46. 쉴드공법(shield method)

   가. 개요

 쉴드공법이란 쉴드를 사용하여 지반의 붕괴를 방지하고, 그것으로 보호된 공간내의 전면을 굴착하고 후부에서는 복공작업을 반복하여 쉴드를 점차 전진시키는 터널굴착공법이다. 쉴드공법을 구성하는 큰 요소로는

① 작업공간을 확보하고 시공용 기기를 장치한 쉴드

② 굴착을 안전하게 추진하기 위한 지반안정처리

③ 쉴드 후부에서 시공되는 복공

으로 구성되며, 이들의 3요소를 유기적으로 결합시킨 시스템이 쉴드공법의 기본원리이다.

   나. 쉴드

 쉴드의 단면으로는 마제형, 장방형, 반원형 등이 사용되는 예도 있으나 대부분의 경우는 원형이며 그 지름은 2m 이하인 것부터 13m 정도까지 사용되고 있다. 쉴드는 전면구조에 따라 전면개방형, 부분개방형 및 밀폐형으로 대별되며, 전면개방형 쉴드는 형식에 따라 수굴식, 반기계 굴착식으로 분류된다. 부분개방형 쉴드는 블라인드(blind)식이라고 하며, 밀폐형 쉴드는 토압식과 이수식으로 분류되는데, 최근 쉴드 중 약 90%는 이 2가지 형식이 차지하고 있다.

쉴드 본체는 전면의 막장측부터 후드(hood)부, 커터(cutter)부, 테일(tail)부로 구분된다(그림 46-1 참조).

후드부는 막장의 안정을 유지하고 굴착토사를 후방으로 배출한다. 수굴식 또는 반기계 굴착식에서는 후드, 흙막이잭(jack), 굴착, 적재기계, 기계굴착식에서는 쉴드전면에 커터해드(cutter head)를 장착한다. 밀폐식 쉴드에서는 후드부와 커터부는 원격으로 조절되며, 후드부 안은 커터헤드로 굴착된 토사배출 장치로 이동된다.

커터부는 스킨 플레이트(skin plate)가 쉴드에 가해지는 외압에 견디어야 하기 때문에 링(ring) 모양의 커터구조로 되어 있으며, 쉴드를 전진시키기 위하여 쉴드잭이나 커터헤드 구동장치, 배토장치, 제어기기등이 이 부분에 붙어 있다.

테일부는 스킨플레이트만으로 둘러싸여, 그 안에서 복동이 이루어진다. 테일부의 길이는 세그먼트(segment) 폭의 1.5배 정도가 보통이며, 세그먼트를 취급하기 위해 이렉터(erector)가 장치되어 있다.

   다. 지반안정처리

 쉴드 통과지역의 지반이 불안정하여 막장이 붕괴될 우려가 있을 때에는 보조공법으로서 지반의 자립성을 증대시키는 것을 주 목적으로 어떠한 지반안정처리를 하며, 그의 방법으로는 압기공법, 지하수위 저하공법, 약액주입공법, 동결공법 등이 있다.

초기에는 압기공법이나 약액주입공법이 많이 사용되었으나 그 이후로는 토압식 및 이수식 쉴드공법이 보편화 되어 공기압 대식에 이토압이나 막장의 안정을 꾀하고 있다. 이들의 쉴드공법은 지반안정처리를 원칙적으로 필요로 하지 않으며, 환경에 영향이 없는 시공상 이점이 있다. 따라서 약액주입공법은 밀폐식 쉴드의 발진, 도달시나 급곡선부의 지반안정처리, 기설구조물의 방호나 지반이 급변함에 대처하는 응급적 수단으로 사용되고 있다. 또 동결공법은 동결설비가 필요한 경우나 경제적인 관점에서 발진이나 도달시 등 특히 중요한 장소에 이용되는 예가 많곡 바다 밑의 악조건하에서의 지중접합부에 적용된 예도 있다.

   라. 복공

 쉴드공법에서는 테일부에서 기성 세그먼트를 링 모양으로 조립하고 1차 복공을 하고 쉴드를 전진히켜, 그 후 필요에 따라 내측에 2차 복공을 하는 것이 통례로 되어 있다.(그림 46-2 참조)

세그먼트 재료는 강재나 철근큰크리트 이외의 주철도 사용되며, 지름이 작은 경우는 강제, 지름이 크면 철근콘크리트로 하는 것이 일반적이다.

세그먼트의 형식은 링 모양으로 한 상자형 세그먼트, 철근 콘크리트 제품으로는 평판형이나. 강제와 일체로 된 합성형이 있다. 세그먼트의 크기는 취급이 편리한 범위에서 가능한 길게 하는 것이 일반적이며, 이음이 핀(pin) 구조 이외에 중심선 방향으로 등분할된 것(A형)과 최후로 삽입하기 위한 사다리꼴로 된 키-세그먼트(K형), K형에 맞물리는 B형으로 구성되며, 세그먼트의 폭은 75∼100cm의 것이 가장 많다. 2차 복공으로는 1차 복공의 보강, 누수방지, 내면의 치장, 방청 등의 목적으로 콘크리트를 타설하는 경우가 많으며, 효과적인 지수재가 개발됨에 따라 최근에는 생략되는 경우도 있다.

   마. 쉴드공법의 적용

 쉴드공법을 채용함에 있어서 특히 신중히 검토와 착공 후 세심한 시공을 요하는 경우는 다음과 같은 지반이라 할 수 있다.

① 지하수위가 높고 물이 많은 모래층이나 모래자갈층

② 붕괴서의 모래층.

③ 호층으로 된 대수층인 모래층.

④ 연약하고 유동성의 점토층

⑤ 단단한 층과 연약한 층의 경계부

⑥ 지하구조물 아래 등에 불연속지층이 있는 경우.

이들 중 연약한 점성토층에 대하여는 종래는 블라이드식 쉴드공법으로 시공했으나 현재는 토압식이나 이수식 쉴드공법이 사용되고 있다.

점성토에도 모래성분이 많이 포함되어 강도가 있는 경우에는 굴착토압을 막장 전체에 작용시켜 막장의 안정을 꾀하고 스크루 컨베이어(screw conveyor) 등으로 배토하는 토압식 쉴드가 적용되고 있다. 또 대수층에 대하여는 수압, 토압에 대항하여 막장의 안정을 꾀하기 위한 압기공법의 적용실적이 많으며, 최근에는 챔버(chamber) 내에 이수를 순환 충진하여 가압하고 막장의 안정을 꾀하는 이수식 쉴드공법이 채용되고 있다. 특히 터널 상부에 하천, 호수, 바다 등이 있어 수압이 높고 물이 많은 토질에 적용하고 있다.