터널 굴착방법

1. 굴착방법의 종류 및 적용

굴착방법에는 인력굴착, 기계굴착, 발파굴착, 파쇄굴착 등이 있으며 현장여건과 지반 조건을 고려하여 적합한 굴착방법을 선정하여야 한다. 일반적으로 점착력이 적거나 파쇄 혹은 팽창성 등이 심하여 굴착면의 자립시간이 짧은 지반에서는 막장부의 안정을 위하여 훠폴링, 막장부보강, 주입공법 등 굴착 보조공법을 적용하여야 하며 자세한 보조공법은 본 ‘해설 3. 굴착보조공법’을 참조하기 바란다. 굴착방법 선정시에는 다음 사항을 고려하여야 한다.

∙ 원지반이 본래 가지고 있는 지보능력을 최대한 보존할 수 있으며 안정성, 경제성 및 시공성이 우수하여야 한다.

∙ 지반조건, 지하수 유입 정도, 굴착단면의 크기와 형태, 터널 연장, 근접구조물 유무와 주변 환경영향(진동, 소음, 민원 및 지표침하 등), 공사기간, 굴착장비, 굴착보조공법 의 적용성 등을 종합적으로 검토하여야 한다.

 

1.1 인력굴착

인력굴착은 곡괭이, 삽, 착암기와 같이 인력으로 운영이 가능한 굴착도구를 사용하 여 인력으로 굴착하는 방법으로 주로 다음과 같은 조건에서 적용한다.

∙ 자립시간이 짧은 토사지반을 소규모로 분할굴착하고 조기에 지보재를 설치하여야 하는 경우

∙ 진동의 영향을 크게 받는 지반을 소규모로 분할굴착하고 조기에 지보재를 설치하 여야 하는 경우

 

1.2 기계굴착

기계굴착은 쇼벨(Shovel), 브레이커(Breaker), 터널용 브레이커(ITC), 로드헤더 (Road header) 등의 중장비 또는 TBM이나 쉴드TBM 등 터널 굴진 장비를 사용하 여 굴착하는 방법으로 설계시에 다음 사항을 고려하여야 한다.

∙ 중장비에 의한 기계굴착은 절리가 심하게 발달한 파쇄암이나 풍화암 등에서 지반 이완을 최소화하고 여굴을 억제하는데 적용할 수 있다.

∙ 굴착 중장비는 지반조건, 터널단면의 크기, 형상 및 연장, 주변환경, 버력처리방법 을 고려해서 시공성과 경제성 있는 기종으로 선정하여야 한다.

∙ TBM터널과 쉴드TBM터널의 설계는 ｢KR C-12110 TBM 터널｣을 참조한다.

∙ 터널 굴착용 중장비인 브레이커, 터널용 브레이커(ITC) 및 로드헤더의 장비개요 및 주요 특징은 <표 1>과 같다.

 

1.3 파쇄굴착

파쇄굴착은 저진동으로 암을 파쇄굴착하는 방법으로 인력굴착방법을 적용할 수 없 는 견고한 암반에서 기계 또는 발파굴착을 채택하기 어려운 경우에 적용하며, 터널 주변에 주택지나 주요구조물, 공공건물, 병원, 학교, 목장 등 주변환경으로 인하여 진 동과 소음을 최소화 할 필요가 있는 경우에도 적용할 수 있다. 파쇄굴착 방법에는 정적파쇄제의 팽창력을 이용하는 것과 쐐기를 유압력으로 밀어 넣든가 또는 경질 우레탄 고무와 고내압 고무튜브를 팽창시켜 암반에 균열을 발생시 키고 브레이커나 굴착기를 이용하여 굴착하는 방법 등이 있다. 국내에 적용되고 있는 무진동 암반파쇄공법으로는 팽창성 파쇄제공법, DARDA공 법, GNR공법, HRS공법, PRS공법, 전력충격 파암(PLASMA)공법 등이 있다. 이들 무진동 굴착공법은 진동, 비산석의 발생은 적지만 2차 파쇄를 위하여 대형 브레이커 를 사용하여야 하므로 연속적인 기계소음 발생이 있고, 공사 효율성, 공사비 증가 문 제 등을 가지고 있다.

 

1.4 발파굴착

발파굴착은 뇌관과 화약을 이용하는 암반에서 뇌관과 화약을 이용하여 굴착하는 방 법이다.

∙ 발파굴착은 경제성과 시공성은 양호하나 진동과 소음 등이 수반되기 때문에 지반 조건 또는 주변여건에 따라서 적용여부를 결정하여야 한다.

∙ 발파설계는 지반조건을 고려하여 여굴과 터널 주변지반의이완영역을최소화하며 평활한 굴착면이 형성되고, 버력의 크기가 적재와 운반에 적합하도록 수행되어야 하며, 굴착 단면의 크기 및 형상, 심발형식, 심발공, 발파공 및 주변공의 지름, 배 치, 각도 및 천공깊이, 화약 종류 및 장약량, 뇌관의 형식, 발파순서, 현장 시험발 파 계획 등과 같은 사항을 포함하여야 한다.

∙ 발파설계시에는 발파진동이나 소음이 주변 환경에 미치는 영향을고려하여 대책을 수립하여야 하며 엄격한 진동규제를 필요로 할 때에는 방진대책을 제시하거나 미 진동 파쇄를 검토하여야 한다.

∙ 주변에 보호하여야 할 시설물이나 구조물이 있는 경우, 대상 시설물 위치에서의 발파진동 허용치는 발파진동 속도 측정치를 기준으로 구조물 손상기준 지반진동 허용치에서 정한 값을 준용하여 설계하여야 한다. 단, 진동에 아주 민감한 특정시설의 진동 규제치는 해당 시설의 규제치를 기준으로 설계하여야 한 다.

∙ 발파지점 주변의 주민에 대한 생활공해방지를 위한 발파진동 허용치는 환경부 제 정 ‘진동과 소음에 관한 규정’을 준용한다. 단, 가축사육장 및 양식장, 정밀기계 공장 등에 대한 인접공사의 경우에는 해당 전문가의 자문을 얻어 발파진동 허용 치를 정하여야 한다. 

 

 

2. 굴착공법

2.1 굴착공법의 종류 및 적용 터널의 설계 및 시공시 굴착공법의 결정은 터널의 안정성, 경제성, 공기 등을 결정하 는 중요한 요소이므로 터널단면의 크기, 막장부의 자립성, 원지반의 지보능력 및 지표 침하의 허용값 등 제반여건을 충분히 고려하여 결정하여야 한다. 일반적인 굴착공법 의 분류는 지반조건에 따라 전단면 굴착, 수평분할 굴착, 연직 분할 굴착 및 선진 도 갱 굴착공법 등으로 분류할 수 있다. 

2.1.1 지반조건에 따른 굴착공법 분류

(1) 전단면 굴착공법 터널단면 전체를 1회에 굴착하는 방법으로서, 주로 지반상태가 양호하여 터널의 상 ⋅하반을 동시에 굴착하는 공법으로 터널 단면적이 작거나 지반의 자립성과 지보능 력이 충분한 경우에 적용할 수 있는 공법으로 그 주된 특징은 아래와 같다.

∙ 굴착에 따른 응력의 재배치가 한 공정(Cycle)에 완료되므로 조기에 터널을 안정화 시킬 수 있는 공법이다.

∙ 막장부가 균일하므로 작업이 단순하다.

∙ 기계화에 따른 급속 시공에 유리하다.

∙ 굴착 부분이 크기 때문에 지반 조건변화에 대한 대응성이 떨어진다.

∙ 단면이 큰 경우 숏크리트 및 록볼트 작업이 늦어지고 큰 작업대 등이 필요하다. 최근에는 연약암반에서도 굴착 보조공법(막장부보강 등)을 병행하여 전단면 굴착 공법을 실시하고 있는 추세이다.

 

(2) 수평분할 굴착공법

일명 벤치컷(Bench Cut)공법이라고도 하며, 단면을 여러 단계 분할하여 굴착하는 공법으로서 벤치의 단수나 길이는 굴착단면의 크기, 지반조건에 따른 설계상 인버트 의 폐합시기, 투입되는 기계설비 등에 따라 결정된다. 이 공법은 터널의 상반, 하반 또는 인버트로 분할하여 굴착하는 공법으로 막장의 자립시간이 짧아 전단면 굴착이 곤란할 경우에 적용한다. 각 공법별 특징은 아래와 같다.

 

① 롱벤치 굴착

 가. 장점

∙ 상·하반 병행작업이 가능하다.

∙ 일반적인 장비의 운용이 용이하다.

나. 단점

∙ 경사로를 만들지 않으면 버력이 두 번 적재된다.

 

② 숏벤치 굴착

가. 장점

∙ 굴진 도중 지반의 변화에 대처하기가 용이하다.

∙ 일반적인 장비의 운용이 용이하다.

나. 단점

∙ 상반 작업공간의 여유가 적어질 가능성이 있다.

∙ 경사로를 만들지 않으면 버력이 두 번 적재된다.

∙ 상‧하반 중한부분만작업이가능하므로 작업 공정의균형을맞추기 어렵다.

 

③ 미니벤치 굴착

가. 장점

∙ 인버트의 조기 폐합이 가능하다.

∙ 지표침하를 최소로 억제하는 것이 가능하다.

나. 단점

∙ 상반 작업공간의 여유가 적어질 가능성이 있다.

∙ 경사로를 만들지 않으면 버력이 두 번 적재된다.

∙ 상·하반 중 한 부분만 작업이 가능하므로 작업 공정의 균형을 맞추기 어렵다.

 

④ 다단벤치 굴착

가. 장점

∙ 버력의 안정성을 확보하기가 용이하다.

∙ 대단면에서도 일반적인 장비의 운용이 가능하다.

나. 단점

∙ 버력굴착이 각 막장부에서 중복되는 일이 많다.

∙ 각단의 벤치의 길이가 한정된 경우는 작업공간이 협소해질 가능성이 크다.

∙ 일반적으로 숏벤치 굴착보다 변형 및 침하는 크다.

 

(3) 연직분할 굴착공법

 ① 장점

∙ 침하량을 어느 정도 억제시키는 것이 가능하다.

∙ 막장부의 안정성을 유지하는데 유리한 공법이다.

② 단점

∙ 중벽으로 분할하기 위해서는 어느 정도의 단면확보가 필요하고, 시공속도가 다소 저하되는 단점이 있다.

∙ 작업공간의 제약으로 시공성이 저하될 우려가 있다.

 

(4) 선진도갱 굴착공법

① 장점

∙ 대단면 시공에서도 침하를 최소화할 수 있다.

∙ 용출수가 많은 경우 측벽도갱으로 배수가 가능하다.

② 단점

∙ 일반적으로 공사비가 타 공법에 비하여 높다.

∙ 도갱 내벽 철거에 많은 시간과 비용이 소요된다.

 

(5) 가인버트 굴착공법

① 장점

∙상반 벤치의 길이를 크게 할 수 있으므로 상반작업공간을 넓힐 수 있다.

∙상반관통 후 하반을 시공하면 경사로가 필요 없다.

② 단점

∙상반시공 속도가 크게 저하될 가능성이 크다. 즉, 가인버트의 타설시간, 숏크리트 가 일정한 강도에 달하는데 소요되는 시간, 굴착장비의 통행으로부터 인버트를 보 호하기 위해 버력 메우기 시간 등 시간 상실이 많다.

∙별도의 숏크리트가 필요하므로 경제성이 떨어진다.

 

출처-국가철도공단KRC-12070