바다 밑에 쌓인 부드러운 모래나 진흙은 강한 물의 흐름으로 흡입할 수 있습니다. 그러나 단단하게 굳은 점토층이나 자갈층, 암반으로 이루어진 해저는 흡입력만으로 퍼내기 어렵습니다. 해저면을 먼저 잘게 부수지 않으면 토사가 흡입관 안으로 들어오지 않기 때문입니다.
이러한 단단한 지반을 준설하기 위해 사용되는 선박이 커터 석션 준설선(Cutter Suction Dredger, CSD)입니다. 선수에 설치된 커터헤드가 해저를 기계적으로 깎고, 바로 뒤에 있는 흡입구가 잘게 부서진 토사를 물과 함께 빨아들입니다. 굴착기와 대형 펌프를 하나의 선박에 결합한 구조라고 할 수 있습니다.
커터 석션 준설선의 작동 원리는 단순한 흡입이 아닙니다. 선체 고정, 좌우 스윙, 커터헤드 회전, 준설펌프 가동, 파이프라인 운송이 정확한 순서로 맞물려야 단단한 해저를 연속적으로 깎아낼 수 있습니다.
굴착과 흡입을 결합한 커터 석션 준설선
커터 석션 준설선은 기계식 굴착과 수력식 운반을 결합한 준설선입니다. 회전하는 커터헤드가 해저 지반의 결합력을 무너뜨리고, 원심식 준설펌프가 물과 토사를 슬러리 형태로 끌어 올립니다.
호퍼 준설선이 이동하면서 해저를 흡입하고 선체 내부에 토사를 저장한다면, 커터 석션 준설선은 작업 위치에 선체를 고정한 상태에서 해저를 깎습니다. 준설한 토사는 선체에 저장하기보다 파이프라인을 통해 육상 매립지나 지정된 배출 장소로 보내는 경우가 많습니다.
국제준설협회(IADC)는 커터 석션 준설선을 회전 커터헤드와 원심펌프를 이용해 토사를 느슨하게 만들고, 들어 올리고, 운반하는 수력식 준설 장비로 설명합니다.
단단한 지반을 깨뜨리는 커터헤드
커터 석션 준설선의 핵심 장치는 선수 가장 앞쪽에 있는 커터헤드입니다. 여러 개의 강철 블레이드와 교체식 커터 이빨로 구성되며, 흡입관의 축을 중심으로 회전합니다.
커터 이빨이 해저면과 접촉하면 단단하게 굳은 점토나 암석 표면에 집중적인 힘이 전달됩니다. 회전하는 이빨이 지반을 긁고 찍으면서 작은 조각으로 분리하고, 커터헤드 내부로 모인 파편은 바로 뒤에 있는 흡입구로 이동합니다.
커터헤드는 모든 토질에 같은 형태를 사용하지 않습니다.
- 모래와 비점착성 토사 토사를 빠르게 흐트러뜨리고 물과 잘 섞을 수 있도록 비교적 개방적인 구조와 절삭날을 사용합니다.
- 점토와 점착성 지반 잘라낸 점토가 커터헤드에 달라붙어 막히지 않도록 내부 공간과 블레이드 배치를 고려합니다.
- 단단한 지반과 암반 강한 충격과 마모를 견딜 수 있는 무거운 구조와 뾰족한 픽 형태의 교체식 이빨을 사용합니다.
따라서 커터 석션 준설선이 모든 암반을 동일하게 파낼 수 있는 것은 아닙니다. 커터 출력과 이빨의 형태, 암석의 강도와 균열 상태가 서로 맞아야 효율적인 작업이 가능합니다.
커터헤드를 지지하는 래더 구조
커터헤드와 흡입관은 래더라고 불리는 거대한 강철 구조물에 설치됩니다. 래더는 선체 앞부분에 경첩처럼 연결되어 있으며, 윈치와 와이어를 사용해 수중으로 내리거나 다시 끌어 올릴 수 있습니다.
작업을 시작하면 먼저 래더를 내리고 준설펌프와 커터헤드를 가동합니다. 이후 커터헤드가 목표 수심의 해저면에 닿도록 래더의 각도를 조절합니다. 한 번의 좌우 스윙이 끝났는데도 계획된 깊이에 도달하지 못했다면 래더를 조금 더 내린 뒤 다음 층을 깎습니다.
이처럼 단단한 해저를 한꺼번에 깊게 파는 것이 아니라, 일정한 두께의 층을 반복적으로 제거합니다. 한 번에 지나치게 깊이 누르면 커터 이빨과 구동축에 큰 충격이 전달되고 토사 파편이 과도하게 커질 수 있기 때문입니다.
선체를 해저에 고정하는 스퍼드
커터 석션 준설선은 준설 작업 중 일반 선박처럼 자유롭게 항해하지 않습니다. 선미에 설치된 스퍼드라는 긴 강철 기둥을 해저에 내려 선체를 고정합니다. 자체 추진 능력을 갖춘 대형 선박도 실제 준설 중에는 스퍼드나 앵커를 이용해 위치를 유지합니다.
일반적인 구조에는 작업 스퍼드와 보조 스퍼드가 사용됩니다. 작업 스퍼드는 커터헤드가 좌우로 움직일 때 선체의 회전 중심이 됩니다. 보조 스퍼드는 작업 스퍼드의 위치를 바꾸거나 선체를 다음 작업 지점으로 전진시킬 때 사용됩니다.
스퍼드가 해저에 단단히 고정되면 커터헤드가 암반을 깎을 때 발생하는 반력이 선체를 밀어내는 현상을 줄일 수 있습니다. 계획된 준설선을 따라 정확한 깊이와 폭을 유지하는 데도 중요한 역할을 합니다.
좌우로 부채꼴을 그리는 스윙 방식
커터 석션 준설선은 스퍼드를 중심으로 선체 앞부분을 좌우로 흔들며 작업합니다. 커터헤드가 해저에서 그리는 궤적은 직선이 아니라 넓은 부채꼴 모양입니다.
선박 앞쪽 좌우에는 사이드 앵커가 설치되며, 앵커와 선체는 강철 와이어로 연결됩니다. 한쪽 스윙윈치가 와이어를 감는 동안 반대쪽 윈치는 와이어를 풀어 줍니다. 그러면 선체가 작업 스퍼드를 중심으로 회전하면서 커터헤드가 해저면을 가로질러 이동합니다.
한 방향의 절삭이 끝나면 윈치의 작동 방향을 반대로 바꿉니다. 커터헤드는 반대편으로 이동하며 다음 층을 절삭합니다. Royal IHC의 작동 원리 자료에서도 커터 석션 준설선이 작업 스퍼드를 중심으로 좌우 앵커 와이어를 감고 풀면서 부채꼴로 준설한다고 설명합니다.
잘게 부순 토사를 빨아들이는 준설펌프
커터헤드가 단단한 지반을 깎는 것만으로 작업이 끝나는 것은 아닙니다. 잘라낸 토사가 커터 주변에 그대로 남으면 다시 해저에 가라앉거나 커터헤드의 움직임을 방해합니다.
커터헤드 안쪽에는 석션 마우스라고 불리는 흡입구가 있습니다. 원심식 준설펌프가 강한 흐름을 만들면 잘게 부서진 암석과 토사가 물에 섞여 흡입구로 들어갑니다. 이후 슬러리는 래더 내부의 흡입관을 따라 선체로 올라갑니다.
이 과정에서는 커터헤드의 회전속도와 펌프의 흡입능력이 균형을 이루어야 합니다. 커터가 너무 많은 토사를 한꺼번에 깎으면 펌프가 모든 파편을 회수하지 못해 해저에 잔류물이 남습니다. 반대로 펌프의 유량만 지나치게 높으면 많은 물을 운반하게 되어 에너지와 배출 효율이 떨어질 수 있습니다.
파이프라인으로 이어지는 연속 운송
선체로 올라온 슬러리는 부유식 배관이나 해저 배관, 육상 배관을 통해 지정된 장소로 이동합니다. 호퍼에 토사를 쌓았다가 운반하는 방식과 달리 굴착과 배출이 연속적으로 이루어진다는 것이 특징입니다.
준설 장소와 배출 장소의 거리가 길거나 지형의 높이 차이가 크면 중간에 부스터 펌프를 설치할 수 있습니다. 부스터 펌프는 파이프 내부에서 감소한 압력을 다시 높여 슬러리가 계속 이동하도록 돕습니다. 현장 조건에 따라서는 파이프라인 대신 옆에 정박한 바지선에 토사를 싣기도 합니다.
파이프라인을 이용하면 퍼낸 모래를 매립지에 직접 보내거나 항만 배후 부지 조성에 활용할 수 있습니다. 다만 슬러리의 속도가 너무 느리면 무거운 입자가 관 바닥에 가라앉아 막힘이 발생할 수 있으므로 유량과 토사 농도를 지속적으로 관리해야 합니다.
조금씩 전진하는 스텝과 스트로크
하나의 부채꼴 구역을 모두 준설하면 선박은 다음 구역으로 조금 전진해야 합니다. 이때 작업 스퍼드를 꽂은 상태에서 스퍼드 캐리지를 이동시켜 선체를 앞으로 미는 방식을 사용할 수 있습니다.
스퍼드 캐리지가 이동할 수 있는 한 번의 거리를 스트로크라고 합니다. 캐리지가 끝까지 이동하면 보조 스퍼드를 내리고 작업 스퍼드를 들어 새로운 위치로 옮깁니다. 이후 작업 스퍼드를 다시 해저에 고정하고 같은 스윙 작업을 반복합니다.
전체 작업은 다음과 같은 흐름으로 진행됩니다.
- 위치 고정 작업 스퍼드와 사이드 앵커로 준설선을 작업 중심에 고정합니다.
- 래더 하강 커터헤드와 흡입관을 목표 수심까지 내립니다.
- 절삭과 흡입 커터헤드가 지반을 부수고 준설펌프가 토사 슬러리를 회수합니다.
- 좌우 스윙 앵커 와이어와 윈치로 선체를 부채꼴로 움직이며 일정한 폭을 준설합니다.
- 단계적 전진 한 구역이 끝나면 스퍼드 캐리지나 보조 스퍼드를 이용해 다음 구역으로 이동합니다.
커터 석션 준설선의 주요 구조와 역할
커터 석션 준설선의 작동 원리를 구성 장치별로 정리하면 다음과 같습니다.
| 주요 구조 | 설치 위치 | 핵심 역할 | 관리 요소 |
|---|---|---|---|
| 커터헤드 | 래더 끝 | 단단한 토사와 암반 절삭 | 회전속도, 이빨 마모 |
| 석션 마우스 | 커터헤드 안쪽 | 절삭된 토사와 물 흡입 | 파편 크기, 막힘 |
| 래더 | 선체 앞부분 | 커터헤드 지지와 깊이 조절 | 각도, 하강 깊이 |
| 준설펌프 | 래더 또는 선체 | 슬러리 흡입과 압송 | 유량, 압력, 농도 |
| 작업 스퍼드 | 선미 | 스윙 작업의 회전 중심 | 고정 상태, 하중 |
| 보조 스퍼드 | 선미 | 작업 스퍼드 재배치 지원 | 인양과 하강 순서 |
| 스윙윈치 | 선체 좌우 | 앵커 와이어를 감아 좌우 이동 | 장력, 스윙속도 |
| 배출 파이프라인 | 선미 또는 측면 | 준설 토사를 배출지까지 운송 | 유속, 마찰손실, 막힘 |
표에서 확인할 수 있듯이 커터헤드만 강력하다고 해서 단단한 해저를 효율적으로 준설할 수 있는 것은 아닙니다. 선체를 고정하는 스퍼드, 절삭 깊이를 결정하는 래더, 부채꼴 궤적을 만드는 스윙윈치, 토사를 회수하는 준설펌프가 함께 작동해야 합니다.
정확한 해저 단면을 만드는 특수 준설선
커터 석션 준설선은 항만과 항로 확장, 해저 파이프라인용 도랑 굴착, 간척지 조성, 단단한 지반이 있는 수로 정비 등에 사용됩니다. 계획된 수심과 경사에 맞춰 여러 층을 반복적으로 절삭할 수 있어 비교적 정밀한 해저 단면을 만드는 데 유리합니다.
반면 스퍼드와 앵커로 작업 위치를 고정해야 하므로 파도가 높은 외해에서는 운용이 제한될 수 있습니다. 커터 작업에서 발생하는 소음과 진동, 토사 부유를 관리해야 하며, 단단한 지반을 작업할수록 커터 이빨의 마모와 교체 비용도 커집니다.
결론적으로 커터 석션 준설선은 해저를 흡입력만으로 빨아들이는 선박이 아닙니다. 회전 커터헤드로 지반을 잘게 부수고, 그 파편을 물과 섞어 준설펌프로 회수한 뒤 파이프라인으로 운반하는 복합 굴착선입니다. 단단한 해저를 깎아낼 수 있는 비결은 강력한 절삭력뿐만 아니라 선체 고정과 좌우 스윙, 단계적인 깊이 조절, 연속적인 슬러리 운송이 하나의 시스템으로 연결된 데 있습니다.