TBM 연속 터널링 공법으로, 굴착 성능 획기적으로 향상
TBM 연속 터널링 공법으로, 굴착 성능 획기적으로 향상
  • 전찬민 기자
  • 승인 2023.02.02 09:43
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[공학저널 전찬민 기자] 전 세계적으로 고품질, 고성능, 내구성이 뛰어난 터널 인프라를 신속하게 건설하기 위해 기계화 터널링 기술이 활용되고 있다. 발파 등 기존 활용됐던 공법과 달리 현대식 기계화 터널링 기술을 활용하게 되면 지질학적, 지형적 조건과 구애받지 않고 필요한 곳에 정확하게 터널을 건설할 수 있어 앞으로 활용도는 더욱 높아질 전망이다.

하지만, 연약한 지면에서 Shield 장비를 사용하는 기계화된 터널링은 항상 멈춘 후 순차적으로 진행되며. 각 굴착 스트로크 다음에는 링 빌딩 순서가 따르기 때문에 굴착이 일시 중지돼야 하고 후속 주행 사이클은 다음 세그먼트 링 빌딩이 완료될 때만 시작할 수 있다. 이러한 반복 작업으로 인해 연약한 지반 형성에서 터널 전진이 중단되면 장기적으로 공사기간이 늘어나게 된다.

이를 개선하기 위해 TBM을 정지하지 않는 연속 터널링(Continuous Tunneling) 공법이 개발돼 London-Birmingham Railway Tunnel(High speed 2 프로젝트)에 적용됐으며, 좋은 성과를 거두고 있어 기술 혁신을 인정받아 2022년 독일 바우마 전시회에서 기술혁신상을 수상하게 됐다. 이 연속 터널링 공법을 개발한 주인공이 바로 독일 Herrenknecht(헤렌크네히트)다.

연속 터널링 공법은 라이닝 링이 설치되는 동안 기계가 굴착을 계속할 수 있는 연속 터널링 프로세스가 적용되며, 공사 기간을 상당히 절약할 수 있게 된다. 공기단축은 건설에 있어 매우 중요한 사항이며, 새로운 연속 터널링 시스템, 특히 장대터널 구간의 경우에는 연속적으로 조직화된 터널링을 통해 공사 기간의 획기적인 절감으로 이어지게 된다.

연속 터널링의 기본 원리를 살펴보면, 연속 터널링으로 전진하는 동안 기계를 앞으로 밀어내는 추력 실린더가 링 구축을 위해 수축되는 실린더의 힘을 공유하게 된다. 기계가 이러한 조건에서 경로를 안정적으로 유지하기 위해서는 적용된 추력 실린더의 결합된 구동력을 통해 발생하는 추력 중심이 해당 위치에서 변경되지 않은 상태로 유지하는 것이 중요하다.

이에 따라 연속 터널링의 중심에는 추력 실린더에 필요한 압력을 정확하게 계산할 수 있는 강력한 컴퓨터 시스템과 공정별 소프트웨어 프로그램이 장착돼 있다. 이러한 연속 터널링의 기능적 원리를 사용하면 불연속 방법에 비해 전체 터널링 성능이 최대 1.6배 증가할 수 있다는 것이 장점으로 손꼽히고 있다.

또한, 연속적인 굴착에서 기계 작업자는 더 이상 제어 패널의 회전식 제어 장치를 사용해 추력 실린더의 압력을 수동으로 제어하지 않게 된다. 이를 위해 Herrenknecht는 쉴드 작업자가 기계를 정밀하게 제어할 수 있도록 도와주는 CoT(Center of Thrust) 시스템을 새로 개발했다.

기계 작업자에게 압력 중심의 현재 위치를 보여주고 추력 중심의 원하는 위치를 선택하는 디스플레이 패널로 구성됐고, 추력 실린더의 해당 제어는 컴퓨터 시스템의 알고리즘에 의해 처리된다. 특히, 전위차계에 의한 수동 제어와 비교할 때 CoT는 지정된 정렬을 보다 효율적이고 효과적으로 유지할 수 있어 CoT 시스템은 지하 구조물의 품질 외에도 건설 프로젝트의 경제적 효율성 향상에 기여할 수 있을 것으로 예상되고 있다.

이러한 연속 터널링 공법의 기술 혁신을 인정받아 2022년 독일 바우마 전시회에서 기술혁신상을 수상하게 된 것이다.

Herrenknecht는 0.10~19미터 범위의 모든 직경과 모든 지면 조건에 맞는 최첨단 터널 굴착기를 제공하는 전 세계 유일한 기업으로, Herrenknecht 그룹 산하의 혁신적인 전문가 팀은 요청 시 프로젝트별 장비와 서비스 패키지와 함께 통합 터널링 솔루션을 제공하고 있다. 또한, 분리 플랜트, 벨트 컨베이어 시스템, 내비게이션 시스템, 철도 차량 시스템, 세그먼트 몰드, 턴키 세그먼트 생산 공장 등 신뢰할 수 있는 프로젝트 파트너인 Herrenknecht는 프로젝트 시작부터 혁신에 이르기까지 광범위한 서비스를 지원하고 있다.

특히, Herrenknecht는 많은 국가에서 관심을 갖고 있는 기계화 터널링 기술 분야 시장 리더로서 동남아, 유럽 등 해외 터널 공사에 참여하는 한국 기업들과 협력해 왔다. 한국에는 이미 많은 터널이 있지만 한국의 터널 건설 현장은 많이 바뀌었고 시장도 확대되고 있는 상황이다. 이에 환경 영향과 민원, 진동 등으로 인해 기계화된 터널링이 필요한 시점으로 Herrenknecht가 한국을 주목하고 있다.

왼쪽부터 Stefan Dowideit COO-Asia, 박성수 지사장, Thorsten Tatzki Deputy CEO-asia
왼쪽부터 Stefan Dowideit COO-Asia, 박성수 지사장, Thorsten Tatzki Deputy CEO-asia

Herrenknecht 아시아 헤드쿼터스 한국지점 박성수 지사장(사진)은 “TBM은 독특하고 매우 특별하기 때문에 많은 경험이 필요하며, 더 많이 경험할수록 더 많은 노하우를 얻을 수 있다”며 “한국의 터널링 전문가들은 이미 TBM과 함께 해외 터널 공사를 수행하면서 많은 노하우를 축적했으며, Herrenknecht는 터널링 산업의 모든 관련 파트너와 협력해 그 노하우를 성장하는 현지 시장으로 확장하는 것을 목표로 하고 있다”고 말했다.

그는 이어 “기술이 발전함에 따라 지질학적 어려움을 해결할 수 있게 됐고, 이제 과거에는 상상조차 할 수 없었던 일을 할 수 있도록 발전했다”며 “Herrenknecht는 많은 경험을 통해 어려운 상황에 직면해 왔고 해결했기 때문에 한국의 기술 발전에 큰 도움이 될 것”이라고 덧붙였다.

TBM에 대한 수요가 증가함에 따라 인력도 더욱 필요해지고 있다. 시장은 성장하고 있지만 엔지니어 없이는 선순환이 이뤄질 수 없기 때문에 우리나라도 TBM 전문가라고 할 수 있는 엔지니어를 많이 양성해야 한다는 목소리가 높다. 이에 따라 Herrenknecht는 국내 엔지니어들과 경험을 공유하고 심도 있는 교육을 제공해 이러한 경험을 바탕으로 해외 시장으로 진출할 수 있도록 지속적으로 협력과 지원을 강화할 계획이다.

박 지사장은 “국내 터널 시장의 성장이 예상되는 만큼 전 세계적으로 5700개 이상의 프로젝트 경험을 기반으로 Herrenknecht의 기술 노하우를 적용해 기술 개발이 가능할 것으로 보고 있다”며 “많은 국내 건설사들이 국내뿐 아니라 해외에서도 시공을 하고 있으며, 최적화된 장비로 노하우를 습득하고 또 다른 환경에서 노하우를 쌓는다면 해외 프로젝트에서도 좋은 평가를 받을 수 있을 것”이라고 말했다.


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