"최첨단 기술이 모두 동원되는 터널 뚫기" 물 한방울 안새고 튼튼하게 만들어 지는 걸까?, 한강 하저 터널! #과학 #EBS지식

https://www.youtube.com/watch?v=fH5DDZEAZZU

최첨단 기술이 모두 동원되는 터널 뚫기

오늘날 터널 공사는 21세기 최첨단 과학 기술이 모두 동원되는 초대형 품목 사업입니다. 인간의 불굴의 의지와 인내력, 그리고 과학의 산물인 터널 세상으로 들어가 보겠습니다.

높은 칸막이에 가려져서 잘 드러나지 않는 곳에서 매일 놀라운 일이 벌어지고 있습니다. 한강 깊은 곳에서 야심찬 초대형 컨설 사업이 진행되고 있습니다. 지난 2006년 5월에 시작된 지하철 분당선의 연장구간 공사, 성수역과 청량리를 잇는 제 3 공구의 복선 공사 현장입니다.

총공사 구간은 160m이며, 그 중 한강을 가로지르는 846m 구간은 양방향 노선의 하자 터널로 시공되고 있습니다. 지하 50m에 위치한 어둡고 축축한 세상에서 터널 근로자들의 머리 위에는 40m 깊이의 강물이 흐르고 있습니다.

터널 공사는 인간 한계에 대한 도전이며, 당대 최고 과학 기술을 필요로 합니다. 이 과정에서 사용되는 것이 바로 터널 보링 머신(TBM)입니다. 땅굴을 파는 이 거대한 기계가 터널 굴착의 선봉에 나섰습니다.

TBM의 직경은 8m, 무게는 650톤, 총 길이는 80m에 달하는 엄청난 동체입니다. 이 초대형 기계의 작동 원리는 간단합니다. 먼저 땅속을 회전하면서 전진하며, 터널에서 나오는 폐기물은 뒤로 퍼내서 내다버립니다. 그리고 터널 표면을 보강하는 지지대를 덧붙이는 것이 이 기계의 주요 작업입니다.

한강 하저 터널에 사용되는 TBM은 쉴드(TBM)으로, 방패라는 의미를 가지고 있습니다. 원형의 헤드 부분은 그 자체로 지지대가 되어 터널의 안전성을 강화합니다. 쉴드 TBM 전면의 커터기가 회전하면서 암반을 착하며 앞으로 나아갑니다. 이렇게 굴착된 토사는 컨베이어 벨트에 실려 운반됩니다.

모든 작업은 TBM 안의 작은 조종실에 앉은 단 한 사람에 의해 수행됩니다. 터널 전문가 윤영진 팀장은 쉴드 TBM의 중요성을 잘 알고 있습니다. 일반 공장 제조 공장과 같습니다. 그 일반 제조 공장에서 물건을 만들기 위한 재료와 생산하는 장비들이 많이 필요합니다. 이 쉴드 장비는 터널을 굴착하기 위한 모든 설비를 갖추고 있습니다.

TBM의 고강도 날이 한번 회전할 때마다 5톤의 암석이 부서집니다. 이 거대한 기계가 지하 50m로 내려오는 과정도 예사롭지 않습니다. 크기와 무게가 엄청나기 때문에 TBM은 해체된 상태에서 지하로 내려가야 합니다. 지하공사 현장에서 다시 조립하는 데 보통 두 달 가량 소요됩니다.

하나의 터널을 뚫고 나면 그 자리에서 TBM을 180도 회전시켜 나머지 터널을 작업합니다. TBM은 앞으로만 나아갈 수 있으며, 후진은 불가능한 기계입니다. 공사가 끝나면 TBM은 해체돼 다시 지상으로 올라옵니다. 2006년 5월 진을 시작한 지 11개월 만에 4월에 터널 하나가 완성되었습니다.

또 하나의 터널 굴착을 시작한 것은 2008년 1월 1일입니다. 매일매일 콘크리트 판이 터널 속으로 들어갑니다. TBM은 강력한 수압식 판로 콘크리트 판을 제자리에 끼워 넣으며 벽을 만들어 갑니다. TBM은 앞으로 나가야 하고, 콘크리트 판은 계속 공급돼야 합니다.

터널을 지나가게 될 지하철이 안전하게 운행하기 위해서는 터널 시공 시 계획대로 해야 합니다. 거대한 TBM이 예정된 노선에서 벗어나면 그 결과는 재앙이 될 수 있습니다. 누수나 심한 경우 터널 붕괴로 이어질 수 있습니다. 이러한 위험을 방지하기 위해서는 철저한 측량이 필수적입니다.

분당선의 한강 하저 터널 공사가 시작되기 38개월 전인 2003년 3월로 돌아가 보겠습니다. 지하에서 터널 코스를 산정하는 일은 만만치 않습니다. 터널에서는 일반적인 측량의 원칙이 적용되지 않기 때문입니다.

평지 위의 측량은 기준이 되는 모든 구조물들이 많습니다. 하지만 지하에서는 기준이 되는 구조물이 전혀 없고, GPS 수신이 불가능하기 때문에 지상 측량 보고서를 기반으로 시공해야 합니다.

측량사는 노선의 기준점에서 각도를 측정해서 작업을 진행합니다. 땅 위에서는 사방이 다 보이기 때문에 코스 선정이 비교적 간단하지만, 땅속은 복잡합니다. 측량사에게 보이는 것은 암석 군으로, 앞이 전혀 보이지 않습니다.

지하 터널은 땅속의 3차원 공간으로, 오른쪽, 왼쪽뿐만 아니라 아래나 위쪽으로도 벗어날 수 있습니다. 터널 코스를 유지하기 위해서 설계사들은 비밀 변기를 사용합니다. 이들은 지하 노선을 따라가며 터널은 강도가 다른 여러 종류의 암석과 흙을 지나게 됩니다.

설계사들에게 한강을 지하는 하나의 지층을 찾아내는 일이 주어졌습니다. 터널 근로자들에게 TBM 굴착 방향을 제시해주는 것이 중요합니다. 가장 적합한 지층을 찾아 노선 결정을 맡은 사람은 설계담당자입니다.

설계는 두 단계로 진행됩니다. 먼저 땅속을 직접 들어보는 시추 조사를 합니다. 한강 아래 지하를 조사하기 위해 특수한 배를 띄워 100m 간격으로 여덟 군데를 조사합니다. 물리 탐사는 간접적인 조사로, 그중 하나인 탄성 탐사는 집안의 충격을 가해서 진동이 전파되는 속도를 측정합니다.

이러한 시추 조사는 속이 비어 있는 강관을 땅속에 박아서 그 속에 있는 암석들을 끄집어 올리는 방식으로 진행됩니다. 이 정보를 바탕으로 어떻게 공사를 해야 할지 판단합니다. 지질 조사가 잘못되면 쉴드 TBM이 방수 지층을 벗어나 물에 젖은 지층을 건드릴 수 있습니다. 이는 누수나 터널 붕괴로 이어질 수 있습니다.

누수의 위험으로부터 터널 근로자들을 보호하는 것이 쉴드 TBM의 컴퓨터 자동 측량 시스템입니다. 쉴드 장비가 작업을 시작하면, 이 측량 시스템은 3분에 한 번씩 장비의 위치를 정하게 됩니다.

메인 컴퓨터는 데이터를 비교 분석하여 계획된 노선과 현재 위치를 비교합니다. 이를 통해 좌측으로 가야 할지, 우측으로 가야 할지, 상향으로 가야 할지, 하향으로 가야 할지를 제어합니다.

근로자들은 매일 지하 공사장으로 내려갑니다. 터널 공사는 밤낮 없이 이어지며, 우리가 잠든 사이에도 계속됩니다. 이들의 머리 위에는 수백만 톤의 강물이 있습니다. 50m 깊이의 강 밑바닥의 압력은 자동차를 맥주 캔처럼 찌그러뜨릴 정도로 강합니다.

실제로 굴착을 하게 되면 하루에 6m, 4m, 잘 될 때는 9m까지 진행된다고 합니다. 하지만 터널 공사는 진이 능사가 아닙니다. 땅 위에서는 건자재 공급을 위해 24시간 분주하게 돌아가야 합니다. 그중에서도 가장 중요한 것이 세그먼트라고 불리는 대형 콘크리트 판입니다.

세그먼트는 특수 철근 콘크리트로 만들어지며, 울진 원자로 건설에 사용됐던 것보다 더 강력한 콘크리트와 어떤 압력도 견딜 수 있도록 철근 골조로 특수하게 제작됩니다. 터널 벽을 누르고 있는 강물의 수압이 지상의 기압보다 다섯 배나 강하기 때문에 하저 터널 벽에는 이러한 강력한 콘크리트 판이 반드시 필요합니다.

자동차만한 크기에 무게는 5.5톤인 세그먼트는 자동차 다섯 대의 무게와 같습니다. 세그먼트의 강도는 실험을 통해서도 확인할 수 있습니다. 일반 콘크리트는 23에서 파괴되지만, 세그먼트는 세 배가량 무거운 59에서 파괴됩니다.

엄격한 품질 검사를 통과한 세그먼트는 지하철 승객들을 한강 물살로부터 지켜주는 보호벽이 될 것입니다. 세그먼트가 터널 공사 현장에 도착하면 이제 곧 놀라운 터널 건설 작업이 시작될 것입니다.

세그먼트 부착 작업은 TBM이 전진한 자리 바로 뒤에서 이루어집니다. 1.5m 폭에 터널링을 만드는데 필요한 세그먼트의 수는 모두 일곱 개입니다. 이 모든 것을 합치면 무게는 자동차 35대 분입니다.

세그먼트 조립은 바닥에서부터 좌우로 붙여가며 마지막에 키 세그먼트를 집어넣어 한 터널링을 만듭니다. 그리고 만들어진 터널 벽과 세그먼트 사이에 생긴 작은 틈을 회반죽으로 막으며 터널을 완성합니다.

이와 같이 최첨단 기술이 동원된 터널 공사는 인간의 의지와 과학 기술의 결합으로 이루어집니다. 터널의 안전성과 강도를 유지하기 위해서는 각 단계마다 철저한 관리와 검토가 필요합니다.