🌊 강 밑을 뚫다: 수중 터널의 탄생, 템스강에서 허드슨강까지

1. 최초의 수중 터널, 그러나 첫 번째는 아니었다

런던의 템스 터널은 일반적으로 최초의 수중 터널로 여겨지지만, 사실은 그렇지 않다. 영국 서부와 북동부의 석탄 광산에는 이미 오래전부터 작은 구멍의 수중 갱도들이 존재했다. 다만 그 규모와 상징성에서, 템스 터널은 진정한 의미의 첫 번째 본격 수중 터널로 기록된다.

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2. 한 사람의 용기와 인내 — 마크 브루넬

템스 터널은 한 사람의 용기, 자원, 그리고 인내의 기념비이다. 그 사람은 프랑스 태생의 영국 엔지니어 마크 이점바드 브루넬(1769~1849) — 바로 그레이트 웨스턴 철도를 만든 이점바드 킹덤 브루넬의 아버지이다.

 

1818년, 브루넬은 배좀벌레조개가 목재에 구멍을 내는 모습을 보고 실드 터널 공법(Tunnelling Shield)을 구상했다. 자연을 관찰해 공법을 발명한 셈이다.

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1825년 시작된 이 터널은 길이 1,200피트, 외부 너비 약 37피트, 높이 23피트의 도로 터널로, 2개의 아치형 차로를 가졌다. 내벽은 당시 '로만 시멘트'라 불리던 재료로 벽돌을 쌓아 마감했다.

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3. 120톤의 철제 상자 — 최초의 실드

브루넬이 설계한 실드는 오늘날 기준으로 보면 거칠고 원시적이었지만, 혁명적이었다.

• 무게: 120톤의 주철 구조물, 3인치 판자로 마감
• 구성: 36개의 작은 칸(약 3피트×7피트), 각각 개별적으로 열어 작업
• 작동: 전체 구조를 12개의 수직 '프레임'으로 나누고, 나사형 잭으로 몇 인치씩 전진

이 실드는 템스강 바닥의 단단한 청색 점토를 한 번에 조금씩 파내며 전진했다. 터널 천장은 어떤 곳에서는 강바닥 아래 불과 13피트밖에 되지 않았다.

 

💧 다섯 번의 침수, 일곱 명의 죽음

이런 조잡한 장비로 작업하는 동안, 강물이 다섯 번이나 터널로 쏟아져 들어와 7명의 노동자가 익사했다. 침수가 발생할 때마다 터널의 물을 모두 빼내고, 배에서 자재를 떨어뜨려 약해진 상부 토양층을 보강해야 했다. 한 번은 공사가 7년간 중단되기도 했다.

 

마침내 1843년, 브루넬이 74세의 나이로 뇌졸중을 앓은 상태에서 터널이 완공되었다. 착공부터 완공까지 18년이 걸린 것이다.

 

🚇 도로에서 지하철로

원래 도로 교통용으로 계획되고 사용되었지만, 재정적으로 성공하지 못했고 이후 철도 회사가 인수했다. 현재는 런던 지하철 시스템의 일부로, 건설자가 전혀 예상하지 못했던 고속 대중교통을 실어 나르고 있다. 워핑역(런던 브리지 동쪽 약 1.5마일)에서 로더하이드까지 템스강 아래를 통과한다.

 

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4. 미국의 첫 시도 — 셸드 없이 뚫은 시카고 터널

미국 최초의 수중 터널은 1864~1867년 미시간호 아래를 2마일, 수심 30피트에서 통과한 시카고 상수도 터널이다.

 

이 터널은 밀도 높은 청색 점토를 통과했기 때문에 실드 없이 굴착되었다. 양쪽 끝에 원형 수직 갱도를 설치해 물을 막고 굴착된 자재를 끌어올렸다. 내경 5피트의 주철 튜브를 벽돌로 마감했다.

 

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5. 진정한 혁신 — 그레이트헤드 실드의 등장

브루넬의 실드는 장점과 단점을 모두 보여주는 사례였다. 진정한 도약은 다음 세대, 남아프리카 출신 영국 엔지니어 제임스 헨리 그레이트헤드(1844~1896) 에게서 나왔다.

 

그레이트헤드는 피터 W. 바로(1809~1885) 가 처음 제안한 원형, 단일 구조, 밀착형 실드를 개발했다. 이것이 이후 전 세계에서 사용되는 실드의 원형(prototype) 이 되었다.

 

🚇 타워 서브웨이 (1869년)

그레이트헤드는 바로의 제자였고, 그의 제안에 따라 1869년 템스강 아래 타워 서브웨이를 건설했다.

항목	브루넬의 템스 터널	그레이트헤드의 타워 서브웨이
직경	37피트(2차로)	단 7피트
용도	도로(이후 철도)	보행자
라이닝	벽돌	주철 원형 링, 볼트 결합
시공 기간	18년	단 1년 안에 완공

 

타워 서브웨이는 브루넬의 터널보다 더 깊게(비투수성 점토층을 통과하도록) 뚫렸다. 한동안 12인승 소형 케이블카가 운행되었다.

 

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6. "투페니 튜브"의 탄생 — 시티 앤 사우스 런던 철도

타워 서브웨이의 성공은 더 큰 프로젝트로 이어졌다. 1886년 그레이트헤드가 착수한 런던-사우스워크 서브웨이(이후 시티 앤 사우스 런던 철도)이다.

 

기존의 얕은 지하철(증기 기관차 운행)이 시작된 지 거의 한 세대 후였다. 이 노선은 모뉴먼트 인근에서 시작해 템스강 바닥을 비스듬히 관통해 사우스 런던의 스톡웰까지 3마일 이상 이어졌고, 1890년 말 개통되었다.

 

곧 "투페니 튜브(tuppenny tube)" 라는 애칭을 얻었다. 직경 10피트의 쌍둥이 주철 튜브로, 타워 서브웨이의 확대판이었다.

 

🔧 두 기술의 결합 — 실드 + 압축공기

그레이트헤드는 여기서 결정적인 조합을 만들었다.

• 수압식 잭(인력으로 작동)으로 실드를 전진
• 강 자체 아래가 아닌 수분이 많은 토양 구간에서는 압축공기(1830년 특허, 다리 기초 공사에 사용되던 기술)로 물을 차단

"그레이트헤드는 이 두 기술을 결합하여 사용한 최초의 인물이었으며,
이후 현재까지 대부분의 수중 터널링의 표준이 되었다."

 

사용된 최대 공기압은 대기압보다 15psi 높은 수준에 불과했다.

 

⚡ 세계 최초의 전기 지하철

이 노선은 처음부터 전기로 운행되었다(원래 계획은 케이블카였다). 세계 최초로 전기로 운행된 지하철이다.

• 차량: 지멘스 브라더스 전기기관차(13.5톤)가 끄는 3량 연결열차
• 좌석: 32명(매우 좁음)
• 평균 속도: 시속 12~13마일
• 약 30년 후 약간 더 넓게 재건되었으며, 그 과정에서도 운행을 중단하지 않았다.

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7. 압축공기만으로? — 안트베르펜과 허드슨강의 도전

1879년, 두 개의 획기적 시도가 실드 없이 압축공기만으로 터널을 뚫으려 했다.

 

안트베르펜: 셀트강에서의 소규모 터널(높이 4피트, 너비 5피트)로, 목적을 달성했다.

뉴욕 허드슨강: 캘리포니아 출신 낙천주의자 드윗 클린턴 해스킨이 1873년 시작한 야심작이었다. 이즈(1869~1870)나 윌리엄 수이 스미스의 미주리강 다리에서 압축공기의 성공을 본 그는, 압축공기만으로 실드 없이 충분하다고 자신했다.

허드슨강은 폭 약 1마일, 깊이 약 60피트, 토양은 거의 액체 상태의 실트였다.

 

💀 20명이 익사한 비극

1879년 쌍둥이 터널 굴착이 시작되었고, 1880년 여름, 뉴저지 쪽 한 지점에서 압축공기가 실트를 막지 못해 20명이 익사했다. 작업은 재개되었지만 1882년 자금이 고갈되며 중단되었다.

 

7년 후(1889년) 런던의 S. 피어슨 앤 선이 프로젝트를 인수했지만, 뉴욕 쪽 해안 근처의 암반층이라는 전례 없는 문제—실트와 암반을 동시에 뚫는 방법을 누구도 몰랐던 문제—에 부딫혀 1892년 다시 자금이 고갈되고 중단되었다.

 

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8. 강바닥에서 벽돌을 만들다 — 레이븐스우드 터널의 돌파구

비슷한 시기, 이스트강 아래 10피트 직경, 길이 2,500피트의 가스관 터널(맨해튼 71번가-라벤스우드)이 건설되고 있었다. 처음에는 전부 암반을 통과할 것으로 예상해 실드도 압축공기도 계획하지 않았다.

 

그러나 곧 양쪽에서 부드러운 함수 물질에 부딛혔고, 안전한 압축공기 압력으로도 물을 막을 수 없었다. 시공업체가 포기한 후, 영국 출신 엔지니어 찰스 M. 제이콥스(1850~1919) 가 맡아 즉시 양쪽에 실드를 설치했다.

 

1894년 말 완공된 이 터널은 뉴욕 지역 수중 터널링의 실험실 역할을 했다. 특히 터널 천장이 부드러운 진흙에 있는 상태에서 바로 앞의 암반을 폭파하는 것까지 성공시켰다.

 

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9. 30년의 한을 풀다 — 맥아두 터널

제이콥스는 1892년 중단된 허드슨강 터널의 완공 가능성을 검토하라는 요청을 받았다. 1902년 윌리엄 G. 맥아두를 사장으로 한 미국 회사가 설립되었고, 1904~1905년 맥아두 터널(허드슨 앤 맨해튼 철도의 일부)이 완성되었다.

 

흥미롭게도, 어떤 시공업체도 이 위험천만한 프로젝트를 맡기를 꺼려 제이콥스가 직접 건설팀을 조직하고 지휘했다.

 

🔥 "역사상 최초로 강바닥에서 벽돌을 굽다"

공사 중 두 가지 특별한 상황이 발생했다.

 

① 블라인드 드라이빙: 실트 속에서는 11개의 수압 잭이 만드는 2,500톤의 추력만으로 실드를 전진시킬 수 있다는 사실을 발견했다. 굴착 없이 미는 이 방식으로 24시간에 72피트를 전진한 기록도 있다.

 

② 블로우(Blow) 사고와 그 해결: 뉴욕 쪽 암반 지대에서 압축공기가 새어 나가 거품처럼 솟구치는 '블로우' 사고가 발생했다. 바지선에서 진흙을 부어 보강하려 했지만 진흙이 그대로 흘러내려 무용지물이었다.

 

해결책은 놀라웠다. 터널 안에서 케로신 화염방사기로 그 진흙을 구워 단단하게 만든 것이다.

제이콥스는 후일 이렇게 말했습니다. "역사상 누구도 강바닥에서 벽돌을 구운 적이 없었다."

 

이렇게 굳은 진흙벽이 작업자들을 보호하며, 강철 차양 아래에서 굴착·폭파가 가능해졌다. 북쪽 튜브 한 쌍 중 첫 번째가 1904년 완공되었다. 해스킨이 시작한 지 거의 30년 만이었다.

 

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10. 떠 있는 터널 — 펜실베이니아 터널과 태판지 다리

맥아두 터널이 마무리될 즈음, 펜실베이니아 철도가 32번가에서 허드슨강 터널 계획을 시작했다. 맥아두 터널보다 약간 큰 직경에, 주철 외피를 최소 2피트 두께의 콘크리트로 보강했다.

 

여기서 발견된 흥미로운 원리는 "부력 실린더" 개념이다.

무거운 기관차와 객차를 포함한 터널 전체의 무게(피트당)가, 그 자리에서 밀려난 실트의 무게와 거의 같도록 설계되었다.
즉, 터널은 양쪽 끝에 매달려 진흙 속에 떠 있는 실린더처럼 작동한다.

 

이 원리는 22마일 북쪽 태판지(Tappan Zee) 에서 더 확장되었다. 1955년 완공 예정인 뉴욕주 스루웨이 다리(주경간 2,400피트 캔틸레버 트러스)의 교각은, 강철 파일을 암반까지 박은 위에 놓인 거대한 반부력식 밀폐 콘크리트 케이슨 8개가 지지한다. 이런 부력식 교각 기초는 당시 미국에서 매우 최근의 기술이었다.

 

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11. 수중 터널 발전 연표

연도	사건
1818년	브루넬, 배좀벌레조개에서 실드 공법 구상
1825~1843년	템스 터널 건설(18년, 7명 사망)
1864~1867년	시카고 상수도 터널(실드 없이)
1869년	그레이트헤드, 타워 서브웨이(1년 완공)
1879년	안트베르펜 / 허드슨강(해스킨) 압축공기 단독 시도
1880년	허드슨강 터널, 20명 익사 사고
1886~1890년	시티 앤 사우스 런던 철도("투페니 튜브"), 세계 최초 전기 지하철
1894년	레이븐스우드 가스관 터널(제이콥스, 실드+압축공기)
1904~1905년	맥아두 터널 완공(해스킨 착수 30년 후)
1955년(예정)	태판지 다리, 부력식 케이슨 적용

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마치며

수중 터널의 역사는 19세기에 시작된 비교적 젊은 공학 분야이다. 암반 터널이 고대부터 이어진 오랜 기술적 진화의 산물이라면, 수중 터널은 5번의 침수와 7명의 죽음, 20명의 익사, 30년의 좌절 속에서 한 걸음씩 전진하며 만들어진 분야이다. 그리고 그 끝에는 "강바닥에서 벽돌을 굽는다"는, 누구도 상상하지 못했던 발상의 전환이 있었다.

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📚 참고문헌

1. Kirby, R. S., et al. Engineering in History. McGraw-Hill, 1956. 
2. 위키백과. 「마크 이점바드 브루넬」. https://ko.wikipedia.org/wiki/마크_이점바드_브루넬
3. 나무위키. 「이점바드 킹덤 브루넬」. https://namu.wiki/w/이점바드_킹덤_브루넬
4. 한국민족문화대백과사전. 「터널」. https://encykorea.aks.ac.kr/Article/E0059141
5. 위키백과. 「템스 터널」. https://en.wikipedia.org/wiki/Thames_Tunnel
6. 위키백과. 「타워 서브웨이」. https://en.wikipedia.org/wiki/Tower_Subway
7. 위키백과. 「시티 앤 사우스 런던 철도」. https://en.wikipedia.org/wiki/City_%26_South_London_Railway
8. 위키백과. 「허드슨 터널」. https://en.wikipedia.org/wiki/Hudson_Tubes
9. 아틀라스뉴스. 「천재의 도전의식이 만든 실패작, 그레이트이스턴호」. http://www.atlasnews.co.kr (2019.05.22.)
10. American Society of Civil Engineers. 「History of Subaqueous Tunneling」.