1. 서 론

험버강은 강 양쪽 지방에서는 과거 100년 동안 지역발전과 교역을 가로막는 장애물로 인식되어 왔다. 여기에 교량이 건설된다면 험버사이드라 불리 우는 이 지역이 산업 및 상업적인 발전을 이룩할 수 있는 계기가 되고 강 양쪽 지역의 교류를 활성화 할 수 있을 것으로 생각되어 왔다. 이 강의 양쪽 지역인 North 린컨셔와 East 요오크셔 지방은 교량의 건설로 인해서 그 접근거리가 50Mile 로 단축되고 이 지방들을 국가 고속도로 망으로 편입될 수 있도록 할 것이다.

험버 교량 건설위원회의 감리사인 Freeman Fox & Partners 는 전임 CEO 였던 Ralph Freeman 경이 이 구간의 교량 및 터널에 대한 여러 대안을 놓고 검토하던 시기인 1927년부터 밀접하게 관련되었던 회사이다.

이러한 계획은 거의 실행단계에 옮겨지는 듯 했으나 1931년 국가 경제위기가 닥치면서 포기할 수 밖에 없었다. 그러나 당시에도 이 교량사업이 대단히 유동성이 많은 강 저면상태로 인하여 많은 교각을 설치하는 방안에 대해서 극심한 반대의견이 많았었다. 따라서 이러한 반대의견을 극복하기 위해서는 교량을 단일 경간으로 횡단하는 것이 가장 좋은 방법으로 생각되었고 이에 대한 모델로서 미국의 금문교를 본따 Freeman 은 1935년 이 험버강을 횡단하는 현수교를 제안하게 된다.

1955년, Freeman 사의 Gilbert Roberts, FRS 경은 재래적인 트러스 형태의 보강거더를 채용한 1,396m 경간의 현수교를 제안하는 보고서를 제출하게 된다. 이러한 보고서에 힘입어 1959년 험버 교량법이 통과되었고, 본 교량사업의 위원회가 출범하게 되었다.

그 이후 1969년이 되어서야 경제부 산하의 중앙 환경 계획위원회에서 발간한 “Humberside-타당성 검토보고서”에서 험버교는 이 지역의 발전을 도모하는 목적을 달성하기 위해서는 1980년대에는 완공시켜야 한다고 발표하게 되고, 이로 인하여 이 사업의 교통 분석을 시행하게 되었다. 그 결과 사업의 타당성이 입증되었으며 현재와 같은 편도 2차로의 교량 폭도 결정되게 되었다.

이러한 검토 자료를 바탕으로 영국정부는 1971년 본 사업비의 75%를 험버교 위원회에 제공하기로 결정하였고 위원회는 나머지 25%의 사업자금을 자금시장에서 조달하게 된다. 이후 최종 개념설계와 상세설계가 수행되고 Freeman Fox & Partners 가 감리자로 선정되었다.

현수교 형식은 차치하더라도 구조설계 및 기초형식은 당초 제안개념과는 매우 다르게 설계되었다. Freeman 사가 최근에 세반교 및 보스포로스 교에 적용한 최신 기술인 강박스 보강형등을 도입하여 험버교는 이러한 장대한 규모를 감안할 때 대단히 경제적인 구조형태를 자랑하고 있다.

구조물의 주탑은 철근 콘크리트 구조로 되어 있다. 이전까지 콘크리트 주탑을 채용한 최대경간의 현수교는 프랑스 탱커빌과 덴마크의 릴르벨트교 로서 각각 경간장이 608m 및 600m 에 불과하였다. 콘크리트는 그 대단히 큰 압축강도와 저렴한 비용으로 인하여 교량의 주탑과 같은 압축부재에서는 강재에 비해 대단히 경제적인 이상적인 재료로 분석되고 있다. 주탑은 Slip-Form 형식의 시공방법을 사용하도록 설계되어 재래적인 시공방법에 비해 매우 효율적이고 경제적인 시공이 가능하도록 하였다.

본 교량은 편도 2차로를 채용하고 있는데, 보도와 자전거 도로도 가설되어 있다. 이 교량은 특수한 180 ton 차량을 포함한 고속도로 차량 하중에 견디도록 설계되어 있으나, 이러한 규모의 교량에 있어서 가장 중요한 하중은 풍하중이다. 설계 풍속은 바닥판 설계에는 47m/sec를 적용하였으며 주탑의 경우에는 저면에는 44m/sec를 시작으로 첨단부에는 66m/sec 로 점차 높은 풍속을 반영하여 설계 하였다. 또한 풍동 효과를 검토하기 위해서 국립 해양연구원에서 풍동실험을 수행하여 유체안전성 확인 및 리프트 및 드래그 계수를 산정하였다. 마찬가지로 주탑에 대해서도 풍압에 의한 시공 중 진동방지를 위한 모델실험을 통하여 드래그 계수 결정 및 구조 안전성을 검증하였다.

교량 기초의 설계와 시공은 현장 지반상황에 의해 지배받게 된다. 이 현장의 지반상태는 각 양단의 지반이 매우 다른 양상을 보여주고 있었다. 북쪽지역은 단단한 석회암이 지표면에 가깝게 분포하고 있어 기초형식 선정은 비교적 수월하게 결정이 가능한 상태였지만 남측 지반은 이 석회암층이 과거 빙하의 영향으로 인하여 30m 깊이의 점토질 토층, 자갈 및 포화 실트층을 함유한 복합지반이었다. 실내실험 결과 이러한 점토층은 물과 섞이면 액상형태로 변화되는 성질을 가지고 있는 것으로 밝혀져 기초의 설계와 시공에 대단히 큰 문제점으로 부각되었다.

2. Hessel 주탑과 정착장치

강 어귀의 북측은 지반조건이 석회암이 표면 근처까지 분포하고 있어 주탑 및 정착장치 기초에 상당히 양호한 지지지반이 될 수 있는 것으로 판단되었다.

이 북측 주탑의 기초는 강의 HWL 에 위치하고 저판은 철근 콘크리트 부재로서 길이 44m, 폭 16m 및 깊이 11.5m 의 규모를 가지고 있으며, 이 기초구조는 1974년 완공되었다. 콘크리트 주탑을 Slip-Form 으로 시공하기 위해 가동 프랫폼이 2개의 주탑에 설치되도록 설계되었고, 콘크리트가 타설되면 이 플랫폼은 48개의 유압잭을 통하여 강재거푸집을 다음 콘크리트 타설 위치로 이동시키게 된다. 이 주탑 기둥의 플랫폼에 설치된 각 3개의 외부 강 셔터들은 스크류 잭에 의해 수평이동이 가능하여 주탑 기둥의 테이퍼 형상의 단면형성을 가능하게 한다.

주탑의 기둥은 1974년 5월에 마감처리 되었고 4개의 포탈 빔이 가설되었는데 각각 상부 빔을 먼저 가설 후 하부로 내려오는 방식을 채택하였다. 이러한 가로 빔을 지지하기 위해서 강재 트러스 구조가 주탑 기둥사이에 가설되었고 이러한 가로 빔과 주탑기둥 사이의 콘크리트 연속성 확보를 위해 철근 커플러가 적용되었다.

3. Barton 정착장치

Barton 정착장치는 강 남측 어귀의 해수 차단벽 뒤에 설치되었고 Barton 주탑과 마찬가지로 Kimmerridge 점토층 위에 설치되었다. 굴착공사가 시작되기 전 주변에 설치된 지하수 저감시설을 통해 지하수위를 정착장치 높이까지 낮추었다.

주 정착장치 블록은 Hessel 블록과 매우 유사한 형태로서 길이 72m의 쐐기형태의 35m 두께의 kimmeridge 점토 위에 거치된 원형기초위에 지지되도록 하였다. 이 원형구조물은 기초 개착시 지반의 히빙을 방지하기 위해 설계되었다. 처음에 “상자” 형상의 차단벽이 정착장치 주변에 벤토나이트를 이용하여 붕괴를 방지하면서 굴착과 함께 가설된다. 이후 벤토나이트는 콘크리트로 대채되고 궁극적으로 차수벽이 완성된다.

이렇게 4개의 차단벽이 추가로 가설되어 박스구조를 총 5개의 구분된 격실로 나누게 되며 이 격실의 폭은 약 7.5m 에 이르게 된다. 이로서 각각의 격실을 굴착할 수 있게 되며 이때 한번에 2개의 격실만 동시에 굴착하도록 제한하였다. 굴착작업이 진행될수록 벽체는 프리케스트 “개 뼈대” 로 불리우는 부재에 의해 지지되며, 바닥에 이르게 되면 바닥슬래브를 타설 후에 다시 2개의 구간을 굴착하게 된다. 원형구조물은 이러한 격벽의 차단으로 인한 보호된 상태에서 조성되고 모래와 물로 채워져 지중 하중을 다시 복원하게 된다. 교량 가설이 진행됨에 따라 정착구조물의 편기발생을 최소화 하기 위하여, 그리고 균등한 지반반력을 얻기 위하여 케이블을 긴장할 때, 콘크리트 주 블록, 건축부재 부착물과 바닥판 슬래브들을 단계별로 가설하며, 바닥판이 가설 된 후 마지막으로 매스틱 아스팔트를 시공하였다. 이 Barton 정착장치의 총 중량은 300,000 ton 이다.

4. Barton 주탑 및 교각

교량의 남측에 위치한 Barton 주탑은 해변에서 500m 떨어진 지점에 위치하고 있다. 주탑 아래의 교각기초는 콘크리트 구조로서 16m 의 길이를 가지고 있고 2개의 중공 케이슨 구조로 지지되며 이 구조물은 24m 의 직경으로서 Kimmeridge 점토에 8m 깊이로 근입되어 있다.

남측 주탑과 하부 기초를 건설하기 위해 시공사는 가설 Jetty를 해안에서 조립하여 8개의 가물막이를 조성하고 모래를 채워놓은 가축도로 이동시켜야만 하였다. 이러한 기초구조물을 성공적으로 가설하기 위해서는 상당한 문제점을 극복해야만 하였는데, 1973년의 강재 부족사태로 인해 Jetty의 조립 및 이동이 지연되었으며, 가물막이 주변의 예상보다 큰 쇄굴로 인하여 추가적인 퇴적토 12,000 ton을 성토하여야만 하였다. 이 가축도가 완성 됨으로서 케이슨의 1차 단면의 가설이 진행될 수 있었다.

5. 현수 구조물 가설

험버교의 상부 구조물은 Freeman Fox 사의 세반교 및 보스포로스 교 에서 보여주었던 혁신적인 설계개념을 계속 계승하였다. 이 두 교량은 각각 1966년과 1973년 가설되었으며 당시 미국을 제외하면 세계 최고의 경간장을 갖는 교량이었다. 세반교의 주 경간장은 988m, 보스포로스 교의 주경간장은 1,074m 였으며 험버교의 경우는 1,410m 이다.

이러한 3개 교량의 특이한 점은 상부구조의 유선형 중공 박스구조이다. 이 상부 플랜지는 매스틱 아스팔트로 포장되어 도로를 형성하게 된다. 이 박스구조는 약 18.1m 길이의 보강된 강재 플래이트 패널로 제작되며 험버교의 경우 박스의 단면은 폭이 22m, 높이 4,5m 로서 경간장 대 형고 비율이 300:1 에 이르며, 양 측면의 캔틸레버 구간은 도보 및 자전거 도로 구간으로 활용되도록 하고 있다.

이러한 장대교량을 설계하고 건설하는데 중요한 고려사항은 교통하중이 아니라 풍하중에 의한 진동효과이다. 이러한 박스 타입의 단면을 통해 재래적인 래티스 타임의 거더에 비해 많은 이점을 얻을 수 있었으며 상당량의 강재도 절감할 수 있어 궁극적으로는 자중과 크기를 감소시켜 케이블, 정착장치 및 기초등의 규모도 줄일 수 있었다.

이러한 유선형의 형상은 오로지 공기역학적으로만 유리한 것이 아니고 풍하중으로 인한 직접적인 하중크기도 줄여주며 따라서 주탑의 수평력에 대한 부담을 상당히 경감시켜 경제성을 극대화 할 수 있다.

6. 케이블 및 박스 가설

이전의 세반교와 보스포로스교와 마찬가지로 험버 교의 바닥판은 주탑에 지지되는 주 케이블에 의해 지지되는데 이 케이블은 고 인장강도의 강 스파이럴 스트랜드로 구성되었다. 주 케이블의 가설은 장대 현수교 케이블의 재래적인 가설 방법인 “회전가설” 방법을 통해서 가설되었다.

교량이 완공된 후에는 주탑은 수직형상이 되어야 하므로 주 케이블을 가설하기 전 까지는 주탑은 뒤로 어느정도 당겨져 있어야 한다. 즉, 교량 상부구조의 자중이 이 주탑이 원래상태의 수직형상으로 당겨주게 된다.

각 케이블은 최대 19,400 톤을 받을 수 있도록 설계되며, 14,948 개의 합금처리된 5mm 직경의 강재 와이어로 구성되어 있는데, 가설 위치조정 및 정착을 위해 37개의 스트랜드로 분리되어 있다. 북쪽 측경간 위에 가설되는 각 케이블은 800개의 추가 케이블이 4개로 분리되어 주 정착장치와 주탑의 새들의 스트랜드 슈에 고정되어 있다. 이러한 증가된 케이블 영역은 북측 측경간의 급격한 케이블 경사에 대응하기 위해 필요하며 상당히 큰 인장력을 받고 있다.

이러한 장대교량의 가설에 사용되는 회전가설 공법은 장대교량 가설시 미국 기술자들에 의해 개발되었다. 이전의 세반교 및 보스포로스 교에 이러한 개선된 시공법을 도입하였고, 험버교에 적용시에는 연장이 늘어남에 따라 좀 더 개선된 기술을 적용하였다.

험버교량의 가설시에는 특별히 기술적인 문제점은 발생하지 않았지만 나쁜 기상조건 및 심한 바람등으로 인해 상당히 작업조건이 열악하였다.

회전공법이 적용된 후 모든 와이어가 재 위치에 가설되고 케이블이 압축되고 압착되어 최종적으로 바닥판이 케이블에 지지되어 험버교는 이제 완공되어 그 역할을 수행할 수 있었다.

▣ 원문제목 : Engineering the Humber Bridge