지하굴착공사의 안전대책

2005. 11.

머 리 말

국경 없는 무한경쟁시대를 맞이하여 우리나라 과학기술계 및 산

업체의 국제경쟁력강화가 초미의 국가적 과제로 대두되고 있습니

다. 창조적 지식이 다른 어떤 생산요소보다 큰 부가가치를 창출하

고, 경제적 혹은 사회적 풍요가 과학기술 지식을 얼마나 창의적으

로 활용할 수 있느냐에 달려있는 지식기반사회로의 빠른 변모가 필

요하게 되었습니다. 수년 내 1인당 국민소득 2만 불 시대를 지향하

고 있는 우리나라가 소기의 목적을 무리 없이 달성한 뒤 최강 경제

대국으로 도약하기 위해서는 창조적 국가전략기술의 육성 및 확산

의 뒷받침이 필수불가결한 여건이 될 것입니다.

이러한 우리의 사회적 요구 여건과, 어느덧 상당한 정도의 지식

기반사회가 우리 곁에 성큼 와 있는 우리나라의 현실에 박차를 가

할 목적으로 저희 한국과학기술정보연구원(KISTI)에서는 ‘첨단기

술정보 분석’ 업무를 수행하여 관련 산학연에 능동적으로 보급하고

있습니다. 이 분석업무는 과학기술부 과학기술진흥기금 출연 ‘원로

과학기술인 활용 지원사업’의 일환으로 수행되는 것으로, KISTI 전

문연구위원들의 오랜 연구개발 현장경험과 노하우를 바탕으로

한국과학기술정보연구원

원 장

KISTI의 방대한 첨단 과학기술정보를 분석하여 ‘전문가 제언’을 첨

부시킨 것입니다.

이번의 첨단기술정보분석보고서 60과제는 저희 연구원이 2005년

도에 수행한 ‘첨단기술정보 분석’ 결과물 중에서 각 기술분야별로

지식기반 산업사회를 선도해 나갈 수 있도록 목록을 재편집하여 작

성한 것으로, 각 ‘전문가 제언’에서 주장하는 내용은 각 분석자의

사견일 뿐 저희 연구원의 공식 견해가 아님을 밝혀둡니다.

2005년 12월

목 차

제 1 장 서 언 ······················································································1

제 2 장 터널건설공사현장 환기 ···························································3

제 3 장 연약 지반 대책의 역사와 전망 ··············································15

제 4 장 침매터널의 신형 가동성 이음매의 개발 ·······························27

제 5 장 불도저 설계상의 안전 대책 ··················································37

제 6 장 땅 밀림 지형에서 터널 갱구부의 시공 ·································47

제 7 장 정보화 시공을 활용한 차세대 건설 시스템 ··························57

제 8 장 토목의 신기술 - 3H공법 ····················································67

제 9 장 그레이더를 사용한 정보화 시공 ···········································77

제10장 터널 갱구 소음의 예측과 대책 ·············································87

제1장 서 언 1

제 1장

서 언

□ 건설산업은 다른 산업보다 작업공정이 다양하고 복잡하며 작

업환경의 변화가 심하다. 또한 인력에 의존하는 공종이 많기

때문에 각종 사고에 의한 인명피해 등의 재해발생률이 높은

편이다. 예를 들면 2003년도 건설산업현장에서 발생한 사망자

는 441인으로 전체 산업현장 사망자의 41.9%에 달한다. 시공

중인 고층건물의 붕괴사고, 지하철공사나 터널굴착 현장의 토

석 붕락사고, 심초공사 현장의 붕괴, 지하구조물의 붕괴사고,

건설현장에 동원된 중장비나 운반기기에 의한 사고 등 안전

사고가 빈발하고 있다.

□ 상하수도의 정비, 전력선, 가스 공급관 등의 지하공동구 설치,

지하 교통수단의 확충, 지하공간의 활용 확대 등 지하굴착을

필요로 하는 공사가 증가할 전망이다. 지하 깊은 곳에서 공사

를 수행하므로 수압을 견디는 지수대책, 토압을 지탱해야 하

는 공법, 암반의 돌발적인 붕락 및 붕괴, 환기대책, 좁은 공간

에서 발생할 수 있는 각종 중장비 및 굴착장비에 의한 사고

2 지하 굴착공사의 안전대책

등 안전대책이 필요하다.

□ 안전관리의 기본은 현장소장의 강력한 지도력과 모든 현장종

사원의 안전활동 참가이다. 또한 시공체계를 정비하여 각자의

시공범위에 대한 안전 확보와 안전관리에 대한 책임소재를

명확히 하는 것이다. 특히 지하굴착공사의 안전을 위해서는

고정도 쉴드굴착기의 도입 및 개발, 고수압에 대응할 수 있는

지수성 확보기술, 토압에 견딜 수 있는 흙막이 대책, 시시각각

발생하는 크고 작은 사고에 신속히 대처할 수 있는 보조기계,

기구, 장비의 개발이 필요하다.

제2장 터널건설공사현장 환기 3

제 2 장

터널건설공사현장 환기1)

1. 기술의 개요

□ 굴착 중의 산악 터널 중에는 다량의 분진이 칼날 부근에 발생

한다. 굴착시의 분진발생원으로서는 발파나 중기에 의한 굴

착, 파낸 흙 처리, 근년에 보급되어 있는 NATM공법의 콘크

리트 도색작업 등이다. 이 결과로서 생기는 고농도의 분진에

의한 터널내의 공기오염은 작업능률의 저하는 말할 것도 없

고, 진폐(塵肺)의 원인이 되는 등 작업자의 건강면에서 보면

큰 문제가 되고 있다. 분진 이외의 발파 후 가스, 갱내 차량의

배기가스, 콘크리트 분무에 의한 유해가스등의 발생도 있으

나, 분진에는 가스에 비하여 환경기준과의 비교에서는 농도가

두드러지게 높게 되어 있어서, 분진대책의 우선순위가 매우

높은 상태이다. 작업자에 대한 분진의 노출을 저감하기 위해

서는 분진의 발산을 방지하는 발생원대책, 환기대책, 호흡기

용 보호구의 사용, 노동위생 교육을 편성하여 총합적으로 실

1) 본문은 “古内正美 等, トンネル建設工事現場における換氣,「空氣淸淨」, 41(5),

2004, pp. 360～365”을 김종명 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.

4 지하 굴착공사의 안전대책

시할 필요가 있다. 이 중에서 갱내의 분진의 농도를 저감하기

위한 대책으로서는 터널 바깥으로부터 신선한 공기를 칼날

부근으로 송입하여 환기하는 방법이 널리 채용되어, 일정한

효과를 거두고 있다.

□ 여기서는, 공사 중 터널내의 분진농도 측정의 현상과 산악터

널건설공사현장에서 채용되고 있는 환기장치를 분류하여 그

특성, 용도를 개설한다. 또한, 저자 등이 산악터널 굴착 작업

중의 칼날 부근에 관하여, 환기방식, 환기량, 풍관의 배치, 중

기 등 장애물의 존재가 환기의 기류, 분진농도분포 들 분진

의 거동에 미치는 영향, 건설재해방지 지침에 근거한 작업환

경평가의 타당성을 수치로 모의시험에 의해 검토한 결과를

속한다.

２. 기술의 내용

□ 굴착 중 산악터널내의 분진농도 측정지침.

○ 지금까지 터널건설공사에 있어서의 분진측정은, 건설업노

동재해방지협회의 “지하공사에 있어서의 분진측정의 지침”

(1986년 11월)(이하 “건재방지침”이라 칭함)에 근거하여 행하

였다. 이 건재방지침에서는 측정시기(공사개시시, 정기 및 수

시)나 측정 점 개수(6개), 측정점 위치(칼날에서 5, 15, 25m,

단면방향병행 등분할), 측정 점 높이(상상(床上)0.5～1.5m), 측

제2장 터널건설공사현장 환기 5

정 장치(분진계의종류)등이 정해져있어, 측정분진농도의 기하

평균과 기하표준편차에 근거한 값을 관리목표치와 비교하여

평가하는 것으로 하고 있다.

○ 많은 작업현장에서는, 기 건재방지침에 의한 분진농도측정을

하고 관리목표치와 대조하여 작업환경을 관리하여 왔다. 2001

년4월에는 후생노동성의 “수도 등 건설공사에 있어서의 가이

드라인”(이하 가이드라인)이 제정되어 있어, 현재는 가이드라

인에 따른 것과 같은 관리를 하는 것이 의무화되고 있다. 가

이드라인에서는, 분진측정은 칼날에서 갱구를 향하여 50m의

위치에 있는 단면에 있어서, 상상 0.5～1.5m와 같은 높이에서,

각각의 측벽에서 1m 이상 이격된 점, 및 중앙의 점의 3점에

행하도록 간략화 되어 있다. 또한, 분진 측정 시기는 반월(半

月) 이내 마다 1회정기적으로 하도록 정해져있다.

□ 터널의 환기방법 : 갱내의 분진의 농도를 저감하기위한 방법

은, 풍량의 크기, 환기기류의 통로의 관점에서, (1)풍관 환기

법, (2)갱도 환기법으로 대별된다. 또한, 이것 이외에도 집진

기를 쓰는 방법도 채용되어 있으나, 통상은 풍관환기법과 병

용하고 있다.

○ 풍관 환기법.

- 송기식 : 터널천정 부근에 연이은 풍관에서 청정공기를 칼

날 방향으로 송출하고, 함진 공기는 갱내를 통하여 갱구에

6 지하 굴착공사의 안전대책

서 배출된다. 1,000m이하의 짧은 터널이나 터널굴착 초기

단계에서 사용하는 일이 많다. 이것은 풍관이 길게 되면

누풍과 압력손실이 증가하여 칼날에서의 분진의 희석능력

이 저하하기 때문이다. 또한, 설치비용이 낮은 반면에 환

기효율이 그것 보다 높지 않다. 또한 갱도가 칼날로 인해

발생된 분진 뿐 만이 아니라, 주행 중의 차량의 배기가스

가 가해진 오염공기의 통로로 되어 터널전체에 오염이 확

대되는 문제가 있다.

- 배기식 : 터널연장이 길어지면, 칼날부근의 오염공기를 배

기 팬(fan)으로 흡인하여 배기하는 배기방식이 주류가 된

다. 배기팬이 칼날 근처에 설치되는 경우 풍관 내 압력은

양압(positive pressure)으로 되기 때문에 연질관이 사용될

수 있지만, 팬을 갱구에 설치하는 경우에는 부압으로 되어

서 경질관을 사용할 필요가 있다. 배기방식에서는 갱구로

유입되는 신선한 공기도 갱내를 주행하는 차량이 배출하

는 가스도 전부 합쳐져 칼날까지 도달하기 때문에, 충분한

희석을 얻을 수 없는 경우가 있다. 또한, 풍관내의 공기는

오염에 관계된다. 배기식에서는, 국소배기팬이나 용량을

크게 한 송풍팬을 설치하여 배기를 효율화하는 송배기조

합 방식등도 포함된다.

- 송배기식 : 배기식에서는 청정공기가 칼날면에 공급되지

않지만, 외기를 공급하는 송기관과 배기관을 조합하는 방

법이 있다. 이와 같은 방식은 배기식 또는 송배기병용식이

라 부른다. 칼날근방에서 청정공기의 공급과 오염공기의

제2장 터널건설공사현장 환기 7

배출이 동시에 되기 때문에 환기효율이 높은 것으로 되어

있으나, 대형 설비로 되어서 설치비가 높은 것이 단점이

다. 또한, 송배기의 풍관배치에 따라서 환기상태가 크게

변하여 적절한 배치를 고려할 필요가 있다. 송기량보다 배

기량이 적으면, 배기구에서 갱구의 구간에 오염공기가 체

류하는 위험이 있다.

- 집진방식 : 풍관환기법은 어느 방법이든 오염된 공기를 갱

도 밖으로 배출하기 때문에, 인근 주민이나 농작물의 피해

등의 터널외부의 환경에의 영향을 피할 수 없다. 또한, 환

기방식에 있어서 연질풍관으로부터의 누풍은 갱내공기의

오염을 가져오는 등 터널내외에서 공지정화가 불충분한

장소가 반드시 발생한다. 칼날 부근에 집진기를 설치하여

발생한 분진을 제거하면, 직접적인 농도저감을 행한다. 풍

관환기와 조합하여 터널선단부근에 대형 집진기를 설치하

여 칼날에서 발생한 분진을 제거하고서 갱외로 배출하는

방법을 선단집진방식이라 부르고, 칼날에서 확산된 분진

을 집진기로 집중시켜 집진하는 일은 특히 터널단면이 큰

경우에 어렵게 된다.

○ 갱도환기법

- 굴착단면 100m2 전후의 디젤차량을 사용하는 터널공사에서

환기를 하는 경우에는, 풍관방식으로는 1,000～2,000m3/min

정도의 콘트롤팬, 직경 1,000～1,700mm정도의 풍관으로 되

어, 매우 대형의 설비를 필요로 한다. 2,000m를 초과하는

8 지하 굴착공사의 안전대책

길이의 터널에서는 압력손실, 바람에 의해 이 환기량을 유

지하는 것이 어려우므로, 피난갱이나 환기입갱, TBM선진

갱 또는 터널천정에 설치한 가설천정과 천정 간의 상부 아

치부를 이용한 대풍량 환기를 하는 일이 있다.

- 피난갱이 있는 터널, 가설환기 입갱설비가 가능한 터널에

서는 환경을 중요시하는 면에서 채용사례가 늘고 있다. 또

한 TBM갱을 배기구로 하고 송기방식으로 외기를 공급하

는 곳에서 극히 양호한 작업환경이 실현되어, 작업환경개

선의 목적에는 집진기도 불필요하게 된다.

□ 송기식 및 배기식 풍관사용시의 분진농도분포의 수치해석에

의한 검토

○ 수치해석수법과 계산모델

- 풍관환기법의 환기특성에 미치는 환기방식, 풍관배치의 영

향을 검토하기 위하여, 터널내의 기류와 칼날에서 발생하

는 분진의 확산, 입자운동궤적의 수치해석을 한 결과도 소

개되었다. 해석에 사용된 모델의 개략에서 굴착중의 고속

도로용 편측2차선 터널은 거의 같은 치수, 구조를 가지는

횡갱이나 벤치가 없는 수평터널을 계산모델로 하고 있다.

또한, 검토된 풍관설치장치의 위치도 나타낸다.

- 해석에는 범용 유체해석 소프트웨어(Fluent ver.5.2)를

사용하였다. 계산조건과 송기유량도 나타내었으며, 실제의

터널의 환기유량 (송기량 1,700m3/min, 배기량 2,200m

3/min)

제2장 터널건설공사현장 환기 9

에 상대적인 유량비Q*로 나타낸다.

○ 분진농도분포에 미치는 환기방식과 풍관배치의 영향

- 함진공기를 공기와 같은 밀도의 연속체에 근사시켜, 칼날

에서 발생한 분진의 농도분포를 체류확산방정식에 근거하

여 해석하였다. 송기식, 송배기식I, 송배기식II, 및 송배기

식III,에 있어서의 칼날근방의 유적선(流跡線)을 나타낸다.

송기구에서 공급된 청정공기는 칼날 방향으로 향하든가

칼날 면 근처에서 반전하여, 갱구 또는 배기구로 향한다.

칼날-송기구 간을 선회하는 과류(過流)가 발생되어 있어,

그 상항은 배기방식, 풍관배치에서 상이하다.

- 터널 중심축에 연한 수직방향단면의 분진농도분포를 보면,

송기식은 송배기식에 비해 전체적으로 분진농도가 높고,

특히 천정부근의 고농도영역이 넓게 되어 있다.

○ 분진입자의 운동궤적

- 디젤배기입자와 같은 극미소한 것에서부터 NATM공법에

있어서의 분무 콘크리트 중에 함유된 100 μm를 초과하는

것 까지 굴착중의 산악터널은 여러 크기의 입자가 발생되

고 있음을 근거로 하여, 입경을 고려한 입자운동의 해석도

하였다.

- 지하수의 솟아나옴으로 터널벽은 누설되고 있는 경우가

많고, 벽면의 콘크리트보강의 진행상항에 따라서, 내벽전

면 또는 상면(床面)만이 누출되고 있는 것으로 보이는 등

10 지하 굴착공사의 안전대책

여러 가지 경우가 고려되어, 벽면의 누출상항은 입자의 침

착. 재비산에 영향을 받고 있어서 입자운동에 관한 터널벽

면의 경계조건으로서, 칼날면을 완전반사벽으로 하여 위

에서 (1) 터널벽전면침착, (2) 터널상면(床面)침착의 두 가

지의 경우를 검토하였다.

- 입자운동궤적의 계산결과를 나타내었으며, Dp=100 μm의

입자는 중력. 관성의 영향이 크고, 칼날면 근방에 침착한

다. 10μm이하의 입자는 기류에 따라 운동하고, 대부분은

배기구를 향하지만, 일부는 과류(過流)의 영향을 받아서

칼날-송기구 사이에서 체류한다. 입경에 의한 운동의 상

이함과 벽면으로의 침착을 고려하는 경우, 발생입자 중 터

널 밖으로 배출되는 입자의 개수비 C/Co(Co : 발생입자개

수, C : 배출입자개수)를 나타낸다. 침착조건, 환기방식, 풍

관위치에 관계없이, 10μm를 초과하는 입자는 풍관, 갱구

에서 거의 배출되지 않아서, 주로 폐심부에 흡인되기 쉬운

미소입자가 작업공간 내에 체류하고 만다. 이와 같이, 입

자농도에는 기류상항 및 입자경과 벽면침착 조건이 크게

영향을 미친다.

○ 건설재해방지 지침에 의한 측정농도와의 비교

- 검재방지침(측정점개수: 6개, 측정점위치 : 칼날보다 5, 10,

20 cm에서 담면방향형행 등 분할, 측정점 높이 : 상상(床上)

0.5～1.5 m)에 따른 분진농도의 기하평균치와 환기량의 관

계를 나타내었다. 송기식에서는 어느 환기량에서도 농도

제2장 터널건설공사현장 환기 11

는 별로 변하지 않으나, 송배기식에서는 환기량에 따라서

감소한다. 그러나 그 경향은 단순하지 않고 환기방식에 따

라서는 환기량 증가가 농도를 상승시키고 있다. 이것은 환

기량의 증가는 분진을 희석하는 것만이 아니라, 놀랍게도

칼날 근방에서의 기류의 난류현상을 크게 하기 때문에 최

적의 환기량이 존재한다고 본다.

- 작업준의 사람의 키높이(상면에서 높이 1.5m)에서 본 터널

축 방향의 분진농도 분포를 나타내었고, 칼날면의 최대농

도에서 갱도를 향하여 농도가 감소하지만, 송기구에서 환

기구의 사이에 농도가 거의 일정한 영역이 있음에 주목한

다. 송기구～칼날 사이에서는 송기구측에서 농도가 높다.

칼날에 가장 가까운 곳의 농도는 평균농도에서 정화하기

가 어렵다. 그러나 칼날근처에서의 측정은 NATM등의 작

업중에 좁은 영역에 측정자가 들어가기가 위험하기 때문

에 안전한 측정법을 고려할 필요가 있다. 송기구～환기구

사이의 농도는 거의 일정하여 측정장소나 안전성을 확보

하기도 용이하여, 건재방지침에 의한 평균농도 보다 낮은

때문에, 여기서 농도를 측정하면 안전부위에서의 칼날 부

근의 환기상태를 감시할 수 있다.

3. 결 론

□ 터널 공사 중 작업환경은 여러 가지 연구에 의해 매우 개선되

는 방향으로 근접하고 있으나, 어찌하든 오염구간과 청정구간

12 지하 굴착공사의 안전대책

의 명확한 구분이 하나의 방향성으로 되어있음은 거의 틀림

이 없다.

□ 이 때문에, 지금까지 실현되고 있는 방법이 반전기류와 집진

기의 병용, 갱도환기 등이지만, 그 이외에도 칼날부근에 오염

구간을 한정하기위한 이동식 격벽과 같은 것이 해결책의 하

나로 되는 지도 모른다. 이것과 동시에 DEP장착 차량의 사용,

외부에 오염을 배출하지 않고 주변 환경에의 영향을 최소화

하기 위한 방책도 중요한 과제라고 생각한다.

◃전문가 제언▹

□ 여기서 논의된 터널공사현장의 환기방식은 풍관환기법과 갱

도환기법이고, 풍관환기법에는 다시 송기식, 배기식, 송배기

식, 집진식으로 구분하여 설명하고, 결론에서는 오염구간과

청정구간의 명확한 구분을 이루는 방향으로 나아가는 추세라

고 설명한다.

□ 오염방지원칙에는 오염공기 최소한으로 국소배기(Local

Exhaustive Ventilation, LEV)하여 포집된 가스(공기)는 완

벽하게 처리하여 다시 대기 중으로 배출하는 것인바, 이 중에

서 첫 번째로 중요한 것은 국소배기이고 두 번째가 포집한 가

스의 처리이다. 현장에서 오염된 공기만을 어떻게 잘 포집하

느냐가 관건인데, 칼날 부근에서 배출되는 오염물질에 대해서

제2장 터널건설공사현장 환기 13

는 그리 어려움이 없다. 적절한 국소배기방법, 즉 Canopy,

Enclosure, 등 현장 상황에 따라 가장 적절한 형태를 선택할

수 있는 방법이 이미 존재하고 이 것을 풍관환기로 처리하면

되기 때문이다. 다만, 작업중 주행하는 차량에서 배기되는 오

염물질이 문제가 되고, 이 것 때문에 송기식이냐, 배기식이냐,

송배기식이냐를 가리게 되는바, 이것은 기류에 관한 연구가

되어 있으니까 그 실태를 보고 선택해야한다.

□ 다음에 포집된 가스(공기)를 처리하느냐의 여부는 부근의 여

건을 감안하여 처리하되, 대부분의 겨우 처리하는 것을 원칙

으로 한다.

제3장 연약 지반 대책의 역사와 전망 15

제 3 장

연약 지반 대책의 역사와 전망2)

1. 기술의 개요

□ 일반적으로 연질점토, 실트, 유기질토 혹은 부드러운 사질토

등의 토층으로 구성된 지반이 연약 지반에 해당하는 것이 많

다. 여러 가지 문제에는 지반 지지력, 변형, 토압, 투수성, 액

상화 등이 있다. 대책은 적절한 구조물의 형식 선정에 의한

외력 저감, 적절한 기초 형식의 선정에 의한 연약층의 회피,

재하 속도의 저감, 지반 개량의 적용이 포함된다.

□ 건설 공사장 주변에 허용할 수 없는 영향(진동, 변형)을 미친

다고 보여 지는 경우에 영향을 최소화하기 위하여 연약 지반

에 대한 처리 방법을 적용한 대책을 마련하는 일이 많다.

2) 본문은 “寺師昌明, 軟弱地盤對策の歷史と展望,「土木技術」, 59(8), 2004, pp. 23～

32”을 신희덕 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.

16 지하 굴착공사의 안전대책

2. 연약 지반 대책의 발달을 촉진한 계기

□ 오늘날 넘쳐날 정도의 연약 지반 대책 방법이 있어서 오히려

선정에 곤란을 겪을 정도이다. 그러나 1925년경까지 오랜 기

간 연약 지반에 조우한 경우에 취하는 수단은 한정되어 있고,

연약층을 파일로 처리하거나 연약층을 잡석 등으로 강제 치

환 혹은 표토의 고화 등이 고작이다.

□ 일본은 제2차 대전 후 건설 업계는 반세기에 걸쳐 전후 부흥,

임해공업단지의 중후 장대 산업의 유도, 고도 성장기의 인프

라 정비, 끊임없이 국토를 엄습한 자연 재해에 대한 방호 등

의 건설 프로젝트에 기여했고 이들 프로젝트는 가끔 연약 지

반에서 수행해야 하는 경우가 많아 연약지반 대책 기술이 발

전하게 되었다.

□ 1964년의 Nigata 지진은 부드러운 모래의 액상화가 커다란 문

제라는 교훈을 주었고, 1970년대 후반부터의 액상화 대책 기

술 개발로 이어졌다. 한편으로는 고도 성장기의 급속 시공으

로의 필요성은 즉효성이 있는 지반 개량 기술로 다짐모래말

뚝(Sand Compaction Pile ; SCP)공법과 심층혼합 처리 공법

이라는 일본 자체 기술의 발전을 촉진하게 되었다.

□ 최근 부각되고 있는 토양 오염 및 폐기물 처분에 관한 지반

대책에는 지반 특성을 역학적으로 개선하는 종래의 시점과

제3장 연약 지반 대책의 역사와 전망 17

달리 유해 물질의 투입이나 경로 차단, 보다 적극적으로는 고

화․안정화 기능을 지반 개량 기술에 요구되고 있다

□ 이와 같이 시대에 따라 변화의 필요성이 큰 기술 개발의 흐름

을 체계적으로 정리하면 이후에도 연약 지반에 대한 기술 수

요는 변화를 거듭하고, 그에 대응한 기술 개발이 필요할 것으

로 생각된다.

□ 기술 개발의 배경에는 항상 새로운 기계 기술이 받쳐 주고, 계

측 및 관리 기술의 진보, 마이크로컴퓨터의 도입, 지오텍스타

일(Geotextile) 등 새로운 토목 재료의 도입과 주변 기술의 지

원이 있었다.

□ 이와 같이 연약 지반 대책 기술 발달의 계기는 여러 가지 관

점에서 조망해 볼 수 있으나, 진위야 어떻든 시대에 따라 변

천하는 현장의 요구가 개발 목표를 유발하고 프로젝트에 종

사하는 기술자의 의욕으로 개발이 촉진되었다. 또한 토목뿐만

아니라 주변 기술을 종합한 가운데 연약 지반 대책 기술은 발

전되어 왔다.

3. 다양한 연약 지반 대책 기술

□ 지반 개량 공법은 여러 가지로 분류되는데 대개 다음과 같이

5가지로 대별하고 있다. 즉 제1부류는 표층 개량이다. 이것은

18 지하 굴착공사의 안전대책

연약 지반에서는 가끔 시공 기계 도입도 뜻대로 되지 않으므

로 주행성(Trafficability)의 확보가 선결 문제이다. 제2부류는

문제를 야기하는 연약층을 강제적 혹은 굴삭으로 제거한 후

양질의 재료로 교체하는 것이다. 제3부류는 연약 층 그 자체

의 개량으로 심층 개량(혹은 원위치 개량)이라는 말로도 표현

된다.

□ 제4부류는 반드시 해당 개소의 지반 재료로 제한하지 않지만

지반 재료를 다른 장소에서 개량한 후 되돌려지는 방법이다.

제5부류는 인장과 힘에 대하여 흙과는 차원이 다른 특성을 갖

는 재료를 지반에 도입하여 보강하는 공법이다.

4. 대표적인 공법의 발전사

□ 압밀 배수 공법(壓密排水工法)

○ 점성토지반에는 구조물의 중량에 필적 또는 능가하는 하중을

지반에 가하여 압밀을 종료하는 것이 대책의 기본이다. 전술

한 바와 같이 대책이 필요한 연약 지반에 그러한 하중을 성토

(盛土)로 한꺼번에 싣는 것은 불가능하고 단계적으로 재하(載

荷)한다.

○ 연약층이 두꺼우면 압밀에 장기간이 소요되고 공기의 관점에

서도 현실적이라 할 수 없어서 압밀을 촉진하는 보조 공법이

제3장 연약 지반 대책의 역사와 전망 19

필요하다. 대표적인 방법이 지반 중에 인위적으로 연직 배수

층(Vertical Drain)을 설치하는 것이다.

○ 진공 압밀 공법은 원리적으로는 극히 유효한 방법으로 1970년

대 중반에 각처에서 시도되었다. 그러나 지반의 표층을 잘 밀

폐하지 않으면 효과가 반감되고 압밀이 진행되는 사이에 진공

도가 보지되지 않으면 안 되는 점 등의 기술적인 문제로 본격

적인 적용에는 이르지 않았다. 그러나 다시 관심이 집중되는

경향이고 일본, 중국, 미국에서 실용화 시험이 재개되고 있다.

○ 버티컬 드레인의 최근 대규모 적용 사례로는 매우 연약한 준

설점토에 의한 토지 조성을 들 수 있다. Haneda Airport(동경

국제공항)의 해안 확장 사업과 신 Kitakyushu(新北九州) 공

항 건설 등에서 그 사례를 볼 수 있는데 이곳에는 초연약형

매립 지반의 압밀 촉진을 시행하고 있다.

□ 다짐 공법

○ 부드러운 모래 지반의 밀도 강화를 도모하는 공법으로는 여러

가지가 있으나 여기서는 SCP 공법에 대하여 소개한다.

○ SCP 공법은 샌드 드레인과 마찬가지로 지반 중에 샌드 파일

을 조성하는 것인데 조성 중에 진동 에너지를 주어 샌드 파일

을 다지는 것이 특징이다. 현재는 여러 가지로 변형되어 있는

20 지하 굴착공사의 안전대책

데, 처음에는 연질 모래 지반의 콤팩션을 목적으로 일본의 F

건설사가 개발한 것이다.

○ 연질 모래 지반의 콤팩션을 목적으로 한 적용에는 샌드 파일

의 압입 효과와 진동 효과로 샌드 파일뿐만 아니라 파일 사이

의 지반 밀도 증가도 도모할 수 있다.

○ SCP 공법의 점성토지반에의 적용에서는 콤팩션된 샌드 파일

에 의한 지반 보강 효과와 샌드 파일에 의한 압밀 배수 효과

(壓密排水效果)를 모두 기대할 수 있다. 연약 지반에는 연질

사층과 점토층이 공존하는 일이 많은데 단일 공법으로 이 양

자를 대응할 수 있는 이점이 있다.

□ 고화 공법(固化工法)

○ 심층 혼합 처리 공법

- 환경 보전 및 급속 시공이라는 시대적 요구에 따라 지금까

지 많이 사용된 지반 개량 공법의 한계가 예견된 1960

년대 말에 항만기술연구소의 주도로 심층 혼합 처리 공법

(Cement Deep Mixing ; CDM)이 연구되기 시작하였다.

- CDM 공법은 대상 토질을 선택하지 않고 소요 강도를 단

기간에 달성할 수 있다. 또한 재래 공법에 비해서 소음․

진동이 적은 등의 이점을 배경으로 해저 지반 개량을 목표

로 하여 개발한 CDM 공법은 육상 공사에도 널리 이용되

제3장 연약 지반 대책의 역사와 전망 21

어 용도도 확대일로에 있다.

○ 화학적 지반 개량 기술의 다면적 활용

- 사전 혼합 처리 공법은 사질토로 매립지의 액상화 대책을

매립 완료후가 아닌 매립 과정에 실시하는 것이다. 사질토

에 미량의 시멘트를 첨가하면 점착력을 부여하게 되어 액

상화 저항이 현저하게 높아지고 동시에 지지력 증대와 토

압 저감을 기대할 수 있다.

- 관중 혼합 처리 공법은 사전 혼합 처리 공법의 점성토판에

서 점성토로 인한 매립 지침 하 및 안전에 관련한 대책을

매립 후가 아닌 매립 과정에 시행하는 것이다. 준설토를

공기 압송 시에 관내에 시멘트계 고화제를 첨가하여 관내

에서 일어나는 난류 효과로 준설점토와 안정제를 교반 혼

합하여 처리토로 매립지에 배출하는 공법이다.

- 경량 혼합토 공법은 점토 슬러리와 기포, 혹은 발포비즈를

혼합하고 이어서 시멘트를 혼합함으로써 경량이고도 소요

강도를 갖는 토질재료를 만들어내는 것이다. 호안제(護岸

堤)의 충전용으로 사용하면 중량감과 안정 처리에 의한 전

단 강도의 상승 효과로 토압 저감을 도모할 수 있다.

22 지하 굴착공사의 안전대책

5. 지반 개량 기술의 장래 전망

□ 코스트 저감

○ 하드한 기술로는 보다 더 시공의 효율화를, 소프트한 기술로

는 설계법의 개선이 요구된다.

□ 유지 보수, 기술 혁신

○ 신규 건설이 정체하면 기존 인프라의 유지 보수 및 기존 부적

격 지반의 개량을 향한 지반 개량 기술의 개발이 필요하다.

□ 도시 토목

○ 향후 도시 재개발에는 기존 시설의 기초를 유효 활용하는 것

이 과제의 하나이고, 성능 향상을 위한 지반 개량이 중요하게

될 것이다. 또한 근접 시공에서의 주변에의 영향 저감도 과제

에 속한다.

□ 자원 절약에의 종합적 연구 개발

○ 건설에 필요한 흙은 자연을 파괴하지 않도록 현장 채취는 최

소화하도록 하고, 수상 운반이 계속되는 한 계속적으로 발생

하는 항로 및 선박 정박지의 준설토사를 활용하는 기술 개발

제3장 연약 지반 대책의 역사와 전망 23

은 금후에도 중요시 된다.

○ 준설토사로부터 모래를 분리하여 별도로 활용하는 기술, 준설

점토를 강제적으로 탈수․고화하여 토목 재료로 이용하는 기

술 등 여러 가지 기술의 개발이 추진되고 있다.

□ 품질 보증

○ 지반 개량의 국제적 추세에 따라 지반 개량의 설계․시공에도

품질보증은 물론 개량 지반의 성능 표시가 필요해지게 되었

다. 이러한 흐름 하에 Japan Architecture Center는 심층 혼합

처리 공법을 대상으로 품질 관리 지침을 발행하였다.

○ 다양한 화학적 지반 개량 공법으로 개발의 선두에 섰던 심층

혼합 처리법은 초기 시공 후 30년이 경과되었고, 그에 대한

안정 처리토의 장기 강도와 내구성 확인이 추진되고 있다.

◃전문가 제언▹

□ 연약 지반 처리 공법은 국토 활용이 확대되면서 중요성이 증대

되고 있다. 삼면이 바다인 우리나라는 바다 매립지와 같은 연

약 지반을 개척해 국토로 활용하는 국책 사업이 추진되어 왔

다. 그런데 연약 지반은 대형건설 공사를 하기에 앞서 지반 속

에 있는 수분을 제거하는 기술에 집중되어 왔다고 할 수 있다.

24 지하 굴착공사의 안전대책

□ 일반적으로 연약 지반 개량을 위한 연직 배수 공법으로 샌드

드레인 공법이 적용되어 왔다. 배수 재료로 사용되는 천연골

재인 모래 수급의 어려움과 모래 채취에 따른 자연생태계 파

괴 문제 등으로 현재는 플라스틱 드레인 공법이 주로 사용되

고 있다. 그러나 이 공법은 배수재의 재질이 PE, PP, PET 등

의 석유 화학 제품으로 지반 개량재로의 역할이 종료된 후에

도 분해되지 않고 반영구적으로 지반에 남아 환경 악영향 및

피해의 우려가 있다.

□ 대체 수단으로 연약 지반 개량 공사의 친환경 배수재인 야자

코어, 천연섬유 배수재, 볏짚의 인장 강도를 조사한 결과에 의

하면 기존 배수재의 인장 강도 기준을 만족시키는 것으로 보

고되어, 향후 토양 환경 보전을 위해 적용, 활용 및 개선해 나

가야 할 것이다.

□ 우리나라는 POSCO 광양제철소 부지 공사, 인천국제공항 연

약 지반 개량 공사, 부산 신항만 건설 공사 등 대형 공사를 시

공한 실적이 있어서 어느 정도 기술이 축적되어 있으나, 연약

지반은 장기간에 걸쳐 침하 혹은 변형되는 사례가 있으므로

세계 최고 수준의 기술을 확립하여 보유할 수 있도록 더욱 연

마할 필요가 있다고 하겠다.

□ 최근에 이르러 쓰레기가 중요한 환경 문제가 되었을 뿐 아니

라 이를 매립하여 이루어진 지반도 도로 또는 건축물의 기초

제3장 연약 지반 대책의 역사와 전망 25

로 이용하지 않을 수 없게 되었다. 이들 지반에서도 과도한

침하와 지지력의 부족이 예상되므로 연약 지반으로 분류해

연구하여야 할 대상이다.

제4장 침매터널의 신형 가동성 이음매의 개발 27

제 4 장

침매터널의 신형 가동성 이음매의 개발3)

1. 기술의 개요

□ 일본의 Osaka항(大阪港) Umesima(夢洲)터널은 오사카항의

Sakisima(咲洲)와 Umesima(매립중)를 연결하는 침매공법(沈

埋工法)에 의한 도로․철도병용의 해저터널이다. 터널의 전장

은 약 2.1 km이고 그 중 800 m 구간이 해저부에 있다. 본 사

업은 국토교통성(MLIT) Kinki(近畿)지방 정비국이 건설을 담

당하고, 2000년도부터 착공하여 2007년도 말에 완성을 목표로

하고 있다.

□ Umesima터널은 연약한 점토가 두껍게 퇴적되어 있는 지반

위에 건설되기 때문에 장기에 걸쳐 지반의 압밀침하 발생이

예상된다. 특히 Umesima 측의 호안부(護岸部) 부근에는 매립

완료직후의 초연약지반상에 터널은 건설하는 까닭에 1 m를

넘는 대형 지반침하가 터널개통 후 100년간 발생할 것으로 예

3) 본문은 “宮田正史 等,沈埋トンネルの新型可とう性繼手の開發,「土木技術」, 59(3),

2004, pp. 77～84”을 신희덕 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.

28 지하 굴착공사의 안전대책

상된다.

□ 이와 동시에 동반침하가 발생하기 때문에 호안부근에는 지반

의 수평변위발생도 예상된다. 또한 Sakisima의 호안부근에는

침매함(터널 法線)이 호안과 비스듬하게 교차하는 등의 특수

한 조건으로 터널법선의 뒤틀림이 염려되고 있다.

□ 당초 본 터널의 침매함 이음매구조에 대해서는 종래부터 일반

적으로 사용된 침매함 용 가동성(可動性)이음매인「고무 개스

킷+연결 케이블구조」로 이음매를 구상하였다. 그러나 본 터

널의 경우 지반변형이 크기 때문에 종전의 이음매로는 가상

변형에는 당할 수 없어서 결과적으로 이음부의 지수성(止水

性)을 확보할 수 없음을 확인하였다.

□ 이 문제를 해결하기 위하여 2000～2001년에 걸쳐 전혀 다른

구상 하에 보다 큰 변형에 대응할 수 있는 침매터널의 신형

가동성 이음매구조(crown seal 형 이음매)의 개발을 실시하였

다. 신형 이음매의 개발에 있어서는 실물크기의 이음매를 재

현한 대형모형에 의한 성능확인실험을 실시하였다.

□ 실험결과 신형 이음매는 본 터널에 필요한 이음매의 변형추종

성능 및 지수성능(止水性能)을 충족시킴을 확인하였기 때문

에 본 터널에 적용하기로 하였다. 본 고에서는 Umesima터널

의 구조개요, 새로 개발한 침매 가동성이음매의 구조, 신형이

제4장 침매터널의 신형 가동성 이음매의 개발 29

음매의 성능확인 실험내용 및 그 결과에 대해서 소개한다.

2. 유메시마 터널의 구조

□ Umesima터널의 구조는 1997년 10월에 개통된 Osaka남항과

Sakisima를 잇는 Sakisima터널과 같은 구조이다. 즉 항로부

(航路部)를 침매공법으로 , 육상진입로부분을 개착공법(open

cut)으로 정비한 것이다.

□ 본 터널의 항로부(약 800 m)에 대해서는 미리 드라이독(dry

dock) 등의 제작 장에서 제작한 침매함(길이 100 m, 합계 10

개)을 굴착한 해저까지 예항(曳航)하여 그 위에 토사를 되채

움 하는 방식으로 건설한다.

□ 본 터널의 침매함은 철판과 콘크리트의 합성구조로 되어 있

다. 또한 침매함의 위상판(上床版)․측벽․중벽․격벽에 대해

서는 풀샌드위치 공법으로 구성되고, 아래상판(下床版)만은

오픈샌드위치공법으로 구성된다.

3. 신형 가동성 이음매의 개발

□ 침매터널의 이음매역할과 종래형 이음매의 구조

○ 침매터널에 있어서의 이음매는 침매함과 침매함 사이에 침매

30 지하 굴착공사의 안전대책

함과 육상부 수갱(竪坑)사이를 접속하기 위하여 설치되어 있

다. 이음매에 요구되는 주요기능으로는 이음매를 통하여 함체

단면력(函体斷面力)을 부드럽게 전달하고, 이음부의 변형을

흡수하며, 지수성의 확보 등을 들 수 있다.

○ 침매터널의 이음매는 강이음매(剛繼手)와 유연이음매(柔軟繼

手)로 대별되는데, 강이음매의 경우 지진 혹은 지반침하로 인

하여 발생하는 함체단면력은 이음매를 통하여 이웃한 함체에

그대로 전달된다. 그러므로 과대한 단면력이 함체에 작용하는

경우가 많다.

○ 유연이음매의 경우 이음매부분의 강성이 함체부분보다 작기

때문에 이음매부분에서 어느 정도의 변형을 허용할 수 있기

때문에 결과적으로 함체에 발생하는 단면력을 저감시킬 수

있다. 그러므로 일본에서는 일반적으로 가동성을 갖는 유연이

음매가 주로 이용된다.

○ 가동성 이음매로 폭넓게 사용되는 것은「고무 개스킷」과

「연결 케이블」을 조합한 이음매이다. 본 이음매에는 터널축

방향의 압축력에 대하여는 고무개스킷이 저항하고 인장력에

대하여는 연결케이블이 저항하는 구조로 되어 있다.

○ 가동성 이음매를 침매함 중간에 설치하면 터널 축 방향과 휨

방향에 대하여 유연구조로 되어 이음매는 마치 돌쩌귀처럼

제4장 침매터널의 신형 가동성 이음매의 개발 31

거동하기 때문에 함체에 작용하는 단면력을 감소시킬 수 있

다. 터널 축 직각방향에 대해서는 침매함 사이에 수평방향과

연직방향으로 전단키가 설치되어 있기 때문에 전단방향의 변

형은 제한되어 있어서 기본적으로는 강 결합이다.

□ 크라운실형 이음매의 구조

○ 본고에서 다룬 Umesima 터널의 경우 항로부의 양측에 위치

한 매립지의 압밀침하가 수반되고 항로부의 동반침하가 발생

하는 등, 특히 매립호반주변에서의 지반침하 및 수평변위가

현저해질 것으로 예상된다.

○ 본 터널의 설계 검토에 의하면 지형변형으로 호안부근의 침매

함 간의 틈새가 10 cm 정도로 발생할 것으로 예상된다. 따라

서 종전에 사용해온「고무 개스킷」과「연결 케이블」을 조합

한 이음매로는 이음매부에서 발생하는 대 변형에 대응할 수

없음이 확인되었다. 그런 까닭에 대 변형에 대응 가능한 가동

성 이음매를 새로 개발하게 되었다.

○ 새로 개발한 이음매는 이음매의 지수성을 위한 1차 지수고무

의 중앙부가 왕관(crown) 형으로 되어 있고, 구조상의 특징은

다음과 같다.

- 침매함 양단부에 위치한 지수고무의 취부빔 사이에 틈(터

널 축방향의 틈새)을 둘 것

32 지하 굴착공사의 안전대책

- 터널 축방향의 인장변형을 제한하기 위한 스토퍼케이블을

설치할 것

- 지수고무로 신개발한 크라운 실 고무를 채용할 것

○ 크라운 실 고무에 의한 지수는 1매의 고무로 2단계의 지수기능

을 동시에 보유한 특징이 있다. 크라운 부는 주위에서 항상 수

압을 받으므로 nose부(크라운부의 좌우하단에 설치된 돌기부)

와 nose부가 접하는 취부빔 중간에 항상 압축력이 작용하게 된

다. 그러므로 nose부에서도 확실한 지수가 확보되게 된다.

4. 침매터널에의 적용을 위한 성능확인실험

□ 크라운 실 형 이음매를 침매터널에 채용함에 있어서 실물크기

모형을 이용한 실험으로 크라운 실 고무의 변형추종성(變形追

從性) 및 지수성에 대하여 확인하였다. 변형추종성에 대해서

는 수압이 작용한 조건하에서 크라운 실 고무가 국부적인 이

상변형이 일어나지 않고 유연하게 거동하는지를 확인하였다.

□ 당초 이음매변이에 따른 크라운 실 고무의 변형거동에 대해서

는 자벌레현상 및 사행현상(蛇行現象)의 발생이 염려되었다.

그러나 실험결과 크라운 실 고무에는 그러한 불안정한 변형

거동은 확인되지 않았고 축 방향 및 전단방향의 어떠한 변형

에 대해서도 유연하게 추종하고 있다.

제4장 침매터널의 신형 가동성 이음매의 개발 33

□ 졸라맨 부분(締着部)의 지수성에 대해서는 고무 시험체를 에

워싸도록 강벽을 설치하여 그 사이를 물로 채운 후 펌프 및

차압조정밸브 등을 이용하여 고무 시험체에 수압(～300 kPa)

을 작용하였다. 수압을 작용한 상태에서 다시 이음매의 변위

를 주어 졸라맨 부분으로부터 누수유무를 육안으로 확인하였

다. 그러나 300 kPa까지 부하한 상태에서 터널 축 방향 및 전

단방향의 변형을 작용해도 누수는 확인 되지 않았다.

□ nose부의 지수성은 역시 졸라맨 부분과 마찬가지로 변형․수

압을 가한 상태에서 누수유무를 확인하였다. nose부의 지수성

이 확보되는 범위는 작용하는 수압레벨에 의존하는 경향이

있음을 알았다. 이는 수압레벨이 높을수록 nose부가 취부빔

보다 강하게 힘을 받고 결과적으로 지수성이 향상하기 때문

이다.

□ nose부에서 누수가 발생하는 것은 변형량이 커지면 크라운

실 고무는 2개의 졸라맨 부분에서 신장한 상태가 되고 nose

부와 취부빔 사이의 압축력이 작아지고 결국은 지수성이 나

빠지기 때문이다.

5. 결 언

□ Osaka항 Umesima 터널(침매터널)의 건설에 때맞추어 침매터

널용 가동성 이음매를 개발하였다. 개발된 크라운 실 형 이음

34 지하 굴착공사의 안전대책

매의 가장 큰 특징은 다음 2가지로 요약할 수 있다.

- 큰 이음매변위에 추종할 수 있다.

- 크라운 실 고무(지수고무)의 사용으로 2단계지수가 확보

되었다.

□ 본 이음매부분을 실물크기로 재현한 모형실험결과에서 크라

운 실 이음매의 허용변위는 터널 축 방향으로 250 mm, 터널

축 직각방향(전단방향)으로 100 mm임을 확인하였다. 이 허용

범위이면 크라운 실 고무는 이상변형을 발생함이 없이 유연

하게 변형한다.

□ 이음매 부분에 작용하는 수압이 300 kPa까지의 범위에 있으

면 누수가 전혀 발생하지 않는다. 이상의 결과로 새로 개발한

크라운실형 이음매는 Umesima터널의 침매 이음매에 요구되

는 기능을 만족할 것으로 생각되어 채용하게 된 것이다.

◃전문가 제언▹

□ 근래에 교통량의 증가와 도심을 통과하는 지하철터널을 비롯

한 지하 공간의 개발이 증가되고 있다. 이러한 터널을 굴착하

는 공법으로는 재래식공법이 작업공정상으로나 안전성, 경제

성 등이 미흡하므로 NATM공법, TBM공법, 침매공법으로 대

체하여 적용되고 있다.

제4장 침매터널의 신형 가동성 이음매의 개발 35

□ 침매터널공법이 처음으로 도입된 것은 1910년 미국 디트로이

트 하저의 철도터널 건설로부터 발달하였다. 이곳에서는 80m

길이의 10개 강철튜브를 수심 15 m 하저에 설치하고 이들을

연결한 뒤 그 외벽을 수중콘크리트를 타설 하여 만든 것이다.

본 공법의 중요 포인트는 침매 간의 이음매로서 이상변형이

나 작용하는 수압에 견디도록 시공하고 있다.

□ 우리나라에는 침매공법을 터널공사에 도입한 보고는 아직 없

으며 여의도를 통과하는 지하철의 하저터널에서도 NATM공

법을 준용한 것으로 보고 되었다. 그러나 부산－거제연결도로

공사(2003년 11월～2010년)에 국내최초로 침매터널공법이 가

덕～대죽도 구간에 도입될 예정이다.

□ 우리나라는 섬이 많은 국가에 속하고 있으나 국토를 효율적

이용과 도서주민의 교통수단이 뱃길에만 의존하고 있다. 그러

나 일기변화에 따라 교통두절은 물론 해상사고로 인구의 육

지전출이 늘어나는 등 국토활용상 문제가 제기되어 왔다. 그

러나 본 침매터널공법의 도입과 기술의 추가 개발이 이루어

진다면 도서지역의 인구진출과 관광진흥을 위한 해저터널건

설도 꿈이 아닌 현실로 다가올 것이다.

제5장 불도저 설계상의 안전 대책 37

제 5 장

불도저 설계상의 안전 대책4)

1. 서 언

□ 인간은 생활의 편리를 추구해 도구를 진화시켜왔지만, 이 도

구는 한 가지 사용법만 다르게 해도, 사람을 상하게 하는 흉

기로 될 수 있다. 이렇게 부담이 되는 부분을 최소화하는 안

전 대책이 요구된다. 여기에서는 안전을 광의로 해석해서, 작

업자와 주변 사람을 상하게 하지 않는 범위는 물론, 작업자의

과도한 피로를 제거하는 관점도 포함시킨다.

□ Caterpiller사에서는 항상 안전이 최우선이고, 제품 개발 이념

의 한가지이므로, 가장 일반적인 불도저 D3GLGP(운전정비중

량 7.750㎏)을 사례로, 사용하는 관점에서 안전 대책을 순차적

으로 소개한다.

4) 본문은 “松村秀雄, ブルドーザ設計上の安全對策,「建設機械」, 40(10), 2004, pp.

8～12”를 이복춘 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.

38 지하 굴착공사의 안전대책

2. 사용 전 점검

□ 차량 주변으로부터 점검

○ 매일 사용 전 점검은 차량 주변을 돌면서 시작한다. 측면 게이

지가 있고, 높은 내압(內壓)이 걸리는 작동유 탱크는 뚜껑을

열지 않고, 유량을 확인할 수 있다. 운전석 좌측의 점검 문을

여는 곳에 설치된 연료 탱크의 꼭지를 사용해 간편하게 물 빼

기를 한다.

○ 동일한 장소에 설치되어 있는 배터리 단자의 케이블도 점검한

다. 액량 점검과 정비가 불필요한 배터리를 채택하므로, 액량

점검과 물 보충 작업 시 배터리 액이 피부에 묻거나, 눈에 들

어가는 위험을 예방한다.

□ 차량 위에서 점검

○ 벌판에 올라 엔진 오일량과 라디에이터 냉각 수량을 확인한

다. 작업자가 안전하게 발판에 오르도록 불도저를 지탱하는

차체에는 대형 계단, 라디에이터 모서리와 엔진 후드의 좌우

에 난간이 설치되어 있다.

○ 엔진후드 위의 예비청소기(pre-cleaner)는 분리된 티끌과 먼

지를 원심력으로 자동 배출시키는 사이클론식을 채택해서 정

제5장 불도저 설계상의 안전 대책 39

비가 불필요하다. 이렇게 점검할 때 작업자의 발밑에는 불도

저 장치의 리프트 실린더(lift cylinder)로 향하는 유압 호스가

통하고 있지만, 만일 호스가 파열되어도 고온의 기름이 비산

되지 않도록 유압 호스에 덮개를 씌우고 있다.

3. 운전 준비

□ 운전석 계단은 미끄럼 방지 가공이 되어, 구두 밑창에 진흙이

부착되거나 젖어 있어도 미끄러지지 않는다. 좌석 표면은 미

끄럼 방지 가공을 한 고무 마루매트로 입혀져 있다. 주행 레

버와 작업 레버에 신체나 의복이 걸리지 않도록, 좌우 레버에

는 접촉 방지 보호대가 있다. 작업자의 체중에 맞게 쿠션 조

절이 가능한 완충 시트를 채택하고, 차량이 전도되거나 급하

게 움직일 때 작업자가 외부로 나가지 않게 시트 벨트도 구비

하고 있다.

□ 작업자의 두부를 가리는 덮개(canopy)는 규격을 만족해서 전

도나 낙하물이 날아올 때 손상을 입지 않는다. 운전석 전방의

엔진후드 폭을 최대한 축소시켜 넓고 평평한 전방시계를 확

보하고, 천정에는 대형 백미러를 설치해 목표 확인과 함께 충

분한 후방 시계를 얻는다. 덮개와 뚜껑에는 전방 2개소, 후방

1개소에 작업 등으로 야간 작업도 대비한다.

40 지하 굴착공사의 안전대책

4. 운 전

□ 시동을 건다

○ 작업자가 스위치를 돌려 시동을 건다. 급한 차량 주행을 예방

하기 위해 주차 브레이크의 스위치가 들어있지 않으면 엔진

도 시동하지 않는다. 엔진이 시동하면 계기판의 계기와 경고

등류가 작동하고, 엔진 오일 압력과 수온, 충전계통, 수 분리

기 막힘, 공기 청정기 막힘 등 비정상을 작업자에 알려, 큰 고

장과 사고 발생을 미연에 방지할 수 있다.

○ 작업자의 발밑에는 상황에 따라 엔진 회전을 조절하는 가속

페달, 차량을 정지하는 브레이크 페달이 있고, 페달 표면에는

미끄럼 방지 가공으로 실수에 의한 차량의 폭주를 방지한다.

자세 유지용 발판을 바닥의 2개소 외에, 계기판 좌우에 추가

해 급경사 작업도 안정되게 한다.

□ 불도저 장치(배토판)를 작동시킨다

○ 전방 불도저 장치는 좌측의 1개 레버로 상하 리프트, 좌우 틸

트, 좌우 각도 등 전체를 조작하고, 레버 교체에 의한 오작동

을 방지한다.

□ 주 행

제5장 불도저 설계상의 안전 대책 41

○ 전자 제어 HST(수압, 변속기)를 채택해서, 작업자 좌측의 1개

레버로 간단하게 전․후진 교체 조작이 가능하다. 주행 속도

는 레버 머리 부분 손잡이의 상부 단추로 작업자 임의로 선택

할 수 있다. 속도는 엔진을 시동해 변경할 때마다 안전을 위

해 초기 설정 속도로 되돌아 온다.

○ 차량 발진을 위해 우선 전․후진 레버를 중립 위치로 두고, 주

차 브레이크를 해제시킨 뒤, 전․후진 레버 조작 등 정확한

수순에 따라 안전하게 운전하도록 설계되어 있다. HST는 내

리막길에서도 설정 속도보다 빠를 수 없어, 과속을 염려하지

않고 안심 운전을 할 수 있다.

□ 선 회

○ 방향 조정에도 전술한 전자제어 HST에 의해 주행 조작 레버

를 좌우로 움직여 매끄럽게 선회한다. HST는 선회 시에 내측

의 바퀴 회전에 전해지는 동력을 절단하지 않고, 좌우 바퀴

회전의 속도차로 선회하도록 한다. 이 때문에 내리막길의 선

회, 배토판의 한쪽에만 하중이 걸리는 압토(押土), 선회 중 압

토 등에도 보다 안정한 작업이 가능하다.

○ 짧은 회전 기능을 갖고 있어 좁은 장소에서도 되받지 않고 방

향 회전이 가능하고, 전진 시에 비해 시계가 악화되기 쉬운

후진 기회를 줄일 수 있다. 전자 제어로 좌우 바퀴 회전 속도

42 지하 굴착공사의 안전대책

를 정확하게 제어하기 때문에 직진성도 우수하고, 작업자의

의도대로 직선 주행이 가능하다.

5. 작업 종료

□ 엔진을 정지하면 자동으로 주차 브레이크가 작동하고, 정차

중에 작업자가 차량에서 이탈하면 차량이 움직이지 않는다.

고장 등으로 엔진이 정지해도 동일하게 자동으로 주차 브레

이크가 작동해 차량도 정지한다.

6. 일상적인 정비

□ 그리스(grease) 및 연료 공급

○ 일상적인 불도저 장치의 그리스 공급 포인트는 모두 지상에서

이루어지고, 연료 탱크에 부착된 난간에서 안정한 자세로 급

유한다.

□ 바퀴 회전 장력 조정

○ 바퀴 회전의 장력 조정용 그리스 주입구(grease nipple)에 공

구 없이 개폐할 수 있는 덮개가 부착되어, 진흙에 의한 주입

구 막힘도 방지한다.

제5장 불도저 설계상의 안전 대책 43

7. 화재 방지

□ 황색 피복선(yellow braid)

○ 전기 계통의 배선을 난연성, 내열성 피막재인 황색 피복선으

로 보호해서, 배선이 단락되어도 황색 피복선에 의해 화재를

방지한다.

□ 엔진과 HST 간의 격벽

○ 엔진과 HST 장치 사이에 설치된 격벽에 의해 HST 측에서

기름이 새거나, 비산되는 경우에 엔진에 흘러와 야기되는 화

재를 방지한다.

8. 도난 방지

□ 도난 방지 장치(Machine Security System : MSS)

○ 현재 건설기계의 도난이 급증하고 있어 고객의 입장에서는 무

엇보다 중요한 문제이다. 도난 방지 시스템(MSS)은 특정 키

소지자 이외의 사람이 차량을 사용하는 것을 방지하는 시스

템이다. 키 내부에 저장된 IC 칩이 고유 ID 코드를 갖고, 차량

이 코드를 읽어서 사전에 등록된 MSS 키인가를 조회, 확인한

경우에 비로소 차량을 움직일 수 있다. 차량 1대당 50개의 IC

44 지하 굴착공사의 안전대책

칩 부착 키를 등록할 수 있다. 도난 방지 장치는 신차 외에,

출고된 차에도 부착할 수 있다.

□ 장난 방지

○ 운전석 양 옆의 점검 도어는 엔진 키로 닫을 수 있고, 연료

탱크 급유구의 뚜껑, 엔진 점검 도어에도 열쇠를 부착할 수

있다.

9. 환경 규제에 대한 대응

□ 배기 가스 규제 및 저소음형 건설 기계

○ 일본의 국토교통성 배출 가스 2차 규제에 대응한 엔진을 탑재

하고 있고, 저소음 건설 기계로 인정되고 있다.

10. 결 론

□ 여기에 소개한 안전 대책은 일부를 제외하고, 전 CAT 불도저

에 공통으로 적용되고 있다. 등급 차이에 의해 주 용도는 다

르지만, 안전성에 대한 요구는 등급 차이로 변하지 않는다고

생각한다.

□ “안전성과 편리성은 상반한다”고 하지만, 2가지를 여하히 양

제5장 불도저 설계상의 안전 대책 45

립시켜, 세상에 도움이 되는 제품 개발이 메이커의 사명이라

고 생각한다. 차후의 불도저 개발에서는 편리성은 물론 안전

성도 한층 추구해 나가고 싶다.

◃전문가 제언▹

□ Caterpiller 불도저의 안전 대책은 작업자와 주위 사람의 안전

에만 국한하지 않고, 작업자가 과도한 피로를 느끼지 않는 범

위까지 확대하는 광의의 의미로 해석한다. 안전 대책은 작동

유 탱크 유량 확인, 연료 탱크의 물 빼기, 배터리 단자 확인

등과 같은 사용 전 점검에서 출발해서, 운전석으로 가는 미끄

럼 방지, 레버의 접촉 방지 보호대, 완충 시트, 규격에 적합한

덮개, 넓고 평평한 시계 확보 등 운전 준비 단계로 연결된다.

□ 운전 시에도 주차 브레이크, 엔진 시동 및 전․후진 레버가 연

동되어 안전하게 운전되도록 설계되었다. 수압, 변속기에 작

용하는 전자 제어 HST는 전․후진과 주행 속도 외에 내리막

길 속도와 선회 시 좌우 바퀴 회전 속도를 정확하게 제어한

다. 화재 발생을 방지하기 위하여 배선계통에 난연, 내열성 피

막재인 황색 피복선(yellow braid)을 사용하고, 엔진과 HST

사이에 격벽을 두고 있다.

□ 최근 고객의 요청이 증가하는 도난 방지 시스템(machine

security system)은 키 내부에 IC칩이 내장되어 있고, 소음 배

46 지하 굴착공사의 안전대책

출 가스 등 환경 문제에도 적극 대응하고 있다.

○ 차후의 개발과정에서도 편리성은 물론 안전성도 추구하고자

하는 Caterpiller사의 입장을 우리나라 기계 메이커도 적극 수

용하고, 점검 과정에서 운전 종료 후 보관 과정까지 안전 대

책 범주에 포함시켜야 할 필요가 있다고 본다.

제6장 땅 밀림 지형에서 터널 갱구부의 시공 47

제 6 장

땅 밀림 지형에서 터널 갱구부의 시공5)

1. 개 요

□ 철도 토목 공사는 계곡 교량과 터널 공사가 많은 바, 땅 밀림

지형에서는 특히 지반 변화에 대한 대책 공법 설계가 중요하

다.

□ 일본은 신칸센 철도 공사의 터널 시공에서 땅 밀림 지형에 대

책 공법을 최소 실시한 사례가 있어 소개한다.

2. 내 용

□ 배 경

○ Kyushu의 신칸센 루트는 Shin Yashiro역을 거쳐서, 험준한

5) 본문은“平田良信, 地すべり地形における重要構造物が近接する坑口部の施工, Civil

Engineering Journal, 45(3), 2004, pp. 44～48”을 차성기 전문연구위원께서 분

석 요약한 것입니다.

48 지하 굴착공사의 안전대책

V자 계곡을 형성하고 있는 Guma산에 만나는 최초 터널인

Myogen 터널로 이어진다.

○ Myogen 터널 종점 측의 갱구 부근은 지질구조선인 묘곡구조

선(猫谷構造線)의 대규모 단층 파쇄대로 이어진 과거 땅 밀림

지역으로, 터널 굴착 및 갱구부 절취 토공 시 사전 조사 결과

땅 밀림의 재발 가능성이 높았다.

○ 따라서 터널 굴착이 어렵고 경사면 위쪽으로 고압 송전 철탑

과 아래쪽엔 JR철도, 주택, 지방도로가 근접해 있어서 사전

대책이 필요하였다.

□ 갱구 부근 지질상황

○ 갱구 부근 지질조사

- 먼저 이전 자료를 근거로 지표 지질답사를 해서 땅 밀림

지대의 미 지형 구분과 블록 상세 구분을 하였다.

- 갱구 주변 전체가 급경사로 정상 부근은 완만한 계단 지형

으로 전형적인 땅 밀림 지형이었다.

․현지에 분포하는 땅 밀림 토괴는 땅 밀림에 의한 파쇄, 풍

화에 의한 토사화, 블록 모양 암괴로 신칸센 루트 위 100m

범위에 걸쳐서 분포하고 있다.

․터널 갱구 주변은 Guma강 하상 아래로 20m에 달하는 대

규모 땅 밀림 블록과 표층이 소 블록으로 나뉘어 세분화되

제6장 땅 밀림 지형에서 터널 갱구부의 시공 49

고 있다.

․보링 조사 결과, 거대 블록은 층 두께 40m로, 지표 조사에

서 땅 밀림 정상부에 미끄러져 떨어진 절벽 지형이 확인되

었다.

․소 블록은 두께 10m 정도로 세분화되어 요철 지형이 많

고 계단 모양 지형이 이어지며, 일부는 토석류가 되어

Guma강으로 밀어내고 단층 퇴적물로 강 쪽으로 밀어내고

있다.

- 가장 위험한 땅 밀림 블록은 터널 본선 상부와 그 위쪽에

위치한 블록으로 갱구 절토와 터널 굴착 시 미끄러져 움직

일 위험성이 높았고, 위쪽 송전 철탑 부근의 블록도 포함

된다.

○ 시공에 의한 영향 검토

- 터널 굴착과 갱구 절토

․두께 10m의 소 블록은 터널 굴착 2D 영향 범위에 연장

약 100m 사이가 저촉되고 있어서 지반 이완에 의한 활동

을 조장할 우려가 있다.

․터널 본선의 블록이 미끄러져 움직이게 되면, 송전선 철

탑이 서 있는 지반을 이끌 위험이 있다.

- Guma천 교량의 교대 시공

․터널 시공 후 교대 기초부를 굴착하면 블록이 미끄러져

움직일 위험이 있고, 이는 땅 밀림 블록 끝에 있어서 위쪽

의 땅 밀림을 유도하게 된다.

50 지하 굴착공사의 안전대책

․갱구 부근에 시추조사를 하여 지질 상황을 평가한 다음,

대책 공법 설계를 하였다.

○ 땅 밀림 면의 설정

- 대규모 땅 밀림

․Guma강에 이르는 두께 40m의 밀림 면은 대규모로 토괴

자체의 부피가 커서 갱구 설치를 위한 절토, 터널 굴착 시

안정도는 변하지 않으므로 대책 공법은 실시하지 않았다.

- 소규모 땅 밀림

․소규모 밀림 면은 경사면 아래 일부가 미끄러져 움직이게

되면 위쪽에도 파급되므로 아래쪽 소규모 밀림면과 위쪽

소규모 밀림면을 연결해서, 2원호 1직선에 의한 복합 밀림

으로 취급하고 대책 공법 해석을 하였다.

○ 땅 밀림 해석 방법은 수정 페레니우스법, 분할법 등의 간편 슬

라이스 법을 이용하여 안정 계산을 하여 안전율과 필요 억지

력을 구한다.

○ 억지력 계산을 위한 안전율 결정

- 현황 안전율은 시추공에 경사계를 붙여서 4개월 관측한

바, 땅 밀림 토괴의 미끄러져 움직임은 정지 상태여서, 필

요 억지력 Fs를 1.0으로 한다.

- 계획 안전율은 땅 밀림 토괴 아래 JR선, 지방도로, 민가가

있어서 ‘철도 구조물 등 설계 표준-토 구조물’에 따라 1.2

제6장 땅 밀림 지형에서 터널 갱구부의 시공 51

로 한다.

- 시공 시 안정도 저하 검토

․땅 밀림 끝 부분의 절토 시공 시 땅 밀림 안전성이 저하된다.

․터널 굴착 시 땅 밀림면을 절토하면 터널 단면에 의해 땅

밀림면 강도가 저하하므로, 안전율 계산식에서 점착력을

낮추어 해석해야 한다.

․터널 주변은 굴착에 의해 이완 지역이 발생해서 땅 밀림

면의 강도가 낮아지므로, 터널 이격거리 2D와 45°+φ/2 각

도 범위를 이완 영향 범위로 한다.

□ 대책 공법의 사고 방법

○ 집수 보링 공법

- 필요 억지력 PS=150tf/m을 초과하여 203.5에 이르고 있으

므로, 억지 공법 외에 억제 공법도 병행하기로 하였다.

- 현장의 지하수위가 FL보다 높아서 지하수위를 낮추기 위

해, 지하수위 아래 지역에 집수 보링을 실시한다.

○ 누름 흙 쌓기 공법

- 필요 억지력을 낮추어 억지 공법 규모를 줄이기 위해, 경

사면에 누름 흙 쌓기 공법을 계획한다.

- 갱구 부근은 특히 편압 지형으로, 터널 굴착에서 편압이

발생하게 되면 땅 밀림지는 1차 지보에 강대한 외력으로

작용해서 토피가 얕고 풍화 암반이 분포하는 현장에서 터

52 지하 굴착공사의 안전대책

널 단면 유지가 어려울 가능성이 있다.

- 따라서 편압 지형의 해소, 땅 밀림 누름 흙쌓기 효과를 위

해 에어 모르타르 공법으로 하였다.

○ 억지말뚝 공법

- 지하수위 저하 공법이나 누름 흙 쌓기 공법에 의해 활동력

을 낮추어도, 상향으로 미끄러져 움직이는 힘에 대항하기

위해 억지말뚝 공법을 선정하였다.

- 억지말뚝은 전단말뚝으로 한다.

○ 수직 봉지 공법

- 터널 굴착 시 이완 영역이 발생하여 땅 밀림을 유발하게

되므로, 이를 막고 필요 억지력 부족을 보완하기 위해 철

근을 삽입하여 지반을 보강하는 공법을 채택하였다.

○ 평판 블록+앵커 공법

- 터널 단면에 분포하는 땅 밀림 지역에 있는 급경사의 사면

부는 평판 블록과 영구 앵커 공법으로 설계하였다.

□ 대책 공법 설계

○ 공사 착수 전에 현황 안전율은 1.0인데, 갱구 주변에 절토를

하면 5가지 대책 공법에 따라 안전율이 증감된다.

제6장 땅 밀림 지형에서 터널 갱구부의 시공 53

○ 집수 보링에 의해 지하수위를 낮추면, 모든 경우에서 안전율

이 일률적으로 증가한다.

○ 누름 흙 쌓기를 하면 아래쪽에 설치하는 억지말뚝은 땅 밀림

을 조장하므로 안전율이 낮아지나, 이를 제외한 경사면 위쪽

의 소규모 땅 밀림에 대한 대책 경우 안전율은 모두 증가한다.

○ 터널 굴착에 의한 지반의 이완으로 최종 안전율이 정해지는

데, 이 계획 안전율을 1.2로 올리기 위해서 필요 억지력을 계

산하여 대책 공법을 설계한다.

○ 누름 흙 쌓기 규모를 변화시키면 계획 안전율을 만족시키는

데 필요한 억지력도 변하므로, 흙 쌓기 규모를 대․중․소의

3가지로 해서 각 조건의 필요 억지력을 계산하여 억지 공법을

설계한다.

○ 실제 흙 쌓기 높이는 용지 확보 문제로 5m로 제한되어 흙 쌓

기 규모가 줄어서, 억지력 부족을 보충하기 위해 터널 본선에

D38의 수직 봉지 공법을 실시하였다.

□ 종 합

○ 현지의 땅 밀림 지대는 중앙 구조선의 말단부에 위치한 단층

파쇄대에 있어서 땅 밀림 지대가 여러 층 중첩된 대소 블록으

54 지하 굴착공사의 안전대책

로 이루어진 것이 특징이다.

○ 따라서 한 블록의 억지력이 다른 블록에는 미끄러져 움직이는

힘이 될 수도 있으며, 처음엔 대규모 대책 공법을 검토하였으

나, 작업 공간, 용지 문제, 성토 압박감, 시공 비용 문제로 최

종 대책 공법으로 설계 시공하였다.

3. 결 론

□ Kyushu 신칸센의 Myogen 터널 건설 공사에서 터널 종점 쪽

의 갱구 부근에 지반 조사를 한바 대규모 땅 밀림 지역임이

밝혀졌다.

□ 이에 따라 터널 굴착과 갱구 절토를 위해 5가지 대책 공법을

실시하고, 대규모 대책 공법 대신 여러 번 검토를 거쳐서 최

종 대책 공법으로 완료하였다.

◃전문가 제언▹

□ 우리나라도 기상 이변에 따라 국지성 호우가 많아지면서 산사

태로 인한 피해가 해마다 더욱 커지고 있는데, 연속 강우량이

100mm 이상이면 가능성이 크다고 한다.

□ 산사태는 주로 화강암 지역에 많은데 60%가 화강암인 우리나

제6장 땅 밀림 지형에서 터널 갱구부의 시공 55

라는 자연히 산사태가 많으며, 땅 밀림은 이암 지대 등에서

발생 빈도가 높다.

□ 땅 밀림은 활동면 위의 토괴가 일체로 미끄러지는 것으로, 진

행 속도가 느리고 사면 경사가 25～35°의 집수사면에서 많이

발생한다.

□ 산사태는 돌발 발생이 많으나 토층 아래 암반 유무로 예측이 가

능하고 땅 밀림은 발생원인 제거 시 활동률을 저지할 수 있다.

□ 우리나라도 고속도로와 고속철도 등의 대규모 토목 공사가 계

속되고 있어서 지질, 지형에 따라 산사태와 땅 밀림 등 사방

공법에 대한 연구가 활발하다. 이에 지반 조사, 시추공 영상

촬영, 항공사진 분석, 탄성파 탐사 이어서 안정 해석으로 대처

하고 있다.

□ 사면 해석은 RMR 시스템으로 암반 분류하고 한계 평형 해석

법이 많이 쓰이는데, 안전율은 일본 경우 일반 구조물 1.3, 주

요 구조물 1.5인데, 우리는 1.3으로 하고 있다.

□ 일본은 지진과 태풍으로 산사태, 땅 밀림이 많아 대책 공법 기

술 축적이 많은데, 2004년 한일간 기술 교류의 길을 연 바 있

으므로, 긴밀한 기술 공조 협의로 자연 재난을 미연에 방지할

수 있도록 해야 하겠다.

제7장 정보화 시공을 활용한 차세대 건설 시스템 57

제 7장

정보화 시공을 활용한 차세대 건설 시스템6)

1. 개 요

□ 공공 건설 공사에서 설계 시공 정보의 전자 납품 의무화에

따라 설계 시공 관리 등은 전자 정보로 교환되고 있다.

□ 일본은 IT를 이용하여 설계 단계의 도면과 계산서 외에 3차원

데이터를 입수하여 규준틀 설치와 완성형 관리에 적용함으로

써 커다란 업무 개선 효과를 실험한 바, 이를 소개한다.

2. 내 용

□ 배 경

○ 공공사업에서 건설 CALS/EC가 도입되면서, 입찰 계약에서

공사시공 유지 관리의 전 건설 프로세스에 대하여 각종 정

6) 본문은 “小島宏一, 情報化施工を活用した次世代建設システム,「建設の施工企畵」,

(654), 2004, pp. 21～26”을 차성기 전문연구위원께서 분석 요약한 것입니다.

58 지하 굴착공사의 안전대책

보를 디지털화하여 전자 납품하도록 하고 있다.

○ 그러나 현재는 ‘측량 설계 성과나 공사 관리 자료 성과물의

전자 납품’에 그치고 있어서, 조사 측량 설계 시공의 각

단계의 정보 전달이 단락 없이 진행되는 데 초점을 맞추고 있

지 않다. 따라서 각 프로세스마다 손실(Loss)이 생기고 있다.

○ 공공사업을 비롯한 각종 프로젝트 관리는 설계 도면이나 공사

관리 자료만 중요한 것이 아니라, 계획에서 완성까지 정보를

시계열(時系列)로 수시 정리하여 프로젝트 데이터로 정리하

여야 한다.

□ 시공 정보의 교환 전달에 관한 문제점

○ 기존의 공공건설 공사에서 도로 공사의 경우 발주자는 시공자

에게 구축물의 설계 정보를 제공하고 있는데, 전달되는 형식

은 CAD 데이터(2차원)의 설계 도면(평면, 종횡단, 구조도 등)

과 디지털 데이터(xls, doc, pdf, txt 파일 등)의 선형(線形) 계

산서, 기준점 계산서, 구조물 설계 계산서, 수량 계산서 등이

있다.

○ 이때 시공자는 설계 데이터를 넘겨받아서 설계도와 계산서에

포함된 시공 정보를 읽거나 계산하여, 계산 결과와 기존의 기

준점 정보를 근거로 시공 데이터를 작성한다.

제7장 정보화 시공을 활용한 차세대 건설 시스템 59

○ 그러나 설계에서 시공 단계로 넘어올 때 누락되는 정보도 많아

서, 이를 보완하는 것이 시공 단계에서 필요하므로 시공자로서

는 부담이 커서, 시공 데이터 작성에 시간이 많이 소요된다.

○ 발주자가 넘긴 설계 데이터는 설계 시에는 상세한 설계 검토

를 하므로 상세 측량 정보나 설계 검토 정보가 축적되어 있어

도, 설계 성과품을 작성 할 때는 생략되기 때문에 이런 문제

가 생기는 것이다.

○ 즉, 도로 설계 사업에서 설계자는 성과 보고서를 작성할 때 도

로 구조물의 설계 정보는 평면 종 횡단 상세도 등의 ‘도

면’으로 표현하는데, 횡단도는 20m마다 관리 단면 위치로 대

표되므로, 시공 단계에서 유효하게 활용되지 못하고 있다.

○ 이는 설계자와 시공자의 정보에 대한 가치관의 차이에서 비롯

되며, 상세 정보를 제외한 2차원 도면과 도로 중심선 계산서

등의 계산 자료만으로는 전자 납품이 된다고 해도, 정보가 누

락되는 문제가 발생한다.

○ 따라서 공사 내용의 구축물의 설계 시공 정보를 설계 도면

과 설계 자료 형식으로는 한계가 있으므로, 일체의 정보를 망

라한 다음과 같은 프로덕트 데이터(Product data)로 전달할

필요가 있다.

60 지하 굴착공사의 안전대책

- 지형 측량에서 얻은 포인트 데이터(x, y, z)

- 설계 대상 도로의 평면 선형 종단 데이터

- 구축물의 횡단 형상의 템플릿(Template)

- 현장 시공을 위한 기준점 데이터

○ 프로덕트 데이터는 설계 단계에서 얻은 측량 설계 정보의

데이터 소스를 의미하며 모두 3차원 공간 정보인데, 이로써

구축물의 위치를 즉시 파악하여 시공 데이터를 얻을 수 있고,

기존의 2차원 도면뿐 아니라 조감 표시도 가능하다.

○ 또한 시공 단계에서 지형 데이터의 추가나 구축물의 완성형

데이터 등 많은 정보가 순차 축적되므로, 시공 공정에서 진도

관리나 완성형 관리가 가능하다.

□ 실증 실험의 실시

○ 실증 실험 현장 소개

- 실증 실험은 일본 Kouchi현의 중앙 북부에 위치한 국도

439호의 도로 개량 공사인데, 실증 실험 대상 공종은 성토

공(盛土工)으로 하였다.

․도로 개축 연장 : 240m

․토공(절토) : 1,576m3, (성토) : 31,616m

3

․옹벽공(擁壁工) 역 T식 옹벽 : 658m3

- 실험 내용은 설계 정보의 단락 없는 정보에 의한 규준틀

제7장 정보화 시공을 활용한 차세대 건설 시스템 61

설치와 완성형 관리의 2개 항목으로 한다.

○ 규준틀 설치

- 공사 시공 시 성토를 하는 건설 기계 운전자는 설치된 규

준틀의 형상을 보고 전체적인 계획 성토 형상을 파악한 다

음 규준틀에 맞춰서 성토 작업을 하므로, 규준틀은 공사

‘시공의 유도’라는 점에서 매우 중요하다.

- 기존의 규준틀 설치는 공사 발주자에게서 얻은 횡단도와

선형 계산서 등의 설계도서(設計圖書)를 근거로 시공자에

의해 다음 순서로 해왔다.

․시공 데이터 작성 : 성토의 경사 개시점이나 경사 종점

등, 규준틀 설치 예정점의 x, y, z 위치 데이터 계산

․규준틀 시공 위치의 측량 데이터 작성 : 토털 스테이션

(TS : Total Station) 등 측량기기에 의해 현장에서 관측

한 각도와 거리를 역 트래버스 계산에 의해 측량 데이터를

작성한다.

- 이에 따라, 시험 구간에서 성토 규준틀의 시공 데이터 내

역과 작업 내용은 다음과 같다.

․시공 데이터 계산 점수 : 196

․데이터 작성 시간 : 4시간

․데이터 작성 필요인원 : 1인

․규준틀 설치 시간 : 10.5분(1기당)

․규준틀 설치 인원 : 2인

- 차세대형 규준틀 설치 작업은 설계 단계에서 작성된 프로

62 지하 굴착공사의 안전대책

덕트 데이터 가운데 중심 선형 데이터, 종단 데이터, 기준

점 데이터를 이용하므로, 별도로 시공 데이터를 작성하는

단계는 생략되어, 작업 내용은 다음과 같이 된다.

․데이터 계산 점수 : 불필요

․데이터 작성 시간 : 없음

․데이터 작성 필요인원 : 1인

․규준틀 설치 시간 : 12분(1기당)

․규준틀 설치 인원 : 2인

- 즉, 기존에 비해 차세대형 시공법은 시공 데이터를 작성할

필요가 없으므로 커다란 경비 절감 효과가 있는데, 규준틀

설치 시간 단축은 툴에 의한 시공이므로 향후 툴의 프로그

래밍에 의해 개선될 것이다.

○ 완성형 관리

- 구축물이 규정의 형상대로 되어있는가를 확인하는 완성형

관리가 필요하며, 성토공에서 완성형 관리 항목은 성토 기

준 높이, 법면 길이(法長), 법 구배, 폭원(幅員)으로 20m마

다 설치된 관리 측점에서 완성형 관리 수치와 설계치와 비

교 관리한다.

- 기존 방법은 성토 기준 높이는 레벨에 의해 높이를 측정하

고, 법면 길이는 줄자로 길이를 측정하여 이 결과를 관리 도

면이나 관리 장표에 기재해서 발주자에 제출해 왔는데, 이

는 구축물의 크기(스칼라)에 대한 관리뿐으로 x, y, z 등 위

치로 관리되지 않아서 구축물 유지 관리엔 충분하지 않다.

제7장 정보화 시공을 활용한 차세대 건설 시스템 63

- 차세대형 완성형 관리는 프로덕트 데이터 상에 현장에서

관측한 실제 데이터를 포인트 데이터(CSV형식 : x, y, z)

로 추가하여, 설계치와 실제 수치 비교를 PC 화면상에서

하고 관리 장표(帳票)를 작성한다.

- 이로써 관리 측점 상에 있는 구축물의 시작점 등의 관리

포인트를 확정 측량하는 기존 관측법에 비해서, 임의 점을

랜덤 관측하는 방법은 1/3～1/2의 시간으로 충분하였다.

- 이러한 프로덕트 데이터에 의한 시공 관리는 시공자가 필

요한 측점과 위치 등 포인트로 매일 완성형 관리가 되며,

발주자에게도 임의 포인트에 의한 현장 확인이 가능하게

된다.

- 기존의 현장 확인 및 감독 검사는 관리 측점이라는 고정점

에서 행해졌는데, 위의 실험에 의한 완성형 관리법은 기존

의 직접 관측법에 비해서 최대 약 30mm의 평면 오차가

생기고 있으나 구축물을 연속적으로 취급하는 정보화 시

공에서는 설계치와 현장 수치의 차를 표준편차로 관리하

는 방법도 있다.

3. 결 론

□ 기존의 시공 방법은 설계 단계에서 시공 단계로 넘어오면서

많은 정보가 생략되어 현장에서 시공 데이터를 새로 작성해

야 했다.

64 지하 굴착공사의 안전대책

□ 따라서 설계 단계에서의 측량 설계 정보 등 3차원 데이터 등

프로덕트 데이터를 활용한 차세대형 시공법을 이용하면, 규준

틀 설치와 완성형 관리에 있어서 많은 경비 절감 효과가 있으

며, 이는 정보화 시공의 한 단계가 될 것이다.

◃전문가 제언▹

□ 우리 정부도 건설 산업의 국제 경쟁력 확보와 공기 단축을 목

적으로 건설 CALS/EC를 공공 건설 공사에 적용시키기 위해

정책적으로 추진하고 있으며, 표준 지침을 만들어 보급 확산

시키고 있다.

□ 이는 설계, 시공, 관리의 전 부문에서 표준화와 기술을 포함한

정보의 공유화를 기하여 건설 정보화를 유도하기 위한 것으

로, 이미 2003년부터 건설 사업 관리 시스템 구축 등을 추진

하고 있다.

□ 이 글에서 일본은 그 동안 CALS에 의해 납품되던 2차원 데

이터 외에 누락된 3차원 데이터를 활용함으로써, 규준틀 설치

와 완성형 관리에서 크게 업무를 개선할 수 있는 가능성을 보

여주고 있다.

□ 우리나라도 1970년대 이후 심층 계측 관리가 광양제철소 건설

시 도입된 이래, 최근 주요 건설 현장에는 자동 계측 시스템

제7장 정보화 시공을 활용한 차세대 건설 시스템 65

이 도입되고 있어서 지반 굴착이나 토공 등에서 효과를 발휘

하고 있어서 정보화 시공의 접목이 시작되고 있다.

□ 이러한 자동 계측이 지리 정보(GIS) 데이터베이스 구축과 함

께 연계 확산된다면, 오차도 줄일 수 있고 실시간으로 현장

확인 관리가 가능하여 건설 CITIS 시스템도 크게 활성화됨으

로써 신속한 업무 처리도 비용과 시간을 획기적으로 절감할

수 있으리라 본다.

□ 이미, 국내 대형 건설사는 과거의 시공 경험과 노하우를 데이