건축/환경에너지

Nikkei Construction_2024.9 (p11~15)

가시마, 산악 터널에서의 자동화·원격화 실증
굴착의 6개 공종(工種)에서 성공

가시마(鹿島)는 7월 31일, 산악 터널의 자동화 시공 기술인 ‘A⁴CSEL for Tunnel’이 완성되었다고 발표. 기후(岐阜) 현 히다(飛騨) 시의 가미오카시험갱도(神岡試験坑道)에서 실증을 진행해 굴착 작업의 6개 공종에서 자동화·원격화에 성공했다고 한다.

가시마는 가미오카광업(神岡鉱業, 기후 현)의 협력을 얻어 실제 터널인 가미오카시험갱도에서 A⁴CSEL for Tunnel의 요소 기술의 실용화를 위한 검증을 2021년에 시작. 굴착 작업의 6개 공종을 자동화·원격화하는 시스템 개발을 추진해 왔다.

A⁴CSEL for Tunnel의 완성 발표를 앞둔 올 7월 초순, 기자는 직접 갱도를 방문했다. 취재한 것은 록볼트(Rock Bolt) 타설의 데모였다. 기기는 후루카와록드릴제 2붐 록볼트 타설기를 개량한 것으로, 각 붐에는 천공과 볼트의 삽입을 담당하는 2개의 ‘드리프터’와 모르타르를 주입하는 1개의 ‘파이프’를 갖춘 타설 장치가 장착되어 있었다. 이 3개의 섹션이 회전하며 차례로 시공을 실시했다.

터널 굴착면 부근의 단면은 폭 10.6m, 높이 7.5m. 오퍼레이터가 조종석에서 버튼을 누르면 1차 콘크리트가 분사된 벽면을 향해 두 개의 붐이 정해진 위치로 자동으로 움직였다. 위치가 정해지자 물보라를 일으키면서 천공이 시작되었다. 천공이 끝나자 타설 장치가 회전하며 파이프를 구멍 내에 삽입해 모르타르를 주입했다. 다시 장치가 회전하여 록볼트를 타설. 이러한 일련의 작업이 인력의 개입 없이 완료되었다.

록볼트는 1개의 길이가 3m이고 무게가 10.5kg. 삽입 도중 다른 1개를 이어 붙이는 작업도 자동화되어 있어, 총 6m까지 연장할 수 있다.

가미오카시험갱도에서 자동화 등의 기술을 검증한 공종은 록볼트 타설, 천공(삭공), 장약(装藥), 토사 처리, 부석 제거, 콘크리트 분사 등 6개. 산악 터널 굴착이라고 해도 각 공종의 작업은 달라 가시마는 개별적으로 기술 개발을 추진해왔다.

-- 안전 확보와 품질 향상을 목표로 --
가시마가 산악 터널 시공의 자동화와 원격화에서 목표로 한 것은 생산성 향상뿐만이 아니다. 굴착 작업을 줄여 안전을 확보하고, 작업자의 경험에 의지해온 작업을 기계에 맡겨 품질을 향상시키는 것도 목표로 했다.

그 배경에 있는 것은 숙련공의 감소와 고령화이다. 노동력이 부족해지고 있는 가운데, 적은 인원의 경험이 적은 작업자라도 기존 이상의 생산성과 품질을 확보할 필요가 있다. 물론 안전성도 중요하다.

이 기술 검증을 위해 가시마는 2018년 11월, 시즈오카 현 후지 시에 실물 크기의 모의 터널을 설치해 검증을 실시. 2021년 10월에 가미오카시험갱도로 무대를 옮겼다.

가시마 토목관리본부의 아오야나기(青柳) 통괄 기사장은 “터널 갱내에서 어떻게 움직일 것인지는 모의 터널을 통해 검증했고, 가미오카시험갱도에서는 실제로 암반을 파낸 후의 갱내를 어떻게 처리해 나갈 것인지를 검증했다”라고 말한다. 공사가 진행됨에 따라 발생하는 갱내 형상 변화와 지면 요철 등을 실제 터널에서 검증할 수 있었다고 한다.

산악 터널 시공의 자동화·원격화는 토공의 A⁴CSEL for Tunnel에서 가시마가 지금까지 쌓아온 기술들을 응용할 수 있는 부분이 있었지만, 많은 공종에서 터널 특유의 과제가 있었다.

예를 들면, 토사 처리이다. 가시마는 자율적으로 움직이는 휠로더를 개발. 발파로 인해 발생된 토사를 퍼 올려 호퍼피더(Hopper Feeder, 토사를 덤프트럭에 싣기 위한 중계용 기계)로 옮기는 작업을 자동화했다. 휠로더가 퍼 올리는 장소의 토사가 줄어들면, 원격 조작의 백호(Backhoe)가 토사를 모아 퍼 올리기 쉽도록 한다.

댐 현장 등의 토공에 도입된 자율주행 기술에서는 GNSS(위성항법시스템)를 이용하지만, 갱내에서는 그 전파가 닿지 않는다. 가시마가 터널 내 휠로더의 위치 파악에 이용한 것이 SLAM(동시적 위치추정 및 지도작성) 기술이다. 휠로더에 탑재된 LiDAR로 계측한 점군 데이터를 통해 갱내 지도를 제작해 자기 위치를 추정할 수 있다.

-- 현장에 원격 조작실 --
갱내에서는 1차 콘크리트 분사 노즐을 2개 갖춘 분사기의 데모도 공개되었다. 실제 분사는 실시되지 않았지만, 굴착면을 상정해 노즐을 자동으로 움직여 보였다. 데모를 실시한 록볼트 타설과 콘크리트 분사 등의 자동화 기술에서는 보조 작업자가 2명 배치되었지만, 버튼 조작 등의 오퍼레이터는 1명으로 충분했다.

이 외에도 현장에는 천공 작업에 사용되는 컴퓨터 점보드릴 등이 줄지어 있었다. 6개 공종의 자동화·원격화 기술이 꾸준히 실용화를 향해 나가고 있는 모습을 엿볼 수 있었다.

가미오카시험갱도에는 다른 산악 터널 현장에서 볼 수 없는 2개의 시설도 있었다. 원격조작실과 관제실이다. 원격 조작실에서는 흘러나오는 토사 집적용 백호 등을 조종. 관제실에서는 공사 전체를 관리한다. 트러블이 발생했을 때 바로 정보가 전송되어 대응을 협의할 수 있다.

6개 공종의 기술 개발을 추진하는데 있어서 과제도 있었다. 일본의 산악 터널 작업자는 다능공으로, 1명이 복수 작업을 맡아 처리한다. 6개 공종 모두를 성인화(省人化)하지 않으면 현장에 필요한 인원수는 변하지 않는다.

가시마 중부 지점 가미오카시험갱도 공사사무소의 메가(女賀) 소장은 “개발이 늦어지고 있는 공종 때문에 공사를 멈춘 일도 있었지만, 굴착을 하지 않으면 다른 공종은 데이터를 얻을 수 없다. 공종 간 진척의 밸런스를 취하는 것이 어려웠다”라고 말한다.

가시마는 향후, 복수의 자동화·원격화 기술을 세트로 실제 현장에 도입해 기능 개선을 도모할 방침이다. 일부 도입이 쉬운 기술은 단독으로 각 현장에 도입해 나갈 예정이다.

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