공사기간 단축을위한 - railway.or.krrailway.or.kr/UploadData/Editor/Conference/201106/F2768E020837400F9683... · 2011 철도정책혁신방안세미나 공사기간단축을위한

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2011 철도정책 혁신방안 세미나

공사기간 단축을 위한

적합한 터널굴착 공법

12.11.20062011. 06. 13.

발표자: 조계춘

소 속: 한국과학기술원



목 차

1. 개 요

2. 터널 굴착 공법

3. 터널 관련 연구단

4. 터널 공사기간 단축 기술

5. 결 언



개 요


국내 터널 건설 현황

도로 터널

1. 개요

철도 터널

0

100

200

300

400

500

600

700

800

1978 1983 1988 1993 1998 2003 2008년도

누적연장(km)

도로터널

철도터널

출처: 국토해양부 자료 (2008년)754

348 359

239

0

100

200

300

400

500

600

700

800

누적

연장

(km

)

도로터널 철도터널

총연장

장대터널 총연장

• 총연장: 약 754km

• 장대터널: 약 348km (46%)

• 총연장: 약 359km

• 장대터널: 약 239km (67%)

터널 수요 증가


GTX 터널

특징

1. 개요

• 도심구간지하 40~50m에터널건설

• 노선을직선화함으로써기존전철보다 3배이상빠른속도로운행(100km/h ~ 200km/h)

• 총노선은약 174km

• 장대터널

고려사항

일반터널과비교하여장대터널인경우

• 방재시설및배수, 공기압, 환기등을세밀히검토

• 대부분이경암지역으로이에적절한굴착공법선택

• 깊은심도에적절한 수직갱건설

• 장대터널에적절한피난구및피난연락갱


공기 단축의 필요성

공비/공기 증대

1. 개요

• 선진국과비교결과

공사비용 최대 3배증가

시공속도 최대 5배저하

• 다양한지반조건및주변환경대처능력부재

공비/공기 단축 저해 요인

• 기술적문제

비효율적 발파 굴착에 의한 여굴/미굴 발생

지반변화에대한 긴급 대처기술 미흡

시공 도중 사전 지반조사와상이한결과로인한 붕괴/붕락 (연평균 20여건발생)

이로 인한 공사 비용 증대 (약 1,000억원/년)

• 운영및관리상문제

현장에 전문가 부재

공정의효율성저하 (공정과정 중 병행할 수 있는 공법과 시스템의 부재)

• 발주방식등 제도상문제

Express Rail Tunnel, Korea Spillway Tunnel, Korea

Metro Tunnel, Switzerland Road Tunnel, Norway


터널 굴착 공법


주요 굴착 공법 2. 터널 굴착 공법

• NATM (New Austrian Tunneling Method)

• 터널을구성하는주변암반자체를지보재로활용

• Shotcrete나 Rockbolt를보조지보재로사용

• TBM (Tunnel Boring Machine)

• 발파공법이아닌전단면터널굴착기사용

• 암을압쇄또는절삭에의해굴착하는기계식굴착

• 하천, 해저, 연약지반등에터널을시공할경우적용

• 원형관의 Shield를 사용

• 굴착과동시에지보및 Segment 조립

• TBM 선굴진후 확대발파

NATM 공법

TBM 공법

Shield 공법

TBM+NATM


NATM 공법 2. 터널 굴착 공법

특 징

장 / 단점

개선사항

장 점 단 점

시공성 안정성 경제성

• 암질 불량구간에서 소단면

굴착 가능

• 암질 변화구간에서 유연한

대처가능

• 발파 – 낙반 사고

• 터널 안정성 사전 예측

• 암질불량구간보강방안

조기 강구

• 토사지반 적용 시고가

• 원지반을 주지보로 활용

해 최소지보보강

• 정밀성 저하

• 발파로 인한 낙반 사고

• 장대터널에서 비교적 고가

• 암질 불량구간에 적용

• 굴착 즉시 보강재 사용

• 일반터널에서 비교적 저가

• 많은 경험과 각 공정 별 다양한 기술 개

발이 되어 있으나, 실제 접목이 필요

• 공정을 단축하거나 공사기간을 단축할

수 있는 요소기술이 필요


TBM 2. 터널 굴착 공법

특 징

장 / 단점

개선사항

장 점 단 점


• 굴착, 버력 처리 자동화

• 암질 변화가 심할 경우 시

공성 저하

• 비발파 – 낙반 사고 최소화

• 원지반 이완 최소화

• 원형 단면으로 구조적 안정

• 초기비용 과다로 장대터

널에경제적

• 원지반을 주 지보로 활용

해 최소 지보 보강

• 암질불량구간의 타 공법 병

행불가

• 초기비용 고가

• 암질불량구간 사전예측 불

가능

• 정밀한시공성

• 원지반 안정성 확보에 유리

• 여굴량 최소화에 따른 경제

성 확보

• 대형 TBM 현장적용경험이미흡

• TBM 기기와 더불어 적용 가능한 보조

기술 개발이 필요

OPEN TBM


Shield TBM 2. 터널 굴착 공법

특 징

장 / 단점

개선사항

장 점 단 점


• 근접 구조물 통과 유리

• 사행 조정 등의 시공 능력

요구

• TBM을 이용하여 굴착진동

과 발파진동이 적어짐

• 갑작스런 지질변화에 유연

한대처가능

• 토사 및 풍화암 지반 굴진

속도빠름

• 초기 비용 과다로 장대 터

널에 경제적

• 분할 시공 불가능

• 지반 침하, 지하수 유출 등

에 대비한 보조공법 필요

• 비교적 고가

• 근접 구조물 통과시 유리

• 원형단면으로 구조적 안정

• 여굴량 최소화에 따른 경

제성 확보

• 대형 Shield TBM 현장적용경험이미흡

• TBM 기기와 더불어 적용 가능한 보조

기술 개발이 필요

SHEILD TBM


TBM 선굴착

NATM 후굴착

TBM + NATM 2. 터널 굴착 공법

특 징

장 / 단점

개선사항

장 점 단 점


• 굴진속도가 빠른 TBM과 암

질 변화에 유연하게 대처가

가능한 NATM의 장점 동시

이용

• 쉴드 자체의 지지효과로 낙

반사고 없음

• 원지반 이완 최소화

• 안정성 확보에 가장 유리

• 두 공법의 사용으로 경제

적 비용 절감

• 현장 조건 제약 및 제한

• 복잡한 공정 싸이클

• 체계적인 시공순서 정립 필

요

• 형상,크기 제약 없어 시공성

증대

• 사전조사 가능-안정성 확보

• 터널의 지보 설계 경제적,

합리적 수행 가능

• 대형 TBM+NATM 현장 적용 경험이

미흡

• 복잡한 공정 싸이클의 간소화


공사비와 굴착거리 비교(철도 터널)

공사기간과 굴착거리 비교(철도 터널)

NATM과 TBM 2. 터널 굴착 공법

거리별 m당 공사비

(출처: ATA Korea)

경제성(5)

안정성(9)

민원가능성(5)

환경성(8)

공기(9)

시공성(8)

TBM

경제성(8)

안정성(3)

민원가능성(9)

환경성(6)

공기(7)

시공성(8)

NATM

(출처: 분당선 복선전철 제 3공구)

통 합 비 교


터널 관련 연구단


대형 지하구조물 관련 연구단 3. 터널 관련 연구단

대형 대단면 지하공간 창출을 위한 지하공간 건설

• 연구단장: 이인모(고려대학교)

• 연구기간: 2004.07. ~ 2009.07.


급속시공 관련 연구단

IT 및 신소재를 활용한 급속안정화 터널 시공기술 개발

• 연구단장: 배규진(한국건설기술연구원)

• 연구기간: 2005.06. ~ 2010.06.



해저시설물 관련 연구단

해저시설물 차폐기술 개발

• 연구단장: 신희순(한국지질자원연구원)

• 연구기간: 2005.06. ~ 2010.06.


동북아 교통/물류 거점 확보 및국가전략에 부응하는 에너지 비축환경 확보에 기여

‘해저시설물 차폐 기술 개발’을 통한안전하고 경제적이면서 친환경적인 해저시설물 건설

해저지반 조사 및계측 기술 개발

• 해저지반 조사 기술개발

• 해 저 시 설 을 통 한계측/관리 시스템 개발

• 시공 risk 관리 시스템개발

해저시설물 수리-역학적설계 기술 개발

• 원지반 손상을 고려한터널 설계 기술

• 지 식 기 반 그 라 우 팅설계/시공 시스템

• 수 직 구 단 면 및내진해석 기술

해저터널 방배수 설계 기술및 신 재료 개발

• 해 저 터 널 Hybrid방배수 설계 기술 개발

• 재료 및 대용량 배수재개발

• 라 이 닝 Active 수 압장치 및 시공법 개발

해저에너지저장시설 차폐 및시공시뮬레이션 기술 개발

• 대규모 지하공간에서차폐기술 개발

• 해 저 지 하 저 장 시 설시 공 시 뮬 레 이 션프로그램 개발


TBM 관련 연구단

TBM 핵심설계 부품기술 및 TBM터널의 최적 건설기술 개발

• 연구단장: 배규진(한국건설기술연구원)

• 연구기간: 2010.12. ~ 2015.06.



터널 공사기간 단축 기술


기술 개요 4. 터널 공사기간 단축 기술

1

2 3

터널 공정 단축 기술

1

• 공정을 병행 혹은 신기술

을 통해 공사 기간 단축

• 보조공법

터널 굴착 공법 터널 정보 평가 기술

• 터널 사고를 사전에 방지

• 터널 안정성에 기여하여

공사기간 증가를 방지

• NATM

• TBM

• Shield

2 3


기존 암반 평가 기술 New 암반 평가 기술

• RMR (Rock Mass Rating), RSR (RockStructure Rating), Q-system, 등

• 암반의 특징, 절리의 특징, 지하수 상태등을평가해서암반을분류

암반분류

기타 기술

• Face Mapping: 터널 막장면의 지질상태를 스케치하고특징을기입

• 암반강도측정

모바일 굴진면매핑 모듈

• 굴진면매핑자료의전산화

• 위험요소사전경보, 신속한굴진면매핑

모바일기기 설계지반정보조회

암질매핑암종매핑

터널 정보 평가 기술(1/4) 4. 터널 공사기간 단축 기술


천공파라메터

굴착단면평가모듈

물리탐사기법에 의한암반분류

터널 정보 평가 기술(2/4) 4. 터널 공사기간 단축 기술

여미굴량측정, 정량적지질매핑, 변위계측, 누수지점파악

0

10

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1.00E+00 1.00E+01 1.00E+02 1.00E+03 1.00E+04 1.00E+05 1.00E+06

RMR

Electrical resistivity(Ωm)

• 전기비저항과암반, 절리의 특징의 상관관계 도출

• 신속히 현장 상태에 따른 RMR 값 제시

전기비저항을이용한신속한암반분류

유압착압기의기계량을이용한굴착지반신속정밀평가

누수지점파악정량적지질매핑여미굴량측정


터널 전방 예측 기술

• 탄성파의반사원리를이용

• 장거리 (약 200m) 측정가능

• 암반상태가좋을수록예측이잘됨 (단층파쇄대)

• 국지적인이상대를예측하기는어려움

• 측정소요시간이길며, 발파로인한문제발생

4. 터널 공사기간 단축 기술터널 정보 평가 기술(3/4)

TSP(Tunnel Seismic Profiling)

TEPS(Tunnel Electrical resistivity Prospecting System)

기타

• MoSA (Monitoring-based Stability

Assessment)

• BEAM (Bore-Tunnelling Electrical

Ahead Monitoring)

• Pilot Drilling

• THAM (Tunnel construction

Hazard Management)

• 전자기파의흐름을이용

• 단거리 (터널직경의 5배이내)에서측정

• 암반상태가나쁠수록예측이잘됨 (연약대, 단층)

• 측정소요시간이짧고소음이없음

• 전문가에의한해석이필요


4. 터널 공사기간 단축 기술터널 정보 평가 기술(4/4)

터널 안전성 평가 기술

다양한 계측변위 측정 방법 개발터널 변형률 예측 기법

• 계측변위를 이용한 터널 변형율 예측

• 여러 해석모델법을 이용하여 실시간

안정성 평가

안정성도표

웹기반안정성평가

• 기존의 내공변위 측정, 첨단침하 측정,

지중변위 측정, 록볼트 축력 측정, 라

이닝 응력 측정, 지표 지중침하 측정

등을 다양한 기기와 측정 방법들이 개

발됨

계측관리시스템예


터널 공정 단축 기술(1/5) 4. 터널 공사기간 단축 기술

목적

신공법

발파 신공법 개발

여굴, 미굴의 최소화

경제적, 효율적인 발파

발파공법은 굴진장, 암반의 강도 및 불연속면 상태, 지반진동 및 소음, 터널의 단면적,

경제성, 발파효율 등을 고려하여 선정

기존의 평행공 심발, 경사공 심발, PLHBM-cut, COPA-cut, Circular-cut 등 다양한 방법

을 토대로 여굴의최소화를위해 폭약류, 뇌관류 등을 선정

예) 외곽공, 전열공의 MS 발파공법 예) 발파암분류및발파패턴자동화설계


4. 터널 공사기간 단축 기술터널 공정 단축 기술(2/5)

목 적 특 징

Raise boring method

• 수직구 굴착에 소요되는시간 단축

• 소음 저감

• 공사기간 단축

• 굴착된 토량의 효율적

제거



워터젯을 이용한 굴착 보조공법

• 최외각공을 대신하여 워터젯을 이용한 선행절삭

굴착공법

목적 및 특징

• 저소음, 저진동굴착이가능

• 굴착손상영역의 최소화로 인한 터널의 안정성 확보

• 굴착 후 여굴이 발생하지 않기 때문에 보강비용과 공

기의 단축

• 최소의 장약량을 이용하여 최대의 발파 효과 기대

BlastingTunnelling Direction

Abrasive Waterjet

Reflection

Pre-cutting Free Surface

ReflectionThickness of Free Surface

Depth of Free Surface


목적 및 특징

굴착-라이닝 병행 시공 기술

• 굴착과라이닝작업을병행시공함으로써, 공사기간 단축

• 관련된 여러 기술 개발

복합 환기시스템 개발

방수막 설치장비 개발

라이닝폼 거푸집 기계화 설치 장치 개발 등

방수막설치장비

복합환기시스템

라이닝거푸집기계화설치장비

터널 공정 단축 기술(4/5)


공정 관리 시스템


목적 특징

• 병행가능한작업을선별하여전체적인터널공

정을단축

• 예기치 않은 일이 발생하였을 때 적절한 대처

방안을모색

• 많은 업체들이 경험에 의한, 기술에 의한 공정 관리

시스템을보유함

• 공정 관리 시스템을 통하여 공사기간을 단축하고 이

에공사비를저감


결 언


요약 5. 결언

터널 공정 단축 기술

터널 굴착 공법

터널 정보 평가 기술

• 굴착보조기술(발파, 워터젯등)• 굴착-라이닝병행시공기술• 공정관리시스템

• NATM• TBM• Shield TBM• TBM+NATM

• 터널암반상태평가기술• 터널전방탐사기술• 터널안정성평가기술

터널 관련 연구단

1. 대형 지하구조물

2. 급속시공

3. 해저시설물

4. TBM


추후 연구 방향 제안 5. 결언

장대터널에 필요한 기술 개발

• 국산화된 TBM 및 Shield TBM 기술로인한경제적비용절감

• 장대터널로인한기타시설물건설에필요한보조공법개발

공사기간 단축을 위한 기술 개발

• 장대터널 건설로 인한 장기화된 공사기간 및 공정 과정을 효율적으로 관리하

는시스템개발

• 적절한 TBM, Shield TBM, NATM 공법병행사용

• 터널사고사전방지를위한기술개발


Future research

References1. 대형 대단면 지하공간 창출을 위한 지하공간 건설 연구단 보고서2. IT 및 신소재를 활용한 급속안정화 터널 시공기술 개발 연구단 보고서3. 해저시설물 차폐기술 개발 연구단 보고서4. TBM 핵심설계 부품기술 및 TBM 터널의 최적 건설기술 개발 연구단 보고서

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