NATM 터널 공법 종류와 시공시 특징

NATM 터널은 오스트레일리아에서 개발한 공법으로 터널 암반자체가 지보 역할을 하는 원리를 가진 터널 공법입니다. 이 공법은 폭약을 사용하는 공법이긴 한데 예전처럼 그렇게 위험하지는 않습니다. 폭약의 종류도 많이 바뀌었고 시방서에 의해 계측 및 사전조사를 철저히 하기 때문이죠. 또한 시공자체도 막장을 한번에 폭약으로 부시는 게 아닌 작은 폭약으로 조금씩 조금씩 전진하면서 막장을 부수고 또한 지반이 안좋은 경우는 심빼기 발파등을 통해 자유면을 키워나가면서 굴착을 하게됩니다.

1. NATM터널 공법 개요

1) NATM공법은 국내에서 많이 사용되는 발파를 이용한 터널 굴착공법으로 숏크리트와 Rock Bolt를 주지보재로 사용하는 공법입니다. 이전에는 NMT공법이 있었지만 NATM공법이 개발된 이후로는 NATM공법을 거의 사용하고 있습니다. 

2) NATM공법은 발파를 사용하는 공법으로 기계굴착 공법(TBM공법, Shield 공법)에 비해 경제성, 시공실적, 지반에 대한 적용성에 대해서는 강점이 있습니다. 하지만 발파시 안전에 유의하여 시공해야 하며 연약지반의 경우에는 효율이 많이 떨어질수 있고 붕괴의 위험도 많이 있습니다.

2. NATM공법의 특징

1) 주지보재 

- Shotcrete : 터널굴착후 강지보재를 설치하고 숏크리트를 설치합니다. 설계에 따라서 2,3회 타설합니다. 타설방식은 "물+골재+시멘트"믹스후 급결재와 분사하는 방식(습식방식)과 분사시 "골재+시멘트+급결재"에 물을 믹스하는 방식(건식방식)으로 나뉩니다. Shotcret 타설시 분사각도는 90도를 유ㅜ지하여야 하며 분사거리는 1m이내로 하여야합니다. 그 이유는 Rebound량을 줄이기 위함인데요 Rebound량이 많아진다는 것은 재료손실이 커지기 때문입니다.

- Rock bolt : 강지보재와 숏크리트를 터널암반에 부착하는 역할을 합니다.락볼트의 역할을 좀더 세부적으로 보면 봉합효과, 아칭효과, 내압 상승효과를 합니다. 락볼트 종류에는 Resin 방식과 Cement paste방식이 있습니다..

- Wire Mesh : 콘크리트 건조수축균열을 방지할 목적으로 시공하며 강도를 증가시키기도 합니다.

- Steel rib : 강지보재라고 하며 굴착후 암반의 이완을 보완하고 경제성있는 시공을 하기 위해서 시공합니다. 강재 지보공의 종류에는 가축 지보공, 강제 지보고  Lattice Girder등이 있습니다.

지보재 설치시 경제성을 고려하여 시기를 정한다. 과다지보시는 비경제적이고 지보시기를 놓치면 이완파괴가 일어날수 있습니다.

2) RMR 암반분류 : 암석강도, 절리간격, 지하수 , RQD등을 이용하여 암반을 분류하는 방식입니다. 이런 암반 분류는 지보공법을 선정하고 굴착공법을 선정하며 굴진속도를 조절하는데도 큰 작용을 하게 됩니다.

3) 암반의 변위 허용 : 가축 지보재를 사용하여 암반의 변위를 일부 허용하여 지보합니다. 

3. 굴착공법의 종류

1) Long Bench Cut : 양호한 암질 굴착시 사용. 여기서 벤치컷이란 막장을 한번에 굴착하는게 아닌 조금씩 굴착하는 방식입니다. Long Bench, Short bench 이말은 1차로 굴착한 막장의 길이가 길면 long, 짧으면 short을 쓰는겁니다. 이렇게 long과 short 그리고 mini를 나누는 것은 암질이 좋을때는 더 많이 굴착하고 나서 2차 3차를 굴착하고 그렇지 않은경우에는 조금씩 굴진을 하기 때문입니다. 즉, 터널에서 가장 중요한 부분은 암질 토질의 조사와 판정이라고 불 수 있는겁니다.

2) Short Bench Cut : 보통의 암질에 대하여 사용하는 벤치컷 입니다.

3) Mini Bench Cut : 불량한 암질에 대하여 사용하는 벤치컷 입니다.

4) 측벽선진도갱 : 갱폭이 넓고 비교적 연약한 암질에 쓰입니다.

5) Ring Cut : 터널이  측벽 및 천단부를 먼저 굴착후에 지반 굴착합니다.

4. 굴착시 자유면 확보

1) 벤치컷 : 롱벤치, 숏벤치, 미니 벤치 등을 통해 계단 형태로 굴착을 합니다. 즉 한번에 굴착이 아닌 분할해서 굴착하는 방식입니다.

2) 심빼기(심발공) : V컷, 다이아몬드 컷, 번 컷 등으로 자유면을 확보합니다. 컷을 내는 이유는 암질이 불량하기 때문에 자유면을 좀 더 확보하여 안정적인 굴착을 하기 위해서 입니다. 연약한 암질의 경우 또는 지하수 유입이 예상되는 경우에 막장을 심빼기 하지 않으면 쉽게 붕괴의 위험이 있을수 있습니다.

5. 굴착시 보조공법

1) Fore polling : 막장면 안정을 위해 상향으로 강관을 설치하여 지반 안정 도모합니다. 막장면에 거의 수평에 가깝게 철근봉을 삽입하는데 시공이 간단하고 지보재 Rock Bolt에 지지하게 되는겁니다.

2) pipe roof : 지상 지표면에 도로등이 있을 경우 적용하는데요 비개착공법에 널이 적용됩니다. 하지만 자갈층, 전석층 존재시 시공이 어렵습니다.

3) 막장면 Shorcrte : 숏크리트를 분사하여 막장면을 보호합니다.

4) 막장면 Rockbolt : Rock bolt를 삽입하는 공법으로 Fore polling 지지역할을 겸용하기도 합니다.

6. 터널의 계측관리 

1) A계측 : Face mapping을 통하여 갱내를 관찰하고, 내공변위 측정, 천단침하 측정, 지표 침하를 측정합니다. Rock Bolt 인발을 통해 락볼트의 정착검사를 합니다.

2) B계측 : 숏크리트 응력측정을 통해 보강공법 변위를 파악하며 발파에 의한 터널의 거동과 암반 변위를 지중 변위계, 락볼트 축력계 지중 침하계 등으로 측정합니다. 또한 지하수위 측정계를 통하여 지하수위를 파악합니다.

3) Face Mapping : 막장면 용수, 지질등 육안 관찰하여 매일 보고서를 작성하게 됩니다. 풍화대나 연약한 지반 그리고 지하수 유입등이 있을경우 보조공법을 검토하며 굴착에 대한 공법도 동시 검토 해야 합니다.