[2편] 2024년5월23일 사진으로 남은 인천대교의 공사과정

[명사십리]

인천대교[仁川大橋 , Incheon Bridge]

요약 인천대교는 우리나라에서 가장 긴 다리로 ‘바다 위의 하이웨이’라는 별명을 지니고 있다. 또한 IMF 구제 금융 사태가 일어난 어려운 시기에 외자 유치를 이끌어내 민간 투자 사업으로 건설한 교량으로, 총 26조 원의 생산 유발액을 창출하기도 했다.

위치건립 시기주요 설계다리 용도다리 형식다리 크기다리 주재료주요 특징

인천대교의 위용우리나라에서 가장 긴 다리인 인천대교가 뿜는 위용은 그 길이 만큼이나 한눈에 담기 어려울 정도다.

1. 다리의 정의

인천대교는 인천시 연수구 송도 신도시와 중구 영종도 해안 도로를 잇는 총연장 12,300m의 왕복 6차로 도로다. 인천국제공항과 영종도 하늘신도시의 진출입이 용이하도록 제2, 제3경인고속도로와 연결되는 고속도로로서, 수도권 남부에서 발생하는 교통량을 수용해 공항 이용자와 산업 물동량의 수송을 원활히 하고 영종도 주민의 생활환경을 개선하고자 건설됐다. 특히 인천대교는 계획 단계부터 대한민국의 관문 역할에 부합하는 교량의 미관에 중점을 두었으며, 이를 실현하기 위해 주항로부는 사장교로, 보조 항로부와 접속부에는 콘크리트 상자형의 Cantilever

FCM(Free Method) 공법과 FSLM(Full Span Launching Method) 공법 등 3가지의 형식으로 구성했다.

① 사장교 : 1,480m(80+260+800+260+80)
② 접속교 : 1,778m(FCM 공법 : 82+5×145+82, 동・서측 2개소)
③ 고가교 : 8,400m(FSLM 공법 : 동측 49×50=2,450m, 서측 119×50=5,950m)

교량의 경간장 구성은 항로의 기능과 경관성을 고려해 주경간장을 800m로 계획하고 동 · 서 방향으로 경간장을 줄여가면서 전체적인 안정감을 도모했으며, 운전자의 시야 확보와 조망권 확보를 위해 바다를 투시할 수 있도록 개방형 철제 난간을 설치했다.

일몰 속 인천대교

‘대한민국의 관문’이라는 위상에 부합하도록 세심한 미관 디자인으로 아름다움을 극대화했다.

인천대교의 사장교는 항로 폭을 확보하기 위해 장경간으로 계획했는데, 케이블의 부담을 줄이고자 중량이 가벼운 강재 상자형 거더를 적용했다. 또한 사장교의 동 · 서측에 설치되는 접속 교량은 최대 9.3m의 조위차와 빠른 조류속으로 인한 공사 시 어려움을 극복하고, 사업비의 경제성을 고려해 콘크리트 상자형 거더를 적용했다.

2. 다리의 건설 배경

인천대교는 인천국제공항의 개항, 영종도와 송도신도시 개발로 인해 기존의 영종대교로는 장래 늘어날 물류 수송과 이용객으로 인한 교통량을 해소하기 어렵기 때문에 수도권 남부 지역의 신공항 접근성을 향상시키기 위해 건설됐다. 또한 유사 시 영종대교가 기능을 수행하지 못하는 극단적인 상황에 대비할 수 있는 대체 교량의 필요성도 고려됐다. 인천대교를 통해 서울의 강남 지역부터 충청권까지 교통량을 제2 · 제3경인고속도로, 제2외곽순환도로와 연계시킴으로써 영종대교의 교통량을 분산 수용하고 장래 송도신도시의 완공에 따른 교통량의 증가에도 대비하도록 한 것이다. 특히 인천대교는 IMF 구제 금융 위기를 극복하기 위해 대규모 사회 간접 자본 시설의 해외 자본 유치라는 성과를 이루어냈고 영국의 건설 전문지 <컨스트럭션 뉴스>로부터 ‘세계 10대 경이로운 건설 프로젝트’에 선정되기도 했다. 공사비는 총 1조 3,000억 원이 투입됐으며, 공사 기간은 52개월이 소요됐고, 26만 명의 고용 창출을 이루어 총 생산 유발액은 26조 원에 이른다.

송도신도시의 야경인천대교 건설의 이유 중 하나인 송도신도시의 아름다운 야경

인천대교 기공식인천대교는 교량 건설 기술 측면뿐 아니라 사회 · 경제적인 부분에서도 큰 의미가 있는 교량이다. 기공식에 참석한 노무현 대통령 부부.

3. 다리의 특징

인천대교가 설치되는 항로에는 최대 10만DWT급 유조선의 운항이 예상됐기 때문에 선박 입 · 출항 시 안전성 확보를 위해 영국과 일본에서 실제 인천항 소속의 도선사가 모의 선박 운항 시뮬레이션을 수행했으며 그 결과를 반영해 주항로부의 경간장을 800m, 교량 아래 여유 공간의 높이를 70m로 결정했다. 또한 인천 남항으로의 선박 입 · 출항이 용이하도록 남측으로 활처럼 휘어진 노선으로 계획했다. 이런 규모에 적용이 가능한 형식은 현수교와 사장교가 있으나 교량 기초가 지지되는 기반암의 깊이가 약 70m로 매우 깊다는 점과 경제성, 영종대교와의 경관 중첩성을 고려해 사장교 형식으로 건설했다.

인천대교의 건설에는 여러 가지 기념비적인 기술력과 사업 방식이 도입됐다.
① 계약 방식 : 총액 불변가(Fixed Lump Sum)
② 사업 수행 : 설계 · 시공 동시 진행(Fast Track)
③ 공사 내용 : 세계 최대 규모의 돌핀형 충돌 방지공(10만t급)
국내 최초 파일 벤트 형식의 교량 기초
세계 최대 양방향 프리텐션 콘크리트 상자형 거더
대부분의 공정은 제작장에서 프리캐스트로 제작해 해상 운반 후 설치

또한, 인천대교는 매미급 태풍(한계 풍속 72m/sec)과 고베 대지진(리히터 7)급과 같은 대형 자연 재해에도 저항할 수 있도록 안전하게 설계됐다. 63빌딩의 높이(245m)와 거의 같은 주탑은 인천국제공항의 관문으로 랜드마크 역할을 담당하게 되므로 전체 이미지를 결정짓는 가장 중요한 디자인 요소다. 그러나 대부분의 구조물들이 그렇듯이 조형미만으로 디자인을 결정할 수는 없다. 거더와의 조화, 시공성, 바람에 대한 안정성, 구조 역학적 안전성, 기초 크기, 경제성 등 모든 평가 요소를 고려해 종합적으로 디자인이 결정되어야 한다. 해상에 설치되는 높이 230.5m의 사장교 주탑은 어느 곳에서나 눈에 띄기 때문에 영종도와 송도를 잇는 랜드마크 역할을 하기에 충분하다. 주탑의 재료는 콘크리트를 사용했고 직선미를 최대한 부각시킬 수 있도록 역Y형과 다이아몬드형을 조합한 형상으로 계획해 기초의 크기를 줄였다. 케이블이 정착되는 상단부는 바람에 의한 진동이 증폭되지 않도록 2개의 기둥을 폐합했으며 폐합부에 강재로 제작된 케이블 정착 블록을 설치하였다.

인천대교 주탑

높이 230.5m로, 역Y형과 다이아몬드형을 조합한 형상의 주탑

인천대교 주경간 아래에는 유조선, 화물선, 국내외 여객선 등이 운항하면서 끊임없이 항주파(선박이 운항하면서 발생시키는 파랑)를 발생시키는데다 조수 간만의 차는 9.27m, 심한 안개와 바람으로 인해 한 달 중 작업 가능 일수는 20일에 불과하다. 따라서 최대한 공사 기간이 짧고 공사비가 적은 공법으로 계획 및 시공하는 것이 무엇보다도 중요했다. 이와 같은 문제점을 극복하기 위해 교량의 기초는 현장 타설 말뚝으로 계획해 최대한 해상에서의 공사량을 최소화하는 데 주안점을 두었다. 물론 현장 타설 말뚝으로 주탑 기초를 적용할 경우 장점만 있는 것이 아니라 구조물에 치명적인 약점을 안길 수도 있다. 바로 대형 선박이 엔진 고장으로 표류하면서 충돌할 경우에는 교량의 붕괴까지도 유발할 수 있기 때문이다. 이 부분은 선박 충돌에 대한 보호 구조물을 별도로 설치하는 것으로 보완하고자 했다. 따라서 사장교의 기초는 직경 3m의 현장 타설 말뚝으로 24개소를 설치하고 그 위에 페데스탈(Pedestal)을 설치해 교량 기초를 완성하도록 설계 · 시공했다.

주경간 하단부인천대교 주경간 하단부는 유조선, 화물선, 국내외 여객선 등이 운항하기 때문에 끊임없이 항주파가 발생된다.

4. 다리의 시공1) 기초

수심 측량 및 지반 조사 결과 주경간교가 가설되는 위치의 수심은 약 20m이며, 해저면에서 말뚝 기초를 지지시킬 수 있는 기반암까지는 약 45m~50m의 깊이여서 케이슨 공법을 적용하기에는 수압이 너무 세기 때문에 공사 중 안전성을 고려해 현장 타설 말뚝 공법을 적용했다. 현장 타설 말뚝 시공은 말뚝 설치 위치에 가이드 프레임을 설치해 말뚝이 수직을 유지할 수 있도록 했으며 그 후 제작장에서 제작된 직경 3m의 강관 말뚝을 해상으로 운반해 말뚝의 수직도를 유지한 채지지 기반암까지 관입한 다음 강관 말뚝의 내부를 굴착하고 철근망을 근입시킨 후 콘크리트를 타설한다. 설치된 말뚝을 이용해 P.C. House(제작장에서 콘크리트로 제작된 거푸집)를 거치한 후 해수 유입을 차단하기 위해 수중 불분리 콘크리트를 타설한 다음 완전히 해수를 차단하고 철근 배근과 기초 콘크리트부를 시공했다.

2) 주탑

주경간교의 주탑은 1기당 두 개의 레그(Leg)로 구성되며, 레그의 시공은 자동 상승 거푸집(Auto Climbing Form)을 이용하여 시공했다. 일반적인 주탑과 달리 레그 시공 완료 후 양측 레그 사이의 가로보는 제작장에서 콘크리트로 미리 제작해 해상으로 운반한 후 3,000t 해상 크레인을 이용해 헤비 리프팅(Heavy Lifting) 공법으로 인양해 주탑 레그를 연결했다. 이를 통해 해상에서의 작업을 단순화해 시공 속도, 품질 및 안전성을 향상시킬 수 있었다.

3) 보강 거더

인천대교 건설 시 보강 거더를 설치하는 데 많은 제약 조건이 있었다. 선박이 운항하는 주항로부에는 선박의 운항 안전성을 고려하여 어떠한 시설물도 설치할 수가 없었기 때문이다. 따라서 측경간은 가설 벤트(임시 지지 받침대)를 4개소에 설치해 대블록(동 · 서측 각 4개)으로 먼저 가설하고, 주경간부는 소블록(최대 250t)의 세그먼트(Segment) 총 51개를 데릭 크레인으로 점진 가설했다. 측경간을 먼저 설치하는 이유는 가설 중 바람의 영향을 받아 주탑이 회전하거나 어느 한쪽으로 상향의 바람이 불 때 공사 중인 교량이 매우 위험할 수 있기 때문이다. 이렇게 좌우측에서 소블록을 연결하면서 매 블록마다 케이블을 설치하고 최종적으로 중앙부의 키-세그먼트(Key-Segment)를 폐합하여 상부의 보강 거더 가설 공사를 완성했다.

4) 케이블

인천대교 사장교에 설치되는 케이블은 총 208개로, 길이는 112~420m, 직경은 97~153mm이며, 상부 거더를 위로 당기기 위해 필요한 케이블의 작용력은 215~533t이다. 케이블의 배치 형상은 보강 거더의 좌우측에 배치되는 양면 팬 타입이며 보강 거더 세그먼트를 설치할 때마다 변화되는 구조물의 응력과 변형 상태에 따라 안전한 형상 유지를 위해 3차례에 걸쳐 긴장력을 도입하였다. 인천대교에 적용된 케이블은 5mm 직경의 고강도 소선 109~301개를 다발로 묶어 하나의 케이블로 가공한 후 현장으로 운반해 설치했다.

5) 선박 충돌 보호공

엔진 이상으로 표류하던 선박이 사장교 주탑에 충돌해 교량이 붕괴되는 최악의 경우를 피하기 위해 사장교와 접속 교량 일부 구간의 기초 주변으로 선박 충돌 보호공을 설치했다. 선박 충돌에 대한 설계 기준은 ‘10만DWT의 대형 선박이 10노트의 속도로 충돌했을 때 저항할 수 있어야 한다’고 규정하고 있다. 따라서 인천항을 통항하는 다양한 종류의 선박으로부터 교량을 보호하기 위해 붕괴 확률을 1년에 1/100,000 이하로 제한하고 이에 따라 수 백 가지 경우의 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 붕괴 모드를 분석하여 선박 충돌 보호공을 배치했다. 선박 충돌 보호공은 직경 20m 6기, 25m 16기, 총 22기를 동 · 서측에 각각 건설했다. 선박 충돌 보호공의 시공은 직경별 충돌 방지공 형상을 유지하기 위해 템플레이트라는 가시설 프레임을 이용했다. 먼저 폭 50cm의 맞물림 시트 파 (Interlocking Sheet Pile)을 한 장씩 끼워 제작장에서 조립하고 해상으로 운반해 템플레이트를 정위치에 시공한 다음 각 시트 파일을 해저면 아래로 8~13m 관입을 한 다음 쇄석을 채운다. 이후 측면에 프리캐스트 패널을 부착하고 상부 정판에 콘크리트를 타설해 완성했다. 바닷물에 노출되는 시트 파일에는 부식 방지를 위해 전기 방식 시스템을 도입함으로써 내구성을 향상시켰다.

선박 충돌 보호공주경간과 선박의 충돌로 인한 교량 붕괴를 피하기 위해 설치된 선박 충돌 보호공

5. 바다 위의 하이웨이

인천대교는 제2경인고속도로와 제3경인고속도로가 합류되는 송도신도시에서부터 영종도 해안 도로까지 인천항 항로를 횡단하는 설계 속도 100km/hr의 고속도로이자 국내 최장의 해상 교량이다. 10km가 넘는 바다 위의 하이웨이를 달리며 영종도의 자연과 대한민국의 관문인 인천국제공항으로 향하다 보면 가슴 벅찬 미래를 누구라도 꿈꾸게 된다. 또한 인천대교는 인천국제공항과 근접해 있기 때문에 항공기의 이착륙에 따른 안전상의 이유로 야간 조명에 많은 제약을 받음에도 불구하고 대한민국의 관문 역할을 수행할 수 있도록 독특하고 아름다운 경관 조명을 연출하고 있다.

인천대교의 경관 조명과 야경인천항의 밤바다를 비추는 인천대교

 출처:(세계 다리명 백과, 이상희)

2024-09-08 작성자 명사십리