제주도에서 미국 로스앤젤레스(LA)를 잇는 해저 터널이 가능할까?

제주도에서 미국 로스앤젤레스(LA)를 잇는

해저 터널이 가능할까?

제주도에서 미국 로스앤젤레스(LA)를 잇는 해저 터널이 가능할까요? 길이만 1만km를 훌쩍 넘습니다. 평균 수심 4000m에 달하는 엄청난 부피의 바닷물은 어찌할 것인가. 엄두가 나지 않습니다. 그러나 과학은 항상 상상을 현실로 만들었습니다. 태평양 해저터널은 어디에 쓸까요. 비행기를 타지 않아도 미국에 갈 수 있습니다. 자동차나 열차는 비행기보다 훨씬 느리다고 낙담하진 맙시다. 우리에겐 시속 900km 이상으로 달릴 수 있는 자기부상열차가 있습니다. 비행기 속도와 비슷하다. 과연 태평양을 횡단하는 터널을 만들 수 있을까요. 흥미진진한 과정을 함께 들여다 보도록 합시다.

태평양터널 예상 경로. 제주도에서 시작해 해저를 뚫고 LA로 간다.

짧은 구간에서는 도로나 일반 철도를 건설하는 것이 합리적이나 태평양 터널에서는 자기부상고속열차가 적합하다.비행기와 비슷한 빠른 속도로 달릴 수 있기 때문입니다.

태평양 바닥을 뚫는다?

“태평양이요? 태평양이라고 별 다를 것 있겠습니까? 현대 과학과 공학이 지구에서 못 뚫는 곳은 없습니다.” 김동규 건설기술연구원 Geo-인프라연구실 연구 위원은 태평양을 횡단하는 해저터널을 뚫는 것이 가능할까라는 질문에 호기롭게 답했습니다. 일반적으로 바다에서 석유를 시추할 때 지반을 뚫고 내려가는 깊이가 최대 4~5km다. 바다 평균 수심 4000m를 포함하면 지구 표면(해수면)에서 약 8~9km 깊은 곳까지 뚫고 내려간다는 의미입니다.

태평양터널 예상 경로. 제주도에서 시작해 해저를 뚫고 LA로 갑니다.

태평양이든, 대서양이든, 육지가 됐든 지구를 구성하는 암석 물질들은 크게 다르지 않다. 퇴적토층, 풍화토층, 풍화암층, 연암층, 보통암층, 경암층, 극경암층 등 터널을 뚫는 곳의 지반 특성에 맞는 터널링 공법을 사용하면 됩니다. 지반을 분석하려면 얇고 긴 관을 지반에 깊숙이 찔러 넣고 각 층별 암석 샘플을 수집해 분석합니다. 그러나 수심 몇 백, 아니 몇 천m에 달하는 해저면의 지반을 이런 방식으로 조사하기란 쉽지 않습니다. 때문에 최근에는 비파괴 검사가 매우 다양하게 응용되고 있다. 방사선이나 초음파를 이용해 지반을 구성하는 물질 고유의 파형을 분석하거나 음파가 되돌아오는 시간을 계산해 지반이나 지질, 구성 암석 등을 확인합니다.

비파괴 검사를 통해 지질도가 완성되면 다음 단계는 직접 땅 속을 파보는 것입니다. 조금씩 파면서 지질을 확인합니다. 특히 수심이 깊어질수록 비파괴 검사에 사용하는 초음파의 정확도가 떨어져 아직 정확도를 높이는 연구가 필요합니다. 김동규 연구 위원은 “수심이 깊을수록 해저 지반 탐사나 조사가 훨씬 어려워질 것”이라며 “마치 장님이 코끼리 코를 만지는 것과 비슷하다”고 말했습니다.

물과의 전쟁

지반 조사가 끝나면 제주도 어딘가에서부터 태평양 방향으로 바닥을 뚫기 시작합니다. 터널을 위해 지반을 뚫는 데는 크게 두 가지 방법이 사용됩니다. 폭약을 사용하는 발파와 기계굴착방법입니다. 발파는 해저에서 불가능하다. 한꺼번에 구멍이 크게 뚫리면 지반이 무너져 내리고, 엄청난 수압으로 바닷물이 들이칠 수 있기 때문입니다. 기계굴착방법을 이용해야 한다. 최근에는 TBM(Tunnel Boring Machine)으로 불리는 굴착기계가 흔히 사용됩니다. 폭약을 이용한 발파 굴착은 하루 최대 7~8m 가량 뚫는 데 그치지만 TBM은 하루에 15m 가량 뚫을 수 있습니다.

터널 뚫기의 가장 큰 적은 물입니다. 

엄청난 양의 바닷물이 떠오르겠지만 태평양 터널의 적은 의외로 바닷물이 아닙니다. 바로 해저 지반의 암석 물질 사이에 스며들어 있는 물입니다. 김동규 연구 위원은 “한강의 경우 한강 수위만큼 강바닥 아래 지반에 물이 들어차 있다고 보면 된다”며 “수심이 수 백, 수 천 m인 태평양 해저 지반에 들어 있는 물은 상상하기 어려울 정도로 엄청난 양일 것”이라고 설명했습니다.

때문에 암석 사이에 물이 어떤 형태로 얼마나 많이 들어 있는지 탐사해야 합니다. 터널을 뚫고 나가는 앞부분 지반에 수로가 발견되면 수로를 막는 방수 작업 후 다시 뚫는 과정을 반복합니다. 그래야만 뚫어 놓은 공간에 물이 들어차지 않습니다. 실제로 일본 세이칸 해저터널 굴착 중 수로를 막지 못해 작업하던 인부 여러 명이 목숨을 잃었습니다.

해저터널을 뚫는 방법에는 발파와 기계굴착방법이 있습니다. 사진은 기계굴착방식에 사용되는 TBM입니다.

일본 세이칸 터널 내부 모습. 건설 중 방수에 실패해 작업 인부 몇명이 목숨을 잃었습니다.

수로는 어떻게 막을 수 있을까요? 

그라우팅 공법이라는 토목공학 기법을 사용하면 됩니다. 그라우팅은 굴착으로 발생한 균열을 메우는 공법으로 얇은 관을 지반에 투입시켜 강력한 압력으로 시멘트나 콘크리트와 같은 지보재를 주입합니다. 얇은 수로를 따라 관입된 지보재는 재빨리 굳어 균열을 메우거나 수로를 막습니다. 그라우팅 소재로 보통 시멘트를 쓴다. 최근에는 ‘에폭시우레탄’이라는 화학물질도 사용됩니다. 시멘트를 사용하면 굳는 데 시간이 다소 걸리지만 강도는 높습니다. 우레탄은 빨리 굳지만 내구성이 약하다. 따라서 암석의 재질과 지반 상태에 따라 시멘트와 에폭시우레탄을 선택하면 됩니다.

방수는 아무리 잘해도 언젠가는 물이 샙니다. 

배수 시설을 고려해야 하는 이유입니다. 지반에서 새는 물을 받는 관을 만들어 일정한 거리마다 모아 배출해야 합니다. 모이는 물을 바다로 내보내려면 고압 펌프를 사용한다. 배수 처리 공간은 터널 굴착 작업자들의 복합 휴게소 개념으로 디자인합니다. 작업장 내부의 공기 순환 장치와 산소통 등도 필요합니다.

바닷물 속 달리는 해중터널로 해구와 지진 피한다

이제 기본적으로 태평양 터널을 뚫기 위한 이론적·기술적 준비가 끝났습니다. 

무리 없어 보이지만 변수는 있습니다. 첫 번째 변수는 공사 기간입니다. TBM을 사용해서 태평양 터널 공사에 착수해 제주도에서 LA까지 약 1만 km라고 가정한다면 시간이 얼마나 소요될까. 하루에 최대 15m를 뚫는다고 해도 대략 1800년이 넘게 걸린다. 두 번째 변수는 해구와 지진 조산대의 활동입니다. 제주도에서 태평양 방향으로 터널을 뚫기 시작하면 지구 상에서 가장 수심이 깊은 마리아나 해구까지는 아닐지라도 단층 지역과 지진이 빈번하게 일어나는 환태평양 조산대를 지나야 합니다. 아무리 강력한 지보재를 써도 해저터널은 지진 앞에서 무용지물입니다. 태평양 터널 프로젝트는 여기서 좌절만 할 것인가요?

태평양의 깊은 해구나 조산대를 피할 수 있는 방안은 해중터널(수중터널)입니다. 더 이상 해저 지반을 뚫고 나아갈 수 없을 때, 해구나 조산대를 완벽하게 피할 수 있는 지점의 해저 지반에서 바닷물 쪽으로 뚫고 나와 해중터널로 연결하는 개념입니다. 해중터널은 중력과 부력을 조절해 터널 구조물을 물속에 놓는 방법입니다. 해중 터널을 건설하는 방법은 크게 4가지다. 텐션렉(tension leg), 폰툰(pontoons), 칼럼서포트(column support), 프리(free)로 나뉘어집니다.

1. 텐션 렉(Tension Leg) 중력보다 부력이 더 큰 경우 고정하려면 잡아줘야 하기 때문에 닻으로 고정합니다.

2. 폰툰(Pontoons) 중력이 더 큰 경우 폰툰(내부가 비어있는 큰 통이나 구조물, 부력이 큰 구조물)으로 모자라는 부력을 더해 줍니다.

3. 칼럼 서포트(Column Support) 부력에 비해서 중력이 더 큰 경우 내려오는 것을 막아주기 위한 고정식 장치가 필요합니다.

4. 프리(Free) 아무것도 없이 부력에만 의존합니다.

해중터널 유형은 바다 속 환경에 따라 달라집니다. 

수심이 깊으면 칼럼서포트 방식은 어렵습니다. 반대로 조류가 많이 지나는 곳은 텐션렉 방식이 적합합니다. 태평양 가운데 해중터널이 설치되는 구간을 설정한 후 각 지점에 적합한 방식을 시공하면 될 것 같지만 그리 단순하지 않습니다. 바다 속에 설치되는 해중터널이 외부 힘에 부서지거나 뒤틀릴 수 있기 때문입니다.

안전한 해중 터널, 슈퍼컴퓨터와 첨단 유체역학의 하모니

태평양 한복판에 구축되는 해중터널의 기본형은 텐션렉형이 될 것입니다. 수심이 깊어 고정식 칼럼서포트는 어렵기 때문입니다. 한상훈 한국해양연구원 책임연구원은 “텐션렉 방식 중에서도 해중터널 구조물을 양쪽에서 두 번 휘감아 한 지점의 텐션렉에서 총 4개의 앵커링(해저면에 고정하기 위한 장치)을 설치하는 형태가 될 것”이라며 “고정식 구조물에 비해 외부 운동 에너지에 유연하게 대처할 수 있어 부서질 가능성이 상대적으로 적다”고 설명했습니다.

태평양 해중터널의 외부 위협 요인은 무엇일까요?

우선 부력과 중력, 텐션렉 등 고정장치의 장력, 조류압, 파력, 쓰나미 등 해양에서 자연스럽게 발생하는 요인과 선박 충돌, 잠수함 충돌, 난파된 선박의 침강, 제어 능력을 상실한 잠수함, 테러 등 셀 수 없을 정도로 많습니다.

위협 요인을 극복하는 안전한 해중 터널을 만들기 위해서는 고도의 계산능력을 지닌 슈퍼컴퓨터와 첨단 유체역학 지식을 총동원해야 합니다. 특히 해중터널의 기준 지점마다 자동위치제어스러스터팩(ATPT)을 설치하면 안전성을 크게 높일 수 있습니다. ‘스러스터(Thruster)’는 위성의 자세나 궤도를 제어하기 위해 추진력을 발생시키는 장치입니다.

텐션렉을 적용한 해중터널의 한 단면들. 이중 양쪽에서 터널 전체를 감싸는 형태가 가장 이상적입니다.

예를 들어 지진이 발생하면 가공할 위력의 쓰나미가 터널 구조물을 뒤틀리게 할 수 있습니다. 이 때 어느 정도 규모로 언제 쓰나미가 도착하고 어느 방향으로 오는지 재빨리 계산합니다. 분석된 정보를 토대로 ATPT 장치가 해중터널의 각 지점에 있는 앵커링을 조절합니다.

힘을 받는 방향과 시간을 계산해 정확히 반대 방향의 추진력을 발생시켜 안정된 위치를 유지합니다. 또 텐션렉 중간이나 앵커링 부분에 외부 힘을 천천히 전달하는 진동 흡수 장치(댐퍼)를 설치합니다. 이처럼 복잡다단한 외부 영향을 순간적으로 계산하기 위해서는 월등한 성능의 슈퍼컴퓨터가 있어야 합니다.

태평양터널 예상 모형도. 인공섬 등 수심이 깊은 해구는 해중터널로, 지반이 평탄한 곳은 침매터널(육상에서 제작한 구조물을 가라앉혀 물속에서 연결시켜 나가는 터널 공법)을,연안에서는 부유식터널로 연결할 수 있습니다. 모든 종류의 해양 터널 기술이 총동원돼야 합니다.

태평양 횡단의 꿈, 멀지 않은 미래의 일

그러나 아쉽게도 해중터널은 아직 없습니다. 이탈리아, 노르웨이, 일본, 중국 등이 활발히 연구를 진행하고 있습니다. 우리나라에서도 한중 해저터널 구축 방안으로 해중터널이 거론되고 있습니다. 한상훈 해양연 책임 연구원은 “대양 횡단 방법으로 해중터널이 비용 효율적인 측면이 분명히 있다”며 “많은 사람들이 힘을 합치고 머리를 맞대면 충분히 가능한 얘기”라고 강조했습니다. 바다 속으로 태평양을 횡단하는 일, 생각보다 그리 멀지 않은 미래의 일입니다.

세계의 주요 해저터널

일본 간몬 터널1942년 개통된 일본의 간몬 터널. 

시모노세키와 키타큐슈 지역을 연결. 

세계 최초의 해저 철도터널.<출처: (CC)Muyo at Wikipedia.org>

홍콩 크로스 하버 터널1972년 개통된 홍콩의 크로스 하버 터널. 

홍콩의 첫번째 해저터널.<출처: (CC)WiNG at Wikipedia.org> 

일본 세이칸 터널1988년 개통된 일본의 세이칸 터널. 

혼슈와 홋카이도를 연결. 

총 길이 53.9km로 세계 최장 해저터널.<출처: (CC)Risto Kaijaluoto at Wikipedia.org>

유로 터널1994년 개통된 영국해협의 유로 터널. 

가장 좁은 부분인 도버해협 밑을 뚫어 영국과 프랑스를 연결. 

총 길이 약 50km, 해저구간이 38km로 해저구간 길이로는 세계 최장 해저터널. <출처: (CC)Xtrememachineuk at Wikipedia.org>

에익순 터널2008년 개통된 노르웨이의 에익순 터널. 

에르스타와 울스테인 지역을 연결. 

지하 287미터로 세계 최고 깊이의 터널.<출처: (CC)T.Müller at Wikipedia.org>

글 김민수 / 과학동아 기자 

금삐까(ikar****)2012.05.04 03:12

만들어 진다면야 좋겠지만 (언젠가 만들어지리라 믿어야지.....)

쇠도리(qsxs****)2012.05.04 02:27

어이없지만 좋은발생이긴하군요~ 비상님 말씀대로 계획하다가보면 보다 효율적인 방식들이 나올지도 모르는것이죠, 미국까지 터널을 만든다곤 하지만 해저에 여러방향으로 갈수있는 터널을 만든다면 여러나라를 갈수있지 않을까? 생각이 듭니다. 마치 고속도로처럼 말이죠, 해저에 무엇이 생길지도 모르는일이죠, 과학이란게 많은 경험과 시간 그리고 희생에서 생기는것인만큼 무엇이 나올지 궁금하네요, 언젠가 우주로가는 엘레베이터같은것도 나오지 않을까요~? ^^ 저도 이런건 좁게볼게 아니고 넓게봐야 할듯 합니다~

(andr****)2012.05.04 02:23

북미-유럽 대서양 횡단 해저터널이 먼저 생길 듯.

개독박멸(fuck****)2012.05.04 02:08

애들이 글은 읽고 댓글다는건가? 자동차가 아니라 자기부상열차로 간대잖아 ㅡㅡ

가짜유희(hong****)2012.05.04 01:52

자동차 보다는 초고속열차가 더 낳을듯 싶은데 열차안에 자동차 태워서가는게 오히려 합리적이지 않을까? 미국까지 정말 멀다.

innovestor(inno****)2012.05.04 01:49

아래 비상님 의견에 공감합니다. 지금 우리가 누리고 있는 많은 편리한 도구들도 수많은 상상력과 엉뚱한 생각에서 시작되어 많은 난관을 뚫고 나온 것들입니다. 100년전만해도 상상도 못할 일들이 지금 다 현실이 되어 있습니다. 당장 말도안된다 꿈깨라는 시각으로만 보지말고 멀리보고 깊게보는 혜안이 필요합니다.

비상(task****)2012.05.04 01:34

마지막으로 굳이 해저터널을 뚫을 필요가 있냐는 질문에는 이렇게 답하고 싶네요. 인구밀도는 높아져가고 어쩌면 지구가 감당하기 힘든 수까지 늘어날지도 모릅니다. 그러면 위쪽으로는 우주, 아래쪽으로는 지하나 해저에 새로운 터전을 만들어야 될지도 모릅니다. 굳이 당장 태평양 횡단 해저터널을 개통해야할 이유는 없지만, 미래의 일을 생각한다면 해저터널을 뚫어놓고 마치 지하철과 같이 곳곳의 역에 새로운 도시가 세워질 지도 모릅니다. 과학을 하는 입장에서 과학자들은 앞으로 벌어질 모든 상황을 생각하고, "그렇다면 이건 어떨까?"라는 생각을 항상 하여야 합니다. 호기심과 창의력은 과학의 원동력입니다.

비상(task****)2012.05.04 01:29

그리고 과학기술이라는게 다른 연구를 통해 부수적으로 얻게 되는 경우도 많습니다. 미국의 우수한 과학기술은 순수 과학도 있지만 냉전시대의 군사무기-우주개발을 통해 얻은게 많습니다. 해저터널을 연구하다보면 지진에 대한 대비도 해야될테고(글에 언급되어있지만) 그러다보면 쓰나미의 피해를 최소화하는 기술이 개발될 수도 있겠죠. 만키로 터널에 에너지를 공급하다보면 보다 효율적인 에너지 전송 시스템이 개발될 수도 있을거구요. 너무 좁게 보지 마세요. 과학은 유기적인 학문입니다.

비상(task****)2012.05.04 01:27

우연히 들어와서 봤는데 댓글들이 너무 충격적이네요. 우선 이 글의 취지는 해저터널 만키로가 목표가 아니라 해저터널의 사례들과 거기에 응용되는 다양한 과학지식의 전달입니다. 경제적 이유와 기술의 한계로 만키로는 힘들지라도 이런식으로 하다보면 한국-일본은 가능하게 될지도 모르구요. 무모한 상상의 99%는 무모함에서 끝나지만 1%는 세상에 빛을 가져다 줍니다.