- 제너럴 모터스에서 생산된 함재뇌격기 - TBF(M) 어벤저
- 툴 박스 미팅
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1. 개요
Tunnel Boring Machine터널을 뚫을때 쓰는 대형 천공기의 일종으로, 줄여서 TBM으로 부르며 정식 명칭으로는 터널 보링 머신인데 '터널 천공기'[1] 또는 '굴진기' 정도로 번역한다.
2. 역사
핵심이 되는 실드기술은 프랑스 출신 기술자 마르크 이삼바르 브뤼넬(Marc Isambard Brunel)[2]이 최초로 고안하여 1812년에 특허를 내고 1825년 영국 템스강 밑에 터널을 뚫는 작업에 사용했다고 한다. 브루넬이 부두 근처를 지나다가 우연히 배좀벌레조개가 구멍을 뚫어놓은 나뭇조각을 보고 거기서 착안해서 만든 발명품이다. 배좀벌레조개는 단단한 조개껍데기를 이용해 나무를 갉아서 파먹으며 속으로 들어가는데 물 먹은 나무가 팽창하게 되어 몸이 낑겨버리는 상황을 방지하기 위해 몸에서 액체를 분비한다. 나무를 파고 들어가는 동시에 굴진시 생기는 톱밥을 뒤로 보내고 생긴 공동외벽에 굳는 액체를 바른다. 이런 특징을 보고 브뤼넬이 그 좀조개를 모방하여 만든 게 바로 이 기계다.1952년 미국의 로빈스(Robbins)사가 세계최초로 민간에서 제작했으며, 실제 상용화는 1960년대 조선업에서 익힌 기계응용 기술을 결합시킨 독일이다.[3] 그 후, 알프스 산맥의 산악 터널, 도서 간 해저 터널 건설을 통해 독일, 프랑스, 일본이 각종 TBM 기술을 꾸준히 발전시켰다. 2010년대 말 기준으로 앞의 4개국 외에 캐나다, 호주, 이탈리아가 독자적인 TBM 설계와 제작/재활용 능력을 보유하고 있으며, 한국과 중국도 국산화에 큰 진척을 보이고 있다. 독일의 헤렌크네히트(Herrenknecht)사가 전 시장 점유율 1위를 차지한다.
TBM, 특히 TBM에 사용되는 디스크 커터는 금속의 가공, 열처리에서 최첨단 기술이 듬뿍 들어간 부품이다. 다른 부품도 마찬가지이지만 특히 디스크 커터는 그러하다. 선진 6개국에서는 TBM 관련기술을 비공개하며, 기술이전도 금한다. 한국은 국산화가 연구 중이기는 하지만 이들에 비하면 기술수준이 60% 수준으로 평가된다. 2012년 국산화에 성공했다하지만 신뢰성 평가기간이 10년도 안되어서 아직 갈 길이 멀지만 그래도 연구의 성과가 어느 정도 나오고 있으며, 일부 분야에선 오히려 타국보다 우월한 기술력을 축적하는 등 성과도 나오고 있다. 가령 2021년 7월 20일에 국토교통부는 세계 최초로 '터널보링머신(TBM) 커터헤드 설계자동화 시스템'을 개발하고 핵심기술인 'TBM 장비 운전·제어 시스템'을 국산화했다고 밝혔다. 이로써 한국의 TBM 기술력이 많이 발전했음을 알 수 있게 되었다. (한국일보 기사), (아시아경제)
3. 이용
TBM은 본질적으로 크기가 매우 크고 가격도 굉장히 비싼 데다 공사가 끝나면 기계를 폐기처분 하기가 까다롭지만, 터널 공사를 매우 쉽게 그리고 매우 단기간 내에 끝낼 수 있다는 장점이 압도적이라 현대 터널 공사에 있어선 거의 필수요소급인 장비라고 할 수 있다. TBM은 일회용이라 재활용 가능한 부품만 빼고 나머지는 전부 땅에 그대로 묻어버리거나 폐기처분하지만 정 불가피한 경우에 꺼내기는 꺼낸다. 분당선 한강 하저터널에 쓰인 TBM도 그 비싼 비용 때문에 단 1대만 사놓고 그 1대로 상행선을 먼저 뚫고 이후 TBM 방향을 돌려 하행선을 뚫는 식으로 터널 1쌍을 건설했다.TBM 공법은 크게 open TBM과 실드 TBM으로 나뉜다. open TBM은 주로 신선한 암반을 대상으로 굴진(터널을 뚫고 나아가는 것)을 위한 반력을 암반 벽면을 지지하는 힘으로부터 얻는 반면, 실드 TBM은 굴진을 위한 반력은 장비 후방에 설치되는 세그먼트 라이닝으로부터 얻는다.
TBM 공법의 작동 원리는 다음과 같다. 일단 터널 크기만 한 원통형의 회전식 강철 굴착 장비로 땅을 긁으며 파고 들어간다. 이때 지반을 파며 나오는 암석, 토사 등은 TBM에 연결된 슬러리(Slurry: 일종의 흙탕물) 배관을 통해 지상으로 운반된다. 이와 동시에 파낸 벽면에 ‘세그먼트’라 불리는 콘크리트 블록을 부착해 터널을 만들어 나가며 이렇게 터널의 굴착부터 구조체 시공, 토사 배출까지 모든 과정이 자동화되어 한 번에 이뤄진다.
TBM 공법은 특히 소음과 진동, 안전성을 고려해야 하는 도심지의 어려운 지반 조건을 극복하기에 적합하다. 화약을 사용하는 발파 공법에 비해 소음과 진동이 현저히 저감되고, 굴착된 토사나 암반도 분진 없이 배출된다. 또한 원통형 실드(Shield) 자체도 지지대 역할을 해주며, 세그먼트를 설치해 터널 내벽을 만들어 더욱 안정적이다. 발파 공법에 비해 굴진 속도가 빨라 공사 기간도 줄여주며 지하수압이 높은 지반을 비롯한 다양한 지층에서 적용 가능하다.
가격은 어마 무시하지만, 터널 뚫는걸 정말 쉽고 간편하게 만들어주기 때문에 요즘 터널 공사에서 안 쓰이는 데가 없다. 한국에선 불과 2000년대 초에 도입되어 보급이 다른 나라보다 많이 늦었음에도 지금은 안 쓰이는 데가 없는 걸 보면 굉장히 파급력이 큰 기술이라고 할 수 있다.
4. TBM vs. 드릴 앤 블라스트 공법
TBM의 가격은 크기와 설계에 따라 다르지만, 일반적으로 100억 원에서 300억 원까지 다양하다. 대형 터널을 위한 TBM은 300억원이 넘어간다. 뿐만 아니라, 공사 기간 동안 고장부품 교체, 마모된 커터헤드 교체 등의 유지비용이 발생한다. 하루 수천만 원에서 수억 원까지 유지비가 들어갈 수 있으며, 전체 공사 기간 동안의 유지비용이 수백억 원에 달할 수 있다. 다만, TBM은 자동화 정도가 높기 때문에, 기계 조작 인력과 일부 보조 인력만으로도 운영이 가능하여 장기적으로 인건비가 절감된다. 정비 인력이 주기적으로 필요하지만, 드릴 앤 블라스트처럼 폭약 설치와 처리 인력을 상시 배치할 필요가 없어 전체 인건비는 낮다.반면, 드릴 앤 블라스트 공법은 폭약을 사용해 암반을 굴착하는 전통적인 방식으로, 19세기부터 사용되었고, 현재까지도 단단한 암반 지역에서 널리 활용된다. 드릴 앤 블라스트는 TBM처럼 대규모 장비를 구입할 필요가 없기 때문에 초기 비용 부담이 적다. 그러나 폭약 설치와 폭파 작업을 위한 숙련 인력, 폭발물 관리 인력이 필요하므로 TBM보다 인건비가 높다. 반복 작업이 많아 TBM에 비해 공사 시간이 더 길어지고, 이에 따라 인건비도 증가한다. 각 구간을 폭파한 후 암반 제거 및 보강 작업도 추가로 필요하다.
| 터널 길이 | TBM 공사비용 | 드릴 앤 블라스트 공사비용 |
| 1km | 약 150억 ~ 200억 원 | 약 100억 ~ 150억 원 |
| 3km | 약 400억 ~ 600억 원 | 약 450억 ~ 600억 원 |
| 5km | 약 600억 ~ 800억 원 | 약 750억 ~ 1,000억 원 |
| 10km | 약 1,000억 ~ 1,500억 원 | 약 1,500억 ~ 2,000억 원 |
| 20km | 약 2,000억 ~ 2,500억 원 | 약 3,000억 원 이상 |
| 30km | 약 3,000억 ~ 4,000억 원 | 약 4,500억 원 이상 |
| 50km | 약 5,000억 ~ 7,000억 원 | 약 7,500억 원 이상 |
1km 이하의 짧은 터널에서는 드릴 앤 블라스트가 더 경제적이다. 초기 TBM 장비 도입 및 설치 비용이 크기 때문에, 짧은 거리에서는 드릴 앤 블라스트가 전체 비용이 더 저렴할 수 있다.
3km 이상, 특히 5km 이상의 긴 터널에서는 TBM이 인건비 절감 효과가 크고 작업 속도도 일정하게 유지될 수 있어, 전체 비용이 더 경제적일 수 있다.
현재까지 TBM으로 가장 길게 뚫은 터널은 57km에 달하는 스위스의 고트하르트 베이스 터널이다. TBM은 50km 이상 장거리 구간에 사용시 마모가 심해지기 때문에 기계 유지보수 및 교체가 필요하다. 하나의 TBM으로 50km 이상을 굴착하기 어려우며 TBM 여러대를 써야 한다. 일반적으로 이렇게 긴 터널을 한번에 뚫는 사례는 드물며 대부분 TBM 1대로 10km 미만의 길이를 착공 후 버리거나 재사용한다.
5. 구조
다수의 디스크커터를 장착한 커터헤드를 회전시켜 암반을 압쇄하여 굴진하는 고부가가치와 최첨단 융복합 장비의 성격을 갖고 있는 원형의 회전식 터널 굴진기이다. TBM공법은 TBM을 사용하여 굴진하고 버력을 반출, 지보작업(Segment 조립 등)을 연속적으로 수행하여 터널을 시공하는 것으로 과거의 발파-굴착에 의존해온 기존 공법에 비해 시공의 고속화 및 안전성향상, 환경성 및 경제성이 향상된 장점을 고루 갖춘 공법이다.TBM은 본체, 후속설비, 부대시설로 구성되고 본체는 커터, 커터헤드, 추진시스템, 클램핑 시스템, 이렉터 등이 있고 후속설비에는 벨트컨베이어, 광차가 있고 부대시설은 버력처리장, 오탁수정화시설, 환기시설, 수전설비, 급수설비, 배수설비 등으로 구성된다. TBM본체는 크게 후드부, 거더부, 테일부의 3부분으로 구성되며 후드부에는 회전하면서 지반과 맞닿아 원형의 굴착을 하는 커터헤드가 있고 커터헤드 내에는 토사용 굴착시 사용되는 소모품인 커터비트 다수 또는 암반 절삭 도구인 디스크커터 다수가 배치되어 있다.
커터헤드 뒤에는 굴진면 지지 압력을 제어하고 유지시키는 공간인 커터헤드 챔버가 있다. 거더부는 커터헤드를 전진시키는 유압추진책과 그리퍼(Gripper), 굴착을 위해 커터헤드를 회전시키는 구동장치(모터)로 구성되어 있다. 테일부는 세그먼트 조립장치인 이렉터와 외부의 토사 및 지하수유입을 방지하는 테일실, 뒤채움 그라우팅 주입장치 배토 및 버력반출 장비가 위치해 있다. TBM은 쉴드의 유무, 지보방법, 개방형, 밀폐형, 전단면, 부분단면 굴착으로 구분할 수 있다.
위 사진에서 보이는 샤워기 꼭지같이 생긴 부분이 실제 굴착이 이루어지는 부분인데 저 부분이 빙글빙글 회전하면서 앞에 달린 커터헤드가 전면부의 암석과 흙을 깎아낸다. 굴착부 뒤에는 지지부(실드 스킨)가 위치해있어 TBM이 파낸 굴의 천장과 측면이 무너지지 않도록 잡아준다. 또 여기에는 기중기와 같은 부속 장비가 같이 달려있어 터널 벽체를 TBM 뒤의 건설인부들이 손쉽게 조립할 수 있도록 도와준다. 굴착 속도도 빠른 편인데 뒤에선 기계가 터널 모양을 계속 붙들어 주기 때문에 터널 벽 시공도 매우 쉽고 빠르게 만들어준다. 그리고 TBM 뒤쪽을 따라 컨베이어 벨트가 늘어서 있어 굴착부가 파낸 흙이나 돌조각들을 자동으로 컨베이어 벨트를 통해 지하 공사장 맨 뒤편으로 수송해 잔해 처리를 매우 용이하게 해 준다.
TBM을 벌레에 빗대는 사람이 많은데, 실제로 배좀벌레조개가 선박에 구멍을 내는 습성에서 영감을 얻어 만든 건설장비다. 앞으로는 파먹고, 몸통으로는 구멍을 받들어주고, 뒤로는 흙을 싸는 그 구조를 그대로 모방하고 있다.
아래의 문단에 언급된 설명 출처는 네이버 지식백과이다.
6. 종류
(1) 쉴드의 유 · 무: 기계화 시공법의 대표적인 분류항목으로 현재는 사각형이나 2중 원형 등도 제작되고 있으나 통상적으로 원통형으로 제작되어 사용된다. 쉴드가 없는 경우는 Open TBM, Main-bean TBM으로 구분하고 쉴드가 있는 경우는 쉴드 TBM으로 분류한다.(2) 지보방법: 터널굴착 중 굴착장비에 의한 터널의 주변, 막장면을 대상으로 하는 지보방법을 말한다. 터널 주면에 대한 지보방법은 무지보 또는 쉴드에 의한 지보로 구분한다.
(3) 반력을 얻는 방법: 터널굴착기계를 추진하기 위한 반력을 어떻게 얻는가에 대한 것으로서 로드헤더 등의 부분단면 굴착기는 대부분 자중에 의한 반력을 이용하여 쉴드가 없는 TBM은 통상 Gripper를 이용 터널 주면 벽면을 지지하는 힘에 의해 반력을 얻는다. 쉴드TBM의 경우는 세그먼트를 미는 유압잭(Jack)에 의해서 반력을 얻으며 일부는 더블쉴드 TBM과 같이 그리퍼와 세그먼트 모두에서 반력을 얻는 방법도 있다.
(4) 전단면 굴착과 부분단면 굴착: 로드헤더(Road Header), 유압헤머(Hydraulic Hammer) 등의 붐형(Boom-Type)의 경우는 터널막장면을 부분적으로 분할하여 굴착하므로 부분단면 출착기에 속하고 대부분의 TBM의 경우는 전단면굴착기로 분류할 수 있다. 다만 TBM의 경우에도 커터헤드가 없는 경우는 부분단면 굴착기로 분류할 수 있다. 이 분류 항목은 TBM 앞부분의 개폐여부 및 커터헤드의 유 · 무의 분류항목과 밀접하게 연관되어 있다.
7. 사용례
대한민국에서의 최초 사용례는 내부순환로의 홍지문터널 건설이다. 다만 이 사례는 본격적인 TBM 사례로 인정받지는 못하는데, 직경 8~12m의 소구경 TBM을 사용해 터널의 중심부만 굴착한 뒤 전통적인 방법으로 터널 내부를 확장하는 공법을 택했기 때문이다.대한민국의 도시철도 공사의 본격적인 TBM 터널 공법 적용 최초 사례는 서울 지하철 5호선 화곡역 ~ 까치산역 구간이며[4][5], 대구경 터널 공사용 실드 TBM으로 만들어진 국내 최초의 도시철도 터널은 광주 도시철도 1호선 노선의 지하구간 남광주역 ~ 도청역(현 문화전당역) 구간이다.[6]
또한 도로에서는 최초로 수도권제2순환고속도로 김포~파주간 한강 하저터널 구간이 실드 TBM으로 시공중이다.
8. 여담
마인크래프트의 모드 중 철도 관련 모드인 레일크래프트에 TBM이 구현되어 있다. 이걸로 뚫을 수 있는 터널 크기는 3x3 고정이다.메탈슬러그 2/X의 미션 2 보스인 애시 - 네로는 TBM처럼 전방으로 토사를 빨아들인 뒤 분쇄후 후면으로 배출하는 구조의 발파용 중장비라는 설정이다. 이쪽은 주로 에너지포를 이용해 전방을 분쇄하기 때문에 흙더미를 후방으로 배출하는 것 말고는 별 관계 없어 보이지만, 컨셉 아트 상으로는 나름 입 속에 이것과 비슷하게 생긴 부분이 있기는 한 것으로 일부 굴착용 톱니바퀴 등이 그려져 있는 걸 볼 수도 있다. 설계상 및 근본적인 아이디어 면에서 보자면 유사점이 많은 장비.
산나비의 챕터 1의 보스인 집행명령은 TBM과 매우 유사한 기능과 외형을 띄고 있다.
국가기술자격인 건설안전기사, 건설안전산업기사 작업형 시험에 해당 공법이 간혹 출제되기도 한다. 심지어 화약을 사용하는 화약류관리기사에서도 굴착공학 문제로도 등장한다.
모든 공정을 보자면 TBM이 뚫는 시간이 10% 밖에 안된다고 한다. 물론 기본적으로는 느린이유가 있지만 그 이유는 먼저 땅을 파고, TBM부품을 옮기고, 터널 보강하는 세그먼트를 옮기고, 암석 부스러기를 내보내는 시간이 더 길기 때문이다. 이에 일론 머스크는 보링 컴퍼니를 통해서 공정 속도를 개선하겠다는 목표를 가지고 있다.
참고로, TBM이 터널 공사에서 지상부에 미치는 영향이 미미하다는 것은 말 그대로 '터널 굴착'에만 국한된다. 특히 도시철도의 경우엔 도시철로가 다니는 터널 중간중간에 역사를 건설해야 하는데, 이 역사 공사에는 여전히 전통적인 개착식 흙막이 공법이 활용된다. 그렇기 때문에 TBM을 활용하는 도시철도 공사에서도 공사 구간, 특히 역사 예정지 지상부의 지형 제한은 피할 수가 없다.[7]
9. 참고 문헌
[1] 대한민국에서는 건설기계 중 천공기로 분류한다. 하지만 과거 일부 매체에서는 대형 굴착기로 설명하기도 했다. 여러 매체에서 TBM 가지고 땅 파는 작업도 "굴착"이라고 많이 표현한 탓이 크다.[2] 이점바드 킹덤 브루넬의 아버지.[3] 이러한 시장선점 덕분인지 지금도 세계 시장 점유율 1위[4] 출처: 서울특별시 도시기반시설본부(2003), 서울지하철건설삼십년사[5] 그 이전에도 소형 TBM이 국내에 이미 도입되어 있었으나, 소형 TBM은 사람 지나다닐 터널 만드는데 쓰이는 물건은 아니고 하수관이나 통신선이 지나다닐 작은 관을 뚫는데 쓰이는 물건이었다. 이런 식의 TBM은 도시철도 공사에서도 서울 지하철 5호선 애오개역 ~ 충정로역 구간 및 동대문역사문화공원역 ~ 청구역 구간에 적용된 바 있는데, TBM으로 소형 터널을 뚫고 NATM으로 확장하는 방식이다.[6] 부산 2호선에서도 수영강 통과 구간에 대구경 TBM을 사용했는데 이쪽은 1999년부터 사용하여 광주보다 4개월 늦게 관통되었다.[7] 서울고속버스터미널 밑의 고속터미널역 9호선 역사와 승강장은 그 위에 있는 3호선 선로를 건드리지 않고 만들었고 김포공항역의 김포골드라인과 서해선 승강장도 지면까지 땅을 파내지 않고 만들었지만 이 경우는 극히 예외적인 사례로, 처음 역을 만들 때 관련 구조물을 전체적으로든 부분적으로든 미리 만들고서 나중에 터널을 팠을 때나 가능한 일이다.