2020

도 로 설 계 요 령

AN01145-000145-12

발 간 등 록 번 호

제4권 터널

 

터 널

제 9 편 터널

제 9-1 편 터널 본체

제 9-2 편 터널 환기

제 9-3 편 터널 조명

제 9-4 편 터널 방재

제4권

 

제 9-1 편 터널 본체

 

제9-1편 터널 본체

343

14.1 쉴드 터널 일반사항

‘13. TBM 터널’에서 기술한 바와 같이 기계화 시공법의 한 종류로서 쉴드 TBM은 광의의 의미에서

TBM(Tunnel Boring Machine)에 속하며, TBM에 주변지반을 지지할 수 있는 보호강관(shield)이

부착되어 있는 경우를 특별히 쉴드 TBM이라고 말한다.

(1) 개 요

쉴드 공법은 쉴드라고 불리는 강성이 큰 강관을 지중으로 압입하고, 그 내부에서 토사의 붕

괴 · 유동을 방지하면서 안전하게 굴착작업 및 라이닝 타설작업을 수행하는 터널 공법이다.

(2) 쉴드 TBM과 지반조건

쉴드 TBM은 토사지반, 인접 구조물이 산재한 도심지에서 주로 사용되어 왔으나, 근래에는

암반에서도 사용할 수 있도록 다양한 형태로 제작되고 있다. 따라서, 쉴드 TBM은 토사에서

암반까지 대부분의 지반에서 사용이 가능하며, 일반적인 쉴드 TBM 종류별 대응 지반조건에

대하여는 .13. TBM 터널. 편의 .TBM 터널과 지반조건.에 기술한 바를 참조한다.

(3) 쉴드 TBM의 구성

쉴드 TBM은 제13장 그림 13.1과 같이 크게 원주면만을 지지하거나 원주면과 막장면을 동

시에 지지하는 두 가지 방식으로 구분하며, 원주면만을 지지하는 경우는 그리퍼에 의하여 주

변 암반으로부터 추진력을 얻는 방법, 세그먼트를 밀어내는 반력을 이용하여 추진하는 방법

그리고 주변 암반과 세그먼트 모두에게서 반력을 얻어 추진하는 방법 등으로 구분할 수 있다.

그리고 원주면과 막장면을 동시에 지지하는 방식의 경우는 전면의 막장을 지지하는 방법에

따라 다양하게 구분할 수 있다.

설계자는 현장조건에 맞는 쉴드 TBM을 선정할 수 있도록 다음과 같은 기기의 종류와 그 특

14. 쉴드 터널

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344

성을 사전에 숙지해야 한다.

. 쉴드 TBM은 전면의 구조형식에 따라 개방형 쉴드 TBM과 밀폐형 쉴드 TBM으로 분류되

며, 개방형 쉴드 TBM은 전면 개방형과 부분 개방형으로, 밀폐형 쉴드 TBM은 막장지지

방식에 따라 기계식 쉴드 TBM, 압축공기 쉴드 TBM, 이수식(slurry) 쉴드 TBM, 토압식

및 이토압식 쉴드 TBM, 혼합식 쉴드 TBM 등으로 구별한다.

. 굴착 동안 막장 자립이 유지될 수 있는 지반조건에서는 개방형 쉴드 TBM을 사용하고 막장

자립이 어려운 경우에는 밀폐형 쉴드 TBM을 사용한다. 일반적인 쉴드 TBM은 본체와 후

속설비 등으로 이루어져 있고 본체 부분은 그림 14.1과 같이 막장측에서부터 후드부, 거더

부, 테일부의 3부분으로, 외피는 외판(skin plate)과 그 보강재로 구성되어 있으므로 설계

자는 쉴드 TBM의 세부 구성사항을 파악하고, 각 구성 요소별 역할을 숙지해야 한다.

. 커터헤드는 전면 형상에 따라 스포크(spoke)형과 면판형으로 분류되며, 스포크형은 커터

의 실부하 토크의 저감, 굴착 토사의 취입이 우수하고, 면판형은 막장의 토류 방지 기능과

주입재료의 막장면에서 체류를 촉진하는데 유효하므로 이를 고려하여 커터헤드의 종류를

선정한다.

. 커터 슬리트(Cutter slit)는 커터헤드 면판의 형식을 말하며, 지반조건에 따라 개구율 및

굴착기구(비트 또는 디스크커터 등) 형식이 달라지는데 그 형상과 치수는 지반의 조건, 막

장 안전기구 및 굴착능률을 고려하여 결정한다.

. 후드부의 형상은 그림 14.2와 같이 직형과 경사형 그리고 단절형 등으로 분류할 수 있으

며, 지반의 조건에 적합하도록 결정한다.

(a) 밀폐형 쉴드 (b) 개방형 쉴드

<그림 14.1> 쉴드 TBM의 구성

제9-1편 터널 본체

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<그림 14.2> 후드 형상

(가) 쉴드 본체

쉴드는 외부에서 작용하는 하중에 대하여 내부를 보호하는 강각 부분과 그 보호 하에 전

면의 막장부분에서 굴착을 행하고 후부에서 복공하면서 굴진할 수 있는 기능을 가진 장

비군으로 이루어진다. 또한 쉴드의 가동에 필요한 동력, 제어설비는 쉴드 단면의 크기나

구조에 의하여 설비의 일부 또는 전부를 후속대차에 설치한다. 강각 부분은 스킨 플레이

트(외판)과 그 보강재가 되고, 또한 막장에서 후드부, 거더부, 테일부의 3개 부분으로 나

누어진다. (그림 14.1 쉴드 TBM의 구성 참조)

밀폐형 쉴드에서는 후드부와 거더부는 격벽으로 나누어져, 거더부 내는 커터헤드로 굴착

된 토사의 배토장치에의 이동로가 된다. 거더 내부는 커터헤드 구동장치, 배토장치, 쉴드

잭 등의 기기장치를 격납하는 공간 혹은 추진조작을 하는 장소로 이용된다. 테일부에서

는 테일실을 후단에 배치하고 지수기능을 맡긴다. 또 이렉터를 준비, 주로 복공작업을

하는 공간으로 이용한다. 중절기구를 장비하고 있는 쉴드에서는 거더부에서 분할하기 위

하여 스킨플레이트는 전통 및 후통 혹은 복수개로 분할되어 방향제어 잭(articulation

jack)에 연결된다.

① 스킨플레이트

쉴드 본체는 굴착 · 추진 · 복공을 수행하는 각 장치를 보호할 목적으로 스킨플레이트

로 덮고, 링거더 등으로 보강되어 있다.

스킨플레이트 두께는 쉴드 외곽에 작용하는 토압에 견디도록 설계되어 있으며, 통상

후두부와 테일부에서 두껍게 된다. 이것은 이 부분에서는 링거더 등에 의한 보강이

될 수 없기 때문이다. 스킨플레이트의 두께는 지반조건에 따라 다르나 직경 10 m급의

원형 쉴드의 실적 검토 시 60 mm 정도로 되어있다.

② 테일씰

테일씰은 스킨플레이트 내면과 세그먼트 외주부와의 사이로 뒤채움재, 지하수, 막장

의 이수 · 이토가 쉴드 내에 유입되는 것을 방지할 목적으로 설치된다. 테일씰의 종류

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는 와이어브러쉬와 우레탄 등의 고무 및 양자의 조합에 의하는 것이 일반적으로 쓰여

지고 있다. 또 최근에는 고수압 대책으로서 와이어브러쉬 사이에 실(seal)재나 그리스

(grease) 등의 충전재를 가압 주입한 예나 4단 씰로 1,100 kPa의 고수압에 견딘 예도

있다. 테일씰의 내수압은 세그먼트의 조립정도에 크게 영향을 주므로 곡선부 등에서 세

그먼트가 편심된 경우에도 충분히 기능을 다하도록 검토해야 한다.

테일스킨플래이트

테일부

테일보호부재

테일실

<그림 14.3> 테일부

③ 중절장치

최근의 급한 평면곡선 시공에서는 2단 · 3단 중절장치가 적용 되는 일이 많다. 이에

의하여 곡선부의 여굴량을 적게 함과 동시에 중절에 의하여 구부리기 쉽고, 쉴드잭

부하의 저감, 추진 시 세그먼트의 편압의 저감 등의 효과에 의해 시공성이 향상되었

다. 또, 중절장치 중에서는 수평뿐만 아니라 연직으로도 꺾어지는 기구도 있으며, 통

상의 굴진방향 수정도 용이하게 되어 있다. 중절장치만으로 급한 평면곡선에 대응 될

수 없는 경우는 거더를 편심시키거나 굴곡시키는 경우도 있다.

(나) 추진기구

쉴드기는 거더부 내면에 대체로 등간격으로 배치된 쉴드잭의 추력을 세그먼트에 반력을

취하는 것에 의하여 추진된다. 통상, 쉴드잭 1개당의 추력은 중소구경으로 600 ~ 1,500

kN, 대구경으로 2,000 ~ 4,000 kN 정도의 것이 사용된다.

(다) 커터헤드

커터헤드는 쉴드기 전면에 배치되어 회전 시키면서 막장의 안정을 유지하고, 지반을 굴

착하는 기능을 갖는다.

커터헤드의 형상은 기본적으로는 스포크형과 면판형의 두 가지로 나누어진다. 면판형은

다시 Flat 형, 원추형, 심빼기형, Dome형, 경사형, 축소형으로 나누어진다.

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flat 형 원 추 형 심 빼 기 형

Dome 형 경 사 형 축 소 형

<그림 14.4> 면판형 커터헤드의 형상

스포크형은 커터의 실부하 토크가 적고 토사의 취입이 용이하며, 토압식에 쓰여지는 일

이 많다. 면판형은 막장의 토류기능을 갖고 토압식 · 이수식에 사용된다. 돔형은 막장이

자립하는 지반을 대상으로 하여 암석이나 경질지반에 대하여 큰 내력이 기대되는 형상이

기 때문에 디스크커터를 붙여서 주로 사력암반을 대상으로 한 굴착에 사용된다.

① 커터비트

커터비트는 지반의 토질조건에 따라 형상, 재질이 선정된다. 사력지반을 대상으로 한

장거리 굴진에서는 커터비트의 마모 · 탈락 등의 트러블이 많아 중요과제의 하나로 되

어 있다. 그 종류는 고정식과 회전식으로 나누어져 티스비트, 루프비트, 셀비트, 디스

크커터 등이 주로 사용되고 있다.

② 지지방식

커터헤드의 지지방식은 센터 샤프트방식, 중간지지방식, 외주지지방식의 3가지로 나

누어진다. 이들은 쉴드 직경, 대상 토질, 시공 연장, 토압식의 경우는 스크류 컨베이어

의 직경 등을 고려하여 선정한다. 시공 연장이 긴 경우는 토사씰의 내구성 면에서 센

터샤프트나 중간지지방식을 선정하는 일이 많다.

센터샤프트방식 중간지지방식 외주지지방식

<그림 14.5> 커터헤드 지지방식

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③ 구동장치

커터회전 구동방식에는 유압모터 구동방식과 전동모터 구동방식이 있다. 유압모터 방

식은 구동 초기 및 암반굴착 시 등의 일시적으로 필요한 토크에서 대응이 좋기 때문에

많이 쓰여져 왔다. 최근에는 유지관리면에서 유리하고 후방대차도 소규모화 되는 전

동모터 방식도 많이 쓰여지고 있다.

(라) 토사씰

토사씰은 구동 베어링부를 토사, 지하수, 첨가재 등의 침투로부터 보호할 목적으로 설치

된다. 최근에는 대심도 · 장거리 굴착에 대응하여 다양화 · 복합화하여 고수압 · 내구성이

뛰어난 것이 개발되고 있다.

<그림 14.6> 메인베어링 및 토사씰

(마) 첨가재 주입장치(토압식)

토압식 쉴드에서 사질토나 사력 등을 굴착할 경우 흙이 마찰저항이 크고 유동성이 나쁘

게 되기 때문에 막장의 안정이나 토사의 취입이 잘 안 되는 경우가 있으며, 이와 같은

지반에는 벤토나이트, 발포재, 폴리머 등 유동성을 높이는 첨가재가 주입장치에 의하여

챔버 내로 보내진다. 첨가재 주입장치는 후방설비에 설치되는 첨가재 주입펌프, 쉴드기의

커터헤드 · 챔버 등에 설치되는 첨가재 주입구로 구성된다. 주입구의 위치는 센터 샤프트

를 이용하여 막장 전면에 주입하는 방법과 챔버 내에 직접 주입하는 방법이 있으며, 병용

하고 있는 경우가 일반적이다.

(바) 교반장치, 배토장치(토압식)

교반장치는 첨가재를 주입한 챔버 내의 굴착토를 교반함으로써 유동화를 꾀하는 장치이다.

배토량의 조정은 굴진속도 및 스크류컨베이어 내의 스크류의 회전수의 제어에 의하여 행

하여진다. 배토량의 억제는 막장의 안정이나 주변지반에 영향을 주는 주요한 요인이므로

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관리에 충분한 주의를 하지 않으면 안 된다. 또, 배토량은 상기의 제요인과 실제로 굴착

된 토사의 중량계측결과에 따라 관리되고 있으나, 정확한 양의 파악이 금후의 기술과제

로 되어있다. 스크류는 형상에 따라 축스크류와 자갈을 대상으로 하는 축이 없는 리본스

크류로 나누어진다.

(사) 부가장치

① 뒤채움 주입장치

뒤채움 주입방식에는 쉴드기에서 주입하는 동시 주입방식과 세그먼트에서 주입하는

즉시 주입방식이 있다. 동시 뒤채움 주입은 주입관을 거더부에서 스킨플레이트 외측

에 배관하여, 스킨플레이트 후단부에서 테일보이드에 뒤채움재를 주입하는 방법이다.

동시 주입은 2액 가소재 등의 뒤채움재의 개발에 의하여 지상플랜트 설비에서 자동

주입 되므로 최근에 많이 쓰이고 있다.

② 측량장치

쉴드기에 탑재하는 측량장치는 쉴드 본체의 자세와 위치를 파악하는 방법으로 배치된

다. 전자는 피칭 · 요잉 · 롤링 등 쉴드기의 자세가 측정항목으로 되며, 후자는 수평연

직 위치의 계획선에서의 차이가 측정항목으로 된다. 측정방법에는 레이저방식, 자이

로방식, 화상처리방식이 있다. 최근은 이들의 측량이 자동화될 뿐 아니라, 쉴드잭과

조합하여 자동적으로 방향제어를 하는 기술이 확립되고 있다.

③ 기타

상기 각종 장치 외에 사력 혹은 자갈(boulder)에도 대응되는 자갈처리장치, 여굴량이

나 막장 안정성을 확인하기 위한 지반탐사장치 등의 각종 장치가 붙여지고 있다. 통

상, 토압식의 자갈대책은 커터비트와 스크류컨베이어로 행하여 지고, 이수식의 경우

는 새로운 자갈처리장치가 장비된다. 지반탐사장치는 쉴드기와 지반과의 간격을 측정

하여 막장의 안정성을 확인하는 장치이다. 기타 계측장치로는 토압계, 수압계, 지반붕

괴 감지장치, 비트마모 감지장치 등이 있다.

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14.2 계획

14.2.1 선형계획

쉴드 터널의 선형계획은 사용 목적, 설계 조건, 입지 조건, 지장물 및 지반조건, 시공성, 장비 등을 고

려하여 계획해야 한다.

(1) 일반사항

쉴드 터널 적용에 있어서 아래의 사항을 고려하여 선형을 종합적으로 검토해야 한다.

. 입지 조건, 지장물 유무, 주변 환경에 대한 영향

. 지형 및 지질

. 토피

. 터널의 병행 유무, 기존 구조물과의 근접 유무

. 환기 및 배수설비

(2) 평면선형

쉴드 터널의 평면선형은 가능한 한 직선으로 계획하도록 하며, 곡선으로 계획하는 경우에도

곡선반지름을 가능한 한 완만하게 해야 한다. 쉴드 공법에 있어서 굴진 가능한 최소곡선반지

름은 지반의 조건, 굴착단면의 크기, 쉴드의 길이, 시공방법, 쉴드의 구조 및 세그먼트 등을

고려하여 설계해야 한다. 현장 여건상 현저하게 작은 곡선반지름을 적용하는 경우에는 약액

주입, 쉴드의 구조 및 세그먼트의 개량 또는 방향 전환 작업구나 지중 접합 등을 검토해야

한다.

터널을 2개 이상 병렬로 시공하는 경우 터널간의 순간격은 쉴드 굴착외경 이상을 표준으로

하되, 그 이하로 근접 시공해야 할 경우에는 지반조건을 고려하여 설계하중을 결정해야 하고,

필요에 따라 지반보강을 위한 보조공법을 적용해야 한다.

(3) 종단선형

쉴드 터널의 종단선형은 사용목적, 유지관리의 필요성 등을 고려하여 결정해야 한다. 종단경

사기준은 시공 중의 용수를 자연 유하시킬 수 있도록 0.3 % 이상으로 하며, 상향을 원칙으로

한다. 또한 작업구 조건이나 지장물건의 제약으로 경사가 2%를 초과하는 경우에는 배수, 쉴

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드의 추진, 시공 중의 토사 및 재료의 운반 등 작업능률 저하와 안전을 고려해야 한다.

쉴드 터널의 토피는 쉴드 굴착 외경의 1.5배 이상을 원칙으로 하되, 지하 구조물의 현황, 지

반조건, 굴착 단면적의 크기, 터널의 사용목적, 시공방법 등을 충분히 검토하여 결정해야 한

다. 쉴드가 교각, 교대, 중 · 고층 건물, 철도 및 지하 매설물 등에 근접하여 시공하거나 아래

로 지나가는 경우, 이들 구조물의 설계조건이나 현황을 충분히 조사하여 편압이나 침하 및 진

동 등의 나쁜 영향을 주지 않도록 상하좌우의 방향으로 필요한 간격을 두어야 하며, 필요 시

지반보강이나 언더피닝(underpinning) 등으로 구조물 주변에 대한 보강을 고려해야 한다.

14.2.2 내공단면계획

쉴드 터널의 내공단면은 터널의 용도에 적합한 소요단면을 확보할 수 있도록 상하좌우의 선형 오차,

변형 및 침하 등에 의한 시공 오차를 감안하여 결정해야 한다.

쉴드 터널의 허용 시공 오차는 터널 설계 선형에서 상하좌우로 100 ~ 200 mm를 기준으로

하되, 굴착단면의 크기, 지반 조건, 쉴드의 조종성, 굴진 속도, 콘크리트 라이닝의 유무, 평면

선형과 종단경사 등을 고려하여 결정해야 한다.

쉴드 터널의 단면 형상은 원형을 표준으로 하되, 터널의 사용목적에 따라 다른 단면 형상을

선택할 수 있다. 이 경우 쉴드기, 세그먼트의 강도·형상 및 시공상의 문제점에 대하여 충분히 검토

해야 한다.

14.2.3 쉴드 TBM 기종 선정

쉴드 TBM 기종 선정 시에는 지반조건과 현장여건을 고려하여 가장 적합한 형식으로 선정해야 한다.

(1) 쉴드 TBM의 분류

쉴드는 지보시스템, 추진반력 등에 따라 다양하게 구분할 수 있고, .13. TBM 터널.의 그림

13.1에 잘 나타나 있으며, 쉴드 TBM 종류별 각각의 특징을 기술하면 다음과 같다.

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(가) 싱글 쉴드 TBM

싱글 쉴드 TBM은 막장면에 대한 지보시스템이 없는 전면개방형 단일 쉴드 몸통의 쉴드

TBM을 일컫는다. 그리퍼 쉴드 TBM과 세그멘탈(segmental) 쉴드 TBM이 이 형태에 속

한다.

두 종류의 싱글 쉴드 TBM은 추진반력을 얻는 방법에 따라 구분되며, 그리퍼 쉴드 TBM

의 경우는 전단면 굴착만이 가능하며, 세그멘탈 쉴드 TBM은 전 단면 커터헤드에 의한

전 단면 굴착이나 다른 붐 형태의 기구와 결합하여 부분단면 굴착기 형태로도 사용될 수

있다.

그리퍼 쉴드 TBM은 그림 14.7에 보인 바와 같이 안쪽에 그리퍼와 결합된 실린더 쉴드가

장착되어 있는 것을 제외하고는 Open TBM과 거의 같다고 볼 수 있다. 또한 그림과 같

이 신축이음부가 있는 경우가 있어 추진 시에도 터널주면을 지지할 수 있으며, 후방에

세그먼트를 설치할 수 있는 이렉터가 있는 것이 특징이다. 따라서 비교적 좋지 않은 암반

상태에서도 적용이 가능하다는 장점이 있으나, 막장부에 안정을 위한 별도의 장치가 없

기 때문에 연약지반에는 사용이 불가능하며, 최소한 막장부의 자립이 가능한 지반조건에

적용이 가능하다.

① Cutterhead ⑤ Grippers (radial thrust)

② Muck extraction conveyor ⑥ Muck transfer conveyorTelescopic

③ sgield ⑦ Motor

④ Thrust ram ⑧ Segment erector

<그림 14.7> 싱글 쉴드 TBM(그리퍼 쉴드 TBM)

세그멘탈 쉴드 TBM은 그림 14.8에 보인 바와 같다. 그림에서 볼 수 있는 바와 같이 그리

퍼가 없기 때문에 커터헤드 추진과 세그먼트 라이닝 설치가 동시에 이루어 질 수 없다.

따라서 굴진속도가 매우 낮기 때문에 이를 보완하기 위하여 더블 쉴드 TBM이 개발되었

으나, 지반조건이 불량한 경우에는 세그멘탈 쉴드 TBM과 거의 차이가 없다.

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세그멘탈 쉴드 TBM의 적용대상 지반은 블록성 또는 파쇄가 심한 암반과 같이 막장주변

의 붕락이 우려되거나 무지보 자립시간이나 연장이 짧아 조기 지보재 타설에 의하여 지

반을 안정시키기 어려운 지반에 적용된다. 이 장비는 파쇄대, 연약지반 등이 출현하는

구간에도 적용할 수 있어 최근 유럽의 장대터널에 많이 적용되고 있다. 또한 커터헤드를

통하여 탐측이나 프리그라우팅을 수행할 수 있기 때문에 막장전방의 연약지반 조사 및

처리가 가능하다.

① Cutterhead ⑦ Muck transfer conveyor

② Shield ⑧ Gathering arm

③ Articulation ⑨ Muck hopper

④ Thrust ram ⑩ Motor

⑤ Segment erector ⑪ Tailskin articulation

⑥ Muck extraction conveyor ⑫ Thrust ring

<그림 14.8> 싱글 쉴드 TBM(세그멘탈 쉴드 TBM)

(나) 더블(double) 쉴드 TBM

더블 쉴드 TBM은 그림 14.9와 같이 2개 또는 그 이상의 쉴드 몸통을 가지고 있으며,

중간에 신축(telescopic)쉴드가 설치되어 있어 세그먼트 라이닝을 설치함과 동시에 추진

이 가능하여 굴착이 지연되지 않도록 할 수 있다. 그러나 싱글 쉴드 TBM에 비하여 장비

의 연장이 길기 때문에 압축성 지반에 걸릴 위험이 더 높으며, 신축쉴드의 연결부에 장애

물이 걸릴 위험도 있어 압축성지반 등에서는 지반과 쉴드 사이의 마찰력을 줄이기 위하

여 벤토나이트 용액이 윤활제로 사용되기도 한다. 후방에 위치한 쉴드에서는 전면의 쉴

드가 커터 교환 등의 목적으로 후퇴할 수 있는 공간이 확보되어야 한다.

적용대상 지반은 아주 양호한 암반으로부터 불량한 암반까지 적용이 가능하나 전단면 굴

착 TBM 부류 중에서 가장 고가의 장비이며, 유지관리가 매우 복잡하기 때문에 제작 시

에는 시공구간의 지질조건과 기타 여건을 면밀하게 검토해야 한다.

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① Cutterhead ⑦ Longitudinal thrust rams

② Front can ⑧ Grippers

③ Telescopic section ⑨ Tailskin articulation

④ Gripper unit ⑩ Segment erector

⑤ Tailskin ⑪ Muck extraction conveyor

⑥ Main thrust rams ⑫ Muck transfer conveyor

<그림 14.9> 더블 쉴드 TBM

(다) 기계식 지보(mechanical support) 쉴드 TBM

기계식 지보 쉴드 TBM은 터널 막장면의 지속적인 굴착을 위하여 회전식의 커터헤드가

장착되어 있으며, 커터헤드는 2가지의 종류가 있는데, 디스크형(disk type)과 커터헤드

의 중심으로부터 방사형으로 로드(rod)가 부착된 스포크형(spork type)이 있다.

디스크형 헤드는 대단면의 터널에 적합하고, 터널 막장면이 디스크 커터의 헤드에 의하

여 안정화 된다. 즉 커터헤드가 굴착과 막장을 지지하는 2중의 역할을 수행하게 된다.

이런 형식의 장비는 디스크에 배출구멍을 만들어 자갈과 각력들이 포함된 토사지반의 굴

착에 적합하며, 자갈과 각력들의 크기에 따라 조절이 가능하다.

스포크형 헤드는 터널 막장면이 비교적 안정한 소단면 터널굴착에 자주 사용된다. 자갈

과 각력들은 스포크 커터의 회전에 의하여 배출된다.

① Cutterhead ⑦ Muck transfer conveyor

② Shield ⑧ Muck hopper

③ Articulation ⑨ Cutterhead drive motor

④ Thrust ram ⑩ Gated cutterhead openings

⑤ Segment erector ⑪ Peripheral seal between cutterhead and shieldMuck

⑥ extraction conveyor ⑫ Tailskin articulation

<그림 14.10> 기계식 지보 쉴드 TBM

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기계식 지보 쉴드 TBM은 막장면 자립이 가능한 충적층, 지하수가 없는 지반 등에 적합

하다. 종종 막장면 자립이 곤란한 홍적층에 이런 장비를 적용하기 위해서는 압축공기 등

하나 혹은 그 이상의 보조공법을 병행해야 하며, 배수 및 약액 그라우팅 등의 보조공법을

추가로 시공해야 한다.

(라) 이수식 (slurry) 쉴드 TBM

그림 14.11은 이수식 쉴드 TBM의 한 형태를 보여주고 있는 것으로서 커터헤드로 전단

면 굴착을 수행한다. 챔버 내에 이수를 가압 · 순환시켜 막장을 안정시키며, 버력처리 역

시 이수의 유동에 의하여 수행된다. 이수식 쉴드 TBM과 토압식 쉴드 TBM은 쉴드 TBM

종류 중 국내에서 가장 사용한 사례가 많으며, 최근의 쉴드 TBM의 주류를 형성하고

있다.

① Cutterhead ⑦ Thrust rams

② Shield ⑧ Segment erector

③ Air bubble ⑨ Tailskin seal

④ Watertight bulkhead ⑩ Cutterhead chamber

⑤ Airlock to cutterhead chamber ⑪ Argitator

⑥ Tailskin articulation ⑪ Argitator

⑬ Slurry return line

<그림 14.11> 이수식 쉴드 TBM

(마) 토압식 쉴드 TBM

토압식 쉴드 TBM 또한 전단면 굴착을 위한 커터헤드를 장착하고 있으며, 막장 전면에

대하여 능동적인 지보방법을 제공한다. 이수식과는 달리 챔버 안에 굴착된 물질을 압축

함으로써 막장면을 지지한다. 국내에서는 EPB(earth pressure balance)쉴드라는 명칭

으로 널리 알려져 있으며, 문자 그대로 지반압과 균형을 이루며 굴착을 하는 쉴드 TBM

제4권 터널

356

이다.

또한, 특수장비를 구비하여 압축공기 쉴드 TBM과 같이 개방형(open) 모드나 압축공기

에 의한 막장면 지지가 가능하기 때문에 전단면 혹은 부분단면의 굴착형태도 가능하다.

① Cutterhead ⑦ Tailskin seal

② Shield ⑧ Airlock to cutterhead chamber

③ Cutterhead chamber ⑨ Segment erector

④ Airtight ⑩ Screw conveyor

⑤ Thrust ram ⑪ Muck transfer conveyor

⑥ Articulation

<그림 14.12> 토압식 쉴드 TBM

(바) 혼합식 쉴드 TBM

혼합식 쉴드 TBM은 터널 주면 및 막장에 대하여 능동적인 지보시스템을 갖추고 있으며,

전단면을 굴착하는 쉴드 TBM이다. 특징은 밀폐형 및 개방형 모두 작동할 수 있으며, 다

양한 형태의 막장지지 방법을 사용할 수 있다는 것이다. 한 작업 모드에서 다른 작업으로

전환하기 위해서는 기계의 형상을 바꾸기 위한 기계적인 조작이 필요하며, 버력의 배출

도 각 작업 모드별로 다양하게 사용된다.

혼합식 쉴드 TBM은 다음과 같은 3가지 범주로 세분할 수 있다.

첫째, 개방형에서 버력을 처리하는 벨트 컨베이어와 함께 사용하고, 밀폐형으로 형상을

바꾼 후에는 스크류 컨베이어에 의하여 토압식 쉴드 TBM과 같이 지반압과 균형을 이루

어 막장을 지지하는 형식

둘째, 마찬가지로 개방형에서는 버력을 처리하는 벨트 컨베이어를 사용하고, 밀폐형으로

형상을 바꾼 다음에는 이수식 쉴드 TBM과 같이 이수의 압력순환에 의한 버력반출과 막

장을 지지하는 형식

제9-1편 터널 본체

357

셋째, 이수식과 토압식을 모두 사용할 수 있는 형식

이와 같은 형태의 쉴드 TBM은 각각의 막장지지 시스템에 따라 갖추어야 하는 특수장비

의 교체공간이 필요하기 때문에 일반적으로 대구경의 굴착에 제한적으로 사용된다. 또한

적용 대상 지반은 막장자립의 한계가 있고 지하수위하에 있는 암반이나 토사층에 적용이

가능하다.

14.2.4 작업장 및 작업구

쉴드 터널의 작업장은 터널공사의 규모, 굴착 공법에 따른 기종 선정, 시공법 등을 고려하여 작업구,

터널 외부설비, 굴착버력 처리장, 재료 적치장 등을 위한 부지를 발진작업구 부근에 확보해야 한다.

작업장 및 작업구는 쉴드 통과지의 지반조건과 현장여건을 고려하여 시공이 안전하고 능률

적으로 행하여지도록 위치, 규모 및 기능 등을 계획해야 한다. 작업구는 쉴드 TBM 통과지

의 지반조건과 현장여건을 고려하여 시공이 안전하고 능률적으로 행해지도록 위치, 규모 및

기능 등을 계획한다.

쉴드 TBM의 반입, 조립, 세그먼트 등의 재료 및 모든 기계기구의 반입, 굴착토사의 반출,

작업원의 출입 등을 위한 발진 작업구를 계획하며, 또 필요에 따라 방향전환용 또는 쉴드

TBM 인양을 위하여 터널 중간 또는 종점에도 작업구를 설치한다. 각 작업구의 규모와 형상

은 그 사용목적 및 쉴드의 단면, 본 구조물과의 연결 등을 고려하여 결정해야 한다.

초기굴진은 발진부에 대한 사전 지반개량 여부, 쉴드 TBM의 발진반력대의 구조 및 강도,

가설세그먼트의 해체시기, 후방설비의 배치 및 토사의 반출 · 입 방법 등을 고려하여 결정해

야 한다.

발진 시 쉴드 TBM의 고정위치는 설계상의 쉴드 TBM 중심 및 높이를 기본으로 하여 결정

하고, 지반이 연약하여 쉴드 TBM 처짐이 예상되는 경우는 위치를 상향 보정하도록 계획해

야 한다.

발진에 필요한 반력대 설비는 주로 가조립 세그먼트 방식과 형강을 주재로 하는 설비 등으

로 분류할 수 있으나 어떠한 경우든 필요한 추력에 대하여 충분히 견딜 수 있어야 하고,

유해한 변형을 예방할 수 있는 충분한 강성을 확보하도록 설계해야 한다.

이수식(slurry) 쉴드 TBM인 경우는 슬러리 처리 설비장의 부지를 확보해야 한다.

제4권 터널

358

14.2.5 부속설비

쉴드 터널의 부속설비는 사용목적이나 유지관리상의 필요성에 따라 배수, 환기, 방화 등의 설비와 맨

홀 등을 설계에 포함해야 한다.

(1) 배수 및 탁수처리 설비

탁수처리 설비는 쉴드테일부에서의 용수, 뒤채움이나 약액주입 작업후의 세정수, 2차 복공

시의 콘크리트 타설 작업 후의 세정수 등 갱내에서 발생하는 폐수를 처리하는 설비이다. 이

들의 폐수 중에는 알칼리 성분이 상당량 포함되어 있으며, 오염의 제거와 함께 pH의 처리도

필요하게 된다.

예로 그림 14.13과 같이 터널 내 배수설비는 탁수가 확산되지 않도록 진공펌프로 직접 흡인

하여 갱내 배수원 수조에 일시 저류 후 탁수처리설비에서 정화 · 배수하는 절차를 갖는다.

<그림 14.13> 배수 및 탁수처리설비

(2) 환기설비

갱내의 작업장에 있어서는 안전하고 위생적인 작업환경을 만들기 위하여 환기설비를 설치,

필요한 양의 공기를 갱내에 공급해야 한다.

갱내 작업장에서 자연환기가 충분히 기대되지 않는 경우는 공기오염의 원인이 되는 사용기

계, 작업원 수 등을 고려하고, 필요한 양의 공기를 공급해야 한다. 환기방식에는 송기식, 배

기식 및 두 방식의 조합 등의 방법이 있다. 이들은 쉴드의 단면, 연장, 환기량, 굴착 복공의

시공방식, 작업기계의 종류 등에 의하여 적당한 것을 선정해야 한다. 연장이 길고 송풍기를

제9-1편 터널 본체

359

여러 대 접속해서 사용하는 경우는 부압을 발생시키기 때문에 풍관은 대체로 강제로 된 것을

사용하는 것이 바람직하다. 갱내 환기는 환기방식 및 환기양의 좋고 나쁨에도 좌우되지만 접

속부의 누기에 의하여 환기효과가 감소되지 않도록 풍관, 풍도의 적절한 유지관리가 필요하

다. 또 그 송기량을 정기적으로 측정해야 한다.

지반에서 나오는 산소가 결핍된 공기, 가연성 가스, 유독가스 등에 주의하고, 필요한 경우에

는 환기 등의 처리를 강구한다. 이 경우의 환기는 가연성 가스 등의 유효한 희석 확산이 가능

하도록 풍량을 공급하는 것과 함께 배기도 필요하다. 또, 국소적인 순환류가 되지 않도록 주

의해야 한다. 이들 가스의 농도를 필요한 장소 및 시기에 측정하고, 위험 또는 유해한 상태일

때는 작업원에 대하여 대피 혹은 입갱금지 등의 필요한 조치를 해야 한다.

(3) 소화 및 방화설비

공사에 있어서 화재방지를 위하여 필요한 소화 · 방화설비를 설치해야 한다. 위험물을 저장하

거나 취급하는 장소, 전기설비 설치 장소, 화기의 사용 장소, 용접 · 절단 작업을 하는 장소

등에는 필요한 소화설비를 설치해야 한다.

소화설비는 예상되는 화재의 성질, 주위의 작업공간, 습도, 압기의 유무 등 주위의 환경에

적합한 것을 선정하고, 또 그 설치방법 · 기능의 유지관리 등에도 충분히 유의해야 한다.

압기 하에서는 산소분압이 높고, 가연물의 발화점이 낮아져 대기 중의 경우보다 화재의 위험

이 크다. 전구는 파손되어도 착화할 위험이 없는 가드가 딸린 전등기구를 사용한다. 가연물과

의 간격을 충분히 확보하는 것과 동시에 필요한 장소에 적정한 소화설비를 설치해야 한다.

가연성 가스가 발생할 위험이 있는 경우는 가스농도의 측정·기록, 경보장치의 설치, 사용기

기의 방폭화 등에 의하여 가연성 가스에 의한 폭발 · 화재의 방지조치를 강구해야 한다. 이

경우의 전기설비에 대해서는 해당가스에 따른 방폭성능을 가진 방폭 구조이어야 한다.

(4) 통신설비

갱내의 공정 파악 및 작업의 안전을 확보하고, 각 작업장소, 각 설비 간의 연락을 긴밀히 하

기 위한 통신장치 및 비상사태의 발생을 즉시 알릴 경보장치 등의 설비를 해야 한다. 갱외·갱

내 간의 통화가 가능한 전화기·인터폰 등의 통화장치를 할 필요가 있다.

고압실 내 작업자 및 공기 압축기 등의 운전을 하는 사람과 연락원과의 통화장치를 설치할

필요가 있다. 이것은 고장 날 경우를 고려하여 가능한 한 2계통으로 해야 한다.

제4권 터널

360

경보장치 위험이 예상되는 터널에서는 비상사태의 발생을 알리기 위한 사이렌 · 비상벨 등의

경보장치를 필요한 장소에 설치할 필요가 있다. 경보 · 통화장치에 사용하는 전원에는 해당

전원에 이상이 발생한 경우에도 즉시 사용 가능한 예비전원을 준비하여 두도록 한다.

(5) 조명설비

작업장소 및 통로 등에는 조명설비를 설치해야 한다. 또 갱내의 조명은 안전성을 확보하고

조도를 유지하며, 옥외형 · 방수형 기구 또는 이것에 준하는 것을 사용해야 한다.

조명설비는 전력설비와 마찬가지로 각 기준 · 규격에 따라야 한다.

조명에는 백열전구, 형광등, 투광기 등이 있다. 배선방식에는 단상 2선식, 단상 3선식 등이

있다. 막장의 조명은 쉴드 내에 장비한 작업의 능률을 좋게 하도록 일정한 조명방법을 취하

고, 국부적으로 조명이 필요한 장소에는 투광기를 사용한다. 갱내의 작업 장소는 그 조도를

70 lux 이상, 그 외의 장소에서는 20 lux 이상으로 유지하는 것이 바람직하다.

갱내에서 정전 시 등에도 작업원이 안전하게 대피할 수 있도록 통로, 출입구, 계단 등 필요한

장소에 비상조명설비를 하는 것이 바람직하다.

(6) 전력설비

쉴드공법에 의한 터널공사에서는 수전 용량, 전력설비의 배치 등은 굴착방법, 굴착토 반출방

법, 굴착단면, 굴착연장 등에 따라 크게 변한다. 또한, 준비공, 1차 복공, 2차 복공 등의 공사

가 진척됨에 따라 수전용량·전력설비의 배치를 변화시켜야 하므로 공사공정표와 각 공사에

사용하는 공사기계 일람표(사용장소, 수량 적정전압 및 부하용량 등의 사항이 기재된 표)에

의한 공사기계 사용 예정표를 작성하여 전력사용계획을 면밀히 검토하고 시행해야 한다. 또

정전 시 갱내 환기·조명 등에 대비하여 자동 자가 발전기를 설치할 필요가 있다.

(7) 방음설비

쉴드공사는 주 · 야간을 통하여 시공되는 일이 많고, 인근에 대하여 시공에 의해 발생하는 소음

이 문제가 된다. 소음은 작업구 상에 저장된 세그먼트나 제자재의 운반작업에 사용되는 크레인,

갱내에서 반출된 토사의 호퍼에서 투입 시, 그 위에 작업구 기지에 설치된 플랜트 설비 등의

이동 시에 발생한다. 이 때문에 작업구 기지 전체를 패널로 둘러싼 방음벽도 설치되도록 하고

있다.

제9-1편 터널 본체

361

14.2.6 보조공법

터널 시공에 따른 주변 지하구조물에 침하·손상 등의 변위가 예측되는 경우에는 사용성, 안전성, 경제

성, 공사기간 및 환경조건 등을 고려하여 효과적인 보조공법을 검토해야 한다.

보조공법은 막장 안정을 위한 보조공법, 특수 조건 하 시공을 위한 보조공법, 발진 · 도달을

위한 보조공법 등 세 가지로 분류할 수 있다.

(1) 막장 안정을 위한 보조공법

굴착된 막장면에서는 굴착 전까지 평형상태에 있었던 지중응력이 균형을 잃고, 지하수의 유

출 및 이에 따른 토사의 유출 등에 의하여 막장붕괴, 지표면 함몰, 침하를 일으키는 경우가

있다. 이와 같은 경우 보조공법에 의하여 막장의 안정을 확보하면서 쉴드 시공을 해야 한다.

막장의 안정성을 높이기 위해서는 지반에 점착력을 부가하고 지반의 강도를 증가시킨다. 지

반의 지하수위를 저하시키거나 투수계수를 감소시켜 지하수의 유출을 방지하는 것이 유효하

다. 이러한 효과를 얻을 수 있는 보조공법으로서 압기공법, 지하수위 저하공법, 약액주입공

법, 동결공법 및 이들을 병용한 공법 등이 있다(표 14.1 참조).

<표 14.1> 보조공법의 종류 및 특징

종 류 특 징

압기공법

막장의 용수 방지 (사질토, 점성토)

막장의 토류 방지 (점성토)

탈수에 의한 막장 강도의 증대 (점성토)

지하수위 저하공법 지하수위의 저하 (사질토)

약액주입공법

막장의 용수 방지 (사질토)

지반의 점착력 증대 (사질토)

지반의 공극 저감 (사질토)

지반의 강도증대 (사질토, 점성토)

동결공법 막장의 용수방지, 지반의 강도 증대

그러나, 이런 보조공법은 환경문제, 공해문제뿐만 아니라 경제적으로 비용이 높다고 하는 난

점이 있으므로 보조공법을 필요로 하지 않는 새로운 공법의 발전이 기대되고 있었다. 1960

년대에 이수식 · 토압식의 밀폐형 쉴드공법이 개발되어 막장면을 이수 또는 이토로써 지보하

제4권 터널

362

면서 쉴드 굴진이 가능하게 되어, 기본적으로 막장 안정을 위한 보조공법은 불필요하게 되었

다. 그러나 실제에 있어서는 특수조건 하 시공을 위한 보조공법으로 커터 · 비트 교체, 근접

구조물 시공 등 여러 가지 이유에 의해서 밀폐형 쉴드에서도 보조공법의 병행은 불가피하다.

(2) 특수조건 하 시공을 위한 보조공법

막장 안정을 위한 보조공법이 기본적으로 밀폐형 쉴드 TBM공법이 쉴드공사의 주류로 되어

있는 현재, 보조공법은 이하에 표시된 특수조건 하의 어려운 시공 시에 실시되는 사례가 증

가하고 있다.

(가) 지반침하방지

쉴드 TBM 공사에서는 굴착에 따른 지반침하를 최대한 억제하여 지표면 및 건물 등에

영향을 미치지 않도록 처리해야 한다. 지반침하를 억제하는 데는 막장압의 적정 관리,

여굴량의 저감, 조기 뒤채움 주입 완료 후에 세그먼트 내에서 약액주입을 실시하는 것으

로 뒤채움 주입의 미충전부의 완전 충전을 함과 동시에 굴착에 의하여 느슨해진 주변지

반을 강화하며, 이완이 윗 쪽으로 확대되는 것을 막는 것으로 지표면 침하를 억제하는

것이다. 한편, 최근 연약점성토 지반에서의 시공이 증가하고 있으나, 연약점성토 지반에

서는 굴착에 따른 흙의 교란에 의하여 압밀침하가 크게 발생하는 일이 있다. 여기에 대한

지반침하 방지대책으로서도 2차 주입의 유효성이 보고되고 있다. 2차 주입을 행하면 지

반은 더욱 흐트러져 압밀침하는 증가하나 주입에 의한 체적증가분 쪽이 많기 때문에 전

체로서는 침하가 감소되는 것이다.

(나) 근접 시공

인구 집중이 심한 주요 도시지역에서는 지하구조물이 산재하며, 지가 폭등에 의한 용지

부족으로 계획노선이 도로 아래에 집중하는 경향이 있으며, 최근의 쉴드 공사는 주요 구

조물의 직하, 또는 근접부에서의 시공이 증가하여 왔다. 이러한 시공에서 굴진 관리만으

로는 기설 구조물에 영향을 주는 것을 피할 수 없는 경우가 있으며, 사전에 충분한 방호

대책을 강구하지 않으면 안 된다.

근접 구조물에 대한 방호공법은 다음과 같이 분류된다.

제9-1편 터널 본체

363

직접방호 공법

간접방호 공법

언더피닝공법

지반개량공법

내압관공법

차단공법(차단벽공법)

파이프루프공법

(다) 급한 곡선 시공

도심지의 터널은 용지취득이 용이한 도로 하에 설치되는 것이 많고, 교차 지점에서는 급

곡선으로 계획되는 경우가 많다. 또 지중구조물, 건물의 기초 등을 피하기 위하여 평면곡

선 반지름이 작은 급한 곡선으로 시공되는 경우도 있다. 급한 곡선부 시공 시 보조공법은

다음과 같은 목적으로 실시된다.

① 연약지반에서 급한 곡선 시공 시의 외측 지반반력을 확보한다.

② 주변지반의 개량을 행하여 굴착면의 변형을 방지하고, 회전을 위하여 필요한 여굴량을 확

보한다.

③ 여굴에 의한 지반침하를 억제한다.

보조공법으로서는 약액주입공법 · 고압분사공법 · 동결공법을 쓰는 예가 많으나 지반

조건, 시공환경 등에 의하여 현장타설 말뚝공법, 강철판 공법 등이 채용되는 경우도

있다.

(라) 지중 접합

시공 연장이 길고 도중에 중간 작업구를 설치할 수 없거나, 공기가 짧아 급속시공이 필요

한 경우, 양쪽 작업구로부터 굴진을 행하여 지중에서 접합하는 방법이 쓰여진다. 지중접

합에 있어서는 될 수 있는 한 조건이 좋은 지점을 선택함과 동시에 접합 시의 지반의 붕

괴를 방지하고, 지하수의 유입을 막기 위하여 보조공법을 쓸 필요가 있다. 보조공법으로

서는 약액주입공법, 고압분사주입공법 및 동결공법 등으로 도로상에서 사전에 접합부의

제4권 터널

364

지반개량을 행할 경우와 쉴드기가 근접한 후 쉴드기 내에서 행할 경우가 있다. 최근은

쉴드공사의 심도 및 지하수위가 높은 조건에서의 시공이 증가하여 신뢰성이 높은 동결공

법, 고압분사주입공법이 많이 사용된다.

(마) 기타

① 터널 확폭

터널 내 환기나 방재시설을 설치해야 할 경우, 지중에서 터널의 확폭을 행할 경우가 있다.

이때 선행 쉴드 시공의 영향에 의하여 확폭부 주변지반은 느슨해지거나 세그먼트 제거에

의하여 주변지반이 이완될 가능성이 높으므로 지반개량으로 지반의 안정을 꾀하고, 지수

성을 확보한 후 시공할 필요가 있다. 일반적으로 확폭공사는 막장을 개방한 상태로 시공

하는 경우가 많고, 보조공법은 신뢰성이 높은 것을 채용해야 한다.

② 장애물 철거, 비트 교환

밀폐형 쉴드 공사에서는 굴진 전의 충실한 조사에도 불구하고 장애물 또는 장거리 굴진

시에 비트가 마모하여 지반을 절삭할 수 없게 되었을 경우, 사람이 막장에 나가서 장애물

을 철거하거나, 비트를 교환하지 않으면 안 된다. 굴착 전의 자립을 확보하고, 지하수의

용출을 방지하기 위하여 지반개량, 압기공법 등의 보조공법이 필요하다.

(3) 발진, 도달을 위한 보조공법

발진 및 도달을 위한 보조공법은 지반의 강도, 투수계수 등 지반의 특성을 충분히 감안하여

결정하며, 지반보강의 목적은 다음과 같다.

. 작업구 설치로 이완된 지반의 보강

. 쉴드기가 지반의 관입 또는 작업구로 빼내는 동안의 지반의 자립, 지하수의 유입방지

. 엔터런스 패킹에의 과도한 압력(토압, 수압)작용 저감

. 과도한 지하수 및 토사의 유출이 예상되는 작업구 주변의 노면, 지하매설물의 안전도모

. 막장압력부족에 의한 막장붕괴방지(이수식 쉴드)

제9-1편 터널 본체

365

14.3 조사 및 시험

쉴드 TBM 공사를 안전하고 신속하게 진행시키기 위해서는 사전 계획단계부터 철저한 조사를 해야

한다.

쉴드 TBM의 조사와 시험은 아래에 언급한 사항에 대해서 중점적으로 검토해야 한다.

(1) 입지조건에 대한 조사

이 조사는 터널이 통과하는 지역의 주변 환경을 조사하는 것으로서 터널선형의 선정, 쉴드

TBM 공법의 적용여부 및 적용 시 어떤 공법이 적절한지에 대한 기본계획을 수립하는데 있어

서 필요한 자료를 습득하기 위하여 실시하는 조사이다. 조사 내용은 사유지의 유무 및 토지

의 이용 상황, 교통량, 수직구나 작업기지의 적정 위치 확보 가능 여부 등을 확인한다.

(2) 지장물에 대한 조사

지장물에 대한 조사는 주로 노선선정, 터널이나 보조공법의 설계 및 기존 구조물의 방호방법

이나 지장물의 철거방법의 검토를 위하여 실시하는 것으로서 해당 지장물의 규모 · 위치 · 구

조 · 사양 등을 조사한다. 터널의 굴착에 의하여 이들 지장물에 미치는 영향과 장래에 건설될

구조물이나 건물 등의 시공에 의하여 터널이 받는 영향을 검토하여 필요에 따라 보조공법이나

복공 등 사전 대책을 고려하도록 한다.

(3) 지형과 토질의 조사

지형 및 토질조사는 실질적인 시공에 영향을 미치는 중요한 조사 항목으로 노선 선정, 쉴드

TBM 형식의 선정, 복공 계획, 후방설비, 보조공법 결정 등의 직접적으로 영향을 주는 자료

로 활용된다. 주요 조사항목은 지형조사, 지층 구조, 토질, 지하수 및 지반침하로서 지형조사

에 있어서는 우선 기존의 각종 자료의 수집정리에 의하여 노선 전체의 지형과 토질상황을

파악한다. 그리고 지형조사와 함께 기존자료 수집과 현지조사를 실시하고, 검토 노선을 포함

하여 광범위한 지층 구성, 토질, 지하수의 상황을 파악한다. 또한, 기왕의 지반침하의 상황은

터널의 종단, 터널의 단면, 복공 및 궤도의 구조설계뿐만 아니라 터널 완성 후의 유지관리에

대해서도 중요한 요소이기 때문에 우선 기존의 지반침하기록으로 노선 전체의 전반적인 지반

침하 이력을 파악할 필요가 있다. 중요한 것은 기존의 자료보다 현재의 지반침하 유무, 지하

제4권 터널

366

수압의 상황, 지반침하의 속도와 크기 등을 조사한 결과 문제가 크다고 판단되는 경우에는

침하량, 침하속도, 지하수위, 부등 침하의 가능성에 대한 예측을 하여 시공에 임한다.

(4) 환경보전을 위한 조사

환경보전을 위한 조사는 쉴드 TBM 공사 시공 중에 있어서 주변 환경에 영향을 미칠 가능성이

있는 소음 · 진동, 지반 변위, 지하수, 건설 부산물 등의 항목에 대해서 필요에 따라 실시한다.

<표 14.2> 쉴드 TBM 공사에 있어서 지형 및 토질조사

조사종류 예비조사 기본조사 상세조사

조사목적

① 지형, 토질 구성의 개요 파악

② 문제가 되는 토질의 예측 및

이후의 조사자료

① 노선 전체의 지층 구성 및

지질상황의 파악

② 토질공학적 제성질의 파악

③ 지질종단면도의 작성

① 토질조사의 보충

② 설계 및 시공상 문제점이 되는

토질의 상세조사

③ 지진, 그 외 기타 특수한

조건의 경우의 설계자료

조사방법

① 기존자료의 수집, 정리

② 근처의 유사 공사와 관련된

자료수집

③ 문헌조사

④ 현지조사에 의한 관찰

① 시추조사

② 표준관입시험

③ 샘플링

④ 지하수위조사

⑤ 간극수압측정

⑥ 실내토질시험

① 시추조사

② 표준관입시험

③ 샘플링

④ 간급수압측정

⑤ 투수시험

⑥ 실내토질시험

⑦ 공내수평재하시험

⑧ 유해가스, 가연성가스조사

조사내용

① 지도류 등 문헌조사(지형도,

지질도, 지번도)

② 토질조사기록

③ 기설구조물의 공사기록

④ 현지반의 지형, 토질, 주변상

황의 관찰

⑤ 우물, 지하수

⑥ 지반침하

① 지층구성

② N치

③ 투수계수

④ 지하수위, 간극수압

⑤ 샘플링

⑥ 입도분포

⑦ 토립자 비중

⑧ 단위체적중량

⑨ 일축압축강도

⑩ 액성·소성한계시험

⑪ 내부마찰각

⑫ 점착력

⑬ 마모도, 합경도

① N치

② 투수계수

③ 지하수위, 간극수압

④ 입도분포

⑤ 함수비

⑥ 토립자 비중

⑦ 단위체적중량

⑧ 일축압축강도

⑨ 샘플링

⑩ 액성·소성한계시험

⑪ 점착력

⑫ 내부마찰각

⑬ 지하수의 유속, 유향

⑭ 지반반력계수

⑮ 전·옥석의 크기 . 마모도, 합경도

제9-1편 터널 본체

367

14.4 쉴드 터널의 설계

14.4.1 세그먼트의 설계 [KDS 27 40 10 세그먼트 라이닝]

세그먼트 라이닝은 추진 잭의 추력, 주변 지반의 토압·수압 등의 하중에 견딜 수 있어야 하며, 소정의

터널 내공을 확보함과 동시에 터널의 사용 목적 및 시공 조건에 따른 역할과 기능을 보유할 수 있도록

안전하고 견고하게 설계해야 한다.

(1) 일반사항

이 절은 쉴드 터널용 원형 세그먼트에 관한 설계 및 제작의 기준이 되는 사항을 제시한 것으

로서 책임기술자로부터 구조상으로 문제가 없음을 확인받은 경우에는 원형 이외의 쉴드 터널

에도 준용할 수 있다.

쉴드 터널에서는 지반의 조건 및 터널의 단면형상, 시공법 등에 따라 터널의 역학적 거동이

상이하므로 라이닝 설계 시 이를 고려해야 한다.

세그먼트 라이닝 설계계산서에는 계산상의 제반 조건, 가정 및 계산과정을 명기해야 한다.

(2) 용어

세그먼트 설계에 사용되는 용어는 다음과 같다.

. 라이닝 두께는 터널 횡단면에 있어서 전체 라이닝 두께를 말한다(그림 14.14 참조).

<그림 14.14> 세그먼트 라이닝

제4권 터널

368

. 상자형 세그먼트는 거더(girder)와 이음판 또는 종 리브(rib)에 의하여 둘러싸인 요부를 가

지는 세그먼트를 말하며, 강재 및 주철제 세그먼트(덕타일 세그먼트)에서는 상자형 세그먼

트라 하고, 콘크리트계에서는 중자형 세그먼트라고 한다(그림 14.18 참조).

. 평판형 세그먼트는 채워진 단면을 갖는 평판형의 세그먼트를 말한다(그림 14.18, 그림

14.19 참조).

. K형 세그먼트에는 터널반지름 방향에 테이퍼(taper)를 두어 터널 내측으로 삽입하는 것(반

지름방향 삽입형 세그먼트)과 축방향에 테이퍼를 붙여 축방향으로 삽입하는 것이 있다(축

방향 삽입형 세그먼트).

<그림 14.15> 세그먼트 링의 구성

. 분할 수는 한 링을 구성하는 세그먼트 수를 말한다.

. 테이퍼 링은 곡선부의 시공 및 선형수정에 사용하는 테이퍼 처리한 링을 말한다. 특히,

폭이 좁은 판상은 테이퍼 플레이트 링(taper plate ring)이라 한다(그림 14.16 참조).

. 테이퍼 세그먼트는 테이퍼 링을 구성하는 세그먼트를 말한다.

. 테이퍼 량( )은 테이퍼 링에 있어서 최대폭과 최소폭과의 차이를 말한다(그림 14.16 참조).

. 테이퍼 각( )은 그림 14.16에 나타난 각도  를 말한다.

. 이음 각도( . )는 그림 14.15와 그림 14.17에 나타낸 바와 같으며, 주로 반지름 방향 삽입형

K세그먼트의 경우에 사용된다.

. 세그먼트 길이는 터널 횡단방향으로 측정한 세그먼트의 호의 길이를 말하며, 외주장과 내

주장으로 구분한다(그림 14.17 참조).

. 세그먼트 폭은 터널 종단방향으로 측정한 세그먼트의 치수를 말한다(그림 14.18 참조).

제9-1편 터널 본체

369

<그림 14.16> 세그먼트 링

<그림 14.17> 세그먼트 내주장 및 외주장

<그림 14.18> 세그먼트 단면

제4권 터널

370

<그림 14.19> 세그먼트 각부의 명칭

. 세그먼트 높이(두께)는 터널 종단면의 반지름방향에서 측정한 세그먼트 측벽의 높이를 말

한다. 평판형 세그먼트에서는 세그먼트 두께라고도 한다(그림 14.18 참조).

. 거더는 상자형 세그먼트의 경우 터널 횡단방향 측벽(강재 세그먼트의 스킨 플레이트를 제

외한 측벽)을 말하며, 평판형 콘크리트계 세그먼트에 있어서는 터널의 종단방향의 단면이

된다. 터널에 작용하는 외력에 저항하는 주요 부분을 형성한다(그림 14.18, 그림 14.19

참조).

. 이음은 세그먼트 이음과 링이음으로 구분하며, 터널 횡단방향에 세그먼트를 연결하여 링을

형성하는 이음을 세그먼트 이음, 터널 종단방향에 링 상호 간을 잇는 이음을 링 이음이라고

한다.

. 이음판은 이음의 볼트 접합에 이용하는 판 또는 판상구조를 말한다(그림 14.19 참조).

. 세그먼트의 스킨 플래이트 및 배판은 상자형 세그먼트에 있어서 거더와 이음판 등으로 주

변을 지지 받는 판을 말한다. 강재 세그먼트에 있어서는 스킨 플레이트라 하고, 콘크리트계

상자형 세그먼트에서는 배판이라고 한다(그림 14.18, 그림 14.19 참조).

. 종 리브는 상자형 세그먼트에 있어서 터널의 종단방향을 따라 삽입하는 보강재를 말한다.

쉴드잭의 추력에 저항함과 동시에 스킨 플레이트에 작용하는 하중을 거더로 전달한다(그림

14.19 참조).

. 횡 리브는 상자형 세그먼트에 있어서 터널의 횡단방향에 따라 넣은 보강재를 말한다.

. 세그먼트 이음 볼트는 링을 형성하기 위하여 세그먼트 상호의 연결에 사용하는 볼트를 말

한다.

. 링 이음 볼트는 링 상호의 연결에 사용하는 볼트를 말한다.

제9-1편 터널 본체

371

. 코킹 구는 코킹을 위하여 세그먼트의 측벽의 내측에 따라 설치한 홈을 말한다(그림 14.18

참조).

(3) 세그먼트의 종류 및 재료

세그먼트의 종류는 재질에 따라 크게 콘크리트 · 강재 · 합성(콘크리트+강재 또는 주철)세그

먼트로 분류하고, 형상에 따라 상자형 · 평판형 세그먼트 등으로 분류할 수 있으며, 터널의

용도, 세그먼트의 강도, 내구성, 시공성 및 경제성 등을 충분히 고려하여 선정해야 한다.

세그먼트에 사용하는 재료는 한국산업규격(KS)을 표준으로 하며, 무근 및 철근 콘크리트에 관

해서는 국토해양부 제정 .콘크리트 구조설계기준. 및 .콘크리트 표준시방서.의 규정에 따른다.

(4) 세그먼트 구조 및 형상 설계

세그먼트 구조 및 형상 설계 시에는 다음 사항을 고려해야 한다.

. 세그먼트의 강도 · 구조 · 형상 등은 터널의 목적, 지반조건, 시공법 등을 고려해 선정해야 한다.

. 상자형 또는 평판형 세그먼트를 볼트이음으로 조립한 링 구조는 강성이 같은 링으로 취급

할 수 있으며, 재질에 따라 콘크리트 · 강재 · 합성세그먼트로 구별하여 설계해야 한다.

. 세그먼트의 형상치수는 사용목적, 시공성, 경제성을 고려하여 결정해야 한다.

. 세그먼트의 이음 구조는 조립의 확실성과 작업성을 고려하여 결정해야 한다.

. 세그먼트는 원칙적으로 수밀성을 확보해야 한다.

. 뒤채움주입을 균등하게 행하기 위하여 각 세그먼트에는 1개소 이상의 주입공을 설치하는

것을 기준으로 한다. 주입공의 직경은 사용하는 주입재를 고려하여 결정해야 하지만, 일반

적으로 내경 50 mm를 기준으로 하며, 주입공을 고리로 사용하는 경우는 작업성은 물론,

작업의 안정성도 고려하여 주입공의 직경과 위치를 결정해야 한다.

. 소구경의 철제 세그먼트를 손으로 조립하는 경우는 고리를 필요로 하지 않으나 일반 세그

먼트에서는 운반 · 조립 등을 위하여 고리를 설계해야 한다.

. 세그먼트의 이음 각도는 단면력의 전달과 조립 작업성을 고려하여 결정해야 한다.

. 테이퍼 링은 터널 선형 및 시공성 등을 고려하여 설계해야 한다.

세그먼트의 구조 계산 시 편의를 위하여 기호는 다음과 같이 정의하며 사용 예는 그림

14.20, 그림 14.21과 같다.

제4권 터널

372

<그림 14.20> 휨 모멘트, 축력, 전단력

<그림 14.21> 관용계산법에 있어서 기호사용의 일례

- EC  ES ED : 콘크리트, 강재 및 주철제 재료의 영(young)계수

- I : 단면 2차 모멘트

- M N Q : 휨 모멘트, 축력 및 전단력을 뜻하며, 단면력의 부호는 그림 14.20에 나타낸

방향을 정(+)으로 한다.

-  : 휨 강성(EI)의 유효율

제9-1편 터널 본체

373

-  : 휨 모멘트의 할증율

- R  Rc  Ri : 1차 라이닝의 외주 반지름, 도심 반지름 및 내주 반지름

- . : 라이닝 두께 (.  . : 1차 라이닝, 2차 라이닝의 두께)

- B : 세그먼트 폭

-  : 세그먼트 단면력 계산 등 계산 위치의 각도(터널 천단부에서 시계방향을 정으로

하는 중심각)

-   ′ . : 흙의 단위중량, 흙의 수중단위중량 및 물의 단위중량

- H : 라이닝 외주상의 꼭대기 점에서 측정한 토피

- Hw : 라이닝 외주상의 꼭대기 점에서 측정한 정수면의 높이

- P : 상재하중

- W : 터널 종단방향 단위 길이 당 라이닝의 자중(   : 1차 라이닝, 2차 라이닝의

자중)

- g : 터널 종단방향 단위 길이의 라이닝에 있어서 라이닝의 도심선에 따른 단위 길이

당의 자중 (.  . : 1차 라이닝, 2차 라이닝의 자중)

- p : 연직방향의 하중강도

- q : 수평방향의 하중강도

-  : 측방토압계수

- k : 지반반력계수

-  : 라이닝의 변위, 라이닝의 외력으로 향하는 것을 정(+)으로 한다.

- c : 흙의 점착력

-  : 흙의 내부마찰각

-  : 이음 각도

-  : 테이퍼 각

- A  B  K : A, B, K 세그먼트의 중심각(그림 14.17, 그림 14.20 참조)

(5) 하중

세그먼트에 걸리는 하중설계 시에는 연직 및 수평 토압 · 수압자중 · 상재하중의 영향·지반반

력 · 내부하중 · 시공 시 하중 · 병렬터널의 영향 · 지반침하의 영향 · 지진의 영향 등을 고려해

야 한다.

제4권 터널

374

. 연직토압은 라이닝의 정부에 작용하는 등분포하중으로 한다. 그 크기는 터널의 토피·외경

및 지반의 조건들을 고려할 수 있는 테르자기(Terzaghi)식 등의 일반 계산식들을 이용하여

구한다.

. 수평토압은 라이닝 양측부 횡단면상의 도심직경에 걸쳐서 수평방향으로 작용하는 등변분

포(사다리꼴)하중으로 하고, 그 크기는 연직방향의 토압에 측방토압계수를 곱하여 산정한

다(표 14.3 참조).

<표 14.3> 측방토압계수() 및 지반반력계수(k)

흙과 물의 구분 흙의 종류  k(kN/m3) N치에 의한 기준

흙과 물 분리

매우 잘 굳은 사질토

고결된 사질토

느슨한 사질토

0.35 ~ 0.45

0.45 ~ 0.55

0.50 ~ 0.60

30 ~ 50

10 ~ 30

0 ~ 10

30 ≤ N

15 ≤ N ＜ 30

N ＜ 15

굳은 점성토

단단한 점성토

보통의 점성토

0.35 ~ 0.45

0.45 ~ 0.55

0.50 ~ 0.60

30 ~ 50

10 ~ 30

5 ~ 10

25 ≤ N

8 ≤ N ＜ 25

4 ≤ N ＜ 8

흙과 물 일체

보통의 점성토

부드러운 점성토

매우 부드러운 점성토

0.55 ~ 0.65

0.65 ~ 0.75

0.70 ~ 0.85

5 ~ 10

0 ~ 5

0

4 ≤ N ＜ 8

2 ≤ N ＜ 4

N ＜ 2

. 수압은 터널 시공 중이나 향후 유지관리 시의 지하수위의 변동을 고려하여 안전한 설계가

될 수 있는 지하수압을 선정해야 한다. 여기서 연직방향의 수압은 등분포하중으로 하고 크

기는 라이닝 정부의 경우 정점에 작용하는 정수압, 저부의 경우는 저점에 작용하는 정수압

을 기준으로 한다. 수평방향의 수압은 등변분포하중으로 하고 그 크기는 정수압으로 한다.

. 자중은 라이닝 횡단면에 있어서 라이닝의 도심선에 맞게 등분포하는 연직방향의 하중으로

한다. 라이닝의 자중은 다음 식으로 계산할 수 있으나 상자형 세그먼트처럼 자중의 분포가

도심에 따라 똑같지 않은 경우에는 평균중량을 이용한다.

g   × Rc

W

kNm 

여기서, W : 터널 종방향 라이닝의 단위 길이 당 중량(kN/m)

Rc : 라이닝의 도심반지름(m)을 말한다.

. 상재하중에 의한 토압의 영향은 지중의 응력전달을 고려하여 결정해야 한다.

. 지반반력은 지반변위와 독립적으로 결정되는 반력과 지반변위에 종속하여 결정되는 반력

제9-1편 터널 본체

375

으로 구별하여 적용할 수 있다.

. 내부하중은 라이닝의 내측에 작용하는 하중으로, 터널 시공 중과 후로 분류하여 고려해야

한다. 시공 중의 경우, 쉴드의 후방대차 · 토사함 등 시공에 관련한 모든 설비가 내부하중으

로 작용하므로 이에 따른 구조의 안전성이 확인되어야 한다.

. 시공 시 하중은 세그먼트의 조립에서부터 테일 보이드(tail void)에 주입한 뒤채움 주입재 등이

경화할 때까지 세그먼트에 작용하는 하중으로 쉴드잭의 추력, 뒤채움 주입압, 이렉터 조작

하중 등에 대하여 검토해야 한다. 이중 쉴드잭의 추력은 세그먼트 단면력 설계에 매우 중

요한 요소로 작용한다.

. 지진활동의 영향이 우려되는 경우는 중요도에 따라 터널의 입지조건, 지반의 조건, 해당지

역의 지진동, 터널의 구조 · 형상 및 치수, 그 외 필요한 조건을 고려하여 설계해야 한다.

. 터널에 근접하여 병렬하는 경우에는 토질조건, 터널의 상호 위치, 터널크기 등을 조사하여

하중에 상호 간섭의 영향을 받는지를 검토해야 한다.

. 쉴드터널 시공 시 또는 완성 후에 다른 구조물의 근접시공이 예상되는 경우, 그 영향을

충분히 검토해야 한다.

. 연약지반 중에 터널을 축조하는 경우에는 반드시 지반침하의 영향을 검토해야 한다.

(6) 세그먼트 단면력 및 기타 요소

세그먼트 단면력은 그 구조특성을 고려하여 계산해야 하며, 적용하는 일반적인 관용계산법과

이를 일부 수정한 수정관용계산법은 표 14.4와 같다.

세그먼트 구조 및 형상 설계 시 세그먼트의 형상치수를 정하는 중요한 요소와 고려해야 할

일반적인 사항은 다음과 같다(표 14.5, 표 14.6 참조).

. 세그먼트 링의 외경의 크기는 터널의 내공과 라이닝두께로 부터 결정된다. 세그먼트의 외경의 치

수는 터널설계에 있어서 가장 기본적인 요소이다.

. 세그먼트의 두께는 터널단면의 크기에 따라 토질조건, 토피, 하중조건 등에서 결정되지만

터널의 사용목적이나 세그먼트의 시공성에 지배되는 경우도 있다. 시공실적에 의하면 세그

먼트의 두께는 일반적으로 세그먼트 외경의 4% 전후의 치수범위에 있지만, 대구경의 중자

형 세그먼트에서는 5.5 % 전후의 범위로 한다.

제4권 터널

376

<표 14.4> 관용계산법 및 수정관용계산법에 의한 세그먼트 단면력의 계산식

하 중 휨모멘트 축 력 전 단 력

연직하중

pe  pw 

M  



  sin pe  pw Rc

 N  pe  pw Rc ×sin Q  pe  pw R c × sin × cos

수평하중

qe  qw 

M  



  cos qe  qw Rc

 N  qe  qw Rc ×cos Q  qe  qw Rc ×sin ×cos

수평삼각형

하중

..   .. 

 qe  qw 

M  



  cos  cos

 cos 

qe  qw  qe  qw Rc



N  



cos  cos   cos 

qe  qw  qe  qw Rc

  



sin  sin ×cos

 sin ×cos 

qe  qw  qe  qw Rc

수 평

지반반력

qr  k×

 ≤  

 인경우

M     cos

k××Rc







≤  ≤

 인경우

M     sin 

  cos .××Rc



 ≤  

 인경우

N   cos ×.××Rc





≤  ≤

 인경우

N   cos  cos 

  sin  ×cos.

××Rc

 ≤  

 인경우

   sin ×.×× 

.





≤  ≤

 인경우

Q  sin ×cos    cos 

sin.×× 

.

자 중

.  . ×. 

 ≤  ≤

 인 경우

M  



   × sin  



cos. × Rc







≤  ≤  인 경우

M   



     sin

 



cos  



 × sin  . × R c



 ≤  ≤

 인 경우

N   ×sin  



cos. × 

.





≤  ≤  인 경우

N   ×sin   ×sin   ×

sin 



cos. ×Rc

 ≤  ≤

 인 경우

Q   ×cos  



sin.×Rc





≤  ≤  인 경우

Q    cos   ×sin ×

cos 



sin. ×Rc

세그먼트 링

수평직경점의

수평방향

변위

(δ)

라이닝 자중에 의한 지반반력을 고려하지 않은 경우

 

 ×EI   k×Rc

 

pe  pw   qe  qw   qe  qw  Rc



라이닝 자중에 의한 지반반력을 고려하는 경우

 

 ×EI   k×Rc

 

 pe  pw   qe  qw   qe  qw   gRc



여기서, EI 는 단위 폭 당 휨강성임

주) 일본 터널표준시방서(쉴드공법편), 동 해설(1996)에서 발췌

제9-1편 터널 본체

377

<표 14.5> 강재 세그먼트의 형상 치수 (단위 : mm)

외 경 폭 두 께 세그먼트 분할

1,800 ~ 2,000

750 75

100

6 분할

2,150 ~ 2,550

900

1,000

100

125

6 분할

2,750 ~ 3,350

900

1,000

100

125

150

6 분할

3,550 ~ 4,050

900

1,000

125

150

175

7 분할

4,300 ~ 4,800

900

1,000

150

175

7 분할

5,100 ~ 5,700

900

1,000

175

200

225

7 분할

6,000

900

1,000

200

225

7 분할

6,300 ~ 6,900

900

1,000

250

275

7 분할

7,250 ~ 8,300

900

1,000

300

325

350

8 분할

<표 14.6> 콘크리트 평판형 세그먼트의 형상, 치수 (단위 : mm)

외 경 폭 두 께 세그먼트 분할

1,800 ~ 2,000

900

1,000

100

125

5 분할

2,150 ~ 3,350

900

1,000

100

125

150

5 분할

3,550 ~ 4,800

900

1,000

125

150

175

200

6 분할

5,100 ~ 6,000

900

1,000

175

200

225

250

275

300

6 분할

6,300 ~ 6,900

900

1,000

250

275

300

7 분할

7,250 ~ 8,300

900

1,000

275

300

325

350

8 분할

제4권 터널

378

. 세그먼트의 폭은 세그먼트의 운반 및 조립상의 편리함, 터널 곡선구간의 시공성, 쉴드테일

의 길이 등의 측면에서는 작은 것이 바람직하다. 한편, 터널연장 당 세그먼트의 제작비의

저감, 누수 등의 약점으로 되기 쉬운 이음개소나 볼트구멍의 감소, 시공속도 등의 측면에서

는 큰 것이 바람직하다. 세그먼트의 폭은 터널단면에 따른 시공실적을 감안하여 경제성,

시공성을 고려한 뒤에 결정해야 한다.

. 세그먼트링의 구성은 수개의 A세그먼트와 2개의 B세그먼트 및 정점부에 마지막으로 조립

되는 K세그먼트로 구성되는게 일반적이다. K세그먼트는 터널 내측으로 부터 삽입하는 것

(반지름방향 삽입형)과 터널 축방향으로부터 삽입하는 것(축방향 삽입형) 및 이 두 가지를

겸용하여 사용하는 것도 있다. 터널 내측에서 삽입하는 K세그먼트(반지름방향 삽입형)의

길이는 A, B 세그먼트와 비교해서 작게 하는 것이 좋다.

. 이음은 시공 시 하중 등을 고려하여 터널 축방향의 연속성이 확보될 수 있도록 검토해야 한다.

단, 힌지계 세그먼트링에서는 세그먼트의 조립에서 뒤채움 주입재가 경화하기까지 변형을 방지하

기 위하여 그 구조특성을 침해하지 않는 이음을 사용함과 동시에 변형방지의 보조수단도

강구해야 한다.

. 볼트 직경에 비하여 볼트 구경이 너무 크면 세그먼트에 큰 결함을 발생시켜 시공 시 하중증

가의 원인이 될 수도 있으므로 주의해야 한다.

. 세그먼트를 볼트로 결합하는 경우, 볼트구경의 표준은 표 14.7 및 표 14.8에 나타낸 바와 같다.

볼트 대신에 핀을 사용하는 경우, 구경의 여유는 표 14.7에 준한다.

<표 14.7> 상자형 및 평판형 세그먼트

볼트경

(mm)

16 18 20 22 24 27 30 33 36

볼트공경

(mm)

19 21 ~ 23 23 ~ 25 25 ~ 27 27 ~ 29 30 ~ 32 33 ~ 36 36 ~ 39 39 ~ 41

<표 14.8> 중자형 세그먼트

볼트경(mm) 27 30 33

볼트구경(mm) 32 ~ 33 35 ~ 38 38 ~ 41

제9-1편 터널 본체

379

<표 14.9> 테이퍼 량, 테이퍼 각

세그먼트의

외경 R

 ＜ 4m 4m ≤ R ＜ 6m 6m ≤ R ＜ 8m 8m ≤ R ＜ 10m 10m ≤ R ＜ 12m

테이퍼 량(mm) 15 ~ 45 20 ~ 50 25 ~ 60 30 ~ 70 32 ~ 80

테이퍼 각 15°~ 60° 15°~ 45° 10°~ 35° 10°~ 30° 10°~ 25°

. 테이퍼 링은 곡선용과 선형 수정용으로 분류할 수 있으며, 일반적으로 곡선용 테이퍼링을

선형 수정용으로도 이용할 수 있다.

. 선형 수정용의 테이퍼 링 수는 설계의 대상이 되는 터널 구간 내에 준비해야 하는 모든

링 수에서 곡선용의 테이퍼 링 수를 제외한 나머지 링 수의 5 % 정도를 기준으로 한다.

. 테이퍼 링의 최대 폭은 강재 세그먼트에서는 표준 폭과 비슷하든지 또는 그것보다 작은

것으로 한다.

. 테이퍼 량은 세그먼트 폭, 세그먼트의 외경 곡선반지름 및 곡선구간에서의 테이퍼 링의 사

용 비율과 함께 테일 클리어런스 등을 고려하여 결정해야 한다. 테이퍼 량, 테이퍼 각의

일반기준치는 표 14.9와 같다.

. 12 m를 넘는 대구경 쉴드나 특수 형상의 경우는 미리 책임기술자와 협의한 다음 테이퍼

량, 테이퍼 각을 별도로 정하도록 한다.

14.4.2 쉴드 TBM의 제작 설계

쉴드 TBM 구조는 각각의 작용하중에 대하여 쉴드 TBM 각부가 안전하고 확실하게 가동될 수 있는

구조로 설계한다.

쉴드를 갖는 TBM의 제작 시에는 다음 사항을 고려해야 한다.

(1) 일반사항

. 쉴드 TBM은 연직 및 수평토압, 수압, 자중, 상재하중의 영향, 편향 하중 · 막장 전면압 등

의 하중을 지지하도록 설계한다.

. 쉴드 TBM은 무겁고 대형이므로 분할, 수송, 작업구로의 투입 등 제 조건을 고려하여 제작

하며, 또한 연약지반에서 쉴드 TBM을 추진하는 경우에는 쉴드 TBM의 중량 및 중심 위치가

제4권 터널

380

그 운전성능에 영향을 미치므로 쉴드 TBM 제작 설계 시 이를 고려한다.

. 급한 곡선 시공 및 연 · 경암 혼합지반을 통과해야 하는 경우에는 두 개의 쉴드로 구성하여

그리퍼에 의한 원주면 지지와 세그먼트에 의하여 반력을 이용하는 더블(double) 쉴드

TBM을 설계할 수 있다. 이 경우 전방 쉴드가 굴착 추진함과 동시에 후방 쉴드는 고정되어

세그먼트 부착 작업이 가능하도록 설계한다.

(2) 쉴드 TBM의 구성 및 부품 설계

. 쉴드 TBM은 굴착, 추진, 라이닝 설치를 동시에 할 수 있는 기능을 갖는 장치군으로 구성되

므로 외부에서 작용하는 하중에 대하여 내부를 충분히 보호할 수 있도록 설계한다.

. 쉴드 TBM의 외경은 외판(skin plate)의 외경을 말하며, 세그먼트 외경·테일 클리어런스

(tail clearance) 및 테일 스킨 플레이트 두께를 고려하여 설계한다.

. 테일 클리어런스는 20 ~ 40 mm가 일반적이나 세그먼트의 형상 치수, 터널의 선형, 선형

수정, 테일 실(tail seal)의 설치 등을 고려하여 설계한다.

. 쉴드 TBM의 길이는 지반의 조건, 터널의 선형, 쉴드 TBM 형식, 중절장치의 유무, 세그

먼트 폭, K-세그먼트의 삽입 형식 등을 고려하여 설계한다.

. 후드부의 형상은 직형, 경사형, 단절형 등이 있으며, 구조와 치수는 지반의 조건, 쉴드

TBM의 형식에 적합하고 충분한 강도를 가질 수 있도록 결정해야 한다.

. 후드부의 구조는 잭, 커터축, 커터헤드 구동장치, 중절장치 및 배토장치 등의 부착공간을

고려하여 충분한 강도와 강성을 갖는 것으로 해야 한다.

. 쉴드 TBM의 길이는 외경과의 조화로, 운전 조작면에서는 가능한 한 짧은 것을 선택해야

한다. 단, 길이가 극단적으로 짧으면 접지압이 크게 되어 조향성이 저하되므로 이를 고려하

여 길이를 설계한다.

. 테일부의 길이는 최소한 세그먼트의 조립이 가능한 길이가 되도록 하며, 세그먼트 조립 후,

파손부의 교체, 쉴드 TBM 잭의 수리 및 터널 곡선시공 등을 감안하여 약간의 여유를 갖도

록 설계한다. 단, 기계굴착식, 토압식 및 이토압식 쉴드 TBM에 관해서는 테일 실의 구조나

교환도 고려하여 테일부의 길이를 설계할 수 있다.

. 테일 스킨 플레이트 두께는 유해한 변형이 발생하지 않는 범위 내에서 가능한 얇게 설계한다.

. 테일 실은 뒤채움 주입재나 토사를 동반하는 지하수의 역류방지를 위하여 내구성, 내압성

등을 고려하여 선정해야 한다.

제9-1편 터널 본체

381

. 커터헤드는 커터에 작용하는 토크, 추진력(thrust), 회전력, 마모도, 회전율, 커터 간격을

고려하여 굴착 지반에 가장 적합하고 제 기능을 발휘할 수 있는 것으로 선정한다. 또한 커터헤

드는 버력 처리 능력을 최대한 활용하기 위하여 한쪽 방향으로 회전하는 것이 일반적이나

필요 시 역회전이 가능하도록 설계한다.

. 커터 헤드의 디스크 커터는 베어링 고장 시 편마모가 발생하기 쉬우므로 베어링과 커터링의

품질을 최대한 높일 수 있게 설계한다.

. 커터 비트(cutter bit)는 지반조건에 적합하도록 그 형상, 크기, 재질, 배치를 결정한다.

. 여굴장치는 쉴드 TBM의 조향성을 향상시키기 위한 장치로서 지반조건, 시공조건에

적합하게 설계한다.

(3) 추진기구 설계

. 쉴드 TBM의 총 추진력은 쉴드 TBM 총 추진 저항 여유를 고려하여 설계한다.

. 잭의 선정과 배치는 쉴드 TBM의 조향성, 세그먼트의 구조, 세그먼트 조립의 시공성 등을

고려하여 설계하며, 가능한 한 간단한 구조가 되도록 하고 경량으로 내구성이 우수하고,

보수 · 교환이 용이해야 한다.

. 잭류는 쉴드 TBM 외판 내측에 근접하여 등간격으로 배치하고, 세그먼트에 가급적 균등하

중이 가해지도록 해야 한다.

. 잭 스트로크의 여유는 세그먼트를 쉴드 TBM 테일 내에서 조립하는 경우에 필요하며, 쉴드

TBM의 곡선부 시공을 위한 길이로 설계한다.

. 잭의 작동속도는 지반 및 쉴드 TBM의 형식에 맞추어 설계한다.

. 추진 반력을 얻기 위하여 잭과 그리퍼를 동시에 사용하는 형식의 장비의 경우 통과 구간의

지반조건에 따라 그리퍼의 지지력을 선정 · 설계한다.

(4) 세그먼트 조립기구

. 이렉터(erector)는 쉴드 TBM의 형식과 규모, 세그먼트, 굴착토, 처리방법 및 작업주기 등

을 고려하여 세그먼트의 조립이 정확하고 능률적인 것으로 설계한다.

. 이렉터의 능력은 세그먼트의 종류, 형상, 중량 및 조립순서 등을 고려하여 설계한다.

. 이렉터 설계 시에는 좌우 회전과 상승 및 하강이 자유로운 것으로 설계하고, 회전속도, 회

전각도, 동력, 스트로크 및 지지방식 등을 고려하여 세그먼트 및 터널 크기에 가장 적합하

제4권 터널

382

도록 설계한다.

(5) 후방설비부(back-up or trailer-part)

. 후방설비는 쉴드 TBM 본체 작동설비, 전기설비, 레일 및 세그먼트 운반용 크레인 및 버력

처리기구 등을 포함하도록 설계한다.

. 본체 작동설비에는 장비를 가동하는 유압모터, 유압 펌프, 전동모터 및 제어기구를 작동

하는 운전실 등을 포함하도록 설계한다.

. 전기설비는 특고압에서 고압으로 전환하는 변전설비, 환기설비 등을 포함하도록 설계한다.

(6) 유압, 전기, 제어기구

. 쉴드 TBM용 유압기기는 일반건설기계의 경우와 달리 고압 대용량이고 사용환경이 나쁘므

로 내구성이 우수하고 고효율, 저소음의 기종을 선정해야 한다.

. 유압기구는 자가 점검 장치가 있거나 점검이 용이한 것으로 선택하여 사용조건 하에서 적

절한 상태로 유지관리가 가능해야 한다.

. 유압회로는 가능한 한 간단하여 각 기기가 확실하게 작동하고, 오조작이 있을 경우 위험을

발생시키지 않도록 설계한다.

. 유압작동유는 유압기기에 적합한 양질의 것으로 설계한다.

. 전기기기류는 방수 · 방습 · 방진 등에 유의해야 하며 가능한 한 조작 및 점검보수에 편리한

위치에 설치한다.

. 제어기기는 각 기기가 확실하게 작동하여 굴착 · 추진 · 배토 등을 위한 기기들과 상호 연관

성을 양호하게 하고, 이상 시에도 안전하게 대처할 수 있어야 한다.

(7) 버력 처리기구

. 커터헤드부에서 절삭 · 분쇄하는 버력을 배토하기 위해서 커터헤드부에 스크래퍼(scraper)

나 버켓(bucket)이 장착되도록 설계한다.

. 커터헤드로부터 배토된 버력은 벨트 컨베이어를 통해 후방 대차의 버력처리 차량으로 운송

하도록 하거나, 이수식(slurry) 쉴드 TBM의 경우 파이프로 이수를 유체 운송하여 터널 밖

으로 반출, 이수처리설비까지 압송되도록 설계하고, 토압식의 경우 스크류 컨베이어를 통

해 배토하도록 설계한다.

제9-1편 터널 본체

383

. 이수식(slurry) 쉴드 TBM의 경우 굴착에 따라 배출되는 굴착 토중에 직경이 큰 암석파편

이 있으면 운송 중 파이프, 펌프 등을 손상시키므로 후방설비부에 크랏셔를 설계하여 파쇄

하도록 설계할 수 있다.

(8) 후방대차(rolling stock)

. 후방대차는 인원 및 자재(세그먼트, 레일, 뒤채움재료 등)의 투입 및 버력의 반출용 대차로

구성한다.

. 후방대차의 길이는 TBM 후방설비의 길이 및 작업구 내 보조터널 길이의 최소화를 위하여

최적화하여 설계한다.

(9) 부속기구

. 자세제어장치는 지반조건, 쉴드 TBM의 형식, 터널의 선형 등을 고려하여 확실한 쉴드

TBM의 자세제어가 가능한 것으로 선정한다.

. 쉴드 TBM에 탑재하는 측량장치는 쉴드 TBM의 자세, 움직임 방향의 파악 등 측량목적에

맞추어 선정한다. 추진관리 측량장치는 일반적으로 Laser system 및 Gyro-scope로 구성

되도록 설계할 수 있다. 이러한 측량장치로부터 쉴드의 현 위치와 계획선과의 수직 및 수

평 오차를 측량하며, 향후 굴착위치에서의 계획선과의 수직 및 수평 예상 오차를 계산하도

록 설계한다.

. 뒤채움 주입장치는 주입재료, 주입방법, 주입량 등을 고려하여 확실하게 충전될 수 있는

기구를 선정한다.

. 지반조사 단계 및 시공 중 용출수 구간이 존재하리라 예상되는 경우, Probe drilling용

부속장비를 설계하여 막장 전방에 사전에 천공하여 프리 그라우팅을 실시함으로써 굴착된

지반을 고결 및 강화할 수 있게 설계한다.

. 토사층을 굴착 시에는 터널 천정부 상부에서 전석 등이 흘러내려 공동이 발생할 수 있으므로

쉴드 TBM 본체 상부에 검지봉과 같은 기구를 설치하여 상부 지반 붕괴 여부를 판단 할

수 있는 시설을 설계할 수 있다.

(10) 이수 수송설비 및 처리 플랜트[이수식(slurry) 쉴드 TBM]

. 이수 수송설비는 이수식 쉴드 TBM 장비에서 송배니 펌프의 압력으로 막장의 안정유지 및

제4권 터널

384

굴착토를 배출하는 설비이다. 막장의 안정을 유지하기 위한 압력은 수압 및 토압에 대하여

일반적으로 20 ~ 50 kPa 정도의 여유를 두고 유지하기 때문에 중계 펌프를 적정 위치에

설치하여 압력저하를 방지하도록 설계한다.

. 이수처리 설비는 지하수 · 지표수 · 해수의 오염을 방지하도록 여러 차례에 걸쳐 처리되는

플랜트를 설계한다. 이 경우 반드시 슬러지와 상급수를 분리하여 슬러지는 사토 처리하며,

상급수는 pH 조정 후 최종 방류하거나 막장에 재유입하여 재사용 하도록 설계한다.

. 이수처리 플랜트 설계 시에는 쉴드의 최대굴진 속도를 보장할 수 있는 충분한 처리 용량을

확보해야 하며, 긴급 상황에 대처할 수 있게 충분한 예비 안정액을 확보해야 한다.

. 하천수질환경기준에 따른 배출 허용기준은 BOD 120ppm 이하, COD 130ppm 이하, SS

120 mg/l 이하, pH 5.8 ~ 8.6이므로 이를 만족하기 위하여 pH · 탁도 · 배수량을 측정하

고, 자동 기록하는 시스템을 갖추도록 설계한다.

(11) 안전 및 환경 대책 설비

. 쉴드 TBM 공사는 지하 작업이라는 특수성을 고려하여 작업 환경을 충분히 정비하고, 쾌적

한 작업이 될 수 있도록 관련 설비를 계획한다.

. 일반적인 대책 설비로는 환기 · 집진설비, 조명설비, 변압기 자동차단장치, 누전차단 장치

와 후방대차 운행로 상의 안전 대피소 등을 설치하여 최소한의 안전사고도 방지할 수 있

도록 설계해야 한다.

. 장대터널일 경우에는 터널 내 화재 및 가스 폭발 예방에 중점을 두어 가스 탐지기 등의

기구를 설계할 수 있다.

14.4.3 뒤채움 주입재의 설계

세그먼트라이닝 배면공극에 주입하는 뒤채움 주입설계는 지반 조건·유수의 존재·쉴드 TBM 형식 등

을 고려하여 주입재 특성·주입방법·주입설비 등이 쉴드 TBM 기종과 현장 지반조건에 적합해야 한다.

뒤채움 작업은 쉴드 추진과 동시에 발생하는 세그먼트 테일보이드(tail void) 및 여굴을 세그

먼트 내 주입공을 통하여 주입재를 충전시키는 작업이다. 테일보이드는 테일이 추진 전에 차

지하고 있던 용적(테일 스킨 플레이트 두께) 및 테일 스킨 플레이트 내면과 세그먼트 외면

제9-1편 터널 본체

385

사이의 간격인 테일 클리어런스(tail clearance)에 의하여 생기는 빈 공간을 말한다.

테일보이드와 여굴의 총 두께는 지반조건 · 쉴드 TBM 형식 · 쉴드 TBM 노선의 곡선현황에 따

라 두께가 달라지나, 일반적으로 100 mm 내외이다. 또한 테일 클리어런스의 두께는 20 ~ 40

mm가 일반적이다.

뒤채움 작업의 목적은 지반의 느슨함과 세그먼트의 초기침하 방지, 지반의 이완 억제 및 세

그먼트 누수 · 누기의 방지를 위함에 있다.

(1) 세그먼트 뒤채움 주입재료

세그먼트 뒤채움 주입재료는 다음 사항을 고려하여 설계한다.

. 뒤채움 주입재료에는 시멘트모르타르, 발포성모르타르, 경량기포모르타르, 섬유혼합모르

타르슬래그 또는 석탄회를 사용하는 가소성 주입재, 자갈 등 여러 가지가 있으나, 국내에

서의 현실적 여건을 고려할 때 가장 많이 사용되는 주입재료는 시멘트 밀크, 자갈 및 시멘

트 밀크의 혼합형이다.

. 주입재의 선정은 주입의 용이함, 주입공정 품질관리의 복잡성, 주입시기 및 위치, 굴착대상

토사 및 암반의 특성 및 지하수, 장거리 압송 가능 여부, 충전성, 세그먼트 초기 침하 방지

효과, 지반의 용출량, 세그먼트 실링재 등을 고려하여 선정한다. 또한 재료적 측면으로서

블리딩(bleeding) 등의 재료분리를 일으키지 않고 유동성을 잃지 않는 재료, 주입 후의 경

화 현상 등에 따라 용적감소가 적은 재료, 지반강도에 상당하는 균일한 강도를 조기에 얻을

수 있고 설계강도 이상을 발휘할 수 있는 재료, 수밀성이 뛰어난 재료, 주변 환경에 영향이

없는 무공해 및 저공해 재료로 선정하여 설계한다.

. 시멘트 밀크주입은 A액으로 시멘트 + 보조재(일반적으로 벤토나이트) + 안정재를, B액으로

물유리계를 혼합하여 사용하는 것이 일반적인데, 장거리 압송이 쉬우며, 충전성이 좋아 토

사쉴드에 일반적으로 적용하나 세그먼트의 초기 침하를 막기가 어려운 단점을 갖고 있다.

. 자갈 및 시멘트 밀크 혼합형을 사용할 경우, 일반적으로 1차 주입으로 자갈을 주입함으로

서 세그먼트의 초기 침하를 조기에 방지하고 2차 주입으로 시멘트 밀크를 충전 주입한다.

자갈은 보통 콩자갈이나 깬자갈을 사용하며 크기는 직경 5 ~ 10 mm를 사용하는 것이 일

반적이다. 그러나 깬자갈을 사용하면 Interlocking 현상에 의한 2차 주입재의 흐름이 방

지되므로 되도록이면 콩자갈을 사용하는 것이 바람직하다.

. 용출이 과다한 구간에서 시멘트 밀크 주입을 시행하는 경우, 겔 타임을 조절하여 경화 전

제4권 터널

386

용출수에 의한 재료의 미고결 및 재료 분리 현상을 방지해야 한다.

(2) 뒤채움 주입방법

뒤채움 주입방법은 다음 사항을 고려하여 설계한다.

. 뒤채움 주입방법은 쉴드 TBM기 측면에서 추진과 동시에 주입하는 동시주입 방법, 세그먼

트 주입공에서 추진에 맞춰 주입하는 반 동시 주입방법, 1개 세그먼트 링 설치 완료 시마

다 주입하는 즉시 주입방법이 있으며, 쉴드 TBM 기종과 현장 지반조건 등을 고려하여

설계한다.

. 뒤채움 주입압은 세그먼트 배면을 완전히 충전시킬 수 있도록 세그먼트에 작용하는 외압보

다 100 ~ 200 kPa 정도 큰 압력으로 설계해야 하나 세그먼트 씰링재의 최대 외부 허용

압력을 초과하지 않아야 한다. 일반적으로 최대 500 kPa 이하로 주입할 경우 주입재료가

노즐로 역류할 수 있으므로 주의해야 한다.

. 뒤채움 주입량은 쉴드 TBM 후미의 공극크기, 주입재의 지반에 대한 침투성, 지반의 투수

성 및 여굴 등을 고려하여 설계한다. 뒤채움재의 주입량은 일반적으로 테일보이드와 여굴

두께에 해당하는 부피에 손실에 따른 주입률 할증 계수와 주입재의 지반에의 침투, 가압에

의 지반의 압밀 및 탈수 압밀 등에 따른 적정 주입률 계수를 곱하여 산정하며 일반적으로

테일보이드 계산량의 150 ~ 200 %가 되는 경우가 많다.

. 주입순서는 주입압력과 중력에 의한 다짐 효과를 보기 위해서 아래쪽에서 윗쪽으로 차례로

주입하는 것이 바람직하다.

. 주입 완료 후에는 인접 주입공을 열어 주입상태를 확인하고 주입이 겹치도록 재 주입 여부를 검토

한다.

쉴드기는 기본적으로 쉴드 굴진과 동시에 뒤채움주입을 할 수 있도록 제작된다. 쉴드터널

은 원칙적으로 동시 주입에 의하여 뒤채움이 되어야 세그먼트의 누수방지를 극대화 할 수

있다. 그러나, 주입설비(특히 테일실, tail seal)는 시공되는 지반상태에 부합되도록 고안되

어야 동시 주입이 가능하고 세그먼트를 안전하게 위치시킬 수 있다.

동시 주입을 위한 부속설비가 스킨플레이트 외측에 설치되는 경우에는 그라우팅 호스가

막히면 수리가 어렵고 암반지반에서는 훼손가능성이 큰 단점이 있다. 이로 인하여 국내 대

다수 현장에서는 쉴드 굴진 후에 세그먼트 주입공을 통하여 뒤채움을 하는 즉시 주입을

시행하고 있다. 그러나, 즉시주입 방법은 지반상태를 고려하지 않고 적용하면 연약지반이

나 느슨한 사질토에서는 지반이 침하되고 세그먼트링이 이동될 수 있다. 일반적으로 쉴드

제9-1편 터널 본체

387

터널은 지반자립성에 비하여 뒤채움 주입이 늦어 세그먼트를 안정시키지 못하면 쉴드잭의

추력에 의하여 터널이 장주로 작용되어 세그먼트에 변형을 유발시키거나 궤도가 이탈되어

세그먼트 이음부가 벌어져 누수가 발생될 수 있다.

따라서 뒤채움주입은 쉴드 굴진과 병행하여 시행하는 동시주입이 바람직하다. 국내 쉴드터

널에서도 동시주입에 의하여 뒤채움이 되도록 하기 위해서는 많은 연구가 필요하나 근래

의 유럽 · 일본 등의 개선사례를 토대로 쉴드기의 구매 · 제작에 반영이 요구되는 사항을

정리하면 다음과 같다.

(가) 테일실(tail seal)

쉴드에서 세그먼트 배면공극을 채우는데 있어 테일실(tail seal)은 가장 중요한 설비이다.

테일실이 부실하여 주입그라우팅이 쉴드기 내로 흘러들어와 주입압이 떨어지면 굴착토사

나 지하수가 유입될 수 있다. 그러나, 쉴드굴진과 더불어 세그먼트의 배면공극을 동시에

채우면서 세그먼트 이음부를 1.5 cm 이내의 오차 내에 위치하게 하고 토압과 수압을 고

려하여 주입압을 조절하는 것은 기술적으로 매우 어려움이 따른다. 이러한 문제를 해소

하기 위하여 근래에 적용되고 있는 3중 테일실 개념은 그림 14.22와 같다.

Skin plate

Grease cavity

Grease supply

Tail seals

Segment ring

<그림 14.22> 3중 테일실(예시)

(나) 즉시 주입에 의한 뒤채움 주입

즉시 주입의 경우에도 굴진 즉시 뒤채움주입이 가능하도록 쉴드기기가 계획되어야 방수

효과를 극대화시킬 수 있을 것이다. 즉시주입은 일반적으로 쉴드 굴진 후에 2 ~ 3링 후방

에서 주입공을 통하여 주입하고 있으나 이 방법은 지반이 어느 정도 양호한 경우에 적용

제4권 터널

388

될 수 있다. 쉴드 굴진 후에 2 ~ 3링 후방에서 주입하는 방법은 뒤채움주입재가 쉴드기기

내로 유입되어 주입압력이 급격히 저하되거나 막장에 우회하여 막장토압을 상승시키는

경우가 많아 신중하게 적용되어야 한다.

(3) 뒤채움 주입설비

뒤채움 주입설비는 다음 사항을 고려하여 설계한다.

. 뒤채움 재료의 배합 및 투입 설비는 사용하는 주입재료를 고려하여 준비한다.

. 자갈주입설비로는 자갈주입 및 투입 운반장비와 공기압축기가 일반적이며, 투입을 위한 운

반장비는 대차 및 컨베이어를 사용하는 것이 일반적이다. 주입장비는 정기적인 보수 정비로

주입압이 저하되는 것을 방지해야 한다.

. 시멘트 밀크 주입 설비로는 혼합 플랜트, 주입 펌프, 작업대차로 구성하는 것이 일반적이

며, 별도의 시멘트 사일로를 준비해야 한다.

뒤채움 주입공을 보강하기 위하여 2차 주입을 실시하는 경우가 있다. 2차 주입은 1차

주입 시 미충전부의 완전 충전 · 주입재료의 체적감소분의 보충과 쉴드 추력에 의하여 주입재

와 지반 상호간에 박리상태 발생분의 보충으로 완전충전과 지반과의 일체화를 목적으로 한다.

14.4.4 방수설계

세그먼트 라이닝은 지하수압에 견딜 수 있고 방수가 될 수 있도록 반드시 세그먼트 간의 이음부, 뒤채

움 주입구 등에 방수설계를 해야 한다.

(1) 일반사항

(가) 쉴드 터널 방수의 특징

쉴드 터널 라이닝은 세그먼트 라이닝으로 대표되며, 세그먼트는 터널의 구조적 기능과

더불어 방수 기능을 담당한다. 일반적인 현장 타설 콘크리트 라이닝의 방수작업은 터널

굴진과 보강작업이 완료된 후에 별도로 수행되나, 쉴드 터널의 방수공사는 터널 굴진 중 세그

먼트의 거치작업과 동시에 이루어진다. 따라서, 쉴드 터널의 방수품질은 방수재료의 성능,

방수공법과 같은 방수공정 외에도 굴진과 세그먼트의 조립상태 등의 모든 공정의 시공결

과에 크게 의존한다. 특히, 허용오차 내에서의 정확한 세그먼트 조립은 구조적인 측면이

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나 방수 측면에서 쉴드 터널의 전제조건이 된다. 쉴드 터널의 방수는 단일 공법에 의존하

기보다는 소정의 방수성이 얻어질 때까지 누수를 점진적으로 감소시키기 위하여 여러 방

법을 조합하여 적용하는 것이 일반적이다.

(나) 방수공법 계획 시 고려사항

모든 터널에서 방수공사는 과도한 비용과 시간이 소요되는 작업이지만, 쉴드 터널에서는

다양한 제품 및 공법들이 중복되어 적용될 수 있으므로 경우에 따라서는 큰 부담이 되거

나 만족스러운 방수품질을 확보하지 못할 수 있다. 따라서, 쉴드 터널의 방수공법 계획

시에는 지반 및 지하수 조건, 쉴드 공법, 세그먼트 종류, 터널의 방수등급 등을 검토해야

한다.

① 지반과 지하수 조건

지반의 투수성과 지하수위는 터널 내 누수에 절대적인 영향을 미치며 수압의 크기에

따라 적절한 방수방법을 적용해야 한다. 어떤 조건에서는 지반주입에 의하여 지반의

투수성을 개량시키는 것이 터널내부의 방수공사에 비하여 경제적이고 효과적일 수도

있으며 부수적인 지반보강효과도 기대할 수 있다. 지하수에는 무기질, 유기질 및 기타

유기 화합물이 함유되어 있기 때문에 이러한 성분이 세그먼트 자체의 재료열화와 대

부분이 화학제품인 방수재를 열화시킬 수도 있다.

② 쉴드 공법 자체

쉴드기는 지반조건에 따라 적절하게 선택해야 한다. 연약지반에 중량의 쉴드기를 적

용하면 자중에 의한 침하로 선형유지가 어려워지므로 세그먼트의 정확치 못한 조립의

원인이 될 수 있다. 또한, 테일 공극이 크고 배면주입시기가 늦으면, 지반붕락의 원인

이 될 수도 있다. 이수식(slurry) 쉴드의 경우, 막장면을 지지하기 위하여 사용된 점토

나 벤토나이트 성분은 지반에 침투하여 주변 지반의 투수계수를 감소시킴으로써 방수

성능을 향상시킬 수도 있다.

③ 세그먼트의 종류

세그먼트는 조립 방법과 형상에 따라 이음부의 기하학적 형상 및 단면이 변화하므로

이에 적절한 방수방식을 적용해야 한다. 세그먼트의 재료에는 크게 주철, 강재 및 콘

크리트가 있으며, 재질에 따라 방수재의 접착성에 큰 차이가 있으므로 이를 고려해야

한다.

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(다) 쉴드 터널 방수의 기본사양

쉴드 터널의 방수는 세그먼트 이음부의 방수, 이음볼트공의 방수, 뒤채움 주입에 의한

방수공이 기본적으로 적용된다. 쉴드 터널이 정밀하게 시공된다면, 기본적인 방수공만으

로도 거의 건조한 상태의 방수효과를 얻을 수 있다. 즉, 쉴드 터널은 기본적으로 정밀한

세그먼트 조립 및 거치작업이 이루어지도록 시공 · 관리해야 방수효과를 극대화할 수

있다.

(2) 쉴드 터널 방수방법 계획

(가) 세그먼트 이음부 방수

이음부의 방수에는 씰(seal)재 방수, 개스킷 방수에 의한 방법이 있다. 다만, 2열방수를

위해서는 세그먼트의 두께를 200 mm 이상으로 증가시켜야 할 것이다.

① 씰(Seal)재 방수

씰재에 의한 2열 방수는 그림 14.23과 같이 이중으로 실링 홈에 수팽창성 지수재를

부착하여 방수효과를 얻는다. 일반적으로 실링 홈 규격은 폭 20 ~ 30 mm, 두께 2 ~

3 mm 정도이다. 실용 터널에서도 단면이 크거나, 심도가 깊어 구조적인 이유로 세그

먼트의 두께가 충분히 확보된다면, 2열 방수를 적용하는 것이 바람직하다.

seal재

상세 “A”

seal재

상세 “A”

<그림 14.23> 실(seal)재에 의한 2열 방수

② 개스킷(gasket)에 의한 방수

콘크리트 세그먼트의 이음부를 밀봉하기 위한 방법으로 압축 개스킷이 사용될 수 있

다. 개스킷은 정교한 단면 형상을 하고 있으며, 평평한 조인트 면이나 조인트 면에 있

는 홈에 부착될 수 있다. 다만, 세그먼트의 저장, 운반 및 거치 중에는 물론이고, 링이

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설치된 후에도 굴착 사이클 동안에는 개스킷이 보호되도록 세밀한 시공관리가 요

구된다.

일반적으로 지금까지 고안된 개스킷 방식은 성공적인 밀봉 기능을 해 왔으나 생산 비

용이 높고 작업면의 매우 청결한 조건과 더불어 세그먼트의 거치에 있어서 높은 정확

도가 요구된다. 이 방식은 현재로서는 3 m 이상의 터널직경에 적합하다. 즉, 터널 직

경이 클수록 라이닝의 두께가 늘어나 조인트 면적이 크기 때문에 제반 방수재들을 수

용할 수 있다.

일반적으로 사용되는 재료는 다양한 경도의 고체형 네오프렌, 기포형 네오프렌, 부틸

고무와 천연고무 등이다.

그림 12.24는 볼트조립형 콘크리트 세그먼트에 도입될 수 있는 개스킷 종류를 보이고

있다.

<그림 14.24> 볼트조립형 콘크리트 세그먼트에 적용되고 있는 개스킷 종류

(나) 뒤채움 주입공 처리

뒤채움 주입공은 세그먼트를 관통한 상태이기 때문에 적절한 처리를 하지 않는 경우에는

누수 통로가 될 수 있다.

주입공 처리를 위한 방안으로는 세그먼트 표면이 방수 처리되어 있으면 주입공 내에만

수팽창링을 설치하는 방안과 주입공 주변(공경의 5 ~ 6배)을 에폭시로 표면처리하고, 수

팽창링을 설치하는 방안 등이 있다.

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<그림 14.25> 뒤채움 주입공 처리

(다) 이음 볼트공

이음 볼트공의 방수는 현장 여건에 따라 아래와 같이 적정한 방안을 계획함이 바람직할

것이다. 그림 14.26은 볼트 와셔와 볼트공 사이에 링 형태의 패킹재를 삽입하여 볼트 체

결력에 의한 패킹재의 압착에 의한 방수효과를 기대하는 방법이다. 그림 14.27은 볼트가

콘크리트와 직접 접촉함으로써 마모가 되거나 틈에 의하여 누수가 되지 않도록 한 볼트

공벽의 슬리브(sleeve) 방법이다.

체결 전 체결 후

<그림 14.26> 이음 볼트공 패킹 처리 방안

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<그림 14.27> 이음 볼트 공벽 슬리브 처리 방안

(라) 세그먼트 표면 처리

콘크리트는 어느 정도 투수성이 있기 때문에 세그먼트를 통한 침투수가 전혀 없을 수는

없다. 세그먼트의 운반 · 거치 등의 과정에서 균열 등이 발생하면 침투 현상은 더 심해진

다. 이러한 침투에 의한 누수 위치는 대부분의 경우 탐지하기가 거의 불가능하다.

이러한 누수 형태를 방지하기 위한 방법으로 세그먼트의 표면 코팅 방법이 있다. 이 방법

에는 표면 코팅과 침투성 코팅이 있다. 표면 코팅은 단순히 표면을 칠하는 방법이고, 침

투성 코팅 처리 방안은 누수와 반응하여 세그먼트 표면을 침투한 후 단단한 불투수 결정

체를 형성하는 방법이다.

세그먼트의 표면 처리는 세그먼트의 운반, 취급, 거치작업 중에 발생할 수도 있는 세그먼

트의 손상방지에도 도움이 된다. 이 방법은 비용이 상당히 투자되어야 하므로 수압이 높

고, 완전방수가 필요한 경우에 적용함이 바람직하다.

14.4.5 콘크리트 라이닝의 설계

콘크리트 라이닝을 설치하는 경우에는 지보특성 · 지반 및 환경 조건 · 시공방법 등을 고려하여 그 사

용 목적에 맞도록 콘크리트라이닝을 설계해야 한다.

최근 쉴드 터널에서는 콘크리트 라이닝이 잘 적용되지 않는 추세이며, 가장 주된 이유는

세그먼트 품질, 시공기술, 이음부의 방수기술이 향상되어 별도 라이닝에 의한 방수작업이

불필요하기 때문이다. 그러나, 예외적으로 다음과 같은 경우에는 터널의 구조적 안정성과

기능성 측면에서 콘크리트라이닝이 적용될 수도 있다.

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. 장대터널 내 환기효율이 문제가 되는 경우

세그먼트라이닝은 재질, 형상, 조립방식에 따라 표면에 요철이 심할 수가 있다. 이때,

터널연장이 긴 경우에는 터널 내 기류의 벽면 마찰로 인하여 환기 효율이 낮을 수가 있

기 때문에 매끄러운 표면을 위해서 콘크리트 라이닝을 타설할 수도 있다.

. 높은 수압에 대응할 필요가 있는 경우

수압이 매우 높아 이음부 지수재로 충분한 방수효과를 기대하기 곤란한 경우에는 터널

방수를 위하여 높은 수압에 대응하는 콘크리트 라이닝을 적용해야 한다.

. 지진지역에서 구조물 내진성 개선

세그먼트라이닝의 이음부는 지진에 의하여 느슨해질 가능성이 있기 때문에 지진이 심한

지역에서는 구조물의 내진성을 향상시키기 위하여 적용하는 경우도 있다.

콘크리트 라이닝(2차 라이닝)을 시공하는 경우에는 세그먼트(1차 라이닝)의 종류와 특성,

세그먼트와 콘크리트 라이닝의 접합 상황, 지반 조건, 환경 조건, 시공 방법 등을 고려하여

그 사용 목적에 맞도록 콘크리트 라이닝을 설계해야 한다. 콘크리트 라이닝의 두께는 터널

의 사용 목적, 시공성 및 안전성을 고려하여 결정해야 하나 최소한 150 mm 이상이 되도록

해야 한다.

콘크리트 라이닝은 현장 타설 시공법으로 시공되며, 비구조체와 구조체 라이닝으로 구분된

다. 비구조체는 세그먼트를 보강하기 위함이며, 부식 및 진동방지, 라이닝에 나타난 문제점

을 개선, 노선을 보정하기 위해 실시된다. 이 경우 라이닝의 두께는 일반적으로 150 mm

~ 300 mm의 두께를 가진다.

콘크리트 라이닝을 구조체로 이용하는 경우는 콘크리트 라이닝에 작용하는 하중 및 세그먼

트의 구조 특성을 고려하여 설계력 계산 결과에 따라 두께를 결정한다.

구조체의 목적으로 설치된 콘크리트 라이닝의 부재력은 라이닝이 완성된 이후 라이닝에 작

용하는 하중에 의하여 계산되어야 한다. 하중으로는 자중, 내부 설치물, 수압(또는 잔류수

압), 지진하중 등이 있다. 콘크리트 라이닝이 비구조체로 적용된 경우에는 구조계산은 생략

될 수도 있으나 안전성 검토측면에서 자중과 내부 설치물에 대한 구조검토를 수행하는 것이

바람직하다. 주의할 사항은 세그먼트 라이닝이 수압과 지반 하중을 지지하도록 설계된 경우

라도 배수층과 방수막이 설치되지 않고 콘크리트 라이닝이 세그먼트 표면에 직접 타설되는

경우에는 수압에 대한 재검토가 필요하다. 세그먼트 라이닝에서 필연적으로 발생하는 누수

량이 매우 작더라도 배수가 되지 않으면 장기적으로는 전 수압에 해당하는 수압이 콘크리트

라이닝에 작용할 수도 있다.