바다 밑에 도로를 건설하다
2020년 12월 27일, 홍콩에 새로운 교통 동맥이 열렸다. 툰먼-척랍콕 링크 북부 연결도로는 해저를 뚫어 신계 북서부와 홍콩 국제공항, 홍콩-주하이-마카오 대교를 연결했다. 이 프로젝트의 중심에는 진량위(Qin Liangyu)라는 이름의 헤렌크네히트 믹스실드 S-880 터널 굴착기가 있었다. 쉴드 직경 17.63m인 이 장비는 쉴드 직경 기준 세계 최대 터널 굴착기로 기네스 세계기록에 올라 있다. 축구장보다 길고 웬만한 선박보다 무거운 이 장비는 일반 장비라면 짓눌릴 정도의 압력을 견디며 작업하도록 설계됐다. 이 장비가 굴착한 터널은 현재 홍콩에서 가장 깊고 길며 폭이 넓은 해저 도로 터널이다. 총연장 9km 노선의 일부로, 공사비는 약 182억 홍콩달러(약 23억 달러)였다.
목차
이 프로젝트는 기록을 세우는 데 그 목적이 있지 않았다. 육지와 바다, 항공 교통을 더 원활히 연결해야 하는 도시의 필요에 대응한 사업이었다. 총연장 약 5km의 복선 해저 터널은 항로와 부드러운 해저 진흙층, 민감한 해안 생태계를 지나야 했다. 구식 공법으로 이런 터널을 건설했다면 대규모 준설과 해상 교통 차질, 수년간의 환경 갈등이 불가피했을 것이다. 해법은 전진하면서 굴착과 지반 안정화, 터널 내벽 시공을 한꺼번에 할 수 있는 독일산 장비 한 대였다.
장비를 그토록 크게 만들어야 했던 이유
쉴드 직경 17.63m는 단순한 엔지니어링 야심이 아니라 지반 조건 때문에 선택됐다. 툰먼과 척랍콕 사이 해저에는 최대 30m 두께의 해양 퇴적층과 충적 점토층이 깔려 있다. 이 지반은 매우 무르고 물에 포화돼 있어 터널 굴착을 불안정하게 만든다. 일부 구간에서는 기반암이 해수면 아래 약 90m에 있다. 일반적인 터널 굴착기는 지하수 유입과 지반 붕괴를 견디기 어렵다. 굴착면의 압력을 슬러리와 압축공기의 혼합물로 조절할 수 있는 믹스실드 방식이 필요했다.
장비의 크기는 교통 수요에 맞춰 정해지기도 했다. 계획된 터널은 각 방향 2개 차로와 안전 공간, 환기 덕트, 전기 설비, 유지보수 통로를 수용하기 위해 내부 직경이 15.6m여야 했다. 터널 굴착기는 전진하면서 미리 제작된 콘크리트 라이닝 세그먼트를 설치하므로 터널의 외경은 내경보다 커야 한다. 라이닝 링의 두께에 테일 실드와 커터헤드까지 더하면 필요한 쉴드 직경은 17.63m가 된다. 지하에서 빙글빙글 도는 6층 건물 높이와 맞먹는 규모다. 진량위는 이 치수에 맞춰 정밀하게 설계됐다.
믹스실드가 해저를 막아내는 원리
터널 굴착기는 흔히 거대한 드릴로 묘사되지만, S-880은 움직이는 잠수함 공장에 더 가까웠다. 앞쪽의 회전식 커터헤드가 터널 굴착면의 흙과 암석을 깎아냈다. 커터헤드 뒤에는 벤토나이트 슬러리라는 점토처럼 걸쭉한 액체와 압축공기층으로 채운 굴착실이 있었다. 슬러리는 굴착면을 압박해 바닷물과 진흙이 장비 안으로 밀려드는 것을 막았다. 슬러리 위의 압축공기는 작업자가 압력을 정밀하게 조절하도록 했다. 커터헤드가 전진하면서 굴착한 토사는 슬러리와 섞여 파이프를 통해 지상의 분리 플랜트로 펌핑됐다. 그곳에서 장비가 흙 입자를 걸러내고 깨끗해진 벤토나이트를 다시 지하로 보냈다.
장비 앞쪽이 지반을 막아내는 동안 뒤쪽에서는 터널 라이닝을 설치했다. 로봇식 세그먼트 설치기가 곡선형 콘크리트 조각을 들어 올려 터널 벽을 이루는 링 형태로 조립했다. 각 링은 주변 지반을 지지하고, 도로와 조명, 환기 설비가 들어설 매끄러운 원통형 공간을 만들었다. 이 공정을 위해서는 압력 조절과 펌핑, 슬러리 성분, 유압 추진, 세그먼트 공급, 측량 등 모든 시스템이 보조를 맞춰야 했다. 한 부분이라도 늦어지면 전체 작업이 멈췄다. 이 통합 방식 덕분에 장비 한 대가 완전한 생산 라인 역할을 했다.
해저 작업을 짓누르는 압력
굴착면의 정수압은 최대 5bar에 달했다. 해수면 대기압의 5배로, 수심 약 50m에서 잠수부가 받는 압력과 같다. 홍콩 정부 뉴스 서비스의 공식 보고서는 당시 상황을 다음과 같이 설명했다:
툰먼-척랍콕 터널의 가장 깊은 구간은 해수면 아래 약 60m에 있으며, 전문 고압 작업자들은 지상보다 거의 6배 높은 압력에 노출됐다.
커터헤드 앞의 압력을 유지하면서 작업자를 보호하기 위해 S-880에는 에어록 챔버가 설치됐다. 밀폐된 이 공간을 이용하면 작업자는 일반 대기압 상태에서 가압된 굴착실로 단계적으로 이동할 수 있었다. 절삭 공구 정비와 점검, 수리를 위해서는 훈련받은 작업자가 가압 구역에 들어가 엄격한 고압의학 절차를 따르고 잠수병을 막기 위해 천천히 감압해야 했다. 작업자의 노출 시간은 제한됐고 의료진의 감독도 필요했다. 이런 조건 때문에 일반적인 터널 유지보수 작업이 잠수 작업과 비슷한 일이 됐다.
지상으로 나오지 않고 장비 크기 바꾸기
프로젝트에서 가장 이례적인 과정은 굴착을 시작하고 650m를 파낸 뒤에 찾아왔다. 북쪽 진입부 구조물에는 직경 17.6m 터널이 필요했기 때문에 진량위는 처음부터 최대 크기로 굴착을 시작했다. 이 구간을 지나면 나머지 해저 노선은 직경 14m로 건설할 수 있었다. 장비를 지상으로 끌어올려 두 번째 굴착기를 투입하는 대신, 엔지니어들은 터널 안에서 S-880을 개조했다. 직경 17.6m 쉴드의 외부 부품을 제거하고 내부 시스템을 재구성한 뒤 새 14m 쉴드를 설치했다. 장비는 해저 아래에 그대로 남아 있었다.
터널 안에서 쉴드 크기를 줄이는 작업은 극히 드물다. 바다의 압력을 받는 데다 공간이 제한되고 지상으로 직접 통하는 통로도 없는 조건에서 작업해야 했다. 개조를 마친 뒤 같은 장비는 두 번째 헤렌크네히트 14m 장비와 함께 나머지 터널을 계속 굴착했다. 두 장비는 2019년 2월 27일 관통에 성공했다. 직경 17.63m 구간은 2015년 3월 25일부터 11월 3일까지 굴착했고, 이후 장비 개조가 이뤄졌다. 이 공정은 한 번의 굴진에서 서로 다른 터널 직경이 필요한 향후 프로젝트에도 적용할 수 있는 기술적 진전으로 기록됐다.
연결 통로의 혁신
복선 도로 터널에는 보통 두 개의 주 터널을 연결해 대피와 유지보수에 쓰는 작은 통로인 연결 통로가 필요하다. 툰먼-척랍콕 링크에는 이런 통로가 57개 필요했고, 해당 위치의 압력은 5.8bar에 달했다. 이는 헤렌크네히트가 가압 챔버 작업에 전문 잠수부 투입을 권고하는 기준인 3.6bar를 웃도는 수준이었다. 일부 해저 터널에서 쓰는 기존 방식은 지반을 얼리는 공법이다. 흙 속의 물을 얼려 지반을 안정화하는 방식이지만, 물에 포화된 부드러운 해저 점토층에서는 느리고 위험할 수 있었다.
대신 작업팀은 직경 3.6m의 소형 슬러리식 터널 굴착기를 사용했다. 이처럼 높은 압력 아래에서 연결 통로를 시공한 것은 세계 최초였다. 소형 장비는 주변 슬러리 시스템이 압력을 조절하는 가운데 두 주 터널 사이의 벽을 뚫었다. 이 방법으로 동결 공법을 피하고 공사 기간을 줄였으며, 바닷물과 연약 점토, 극한의 압력이 한데 어우러져 위험한 작업 환경을 만드는 상황에서 위험도 낮췄다.
속도와 수상, 환경적 이점
공정은 복잡했지만 S-880은 빠르게 전진했다. 하루 최대 굴진 거리는 30m, 주간 기록은 167.2m였다. 이 수치는 기계의 성능뿐 아니라 콘크리트 세그먼트와 벤토나이트, 교체 부품을 장비에 끊임없이 공급하기 위한 물류 조율 능력도 보여준다. 미국기계학회는 이 장비의 출력이 5,600kW이며 물에 포화된 지반과 암석에서 하루 약 30m를 굴진할 수 있다고 기록했다.
이 프로젝트는 시공 과정에서 적용된 기술 혁신을 인정받아 2019년 국제터널지하공간협회로부터 ITA 터널링 어워드를 받았다. 또 다른 수상 기술인 북쪽 진입부 구조물의 캐터필러식 가물막이 시스템은 매우 무른 지반에서 기존 지하연속벽을 대체할 수 있는 방안이었다. 환경 측면의 효과도 중요했다. 홍콩 고속도로국은 기술 특집 기사에서 다음과 같이 밝혔다:
전통적인 침매터널 공법 대신 터널 굴착기를 사용해 약 1,100만m³의 해양 퇴적물 준설과 처리를 줄였다. 이는 표준 수영장 약 4,900개를 채울 수 있는 양이며, 중국흰돌고래와 기타 해양 생물에 미치는 영향을 최소화하는 데 도움이 됐다.
같은 공식 자료는 이 공법으로 어름스턴 로드의 대형 선박 통행 방해를 줄이고 공항에 전력을 공급하는 기존 해저 전력 케이블을 우회할 필요도 없었다고 밝혔다. 북부 연결도로는 2020년 12월 27일 개통했다. 남부 연결도로는 앞서 2018년부터 개통되기 시작해 이 노선을 홍콩-주하이-마카오 대교 네트워크와 연결했다.
한 시대를 규정하는 기록
S-880 진량위는 이제 모든 기술 분야에서 가장 강력한 장비는 아니다. 최근 몇 년 사이 중국과 해외에서 더 큰 추진력을 갖추거나 자동화 수준이 높고, 다른 커터헤드 설계를 적용한 터널 굴착기가 등장했다. 그러나 기네스는 여전히 쉴드 직경 기록을 진량위에 부여하고 있으며, 이 장비가 완수한 프로젝트는 여전히 놀라운 성과로 남아 있다. 이처럼 큰 직경과 깊은 해저의 압력, 터널 내부에서의 쉴드 개조를 한 번의 연속 굴진에서 결합한 장비는 거의 없다.
이 장비는 해안 도시의 인프라 건설 방식이 폭넓게 바뀌고 있음을 보여주기도 한다. 항만과 공항, 대도시의 밀집도가 높아지면서 계획 담당자들은 새로운 노선을 지하와 해저에서 찾고 있다. S-880 같은 초대형 장비를 이용하면 기존 공법보다 지상의 교란과 준설, 생태계 영향을 줄이면서 노선을 건설할 수 있다. 비용과 에너지 소모가 크고 기술적으로 까다롭지만, 더 많은 해안 지역을 공사 현장으로 만들지 않고도 수용 능력을 늘릴 수 있는 방법이다.
진량위는 용기와 충성심으로 알려진 명나라 장군의 이름을 땄다. 이 장군은 1574년에 태어났다. 이 이름은 19세기까지 거슬러 올라가는 대형 터널 굴착기의 오랜 작명 전통을 따른다. 장비에 여성의 이름을 붙이는 관습이다. 그런 의미에서 이 장비는 홍콩 아래 암반을 가로지르며 역사와 미래를 함께 실어 날랐다.
핵심 내용
- 헤렌크네히트 믹스실드 S-880 진량위는 쉴드 직경 17.63m로, 쉴드 직경 기준 세계 최대 터널 굴착기라는 기네스 세계기록을 보유하고 있다.
- 이 장비는 2020년 12월 개통한 툰먼-척랍콕 링크의 5km 복선 해저 터널을 굴착했다.
- 공사비는 약 182억 홍콩달러였으며, 이 터널은 현재 홍콩에서 가장 깊고 길며 폭이 넓은 해저 도로 터널이다.
- 믹스실드 기술은 벤토나이트 슬러리와 압축공기로 물에 포화된 연약 해저 지반의 압력을 조절했다.
- 최대 5.8bar의 압력에서 작업이 이뤄져 유지보수 인력에게 고압 작업 절차와 에어록 챔버가 필요했다.
- 엔지니어들은 장비를 지상으로 꺼내지 않고 터널 안에서 직경 17.6m에서 14m로 개조했다. 터널 안에서 쉴드 크기를 줄이는 드문 사례다.
- 직경 3.6m의 소형 슬러리식 터널 굴착기가 고압 환경에서 연결 통로 57개를 시공했다. 업계 최초였다.
- 이 프로젝트는 준설량을 약 1,100만m³ 줄이고 해양 생물과 항로에 미치는 영향을 낮췄다.
