대심도 터널은 정말 안전한가(2)

 

“대심도 터널 정말 안전한가’‘를 지난호(2월 27일)에 이어 연결로 게재합니다. - 편집자 주

 

 

대심도 터널은 정말 안전한가?

[The Deeper We go, The Safer We have]

 

[기고] 지반터널부 김영근 부사장

 

4. 대심도 도심지 터널건설 영향 평가

 

4.1 대심도화에 따른 암반 특성 평가

도심지 터널이 대심도화될수록 고려해야 할 사항 중 첫 번째는 바로 안전성과 직결되는 지반 또는 암반 조건이다. 일반적으로 암반 조건은 지표면으로부터 심도 20〜30m 위치에서 암반이 조기 출현하고, 더 깊은 심도로 갈수록 양호한 암반이 출현하는 특성을 보인다. 이에 따라 터널이 대심도화(40m 이상)화 함에 따라 암반상태가 양호하게 되며, 이는 터널자체의 안전성 확보뿐만 아니라 터널 굴착에 의한 주변 영향도 적어져 안전성 측면에서 매우 유리하다는 것을 의미한다 [그림 9] 참조.

 

[그림 9] 대심도화 따른 암반 특성 변화

 

또한 서울시 지층 단면을 추정한 결과, [그림 10]에서 보는 바와 같이 서울지역에서 대심도 터널이 위치하는 지층은 연암 이상의 양호한 암반이며 이는 대심도 터널 건설이 안전성 측면에서 일반 심도의 터널 건설보다 유리한 조건을 나타냄을 확인할 수 있다. 지금까지의 검토 결과를 일반 심도와 대심도 터널에서 지질 및 암반 상태가 안전성에 미치는 영향을 비교 평가하여 표 3에 정리하여 나타내었다.

 

[그림 10] 서울지역 추정 지층 단면

 

[표 3] 도심지 터널의 대심도화에 따른 안전성에 미치는 영향

구분	일반 심도	대심도	대심도화의 영향
토피고(심도)	20-30m	40m 이하	안전성에 유리
암석 강도	약함(Weak)	강함(Hard)	안전성에 유리
절리 상태	매우 발달	거의 발달하지 않음	안전성에 유리
풍화 정도	매우 풍화∼풍화	풍화 없음 또는 신선	안전성에 유리
지하수 영향	많음	많지 않음	안전성에 유리
암반 구분	풍화암∼연암	보통암∼경암	안전성에 유리
암반 등급	불량(Poor)	양호(Good)	안전성에 유리
비 고	개략적인 전반적인 비교로서, 구간별 위치별로 지질 및 암반특성에 따라 차이가 발생할 수 있으며, 실제 지반조사결과에 의해 평가하여야 함

 

4.2 대심도화에 따른 안전성 영향 평가

 

도심지 터널의 대심도화에 따른 안전성에 미치는 영향을 분석하기 위하여 터널 심도에 따른 지반 침하 발생 경향을 수치해석을 통하여 검토하였다. 수치해석은 일반 심도인 터널 심도 30m인 경우와 대심도인 터널 심도 50m인 경우로 구분하여 수행하였으며, 횡방향 및 종방향의 지반침하 발생 경향을 종합적으로 검토하기 위하여 3차원 수치해석을 적용하였다.

두 조건 모두 터널의 굴착단면적과 보강방법은 동일하며, 일반적으로 터널의 심도가 깊어질수록 지반조건이 양호해짐을 고려하여 일반심도는 연암지반, 대심도는 경암지반에 터널이 위치하도록 모델링하여 검토하였다[그림 11].

 

[그림 11] 일반심도와 대심도 터널굴착 모델링

 

그림에서 나타난 바와 같이 대심도 도심지 터널에 대한 해석 결과, 지반 안전성에 대한 영향은 대심도 조건 보다 일반심도 조건인 경우가 크게 나타났다. [그림 12]에서 보는 바와 같이 일반심도와 대심도의 지반침하량을 비교했을 때 일반심도에서의 지반침하량이 더욱 크다는 점을 확인할 수 있었다. 또한 [그림 13]에서 보는 바와 같이, 일반심도와 대심도의 등변위량을 비교했을 때 동일변위조건에서 일반심도에서의 영향면적이 훨씬 커지는 것을 확인할 수 있었으며. [그림 14]과 ]그림 15]에 나타난 바와 같이 연직변위와 굴착영향범위 내 침하량을 비교 검토한 결과 유사한 경향을 나타내었음을 확인할 수 있었다.

 

따라서 도심지 터널 시공 시 일반심도 대비 대심도 터널이 지반에 미치는 영향이 적게 나타나 지반 안전성이 더욱 증가하는 것을 알 수 있다. 이는 대심도 도심지 터널이 일반심도 터널보다 안전성 측면에서 매우 유리하다는 것을 보여준다.

 

[그림 12] 일반심도와 대심도 터널굴착에 따른 지반침하 비교

 

[그림 13] 일반심도와 대심도 터널굴착에 따른 등변위량 비교

 

[그림 14] 일반심도와 대심도 터널굴착에 따른 연진변위 비교

 

[그림 15] 대심도 도심지 터널굴착에 따른 굴착영향 범위내 침하량 비교

 

4.3 대심도화에 따른 환경성 영향 평가

 

국내 도심지 터널의 경우에는 지질 및 지반 특성상 터널공사를 시행할 때 암반굴착이 필수적이며 일반적으로 암반구간 터널굴착은 발파에 의한 굴착이 주로 적용되고 있다. 최근 들어 터널공사는 도심지의 교통문제 해결을 위해 대심도에 지하도로계획(만덕~센텀 지하도로, 동부간선도로, 제물포터널 등)과 지하철(하남선, 별내선 등)의 설계 및 시공이 많이 이루어지고 있으며, 대심도 도심지 터널 특성상 근접되어 있는 주변 민가, 상가 및 지하 지장물(상수도, 하수도, 기존지하철) 등 보안물 건에 대한 발파진동 및 소음이 허용기준을 만족하는 경우에도 관련 민원이 발생하고 증가하는 추세이다.

 

따라서 설계 단계와 시공중에 대심도 도심지 터널굴착을 위한 발파 시에는 주변 보안물건에 대해 안전할 뿐만 아니라 환경분쟁조정위원회에서 중재하고 있는 분쟁해소 사례 등 조건을 만족하며 굴착할 수 있는 공법 적용이 필수적이라 할 수 있다.

 

터널 굴착시 발파로 인한 민원 및 주변 지장물의 피해발생이 예상되는 경우에는 발파진동을 억제할 수 있는 대안공법을 적용하여야 하며, 발파진동 억제방법은 발파공법 변경, 제어발파 등 보조적인 방법을 병용하여 발파를 수행하는 방법과 폭약을 사용하지 않는 미진동 또는 무진동 굴착공법 등과 같은 비발파공법이 적용될 수 있다.

 

발파공법 결정시에는 굴착효율이 좋으며 안전시공이 가능한 공법의 적용이 바람직하다. 이에 본 고에서는 터널굴착시 반영되는 진동소음 기준치에 대한 기준을 소개하고 대심도 도심지 터널현장에서 발파진동에 대한 환경성 영향평가 방안을 검토하였다.

 

본 고에는 도심지 터널의 대심도화에 따른 발파진동의 영향을 검토하기 위하여 국토교통부에서 제시한 발파진동식과 도심지 지하철 시험발파에서 적용된 발파진동식으로부터 발파진동을 평가하였다. 터널 심도는 일반심도인 30m인 경우와 대심도인 40m, 50m, 60m인 경우를 포함하여 총 4가지 CASE에 대하여 평가를 수행하였다. 대심도화에 따른 발파진동의 변화양상을 파악하기 위하여 발파패턴은 PD-3W의 장약량 0.5kg으로 고정하여 발파진동 영향평가를 수행하였다. [그림 16]에는 대심도화에 따른 발파진동의 발생경향을 도식적으로 나타낸 것이다.

 

[그림 16] 대심도화에 따른 발파 진동의 발생 경향

 

발파진동 영향 평가 결과, 예측된 발파진동의 평가 결과는 [그림 17]에 정리하여 나타냈다. 그림에서 보는 바와 같이 터널심도가 증가함에 따라 지표에서의 발파 진동이 감소함을 확인할 수 있다.

 

이상의 발파진동 평가로부터 도심지 터널이 대심도화 함에 따라 발파진동에 의한 영향은 더욱 감소하는 것으로 나타났다. 이는 지상의 보안물건과의 거리가 증가함에 따라 나타나는 것으로 대심도 도심지 터널이 일반심도 터널에 비해 환경성 영향이 감소하는 것임을 확인 할 수 있다.

 

도심지 터널의 대심도화에 따른 발파진동의 영향을 평가한 결과, [그림 18]에서 보는 바와 같이 일반심도인 30m 보다 터널심도가 깊어질수록 발파진동은 현저히 감소됨을 확인 할 수 있다. 지표를 기준으로 했을 때, 터널심도가 60m인 경우에 일반심도인 30m의 발파진동 수준에 비해 보다 35%이하로 저감되는 것으로 분석되었다.

 

[그림 17] 터널 심도에 따른 발파 진동 영향 평가

 

[그림 18] 대심도화에 따른 발파 진동의 감소 경향

 

전술한 발파진동 평가로부터 도심지 터널이 대심도화함에 따라 발파진동에 의한 영향은 더욱 감소하는 것으로 나타났다. 이 사실은 지상의 보안물건과의 거리가 증가함에 기인하는 것으로 대심도 도심지 터널이 일반심도 터널에 비해 환경성 영향이 감소하는 것임을 확인할 수 있다.

도심지 터널공사에서 발파진동 및 소음 문제는 아무리 관리해도 지나치지 않기 때문에 발파진동을 최대한 저감할 수 있는 터널 굴착공법을 설계단계에서 부터 검토하고, 이를 터널 시공중에 적극적으로 관리하는 노력이 요구되며, 또한 발파진동 및 소음에 대한 계측치를 주변 민원들에게 적극적으로 공개하여 상호 이해와 협력의 구축하는 노력도 병행되어야 할 것이다.

 

 

5. 대심도 도심지 터널건설 영향 대책 방안

 

대심도 도심지 터널건설 영향 평가는 터널공사에서 안전성을 확보하고 민원을 최소화하기 위한 가장 중요한 과정으로 프로젝트 전 과정에 걸쳐 철저하게 수행되어야 한다. 이를 위한 대심도 도심지 터널건설 영향에 대한 대책방안을 정리하면 다음과 같다.

 

(1) 엄격한 계측관리

터널건설에 따른 영향평가 과정은 분석을 통한 예측과정이므로, 시공중에 이를 반드시 확인하고 평가하는 과정이 필수적이다. 특히 지반취약구간 등과 같이 문제가 예상되는 구간에는 보다 세부적인 계측계획을 수립하고 시공중에 엄격한 계측관리를 실시하여야 한다.

 

(2) 철저한 리스크 안전관리

지반조사의 한계로 인한 지반불확실성을 포함하고 있는 터널공사 특성상 필연적으로 시공중 다양한 리스크를 만나게 된다. 따라서 설계단계에서부터 지질 및 지반리스크에 대한 분석과 평가를 수행하도록 하고, 시공중에 철저한 리스크 안전관리를 시행하여야 한다.

 

(3) 선진 터널건설시스템으로의 전환

도심지 터널에서 발파굴착의 적용으로 인한 민원 발생은 기술적인 문제가 아니라 사회환경적 문제임을 인식하여야 한다. 선진국에서와 같이 보다 근본적인 대책으로서 발파공법대체할 수 있는 기계화 시공(TBM 및 로드헤더)등을 적극적으로 도입 검토하여야 한다. 대심도 도심지 터널건설에 따른 영향과 대책을 정리하여 [그림 19]에 나타내었다.

 

[그림 19] 대심도 도심지 터널건설 영향 대책방안

 

6. 결론

 

최근 도심지에서의 대심도 터널공사가 꾸준히 증가함에 따라, 대심도 도심지 터널 건설에 따른 영향에 대한 보다 객관적이고 공학적인 평가방안이 필요한 시점이라 할 수 있다. 2018년 지하안전관리에 관한 특별법이 만들어지고, 이에 따라 도심지 터널공사에 대하여 지하안전영향평가가 수행되고 있지만, 지하 굴착공사에 비하여 상대적으로 공사구간이 길고 도심지 통과가 많은 터널공사의 특성을 고려한 효과적인 지하안전영향평가가 이루어지지 못한 실정이다. 이러한 이유로 도심지 터널공사에서 터널 굴착에 의한 영향 평가를 보다 효율적으로 수행할 수 있는 방법이나 가이드라인에 대한 필요성이 제기되었다.

 

또한, 현재 계획되거나 시공되고 있는 대부분의 터널공사가 지하 40m 이하의 대심도에 건설됨에 따라 대심도화에 따른 암반특성, 심도 증가에 따른 지반침하 특성과 발파진동 전파 특성 등을 정확하게 반영해야 한다.

 

본 고에서는 대심도 도심지 터널 건설에 따른 안전성 및 환경성에 미치는 제반 영향을 합리적으로 평가함으로서 주변 민원을 최소화하고 안전한 터널공사의 수행을 돕고자 한다. 이를 위하여 대심도 도심지 터널 건설에 따른 영향을 안정성 영향(Safety Impact)와 환경성 영향(Environment Impact)로 구분하고 각각의 영향평가에 대한 평가방법과 절차를 제시하였다. 이러한 연구결과를 통하여 다음의 사항을 제안하고자 하였다.

 

(1) 대심도 특성을 고려한 굴착영향범위의 산정

터널 굴착은 역학적으로 지중 및 지표에 영향을 미치게 되며, 그 범위를 굴착영향범위라고 한다. 도심지 터널이 대심도화 함에 따라 기존의 방법을 따를 경우에는 굴착영향범위가 지나치게 넓어져 안전영향평가 영역이 과도하게 확대되는 문제를 야기한다.

본 고에서는 대심도 특성을 고려한 굴착영향범위를 산정하기 위하여 터널심도(토피고)별 다양한 수치해석을 통하여 합리적인 굴착영향범위를 검토하여 대심도 도심지 터널건설 에 따른 영향범위를 터널좌우로 1.5D(D=터널직경)로 제시하였으며 단층파쇄대 구간과 같은 지반취약구간에서는 굴착영향범위를 보다 확대할 수 있도록 제안하였다.

 

(2) 대심도 도심지 터널에서의 영향요소 선정

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

본 고에서는 대심도 도심지 터널공사에서 발생 가능한 영향요소를 안전에 위해가 되는 안전성 영향요소와 환경에 위해가 되는 환경성 영향요소로 구분하고, 대심도 도심지 터널특성을 고려하여 지반침하와 발파진동 영향요소를 중점적으로 검토하였다.

 

(3) 대심도 도심지 터널에서의 지반침하 안전성 영향평가

터널 굴착은 터널 자체의 안정성뿐만 아니라 주변의 안전성에 미치는 영향이 크며, 그 영향요소로는 지반침하, 지하수위 저하, 주변 건물 및 지장물의 손상 등이 있다. 이중 터널 굴착에 의한 지반침하는 지상의 도로 및 건물에 직접적인 영향을 미치게 되므로 이에 대한 지반침하에 대한 안전성 평가는 매우 중요하다.

본 고에서는 대심도 도심지 터널에 따른 지반침하 영향을 터널심도(토피고)에 따른 다양한 수치해석을 통하여 평가하였다. 수치해석결과 터널심도(토피고)가 증가함에 따라 지반침하의 안전성은 증가함을 확인하였다.

 

(4) 도심지 도심지 터널에서의 발파진동 환경성 영향평가

터널굴착은 공사중 발파에 의한 진동과 소음, 먼지 발생 등의 주변 환경에 영향을 미치게 되고, 이와 같은 환경피해는 주변 주민의 직접적인 민원의 원인이 되고 있으며, 특히 발파진동은 인체에 미치는 영향뿐만 아니라 보안물건의 안전에 미치는 영향이 크므로 이에 대한 관리가 필수적이다.

본 고에서는 대심도 도심지 터널 굴착에 따른 발파진동 영향을 터널심도(토피고)에 따른 발파영향 검토와 발파 동하중 해석을 통하여 평가하였다. 발파진동 환경성 영향평가결과 터널심도(토피고)가 증가함에 따라 발파진동의 영향은 상당히 감소함을 확인하였다.

 

(5) 대심도 도심지 터널의 영향평가 가이드라인 제시

가이드라인은 대심도 도심지 터널 건설에 따른 안전성 및 환경성에 미치는 제반 영향을 합리적으로 평가함으로서 주변 민원을 최소화하고 안전한 터널공사를 위해 만들어졌으며, 본 가이드라인은 대심도 도심지 터널공사의 계획, 설계 및 시공단계에서 하나의 지침으로서 활용될 수 있다. 다만 본 가이드라인을 적용시에 여러 가지 제한이 있음을 인지하여야 하고 법적인 고려사항, 엔지니어링 고려사항, 민원 고려 사항 등을 종합적으로 판단하여 적용할 수 있음을 유의하여야 할 것이다.

 

(6) 대심도 도심지 터널의 건설방향 제안

도심지 터널이 대심도화 함에 따라 안전성은 증가하고, 발파진동과 같은 환경적 영향은 감소하는 것으로 평가되었다. 하지만 대심도 도심지 터널에서의 안전 및 환경문제에 의한 민원 발생은 피할 수 없는 문제임을 받아들이고, 대심도 도심지 터널공사 시스템에 근본적인 변화가 필요하다는 것을 인식해야 한다. 민원을 최소화 하고, 안전한 터널공사를 수행하기 위해서는 도심지 터널공사에 발파공법뿐만 아니라 TBM과 로드헤더와 같은 기계굴착공법의 적극적인 도입과 선진국에서의 운영되고 있는 선진국의 글로벌 터널공사 건설시스템 그리고 지반의 불확실성이 큰 터널공사의 특성을 반영한 터널 안전리스크 관리시스템 등에 대한 전반적인 검토가 필요할 것으로 판단된다.

 

맺음말

 

이상으로 대심도 도심지 터널공사 건설 영향과 안전성 평가에 대하여 살펴보았다. 현재 도심지 터널공사는 지상보상권 문제 등을 최소화하기 위하여 기존 일반심도 30m 하부인 지하 40m 이하인 대심도 구간에 계획 또는 건설되고 있다. 따라서 이러한 대심도 터널이 가지는 특성을 반영한 안전 영향평가 방법이 요구되는 것이 사실이다. 대심도라는 단어에 대하여 단지 터널 기술자들의 관점에서 벗어나 발주처 및 일반 민원인들의 관점에서 접근하여 대심도가 가지는 공학적 특성뿐만 아니라 환경영향 및 사회민원 영향에 대한 통합적이고 적극적인 대응이 필요함을 확인할 수 있다.

 

대심도 도심지 터널에 대한 안전성 평가는 기존의 터널 지하안전영향평가와 함께 대심도가 가지는 특성을 중점적으로 고려하기 위하여 안전성 영향과 환경성 영향에 대한 평가방법과 프로세스 그리고 가이드를 제공하고자 하는 것이다. 최근 여러 번의 도심지 터널프로젝트에 대한 지하안전영향가가 수행되어왔지만, 대심도라는 특성을 보다 효율적으로 반영하고자 하는 노력이 부족한 것이 사실이다. 발주자 및 일반 민원인 모두 영향 평가결과에 만족하지 못한 상태로 단순한 하나의 검토과정으로 수행되어왔다. 대심도 터널에 대한 영향평가는 기존의 지하안전영향평가라는 틀 속에서 대심도라는 터널 특성을 반영하는 것이 매우 중요하며, 평가과정에서의 제반 문제점에 대한 개선을 통하여 대심도 터널이 가지는 안전성과 환경성 영향이 매우 우수하다는 점을 정확히 인식하여야만 한다.

 

이제 대심도 터널링(Deep Tunnelling)은 도심지 터널프로젝트에서 우리에게 있어 핵심 키워드가 되었다. 하지만 대심도가 가지는 많은 장점에도 불구하고 아직도 이에 대한 제대로 된 공학적 설명과 평가에 대한 준비가 부족하였다고 생각한다. 한마디로 요약하면 대심도화됨에 따라 터널은 더욱 안전해지고 지상에 미치는 제반 영향은 더욱 줄어든다는 것이다. [The Deeper We Go, The Safer We Have]

 

[The Deeper We go, The Safer We have]

 

참고문헌    1. 지하안전영향평가서 표준매뉴얼, 2020, 국토교통부  2. 도심지터널 지하안전영향평가 평가기준 수립 연구보고서, 한국토지주택공사 및 한국터널지하공간학회, 2020  3. 지하공사에서의 프로젝트 리스크 및 안전관리 시스템, 2017, 한국프로젝트경영협회 2017 PM 심포지엄  4. 선진국형 터널공사 건설시스템, 2018, KTA 정책연구보고서, 한국터널지하공학회  5. 선진국 지하대심도 개발에서의 핵심이슈와 대책, 2019, 지하대심도 건설기술세미나  6. 차세대 대심도 교통인프라 안전성 확보 기술개발기획 연구 중가보고서, 한국건설기술연구원(2019), pp.13~16  7. 수도권 대심도 지하도로 적격성조사를 위한 일본사례조사 출장결과 보고서, 공공투자관리센터(2008)  8. 서울특별시(도시철도토목부), 2019, “서울특별시 도시철도의 건설을 위한 지하부분토지의 사용에 따른 보상기준에 관한 조례”  9. 한국터널지하공간학회, 2020, “도심지터널 지하안전영향평가 평가기준 수립 학술연구용역 연구보고서”  10. 대심도 철도정책의 실행방안 연구 보고서, 한국교통연구원, 2009  11. 대심도 지하 복층터널 구축개발 기획 최종보고서, 한국건설기술연구원, 2012  12. 대심도 지하도로 설계지침 제정연구 최종보고서, 한국건설기술연구원, 2015  13. KTA 정책포럼 -대심도 터널현안과 대책- 자료집, 한국터널지하공간학회, 2020  14. 도심지 대심도 터널 건설에 따른 분석영향 연구, 서율시 한국터널지하공간학회, 2020

 

지하공간 개발에 스마트 기술 접목을 위한 시도가 한창인 가운데, 지난 2월 22일 열린 ‘스마트건설 & TBM 기술 세미나’에서 건화가 설계한 ‘김포~파주 한강터널’ 사업의 적용 사례(kunhwa STORY “지반터널부, 국내 최초 TBM 도로터널 시공현장~” 참조)가 언급 되었습니다. 이 세미나에 토론자로 참여한 김영근 부사장은 우리나라 지반에 적합한 TBM 터널 기술 확보가 필요함을 강조했습니다. - 편집자 주

 

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