침매공법

왜 배우는가: 침매공법은 해저·수로 횡단 터널에서 쓰는 대표적인 공법으로, 기초 조성과 침매함의 설치·접합 절차를 이해해야 현장 공정과 품질관리 문제를 설명할 수 있다. 기술사 시험에서는 공법 비교 문항과 함께 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제101회 1교시 10번, 제93회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

침매공법은 육상에서 제작한 터널 형태의 대형 콘크리트 함체(침매함)를 해저면에 미리 준비한 기초 위에 침설하고, 함체끼리 수중에서 접합하여 터널을 완성하는 공법이다. 침매공법은 육상 제작 함체를 수중 기초 위에 침설하고 접합하여 해저 터널을 만드는 공법이다.

핵심 키워드

• 침매함: 육상에서 제작해 물에 띄워 운반하고 기초 위에 가라앉히는 콘크리트 함체
• 기초공(기초 조성): 준설 후 자갈·모래 기초를 깔아 침매함을 받치는 공정
• 준설 トレンチ(Trench): 해저면을 파서 함체가 들어갈 굴착 홈
• 침설(Immersion): 함체를 해저 기초 위에 내려놓는 작업
• 가접합·본접합: 함체 사이를 수중에서 연결하는 단계
• 수밀 가스켓(Gasket): 함체 접합부의 방수를 담당하는 부재
• 되메움(Backfill): 함체 상부를 모래·자갈로 덮어 보호하는 작업

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 바다 밑에 도랑을 파고 그 안에 미리 만든 긴 상자 모양의 콘크리트 구조물을 차례로 내려놓아 이어 붙이는 방식이다. 상자를 땅 위에서 만들어 물에 띄워 옮기므로 해저에서 직접 굴착하는 공법보다 수중 작업량이 적다.

정식 정의는 다음과 같다. 침매공법은 해저 또는 수저에 굴착한 트렌치 내에 육상 또는 조선소에서 제작한 함체를 순차적으로 침설하고, 수중에서 접합하여 연속된 터널을 구축하는 공법이다.

핵심 용어를 나누면 다음과 같다.

• 함체(Element): 한 구간의 길이를 가진 침매함 하나. 일반적으로 강재 격벽으로 양 끝을 막아 부력을 확보한 뒤 운반한다.
• 기초 준설: 함체가 놓일 자리를 수중에서 파내는 작업으로, 해저면 굴착과 평탄화를 포함한다.
• 기초 사석·모래 기초: 침매함을 받치기 위해 자갈 또는 모래를 깔아 평평한 지지면을 만든 층이다.
• 가접합: 함체 단부에 장착한 접합 장치로 두 함체를 임시로 맞물리게 하는 단계다.
• 본접합: 가접합 후 내부의 물을 빼고 수압차를 이용해 접합부를 확정하는 단계다.

3. 등장 배경과 필요성

해저 터널은 해상 교량과 함께 수로·해협을 횡단하는 수단으로 필요하다. 수심이 깊거나 조류가 강하면 해상 교량 건설이 어렵고, 선박 항행에 지장을 줄 때가 많다. 이런 조건에서 해저면 아래에 터널을 두는 방식이 선택되며, 굴착 방식으로는 쉴드(TBM)와 침매공법이 대표적이다.

쉴드는 깊은 수심에 적합하지만 굴진 장비와 세그먼트 시공에 비용이 크다. 반면 침매공법은 얕거나 중간 수심(대략 수십 미터 이내)의 해협에서 함체 제작을 육상에서 할 수 있어 품질 관리와 공정 관리가 쉽다. 홍콩의 Western Harbour Tunnel이 이 방식으로 건설되었다는 점은 해당 공법이 실제로 도심 해저 횡단에 쓰였음을 보여 준다.

또한 함체는 공장 제작 수준의 품질로 만들어지므로 누수 위험을 줄일 수 있다. 다만 수중 준설과 함체 운반이 필요하므로 해상 기상 조건에 따른 공정 제약이 생긴다. 이런 장단점은 공법 선정의 기준이 되고, 시험에서는 쉴드·NATM과 비교하는 문항으로 자주 나온다.

4. 구성요소·원리·절차

침매공법은 기초공, 침매함, 접합부, 되메움의 네 부분으로 구성된다. 기초공은 함이 놓일 해저 바닥을 만드는 부분이고, 침매함은 육상에서 제작한 터널 본체다. 접합부는 함과 함을 물속에서 수밀하게 잇는 부분이며, 되메움은 가라앉은 함을 덮어 닻이나 침하 같은 외력으로부터 보호한다.

기초공은 함의 하중을 해저 지반에 고르게 전달하는 역할을 한다. 기초층이 불균등하면 함이 한쪽으로 기울거나 함과 함 사이에 단차가 생겨 접합부가 손상된다. 침매함은 공장이나 조선소 같은 건식 환경에서 만들어 품질을 관리하기 쉽다는 장점이 있다.

침매함의 침하 원리는 자중과 부력의 균형으로 설명한다. 함을 물에 띄워 예인할 때는 부력이 자중보다 커야 한다. 목표 위치에 도달하면 함 내부에 물을 채워 자중을 늘리고, 그 결과 함이 가라앉아 기초 위에 안착한다. 이때의 침하 조건은 다음과 같다.

$W - \rho_w g V > 0$

여기서 W는 함의 자중(N), \rho_w는 해수 밀도(kg/㎥), g는 중력가속도(m/s²), V는 함이 排除하는 물의 부피(㎥)다. 주수량을 조절해 W를 늘리면 침하가 일어나고, 예인 중에는 W를 부력 아래로 유지해 함이 떠 있도록 한다. 이 식은 침하의 방향과 힘의 크기를 판단하는 기본 관계이며, 세부 설계는 실제 함 제원에 따라 달라진다.

기초공 조성 절차는 다음과 같다.

• 해저에 트렌치를 준설해 함이 들어갈 바닥을 만든다.
• 준설 바닥에 사석 또는 모래·자갈로 기초층을 깐다.
• 기초층 표면을 평탄하게 고른다. 평탄도가 함의 수평 안착을 좌우한다.

침매함의 침매 절차는 다음과 같다.

• 육상에서 제작한 함의 양 단부를 임시 격벽으로 막는다.
• 함을 부유시켜 현장까지 예인선으로 운반한다.
• 주수하며 함을 기초 위에 침설하고, 앞 함과의 위치를 맞춘다.

접합 절차는 다음과 같다.

• 앞에 놓인 함의 단부와 새 함의 단부를 맞대고 가스켓을 맞춘다.
• 두 함 사이의 물을 배제하면 바깥 수압으로 함이 서로 밀착된다.
• 접합 면의 밀착과 누수 여부를 점검하고 방수 처리를 한다.

되메움은 마지막 단계다.

• 함의 상부와 측면을 되메움재로 덮어 보호층을 만든다.

침매공법의 전체 흐름은 아래와 같다. 기초공이 끝나야 침매가 가능하고, 접합이 끝나야 되메움을 할 수 있다.

5. 관련 법령·기준·표준

침매공법은 국내에서 해저 구조물을 설계하는 일반 기준의 틀 안에서 다룬다. 도로와 철도 터널 설계기준, 그리고 KDS 체계의 구조·지반 관련 기준이 적용된다. 세부 조항 번호는 이 절에서 밝히지 않고 기준 이름만 쓴다. 침매공법에 특화된 기준값은 시공 조건에 따라 달라지므로, 다음 표에는 자료에서 확인되는 값과 공법의 적용 범위를 정리한다.

표의 첫 항목이 가장 중요하다. 수심이 깊어지면 함의 침설과 기초 조성이 어려워지므로, 수심 조건을 먼저 확인하고 공법을 선택한다. 얕은 수역에서는 침매공법이 경제적이고, 긴 심해 터널은 굴착식이 일반적이다.

침매함의 설계는 자중, 부력, 외수압, 파랑과 조류의 작용을 함께 고려한다. 함 접합부는 수압을 받아도 누수가 생기지 않도록 가스켓의 압착 상태가 설계 조건을 만족해야 한다. 지반과 기초층의 조성 조건은 침하량과 접합부 변위에 직접 영향을 준다.