터널 설계 및 시공 방법에 대한 서술

터널은 자연 장애물, 도시 지역 및 산악 지형을 통해 이동을 용이하게 하며, 자원 관리, 지역 연결성 및 도시 개발을 위한 중요한 인프라 시설물이다. 터널 공학은 교통, 상하수도 시스템 및 유틸리티를 제공하기 위해 지하 통로를 굴착, 지지 및 보강하는 것을 포함하는 토목 공학의 전문 분야이다. 터널의 유형 및 분류, 시공 방법, 터널 장비, 설계할 때 고려 사항, 안전 및 환경 관리 등 전반적인 터널 공학에 대해 살펴보자.

터널 유형 및 분류

터널은 건설 방법 및 사용 목적에 따라 분류된다. 지질 조건에 적합한 유형의 터널을 선정하기 위해 특정 설계 사항과 건설 기술을 고려하는 것이 필요하다. 철도 터널, 지하철 터널, 보행자용 터널 및 도로 터널로 구분할 수 있다. 수도, 하수, 가스 및 전기와 같은 인프라 시설을 건설하는 데 사용된다. 이러한 유틸리티 터널은 환경 요인과 인간의 간섭으로부터 인프라 시설을 보호하기 위해 지하에 건설된다. 도시 지역의 얕은 터널은 개착식 터널이 주로 사용되며, 구덩이를 파고 그 안에 터널을 만든 다음 성토를 하여 완성한다. TBM(Tunnel Boring Machine) 또는 재래식 발파 공법을 사용하여 터널을 시공한다. TBM을 활용한 터널은 표면 파괴를 최소화하고, 터널 굴착 중 소음과 진동을 감소시켜 도심지 터널에 적합하다. 수중 횡단을 위해 사용되는 침매터널은 육상에서 터널 구조물을 미리 제작하여 물 위에 띄운 후 수중에 가라앉히는 방식으로 건설된다. 터널은 지질학적 조건에 따라 분류하기도 한다. 암반 절단 장비를 갖춘 TBM 또는 발파를 이용하여 견고한 암반층을 통해 굴착합니다. 암반 터널은 지질학적 안정성 때문에 견고한 지지시스템이 필요하고, 연약지반 터널은 지반 안정화 및 굴착 시 붕괴를 방지하기 위한 지지가 필요하다.

설계 고려 사항

터널 설계에는 구조적 안전성 및 기능성을 보장하기 위해 지리학적, 지질학적, 수문학적 및 환경적 요인에 대한 종합적인 분석이 포함된다. 사전에 현장 조사를 실시하여 터널 위치의 지질 및 지질학적 분석을 실시한다. 지질조사, 시추공 시험, 지반 침투 레이더(GPR)를 실시하여 토양/암반 특성, 지하수 상태, 잠재적 지질위험 등을 평가한다. 지질 안정성, 지형고도, 곡률 요구조건, 정렬 제약 등을 고려한 최적경로 선정해야 한다. 터널 구조설계를 위해 예상하중, 지지 요구사항, 운영상 고려 사항 등을 토대로 적절한 단면 형상(원형, 편자, 장방형) 결정한다. 숏크리트(Shotcrete), 철근콘크리트, 철골, 록 볼트(Rock Bolt) 등 굴착면 안정화 및 변형 및 붕괴 방지를 위한 터널 라이닝 설계를 실시한다.

터널 시공 방법 및 시공 장비

터널 시공 방법은 지질 조건, 터널 길이, 직경 및 프로젝트 요구 사항에 따라 다르다. Tunnel Boring Machine(TBM)을 사용한 공법으로는 Shield TBM과 Open-face TBM이 있다. Shield TBM은 연약 지반에 사용되며 터널을 굴착하고 동시에 세그먼트를 설치하여 연속 라이닝을 형성합니다. Open-Face TBM은 암석 터널에 적합하며, 유압 또는 기계적 지지 시스템으로 터널 표면을 지지하면서 디스크 커터 또는 롤러 커터를 사용하여 암석을 굴착합니다. 재래식 공법으로 가장 많이 사용되는 New Austrian Tunneling Method(NATM) 공법은 터널 내부의 즉각적인 지지를 위해 숏크리트(Shotcrete) 및 록 볼트(Rock Bolt)를 사용하고 실시간 지질 관측을 기반으로 한 굴착 방법이다. Cut and Cover 공법 중의 하나인 Top-down Method는 지반을 굴착하여 터널 벽과 지붕을 시공한 후 흙쌓기를 실시하여 복개터널을 조성하는 방법으로서 도시 지역의 얕은 터널과 지하구조물에 사용됩니다. 터널 건설에 있어 전문 장비와 기계는 효율성, 안전성 및 정밀성을 보장하는 중요한 역할을 합니다. Tunnel Boring Machine은 다양한 종류가 있으며 Earth Pressure Balance(EPB) TBM, Slurry TBM 등이 있다. NATM 공법에 사용되는 장비로는 Drilling Rig 및 Blast Machine이 있으며, 터널 라이닝용 거푸집, 숏크리트 분사 장치 등이 필요하다.

터널 시공 중 안전 및 환경 관리

터널 건설은 협소한 공간, 지질학적 위험 및 중장비 이동 등의 위험 요소가 많다. 터널 시공 중 안전 조치는 근로자를 보호하고 프로젝트 성공을 보장하는 데 매우 중요하다. 터널 공사 전 및 공사 중에 종합적인 위험 평가 및 위험 분석을 실시하여 잠재적인 위험을 파악하고 완화 조치를 시행한다. 위험관리 및 근로자의 복지 보호를 위한 현장별 보건 안전 계획, 비상 대응 규약, 대피 절차를 개발한다. 터널 공사 작업자를 대상으로 장비 운용, 위험 인식, 응급절차, 개인보호장비(PPE) 등에 대한 전문교육을 실시한다. 대기질, 지질 안정성, 진동 수준 및 가스 감지에 대한 모니터링 시스템을 설치하여 잠재적인 위험 요소를 조기에 감지할 수 있도록 한다. 터널 건설은 생태계 교란, 소음 공해, 지하수 흐름 교란 등 환경 측면으로 중대한 영향을 미칠 수 있다. 공사 중 환경영향 최소화를 위한 조치를 시행한다.