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▲ 연안에 서식하며 부둣가 목선을 파먹는 배좀벌레조개에서 아이디어를 얻은 최첨단 기술인 TBM.
목재 구조물과 선박이 주를 이루던 시절에는 이 생물로 인해 피해를 입었지만 영국의 한 괴짜 토목 엔지니어가 이 벌레가 목재를 파먹는 모습을 관찰하다가 터널을 손쉽게 뚫는 기계를 개발하게 됐다.
이것이 바로 터널 뚫는 최첨단 기계인 TBM(Tunnel Boring Machine)의 시초다. TBM이 터널 공사에 어떻게 활용되고 향후 과제는 무엇인지 살펴본다.
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▲ 부둣가에서 목선을 파먹는 배좀벌레조개 모습(위)와 배좀벌레조개에서 아이디어를 얻어 만든 최첨단 기계인 TBM(Tunnel Boring Machine).
프랑스계 영국인 엔지니어 마크 브루넬(Marc Brunel·1769~1849)은 어느 날 해안가 부두를 걷다가 목선에 사용되는 목재가 바닥에 놓여있는 것을 돋보기로 살펴보았다. 놀랍게도 그 안에는 거친 턱으로 목재를 갉아먹는 벌레들이 가득했고 이들이 지나간 자리에는 무수히 많은 구멍이 뚫려 있었다.
작게는 몇 cm에서 길게는 1m까지도 자라는 벌레들이 입으로 목재를 갉아먹고 소화를 시킨 후 단단하고 부서지기 쉬운 배설물을 내보내 구멍을 지탱하고 있었다.
이를 보고 아이디어를 착안한 마크는 이를 터널 뚫는 기계에 접목해 보기로 하고 연구를 거듭한 끝에 1812년에 특허를 내고 1825년 영국 템즈강 지하 터널 작업에 사용한 것이 TBM 공법의 효시가 됐다.
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▲ 다이너마이트를 심어 발파하는 전통터널 굴착 방식.
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전통적인 터널 굴착방식은 다이너마이트를 심어 발파하는 방식인 ‘천공 발파’(Drill and Blast)였다. 발파 후 터널이 무너지는 것을 막기 위해 육중한 구조물로 터널 내부를 지지하고 콘크리트로 보강하는 등 후속 작업이 많고 공정이 매우 더디게 진행됐다.
이후 1960년대에 신(新) 오스트리아 터널공법이라 불리는 NATM(New Austrian Tunneling Method)이 개발되어 공법이 개선되고 속도가 빨라졌다.
굴착하는 암반 자체를 주지보재로 활용하여 터널을 굴착하는 방식으로 기존 암반면에 락볼트와 콘크리트로 보강하면서 굴진하여 시공속도가 재래식보다 빠르고 지질에 관계없이 터널시공이 가능하다. 우리나라에선 1983년부터 본격적으로 활용되어 서울과 부산의 일부 지하철공사가 이 공법으로 시공됐다.
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▲ 전통적인 터널 공법과 TBM 비교
TBM은 디스크커터 또는 커터비트가 장착된 굴착기 전면의 회전식 커터헤드를 이용하여 터널을 전단면으로 굴착하는 장비다. 앞서 이야기한 것과 같이 회전하는 커터헤드가 배좀벌레조개의 입부분에 해당한다.
이어 몸통에 해당하는 본체와 후속 트레일러 구간에는 커터헤드 구동에 필요한 각종 모터와 분진을 처리하기 위한 집진기, 파쇄된 암반을 배출하는 벨트 컨베이어 등이 구성돼 있다. 후속 설비까지 합치면 총길이가 약 150m에 달해 열차만큼 긴 장비로, 배좀벌레조개의 섭식활동처럼 터널의 암반 파쇄, 굴착부터 구조체 시공, 파쇄된 암반 배출까지 모든 과정이 연속적으로 이루어진다.
터널을 원형으로 시공해 역학적으로 안전하고, 무진동·무발파의 기계화 굴착이므로 지반의 안정성을 확보하며, 소음·진동에 의한 환경피해를 최소화할 뿐 아니라 청결한 작업환경을 유지할 수 있는 친환경적인 터널 굴착공법이다.
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▲ 한달에 300m 터널을 뚫는 최첨단 기술 TBM의 구성 개요. 출처:호반 TBM
회전식 커터헤드를 이용하여 터널을 뚫는 최첨단 기술 TBM
TBM 공법은 크게 오픈(open) TBM과 실드 TBM으로 구분되는데, 오픈 TBM은 지층이 주로 암반인 경우 적용하며, 실드 TBM은 토사나 풍화암인 경우 적용한다.
국내에서는 1985년 부산 구덕 수로터널에 최초로 오픈 TBM 공법이 적용되었으며, 이후 도심지에 서울 지하철 5호선 화곡역~까치산역 구간, 광주 도시철도 1호선 노선의 지하구간 남광주역~도청역(현 문화전당역) 구간 등 다양하게 적용되고 있다.
전통적인 NATM 공법과 TBM 공법을 경제성을 기준으로 비교하면, 길이가 약 1km 보다 길면 TBM 공법이 유리하고, 그보다 짧으면 NATM 공법이 유리하다. 총 길이가 약 150m에 달하는 TBM을 현장에 조립하여 설치하는데 시간과 비용이 많이 들기 때문이다. 시공속도는 TBM이 한달에 약 300m 내외로 굴진이 가능하여 NATM 방식보다 약 2배 이상 속도가 빠르다.
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▲ TBM을 활용해 서울의 한 터널 공사 현장에서 실제 작업을 하고 있는 모습.
기존 화약을 이용해서 발파하는 공법은 도심지에서 더 이상 적용이 불가능하며 특히 환경오염, 동식물 피해를 최소화하기 위해 기계적인 굴착 공법 활용이 권장되고 있다. TBM은 기계적으로 굴진하여 터널을 뚫기 때문에 소음, 진동이 줄어들고 주변 환경 피해가 최소화되는 장점이 있다.
유럽에서는 문화재 보호, 지반환경, 노동환경을 보호하기 위해 NATM 방식을 배제하고 도심지 터널 중 약 80% 이상을 TBM 공법으로 시공하도록 요구하고 있다.
하지만 국내에서는 여전히 발파공법과 TBM 공법 중 선택 가능하도록 발주가 이뤄지기 때문에 상대적으로 비용이 높은 TBM 적용률이 떨어진다. 시공 조건에 따라 100% 주문제작 방식인 TBM 공법을 적용한 발주가 많지 않으면 건설사들이 일부러 시간과 노력을 들여 장비를 개발하지 않기 때문이다.
현재 독일, 미국, 일본, 중국 등의 나라가 TBM 시장을 장악하고 있지만 국내에서도 2025년부터 자체 개발 장비를 생산할 계획이라고 한다. 하루 빨리 국내 장비로 터널을 굴착하는 날이 오길 기대해 본다.
<편집자 주> TBM으로 터널을 뚫는 공사 현장 모습은 서울신문 유튜브에서 자세히 볼 수 있다.
노승완 건축 칼럼니스트·건축사·기술사 arcro123@hobancon.co.kr
