중국 엔지니어들, 세계 최장 해저 철도 터널에 최초의 3원 혼합기체 시스템 도입

파도 아래의 획기적 성과

중국은 진탕 해저 터널 건설을 지원하기 위해 세계 최초의 3원 혼합기체 실드 굴착 시스템을 도입했다. 진탕 해저 터널은 총연장 16.18km의 철도 연결로, 완공되면 세계에서 가장 긴 해저 고속철도 터널이 된다. 중국이 자체 개발한 이 기술은 기존 한계를 크게 뛰어넘는 압력에서도 작업자들이 안전하게 일할 수 있도록 해 지하 공학의 중대한 진전을 보여준다. 이 시스템은 터널의 저우산 측 구간에서 가동을 시작했으며, 이곳 작업자들은 철도 건설 역사상 가장 까다로운 조건에 직면해 있다. 장비는 헬륨, 질소, 산소를 정밀한 비율로 혼합해 수압과 토압이 터널 굴착보다 심해 탐사에 가까운 수준에 이르는 환경에서도 작업자의 생명과 각성 상태를 유지한다.

세계 최장 해저 고속철도 터널의 내부

진탕 터널은 중국 동부 저장성의 혼잡한 수로를 가로질러 닝보와 저우산을 연결한다. 완공되면 총연장 16.18km의 이 통로는 해저 고속철도 터널 가운데 세계 최장 기록을 세우며, 기존 해저 철도 연결로보다 길이와 복잡성 면에서 크게 앞서게 된다. 이 사업은 본토와 저우산을 더욱 긴밀하게 연결하도록 설계된 대규모 교통망의 핵심 구간이다. 군도 도시인 저우산은 지리적으로 고립돼 있어 통근자와 화물 운송 모두 오랫동안 물류상의 어려움을 겪어왔다.

저우산 측 건설팀은 실드 굴착 구간 6,270m를 맡고 있다. 해저 지층의 다양한 지질을 뚫고 수개월간 연속으로 굴착해야 하는 거리다. 실드 굴착기는 터널 굴착기(TBM)라고도 불리며, 원형 통로를 파는 동시에 붕괴를 막는 지지 구조물을 설치한다. 이 거대한 기계는 회전식 커터헤드로 암석과 퇴적층을 갈아내지만, 절삭 공구는 마모되므로 정기적으로 점검하거나 교체해야 한다. 해수면 아래 깊숙한 가압실에서 이 작업을 수행하는 것은 토목공학 분야에서 가장 위험한 작업 중 하나다.

기존 공법의 한계

초고압 가압실 작업은 실드 터널 굴착 업계에서 가장 심각한 난제 가운데 하나다. 수십 년 동안 작업자들은 굴착실에 물이 들어오지 않도록 압축공기 시스템을 사용해 왔으며, 작업자는 커터헤드를 정비하기 위해 그 안으로 들어간다. 기존 압축공기 방식의 안전 압력 한계는 0.5메가파스칼로 알려져 있다. 이 한계를 넘으면 감압병을 비롯한 생리적 위험이 급격히 커져 사람이 들어가 작업하기가 매우 위험해진다.

그러나 진탕 터널은 기존의 한계를 넘어선다. 가장 깊은 구간은 해수면 아래 78m에 있으며, 이곳의 수압과 토압을 합한 압력은 0.85메가파스칼에 달한다. 이 힘을 가늠해 보자면, 1위안 동전보다 크지 않은 면적에 약 30kg의 무게가 눌러오는 것과 같다. 표준 압축공기 절차로는 작업자가 이 정도 압력을 견딜 수 없다. 이 사업에는 생명 유지와 압력 관리에 근본적으로 다른 접근법이 필요했다.

심해에서 가져온 해법

이처럼 극한적인 장벽에 직면한 건설팀은 기존 채굴 기술이 아닌 심해 잠수 기술에서 해법을 찾았다. 포화 잠수와 혼합기체 호흡 시스템은 일반 압축공기로는 치명적인 깊이에서도 상업 잠수사들이 작업할 수 있도록 오랫동안 활용돼 왔다. 해양 석유 플랫폼의 기반 시설을 수리하든, 지하 수백 미터에서 터널 커터헤드의 마모 부품을 교체하든, 적용되는 생리학적 원리는 같다. 엔지니어들은 이러한 해양 기술 원리를 응용해 터널 건설에 특화된 헬륨·질소·산소 3원 혼합기체 시스템을 개발했다.

핵심적인 역할을 하는 성분은 헬륨이다. 일반 공기의 대부분을 차지하는 질소와 달리 헬륨은 밀도가 낮고 체내 조직으로 빠르게 확산된다. 극심한 압력에서 일반 호흡 기체를 사용하면 질소가 위험한 양만큼 혈류에 녹아들어 판단력을 흐리고 반응 속도를 늦추는 질소 마취를 일으킨다. 이를 ‘심해의 황홀감’이라고도 한다. 지하 수백 미터에 있는 작업자가 혼란을 겪으면 본인과 동료 모두 위험해진다. 산소도 높은 분압 상태에서 장시간 호흡하면 독성을 나타낸다. 헬륨은 두 문제를 모두 피할 수 있게 해준다. 심해저와 유사한 조건에서 작업하는 동안 작업자의 정신을 맑게 유지하고 생리적 상태를 안정적으로 지탱하는 더 안전한 매개체다.

잠수 기술을 터널 굴착에 적용한 것은 기반 시설 공학에서 분야 간 해법을 결합하는 추세가 확산되고 있음을 보여준다. 해양 석유 시추시설의 잠수사에게 효과적인 기술은 세심한 조정을 거치면 지하 수백 미터에서 일하는 철도 건설 작업자도 보호할 수 있다. 해양과학과 토목공학의 이러한 융합은 전 세계 해안 지역에서 추진될 차세대 지하 사업의 특징이 될 수 있다.

3원 혼합기체 시스템의 작동 방식

새 장비는 단순히 수레에 실린 가스통 몇 개가 아니다. 기체 혼합 모듈과 기체 공급 모듈로 구성되며, 기체 분배 허브, 공급 허브, 개별 호흡 장치를 포함한 113개의 전문 하위 모듈이 이를 뒷받침한다. 이러한 모듈식 구조 덕분에 가압실 안의 작업자에게 공급되는 혼합기체를 정밀하게 제어할 수 있다.

이 시스템은 0.5~1메가파스칼의 압력 범위에서 작업을 지원할 수 있다. 최대 지원 압력은 진탕 터널의 최고 압력인 0.85메가파스칼보다 높아, 앞으로 더 까다로운 사업에도 대응할 수 있는 안전 여유를 제공한다. 기체 혼합 알고리즘은 커터헤드 전면의 주변 압력에 맞춰 헬륨, 질소, 산소의 비율을 실시간으로 조정한다. 이에 따라 터널이 얼마나 깊게 이어지든 작업자는 최적의 호흡 혼합기체를 공급받는다.

각 구성품은 염분이 많은 부식성 환경과 굴착기의 지속적인 진동, 고압 조건의 기계적 응력을 견뎌야 한다. 엔지니어들은 단일 하위 모듈에 고장이 발생하더라도 전체 작업자의 생명 유지 기능에 영향을 주지 않도록 이중화 안전 시스템을 설계했다. 원격 모니터링을 통해 지상팀은 직접 가압실에 들어가지 않고도 기체 유량, 압력 수준, 작업자별 활력 징후를 추적할 수 있다.

극한 환경에서 작업자 보호

사람이 가압된 굴착실에 들어가는 모든 작업에서 안전은 가장 중요한 고려 사항이다. 질소 마취는 고압 환경에서 가장 교묘한 위험 중 하나다. 비활성 기체인 질소는 압력 아래 신경 조직에 녹아들어 알코올에 취한 것과 비슷한 증상을 일으킨다. 마취 증상을 겪는 작업자는 들뜨거나 방향 감각을 잃을 수 있어, 일상적인 정비 작업도 목숨을 건 도박으로 바뀔 수 있다. 헬륨은 이러한 마취 효과를 일으키지 않기 때문에 심해 잠수사와 이제는 터널 작업자도 헬륨에 의존한다.

산소 독성도 또 다른 위험이다. 산소는 생명 유지에 필수적이지만, 높은 분압으로 장시간 호흡하면 폐와 중추신경계가 손상될 수 있다. 3원 시스템은 산소를 헬륨으로 희석하고 혼합 비율을 세심하게 제어해 독성 수준까지 축적되는 것을 막으면서도 격렬한 육체노동을 이어가는 데 충분한 기체를 공급한다.

감압 절차도 세심하게 관리해야 한다. 작업자는 근무를 마친 뒤 체내에 녹아든 기체가 서서히 빠져나가도록 여러 단계에 걸쳐 압력을 낮춰야 한다. 급격한 감압은 혈액에 기포를 형성해 고통스럽고 치명적일 수 있는 감압병을 유발한다. 혼합기체 시스템은 각 근무 중 체내에 축적된 기체량에 맞춰 감압 일정을 조절할 수 있도록 지원한다.

세계 기반 시설에 주는 의미

중국의 3원 혼합기체 실드 굴착 시스템이 성공적으로 도입된 사례는 전 세계 기반 시설 사업에 시사점을 준다. 도쿄부터 뉴욕까지 해안 도시들은 수로 아래로 대중교통망을 확장해야 할 필요성이 커지고 있지만, 검토 중인 노선 가운데 상당수는 닝보·저우산 구간과 비슷한 지질 조건을 마주한다. 최대 1메가파스칼의 압력에서도 안전하게 작업할 수 있게 되면 이전에는 불가능했던 노선도 추진할 수 있다. 이를 통해 엔지니어들은 이동 시간을 줄이고 환경 훼손을 최소화하는 더 깊고 직접적인 노선을 검토할 수 있다.

중국 내에서는 이번 혁신으로 대규모 터널 굴착 분야에서 중국 엔지니어들의 선도적 역할이 강화된다. 중국은 이미 지구상에서 가장 야심 찬 지하 교통 시스템 일부를 운영하고 있으며, 이번 기술은 해저 철도 개발을 제약해 온 핵심 병목을 해소한다. 다른 분야에도 도움이 될 수 있다. 지하 채굴, 해저 케이블 설치, 과학 시추 사업은 모두 혼합기체 생명 유지 시스템이 유용하게 쓰일 수 있는 고압 환경에서 이뤄진다.

진탕 터널 사업에서는 이 시스템 덕분에 작업자 안전을 진척과 맞바꾸지 않고도 저우산 측 6,270m 구간을 예정대로 진행할 수 있다. 터널이 완공되면 본토와 군도 사이의 이동 시간이 크게 줄어들어 저장성 전역의 경제 통합과 관광을 뒷받침하게 된다.

핵심 내용

• 중국은 저장성 진탕 해저 터널 사업에서 자체 개발한 최초의 3원 혼합기체 실드 굴착 시스템을 가동했다.
• 총연장 16.18km의 터널은 닝보와 저우산을 연결하며, 완공되면 세계에서 가장 긴 해저 고속철도 터널이 된다.
• 기존 압축공기 방식은 0.5메가파스칼로 제한되지만, 진탕 터널의 가장 깊은 구간은 해수면 아래 78m에서 0.85메가파스칼에 이른다.
• 새 시스템은 헬륨, 질소, 산소를 혼합해 더 안전한 호흡 환경을 조성하고 초고압 작업 중 질소 마취와 산소 독성을 방지한다.
• 엔지니어들은 심해 잠수 기술을 응용해 이 시스템을 개발했으며, 113개의 통합 하위 모듈을 통해 0.5~1메가파스칼의 압력에서 작업을 지원한다.