터널 공법의 종류

■ 터널 공법의 소개

터널 공법의 선정은 시공의 안전성, 경제성,시공의 편이성 등을 종합적으로 검토하여 이루어 진다.
현재는 도심 지하공간을 관통하는 터널의 개발, 해저터널의 건설, 산악터널의 개발에서 부딪히는 시공상의 어려움은 터널 시공 기술의 발달로 대부분 해결된 상태이다.

최근 가장 선호하는 터널 공법으로는 재래식의 공법과 함께 NATM 터널 공법, TBM공법, 침매(沈埋)공법을 들 수 있다.

현재 도심지의 지하철 터널을 비롯한 지하공간의 개발은 대부분 NATM방식에 의해 시공되고 있다.

재래식 공법과 NATM 공법의 차이는 터널 굴착 시 내부를 지지하는 방법의 차이에 있다.
재래식 공법은 터널을 발파 후 내벽을 철재 지보공(Steel Rib)과 콘크리트 Lining (터널내벽을 보호하는 콘크리트 보강 벽체)을 사용하여 터널 내벽을 지지하는 것에 비해 NATM 공법은 지반자체가 주요한 지보재로서 이용되고 Shotcrete, Rock Bolt, Steel Rib에 의해 지반이 본래가지고 있는 강도를 유지하거나 보강을 해준다. 

TBM(Tunnel Boring Machine)은 정상적인 화약장전에 의한 발파 작업이 불가능한 지역 - 해저터널, 지반이 약한 지역- 에서 터널 시공 시 이용하는 방법이다. 영국과 프랑스를 연결하는 유로 터널은 TBM공법을 이용한 대표적인 터널이다.

침매 공법은 터널 형태의 대형 콘크리트 구조물을 해저에 가라 앉힌 뒤 이 구조물을 기술적으로 연결하여 터널을 건설하는 방식으로 홍콩의 Western Harbour Tunnel이 이방식으로 만들어 졌으며 거가대교의 일부 해저 구간도 침매공법을 적용할 계획으로 알려지고 있다.

■ 재래식 공법의 공사 방식의 특성 

초기 터널의 굴착은 사람의 손으로 뚫었으나 터널의 사이즈가 터널의 용도에 따라 커감에 따라 기계에 의한 굴착이 불가피해졌다. 기계를 이용한 굴착과 화약 발파를 병행하여 터널공사의 생산성은 높아졌으나 문제는 터널공사의 안전성을 보강하는 일이다.

터널 내벽의 보강방법으로 초기는 마치 석탄광산에서 보는 나무 동바리 같은 방식의 지지대를 사용하다가 점차 철강재에 의한 내벽을 보강하는 방식으로 발달해 나갔다.

이 방법은 구조적인 측면에서는 문제가 해결되었으나 작업의 생산성과 경제성이 큰 걸림돌이다.

특히 암질이 약하거나 흙이 드러나는 지역에서는 작업속도가 현저히 떨어지는 결함을 피할 수 없다. 

기술의 발달로 굴진 속도는 기계장비의 발달로 빨라졌으나 터널 굴착과정에서 지형의 특성에 관계없이 일률적으로 동일한 지지 방식을 취할 수 밖에 없어 비교적 긴 터널의 경우 철강재와 콘크리트 라이닝(Lining)에 의한 과다한 비용투입이 문제로 대두된다.

 

[그림] 착암기를 이용하여 터널의 천장을 뚫는 모습 

터널 라이닝 작업도 상단면과 하단면으로 나누어 두 번에 걸쳐 콘크리트 타설 작업을 하는 바람에 생산성이 크게 떨어진다.

[그림] 상단면과 하단면으로 나누어 콘크리트 라이닝 작업을 하는 모습

■ 침매 (沈埋) 공법의 특성

본격적으로 침매 공법은 1910년 미국 디트로이트 하저의 철도 터널 건설로부터 발달했다.
80m 길이의 10개 강철튜브를 수심 15m 하저에 설치하고 이들을 연결한 뒤 그 외벽을 수중 콘크리트를 타설하여 만든 것 이다. 미국이 원형 단면의 침매 터널을 시공한 것에 반해 유럽에서는 장방형 타입의 터널이 1937년 네델란드의 로테르담 항구에 설치되었다.

침매 터널의 공정은 우선 작업야드 (드라이 독)에서 터널 구조체를 만들어 해저 터널이 설치될 장소로 이동시켜 미리 조성된 해저 작업구간에 모래를 깔고 그 위에 구조체를 설치한 뒤 구조체 외부를 흙과 돌을 쌓아 손상을 방지한다

[그림] 육상에서 제작되는 구조체 모습

구조체의 양끝은 철문을 달아 작업통로로 이용하며 구조체의 연결은 고무 가스켓을 사용한다.

수중에 설치된 구조체의 연결은 고무판으로 연결부위를 잇는다. 구조체를 연결 후 내부에 고인 해수를 뽑아냄에 따라 구조체 내부와 외부의 수압의 차이 때문에 고무 가스켓으로 연결된 이음새 부위가 더욱 강화되고, 터널의 안전성이 강화된다. 

구조물의 콘크리트 품질이 중요한 과제로 콘크리트 크랙 부위의 두께가 0.2mm이하로 관리된다.

[그림] 구조체를 해저로 이동하는 모습

■ NATM (New Austrian Tunneling Method) 공법의 특성

이 공법은 재래식 공법에 비해서 월등한 경제성과 안정성이 입증되어 도심지 및 산악지역의 대부분 터널에 적용되고 있다.

재래식 공법이 Steel Rib 와 Lining 이 주요한 지보재(支保材)로 사용하는 것에 비해 NATM 공법은 지반 자체가 주요한 지보재로서 Shotcrete 와 Rock Bolt를 사용하여 굴착 표면을 강화시켜 암질이 연약한 부위에서도 효과적으로 공사를 수행할 수 있다.

터널 공정은 지질 조사를 통한 데이터를 기초로 지보형태를 결정하고 굴착에 임한다.
지보 형태는 암질의 유형에 따라 Shotcrete의 두께 및 Rock Bolt의 길이가 정해 진다.
일반적으로 Shotcrete의 두께는 10 - 20 cm에 이르고 Rock Bolt의 길이는 4 - 6 m 이다.
지반이 약할수록 지보재가 두껍고 길어진다. 

Shotcrete 는 터널 굴착 즉시 터널 천정의 굴착 표면을 안정 시킬 목적으로 사용되며 습식과 건식의 방법이 있다. 오늘날 습식이 건식에 비해 작업이 편리하고 분진이 적으며 경제성이 높아 습식이 주로 사용된다.

Shotcrete 배합은 시멘트, 세골제,조골재,물,급결제로 이루어진다.

시공방법은 혼합된 시멘트 몰타르를 압축공기로 밀어내어 이동시키며 노즐을 통해 뿜어서 표면에 타설한다. 노즐을 통해 분사할 때 급결제를 첨가 함으로써 쉽게 표면에 부착된다.

[그림] Shotcrete 타설장면 

Rock Bolt 는 굴착한 원 지반과 주변 지반을 Rock Bolt로 연결하여 조여줌으로써 지반을 안정시키는 역할을 한다.

 

Rock Bolt 의 종류는 정착 방법에 따라 선단정착형과 전면 접착형으로 나누어지며 일반적으로 전면접착형을 쓰고 있다.

시공방법은 주로 Resin형으로 이 방법은 암반에 뚫은 구멍에 Resin을 주입하고 Rock Bolt를 삽입한다. 삽입과정에서 Resin 이 화학 반응을 일으켜 경화된다.

[그림] Rock Bolt를 삽입할 구멍 뚫는 장면 

터널의 굴착은 천공장비를 이용하여 암석 표면에 구멍을 뚫고 화약을 장전하여 발파 시키는 과정을 되풀이 한다.

천공장비는 최근 개발된 3 Boom Jumbo Drill 을 이용하는 추세다.
이 장비는 천공 각도를 수직과 수평으로, 천공 간격을 일정하게 하는 자동 조절 기능이 부착되어 생산성이 뛰어나다.

[그림] 3 Boom Jumbo Drill 장비모습

 

■ TBM (Tunnel Boring Machine) 공법의 특성

이 공법은 터널 굴착 단면에 맞는 원형 Boring Machine 을 사용하여 굴진하고 이를 뒤따라 가면서 Shortcrete 작업을 병행함으로써 터널 굴진 단면의 안전성을 보강하는 공법이다.

터널의 직경이 7m 이상의 경우 파이롯트 부위의 Drill Head 를 회전시켜 일정한 크기로 굴착하고 그 후방의 확대기에 부착된 Drill을 이용하여 굴착 단면을 확대해 나간다.

분쇄된터널 내부의 암석과 흙은 콘베이어에 실려 후방으로 이송된다. 기존의 화약 발파 방식에 의한 굴진 속도가 1 - 3m 에 비해 1일 10 -15m 로 생산성이 높다.

   

참고로 동경만 해저 터널 길이 9.5km, 폭 13.9m 공사에 사용한 TBM 장비 및 동경을 가로 지르는 Aqua - Line 의 정경. 가와사키에서 제작한 TBM 장비의 굴착단면의 지름이 14.14m 임.
6.4km를 2년 만에 굴착을 완료했다

기존의 터널 공법에 비해 원형 굴진 작업으로 인해서 터널의 여굴(여유 터널 면적)이 적고 즉각적인 Shortcrete 작업으로 터널 내벽이 안정적이고 터널의 변형이 최소라는 이점이 있다.

[그림] TBM 장비의 배치모습

반면에 굴착단면의 급작스런 변화 - 아주 강한 암석 또는 연약 지반의 돌출, 다량의 용수가 발견된 경우에는 즉각적인 대처가 용이하지 않다는 단점이 있다.

특히 장비 가격이 비싸 장비 가동율이 떨어 질 경우 경제적인 손실이 크다.