1. 서론

올해 초 ChatGPT는 많은 사람들에게 큰 충격을 준 기술이라 할 수 있다. 다른 챗봇들과 달리, ChatGPT는 대화형 인공지능 기술로 주고받은 대화와 대화의 문맥을 기억할 수 있고, 보고서나 실제로 작동하는 파이썬 코드를 비롯한 논리적인 글을 만들어 낼 수도 있다. 필자는 이러한 ChatGPT의 기능에 착목하여 파이썬 코드를 잘 모르지만 파이썬 코딩으로 PDF 텍스트마이닝을 할 수 없을까 고민하였다.

PDF(Portable Document Format)는 다양한 운영 체제와 프로그램에서 동일하게 표시되는 문서 형식으로 다양한 분야에서 널리 사용되고 있다. 또한 텍스트 기반 PDF는 텍스트를 복사하여 다른 문서에 옮길 수 있다는 장점이 있다. 그러나 지반 주상도(그림 1)와 같이 복잡한 형태의 포맷으로 이루어진 PDF에서 텍스트를 복사하여 원하는 형태로 가공하는 것은 많은 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 PDF 텍스트마이닝 기술이 필요하다. 이 기사에서는 ChatGPT를 활용한 PDF 텍스트마이닝 파이썬 코딩 사례를 소개한다.

3. 맺은말

본 기사에서는, ChatGPT를 이용한 PDF 텍스트마이닝 방법을 소개하였다. 이 방법을 통해, PDF 파일에서 텍스트 데이터를 추출하고, 전처리 과정을 거쳐 원하는 포맷으로 텍스트를 가공할 수 있다는 것을 보여주었다. 이를 통해, PDF 파일에서 얻을 수 있는 다양한 정보를 빠르고 정확하게 분석할 수 있게 되었다. 다만, ChatGPT를 활용한 프로그래밍에는 분명한 한계가 있다. 올바른 코드를 알려주는가 하면 엉뚱한 코드를 알려 주기도 한다. 따라서 어느정도 프로그래밍에 대한 감각이 있고, 끊기가 있다면 누구나 ChatGPT를 활용하여 좋은 결과를 얻을 수 있을 것으로 생각한다.

바야흐로 직업의 경계가 없어지는 시대이다. 프로그래밍은 그쪽 전문가에게 맡기는 것이 효율적으로 생각할 수 있다. 그러나 이제는 본인의 전문을 살려서 전문분야에서 활용이 가능한 프로그래밍도 손쉽게 구현할 수 있는 시대이다. 오히려 활용성이 높은 용도의 프로그래밍이 가능하지 않을까 하고 생각해 본다.

NATM 터널은 1960년대 개발된 이후로 세계적으로 가장 많이 적용되는 터널링 기술로서 숏크리트와 록볼트를 주지보로 사용하는 터널 공법이다. 현재는 NATM 터널기술이 지속적으로 발전하여 TBM 공법이 적용되지 않은 모든 터널공사에서 적용되는 가장 일반적인 공법이 되었다. 표 1에는 NATM 터널 기술의 특성과 기술 트랜드를 10가지 키워드로 정리하였다. 본 고에서는 10가지 키워드를 중심으로 NATM 터널기술의 주요 특징에 대하여 기술하였다.

1.  NATM 공법 VS. 재래식 공법 

재래식 공법은 암반을 굴착한후 강지보를 세우고 암반과 강지보 사이를 목재로 끼우는 방법이다. 이에 비하여 NATM 공법은 암반 굴착후 숏크리트와 록볼트를 타설하는 방법으로, [그림 1]에는 NATM 공법과 재래식 공법의 특징이 나타나 있다. 두공법 모두 최종적으로 콘크리트 라이닝을 시공한다. 

재래식 공법은 암반과 강지보 사이가 틈이 밀실하게 채워지지 못해 암반이완(loosening)이 지속적으로 발생하여 암반이완범위가 크게 증가하나, NATM 공법은  굴착이후 가능한 빨리 숏크리트를 타설함으로서 암반이완을 최소화함으로서 기존 재래식 공법에 비해 지보량을 최소화할 수 있다(그림 2). 

NATM 공법은 지반이완을 최소화하기 위하여 숏크리트를 타설하고 록볼트와 함께 복합지보구조를 형성하는 공법으로, 재래식 공법과는 달리 인버트(invert)를 타설하여 링페합(ring closure)구조를 형성하여 터널의 안정성을 최대로 확보하는 공법이다. 특히 지반이 불량한 경우에는 반드시 인버트(바닥부)에 숏크리트 및 콘크리트 라이닝을 타설하여 장기적인 안정성을 확보하여야 한다. 그림 3에는 NATM의 개발자인 Rabcewicz가 1964년에 제시한 NATM 개념이 나타나 있다.   

NATM 공법은 1960년대 오스트리아에서 개발되고 발전하여 신오스트리아 터널공법(New Austrian Tunneling method,  NATM)으로 명명되었으며(그림 4), 오늘날에는 숏크리트와 록볼트를 주지보재로 사용하는 터널공법으로 기계식 터널공법인 TBM 공법과 구분되는 일반 터널공법으로 인식되고 있다.  

2. 대단면화와 대단면 터널 

NATM 터널의 가장 큰 장점은 터널 용도에 맞게 터널 단면의 형상과 크기를 크게 할 수 있다는 것이다.  그림 5는 단면이 작은 수로터널부터 단면이 매우 큰 지하철 터널까지 다양한 크기의 터널 단면을 보여주고 있으며, 터널 굴착기술과 터널 기능특성에 따라 터널 단면이 점차적으로 대단면화되고 있다. 

3. 분할 굴착 VS. 전단면 굴착

NATM 공법은 암반상태에 따라 지보를 차등적용하고, 굴착방법도 달라지게 된다. 암반이 양호하면 전단면 굴착을, 암반이 불량하게 되면 분할 굴착을 적용하게 된다. 그림 9에는 NATM 공법에서의 분할굴착 방법이 나타나 있다. 

NATM 공법에서의 분할굴착은 상하반 분할굴착을 기본으로 중벽(central diaphragm, CD)분할굴착과 측벽도갱(side drift) 분할굴착이 많이 적용되고 있으며(그림 10), 터널 단면크기와 지반조건에 따라 보다 세분하여 굴착한다.

터널이 대단면화됨에 따라 대단면 터널의 설계 및 시공이 증가하고 있다. 대단면 터널의 경우 불가피하게 분할굴착을 적용하게 되며, 그림 11에서 보는 바와 같이 상반과 하반을 분할굴착하거나, 중벽분할의 좌우터널을 다시 분할 굴착하거나, 측벽도갱 및 중앙터널을 분할굴착하는 방법을 적용한다.

그림 12는 국내에 적용된 대단면 터널에서의 분할굴착 단면을 나타낸 것이다. 국내의 경우 시공성 등으로 인하여 상중하반의 다단분할굴착을 선호하며, 정거장 터널의 경우 4단의 최대 15분할굴착을 적용한 사례로 있다. 

4. 다양한 단면 형상

NATM 터널은 다양한 터널 단면으로 굴착이 가능하다는 장점을 가진다. 현재 NATM 터널은 아치형 단면을 기본으로 바닥이 편평한 경우와 바닥이 인버트를 가지는 단면으로 구분된다. 그림 13에는 NATM 단면과 TBM 단면의 비교가 나타나 있으며, 원형인 TBM 단면은 하부에 사공간이 발생하게 된다.   

NATM 단면은 측벽이 직선이 마제형 단면에서 곡선인 아치형으로 변화하고 있으며, 터널 기능이 다양해지고 차선이 증가함에 따라 그림 14에서 보는 바와 같이 터널 폭이 높이에 비해 큰 타원형(oval)의 단면도 있다.  

NATM 터널 폭이 증가함에 따라 1아치 대단면 터널과 중앙에 기둥을 설치하는 2아치 또는 3아치 터널의 단면형태도 볼 수 있다. 또한 지하 공간과 경우에는 단면의 형태를 목적에 따라 다양하게 계획 할 수 있으며, 특히 지하유류비축기지의 경우 터널의 높이가 폭에 비해 매우 큰 단면형태를 가진다.   

NATM 터널은 암반 특성과 터널 목적에 따라 터널 단면의 형태를 자유롭게 계획할 수 있으며, 이는 원형면만이 가능한 TBM 터널과 비교하여 큰 장점이기도 하다. 그림 16에는 호주 Westconnx 지하도로터널의 단면이 나타나 있다. 

5. 장대화와 장대터널

터널 기술이 발전하고 터널 기능이 다양해짐에 따라 터널 연장이 점점 길어지는 장대화 경향이 나타나고 있다. 표 2에는 장대 터널에 대한 정의로서 터널기준, 방재 개념 그리고 통상적 개념으로 구분할 수 있으며, 수십 km에 이르는 초장대 터널이라고 한다.세계적으로는 고타르트 베이스 터널이 57km로 세계 최장대 터널이며, 계속적으로 50km 이상 최장대 터널이 건설되고 있다. 국내의 경우 SRT 구간의 율현터널이 50.3km로 국내 최장대 터널이며, 세계 4위의 초장대 터널이다. 또한 현재 수도권급행철도 GTX-A가 대심도 터널로 시공중에 있다. 

장대 터널의 경우 굴착공법으로서 NATM 공법과 TBM 공법 둘 다 적용할 수 있으며, 일반적으로 터널 연장이 긴 경우 TBM 공법이 유리한 것으로 알려져 있다. 그림 17은 터널 연장 55.4km인 Brener 터널에 적용된 터널공법으로 NATM (D+B Drill and Blast)과 TBM 공법(쉴드 TBM과  오픈 그리퍼 TBM)이 암반 특성 및 현장 여건에 따라 적용되었다. 

국내 최장대 터널인 터널 연장 50.3km의 율현터널은 그림 18에서 보는 바와 터널 전 구간을 NATM 공법을 적용하였으며, 공사기간을 단축하고 운영중 환기 방재의 목적으로 이용하기 위하여 수직구를 이용하여 굴착을 수행하였다. 또한 도심지 구간을 통과하기 때문에 50m 이하의 대심도 터널로 계획하였다.  

6. 발파 굴착과 기계 굴착

터널을 굴착하기 위해서 수행되는 발파(drill and blasting)는 1자유면 발파이기 때문에 심발부 발파가 선행되어야 하며, 암반상태에 따라 발파당 굴진장을 다양하게 달리할 수 있다. 터널발파는 그림 19에서 보는 바와 같이 암반상태에 따라 장약량을 달리하는 발파패턴을 적용하고, 주변에 보안물건(건물 및 축사 등)에  따라 장약량을 조절하고 조절발파(controlled blasting)를 실시하여야 한다.

그림 20에서 보는 바와 같이 발파굴착은 필연적으로 진동과 소음을 발생하게 되고, 이에 따라 민원 및 환경 문제 등이 발생하는 경우가 많으므로 이에 대한 적절한 대책(진동제어발파 및 미진동/무진동 공법 적용)을 반영하여야 한다. 

도심지 터널공사에서의 발파진동문제를 해결하기 위하여 최근 도입된 굴착공법이 바로 로드헤더(Roadheader)를 이용한 기계굴착이다. 그림 21에서 보는 바와 같이 경암반(hard rock)에도 적용이 가능한 고성능 로드헤더가 개발되었으며, 호주, 캐나다와 같은 선진국에서는 도심지 터널굴착공법으로 많이 적용되고 있다.

표 5에는 발파공법과 로드헤더 기계굴착공법의 비교가 나타나 있으며, 로드헤더 기계굴착공법은 진동소음이 적고 굴착면이 양호한 장점을 가지고 있다. 

7. NATM 시공과 1사이클 

발파 굴착을 적용하는 NATM 터널은 굴착(천공-장약-발파-버력처리)과 지보설치의 과정을 반복적으로 수행하게 되며, 이를 1싸이클(cycle)이라고 한다. 그림 22는 NATM 터널의 시공순서가 나타나 있으며, 암반상태에 따른 굴착 및 지보 패턴에 따라 시공 프로세스가 결정된다. 

그림 23은 NATM 터널의 시공 프로세스를 나타낸 것으로 막장관찰결과에 의한 암반상태에 따라 지보설치하게 되고, 계측모니터링을 통하여 추가보강 여부를 결정하게 된다. 이를 관찰적 접근법(observational approach)이라 하고, NATM 공법의 중요한 원칙이다. 

그림 24에는 NATM 터널의 시공과정이 나타나 있다. 상하반 굴착(천공-발파-버력처리)과 지보(숏크리트+록볼트+강지보재) 설치이후 현장타설 콘크리트 라이닝을 타설하게 되면 최종 터널구조물이 만들어지게 된다.  

그림 25에는 NATM 터널의 굴착공정이 나타나 있다. 점보드릴을 이용한 천공과 장약 그리고 발파를 시행한 후 로더와 덤프트럭을 이용한 버력처리 그리고 지보를 설치하게 된다. 최근에는 장비의 대형화로 굴착효율이 향상되고 있다.

8. 주지보와 보조공법

NATM 터널에서의 주지보재는 숏크리트(shotcrete)와 록볼트(rockbolt)를 조합한 지보시스템이며, 암반상태에 따라 강지보재(steel rib)를 적용한다. 가장 중요한 역할을 하는 지보는 숏크리트로 굴착이후 지반이완을 최소화하기 위하여 가능한 빨리 타설하는 것이 중요하다. 

NATM 터널은 설계단계에서 암반분류(RMR 및 Q-System 적용)에 의한 암반등급에 따른 표준지보패턴과 단층파쇄대 및 이상대와 같은 특수한 경우를 대비한 지보패턴을 고려하여 설계를 수행하게 된다. 그림 27에는 NATM 터널 표준지보패턴의 예가 나타나 있으며, 암반상태가 나쁠수록 지보량이 증가하게 되고, 추가적으로 보조공법 등이 적용되어 터널 안정성을 확보하도록 하고 있다.  

단층파쇄대와 같이 지반이 불량하거나 연약한 경우에는 터널의 안정성을 확보하기 위하여 보조공법(auxiliary method)을 적용하게 된다. 이는 터널 주변지반의 지지력을 증진시키기 위한 것으로 가장 일반적으로 적용되는 보조공법은 Umbrella Arch 공법으로 알려진 강관그라우팅 보강공법이다. 본 공법은 천단부에 빔아치체(beam arch body)의 보강영역을 형성하여 천단부의 안정성을 확보하는 개념이다. 

초기 NATM은 주로 경암반에 적용되었지만, 각종 보조공법이 발달함에 따라 거의 모든 지반에 적용이 가능하게 되었다. 그림 29에는 연약 암반(soft ground)에서의 굴착, 지보 및 보조공법에 대한 모식도로 상반 가인버트, 측벽부 마이크로 파일, 천단부 포아폴링, 막장면 볼팅, 엘리펀트 풋 등이 나타나 있다. 

9. 숏크리트 라이닝과 콘크리트 라이닝

터널공사에서 라이닝(lining)은 일정한 두께로 터널면을 따라 만들어지는 지지구조를 말한다. NATM 터널은 굴착단계의 숏크리트 라이닝과 지보이후의 콘크리트 라이닝으로 구성되는데(그림 30), 숏크리트 라이닝은 굴착단계에서 시공되므로 1차 임시 지보(primary/temporary support) 개념이며, 콘크리트 라이닝은 최종 완성단면을 이루게 되므로 2차 영구 라이닝(secondary/permanent lining) 개념이다.

그림 31에서 보는 바와 같이 숏크리트 라이닝과 콘크리트 라이닝이 이중으로 설치되는 구조를 더블쉘(double shell) 구조라고 하며, 숏크리트 라이닝 또는 쉴드 TBM의 세그먼트 라이닝만이 설치되는 경우를 싱글쉘(single shell) 구조라고 한다. NATM 터널은 장기적인 안정성 확보를 위해 더블쉘 구조를 형성하게 된다. 

NATM 터널에서 콘크리트 라이닝은 1차 지보(숏크리트+록볼트+강지보재)가 설치된 이후 그림 32에서 보는 바와 같이 강재 거푸집을 이용하여 현장타설 콘크리트로 타설로 만들어진다. 한 번에 타설되는 길이를 1스판(span)이라고 하며, 1스판을 반복적으로 타설해야하기 때문에 터널 공기에 영향을 주는 주요 공정이며 특히 콘크리트 라이닝의 품질관리에 주의해야 한다. 

NATM 터널에서 콘크리트 라이닝은 지반조건에 따라 구조재로서의 역할을 하게 되며, 일반적으로 암반이 양호한 경우에는 무근 콘크리트를 암반이 불량한 경우에는 철근 콘크리트를 적용하게 된다. 또한 숏크리트 라이닝과 콘크리트 라이닝 사이에 방수시트를 설치하도록 하여 터널내 유입수를 배수처리한다.

10. NATM의 다른 이름들 

NATM 공법은 오스트리아에서 개발되고 명명된 터널공법으로 세계적으로 널리 이용되고 있지만, 일부 국가에서는 NATM 공법의 독창성을 인정하지 않거나 기존의 터널공법과 크게 다르지 않다는 개념으로 NATM 이라는 이름을 사용하지 않고 표 6에서 보는 바와 같이 별도의 다른 이름을 사용하는 경우가 있다. 특히 일본에서의 NATM은 산악터널공법에 적용되는 터널공법으로 통용되고 있다.

■ SCL(Sprayed Concrete Lining) 숏크리트 라이닝 공법 

SCL(Sprayed Concrete Lining)은 터널의 주지보로서 숏크리트(Shotcrete/Sprayed Concrete)를 사용한다는 개념으로 NATM의 다른 이름으로 사용된다. SCL은 NATM에 들어있는 새로운(New)라는 의미와 오스트리아(Austria)라는 국가명에 대한 반감으로 NATM 공법은 오스트리아에서 개발된 새로운 공법이 아니며, 지반이완을 최소화하고 지반의 자체지지능력(self-support capacity)을 극대화하기 위하여 숏크리트 라이닝을 적용하는 공법이라는 개념으로 SCL 이라고 명명하였으며, 주로 영국, 홍콩, 싱가포르 등지에서 일반적으로 사용되고 있다. 

■ SEM(Sequential Excavation Method) 순차적 굴착공법

SEM(Sequential Excavation Method) 공법은 암반을 순차적(단계적)으로 제거한 후 지보를 설치한다는 개념에서 명명된 NATM의 다른 이름이다. SEM 프로세스는 지반조사결과에 의한 암반분류에 따라 굴착/지보 등급(excavation and support class)을 적용하는 것이다. SEM은 주로 미국 등의 북미에서 사용되고 있으며, 수많은 터널, 지하철 및 정거장 공사에 적용되고 있다.

■ NMT(Norwegian Tunelling Method) 노르웨이 터널공법 

NMT(Norwgian Tunnelling Method) 공법은 고성능 숏크리트를 영구지보재로 적용여 숏크리트만으로 터널을 형성하는 개념으로, 주로 북유럽의 경암반(hard rock mass)에 적용하는 공법이다. NMT 공법은  NATM 공법에서 일반적으로 적용되는 더블쉘(shotcrete lining + concrete lining) 구조와는 달리 고성능 숏크리트 라이닝만의 싱글셀 구조를 형성하고, 유지관리 및 미관상 필요한 경우에 부분적으로 PC판넬를 덧붙이도록 하여 터널 공사비를 최적화하도록 하는 것으로 노르웨이에서 개발되어 노르웨이 터널공사 등에 적용되고 있다. 

■ NATM VS. TBM

터널에서의 NATM 공법은 1960년대 개발된 이후로 세계적으로 가장 많이 적용되는 터널 기술로서 국내에서도 1980년대 이후 대부분의 터널공사에 적용되어 많은 기술적 노하우가 축적되어 국내 NATM 터널기술은 세계 최고수준이라고 할 수 있다. 

NATM 터널은 단면을 다양하게 계획할 수 있고, 대단면의 복잡한 터널을 안전하게 굴착할 수 있는 엄청난 장점으로 인하여 지속적으로 적용되고 발전하여 왔으며, 지금은 모든 지반(연약한 지반부터 경암반 까지)에서 적용가능하며, 프로젝트 계획에 맞는 다양한 터널 단면을 만들 수 있는 만능의 터널공법으로 자리잡게 되었다.  

하지만 터널 굴착을 보다 효율화하기 위하여 발파굴착으로 적용하게 되며, 이에 따른 진동과 소음의 문제는 피할 수 없는 이슈가 되고 있다. 이에 따라 발파공해 문제를 해결하기 위한 다양한 기술(미진동 발파/무진동 굴착공법)들이 반영되고 있지만 아직은 기술적 효용성을 가지지 못하고 있음이다. 

최근 터널공사에서 이러한 문제에 대한 적극적 대안으로 로드헤더(roadheader)를 이용한 기계굴착이 도입되고 있으며, TBM 공법의 적용이 활발해지고 있다. 특히 도심지 터널공사의 경우에는 안전 및 환경에 대한 문제가 키이슈가 되기 때문에 터널공법 검토시 NATM 공법보다는 TBM 공법이 보다 우선적으로 선호되고 있는 흐름이다.    

앞서 언급한 NATM 공법의 10가지 키워드를 생각해보면 NATM 공법은 변화가 많은 암반/지반 조건에 능동적으로 대응할 수 있고, 다양한 형태의 터널 단면을 계획할 수 있으며, TBM 공법에서는 구현할 수 없는 대단면 터널을 시공할 수 있다는 가지고 있음을 유념해야만 한다. 선진국의 경우도 단면이 일정하고 공정이 단순한 본선구간에는 TBM 공법을 단면이 크고 공정이 복잡한 경우에는 NATM 공법을 적용하여 NATM 공법과 TBM 공법을 복합적으로 적용하고 있음을 볼 수 있다.  

따라서 지하터널 프로젝트를 계획하는 경우 NATM 공법과 TBM 공법의 특징과 장단점을 충분히 고려하고, 지반조건과 현장 상태를 잘 반영하도록 하여 최적 공법을 선정하여야 할 것이다. 

[본 기사는 저자 개인의 의견이며 학회의 공식 입장과는 관련이 없습니다]