TBM 터널

1. 용어의 정의
(1) 디스크커터(Disc cutter) : TBM과 같은 기계굴착기에 부착되어 회전력과 압축력에 의하여 암반을 압쇄시키는 원반형의 커터.
(2) 밀폐형 쉴드TBM(Closed-face shield TBM) : 격벽을 갖고 있으며 굴진면과 격벽 사이의 챔버(Chamber) 내를 버력, 토사 또는 이수로 채우고, 굴진면 유지에 필요한 압력을 유지시켜 굴진면의 안정을 도모하는 구조의 쉴드TBM.
(3) 발진터널(Pilot tunnel) : TBM의 초기 굴착 시 TBM 본체의 발진을 위한 터널을 말하며, 발파 또는 기계 등으로 굴착하며, 일반적으로 TBM 본체길이 정도의 연장이 필요.
(4) 버력(Mucks) : 터널의 굴착과정에서 발생하는 암석덩어리, 암석조각, 토사 등의 총칭.
(5) 세그먼트(Segments): 터널 라이닝을 구성하는 단위 조각의 부재를 말하며, 사용하는 재질에 따라 강재 세그먼트, 철근 또는 강섬유로 보강한 콘크리트 세그먼트 및 합성 세그먼트 등으로 구분하고 주로 쉴드TBM터널에 사용함.

(6) 쉴드TBM(Shield Tunnel Boring Machine) : 주변지반을 지지하는 외판(원통형의 판) 이 부착된 TBM.
(7) 외판(Shield skin) : 쉴드TBM에서 굴진장치, 세그먼트 조립장치 등을 감싸고 있는 원통형 판.
(8) 이렉터(Erector) : 쉴드TBM의 구성요소로 세그먼트를 들어 올려 링으로 조립하는데 사용하는 장치.
(9) 잭 스트로크(Jack stroke) : 쉴드TBM의 추진과 세그먼트의 조립을 위한 잭의 유효 길이.

(10) 추력(Thrust force) : TBM 굴진을 위하여 커터헤드에서 굴진면으로 가해지는 추진력.

(11) 커터(Cutter) : TBM의 커터헤드에 토사 또는 암반의 굴착을 위하여 부착하는 금속으로 디스크커터, 커터비트, 카피커터 등이 있음.
(12) 커터비트(Cutter bit) : 풍화암 이하의 지반을 굴착하기 위하여 쉴드TBM의 커터헤드에 부착하는 칼날형의 고정식 비트를 말하며, 본체와 팁으로 구성됨.
(13) 커터숍(Cutter shop) : TBM 작업(특히 암반부 굴착) 시 다량 소요되는 예비 커터를 보관하고 커터를 정비하는 장소.
(14) 커터슬릿(Cutter slit) : 쉴드TBM 굴착 시 굴착토를 커터헤드의 회전에 따라 쉴드기 안으로 끌어 담는 역할을 하는 공간.
(15) 커터헤드(Cutterhead) : TBM의 맨 앞부분에 배열 장착되는 디스크커터 또는 비트커터 등의 각종 커터를 부착하여 회전·굴착하는 부분.

(16) 케이지(Cage) : 연직갱을 통하여 버력이나 작업원 등을 운반 시 사용하는 바구니 형상의 운반용구.
(17) 테일 보이드(Tail void) : 세그먼트로 형성된 링의 외경과 쉴드TBM 스킨의 바깥 직경 사이의 원통형의 공극. 즉, 테일 스킨의 두께와 테일 클리어런스의 두께의 합.
(18) 테일 스킨 플레이트(Tail Skin Plate) : 쉴드TBM 테일부의 외판(Skin Plate)을 말하며 일반적으로 외판보다 약간 두꺼움.
(19) 테일 실(Tail seal) : 쉴드TBM의 외판 내경과 세그먼트 간의 틈이 생기는데 이곳으로 지하수가 유입되거나 뒤채움 주입재가 역류하는 것을 방지하기 위하여 쉴드TBM 후단에 부착하는 것.
(20) 테일 클리어런스(Tail clearance) : 테일 스킨 플레이트의 내면과 세그먼트 외면 사이의 간격.

(21) 회전력(Torque) : TBM의 커터헤드를 회전시키는 힘의 크기.
(22) 후드부(Hood) : 쉴드강관의 일부로 선단부에 있어서 굴진면의 안전을 유지하고 작업 공간의 확보와 안전을 꾀하기 위하여 정상부를 보호하는 부분.
(23) K형 세그먼트(Key segment) : 쉴드TBM 작업에서 세그먼트 조립 시 마지막으로 끼워 넣는 세그먼트.
(24) 개방형TBM(Open TBM) : 무지보 상태에서 기기전면에 장착된 커터의 회전과 주변 암반으로부터 추진력을 얻어 터널 전단면을 절삭 또는 파쇄하여 굴진하는 터널굴착 기계.
(25) TBM(Tunnel Boring Machine) : 소규모 굴착장비나 발파방법에 의하지 않고 굴착에서 버력처리까지 기계화·시스템화되어 있는 굴착기계를 말하며, 일반적으로 개방형TBM (Open TBM)과 쉴드TBM(Shield TBM)으로 구분.

 

 

2. 기타의 설비 설계

1. 일반사항
(1) 터널의 부속설비는 사용목적이나 유지관리상의 필요성에 따라 배수, 환기, 방재 등의 설비와 맨홀 등을 설계에 포함하여야 한다.
① 터널의 시공설비는 지반조건, 시공환경 및 시공법에 따라 다르지만 일반적으로는 야적장, 굴착토사 반출설비, 재료반송설비, 전력 및 조명설비, 통신설비, 환기설비, 보안 및 방재설비, 급배수설비, 1차 라이닝 설비, 뒤채움 주입설비, 2차 라이닝 설비 등이 있으며 시공법에 따라서 첨가제설비, 이수처리설비, 자갈처리설비, 운전제어설비 등도 설치할 수 있다.
② 설비계획은 굴진작업의 능력을 감안하여 각 작업이 지연되지 않고 안전하게 시공될 수 있도록 예비설비를 포함하여 합리적인 배치가 되도록 계획하여야 한다.
(2) 터널 내부의 부속설비는 작업 환경성, 안전성, 경제성을 고려하여 계획하여야 한다. 특히 공사 중 터널 내부의 조명설비와 분진 억제 및 제거 설비를 검토하여야 한다.
① 조명설비 : 터널 내부 작업장의 조도는 70럭스(lux) 이상으로 하고 기타 장소에서도 20럭스를 유지할 필요가 있다(일본토목학회, 2006b). 터널 내부의 정전 시에 종업원이 안전하게 대피할 수 있도록 통로, 출입구, 계단 등의 필요한 장소에는 비상용 조명설비를 갖출 필요가 있다.

2. 환기설비
터널 작업장의 안전하고 위생적인 작업환경을 조성하기 위하여 적절한 환기설비를 갖추어 필요한 환기량을 터널내부에 공급하여야 한다. Open TBM 터널은 기계식으로 굴진면을 살수하면서 굴착하므로 분진에 대한 문제는 적지만, 장비가동 시 발생하는 기계열을 억제하기 위하여 내부를 냉각시켜 갱내 작업환경을 개선할 필요가 있다. 쉴드TBM 터널에서는 굴착버력, 뒤채움재의 운반 등으로 발생하는 분진을 제거하고 터널 내부 작업자들의 작업환경을 개선하기 위한 환기설비를 갖추어야 한다. 환기설비의 설계 시에는 다음 사항을 고려하여야 한다.
(1) TBM 터널에서의 터널 내 환기방법과 설비는 소요 환기량을 계산하고 그 결과에 따라 적합한 설계를 하여야 한다.
(2) 소요 환기량은 터널 내 최대 종업원에 대하여 필요한 소요 환기량, 분진에 의한 소요 환기량, 터널 내 장비운용에 따른 소요 환기량 및 기타 소요 환기량 중 가장 큰환기량으로 산정하여야 한다.
(3) 소요 환기량에 따라 환기 팬의 용량과 풍관의 구경을 결정하여야 한다.

(4) 환기방법은 소요 환기량과 풍관의 구경에 따라 터널 내 배치공간을 감안하여 송기식, 배기식, 송배기식 중 적합한 환기방법을 적용하여야 한다. 환기방법 : 환기설비의 종류에는 송기식, 배기식 및 송배기식 등이 있으나, 쉴드TBM에서는 쉴드 외부의 커터헤드에서 굴착이 이루어지고 집진설비 시스템이 가동되므로 작업장의 분진이 적다. 또한 모든 설비가 전기로 구동되므로 유해가스도 적어 분진 및 가스를 강제적으로 배출시키는 배기식보다 송기식이 유리하다.

3. 수전설비
수전설비는 대용량의 기계설비가 집중되어 있는 발진작업구 주변에 설치되는 것이 바람직하다. 수전설비의 용량은 사용되는 전기기구의 출력 및 종류별 부하율 등을 고려하여 최대 부하용량을 산출하여 결정되어야 한다. 수전설비의 설계 시에는 다음 사항을 고려하여야 한다.
(1) 수전설비는 TBM의 전력 소요량과 기타 부속설비에 필요한 전력 소요량을 합산하여 계획하여야 한다.
(2) TBM 본체용 전력공급은 TBM 굴진에 따라 고압 케이블을 100∼200m마다 연결하도록 계획하여야 한다.
(3) 후속설비와 터널 내부의 가시설용 전력공급은 터널의 길이에 따라 발생하는 선로 손실 및 전압 강하를 감안하여 800∼1,000m마다 변압기를 설치하도록 계획하여야 한다.

 

TBM 구경별 수전설비용량 계획 예

구경                      구분	설비용량(kw)			비고
	TBM	부대시설	계
ø2.6m	575	400	975	부대설비 : 3km 이하
ø3.0∼3.2m	940	500	1,440	〃
ø3.5m	1,140	550	1,690	〃
ø5.0m	1,750	650	2,350	〃
ø6.5m	2,300	750	3,050	〃
ø8.0m	2,400	800	3,200	〃

 

 

4. 급수, 배수설비
급수 및 배수설비는 다음 사항을 고려하여 설계하여야 한다.
(1) 급수설비는 소요되는 급수량을 충분히 고려하여 설계하여야 하며, 소요 급수량에 따라 급수펌프의 동력과 급수관의 구경을 결정하여야 한다.

(2) 소요 급수량은 TBM장비 냉각수, 배관세척수, TBM 커터에 필요한 소요 급수량, 지보재 설치에 따른 소요 급수량과 기타 소요 급수량을 모두 합하여 산정하여야 한다.
소요 급수량은 다음과 같다.
① Open TBM : 작업용수 등
② 쉴드TBM : 안정액을 만들기 위한 이수식 쉴드TBM의 용수, 뒤채움 주입 용수, 청소 용수 등
(3) 급수펌프의 동력과 급수관 구경은 TBM 운용에서 필요한 소요 압력이 유지될 수 있도록 결정하여야 한다. 급수펌프의 동력과 급수관은 사용수량에 의한 압력손실을 고려하여 고압펌프나 터빈펌프에 의해 갱내 급수가 이루어지며, 통상 지름이 25∼50mm인 급수관을 사용하여야 한다(일본토목학회, 2006).
(4) 배수설비는 TBM에 공급된 용수 중 퇴수되는 양과 터널 내의 지하수 용출수량을 충분히 배수할 수 있도록 하며, 지하수맥의 존재로 다량의 지하수가 존재할 경우 등의 예측하지 못한 출수에 대비하여 예비 배수설비를 계획하여야 한다.
① 갱내배수 : 갱내배수의 대상은 터널의 누수, 작업용수 등이다. TBM 터널의 인버트 배수는 굴진면이 항상 이동하므로 설치 해체가 용이한 설비를 사용하는 것이 좋다.
② 작업구 배수 : 터널 내부에서의 배수 이외에 주변의 우수 등도 포함하여 고려하여야 한다.
③ 예비 배수설비 : 비상화재에 대비하여 자가발전용 수전설비를 확보할 필요가 있다. 예비 배수설비도 충분한 용량을 갖추도록 하여야 한다.
④ 쉴드TBM의 굴착 기울기가 하향일 경우는 Relay 배수를 위한 배수탱크를 설치하여야 하는데, 1개의 배수탱크에 2대의 양수기를 설치하고 배수라인은 2개를 유지하며 각 라인에 연결하여 양수기 고장이 발생해도 전체 배수시스템에 문제가 없도록 병렬로 시공하여야 한다.

(5) 소요 배수량은 자연용출수량, TBM 퇴수량, 지보재 설치에 따른 퇴수량과 기타 퇴수량 및 비상시 퇴수량을 모두 합하여 산정하여야 한다.
(6) 소요 배수량에 따라 급수펌프의 동력과 급수관의 구경을 결정하여야 한다.

(7) 장대터널에서는 TBM 굴진에 따라 400∼500m 간격을 기준으로 펌프를 설치하여 배수시켜야 한다.

5. 침전설비
침전설비는 터널 내의 배수용량에 따라 침전조의 규모와 형태를 결정하고, 합리적인 수질과 환경보호대책을 수립하여야 한다.
(1) 탁수처리 : 통상 침전조를 통하여 탁수처리를 실시하여 하수도 등으로 배수하는데 이 경우는 수질오염방지법, 하수도법 등의 관련법규에 의한 배수기준을 준수하도록 계획하며, 배수계획 시에는 배수할 지점의 유하능력을 검토할 필요가 있다.
(2) 집수정 설비 : 작업구 및 갱내에서 발생하는 유입수를 집수하여 갱외로 원활히 배출하기 위하여 설치하여야 한다. 집수정의 용량은 유입량, 배수펌프의 규격, 배수지속 시간을 고려하여 설계하고 공사 중 기계설비의 원활한 유지관리가 되도록 계획하여야 한다.
(3) TBM 공사에 따른 수질오염의 주요 원인은 터널의 용출수, 지하수위저하공법에 의한 배수, 장비의 청소용수 등과 같은 오탁수이다. 오탁수는 주로 부유물질(SS)을 제거하면 되지만, 결합재 또는 약액을 주입한 경우는 수소이온농도(pH)를 조정할 필요
가 있다.
(4) 하저터널이나 해저터널과 같이 지하수나 해수 등과 같이 침출수가 비교적 많은 경우는 환경관련법규에 적합하도록 터널외부로 반출하여야 하므로 작업구 근처에 집수정과 침전설비를 설치할 필요가 있다.

6. 비상급기설비
비상급기설비는 다음 사항을 고려하여 설계하여야 한다.
(1) 비상급기설비는 터널작업 시 낙반사고 등 터널이 매몰될 경우를 대비하여 계획하여야 한다. 작업 중인 터널에서 안전한 환경을 유지하기 위해서는 적합한 설비를 마련하여야 한다. 공사의 대형화, 기계화, 고속시공 등에 대응하여 안전한 작업환경을 유지하여야 하며 예측하기 어려운 비상상황에 대처할 수 있는 비상급기설비도 이에 준하여 계획하여야 한다.
(2) 비상급기설비는 터널연장과 대피인원 8∼15명을 기준으로 공기압축기의 용량 및 급기관의 구경을 결정하여야 한다. 커터나 비트교환 또는 지중장애물 제거를 위하여 압기공법을 사용하는 경우는 굴진면의 안정과는 별도로 지반조건에 따라 산소가 결핍된 공기나 유해가스가 근처의 우물이나 지하실 또는 지하공사현장으로 누출될 수 있으므로 적절한 대책을 강구하여야 한다. 지반 속에 메탄이나 유화수소의 유해가스가 포함되어 있는 경우는 위험요인이 증가하므로 별도의 대책을 강구할 필요가 있다.

 

7. 이수처리 설비
이수식 쉴드TBM에서 이수처리설비는 다음 사항을 고려하여 설계하여야 한다.
(1) 이수식 쉴드TBM 적용 시에는 지하수, 지표수 및 해수의 오염을 방지하도록 몇 차에 나누어 처리되는 플랜트를 설계하여야 한다. 이 경우 반드시 슬러지와 상급수를 분리하여 슬러지는 사토 처리하여야 하며, 상급수는 pH 조정 후 최종 방류하거나 굴
진면에 재유입하여 재사용하도록 하여야 한다. 이수처리설비는 유체로 운반되는 배니수(排泥水)의 토사분과 수분을 분리하는 설비로서, 굴진면에 재순환하는 송니수(送泥水)의 특성을 조절하는 기능도 있다. 또한 이수처리설비는 이수압, 굴진속도, 쉴드 TBM의 운전시 부하, 이수처리 및 이수순환상태를 측정하는 계측설비와 측정자료를 토대로 운전관리를 수행하는 제어설비로 구성된다. 통상 운전관리 기능은 중앙제어실에 집중되어 있다.
(2) 이수처리 플랜트의 설계 시에는 쉴드TBM의 최대 굴진속도를 보장할 수 있는 충분한 처리용량을 확보하여야 하며, 긴급 상황에 대처할 수 있게 충분한 예비 안정액을 확보하여야 한다.
(3) 이수처리 플랜트에서 배출하는 처리수는 하천수질환경기준에 따른 배출허용기준을 만족하기 위하여 수온이온농도(pH), 탁도 및 배수량을 측정하고 자동 기록하는 시스템을 갖추도록 하여야 한다. 천연재료인 벤토나이트를 소량 사용하는 경우는 일반적으로 하천에 방류하지만 화학분석 결과, pH 등의 기준치를 만족하지 않을 때에는 환경기준에 맞도록 침전이나 적절한 처리 후에 방류하여야 한다.

 

출처-국가철도공단KRC-12110