Development of Mechanical Construction Method of Road Deck Middle Slab of Double Deck Tunnel in Great Depth

대심도 복층터널 중간슬래브의 기계화 시공법 개발

Abstract

It is critical for Korea to make effective use of limited space as it has dense population and high traffic volume compared to its terrestrial area. To resolve this issue, diverse types of underground structures have increasingly been applied so far, and one of the most representative structures is double-deck tunnel. The construction period of the middle slab in the double deck tunnel constructed at the great depth can be considered as an important part after the tunnel lining construction in the whole process. In order to minimize the construction period required for construction of the middle slab in the double deck tunnel, it was proposed a method of the precast intermediate slab. In this study, it is suggested a mechanical construction process with dedicated equipments developed to improve the safety and the workability of erection of the precast middle slab than the current construction method using the existing mobile crane.

우리나라는 제한된 국토 면적에 비해 인구 밀도가 높고 그에 따른 교통량 증가로 인한 효율적인 공간 이용의 필요성이 시급하다. 이를 위해 여러가지 지하구조물의 건설이 증가하고 있으며 그 대표적인 것이 복층터널이다 대심도에 구축되는 복층터널에서 중간슬래브의 시공기간은 전체 공정에서 터널 라이닝 구축 다음으로 중요한 부분이라 할 수 있다. 복층터널에서 중간슬래브를 구축하는데 소요되는 공기를 최소화할 수 있는 방안으로는 공장에서 제작된 프리캐스트 중간슬래브를 현장으로 운반하여 설치하는 공법이 제시되었으며, 현장에서 중간슬래브를 가설함에 있어서 기존의 크레인을 이용한 가설공법보다 안전하고 시공성을 향상시키기 위한 전용가설장비가 개발되어 인력투입을 최소화한 기계화가설 공법을 이 연구에서 제시하였다.

1. 서론

대심도복층터널은 도심지 교통문제 해결, 지상공간의 부족, 지상공간의 친환경적 개발을 위해 기존 도로를 지하화하거나 지하도로를 새롭게 계획하고 있다(Kim and Hwang, 2019). 복층터널의 중간슬래브(Fig. 1)는 터널로 유입되는 교통류를 상․하부 차로로 분리함과 동시에 상부 차로 차도로서 기능을 담당한다. 프랑스의 경우 복층터널을 승용차 전용의 지하 2층 도시고속도로를 운영하고 있으며, 일본과 러시아에서도 대심도 터널 광역철도를 건설하여 운영하고 있다. 또한, 말레이시아의 경우 상·하층 도로 및 하부 수로터널의 다목적 터널을 운영하고 있으며, 국외의 여러 나라에서 현장타설 방식과 프리캐스트 패널방식을 적용하고 있으나, 핵심 설계 및 시공 기술에 대한 정보가 부족한 실정이다.

Fig. 1. Section of Double Deck Tunnel

국내의 경우, 프리캐스트 구조물을 이용한 광폭의 지하차도 설계 및 시공기술에 대한 연구가 미흡한 상태이며, 국내 장대지하차도나 터널의 건설역사가 짧아 광폭 및 장대 길이의 지하차도에 대한 개발 및 적용이 다양하게 이루어지지 않아 기술적인 진보가 미미하다.

일반적으로 중간슬래브의 구축은 터널라이닝에서 철근을 노출시켜 슬래브와 직접 연결하여 연속화하는 현장타설공법과 공장에서 제작된 프리캐스트(Precast이하 PC로 명기) 슬래브와 브라켓 (Kim et al., 2016b; Kim et al., 2017)을 현장에서 설치하는 프리캐스트 공법으로 구분된다.

동바리를 설치하고 거푸집을 설치하여 시공하는 현장타설공법이 주로 적용되어 왔으나, 최근에는 PSC (Prestressed Concrete이하 PSC로 명기)구조를 적용한 PC 공법이 개발되면서 크레인을 이용하여 가설하는 사례가 점차 증가하고 있다. 그러나 터널내부나 지하차도와 같이 협소한 공간에서 설치되는 중간슬래브는 돌출된 브라켓 위에 안착되어야 하기 때문에 중간슬래브를 브라켓과 간섭 되지 않도록 슬래브 끝에 줄을 연결하여 인력으로 회전시켜가며 설치하게 된다(Fig. 2).

Fig. 2. Installation of PSC Airfit Slab by Mobile Crain (Inje Tunnel)

협소한 터널내부에서 횡류식 환기시설과 같은 프리캐스트 부재를 시공하기 위한 몇몇 시도들이 진행되었으며, Fig. 3과 같이 일본, 독일 등에서 전용장비를 개발하여 시공한 사례가 있다. 그러나 이 연구에서 제시하는 도로용 프리캐스트 콘크리트 중간슬래브의 시공과는 설치구조의 중량이나 인양방식 등에 차이가 있어 시공속도를 향상시키고 낙하물사고와 같은 안전사고를 예방하는 차원에서 기존의 가설장비가 아닌 새로운 방식의 가설장비의 도입을 제안하고자 한다.

이 연구에서는 복층터널 중간 슬래브 구축에 적용되는 가설용 장비의 개발에 관한 사항으로 기존의 크레인을 이용한 터널 내 가설방식에서 발생되는 문제점을 해소하고 안정적인 시공을 위한 방안의 일환으로 인력을 최소화하고 중간슬래브 구축에 있어서 분업화를 통한 시공속도를 향상 시킬 수 있는 장비를 개발․제작하고 성능 평가하는데 그 목적을 두고 있다.

Fig. 3. The Dedicated Equipments for Erection of Precast Segments

2. 복층터널 중간슬래브의 시공방안

2.1 현장타설 중간슬래브 제작공법과 프리캐스트 중간슬 래브 공법

2.1.1 현장타설 중간슬래브 제작공법(Fig. 4)

터널 내에 라이닝이 형성된 이후에 일정길이(일반적으로 20 m)의 강재동바리를 설치하고 그 위에 거푸집 및 철근을 배근하고, 현장에서 굳지 않은 콘크리트를 타설하여 양생하는 과정은 수십 차례 반복하여 슬래브를 형성하는 제작방식으로 동바리 및 거푸집, 그리고 양생기간(최소14일)이 상대적으로 공사기간이 길다.

Fig. 4. Field-inserted Slab Method

2.1.2 프리캐스트 중간슬래브 공법(Fig. 5)

공장이나 인근 제작장에서 만들어진 프리캐스트 세그먼트 (segment)를 시공 장소로 운반하여 크레인 등의 인상장비를 이용하여 라이닝벽체에 기시공된 브라켓위에 설치하고 연속적으로 접합하여 슬래브를 형성하는 시공방식이다. 시공속도가 빠르지만, 세그먼트간의 이음부처리가 주요 문제가 된다(Kim et al., 2016a; Kim et al., 2016c).

Fig. 5. Installation Method of Precast Concrete Slab

2.2 환기용 풍도슬래브 시공사례 비교

국내의 경우, 터널과 같은 협소한 공간에서 복층터널의 도로용 중간슬래브와 유사한 구조를 구현하고 있는 대표적인 구조체가 바로 터널 및 지하차도의 횡류식 환기시스템을 구축하는 환기용슬래브(풍도슬래브)라 할 수 있다. 현재 국내의 경우 강재거푸집을 이용한 현장타설공법과 PSC 슬래브 구조의 프리캐스트 공법이 적용되고 있다. 이 연구에서는 현장타설공법에 의해 터널 내에 풍도를 구축한 양남터널과 프리캐스트 슬래브를 이용하여 풍도를 구축하고 있는 동부간선도로 지하화건설 현장을 비교 검토하였다.

2.2.1 현장타설공법(양남터널)

울산∼포항간 고속도로 6공구와 7공구에 걸쳐 시공된 양남터널은 총 연장이 7.5 km의 장대터널이다. 이중 환기시설로 풍도슬래브가 설치된 구간은 약 750 m이며 풍도슬래브의 폭은 11.5 m이다. 양남터널의 풍도슬래브는 Fig. 6과 같이 동바리를 설치하고 현장에서 직접 콘크리트를 타설․양생하는 일반적인 RC (Reinforced Concrete이하 RC로 명기)공법으로 시공되었다.

Fig. 6. Construction Processes of Airfit RC Slab on YangNam Tunnel

2.2.2 프리캐스트공법(동부간선도로 지하화사업)(Fig. 7)

동부간선도로 지하화사업 2공구는 3.2 km의 도로확장과 2.38 km 연장의 지하차도로 구성되어 있다. 이 중에서 1,194 m에 대해 PSC 풍도슬래브가 시공되고 있다. 지하차도 환기시설에 적용된 프리캐스트 슬래브의 폭은 13.2 m이며, 제작장에서 제작이 완료된 PC슬래브는 현장으로 운반되어 크레인 1대(인양중량 80 tonf)를 사용하여 폭이 1.2 m인 프리캐스트 슬래브를 하루에 25본씩 지하차도내에 설치하여 평균 30 m/일(1.2 m×25본=30 m)의 시공속도를 보였다(Lee et al., 2017a).

Fig. 7. Processes of Precast Duct Slab Method in Dongbu Underground Way Construction Project

2.2.3 시공속도 분석결과

터널 및 지하차도에 설치되는 중간슬래브의 시공기간은 전체 공정에서 터널라이닝 구축 다음으로 중요한 공정이라 할 수 있다. 위에서 검토된 두 가지 방식의 중간슬래브 구축공법에서 공기를 최소화할 수 있는 공법으로는 프리캐스트 공법이 될 것이다. 공사기간에 상당한 차이를 보였으며 비록 공사비에 대한 사항이 빠져있는 조건에서 비교되었지만, 시공성 측면과 타공정과의 간섭문제 등에서 터널의 완공단계의 막바지의 공정인 환기시설로서 공사기간에서 큰 차이를 보이는 것만으로도 국가 인프라 구축의 측면에서 프리캐스트 공법을 적용한 중간슬래브 구축공법에 우선순위를 둘 수 있을 것이다.

Table 1과 같이 ①프리캐스트 공법을 적용시 공기를 50 %이상 단축이 가능하고, ②프리캐스트 슬래브의 종방향 이음 및 브라켓 시공문제를 합리적으로 개선 시 터널 내 공사차량 조기운행이 가능하여, ③타공정의 조기투입이 가능하여 전체공정의 단축이 가능하다.

Table 1. Comparison of Construction Speed between On-site Reinforced Concrete Method and Precast Prestressed Concrete Method

3. 중간슬래브 전용가설장비의 개발

3.1 기존 중간슬래브 가설공법의 문제점

프리캐스트 중간슬래브는 공장이나 제작장에서 제작된 프리캐스트 세그먼트(segment)를 현장으로 운반 후 인상장비를 이용하여 Fig. 8과 같이 프리캐스트 슬래브를 브라켓을 피해서 상승시킨 후에 회전시켜 브라켓 상면에 안착시킨다. 대부분의 현장에서 Fig. 3과 같이 크레인 장비 1대를 이용하여 트레일러에서 인양·상승시킨 후에 슬래브에 연결된 줄을 이용하여 인력으로 슬래브를 회전시킨 후에 브라켓 위에 설치하고 있다. 중간슬래브를 회전시키기 위해서는 크레인과 가이드빔 사이에는 오직 한 가닥의 철선으로 연결되어야 하는데, 이로 인한 가설간의 위험성이 상당히 크다.

※ 기존 크레인 가설공법의 문제점

∙ 작업속도가 늦음(25~30 m/일)

∙ 작업간 안전사고 발생 가능성이 항상 존재(부재 회전시 인력으로 작업)

∙ 터널 상단부의 협소한 공간에서 작업능률의 저하

∙ 크레인 이동/ 설치에 많은 시간이 소요(이동시마다 아웃트리 거 설치/제거)

Fig. 8. Installation of Precast Airfit Concrete Slab

이 연구에서는 현장에서 인력사용을 최소화하고 안전하며 향상된 시공속도를 갖는 기계화 전문가설장비를 개발하고 이를 제작하여, 프리캐스트 중간슬래브의 시공성과 안전성을 향상시켰다. 가설시 브라켓 간섭을 피하기 위해 슬래브를 회전시키는 공정을 인력이 아닌 장비의 작동으로 할 수 있도록 하여 안전하면서도 시공속도를 향상시킬 수 있는 기계화장비를 개발하였다.

3.2 가설장비의 구성

터널 외부에서 제작된 프리캐스트 슬래브를 터널 내부에 설치하는 형식(가설)으로 공사가 진행되며, 슬래브를 가설하는 장비는 Fig. 9와 같이 총 3개의 장비로 구성되어 있다(Lee et al., 2018). 외부에서 제작된 슬래브가 운반되면 운반차량에서 가설장비로 이동 적재시키는 문형크레인, 문형크레인으로부터 이동 적재된 슬래브를 제 위치에 운반하고 브라켓 상단까지 상승 후 회전시켜 브라켓 위에 설치하는 슬래브 가설장비(Lifting Equipment of Double Deck Slab 이하 LE-D2S로 명기) 및 거치된 슬래브간의 연결을 위해 최종 위치를 미세 조정할 수 있는 상부조정장치로 구성된다.

Fig. 9. Combination of Erection Equipments of Precast Middle Slab

3.2.1 문형크레인(Fig. 10)

Fig. 10. Gate Crane

이 장비는 견인속도 0.03 m/sec, 견인최대중량 300 kN로 제작장에서 트레일러로 운반된 PC 슬래브 세그먼트를 가설장비에 이적시키는 역할을 한다. 운반을 용하게 하기 위하여 조립식으로 제작되었으며, 현장으로 운송된 이후에 터널 내부에서 조립하여 가설장비인 LD-D2S 위에 적재하여 작업 간에 이동할 수 있도록 하였다. 문형크레인의 인양와이어 끝에는 특수스프링이 설치된 인양고리를 설치하여 트레일러에 운반된 슬래브의 인양고리 연결 시에만 인력으로 체결하고, 문형크레인에서 LE-D2S장비로 이적할 때에는 자동으로 특수스프링에 의해 풀림장치가 작동하여 고소위치에서 인력 없이 인양고리를 풀 수 있도록 하였다.

3.2.2 LE-D2S 가설장비(Fig. 11)

Fig. 11. Developed Conveyance/Erection Equipment (LE-D2S)

복층터널의 환기용 풍도슬래브와 도로용 중간슬래브를 동시에 시공할 수 있도록 최대 작업 높이를 8.0 m까지 가능하도록 하였으며, 이동속도 30 m/min, 회전속도 9°/sec (+90°∼-90°), 최대 작업하중 300 kN으로 제작되었다. 슬래브의 길이에 따라 상․하/좌․우로 미세조정이 가능하도록 하였으며, 경사면과 같은 현장의 바닥면 조건에 따라 차체의 밸런스를 잡아주기 위한 장치를 4개의 휠(wheel)수직축에 장착하여 장비의 안정적인 시공이 가능하도록 하였다. 특히 밀폐된 협소한 터널내부에서 프리캐스트 슬래브를 회전시 라이닝과 접촉되는 문제에 있어서는 LE-D2S의 베드가 수평이동이나 좌우 높낮이 조절장치 등이 있어 충분히 조절이 가능하도록 하였다. 장비의 작동은 무선리모컨에 의해서 조정되며 크레인 가설방식과 달리 프리캐스트 슬래브 하면을 지지하여 인양함으로써 가설 간에 PC 슬래브에 자중으로 인한 휨변형이나 충격을 최소화할 수 있는 가설 장비이다.

3.2.3 상부조정장치(Fig. 12)

Fig. 12. Adjust Equipment for Assembly of Precast Slab

이 연구에서 제시된 복층터널 도로용 프리캐스트 중간슬래브는 고장력볼트를 이용한 이음(Lee et al., 2017b)을 적용하는데 볼트를 체결하기 위해서는 230 kN 중량의 슬래브의 위치를 조정하면서 작업이 진행되어야 한다. 상부조정장치는 LE-D2S 가설장비가 브라켓 위에 가설한 중간슬래브 세그먼트 사이의 연결을 위한 작업이 가능하도록 미세조정이 가능한 이동식 장비로 기설치된 슬래브 위에서 1.2 m 이상 떨어진 300 kN 중량의 세그먼트를 견인하여 이동할 수 있고, 좌․우(200 mm)/상․ 하(250 mm)로 미세 조정이 가능한 슬라이딩 시스템 장비이다.

4. 가설장비 시스템의 현장적용

4.1 가설장비의 운용

Fig. 13은 복층터널내부에서 3가지 장비를 활용하기에 가장 적합한 장비의 설치위치를 프리캐스트 중간슬래브의 회전길이 등을 고려하여 설정한 최적의 시나리오이다. 오전과 오후 하루 2차례 작업을 고려하여 2 m폭의 도로용 프리캐스트 중간슬래브 총 30본을 시공하기 위해 가설장비(LE-D2S)의 적정이동거리 및 문형크레인의 위치 등이 결정되었다.

Fig. 13. Operation Scenario of Precast Slab Construction Equipments During 4 hours

Table 2는 가설장비의 성능을 기초로 13×2 m 제원의 도로용 프리캐스트 슬래브를 60 m/일 이상 가설하기 위한 최상의 시나리오로, 가설장비의 최적의 왕복이동거리와 문형크레인의 위치를 선정하였을 때 슬래브 가설시작점과 문형크레인의 거리는 57 m로 하여 오전 작업 후에 문형크레인을 LE-D2S가설장비에 적재한 후 57 m을 이동한 후에 오전 작업과 같이 반복적으로 오후작업을 하게 된다. 반복 작업에 의해 하루에 2 m 폭의 슬래브 30본을 설치할 수 있으며, 이 같은 속도는 기존의 크레인 가설 등에 비해 시공속도가 빠를 뿐만 아니라 무인화를 통해서 안전사고 예방에 있어서도 우수하다고 할 수 있다.

Table 2. Construction Time Table of Precast Slab Construction Equipments During 4 hours in Double Deck Tunnel

도로용 중간슬래브의 이음부는 상부조정장치(Fig. 12)를 이용하여 고장력볼트 이음이나 횡방향 강연선에 의한 이음 등에 의해서 후속작업으로 진행하게 된다(Kim et al., 2016c).

3 km이상의 장대터널의 경우, 환기시설로 횡류식 풍도시스템이 주로 반영되는데 복층터널의 경우 중간슬래브는 환기용과 도로용 슬래브로 구성되게 된다. 이 연구에서 개발된 장비는 Fig. 14와 같이 도로용 중간슬래브와 환기용 풍도슬래브를 동시에 가설하면서 이동할 수 있도록 설계․제작되었다. 풍도용 세그먼트 슬래브를 먼저가설하고, 이후에 도로용 중간슬래브를 가설함으로써 복층터널의 가설공정을 단축시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 14. Simultaneous Construction of Various Middle Slabs

4.2 가설장비의 현장 활용

개발된 장비는 복층터널 현장 외에도 터널의 환기를 위한 풍도슬래브 시공현장에 적용 가능하여, 서울∼세종 고속화도로 터널구간의 풍도슬래브 시공현장에 적용을 계획하고 있다. 이를 통해 도심지에 시공되는 터널의 공사기간을 줄일 수 있을 것으로 기대된다. 또한 유지보수측면에서도 중간슬래브의 급속교체가 요구될 경우 이 연구에서 개발된 가설장비로 슬래브를 지지하면서 작업이 가능하여 보수․보강에도 활용이 가능하다. 현장 적용 후 최적화를 통해 장비의 성능이 향상된 원천기술이 확보되면, 수요가 증가하고 있는 해외 지하도로 현장에서 경쟁력 있는 장비로 새로운 시장을 개척할 수 있을 것으로 기대된다.

5. 결론

세계적으로 도심지 교통정체 해소 및 환경개선(지상 녹지공간확보)을 위한 지하공간의 활용 시 부지, 전용면적과 공사비 절감 등 공간활용에 대한 극대화 방안의 하나로 하나의 터널에 층을 나누어 사용하는 복층터널을 시공 및 운용 중이다. 양방향 노선을 하나의 터널로 시공하여 공간활용을 최적화 할 수 있으며, 말레이시아 SMART(도로와 수로 겸용)과 같이 다목적 활용도 가능하다.

이 연구에서 개발된 장비는 복층터널 현장 외에도 터널의 환기를 위한 풍도슬래브 시공현장에 적용 가능하여, 유사 현장 적용을 계획하고 있다. 이를 통해 도심지에 시공되는 터널의 공사기간을 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

(1) 복층터널을 구성하는 중간슬래브를 구축하는 두 가지 공법에 대한 비교에서 공기를 최소화할 수 있는 공법으로는 프리캐스트 공법으로 최소 50 %이상 단축 가능한 것으로 조사되었다

(2) 중간슬래브의 가설장비 개발로 시공속도를 60 m/day로 시공이 가능할 것으로 판단되어 터키 유라시아 터널의 현장타설공법의 경우(12 m/day)와 비교하여 약 5배의 시공속도 상승이 가능할 것으로 판단된다.

(3) 이 연구를 통해서 개발된 장비는 터널 내부나 지하차도와 같은 협소한 공간에서 프리캐스트 구조물을 시공함에 있어서 발생될 수 있는 난제(풍도 높이의 제한, 20 m이상의 슬래브 시공)를 해결할 수 있고, 슬래브의 교체 등과 같은 긴급한 상황에서도 지지 장비 및 해체운반장비로 활용하여 보수시간을 단축할 수 있는 효과적인 시공 장비가 될 수 있을 것으로 판단된다.

이 연구에서 개발된 기본적인 장비에 대한 성능검증은 완료되고 공개시연회를 통해서 복층터널 내에서 프리캐스트 중간슬래브의 가설시나리오와 동일한 절차를 시연하였다. 다만, 장비의 제작에 투입된 초기비용과 작업인원의 감소를 통한 공사비 측면에서 검토는 충분한 검토가 수행되지 못하였다. 이에 복층터널연구단에서 계획 중인 복층터널 Test_bed 구축계획에 맞춰 개발된 장비를 실제 투입하여 시공할 계획이다. 이를 통해서 이 연구에서 제시한 3종의 가설장비에 대한 검증된 시공속도와 투입인력, 운영비용 등에 대한 자료를 작성·분석하고, 수정하여 신뢰성 있는 실질적인 기계화시공법을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

감사의 글

이 연구는 국토교통부(국토교통과학기술진흥원) 2018년 건설기술연구사업의 ‘대심도 복층터널 설계 및 시공 기술개발’ 연구단을 통해 수행되었습니다. 연구지원에 감사드립니다.

본 논문은 2018 CONVENTION 논문을 수정·보완하여 작성되었습니다.