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육지와 바다 그리고 하늘을 연결하는 길이 열렸다. 지난 10월 16일 개통한 인천대교는 인천국제공항과 영종하늘도시, 송도국제도시를 연결한다. 인천대교는 바다 위를 달리는 구간이 전체 18.4km에서 절반을 넘는 12.34km에 이른다. 해수면에서 차량이 달리는 상판까지 평균 높이가 74m로 ‘바다를 달리는 하늘길’이란 표현이 어색하지 않다.

전 세계가 인천대교에 주목하고 있다. 영국의 건설전문지 ‘컨스트럭션 뉴스’는 인천대교를 ‘경이로운 세계 10대 건설 프로젝트’ 가운데 하나로 선정했다. 이 잡지는 인천대교 외에 삼성건설이 두바이에 짓고 있는 세계 최고층 빌딩(높이 818m) ‘버즈두바이’, 높이 1200m의 그랜드캐니언에 지어진 유리교량 ‘스카이워크’ 등을 꼽았다. 인천대교가 전 세계의 내로라하는 건축물과 어깨를 나란히 하고 있다는 뜻이다. 4년 4개월이란 짧은 기간에 바다를 가로지르는 구간이 12km나 되는 교량을 건설하는 일은 세계 건설사에도 드문 일이다.





교량 지탱하는 거대한 부채살

인천대교와 가까워지자 첨탑처럼 보이는 건축물 2개가 먼저 눈에 들어왔다. 그 높이가 무려 238.5m로 63빌딩과 맞먹는다. 거꾸로 세워 놓은 Y자 모양의 탑에서는 마치 부채살처럼 보이는 많은 케이블이 교량 상판(차가 다니는 구간)을 향해 뻗어 있었다. 교량 상판의 무게를 지탱하기 위해 만든 주탑으로 수만t의 무게를 오롯이 버티고 있었다. 인천대교 전 구간에서 가장 주목받는 사장교 구간이다. 사장교는 일직선으로 뻗은 케이블로 주탑과 상판을 연결하는 방식이다. 상판의 무게는 케이블에 걸린 인장력(줄다리기 할 때 양쪽에서 잡아당기는 힘)을 통해 주탑에 전해진다.

인천대교는 전체 구간 길이로 따질 때 세계에서 일곱 번째로 길다. 하지만 사장교 구간만 따지면 인천대교는 전 세계에서 다섯 손가락 안에 든다. 한국도로공사 인천대교 건설사업단 기술지원팀장 조성민 박사는 “사장교는 주탑 외에는 교량 아래에서 다리를 지탱하는 교각이 없기 때문에 일반 교량보다 건설하기 어렵다”고 설명했다.

주탑과 주탑 사이 혹은 교각과 교각 사이에서 상판이 공중에 떠 있는 길이를 경간(徑間)이라고 하는데, 일반적인 교량은 경간이 50∼200m, 바다나 계곡을 횡단하기 위해 건설하는 장대교량은 대부분 경간이 400m 내외다. 인천대교는 사장교 구간 1480m, 경간 길이 800m로 현재 세계 5위 사장교에 해당한다. 1984년 완공된 우리나라 최초의 사장교 진도대교는 경간이 465m다. 20여 년 사이 경간 길이가 두 배가량 길어졌다.

조 박사는 “장대교량에서는 경간을 길게 하는 능력이 곧 경쟁력”이라고 말했다. 올림픽대교와 서해대교, 영종대교도 대표적인 사장교다. 현재 목포의 목포대교와 부산~거제를 연결하는 거가대교에도 사장교 구간이 건설 중이다. 사장교를 만드는 이유는 뭘까. 교량 아래 공간을 활용하기 위해서다. 항해 구간에 교각이 많으면 배가 충돌할 위험이 커지기 때문에 사장교 구간은 배가 드나드는 관문이 된다. 계곡을 넘어가야 하는 구간이나 교량 아래에 도로 같이 다른 구조물이 있어 교각을 세울 수 없을 때도 사장교가 쓰인다.
 

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바다 가로지르는 빨랫줄

세계에서 가장 큰 ‘배’일까. 2012년 전북 군산시 고군산군도에는 배의 돛처럼 생긴 주탑을 가진 단등교(가칭)가 들어선다. 군산시 옥도면 신시도와 무녀도를 잇는 단등교는 총 길이 1292m에 경간 길이 400m로 세계에서 가장 긴 1주탑 방식(주탑이 1개인 방식)의 현수교로 건설된다. 현재 가장 긴 1주탑 현수교는 미국의 샌프란시스코와 오클랜드를 연결하는 오클랜드 베이교로 경간 길이가 385m다.

현수교는 사장교와 함께 장대교량을 만드는 데 가장 많이 쓰인다. 단등교처럼 1주탑 현수교는 드물며 대부분은 주탑을 2개 세운 뒤 그 사이에 거대한 주 케이블을 늘어뜨려 연결한다. 주탑과 케이블을 직접 연결하는 사장교와 달리 현수교는 주 케이블에서 수직으로 내린 행어로프라는 2차 케이블이 상판을 들어 올리는데, 그 모습이 마치 빨랫줄에 빨래를 걸어 놓은 모습과 비슷하다. 주탑은 빨랫줄을 지탱하는 장대, 주 케이블은 빨랫줄, 행어로프가 들어 올리는 상판은 빨랫줄에 걸린 빨래인 셈이다.

지금까지 국내에 건설된 현수교는 모두 철근 콘크리트 또는 철로 만든 주탑을 양쪽에 설치하는 2주탑 방식으로 1주탑 방식은 단등교가 처음이다. 단등교 시공을 맡은 대림산업 기술연구소 특수교량팀 최현석 씨는 “고군산군도 일대는 수심이 20m 이상으로 깊고 조류가 빠르기 때문에 바다가 아닌 섬 위에 주탑을 건설하는 방식을 택했다”며 “미적인 부분도 고려해 1주탑 방식으로 설계했다”고 설명했다.

바다에 주탑을 건설할 경우 비용이 크게 늘어날 뿐 아니라 공사기간이 길어지고 환경오염도 심해진다. 하지만 단등교는 주탑이 설치될 위치가 한쪽으로 치우쳐 있어 설계에 어려움이 많았다. 주탑 좌우 상판의 길이가 달라지면 주탑 좌우에 걸리는 인장력에도 차이가 생기기 때문이다. 최현석 씨는 “길이가 긴 왼쪽 상판 때문에 주탑이 왼쪽으로 인장력을 크게 받는다”며 “주탑이 받는 피로도를 줄이기 위해 주탑을 반대 방향으로 활처럼 휘도록 설계했다”고 말했다.
 

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다이어트로 각선미 살리고 케이블 강도 높여

송도국제도시 쪽에서 차로 약 7km를 달렸다. 조성민 박사는 “여기서부터 인천대교의 사장교 구간”이라고 귀띔했다. 창밖을 보니 주탑이 얼마나 높은지 실감이 났다. 조 박사로부터 “여기서부터는 교각 없이 케이블로만 지탱되는 구간”이라는 말을 듣자 약간 으스스한 느낌이 들었다. 교각 하나의 도움 없이 800m의 도로가 하늘을 향해 펼쳐져 있었다.

교량 건설의 기술력은 ‘같은 재료를 사용해 경간을 얼마나 늘릴 수 있는가’로 평가할 수 있다. 그래서 전 세계 토목 기술자들은 더 강인하면서도 값싼 소재로 경간 길이를 늘릴 방법을 찾는다. 케이블의 도움을 받지 않고 상판 자체의 힘으로 버틸 수 있는 한계는 얼마일까. 조 박사는 “현재는 콘크리트로 만든 일반 교량 상판의 경우 경간 길이 200m, 철로 만든 강판을 사용해도 300m를 넘기 힘들다”며 “강판보다 무거운 콘크리트는 케이블의 도움을 받더라도 경간을 800m까지 만들기 어렵다”고 설명했다. 경간 길이 800m인 인천대교의 사장교 상판 전체는 강판으로 만들었다.

가까운 미래에는 탄소섬유나 티타늄 같은 고강도 소재가 상판에 쓰일 수 있다. 이런 소재를 사용하면 케이블로 지탱하지 않더라도 경간을 수백m까지 쉽게 늘릴 수 있다. 하지만 아직까지 가격이 비싸 비효율적이다.

인천대교 일부 구간에는 콘크리트에 철강을 보강해 상판의 단면적과 무게를 줄이고 동시에 다리를 지탱하는 교각 크기를 줄이는 공법도 도입됐다. 교각의 규모를 줄이면 그만큼 시공과정에서 해상작업을 줄여 환경오염을 줄일 수 있다. 하지만 교각을 줄이기 위해 무작정 상판 폭을 줄이는 게 능사는 아니다.

도로 폭을 줄이거나 단면적을 줄이면 그만큼 상판이 가벼워져 무게가 준다. 하지만 오히려 교량은 불안정해질 수 있다. 장대교량의 안전성에 가장 큰 영향을 미치는 요소는 풍하중이다. 풍하중은 바람이 건축물 표면에 부딪혀 작용하는 하중을 말한다. 만약 교량 상판의 폭이 줄거나 두께가 얇아지면 그만큼 좌굴 이나 비틀림에 대한 강성이 작아진다. 조 박사는 “무게가 줄어드는 장점보다는 횡방향 하중에 저항하기 힘들어지는 단점이 크다”며 “경간 길이에 맞춰 상판의 폭과 두께를 설계해야 한다”고 말했다.

케이블의 강도를 높이고 두께를 줄이면 더 긴 교량을 만들 수 있다. 현재 케이블에는 일반 철보다 탄소함유량이 높고 조직이 치밀한 강선을 사용한다. 서울대 김호경 교수는 “케이블을 만드는 데 쓰는 강선은 탄소함유량이 0.9% 이상으로 높다”고 말했다. 반면 철판을 만드는 일반 강재는 탄소 함유량이 0~0.2%로 낮다. 강재를 롤러로 압착한 뒤 조그만 구멍으로 가래떡을 뽑듯 밀어내 만든다. 이런 과정을 거치면 조직이 치밀해진다. 김 교수는 “유리섬유강화플라스틱(FRP)처럼 케이블보다 강도가 강한 소재가 미래의 교량에 쓰일 수 있다”며 “외국에서는 일부 교량에 탄소를 함유한 FRP를 쓰고 있다”고 말했다.



레고블록처럼 끼워 맞춰 건설기간 줄여

한참을 달렸지만 인천대교는 끝이 보이지 않았다. 2005년 7월 첫 삽을 뜬 인천대교는 2009년 10월 완공돼 총 4년 4개월이 걸렸다는 사실이 믿기지 않았다. 다리 길이가 18.4km라는 점을 감안하면 교량구간이 7.3km인 서해대교가 완공되는 데 7년 걸린 것과 비교했을 때 공정속도가 4배가량 빨라졌다. 이처럼 인천대교를 빠르게 건설할 수 있었던 비결은 뭘까. 구간별, 단계별로 설계와 시공을 병행하는 새로운 교량 건설 기술이 도입돼 공사기간을 단축시킬 수 있었기 때문이다.

인천대교는 ‘패스트 트랙’ 방식이 쓰였다. 한국도로공사 조성민 박사는 “이 방식을 도입한 덕분에 인천대교 건설 기간을 19개월가량 단축시킬 수 있었다”고 말했다. 현재 인천대교 외의 다른 교량 건설현장도 일부분 패스트 트랙 방식을 도입하고 있다.

케이블의 강도를 높이고 두께를 줄이면 더 긴 교량을 만들 수 있다. 현재 케이블에는 일반 철보다 탄소함유량이 높고 조직이 치밀한 강선을 사용한다. 서울대 김호경 교수는 “케이블을 만드는 데 쓰는 강선은 탄소함유량이 0.9% 이상으로 높다”고 말했다. 반면 철판을 만드는 일반 강재는 탄소 함유량이 0~0.2%로 낮다. 강재를 롤러로 압착한 뒤 조그만 구멍으로 가래떡을 뽑듯 밀어내 만든다. 이런 과정을 거치면 조직이 치밀해진다. 김 교수는 “유리섬유강화플라스틱(FRP)처럼 케이블보다 강도가 강한 소재가 미래의 교량에 쓰일 수 있다”며 “외국에서는 일부 교량에 탄소를 함유한 FRP를 쓰고 있다”고 말했다.

예를 들어 바다에서 교각을 설치하는 기초 작업을 하는 동시에 육상의 작업장에서 교량 상판에 쓰일 길이 20m의 큰 블록과 길이 3~4m의 작은 블록을 만들면 시공 기간을 줄일 수 있다. 이렇게 제작한 블록을 해상으로 옮긴 뒤 완성된 교각 위에서 레고블록처럼 끼워 상판을 완성한다. 사전제작 외팔보공법(PFCM)이다.

조 박사는“해상과 육상에서 동시에 작업하기 위해 송도에 11만 5700m2(3만 5000평) 규모의 육상 제작장을 만들었다”고 말했다. PFCM은 해상에 거푸집을 설치하고 콘크리트를 부어 만드는 일반 공법보다 공사기간을 줄일 수 있을 뿐 아니라 품질도 높일 수 있다. 하지만 상판을 잇는 과정에서 무게 때문에 상판이 휘거나 처지는 현상이 생기는 만큼 시공 과정에서 상판에 변형이 얼마나 일어날지 해석하는 복잡한 과정이 필요하다.



길이 50m, 무게 1350t의 교량 상판 전체를 육상의 작업장에서 미리 제작한 뒤 교각으로 옮겨 조립하는 전경간일괄가설공법(FSLM)도 쓰였다. 해상에서 거푸집을 설치해경간 길이 50m의 상판을 제작할 경우 30~60일가량 걸리지만 인천대교는 FSLM을 이용해 3일만에 상판을 이었다.

교량 상부하중을 지층으로 전달하는 하부구조인 말뚝과 교각을 하나로 만드는 파일벤트 공법도 주목할 부분이다. 말뚝과 교각을 분리해 건설하는 일반 공법보다 시공이 간편할 뿐 아니라 말뚝의 수를 줄일 수 있어 교각 1개당 공사기간을 30일가량 단축시킬 수 있다.

기존에는 교각을 지지하기 위해 말뚝을 여러 개 사용했다. 말뚝의 수가 많은 만큼 말뚝을 지지하기 위해 콘크리트로 받침을 넓게 만들어야 했다. 하지만 파일벤트 공법에서는 말뚝 수가 줄어든 만큼 대규모 판을 만들지 않아도 된다. 조 박사는 “파일벤트 공법은 교각과 말뚝을 동일한 단면을 갖도록 만든 공법으로 시공성이 우수하고 경제적이지만 지반공학이나 구조역학적인 측면에서 세밀한 검토가필요하다”고 말했다.

골프공 표면 닮은 케이블, 다이아몬드 모양의 주탑차를 잠시 세우고 인천대교 위에 내려섰다. 제법 쌀쌀하고 강한 바람이 쌩 하고 귀 끝을 스쳐갔다. 하지만 케이블과 상판은 꿈쩍도 하지 않았다. 사장교와 현수교 같은 장대교량에는 바람의 영향을 줄이는 일이 중요하다. 인천대교에는 내풍 안전성을 높이기 위한 기술이 도입됐다.

인천대교 상판의 끝부분에는 자동차나 비행기에서 와류 발생을 차단해 공기저항을 줄이는 장치인 스포일러를 도입했다. 이 장치는 바람이 불 때 교량 표면에서 생기는 와류를 차단해 교량이 흔들리지 않도록 한다. 상판과 주탑을 연결하는 케이블 표면에는 골프공 표면처럼 딤플도 만들었다. 골프공에서 표면의 홈(딤플)은 공기저항을 줄여 더 멀리 날아가도록 돕는다.

마찬가지로 케이블 표면의 딤플은 공기저항을 줄여 교량이 흔들리는 일을 막는다. 교량 상판과 케이블 연결부에는 자동차에 쓰이는 충격 흡수장치인 서스펜션도 도입해 상판이 흔들리는 일을 막는다. 스프링과 유압장치로 구성되는 서스펜션은 자동차의 경우 도로가 울퉁불퉁해 생기는 충격이나 진동이 차체에 전달되지 않도록 한다. 이와 비슷하게 작용하는 서스페션 덕분에 인천대교는 초속 72m의 강풍도 견딜 수 있다.

2005년 미국 남부를 강타해 많은 피해를 입혔던 허리케인 카트리나가 초속 70m의 강풍을 동반했다. 선박이 교각과 충돌하는 일을 막기 위해 주탑을 비롯해 사장교 부근의 교각 주변에는 돌핀이라 불리는 충돌방지공도 44개 설치했다. 해상으로 돌출돼 있는 돌핀은 일종의 범퍼로 콘크리트로 만들어 바닷속 암반에 고정시킨 구조물이다. 조성민 박사는 “10만t급 대형화물선이 속도 10노트로 충돌하더라도 교각을 안전하게 보호할 수 있다”고 말했다.

최근에는 장대교량이 지역을 대표하는 랜드마크로 자리잡으면서 경관 설계 또한 무시할 수 없는 요소가 됐다. 일본의 아카시대교, 중국의 수통대교를 비롯해 전 세계의 장대교
량은 관광지로도 그 이름을 떨치고 있다. 한국의 목포대교도 GS건설이 미관을 고려한 새로운 공법으로 건설 중이다.

일반적인 사장교는 주탑을 중심으로 좌우 각 방향에 케이블을 2쌍씩 사용해 총 4방향의 케이블로 상판을 지탱한다. 하지만 목포대교는 과감히 한쪽 방향의 케이블을 1개로 줄여 상판의 중앙에 연결했다.

GS건설 목포대교 설계팀 김동신 팀장은“상판 중앙에 케이블을 연결하면 케이블이 주변경관을 차단하지 않는 장점이 있다”며 “하지만 일반적인 사장교보다 설계하기 어렵고 건설비용도 증가한다”고 말했다. 목포대교는 한 마리 학이 날개를 펼치고 날아오르는 모습
을 닮았다.

주탑 모양도 변하고 있다. 대우건설이 시공을 맡은 부산~거제 간 연결 교량인 거가대교는 주탑을 다이아몬드 모양으로 바꿨다. 기존에는 H자 형태의 주탑이 많았다. 대우건설 GK사업관리팀 김석영 차장은 “H자 주탑은 안정적인 반면 모양이 밋밋하다”며 “거가대교는 이 지역의 새로운 명물로 떠오를 것”이라고 말했다.

도저히 인간의 힘으로 지었다고는 믿을 수 없는 건축물, 바다 위 장대교량은 특별히 꾸미지 않더라도 그 규모와 위용만으로 보는 이를 압도하는 아름다움을 간직했다. 거가대교는 내년 12월, 목포대교는 2011년 개통할 예정이다. 전국 곳곳에 바다를 달리는 하늘길이 열리고 있다.