연직갱 굴착공법

왜 배우는가: 연직갱은 터널 본선 시공을 위한 작업구·환기구·수직구를 만드는 핵심 공정이며, 장대 터널과 도심지 시공에서 공기와 민원을 좌우한다. RC(Raise Climber)와 RBM(Raise Boring Machine) 같은 굴착공법의 장단점 비교와 공법 선정 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제110회 3교시 4번, 제99회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

연직갱 굴착공법은 지상에서 지하 방향으로 수직 또는 거의 수직인 갱(수직구·작업구)을 굴착·지보하는 방법으로, 발파·기계·상향 굴착 등 방식에 따라 나뉜다.

키워드: 연직갱, 작업구, 수직구, RC(Raise Climber) 공법, RBM(Raise Boring Machine) 공법, 상향 굴착, 하향 굴착, 굴착 방향

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 터널 본선으로 들어가는 문을 땅속에 세로로 뚫는 일이다. 연직갱은 장비·자재·인원과 버력(굴착토)을 출입시키고, 환기나 배수의 통로가 되기도 한다. 정식 정의는 지표에서 터널 본선 높이까지 연직 방향으로 굴착하는 수직갱의 시공 방법 전체를 가리킨다.

굴착 방향에 따라 하향 굴착(지상에서 아래로 파 내려가는 방식)과 상향 굴착(하부에서 위로 올려 뚫는 방식)으로 나눈다. 상향 굴착은 먼저 파일럿 홀(pilot hole)을 뚫은 뒤 상부로 확대하는 방식을 포함한다. 이때 하부에서 작업하므로 버력이 중력으로 떨어지는 구조를 이용할 수 있다.

RC(Raise Climber) 공법은 하부 작업 공간에서 장비가 천공과 확폭을 단계적으로 반복하며 위로 올라가는 상향 굴착 방식이다. 작업자가 갱 안에서 직접 제어하므로 소규모 단면과 단기 시공에 쓰인다. RBM(Raise Boring Machine) 공법은 상부에서 하부로 파일럿 홀을 뚫은 뒤, 하부에서 커터헤드를 상향으로 회전 인발하며 설계 직경을 한 번에 확보하는 기계식 상향 굴착이다. 두 공법은 모두 상향 굴착이지만 파일럿 홀 유무와 작업 위치가 다르다.

3. 등장 배경과 필요성

장대 터널은 본선 굴진 속도를 높이려면 중간 작업구가 많이 필요하다. 그런데 도심지에서는 지상 부지가 좁고 소음·진동·교통 통제 민원이 크다. 지상에서 대형 장비를 세우고 흙을 반출하는 방식은 공기와 비용을 늘린다.

이 때문에 하부에서 작업하는 상향 굴착이 발달했다. 상향 굴착은 지상 작업을 줄이고, 버력을 중력으로 낙하시켜 반출 경로를 짧게 만든다. 기계화 수준이 높아지면서 RBM처럼 설계 직경을 기계로 확보하는 방식도 쓰인다. 국내 기준에서 연직갱 굴착은 「산업안전보건법」에 따른 작업 안전 조치(낙석 방지, 낙하물 방호, 출입 통제)를 함께 계획해야 한다.

연직갱 공법 선정은 굴착 깊이, 직경, 지반 상태(토사·풍화암·경암), 지하수 유무, 공기, 민원 조건을 종합해 결정한다. 공법마다 설비 규모와 작업 공간 요구가 다르므로 현장 조건과 함께 비교해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

연직갱 굴착은 지상과 지하를 잇는 수직 통로를 만드는 작업이다. RC 공법과 RBM 공법은 굴착 방향과 버력 배출 방식이 달라 답안에서 구분해 서술해야 한다.

표 설명: RC는 장비 자체가 갱 안에서 이동하며 굴착하므로 공정이 단순하다. RBM은 파일럿 홀과 리밍을 나누어 진행하므로 굴착 직경을 키우는 데 적합하다. 두 공법 모두 버력이 하부로 떨어지므로 하부 출입 통제가 필수다.

원리는 다음과 같다. RBM은 먼저 작은 직경의 파일럿 홀을 뚫어 자유면과 배출 통로를 확보한다. 이후 리밍 헤드를 연결해 원하는 직경까지 확대한다. 커터가 암반을 전단·파쇄하고 버력은 중력에 의해 아래로 떨어진다. RBM은 파일럿 홀 확보 후 리밍으로 직경을 넓히는 2단계 굴착이다

RC는 굴착 장비가 갱 내부를 따라 단계적으로 상승하며 상향 굴착한다. 작업자가 굴착면 아래에서 장비를 조작하는 구간이 생기므로 낙석 방지와 출입 통제가 핵심이다.

절차 설명: RBM의 절차는 다음과 같다.

• 지반 조사로 지질, 암반 강도, 용수 상태를 확인한다.
• 상부와 하부에 작업장을 설치하고 출입을 통제한다.
• 상부 리그에서 파일럿 홀을 하향으로 천공한다.
• 하부에서 리밍 헤드를 연결하고 상향으로 확대 굴착한다.
• 하부에 모인 버력을 반출하고 필요한 지보를 설치한다.

핵심 공식은 굴착 능력 산정에 쓴다. 굴착 속도는 굴진 길이를 시간으로 나눈 값이다.

$v = \frac{L}{t}$

여기서 v는 굴진 속도(m/h), L은 굴진 길이(m), t는 굴진 소요 시간(h)이다. 공정 계획에서는 파일럿 홀 속도와 리밍 속도를 따로 산정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

연직갱 굴착의 안전과 환기는 「산업안전보건법」에 따른 「터널공사 표준안전 작업지침-NATM공법」 고시가 기준이다. 굴착기계 선정, 버력 처리, 환기 기준이 여기에 있다. 연직갱 환기는 「도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침」의 수직갱 방식 기준을 함께 본다.

표 설명: 환기 기준은 발파 후 30분과 기온 37℃가 핵심이다. 수직갱 풍속은 급기 승압과 풍도 설계에서 함께 검토한다. 굴착기계는 단면과 지질 조건에 맞춰 선정하며 작업안전계획에 포함해야 한다.

고시 제5조는 작업구와 환기구 같은 수직갱 굴착 구간의 연약지층을 정밀 조사하도록 한다. 필요하면 발주자와 협의해 지반보강말뚝, 지반고결, 그라우팅 등을 적용한다. 이는 굴착 중 붕괴를 막는 안전 조치다.

계측과 지반 조사 항목도 함께 확인한다. 고시 제3조는 시추 위치, 토층 분포, 투수계수, 지하수위, 지지력을 확인하도록 한다. 연직갱 굴착에서는 지하수위와 투수계수가 용수 처리 방식을 정하는 근거가 된다.

개정 연혁은 고시의 재검토 기한 규정으로 확인한다. 고시 제41조는 2016년 1월 1일 기준으로 매 3년째 12월 31일까지 타당성을 검토하도록 정한다. 도로터널 환기지침은 2026년 4월 30일 자 문서로 확인된다.

6. 유형과 비교

연직갱(수직갱, 작업구) 굴착공법은 굴착 방식에 따라 크게 상향 굴착과 하향 굴착으로 나뉜다. RC(Raise Climber)공법과 RBM(Raise Boring Machine)공법은 모두 상향 굴착에 속하지만 파일럿 구멍의 형성 방식과 굴착 흐름이 다르다. 두 공법을 기준으로 유형을 정리하면 다음과 같다.