1. 서 론

설계단계에서 미처 예측하지 못한 지질이상대는 TBM 터널 시공 중 공기지연에 따른 시간적, 경제적 손실을 야기한다. 예측하지 못한 지질 이상대로 인하여 TBM 터널에서 발행할 수 있는 트러블을 최소화하기 위하여 정확한 막장 전방 지질 예측의 필요성이 증대되고 있다. 터널 시공 중 지질이상대에 의한 공기지연을 사전에 방지하기 위해서는 막장 전방의 지질상태를 정확하게 예측하는 것이 매우 중요하다.

터널 막장 전방 지질예측의 대표적인 기법으로는 선진시추조사, 터널 내 탐사(TSP; Tunnel Seismic Profiling)등이 있다. 그러나 선진시추조사를 위해서는 공사 중단에 의한 공기지연이 발생하며, TSP 탐사는 충분한 지반정보를 제공하지 못하는 경우도 있어 추가 조사 방법이 필요하기도 하다. 한편, TBM 공법은 굴착단면을 육안으로 관찰하기 힘들며, 굴착지반의 갑작스러운 변화나 지하수에 대한 대처가 쉽지 않은 단점을 가지고 있기 때문에 막장전방 예측에 대한 요구가 증대하고 있으나 막장전방예측 기술은 NATM공법에 비해 극소수에 불과하다. TBM 장비 선진국에서는 막장전방 예측기술 개발에 관한 연구 및 기술개발에 대한 시도가 다양하게 이루어지고 있으나 국내에서는 이에 대한 연구가 미미한 실정이다.

TBM 터널에서 일반적으로 적용되는 대표적인 막장 전방 예측 기술은 선진시추(probe drilling) 이다. 선진시추는 막장전방 지질예측뿐만 아니라 그라우팅 보강 등에도 활용할 수 있도록 고안된 시스템으로 주로 TBM 장비 제작 시 함께 장착된다. 그러나 국내에서 운영되는 TBM 장비는 대부분 재활용 TBM 장비로서 TBM 장비 제작사가 제공하는 선진시추 시스템의 장착이 현실적으로 어려운 실정이다. 일부 TBM 시공현장에서 소형화 된 시추장비를 운영한 사례도 있으나 굴진능력 저하로 인해 작업시간이 많이 소요되므로 적용 사례가 적다. 따라서 TBM 시공 시 막장전방 지질 예측뿐만 아니라 국내의 TBM 기술자립 및 기술 선진화를 위해 현실에 맞는 TBM 장착 선진시추 시스템의 개발이 우선되어야 한다.

한편, 선진시추는 정확한 지반상태 파악을 위해 시추코어를 회수하는 경우와 발파나 보강 등을 위해 논코어링 방법을 적용하는 경우로 구분할 수 있다. 시추코어에 의한 지반예측기술은 직접적으로 지반의 특성을 파악할 수 있다는 점에서 유리하나 상대적으로 굴진시간이 길게 걸리는 단점이 있어서 굴진 시 계측되는 데이터를 이용하여 신속하게 지반을 평가하는 논코어링 방법이 대안으로 떠오르고 있다. 국외의 경우 천공영향변수를 이용한 천공탐사기법이 선진국을 중심으로 터널 및 광산 등의 토목현장에서 다양하게 이용되고 있으며, 특히 터널 시공현장에서 터널 굴진면 전방의 지반상황을 정량적으로 예측하고, 지반의 안정성 파악 및 지보패턴 결정 등에 활용되고 있다. 반면 국내의 경우 천공탐사기법을 터널 현장에 적용하여 암반 특성 및 불연속면 예측을 위해 효율적으로 활용된 바가 있으나(김광염 외, 2008, 2009) 직접적인 굴진에 대한 지반의 반응을 측정하는 것이 아니라 굴진 시 사용된 유압식 착암기의 추력, 토크 등을 측정하기 때문에 정확한 지반평가를 위해서는 추가적인 조사 및 분석 기법의 적용이 필요하다.

이 연구는 국내 TBM 기술 자립의 일환으로서 체계적인 막장 전방 예측기술을 통한 TBM 시공관리용 리스크 관리를 목적으로 재활용 TBM 장비에 선진시추기를 장착하여 100 m 이상의 시추코어 회수 및 굴진 시 실시간으로 전방 지질예측이 가능한 TBM 전방 지반평가시스템을 개발하는데 목적이 있다. 또한, 굴진 완료 후 막장 전방 지질이상대를 신속하게 파악할 수 있는 시추공벽 영상화 시스템을 선진시추기와 함께 장착하여 영상 분석을 통해 막장 전방의 지질상태를 파악하고자 하였다.

2. TBM 전방 지반평가시스템 개발

2.1 시추조사

시추조사는 시추방식에 따라 변위식 시추, 수세식 시추, 충격식 시추, 회전식 시추, 오거 시추 등으로 분류된다.

회전 수세식 시추는 토사에서 경암까지 적용지질의 범위가 넓고, 굴진성능이 우수하며, 균등한 공경, 공벽의 평활성, 공저지반의 교란이 적으므로 시료채취 및 공내 원위치 시험에 적합하다. 특히, 암석코어를 채취할 수 있으므로 암반조사에 널리 적용되는 시추방법이다. 충격식 시추는 중량비트를 타격하여 지반을 파쇄하며 굴진하는 방법이며, 굴진된 시료가 파쇄되어 배출되는 논코어링 시추이므로 정량적으로 지반 분포특성을 파악하기에는 어려움이 있으나 신속한 굴진이 가능하다는 장점을 갖는다. TBM 터널의 경우 시공리스크 감소 및 공기지연 최소화를 동시에 고려해야 하므로 현장여건에 따라 코어링과 논코어링 방법을 선택적으로 적용할 수 있는 설계가 필요하다.

2.2 TBM 장착 선진시추장비

일반적으로 시추장비는 천공부(drilling unit)와 동력 공급부(power unit), 제어부(control unit)로 구분되며, 천공부는 피드부(feed frame), 회전부(rotation unit), 로드 고정부(rod holder), 이수펌프(flush pump)로 세분된다. 피드부는 유압을 이용하여 회전부에 장착된 로드를 굴진면으로 이송시키는 시스템으로 일반적으로 회전부 및 로드 고정부와 연결되어 있는 시스템이다. 회전부는 로드의 회전 및 충격 에너지를 전달, 관입에너지를 제어하는 부분으로 회전수 제어 및 충격에너지를 전달하는 드리프터(drifter) 등이 장착되어 있다. 회전부는 로드나 케이싱을 고정시키는 방법에 따라 중공식과 탑헤드 방식으로 분류된다. 중공식은 TBM장비와 같이 굴진방향으로 공간이 있는 경우에 적합하나 회전에너지만 제공하는 방식이다. 중공식의 경우 회전에너지로만 굴진이 가능하므로 시추 코어회수에는 유리하나 시추조사가 어려운 자갈층이나 강도가 강한 암반이 존재하는 경우 굴진속도가 현저히 떨어지며, 시추공경의 변화가 어렵다는 단점이 있다. 반면에 탑헤드 방식은 회전부가 로드의 선단에 위치하고 있어 커플링을 이용하여 다양한 크기의 시추공경을 결정할 수 있으며, 회전에너지를 충격식과 함께 적용하여 굴진능력을 향상시킨 방식이다. 또한, 중공식 시추장비는 피드부와 회전부가 일체형 제작이 가능하여 주로 소형화장비 제작에 적합하며 피드압이 작은 것이 특징이다.

동력 공급부는 내연기관과 전력기관으로 구분되는데 시추장비의 굴진능력은 동력공급부에 큰 영향을 미치므로 목적에 따라 최적의 사양을 결정하여야 한다.

국내에서 운영되는 재활용 TBM 장비는 규모 및 사양에 따라 TBM내 작업공간의 차이를 보이고 있어 선진시추장비 장착을 위해서는 탄력적 장비운영이 가능한 시스템이어야 한다. 고려사항으로는 TBM 장비내의 작업공간과 선진수평시추기의 굴진능력 및 굴착효율이다. TBM 장비는 특성에 따라 다소 차이가 있으나 커터헤드 후면에 챔버 및 압력셀, 컨베이어, 실린더 등의 각종 장비가 위치해 있어 선진시추장비를 설치하는데 공간적인 제약이 존재한다. 따라서 이 연구를 위해 Φ3.5 m 급의 TBM 장비내 선진수평시추기가 장착될 수 있도록 도면 및 TBM장비의 실측을 통해 다음과 같이 설계 및 개발하였다.

선진시추장비는 드리프터를 장착하여 충격식, 회전식 시추조사가 가능한 탑헤드 방식을 채택하였다. 따라서 코어링과 논코어링 방법이 선택적으로 운영 가능하며, 복합지반에 대한 굴진율 및 코어회수율의 증대가 가능하다. 선진시추장비는 TBM 장비내 세그먼트 이렉터에 위치시켜 TBM 장비내 선진시추 사출구에 능동적으로 운영이 가능토록 하였다. 시추공경은 Ax(28.6 mm)∼Hx(67.5 mm)의 범위로 다양한 크기의 시추코어 회수가 가능하며, 100 m 이상의 굴진 및 시간당 7 m 이상의 굴진이 가능토록 설계하였다. Fig. 1과 Table 1은 개발이 완료된 선진시추장비의 전경과 주요 사양을 정리한 것이다.

2.3 시추공벽 영상화 시스템

시추코어 회수가 불가능한 경우에는 시추코어를 대신하여 막장전방 지반을 예측하는 시스템인 시추공 영상촬영시스템이 하나의 대안이 될 수 있다. 시추공 영상화 시스템의 기본원리는 초음파 빔(ultrasonic beam)을 이용하는 텔레뷰어(acoustic televiewer)시스템과 광학카메라를 이용한 시스템으로 구분된다. 초음파를 이용하는 텔레뷰어 시스템은 공내수를 이용하여 공벽에서 반사된 신호를 영상화하는 시스템으로 반드시 공내수가 존재해야한다는 단점이 있다. 한편, 광학카메라를 이용하는 시스템은 고해상도의 사진영상을 이용하여 지반을 분석하는 OPTV (optical televiewer)와 동영상으로 시추공벽의 정보를 파악하는 시추공 카메라(borehole camera)로 구분된다. 지반에 분포하는 불연속면의 정밀 조사에는 텔레뷰어와 OPTV가 주로 활용된다. 그러나 자료획득 및 자료처리 속도가 많이 소요되며, 측정시스템이 고가라는 점이 단점으로 지적된다.

한편, 시추공 카메라는 OPTV 장비개발 이전에 활발히 운영되던 시스템으로 연속적으로 시추공벽을 촬영함으로써 지질이상대의 존재 여부를 조사하는 방법으로 신속히 시추공 내 정보를 파악하고 결과를 도출할 수 있는 시스템이다.

시추공벽 영상화 시스템은 선진수평시추기의 사양에 맞추어 다양한 시추공경에 적용할 수 있어야 하며, 핵심부품인 카메라의 성능은 무엇보다 중요하다. 카메라는 고성능 CCD (charge-coupled device) 타입 카메라를 탑재하여 시추공 전방 및 측면의 영상을 동시에 기록, 시추공 주변의 지질상태를 실시간 영상을 제공하도록 개발하였다. 카메라의 직경은 Φ25 mm로서 Φ28 mm∼120 mm 시추공에 적합하도록 카메라 보정회로가 탑재되어있다. 또한 미터 카운터와 온도센서를 장착하여 제어시스템 내의 모니터에 표시된다. 단층이나 파쇄대에서 지하수 이동으로 인하여 온도차가 발생하는데 온도자료는 지질이상대를 확인함에 있어 참고자료로 활용된다. Fig. 2와 Table 2는 개발이 완료된 시추공벽 영상화 장비의 사양을 정리한 것이다.

2.4 천공지수 산정 및 암질평가

시추조사에 의한 지질 특성을 파악하는 가장 직접적인 방법은 코어를 연속적으로 채취하고 분석하는 방법이다. 특히, 풍화암이나 균열이 많고 코어채취가 어려운 암석일수록 코어채취의 필요성이 높다. 채취된 코어는 코어의 회수율, 균열정도나 방향, 색깔, 경연 등 암반을 종합적으로 판단하고 평가하는데 귀중한 자료이다. 그러나 시공 중 막장면에서의 시추굴진에 따른 공기지연 및 비용증대가 단점으로 지적된다. 막장 전방 지질 예측을 위해 TBM 장비에 탐사장비를 설치하고 직접적인 데이터를 취득하여 이를 해석하는 방법과 TBM 운전 시 발생하는 추력, 토크 등의 천공영향변수로부터 통계적 분석을 통한 막장 전방을 간접적으로 예측하는 연구가 수행되어 왔다(Yamamoto et al., 2003). 특히 천공 시 유압 착암기에서 얻어지는 천공 데이터는 대상이 되는 지반의 특성에 직접적으로 영향을 받고, 시공의 효율에도 영향을 주는 우수한 지표임이 선행 연구들을 통해 밝혀진 바 있다(Thuro, 1997, 2003; Kahraman et al., 2000). 한편, 국내의 경우 김광염 등(2009)은 천공 탐사와 선진수평시추 결과의 비교를 위해 천공속도, 회전압, 피드압 등의 천공 데이터와 암질지수, 코어회수율 등의 지반정보를 비교 검토하였다.

천공지수(DI, drilling index) 산정을 위한 천공영향변수 측정 장치는 Fig. 5와 같이 데이터측정기, 심도측정기, 신호변환기 등으로 구성된다. 굴진 시 선진시추장비에 장착한 유압센서를 통해 피드압(F, thrust pressure), 회전압(T, torque pressure), 회전수(N, rotation speed), 굴진속도(V, drilling speed)등이 측정되며 측정된 자료는 식 (1)을 적용하여(Teale, 1965)하여 천공지수를 산정한다.

 (1)

천공지수는 코어RMR과의 상관분석을 위해 코어RMR과 동일구간에 대한 평균적인 천공지수를 산정하고 코어RMR 상관성 분석을 진행하여 천공지수RMR로 환산한다. 환산된 천공지수 RMR은 시공 시 막장전방의 암질을 정량적으로 평가할 수 있는 지표로서 활용된다. Fig. 3은 천공영향변수 측정장비를 나타내었다.

3. 현장적용을 통한 시스템 검증

개발된 TBM 전방 지반평가시스템은 암반 및 토사비탈면, NATM 터널 막장, TBM 터널 막장에 현장적용하고 그 결과를 분석하여 적용성을 검증하였다. 한편 TBM 터널은 막장이 숏크리트 및 토류판으로 보호된 상태로 현장 여건상 실 굴진은 불가하여 TBM 장비 내 적용 가능성까지 확인하였다.

3.1 암반 및 토사비탈면 적용

암반 및 토사비탈면에 대한 현장적용은 강원도 양양소재 OO광물 부지내(Fig. 4)에서 진행하였다.

코어링과 논코어링 방법을 모두 적용하였고 굴진에 따른 천공영향변수 측정 및 시추공벽 촬영을 수행하였다. Table 3은 암반 및 토사비탈면의 굴진현황을 정리한 것이다.

굴진은 TBM 내 장착 시 목표 심도인 20 m 이상 진행하였다. 굴진속도는 코어링 방법의 경우 10∼20 mim/m 가량 소요되어 일반적으로 사용되는 상용 시추장비의 수평 굴진 속도와 유사한 분포를 나타내었고, 논코어링 방법의 경우 2∼5 mim/m 정도 소요되어 코어링 방법에 비해 평균 4배 정도 빠른 굴진이 가능했다.

천공영향변수 측정 장비를 통해 획득한 천공영향변수는 Teale (1965)의 식을 적용하여 천공지수를 산정하고 코어RMR의 상관성분석을 통해 천공지수RMR로 환산한다. 상관성 분석결과 천공지수와 코어RMR은 선형의 상관성을 나타내었으며 R²는 암반비탈면과 토사비탈면이 각각 52%, 64%의 비교적 양호한 상관관계를 나타내었다.

Fig. 5, 6은 상관식으로부터 도출한 천공지수RMR과 코어RMR을 심도별로 비교 도시한 것이다.

천공지수RMR과 코어RMR은 암반비탈면의 경우 0∼11, 토사비탈면의 경우 0~12의 범위에서 유사한 분포특성을 나타내었다.

Fig. 7은 시추공벽을 시추공카메라를 이용하여 촬영한 결과이다. 파쇄대가 관찰된 시추코어와 동일한 구간에서 파쇄된 시추공 영상을 확인할 수 있다.

3.2 NATM 터널 적용

적용 지역은 충남 보령시에 위치한 OO터널 건설공사 현장으로 적용 당시 295 m 굴진 진행 중이었으며 부분적으로 파쇄된 연암이 노출된 상태였다(Fig. 8). 현장적용 전경 및 굴진 현황은 Fig. 9, Table 4에 각각 나타내었다. 굴진은 현장 여건상 코어링 20.1 m 진행하였고 굴진속도는 15∼20 min/m이 소요되었다.

천공영향변수로부터 산정한 천공지수와 코어RMR의 상관성분석 결과 R²는 60%로 비교적 양호한 상관성을 나타내었다. Fig. 10은 천공지수RMR과 코어RMR을 심도별로 비교 도시한 것이다. 각각의 RMR은 사면에서의 분석 결과와 같이 1∼7범위에서 유사한 분포특성을 나타내고 있다.

Fig. 11은 시추공벽을 촬영한 결과이다. 파쇄대가 관찰된 시추코어와 동일한 구간에서 파쇄된 시추공 영상을 확인할 수 있다.

3.3 TBM 터널 적용

적용 지역은 서울 송파구에 위치한 서울지하철 OOO공구 건설현장으로 Shield TBM이 적용되었다.현장 적용 당시 TBM 장비는 스크류 컨베이어 설치를 위해 작업 구조물들이 설치된 상태이었으며 막장이 숏크리트 및 토류판으로 보호된 상태로 현장 여건상 실제 굴진은 불가한 상태였다. 선진시추장비는 작업구조물 후면에 설치하였고 챔버 출입문을 통해 로드를 막장면까지 연결하여 장비 구동여부를 체크하는 등 장비 내 적용 가능성까지 확인하였다.

현장적용은 Fig. 12에서와 같이 장비셋팅, 굴진 및 천공영향변수 획득, 시추공벽 카메라 촬영, 장비철수 순으로 진행하였다. 굴진으로 인한 막장 손상 시 붕괴 우려가 있어 실제 굴진은 불가하였으나 굴진을 제외한 모든 공정을 적용하였으며, TBM 전방 지반평가시스템이 TBM 내 적용 가능함을 확인하였다.

4. 결 론

이 연구에서는 막장 전방 지반예측을 위하여 선진시추장비와 시추공벽 영상화 장비를 이용한 TBM 전방 지반평가시스템을 개발하였으며 현장적용을 통해 이를 검증하였고 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1.선진시추장비는 적용한 모든 공에서 20 m 이상 굴진을 진행하였으며, 굴진속도는 20 m 굴진 기준코어링 방법이 6∼7시간, 논코어링 방법이 2시간 내외 소요될 것으로 예상되어 논코어링 방법이 코어링 방법에 비해 4배 가량 빠른 것으로 나타났다. 코어링 방법의 경우 일반적인 상용 시추장비의 수평 굴진 속도와 유사한 성능을 나타내었다.

2.천공지수와 코어 RMR은 52∼63%의 비교적 양호한 상관성을 나타내었으며 천공지수로부터 환산된 천공지수RMR과 코어RMR은 0∼14 범위에서 유사한 분포특성을 나타내었다.

3.시추공벽 촬영결과 파쇄대가 관찰된 시추코어와 동일한 구간에서 파쇄된 시추공 영상을 확인할 수 있었다.

논코어링 적용 시 코어링 방법에 비해 4배 가량 빠른 현장적용이 가능하고, 지반상태의 변화와 천공지수의 상관성도 양호한 것으로 나타난 바 이 시스템의 재활용 TBM 내 적용 시 신속하고 효율적인 막장 전방 지반예측이 가능할 것으로 기대된다.