Tunnel and Underground Space. August 2018. 304-324
https://doi.org/10.7474/TUS.2018.28.4.304


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 싱가포르 지질 현황 및 대규모 지하공간 개발 가능성

  • 3. 싱가포르 지하공간 활용 현황

  •   3.1 주요 도시 사회기반시설

  •   3.2 대규모 암반 지하공간 개발 현황

  • 4. 싱가포르의 향후 지하공간 활용 계획

  •   4.1 URA 지하공간 개발 마스터 플랜

  •   4.2 향후 주요 암반 지하공간 프로젝트

  •   4.3 향후 싱가포르 지하공간 개발의 이슈 및 과제

  • 5. 결 론

1. 서 론

동남아시아에서 가장 부국이자 도시국가인 싱가포르는 국가 창립 이후 매립 등을 통해 꾸준히 국토를 넓혀왔으며 이를 통해 현재까지 22 %의 국토 면적을 증대시켰다. 하지만 근래에는 국토 확장의 한계에 봉착하여 도시 지속가능성 및 국가 경쟁력 제고를 위해 지하공간의 개발 및 활용이 전 국가적인 화두가 되고 있다(The Strait Times, 2012).

이전부터 다른 국가와 마찬가지로 지하철과 지하도로 등의 교통 시설의 지하화는 이미 꾸준히 진행되어 왔으며, 최근에는 지하 전력구 및 하수 터널, 서비스 터널 등 다양한 형태의 지하공간 활용이 활발하게 이루어지고 있다(Zhou and Zhao, 2016a; Zhou et al., 2017).

또한 1998년 지하 암반 탄약 저장 시설(Underground Ammunition Cavern)의 건설을 최초로시작한 후 2008년 성공적인 완공 (The Strait Times, 2008) 및 운영으로부터 시작하여 최근 준공된 동남아시아 최초의 대규모 지하 유류 저장 시설인 Jurong Rock Cavern(JRC)은 한국에 비해 암반 지하공간 개발에 지질 및 지형적인 장점이 뚜렷하지 않음에도 불구하고 싱가포르 정부에서 얼마나 지하공간의 개발 및 활용을 중요한 미래 방향으로 설정하고 있는지 잘 보여주는 사례이다.

전통적으로 싱가포르는 많은 한국 건설사들이 오랫동안 사업을 진행하여 왔으며, 그간 쌓아온 유류비축기지 등 다양한 지하공간 개발의 경험과 기술을 통해 향후 싱가포르 시장에서 다양한 지하공간 개발 사업이 활성화될 경우 새로운 기회를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

본 논문에서는 먼저 싱가포르의 지질 등 현황 분석을 통해 대규모 지하공간 개발 가능성에 대해서 고찰한 후, 현재까지 진행되고 있는 싱가포르의 지하공간 개발의 현황을 살펴보고 현재 준비되고 있는 다양한 향후 지하공간 개발의 계획과 비전에 대해서 소개하고자 한다.

또한 보다 특정하게, 대규모 암반 지하공간 개발 및 연구사례들에 대한 경험 및 기술적 이슈 사항 등을 살펴보고 향후 이러한 지하공간 개발의 계획들이 잘 실현되기 위해서 이루어져야 할 다양한 과제에 대해서 논의하고자 한다.

2. 싱가포르 지질 현황 및 대규모 지하공간 개발 가능성

싱가포르는 말레이시아 대륙의 지질에 밀접하게 연결되어 매우 유사한 특성을 보인다. Fig. 1은 싱가포르에 존재하는 주요 10가지 지질 층서의 분포 양상을 보여준다(Cai, 2012).

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Fig. 1.

Geological setting of Singapore (modified from Cai., 2012)

이 중에서 가장 대표적인 층은 결정질 화성암인 Bukit Timah 화강암 층, 석회암과 사암 등 퇴적암 계열의 복합 층인 주롱 층 (Jurong formation), 신생대 모래 및 토양의 퇴적 층인 구 충적층(Old Alluvium) 그리고 주로 천부에 위치한 칼랑 층(Kallang formation)의 4가지이다.

싱가포르 중부 지역은 상대적으로 좋은 암질의 Bukit Timah 화강암 층이 광범위하게 분포하며, 노라이트(Norite)의 경우에도 유사한 특성의 지역으로 구분할 수 있다. Bukit Timah 화강암은 중생대 트라이아스 기에 관입, 생성된 전형적인 화성암으로서 평균 강도는 160 MPa이며 일반적으로 치밀한 불투수성의 양질의 암반이지만, 잔류토와 만나는 10-30 m 부근에서는 상당히 심하게 풍화된 지역들도 다수 존재하여 여러가지 공학적인 어려움을 일으키기도 한다(DSTA, 2009; Zhao et al., 1994a, 1994b).

주롱 층은 주로 서부 및 남부 지역으로 분포하며 트라이아스기 후기 및 쥬라기 초기에 기존 암석 등이 퇴적되어서 생성된 후 습곡, 단층 및 변성 등의 지각 작용을 받은 지층이다. 따라서 수 m 간격으로 석회암, 사암, 역암 및 화산 쇄설물 등의 다양한 지층이 협재하는 복잡한 구조를 일반적으로 보인다. 주롱 층의 공학적인 특성은 일반적으로 약한 강도 (10-50 MPa)를 보이지만 일부분은 160 MPa까지 양호한 암반도 발견된다 (Cai, 2012). 하지만 지각 작용으로 파쇄가 많이 되어 있어 전반적인 암반은 불량하며 습곡 등의 영향으로 암질이 위치에 따라 매우 급변하는 경우가 많다.

주로 섬의 동부에 분포하는 구 충적 층(Old Alluvium)은 북서부 일부에서도 발견되며, 암석이라기보다는 고화가 진행되어가고 있는 하상 퇴적층으로서 수십에서 200m까지의 깊이로 분포한다. 주성분은 진흙성 모래/자갈과 실트/점토 렌즈가 강하게 결합된 구조이다. 13 m 이상 깊이에서는 N >100 이상으로 고결성이 높고 조직이 치밀해 지하수 침투가 없어 터널이나 지반 굴착시 기계식 굴착에도 상당히 안정적인 편이다.

칼랑 층은 남서부 등 하상, 또는 연안 해안에 수 십 m까지 존재하는 매우 연약한 해성 점토 층으로서 홍적세 후기부터 현세까지 계속 퇴적이 진행되는 전형적인 연약지반이다. 따라서 공학적으로 지상 및 지하개발시에 지반의 침하와 안정성에 막대한 영향을 주어왔다.

Cai(2010)는 싱가포르의 지질 및 지형 조건을 분석하여 대규모 암반 지하공간 개발이 가능한 후보 지역을 선정하였다. 기본적으로 화강암 계열의 지역인 싱가포르 중심부는 대심도 지하개발에 적합한 곳으로 판단된다. 싱가포르는 지형상 150 m 이상의 산악 지역이 없고 대체로 편평한 평지이므로 지형상의 고려 또한 중요하다. Bukit Timah 화강암 지역의 지형을 분석한 결과 고도 40 m 이상의 구릉 지역은 약 25개 지역이 존재하며, 주롱 층 지역에서도 약 15개 내외의 지역의 고도가 40 m 이상이었다.

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Fig. 2.

Potential area for rock cavern development in Singapore (Cai., 2012)

Fig. 2는 이러한 분석 결과 가장 암반 지하개발이 가능한 곳을 표시한 것이다. 중부 화강암 지역과 남서부 주롱 층 그리고 동북부 화성암 층(Ubin 섬 포함) 정도가 향후 지하 공동의 개발이 가능한 지역으로 분류된다.

하지만 주롱 층의 경우에는 암반이 상대적으로 덜 견고하고 변화가 심해 지하개발시 굴착/보강 비용 등이 많이 들고 여러가지 리스크가 상존한다. 특히 Fig. 2에서 10-15번 지역은 명확한 지질 조사보다는 지형 및 주변 여건 분석을 통해서 도출한 바 있다.

3. 싱가포르 지하공간 활용 현황

3.1 주요 도시 사회기반시설

다른 많은 대도시와 마찬가지로, 지하공간 개발은 주로 교통 수단 및 지하 쇼핑몰 및 주차장을 통해 이루어 졌다. 2013년에 수립된 육상 교통청 (LTA)의 2013 마스터 플랜 (LTA, 2013)에 따르면, 싱가포르의 철도망은 현재 180 km에서 2030년까지 360 km로 2배로 커질 예정이다. 이 수치는 현재 잠정적으로 사업이 보류된 말레이시아 연결 고속철도 프로젝트를 제외한 것으로서, 2015년 이후에는 매년 12 km 씩 연장이 증가될 것으로 예측된다. 싱가포르 지하철의 경우 대부분 터널 구간은 TBM (Tunnel Boring Machine)으로 굴착되며 역사(Station) 및 선로 교차부는 개착터널로 굴착된다.

현재 건설되는 모든 철도망은 기본적으로 국토 효율적인 활용을 위해 모두 지하로 계획되어 있다. Fig. 3에 나와 있는 철도 2030 계획에 따르면 현재 건설이 진행되고 있는 Thomson-East coast line에 더불어 Jurong Region Line 및 Cross Island Line 등 최소 2개 주요 노선이 신규 건설될 예정이다. 최근에는 연락갱이나 보행자 통로 등에 사각형 TBM이 적용되고 일부 개착 구간이 3 아치 터널 로 건설되는 등(Thomson Line 213) 등 다양한 기술적 시도를 하고 있다.

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Fig. 3.

Rail network plan until 2030 (LTA, 2013)

Fig. 4는 싱가포르의 현재 운영되고 있거나 향후 계획 중인 주요 고속도로 노선을 보여주고 있다. 본 노선 중에 운영 중인 지하 고속도로는 Kallang-Paya Lebar 고속도로(KPE)와 Marina Coastal Expressway(MCE)이며 현재 North South Corridor(NSC) 프로젝트 건설이 막 시작 되고 있다. 지하도로 특성상 도로 경사 및 건설 효율성을 고려하여 대부분의 지하도로는 Fig. 4에 보는 바와 같이 개착(cut & cover) 방식으로 가시설을 굴착한 후 콘크리트 구조물을 건설 후에 되메우는 방식으로 진행되고 있다. 특히 NSC 프로젝트의 경우 그림에 나와 있듯이 전용 버스 노선, 지상의 전용 자전거 및 보행선 등과 병행된 복합 편의 계획을 잘 보여주고 있다.

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Fig. 4.

Existing and planned expressways in Singapore and new NSC project (Modified from the Strait Times, 2016)

하지만 상대적으로 NSC 선이 도심지 연약 지반을 통과함에 따라 교통 우회, 민원, 기존 시설물의 안전성 및 간섭, 칼랑 층 등 연약지반 처리 등 건설에 많은 리스크와 어려움이 상존할 것으로 예상된다. 또한 지하도로의 계획 차선이 대부분 4-5차선으로서, 대형 지하 가시설 굴착과 연약지반 문제 등으로 상당히 큰 건설비용이 들 것으로 예상된다.

싱가포르는 매우 잘 정비된 계획도시답게 대표적인 사회 기반 지원 시설(utility)로서 지하 전력구 터널과 대심도 하수처리 시스템 그리고 공유 서비스터널(CST) 등의 대규모의 시설들을 지하화를 빠르게 진행하고 있다.

Fig. 5는 현재 건설이 거의 끝나가고 있는 싱가포르 전력공사(Singapore Power)의 전력구 터널 프로젝트의 모식도와 현장 건설 장면을 보여준다. 국내의 전력구 터널이 2-4 m 정도임에 비해 내공 단면이 6 m인 대형 TBM을 통해 변전소 등을 연결하는 다양한 종류의 고압선과 기타 전선 등을 장기적으로 집중적으로 설치할 수 있도록 설계되었다. 또한 전력구 직경이 크므로 전기자동차를 이용하여 유지 보수가 가능한 형태의 설계를 채택하였다.

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Fig. 5.

Cable Tunnel Project in Singapore (The Strait Times, 2017)

이미 철도 및 도로의 지하 간섭으로 인해 기존 교통시설 등과의 간섭을 고려하여 현존하는 터널 노선 중 가장 깊은 지하 60 m 내외의 대심도 수직구 사이로 전력구 터널을 연결하였다.

동서 라인(EW) 및 남북 라인(NS)의 총 6개 공구로 구성된 본 프로젝트는 싱가포르 도심지 구간을 통과하면서 Fig. 1에서 설명한 모든 종류의 지질 조건과 더불어 다양한 기존 시설물과의 간섭, 대심도 수직구 건설의 어려움 등 많은 기술적 과제들을 해결해야 했으며, 특히 공사 규모에 비해 건설 기간이 상대적으로 짧아 TBM 터널 굴착과 동시에 케이블 브래킷(bracket)과 지지대(support), 그리고 기전 시설 건설 등을 동시에 진행해야 하는 어려움을 겪었다. TBM의 경우 대심도 수압을 고려하여 대부분 이수가압식(slurry shield) 실드 장비를 사용하였으나, 지질의 복잡성과 강한 수압, 그리고 화강암반 층의 강한 암반으로 인한 장비 마모 등으로 많은 어려움을 겪었다. 이러한 대심도 하의 전력구 터널의 경험은 향후 싱가포르 TBM 건설 시 새로운 기준으로 자리잡을 것으로 예상된다.

Fig. 6은 PUB(Public Utility Board) 에서 추진되어 온 대심도 터널 하수 시스템(Deep Tunnel Sewerage System, DTSS) 프로젝트 현황을 보여주고 있다(PUB, 2015). DTSS는 싱가포르 3곳에 분리되어 있는 주요 정화시설(WRP, Water Reclamation Plant)까지 대심도 하수터널 네트워크를 통해 효율적으로 이송하기 위한 시스템이다. DTSS 1기는 2000년대 최초로 대심도 TBM 터널 공사를 진행한 역사적인 프로젝트로서 대심도에서의 수직구 굴착 및 다양한 지반에서 TBM 굴착의 경험을 축적하였다. 동부 지역 구 충적 층 (OA)의 굴착 시에는 상대적으로 안정된 지반으로 토압식(EPB) TBM으로 양호한 굴진율을 보였으나 일부 구간에서는 상부 지반의 점차적 함몰 등으로 인해 지반 침하 등의 문제를 일으킨 바 있다. 특히 중부 화강암 지역의 경우 초기 이수가압식 장비를 사용했지만 심한 장비의 마모와 수압으로 인해 전반적으로 매우 낮은 굴착 효율을 보였다.

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Fig. 6.

Deep Tunnel Sewerage System (DTSS) Project (PUB, 2016)

Fig. 7은 또 다른 형태의 서비스 터널로서 CST의 개념도 및 실제 완공된 모습을 보여준다. 일반적으로 상수, 하수, 전력선, 텔레콤 선 등 다양한 도시 기반시설들은 각 주무 관청이나 시설물 공급자들에 의해 개별적으로 계획되어 건설되는 것이 일반적이지만, 싱가포르의 경우 매립 공사 등으로 신도시나 대규모 타운 개발을 진행할 때, 장기적으로 전체 도시 계획을 주도하는 도시재개발 공사 (Urban Redevelopment Authority, URA)에서 이러한 시설들을 통합하여 계획, 발주하는 형태이다. 대표적인 사례로 Marina bay 신 상업지구 계획 시에 지하에 개착 터널로 CST를 통합 계획, 건설하여 건설비의 효율성을 제고하고 지하의 다양한 개별 시설들의 간섭들을 최소화할 수 있다. 그림에서 보듯이 실제 수요에 비해 장기적인 확장을 고려하여 터널의 규모 역시 상당히 크게 계획하여 향후 추가적인 부담을 최소화하였다. 지하 개발 등에 있어서 행정 관청의 장기적이고 주도면밀한 계획이 얼마나 중요한지를 잘 보여주는 사례이다.

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Fig. 7.

Common Service Tunnel (URA)

3.2 대규모 암반 지하공간 개발 현황

Table 1은 싱가포르에서의 암반 지하공간 개발 관련된 주요 활동들에 대해서 열거한 것이다. 암반 지하공간 개발의 최초 연구는 1980년대부터 시작되었으며(Broms, 1989), 일련의 타당성 연구들이 1990년대 싱가포르의 다양한 지층에 대해서 수행되었다 (Broms and Zhao, 1993, Zhao and Lee 1996). 난양 공대(NTU)에 지하 기술 및 암반공학 프로그램(UTRE)이 설립되면서부터 국가적으로 암반공학 및 지하개발을 위한 노력들이 체계화되고 질적으로 성장을 하게 된다.

Table 1. Summary of major activities on rock cavern development (Modified after Lui et al. 2012)

PeriodMajor Activities and Development
1990-1994∙ Feasibility study of rock cavern construction in the Bukit Timah Granite by PWD/NTU
1995-1998∙ Feasibility study of rock cavern construction in the Jurong Formation by NTU/PWD
∙ First Tasks Force on promoting use of rock cavern was set up and led by URA, and the Tasks Force recommended MINDEF to take the lead.
∙ Feasibility study of the UAF (underground ammunition facility) by MINDEF/DSTA
∙ Establishment of Underground Technology and Rock Engineering (UTRE) program at NTU supported by DSTA
1997-2000∙ Feasibility study of the Underground Science City (USC) by NTU/JTC
∙ Construction of the UAF started in 1999 by MINDEF/DSTA
2001-2007∙ Feasibility studies of hydrocarbon storage caverns at the Jurong Island (JRC) by JTC and NTU.
∙ Other preliminary feasibility studies of underground space using rock caverns, e.g., Science Centre below Mount Faber, Jurong Bird Park extension into the Jurong Hill.
2007-2013∙ JRC (Jurong Rock Caverns for hydrocarbon storage) shaft construction started in 2007 and cavern construction in 2009
∙ Government set up inter-agency Underground Master Planning Task Force
∙ Further feasibility study on the USC at Kent Ridge commissioned by JTC
∙ Feasibility study on underground warehouse caverns at Tanjong Kling by JTC
∙ Feasibility studies of several industrial usages of rock caverns by JTC/MND
∙ Nanyang Centre of Underground Space (NCUS) established at NTU in 2012
∙ Underground space master planning study of the NTU campus
∙ MND research and development call on Sustainable Urban Living
2013-present∙ Feasibility study for underground automated good mover system and Jurong West Underground Caverns ∙ Feasibility study for underground cavern development at Gali Batu
∙ Feasibility study for land optimized use for Kranji Water Treatment Plant ∙ Feasibility study for underground drainage and reservoir system (UDRS)

싱가포르에 있어서 암반 지하공간 개발의 획을 긋게 된 것은 지하 탄약 저장 시설의 건설이며, 2007년부터 시작되어 최근에 완공된 Jurong Rock Cavern(JRC)의 계획 및 건설이다. 이미 완공된 두개의 주요 암반 지하공간 개발 프로젝트에 대해서는 향후 상세하게 논의한다. 또한 아래 표에 있는 최근의 주요 지하공간 개발 계획 및 연구 현황에 대해서는 별도로 논의하기로 한다.

3.2.1 암반 지하 탄약 저장 시설

지하 탄약 저장 시설(Underground Ammunition Facility, UAF)는 싱가포르 최초의 암반 지하공간으로서 싱가포르 중북부 Bukit Timah 화강암 지층에 건설되었다(Zhou et al., 2017). 본 프로젝트는 1999년에 국방과학 연구원(Defence Science and Technology Agency, DSTA)의 주도하에 시작되어 국방성에 의해 2008년에 준공되었다. 본 시설의 준공을 통해 Seletar 지역에 있던 지상 탄약고의 이전을 통해 약 4 km2의 지상 면적을 다른 용도로 활용할 수 있게 되어서 안전성의 향상과 더불어 지하공간의 효용성에 대해서 싱가포르 정부에 각인 시켜 줄 수 있게 되었다.

Fig. 8은 지하 탄약고의 주요 시설의 평면도 및 안전 시설, 건설 시 굴착 전경 및 완공 후 모습을 보여준다.

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Fig. 8.

Underground Ammunition Facility (Zhou et al., 2017)

그림에서 보듯이 시설이 위치한 지하는 Q값이 양호(10-40) 이상이 75% 정도로서 매우 양호한 암반이며, 건설 동안 지하수 유출도 많이 발생하지 않았다. 3붐(boom) 점보 드릴을 이용하여 싱가포르에서 처음으로 분상 폭약(bulk emulsion)을 발파에 이용하여 암반 굴착을 진행하였다.

본 프로젝트를 통해 최초로 싱가포르에서 토모그래피, 탄성파 및 전기 탐사, 시추공 물리탐사 등 지하공동 개발을 위한 암반공학적인 조사방법들이 적용되어 체계화되었으며, 수압파쇄 및 응력해방법을 통한 초기 지압 측정치는 최대 3의 측압계수로서 본 프로젝트의 건설 단면에 적합한 응력 분포를 보였다.

Table 2와 Fig. 9는 본 지하저장 시설에 사용된 기본 단면과 전형적인 발파 설계 패턴을 보여준다. 시공성을 고려하여 상부 분할과 더불어 대 단면의 경우 3-5 m의 벤치(bench)를 사용하여 분할 굴착을 하였다.

Table 2. Typical cavern section (Zhou, 2014)

Tunnel ParametersType IType IIType III
Width, m101530
Wall height, m4.56.58.5
Crown height, m8.111.213.5
Area, m262115275

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Fig. 9.

Section for cavern and typical blasting design (Zhou, 2010)

3.2.2 Jurong Rock Cavern

최초 암반 지하공동인 UAF의 성공은 두 번째 대규모 암반 지하공간 개발 프로젝트인 Jurong Rock Cavern (JRC)의 시작을 가능하게 하였다. JRC 프로젝트는 동남아시아에서 가장 큰 지하 저장 기지로서 2014년 9월에 싱가포르 총리에 의해 1A 단계 일부 시설의 공식적인 준공을 선포하고 운영을 개시하였으며 최근 나머지 잔여 저장시설들도 완공되었다.

Fig. 10은 JRC 프로젝트의 기본 구성 및 수직구 및 저장 공동의 모습을 보여주고 있다. 본 유류 저장 시설은 석유화학 단지의 메카인 주롱섬 산업단지와 연계하여 주롱섬 주변 해상의 반얀 수역(Banyan Basin) 해수면 지하 150m 아래에 위치하며 총 저장 용량은 약 150만 m3에 이르며, JRC의 성공적인 준공을 통해 약 60 hectare의 지상 토지의 절감을 할 수 있는 효과를 거두었다.

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Fig. 10.

Jurong Rock Cavern Project (The Strait Times, 2014)

하지만 그림에서 보듯이 지질조건보다는 상업적 필요성에 의해 위치가 결정되고 설계가 되어 기술적으로 여러 가지 어려움과 리스크들을 가져 건설 기간 동안 많은 문제들을 해결해야 했고 이를 통해 많은 경험을 축적하였다. 저장 공동이 일반적으로 흔하지 않은 퇴적암층인 주롱 층에 위치하고 또한 매립지로 구성된 주롱섬 평지에서 지하로 대구경 수직구를 통해 진입하여 바다 밑 속에 건설되었다. 이러한 도전적인 입지 조건은 모든 운송 및 시설 접근이 2개의 수직구로 집중되어 시공 상의 어려움과 더불어 다량의 지하수 침투와 상대적으로 연약한 퇴적암층의 보강량 과다 등으로 공기 및 공사비에 영향을 주었다.

또한 석유 산업 단지에 위치한 대규모 지하 저장 시설의 안전 및 방재 기준 등에 대해 지상법과 같은 조건을 적용하다 보니 방화/방폭 등의 기준들 역시 기존의 지하저장시설에 비해 매우 엄격하게 규정되어 예상보다 기준 충족을 위한 비용이 많이 소요되었으므로 건설비 최적화 등을 위해 추후 개선의 여지를 남겼다.

이외에도 해수 침투로 인한 지하 환경의 열화로 기존 설치 시설물과 공사용 시설의 부식 등 여러가지로 국내 기존 유류 저장기지와는 색다른 경험들과 노력들을 통해 완공에 이르게 되었다. 향후 이러한 경험들은 싱가포르 뿐 아니라 전세계 대형 암반 지하공간 개발 시에 좋은 시금석이 될 수 있을 것이다.

4. 싱가포르의 향후 지하공간 활용 계획

4.1 URA 지하공간 개발 마스터 플랜

앞서 언급한 바와 같이 도시재개발공사인 URA는 지상뿐 아니라 지하를 포함한 싱가포르 백년대계의 모든 도시 계획을 총괄하여 준비하고 있다.

URA는 1990년대 후반 이미 UAF 시설 준비시 앞장서 계획을 주도한 바 있으며 2000년대 후반에는 Table 1에 있는 각 정부기관 간의 지하 마스터 플랜 태스크포스(UMPTF)를 주도하여 다양한 지하공간 개발의 필요성과 관련 요구사항들을 조율해 왔다.

지하 마스터 플랜의 개발은 잠재적인 용도와 정부에 주는 혜택을 판별하여 이러한 용도에 맞는 잠재적 부지를 결정하는 것이다. 또한 당면한 잠재적인 지하 개발 프로젝트를 판별하고 이를 위한 기술적인 과제를 해결하며 예산을 준비하는 동시에 또한 정부 최고위층으로부터의 정책적 지원을 받는 것들을 포함한다. 2010년에는 총리 직속실 산하 경제 전략 위원회(ESC)에서는 특정 지하공간 사용 계획에 대해 추천을 했으며 이에 정부는 지하공간의 사용을 전략적인 수준으로 격상시키기로 결정했다. 이러한 결정에 따라서 URA 주도로 현재 범국가 차원의 지하공간 마스터 플랜을 준비하고 있으며, 2019년에 이에 대한 청사진을 공식적으로 발표할 계획이다(The Straits Times, 2018).

최근 URA와 Arup(2017)은 전세계 다양한 국가와 도시들의 지하 개발 현황과 특징을 분석하여 지하공간 개발 및 관리에 대한 국제적인 우수사례(best practice)에 대해서 조사한 바 있다. Fig. 11은 이러한 기준 현황(benchmark) 연구의 결과물로서 각 국가 주요 도시별 지하공간 활용에 대한 정도를 비교한 것이다.

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Fig. 11.

Comparison of cities for underground space utilization (URA, 2017)

2014년 자료에 기초한 본 조사에 따르면 싱가포르는 철도 분야에서는 도쿄 다음으로 앞서 있지만 지하 보도나 도로에 있어서는 매우 뒤쳐져 있는 것으로 나타났다. 또한 싱가포르가 현재 대심도 암반 지하공간을 저장 용도로만 사용하고 있으므로, 유틸리티 플랜트나 데이터 센터와 같은 다른 용도로 암반 지하공간을 사용하고 있는 도시들로부터의 경험을 배워야 한다고 추천하였다.

Fig. 12는 URA에서 미리 발표된 2019년을 목표로 준비 중인 지하 마스터 플랜의 개념을 이해하기 쉽게 정리한 것이다.

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Fig. 12.

Concept for underground space masterplan (The Strait Times, 2018)

각 심도 별로 현재까지 진행되고 있거나 계획되고 있는 싱가포르에서의 다양한 지하공간의 활용의 기본 청사진이 체계적으로 잘 정리되어 있다. 특히 아직 공식적인 발표가 없는 단계에서 지하 저수 시설 개념이 그림에 나와 있는 것으로 미루어, 본 프로젝트가 차기 주요 프로젝트로 심각하게 고민하고 있음을 알 수 있다. 또한 최근에 URA에서 개최한 지하 공간 개발 전시회에서 MND (Ministry of National Development) 장관에 의해 공표된 바에 따르면 싱가포르 전력공사(Singapore Power)에서 대규모 변전소들을 모두 지하화하는 계획을 추진하고 있다고 하며, 시험(pilot) 프로젝트가 곧 시작될 예정이다.

4.2 향후 주요 암반 지하공간 프로젝트

4.2.1 지하 과학 도시

지하 과학 도시(Underground Science City, USC) 프로젝트는 이미 1990년대 후반부터 초기 개념화 및 타당성 연구가 시작되어 최근까지 싱가포르 토지개발공사인 JTC(Jurong Town Corporation)에서 계속 진행되어온 대표적인 지하공간 개발 프로젝트이다.

기본 개념은 싱가포르 국립대학 (NUS)가 위치한 Kent ridge 언덕에 기존에 있는 과학 공원 아래에 대규모의 지하 과학 첨단 연구시설 단지를 개발하는 것으로서 본 지역이 특이하게 양질의 화강암 지역으로서 대규모 암반 지하공간 개발에 적합한 것으로 판단되었다.

Fig. 13은 이러한 USC의 비전을 잘 보여주는 개념도 및 배치도를 보여주고 있다. 바닥 심도는 약 80-100 m 정도 기존 과학 공원 지표에 위치하며 공동은 22 m 높이 5층 시설물로 건설된다. 수직구를 통해 진입하며 상호 건물들을 연결하는 수평갱이 있다. 주요 중장비가 필요한 시험 시설이 바닥에 위치하고 나머지는 연구시설 등으로 임대를 할 수 있는 것으로 평가되었으며 본 프로젝트를 통해 약 200,000 m2의 연구 및 과학 시설을 유치할 수 있다.

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Fig. 13.

Underground Science City (After Cai, 2010)

본 프로젝트는 일반 주거 시설이 아니고 지하공간 창출 측면에서 매력적이므로 초기에 심도 있게 검토되었으나 시설 투자 등 공사비 측면에서 막대한 예산이 필요하고 또한 환기/방재 및 준 주거 환경 등의 여러가지 기술적인 문제 등이 해결되어야 하고, 고층 건물 시설에 비해 효용성 측면에서 논의의 여지가 있으므로 현 단계에서는 지하공간 마스터 플랜에서 우선순위가 낮은 것으로 예상된다.

4.2.2 지하 암반 저수/배수 시설 및 양수 발전소

현재 싱가포르 PUB (Public Utility Board) 주관 하에 상세한 타당성 조사가 진행되고 있는 프로젝트로서 (The Strait Times, 2015) Fig. 12의 지하공간 마스터 플랜 개념에 이미 들어가 있을 정도로 차기 실현 가능성이 높을 것으로 기대되는 프로젝트이다.

싱가포르는 수자원 독립 및 보존을 매우 중요한 과제로 여겨와서 좁은 국토 면적에도 불구하고 총 18개의 지상 저수지 및 매우 큰 면적의 물 포집 지역 (catchment area)를 보유하고 있어, 전체 지상 공간에서의 점유율이 매우 높은 상황이다. 따라서 기본 개념은 현재 운영되는 지상 저수지 일부를 지하 암반 저수 공동으로 바꾸고 물 배출 및 이동을 지상 저수지들과 연계한 시스템을 만드는 것이다.

Fig. 14는 이러한 지하 암반 저수지의 개념을 보여주고 있다. 지상 40 m 이상 구릉 지역에 위치한 포집지역 저수지들과 연계하여 지하 100 m 이하 심도에 1개 50만 m3 용량의 공동을 20여개 건설하면 1천만 m3의 저수 용량을 지하에 보유할 수 있다. 이 경우 작은 신도시 규모의 지상 부지를 다른 용도로 활용할 수 있으므로 싱가포르의 부지 부족 문제의 심각성을 고려할 때 직간접적인 효용을 매우 클 것으로 기대된다. 또한 100여 m 낙차를 통한 지하 양수 발전소 개념은 용량 및 효율 측면에서 한계가 있지만, 향후 기술 발전을 고려할 때 충분히 가능성이 있는 시나리오이다. 또한 대부분의 대형 지표 저수지 및 포집 지역이 싱가포르 중북부 지역을 중심으로 위치하고 있으므로 암반공학 측면에서 싱가포르에서 가장 양호한 Bukit Timah 화강암 지대의 구릉 지역이 대표적인 후보 지역으로 예상된다.

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Fig. 14.

Concept of underground reservoir system with caverns

하지만, 이는 전세계적으로 실현된 적이 없는 신개념의 지하공간 활용 방안으로서 전체 시스템의 기술적인 문제 해결과 더불어 기존 지하수 시스템과의 상호 간섭 및 상호 작용, 또한 시공상의 여러가지 과제들이 제기될 것으로 보이며, 전세계적으로 관련한 사례가 아직까지 거의 없으므로 학계에서도 관심을 가지고 연구해야 할 것으로 보인다.

4.2.3 지하 자동화 물류 이송 시스템 및 암반 물류 저장 시설

2015년부터 JRC의 발주처인 JTC(Jurong Town Corporation)에서는 현재 건설이 진행 중인 Tuas 항만 공사와 연계된 신개념의 대규모 지하공간 개발 프로젝트에 대한 타당성 조사를 진행해왔다. 즉, 기존의 센토사와 Tanjong Pagar 지역의 오래된 항만시설을 산업시설이 밀집한 서부 매립지인 Tuas 지역으로 모두 이전하고 이에 맞춰서 모든 물류 및 저장 시스템을 자동화하여 물류의 지상 교통 흐름을 최소화하고자 하는 의도이다.

Fig. 15는 IGMS(Inter-estate Goods mover system)의 개념도 및 관련된 지하 암반 물류 저장 시설에 대해 보여주고 있다. 즉 Tuas 항만으로부터 지하를 통해 바로 컨테이너 등 화물을 하역한 후에 싱가포르 중부에 있는 3개의 후보 지하 암반 저장 시설까지 TBM 터널을 통해 자동화 시스템으로 물류를 운송하여 바로 저장하는 개념이다. 이러한 물류 시설은 향후 말레이시아 고속철도 등이 현실화 될 경우 고속철도 시스템과 연계되어 대륙으로의 물류 시스템과 연결도 구상되고 있다.

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Fig. 15.

IGMS and underground warehouse project (Zhou et al., 2017)

문제는 TBM 터널 굴착 길이 등이 상당히 길기 때문에 경제성 등을 고려할 때 Fig. 15(a)에 나와 있듯이 대형 TBM 터널을 지하도로 및 서비스터널과 연동하여 사용하는 개념을 추진하고 있다.

지하 암반 저장 시설의 예로 과거에 연구되었던 Tanjong Kling 저장소의 개념 배치 및 단면도를 Fig. 15(b)에 나타낸다. 공동의 크기는 24×20 m (H : W)로서 3층 또는 4층의 저장 공간을 배치할 수 있다. 저장 공동 자체는 세계적으로 유사한 사례가 많으므로 기술적으로 그리 어렵지 않겠지만, 마찬가지로 건설 비용과 더불어 효율적인 자동화 운송 시스템 에 대한 기술적인 진보가 필요하다. 이러한 획기적인 물류 시스템이 실현된다면 싱가포르 지상 부지의 최적 활용과 더불어 지상 물류 최소화 및 지상 환경 개선으로 인한 직간접적인 많은 효과를 볼 수 있을 것으로 기대된다.

4.3 향후 싱가포르 지하공간 개발의 이슈 및 과제

위에서 설명한 바와 같이 현실적인 필요에 의해 싱가포르의 지하공간 개발은 향후 점점 활성화될 것으로 기대된다. 하지만 지하공간 개발은 여러가지 요소로 인해 쉽지 않은 도전과 과제의 해결을 필요로 한다. 아래에서는 싱가포르 지하공간 개발에 수반되는 몇 가지 주요 과제와 이의 해결을 위한 방향에 대해 논의한다.

4.3.1 지하 공간 개발 적합 부지 선정

지하공간 개발은 그 특성상 지하 심부까지 3차원적인 상세한 지질 정보가 필요하다. 따라서 3차원적인 지하공간 개발 특성상, 지하공간 마스터 플랜을 발전시키기 위해서는 지하 기반시설에 대한 수직적인 계획이 무엇보다도 중요하다. 항상 지하의 3차원적인 기존 자료는 부족하거나 많은 불확실성이 존재하다. 또한 다양한 교통, 서비스 시설이 지하에 이미 건설되어 오고 있으므로 향후 지하공간 개발은 정확한 3차원적인 지하 정보에 기초하여 각 시설 간의 간섭을 최소화시키고 부지 효율성을 극대화시킬 수 있도록 준비되어야 할 것이다.

싱가포르 정부에서도 이에 대한 중요성을 인식하고 있으며, 건설부(BCA, Building and Construction Authority)를 중심으로 싱가포르 전역에 대한 기존 시설 정보와 통합된 3차원적인 체계적인 정보 및 데이터 베이스 구축에 노력 중이다.

이미 2장에서 논의되었듯이 타 국가와 달리 평지 중심의 지질 구조(Zhou and Cai, 2011, Zhao et al., 2012, Zhou and Zhao, 2016b)는 암반 지하공간 개발의 적합한 부지를 찾는데 많은 제한이 있다. 결국 Fig. 2에 설명한 바와 같이 가장 높은 구릉 지역은 싱가포르 중북부의 Bukit Timah 지역으로서 최고 해발이 163 m이고 대부분 Bukit Timah 화강암 지대로서 주변에 폐광된 석산 등이 다수 존재한다. 이러한 과거 석산 지역은 향후 개발 시 주요 진입 터널의 좋은 후보지이다(Zhou, 2014). 낮은 표고로 인해 이 지역을 제외하고는 지하공간 개발 시에 대부분 수직구를 통해 진입해야하는 상황이다.

싱가포르의 열대성 기후는 침식과 풍화 과정에 영향을 많이 주어서 주롱 층의 경우 풍화 심도가 45 m나 그보다 더 깊은 것이 일반적이다. 또한 Bukit Timah 화강암의 경우에는 풍화 층의 심도가 10-50 m 정도로 가변적이다(Zhao et al 1994a, 1994b; Sharma et al., 1999; Zhou, 2001). 잔류 토양 (Residual soil)은 싱가포르 전체 면적의 약 3분의 2를 차지하며 중서부에 기반암 층 위에 존재한다. 결국 싱가포르에서 암반 지하공간 개발의 가장 큰 과제는 대형 공동 개발이 가능한 적합한 입지를 찾고 다른 시설물과의 간섭 및 효율성 등을 극대화하는 것이다.

4.3.2 지하 공간 개발의 경제성

많은 이들이 일반적으로 지하공간은 지상에 비해 공사비가 훨씬 더 많이 든다고 여겨왔다. 실제로 공사비 및 경제성 이슈는 다양한 지하공간을 최적화하여 사용하는데 큰 장벽이 되어 왔다. 비록 지하공간의 많은 직 간접적인 효용성과 가치에 대해서 논의가 되고 생애주기비용(life cycle cost) 또는 총 소유 비용(TCO, Total Cost of Ownership) 등을 도입하여 분석하려는 다양한 노력에도 불구하고 막상 실제 개발에 대한 결정은 종종 순전히 공사비의 평가에 기초하여 이루어지는 경우가 많다. 싱가포르 정부에서도 직접 정량화가 가능한 공사비와 같은 비용과 편익(매출, 부지 비용 가치) 그리고 시장 현가 가치 등을 종합적으로 고려한 무형의 비용 및 사회적 환경 편익 등을 직접 고려한 비용 편익 분석(CBA) 방법을 사용하고 있다. 하지만 중요하지만 많은 무형의 시장 가치를 산출하기가 실제로는 매우 힘든 경우가 많다. 따라서, 전략적인 중요성이 있는 많은 무형의 편익들을 고려하기 위해서는 보다 시스템 적인 방법으로 의사결정을 도울 수 있는 대안적인 접근법들이 필요하다.

따라서 향후 지하공간의 비용과 편익들을 보다 정량적이고 효율적으로 평가할 수 있는 도구들을 개발하는 것이 중요하며, 계층 분석 과정(AHP, Analytical Hierarchy Process)과 같이 다양한 비 수치적인 변수들을 보다 객관적이고 정량적으로 비교하는데 사용되어온 방법들이 대안이 될 수 있다.

또한 지하공간 개발의 경제성을 높이기 위해서는 무엇보다도 직접적으로 지하공간 개발 건설비를 최적화시키기 위한 노력이 필요하다. 앞서 설명한 바와 같이 지형적인 여건으로 인한 공사비 증가를 최적화하기 위한 진입 방법의 개선, 또한 굴착 암석을 골재 및 건설 재료로 재활용하여 공사비를 상쇄할 수 있는 방안 등의 다양한 고민들이 필요할 것이다.

4.3.3 지하 공간 개발의 복잡성 및 기술적 과제

지하공간 개발은 그 자체로서 다음과 같이 복잡한 시스템을 이루는 많은 특성들을 갖는다(Zhou, 2016a).

∙ 지하 개발 프로젝트는 주로 대규모로서 많은 예산을 필요로 함

∙ 계획에서 개발까지 많은 시간이 걸림

∙ 일반적으로 많은 수의 공동이 필요하며 그 구성 요소와 하위 시스템이 다양함

∙ 상호 의존하는 다양한 많은 독립변수가 관련되며 때로는 예측이 어려움

∙ 개발 기간 동안 프로젝트에 영향을 줄 수 있는 많은 이해관계자가 관련됨

∙ 설계나 다른 방법들을 통해 연결성을 증대시킬 수 있음

즉, 지하공간 개발은 그 자체로 동적이며, 지정학적인 사건에 따라 요구사항이 바뀌기도 하고, 기술적 생애 주기보다 더 오래 지속되어 복합적인 시간 스케일이 관련되기도 한다. 또한 경계 조건들을 정하기 어려워서 각 관련 인자들의 상호 관계를 정의하기 불가능할 때도 있다.

따라서 이러한 지하공간의 복잡한 특성을 고려할 때, 계획 시에는 복잡성을 다루는 시스템적인 사고 및 공학을 통해 그 최적 대안을 도출하는 총체적인 접근 방법이 필요하다.

즉 시스템적인 접근법은 의사 결정을 위해 총체적인 접근이 가능하게 하므로 의사결정자가 지하공간의 사용을 보다 큰 경제 시스템 (도시 개발, 경제 전략)의 일부로서 보는 관점이 필요하며 계획, 설계, 시공 및 운영 유지 등의 전체 프로젝트 생애 주기 관점에서 검토해야 한다.

특히 도시국가로서 싱가포르의 다양한 특성과 싱가포르 정부의 국가적인 차원에서 공간 독려 정책은 전체적인 경제 개발 관점에서 지하공간의 활용이 중요한 인자가 될 수 있다.

하지만, 이러한 개발들을 현실화하고 더 매력적으로 만들기 위해서는 암반공학을 비롯한 다양한 각 시스템의 요소 기술들의 진보와 신뢰성, 그리고 관련 기술들의 효율적인 결합이 필수적일 것이다.

4.3.4 기타 고려 사항

싱가포르에서 지하공간의 사용의 또다른 장벽은 법적 및 행정적인 한계일 것이다. 지하공간에 대한 소유권과 지상소유권과의 보호 관계 및 재산권 정의 등에 대한 정비가 필요하며, 국가적인 차원에서 개발 안전 및 환경 보호에 대한 행정적인 제어가 필요하다.

앞서 전술한 경우 지하 굴착 암석에 대한 재활용 여부도 관계 당국의 행정적인 조치가 있어야만 가능하다. 즉 굴착 암석을 폐기물로 처분하는 것이 아니라 적극적으로 활용할 수 있도록 하는 제도적인 틀이 필요할 것이다.

지하공간 건설 및 운영시의 안전도 매우 중요하며 싱가포르 관련 관청 및 기술자들 내에서 본 사항을 매우 보수적으로 다루어 왔으나, 지하공간에 대한 안전기준 등에 대해 많은 부분이 더 명확하고 효율적으로 정의되어야 할 것이다. 과거 니콜 고속도로 (Nicole Highway) 붕괴 (2004) 이후 싱가포르 건설부는 지하굴착 시 타국가에 비해 매우 보수적인 구조 설계 기준을 유지하고 있다. 하지만 암반 공동과 같은 다른 특성의 구조물의 안전 기준에 대해 안전을 보증하면서도 보다 효율적이고 기술기반적인 방법으로 기준들을 제정한다면 건설비 최적화 등 효율성을 증진 시킬 수 있도록 해야 할 것이다.

지하공간은 또한 많은 경우에 지하 개발 이외에 더 다른 대안이 없을 때에만 필요에 의해 건설되는 경우가 많다. 이러한 경우에는 이미 개발된 타 지상 시설 등으로 인해 건설 비용이 매우 비싸질 수가 있다. 이에 비해 상대적으로 개발이 덜된 지역에서 초기 개발을 할 경우 투자 비용은 최소화될 수 있다. 따라서 시간적인 고려도 중요하며, 이와 같은 이유로 싱가포르의 지하 공간 개발은 전체적인 도시계획에 따라 장기적으로 미리 계획 및 실행되어야 할 것이다.

5. 결 론

이 논문에서는 싱가포르 지하공간 개발의 역사와 현황 그리고 향후 개발을 위한 이슈들에 대해서 논의하였다. 결국 장기적으로 싱가포르는 더 많은 지하 개발을 할 수 밖에 없으며, 2019년에 발표될 예정인 지하공간 마스터 플랜에 포함된 주요 계획에 따라 향후 체계적으로 진행될 것으로 예상된다.

하지만, 위에서 설명한 바와 같이 이러한 대규모 지하공간 개발을 효율적으로 진행하기 위해서는 해결해야 할 많은 과제들이 산적해 있으며, 특히 다양한 기술적인 경험의 축적이 더 필요하며, 지하공간 개발을 효율적으로 담당할 수 있는 인력 역시 아직까지 제한적인 것으로 판단된다. 이러한 경험 부족은 암반 공동의 특성을 제대로 이해하지 않은 채 일반 지하 굴착이나 기준에 따른 과잉 설계나 과도한 공사비 및 매우 긴 공사 기간 등을 초래할 수 있으므로 향후 싱가포르 지하공간 개발의 비전을 어렵게 만들 수도 있다.

하지만 전세계적으로도 특이하게 발전되고 있는 이러한 싱가포르의 지하 개발 계획 비전은 이 때까지 수 십여년간 국내에서 다양한 지하공간 개발을 해왔으나 최근 관련 개발이 정체되어 있는 국내 업계 및 학계에 또다른 발전의 기회가 될 수 있다.

따라서, 기존의 국내 터널, 지하 유류 저장 시설 등 다양한 지하공간 개발과 관련된 다양한 경험들을 잘 축적하고 학술적으로 관련 주제들에 대한 연구 활성화를 통해 기술적인 차별성을 향후 더 발전시켜 향후 진행될 싱가포르 지하공간 개발의 계획, 설계 및 시공 등 다양한 분야에 기여할 수 있도록 국내 암반공학 및 관련 기술자들의 노력과 준비가 필요할 때이다.

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