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김 영 근
한국지반공학회 부회장
(주)건화 지반터널부 부사장/
공학박사/기술사

(babokyg@hanmail.net)

   


■ 특별강좌를 시작하면서

터널(Tunnel)은 종방향으로 긴 선형 구조물로서 지반 불확실성으로 인한 지질 및 지반 리스크가 상대적으로 크기 때문에 공사중 사고발생의 위험성이 높고, 실제로 많은 터널 붕락 및 붕괴 사고가 발생하여 온 것이 사실이다. 실제 터널공학의 발전은 이러한 사고로부터 문제점을 분석하고, 그 해결책을 찾아가는 과정이라 할 수 있다. 지난 수 십년 동안의 터널 사고현장으로 얻은 교훈이 현재 터널의 역사를 만들어 낸 것이다. 
운명적인 기회로 암반을 전공하고 터널을 업으로 하게 되었는데, 지난 28년간 쌓아온 경험들을 바탕으로 이제는 터널분야의 전문가로서 자리매김하게 되었다. 하지만 터널분야는 아직도 해결해야 할 문제가 많고, 여전히 터널공사현장에서 발생하는 다양한 크고 작은 사고들을 목격하면서 전문가로서 무엇을 할 것인지 깊이 고민하지 않을 수 없게 된다. 특히 열심히 일하는 엔지니어들에게 실무적인 고민들과도 연결되는 실무적인 도움을 주고자 터널 전문가로서 알고 있고, 현장에서 배우고 경험한 것들을 중심으로 특별강좌를 시작하고자 한다. 

 
본 특별강좌의 주제를 [터널 붕락사고와 교훈]라고 정하였다. 특히 터널분야는 상대적으로 리스크가 큰 지오리스크(Geo-Risk)을 다루기 때문에 여러 가지 사고(Accident)가 발생하여 왔지만, 이에 대한 정확한 원인 규명이나 발생 메커니즘에 대한 분석이 충분하지 못했다. 이는 사고의 원인에 따라 부과될 책임소재에 대한 문제가 더욱더 크게 발생하기 때문으로 생각되며, 특히 국내의 경우 사고에 대한 여러 가지 자료들에 대한 공개를 엄격히 제한하고 있는 현실이다. 


따라서 본 특별강좌에서는 해외에서 발생한 터널붕락 사고사례 분석을 하여 터널사고 발생원인 분석과 메커니즘, 주요 리스크와 이에 대한 대책 그리고 사고현장에 대한 응급 복구 및 보강대책 등을 중심으로 기술하고자 한다. 다시 말하면 터널공사에서 발생 가능한 지오리스크와 이로 인한 터널 붕락 및 붕괴 특성을 면밀히 검토하여, 터널사고로부터 얻을 수 있었던 여러 가지 교훈과 사고 이후 개선되거나 달라진 공사체계와 시스템 등에 대하여 기술하고자하였다.
 


■ 특별강좌의 구성

본 특별강좌는 다음 표에서 보는 바와 같이 총 12강으로 구성되었다. 앞서 설명 드린  바와 같이 국내 터널사고에 대한 자료를 쉽게 오픈할 수 없는 한계가 있음으로 해외에서 발생한 터널사고사례를 중심으로, 붕괴발생원인과 이에 대한 복구대책 등에 대하여 기술하였다.
제1강에서는 개론으로서 지하터널공사에서의 사고원인 분석, 제2강부터 제10강 까지는 주요 사고사례로서 영국, 싱가포르. 대만, 일본, 중국, 호주, 미국, 캐나다 및 독일 등에서 발생한 터널 붕괴사고와 교훈을 기술하였다. 또한 제11강에서는 국내 도심지 터널사고 사례와 교훈 그리고 제12강에서는 터널사고이후 개선된 터널공사시스템 등을 구체적으로 설명하고자 하였다.

           

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본 특별강좌에서 설명하고자 하는 터널 사고사례는 NATM 터널과 TBM 터널에서 발생한 상당 규모의 사고들로서 오픈된 자료를 바탕으로 작성되었다. 본 특별강좌를 준비하면서 놀라운 점은 해외의 경우 사고사례에 대한 자료 공개가 비교적 자유롭고 특별한 제약을 두지 않는 다는 점이다. 이는 아마도 자료 공개를 통하여 얻은 이익이 자료를 제한하는 경우보다 더 크다고 생각하는 문화적 특성과 사고발생에 대한 책임문제보다는 사고분석을 통하여 추가적인 사고를 방지하고자 하는 기술적 사고가 발달했기 때문이라 생각된다. 비록 해외 터널공사가 국내의 공사방식이나 시스템과는 많이 다르긴 하지만 사고사례에 대한 검토나 분석을 통하여 분명 얻을 수 있는 점이 있다고 생각하며, 이러한 교훈을 통하여 국내 터널공사의 사고방지에 조금이나마 도움이 되길 바래본다.




제1강

지하터널공사에서의 사고원인 및 특징 분석

Review of Tunnel Accident Associated to Underground Works



1. 지하터널공사에서의 사고와 결과


대부분의 터널사고와 관련된 문제는 지하 구조물을 건설하는 동안 발생하며, 지반 조건의 불확실성과 관련이 있다. 따라서 터널공사에서 리스크 분석 시스템을 개발하고 발생을 방지하는 것이 필수적이다. 리스크는 사고 발생가능성(probability)과 사고 발생으로 인한 결과(consequence) 두 가지 요인의 조합으로 복잡한 특성을 가진다. 리스크 분석은 의사결정(decision-making)이 일정 수준의 불확실성에 기초해야 한다는 사실을 보여준다(Einstein, 2002; Caldeira, 2002). 리스크 분석은 [그림 1]과 같이 의사결정 사이클의 일부이다.



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불확실성(uncertainty)은 지반 공학에서 중요한 특성으로 지질 요인의 공간적 변동성과 시간, 지반 변수의 측정과 평가에 의한 오류, 모델링과 하중의 불확실성 그리고 누락과 같은 여러 가지 다른 범주가 설정될 수 있다(Einstein, 2002).


최근 지속가능한 개발의 필요성 때문에 지하공간의 이용이 증가하고 있다. 지하공사에서 사고가 발생하는 것은 다른 구조물처럼 특이한 일이 아니지만. 그럼에도 불구하고 관련된 법적 사회학적 문제를 고려할 때, 사고의 확산은 흔하지 않으며, 관련된 위험과 그 원인의 확산을 최소화하는 경향이 있다.


비교적 최근까지 지하 프로젝트를 평가할 때 리스크 평가와 리스크 분석은 특별한 연관성을 갖지 않았지만. 최근 미국과 스위스의 주요 교통인프라 프로젝트에서 상업용 및 연구용 소프트웨어를 이용하여 리스크 분석을 성공적으로 수행하고 있다. 미국 MIT가 개발한 DAT(Decision Aids for Tunnelling)은 확률적 모델링을 통해 지질 불확실성과 시공 불확실성이 공사비와 공사기간에 미치는 영향을 분석할 수 있는 프로그램입니다(Einstein 등, 1999; Sousa 등, 2004).


지반공학적 리스크의 식별은 위험(hazard)을 초래할 수 있는 모든 원인을 평가하는 것을 목적으로 한다. 따라서 본 고에서는 주로 NATM 공법과 TBM 공법을 적용한 지하구조물의 사고원인에 대한 검토를 진행하고자 한다. 또한 지상 또는 지중의 기존 인프라 구조의 손상, 굴착중 터널 자체의 붕괴 및 붕락 등의 손상을 참조하였다.


지하구조물 사고에 대한 연구는 구조물의 시공에 의해 발생하는 불안정 현상과 메커니즘을 이해하는 데 매우 중요한 도구이며, 그 결과 향후 프로젝트에 가장 적합한 시공 방법을 선택할 수 있다. 지하공사에서의 사고발생이 다른 구조물처럼 이례적인 것은 아니더라도 사고의 확산이나 원인에 대한 설명을 최소화하려는 경향이 있으며  이러한 사실은 설계자와 시공자에 의한 이전의 오류의 반복으로 이어질 수 있다. 따라서 지하 공사에서 보고된 실패 횟수는 상대적으로 감소하고 있다.


1994년 10월 21일 영국 Heathro Express Ray Link의 일부로 건설되고 있는 3개의 병렬 터널 붕괴사고가 발생함에 와 함께, 영국 HSC(Health and Safety Commission)는 NATM 터널의 사용에 대한 영향을 연구하기 위한 조사를 수행했다. 이 조사를 통하여 히드로 공항에서 발생한 터널 붕괴의 원인을 파악하고 안전관리에 대한 보고서를 발행하였다.(HSE, 1996; ICE, 1996).
영국 보건안전위원회가 NATM 터널에 대한 상세 조사를 통하여 얻은 주요 결론은 다음과 같다(HSE, 1996).


■ NATM 터널 굴착에 따른 대형 사고가 전 세계에서 발생하고 있다. 그럼에도 불구하고, 안전(safety)에 관한 가장 중요한 측면이 기술적으로 충분히 검토된 것이 아니다.

■ 도심지 NATM 터널에서 발생한 붕괴는 작업자뿐만 아니라 지상 인프라와 환경에 심각한 결과를 초래할 수 있다. 붕괴에 의한 결과를 허용할 수 없는 구조적 해결책이 있기 때문에 대안적인 해결책(alternative solution)을 찾아야 한다.

■ 지반조사를 통하여 지하 구조물의 안전과 관련하여 예기치 않은 중대 조건(critical condition)을 발견할 가능성이 없음을 확인해야 한다. 결과적으로, 상세하고 정확한 설계가 필요하게 되고 각 구조 요소는 시공 전에 개략적으로 설계되어야 한다.

■ 임시 및 영구 지보 설계를 고려할 수 있는 통합 절차(integrated procedure)가 개발되어야 한다. 설계는 터널 시공에 의해 만들어진 모든 절차를 시공 방법론에 따라 고려해야 한다.o?NATM 공법에 따라 설계된 지보로 굴착되는 터널은 다른 공법을 사용하여 굴착되는 터널만큼 안전하다.

NATM 공법과 관련된 리스크의 상세 분석과 다른 방법과의 비교는 아직 수행되지 않았으나 각각의 다른 방법론은 지하구조물의 위치와 기능에 크게 달라지는 위험요소(hazard)를 도입하고 있다. TBM 장비를 이용하여 굴착하는 TBM 공법은 다른 공법에 비교하여 상대적으로 굴진속도가 빠르고 막장 전방의 안정성을 확보할 수 있고, 도심지 터널의 경우 지표침하를 정확하게 컨트롤 할 수 있다(Babenderdem, 1999 ; Barton, 2000 ; Vlasov 등, 2001).


복합 암반과 천층 도심지 터널에서 안전관리는 달성하기 어렵다. 지질 및 지반조사는 항상 불충분하며 터널과 주변지반에 대한 강도 및 투수 특성을 상세하고 정확하게 제공할 수 없다. 특히 지상에 건물 및 기타 기반시설이 존재하기 때문에 적절한 장소에서 시추공 및 기타 조사 작업을 수행할 수 없으므로 굴착시공 단계에서 운영할 필요가 있으며, 터널 막장전방에 대한 시추가 수행된다. 또한 각 굴착 단계에서 상한과 하한을 설정함으로써 터널 막장면에서 굴착토의 양 등을 최대한 정확하게 제어할 수 있다(Martins 등, 2013).


운영중인 터널의 경우 화재, 폭발 및 홍수로 인한 구조물 및 장비의 일부 또는 전체 손상이 발생할 수 있으며, 오래된 터널은 보상 및 개선 작업 중 사고가 발생할 수 있다(Silva, 2001). 또한 산사태, 암반사면 붕괴, 홍수 와 같은 자연 재해로 주요 터널사고가 발생하기도 한다(Vlasov 등, 2001).


터널에서의 지속적인 변상과 열화는 오래된 터널과 최근의 터널에서 발생할 수 있으며, 주로 암반과 지보와 관련이 있다. 노후 터널의 경우 당시 시공법으로 인한 주변 공동의 이완과 관련이 있는데, 이는 지하구조물에 특히 피해를 준다. 노후 터널의 변상은 또한 공동(void), 벽돌 조인트 벌어짐, 지하수, 콘크리트의 열화, 그리고 지보에 이완하중 작용 등과 관련이 있다(Freitas 등, 2003). 최근 터널에서 주요 변상은 NATM 공법, TBM 공법 및 개착공법 등과 같은 터널공법과 관련이 있다. 지보는 현상타설 콘크리트, 숏크리트, 볼트, 앵커 및 강재지보 등이 있다. 설계 문제, 배수 불량으로 인한 수압 문제, 계산 및 계획에서의 오류 등에 의해 터널의 변상과 열화의 원인을 설명할 수 있다(HSE, 1996; Matos, 1999; Blasov 등, 2001).


여러 가지 이유로 지난 몇 년간 터널에서의 사고가 크게 증가하고 있다. 이는 주로 터널 건설의 급격한 증가와 관련 리스크가 잘 확인되지 않고 컨트롤되지 않으며 때로는 공법에 대한 지나친 신뢰와 관련이 있다. 터널현장에서 발생한 많은 사고가 실제로 보고되지 않기 때문에 이러한 터널 사고의 주요 원인에 대한 적절한 통계를 정의할 수 없기 때문에, 발생 사고에 대한 개략적인 내용을 중심으로 지하터널공사에서의 사고 현황과 주요 원인을 중심으로 정리하였다.



2. 지하터널공사에서의 사고사례와 원인 분석


2.1 지하터널공사에서의 사고사례 분석

터널 굴착 중 발생하는 사고는 심각한 결과를 초래할 수 있는 통제할 수 없는 사건이다. 다른 지하공사에 비해 사고 발생 빈도가 상대적으로 높다고 할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 영국 안전건위원회(HSE)는 지하구조물에서 발생한 사고를 규명하고 분석하기 위해 광범위한 문헌 조사를 수행했다. 이러한 자료의 예비 분석을 통해 다음과 같은 내용을 확인하였다.


i) 도심 지역의 붕괴 건수가 농촌 지역의 붕괴 건수보다 2배 정도 많다.
ii) 터널 사고사례는 NATM 사용 경험이 적은 국가에만 해당되는 것은 아니다.
iii) 대부분의 터널 사고사례는 철도 또는 지하철 터널에 관한 것이다.
iv) 터널 붕괴로 인한 환경 영향은 도심 지역에서 지속적으로 높다.


일본에서는 65개의 터널, 주로 경암반에서 터널 사고사례가 보고되었다(Inokuma 등, 1994). 이 중 15건은 50~500m3의 범위를 가리키며, 3건은 1,000m3 이상의 지반 손실(ground loss)이 있었다. 지표에 싱크홀(지반함몰)이 생긴 상황은 두 가지였다. 브라질 상파울루의 터널사고에 대한 자료는  Neto와 Kochen(2002)에 의해 수집되었다. 보고된 사례의 대부분은 토질 문제이었으며, 암반에서의 사고는 감소했다. 이러한 경우에서 도출해야 할 중요한 결론으로 일부 터널사고는 점토층에서 발생했으며, 점토층내 균열로 인해 지반 강도가 감소했기 때문이다. 이와 같은 터널사고는 NATM이 도심 지역에서 점점 더 어려운 조건에서 적용되고 있다는 점과 설계자와 시공자의 지식 부족과 같은 다양한 요인들에 기인할 수 있다. 터널사고가 증가함에도 불구하고 터널사고에 대한 출판물과 기술 논문 수는 감소했지만 Vlasov 등(2001) 등이 출판한 책을 특별히 참고했다.


[그림 2]는 상파울루에서 발생한 사고 사례를 보여주며, [그림 3]은 도심지 터널공사에서 발생한 사고들을 보여준다. 또한 [그림 4]는 지하터널공사에서 발생할 수 있는 다양한 형태의 붕괴사례를 나타낸 것이다. 터널 사고사례에서 보는 바와 같이 터널사고는 터널 붕괴뿐만 아니라 지상에 있는 도로, 건물 등에 중대한 피해를 줌을 볼 수 있다. 특히 도심지 터널공사에서는 그 영향이 매우 커서 터널사고로 인한 결과가 매우 심각하다는 것을 확인할 수 있다.

           

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[표 1]은 국제터널협회(ITA)에 보고된 전 세계 터널에서 발생한 사고 사례들을 요약한 것이며, [표 2]에는 참고문헌 등에서 보고된 터널 사고사례 등을 정리한 것이다. 

           

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2.2 NATM 터널에서의 붕괴 메커니즘

NATM 터널의 경우, 보고된 대부분의 사례는 막장면 전방근처에서 발생하는 붕괴를 의미한다. 이는 터널 심도가 매우 깊지 않은 경우에 지표면이 붕괴되어 터널 상부에 구멍이 생겼기 때문이다.  특히 대심도 대형 지하구조물의 경우에도 지표면에 도달할 수 있고, 작업자, 일반 대중, 인프라 시설 및 환경에 대한 재앙적인 결과를 가질 수 있다. 때로는 막장 붕괴가 지반의 불안정 상태에 기인하는 경우가 있는데, 실제로 붕괴의 원인은 현장 조건에 맞지 않는 시공법의 사용이다.


터널 붕괴의 원인을 분석하였고, 일반화된 터널 붕괴 메커니즘은 다음 3개의 카테고리로 분류할 수 있다.
a. 천단부에서의 지반붕괴(그림 5 및 그림 6)
b. 링 폐합 전후의 라이닝 붕괴(그림 7)
c. 기타 붕괴 위치와 메커니즘


붕괴를 초래한 다양한 유형의 원인은 다음과 같이 정리할 수 있다(HSE, 1996).
i) 굴착막장면 인접부에서의 붕괴
■ 굴착면 근처의 불안정한 지반의 붕괴
■ 시추공과 같은 인공적인 것을 포함한 불안정한 굴착 막장면의 붕괴
■ 과도한 침하 또는 변위로 완성된 라이닝의 부분적인 붕괴

■ 종방향으로의 하반 붕괴

■ 터널 중앙부쪽으로의 굴착중 하반 붕괴

■ 완료된 링의 첫 구간 전방의 상반에서 종방향 캔틸레버의 붕괴

■ 링 폐합을 앞두고 너무 일찍 상반을 굴착하여 붕괴

■ 상반 임시 인버트의 붕괴

■ 상반 엘리펀트 풋 하부의 붕괴

■ 부분적으로 완성된 라이닝의 구조 파괴로 인한 붕괴

           

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ii) 완성된 숏크리트 라이닝 구간에서의 붕괴
■ 과도한 침하 또는 변위발생으로 인한 붕괴
■ 예기치 않은 또는 허용되지 않은 하중 조건의 국부적인 과부하로 인한 붕괴
■ 표준이하의 자재 또는 중대한 시공 결함으로 인한 붕괴
■ 터널 라이닝의 기존부와 신설부 접합부에 대한 작업 중단으로 인한 붕괴
■ 숏크리트 라이닝의 단면 보정, 변경 또는 수리 등으로 인한 붕괴


iii) 기타 다른 위치 및 메커니즘
■ 열악한 지반조건과 관련된 갱구부에서의 붕괴
■ 연약한 지반조건과 지하수 문제로 인한 수직구의 붕괴



2.3 NATM 터널에서의 사고사례

NATM 터널에서의 사고사례를 분석하였다. [그림 8]에는 1987년에 발생한 독일 Landrucken  터널 사고를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 먼저 바닥부 가인버트에서 과지압에 의한 전단파괴와 균열이 발생하고, 이어 측벽부에서의 내측으로의 수평변위가 발생하고 천단부에 균열이 확대되었다. 이후 좌우 측벽부와 인버트가 붕괴되고 천단부가 완전히 파괴되어 터널 전체가 붕괴됨을 볼 수 있다. 이는 과지압(over stressing)으로 인하여 설치된 지보력이 이를 견디지 못하여 발생하는 것으로, 설계 및 시공상의 오류로 파악되었다.



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[그림 9]에는 1987년에 발생한 독일 Krieburg 터널 사고를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 측벽선진도갱을 굴착한후 상반을 굴착하면서 우측 천단부 숏크리트가 파괴되었다. 이는 지하수를 포함한 지반의 이완하중이 작용함에 따라 숏크리트 지보력을 초과하여 발생한 것으로 주지보재 설치전에 터널 천단부에 충분한 강단보강그라우팅과 같은 지반보강작업이 굴착전에 수행되지 않았지 때문으로, 설계 및 시공상의 오류로 평가되었다.

           

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[그림 10]에는 1987년에 발생한 독일 Munich 터널 사고를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 지하수위 하부에 지반동결작업을 실시한후 터널상반굴착중에 붕괴가 발생하여 지반함몰까지 이르게 되었다. 이는 지반동결이 충분하지 않은 이회토(marl)층이 터널 천단부에 노출되어 발생한 것으로, 지반의 불균질성으로 제대로 확인하지 못한 시공상의 오류로 평가되었다.

           

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[그림 11]에는 1978년에 발생한 독일 메트로 터널 사고를 나타낸 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 낮은 토피고로 인하여 터널 천단부에 연약토사층이 위치하고 있어 터널굴착에 의한 아치효과가 부족하여 도로함몰까지 이르게 되었다. 이는 터널 굴착전에 충분한 지반보강작업이 이루어지지 않아 발생한 것으로, 낮은 토피고로 인한 지반 특성을 제대로 확인하지 못한 지반조사상의 문제로 평가되었다.

           

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2.4 TBM 터널에서의 사고사례

TBM 장비를 이용해 굴착한 터널의 경우, 막장 전면에 가까운 곳에서 붕괴가 일어나면 심각한 파손과 절단장치 파괴로 이어져 추가 접근 작업이 진행돼 상당한 공사비와 공기 지연이 초래될 수 있다. TBM 장비의 현장 수리와 터널내 해체 및 제거가 매우 어렵다.
TBM 터널사고 사례가 [그림 12]에 설명되어 있으며, 캐나다 몬트리얼 인근 45km의 하수관로 터널에서 수행된 긴급 공사작업과 비상 조치 작업을 보여준다. [그림 13]과 [그림 14] 그리고 [그림 15]는 TBM 터널에서의 다양한 붕괴 사례를 보여준다. 

           

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3. 터널 붕괴사고 원인 분석


터널붕괴사고의 원인은 다음의 5개의 카테고리로 구분할 수 있다(HSE, 1996; Vlasov 등, 2001).
 1) 예측할 수 없는 지질
 2) 설계 및 시방 오류
 3) 계산 또는 해석 오류
 4) 시공 오류.
 5) 관리 및 컨트롤 오류


i) 예측할 수 없는 지질적인 원인(predicted geological causes)
지반조사의 감소로 인해 지반의 특성을 명확히 파악하지 못했기 때문이다. 일반적인 예측할 수 없는 상황(unpredicted situation)은 지반의 변화와 불확실성과 관련이 있다. 따라서 시공 중에도 지반조사를 계속하고, 전문가에 의한 굴착 막장 분석을 실시하는 것이 좋다. 이것은 많은 붕괴사례 가장 자주 보고되는 원인 중 하나이다.
 
ii) 설계 및 시방 오류 (planning and specification mistakes)
터널 붕괴는 계획 단계에서 수직구, 지하박스 및 빈 시추공과 같은 지하 구조물을 찾는 데 실패했기 때문에 발생하기도 한다. 다른 원인으로는 부적절한 지반에 터널을 굴착하는 것과 관련이 있다. 지반 특성을 고려하지 않는 굴착 및 지보 조치는 부적절한 지보와 건설 자재의 부적절한 사양 그리고 예상치 못한 또는 긴급 상황에 대한 부적절한 계획 등과 관련이 있다.


■ 너무 높은 터널 레벨로 부족한 터널토피고
■ 지질특성과 고려하지 않은 굴착 및 지보 대책.
■ 잘못된 지반분류 시스템으로 인한 부적합한 지보
■ 부적합한 건설 자재의 규격
■ 단면 또는 레벨 공차의 부적합한 시방
■ 라이닝 보수 절차에 대한 부적합한 시방
■ 예상치 못한 조치나 응급 조치 계획의 부적절


iii) 계산 및 해석 오류 (calculation or numerical mistakes)
설계 중 해석과 계측 모니터링과 관련된 계산 오류가 포함되며, 후자는 관찰 데이터의 품질과 관련이 있다. 계산 및 해석상의 다른 오류는 다음과 같다.

 
■ 부적절한 해석 매개변수의 선정
■ 지하수의 영향의 과소평가
■ 부적절하거나 검증되지 않은 해석 프로그램의 사용
■ 터널 모니터링 집계의 수치 오류
■ 수치모델링 데이터 프로세스의 실패


iv) 시공 오류 (construction mistakes)
시공 오류는 광범위하고 특정하기 어렵다. 가장 일반적인 예는 다음과 같다.


■ 지정된 두께가 없는 라이닝
■ 록 앵커 및 아치의 설치 오류
■ 지반동결파이프의 부적절한 설치
■ 인버트 콘크리트에 버력 포함
■ 부적절한 인버트 단면과 불량한 기시공 라이닝 보수


v) 관리 및 컨트롤 오류 (management and control mistakes)
경험 없는 설계자와 시공사, 부적절한 구조 설계의 존재를 나타내는 상황 발생 후 적절한 결론의 결여, 부실한 현장 검사 그리고 부적절한 시공 단계의 채택 등을 포함한다.


■ 무능하거나 경험이 부족한 NATM 설계자
■ 무능하고 미숙한 현장 관리
■ 이전 경험에서 좋은 점과 나쁜 점을 모두 배울 수 없는 관리 무능
■ 무능하거나 경험이 부족한 시공자
■ 시공에 대한 감독(감리) 부실
■ 잘못된 터널 공사단계 허용


요약하자면 터널 사고의 원인은 주로 자연적 또는 기술적 요인으로 구분된다. 자연적인 요인들은 기본적으로 다음과 같은 특징들을 포함한다. 이는 지질 구조와 특성, 이방성, 지하수 상태 및 지진, 카르스트 침식 및 지열을 포함한 지질학적, 물리적 과정이다. 기술적인 요인들은 엔지니어링 활동과 관련이 있다. 예를 들어, 현장 암반응력 상태의 변동과 굴착에 의해 유도된 변형 거동, 지상 인프라 구조물과 지중 구조물과의 상호 작용, 지하수위의 감소와 증가, 시공 기준과 운영중인 터널에서의 운영 조건의 무시 등이 있다 (Vlasov 등, 2001).



4. 사례 분석 및 검토
 
터널 사고사례분석은 터널 붕괴사고에 대한 문서화되고 공개적으로 이용 가능한 데이터를 기반으로 하였다. 전 세계적으로 주요 터널 붕괴사고 사례에 대한 포괄적인 목록을 검색했다. 지하터널공사의 주요 위험요소는 다음과 같다.


1) 지질 특성 - 지반공학적 조건
물리적 및 역학적 지반 특성과 평가 영향 및 지하수의 영향


2) 터널 공법 선정 - NATM 및 TBM
지반 조건, 터널 심도, 시공업체의 경험, 기계 사용가능성 등을 기준으로 TBM 공법, NATM 공법(발파 D&B) 및 개착공법(Cut &Cover) 등과 같은 다양한 터널공법의 선택(독립 또는 결합)


3) 터널 설계 접근법 - 지반 정보와 경험
주로 지반조건에 대한 상당한 지식과 경험의 중요성


4) 터널 시공 방법 - 시공 수행 및 시공 기술
프로젝트별로 잘 만들어지고 규정된 시공관리계획의 중요성 - 승인된 설계개념에 따라 적용 가능한 시방서



4.1 지반조건 및 터널 공법별 터널 사고

본 분석의 주요 목표는 이용 가능한 터널 사고 및 그에 따른 손실에 대한 분석 및 평가이다. [그림 16]은 터널 사고와 지반조건 그리고 터널공법을 비교한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 토사지반이 사고가 발생하기 쉬우며, TBM 공법에서는 토사지반이, NATM과 발파공법에서는 암반에서 사고가 많이 발생함을 확인하였다. 


[그림 17]은 터널공법별로 발생한 터널사고를 정리한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 TBM 공법이 NATM 공법보다 약간 많지만 기존 전통적인 터널공법이 전체의 2/3 정도를 차지하고 있음을 볼수 있다.
[그림 18]은 터널사고 유형을 정리한 것이다. 그림에서 보는 바와 같이 가장 자주 발생하는 사고유형은 막장 불안정성임을 알 수 있다.

           

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4.2 터널 사고에 대한 주요 영향 요소 

터널 사고에 영향을 주는 요소를 정리하면 다음과 같다.


지질 및 지반 문제  
  i. 지반조사와 관련이 있는 지반정보 부족
  ii. 연약대(weak zone)와 파쇄대(예, 단층)의 확인
  iii. 층상암반에서의 천단부 낮은 지지력 - 천층터널에서 상당한 지표침하 유발


설계 문제   
  i. 지반 불확실성에서의 터널 막장 안정성 및 지보 대책
  ii. 실제적인(realistic) 트리거 수준과 결합된 제안된 계측 모니터링
  iii. 터널에 작용하는 전반적인 응력의 실제적인 평가와 시뮬레이션


시공 기술문제    
  i. 견고한 시공관리 계획
  ii. 승인된 설계와 시공법의 준수
  iii. 주요 프로젝트 인력의 구성 및 자격


본 검토에서는 현존하는, 공개적이고 상업적으로 이용 가능한 기존 터널 사고사례를 분석을 통하여 터널 사고에 영향을 주는 가장 중요한 사고 요인을 분석하였다. 터널 사고는 상당한 보험 관련 재정적 손실과 심각한 프로젝트 지연을 초래할 수 있다. 사고에 따른 공사비 증가 및 공기 지연은 통계 기반에 따라 조사되었으며, 일반적으로 보험 비용(Insurance cost)과 그에 상응하는 공기 지연(Time delay) 사이의 선형 관계를 가짐을 확인할 수 있다.


경험 많은 컨설턴트가 프로젝트 초기에 참여하여 국제터널협회(ITA)와 같은 세계적으로 인정받는 지침을 사용함으로써 사전 예방적 리스크 엔지니어링 관리가 반드시 요구된다.


지금까지 검토한 터널 사례로부터 얻은 가장 중요한 점은 바로 에 제시된 고려사항은 터널 사고가 터널 작업자, 주변 인프라 및 환경에 심각한 결과를 초래할 수 있다는 곳이다. 터널 사고에서 가장 심각하고 상대적으로 빈번한 경우는 전방 막장면 붕괴로 이는 지보의 파괴 및 변형뿐만 아니라   침수, 화재, 폭발 및 기타 긴급 상황과 함께 발생하게 된다. 또한 지하(지중)와 지표 인프라와의 상호작용은 지하터널공사에서의 리스크 안전  분석에서 반드시 고려되어야 하는 사항이다.


터널의 건설, 운영 및 복구 과정에서 우발적인 사건을 최소화하고 예방하여 지하 구조물의 안전성과 내구성을 개선하고 비용을 절감하기 위한 몇 가지 권고안을 수립할 수 있으며, 터널 설계에 대한  리스크 분석은 설계, 시공 및 운영의 모든 단계에서 필수적이라 할 수 있다.




참고문헌

1. 김영근, 지하공사 리스크 안전관리 시스템, 지하안전관리세미나, 2018

2. 김영근, NATM 터널 설계 및 시공문제점과 대책, 건설기술교육원 강의자료, 2019

3. 김영근, 터널공사와 지하안전영향평가, 건설기술교육원 강의자료, 2020

4. 김영근, 터널 리스크 안전관리, 한국터널지하공간학회 KTA 기술강좌, 2022

5. HSE, Safety of New Austrian Tunnelling Method (NATM) Tunnels, 1996

6. L. Ribeiro e Sousa, Learning with accidents and damage associated to underground works, 2006

7. Engineering & Development Department(CEED), April 2015, Catalogue of Notable Tunnel Failures -. Case Histories (up to April 2015)

8. Reiner H, Developments in the Tunneling Industry following introduction of the Tunneling Code of Practice, IMIA Annual Conference, Amsterdam September 2011

9. IMIA WGP 48 (06) ALOP/DSU coverage for tunneling risks, 39th Annual Conference, Boston 2006

10. MunichRe, The Code of Practice for Risk Management of Tunnel works Future Tunneling Insurance from the Insurers’ point of view, ITA Conference Seoul April 2006

11. Grasso, P.; Xu, S.; Fedele, M.; Russo, G.; Chiriotti, E. (2003). Particular failure mechanisms of weathered granite observed during construction of metro tunnels by TBM. ITA Congress on (Re)Claiming the Underground Space, Amsterdam, pp. 497-503.

12. Neto, F.; Kochen, R. (2002). Safety, rupture and collapse of urban NATM tunnels (in Portuguese). 4th Symposium on Tunnels in Urban Environment, Sa Paulo, pp. 47-52.

13. Vlasov, S.N.; Makovsky, L.V.; Merkin, V.E. (2001). Accidents in transportation and subway tunnels. Construction to operation. Russian Tunnelling Association, Moscow, 198p.

13. Sousa, R.L.; Einstein, H.; Correia, A. (2004). Assessment and improvement of risk analysis methodologies for tunneling projects. MIT, Plan of PhD Thesis, Cambridge. 




제1강 - 요점정리 

제1강에서는 지하터널공사에서의 해외 터널사고사례를 중심으로 터널사고의 발생원인과 그 영향에 대하여 고찰하였다. 터널에서 발생한 다양한 사고 형태와 특성을 검토하고 주요 문제점 분석을 통하여 얻은 요점을 정리하면 다음과 같다.


터널공법과 사고
터널공법은 크게 NATM 공법과 TBM 공법으로 구분되며, NATM 공법과 TBM 공법이 적용된 모든 터널공사에서 터널사고가 꾸준히 발생하고 있다. 최근까지도 NATM 공법과 TBM 공법에서의 사고사례가 보고되고 있으며, 특히 도심지 터널공사에서의 사고가많이 발생하고 있으며, 상대적으로 그 영향(결과)도 심각한 것으로 확인되었다. 


터널사고의 원인
터널사고의 원인은 크게 지질 및 지반 문제, 설계상의 오류와 해석문제 그리고 시공기술 부족과 관리문제로 구분할 수 있다. 지질 및 지반문제는 터널공사의 가장 교유한 문제로 설계단계에서의 충분한 지반조사와 시공단계의 지질 및 암반평가 작업의 중요성을 확인하여 준다. 또한 설계과정에서의 해석오류로 인한 잘못된 지보선정과 시공경험이 부족한 기술자의 터널현장관리는 가장 근본적인 사고원인이라 할 수 있다.


터널사고의 영향
터널사고는 터널 작업자의 피해뿐만 아니라 도심지 터널의 경우 지상인프라에 상당한 손상 그리고 주변 환경에 심각한 영향을 주게 된다. 또한 터널 사고로 인하여 사고수습과 복구로 인한 추가 공사비 증가 및 공기 지연은 매우 심각한 문제로서 일반적으로 터널 사고의 발생원인에 따라 발주자뿐만 아니라 시공자(또는 설계자)의 책임여부와 보험자의 재무적 손실은 가장 중요한 영향요소이다.  


터널사고와 리스크 안전관리 
해외에서 발간된 터널사고 조사보고서상에 터널사고를 방지하기 위한 가장 주요한 방법이 바로 리스크 분석을 통한 리스크 관리(Risk Management)이다. 이는 국제터널협회(ITA)를 중심으로 정량적 리스크 분석기법에 대한 가이드라인을 만들었으며, 선제적이면서 적극적인 예방(pro-active) 대책으로 터널공사에 적용되어 운용되고 있으며,
설계단계에서부터 운영관리 단계까지 프로젝트 모든 단계에서 운용되도록 하고 있다.

이제 제1강이 마무리되었다. 보다 자세한 내용은 [터널 리스크 안전관리] 책을 참고하기 바란다. 다음 강의부터는 구체적인 터널 사고 사례로부터 터널 사고의 원인과 메커니즘 분석, 사고 임시대책 및 보강·복구 방안 그리고 터널 사고로부터 얻을 수 있었던 교훈에 대하여 설명하고자 한다. 이것은 터널 현장에서 발생한 실제 사례를 기초로 한 것으로 터널 사고 문제를 해결하고자 했던 지반 및 터널 기술자들에게 실제적으로 도움이 되고자 하였다. 

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