터널 굴착에 대해 알아보자

터널

 

1. 터널과 지하공간 개요

ㅇ 터널 : 입구와 출구를 갖는 지하통로 역할을 하는 연속적 공간

ㅇ 지하공간 : 지반 중에 어떤 목적이나 용도에 따라 만들어 놓은 공간을 갖는 구조물

- 지하공간은 크게 지하터널과 지하공동의 두 가지 형태로 이용될 수 있으며 석유비축기지 및 방사능폐기물 지하저장고는 지하공동에 해당된다.

 

2. 지하공간의 특성 및 장점

(1) 지하저장의 경제성

(2) 환경 보호 및 외부의 관찰로부터의 보호

(3) 재해로부터의 보호

(4) 기후의 영향으로부터의 보호

(5) 관리 및 사용의 편리

 

3. 지하공간의 활용

지금까지 쉽게 접할 수 있는 지하공간을 간략히 거론하면 다음과 같다.

(1) 지하철, 지하/해저터널 등의 교통 시설

(2) 유류의 대류모 비축, 핵폐기물 및 각종 유해한 산업폐기물의 격리 수용

(3) 식료품 및 각종 생산재, 열에너지, 압축공기, 발전용수 등의 저장

(4) 지하상가, 스포츠 활동을 위한 수영장 및 각종 체육관 등

오늘날 지하공간은 방공, 대피 등 전략적인 견지에서뿐만이 아니라 경제적인 측면에서도 개발가치가 인정되어 하나의 새로운 공간자원으로서 널리 개발되고 있다. 오늘날에는 수십 km 이상의 길이를 가진 지하터널(해저터널 포함)이 세계 각지에 만들어져 이용되고 있지만 지하공간을 거주, 저장, 생산을 위해 적극적으로 이용하고 개발하는 것에 대한 관심이 집중된 것은 비교적 최근의 일이다. 더욱이 점보드릴(Jumbo Drill), 몰(Mole)과 같은 고성능의 굴착 장비가 개발되어 굴착이 용이해짐으로 인해 지하공간의 이용은 급진적인 발전을 맞이하게 되었다.

앞으로도 산업 사회가 발전해 감에 따라 자연의 오염으로 인해 환경 보존 문제가 부각되고 산업 폐기물의 처리 문제 등이 야기되어 근래에는 지하공동을 핵폐기물 등 산업폐기물의 저장과 주거공간으로 사용하는 데 관심이 높아져 이 분야에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 우리나라는 국토가 협소하고 75%를 차지하는 산악의 지질이 지하시설에 가장 적합한 화강암, 편마암으로 암질 및 지질 구조가 양호해 지하저장공동을 시공하는데 있어서 꽤 유리한 편이다.

 

4. 터널굴착공법의 종류

터널의 굴착방법은 암반을 발파하여 암설을 제거해 나가는 전통적인 발파굴착(Drill & Blast)과 굴착장비를 이용해 암반을 뚫고 나가는 기계굴착(TBM 외)으로 대별되며 인력굴착은 보조 작업으로 제한되어 실시되는 경우가 많다.

(1) 인력굴착

➀ 곡괭이, 삽, 착암기 등 간단한 굴착도구를 사용하여 인력으로 굴착하는 방법

➁ 자립시간이 짧아(진동의 영향 등) 토사지반을 소규모로 분할굴착하고 조기에 지보재를 사용해야 하는 경우

(2) 발파굴착(Drill & Blast) : 화약 및 천공장비를 이용한 가장 일반적인 암반 굴착방법

➀ drill & blast cycle : 전통적인 발파공법은 다음과 같은 과정이 통상적인 한 주기(cycle)가 됨

☞ 『천공(drill) 및 화약(다이너마이트) 충진 → 발파(blast) → 환기 → 버력(파편)제거

→ 쇼크리트 (Shotcrete) 분사 및 락볼트(Rock Bolt) 타입』

➁ NATM 공법 : 후술

③ drill & blast method의 장단점

[장점]

▪ 시공상의 융통성 및 채용성이 좋음(∴통상적으로 사용되는 방법임)

즉, 장비 선택의 범위가 넓으며 사용이 용이함

▪ 상대적으로 저렴한 비용이 소요됨

▪ 장비 및 인력 투입을 위한 준비 시간(set-up time)이 적음

[단점]

▪ 필요 이상의 여굴이 생기며 주변 암벽에 손상을 가하기 쉬움(2차 작업량이 많아짐)

▪ 발파로 인한 소음, 지표면의 진동, 비산 등으로 인접 지역에 피해를 유발함.

▪ 발파 및 폭발물로 인한 안전상의 위험성(전문적인 기술자의 관리가 요망됨)

▪ 터널 굴착에 상대적으로 많은 시간이 소요됨.

※ 한 사이클 당 통상 2m 내외를 발파, 1일 1~ 2 사이클 정도의 작업속도로써 한 문제만 발생해도 전 사이클의 작업 중단 결과를 가져옴

(3) 기계굴착

기계굴착은 쇼벨(shovel), 브레이커(breaker) 등 중장비 혹은 TBM이나 쉴드(shield) 등 터널 굴진 장비를 사용하여 굴착하는 방법. 발파굴착과 비교한 대표적 고려사항은 다음과 같다.

➀ 중장비에 의한 기계굴착은 절리가 심하게 발달한 파쇄암이나 풍화암 등에서 지반이완을 최소화하고 여굴을 억제하는데 효과가 큼. 도심지 등 발파 소음 및 진동의 영향이 있는 곳에 유리함.

➁ 중장비는 지반조건, 주위환경, 터널단면의 크기, 형상 및 연장, 버력처리방법 등 시공방법 및 경제성을 고려해 기종을 선정해야 함.

③ TBM 공법 : 후술

(4) 파쇄굴착

파쇄굴착은 저진동으로 암(연암 및 경암)을 파쇄굴착하는 방법으로 인력굴착방법을 적용할 수 없는 견고한 암반에서 기계 또는 발파 굴착을 채택하기 어려운 경우에 적용함. 발파진동으로 인한 민원 문제가 있는 곳에 적당.

 

5. 터널굴착시 고려사항

(1) 터널 공사시 고려해야 할 사항

① 암석의 팽창성

② 투수성

③ 지하수의 용수

④ 단층대

⑤ 지반의 이동

⑥ 지열 및 천연 가스 누출 여부

(2) Tunnel을 팔 때 지질학상 고려할 점

① 암석이 견고하여야 한다.

② 압력이 동일하게 가해져야 한다.

③ 山水에 주의하고 단층, 습곡, 파쇄대 등을 잘 조사하여야 한다.

(3) 터널시 지하수가 나올 경우 방지책

① pumping

② grouting(지반 개량)

③ freezing(동결)

(4) 터널 굴착시 불리한 지질조건

① 중생대 이전의 염기성암은 사문암화 되어 내부에 균열이 많음

② 퇴적암에는 절리가 발달되어 붕괴의 위험성이 큼

③ 탈러스(Talus)나 충적층은 피해야 함.