- 국토교통R&D ‘건설기술연구사업’ TBM터널연구단
“국내TBM기술, 세계 최대 터널시장인 중국보다 뒤쳐져 있어”
해외TBM터널 시장 진출 위해 선진기술 확보가 시급
과거 발파에 의한 NATM(New Austrian Tunnelling Method)으로 대표되던 터널 공법은 재래식 터널공법(conventional tunnelling)과 TBM에 의한 기계식 터널공법(mechanized tunnelling)으로 양분되고 있다.
우리나라에서도 1985년에 처음으로 TBM이 적용된 이후로 도심지를 위주로 TBM의 적용이 점차 증가하고 있다. 그러나, 전력구, 통신구 등과 같이 직경이 4m 내외인 소구경 터널에의 적용이 대부분으로서 세계적인 대단면화 추세와는 차이가 있다.
더욱이 도심지 교통터널에서 TBM의 적용비율이 유럽 80%, 일본 60%, 중국 40%에 달하고 있는 반면, 우리나라의 경우에는 1%도 되지 않는 실정이다.
TBM분야의 최고 기술을 보유하고 있는 유럽에서는 EU공동프로젝트인 ‘TUNCONSTRUCT’ 등을 통해 지속적인 연구개발을 하고 있으나, 본 연구사업이 착수되기 전까지 우리나라에서 수행된 TBM 관련 국가R&D는 극소수에 불과했으며 선진국 대비 기술수준도 60% 이하로 평가됐다.
무엇보다도 선진 6개국에서만 TBM 설계·제작 원천기술들을 비공개 노하우로 보유하고 있어, 기술격차와 기술의존도가 점차 심화되었던 상황이었다.
이와 같은 이유로 인해, 도심지 지하철을 기준으로 쉴드TBM터널의 공사비용은 NATM 대비 약 120% 수준으로서 경제성 측면에서 불리하며 TBM의 장점 중의 하나인 고속시공을 도모하는데도 한계가 있었다.
이미 우리나라의 TBM 기술은 세계 최대의 터널 시장인 중국보다도 뒤쳐져 있는 상황이다.
중국은 정부 차원의 전폭적인 지원과 해외 TBM 제작사들의 인수·합병을 통해 독자적으로 TBM을 설계·제작하고 있다. TBM을 포함한 세계 최대의 터널 시장으로서 급부상해 상당한 기술력과 경험을 축적하고 있다.
따라서 우리나라의 건설사들이 해외의 TBM터널 시장에 진출하기 위해서는 TBM 관련 선진기술의 확보가 매우 시급하다.
특히, 해외 터널 프로젝트의 상당수가 TBM터널로 발주되고 있는 상황이다.
이와 관련해 우리나라가 수주한 대표적인 해외 대형 TBM터널 프로젝트로는 SK건설㈜이 수주해 시공 중에 있는 세계 최초의 대륙간 해저터널 건설사업인 유라시아 해저터널(Eurasia subsea tunnel)을 들 수 있다.
또한 최근 들어 서울과 수도권을 중심으로 TBM의 적용성이 높은 수도권급행광역철도(GTX), 서울시지하도로망(U-SMARTWAY) 등이 활발히 계획·검토되고 있으며, 호남-제주, 한-중, 한-일 등 초장대 해저터널에 대해서도 검토가 이루어지고 있다.
이러한 상황에서 단기간 내에 TBM 관련 핵심기술들을 확보하고 기술경쟁력을 강화하기 위해 국토교통부의 R&D사업(전문기관: 국토교통과학기술진흥원)으로서 ‘TBM 핵심 설계·부품기술 및 TBM터널의 최적 건설기술 개발’ 연구단 사업(이하 TBM연구단)이 지난 2010년 12월부터 2015년 5월까지 한국건설기술연구원(원장 이태식, 이하 건설연)의 주관 하에 수행됐다.
본 연구단에서는 선진 6개국에서만 비공개로 보유하고 있는 TBM 커터헤드 설계·제작기술, 필수 시공재료인 디스크커터와 세그먼트 라이닝의 고성능화를 통한 TBM터널의 경제성 향상을 주된 연구대상으로 설정해 연구를 수행했다.
또한 고속시공의 도모와 시공 중 트러블 최소화를 위한 TBM 전방 사전탐사 기법에 기반한 시공리스크 관리기술 개발과 TBM 최적 활용을 위한 기준, 정책 등에 대한 연구도 중요하게 병행했다.
TBM연구단은 ‘TBM 핵심 설계·부품기술의 확보와 경제적이고 효율적인 TBM터널 건설기술 개발’이라는 목표 하에 연구를 수행했다.
세부적인 연구목표는 ① 복합지반용 TBM 커터헤드 설계기술의 개발과 국산 커터헤드를 장착한 쉴드TBM 제작·현장적용, ② TBM터널의 경제성 향상을 위해서 쉴드터널 공사비의 약 40~50%를 차지하는 세그먼트 라이닝과 디스크커터의 고성능화 기술개발, ③ 설계·시공단계에서 TBM 트러블 발생을 저감하기 위한 쉴드TBM 전방 지반조사 및 리스크 관리 시스템 기술개발, ④ TBM의 최적 활용을 위한 표준단면, 발주제도 개선방안, 공사비 적산기준 및 설계기준·시방서(안)를 제안하는 내용으로 구분된다.
이와 같은 연구목표를 달성하기 위해 총 29개 산·학·연 기관의 약 200여명의 연구진이 참여해 연구를 수행했다. 건설연이 TBM연구단의 주관연구기관(연구단장 배규진 선임연구위원)으로 총 3개의 세부과제를 총괄했다.
제1세부과제는 ‘TBM 커터헤드 최적 설계기술 및 고성능 디스크커터 개발(세부과제책임자 배규진 선임연구위원)’로서 복합지반용 커터헤드의 최적 설계·제작기술, TBM 재활용 기술 및 내마모성 고성능 디스크커터 개발을 목표로 건설연(주관), ㈜동아지질, ㈜진성티이씨, 이엠코리아㈜, 서울대학교, 호서대학교 등의 기관이 참여했다.
제2세부과제는 건설연의 주관 하에 ‘고성능 세그먼트 라이닝의 개발(세부과제책임자 장수호 연구위원)’을 위한 고성능 세그먼트의 재료·제작 및 설계기술, 고속 세그먼트 이음부 기술, 세그먼트 라이닝의 자동화 해석 설계 시스템 등의 연구를 SK건설㈜, ㈜네비엔, ㈜단우기술단, 성균관대학교, 경성대학교, 건국대학교, 한서대학교가 공동으로 수행했다.
제3세부과제는 고려대학교의 주관 하에 ‘TBM터널의 설계·시공 리스크 최소화 및 최적 활용기반 기술 개발(세부과제책임자: 이인모 교수)’을 목표로 TBM 전방 지반 조사 시스템, TBM 시공리스크 관리 시스템, TBM터널의 용도별 표준단면 및 발주체계 개선(안), TBM터널 공사비 산출 시스템, TBM터널의 설계기준/시방서(안) 등의 연구를 한국과학기술원(KAIST), ㈜희송지오텍, ㈜평화엔지니어링, 한국철도기술연구원, ㈜넥스지오, ㈜글로텍, ㈜현인피씨엠, 두산건설㈜, ㈜특수건설, ㈜한서엔지니어링, ㈜한국지오텍이 공동으로 수행했다.
이상과 같은 TBM연구단의 각 세부과제별 연구수행 내용을 정리하면 다음과 같다. 
이를 위해, 전 세계 약 5천여개의 TBM 설계·시공 정보가 포함된 데이터베이스의 구축·활용, 커터헤드 설계모델을 도출하기 위한 약 600여개 조건의 실물 암석 절삭실험 및 토사지반 모형굴착실험, 디스크커터의 3차원 동적파괴 모델링, 디스크커터와 커터비트의 배열설계 등을 포함한 복합지반용 TBM 커터헤드 상세 설계기술 개발, 설계된 TBM 커터헤드의 굴진성능을 사전에 예측하기 위한 모델 개발 등을 성공적으로 수행했다.
특히, TBM연구단에서 개발된 설계모델은 현재까지 공개된 미국의 CSM(Colorado School of Mines)모델보다 현장 적용결과 높은 예측 정확성을 나타내는 것으로 확인됐다. (예: 커터 작용력의 예측정확성 47~75% 향상).
이상의 기술들이 종합적으로 반영된 TBM 커터헤드 설계 프로그램을 제작해 2차원 및 3차원 커터헤드 설계과정을 자동화했다.
TBM 커터헤드 제작과 관련해서는 선진 외국의 커터헤드 제작기술 및 관련 인프라 조사결과를 바탕으로, 커터헤드 제작 시의 작업성, 내마모성, 용접용이도 등의 측면에서 적합한 최적의 커터헤드 재료를 선정하고 활용했다.
특히, 본 연구단에서는 커터헤드의 제작 허용공차를 4mm 이내로 설정했음에도 불구하고, 실제 조사결과 용접에 의한 수축량 측정결과는 1~2mm에 불과해 우수한 제작품질을 확인했다.
또한 최대 직경 10m까지의 커터헤드를 정밀하게 분할제작할 수 있는 커터헤드 제작 부속설비를 구축하고 활용했다.
이상의 개발기술들을 활용해 TBM연구단에서는 2개의 국산 커터헤드 장착 쉴드TBM을 제작하고 실제 터널현장에 투입해 성공적으로 굴착공사를 완료했다. 
두 번째 현장은 연장 1.275km의 송전선로 지중화공사 현장으로서 역시 현장조건에 적합하도록 설계·제작된 외경 3.6m의 국산 커터헤드 장착 쉴드TBM의 최대 굴진율은 14.4m/day로 기록되었다.
이와 더불어 ‘대곡-소사 복선전철 한강 하저터널’을 대상으로 직경 8.2m의 복합지반용 커터헤드 시제품의 설계·제작을 완료해, 향후 해당 사업 또는 유사조건의 사업 추진 시에 적용을 모색할 계획이다.
제1세부과제의 두 번째 연구성과인 고성능 디스크커터와 관련해서는 디스크커터 링(ring)에 대한 최적 열처리 및 단조제작 기술에 의해, 선진국 대비 경도 7%, 내마모성 25%, 내충격성 23% 향상을 했다.
특히 디스크커터의 수명을 평가하는 커터수명지수(CLI)를 측정한 결과, 기존 선진국 디스크커터 대비 마모 저감률이 23% 향상됐음을 확인했다.
또한 디스크커터의 핵심 부품인 고가의 외국산 베어링을 대체하기 위해, 건설중장비의 하부에 사용되는 무한궤도의 부품인 부싱(bushing)을 개선해 비교적 강도가 높지 않은 연암 조건을 위주로 부싱에 의한 베어링의 대체 가능성을 확인했다.
이상과 같이 개발된 고성능 디스크커터는 국산 커터헤드 장착 쉴드TBM에 함께 장착되어 적용됐다. 이외에도 OO도수터널 공사 등에 적용돼 그 성능을 검증했다.
제2세부과제에서는 고성능 세그먼트 라이닝의 첫 번째 개발품으로서 ‘고강도 RC 세그먼트 라이닝’을 개발했다.
이는 산업부산물인 고로슬래그를 50% 치환한 고강도 콘크리트(설계강도 60 MPa)와 고장력 철근(항복강도 600 MPa)에 의해 구조안정성의 향상과 더불어 철근량 최소화를 통해 세그먼트 제작비용을 절감할 수 있는 세그먼트 기술이다.
특히, 고로슬래그를 다량 치환했음에도 불구하고 최적의 세그먼트 다짐기법 및 증기양생 조건 개발을 통해, 재령 14시간에 조기 탈형이 가능하도록 해 세그먼트의 생산성을 향상시켰다. 또한 고로슬래그 50% 치환을 통해, 일반 콘크리트 대비 염소이온의 침투깊이를 약 60% 감소시켜, 염해 조건에서도 내구년한 100년 이상의 고품질 쉴드터널 건설에 기여할 수 있게 됐다.
대형 화재조건에서도 안전성을 확보할 수 있도록, 폭렬방지용 최적 섬유를 혼입해 세계 최고의 화재규모 수준인 RABT 터널 화재 시나리오(화재 발생 5분 후 1천200℃) 조건에서도 폭렬에 대한 내화성능을 확보했다.
고강도 RC 세그먼트에 대한 설계검토 결과, 인장력이 우세하게 발생하는 인장지배 단면에서는 고강도 콘크리트와 고장력 철근을 함께 사용하는 것이 최적의 설계조건으로 나타났다.
특히, 인장지배 단면조건인 서울시지하철 OO공구를 기준으로 할 때, 고강도 RC 세그먼트를 사용하면 철근량이 26% 절감됨에도 불구하고 기존 일반 RC 세그먼트 대비 균열하중과 파괴하중이 각각 24% 및 30% 향상되는 것을 확인했다.
반면, 압축지배 단면의 OO지하철을 기준으로 하면, 고장력 철근만을 활용하는 고강도 RC 세그먼트에 의해 철근량을 30% 절감했음에도 불구하고 균열하중과 파괴하중은 원 설계와 동등한 것으로 나타나 고강도 RC 세그먼트의 우수성을 확인했다.
이상과 같이 개발된 고강도 RC 세그먼트는 다양한 조건의 실물실험, 현장 계측 등을 통해 성능검증을 완료했으며, 지속적으로 설계반영과 현장적용을 추진할 계획이다.
제2세부과제의 두 번째 개발품인 ‘하이브리드(Hybrid) SFRC’ 및 ‘Full SFRC 세그먼트’ 라이닝은 철근보강의 전체 또는 부분 생략을 위한 고품질 ‘강섬유보강콘크리트(Steel Fiber Reinforced Concrete, 이하 SFRC)’를 활용하는 세그먼트 기술이다.
설계강도 60MPa(고로슬래그 50% 치환) 및 45MPa에 대한 고유동 SFRC 세그먼트의 최적 배합조건을 개발했다. 특히, 유럽 성능기준(Model Code 2010)을 만족하는 국산 강섬유 혼입 SFRC를 개발해 높은 인성성능과 균질한 분산도 기준을 모두 만족했다.
또한 국내에서 연구실적 또는 실무 적용사례가 전무했던 Full SFRC 세그먼트의 설계법을 정립했고, 연구결과로부터 Full SFRC 세그먼트는 압축지배 단면 조건에의 적용이 타당함을 도출했다.
따라서 고강도 콘크리트, 고장력 철근 및 강섬유보강의 장점을 결합한 하이브리드 SFRC 세그먼트를 개발해 압축지배 단면조건 뿐만 아니라 인장지배 단면 조건에도 적용이 가능하도록 했다. 특히, 일부 강섬유 보강을 통해 철근보강 최소화와 세그먼트의 시공 중 파손 방지를 도모했다.
이상과 같이 개발된 ‘하이브리드 SFRC 세그먼트’는 국산 커터헤드 장착 쉴드TBM이 적용된 두 개의 현장에 함께 일부 구간 적용되었는데, 철근량이 10~36% 절감됐음에도 불구하고 기존의 일반 RC 세그먼트와 비교할 때 균열하중과 파괴하중이 대폭 향상됐음을 확인했다.
특히, 강섬유 보강으로 인한 Hybrid SFRC 및 Full SFRC 세그먼트의 균열 억제효과를 확인할 수 있었다.
제2세부과제에서는 이상과 같이 개발된 고성능 세그먼트들을 포함한 세그먼트 라이닝의 합리적이고 신뢰적인 해석·설계를 위해, 지식기반형 세그먼트 라이닝 자동화 해석 시스템을 개발했다.
특히, 기존의 이론적·해석적 기법뿐만 아니라 인공신경망(ANN) 모듈을 탑재해 세그먼트 설계과정을 자동화했고 설계결과의 신뢰성과 정확성을 향상함과 더불어 설계 작업시간을 단축하는데 기여했다.
또한 본 연구단에서 정립한 SFRC 세그먼트의 설계방법들을 기반으로 SFRC 세그먼트 전용 설계 프로그램도 함께 제작했다.
개발된 ‘TBM터널 공사비 지침서’ 발주기관에 제공
선진화 된 TBM 기술·연구개발 투자에 노력 요구
제3세부과제의 첫 번째 연구성과는 ‘TBM 전방 지반조사에 기반한 TBM터널 시공리스크 관리 시스템’으로서, 전기비저항 및 시추공 탐사를 이용한 TBM전방의 지반조건 예측 기술을 바탕으로 위험 구간에서 발생 가능한 리스크 사건을 사전에 탐지하고 위험도를 평가해 시공 중 대응방안을 제시함으로써 각종 리스크를 관리하는 시스템이다.
특히, 정기계측에 활용되도록 개발된 디스크커터 센서 시스템을 활용하는 경우의 탐사범위는 터널 직경의 4배 정도이며 측정 및 해석 시간은 3시간에 불과해 다른 탐사방법에 비해 월등히 빠르다는 장점을 가지고 있다.
또한 개발된 전기비저항 탐사기법에 의해서는 TBM 전방 20m 이상까지 예측 가능하며 70% 이상의 예측 신뢰도를 나타냈다.
이와 더불어 개발된 TBM 장착 선진시추 시스템에 의한 막장전방 지반 상태의 정량적인 평가와 시추공 영상촬영을 통해, TBM 전방에 대한 직접적인 지반정보 획득이 가능하게 됐다.
이상과 같은 TBM 전방 조사결과들을 바탕으로 TBM 리스크 관리 시스템을 구축했다. 이 시스템에는 리스크 발생 시에 대책공법을 제시하기 위한 다기준 의사결정론, FT(Fault Tree)와 AHP(Analytic Hierarchy Process)를 활용한 정량적인 리스크 평가 모델 및 지질·설계·시공별로 분류된 리스크 요인들의 데이터베이스가 포함돼 있다.
이상의 개발기술들은 국산 커터헤드 장착 쉴드TBM이 적용된 송전선로 터널 현장뿐만 아니라 서울지하철 9호선 OO공구, 가스 주배관 공사, 보령-태안 해저터널 건설공사 등의 다수 현장에 시험시공 및 현장 적용돼 그 성능을 입증 받았다.
제3세부과제의 두 번째 연구성과인 ‘TBM터널 표준단면도 및 발주 개선(안)’과 관련해서는 국내·외 TBM터널의 단면들을 비교·분석하고 TBM터널 단면 개선방안을 검토해, 철도, 도로 등 다양한 용도별 TBM터널의 표준단면을 제안했다.
또한 국내·외 발주제도를 비교·분석해 TBM터널 발주제도의 개선방안을 제안했고 선진 TBM 발주 절차를 검토해 국내 TBM 발주관리 개선방안을 함께 제시했다.
특히, 이번 연구과제에서 제안한 TBM터널 표준단면(안)은 수도권광역급행철도(GTX) 구간의 TBM터널 단면의 계획 수립 시에 적용을 검토하기로 협의된 상황이다.
제3세부과제의 세 번째 연구성과인 ‘TBM터널의 설계기준(안) 및 시방서(안)’는 전 세계 최신 기술동향과 국내 실정을 고려해 도출된 연구성과로서, 2015년 1월 개정고시된 ‘터널표준시방서’의 TBM편에 연구내용이 반영됐다.
특히, 국제적 기술수준에 부합되도록 내용을 기술했다. 세그먼트 라이닝 설계법 등과 같은 최신기술, TBM 현장의 리스크 발생 최소화를 위해 설계단계에서 고려해야 할 사항 등을 반영했다.
또한 연구의 일환으로서 AHP 기법을 적용해 최적의 TBM을 선정하기 위한 가이드라인을 함께 제시했다.
또한 제3세부과제에서는 TBM터널의 시공 프로세스 및 작업분류 체계의 분석을 통해 공사비 산출기준을 제시하고 이를 기반으로 한 공사비 산출 시스템을 개발했다.
특히, TBM터널의 표준내역 구성체계를 제시해 공사비 구성의 일관성을 확보하고 공사비 실적화를 가능하게 했다. 또한 손료산정방식을 적용해 TBM 장비비의 절감효과를 확보하고자 했으며, 전역변수(GVS) 및 표준내역서(template)개념이 도입된 국내 최초의 TBM터널 전문 공사비 산출 시스템을 개발했다.
이상과 같이 개발된 TBM터널 공사비 산출기준 등과 관련해 작성된 지침서는 TBM터널 공사비 산정 시에 활용될 수 있도록 각종 발주기관에 제공됐다.
약 4년 반 동안의 연구개발 기간 동안 기술적·환경적으로 많은 어려움이 있었지만, 기존에 국내 기술이 극히 미흡했거나 외국으로부터의 기술 습득이 매우 제한적이었던 TBM터널 분야의 독자적인 기술개발을 위해 모든 연구진들이 많은 노력을 경주해 성공적으로 연구사업이 완료됐다.
특히, TBM 장비에서 가장 중요한 부분 중의 하나인 커터헤드를 국산화함으로 인해, 향후 TBM의 100% 국산화를 위한 초석을 마련했다. 또한 공사비의 가장 큰 비중을 차지하는 세그먼트 라이닝과 디스크커터의 고성능화 기술, TBM 전방 탐사 및 리스크 관리 시스템 등의 첨단 기술개발을 통해 우리나라 TBM터널의 기술경쟁력과 경제성 향상에 기여할 수 있게 됐다.
전 세계 터널시장에서 TBM이 매우 큰 비중을 차지하고 있으며 그 성장폭도 큰 상황임을 고려할 때, 앞으로도 TBM 기술개발과 선진화에 대한 지속적인 연구개발 투자와 기술개발 노력이 요구된다.
정리= 한국건설신문 김덕수 기자
