| 3차년도 |
- 주관연구기관(한국과학기술원):장비모형/굴착기준 개발, 굴착장비 시제품 제작 - 협동연구기관 1(한국건설기술연구원):한계상태 방정식의 정의(2) 및 각 설계기준 별 설계수준 목표신뢰도지수 검토 - 협동연구기관 2(한국전력공사 전력연구원):통계분석을 통한 현장 굴진율 데이터 분석 - 공동연구기관 1(한국토지주택공사 토지주택연구원):공동구 활성화 방안 기초 조사 - 공동연구기관 2(㈜대정컨설턴트):국내외 터널식 공동구 단면 적용사례 및 배치기준 분석 - 공동연구기관 3(유니콘스㈜):경제성 평가를 위한 LCC 평가 시스템 - 공동연구기관 4(㈜평화엔지니어링):한계상태설계법을 적용한 설계조건별 수치해석에 의한 구조해석 비교검토 - 공동연구기관 5(㈜희송지오텍):국내 지반특성을 고려한 지반특성값 산정 기법 및 절차 - 공동연구기관 6(한국시설안전공단):안전위험요인 발굴,위험요인 분류 및 중요도 파악 - 공동연구기관 7(인천대학교 산학협력단):시공 중 대형 재해 대응 방법론 개발 - 공동연구기관 8(인하대학교 산학협력단):최적화기법을 적용한 쉴드 TBM 실굴진율 예측 초기모델 개발 - 공동연구기관 9(이엠코리아㈜):R30m 급곡 장비 제작 및 조립 - 공동연구기관 10(호서대학교 산학협력단):급곡구간용 하이브리드 세그먼트 형상검토, 분할수, 폭, 테이퍼량, 연결부 검토 - 공동연구기관 11(㈜콘텍이엔지):급곡구간용 세그먼트라이닝의 보강상세기술 및 시공기술 - 공동연구기관 12(건국대학교 산학협력단):급곡구간 지수재 선정가이드라인 제안 - 공동연구기관 13(한국지질자원연구원):워터젯 영향인자에 따른 암반 여굴량 상관관계 분석 - 공동연구기관 14(서울대학교 산학협력단):특수지반 분류체계 제안 - 공동연구기관 15(㈜수성엔지니어링):특수지반의 보강 문제점 및 대책 제시 - 공동연구기관 16(㈜동아지질):국내외 쉴드 TBM 설계/시공자료 분석 - 공동연구기관 17(㈜진성티이씨):특수지반용 디스크 커터 설계 - 공동연구기관 18(한국과학기술원):소단면 TBM 실대형 성능검증 시설 구축 - 공동연구기관 19(㈜제영이엔씨):시제품 제작을 위한 설계보완 - 공동연구기관 20(㈜네오시티):수직구 하향식 급속성형장치 설계 및 부분제작, 직구 구조물 슬래브/계단/접속 개구부 설계 및 매뉴얼 개발, 수직구-수평터널 연결부 성형장치 설계 및 부분제작 - 공동연구기관 21(㈜세니츠코퍼레이션):차수장치 시제품 제작을 위한 설계보완 - 위탁연구기관 1(㈜한국종합기술):도심지유형을 고려한 평가 모델의 AHP분석 및 가중치 설정 - 위탁연구기관 2(㈜에이치비씨):주관연구기관(한국과학기술원)과 동일 - 위탁연구기관 3(UNSW):비시멘트 바이오폴리머 기반 재료 개발
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- 주관연구기관(한국과학기술원):○ 급속 라이닝 외주면 굴착장비 모형 제작(2차년도 연구 이관)○ 수치해석을 통한 원심모형시험 결과 검증 및 사례 연구(당초 연구계획에서 방향 수정된 연구 내용)○ 급속 라이닝 외주면 굴착장비 및 장비 제어시스템 일부 제작 - 협동연구기관 1(한국건설기술연구원):○ 한계상태 방정식의 정의(2)○ 각 설계기준 별 설계수준 목표신뢰도지수 검토 - 협동연구기관 2(한국전력공사 전력연구원):○ 암반분류와 굴진율 상관관계 분석(RMR)○ 지반조건별 굴진율 및 관련 영향인자 데이터베이스 구축(계속)○ 국외 TBM 장비 특성 조사○ 통계 분석을 통한 현장 굴진율 데이터 분석(계속)○ 굴진율 산정 실대형실험장비 구축 - 공동연구기관 1(한국토지주택공사 토지주택연구원):○ 공동구 활성화 방안 기초 조사 - 공동연구기관 2(㈜대정컨설턴트):○ 해외 터널식 공동구 단면 적용사례 조사○ 국내？외 공동구 단면 설계 및 배치기준 분석 - 공동연구기관 3(유니콘스㈜):○ 경제성 분석 통합모델 수립○ 경제성 평가 매뉴얼 개발 - 공동연구기관 4(㈜평화엔지니어링):○ 한계상태설계법에 의한 구조해석 항목별 설계방법 검토○ 설계조건별 수치해석에 의한 비교 검토 - 공동연구기관 5(㈜희송지오텍):○ 국내 지반특성값 변동성에 따른 변동계수 평가 - 공동연구기관 6(한국시설안전공단):○ 터널식 공동구 공사 특성 파악○ 터널식 공동구 건설공사의 안전위험요인 발굴○ 위험요인 분류 및 중요도 파악 - 공동연구기관 7(인천대학교 산학협력단):○ 시공 중 대형재해 위험요인 발굴○ 시공 중 대형 재해대응 방법론 개발 - 공동연구기관 8(인하대학교 산학협력단):○ 회귀분석을 적용한 굴진율 예측 모델 제시○ 최적화기법을 적용한 굴진율 예측 모델 분석(계속) - 공동연구기관 9(이엠코리아㈜):○ 초기 시제품 제작 진행○ 한전 연구과제 성과물 검증용 EPB Shield 장비 호환 개조 제작 및 조립 ○ 자체 검증을 통한 성능 평가○ 초기 시제품 성능 평가 후 문제점 보완 수정 제작 - 공동연구기관 10(호서대학교 산학협력단):○ 모형굴착실험을 통한 상호거동모델 이론 검증 및 보완 - 공동연구기관 11(㈜콘텍이엔지):○ 급곡구간용 하이브리드 세그먼트 형상검토○ 세그먼트 분할수, 폭, 테이퍼량, 연결부 검토 - 공동연구기관 12(건국대학교 산학협력단):○ 급곡구간에서 수팽창 지수재의 적용성 분석○ 급곡구간에서 Gasket 적용성 분석○ 급곡구간에서 고정형 gasket의 적용성 분석○ 시공조건에 따른 지수재 선정 가이드라인 제시 - 공동연구기관 13(한국지질자원연구원):○ 워터젯 영향인자에 따른 암반 최대 여굴량 성능 및 상관관계 도출 - 공동연구기관 14(서울대학교 산학협력단): ○ 특수지반의 공학적 분류기법의 제안 ○ 특수지반 시험체에 대한 실물절삭시험(1) - 특수지반 및 보강된 특수지반 시험체에 대한 실물절삭시험 - 실물절삭시험을 통한 특수지반의 굴착 특성 분석 - 공동연구기관 15(㈜수성엔지니어링): ○ 특수지반 쉴드 TBM 통과시 보강공법 적용성 검토 - 공동연구기관 16(㈜동아지질):○ 국내외 특수지반 쉴드 TBM 설계？시공자료 수집(2) - 공동연구기관 17(㈜진성티이씨):○ 특수지반용 디스크커터 링의 신소재 설계 및 디스크커터 내부구조 설계 검토 - 공동연구기관 18(한국과학기술원):○ 풍화암, 경암, 연암, 연약지반 및 단층 등 다양한 조건의 지반 모사○ 직경 3.5m급 소단면 쉴드 TBM에 적합한 환경 구현 - 공동연구기관 19(㈜제영이엔씨):○ 실내시험에 의한 할암부 최적 굴착기준 도출 - 공동연구기관 20(㈜네오시티):○ 수직구 하향식 급속성형장치 설계 및 부분제작○ 수직구 구조물 슬래브/개단/접속 개구부 설계 및 매뉴얼 개발○ 수직구-수평터널 연결부 성형장치 설계 및 부분제작 - 공동연구기관 21(㈜세니츠코퍼레이션):○ 차수장치 시제품 제작을 위한 설계보완 - 위탁연구기관 1(㈜한국종합기술):○ 도심지 유형을 고려한 평가모델의 AHP분석 및 가중치 설정 - 위탁연구기관 2(㈜에이치비씨):주관연구기관(한국과학기술원)과 동일 - 위탁연구기관 3(UNSW):비시멘트 바이오폴리머 기반 재료 개발○ 비시멘트 바이오폴리머 기반 재료 개발
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| 연구성과 |
기술적 기대성과 |
국내 공동구 설계 및 시공 기술의 수준은 현재 선진국 대비 10~70% 수준으로 미흡한 단계에 머물러 있으나, 본 연구를 통하여 각 핵심기술을 획득하게 된다면 세계 최고 수준의 공동구 설계 및 시공 기술을 확보하게 될 것으로 기대됨. 각 세부과제들이 개발하게 될 중점기술을 확보하여 나타날 기술적 기대성과는 아래와 같음.[1세부] 도심지 터널식 공동구 최적 설계용량산정 및 글로벌 표준화 설계기술 개발국내 터널식 공동구 공사의 설계 개념 및 수준을 글로벌 수준으로 향상시킬 수 있을 것으로 예상됨. 이를 통해 관련 기술 분야의 발전을 도모할 뿐 아니라 새로운 기술 분야를 개척하는 기반을 마련할 수 있으며, 해외설계 프로젝트 수주시 기술경쟁력을 확보할 수 있음 (TRL 1 → 8). [2세부] 도심지 소단면(Φ3.5m 급) 터널식 공동구 굴진율(오차율±20%) 예측기법과 급곡구간(R30m 급)/특수지반(downtime 40% 이하) 급속 시공기술 개발소단면 터널식 공동구에 대한 굴진율 산정기술은 국내 최초로 수행되는 연구로써 통계분석을 통한 현장 굴진자료 분석을 통해 TBM 굴진율 예측기술을 확보 할 수 있음. 급곡구간 중절장치 및 추진시스템 개발을 통해 해외 수입에 벗어나 국내 장비를 대체 가능하며 쉴드 소단면(Φ3.5m) 뿐 아니라 대단면 공동구(Φ6m~8m급)에도 적용 가능함. 또한 세계 유일의 성능검증시설을 통해 기술을 검증할 수 있어 세계 최고 기술 확보가 가능함 (TRL 1 → 8). [3세부] 공동구용 수직구 저소음(60dB(A))/무진동 급속굴착(1m/day) 시공기술 및 장비 개발암반굴착 공종 단순화와 시공성 향상을 통하여 1m/day의 높은 수직구 굴착속도를 확보하여 25% 이상의 공기 절감이 가능할 것으로 예상되며, 심도 50m이내에서 100% 차수 성능을 갖는 차수/보강장치, 친환경 바이오 차수재 개발을 통하여 세계 최고 수준의 수직구 시공기술 확보 및 국내 설계？시공 기술 향상이 기대됨 (TRL 2 → 8).
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| 사회 경제적 파급효과 |
공동구 관련 시장 규모는 급격하게 팽창 중이며, 이는 향후 10년간 총 6조 2,200억원으로 추정됨. 본 연구를 통해 획득될 기술을 활용할 경우 공동구 공사비의 약 10%를 절감할 수 있을 것으로 예상되며, 이는 향후 10년간 약 6,220억원에 해당함. 또한 본 연구에서 30%의 민원저감, 50%의 교통혼잡비용 축소, 건설안전재해 20% 저감으로 인한 효과 등 간접적 비용 추정액은 1,870억원으로 추정됨. 따라서 본 연구에서 개발될 기술로 인해 발생할 전체 경제적 효과는 총 8,090억원에 달할 것으로 추정됨. 각 세부과제들이 개발하게 될 중점기술을 확보하여 나타날 사회/경제적 기대성과는 아래와 같음.[1세부] 도심지 터널식 공동구 최적 설계용량산정 및 글로벌 표준화 설계기술 개발한계상태설계법을 공동구의 설계에 도입함으로서 기존의 획일적인 안전율을 적용하는 허용응력설계법에 비하여 지반의 불확실성을 정량적으로 고려할 수 있게 되므로 보다 경제적, 효율적 설계가 가능함. 또한 공동구 설계기술 자립화로 관련 기술 수입에 따른 국내 자본의 해외 유출을 방지할 수 있으며, 본 중점 기술에 포함된 소단면 공동구의 효율적 재난대응방안 마련을 통하여 재난시 재산 및 인명 피해의 최소화를 기대할 수 있음. [2세부] 도심지 소단면(Φ3.5m 급) 터널식 공동구 굴진율(오차율±20%) 예측기법과 급곡구간(R30m 급)/특수지반(downtime 40% 이하) 급속 시공기술 개발도심지 소단면 터널식 공동구의 설계 및 시공기술 향상에 기여하며, 나아가 공기지연 예방에 따른 민원저감, 도로점용기간 축소, 교통혼잡 예방 등 사회적 간접비용의 저감이 예상됨. 굴진율 산정 기술을 통해 연간 24억 절감 효과가 나타날 것으로 예상되며, 국외 장비 대체 효과 및 세계최초 실대형 성능 검증을 이용한 기술검증으로 수입 창출이 기대됨. [3세부] 공동구용 수직구 저소음(60dB(A))/무진동 급속굴착(1m/day) 시공기술 및 장비 개발소단면 공동구 수직구 공사의 5년간 국내 누적 시장 규모를 610 억원으로, 수직구 급속 시공기술 개발로 공사비 10% 절감시 5년간 총 61억원 절감이 추정됨. 또한, 그 외 교통터널 등 다양한 지하시설물에 확장 적용될 시 공사비 10% 절감으로 5년간 총 120~180억원의 절감이 가능할 것으로 추정됨. 또한 지반침하 및 지하수 유출, 공사중 안전 사고 등의 안전 재해 20% 저감과 도심지 시공시 교통 혼잡 축소 및 공사중 민원 30% 저감이 예상됨. 한편 수직구 건설기술 자립화로 기술 수입으로 인한 국내 자본의 해외 유출 방지 및 기술 경쟁력 확보로 해외 시장 점유율 확대가 기대됨.
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| 활용방안 |
본 연구에서 개발될 도심지 터널식 소단면 공동구 설계 및 시공 핵심기술은 민원 30% 저감, 안전재해 20% 저감, 건설비용 10% 절감 등 탁월한 경제적 효과를 지닐 것으로 예상되며 이에 따라 국내에서 공동구를 활용한 세계 최고 수준의 라이프라인 구축에 활용될 수 있음. 본 연구에서 개발될 기술을 활용하기 위하여, 한전 등 참여기관의 사업 현장에 우선적으로 접촉하여 전력구/통신구/공동구 등 소단면 터널에 개발된 기술 적용을 적극적으로 추진하도록 시도할 예정임. 본 기술이 활용될 수 있을 것으로 예상되는 사업현장 대상에는 LH공사 도시재생 사업현장 및 신도시 현장, 도로공사/철도시설공단/지하철공사, 민간 시설물 건설현장 등이 있으며, 이러한 사업 현장으로는 아래와 같은 예가 있을 수 있음.예1. 한국전력 전력구 현장 (한전은 매년 10km 정도의 전력구 신규 현장 발주 계획) 포천지역 전기공급시설 전력구공사(용정분기) 2차 등 현장예2. LH 공사 도시재생사업 현장 (2016년‘도시재생사업 일반지역’과‘도시활력증진 지역개발사업’ 지구선정을 위한 공모 중) 서울 창신 - 숭인 뉴타운해제지역 도시재생사업 현장 등또한, 한편, 본 연구를 통해 도출된 기술 및 시험 인프라 시스템 등은 교통터널/광산터널/저장시설 등 소단면/대단면 터널의 수직구 및 터널공사, 항만, 댐, 도로, 철도 등 SOC 시설물 공사, 도심지 건축물 지하 기초굴착 등에 활용이 가능하며 콘크리트 구조기준, 콘크리트 표준시방서, 터널설계기준, 터널표준시방서 등의 수준을 향상시키는 것에도 활용될 수 있어 우리 나라의 각종 지하구조물의 설계 및 시공 능력을 세계 최고 수준으로 향상시키고 국내 설계사 및 시공사의 해외 진출 확대 및 해외 기술 수출에 기여할 수 있을 것으로 기대됨.각 연구 단계별 산출물의 활용방안을 요약하면 아래와 같음.■ 1단계 (1~2차년도)- 도심지 소단면 공동구 활성화 정책/제도/사업추진 절차 등에 대한 개선 방안을 제시하여 설계 및 시공시 일선 업무에 적용- 현장굴진자료를 바탕으로 통계분석을 수행하여 국내 지반 조건별 굴진율을 제시하고 현장 적용- 소규모 수직구 굴착 장비 모형을 제작하여 수직구 급속굴착 기술 및 굴착 효율성 증진을 위한 연구에 기여■ 2단계 (3~4차년도)- 글로벌 표준화 설계요소기술 개발 및 최적 설계 기준을 전반적으로 정립하여 설계 및 시공 등의 업무 수행에 적용- 소단면 공동구용 쉴드 TBM 중절장치 개발 및 추진시스템, 방수시스템 특수지반 급속시공장비 등을 개발하여 성능검증시설을 통해 검증하고 현장 적용- 수직구 외주면 굴착장비, 수직구 암반 굴착장비, 콘크리트용 조강재, 접속부 차수장치 및 차수재 등을 개발하여 성능검증 시설을 통해 검증하고 현장 적용■ 3단계 (5차년도)- 소단면 터널식 공동구의 안전관리 및 방재기법 매뉴얼 개발과 현장 적용- 지반조건별 굴진율이 보완된 전력구 설계 기준 및 TBM 장비 선정 가이드라인, 소단면 공동구용 쉴드 TBM 중절장치 및 추진시스템 매뉴얼, 특수지반 급속시공 가이드라인 등을 테스트베드 또는 성능검증 시설을 통해 검증하고 현장 적용- 외주면 및 암반 굴착장비 운용 가이드라인 및 매뉴얼, 수직구 접속부 차수장치 및 차수재 시공 매뉴얼 등을 도출하여 테스트베드 또는 성능검증 시설을 통해 검증하고 현장 적용- 본 연구를 통해 구축된 실대형 성능검증시설은 신기술의 검증뿐만 아니라 개발된 다양한 장비의 운용교육을 할 수 있는 교육시설로서도 활용할 예정
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