1. 서 론
2. TBM 선정 프로세스 강화 및 장비선정위원회 도입
3. 대규모 송전선로 건설사업에 대한 적용사례
3.1 사업개요
3.2 지반조건 분석
3.3 강화된 기본설계 프로세스를 통한 쉴드TBM 사양 결정
4. 장비선정위원회를 통한 쉴드TBM 장비성능 결정
4.1 선정된 쉴드TBM 특징 개요
4.2 설계사양 대비 제작단계 쉴드TBM 주요 장비사양 비교
5. 결 론
1. 서 론
2024년 여름철 기준 최대 전력수요는 101.5 GW를 넘어섰고, 2038년 기준 129.3 GW를 목표로 제11차 전력수급기본계획이 수립되어 있다(MOTIE, 2025). 또한, AI 대전환과 에너지 전환 정책의 가속화로 국가전력망 대규모 확충이 필수적인 과제로 부각되었다. 정부는 장거리 대용량 전력을 신속하고 안전하게 이송할 수 있는 에너지 고속도로 계획을 수립하였고 해저케이블, 송전철탑, 그리고 전력구 등 다양한 형태의 송전선로 건설수요가 증가하는 추세이다. 그 중 전력구 터널은 다른 송전방식에 비해 건설단가는 높지만 외부환경에 대한 전력안보에 유리하고, 대도시 밀집지역과 하천 및 철도·도로를 횡단하는 지역에 적절한 대안으로 적용된다. 특히, 지하공간을 활용하기 때문에 민원발생을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 현재 전력구 터널의 경우 약 236 km 이상의 연장이 운영 중에 있으며, 향후 10년 이내 약 200 km 이상의 송전선로의 지중화를 달성해야 하는 도전적인 과제에 직면해 있다. 전력구 터널은 쉴드TBM (Tunnel Boring Machine), 세미쉴드, NATM (New Austrian Tunneling Method), 강관압입, 메사(Messer) 쉴드 등 다양한 공법으로 건설되며, 그 중 쉴드TBM으로 건설되는 비중이 높다.
국내 TBM 산업은 1985년 수로터널을 Open TBM을 통해 건설한 것으로 시작되었다. 이후 1987년 쉴드TBM이 부산 전력구 터널 공사에 처음 적용되었다. 현재까지 국내 쉴드TBM 공사의 약 90% 정도가 터널단면이 5 m 이하인 소단면 중심이였고, 향후 GTX (Great Train eXpress)와 고속도로 지하화를 통해 중·대단면으로 시장이 지속적으로 확대될 것으로 예상되고 있다(KAIA, 2024). 국내 쉴드TBM 설계기술은 CATIA (Computer Aided Three-dimensional Interactive Application) 기반의 커터헤드(Cutterhead) 설계 자동화 프로그램 개발이 대표적이다(KAIA, 2021). 국내 건설사의 시공능력은 세계적인 수준인 것으로 알려져 있다. 대표적으로 튀르키에 유라시아 터널 건설사례가 있으며, 최근에는 고속국도 제400호선 한강터널 구간에 국내 최대 규모인 직경 14.01 m의 쉴드TBM이 한강하저 터널을 건설 중에 있다. 국토교통부로부터 건설기계 제작 및 조립서 인정서를 발급받는 기관도 증가하고 있는 추세이며, 더불어 국내 쉴드TBM 제작기술로는 세계 7번째의 제작이 가능한 국가의 기초를 다졌고, R&D를 통해 중단면 TBM 완성차 개발사업이 기획 중에 있다(KAIA, 2024).
정부차원의 쉴드TBM에 대한 기술력 확보에 발맞추어 전력구 터널 건설사업에도 그 동안의 경험을 바탕으로 쉴드TBM 설계와 장비선정 및 검수에 대한 전반적인 절차에 대해 개선시키고자 하는 노력을 지속해 왔다. 최적의 쉴드TBM 장비를 투입하여, 목표를 달성하기 위해서는 발주기관의 공사시방서(입찰안내서)부터 시작할 수 있다. 그러나 현재까지 터널공사에 필요한 일반적인 조건과 개략적인 정보만을 입찰안내서로 제공하고 있기 때문에 현장 조건에 맞는 장비를 선정하기 어렵고, 굴진 중에도 장비제작사, 현장, 발주기관간에 장비의 적정성에 대해 분쟁이 발생하는 경우도 있다는 분석이 있었다(Kim et al., 2017). 또한, 장비 제작사에 대한 적합한 장비를 설계하였는지 판단과 비교·검토가 어려운 상황에서 명확한 입찰이 이루어지지 않고 있어 결국 가격에만 의존하는 발주가 이루어지는 실정에 대한 문제제기가 있었다(Kim et al., 2020b).
이러한 문제점에 대응하기 위하여 본 연구에서는 TBM 선정 프로세스 강화와 장비선정위원회를 실시하고 관련 내용을 소개하고자 하였다. 전력구 터널에 사용되는 쉴드TBM 산업은 특수하게 재사용(Refurbished) 시장이 활발하게 적용되고 있다. 여기서, 재사용 장비의 의미는 기사용된 TBM 장비를 단순 재사용(Reuse)하는 것이 아닌 다른 현장조건에 적합하게 주요부품을 보수한(Partial repair or overhaul) 후 투입하는 것을 의미한다. 전력구 터널 기본설계 및 실시설계 단계에서 재사용 장비에 대한 적합성 검토가 필수적이다. 현재까지 재사용 장비에 대한 투입 가능한 시기에 초점이 맞추어 적용되었다면 본 연구를 통하여 기본설계의 성능 위주로 적합성을 판단하도록 장비선정 프로세스를 개선하였다. 지반조사가 완료되는 실시설계 단계에서는 기개발된 설계방법(Kim et al., 2023)을 바탕으로 쉴드TBM 기본설계를 완료하고, 공사시방서(입찰안내서)에 관련 요구사항을 명확하게 제시하도록 개선하였다. 설계단계에서는 발주기관의 의견과 지반공학관점의 설계에 맞추어 수행되기 때문에 이를 검증하고 보완할 수 있는 단계가 요구될 수 있다. 토목설계에서 TBM 제작사와 같은 전문적인 기계사양를 설계하기는 어렵지만 터널건설의 목표달성을 위한 최소한의 요구조건을 제시하도록 하였다. 안전한 터널공사를 완료하기 위해서는 설계, 제작, 건설단계에 참여하고 있는 다수 기관의 조화가 필요할 것으로 생각되므로 해당 기관들이 함께 장비선정위원회를 진행함으로써 쉴드TBM이 제작에 착수되기 전 상호간의 심도있는 의견 교류를 통해 최적의 장비의 성능을 결정할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
2. TBM 선정 프로세스 강화 및 장비선정위원회 도입
터널 현장에 적합한 쉴드TBM 장비를 선정하기 위해서는 해당 구간의 지질, 수리, 시공조건을 종합적으로 파악하는 것이 무엇보다 중요하다. 설계단계에서 다양한 지반조사를 통해 얻은 정보를 바탕으로 지반공학적 특성을 정량적으로 해석하여 설계자가 TBM의 기본사양을 설정한다. TBM 제작사는 이러한 요구조건을 토대로 장비의 기계적 성능과 구조를 상세하게 설계하여 제작한다.
그러나 이 두 과정은 지반중심의 설계 관점과 기계 중심의 제작 관점이라는 서로 다른 전문영역에서 이루어지고, 실제 프로젝트에서 설계 관점과 제작 해석 간의 조율 부족, 다양한 기관의 이해관계로 인하여 차이가 발생할 수 있다. 국내연구에서는 이러한 문제의 원인이 입찰안내서 단계에서 명확한 장비 요구사항과 핵심정보를 충분히 제시하지 못한다는 점에 있음을 분석하였다(Kim et al., 2017). 이를 개선하고, 각 현장조건에 최적화된 쉴드TBM을 투입하기 위하여 본 연구에서는 쉴드TBM 기본설계 프로세스의 강화와 함께 장비선정위원회 제도 도입을 시행하여 최적 장비 투입의 목표를 달성하고자 하였다. 전력구 터널에 대한 기존 프로세스의 경우는 기본설계 단계에서 지반조건을 기준으로 개방형 또는 밀폐형 쉴드TBM 형식만을 결정하고, 이후 국내 보유장비에 대한 적합 여부를 제한적으로 검토하는 방식이였다. 이 과정에서 보유장비의 적정성을 명확히 판단하지 못한 상태에서 부적합한 재사용 TBM이 선정된다면 굴진성능 저하, 안정성 저하, 공기지연 등 다양한 문제로 이어질 수 있다. 또한, 실시설계로 넘어가는 과정에서 쉴드TBM 설계 검토가 충분히 이루어지지 않아 장비계약 및 실제 투입단계에서 다시 적합성을 재검토해야 하는 비효율이 발생할 수도 있다. 특히, 밀폐형 TBM의 경우 설계단계에서 토압식(Earth Pressure Balance, EPB)과 이수가압식(Slurry Pressure Balance, SPB)의 형태가 한번 결정되면 이후 변경이 극히 어려우며 잘못된 선정은 전체 공사의 리스크로 이어질 수 있다.
Fig. 1에서와 같이 본 연구를 통하여 개선된 프로세스로 기본설계 및 실시설계 단계에서 국내 보유 쉴드TBM 장비의 적합성을 정량적으로 분석하고 지반조사 보고서가 완료되는 시점에 맞추어 커터헤드, 구동부, 추진부, 기타 부품에 대한 기본설계 사양을 도출한다. 이후 도출된 TBM 기본사양을 제작사에 전달하여 규격과 성능 기반으로 견적을 확보하고, 이를 설계내역서에 반영하여 적정 공사비 산정까지 가능하도록 한다. 공사시방서(입찰내역서)에는 이러한 기본사양을 명확히 반영함으로써 각 터널공사의 목표를 충족할 수 있는 최적의 쉴드TBM이 투입될 수 있도록 유도한다. 공사계약이 진행된 후 TBM 제작사를 포함하여 다양한 기관과 함께 장비선정위원회를 개최하여 쉴드TBM 설계사양과 제작방향에 대한 종합적인 의견을 수렴하여 진행한다. 전문가 기관, 발주기관, 설계사, 건설사, 제작사와의 적극적인 의사소통을 통해 장비제작 착수 전 장비 성능에 대한 세부내용을 반영할 수 있다. 또한, 전력구 터널에서의 신규장비의 도입을 적극적으로 추진하고, 고정관념으로 자리잡고 있던 다양한 설비에 대한 도입을 적극적으로 반영할 수 있는 장점이 있다.
3. 대규모 송전선로 건설사업에 대한 적용사례
3.1 사업개요
본 사업은 500 kV 고전압 직류송전(High Voltage Direct Current, HVDC)을 위한 전력구 터널 건설사업으로 동해안 4 GW의 대규모 발전력을 수도권으로 수송하는 총 연장 34.8 km의 대규모 프로젝트이다. 여기서, HVDC는 대용량 전력 전송에 유리하며 장거리 송전 시 전력손실이 적은 장점이 있다. Fig. 2와 같이 본 사업은 수직구 17개소 건설과 15개의 쉴드TBM이 투입될 예정이며, 신설 케이블 타워부터 변환소까지의 터널공사로 행정구역상 경기도 하남시, 남양주시, 양평군으로 경과지가 구성되어 있다. 장거리 터널이기 때문에 도심지, 한강 하저, 남한강 하저, 산악지형 등 다양한 지형을 통과하게 된다. 대략적인 각 터널공사 기간은 연장에 따라 약 10개월에서 최대 17개월 정도로 계획되어 있다. 본 사업은 총 터널 4개 구간으로 구분되어 있으며, 각 터널구간별 명칭은 터널 0구간, 터널 1구간, 터널 2구간, 터널 3구간으로 정의되어 있다. 터널 0구간은 2개의 쉴드TBM이 적용되고, 터널 1구간은 5개의 쉴드TBM이 적용된다. 그리고 터널 2구간은 4개의 쉴드TBM이 적용되고, 터널 3구간도 4개의 쉴드TBM이 적용된다.
본 전력구 터널은 가장 많이 사용되고 있는 내경 3.0 m의 단면으로 설계되었으며, 세그먼트 외경은 3.4 m이다. 한 링은 4 (A 및 B1, 2타입)+1key 세그먼트로 구성되며, 터널단면과 표준형 세그먼트 전개도는 Figs. 3 and 4와 같다. 본 사업에서 세그먼트 폭은 1.3 m로 설계되어 있다. 세그먼트간 그리고 링간 이음 모두 볼트박스로 설계되었고, 링간 볼트박스 이음부의 개수는 총 13개이다.
3.2 지반조건 분석
본 사업의 경우 Fig. 5에서와 같이 총 15개소의 전력구 터널이 연·경암의 기반암을 굴착하는 것으로 계획이 수립되어 있다. 그러나 터널 1-1구간, 1-4구간, 2-2구간, 2-3구간, 2-4구간 및 3-1구간, 3-3구간에 파쇄대가 존재하여 시공 리스크를 포함하고 있다.
터널 0구간은 총 39공의 시추조사가 수행되었다. 0구간의 시점부 구간에는 호상편마암 및 반상변정질편마암이 분포하며, 과업구간 기반암은 주로 호상편마암으로 분포하고 있는 것으로 조사되었다. 코어회수율(Total Core Recovery, TCR)은 80–100%, 암질지수(Rock Quality Designation, RQD)는 22–100%의 범위를 보이고 있다. 터널 0구간의 일축압축강도는 29.68–121.88 MPa으로 조사되었다. 암질지수는 0–98%로 매우 불량부터 양호까지 다양하였고, 암반등급은 2–4등급으로써 불량부터 양호한 암반으로 분류되었다. 터널 0구간 지하수위에 따라 최대수압은 5.46 bar로 확인되었으며, 최대 암반하중은 267.12 kPa로 나타났다.
터널 1구간은 총 103공의 시추조사를 수행하였다. 한강, 북한강을 통과하는 구간으로 선캠브리아기 호상흑운모 편마암이 분포하고 있으며, 부분적 풍화 및 파쇄대가 분포하는 것으로 나타났다. 터널 1구간은 1-1, 1-2, 1-3, 1-4, 1-5구간으로 분류된다. 터널 1구간의 일축압축강도는 17.12–127.85 MPa으로 조사되었다. 암질지수는 0–100%로 매우 불량부터 양호까지 다양하였고, 암반등급은 2–4등급으로써 불량부터 양호한 암반으로 분류되었다. 터널 1구간 지하수위에 따라 최대수압은 5.14 bar로 확인되었으며, 최대 암반하중은 190.40 kPa로 나타났다.
터널 2구간은 총 90공의 시추조사를 수행하였다. 주로 선캠브리아기 호상흑운모 편마암으로 분포하고 있으며, 부분적 풍화 및 파쇄대가 존재하는 것으로 나타났다. 터널 2구간은 2-1, 2-2, 2-3, 2-4구간으로 분류된다. 터널 2구간의 일축압축강도는 11.73–117.44 MPa으로 조사되었다. 암질지수는 0–95%로 매우 불량부터 매우 양호까지 다양하였다. 터널 2구간 지하수위에 따라 최대수압은 4.75 bar로 확인되었으며, 최대 암반하중은 179.2 kPa로 나타났다.
터널 3구간은 총 89공의 시추조사를 수행하였다. 터널 3구간은 3-1, 3-2, 3-3, 3-4구간으로 분류된다. 터널 3구간의 일축압축강도는 13.54–103.78 MPa으로 조사되었다. 암질지수는 4–100%로 매우 불량부터 매우 양호까지 다양하였다. 터널 3구간 지하수위에 따라 최대수압은 8.50 bar로 확인되었으며, 최대 암반하중은 199.92 kPa로 나타났다. Fig. 6은 터널 1, 2, 3구간의 시추조사 결과 중 암석코어 모습이다.
Fig. 7과 같이 터널 구간별 암석의 일축압축강도의 분포를 정리하여 보면 터널 1-2, 터널 2-4, 터널 3구간의 변동성이 다른 터널 구간에 비해 다소 작은 것으로 나타났다. 터널 2-4구간을 제외하고 모든 구간에서 위스커(수염선) 범위 이내에 값이 존재하는 것으로 나타났다. 터널 1-3구간에서 최대 127.85 MPa의 일축압축강도와 터널 2-1구간에서 최소 11.73 MP의 일축압축강도를 나타내었다.
Fig. 8과 같이 터널 구간별 수압 분포를 살펴보면 터널 0-1, 0-2, 터널 1-3, 1-4, 터널 3-1, 3-4의 변동성이 다른 터널 구간에 비해 큰 것으로 나타났다. 터널 3-2와 3-4의 경우만 최대 위스커(수염선)을 초과하는 수압의 값이 나타났다. 최대 위스커 범위에서 가장 큰 값을 나타낸 구간은 터널 3-1로 5.81 bar값을 나타내었다.
3.3 강화된 기본설계 프로세스를 통한 쉴드TBM 사양 결정
전력구 터널 건설을 위한 쉴드TBM을 선정하기 위한 기본개념은 암반지반 대상으로 굴진속도와 굴착효율을 높을 수 있는 커터헤드를 설계하고, 파쇄대나 지하수에 대응하기 위해 EPB와 SPB의 챔버압 밀폐방식을 결정하는 과정으로 생각할 수 있다. 먼저 쉴드TBM 기본설계를 수행하기 위해서는 TBM 규격을 결정해야 한다. 전력구 터널에 필요한 내경과 세그먼트 두께, 쉴드스킨 두께, 테일 클리언스를 고려하여 적합한 쉴드외경을 결정하게 된다. 결정된 쉴드외경에 따라 굴착경을 결정하기 위해서는 쉴드TBM 바디의 전체길이가 필요하다. TBM 후통부에는 세그먼트 두 개의 링을 포함하고 있기 대문에 세그먼트 단위길이의 영향을 받게 된다. 본 프로젝트의 경우는 공기단축의 목적으로 일반적인 세그먼트 폭인 1.2 m 대신 특수하게 1.3 m로 제작이 예정되어 후통부의 길이가 다소 증가하였다. 정해진 장비의 길이와 직경 내에서 터널의 최소 곡률반경에 대한 굴착이 가능하도록 도식화하여 굴착경을 산정한다. 굴착경의 크기가 결정되면 커터헤드 굴착경의 규격안에 15.5인치와 17인치의 디스크커터를 어떻게 배치할 것인지 결정해야 한다. 디스크커터의 설계는 커터의 설계하중에 의해 압입깊이를 산정하는 것과 디스크커터 간 간격 산정을 통해 완성된다. 압입깊이는 실대형 굴진시험과 개별요소법의 수치해석을 통해 도출된 선행 연구결과(Kim et al., 2020a; 2023)를 바탕으로 산정하였다.
여기서, 는 압입깊이(mm/rev), 는 디스크커터에 작용하는 연직력(kN), 는 암석의 일축압축강도(MPa), 는 디스크커터간 간격(mm)이다.
센터와 페이스 위치에 설치되는 디스크커터의 간격을 산정하기 위하여 식 (2)를 이용하여 각 구간별 최적의 디스크커터 간격을 산정할 수 있다. 구간별 암반강도가 변하기 때문에 디스크커터 간격도 구간별로 상이하지만 그 중에서도 디스크커터의 최대 간격을 선정하도록 하였다. 그 이유는 디스크커터의 개수는 쉴드TBM의 총 추력과 구동부 설계에 영향을 미치기 때문에 최소의 디스크커터 개수가 결정되도록 하여 TBM 제작사의 설계 범위를 제한하지 않도록 주의를 기울였다. 센터와 페이스 디스크커터의 간격을 통일하여 Fig. 9와 같이 디스크커터 프로파일을 설계하고, 게이지 디스크커터의 간격은 마지막 페이스 커터 링 끝단을 중심점으로 하여 디스크커터의 직경(15.5인치 및 17인치)에 따라 회전하면서 적정 간격을 결정한다. 국내 보유장비에 대한 적합 여부를 검토할 경우, 보유장비에 적용된 동일한 디스크커터 규격을 기준으로 기본설계를 수행한다. 보유장비는 디스크커터 간격이 이미 정해져 있으므로, 기본 설계를 통해 도출된 디스크커터의 최소 개수와의 비교를 통해 적합성 검토를 수행하며, 기본설계 결과로 산정된 디스크커터 개수에 따른 추력, 토크 및 동력 값을 보유장비의 사양과 비교한다.
쉴드TBM 커터헤드 설계에 있어 개구율(%)의 크기와 스크래퍼(Scraper)의 개수 및 배치 또한 중요한 설계 사항이다. 본 연구에서는 TBM 밀폐 방식에 따른 일반적인 개구율만을 검토하며, 세부적인 개구율을 제시하는 데에는 한계가 있다. 세부 개구율과 스크래퍼의 개수는 디스크커터의 상세 배열과 연계되어 결정되어야 하므로, 상세 설계단계에서 검토가 필요한 사항으로 판단된다.
쉴드TBM 커터헤드에 설치될 디스크커터의 개수가 정해졌다면 디스크커터의 연직력과 구간별 암반강도에 따른 압입깊이를 바탕으로 암반을 파쇄할 때 작용하는 소요토크값을 식 (3)과 같이 결정할 수 있다(Kim et al., 2023). Fig. 10에 제시된 총 토크는 식 (3)으로 도출된 소요토크와 토·수압에 대한 커터헤드 저항력과 암반하중에 의한 마찰 등을 종합적으로 고려하여 표시하였다. 도출된 총 토크값을 바탕으로 구동부의 동력을 50 kW부터 50 kW씩 단계별로 증가시켜가며, 가동률(Operating Rate, %)에 따라 요구된 공사기간을 달성할 수 있는 최소의 동력값을 시행착오법을 통해 도출하게 된다. 가동률이 작을수록 동력의 값은 증가하고, 가동률이 클수록 동력의 값은 감소한다.
여기서, 는 소요토크(kN·m), 는 커터헤드의 직경(m), 는 디스크커터 개수이다.
여기서, 은 커터헤드의 회전속도(rev/min), 는 구동부 동력(kW), 는 장비의 효율(%)로써 85% 이상의 값을 사용한다.
Fig. 11과 같이 공사시방서(입찰안내서)에 구동부 토크와 커터헤드 회전수에 대한 구동부 성능곡선을 제출함으로써 명확한 사양을 TBM 제작에 반영할 수 있다.
대부분의 전력구 터널이 시공되는 대심도 암반구간에서 TBM 종류를 선정하는 기준은 명확하지 않은 것이 현실이다. 다양한 기관의 설계철학과 이해관계로 인해 쉴드TBM 밀폐방식에 대한 선정기준이 상이할 수 있다. 현재 전력구 터널의 경우 DAUB-Working Group (2022)에서 제시한 Table 1의 TBM 선정기준(암반)을 준용하고 있다. 암반구간에서 EPB TBM을 운영하는 것은 어렵고, 많은 문제점을 야기할 수 있다고 보고되고 있다. 암반의 질이 양호할수록 암 버력의 크기와 마찰이 증가하고 이에 따라 스크류컨베이어 내부 지수능력과 막장압 압력유지가 어렵기 때문이다. 이에 싱가포르에서는 암반 및 복합지반에서는 SPB 사용을 의무화하려는 경향이 있다고 보고되고 있다(Duhme and Lee, 2021). 내경 3.0 m의 전력구 터널에서는 스크류컨베이어의 지수능력을 경험적으로 3.0 bar까지 검토하고 있지만 장비의 현대화와 최대 12 m까지 스크큐컨베이어의 길이가 증가하여 4.0 bar까지도 대응할 수 있는 것으로 기본설계를 진행하고 있다. 상황여건에 따라 2차 배토장치의 고려도 필요할 것이며, 지수능력이 충분 하더라도 환경적인 평가(Oh and Sagong, 2014)를 바탕으로 SPB로 변경될 수도 있다.
Table 1.
Area of application and selection criteria in rock (DAUB-Working Group, 2022)
조사된 지반조사 보고서와 기본설계 프로세스에 따라 총 15구간에 필요한 쉴드TBM 사양을 다음 Table 2와 같이 제시하였다. 15.5인치와 17인치의 디스크커터 규격에 대하여 사양을 제안함으로써 TBM 제작사의 설계범위를 제한하지 않도록 주의를 기울였다. 또한, 가동률을 30%와 20%의 지표로 고려하여 쉴드TBM 구동부 장비의 성능고려 시 참고할 수 있도록 제안하고 있다(전력구 터널의 평균 가동률은 약 35% 정도로 보고되고 있다). 여기서 가동률은 하루 24시간 중 TBM 굴착공정이 차지하는 시간의 비율을 의미한다. Table 2와 같이 터널 1-2와 터널 3-4의 경우는 계획된 굴착기간을 달성하기 위하여 15.5인치로는 불가하다고 판단하여 17인치로만 사용하도록 설계하였다.
Table 2.
Design specification of tunnel sections
4. 장비선정위원회를 통한 쉴드TBM 장비성능 결정
4.1 선정된 쉴드TBM 특징 개요
3절 Table 2의 기본설계 사양에 대해 장비선정위원회를 통해 주요 장비사양에 대한 검토 및 의견수렴이 이루어졌다. 장비선정위원회는 적기에 전력을 공급해야 하는 전력구 터널의 특수한 상황을 고려하여 계획된 공사기간 달성과 쉴드TBM 밀폐방식의 안정성에 초점을 맞추어 Table 3과 같이 총 15개의 쉴드TBM 장비성능을 확정하였다. 총 15개소 중 11개소의 터널 구간에 대해서는 15.5인치 디스크커터를 선택하여 커터헤드 제작에 착수하였고, 터널 3구간 4개소에서는 17인치 디스크커터를 선택하였다(Fig. 12). 이는 국가별, 제작사별 선호하는 디스크커터의 규격과 설계 철학이 다를 수 있음을 의미한다.
Table 3.
TBM specifications established by the TBM selection committee
총 15개소 터널 구간에 대하여 EPB는 3건, SPB는 12건이 선정되어 안정적인 이수안정액에 대한 밀폐형식이 상대적으로 많이 선정되었다. 특히, EPB TBM 관련으로 터널 0-1구간의 경우는 수압 4.0 bar 이상에 대응하기 위하여 12 m 길이의 스크류컨베이어와 각종 쏘일 커니셔닝 기술이 도입된 것이 특징이다. 반면, 터널 3-1구간의 경우 3.0 bar 이상의 수압에 대응하기 위해 8 m 길이의 스크류컨베이어를 도입하였다. 장비 간 또다른 차이점은 터널 0-1구간은 구동부가 센터 쉐프트 지지방식으로 구동부 아래로 스크류컨베이어가 통과하여 베어링의 직경이 쉴드외경 대비 44% 수준으로 도입된 것이 특징이다. 반면, 터널 3구간은 구동부가 외주면 지지방식으로 구동부 중앙으로 스크류컨베이어가 통과하여 쉴드외경 대비 50% 이상 수준으로 도입되었다. 본 사업의 또다른 큰 특징으로는 동시주입 장치의 도입일 수 있다. 총 15개소 중 9개소에서 후통스킨(스킨두께 40 mm 이상)에서 동시주입 장치가 적용되었고, A액과 B액 자동주입과 배관청소 기능을 갖추고 있다. 소단면 전력구 터널의 경우 후방주입의 한계에서 벗어나 점점 동시주입으로 변화되는 과정으로 판단할 수 있다. 터널의 굴착경이 증가하는 단점이 존재할 수 있지만 뒷채움 재료 역류와 지반침하 발생 등에 대한 단점을 보완할 수 있을 것으로 기대하고 있다.
4.2 설계사양 대비 제작단계 쉴드TBM 주요 장비사양 비교
Fig. 13과 같이 쉴드TBM 주요 장비사양 중 구동부 토크 성능에 대하여 설계사양(Table 2)과 제작 중인 쉴드TBM 토크에 대한 성능(Table 3)을 비교한 결과 제작 성능이 전반적으로 우수한 것으로 확인되었다. 터널 0구간의 경우 206%, 터널 1구간의 경우 209%, 터널 2구간의 경우 202%, 터널 3구간의 경우 121% 수준으로 설계 대비 제작단계 성능이 향상되었다. 그동안 전력구 터널(내경 3.0 m)에 투입되었던 토크성능의 경우 1,500 kN·m 이하가 대부분이였지만 본 사업에는 일부 2,000 kN·m 이상의 성능을 확보하게 되었다.
Fig. 14와 같이 쉴드TBM 주요 장비사양 중 커터헤드 회전속도 성능에 대하여 설계사양(Table 2)과 제작 중인 쉴드TBM 회전속도에 대한 성능(Table 3)을 비교한 결과 역시 제작성능이 전반적으로 우수한 것으로 확인되었다. 0구간의 경우 131%, 1구간의 경우 122%, 2구간의 경우 124%, 3구간의 경우 147% 수준으로 설계 대비 성능이 향상되었다. 모든 제작사의 경우 내경 3.0 m 전력구 터널에 대해서는 8.0 RPM 이상의 성능을 확보하였다.
공사기간에 가장 큰 영향을 미치는 쉴드TBM 성능 중 하나는 구동부 동력이다. 동력은 토크와 커터헤드 회전수에 대한 성능을 담당하고 있기 때문에 구동부 성능이 작을 경우 토크가 크게 발현한 구간에서 회전속도 제한이 걸려 목표한 굴진속도를 달성할 수 없다. Fig. 15와 같이 터널구간별 동력에 대한 설계사양(Table 2)과 제작 중인 쉴드TBM 동력에 대한 성능(Table 3)을 비교한 결과 대체로 0구간의 경우 112%, 1구간의 경우 101%, 2구간의 경우 101%, 3구간의 경우 103% 수준으로 설계 대비 유사한 수준으로 성능이 확보됨을 확인하였다. 일부 제작이 계획된 동력성능이 작았던 터널 구간에 대해서도 최소 500에서 600 kW 이상의 성능을 확보하도록 장비선정위원회를 통해 상호간 의견 조율 후 향상 조절하였다. 설계사양은 제작사에서 선정한 디스크커터의 규격(15.5인치 또는 17인치)에 따라 쉴드TBM 가동률 20%을 고려하여 보수적으로 도출된 값을 비교하였다.
구동부 씰 방수 성능 관련하여 터널 0구간, 터널 1구간, 터널 2구간 그리고 터널 3-2와 3-3 구간은 설계된 요구 성능 대비 제작성능이 모두 10 bar를 만족하는 것으로 나타났다. Fig. 16과 같이 터널 0구간의 경우 174%, 터널 1구간의 경우 200%, 터널 2구간의 경우 237%, 터널 3구간의 경우 147% 수준으로 설계 대비 제작 성능이 향상되었다. 터널 3구간 중 EPB TBM이 활용되는 3-1 구간은 구동부 씰이 6 bar의 성능으로 설계 요구조건에 맞게 제작이 진행 중이며, 반면 3-4 구간의 경우는 산악지역으로 예상되는 설계 최대 수압인 8.5 bar가 모두 작용하지 않는 다는 전제로 5 bar로 제작이 진행 중이다. 스크류컨베이어의 지수능력을 고려하여 제작을 최적화 한 것으로 판단할 수 있다.
5. 결 론
전력구 터널의 건설은 전력공급에 대한 특수성으로 인해 공사기간 달성이 터널 건설의 큰 목표이다. 목표달성을 위한 최적의 쉴드TBM을 현장에 도입하기 위하여 쉴드TBM 설계업무를 전문화하고, 장비선정위원회를 도입하여 관련 프로세스를 개선하였다.
1. 전력구 터널 실시설계 단계에서 쉴드TBM 밀폐방식, 장비규격, 커터헤드·쉴드잭·구동부 사양 등의 명확한 기본적인 사양을 제시함으로써 최적의 쉴드TBM이 투입될 수 있는 가능성을 높이고, 공사비 반영에 긍정적인 효과를 기대할 수 있다.
2. 개선된 기본설계 프로세스를 대규모 송전사업의 전력구 터널에 적용한 결과, TBM 제작기관에 설계단계의 요구사항이 전달되었고, 구동부 성능관련 토크와 커터헤드 회전수 및 씰 능력이 전반적으로 122–237% 수준으로 향상되어 제작이 진행되었다.
3. 장비선정위원회를 통해 설계와 제작기관과의 의견을 수렴하여, 쉴드TBM 구동부 동력성능을 설계사양 대비 모든 터널 구간 평균 104% 수준까지 만족할 수 있도록 하여 목표 공사기간의 달성에 긍정적인 효과를 기대할 수 있다.
4. TBM 기술의 발전에 따라 TBM 제작사의 장비 성능 또한 지속적으로 향상되고 있다. 제작사는 전력구 터널 표준단면별 표준 모델을 보유하고 있을 수 있으나, 해당 표준 모델은 현장 지반조건의 세부적인 특성을 충분히 반영하는 데에는 한계가 있다. 이에 설계단계에서의 지반조건 세부사항과 전력구 건설 과정에서 축적된 노하우를 종합적으로 고려한 개선된 TBM 선정 프로세스를 적용함으로써 장비 성능의 향상을 유도하였다고 판단된다.
