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터널 시공법은 크게 발파굴착공법과 기계굴착공법으로 나누어진다. 발파굴착공법에는 NATM, NMT 공법이 있고, 기계굴착공법에는 TBM, Shield, Road header, Raise bore machine, Raise climber 공법이 있다.
기계굴착공법
TBM공법의 특징
대형 원형 보링 기계를 사용하여 터널 전단면을 동시에 굴착하고 숏크리트를 타설 하는 기계굴착공법이다. 전단면 방식과 확대기 (Tunnel Boring Enlarging Machine, 직경 8m 이상 대단면 터널에 사용한다) 방식이 있다. 기계식 굴착이므로 모암의 이완이 적고 여굴 발생량이 적다. 굴착 단면이 작은 수로 터널 등에 주로 사용한다. 여굴에 의한 굴착면의 요철에 작용하는 응력집중을 방지할 수 있으며 라이닝 작업량 감소로 인하여 공사비 절감에 효과가 있다. 발파로 인한 위험작업이 감소된다. 대부분 기계작업이므로 노무비가 절감되고 노동재해 비중이 낮아질 수 있다. 진동 및 소음이 적어서 환경적인 측면에서 유리하다.
단층 파쇄대, 연약지반, 팽창성지반, 다량의 용수가 있는 지반에서는 현장에서 즉각적이고 효과적인 대응이 곤란하다. 비트와 커터의 형식이 특정 암층에 적합하도록 주문하고 제작되기 때문에 불균질 암층이나 변화가 심한 지층에서는 작업능률 저하 및 굴진 불가능한 현상이 발생한다. 굴진 중 단면 변경이 곤란하고 최소 회전반경 r=150m 이상 되어야 한다. 대규모의 공사용 가설비가 필요하다. 초기 투자비가 과다하여 터널연장이 4km 이상 되어야 발파공법보다 비용을 절감할 수 있다.
Shield 공법의 특징
Shield 원통형 강재를 이용해 굴착부의 붕괴를 방지하면서 굴착한 후 Shield 후방에서 복공을 실시한다. 도심지에서 지반침하, 소음, 진동 등 건설공해 발생에 대한 대응 공법 중 하나이다. 연약지반, 자갈층 등 NATM, TBM공법으로 시공이 곤란한 지층에 사용이 가능하다.
곡선반경이 제한된다. 시공성, 유지관리 측면에서 가능한 토피는 얕은것이 좋다. 침하나 융기 등으로 인한 주변 영향을 고려하여 최소 토피고(1~1.5m) 확보하여야 한다. 경사도가 2% 이상 되면 시공성이 저하되며 5% 이상인 경우에는 특수한 갱내 운반 방식이 필요하다. 암기 공법, 지하수 저하 공법, 지반개량공법 등의 보조공법을 병행해야 한다. 세그먼트 접합면, 연결 볼트 공, 주입 공 등에서 누수가 발생하므로 방수처리가 필요하다.
Road header 공법의 특징
풍화암, 연암용 터널 굴진기로써 자유단면 굴착기이다. 주행 형식에 따라서 크롤 라식과 레일식으로 구분된다. 발파공법에 비해 지반이완이 적고 여굴이 적다. 작업원이 적고 시공이 안전하다. 부분적인 경암에 대해서는 발파공법 병용 시공이 가능하다. 분진 발생량이 많아서 환기 및 살수설비가 필요하다. 600kg/cm2 이상 암반에서는 픽 소모량이 많다. 용수 지반에는 작업능률이 저 한 되다.
Raise climber 공법의 특징
특수 제작된 작업대를 활용하여 착암기로 천공한다. 수직터널의 측벽에 가이드레일을 고정시키고 작업대를 위, 아래로 이동하며 착암 후 발파 시에는 작업대를 수평터널로 피난한다. 작업대에서 부석제거, 가이드레일 연장, 천공 및 장약 작업 등을 실시한다. 발파에 의한 충격이 발생한다. 모터 두 개가 한쪽에 편재되어 가이드레일에 편하중이 작용한다. 가이드레일이 굴절되기 쉽다. 절상 높이가 커지면 가동용 에어호스 등이 파손되기 쉽다.
Raise bore machine 공법의 특징
수직 또는 급경사 터널을 굴진하는 장비이다. 유도공을 선 청공 후 하부에 커터를 장착시켜 상부에서 끌어당기면서 상향으로 굴착한다. 하부 갱도가 먼저 굴착되어야 한다.
마치며
터널굴착공법의 종류는 인력 굴착, 기계굴착, 발파굴착, 파쇄 굴착 등이 있다. 기계굴착공법의 종류는 TBM, Shield, Road header, Raise bore machine, Raise climber 공법 등이 있다. 기게화 굴착공법은 지층 조건, 암질상태, 지하수 조건, 토피, 선형, 경제성, 버럭 처리계획, 환기, 지반변형, 주변 환경성 문제, 보조공법 적용성, 작업 갱 등을 모두 고려해서 알맞은 공법을 선정해야 한다. 앞으로는 자동화를 통한 기계굴착이 가능한 시대가 올지 모르겠다.
