터널이란 무엇인가?

터널이란?

땅 밑, 바다 밑(해저터널)이나 산 등을 뚫어 자동차, 철도차량, 사람 등이 통행할 수 있도록 만든 통로이다. 순우리말로는 굴길이라고 하며 사례로는 대전의 샛고개굴길이 있다.

기본적으로 길기 때문에 전등이 있어도 꽤나 깜깜하다. 덕분에 밝은 아침에도 으스스하고 밤이 되면 진짜로 무섭기에 괴담에도 종종 등장하는 편. 가장 대표적인 예가 이누나키 터널. 진짜로 귀신이 등장하지는 않지만 어둡고 차량을 제외한 인적이 드물어 범죄나 사고가 일어나기 쉽다. 과거에는 터널을 타일로 마감했으나, 현재는 거의 다 콘크리트로 마감하고, 페인트를 칠하며 벽에 띠를 두르기도 한다. 이는 과거에는 터널의 조명시설의 효율이 좋지않아 반사율이 높은 타일을 사용하여 빛을 번지게 함으로서 밝게하였는데 근래에는 LED조명과 같이 고효율 저비용으로 터널의 조도가 밝아져 타일과 같은 반사성 재질을 사용하지 않게 되었다. 그러나, 굴절구간에서 주행중 본인의 차량의 앞에 건너건너 있는 선행차량의 브레이크등을 반사시키는 사전인지 효과로 사고예방을 위해 여전히 사용되고 있다.

터널 벽에는 기본적으로 전등을 부착하는데, 과거에는 대각선 상단에 달았으나 최근에는 구 너릿재터널 남행구간, 광주대구고속도로 성산2터널처럼 정상부에 달아놓는 경우가 많다. 최근에는 대각선 방향의 노란 나트륨등 대신에 비교적 위쪽에서 수직으로 비추는 LED 조명으로 설치하는 일이 많고, 구형 전등을 사용하는 터널들은 지속적으로 보수되고 있다. 이 문서 상단의 이미지가 바로 이 유형이다. 또한 터널 벽에는 깨알같이 그 터널이 있는 지역과 관련된 것을 그려놓기도 한다. 예를 들자면 함안은 수박, 순천에는 철새, 보성은 녹차를 그리는 식. 운전자 졸음방지를 위해 무지개 조명을 부착하기도 한다. 이는 순천완주고속도로 천마터널에 처음 설치되었으며, 평택제천고속도로 금성터널, 천등산3터널(제천방향만 존재), 동해고속도로 범서4터널, 광주대구고속도로 가야3터널, 남해고속도로 초암산터널, 서울양양고속도로 인제양양터널 등에 있다. 일부 터널은 무지개 조명에 추가로 호루라기나 사이렌과 함께 경고음을 집어넣기도 한다.

2016년 현재 대한민국에는 2189개의 터널이 존재하며, 길이는 총 1626 km에 달한다.

 

터널의 목적

 

가장 큰 존재 이유는 산이나 바다를 최단거리로 통과하기 위한 것이다. 산이라는 것은 사람에게도 장애물이지만 자동차와 열차에게도 심각한 부담거리다. 직선으로 도로를 놓지 못하고 고개와 같이 능선을 타고 돌아가는 길을 내야 해서 위험할 뿐만 아니라, 연료 낭비와 시간 낭비가 매우 심각하다. 통행량에도 한계가 생기는건 당연한 일.

철도는 문제가 더욱 심각하다. 강삭철도나 치상궤도가 아닌 이상 스위치백 같은 방법을 쓰더라도 넘을 수 있는 구배제한이 너무나 낮다. 영동선의 통리재 스위치백 구간을 대체한 솔안터널조차도 수평 이동거리를 늘려 구배를 줄이기 위해 한 바퀴 빙 돌려놓았다. 한국처럼 산지가 많은 국가에서 산을 타는 철길을 놓는 것은 제한이 너무나 크다. 기차가 바다를 넘을 수 없음은 더 말할 나위가 없다.

터널은 건설 난이도가 높고 비용도 많이 들지만, 산을 돌아 가거나 능선을 타고 넘어야 하는 불편이 없어 장기적으로 시간 및 비용낭비가 획기적으로 줄어든다. 터널은 내구재인 만큼 관리만 제대로 하면 수십 년에서 백년 이상까지도 잘 쓸수 있어 시간이 가면 갈수록 경제성이 커진다. 더군다나 우회도로나 철로를 건설하려고 해도 요즘은 토지보상비용이 만만치 않아, 차라리 보상 비용이 저렴한 (입구 출구만 보상하면 되니까) 산을 뚫어 터널을 만드는 편이 상대적으로 저렴할 때도 있다.

또한, 산을 지나갈 때 터널을 뚫음이 산을 따라 길을 만드는 것보다 생태계에 더 낫다. 산을 따라 길을 내면 그 길을 기준으로 생태계가 단절된다. 그러나 터널을 뚫는다면 땅 속에는 생태계가 거의 형성되어 있지 않기 때문에 생태계에 비교적 더 좋다. 물론 어디까지나 산을 따라 길을 내기보다는 낫다는 말이다. 터널 주변 소음, 먼지, 배기 가스, 지하수맥 단절 등 여러 가지로 환경 파괴는 이루어진다. 거꾸로 생각하면 도로든 철도든 가장 경제적이고 빠른 직선화를 추구하기 때문에 터널을 만들어 길을 낸다는 것은 사람이 사는 곳과 먼, 잘 보존된 지역까지 도로가 들어온다는 얘기도 된다.

 

터널에 사용되는 공법

 

지반강도나 여러 이유에 따라 굉장히 다양한 공법이 있는데, 주로 사용되는 공법으로는 개착식 공법, NATM 공법과 TBM 공법, 실드 공법이 있다. 그 밖에도 NTM 공법, ASSM 공법 등이 있다.

 

개착식 공법

 

개착식 공법은 가장 빨리 사용되기 시작한 방법으로, Bottom-up 공법과 Top-down 공법 두 가지 방법이 존재한다.

우선 Bottom-up 공법은, 터널이 지나갈 곳의 땅을 확보한 후 그 자리의 땅을 터널 바닥의 깊이까지 파낸다. 그리고 바닥을 설치하고, 터널 지붕을 설치한 후 다시 흙으로 덮고 지상을 복구하면 된다. 비록 지상의 땅을 공사 기간 내내 못 사용한다는 큰 단점이 있기는 하나 가장 단순한 방법이기도 하다.

Top-down 공법은, 터널이 지나갈 곳의 땅을 확보한 후 그 땅을 터널 천장의 깊이까지 파낸다. 그리고 터널 상부를 일부 공사용 입구 외에 모두 설치하고 그 구간의 지상은 복구한다. 이후 남겨놓은 공사용 입구를 통해 내부의 흙을 파내고 상부를 지지할 기둥과 바닥을 시공한다. 마지막으로 공사용 입구 구간의 터널 상부 구조물을 시공하고 지상을 복구하면 끝. Bottom-up 공법보다 지상에 끼치는 통행 장애 등이 덜하다는 장점이 있어 현재는 개착식으로 공사할 경우 이 방법이 주류를 이루고 있다. 이 공법은 주로 깊이가 얕은 터널을 시공할 때, 특히 터널이 지나가는 지상에 특별한 장애물이 별달리 없을 때 사용된다.

 

발파식 공법

 

NATM(New Austrian Tunneling Method) 공법은 1957 - 1965년 사이에 오스트리아에서 개발되었다. 중동의 카나트를 보고 착안했다고 한다. 먼저 터널을 드릴링 점보를 통해 장약공을 만든후 장약공 안에 지반강도나 주거지와의 거리에 따른 일정량의 계산된 장약을 넣고 발파시킨다. 그렇게 발파 후 생긴 잔해를 모두 치우고 터널벽면에 숏크리트를 뿌리거나 락볼트로 발파후 불안정한 암석을 고정하고 라이닝 철근과 콘크리트로 마무리를 하며 이 과정을 반복하는 공법이다. 당연히 단단한 지반에 터널을 뚫을때 사용하며 우리나라의 경우에는 국토의 산이 대부분 단단한 화강암이기 때문에 국내에서 산을 관통하는 도로, 철도 터널을 뚫을때 자주 쓰이는 공법이기도 하다.

 

TBM식 공법

 

TBM 공법은 1815년 브루넬은 부두 근처에서 우연히 배좀벌레조개가 구멍을 뚫어놓은 나뭇조각을 보고 굴을 효과적으로 뚫는 기술을 생각해냈다. 좀조개는 나무를 파고 들어가는데 나무가 물을 먹으면 팽창하게 되어 좀조개가 낑겨버리게 되는데 좀조개 몸에서 이를 방지하기 위해 파고 들어가는 동시에 굴진시 생기는 톱밥을 뒤로 보내고 생긴 공동외벽에 굳는 액체를 바른다. 이를 보고 착안하고 발전시킨게 TBM이다. 조그만한 벌레가 토목공사의 안전과 편리함을 불러오게 된것이다. TBM(Tunnel Boring Machine)이라는 거대한 기계를 이용해서 파는 방법으로 일단 현장에 도착한 TBM 부품을 터널 시작지점에서 조립한 후 TBM을 천천히 전진시킨다. 굴착시 TBM과 연결된 컨베이어 벨트로 TBM이 파낸 암석을 터널 입구까지 운반한다. 이후에는 NATM공법과 똑같이 숏크리트 또는 락볼트 처리 후 라이닝 벽면작업을 하는 공법이다. 보통 길다란 균일 암반을 지나는 터널을 뚫고자 할때 쓰이는 공법으로 TBM공법으로 먼저 뚫고 NATM공법을 병행하여 터널을 넓히는 방법을 사용하는 경우도 있다.

실드 공법의 경우에는 TBM 공법과 비슷하나 숏크리트와 락볼트를 쓰지 않고 TBM이 지나간 자리를 터널 규격에 맞는 세그먼트라는 콘크리트 블럭을 터널 벽면과 바닥,천장에 설치, 고정시키고 마지막으로 세그먼트키(마지막 블럭)를 설치한 후 터널 벽면과 세그먼트 사이의 틈을 콘크리트로 채우며 이 과정을 반복해 전진하는 공법이며 굴착과 세그먼트 설치까지 NATM공법보다 더욱 자동화 되어있어 인력을 적게 소모하는것이 가장 큰 장점이다. 주로 해저(하저)터널이나 지하철의 도심 구간 같이 NATM 공법과 TBM공법으로 굴착할 수 있는 지반보다 상대적으로 연약한 지반에 사용된다. 예를 들면 프랑스와 영국을 잇는 해저터널이 이 방식으로 건설 되었는데, 만나기로 한 장소에 영국이 먼저 도착해서 TBM을 아래방향으로 보내 묻어버리고 그 지점에 프랑스가 도착해서 연결하였다.

이 TBM의 커터헤드가 상당히 비싼 물건으로 줄곧 외국의 기술에 의존하였으나, 2012년에 국산화에 성공하였다.

 

CAM공법

 

정식명칭은 Cellular Arch Method. 특정 선시공부를 몇 군데 뚫어서 그 선시공부 사이들을 잇는 아치형 철근 콘크리트 강관을 밀어넣어 대단면 터널을 만드는 공법이다. NATM이나 TBM으로 도저히 답이 안 나올 때만 사용할 수 있는 매우 특수한 공법이다. 돈이 엄청나게 깨지는 건 둘째치고 기술 자체가 매우 어렵다. 터널 단면이 어마어마하게 커지는 것이 특징. 재미있는 건 CAM 공법이 TBM이나 NATM 공법보다 공사 속도가 빠르다는 것이다. CAM 공법을 채택하게 되면 돈은 어마어마하게 깨지는 대신 터널 완성 시간은 TBM이나 NATM에 비해 30% 정도 줄일 수 있다.

 

대한민국에서는 서울 지하철 9호선 고속터미널역 공사를 할 때만 썼다. 대한민국에서는 네덜란드에서 기술을 직접 도입한 쌍용건설만 쓸 수 있다. 고속터미널역이 서울 지하철 9호선 1단계 철도역 중 동작역 다음으로 빨리 공사가 끝났던 이유가 CAM 공법의 특성 때문이다. 서울 지하철 9호선 고속터미널역은 터널 단면이 21m이다. 개착식 공법을 채택했던 3호선 고속터미널역, NATM 방식을 채택했던 7호선 고속터미널역은 좁아서 복잡한데 9호선 고속터미널역은 역 자체가 엄청 넓어서 분위기가 완전히 대조적이다.

CAM 공법을 전면적으로 채택한 곳은 로마 지하철 B선이다. 로마 지하철 B선은 CAM 공법을 채용하여 터널 단면이 30m에 달한다. 로마 지하철 B선이 CAM을 채택한 이유는 B선 노선에 고대 로마 유적이 너무 많이 나왔기 때문이다. 즉 흙이 안정되지 못했다. 고속터미널역도 비슷한 이유이다. 지반이 안정되지 못하고 터널 주변이 너무 개발되어 있어서 공사 충격으로 붕괴 리스크가 매우 높을 때 CAM을 채택한다. 대한민국에서도 4기 지하철 계획 등으로 중전철 서울 지하철을 놓는 계획 아닌 이상에야 절대 다시는 채택될 일이 없을 공법이다.(...) CAM으로 터널을 뚫는다고 하면 전 세계 건축학계에서 밑도 끝도 없는 견학 행렬이 찾아온다. CAM 공법을 채택한 로마 지하철 B선과 고속터미널역은 그래서 세계 건축학계 교과서에도 올라가 있다.

세계 지하철, 해저터널 공사를 미친듯이 하는 중국과, 철도대국 일본에서도 CAM 공법은 단 한 차례도 시도된 바 없을 정도이다. 고트하르트 베이스 터널도 NATM 방식이었다. 싱가포르 MRT에서도 단 한 차례만 사용했다.