해저터널 50㎞ 이상 초장대화 추세
국내외 수송 및 경제·문화적 교류 원활 장점
█연구 사업의 추진 배경 및 필요성
글로벌화로 인해 대륙 간 또는 국가 간의 접근성 향상에 대한 요구는 지속적으로 상승하고 있으나, 기존의 항공 및 선박 등의 수단으로 승객과 물류수송의 증가, 이동편의 증대, 고속화 등에 대한 새로운 요구를 충족시키기에는 한계가 있다.
이러한 요구에 부응해 기존의 교통체계를 획기적으로 개편할 수 있는 해저터널에 대한 관심이 지속적으로 증가하고 있다. 프랑스와 영국을 연결하는 유로터널과 같이 해저터널은 바다로 단절돼 있는 대륙 간 혹은 내륙-도서(島嶼) 간의 안정적인 교통 및 물류수송체계 구축을 위해 전 세계적으로 건설돼 왔다.
기존의 해저터널이 다수 건설되어 있는 유럽뿐만 아니라, 상대적으로 해저터널 건설이 이루어지지 않은 아시아에서도 새로운 해저터널이 시공 중이거나 계획되면서 이어지고 있다.
특히 기존에는 연장 5km 이상의 해저터널이 대부분인 것에 비해 향후 계획돼 있는 해저터널의 경우 연장 50km 이상으로 초장대화 되는 추세이다. 초장대 해저터널은 물리적으로 접근성이 떨어지는 국가 간 혹은 대륙 간의 새로운 교통로의 확보를 통해 활발한 교류를 가능하게 할 것으로 기대된다.
또한 해저터널은 항공, 교량, 선박과 같은 기존 교통수단과는 달리 태풍, 폭우 등과 같은 악천후에 영향을 받지 않고 항공기의 추락, 선박의 침몰과 같은 사고의 위험성이 상대적으로 낮아, 다량의 승객과 물량을 안정적이고 신속하게 이송할 수 있다는 장점이 있다.
해저터널은 국내외 물류 수송 및 경제·문화적 교류를 원활하게 함으로써 지역 및 국가 간 양적·질적 성장을 선도하는 국가차원의 공공분야 영역이며, 대규모 예산이 투입되는 사업으로 발주됨에 따라 민간업체의 투자만으로는 세계적 수준(수심 최대 20bar, 연장 50km 이상)의 기술력을 단기간에 확보하기가 불가능하다.
또한, 해저터널은 대규모 건설 프로젝트로, 현재까지 시공이 완료돼 운영 중에 있는 해저터널(영불해협, 세이칸, 동경만 해저터널 등 5개)의 일반적인 공사비는 평균 약 100억불 전후이다.
향후의 해저터널의 경우 기존의 해저터널에 비해 긴, 연장 50km 이상의 장대 터널로 계획돼 공사비는 약 300억불 이상, 최대 약 1천200억불까지의 메가프로젝트로 발주 될 것으로 예상돼, 해외 진출을 위한 국내 건설기업의 해저터널 건설기술 확보에 대한 요구는 매우 크다고 할 수 있다.
또한 해외 건설시장뿐만 아니라, 국내에서 논의되고 있는 호남-제주 해저터널, 한-일 해저터널, 한-중 해저터널 등 초장대 해저터널 프로젝트들 역시 대규모의 예산이 투입되는 사업이다. 이미 다수의 해저터널 건설에 대한 노하우를 가지고 있는 국외기업의 국내사업 진출을 통한 시장 잠식에 대비해 국내 기업들의 해저터널 건설 기술의 확보가 요구된다.
■연구단 목표 및 추진체계
해저터널 기술개발 연구단의 목표는 ‘글로벌 교통 네트워크 허브 구축을 위한 해저터널 건설 기술 자립화’로 대륙 간, 도서 간 연육 간을 연결하기 위해 고수압(수압 20bar)하의 해저지반 지하에 건설되는 세계적인 수준의 초장대(연장 50km 이상) 해저터널 건설을 목표로 하며, 지질조사, 설계 및 시공, 방재 및 유지관리 등의 해저터널 건설에 필수적인 핵심 요소에 대한 국내 기술의 확보를 목표로 한다.
이를 위해 구체적으로 ①고심도 고수압 조건을 반영할 수 있는 초장대 해저터널 계획을 위한 최적 지질·지반조사 기술 확보, ②미흡한 국내 해저터널 건설 기술 수준(선진국 대비 40〜70% 수준)을 개선할 수 있는 해저터널 설계·시공을 위한 핵심 요소 기술 개발, ③내진 설계 기술, 굴진면 안정화 기술, 세그먼트 이음부 방수 기술 개발을 통한 해저터널 설계·시공 시 안정성 평가 기술 개발, ④공기압 제어 기술 확보, 화재 진압 및 내화 시스템 개발, 고정압 축류팬 개발을 통한 해저터널의 화재 및 IT기반 실시간 유지관리 기술을 개발하고자 한다.
국토교통부 건설기술연구의 일환으로 주관연구기관인 고려대학교 지하공간연구소에서는 해저터널 기술개발 연구단을 발족했으며, 2013년 6월부터 시작해 향후 5년(2013~2018년)의 연구기간 동안 약 360억원의 정부출연금과 참여 산업체의 지원으로 총 4세부에 전국 11개 대학과 25개의 산업계 그리고 1개의 출연연의 약 300여명의 전문 연구 인력이 참여해 해저터널 관련 핵심기술을 개발하고 있다.
■연구단 구성 및 연구 분야
고수압 초장대 해저터널 기술자립을 위한 핵심요소 기술개발은 4세부의 연구 분야로 구성됐다. 1세부는 초장대 해저터널 계획을 위한 최적 지질·지반조사 기술 개발, 2세부는 해저터널 설계·시공을 위한 핵심 요소 기술 개발, 3세부는 해저터널 설계·시공 시 안정성 평가 기술 개발, 4세부는 초장대 해저터널의 화재 및 유지관리 기술 개발을 연구 목표로 하고 있다.
1. 1세부: 초장대 해저터널 계획을 위한 최적 지질·지반조사 기술 개발(1세부 협동연구책임자 서울대학교 전석원 교수)
해저터널은 높은 수압으로 인한 예측치 못한 사고가 발생할 수 있으므로, 설계 시공 시에는 해저터널 시공환경이 고려된 장단기 안정해석이 필수적으로 이루어져야 한다. 일반 터널 시공조건과는 응력 상태가 다르고 응력-유체역학적 커플링이 필요한 고수압 작용조건의 해저터널의 장단기 안정성 해석 기술은 고도의 기술이 요구된다.
해저터널 건설을 위한 지반조사는 해상에서 고정된 위치를 확보할 수 없고 고수압이 작용하고 있으므로 일반 지질조건 하에서 이루어지는 지반조사기법을 적용하는데 어려움이 있다. 해상 석유시추에 사용되는 시추선과 하저 지반조사 시 사용하는 바지선은 비용과 효율성의 문제로 인해 해저터널 지반조사에는 적절히 사용될 수 없다.
대심도 육상터널과 해저터널은 비슷한 공극 수압 조건으로 존재 할 수 있으나 토피고의 차이로 인해 공극수압구배와 유효응력이 달라진다.
결과적으로 해저터널에서는 작은 유효응력으로 인해 불안정한 침투력이 커지게 돼 육상에서와 달리 수압 조건이 반영돼야 한다.
그러므로 해저터널 건설에 필요한 지반조사기법과 고수압 조건에서 달라지는 지반의 역학적 특성을 이론적, 실험적으로 연구하고, 이로부터 터널 설계 과정에서 필요로 하는 지반 정수를 합리적으로 산정하는 기법의 개발이 필요하다.
전술한 기술을 개발하기 위해 본 과제에서는 주요 핵심요소기술을 크게 ‘인공섬을 고려한 가상해저터널 설계’, ‘대심도 해저지반 및 지질정보 해석 기법 개발’, ‘초장대 해저터널 설계정수 도출을 위한 평가기술 개발’의 3가지로 나눠 연구를 수행하고 있다.
① 인공섬을 고려한 가상해저터널 설계
아직 국내에서는 연장 50km 이상의 고수압 초장대 해저터널 설계 및 건설 경험이 전무한 실정이나 계획 중 및 계획 예정인 해저터널의 수요는 증가하고 있다.
또한 해저터널 건설관련 법령, 기준, 지침 등의 설정도 미흡한 실정이기 때문에 현 기술수준을 반영해 설계할 경우 과도한 건설비와 건설기간이 소요된다.
따라서 본 핵심과제는 국내 자립형 초장대 해저터널 건설 및 유지관리 등의 관련 기술개발을 위해 가상의 해저터널 프로젝트 건설계획을 수립하고, 이를 통해 해저터널 건설 시 해결해야 할 건설 기술이나 개선방향을 도출하는 것을 목적으로 한다.
또한 각 세세부에서 도출된 연구개발과제 결과를 반영한 설계를 수행함으로써 연구성과의 적용성 및 기술적 타당성을 평가하고자 한다.
연구성과의 경제성, 적용성 등 실효성에 대한 정량적인 비교를 위해 현 기술수준을 반영한 가상해저터널 설계를 수행했다.
해양조건을 반영해 목표~제주를 연결하는 노선을 검토했고 해저터널의 설계 및 건설계획, 운영계획, 방재, 환기 등 전반적인 제반사항을 검토했다.
이를 통해 고수압, 초장대 해저터널 건설에 요구되는 추가요소기술을 도출하고 향후 연구를 통해 이를 추가, 보완해 효율적이고 합리적인 설계기술을 개발할 수 있을 것으로 기대된다.
② 대심도 해저지반 및 지질정보 해석 기법 개발
국내에서는 대심도 해저터널에 해당하는 수심 60m 이상, 기반암 100m 하부구간에 대한 시추 및 물리탐사 산업 시장이 거의 전무한 상태이며 심해저 지반에 대한 물리탐사 시장의 경우 주로 자원 개발을 목적으로 매우 한정적으로 수행돼 왔다.
따라서 초장대 해저터널과 같은 해상구조물을 설계 및 시공하기 위한 지반조사 기법을 새로이 정립할 필요가 있으며 기존의 조사 기술을 터널과 같은 구조물 설계를 위한 지반정보 취득에 맞게끔 개량할 필요가 있다.
본 핵심기술은 해저 지형 및 지질에 대한 선구조 분석 및 해저지반 생성 메커니즘을 연계해 해저지반의 특성 및 이상대를 파악할 수 있는 기법을 개발하고 이를 반영할 수 있는 3차원 모델링 기술을 개발함에 목적이 있다. 또한 한반도 주변의 실제 해저 물리탐사를 실시함으로써 대심도 해역의 해저 정밀 지형·지구물리 자료를 확보하고 이에 대한 해석 기술을 개발할 예정이다.
해저지형도, 지질도, 물리탐사자료, 시추자료 등의 선행 연구자료를 수집해 특징을 분석하고 해저지반 생성 메커니즘에 대한 연구를 수행해 대심도 해저지형 및 지질 구조의 특성을 분석했다.
또한 현재 국내에서 사용되고 있는 해저물리탐사 장비의 특성 및 적합성을 분석하고 가상해저터널 노선에 해당하는 대상지역을 선정해 실제 시험 탐사를 수행했다.
본 연구는 시추조사와 같은 직접 조사가 제한적인 대심도 해양환경에서의 최적 터널 설계 및 시공을 위한 해저 지형 및 지질분석, 정밀 물리탐사 자료 등을 통합, 활용해 해저지반에 대한 통합적인 정보를 제공할 수 있을 것으로 기대된다.
③ 초장대 해저터널 설계정수 도출을 위한 평가 기술 개발
대심도 해저터널의 경우 육상터널과 달리 지반 조건에 따라 매우 높은 수압이 문제가 될 수 있으므로, 계획단계에서부터 이를 반영하기 위해서는 고수압 해저환경에 적합한 터널 설계 기술 및 평가기술의 개발이 요구된다.
본 핵심기술의 목표는 크게 3가지로 구성된다. 첫째 고수압 조건을 반영한 암반등급 별 설계정수 산정기법 개발 및 지보패턴 제안, 둘째 기존 해저지반 응력조사 장치의 제한사항을 보완해 대심도 고수압 환경에서 활용 가능한 지반 조사장치의 개발, 셋째 해저지반에 적용 가능한 암반분류법의 제안이다.
이를 종합해 최종적으로 해저터널 설계에 요구되는 설계정수 및 평가기술을 개발할 예정이며 가상해저터널 건설 프로젝트에 적용함으로써 그 실효성을 검증할 계획이다.
2. 2세부: 해저터널 설계·시공을 위한 핵심 요소 기술 개발(2세부 협동연구책임자 고려대학교 이인모 교수)
해저터널의 경우 일반 육상터널에 비해 고수압 조건 및 지반조사의 한계성 등으로 인한 설계 및 시공에 있어 다양한 어려움이 존재하며 시공 중 굴착면 붕괴가 발생하였을 경우 붕괴와 함께 다량의 해수가 유입 될 가능성이 크다.
이러한 경우 터널 전체가 침수돼 인명피해는 물론, 공기 및 공사비가 크게 증가할 수 있으므로 해저터널의 경우 무엇보다도 시공 중 발생 가능한 리스크 요인을 설계·시공 단계에서 관리하는 것이 중요하다.
또한, 장대 해저터널에서 연결구(cross passage)의 설계 및 시공은 고수압 조건에서 수행돼야 하고 굴착 버력 및 토사의 배출을 위한 경로가 터널 입·출입구, 해상 수직구 구조물 등으로 매우 제한적이다.
그러므로 대심도 고수압 조건에서 연결구의 시공 시 발생할 수 있는 문제인 과다한 지하수 용출과 지반변형을 효과적으로 해결할 수 있는 설계 및 시공법과 굴착 버력처리 기술 개발이 필요하다. 해저터널의 설계·시공에는 고수압의 영향을 반드시 고려해 배수를 위한 적절한 설비를 갖춰야 하며, 해수의 영향을 고려한 내염해성 지보재의 사용 역시 필수적이다.
상기 연구목표를 달성하기 위해 2세부에서는 주요 핵심 기술을 크게 ‘해저터널 자동화 설계·시공 및 리스크 평가 기술 개발’, ‘고수압 조건의 해저터널 시공 중 차수 및 보강 기술과 버력처리 기술 개발’, ‘유입수 제어 및 관리방안 개발’, ‘내염해성 해저터널 지보재 개발’의 4가지로 나눠 연구를 수행하고 있다.
① 해저터널 자동화 설계·시공 및 리스크 평가 기술 개발
TBM 해저터널 시공 시 안전성을 확보할 수 있는 굴착면 전방 예측기술은 기업보유의 기술차원에서 더 나아가 국가기술력 증진 차원에서도 국내에 확보돼야 할 필수적인 기술이므로, BIM, IT 기반의 다양한 기법들을 활용해 사전조사, 리스크분석, 해석·설계의 통합 정보관리 시스템을 구축하고 해저터널의 설계 및 시공 자동화에 활용해야 할 것으로 전망된다.
본 연구에서는 해저터널에서 발생 가능한 리스크 요인을 선정 및 평가하고 리스크 관리를 위한 프로그램을 개발하고자 한다.
이를 위해 시공 중 굴착면 전방에 존재하는 리스를 파악하기 위한 굴착면 전방 예측기법과 설계·시공 단계에서의 리스크 관리 기술, IT기술을 활용한 모니터링 시스템, 커터수명 예측 및 배토성능 향상 기술을 개발하고 이를 종합해 설계 및 시공자동화가 가능한 BIM 통합 프로그램을 구현할 계획이다.
해저터널의 설계 및 시공 단계에서의 리스크 평가 및 관리 시스템의 개발은 해저터널 공사 시 발생 가능한 리스크 요인들을 판별하고 이를 저감시키기 위한 대책공법을 제시함으로써 해수 유입 등의 주요 리스크 발생 시 그 피해가 막심한 해저터널의 안전시공에 기여할 수 있다.
또한, BIM 기반 설계를 통해 계획단계에서 계획과 시공성을 동시에 검토 할 수 있고 적은 자원투입과 짧은 기간 내에 다양한 대안 공법에 대한 신속한 검토를 가능하게 해 궁극적으로 비용을 절감하고 시공품질을 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
② 고수압 조건의 해저터널 시공 중 차수 및 보강 기술과 버력처리 기술 개발
해저터널은 시공 및 운영과정에서의 예측치 못한 고수압으로 인한 해수 침투가 발생할 수 있으므로 해저터널의 설계 및 시공에는 고수압 조건에서의 차수 및 보강기술이 반드시 필요하다. 하지만, 현재 국내의 해저시설물 차수보강 그라우팅 기술은 선진국에 비해 기술이 낙후돼 있으며 동결공법 경우 연구가 거의 이루어지지 않은 실정이다.
해저터널은 장대 또는 초장대 터널인 경우가 대부분이므로 다량의 발생 버력을 육상으로 운반하기 위해서는 많은 운반비 및 운반기간이 소요될 수 있다.
본 연구에서는 고수압 조건에서 굴착 중에 발생할 수 있는 돌발용수에 대한 차수 및 보강기술과 발생 버력의 처리 기술 개발을 목표로 한다. 이를 위해 고수압 조건의 그라우팅 시공장치 및 관리기술 시스템과 진동 그라우팅 시공장치 및 관리기술 시스템을 개발하고자 한다.
또한 고수압(최대 20bar) 조건하의 장대 해저터널에서 활용할 수 있는 급속 동결공법을 개발해 연결구(Cross Passage) 시공 시 및 TBM 터널 막장의 대규모 용출을 일시적으로 차수할 수 있는 방안을 마련하고, 해수 및 장대 터널 조건에서 버력 반출 방안 및 운송 방안에 대한 연구를 수행해 발생 버력의 최적 반출 방안을 고안할 것이다.
본 연구의 진동그라우팅 공법의 개발 목표를 달성 할 시, 국내·외 보강그라우팅 시장 확대로 인한 경제적인 파급효과는 연구종료 후 향후 5년간 약 7천490억원으로 추정되며, 급속 동결공법과 버력처리 기술은 전체 해저터널 공사비와 공사기간을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
③ 유입수 제어 및 관리방안 개발
해저터널의 시공 및 운영 중 누수, 침수에 따른 돌발 용수 및 사고가 발생할 경우 대처하기 어려운 문제가 발생해 경제적 손실이 크다.
현재 터널의 유입수 제어 및 관리시스템은 매립형을 주로 사용하는데, 매립형의 주요 유입수 제어 및 관리시스템은 주 유입수 제어 및 관리관, 보조유입수 제어 및 관리관 및 집수정으로 구성돼 있다.
이러한 유입수 제어 및 관리 시스템 시설물의 설치를 위한 건설재료로서는 콘크리트, 강재가 사용되고 있으나 콘크리트의 열화, 부식 및 염해 등의 영향으로 유지관리가 매우 어려운 실정이므로 터널 내 다량의 유입해수에 대한 제어용 차폐설비시스템의 기술개발이 필수적이다.
본 연구에서는 해저터널 전구간과 Bored 터널(본선, 연결터널, 확폭구간, 인입, 출구 등)의 터널 내 유입수량 예측기술 및 기준을 설정하고, 최적 배수시스템의 설계·시공기술 및 최대 20bar에 대응할 수 있는 방수시스템의 설계·시공기술을 개발해 유입수 제어시스템을 구축하는 것을 목표로 한다.
이를 위해 복합신소재를 활용한 장수명·내염해성 스마트 터널 유입수 제어 및 관리 시스템과 해저터널 시공·운영중 누수, 침수 및 테러에 따른 돌발용수 발생 시 터널 내 유입수를 제어할 수 있는 고성능 차폐설비 시스템을 개발하고 터널 내 수리거동 예측기술을 정립하고자 한다.
또한, 물리·화학적 폐색에 의한 터널 배수재 및 시스템의 배수효율 감소를 방지하기 위해 압전필름에 의해 발생하는 진동에너지를 활용한 하이브리드 배수시스템을 구축 할 계획이다.
본 연구를 통해 사전에 돌발 용수 및 이상 누수에 따른 대형 참사의 대책 방안을 마련함으로써 해저터널의 안정성에 대한 사회적 기대 충족이 가능할 것이다.
또한 배수재 및 배수 시스템은 매우 다양한 산업에서 이용되고 있고, 전자, 전기 분야와의 융합 연구가 가능해 독자적 배수 시스템 및 배수재 개발을 통해 국제적인 경쟁력을 확보 할 수 있을 것으로 기대된다.
④ 내염해성 해저터널 지보재 개발
초장대 해저터널 시공 시 사용되는 숏크리트의 성능은 기존 터널에서 요구되는 일반적인 성능 외에 내염해성, 내부식성 및 고강도 특성의 확보가 필수적이며, 이와 같은 성능 확보를 위해서는 적절한 급결재와 혼합재 등의 재료 선정 및 배합기술 확보가 필요하다.
따라서 본 연구에서는 내염해·내부식성 고성능 지보재의 설계·제작기술을 개발하고, 부식·염해 저감을 위한 고성능 지보재 시공기술을 개발해 해저 초장대 조건에서 지보재료의 안정성을 확보하는 것을 목표로 한다.
내염·내부식성 숏크리트의 효과를 확인하기 위해서는 해저터널 현장 적용을 통한 실직적인 검증이 필요할 것으로 판단돼, 연구 초기 단계부터 국토해양부를 중심으로 시범적용을 위한 현장 유치를 추진하고 있다.
기존에 내염해성을 위해 사용돼 왔던 수입제품인 실리카 흄 대신에 국내 조달이 가능한 포졸란 재료(고로 슬래그 미분말과 플라이 애쉬 등)를 사용할 계획이며, 50km 초장대 해저터널 시공 시 45.92억원의 수입대체 효과가 기대된다.
그 외에 정확한 비용 산출은 어려우나, 다량의 포졸란 재료를 사용함에 따라 해수 성분과 반응해 발생하는 Calcite(CaCo3)의 용출을 막을 수 있을 것으로 예상돼 향후 해저터널 배수시설의 코팅현상 방지로 인한 시설 수명 연장 및 유지 관리 비용 절감이 기대된다.
또한, 본 연구개발을 통해 비산먼지가 저감돼 작업 환경이 개선되고 환기 시스템 유지관리 비용이 절감되는 등의 무형의 효과를 얻을 수 있고, 누수가 예상되는 터널이나 열악한 지반 조건으로 인해 탈락률이 높은 일반 터널 현장에서도 적용 할 수 있는 기술력을 확보 할 수 있을 것으로 예상된다.
고수압 해저환경에 적합한 터널설계 절실
시공중 발생 가능한 리스크 요인 관리 중요
3. 3세부: 해저터널 설계·시공 시 안정성 평가 기술 개발(3세부 협동연구책임자 건국대학교 이석원 교수)
3세부의 연구 주제는 ‘해저터널 설계·시공 시 안정성 평가 기술 개발’로서, 최종적인 연구목표는 NATM(Drill and Blast)공법 또는 TBM으로 고수압 조건하에서 해저터널을 굴착함에 있어서, 내진 및 고수압 조건을 고려할 수 있는 기술 개발과 이를 해저터널의 BIM 기반으로 자동화된 안정성 해석기법을 설계단계에서 적용하고, 고수압 조건하의 터널 굴진면 안정화 기술을 개발해 설계 및 시공단계에서 노하우를 확보하는데 있다.
이러한 연구 목표를 달성하기 위해 3세부에서는 주요 핵심 기술을 크게 ‘고수압 해저터널의 안정성 해석 및 내진 설계 기술 개발’, ‘TBM 시공을 위한 고수압 굴진면 안정화 기술 개발’, ‘고수압하에서 세그먼트 이음부 방수 기술 개발’의 3가지로 나눠 연구를 수행하고 있다.
① 고수압 해저터널의 안정성 해석 및 내진 설계 기술 개발
최대 20bar에 달하는 고수압 조건에서 내진을 포함한 해저터널의 BIM 기반 자동화 안정성 해석 기술을 개발하고자 한다.
세부적으로는‘Mechanical-Hydraulic Coupling이 고려된 해저터널 안정성 해석 기술 개발’, ‘다양한 시공조건에 대한 안정성 해석 DB 구축을 통한 인공신경망(Artificial Neural Network) 엔진을 개발해BIM기반에서 자동화 해석이 가능하도록 자동화 설계 및 시공 기반 기술 개발’, ‘해저지반-터널구조물의 동적 응답특성 분석’, ‘시험 결과에 근거한 내진해석 및 설계 영향인자 결정 및 검증’, 그리고 마지막으로 ‘통합적인 3차원 내진해석 및 설계 시스템 구축’을 들 수 있다.
② TBM 시공을 위한 고수압 굴진면 안정화 기술 개발
최대 20bar에 달하는 고수압 조건에서 TBM 굴진 시 굴진면 안정화 확보를 위한 적정 막장압과 뒷채움압의 관리 기준 수립 및 지반거동 예측 시스템을 구축하고자 한다.
세부적으로는 ‘설계단계에서 필요한 TBM 굴진 시 막장압 및 뒷채움압 관리 기준값을 제시하고 또한 지반 거동 예측 시스템을 개발’, ‘시험시공 데이터를 이용해 설계단계에서 수행됐던 기존 수치해석 기법을 보완’, ‘개선된 수치해석 기법을 적용해 신뢰성 있는 막장압 관리 가이드라인 제시’, 그리고 마지막으로 ‘TBM 굴진 중에 산출되는 TBM 기계 데이터를 이용해 막장압 관리 및 지반거동 예측 시스템을 구축’하고자 한다.
③ 고수압하에서 세그먼트 이음부 방수 기술 개발
최대 20bar에 달하는 고수압 조건에서의 TBM 해저터널 시공 시 Concrete Segment Joint, Bolt, Grouting Socket에서의 누수를 완벽하게 차단하기 위한 계획, 조사, 설계, 제품개발 및 생산 시스템의 개발을 통해, 실제 시공에 적용할 수 있도록 개발하고자 한다.
세부적으로는 ‘고수압 조건의 지수재 개발을 위한 설계기술 확보 및 제품 개발’, ‘Watertightness Test 및 Corner Welding의 기술 및 장비 개발’, 그리고 마지막으로 ‘경제적인 생산기술 확보’를 들 수 있다.
4. 4세부: 초장대 해저터널의 화재 및 유지관리 기술 개발(4세부 협동연구책임자 한국건설기술연구원 신현준 박사)
해저터널은 대심도에 위치하는 경우가 많고, 또한 건설비용의 절감을 위해 (초)장대로 건설되는 경우가 일반적이기 때문에 운영 측면에서 볼 때 운영 및 유지관리, 화재 등 안전사고에 대비할 수 있는 시설의 설치에 많은 제약을 받는다.
이러한 특성과 국내의 기술현황을 고려하여, 4세부 협동연구는 터널 시공단계 및 완공 후 운영단계의 경제성, 쾌적성, 안전성을 확보하기 위한 핵심고유기술을 개발하는 것이 목표이다.
우선 시공 중에는 고온 다습한 열악한 환경과 수십km에 이르는 (초)장대터널의 특성을 고려한 공사 중 환기시스템 구축이 무엇보다도 중요하다. 이는 공기단축을 통한 초기공사비 절감에도 많은 영향을 미치는 핵심기술이다.
한편, 현재 전 세계의 초장대 터널에서 운영되는 고속열차는 터널 진입시에는 정상속도보다 낮은 속도로 감속해 운영하고 있다. 이는 운영의 경제성에도 커다란 영향과 승객의 심리적인 안정감에도 영향을 미치기 때문에 지상에서와 동일한 속도를 유지할 수 있는 기술개발이 필요하다.
이러한 관점에서 터널의 공기저항을 줄이고, 열차풍을 제어해 최적의 안정감을 확보하기 위한 환기제어 및 공기유동 네트워크 해석기술개발이 필요하다.
터널의 운영 중에는 화재 등 안전사고가 발생할 수 있으며, 이에 대비하기 위한 기술개발이 필수적이다.
이를 위해서는 화재 시 승객들을 안전하게 대피시킬 수 있도록 피난환경을 조성하고 대피공간을 확보하기 위한 연기 제어 및 확산방지 기술, 반밀폐공간인 장대터널 화재를 효과적으로 진압하기 위한 연소확대 방지 및 대응기술, 화재 시 고온에 의한 구조물의 안전성을 확보하기 위한 터널구조물 내화성능 확보가 필수적이다.
마지막으로 해저터널의 안전하고 경제적인 운영을 위해서 레이저, 탄성파, 전기비저항 등을 이용해 자동계측이 가능한 모니터링체계와 이로부터 수집된 빅데이터를 활용해 안전성 분석시스템을 포함한 통합 IT기반 유지관리 시스템을 개발하고자 한다.
이상에서 언급한 분야의 핵심기술을 개발하기 위하여 4세부 연구에서는 전문분야를 4개분야 - ‘인공섬 최소화를 위한 환기 및 공기압 제어기술’, ‘100MW급 화재대응 시스템 및 내화시스템 개발’, ‘해저터널 대피환경 확보를 위한 연기확산 방지기술’, ‘IT기반 실시간 유지관리 기술’-로 구분해 연구를 수행하고 있다.
① 인공섬 최소화를 위한 환기 및 공기압 제어기술
해저터널 공사 중 뿐만 아니라 운영 중 터널 내부의 환경조성을 위해서는 환기설비가 필수적으로 필요하다. 또한 고속주행으로 인한 공기저항을 최소화하고, 이명감 등 승객들의 신체에 미치는 영향을 최소화하기 위해서는 공기유동을 원활하게 하기 위한 기술개발이 요구된다.
해저터널의 건설공사 초기투자비와 운영 중의 유지관리비 최소화를 위해서는 환기를 위한 인공섬을 최소화하는 것이 필수적이다. 운영의 경제성 확보를 위해서는 터널 내의 열차가 지상에서와 동일한 속도를 유지할 수 있도록 터널의 운영상태에 따라 공기저항을 능동적으로 조절하는 공기유동제어 시스템기술 개발이 필수적이므로, 이를 위한 핵심기술개발을 가장 중요한 목표로 설정하고 있다.
이를 위해서 지상에서와 동일한 속도인 350km/h를 터널내부에서도 실현할 수 있도록 공기유동 제어에 필요한 공기압조절 댐퍼, 공기저항 저감기술을 개발하고 있다. 이러한 기술을 기반으로 인공섬을 최소화하기 위해 30km급 범위내에서는 환기가 가능한 시스템을 개발하고 있다.
이러한 목표를 달성하기 위한 세부과제로서는, 고속주행으로 발생하는 공기저항을 최소화하기 위한 ‘350km/h급 고속주행 실현을 위한 공기압 조절 및 공기저항 저감시스템 개발’, 열차주행에 따른 복잡한 공기의 흐름을 예측해 환기설비의 구조설계 단계에서 공기유동 네트워크 구성의 최적화를 위한 3D기반‘공기압 해석프로그램 개발’, 초장대 해저터널 운영 중의 환기를 위한 환기구 확보에 필요한 인공섬 건설을 배제함으로써 초기공사비를 최소화하기 위한 ‘초장대 터널 인공섬 최소화를 위한 환기시스템 개발’ 등의 핵심기술을 개발하고 있다.
② 100MW급 화재대응 시스템 및 내화시스템 개발
해저터널을 비롯한 각종 터널에서 화재안전은 운영 중 유지관리에 가장 중요한 핵심분야이며, 특히, 해저터널과 같이 대심도에 위치하는 (초)장대터널의 경우에는 그 중요성이 더욱 높다고 할 수 있다.
해저터널은 일반 도로터널과 달리 외부로부터 높은 수압을 받는 암반에 위치하고 있으며, 화재 시 배연설비 등을 구축하는데 필요한 공간을 확보하는 것에 많은 제약을 받는다. 또한, 화재를 진압하는데 필요한 소화수를 지상으로부터 공급하는 것에도 어려움이 많다.
이러한 문제를 해결하기 위한 방안으로서 인공섬 건설이 대안으로 거론되지만 이 경우 일반도로 터널에 비해 수백배~수천배에 이르는 천문학적인 초기투자비용으로 인해 건설자체가 어렵게 된다.
해저터널은 반밀폐형 공간이기 때문에 화재시 열이 원활하게 확산되지 못하고 축열되어 터널내부가 순간적으로 수백℃~수천℃에 이를 수 있다.
이러한 고온은 터널 내부의 구조물을 약화시켜 붕괴로 이어질 수 있는 원인을 제공할 수도 있다. 따라서 이러한 고온에서도 안전성을 확보할 수 있도록 구조물을 보호할 수 있는 내화시스템의 개발이 요구된다.
이같은 관점에서 화재시 발생하는 화재강도를 100MW로 설정하고, 이러한 특수조건 상태에서 터널구조물을 보호하기 위한 핵심기술을 개발 할 것이다.
이를 위해 터널내부에서 발생하는 침출수를 이용해 화재를 진압하고 구조물을 냉각하기 위한‘100MW급 화재대응시스템 개발’, 100 MW급의 화재에서 발생하는 2천℃ 내외의 고온으로부터 세그먼트 등의 구조물을 보호하는 내화시스템의 신뢰성을 평가하기 위한‘TBM 세그먼트 고성능 내화시스템 개발’ 및‘ TBM 세그먼트 표준내화시험법 개발’을 핵심과제로 도출해 연구를 수행하고 있다.
③ 해저터널 대피환경 확보를 위한 연기확산 방지기술
모든 터널 화재사고에서 발생하는 인명피해의 대부분은 화재 시 발생하는 연기에 의한 질식사고가 원인인 것으로 나타나고 있다. 이는 화재 시 인명보호에서 연기제어의 중요성을 설명하는 것이다.
이러한 관점에서 해저터널 화재특성에 부합하는 연기제어기술개발을 수행하고 있다.
해저터널에는 본선 외에 서비스 갱 등 부속터널과 연결되는 수많은 통로가 있기 때문에 이들을 통해 연기가 전 구간으로 급속하게 확산될 수 있다.
따라서, 화재 시에는 이들 연기가 대피하는 재실자들에게 미치지 못하도록 차단해 대피환경을 확보하도록 하고, 대피공간으로 유입하는 것을 방지해 대피환경을 조성할 수 있는 제연시스템의 개발이 필요하다.
이에 반밀폐형 (초)장대터널의 구조에 적합한 최적의 제연시스템구축에 필요한 기술의 선정 및, 융복합화를 실현하기 위해 각종기술의 조합에 따른 피난 안전성을 평가하고 연기유동 제어기술 개발을 위한 ‘초장대 해저터널의 피난안전성 평가 및 제연시스템개발’, 연기를 차단해 피난공간으로 이동하는 재실자들의 피난환경을 조성하기 위한 ‘피난 연결통로 연기확산방지 기술개발’을 수행하고 있다.
한편, 전술한 바와 같이 인공섬을 최소화해 초기공사비를 절감하고, 평상시 환기 및 유사시 연기를 배출하기 위해서는 고정압, 대용량의 고효율 팬 개발이 필수적이다.
이에 국내외적으로 가장 높은 경쟁력을 확보할 수 있는 사양을 구비한 축류 팬 개발을 위해 ‘초장대 해저터널용 4kPa급 고정압 축류팬 개발’을 수행하고 있다.
④ IT기반 실시간 유지관리 기술
국내 터널 모니터링 기술은 주로 시공 중 방안에 치중돼 있으면 기존의 터널 유지관리 기술은 주로 인력에 의한 안전점검 및 진단에 의존하고 있다.
하지만, 고수압, 초장대 해저터널의 경우는 고수압 환경에 따른 단층 파쇄대 등 위험구간에서의 누수 및 지보재 손상, 해수의 염분에 의한 라이닝 및 그라우팅 재료의 열화 등 다양한 공학적인 문제들이 발생할 가능성이 높음에도 불구하고 해저환경과 긴 연장으로 인한 모니터링 데이터 처리효율 저하 및 접근성 제약 등과 같은 한계점이 존재한다.
따라서, 본 IT기반 실시간 유지관리 기술연구를 통하여 터널과 지반의 변위·응력 등을 자동계측하고 수집된 방대한 정보를 바탕으로 실시간 안전성을 평가할 수 있는 통합 유지관리 시스템을 구축하는 것을 목표로 한다.
이를 위해 ‘해저터널 위해요인 모니터링 통합 운영 시스템 개발’, ‘위험구간 보강지반 손상 및 열화 실시간 평가 기술 개발’, ‘수집된 자료를 분석해 유지관리용 지반/구조물 안정성 분석 시스템 개발’ 연구를 진행하고 있다.
선진국 대비 미흡한 터널관련 핵심기술 ‘실용화’ 최선
2015년 9월 코엑스서 ‘해저터널 국제포럼’ 개최
■맺음말
고수압 초장대 해저터널 기술자립을 위한 핵심요소 기술 개발 사업은 2013년 6월~2018년 5월까지 5년 동안 세계적인 수준의 초장대 고수압을 받는 해저터널 건설을 목표로 해 2차년도의 기반연구단계까지 진행됐다.
2014년 5월 미래창조과학부에서 국가과학기술심의회를 거쳐 과학기술의 혁신과 패러다임의 전환 및 새로운 시장 창출로 연결될 수 있는 도전적·창의적 연구과제인 ‘혁신도약형 R&D’로 선정돼 그 연구의 중요성이 인정된 사업이다.
또한, 해저터널에 대한 국내외 높은 관심을 반영해 본 해저터널 연구단과 사단법인 한국터널지하공간학회가 공동으로 주관해 해저터널 국제포럼(International Forum on Subsea Tunnels: www.tu-seoul2015.org)를 2015년 9월 2일과 3일에 코엑스에서 개최할 예정이다.
본 연구단은 단순히 연구 성과 도출에서 멈추지 않고 선진국 대비 40~70%정도로 미흡한 국내 해저터널관련 핵심 기술의 발전과 실용화를 이뤄 향후 국제적 해저터널 건설시장에 있어서 국내의 기술이 선도적 역할을 할 수 있도록 최선을 다하고자 한다.
정리= 한국건설신문 김덕수 기자
