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터널공사
터널공사는 터널을 구축하는 공사를 말한다. 터널 공사에는 지반 조사, 추가 시추 조사, 지반 보강, 발파 및 굴착(천공작업, 장약작업, 화약류 운반 처리, 버력처리), 뿜어 붙이기 작업, 강아아치 지보공 설치, 록 볼트 설치, 콘크리트 라이닝 및 거푸집, 계측, 배수 및 방수, 조명 및 환기 등 작업이 포함된다.
국내 터널공사는 보편적으로 화약을 이용한 발파굴착공법을 사용한다. 발파공사는 저렴한 화약을 사용해 경제성이 높지만 소음, 진동 발생으로 공사 중 각종 분진이 나와 도심지 공사 시 주민들의 민원이 빗발친다. 자칫하면 대형사고로 이어질 수 있는 크고 작은 지반함몰 사고도 유발해 최근 도심지 공사에서 기피하는 분위기다.
대안으로 떠오른 것이 TBM(Tunnel Boring Machine) 장비를 이용한 기계화 터널공법이다. 터널단면 크기의 대형 장비가 직접 흙을 굴착하면서 장비 뒤편에서는 터널벽체를 조립하는 방식이다. 발파굴착공법보다 소음·진동, 분진이 적고, 굴착속도가 빠르지만 작업안정성은 오히려 높다.
개요[편집]
한국은 산이 많고 부지가 좁다보니까 이를 연결하기 위해서 일반적인 도로가 아닌 터널을 뚫어서 연결하는 경우가 많다. 터널을 보면 다 똑같이 생긴것 같지만 그 형태와 역할에 따라서 종류가 많다. 1단면 터널 양뱡향 터널, 해저 터널, 산악터널 등 이 있다. 거제도로 가는 길에 대우건설에서 시공한 해저 터널의 경우에는 그 기술력이 거의 세계적이라고 할만큼 국내 기술이 정말 뛰어나다. 그렇기 때문에 해외 중동, 싱가폴, 홍콩 등에 그 기술력으로 세계의 많은 공사를 책임지고 있다.
해외에서 나가는 많은 터널들이 지하철을 만드는 일이다. 특히나 싱가폴같은경우 국가의 부지가 너무 좁기 때문에 지하로 지하철을 많이 만들고 있고 국내 삼성물산, SK건설, GS건설, 쌍용건설 등이 나가서 시공하고 있으며, 중국 그리고 해외 유수의 업체들과 경쟁을 하고 있다.
터널공사는 그 기능과 목적에 따라서 그리고 목표물에 환경적, 지형적, 지질적, 외부영향요소 등 많은 부분을 고려하게 된다.
터널 공법이란[편집]
터널굴착은 지반, 지질에 따라 선정을 하며, 발파와 기계공법이 있다. 발파공은 NATM, NTM등이 있고 기계공법에는 TBM을 이용한 터널이 있다.
이 외에도 굴착방법으로 인력굴착, 기계굴착, 파쇄굴착, 발파 굴착이 있고, 굴진방법에 따라서 전단면 굴착공법과 분할 굴착공법이 있다. 분할 굴착공법에는 수평분할국착과 연직분할공법, 선진도갱굴착 방법 등이 있다.
터널 굴착공법 선정시 고려사항[편집]
- 지질 : 터널 굴착을 위해서 고려할 사항이 굉장히 많다. 제일 중요한건 지질이 아닐까 생각한다. 지질이 약한 곳을 터널 굴착시 내려않는(붕괴) 사고가 발생할 수 있기에 그라우팅을 하던지 아니면 기계식 굴착을 통해서 벽을 만들면서 나가는 조치를 취해야 할 것이다. 지질이 암반인 곳 같은 경우는 터널을 뚫었을 때 붕괴가 나지 않기 때문에 터널시공에 큰 어려움이 없겠지만 그 강도가 너무 강한 암반의 경우에는 공기와 사용 공법을 잘 고려해야 한다. 국내의 많은 경우 암에서는 NATM을 이용하는 경우가 많다. 폭약식이 위험하지 않냐 주변 진동이나 민원이 많은 것 아니냐라는 얘기를 할 수 있겠지만, 우리가 건설할 때 가장 중요한 것은 그 목적성과 목적성 달성을 위해서 투입하는 자원이다. 즉, 터널의 경우는 많은 경우 인프라 사업이고 국가 발전을 위해서 이용하는 것이기에 그 예산이 한정적이다. 한정적 예산에서 그에 맞는 공법을 선정하는 것이고, NATM이라는 공법이 기계식 공법, 즉 TBM공법 보다는 훨씬 경제성이 좋기에 선정되는 것이다.
- 지하수 : 지하수는 지반아래 물을 말한다. 지하수가 중요한 이유는 터널을 굴착 시에 그 굴착면으로 지하수가 들어와서 붕괴를 일으킬 수 있기 때문이다. 또한 지하수가 꼭 들어오지 않더라도 강우에 의해서 그 수위가 올라가고 그 압력에 의해서 터널단면에 영향을 줄 수도 있다. 토목은 물과의 싸움이라고 할 수 있다. 물을 잘 관리하고 통제해야만 안전한 공사가 가능하다.
- 설계 : 기획단계의 설계를 컨셉설계라고 한다. 이런 경우는 터널의 위치와 그 경로가 중요한 요소이다. 왜냐하면 터널이 지나가는 자리같은 경우는 그 부분이 지주와의 보상이 되어야 하기 때문이며 국가 중요시설 및 주변 환경에 따라서 Route가 정해지는 것이다.
터널 굴착공법 선정절차[편집]
- 굴착공법 선정을 하기 위해서는 조사 설계를 하고 단면과 굴착공법을 선정한다. 여기서 단면이라는 것은 터널마다 상태가 조금씩 다르다. 원형, 마제형, 박스형 등이 있다.
- 단면과 굴착공법은 선정후에는 경제성, 시공성, 안정성을 고려해서 최종 결정을 하고 굴착을 시행하게 된다.
- 터널을 조사하는 방법에는 Face Mapping, RQD, RMR, Q-system등이 있는데 이는 터널을 조사한다기 보다는 암반, 지질을 조사하는 것이다. 앞에서도 언급했 듯이 지질 조사는 터널에서 가장 중요한 부분중 하나이고 안전과 경제성, 시공성 등 모든 것과 연결된 것이기 때문이다. 그렇기 때문에 국가마다 그 지질이 다르기 때문에 많이 사용되는 굴착공법이 다 다르다. 스위스하면 융프라후가 생각날 것이다. 그만큼 산악지연인 스위스에서는 산악터널이 많이 있고 그에 따른 굴착공법이 많이 이용되고, 싱가폴과 베트남의 경우는 연약지반이 많기에 그에 맞는 기계식 공법을 많이 사용하는 편이다. 하지만 터널 굴착공법은 단지 한가지 두가지 Factor에 의한 요인이라기 보다는 전체적인 부분를 고려해서 결정하는게 맞다.
터널 굴착공법의 종류 및 특징[편집]
- NATM공법
NATM공법은 New Austrian Tunneling Method로써 1957년에서 1965년까지 오스트리아에서 연구를 시작으로 1960년에 처음으로 주목을 받았다. NATM이라는 이름은 구 오스트리아 터널링 접근 방식과 구별되도록 지어 졋고 이 새로운 터널링 방법과 이전의 방법의 차이점은 터널을 안정화 시키기 위해 주변 암석에서 이용할 수 있는 고유의 지질학적 강도를 이용한다는 것이다. 즉, 이 부분이 매우 중요한데 이전에 터널의 개념은 터널의 공간을 유지하고 붕괴를 막는 힘이 구멍을 뚫고 이를 지지하는 라이닝이나 동바리에 의해서 버틴다고 했지만, 이 개념으로 인해서 터널 굴착구간의 암반이 Arching현상에 의해서 지지한다고 밝힌 것이다. 이로 인해서 많은 경제적 이득과 시공성이 높아졌다.
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- TBM공법
Tunnel Boring Machine공법은 암석의 드릴링 및 블라스팅 방법과 토양의 기존 "인력 채굴"에 대한 대안으로 사용된다. TBM은 주변에 대한 방해를 제한하고 매끄러운 터널 벽을 생성할 수 있다는 장점이 있다. TBM공법의 경우 가장 큰 비용으로는 장비비용이고, 장비가 투입되어야 공사를 시작할 수 있기 때문에 선결제 비용이 크다는 단점이 있다. 이는 또한 장비가 고장 시 공사비에 큰 타격을 입기도 하기 때문에 검증되고 실적있는 업체를 통해서 장비를 구매 또는 렌탈을 해야 한다. 장비는 국내에서 제작은 하지 않으며 독일에서 제작하고 중국도 제작을 한다.
현대건설은 4차산업혁명시대에 발맞춰 TBM 최적운전시스템인 타다스(TADAS·TBM Advanced Driving Assistance System)를 세계 최초로 개발했다. 지반 환경에 따라 커터헤드 회전속도, 굴진추력 등을 최적으로 제안해준다. 오퍼레이터(운전자) 숙련도에 따른 장비 손상 우려도 덜어준다. TBM 최적운전시스템은 굴착 중 생성되는 TBM 데이터로부터 지반 및 장비의 운영상태를 실시간으로 파악하고 운전에 반영한다. 모 복선전철 공사에서 실증을 성공적으로 마쳤으며, TADAS는 TBM 굴착 중 암반강도와 굴착속도 등을 94%의 정확도로 예측했고, TADAS를 적용한 경우 굴진율이 17% 까지 향상했다
TBM 공법은 국내에서 새로운 터널기술로 조명받지만, 해외에서는 이미 오래된 기술로 평가받아 신기술 개발 속도가 둔화하는 추세다. TBM 굴진 속도도 과거 대비 개선이 더디다.
일론 머스크 테슬라 CEO는 2016년 TBM 전문회사인 터널보링컴퍼니를 설립하고 기존 터널굴착속도 대비 10배, 공사비용을 10분의 1로 낮춘다는 청사진을 발표했다. 하지만 최근 관통된 2.7㎞의 라스베가스 지하터널공사에서도 기존 대비 큰 차이 없는 수준의 굴착속도를 기록한 것으로 알려져 건설업계에 실망감을 안겼다.
기존 TBM 공사는 전방에서 굴착을 하며 전진한 다음 장비가 멈춘 상태에서 후방에서 세그먼트 설치작업이 이뤄진다. 세그먼트 설치작업이 종료되면 다시 전방에서 굴착을 재개하는 방식이다. 같은 방식이지만 우리 TBM 공법 수준은 유럽 대비 큰 격차가 있다. 똑같은 TBM 공법을 적용해도 우리나라는 기술 수준은 유럽 대비 70%에 미치지 못한다"며 "이론이나 실경험 숙련도가 부족해 공기(工期)·비용 단축에 어려움을 겪는 것은 물론 해외 TBM공사 입찰경쟁에서도 고전을 면치 못하고 있다
TBM 공법을 적용한 국내 터널공사 비중은 5%쯤에 불과하지만 최근 몇년 간 도심지 터널공사에서는 TBM 공법을 절반쯤 적용하고 있다. 서울지하철 9호선 국회의사당 하부 통과구간, 분당선 한강하저 통과구간 등 일부 지하철 공사에서 적용을 시작했다. GTX-A 및 GTX-C, 김포-파주 고속국도 프로젝트 등 한강하저 구간 또는 도심지 주거지역 관통구간에 TBM 공법이 적용되고 있다.
참고자료[편집]
- 〈터널공사표준안전작업지침-NATM공법 | 국가법령정보센터 | 행정규칙〉, 《국가법령정보센터》
- 일리어스21, 〈터널 공사? 굴착공법〉, 《일리어스》, 2020-03-27
- 이광영 기자, 〈터널공사도 ICT로…현대건설, TBM 공법으로 패러다임 혁신〉, 《IT조선》, 2021-08-02
같이 보기[편집]
