Technical Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. 30 November 2021. 385-392
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2021.23.6.385

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 터널공사의 개요

  • 3. 최적 쉴드TBM 장비선정을 위한 과정 및 선정기준

  • 4. 최적 쉴드TBM 장비선정을 위한 평가기준 및 체크리스트

  • 5. 결 론

1. 서 론

최근 국내에서는 도심지와 해 ‧ 하저에서의 터널공법으로 쉴드TBM을 선정하는 사례가 증가하고 있다. 국내에서는 주로 전력구 터널공사에서 직경 2~3 m급 이 가장 많이 발주되고 있고, 지하철에서는 7~8 m급으로 검토가 되고 있으며, 도로터널에서는 13~14 m급으로 검토되고 있듯이 쉴드TBM을 이용하는 터널공사의 발주가 점진적으로 증가하고 있는 추세이다.

해외의 경우에는 지하철급 6~7 m급의 터널공사가 가장 많이 발주되고 있으며, 공사를 발주하는 기관에서 많은 경험을 바탕으로 입찰안내서에 쉴드TBM 설계와 제작방법을 과업구간의 지반조건과 장비설계시 고려해야 하는 사항을 입찰자에게 제시하고 있다. 발주자의 제시조건에 대해 입찰자와 장비제조사는 각자의 경험을 바탕으로 현장조건에 적합한 쉴드TBM을 설계하고, 제안하고 있다.

한편, 국내에서 점진적으로 증가하고 있는 쉴드TBM 터널공사에 비해 가장 먼저 고려해야할 쉴드TBM 장비를 어떻게 최적화 설계를 해야 하는지에 대해서는 많은 토의가 되고 있지만, 아직까지 정비되지 않은 실정이다. Kim et al. (2017; 2020)은 토압식 쉴드TBM 장비발주를 위한 설계항목과 세부 요구사양의 구성을 제시하여 쉴드TBM 장비를 발주할 때 필요한 전반적인 방향을 제안하였고, 내용을 정리하면 다음과 같다.

• 쉴드TBM은 일단 터널공사를 시작하면 이후에 사양과 성능을 개조하기 어렵기 때문에 프로젝트를 성공적으로 계획된 공사기간 내에 안전하게 수행하기 위해서는 장비 발주에 있어서 충분한 정보를 제공하고, 예상되는 리스크를 사전에 파악하여 발주자의 의도와 목적을 정확하게 제시할 필요가 있다.

• 국내에서도 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 있다.

• 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 수행하도록 하며, 발주자가 이수식 쉴드TBM을 적용하는 경우에는 이수식 쉴드TBM의 특징을 고려하여 추가해서 활용 가능하다.

이에 본 기술보고에서는 최근 전력구 터널공사에서 이수식 쉴드TBM의 발주사례를 통해 Kim et al. (2020)이 제안한 사항의 활용성에 대해 검토하고자 한다.

2. 터널공사의 개요

본 사례 검토는 최근 ○○지역 내 산업단지 개발에 따른 부하분담 및 안정적 전력 공급을 위해 신설하는 전력구공사이며, 공사의 개요는 다음과 같다. 터널구간의 선형은 통과지층, 수압조건, 터널연장, 터널단면 등의 터널공법 선정을 기초조건으로 하여 종단심도 계획을 수립하고, 전구간 풍화암, 연암 및 경암층을 통과하여 안정성 확보를 위한 선형으로 계획되었다(Fig. 1, Fig. 2).

• 공사규모 : 총연장(L) = 2,719 m

• 수용설비 : 345 kV 송전 4회선(D), 통신 1조

• 주요공사 : 쉴드TBM : 2,556 m, NATM : 3 m (변경 5 m), 개착식 전력구 : 160 m

• 수직구 2개소

- 발진부 : 심도 66 m, 내경 9.0 m

- 도달부 : 심도 48 m, 내경 9.0 m

본 터널공사는 총 연장 2,719 m 중 이수식 쉴드TBM 터널연장은 2,556 m이다. 발진부의 수직구는심도 66 m, 내경 9.0 m에서 장비를 조립하고, 발진부 전방에 3 m의 NATM을 계획하였으나, 장비조립과 시공성을 고려하여 5 m로 변경하였다. 이수식 쉴드TBM은 종단구배 +0.34%로 상향굴진하며 석남천 하부를 통과한 후 곡선반경 R = 150 m구간의 선형관리를 하면서 도달부 인근에서는 R = 300 m 및 R = 200 m 구간이다(Fig. 3).

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Fig. 1.

Plane condition of slurry shield TBM tunnel

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Fig. 2.

Longitudinal geology summary of slurry shield TBM tunnel

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Fig. 3.

Tunnel section plan

3. 최적 쉴드TBM 장비선정을 위한 과정 및 선정기준

상술한 과업의 터널구간 내 지반조건, 선형조건, 세그먼트 설계조건을 바탕으로 발주자는 최적 쉴드TBM 장비를 선정하기 위해 다음과 같은 과정을 수행하고 선정기준을 제조사에 제시하고 평가하였다.

1) 참여의향조사(Letter of Intent, LOI)

• 발주자는 국내 납품실적을 보유한 4개 제조사를 사전 지정, 참여의향을 조사

• 발주자는 사내 및 사외의 전문가를 대상으로 장비선정위원을 구성

2) 제안서 요청(Request for Proposal, RFP)

• 참여의향이 있는 제조사를 대상으로 관련 자료를 제공하고 장비 제조사는 제안서를 작성

• 발주자 제공사항

- 설계도면

- 설계보고서

- 지반조사보고서

- 장비선정위원회 제시 기준(공사시방서에 우선)

- 공사시방서

- 평가 기준, 최소 사양 등

3) 제조사의 기술 제안서(평가 전일) 제출 및 평가

• 발주자는 제조사가 제출한 기술제안서의 공정성을 확보하기 위해 평가 전일에 마감하여 취합한 후, 평가 당일 장비선정위원에 배포

- 쉴드TBM 도면(전체 개요도, 본체상세, 커터헤드)

- 쉴드TBM 장비 : 기술사양서, 제작기간, 제작 계획(신규/중고/개조 등)

※ 중고/개조의 경우, 사용이력, 부품이력 등 상세 이력 제시

- 본 과업용 이수식 쉴드TBM 제작 예정 공장위치 및 공장소개

※ 선정 후 실제 제작될 제조사 공장

- 이수처리플랜트 및 중계펌프 사양서

※ 신규/중고 여부 포함 제시

- 이수 펌프 수량 및 설치 위치가 포함된 이수순환 계산서

- 직경 5 m 이상의 (공기압 조절형) 이수식 쉴드TBM 납품실적

※ 중고의 경우, 사용된 현장의 상세조건과 이력, 부품교체 이력 등 상세

※ 토압식에서 이수식으로 개조하는 경우, 동등 성능의 장비 납품실적 제시

• 각 제조사별 제안서 발표, 질의응답 등 인터뷰

• 장비선정위원의 평가 및 2개 제조사에 대해 (평가당일) 적부판정

4) 발주처는 터널공사를 수행하는 건설업체에 적합판정된 제조사를 통보

5) 터널공사를 수행하는 건설업체는 적합판정된 제조사를 대상으로 가격입찰후 최종 선정

4. 최적 쉴드TBM 장비선정을 위한 평가기준 및 체크리스트

과업구간에 적합한 최적의 쉴드TBM 장비를 선정하기 위해 발주자가 제공한 설계도서 외 기술평가 기준은 장비본체, Backup 시스템, 옵션사항에 대해 최소한 고려하여야 할 사양과 형식, 수량을 제시하였고, 각 제조사가 제시한 내용을 바탕으로 비교하고 체크리스트로 활용하였다. 기술평가 기준으로 제시한 사항은 다음과 같다(Table 1, Table 2).

Table 1.

Basic condition

Div. Basic project condition Remarks
Tunnel lengths L = 2,556 m, Single tube
Minimum curve radius Min R = 150 m
Segment design OD 5.0 m, ID 4.5 m, W 1.5 m, 5+1 key
Maximum slope +0.34%
Water pressure 5.5 bar (design max 6.0 bar)
TBM launching shaft Shaft depths H = 66 m, ID = 9.0 m
Maximum rock strengths Max UCS 176.8 MPa
Table 2.

Minimum technical requirement for slurry shield TBM

Div. Items Requirement Remarks
Shield TBM Model New slurry shield TBM
Front body Chamber type Air bubble type (double chamber with compressed air) Non-changeable
Cutterhead shape Semi dome for mixed rock condition
Disc cutter 17~18 inch, exchangeable
1st crusher Stone (jaw) crusher Non-changeable
2nd crusher Option
Man lock 2 chambers with oxygen decompression system
Material lock 1 chamber (or material hole)
Probe drilling port 360 degree, over 14 ports for inclined
Main bearing diameter Over 40~50% of outer diameter of front body
Main bearing life time Over 10,000 hr or brand new
Main drive seal Proposal by supplier
Main drive rotation speed Max 8.0 rpm Non-changeable
Middle body Thrust force Over 28,000 kN Non-changeable
Thrust speed 60 mm/min Non-changeable
Thrust cylinder stroke Up to TBM supplier
Erector Lifting type Mechanical
Transportation Up to TBM supplier
Tail body Backfill grout TAC type, Bi-component synchronous grouting system Non-changeable
Tail brush Over 3 rows with emergency sealing and grouting excluder
Others Slurry circuit (Zero leakage system) Slurry tank for collection disposed
slurry wear-resistant protection, ultrasonic thickness gauge
Non-changeable
Articulation Active type
Earth collapse detector Necessary
Automatic cutter wear detector Up to TBM supplier
Probe drilling system Necessary
Chiller in tunnel Up to TBM supplier
Emergency generator Up to TBM supplier
Ring holder Up to TBM supplier
Ground prediction Will be discussed with TEPS
Slurry treatment plant Over 600 m3/hr Non-changeable
Booster pump for slurry circuit Over 600 m3/hr for discharge capacity Non-changeable
Technical service Up to TBM supplier for TBM assembly, advance and dismantling

과업구간의 선형정보, 세그먼트정보, 수압조건, 암반강도를 기본적으로 제시하고, 장비설계시 고려해야할 항목 중 일부 항목에 대해 요구사양은 제조사가 임의로 변경할 수 없도록 하였고, 형식과 수량을 제시하여 제조사별 설계결과가 상이하여 평가결과에 논란이 있을 수 있는 항목에 대해서는 명확하게 기준을 제시하였다. 또한 일부 항목에 대해서는 제조사가 대안을 제시할 수 있으나, 평가에는 반영하지 않았다.

5. 결 론

본 기술보고에서는 최근 전력구 터널공사에서 시도한 이수식 쉴드TBM의 발주사례를 통해 국내에서도 쉴드TBM의 발주와 평가방식이 증가하고 있는 국내 여건에 맞춰 발전하고 있는 것을 확인하였다.

1. 최적 쉴드TBM 발주를 위해서는 기본 제공자료와 상세 요구사항을 분리할 필요가 있다. 기본 제공자료로는 설계도서, 지반조사보고서, 공사시방서를 제시하고, 상세 요구사항으로는 과업구간의 특성을 고려한 아이템과 제작조건을 명확하게 제시할 필요가 있다.

2. 발주기관 내부 및 외부 전문가로 구성된 평가위원회를 활용하여 공정하고 전문적인 평가를 통해 최적의 장비사양과 제조사를 사전 검토하므로 품질과 경제성을 확보할 것으로 판단된다.

3. 최적의 장비설계를 위해 요구되는 사항은 제조사별 설계결과가 상이하여 평가결과에 문제를 야기시키기 않기 위해 명확하게 제시할 필요가 있다.

4. 평가를 통해 적합판정을 받은 쉴드TBM 장비는 공장검사시 실제 제작사양과 함께 비교하여 검증할 필요가 있다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부 국토교통과학기술진흥원의 건설기술연구사업(과제번호: 20SCIP-C129646-04)인 “TBM 커터헤드 설계자동화 및 운전 ‧ 제어 시스템 개발”의 지원으로 수행되었습니다.

저자 기여도

김기환은 연구개념과 원고를 작성하였고, 김혁은 연구방향 설정하였고, 김성철은 수집된 자료를 분석하였고, 강시온은 자료를 수집하고 정리하였다.

References

1
Kim, K.H., Kim, H., Kim, S.C., Kang, S.O., Mun, C.H. (2020), "The suggestion of tunneling information and detail requirements for EPB shield machine design", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 22, No. 6, pp. 611-622.
2
Kim, K.H., Kim, H., Mun, C.H., Kim, Y.H., Kim, D.H., Lee, J.Y. (2017), "A study on the establishment of domestic criteria through analysis of shield TBM requirements in overseas ITB (Invitation to Bid)", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 19, No. 6, pp. 985-997.
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