터널이 필요로 하는 곳에 터널을 시공하기 위해서는 다양한 내용이 검토되어야 합니다. 터널을 계획하기 이전에 터널이 반드시 지나가야 하는 곳은 대부분의 경우에 이미 결정되어 있습니다. 이 반드시 통과해야 하는 곳을 어떻게 적은 비용으로 쉽게 통과하도록 할 것인가가 터널의 평면 및 종단계획, 줄여서 선형계획이라고 합니다.
터널은 동일하거나 유사한 단면이 길게 연장되어 있기 때문에 많은 부분을 고려하여 가장 좋은 단면으로 결정합니다.
이외에 터널이 건설되기까지는 작업장 계획, 사토장 계획, 부속설비 계획, 배수계획, 조사계획, 계측계획 등 다양한 계획들이 수행됩니다. 본 칼럼에서는 이 중 대표적이고 주요한 계획인 선형계획과 단면계획에 대해 살펴보고자 합니다.
터널은 같거나 유사한 단면이 길게 연장되어 있는 지하에 굴착된 공간으로 정의할 수 있습니다.
따라서 터널은 대표적인 단면과 단면이 지나가는 궤적으로 표현할 수 있습니다. 이를 구체화시키기 위한 단면상의 특정위치의 종방향 궤적을 선형이라고 합니다. 그리고 단면상의 위치에 따라서 도로중심선 또는 터널중심선으로 표현합니다.
도로중심선은 도로 노면상의 1차선 차로 좌측 표시 중심선에 해당되며 교량과 토공부의 경우도 도로중심선을 기준으로 측량이 이루어집니다. 터널의 경우 터널의 대칭성과 관리 측면에서 노면과 터널 중심선의 교차점을 터널
중심선으로 하여 이용하기도 합니다.
터널의 선형을 결정하는 요인은 어떤 것이 있을까요?
첫째 요인은 터널의 종류와 용도입니다.
터널은 용도에 따라서 도로터널, 철도터널, 전력구터널, 통신구터널, 수로터널, 광산터널 등 다양한 종류의 터널이 있으며, 그에 따라서 세부적인 요인 또한 달라져야 하기 때문입니다.
도로터널 또는 철도터널의 경우에는 도로의 계획상 산지 혹은 구릉지를 지나게 될 경우 교량부, 절토부와 함께 터널이 계획되는데, 일반적으로 절토부가 가장 공사비가 낮고, 교량이 가장 공사비가 높고, 터널의 공사비가 중간정도에 해당합니다.
따라서 평면 선형 및 종단선형에 대한 기본계획 중에 전체적인 건설비를 최소화 시키기 위한 노선안별 비교검토를 하게 됩니다.
터널의 공사비는 지반조건이 양호한 경우 연장이 길어지거나 지반고가 높다고 해서 공사비가 높아지지는 않습니다.
지반조건이 불량할 경우 높은 지보 및 보강량으로 인해 공사비가 높아지므로 가능한 지반이 불량한 곳은 피하는 것이 공사비를 절감하는 방법이라고 볼 수 있습니다.
반면에 교량의 형식에 따라서 공사비의 차이가 크고, 특히 계곡부에 교량이 건설되어야 하는 경우 형하고가 높을수록 공사비가 높아지므로 종단을 계획할 때 터널의 연장 증가와 교량의 연장 감소에 따라 증감되는 공사비를 비교하여 적정한 평면 및 종단선형을 결정할 수 있습니다.
고속도로, 국도, 지방도, 임도 등 도로의 등급별로 다양한 도로의 종류가 있으며, 등급별 차로폭, 제한속도 등이 설계기준상에 정해져 있습니다.
자동차가 고속으로 주행하다 정지하기 위해서는 정지하기로 마음먹고, 브레이크를 밟고, 타이어와 지면의 마찰에 의해 자동차의 운동 에너지가 전부 소모될 때까지 자동차는 진행하게 됩니다. 자동차의 브레이크 성능, 운전자의 반응속도, 타이어의 마모상태, 지면의 상태 등 많은 변수 중 운전자가 인식하는데 필요한 시각적인 거리를 충분히 확보하기 위해 터널의 곡률반경이 제한됩니다. 시속 100km의 고속도로의 한계 곡률반경은 1567m이며, 시속 80km로 제한된 고속국도의 경
우 한계 곡률반경은 768m 입니다.
철도터널의 경우도 도로터널과 유사한 개념이 있습니다.
철도터널은 도로터널과 달리 궤도를 따라 달리고, 전방의 궤도 위에 물체가 있다고 해도 정지하기까지 거리가 많이 필요하기 때문에 시거의 개념은 필요없습니다. 대신, 철도차량은 도로용 차량에 비해 중량이 많이 나가기 때문에 곡선부 주행에 따른 원심력을 궤도의 경사를 통해서 제어하게 됩니다. 철도설계기준에 의해 궤도의 평면 및 종단 곡선반경에 따른 궤도의 경사각(캔트)을 정할 수 있습니다.
최근에는 틸팅열차가 개발되어 곡선 반경에 따라 열차가 스스로 기울어져 원심력을 조절하기 때문에 기존의 열차로는 저속으로 통과해야 하는 곡선부를 보다 빨리 통과할 수 있습니다. 그러나, 선형계획상 가급적 직선으로 계획하여야 열차의 운행이 좋은 것은 당연할 것입니다.
전력구 및 통신구 터널의 경우는 주로 전력케이블과 통신케이블을 매설하는 용도로 사용되기 때문에 선형을 결정하는데 제약요인으로 작용하는 요소가 없습니다. 지반조건 등의 다른 조건에 문제가 없을 경우에는 주요 위치를 연결하는 최단 경로를 선택하는 것이 공사비 측면에서 바람직합니다.
| 그림 1. 곡선을 포함한 터널 출구부 |
도로터널의 선형을 계획할 때는 운전자의 주행성도 고려해야 합니다.
국내의 설계기준은 터널을 가급적 직선으로 계획하는 것을 권고하고 있습니다. 국외의 경우, 터널의 출구부를 곡선부로 계획하는 것을 권장하고 있는데, 그 이유는 곡선부의 터널 벽면에 외광이 반사되어 터널 내의 밝기가 증가하여 조명 시설을 효율적으로 활용할 수 있으며, 터널이 직선으로만 되어있으면 터널 출구 쪽으로 과도하게 시선이 집중되어 단조롭게 느껴지는 것을 곡선부로 처리하여 완화할 수 있기 때문입니다.
차량의 개선으로 배기 가스 배출량이 개선되고 있지만, 수소원료와 같은 청정 에너지를 사용하지 않고, 석유류를 사용하는 한 차량의 주행은 배기가스를 동반할 수 밖에 없습니다. 차량의 배기가스는 오르막 차도의 기울기, 차량의 노후화 정도, 차량의 종류 등에 따라 발생량이 차이가 있습니다.
특히 덤프트럭과 같은 중차량의 통행비율이 배기량에 큰 영향을 미칩니다. 차량의 배기가스에는 미세분진, 일산화탄소, 이산화탄소, 질소산화물 등이 포함되어 있습니다. 아시다시피 배기가스의 농도가 높을 경우 인체에 유해하기 때문에 농도를 낮춰야 하는데, 배기가스 별 유해정도와 배기가스 별 발생량이 다르기 때문에 각각에 대해 검토해서 모든 유해가스에 대해 유해량 이하로 통제하기 위한 환기 계획이 이루어져야 합니다.
또한 배기가스의 발생정도가 차량의 주행속도와 관계가 있으며, 주행속도는 터널내의 풍속을 좌우하기 때문에 차량의 주행속도를 10mk/h에서 제한속도까지 10km/h 단위로 검토하여 배기가스별 농도가 허용치 이내로 되도록 터널 단면적과 환기요구량에 따른 제트팬을 설치해야 합니다.
태양이 지평선에서 떠오르는 아침과 지평선으로 가라앉는 저녁 시간에 운전을 하는 경우 눈부심이 심해 운전에 장애가 되고, 사고의 위험이 높아질 수 있습니다. 특히 동서로 이어진 도로상에 건설된 터널에 진입할 때, 낮게 깔린 태양으로 인해 눈부심이 발생한 이후에 어두운 터널로 진입하게 되면 인체가 적응하는데 시간이 필요합니다.
이를 암순응시간이라고 하는데, 경우에 따라서는 수초간 전방의 차량을 볼 수가 없어 운전시에 위험할 수 있습니다. 이러한 눈부심 현상을 현휘 현상이라고 하며, 현휘 현상이 발생하지 않도록 선형을 계획하는 것이 좋습니다.
만약 현휘 현상을 방지하기 어려우면, 조도를 단계별로 낮추기 위한 조도 순응 시설을 설치하여 위험요인을 저감하는 것도 가능하다.
팔당호 주변, 내부순환도로 등을 운행하다 보면, 터널을 통과한 직후 바로 터널에 진입하는 구간을 볼 수 있습니다.
이렇게 터널이 연속해서 건설되는 경우를 '연속터널'이라고 합니다.
주간에 연속터널을 주행할 경우 어두운 터널과 밝은 외부 그리고 어두운 터널내로 빠르게 진행하기 때문에 인체가 반응하는데 적응하는 시간이 더 많이 필요하기 때문에 안전한 운전에 저해 요인이 됩니다.
또한 바람이 강하게 부는 날씨에는 통상 연속터널이 계곡부에 위치하기 때문에 더욱 강한 바람이 터널을 빠져 나온 차량에 갑자기 불어 위험합니다. 비가 오거나 눈이 오는 날씨에도 터널안과 터널 사이의 노면상태가 차이가 크기 때문에 위험할 수 있습니다.
또한 터널의 배기 가스는 터널 진행방향 출구 측으로 배기하게 되는데, 연속터널의 경우는 오염된 배기 가스가
소산되지 못하고 전방의 터널로 재유입되어 터널 내의 오염을 증가시킬 수 있는 단점이 있으며, 더욱 어려운 점은 터널 내로의 재유입량을 정확하게 예측할 방법이 없기 때문에 환기 설계 시 어려움이 있습니다.
터널은 단면이 종방향으로 길게 연장되어 있는 지하구조물이기 때문에 적절한 단면을 선정하는 것은 터널설계에 있어서 가장 중요한 부분을 차지합니다. 터널의 종류는 앞서 언급한 바와 같이 다양한 종류가 있으며, 그 용도에 따라서 터널의 단면형태가 다양합니다.
본 글에서는 수요측면에서 많은 부분을 차지하고 있는 도로터널과 철도터널에 집중하고, 전력구, 통신구 및 수로터널에 대해서는 다음 기회에 소개하고자 합니다.
역학적 관점에서 가장 이상적인 단면의 형태는 원형터널입니다.
그러나 이 말은 지반의 물성이 균질하고 등방성이며, 응력상태 역시 등방성일 경우에 해당합니다. 실제의 지반은 불균질하며, 이방성을 띄고 있기 때문에 지반조건과 응력조건별로 유리한 단면형태가 다릅니다.
따라서 역학적인 관점에서 볼 때 단면 형태는 터널의 위치별로 다르게 해야 하는데, 이는 현실적으로 불가능하고 효율적이지도 않습니다. 따라서 역학적인 관점은 터널 단면을 산정하는데 있어 원론적인 가이드라인을 제공하는 정도밖에는
적용되지 않습니다.
그러나 위치와 방향을 선정할 수 있는 지하 비축 공동, 지하 폐기물 처분장, 식품 저장고와 같이 한정된 영역에 굴착되는 경우에는 해당 위치의 응력상태와 지반상태를 최대한 고려하여 유리한 단면형상 및 진행방향을 결정할 수 있습니다.
또한, 터널을 굴착하는 방법에 따라서 단면이 결정될 수도 있습니다.
발파에 의한 굴착방식은 단면을 선택하는데 있어 자유롭지만, TBM(Tunnel Boring Machine)으로 불리는 터널 굴착 기계로 굴착되는 경우는 거의 장비의 재원에 따라서 원형으로 굴착이 됩니다.
따라서, 단면 선정을 위해서는 초기 계획 과정에서 굴착방법이 선행되어야 하며, 기계화 시공법을 선택한 경우에는 충분한 내공을 확보할 수 있는 장비를 선정해야 합니다. 굴착방법이 변경되어 단면을 변경하는 경우도 발생할 수 있기 때문입니다.
| 그림 2. TBM 장비 |
터널의 단면을 결정하는 작업은 터널에서 제공해야 하는 필수 공간이 결정되어 있어야 가능합니다.
예를 들어 2차선 도로 터널이라면, 2대의 차량이 나란히 주행할 수 있는 충분한 공간이 확보되어야 합니다. 여기에는
차량의 폭과 다이나믹 모션에 의해 주행 차량이 확보해야 하는 폭이 결정되어야 하고, 그 폭을 기준으로 2개의 차선을 마련해야 합니다. 만약 서로 마주보면서 달리는 두개의 차량이라면 다이나믹 모션에 의해서 서로 접촉했을 경우에 예상되는 피해가 훨씬 크기 때문에 이에 대해 안전을 고려해 중앙차선에 차로폭 이외의 여유분을 두는 것이 일반적입니다. 이러한 차로폭은 차량의 속도가 커질수록 다이나믹 모션이 커지기 때문에 넓어지며, 설계기준에 명시되어 있기 때문에 크게 고민할
필요는 없습니다.
| 그림 3. 제트팬 설치 단면 |
터널의 환기방식 역시 터널의 단면을 결정하는데 중요한 역할을 합니다.
터널의 환기방식은 크게 종류식 환기방식과 횡류식 환기방식이 있습니다.
종류식은 제트팬을 이용해 터널주행방향으로 가압해 풍속을 높혀주는 방식으로 차량 배기가스를 환기시키는 방식입니다. 시설한계를 벗어나서 제트팬을 설치해야 하기 때문에 단면이 커지는 것이 일반적 입니다.
횡류식 환기방식은 터널 내에 급기 혹은 배기용 덕트를 설치하여 덕트에서 신선한 공기를 터널로 공급하고, 차량 배기가스를 배기 덕트로 빼는 방식으로 환기를 하게 됩니다. 덕트는 일반적으로 터널 상부에 설치하게 되고, 콘크리트 구조물로 설치하기 때문에 환기 요구량에 따라서 덕트의 크기가 정해지면 시설한계를 고려하여 덕트를 설치하도록 단면을 설치하게 됩니다.
| 그림 4. 환기 덕트 설치 단면 |
터널 내에는 조명이나 환기설비 등 여러가지 전기설비나 기계설비가 설치되어야 합니다. 터널의 연장이 길어지면 누적되는 배기량이 많아지고 따라서 환기 요구량이 커지기 때문에 설비도 같이 증대되어야 합니다. 설비증대는 필요한 전기용량이 커지고 전기설비도 커지게 되어 이에 대한 공간을 단면상에 포함시켜야 합니다. 설비를 위한 전력 및 통신 케이블 등은 공동구에 놓이게 되므로 이러한 케이블 등이 들어갈 수 있는 필요공간을 산정할 필요가 있습니다.
통상 자연환기를 적용하는 터널의 연장이 1km 이내에는 0.3m x 0.3m정도의 작은 공동구 설치로 충분하지만, 자연환기로는 가능하지 않은 터널 연장이 1km 이상에서는 보다 큰 공동구를 설치하는 것이 일반적입니다.
도로터널의 단면의 구성에는 이외에도 주행차로측에 측방여유폭이라는 것을 두게 됩니다.
측방여유폭이란 주행차로측에서 터널벽면사이에 1.0m 이상의 여유폭을 두는 것을 말하는데, 도로의 제한속도가 높아질수록 측방여유폭을 크게 잡는 것이 일반적입니다.
고속도로에서는 2.0 ~ 2.5m 정도를 일반적으로 적용하며, 경우에 따라서는 터널 전체적으로 3.5m를 적용하여 비상주차가 가능하도록 설계하는 예도 있습니다. 터널의 내부 공간이 클 경우 주행성 측면에서는 유리하지만 공사비의 부담이 증가하기 때문에 설계시 이에 대한 손익계산을 해야 합니다.
도로터널이 제공해야 하는 공간은 측벽부 쪽뿐만 아니라, 상부방향으로도 제한됩니다.
이를 시설한계라고 하고 시설물은 이 내부로 침범해서는 안 되기에 터널의 내공단면은 시설한계를 고려하여 설계합니다.
철도터널의 경우에도 비슷한 개념이 적용됩니다.
궤도와 철도차량의 재원, 철도차량의 다이나믹 모션 등에 의해서 시설물이 침범할 수 없는 영역이 정해지며 터널단면은 모든 시설물을 포함해서 침범할 수 없는 공간을 확보하기 위한 가장 경제적이고 안정하도록 만들어집니다.
| 그림 5. 철도터널 시설 한계 |
이렇게 만들어진 단면은 사실상 계획단면이고, 시공중에는 계획단면과 같이 깨끗한 면을 만들기는 어렵습니다.
실제 단면은 굴착단면이라고 하고, 계획단면에 비해 초과 굴착된 것을 여굴, 그 반대를 미굴이라고 합니다.
따라서, 실제 수량 산출시에는 이러한 여굴량을 고려해 산출하여야 합니다.
올바른 선형 및 단면 계획의 수립은 터널 설계와 시공에 있어 경제성, 시공성, 안정성 측면에서 매우 중요합니다.
선형을 결정할 경우 터널과 다른 구조물간의 관계를 종합적으로 검토해야 하는 점을 살펴봤으며, 단면을 결정하기 위해서 고려해야 하는 다양한 요소에 대해서도 살펴봤습니다.
이처럼 터널을 설계하는 과정은 다양한 조건을 변화시켜가면서 최적화 시켜가는 과정이기 때문에 매우 종합적인 사고가 필요합니다. 이 글을 작성하는 당사자 역시 부족한 부분이 많기 때문에 앞으로도 열심히 노력하고자 하며, 두서없이 작성한 글이 여러분의 시야를 조금이라도 넓히는데 보탬이 되었으면 합니다.
참고문헌
- 도로설계편람, 1999
- 터널설계기준 해설서, 터널공학회, 2009 출간예정
- Wikipedia online(www.wikipedia.org)
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본 글은 [터널설계 입문]의 총 5개 시리즈 중 두 번째 내용입니다.
✅ 1. 터널의 역사
2. 터널 설계 - 단면 및 선형 계획
✅ 3. 터널 굴착에 따른 거동 이해
✅ 4. 초기 응력
✅ 5. 굴착에 의한 하중 분배
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