1. 서 론
2. 현장 개요
2.1 노선 및 지반특성
2.2 적용 TBM 장비
2.3 첨가제 사용 설계안 및 검증
3. 첨가제 사용 분석 및 굴진 중 주요 발생 문제 해결
3.1 지반별 첨가제 사용량 종합
3.2 굴진 중 주요 발생 문제
4. 제언 및 결론
1. 서 론
터널 굴착 공법은 종래의 NATM (New Austrian Tunnelling Method)으로 대표되는 재래식 굴착(Conventional Tunnelling)과 TBM, 로드헤더(Roadheader) 등으로 대표되는 기계식 굴착(Mechanized Tunnelling)으로 구분되나, 최근 도심지의 지하터널 및 장대터널의 수요가 끊임없이 증대되고 해저 등의 대심도 구간을 굴착할 때의 시공 안정성을 고려하여 전세계적으로 기계화 시공이 일반화되는 추세에 있다. TBM은 굴착면의 압력을 유지하고, 굴착된 버력을 배출하는 방식에 따라 토압식(EPB)와 이수식(Slurry shield) TBM으로 나뉘는데 이 중 EPB TBM은 커터헤드(Cutterhead) 후방에 위치한 챔버에 굴착토가 유입되고 스크류 컨베이어의 배토 회전 속도로 챔버 내 토압을 조절하며 막장압을 관리하는 방식으로, 굴진면의 토압이 확실하게 스크류 컨베이어에 전달되어야 하므로 소성유동화한 굴착토를 챔버 내에 가득 채우는 것이 매우 중요하다. 따라서 토압이 막장에 작용하여 막장 안정이 확보된 상태로 굴착토사를 부드럽게 배토하기 위해서는 소성유동성과 지수성의 확보가 중요하다. 일반적으로 굴착토사 중에 30% 정도의 미세립분이 함유되어 있고 입도분포가 양호한 경우에는 단순히 챔버 내 교반만으로 소성유동성을 확보할 수 있으나, 사질토나 자갈 등이 많은 경우 또는 세립분이 매우 적은 암반지반, 지하수의 과다 유입 등이 발생할 경우 자연적인 소성유동화는 불가능하여 적절한 첨가제(soil conditioning agents)의 사용이 필수적이다. 첨가제는 커터헤드 전방, TBM 챔버, 스크류 컨베이어 내부 등에 주입되어 굴착 대상 또는 굴착된 흙의 물성을 개선시키는 기법으로 이러한 첨가제의 적절한 사용을 통해 종래 점성토 지반에 주로 국한되었던 EPB TBM의 적용이 조립질 이상의 지반에도 확장될 수 있다(Kwak et al., 2022). 국내외에서 가장 널리 사용되는 첨가제는 폼(Foam), 폴리머(polymer) 등이 있는데 먼저 폼의 경우 굴착 예정의 흙에 주입될 때 버력의 내부마찰각 감소, 소성유동성 및 워커빌리티(workability) 확보, 투수계수 감소, 윤활 효과로 인한 마모량 감소 등의 효과를 기대할 수 있다(Quebaud et al., 1998). 다음으로 폴리머의 경우 물을 흡수하는 고흡수성 수지계, 물에 용해되어 점착성을 띄는 수용성 고분자계 등의 종류가 있는데 주로 고수압 조건 하에서의 분발방지, 굴착토의 수분을 흡수하고 적당한 유동성을 공급하여 TBM 내부 공간(커터헤드 내부 격벽, 챔버 내부, 스크류 컨베이어 등)들과 굴착토의 부착을 방지하는 첨가제로 사질토 이상의 입도에서 지하수의 유입이 많을 때 사용한다. 다만 적절한 유동성과 지수성 발휘를 위해서는 어느정도 이상의 세립분을 함유하고 있어야 폴리머의 효과를 높일 수 있다.
EPB TBM에서의 적절한 배토 성능을 찾기 위해서 가장 널리 사용되는 방법은 실내시험으로, 대표적인 실험은 콘크리트의 유동성 확보에 사용되는 실험인 slump test이다. Vinai et al. (2008)은 폼의 배합변수를 변화시키며 slump test를 실시하여 자체 개발한 스크류 컨베이어 모사장비에 걸리는 압력을 측정하였으며 Budach and Thewes (2015)는 foam generator을 개발하여 컨디셔닝된 흙을 유동성 실험인 slump test를 실시하여 EPB TBM을 적용할 수 있는 지반의 입도범위를 확장하였다. 소성유동화에 적합한 slump 수치는 약 10~20 cm (Quebuad et al., 1998; Langmaack, 2000; Peila et al., 2009)로 알려져 있다. 또한 slump test 이외에도 컨디셔닝된 흙에 대한 vane 전단강도 실험을 수행하여 소성유동화의 판단 정도로 삼기도 하였다(Martinelli et al., 2015). 국내에서는 Kim et al. (2018); Lee et al. (2019) 등이 자체 개발한 SAPT (Soil Abrasion Penetration Tester)를 이용해 컨디셔닝된 토사에 대한 slump 시험 수행, 압력 상태에서의 전단강도 측정 및 굴진성능, 커팅 툴 마모 등을 파악하였다.
이와 같이 다양한 종류의 지반에 첨가제를 주입하여 소성유동화의 정도를 파악하고 D/B를 구축한 사례들이 많지만, 실제 현장에 그대로 적용하는 데에는 어려움이 있음이 사실이다. 실제 현장에서는 지반의 변화에 따라 입도분포도 매우 유동적이고, 지하수의 유입이 과할수도, 적을 수도 있으며 특히 토사와 암반이 교호하는 복합지반의 경우 특정된 첨가제 배합을 그대로 유지하며 굴진하기는 매우 어려운 변화무쌍한 지반상태를 보인다. 또한 실내시험 대비 크기가 매우 큰 챔버 안에서 믹싱의 정도가 달라 같은 첨가제 배합 하에서도 비슷한 결과가 나타나지 않을 수 있고 실내시험과 달리 이상현상 발생 시 첨가제 주입라인의 막힘 현상으로 첨가제 자체가 주입이 되지 못해 굴진상황을 순식간에 악화시킬 수 있음을 고려하여야 한다.
본 연구에서는 향후 유사한 터널 설계와 시공 시 실무적으로 참고가 되도록 다양한 지반 조건을 지닌 현장에서의 굴진에 첨가제 사용을 설계단계에서 산정한 첨가제 양과 비교 분석하였으며, 추가적으로 커터헤드 폐색, 분발, 스크류 컨베이어 막힘 등 굴진 중 발생한 주요 문제에 대한 원인 및 해결 방안을 고찰하였다.
2. 현장 개요
2.1 노선 및 지반특성
OO현장은 강서구 개화동에서 경기도 고양시에 이르는 총 연장 3,050 m의 철도 노반신설 현장으로써 NATM구간 290 m, 쉴드 TBM구간 2,700 m, 피난연결통로 5개소 및 환기구 2개소로 이루어져 있다. 쉴드 TBM은 한강이남의 환기구 #2에서 발진을 하여 한강이북의 환기구 #1에 도달하는 것으로 계획 되었으며 단선병렬 터널로서 EPB TBM 장비로 굴착을 완료 하였다. 터널의 노선도는 Fig. 1과 같다.
터널이 통과하는 지반종단은 Fig. 2에 도시하였다. 먼저 ⓐ구간은 경작지 및 자유로 하부 구간으로써 상부 점성토(CL, ML)와 하부 모래(SM, SP)로 구성된 퇴적층과 풍화토, 풍화암의 지층분포를 나타내고 있다. 쉴드 TBM 굴착구간에는 자갈질모래, 실트질모래, 풍화토가 순차적으로 분포하고 있다. ⓑ구간은 행주산성 하부 통과구간으로 대부분 흑운모호상편마암인 경암을 통과하게 되며, 행주산성과 자유로 사이 경계부는 암반-토사 경계부로 풍화토, 풍화암, 연암이 순차적으로 분포하고 있다. ⓒ구간은 복합지반이자 한강 하저구간으로 시점측은 퇴적층이 얇고 기반암이 일찍 출현하나 사업종점측으로 갈수록 퇴적층과 풍화대가 두껍게 나타나고 있다. 굴착구간에는 흑운모편마암과 화강암인 기반암(연암), 풍화암, 실트질모래인 풍화토가 교호하여 나타나고 있다. 이와 같이 해당 현장은 풍화토 이상의 입도를 가지고 있어 일반적인 EPB TBM에 적합한 입도분포가 아니며 한강 하저 구간 하부에 복합지반이 위치하여 많은 지하수 유입이 예상되는 등 굴진에 많은 어려움이 예상되는 현장으로, 적절한 첨가제 사용 및 면밀한 굴진관리가 매우 중요한 현장이라 할 수 있다.
2.2 적용 TBM 장비
당 현장은 지상 작업 부지의 제약사항, 최대 수압 및 지층 조건을 종합적으로 고려하여 EPB TBM 장비를 적용하였다. 배출된 토사는 컨베이어 벨트를 통해 장비 후방으로 이동되고 이를 후방대차(Muck car)에 실어 지상으로 배출하게 된다. 당 현장은 Herrenknecht 社의 TBM 장비를 채택하여 2기를 투입하였으며 장비의 상세 제원은 Table 1과 같다. 토사지반과 암반지반이 혼재되어 있는 굴착 노선을 고려하여 커터헤드에 디스크 커터(Disc cutter)와 커터 비트(Cutter bit)가 적정 간격으로 배치되었으며 첨가제 주입 노즐은 커터헤드, 챔버 내부, 스크류 컨베이어에 총 8 EA가 설치되었다.
Table 1.
Specification of TBM
2.3 첨가제 사용 설계안 및 검증
대상 현장 설계 시 첨가제는 폼과 폴리머를 사용하는 것으로 예정되었으며 본 연구의 첨가제 실험에서도 현장에서 사용 예정인 제품을 그대로 사용하였다. 먼저 폼은 국내에서 널리 사용되는 OO사의 제품으로 연한 황토색을 띄고 있는 액상의 생분해성 계면활성제이고, 물과 섞어 용액을 조성한 후 압축공기와 혼합하여 기포 상태의 폼을 생성하며 버력과 혼합 후 기포 자체는 사라지기 때문에 후처리가 용이하다. 다음으로 폴리머는 동사의 제품으로 흰색을 띄고 있는 액상의 수용성 고분자계 화합물이며 주성분은 폴리아크릴산계로 이루어져 있고, 사용법은 물과 섞어 용액상태로 사용한다. 해당 폴리머는 유동성을 확보하여 장비 폐색, 막힘 등을 예방할 수 있으며 고농도 혹은 원액 등의 직접 사용을 통해 아주 많은 양의 지하수 유입에 대해서도 대응할 수 있다. 상세 사용량은 Table 2와 같으며 표에서 TBM #1은 먼저 굴진한 하행선, TBM #2는 TBM #1 굴진 시작 이후 2개월 뒤 굴진을 시작한 상행선을 의미한다.
Table 2.
The use of TBM additives in design stage
Table 2에서 먼저 폼은 충적층(토사구간)에 적용을 목적으로 하며 토량환산계수가 고려된 굴착토 체적의 30%, 주입량은 2 kg/m3으로 산정되어 있다. 이를 폼 주입에 대한 주요 입력변수로 환산 시 FIR (Foam Injection Ratio, 굴착토 대비 전체 폼량)은 30%, FER (Foam Expansion Ratio, 폼용액 대비 전체 폼)은 5, CF (Concentration of Foam, 폼의 농도)는 1%로 가정하여 산정된 것으로 해석된다. 다음으로 폴리머의 경우 풍화암~경암층에 적용하는 것을 고려하여 굴착토의 10~20% 정도를 주입하고 주입농도는 0.2~0.4% 정도를 가정하여 산정한 것으로 판단된다. Table 2에서의 주입량에 해당하는 수치 자체는 일반적인 첨가제 사용 범위로 EFNARC (2005)에 제시된 수치인 FIR (10~80%), FER (5~30), CF (0.5~5%) 이내에 해당한다 할 수 있지만, Foam 사용을 단순히 지반의 소성유동화만을 위해 토사구간에만 적용한 점, 폴리머 사용을 단순히 지반의 유동성 공급과 지하수 흐름에 대한 대처를 위해 암반 구간에만 적용한 점은 다소 현실적이지 않은 설계안이라 할 수 있다.
Table 2를 검증하기 위해 실제 현장 시료를 채취하여 첨가제 실험을 실시하였다. 실험 수행 당시 미굴착 상태였던 경암부를 제외한 시점의 연암부, 종점의 사질토를 채취한 후, 2가지 시료의 입도를 조합하여 복합지반 지층을 구현하여 실험을 수행하였다. 시료 채취는 Fig. 2의 종점부(환기구 #2) 하부 연암층에서 연암 지층을 채취하였고, 시점부(환기구 #1) 중간 및 하부 부분에서 모래자갈층 / 풍화토-풍화암 층을 채취하였다. Fig. 3에 채취시료가 나타나 있다.
시험에 사용된 함수비는 실시설계보고서에 수록된 값(풍화토-풍화암 17.2%, 모래자갈층 25.3%)과 운반된 시료의 실제 함수비(10~15%)를 모두 고려하여 시험 case를 분류하였고 복합지반의 경우 연암과 풍화토-풍화암 층의 평균 입도를 사용하였다. 시험시료의 입도는 Table 3과 같다.
Table 3.
Particle size distribution by ground layer
Table 4에 첨가제 시험 결과를 나타내었으며 기존 Table 2의 설계안과 같이 지반 종류에 따라 사용 첨가제를 고정하기보다는 함수비에 따른 시료 상태에 따라 폼과 폴리머를 적절히 혼합하여 배합시험을 수행하였다. 여기서 PIR (Polymer Injection Ratio)는 굴착토 대비 폴리머의 주입 비율, CP (Concentration of Polymer)는 폴리머의 농도를, 추가적으로 사용하는 고화제는 액상고화제로 원액을 사용하였으며 비율은 굴착토 대비 비율을 의미한다. 또한 벤토나이트와 점토(일반적인 제품)는 세립분이 부족하여 폴리머만으로 소성유동화 상태를 구현할 수 없을 때 사용하였으며 주입비율은 굴착토 대비 비율이며, 물과 1:1 (질량비)로 혼합하여 사용하였다.
Table 4.
Experiment results
시험 결과 연암, 풍화암/풍화토, 복합지반에서는 모두 함수비 10%에서는 건조된 상태로 폼만의 사용으로 적합한 배토 상태가 구현되었으나 설계보고서상의 함수비(17.2%)에서는 포화된 상태로 폼을 투입 시 점점 더 액상화되어 폼보다는 폴리머(농도 0.5%)를 투입하여야 하고, 특히 세립분이 부족한 연암이나 복합지반에서는 폴리머의 반응을 위해 벤토나이트 등 세립질의 추가적인 투입이 필요하였다. 모래자갈층의 경우에는 함수비가 25.3%로 더욱 과다하여 고농도의 폴리머(농도 1.0%)를 투입하였고 그럼에도 불구하고 slump 수치가 20.0 cm로 다소 높아 지속적으로 고함수 상태가 유지될 때는 고화제 등의 추가적인 첨가제 투입을 고려해야 한다. 실험에서는 액상고화제 원액을 0.2% 투입하여 지하수를 제어할 수 있었다. 각 시료별 가장 적절한 소성유동 상태는 연암지층의 경우 No. 2, 5, 모래자갈층의 경우 No. 9, 11, 풍화암/풍화토 지층의 경우 No. 14, 17, 복합지반의 경우 No. 19, 21이며 이를 Fig. 4에 나타내었다.
이와 같이 첨가제 배합설계에 있어서는 함수비가 가장 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났으며 함수비가 낮을 경우에는 폼을 집중적으로 사용하고 반대로 높을 경우에는 폴리머를 집중적으로 사용하며 복합지반 및 연암 이상 지반의 경우 폴리머 반응을 위해 필요시에는 벤토나이트, 점토 등의 세립분 주입을 제안하였고, 일반적인 첨가제로 소성유동화 상태를 얻을 수 없는 초고함수비(25% 초과)에는 고화제 등의 특수한 첨가제 투입도 고려할 수 있다. Table 4의 시험 결과를 고려한 최종적인 첨가제 주입량 제안 결과가 Table 5에 나타나 있다.
3. 첨가제 사용 분석 및 굴진 중 주요 발생 문제 해결
3.1 지반별 첨가제 사용량 종합
앞서 분석하여 실험을 통해 검토한 첨가제 사용 예상량과 달리, 실제로는 폼의 경우 실시설계 대비 10배, 폴리머의 경우 2.5배의 매우 많은 양의 첨가제가 사용되었다. 먼저 폼의 경우 설계 시 고려된 적용 지층은 충적층(토사층)에 불과하였으나, 실제 굴진시에는 커터헤드 내 폐색 방지, 배토의 유동성 확보를 위하여 경암~토사층 전체 구간에 적용되었으며, 폴리머는 설계 시 풍화암~경암층까지 적용 구간을 두었으나 역시 실제 굴진 시에는 배토되는 토사의 유동성 확보, 챔버 내부 및 스크류 컨베이어의 윤활작용을 위해 전체 구간에 걸쳐 사용하였다. 특히 Fig. 5의 복합지반 구간에서는 폐색 현상과 더불어 스크류 컨베이어에서 토사와 지하수가 분출하는 분발현상이 동시에 발생하는 등 매우 어려운 굴진 상황을 보여 사용량이 더욱 높아진 모습을 보였다. Table 6에 종합적인 첨가제 사용량을 나타내었다.
Table 6.
Actual used amount of TBM additives (unit: kg)
지반 종류별 굴진 데이터 분석 결과 굴진 초기에 해당하는 연암과 복합지반과 굴진 후반에 해당하는 경암, 토사 구간의 데이터 차이가 상당하였는데 특히 먼저 굴진한 TBM #1의 경우 초반 연암지층에서는 상대적으로 적은 양의 첨가제를 사용하였다가 소성유동화에 실패하여 많은 굴진 트러블이 발생하였고 복합지반 구간에서는 매우 높은 추력, 토크 수치를 보였음에도 낮은 굴진 속도를 보였으며 편마모 현상 등의 발생으로 인해 커터 교체량도 폭증하였다. 버력의 상태가 좋지 못했던 만큼 챔버압 유지도 어려워 상부지반 함몰 등이 발생하기도 하였다. 상대적으로 후발 굴진한 TBM #2의 경우 초기부터 많은 양의 첨가제를 사용하여 지연시간이 다소 줄어들고 가동율의 상승이 있었지만 완전히 정상굴진이라고 말할 수 있는 상태는 아니었다. 반면 경암 구간의 경우 버력의 상태가 비교적 양호하여 낮은 추력에서도 높은 RPM을 이용하여 상대적으로 안정적인 상황에서 굴진속도를 낼 수 있었으며 상대적으로 적은 양의 첨가제가 사용되었다. 다만 이미 연암, 복합지반 구간을 굴진하며 피로 누적으로 인한 장비 손상이 지속되어 커터헤드의 손상, 스크류 컨베이어 막힘 현상 등이 발생하여 지연시간이 발생하였고 장비 스펙을 최대한 활용하지는 못하였다. 마지막으로 토사 구간의 경우에는 굴진 후반에 이루어졌기 때문에 어느 정도의 시행착오도 쌓였으며 현장 모니터링, TBM operator, 현장 상황실 등이 유기적으로 소통하였고 추가적으로 도로 하부 모래자갈층 등의 취약층에는 지상그라우팅을 선행하였기 때문에 굴진 자체에는 큰 문제가 없고 가장 빠른 굴진 속도를 보였다. 해당 구간에서는 어느 정도 버력의 소성유동화를 확보하여 폴리머 사용이 급감하였고, 지하수 유입이 다소 적어 적정량의 폼만 사용하였다. TBM #1,2의 주요 굴진 변수와 가동율, 첨가제 사용 변수(FIR, PIR 등)이 Table 7에 나타나 있다.
Table 7.
TBM excavation data (including TBM additives injection)
앞서 언급하였듯 굴진 중 발생한 가장 큰 문제는 버력의 소성유동화 실패에 따른 커터헤드 폐색 현상과 분발 현상(Fig. 6), 복합지반을 굴착하며 일어난 장비 손상, 한강 하저 및 파쇄된 암반층에서의 다량의 지하수 유입 등의 다양한 트러블을 다량의 첨가제 주입으로 완전히 해결하지 못했다는 것에 있으며 특히 한강하저 복합지반과 경암 지층의 파쇄대 구간 등에서는 많은 양의 지하수 유입을 제어하기 위해 폴리머의 원액을 주입하였음에도 큰 효과를 보지 못하였다. 지하수 유입 제어와는 반대로 폐색을 제어하기 위해 일반적인 값 대비 낮은 FER (3~4)를 사용하여 공기량을 감소시켜 챔버압을 낮추고, 액화된 버력 상태를 유도하였다. 그러면서도 폼의 형질을 유지하여야 했기 때문에 폼의 농도는 다소 높여 사용하였고 폼의 사용량이 크게 증가한 계기가 되었다. 장비 운영적인 측면에서도 폼 주입 모드를 굴진 속도와 상관없이 일정한 용액량을 계속 주입하는 ‘semi-auto mode’를 사용하였는데, 굴진 속도와 폼 주입을 연동시키는 ‘auto mode’의 사용이 가능하였지만 문제 발생 시 폼 주입량이 오히려 줄어들고, 굴진속도가 낮거나 굴진하지 않을 때 챔버 내 환경조성 등을 위한 많은 양의 첨가제 주입 등이 불가하여 사용하지 못하였다. 이러함에 따라 굴진속도가 감소하면 폼 주입량이 상대적으로 많아져 폼의 사용이 다소 과다해진 면도 있었을 것이라 추정할 수 있다.
이와 같이 초기 굴진과 복합지반에서 트러블이 빈번히 발생하며 장비 자체의 손상과 마모가 심해지며 후반부의 경암, 토사지반 등 지반 상태가 다소 나아지고 단일화된 구간에서도 완전한 굴진을 수행하지는 못하였다. 이에 따른 굴진 불가, 장비 점검, 후방설비 문제 발생 빈도가 높아지며 장비의 가동율도 저하되는 모습을 보였다.
3.2 굴진 중 주요 발생 문제
3.2.1 폐색 현상
폐색 현상은 점착력을 가진 점토지반에서 점토 입자간의 내부 점착력(inherent cohesion), 점토입자들과 쉴드(metal)와의 부착력(adhesion), 개구부(opening)에 대한 연결(bridging)을 통한 메꿈, 물 등 액체 안에서의 응집(aggregation) 등의 메커니즘을 가지고 있다(Thewes, 1999). 이들 중 TBM에서의 폐색 현상은 점토입자들과 쉴드(metal)간 부착력으로 볼 수 있으며, Hollmann and Thewes (2013) 등은 소성지수, 연경지수 등 애터버그 한계를 사용하여 폐색의 가능성을 판단하였다. 당 현장에서의 폐색은 커터헤드의 개구부가 막히면서 굴착된 토사가 챔버내로 유입되지 못함에 따라 토크, 온도가 상승하여 굴진이 불가하였으며 한강하저 복합지반 굴진 시 가장 빈번히 나타났다. 폐색은 점토 입자가 포함되어 있는 토사층의 굴착에서 커터헤드 개구율(opening rate) 부족에 의해 주로 발생하는데, 특히 00현장의 커터헤드의 경우 디스크 커터, 비트가 동시에 설치되는 복합지반용 커터헤드를 사용하여 일반적인 토사지반용 TBM과 비교하여 작은 개구율을 가지고 있어 굴착 시 개구부가 막힐 가능성이 높았다. 이와 같이 막힌 토사는 막장압, 챔버압으로 인해 점점 단단해지고, 계속 유입되는 토사들은 디스크 커터 격실부로 모이게 되어 커터가 원활히 회전하지 못하고 커터의 한쪽 면으로만 막장을 굴착하게 되어 편마모가 발생하게 된다. 나아가 편마모 발생은 굴진 효율 저하로 인한 첨가제 주입라인의 막힘을 불러와 폐색 속도를 더욱 가속시키고, 커터헤드 전면의 마모 유발, 메인모터 및 회전 기어 손상, 장비 내 오일 온도 상승 등 장비 자체의 내구성을 떨어트릴 수 있다. Table 1 내의 그림은 폼 주입라인의 간격을 나타내고 있는데, 주입라인 #2와 #3의 간격이 약 1.5 m 이상으로 넓어 해당 구간에 주입되는 폼의 양이 상대적으로 작기 때문에 센터부에서는 폐색이 쉽게 발달하고, 주입라인의 막힘도 빈번하였다.
커터헤드가 폐색될 경우 디스크 커터 점검 및 교체를 위해 챔버 내부 청소를 실시하여야 하며, 폐색의 정도와 범위에 따라 다르지만 심할 경우 인력, 고압수 등으로 청소가 불가능해 브레이커(Braker) 작업 등이 수반되며 1일 이상의 다운타임이 소요된다.
폐색은 막장 전방에서 발생되는 것이므로 굴진 중에는 육안으로 직접 확인이 어려우며 실시간 장비 데이터를 활용하여야 한다. 폐색이 진행될 경우 토크와 기어오일 온도가 상승하고 굴진속도가 저하되는 것이 대표적인데 일반적으로 굴진속도가 올라갈 경우 토크가 같이 올라가는 정비례 관계를 갖지만 토크는 운전 특성, 지반 상황에 따라서도 변형될 수 있는 값이며 챔버압 등의 다른 변수를 함께 고려할 수 있다. 따라서 Shin et al. (2021)은 토크를 챔버압으로 나눈 값을 이를 굴진속도와 비교하여 그 기울기를 폐색계수라 칭하였다. 폐색계수의 측정 위치는 폐색이 가장 많이 발생한 복합지반 구간(Ring 178~820) 내에서 선정하였고 해당 구간의 상세 지반 종단은 Fig. 7과 같으며, 폐색이 발생하였을 때의 실제 폐색 정도와 폐색계수 값을 비교하면 Fig. 8, Table 8과 같다.
Table 8.
Cutterhead clogging analysis result
먼저 Fig. 8의 (a), (b)의 경우 (c)~(f) 대비 낮은 R2값을 보였는데 이에 대해 Fig. 8을 통해 상세한 상황을 확인할 수 있다. Fig. 9는 토크/챔버압, 토크, 굴진속도, 챔버압을 1 ring (R215) 굴진 시간에 따라 도시한 것으로(10초에 한번 데이터를 획득함) 챔버압은 상대적으로 큰 변화가 없는 반면 토크는 점점 커지는 경향을 보이며 굴진속도는 10 mm/min 이상 값이 나타나지 않게 낮게 형성되며 특별한 경향이 없이 분산되는 성질을 보였다. 이들이 의미하는 것은 폐색이 이미 상당히 강하게 진행되어 굴진속도가 일정하지 않고, 폐색이 점점 심화되며 토크는 높아져 가고 있기 때문에 낮은 굴진속도 내에서 굴진 데이터가 일정하지 않은 모습을 보였다. 이는 결국 1 ring이라는 길지 않은 구간 내에서 토크가 상승함에도 불구하고 굴진속도가 따라가지 못했다는 것을 의미하며 폐색계수가 높고, 굴진속도의 상승이 제한되고 그래프의 R2값이 낮아지면 폐색이 더 심각하게 진행 중이라는 것을 파악할 수 있다.
실제 폐색 정도와 비교하였을 때, 폐색계수가 0.08 이상일 경우 폐색이 발달되고 있음을 유추할 수 있다. 따라서 폐색의 리스크가 있는 지반에서는 굴진 중 발생하는 챔버압, 토크, 굴진속도를 활용한 데이터 분석을 실시함으로써 매 링마다 폐색 발생 여부를 확인할 수 있다. 폐색 계수와 같은 경우 지반 및 현장 특성에 따라 다를 수 있으므로 타 현장에서는 이와 같은 방법으로 분석을 재수행하여 그 기준을 수립한 후 사용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
또한, 폼 주입 라인의 주입 압력 변화를 관찰하면 폐색 발생 유무를 확인할 수 있으며 특히 커터헤드 센터부에 위치하고 있는 폼 라인 #1~#3 위치는 폐색이 가장 먼저 발생하는 위치이므로 폐색 리스크 구간에서는 집중 모니터링이 필요하다. 폼 주입 시스템은 정량 주입으로 압력은 최대 10 bar까지 가능하며 10 bar 이상이 되면 주입이 되지 않는다. 폼 주입 포트 또는 주변에 폐색이 발달하고 있다면 폼 주입 압력이 정상압력(2~4 bar)에서 고압으로 치솟거나 주입 압력이 불안정한 움직임을 나타내게 되며 이로부터 폐색 진행의 전조로 볼 수 있다. 이에 따라 폼 주입 라인을 고압 청소가 가능하도록 변경하여 막장 전방에 지속적인 용액 주입으로 챔버 내 습윤환경을 조성하고 유지할 수 있도록 조절하였고, 링 조립 시 주기적으로 청소하여 폼 라인의 막힘을 방지하였다. 추가적으로 FER을 낮춰 액화된 폼을 주입하여 공기에 의한 챔버압 증가를 예방하고 굴착 토사를 습윤하게 조성하고자 하였다.
이와 같이 폐색 저감을 위해 최대한 면밀한 첨가제 주입을 시행하였고 주입량에 있어서도 최대 FIR 100% 이상, FER 3 이하의 매우 많은 양의 액상 상태에 가까운 첨가제를 주입하였지만, 복합지반, 지하수의 과다한 유입, 상부지반 침하 위험 등 다양한 리스크가 혼합된 지반을 EPB TBM으로 수월하게 굴착하기에는 다소 한계점이 나타났다. 따라서 해당 문제 해결을 위해서는 첨가제 주입 뿐만이 아닌 TBM 장비 내 기계적인 해결을 병행하여 시도하였는데, 먼저 상대적으로 지반이 연약한 풍화암 또는 풍화토 구간에서는 연약 지반용 커터인 팁인서트 커터(Fig. 10)를 변경 적용하여 격실 막힘 현상이 발생하더라도 커터가 회전할 수 있도록 하여 편마모를 방지 하고 토크 및 온도 상승을 저감할 수 있도록 하였다.
또한, 커터헤드의 개구부를 확장하고 굴착 토사의 유입을 원활하게 하기 위해 풍화암 및 풍화토 구간에서 커터헤드 격실에 설치되어 있는 그리즐바(Grizzly Bar) 16개소를 절단 하였다(Fig. 11). 이는 암반굴착 시 큰 암석덩어리가 낙하되어 챔버 내로 들어오는 것을 방지하는 구조물이므로 암반구간 진입 시 재설치하여 사용하였다.
3.2.2 분발 현상
EPB TBM은 챔버 내에 토사를 채워 챔버압을 채우는 여부에 따라 open mode, closed mode로 굴진방법이 나뉘어지며 주로 막장면이 자립이 가능한 암반에서는 open mode로 굴진한다. 당 현장의 한강하저 지반은 풍화토/풍화암/연암이 혼재되어 있는 복합지반으로 막장 전면이 연암인 경우를 제외하고는 챔버압을 채워서 굴진하는 closed mode를 적용하였다. 이와 같이 closed mode로 굴진 중 챔버 내에 채워진 지하수로 인해 5 bar에 달하는 고수압을 받고 있는 상황에서 챔버압을 줄이기 위해 스크류 컨베이어 게이트를 개방하게 되면 고압으로 충진되어 있던 지하수와 토사가 동시에 터져 급격하게 쏟아져 나오는 분발 현상이 자주 발생하였다(Fig. 12). 설계상 스크류 컨베이어의 1 pitch (컨베이어 칸과 칸 사이의 거리)당 0.25 bar씩 챔버압의 단계적 감소효과가 있지만 실제 현장에서는 과다한 지하수 유입 및 스크류 컨베이어 마모에 의해 감압 효과가 나타나지 않았던 것으로 추정된다. 또한 지하수는 과다한데 세립분 등의 함유량은 적어 버력의 소성유동화를 이룰 수 없었던 점도 원인이 될 수 있다. 이와 같을 때는 소성유동화를 위해 챔버에 세립분을 다량 주입하는 방법을 고려할 수 있어 장비에 벤토나이트 주입 시스템을 보유하고 있었으나 국내 건설폐기물 분류로 인해 벤토나이트 사용 시 처리작업이 따로 필요한 관계로 사용하지 못하였고, 그에 따라 폼, 폴리머를 다량 사용하였다. 폴리머의 경우 물을 흡수하는 성질이 있으므로 용액이 아닌 원액을 굴진 전에 챔버 내에 주입하여 사전 혼합하는 방법을 적용하기도 하였으나 1 ring당 최대 폴리머 원액 투입량이 800 L에 이르는 등 과도하게 많은 양을 투입하였음에도 그 효과는 미미하였다. 이는 원액 자체도 액상인 상태로 투입량을 많이 늘인다 하더라도 성상 자체를 변경시키지는 못하였으며 앞서 언급하였듯 세립분 함유량도 작아 반응할 수 있는 버력이 충분치 않았다. 이와 같은 경우 고흡수성 수지계 등 흡수 성질이 강한 다른 종류의 폴리머를 사용하는 등의 대책이 필요하며 첨가제의 사용만으로 문제 해결이 어려울 수 있다.
분발 현상 발생에 따라 장비 하부에 슬러지가 쌓이면서 세그먼트 피더 작동 불가(세그먼트 조립불가), 광차 탈선 및 청소시간 소요에 따른 다운타임 증가 등의 문제가 발생되었다(Fig. 13). 스크류 컨베이어 게이트에서 분발이 발생될 경우 챔버 내의 압력이 급격히 감소되는 경우가 있으며 이러한 경우 적정 챔버압을 유지하지 못하여 상부 지반 이완 및 공동 발생의 원인이 될 수도 있다.
결론적으로 분발 현상의 경우에도 첨가제 주입과 기타 보조공법을 병행하였으며, 당 현장에서는 그라우팅을 통해 막장 전방으로 흘러오는 지하수량을 줄이고자 하였다. 기설치된 세그먼트에 배수홀을 설치하여 유도 배수를 수행하고(Fig. 14) 추가적으로 2차 백필그라우팅을 주입하여 세그먼트 후방에서의 유로를 최대한 차단하였다.
유입된 지하수 및 슬러지의 청소시간이 상당히 소요되었으며 배출되는 슬러지를 톤백으로 유도하여 세그먼트 피더부에 적재되는 것을 사전에 방지하였으며(Fig. 15), 장비 후방 및 터널 내 레일 침수에 따른 광차 탈선을 예방하기 위해 써징펌프 및 미니백호 등을 활용하여 슬러지 청소 작업을 실시하였다.
3.2.3 스크류 컨베이어 막힘(jamming) 현상
굴진구간 중 한강하저 복합지반 구간이 끝나고 경암구간으로 진입, 굴진하기 시작하는 구간(R750~R900)에서 스크류 컨베이어가 막혀 회전과 배토가 불가하고, 마모가 심해지는 현상이 집중적으로 발생하였다(Figs. 16 and 17). 해당 구간은 풍화암부터 경암까지의 지반이 혼재하는 구간이고 경암부분 초입(R850)의 경우 단층파쇄대가 존재하고 있어 절리 발달에 의해 불균질한 암석 덩어리가 스크류 컨베이어에 들어오고, 지하수 유입이 많아 버력 이송 효율이 감소되어 낀 버력들이 더욱 더 압착되게 되었다. 이에 따라 이미 연암, 한강하저 복합지반을 굴진하며 상당히 마모된 컨베이어에 더 큰 손상을 불러오게 되었고, 이러한 과정이 반복되며 스크류의 회전 부하가 가중되어 회전이 불가하게 된다. 이는 해당 구간에 진입하기 전에 이미 어느정도 마모된 스크류 컨베이어 자체의 문제가 가장 크지만, 버력의 소성유동화가 부족하여 스크류 내부에서도 지속적으로 버력이 적재되고 있는 문제도 크다고 할 수 있다. 첨가제 사용의 경우 FIR 40~50%, FER 6~8 정도의 일반적인 수준의 폼을 사용하였고 폴리머의 경우 최대 ring당 400 L 정도의 원액까지도 주입하였으나 유동성이 크게 향상되지 않았으며 장비의 손상이 지속되었다.
결론적으로 스크류 컨베이어의 운전관리, 유지보수 측면에서의 해결 방안을 모색하였고 초기에는 스크류 컨베이어의 회전수 조절을 통한 회전 압력 관리, 스크류 내부 버력 제거를 통한 부하 해소 등을 유도하였으나, 이미 스크류 컨베이어의 손상이 심해 점검창을 통한 보강만으로는 한계가 있어 막장이 불안정할 수 있는 풍화암, 연암부를 지나 경암부에 진입 후 교체 및 전체보강의 대정비를 실시하였다.
4. 제언 및 결론
토사부터 경암, 복합지반까지 다양한 지반으로 분류된 EPB TBM 현장에서 현장 시료를 이용하여 첨가제(폼, 폴리머) 배합시험을 실시하여 기본설계안을 검증하였다. 기본설계안과 배합시험 결과의 경우 각각의 첨가제가 적용되는 지반 범위가 다르고, 함수비에 따라 차이는 있었지만 기본설계안에서 산정된 첨가제 소모량이 배합시험에서 제시한 범위 내에 포함되는 것으로 나타났다. 하지만 실제 현장 굴진 시에는 배합시험 결과 범위의 최대치보다도 폼의 경우 약 5배 이상, 폴리머의 경우 약 2배 이상으로 매우 많은 양을 사용하였다. 이는 결국 slump, vane 시험 등 실내시험이 실제 TBM 굴진을 충분히 반영하지 못한다는 것을 반영하며, 실내시험의 경우 복합지반이라고 하더라도 기존 지반들을 일정한 비율로 혼합하여 같은 실험을 수행할 수밖에 없고, slump 시험의 경우 시험기의 직경을 초과하는 버력에 대해서는 실험을 수행할 수 없으며, vane 시험의 경우에도 연암 이상의 지반에서는 결과의 실효성이 떨어질 수 밖에 없다. 특히 기계적인 문제 및 굴진 트러블이 가장 많이 발생하였던 복합지반 구간의 경우 실내시험에서는 폼 21,576 kg, 폴리머 29,049 kg의 사용을 예상하였지만 실제로는 폼 215,390 kg, 폴리머 208,455 kg를 사용하여 약 10배 가량의 사용량을 보였다. 이는 일반적으로 알려져 있는 문헌값 대비 매우 많은 사용량으로, 복합지반 굴진 시 첨가제 사용량에 대한 현실적인 고려가 필요하다 볼 수 있다. 특히 사용량을 이와 같이 조절하였음에도 완전한 소성유동화가 이루어지지 않아, 커터 종류 교체, 그리즐리 바 절단, 유도배수 등 다른 공법을 병행하여야 했다. 따라서 굴진 전 첨가제 사용량 예측에서 복합지반의 경우에는 일반적인 실내시험보다는 매우 극단적인 수치를 가정하여 지하수가 많이 유입되었을 때, 혹은 세립분이 지나치게 많아 폐색을 유발할 때 등을 분류하여 실험 수치를 제시해야 할 것이다.
반면 경암, 토사구간 등 굴진이 원활하였던 단일지반들은 실험 결과와 실제 사용량이 2~3배 이내의 차이를 보여 비교적 양호한 결과를 나타내었다. 특히 당 현장의 경우 굴진 초반에 많은 트러블을 겪으며 장비가 많이 손상되어 첨가제만으로 해결하기 어려운 문제들을 첨가제로 해결하려는 시도가 많았고, 사용량이 더욱 늘어난 경우가 많았기 때문에 타 현장에서는 굴진 구간을 고려하여 실내시험 결과를 가능한 준용하되, 일부 안전율을 고려하는 것이 적절한 것으로 판단된다.
이와 같이 첨가제 주입의 변수를 사전적으로 산정하는 것은 매우 불확실하며 특정한 수치를 신뢰하기보다는 굴진 상황에 맞는 대응이 필수적이다. 지반 상태에 따라 소성유동화를 구현할 수 있는 구간도 있었지만 지반 상태가 지속적으로 변하고 지하수 유입까지 많았던 한강 하저 복합지반 구간에서는 여러가지 방법으로도 적절한 상태를 얻기 어려웠으며, 이에 대응하기 위해서는 지속적인 모니터링을 통한 첨가제 주입 변수의 실시간 제어가 필요하다. 현장에서는 첨가제의 주입 및 관리방안을 수립하고 지반조건 및 지하수량 변화에 따라 지속적으로 변동시켰으며 이는 아래와 같다.
1. 초기 설정 CF: 2~6%, FIR: 60%, FER: 5~15, CP: 1%, PIR: 10%이며 상태에 따라 지속 변동시킨다.
2. 폼 주입 라인이 막히지 않도록 굴진 전/후로 첨가제 지속 주입, 막힐 경우 flushing 작업을 수행하며 링 조립 시에도 수시로 flushing을 수행한다.
3. 굴진 중 챔버 내 압축공기를 수시로 빼서 챔버 내부 압력을 조정하여 폼 주입 펌프의 미작동을 방지한다.
4. 굴착토가 묽으면 폼의 FER을 증가시키고, 반대로 뻑뻑하면 폼의 FER을 감소시켜 습도를 조정한다.
5. 비중이 높은 자갈 등이 나오면 폴리머의 농도를 증가시킨다.
6. 지하수량이 많을 경우 첨가제와 더불어 막장압을 올려 유입되는 물을 밀어내고, 폼 형상의 파괴를 막기 위해 높은 농도의 폼을 사용한다.
7. 굴진속도(추력 대비), 토크, 챔버압, 기어 오일 온도 등 장비를 통해 파악되는 굴진변수를 실시간으로 모니터링하여 선제적으로 대응한다.
해당 기준을 기초로 하여 특히 TBM #2에서는 복합지반 진입 초기부터 폼, 폴리머의 농도와 주입량을 조절하였고 이에 따른 사용량의 변화가 복합지반 구간에 주로 반영되었다. 결론적으로 복합지반이나 지하수 유입이 과다한 지반에서의 EPB TBM 굴진은 면밀한 대응 방안과 관리 기법을 굴진 전에 도출하고, 실시간으로 지반 조건을 파악하며 그에 맞는 운영을 하여야 하며 이는 많은 비용과 인력이 소모될 수 있기 때문에 가능한 단일 지층의 노선을 선정하고, 지반 조건에 적절한 TBM 장비 타입을 선정하는 것이 대안이 될 수 있다.
