1. 서 론

산업이 발달하면서 도시화와 인구 밀집 형태의 문명이 발전하면서, 인류를 위한 다양한 공간이 필요하게 되었다. 그 중에서 지하의 공간은 다양한 목적으로 활용되어 왔으며, 지속적인 개발이 요구되고 있다. 이러한 지하공간은 전통적인 이동 통로의 기능과 함께 생활 및 다양한 경제활동에 요구되는 활동 공간으로서의 기능면에서도 점점 필요성이 높아지고 있다. 이러한 배경으로 인구가 밀집되어 있고 유동인구가 많은 도심지 지하공간을 개발하는데 있어서 주변 환경에 영향을 최소화하면서 경제적으로 가용공간을 확보하고자 하는 노력이 절실히 요구되는 시점이다.

주방식 공법(room-and-pillar method)은 광산분야에서 시작된 공법으로서 수평 또는 거의 수평으로 매장되어 있는 광물을 채굴할 목적으로 적용되는 공법으로 굴착면과 수직으로 굴착을 진행하고 광물의 매장 형태에 따라 일정 간격으로 방(room)을 형성하여 방과 방 사이에 암주(rock pillar)를 남겨 놓는 형태로 여러 곳의 작업장을 운영하는 방식을 일컫는다(Hartman and Mutmansky, 2002; Lee et al., 2013). 공간확보 차원의 주방식 공법에서는 전체 주방식 구조물이 상재하중을 중장기적으로 지지할 수 있어야 하고 암주 사이에 형성된 공간의 천정부(roof)와 각각의 암주가 안정성을 유지하여 공간 활용에 문제가 없어야 한다.

주방식 공법이 지하구조물 시공에 적용된 사례는 현재까지 많지 않으며 대표적으로 미국 캔자스(Kansas)에서 1960년대부터 개발되었던 기존의 석회암 광산을 주방식 공법을 활용하여 확장하고 서브트로폴리스(Subtropolis)라는 대규모 상업 지하공간 단지를 조성하여, 물류센터, 우편물 집중국, 사무실 등다양한 용도로 활용하고 있다(Lee et al., 2013). 주방식 공법은 자연 암반을 굴착하면서 굴착하지 않은 암반을 지지구조물로 사용하는 공법으로 기존 2아치 터널 또는 멀티 아치 터널의 기둥부(pillar)와는 공법상 차이점이 있다. 기존 공법에서는 터널 굴착 과정에서 인위적으로 필요에 의해 철근 콘크리트 등으로 시공하게 되므로 굴착이외에 시공비가 추가된다. 하지만 주방식 공법에서는 자연 암반을 기둥으로 사용하기 때문에 암주 확보 부분에서는 기존 공법보다 지보 및 보강개념이 단순화될 수 있으며 공사비의 저감가능성도 있다.

따라서, 본 연구에서는 지하공간 건설을 위한 주방식 공법 도입 시, 구조물의 안정성 확보에 기반한 설계/시공 개념의 구체적인 정립에 앞서, 기존 전통적인 지하공간 건설공법에 대비한 공사비 측면의 경제성 검토를 가정된 전형적인 지반조건에 대해 수행하였다. 본 경제성 비교검토를 위해 지하철 역사 등 대규모 지하공간 조성에 적용되고 있는 전통적인 공법 중 하나인, 2아치 터널 굴착 공법을 비교대상 공법으로 선정하고 동일한 공용 단면적을 확보하도록 굴착하였을 때 두 공법을 통해 소요되는 공사비를 산정하여 서로 비교하고 타당성을 검토하였다. 주방식 공법에 적용할 보강 공법 등은 기존 공법에서 사용하는 방식을 차용하는 것으로 가정하였다. 특히, 굴착 공사의 경우, 주방식 공법은 대체적으로 직사각형 단면을 사용하지만 기존 공법과의 비교와 공간의 천정부 및 암주부의 지반 자체 지지력을 최대한 증가시키기 위해 아치형의 터널 형태로 굴착하는 것으로 가정하였다. 비교 공법에 사용된 보강 및 토사 운반 등의 굴착 및 시공 비용을 총괄하여 단위 부피당 공사비 형태로 두 공법을 서로 비교하였다.

2. 검토 조건

2.1 지반 및 지보재 물성

주방식 공법을 적용하여 지하공간을 설계하기 위하여 설계에 필요한 조건과 그 조건을 만족하는 단면을 먼저 선정하였다. 주방식 공법은 현재까지 지하공간 건설 공법으로 정례화 되어 있지 않고, 실무에 적용된 사례가 적으며, 설계 및 공사 시방관련 정보가 전무하여 상세한 공사비 산정을 하기는 어렵다. 따라서, 가장 일반적이고 쉽게 접근 할 수 있도록 몇 가지 가정을 수립하였다. 먼저 지하공간의 크기와 사용 목적이다. 주방식 공법은 도로나 철도와는 다르게 평면적으로 지하를 이용할 때 좀 더 유리하다. 따라서, 본 연구에서는 최근에 인터넷 클라우드 서버구축을 위한 저장장치와 보안 등 사회적으로 직접 요구되고 있는 지하 서버 공간 구축으로 설정하였다. 이러한 지하공간을 시공을 위해, 국내에서 적용되었던 터널 단면을 이용하여 Table 1과 같이 설계제원을 결정하였다. Table 1에 나타난 바와 같이, 주방식 공법과 2아치 터널 공법에서 필요한 사용 총 공간이 동일하도록 하였다.

Fig. 1은 주방식 공법과 2아치 터널 공법을 적용할 경우에 평면상 제원을 나타낸 것이며, 지하 공간에서 사용할 수 없는 부분과 사용할 수 있는 부분으로 표시하였다. 2아치 터널 공법의 경우, 콘크리트 기둥이 일렬로 배열되고 사용 공간이 선형적인 구조물 형태 특성을 가지게 된다.

Fig. 2는 주방식 공법과 2아치 터널 공법을 각각 이용하여 지하공간을 건설하였을 때의 3차원 이미지를 나타낸 것이다. 지하공간의 위치 즉, 심도는 터널 바닥면을 기준으로 지표면에서 50 m 깊이에 건설되는 것으로 가정하였다. 또한, 본 검토에서는 지하 공간을 형성하기 위한 수직터널은 공간 굴착 외에 부가적인 시공으로 판단하여 본 연구에서는 고려하지 않았다.

설계를 위한 지반 정수와 지보재의 설계 정수는 다음 Table 2∼Table 4와 같이 결정하였다. 국내 터널설계에서 사용된 지반정수의 값과 문헌에서 제시되고 있는 범위로부터 본 연구에 적용할 지반정수를 결정하였으며, 대표적으로 수락선 터널, 냉정-부산간 터널 설계, 그리고 강변북로 확장공사 하저터널에 적용된 지반정수와 문헌에서 일반적으로 제시하고 있는 암반 등급별 지반정수를 고려하였다(Bieniawski, 1967; Bieniawski, 1976; Lee, 2003; MLIT, 2007; KICT, 2008; HDEC, 2010). 현장 조건에 따라 설계 정수의 범위가 변화하기 때문에 현장에 따라 적합한 설계 정수를 결정하는 것이 합리적이지만 본 연구에서는 보편적으로 적용하는 데에 무리가 없는 범위 내에서 문헌을 참조하여 지반과 지보재의 설계 정수를 설정하였다(Table 3과Table 4).

2.2 터널 단면 및 암주의 유형

본 연구에서 주방식 공법의 굴착단면은 기존 터널 굴착방법을 사용하는 것으로 가정하였기 때문에 기존 터널 굴착 공법의 터널 단면의 모양에 따라 필요한 굴착을 수행하여 주방식 공법에서 요구되는 단면적을 확보하는 방법으로 시공한다고 가정하였다. 따라서, 터널을 굴착하는 모양에 따라 주방식 공법의 암주 모양이 결정된다. 또한, 사용공간에 대한 목적도 터널 단면을 결정하는데 중요한 역할을 하게 된다. 그리고, 지반의 설계조건 또한 터널 단면을 결정하는데 영향을 미치는 요소이다. Fig. 3은 지하 공간의 모양에 따른 터널의 형상을 나타낸 것이며, 크게 세 가지로 분류할 수 있다. 첫 번째는 정사각형으로 사용되는 공간, 둘째는 높이에 비하여 폭을 넓게 사용하는 공간, 그리고 폭에 비하여 높이가 긴 공간 등이다.

지하 공간의 모양에 따라 터널의 모양이 결정되고 또한 암주의 모양이 결정된다. 암주의 형상은 크게 2가지 형태로 될 수 있으며, 형상에 따라 암주에 발생되는 응력과 설계지보에 대한 방법이 결정될 수 있다. Fig 4는 암주의 모양을 나타낸 것이며, Fig. 4(a)는 원형터널의 경우에 형성될 수 있는 암주이고, Fig. 4(b)는 마제형 터널에서 만들어지는 암주의 모양을 나타낸 것이다.

사각 기둥형 암주는 지반의 상태가 신선하여 보강 없이 그 자체로 상재하중을 지탱할 수 있는 지반에서는 유리하다. 반면 지반의 상태가 좋지 않은 경우는 터널 굴착이나 벽체 보강 구조물에 비용이 많이 발생될 수 있다. 오목형인 경우에는 암주의 크기를 제한없이 크게 할 수 있는 조건에서 지반의 등급에 상관없이 적용할 수 있기 때문에 적용성이 사각기둥형에 비하여 상대적으로 높다. 오목형에서 벽체의 아칭효과로 인하여 벽체에는 인장력보다는 압축력이 지배적이기 때문에 콘크리트로 보강이 용이하다. 반면 사각형 기둥형에서는 벽체에 모멘트가 발생하고 그에 따른 인장균열 및 전단파괴로 인해 보강이 필수적이다. 암반이 신선한 경우에는 사각형 기둥형의 암주가 유리하고 마제형의 터널을 계획한다면 지하공간 확보에서 유리할 수 있다. 오목형의 암주를 적용하는 지반은 대부분 지반에 적용하기 쉬운 원형 또는 타원형의 구조물로 아칭효과를 최대한 활용하여 경제적 비용을 줄이면서, 지하공간을 지반의 상태에 상관없이 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

2.3 지보재 검토

주방식 공법 시공비 검토에서 터널의 지보는 중요한 설계 요소이고 안정성과 경제성에 직접적으로 영향을 준다. 본 연구에서는 일반적으로 국내에서 적용하고 있는 터널의 지보패턴을 참조하여 Table 5∼ Table 6과 같이 주방식 공법과 2아치 터널 공법에서의 지보재 투입재원을 설정하였다. 앞에서 결정한 지반등급에서 가장 연약한 조건인 V등급은 제외하고 IV등급까지만 설계하는 것으로 하여, 암주의 지나친 보강이 발생하지 않는 범위에서 설계할 수 있도록 계획하였다. Fig. 5와 Fig. 6은 각각 주방식 공법에 적용된 지보패턴도와 2아치 터널의 지보패턴도를 나타낸 것이다.

2.4 암주의 크기 및 터널 순간격 결정

주방식 공법을 이용하여 지하공간을 구축하는 과정에는 암주의 순이격 거리가 중요하며, 이는 암주의 크기와 직접적으로 관련이 있다. 또한 순간격이 넓어지면 암주의 보강 없이 지하공간을 시공할 수 있지만, 공간간의 거리가 멀어지고 공간 활용도 면에서 동선이 길어져 실용성이 떨어진다. 또한 순이격 거리가 너무 가까운 경우에는 암주의 지나친 보강으로 인한 경제성이 떨어져 실용화하기가 어려워진다. 따라서 본 연구에 적용하기 위한 순이격 거리, 즉 암주의 크기를 결정하기 위하여 지반의 일축압축 강도에 따른 설계 지보압을 검토하였다. 순이격 거리 검토를 위해 일축압축강도가 10 MPa, 30 MPa 그리고 50 MPa인 지반에 대하여 암주의 심도와 암주 크기/터널규모(RDP) 변화에 대하여 검토하였으며 암주의 크기가 6 m∼8 m인 경우 대체적으로 별도의 지보 없이도 설계가 가능할 것으로 판단되었다. 지반의 등급에 따라 다를 수 있지만, 절리면의 거동을 방지할 수 있는 록볼트와 이완 암반의 탈락을 방지하는 숏크리트 정도의 설계로도 가능할 것으로 보이며 국내에서 많이 적용되고 있는 도로터널, 철도터널 등의 단면과 설계지보량을 이용하여 설계를 하는 경우에도 가능할 것으로 판단된다. 다음 Table 7은 대표적으로 지반의 일축압축강도가 30 MPa인 조건에서 심도와 암주의 크기에 따른 설계 지보압을 계산한 결과이다.

3.수치해석을 이용한 경제성 검토모델의 안정성 검토

주방식 공법을 이용한 지하공간 시공 시 발생할 수 있는 구조적인 특성을 검토하기 위하여 유한요소해석을 통해 구조물에 발생될 수 있는 응력과 암주에 대한 전단강도/전단응력 비를 검토하여 설계시 안정성에 대해 검토하였다. 터널 굴착진행에 따른 암주의 응력발생이 지반의 파괴율, 즉 전단응력/전단강도 비의 수준을 검토하기 위해 설치 심도 50 m, 지반의 등급은 III등급에 대하여 검토하였다. 주방식 공법을 이용하는 경우 지하공간에 발생되는 천정부의 침하는 중요한 설계 검토 요소로 작용하므로 천정부에 대한 검토를 수행하였으며, 구조물의 안정성 검토의 일환으로 동일한 암반 조건에서 숏크리트 응력 수준을 공법별로 비교 검토하였다. 록볼트의 경우는 설계지보압에서 차지하는 비율이 작기 때문에 본 검토에서는 생략하였다. Fig. 7은 본 안정성 검토에 적용한 수치해석 모델이다. 여기서, Fig. 7(a)는 해석 모델에서 암주 부분을 나타낸 그림이며, Fig. 7(b)는 전체 굴착 모델을 나타낸 것으로 터널 시공 과정에 따라 암주의 응력 변화를 검토하기 위하여 대표적으로 4개의 암주가 시공되도록 고려하였다.

Fig. 8는 굴착 후 터널과 숏크리트 구조물에 대한 해석 결과를 나타낸다. Fig. 8(a)는 지반의 변위를 나타낸 것이며, Fig. 8(b)는 전단응력/전단강도비인 항복율을 나타낸 것이다. 주방식 지하구조에서 교차되는 방 구조에서의 처짐과 접합부의 응력 집중이 문제가 될 가능성이 크므로 숏크리트 응력에 대한 검토를 수행하여 간접적으로 이를 고려하였다. 해석결과, 지반의 변위는 15 mm로 굴착하는 과정에 따라 계속 증가하여 최종 굴착한 후에 수렴되는 것으로 나타났다. 전단응력/전단강도 비인 항복율은 기둥 중앙부에서 0.5이며, 경계부는 0.8 범위로 다소 높게 산정되었다. 지하공간 확보 차원에서 7 m 크기의 암주로 설계된 주방식 공법은 해석결과 안정한 것으로 판단된다. Fig. 9은 숏크리트에 발생하는 주응력과 변위를 나타낸다. 숏크리트에 발생되는 주응력 중 최대 압축응력은 측벽부에서 6.65 MPa, 이때의 최대 변위는 15.2 mm로 숏크리트 허용응력인 8.4 MPa 이하여서 대체로 안정한 것으로 검토되었다.

4. 경제성 및 시공성 검토

지하공간 건설의 한 공법으로 주방식 공법이 적용되기 위해서는 다른 터널 공법 또는 동일한 규모의 기존 굴착 공법에 비하여 시공되는 비용이 상대적으로 낮아 경제성을 가지는 것이 실용화 하는데 유리할 것이다. 본 연구에서는 공사비 비교를 통한 경제성을 검토하기 위해, 비교 공법으로 2아치 터널 굴착 공법을 적용하였고, 앞 절에서 제시한 설계 정수와 지반 조건을 이용하여 설계를 수행하였다. Table 8은 앞에서 선정한 지보패턴 III등급에 적용하는 TYPE-3 지보패턴을 적용하였을 때의 수량을 나타낸 것으로 터널 공사비에서 중요한 굴착량, 숏크리트량, 록볼트 수량, 그리고 콘크리트 구조물 수량 등을 나타낸 것이다. 공사비에서 공정이나 주변의 여건에 따라 공사비가 추가적으로 발생될 수 있지만, 본 연구에서는 주방식 공법의 적용성을 검토하기 위한 순수 굴착 공사비 비교로서 기타 환기나 방재와 관련된 공사비 부분은 제외하였다. 또한 지하 공간 시설을 건설하기 위해서는 수직터널 또는 경사터널 등의 출입구 터널이 시공되어야 하지만 본 연구의 검토에서는 반영하지 않았다.

총 굴착 수량은 2아치 터널의 경우가 약간 많은데 이는 중앙부 터널 굴착으로 인하여 다소 증가한 것이다. 지보재 수량에서 숏크리트 물량은 주방식 공법이 2아치 터널에 비하여 적게 산정되었다. 이는 2아치 터널의 경우 중앙 터널을 시공하고 제거되는 부분이 상대적으로 많이 발생하게 되어 주방식 공법보다 숏크리트 량이 증가하기 때문이다. 록볼트 수량에서도 숏크리트와 마찬가지로 중앙터널에 적용되었던 록볼트로 인하여 주방식 공법에 적용된 수량에 비하여 상대적으로 많게 산정되었다. 터널 공사에서 공사비 중 큰 비중을 차지하는 콘크리트 라이닝과 별도의 구조물 수량에서 터널면을 보호하는 콘크리트 라이닝 수량은 주방식 공법이 많이 사용되고, 특히, 주방식 공법에서는 굴착과정에서 십자형태로 교차되는 지점에서 콘크리트 라이닝을 설치했다가 해체하여 버력으로 처리되는 콘크리트 수량이 발생될 수 있다. 초기에 사용될 공간이 확정이 된다면, 숏크리트를 시공하고 콘크리트 라이닝은 최종에 시공하는 것이 가능하게 되고, 전체 수량에서 교차부의 터널 단면적에 해당하는 부분이 감소하게 된다. 반면 공간을 확장하는 경우에는 콘크리트 라이닝 제거비와 버력처리비가 별도로 발생된다. 2아치 터널의 경우는 중앙 기둥과 기둥 상부에 터널 접합부 보강 콘크리트 물량이 많이 발생하여 주방식 터널에 비하여 비교적 콘크리트 물량이 많이 발생하는 것으로 나타났다. 터널의 공사비에서 수량만큼이나 중요한 요소는 공정에 의한 단가 구성이지만 연구에서는 주방식 공법과 2아치 터널의 시공과정을 Table 9와 같이 제한하였다.

주방식 공법에서는 암주를 중심으로 양쪽의 공간을 시공하고 다시 다음 면을 시공하기 때문에 전체적인 시공속도는 빠른 편이다. 반면 2아치 터널의 중앙터널을 시공하고 기둥설치와 접합부 보강 콘크리트 시공하는 공기가 많이 소요되어 시공속도가 상당히 지연되고 접합부 시공의 어려움이 있어 상대적으로 시공성이 떨어진다. Table 10과 Table 11은 주방식 공법과 2아치 터널에 대한 개략적인 공사비를 산정한 내용이다. 두 공법 모두에서 지반의 등급이 높아질수록 지보재 사용이 줄어들어 총 공사비가 줄어드는 경향을 보이며 주방식 공법을 적용하였을 때의 총 공사비가 동일한 공간을 확보하도록 하는 2아치 터널 공법에 비해 낮은 것으로 나타났다.

Table 12에 두 가지 공법에 대한 개략 공사비를 비교하여 나타내었다. 지반 상태가 양호한 I 등급의 경우 2아치 터널 공법 대비 약 73.5%의 비용으로 주방식 공법을 적용할 수 있었고 지반 상태가 가장 취약한 조건인 IV, V등급에서 2아치 터널 공법 대비 93.6%로 나타났다. 본 연구에서 가정한 지반조건과 지보패턴 등을 적용한 공사비 비교에서는 주방식 공법의 경우가 2아치 터널 공법에 비해 경제성이 우수한 것으로 검토되었다. 다만, 본 연구에서 고려한 공사비 산정 방법에서는 굴착 공사와 지보재 시공에 관련된 공사비 이외의 추가 공사비는 고려하지 않았다. 즉, 환기나, 진출입로, 배수, 장비 운용 공정 등의 공사비는 고려하지 않았다.

국내에서는 주방식 공법이 적용된 지하공간의 사례가 제한되어 있고 외국의 경우에도 정보가 공개 되어 있지 않은 상황이다. 따라서, 본 연구에서 접근한 방식은 가장 유사한 굴착 공법과 그에 따른 지보 패턴을 따르도록 하고 다만 굴착 방식에 차이를 두도록 하였다. 주방식 공법이 2아치 터널 공법에 비해 공사비 측면에서 가장 큰 장점은 자연 암반을 구조체로 사용하여 추가적인 콘크리트 시공이나 기둥의 설치가 없다는 점이다. 또한, 동시 작업이 가능한 작업장 확보가 유리하고, 장비 가동이 터널에 비해 융통성이 있어, 장비 운용율을 극대화 할 수 있어서 공기단축 측면에서도 유리하다. 이러한 점은 건설 요구 공간이 넓어질수록, 암반의 상태가 양호할수록 기존 전통 터널공법 대비 주방식 공법의 경제성이 더욱 향상될 수 있다. 하지만, 이는 이상적인 조건에서 단순화된 주요 건설공사 항목들에 대해서만 검토된 결과로, 아직까지 국내에서는 주방식 공법으로 지하공간을 건설한 사례가 없어 현실적인 비교는 어려운 한계가 있다. 앞으로 추가적인 공사비에 대한 접근과 장비 운용과 같은 공정 단계를 고려한 경제성 검토가 이뤄진다면 보다 현실적인 검토가 가능할 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 동일한 지반 조건에서 주방식 공법과 2아치 터널 공법을 적용하는 경우에 굴착에 소요되는 공사비를 산정하여 주방식 공법을 적용하여 지하 공간을 건설하는 방법에 대한 경제적인 타당성을 검토하였으며 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

1.국내 터널설계에서 사용된 지반정수와 문헌에서 제시되고 있는 범위로부터 본 연구에 적용할 지반정수를 산정하였으며, 기존 터널 공법에 적용하는 지보 패턴으로 주방식 공법과 2아치 터널의 설게 조건을 산정할 수 있었다.

2.유한요소 해석을 통해 III등급 지반에 대하여 지보패턴 TYPE-3을 적용하여 해석을 수행한 결과 암주의 전단응력/전단강도비인 항복율은 0.5범위 안정한 값으로 산정되었으며, 숏크리트에 작용하는 응력은 6.65 MPa로 허용응력 범위인 8.4 MPa 보다 낮은 것으로 나타나, 본 연구에서 고찰된 경제성 검토 모델은 구조적으로 안정한 것으로 평가되었다.

3.주방식 공법과 2아치 터널 공법 모두의 경우에 지반의 등급이 양호해 질 수록 지보재 사용이 줄어들어 총 공사비가 줄어드는 경향을 보이며 주방식 공법을 적용하였을 때의 총 공사비가 동일한 공간을 확보하도록 하는 2아치 터널 공법에 비해 낮은 것으로 나타났다.

4.지반 상태가 양호한 I등급의 경우 2아치 터널 공법 대비 약 73.5%의 비용으로 주방식 공법을 적용할 수 있었고 지반 상태가 가장 취약한 조건인 IV등급에서 2아치 터널 공법 대비 93.6%로 나타났다. 연구에서 가정한 지반조건과 지보패턴 등을 적용한 공사비 비교에서는 주방식 공법의 경우가 2아치 터널 공법에 비해 우수한 경제성을 보였다.

5.또한, 건설 요구 공간이 넓어질수록, 암반의 상태가 양호할수록 기존 전통 터널공법 대비 주방식 공법의 경제성이 더욱 향상될 수 있는 것으로 파악되었다. 하지만, 산정 결과는 이상적인 조건에서 단순화된 주요 건설공사 항목들에 대해 검토된 결과이다. 따라서, 향후 연구를 통해 주방식 지하공간 건설공법의 설계 및 시공체계를 보다 구체화시키고, 이를 기초로 실제 주방식 지하공간의 설계안에 대해 보다 현실적이고 설득력을 갖는 경제성 검토 결과를 제시할 필요가 있다.