1.1 터널은 복잡한 시스템이다

• 1.1.1 시스템의 복잡성
• 1.1.2 토목 공학적 부분집합
• 1.1.3 환기시스템의 부분집합
• 1.1.4 운영장비적의 부분집합
• 1.1.5 안전에 관련된 부분집합
• 1.1.6 종합

1.1.1 시스템의 복잡성

터널은 아주 많은 변수들의 상호작용의 결과로 이루어진 복잡한 시스템으로 구성되어 있다. 이 변수들을 하나의 부분집합으로 구분될 수 있으며, 주요한 내용은 그림 1.1-1에 나타내었다. 

이 모든 변수들은 부분집합내 또는 각각의 부분집합간에 변화 가능하며 상호 작용을 한다. 

변수들의 상대적인 가중치와 각각의 특성은 각각의 터널의 상태에 따라 변한다. 예를 들어

• 변수들의 기준과 가중치의 결정은 도심 터널과 산악 터널이 서로 다르고
• 단터널과 장터널에서, 위험물 운반 차량이 일반 차량들과 같이 통과할 수 있는 경우와 그렇지 않은 경우에 각 변수들은 달라지며
• 새로 건설되는 터널과 안전과 관계된 새로운 기준을 맞추기 위해 개보수 혹은 업그레이드 된 터널에서 기준을 같지 않다.

주의 1: 각각의 연결은 복합적이며, 역방향으로도 가능하다. 터널의 일반적인 개념과 기능적인 부분은 그림의 중앙부에 위치하며, 다른 항목에 대한 사항이 그림의 중앙부에 추가되면 유사한 형태의 도표가 그려질 수 있다.

주의 2: 첫번째 원은 기술적인 부분을 나타내며, 다른 부분에서는 다양한 양상을 나타낸다.

• 안전 : 규정 – 위험도 분석 – 대응의 의미 – 가능성에 대한 요구사항
• 지질학 :지질학 -  지반공학 – 구조체의 크기
• 토목 공사 : 공법 – 건설 일정 – 위험과 위해요소
• 운영 : 운영과 유지관리(기술적인 측면)
• 비용 :건설 – 운영 – 일일 유지관리 – 중대한 수리
• 환경 : 규정 – 진단 – 영향 평가 – 대처와 경감

주의 3 : 두번째 원은 진행될 프로젝트의 맥락을 나타내며, 몇몇 요소는 다양한 양상을 나타낸다.

• 인간 환경 :민감도 – 도시화 – 빌딩과 기반시설의 여부
• 자연 환경 :민감도 – 수자원 – 동물의 종류 – 식물의 종류 – 공기질 – 경관
• 교통 환경 :교통의 특성과 양(차종별 구성비 및 양) – 교통 모형 – 화물의 종류 – 기타
• 다양한 외부 제약조건 :접근성와 특정 제약조건 - 기후 조건 – 눈사태 – 토질의 안전성 – 사회 경제적 요소 – 기타
• 수익률 : 경제적 용인성 – 자금조달 능력 – 금융비용의 통제 – 공공민간협업이나 양도(기부체납)에 대한 일반적인 경제적 또는 정치적 요소.

새로운 터널의 설계나 기존 터널의 개보수 혹은 업그레이드시 수 많은 변수들이 영향을 미친다. 이런 변수들이 최종 결정에 영향을 어떻게 미치는지를 나타내는 것은 매우 복잡하며, 충분한 경험을 가진 다양한 구성원의 참여가 요구된다. 다음과 같은 이유로 이런 일들은 가능한 빠른 시점에 이루어져야 한다.

• 현재 진행중 이거나 최근 완료된 터널들의 추진과정에서 보여진 수많은 정치적인 함정을 피하기 위하여 프로젝트의 시작에서부터 모든 관련된 변수들이 고려되어야 한다. 이런 오류들에는 운영과 안전을 위해 필요한 장비의 설치에 대한 고려를 너무 늦게 하거나, 위험도 분석의 결과가 고려되지 않은 감시시스템의 개발, 비상대응 계획이나 운영 절차들이 포함된다. 결과적으로 터널과 터널운영 및 감시를 위한 시스템과 장비들이 안전성과 신뢰성 있는 동작을 위해 적합하지 않을 수 있다.
• 초기단계의 대응이 안전과 건설 및 운영비용의 관점에서 프로젝트의 최적화에 더 큰 도움이 된다. 최근 예에서 보면 프로젝트 초기단계에서 횡적인 측면(토목공학 및 환기, 안전 측면)에서의 최적화 시도로 20% 이상의 비용 절감에 기여하였다.

각각의 터널에서 구체적이고 특별한 상태에 대하여 효과를 얻기 위해 모든 해석이 이루어져야 한다. 이런 해석은 다음과 같은 경우에 적절한 해답을 줄 수 있다.

• 기술적이고 예산적인 측면에서 프로젝트의 최적화
• 기술적, 예산적, 환경적 측면에서의 위기 감소
• 터널 이용객에게 적절한 수준의 안전성 확보

모든 경우에 통용되는 절대적인 해법은 없으며, 단순히 기존 방법의 재활용이 항상 적절한 해답이 되지 못한다.

터널 설계와 최적화에는 다음의 사항이 요구된다.

• 모든 변수에 대한 철저하고 상세한 조사
• 각각의 변수들간의 상호작용에 대한 해석
• 각각 변수들의 유연도 평가와 가능하다면 요구되어지는 목적(기능)에 대한 민감도 평가
• 프로젝트의 성공을 위한 전체론적인 접근
  • 시스템이 너무 복잡하고 오직 하나의 정답이 있는 것이 아니므로, 순수한 수학적 접근은 불가능하다.
  • 프로젝트의 초기단계에는 너무 많은 변수가 확정되어 않았거나 진행 중 바뀔 수 있으나, 필수적인 요소들은 확정되어야 한다.
  • 위험요소들과 그 위험요소들의 심각성, 발생가능성에 대한 평가가 이루어져야 한다.
  • 많은 변수들이 상호 의존적이며, 많은 상호작용은 순환적이다.

다음 장에서 이런 복잡성과 상호작용을 간략화하고 순환적인 특성을 분석하기 위한 반복적인 분석에 대한 몇가지 예제를 보여줄 것이다.

이 예제의 목적이 독자들에게 이슈에 대한 이해를 간략화하고, 특정 터널에 대한 고려가 가능하도록 구성되어 있으므로 자세한 내용은 포함하고 있지 않다.

1.1.2 토목 공학적 부분집합

1.1.2.1 변수들

표 1.1-2는 토목 공학과 관계되는 주요 변수들에 대한 예제를 보여주고 있다.

표 1.1-2 : 토목 공학과 관계되는 주요 변수들

• 표의 첫번째 열은 주요 변수의 집합을 나타낸다.
• 표의 두번째 열은 변수들의 주요 부분집합과 관련된 주요 항목들을 나타낸다.
• 표의 세번째 열은 부분집합과 관련된 기초적인 변수를 나타낸다. 이 항목은 철저하지 않다.
• 표의 네번째 열은 묶음과 부분집합, 부분집합과 관련된 주요 결과물을 나타낸다.

1.1.2.2 변수들간의 상호작용

변수들간의 상호작용은 수없이 많으며, 종종 순환적으로 연결되어 다양한 변수들 서로간에 영향을 미친다.

아래의 예제(표 1.1-3)는 환기와 대표단면, 안전성에 대한 상호작용의 예이다

• 첫번째 열은 환기와 관련된 요소들로, 표 1.1-2의 환기에 대한 부분집합에 나온 기초적인 변수들이다.
• 두번째 열은 대표단면에 관련된 요소들로 표 1.1-2의 결과이다.
• 세번째 열은 안전성과 관련된 요소들이다.

이 그림에서 보면 몇개의 열들에 공통적인 요소들이 나타난다(연결된 선들을 참조하기 바람). 이 변수들은 다양한 변수들의 부분집합에서 순환적인 상호작용을 만들고 있다. 이런 상호작용은 복잡한 기능에 의해 연결되고, 순수한 수학적인 접근으로는 해석이 거의 불가능하다.  이 문제를 해결하기 위해서는 다양한 변수들간의 계층적인 정의가 필요하며, 상위 계층에 대한 변수들에 영향을 미친다는 가정을 해야 한다. 이 계층적인 변화는 프로젝트마다 다르다. 예를 들면

• 일방향 단터널 혹은 중규모의 굴착방식 터널에서 종류식 환기방식이 가장 선호된다. 제트팬이 첨단부에 설치되며, 터널단면 결정에 거의 영향을 미치지 않는다. 터널단면은 환기방식을 결정하기 전에 이미 결정되며, 다른 변수에 의해 영향을 받는다. 터널단면에 대한 환기방식의 영향은 그 이후에  확인된다.
• 반대로, 터널의 길이가 매우 길거나 사각형 단면을 가지는 경우(개착터널) 환기시스템과 그 요소들(구역, 공기 덕트의 개수와 형상, 필요시 제트팬의 규격 등)은 단면 크기 결정에 주요인 영향을 미친다. 환기시스템의 크기는 해석 초기에 터널 단면의 크기를 가정하여 결정한 후, 최종적으로 단면 크기에 맞추어 적정성을 재검토하여야 한다.

표 1.1-3 : 변수들 간의 상호작용

앞서 예제에서 보여주듯 이 과정에서는 초기 가정에 근거한 반복적인 해석이 필요하다. 이 프로세스에는 안전성과 운영에 대한 요구수준 달성과 프로젝트의 최고 수준의 최적화의 보장을 위하여 대형 횡류식 환기시스템에 대한 다양한 경험을 가진 엔지니어가 연관된 변수들의 영향을 파악하고, 높은 수준의 목표를 가지고 연속적인 반복작업을 하는 것이 필요하다.

1.1.3 환기시스템의 부분집합

표 1.1-4는 환기시스템과 관련된 주요 변수들에 대한 예제를 보여주고 있다. 이 테이블은 자세한 내용은 포함하고 있지 않다.

토목 공학적인 부분에서 수많은 변수들간의 상호작용을 가지고 있다. 또한 이 변수들은 순환적인 관계를 가지고 있다.

이 문제를 해결하기 위한 프로세스는 앞절 토목공학적인 부분의 주요 내용과 유사하다. 

표 1.1-4 : 환기시스템에 영향을 미치는 주요 변수들

1.1.4 운영장비적의 부분집합

기능적인 부분 정의에 대한 기초 변수는 구성되지 않으며, 다음의 예외를 가진다.

• 전선과 소화전에 용수 공급을 위한 소화배관 설치를 위한 박스 아웃과 슬리브
• 안전와 경찰 지시를 위한 신호등과 정보표지판. 신호등은 사각단면 개착터널등의 경우 형상(터널의 길이와 수직 정렬을 위한 노면과 통과한계간의 거리)에 매우 중요한 영향을 미친다.  이런 경우 터널 입출구부 인근 인터체인지의 설계와 위치의 결정 등 좀더 넓은 범위의 최적화가 필요하다.

운영 장비는 입출구 부근의 관리사무소와 지하 정류장의 전기/기계실, 다른 (전기, 기계와 관련된)지하실 및 다양한 여유 공간(실), 틈새공간 등의 크기 결정을 위해 필수적인 변수들이다. 이런 장비들은 종종 온도, 냉난방 및 공기질 관리 필요 여부등에 따라 특정하게 배열되어야 한다.

또한 건설 및 운영, 유지관리 비용도 매우 중요한 요소이다.

운영 장비는 터널의 안전과 관련된 필수적인 변수들로 구성된다. 다음의 목적에 부합되게 설계 및 설치, 유지관리 되어야 한다.

• 통신 네트워크상의 전원 공급이나 분배에 대한 이용 가능성과 신뢰성
• 주 전원 전선과 통신선, 다른 모든 장비의 화재에 대한 보호
• 운영과 유지관리 측면에서 사용기간의 연장과 신뢰성, 비용 최적화를 보장하기 위한 장비들과 구성 요소들의 강건성
• 교통 통제를 최소한으로 하면서 운영 직원과 이용객의 안전을 보장하고 유지관리가 가능하게 하기 위해 장비들의 설계와 접근성에 관련된 특별한 형태로의 배열 필요성
• 운영절차의 통합과 비상대응 계획의 수립을 위한 감시시스템의 설계시 인체공학적인 인터페이스와 사고시 운영자에게 특별한 지원시스템

1.1.5 안전에 관련된 부분집합

1.1.5.1 안전의 개념

터널내 안전 조건은 본 매뉴얼 2장에서 설명된 여러 요소들에 의해 구성된다. 사회기반시설 자체로서 운영과 대응, 자동자와 고객의 안전을 보장하기 위해 시스템의 모든 양상에 대한 영향을 알아야 한다. 

사회기반시설은 건설 비용에 있어서 중요한 변수이다. 그러나 안전성의 향상을 위해 필수적으로 고려되어야 할 다음과 같은 대비책이 고려되지 않은 상태로 막대한 자금이 사회기반시설에 투자되는 경우가 있다.

• 운영과 대응의 절차를 의미하는 조직과 사람, 재료
• 운영관리요원의 훈련
• 효율적인 재료의 응급구조대 장비와 구조대원들의 훈련
• 사용자들 과의 통신

1.1.5.2 이런 변수들이 터널 프로젝트에 어떤 영향을 미치는가?

안전과 관련된 이런 변수들은 터널 프로젝트에 있어서 더 중요하게 혹은 덜 중요하게 영향을 미친다. 아래의 테이블은 그에 대한 몇 가지 예시이다.

주의 : 다음의 4개 표는 그림 1.1-5에 4가지 주요 항목과 관련된다.

• 첫번째 열은 주요 사회기반시설과 그와 관련된 행동을 나타낸다.
• 두번째와 세번째열은 터널 프로젝트(토목공학, 환기, 운영과 안전장비)와 관련된 영향의 정도를 나타낸다.
  • 녹색 : 중요하거나 주요한 영향
  • 황색 : 중간정도의 영향
  • 적색 : 영향이 없음

• 네번째 열은 영향의 주요 원인과 이유를 밝힌다.

1.1.6 종합

터널이 “복잡한 시스템”이라고 하는 것은 다음과 같은 의미이다.

• 터널의 형상과 지질학, 토목공학이라는 관점만을 고려한 설계 접근법은 심각한 설계결함은 유발하여 터널을 덜 안전하게(심지어는 위험하게까지 만들기도 하는) 하거나 운영을 어렵게(어떤 경우에는 일반적인 조건에서 운영 불가능하게) 만들 수 있다.
• 같은 의미에서 위험과 안전, 대응과 운영에 대한 상향적인 종합분석 없이 터널 운영장비의 운용에 대한 관점만을 고려한 설계 접근법은 개통 후 바로 드러나는 미비점(결함)을 보일 수 있다.
• 기본설계 단계에서는 영향을 미치지 않지만, 운영과 유지관리에 연관된 모든 목적과 제약조건들은 필연적으로  운영 비용의 증가와 전체적인 신뢰성 저하를 가져오게 한다.

설계단계에 연관되는 다양한 대응 등 “터널을 만드는 문화”에 대한 충분한 경험 부족으로,  불행히도 문제점에 대한 단편적인 대처가 아직도 종종 시행되고 있다. 

이런 복잡한 시스템의 제어는 어렵지만, 다음의 위하여 꼭 필요하다:

• 각각의 문제들에 대한 적당한 해법의 도출  
• 이용객의 필수적인 안전도 수준를 확보하고, 그들에게 양질의 서비스와 편안함을 제공

동시에 이런 복잡한 시스템을 제어하기 위해 가치공학 프로세스를 이용한 기능의 쉽고 명확한 정의가 프로젝트의 기술적이고 경제적인 최적화에 도움을 준다. 

프로젝트의 시작단계에서부터 다음과 관련된 주요 사항들이 영향을 미친다.

• 평면과 단면의 형상, 지질조건, 토목공학적인 건설공법
• 환기 방식
• 위기 및 위험에 대한 초기 해석과 초기 응급대응 계획등 안전성
• 운영과 유지관리 조건

이런 복잡한 문제를 해결하기 위한 효과적인 접근