[Subsea Immersed Tunnel and Artificial Land]

 

[기고] 기술연구소 소장 김영근

 

들어가는 말

 

 홍콩과 마카오, 중국 본토인 광둥성 남부 주하이를 잇는 세계 최장 해상교량인 강주아오 대교(港珠澳大橋, Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge, HZMB)’가 지난 2009년 공사를 시작한지 9년 만에 완공되어 201810월 개통되었다([그림 1]).

 

 세계 토목역사에 이정표가 될 강주아오 대교(HZMB)는 편도 3차선(양방향 6차선) 제한속도 시속 100Km의 자동차 전용도로로서, 전체 길이가 55로 해저와 인공섬 등을 뺀 해상 교량구간은 29이며, 두 인공섬을 바다 밑으로 연결하는 해저터널(subsea tunnel)의 길이는 약 7km이다. HZMB 해저터널은 설계 및 시공기술의 혁신이 인정되어 ITA(국제터널협회) 주관의 2018년 올해의 터널상(Winners of the 2018 ITA Awards)에 선정되었으며, ENR 선정 2018년 최고 프로젝트(Best project, Bridge/Tunnel)상을 수상하였다.

 

 지난 1월 국내 터널기술자들이 세계 최장 강주아오 대교 HZMB 해저터널을 견학하기로 뜻을 모아서 홍콩을 방문할 수 있는 기회를 가지게 되었다. 또한 HZMB 프로젝트에 컨설팅을 했던 홍콩대학교 토목공학과의 Albert T. Yeng 교수 등과 HZMB 프로젝트의 설계와 시공의 기술적 이슈에 대한 세미나를 가지게 되었다.

 

 본고에서는 HZMB 프로젝트에 대한 주요 특징을 고찰해보고, 해저터널에 대한 기술적 혁신 및 대책 등을 살펴보고자 하였다. 특히 인공섬과 두 인공섬을 연결하는 해저터널에 대한 주요 설계 내용 및 시공기술을 논함으로써 해저터널에 관심이 있는 기술자들에게 기술적으로 도움이 되고자 하였다.

 

[그림 1] 세계 최장 강주아오 대교 HZMB 전경

 

1. 세계 최장 강주아오 대교 HZMB 프로젝트

 

 총연장 55인 강주아오 대교는 [그림 2]에서 보는 바와 같이 22.9의 교량 구간과 6.7해저터널 구간, 터널 양쪽의 인공섬, ·입경 시설 등으로 구성되었다. 양쪽의 교량 구간과 가운데 해저터널 구간이 해상에 건설된 두 개의 인공섬을 통해 연결되었다. 해저터널 구간은 30t급 유조선이 통항할 수 있도록 설계되었으며, 특히 해저터널은 수심 40지점에 33개의 침매함(Immersed tube)을 연결해 만드는 고난도 공정으로 건설됐으며, 전체 길이가 6.7로 침매터널로서는 세계 최장을 자랑한다.

 

 세계 최장의 해저 침매터널, 세계 최장의 철골 교각 등 강주아오 대교는 세계 최고 기록을 여럿 보유하고 있다. 강주아오 대교는 본체 구조물 공사에만 40t의 철강이 투입되었는데, 이는 프랑스 파리 에펠탑의 40여 배에 해당하는 무게이다.

 

 강주아오 대교가 준공되기까지의 역사를 살펴보면, 1983년 우잉셰운 합화실업 회장이 주강 삼각주 서부와 홍콩을 30분 정도로 연결하는 교량을 건설해서 제조업, 관광을 발전시키자고 제안했지만 비용이 많이 든다는 이유로 실현되지 않았다. 1989년에는 주하이 시가 주하이 시, 선전 시를 연결하는 링딩양 대교 건설을 제안했으며, 이후 1997년에는 중화인민공화국 국무원이 링딩양 대교 건설계획을 지지했고 200211월에는 주룽지 중화인민공화국 총리가 우잉셰운의 교량 건설을 제안했다.

 

 20037월에는 베이징시를 방문한 도널드 창 홍콩 행정장관이 중국 정부당국자들과 함께 해상교량 건설계획을 논의했다. 이후 기본 및 실시설계를 거쳐 20091215일에 리커창 중국 부총리가 기공식에 참석한 가운데 공사를 시작하였으며, 이후 9년간의 공사를 거쳐 20181024일 시진핑 중국 주석이 참석한 가운데 공식적으로 개통되었다. [그림 3]에는 강주아오 대교와 관련된 발주자, 시공사 및 설계사 등이 나타나 있다.

 

· 발주자 : Hong Kong-Zhuhai-Macao Bridge Authority

· 시공사 : China Communications Construction Company

· 설계사 : AECOM Asia Company (Hong Kong)

               COWI A/S (Denmark)

               Shanghai Municipal Eng, Design Institute JV

               Tunnel Engineering Consultants (Netherlands)

               Guangzhou Metro Design & Research Institute

· 감리사 : Sino-railway Wohan Major Bridge Eng. JV

· 기  타 : The governments of Hong Kong

             Guangdong Province and Macao

[그림 3] 강주아오 대교 HZMB 프로젝트 관련사

 

 HZMB 프로젝트는 [그림 4]에 나타난 바와 같이 3가지 주요 요소로 구성된다.

 

    (1) 주하이 링크로드(ZHLR) 및 주하이-마카오 국경통과시설(ZMBCF) 

    (2) 주교량 및 침매터널
    (3) 홍콩 링크로드(HKLR)와 홍콩 국경통과시설(HKBCF)

 

 주교량은 그림과 같이 마카오/주하이에서 서측 인공섬까지, 그리고 동측 인공섬에서 홍콩 경계까지 연결되어 있다교량 및 터널 구조물은 29.6km 길이의 편도 3차선(왕복 6차선) 고속도로를 수용할 수 있다연장 22.9km의 이 교량은 280m에서 460m 사이의 사장교로 3개의 구간을 포함하고 있으며 해저터널은 약 6.7km로 침매함을 연결하는 침매터널공법(Immersed tunnel)으로 서측 인공섬과 동측 인공섬을 연결한다.

 

 강주아오 대교 HZMB 이용시 홍콩-주하이 또는 마카오간 차량운행 소요시간은 현재 3시간 30분에서 30분으로 단축된다. 또한 기존 해상페리로 접근하는 방법을 차량으로 직접 접근 가능하도록 하여 상당한 교통수요를 가져올 것이며, 향후 홍콩국제공항을 확장하여 홍콩을 통해 마카오나 주하이로 보다 쉽게 갈 수 있도록 하는 목적이 있다. 또한 강주아오 대교 HZMB[그림 4]에서 보는 바와 같이 TMCLK 링크(Tuen Mun-Chek Lap Kok Link)와 연결되어 해저터널 구간을 거쳐 구룡반도에 직접 진입할 수 있게 된다.

 

 강주아오 대교 HZMB의 기술적 난제는 홍콩국제공항에 인접하여 교량 주탑의 높이가 제한된다는 점, 유조선을 포함한 대형 선박이 통과한다는 점, 지진과 태풍에 견딜 수 있도록 하는 안전 문제, 그리고 세계적 보호어종인 흰돌고래 보존과 같은 환경 문제 등이다. 이러한 기술적인 문제를 해결하기 위하여 최종적으로 두 개의 인공섬을 설치하고 이를 해저터널로 통과하는 방안이 선정되었으며, 3개의 사장교는 마카오 쪽으로 계획하였다. 또한 초속 56m의 태풍과 규모 8.0 지진에도 견딜 수 있도록 설계되었으며, 계획단계에서부터 시공단계에 이르기까지 철저한 환경영향평가를 수행하여 환경문제에 대한 대책을 수립하고 이를 적극적으로 관리하도록 하였다.

 

[그림 4] 세계 최장 강주아오 대교 HZMB의 교통망 구성

 

2. 해저터널의 설계와 시공 (Design and Construction of Immersed Tunnel)

 

 HZMB 해저터널은 설계속도 100km/h인 왕복 3차선 고속도로를 제공한다터널의 폭은 2×14.25m이고 수직 간격은 5.1m이다해저터널은 세계에서 가장 크고 가장 깊은 침매터널로, 각 방향으로 3차선의 교통량을 수용해야 하기 때문에 길이가 거의 15m에 이른다. 또한 30만 톤의 선박이 펄 리버에서 안전하게 통과할 수 있도록 해발 45미터 아래에 위치해 있다따라서 터널은 큰 수압과 교통하중을 견딜 수 있어야 한다. 침매터널은 거친 해양환경에서 120년의 설계서비스 수명과 공사중 침매함의 운반과 거치를 위한 해상조건 및 복잡한 항법 환경 등을 고려해야 하므로 해저터널의 설계와 시공에서 상당한 기술적 난제들을 포함하고 있다.

 

 침매터널은 [그림 5]에서 보는 바와 같이 길이 180m, 높이 11.4m, 37.95m33개의 프리케스트 콘크리트 박스 형태로 제작된 침매함(직선 28, 곡선 5)으로 구성되어 있으며, 침매함 element의 무게는 76,000톤이며, 침매함의 총 연장은 약 5.7km에 이른다.

 

[그림 5] 침매터널의 종단면도

 

 인공섬의 연결되는 구간은 고압분사 젯트 그라우팅과 SCP를 이용하여 침매함 기초지반을 개량하였으며, 침매터널 기초지반에 자갈층을 타설하여 침매함의 안정성을 확보하도록 하였다. HZMB 해저터널의 침매함(180×38×11.4m)은 현재 세계에서 가장 크고 무거운 것으로, 제작장에서 해상으로 운반되어 터널위치의 지반에 거치해야 한다. 침매함의 제작장의 위치는 운반 거리와 파도와 풍향 조건에 중요한 영향을 주므로 위험도 및 시공비 측면을 고려하여 가능한 제작장 위치가 검토되었다. 가장 유리한 위치 중 하나는 프로젝트 위치에서 약 10km 떨어진 기샨 섬이다. [그림 6]은 제작장에서 만들어진 침매함의 모습이다.

 

[그림 6] 제작장에서의 완성된 침매함

 

 [그림 7]에는 제작된 침매함을 바다에 띄우고 이동하는 모습과 침매함을 연결하여 완성된 침매터널의 내부 설치 모습이 나타나 있다.

 

 

[그림 7] 침매함 진수 및 내부 모습

 

3. 인공섬의 설계 및 시공 (Design and Construction of Artificial Land)

 

 HZMB 해저터널에서는 인공섬을 통해 해상교량과 해저터널의 전환이 구현되었다. 인공섬의 길이가 약 625m이고 너비가 160m이다인공섬에 대한 설계와 형태는 환경영향(보호대상 흰돌고래 보호구역에 위치한 섬), 항법 측면(섬은 주요 항법 경로의 경계), 항공 측면(홍콩공항과 가까운 곳), 펄 리버 삼각주 등에서의 수리적 차단 효과 등을 고려하였다. 또한 인공섬내에 기술서비스 건물들이 위치해 있으며, [그림 8]는 인공섬의 전경이다.

 

[그림 8] 해상교량과 해저터널의 연결부인 인공섬

 

 [그림 9]에는 서측 인공섬과 동측 인공섬의 설계와 시공이 나타나 있다. 앞서 설명한 바와 같이 서측 인공섬은 공기를 고려하여 2단계로 분할하여 침매터널과 연결되는 부분을 1단계로 구축후 나머지 부분을 2단계로 시공하였다.

 

 특히 인공섬의 장기적인 안정성은 가장 중요한 기술적 이슈사항으로 인공섬에 설치된 일부 호안블록의 유실과 상당량의 변형이 계측되어 향후 지속적인 유지관리가 요구되고 있다.

 

 

[그림 9] 인공섬의 시공 전경

 

4. HZMB 해저터널의 안전 및 환경대책 (Safety and Green Measures)

 

 HZMB 프로젝트의 설계 및 시공 단계에서 많은 환경대책이 검토되었으며, 계획단계에서 프로젝트의 다양한 부지와 옵션을 조사하였다. 이후 광범위한 공공 협의를 통해 환경영향대책을 수립하였다.

 

 HZMB 프로젝트는 [그림 10]에서 보는 바와 같이 공항섬 북동쪽 해상에 중국 흰돌고래의 주요 활동지역의 보호지역내에 위치하므로 이에 미치는 영향을 충분히 고려해야 하며, 주변 도시에 공기의 질과 소음, 주민들에게 미치는 시각적 영향을 최소화한다. 비준설 방식(non-dredging)으로 인공섬을 계획하고 자연 암석을 채택하여 시각적 충격을 완화하도록 하였다. 해저터널은 해저, 수질, 해양환경, 서식지 등에 미치는 영향을 최소화하기 위해 인공섬 연결구간에서는 침매터널 방식을, TM-CLKL 구간에서는 TBM 터널 방식을 선정하였다.

 

 

[그림 10] 중국 흰돌고래의 보호대책

 

 특히 중국 흰돌고래 보호존에서는 해상에서의 현장작업을 최소화하여 조립작업을 주로 하며, 에코시스템의 간섭과 소음을 최소화하기 위하여 작업선을 업그레이드 했으며, 인공섬에 물리사이클링시스템을 설치하였다. HZMB 프로젝트에서는 건설중에 중국 흰돌고래를 포함한 대기질, 소음, 수질, 폐기물 관리, 생태 등에 미치는 영향을 정기적으로 모니터링하기 위한 종합적인 환경 모니터링 및 감사(EM&A)프로그램을 실시하였다.

 

5. HZMB 프로젝트에서의 BIM 적용 (BIM Application)

 

 HZBM 프로젝트에서는 10개 이상의 서브시스템에 대한 구조 설계, 터널/지반 설계 및 시공에 BIM을 적용하였다. 본 프로젝트에서는 Revit을 사용하여 모든 교량, 터널 및 인공섬의 BIM 모델을 완성했으며, 매개변수화 기술을 사용하여 복잡한 설계에서 평면과 수직 곡선의 기술적 문제를 해결하였다. 또한 BIM은 설계, 시공은 물론 운영 및 시스템 유지보수를 포함한 전체 프로젝트 수명주기 전체에 걸쳐 적용되었다. 본 프로젝트에서의 BIM 적용의 목적은 다음과 같다.

 

   1. 도면 작업 절차 최적화, 시공도면 품질 보장, 설계 에러 및 변경 축소

   2. 프로젝트 및 보완 계획 등에 대한 3D 시각화 모델

   3 .BIM 플랫폼을 기반으로 한 4D 공정관리 및 시뮬레이션

   4. BIM 데이터로 달성한 교통정보시스템의 3D 모니터링 및 관리

 

 [그림 11]BIM에 의해 구현된 사장교의 시각화(Visualization) 모델을 보여주고 있으며, [그림 12]BIM에 의해 구현된 통합운영관리(Integrated operation management) 시스템이 구현된 모습이다.

 

[그림 11] HZMB 프로젝트 BIM 적용 - 3차원 가시화

 

[그림 12] HZMB 프로젝트 BIM 적용 통합운영관리 시스템

 

6. HZMB의 주요 기술 혁신 - Smart Construction

 

 지금까지 홍콩과 마카오, 중국 주하이를 연결하는 세계 최장 강주아오 대교 HZMB 프로젝트에 대하여 살펴보았다. HZMB 프로젝트는 해상 및 해저 횡단을 위한 터널, 교량 및 지반에 관련된 모든 관련기술이 총 집합된 메가 프로젝트이다. 본 프로젝트를 수행하면서 얻어진 주요 기술적 혁신사항은 세계 최대/최장이라는 수식어를 가져올 수 있었으며, 해상교량과 해저터널 그리고 인공섬으로 구성된 세계 최장 강주아오 대교는 2018년 개통식에 시진핑 중국국가 주석이 참여할 정도로 중국의 토목굴기(土木倔起)의 상징으로 부각되었으며, 이러한 배경으로 2018년 건설관련 각종 상을 수상하기도 하였다.

 

 이상의 검토 내용을 바탕으로 HZMB 프로젝트에서의 주요 기술 혁신내용을 다음과 같이 정리해 보았다.

 

1) Artificial Island Construction with Large Steel Cylinder

 직경 32m의 강관 실린더를 이용하여 인공섬을 시공하는 방법으로 기존의 준설을 이용한 인공섬 시공기술에 비하여 2년의 공기단축과 21백만 유로의 공사비 절감을 달성하였으며, 인공섬 시공시 비준설 방법을 적용하여 공사기간을 절감하고 환경문제를 최소 화 하도록 하였다.

 

2) The deepest/largest Subsea Immersed Tunnel

세계에서 가장 깊은 심도에 건설되는 침매터널로서 해상연약지반에서의 안정성을 확보하기 위한 암반블록과 자갈베드를 복합적용한 터널 기초, 곡선형 침매함의 제작과 조립, 침매함 운반 및 거치시의 경보예측시스템 및 최종 결합 조인트 시공기술을 적용하여 많은 기술적 난제들을 해결하였다.

 

3) Tunnel Ventilation and Safety Measure

 해저를 통과하는 연장 6.7km의 도로터널에서의 환기 및 방재는 가장 중요한 안전이슈 로서, 본 터널에서는 종류식 방식을 기본으로 화재발생시 중앙통로를 이용하여 배연하는 방식을 적용하였으며, 화재발생시 즉각적으로 대응할 수 있는 각종 첨단 설비 등을 반영하였다.

 

4) Environment Protection and Green Measure

 해저터널통과 구간이 중국의 흰돌고래 보호존을 통과하므로 이에 대한 환경보호 대책을 반영하여 해상작업의 최소화 및 작업선박의 운행 속도 및 시간을 제한하였으며, 대기질, 소음, 수질, 폐기물 관리, 생태 등에 미치는 영향을 정기적으로 모니터링하기 위한 종합적인 환경 모니터링 및 감시시스템(EM&A)을 반영하였다.

 

5) Integrated BIM Application

 프로젝트 계획단계에서부터 운영관리단계까지 BIM을 적용함으로써 가장 적절한 플랫폼의 선정, 세부 설계 및 시공의 3차원 가시화, 설계 에러 및 간섭사항 체크, 기술적 문제에 대한 다양한 해결방안 제시, 3차원 설계도면 작성, 각종 장비 운영 및 설비 설치, 공사 스케줄 관리 및 통합운영관리가 되도록 하였다.

 

 HZMB 프로젝트에 대한 기술 혁신내용을 정리하면서, 바다를 가로질러 교통과 물류를 획기적으로 개선하고자 하는 엔지니어의 노력은 해상교량과 해저터널로 구현되었으며, 경제적인 측면뿐만 아니라 환경과 안전 측면에서 해저터널이 가장 중요한 솔루션으로 자리 잡고 있으며, 이러한 메가 프로젝트에서의 각종 기술적 난제에 대한 고민과 해결을 통하여 보다 더 나은 기술적 발전과 혁신을 가져올 수 있음을 확인할 수 있었다.

 

맺는말

 

현장을 통해 배우고 더 배우다

 

 정말 우연한 기회에 세계 최장 강주아오 대교 HZMB 프로젝트에 대한 소식을 접하게 되었고, 이를 시발점하여 관련 기술자들의 뜻이 모아져 지난 1HZMB 해저터널을 방문하게 되었다. 엔니지어의 기술적 관심과 노력이 세계적인 메가 프로젝트와 해저터널기술에 대해 점점 알아가게 되었고, 그 과정을 통하여 다시 한 번 터널기술자로서의 보람과 한계를 인식하게 되었다.

 

 이번 HZMB 해저터널 견학을 다녀오면서 메가 프로젝트를 구상하고 계획하고 이를 실현시키기 위한 많은 중국 기술자들의 노력을 확인할 수 있었으며, 이를 통하여 중국의 토목굴기를 세계적으로 알리고 중국 토목기술의 거대한 힘을 보여주고자 하는 중국의 내면을 보게 되었으며 참으로 대단하다는 생각을 지울 수 없었다. 최근 중국 창어 4호가 인류 최초로 달 뒷면탐사에 성공하였듯이 중국의 세계 제일에 대한 집념은 모든 분야에서의 중국굴기(中國倔起)로 확인되고 있음이다.

 

 우리도 이제는 미래지향적인 관점에서 제주도를 KTX로 갈 수 있는 목포-제주 해저터널과 일본과 중국을 연결하는 한일해저터널과 한중해저터널 등과 같은 세계적인 메가 프로젝트에 대한 보다 구체적인 고민을 해야 하지 않을까 생각해 본다. 이는 우리자체의 기술력이 뒷받침 되어야 하지만 정치,사회 환경적 요인이 성숙되도록 우리 모두 노력해야 한다.

 

 

[그림 13] HZMB 해저터널을 가다 (홍콩에서 마카오로)

 

 

[그림 14] 현장을 배우다 - 해상 연약지반 개량공사 현장

 

기술교류와 소통의 힘을 느끼다

 

 기술자의 교류와 소통은 기술자를 힘나게 하고 격려하게 하는 원천임을 느낄 수 있었다. 특히 홍콩대학교의 Albert T. Yeng 교수의 열정적인 강의와 설명은 정말 감동적이었으며, 멀리서 온 우리를 성심성의껏 맞아준 홍콩대학교의 주진현 교수와 홍콩성시대학의 김정인 교수에게 고맙고 감사한 마음이다.

 

 특히 김정인 교수는 건화 도로부에서 근무한바 있는 건화OB로서 미국 스탠포드 대학에서 CMBIM을 전공하고 홍콩성시대학에서 교수로 재직하고 있으며, 현재 홍콩의 주요 프로젝트의 CM BIM 분야에 참여하고 있어, BIM을 기반으로 한 스마트 엔지니어링의 발전에 있어 우리 건화와의 협력관계도 가능할 것으로 생각된다.

 

 우리 엔지니어에게 있어 인연이란 끈은 정말 중요하고도 소중하다고 느껴진다, 대학교에서 그리고 업계에서 만났던 선후배들을 많은 시간이 흘러서 머나먼 외국에서 만날 수 있다는 사실이 놀랍기만 하다. 이러한 계기로 서로 교류하고 소통하면서 더 많은 프로젝트를 같이 수행하게 되면 기술자로서 참 보람이 될 것이다.

 

 끝으로 이번 홍콩방문을 통해 엔지니어에게 있어 기술적 관심사항을 서로 얘기하고, 함께 공유하며 같이 고민하는것이야 말로 가장 행복하고 즐거운 일임을 느낄 수 있는 소중한 기회였다고 자부하면서, 우리도 세계적인 해저터널을 우리 자체의 기술력으로 메가 프로젝트를 계획하고 설계하고 시공하는 그날을 그려본다.

 

 

[그림 15] 기술교류의 장 - 홍콩대학교 주진현 교수와 홍콩성시대학의 김정인 교수

 

 

[그림 16] 만남과 소통의 즐거움 - 홍콩대 Albert T. Yeng 교수, 주진현 교수 및 김정인 교수

 

 

 

 

 

 

 

Posted by kh2020

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  1. 이준환 2019.02.22 11:34  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    말로만 듣던 강주아오 대교...사진 잘 보았습니다.^^

    국내뿐만 아니라 해외의 기술자들도 이러한 노력을 기울이고 있다니 놀라울 따름이네요..

    글로벌 메가 토목현장의 웅장함과 인연의 소중함을 느끼며...

    저도 가볼 수 있는 기회가 생기길 희망합니다!!

  2. 이용범 2019.02.22 13:47  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    우리의 손으로 강주아오 대교와 같은
    글로벌 메가 프로젝트를 수행하는 날이
    어서 왔으면 좋겠습니다.
    우리 장산곶에서 중국 산둥반도는 꽤 가깝고
    고려시대때는 이 물길이 활발한 해상무역로였다는데...
    남북관계도 안정되어 황해를 건너가는 한중해저터널을
    우리 손으로 뚫는 꿈을 꾸어봅니다.
    김영근 전무님, 훌륭한 현장답사 소식, 감사합니다^^

  3. 문형택 2019.02.23 19:46  댓글주소  수정/삭제  댓글쓰기

    입사동기인 홍콩성시대학 김정인교수를 건화스토리에서 보내요.
    페이스북으로 연락하곤 했는데 홍콩성시대학에서 교수로 재직중인 것을
    이제 알게되었습니다.
    바쁘다는 핑계로 동기 못챙겼네요.
    이번 일을 계기로 입사동기들이 어디에서 활약중인지 알아보려고 합니다..
    김영근 전무님의 좋은 답사로 좋은 인맥들을 다시 찾을 수 있게 되었습니다.
    감사합니다..