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쉴드터널 시공시 간섭사항 처리사례
2011.05.11
서울지하철7호선연장 703공구
건설공사
(사진 : 쉴드해체 및 재조립
전경)
발표자 : 703공구 현장소장
목 차
1. 공사개요
2. 쉴드TBM 개요
3. 쉴드굴진 간섭사항
4. 누수발생 및 처리사례
5. 맺음말
2
서울지하철7호선연장 703공구
1. 공사개요
 공사개요
703공구 시점
754정거장
703공구 종점
STA52km572.50
STA53km410.00
STA54km477.50
연장:1,905m
원미경찰서
원미경찰서
부천시청
롯데백화
롯데백화점
인천->
점
홈플러스
홈플러스
<-서울
춘의사거리
공사명
서울지하철 7호선연장 703공구 건설공사
공정율
82.56% (2011년 04월 30일 현재)
경기도 부천시 원미구 춘의동~ 중동
발주처
서울특별시 도시기반시설본부
공사기간 2004. 12. 31 ~ 2012. 12. 31
감리자
㈜유신 외 1개사
도급금액 184,777 백만원
계약방식 기본설계 대안 입찰
위 치
공사규모
▶ 총 연 장 : L = 1,905 m
▶ 본 선 : 1,740m (터널:1,589m,개착:151m)
▶ 정 거 장 : 1개소 (L=165m, 섬식) ▶ 환 기 구 : 10 개소 (본선8개소,정거장 2개소)
도급현황 ▶ 지 분 율 : 대우건설(68%) + 코오롱건설(22%) + 신한(10%)
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서울지하철7호선연장 703공구
2. 쉴드 TBM
 쉴드 TBM의 설비구성
지상설비
수직구설비
쉴드 머신
후속설비
갱내운반설비
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서울지하철7호선연장 703공구
2. 쉴드 TBM
 특성
구 분
특
징
개요도
쉴드TBM 기계굴착 → 세그먼트로 구조물 형성
공법개요
시공성
∙ 지반조건 및 주변여건에 대한 제약이 작아 보강공정 최소화 가능
∙ 완전 기계화 굴착으로 시공효율 우수
안전성
굴착과 동시에 세그먼트 설치로 지반변형 최소
환경성
소음‧진동 영향 미미함
적용사유
∙ 교통혼잡 최소화 : 터널구간 확대 / 개착구간 최소화
(총연장 1,905m 중 터널구간 1,589m, 쉴드터널 총연장 3,179m)
∙ 시민불편 최소화 : 소음/진동이 적고, 지반변형을 최소화할 수 있는 쉴드TBM 공법 적용
문제점
∙ 지장물 대응 취약
∙ 지반조건 변화구간에 시공곤란
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서울지하철7호선연장 703공구
2. 쉴드 TBM
 쉴드 TBM 종류 (막장 안정방법에 따른 분류)
구 분
이수가압식 쉴드(Slurry Shield)
이토압식 쉴드(E.P.B Shield)
- 이수에 소정의 압력을 가하여 막장의 안정을 유지
- 이토압을 막장전체에 작용시켜 막장의 안정을 유지
개요도
공법개요
특 징
장 점
단 점
적용지질
- 이수를 막장면에 주입하여 기계식으로 굴착
- 굴착토사의 소성유동화 촉진을 위해 첨가재 주입
- 버럭은 이수와 함께 파이프로 유체수송
- 쉴드잭의 추진력에 의해 가압하며 토사 배토
- 유체수송을 파이프로 하여 작업 환경이 좋음
- 이수가압식 쉴드에 비해 굴착속도가 빠름
- 굴착속도 빠르고 막장관리 능력과 압력조정 용이
- 막장면의 지반상태를 확인할 수 있고 공사비 저가
- 막장 지반상태의 집중관리 요구
- 배토위한 운반설비 필요 및 시공성 저하
- 모든 토질조건에 적용 가능
- 점성토, 사질토, 전석층, 암반 등 광범위한 토질조건
에 적용
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서울지하철7호선연장 703공구
2. 쉴드 TBM
 쉴드 TBM 종류 (대응 지반조건에 따른 분류)
구 분
암반굴착용
토사 및 풍화대 굴착용
복합지반 굴착용
- 특수 고강도 비트 + 비트커
- 디스크/비트커터 + Drag 비
터
트
개요도
커터구성
- 디스크 커터 + Drag 커터
헤드형식
- Flat Dome Type
- Flat Type
- Flat Dome Type
- 암반 굴착용 디스크 커터 배
- Flat Dome Type에 비해 지
- 예상치 못한 암반 돌출시 대
특 징
치로 풍화토 굴착시 쉴드
TBM 편심 발생
- 굴착효율 저하
반변위 적음
- 특수 공강도 비트적용으로
내마모성/굴착효율 증대
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처능력 우수
- 디스크 커터와 비트커터 혼
용으로 굴착효율 감소
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2. 쉴드 TBM
 본체 정면 개요도
 본체 후면 개요도
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서울지하철7호선연장 703공구
2. 쉴드 TBM
 지하철 건설공사 공법별 단가현황
구분
Shield 공법
단위 : m당
NATM 공법
개착공법
T.B.M 공법
사진
특징
단가

- 회전파쇄식 기계굴착공
- 발파굴착공법
- 모든 지층에 적용
- 회전파쇄식 기계굴착 공
법
- 토사지반~경암지반
- 단면크기 제약 없음
법
- 연약지반 및 토사, 풍화
- 연약지반시 지반보강대
- 지장물 출연시 대처 가
- 연암,경암 등 암질이 균
암 등 연장 긴곳에 적합
책 필요
능
일하고 연장이 긴 곳에 적
- 소음진동 거의 없음
- 분진,소음으로 갱내 작
- 지상부 교통통제로 시민
합
- 곡선터널 시공가능
업환경 불량
불편 초래
- 곡선터널 시공 결여
38백만원
50백만원
59백만원
33.5백만원
703공구 도급계약 적용단가
(2005.10.24)
- Shield 19,727천
원
- NATM 26,157천
원
※ 단선기준 m 당
9
※ 출처 : 서울시 지하철건설본부 공법별 단가현황
(2007)
※ NATM공법은 토질조건, 보조공법 적용여부에 따라,
Shield공법은 터널연장, 토질조건에 따라 현저한 차이
가 있음
서울지하철7호선연장 703공구
3. 쉴드굴진 간섭현황
 703공구 쉴드 TBM 시공순서
장비재조립
쉴드 1구간
쉴드 3구간
발진#4
쉴드 2구간
장비투입/조립
정거장 이동/4구간 굴진
쉴드 4구간
1구간 굴진
쉴드 U-Turn
장비인양/해체
장비투입/조립
10
당초계획
도달#4
장비해체/인양
2구간 굴진
3구간 굴진
서울지하철7호선연장 703공구
3. 쉴드굴진 간섭현황
 쉴드굴진 간섭 현황도
쉴드 1구간
754정거장 구간
쉴드 3구간
경암돌출(L=36m)
롯데백화점
한전전력구 파일간섭
시점 환기구경암돌출(L=26m)
부천시청
어스앵커 간섭
(L=68m)
경암돌출(L=44m)
종점 환기구
어스앵커 간섭
(L=182m)
쉴드 4구간
쉴드 2구간
<간섭사항>
■Earth Anchor 간섭
■한전 전력구 파일
■터널 1,2,3 구간 경암
(E/A간섭)
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(경암출현)
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3. 쉴드굴진 간섭현황
 어스앵커 간섭 개요
서울지하철 703공구 쉴드 TBM 건설공사중 터널 3구간에서 어스앵커 간섭으로 인한 굴진
중단이
예상되므로 간섭 앵커 제거를 위한 NATM터널의 최적 시공계획 수립
 어스앵커 간섭 현황
롯데백화
점
롯데백화점통과구간
간섭연장 L=68m
롯데백화점 통과구간
부천시청 통과구간
2006.11 : 7541E 굴착중 미제거 어스앵커 노출
롯데백화
점
2006.10 : 수직구 토공작업중 미제거 어스앵커 확인
▣ 간섭구간 : 68m
▣ 간섭구간 : 182m
- STA.53km542~610
- STA.54km259~441
▣ 간섭단수 : 2단(76EA)
▣ 간섭단수 : 4단(406EA)
- 간격 : 1.8m
- 간격 : 1.8m
- 준공 : 1997년
- 준공 : 1997년
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서울지하철7호선연장 703공구
3. 쉴드굴진 간섭현황
 NATM 굴착 및 어스앵커 제거
◆ 터널 굴착 및 보강
구 분
풍화대 터널굴착
직천공 대구경 강관보강
강관보강을 고려한 확폭단면
▣ 터널 및 연도변 건물 안정 확보
▣ 자동주입관리로 보강효과 향상
▣ 중첩길이 확보로 보강효과 증대
▣ 강관절단에 따른 공기지연 없음
개요도
기대효과
▣ 링컷, 기계굴착 적용
막장면 지지, 터널안정 확보
◆ 어스앵커 제거 방법
설계적용
▣ 1차 숏크리트 설치후 간섭앵커 제거, 터널 바닥부 어스앵커 제거후 버림 콘크리트로 되메움 실시
▣ 구간별 NATM 시공완료후 GPR탐사 수행
13
쉴드 굴진구간 미제거 앵커 확인 및 제거
서울지하철7호선연장 703공구
3. 쉴드굴진 간섭현황
 NATM 굴착 완료 후 쉴드 TBM 시공
◆ 쉴드 TBM 시공
쉴드 TBM 발진부
쉴드 TBM –NATM 접속부
쉴드 TBM 도달부
엔트런스패킹 및 1차 반력대 설치
막장면 숏크리트, 토사 되메움 시공
도달부에서 굴진속도 감소
굴진속도 관리
NATM구간 뒤채움 주입관리
◆ 쉴드 TBM 시공관리
쉴드터널 선형관리
8
굴진속도(m/day)
6.00
6
4
2
0
▣ 굴진속도와 잭추력 조절로 선형관리
쉴드 부상 및 사행 방지
3.75
3.75
초기굴진
본굴진
도달굴진
▣ NATM구간내 쉴드TBM 굴진속도는
쉴드구간과 동일하게 적용
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▣ 장비 외주부 테일씰 추가 설치
뒤채움 주입재 역류 방지
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3. 쉴드굴진 간섭현황
 어스앵커 간섭현황 요약 및 추진경위
현황 : 쉴드터널3구간에서 연도변건물 (롯데백화점, 부천시청) 신축당시 매설된 영구식 어스앵커 간섭
대책 : 확폭NATM 시공 후 어스앵커 강선을 제거하고 쉴드TBM 굴진/세그먼트 조립
추진경위
09.05.20 : 설계사 선정
09.8.21~9.07 : 보완/승인
09.6.24 : 중간보고회 개최
09.9.31 : 업체선정/계약
09.8.04 : 보고서 초안 납품
09.10.1 : 확폭NATM 착수
09.8.20 : 설계심의 예정
10.07.30 : 확폭NATM 완료
(L=250m)
 한전전력구 파일간섭
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현황 : 파일저촉 9본
대책
- MSG보강 그라우
팅
- 전력구 하부슬래
브
단계별 철거(코어
링)
- 토사 인력굴착
- H-pile 노출/제거
지연일수 : 37일
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3. 쉴드굴진 간섭현황
 쉴드터널 경암 출현(1구간)
지상부 천공 전경
경암돌출부 종단면도
경암돌출 전경 (막장내부)
지상부 천공 전경
손상비트 현황
비트교체
16
■ 현황 : 예상치 못한 경질암반 출현
(L=26m, 강도:185Mpa)
■ 대책
지상부 대구경 +소구경 천공(288공)
저속굴진 + 비트교체(5회)
(갑작스런 조우로 쉴드장비가 인접
하여
발파 등 경암제거 공법 적용한계)
■ 지연일수 : 174일
■ 재발방지계획 : 경질암반 출현이
예상되는 구간에 대해 추가 보링실
시
→ 쉴드2구간 경암발견
서울지하철7호선연장 703공구
3. 쉴드굴진 간섭현황
 쉴드터널 경암 출현(2구간)
가시설 평면도
■ 현황
: 추가보링조사를 통해
경암구간 사전발견
(L=44m)
경암돌출부 종단면도
파일 천공
■ 결과 : 쉴드도달 전 경암제거 /
되메우기 후 쉴드굴진 완
료
쉴드단면
가시설 단면도
■ 대책
쉴드터널 도달 전 개착공법(강관
버팀)
을 통한 암반제거 및 되메우기 후
쉴드굴진
토공/가시설, 발파전경
17
■ 지연일수 : 0일
서울지하철7호선연장 703공구
3. 쉴드굴진 간섭현황
 쉴드터널 경암 출현(3구간)
경암돌출부 종단면도
(20m+16m)
경암돌출부 단면도
■ 현황 : 장비트러블로 인해 챔버개
방후 막장면 경암돌출 확인
(L=36m)
■ 대책 : 경암분포 확인 후 비트교체
(암반용 디스크커터 장착)
기내 암파쇄작업 실시 및 굴진병행
실시
■ 결과 : 경암구간 굴진효율 약
0.43m/일
■ 지연일수 : 83 일
 대책공법 비교
구분
1구간
3구간
대책공법
T4천공+비트교체(5회)
기내암파쇄+비트교체(2회)
구간길이
26m
36m
지연일수
174일
83일
0.15m/일
0.43m/일
효
율
18
서울지하철7호선연장 703공구
3. 쉴드굴진 간섭현황
 공기분석(시공사례)
 서울 703공구와 부산 203공구의 공기분석
공구별
서울703공구
3,187m / 1,103일
(2.89 m/일)
부산230공구
838m / 422일
(1.99 m/일)
구간
공사기간
m/day
비고
1터널
685m
’07.11.26 ~
’09.05.15(492일)
1.39
전력구 파일9본
경암1개소 26m 돌출
2터널
683m
‘09.05.15 ~
‘09.10.15(154일)
4.44
경암 1개소 44m 사전제거
4터널
922m
‘09.12.01 ~
‘10.05.15(166일)
5.55
-
3터널
897m
‘10.07.24 ~
’11.05.10(291일)
3.08
E/A 2개소 250m 사전제거
경암 2개소 36m 돌출
하행선
417m
‘00.11.20~
‘01.10.08(323일)
1.29
지반보강 4회
Disk Cutter 교체 10회
상행선
421m
‘01.11.02~
‘02.02.28(99일)
4.25
토사 + 암구간
※ 초기굴진 및 본굴진, 공휴일, 휴지일수 포함
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서울지하철7호선연장 703공구
3. 쉴드굴진 간섭현황
 공기분석(시공사례)
 부산지하철 203공구 굴진속도 분석결과
하행
상행
설계굴진속
도
(m/day)
토사
4.28
-
2.9
148
-
암
-
2.73
2.32
-
118
토사
5.04
6.07
5.8
87
105
토사+암
2.16
5.86
4.64
47
126
암
1.24
-
4.64
27
-
굴진속도(m/day)
구 분
초기굴
진
본굴진
설계대비(%)
하행
상행
비고
■ 굴진속도는 토질조건 및 현장여건에 따라 현저하게 차이가 발생됨
20
서울지하철7호선연장 703공구
4. 누수발생 및 처리사례
 703공구 누수보수 개요
■ 완성된 쉴드 TBM터널의 세그먼트 일부구간에서 누수발생
■ 준공 및 향후 안정적인 지하철 운영 및 유지관리를 위해 누수원인 분석 및 대책마련
■ 한국터널공학회에 의뢰하여 연구용역 과업 실시
 추진경위
■10.12.16 : 용역계약
■11.02.18~21 : 누수보수 시공업체 시공 및 견적의뢰
■10.12.17~11.01.30 : 현장조사 및 누수원인 파악
■11.02.23~03.03 : 시험시공후누수보수방법및시공업체선정
■11.01.31 : 중간보고회 개최(자문위원 초청)
■11.03.04~15 : 누수보수 본시공 실시완료(170개소)
■11.02.01~14 : 전문가 자문검토및누수보수대책수립
■11.03.16~31 : 전이 누수보수 및 인버트 바닥보수
■11.02.15 : 누수보수 대책수립보고서 제출
■11.03.31 : 공무부관계자 현장점검
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서울지하철7호선연장 703공구
4. 누수발생 및 처리사례
 쉴드터널 누수발생 원인분석 (일반)
구 분
세그먼트 시공오차
과다변형 발생
세그먼트 주입공 파손
세그먼트 교차부 파손
개요도
특징
- 조립시 세그먼트간
- 세그먼트 연결부 변
벌어짐 발생
형에 의한 누수발생
=> 연결부 방수
=> 볼트공 방수
- 이렉터조작시 콘크리
트와 주입공 사이 파손
우각부 파손발생
발생
=> 뒷채움 주입공 방수
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- 세그먼트 조립과정
=> 연결부 코킹 방수
서울지하철7호선연장 703공구
4. 누수발생 및 처리사례
 쉴드터널 누수발생 대책방안 (703공구)
구분
Seal
방수재
세그먼트
연결부 방
수
개요도
특징
■비팽창부에 의해 지수재 외부돌출 방지로 내구성
증대 및 시공성 용이
■현장지반조건, 시공성에서 유리한 복합형수팽창
지수재 2열 적용
■수팽창 지수재 2열(당초 2 0 X 5 mm, 변경
2 0 X 6 mm)
■복합형 지수재 적용으로 외부돌출방지
볼트공
방수
■패킹링+곡볼트 연결방식
■전단력 분산으로 처짐방지 및 보틀 체결력 증대
뒷채움
주입공
방수
■그라우트파이프 소켓+수팽창 지수링
■소켓부 녹 발생없고 별도 정착장치 없음
■미세크랙을 통한 누수방지
연결부
코킹
방수
■폴리우레탄 씰런트(1액형)
■별도의 혼합이 필요 없음
■시공성 우수
23
서울지하철7호선연장 703공구
4. 누수발생 및 처리사례
 누수부위에 대한 약액 결정
1안
2안
3안
연질우레탄
(70~80%)+경질우
레탄(20~30%)
연질우레탄
(70~80%)+아크릴
(20~30%)
시멘트밀크
(70~80%)+아크릴
(20~30%)
채택
 누수보수 현황
구분
1구간
2구간
합계
보수전
98개소
72개소
170개소
보수완료
98개소
72개소
170개소
비고
 누수보수 결과
■ 당초 발생된 누수보수를 완료하였으나 전이되는 양상을 보여 1회/매주 지속적인 보수공사 시행하여 보
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서울지하철7호선연장 703공구
4. 누수발생 및 처리사례
 허용누수량
터널설계기준(국토해양부,2007)
8.5 허용 누수량
터널의 방수설계에 있어서 터널용도에 적합한 방수등급을 정하고 각 방수등급
별로
다음표와 같은 누수량을 허용할 수 있음. 단, 발주자여건에 따라 조정적용가능.
방수
등급
내부상태
용도
터널 연장을 기준한
허용누수량 (l/㎡/day)
내부상태 정의
10m
100m
벽면에 수분의 얼룩이 검출되지 않을 정도의 누수상태
0.02
0.01
완전건조
주거공간, 저장실,
작업실
2
거의건조
동결위험이 있는
교통터널, 정거장 터널
벽면의 국부적인 장소에 약간의 수분얼룩이 검출될 수 있는 정
도, 수분의 얼룩을 건조한 손으로 접촉하여도 손에 물이 묻지
않을 정도, 흡수지 또는 신문지를 붙여보아도 붙여진 부분이
습기로 인해 변색되지 않을 정도의 누수
0.1
0.05
3
모관습윤
방수2등급 이상의
방수가 요구되지 않는
교통터널구간
벽면의 국부적인 장소에 수분얼룩이 검출되는 정도, 수분의 얼
룩에 흡수지 또는 신문지를 붙였을 경우 습기로 인해 변색되
지만 수분이 방울져 떨어지지 않을 정도의 누수
0.2
0.1
4
물방울이
가끔 떨어짐
시설물 터널
독립된 장소에서 물방울이 가끔 떨어지는 정도의 누수
0.5
0.2
5
물방울이
자주 떨어짐
하수 터널
독립된 장소에서 물방울이 자주 떨어지거나 방울져 흐르는 정
도
1.0
0.5
1
주) 독일 지하교통시설 연구협회(STUVA)의 추천값을 참조한 것임
25
서울지하철7호선연장 703공구
4. 누수발생 및 처리사례
 누수발생 처리사례(부산지하철 ㅇㅇ공구 쉴드터널 누수부
보수사례)
■ 누수현황
- 수영강 10m하부에서 높은 수압을 받고 지반층은 모래, 점토, 실트 등 토사층을 관통하는 부
분이 있어 누수에 취약한 구조
■ 보수대책
- 뒷채움 그라우팅 주입구와 세그먼트 사이에 TACSS(이소시아네이트 화합물) 주입
쉴드터널 누수모습
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쉴드터널 지수재 주입구 천공방
법
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4. 누수발생 및 처리사례
 누수발생 처리사례(ㅇㅇ전력구 현장 누수부 보수사례)
■ 누수현황
- 세그먼트의 구조적 문제, 콘크리트 품질, 세그먼트 조립미숙 등으로 세그먼트 볼트홀, 주입홀
주변 균열 및 사이에서 누수 발생
■ 보수대책
- 세그먼트의 균열, 손상, 누수부는 에폭시 주입을 통한 보수 실시
- 저점도 방수재인 우레탄을 사용하여 내부공동 주입 및 잔여구간 ARC(Acrylate Resin
Chemical) 주입
쉴드터널 누수모습
ARC 주입공 천공
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5. 맺음말
쉴드 TBM 공법 적용현장 증대
 쉴드 TBM 기술 개발/ 발전
 도심지 터널 및 지하공간 개발 확대 필요성 증가
 타공법에 비해 소음·진동영향 미소, 지반변형 최소, 안정성
쉴드공법 선정시 유의사항
 충분한 지반조사를 통하여 지반조건에 맞는 장비 선정
 공기와 장비의 조건을 감안한 1대당 최대 굴진거리 산정
 지하수위 및 수압을 고려한 방수처리 공법 선정
지하공간 시설물 이력 관리 철저
 제시된 도서와 현장 실조건 불일치 → 추가공사 시행
 현재 시공되고 있는 지하 구조물 상세히 기록 유지
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끝
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