[2편] 2024년6월22일 토요일 서해랑길 61코스를 다녀와서!

[명사십리]

서해대교[西海大橋, Seohae Grand Bridge]와 행담도

서해대교 전경아산만을 가로지르는 서해대교의 전경과 사장교의 위용

1. 다리의 정의

21세기 서해안 시대의 상징이자 동북아 시대를 이끌어 갈 서해 교역의 관문인 서해대교는 국토의 균형 발전과 국가 경쟁력을 제고하기 위해 건설된 서해안고속도로(인천~목포, 353km) 중 아산만을 횡단하여 경기도 평택시 포승면과 충청남도 당진시 송악읍을 연결하는 총 연장 7,310m의 교량으로 완공 시(2000년 11월) 기준으로 국내 최대 규모이자 세계에서 아홉 번째로 긴 교량이었다. 서해대교의 건설로 아산만을 가로질러 갈 수 있게 됨으로써 당진을 비롯한 서산, 대산, 홍성 예산 지역의 수도권 연결 교통이 획기적으로 개선됐으며, 경부고속도로 교통 수요의 상당 부분을 처리하게 되어 서해안 물류 기반 확충에 크게 기여했다. 서해대교의 백미라고 할 수 있는 182m 높이의 주탑을 가진 사장교와 FCM(Free Cantilever Method)교는 열악한 해상 조건을 극복하고 성공적으로 건설돼 지역의 항구적 랜드마크로서 기능을 발휘하고 있으며, 국내 기술 수준을 한 단계 도약시켜 기술 경쟁력을 강화시켰을 뿐만 아니라, 교량 자체의 아름다움은 행담도 휴게소와 더불어 관광 명소로 활용되고 있다.

2. 다리의 건설 배경

서해대교는 동북아 시대의 서해 교역의 관문을 표방하는 평택항을 통과하는 교량으로 평택항의 주항로부는 당시 5만t급의 선박 운행이 계획돼 있었기 때문에 장대경간이 가능하면서 서해안 시대의 관문으로 우리나라의 국력 신장을 상징할 수 있는 랜드마크적 성격이 강한 사장교 형식을 채택했다. 평택항 통과에 필요한 항로폭은 단일 항로 423m, 항로고는 62m 이상 확보돼야 하므로 사장교의 경간 구성은 선박 통행 조건을 반영해 주경간장은 470m로 하고, 측경간은 주경간장과 균형을 맞출 수 있도록 200m로 계획했다. 또한 사장교의 끝점이 들리지 않도록 사장교 양 끝에 60m 단경간교를 배치해 총 연장 990m의 5경간 사장교로 결정햬다. 사장교의 얼굴이라고 할 수 있는 주탑은 구조적으로 안전하며, 개방감 및 관문성이 뛰어난 H형 주탑으로 아산시 읍내리에 있는 고려 시대의 당간지주(보물 제 527호)를 모티브로 해 우리의 전통미와 현대미를 적절히 조화시키고자 했다. 몇 개의 직선이 자연스럽게 이어지는 182m의 높은 주탑을 갖는 강합성 사장교인 서해대교는 세계로 뻗어나가는 우리나라의 국력 신장을 표현하기에 손색이 없음은 물론 주변 경관과 조화를 이루며 웅장함을 자랑한다.

서해안의 랜드마크서해대교는 서해안 시대의 관문으로, 우리나라의 국력 신장을 상징할 수 있는 랜드마크로 만들어졌다.

3. 다리의 특징1) 경간 구성

서해대교는 당시로서는 최신 형식인 프리캐스트 바닥판을 사용한 에지 거더(Edge Girder)구조를 적용했으며, 시공 과정에서 발생할지 모르는 문제점들을 사전에 해소하고자 국내외 전문 업체에 설계 검증을 실시했다. 또한 설계 당시에 적용했던 도로교 표준 시방서(현재의 도로교 설계 기준)가 개정됨에 따라 바닥판 최소 두께 및 하중 계수 규정에 적합하도록 바닥판 두께와 이와 연관된 구조를 보완했다. 특히 원 설계에서와 같이 5경간이 모두 연속이 되는 구조는 케이블 배치가 자유롭고, 신축이음 개수가 줄어 주행성과 유지 관리가 좋은 반면, 내부 교각 위 거더에 부모멘트가 발생해 콘크리트 바닥판에 많은 프리스트레싱(Prestressing)을 도입해야 하는 단점이 있다. 최종적으로는 내부 교각 위에서 신축 이음을 두어 부모멘트를 없애는 것이 전체 구조계에 유리하다는 판단에 따라 60m 구간을 단순교 형태로 분리해 전체적인 외관은 유지하되 구조적으로는 3경간 (200+470+200=870m) 연속 사장교로 설계가 변경됐다.

2) 거더

경간장(지지하는 교각 중심 간의 거리)이 긴 사장교 형식은 케이블력에 의한 수평력으로 인해 거더에 큰 압축력이 작용하기 때문에 압축에 대해 저항력이 큰 콘크리트가 유리하다. 그렇지만 콘크리트는 중량이 커서 경간장을 길게 하는 데 어려움이 있다. 순수 강재 거더의 경우는 경간장을 길게 할 수는 있지만 강성이 상대적으로 작고, 진동에 약해 해상 교량에 적용 시에는 유선형 박스 형식을 적용할 수밖에 없으며, 그럴 경우 공사비가 많이 드는 문제가 있다. 그런 측면에서 볼 때, 경간장 300~600m 정도의 중장경간 사장교에서는 콘크리트 바닥판과 강재 거더를 합성시킨 강합성 거더가 최적이다. 주경간장 470m인 서해대교의 거더로 적용된 에지 거더 형식은 단면 양측에 강성이 큰 강재 I형 거더와 4.1m 간격으로 배치된 강재 가로보로 격자를 구성한 후 그 위에 미리 제작해놓은 콘크리트 바닥판을 얹고 이음부 콘크리트를 타설해 강재 거더와 콘크리트 바닥판을 합성시키는 구조로, 압축에 강한 콘크리트와 가볍고 유연한 강재를 효율적으로 배치한 것이다. 특히 콘크리트 바닥판을 프리캐스트로 제작해 합성시키는 것은 당시로서는 최신의 기술로, 강합성 거더의 문제점인 건조 수축과 크리이프로 인해 유발되는 내적 부정 정력을 획기적으로 줄일 수 있는 장점이 있다. 이 기술은 서해대교 바로 직전에 시공된 캐나다 안나시(Annacis, Alex-Fraser) 교량에서 처음 도입된 것으로, 서해대교 시공 시에는 안나시 교량에서 발견된 몇 가지 문제점들을 개선해 업그레이드함으로써 서해대교 이후 국내의 많은 사장교에 적용됐다.

서해대교의 에지 거더중장경간 사장교인 서해대교에는 당시 최신 기술이었던 에지 거더의 업그레이드된 버전이 적용됐다.

3) 케이블 및 정착구

거더의 양쪽 끝에 케이블을 설치하는 2면 케이블 배치를 적용했으며, 거더에서의 케이블 정착간격은 12.3m, 주탑에서는 2~4.5m로 배치한 세미-팬 타입(Semi-Fan Type) 케이블 배치를 계획했다. 케이블 수는 주탑 1기당 한 면에 32개, 좌우측에 72개로 총 144본을 배치했다. 사용된 케이블은 높은 탄성 계수와 극한 강도를 가지고 작은 장비로 설치가 가능한 멀티-스트랜드 타입(Multi–Strand Type)을 도입했으며, 케이블 1본당 부담 하중은 700~800tonf으로서, 고밀도 폴리에틸렌(HDPE, Hign Density Poly-Ethylene)로 스트랜드를 피복해 부식 방지효과를 증진시켰다. 사장교 구간을 원 설계의 5경간 연속에서 3경간 구조로 변경하면서, 외측 4개의 케이블을 앵커 교각에 집중적으로 배치해 앵커링의 역할을 확실히 하여 전체 구조 시스템을 앵커 케이블로 견고히 지탱해줌으로써 전체적인 강성을 향상시켰다. 즉 확실한 앵커링으로 주탑의 변위가 작아지고, 그에 따라 거더의 처짐도 줄일 수 있게 되었다. 특히 거더 측 케이블 정착 방식을 거더 측면에 부착하는 방식이 아닌 거셋판으로 복부판에 볼트로 완전 밀착시켜 거더에 걸리는 편심 문제와 피로 문제를 해소했다. 그러나 이와 같은 상부 노출식은 크기가 작지 않은 케이블 앵커부가 거더 위로 노출되어 미관을 해치는 경향이 있으며, 케이블 정착 작업이 불가능한 단점이 있다. 그럼에도 불구하고 복부판과 일체로 하거나 복부판 상면에 직접 용접하는 방식은 구조적인 장점이 크기 때문에 에지 거더를 갖는 거의 모든 사장교에 적용되고 있다.

서해대교 케이블 정착 구조축선이 복부선과 일치해 편심을 해소하는 케이블 정착 구조

4) 주탑과 기초

서해대교의 원 설계 주탑 형상은 좀 더 입체적이고 변화가 많은 단면이었는데, 시공 관리 및 품질 관리가 어렵고 또한 공사 기간이 많이 소요될 것으로 판단해, 원 설계의 기본 골격은 유지하되 단면 변화는 줄이고, 주탑의 내부 공간을 확대해 케이블 긴장 작업을 용이하게 하고, 유지 관리를 위해 엘리베이터와 각종 점검 장치를 설치할 수 있도록 하였다. 북측 주탑 높이는 179.9m, 남측은 182.3m이며, 각 주탑은 3개의 가로보로 연결돼 수평 방향으로의 강성을 높였다. 주탑 단면의 폭은 슬래브에서 주탑 최상단까지 8m에서 6.6m로 완만하게 줄였으며, 반대로 상부 슬래브에서 주탑 기초까지는 8m에서 16m까지 확대시켰다. 사장교 주탑의 기초는 폭 28m, 길이 66m의 직접 기초 형식을 적용해 기초 기반까지 굴착하여 지지력을 확보할 수 있도록 하였다.

서해대교 주탑서해대교의 주탑은 3개의 가로보로 연결돼 수평 방향으로의 강성을 높였다.

5) 내풍 설계

서해대교와 같은 강합성 에지 거더는 휨 강성과 비틀림 강성이 작고 측면에서 부는 바람을 직벽 형태의 거더가 받기 때문에 강한 바람이 불 때 심하게 진동할 수 있으므로 이를 풍동 실험(Wind Tunnel Test)이라는 기법을 통해 동적 안정성을 확인했다. 풍동 실험은 세계적인 권위를 지닌 캐나다 온타리오대학교에서 수행했으며, 단면의 안정성을 실험하는 2차원 실험(1992년 5월~6월)과 전체 교량 모형의 안정성을 검증하는 3차원 실험(1992년 10월~11월)으로 두 번에 걸쳐 진행됐다. 3차원 실험을 통해 1) 2차원 단면 모형 실험 결과의 확인 및 보완, 2) 완공 상태에 대한 교량의 내풍 안전성 검토, 3) 시공 단계에 대한 거더의 내풍 안전성 검토, 4) 가설 중 내풍 안전성 등을 확인했다.

실험 결과 시공 단계에서는 정상류 혹은 난류에서 40m/sec 풍속까지는 불안정성이 나타나지 않았고, 시공 중 바람의 설계 속도가 38m/sec이므로 시공 중에는 플러터나 와류 진동은 발생하지 않을 것으로 검토됐다. 완성계의 경우는 100년 빈도의 풍속을 기준으로 자체의 안성성이 안전율 약 2.5 이상을 유지함으로써 매우 안정한 것으로 입증됐으며 와류 진동도 보이지 않음으로써 바람에 안전한 것으로 확인됐다. 사장교처럼 케이블이 설치되는 교량은 교량 자체의 내풍 안전성도 중요하지만 케이블이 비나 바람에 떨리는 현상이 자주 발생되므로 이에 대한 대책 수립이 중요한데, 서해대교에서는 이를 방지하기 위해서 거더 측 케이블 가이드 튜브(Guide Tube) 내에 진동을 억제할 수 있는 감쇠기(DGD, Damping Guide Deviator)를 설치했다.

4. 다리의 시공1) 기초

서해대교의 기초는 크기 28m×66m, 높이 30m의 직접 기초로 계획했으며, 가설 공법으로는 당초에는 2중 격벽식 가물막이 공법을 고려했으나, 현장의 유속이 예상보다 2배 이상 빨라져 국내 최초로 셀(Cell) 공법으로 변경해 시공했다. 이때 적용된 가물막이 셀은 주탑 1개소당 16기의 원형 셀과 원형 셀을 연결하는 아크 셀(Arc Cell)로 구성되었다. 육상에서 원형 셀(시트 파일(Sheet Pile)로 구성)을 조립해 해상으로 운반, 설치하고, 셀 내부에 모래를 채워 안정성을 확보한 후, 내부의 물을 배수해 건조한 상태를 유지하도록 하는 공법이다. 셀 공법을 적용해 가물막이를 성공리에 마친 후에는 내부를 암반 깊이까지 파내는 터파기 작업을 수행했으며, 이때 굴착 단계별 토압의 변동 상황을 면밀히 체크하면서 토류 가시설을 설치하는 작업은 자칫 대형 사고와 직결될 수 있으므로 신중에 신중을 기하였다. 최종적으로 해수면에서 32m 아래까지 굴착해 커다란 기초를 마련하기까지 2년이라는 시간이 경과되었고, 레미콘 2만 4,000대분의 콘크리트가 사용됐다.

2) 주탑

기초가 완공된 후 높이가 182m나 되는 주탑을 시공했는데 작업 안전성과 공기 단축의 장점을 고려해 연속적으로 콘크리트를 타설하면서 거푸집을 조금씩 밀어 올려가면서 상승시키는 슬립 폼(Slip Form) 공법을 적용했다. 공법의 특성상 연중 24시간 쉬지 않고 연속적으로 이루어져야 하기 때문에 품질 관리가 무엇보다도 중요했으며, 시공 중 주탑이 조금이라도 기울어진 상태로 제작된다면 안전성에 큰 문제가 생길 수 있으므로 레이저 측정 장비를 도입해 2,000분의 1의 오차범 위까지 정확히 일치하도록 시공했다. 주탑의 기둥은 3개의 가로보로 연결되어 있는데, 이 가로보의 시공은 고소에서 작업을 해야 하는데다 매우 높은 정밀도를 요구하고, 절대 공기에 많은 영향을 미치는 주탑 공사의 핵심적 부분이기 때문에 공기 절감, 품질과 안전 확보를 위해 프리캐스트로 제작 후 헤비 리프팅(Heavy Lifting)하는 방법을 채택했다. 이때 작업의 안정성을 위하여 반 단면을 프리캐스트로 제작, 인상하여 주탑과의 연결부를 타설하고, 나머지 반 단면은 현장 타설했다. 첫 가로보는 육상에서 제작해 인양하고, 두 번째 가로보는 첫 가로보 위에서 제작해 인양 시공했다.

3) 거더

거더를 가설하는 상부공의 시공을 위해서 제일 먼저 해야 할 것은, 시공 중 거더를 인양하는 데 사용하는 데릭 크레인(Derrick Crane)과 같은 필요 장비를 올려놓을 수 있도록 최초의 거더를 가설하는 것이며, 이를 주두부 가설이라고 한다. 케이블로 매달 수 없는 상태에서 가정 먼저 시공하게 되는 주두부는 불안정한 상태에서 시공되므로 매우 신중해야 하며, 시공 방법 선택에 따라 작업 공기 및 안정성에 큰 영향을 미친다. 서해대교의 경우, 국내 최대의 3,000t급 해상 크레인을 이용한 대블록 공법을 적용해 공사 기간을 크게 단축했다. 상부 가설은 많은 사장교에 적용된 켄틸레버 공법을 사용해 상부에 설치된 데릭 크레인으로 거더를 순차적으로 가설했다. 이 과정은 정확한 계산 결과에 근거해 시공을 해야 하는 핵심과정으로 매 단계마다 계산에 의한 예측값과 측량에 의한 실측값을 확인해가면서 최종적으로 양측 주탑에서 진행해 온 거더가 중앙에서 정확히 접합되도록 하였다.

서해대교 건설 과정
서해대교 건설은 다양한 신공법을 활용함으로써 국내 건설 기술 수준을 진일보시키고 나아가 건설 기술 국제 경쟁력 강화의 견인차 역할을 했다고 해도 과언이 아니다.

5. 유지 관리 시스템

서해대교는 국내 최초로 세계적 규모의 사장교를 국내 기술로 설계 · 시공한 것으로, 이 과정을 통해 국내 사장교 건설 기술이 큰 진보를 이루었다. 그러나 겉으로는 잘 안보이지만 매우 중요한 발전을 이룬 것이 또 하나 있는데, 바로 특수 교량의 유지 관리 시스템(Bridge Management System, BMS) 부분이다. 서해대교의 유지 관리 시스템은 시공 초기부터 완공 후 공용 시까지 효과적으로 구조물을 유지 관리할 수 있도록 체계적으로 설계된 시스템으로 이후 영종대교, 광안대교 등 특수 교량 유지 관리 방향의 가이드가 됐다. 서해대교를 구성하는 사장교, FCM교, PSM(Precast Span Method)교의 주요 구조 부재에는 각종 계측 센서가 설치되어 있고, 이를 중앙 제어실에서 자동으로 통제할 수 있는 자동 계측 시스템이 구축되어 있다. 이들 데이터를 토대로 교량과 관련해 발생하는 모든 자료들을 관리하고 이를 바탕으로 교량의 점검 및 보수 보강에 관한 결정 사항을 전산화하여 교량의 보수 보강 및 개축 등에 대해 효율적인 의사 결정을 하도록 하는 자체적인 유지 관리 체계가 작동하고 있다. 또한 점검을 쉽게 할 수 있도록 주탑 내부 엘리베이터 4대, 주탑 외부 점검용 360° 회전이 가능한 곤돌라 4대가 설치 운영 중에 있다. 거더에는 이동식 점검차 및 그 부대시설 등이 설치돼 있어 상시 점검이 가능하도록 되어 있다.

6. 서해안 시대와 황해권의 관문 교량

1993년 11월 착공해 2000년 11월까지 7년의 공사 기간 동안 연인원 220만 명이 동원돼 완공된 서해대교는 다양한 신공법 채택에 따른 전문 기술 축적으로 국내 건설 기술 수준을 진일보시킨 건설 기술 국제 경쟁력 강화의 견인차이자, 서해안 시대 지역 경제 활성화의 견인차 역할을 하고 있는 다리다. 서해대교는 호주 시드니의 하버브리지, 미국 샌프란시스코의 금문교 등과 같이 지역의 랜드마크로서 주변 어디서든 볼 수 있는 아름다운 장식물로서의 가치를 제공하기도 한다. 서해대교 인근의 조용한 포구 당진시 송악읍 한진 포구 앞바다 야경을 수놓는가 하면 당진시 신평면 윤정리에 위치한 삽교호 관광지 전망대의 경관을 수놓아 멋진 바다 풍경을 그려내기도 한다.

서해대교의 야경충청남도 당진의 한진 포구 앞바다 야경을 수놓는 밤의 서해대교

출처:(세계 다리명 백과, 조경식)

2024-06-28 작성자 청해명파