굴착보조공법

왜 배우는가: 굴착보조공법은 막장 자립도가 낮은 연약지반·파쇄대·지하수 구간에서 터널붕괴를 막는 핵심 수단이다. 시험에서는 공법 분류와 선정 기준을 묻는 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제127회 4교시 2번, 제109회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

굴착보조공법은 터널 막장면과 주변 지반의 자립성을 높이기 위해 굴착 전에 지반을 보강·차수·개량하는 공법이다.

• 막장 자립성
• 지반보강
• 차수(止水)
• 선진보강
• 라이닝공법
• 지반개량
• 막장 안정

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 굴착 전에 땅을 먼저 단단하게 하거나 물을 막아 두고 파는 방법이다. 막장이 스스로 서 있지 못하는 연약지반, 파쇄대, 고수압 지하수 구간에서 쓴다.

정식 정의는 다음과 같다. 굴착보조공법은 막장 안정을 확보하기 위해 굴진 전에 시행하는 지반보강, 차수, 지반개량 공법의 총칭이다. 대표적으로 강관다단그라우팅, 프리그라우팅, 포아폴링, 록볼트 선단보강, 약액주입 등이 있다.

핵심 용어는 다음과 같다. 선진보강은 막장 앞쪽 지반을 굴착 전에 미리 보강하는 것이다. 차수는 지하수 유입을 막아 지반 강도 저하를 억제하는 것이다. 막장 자립성은 막장면이 무지보 상태에서 스스로 버티는 능력이다.

이 공법의 원리는 굴착으로 생기는 응력 해방을 줄이는 데 있다. 보강재가 굴착 외곽의 지반을 묶어 소성영역 확대를 막고, 그라우팅이 공극을 채워 지반 강도를 회복시킨다.

이 절의 원리 설명은 다음 절에서 이어진다.

3. 등장 배경과 필요성

NATM 공법은 지보재를 굴착 직후 빠르게 설치하는 방식이다. 그런데 지질이 불량하면 막장이 굴착 직후 붕괴된다. 이때 굴착면 자체를 보강해야 하므로 보조공법이 필요해졌다.

실제 사고 사례도 있다. 근거에 따르면 한 풍화토 구간에서 NATM 시점 25m 지점의 막장이 붕괴되고 지표까지 함몰됐다. 원인은 풍화토가 설계보다 깊게 발달했는데 지보패턴이 이완하중을 감당하지 못한 것이다. 이처럼 설계 조건과 실제 지반이 다르면 막장 붕괴가 발생한다.

또 지하수 과다 유입은 풍화토 강도를 급격히 떨어뜨린다. 근거에 따르면 풍화토 구간에서 터널 용수가 생기면 전단강도가 저하되어 터널 안정성에 심각한 영향을 준다. 따라서 차수와 배수를 함께 계획해야 한다.

표준안전 지침도 연약암질과 토사층에서는 발파를 중지하고 보강공법을 검토하도록 정한다. 검토 대상에는 무진동 파쇄, 쉴드, 언더피닝, 포아폴링, 프리그라우팅, 국부미진동 소할발파가 포함된다. 이는 굴착보조공법이 법적 안전조치로 요구된다는 뜻이다.

연약지반 굴착 시에는 막장에서 포아폴링과 프리그라우팅 같은 지반보강을 먼저 한 후 굴착해야 한다. 또 급결제와 뿜어붙이기 콘크리트를 비상시에 바로 쓸 수 있게 준비해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

굴착보조공법은 막장 자립도가 낮은 구간에서 굴착 전에 지반을 먼저 보강해 막장과 천단의 붕락을 막는 공법이다. 막장면 보강, 천단 보강, 지반 개량으로 나뉘며, 표 1의 라이닝 공법과 함께 현장 선택 기준이 된다. 구성요소와 원리를 아래 표로 정리한다.

이 표는 공법을 작용 원리로 나눈 것이다. 표 칸 안의 값은 본문 이외의 기준값을 쓰지 않는다. 굴착보조공법은 보강 위치에 따라 선택이 달라진다. 막장면 보강은 막장 자립도를 높이고, 천단 보강은 굴착 전 상부 아치를 형성한다. 지반 개량은 지반의 강도와 투수성을 함께 바꾼다.

굴착보조공법의 원리는 보강 시기에 있다. 굴착 전에 보강해야 굴착 중 응력 재분배가 억제된다. 시공 순서는 다음과 같다.

• 막장 자립도와 용수 상태를 확인한다.
• 연약 구간이면 발파를 중지하고 보강 공법을 선정한다.
• 천단 선진 보강(포아폴링, 강관 다단 그라우팅)을 먼저 시행한다.
• 막장면에 숏크리트를 타설하고 록볼트를 설치한다.
• 굴착 후 계측으로 변위를 확인하고 필요하면 추가 보강한다.

굴착 전 선진 보강으로 지반 이완 하중을 줄이는 것이 핵심 원리다

5. 관련 법령·기준·표준

굴착보조공법의 현행 기준은 「산업안전보건법」에 따른 「터널공사 표준안전 작업지침-NATM공법」(고용노동부 고시)이다. 이 고시는 연약지반 굴착, 뿜어붙이기 콘크리트, 록볼트, 계측, 환기 기준을 정한다. 기준 수치는 아래 표와 같다.

연약지반 굴착 기준은 굴착 전 보강을 요구한다. 막장에 연약지반이 나타나면 굴착을 멈추고 보강 조치를 한 뒤 굴착한다. 이상 용수나 막장 자립도 이상 시에도 즉시 작업을 중단해야 한다. 굴착보조공법의 수치는 고시 조건과 함께 봐야 한다.

개정 연혁은 고시 제41조 재검토 기한에 따라 3년마다 타당성을 검토한다. 법령 개정 내용은 확인된 범위에서만 쓴다.

6. 유형과 비교

굴착보조공법은 라이닝공법과 굴착공법의 두 축으로 나누어 보면 정리가 쉽다. 라이닝공법은 막장 주변 지반을 지보재로 둘러싸는 방식이고, 굴착공법은 막장 전면이나 상부 반단면을 먼저 보강하는 방식이다.

위 표는 〈표 1〉 굴착공법에 따른 라이닝공법 구분을 정리한 것이다. 라이닝공법에는 록 볼트, 숏크리트, 강아치 지보공이 주로 쓰이고, 굴착공법은 선진 보강을 전제로 한다.

라이닝공법은 다시 측벽선행공법, 전단면 공법, 측면도갱선진 상부반단면 공법으로 나뉜다. 측벽선행공법은 측벽부를 먼저 굴착·지보하고 중앙부를 나중에 굴착하는 방식이다. 전단면 공법은 단면 전체를 한 번에 굴착하여 지반 조건이 양호한 암반에 적합하다. 측면도갱선진 방식은 측면 도갱을 먼저 뚫어 지반 상태를 확인한 뒤 본굴착을 진행하는 방식이다.