1. 서 론
2. 현 황
3. 준설
3.1 준설 방법
3.2 준설토 처리
4. 침 설
4.1 함체 운송 및 하강
4.2 함체 연결
5. 기초 공사
5.1 성토
5.2 지반개량
5.3 발파
6. 결 론
1. 서 론
연안 연결에 교량을 사용하기 어려울 때 대안이 해저 터널이다(Fig. 1). 교량 사용이 어려운 경우로는, 수심이 깊어 교각 시공이 어렵거나, 시공은 가능하나 교각 등 교량 구조물이 해상 교통을 방해하는 경우 등이 있겠다. 또한, 인근 공항으로 항공기 운항에 따른 고도 제한이 있는 경우에도 교량을 사용하기 어려울 수 있다. 해저 터널 공법은 굴착 공법과 침매 공법으로 나눌 수 있는데 천공 ‧ 발파 또는 Tunnel boring machine (TBM)을 이용한 굴착 공법은 높은 수압이 작용한다는 점을 제외하면 육지에서 사용하는 공법과 큰 차이가 없다. 한편 침매 공법은 육지에서 만든 박스 형태의 콘크리트 구조물을 해저 바닥에 가라앉힌 후 연결함으로써 터널을 만드는 방식으로 굴착 공법과는 전혀 다른 여러 가지 특징을 가지고 있다(Fig. 2).
침매 터널은 대규모 굴착 없이 해저에 시공되기 때문에 수면 가까이에 위치하므로 해저 아래 적어도 터널 직경만큼의 토피고로 인해 해당 심도까지 진입과 출입 길이가 추가되는 굴착 터널에 비해 노선 연장이 짧다. 양측 연안에 침매 구간의 시 ‧ 종점부에 해당하는 접속 구조물이 필요하지만 이 또한 지표 인근에 위치하는 경우가 대부분이기 때문에 장비 발진을 위해 상대적으로 깊은 심도에 수직구가 필요한 TBM 터널에 비해 관련 공사비도 저렴하다. 또한, 부력의 작용으로 터널의 무게가 트렌치 굴착으로 치환된 원지반의 무게보다 작기 때문에 필요한 지반 지지력이 크지 않아 해성점토 및 충적토와 같은 연약 지반에도 시공이 비교적 용이하다. 아울러 함체 건조 등 대부분의 제작 공정이 육상에서 이루어지기 때문에 품질 관리가 용이하다(Glerum, 1995; Gursoy, 1996).
그러나 해저에 기초를 시공해야 하기 때문에 일반적인 공사에서는 사용하지 않는 고가의 특수 장비 및 진수 기능을 갖춘 대규모 함체 건조 시설이 필요하며, 함체의 침설 및 연결을 위해 특수 장비 및 잠수부 등 특수 인력도 필요하다. 이 밖에도 준설 및 되메움 등으로 해양 생태계를 교란할 위험성이 있으며, 트렌치 시공을 위해 기반암을 굴착해야 할 경우 공사비 증가로 적용이 어려울 수 있다. 또한 갑작스러운 해상 기상여건 악화 및 예기치 못한 지반조건 등에 따른 돌발상황으로 공기가 지연될 가능성도 있다.
침매 터널은 대심도 굴착 없이 비교적 얕은 심도에서 연안과 연안을 연결하기 때문에 어쩔 수 없이 강의 둔치나 해안 갯벌 등 희귀동물서식으로 야생동물 보호구역으로 지정된 지역이나 경관이 뛰어나 휴양시설이 이미 들어서 있는 지역에 진출입구 등 터널 구조물의 일부가 설치될 수밖에 없다. 갯벌 등의 습지는 자연적으로 물이 고여 다양한 조류 및 해양 생물 등 수많은 생명체를 키우는 하나의 온전한 생태계로 생물 다양성 유지를 돕고 있으며 자연적으로 물을 맑게 하고 홍수 및 해안 침식을 막는 등 여러 가지 순기능을 가지고 있다. 사실상 터널 공사는 영구적으로 해당 지역의 경관을 바꾸고 인근 생태 환경에 영향을 주므로, 소중한 습지를 온전히 보전하기 위해서는 환경 영향을 최소화할 수 있도록 터널의 진출입구 및 작업장의 위치가 선정되어야 한다. 또한, 터널 공사가 유발하는 연안생태계 교란을 전부 막을 수는 없기 때문에 완공 이후에도 교란된 생태계의 균형 회복을 도울 수 있는 후속 조치들도 요구된다.
본고에서는 호남~제주, 한중 및 한일 해저 철도 건설 및 운영에 대한 구상이 지속되고 있는 국내외 환경 여건을 고려해 해저 철도 공사 방법 중 하나인 침매 터널 주요 기술에 대한 조사 및 분석을 통해 시사점을 고찰하고자 한다. 본고는 침매 터널의 현황, 준설, 함체 운송 및 침설, 기초 공사 등 관련된 주요 기술 현황 및 각 공사 과정이 주변 생태 환경에 미칠 수 있는 영향에 대해 고찰한다.
2. 현 황
지구상에 침매 터널은 현재 건설이 진행 중인 덴마크와 독일을 연결하는 Fehmarnbelt Link까지 포함해 총 182개가 있는 것으로 조사되었다(Tables 1, 2). 대륙별로 살펴보면, 유럽이 91개로 가장 많았고 아시아 및 아메리카 대륙이 뒤를 이었다. 아메리카의 경우 미국이 초창기 침매 터널 기술을 선도했지만 의외로 시공 사례는 가장 적었다. 특히, 21세기 들어서 아메리카의 시공 사례가 1건에 불과한 반면, 유럽과 아시아에서는 지난 20여 년 동안 20~30건으로 나타나 지속적으로 침매 기술이 적용 중인 것으로 나타났다. 유럽에서는 네덜란드가 34건으로 가장 많았고, 아시아에서는 일본이 27건으로 가장 많았다. 용도 별로 살펴보면, 초창기인 20세기 초반까지는 대부분이 관경 작은 하수 처리용 터널에 사용되다가 관련 기술 발전에 따라 대형 함체 제작이 가능해진 20세기 후반부터는 도로 및 철도 널리 터널에 적용되었다. 도로 터널이 91개로 가장 많았고, 철도 터널은 35개로 뒤를 이었다. 특히, Øresund 및 Fehmarnbelt Link 등 폭이 40 m가 넘는 큰 단면의 함체를 이용한 철도 및 도로 겸용 터널도 지속적으로 건설되고 있었다.
현재 운용 중인 가장 긴 터널은 홍콩과 마카오를 연결하는 Hong Kong Zhuhai Macau Bridge (HZMB) Link로 침매 구간의 길이만 5 km가 넘는다(Table 3). 아직 운용 중은 아니지만 2020년 공사가 시작되어 2023년부터 침설 개시 예정인 Fehmarnbelt Link는 길이가 무려 18 km에 이르는데 길이 200 m 이상인 함체 80여개를 이용해 시공될 예정이다. 수심이 가장 깊은 터널은 Bosphorus의 Marmaray 터널로 수면에서 트렌치 바닥까지의 거리가 58 m에 이르며, 우리나라의 부산~거제 터널은 48 m로 그 뒤를 잊고 있다.
Table 1.
Number of immersed tunnels sorted by continent
| America | Europe | Asia | Miscellaneous | ||
| 1893~1899 | 1 | 1 | 2 | ||
| 1900~1949 | 8 | 9 | 1 | 18 | |
| 1950~1999 | 24 | 63 | 32 | 8 | 127 |
| 2000~2022 | 1 | 14 | 6 | 21 | |
| Unknown | 1 | 4 | 9 | 14 | |
| 35 | 91 | 48 | 8 | 182 |
Table 2.
Number of immersed tunnels sorted by function
| Rail | Road | Rail + Road | Miscellaneous | ||
| 1893~1899 | 2 | 2 | |||
| 1900~1949 | 4 | 5 | 9 | 18 | |
| 1950~1999 | 26 | 61 | 5 | 35 | 127 |
| 2000~2022 | 4 | 14 | 3 | 21 | |
| Unknown | 1 | 11 | 2 | 14 | |
| 35 | 91 | 10 | 46 | 182 |
Table 3.
Long and deep immersed tunnels (Quanke et al., 2022)
3. 준설
3.1 준설 방법
침전물 유출에 따른 생태환경 피해를 줄이기 위해 흡입관를 이용한 유압 준설방식이 적용될 수 있다. Cutter suction dredger는 배의 앞부분에 위치한 Cutterhead를 이용해 지반을 교란시킨 후 흡입관를 이용해 교란된 토사를 인근 바지선 등에 담는 방식을 사용한다(Fig. 3). 배의 좌우에 내려진 앵커로부터 Cutterhaed를 거쳐 윈치까지 연결된 2개의 강연선을 적절히 감거나 풀어 Ladder가 진자 운동을 하도록 함으로써 굴착 장치의 좌우 움직임을 조정하는 방법을 쓴다. 배의 뒷부분에는 장착된 2개의 Spud는 배를 해상에 고정시키는 용도로 사용되며 교대로 내려 사용함으로써 배의 전후 움직임을 조정한다. 한편, Trailing suction hopper dredger는 해저에 내려진 Draghead를 이용해 진공 청소기와 같은 원리로 해저의 토사를 빨아들인다(Fig. 4). 흡입관을 사용한다는 점에서 Cutter suction dredger와 유사하나 선내에 Hopper가 장착돼 있어서 준설된 토사를 별도의 바지선 없이 자체 저장할 수 있다는 점에서 차이가 있다. 굴착장치를 사용하지 않기 때문에 연약지반에 더욱 적합하다. 한편, Backhoe dredger 등 별도의 흡입장치가 없는 기계적 준설 방식을 사용할 경우 준설 시 발생하는 침전물 유출을 완전히 막는 것은 어렵지만 여러가지 장점도 있다(Fig. 5). 기계적 방식으로 준설된 토사는 유압방식으로 준설된 슬러리 형태의 토사에 비해 수분함량이 낮기 때문에 더 많은 양의 토사를 선적할 수 있으며 고체와 액체를 분리할 필요가 없기 때문에 인근 연안 간척 등에 곧바로 사용할 수 있어 효율적이다.
그러나 흡입장치 없이 바다 바닥을 훑는 기계적 방식은 침전물을 흩뿌리며 바닷물을 휘젓기 때문에 수중 부유물을 증가시켜 물을 흐리고 용존산소량을 낮춘다. 또한, 트렌치 시공 및 함체 설치 등 터널 시공에 따른 해저 지형의 인공적인 변화가 침전물 운반 양상을 바꿔 공사지역 인근 해양 생태계에 좋지 않은 영향을 줄 수 있으며, 알과 유충을 연행해 해양 생물에 직접적인 타격을 줄 수 있다. 따라서 계획 단계에서부터 준설에 따른 침전물 유출과 해저지형의 변화가 주변의 생태 환경에 어떠한 영향을 줄 것인지에 대한 이해에 바탕을 둔 면밀한 검토를 통해 공사방법이 선정되어야 하며, 공사 시에는 선정된 공법이 계획대로 적용되어 관련된 해양환경 보전 기준을 만족시키고 있는지에 대한 지속적인 모니터링이 요구된다. 2011년 잉글랜드의 New Tyne 공사에서는 강으로 돌아오는 연어 및 송어 등 회유성 어류를 보호하기 위해 물고기 회유가 한창인 2009년 봄과 여름에 준설 작업을 금지시켰으며, 가을과 겨울에만 허용된 준설 작업에서도 침전물 유출을 최소화하기 위해 Cutter suction dredgers과 Silt curtain 등이 사용되었다. 또한, 준설 작업 1년 전부터 용존산소량, 혼탁도, 침전물 독성 등을 모니터링함으로써 터널 공사의 환경 영향을 평가했다. 2008년 Bosphorus의 Marmaray 공사에서도 물고기 이동이 많은 봄 가을철 준설 작업을 금지시킨 사례가 있다(Ingerslev, 2005).
3.2 준설토 처리
Confined disposal facility (CDF)란 준설로 생긴 토사를 격리시켜 주변 생태 환경을 보호하기 위해 만들어진 제방으로 에워싸인 형태의 구조물로 침매 터널 공사에도 사용될 수 있다. 예를 들어, 네덜란드에 위치한 IJsseloog는 인공섬 형태의 CDF로 1990년대에 만들어졌는데 깊이 50 m, 직경 1 km에 이르는 원형의 저장조는 용량이 2천만 m3에 이른다(Fig. 6).
CDF에서 중력 배수, 압밀, 증발 등을 이용해 슬러리 형태의 준설토가 액체와 고체로 분리되는데 분리된 모래 등의 토사는 건설 재료로 사용될 수 있으며 오염물질은 보관된다. 적당한 정화 방법이 없어 재사용이 어려운 오염된 준설토 처리에 필수적이다. Bosphorus의 Marmaray 공사에서 총 준설량의 10% 정도에 해당하는 12만 m3 정도의 오염된 준설토가 CDF에 격리 보관된 사례가 있다(Ozgur, 2022). CDF는 물가나 육지에 모두 위치할 수 있는데 보관된 오염 물질이 유출되지 않도록 하기 위해 섬이나 근해 등 물가에 위치한 경우 평균 만조 수위 등을 고려해 설계해야 하며 육지에 위치하는 경우에는 지하수 흐름이 없는 지역이 이상적이다. 침출수 유출 방지를 위해 방수 라이너 등 별도의 조치가 필요할 수도 있다.
오염되지 않은 준설토는 곧바로 환경복원 등을 위한 건설재료로 사용될 수도 있다. Fehmarnbelt Link에서는 덴마크와 독일 양측 터널 진출입구 인근 연안 간척 작업에 준설토를 그대로 사용하고 있다(Fig. 7). 여기에는 작업장 대비 최소 2배 이상 면적의 생태 공간을 준설토를 이용해 조성하는 계획도 포함되어 있다(Larsen et al., 2022). 또한, 1991년 웨일즈의 Conwy 공사에서 강의 상류에 야생 조류 보호구역을 만드는데 준설토를 이용한 사례도 있다(Welsh Government Homepage, 2022). Øresund Link 및 Hampton roads crossing 등에서는 인공섬 건설에 준설토가 사용되기도 했다.
4. 침 설
4.1 함체 운송 및 하강
침매 터널의 함체는 예인선과 수상플랫폼을 이용해 연안에 위치한 작업장에서부터 해상의 침설 위치까지 운송된다(Fig. 8). 충분한 견현(Freeboard) 확보를 위해 일반적으로 두 개의 수상플랫폼을 함체의 전후에 장착해 함께 사용하는데, 주로 사용되는 수상플랫폼으로는 쌍동선(Catamaran) 방식과 갑판 부착(Deck mounted) 방식 등이 있다. 쌍동선 방식은 함체 양쪽에 구비된 플로터(Floater)가 보나 갑판 등에 연결된 형태의 수상플랫폼으로, 뛰어난 복원력이 특징이다. 쌍동선 방식은 Øresund Link와 부산~거제 공사 등에 적용되었다(Nagel, 2011; Jelia, 2017).
함체가 침설 위치에 도착하면 함체 내부에 구비된 수조에 평형수(Ballast Water)를 채워 함체가 음성 부력(Negative buoyancy)을 갖도록 만들고 강연선을 이용해 하강시킨다(Fig. 9). 하강 시 조류와 파랑 등의 영향으로 함체가 기울어지는 것을 보정해 주기 위해 여러 개의 수조가 함체 내부에 넓게 분산 배치된다. 일반적으로 적용되는 금속과 나무로 만들어진 수조는 설치와 철거가 어려워 이를 개선하기 위해 중국의 Yuliangzhou 공사에서는 고무나 직물 등과 같이 유연한 소재로 이루어진 용기를 수조 대신 사용하기도 했다(Zhou, 2022).
함체의 중량 중 부력에 의해 지탱되는 부분을 제외한 나머지를 Overweight라고 한다. 하강 시 함체의 Overweight는 300~500톤 정도가 적당한 것으로 알려져 있으나, 함체에 작용하는 부력은 아르키메데스의 원리에 따라 해수의 염도 및 기타 부유물의 함량 등에 따라 달라지므로, 함체 운송 및 하강 시 해수 성분 데이터를 활용한 면밀한 검토가 요구된다. 하강 작업이 완료된 후에는 평형수가 콘크리트로 교체되며, 이에 따라 함체의 중량이 증가하게 된다. 함체의 부상(Uplift)에 대한 최소 안전율은 1.025 정도로 제안되고 있다(Lunniss and Baber, 2013).
침설에 사용되는 강연선은 세 가지로 종류로 분류할 수 있다. 수상플랫폼에서 해저에 직접 연결되는 계류용 와이어(Mooring wire)는 수상플랫폼을 고정시켜 침설 위치에 정렬되도록 하며, 수상플랫폼에서 함체를 거쳐 해저에 연결되는 수축 와이어(Contraction wire)는 함체의 전후 좌우 위치 조정을 돕고, 수상플랫폼에서 함체까지 연결되는 현수 와이어(Suspension wire)는 함체의 상하 움직임을 조절하는 용도로 사용된다.
4.2 함체 연결
해저에 안착한 함체는 단부에 구비된 침설 조인트(Immersion joint)를 통해 수중에서 이미 침설이 완료된 이웃 함체에 연결된다(Fig. 10). 합성 고무 등 초탄성 소재가 주로 사용되는데 널리 사용 중인 침설 조인트로 1960년대 초반 네덜란드 North-South Metroline 공사에 처음으로 적용된 Gina gasket과 Omega seal 시스템이 있다. Gina gasket은 함체의 최외곽부에 설치되는 1차 방수재이며, Omega seal은 Gina gasket의 안쪽에 설치되는 2차 방수재이다. 공사마다 약간씩은 다른 시스템이 적용되고 있지만 설치 방법이나 작동 원리는 유사하다. Gina gasket을 구비한 새 함체의 단부(Primary end of new element)와 가스켓을 구비하지 않은 이웃 함체의 단부(Secondary end of existing element)가 서로 마주보도록 배치하고, 커플링 장비 등을 이용해 양 함체의 연결면을 밀착시킴으로써 가스켓을 짓눌러 외부로부터 물의 유입을 차단하는 것이다. 이후, 양 함체의 격벽(Bulkhead) 사이 공간에 차 있는 물을 빼내어 이곳에 작용하는 정수압을 제거하면 새 함체의 자유단(Secondary end of new element)에 작용하는 정수압으로 양 함체가 더욱 밀착되면서 견고하게 밀봉되어 Gina gasket을 이용한 1차 방수가 완료된다(Smitt, 2003). 1차 방수가 완료되면 내부 연결면에 Omega seal을 설치해 2차 방수를 완료한다.
Gina gasket과 Omega seal을 적용한 침설 조인트 시스템은 오랜 기간에 걸쳐 우수한 성능이 입증되어 수많은 침매 터널 공사에 적용됐지만, 네덜란드의 First Coen 터널 등에서 침설 조인트를 통한 누수 사례가 보고되기도 했다(van Montfort, 2018). 누수의 원인으로는 조인트의 부식, 방수재의 이완, 함체의 변위 등을 들 수 있다. Omega seal을 고정시키는 조임 볼트의 부식으로 누수가 생길 수 있으며, 수온이 올라가는 여름철 Gina gasket의 이완으로 누수가 생길 수도 있다. 또한 터널 기초의 부등 침하 등에 따른 함체 변위가 방수재를 정상 위치에서 이탈시킴으로써 누수가 생길 수도 있다. 침설 조인트는 터널의 최외곽부에 위치해 문제가 발생하더라도 유지보수가 매우 어렵기 때문에 설계 및 시공에 만전을 기해야 하며 내구성 향상 등을 위한 연구개발도 필요할 것으로 판단되었다.
침설 조인트 이외의 침매 터널 연결부로는 세그먼트 조인트와 폐합 조인트가 있다. 콘크리트 경화 과정 중 발생할 수 있는 균열을 최소화하기 위해 침매 터널의 함체는 지상의 작업장에서 대개 20~25 m 길이로 분할 제작되는데, 이로 인해 형성된 이웃한 분할 단면 사이의 연결부를 세그먼트 조인트라고 한다. 세그먼트 조인트 방수를 위해 Groutable waterstop 및 Hydrophilic seal 등이 적용되고 있다. 한편, 폐합 조인트란, 침매 터널은 보통 양측 연안에 설치된 진출입구로부터 양방향 시공되는데, 함체가 모두 조립되고 남은 마지막 수중 간극을 말한다. 폐합 조인트에 사용되는 기술로는 가물막이댐(Cofferdam)이나 트레미 콘크리트(Tremie concrete) 기술 등이 있다. 가물막이댐 기술은 Øresund Link 등에 적용되었고, 트레미 콘크리트 기술은 북미에 시공된 초창기 원형 강관 터널에 널리 적용되었다.
5. 기초 공사
5.1 성토
함체 간 연결오차를 줄이고 터널의 안정성을 증진하기 위해 준설을 마친 해저면에 성토 공사를 실시한다. 기초공사 방법은 함체를 연결한 이후에 모래를 분사해 해저면과 함체 사이 간극을 채우는 방법(Sand jetting/flow)과, 함체 침설 이전에 자갈을 이용해 해저면을 평탄화 시키는 방법(Gravel bedding)으로 구분될 수 있다.
Sand jetting 공법은, 침설된 함체 위에 터널의 길이방향을 따라 움직임이 가능한 갠트리(Gantry)을 설치하고, 이를 이용해 모래 바지선에서부터 터널까지 파이프로 연결함으로써, 함체와 트렌치 사이 간극에 모래를 채우는 기초 공사법으로, 1942년 Maas 터널에서 처음 도입되었다(Fig. 11). 이 공법은 바지선 및 분사 장치 등 주요 장비를 탑재한 수상 플랫폼이 해상 교통의 흐름을 방해할 수 있어서 교통량이 많은 지역에서는 사용이 곤란하며, 갠트리 설치 때문에 깊은 심도 작업은 한계가 있다. 물과 모래를 섞어 분사하는데, 물과 모래의 부피 비율은 1:9에서 2:8 정도였다(Gursoy, 1996).
Sand jetting 공법의 단점을 보완하고자 새로운 기초 공사법이 1969년 네덜란드 Western Scheldt 터널 설계에 제안되었고, 실제로는 1975년 Vlake 터널에 처음으로 적용되었다(Fig. 12). Sand flow 공법은 해상 교통의 흐름을 방해하지 않기 위해 연안에 위치한 모래 바지선 및 분사 장치에서 터널까지 파이프로 직접 연결한다. 파이프를 통해 공급된 모래는 함체 바닥에 구비된 구멍을 통해 함체와 트렌치 사이 간극으로 분사되어 Sand pancake 형상으로 간극을 채워 기초를 형성한다. 초창기에는 함체 내부로부터 외부로 이어지는 구멍을 통해 모래가 공급되기도 했으나, 누수 위험성 때문에 최근에는 내부를 거치지 않고 함체의 외부 벽면을 통해 공급하는 방식이 사용된다(Glerum, 1995). 작업이 완료된 모래 팬케익의 전형적인 직경은 12 m 정도인데 작업 범위는 구멍의 크기, 분사 압력, 모래의 크기 등에 따라 달라진다. Sand flow 공법은 분사된 모래가 함체를 밀어 올리기 때문에 주입 구멍의 개수 및 분사 압력 등을 설정하고 이를 감안해 평형수를 보충해주어야 한다. 전형적인 주입 구멍의 간격은 10~15 m 정도이다(Li et al., 2014). Sand flow 공법에는 비교적 입자가 작은 모래를 사용하는 것도 가능하며, 작업 속도가 3,000 m3/일 정도로, 2,000 m3/일 정도인 Sand jetting 공법보다 빨라 경제적이다(Lunniss and Baber, 2013).
Sand flow 및 Sand jetting 등 모래 기초 공법은 트렌치 준설 및 함체 침설 이후 마지막에 적용되기 때문에 Siltation 위험이 따른다. 함체와 트렌치 사이 간극에 해조류 및 실트 등 이물질이 들어갈 수 있다는 것이다. 이물질은 예기치 못한 과도한 침하를 야기할 수 있으므로 함체 침설 이후 가능한 신속하게 기초공사가 시행되어야 한다. 또한, 이렇게 시공된 모래 기초는 입자의 배열의 느슨한 상태에서 보통 상태(상대 밀도 0.3~0.6)로 액상화 가능성이 있으므로 지진 지역에는 적용이 어려우며, 지진이 아니더라도 진동 다짐 등 과잉 간극 수압 발생이 예상되는 작업 시에는 각별한 주의가 요구된다.
초창기의 Gravel bedding 공법은 지상에서 사용되는 불도저와 같이 Screed blade를 탑재한 프레임을 침설시켜 사용했다. 이러한 방식은 1930년 Detroit-Windsor 공사를 시작으로 20세기 초 중반 미국에 시공된 원형 단면의 강관 터널에 널리 적용되었으나 수중 프레임을 이용하는 당시 기술로는 높은 정밀도의 평탄화가 어려워 폭이 넓고 균열에 취약한 콘크리트 함체를 사용하는 유럽에서는 적용되지 않았다. 기존 공법을 개선하고자 2000년 Øresund Link 공사에서는 수중프레임 대신 수상플랫폼이 사용되었다(Fig. 13). 바지선 양단에 구비된 Spud로 수상플랫폼과 해저를 연결해 고정시킨 후, Fall pipe를 이용해 자갈을 포설하고 단부에 장착된 Screeding shoe를 이용해 평탄화 작업을 병행한다. Fall pipe의 횡축 이동 및 바지선의 종축 이동으로 ‘ㄹ’자 형상을 그리며 포설 및 면고르기 작업이 진행되는 것이다(Wang et al., 2020). 수상플랫폼 사용에 따른 시공 품질 향상으로 이후 시공된 부산~거제, HZMB Link 공사 등에 적용되었다(Lee, 2012; Quanke et al., 2022).
Gravel bedding 공법의 강점은 시공 순서에 있다. 자갈 포설이 함체 침설 이전에 실시되기 때문에 현장 접근이 자유로워 함체 침설 이후 모래를 채워 넣는 Sand jetting 및 Sand flow 공법에 비해 품질 관리가 용이하며, 콘크리트 패드 및 유압 장비 등 임시 기초가 필요 없으므로 간편하다. 또한, 자갈 기초는 지진 시 흔들림에 따른 다짐 현상으로 침하가 발생될 수는 있겠으나 액상화 가능성은 없어 사질토로 구성된 기초에 비해 상대적으로 안정적이다. 또한, 자갈은 모래에 비해 무겁기 때문에 유속이 빠르고 수심이 깊은 환경에서도 작업이 용이하다
Sand flow 및 Gravel bedding 등의 성토 공사는 이미 준설을 마친 해저면에 오염되지 않은 모래 및 자갈을 사용하므로 포설 작업이 준설면에 정확히 이루어진다면 주변 생태 환경에 미치는 영향은 크지 않을 것으로 판단되었다.
5.2 지반개량
침매 터널 관련 연약지반 개량을 위해 Sand compaction pile (SCP) 공법과 Cement deep mixing (CDM) 공법 등이 적용될 수 있다.
SCP 공법은 지중에 관입된 파이프에 모래를 부어 진동 및 충격 등의 방법으로 다져 말뚝을 형성시키는 공법으로 1960년대 일본에서 개발되어 널리 적용되었는데 바지선을 이용하면 수중 작업도 가능하다(Fig. 14). 파이프 상단에 구비된 호퍼를 이용해 모래를 공급하고 진동 해머로 가진해 파이프를 지중에 관입시킨다. 파이프가 소정의 심도에 도달하면 파이프를 회수해 회수로 형성된 공동을 압축공기를 이용해 파이프에 담겨 있던 모래로 채우는 것이다. 채워진 모래는 파이프 상단의 진동 해머 및 하단의 특수 진동 장치를 이용해 다지게 되는데 다짐 정도에 따라 말뚝의 직경이 결정된다. 파이프 회수와 함께 모래의 공급 및 다짐으로 이루어진 일련의 작업은 말뚝이 지표면에 도달할 때까지 반복된다. 이 공법으로 원지반 대신 강성이 큰 모래 말뚝이 터널의 하중을 지탱하게 함으로써 침하를 줄일 수 있으며, 선행재하 공법과 함께 적용할 경우 모래 말뚝이 배수 통로로 작용해 원지반의 압밀을 가속시킴으로써 장기적으로는 원지반의 지지력을 개선하는 효과도 얻을 수 있다.
원지반 면적 대비 모래로 치환되는 면적의 비율을 치환 비율이라고 하는데, 원지반이 연약할수록 큰 직경의 말뚝을 촘촘히 시공해 치환 비율이 높아지게 된다. 이 공법이 선행재하 공법과 함께 적용된 부산~거제 공사에서는, 직경이 1.6~2.0 m인 말뚝을 1.7~4.0 m 간격으로 시공돼 치환 비율이 40~61%에 이르렀으며, 말뚝의 길이는 30 m에 이르렀다(Fig. 15). 한편, HZMB Link 공사에서는 치환 비율은 40~70% 수준이었다(He et al., 2018).
그러나 치환 비율이 최대 70%에 이르고 깊이가 30 m가 넘는 대규모 굴착이 요구되는 SCP 공법은 지반 타공 시 발생한 부산물(Drill cuttings)이 확산 후 침강해 인근 해양 생태 환경에 부정적인 영향을 줄 가능성 있다. 지속적인 타공 작업으로 산호(Coral)의 매몰 두께가 6.3 mm 정도에 이르면 산호충(Coral polyps) 사망률이 증가하기 시작한다고 알려져 있다(Larsson and Purser, 2011). 산호는 산호충이 모여서 이루어진 것으로 바다의 숲으로 불릴 정도로 해양 생태계에서 중요한 역할을 한다. 4천 종 이상의 물고기 등 해양 생물의 25%가 산호에 서식하고 있다. 특히, 산호는 광합성을 통해 온실가스 저감에 큰 역할을 하고 있는 미세조류 및 플랑크톤 등의 서식처이다. 따라서, 타공 작업 시 발생하는 부산물이 인근 해양 생태계에 미치는 영향에 대한 면밀한 검토가 선행되어야 하며 부산물 확산을 저감할 수 있는 조치도 마련되어야 한다.
Cement deep mixing (CDM) 공법은 시멘트 등 바인더를 주입해 말뚝을 형성하는 연약지반 개량공법으로 믹싱 샤프트를 탑재한 바지선을 이용하면 수중 적용도 가능하다(Fig. 16). 믹싱 샤프트 하단에 장착된 믹싱 블레이드의 회전으로 지반을 교란시켜 지반의 강도를 떨어뜨림으로써 자중에 의해 샤프트가 지중에 관입되도록 하고 바인더를 주입해 지반을 고결시키는 방식이다. 수중 작업에 적용되는 믹싱 툴은 대개 직경이 1.0~1.6 m 정도인 2~8개의 믹싱 블레이드로 구성되며 1회 작업으로 얻어지는 개량 단면적은 2.2~5.7 m2 정도이다. 1 × 2, 2 × 2, 또는 2 × 4 배열이 일반적인데, 샤프트 사이의 간격이 블레이드의 직경보다 작아 중첩이 일어나기 때문에 개량 단면적이 각 블레이드 단면적을 합산한 것 보다 작다.
이 공법은 바인더 주입 시기에 따라 샤프트 관입 시 내려가면서 바인더를 주입하는 관입 주입 방식과 샤프트 회수 시 올라오면서 바인더를 주입하는 회수 주입 방식으로 구분할 수 있으며, 사용되는 바인더의 상태에 따라 슬러리 형태의 시멘트나 석회를 사용하는 습식과 분말을 그대로 사용하는 건식으로 구분할 수 있다. 부산~거제 공사에서는 습식 회수 주입 방식이 사용되었다. 슬러리 형태의 시멘트가 샤프트가 회수될 때 주입된 것이다. 직경 1.0 m 블레이드 4개를 2 × 2 배열로 구성한 믹싱 툴을 이용했으며, 개량 심도는 수면으로부터 최대 60 m에 이르렀다(Fig. 17).
CDM은 공법은 타공으로 발생하는 부산물의 확산 및 침강 뿐만 아니라 수중 시멘트 사용에 따른 환경 영향 가능성도 가지고 있다. 수중 그라우팅 타설은 강한 알칼리성 재료인 시멘트를 사용하기 때문에 인근 지역의 pH를 11 이상으로 상승시킬 수 있다(Fitch, 2003). 대부분의 어류에 적당한 pH는 6.5~9.0이며 pH가 9를 넘으면 물고기가 스트레스를 받으며 11을 넘으면 폐사한다. 시멘트 침출에 따른 pH 상승은 해조류 등 저서생물(Benthos) 생육에도 영향을 미칠 수 있다. 시멘트 공장에서 발생한 분진이 인근의 호수에 녹아 들어 물속에 서식하던 조류 군락이 크게 줄어든 사례도 보고된 바 있다(Bergstrom et al., 2007). 따라서 pH 상승이 현장 인근 해양 생태계에 미칠 영향에 대한 검토가 요구되며 바인더 유출을 최소화할 수 있는 공법이 선정될 수 있도록 노력해야 한다.
5.3 발파
수중 발파 등 침매 터널 기초공사 유발한 소음 및 진동이 인근 해양 생태 환경에 영향을 줄 수 있다. 수중 소음은 어류의 행동 및 생리 반응을 바꾸고 청각 및 측선 등 감각 기관을 손상시키며, 심한 경우에는 청력을 상실시키고 세포손상을 야기해 폐사에 이르게 할 수도 있다. 수중 발파는 사방 4 m 범위에 최대 260~300 dB re 1μPa (Arch Henderson LLP, 2021) 정도의 소음을 유발하는 것으로 알려져 있다. 대부분의 어류는 140~160 dB re 1μPa 정도의 소음에서 행동에 변화를 보이며 220 dB re 1μPa 정도의 소음에서 내장이나 부레의 파열이 일어나므로, 이러한 수중 작업이 유발한 소음이 공사 지역 인근 어류의 생존까지 위협할 수 있는 것이다. 따라서 수중 발파 시 어류의 이동 특성 등 해당 지역의 생태 환경적 특성을 파악해 피해를 최소화하기 위한 노력이 요구된다.
수중 발파에 따른 소음과 진동을 줄여 해양 생태계를 보전하기 위해 노르웨이의 Bjørvika 공사(van Schie, 2022) 및 중국의 Dongping 공사에서는 Bubble curtain 기술이 사용되었다. 이 기술은 공기 주입 장치와 연결된 파이프를 소음원을 감싸는 형태로 설치해 수중에 공기 방울을 형성시킴으로써 소음을 줄인다.
6. 결 론
19세기 말 처음 선보인 침매 터널 기술은 발전을 거듭하며 대형화, 장대화, 대심도화 되어가고 있다. 이 기술로 복선철도 및 4차선 도로를 함께 운용할 수 있을 정도 규모의 터널을 최소한의 굴착만으로 수심 60 m 해저에 건설할 수 있게 된 것으로 호남~제주, 한중 및 한일 해저 철도 건설 및 운영에 대한 구상이 지속되고 있는 국내외 환경 여건을 고려할 때 시사하는 바가 크다. 침매 터널 사례 조사 및 분석을 통한 본 연구의 주요 결론은 다음과 같다.
1. 침매 터널은 마제형 단면을 주로 사용하는 천공 발파 터널이나 원형 단면을 주로 사용하는 TBM 터널에 비해 단면 선택에서 자유롭다. 미국에서 주로 사용되었던 원형 단면이나, 유럽에서 주로 사용되었던 직사각형 단면을 보면 이 점을 알 수 있다. 이 때문에, 철도, 도로, 및 각종 유틸리티 공급 등 다양한 터널 인프라 서비스가 필요한 경우, 여러 개의 터널보다는 자유로운 단면 선택으로 비용 및 환경에 미치는 영향을 모두 줄일 수 있는 침매 터널이 매력적인 대안이 될 수 있다.
2. 침매 터널의 공사과정 중 준설 작업은 해양 생물의 알과 유충을 빨아들이고 침전물을 유출함으로써 인근 해양 생태 환경에 직간접적으로 큰 영향을 줄 가능성이 가장 높은 공정으로 판단되었다. 어류 이동이 많은 산란기에는 준설 작업을 금지한 사례가 있었는데 생태 환경 보존을 위한 현명한 조치였다고 판단된다. 침전물 유출을 최소화하기 위해 흡입관을 장착한 유압 방식의 준설선도 적용되고 있으나 여러 가지 경제적인 이유 및 현장조건 때문에 작업 효율이 높은 기계적 방식도 여전히 사용되고 있었다. 한번 훼손된 해양 환경은 복구가 어려우므로 면밀한 환경 영향 평가를 바탕으로 적합한 준설 방식이 사용되어야 할 것으로 판단된다.
3. 지반 타공 및 시멘트 그라우팅으로 요약되는 말뚝을 이용한 연약지반 개량공법도 해양 생태 환경에 적지 않은 영향을 줄 수 있을 것으로 판단되었다. 타공 부산물의 확산 및 침강에 따른 매몰은 저서 생태계에 피해를 줄 수 있으며, 알칼리성 재료인 시멘트 사용은 인근 지역의 pH를 상승시켜 저서 생물의 생육에 좋지 않을 줄 가능성도 있는 것으로 조사되었다. 따라서 매몰 및 pH 상승이 현장 인근 해양 생태계에 미칠 영향에 대한 선행 검토를 바탕으로 적합한 연약지반 개량 방식이 사용되어야 할 것으로 판단된다.
