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김 영 근

(주)건화 지반터널부 부사장

한국지반공학회 부회장

공학박사/기술사

(babokyg@hanmail.net)



■ 제6강을 시작하며 



2016년 11월 8일 오전 5시 15분경 [그림 1]에서 보는 바와 같이 후쿠오카 지하철 공사중 NATM 터널이 붕괴되고 상부 도로가 함몰되는 사고가 발생했다. 본 사고는 일본 도심지에 지하철에 적용되어 왔던 NATM 터널공사에 상당한 영향을 미쳤다. 본 사고를 통해 NATM 터널공사에서 설계 변경 및 시공관리 등에 많은 문제점이 확인되었다. 특히 대단면 NATM 터널에서의 대규모 터널 붕괴사고는 조사, 설계 및 시공상의 기술적 문제점을 제기하는 계기가 되었으며, 도심지 구간에서 대규모 터널 붕락 및 도로 함몰의 사고 원인 및 발생메커니즘을 규명하기 위하여 철저한 조사를 진행하게 되었다.


본 고에서는 후쿠오카 지하철 공사의 도심지 대단면 NATM 터널 붕괴사고 사례로부터, 대단면 NATM 터널공사시 지질 및 지하수 리스크, 대단면 터널 단면계획, 대단면 터널 분할 굴착 및 지보공, 보조공법의 시공 등 시공관리상의 문제점을 종합적으로 분석하고 검토하였다. 이를 통하여 본 터널 붕괴사고로부터 얻은 중요한 교훈을 검토하고 공유함으로서 지반 및 터널기술자들에게 기술적으로 실제적인 도움이 되고자 하였다.  



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1. NATM 터널 붕락 및 도로함몰사고의 개요



1.1 사고 개요


후쿠오카시 지하철 나나쿠마선 연장공사 현장에서 2016년 11월 8일 5시15분경 하카타역 앞 교차로 부근 도로 포장면에 균열이 발생하고, 이후 5시 20분경 도로 남쪽이 함몰, 5시 30분경 도로 북쪽이 함몰, 7시 20분경 도로 중앙부가 함몰되기에 이르렀다.


지하철 공사현장에서는 11월 8일 0시 40분경부터 지보공 103기 부근 굴착을 시작했으며 4시 25분경 연속적인 부분 붕락을, 4시 50분경에는 막장천단에서 이상출수를 관측하여 5시 00분경 작업원 9명 전원의 지상 대피가 완료, 5시 10분경 차량 등의 진입금지 조치가 완료된 바 있었다. [그림 2]에는 터널붕락 및 도로함몰 사고 발생위치 및 경위가 정리되어 있다. [그림 3]에는 터널붕락 및 도로함몰 사고 형상에 대한 개요도가 나타나 있다.



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본 사고는 [그림 4]에서 보는 바와 같이 대단면 본선터널의 선진도갱 굴착중에 발생하였으며, 토피고는 약 18m, 암토피고는 약 2m이며, 암반층 상부에는 미고결 대수 모래층이 분포하고 있어 대단면 터널을 선진도갱 공법으로 분할굴착하고, 강관보강그라우팅과 같은 보조공법을 적용하여 시공중에 있었다. 도로함몰 규모는 폭이 약 27m, 길이 약 30m, 깊이 약 15m이며, 함몰의 볼륨은 약 6200m3로 추정되었다.  



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[그림 5]은 터널 붕락 및 도로함몰 당시의 사진을 보여주고 있으며, 도로폭 전체가 함몰되는 것을 볼 수 있다. 다행스럽게도 건물의 경우 말뚝기초로 인하여 심각한 손상은 발생되지 않았다.



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[그림 6]은 터널 붕락 및 도로함몰 이후의 사진을 보여주고 있으며, 본선터널, 연락갱 및 수직구가 밀려온 토사와 지하수로 침수되었음을 볼 수 있다. 



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1.2 긴급 복구 현황 


[그림 7]에는 도로함몰구간에 대한 긴급 복구방안이 나타나 있다. 그림에서 보는 바와 같이 우선적으로 붕락구간에 유통화처리토를 타설하고 그 위에 되매움토와 쇄석을 타설하였다. 또한 유통화처리토 하부는 그라우팅을 실시하여 지반 강성을 증가하도록 하였다. [그림 8]에는 시간별로 실시된 긴급복구 단계와 최종적으로 복구가 완료되어 도로가 일주일 만에 개통되는 모습을 보여주고 있다.



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또한 복구구간에 대한 보링 조사를 실시하여 충분한 강도가 확보되어 있는지 확인하였고, 11월 14일에 전문기술자 등에 의해 임시 복구도로의 안전성을 검토하었으며, 어느 정도 노면침하가 발생할 있을 수 있고 가설구조물의 전제가 되는 유동화처리토 하부지반의 강도에 대하여 확인보링을 가능한 한 빨리 실시하도록 하였다. 그리고 도로 개방후에도 안전성을 확인하기 위해 계속 모니터링을 실시하도록 하였다.







2. NATM 터널 현장 개요 및 공사현황 



2.1 현장 개요 


본 현장은 후쿠오카 지하철노선중 나나쿠마선 연장구간(덴진미나미~하카타)으로 총연장 1.4km에 이르는 도심지 지하철공사이다. 본 현장의 공사평면도와 단면도가 [그림 9]에 나타나 있다. 그림에서 보는 바와 같이 본 현장에 적용된 공법은 다음과 같다. 


① 중간역 서측 : 하천을 2개소 횡단하여 교통량이 많은 국체도로에 지하철을 부설함으로써 비개착 공법을 적용하였으며, 비개착 공법 중 단면 형상에 변화가 없고 토사층에서의 굴착이 되기 때문에 실드 공법을 적용하였다. 

② 중간역 : 역의 단면 형상이 복잡하기 때문에 개착공법을 적용하였다. 

③ 중간역~하카타역 : 지하차로나 중요한 점용물이 많이 매설되어 있어 교통량이 많은 하카타 역전 거리에 지하철을 부설함으로써 비개착 공법을 적용하였으며, 단면 형상에 변화가 없고 토사층에서 암반층으로 변화하는 구간에 대해 실드 공법, 암반층에서 단면 형상이 변화하는 구간에 대하여 NATM 공법을 적용하였다. 

④ 하카타역 : 기존 구조물 아래에 새로운 역을 설치하기 위해 개착공법, 파이프루프 공법, 언더피닝 공법을 적용하였다.


본 사고가 발생한 구간은 중간역과 하카타역 사이를 연결하는 본선터널 구간중 NATM 공법으로 시공되고 있는 대단면 NATM 터널구간이다. 



[그림 10]에는 본 현장의 구조물 종단도가 나타나 있다. 그림에서 보는 바와 같이 기존 구조물과의 이격거리가 약 1.0∼3.0m로 근접공사로 구성되어 있으며, 주변 조건 및 특성에 따라 쉴드공법, NATM공법 및 개착공법이 적용되는 전형적인 도심지 지하철공사의 특성을 보여주고 있다.



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[그림 11]에는 본 현장의 지질종단면도가 나타나 있다. 그림에서 보는 바와 같이 충적층과 홍적층 그리고 고제3기층으로 구성되어있다. 고제3기층은 N치 50미만의 강풍화암(D2), N치 50이상의 강풍화암(D1) 그리고 약풍화∼신선암반(C1, C2)으로, 그 상부에는 미고결 대수 모래층이 덮어있어 부정합면을 형성하고 있음이 확인되었다.



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2.2 NATM 터널 특성 


[그림 12]에는 본 현장의 NATM 터널구간의 종단면도가 나타나 있다. NATM 터널구간은 [그림 13]과 [그림 14]에서 보는 바와 대단면 터널, 표준터널(I형, II형), 3아치터널(I형, II형- 정거장 구간)으로 구성되어 있으며, 대단면 터널은 쉴드 병설터널과 연결되는 구간이다, 본 사고는 대단면 터널 굴착중에 발생한 것으로 대단면 터널은 상반, 중반, 하반의 3분할 굴착으로 설계되었으나, 선진도갱을 먼저 굴착하는 4분할 굴착으로 변경 시공되었다.



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2.3 NATM 터널 변경 


[표 1]에는 NATM 터널구간에서의 주요 설계변경사항이 정리되어 있다. 표에 나타난 바와 같이 설계당시와는 다른 실제 지질 및 지반조건을 반영하여 수직구 심도를 하부로 조정하였고, 표준터널과 3아치 터널의 굴착방법을 보다 안전측으로 변경하였다.



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■ 대단면 NATM 터널 - 단면 변경 

2015년 10월 추가 시추(No.27 S-1)을 실시하였으며, 지반조사결과로부터 당초의 생각보다 토사층이 두꺼운 것으로 확인되었다. 당초 설계에서의 단면도와 추가 보링 결과를 반영한 단면도를 [그림 15]에 나타내었다. 당초 설계에서는 암토피고 약 2.1m 였던 것이, 지층을 재검토한 결과, 암토피고가 최소 1.0m 정도가 되는 것이 판명되었기 때문에 단면 형상의 변경을 위해 검토를 실시했다.


시공사에서는 시공계획 작성(도갱굴착, 상반기 확대 굴착) 및 FEM 해석 (대단면 터널 굴착 시의 재예측 해석과 관리기준치 설정)결과를 바탕으로 대단면부 변경설계를 수행하여 대단면 터널의 형상을 보다 편평하게 하여 암토피고 2m 이상을 확보하도록 변경하였으며, 숏크리트 및 지보공 형상 등을 변경하였다.  



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■ 대단면 NATM 터널 - 지보 및 보조공법 변경 

당초 설계와 추가 시추결과 굴착 자료에 기초한 지층 분포의 비교하여 보조공법을 재검토하여 지상부로부터의 약액 주입공에 대해서 지하 매설물이 지장을 받아 충분한 효과가 없을 가능성이 있다는 점 등에서 보다 안전한 터널 시공으로 하기 위해 [그림 16]에서 보는 바와 같이 주입식 장척강관선수공(이중화), 주입식 사이드파일공, 고강도 숏크리트와 같은 지보 및 보조공법을 변경했다.



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3. NATM 터널 붕락사고 원인 및 발생 메커니즘 


사고 원인규명에 있어서 후쿠오카시, 시공사 및 설계사로부터 자료를 제출받았으며, 함몰 사고 발생 후에 사고조사위원회의 의뢰에 근거한 추가 시추조사를 실시하였다. 본위원회에서는 여러 번의 회의와 함께 위원 상호간의 토의에 많은 시간을 소비했다. 이하에 사고원인의 추정을 나타내지만 붕괴된 터널 현장에 출입할 수 없다는 점, 또 위원회 설치후 4개월이라는 짧은 기간의 정리였기 때문에 관계자가 제공한 자료를 토대로 가능성이 높은 사고 원인에 대해 추정한 것이다.


일반적으로 도로 함몰의 원인으로는 지하 매설물에 의한 것, 오랜 세월에 걸쳐 형성된 지하 공동에 의한 것 등이 상정되지만, 이번 도로함몰에 대해서는 시공사 직원이 터널 천단으로부터의 붕괴를 목격하고 터널 갱내에 유입된 토사의 사진이 존재하는 것, 또 후쿠오카시 지하철 나나쿠마선 연장공사 이외에 원인이 되는 지하공사를 실시하지 않았기 때문에 해당 공사가 도로 함몰의 원인이 되었다고 추정된다.



3.1 사고 원인분석 


사고조사위원회에서는 사고 원인에 대해 [표 2]에 나타난 바와 같이 10개의 요인(항목)을 검토하여, 그것들이 요인이 되는지 아닌지의 가능성에 대해 평가를 실시했다. 표에서 보는 바와 같이 사고원인은 자연적인 요인으로 지질 및 지하수에 관한 것과 인공적인 요인으로  설계 및 시공에 관한 것으로 구분하여 정리하였다. 각각의 요인은 반드시 하나가 아니라 다양한 요인이 복합적으로 작용해 함몰에 이르렀다고 생각되는데, 그 중에서도 이하의 2가지 요인(A-①, ②)에 대해서는 가능성이 높은 것으로 추정했다.


그러나 이러한 요인을 추정하기에 이른 해당 지층의 상황 등에 대해서는 사고 후의 조사 등에 의해 밝혀진 것으로, 해당 공사의 설계 시점에 있어서의 지질조사 빈도 등은 통상의 도시 NATM 공사와 비교해 적다고까지는 말할 수 없으므로, 사고 전에 정확하게 파악하는 것은 어려웠을 것으로 생각한다. 


또 사고 후의 조사는 함몰 후의 지층 상황을 조사한 것으로, 사고 전의 상황과는 반드시 같은 것은 아닐 가능성도 있지만 사고 전의 조사 자료가 적기 때문에 해당 조사 등의 결과도 포함해 추정한 것이다.



A-① 난투수성 풍화암층의 강도나 두께

난투수성 풍화암층의 강도나 두께에 대해서는 과거에 해당 암반층이 지상에 있었던 영향 등에 의해 강풍화의 약부가 곳곳에 존재하고, 또 지층 상부에 요철이 있는 등 불규칙하고 복잡한 지질구조를 이루고 있어 상부에 강도가 낮은 층이 존재하고 있었음이 사고 후에 실시한 추가 지질조사 등에 의해 밝혀졌다. 예를 들면 대단면 터널부에서 해당 지층의 두께를 약 2.79~3.67m 확보할 수 있을 것으로 예상하고 있었지만, 그 후의 조사 결과 두께는 약 1.90~2.28m 밖에 확보할 수 없어 강풍화가 진행된 강도가 낮은 상부층이 지배적이 되었을 가능성이 있는 것으로 나타났다.


국소적으로 강도나 두께가 부족한 난투수성 풍화암층에 대해서 해당 공사의 설계 및 시공에 있어서는 강도나 두께를 균질하다고 파악해, 예를 들면 안정성 해석에 이용한 변형 계수에 대해서는 약 14,000kN/m2에서 약 700,000kN/m2의 편차가 있는 것을 최종적으로는 대표치로서 87,000kN/m2의 값을 이용하는 등 불균형의 고려가 불충분한 채 설계 및 시공이 이루어져 결과적으로 지반의 강도를 실제보다 높게 평가한 설계가 되어 있었다.


A- ② 지하수 압력의 영향

미고결 대수 모래층의 지하수위는 지표로부터 약 -2.5m의 위치에 있었고, 미고결 대수 모래층으로부터 난투수성 풍화암층의 경계부에 수두로 하여 약 10m(약 1기압에 상당) 이상의 높은 수압이 작용하고 있었다. 앞서 설명한 바와 같이 터널 상부의 난투수성 풍화암층은 불규칙하고 복잡한 구조였지만 설계 및 시공에 있어서는 그 차수성이나 수압에 대한 내력을 충분하다고 생각하고 있었다. 그러나 사고 후에 추가한 지질조사 등에 의하면 난투수성 풍화암층 내부에는 소단층이나 박리면, 많은 절리나 균열이 존재하고 있어 결과적으로 지하수 압력에 대한 안전성이 충분하지 않았다. 


또 위와 같은 불규칙하고 복잡한 지질이나 높은 지하수 압력 조건 하에서 시공할 때에는 시공시 지반의 안정성을 포함해 터널 구조의 안정성을 최대한 손상시키지 않도록 신중한 설계, 시공을 실시할 필요가 있었지만 시공 중에 다음과 같은 2가지 변경(B-①, ②)은 통상 지질 상황에서는 요인이 될 가능성은 낮지만, 상기 A-①, ②와 같은 엄격한 지질 조건하에서는 그 영향 정도를 강화하게 되어 결과적으로 사고 발생의 부차적인 요인이 되었을 가능성이 높은 것으로 추정했다.


B- ① 터널단면 형상 변경

난투수성 풍화암 터널 상부의 층 두께를 확보하기 위해 터널 천단을 약 1.2m 낮춤으로써 편평률(내공 높이÷내공폭)이 0.625에서 0.532가 되었다. 이에 대한 안전성은 확보될 것이라는 해석결과를 얻었지만 아치 액션에 의한 효과가 감소하게 되어 결과적으로 터널 구조의 안정성을 저하시키게 되었다.


B- ② 보조공법 시공방법 변경

해당 공사구간은 표준단면터널(Ⅰ형)의 13k413m700(No.115 부근) 지점에서 대단면 터널의 13k407m700(No.108)지점으로의 확폭구간(연장 6m)으로 단면을 확폭(높이 약 2.5m, 폭 약 5m)하는 구간이었다. 보조공법으로는 주입식 장척강관선수공법(AGF 공법)이 채용되어 있었지만, 확폭구간에서는 강관의 타설 위치제약과 난투수성 풍화암층을 뚫지 않도록 삽입각을 작게 할 필요가 있기 때문에 장척강관의 완전 이중화가 곤란해지는 부분이 존재하게 되어 더욱 지보공을 설치하기 위해 강관의 근본부를 절단해야 했다. 그 결과 강관의 종단적인 중첩길이가 짧거나 중첩하지 않은 상태가 되어 해당 보조공법에 기대하는 효과가 충분히 발휘되지 않았다. 또한 강관으로부터의 주입은 암반 균열에의 주입으로, 충분한 지반개량 효과가 발휘되지 않았을 가능성이 있었다.



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3.2 사고발생 메커니즘 추정


사고 발생 메커니즘에 대해서는 다음과 같이 추정하였으며 [표 3]에 정리하여 나타내었다. 위에서 설명한 사고 발생 메커니즘을 보다 세부적으로 구분하여 [표 4]에 나타내었으며 각 단계별 설명은 다음과 같다. 


1단계 : 원래 퇴적 환경이나 이후 풍화 정도에 따라 강도나 두께에 편차가 있는 난투수성 풍화암층 하부에 터널이 굴착되었다. 터널 천단에서 해당 지층과 그 상부의 미고결 대수 모래층과의 경계까지는 약 2m로 되어 있었다.


2단계 : 터널을 굴착 또는 단면을 확폭함에 따라 미고결 대수 모래층으로부터의 높은 수압의 영향도 더해져 난투수성 풍화암에 이완이나 균열이 발생하여 서서히 파괴되기 시작하거나 난투수성 풍화암에 잠재적 약부가 존재하여 이른바 '유로'가 형성되었다.


3단계 : 2단계에 의하여 터널 천단부가 연속적으로 박락 또는 누수를 수반하면서 파괴가 진행되었고, 마침내 미고결 대수 모래층과 지하수가 터널 내로 유입되고, 또한 이로 인하여 파괴가 가속도적으로 진행되어 최종적으로는 대규모 도로 및 지반 함몰을 발생시키기에 이르렀다.



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4. 붕락구간 재굴착 방안 



4.1 공사 재개에 관한 주요 유의점


사고 원인 추정을 토대로 후쿠오카시가 지하철 공사를 재개할 때는 주로 다음 항목에 대해 유의하고 필요한 조사 등을 실시할 필요가 있다.


■ 지질, 지하수 상황 파악에 관한 것 

난투수성 풍화암층의 강도나 두께에 대해서는 과거 풍화의 영향 등에 의해 강풍화의 약부가 곳곳에 존재하고, 또 지층 경계면에 요철이 있는 등 불규칙하고 복잡한 지질구조를 이루고 있었음이 사고 후 조사 등에서 밝혀졌다. 따라서 추가 시추조사 결과나 과거에 주변부에서 실시된 지질조사 결과 등도 감안하는 동시에 함몰 부위에 대해 매립한 유동화 처리토, 약액 주입된 주변 지반 등 사고 후의 조치도 고려하여 지질 및 지하수 상황을 파악할 필요가 있다.


■ 터널 갱내의 배수 및 토사 철거에 관한 것

터널 갱내의 물을 빼거나 토사 제거에 있어서는 현재는 안정되어 있다고 추정되는 역학적 균형이 다시 변화하여 터널부나 주변 지반의 붕괴에 이를 우려가 있으므로 지하수위 등을 계측함으로써 역학적 안정성에 대해 관측, 평가하면서 주변에 영향이 발생하지 않도록 신중하게 실시할 필요가 있다.


■ 재굴착 공법 선정에 관한 것

공법 선정에 대해서는 NATM 공법외에 실드 공법 등 다른 공법이나 신기술 활용도 포함해 안전을 중시해 실시할 필요가 있다. 재굴착을 개착공법으로 하는 경우에는 매설물의 존재를 고려하면서 흙막이 지보공이 설치할 수 없는 곳에 대한 대책을 포함한 흙막이 지보공의 안전성을 확인할 필요가 있다. 또 주변 건물에 영향을 줄 우려가 있으므로 흙막이 지보공의 강성을 높이는 등 사전 대책이나 지표면 변위 계측 등 안전을 고려한 대책을 강구할 필요가 있다. 또 비개착 공법으로 실시하는 경우에는 지하수의 영향이나 주변 지반, 지보공의 상황 파악, 오수유입에 의한 유독가스 발생 가능성, 재굴착의 굴착방안, 지보공, 보조 공법 등에 대해 안전을 고려한 대책을 강구할 필요가 있다.



4.2 재굴착 방안 검토


붕락개소의 터널 재굴착이 가능하다고 생각되는 공법에 대해서 크게 개착 공법과 비개착 공법으로 나누어 검토를 진행하였다. 각각의 특징은 [표5]에 정리하여 나타내었다.



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■ 개착공법 검토

붕락구간에 대한 재굴착방안으로서 개착공법의 검토방안은 [그림 17]에 나타나 있다. 기설 터널이 구축되어 있기 때문에 토류벽 시공이 어렵다. 또 이설이 곤란한 하수도 간선 등의 지하 매설물이 있으므로 토류벽이 연속적으로 시공되지 못해 토류 결손이 생긴다. 많은 지하 매설물이 매설되어 있어 공사를 진행할 때에는 지장이 되는 지하 매설물을 이설할 필요가 있다. 토류벽의 시공에 대해서는 토류벽 및 지반 안정성 검토를 실시한다. 또, 토류 결손에 대해서는 지반 개량방법을 검토하지만 안전한 토류벽 시공과 확실한 지반 개량 어렵다. 또한 지하 매설물 사업자와 협의하여 양해를 얻은 후 대규모 이전을 실시하여야 하므로 하카타 역전 거리는 많은 지하 매설물이 있어 이설 루트 확보가 어렵다.


■ NATM 공법 검토

붕락구간에 대한 재굴착 방안으로서 NATM 공법의 검토방안은 [그림 18]에 나타나 있다. 하수도 간선 등의 영향으로 지반개량의 미개량부가 생겼을 경우, 터널 상부의 이완 발생에 의해 지하수나 토사가 터널 갱내로 유입되는 것을 생각할 수 있다. 미개량부의 발생을 억제하기 위해 지반 개량을 조합하는 등 시공 방법을 검토한다. 또한 지반개량에 의해 차수벽을 구축하여 주변으로부터의 지하수 유입을 제어한다.



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■ 쉴드 터널공법 검토

붕락구간에 대한 재굴착 방안으로서 쉴드공법의 검토방안은 [그림 19]에 나타나 있다. 쉴드 굴착을 실시하기 전에 기설 터널을 지지하고 있는 강재를 철거할 필요가 있다. 하수도 간선 등의 영향으로 지반 개량 미개량부가 생겼을 경우, 기설 터널의 강재를 철거할 때 주변 지반의 이완 발생이나 터널이 변형됨으로써 지하수나 토사가 터널 갱내로 유입되는 것을 생각할 수 있다. 쉴드 굴착범위에 함몰 사고에 의해 터널 갱내에 유입된 장애물이 있는 경우 굴착을 멈추고 인력에 의한 철거가 필요하다. 또한 사전에 터널 갱내를 충전하여 미개량부의 발생을 억제하기 위해 지반 개량을 조합하는 등 시공 방법을 검토하여야 한다. 또한 지반 개량에 의해 차수벽을 구축해 주변으로부터의 지하수 유입을 제어하고, 방호공을 실시한 후 인력에 의해 장애물을 철거해야 한다.



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■ 재굴착 공법 결정 

개착공법은 기설 터널이 있어 개착공법을 시공할 때 필요한 토류벽 시공 시에 주변 지반에 영향을 미칠 가능성이 있다. 또한 이설이 어려운 지하 매설물이 있어 대규모 토류 결손이 발생하므로 채용이 곤란하다. 특수 쉴드공법은 함몰 부위는 장애물이 있는 등 복잡한 지반 상황이라는 점이나 시공 중 불안정한 구조가 되는 기간이 있다는 점, 또 특수 쉴드는 신기술로 미경험 공법이라는 점 등의 이유로 적극적인 적용은 곤란하다. 인공암반 NATM 공법은 우려되는 리스크를 충분히 배려하고 현장의 감시체제 및 시공사와 발주처의 정보공유 강화를 도모함으로써 안전하게 시공이 가능할 것으로 판단되었다. 


[그림 20]에는 붕락구간에 대한 재굴착 방안으로 NATM 공법 적용시의 단계별 재굴착방안이 나타나 있다. 먼저 터널상부 주변지반을 개량하고, 수발공 및 토사를 철거한 후 굴착과 지보를 시공하여 최종적으로 터널을 완성하도록 하였다. 



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시공중 지반리스크에 대응하기 위해서 함몰 범위로의 지하수 유입 방지, 지반의 강도 향상을 목적으로 지반개량을 실시하였다. 또한 재굴착 및 수발공시 영향이 생기는 범위 등을 검토한 결과 암반층 상부의 토사층, 느슨한 모래층 및 터널 갱내를 개량하기로 했다. 지반 개량의 실시 완료후, 확실한 지반 개량이 되어 있는지 시추에 의해 확인하도록 하고, 미개량부가 확인된 경우는 보충 주입(약액 주입공법)을 실시하였다. [그림 21]에는 지상에서 실시하는 지반개량공사의 범위와 시공내용이 나타나 있다.



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[그림 22]에는 붕락구간 NATM 터널에 대한 재굴착 완료후 모습을 보여주고 있다. 하카타역전의 지하철 공사를 진행하고 있는 하카타역 NATM 터널구간에서는 2019년 9월에 대단면 터널부의 굴착이 완료되었으며, 굴착이 완료된 대단면 터널부는 지하수의 침입을 막기 위해 터널 전체를 방수시트로 덮은 후 철근조립 등의 터널시공을 완료하였다. 이는 터널붕락 및 도로함몰사고가 발생한지 약 3년만 이루어진 일이다. 



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5. 도심지 NATM 터널공사에서의 유의사항 및 교훈


이번 사고는 터널을 시공하는 지반의 강도나 두께가 국소적으로 부족한 난투수성 풍화암인 데다 높은 지하수압이 작용하는 까다로운 조건에서 터널 시공의 안전성이 실제보다 높게 평가된 것이 요인인 것으로 추정했다. 또한 이와같은 까다로운 조건 하에서 설계변경이 결과적으로 터널 구조의 안정성을 저하시키는 부차적 요인이 됐을 것으로 추정했다. 이러한 점에서 도심지 NATM 공법 선정 자체가 잘못되었다는 것은 아니며, 또한 직접적으로 도심지 NATM 자체의 신뢰성이 손상되는 것은 아니다. 게다가 지금까지의 기술적인 기준 등의 재검토에 직접적으로 연결되는 사항은 없다. 그러나 이번 사고의 교훈을 살려 다시는 이러한 사고를 발생시키지 않도록 유사한 조건 하에서 도심지 NATM에 의한 터널을 계획·시공하는 경우 등 지하터널공사에서 유의해야 할 점은 다음과 같다.



5.1 조사·계획 및 설계적인 측면


(1) 조사·계획

시추 등 지질에 관한 데이터는 지하의 한정적인 정보이며, 비록 많은 조사를 실시하더라도 지하를 상세히 파악하는 데는 한계가 있기 때문에 시공의 안전성을 사전에 완벽하게 확보하는 데는 자연스럽게 한계가 있다. 그러나 이번 사고의 규모나 영향을 감안하면 지하공간의 안전한 이용·활용을 도모하기 위해서는 지하공간에 관한 정보를 가능한 한 수집하는 동시에 최신 기술을 이용해 리스크를 가능한 한 저감시켜 보다 안전성을 확보한 설계·시공에 노력해야 한다. 때문에 지하에 관한 조사는 지질 특성이나 불균질성 등을 바탕으로 단계적이고 효과적이며 효율적으로 실시하는 동시에 그 목적에 비추어 필요하고 충분한 것이어야 한다. 또한 과거 주변부에서 실시된 지질조사 등을 관민에 관계없이 정보를 수집하고 활용할 수 있도록 할 필요가 있다.


토피가 확보되어 있어도 미고결층과 그 하부에 있는 암반과의 경계에서는 풍화에 의해 지산강도에 편차가 보이거나 암반의 침식 등에 의한 기복에 의해 불균일한 층후가 되어 있는 경우가 있으므로 지질조사를 충분히 실시할 필요가 있다.


도심지 NATM 터널은 단면 자유도나 경제성 등의 이점이 있지만, 지반 조건이나 주변 환경 상황에 따라서는 리스크가 높아지는 것을 충분히 감안하여 리스크 대책에 필요한 조사, 상정되는 리스크에 대한 적절한 대응 등에 대해서도 검토할 필요가 있다.


(2) 설계 

■ 해석에 이용하는 지반의 모델화 

지하공사의 안전성을 확보하기 위해서는 지질이 가지는 불균질성을 적절히 파악하고 위험측이 되지 않는 물성치의 적용이나 지층 두께의 검토나 물성치를 변화시킨 복수의 계산을 실시하여 결과를 평가하는 것(파라메타 검토)의 적용을 검토하는 등의 노력을 설계 및 시공에 반영시키는 동시에, 이번과 같은 불규칙하고 복잡한 지질구조나 높은 지하수위 등의 안전성에 대한 위험을 가능한 한 파악하고 저감하도록 노력할 필요가 있다. 또 수치해석에 의해 얻을 수 있는 결과는 반드시 만능이 아니라는 인식에 입각해 충분한 지식·경험 등도 더해 종합적인 공학적 판단을 실시하는 것이 중요하다.


■ 터널단면 형상

적용하는 터널 단면형상이 편평해지는 경우에는 주변 지반이나 지보공의 안정성에 대해 면밀히 검토할 필요가 있다. 특히 터널 천단 지반에 차수성을 기대하는 설계를 하는 경우에는 편평단면 천단부 근방의 지반은 아치 액션의 효과가 감소하므로 지반의 안정성과 더불어 차수 기능이 충분히 확보될 수 있도록 검토할 필요가 있다.


■ 시공방법의 검토

지하수위가 높은 경우에는 수압에 의한 영향을 미리 최소화할 수 있도록 공법의 선정, 수위 저하나 지반 개량 등 필요한 조치에 대해 충분히 검토할 필요가 있다. 또한 지하수위 저하가 곤란한 경우 수압이나 토압에 견디는 차수층의 두께나 차수를 위한 약액 주입 등 보조 공법의 시공 범위를 검토하여 차수층의 안정성을 확보할 필요가 있다.


■ 주입식 장척 강관 선수공법(AGF)의 설계

주입식 장척 강관 선수 공법은 터널 주변지반 굴착시 이완을 억제하는 공법으로 큰 수압이 작용하는 지반의 차수효과는 기대할 수 없음을 감안할 필요가 있다. 주입식 장척강관 선수 공법의 중첩길이 설정에 있어서는 막장·천단의 안정성을 충분히 확보할 수 있도록 설정하고, 이 때 주변 지반으로의 주입재 주입상태(침투주입, 균열주입), 개량 효과, 설계상 필요한 최소 중첩길이의 요구 성능을 시험 시공에서 확인할 필요가 있다.



5.2 시공적인 측면


(1) 설계 조사와 추가 조사, 시공법 변경 제안

근접구조물 등의 시공상의 제약, 지상에의 영향 등에 대해 조사를 실시하고, 필요에 따라 설계의 변경·시공에 필요한 조사 등을 실시할 필요가 있다. 설계변경이 필요한 경우 설계의 개념을 충분히 파악하고 현장조건을 바탕으로 유효한 변경안을 작성할 필요가 있다. 도심지 NATM 터널시공단계에서 지반 및 지하수 상황을 파악하여 조사를 실시하여 안전성을 확인할 필요가 있다. 굴착단면의 분할에 대해서는 주변 환경, 근접구조물에 대한 영향을 고려하여 적절한 보조공법과의 조합 및 단면의 조기폐합이나 시공 장비의 조합에 대해 검토할 필요가 있다.


(2) 보조공법의 시공과 관리

설계상 보조공법에 기대하고 있는 요구 성능에 대해 대상 지반에 대해 충분히 만족하고 있는지 시험 시공에서 확인할 필요가 있다. 또한 시험 시공을 통해 요구 성능을 만족하기 위한 적절한 관리 목표치를 설정하고 시공 관리에 있어 적절히 관리할 필요가 있다. 주입식 장척 강관 선수공법은 터널 시공시 막장·천단의 안정성을 확보하기 위한 보조 공법으로 차수성에 대해서는 별도 대책을 검토할 필요가 있다.


(3) 모니터링

터널 변상의 발생을 민감하게 파악하고 비상시를 상정한 상세한 모니터링 계획을 작성하는 등 체제를 내실화할 필요가 있다.



5.3 설계·시공이외에 고려해야 할 사항


(1) 설계·시공에 있어서의 의사소통

조사, 설계, 시공에 있어서는 관계자는 최종적으로 어떻게 사용되는지도 포함하여 그 목적을 충분히 감안하는 동시에 필요에 따라 추가 조사나 설계 변경을 실시하여 리스크 저감에 노력할 필요가 있다. 조사, 설계, 시공의 각 단계에서 얻은 정보나 자료에 대해서는 기록에 남겨 관계자 간에 충분히 공유하는 동시에 조사에서 설계, 설계에서 시공이라는 다음 단계로 적절히 인계할 필요가 있다. 설계내용을 발주자나 시공자에게 확실하게 전달하기 위해 3자(발주자, 설계자, 시공자) 협의의 실시가 중요하다. 특히 터널공사에서는 지하 정보가 한정적이기 때문에 불확정 요소가 많기 때문에 발주자, 설계자, 시공자 등 관계자가 협력하여 서로 지혜를 나누면서 어려움을 극복해야 하며, 조사, 설계, 시공의 각 단계에서 얻은 정보나 지견에 대해서는 관계자 간에 충분히 공유함과 동시에 적절하게 조사로부터 설계, 설계에서 시공이라는 다음 단계로 인계하는 것이 중요하다. 


난이도가 높고 리스크를 많이 포함하는 터널공사에서는 종합적인 판단이 요구되므로 평소 관련 기술자의 기술력 향상은 물론 공사 중에도 필요한 의사소통의 장을 마련해 관계자 간 현장 상황 공유와 진지한 기술적 논의, 그 결과의 피드백에 의해 고도의 기술적 식견을 설계·시공에 반영시키는 동시에 지질·지반 조건이 복잡한 현장에서는 관련 지식 등을 전국적으로 수집·활용할 수 있는 구조가 필요하다.


(2) 기술적 검토의 장 활용

기술적 검토의 장에 대해서는 설계·시공에 관한 과제의 추출 등 초기단계부터 그 활용을 검토할 필요가 있다. 기술적 검토의 장을 활용할 때는 전문가로부터의 구체적인 지적사항에 대해 상세하게 대응을 검토하고, 그 대응 상황을 설명함으로써 양방향의 교환으로 함으로써 기술적인 시사점을 설계·시공에 활용해 나가는 것이 중요하다. 또한 발주자, 조사자, 설계자, 시공자 각 자가 기술 수준 향상에 노력하는 것이 중요하다. 




참고문헌

1. 福岡地下七線延伸工事現場における道路にする討委員報告書, 平成29年5月, 福岡地下七線延伸工事現場における道路にする討委員 立究開法人 土木究

2. 地下七線延伸工事における道路箇所の今後の工事の進め方について, 平成29年12月, 福岡市交通局

3. 地下七線延伸建設工事における道路事故と設計 · 施工の緯について, 平成29年1月, 福岡市交通局

4. 地下七線延伸事業(天神南?博多)における開業時期 · 事業費の直しについ, 平成30年1月, 福岡市交通局

5. 地下七線延伸建設工事における道路事故のについて≪道路開放までの7日間≫, 平成29年11月, 福岡市交通局

6. 福岡市地下七線延伸工事現場における道路事故の原因究明について報告書 要

7. 七線延伸工事に係る道路事故報告 - 福岡市地下七線博多()工建設工事 - 平成29年5月12日 

8. 事故生要因とメカニズム, 第3回 福岡市地下七線延伸工事現場における道路にする討委員, 平成29年3月30日

9. 地下七線延伸建設工事における道路事故のについて≪道路開放までの7日間≫,平成29年11月, 福岡市交通局

10. 福岡市における路下空洞策の取り組み(これまでとこれから), 令和2年12月3月, 福岡市道路下道局道路維持課

11. Jinchun Chai, Jack Shuilong Shen, Da-Jun Yuan, Mechanism of tunneling-induced cave-in of a busy road in Fukuoka city, Japan, Underground Space 3 (2018) 140-149




제6강 - 요점정리  


제6강에서는 후쿠오카 지하철 대단면 NATM 터널공사에서의 발생한 NATM 터널붕락 및 도로함몰 사고사례를 중심으로 사고의 발생원인과 교훈에 대하여 고찰하였다. 본 사고는 도심지 구간에서의 지하철 NATM 터널공사중 발생한 붕괴사고로서, 본 사고 이후 도심지 NATM 터널공사에 대한 사고를 방지하기 위한 설계 및 시공상의 다양한 개선노력이 진행되어 도심지 NATM 터널기술이 발전하는 계기가 되었다. 본 터널 붕락사고를 통하여 얻은 주요 요점을 정리하면 다음과 같다.    


■ 대단면 터널에서의 지질 및 지하수 리스크   

본 현장에서는 시공중에 설계상 예측한 지질 및 지반조건과 다른 지질 및 지하수 조건에 대한 기술적 대책을 수립하여 적극적으로 반영하였으나 대규모 터널붕락사고가 시공중에 발생하여 도로함몰에 이르게 되었다. 사고원인조사를 통하여 지질 및 지하수에 대한 원인과 설계 시공에 관한 원인을 10가지로 분석하고, 특히 암토피고가 작은 풍화암층과 미고결 대수 모래층에서 선진도갱 굴착에 의한 영향으로 천단부에 유로가 형성되어 급격히 토사와 지하수가 터널내로 유입되면서 붕락이 발생한 것으로 분석되었다. 따라서 지질불량구간에서의 대단면 NATM 터널굴착시 지질 및 지하수 상태를 면밀히 관찰하고 이에 대하여 보다 적극적으로 대응하여야만 한다.        


■ 대단면 NATM 터널에서의 보조공법 시공 

본 현장에서는 설계시공적인 요인으로 암토피고를 확보하기 위한 터널단면 변경 및 지반특성을 반영한 분할굴착 변경 및 보조공법 변경 등 보다 안전한 측으로 설계를 변경하여 시공하였으나, 결과적으로는 붕괴사고에 이르게 되었다. 본 현장과 같은 지반불량구간에서는 주지보에 추가적으로 시공되는 보조공법(강관보강그라우팅)의 경우 지보성능 확인 등에 대한 품질 및 시공관리가 무엇보다 중요함을 할 수 있다. 따라서 보조공법을 적용하기 위해서는 터널주변 지반의 특성을 파악하고 이에 적합한 보조공법을 선정하고 적용하도록 하여여 하며, 반드시 시험시공을 통하여 그 적정성을 검증하여야만 한다. 특히 지하수 유입 등의 리스크가 확인되는 경우에는 지하수를 차단하고 제어할 수 있는 차수성능을 가진 보조공법을 시공하여야만 한다. 


■ 사고원인조사와 복구대책 수립

본 붕락사고가 발생한 직후 발주처에서는 사고조사위원회를 구성하여 설계 및 시공에 대한 철저한 조사로 주요 사고 원인을 규명하고, 복구방안을 제시하였다. 주요 복구방안으로  사고구간에 대한 지상그라우팅에 의한 지반개량을 확실하게 실시하고, 터널내에서는 붕락된 터널구간을 완전히 토사로 채우고 지보벽체를 설치한 후 수발공을 설치하여 지하수위를 제어하도록 하였다. 또한 터널주변 지반을 그라우팅하여 인공지반을 형성한 후 NATM 공법으로 재굴착하여 최종적으로 복구공사를 무사히 마칠 수 있었다. 또한 사고원인으로부터 도심지 지하철공사에서의 지질 및 시공 리스크를 철저히 관리하도록 하는 도심지 NATM 터널공사공사 안전관리시스템을 개선하였다. 


■ 도심지 대단면 NATM 터널 붕락사고와 교훈  

본 붕락사고는 도심지 지하철 공사에서의 지질 리스크 관리문제, NATM 터널공사에서의 보조공법 시공에 대한 제반 문제점을 확인할 수 있는 계기가 되었다. 특히 후쿠오카 당국 및 사고조사위원회 등을 중심으로 심도 깊은 논의와 검토를 진행하여 본 붕괴사고에서의 사고원인 규명과 재발방지 대책 등을 수립하여 일본 도심지 NATM 터널공사에서의 안전시공관리시스템을 개선시키게 되었다.    



이제 제6강이 마무리되었다. 보다 자세한 내용은 참고문헌을 읽어주기 바란다. 후쿠오카 지하철 NATM 터널 붕괴사고는 일본의 토목역사에 있어 중요한 전환점이 되었던 사고였다. 오랫동안 축척되었던 지하철 터널공사에서의 기술적 경험에 대한 자부심에도 불구하고 도심지 한복판에서의 대규모 붕락 및 함몰사고의 발생은 토목기술자뿐만 아니라 일반 국민들에게도 상당한 충격을 준 사고라 할 수 있다. 다행스럽게도 인명사고와 건물피해가 발생하지 않았고, 빠른 복구대책으로 불과 1주일 만에 도로복구가 완료되어 교통이 재개되었다. 하지만 붕괴구간에 대한 보강공사와 터널 재굴착 공사로 후쿠오카 지하철 개통이 상당히 지연되어 경제적 손실을 끼쳤던 도심지 NATM 터널공사에의 사고사례라 할 수 있다. 


또한 본 터널붕락 사고사례는 일반적으로 상당한 리스크가 있는 대단면 NATM 터널공사에서 발생한 대형사고로 도심지 터널공사에서 NATM 공법으로 굴착하게 되는 대단면 터널의 리스크를 인식하게 되는 중요한 계기가 되었다고 할 수 있다. 따라서 지반불량구간에  시공되는 NATM 터널공사에서의 굴착방법, 지보 및 보조공법의 안전 및 시공관리는 아무리 강조해도 지나치지 않으며, 세심한 주의와 관리가 무엇보다 요구된다 할 수 있다. 또한 이러한 리스크를 최소화하거나 회피할 수 있는 NATM 시공기술이 더욱 신중하게 검토되고 적용어야 할 것이다.     


다음 강의에서는 상하이 메트로 공사중 TBM 터널공사에서 발생한 대규모 붕락사고로부터 사고의 원인과 메커니즘 분석, 사고 임시대책 및 보강·복구 방안 그리고 사고로부터 얻을 수 있었던 교훈에 대하여 설명하고자 한다. 이는 하천하부를 통과하는 TBM 터널공사중에 발생한 실제 붕락사례를 기초로 한 것으로 TBM 터널에서의 붕괴 및 붕락 문제에 관심이 많은 지반 및 터널 기술자들에게 실제적으로 도움이 될 것이다. 

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