NATM 2-Arch 터널

왜 배우는가: 2-Arch 터널은 도심 지하철 정거장처럼 대단면을 NATM으로 굴착하는 대표 사례다. 굴착 순서, 중벽, 배수, 지보 기준을 한꺼번에 묻는 문제가 많아 개념과 기준을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제136회 3교시 6번, 제97회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

2-Arch 터널은 두 개의 아치형 굴 공간을 나란히 굴착하고 사이에 중벽을 두어 하나의 대단면 공간을 만드는 NATM 터널이다.

핵심 키워드

• 2-Arch 터널: 두 개의 아치형 천장을 가진 대단면 터널이다.
• 대단면 NATM: 단면이 커서 상·하 반단면 등으로 나누어 굴착하는 NATM이다.
• 중벽: 두 아치 사이에서 상부 하중을 나누어 받는 벽체이다.
• 접합부 배수: 두 아치가 만나는 부분에서 용수를 유도하는 배수 처리이다.
• 아치 간섭: 먼저 판 아치가 나중 아치의 응력과 변위에 영향을 주는 현상이다.
• 저토피: 지표에서 터널 천장까지의 흙 두께가 얇은 상태이다.
• 지보패턴: 지반 상태에 맞춰 숏크리트, 록볼트, 강지보 등을 배치하는 기준이다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 한 번에 넓은 구멍을 뚫으면 지반이 버티지 못하므로, 작은 아치를 나눠 파고 가운데 벽으로 힘을 나눠 받게 하는 방식이다. 정거장처럼 폭이 넓은 공간을 만들 때 쓰는 형식이다. 정식으로는 두 아치 공간 사이에 중벽을 둔 대단면 NATM 터널이며, 굴착 단계마다 지반과 지보재가 함께 거동하는 구조다.

NATM의 원리는 지반이 가진 지지력을 살리는 데 있다. 굴착한 면을 곧바로 숏크리트로 덮어 지반 이완을 억제하고, 필요하면 록볼트로 지반을 묶어 함께 버티게 한다. 그리고 계측으로 변위를 확인하며 지보 패턴을 조정한다. 2-Arch 터널은 이 원리를 두 아치에 동시에 적용하므로 굴착 순서와 중벽 처리가 안정성을 가른다.

2-Arch 터널의 핵심 문제는 먼저 굴착한 아치가 나중 아치의 응력과 변위를 바꾸는 아치 간섭과 그에 따른 중벽 안정이다.

굴착 순서는 상부 아치를 먼저 파고 하부를 뒤따르는 방식이 많이 쓰인다. 이때 선행 아치 주변의 지반이 이완되면 후행 아치의 지보 하중이 커지므로, 두 아치의 간격과 굴착 순서를 설계 단계에서 함께 정해야 한다. 또 두 아치가 만나는 접합부는 용수가 몰리기 쉬워 배수 설계가 따로 필요하다. 시공 기준도 2중 아치, 3중 아치 구조에서는 아치 접합부 상단에 임시 배수 관로를 두어 시공 중 배수를 유도하도록 정한다. 접합부 배수는 여기서 출발한 개념이다.

지반 상태별 지보 기준도 중요하다. 뿜어붙이기 콘크리트의 최소 두께는 암반이 약간 취약하면 2cm 이상, 파괴되기 쉬우면 5cm 이상, 팽창성 암반이면 15cm 이상(강재 지보공과 철망 병용)으로 정한다. 이 기준은 지반이 나쁠수록 두께를 늘린다는 원리를 보여 준다. 지반이 나쁜 구간에서는 굴착 전에 포아폴링이나 프리그라우팅으로 먼저 지반을 보강하도록 규정되어 있다.

저토피 구간은 별도로 봐야 한다. 얇은 토피에서는 지표 침하와 지반 붕락이 우선 문제되므로, 지표 침하 계측과 보조 공법을 함께 쓴다. 용수가 많은 풍화토 구간에서는 지반 강도가 급격히 떨어져 막장 자립도가 낮아진다. 국내 한 대단면 터널 공사에서도 풍화토가 설계보다 깊게 발달한 구간에서 지보를 설치하는 중 막장이 무너져 지표까지 함몰된 사례가 보고되었다.

3. 등장 배경과 필요성

도심 지하철 정거장은 승강장과 대합실 등 넓은 공간이 필요하다. 그러나 도심 지하에는 기존 지하철, 상하수도, 건물 기초 같은 지장물이 많아 넓은 단면을 한 번에 굴착하기 어렵다. 단일 원형 쉴드 터널로 정거장 폭을 만들면 단면이 과도하게 커지고, 정거장 연결과 승강 시설 배치에도 불리하다. 이 때문에 대단면을 아치로 나누어 굴착하는 2-Arch 형식이 쓰인다.

NATM이 이 형식과 맞는 까닭은 단면 형상을 현장 조건에 따라 바꿀 수 있기 때문이다. 기계 장비와 보조 공법을 조합해 연약한 토사 지반이나 풍화암 지반에서도 굴착할 수 있다. 따라서 얕은 깊이의 도심 정거장에서는 쉴드 공법 대신 NATM을 택할 수 있다. 다만 얕은 토피에서는 지표 침하와 지반 붕락이 바로 민원과 안전 문제로 이어지므로 시공 관리의 부담이 크다.

또 두 아치를 근접하게 병렬로 파면 먼저 판 아치의 이완이 나중 아치에 전달되어 지반 거동이 복잡해진다. 그래서 굴착 순서, 중벽 두께, 지보 패턴을 함께 설계해야 하며, 계측 결과를 굴착 단계마다 반영하는 관리 체계가 필요하다. 이것이 2-Arch 터널을 일반 NATM과 구분하는 필요성이다.

4. 구성요소·원리·절차

2중 아치(2-Arch) 터널은 하나의 단면 안에 두 개의 아치를 나란히 겹쳐 만든 구조다. 폭이 넓은 공간을 한 번에 얻으려고 쓰며, 지하철 정거장처럼 대단면이 필요한 곳에 적용한다. 구성요소는 외측 아치, 중앙부 또는 내측 아치, 두 아치가 만나는 아치 접합부, 그리고 지보재와 라이닝이다.

접합부는 두 아치의 힘이 모이는 곳이라 응력이 집중하고 물도 모이기 쉽다. 그래서 설계와 시공 계획에서 접합부의 배수와 보강을 따로 정한다. 표의 다른 구성요소는 접합부 주변의 지반을 잡아 주는 역할을 한다. 2중 아치의 접합부는 응력과 누수가 모이는 곳이다.

원리는 NATM의 지반 거동에 있다. 굴착 후 지반이 스스로 아치를 형성하도록 뿜어붙이기와 록볼트로 빨리 지보한다. 2-Arch에서는 먼저 굴착된 아치가 뒤따르는 굴착의 지반 이완을 막는 역할을 한다. 따라서 굴착 순서가 곧 지반 거동을 바꾼다. 지반이 이완되면 하중이 지보재에 집중하고, 접합부 주변에서 붕락이나 과도한 변위가 나타날 수 있다.

이 원리에서 세 가지 검토 항목이 나온다. 첫째는 굴착 순서다. 두 아치의 굴착 간격과 시차를 정한다. 시차가 너무 짧으면 먼저 굴착한 쪽의 지보가 자리 잡기 전에 하중이 옮겨져 변형이 커진다. 둘째는 접합부 배수다. 지침은 2중 아치 접합부 상단에 임시 배수 관로 등을 설치하도록 정한다. 셋째는 계측이다. 내공변위와 천단침하를 측정해 지보를 추가할 시점을 정한다.

절차는 다음과 같다.

• 지반조사: 수평·수직 보링으로 암질과 지하수 상태를 확인한다.
• 굴착 계획: 두 아치의 굴착 순서와 단계별 토량을 정한다.
• 1차 지보: 뿜어붙이기 콘크리트와 록볼트를 굴착 직후 시공한다.
• 접합부 배수: 아치 접합부 상단에 임시 배수 관로를 설치한다.
• 강아치 설치: 설계 간격으로 강아치를 세우고 연결 볼트를 조인다.
• 라이닝 타설: 연속으로 타설하고, 콘크리트가 굳은 뒤 천정부에 접착 그라우팅을 한다.
• 계측 관리: 변위와 축력을 주기적으로 측정해 보강을 판단한다.

한쪽 아치의 굴착이 끝난 뒤 다른 쪽을 굴착할 때는 두 굴착면 사이에 남는 지반이 하중을 나눠 받는다. 이 지반이 충분히 안정하지 않으면 접합부 주변에서 변형이 커진다. 굴착 단계가 바뀔 때마다 계측 결과를 보고 다음 단계의 지보 간격을 다시 정하는 것이 원칙이다.

5. 관련 법령·기준·표준

이 절의 기준은 고시 「터널공사 표준안전 작업지침-NATM공법」이 기본이다. 이 지침은 「산업안전보건법」 제13조에 따라 정한 안전 지침으로, 시공 중 근로자 안전과 지반 관리 기준을 담는다. 설계 값은 발주처 설계기준과 함께 본다. 아래 표의 조문 번호는 이 지침의 현행 원문에서 옮겼다.

표의 값은 지침 원문을 옮긴 것이다. 강아치 설치 오차는 보강 작업 중 지보가 밀리지 않도록 정한 기준이다. 록볼트 추가 시공의 6% 기준은 벽면 변형을 판단하는 계측 기준이다.

제31조는 2중 아치와 3중 아치 구조에서 시공 중 가설 배수도를 접합부 상단으로 유도하도록 정한다. 뿜어붙이기 콘크리트의 압축강도는 24시간 이내에 100kgf/㎠ 이상이어야 한다. 파괴되기 쉬운 암반에서 뿜어붙이기 콘크리트의 최소 두께는 5cm 이상이다. 2중 아치 접합부 상단에는 임시 배수 관로 등을 설치해야 한다. 접합부를 굴착하면서 배수 조치가 없으면 누수와 토사 유출이 함께 일어날 수 있다.