어떻게 해저터널을 무너지지 않고 건설할 수 있는 기술과 원리는 무엇인가요?
바다속에서 해저터널을 건설하는 기술과 원리는 무엇인가요?
해양 환경에서의 건설 과정, 안전성 및 내구성 문제 등 해저터널 건설에 따른 기술적인 부분을 알려주세요.
안녕하세요. 박준희 과학전문가입니다.
전 세계에 설치된 해저터널은 크게 3가지 방법 중 하나로 만들어집니다.
터널을 만드는 장소에 따라 나누면 바닷속에서 터널을 만드는 NATM 공법과 TBM 공법, 그리고 육지에서 터널을 일정 길이로 나눈 유닛을 만들어 바닷속에서 조립하는 침매 터널 공법과 바닷물을 뺀 후 터널을 만드는 개착식 공법으로 나눌 수 있죠.
현재 가장 많이 사용하는 방식은 NATM 공법으로, 보령 해저터널과 서울 지하철 5호선 여의나루역과 마포역을 잇는 구간에 포함된 한강 하저터널이 이 방법으로 만들어졌다고 합니다. NATM 공법은 다이너마이트, 정밀폭약등을 이용해 해저 아래 구멍을 낸 후 콘크리트 등을 벽에 뿜어 굳히면서 파고 들어가는 방식이라고 합니다.
감사합니다.
안녕하세요. 송종민 과학전문가입니다.
보령 해저터널 건설에 쓰인 NATM 공법
전 세계에 설치된 해저터널은 크게 4가지 방법 중 하나로 만들어졌다. 터널을 만드는 장소에 따라 나누면 바닷속에서 터널을 만드는 NATM 공법과 ‘TBM(Tunnel Boring Machine)’ 공법, 그리고 육지에서 터널을 일정 길이로 나눈 유닛을 만들어 바닷속에서 조립하는 침매 터널 공법과 바닷물을 뺀 후 터널을 만드는 개착식 공법으로 나눌 수 있다.
현재 가장 많이 사용하는 방식은 NATM 공법으로, 보령 해저터널과 서울 지하철 5호선 여의나루역과 마포역을 잇는 구간에 포함된 한강 하저터널이 이 방법으로 만들어졌다. NATM 공법은 다이너마이트, 정밀폭약(FINEX) 등을 이용해 해저 아래 구멍을 낸 후 콘크리트 등을 벽에 뿜어 굳히면서 파고 들어가는 방식이다.
무른 지반에 폭발을 일으키면 지반 자체가 무너질 수 있기 때문에 사전 지질조사를 통해 지반을 구성하는 암석의 종류를 파악한다. 지반을 이루는 암석은 굳기에 따라 가장 딱딱한 극경암부터 경암, 보통암, 연암, 풍화암 등 5개로 구분하는데 보령 해저터널의 경우 원산도 쪽 지반은 보통암이 많고 대천항 쪽은 연암과 풍화암이 많다. 무른 지반일수록 조금씩 발파해야 안전하므로 대천항 쪽에서 터널을 팔 때는 하루에 약 2m 정도만 나아갔다.
공사 중에는 바닷물의 유입을 차단하는 ‘차수’도 이뤄졌다. 해저지반의 암석 사이로 스며든 바닷물을 24시간 퍼내는 펌프를 작동시키고 터널에 막을 씌우는 ‘차수 그라우팅’을 한다. 굴착하는 터널의 가장 안쪽 벽에 속이 빈 철근을 여럿 꽂은 뒤, 철근을 통해 시멘트를 강하게 뿌리면 시멘트가 암석 사이로 흘러 들어가 굳으면서 막을 형성한다.
TBM 공법은 굴착부터 터널 벽을 만드는 공정까지 대부분의 공정을 기계가 하기 때문에 빠르고 안전하게 터널을 만들 수 있지만, 굴착 기계의 크기가 매우 크고 가격이 비싸다는 단점이 있다. 게다가 지지용 벽으로 인해 기계 뒤쪽의 터널 반경이 기계의 폭보다 작기 때문에 ‘후진’이 불가능하다. 이러한 이유로 임무를 마친 굴착 기계는 대부분 회수하지 않고 재활용 가능한 부품만 빼고 나머지는 그대로 묻어버리거나 폐기 처분한다. 국내에서는 광주 도시철도 1호선 노선 중 남광주역과 도청역 구간이 TBM 공법으로 만들어졌다.
개착식 공법과 침매터널 공법
초기 해저터널 건설에 쓰인 개착식 공법은 최근에는 잘 사용되지 않고, 침매터널 공법 역시 NATM 공법과 TBM 공법보다 자주 쓰이지는 않지만 두 공법을 사용하기 어려운 지반에 해저터널을 건설할 때 사용된다.
개착식 공법은 경상남도 통영시에 있는 동양 최초의 해저터널인 길이 483m의 ‘통영 해저터널’을 만든 공법이다. 터널을 만들 공간 양옆에 임시로 댐을 쌓아 고여있는 물을 퍼낸 후 바닥을 굴착해 터널을 만들고 물을 다시 채우는 방식이다. 폭탄이나 굴착 기계 같은 전문 장비가 필요하지 않지만, 댐을 세우고 철거할 때 많은 인력이 필요하다.
안녕하세요. 김찬우 과학전문가입니다.
해저터널은 흔히 산을 뚫는 터널과는 달리 지반이 약하고 바닷물의 압력이 워낙 커서 건설 자체가 매우 힘듭니다. 다만 시공 방법에 대한 개념은 대부분 일반 터널과 비슷하게 가장 무모하고 위험한 개착식부터 현대의 NATM 방식, 실드 TBM 방식은 물론 해저/하저터널만의 방식인 침매방식도 있습니다.
개착식은 장 무식한 방식. 일명 '가물막이 공법'이라고도 부릅니다. 터널 양옆에 바다에 임시로 댐을 쌓아 바닷물을 막고 물을 퍼낸 다음 굴착해서 터널을 건설한 뒤 바닷물을 다시 채우는 방법입니다
NATM 방식은 New Austrian Tunnelling Method의 준말로 오스트리아에서 개발한 방식이라서 이러한 이름이 지어졌습니다. 1980년대부터 지금까지 대한민국에서 지하철 공사에 가장 많이 쓰이는 방법이기도 합니다.
지반이나 암반에 구멍을 뚫어서 화약을 삽입, 폭파시키고 벽면을 콘크리트 등으로 발라 지반 자체의 힘을 최대한 사용하면서 굴착해나가는 방법입니다. 대한민국의 수도권 전철 5호선이 지나는 마포대교 아래(여의나루역-마포역 구간)의 한강 하저터널 및 일본의 세이칸 터널이 이 방법으로 건설되었습니다
실드 TBM 방식은 1825년 영국에서 이점바드 킹덤 브루넬의 아버지 마크 브루넬이 조개에서 영감을 얻어 템즈 강 밑에 하저터널을 건설할 때 사용한 오래된 공법입니다. 현대에는 자동화된 터널만한 회전식 그라인더형 굴착기로 땅을 긁어 나아가면서 세그먼트로 불리는 콘크리트 블럭을 조립해서 터널을 만들어 가는 방식으로 발전되었습니다.
침매방식은 상대적으로 얕은 바다에 콘크리트로 미리 만들어둔 터널 크기의 함체를 만들어 바다에 가라앉혀 이어나가는 방식입니다. 쉽게 말해서 바다 바닥에다가 터널 블럭 올려두고 주욱 이어 붙이는 것입니다. 짧은 거리, 얕은 바다에 주로 사용하므로 이 방법을 사용한 해저터널이 많습니다. 한국에서는 유일하게 거가대로의 가덕 해저터널을 이 방법으로 건설했습니다.
그럼 깊이있는 질문 감사드리며 도움이 되셨다면 추천과 좋아요 부탁드리겠습니다:)