쉴드 TBM

왜 배우는가: 쉴드 TBM은 도심지 대심도 터널과 지하 인프라에서 침하·소음·진동을 줄이는 대표 기계굴착 공법이라 실무에서 공법 선정과 설계의 기본이다. 토질및기초기술사 시험에서는 종류별 특징, 형식 선정, 문제점과 대책을 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제136회 4교시 6번, 제109회 2교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

쉴드 TBM은 원통형 쉴드 본체 안에서 굴착기가 막장을 기계적으로 굴착하고, 후방에서 세그먼트 라이닝을 조립하며 전진하는 기계식 터널 굴착공법이다.

• 쉴드 TBM(Shield Tunnel Boring Machine)
• 막장 지지(face support)
• 세그먼트 라이닝(segment lining)
• 테일보이드(tail void)
• 토압식 쉴드(EPB, Earth Pressure Balance Shield)
• 이수식 쉴드(Slurry Shield)
• 추진잭(thrust jack)
• 굴진율(advance rate)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 땅속을 원통형 강재 몸체가 밀고 나가면서, 뒤쪽에서 콘크리트 조각(세그먼트)을 맞춰 터널 벽을 만드는 공법이다. 앞쪽의 커터헤드가 흙이나 암반을 깎고, 굴착된 흙은 기계 내부에서 배출된다. 몸체는 지반의 붕괴를 막는 임시 지지대 역할을 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 쉴드 TBM은 회전하는 커터헤드로 굴착면을 기계적으로 굴착하고, 굴착면 압력을 챔버에서 유지하면서, 추진잭으로 쉴드를 전진시키고 에렉터로 세그먼트 링을 조립하는 터널 굴착 공법이다.

핵심 용어는 다음과 같다. 쉴드 본체(shield body)는 지반을 받치는 강재 원통이다. 커터헤드(cutter head)는 막장 앞면에서 회전하며 지반을 깎는 장치다. 챔버(chamber)는 굴착토가 머무는 공간으로, 막장 압력을 유지하는 곳이다. 에렉터(erector)는 세그먼트를 들어 링으로 조립하는 장치다. 테일 실(tail seal)은 쉴드 후단에서 지하수와 그라우트의 유입을 막는다.

3. 등장 배경과 필요성

도시가 조밀해지면서 지상 공간이 부족해졌고, 지하 공간 활용이 필수가 되었다. 개착식 공법은 지표 교통 차단, 지반침하, 소음과 진동, 주변 구조물 피해를 일으킨다. 쉴드 TBM은 지표 교란을 최소화하면서 깊은 곳을 굴착할 수 있어 이 문제를 줄인다.

쉴드 공법은 한 번에 굴착과 지보를 같이 하므로 굴진 속도가 빠르다. 발파를 쓰지 않으므로 진동과 소음이 낮고, 굴착토를 밀폐 상태로 배출하므로 분진도 적다. 이런 이유로 연약지반, 지하수가 있는 지반, 도심 대심도 구간에서 널리 쓰인다.

또한 세그먼트 라이닝은 공장에서 제작되어 품질 관리가 쉽고, 현장 작업 인원을 줄인다. 이 장점 때문에 지하철, 공동구, 상·하수도 터널에서 쉴드 TBM 적용이 확대되었다.

쉴드 TBM의 대표 특징은 다음과 같이 정리된다.

표의 내용처럼 쉴드 TBM의 핵심은 막장 지지와 즉시 지보다. 이 두 가지가 지반 거동을 제어하는 열쇠다.

4. 구성요소·원리·절차

쉴드 TBM은 원통형 쉴드 본체, 굴착 장치, 추진 장치, 세그먼트 조립 장치(에렉터)와 후방 설비로 구성된다. 쉴드 본체는 지반 하중을 일시적으로 버티면서 굴착과 라이닝 설치를 한 장비 안에서 수행한다. 굴진 방식은 막장 지지 방식에 따라 토압식(EPB), 이수식(Slurry), 개방형으로 나뉘며 지반 조건이 선택 기준이다.

표 설명: 커터헤드와 챔버는 막장 안정의 핵심 부분이다. 추진잭과 에렉터는 굴진과 라이닝 조립을 교대로 수행하는 장치다. 테일씰은 누수와 테일보이드 그라우팅의 경계에 있다.

원리는 막장 토압과 수압을 챔버 내 압력으로 대응하는 것이다. 토압식은 굴착토를 챔버에 채워 막장 토압과 평형을 이루게 하고, 이수식은 가압된 벤토나이트 이수로 막장 수압과 토압을 함께 지지한다. 굴진 중 지표 침하는 챔버 압력과 굴진 속도, 테일보이드 충전 상태의 균형에서 결정된다.

쉴드 TBM의 막장 안정은 챔버 압력을 지반의 토압과 수압에 평형시키는 데서 확보된다

• 커터헤드 회전으로 막장 지반을 절삭하고 굴착토를 챔버로 받는다.
• 챔버 압력을 설정하고 굴착토 배출량을 굴진량과 맞춘다.
• 추진잭으로 쉴드를 밀고 쉴드 몸체가 지반을 일시 지지한다.
• 추진잭을 해제하고 에렉터로 세그먼트 한 링을 조립한다.
• 쉴드 외주와 세그먼트 사이 테일보이드에 뒤채움 그라우트를 주입한다.
• 1~5를 반복하며 터널을 연장한다.

세그먼트 링 조립 후 뒤채움 그라우트를 테일보이드에 즉시 충전하는 것이 침하 억제의 핵심 절차다. 그라우트 충전이 늦으면 주변 지반이 이완되어 지표 침하가 커진다. 쉴드 TBM의 기본 평형식은 막장 지지압을 다음과 같이 둔다.

$p_f = K_0 \gamma z + u$

여기서 p_f는 막장 지지압(kPa), K_0는 정지토압계수(무차원), \gamma는 흙의 단위중량(kN/㎥), z는 터널 중심 심도(m), u는 간극수압(kPa)이다. 실제 설계는 지반 조건에 따라 주동·수동 조건을 함께 검토한다.

5. 관련 법령·기준·표준

쉴드 TBM은 전용 설계 기준이 독립적으로 고정되어 있지 않고, 터널 설계 기준과 지반·안전 관련 법령을 함께 적용한다. 국내에서 터널 설계에는 국가건설기준의 터널 설계기준(KDS 계열)과 시방서(KCS 계열)가 기본이 된다. 도심지 공사에서는 「건설기술 진흥법」에 따른 설계 검토와 「산업안전보건법」에 따른 굴착·밀폐공간 안전 조치를 함께 따른다.

쉴드 TBM 설계와 시공에서 외우는 기준은 다음과 같다. 수치는 설계 조건에 따라 변하므로 값의 의미와 적용 조건을 함께 이해한다.

표 설명: 키 세그먼트 조립과 테일보이드 충전은 시공 절차의 핵심 조건이다. 침하 허용치는 국가 기준의 구조물별 한계와 현장 계측 기준을 함께 쓴다. 지하수위 아래 구간은 테일씰과 그라우트 방수가 필수다.

6. 유형과 비교

쉴드 TBM은 막장 지지 방식과 굴착 토사 처리 방식에 따라 나뉜다. 가장 많이 쓰는 분류는 토압식(EPB, Earth Pressure Balance)과 이수식(Slurry)이다. 두 방식 모두 챔버 내 압력으로 막장 토압과 수압을 균형 맞춘다는 원리를 공유한다. 다만 챔버 내 물질과 토사 배출 방식이 달라 적용 지반이 다르다.