안전하게 물 아래로: 해저터널 건설 기술의 혁신

 

물은 인류문명의 발달과 항상 함께해왔습니다. 초기에 강은 강력한 상업의 통로였습니다. 하지만 사람들은 강 반대편으로 가기를 원했습니다.

페리와 같은 배는 가장 초기에 가장 확실한 해결책이었습니다. 결국, 엔지니어들은 다리를 건설하기 시작했습니다. 하지만 곧 물 밑으로 터널을 뚫고 싶어 하는 사람들이 생겨났습니다. 물밑으로 터널을 건설하는 것이 과연 가능한 일일까요?

 

해저터널의 시초

프랑스 이민자 엔지니어인 마크 브루넬이 영국에서 보호막을 개발하기 전까지는 강 아래 터널을 뚫는 것은 불가능한 것으로 여겨졌습니다. 1818년 초, 마크 브루넬이라는 프랑스 엔지니어가 물과 진흙으로 인해 작업이 망가질 염려 없이 강 아래에서 터널을 뚫을 수 있는 장치를 발명했습니다.

브루넬과 그의 아들 이삼바드가 1825년 템스강 아래의 점토를 통과하는 와핑-로더히테 터널에서 방호막을 처음 사용한 것이 그 시초입니다. 이 터널은 말굽형 터널이었으며 벽돌로 안감을 씌웠습니다. 작업자들이 셔터를 한 번에 하나씩 열어 몇 cm의 흙을 파내서 어느 정도 진척이 이루어지면 전체 방호막이 앞으로 전진시켰습니다. 방호막이 한 번에 몇 cm씩 전진하면 작업자들은 그 뒤에 터널의 외피가 될 두꺼운 벽돌 벽을 쌓았습니다.

물론 이 작업은 시간이 오래 걸리는 작업이었습니다. 런던 템스강 아래에 365m 길이의 터널을 건설하는 데만 9년(1825년부터 1843년까지)이 걸렸습니다. 이 터널은 세계 최초의 수중 터널이 되었습니다.

 

해저터널 기술의 발전

1869년에는 2.5m 길이의 작은 크기로 축소하고 원형 차폐막과 주철 세그먼트 안감으로 변경하여 피터 W. 발로우와 그의 현장 엔지니어인 제임스 헨리 그레이트헤드는 타워힐에서 보행자 통로로 사용되는 두 번째 템즈 터널을 1년 만에 완공할 수 있었습니다. 1874년 그레이트헤드는 브루넬-발로우 차폐막을 개선하고 기계화하여 터널 내부에 압축 공기 압력을 추가하여 외부 수압을 억제함으로써 수중 기술을 실제로 실용화했습니다. 1880년 뉴욕 허드슨강 아래를 터널로 뚫으려는 첫 번째 시도에서는 압축 공기만으로 물을 가두는 데 사용되었지만, 큰 어려움과 20명의 인명 손실로 인해 480m만 뚫은 후 포기할 수밖에 없었습니다.

 

쉴드-플러스-압축 공기 기법의 첫 번째 주요 적용은 1886년 3m 구멍을 뚫은 런던 지하철에서 이루어졌으며, 이 공법은 단 한 명의 사망자도 없이 11km 터널을 뚫는 전례 없는 기록을 달성했습니다. 그레이트헤드는 이 공법을 철저하게 개발하여 이후 75년 동안 큰 변화 없이 성공적으로 사용했습니다. 현대식 그레이트헤드 쉴드는 후드 아래에서 작업하는 광부들이 유입을 막기 위해 빠르게 닫을 수 있는 개별 작은 주머니, 잭에 의해 앞으로 추진되는 쉴드, 쉴드 꼬리를 보호하기 위해 세워진 영구 라이닝 세그먼트, 물 유입을 막기 위해 가압된 터널 전체 등 그레이트헤드의 독창적인 개발 기술을 잘 보여줍니다.

 

수중 터널링이 실용화되자 많은 철도와 지하철 건널목이 그레이트헤드 쉴드로 건설되었으며, 이 기술은 나중에 자동차에 필요한 훨씬 더 큰 터널에도 적용될 수 있음이 입증되었습니다. 1927년 허드슨강 아래에 완공된 세계 최초의 차량용 터널인 홀랜드 터널은 클리포드 홀랜드에 의해 내연기관에서 발생하는 유해 가스라는 새로운 문제를 성공적으로 해결했습니다. 홀랜드와 그의 수석 엔지니어인 올레 싱스타드는 양쪽 끝의 환기 건물에 대용량 팬을 설치하여 도로 아래의 공급 덕트를 통해 공기를 공급하고 천장 위의 배기 덕트를 통해 공기를 배출하는 방식으로 환기 문제를 해결했습니다. 이러한 환기 장치로 인해 터널 크기가 많이 증가하여 2차선 차량 터널의 경우 지름이 약 9m 정도 필요했습니다.

 

뉴욕의 링컨 터널과 퀸즈 터널, 보스턴의 섬너 터널과 칼라한 터널, 리버풀의 머지 터널 등 많은 유사한 차량 터널이 차폐 및 압축 공기 방식으로 건설되었습니다. 그러나 1950년 이후 대부분의 수중 터널 건설업체는 긴 튜브 섹션을 조립식으로 제작하여 현장으로 견인한 후 미리 준설한 트렌치에 가라앉혀 이미 시공된 섹션과 연결한 다음 되메우기로 덮는 침매식 튜브 공법을 선호했습니다. 이 기본 절차는 디트로이트와 온타리오주 윈저 사이의 디트로이트 강 철도 터널(1906~10년)에서 현재와 같은 형태로 처음 사용되었습니다. 가장 큰 장점은 침매관 내부의 작업은 대기압(자유 공기) 상태에서 이루어지기 때문에 높은 비용과 높은 기압 아래에서 쉴드 작동의 위험을 피할 수 있다는 것입니다.

 

해저터널 굴착기계(TBM)

브루넬의 시대 이후로 기술은 많이 발전했습니다. 오늘날 수중 터널은 두더지라고도 불리는 거대한 터널 굴착 기계(TBM)로 만들어지는 경우가 많습니다. 이 기계는 수백만 달러의 비용이 들지만, 매우 짧은 시간에 대형 터널을 만들 수 있습니다.

 

디스크 커터가 달린 원형 판이 회전하면서 기계가 천천히 앞으로 나아가면서 암석을 절단합니다. 기계가 터널을 뚫는 동안 터널을 지탱할 벽을 건설하는 데도 도움이 됩니다.

 

프랑스와 영국은 52km 길이의 채널 터널을 구성하는 3개의 터널을 단 3년 만에 건설하기 위해 11대의 대형 TBM을 사용했습니다. 유로 터널 또는 채널 터널이라고도 불리는 이 터널은 현재 영국 해협 아래 두 나라를 연결합니다.

 

수중 터널을 만드는 또 다른 새로운 방법은 컷 앤 커버 방식입니다. 이 방법을 사용하기 위해 건설업자는 강바닥이나 해저에 트렌치를 파냅니다. 그런 다음 미리 만들어진 강철 또는 콘크리트 튜브를 트렌치에 가라앉힙니다. 튜브가 두꺼운 암석층으로 덮인 후 작업자는 튜브 섹션을 연결하고 남은 물을 펌핑합니다.

 

이 방법은 보스턴 남부와 로건 공항을 연결하는 테드 윌리엄스 터널을 건설하는 데 사용되었습니다. 트렌치에 매설된 12개의 거대한 강철 튜브는 각각 95m 길이로 이미 완전히 건설된 도로를 포함하고 있었습니다!

 

엔지니어들은 항상 새로운 아이디어를 생각해냅니다. 실험적인 암반 절단 방법을 기반으로 미래의 수중 터널은 고압 워터 제트, 레이저 또는 초음파 음향 기계의 도움으로 건설될 수 있습니다.