터널 굴착방법 / 공법

1. 터널 굴착 방법

◦ 굴착방법에는 인력굴착, 기계굴착, 발파굴착, 파쇄굴착 등이 있으며, 굴착방법은 다음 사항을 고려하여 선정함.
∙ 원지반이 본래 가지고 있는 지지능력을 최대한 보존할 수 있는 굴착방법
∙ 안정성, 경제성 및 시공성이 우수한 굴착방법
∙ 지반조건, 지하수 유입정도, 굴착단면의 크기와 형태, 터널 연장
∙ 근접구조물 유무와 주변 환경영향 (진동, 소음 및 지표침하 등)
∙ 보조공법의 적용성

1) 인력굴착
◦ 자립시간이 짧은 토사지반을 소규모로 분할굴착하고 조기에 지보재를 설치하여야 하는 경우나, 진동영향을 크게 받는 지반을 소규모로 분할굴착하고 조기에 지보재를 설치해야 하는 경우 적용함.

2) 기계굴착
◦ 굴착방법이 인력이나 발파에 의존하지 않고 기계로 굴착하는 방법이며, 기계굴착은 지반의 이완을 최소화하고 막장의 안정을 유지하며 여굴이 적게 발생함.
◦ 기계굴착은 절리가 심하게 발달한 암반, 심한 파쇄대, 토사지반 등에 적용함.
◦ 굴착기계는 지반조건, 주위환경, 터널단면의 크기 및 형상, 터널연장, 굴착공법, 버력처리방법, 경제성 등을 고려하여 선택함.
◦ 작업시 진동에 의한 영향보다는 소음발생에 의한 영향이 크므로 소음의 영향에 유의하여 적용하여야 함.

3) 발파굴착
◦ 발파방법은 터널 굴착단면의 크기 및 모양, 암질, 암반 내의 절리, 용수, 주변 환경, 1발파 굴진장, 공기, 천공장비 및 버력처리 장비, 폭약 및 뇌관의 종류, 1발파 사이클 타임 등을 고려하여 시험발파를 실시한 후 가장 효율적이고 안전한 방법을 선정함.
◦ 발파공법은 천공위치, 천공방향, 천공각도가 정확하도록 천공하고, 여굴이 많이 발생하지 않는 제어발파(Smooth Blasting) 공법 등을 고려하여 현장조건에 적합한 발파공법을 선정함.

4) 파쇄굴착
◦ 저진동으로 암반을 파쇄굴착하는 방법으로 인력굴착을 적용할 수 없는 견고한 암반에서 기계 또는 발파굴착을 채택하기 어려운 경우에 적용하며, 터널주변의 주택지, 주요 구조물, 축사 등 주변 환경으로 인하여 발파공해를 최소화 할 필요가 있는 경우에도 적용할 수 있음.


2. 터널 굴착 공법

◦ 터널의 굴착공법은 계획단면에 대하여 막장면의 분할시공 방안과 길이 방향의 굴착계획에 대한방안을 총칭하는 것으로 터널의 안정성과 경제성, 공사기간을 지배하는 절대적인 요소임.

◦ 터널의 설계 및 시공시 굴착공법의 결정은 터널의 안정성, 경제성, 공사기간 등을 결정하는 중요한 요소이므로 터널단면의 크기, 막장의 자립성, 원지반의 지보능력, 지표면 침하의 허용 값 등 제반여건을 고려하여 결정하여야 함.

◦ 일반적인 굴착공법의 분류는 지질여건에 따라 전단면 굴착, 수평분할 굴착, 연직 분할 굴착 및 선진도갱 굴착공법 등으로 분류할 수 있으며, 이중 수평분할 굴착(반단면 굴착)에 대해서는 Bench의 형식에 따라 세부적으로 구분할 수 있음. 이러한 굴착공법의 선정은 지반에 대한 제반여건을 충분히 검토한 후에 시공성과 경제성을 고려하여 선정하여야 하며, 굴착공법을 분류하면 다음과 같음.

구 분			적용조건	비 고
전단면 굴착 (Full Face Cut)			∙소단면에서 일반적인 공법 ∙양호한 지반에서 중단면 이상도 가능	전단면을 1회에 굴착
분할 굴착	수평 분할 굴착	롱벤치 (Long Bench)	∙비교적 양호한 지반에서 중단면 이상의 일반적 시공법	L > 3D (L:벤치길이, D:터널직경)
		숏벤치 (Short Bench)	∙보통지반에서 중단면 이상의 일반적 시공법	1D < L < 3D
		미니벤치 (Mini Bench)	∙연약한 지반에서 중, 소단면일 경우	L < 1D
		다단벤치 (Multi Bench)	∙중단면 이상에서 막장의 자립성이 극히 불량한 경우	벤치수 3개 이상
	연직분할 굴착		∙지표침하 최소화 할 필요구간인 토피가 작은 토사 지반 ∙대단면 터널의 비교적 불량한 지반	연직 방향으로 분할굴착
	선진도갱 굴착		∙중대단면 터널에서 침하를 극도로 억지해야 하는 경우 ∙비교적 대단면에서 지반이 비교적 불량하여 막장의 자립이  부족한 경우 ∙단면확보, 중벽형상, 위치 등에 대한 검토가 필요	단면의 일부분을 먼저 굴착

 

3. 터널 굴착 공법의 종류 및 특징

1) 전단면 굴착공법
◦ 원칙적으로 단면전체를 1회에 굴착하는 방법으로서 지반이 비교적 안정되어 있거나 소단면의 경우에 가능하며 그 주된 특징은 다음과 같음.
∙ 굴착에 따른 응력의 재배치가 한 Cycle에 완료되므로 이론적으로 NATM공법 지보의 특성에 가장 부합되는 공법임.
∙ 막장이 균일하므로 작업이 단순함.
∙ 기계화에 따라 급속시공에 유리함.
∙ 지질변화에 따라 시공법의 변경이 필요한 경우 그 변경이 어려움.
∙ 단면이 큰 경우 숏크리트 및 록볼트 작업이 늦어지고 큰 가시설 등이 필요

2) 벤치컷(Bench Cut) 공법
◦ 벤치컷공법은 단면을 여러단계로 분할하여 굴착하는 공법으로서 벤치의 단수나 길이는 굴착단면의 크기, 지반조건에 따른 설계상 인버트의 폐합시기, 투입되는 기계 설비 등에 의하여 결정되며 각 공법별 특징은 아래와 같음.

① 롱 벤치컷(Long Bench Cut) 공법
◦ 롱 벤치는 통상 벤치의 길이가 3D정도 이상으로 지반이 비교적 양호하고 시공단계에서 인버트 폐합을 거의 필요로 하지 않는 경우에 채택되며 넓은 의미로는 상반 선진 도갱공법도 포함됨.
◦ 상반 및 하반 병행작업이 가능하며, 일반적인 장비의 운용이 용이함.
◦ 경사로를 만들지 않으면 버력이 두 번 적재됨.

② 숏 벤치컷(Short Bench Cut) 공법
◦ 숏 벤치의 벤치길이는 보통 1D~3D정도로 공법의 적용범위가 넓고 NATM공법에 주류를 이루는 공법이라고 할 수 있음.
◦ 토사에서 경암에 이르기까지 거의 모든 지반에서 적용 가능하며 중단면 이상에서 일반적인 공법임.
◦ 굴진도중 지반의 변화에 대처가 용이하며, 일반적인 장비의 운용이 용이함.
◦ 상반 작업공간의 여유가 적어질 가능성이 있으며, 경사로를 만들지 않으면 버력이 두 번 적재됨.
◦ 상‧하반 중 한 부분만 작업이 가능하므로 작업 Cycle의 Balance를 맞추기 곤란함.

③ 미니 벤치컷(Mini Bench Cut) 공법
◦ 팽창성 지반이나 토사지반에서 인버트의 조기폐합을 할 필요가 있는 경우 주로 채택되며 벤치의 길이는 1D 이내가 보통임.
◦ 인버트의 조기폐합이 가능하며, 침하를 최소로 억제하는 것이 가능함.
◦ 시공범위가 한정되는 일이 많으며, 숏벤치에 비해 비경제적임.

④ 다단 벤치컷(Multi Bench Cut) 공법
◦ 일반적으로 이 공법은 1단의 벤치로는 상반 굴착고가 너무 커서 적용장비의 굴착범위를 넘는 경우나 막장의 자립성이 극히 불량하여 분할 굴착을 하여야 할 필요가 있는 경우에 채택되며 그 동안의 국내외 실적을 보면 주로 막장의 자립성 때문에 선정되는 예가 많음.
◦ 막장의 안정성을 확보하기가 용이하며, 대단면에서도 일반적인 장비의 운용이 가능함.
◦ 버력굴착이 각 막장에서 중복되는 일이 많으며, 각 단의 벤치길이가 한정된 경우는 작업공간이 협소해짐.
◦ 일반적으로 숏벤치공법 보다 변형 및 침하는 큼.

3) 연직분할 굴착
◦ 하반의 지반조건은 양호하나 상반의 지반조건이 불량하여 지반의 침하량을 최대로 억제할 필요가 있는 경우나 비교적 대단면으로 막장의 지지력이 부족한 경우에 적용되는 공법임. 따라서, 안정성 측면에서 임시 지보재를 설치할 수 있음. 막장간의 이격거리는 1D~2D를 유지하는 것이 바람직함.
◦ 침하량을 어느 정도 억제시키는 것이 가능하며, 막장의 안정성을 유지하는데 유리한 공법임.
◦ 중벽으로 분할하기 위해서는 어느 정도의 단면 확보가 필요하고, 시공속도가 다소 저하되는 단점이 있으며, 작업공간의 제약으로 시공성이 저하될 우려가 있음.

4) 측벽선진도갱공법(Pilot or Side Pilot공법)
◦ 대단면에서 지반이 연약한 경우 및 도시터널에서 지표침하를 극소화 할 필요가 있는 경우에 채택되며 측벽도갱의 숏크리트가 하나의 Tube를 형성하여 하중을 부담함으로써 연약지반에서도 침하를 적게 할 수 있으며 또 이 Tube가 터널 중앙부의 지반과 밀착되어 있으므로 측압에 의한 측벽의 이동을 억제하는 것이 가능함.
◦ 대단면 시공에서도 침하를 최소화 할 수 있으며, 용수가 많은 경우 측벽도갱으로 배수가 가능함.
◦ 대단면에서도 막장의 안정성 확보가 비교적 용이함.
◦ 일반적으로 공사비가 타공법에 비하여 높으며, 도갱내벽 철거에 많은 시간과 비용이 소요됨.

5) 인버트(Invert) 굴착
◦ 통상 중단면 이상에서 지반의 변형을 적극 억제하면서 시공성을 높이기 위해 벤치의 길이를 길게 할 필요가 있을 경우에 벤치상부에 숏크리트를 타설하여 가인버트를 형성시키면서 굴진하는 공법임.
◦ 상반 벤치의 길이를 크게 할 수 있으므로 상반작업 공간을 넓힐 수 있으며, 상반 관통 후 하반을 시공하면 경사로가 필요 없음.
◦ 상반시공 속도가 크게 저하될 가능성이 큼. 즉, 각 인버트의 타설시간, 숏크리트가 일정한 강도에 달하는데 소요되는 시간, 굴착장비의 통행으로 부터 가인버트를 보호하기 위해 버력 메우기 시간 등 시간상실이 많으며, 별도의 숏크리트가 필요하므로 경제성이 떨어짐.

6) 링컷 굴착
◦ 막장면에 지지 코아(Supporting Core)를 남기고 굴착하는 공법으로 막장면의 안정이 위협되는 지반조건에 적용하며 지반조건이 매우 나쁜 경우에는 지지 코아 주위를 분할굴착 함.
◦ 막장면의 안정성 확보가 용이하며, 연약한 지반조건에서 대단면 굴착이 가능하고 지반변화에 대처하기 쉬움
◦ 작업공간 확보에 제한적이며, 작업 공종이 많아서 작업 사이클 조정이 어려움.