1. 서론 (P. 1)

ㅇ 대학교 연결철도(그림 1, University Link Project) 사업은 Seatle 경전철 노선의 도심중심부 Pine Street Stub 터널에서(PSST)로부터 Washington 대학교 정거장(UWS)까지 노선을 연장하는 과업임

ㅇ 연장 5Km, 직경 6.4m 의 이 쌍굴터널은 U220 및 U230 두개의 별도 공구로 진행될 예정임

UWS 에서 Capitol Hill 정거장(CHS) 까지의 터널공사는 U220 공구에 포함되며, UWS 부지를 터널 굴착작업 작업장으로 활용함

          

< 그림 1. 대학교 연결철도 노선도 >

 

ㅇ U220 사업의 초기 난관들 중 하나는 1910년대에 건설된 Union 호수와 Washington 호수를 연결하는 운하 - 즉 Montlake Cut 하부로 터널을 굴착하는 과업임

ㅇ 이 Montlake Cut은 UWS 의 남쪽 91m 지점에 위치하고 있으며, 터널이 통과하는 지점의 운하폭은 약 30m 임

이 사업을 건설하던 시점에서 이 Montlake Cut은 상업적인 목적으로 Washingtong호수와 Puget Sound의 연결로를 제공하는 일련의 사업중 하나였음

현재 이 운하의 주된 용도는 단순히 레져 보트를 즐기는 것으로 사용되고 있음

 

2. 지반조건 (P. 2)

ㅇ U220 터널이 건설되는 지역의 지표 지반상태는 현재 빙하기 및 간빙기 퇴적물이 침전되어 있음

ㅇ 총 4계로 구성된 Puget Sound 지역의 지반은 해당 지질이력이 적어도 6개의 대륙 빙하가 연속적으로 퇴적된 지층이 주된 지반층을 이루고 있음

ㅇ 이 지역의 상당한 두께의 얼음으로 인해 Puget Sound 지역의 토질은 일반적으로 과 포화되어 있음

ㅇ 사업대상의 지층조사결과 최소한 3번의 빙하기와 3번의 간빙기에 퇴적된 지층으로 확인됨

ㅇ 퇴적층은 점토, 실트, 모래 및 자갈층으로 구성되어 있으며, 각각 다양한 토질, 상대밀도, 경도(consistency)를 보유하고 있음

ㅇ 시추조사결과 경도가 큰 빙하호수 점토 퇴적층은 빙하로 인해 과압밀 상태인 것으로 확인됨

ㅇ <그림 2>의 횡단면도와 같이 Montelake Cut은 이러한 점토 퇴적층을 굴착하여 조성됨

ㅇ 최초 Montelake Cut 굴착 이후 1.5m 가량의 침전물이 퇴적되었음을 확인함

 

< 그림 2. Montelake Cut의 지층 단면도 >

 

3. 터널 설계 초안 (P. 2)

ㅇ <그림 3> 에서 보는 바와 같이 Montelake Cut은 EL-5.7m 의 저면에서 EL19.8m 까지 1:1 경사도로 조성된 벽체를 포함하여 전체적으로 사다리꼴의 굴착단면을 가지고 있음

ㅇ U220 터널이 통과하는 Montelake Cut의 중앙부는 경사벽면에 콘크리트로 호안처리가 되어있고 이들 벽체는 굴착저면에 고정되어 있음

ㅇ 이러한 측면 벽체는 EL 7m 높이 까지 조성되어 있으며, 이 벽체 상부에는 3m 넓이의 소단이 설치되어 보행통로로 사용됨

ㅇ 그 위로 나머지 상층부의 측면부는 식생으로 처리됨

ㅇ Montelake Cut 인근의 역사적 공사이력 검토결과 터널 하부굴착시 시트파일 등을 조우할 만한 공사수행기록은 없는 것으로 확인됨

ㅇ 따라서 기술적으로 Montelake Cut 저면과 터널 상부와의 이격거리를 얼마나 줄일 수 있는지에 대한 기술적인 검토를 수행함

ㅇ 검토항목에는 터널 라이닝 구조의 부력검토, Montelake Cut의 사면안전성 검토 및 인근 주변구조물들의 침하영향 등이 포함됨

ㅇ 이러한 영향분석 수행에 필요한 추가지질 정보를 획득하기 위해 보다 상세한 지반조사를 수행함

 

< 그림 3. 현재 Montelake Cut의 전경 >

 

ㅇ 기본계획(PE)에서 Montelake Cut 지점의 종단선형은 <그림 2> 에서와 같이 상향구배로 계획됨

ㅇ Montelake Cut 저면과 제안된 터널 상부와의 이격거리는 이전에 Montelake Cut 주변에서 행해진 여러 건의 공사수행으로 인한 시트파일 등의 존재가능성을 감안하여도 충분히 하부통과가 가능한 거리인 것으로 판단되었음

 

4. 터널설계 대안 (P. 3)

ㅇ 상세조사 자료 및 시추조사 자료를 바탕으로 검토한 결과 종단선형을 터널 상면과 Montelake Cut 저면과의 이격거리를 4m 만큼 확보하면 문제가 없는 것으로 확인 됨

ㅇ 이러한 설계대안은 UWS(정거장)을 동일한 높이로 상승시키게 되어 전체적인 U220 사업의 공사비를 상당히 절감시킬 수 있도록 함

 

5. TBM 및 터널 굴착 (P. 4)

ㅇ U220 터널 굴착을 위해서 주 시공사인 Traylor Frontier-Kemper(TFK) 사는 2개의 토압식 TBM장비를 도입하고 독일 Herrenknecht 사의 구동 및 운송장비를 도입함

ㅇ 토압식 TBM 장비는 지반침하를 방지하기 위하여 고유의 토압변이감지장치, 추진잭, 스크류 컨베이어, 뒷채움 그라우팅 및 지반개량 공법 등을 사용함

1) 토압변환장치

ㅇ 토압 변환장치 또는 EPB Cell은 TBM 챔버 내의 실제 압력을 직접적으로 작업자에게 전달함

ㅇ 굴착전면 공간에 6개의 Cell이 설치되며, 각 스크류 전후방에 1개, 총 2개씩 설치됨

2) 추진잭

ㅇ TBM 장치에는 총 16쌍의 추진잭이 설치됨

ㅇ 작업자는 이 추진잭을 이용하여 TBM 장비를 최대 100mm/min 의 속도로 추진할 수 있음

ㅇ 추진잭은 유압장치로 구성되어 있으며, 실린더 내부의 유압을 조절하여 작업자가 잭의 추진력과 속도를 조절함

3) 스크류 컨베이어 시스템

ㅇ 스크류 컨베이어는 굴착 챔버내의 버력 배출을 조절하기 위한 장치임

ㅇ 이 스크류는 블랙박스화 되어있어 버력배출 비율을 세심하게 조절이 가능함

ㅇ 스크류 장치를 통해 배출되는 버력의 배출을 조절하기 위해 작업자는 EPB Cell의 압력 수치를 파악하여 각 스크류의 속도를 개별적으로 제어하여야 하며 이것이 적절치 않을 경우 스크류는 버력에 의해 고장을 일으키게 됨

4) 벨트 컨베이어 및 버력 Box

ㅇ TBM 장비는 상대적으로 짧은 길이의 원통형 장비로 구성되어 버력 Box를 이용하여 샤프트의 이물질을 제거하고, 터널 굴착시 Load Cell을 사용하여 TBM 장비가 적절한 중량을 유지하도록 조절함

ㅇ Load Cell로 부터 획득되는 중량수치는 별도로 기록되게 되며, 이때 지반보강 물질의 중량을 차감함으로서 정확한 버력량을 얻을 수 있도록 함 

5) 뒤채움 그라우팅

ㅇ 굴착면과 라이닝 버력사이의 공간에 뒤채움 그라우팅을 시행함

ㅇ 그라우팅 재료는 2가지 성분으로 구성되는데 A-용액 및 B-용액으로 구성됨

ㅇ B-용액은 액상의 규산나트륨으로서 경화촉진제의 역할을 수행함

ㅇ TBM 장비가 전진하는 동안 PLC 장비가 A 및 B 용액의 압력과 흐름상태를 제어함

6) 터널 굴착

ㅇ일반적인 EPB(토압식 쉴드 TBM)터널 공사기법은 터널 선형의 이론적인 토압 및 수압을 조합하여 TBM 장비의 운용 가능한 상한치와 하한치를 규정하여 운용함

ㅇ그러나 이론적인 토압 및 수압산정이 불가능한 특정 지반의 경우 이론적인 압력으로 TBM 장비를 운용할 경우 절삭장치 및 스크류에 이물질이 고착되어 심각한 고장을 유발할 수 있음

ㅇ 빙하로 인해 과압밀된 점토의 경우가 이러한 토압 및 수압을 확인할 수 없는 종류의 토질로 볼 수 있음

ㅇ 따라서 상부 지반침하 및 TBM 장비의 고장발생 위험을 최소화하기 위해서는 TBM 장비를 실제의 토압 및 수압에 의해 운용하여야만 함

ㅇ 터널 천단지반의 두께가 얇은 Montelake Cut 부근에서는 만일 실제 압력보다 큰 압력으로 장비를 운용할 경우 위험성이 증대되므로 특히 이러한 운용방안이 대단히 중요함

 

6. Montelake Cut 공사 시행 적정성 검토 (P. 5)

ㅇ Motelake Cut 하부에 터널을 굴착하기 이전에 최초의 터널 굴착을 위한 터널의 통계적 역해석에 필요한 현장 준비상황 검토회의를 진행함

ㅇ 검토회의 에서는 버력중량, 그라우팅 주입 및 확인과 EPB 압력 등을 검토하여 TBM 장비가 적합하게 가동할 수 있는지에 대해 확인함

ㅇ 터널 굴착 버력은 버력 Box에 의해 반출되므로 각 Box의 중량에 특별히 주의를 기울여야 함

ㅇ Load Cell에 의한 중량을 기록한 후 지반보강 충진제의 중량을 제거하고 TBM 장비 후미의 3개의 쉴드 링구조물 중량의 평균치를 검토하여 이들 수치가 이론적 한계치 내에 존재하는지를 검토함 <그림 4>

 

 

< 그림 4. SB S-560 의 버력 중량 >

 

ㅇ 검토회의 기간 동안 뒷채움 지반보강 물량을 각 링 구조에서 행하는 지반보강 적정성 검사와 더불어 같이 검토함 <그림 5>

ㅇ 각 링구조물 위치의 이론적인 지반보강 물량은 TBM절삭커터 버켓의 반경, 프리캐스트 라이닝 외경 및 링 구조물의 길이를 기준으로 산정되는데 이 수치는 4,553L 임

ㅇ 최초의 58개 ring 구조물 위치의 지반보강 물량 평균치는 4,771L로서 이에 대한 오차규모는 5% 이하임

 

 

    

 

 

  < 그림 5 SB S-560의 뒤채움 그라우팅 >

 

ㅇ 마지막으로 검토회의 기간 동안 EPB 압력수치도 같이 검토를 진행함

ㅇ <그림 6> 은 과압밀 점토층을 TBM 굴착시 남측방향 최초 58 개의 ring 구조 길이만큼의 구간에 대해 각 추진단계별 EPB 압력을 나타냄

ㅇ 이 압력수치들은 이론치보다 작은 값을 보이는데 그 이유는 해당 토층이 과압밀 되어 있는 상황과 궁극적으로 절삭커터 헤드는 Motelake Cut 하부 터널 굴착이전에 외부에서 검수가 가능하다는 사실에 기인함

 

 

 

 

        < 그림 6. SB S-560 의 EPB 압력치 >

 

7. Montelake Cut 하부 터널 굴착 (P. 7)

ㅇ 준비상황 검토 및 TBM 커터헤드 정비를 마친 후 Montelake Cut 하부터널 굴착을 남측터널 의 TBM장비로 부터 굴착을 개시함

ㅇ Montelake Cut 하부터널 굴착은 이전 구간에서 성공적으로 수행된 굴착방법과 동일한 공법으로 계속적으로 진행되었고 해당지역의 얕은 토피층에 융기가 발생하지 않도록 압력을 면밀하게 검토함

ㅇ 이 시기 동안 EPB 압력수치, 추진력 및 지반보강 공법 등에 대해 대단히 엄격한 감독을 시행함

ㅇ 굴착중 Montelake Cut 수로에서 맑은 물거품이 발생하는 것이 관측됨

ㅇ 남측의 TBM 장비가 Motelake Cut 하부로 통과할 때 작은 콩알 크기의 거품이 일부 구간에서 떠다니는 것이 관측됨

ㅇ 이 거품이 TBM 장비에서 시행되는 지반보강 주입제 부산물이 Montelake Cut 하저부에 쌓여있는 1.5m 의 유기물 퇴적층을 교란하여 생긴 현상인지는 분명치 않음

ㅇ 이 거품들은 전체 굴착기간 동안 계속 관측되었으며, 굴착장비가 Cut의 남측 끝부분을 통과하자 사라짐

ㅇ 북측 TBM장비가 해당지역을 굴착하자 거품이 다시 관측되었으며 마찬가지 방법으로 사라짐

ㅇ 남측 터널 굴착장비는 Montelake Cut 지점을 통과하는데, 하루 14m 전진속도로 6일이 소요되었음

ㅇ 북측 터널 굴착장비는 통과하는데 5일이 소요됨

 

8. 계측 데이터 (P. 7)

ㅇ 터널구간의 침하와 더불어 터널 굴착시 Montelake Cut의 안정성(Stability)을 2개의 경사계측기를 이용하여 계측하였으며, 경사계 I-391은 Montelake Cut의 북측에, I-390은 남측에 설치함 <그림 7>

ㅇ 각 경사계는 북측 터널과 남측 터널사이의 Montelake Cut과 나란한 콘크리트 연결로에 부착되었음

 

 

 

< 그림 7. 경사계 설치 위치 >

 

ㅇ 공사기간 5일 동안의 경사계 계측데이터(표 1)가 <그림 8, 9>에 나타나 있음

ㅇ 터널이 시공될 때 Montelake Cut 방향으로의 변위가 기록되었으며, 이 변위는 터널의 인버트 부분에서 시작되어 터널 천단 크라운 부에서 최대치에 도달하였음

ㅇ 각 TBM 장비가 경사계를 통과할 때 변위가 시작되었으며, 각 장비의 후미 쉴드부가 경사계를 통과할 때까지 계속 발생되었음

 

 

 

< 그림 8. 경사계 I-391 결과 >

 

 

  

< 그림 9. 경사계 I-390 결과 >

 

<표 1. 경사계 계측데이터 획득 일자 >

 

 

 

ㅇ 변위발생은 두번째 즉

, 북측 터널TBM장비의 후미 쉴드 부분이 경사계를 통과할 때에 수일동안 진행되었으나, 그 후에는 현재까지 변위발생은 거의 보이고 있지 않음

ㅇ Montelake Cut의 종방향 경사면의 전반적인 안정성은 터널 굴착기간 동안 유지되었으며, 터널 굴착으로 인한 표면 침하는 거의 발생되지 않음

ㅇ 각 터널의 중심선에서 7.6m 이내에서 계측된 침하는 대부분 예상치를 밑돌았음 (그림 10)

 

< 그림 10. Montelake Cut 인근의 지표 침하 계측치 >

 

9. 요약 및 결론 (P. 11)

ㅇ Montelake Cut 하부터널 공사는 University Link 사업 전반에 걸쳐 가장 위험한 공사로 지목됨

ㅇ 광범위한 계획과 연구가 이 부분의 문제해결을 위해 수행되어 U220 터널사업의 초기 난관중 하나가 성공적으로 해결되었음

ㅇ 건설공사 중 굴착장비의 정비를 위해 연관 기술자들이 팀을 이루어 준비 및 검토작업을 수행하였으며, 이와 더불어 Montelake Cut 하부 굴착시 지속적인 노력을 기울임

ㅇ 이 작업은 U220 사업수행시 어떠한 공기지연도 발생시키지 않도록 하였으며, 전반적인 University Link 사업의 가장 중요한 위험요소를 제거함