부지 확보 등의 문제가 수직구 굴착에 대한 어려움으로써 작용한다. 뿐만 아니라 수직구 건설 비용에 대한 문제도 함께 주목해야 한다. Fig. 1은 한국전력공사에서 실시하는 전력구 공사의 공사비 산정을 위한 최근 10년간의 표준단가 변화를 보여주는 그래프로써 수직구의 단위 길이당 시공 단가가 기계식 터널의 경우와 비교해 약 5–6배로 훨씬 높을 뿐만 아니라, 수직구의 시공 단가 증가(106.23%)가 TBM 터널(64.20%)에 비해 약 1.65배 더 빠른 것을 확인할 수 있다. 이런 건설 비용에 대한 부담은 기본적인 인건비와 재료비의 상승 이외에도 수직구 건설 시 고려해야 하는 공사 용지 점용의 어려움과 이에 따라 발생하는 현장 주변 거주민들의 소음 및 진동에 대한 민원의 심화와 같은 외부적인 요인에 기인한 것으로 판단된다. 결과적으로 매년 빠르게 증가하는 수직구 건설 비용이 전체 공사의 경제성 저하를 일으킬 뿐만 아니라 향후 이 문제가 더욱 심화할 수 있다는 것을 보여준다.

Fig. 1.

Construction cost change of vertical shaft and shield TBM tunneling defined by KEPCO

또한, 장대형 터널의 굴착을 여러 대의 TBM 장비가 나누어 실시하거나, 복수의 터널을 서로 연결하는 접속터널의 시공의 경우에는 앞 구간의 도달 수직구와 뒤 구간의 발진 수직구가 서로 인접한 위치에서 별개로 시공되며 이로 인한 공사비 중복 지출의 문제가 추가로 발생하게 된다. 이러한 이유로 수직구 굴착에 대한 부담을 줄이고 장대형 및 접속 터널 건설을 수행하기 위하여 TBM 갱내 해체공법(또는 TBM 터널 내부 해체공법)이 최근 큰 관심을 받고 있다. TBM 갱내 해체 공법 적용에 따라 수직구 건설이 생략될 경우 공사 범위 인근 지반과 구조물의 안정성 확보에 유리할 뿐만 아니라 앞서 언급된 수직구 공사 비용의 상승, 공사부지 점용과 이에 따른 민원 등의 문제를 상당히 줄일 수 있게 된다. 한국전력공사에서 도달 수직구의 생략을 통해 절감이 가능한 공사비의 규모는 통상적인 전력구 터널의 심도를 고려하였을 때 2025년 기준 수직구 1기당 약 60여억 원에 이르는 것으로 추산되며 향후 공사 단가 추이에 따라 그 규모가 더욱 커질 것으로 전망된다.

국내에서는 2000년대 중후반에 수도권 지역 전력구 공사에서 TBM 장비의 갱내 해체가 최초로 적용된 것으로 확인된다. 이후 TBM 공사 사례가 급격히 늘어남에 따라 상기에 언급된 사회·경제적 장점들로 인해 관련 기술개발이 이뤄지고 현장 적용 사례도 점차 확대되고 있다. 하지만 TBM 장비 자체의 설계와 제작, 그리고 관련 기술의 개발과 적용은 현장 맞춤형으로 실시되며 통상적으로 장비 제작사의 의도에 따라 진행되어 기술의 일반화를 위한 사례 정리가 부족한 상황이다. 따라서 본 논문에서는 TBM 갱내 해체가 적용된 국내 및 해외 사례를 조사하고 각 사례에서 현장 및 TBM 장비의 특성에 따라 적용된 해체 기술의 분석을 수행하였다. 특히 장비의 해체 방식을 장비 형태 및 재활용율을 기반으로 분류하였다. 이를 바탕으로 향후 TBM 굴착공사 시 현장 조건에 따른 갱내 해체 공법 가능 여부의 판단이나 공법 선정에 기반이 될 체계화된 정보를 제공하고자 한다. 또한, 공법 개발 및 적용 초기에 발생한 용어상의 혼동을 방지하기 위하여 관련 용어를 일반화하여 제안하였다. 마지막으로 TBM 갱내 해체 시 요구되는 고려 사항과 향후 필요한 관련 연구 및 기술개발에 대한 제언을 정리하였다.

2. TBM 갱내 해체 공법

2.1 TBM 갱내 해체의 필요성

한 구간의 TBM 굴착을 위해서는 일반적으로 장비의 발진과 회수 작업을 위한 수직구가 양 끝단에 각각 한 개씩 필요하다. TBM 장비는 커터헤드(cutter head)와 쉴드스킨(shield skin or skin plate)으로 인한 외경이 후방에 설치되는 세그먼트 라이닝의 내경보다 크고 추진잭의 인발을 통한 이동 방식으로 인해 후진이 불가능하므로, 이중 굴착이 종료되는 지점에 설치하는 도달 수직구는 TBM 장비의 해체와 반출용 작업 공간의 확보를 위해 필수적인 구조체로 여겨져 왔다. 하지만 접속터널 건설에 기존 TBM 터널 시공 방법이 적용되면 Fig. 2에 나타난 바와 같이 도달 수직구를 접속 대상 구조물(기설 터널이나 수직구 등)에 인접하게 시공하고 잔여구간에 대한 굴착을 추가로 시행해야 한다.

Fig. 2.

Conventional tunnel junction construction using a TBM with two vertical shafts

이 경우 먼저 기설 구조물과 인접한 위치에서 굴착 범위가 상대적으로 넓은 수직구의 굴착으로 인하여 지반의 이완이나 기타 외부 하중이 발생하므로 인접 지반과 기설 구조물 본체의 구조적 안정성에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 또한 굴착을 통해 발생하는 지하수의 흐름 변화로 인한 토사 유실이나 유효응력의 증감 등의 변수도 함께 고려해야 한다. TBM 갱내 해체는 TBM 장비를 터널 내부에서 해체하고 해체된 부품들을 굴착이 완료된 터널을 따라 후방으로 이송하는 일련의 공정으로써, 이송된 부품들은 최종적으로 발진 수직구를 통해 지상으로 반출되므로 통상적으로 TBM 굴착 공사에 요구되는 2개의 수직구 중 도달 수직구의 생략이 가능하다(Fig. 3). 따라서 TBM 갱내 해체 공법은 인근 지반과 구조물의 안정성 확보를 가능하게 할 뿐만 아니라 추가로 수직구 공사 비용을 절감시키고 공사부지 점용과 이에 따른 민원 등의 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있다.

Fig. 3.

Tunnel junction construction with in-tunnel TBM disassembly (no arrival shaft needed)

2.2 유형 및 특징

굴착이 종료된 이후에 진행되는 TBM의 갱내 해체는 크게 1) 일반 TBM의 내부 장치 및 부속품을 산소절단기 등을 활용하여 개별적으로 해체, 분해하는 방법(이하 개별 해체)과 2) 부품 재활용과 해체의 효율을 높이기 위해 내부 부품을 블록 형태로 묶어서 분리하고 반출하는 방법(이하 일괄 해체)으로 분류될 수 있다(Fig. 4).

Fig. 4.

In-tunnel TBM disassembly methods

개별 해체(disassembly with main drive segmentation)의 경우 기존 TBM 장비를 추가 개조 작업 없이 그대로 사용할 수 있다는 장점이 있지만 해체 과정에서 메인 드라이브를 포함한 구동부나 전체 프레임이 절단되는 과정에서 손상 가능성이 높아 갱내 해체 후 반출된 TBM 장비의 재활용(buyback and refurbish)이 제한되는 단점을 가지고 있다. 현재 국내에서 사용되는 전력구 굴착용 TBM의 경우 대부분이 굴진 거리 기준 약 3–5 km 가량을 기계적인 수명으로 보고 통상적인 기계식 굴착 1개 구간의 굴진 거리가 1 km 안팎임을 고려하였을 때 3회 이상 사용하여 수명 한도가 크게 남지 않은 TBM 장비나 장비 해체 시 재활용에 대한 비용 고려가 필요 없는 경우에 개별 해체법의 선별적인 적용이 가능한 것으로 볼 수 있다.

일괄 해체의 경우 이와는 다르게 부품과 프레임 간 대부분의 연결이 볼트나 구조용 키(key)로 조립되도록 제작되었기 때문에 현재 기술 수준으로 보았을 때 절단 작업이 필수적인 일부 부품(예시: 커터헤드, 쉴드스킨)을 제외한 대부분 부품의 해체와 재조립이 상대적으로 용이하다. 하지만 조립식으로 구성된 기계구조 및 부품 구성으로 인해 굴착 과정 중 발생하는 혹독한 외부 환경에 저항하여 내부구조의 긴결성을 확보하고 굴착 성능을 유지할 수 있는지에 대한 우려가 남으며 제조사나 적용 대상 공사 현장의 여건에 따라 장비 내부의 조립 형태나 해체 방식에 차이를 보이는 특징을 가진다. 일괄 해체는 내부 구동 부품 중 핵심 역할을 담당하며 제조단가가 높아 재활용에 대한 가치가 높은 메인 드라이브을 절단으로 인한 손상없이 해체하여 단일 부품 전체를 후방으로 반출하는 주요 구동부 일괄 해체법(disassembly with main drive extraction)과 주변의 기타 유압장치를 메인 드라이브과 구조적으로 묶어서 함께 반출하는 전체 구동부 일괄 해체법(disassembly with integrated component extraction)으로 다시 나뉠 수 있다. 상기의 2가지 일괄 해체법 모두 해체되는 부품군의 부피와 무게가 상당하여 이로 인해 해체 부품 반출 시 부품군의 하단에 궤도를 설치하고 터널 하단의 레일을 통해 후방으로 배출하는 방법이 적용된다.

이외에도 독일의 Herrenknecht 및 일본의 UGITEC에서 각기 개발한 일괄 해체용 굴착기계(TBM 및 세미쉴드)는 장비 전체를 둘러싸는 외부 케이싱이 추가된 형태로써, 갱내 해체 시 외부 케이싱은 터널 내부에 그대로 매몰시키고 케이싱 내부에 있는 TBM 구동 장비 전체를 일괄적으로 후방으로 배출하는 방식을 적용하고 있다(Figs. 5 and 6(a)). 해당 공법은 외부 케이싱을 영구 지보재로 사용하기 때문에 장비 해체 과정에서 지표면 침하의 우려가 상대적으로 낮으며, 해체 과정에서 장비 내부구조에 변형이나 변경이 없으므로 TBM 장비의 손상을 최소화할 수 있다는 장점을 가지고 있다. 따라서 상대적으로 사회·문화적 가치나 구조적 예민도가 높은 지상 구조물(예: 문화재나 안전시설)의 하부 굴착 공사 시에 적용을 주로 고려하는 편이다.

하지만 커터헤드로 인해 결정되는 터널 굴착경이 외부 케이싱의 두께를 포함해야 하므로 장비의 후방 반출 시 커터헤드와 외부 케이싱 간의 간섭이 필연적으로 발생하게 된다. 이에 대응하여 해체 시 커터헤드를 지중에 매몰시키거나 다양한 형태의 변형(convertible), 보다 구체적으로 접이식(foldable)이나 축소형(retractable) 커터헤드를 적용할 수 있다(Figs. 5(a) and 6).

Fig. 5.

Semi-shield with external casing for in-tunnel disassembly (Herrenknecht)

Fig. 6.

Convertible cutter heads of TBMs

하지만 커터헤드 매몰 방식은 터널의 막장부가 커터헤드로 닫혀 터널 내부 공간 활용성에 제약이 발생하거나 매몰을 위한 추가 공간의 확보가 필요하다. 또한 변형 및 접이식 커터헤드는 단일 구조로 된 일반 커터헤드에 비해 강성 확보에 취약하여 굴착 대상 암반의 강도가 높은 경우에는 적용이 어렵다는 문제를 가진다.

이 밖에도 TBM 장비에 외부 케이싱이 추가되면, 장비 전체의 체적과 중량은 증가하는 데 반해 TBM 장비의 내부 공간이 제한되어, 상대적으로 작은 용량의 메인 베어링과 유압모터 배치가 불가피하므로 TBM의 구동력 저하 문제가 발생할 수 있다. 이에 따라 굴착에 큰 동력이 필요한 암반 지반의 굴착보다는 토사 지반에 적용 가능성이 더 높은 공법이라고 할 수 있다. 외부 케이싱을 포함한 일괄 해체형 TBM 장비가 가지는 구조 및 굴착 효율상의 문제점을 극복하고 해체 과정에서의 공정 편의와 장비 재활용성을 함께 높이기 위해 최근에는 주요 구동부 일괄해체 방식이 현장에서 가장 활발하게 적용되고 있다.

현재 국내 관련 업계와 현장에서는 TBM 갱내 해체를 위해 다양한 구조나 기술이 적용된 장비가 활용되어왔으며, 기술에 대한 호칭을 위해 갱내 해체의 경우에는 풀백(pull-back), 이중 일괄 해체법의 경우 DSR (draw a shield recycling)이란 용어를 흔하게 사용하고 있다. 하지만 이 2개의 용어는 특정 TBM 장비 제작사의 일괄 해체 기술을 명명하기 위해 해당 회사에서 만든 상업적 명칭으로써 그중 풀백은 굴착이 완료된 후 발진 수직구에 설치된 와이어식 인양 장비(winch)를 활용하여 TBM 내부에 위치한 구동 부품군 전체를 일괄적으로 후방으로 반출하는 세미쉴드 해체 기술을 지칭하는데 사용되었다. 또한 DSR은 Fig. 6(a)의 토사용 TBM 장비가 외부 케이싱을 그대로 남기고 내부 구동부와 변형 커터헤드가 일괄적으로 해체되는 경우와 B지역 전력구 공사현장(Table 1 참고)에서 적용된 암반용 전체 구동부 일괄해체 장비에도 사용된 것을 확인할 수 있었다. 이런 명칭들은 기술의 세부적인 특성(예: 적용 대상 지반, 장비 타입, 커터헤드 및 쉴드스킨 해체 유무 등)을 포괄하지 못하고 특정 업체에 귀속된 용어이므로 범용적으로 사용하기에는 무리가 있으며, 이를 한국어로는 갱내 해체 혹은 터널 내부 해체, 영어로는 in-tunnel disassembly나 in-tunnel dismantling으로 표현하는 것이 적절하다고 판단한다.

3. TBM 갱내 해체 사례

3.1 국내 사례 정리 및 분석

현재까지 국내에서 실시된 TBM 갱내 해체의 적용 사례는 대부분이 직경 4 m 이하의 소구경 터널식 전력구 공사였으며 예외적으로 대구경 교통터널의 경우에는 최근 독일 Herrenknecht의 Gripper TBM 장비를 해체한 사례 1건이 보고되었다(Park et al., 2024). 교통용 터널의 경우에는 갱내 해체 적용을 위한 터널 내부공간 확보가 상대적으로 유리하므로 협소한 공간에서의 해체 작업에 대한 고려보다는 메인 드라이브와 같은 고중량의 핵심 부품을 안전하게 반출하고 인양하는 부분이 핵심 고려사항인데 반해, 터널식 전력구의 경우 장비 해체를 위한 내부 공간이 협소하여 내부에 반입될 수 있는 장비의 크기가 제한적이고 작업반경에도 제약이 크므로 해체 방법과 순서의 결정에 해체의 주안점이 맞춰져 있다. 따라서 본 연구에서는 실제 갱내 해체가 적용된 전력구 터널 공사의 사내 시공 및 장비 자료를 활용하여 연구를 진행하고 장비 운용 및 현장 상황을 포함한 관련 세부 사항을 검토하였다.

국내에서는 전력구 공사의 특성상 이미 개발 성숙도가 높은 도심지 내에서 시공되는 경우가 많아 도달 수직구 생략을 통한 공사비 절감 및 공사부지 점용 최소화가 갱내 해체의 주요 도입 근거가 되었다. 이외에도 기존 전력구나 수직구에 신설 터널을 접속시킴으로써 전력선의 효율적인 배치를 위한 분기를 제공하기 위한 시공사례도 포함되었다. 대부분의 사례에서 토압식(earth pressure balance, EPB) TBM이 적용되었으나 갱내 해체 공법을 고려하여 결정된 것은 아닌 것으로 보이며, 주변 지반이나 지하수 조건과 같은 현장 상황에 따라 이수가압식(slurry pressure balanced, SPB) TBM을 적용 후 해체한 경우도 총 2건이 있었다. 막장면의 안정성 확보가 갱내 해체 적용의 선결 조건이었으며 이를 위해 공사 현장의 여건에 따라서 해체 지점의 위치를 변경하는 경우도 존재하였다. 다음의 Table 1은 시공 사례를 정리한 자료로써 현장 별로 장비의 특성과 해체 방식에 추가로 갱내 해체 공법의 도입 이유와 현장 내 특징 등에 대해 요약한 내용을 담고 있다.

TBM 장비의 개별 해체가 이루어진 현장은 총 4개소였으며, 일괄 해체가 실시되거나 계획 중인 현장은 최소 6개소가 존재하였다. 전체적으로 일괄 해체 방식의 적용 초기에는 일본 장비 업체들의 관련 기술 우위로 인한 선호가 일부 있었으나 이후 독일 및 중국 장비 업체에도 관련 기술 개발이 이루어져 시장이 상대적으로 다변화되고 있는 경향을 보였다. 다음은 상단의 갱내 해체 현장 적용 사례에서 특정 현장을 선별하여 세부적인 갱내 해체와 이후 접속터널 시공에서의 특징을 요약한 내용이다.

3.1.1 개별 해체 공법 적용 예시(E지역 전기공급시설 전력구 현장)

E지역 전기공급시설 전력구 공사 현장은 일반 쉴드TBM을 활용하여 터널을 굴착한 후에 갱내 해체 시 내부에서 모든 부품을 산소절단기 등의 장비를 사용하여 개별적으로 절단하여 해체와 반출을 시행한 사례이다. 갱내 해체를 위한 총 작업기간은 약 2개월이며, 공정 초기에는 작업공간 확보와 해체된 부품의 원활한 이송을 위하여 후방대차를 먼저 이동시켜 발진 수직구를 통해 지상으로 반출했다. 이후 내부 공간 확보를 위해 배토시스템인 스크류 컨베이어(screw conveyor)부터 해체를 시작하고 이외의 부품들은 후방에서 전방으로 순차적으로 나아가며 해체를 진행하였다. 메인 드라이브과 커터헤드의 해체 작업은 상대적으로 많은 시간이 걸리고 해체된 부품 조각의 무게와 크기가 크므로 사전에 메인 드라이브 후방에 위치한 모든 주요 부품(e.g. 그리퍼, 유압잭, 오퍼레이팅 장치 등)과 스킨 플레이트에 부착된 간섭물들도 모두 제거하는 것이 필요하였다(Fig. 7).

Fig. 7.

In-tunnel TBM disassembly with main drive segmentation

3.1.2 전체 구동부 일괄 해체 공법 적용 예시(B 및 D지역 전기공급시설 전력구 현장)

B지역과 D지역 전력구 현장은 전체 구동부 일괄 해체 공법이 적용된 사례이다. 이를 위한 TBM 장비도 사전에 갱내 해체를 염두에 두고 설계되어 특히 핵심 구동부인 메인 베어링 외에 이렉터와 방향전환잭을 포함하는 복수의 부품이 한 블록으로 연결되어 일괄적으로 반출되는 구조적 특징을 가지고 있다. 이를 위해 커터헤드에서 로터리 조인트를 분리하고 구동부를 고정하기 위한 구조키를 제거한 후에 레일을 통해 반출이 이루어졌다. 이를 통해 해당 장비는 B지역 전력구 공사 현장에서 사용된 후에 갱내 해체로 회수되어 이후 D지역 전기공급시설 전력구 현장에서 동일한 방식으로 사용되었다. 해당 장비는 TBM 내부 주요 부품의 재활용성과 갱내해체의 효율성을 극대화하기 위해 가장 진보된 형태를 제작에 반영한 것으로 평가받으나, 한편 굴착 과정에서 장비에 발생한 변형과 손상으로 인해 원래 계획했던 방식으로 갱내 해체를 실시하기 어려웠다는 한계를 동시에 보여준 사례이기도 하다.

3.1.3 주요 구동부(메인 드라이브) 일괄 해체 공법 적용 예시(A 및 C지역 전기공급시설 전력구 현장)

주요 구동부 일괄 해체 공법은 메인 드라이브(메인 베어링 및 유압모터)를 분해없이 일괄로 해체하는 방식을 말한다. 이는 TBM 장비 내에 가장 높은 기술 및 경제적 가치를 가지는 메인 드라이브에 손상을 최소화하여 이후 재활용을 염두에 두고 해체하는 방법으로써, 재활용을 통한 장비의 가치재고 외에도 TBM 장비를 설계함에 있어서 해체를 고려하지 않은 일반 TBM 장비와 구조상으로 크게 다르지 않기 때문에 적용을 위한 기술적 장벽이 크지 않은 것으로 판단한다. 일반 TBM 장비는 메인 드라이브와 쉴드스킨이 서로 일체화되어 제작하는데 반해 주요 구동부 일괄 해체 방식의 TBM 장비는 메인 드라이브가 쉴드스킨에 볼트로 결합되어 볼트의 제거를 통해 분리가 가능하도록 제작된다. 메인 드라이브의 경우 부품의 크기와 무게가 상당하기 때문에 일괄로 배출하기 위해 전체 구동부 일괄 해체 방식과 동일하게 레일의 설치와 궤도의 사용이 필수적이며, 레일에 거치 시 안전사고를 예방하기 위하여 커터헤드와 메인 드라이브 사이에 간이잭을 거치시켜 서서히 후방으로 밀어내는 작업이 필요하다(Fig. 8). 주요 구동부 일괄 해체 공법은 A지역 전기공급시설 전력구 공사에서 투입되었던 장비가 해체 후에 정비되어 C지역 전기공급시설 전력구 공사에서 투입된 사례가 있었다.

Fig. 8.

Utilization of rail and hydraulic jack for in-tunnel TBM disassembly with main drive extraction

3.2 해외 쉴드TBM 내부해체 사례

해외의 TBM 갱내 해체 사례는 기설 터널이나 수직구에 분기형 접속구 시공을 위해 TBM 부품의 해체와 반출을 고려한 대부분의 국내 사례와 비교하여 TBM 해체 방법뿐만 아니라 갱내 해체 적용 근거나 해체 당시 주변 상황 등 많은 부분에서 차이가 있다. 대부분의 갱내 해체 적용 사례는 최종 목표가 수직구 건설을 줄이기 위한 것이라는 점에서는 유사하나, 이에 대한 배경은 1) 대심도 터널의 굴착, 2) 하저 터널과 같이 지하수 유출이 심한 현장, 3) 장대형 터널에서 여러 대의 TBM을 활용한 동시 굴착, 4)　굴착 현장 상부 지표의 시설물 및 환경 보전 등 각 현장에 따라 크게 다르다. 다음의 Table 2는 논문이나 보고서 등 다양한 형태를 통해 보고된 해외 각지의 TBM 갱내 해체 사례를 정리한 내용을 담고 있으며 TBM의 갱내 해체 공법과의 공학 및 절차적 유사성을 가진 세미쉴드의 갱내 해체 사례 역시 포함하고 있다.

3.2.1 대심도 및 장대형 터널 공사 시 TBM 갱내 해체 적용

중국 Xinjiang 수로터널, Qinling 철도터널, Shiziyang 터널 등의 경우에는 TBM 장비로 굴착해야 하는 공사 구간의 총 노선 길이가 9 km를 초과하는 장대형 터널로써 TBM 장비의 내구도와 전체 공사의 진행효율을 고려하여 여러 대의 TBM 장비가 동시에 사용되는 특징을 가진다(Du, 2014; Feng and Chen, 2016; Xie et al., 2022). 해당 사례들은 일부 구간의 경우 2대의 TBM이 반대방향에서 서로 마주보면서 굴착을 진행해 최종적으로 직접 만나는 방식이 적용되었으며(Fig. 9), 이는 수직구의 필요 개수를 줄이기 위한 선택으로 보인다. 특히 Xinjiang의 수로터널은 산악지역을 통과하는 경로로 인하여 TBM간 접속예상 위치에서 심도가 2 km 이상이므로 수직구 공사 자체가 거의 불가능한 수준이므로 갱내 해체 또는 장비의 매몰이 필수적이라고 판단된다. 이에 더해 Shiziyang 터널은 서로 반대방향에서 마주오는 TBM간의 접속 시 주변지반과 터널 구조체의 안정성을 극대화하기 위하여 양 TBM 장치간이 완벽하게 정렬되고 서로 맞물리도록 하고 이후 한쪽 TBM 전방의 외부 케이싱이 반대편으로 일부 이동하여 접속부를 케이싱 자체로 덮어 터널의 구조부재로 활용하도록 하였다(Fig. 10).

Fig. 9.

Geological stratum, face-to-face tunnel excavation sections of Xinjiang tunnel (Xie et al., 2022)

Fig. 10.

Face-to-face Shield TBM docking process of Shiziyang tunnel (captions are translated from Du (2014); left: alignment, right: docking)

3.2.2 지하수 누수가 심한 공사 시 TBM 갱내 해체 적용

대만의 Taipei-I Ian Hsuehshan 터널은 고속철도를 위해 시공된 병렬터널(east and west bounds)로써 총 2대의 Double Shield TBM이 사용되었다(Leng, 2005). 2대의 장비 모두 절단을 통한 개별해체 공법이 적용되었으며, 이 중 West Bound를 공사하던 장비는 18 bar에 달하는 고수압으로 인해 굴착부로 지하수의 누출과 터널의 붕괴가 발생하였다. 이 과정에서 손상이 발생한 장비를 터널 내부에서 해체하기로 결정하여 일부 지반보강 공법을 적용하여 누수를 차단하고 장비를 해체하여 후방으로 반출한 것으로 확인된다. 이외에도 누수로 인한 굴착 장비의 반출과 관련된 특이한 사례로는 덴마크의 Copenhagen에서 이루어진 열수로 건설용 세미쉴드(semishield) 굴착 공사가 있다(Smet Group, 2016). 해당 현장에서는 세미쉴드 굴착이 약 60 m 진행한 단계에서 장비의 후방에 있는 지보용 파이프에 손상이 발생하고 이를 통해 누수가 발생하였다. 누수의 발생지점이 하저 구간인 탓에 유량이 크고 주변 지반에 대한 보강작업도 어려워 와이어 인양장비(winch)를 활용하여 세미쉴드 장비의 직접 인발로 후진(retraction)을 실시하였다. 세미쉴드 장비와 손상된 파이프를 후방으로 옮기기 위해서 특수 고정장치를 제작하고 이를 파이프 끝단에 고정하여 인발작업을 실시하였으며, 이를 통해 다운타임을 약 6달로 최소화하였다(Fig. 11).

Fig. 11.

Tunnelling machine and retraction tool (left: Semishield (AVN2500), right: Retraction anchor and force distributors) (Smet Group, 2016)

4. 향후 발전 방향 및 주안점

TBM 굴착공사에서 갱내 해체는 수직구 건설이 최소화가 가능하다는 장점에 더불어 기존 터널에 추가로 횡방향 분기의 터널을 접속시키거나, 장대형 터널에서 원활하고 효율적인 공사 진행을 위하여 전체 공사 구간을 나누어 시공하는 경우에 각 구간의 연결부 시공에 활용될 수 있다. 안전하고 효율적인 갱내 해체 실시를 위해 다음의 여러 조건을 고려해야할 것으로 판단된다. 먼저, 굴착기계 종류별(토압식, 이수가압식 등) 해체 및 반출 프로세스 정립과 접속 조건에 따른 갱내 해체 시나리오를 명확하게 정립해야 한다. 굴착기계 종류에 따라 해체 및 반출 프로세스가 달라지고, 굴착기계 종류는 시공 현장의 지반 조건에 따라 결정되기 때문에 지반 조건을 고려한 보강 계획도 함께 수립해야할 것이다. 특히, 접속구간 경계면에서 발생되는 지하수 유입을 차단하기 위한 차수처리 공법이 명확히 정의되어야 할 것이다. 이와 더불어 갱내 해체에 따른 지표 변위 및 TBM 기계 자체의 안정성 모니터링이 필요하다.

현재 한국전력공사에서는 앞서 언급한 갱내 해체 및 반출 프로세스 정립과 지반 조건에 따른 갱내 해체 시나리오 정립, 갱내 해체 지점의 원활한 차수를 위한 새로운 접합재료 개발을 수행하고 있으며, 갱내 해체로 인한 지표 변위 모니터링을 위해 인공위성 InSAR 기술 기반의 모니터링 체계를 구축하여 운영 중이다. 앞으로 지속적인 연구 개발을 통해 안전하고 경제적인 터널 공사에 기여할 것이며, 궁극적으로는 국내 전력망의 적기 구축에 이바지할 것이다.

5. 결 론

본 연구에서는 TBM 장비가 도달 수직구 없이 터널 내부에서 해체·반출되는 갱내 해체(in-tunnel disassembly)의 국내·외 적용 사례를 조사하고, 각 사례의 조건에 따른 해체 방식과 주안점을 분석하였다. 국내에서는 도심지 전력구 공사에서 갱내 해체 공법이 주로 활용되고 있으며, 이는 기존 운용 중인 전력구 또는 수직구와의 접속터널 시공에서 공사비 절감, 공사부지 점용 최소화, 소음·진동 저감 등의 장점을 제공하는 것으로 나타났다. 이에 따라 향후 전력구 및 도시 기반 시설 공사에서 TBM 갱내 해체 사례가 지속적으로 증가할 것으로 전망된다. 해외 사례에서는 국내와 달리 지상에 교통 및 사회기반시설용 터널의 장대구간 분할 굴착법, 대심도·하저터널과 같이 수직구 건설이 어려운 현장 조건, 지반침하에 예민한 환경에 대한 대책 등으로 갱내 해체가 다양하게 활용되었다. 이러한 사례 분석을 통해 갱내 해체 공법은 단순히 접속터널 형성에 국한되지 않고, 다양한 현장 조건에서 수직구 대체 방안으로 활용될 수 있음을 확인하였다. 안전하고 효율적인 갱내 해체 공정의 확립을 위해서 굴착기계 유형별 해체 및 반출 프로세스 정립, 지반 조건에 따른 최적 해체 시나리오 수립, 접속부 차수 및 구조체 접합 기술 개발 등의 추가 연구개발이 필요하며, 향후 적용이 확대됨에 따라 지표 변위 모니터링 체계를 통한 안전성 검증과 모니터링이 요구될 것으로 보인다. TBM 갱내 해체 공법은 도심지 기반 시설 확충과 장대형 터널 시공의 주요 대안으로서 적용 범위가 더욱 확대될 것으로 기대되며, 관련 기술의 지속적인 연구 개발과 표준화가 병행될 때 국내, 외 터널 시공 분야에서 그 활용성이 한층 강화될 것이다.