1. 서 론

최근 우리나라 연안에 위치하는 산업단지에서는 공장에서 발생하는 폐열이나 증기 등 에너지원을 재활용하기 위한 노력이 활발히 진행되고 있으며 이와 관련된 기반시설에 대한 관심도 증가하고 있다. 재활용 에너지원의 운송형태는 육상관로 또는 지중관로 등 다양하게 연구되고 있으며 목적에 따라서는 지형 및 지질조건을 고려하여 해저로도 이용되는 추세에 있다. 본 연구에서는 우리나라 서해안의 점성토와 사질토로 구성된 해성 퇴적층 구간에 3.25 km의 국내 최장의 해저터널로 시공된 쉴드 TBM 터널의 장비 침하와 선형이탈 현황 및 원인을 분석하였다. 쉴드 TBM 장비 침하와 선형이탈은 굴진속도와 상관관계가 있고 지반 지지력이 부족한 연약한 점토층 조건에서 쉴드 TBM 장비의 침하 발생 가능성이 높은 것으로 검토되었으며 이를 방지하기 위해서는 지반특성을 고려한 최적의 굴진속도의 적용이 필요할 것으로 분석되었다. 선형이탈 문제 발생 후, 굴진 재개 시 동일한 문제를 방지하기 위해 쉴드 TBM 통과구간의 지반조건을 분석하고 장비 침하 발생 리스크가 상대적으로 높은 구간을 선정하여 이론식을 이용한 지지력 검토를 수행하였으며 쉴드 TBM 굴진조건 즉, 굴진속도를 고려하기 위한 동적조건을 모사한 3차원 수치해석을 통해 TBM 침하와 굴진속도 사이의 상관관계를 분석하고 최적 굴진 시공관리 방안을 도출하였다.

2. 현황 및 지반조건

재활용 폐열 운송관로 수용을 위한 해저터널은 Fig. 1과 같이 전라북도 군산과 충청남도 사이의 금강 하구에 위치하고 있다. 터널은 해저 30 m 심도에 연장 3.25 km, 직경 3.5 m로 이수가압식 쉴드 TBM 장비를 이용하여 계획되었으며 발진작업구와 도달작업구가 각각 1개소 계획되었다.

터널통과구간의 해성퇴적층 지층 종단현황은 Fig. 2와 같으며 금강하구에서 퇴적되는 모래와 서해 연안에서 퇴적되는 점토로 인해 형성된 것으로 판단된다. 계획단계에서 발진 작업구 구간, 도달 작업구 구간, 해저터널 구간에 대해 40개소의 시추조사 및 현장시험 등 체계적인 지반조사가 수행되었으며 시추조사 결과를 이용한 토질 구성분포 및 토질 분류결과는 Table 1, Fig. 3과 같다. 터널 통과구간 지층은 실트질 점토, 점토질 실트, 점토질 모래, 모래, 모래자갈, 풍화토, 기반암 등 복합지층으로 구성되어 있으며 수심을 고려한 수압의 영향은 약 3 bar로 예상되었다.

3. 쉴드 TBM 위험요인 평가

3.1 쉴드 TBM 개요

터널 공법은 해저를 통과하는 터널 특성과 3 km이상의 굴진연장과 막장압 관리 및 버력처리의 시공성을 고려하여 이수가압식 쉴드 TBM (Park and Lee, 2013; Park et al., 2014)이 적용되었으며 터널통과 구간 지층 조건을 고려하여 복합지층에 대응할 수 있는 커터헤드가 계획되었다. 터널단면 및 쉴드 TBM 적용제원은 Table 2 및 Fig. 4와 같다.

3.2 쉴드 TBM 선형이탈 현황 및 원인 분석

해저 쉴드 TBM 터널 굴진 중 발진 작업구로부터 초기 굴진구간인 약 40 m 구간은 굴진 및 선형관리에 문제가 없었으나 Fig. 5에서 보는 바와 같이 발진 작업구로부터 약 40~150 m구간에서 선형이탈 현상이 발생하였다.

터널선형 계측결과에 의하면 하부로 발생하는 침하 경향이 뚜렷하게 나타나고 있으며 선형의 좌우 변동은 상대적으로 크지 않은 것으로 분석되었다. 이러한 선형이탈 발생 원인은 지질 불확실 요인, 장비의 기계적인 요인, 굴진속도, 막장압, 뒤채움 관리 등 시공관리에 원인이 있을 수 있으나 본 검토대상 구간은 Fig. 2의 지층현황에서 확인할 수 있는 바와 같이 쉴드 TBM 하부에 모래층이 분포하는 구간에는 선형관리에 문제가 없었으며 반면에 점토층이 출현한 구간에서 침하 문제가 발생한 것으로 볼 때 상대적으로 지반 지지력이 부족한 연약한 점토층 지반조건이 쉴드 TBM 자중으로 인한 장비 침하와 선형이탈의 주원인으로 작용한 것으로 판단된다.

점성토지반에서 쉴드 TBM 자중을 고려한 침하 발생 경향에 대한 정성적인 수치해석을 PLAXIS를 이용하여 수행하였으며 그 결과는 Fig. 6과 같다. 쉴드 TBM 자중을 고려하는 경우에는 침하량이 약 2.59 m로 크게 발생하고 자중을 고려하지 않은 경우에는 균등하고 미소한 침하 발생 경향을 보이고 있다. 이는 굴진이 진행되고 있는 동적 거동상태가 아닌 정적인 상태에서는 쉴드 TBM의 자중과 상부 토피하중으로 인한 장비 침하 발생 가능성이 크다는 것을 의미한다. 쉴드 TBM 하부 지반조건이 사질토인 경우와 점성토인 경우에 쉴드 TBM 자중을 고려한 침하 영향에 대한 정성적인 수치해석 결과는 Fig. 7과 같으며 쉴드 TBM 하부지반이 점성토인 경우에 하부 점토층 지반에서 변위가 하향으로 집중적으로 크게 발생하며 모래층인 경우에는 변위가 미소하게 발생하여 상대적으로 약 97% 감소하는 경향을 보이고 있다. 정성적 해석결과에 의하면 연약한 점성토 지반에 굴진 시공되는 쉴드 TBM은 사질토 지반에 비해 장비 침하 영향이 상대적으로 더 클 것으로 예상할 수 있다.

3.3 쉴드 TBM 터널 시공 위험요인 검토

쉴드 TBM 터널 시공 시 주요 문제점 발생 원인에 대해 일본에서 조사된 결과(Shimizu and Takatsu, 2001)에 의하면 지질적 요인이 86%로 대부분을 차지하며 장비의 기계적 요인이 14% 정도 차지하는 것으로 보고된 바 있다. 우리나라에서도 TBM 현장 경력이 10년 이상인 국내 TBM 시공 전문가들을 대상으로 설계요인, 지질요인 및 시공요인 3개 항목에 대한 설문조사(Hyun et al., 2012)가 수행되었다. 이중에서 지질학적 요인에 기인하는 위험요인의 사전분석은 시공 중 발생할 수 있는 문제점을 사전에 예방하기 위한 필수적인 요소이므로 시공 위험요인을 사전에 검토하고 대책을 수립할 필요가 있다.

본 연구에서는 Fig. 6과 Fig. 7의 정성적인 수치해석을 통해서 검토된 바와 같이 시공현장에서 발생한 쉴드 TBM 장비의 침하와 선형이탈의 직접적인 원인으로 예상되는 지지력 측면 즉 지질 불확실 요인을 중점 검토대상으로 선정하고 대상지반의 N값을 기준으로 위험요인 평가를 수행하였다. N값 분석은 쉴드 TBM 상부, 중앙부, 하부의 평균 N값을 적용하였으며 구간별 쉴드 TBM 통과구간의 N값 분포현황은 Fig. 8과 같다. 이 분석결과를 기준으로 Fig. 9와 같이 N값이 상대적으로 낮고 점토층과 모래층이 교호하는 특성을 보이는 Section A (Sta. 2+100 m)와 점토층이 하부에 출현하고 모래와 점토가 혼재된 지층으로 위험요인이 상대적으로 큰 Section B (Sta. 2+790 m)를 주의시공 대표구간으로 선정하였다.

3.4 쉴드 TBM 자중을 고려한 지지력 검토

지지력과 쉴드 TBM 장비 침하의 상관관계 검토를 위해 TBM 자중을 반영한 지지력 검토를 수행하였으며 쉴드 TBM 장비의 중량은 Fig. 10과 같으며 총 중량은 1,150 kN으로 계산되었다.

지지력 검토대상구간은 정성적 검토를 위해 시공위험예상 구간 중 Fig. 9의 대표단면 B의 지반조건을 사질토 조건 대표단면 Section C와 점성토 조건 Section D로 단순화하여 적용하였으며 지지력 검토에 사용된 사질토 및 점성토 특성을 대표하는 단면 및 검토조건은 Fig. 11과 같다.

점성토는 압밀침하가 완료된 점성토로 가정하였으며 쉴드 TBM의 중량을 정사각형 형태의 기초로 환산하여 기초 지지력 공식을 이용한 지지력 만족여부를 검토하였다. 지지력은 Terzaghi (1943)와 Vesic (1975)의 이론식 (1), (2)를 적용하여 검토하였다.

(1)

  (2)

쉴드 TBM 자중을 고려한 지지력 검토결과는 Fig. 12와 같으며 사질토 통과 구간에서는 지지력이 충분히 확보되고 있으나, 점토층을 통과하는 경우에는 TBM 장비의 자중과 상부토사 하중으로 인한 지지력 부족으로 장비 침하가 발생할 것으로 검토되었다. 즉, 쉴드 TBM 굴진이 현격하게 저하되거나 장비가 정지 상태에 있는 경우에는 쉴드 TBM 장비 침하가 발생할 것으로 추정할 수 있다. 따라서 지지력 부족으로 인한 쉴드 TBM 장비 침하를 방지하기 위해서는 해당 구간의 지반특성을 고려한 최적의 굴진속도의 적용이 필요할 것으로 판단되며 각 지반조건별로 최적의 굴진속도를 산정하기 위해 3차원 수치해석을 통한 쉴드 TBM 종방향 거동에 대한 검토를 수행하였다.

4. 수치해석을 통한 쉴드 TBM 거동분석

4.1 쉴드 TBM 종방향 거동 분석 수치해석 모델링

쉴드 TBM 터널의 안정성 검토는 Fig. 13과 같이 시공단계를 고려한 해석이 중요한 사항으로 막장압 및 침하를 고려하기 위해서는 쉴드 TBM 모델링에서 스킨플레이트에 해당되는 면요소, 배면 그라우팅 및 세그먼트 라이닝을 고려하는 방법(Mooney et al., 2016)이 적용되고 있다.

이 방법은 Gap parameter 유무에 따라서 발생되는 변위, 세그먼트 응력뿐만 아니라 쉴드 TBM 장비 후방에서 발생하는 지표침하 및 터널 막장 전방의 지반침하를 평가하는 데는 유용한 방법이지만 쉴드 TBM의 굴진이 계속 진행되고 있는 조건을 반영하고 있으므로 실제 쉴드 TBM의 굴진율 등 시공 특성을 반영하지 못하는 제한요소가 있다. 100 tonf 이상 중량의 쉴드 TBM은 지지력이 충분하지 않은 연약지반에서 굴진이 중단된 휴지기간이나 굴진속도가 낮은 구간에서 선형이탈이 유발될 수 있기 때문이다. 따라서 선형이탈이 발생할 수 있는 구간에 대해 휴지기간 및 커터교체 위치 검토 등 장비의 기계적 위험요인과 지질적인 위험요인을 선행적으로 예측하고 사전대책을 수립하기 위해서는 쉴드 TBM의 중량 및 굴진조건을 고려한 해석기법의 적용이 필요하다. 기존 연구 자료에 의하면 쉴드 TBM 굴착 안정성 평가에 쉴드 TBM 자중과 동적 거동을 고려한 개념이 일부 소개된 바가 있다.

Sugimoto and Sramoon (2002)는 Fig. 14와 같이 쉴드 TBM 장비에 작용하는 힘의 역학 관계 및 작용조건들을 고려하여 막장압과 추력 등의 상관관계를 분석하고 이 결과를 현장굴진 데이터와 비교 검증 하였으며 쉴드 TBM 터널의 시공단계별 종방향 거동(longitudinal behaviour)특성을 쉴드 TBM 터널 설계에서 고려해야 할 항목으로 제안하였다.

그러나 단순 상관관계 분석을 통한 예측은 지반조건과 쉴드 TBM 종방향 거동특성을 명확하게 규명하기에는 어려움이 있으므로 기존에 적용된 쉴드 TBM 안정성 검토와는 다른 접근방법인 지반조건과 쉴드 TBM 자중을 고려한 종방향 거동 해석 기법이 필요하다. 본 연구에서는 점성토 지반의 검토 대상 단면에 대해서 쉴드 TBM 굴진조건 즉, 굴진속도를 고려하기 위한 동적조건을 고려한 3차원 수치해석을 수행하였으며 해석 개념도와 3차원 수치해석 조건은 각각 Fig. 15 및 Fig. 16과 같다. 쉴드 TBM 장비의 자중, 추력, 이수챔버 내의 이수압력 및 배면그라우팅의 압력 등을 Fig. 16과 같이 고려하고 지층조건을 고려한 해석모델을 적용하였다. 쉴드 자중 및 굴진속도를 고려하기 위한 동적조건을 모사한 해석(Kasper and meschke, 2004)은 새로운 접근 방식의 해석법으로 지지력이 부족한 복합지반 출현구간, 특히 연약점성토 구간에서 굴진관리대책 수립에 활용이 가능할 것으로 판단된다.

쉴드 TBM 장비의 동적인 효과를 구현하기 위해서는 지반요소와 쉴드 TBM 장비를 모사한 요소가 개별적으로 거동할 수 있도록 하여야 하므로 FLAC-3D의 “Zone separate” (ITASCA, 2009) 기능을 활용하여 지반과 쉴드 TBM 장비를 분리한 후에 쉴드 TBM 장비의 동적효과가 적용되도록 하는 기법을 적용하였다. Fig. 16과 같이 강성차이가 크고 주면마찰력이 작용하는 쉴드 TBM skin plate에는 인터페이스 요소를 적용하였으며 쉴드 TBM 자중을 해석에서 반영되도록 커터헤드, 후방 장비 각각의 단위중량을 고려하였다. 분리된 요소인 쉴드 TBM 장비 영역은 굴진속도에 해당되는 값을 변수로 입력하여 전방으로 해당 속도만큼 굴진(이동)이 되도록 구현하였다. 또한 굴진과정 모사에 필요한 뒤채움 주입을 시간경화에 따라서 구분하였고 세그먼트 설치 등도 고려하였다. 해석모델링은 Fig. 17과 같으며 대표지반의 특성치는 Table 3과 같다.

4.2 쉴드 TBM 침하와 굴진속도 상관관계 분석

예비해석을 통해 쉴드 TBM 자중에 따른 영향을 검토한 결과 자중을 고려하지 않는 경우에는 Fig. 18(a)와 같이 막장압이 작용하는 부분과 세그먼트 설치 후면부에서 변위가 상당량 발생하는 경향을 보이며 반면에 쉴드 TBM 자중을 고려한 경우에는 Fig 18(b)와 같이 쉴드 TBM 하부에 침하가 발생하는 경향을 보이고 있다. 예비해석의 경향을 활용하여 쉴드 TBM 장비 침하가 발생하지 않는 굴진속도를 검토하기 위해서 동적인 조건인 굴진속도를 고려한 해석 수행 결과 각 굴진속도별 변위발생경향은 Fig. 19, 20과 같다.

3차원 해석결과를 반영한 굴진속도별 쉴드 TBM 장비 침하 경향 분석 내용은 Fig. 21과 같으며 사질토구간의 굴진속도는 25~30 mm/min를 유지하고 점성토구간의 굴진속도는 35~40 mm/min를 유지하는 경우 장비 침하를 극복할 수 있는 것으로 검토되었다.

시공 중 발진 작업구로부터 약 40~150 m구간에서 선형이탈이 발생한 이후 구간에서는 본 연구의 검토결과를 반영하여 Table 4와 같이 제안된 시공 관리안으로 관리되어 추가의 장비 침하 문제는 발생하지 않고 선형관리 시공품질을 확보하였다.

5. 결 론

점성토와 사질토로 구성된 복합 해저 퇴적층 지반을 통과하는 3.25 km의 해저터널 시공 중에 쉴드 TBM 장비 침하로 인한 선형이탈이 발생하였으며 원인 분석결과 연약한 점토층 지반에서 쉴드 TBM 장비의 지지력 부족이 주원인으로 작용한 것으로 검토되었다. 연약한 점토층 지반조건에서는 쉴드 TBM 장비 지지력 부족으로 장비 침하가 발생할 수 있으며 이를 방지하기 위해서는 지반특성을 고려한 최적의 굴진속도의 적용이 필요할 것으로 분석되었다.

지질 불확실 요인을 중점검토대상으로 선정하고 쉴드 TBM 통과구간의 지반조건을 고려한 위험요인 평가를 수행하였으며 시공리스크가 상대적으로 높은 주의 시공구간에 대해 지지력을 고려한 장비 침하영향 검토와 쉴드 TBM 굴진조건 즉, 굴진속도를 고려하기 위한 동적조건을 구현할 수 있는 새로운 개념의 3차원 수치해석 방법을 통한 검증을 수행하였다. 쉴드 TBM 침하와 굴착속도 사이의 상관관계 분석결과에 의하면 쉴드 TBM 굴진속도를 모래층에서는 25~30 mm/min, 점토층에서는 35~40 mm/min로 유지하는 경우에 쉴드 TBM 장비 침하를 방지할 수 있을 것으로 검토되었으며 추가 시공구간에서 본 검토결과를 적용하여 시공관리를 한 결과 유사한 쉴드 TBM 장비 침하 문제는 발생하지 않았다.

본 연구결과를 통해 점성토와 사질토로 구성된 해저 복합지층조건, 특히 연약점토 지반에서 쉴드 TBM 설계 및 시공 위험요소를 사전에 효과적으로 분석하고 설계단계에서 지반조건에 부합되는 쉴드 TBM 굴진속도를 제안함으로써 안전한 시공관리가 가능할 것으로 판단된다.