지하 교통 인프라 구축, 기술 고도화로 안전성 확보한다

[공학저널 전찬민 기자] 도시 광역권 교통문제 해결을 위해 최근 GTX, 지하고속도로 등 지하교통 인프라 건설 사업이 활발히 진행됨에 따라 안전한 지하교통 인프라 건설을 위한 기술 개발이 활발히 진행되고 있다.

수도권 광역교통망, 국가기간교통망 등과 연계된 교통 인프라 사업의 지연은 국민의 편리한 이동권 제약, 주택 수요 분산 저해 등 국민 불편 증가와 공공적 불이익 발생으로 귀결될 수 있다. 때문에 도시지역에서는 지속적인 인구와 교통량 증가로 인한 심각한 교통 혼잡문제에 대한 해결방안으로 지하 교통 인프라 정책 추진이 활발한 상황이다.

이에 따라 도심 지하공간 개발을 위한 지반조사 기술과 관련해 깊은 심도, 타 지하 인프라 영향 등 접근의 제한성과 도심의 특수한 환경을 고려한 기술 고도화가 필요하고, 지하 인프라 추가에 따른 상호 간섭과 영향 등의 심층적 검토 기술이 요구되는 상황이다. 또한, 지하도로와 지상도로의 접속지점 지정체 현상을 막기 위한 교통측면 개선 노력이 부족하고, 이로 인한 교통체증에 무방비 상태로 노출된 상태다.

하지만 정책과 환경적 조건을 고려해 지하 교통 인프라 개발사업의 지속적 증가가 앞으로도 예상되기 때문에 향후 도심 지하에 많은 교통 인프라가 존재하는 입체형 지하 교통망 구축을 고려한 건설과 운영기술 고도화와 관련된 연구 추진이 시급한 상황이다.

또한 도심 지하 굴착에 대한 안전성 확보를 위해 지난 2019년 국토교통부 주요업무 추진계획에서 지하시설물 등 과학적·예방적 안전관리 체계 구축 반영의 필요성이 대두됐다. 이에 따라 안전한 건설현장 조성과 지하 교통 인프라 건설관련 안전성 확보를 통한 국민 삶의 질 향상을 위해 지난 2020년 국가 주도의 기술 고도화와 안전성 향상 관련 연구개발이 추진됐다.

한국건설기술연구원이 주관연구기관을 맡은 ‘도심 지하 교통 인프라 건설 및 운영 기술 고도화 연구’는 두 가지 세부과제로 구분돼 크게 6개의 핵심기술 개발을 진행하고 있다.

먼저, 입체지하교통 인프라 안전 건설을 위한 조사와 계측 고도화 기술은 도심 복합지반 굴착지반의 위험성 영향인자별 등급화, 시트화를 통해 도심 복합지반 위험성 예측 기법을 개발하는 것이 핵심이다. 또한 광역이미지 데이터를 활용한 이미지 처리기법의 적용을 위한 파라미터 선정, 적용 절차 확립을 바탕으로 광역이 미지데이터를 활용한 지반조사 기법 개발을 수행하고 있다.

특히, 계측 센서 성능 기준 마련을 위한 센서 선정과 검증 방법을 연구해 자동화 계측 시스템 신뢰성 향상을 위한 계측기기 성능 기준과 지반 조건과 경제성을 고려한 최적의 케이스별 계측 설계 표준안을 제시하고 있다. 이를 통해 지하-지하(상) 구조물 상호 연계 계측 표준안, IoT 센서 모듈 기반 자동계측 시스템, 지하 구조물의 계측 설계 기준과 표준안도 제시하고 있다.

지하 교통 인프라 건설로 인한 도심 안전영향 평가 기술 고도화에 대해서는 지반침하와 구조물 변상 자료를 수집하고 영향인자를 도출해 터널 시공에 따른 지표침하와 구조물 상호 거동을 분석함으로써 국내 조건에 부합되는 도심지 구조물 건전도 평가기법을 개발하고 있다. 터널 굴착 데이터와 지반침하 계측데이터의 상관성과 침하특성을 분석함으로써 위험도 기준과 위험지역 가시화 프로세스를 구축하며, 지반침하사고 예방을 위한 웹기반 건설 현장 안전 통합 관리 시스템 개발을 수행하고 있다.

또한, 지하 교통 인프라 통합 안전 모니터링 플랫폼을 구축하기 위해서는 시공 전 안전 확보와 민원 지원을 위해 BIM, 가상현실 등을 기반으로 침하, 지하수 등 지하 인프라 전체 상호 영향 연계 가시화, 소음, 진동 등의 시뮬레이션 기술 개발이 중요하다. 이를 기반으로 입체화된 지하 교통 인프라의 3차원 데이터 분석을 통한 예측과 경보가 가능한 통합 관리 시스템이 개발됐다.

한편, 도시지역으로의 지속적인 인구와 교통량 유입으로 도심 생활환경이 저해되는 문제를 해결하기 위해 계획되는 다양한 지하 입체 교통망 구축계획은 도시 주민의 안전 확보를 전제로 해야한다. 이에 따라 복합적 지하 교통 인프라 건설시 주요 위험요인인 지하수위 저하와 그에 따른 지반재해 발생을 예방할 수 있는 고도화된 지하수 관리 기술이 필요하다.

이를 위해 지하수위 제어형 터널배수시스템 설계 방안, 고효율 암방 그라우팅에 적합한 주입재과 공법, 고효율 패턴 그라우팅 시방서, 지하수위 복원(함양)을 위한 설계 방안과 효율적 시공기술에 대한 개발을 수행하고 있다.

또한, 건축물 특성에 따른 진동 감응도와 위험도 평가 시스템을 개발하고 건축물과 인체 감응도를 고려한 발파진동 평가·관리기준을 세분화함으로써 발파진동 허용기준을 정립하고 있다. 이와 더불어 무장약공의 최적 설계패턴, 막장 전방 지질, 위험구간 분석기법과 다양한 현장 조건에 적용가능한 무진동 암반파쇄 시공기술도 개발되고 있다.

마지막으로 운전자 행태 기반 지하 교통 인프라 연결·접속부 최적설계기술 개발을 통해 지하 교통 인프라 연결·접속부 교통제어 알고리즘과 유고 대응방안 가이드라인을 도출하고 있다. 실제 지하 교통 인프라 건설 전 사전 검증을 위해, 시범네트워크와 평가 요소기술을 도출하고 시뮬레이션 파라미터 정산을 통한 최적화를 수행할 수 있는 시뮬레이션 기반 교통류 제어 검증 기술의 개발을 수행하며, 지하 교통 인프라 연결부에 적용 가능한 차량 간 추돌사고 확률모형을 개발하고 있다.

한국건설기술연구원 김창용 선임위원(연구단장, 사진)은 “둘 혹은 다수의 지하 인프라가 복합된 조건에 대한 건설 기술 고도화, 운영과 재난관리 통합관리시스템 개발을 통해 기존 대비 안전사고율 20% 이상 감소, 발파진동 50% 저감 등 지하 교통 인프라 구축 시의 경제성, 안전성, 투명성을 확보할 수 있다”며 “또한, 입체적 지하 교통 인프라의 상호 구조물 영향과 지상부 영향에 대한 정량적 시뮬레이션 결과 제시로 지하공간 이용 활성화와 안전성 확보에도 기여할 수 있다”고 말했다.

현재 연구단은 총 4년에 걸친 연구를 통해 국내외 관련 분야 동향 분석, 기반 기술 설계와 개발을 수행하며 3차년도의 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구개발 성과물에 대한 사전 검증 및 피드백을 통한 고도화를 위해 2021년 ‘부산 내부순환(만덕-센텀) 도시고속화도로’의 시공사인 GS건설과 GTX-A 2공구 시공사인 대우건설과 MOA를 체결해 이를 바탕으로 테스트베드 시범 적용을 추진하고 있다.

또한, 연구개발 성과물에 대한 다양한 현장 적용과 검증을 통해 보다 효율적인 지하 교통 인프라 건설과 운영 관련 핵심 기술을 도출해 나가고 있다. 향후 추진이 계획되고 있는 여러 지하 교통 인프라 현장에 적용됨으로써 국민 편익 증대와 쾌적한 생활환경 조성에 기여하고자 연구단은 앞으로도 연구에 매진할 예정이다.