쉴드터널 시공시 간섭사항 처리사례 서울지하철7호선연장 703공구 건설공사 2011.05.11 (사진 : 쉴드해체 및 재조립 전경) 발표자 : 703공구 현장소장 문인호 1

목 차 1. 공사개요 2. 쉴드TBM 개요 3. 쉴드굴진 간섭사항 4. 누수발생 및 처리사례 5. 맺음말

1. 공사개요 공사개요 공 사 명 서울지하철 7호선연장 703공구 건설공사 공 정 율 롯데백화점 홈플러스 원미경찰서 춘의사거리 부천시청 703공구 시점 754정거장 703공구 종점 STA52km572.50 STA53km410.00 STA54km477.50 연장:1,905m <-서울 인천-> 공 사 명 서울지하철 7호선연장 703공구 건설공사 공 정 율 82.56% (2011년 04월 30일 현재) 위 치 경기도 부천시 원미구 춘의동~ 중동 발 주 처 서울특별시 도시기반시설본부 공사기간 2004. 12. 31 ~ 2012. 12. 31 감 리 자 ㈜유신 외 1개사 도급금액 184,777 백만원 계약방식 기본설계 대안 입찰 공사규모 ▶ 총 연 장 : L = 1,905 m ▶ 본 선 : 1,740m (터널:1,589m,개착:151m) ▶ 정 거 장 : 1개소 (L=165m, 섬식) ▶ 환 기 구 : 10 개소 (본선8개소,정거장 2개소) 도급현황 ▶ 지 분 율 : 대우건설(68%) + 코오롱건설(22%) + 신한(10%)

2. 쉴드 TBM 쉴드 TBM의 설비구성 쉴드 머신 후속설비 갱내운반설비 수직구설비 지상설비

쉴드TBM 기계굴착 → 세그먼트로 구조물 형성 특성 구  분 특 징 개 요 도 공법개요 쉴드TBM 기계굴착 → 세그먼트로 구조물 형성 시 공 성 ∙ 지반조건 및 주변여건에 대한 제약이 작아 보강공정 최소화 가능 ∙ 완전 기계화 굴착으로 시공효율 우수 안 전 성 굴착과 동시에 세그먼트 설치로 지반변형 최소 환 경 성 소음‧진동 영향 미미함 적용사유 ∙ 교통혼잡 최소화 : 터널구간 확대 / 개착구간 최소화 (총연장 1,905m 중 터널구간 1,589m, 쉴드터널 총연장 3,179m) ∙ 시민불편 최소화 : 소음/진동이 적고, 지반변형을 최소화할 수 있는 쉴드TBM 공법 적용 문 제 점 ∙ 지장물 대응 취약 ∙ 지반조건 변화구간에 시공곤란

이수가압식 쉴드(Slurry Shield) 2. 쉴드 TBM 쉴드 TBM 종류 (막장 안정방법에 따른 분류) 구  분 이수가압식 쉴드(Slurry Shield) 이토압식 쉴드(E.P.B Shield) 개 요 도 공법개요 - 이수에 소정의 압력을 가하여 막장의 안정을 유지 - 이토압을 막장전체에 작용시켜 막장의 안정을 유지 특 징 - 이수를 막장면에 주입하여 기계식으로 굴착 - 버럭은 이수와 함께 파이프로 유체수송 - 굴착토사의 소성유동화 촉진을 위해 첨가재 주입 - 쉴드잭의 추진력에 의해 가압하며 토사 배토 장 점 - 유체수송을 파이프로 하여 작업 환경이 좋음 - 굴착속도 빠르고 막장관리 능력과 압력조정 용이 - 이수가압식 쉴드에 비해 굴착속도가 빠름 - 막장면의 지반상태를 확인할 수 있고 공사비 저가 단 점 - 막장 지반상태의 집중관리 요구 - 배토위한 운반설비 필요 및 시공성 저하 적용지질 - 모든 토질조건에 적용 가능 - 점성토, 사질토, 전석층, 암반 등 광범위한 토질조건에 적용

2. 쉴드 TBM 쉴드 TBM 종류 (대응 지반조건에 따른 분류) 구 분 암반굴착용 토사 및 풍화대 굴착용 복합지반 굴착용 구  분 암반굴착용 토사 및 풍화대 굴착용 복합지반 굴착용 개 요 도 커터구성 - 디스크 커터 + Drag 커터 - 특수 고강도 비트 + 비트커터 - 디스크/비트커터 + Drag 비트 헤드형식 - Flat Dome Type - Flat Type 특 징 - 암반 굴착용 디스크 커터 배치로 풍화토 굴착시 쉴드 TBM 편심 발생 - 굴착효율 저하 - Flat Dome Type에 비해 지반변위 적음 - 특수 공강도 비트적용으로 내마모성/굴착효율 증대 - 예상치 못한 암반 돌출시 대처능력 우수 - 디스크 커터와 비트커터 혼용으로 굴착효율 감소

2. 쉴드 TBM 본체 정면 개요도 본체 후면 개요도

2. 쉴드 TBM 지하철 건설공사 공법별 단가현황 703공구 도급계약 적용단가(2005.10.24) 단위 : m당 구 분 Shield 공법 NATM 공법 개착공법 T.B.M 공법 사 진 특 징 - 회전파쇄식 기계굴착공법 - 연약지반 및 토사, 풍화암 등 연장 긴곳에 적합 - 소음진동 거의 없음 - 곡선터널 시공가능 - 발파굴착공법 - 토사지반~경암지반 - 연약지반시 지반보강대책 필요 - 분진,소음으로 갱내 작업환경 불량 - 모든 지층에 적용 - 단면크기 제약 없음 - 지장물 출연시 대처 가능 - 지상부 교통통제로 시민 불편 초래 - 회전파쇄식 기계굴착 공법 - 연암,경암 등 암질이 균일하고 연장이 긴 곳에 적합 - 곡선터널 시공 결여 단 가 38백만원 50백만원 59백만원 33.5백만원 703공구 도급계약 적용단가(2005.10.24) ※ 출처 : 서울시 지하철건설본부 공법별 단가현황(2007) ※ NATM공법은 토질조건, 보조공법 적용여부에 따라, Shield공법은 터널연장, 토질조건에 따라 현저한 차이가 있음 - Shield 19,727천원 - NATM 26,157천원 ※ 단선기준 m 당

3. 쉴드굴진 간섭현황 703공구 쉴드 TBM 시공순서 장비재조립 도달#4 발진#4 장비해체/인양 당초계획 쉴드 1구간 쉴드 3구간 도달#4 발진#4 쉴드 2구간 쉴드 4구간 장비해체/인양 장비투입/조립 1구간 굴진 쉴드 U-Turn 2구간 굴진 정거장 이동/4구간 굴진 장비인양/해체 장비투입/조립 3구간 굴진

3. 쉴드굴진 간섭현황 쉴드굴진 간섭 현황도 <간섭사항> ■Earth Anchor 간섭 ■한전 전력구 파일 쉴드 3구간 754정거장 구간 종점 환기구 쉴드 1구간 경암돌출(L=36m) 한전전력구 파일간섭 롯데백화점 부천시청 시점 환기구 경암돌출(L=26m) 어스앵커 간섭 (L=68m) 어스앵커 간섭 (L=182m) 경암돌출(L=44m) 쉴드 4구간 쉴드 2구간 <간섭사항> ■Earth Anchor 간섭 ■한전 전력구 파일 ■터널 1,2,3 구간 경암 (E/A간섭) (경암출현)

3. 쉴드굴진 간섭현황 어스앵커 간섭 개요 어스앵커 간섭 현황 서울지하철 703공구 쉴드 TBM 건설공사중 터널 3구간에서 어스앵커 간섭으로 인한 굴진중단이 예상되므로 간섭 앵커 제거를 위한 NATM터널의 최적 시공계획 수립 어스앵커 간섭 현황 롯데백화점 롯데백화점 통과구간 간섭연장 L=68m 롯데백화점 통과구간 부천시청 통과구간 ▣ 간섭구간 : 68m - STA.53km542~610 ▣ 간섭단수 : 2단(76EA) - 간격 : 1.8m - 준공 : 1997년 ▣ 간섭구간 : 182m - STA.54km259~441 ▣ 간섭단수 : 4단(406EA) 2006.11 : 7541E 굴착중 미제거 어스앵커 노출 2006.10 : 수직구 토공작업중 미제거 어스앵커 확인 롯데백화점

3. 쉴드굴진 간섭현황 NATM 굴착 및 어스앵커 제거 ◆ 터널 굴착 및 보강 ◆ 어스앵커 제거 방법 구 분 풍화대 터널굴착 구 분 풍화대 터널굴착 직천공 대구경 강관보강 강관보강을 고려한 확폭단면 개 요 도 기대효과 ▣ 링컷, 기계굴착 적용 막장면 지지, 터널안정 확보 ▣ 터널 및 연도변 건물 안정 확보 ▣ 자동주입관리로 보강효과 향상 ▣ 중첩길이 확보로 보강효과 증대 ▣ 강관절단에 따른 공기지연 없음 ◆ 어스앵커 제거 방법 설계적용 ▣ 1차 숏크리트 설치후 간섭앵커 제거, 터널 바닥부 어스앵커 제거후 버림 콘크리트로 되메움 실시 ▣ 구간별 NATM 시공완료후 GPR탐사 수행 쉴드 굴진구간 미제거 앵커 확인 및 제거

3. 쉴드굴진 간섭현황 NATM 굴착 완료 후 쉴드 TBM 시공 ◆ 쉴드 TBM 시공 ◆ 쉴드 TBM 시공관리 쉴드 TBM –NATM 접속부 쉴드 TBM 도달부 엔트런스패킹 및 1차 반력대 설치 막장면 숏크리트, 토사 되메움 시공 도달부에서 굴진속도 감소 ◆ 쉴드 TBM 시공관리 쉴드터널 선형관리 굴진속도 관리 NATM구간 뒤채움 주입관리 ▣ 굴진속도와 잭추력 조절로 선형관리 쉴드 부상 및 사행 방지 ▣ NATM구간내 쉴드TBM 굴진속도는 쉴드구간과 동일하게 적용 ▣ 장비 외주부 테일씰 추가 설치 뒤채움 주입재 역류 방지

3. 쉴드굴진 간섭현황 어스앵커 간섭현황 요약 및 추진경위 한전전력구 파일간섭 현황 : 파일저촉 9본 대책 현황 : 쉴드터널3구간에서 연도변건물 (롯데백화점, 부천시청) 신축당시 매설된 영구식 어스앵커 간섭 대책 : 확폭NATM 시공 후 어스앵커 강선을 제거하고 쉴드TBM 굴진/세그먼트 조립 추진경위 09.05.20 : 설계사 선정 09.8.21~9.07 : 보완/승인 09.6.24 : 중간보고회 개최 09.9.31 : 업체선정/계약 09.8.04 : 보고서 초안 납품 09.10.1 : 확폭NATM 착수 09.8.20 : 설계심의 예정 10.07.30 : 확폭NATM 완료(L=250m) 한전전력구 파일간섭 현황 : 파일저촉 9본 대책 - MSG보강 그라우팅 - 전력구 하부슬래브 단계별 철거(코어링) - 토사 인력굴착 - H-pile 노출/제거 지연일수 : 37일

3. 쉴드굴진 간섭현황 쉴드터널 경암 출현(1구간) ■ 현황 : 예상치 못한 경질암반 출현 (L=26m, 강도:185Mpa) 경암돌출부 종단면도 지상부 천공 전경 ■ 현황 : 예상치 못한 경질암반 출현 (L=26m, 강도:185Mpa) ■ 대책 지상부 대구경 +소구경 천공(288공) 저속굴진 + 비트교체(5회) (갑작스런 조우로 쉴드장비가 인접하여 발파 등 경암제거 공법 적용한계) ■ 지연일수 : 174일 ■ 재발방지계획 : 경질암반 출현이 예상되는 구간에 대해 추가 보링실시 → 쉴드2구간 경암발견 경암돌출 전경 (막장내부) 손상비트 현황 지상부 천공 전경 비트교체

3. 쉴드굴진 간섭현황 쉴드터널 경암 출현(2구간) ■ 현황 : 추가보링조사를 통해 경암구간 사전발견 (L=44m) ■ 대책 경암돌출부 종단면도 가시설 평면도 ■ 현황 : 추가보링조사를 통해 경암구간 사전발견 (L=44m) ■ 대책 쉴드터널 도달 전 개착공법(강관버팀) 을 통한 암반제거 및 되메우기 후 쉴드굴진 ■ 결과 : 쉴드도달 전 경암제거 / 되메우기 후 쉴드굴진 완료 ■ 지연일수 : 0일 쉴드단면 파일 천공 가시설 단면도 토공/가시설, 발파전경

3. 쉴드굴진 간섭현황 쉴드터널 경암 출현(3구간) 대책공법 비교 ■ 현황 : 장비트러블로 인해 챔버개방후 막장면 경암돌출 확인(L=36m) ■ 대책 : 경암분포 확인 후 비트교체 (암반용 디스크커터 장착) 기내 암파쇄작업 실시 및 굴진병행실시 ■ 결과 : 경암구간 굴진효율 약 0.43m/일 ■ 지연일수 : 83 일 경암돌출부 종단면도(20m+16m) 경암돌출부 단면도 대책공법 비교 구분 1구간 3구간 대책공법 T4천공+비트교체(5회) 기내암파쇄+비트교체(2회) 구간길이 26m 36m 지연일수 174일 83일 효 율 0.15m/일 0.43m/일

3. 쉴드굴진 간섭현황 공기분석(시공사례) 서울 703공구와 부산 203공구의 공기분석 공구별 구간 공사기간 m/day 비고 서울703공구 3,187m / 1,103일 (2.89 m/일) 1터널 685m ’07.11.26 ~ ’09.05.15(492일) 1.39 전력구 파일9본 경암1개소 26m 돌출 2터널 683m ‘09.05.15 ~ ‘09.10.15(154일) 4.44 경암 1개소 44m 사전제거 4터널 922m ‘09.12.01 ~ ‘10.05.15(166일) 5.55 - 3터널 897m ‘10.07.24 ~ ’11.05.10(291일) 3.08 E/A 2개소 250m 사전제거 경암 2개소 36m 돌출 부산230공구 838m / 422일 (1.99 m/일) 하행선 417m ‘00.11.20~ ‘01.10.08(323일) 1.29 지반보강 4회 Disk Cutter 교체 10회 상행선 421m ‘01.11.02~ ‘02.02.28(99일) 4.25 토사 + 암구간 ※ 초기굴진 및 본굴진, 공휴일, 휴지일수 포함

3. 쉴드굴진 간섭현황 공기분석(시공사례) 부산지하철 203공구 굴진속도 분석결과 구 분 굴진속도(m/day) 설계굴진속도 설계대비(%) 비고 하행 상행 초기굴진 토사 4.28 - 2.9 148 암 2.73 2.32 118 본굴진 5.04 6.07 5.8 87 105 토사+암 2.16 5.86 4.64 47 126 1.24 27 ■ 굴진속도는 토질조건 및 현장여건에 따라 현저하게 차이가 발생됨

4. 누수발생 및 처리사례 703공구 누수보수 개요 추진경위 ■ 완성된 쉴드 TBM터널의 세그먼트 일부구간에서 누수발생 ■ 준공 및 향후 안정적인 지하철 운영 및 유지관리를 위해 누수원인 분석 및 대책마련 ■ 한국터널공학회에 의뢰하여 연구용역 과업 실시 추진경위 ■10.12.16 : 용역계약 ■11.02.18~21 : 누수보수 시공업체 시공 및 견적의뢰 ■10.12.17~11.01.30 : 현장조사 및 누수원인 파악 ■11.02.23~03.03 : 시험시공후 누수보수방법 및 시공업체 선정 ■11.01.31 : 중간보고회 개최(자문위원 초청) ■11.03.04~15 : 누수보수 본시공 실시완료(170개소) ■11.02.01~14 : 전문가 자문검토 및 누수보수 대책 수립 ■11.03.16~31 : 전이 누수보수 및 인버트 바닥보수 ■11.02.15 : 누수보수 대책수립보고서 제출 ■11.03.31 : 공무부관계자 현장점검

4. 누수발생 및 처리사례 쉴드터널 누수발생 원인분석 (일반) 구 분 세그먼트 시공오차 과다변형 발생 세그먼트 주입공 파손 구  분 세그먼트 시공오차 과다변형 발생 세그먼트 주입공 파손 세그먼트 교차부 파손 개 요 도 특 징 - 조립시 세그먼트간 벌어짐 발생 => 연결부 방수 - 세그먼트 연결부 변형에 의한 누수발생 => 볼트공 방수 - 이렉터조작시 콘크리트와 주입공 사이 파손발생 => 뒷채움 주입공 방수 - 세그먼트 조립과정 우각부 파손발생 => 연결부 코킹 방수

4. 누수발생 및 처리사례 쉴드터널 누수발생 대책방안 (703공구) 구 분 개 요 도 특 징 Seal 방수재 ■비팽창부에 의해 지수재 외부돌출 방지로 내구성 증대 및 시공성 용이 ■현장지반조건, 시공성에서 유리한 복합형수팽창 지수재 2열 적용 세그먼트 연결부 방수 ■수팽창 지수재 2열(당초 20X5mm, 변경 20X6mm) ■복합형 지수재 적용으로 외부돌출방지 볼트공 방수 ■패킹링+곡볼트 연결방식 ■전단력 분산으로 처짐방지 및 보틀 체결력 증대 뒷채움 주입공 ■그라우트파이프 소켓+수팽창 지수링 ■소켓부 녹 발생없고 별도 정착장치 없음 ■미세크랙을 통한 누수방지 연결부 코킹 ■폴리우레탄 씰런트(1액형) ■별도의 혼합이 필요 없음 ■시공성 우수

4. 누수발생 및 처리사례 누수부위에 대한 약액 결정 누수보수 현황 누수보수 결과 1안 2안 3안 연질우레탄(70~80%)+경질우레탄(20~30%) 연질우레탄(70~80%)+아크릴(20~30%) 시멘트밀크(70~80%)+아크릴(20~30%) 채 택 누수보수 현황 구분 1구간 2구간 합계 비고 보수전 98개소 72개소 170개소 보수완료 누수보수 결과 ■ 당초 발생된 누수보수를 완료하였으나 전이되는 양상을 보여 1회/매주 지속적인 보수공사 시행하여 보수완료

터널 연장을 기준한 허용누수량 (l/㎡/day) 4. 누수발생 및 처리사례 허용누수량 터널설계기준(국토해양부,2007) 8.5 허용 누수량 터널의 방수설계에 있어서 터널용도에 적합한 방수등급을 정하고 각 방수등급별로 다음표와 같은 누수량을 허용할 수 있음. 단, 발주자여건에 따라 조정적용가능. 방수 등급 내부상태 용도 내부상태 정의 터널 연장을 기준한 허용누수량 (l/㎡/day) 10m 100m 1 완전건조 주거공간, 저장실, 작업실 벽면에 수분의 얼룩이 검출되지 않을 정도의 누수상태 0.02 0.01 2 거의건조 동결위험이 있는 교통터널, 정거장 터널 벽면의 국부적인 장소에 약간의 수분얼룩이 검출될 수 있는 정도, 수분의 얼룩을 건조한 손으로 접촉하여도 손에 물이 묻지 않을 정도, 흡수지 또는 신문지를 붙여보아도 붙여진 부분이 습기로 인해 변색되지 않을 정도의 누수 0.1 0.05 3 모관습윤 방수2등급 이상의 방수가 요구되지 않는 교통터널구간 벽면의 국부적인 장소에 수분얼룩이 검출되는 정도, 수분의 얼룩에 흡수지 또는 신문지를 붙였을 경우 습기로 인해 변색되지만 수분이 방울져 떨어지지 않을 정도의 누수 0.2 4 물방울이 가끔 떨어짐 시설물 터널 독립된 장소에서 물방울이 가끔 떨어지는 정도의 누수 0.5 5 자주 떨어짐 하수 터널 독립된 장소에서 물방울이 자주 떨어지거나 방울져 흐르는 정도 1.0 주) 독일 지하교통시설 연구협회(STUVA)의 추천값을 참조한 것임

4. 누수발생 및 처리사례 누수발생 처리사례(부산지하철 ㅇㅇ공구 쉴드터널 누수부 보수사례) ■ 누수현황 - 수영강 10m하부에서 높은 수압을 받고 지반층은 모래, 점토, 실트 등 토사층을 관통하는 부분이 있어 누수에 취약한 구조 ■ 보수대책 - 뒷채움 그라우팅 주입구와 세그먼트 사이에 TACSS(이소시아네이트 화합물) 주입 쉴드터널 누수모습 쉴드터널 지수재 주입구 천공방법

4. 누수발생 및 처리사례 누수발생 처리사례(ㅇㅇ전력구 현장 누수부 보수사례) ■ 누수현황 - 세그먼트의 구조적 문제, 콘크리트 품질, 세그먼트 조립미숙 등으로 세그먼트 볼트홀, 주입홀 주변 균열 및 사이에서 누수 발생 ■ 보수대책 - 세그먼트의 균열, 손상, 누수부는 에폭시 주입을 통한 보수 실시 - 저점도 방수재인 우레탄을 사용하여 내부공동 주입 및 잔여구간 ARC(Acrylate Resin Chemical) 주입 쉴드터널 누수모습 ARC 주입공 천공

5. 맺음말 쉴드 TBM 공법 적용현장 증대 쉴드공법 선정시 유의사항 지하공간 시설물 이력 관리 철저 도심지 터널 및 지하공간 개발 확대 필요성 증가 타공법에 비해 소음·진동영향 미소, 지반변형 최소, 안정성 쉴드공법 선정시 유의사항 충분한 지반조사를 통하여 지반조건에 맞는 장비 선정 공기와 장비의 조건을 감안한 1대당 최대 굴진거리 산정 지하수위 및 수압을 고려한 방수처리 공법 선정 지하공간 시설물 이력 관리 철저 제시된 도서와 현장 실조건 불일치 → 추가공사 시행 현재 시공되고 있는 지하 구조물 상세히 기록 유지

끝