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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• 고속도로 NATM터널의 경우 터널공종은 표 8과 같이 18개의 공종과 지급자재로 분류되고 있으며, 공종의 특성에 맞게 4개의 큰 공종으로 구분하였다. 본 기술에서는 NATM 공사비 분석 시 전체공사비에 대한 공종별 공사비의 비율로 분석하여, 공종별 공사비를 파악하는 것 보다는 각 터널에서의 각 공종이 차지하는 비중을 파악하고자 하였다.
• 파주~양주 ․ 포천간 건설공사 구간의 NATM터널은 ExTM이 적용되었으며, 본 기술에서는 2공구에 위치한 장대 터널인 비암터널, 단터널인 덕도터널과 4공구에 위치한 은현3터널 실시설계(원안) 및 제안설계의 터널 수량산출에 따른 공사비를 비교 ․ 분석 하고자 하였다.
• 하지만 Ex―TM을 토대로 한 설계 및 시공에 대한 효과에 대한 보고 및 사례는 아직 부족하기 때문에, 본 기술에서는 Ex―TM에 의해 설계단계에서 산출된 NATM공법에 의한 터널공사비의 발생비용을 공종별 비교를 통해 장대터널과 단터널의 공사비 차이의 요인을 분석하고, 4공구 기술제안 사례를 통해 원안대비 제안설계의 공사비의 증가 요인을 확인하며, Ex―TM에 의해 제시된 다양한 지보 패턴들에 대한공사비를 비교·분석 하고자 하였다.

제안 방법

• 4공구 약대산을 통과하는 은현3터널(원안)은 389m 연장을 갖는 단터널이며, 파주방향 2차로, 포천방향 3차로의 자연환기 방식으로 계획되었으며, 파주방향은 터널 내 가·감속차로에 의한 터널단면의 변화를 두어 2차로 단면과 2차로 확폭단면으로 계획하였다(그림 6).
• Ex-TM은 현장기술자의 판단에 따라 탄력적인 지보대책이 적용되기 때문에, 기존의 암반등급에 따른 지보패턴에 비해 다양한 지보패턴이 제시되었으며, 본 기술에서는 Ex-TM의 다양한 지보패턴에 대해 암반상태 및 시공여건에 맞는 적합한 지보패턴을 결정하는데 도움이 되도록 공사비를 분석하였다.
• 따라서 본 기고를 통해 현장기술자가 지질 및 주변여건에 적합한 지보패턴 적용이 용이하도록 Ex-TM에 의해 설계단계에서 산출된 NATM 공법에 의한 장대터널과 단터널의 터널공사비의 발생비용을 공종별 비교 ․ 분석하고, 4공구 기술제안 사례를 통해 원안대비 제안설계의 공사비의 증가 요인을 확인하며, Ex-TM에 의해 제시된 다양한 지보패턴들에 대한 공사비를 분석 하였다. 이와 같은 분석을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
• 본 기술에서는 Ex-TM에 의해 제시된 지보패턴별 공사비의 비교 ․ 분석을 목적으로 각 터널에 따라 지질 및 지형특성에 따른 굴착 및 지보보강이 다른 지질이상대, 저토피, 암반불량 구간의 패턴을 제외하였으며, 대표적인 Ex-TM 지보패턴을 비교하기 위해 비암터널은 제트팬 미설치구간 단면을, 덕도터널은 2차로 단면, 은현3터널은 2 차로 확폭단면을 통해 지보패턴별 공사비를 분석하였다. Ex-TM에 의해 제시된 주요지보패턴은 표 9와 같다.
• 은현3터널(제안)은 원안을 기본으로 계획하여 지형특성 및 교통안정성을 고려하여 파주방향은 터널내 단면의 변화를 두지 않고 2차로 확폭단면으로 계획하였고, 시점부 파주방향(+8m) 및 종점부 갱구위치를 조정(-13m)하 였으며, 또한 방재안전성을 확보하기 위해 대인용 피난연 결통로 1개소를 설치하였다(그림 8).
• 최근 국내 고속도로 건설 사업은 수송효율을 극대화하여 국토의 균형발전을 촉진하고, 효율적인 연계를 통한 접근성 향상 및 지역경제 발전의 효율을 높이려는 목적으로 건설 사업이 진행되고 있으며, 기존 노선에 추가 및 연계 되는 고속도로의 계획 증가에 따라 노선 내 터널 비율이증가하고장대화되는추세에 있다. 이에맞추어, 한국도로공사는 증가하는 터널공사에 대해 그동안 현장의 다양한 지반조건에 적절하게 대처하지 못하는 획일적인 표준지보패턴을 적용하는 과거의 경험적인 사례를 벗어나 탄력적이고, 효율적인 설계 및 시공을 수행 하기 위해 설계 단계부터 제시된 다양한 지보패턴을 바탕으로, 현장 기술자의 판단에 따라 지반특성에 적합한 지보패턴을 결정하여 시공할 수 있도록 하고, 추후 굴착과 보강된 수량에 따라 정산이 용이하도록 단가를 단순화하여 제공하도록 고속도로 터널공법 Ex ― TM(Expressway Tunnelling Method) 을 제시하였다.

대상 데이터

• 터널의 각 현황 비교 요약하면 표 7과 같다. 장대터널인 비암터널은 갱외공동구 및 피난연결통로 21개소와 기계 환기 방식으로 별도 환기소를 설치하였으며, 덕도터널과 은현3터널은 단터널로, 자연환기 방식으로 별도의 구조물이 필요 없으나, 은현3터널의 경우 기술제안로 대인용 피난연결통로를 1개소 설치를 계획하였다. 비암터널은 장대터널로 갱구부 구간의 비중이 전연장에 비해 작고, 1, 2 등급에 해당하는 암반등급의 연장 비율이 높기 때문에 m 당 공사비가 작게 산정됨을 보인다.

성능/효과

• 1) 장대터널은 전 연장에 비해 갱구부구간의 비중이 작고 양호한 암반을 통과하는 비율이 높기 때문에, 지보공, 압력그라우팅, 갱문, 계측에 대한 공사비 비율이 낮아 지는 것으로 나타났다. 단터널과 비교해 제트팬의 설치로 단면의 이원화, 다수의 피난연결통로 갱외공동 구, 환기시설 등 차이를 보이며, 이는 버력처리, 방배수공, 부대공, 및 부속시설물, 지급자재의 공사비 증가에 영향을 미치는 것으로 보인다.
• 2) 은현3터널의 제안설계의 원안시보다 단층대의 추가보강 및 고효율폐수처리시설 및 방음커텐, 각종계측기설 치로 압력그라우팅, 터널부속시설물, 계측에서 공사 비의 증가를 보였으며, 기술제안에 의해 연장이 감소하여 콘크리트 라이닝의 공사비가 감소하였으며, 일방향 굴착으로 인한 가B/P장 축소로 부대공의 공사비가 감소하는 것으로 나타났다.
• 3) 분석결과 지보패턴별 공사비는 암반등급이 높아짐에 따라 대부분의 공종에서 증가함을 보이며, Type D-2 의 지보패턴에서 분할굴착에 의해 굴착 및 버력처리에 대한 공사비가 급격히 증가함을 보이고 있다. 또한 포오폴링을 적용한 Type E-1 이상의 지보패턴에서는 굴착 공사비의 증가와 더불어 소구경 선진보강 그라우팅 보조공법이 적용되어, 지보패턴별 공사비 증가의 큰요인이 됨을 보인다.
• 2공구 점미산을 통과하는 덕도터널은 439m연장을 갖는 단터널로 2차로 자연환기 방식으로 굴착은 일방향 굴착으로 계획되었다(그림 4). NATM구간의 상부0.5D의 암반등급은 4등급 이상의 암이 총연장의 약 75%로 분포됨에 따라 불량한 암반이 주를 이루는 것으로 파악되었다 (표 3, 그림 5).
• 굴착 및 지보공은 전체 공사비에 36~41%이며, 이중 굴착(발파)에 해당하는 공사비는 절반이상인 23~25%로 나타났다(그림 10). 굴착에 따른 발파로 암반등급에 따라 단가가 비례하지만 덕도터널의 경우 양방향 모두 굴착단 면이 작은 2차로 단면임에도, 발파소음 ․ 진동 영향검토에 의해 제어발파가 전구간에 적용되어 암반등급과는 별개로 높은 공사비 비율을 보였다.
• 굴착 및 지보공은 전체 공사비에 36~41%이며, 이중 굴착(발파)에 해당하는 공사비는 절반이상인 23~25%로 나타났다(그림 10). 굴착에 따른 발파로 암반등급에 따라 단가가 비례하지만 덕도터널의 경우 양방향 모두 굴착단 면이 작은 2차로 단면임에도, 발파소음 ․ 진동 영향검토에 의해 제어발파가 전구간에 적용되어 암반등급과는 별개로 높은 공사비 비율을 보였다. 장대터널인 비암터널의 경우 버력처리량은 제트팬구간 굴착과 환기소 및 피난연 결통로로 인해 양이 많으며 단가 또한 높아 상대적으로 공사비 비율이 높았으며, 양호한 암반의 비율이 상대적으로 높아 지보공(강지보공, 숏크리트, 락볼트) 공사비는 약 7%로 단터널의 경우보다 5%정도 낮게 나타났다.
• 4공구 약대산을 통과하는 은현3터널(원안)은 389m 연장을 갖는 단터널이며, 파주방향 2차로, 포천방향 3차로의 자연환기 방식으로 계획되었으며, 파주방향은 터널 내 가·감속차로에 의한 터널단면의 변화를 두어 2차로 단면과 2차로 확폭단면으로 계획하였다(그림 6). 굴착은 양방향 굴착으로 계획되었고, NATM구간의 상부0.5D의 암반 등급은 2, 3등급의 암이 총연장의 약 66%, 토사 및 풍화암 구간은 약 29% 분포함에 따라 파쇄대 및 지질이상대가 부분적으로 존재하는 것으로 검토되었다(표 4, 그림 7).
• 굴착은 양방향 굴착으로 계획되었으며, NATM구간의 상부0.5D의 암반등급은 1등급과 2등급 암이 총연장의 약 70% 이상으로 분석되어 신선한 암반을 통과하는 것으로 나타났다(표 2, 그림 3).
• 굴착은 일방향 굴착으로 계획되었고, 추가조사를 통해 NATM구간의 상부0.5D의 암반등급은 2, 3등급의 암이 총연장의 약 72%, 토사 및 풍화암 구간은 약 25% 분포함에 따라 파쇄대 및 지질이상대가 부분적으로 존재하는 것으로 검토되었다(표 5, 그림 9).
• 분석결과 지보패턴별 공사비는 약 4백만원에서 암반이 불량해짐에 따라 1천9백만원까지 록볼트공을 제외한 전공종에서 증가함을 보이는데 Type D-2의 지보패턴에서 분할굴착에 의해 굴착 및 버력처리에 대한 공사비가 약 6 백만원에서 9백만원으로 급격히 증가함을 보이고 있다. 또한 포오폴링을 적용한 Type E-1 이상의 지보패턴에서는 굴진장의 감소에 의한 굴착 공사비의 증가와 더불어 소구경 선진보강그라우팅 보조공법이 적용되어 록볼트의 공사비는 감소하지만, 지보패턴별 공사비 증가의 큰 요인이 됨을 보인다.
• 부대공의 경우 비암터널은 장대터널에 설치되는 터널내 부타일의 단가가 단터널의 내오염도장에 비해 높고, 방화문 및 풍도슬래브의 설치로 공사비 높게 산출되었으며, 은현3터널(제안)과 덕도터널 경우 일방향 굴착으로 가설 B/P 의 축소에 의해 공사비 비율이 상대적으로 낮음을 보였다.
• 분석결과 지보패턴별 공사비는 약 4백만원에서 암반이 불량해짐에 따라 1천9백만원까지 록볼트공을 제외한 전공종에서 증가함을 보이는데 Type D-2의 지보패턴에서 분할굴착에 의해 굴착 및 버력처리에 대한 공사비가 약 6 백만원에서 9백만원으로 급격히 증가함을 보이고 있다. 또한 포오폴링을 적용한 Type E-1 이상의 지보패턴에서는 굴진장의 감소에 의한 굴착 공사비의 증가와 더불어 소구경 선진보강그라우팅 보조공법이 적용되어 록볼트의 공사비는 감소하지만, 지보패턴별 공사비 증가의 큰 요인이 됨을 보인다.

• 3.3 기타 부속시설물 및 계측 공사비 비율

  비암터널은 환기시설에 대한 공사비로 부속시설물의 공사비 비율이 높으며, 은현3터널(제안)의 경우 방음커텐추가설치 및 폐수처리시설의 고속여과시스템과 TMS설치로 부속시설물의 공사비 비율이 원안 대비 높게 나타났다 (그림 12). 또한 양호한 암반의 비율이 상대적으로 높은 비암터널의 경우 계측 공사비의 비율이 상대적으로 낮음을 보인다.

• 3.4 자재비 비율

  비암터널의 지급자재의 경우 환기시설, 피난연결통로, 갱외공동구 및 배수관으로 설치로 덕도터널 보다 높은 공사비 비율을 보였으며, 은현3터널(제안)의 지급자재의 경우 방수쉬트의 재료비가 직접공사비에 계상됨에 따라 원안보다 낮은 공사비 비율을 나타내고 있다. 숏크리트, 골재, 자재 등의 생산 및 운반비는 전체공사비의 약 9~11% 비중을 갖는 것으로 보인다(그림 13)

• 압력그라우팅의 전체공사비에 대한 비율은 양호한 암반의 비율이 상대적으로 높은 비암터널의 경우가 단터널에 비해 낮고, 제안설계시의 은현3터널은 단층대구간을 추가 보강하여 원안대비 압력그라우팅의 전체공사비에 대한 비율은 높게 나타났다.
• 은현3터널의 제안설계는 원안설계시보다 단층대 추가 보강 및 고효율폐수처리시설 및 방음커텐, 각종계측기설 치로 압력그라우팅, 터널부속시설물, 계측에서 공사비의 증가를 보였으며, 기술제안로 연장이 감소하여 콘크리트 라이닝의 공사비가 감소하였으며, 일방향 굴착으로 인한가B/P장 축소로 부대공의 공사비가 감소하는 것으로 나타났다.
• 굴착에 따른 발파로 암반등급에 따라 단가가 비례하지만 덕도터널의 경우 양방향 모두 굴착단 면이 작은 2차로 단면임에도, 발파소음 ․ 진동 영향검토에 의해 제어발파가 전구간에 적용되어 암반등급과는 별개로 높은 공사비 비율을 보였다. 장대터널인 비암터널의 경우 버력처리량은 제트팬구간 굴착과 환기소 및 피난연 결통로로 인해 양이 많으며 단가 또한 높아 상대적으로 공사비 비율이 높았으며, 양호한 암반의 비율이 상대적으로 높아 지보공(강지보공, 숏크리트, 락볼트) 공사비는 약 7%로 단터널의 경우보다 5%정도 낮게 나타났다.

후속연구

• 하지만 최근 이러한 문제점을 탈피하기 위해 현장 기술자의 판단에 따라 지반특성에 따라 탄력적인 대처가 가능한 Ex-TM의 적용과 시도는 매우 진취적인 성과라고 판단된다. 향후 본고의 분석과 더불어 다양한 설계 및 시공사례 데이터의 축적을 통해 터널설계 및 시공 실무자들이 쉽게 활용하고, 보다 효율적이며 안전한 터널을 건설할 수 있도록 Ex-TM이 발전해 나갔으면 한다.

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