[공학저널 전찬민 기자] 도심지 터널은 도심지 구간을 통과하는 터널로써 상대적으로 안전성이 취약하고 환경성에 민감하며, 시공성 확보가 매우 어려운 특징을 가지고 있다. 특히, 최근 도심지 터널프로젝트에서 안전과 환경에 대한 다양한 민원이 급증함에 따라 이를 고려한 최적의 터널 공법과 굴착방법을 선정하는 것이 매우 중요한 사안이다.
NATM 터널 공법의 하나인 로드헤더 기계화 굴착 시공은 로드헤더 등을 이용해 막장면을 굴착한 후 숏크리트와 록볼트를 이용해 지보를 설치하는 공법으로, 기존 발파공법과 대비해 소음, 진동 저감 등의 장점을 가지고 있다. 또한, 굴착단면이 원형으로 제한되는 TBM 공법과 비교해 다양한 터널 형상과 굴착단면에 대응도 가능하다.
특히, 로드헤더 커팅헤드에 배열돼 암석을 절삭하는 픽커터는 적용되는 암석에 따라 그 형상과 크기가 달라지게 된다. 경암용은 마모성능을 위해 팁과 보호하기 위한 헤드의 크기가 큰 것이 특징이며, 연암이나 풍화암을 굴착할 때에는 뾰족한 형태의 픽을 사용하는데, 공사비 측면에서 로드헤더뿐만 아니라 대상 암반의 조건에 적합한 픽커터의 선정이 매우 중요하다고 볼 수 있다.
커팅헤드의 설계에는 설치되는 픽커터의 개수, 배열 형태, 픽의 설치 각도, 1회전당 압입깊이, 커터간격 등이 매우 중요한 변수로 고려되고 있는 한편, 굴착의 대상이 되는 암석은 대표적인 취성재료로써 압축응력보다는 인장에 취약한 특성을 가지고 있다. 이에 따라 픽커터에 의한 암석의 절삭에서는 암석의 관입에 의해 발생된 암석의 압축응력으로부터 인장응력을 유도시켜 암석을 치핑하는 원리로 암석을 절삭하게 된다.
픽커터는 텅스텐카바이드, Shank, 스프링(혹은 Key)로 이뤄져 있으며, 일부 암석등의 여건에 따라 Shank에 다양한 방식의 Hardfacing 등으로 제작되고 있다. 이 중 가장 중요한 핵심 구성요소는 텅스텐 카바이드이며, 암석의 종류에 따라, 적절한 Grade 와 크기를 사용해야 텅스텐 카바이드의 깨짐 혹은 마모를 줄여 절삭 효율을 극대화할 수 있다.
하지만, 현재 국내에서 사용되는 로드헤더 장비, 픽커터는 모두 외산으로, 기계굴착에 유리한 암종인 이암, 셰일, 사함, 석회암 등과 같이 일축압축강도(UCS)가 크지 않은 퇴적암 계열의 암석에 최적화돼 있다. 즉, 연암, 보통암, 경암에서는 극도로 낮은 효율을 볼 수밖에 없는 픽커터 제품들이다.
또한, 스웨덴, 독일, 중국 등에서 수입을 하다보니 현장에서는 작업 효율 향상을 위한 다양한 픽커터의 테스트 할 수 있는 여건도 되지 않고 있으며, 긴 배송기간과 중국산이라고 하더라도 높은 비용 문제가 그 한계로 야기되고 있는 실정이다.
이에 따라 한국건설기술연구원은 ‘최대 압축강도 100Mpa의 암반 굴착이 가능한 로드헤더용 픽커터 국산화 기술개발’이라는 연구개발과제를 통해 고성능 픽커터에 대한 기술력 확보에 본격적으로 나섰다.
이번 연구개발에는 기존 지하연속벽 장비용 픽커터를 오래전부터 생산해 온 ㈜원강이 참여해 암석 유형별로 전 세계 약 360여 종류의 픽커터에 대한 형상 데이터 분석과 여러 방식의 텅스텐 카바이드 삽입재 보강 방식의 대한 연구를 진행했다. 이를 통해 커팅헤드에 장착돼 암반을 절삭하는 소모성 굴착도구인 픽커터를 다양하게 생산하고 있다.
로더헤더 제작사별로 최대 압축강도 120~180 Mpa 암반 굴착이 가능한 것으로 제시하고 있지만, 강도가 큰 암반에서는 굴착효율이 저하되고 픽커터의 소모량이 크게 증가하고, 텅스텐 카바이드의 탈락/손상이 큰 문제를 가지고 있다. 하지만, 원강이 개발, 제작한 로드헤더용 픽커터는 최대 압축강도 100 Mpa 내외의 암반에서 적용이 충분이 가능한 텅스텐 카바이드와 하드페이싱을 반영해 기존 외산 제품보다 뛰어난 성능을 보여주고 있다.
현재 원강은 한국건설기술연구원의 패밀리 기업으로써 픽커터에 대한 기술적 체크를 완료했으며, 국내 암반에 따른 가장 최적화된 텅스텐 카바이드의 Grade를 선정하고, 로드헤더 현장에 가장 빠르게 생산·공급할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
원강 강태영 대표이사(사진)는 “국내의 암반은 상대적으로 경암반이 많고, 석영 등을 함유한 결정질 화강암/편마암이 주를 이루고 있는 특성을 가지고 있어, 이러한 경암반을 효율적으로 굴착하기 위해서는 픽커터가 상당히 중요한 요소 중 하나”라며 “직접암반에 접촉해 굴착하는 픽커터의 형상이 중요하며, 경암반에서도 마모에 대해 강한 텅스텐카바이드(초경)의 크기 또한 중요한 요소”라고 말했다.
그는 이어 “특히, 중요한 픽커터의 수명에 관한 요소는 픽커터 본체와 암반에 직접 접촉하는 초경의 탈락을 방지하기 위해 다양한 보강방법이 필요하며, 동일한 로더헤더 장비를 사용하더라도 픽커트의 성능에 의해 굴착효율과 경제성이 결정될 수 있다”며 “이러한 픽커터의 국산화를 통해 상대적으로 즉각적인 피드백과 제품개선 시간을 최소화시켜 터널현장에 궁극적으로 도움이 될 것으로 판단된다”고 덧붙였다.
원강은 국내에서 거의 유일하게 토목공사용 굴착 소모품인 초경제품을 공급하고 있는 기업으로, 지하연속벽 굴착장비인 BC Cutter에 필요한 픽커터를 공급하고 있다. BC Cutter의 픽커터 역시 초기에는 외국제품을 사용했지만, 현재 연속벽용 픽커터는 100% 국산제품을 사용하고 있으며, 로더헤더에 사용되는 픽커터에 비해 다소 작은 크기이지만 형상과 성능은 동일한 제품이다.
특히, 국내에서 로더헤더 공법이 최근에 적용되기 시작되며, 로더헤더용 픽커터의 시장이 태동하는 시점이어서 충분히 픽커터 제품개발이 가능한 시장이 되고 있다. 국내 시공사 또한 국산제품의 필요성에 대한 공감을 이어지고 있어 원강이 개발한 로더헤더용 픽커터의 행보가 더욱 기대되고 있다.
강 대표는 “향후 3년 이내에 로더헤더용 픽커터의 시장점유율 50% 목표를 달성하기 위해 개발된 픽커터의 성능을 확인한 후 해외 판매를 계획하고 있다”며 “현재 원강의 매출 대부분은 해외수출로 발생하고 있고, 해외거래처는 전부 토목 시공사들이어서 원강의 로더헤더용 픽커터를 해외 수출하는데 문제가 없을 것으로 보고 있다”고 말했다.
그는 이어 “로더헤더용 픽커터는 국산제품이 전무한 현실에서 즉각적인 피드백과 다양한 제품개발 능력을 보유한 원강의 제품을 시공사와 제조사가 함께 개발을 진행한다면 조속한 시일 내에 국내의 다양한 암반에 적합한 제품군을 개발 완료할 수 있을 것”이라며 “이를 통해 시공사의 굴착효율 향상과 경제성 강화에 기여할 수 있을 것으로 예상됨에 따라 시공사를 비롯한 다양한 건설관련 업계의 지원을 기대하고 있다”고 덧붙였다.
