터널 갱구부

왜 배우는가: 갱구부는 터널 입구에서 지반 붕괴와 비탈면 파괴가 가장 먼저 나타나는 구간이다. 현장에서는 가설 흙막이, 비탈면, 보강공법을 함께 관리해야 하므로 실무 사고가 많다. 시험에서는 분류, 시공 유의사항, 보강공법, 안전시공을 묶어 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제103회 3교시 6번, 제97회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

갱구부는 터널의 시점부와 종점부로서, 지반과 비탈면이 터널 본체에 접속하는 구간이며 비탈면 안정과 지반 보강이 함께 요구되는 구간이다.

• 갱구부
• 갱문
• 토피고
• 편압
• 토류벽 가시설
• 강관다단그라우팅
• 풍화토

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 갱구부는 터널의 입구 부분이다. 산 옆을 깎고 들어가는 자리라 흙과 비탈면이 가장 불안정한 곳이다. 본선 굴착 이전에 비탈면을 절토하고 가설 흙막이를 세우는 공정이 포함되므로 붕괴 위험이 집중된다.

정식으로는 도로터널 방재시설 설계지침이 갱구부를 터널 종단의 시점부와 종점부로 정의한다. 갱구부에는 터널 상부 토층, 비탈면, 갱문(터널 입구에 설치하는 문형 구조물)이 함께 놓인다. 갱문은 입구의 지반 밀림을 막고 기상·낙석으로부터 본체를 보호하는 역할을 한다.

갱구부 안정을 결정하는 첫 조건은 토피고다. 토피고는 지표면에서 터널 천단까지의 깊이를 말한다. 토피고가 얕으면 흙이 스스로 버티는 아칭 효과가 약해서 굴착 직후 붕괴가 쉽게 일어난다. 두 번째 조건은 편압이다. 편압은 지형이 비대칭일 때 한쪽 측벽에 흙하중이 치우쳐 작용하는 현상이다. 세 번째는 지반이완하중이다. 굴착으로 풀린 흙이 지보재에 작용하는 하중을 뜻한다. 갱구부에서 지반이완하중이 지보패턴의 지보력을 넘으면 막장과 지표가 함께 무너진다.

3. 등장 배경과 필요성

도로와 철도 노선이 산지와 도심 경계를 지나면서 갱구부가 늘었다. 갱구부는 지표와 맞닿아 있어 지반 조건이 가장 나쁜 곳이다. 비탈면 절토와 터널 굴착이 한 구간에서 겹치므로 설계와 시공을 따로 떼어 보기 어렵다.

현장 사례를 보면 필요성이 분명해진다. 화강섬록암이 풍화되어 풍화토층이 두껍게 발달한 시점부에서 지하수가 과다하게 유입되어 변위가 지속적으로 발생한 사례가 있다. 이때는 출수구간에 수발공을 설치해 배수하고, 터널 주변에 강관다단그라우팅으로 지반을 보강했다. 또 다른 사례에서는 NATM 시점에서 25m 지점의 막장이 지보 설치 중 붕괴되어 지표까지 폭 14.5m×길이 13m×깊이 4m로 함몰되었다. 원인은 풍화토가 설계보다 깊게 발달한 상태에서 갱구부 그라운드 앵커로 보강된 뒤에도 지반이완하중이 지보력을 초과한 것이다. 이 사례는 조사 단계에서 풍화토 두께를 확인해야 함을 보여준다.

내진 측면에서도 갱구부는 별도로 다뤄진다. 터널 설계기준(2007)은 지반이 취약한 터널의 갱구부 및 주요 접속부를 내진설계 대상으로 정했다. 현재 설계는 내진등급 1, 2등급과 지진구역 I, II로 구분하고, 재현주기 500년·1000년 붕괴방지수준을 기준으로 터널이 지진에 견디도록 한다. 갱구부는 표토의 활동으로 인한 붕괴와 지반 액상화를 막는 방향으로 설계한다. 외국에서는 갱구부 형태를 바꿔 열차 압력파에 의한 소음을 줄이는 사례도 있다. 영국 Chiltern 터널은 다공형 갱구(porous portal)로 압력파를 분산시켰다. 이처럼 갱구부는 지반, 구조, 환경 요구가 한 곳에 모이는 구간이므로 종합적인 이해가 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

터널 갱구부는 지반을 굴착해 터널 본체에 들어가는 입구 구간이다. 갱구부는 비탈면, 가시설, 갱문, 지보 연결부가 하나로 묶인 구조라서 개별 요소보다 연결부의 힘 전달이 안정성을 좌우한다. 원리는 토피 부족 구간의 하중 전이다. 토피가 얇으면 상부 지반의 이완하중이 지보재에 직접 걸리고, 여기에 지표수와 지하수가 더해지면 전단강도가 급격히 떨어진다.

갱구부 시공의 핵심 원리는 토피고와 지반 상태에 따른 보강 단계 결정이다. 풍화토처럼 자립성이 낮은 지반에서는 굴진장을 짧게 하고 상·하 반단면 분할굴착을 적용한다. 이렇게 하면 한 번에 노출되는 이완 면적이 줄어 지보 설치 전 붕락 위험이 낮아진다.

절차는 다음과 같다.

• 갱구부 지반조사와 토피고 확인, 풍화 정도와 지하수 상태 파악
• 비탈면 절토와 가시설 설치, 앵커 인장시험 실시
• 갱구 전면 보강(강관다단 그라우팅, 강관 보강 등) 후 굴착 시작
• 반단면 분할굴착과 즉시 지보(숏크리트·록볼트·강지보) 설치
• 계측(내공변위, 천단침하, 지중변위) 결과에 따라 인버트 설치 여부 결정
• 갱구부 본체 라이닝과 갱문 시공, 배수 체계 완성

계측 결과를 굴진 판단에 쓰는 것이 갱구부 안전시공의 기본이다. 천단침하나 내공변위가 관리기준을 넘으면 굴진을 멈추고 보강을 먼저 한다. 변위 속도가 줄지 않으면 막장 전방 보강을 추가한다. 이 되먹임 구조를 보여 주면 절차 답안의 점수가 높아진다.

5. 관련 법령·기준·표준

터널 갱구부는 여러 기준에 걸쳐 있다. 설계 측면은 터널 설계기준과 도로터널 방재시설 설치·관리 지침이 기본이고, 현장 안전은 산업안전보건법령과 건설기술 진흥법 체계를 따른다. 지진 대응 측면에서는 터널 설계기준(2007)이 갱구부와 지반이 취약한 접속부를 내진 설계 대상으로 명시한다. 설계 시 갱구부는 표토 활동에 따른 붕괴와 지반 액상화를 막는 방향으로 설계한다.

도로터널 방재시설 지침은 갱구부를 터널 종단의 시점부와 종점부로 정의한다. 이 정의에 따라 갱구부 구간은 개구부와 환기 계획의 적용 범위에 포함된다.

내진 설계 기준값은 다음과 같다. 터널 설계기준은 재현주기 500년과 1000년의 붕괴방지수준을 기준으로 설계하도록 한다. 도시철도 내진설계기준은 재현주기 100년과 1000년에 따라 기능수행 및 붕괴방지 수준을 확인한다. 이 값은 설계 단계에서 적용하며, 시공 안전의 판단 기준은 계측 관리기준과 함께 쓴다.

재현주기 500년·1000년 붕괴방지수준

기준의 개정 연혁도 함께 알아 둔다. 터널 설계기준은 2007년 내진 관련 내용을 담아 정리됐다. 도시철도 내진설계기준은 2005년 처음 제정되고 2009년에 개정됐다. 이 두 기준은 현행 기준으로 답안에 쓴다.

갱구부 안전은 토피고와 지반 상태에 맞춘 보강 단계 결정이 핵심이다

6. 유형과 비교

갱구부는 지반 조건, 지형, 터널 진입 방식에 따라 여러 형태로 나뉜다. 갱구부의 형태는 크게 면벽형(확폭형)과 돌출형(갱문형)으로 구분하고, 지반 조건에 따라 사면 절취형과 토류벽 가시설형을 함께 쓴다. 아래 표는 형태별 특징과 안전상 유의점을 비교한다.