해저터널 적정 공사기간 예측을 위한 표준공정관리 체계 연구
배근우*
*㈜현인피씨엠
A Study on Standard Construction Process Management System for Prediction of Proper Construction Period of Subsea Tunnel
Bae, Keunwoo
**Department of Construction Management , Hyeon-In PCM
Abstract : As a typical domestic subsea tunnel construction the Gadeok subsea tunnel applying the method of immersed tunnel has been completed and the Boryeong-Taean subsea tunnel is under construction using NATM. The high- speed railway subsea tunnels between the Honam and Jeju are under consideration, and the feasibility of constructing subsea tunnels with Japan and China is also under consideration. However, it is difficult to provide the process plan information for the construction work such as the analysis of the feasibility of the subsea tunnel and the prediction of the proper construction period because there is no case of domestic construction for it applying the shield TBM method.
Due to economic and other reasons, government organizations are reluctant to apply the shield TBM, and there is lack of data on the construction process management field using the shield TBM method. Therefore, a standard construction process management system for the subsea tunnel is needed to analyze the feasibility of the subsea tunnel and to predict the proper construction period. By presenting the standard construction process management system of subsea tunnels such as WBS, Network Diagram, and construction period calculation model, I hope to contribute technically and economically to future subsea tunnel projects.
Keywords : Standard Construction Process Management System, Prediction of Proper Construction Period of Subsea Tunnel, Work Breakdown Structure(WBS) of Subsea Tunnel
* Corresponding author: Bae, Keunwoo, Department of
Construction Management, Hyeon-In PCM, 1301, 282, Hagui-ro, Dongan-gu, Anyang-si, Gyeonggi-do, Korea(14056)
E-mail: [email protected]
Received March 1, 2017: revised June 14, 2017 accepted July 5, 2017
1. 서론
1.1 연구의 배경 및 목적
최근 터널 시공기술의 발달과 함께 시간과 공간의 제약을 극복할 수 있는 교통수단으로 해저터널 건설에 대한 관심이 높아지고 있다. 경남 거제시와 부산광역시를 연결하는 거가 대교 8.2km 구간 중 가덕도 ~ 대죽도 구간 3.7km가 해저 터널로 건설되어 운영 중이고, 보령시 대천항과 안면도를 연 결하는 국도 77호선 14.1km 구간 중 대천항 ~ 원산도 구간 6.9km를 해저터널로 건설 중이다. 또한, “호남 ~ 제주 해저 고속철도 건설을 위한 토론회(국가균형발전연구포럼, 2009.
4. 15)”를 개최하는 등, 호남에서 제주를 연결하는 해저터널 건설에 대한 논의가 지속적으로 이루어지고 있으며, 2013년 부터 호남 ~ 제주간 고속철도 터널 등 초장대 해저터널 건설 에 대비하여 국토교통부 주관으로 “고수압 초장대 해저터널 기술자립을 위한 핵심요소 기술 개발”에 대한 연구가 현재 활 발히 진행중이다(“Developmnet of key subsea tunnelling technology”2013 ~ 2018).
도심지 및 산악지대를 관통하는 육상구간 터널은 대부분
NATM (New Austrian Tunneling Method)을 적용하고 있
으며, 다양한 시공실적에 따른 축적된 기술력을 바탕으로 적
정 공사기간과 비용 예측이 가능하다. 반면, 해저터널의 주
요 공법으로 검토되는 대단면 Shield TBM (Tunnel Boring
Machine) 공법은 상대적으로 시공실적이 적고, 체계적인 공
정관리 기술이 부족하여 공기지연 등의 문제가 발생되고 있
다. Shield TBM 공법을 적용한 지하철 분당선 한강 하저구간
은 당초 계획보다 1년 이상 지연된 2009년 8월에 터널을 관
통하였으며(한국철도시설공단 보도자료, 2009; 분당선 한강 하저 터널 쉴드 TBM 설계·시공 사례, 김기철, 2009), 지하 철 9호선 3단계 공사(919, 920, 921현장)는 당초 2016년 개통 예정이었으나 2년 이상 지연되어 2018년 개통예정이다. 이렇 게 Shield TBM 공법을 적용한 프로젝트에서 공사기간이 지 연되는 원인은 설계단계에서 발주처나 설계자의 경험에 의존 한 관행적 공사기간의 적용으로 적정 공사기간이 반영되지 않기 때문이며, 공사수행을 위한 체계적인 공정관리 기술이 미흡하여 계획된 공사기간이 초과 되거나 공기지연 요인이 발생할 경우 적절한 현장대응이 이루어지지 않기 때문이다.
특히 해저터널은 해저지반에 시공되는 특성으로 인하여 해 저지반 전체에 대한 조사 및 지반조건 예측이 어렵고, 고수압 등 어려운 시공여건으로 인해 공사중 예기치 못한 상황이 발 생될 수 있어 공사기간이 지연될 가능성이 크다.
본 연구에서는 해저터널 설계 단계에서부터 합리적 공정계 획을 수립하고 프로젝트의 공기지연에 따른 위험요소를 사전 에 검토·제거함으로서 안전하고 신뢰성 높은 해저터널 건설 을 추진하는데 적합한 공정관리 체계를 제안하고자 한다.
1.2 연구의 범위 및 방법
향후 시공하게 될 장대 해저터널 사업성 분석 및 적정 공사 기간 예측 등 공사수행을 위한 공정계획 정보를 제공하기 위 해 국내 해저터널 시공사례 및 공정관리체계와 관련된 문헌 조사를 수행하고, 건설공사 공정계획 수립절차 검토를 통해 해저터널 공정관리 체계 정립을 위한 핵심 연구내용을 도출 하였으며, 해저터널 주요 시설물을 대상으로 공정분류체계 정립 및 시설물별 공정계획 수립, 단위 공정별 공사기간 분석 등 연구를 수행하였다.
해저터널은 해저지반에 건설되므로 시공 중 예상치 못한 높은 수압의 해수 침투가 발생할 수 있으며 이로 인한 안전 사고가 발생할 경우 막대한 인명 및 경제적 피해가 발생되므 로, 향후 건설되어질 해저터널은 고수압에서의 안전성을 확 보할 수 있는 기계화 시공(Shield TBM)에 초점을 맞추어 공 정관리체계가 마련되어야 하며, 상행선과 하행선을 연결하는 횡갱터널(Cross passage) 및 건넘선 터널(Crossover)
1)등은 Shield TBM 공법을 적용하기 어려우므로 NATM 공법을 적 용할 수 있도록 연구를 수행하였다.
또한, 해저터널 건설공사 전체 공사기간 예측을 위해서는 터널공사 뿐만 아니라 인공섬, 수직구, 구난역
2)및 환기시설
등 해저터널 건설 전반에 대한 공정관리체계가 필요하다.
본 연구에서는 실효성을 높이고, 연구성과가 현업에 적용 될 수 있도록 “고수압 초장대 해저터널 기술자립을 위한 핵심 요소 기술 개발” 연구에서 제시된 가상의 호남 ~ 제주간 고 속철도 해저터널을 대상으로 하였으며, 가상설계에서 제시된
“호남 ~ 넙도 ~ 추자도 ~ 화도 ~ 제주” 구간 중 구난역간 거리가 가장 길어 전체 공사의 Critical Path에 해당하는 넙 도(Shaft #1) ~ 추자도(Shaft #2) 구간에 초점을 맞춰 연구를 수행하였다(Fig. 1).
Fig. 1. Virtual subsea tunnel of Honam Jeju
2. 해저터널 표준공정관리 체계 2.1 공정관리체계 사전조사
2.1.1 도로 및 철도터널 설계기준 조사
해저터널 표준공정관리 체계
3)를 정립하기에 앞서 국내 도 로 및 철도 건설 사업에서 사용하고 있는 터널공사와 관련된 공정분류 체계 적용기준에 대해 조사하였다.
먼저 도로분야는 국도건설공사 설계실무 요령에서 제시된 내역체계를 활용하여 터널공 공정분류체계를 분석한 결과, 굴착, 버력처리, 지보공, 록볼트공, 방수공, 배수공, 콘크리트 라이닝, 갱문 및 옹벽, 부대시설공, 계측 등으로 구분하고 있 으며, 이러한 분류체계는 NATM 공법을 적용한 터널 건설에 만 적용이 가능하다(국도건설공사 설계실무 요령, 2016).
철도분야는 한국철도시설공단에서 사업관리절차서를 통 해 터널공 작업분류체계를 공통, 본선터널, 사갱, 라이닝, 도 상으로 구분하여 제시하고 있고(한국철도시설공단 사업관리 절차서, 2008), 내역체계는 개착식터널, NATM 터널, 개착 식 BOX로 구분하는 등(철도노반공사 수량 및 단가산출 표준, 2008), 도로터널과 마찬가지로 NATM 공법만을 제시하고 있 어 Shield TBM 공법에 적용이 어려운 실정이다.
2.1.2 국내 해저터널 시공사례 조사
해저터널 공정관리체계 구축을 위해 이미 완공되어 운영중 인 가덕 해저터널과 현재 시공중에 있는 보령~태안간 해저터 널에 대한 시공사례를 조사하였다(Table 1), (최승범, 2014).
1) 횡갱터널(Cross passage) : 유지관리 및 비상시에 터널간 사람의 이 동이 가능하도록 상행선 – 서비스터널 – 하행선을 연결하는 터널 건넘선터널(Crossover) : 비상시 상행에서 하행으로 또는 반대방향
으로 열차가 통행하는 터널(Fig. 3, Table 2 참조)
2) 구난역 : 비상시 해저터널에서 지상으로 대피하기 위해 중간 수직구 구간에 승강장 및 대피시설을 설치하는 정거장
3) 해저터널 건설에 소요되는 공사기간을 예측하고, 최적의 공사수행 을 위한 공정계획을 수립하는 전반의 절차(Fig 2. 참조)
Table 1. Examples of domestic construction of subsea tunnels Item Gadeok Subsea tunnel Boryong Subsea tunnel
Construction Area
Gadeok Island, Busan - Geoje Island, Gyeongsangnam-do
Boryong-si, Chungcheongnam - do -
Wonsan Island Construction
Period 2004 ∼ 2010 2010 ∼ 2020
(Under Consturucion) Subsea tunnel
length 3.7km 6.9km
Construction method
Trench Mehod
(Tube SinKing Method) NATM Tunnel Status 4 Lanes, Road tunnel 4 Lanes, Road tunnel
가덕 해저터널은 부산광역시 강서구 가덕도와 경남 거제도 를 연결하는 왕복 4차선, 3.2km 길이의 도로터널로, 해저터 널 건설공법은 육상에서 제작된 콘크리트 함체를 물에 띄운 상태로 이동시켜 해당위치에 침설시킨 후 함체를 연결하여 터널을 건설하는 침매공법이 적용되었으며, 보령 해저터널은 왕복 4차선, 연장 약 7km의 도로터널로 NATM 공법을 적용 하여 2010년에 착공되어 현재 공사중이다.
조사된바와 같이 가덕해저터널 및 보령 해저터널은 각각 침매공법 및 NATM 공법을 적용하여 Shield TBM 공법에 기 반한 장대 해저터널 공정관리 사례로는 부적합하다.
따라서 본 연구에서는 기시공된 사례보다는 향후 건설되어 질 호남~제주간 고속철도 가상해저터널을 대상으로 표준공 정체계를 구축하고자 한다.
2.1.3 Shield TBM 공사기간 산정에 대한 문헌조사
해저터널 건설은 앞서 언급한 바와 같이 해저지반에 건설 되는 특성을 가지고 있어 고수압 조건에서 안정성 확보가 가 능한 Shield TBM 공법을 적용하여야 하므로, 본 연구에서는 Shield TBM 공법을 중심으로 공정관리체계 구축 및 공사기 간 예측 연구에 대한 문헌조사를 수행하였다.
건설공사 표준품셈 기계화시공편에서 터널전단면 굴착기 (TBM)에 대한 장비 작업능력 산정식을 제시하고 있기는 하 지만, 세그먼트 조립, 장비정비 등 실제 시공여건이 반영되지 않아 TBM 공법을 적용한 전체공사기간 산정에 직접 적용은 어려운 실정이다(건설공사 표준품셈, 2017).
TMB 공법 적용 현장의 굴진보고서 수집을 통한 작업운영 생산성을 분석하여 구경별(2.6m, 3.0m, 3.5m, 5.0m, 8.0m) 월굴진속도(m/월)를 도출하였다. 또한, 도출된 구경별 월굴 진속도와 독일의 WRITH사에서 구경별로 제시한 월굴진속 도를 비교·분석하여 1m당 굴진에 소요되는 공사비와 공사 기간을 산출하였다(박홍태, 2012).
TBM 공법(ø2.6m, ø3.0m, ø3.5m, ø5.0m, ø8.0m) 운영을 위한 건설사업의 초기단계에서 활용할 수 있는 표준 모델을 제시하여 신속하게 전체 개략공기를 추정할 수 있는
공기를 산정하여 제시하였다(박홍태, 2013).
국내 TBM 굴진율 자료와 해외 TBM 선진국들의 시공 굴진 율 자료를 비교분석해 굴진율이 국내와 차이가 나는 원인 규 명을 통한 바람직한 국내 TBM 장비 개발 방안 및 운영방을 제시하였다(정우택, 2014).
TBM 공법 적용 터널 현장의 작업 전 과정을 수록한 굴진 보고서를 근거로 작업 항목별로 차지하는 소요시간을 통계화 하여 월굴진장을 분석하였다(최재진, 2014).
TBM 터널 평가를 위한 분석시스템의 이용이 매우 불편하 고 복잡하다. 본 연구에서는 터널 기술자들이 쉽게 사용할 수 있도록 사용자 친화적인 윈도우용 프로그램을 개발하여 다양 한 프로젝트 현장 조건 및 목적에 맞는 분석시스템의 선택과 용이한 적용이 가능할 것으로 기대된다(백승한, 2003).
국내의 도로터널 및 수로터널 등에 적용된 18개 TBM 굴착 자료를 분석하여 평균가동율, TBM 직경과 굴진율 상관식을 제시하였다(조만섭, 2003).
건설기업의 업무-IT 분리현상의 문제점을 분석하고, 개선 방안으로서 업무 프로세스 기반의 정보화 시스템 기능의 연 계를 제안하였다. 이를 위해 공정관리 업무 프로세스 구조화 및 액티비티 수준의 상세분석을 실시하였다. 업무지원을 위 한 주요 정보화 시스템의 기능을 분석하여, 분석된 기능과 지 원내용을 업무 프로세스의 상세한 정보를 기반으로 연계분석 하였다(이정우, 2009).
본 연구와 관련한 다수의 연구논문에 대해 사전조사를 수 행한 결과, 연구 내용 대부분이 Shield TBM 장비의 굴진성능 및 굴진율에 대한 연구에 국한되어 있는 실정이고, 공정관리 업무체계를 분석한 내용에서도 IT 기반의 전산시스템 개발에 초점을 맞추고 있어 해저터널 건설 전반에 필요한 공사기간 예측 및 공정관리체계에 대한 내용은 언급되지 않고 있다.
설계기준 조사, 해저터널 시공사례 및 선행 연구자료를 조 사한 결과 국내에서 위와 같은 체계를 설명하고 있는 자료를 찾을 수 없었으며, 더욱이 표준화된 WBS 구성내용, 공사기 간을 산정하는 방식, 공정순서를 할당하거나 할당된 공정순 서를 설명하는 방식에 대한 구체적이고 명확한 기준이 없는 실정이다.
2.2 표준공정관리 체계 개요
2.2.1 건설공사 공정계획 수립절차 검토
해저터널 공사기간 예측 및 체계적인 공정관리를 위해 표 준공정분류체계 구성을 포함한 상세 공정계획 수립절차를 검 토하였다.
공정계획은 설계도서 검토를 통한 공종별 시설물 현황 분
석, 공정분류체계작성, 각 공정별 공법검토 및 시공프로세스
분석, Activity 정의 및 공정순서 할당, Activity별 단위 공기
산출 및 연결을 통해 전체 공사기간을 분석하게 되며, 단계별
상세 내용은 아래와 같다.
① 설계도서 검토 및 공종별 시설물 분석
② WBS(표준공정분류체계) 정립
③ 공종별 시공프로세스 분석
④ Activity 분류 및 정의
⑤ Activity간 공정순서 할당
⑥ Activity별 공사기간 산정
⑦ Activity간 연결
⑧ 전체 공사기간 분석
일반적으로 설계단계에서 위에서 언급한 공정계획 수립절 차를 거쳐 건설사업별로 공사기간을 예측하고, 공정관리의 기초자료가 되는 예정공정표를 작성하며, 작성된 예정공정표 를 기준으로 공사중 공정관리를 수행하게 된다.
2.2.2 해저터널 표준 공정관리체계 개요
해저터널은 지반조건 예측이 어렵고, 터널연장이 길어 공 사수행 방법에 따라 전체 공사기간이 크게 달라질 수 있다.
따라서 성공적인 해저터널 건설을 위해서는 설계 단계에 서부터 합리적 공정계획을 수립하여 적정 공사기간을 예측하 고, 공사중 발생 가능한 공기지연에 따른 위험요소를 사전에 검토·제거함으로서 안전하고 신뢰성 높은 해저터널을 건설 할 수 있는 공정계획 수립이 요구된다.
앞서 제시한 건설공사 공정계획 수립절차에 따라 공정계획 을 수립하여, 해저터널 건설 공사기간을 예측할 수 있으며, 안정적인 건설공사 수행을 위한 공사계획을 수립하게 된다.
이렇게 해저터널 건설 공사기간을 예측하고, 공정계획 및 공사수행 계획을 수립하는 전반의 절차를 표준공정관리 체계 로 정의하였다(Fig. 2).
Fig. 2. Standard Construction Process Management System
위와 같이 건설공사 공정계획 수립절차 검토를 통해 표준 공정관리 체계 정립을 위한 핵심 연구내용을 도출하였으며, 상세 내용은 아래와 같다
1) 향후 건설되어질 호남 ~ 제주간 고속철도 가상 해저터
널을 대상으로 한 시설물현황 분석을 통해 해저터널 시설물, 건설공종 등을 고려한 WBS (Work Breakdown Structure)
4)및 하위 단계별 분류체계를 정립한다.
2) WBS에 기반하여 해저터널 공종별 시공계획 및 최적 공 법을 선정하고, 각 시공계획에 맞는 공종별 시공프로세스 분석 을 통해 선행공정, 후행공정, 병행공정 등 공정순서를 배정하여 공정계획 분석 및 공정 Network Diagram
5)을 정의한다.
3) 해저터널 공정관리의 핵심공종인 작업구 설치, Shield TBM 굴진, NATM 터널 굴착에 대한 작업단위를 정의하고, 단위 공기산출모델을 정립하여 해저터널 공정관리 체계를 제 시한다.
2.3 표준공정분류체계(WBS) 정립
공정계획 수립에 있어, 첫 번째로 수행하여야 하는 작업이 프로젝트에 대한 시설문 현황을 분석하여 시설물별, 공종별 로 공정분류체계를 정립하는 일이다.
해저터널에 대한 표준공정관리체계 정립을 위한 설계자료 는 “고수압 초장대 해저터널 기술자립을 위한 핵심요소 기술 개발” 연구에서 제시한 호남 ~ 제주간 고속철도 터널을 대상 으로 하였으며, 가상 해저터널 설계내용을 분석하여 시설물 현황을 파악하고, 아래 그림에서와 같이 단선병렬 철도터널 을 기준으로 시설물별 목적에 맞춰 표준공정분류체계(WBS) 를 정립하였다(Developmnet of key subsea tunnelling technology, 2013~2017)
가상 해저터널의 주요시설은 인공섬, 수직구, 본선터널, 서 비스터널, 횡갱터널, 건넘선, 구난역 및 환기시설, 후속공사 (건축, 기계, 전기, 전철전력, 신호, 통신 등)로 분류하여 제시 하였다(Fig. 3, Table 2).
Fig. 3. Main facilities of the subsea tunnel
4) 공사구간, 시설물 종류, 공종(대/중/소 공종), 공사방법, 시공순서 등 에 따라 건설공정을 표준화하여 분류한 체계
5) WBS에 기초하여 시설물별로 공종별 선행, 후행, 병행 등 시공순서를 순서도로 작성한 체계
Table 2. Main facilities of the subsea tunnel
Facilities Details
A. Artificial Island · Sheild TBM work place, Rescue station, Ventilating Tower, Etc
B. Shaft ·Sheild TBM work area for excavation, Mucking C. Main Tunnel ·Main tunnel for trains(single parallel tunnel) D. Service Tunnel ·Assistant tunnel for operation and matainance
E. Cross Passage · Connecting the northbound tunnel with southbound tunnel
F. Crossover · Intersection tunnel for rescuing in case of emergency
G. Station&Ventilation Structure
· Station and ventilation structure for rescuing in case of emergency
H. Follow-up construction
· Achitacture, Orbit, subway, electricity, signal, telecommunication, trial operation
시설물별 목적에 맞춰 분류된 각 항목은 다시 총 7개 Level 로 나누어 하위 분류체계 및 Activity를 구성하였다(Fig. 4).
Fig. 4. WBS of the main tunnel
공사구간을 구별해주는 Level 1부터 공정의 기본단위인 최하위 Level 7 까지를 나타내고 있으며, 일반적으로 Level 1~4까지는 표준공정분류체계(WBS) 영역이고, Levle 5~6은 Activity 영역으로 단위공정모델의 최하위 작업단위로 분류 된다.
위에서 제시된 WBS는 해저터널 건설에 최적화 되도록 프 로젝트별로 공정관리 담당자가 구성을 검토하여야 한다.
이렇게 작성된 WBS는 나열식으로 작성되어 공정분류체계 항목별로 연관관계를 파악하기 어려운 단점이 있으므로, 이 에 대한 보완으로 WBS 계통도를 작성하도록 제시하였다.
해저터널 공종별 WBS 구성 내용을 계통도로 작성하면, 각 공정의 WBS 단계 및 상호 연관관계의 확인과 관리가 용이하 며, 도식화된 계통도의 상하 연관관계를 바탕으로 시설물별 단위공종모델을 효율적으로 구축할 수 있다(Fig. 5).
Fig. 5. WBS of the main tunnel
2.4 해저터널 시설물별 단위공정모델 제시 2.4.1 공정 Network Diagram 개요
해저터널 공정계획을 수립하기 위해서는 WBS에 기초하여 각 공종별 시공계획 및 공법을 선정하고, 공종별 시공프로세 스 분석을 통해 Activity를 분류한 후 선행공정, 후행공정, 병 행공정 등 공정순서를 배정하여야 한다.
Activity별로 공정순서를 배정할 때 설계자나 시공자의 경 험에 의존한 공정순서 배정으로 선행 및 후행공정의 순서가 바뀌거나 병행공정이 누락되는 공정계획 오류가 발생 될 수 있으며, 부정확한 공기산출 및 공사계획 수립으로 인한 공기 지연과 공사비 증가로 사업성이 저하될 우려가 크다.
또한, 해저터널은 장기간에 거쳐 많은 공사비가 소요되는 프로젝트이므로 공사계획 및 공정순서는 장비, 인력, 자재와 같은 자원투입조건에 따라 달라질 수 있으므로 공정계획 담 당자가 다각도로 검토하여 최적화하여야 한다.
공정별 WBS 및 Activity간 공정순서의 적합성을 검토하고, 공정계획을 최적화 할 수 있도록 선행, 후행, 병행 등 공정순 서를 도식화한 Network Diagram을 정립함으로써 효율적으 로 공정계획을 수립할 수 있는 체계를 제시하였다.
2.4.2 공정 Network Diagram 정립
1) 해저터널 전체 공정 Network Diagram 정립
해저터널 전체 공사계획 수립을 위해 WBS를 기초로 인공 섬, 수직구, 본선터널, 서비스터널, 건넘선, 구난역 및 환기시 설, 후속공사 등 전체 시설물에 대한 공정순서를 정의하였다.
가상 해저터널 건설은 인공섬을 조성하여 작업부지를 조성 하고, 수직구 굴착, 구난역 터널 굴착(NATM), Shield TBM 장비조립, 본선 및 서비스터널 굴착(Shield TBM), 횡갱터널 및 건넘선 굴착(NATM), 환기시설 및 후속공사 순서로 수행 된다.
이러한 공정순서를 연결하여 체계화된 Network Diagram 을 정의하였으며, 상세내용은 아래 그림과 같다(Fig. 6).
Fig. 6. Network diagram of whole facilities
2) 해저터널 시설물별 공정 Network Diagram 정립 WBS로 분석된 각각의 해저터널 시설물에 대해서도 공법 을 선정하고, 각 시공계획에 맞는 공종별 시공프로세스 분석 을 통해 선행공정, 후행공정, 병행공정 등 공정순서를 배정하 여 공정 Network Diagram을 정의하였다.
해저터널 건설에서 해상구간 수직구 설치를 위해 조성되는 인공섬 설치방안은 매립에 의한 방법과 강재구조물 방식으로 구분하였으며, 각 공법에 대한 공정 Network Diagram은 다 음과 같이 제시하였다(Fig. 7).
다만, 인공섬은 항만분야 설계와 함께 공정계획이 수립되 어야 할 분야로, 본 연구에서는 Network Diagram만 제시하 고 단위공기 산정 등 세부적인 공정체계는 제외하였다.
Fig. 7. Network diagram of the artificial island
수직구 설치를 위한 흙막이 공법은 지하연속벽, CIP, H-pile + 흙막이 공법으로 구분하였으며, 흙막이 및 차수 시 공 후 굴착 및 가시설을 시공하도록 공정순서를 정의하였고 (Fig. 8), 상세는 아래 그림과 같다.
Fig. 8. Network diagram of the shaft
본선터널 및 서비스터널은 기계화 시공을 위한 Shield TBM 장비제작 및 조립, 초기굴진, 본굴진, 도달굴진 및 장비 해체 순서로 Network Diagram를 정의 하였으며(Fig. 9), 상 세는 아래 그림과 같다.
Fig. 9. Network diagram of the main tunnel
횡갱터널, 건넘선터널, 구난역은 NATM 공법을 적용하였 으며, Shield TBM 시공이 완료된 후 세그먼트 철거 및 굴착 부 보강, 굴착 및 보강, 방수, 배수, 인버트 및 라이닝 순서로 Network Diagram를 정의하였다(Fig. 10).
Fig. 10. Network diagram of the crosspassage tunnel
그리고 구난역구간은 후속공사를 수행하도록 NATM을 적 용하여 세그먼트를 철거하고 확폭하여 터널을 굴착한 후 승 강장 및 구조물 공사를 수행하도록 추가로 공정계획에 반영 하였다(Fig. 11).
Fig. 11. Network diagram of the station & ventilation structure
2.5 공종별 단위공기 산출모델 2.5.1 단위공기 산출모델 개요
해저터널의 적정 공사기간 예측을 위해서는 표준공정분류 체계(WBS) 정립, Network Diagram 정의 등 공정모델 구축 과 함께 주요 공종에 대한 단위공기 산출방법을 제시하고 이 를 통해 시설물별 적정 공사기간을 산출하여야 한다.
본 연구에서는 해저터널 공정관리의 핵심공종인 수직구 설 치, Shield TBM 굴진, NATM 터널 굴착에 대한 작업단위를 정의하고, 단위 공기산출모델을 정립하여 해저터널 공정관리 체계를 제시하였다.
이를 통해 향후 가상해저터널뿐만 아니라 향후 실제 프로 젝트 적용에 있어 합리적인 공사기간 산정을 위한 기초정보 를 제공하고자 한다.
시설물별 공기산정을 위한 적용공법 및 단위공사기간 산출 적용에 대한 기본방향은 아래 표와 같다(Table. 3).
Table 3. Model of the construction period analysis
Facilities Details
A. Artificial Island ·Apply separately by project
B. Shaft · Application of Temporay structure & excavation period
C. Main Tunnel · Application of Sheild TBM excavation period D. Service Tunnel · Application of Sheild TBM excavation period E. Cross Passage Tunnel · Application of NATM excavation period F. Crossover Tunnel · Application of NATM excavation period G. Station&Ventilation
Structure · Application of NATM excavation period
H. Follow-up construction
· Apply separately by Achitacture, Track subway, electricity, signal, telecommunication, trial operation, etc.
WBS에 따라 공기산출 작업단위를 선정하였으며, 해저터 널과 직접 연계되는 수직구, 본선터널, 서비스터널, 횡갱터 널, 건넘선, 구난역터널 굴착에 대한 공기산출모델을 제시하 였고, 인공섬 및 후속공사(건축, 궤도 등)는 표준화가 어려우 므로 공사유형에 맞게 프로젝트별로 별도 적용하도록 하였 다.
수직구는 가시설 및 굴착공사에 대해서 지하연속벽, CIP, H-pile+토류판 공법 등으로 구분하여 공기산출모델을 제시 하므로써 실무 적용성을 넓혔으며, 본선터널 및 서비스터널 에 대해서는 Shield TBM 공기산출모델을 적용하고, 횡갱터 널, 건넘선, 구난역 등에는 NATM 굴착공기 산출모델을 적용 하였다.
2.5.2 수직구 단위공기 산출모델
수직구는 Shield TBM 굴진 작업공간으로, Shield TBM 장
비 투입 및 조립, 초기굴진을 위한 가설세그먼트, 반력대 등 의 가시설물의 설치가 가능하도록 공간을 확보하여야 하며, 후방대차의 조립공간 또한 고려하여 작업구의 폭, 연장, 깊이 등의 규모를 산정하여야 한다.
해저터널 특성을 고려하여 작업구 조성을 위한 가시설 및 굴착공법을 검토하였으며, 차수성 및 안정성이 우수한 지하 연속벽을 적용하였고, 경우에 따라 CIP 및 H-pile+토류판 공법도 적용이 가능하도록 각각의 공법에 대해 시공절차를 분석하여 공기산출 모델을 제시하였다(Fig. 12).
Fig. 12. Model of the construction period calculation for the shaft
1) 지하연속벽(Diaphragm Wall) 공기산정
지하연속벽 공법은 지중에 철근콘크리트 연속벽을 설치하 여 굴착면을 지지하고 설치된 연속벽을 영구구조물로 활용할 수 있는 공법으로, 안정액을 공급하면서 지반을 굴착하여 굴 착면의 붕괴를 방지하고, 소요심도까지 트렌치 굴착 후 철근 망 근입하고, 콘크리트를 타설하여 연속벽체를 설치하는 공 법으로 시공프로세스는 아래와 같다(Table 4).
Table 4. Construction process of the diaphragm wall
2) CIP (Cast In Pile) 공기산정
CIP 공법은 지반을 Auger로 굴착하고 철근망 또는 형강을
근입한 뒤 콘크리트를 타설하여 연속되도록 주열식 흙막이
벽체를 형성하는 공법이다(Table 5).
Table 5. Construction process of CIP
3) H-pile + 토류판 공기산정
H-pile + 토류판 공법은 H-pile 천공 및 설치 후 굴착과 동시에 흙막이판 설치, 띠장, 버팀보 및 어스앵커를 설치하여 흙막이 벽체의 붕괴를 방지하는 공법이다(Table 6).
Table 6. Construction process of H-pile + earth plate
4) 수직구 공기산정
차수 및 흙막이 안전성 등 해저터널 특성을 고려할 때 벽체 의 강성이 높아 다른 공법에 비해 안전하며, 차수성이 우수하 여 주변의 지하수위를 떨어뜨리지 않고 굴착이 가능한 지하 연속벽 공법을 대표공법으로 선정하였다.
지하연속벽 공법은 지반 조건에 영향을 받지 않으며, 벽 체의 두께와 모양을 자유롭게 선택할 수 있어, 수직구 설치에 적합하며, 아래는 단위공기를 산정한 예시이며 ,수직구에 설 치되는 지하연속벽 규모는 길이 30m, 폭 50m, 깊이 30m를 기준으로 하였다.
지하연속벽 1Span당 연장 3m에 대한 단위공기를 산정한 결과 장비이동설치 0.5일, 지층별 굴착시간 2.8일, 벽체조 성 1.4일 등 1Span당 4.7일이 소요되는 것으로 분석되었다 (Table 7).
Table 7. Diaphragm wall 1Span (L=3m)
앞에서 산출된 1Span당 단위공기를 기초로 수직구 1개소 에 대한 지하연속벽(총 54Span, 길이 30m, 폭 50m 기준) 공 기산정결과 장비조립해체 16일, 굴착 178일, 벽체조성 76일 등 총 270일이 소요되는 것으로 분석되었다(Table 8). 이때 장비 조립 해체는 장비 중 최대일수를 반영하였다.
Table 8. Calculation of construction period for the diaphragm wall
① Assembly and disassembly of equipment
Item Unit Assembly
(day)
Disassembly
(day) Time Total days
Clamshell-bucket type day/time 3 2 1 5
Oil pressure
rotation type day/time 10 6 1 16
② Excavation and wall composition
Item Apply Unit
Total Span (times)
days
/span Group Total days
Excavation Entire work
area place 54 3.3 1 178
Wall composition
Entire work
area place 54 1.4 1 76
- Calculation of size and span for work area
Item Length (m)
Wide (m)
Depth (m)
Construction length
(m)
Length per span
(m)
Total span (times)
Quantity 30 50 30 160 3 54
단위 공기분석을 위한 기본자료는 건설공사 표준품셈의 작 업량 산정식을 활용하였으며, 표준품셈에서 작업량 산정에 대 한 기준이 없는 경우는 실투입 기준 실적자료를 반영하였다.
2.5.3 Shield TBM 단위공기 산출모델
Shield TBM 굴진은 해저터널의 핵심 공종으로 본선터널 및 서비스터널의 굴진공법으로 적용되며, 굴진준비, 초기굴 진, 본굴진, 도달굴진, 굴진 부대공으로 구분된다.
아래 그림과 같이 Shield TBM 공법에 대한 공기산출모델 구축절차 및 방법을 제시하였다(Fig. 13).
Shield TBM 굴진공정은 세그먼트 1링을 단위로 굴진 및 버 력처리, 세그먼트 설치, 뒷채움 및 굴진설비 작업이 반복적으 로 시공되는 특성이 있으며, 일평균 굴진량을 산출하여 전체 굴진공사기간을 산정한다.
Fig. 13. Model of the construction period calculation for the shield TBM
Item Unit Workload Working
time
Working days
Excavation timeper 1 span (T1)
Prepare to move
equipment h 4
0.5
Excavation time
per stratum h 22.2
2.8
Wall compositon time per 1 span
(T2)
Excluding reinforcing net
joints ㎥ 90 11.1
1.4
Shield TBM 시공프로세스는 아래 그림과 같이 세그먼트 1 링을 기준으로 굴진싸이클이 반복되며(Fig. 14), 굴진공사와 더불어 컷터 교체기간 등을 고려하여 일평균 굴진량을 산정 하여야 한다.
Fig. 14. Construction process of the shield TBM
Shield TBM 터널 34.2km(초기/도달굴진 120m, 본굴진 34,080m)구간에 대해 양방향 굴진시 공사기간은 2,860일 소 요되는 것으로 분석되었으며, 일평균 굴진율 6.0m/일(본굴 진 기준, 컷터 교체일수 등 포함)을 적용하였다(Table 9).
Table 9. Calculation of construction period for the shield TBM
Item Length Workload per day
Construction
period Note
Initial/Arrival
drive 120.0 m 3.0 m/day 40.0days Main drive 34,080.0m 6.0 m/day 5,680.0days
sum 34,200.0m 5,720.0days
Construction period
2,860days
2 way excavation114.4months
25days permonth
9.5years
이때, 터널 굴진 공기산출을 위해서는 Shield TBM 1일 평 균 굴진량 산정이 필요하며, 통상적으로 설계진행 단계에서 KICT방식, NTNU방식 등을 적용하여 산출한다.
본 연구에서는 설계 전단계인 계획단계에서도 개략적인 Shield TBM 굴진 공기산정이 가능하도록 일굴진장 산정모델 을 제시하였다(Table 10).
일굴진장 산정모델은 건설공사 표준품셈 기계화시공편에 서 터널전단면 굴착기(TBM)에 대한 장비 작업능력 산정식에 기반하였으며, Shield TBM 1 Stroke당
6)굴진시간, 정치시간 및 세그먼트 조립시간 등을 포함한다. 여기에서 계산된 일굴 진장에 의한 굴진기간과 Shield TBM 커터 마모율을 고려한 커터교체기간, 장비 정비기간 등을 고려하여 일평균 굴진율 을 산정하여야 한다(건설공사 표준품셈, 2017).
Table 10. Model of the excavation rate per a day for the shield TBM
본 연구에서는 Shield TBM 일굴진율 산정모델을 제시하였 으며, 컷터교체 기간 등은 별도로 제시하지 않았다.
2.5.4 NATM 단위공기 산출모델
NATM 굴착은 본선터널간에 연결되는 횡갱터널, 건넘선 터널 및 구낙역 확폭구간에 적용되는 공법으로 육상구간과 시공순서는 동일하며, NATM 굴착을 위한 세그먼트 해체 및 보강공사가 수반된다.
아래 그림과 같이 NATM에 대한 공기산출모델 구축절차 및 방법에 대한 내용을 제시하였다(Fig. 15).
Fig. 15. Model of the construction period calculation for NATM
NATM 공법은 천공 및 장약, 발파 및 환기, 버력처리, 숏크 리트 및 락볼트 설치, 막장면 보강 순서로 시공하며, 굴착 완 료 후 방수 및 배수공, 인버트, 라이닝 콘크리트를 시공한다.
횡갱터널 1개소(20m 기준)에 대해 굴착 및 보강 공사기간 은 43일 소요되는 것으로 분석되었다(Table 11).
Item Details
Standard working load
∙L (m/hr)=60 (m/min) ×ℓ×E / Cm L : Standard excavation load (m/hr) ℓ : one segment length (1.5m) E : Work efficiency
(Good 0.75, Usually 0.65, Defective 0.55) Cm : Time per cycle (T1+T2+T3)
ℓ E R Pe T2
1.5 0.55 1.8 1.2 10
Calculate of cycletime
(Cm)
∙Excavation time per stroke(min)
T1 = 1.5m ÷ (1.75 time/min × 1.2cm/time) × 100 = 71.4min
R : Rotation speed per one minute of excavator (R.P.M) Pe : Penetration depth per one rotation of excavation surface
(cm/time of rotation)
∙Waiting time : T2 = 10min
∙Assembly time of segment
- T3 = 6pcs × 14min × 1pcs × 6min = 90min Workload per hour ∙L = (60 × 1.5m × 0.55) ÷ 171.4 = 0.289 m/hr work load per day ∙0.289 m/hr × 24hr/day = 6.9 m/day
6) Shield TBM 굴진시 세그먼트 1링을 기준으로 굴착, 버력처리, 세그 먼트 조립 등의 굴착 Cycle이 이루어지는 단위
Table 11. Calculation of construction period for the crosspassage
① Cross passage of NATM tunnel
Station Support
pattern Length(m) Note
0km+.000 km+20.000 P-6 20.0 Blasting
② Excavation& Reinforcement period of NATM tunnel
Items
P-5 P-6 Non vibration rock crushing Water
-stop Grouting
Steel tube multi- column Grouting
Total
Top Bot- tom Top Bot-
tom Top Bot- tom
Length 1.2 1.2 1 1 1 1 1close
/10m
Including water-
stop
Cycle time
min 557.9 329 516.1 306.6 680.3 349.2
hr 9.3 5.5 8.6 5.1h 11.3 5.8 168
Length a day
Number of
closing 2 4 2 4 2 3
m/day 2.4 4.8 2 4 2 3
Period
Length(m) 20 20 2 3 20
Day 10 5 17 11 43
Month 0.4 0.2 0.7 0.4 1.7
Accumulate
(Month) 0.4 0.6 1.3 1.7
2.6 해저터널 공사기간 산정
앞서 해저터널 공종별 단위공기 산출모델에서 분석된 수직 구, 본선터널 Shield TBM, 횡갱터널 NATM 공기산정 결과 를 기반으로 표준 공정관리체계에 따라 공사기간을 예측하였 으며, 표준공정분류체계 항목 중 인공섬은 해저터널공사를 위해 필요한 경우 설치하여야 하지만, 항만공사에 포함되므 로 해저터널 공사기간 산정에서는 제외하였다.
해저터널 공사기간 분석을 위한 공사순서는 아래 Network Diagram 정립에서와 같이 “수직구 굴착 – 구난역 터널 굴 착 – 본선 및 서비스터널 굴진 – 횡갱 및 건넘선터널 굴착 – 구난역/환기시설 – 건축 및 후속공사”순서로 정의하였으 며(Fig. 16), 해저터널 공정 시나리오에 따라 선행, 후행, 병행 공사내용을 변경할 수도 있다.
Fig. 16. Calculation of total construction period
해저터널 공사기간은 수직구 16개월, 구난역 터널 17개월, 본선 및 서비스터널 115개월, 횡갱 및 건넘선 터널 30개월, 구난역 및 환기시설, 건축/궤도/후속공사 24개월, 시운전 6 개월 등 총 208개월(약 17.3년)로 예측되었으며, 여기서 산출 된 공사기간은 공사계획 및 방법, 공종별 자원투입계획, 후속 공사 수행방법 등에 따라 변경될 수 있다.
3. 결론
터널 시공기술의 발달과 함께 시간과 공간의 제약을 극복 할 수 있는 교통수단으로 해저터널 건설에 대한 관심이 높아 지고 있지만, 설계 단계부터 해저터널 건설에 소요되는 적정 공사기간을 예측하고, 건설과정 전반에 거쳐 공정관리 업무 를 수행하는데 필요한 체계적인 공정관리 기술이 부족한 실 정이다.
해저터널은 불확실한 해저 지반특성 및 고수압 조건 등 열 악한 현장여건에서도 공사중 안전성을 확보할 수 있는 Shield TBM 공법을 적용하고, 횡갱 등 일부 시설물에 대해 제한적 으로 NATM 공법이 적용된다. 그리고 해저터널 건설공사 전 체 공사기간 예측을 위해서는 터널공사 뿐만 아니라 인공섬, 수직구, 구난역 및 환기시설 등 해저터널 건설 전반에 대한 공정계획이 수립되어야한다.
본 연구에서는 장래 건설되어질 해저터널의 적정 공사기간 을 예측하고, 원활한 공사수행을 위해 해저터널 건설 전반에 대한 표준공정관리체계를 제시하였으며, 주요 내용은 다음과 같다.
첫째, 해저터널 건설에 필요한 시설물 현황을 분석하여 인 공섬, 수직구, 본선터널, 서비스터널, 횡갱터널, 건넘선, 구난 역 및 환기시설, 후속공사로 구분된 표준공정분류체계(WBS) 를 정립하였으며, 이를 통해 공정체계의 구조적 조직에 대한 기초정보를 제공하였다.
또한, Table 형태로 제시된 공정분류체계(WBS)를 계통도 로 작성하여 각 공정의 WBS 단계 및 상호 연관관계 확인과 관리가 용이하게 하였고, 계통도의 상하 연관관계를 바탕으 로 시설물별 단위공종모델을 구축하기 위한 분류체계를 제시 하였다.
둘째, 표준공정분류체계(WBS)를 기반으로 해저터널 공종 별 시공계획 및 공법을 선정하고, 각 시공계획에 맞는 공종별 시공프로세스 분석을 통해 선행공정, 후행공정, 병행공정 등 공정순서를 배정할 수 있도록 공정 Network Diagram을 정 립하여 최적화된 공정계획을 수립할 수 있도록 하였다.
셋째, 공사기간의 예측을 위해서 주요 시설물별 공법에 적 합한 작업단위를 정의하고, 공사기간 분석을 위한 공기산정 모델을 제시하였다.
공종별 단위공기산정 모델을 통해 수직구, 본선 및 서비스
터널, 횡갱 및 건넘선 터널 등 해저터널 건설에 필요한 주요 공종에 대한 공사기간을 분석할 수 있으며, 이는 해저터널 공 사기간 예측에서 매우 중요한 부분이다.
본 연구를 통해 제시된 해저터널 표준공정관리 체계를 통 해 좀 더 객관적이고 신뢰성 있는 해저터널 사업성 분석 및 정적공사기간 예측이 가능할 것으로 판단되며, 해저터널 표 준공정관리체계 활용으로 공사중 공기지연 리스크를 줄이는 등 해저터널 건설에 있어 기술적, 경제적으로 기여할 것이다.
감사의 글
본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 건설기 술연구사업“고수압 초장대 해저터널 기술자립을 위한 핵심요 소 기술 개발”의 지원으로 수행되었으며 이에 깊은 감사를 드 립니다. (과제번호 17SCIP-B066321-05)
References
