1. 서 론

대륙간, 도서간, 연육간을 연결하는 고수압(최대 20 bar), 초장대(연장 50 km 이상) 해저터널 건설은 육상부 터널과는 완전히 다른 새로운 개념의 건설기술로서, 지질조사 및 분석기술, 고수압 조건에서의 설계 및 시공기술, 초장대 터널의 환기 및 방재기술 등 터널 건설에 대한 모든 기술들이 요구된다. 또한, 안전하고 경제적인 해저터널 건설을 위해서는 지반정보획득, 해저터널 설계, 시공기술, 환기․방재 및 유지관리 기술뿐만 아니라 이들 기술의 유기적인 조화가 필수적이며, 일반적인 육상터널에 비하여 critical한 조건인 해저터널에서 적용되는 지반, 설계, 시공 등 세부기술들의 경우, 해저터널뿐만 아니라 육상터널을 포함한 대부분의 터널 건설 시 활용이 가능한 기술이므로, 이에 대한 연구개발이 매우 중요하다.

특히, 해저터널연구에서 개발된 세부기술들은 해저터널 건설 및 운영을 위한 실제적인 적용성 평가가 중요하다. 이를 위해서는 각 세부기술들을 적용하여 실제 해저터널을 설계, 시공 및 운영 하는 것이 가장 적합한 방법이나, 현실적으로는 많은 제약이 따르며, 또한 해저터널을 바로 건설할 수 있는 여건이 조성되었다 하더라도 해저터널 건설에 각 세부기술들을 적용하는 것은 많은 시행착오가 있을 수 있다.

본 고에서는 호남~제주 구간에 대한 가상설계를 통하여 현재 설계 및 시공사례가 없는 고수압(최대수심 140 m), 초장대(총 연장 108 km), 고속철도(설계속도 350 km) 터널에 대한 효율적이고 합리적인 건설계획을 수립하였다. 이에 따라, 호남~제주간 가상해저터널은 현재 운용중인 호남고속철도의 연장선으로 호남고속철도에 운용중인 열차(τ=18, 설계속도 350 km/h, 총 열차 연장 200 m)를 적용하였다.

해저터널은 Fig. 1과 같이 단선병렬형식의 쉴드 TBM으로 크게 본선과 서비스터널, 구난역으로 구성되어 있으며, 본선 및 서비스터널은 일정간격으로 횡갱(일반구간 275 m, 구난역 구간 40 m 마다 설치)을 설치하였고, 구난역에는 수직구가 연결되어 비상시 외부대피, 환기 등의 역할을 수행한다. 또한, 고속열차운행에 따라 반드시 설치가 필요한 공력저감덕트는 횡갱과 통합하여 구조물 안정성, 시공성, 경제성 등을 개선하였으며, 임의의 한 구간이 폐쇄되더라도 열차운행에 지장을 받지 않도록 건넘선을 계획하였다.

2. 노선검토

가상해저터널설계에서 노선선정 시 지형․지질을 포함한 해양환경조건, 고속운전에 적합한 선형, 정거장 입지 및 수직구(작업구, 환기구) 설치위치, 초장대 해저터널의 열차 운행 안전 확보 등에 대하여 고려하였으며, 이를 토대로 적합한 노선대를 검토하였다.

노선선정 시 설계기준은 300 km 이상 고속철도의 운행이 가능한 종단 및 평면선형 계획수립하기 위하여 국내 고속철도 기준을 준용하였으며, 검토 노선으로 해남~제주도 사이를 직선으로 연결하는 노선과 해양환경 조건 및 지형, 지질 등 수직구 설치 가능위치 등을 고려한 총 연장 108 km의 해남~보길도(넙도)~추자도~화도~제주도로 3개의 섬을 경유하는 노선(Fig. 2)을 선정하였다. 이 중 해남~제주도 사이를 직선으로 연결하는 선형은 약 100 m의 인공섬을 필요로 하며, 이는 최단거리임에도 시공성, 경제성, 안정성 등을 고려하여 배제하였다.

3. 해양조건 검토

해저심도 검토에서 보길도~추자도 구간은 Fig. 2와 같이 최대수심 60 m이며, 수심 40 m 이내의 구간이 약 75%를 차지하고 나머지 25% 정도는 수심 40~60 m 정도의 수심분포를 보인다. 추자도에서 제주도까지의 구간은 제주해협으로, 수심은 제주도로 갈수록 깊어지는 양상을 보이다가 제주도 근처에서 급격한 수심변화를 보이고, 최대 수심은 140 m이며 수심 50 m 이내의 구간이 약 25%, 50~100 m의 구간은 약 45% 정도를 차지하고 있다.

해저지형 및 지질은 Fig. 3과 같다. 추자도 부근은 기반암이 비교적 넓은 범위에 노출되어 있으며, 그 외의 지역에는 대부분 자갈 섞인 모래질 점토로 구성된 해양퇴적물이 분포하고 있다(Yooshin Engineering Corporation, 2011). 추자도~제주도 구간의 해저지반은 점토질 및 사질 퇴적층과 자갈을 함유하는 사질 퇴적층(U-layer, 서귀포층) 지역과 기반암 노출지역으로 구분되며, 기반암은 추자도 부근과 제주해협 일부 지역 그리고 제주도 인근에 노출되어 있다.

4. 터널계획

해저터널은 고수압 조건에서 시공됨에 따라 구조적인 안정성이 매우 중요하나, 복선터널의 경우 단선병렬 터널 대비 터널단면 내 잉여면적 증가로 인해 경제적 단면형성이 곤란하고, 단면확대로 인해 터널 구조적, 응력적 측면에서 불리하다. 또한, 해저터널 완공 후에는 단선병렬 터널의 경우가 복선터널에 비해 열차교행으로 인한 사고위험이 적을 뿐만 아니라, 환기, 방재 등 터널의 운영 및 유지관리 측면에서 유리하므로, 승객 및 물류의 운송이라는 교통수단으로서의 해저터널의 기능을 고려하여 본선터널은 Fig. 4와 같이 단선병렬 형식을 적용하였다.

서비스터널은 시공 중 선행 굴착을 통한 해저지반의 상태를 미리 파악하여 적정 공법 계획 등 대처방안을 수립을 위해, 운영 중 비상 시 원활한 승객대피 및 긴급차량을 이용한 구난활동 등의 방재 목적 및 수직구, 릴리프 덕트와 함께 환기성능 개선 목적을 위하여 계획하였다.

또한, 본 구간은 최대수심이 약 140 m의 고수압 조건으로 터널 굴착시 안정성 확보에 가장 유리한 쉴드 TBM 공법을 적용하였다. 본 구간에 적용한 쉴드 TBM 공법은 Table 1에서와 같이 10 bar 이상의 고수압 조건에서 다수의 적용사례가 있으며, 17 bar 이상의 고수압 조건에서도 적용 사례가 있는 상황을 고려할 때, 호남~제주 구간의 고수압 조건에 대한 쉴드 TBM굴진 안정성 확보는 가능할 것으로 판단된다.

4.1 터널단면 결정

해저터널 내공단면은 시설한계 및 공기압(이명감, 미기압) 조건을 고려한 단면설정이 필요하며, 철도터널의 경우, 설계속도 증가에 따라 시설한계(전차선 설치높이), 공기압 조건 만족을 위하여 내공단면적이 증가한다. 따라서 건축한계, 전차선 설치높이, 대피로 폭, 공동구 크기 등 시설한계를 만족하는 단면설정 후 공기압 측면 검토를 수행하여 최종단면을 선정하였으며, 열차속도에 따른 시설한계측면의 소요내공단면은 Table 2와 같다. 여기서 전차선 설치 높이는 전차선고, 가고, 평행 전차선간 거리, 절연간격 등을 고려하여야 하며, 특히 TBM터널의 경우, 동일 구간에서 내공단면 크기 및 형상을 바꾸는 것이 어렵기 때문에 에어 조인트 설치를 위한 공간을 고려하여 전차선 설치높이를 결정하였다.

공기역학적 측면에서는 이명감과 미기압의 영향에 대한 검토가 필요하며, 미기압 영향은 터널 단면확대를 통한 미기압파 저감보다는 미기압 완화 시설을 통한 저감이 더욱 효율적이므로 터널 단면 결정시에는 미기압에 의한 검토는 제외하고, 이명감에 대한 영향만 검토하였다(Kim et al., 2015). 본 연구에서는 공기역학적 검토를 위해 “Thermo Tun”을 사용하여 1차원 비정상 압축 유체 모델 해석을 수행하였다.

이명감에 대한 기준은 국제적으로 통합되거나 강제된 기준은 없는 실정이나, 국제철도연맹(International Union of Railways)에서는 Table 3과 같이 기밀 및 비기밀 열차에 대한 이명감 기준을 권고하고 있음에 따라, UIC 779-11 기준을 준용하였으며(UIC, 2005) 의학적 기준으로 터널 내 압력 변화량 10 kPa 이하로 적용 하였다(Kim et al., 2012).

기밀도(pressure tightness coefficient, τ)는 일반적으로 차량의 기밀정도를 나타내는 계수로, 차량 외부압력을 100%로 하였을 경우 내부압력이 약 38%까지 떨어지는데 소요되는 시간으로 정의하고 있다.

검토결과, Table 4와 같이 압력저감댐퍼 설치 시(250 m 간격, 3.14 m²의 단면적)에는 39 m² 이상의 단면적이 필요 하며 압력저감댐퍼 미설치 시에는 47 m² 이상의 단면적이 필요한 것으로 검토되었다. 따라서, 이명감을 만족하는 터널 면적은 47 m² 이상이 필요하나, 건축한계, 전차선 높이 등을 고려한 시설한계 측면에서 터널의 필요 단면적이 Table 4와 같이 57.25 m²가 필요함에 따라 터널 내공단면은 내경 8.9 m로 결정하였다.

4.2 세그먼트 라이닝 설계

세그먼트 라이닝은 8개의 세그먼트와 1개의 Key 세그먼트로 구성되었다. 세그먼트 라이닝 계산 시 약 16 bar의 수압과 30 m의 토피고를 고려하였으며, Continuum Analytical Model (Duddeck & Erdmann 방법)을 적용하여 계산 하였다(Lee et al., 2015). Fig. 5는 세그먼트 라이닝 두께 500 mm, 주철근 H22@125로 계산된 결과로서, 고수압 조건에 따라 모멘트의 증가는 크지 않으나, 축력은 크게 증가됨을 알 수 있다.

4.3 환기계획

환기는 공사 중 환기, 운영 중 환기로 구분되고 운영 중 환기는 평상시와 비상시로 구분되며, 각각의 경우에 대한 환기시스템 계획 수립이 필요하다.

공사 중 환기는 급기방식, 배기방식, 급배기 방식으로 구분되며, 본 설계에서는 경제성, 시공성 확보가 용이한 덕트급기방식을 적용하였다. 공사 중 환기는 유해가스 환기량, 장비발열 등을 고려하여야 하며, 환기검토 결과 Fig. 6과 같이 유해가스에 대한 환기량 확보를 위해 터널 내 풍속은 0.3 m/sec 이상, 환기덕트 직경은 2 m 이상이 필요한 것으로 분석되었다. 또한, TBM 장비 발열에 대한 대책으로 갱내 냉각파이프 적용계획을 수립하였다. 결정된 소요 풍속 및 덕트 크기를 적용하여 ‘SIA 196 code’ (Swiss Society of Engineers and Architects, 1998)를 적용한 환기 능력 분석을 수행하였으며, 그 결과는 Fig. 7과 같다. 환기 능력 분석 결과 단일 환기 시스템에서의 최대 환기 거리는 ‘S’등급 덕트 적용 시 10.2 km, ‘S’등급 이상의 덕트 적용 시 최대 15 km로 계산 되었으며, TBM 장비의 작동 열을 줄이기 위해 추가적인 냉각 시스템이 필요한 것으로 분석 되었다.

초장대 철도터널에 적용하는 운영 중 환기방식은 급․배기 방식과 Push-Pull 방식으로 구분할 수 있다. 일반적으로, 지하철과 같이 환기구 수가 많은 복선터널의 경우에는 주로 Push-Pull 방식을 적용하고, 환기구 수가 적은 일방향 터널 및 단선터널의 경우에는 급․배기 또는 Push-Pull 방식을 적용한다.

가상해저터널은 Fig. 8과 같이 평상시 환기효율을 높일 수 있도록 서비스터널을 통해 급기 하고, 본선터널을 통해 배기하는 방법을 적용하며, 화재 시에는 화재터널에서 직접 급기 하고 배기하는 Push-Pull 방식을 적용하였다. 따라서, 평상시 환기시스템은 터널 시․종점부 및 넙도, 추자도, 화도에 위치하는 총 5개소의 환기소에서 서비스터널에 외기를 공급하면, 횡갱을 통해 본선터널에 급기하고 본선터널에 연결된 환기갱을 통해 환기소에서 직접 배기하는 방식을 적용하였으며, 화재 시에는 열차의 진행방향을 기준으로 화재열차 상류의 환기소에서 본선터널로 직접 급기하고, 하류의 환기소에서 본선터널의 화재연기를 직접 배기하는 방안을 계획하였다(Jo et al., 2015).

소요 환기량은 열차열, 승객 호흡 및 화재 통제를 위한 공기의 흐름 등을 고려하여 상시에 80 m³/min, 화재 시에는 144 m³/min로 계산되었으나, 안전율을 고려한 소요 환기량은 상시 환기량의 2배 정도인 172 m³/min로 결정 하였다.

4.4 방재 및 정량적 위험도 분석(QRA)

QRA (Quantitative Risk Analysis)란 위험의 크기를 정량화 시켜 사회적 위험기준과의 비교를 통하여 주요 시설물의 안전성을 평가하는 기법으로, 이를 통해 방재설비의 적정성을 평가할 수 있으며, 적절한 방재 시설을 계획할 수 있다. 본 연구에서는 초장대 해저터널에 대한 사회적 위험도 평가를 통해 구조 및 예방 계획을 수립하였고, 횡갱 설치 간격 등 화재 예방 시설의 배치 계획에 대한 적합성을 확보 하였다.

Fig. 9는 해저 터널 프로젝트의 표준화재 시나리오 및 각 사고 발생별 분기비, 발생빈도 및 회기기간 분석 결과이다. 화재 및 대피해석 시뮬레이션을 수행하기 위해서 화재에 의한 열확산 및 연기확산은 CFD (Computational Fluid Dynamics) 프로그램을 이용하여 예측 하였고, 열차 승객의 대피 행동은 FDS (Fire Dynamic Simulator) 프로그램을 이용하여 예측하였다. 화재 및 대피 시뮬레이션에의 주요한 입력값 중 하나인 열차화재 강도는 국내외 적용 사례 검토 및 KTX를 모델로 한 화재 분석 결과를 참고하여 15 MW를 적용하였다. Fig. 10은 화재 및 대피 시뮬레이션 분석결과로 등가 사망자수를 추정한 것이며, 분석결과에 따라 등가 사망자수 추정식을 식 (1)과 같이 산정 하였다.

Fatal_EQU = n_(FED>0.3) + 1/10 n _{(0.2≤FED<0.3)} + 1/100 n _{(0.1≤FED<0.2)}                                   (1)

Fig. 11은 가상 설계안에 대한 위험도 평가결과로, 방재안전성 확보를 위해 375 m 간격의 횡갱, 서비스터널, 구난역 3개소 설치가 필요한 것으로 분석 되었다(Yoo et al., 2015). 횡갱-릴리프 덕트 통합 계획에 따라 횡갱(릴리프 덕트)의 적정 간격 결정을 위해 방재 측면뿐만 아니라 공기역학적 측면을 동시에 고려한 결과 횡갱(릴리프 덕트)의 적정 설치간격은 275 m로 결정되었으며, 단면계획은 Table 5와 같다.

4.5 배수계획

배수계획은 평상시 침투해수의 외부처리 방안과 비상시 해수유입 차단계획으로 구분하여 검토하였다. 평상시는 Fig. 12와 같이 종단 최저점에 집수정을 설치하고, 수직구(3개소)를 통해 외부로 배수하는 계획을 수립하였고, 비상시 해수유입을 차단을 위해 구난역 구간에 비상시를 대비한 배수 펌프를 계획하였다. 터널 내 유입량 산정은 본선터널의 경우 비배수 형식으로 계획되었으나, 갱내 누수를 고려하여 유입량을 0.05 m³/km/min으로 산정하여 검토한 결과, 중앙배수관 300 mm 적용 시 배수성능을 만족하였다.

4.6 공정계획

전체구간에 대한 연장 및 공정 계획 개요는 Fig. 13과 같다. TBM 장비는 터널 시, 종점부에 각 3기씩, shaft #1, 2, 3에 양쪽 방향으로 각 6기를 투입하는 것으로 총 24기로 계획하였으며, 이 경우 Critical path는 전체 구간 중 넙도와 추자도 사이 34.2 km 구간이다. 공기산정을 위한 TBM의 월 굴진율은 해외 및 국내 건설사례를 검토 후 양측의 평균값으로 월굴진율 355 m를 적용하였다.

전체구간 중 Critical path 구간인 넙도와 추자도 사이 34.2 km의 예상 공기는 공사 준비, 수직구 굴착, 장비제작 운반 및 조립에 36개월, 본선터널 굴착에 49개월로 총 85개월로 검토되었고, 이후 추가로 전력통신 궤도 설치 12개월, 시험운행 6개월로 전체 총 공기는 103개월로 검토 되었다.

5. 총 공사비 산정

호남-제주간 가상 프로젝트는 총 연장 108 km의 초장대 해저터널 프로젝트로 개략 공사비는 Table 6과 같이 본선터널 구간, 인공섬, 환기/방재/기계장비, 시스템, 부대비용 및 예비비로 나누어 산정하였다.

본선터널 구간 중 쉴드 TBM 구간 시공비는 횡갱, 수직구 공사비, 쉴드 굴착에 의한 커터 교체비용 등을 고려하였으며, 프로젝트 비용 산정의 오류를 최소화하기 위해, 예비비는 시설 총비용, 부대 비용 및 부지 보상 비용의 10 %로 계산하였다.

6. 결 론

본 논문에서는 호남~제주 구간에 대한 가상설계를 통하여 현재 설계 및 시공사례가 없는 고수압(최대수심 160 m), 초장대(총 연장 108 km), 고속철도(설계속도 350 km) 터널의 최적단면선정, 시공 중 및 운행 시 효율적인 환기, 방재 시스템, 구조적 안정성, 공력저감 등을 검토하였으며, 연구에서 얻어진 결과는 다음과 같다.

1.터널단면 선정을 위한 공기압 검토 결과 압력저감댐퍼 설치 시에는 39 m² 이상의 단면적이 필요 하며, 압력저감댐퍼 미설치 시에는 47 m² 이상의 단면적이 필요한 것으로 검토되었으나, 시설한계 측면에서 터널의 소요 단면적이 57.25 m²가 필요함에 따라 터널 내공단면은 시설한계를 만족하는 내경 8.9 m (내공단면적 57.25 m²)로 결정 하였다.

2.약 16 bar의 고수압과 30 m의 토피고를 고려한 세그먼트 라이닝 계산결과, 고수압 조건에서 세그먼트 라이닝의 모멘트 증가는 크지 않으나, 축력은 크게 증가하는 것으로 검토되었으며, 이를 고려한 세그먼트 라이닝은 두께 500 mm, 주철근 H22@125의 8개의 세그먼트 및 1개의 Key 세그먼트 형식으로 결정 하였다.

3.공사 중 환기 계획은 경제성, 시공성 확보가 용이한 덕트급기방식을 적용하였으며, 유해가스에 대한 환기량 확보를 위한 터널 내 풍속은 0.3 m/sec 이상, 환기 덕트 직경은 2 m 이상이 필요한 것으로 분석되었다. 환기 능력 분석 결과 단일 환기 시스템에서의 최대 환기 거리는 ‘S’등급 덕트 적용 시 10.2 km, ‘S’등급 이상의 덕트 적용 시 최대 15 km로 계산 되었으며, TBM 장비의 작동 열을 줄이기 위한 추가적인 냉각 시스템이 필요한 것으로 분석 되었다.

4.운영 중 환기 계획은 평상시와 화재시를 구분하였으며, 평상시에는 서비스터널의 환기를 병용함으로써 환기효율을 높일 수 있도록 서비스터널을 통해 급기하고, 본선터널을 통해 배기하는 방법을 적용하고, 화재 시에는 화재터널에서 직접 급기하고 배기하는 Push-Pull 방식을 적용하였다. 또한, 환기량 검토결과 소요환기량은 평상시에 80 m³/min, 화재 시에는 144 m³/min로 계산되었으나, 안전율을 고려한 운영 중 환기량은 상시 소요환기량의 2배 정도인 172 m³/min로 결정 하였다.

5.배수계획은 평상시에는 종단 최저점에 집수정을 설치, 수직구(3개소)를 통한 외부배수를 계획하였으며, 비상시 해수유입을 차단을 위하여 배수 펌프를 구난역 구간에 계획하였다. 터널 내 배수계획은 본선터널의 경우 비배수 형식으로 계획되었으나, 갱내 누수를 고려하여 유입량을 0.05 m³/km/min으로 산정하여 검토한 결과 중앙배수관 300 mm 적용 시 배수성능을 만족하는 것으로 나타났다.