비개착 공법

왜 배우는가: 비개착 공법은 도로와 철도를 운영하면서 하부를 횡단해야 하는 도심 공사의 기본 공법이다. 지반침하와 열차·차량 운행 지장을 막는 안전대책을 설계하고 시공하려면 공법의 원리와 구분을 먼저 알아야 한다. 시험에서는 공법 종류 설명과 안전감시 계획이 함께 출제되어 반복해서 나온다.

출제 이력: 제137회 3교시 2번, 제103회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

비개착 공법은 지표를 굴착하지 않고 지중에서 관이나 구조물을 설치하여 상부 도로·철도를 운영하면서 하부를 횡단하는 공법이다.

• 비개착 공법
• 무개착 횡단(트렌치리스, Trenchless)
• 추진공법(Pipe jacking)
• 강관 압입공법(Pipe ramming)
• 마이크로터널링(MTM)
• 지반침하 억제
• TRcM(Tabular Roof Construction Method)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 땅을 위에서 파 내려가지 않고 밑에서 관이나 함체를 밀어 넣는 방법이다. 도로나 철도 위에서 전면 개착을 하면 교통을 막아야 하고 지반이 침하하기 쉽다. 비개착 공법은 이 문제를 줄이려고 쓴다.

정식 정의는 지표 굴착을 최소화하고 지중에서 무개착 횡단 방식으로 관로나 구조물을 설치하는 시공법의 총칭이다. 굴착 크기가 작은 소구경 관에서 대단면 터널까지 포함하며, 공법의 차이는 굴착 단면 크기와 추진 방식에서 나온다.

주요 방식은 추진공법과 강관 압입공법이다. 추진공법은 유압잭으로 관을 밀어 넣는 방식이고 선단에 굴착기를 두어 방향을 조정한다. 강관 압입공법은 충격 해머로 강관을 때려 박는 방식이며, 항법(방향 제어) 장치가 없어서 짧은 거리와 방향 정밀도가 덜 필요한 매설에 적합하다. 두 방식은 굴착 원리가 다르므로 안전감시 항목도 달라진다.

개착과 비개착의 차이는 지표를 여는지 여부다. 개착은 흙막이와 굴착면 관리가 핵심이고, 비개착은 막장 안정과 지반 변위 관리가 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

도심에서는 도로와 철도를 장기간 차단하기 어렵다. 전면 개착은 교통 우회와 지하매설물 이설 부담이 크고, 굴착 주변 지반 침하로 인접 시설에 피해를 줄 수 있다. 이 때문에 상부 시설을 살려 둔 채 하부로 횡단하는 공법이 필요해졌다.

법령도 이 방향을 따른다. 「건널목개량촉진법」에 따른 입체교차화시설 구조기준은 철도와 도로를 입체교차할 때 도로 구조를 지하도로 원칙으로 정한다. 다만 지형과 철도·도로 조건으로 과선도로교가 현저히 유리하면 예외로 둔다. 철도 지하횡단공사는 열차의 안전운행을 확보하고 정시운전 지장을 최소화하는 공법으로 시공해야 한다.

또 공법은 열차운행 횟수, 궤도와 노반 조건, 구조물 규모를 고려해 안전성, 정시성, 경제성, 시공성을 종합 검토하여 선정한다. 실시설계 이전에 기본설계 성과물을 철도시설관리자에게 제출해 협의해야 하며, 구조와 공법은 입체교차시설심의위원회가 심의 의결한다. 따라서 공법 선정 단계부터 철도 측과 안전 기준을 맞추는 절차가 필요하다.

연약하거나 지하수가 있는 지반에서는 전면 개착이 어렵기 때문에 비개착 공법이 더 자주 선택된다. 그러나 비개착 공법도 막장 붕괴, 지반 변위, 상부 노반 침하 위험을 가진다. 이 위험을 시공 전 계측과 감시로 관리하는 것이 안전대책의 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

비개착 공법(무개착 공법)은 도로나 철도 노반을 굴착하지 않고 그 하부에 관, 함체, 터널을 설치하는 방법이다. 지상 교통을 유지한 채 횡단 구조물을 만들어야 하므로 지반 변형을 최소화하는 것이 핵심이다. 구성요소는 추진장비, 선단 굴착장치, 추진관(강관·박스), 지반 보조공법, 계측 시스템으로 나눈다.

원리는 추진 과정에서 발생하는 지반 응력 해방을 제어하는 데 있다. 굴착면이 열리면 상부 지반이 침하하고 궤도나 노면이 변형된다. 따라서 굴착 토량을 추진 길이와 맞추고, 추진 중 발생하는 지반 손실을 최소화해야 한다. 지반 손실은 여굴량과 관 외주 틈새(테일보이드)의 크기로 결정된다.

비개착 공법의 일반적인 절차는 다음과 같다.

• 사전 지반조사 및 상부 시설물 현황 조사
• 공법 선정과 추진 계획 수립, 공법별 안전대책 확정
• 발진부(진입갱) 및 도달부(도달갱) 설치와 지반 보강
• 상부 노면·궤도 계측 기준치 설정과 초기 계측
• 추진장비 설치 후 관 추진 및 굴착 토사 반출
• 추진 중 실시간 계측과 방향 확인, 이상 시 추진 중지
• 관 내부 굴착·구조물 설치 및 주입재 충전
• 도달 확인, 장비 철수, 계측 종료

공식은 추진력 검토에 쓴다. 관 외주 마찰을 고려한 필요 추진력은 다음과 같다.

$F = \pi D L f + A_p \cdot q_p$

여기서 F는 필요 추진력(kN), D는 관 외경(m), L은 추진 길이(m), f는 관 외주 단위마찰력(kN/m²), A_p는 선단 면적(m²), q_p는 선단 저항 응력(kN/m²)이다. 계산 결과가 설계 추진력의 한계를 넘으면 중간 잭을 추가하거나 윤활재를 주입한다.

추진 중 지반 손실을 줄이는 것이 노면·궤도 침하를 막는 핵심이다

5. 관련 법령·기준·표준

도로·철도 하부 횡단공사는 입체교차화시설 구조기준에 따른다. 이 기준은 「건널목개량촉진법」 제7조에 근거하며, 철도와 도로가 교차하는 부분을 입체교차할 때 구조와 공법을 정한다. 도로 구조는 지하도로를 원칙으로 하되 지형상황, 철도 및 도로 조건 등으로 과선도로교가 현저히 유리한 경우에는 예외로 하며, 지하도로 시 철도 지하횡단공사는 열차의 안전운행을 확보하고 정시운전 지장을 최소화하는 공법으로 시공해야 한다. 공법 선정은 열차운행 횟수, 궤도 및 노반 조건, 구조물 규모를 고려하고 안전성, 정시성, 경제성, 시공성을 종합 검토한다.

철도시설관리자는 입체교차시설심의위원회를 두며, 위원은 6인 이상이고 열차 안전운행과 관련된 철도전문가 2인 이상을 위촉한다. 심의 사항은 열차 안전운행 지장 여부, 철도 지하횡단공법 선정의 적정성, 지장물 처리계획 등이다. 회의는 재직위원 3분의 2 이상 참석과 출석위원 과반수 찬성으로 의결한다. 도로관리청은 철도와 도로를 입체교차하고자 할 경우 실시설계 이전에 기본설계 성과물 등 필요한 자료를 철도시설관리자에게 미리 제출하여 시설구조 및 공법 등에 관하여 협의한다.

입체교차화시설 구조기준은 현행 기준이다. 도로 횡단 관련 안전 기준으로는 산업안전보건기준에 관한 규칙의 터널 및 지하공사 조항과 굴착 작업 안전 기준을 함께 적용한다. 철도 측면에서는 철도의 건설기준에 관한 규정상 도상, 시공기면, 건축한계 등의 정의를 활용해 추진 계획의 이격 거리를 판단한다.

최근에는 도심 지하화 사업이 늘면서 비개착 공법의 계측 관리 기준을 강화하는 추세다. 계측 결과를 실시간으로 공유하고 경보 단계를 나누는 방식이 확산되고 있다.