바다 밑에서 세운 기록
2026년 4월, 중국 남부에서 가장 붐비는 수로 중 한 곳의 지하에서 대형 터널 굴착기가 유례없는 이정표를 세웠다. 중국이 자체 개발한 굴착기 선장 1호는 주강 하구 터널을 해저 113m 깊이까지 굴착해, 지금까지 건설된 해저 고속철도 터널 가운데 가장 깊다는 세계 기록을 세웠다. 이 성과는 경제적으로 중요한 광둥·홍콩·마카오 대만구의 동쪽과 서쪽 해안을 연결하기 위해 추진되는 총연장 116km의 선전-장먼 고속철도 사업에서 중대한 진전을 의미한다. 철도가 완공되면 선전과 장먼 간 이동 시간이 1시간 이내로 줄고, 선전 첸하이와 광저우 난사 구간은 약 30분이면 이동할 수 있다.
목차
터널은 둥관과 광저우 사이 하구 밑으로 13.69km 이어지며, 이 가운데 약 11.05km가 수면 아래를 지난다. 기술진은 터널이 반대편 해안으로 올라가기 전에 굴착 깊이가 최대 116m에 이를 것으로 예상한다. 이 깊이에서는 수압이 11bar에 육박한다. 이는 극심한 심해에서 잠수부가 받는 압력과 거의 맞먹는다. 이런 조건에서는 작업자가 굴착면에 안전하게 접근할 수 없으므로, 굴착 작업 전체를 원격 제어와 자동화 시스템으로 진행해야 한다. 압력에 문제가 생기면 물이 갑자기 유입되고 지반이 불안정해져 구조물이 심각하게 손상될 수 있어 실수가 용납되지 않는다.
작업 중인 강철 용
이 공학적 성취의 중심에는 중국철도공사 제14국이 제작한 슬러리 실드 터널 굴착기 선장 1호가 있다. 길이는 약 130m, 무게는 3,800t이며, 커터헤드의 굴착 직경은 약 13.42m다. 현재 전 세계 해저 철도 사업에서 운용되는 굴착기 가운데 직경이 가장 큰 축에 속한다. 커터헤드에는 광둥성의 문화유산을 반영한 사자춤 문양이 장식돼 있지만, 기능은 순전히 산업용이다. 이 기계는 중국에서 전면적으로 설계·제작됐으며 지식재산권도 모두 중국이 보유하고 있다. 최대 12bar의 설계 압력을 견디도록 제작돼 깊이가 1m 늘어날 때마다 커지는 극심한 수압에 대응할 수 있다.
2021년 12월 굴착을 시작한 선장 1호는 4년 넘게 쉬지 않고 작업하며, 터널 굴착기가 마주한 조건 가운데서도 가장 험난한 지질 환경을 4km 이상 뚫고 나아갔다. 하루 평균 2m라는 진척 속도는 외부에서 보면 느려 보일 수 있지만, 기계의 동력이 부족해서가 아니라 지형이 매우 까다롭기 때문이다. 기계는 압축강도가 124메가파스칼을 넘는 단단한 화강암부터 부드러운 해성 점토까지 다양한 지층을 통과하면서 회전 속도와 이수 압력, 굴진 속도를 끊임없이 조정해야 한다. 부드러운 퇴적층이 단단한 결정질 암석으로 예고 없이 바뀌기도 하므로 매 미터마다 세심한 조정이 필요하다.
깊이가 모든 것을 바꾸는 이유
주강 하구의 지질 구조는 중국 남부에서도 가장 복잡한 축에 속한다. 터널 노선은 수백만 년 동안 형성된 13개의 지질층과 5가지 복합 암석, 6개 단층대를 통과한다. 각 지층은 3,800t에 이르는 굴착기에 서로 다르게 반응한다. 커터헤드가 지나가면 부드러운 해성 점토는 흐르거나 이동할 수 있고, 고운 모래는 지속적인 진동으로 액상화할 위험이 있다. 갈라진 암반은 예고 없이 덩어리째 무너질 수 있으며, 단단한 화강암은 압축강도가 124메가파스칼을 넘는 돌을 뚫는 과정에서 절삭 도구를 빠르게 마모시킨다. 암반층이 고르지 않고 수압도 특히 높은 단층대 490m 구간은 초기 공사 단계에서 큰 위험 요인이었다. 굴착면을 안정적으로 유지하고 터널 상부 지반의 침하를 막으려면 끊임없이 조정해야 했다.
수압은 깊이 10m마다 약 1bar씩 높아진다. 현재 세계 기록인 해저 113m 깊이에서는 주변의 물과 토양이 터널 구조물에 약 11bar의 압력을 가한다. 최대 깊이인 116m에 이르면 압력은 1.06메가파스칼에 달한다. 이를 쉽게 설명하면 손톱만 한 면적에 10kg이 넘는 무게가 집중되는 힘이다. 이런 압력을 견디려면 모든 구조 요소가 일반 철도 터널보다 훨씬 큰 힘을 버텨야 한다. 사업 착수 전까지 중국에는 이를 참고할 만한 공학적 경험이나 설계 기준이 없었고, 공사팀은 작업을 진행하며 절차를 새로 만들어야 했다. 높은 압력과 예측하기 어려운 지질 조건이 겹치면서 선장 1호가 연속 작업에도 하루에 2m만 나아가는 경우가 생긴다. 작업자는 다음 단계로 넘어가기 전에 매번 안정성을 확인한다.
이수, 콘크리트, 밀리미터 단위의 정밀도
이런 환경에서 안정성을 유지하기 위해 공사팀은 포화 지반의 심해저 터널에 필수적인 슬러리 실드 굴착 공법을 사용한다. 흡수성이 있는 점토의 일종인 벤토나이트를 걸쭉한 반죽처럼 만들어 굴착면을 지지하고 물과 토양이 터널 안으로 밀려드는 것을 막는 방식이다. 선장 1호에는 서로 연결된 두 개의 이수 순환 회로가 있어 기계의 순환계 역할을 한다. 첫 번째 회로는 신선한 벤토나이트 이수를 커터헤드 뒤쪽의 가압실로 직접 보내 외부의 물과 토양 압력에 정확히 맞춘 보호막을 형성한다. 압력이 너무 낮아지면 전면이 불안정해져 갑작스러운 붕괴나 침수 위험이 생긴다. 압력이 너무 높으면 주변 토양이 변형돼 작업 전체의 안전이 위협받을 수 있다.
두 번째 회로는 파이프망을 통해 굴착 잔해가 섞인 이수를 지상으로 운반한다. 분리 시설에서 작업자들은 굴착된 암석과 점토를 걸러낸 뒤 벤토나이트를 처리해 터널 공사에 재사용한다. 연속 작업 1시간 동안 제거되는 토사량은 유조차 한 대를 채울 정도다. 한편 굴착실 뒤에서는 로봇식 세그먼트 설치기가 조립식 콘크리트 라이닝을 밀리미터 단위의 정밀도로 설치한다. 터널의 각 링은 폭이 약 2m인 곡선형 세그먼트 9개로 구성된다. 세그먼트는 완벽하게 맞물려야 100년의 사용 수명을 목표로 하는 방수 구조를 이루고, 시속 250km로 달리는 고속열차 선로를 지지할 수 있다. 총 13.69km에 걸쳐 미세한 어긋남이 누적되더라도 선로 형상이 뒤틀리고 진동이 발생해 승객의 쾌적성과 장기적인 운영 안전을 위협할 수 있다.
스스로 수리하는 장비
깊이와 압력, 복잡한 지질 조건이 결합하면서 중국 기술진은 기존 터널 굴착 장비를 훨씬 뛰어넘는 해법을 개발해야 했다. 첫 번째 주요 혁신은 작업자를 가압실 안으로 들여보내지 않고도 극심한 고압 환경에서 마모된 절삭 도구를 교체할 수 있게 한 것이다. 기존 기계에서는 이런 정비에 전문 잠수부가 투입되는 경우가 많고, 긴 감압 절차가 필요해 공사가 며칠씩 중단되곤 한다. 두 번째 혁신은 해저의 좁은 공간에서 기계를 분해할 수 있는 현장 분해 시스템이다. 하구의 모든 지점에 일반적인 기계 반출용 수직구를 만들 수 있는 것은 아니기 때문이다. 노선을 따라 지질 조건이 크게 달라 기계를 꺼내거나 개조해야 하는 지점이 통상적인 수직구 시공이 불가능하거나 비용이 지나치게 많이 드는 곳일 수 있다는 점에서 이 기능은 중요하다.
그 밖에도 불안정한 지반의 침하를 즉시 제어하는 기술, 내장 센서를 통한 굴착 변수의 상시 모니터링, 가압실의 온도 관리 시스템, 극심한 수심에서 작동하는 이중화 통신망, 갑작스러운 용수 유입이나 압력 급등 같은 지질 변화에 대응하는 비상 절차가 개발됐다. 중국철도건설공사는 이 기술들을 향후 해저 사업에 재현해 적용할 수 있는 시스템으로 정리했다. 중국 기획자들은 주강 터널을 단일 사업의 성과로만 보지 않는다. 복잡한 하구의 철도·도로·물류 통로에 적용할 차세대 해저 횡단 시설을 위한 산업 연구실로 보고 있다. 해저 113m에서 압력 균형을 유지하며 얻은 지식은 더 깊거나 긴 해저 구간을 통과할 미래 굴착기 운용에도 활용될 전망이다.
인공지능과 기반암의 만남
선장 1호가 힘을 제공한다면, 디지털 시스템은 두뇌 역할을 한다. 중국철도터널그룹은 중국에서 가장 깊고 수압이 높은 철도 터널의 공사를 관리하기 위해 ‘8대 지능형 시스템’을 도입했다. 이 시스템은 지능형 굴착, 세그먼트 조립, 협업, 진단, 모니터링, 부품 생산, 자재 관리, 환기를 아우른다. 스마트 관리 플랫폼은 실시간 모니터링과 협업 관리, 보조 굴착 안내, 빅데이터 분석을 통합해 하나의 작업 현황 화면으로 제공한다. 2024년 선전에서 열린 세계터널대회에서는 국제 전문가들이 현장을 방문해 극한 조건에서 이 시스템이 작동하는 모습을 살펴봤다.
지능형 굴착 시스템은 신경망과 머신러닝, 예측 알고리즘을 활용해 커터헤드가 지질층에 도달하기 전에 지질의 거동을 예측한다. 엣지 피드백 제어 기능은 1초도 안 되는 시간 안에 기계 변수를 자동 조정하고, 비상 퓨즈 제어 기능은 센서가 비정상적인 압력이나 온도 급등을 감지하면 즉시 작업을 중단할 수 있다. 중국철도터널그룹의 수석 엔지니어인 훙카이룽은 더 큰 목표가 이 사업 하나에 그치지 않는다고 설명했다.
지능형 터널 시공의 연구개발을 진전시키면서, 우리는 시공과 운영 사이의 데이터 격차를 해소하고 이 분야의 새로운 기준을 세우고자 합니다.
최근 이 사업은 터널과 지하 공간 분야에 특화해 개발된 중국 최초의 수직형 대형 모델을 시험하는 현장으로도 활용되고 있다. 국가중점실험실(터널 굴착기)이 공개한 이 인공지능 시스템은 773개 공학 프로젝트와 1,200억 건의 시공 기록 데이터를 바탕으로 터널 공사의 안전성과 효율성을 높인다. 이 모델은 이미 주강 하구 터널에 적용돼 전면적인 디지털 터널 굴착 운영을 향한 진전을 보여줬다.
가까워지는 대만구
선전-장먼 철도는 단순한 공학 사업이 아니다. 약 8,600만 명이 거주하고 국내총생산이 2조 달러에 육박하는 광둥·홍콩·마카오 대만구를 통합하려는 중국 국가 전략의 우선 사업이다. 현재 주강 하구는 핵심적인 지리적 장벽으로 작용해 선전과 홍콩이 있는 동쪽 해안과 광저우·장먼·중산이 있는 서쪽 해안 사이를 이동하는 사람들이 페리를 타거나 2시간 넘게 도로를 이동해야 한다. 새 철도가 개통되면 선전과 장먼 간 이동 시간은 1시간 이내로 줄고, 선전 공항 동역과 난사 구간은 약 30분이면 이동할 수 있다.
노선에는 시리, 선전 공항 동역, 빈하이만, 난사, 중산북, 헝란, 장먼 등 7개 역이 들어선다. 시리역과 선전 공항 동역은 지하역으로 운영된다. 이 가운데 선전 공항 동역의 건설 면적은 48만7,500㎡에 이르며, 승객은 고속철도와 지하철, 항공편을 5분 안에 갈아탈 수 있다. 4개 역은 고가 구조로 건설되고 장먼역은 지상역으로 운영된다. 이 노선은 세계에서 인구가 가장 많은 중국 전역의 주요 인구 거점을 연결하기 위해 설계된 국가 고속철도망 ‘8종 8횡’의 동부 연안 구간에서 빠져 있던 핵심 연결고리다.
이동 시간 단축은 지역의 경제 지형을 바꿀 것으로 예상된다. 장먼이나 중산에 거주하는 노동자들은 선전의 일자리 중심지에 실질적으로 접근할 수 있게 되고, 제조업체들은 하구 양쪽의 생산망과 자유무역구를 더 쉽게 연결할 수 있다. 인구 밀도가 높은 지역에서 교통에 쓰이는 시간이 1분 줄어들 때마다 생산성이 높아지고 노동시장이 확대된다. 앞으로 수십 년 동안 이 터널은 기업의 공장 입지와 가정의 주택 구입 결정, 중국에서 가장 생산성이 높은 지역 가운데 한 곳의 도시 간 성장 배분 방식에 영향을 미칠 것이다.
2028년 개통을 향한 막바지 공사
선전-장먼 철도 공사는 2024년 본격적으로 시작됐으며, 완공 목표 시점은 2028년이다. 주강 하구 터널은 전체 노선에서 기술적으로 가장 까다로운 단일 구간으로, 진척 상황이 사실상 전체 노선의 일정을 좌우한다. 선장 1호는 이미 113m 깊이 기록을 넘었지만, 기계가 서쪽 해안으로 방향을 틀어 올라가기 전 통과해야 할 최심부 116m 구간은 아직 앞에 남아 있다. 4년 넘게 연속 가동된 터널 굴착기는 중국이 설계한 장비가 과거 어떤 철도 터널도 시도하지 않았던 조건에서 안정적으로 작동할 수 있음을 입증했다.
이 사업은 터널 자체를 넘어 상당한 지식재산 성과도 냈다. 사업팀은 발명 특허 5건과 실용신안 특허 7건을 출원했고, 비슷한 지질 조건의 후속 사업에 지침을 제공하는 기술 논문 17편을 발표했다. 성과에는 기계 기술 혁신부터 첨단 지질 예측 도구, 가혹한 지하 환경에서도 품질을 유지하는 자동 용접 로봇까지 스마트 건설 기술이 포함된다. 해저 113m에서 수집한 자료와 문서는 중국 내 다른 복잡한 하구는 물론 해외의 해저 횡단 사업을 검토하는 기획자들에게 참고 자료가 될 것이다.
철도가 개통되면 중국의 고속철도망은 이미 운영 중인 4만5,000km 이상에 더해지며, 세계 최대 규모의 네트워크를 더욱 확장하게 된다. 그러나 주강 하구 터널은 이 방대한 체계 안에서도 두드러진다. 고압 환경에서의 터널 굴착 한계를 넓히고, 중국이 자체 개발한 차세대 기계와 인공지능 도구, 시공법을 검증한다. 대만구 주민 수백만 명에게 이 터널은 통근 시간 단축과 경제적 유대 강화를 의미한다. 전 세계 공학계에는 해저 철도 건설이 이룰 수 있는 성과의 새로운 기준을 제시한다.
핵심 요약
- 주강 하구 터널은 2026년 4월 해저 113m 깊이에 도달해 세계 기록을 세웠으며, 지금까지 건설된 해저 고속철도 터널 가운데 가장 깊다.
- 중국이 자체 개발한 터널 굴착기 선장 1호는 4년 동안 4km 넘게 굴착하며 13개 지질층과 5가지 암석, 6개 단층대를 통과했다.
- 최대 깊이에서 수압은 1.06메가파스칼에 이른다. 이에 대응하기 위해 원격 제어 슬러리 실드 기술과 100년 수명을 목표로 하는 조립식 콘크리트 라이닝이 필요하다.
- 머신러닝과 신경망을 활용하는 8대 지능형 시스템이 굴착을 안내하며, 터널 공사용 중국 최초의 수직형 대형 모델도 적용됐다.
- 총연장 116km의 선전-장먼 철도는 2028년 개통하면 두 도시 간 이동 시간을 1시간 이내로 단축해 광둥·홍콩·마카오 대만구 경제를 강화할 전망이다.
