1. 서 론

기계식 굴착장비인 TBM을 이용하여 지하에 터널을 시공한지 수십여 년이 지났다. 신규로 건설되는 지하터널도 점점 증가하고 있는 실정이다(Kim et al., 2013). 최근에는 도시의 발달과 팽창으로 해저를 통과하는 지하터널이 증가하고 있다. 해저 터널의 시공은 육상 터널의 시공과 몇 가지 다른 부분이 존재한다. 지하수 이외에 해수가 존재하여 고수압을 형성하는 것과 시공 중 지반 보강이 필요한 지형이 나타나게 되면 육상에서의 보강보다도 어려운 제약이 따르는 것을 들 수 있다. 그러므로 해저터널 시공 시 시공트러블 발생의 예측과 그것의 예방은 매우 중요하다. 해저 터널 시공 시 시공 트러블의 예방을 위해서는 대상 지반의 지질학적 데이터와 시공 중 TBM의 기계 데이터를 이용한 분석이 필수적이다.

그동안 국내에서 건설된 해저터널은 발전소에서 냉각용 해수를 유도하기 위한 도수터널 일부와 남해안 지역에 시공을 완료한 도로용 침매 터널이 대부분이며, 현재 가스 터널이 남해안에 위치한 거제지역에서 시공 중에 있다. 국외에서는 막장압이 약 11 bar에 가까운 해저터널이 터키 보스포러스 해협에서 완공되었으며(Burger and Arioglu, 2015), 홍콩지역에서는 공항과 홍콩섬 및 마카오 지역을 연결하는 도로 터널이 해저 약 50 m 아래에서 시공되고 있다(Albert, 2017). 영국에서는 템즈강 하부에 하수터널을 계획 중에 있으며, 심도는 약 70 m 가까이 된다(Phil, 2016). 싱가폴에서는 해저 60 m 내외에 전력구 터널을 시공하여 2018년에 준공이 예정되어 있다(Singapore Power, 2018). 이처럼 해외에서는 다양한 프로젝트가 완료되거나 시공 중에 있으며, 고수압을 받는 터널 현장에서 다양한 경험을 DB로 구축하고 있다. 그러나 국내에서는 고수압을 받는 해저터널에 대한 터널 경험이 매우 부족하여 이에 대한 연구가 미약한 실정이다.

Teale (1965)은 광산 개발과정에서 회전식 비트(Rotary drilling bit)가 암반을 효과적으로 분쇄하는지를 판단하기 위한 방법으로 비에너지(Specific Energy)개념을 최초로 정립하였으며, Celada et al. (2009)와 Bieniawski et al. (2012)는 TBM의 커터헤드가 회전식 비트와 유사한 움직임을 보이는 것에 착안하여 TBM의 굴진성능을 비에너지로 예측하는 연구를 수행하였다. 비에너지는 암반의 단위체적을 굴착하는 데 필요한 에너지로 정의한다. 국내에서는 TBM의 블랙박스에서 직접 취득한 현장굴진자료가 부족하거나 정보가 공개되지 않는 문제로 인해 비에너지의 활용연구가 부족한 실정이다.

이에, 본 고에서는 대한민국 최초로 서해안 해저 지반에 시공한 소형 슬러리 TBM의 굴착성능을 분석하고자 하였으며, 이를 위해 6 bar로 예상되는 해저터널의 고수압에 대응하기 위한 이수식(Slurry) TBM의 고려사항과 대상 지반의 지질학적 특성을 분석하였다. 이를 바탕으로 시공 현장에서 획득한 TBM의 기계 데이터인 순 굴진율, 총추력, 토크 및 RPM 등의 상관관계를 분석하였다. 더불어, 비에너지와 FPI (Field Penetration Index)와의 상관분석을 통해 순 굴진율을 예측 할 수 있는 경험식을 제시하였다. 당 현장은 점토(clay)층이 암반상부에 3 m 이상 존재하고 있어 해당 점토층이 불투수막을 형성하는 관계로 파쇄대층에서도 실제 수압은 6 bar가 발생하지 않았다. 이번에 획득한 해저터널 경험과 굴착성능 DB는 향후 해저터널 건설 시 교훈으로 활용될 예정이다.

2. 서해 해저터널 프로젝트

당 현장은 대한민국의 충남 서해안 해저지반 하부 약 60 m에 건설되는 소형 터널이다. 터널의 길이는 1,831 m이고, 굴착외경은 3.59 m이다. 분석에 사용된 굴진자료는 전체 터널길이의 약 65%인 1,190 m에서 구한 자료를 이용하였다. 지반조사 자료가 없는 지역의 굴진자료는 분석에서 제외하였다. TBM 장비의 반입과 반출을 위한 발진구와 도달구의 심도는 각각 63.7 m와 57.0 m이다. 굴진은 상향식 굴진으로 0.3%의 구배를 갖는 현장이며, 수평터널은 RMR II~IV등급의 암반층을 통과한다.

2.1 이수식(Slurry) TBM

당 현장은 설계 수압이 6 bar로 고수압을 받고 있고, 암반층을 통과하며 고수압 대응에 용이한 장비의 도입을 위해 TBM은 이수식(slurry type)으로 선정하였다. 슬러리 타입의 장점은 EPB type보다 고수압 조건에 대한 막장압 조절이 용이하고 낮은 동력과 토크를 이용할 수 있으며, 커터 마모가 줄어드는 장점이 있다(ITA, 2001; Townsend et al., 2009). 굴진에 사용한 TBM은 일본 RASA에서 제작한 외경 3.53 m급 슬러리 TBM으로 최대 4.6 RPM까지 운전이 가능하다. 정격토크는 3.0 RPM에서 915 kN ‧ m이며 최대토크는 1,410 kN ‧ m이고, 커터헤드는 4 × 110 kW 전기모터로 회전한다. 총 12개의 쉴드 잭으로 12,000 kN의 추력을 발휘한다. 디스크 커터는 수평터널이 통과하는 암반층이 연경암구간으로 커터당 허용 연직력이 약 240 kN 인 15.5인치 국산 디스크 커터를 탑재하였다. 이를 요약하여 Table 1에 기록하였으며, 현장에 적용한 슬러리 TBM의 개요도는 Fig. 1과 같다(RASA, 2016).

Fig. 1.

Slurry TBM schematic

2.2 지질 조건

당 현장은 총 11공의 보어홀을 이용하여 지반조사를 수행하였으며 시추심도는 29 m에서 63 m까지 시추하였다(KEPCO, 2014). 조사 지반은 퇴적점토, 풍화토, 풍화암, 연암, 경암 순으로 분포가 되어 있으며, 그 두께는 다양하게 분포되어 있는 것으로 나타났다. 퇴적 점토층은 3 m 이상의 두께를 갖는 것으로 나타났다. 수평터널이 통과하는 지층은 대부분 연암과 경암층으로 선 캠브리아기의 Migmatitic gneiss와 Schist가 주를 이루는 암반으로 구성되어 있다. 수평터널의 상하부 1D 암반구간의 RMR을 확인한 결과, 11~77의 값으로 II~V등급까지 분포하는 것으로 나타났다. 터널 길이에 대한 각각의 구성비를 살펴보면 II등급 4%, III등급 29%, IV등급 60% 및 V등급 7% 등으로 나타났으며, III~IV등급이 전체 암반구간의 약 89%를 점유하고 있음을 알 수 있다(Table 2). 해수면은 조수 간만의 차로 인해 최대 9.61 m까지 변하는 것으로 나타났다. 지반 이상대(anomaly)는 1번 수직구로부터 약 800 m 지점에 석회암과 공동 및 파쇄대가 존재하는 것으로 나타났으며 약 1500 m 지점에서도 일부 파쇄대가 존재하는 것으로 나타나, 총 두 군데의 이상대가 존재하는 것으로 확인되었다(Fig. 2).

Fig. 2.

Geology, PR (penetration rate) and thrust (KEPCO, 2014)

3. 굴진 성능 분석

분석에 사용한 데이터는 2016년 12월부터 2017년 8월까지 TBM을 이용하여 터널을 시공한 기계데이터를 이용하였다. 순 굴진율, 총추력, 커터 추력, RPM 및 막장압 등을 이용하여 굴진성능에 대한 분석을 수행하였다. 당 현장의 굴진성능에 대해 통계분석 결과 순 굴진율은 평균 14.1±3.2 mm/min로 나타났으며, 평균 압입깊이는 5.3±1.7 mm로 계측되었다. 평균 RPM은 2.7±0.4로 나타났으며, 평균 토크는 96.4±2.4 kN ‧ m로 운전되었다. TBM의 운전에 사용한 평균 추력은 5,375±1,012 kN으로 나타났으며, 이때 커터당 개별 평균 추력은 199.1±37.5 kN로 운전되었다. 막장압은 최대 4.2 bar까지 발생한 것으로 나타났으며, 이는 설계 수압 6.0 bar의 70% 정도임을 알 수 있다.

3.1 순 굴진율, 압입 깊이, RPM 및 토크

터널 길이와 지반조건에 따른 순 굴진율이 Fig. 2에 도시 되어 있는 것처럼 순 굴진율은 약 800 m 근처에 존재하는 이상대 1번 부근까지 15 mm/min를 상회하며 일정하게 운전되다가 이상대 지역을 통과하면서 15 mm/min 하부로 운전되고 있음을 알 수 있다. 이상대 1번을 통과한 후 다시 15 mm/min을 상회하다가 이상대 2번에서 다시 하부로 운전되었다. 파쇄대 및 공동이 존재하는 이상대를 통과할 때에는 시공 트러블이 예상되므로 이에 대비하여 굴진 속도를 낮추어 안전운전을 시행한 결과라 볼 수 있다. Fig. 3에는 터널 거리에 따른 압입깊이를 도시하였는데 압입깊이가 상대적으로 작은 지역은 이상대 1, 2와 RMR 2등급 구간인 1,100 m 구간인 것으로 나타났다. 파쇄대와 같이 이상지대를 통과할 경우에는 커터헤드의 공회전이 발생할 수 있으며, 암반강도가 상대적으로 강할 경우에도 커터 날의 관입량이 작아 순굴진 속도가 늦어지는 경우가 발생하게 된다. 당 현장은 고수압이 예상되는 해저터널이며, 시공 트러블 발생 시 소구경 터널로 인해 내부에서 보수 보강이 원활하지 않고 해상에서도 보수 보강이 어려운 만큼 굴진에 상당한 주의를 기울여 시공한 현장이다.

Fig. 3.

Pe (penetration depth) depending on the tunnel length

터널 길이에 따른 RPM과 토크를 Fig. 4와 Fig. 5에 도시하였다. 시공 중 RPM은 2~3 범위에서 운전되었다. 석회암 관입과 일부 파쇄대가 예상되었던 이상대 1번지역을 통과할 때에는 RPM을 2까지 다소 떨어뜨려 시공트러블이 발생하지 않도록 안전한 굴진을 하였으며, 이상대 2번은 별 무리없이 3 rpm으로 통과하였음을 알 수 있다(Fig. 4). 이때의 토크는 90~110 kN ‧ m 범위에서 운전하였으며, 실제 운전에 사용하는 토크의 변화는 크지 않음을 알 수 있다(Fig. 5).

Fig. 4.

Cutterhead RPM (rotation per minute) depending on the tunnel length

Fig. 5.

Tq (torque) depending on the tunnel length

Fig. 6(a)의 순 굴진율과 추력과의 관계에서 당 현장은 암반을 통과하는 터널로써 추력이 증가하면 순 굴진율은 오히려 떨어지는 것으로 나타났으며, 이는 Rostami (2016)가 보고한 순 굴진율과 추력의 관계와 서로 상반대는 결과이다. 선행 연구에서는 유사한 일축압축강도를 갖는 암반에서 순 굴진율과 추력은 비례하는 경향을 보이나, 당 현장은 굴진 전체 구간에서의 순 굴진율과 추력의 관계를 도시한 것으로 일축압축강도가 일정하지 않기에 나타나는 차이로 판단된다. 반면 순 굴진율에 토크는 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다(Fig. 6(b)).

Fig. 6.

PR (penetration rate) depending on thrust and torque

Fig. 7(a)의 순 굴진율과 RPM의 관계에서는 순 굴진율을 유지하기 위하여 RPM을 증가하여 운전하는 모습을 관찰 할 수 있다. RPM과 토크의 비교 곡선에서는 토크는 일정하게 유지하면서 RPM을 변화시키고 있음을 알 수 있다(Fig. 7(b)). 일반적으로 TBM의 토크는 일정하게 유지하면서 RPM의 증가가 가능하며, 이와는 반대로 RPM은 유지하면서 토크를 정격 토크까지 상승시킬 수 있는 특성이 존재하기에 해당 현장 상황에 맞게 오퍼레이터가 운전을 하게 된다.

Fig. 7.

PR (penetration rate) and Tq (torque) based on RPM

3.2 막장압

당 현장의 예상되는 막장압은 최대 6.0 bar였으나, 실제 굴진 중 발생한 최대 막장압은 4.2 bar로 나타났다(Fig. 8). 여기서 다행인 것은 파쇄대 구간 두 개소를 통과할 때 발생한 최대 막장압은 4.0 bar 이하로 나타난 것이다. 그 이유는 해저 표층에 퇴적된 퇴적점토가 방수막을 형성하여 파쇄구간에서 측정된 막장압이 지하수에 의한 정수압만 영향을 받았거나, 실제 굴착된 암반의 파쇄 지반이 예상했던 것보다 더 양호했을 것으로 판단된다.

Fig. 8.

Face pressure depending on the tunnel length

3.3 고 찰

당 현장은 파쇄대 및 석회 공동 등이 존재할 것으로 예상되는 이상대 두개 지역을 통과하는 소단면 장거리 해저터널이다. 또한 설계단계에서부터 6.0 bar에 가까운 고수압이 예상되었던 해저터널이기에 장비선정부터 이해관계자 모두가 많은 부담을 갖고 시작하는 현장이었다. 국내에서는 6.0 bar에 가까운 고수압을 받는 해저터널 구간을 시공한 경험이 매우 부족하고, 당 현장의 감독, 감리 및 시공 담당자들도 관련 경험이 거의 전무했던 관계로 앞선 부담감과 시공 리스크를 해소하기 위하여 시공 전 단계부터 안전한 시공을 위해 학회 전문가들로 구성된 전문가 집단을 운영하는 등 시공 트러블 방지에 최선을 다하였다. 이상대 지역을 통과하기 전 전기비저항을 이용한 전방탐사를 수행하여 이상대 지반의 존재 여부를 탐측하였으며, 디스크 커터를 사전에 교체하여 굴진 트러블을 사전에 방지하고자 하였다. 해저 터널은 시공 중 트러블이 발생하면 현장 대응능력이 떨어질 수밖에 없으므로 이를 사전에 예방하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 발생 가능한 예상 트러블 항목을 도출하고 이에 대응하는 시나리오를 구성하여 운영하였다. 그 결과, 국내에서 거의 경험이 없었던 해저 터널과 이상대 지역을 사고 없이 원활하게 통과할 수 있었으며 시공 트러블 지역을 미리 예측하고 안전한 시공을 위해 감독, 감리 및 시공 담당자들과 학회 전문가들로 구성된 전문가 집단의 유기적인 노력과 대비책이 시공 트러블을 방지할 수 있었던 것으로 판단된다. 당 현장에서 수집된 DB들은 향후 다른 해저터널 시공 시 참조자료로 활용할 예정이다.

4. FPI와 비에너지의 상관관계

FPI (Field Penetration Index)는 현장관입지수라고 정의할 수 있으며, 굴진의 난해성을 의미하는 지표이다. 이 지수는 암반의 시추능력(Bore-ability)을 정량적으로 평가하기 위해 제시된 것으로 Hamilton and Dollinger (1979)가 처음 제안하였다. 비에너지(Specific energy)는 암반의 단위체적을 굴착하는 데 필요한 에너지로 암반 굴착 효율을 평가하는 지표이다(Teale, 1965). 본 고에서는 이 두 지표의 상관분석을 통해 향후 순 굴진율을 예측할 수 있는 경험식을 제안하고자 하였다.

4.1 FPI (Field Penetration Index)

터널 시공 시 현장관입지수가 증가하면 단위 깊이 당 상대적으로 높은 커터 작용력이 요구되어 장비의 굴진이 어렵게 되며, 이와 반대로 현장관입지수가 감소하면 상대적으로 낮은 커터 작용력으로 동일한 압입깊이를 관입할 수 있기 때문에 시공효율이 높아질 수 있다(Lee et al., 2017). 순 굴진율, 압입깊이 및 관입지수 등 이 값들의 관계를 식으로 요약하면 다음과 같다.

  (1)

  (2)

  (3)

여기서, PR은 순 굴진율(Penetration rate), L은 세그먼트 길이(mm), t는 1세그먼트 순 굴진시간(min), RPM은 커터헤드 분당회전수(rev/min), F_n은 커터 추력(kN), P_e는 압입깊이(mm) 이다.

4.2 비에너지(Specific energy)

Teale (1965)은 비에너지를 이용하여 암반의 단위체적당 굴착하는 데 필요한 에너지를 구하고자 하였으며, 이를 이용하여 암반의 지질학적, 지반공학적 정보뿐만 아니라 기계의 작업효율까지 확인할 수 있는 지표로 사용하고자 하였다. 이를 식으로 정의하면 다음과 같다.

  (4)

여기서, F는 추력(kN). A는 cutting area (m²). ω는 회전속도(RPS. Rev/sec). T는 토크(kN ‧ m), u는 굴진율(m/s) 이다.

상기 식에서 보는 바와 같이 비에너지는 두 개의 파트로 구성이 되며, 첫 번째는 추력 그리고 두 번째는 회전에너지와 관련된 파트이다. 이중 추력과 관련된 비에너지는 TBM이 지반굴착 시 필요한 전체 비에너지의 2% 정도로 무시할 수 있다(Celada et al., 2009). 이로 인해 식 (4)는 다음과 같은 식 (5)로 바꾸어 쓸 수 있으며, Copur et al. (2001)와 Bilgin et al. (2005)은 보수적인 해석을 위해 에너지 전달비(k)를 고려한 비에너지를 식 (6)과 같이 표기하였다.

  (5)

  (6)

여기서, k는 에너지 전달비 0.7~0.8, HP는 동력(kW), 순 굴착량(m³/hr) 등 이다. 본 연구에서는 해석의 원활함을 위하여 에너지 전달비를 제외하고 식 (6)을 이용하여 연구를 수행하였다.

4.3 경험식 산정

분석에 사용한 데이터들은 11공의 시추 자료가 존재하는 지점과 각각 인접한 1개 세그먼트의 평균 굴진 데이터를 활용하였다. TBM 장비가 지반 굴진 시 자동으로 블랙박스에 저장되는 데이터(RPM, 추력, 압입깊이 및 토크 등)를 바탕으로 현장관입지수(FPI)와 비에너지의 상관관계를 분석하고 관련 경험식을 제시하였다. 이 두 변수의 상관관계는 Fig. 9에서 보는 바와 같이 매우 양호한(0.8161) 상관관계를 갖는 것으로 나타났으며, 이때 두 변수의 상관관계를 나타내는 경험식은 식 (7)과 같다.

  (7)

Fig. 9.

Correlation between FPI and specific energy

향후에는 지반조사 결과로부터 획득되는 RMR, RQD, UCS 등과 같은 지반 특성값들을 이용하여 비에너지를 계산하거나 유추할 수 있는 연구를 추가로 수행할 예정이다. 이를 통해 현장의 관입지수(FPI)를 용이하게 예측할 경우 시공 중 굴진율과 관련한 시공 오차를 손쉽게 계산할 수 있어 시공 중 발생할 수 있는 리스크를 관리할 수 있을 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 대한민국 최초로 서해안 해저 지반에 시공한 소형 슬러리 TBM의 굴착 데이터를 DB로 구축하고 이를 이용하여 소형 슬러리 TBM의 굴착성능을 분석하고자 하였다. 이를 위해 시공 현장에서 획득한 TBM의 기계 데이터를 바탕으로 순 굴진율, 총추력, 토크 및 RPM 등의 상관관계를 분석하였으며, 이번에 획득한 해저터널 경험과 굴착성능 DB는 향후 또 다른 소단면 해저터널 건설 시 교훈으로 활용될 예정이다. 아래에 연구결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 연경암을 통과하는 당 현장의 RMR 분포는 II등급 4%, III등급 29%, IV등급 60% 및 V등급 7% 등, III~IV등급이 전체 암반구간의 약 89%를 점유하고 있으며, 파쇄대 등과 같은 이상대 지역은 2개소가 존재하는 것으로 나타났다.

2. 당 현장의 굴진자료 분석결과, 순 굴진율은 평균 14.1±3.2 mm/min로 약 23%의 변동을 보이고 있으며, 운전 추력은 평균 5,375±1,012 kN으로 약 19%의 변동을 보이며, 운전 토크는 평균 96.4±2.4 kN ‧ m로 약 3%의 변동을 갖고 운전된 것으로 나타났다. 이때 커터 헤드의 평균 RPM은 2.7±0.4로 약 15%의 변동을 보이며, 최대 RPM의 약 60%내로 운전되었음을 알 수 있다.

3. 해저에 건설하는 당 현장의 최대 막장수압은 6.0 bar로 예상하였으나 실제 최대 막장압은 4.2 bar가 발생하였다. 그 이유는 서해 해저지반의 표층에 존재하는 퇴적 점토가 방수막을 형성한 것이 하나의 원인으로 판단되며, 우리나라 서해안의 해성점토층이 불투수층 역할을 하고 있음을 알 수 있다.

4. 파쇄대 등이 존재하는 것으로 예상되었던 이상대 1지역과 2지역은 시공 전 시공트러블이 발생할 것으로 예측하였으나, 이상대 지역을 사고 없이 원활하게 통과한 것은 이 지역을 미리 예측하고 안전한 시공을 위해 감독, 감리 및 시공 담당자들과 학회 회원들로 구성된 전문가 집단의 유기적인 노력과 대비책이 고수압 해저지반에서 시공트러블을 방지할 수 있었던 것으로 판단된다.

5. 암반의 굴진 효율을 확인할 수 있는 비에너지와 현장관입지수(FPI)의 상관관계를 분석한 결과, 유의한 결과가 나타났으며 이 두변수의 관계를 나타내는 경험식을 제시하였다. 향후 지반 변수들로부터 비에너지를 예측하고 이를 통해 현장관입지수(FPI)의 산출이 가능하도록 추가 연구가 필요하다.