터널 굴착공법

왜 배우는가: 토목시공기술사는 터널 공사에서 굴착 방식을 고르고 현장을 관리해야 하므로 이 개념을 먼저 알아야 한다. 굴착 공법의 선택은 공사비와 안전을 함께 좌우하여 시험에서 반복해서 나온다. 공법의 원리와 특징을 함께 설명할 수 있어야 답안이 완성된다.

출제 이력: 제131회 1교시 12번, 제104회 4교시 6번, 제102회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

터널 굴착공법은 지반과 주변 환경에 맞춰 암반이나 토사를 깎아 지하 공간을 만드는 방법이다.

• NATM(New Austrian Tunnelling Method): 원지반의 지지력을 살리는 연성 지보 공법
• 쉴드 TBM: 원통형 쉴드 안에서 기계로 굴착하며 세그먼트를 조립하는 공법
• TBM: 터널굴착기로 전단면을 깎아 나가는 기계식 굴착
• 발파 공법: 화약으로 암반을 깨는 전통적 굴착 방식
• 지보재: 굴착 후 지반을 붙잡는 숏크리트와 록볼트 같은 재료
• 세그먼트: 쉴드 굴착 뒤 링 모양으로 조립하는 콘크리트 블록
• 계측: 굴착 중 변위와 응력을 재어 지보를 조정하는 관리

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 터널은 땅을 파서 길을 내는 일이고, 어떤 방법으로 파느냐에 따라 공사 속도와 안전, 비용이 달라진다. 정식으로는 터널 굴착공법을 굴착 방식과 지보 방식을 함께 묶은 시공 체계로 본다. 굴착 방식은 발파식과 기계식으로 나뉘고, 지보 방식은 굴착 직후 지반을 잡는 1차 지보와 장기 하중을 맡는 2차 라이닝으로 나뉜다.

NATM은 굴착면에 숏크리트와 록볼트를 설치하여 지반이 스스로 버티게 하는 공법이다. 굴착 후 생기는 변형은 계측으로 확인하며 지보 패턴을 바꾸므로, 지반 상태에 맞춰 공사를 조정할 수 있다. 원지반의 지지력을 살리는 것이 핵심이어서 자체 강도가 있는 암반에 많이 쓰인다. NATM은 원지반의 지지력을 활용하고 계측으로 지보를 조정하는 공법이다.

쉴드 공법은 원통형 쉴드가 지반을 받치며 전진하고, 쉴드 뒤에서 세그먼트 링을 조립하여 터널 벽을 만든다. 굴착과 조립이 같은 흐름으로 이어지므로 연약지반이나 도심에서 지반 침하를 줄이기 좋다. 쉴드의 굴착 기계로는 TBM이 쓰여 전단면을 한 번에 깎는다.

발파 공법은 화약으로 암반을 깨므로 진동과 소음이 크다. TBM은 발파 공법보다 진동과 소음이 적은 장점이 있다. 다만 장비와 유지보수 비용이 높고, 지층이 바뀔 때 대응하기 어려우며, 굴착 노선이 제한된다는 단점도 있다. 그래서 공법 선택은 지반, 주변 환경, 공사비를 함께 보고 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

도시의 지하 공간 수요가 늘면서 상하수도, 전력과 통신 선로, 지하철 같은 시설을 땅 밑에 넣어야 했다. 기존의 개착식 공법은 땅을 크게 파기 때문에 지반 침하와 소음, 진동, 교통 장해를 일으킨다. 이런 건설 공해를 줄이기 위해 지상을 크게 파지 않고 터널을 뚫는 공법이 발달했다.

발파 공법은 진동과 소음이 커서 주거지나 도심에서 쓰기 어려웠다. 이에 따라 굴착 중 진동을 줄이는 기계식 굴착과 쉴드 공법이 쓰이게 되었다. 두 공법은 발파 없이 굴착하므로 도심의 민원과 안전 문제를 줄이는 방향으로 자리 잡았다.