쉴드 TBM 테일보이드

왜 배우는가: 쉴드 TBM 굴진 중 세그먼트 외곽과 굴착면 사이에 생기는 테일보이드는 지반 침하와 세그먼트 변형의 직접 원인이라 실무에서 주입 관리가 핵심이다. 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에 반복해서 나오는 개념이다.

출제 이력: 제134회 1교시 10번, 제109회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장: 테일보이드는 쉴드 TBM에서 세그먼트 외면과 굴착된 지반 사이에 생기는 환형 공극이다.

핵심 키워드

• 테일보이드(Tail Void)
• 세그먼트(Segment)
• 쉴드 테일(Shield Tail)
• 뒤채움 그라우팅(Tail Void Grouting)
• 지반 침하(Ground Settlement)
• 굴착 여유폭(Overcut)
• 주입 압력(Grouting Pressure)

2. 개념 풀이

쉴드 TBM은 원통형 쉴드 안에서 굴착하고 그 뒤에서 세그먼트를 조립해 터널 라이닝을 만든다. 쉴드 본체의 외경은 굴착 직경과 같지 않다. 굴착면은 커터헤드가 깎은 직경만큼 열리고, 세그먼트는 쉴드 꼬리 안에서 조립되므로 두 면 사이에 빈 틈이 남는다. 이 틈이 테일보이드다.

정식 정의는 다음과 같다. 테일보이드는 쉴드 테일(Shield Tail)을 빠져나온 세그먼트 외면과 굴착 지반 사이에 형성되는 환형 공간을 말한다. 두께는 커터헤드 굴착 외경과 세그먼트 외경의 차이의 절반으로 본다.

테일보이드는 쉴드 공법 고유의 공간이다. 이 공간을 방치하면 상부 지반이 내려앉는다. 따라서 세그먼트가 빠져나오는 즉시 뒤채움 그라우팅(Tail Void Grouting)으로 채운다. 주입은 세그먼트 조립과 동시에 이루어진다. 주입재가 굳기 전까지 지반은 세그먼트를 직접 지지하지 못하므로 주입 시기와 양의 관리가 핵심이다.

테일보이드의 크기는 쉴드 외경과 세그먼트 외경의 차이로 결정된다. 일반적으로 쉴드 외경은 세그먼트 외경보다 크게 설계한다. 이 여유가 공간을 만드는 원인이다. 공간의 체적은 환형 단면적에 굴진장을 곱해 계산한다.

3. 등장 배경과 필요성

쉴드 TBM은 도심지 대심도 터널에 널리 쓰인다. 소음과 진동이 작고 지상 구조물 영향이 적기 때문이다. 그러나 도심지에서는 작은 지반 침하도 지상 건물과 지하 매설물에 피해를 준다. 따라서 굴진 중 발생하는 공극을 즉시 메우는 기술이 필요해졌다.

초기 쉴드 공법에서는 세그먼트 배면에 공극이 남는 일이 흔했다. 이 공극은 지반이 이완하면서 지표 침하로 이어졌다. 이후 세그먼트 조립과 동시에 주입하는 방식이 정착됐다. 현재는 주입재의 종류, 압력, 주입량을 굴진 조건에 맞춰 관리한다.

테일보이드 관리는 설계 단계부터 고려한다. 굴착 여유폭, 세그먼트 두께, 주입 설비 용량을 함께 정한다. 시공 중에는 침하 계측 결과로 주입량을 조정한다. 이 과정이 쉴드 TBM의 침하 억제 체계의 중심이다.

[참고] 주입 압력과 침하의 관계는 수치해석 연구에서도 확인된다. 주입 압력을 높이면 단기 침하는 줄어드는 경향이 있으나, 압밀이 끝난 뒤 최종 침하는 줄지 않는 경우가 많다. 따라서 침하를 줄이는 임계 주입 압력이 존재한다는 결과가 보고되어 있다.

4. 구성요소·원리·절차

쉴드 TBM의 테일보이드(Tail void)는 쉴드 후단에서 세그먼트가 조립되고 쉴드가 전진하는 과정에서 생긴다. 굴착 외경은 커터헤드와 쉴드 외피가 정하고, 라이닝 외경은 세그먼트가 정한다. 두 외경의 차이 때문에 세그먼트 외면과 굴착 지반 사이에 환형의 빈 공간이 남는다. 이 공간이 테일보이드다.

테일보이드의 원리는 간단하다. 굴착 외경을 D_c, 세그먼트 외경을 D_s, 링 폭을 L(m)이라 하면 반경 방향 이론 공극 두께 t는 다음과 같다.

$t = \frac{D_c - D_s}{2}$

링 한 개당 이론 공극 체적 V_t(㎥)는 다음과 같다.

$V_t = \frac{\pi}{4}\left(D_c^2 - D_s^2\right)L$

계산 예제는 다음과 같다. 주어진 값은 D_c = 6.5m, D_s = 6.2m, L = 1.5m이다. 두께는 t = (6.5 - 6.2)/2 = 0.15m, 즉 150mm이다. 체적은 V_t = \frac{\pi}{4}(6.5^2 - 6.2^2) \times 1.5 = 0.7854 \times (42.25 - 38.44) \times 1.5 = 0.7854 \times 5.715 \approx 4.49㎥/링이다. 링 폭 1.5m 기준 한 링에 약 4.5㎥의 공극이 생기므로 결과는 상식 범위 안이다.

공극이 생기면 주변 지반의 응력이 해방되어 지반이 이완되고 지표 침하로 이어진다. 그래서 공극을 동시 그라우팅(Simultaneous grouting)으로 세그먼트 조립과 쉴드 전진에 맞춰 바로 채운다. 수치해석 연구에서는 주입압을 높이면 단기 침하는 줄지만 압밀이 끝난 뒤 최종 침하는 줄지 않는 경우가 있어 최소 침하를 주는 임계 주입압이 존재한다는 결과가 보고되었다. 따라서 주입압은 무조건 높이지 않고 지반 조건과 계측 결과에 맞춰 정한다.

절차는 다음과 같다.

• 쉴드를 굴진시켜 굴착면을 확보한다.
• 쉴드 후단에서 세그먼트 링을 조립한다.
• 쉴드가 전진하며 테일 통과와 동시에 그라우트를 주입해 테일 공극을 충전한다.
• 주입량과 주입압을 실시간으로 확인해 이론 체적 대비 충전 여부를 판단한다.
• 충전이 부족하거나 지표 침하가 허용치를 넘으면 보충 주입(Supplementary grouting)을 한다.
• 지표와 지중 계측으로 침하를 확인하고 다음 링의 주입 기준에 반영한다.

5. 관련 법령·기준·표준

테일보이드 관리와 직접 맞닿는 법령은 「건설기술 진흥법」이다. 설계와 시공 단계에서 지반 조건과 계측 계획을 반영하도록 규정한다. 터널 굴착 작업의 안전은 「산업안전보건법」과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」이 정한다. 설계 세부 기준은 국토교통부 KDS 설계기준 체계의 터널 관련 기준을 따른다. 쉴드 TBM의 시방과 주입 관리 기준은 발주처와 설계사가 정하는 시방서에 따른다.

기준 수치는 다음과 같다. 테일 클리어런스는 설계 여유를 포함한 외경 차이며, 값은 쉴드 직경과 세그먼트 설계에 따라 달라진다.

위 표에서 핵심 수치는 테일 클리어런스와 주입률이다. 주입률은 실제 주입량을 이론 체적으로 나눈 비율로 관리한다. 주입압은 고정된 숫자보다 계측 결과에 따라 설정하는 값으로 다룬다. 기준 연혁은 국내 터널 설계기준이 KDS 체계로 정비되었다는 점만 기억하면 된다.

6. 유형과 비교

쉴드 TBM은 쉴드 본체의 구조와 굴진 중 지반 지지 방식에 따라 나뉜다. 가장 먼저 쉴드의 형식을 구분해야 테일보이드가 어디서 어떻게 생기는지 설명할 수 있다. 쉴드 형식은 단일 쉴드(Single shield)와 이중 쉴드(Double shield, 텔레스코픽 쉴드)로 나뉘며, 테일보이드는 모두 세그먼트 바깥면과 굴착 외경 사이에서 생긴다.