대심도 터널은 정말 안전한가(1)

국토교통부가 발표한 ‘21년 도시계획현황 통계'에 따르면 우리나라 국토의 16.7%를 차지하는 도시지역에 총 인구의 91.8%(4,740만 명)가 거주하고 있는 것으로 나타납니다. 이러한 도시 집중화와 함께 기후변화 현상이 맞물리면서 도심 지역의 '대심도 터널'이 교통문제 해결은 물론 도심지 침수 예방을 위한 인프라로 관심을 받고 있습니다. 작년에는 우리회사가 설계한 우리나라 최초의 유일한 대심도 빗물터널인 '신월빗물저류배수시설'이 대한민국 엔지니어링대상에 선정되기도 하였습니다. 이처럼 대심도 터널 기술에 대한 관심이 고조되는 때에 맞추어, 지질 및 암반 전문가인 김영근 부사장(지반터널부)의 관련 글을 기술광장에 2회로 나누어 게재합니다. - 편집자 주

 

대심도 터널은 정말 안전한가?

[The Deeper We go, The Safer We have]

 

[기고] 지반터널부 김영근 부사장

 

최근 수도권급행철도사업(GTX)과 같은 대심도 도심지 교통인프라 건설에 대한 관심이 급격히 증가하고 있으며, 인덕원-동탄 및 월곶-판교 도시철도사업과 같은 대심도 터널공사도 꾸준히 확대되고 있다. 이러한 대심도 도심지 터널공사는 안전과 환경측면에서 기존의 지하철과는 다른 건설영향평가 방법에 대한 고민도 필요한 시점이라 할 수 있다. 지난 몇 년간 지하공사에 대한 지하안전영향평가 등이 강화되어 시행되고 있고, 터널 지하안전영향평가방법에 대하여 국토교통부와 학회를 중심으로 표준매뉴얼 등을 만들었다. 또한 서울시와 학회에서는 대심도 터널에 대한 현안과 대책 등에 대하여 연구 등을 수행한 바 있다.

 

본 고에서는 대심도 터널공사에서 터널 건설에 따른 영향을 체계적으로 분석하고 대심도 도심지 터널에서 대한 공학적인 안전성 평가방법 등을 소개하고자 하였다. 또한 대심도 터널 특성을 고려한 안전성 영향과 환경성 영향을 중심으로 기술하고자 하였다.

 

1. 대심도 지하와 대심도 터널

 

1.1 대심도 지하 (Deep Underground)

 

최근 유럽과 미국 등 선진국에서는 지상의 녹색공간 확보와 교통체증 문제를 해결하고 지속 가능한 신공간 개발과 녹색성장을 도모하기 위하여 도심지 지하공간을 활용한 교통시설의 건설이 활발히 진행되고 있다. 국내에서도 용지 보상비와 건설 중 민원 발생 등의 이유로 대도시 지상 교통 시설물의 확충은 한계에 이르렀으며, 이를 해소하기 위한 방안으로 대심도 터널의 필요성이 대두되고 있다.

 

단순한 물리적 개념의 지하공간은 지표면 아래 수직 또는 수평 방향으로 만들어진 공간이라 말할 수 있으며, 도시개발적 측면에서의 지하공간은 지하환경의 특성을 활용하여 각종 도시문제를 경감시키기 위해 지표면 하부에 조성된 공간자원으로 간단히 정의할 수 있다. 지하공간은 지상공간의 하부에 공간을 확보하므로 지상시설과의 간섭문제가 줄어들고 이용상 제약을 받지 않는다. 지상이용이 활발히 진행되고 있는 지역일지라도 지하이용은 이루어지지 않는 경우가 많아 개발 가능성이 크고, 지가가 높은 지역 내에서도 비교적 경제적으로 이용이 가능하여 도시공간을 효율적으로 활용할 수 있다.

 

또한 지하공간은 지상공간과 비교하였을 때 항온, 항습, 내진성, 폐쇄성, 은폐성 및 격리성 등이 뛰어나므로 이를 활용한 특수구조물의 건설이 가능하며, 에너지절약, 비용절감 및 환경보존 등의 이점이 있다. 대심도 지하공간 이용의 주요 이점을 요약하면 아래와 같다.

 

⦁대심도 지하의 사전 보상없이 사용설정으로 사업비용 절감 및 사업기간 단축

⦁합리적인 선형으로 사업비용 절감

⦁소음 및 진동 감소, 경관유지, 지상부 환경보전에 기여

⦁태풍 및 수해 등의 자연재해 피해 경감

⦁배기가스 감소로 인한 친환경적인 기능 강화 등을 들 수 있다.

 

지하공간의 개발은 개발공간의 상부 토지 및 건축물과의 재산권 이해관계가 복합적으로 연결되어 있음에 따라 대심도란 용어가 사용되게 된다. 대심도 지하공간이란 대도시에서 일반적인 고층 건축물의 기초등의 건설에 사용되지 않는 지하의 공간을 도로·철도 등 공공적인 시설의 설치를 위해서 활용하는 지하공간을 가리킨다.

 

대심도란 일반적으로 토지소유자에 의해 통상적으로 이용되지 않는 지하공간으로써, 용지보상 및 재산권 설정을 하지 않아도 되는 깊이(한계심도 이하 깊이)를 의미한다. 즉 토지소유자가 이용하지 않거나 활용하지 못하는 지하 깊숙한 곳으로 지하시설물을 설치해도 토지이용에 지장이 없는 곳을 한계심도라 하는데, 일본에서는 한계심도 개념을 포함하여 ‘대심도’라는 용어를 사용한다. 일본에서 지하공간의 소유권과 이용권에 관련된 한계심도를 기반으로 대심도의 정의를 내린 주된 목적은 통상 이용되지 않는 깊은 심도의 지하공간을 공익사업을 위해 개발할 때 토지소유자의 동의나 보상없이 개발·이용할 수 있는 논거를 마련하기 위한 것으로 판단할 수 있다.

 

국내는 통상적으로 지하철 건설의 하한선인 지하 40m이상의 지하공간을 의미하는 말로 ‘대심도’라는 용어를 사용하고 있으나 대심도에 대한 명확한 정의는 마련되어 있지 않다.서울시는‘서울특별시 도시철도의 건설을 위한 지하부분 토지사용에 따른 보상기준에 대한 조례’에서 토지소유자의 통상적 이용행위가 예상되지 않으며 지하시설물 설치로 인해 일반적인 토지이용에 지장이 없는 것으로 판단되는 깊이를‘한계심도’라 정의하고 고층시가지는 40m, 중층시가지는 35m, 농지·임지는 20m깊이로 들어가면 한계심도로 규정하여 이를 초과하여 개발하는 경우 초과분에 대해 최소한의 보상을 하도록 규정하고 있다[그림 1].

 

[그림 1] 국내 대심도 지하의 개념

 

일본에서의‘대심도 지하’란 2001년에 시행된 '대심도 지하의 공공적 사용에 관한 특별조치법'(통칭: 대심도법)에 의한 지하이용의 신개념이다. 대심도법에서 대심도 지하의 정의는 다음 ① 또는 ② 중 어느 하나 깊은 쪽 깊이의 지하이다[그림 2].

 

① 지하실 건설을 위한 이용이 통상적으로 이루어지지 않는 깊이(지하 40m 이상)

② 건축물 기초 설치를 위한 이용이 통상적으로 이루어지지 않는 깊이(지지지반 상면에서 10m 이상)

 

대심도 개념은 1980년대 버블 경기를 정점으로 지가(地價) 급등 시에 고안된 것으로, 통상 이용되지 않는 심도의 지하공간을 공공용으로 이용할 수 있도록 하고, 도시 형성에 필수적인 도심지 터널이나 공동구 등의 건설을 촉진시키기 위해 법제화되었다. 환기 및 재해 시 안전성 확보 등 기술적인 문제와 건설비용 문제도 있어 대심도 지하를 사용한 사업은 2000년대 후반부터 구체화되었다. 대심도법의 대상이 되는 지역에 있어서의 공공 사용의 경우는 원칙적으로 보상이 불필요하나 기존 물건이 있거나 실제로 손실이 발생한 경우에는 보상을 하기도 한다.

 

[그림 2] 일본에서의 대심도 지하의 정의

 

1.2 대심도 터널 (Deep Underground Tunnelling)

 

대심도 터널은 대심도 지하에 설치되는 터널을 말한다. 일반적으로 대심도 지하개발은 지상개발이 상당히 진행되어 개발공간이 부족하고, 지하에 다양한 지하시설물이 설치되어 있어 보다 깊은 심도에서의 지하개발이 요구되는 도심지 구간에서 이슈가 되기 때문에 대심도 터널은 도심지 대심도 터널 또는 대심도 도심지 터널을 의미하게 된다. 대심도 터널이라고는 하지만 특별한 터널공법이 요구되는 것은 아니며 일반적으로 적용되는 NATM 공법 또는 TBM 공법으로 시공이 가능하지만, 터널공법 선정 시 도심지 구간이라는 특수성을 충분히 고려하여야 한다.

 

일본의 경우 특별히 단단한 암반이 아니라면 통상의 쉴드(Shield)터널 공법으로 시공할 수 있으며, 대심도 터널 시공 시 지상의 빌딩과 건축물에 대한 영향에 대해서는 2001년 6월에 국토교통성이 기술지침 해설을 정리하여 가이드라인을 제시한 바 있다. [그림 3]에서 보는 바와 같이 지하 40m 이하에 대심도 터널을 계획하고 대심도 지하공간과 도로 및 지하털 등과 같은 지하교통인프라에 대한 입체적 범위를 고려하고 있다. 또한 도쿄 지하철 오에도선과 도쿄 지하철 난보쿠선 등과 같은 도심지 지하철에서 최대 지하심도가 40m가 넘는 대심도 터널이 시공되어 운영되고 있다.

 

[그림 3] 대심도 지하공간과 도시계획도로의 입체적 범위 (일본)

 

싱가포르에서는 도심지 공간부족 문제를 해결하기 위하여 지하공간개발을 중점적으로 검토하여 2019년 지하공간개발에 대한 마스터플랜을 수립하였고, 지하 개발 시의 토지소유권 문제를 해소하기 위하여 관련법을 개정하여 지하 30m 이하에서의 지하소유권을 제한하도록 하여 대심도 지하개발을 적극적으로 장려하고 있다[그림 4]. 특히 지하개발시 지하심도별 지하시설물에 대한 계획(Vertical planning of underground space)을 제시하여 지하공간개발을 국가적으로 관리하도록 하고 있다.

 

[그림 4]에서 보는 바와 같이 MRT가 심도 30m 내외, 대심도 터널 하수처리시스템(DTSS, Deep Tunnel Sewerage System)이 심도 35∼55m 내외, 그리고 전력구 케이블 터널(Transmission Cable Tunnel)이 심도 60m에 건설되거나 계획되고 있다. 또한 지하심도 60m 이하의 대심도 지하에 지하유류저장시설, 지하탄약고 및 지하빗물저류터널을 고려하고 있다.

 

[그림 4] 싱가포르 대심도 지하공간 개발

 

2. 대심도 도심지 터널건설에 따른 영향 평가

 

2.1 대심도 도심지 터널건설에 따른 영향 분석

 

도심지 터널은 건설 목적, 위치 및 기능 등을 고려할 때 일반적인 터널과는 다른 특성을 갖는다. 즉 도심지 터널은 중·장거리 이상의 연장이 필요하고 경제성을 고려하여 한계심도 이하(대심도)에 건설될 수 있으므로 안전성이 중요하다. 이는 터널 구조물 자체의 안정성뿐만 아니라 터널 굴착으로 인한 주변 지반의 침하 및 지하수위 변화를 포함하는 것으로 40-50m 정도의 대심도 구간에서의 지질 및 지반특성으로 인한 지반 리스크가 크기 때문에 더욱 중요하다. 또한 기존의 철도, 전기, 가스, 전기통신, 상하수도 등 지하구조물 또는 매설물 등에 대한 조사 및 영향검토가 필수적이며, 지상에 존재하는 건물과 주요 구조물에 대한 손상평가가 반드시 수행되어야 한다.

 

[그림 5]에는 도심지 터널에서 발생 가능한 여러 가지 위험요소를 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 위험요소는 터널 변형뿐만 아니라 지표침하, 지하수위 저하, 도로 함몰, 건물 및 지장물 손상 그리고 주변공사 영향 등이 있다. 또한 대심도 도심지 터널건설 영향평가를 위하여 특성을 터널 거동, 지반 거동 및 주변 영향으로 구분하여 발생 가능한 위험요소와 이에 따른 영향 결과를 정리하여 [표 1]에 나타내었다.

 

[그림 5] 터널 굴착에 따른 지반거동 유형

 

[표 1] 대심도 도심지 터널 건설에 따른 영향

특성		주요 위험 내용	영향 결과
터널 거동	터널 안정성	터널굴착에 따른 안정성 문제	∙터널 낙반/붕괴/붕락 ∙지반 함몰(싱크홀)
	터널 변형/손상	터널굴착에 따른 변형 및 손상 발생
지반 거동	지표 침하	터널굴착에 따른 지표침하 발생	∙도로 함몰/지표 침하 ∙건물 손상/지장물 손상
	지중 변위	터널굴착에 따른 지중변위 발생
지하수 거동	지하수위 변화	터널굴착에 따른 지하수위 변화	∙주변 지하수위 저하 ∙주변 지하수 고갈
	지하수 유입	터널굴착에 따른 지하수 유입
주변 영향	진동 소음	터널 굴착 및 운영중 진동소음 발생	∙사람/인체에 영향 ∙주변 환경오염 ∙구조물 손상(균열 등)
	비산 먼지	터널 굴착중 비산먼지 발생
	대기 오염	터널 운영중 대기오염 발생

 

2.2 대심도 도심지 터널건설에 따른 영향요소 평가

 

터널을 굴착함에 따라 시공 중 및 운영 중에는 지반침하, 지하수위 저하, 주변 건물 및 지장물의 손상 그리고 발파진동소음, 대기오염 등 주변에 다양한 영향(Impact)을 미치게 되며, 도심지 터널공사의 경우 영향에 따른 피해로 인하여 상당한 수준의 민원이 발생할 가능성이 매우 높다.

 

본 고에서는 대심도 도심지 터널공사에서 발생 가능한 영향요소를 [그림 6]에서 보는 바와 같이 안전에 위해가 되는 안전성 영향(Safety Impact)과 환경에 위해가 되는 환경성 영향(Environment Impact)으로 구분하였다. 또한 대심도 도심지 터널 건설에 따른 안전성 및 환경성에 미치는 제반 영향을 합리적으로 평가함으로서 주변 민원을 최소화하여 안전한 터널공사를 수행하도록 하고자 하였다.

 

그리고 [표 2]에 나타난 바와 같이 대심도 도심지 터널에서 건설에 따른 안전성 영향요소 및 환경성 영향요소에 대하여 주요 위험요소에 대한 리스크를 평가하였다. 이를 바탕으로 대심도 도심지 터널에서 가장 중점적으로 평가하여야 할 영향요소를 안전성 요소에서는 지반침하(지반 안전성), 환경성 요소에서는 발파진동영향을 선정하여 제시하였다.

 

[그림 6] 대심도 도심지 터널공사에서 발생 가능한 영향

 

[표 2] 터널 건설에 따른 안전성 및 환경성 영향 요소

영향 요소(Impact Factor)		주요 위험 내용(Hazard)	리스크(Risk)
안전성 영 향	지반 침하	∙터널 시공중 주변 지반침하	H	M	L
	건물 손상	∙터널변형과 지반침하로 인한 주변 건물 손상	H	M	L
	지장물 손상	∙터널변형과 지반침하로 인한 주변 지장물 손상	H	M	L
	지하수위 저하	∙터널 시공중 주변 지하수위 저하	H	M	L
환경성 영 향	발파진동 및 소음	∙시공중 발파에 의한 진동 및 소음 발생	H	M	L
	비산먼지	∙시공중 굴착에 의한 비산 먼지 발생	H	M	L
	운영중 진동소음	∙운영중 진동 및 소음 발생	H	M	L
	대기 오염	∙운영중 대기 오염 발생	H	M	L

 

3. 대심도 도심지 터널건설 영향 평가 방안

 

3.1 대심도 도심지 터널건설에 따른 영향 평가 체계

 

(1) 대심도 도심지 터널건설 영향 평가 체계

도심지 터널의 경우 지하안전관리에 관한 특별법에 근거하여 의무적으로 터널 지하안전영향평가를 수행하여야 한다. 이에 대한 평가절차 및 방법은 국토교통부 기준(도심지터널 지하안전영향평가, 2020)에 정리되어 있어 이를 참고하여 도심지 터널에 대한 지하안전영향평가를 수행하면 된다.

 

대심도 도심지 터널 영향평가는 대심도 도심지 터널에 대한 공학적인 특징을 반영하여 건설 영향 평가 프로세스를 보다 합리적으로 정립하고자 한다. 특히 대심도 도심지 터널의 건설에 대한 영향요소를 크게 안전성 영향요소와 환경성 영향요소로 구분하고, 관련 영향요소를 중심으로 프로세스를 구성하였다.

 

[그림 7]은 기존의 일반심도에 적용되는 터널지하안전영향 평가를 기반으로 하여 대심도 터널 특성을 반영한 영향 평가 체계를 보여준다. 그림에서 보는 바와 같이 대심도 도심지 터널굴착에 따른 영향요소를 안전성 영향에 지반침하와 건물손상도 그리고 환경성 영향에 지하수위 및 발파진동으로 구분하고, 각각의 영향 평가에 대한 평가 방안을 정립하였다. 또한 각각의 영향요소에 대한 계측관리방안과 민원대책 등을 포함하였다.

 

본 영향평가는 대심도 도심지 터널의 계획·설계뿐만 아니라 시공시에도 활용할 수 있으며 기술적으로 발주처 및 엔지니어에게 도움이 되고, 사회·환경적으로는 관련 민원들에게 이해시킬 수 있도록 구성되어 있다.

 

[그림 7] 대심도 도심지 터널 건설에 따른 영향평가 체계

 

(2) 대심도 도심지 건설영향 평가 프로세스

대심도 도심지 터널 건설영향 평가 프로세스를 [그림 8]에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 프로세스를 4단계로 구분하고 총 8과정으로 평가를 수행하도록 구성하였으며, 각각의 특징을 설명하면 다음과 같다.

 

▪ 1 단계 : 터널 특성 - 대심도 도심지 터널

대심도 도심지 터널에 대한 특성, 주요 여건 및 현황을 공학적으로 분석하고 주요 영향평가요소와 평가방법을 검토하고 분석한다.

 

▪ 2 단계 : 대상 산정 - 굴착영향 범위 산정

대심도 도심지 터널 특성을 반영하여 터널 굴착에 따른 적정한 굴착영향범위를 산정하고 중점 검토대상을 파악하고 구분한다.

 

▪ 3 단계 : 영향 평가 - 안전성 영향요소 및 환경성 영향 요소

대심도 도심지 터널 건설에 대한 4가지 영향요소에 대하여 각각의 평가프로세스에 따라 정밀해석을 실시하고 평가한다.

3-1 지반침하 : 대심도 도심지 터널 굴착에 따른 지반침하 영향 해석 및 평가

3-2 지하수위 : 대심도 도심지 터널 굴착에 따른 지하수 영향 해석 및 평가

3-3 발파진동 : 대심도 도심지 터널 굴착에 따른 발파진동 영향 분석 및 평가

3-4 건물손상도 : 대심도 도심지 터널 굴착에 따른 주변 건물에 대한 손상도 평가

 

▪ 4 단계 : 관리 대책 - 계측 관리방안

대심도 도심지 터널 건설영향 평가요소에 대한 계측계획과 계측관리방안을 수립하고. 주요 예상 민원의 관리 방안 등을 종합적으로 검토하고 이에 대한 대책을 수립하여 반영한다.

 

[그림 8] 대심도 도심지 터널건설 영향평가 프로세스

 

3.2 대심도 도심지 터널건설 영향 평가시 유의사항

 

본 고에서는 대심도 도심지 터널건설에 따른 영향요소를 안전성 영향요소와 환경성 영향요소로 구분하고 이중에서 대표적으로 지반침하, 지하수위, 발파진동 및 건물손상도로 중심으로 평가 방법을 정립하였다. 또한 대심도 터널 특성을 반영하여 굴착영향범위를 실제적으로 산정하고, 이를 고려한 계측관리방안을 포함하여 전체적인 대심도 도심지 터널건설 영향평가 프로세스를 수립하였다. 본 영향평가는 대심도 도심지 터널공사의 계획, 설계 및 시공단계에서 적용 가능한 지침으로 활용될 수 있으며, 본 영향평가를 적용 시에 여러 가지 제한적인 사항이 있음을 인지하여야 하고 이를 바탕으로 유의사항을 정리하면 다음과 같다.

 

(1) 법적인 사항

현재 도심지 터널공사는 [지하안전관리에 관한 특별법]에 따라 지하안전영향평가를 의무적으로 수행해야 하므로 대심도 도심지 터널공사의 경우에도 마찬가지로 지하안전영향평가가 반드시 필요하다. 따라서 대심도 도심지 터널공사에서는 지하안전영향평가보고서가 우선하며, 본 영향 평가는 대심도 도심지 터널에서의 특징을 고려한 지침으로서 참고할 수 있을 것이다.

 

(2) 엔지니어링 고려사항

현재 도심지 터널공사는 지하 40m로 대심도화됨에 따라 이에 대한 제반 공학적 특성을 고려해야 한다. 본 영향 평가는 대심도 터널 건설에 따른 영향요소를 안정성 영향요소와 환경성 영향요소로 구분하고 각각의 영향평가에 대한 검토방법과 절차를 제시한 것이다. 그러나 지반특성, 공사여건 및 주변 환경 등 대심도 도심지 터널공사 각각의 특성이 상이하므로 본 영향평가 이외에 다른 평가방법과 추가적인 영향평가를 책임기술자의 판단 아래 수행할 수 있다.

 

(3) 민원 고려사항

현재 도심지 터널공사는 안전, 환경 등에 대한 다양한 형태의 민원이 발생하고 있다. 본 영향평가는 발주처의 입장에서 민원에 효율적으로 대응하기 위한 기본적인 지침으로 민원인들에게 보다 공학적이고 객관적인 자료를 제시하고자 하는 것이다. 하지만 민원인의 입장에서 개별적인 특별 요소에 대한 평가를 요구하는 경우, 발주처와 협의하여 추가적인 영향평가를 수행할 수 있다.

 

(4) 기타 고려사항

본 영향평가는 현재의 기술수준과 범위안에서 만들어진 것으로서 향후 터널 기술발전과 대심도 도심지 터널 현장 적용을 통하여 문제점을 반영하여 꾸준히 보완 개선되어야 한다. 이를 위해서는 학회 등의 기술전문가 집단의 기술서비스를 바탕으로 발주처, 엔지니어 및 민원인들과의 소통과 협력의 노력이 필요하다.

 

이후 내용은 다음 편에 연결로 게재합니다. - 편집자 주