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2011 철도정책 혁신방안 세미나
공사기간 단축을 위한
적합한 터널굴착 공법
12.11.20062011. 06. 13.
발표자: 조계춘
소 속: 한국과학기술원
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목 차
1. 개 요
2. 터널 굴착 공법
3. 터널 관련 연구단
4. 터널 공사기간 단축 기술
5. 결 언
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개 요
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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
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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
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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
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터널 굴착 공법
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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
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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
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TBM 2. 터널 굴착 공법
특 징
장 / 단점
개선사항
장 점 단 점
시공성 안정성 경제성
• 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
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Shield TBM 2. 터널 굴착 공법
특 징
장 / 단점
개선사항
장 점 단 점
시공성 안정성 경제성
• 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
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TBM 선굴착
NATM 후굴착
TBM + NATM 2. 터널 굴착 공법
특 징
장 / 단점
개선사항
장 점 단 점
시공성 안정성 경제성
• 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
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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
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터널 관련 연구단
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대형 지하구조물 관련 연구단 3. 터널 관련 연구단
대형 대단면 지하공간 창출을 위한 지하공간 건설
• 연구단장: 이인모(고려대학교)
• 연구기간: 2004.07. ~ 2009.07.
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급속시공 관련 연구단
IT 및 신소재를 활용한 급속안정화 터널 시공기술 개발
• 연구단장: 배규진(한국건설기술연구원)
• 연구기간: 2005.06. ~ 2010.06.
3. 터널 관련 연구단
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해저시설물 관련 연구단
해저시설물 차폐기술 개발
• 연구단장: 신희순(한국지질자원연구원)
• 연구기간: 2005.06. ~ 2010.06.
3. 터널 관련 연구단
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
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TBM 관련 연구단
TBM 핵심설계 부품기술 및 TBM터널의 최적 건설기술 개발
• 연구단장: 배규진(한국건설기술연구원)
• 연구기간: 2010.12. ~ 2015.06.
3. 터널 관련 연구단
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터널 공사기간 단축 기술
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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
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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
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천공파라메터
굴착단면평가모듈
물리탐사기법에 의한암반분류
터널 정보 평가 기술(2/4) 4. 터널 공사기간 단축 기술
여미굴량측정, 정량적지질매핑, 변위계측, 누수지점파악
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30
40
50
60
70
80
90
100
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
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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
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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
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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
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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
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4. 터널 공사기간 단축 기술터널 공정 단축 기술(3/5)
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
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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)
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공정 관리 시스템
4. 터널 공사기간 단축 기술터널 공정 단축 기술(5/5)
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
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결 언
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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
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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
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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