1.서론

지구 표면의 약 90%는 흙, 모래, 자갈, 점토 등 으로구성된 다양한 종류의 퇴적층으로 이루어져 있다. 이 층들은 흔히 표토층 이라고도 불리며 그 두께는 수 m에서 수십 m까지 달한다. 이러한 지층의 특징은 다른 지층에 비하여 느슨 또는 연약하고 자립성이 상당히 부족하다. 지금까지 터널을 계획할 때 이러한 지층을 피하고 안정된 지층에 갱구부를 위치하도록 하기 위하여, 많은 환경훼손과 민원발생을 감수하며 대규모의 절토를 감행해 왔다. 그러나 최근 들어 환경문제에 대한 관심도와 세계적인 환경보호 흐름에 맞추어 터널건설 시 친환경적인 저토피 터널에 대한 관심이 높아지고 있다.

이러한 시대의 흐름에 맞추어 환경 친화적인 터널을 계획하려면 우선 절토량을 최소화하는 과제를 풀어야 한다. 이때 당연히 발생되는 결과로 터널의 갱구부의 토피는 낮아지고 표토층에 터널이 위치하게 됨으로 터널의 자립성이 부족해 이 지층에 걸 맞는 터널보조공법이 필요하게 된다. 이러한 점은 천공의 경우에도 해당된다. 즉  천공홀 (hole)의 무너짐으로 인하여 천공 중 또는 천공 후 목적에 맞는 응력재 또는 주입재를 천공홀 내부로 주입하는데 많은 어려움이 발생된다. 이러한 어려움을 극복하기 위하여 지난 수십 년 동안 여러 가지 터널 굴착 공법과 천공방법이 개발되어 왔다. 엄밀하게 이야기하면 저토피 터널을 위한 것이 아니라 터널시공 시 느슨 또는 연약한 지반조건이 출현할 경우 대처할 공법들이 개발되어 왔다. 이러한 공법의 예를 들면 터널공법의 경우 매써실드, 실드, 그리고 케이슨공법 등이 개발되어 왔고 그라우팅공법으로는 고압분사공법, 화학그라우팅 등 천공방법에도 확공비트, 더블해드를 이용한 케이싱천공 등이 개발되어 왔다.

저토피 터널에서 터널 토피층의 이완과 침하를 방지할 수 있는 공법의 개발은 안전한 터널굴착 뿐만 아니라 자연보호, 용지 매입으로 인한 예산절감, 민원으로 인한 공기지연 방지, 대형 토류구조물과 토공으로 인한 공사비절감 등 많은 기대효과를 가져올 수 있다. 이러한 공법의 개발은 또한 2020년까지 계획된 동서연결 도로건설사업이나 지하철과 같은 도심지 철도 사업에 실질적으로 많은 도움이 될 것이다.

본 논문에서는 저토피 터널을 안전하고 손쉽게 시공할 수 있는 일회용 링비트를 이용한 직천공식 Pipe Roof 공법에 대한 특징, 시공성 및 정밀성에 대하여 국내외 현장사례를 중심으로 연구한 결과를 정리하였다. AT- Casing System으로 알려진 이 공법은 기술적인 편이성과 우수성은 물론이고 구조적으로도 매우 안정적이어서 앞으로 국내터널의 굴착기술의 발전에 많은 도움이 될 것으로 판단되어진다.

2.국내 터널의 설계와 시공 현황

지금까지의 국내 터널의 설계 및 시공경향은 경제성과 시공성 위주로 과다한 절취구간이 발생되고 있으며 이로 인한 여러 부작용이 발생되었다. 공사 중 절취구간의 유지관리 어려움, 주변 환경 훼손 및 부조화로 근원적인 환경피해가 발생, 환경영향평가 협의지연, 민원문제 발생, 과다한 용지매입비용 등이 그 부작용의 예로 들 수 있다.

국내 터널경향을 크게 나누면 아래 그림 1과 그림 2와 같이 두 가지 형태를 보이고 있다.

첫 번째는 그림 1과 같이 대절토 사면이 도로 양편에 있는 경우이다. 도로를 터널로 계획할 경우 터널의 시점부와 종점부의 갱구부에 대절토가 불가피하여 터널로 시공될 연장이 별로 없어 양편에 대절토 사면이 있는 도로가 발생되는 경우이다. 다른 하나는 그림 2와 같이 갱구부의 지질조건이 열악하여 안전한 위치에 터널 갱구부를 계획하다보니 불가피하게 대절토 사면이 생성되고, 대절토로 인한 환경 또는 경관훼손을 복구하기 위한 개착식 터널과 복토 및 식생을 실시하는 형태이다.

다음의 표 1, 표 2, 표 3 및 표 4로부터 국내의 터널시공 시 갱구부 토피 두께에 대하여 분석하였다 (한국도로공사, 2002). 본 자료는 시공 완료된 터널 154개소, 설계중인 터널 30개, 그리고 시공중인 터널 19개를 대상으로 분석한 결과이다. 표 1 및 표 2의 분석자료로부터 알 수 있듯이 국내 터널의 갱구부는 터널 천단부의 안정을 고려하여 암선 이하로 갱구의 위치를 선정해왔고 갱구부의 토피의 두께는 평균 약 2.0D 에 달한다. 또한 과거보다 근래에 개착 범위가 커지고 있는 추세이다.

표 3의 자료는 국내 도로터널 30개를 대상으로 한 설계사례를 분석한 결과이며, 본 분석결과 표1 및 표2와 마찬가지로 토피고 1.0D 이하의 터널은 전체의 10%에 불과했다.

표 4는 최근 시공중인 터널 19개를 조사한 결과 과거 대부분의 터널과 마찬가지로 갱구부의 토피가 10m 이하인 터널은 0%로 찾아볼 수 없었다.

본 자료 분석결과로부터, 국내 터널의 대부분의 경우 지나친 환경파괴 및 비경제적인 갱구부의 설계 및 시공으로부터 탈피하기 위한 첫 번째 과제는 환경친화적인 저토피 터널에 안전성, 경제성과 시공의 편이성을 실현시키는 것이다.

3.저토피 터널

3.1 저토피 터널의 특징

환경 친화적인 터널은 환경훼손을 최소화하는 터널이다. 이러한 터널을 구현하려면 최우선적으로 갱구부의 위치를 절취구간과 최소화 할 수 있는 곳에 계획하여야 한다. 그러나 지반 조건이 열악하여 최근까지 시공했던 것과 같이(토피고>1m) 상당한 절취를 해야만 안전한 지층이 나온다면 환경 친화적인 터널이라 할 수 없다. 따라서 환경 친화적인 터널의 갱구부는 저토피 터널이 될 수밖에 없으며, 이러한 저토피 터널을 시공하기 위하여 이에 맞는 터널 보조공법이 적용되어야 한다. 일반적으로 저토피 터널의 지형적 및 공학적 특징은 간단히 2가지로 정리할 수 있다.

① 터널의 토피가 낮다.

② 지반이 느슨하거나 연약하여 지반의 자립도가 낮다.

이러한 조건하에서 터널을 굴착하기 위한 조건은 다음과 같다.

① 저토피 터널의 설계능력,

② 천공홀이 무너지는 지층에서의 천공기술,

③ 안전성, 시공성 및 경제성의 보유이다.

3.2 저토피 터널의 보조공법 종류

저토피 터널 시공 시 발생 가능한 지형적이며 공학적으로 취약한 조건을 극복하기 위한 보조공법은 Pipe Roof공법 및 그라우팅 공법으로 나눌 수 있다. 각 공법은 독립적으로 또는 복합적으로 사용된다. 두 가지 공법에 대하여 간단히 정리하면 아래와 같다.

3.2.1 Pipe Roof 공법

Pipe Roof 공법은 지질조건이 열악하거나 토피고가 낮은 지반에 응력재로 파이프를 아치형으로 삽입시켜 굴착 중 터널의 붕락 및 침하를 방지하는 공법이다. 응력재로 사용하는 파이프는 주로 강관이며 국내에서는 60mm 이하의 강관을 사용하는 ｢강관다단 그라우팅 공법｣을 그 예로 들 수 있다. 최근 해외에서 자주 사용하는 공법으로는 76mm～140mm이상의 강관을 사용하는 대구경 Pipe Roof Umbrella 공법을 들 수 있는데 유럽전역에 걸쳐 사용하는 ｢AT-Casing System｣과 이태리에서 많이 사용하는 ｢RPU공법｣ 등이 있다.

3.2.2 그라우팅 공법

그라우팅 공법은 Pipe Roof 공법과 같이 지질조건이 열악하거나 토피고가 낮은 지반에 시멘트 밀크나 또는 기타 화학약액 주입제를 터널주변에 주입함으로써 지반을 개량한다. 이렇게 주변 지반이 개량됨으로써 터널의 붕락 및 침하를 방지하여 터널의 안정성을 높이는데 적용하는 공법이다. 국내에 소개된 그라우팅 공법의 종류는 다음과 같다.

① 지표면에서 수직으로 천공 주입하는 공법,

② 터널 내부에서 수평으로 천공 주입하는 공법,

③ Pipe Roof 와 그라우팅을 겸한 공법 등으로 구분된다.

그러나 그라우팅 공법은 지층의 변화가 심하거나, 지하수위가 높은 곳 또는 암반의 풍화가 충분히 이루어지지 않은 곳이나, 지반의 밀도의 변화가 심한 곳에서는 균일한 그라우팅 주입효과를 기대할 수 없어 극히 한정된 지반에만 적용되는 제약이 따른다. 또한 시공 후 그라우팅의 품질 확인이 어렵다는 단점이 있다.

3.2.3 갱구부 보강공법의 선정

서론에서 지적한 바와 같이 일반적으로 갱구부의 토피는 그 두께가 얇고 느슨하여 굴착 시 터널의 내공변위 및 지반침하가 발생할 소지가 크다. 따라서 다음과 같은 점들에 유의하여 공법을 선택 적용하여야 한다.

① 낮은 토피로부터 직접 전달되는 하중을 지지할 수 있는 대구경 강관 사용가능 공법,

② 천공중 공벽의 무너짐을 방지하여 연쇄적인 토피침하를 방지할 수 있는 공법,

③ 응력재인 파이프를 쉽게 압입할 수 있는 공법,

④ 정밀천공이 가능한 공법,

⑤ 사고 대응력이 우수한 공법.

또한 경제성, 시공성 및 안전성 등도 함께 검토되어야 한다. 특히 장비선택에 있어서 공사 중 발생될 수 있는 여러 가지 상황에 손쉽게 대처할 수 있는 장비 및 주변에서 쉽게 구할 수 있는 장비인가를 확인하는 것도 중요하다. 그림 3과 그림 4는 국내에서 많이 사용되고 있는 천공장비의 사진이다.

4.AT-Casing System

최근까지 국내 시공 Pipe roof공법의 문제점을 정리하면 다음과 같다. 대부분의 Pipe roof공법은 보링․그라우팅 전문업체에서 특수한 천공기계와 보링․그라우팅 전문인력으로 시공해 왔다. 기존 공법은 터널시공 중 연약한 지반 조우 시 보강이 필요한 경우 터널을 시공하는 업체의 굴착장비 (예; 점보드릴)와 굴착인원 등이 철수하고 보링․그라우팅 업체의 특수장비와 인원이 투입됨으로 서로 시공간섭이 이루어져 작업중단이 발생된다. 이러한 현상은 단순히 토공회사의 작업중단으로 인한 토공회사의 경제적 손실과 공기지연이란 결과만 초래하는 것이 아니라 토공회사가 터널 시공 초기부터 지금까지 시공해 오며 획득한 현장여건 및 발주처 또는 민원인 등으로부터 획득한 여러 가지 정보가 다음 보강공정에 오는 보링․그라우팅 업체에게 그대로 전달하기 어려워 과다설계 또는 소극적 대처 등으로 안전불감, 품질저하, 공기증가 등이 발생할 수 있으며 이로 인해 공사비가 상승하게된다.

반면에 최근 개발된 AT-Casing System을 터널 굴착에 적용할 경우, 연약지반 조우 시에도 기 투입된 터널 굴착장비와 굴착인원 등을 이용하여 손쉽게 작업중단 없이 시공함으로써 위에서 언급한 문제점과 같은 장비, 인원 교체로 인한 정보전달이 필요 없고 이로 인하여 안전시공, 공기단축, 공사비절감 등을 충족시킬 수 있게 된다. 터널 굴착 장비는 굴착 대상 지반 조건에 따라 모터 또는 유압장비 등을 개조할 필요 없이 간단히 Guiding Element를 교체함으로 Pipe roof를 쉽고 정밀하게 시공할 수 있는 장비로 현장에서 개량하게 된다. 1998년 이후 전 세계적으로 수십 차례의 성공적인 시공으로 AT-Casing System의 적용이 경제적, 기술적으로 우수하다는 결론을 얻게 되어 오스트리아, 독일, 스위스를 비롯한 유럽 여러 나라 및 일본, 호주, 대만, 미국 등에서 널리 사용하는 공법이 되었다. 본 공법의 특징을 알아보면 다음과 같다.

4.1 AT-Casing System의 특징

AT-Casing System의 주된 구성요소는 천공부품이다. 이 천공부품은 최첨단기술로 만들어져 굴착해머 (drilling hammer)의 충격에너지를 가장 효율적으로 비트에 전달되고, 드릴링비트가 가장 효율적으로 일할 수 있도록 슬라임처리 (flushing)를 하여 최적의 천공 조건을 공내에서 만들어 준다. 또한 링 비트 (ring bit)를 사용하여 천공과 함께 응력재인 강관을 직천공으로 삽입한다. 직천공 공법으로 인하여 천공 후 강관을 삽입하는 기존 공법에서 발생되는 어려움을 해결하였다. AT- Casing System의 작동은 Top hammer (그림 5 참조) 또는 Down the Hole (DTH) hammer (그림 6 참조) 상관없이 적용할 수 있다 (Mocivnik, 2001).

4.1.1 링 드릴 비트 (Ring Drill Bit)

AT-Casing System이 기존 공법과 다른 점 중의 하나는 일회용 링 드릴 비트 (Ring Drill Bit)를 사용한다는 점이다. 이 링 드릴 비트는 목적했던 소정의 깊이를 천공한 후에 파일럿 드릴 비트 (Pilot Drill Bit)로부터 분리되어 지반 속에 사장된다. 이 링 드릴 비트의 역할은 파일럿 드릴 비트가 천공한 홀을 확공하여 작은 힘으로 큰 천공직경을 확보할 수 있게 하며, 강관이 삽입될 경우 표면 마찰력을 줄일 수 있도록 천공 홀을 강관 외경보다 조금 크게 확보하는 임무를 가지고 있다. 그림 7은 AT- Casing System의 링 드릴 비트와 파일럿 드릴비트의 실물 사진이다. 그림 8은 각 비트를 분해하여 도식한 그림이다.

4.1.2 슬라임처리 (Flushing)

기존 비트로 천공할 경우 천공 슬라임은 대부분 가는 모래와 같이 고운 슬라임이 배출된다. 이유는 천공 비트의 배출 구멍의 크기가 작아 슬라임이 배출할 수 있는 크기로 갈아져야 배출되기 때문이다. 따라서 천공속도가 느릴 뿐만 아니라 비트의 소모도 빠른 단점이 있었다. 반면 AT-casing System의 비트는 슬라임을 배출할 구멍이 비트 외부로 나와있어 슬라임의 크기가 크더라도 원활히 배출할 수 있다. 또한 파일럿 드릴비트의 선단부에는 냉각수 주입밸브가 달려있어 천공 중에는 천공수가 앞으로 분출되고, 그렇지 않을 경우에는 천공수가 뒤로 분출되어 슬라임의 배출을 원활히 할뿐만 아니라 천공 홀 앞부분에 불필요한 공동의 생성을 방지한다. 그림 9와 그림 10은 천공 시와 슬라임 배출시의 비트 위치를 나타내는 그림이며 그림 11은 AT-casing System의 비트 사용 시 슬라임의 크기를 보여주는 것이다.

슬라임 처리가 원활하다는 뜻은 비트가 항상 천공면에 밀착되어 있어 천공효율이 높아짐을 의미하며, 파일럿 드릴비트가 선 천공하고 후에 링 드릴 비트가 확공하는 방법을 사용하므로 적은 힘으로 큰 효과를 얻을 수 있어 천공속도가 다른 공법에 비하여 월등히 빠르다. 이와 같은 이유에서 AT-Casing System은 어떠한 천공기계에도 적용할 수 있는 적용성이 뛰어난 공법이다.

4.1.3 정밀도

갱구부 시공의 경우는 어느 공법을 사용하더라도 천공각도를 수평으로 할 수 있다. 그러나 기존공법의 경우 로드 (Speed Rod)의 강성이 충분치 못해 천공 중 중력방향으로 휘어지게 된다. 따라서 수평 천공은 사실상 어렵다. 따라서 기존 공법은 상향으로 약 5˚~15˚각도로 천공한다. 반면에 AT-Casing System은 천공의 정밀도 확보를 위하여 천공 로드 (Rod)의 강성에만 의존하지 않고 천공과 동시에 삽입되는 강관의 강성도 함께 이용함으로 설계요구의 정밀도를 유지하며 시공이 가능하다. 본 공법의 천공 중 정밀도를 분석하기 위하여 국내외 시공 시 획득한 계측결과를 다음과 같이 정리하였다.

표 5는 국내 고속도로 확장공사 시 ○○터널에 적용한 AT-Casing System의 정밀도를 측정한 결과이다 (쌍용건설주식회사, 2001). 이때 적용한 천공각도는 수평이고 천공길이는 21m이다. 정밀도 측정방법은 광파기와 프리즘 타겟을 이용하여 1m 간격으로 좌, 우 그리고 수직 좌표를 읽는 방법을 적용했다. 수직이 아닌 수평 천공에서 최대 1.0%, 최소 0.3%의 천공오차를 나타낸 것은 다른 천공방법에 비하여 매우 정밀하다고 할 수 있다.

표 6은 독일 고속철도 쾰른-프랑크푸르트 공구A중 고속도로 A3하부를 얕은 토피 (약 4m～5m)로 통과하는 페른탈터널 (Fernthal tunnel)에서 적용한 AT-Casing System의 정밀도 측정 결과를 정리한 것이다 (Mager, 2000). 천공길이는 15m이며 허용 오차는 ±2%이다.

위의 표 5과 표 6에서 볼 수 있는 바와 같이 두 터널의 천공오차는 허용오차 이내에 들어온 것을 알 수 있으며, 천공의 정밀도는 수평천공이란 점을 감안 할 때 다른 천공방법에 비하여 매우 우수하다고 할 수 있다. 그림 12 및 그림 13은 위 표 6의 결과 중 대표적인 천공 정밀도를 매 m마다 측정한 결과를 정리한 것이다. 이 결과에서 볼 수 있듯이 천공은 거의 직선 상태를 나타낸다. 따라서 오차의 대부분은 천공 조준 시 발생된다고 볼 수 있다.

다음 그림 14 및 그림 15는 Fernthal 터널의 Pipe roof 경사도를 잰 수평 경사계측기이며, 이 계측기의 수평 측정각도의 범위는30°이다.

4.2 환경 친화적인 갱구부 시공 사례

이와 같은 AT-Casing System의 장점을 살려 환경친화적인 차원의 갱구부 설계와 시공이 가능하다. 최근 독일, 오스트리아, 스위스 등의 유럽 고속철도 또는 고속도로 현장에서 갱구부 토피는 약 4～5m 정도의 갱구부를 흔히 찾아 볼 수 있다. 그림 16은 오스트리아의 St. Anton Tunnel 현장에 AT-Casing System을 도입하여 저토피 갱구부를 형성하고 있는 사진이다. 그림 17은 최근 대만 고속철도 현장 중에 대구경 강관을 이용한 AT-Casing System공법을 도입해 친환경적인 저 토피 갱구부를 시공하고 있는 모습이다.

5.결론 및 향후 연구전망

국토의 70%가 산악 지형인 우리 나라에 터널은 다른 교통 구조물에 비하여 가장 환경친화적인 방법이라 할 수 있다. 그러나 이러한 환경친화적인 터널건설을 위하여 저토피 갱구부를 적극 검토하여 설계와 시공에 반영하여야 한다. 이런 저토피 갱구부의 시공이 가능하게 할 수 있는 AT-Casing System공법에 대하여 본 연구에서 구조적인 특징과 본 공법의 국내외 적용성에 대하여 정리하였다.

기존 공법의 단점이라고 할 수 있는 터널천공 중 연약지반 조우 시 장비의 교체 문제 및 슬라임 배출문제 등을 획기적으로 개선하였고, 특히 국내외에서 획득한 AT- Casing System의 천공정밀도를 분석한 결과 국내 및 국외의 계측결과 모두 오차범위 ±2%이내의 만족할만한 정밀도를 유지하고 있음을 알았다.

향후 본 공법의 합리적인 적용을 위하여 지반구조해석방법을 개선하여야 한다고 판단된다. AT-Casing System의 강관 강성을 정확히 고려한 해석방법이 개발되지 않아 과다설계가 이루어 지고있다. 최근까지 독일, 오스트리아 등지에서 많은 기술자들이 강관 강성을 합리적으로 적용할 수 있는 지반구조해석 프로그램을 개발하고 있다. 국내 환경을 생각하는 공법의 개발에 참여하는 의미에서 한국형 지형에 알맞은 AT-Casing System용 지반구조해석 프로그램의 개발이 시급하다.