부산-거제간 연결도로 설계 및 시공
Design and Construction for Busan-Geoje Fixed Link
글/ 김세훈(대우건설GK설계팀,과장), 구임식(대우건설GK시공사업,단장),
김제춘(대우건설GK설계팀,팀장), 이정상(대우건설GK설계팀,과장)
출처 : 콘크리트학회지, 2009년 11월호, 제21권 6호 pp. 86-93
1. 사업소개
동북아 물류거점으로 성장할 부산신항 관문에 위치하는 두 개의 섬 거제도와 가덕도는 손에 잡힐 듯 가까워 보이지만 멀게만 느껴지던 두 섬이 꿈속의 바닷길을 지나 10분이면 도착하는 상상 속의 일이 현실화되고 있다. 부산-거제간 연결도로는 부산광역시 가덕도와 경상남도 거제시 장목면을 연결하는 국지도 58호선의 연장선상에 위치하는 총연장 8.2km의 해상도로로써 사장교 2개소를 포함한 교량구간과 침매터널 구간으로 구성된다. 교량구간의 총연장은 3.5km로, 예비항로의 기능을 수행하기 위한 사장교 구간(2주탑 및 3주탑 사장교)과 접속교 구간으로 구분된다. 주항로 확보를 위해 국내 최초로 건설되는 침매터널의 총연장은 3.7km로 가설수심 및 연장에 있어서 세계 최대의 침매터널로 계획되었다. 본 도로는 시속 80km/hr의 자동차 전용도로로 왕복 4차선으로 계획되었으며, 2주탑 사장교의 거제방향 차선은 도로의 종단선형을 고려하여 오르막 차선을 적용하였다.
민간투자사업(BTO 방식)으로 진행되는 본 사업은 대우건설을 주축으로 7개사가 컨소시엄을 구성하여 국내 최초로 패스트 트랙(fast track) 방식을 적용, 2003년 설계에 착수하였으며 2010년 완공을 목표로 시공을 진행하고 있다. 또한 사업구간의 열악한 환경조건을 고려하여 최신의 설계기법과 많은 신기술, 신공법을 도입하여 이를 통해 구조물의 품질 및 시공안전성 확보를 위한 노력을 지속적으로 기울이고 있다. 본 기사는 부산-거제간 연결도로에 적용된 해상교량 및 침매터널의 설계적 특징과 시공현황에 대해 소개하고자 한다.
2. 해상 교량의 설계적 특징
교량으로 계획된 Lot1, Lot2 구간은 <그림 2>와 같이 부예비 항로와 주예비 항로의 기능을 확보하기 위해 주경간 2@230m의 3주탑 사장교와 주경간 475m의 2주탑 사장교를 적용하였다. 최적의 설계 및 공법 결정을 위해 구조적 안전성, 시공성, 경제성 및 경관미 등에 대한 가치평가(value engineering)를 주변 환경을 고려하여 수행하였으며 그 결과를 설계에 반영하였다. 본 장에서는 설계시 반영된 기술적 특장점에 대해 언급하고자 한다.
2.1 사장교 주탑 및 상부구조
거가대교의 주탑 형상은 경관분석 결과를 반영하여 일반적인 직선형이 아닌 곡선형 다이아몬드 주탑을 적용하였다. 곡선형 주탑은 세계적으로도 드문 특수한 형상으로 시공상에 어려움이 있으나 거가대교의 차별화된 상징성을 표현하는데 부족함이 없을 것이다.
주탑의 형상은 미적인 형상을 유지하면서 고정하중(dead load)으로 인한 인장력이 발생하지 않고, 시공시 표준 클라이밍 폼 장비를 사용할 수 있도록 적정 곡률을 결정하였다. 다이아몬드형 주탑은 일반적인 H형 주탑과 달리 삼각 케이블 시스템(triangulated cable system)을 구성하여 공기역학적 안전성 확보에 유리하며, 케이슨 규모의 축소로 경제적인 시공이 가능한 장점이 있다.
교량 상판은 서해대교와 유사한 2주형 강합성 바닥판 형식을 적용하였으며, 최적화 과정을 통해 상당히 날렵한 형상미를 제공하도록 설계되었다.
2.2 3주탑 사장교 및 플로팅 데크 시스템
국내 최초로 적용되는 3주탑 사장교는 구조적 거동은 복잡하나 부예비항로(220m X 36m) 2개소 확보를 위한 기능적 측면과 2주탑 사장교와 연계한 경관미를 고려할 경우 최적의 형식으로 평가되어 경제성이 우수한 FCM의 대안으로 적용되었다<그림 3>.
사장교의 경우 주탑 지점부에 큰 부모멘트가 발생하게 되므로 <그림 4>와 같이 주탑부 수직하중지지 받침을 생략하여 주형에 발생하는 부모멘트를 감소시키고, 응력집중을 완화하는 플로팅 데크 시스템(floating deck system)을 국내 최초로 적용하여 보다 경제적이고 효율적인 구조물로 계획하였다.
2.3 프리캐스트 공법 및 기초 그라우팅
본 교량은 시공 환경이 열악한 외해조건을 고려하여 구조물의 품질 확보, 공기단축 및 환경오염 최소화 등을 위해 기초 케이슨, 교각, 바닥판 등 주탑을 제외한 모든 부재를 제작장에서 미리 제작한 후 해상장비를 이용하여 운반 및 거치하는 프리캐스트 공법을 적용하였다. 국내 최초로 도입되는 프리캐스트 케이슨과 교각은 열악한 시공환경에서의 현장시공을 최소화하고 육상 제작을 통해 구조물의 품질과 시공성을 확보할 수 있는 최적의 공법이라 할 수 있다.
프리캐스트 교각의 연결부 처리방법은 <그림 5>에 간략히 나타내었으며, 임시패드 위에 거치된 프리캐스트 케이슨 저면과 원지반 사이에는 <그림 6>과 같이 그라우트를 주입하여 지반과 케이슨을 일체화하는 기초 그라우팅 공법을 적용하여 상부하중을 지반에 고르게 분포시켜 기초의 구조적 안전성을 확보하도록 하였다.
2.4 바닥판 합성 대블록 가설공법
최대 90m 지간의 국내 최장의 소수주형교를 적용한 접속교는 강형과 바닥판을 육상 제작장에서 일체화 시킨 후 해상 크레인을 이용하여 1경간씩 설치하는 바닥판 합성 대블록 가설공법을 적용하여 품질확보와 더불어 시공성 및 구조적 효율성을 크게 향상시켰더<그림 7>.
3. 교량 시공 현황
본 사업에서 해상 교량의 가장 큰 특징은 프리캐스트 공법이다. 본 교량은 국내에서는 처음으로 외해 환경에서 시공되고 있어 작업 가능 시간이 현저히 적다. 이러한 불리한 시공환경을 극복하기 위해 주탑을 제외한 모든 구조물이 프리캐스트로 제작되어 운송 후 설치되고 있다. 또한 최적화된 설계는 높은 시공 정밀도를 요구하고 있어 보조를 맞추기 위해 정밀한 시공중 해석 및 철저한 품질관리가 이루어지고 있다.
3.1 케이슨 시공
주탑부 케이슨은 무게가 9천6백톤으로 <그림 8>에 나타난 바와 같이 분리되어 있는 케이슨 하부 두 개를 각각 육상에서 2천6백톤 무게로 제작한 후 3천톤 해상크레인을 이용해 해상 제작장에 정밀하게 거치 후 일체화되어 있는 케이슨 상부를 타설하게 된다. 완성된 케이슨은 <사진 1>에서 보는 바와 같이 2만톤급 부양식 독(floating dock)을 사용하여 현장까지 운송한 후 <사진 2>와 같이 3천톤 해상 크레인을 이용하여 거치하게 된다. 완성된 케이슨의 해상크레인을 이용한 작업시에는 크레인의 용량에 맞추기 위해 케이슨의 부력을 이용하여 무게를 조정하게 되는데 운송이나 거치시의 무게 및 해상조건은 운송 시뮬레이션을 통해 최종 결정한다.
교량 현장에 정밀하게 거치된 케이슨은 파하중에 최대한 저항하기 위하여 주초(plinth, 상부 콘크리트 슬래브) 바로 아래까지 물로 채워진다. 거치작업이 마무리되면 가능한 빠른 시간 내에 수중 그라우팅을 실시하여 지반과 케이슨을 일체화시키게 되며, 이후 케이슨 내부에 쇄석채움을 실시한 후 주초 타설 준비를 하게 된다.
3.2 주탑 시공
사장교 주탑은 곡선형 다이아몬드 형태로 미관상 매우 빼어난 자태를 보여주지만, 이에 상응하는 높은 시공 정밀도를 요구한다. 3차원 공간의 곡선을 따라 위치하는 케이블의 앵커리지를 설계상의 표준 위치에 정확히 시공하는 것은 공간상 기준선 부재와 콘크리트의 시간 의존적 거동 등으로 인해 매우 어려운 작업이다. 이러한 열악한 환경에서 고도의 정밀도가 요구되는 주탑 시공을 위해 현재 현장에서는 콘크리트의 시간 의존적 거동과 주탑 및 상판의 모든 시공단계를 고려한 주탑 선형관리기법 적용을 토대로 국내 최초로 주탑과 케이블 및 상판의 동시 시공이 이루어지고 있다<사진 3>. 2주탑 사장교 주탑의 1번 가로보는 공기단축을 위해 프리캐스트로 제작되어 운송 후 설치되었으며, 2번, 3번 가로보와 3주탑의 가로보는 현장타설로 시공되고 있다<사진 4>.
주탑의 다이아몬드 형태로 인해 주탑의 높이가 높아질수록 교축직각방향으로 모멘트가 증가하므로 시공중 안전성 확보를 위해 1번 가로보와 2번 가로보 사이에 임시 수평 지지대가 설치되었으며, 임시 수평지지대의 설치 및 제거는 주탑의 선형관리 해석에 포함되어 관리되고 있다.
3.3 사장교 상부구조 제작 및 가설
사장교의 상부구조는 세그먼트별로 제작되어 캔틸레버 시공법에 의해 가설된다. 주두부를 제외한 모든 세그먼트는 강형과 바닥판이 각각 제작장에서 제작되어 데릭크레인에 의해 인양되어 설치된다<사진 5>.
본 사장교는 기존의 국내교량에 적용되었던 케이블 장력에 기초한 선형관리가 아닌 상판의 기하형상에 기초한 선형관리 기법을 적용하고 있어 강형과 주탑의 시공에 더 높은 정밀도가 요구되고 있다. 강형은 제작장에서 선제작하여 오차를 최소화시켰으며, 제작시 발생한 강형의 오차와 주탑 앵커리지 포인트의 오차는 케이블 길이 설정시 차감된 값으로 반영된다.
3.4 접속교 시공
접속교는 모든 부재가 프리캐스트 공법으로 제작되어 현장에 운송 설치되고 있다. 접속교의 교각은 총중량에 따라 코핑과 기둥부가 일체로 제작되어 운송 설치되거나 분리 제작되어 각각 운송 및 설치 후 일체화되고 있다. 접속교 상부구조는 대블럭 프리캐스트 공법으로 제작장에서 선제작된 강형에 콘크리트 바닥판을 타설하여 상부구조 전체를 완성시킨 후 해상크레인으로 운송하여 기설치된 프리캐스트 교각 위에 가설된다<사진 6-8>.
4. 침매 터널
주변 항만 이용 선박의 안전한 통항을 위한 주항로 확보를 위해 도입된 침매터널 공법은 국내 최초의 해저터널 공법으로 육상 드라이 독(dry dock)에서 제작한 거대한 함체를 부력을 이용해 설치 지점까지 예인 운반하고, 미리 굴착해 놓은 트랜치에 침설시킨 후 함체 사이의 수압차를 이용하여 접합한 다음 되메우기 및 보호공으로 매설하여 해저터널을 완성하는 공법이다.
본 사업구간의 시공조건은 침매터널로는 세계적으로 유례가 없는 최대 50m의 깊은 수심, 파도와 파랑의 영향이 큰 외해조건, 최대 35m 두께의 연약한 해성점토지반 등으로 매우 예외적인 조건을 가지고 있다. 따라서 설계시 함체간에 발생할 수 있는 상대적으로 큰 부등침하를 고려해야 하고 시공은 함체 접합시 허용오차 ±50mm를 벗어나지 않도록 정밀하게 관리되어야 한다.
본 구간에 적용된 침매터널 종단면도와 주요 구조물은 <그림 9>와 같다.
4.1 침매터널의 구조
통영의 제작장에서 제작되는 길이 180m의 단일 함체는 22.5m의 8개 세그먼트로 분할 제작되며, 세그먼트 간의 연결은 철근 연결 없이 지수재와 전단키로만 구성된 활절구조<세그멘탈시스템>를 적용하였다. 이 구조는 함체간의 하중 전달을 차단하여 함체 길이방향으로 최소 철근량만을 가지고 구조적 안전성이 확보되는 경제적인 구조시스템이다<그림 10>.
함체의 단면은 <그림 11>과 같이 폭 26.5m, 높이 10.0m의 박스 단면으로 설계되었으며, 중앙에 별도의 공간을 두어 화재시 사용될 배연구, 여러 시설물 라인을 위한 공동구, 터널 내 사고시 인명 대피를 위한 안전구간으로 사용할 수 있도록 공간을 분할하여 계획하였다.
침매터널은 엘리먼트(element)라 불리우는 18개의 단위 함체로 구성되어 있고 이들 함체는 <그림 12>와 같은 Gina 개스킷(gasket)이라는 가요성 조인트로 연결되어 있다. 또한 단위함체는 8개의 세그먼트로 구성되는데, 제작시에 세그먼트 사이에는 시공조인트가 발생하게 되며 이 시공조인트에는 Waterstop이라는 가요성 재료의 지수재가 설치된다<그림 13>. 이러한 구조적인 특징으로 인해서 단위함체 사이와 세그먼트 사이에 벌어짐을 유발할 수 있는 지반의 부등침하는 함체 전체의 침하에 비해서 엄격하게 제한된다.
4.2 침매터널의 시공 현황
침매터널은 제작장에서 단위함체를 제작한 후 제작된 함체를 부력을 이용하여 설치 위치까지 해상으로 운반하여 설치하는 공법으로 현재 총 18함체 중 13개의 함체는 제작이 완료되었고 마지막 5개의 함체를 경남 통영의 안정에 위치한 제작장에서 동시에 제작하고 있다<사진 9>.
침매터널 구간은 총 18개의 함체로 구성된 침매터널 본선과 육상으로 진입하는 부분인 가덕도와 중죽도에 각각 설치되는 갱구부의 개착식 터널로 구분할 수 있다. 침매터널 본선의 경우 2008년 2월에 첫 번째 함체의 침설을 가덕도 측에서 시작하여 태풍 내습기를 제외하고 매월 한 함체 꼴로 침설을 실시하여 2009년 6월까지 총 12개 함체의 침설을 완료했으며, 현재 13번째 함체의 침설을 준비중이다. 한편 양측 갱구부에 각각 설치되는 개착식 터널은 <사진 10>의 가덕도측 동측 갱구부는 마무리 공정을 남겨둔 상태이고 서측 갱구부는 <사진 11>과 같이 현재 구조물 공사가 진행 중에 있다.
1년 중 태풍내습기인 6월에서 9월말까지의 3개월을 제외하고는 매월 침설작업을 진행해야만 준공시기인 2010년말까지 공사를 완료할 수 있을 정도로 매우 빠듯한 일정하에서 공정이 진행되고 있어서 숨 돌릴 틈조차 없는 것이 현실이다. 일정상으로 한치의 실수도 용납할 수 없는 상황이므로 돌발적인 상황이나 공정에 지장을 줄 수 있는 변수가 발생했을 때는 구조, 해양, 지반 등 각 분야 기술진의 역량을 집중해서 이를 해결해 가면서 공정을 진행하고 있다.
세계 최초의 침매터널이 미국 미시간에 시공된 이래로 100여개 이상의 침매터널이 시공되었음에도 불구하고 그 사례를 찾아볼 수 없을 정도의 열악한 환경조건으로 국내는 물론이고 외국의 전문가들조차 명확한 답을 주지 못하는 수많은 결정의 순간들을 오로지 열정 하나로 극복하고 국내 최초 첫 번째 함체를 2008년 2월에 침설하는데 성공하였다. 물론 첫 함체 이후로 침설과정에서 난관이 없지는 않았으나 첫 단추가 어렵게 꿰어진 이후로 나머지 단추들은 순서에 맞춰서 차례차례 꿰어지고 있다.
<사진 12>의 첫 번째 함체 침설사진은 침매터널이 설치되는 해역에 대한 여러 가지 정보를 담고 있다. 함체 뒤쪽으로 대형 컨테이너선이 지나고 있는 것을 보면 이곳에 대형 선박의 진출입이 잦은 주항로임을 알 수 있고 인근에 부두가 없음이 외해임을 시사하는 것이다.
4.3 침매터널 시공순서
4.3.1 함체 제작
철근콘크리트 구조의 침매터널은 콘크리트만으로 수밀성 및 내구성을 확보해야 하는 구조물로서 제작시 엄격한 품질관리가 요구되며, 관통균열을 제어하기 위해 22.5m의 세그먼트를 전단면 일괄타설 공법으로 시공한다.
4.3.2 함체 예인 및 임시 계류
침매 함체(4만 5천톤)의 예인은 부력을 이용해 이루어지며, 이를 위해 함체 양단에 차수벽을 두고 내부에 발라스트 탱크를 설치하여 수위 조절을 통해 침매함체의 부력을 조정한다. 제작장에서 예인된 함체는 임시계류장에서 침설 준비가 완료될 때까지 대기하게 된다<사진 13>.
4.3.3 침매터널 트렌치 준설 및 지반 개량
침매 함체 설치를 위한 트렌치를 준설하는 작업으로 외해에서도 상대적으로 정밀하고 신속한 준설이 가능한 준설선(trailing suction hopper dredger)을 사용하였으며, 연약지반의 안정성 확보를 위해 SCP 및 CDM 공법을 적용하여 지반을 보강하였다<사진 14>.
아래 <그림 14>에서 황색으로 표현된 부분은 SCP 공법이 적용된 영역이고, 청색으로 표현된 부분은 CDM 공법이 적용된 영역이다.
4.3.4 침매터널 기초조성
함체의 하중을 지반에 균등하게 전달하기 위해 트렌치 준설면에 약 1m 두께의 자갈을 포설하는 자갈기초(gravel bed) 공법을 적용하였다. 깊은 수심 및 외해조건에서 ±40mm의 포설조건을 만족하는 장비가 전무한 상황에서 이를 극복하기 위해 세계 최고의 포설장비를 개발하여 사용하고 있다<사진 15, 16>.
4.3.5 침매함체 침설 및 연결
함체는 GPS로 정위치를 잡아 조합와이어와 발라스트 탱크를 조정하여 침설하게 되며, 참설된 함체의 접합은 연결부의 해수를 배수시킬 때 발생하는 수압차를 이용하는 수중접합방식을 적용한다. 깊은 수심에서 함체의 정밀 접합을 위한 미세조정을 위해 EPS(external positioning system)라는 장비를 세계최초로 개발하여 적용하고 있다<사진 17>.
5. 결언
부산-거제간 연결도로는 자연환경이 열악한 외해에 건설되는 해상도로로써 설계단계에서부터 시공에 이르기까지 모든 단계에서 구조물의 안전성, 시공성 및 품질확보를 위해 많은 노력을 필요로 하는 국내 최대의 건설공사이다. 또한 부산신항, 마산항 및 진해항 등 대형선박의 통항이 빈번한 지역에 건설되어 유사시에도 원활한 선박통항이 가능한 특수 구조물이 요구된다. 당사에서는 이러한 환경조건과 기능적 요구조건을 극복하기 위해 세계 최대의 침매터널과 2주탑 및 3주탑 사장교를 적용하였으며, 최신의 설계기법과 더불어 플로팅 데크 시스템, 프리캐스트 케이슨 및 교각, 해상기초그라우팅, 정밀 자갈포설장비, EPS 등 국내 최초의 다양한 첨단 기술을 도입하여 세계적인 토목구조물로 손색이 없는 해상연결도로를 건설하고 있다. 또한 문화의 도시 부산과 청정 자연을 간직한 거제를 연결하는 본 사업의 성공적 완수는 사회, 문화, 경제적 측면에서의 새로운 가치 창출과 더불어 국내 건설기술이 비약적으로 발전하는 계기가 될 것임을 믿어 의심치 않으며, 2010년 12월 완공을 앞두고 서서히 그 위용이 드러나고 있는 본 사업이 성공적으로 마무리되는 그날 우리는 세계적인 해상도로를 달리는 즐거움을 만끽할 수 있을 것이다.
