TUNNEL & UNDERGROUND SPACE Vol.28, No.4, 2018, pp.304-324 https://doi.org/10.7474/tus.2018.28.4.304 ISSN: 1225-1275(Print) ISSN: 2287-1748(Online) TECHNICAL NOTES 싱가포르지하공간개발의현황및이슈 이희석 *, Zhou, Yingxin LafargeHolcim Infrastructure & IKAM, Defence Science and Technology Agency Status and Issues for Underground Space Development in Singapore Hee Suk Lee * and Yingxin Zhou LafargeHolcim Infrastructure & IKAM, Defence Science and Technology Agency *Corresponding author: skec.spore@gmail.com Received: July 24, 2018 Revised: July 31, 2018 Accepted: July 31, 2018 ABSTRACT Singapore government is strongly promoting the development and utilization of underground space in national level due to the nature of the city state which lacks the land. As well as conventional underground utilization in shallow depth such as metro and underground roads, large rock cavern utilization has been started after the successful completion of the underground ammunition depot in the rock, and Jurong Rock Cavern, the second large underground cavern project has just been completed. In this paper, after evaluating the conditions of the underground development in rock mass through the analysis of the geology of Singapore, the history and current status of underground development are examined. Several creative development plans from Singapore government such as underground reservoirs, underground automation logistics systems and underground warehouses storage etc. are introduced with technical issues. This paper also discusses the problems and issues related to the development of large underground space in rock mass in Singapore. It is expected that such active development of underground space in Singapore can give many opportunities and also challenges for rock engineering and industry in the future. Keywords: Singapore, Underground Space, Rock Cavern, Underground Ammunition Cavern, Underground reservoir 초록 싱가포르는국토가부족한도시국가의특성으로인해지하공간의개발및활용을정부차원에서전국가적으로강력하게추진하고있다. 특히지하철과지하도로와같은일반얕은심도의지하공간의활용뿐아니라대규모지하공간사업으로서암반내지하탄약저장고프로젝트를성공적으로마친이후, 두번째대규모암반지하공간프로젝트인 Jurong Rock Cavern 을얼마전준공한바있다. 본논문에서는싱가포르의지질분석을통해암반지하공간개발의조건에대해평가한후, 싱가포르의다양한지하공간개발의역사와현황을살펴본다. 지하저수지, 지하자동화물류시스템및물류저장창고등정부차원에서향후추진이예상되는창의적인암반내주요지하공간관련계획및기술적인이슈들에대해서소개한다. 또한이러한대규모암반지하공간개발에관련된향후문제와이슈들에대해서논의한다. 싱가포르의이러한적극적인지하공간개발움직임은또한암반공학및업계에향후많은기회와과제를줄것으로기대된다. 핵심어 : 싱가포르, 지하공간, 암반공동, 지하탄약저장공동, 지하저수지 C The Korean Society for Rock Mechanics and Rock Engineering 2018. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/ licenses/by-nc/4.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
Status and Issues for Underground Space Development in Singapore 305 1. 서론 동남아시아에서가장부국이자도시국가인싱가포르는국가창립이후매립등을통해꾸준히국토를넓혀왔으며이를통해현재까지 22 % 의국토면적을증대시켰다. 하지만근래에는국토확장의한계에봉착하여도시지속가능성및국가경쟁력제고를위해지하공간의개발및활용이전국가적인화두가되고있다 (The Strait Times, 2012). 이전부터다른국가와마찬가지로지하철과지하도로등의교통시설의지하화는이미꾸준히진행되어왔으며, 최근에는지하전력구및하수터널, 서비스터널등다양한형태의지하공간활용이활발하게이루어지고있다 (Zhou and Zhao, 2016a; Zhou et al., 2017). 또한 1998년지하암반탄약저장시설 (Underground Ammunition Cavern) 의건설을최초로시작한후 2008년성공적인완공 (The Strait Times, 2008) 및운영으로부터시작하여최근준공된동남아시아최초의대규모지하유류저장시설인 Jurong Rock Cavern(JRC) 은한국에비해암반지하공간개발에지질및지형적인장점이뚜렷하지않음에도불구하고싱가포르정부에서얼마나지하공간의개발및활용을중요한미래방향으로설정하고있는지잘보여주는사례이다. 전통적으로싱가포르는많은한국건설사들이오랫동안사업을진행하여왔으며, 그간쌓아온유류비축기지등다양한지하공간개발의경험과기술을통해향후싱가포르시장에서다양한지하공간개발사업이활성화될경우새로운기회를얻을수있을것으로기대된다. 본논문에서는먼저싱가포르의지질등현황분석을통해대규모지하공간개발가능성에대해서고찰한후, 현재까지진행되고있는싱가포르의지하공간개발의현황을살펴보고현재준비되고있는다양한향후지하공간개발의계획과비전에대해서소개하고자한다. 또한보다특정하게, 대규모암반지하공간개발및연구사례들에대한경험및기술적이슈사항등을살펴보고향후이러한지하공간개발의계획들이잘실현되기위해서이루어져야할다양한과제에대해서논의하고자한다. 2. 싱가포르지질현황및대규모지하공간개발가능성 싱가포르는말레이시아대륙의지질에밀접하게연결되어매우유사한특성을보인다. Fig. 1은싱가포르에존재하는주요 10가지지질층서의분포양상을보여준다 (Cai, 2012). 이중에서가장대표적인층은결정질화성암인 Bukit Timah 화강암층, 석회암과사암등퇴적암계열의복합층인주롱층 (Jurong formation), 신생대모래및토양의퇴적층인구충적층 (Old Alluvium) 그리고주로천부에위치한칼랑층 (Kallang formation) 의 4가지이다. 싱가포르중부지역은상대적으로좋은암질의 Bukit Timah 화강암층이광범위하게분포하며, 노라이트 (Norite) 의경우에도유사한특성의지역으로구분할수있다. Bukit Timah 화강암은중생대트라이아스기에관입, 생성된전형적인화성암으로서평균강도는 160 MPa이며일반적으로치밀한불투수성의양질의암반이지만, 잔류토와만나는 10-30 m 부근에서는상당히심하게풍화된지역들도다수존재하여여러가지공학적인어려움을일으키기도한다 (DSTA, 2009; Zhao et al., 1994a, 1994b). 주롱층은주로서부및남부지역으로분포하며트라이아스기후기및쥬라기초기에기존암석등이퇴적되어서생성된후습곡,
306 Hee Suk Lee and Yingxin Zhou Fig. 1. Geological setting of Singapore (modified from Cai., 2012) 단층및변성등의지각작용을받은지층이다. 따라서수 m 간격으로석회암, 사암, 역암및화산쇄설물등의다양한지층이협재하는복잡한구조를일반적으로보인다. 주롱층의공학적인특성은일반적으로약한강도 (10-50 MPa) 를보이지만일부분은 160 MPa까지양호한암반도발견된다 (Cai, 2012). 하지만지각작용으로파쇄가많이되어있어전반적인암반은불량하며습곡등의영향으로암질이위치에따라매우급변하는경우가많다. 주로섬의동부에분포하는구충적층 (Old Alluvium) 은북서부일부에서도발견되며, 암석이라기보다는고화가진행되어가고있는하상퇴적층으로서수십에서 200m까지의깊이로분포한다. 주성분은진흙성모래 / 자갈과실트 / 점토렌즈가강하게결합된구조이다. 13 m 이상깊이에서는 N >100 이상으로고결성이높고조직이치밀해지하수침투가없어터널이나지반굴착시기계식굴착에도상당히안정적인편이다. 칼랑층은남서부등하상, 또는연안해안에수십 m까지존재하는매우연약한해성점토층으로서홍적세후기부터현세까지계속퇴적이진행되는전형적인연약지반이다. 따라서공학적으로지상및지하개발시에지반의침하와안정성에막대한영향을주어왔다. Cai(2010) 는싱가포르의지질및지형조건을분석하여대규모암반지하공간개발이가능한후보지역을선정하였다. 기본적으로화강암계열의지역인싱가포르중심부는대심도지하개발에적합한곳으로판단된다. 싱가포르는지형상 150 m 이상의산악지역이없고대체로편평한평지이므로지형상의고려또한중요하다. Bukit Timah 화강암지역의지형을분석한결과고도 40 m 이상의구릉지역은약 25개지역이존재하며, 주롱층지역에서도약 15개내외의지역의고도가 40 m 이상이었다.
Status and Issues for Underground Space Development in Singapore 307 Fig. 2는이러한분석결과가장암반지하개발이가능한곳을표시한것이다. 중부화강암지역과남서부주롱층그리고동북부화성암층 (Ubin 섬포함 ) 정도가향후지하공동의개발이가능한지역으로분류된다. 하지만주롱층의경우에는암반이상대적으로덜견고하고변화가심해지하개발시굴착 / 보강비용등이많이들고여러가지리스크가상존한다. 특히 Fig. 2에서 10-15번지역은명확한지질조사보다는지형및주변여건분석을통해서도출한바있다. Fig. 2. Potential area for rock cavern development in Singapore (Cai., 2012) 3. 싱가포르지하공간활용현황 3.1 주요도시사회기반시설다른많은대도시와마찬가지로, 지하공간개발은주로교통수단및지하쇼핑몰및주차장을통해이루어졌다. 2013년에수립된육상교통청 (LTA) 의 2013 마스터플랜 (LTA, 2013) 에따르면, 싱가포르의철도망은현재 180 km에서 2030년까지 360 km로 2배로커질예정이다. 이수치는현재잠정적으로사업이보류된말레이시아연결고속철도프로젝트를제외한것으로서, 2015년이후에는매년 12 km 씩연장이증가될것으로예측된다. 싱가포르지하철의경우대부분터널구간은 TBM (Tunnel Boring Machine) 으로굴착되며역사 (Station) 및선로교차부는개착터널로굴착된다. 현재건설되는모든철도망은기본적으로국토효율적인활용을위해모두지하로계획되어있다. Fig. 3에나와있는철도 2030 계획에따르면현재건설이진행되고있는 Thomson-East coast line에더불어 Jurong Region Line 및 Cross Island Line 등최소 2개주요노선이신규건설될예정이다. 최근에는연락갱이나보행자통로등에사각형 TBM이적용되고일부개착구간이 3 아치터널로건설되는등 (Thomson Line 213) 등다양한기술적시도를하고있다.
308 Hee Suk Lee and Yingxin Zhou Fig. 3. Rail network plan until 2030 (LTA, 2013) Fig. 4는싱가포르의현재운영되고있거나향후계획중인주요고속도로노선을보여주고있다. 본노선중에운영중인지하고속도로는 Kallang-Paya Lebar 고속도로 (KPE) 와 Marina Coastal Expressway(MCE) 이며현재 North South Corridor(NSC) 프로젝트건설이막시작되고있다. 지하도로특성상도로경사및건설효율성을고려하여대부분의지하도로는 Fig. 4에보는바와같이개착 (cut & cover) 방식으로가시설을굴착한후콘크리트구조물을건설후에되메우는방식으로진행되고있다. 특히 NSC 프로젝트의경우그림에나와있듯이전용버스노선, 지상의전용자전거및보행선등과병행된복합편의계획을잘보여주고있다. 하지만상대적으로 NSC 선이도심지연약지반을통과함에따라교통우회, 민원, 기존시설물의안전성및간섭, 칼랑층등연 Fig. 4. Existing and planned expressways in Singapore and new NSC project (Modified from the Strait Times, 2016)
Status and Issues for Underground Space Development in Singapore 309 약지반처리등건설에많은리스크와어려움이상존할것으로예상된다. 또한지하도로의계획차선이대부분 4-5차선으로서, 대형지하가시설굴착과연약지반문제등으로상당히큰건설비용이들것으로예상된다. 싱가포르는매우잘정비된계획도시답게대표적인사회기반지원시설 (utility) 로서지하전력구터널과대심도하수처리시스템그리고공유서비스터널 (CST) 등의대규모의시설들을지하화를빠르게진행하고있다. Fig. 5는현재건설이거의끝나가고있는싱가포르전력공사 (Singapore Power) 의전력구터널프로젝트의모식도와현장건설장면을보여준다. 국내의전력구터널이 2-4 m 정도임에비해내공단면이 6 m인대형 TBM을통해변전소등을연결하는다양한종류의고압선과기타전선등을장기적으로집중적으로설치할수있도록설계되었다. 또한전력구직경이크므로전기자동차를이용하여유지보수가가능한형태의설계를채택하였다. Fig. 5. Cable Tunnel Project in Singapore (The Strait Times, 2017) 이미철도및도로의지하간섭으로인해기존교통시설등과의간섭을고려하여현존하는터널노선중가장깊은지하 60 m 내외의대심도수직구사이로전력구터널을연결하였다. 동서라인 (EW) 및남북라인 (NS) 의총 6개공구로구성된본프로젝트는싱가포르도심지구간을통과하면서 Fig. 1에서설명한모든종류의지질조건과더불어다양한기존시설물과의간섭, 대심도수직구건설의어려움등많은기술적과제들을해결해야했으며, 특히공사규모에비해건설기간이상대적으로짧아 TBM 터널굴착과동시에케이블브래킷 (bracket) 과지지대 (support), 그리고기전시설건설등을동시에진행해야하는어려움을겪었다. TBM의경우대심도수압을고려하여대부분이수가압식 (slurry shield) 실드장비를사용하였으나, 지질의복잡성과강한수압, 그리고화강암반층의강한암반으로인한장비마모등으로많은어려움을겪었다. 이러한대심도하의전력구터널의경험은향후싱가포르 TBM 건설시새로운기준으로자리잡을것으로예상된다. Fig. 6은 PUB(Public Utility Board) 에서추진되어온대심도터널하수시스템 (Deep Tunnel Sewerage System, DTSS) 프로젝트현황을보여주고있다 (PUB, 2015). DTSS는싱가포르 3곳에분리되어있는주요정화시설 (WRP, Water Reclamation Plant) 까지대심도하수터널네트워크를통해효율적으로이송하기위한시스템이다. DTSS 1기는 2000년대최초로대심도 TBM 터널공사를진행한역사적인프로젝트로서대심도에서의수직구굴착및다양한지반에서 TBM 굴착의경험을축적하였다. 동부지역구충적층 (OA) 의굴착시에는상대적으로안정된지반으로토압식 (EPB) TBM으로양호한굴진율을보였으나일부구간에
310 Hee Suk Lee and Yingxin Zhou 서는상부지반의점차적함몰등으로인해지반침하등의문제를일으킨바있다. 특히중부화강암지역의경우초기이수가압식 장비를사용했지만심한장비의마모와수압으로인해전반적으로매우낮은굴착효율을보였다. Fig. 6. Deep Tunnel Sewerage System (DTSS) Project (PUB, 2016) Fig. 7은또다른형태의서비스터널로서 CST의개념도및실제완공된모습을보여준다. 일반적으로상수, 하수, 전력선, 텔레콤선등다양한도시기반시설들은각주무관청이나시설물공급자들에의해개별적으로계획되어건설되는것이일반적이지만, 싱가포르의경우매립공사등으로신도시나대규모타운개발을진행할때, 장기적으로전체도시계획을주도하는도시재개발공사 (Urban Redevelopment Authority, URA) 에서이러한시설들을통합하여계획, 발주하는형태이다. 대표적인사례로 Marina bay 신상업지구계획시에지하에개착터널로 CST를통합계획, 건설하여건설비의효율성을제고하고지하의다양한개별시설들의간섭들을최소화할수있다. 그림에서보듯이실제수요에비해장기적인확장을고려하여터널의규모역시상당히크게계획하여향후추가적인부담을최소화하였다. 지하개발등에있어서행정관청의장기적이고주도면밀한계획이얼마나중요한지를잘보여주는사례이다. (a) Concept of CST Fig. 7. Common Service Tunnel (URA) (b) CST under operation
Status and Issues for Underground Space Development in Singapore 311 3.2 대규모암반지하공간개발현황 Table 1은싱가포르에서의암반지하공간개발관련된주요활동들에대해서열거한것이다. 암반지하공간개발의최초연구는 1980년대부터시작되었으며 (Broms, 1989), 일련의타당성연구들이 1990년대싱가포르의다양한지층에대해서수행되었다 (Broms and Zhao, 1993, Zhao and Lee 1996). 난양공대 (NTU) 에지하기술및암반공학프로그램 (UTRE) 이설립되면서부터국가적으로암반공학및지하개발을위한노력들이체계화되고질적으로성장을하게된다. 싱가포르에있어서암반지하공간개발의획을긋게된것은지하탄약저장시설의건설이며, 2007년부터시작되어최근에완공된 Jurong Rock Cavern(JRC) 의계획및건설이다. 이미완공된두개의주요암반지하공간개발프로젝트에대해서는향후상세하게논의한다. 또한아래표에있는최근의주요지하공간개발계획및연구현황에대해서는별도로논의하기로한다. Table 1. Summary of major activities on rock cavern development (Modified after Lui et al. 2012) Period Major Activities and Development 1990 1994 Feasibility study of rock cavern construction in the Bukit Timah Granite by PWD/NTU 1995 1998 Feasibility study of rock cavern construction in the Jurong Formation by NTU/PWD First Tasks Force on promoting use of rock cavern was set up and led by URA, and the Tasks Force recommended MINDEF to take the lead. Feasibility study of the UAF (underground ammunition facility) by MINDEF/DSTA Establishment of Underground Technology and Rock Engineering (UTRE) program at NTU supported by DSTA 1997 2000 Feasibility study of the Underground Science City (USC) by NTU/JTC Construction of the UAF started in 1999 by MINDEF/DSTA 2001 2007 Feasibility studies of hydrocarbon storage caverns at the Jurong Island (JRC) by JTC and NTU. Other preliminary feasibility studies of underground space using rock caverns, e.g., Science Centre below Mount Faber, Jurong Bird Park extension into the Jurong Hill. 2007 2013 JRC (Jurong Rock Caverns for hydrocarbon storage) shaft construction started in 2007 and cavern construction in 2009 Government set up inter-agency Underground Master Planning Task Force Further feasibility study on the USC at Kent Ridge commissioned by JTC Feasibility study on underground warehouse caverns at Tanjong Kling by JTC Feasibility studies of several industrial usages of rock caverns by JTC/MND Nanyang Centre of Underground Space (NCUS) established at NTU in 2012 Underground space master planning study of the NTU campus MND research and development call on Sustainable Urban Living 2013 present Feasibility study for underground automated good mover system and Jurong West Underground Caverns Feasibility study for underground cavern development at Gali Batu Feasibility study for land optimized use for Kranji Water Treatment Plant Feasibility study for underground drainage and reservoir system (UDRS) 3.2.1 암반지하탄약저장시설지하탄약저장시설 (Underground Ammunition Facility, UAF) 는싱가포르최초의암반지하공간으로서싱가포르중북부 Bukit Timah 화강암지층에건설되었다 (Zhou et al., 2017). 본프로젝트는 1999년에국방과학연구원 (Defence Science and Technology Agency, DSTA) 의주도하에시작되어국방성에의해 2008년에준공되었다. 본시설의준공을통해 Seletar 지역에있던지상탄약고의이전을통해약 4 km 2 의지상면적을다른용도로활용할수있게되어서안전성의향상과더불어지하공간의
312 Hee Suk Lee and Yingxin Zhou 효용성에대해서싱가포르정부에각인시켜줄수있게되었다. Fig. 8은지하탄약고의주요시설의평면도및안전시설, 건설시굴착전경및완공후모습을보여준다. 그림에서보듯이시설이위치한지하는 Q값이양호 (10-40) 이상이 75% 정도로서매우양호한암반이며, 건설동안지하수유출도많이발생하지않았다. 3붐 (boom) 점보드릴을이용하여싱가포르에서처음으로분상폭약 (bulk emulsion) 을발파에이용하여암반굴착을진행하였다. (a) Typical layout and safety measure (b) Excavation of cavern (c) Completed cavern view Fig. 8. Underground Ammunition Facility (Zhou et al., 2017) 본프로젝트를통해최초로싱가포르에서토모그래피, 탄성파및전기탐사, 시추공물리탐사등지하공동개발을위한암반공학적인조사방법들이적용되어체계화되었으며, 수압파쇄및응력해방법을통한초기지압측정치는최대 3의측압계수로서본프로젝트의건설단면에적합한응력분포를보였다. Table 2와 Fig. 9는본지하저장시설에사용된기본단면과전형적인발파설계패턴을보여준다. 시공성을고려하여상부분할과더불어대단면의경우 3-5 m의벤치 (bench) 를사용하여분할굴착을하였다. Table 2. Typical cavern section (Zhou, 2014) Tunnel Parameters Type I Type II Type III Width, m 10 15 30 Wall height, m 4.5 6.5 8.5 Crown height, m 8.1 11.2 13.5 Area, m 2 62 115 275
Status and Issues for Underground Space Development in Singapore 313 Fig. 9. Section for cavern and typical blasting design (Zhou, 2010) 3.2.2 Jurong Rock Cavern 최초암반지하공동인 UAF의성공은두번째대규모암반지하공간개발프로젝트인 Jurong Rock Cavern (JRC) 의시작을가능하게하였다. JRC 프로젝트는동남아시아에서가장큰지하저장기지로서 2014년 9월에싱가포르총리에의해 1A 단계일부시설의공식적인준공을선포하고운영을개시하였으며최근나머지잔여저장시설들도완공되었다. Fig. 10은 JRC 프로젝트의기본구성및수직구및저장공동의모습을보여주고있다. 본유류저장시설은석유화학단지의메카인주롱섬산업단지와연계하여주롱섬주변해상의반얀수역 (Banyan Basin) 해수면지하 150m 아래에위치하며총저장용량은약 150만 m 3 에이르며, JRC의성공적인준공을통해약 60 hectare의지상토지의절감을할수있는효과를거두었다. 하지만그림에서보듯이지질조건보다는상업적필요성에의해위치가결정되고설계가되어기술적으로여러가지어려움과리스크들을가져건설기간동안많은문제들을해결해야했고이를통해많은경험을축적하였다. 저장공동이일반적으로흔하지않은퇴적암층인주롱층에위치하고또한매립지로구성된주롱섬평지에서지하로대구경수직구를통해진입하여바다밑속에건설되었다. 이러한도전적인입지조건은모든운송및시설접근이 2개의수직구로집중되어시공상의어려움과더불어다량의지하수침투와상대적으로연약한퇴적암층의보강량과다등으로공기및공사비에영향을주었다. 또한석유산업단지에위치한대규모지하저장시설의안전및방재기준등에대해지상법과같은조건을적용하다보니방화 / 방폭등의기준들역시기존의지하저장시설에비해매우엄격하게규정되어예상보다기준충족을위한비용이많이소요되었으므로건설비최적화등을위해추후개선의여지를남겼다. 이외에도해수침투로인한지하환경의열화로기존설치시설물과공사용시설의부식등여러가지로국내기존유류저장기지와는색다른경험들과노력들을통해완공에이르게되었다. 향후이러한경험들은싱가포르뿐아니라전세계대형암반지하공간개발시에좋은시금석이될수있을것이다.
314 Hee Suk Lee and Yingxin Zhou (a) Schematic illustration of JRC project (Strait Times, 2014) (b) Access shaft and operational tunnel Fig. 10. Jurong Rock Cavern Project (The Strait Times, 2014) (c) Storage cavern view 4. 싱가포르의향후지하공간활용계획 4.1 URA 지하공간개발마스터플랜 앞서언급한바와같이도시재개발공사인 URA 는지상뿐아니라지하를포함한싱가포르백년대계의모든도시계획을총괄하 여준비하고있다.
Status and Issues for Underground Space Development in Singapore 315 URA는 1990년대후반이미 UAF 시설준비시앞장서계획을주도한바있으며 2000년대후반에는 Table 1에있는각정부기관간의지하마스터플랜태스크포스 (UMPTF) 를주도하여다양한지하공간개발의필요성과관련요구사항들을조율해왔다. 지하마스터플랜의개발은잠재적인용도와정부에주는혜택을판별하여이러한용도에맞는잠재적부지를결정하는것이다. 또한당면한잠재적인지하개발프로젝트를판별하고이를위한기술적인과제를해결하며예산을준비하는동시에또한정부최고위층으로부터의정책적지원을받는것들을포함한다. 2010년에는총리직속실산하경제전략위원회 (ESC) 에서는특정지하공간사용계획에대해추천을했으며이에정부는지하공간의사용을전략적인수준으로격상시키기로결정했다. 이러한결정에따라서 URA 주도로현재범국가차원의지하공간마스터플랜을준비하고있으며, 2019년에이에대한청사진을공식적으로발표할계획이다 (The Straits Times, 2018). 최근 URA와 Arup(2017) 은전세계다양한국가와도시들의지하개발현황과특징을분석하여지하공간개발및관리에대한국제적인우수사례 (best practice) 에대해서조사한바있다. Fig. 11은이러한기준현황 (benchmark) 연구의결과물로서각국가주요도시별지하공간활용에대한정도를비교한것이다. Fig. 11. Comparison of cities for underground space utilization (URA, 2017) 2014년자료에기초한본조사에따르면싱가포르는철도분야에서는도쿄다음으로앞서있지만지하보도나도로에있어서는매우뒤쳐져있는것으로나타났다. 또한싱가포르가현재대심도암반지하공간을저장용도로만사용하고있으므로, 유틸리티플랜트나데이터센터와같은다른용도로암반지하공간을사용하고있는도시들로부터의경험을배워야한다고추천하였다. Fig. 12는 URA에서미리발표된 2019년을목표로준비중인지하마스터플랜의개념을이해하기쉽게정리한것이다.
316 Hee Suk Lee and Yingxin Zhou 각심도별로현재까지진행되고있거나계획되고있는싱가포르에서의다양한지하공간의활용의기본청사진이체계적으로잘정리되어있다. 특히아직공식적인발표가없는단계에서지하저수시설개념이그림에나와있는것으로미루어, 본프로젝트가차기주요프로젝트로심각하게고민하고있음을알수있다. 또한최근에 URA에서개최한지하공간개발전시회에서 MND (Ministry of National Development) 장관에의해공표된바에따르면싱가포르전력공사 (Singapore Power) 에서대규모변전소들을모두지하화하는계획을추진하고있다고하며, 시험 (pilot) 프로젝트가곧시작될예정이다. Fig. 12. Concept for underground space masterplan (The Strait Times, 2018)
Status and Issues for Underground Space Development in Singapore 317 4.2 향후주요암반지하공간프로젝트 4.2.1 지하과학도시지하과학도시 (Underground Science City, USC) 프로젝트는이미 1990년대후반부터초기개념화및타당성연구가시작되어최근까지싱가포르토지개발공사인 JTC(Jurong Town Corporation) 에서계속진행되어온대표적인지하공간개발프로젝트이다. 기본개념은싱가포르국립대학 (NUS) 가위치한 Kent ridge 언덕에기존에있는과학공원아래에대규모의지하과학첨단연구시 (a) Artistic impression of Underground Science City (b) Conceptual layout of USC Fig. 13. Underground Science City (After Cai, 2010)
318 Hee Suk Lee and Yingxin Zhou 설단지를개발하는것으로서본지역이특이하게양질의화강암지역으로서대규모암반지하공간개발에적합한것으로판단되었다. Fig. 13은이러한 USC의비전을잘보여주는개념도및배치도를보여주고있다. 바닥심도는약 80-100 m 정도기존과학공원지표에위치하며공동은 22 m 높이 5층시설물로건설된다. 수직구를통해진입하며상호건물들을연결하는수평갱이있다. 주요중장비가필요한시험시설이바닥에위치하고나머지는연구시설등으로임대를할수있는것으로평가되었으며본프로젝트를통해약 200,000 m 2 의연구및과학시설을유치할수있다. 본프로젝트는일반주거시설이아니고지하공간창출측면에서매력적이므로초기에심도있게검토되었으나시설투자등공사비측면에서막대한예산이필요하고또한환기 / 방재및준주거환경등의여러가지기술적인문제등이해결되어야하고, 고층건물시설에비해효용성측면에서논의의여지가있으므로현단계에서는지하공간마스터플랜에서우선순위가낮은것으로예상된다. 4.2.2 지하암반저수 / 배수시설및양수발전소현재싱가포르 PUB (Public Utility Board) 주관하에상세한타당성조사가진행되고있는프로젝트로서 (The Strait Times, 2015) Fig. 12의지하공간마스터플랜개념에이미들어가있을정도로차기실현가능성이높을것으로기대되는프로젝트이다. 싱가포르는수자원독립및보존을매우중요한과제로여겨와서좁은국토면적에도불구하고총 18개의지상저수지및매우큰면적의물포집지역 (catchment area) 를보유하고있어, 전체지상공간에서의점유율이매우높은상황이다. 따라서기본개념은현재운영되는지상저수지일부를지하암반저수공동으로바꾸고물배출및이동을지상저수지들과연계한시스템을만드는것이다. Fig. 14는이러한지하암반저수지의개념을보여주고있다. 지상 40 m 이상구릉지역에위치한포집지역저수지들과연계하여지하 100 m 이하심도에 1개 50만 m 3 용량의공동을 20여개건설하면 1천만 m 3 의저수용량을지하에보유할수있다. 이경우작은신도시규모의지상부지를다른용도로활용할수있으므로싱가포르의부지부족문제의심각성을고려할때직간접적인효용을매우클것으로기대된다. 또한 100여 m 낙차를통한지하양수발전소개념은용량및효율측면에서한계가있지만, 향후기술발전을고려할때충분히가능성이있는시나리오이다. 또한대부분의대형지표저수지및포집지역이싱가포르중북부지역을중 (a) Early concept of underground reservoir linked with pumped power plant Fig. 14. Concept of underground reservoir system with caverns
Status and Issues for Underground Space Development in Singapore 319 (b) Conceptual system diagram for underground reservoir (After Lui et al., 2012; Zhou et al., 2017) Fig. 14. Concept of underground reservoir system with caverns (Continued) 심으로위치하고있으므로암반공학측면에서싱가포르에서가장양호한 Bukit Timah 화강암지대의구릉지역이대표적인후보지역으로예상된다. 하지만, 이는전세계적으로실현된적이없는신개념의지하공간활용방안으로서전체시스템의기술적인문제해결과더불어기존지하수시스템과의상호간섭및상호작용, 또한시공상의여러가지과제들이제기될것으로보이며, 전세계적으로관련한사례가아직까지거의없으므로학계에서도관심을가지고연구해야할것으로보인다. 4.2.3 지하자동화물류이송시스템및암반물류저장시설 2015년부터 JRC의발주처인 JTC(Jurong Town Corporation) 에서는현재건설이진행중인 Tuas 항만공사와연계된신개념의대규모지하공간개발프로젝트에대한타당성조사를진행해왔다. 즉, 기존의센토사와 Tanjong Pagar 지역의오래된항만시설을산업시설이밀집한서부매립지인 Tuas 지역으로모두이전하고이에맞춰서모든물류및저장시스템을자동화하여물류의지상교통흐름을최소화하고자하는의도이다. Fig. 15는 IGMS(Inter-estate Goods mover system) 의개념도및관련된지하암반물류저장시설에대해보여주고있다. 즉 Tuas 항만으로부터지하를통해바로컨테이너등화물을하역한후에싱가포르중부에있는 3개의후보지하암반저장시설까지 TBM 터널을통해자동화시스템으로물류를운송하여바로저장하는개념이다. 이러한물류시설은향후말레이시아고속철도등이현실화될경우고속철도시스템과연계되어대륙으로의물류시스템과연결도구상되고있다. 문제는 TBM 터널굴착길이등이상당히길기때문에경제성등을고려할때 Fig. 15(a) 에나와있듯이대형 TBM 터널을지하도로및서비스터널과연동하여사용하는개념을추진하고있다. 지하암반저장시설의예로과거에연구되었던 Tanjong Kling 저장소의개념배치및단면도를 Fig. 15(b) 에나타낸다. 공동의크기는 24 20 m (H : W) 로서 3층또는 4층의저장공간을배치할수있다. 저장공동자체는세계적으로유사한사례가많으므로기술적으로그리어렵지않겠지만, 마찬가지로건설비용과더불어효율적인자동화운송시스템에대한기술적인진보가필요하
320 Hee Suk Lee and Yingxin Zhou (a) Concept and schematic of IGMS System (JTC Corporation, 2015) (b) Underground Warehouse and Logistics at Tanjong Kling Fig. 15. IGMS and underground warehouse project (Zhou et al., 2017) 다. 이러한획기적인물류시스템이실현된다면싱가포르지상부지의최적활용과더불어지상물류최소화및지상환경개선으로 인한직간접적인많은효과를볼수있을것으로기대된다. 4.3 향후싱가포르지하공간개발의이슈및과제 위에서설명한바와같이현실적인필요에의해싱가포르의지하공간개발은향후점점활성화될것으로기대된다. 하지만지하 공간개발은여러가지요소로인해쉽지않은도전과과제의해결을필요로한다. 아래에서는싱가포르지하공간개발에수반되는
Status and Issues for Underground Space Development in Singapore 321 몇가지주요과제와이의해결을위한방향에대해논의한다. 4.3.1 지하공간개발적합부지선정지하공간개발은그특성상지하심부까지 3차원적인상세한지질정보가필요하다. 따라서 3차원적인지하공간개발특성상, 지하공간마스터플랜을발전시키기위해서는지하기반시설에대한수직적인계획이무엇보다도중요하다. 항상지하의 3차원적인기존자료는부족하거나많은불확실성이존재하다. 또한다양한교통, 서비스시설이지하에이미건설되어오고있으므로향후지하공간개발은정확한 3차원적인지하정보에기초하여각시설간의간섭을최소화시키고부지효율성을극대화시킬수있도록준비되어야할것이다. 싱가포르정부에서도이에대한중요성을인식하고있으며, 건설부 (BCA, Building and Construction Authority) 를중심으로싱가포르전역에대한기존시설정보와통합된 3차원적인체계적인정보및데이터베이스구축에노력중이다. 이미 2장에서논의되었듯이타국가와달리평지중심의지질구조 (Zhou and Cai, 2011, Zhao et al., 2012, Zhou and Zhao, 2016b) 는암반지하공간개발의적합한부지를찾는데많은제한이있다. 결국 Fig. 2에설명한바와같이가장높은구릉지역은싱가포르중북부의 Bukit Timah 지역으로서최고해발이 163 m이고대부분 Bukit Timah 화강암지대로서주변에폐광된석산등이다수존재한다. 이러한과거석산지역은향후개발시주요진입터널의좋은후보지이다 (Zhou, 2014). 낮은표고로인해이지역을제외하고는지하공간개발시에대부분수직구를통해진입해야하는상황이다. 싱가포르의열대성기후는침식과풍화과정에영향을많이주어서주롱층의경우풍화심도가 45 m나그보다더깊은것이일반적이다. 또한 Bukit Timah 화강암의경우에는풍화층의심도가 10-50 m 정도로가변적이다 (Zhao et al 1994a, 1994b; Sharma et al., 1999; Zhou, 2001). 잔류토양 (Residual soil) 은싱가포르전체면적의약 3분의 2를차지하며중서부에기반암층위에존재한다. 결국싱가포르에서암반지하공간개발의가장큰과제는대형공동개발이가능한적합한입지를찾고다른시설물과의간섭및효율성등을극대화하는것이다. 4.3.2 지하공간개발의경제성많은이들이일반적으로지하공간은지상에비해공사비가훨씬더많이든다고여겨왔다. 실제로공사비및경제성이슈는다양한지하공간을최적화하여사용하는데큰장벽이되어왔다. 비록지하공간의많은직간접적인효용성과가치에대해서논의가되고생애주기비용 (life cycle cost) 또는총소유비용 (TCO, Total Cost of Ownership) 등을도입하여분석하려는다양한노력에도불구하고막상실제개발에대한결정은종종순전히공사비의평가에기초하여이루어지는경우가많다. 싱가포르정부에서도직접정량화가가능한공사비와같은비용과편익 ( 매출, 부지비용가치 ) 그리고시장현가가치등을종합적으로고려한무형의비용및사회적환경편익등을직접고려한비용편익분석 (CBA) 방법을사용하고있다. 하지만중요하지만많은무형의시장가치를산출하기가실제로는매우힘든경우가많다. 따라서, 전략적인중요성이있는많은무형의편익들을고려하기위해서는보다시스템적인방법으로의사결정을도울수있는대안적인접근법들이필요하다. 따라서향후지하공간의비용과편익들을보다정량적이고효율적으로평가할수있는도구들을개발하는것이중요하며, 계층분석과정 (AHP, Analytical Hierarchy Process) 과같이다양한비수치적인변수들을보다객관적이고정량적으로비교하는데사용되어온방법들이대안이될수있다. 또한지하공간개발의경제성을높이기위해서는무엇보다도직접적으로지하공간개발건설비를최적화시키기위한노력이필
322 Hee Suk Lee and Yingxin Zhou 요하다. 앞서설명한바와같이지형적인여건으로인한공사비증가를최적화하기위한진입방법의개선, 또한굴착암석을골재 및건설재료로재활용하여공사비를상쇄할수있는방안등의다양한고민들이필요할것이다. 4.3.3 지하공간개발의복잡성및기술적과제지하공간개발은그자체로서다음과같이복잡한시스템을이루는많은특성들을갖는다 (Zhou, 2016a). 지하개발프로젝트는주로대규모로서많은예산을필요로함 계획에서개발까지많은시간이걸림 일반적으로많은수의공동이필요하며그구성요소와하위시스템이다양함 상호의존하는다양한많은독립변수가관련되며때로는예측이어려움 개발기간동안프로젝트에영향을줄수있는많은이해관계자가관련됨 설계나다른방법들을통해연결성을증대시킬수있음즉, 지하공간개발은그자체로동적이며, 지정학적인사건에따라요구사항이바뀌기도하고, 기술적생애주기보다더오래지속되어복합적인시간스케일이관련되기도한다. 또한경계조건들을정하기어려워서각관련인자들의상호관계를정의하기불가능할때도있다. 따라서이러한지하공간의복잡한특성을고려할때, 계획시에는복잡성을다루는시스템적인사고및공학을통해그최적대안을도출하는총체적인접근방법이필요하다. 즉시스템적인접근법은의사결정을위해총체적인접근이가능하게하므로의사결정자가지하공간의사용을보다큰경제시스템 ( 도시개발, 경제전략 ) 의일부로서보는관점이필요하며계획, 설계, 시공및운영유지등의전체프로젝트생애주기관점에서검토해야한다. 특히도시국가로서싱가포르의다양한특성과싱가포르정부의국가적인차원에서공간독려정책은전체적인경제개발관점에서지하공간의활용이중요한인자가될수있다. 하지만, 이러한개발들을현실화하고더매력적으로만들기위해서는암반공학을비롯한다양한각시스템의요소기술들의진보와신뢰성, 그리고관련기술들의효율적인결합이필수적일것이다. 4.3.4 기타고려사항싱가포르에서지하공간의사용의또다른장벽은법적및행정적인한계일것이다. 지하공간에대한소유권과지상소유권과의보호관계및재산권정의등에대한정비가필요하며, 국가적인차원에서개발안전및환경보호에대한행정적인제어가필요하다. 앞서전술한경우지하굴착암석에대한재활용여부도관계당국의행정적인조치가있어야만가능하다. 즉굴착암석을폐기물로처분하는것이아니라적극적으로활용할수있도록하는제도적인틀이필요할것이다. 지하공간건설및운영시의안전도매우중요하며싱가포르관련관청및기술자들내에서본사항을매우보수적으로다루어왔으나, 지하공간에대한안전기준등에대해많은부분이더명확하고효율적으로정의되어야할것이다. 과거니콜고속도로 (Nicole Highway) 붕괴 (2004) 이후싱가포르건설부는지하굴착시타국가에비해매우보수적인구조설계기준을유지하고있다. 하지만암반공동과같은다른특성의구조물의안전기준에대해안전을보증하면서도보다효율적이고기술기반적인방법으로기준들을제정한다면건설비최적화등효율성을증진시킬수있도록해야할것이다.
Status and Issues for Underground Space Development in Singapore 323 지하공간은또한많은경우에지하개발이외에더다른대안이없을때에만필요에의해건설되는경우가많다. 이러한경우에는이미개발된타지상시설등으로인해건설비용이매우비싸질수가있다. 이에비해상대적으로개발이덜된지역에서초기개발을할경우투자비용은최소화될수있다. 따라서시간적인고려도중요하며, 이와같은이유로싱가포르의지하공간개발은전체적인도시계획에따라장기적으로미리계획및실행되어야할것이다. 5. 결론 이논문에서는싱가포르지하공간개발의역사와현황그리고향후개발을위한이슈들에대해서논의하였다. 결국장기적으로싱가포르는더많은지하개발을할수밖에없으며, 2019년에발표될예정인지하공간마스터플랜에포함된주요계획에따라향후체계적으로진행될것으로예상된다. 하지만, 위에서설명한바와같이이러한대규모지하공간개발을효율적으로진행하기위해서는해결해야할많은과제들이산적해있으며, 특히다양한기술적인경험의축적이더필요하며, 지하공간개발을효율적으로담당할수있는인력역시아직까지제한적인것으로판단된다. 이러한경험부족은암반공동의특성을제대로이해하지않은채일반지하굴착이나기준에따른과잉설계나과도한공사비및매우긴공사기간등을초래할수있으므로향후싱가포르지하공간개발의비전을어렵게만들수도있다. 하지만전세계적으로도특이하게발전되고있는이러한싱가포르의지하개발계획비전은이때까지수십여년간국내에서다양한지하공간개발을해왔으나최근관련개발이정체되어있는국내업계및학계에또다른발전의기회가될수있다. 따라서, 기존의국내터널, 지하유류저장시설등다양한지하공간개발과관련된다양한경험들을잘축적하고학술적으로관련주제들에대한연구활성화를통해기술적인차별성을향후더발전시켜향후진행될싱가포르지하공간개발의계획, 설계및시공등다양한분야에기여할수있도록국내암반공학및관련기술자들의노력과준비가필요할때이다. REFERENCES Broms B.B., 1989, Singapore A City of Opportunities and Challenges, Proceedings of the Seminar on Rock Cavern Hong Kong, Malone, A.W. & Whiteside, P.G.D., (eds), The Institution of Mining and Metallurgy, 131-138. Broms B.B., Zhao J., 1993, Potential Use of Underground Caverns in Singapore, Proceedings of Rock Caverns for Underground Space Utilization, Nanyang Technological University, Singapore, 11-21. Cai J. G., 2010, Development of underground development of underground rock caverns, SRMEG Seminar material Cai J.G., 2012, Geology of Singapore, presentation material for SRMEG Geotechnical Appreciation Course. DSTA (Defence Science and Technology Agency, Singapore, 2009, Geology of Singapore, 2 nd Edition. JTC Corporation, 2015, Feasibility studies for underground inter- estate goods mover system tunnel linking Tuas Port with industrial estates and underground cavern development at Jurong West. JTC Tender Document (JTC000/T/15B/2015). Land Transport Authority of Singapore, 2013, Land transport master plan 2013. Lui P.C., Zhao J., Zhou Y.,2012, Creation of Space in Rock Caverns in Singapore Past, Present, and Future (keynote paper). Proceed. of the 13 th ACUUS, 7-9 Nov. 2012, Singapore.
324 Hee Suk Lee and Yingxin Zhou Sharma J., Chu J. and Zhao J., 1999, An Overview of the Geological and Geotechnical Features of Singapore, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol.14, 419-431. The Straits Times, 2008, Singapore s Ammo Stored Safely Underground, The Straits Times, 8/3/2008. The Straits Times, 2012, Underground, the next frontier for Singapore, The Straits Times, 28/9/2012. The Straits Times, 2014, Five things to know about the Jurong Rock Caverns, The Straits times, 2/9/2014. The Straits Times, 2015, PUB could unearth Singapore s water problems, The Straits Times, 17/6/2015. The Straits Times, 2016, Experts welcome dedicated bus lane on North-South Expressway, 22/1/2016. The Straits Times, 2017, The Singapore s deepest tunnel system, The Straits Times, 20/12/2017. The Strait Times, 2018, Masterplan of Singapore s underground spaces ready by 2019, The Straits Times 12/02/2018. PUB (Public Utility Board), 2016, Deep Tunnel Sewerage System (DTSS) Phase 2, Presentation material at TUCSS monthly lecture. URA (Urban Redevelopment Authority, Singapore) and Arup, 2017, Benchmarking Study and Establishment of Guidelines for Underground Space Planning and Development in Singapore. Zhao J., Broms B.B., Zhou Y., Choa V., 1994a, A study of the weathering of the Bukit Timah granite, part A: review, field observation and geophysical survey. Bulletin of the International Association of Engineering Geology, No.49, 97-106. Zhao J,, Broms B.B., Zhou Y., Choa V.,1994b, A study of the weathering of the Bukit Timah granite, part B: field and laboratory investigations. Bulletin of the International Association of Engineering Geology, No.50, 105-111. Zhao J., Lee K.W., 1996, Construction and utilization of rock caverns in Singapore, part C: planning and site selection. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol.11, 81-84. Zhou Y., 2001, Engineering geology and rock mass properties of the Bukit Timah granite, Underground Singapore 2001, 29-30 Nov. 2001, Proceedings, 308-314. Zhou Y., 2010, Rock Engineering for an Underground Storage Facility in Singapore, SRMEG, Lecture Handout. Zhou Y., Cai J.G., 2011, Rock Cavern Space Development in Singapore, Proc. of the Joint HKIE-HKIP Conference on Planning and Development of Underground Space, 23-24 Sept. 2011, Hong Kong. Zhou, Y., 2014, Planning and development of underground space a systems perspective. Proc. of the 14 th World Conference of the Associated research Centres for the Urban Underground Space. 24-26 Sept. 2014, Seoul, 373-378. Zhou Y., Zhao J., 2016a, Assessment and planning of underground space use in Singapore. Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 55, 249-256. Zhou. Y. and Zhao J., 2016b, Advances and Challenges in Underground Space Use in Singapore, Geotechnical Engineering Journal of the SEAGS & AGSSEA Vol. 47 No. 3. 85-95. Zhou. Y, Teo., T.W., Cai J.G., 2017, Rock Engineering Practice for Development of Underground Caverns in Singapore. GeoSS 10th Anniversary Conference - A Decade of Geotechnical Advances. 30 Nov. - 1 Dec. 2017.