1. 서 론

Chongmin Rivercrossing 은 상하이 시 동쪽지역에 위치하고 있으며, 양쯔강 유역을 남북으로 횡단하여 상하이 지역과 Chanxing 섬 및 Chongmin 섬을 연결하는 노선이며, 전체연장은 약 25km 이다. 이 사업은 국가 고속도로 건설의 가장 중요한 부분으로서 이 지방의 해안교통의 개선에 많은 기여를 하게 되고, chongmin 섬의 자원을 개발할 수 있는 기회를 제공할 것으로 기대되는 사업이다. 이 사업은 이 도시의 포괄적인 경쟁력을 증대시키는 것과 삼각주 지역 및 양쯔강 경제특구의 지역발전을 인근지역으로 전파하는 목적을 실현하는데 기본적인 전략적 중요성을 가지고 있다.

 

본 보고서는 이 사업의 타당성 검토 보고서를 기반으로 하여 개략적인 현장 상황을 소개하고, 본 사업의 중요한 기술적 내용 및 사업의 규모 및 대안노선 등에 대한 기술적인 내용을 설명하려는 목적을 가지고 있다.

 

2. 사업의 조건

 

2.1 지역적 현황 및 과업의 범위

 

상하이 시의 마스터 플랜에 의하면 이 chongmin Rivercrossing 에는 동쪽 노선과 서쪽 노선의 두 가지의 노선이 제안되었는데 그 중 동쪽노선이 구체화 되었다. 동쪽노선은 푸동의 Wuhaogou에서 출발하여 남측 하구지역을 6.87km 지난 후 Changxing 섬의 육상구간을 4.0km 통과한 다음 북측 하구지역을 8.45km 지나 chongmin 섬의 Chenjiazhen Town 에 도달하는 총 25.3km 의 노선이다.

이 노선의 경우 남측 하구에서 선박항행에 필요한 운항 여유폭 확보로 인하여 교량의 경간장은 최소 2,000m 가 필요하다. 반면에 제안된 노선의 8km 상류측 에는 지반조건이 양호한 지역으로서 경간장 필요폭이 1,200m 에 불과하여 이 노선이 대안으로 채택되었다. 이 노선은 푸동시의 Waigaoqiao 지역에서 출발하여 남측 하구지역을 6.42km 지나, Changxing 섬의 육상구간을 3.13km 통과한 후 북측 하구구간을 지나 Chongmin 섬의 Liuxiaogang 까지 8.98km 횡단하고 Chen Hai 고속도로와 만나는 총 25km 의 노선으로 구성되어 있다. 이 구간에서 하천 횡단구간이 (그림 1 ) 에 나타나 있다.

 

2.2 지형학적, 지정학적 및 지리학적 조건

 

제안된 노선의 현장은 강 어귀지역으로서 모래톱 및 사질토로 구성되어 있다. 육상부분의 지형은 평탄한 반면 수중지역은 파랑의 영향으로 인하여 남측 하구 지역은 W 형태를, 북측 하구지역은 U 형태를 취하고 있다. 강의 총 폭은 약 200-400m 로 형성되어 있다.

 

 

             < 그림 1. 횡단교량의 위치 >

 

남북측 두 개의 하구지역간의 두드러진 지형적인 차이는 없다. 포화된 점토층, 사질점토층으로 구성된 4개층의 지반이 300-420m 두께로 분포되어 있다. 만일 제안된 교량이 설치될 경우 교량기초로는 말뚝기초가 적당할 것이다. 강 양측의 기슭은 일반적으로 안정적인 형태를 유지하고 있다.

 

2.3 하상 현황 및 수문조건

 

양쯔강 어귀는 일반적으로 본류와 더불어 다수의 여울과 조위차가 있는 강 입구로 구성되어 있다. 하상은 넓고 얕으며 많은 보이지 않는 모래톱이 존재한다. 남측 하구의 현재 상태는 주 간조하협은 남측으로, 만조하협은 북측으로 향해 있으며 각각 유속 저감지대가 존재하여 얕은 Ruifeng 여울을 형성하고 있으며 이 상태는 앞으로 계속 안정적인 상태를 유지할 것으로 판단된다. 반면 북측 하협은 하상 변화가 남측 하협과 달리 지형여건 및 하상여건상 불안전한 것으로 분석되고 있다.

남측 하협을 가로질러 가는 플러싱 깊이는 제안노선은 -20m, 대안노선은 -24m 이다.

 

2.4 기상조건

 

교량 건설 현장은 아열대의 북쪽에 위치하고 있어서 이 지방의 기상은 습도가 높고 비가 많은 4개절이 뚜렷한 기상상황을 나타내고 있다. 지표면의 최대풍속은 재현주기 30년, 50년 및 100년 에 대해 각각 30m/s, 33m/s, 및 25m/s 이다. 안개일수는 년간 약 35일로 나타나고 있다.

 

3. 주요 기술적인 수치

 

3.1 도로 등급 : 고속도로

3.2 설계 속도 : 100km/h

3.3 설계 하중 : 자동차 - Super20; 트레일러 - 120

3.4 설계 차로 : 비상차로를 포함하여 양방향 6차로

3.5 내진 설계 : 지진강도 7등급

3.6 항로 필요 형하공간 : 표 1 참조

 

                                     < 표 1. 항로 필요공간 기준 >

  

3.7 주항로에 대한 선박충돌 강도 : 남측하협 1.5x105 ton, 북측하협 3x104 ton

3.8 설계 내구연한 : 100년

 

4. 교량의 제안

 

타당성 검토 보고서에서는 제안 노선에 대해 현장의 지질, 지형, 기상 및 수문현황에 기초하여 총 4개의 안이 제안되었다.

 

1) 남측하협은 터널로 통과하고, 북측 하협은 교량으로 통과하는 안

2) 전체 노선을 터널로 통과하는 안

3) 전체 노선을 교량으로 통과하는 안

4) 대안 노선 전체를 교량으로 통과하는 안

 

4.1 계획노선을 교량으로 통과하는 안

 

4.1.1 교량의 경간계획

계획노선상의 남측 하협의 2개의 하천이 만나는 지역을 통과하는 교량은 현수교 형식으로 계획되고 경간구성은 680m+2,300m+680m 으로서 주항로의 항로 필요공간 1,990mx68m를 만족시키면서 주탑기초의 난류영향 및 충돌방지 시설을 고려하여 계획되었다.

남측 하협의 Changxing 섬의 만조 하천 옆에 위치한 Zhenhua 항만기계 공장은 부두 켄터이너 작업에 이용되는 교량 크레인을 생산하는 시설로서 상부 필요높이가 82.0m 에 이른다. 따라서 주 항로 접속교량은 230m+570m+230m 의 사장교로 계획하였다.

북측 하협을 횡단하는 주항로의 교량은 양방향 30,000ton 급의 선박이 통행하는 사유로 인하여 320m+660m+320m 의 2주탑 사장교로 계획하였다. 이 주 항로의 남측에는 운항선박 5,000 ton 급의 통항안전을 확보하기 위하여 230m+570m+230m 의 사장교가 계획되었다.

 

계획노선의 남측 하협을 통과하는 교량 경간분할은 (그림 2.)에 나타내었고, 북측 하협을 통과하는 교량은 (그림 3.) 에 나타내었다.

 

  

                  < 그림 2. 계획노선의 남측 하협을 통과하는 교량의 경간분할 >

 

  

                  < 그림 3. 계획노선의 북측 하협을 통과하는 교량의 경간분할 >

 

4.1.2 주 경간 2,300m 의 남측하협의 주항로를 횡단하는 교량의 제안사항 (그림 4.)

 

1) 제안된 교량의 제원

 

제안교량은 3경간 연속 700m+2,300m+700m 의 현수교로 계획되었다. 주 케이블과 경간장의 비는 1/10.7 이며, 2개의 주 케이블의 간격은 34m 이나, 만일 2 주형 바닥판이 적용될 경우에는 이 간격은 37.5m 가 되며 현수재의 종방향 간격은 20m 이다.

 

전체 교량은 2개의 주 케이블에 의해 지지되며, 각각의 케이블은 292개의 사전제작 평행 스트랜드로 구성된다. 이때 각각의 스트랜드는 직경 5.35mm 의 열처리한 고강도 강 와이어를 127개가 한 조가 되게 하여 구성한다. 이 케이블의 양단은 정착장치에 고정되고 정착두부의 정착 기둥은 볼트 연결로 체결되었다. 현수재는 열처리한 강 와이어를 사용하며 간격은 20m를 적용하였다.

 

 

< 그림 4. 2,300m 의 주 경간장을 가지는 현수교 시뮬레이션 >

 

폐합된 납작한 유선형의 강 박스거더가 바닥판 구조로 채용되었는데 이는 풍하중 및 미관 측면에서 우수한 형식이다. 수직 교좌장치 및 신축이음장치는 2개의 정착장치에만 적용되었는데, 이 부분은 교축방향으로 자유롭게 거동이 가능하도록 하였다. 횡방향 풍하중에 대응하는 교좌장치는 2개의 정착장치와 2개의 주탑부에 장착되었다.

 

주탑은 교문형식의 뼈대구조로 계획되었는데, 그 높이는 296.12m 이다. 주탑의 기둥은 타원형단면으로서 교축직각방향의 직경은 9m 로 일정하나, 교축방향은 첨단부는 14m, 바닥부분은 35m 로 곡선형상을 나타내도록 하였다. 3개의 박스단면의 횡빔이 주탑에 부착되어 주탑의 강성을 높였으며 주탑의 기초는 말뚝기초를 채용하였다.

 

정착장치는 중력식으로서 4각형의 뼈대구조가 도입되었다. 정착장치의 하부기초판은 92mx80m 크기로 계획되었다. 이 구조물은 케이슨 기법을 이용하여 가설되며 이 케이슨의 외벽두께는 2.5m 이고 내부 구조는 48개의 격실로 구분되며 각각 내부격벽은 1m 두께의 벽체를 계획하였다. 정착장치 기초의 상부 슬래브는 5m 두께의 콘크리트 슬래브 구조로 계획되었다.

 

2) 제안 교량의 타당성 검증

 

현수교 형식은 역사가 오래된 교량형식중 하나이지만 지난 수 십년 동안에 현대적인 현수교의 건설기술 개발로 말미암아 주 경간기록은 빠르게 갱신되었다. 현재 주경간장 1,000m를 초과하는 16개의 현수교가 세계적으로 가설중이거나 건설되어 있는데 이 중 3개의 현수교가 중국에 가설되어 있다. 제안된 남측 하협을 횡단하는 현수교는 규모가 대단히 크고 우아한 자태를 자랑하며, 경간분할은 700m+2,300m+700m 로 구성되어 연결되는 주 항로의 항행요구조건을 완벽하게 만족시키고 있다. 만일 이 교량이 건설되면 새로운 세계기록으로 등재될 것이다. 본 교량의 건설을 위해서는 풍하중 저항, 내진성능 및 기타 다른 분야에 대한 좀 더 세부적인 검토가 필요할 것이나, 상부구조에 대한 전반적인 구조는 충분히 타당성을 가지고 있으며 현재의 시공기술로 가설이 가능한 것으로 파악되었다. 비록 아카시 대교의 성공적인 건설을 통해 많은 기술적인 경험이 누적되어 있지만 연약지반위에 수평력이 100,000ton 이나 작용하는 정착구조물을 건설하는 것은 그리 쉬운 일이 아니며, 높은 건설비용과 장기간의 건설기간은 분명 피할 수 없는 문제점이다.

 

4.2 교량만으로 건설되는 대안 분석

 

4.2.1 경간분할

 

남측하협 : 600m+1,200m+600m 의 사장교와 연속 라멘교 또는 연속 거더교(150m+200m+150m)를 Changxing 섬의 홍수 하협구간에 설치하는 대안에 대한 개념도가 그림 5 에 나타나 있다.

 

 

             < 그림 5. 남측 하협구간에 건설하는 대안노선 교량의 경간 분할 >

 

4.2.2 대안노선의 주 항로구간에 설치하는 주경간 1,200m 의 사장교

 

이 교량은 600m+1,200m+600m 의 경간분할을 채택하였다.

 

1) 제안된 교량의 제원

 

제안된 교량은 2 주탑과 2개의 케이블 평면을 가지는 사장교 형식으로 제안되었다. 이때 주형, 주탑 및 기초는 모두 강결 처리되었다. 주 거더는 주탑의 폭 만큼 이격된 강박스 거더로 구성되어 있으며 거더의 높이는 4.0m 이고 2개의 강박스 주형은 교축방향으로 20m 간격으로 설치된 고강성의 횡격벽으로 보강되어 있다.

이 강박스 주형에는 풍하중 저항성을 높이기 위해 바람이 잘 흐르도록 주형 하단에 바람 가이드와 주형외부에 바람 배출구를 만들어 놓았다. 고강성의 격벽과 더불어 콘크리트 박스 주형이 주탑과 함께 시공된 후 강재 주형과 연결되어 내부의 중량 및 강성을 강화하였다. 여기에 종방향 및 횡방향 프리스트레스 강선을 도입하여 종방향의 대규모 축하중 및 비틀림하중에 대해 주탑 및 주형연결부가 충분한 저항성을 보유하도록 계획하였다. 강박스 주형과 콘크리트 박스 주형은 종방향 텐던과 강판에 리벳용접을 통한 부착을 도입함으로서 충분한 부착이 이루어지도록 계획하였다. 또한 지지 케이블은 힌지 형식의 정착부를 통해서 강재 주형과 연결되어 상부구조물을 지지하도록 하였다.

 

< 그림. 6 1,200m 주경간의 제안된 사장교 >

 

사람 인 자 형상의 주탑은 총 306m 의 높이를 가지며 바닥판 상부로부터 229m 높이와, 바닥판 하부 주탑기둥의 높이는 77m 이고, 사람인자 형상의 기울기는 2:1 로 계획하였다. 주탑의 중간부분은 C50 콘크리트 재료를 사용하여 127m를 시공하고, 그 윗부분은 110m 높이로 강재를 적용하였다. 주탑의 수평방향의 하중 저항성을 높이기 위해 주탑 상부에서부터 바닥까지 프리스트레스 텐던으로 보강하였다.

 

지지케이블은 2중 평면으로 배열하였다. 이때 케이블의 종방향 지지간격은 20m 로 계획하였고 주탑의 높이 방향으로는 이 간격이 3m 가 되도록 하였다. 적용 케이블은 부식방지를 위해 3중의 보호층을 시공하였다. 첫 번째 보호층은 녹방지 그리스를 도포하고 2번째 층은 PE 파이프를 스트랜드 외부에 장착하였으며 마지막으로 2중 케이싱으로 케이블을 보호하였다.

 

주탑기초 및 측경간 교각기초는 선굴착 현장타설 말뚝 또는 강관파일 말뚝을 적용하는 것이 가능한 것으로 분석되었다. 강관말뚝의 경우 경사시공이 가능하여 좀 더 좋은 설계품질, 빠른 공기, 저렴한 비용 및 단순한 공정등을 확보할 수 있을 것이며, 현장 상황과 같은 풍하중 및 파랑하중에 대한 저항성이 커서 강관 말뚝기초가 제안설계에 적용되었다.

 

교량이 가설되는 현장의 수심에 기초한 항행관리국의 안전기준 요구사항을 만족시키기 위하여 예각 돌출 형태의 기초를 포함하는 복합 충돌방지공이 계획 반영 되었다.

 

2) 제안의 타당성 검증

 

최근 반세기 간 사장교에 대한 건설기술은 대단한 발전을 거듭해 왓다. 현재 세계적으로 주경간장이 500m를 초과하는 교량은 총 14개가 있으며 이중 완공된 것만 중국에 10개가 있다. 이 중 세계 최대의 경간장을 자랑하는 1,088m 의 Sutong 교가 완공된 상황이다. 중국의 현재 사장교에 대한 설계, 시공 및 기술감리 능력은 세계적인 수준에 올라와 있으며, 중국은 세계 최고 규모의 사장교에 대한 시공을 충분히 수행 할 수 있을 정도로 기술 및 경험이 충분히 성숙되었다.

 

1,200m 이상의 경간장을 가지는 사장교 건설에는 2가지 문제점을 내포하고 있다. 하나는 시공중 450m 연장의 바닥판이 켄틸레버 구조로 존재하게 되는 시공던계시의 플러터 진동에 대한 안전성 확보대책이 아직 명확히 수립되지 못했다. 초기치 해석을 통한 풍하중에 대한 분석결과는 시공중 다음과 같은 신뢰할 수 있는 조치가 취해진다면 안전성을 확보할 수 있는 것으로 분석되었다. 1) 시공중 보조 교각을 추가로 건설한다. 2) 진동 흡수를 위한 적절한 용량의 감쇄장치를 주탑과 주형에 설치한다. 3) 시공중 임시 충격흡수장치를 가설한다.

그리고 다른 하나의 문제점은 측경간에 보조 교각을 설치할 수 없을 때 주 교량의 수직 및 수평강성이 교량의 안전성을 확보할 수 있을 만큼 충분하냐는 문제이다. 전체 구조계 해석결과는 수직강성 및 수평강성이 약한 구조계에는 반 부양 구조시스템 또는 완전 부양 구조시스템 보다 주탑-바닥판-기초 가 완전 강결된 구조가 더욱 유리한 것으로 분석되었다.

 

5. 결론

 

Chongmin Rivercrossing 사업은 양쯔강 어귀의 남,북측 하협을 포괄하는 사업으로서 15.3km 의 규모를 자랑한다. 이 사업은 세계적인 규모의 사업으로 기술적인 많은 난제들을 포함하고 있다. 비록 제안된 타당성 검토 보고서의 노선 안은 남측 하협을 터널로 통과하고 북측 하협을 교량으로 통과하는 방안이긴 하지만 현재시점에서 2,300m 의 주경간장을 가지는 현수교와 1,200m 의 주경간장을 가지는 사장교에 대한 연구는 시기적으로 이른 감이 있다. 세계적인 이전의 대규모 사업들의 경험에 비추어 보면 사업 초기단계에서 아직 많은 해결해야 할 문제점들이 산재해 있으며 국내 및 해외의 설계, 시공, 기술감리 및 사업 운영조직 등에 관련된 많은 지식과 경험을 습득해야만 할 것이다.

 

▣ 원문제목 : Proposed Bridge in Shanghai Chongming Rivercrossing Project