부산-거제간 해저 침매터널 설계와 시공
한국건설기술인협회, "건설기술인," 통권 85호, 2008년 3-4월호, pp. 14-17.
해저 침매터널 공법은 해저면에 미리 트렌치를 굴착해 놓고 육상에서 적당한 길이로 분할해 제작한 침매함을 설치 지점까지 운반하여 시공하는 첨단 고난도 기술이다. 우리나라에서는 2010년 완공을 목표로 시공중인 부산-거제간 연결도로에 처음으로 적용해 큰 관심을 끌고 있다. 이는 무엇보다 세계적으로 유례가 없는 최대 50m의 깊은 수심과 연약지반에 적용하는 것이기 때문. 다음은 최근 대한건설협회 건설기술세미나에서 발표된 이에 대한 주제발표(발표자 : 대우건설 GK 시공사업단 김창환단장) 내용을 중계한 것이다.
침매터널은 해저면에 미리 트렌치를 굴착해 놓고, 육상 Dry Dock에서 적당한 길이로 분할하여 제작한 침매함을 설치지점까지 예인, 운반하여, 트렌치에 차례로 침설시켜 침매함끼리 수압차를 이용하여 접합한 후에 되메우기 및 보호공으로 매설하여 터널을 완성하는 공법이다.
육상에서 제작한 침매함을 부력을 이용하여 침설지점까지 해상으로 예인하여 운반하고, 침설시에는 침매함 내의 Ballast Tank에 물을 점진적으로 채워서 해저 트렌치면 위에 부력보다 약간 무거운 하중, 즉 침매함이 뜨지 않을 정도의 하중으로 내려놓는 공법이다. 침매함 설치 후에 원지반에 작용하는 하중이 설치 전에 원지반에 작용했던 하중보다 적으므로 침매터널 공법을 적용하는 지반에 요구되는 조건은 크게 까다롭지 않은 것이 일반적이다. 하지만 부등침하에 매우 민감한 침매터널의 구조적 특성으로 인해 지반의 특성을 심도있게 검토하고 그 결과에 따라서 적절한 대책을 수립해야 하는 경우도 있다.
본 사업 침매터널의 경우 세계적으로 사례가 없는 최대 50m의 깊은 수심과 외해조건 그리고 최대 35m 두께의 연약지반에 적용된다. 이러한 깊은 수심과 외해조건으로 인해 부등침하에 영향을 미치는 트렌치 준규압밀 점토로 인해 부등침하가 지속적으로 발생할 가능성이 있다.
부산-거제간 연결도로 및 터널구간 사업개요
부산-거제간 연결도로는 부산 가덕도와 거제 장목면을 해상으로 연결하여 주요 인프라를 구축하는 프로젝트이다. 본 연결도로의 총 연장은 8.2km이고, 사장교 2개소(3.5km)와 국내에서는 처음 적용되는 침매터널 1개소(3.7km) 등으로 구성되어 있으며 2010년 완공을 목표로 현재 Fast Track 방식으로 설계와 시공을 동시에 진행하고 있다.
총 사업투자비는 2010년 물가상승률을 고려하여 2조 2,000억원이 넘을 것으로 예상하고 있으며, 대우건설 외 7개사가 출자 및 시공에 참여하고 있다.
본 사업 완공시 부산 서남부 및 거제시 주변의 교통 취약지역의 도로망 확충으로 통행시간이 1시간 20분 단축되며 부산 신항만 및 주변 공업단지의 물동량의 원활한 수송으로 연간 총 4,000억원 이상의 편익 발생 및 남해안 관광 인프라를 조성할 것으로 예상된다.
침매터널의 공사특성 및 설계 특장점
침매터널은 전 세계적으로 150여개 이상이 건설되어 운용되고 있으나, 국내에서는 최초로 적용되는 공법이다. 내구성 설계는 콘크리트 구조물의 각종 열화현상에 대한 저항성을 증가시켜 목표수명 동안 구조물의 요구 성능을 충분히 발휘할 수 있도록 하였다.
기 시공된 침매터널의 최대 심도는 일본의 경우 30m, 미국의 경우 40m 정도가 최대심도이며, 본 사업의 침매터널은 현재 최대 심도인 50m의 수심에 설치되게 된다. 또한 일반적으로 침매터널은 내해조건(설계파고 2m)에서 건설되나, 본 침매터널은 파고와 조류속이 상대적으로 큰 외해조건(설계파고 8.6m, 조류속도 1.2m/sec)에서 건설된다. 이에 따라 침매터널 시공을 위한 준설, 함체인양, 침설, 토공 등의 작업에 요구되는 난이도 및 설계에서 요구되는 정밀도가 높다. 또한 침매터널이 설치되는 전 지역에 걸쳐서 최대 30m의 연약점토가 분포하고 있어, 공학적으로 불리한 압축성이 크고 지반강도가 약하며, 연약점토는 장기적인 부등침하가 발생할 수 있고 이러한 부등침하는 침매터널의 기능에 심각한 문제를 일으킬 수 있어 적절한 지반개량을 계획하였다.
침매터널의 구조형식(제원, 조인트, 연약지반 개량)
본 사업의 침매터널에 적용되는 구조형식은 철근콘크리트 장방형 단면으로서 침매터널에 적용되는 여러가지 형식 중 하나이다. 철근콘크리트 장방형 단면은 폭넓은 함체에 적용이 용이하고 원형에 비하여 공간 이용을 극대화 할 수 있다. 역학적으로는 원형단면과는 달리 외압에 대한 휨모멘트가 지배적이며 부재단면은 원형인 경우보다 두껍게 되는 것이 일반적이다.
* 제원
침매터널 구간의 전체 연장은 약 3.4km이다. 함체는 크게 일반구간과 오르막 차선구간으로 나뉘고, 일반구간 함체 단면의 폭과 높이는 각각 9.75m, 26.5m이고 한 함체당 연장은 180m로 전 구간에 18개의 함체가 설치된다. 또한 한 함체의 길이는 22.5m인 세그먼트(Segment) 8개로 구성된다.
Gravel Bed를 포설한 지반 위에 침매함체를 침설하고 접합시킨 후에 함체가 거동하지 않도록 Locking Fill을 우선적으로 포설한 후에는 Back Fill과 Rock Protection을 포설하게 된다.
* 조인트
침매터널의 가장 두드러진 구조적 특성 중 하나는 미리 제작된 침매함을 연결하기 위해 필요한 연결 조인트이다. 조인트에 문제가 발생하면 해수 유입이라는 심각한 결과를 초래하므로 조인트는 침매터널의 가장 중요한 부분이다. 문제발생시에는 침매터널 운영에 상당한 영향을 미치므로 조인트에 대한 거동은 매우 제한적으로 허용되고 조인트 거동에 영향을 미치는 인자에 대한 면밀한 검토와 대책이 필요하다. 본 사업 침매터널에 적용된 조인트는 다음과 같다.
- 침설 조인트(Immersion Joint)
침설 조인트는 [그림 1]과 같이 기 침설된 선행 함체와 연결되는 부분의 접합을 위한 조인트로서 고무재질로 제작되고 침매함체의 양단에 설치된다. 침설중인 함체와 기 침설된 함체의 연결 위치가 파악된 후, 풀링잭 시스템으로 두 함체를 1차 접합시키며 이때 두 함체 연결부 가격벽 사이에 있는 물을 배제시켜서 연결부를 대기압 상태로 만들면 연결부와 침설함체 양단의 압력차에 의해 연결부에 기 설치된 고무로 된 "Gina"라 불리는 조인트인 침설 조인트가 2차 수압 접합된다.
- 세그먼트 조인트(Segment Joint)
콘크리트 침매함체는 22.5m 길이의 세그먼트 8개로 구성되며, 세그먼트 2에서 8까지는 이전의 세그먼트에 이어서 시공이 되므로 시공이음인 세그먼트 조인트가 필요하다. 세그먼트 조인트에는 지수를 위해 [그림 2]와 같이 고무지수재(Rubber Waterstop)를 세그먼트 콘크리트 타설시 설치한다. 세그먼트 사이는 철근으로 연결되지 않으므로 어느 정도의 거동은 허용하나 지수재가 허용할 수 있는 거동이 매우 제한적이다.
- 조인트의 거동(Joint Movement)
앞서 언급한 바와 같이 침매터널의 조인트에 허용되는 거동은 매우 제한적이고, 어떤 원인에 의해 조인트가 벌어지는 것을 조인트 오프닝(Joint Opening)이라 한다. 시공오차, 온도변화, 콘크리트의 크리프 및 수축, Gina의 이완, 지진에 의한 거동, 침몰선박 또는 침수에 의한 하중, 지반의 부등침하 등이 조인트 오프닝을 야기시키는 원인이 되며, 이에 대한 안정성을 확보하도록 설계 및 시공하였다.
* 연약지반 개량
침매터널의 경우 부력보다 약간 무거운 수준의 하중으로 지반에 내려놓으므로 육상의 구조물에 비하면 상당히 작은 하중이 지반에 작용한다. 그래서 지반 개량이 필요 없는 것이 일반적이지만 장기적인 압밀침하가 우려되는 등 필요한 경우 적절한 공법을 적용하여 지반을 개량한다.
일반 구간의 경우 CDM 공법을 적용하였고, 서측구간은 침매터널이 해저면 상부에 설치되는 구간으로서 일반구간보다는 큰 하중이 작용하므로 당초 기본설계 때부터 고려되었던 SCP(Sand Compaction Pile: 모래다짐말뚝) 개량+선행하중 공법을 적용하였다.
침매터널 시공순서 및 현황
침매터널 공사의 개략적인 순서를 살펴보면, 먼저 통영 안정국가공단 내에 위치한 제작장에서 침매함을 제작하여 인근 임시계류장으로 운반되어 의장을 마친 후, 현장까지 예인 및 운송을 실시한다. 침매함을 시공 위치로 침설한 후 선박 충돌 및 함체의 부상을 방지하기 위한 되메우기 작업 후 내부 마감을 실시한다.
현재 침매터널 시공현황은 침매함체 총 18함 중 4함이 제작, 완료되어, 2008년 2월 첫 번째 함체가 통영에서 현장까지(운송거리 34km) 예인 및 운송되어 침설을 완료하였으며, 금년 중으로 총 7함을 침설할 계획이다.
