일본산업뉴스요약

지하 46m를 ‘오픈 케이슨’으로 수중 굴착
이바라키현에 뉴트리노 관측 시설 구축

노벨상급 연구 성과가 기대되는 ‘하이퍼 카미오칸데 계획’. 소립자의 일종인 뉴트리노(중성미자)를 관측하기 위한 대규모 지하 시설 정비가 이바라키현 도카이무라에서 진행되고 있다.

고에너지 가속기 연구기구(KEK)는 2026년 4월 2일, 하이퍼 카미오칸데 계획에 사용될 ‘중간 검출기’ 건설 현장을 언론에 공개했다. 깊이 약 46.6m, 외경 13.6m에 달하는 수직갱 굴착 공사다. 발주처는 KEK, 설계는 일본공영(Nippon Koei)이 맡았다. 시공은 모리구미(Morigumi)가 담당하며, ‘압입식 오픈 케이슨 공법’을 채택한 것이 특징이다. 공기는 2025년 8월부터 2028년 2월까지 예정되어 있으며, 총공사비는 약 16억 900만 엔에 달한다.

-- 500톤 규모의 구조체를 11단 쌓아 올리다 --
압입식 오픈 케이슨 공법이란, ‘케이슨’이라 불리는 철근 콘크리트(RC) 구조체를 지상에서 미리 구축한 뒤, 내부를 굴착하면서 구조체 자체 중량과 유압 잭의 하중을 이용해 지하로 가라앉히는 공법이다. 이번 건설 부지는 지표면에서 불과 1m 깊이에 지하수가 흐르고 있다. 이 때문에 수위를 유지하면서 공사를 진행하는 ‘수중 굴착’ 방식을 도입했다.

구체적인 시공 흐름은 다음과 같다. 우선 길이 60m의 그라운드 앵커 12개를 타설한다. 공사 초기 단계에서는 8개를 상단부 유압 잭과 연결하고, 필요에 따라 최대 12개 전체를 연결해 압입력을 보강할 수 있도록 설계했다.

구조체는 RC링을 11단으로 나누어 구축한다. 1단당 높이는 약 4.0~4.5m, 무게는 약 500톤이다. 최하단부에는 원형의 칼날을 설치한다. 이 칼날은 바닥 지점에 도달한 후에도 철거하지 않는다.

1단을 구축할 때마다 내부 지반을 그랩 버킷으로 수중 굴착한다. 현장 관리 기술자인 모리구미의 미즈노(水野) 소장은 “지하수위에 따른 히빙이나 보일링 등의 영향을 받지 않도록 지하수 수위를 유지하고, 적절히 수돗물을 주입하면서 굴착을 진행한다”고 설명했다.

그랩 버킷을 이용한 굴착과 구조체의 자체 중량, 유압 잭의 압입력으로 구조체를 서서히 수중에 설치해 나간다. 각 단의 시공이 끝날 때마다 유압 잭을 일단 철거하고 다시 비계를 설치해 다음 단을 구축하는 공정을 총 11회 반복한다. 미즈노 소장은 “1단당 시공에 약 1~1.5개월이 소요된다”고 밝혔다.

굴착 완료 후에는 바닥 뚜껑 역할을 할 수중 콘크리트를 트레미관으로 투입한다. 측면은 주변 지반과 일체화하기 위해 콘택트 그라우트 공법을 사용해 구조체와 지반 사이의 틈새를 시멘트 벤토나이트 용액으로 충전한다. 마지막으로 내부의 물을 배수하면 공사가 완료된다.

미즈노 소장은 공법의 난제로 “구조체의 경사를 정밀하게 제어하며 가라앉혀야 하는 점”을 꼽았다. 오픈 케이슨 공법에서 편심량(중심에서 벗어난 정도) 허용치는 30cm 이내다. 이번 현장에서는 “유압 잭에 압력계, 구조체에 경사계를 부착해 편심량 15cm 이하를 목표로 정밀하게 압입력을 관리해 나간다”고 덧붙였다.

-- 연구 목적은 ‘뉴트리노 진동’의 해명 --
하이퍼 카미오칸데 계획은 2025년 10월 기준으로 23개국, 약 650명의 연구자가 참여하는 국제 공동 연구 프로젝트다. 도쿄대학과 KEK가 중추 기관이며, 기후현 히다시에서 건설 중인 지하 실험시설 ‘하이퍼 카미오칸데’가 프로젝트의 메인이다.

연구의 목적 중 하나는 뉴트리노가 비행 중에 종류를 바꾸는 현상인 ‘뉴트리노 진동’을 해명하는 것이다. KEK와 일본 원자력 연구개발기구가 운영하는 ‘J-PARC(대강도 양자 가속기 시설)’(이바라키현 도카이무라)에서 하이퍼 카미오칸데로 뉴트리노를 쏘아 보내 관측 데이터를 수집한다.

이번에 건설 중인 중간 검출기는 높이 12m, 지름 9m의 원통형 수조로 상하 가동식이다. 현재 굴착 중인 수직갱 내부에 설치될 예정이다. 검출기 내부에는 물을 채우고 약 8000개의 센서를 배치한다. 이 중간 검출기에서 수집한 데이터를 메인 시설인 하이퍼 카미오칸데의 데이터와 비교함으로써 연구의 정확도를 극대화할 수 있다.

연구를 담당하는 KEK 소립자 원자핵 연구소의 나카히라(中平) 교수는 중간 검출기에 대해 “뉴트리노 진동을 보다 정확하게 관측하기 위해 매우 중요한 시설이다”라고 강조했다. 이 시설은 2028년 가을 이후 관측을 시작할 예정이다. 나카히라 교수는 “이르면 관측 시작 후 3년 정도면 필요한 양의 데이터를 수집할 수 있을 것이다”라며 기대감을 드러냈다.

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