오원섭 상무
현대중공업㈜ 건설장비사업본부
ISO 산업차량ㆍ천공기계 전문위원

<글 싣는 순서>
[1] 친환경 굴착공법의 총아 TBM이 뜬다
[2] TBM 개발의 필요성
[3] 세계 TBM 시장과 한국 현황
[4] 중국·일본 TBM 산업 현황
[5] TBM 기술의 최근 동향과 미래 전망

1. 지하공간개발의 필요성
21세기 들어 인구가 폭발적으로 증가하고 산업의 지속적인 발전으로 인해 지상공간의 부족해지면 지하공간을 이용하려는 노력이 증대되고 있다.
이러한 건설 수요의 증대에 따라, 선진국에서는 공사 기간과 공사비용을 절감하기 위해 보다 안전하고 친환경적인 TBM(Tunnel Boring Machine) 공법과 실드(Shield) 공법을 주요 지하개발 공법으로 활용하고 있다.
초장대화, 대단면화, 대심도화는 최근 건설산업의 대표적인 추세이다. 터널 역시 초장대화 되어감에 따라 공사 공정의 경제성이 확보되는 기계화 시공의 적용이 필수적이다. 터널 공사의 TBM 시공율도 계속 높아지고 있다.
세계적으로도 도심지 지하 공사에서는 70~80%가 실드 TBM 공법을 적용하고 있지만 국내건설 기반 기술은 아직 미미한 실정이다.

■지하공간의 수요 증대
세계적인 도시화로 토지 및 주택부족 현상과 가격 폭등은 지하공간의 개발을 요구했다.
도심재개발과 신도시 개발로 인한 도시 내부 및 주변부 개발도 지하공간 수요를 증대시켰고, 교통·교육·통신·의료보건·문화시설 등의 부족은 입지 및 접근성 차별화의 필요성을 대두시키고 있다.
또한, 산업 및 생활 폐기물로 인한 공해 및 환경오염 해결을 위해 지하공간의 개발이 절대적으로 요구되며, 인구의 집중에 따른 생활 자원의 소모량도 증가 했다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해서는 지하 신공간 창출을 통해서만 지상 공간의 여유 있는 확보가 가능하며, 산지가 많아 국토의 활용 공간이 좁은 우리나라의 경우는 지하공간 수요는 더욱 높을 것으로 전망된다.

2. 터널 굴착공법의 종류
터널이란, 지표 아래에 통로나 공간으로 이용할 수 있도록 지하, 산 또는 하저나 해저를 뚫어 축조한 지하 구조물을 말한다.
터널의 종류에는 도로터널, 철도터널, 수로터널, 산악터널, 하저, 해저터널 등이 있다.
터널 시공을 위한 주요 굴착공법으로는 재래식 공법(ASSM: American Steel Support Method), NATM 터널 공법(New Austrian Tunneling Method), TBM 공법(Tunnel Boring Machine), 실드 공법(Shield) 등이 있다.
그 밖에 개착식 공법(Open Cut Method), 침매 공법(Immersed Method), 잠항 공법(Caisson Method), 파이프루프 공법(Pipe Messer) 등이 해당된다.

■재래식공법
(ASSM: American Steel Support Method)
주변 지반의 작업 하중을 철재 ARCH 지보와 콘크리트 라이닝을 주지보체로 활용해 지지하는 광산에서 사용하던 재래식 공법으로 NATM 터널 공법 이전의 터널 시공에 적용해왔다.
NATM은 암반 자체를 주지보재로 이용하는 반면에 ASSM은 지반이완으로 침하하는 암반을 목재나 스틸리브(Steel Rib)로 하중을 지지하므로 안전성이 낮다.

■NATM 터널 공법
(New Austrian Tunneling Method)
1956년 오스트리아에서 개발해 1962년 국제암반학회에서 정식으로 명명한 공법으로, 지반의 본래 강도를 유지시켜서 지반 자체를 주지보재로 이용하는 원리이다.
지반 변화에 대한 적응성이 좋고 적용 단면의 범위가 넓어 일반적 조건 하에서는 경제성이 우수한 공법이다.
NATM 공법은 (반 자체가 주요 지보재로서 이용되고 숏크리트(Shotcrete), 락볼트(Rock Bolt), 스틸리브 등에 의해 지반이 본래 가지고 있는 강도를 유지하거나 보강하는 것이 주된 특징이다.
또한, 연약 지반에서 극경암까지 적용 가능하며, 재래공법에 비해 지반 변형이 적고, 계측을 통한 시공의 안정성의 보장이 가능할 뿐만 아니라, 경제적인 터널 구축이 가능하다.


■실드공법(Shield)
실드공법은 1818년 프랑스에서 개발된 뒤, 1825년 영국 템스 강 하저 횡단 터널공사에 처음 사용됐으며 기존의 NATM 공법보다 진보한 공법이다.
이 공법은 터널 굴착과 동시에 터널 벽면에 몇 개의 강재나 콘크리트 세그먼트(Segment)로 이루어진 링(Ring)을 순차적으로 조립하면서 전진하는 특숙계식 굴착공법으로 재래식 터널 공법 적용시 겪게 되는 지반 침하와 각종 소음 및 진동 등의 건설 공해를 최소화 할 수 있는 터널 시공법이다.
실드(Shield)라는 강재 원통형의 기계를 수직 작업구 내에 투입시켜 Cutter head 전면에 장비한 롤러비트를 회전시키면서 암반을 굴착하고 분쇄한 암석을 스크류를 통해 배출하는 방식이다.
각종 보조공업(압기약액 주입)으로 막장면의 붕괴를 방지하면서, 실드기계 후방부에 지보공 설치를 반복해 가면서 터널을 굴착하는 공법이다.
점토, 모래, 자갈 등을 포함하는 연약 지반에서의 도시기반시설을 위한 지하공간, 상하수도, 전기, 통신선로, 지하철도 등의 확보를 위해, 종래 개착식 공법 시공시 발생하는 지반 침하와 각종 소음 및 진동 등의 건설공해와 교통, 통행의 장해 등의 문제점을 최소화하기 위해 개발된 공법이다.
안전하고 확실한 실드 공법은 시공관리 및 품질관리에 용이하고, 공사 중 지상에 영향을 주지 않는 것이 특징이다.
소음 및 진동이 적고, 지하 배설물 이동과 방호가 불필요하며, 지하의 깊은 곳이나 용수가 많은 연약 지반에서도 시공이 가능해 광범위한 지반에 적용 할 수 있는 장점이 있다.
그러나 토피가 얕은 터널은 시공이 곤란하고, 실드의 제작이 어려워 공사비가 고가이다. 또한, 시공에 수반되는 침하 발생 가능성이 있고, 급곡선부 시공이 곤란한 것이 단점이다.

3. TBM 공법
TBM은 터널 굴착 단면에 맞는 원형 Hard Rock Tunnel Boring Machine을 사용해 굴진하고, 이를 뒤따라가면서 숏크리트(Shotcrete) 작업을 병행함으로써 터널을 굴착하는 전단면 터널 굴착기계이다.
TBM의 터널 시공은 원형의 단면으로 굴착하므로 재래의 천공 및 발파를 반복하는 시공과 달리 역학적으로 안정된 무진동, 무발파, 기계화 굴착이 특징이다.
지반 굴착에 따른 지반 변형을 최소화함으로써 시공중 안정성을 최대한 확보할 수 있으며, 소음 진동에 의한 환경 피해를 최소화해 안전하고 청결한 갱내작업 환경을 유지 할 수 있는 친환경적 터널 굴착공법이다.

◇TBM의 장점=연속 굴착으로 시공 속도가 빠르므로 공기가 단축된다.
기존의 화약 발파 방식에 의한 1~3m(/일)에 비해, 굴진 속도가 10~15m(/일)로 생산성이 높다. 이를 월 평균으로 환산해보면 TBM 공법 이용시 한 달에 300m 이상 굴진할 수 있다.
단면이 정확해 여굴이 적으며, 즉각적인 숏크리트 작업으로 터널 내벽이 안정적이다. 또한, 터널 변형을 최소화해 정밀 시공이 가능하다.
그 외에 소음과 진동이 적고, 유해가스 및 분진 등이 거의 없어 갱내의 작업 환경이 양호하다.
낙반이 적고 작업자의 안전성이 높으며, 대부분의 굴진을 기계로 하므로 노무비가 절감되는 등의 장점이 있다.

◇TBM의 단점=고가의 장비로 장비 가동률이 떨어질 경우 경제적인 손실이 크다.
또한, 기계의 조작에 특수한 전문 인력이 필요하며, 굴착 도중 단면 변화가 곤란한 (R>150m에서만 가능) 것 등이 단점이다.

◇터널 기계화 시공의 최근 동향=다양한 기계화 시공 방법 중 가장 장비 규모가 큰 TBM은 전통적으로 경암반(Hard rock) 굴착용 장비를 지칭하는 용어로 사용된 반면, 실드 또는 실드 머신(Shield Machine)은 연약지반 굴착용 장비를 지칭해 사용됐다.
그러나 최근에 혼합 지반 등 다양한 지반 조건에 부응해 TBM에 실드를 부착하거나 실드 전면 판에 디스크 카터 등 경암반 굴착 기술을 접목하는 등의 기술 반전이 일반화 돼 TBM과 실드 머신은 그 본래의 의미를 상실했다.
현재는 실드 TBM이 대부분이다. 실드 TBM은 터널 굴착시 주변 지반을 지지하는 원통형 또는 사각형의 실드 구조로 에워싸인 터널 굴착기계를 말하며 대부분의 경우 세그먼트 라이닝에 대한 반력으로 추진한다.

TBM의 발전과정과 도입 역사

1818년 마크 브루넬(Marc Isembard Brunel)은 최초의 터널 굴착용 실드를 발명해 특허를 획득하고 1825년에 템스 하저 터널 시공에 최초로 사용했다.
그러나 이는 기계화 시공법이라기보다는 무너져 내리는 지반을 실드로 지지하고 그 속에서 인력 굴착 작업을 수행한 단순한 터널 주면 지지 공법이라고 할 수 있다.
이후 1964년에 영국인 바로우(Peter Williams Barlow)는 직경 0.9m 길이 2.4m의 원통형 실드를 발명 특허를 받았다. 1969년에 템스 강 아래 하저 터널을 시공해 1970년에 런던의 타워 지하철(Tower Subway)의 일부로 개통됐다.
그 후에 그레이트헤드(Henry Greathead)에 의해 개량 1885~1889년 사이에 런던 지하철에 사용됐는데 이 실드기가 오늘날의 실드 형태이다.
한편, 미국 매사추세츠 주의 후삭(Hoosac) 터널에서는 1852년 윌슨(C. Wilson)이 제작한 직경 2.1m의 Open TBM을 사용해 화강암 지반을 시간당 0.3m 굴진했는데 이것이 TBM의 원형(元型)이다.
1952년 미국의 로빈스(J. S. Robins)이 제작한 TBM이 오아히(Oahe)댐 수로 터널에 사용됐고, 1954년에는 캐나다 토론토 하수 터널에 사용됐는데 이들은 현대식 TBM의 모습을 갖추고 있다고 평가된다.
일본 국철은 1920년 처음으로 실드기를 도입해 사용하기 시작했는데, 1966년에는 이수식 실드를 개발해 1969년에 사용했고, 1974년에는 토압식 실드, 1976년에는 이토압 실드를 개발했다. 이는 막장 지지와 기계화 굴착을 겸하는 공법으로 발전해 왔다.
우리나라는 1980년대 중반부터 도수 터널 공사에 주로 Open TBM이, 도심지 연약 지반이나 지중선 공사에는 주로 실드 TBM이 활용되기 시작해, 최근까지 50여개소의 크고 작은 터널 공사에 이러한 기계화 시공법이 적용돼 왔다.