 NATM 굴착 공법과 설계 실무의 이해){kind=link}
지반 공학 분야에서 터널 설계와 시공은 그야말로 '보이지 않는 지층과의 싸움'이라고 할 수 있습니다. 특히 우리나라는 지형 특성상 산악 지형을 관통하는 장대 터널이 필수적이며, 그중에서도 서울-양양 고속도로의 핵심인 인제양양터널(연장 11km)은 국내 토목 기술의 정수를 보여주는 상징적인 프로젝트입니다.
인제양양터널은 건설 당시 국내 최장 터널이자 세계적으로도 손꼽히는 규모를 자랑했습니다. 이 거대한 지하 통로를 뚫기 위해 적용된 핵심 공법은 바로 NATM(New Austrian Tunneling Method)입니다. 오늘은 토질 및 기초 분야의 전문가 관점에서 인제양양터널 현장을 통해 NATM 공법의 단계별 특징과 실무 설계 시 반드시 고려해야 할 핵심 포인트들을 상세히 짚어보겠습니다.
NATM 터널 굴착의 단계별 공정과 기술적 분석
NATM 공법은 암반 자체가 가진 지지 능력을 최대한 활용하여 지반의 안정을 도모하는 공법입니다. 현장에서 이루어지는 일련의 과정은 매우 유기적이며, 한 단계의 오차가 터널 전체의 안정성에 영향을 미칠 수 있습니다.
1. 정밀 측량(Surveying)과 천공(Drilling)
터널 굴착의 시작은 광파기(Total Station)를 이용한 정밀 측량에서 시작됩니다. 터널의 깊이, 높이, 넓이가 입력된 광파기는 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 폭약을 설치할 위치를 정확히 지정합니다. 위치가 확정되면 점보드릴(Jumbo Drill)이라는 육중한 장비가 등장합니다. 약 19톤에 달하는 이 로봇 팔 형태의 장비는 암반에 2~3m 깊이의 구멍을 뚫는 천공(Drilling) 작업을 수행합니다.
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| 출처 : EBS 다큐 영상(https://youtu.be/Rs_xewTGsfw?si=0LvCqEyQlSHm5vyw) |
2. 장약(Charging) 및 발파(Blasting)
천공된 구멍에는 에멀전 폭약(Emulsion Explosives)과 같은 정밀 폭약이 장약(Charging)됩니다. 폭약량은 암반의 등급에 따라 정밀하게 계산되며, 진동을 제어하기 위해 다단발파(Millisecond Blasting) 기법을 주로 사용합니다. 발파 후에는 거대한 폭풍과 함께 터널의 단면이 형성됩니다.
3. 버력 처리(Mucking)와 부석 제거(Scaling)
발파로 인해 발생한 암석 덩어리와 토사를 버력(Muck)이라고 합니다. 이를 대형 덤프트럭과 로더를 이용해 터널 밖으로 실어 나르는 버력 처리(Mucking) 과정이 이어집니다. 이후 막장 천장에 위태롭게 매달려 있는 부석(Scaling, 뜬 돌)을 제거하여 작업자의 안전을 확보하는 것이 매우 중요합니다.
4. 숏크리트(Shotcrete) 및 록볼트(Rock Bolt) 설치
NATM 공법의 가장 핵심적인 지보재 설치 단계입니다.
숏크리트(Shotcrete) : 굴착면의 풍화를 방지하고 지반 아치(Arching Effect)를 형성하기 위해 콘크리트를 벽면에 분사합니다. 최근에는 인장 강도를 높이기 위해 강섬유 보강 숏크리트(Steel Fiber Reinforced Shotcrete)가 표준으로 사용됩니다.
록볼트(Rock Bolt) : 암반을 일체화하여 지지력을 확보하는 부재입니다. 보통 3~4m 길이의 철근을 암반 내부로 삽입하여 고정합니다.
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| 출처 : EBS 다큐 영상(https://youtu.be/Rs_xewTGsfw?si=0LvCqEyQlSHm5vyw) |
토질 및 기초 전문가가 전하는 실무 팁: 설계와 시공의 핵심
이번에 인제양양터널에 대해서 공부하고 글을 쓰며 느낀 가장 중요한 부분은 '지반의 불확실성'에 대한 대응입니다. 인제양양터널과 같은 대형 프로젝트에서는 다음과 같은 기준과 실무 팁이 적용될 수 있습니다.
1. 인제양양터널의 병렬터널 중심 간격 (Pillar Width)
병렬 터널을 설계할 때 두 터널 사이의 암반 기둥인 필러(Pillar)의 폭을 설정하는 것은 매우 까다롭습니다. KDS 27 10 10(터널 조사 및 계획) 기준에 따르면, 인제양양터널은 굴착 폭(D) 대비 순 간격(PW)을 1.3D(약 19.1m)로 적용했습니다. 중심 간격(C.T.C)은 약 33.8m로 설계되어 두 터널 간의 상호 간섭을 최소화하면서도 경제성을 확보했습니다.
2. 시공 중 계측(Monitoring)의 중요성
NATM은 설계 시 정해진 지보 패턴을 그대로 고수하는 공법이 아닙니다. 내공 변위(Convergence)와 천단 침하(Crown Settlement) 계측 결과를 실시간으로 분석하여 지보량을 늘리거나 줄이는 '정보 시공'이 필수입니다.
팁 : 만약 일일 변위 속도가 급격히 증가한다면, 즉시 굴진을 멈추고 숏크리트 두께를 늘리거나 강지보재(Steel Rib)를 보강해야 합니다.
3. 용수 처리와 방수 설계
인제양양터널처럼 백두대간 산맥을 통과하는 터널은 지하수가 많을 수밖에 없습니다. 배수형 터널(Drained Tunnel) 방식을 적용할 경우, 시트 방수와 함께 배수용 유공관(Perforated Pipe)의 규격 검토가 핵심입니다. 유공관이 막히면 라이닝 배면에 예상치 못한 수압이 작용해 구조적 결함이 생길 수 있으므로, 시공 시 필터 콘크리트 설치 상태를 반드시 확인해야 합니다.
결론 및 제언
인제양양터널은 단순한 교통로를 넘어, 험난한 지질 조건을 극복한 우리 토목 엔지니어들의 땀방울이 서린 결과물입니다. NATM 공법의 핵심은 지반의 거동을 이해하고 그에 맞는 지보 시스템을 적기에 투입하는 것입니다. 설계 단계에서 KDS 터널 설계 기준을 철저히 준수하는 것은 물론, 시공 단계에서의 세밀한 계측 관리가 뒷받침될 때 비로소 안전한 터널이 완성됩니다.
터널 설계나 NATM 공법 실무와 관련하여 궁금한 점이 있으시다면 언제든 댓글로 남겨주세요. 전문가의 시각에서 함께 고민해 보겠습니다.
참고 문헌 및 영상 자료
유튜브 영상: EBS 극한직업 - 인제터널 공사 1~2부 (2012.01.04)
[KDS 27 10 05] 터널설계 개요 (2020, 국토교통부/한국도로공사)
[KDS 27 10 10] 터널 조사 및 계획 (2020)
[KDS 27 30 00] 터널 지보재 설계 기준 (2020)
도로설계요령 제4권 터널 (2020, 한국도로공사)