터널 수직갱 굴착공법

왜 배우는가: 수직갱은 장대터널의 종류식 환기에서 신선공기 유입과 오염공기 배출을 위해 굴착되는 구조물이라, 굴착공법을 알아야 공기 경로와 공사 기간·비용을 함께 설계할 수 있다. 기술사 시험에서도 초장대 터널 환기와 연계해 반복 출제되므로 정의·공법 분류·선정 기준을 체계적으로 정리해 둘 필요가 있다.

출제 이력: 제96회 4교시 1번, 제92회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수직갱은 터널 공사의 자재·버력 반출입, 그리고 환기·제연을 위해 지표에서 터널 깊이까지 수직으로 굴착한 갱도다. 수직갱 굴착공법은 이 갱도를 지반 조건과 깊이에 맞춰 안전하게 뚫는 방법을 말한다.

답안 첫 줄 정의 문장: 수직갱 굴착공법은 터널 환기·제연·자재 반출입을 위해 지표에서 터널 심도까지 수직갱도를 안전하게 굴착하는 공법이다.

핵심 키워드

• 수직갱
• 연직갱
• 종류환기방식
• 급기노즐
• 단락류
• 기계굴착(라이즈보링)
• 발파굴착
• 지반보강

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 긴 터널 안에 공기가 들고 나는 문을 세우는 일이다. 터널 입구에서만 공기를 넣고 출구에서만 빼면 중간 구간의 오염이 커진다. 그래서 중간에 수직갱을 뚫어 공기 통로를 만든다.

정식으로는 수직갱을 "터널공사 및 환기나 제연을 위하여 수직으로 굴착된 갱도"로 정의한다(도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침 용어 정의). 종류환기방식은 "터널입구 또는 수직갱, 사갱 등으로부터 신선공기를 유입하여 종방향 기류를 형성하고 출구 또는 수직갱, 사갱 등으로 오염공기나 화재 연기를 배출하는 방식"이다.

여기서 수직갱 굴착공법은 갱도 자체를 만드는 공사 방법을 가리킨다. 환기 방식과 구분해 쓴다.

• 사갱: 경사로 굴착하는 갱. 버력 운반과 환기에 쓰인다.
• 연직갱: 수직으로 굴착하는 갱. 지침은 수직갱과 같은 의미로 함께 쓴다.
• 바이패스 유로: 터널과 평행하게 굴착해 급·배기를 연결하는 통로다.

지침에 따르면 수직갱 방식은 급기노즐, 수직갱(또는 사갱), 바이패스 유로, 급·배기 팬으로 구성된다. 굴착공법은 이 중 수직갱과 바이패스 유로를 만드는 공사다.

3. 등장 배경과 필요성

터널이 길어지면 교통 환기력만으로 공기를 충분히 바꿀 수 없다. 이때 기계환기가 필요하고, 종류식에서는 중간 수직갱이 공기 공급원과 배출구 역할을 한다. 초장대 터널과 대심도 터널에서 이 역할이 커진다.

국내에서도 장대터널과 대심도 터널 계획이 늘면서 수직갱 시공의 중요성이 커졌다. 지상 접근이 어려운 도심에서는 수직갱 위치와 공법 선택이 공사비와 공기를 좌우한다.

깊은 수직갱은 지반 응력과 지하수 문제가 커서 굴착 중 안정성 확보가 핵심이다. 지침도 수직갱 풍량 산정 시 단락류를 고려하도록 정하고 있어, 굴착 단계부터 환기 계획과 연계해야 한다.

수직갱 굴착은 일반 터널과 달리 상부에서 하부로 작업이 진행된다. 굴착 방향, 버력 반출, 지보 설치 순서가 모두 달라지므로 공법별 특징을 구분해 이해해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

수직갱 굴착공법은 지표에서 지하 깊이까지 수직 갱도를 뚫어 환기·제연·작업 통로를 확보하는 공법이다. 종류식 환기에서는 수직갱이 신선공기 급기 또는 오염공기 배기의 경로가 되므로, 갱의 굴착 방식이 공기 흐름과 공사 기간을 함께 좌우한다. 굴착 방식은 인력·발파 굴착, 기계식(확공) 굴착, 역굴착(상향 또는 하향 확공) 으로 나눠 보는 것이 답안 구성에 유리하다.

표 아래 설명 한 줄: 기계식 확공은 굴착 속도가 빠르나 파일럿홀 선행이 필요하므로 수직 정밀도와 암반 상태를 먼저 확인한다.

원리는 다음과 같다. 갱 벽 지보는 굴착 직후 지반 이완을 억제하고, 갱 깊이가 커질수록 작업 공간의 환기와 배수를 함께 계획해야 한다. 굴착 단계마다 라이닝을 설치하는 단계 굴착이 토질 조건에서 기본 절차다.

수직갱 굴착 절차

• 지표 조사와 지반 조사로 지층 구성과 지하수위를 파악한다.
• 갱 위치와 직경을 정하고 지표 배수와 가설 설비를 설치한다.
• 갱 상단에 두부 라이닝(칼라)을 설치해 지표 붕괴를 막는다.
• 굴착 깊이별로 발파 또는 기계로 굴착하고 버력을 반출한다.
• 굴착 직후 숏크리트·록볼트·강지보로 1차 지보를 한다.
• 일정 깊이마다 콘크리트 라이닝을 타설해 영구 구조를 만든다.
• 급기·배기 설비와 팬을 설치하고 풍량을 시험 운전으로 확인한다.

계산 예제는 다음과 같다. 수직갱 내 풍속을 구한다. 갱 단면적 A = 6.0㎡, 풍량 Q = 90㎥/s이면 풍속 v = Q/A 이므로 v = 90 ÷ 6.0 = 15m/s이다. 이 값은 본 지침의 기류 풍속 제한(25m/s 이하)보다 작아 상식 범위 안이다.

도식 1개

5. 관련 법령·기준·표준

수직갱의 환기 계획은 「도로터널 방재·환기시설 설치 및 관리지침」 제1편 방재편의 수직갱(연직갱) 급·배기방식 기준을 따른다. 이 지침은 「도로법」에 근거한다. 기준 수치는 다음과 같다.

표 아래 설명: 승압력은 급기노즐이 주로 담당하고, 수직갱 풍량이 입구 유입량보다 작으면 단락류가 생기므로 풍량 제어에서 반드시 검토한다.

지침은 배연 시 풍속과 내열한도를 제1편 일반 도로터널 기준(6.1.3, 6.1.5)에 따르도록 한다. 제연팬 용량은 화재 시나리오에 따라 수직갱 승압력을 반영해 정할 수 있다.

굴착 안전은 「산업안전보건기준에 관한 규칙」과 터널공사 표준안전 작업지침(NATM 공법)을 따른다. 연약지반에서는 포아폴링·프리그라우팅 같은 보강 후 굴착하고, 막장에는 작업자를 상시 배치한다. 이상용수나 막장 자립 이상이 생기면 즉시 작업을 중단해야 한다.

6. 유형과 비교

수직갱 굴착공법은 굴진 방향과 굴착 장비에 따라 나뉜다. 하향 굴착은 지표에서 아래로 파 내려가는 방식이고, 상향 굴착은 먼저 소구경 파일럿 공을 뚫은 뒤 위로 확대하는 방식이다. 굴착 수단에 따라서는 발파굴착과 기계굴착으로 구분한다.