< Previous터널 신기술 소개 108 자연,터널 그리고 지하공간 2.1 CFT 강관지보의 제작 다수의 용접부 형성으로 작업자 숙련도에 의하여 제품 품질의 차이가 발생되는 기존 격자지보의 문제점을 개선하기 위하여 용접부를 최소화한 CFT 강관지보는 직선의 강관을 자동화 설비로 밴딩을 하고 강관내부에 경량콘크리트를 충전 하여 제작한다. CFT 강관지보의 용접부는 간격재 시공을 위한 연결고리, 상반연결을 위한 소켓, 상하반지보간 연결을 위한 돌출형이음부로 구성되어 2차선 도로터널에 적용되는 강지보 기준으로 용접길이를 기존 격자지보의 24.2% 수준으 로 최소화 하였다. <그림 1> CFT 강관지보 제작 (a) 상반연결_이너소켓(b) 상반연결_보강소켓 (c) 상하반 연결_돌출형이음부(d) 연결고리 <그림 2> CFT 강관지보 용접부Vol. 23, No. 1 109 강관내부에 경량기포 모르타르를 충전한 터널용 강지보재 제작 및 시공방법 2016년 국도설계실무요령 개정기준에 의하면 강지보재의 연결체결부는 강지보재의 일반부와 동등이상의 강도를 가 져야 하며, CFT 강관지보는 연결부의 인장부재인 강재량을 일반부와 비교하여 동등이상으로 확보하였다. 상반부 연결 체결부는 소켓 삽입방식을 적용하였으며, 상· 하반 연결부는 돌출형이음부와 볼트를 병행하여 체결하는 방식을 적용하 였다. <표 1> 일반부 vs 연결체결부 강재량 비교 일반부(강관+보강철근)상반 연결체결부(이너 및 보강소켓)상하반 연결체결부(돌출형이음부+볼트) 강재량 A = 1,391mm2강재량 A = 1,945mm2 (일반부 대비 140%)강재량 A = 1,412mm2 (일반부 대비 102%) 2.2 CFT 강관지보의 시공성 강지보재가 시공되는 구간의 터널은 일반적으로 상·하반으로 분할 굴착되며 이로 인하여 강지보도 상반지보가 먼저 시공되고 일정한 기간 후에 하반지보가 시공된다. CFT 강관지보재의 시공순서는 기존 격자지보와 동일하며 시공순서는 아래 표와 같다. <표 2> CFT 강관지보 시공순서 1. 좌우측 강지보 연결2. 연결재 설치3. 숏크리트 타설터널 신기술 소개 110 자연,터널 그리고 지하공간 1단계는 차징카를 이용하여 좌· 우측 CFT 강관지보 거치 후 좌· 우측 지보간의 연결체결부를 소켓삽입방식으로 체결 한다. 2단계는 선 시공된 강지보재와 간격유지, 강지보 자립 및 일체화를 위하여 간격재를 설치한다. 시공방법은 기존 강지 보재와 동일한 방식으로 시공되며 연결고리의 숏크리트 막힘 현상을 최소화하고 강지보재 설치간격 허용오차를 기존기 술 대비 증가시켜 시공성을 향상시켰다. 기존기술인 격자지보는 강지보 설치 후 타설된 숏크리트에 의해 선 시공된 연결고리가 매몰되어 간격재 설치시 숏크 리트 제거에 0.5~5분 이상 소요되는 사례가 많은 반면 CFT 강관지보의 연결고리는 숏크리트에 의해 매몰되어도 연결고 리 내측에 삽입되어있는 보강철근을 흔들어 주는 방식으로도 숏크리트 제거가 용이하여 시공성이 향상된다. 마지막으로 강지보가 완전히 매립되도록 숏크리트를 타설하면 시공이 완료된다. CFT 강관 지보는 강관내부를 콘크리 트로 충전하여 제작하여 시공 시 현장에서 숏크리트 타설량이 감소되며 타설시 리반운드로 발생되는 건설폐기물도 감소 되어 친환경인 기술이다. CFT 강관지보는 제작시 강관내부에 콘크리트를 충전하여 제작하며 형상이 원형으로 1차타설시 강지보재가 완전히 숏 크리트에 매립되어 1차 타설 이후 강지보재와 숏크리트가 결합된 합성부재로 구조적 성능 확보가 가능하다(그림 3 참조). (a) CFT 강관지보 1차 타설 개요도 (b) 기존 격자지보 1차 타설 개요도 <그림 3> 강지보별 숏크리트 타설 개요 지보재 설치시간은 표준품셈과 신기술 품셈에 근거하여 터널 상반시공 기준으로 10분이 단축되어 CFT 강관지보재는 기존 격자지보에 비해 시공성을 25% 향상 시키었다(표 3 참조). <표 3> 지보재 설치 소요시간 작업종별 발파굴착 비고(하반) A군B군C군 CFT강관지보재지보설치15~2020~2530~3565% 일반격자지보 지보설치25~3030~4040~4565%Vol. 23, No. 1 111 강관내부에 경량기포 모르타르를 충전한 터널용 강지보재 제작 및 시공방법 3. 일반, 유사기술과의 비교 기존 강지보재 종류는 H형강지보, U형강지보, 격자지보(Lattice girder) 등이 있다. H형강지보의 제기되는 문제 해 결을 위한 대안으로 개발된 격자지보는 H형강지보와 비교하여 자중이 약 50% 이상 가벼워 운반 및 설치가 용이하고, 숏 크리트 타설시 타설 전방 및 좌우 측방으로 개방되어 있어 강지보재 형상에 의한 배면 공극이 없으며, 강지보재와 숏크 리트간의 구조적 일체화가 용이한 것으로 알려져 있다. 격자지보 종류로는 Φ30mm 강봉 1개, Φ20mm 강봉 2개, 스파이더철근으로 구성된 일반 격자지보, 일반 격자지보에 서 스파이더철근의 형태만 개량한 개량형 격자지보, Φ19mm 강봉 4개, 직각스트럽바 및 스파이더로 구성된 사각지보가 대표적이다. 이처럼 시공성 및 숏크리트와 결합성이 우수하며 배면 공극 없다는 장점으로 H형강지보를 대체하여 국내에서 1995년 부터 20년 이상 적용되고 있는 격자지보에 대한 시공실태 조사결과 크게 3가지 문제점이 확인되고 있다. (1) 다수의 인력용접에 의한 품질검증 곤란 격자지보는 3개 또는 4개의 강봉과 각각의 강봉을 연결해주는 스파이더 철근으로 구성되어 있으며, 1개의 스파이더철 근에는 최소 6지점 이상의 용접이 필요하다. 기존 격자지보의 모든 용접은 인력으로 제작되는 실정으로 2차선(터널둘레 23m) 도로터널 기준 격자지보 1조당 약 76개의 스파이더철근이 소요되어 456지점 이상의 용접이 필요하나 격자지보를 사용하는 터널현장에서 모든 용접부에 대한 품질 확인 및 관리가 현실적으로 곤란하여 일부 문제가 있는 지보재가 터널 공사에 사용되고 있는 실정이다. <그림 4> 격자지보 용점부 불량 실태 (2) 숏크리트 타설시 공극발생 숏크리트 타설시 H형강지보에 배면공극 형성에 대한 개선 방안으로 적용된 격자지보는 일반적으로 배면공극이 없는 것으로 알려져 있으나, 그림과 같이 숏크리트 타설시 하부의 2개의 강봉에 숏크리트가 급결되며 격자지보 중앙부에 공 극이 형성되고 있다. 내시경 카메라로 숏크리트에 포설된 격자지보 내부공간을 촬영한 화면이다.터널 신기술 소개 112 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 5> 격자지보 내부 공극 발생 또한, 기존 격자지보는 설치 시 자중으로 인한 1차 처짐이 발생되고, 타설되는 숏크리트가 굴착면과 격자지보에 일정 량 이상이 점착되면 점착된 숏크리트는 격자지보에 자중으로 전환되어 2차 처짐이 발생된다. 2차 처짐 발생시 굴착면과 숏크리트간이 이격되며 공극이 발생되고, 이 공극을 따라 지하수가 유입되어 누수의 원인이 되고 있다. <그림 6> 격자지보재 설치구간 누수발생 실태 (3) 연결체결부 설계기준 부적합 강지보재 설계기준으로는 2016년 국도건설공사 설계실무요령에 근거하여 ｢강지보재 연결체결부는 일반부와 동등이 상의 강도 등 구조설계기준을 만족하는 성능을 발휘하도록 하여야 한다.｣라고 되어 있으나, 휨강도 중요한 인장부재가 기존 격자지보는 일반부가 Φ30mm 강봉1개와 Φ20mm 강봉2개로 구성되어 강재단면적이 1,335mm 2인 반면 연결체결부 는 볼트(M20) 2개로 구성되어 강재단면적이 470mm2로 일반부 대비 35% 수준으로 일반부 대비 취약한 구조로 강지보 설계기준에 부적합 하다.Vol. 23, No. 1 113 강관내부에 경량기포 모르타르를 충전한 터널용 강지보재 제작 및 시공방법 4. 향후 활용가능분야 및 활용전망 CFT 강관지보는 터널공사에 적용 가능한 강지보재 제작 및 시공기술로 철도터널, 도로터널, 도수 및 여수로터널, 가배수 터널, 전력구, 수직구 등 여러 분야의 터널공사에 적용 가능하다. CFT 강관지보가 적용되는 터널공사가 매년 증가하고 있는 추세로 가격경쟁력과 성능이 향상된 장점으로 시장에서의 경쟁력은 확보한 것으로 판단된다. 또한 CFT 강관지보는 강관과 콘크리트가 합성된 부재로 기존의 유사기술을 가지고 있는 경쟁사들의 기술적인 접근이 곤란한 기술로 본 기술을 모방한 유사기술의 출현은 매우 낮을 것으로 전망된다. 현재까지 13개 터널현장에 시공되었고, 22개 설계에 반영되어 있는 상태이다. 5. 지식(산업)재산권 현황 신기술 890호에 적용된 지식재산권 현황은 표 4와 같다. <표 4> 신기술 890호 관련 지식재산권 현황 No특허명권리자등록번호(출원번호)키워드 1 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법 한국건설기술연구원10-1582905충전, 강지보재, 터널 2 NATM공법에서 1조의 추가전단보강부에 의한 강지보재 조인트부의 전단면적 부족분에 대한 전단보강구조 (주)티에스테크, (주)KCI, 케이에스엠기술(주), (주)건화, 남광토건(주), 금광기업(주), 10-2019-0106566 추가전단부, 강지보재, 전단보강구조 [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]인문학 산책 114 자연,터널 그리고 지하공간 우리나라는 지하공간이 많지 않다. 바위가 단단하여 터널을 만드는 게 쉽지 않았기 때문이다. 그러나 움과 같은 저장공간, 석빙고, 석굴암을 보면 지하공간에 대한 수준 높은 기술이 있었음을 알 수 있다. 우리나라에 만들어진 터널이나 지하공간은 그리 많지 않다. 신라 백제의 경계였던 나제통문이나 함경도 단천의 은 광, 경상남도 통영의 하저터널 등 몇몇 특이한 사례를 살펴볼 수 있지만 터널의 상징성이나 규모로 볼 때 다른 나라 와 비교하는 것은 의미가 없어 보인다. 우리나라는 지정학적 조건이나 자연환경으로 인해 터널이나 지하공간 활용에 소극적일 수밖에 없었다. 터널은 도로나 수로를 놓는 과정에서 부수적으로 만들어지는 경우가 많은데 오랜 세월 외부 침략에 시달려온 터라 길을 닦고 물길을 바꾸는 치도치수(治道治水)가 금기되었기 때문이다. 설사 길을 놓는다 해도 화강암을 뚫어 터널을 만든다는 것은 엄두도 내기 어려운 일이었다. 정약용은 목민심서에서 바위를 뜨겁게 달군 뒤 물로 식혀 깨내는 화흉법(火洶法)을 소개하고 있는데 이는 바위굴착 이 얼마나 어려운 일이었는지를 역설적으로 말해준다. 터널을 축조하는데 있어서는 이렇게 소극적이었지만 지하공간 을 활용하는데 있어서는 선인들의 지혜가 돋보이는 사례가 많이 남아 있다. 국가나 관청에서 여름철에 얼음을 사용하 기 위해 만든 석빙고는 삼국시대 이전까지 오랜 역사를 가지고 있으며, 민간에서도 지하공간은 실생활에 아주 요긴한 장소였다. 온도와 습도가 일정한 지하공간의 특성을 잘 활용한 새우젓 토굴1)이나 겨울철에 무나 김치를 저장하기 위해 1) 토굴에 곡식이나 건어물 등을 보관한 흔적은 삼국시대 이전으로 거슬러 올라가나 새우젓을 숙성시키거나 포도주 저장 삶의 지혜, 우리나라의 지하공간 김재성 (주)동명기술공단 부사장Vol. 23, No. 1 115 삶의 지혜, 우리나라의 지하공간 지하에 만드는 움이 이러한 예가 될 것이다. 석빙고 석빙고는 겨울에 강에서 채취한 얼음을 여름에 사용하기 위한 저장공간이다. 곡물이나 주류 보관을 위해 지하공간 을 활용한 사례는 많지만 얼음보관을 위해 지하공간을 활용한 것은 세계적으로 보기 드물다. 지하공간의 가장 두드러 진 잇점은 온도변화가 없다는 것인데 석빙고(石氷庫)는 바로 이러한 성질을 잘 활용한 사례다. 삼국유사에는 신라초기 노례왕(24~57년) 때 이미 석빙고를 만들었다는 기록이 있고 삼국사기에도 지증왕 6년(505년)에 석빙고를 만들었다는 기록이 나온다. 신라의 빙고전(氷庫典)은 석빙고를 관리하는 부서였으며 전문적으로 얼음을 잘라내 운반하고 수급하 는 빙부(氷夫)도 있었다. 서울에는 내빙고 동빙고 서빙고가 있었으며 경주 현풍 청도에도 아직 석빙고가 남아 있다. 석빙고의 규모는 10평에서 30평 정도로 다양하다. 돌을 다듬고 짓는 과정은 현대의 지하공간 축조과정과 크게 다르지 않았을 것이다. ① 적당한 깊이로 땅을 파고 배수가 잘 되도록 경사를 맞추어 바닥돌을 놓는다. ② 화강암을 잘라 만든 석재로 측벽을 만들고 물이 세지 않도록 석회로 마감한다. ③ 천장은 구조적으로 안정된 아치 형태로 쌓고 천장 중앙부에 배기구를 설치한다. ④ 흙을 충분히 덮고 잔디를 심어 외부기온과 햇빛의 복사열을 차단한다. 경주 석빙고(좌), 청도 석빙고(우) 고로 이용되는 광천지역의 토굴은 일제시대 군사용으로 만들어진 것이다. 이 일대에는 100~200m 내외의 토굴 약 40 개소가 있다. 인문학 산책 116 자연,터널 그리고 지하공간 석빙고 내벽은 동절기에 내려간 빙점이 여름철까지 지속될 수 있도록 두꺼운 화강암으로 만들었다. 얼음반출을 위 해 수시로 여닫는 출입구는 방향이나 두께 바람막이벽을 세심하게 배치하여 온도상승이 없도록 하였다. 내부시설을 보면 돌을 다듬고 정교하게 배치하는 장인의 손길이 보이는 듯하다. 아마도 오랜 세월 빙고를 만드는 과정에서 터득 한 기술이 장인을 통해 조선시대까지 전달되었을 것이다. 통영 해저터널 바다밑으로 길을 내려는 시도는 오래전부터 있었지만 실제 완성된 사례는 찾아보기 힘들다. 바빌론 시절 유프라 테스 강밑에 터널을 만들었다는 기록이 있으나 실물은 전 하지 않는다. 영불해협터널 역시 18세기부터 시도되었지만 완공된 것은 최근의 일이다. 그래서 1932년 완공된 통영 해저터널은 비록 일제강점기에 만들어졌지만 현존하는 최 초 해저터널이라고 볼 수 있다. 터널 길이는 483m로 통영 과 미륵도를 연결하기 위해 만들어졌다. 폭 5m, 높이 3.5m 로 차량통행도 가능하지만 현재는 보도용으로만 이용된다. 터널공사는 먼저 공사구간 주변에 흙을 쌓아 물을 막은 뒤 그 안에서 땅을 파고 콘크리트 구조물을 만드는 방법으로 이루어졌다. 규모는 작지만 조수간만이 큰 지형조건과 당시의 재료로 볼 때 쉽지 않은 공사였을 것이다. 나제통문 전북 무주에 있는 나제통문(羅濟通門)은 길이 40m의 작 은 터널이다. 지금은 높이 5m 너비 4m로 차도 다닐 수 있 지만 과거에는 사람이 겨우 다닐 수 있었다. 위치가 신라와 백제의 경계여서 나제통문이라고 불렸는데 지금도 터널 양 쪽 마을의 풍속과 말씨가 다르다. 삼국사기에는 이곳이 전 략적인 요충지이며 치열한 싸움이 벌어지던 곳이라고 기록 되어 있다. 터널이 언제 만들어졌는지는 정확히 알 수 없 다. 1910년 김천과 거창을 잇는 도로 2)를 내며 수레가 다닐 2) 1910년에 있었던 터널공사는 무주군청에서 발행한 적성지(赤城誌)에 기록되어 있다. 이 공사가 이전에 있었던 동굴을 확장한 것인지 새로 뚫은 것인지는 확실치 않다. 통영 해저터널 나제통문Vol. 23, No. 1 117 삶의 지혜, 우리나라의 지하공간 정도로 넓혔으며 1960년대에 지금과 같이 확장되었다. 지반은 화강암이지만 풍화상태가 심하고 자연적으로 벌어진 틈이나 절리가 많다. 이런 조건이라면 정이나 망치만으로도 충분히 뚫을 수 있었을 것으로 보인다. 천혜의 숙성 공간 숙성을 통해 만들어지는 김치 젓갈 등은 세계적으로 유명한 우리의 음식문화다. 광천이나 매천 등 충청도 지역에는 이렇게 음식 숙성에 이용되는 많은 토굴이 분포되어 있다. 이 지역에서 곡식이나 건어물을 동굴에 보관한 흔적은 삼 국시대 이전까지 거슬러 올라가지만 지금 이용되는 동굴은 거의 일제 강점기에 만들어진 것이다. 군수물자 보관을 위 해 팟던 동굴을 뒤에 음식숙성 공간으로 이용한 것이다. 가장 유명한 것은 광천의 새우젓 토굴과 매천의 포도주 저장 소가 있다. 광천에는 깊이가 100m가 넘는 동굴이 40여 곳이나 되는데 온도가 12°C 정도로 항상 일정하여 젓갈을 숙 성시키는데 안성맞춤이다. 동굴의 이러한 항온 항습 조건이 빛과 온도에 민감한 포도주 숙성에 유리하다는 것은 당연 하다. 매천에도 광천과 유사한 동굴이 90여개가 있는데 이곳은 포도주 숙성공간으로 이용되고 있다. 광천 새우젓동굴(좌), 매천 포도주 저장고(우) 광산터널 화강암이나 현무암이 많은 우리나라는 산을 뚫어 광물을 캐내는 게 매우 어렵다. 그럼에도 청동기 철기 유물이 그렇 게 많은 것을 보면 광물채굴이 적지 않았던 것으로 보인다. 노천에서 채굴하는 경우도 있었겠지만 땅을 파지 않으면 쉽게 얻을 수 없던 구리를 제련하여 놋그릇이나 유기재료로 널리 사용한 것만 봐도 그렇다. 우리나라에서 가장 오래 된 역사를 가지고 있는 구리광산은 함경남도에 있는 갑산광산(甲山鑛山)3)이다. 갑산의 원래 이름은 동점(銅店)으로 기 원전부터 황동석을 캐내 구리를 제련해 왔으며 고려 때까지 유일하게 구리를 생산한 것으로 알려져 있다4). 조선시대 3) 갑산의 동점령은 해발 1,891m로 매장량이 50만 톤이 넘는 북한 최대의 구리광산이다. 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