1. 서 론
TBM(Tunnel Boring Machine) 굴착 공법은 장비가 적절히 운용될 경우 발파공법에 비해 굴진속도가 빠르고, 굴진의 안정성이 뛰어날 뿐만 아니라 지반 및 환경피해, 소음 및 진동 발생을 줄일 수 있다는 장점을 가진다 (Yoon et al., 2018). 따라서 국내외 터널공사에서 TBM공법의 적용 사례가 점진적으로 늘어나고 있으며 특히 도심지터널과 하·해저터널의 시공에서는 우선적으로 고려되는 경우가 많다(Jeong et al., 2018).
하지만 도심지와 하·해저 터널에서는 매립층(reclaimed layers), 흙-자갈층(soil-cobble layers), 전석층(core stone layers)과 같이 지반보강과 개량이 필수적인 연약지반(soft grounds) 혹은 특수지반(difficult grounds)을 조우하는 경우가 많으며(Jeong et al., 2018), 불리한 지반조건으로 인한 굴진불능 또한 굴진율 저하, 다운타임의 증가, 커터헤드 및 본체의 재밍, 커터의 과도한 마모 등 시공상의 문제점이 국내외 TBM 시공현장에서 꾸준히 보고되고 있다. 터널 설계를 위한 지반조사 단계에서 혹은 시공 중 조사에서 전방에 불리한 지반조건이 예측되는 경우, 사전에 보강 방법과 영역을 결정한 후 지반을 보강하여 다운타임을 최소화할 수 있다. 그러나 예측하지 않은 불리한 지반조건이 갑자기 출현하는 경우 상당한 다운타임이 발생할 수 있다(Yoon et al., 2018).
TBM터널의 설계 시에는 한정적으로 수행된 지질조사 결과를 바탕으로 해당 지반조건에 적합한 장비의 사양과 운용조건(추력, 토크, 커터배열 등)을 결정한다. 하지만 실제 굴착 중에는 설계단계에서 파악된 지반조건에 비해 상이하거나 지반조건이 급변하는 경우, 또는 다양한 지층들이 혼재된 지반조건을 조우할 수 있으며, 이러한 예측되지 않은 지반조건에서는 굴진 성능이 저하되거나 굴진이 불가능한 경우도 보고되고 있다. TBM은 극히 일부의 사례를 제외하고는 사실상 투입이 되어 굴진이 시작된 이후에는 장비를 교체하거나 개조하는 것이 극히 제한된다. 따라서 굴진에 불리한 지반조건을 조우하게 되더라도 주어진 장비의 조건을 최대한 활용하여 지반조건에 적합한 최적의 운용조건을 적용하여야 한다(An et al., 2011, Jung et al., 2014).
한편 TBM의 기계데이터는 굴착면을 이루는 지반의 역학적 특성과 지질학적 조건, TBM의 운전조건 등에 복합적으로 영향을 받기 때문에 굴착 중인 지반조건뿐만 아니라 향후 지반상태의 변화를 예측하여 최적의 운전조건을 결정하는 데 유용하게 활용된다. 본 연구에서는 싱가포르 △△터널 현장에 투입된 쉴드TBM이 복합지반과 단층대를 포함한 다양한 지층조건을 굴진하면서 획득된 기계데이터를 분석하여 지층조건에 따른 기계데이터의 변화 특성을 분석하고자 하였다. 지층조건에 따른 추력, 토크, RPM 등 주요 운용조건과 이에 따른 굴진율과 다운타임의 변화 추이를 분석하였다.
2. 현장조건 개요
본 터널 현장의 위치와 싱가포르의 지질도는 Fig. 1에 나타내었다. 싱가포르에서는 크게 5가지의 지반조건이 나타나는 것으로 보고되고 있다. Bukit Timah 화강암, Gombak Norite로 대표되는 1) 화성암층과 사암, 실트암, 석회암 등으로 구성되는 2) Jurong formation, 고결화된 사질 퇴적층인 3) Old alluvium, 4) 암편과 전석이 혼합된 Fort Canning Boulder Bed (FCBB), 5) 해성점토층이라 불리는 Kallang formation이 그것이다. 화성암층의 경우에 풍화 정도에 따라 선행연구에서는 6개의 등급으로 차등 분류(G1-G6)하고 있으며 본 연구에서는 G3등급 이상의 암반을 양호한 암반(fair rock)으로 구분하여 분석을 수행하였다.
한편 결과분석에 사용된 지반조건의 분류는 설계단계에서 파악된 지반조건이 아닌 굴착 중에 조사된 것을 대상으로 하였다. 시공 중에 얻어진 데이터를 분석한 결과, 본 터널 현장에서는 싱가포르에서 대표적으로 나타나는 화성암층을 주로 통과하였고, 화성암 층과 다른 지반조건이 혼재된 복합지반, 그리고 흙층을 통과하였다(Fig. 2). 보다 세부적인 지반조건의 분류를 위하여 복합지반을 서로 다른 암반이 혼재된 구간, 암반과 흙이 혼재된 조건으로 구분하였고, 암반, 복합지반, 흙 조건은 단층대와의 혼재 유무에 따라 별도로 구분하였다.
기타지반조건으로 구분된 지반조건은 상기 구분 기준에 따라 구분할 수 없는 조건으로, 풍화가 심하게 이루어진 암반 혹은 파쇄대 층이 주로 포함된다. 총 터널 연장에서 각 지층조건이 차지하는 비율을 아래 Table 1과 Fig. 2에 나타내었다. 분석에 사용된 총 데이터 개수는 2143개(세그먼트링 개수, 링 하나의 연장 1.4 m)이다.
Table 1. Ground composition of the tunnels
한편 대상 현장에 투입된 쉴드TBM은 이수가압식(slurry type)이며, 굴착 직경 7 m의 복합지층에 적용 가능한 장비이다. 상기 장비의 제원은 Table 2에 요약하였다. 본 쉴드 TBM 장비의 최대 가용 추력과 토크는 각각 48,000 kN, 6,250 kN･m이며, 커터헤드의 최대 회전 속도는 6.1 RPM이고, 디스크 커터의 설치 간격은 페이스커터를 기준으로 80 mm이며, 총 50개의 디스크 커터가 설치되었다.
Table 2. Specification of TBM used in the tunnel site
| Category | Description |
| TBM type | Slurry |
| TBM Diameter | 6990 mm |
| Number of disc cutters | 50 |
| Cutter spacing (face) | 80 mm |
| RPM | 0 – 6.1 |
| Thrust | 48000 kN |
| Torque | 6250 kN-m |
| Power | 1680 kW |
| Weight | 537 ton |
3. 굴진데이터 분석
TBM 굴진 중 추력, 토크, 커터헤드 회전속도, 막장압, 쉴드잭 추력, 잭 스피드, 배토량 등 다양한 인자들을 실시간으로 획득하였다. 본 논문에서는 여러 기계데이터 중 굴진성능에 가장 중요한 영향인자인 추력, 토크, 회전속도와 굴진율, 다운타임을 분석하였다. 한편 선행연구(Jung et al., 2014)에서는 굴진일보의 형태로 관리된 굴진데이터와 비교하여 기계로부터 직접 획득한 데이터가 그 신뢰도가 높음을 보고한 바 있으므로 본 연구에서도 기계로부터 직접 획득된 데이터를 이용하여 분석에 활용하였다.
3.1 다운타임 발생 현황
본 현장에서 발생한 다운타임을 지층조건별로 정리하면 Table 3과 같다. 다운타임은 개별 링을 통과하는데 걸린 총 시간에서 순수 TBM의 굴착에 소요된 시간을 제외하여 산정하였다. 암반의 경우에는 단층대의 유무에 따라 다운타임의 평균값이 큰 차이를 보였으나 복합지층과 토사의 경우에는 단층대에 따른 다운타임의 변화양상은 관찰되지 않았다. 다운타임 산술적인 비교를 통한 지반조건별 다운타임 발생 순서는 복합지반(암반), 흙+단층, 흙, 암반+단층, 복합지층(암반)+단층, 복합지층(암반+흙) 순으로써 복합지반 및 단층대의 유무가 다운타임을 증가시키는 주요 원인임을 파악할 수 있다. 단순히 복합지반의 단층대의 출현에 따라 다운타임이 무조건적으로 증가한다고 보기는 결론 내리기는 어려우나, 해당 지반조건에서는 다운타임을 증가시킬 수 있는 지반보강, 커터검사 및 교체, 지반조사를 위한 선진보링, 후방장비 점검 등에 소요되는 작업이 일반적인 지반조건에 비해 늘어나는 것으로 판단할 수 있다. 이것은 복합지반, 단층대 등의 불리한 지반조건의 유무를 다운타임에 영향을 주는 독립인자로 제시한 선행연구(Farrokh, 2018)의 결과와 일치한다. 이러한 복합지반 및 단층대의 출현에 따른 다운타임의 변화양상은 다운타임이 양호하게 나타나는 암반층에서 더욱 뚜렷하게 관찰되었다. 한편 Fig. 3은 터널 전체 구간에서 산정된 다운타임 값의 분포양상을 나타낸 것이다.
Table 3. Occurrence of downtime in different geological conditions
한편 각 지반조건별로 산정된 다운타임의 분포는 Fig. 4에 나타내었다. 개별지반조건에서의 다운타임의 분포는 각각의 분포로는 큰 의미를 갖기는 어려우나 선행연구(Sousa and Einstein, 2012, Jung et al., 2014)에서는 독립변수의 변화에 따라 종속변수가 갖는 분포특성이 같거나 다름에 따라 독립변수의 영향을 개략적으로 검토하는 방법을 제시한 바 있다. 독립변수(지반조건)가 변화함에도 불구하고 종속변수(다운타임)의 분포 양상이 크게 달라지지 않는다면 그 독립변수는 종속변수에 미치는 영향이 크지 않음을 의미한다는 것이다. 분석결과, 양호한 암반층, 기타 지반조건을 제외하면 지반조건의 변화가 다운타임의 발생에 중요한 영향을 미치는 것으로 판단할 수 있다.
Fig. 4에 나타난 바와 같이 단층대를 포함하거나 복합지층의 시공 시 다운타임을 감소시키기 위한 추가적인 대책이 요구됨을 의미한다. 본 현장 터널의 길이는 총 3,000.2 m 중 40% 이상의 다운타임(일반적으로 알려진 정상적인 시공조건에서의 다운타임을 초과)이 발생한 구간만을 추려보면, 총연장의 약 15%(430 m)에 해당하는 구간에서 40% 이상의 다운타임이 발생하였다. 다시 각 지반조건별로 40% 이상의 다운타임이 발생한 구간의 비율을 살펴보면, Table 4와 같다. 암반, 복합지반(암반+흙), 기타 지반조건에서는 그 비율이 10% 내외였으나 단층대를 포함하는 암반, 복합지반(암반), 흙 지반에서는 그 비율이 상대적으로 높게 나타났으며, 단층대를 포함하지 않는 흙과 복합지반(암반)에서도 고 다운타임의 발생빈도가 높게 나타났다. 특히 암반조건에서 단층대를 포함하는 구간의 고 다운타임의 발생빈도는 36%로써 암반에서의 단층대 구간 시공이 매우 까다로움을 보여준다.
Table 4. Frequency of occurrence of high downtime (>40 %) in different ground conditions
3.2 굴진데이터
Table 5는 본 현장에서의 측정된 TBM의 굴진자료(추력, 토크, RPM, 막장압, 굴진속도)를 정리한 것이다. 추력은 평균적으로 장비 최대 사양의 11%, 토크의 경우에는 22%로 운용되어 전체적으로는 안정적으로 장비가 운용된 것으로 판단되었다. 평균 굴진속도는 순굴진율(penetration rate)를 의미하며, 11 mm/min(66 cm/hr = 15.84 m/day)으로 산정되었다.
Table 5. TBM excavation data of the tunnel
Fig. 5에는 측정된 데이터들의 분포를 도시하였으며, 5개의 주요 기계굴진인자는 모두 정규분포를 따르는 것으로 나타났다. 추력은 2000 ~ 8000 kN의 범위에서 주로 운용되었고, 토크는 500 ~ 2000 kN·m의 범위에서 안정적으로 운용된 것으로 도출되었다. 주로 가동된 RPM은 1.5 ~ 3.5였으며, 막장압 또한 3.0 ~ 4.5 bar 범위에서 적절하게 관리된 것으로 판단된다.
Table 6은 측정된 5개의 주요 기계굴진데이터 및 다운타임 사이의 상관관계를 보여준다. 변수들 간의 상관관계는 Spearman 상관계수로 분석되었다. 다운타임은 추력, 토크, RPM과 음의 상관관계를 갖는 것으로 나타났으며, 굴진율과도 음의 상관관계를 보였다. 굴진율은 RPM, 토크와는 양의 상관관계를 보이며, 추력과는 약한 음의 상관관계를 나타내었다. 모든 지층조건에서 굴진율을 향상시키기 위하여 RPM과 토크의 관리가 추력보다 중요함을 의미한다. 또한, 막장압은 다른 기계적인 인자들과 큰 상관관계가 없는 것으로 도출되었다.
Table 6. Spearman correlation coefficients between TBM excavation data
| Variables | Downtime | Thrust | Torque | RPM | PR | FP |
| Downtime | -0.15 | -0.03 | -0.29 | -0.33 | 0.04 | |
| Thrust | 0.34 | 0.39 | -0.07 | -0.06 | ||
| Torque | 0.01 | 0.10 | 0.05 | |||
| RPM | 0.45 | -0.12 | ||||
| PR | -0.16 | |||||
| FP |
한편 Table 7은 앞서 구분한 지층조건에 따라 TBM이 운용된 조건을 요약한 것이다. 암반조건의 경우 다른 지층조건에 비해 높은 추력 및 RPM에서 운용되는 것으로 나타났으며 높은 굴진율을 보였다. 그에 반해 단층대를 포함하는 암반에서는 추력, 토크, RPM 모두 단층대가 없는 경우와 비교하여 낮은 수준으로 운용됨을 알 수 있었다. 굴진율은 단층대가 없을 때와 비교하여 70% 수준으로 산정되었다.
복합지층의 경우에는 암반의 경우와 비교하여 높은 토크가 작용한 것이 특징이었으며, RPM은 비교적 낮은 수준으로 운용되는 것으로 나타났다. 특히 암반과 토사층이 혼재된 구간에서는 암반구간과 비교할 때 70% 수준 RPM으로 TBM이 운용되었고 토크의 경우에는 암반과 비교하여 1.5배의 토크가 작용함을 알 수 있었다. 일반적으로 강도차이가 큰 지층이 혼재된 경우, 낮은 강도의 지층조건에 맞추어 TBM을 굴진하는 것이 일반적이며, 본 터널 현장에서도 토사에서의 운용조건에 맞추어 TBM이 운용된 것으로 판단된다. 본 터널 현장에서 가장 낮은 굴진율을 보인 지층조건은 토사에 단층대가 혼재된 구간으로써, 본 현장에 투입된 TBM이 암반을 주요 지층으로 고려하여 제작된 점에 미루어 토사구간과 간헐적으로 존재하는 단층대를 대응하는 시공상의 난점을 극복하는 데 있어서 암반 구간에 비해 유연성이 떨어진 것으로 판단된다. 막장압의 경우에는 지층조건에 따라 나타나는 특징이 없는 것으로 분석되었다.
Table 7. Summary of excavation data in different geological conditions
Fig. 6은 지층조건별로 나타난 TBM 운용조건의 범위를 박스형 도표로 도시한 결과이다. 추력의 경우, 암반과 복합지층과 함께 단층대가 나타나면 안정성을 도모하기 위하여 낮은 추력으로 TBM이 운용되는 것을 알 수 있고, 이로 인하여 특히 암반구간에서는 단층대를 조우할 경우 추력의 변동폭이 크게 증가한다. 또한, 복합지층에서는 토사와 암반이 혼재될 경우에도 역시 추력의 운용범위가 증가하는 특징을 나타낸다.
토크의 경우, 복합지층에서의 변동폭이 암반구간에 비해 큰 편이며, 암반조건에서 토크의 운용범위는 단층대의 존재유무에는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 한편 토사층에서는 단층대를 조우하는 경우 토크의 운용범위가 큰 폭으로 증가하는 특징도 관찰되었다. RPM은 암반구간에 비해 단층대를 조우하거나 복합지층이 나타나는 경우 낮은 수준으로 운용되는 것으로 분석되었다. 이에 따라 TBM의 굴진율은 암반구간에서 보다 단층대나 복합지층을 통과할 때, 70% 수준의 굴진속도를 나타내었다.
Fig. 7은 지반조건별로 나타난 TBM의 추력에 대한 토크의 비율을 도시한 결과이다. 지반조건 간의 상대적인 비교를 위하여 y절편의 값을 0으로 고정하여 회귀분석을 수행하였으며, 회귀분석으로부터 도출된 지반조건별 기울기는 Fig. 7의 범례에 나타내었다. 모든 지반조건에 대해서 결정계수가 0.80 이상으로 회귀분석 결과는 높은 설명력을 나타내었다. 양호한 암반조건에서는 0.18의 값이 도출되었고, 복합지반의 경우에는 그 값이 0.33으로 높은 값을 나타내었다. 흙 조건의 경우에도 양호한 암반에 비하여 추력에 대한 토크의 비율이 0.36으로 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 반면 모든 지반조건에서 단층대의 조우에 따른 추력에 대한 토크의 비율의 변화양상은 미미한 것으로 도출되었다. 이는 선행연구(Jung et al., 2014)에서 연구된 결과와 일치하는 경향을 보인다.
Fig. 8에는 추력에 대한 토크의 비율과 굴진율간의 상관관계를 지반조건별로 도시한 결과이다. 동일한 굴진속도를 고려하더라도 토크/추력의 값이 경암에서 가장 낮은 값을 보임을 확인할 수 있으며, 단층대를 포함한 암반, 복합지반, 그리고 토사층 순서로 그 값이 증가하는 경향을 보인다. 앞선 Fig. 7의 결과와는 달리 암반에서 단층대의 유무에 따른 기계데이터의 변화양상을 확연하게 관찰할 수 있다. 암반을 굴착하는 도중 전방에 출현하는 굴착에 불리한 연암, 복합지반, 단층대의 징후를 기계데이터의 변화를 통해 파악할 수 있는 자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 논문에서는 해외의 TBM터널 현장에서 다양한 지층조건을 굴착한 TBM의 굴진데이터를 수집하여 그 특성을 지반조건에 따라 분석하였다. 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 다운타임 산술적인 비교를 통한 지반조건별 다운타임 발생 순서는 복합지반(암반), 흙+단층, 흙, 암반+단층, 복합지층(암반)+단층, 복합지층(암반+흙) 순으로써 복합지반 및 단층대의 유무가 다운타임을 증가시키는 주요 원인임을 파악할 수 있다. 이러한 복합지반 및 단층대의 출현에 따른 다운타임의 변화양상은 다운타임이 양호하게 나타나는 암반층에서 더욱 뚜렷하게 관찰되었다.
2) 본 현장에서, 40% 이상의 고 다운타임이 발생하는 지층조건은 단층대를 포함하는 암반, 복합지층(암반), 토사층으로 나타났으며, 토사와 복합지층(암반)에서도 고 다운타임의 발생빈도가 높게 나타났다. 특히 암반조건에서 단층대를 포함하는 구간의 고 다운타임의 발생빈도는 36%로써 암반에서의 단층대 구간 시공이 매우 어렵다는 사실이 확인되었다.
3) 다운타임은 추력, 토크, RPM과 음의 상관관계를 갖는 것으로 나타났으며, 굴진율과도 음의 상관관계를 보였다. 굴진율은 RPM, 토크와는 양의 상관관계를 보이며, 추력과는 약한 음의 상관관계를 나타내었다. 모든 지층조건에서 굴진율을 향상시키기 위하여 RPM과 토크의 관리가 추력보다 중요함을 의미한다. 또한, 막장압은 다른 기계적인 인자들과 큰 상관관계가 없는 것으로 도출되었다.
4) 토크의 경우, 복합지층에서의 변동폭이 암반구간에 비해 큰 편이며, 암반조건에서 토크의 운용범위는 단층대의 존재유무에는 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 한편 토사층에서는 단층대를 조우하는 경우 토크의 운용범위가 큰 폭으로 증가하는 특징도 관찰되었다. RPM은 암반구간에 비해 단층대를 조우하거나 복합지층이 나타나는 경우 낮은 수준으로 운용되는 것으로 분석되었다.
5) 추력에 대한 토크의 비율을 지반조건별로 분석한 결과 양호한 암반을 굴착할 때보다 복합지반, 흙 지반을 굴착할 때, 그 값이 점차 증가하는 경향을 확인하였다. 동일한 굴진속도를 고려하는 경우에는 암반, 단층대를 포함한 암반, 복합지반, 흙 지반의 순으로 그 값이 점차 증가하는 경향을 확인하였으며 특히 단층대의 영향을 뚜렷하게 관찰할 수 있었다.
상기 기계굴진데이터의 분석정보는 다양한 지층조건이 혼재한 지반을 성공적으로 굴착한 TBM의 기계인자를 지층조건에 따라 정량적으로 분석함으로써 각 지층조건에서 효율적인 장비의 운용조건을 상대적으로 도출할 수 있으며, 주요 기계데이터의 변화에 따라 해당 지층조건(단층대, 복합지층)의 출현을 예측하는 데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
