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NATM 공법

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목차

1. 개요

NATM 공법은 터널 굴착 시 주변 지반을 적극적으로 활용하여 지지 구조물로 삼는 공법이다. 주요 원리는 지반 조건의 적극적 활용, 분할 굴착, 지보재의 적절한 설치, 계측 관리이며, 숏크리트, 록볼트, 강지보 등을 사용한다. 시공은 지보 패턴 결정, 벤치 컷 굴착, 숏크리트 타설, 강지보 설치, 록볼트 설치, 계측, 2차 라이닝 시공 등의 단계를 거친다. NATM 공법은 지반 변화에 대한 적응성이 뛰어나고, 다양한 지질 조건에 적용 가능하며, 기계화 시공이 가능하다는 장점이 있지만, 전문 인력이 필요하고 공정이 복잡하며, 낙반 사고의 위험이 있다는 단점도 있다. NATM 공법은 다양한 명칭으로 불리며, 도시 터널 등 다양한 환경에 적용되고, 일본의 여러 철도 및 도로 터널 시공 사례가 있다.

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NATM 공법

2. 주요 원리

NATM 공법은 암반이 하중을 받을 때의 거동 원리와 건설 중 지하 구조물의 성능 모니터링을 통합한 방식이다.[4] 이 공법은 단순히 미리 정해진 방식대로 굴착하고 지지하는 것이 아니라, 실제 지반 상태를 관찰하면서 그에 맞게 지지 방법을 최적화한다. 따라서 "시공 중 설계" 또는 더 정확하게는 "모니터링하며 설계"라고 불린다.[4] 즉, 터널 벽(라이닝)의 변형이나 주변 암반 상태를 계속 측정하고 분석하여 설계를 조정해 나가는 접근법이며,[4] 특정 굴착 및 지보 기술의 집합이라기보다는 하나의 원리이자 철학에 가깝다.

NATM 공법의 핵심 원리는 크게 7가지 요소로 설명할 수 있다.[4]


  • 원지반 강도 활용: 터널 주변 암반 자체가 가진 고유한 강도를 주요 지지 요소로 최대한 이용한다. 초기 지지(1차 지보)는 암반이 스스로 안정화될 수 있도록 돕는 데 중점을 둔다.
  • 숏크리트 보호: 굴착 직후 숏크리트를 얇게 분사하여 암반의 이완 및 과도한 변형을 최소화한다.
  • 계측 및 모니터링: 정교한 계측 장비를 터널 내부, 주변 지반, 보링공 등에 설치하여 변형을 지속적으로 측정하고 감시한다. 이를 통해 예상치 못한 지반 변화(예: 균열, 지하수 유입)에 대응하고, 관찰된 변형에 따라 필요한 경우에만 추가 보강을 시행하여 경제성을 높인다.
  • 유연한 지보: 두껍고 강성이 큰 콘크리트 라이닝 대신, 락볼트, 용접철망, 강철 지보재(격자지보 등) 등을 조합한 상대적으로 유연한 구조로 터널을 지지한다. 1차 라이닝은 얇게 하여 지반 변형에 능동적으로 대응한다.
  • 인버트 폐쇄: 터널 바닥 부분인 인버트를 빠르게 시공하여 하중을 지지하는 폐합된 링 구조를 완성한다. 이는 특히 연약지반에서 터널 전체의 안정성을 높이고 주변 암반의 지지력을 효과적으로 활용하는 데 중요하다.
  • 계약 조건: 시공 중 계측 결과에 따라 지지 방법이나 공사 순서가 변경될 수 있으므로, 이러한 변경을 수용할 수 있는 유연한 계약 방식이 필요하다.
  • 암반 분류: 지반 조사 결과를 바탕으로 암반 상태(매우 단단함부터 매우 연약함까지)를 정확히 분류하고, 각 등급에 맞는 최소한의 필요 지보량을 결정한다. 이는 과도한 보강으로 인한 비용 낭비를 막고 경제적인 설계를 가능하게 한다. 각 암반 등급별 표준 지보 시스템 설계가 터널 보강의 지침 역할을 하며, 지보 요구 사항은 일반적으로 RMR 또는 Q 시스템을 사용하여 추정할 수 있다.[4]


NATM 설계 철학의 주요 특징은 다음과 같다.[4]

  • 터널 주변 지반이 가진 강도를 최대한 활용한다.
  • 지반 강도를 활용하기 위해 지반이 일정 범위 내에서 제어된 변형을 일으키도록 허용한다.
  • 초기 지지 구조물은 지반 조건과 예상 변형에 맞춰 적합한 하중-변형 특성을 갖도록 설계하고, 적절한 시점에 설치한다.
  • 계측은 초기 지지 시스템의 거동을 모니터링하고, 그 결과를 바탕으로 필요시 초기 지지 설계나 굴착 순서를 변경하는 근거를 제공한다.


시공 관점에서 NATM 공법의 주요 특징은 다음과 같다.[4]

  • 터널은 단계적으로 굴착하고 지지하며, 마주치는 특정 지반 조건에 효과적으로 대응하기 위해 굴착 순서를 변경할 수 있다.
  • 초기 지반 지지는 주로 숏크리트와 섬유 또는 용접철망 보강재, 강철 아치(격자지보 등)를 조합하여 제공하며, 때로는 소일 네일링이나 파일링 같은 지반 보강 공법을 함께 사용한다.
  • 영구 지지는 일반적으로 방수 막 위에 현장타설 콘크리트 라이닝으로 마감한다.
  • 터널의 바닥 부분인 인버트를 빠르게 폐쇄하여, 터널 상부에서 자연스럽게 형성되는 암반 또는 토양 아치 효과를 활용하는 안정적인 구조 링을 만든다.


기존의 터널 공법은 강한 지압에 저항하기 위해 두꺼운 지보공을 설치했지만, 특히 팽창성 지반 등에서는 한계가 있었다.[11][12] 반면 NATM 공법은 지압을 억누르기보다 오히려 이를 이용하여 주변 지반과 터널 구조물을 일체화시켜 안정성을 확보하는 원리에 기반한다. 21세기 초부터는 연약지반 굴착 및 다공성 퇴적물 내 터널 건설에도 적용되고 있다.[4]

3. 시공 방법

NATM 공법은 터널을 순차적으로 굴착하고 지지하는 방식으로 진행되며, 지반 상태를 지속적으로 관찰하고 그 결과에 따라 지지 방식을 조절하는 유연성이 특징이다. 일반적인 시공 단계는 다음과 같다.[11][12]

'''굴착 및 버력 처리'''

다이너마이트를 이용한 발파나 기계 등을 사용하여 터널을 굴착하고 발생한 흙이나 암반(버력)을 외부로 배출한다. 필요에 따라 임시 지보공을 설치하기도 한다.

'''초기 지지 (숏크리트 타설)'''

굴착 직후 터널 벽면에 숏크리트(분사식 콘크리트)를 얇게 분사하여 암반의 이완이나 과도한 변형을 최소화하고, 주변 암반이 스스로 지탱할 수 있도록 돕는다. 이는 자연스러운 하중 지지 링을 형성하는 데 기여한다.

'''보강 (락볼트 설치 등)'''

숏크리트가 굳으면 지반 내부를 향해 방사상으로 구멍을 뚫고 락볼트를 삽입하여 고정시킨다. 락볼트와 숏크리트는 터널 벽면과 주변 지반을 일체화시켜 터널의 구조적 안정성을 확보한다. 필요시 와이어메시, 강지보(강철 지지대) 등을 추가로 설치하여 보강한다.

'''방수 및 최종 라이닝'''

터널 내부로 물이 스며드는 것을 막기 위해 방수막을 설치한 후, 최종적으로 콘크리트 라이닝을 타설하여 터널 벽면을 마감한다.

NATM 공법의 핵심 요소 중 하나는 계측 및 모니터링이다. 터널 굴착 중 및 완료 후 지반과 구조물의 거동을 정밀하게 측정하여 안정성을 확인하고, 필요한 경우 지보 설계를 변경한다. 주요 계측 항목은 다음과 같다.

측정 대상측정 항목
지반 변위지표 침하 측정
지중 침하 측정
내공변위 측정
천단침하 측정
지중 변위 측정
지보재 응력락볼트 축력 측정
숏크리트 응력 측정
기타발파 진동 및 소음 측정



특히 연약 지반에서는 터널 하부 구조물인 인버트를 빠르게 폐쇄하여 완전한 링 구조를 형성하는 것이 중요하다. 이는 터널 주변 지반이 가진 고유한 지지력을 효과적으로 활용하는 데 도움을 준다.

이러한 계측 결과를 바탕으로 지보 방식이나 굴착 순서를 조정할 수 있으며, 이는 예기치 못한 지질 조건 변화(예: 균열 발견)에 유연하게 대처할 수 있게 한다. 따라서 NATM 공법은 단순히 정해진 절차를 따르는 것이 아니라, 현장 조건에 맞춰 설계를 지속적으로 검토하고 최적화하는 "모니터링하며 설계하는" 접근 방식을 취한다. 이를 위해서는 시공 계약 역시 이러한 설계 변경을 수용할 수 있는 유연한 구조를 갖추는 것이 중요하다.

일본에서는 조에츠 신칸센의 나카야마 터널 공사 당시 팽창성 지압 문제 해결을 위해 이 공법을 본격적으로 도입한 사례가 있다.[11][12]

4. NATM 계측

NATM 공법은 터널 시공 중 지반의 거동을 면밀히 관찰하고 분석하여 그 결과를 설계와 시공에 즉각 반영하는 "모니터링하며 설계" 방식을 핵심으로 한다.[4] 이를 위해 정밀한 계측과 지속적인 모니터링이 필수적이다. 계측은 터널의 안정성을 확보하고, 예상치 못한 지반 변화에 유연하게 대처하며, 경제적인 시공을 가능하게 하는 중요한 과정이다.

NATM 공법에서는 굴착으로 인해 발생하는 지반의 변형을 허용하되, 이것이 과도해지기 전에 적절한 지보를 설치하여 지반 자체가 주요 지지 구조물이 되도록 유도한다. 계측은 이러한 지반의 움직임, 응력 변화 등을 정량적으로 파악하여 지보의 종류, 설치 시기, 규모 등을 결정하는 데 중요한 정보를 제공한다. 또한, 시공 중 암반의 상태 변화(예: 균열)나 지하수 유입 등 예기치 못한 상황을 조기에 감지하여 신속하게 대응할 수 있도록 돕는다.

정교한 계측 장비들이 터널 내부의 라이닝, 주변 지반, 그리고 보링홀 등에 설치되어 다양한 데이터를 수집한다. 이를 통해 굴착 후 발생하는 지반의 변형, 암반 내 응력 분포 등을 지속적으로 모니터링한다. 관찰된 변형이나 응력 변화를 바탕으로 필요한 경우에만 추가 지보를 설치하므로, 전체 공사 비용을 절감하는 효과도 있다.

NATM 공법에서 주로 관리되는 계측 항목은 다음과 같다.

계측 항목설명
지표침하 측정터널 굴착으로 인한 지표면의 가라앉는 정도를 측정한다.
지중침하 측정지반 내부의 깊이별 침하량을 측정한다.
내공변위 측정터널 내부 단면의 변형(수렴 또는 확장)을 측정한다.
천단침하 측정터널 천장 부분의 침하량을 측정한다.
지중변위 측정지반 내부의 수평 및 연직 방향 변위를 측정한다.
락볼트축력 측정지반을 보강하기 위해 설치된 락볼트에 작용하는 힘의 변화를 측정한다.
숏크리트응력 측정초기 지보재인 숏크리트에 발생하는 응력을 측정한다.
발파진동 및 소음 측정발파 작업 시 발생하는 진동과 소음 수준을 측정하여 주변에 미치는 영향을 관리한다.



계측을 통해 얻어진 데이터는 암반 분류 결과(예: RMR 또는 Q-system)와 함께 분석되어, 현재 지반 조건에 가장 적합한 지보 패턴을 결정하고 필요한 경우 설계를 변경하는 근거가 된다.[4] 이는 불필요하게 과도한 지보 설계를 피하고 경제적인 시공을 가능하게 하며, 동시에 터널의 장기적인 안정성을 확보하는 데 기여한다. 이러한 유연성은 NATM 공법이 다양한 지반 조건, 심지어 연약 지반이나 다공성 퇴적물 내 터널 건설에도 적용될 수 있게 한다. 다만, 계측 결과에 따른 설계 및 시공 방법 변경을 위해서는 유연한 계약 시스템이 뒷받침되어야 한다.

5. 장점과 단점

NATM 공법은 암반 자체의 지지력을 최대한 활용하고 시공 중 계측을 통해 설계를 조정하는 원리를 기반으로 하여 다양한 장점과 단점을 동시에 가진다. 주변 지반 조건 변화에 유연하게 대처하고 비교적 넓은 범위의 단면에 적용 가능하며 경제성을 확보할 수 있는 장점이 있는 반면, 계측과 시공 과정에서 높은 수준의 전문성이 요구되고 공정이 복잡하며 특정 조건에서는 적용이 어렵거나 비경제적일 수 있다는 단점도 존재한다.[4]

5. 1. 장점

NATM 공법은 여러 가지 장점을 가지고 있다.

  • 지반 변화에 대한 높은 적응성: 주변 암반의 고유한 강도를 최대한 활용하고, 숏크리트를 이용해 암반의 이완이나 과도한 변형을 최소화한다. 시공 중 계측과 모니터링을 통해 지반 상태 변화를 지속적으로 확인하고, 이에 맞춰 지보 패턴을 조정하는 "모니터링하며 설계" 방식을 채택하여 예상치 못한 균열이나 지하수 변화 등 다양한 지반 조건 변화에 유연하게 대처할 수 있다.[4] 암반 분류를 통해 필요한 최소한의 지보 조치를 결정하여 경제성을 높인다.
  • 넓은 적용 범위와 경제성: 적용 가능한 단면의 범위가 넓어 시공성과 경제성이 우수하다. 특히 단면이 큰 대단면 터널 시공에 용이하다. 필요한 경우에만 추가 지보를 설치하므로 비용을 절감할 수 있다.
  • 기계화 시공: 굴착 및 지보재 설치 등 주요 공정이 기계화되어 있어 비교적 적은 인원으로도 공사가 가능하다.
  • 높은 범용성: 범용성이 높아 다양한 지질 조건에 적용할 수 있으며, 소일 네일링, 파일링 등 보조 공법과 조합하여 암반 상태가 좋지 않은 곳에서도 효과적으로 터널을 굴착할 수 있다.
  • 형태의 유연성: 직선뿐만 아니라 곡선 형태의 터널 굴착도 가능하다.
  • 안정성 확보: 지압을 이용하여 주변 지층과 터널 구조물을 일체화함으로써 터널 단면과 굴착면의 안정성을 확보한다. 이는 과거 강한 지압으로 어려움을 겪었던 터널 공사, 예를 들어 일본 조에츠 신칸센의 나카야마 터널 같은 경우에 효과적으로 적용되었다.[11][12]

5. 2. 단점


  • 계측과 시공 과정에서 전문 인력이 요구된다.
  • 공정이 다소 복잡하다.
  • 다수의 장비가 활용되므로 소규모 단면의 시공에는 경제성이 떨어진다. 숏크리트 및 락볼트 설치를 위한 전용 장비가 필요하며 운영 설비 규모가 커지는 경향이 있다.
  • 화약 발파로 인한 낙반 사고의 가능성이 있다.
  • 천공, 숏크리트 분진, 발파 가스로 인하여 작업 환경이 불량하다.
  • 발파 진동 및 소음으로 인한 주변 피해 및 민원 발생 가능성이 있다.
  • 숏크리트가 박리되기 쉬운 지질 등에서는 기존 공법이 더 확실한 경우도 있다.

6. NATM의 다양한 명칭과 현대적 적용

NATM 공법은 1956년 오스트리아에서 개발되었으며, 1962년 국제암반학회에서 공식적으로 명명되었다.

대한민국에서는 1982년 서울 지하철 4호선 퇴계로2가 구간의 시공에 처음 적용된 이래[19] 현재까지 많은 건설 현장에서 활용되고 있으며, 지속적인 연구를 통해 기술적, 경제적으로 발전하고 있다.

본래 알프스 지역의 특정 지질 조건에 맞춰 개발되었으나, 이후 다양한 환경, 특히 도시의 얕은 터널 공사 등에 적용되면서 여러 변형 공법과 명칭이 파생되었다. 이로 인해 'NATM'이라는 용어의 의미와 적용 방식에 대한 다양한 해석이 존재하며, 때로는 용어 사용에 혼란이 발생하기도 한다.[6] 오스트리아 기술 건축가 협회는 이 공법을 터널 주변의 암석이나 토양 지층을 전체 링 모양의 지지 구조물에 통합시키는 방법으로 정의한다.[5]

6. 1. 다양한 명칭

NATM 공법은 원래 알프스와 같이 깊고 높은 ''현장 응력'' 조건에서 터널을 굴착하기 위해 개발되었으나, 현대에는 다양한 환경, 특히 도시의 얕은 터널 공사에도 적용되면서 그 의미와 사용 방식에 변화가 생겼다. 도시 터널은 현장 응력 해소보다는 지표면 침하를 최소화하는 것이 중요하므로, 원래의 알프스식 NATM 공법과는 다른 지지 방법을 사용하는 경우가 많다. 이로 인해 터널 공학자들 사이에서 "NATM 공법"이라는 용어가 서로 다른 의미로 사용되면서 혼란이 발생하기도 했다.[6]

NATM 공법의 적용이 확산되면서 새로운 기술 용어가 등장하고 특정 공법 요소에 대한 대체 명칭이 사용되기 시작했다. 특히 연약 지반의 얕은 터널 공사가 증가하면서 이러한 경향이 두드러졌다.

현대적인 터널링 방식에 대해 사용되는 다양한 명칭은 다음과 같다.

  • '''순차 굴착 공법 (SEM, Sequential Excavation Method)''': 연약 지반 터널에서 자주 사용되는 명칭이다.
  • '''숏크리트 라이닝 (SCL, Sprayed Concrete Lining)''': SEM과 마찬가지로 연약 지반 터널에서 사용된다.
  • '''센터 분할 벽 NATM 공법 (CD 공법, Center Diaphragm Method)''': 주로 일본에서 사용되는 용어이다. 도시부 터널 공사 시 상부 침하를 줄이기 위한 변형 공법으로, 터널 단면 중앙에 수직 격벽을 설치하고 한쪽 절반을 위에서 아래로 굴착한 뒤, 나머지 절반을 같은 방식으로 굴착하고 마지막에 격벽을 제거한다.[14] 일본 마치다 시도의 마코메 터널에서 처음 적용되었다.[15]
  • '''교차 다이어프램 공법 (CRD 공법, Cross Diaphragm Method)''': CD 공법과 유사하게 일본에서 사용되며 도시부 침하 저감을 목적으로 한다. 중앙에 수직 격벽을 설치하는 것은 동일하나, CD 공법과 달리 상반부 전체를 격벽을 남긴 채 굴착하는 방식이다.[14] 도요 고속 철도의 나라시노다이 터널에서 처음 사용되었다.[15]
  • '''상반 수직 분할 공법 (UHVS, Upper Half Vertical Subdivision Method)''': 일본에서 사용되는 또 다른 명칭이다.
  • '''앰브렐러 공법''': 도시부처럼 지표면까지의 깊이(토피)가 얕아 록 볼트 사용이 어려운 경우 적용된다. 터널 주변에 접는 우산처럼 여러 개의 강관을 박아 넣고, 그라우팅 재료(예: 우레탄)를 주입하여 주변 지반을 안정화시키는 공법이다.[13]


오스트리아 기술 건축가 협회는 NATM 공법을 "터널 주변의 암석이나 토양 지층을 전체 링 모양의 지지 구조물에 통합시키는 방법으로, 지지층 자체가 이 지지 구조물의 일부가 되도록 하는 것"이라고 정의한다.[5]

일부 엔지니어들은 개방형 터널의 초기 지반 지지를 위해 숏크리트를 사용하는 경우에도 NATM 공법이라는 용어를 사용하기도 한다. 하지만 Emit Brown이 지적했듯이, NATM 공법은 ''설계 철학''과 ''시공 방법'' 모두를 의미할 수 있어, 특히 연약 지반 터널과 관련하여 용어 사용에 오해를 불러일으킬 수 있다.[6]

6. 2. 현대적 적용

NATM 공법은 원래 알프스 지역처럼 깊고 높은 ''현장 응력'' 조건에서 터널을 굴착하기 위해 개발되었다. 하지만 현대에는 도시 터널이나 연약 지반 터널 등 다양한 환경에서 널리 사용되고 있다. 특히 도시 지역에서는 터널 굴착 시 발생하는 지표면 침하를 최소화하는 것이 중요하기 때문에, 원래의 NATM 공법과는 다른 지지 방법을 사용하는 경향이 있다. 이러한 변화는 터널링 엔지니어들이 'NATM 공법'이라는 용어를 서로 다른 의미로 사용하게 만들어 용어 사용에 혼란을 야기하기도 했다.

대한민국에서는 1982년 서울 지하철 4호선 퇴계로2가 구간 건설에 처음 도입된 이후[19] 여러 건설 현장에서 활발히 적용되고 있으며, 지속적인 연구를 통해 기술적, 경제적으로 발전하고 있다.

NATM 공법의 사용이 확산되면서 새로운 기술 용어가 등장하기도 했다. 연약 지반의 얕은 터널에서는 순차 굴착 공법(SEM, Sequential Excavation Method) 또는 숏크리트 라이닝(SCL, Sprayed Concrete Lining)이라는 용어가 자주 사용된다. 일본에서는 센터 분할 벽 NATM 공법, 교차 다이어프램 공법(CDM, Cross Diaphragm Method), 상반 수직 분할 공법(UHVS, Upper Half Vertical Subdivision Method) 등의 용어가 사용된다.

오스트리아 기술 건축가 협회는 NATM 공법을 "터널 주변의 암석이나 토양 지층을 전체 링 모양의 지지 구조물에 통합시키는 방법으로, 지지하는 지층 자체가 이 구조물의 일부가 되도록 하는 것"이라고 정의한다.[5]

그러나 일부 엔지니어들은 단순히 터널 굴착 초기에 지반을 지지하기 위해 숏크리트를 사용하는 경우에도 NATM 공법이라는 용어를 사용하기도 한다. 이는 특히 연약 지반 터널과 관련하여 오해를 불러일으킬 수 있다. Emit Brown은 NATM 공법이 '설계 철학'과 '시공 방법' 모두를 의미할 수 있다고 지적했다.[6]

기존의 산악 터널 공법은 터널 벽면에 지보공을 설치하고 널말뚝 등으로 틈새를 메워 지지했지만, 강한 지압에는 한계가 있어 낙반 사고를 완벽히 막기 어려웠다. 일본에서는 조에츠 신칸센의 나카야마 터널 공사 당시 팽창성 지압 문제 해결을 위해 NATM 공법을 본격적으로 채택했다.[11][12] NATM 공법은 지압을 역으로 이용하여 주변 지층과 터널 구조물을 일체화함으로써 굴착면과 터널 전체의 안정성을 확보하는 원리를 기반으로 한다.

7. 안전성 논란 및 사고 사례

NATM 공법은 몇 가지 단점을 안고 있으며, 이로 인해 안전성 논란이 제기되기도 한다. 화약을 이용한 발파 과정에서 낙반 사고가 발생할 가능성이 있으며, 천공 작업 시 발생하는 분진이나 발파 가스 등으로 인해 작업 환경이 열악해질 수 있다. 또한 발파 시 발생하는 진동과 소음은 주변 지역에 피해를 주거나 민원을 발생시킬 수 있다.

1994년 영국 히스로 공항에서 발생한 터널 붕괴 사고는 NATM 공법의 안전성에 대한 의문을 증폭시키는 계기가 되었다. 그러나 이후 진행된 재판에서는 사고의 직접적인 원인이 NATM 공법 자체보다는 부실한 시공과 건설 관리의 문제점에 있었다고 결론 내렸다.[7]

터널 공사에서 지반의 압력, 즉 지압이 높아질수록 붕괴 위험성은 커진다. 과거의 산악 터널 공사에서는 터널 벽면에 지지대 역할을 하는 지보공을 설치하고 콘크리트를 타설하기 전까지 널말뚝 등으로 굴착면을 지지했지만, 매우 강한 지압에는 취약하여 낙반 사고를 완전히 막기 어려웠다. 이러한 문제를 해결하기 위해 일본에서는 조에츠 신칸센의 나카야마 터널 공사 당시 팽창성 지압 문제에 대응하며 NATM 공법을 본격적으로 도입하였다.[11][12] NATM 공법은 지압을 이용하여 주변 지층을 일체화함으로써 터널 굴착 단면 및 굴착면 모두의 안정성을 확보하는 원리를 기반으로 한다.

8. NATM 시공 사례

대한민국에서는 1982년 서울 지하철 4호선 퇴계로2가 구간의 시공에 처음 적용된 이후[19] 여러 현장에서 활발히 사용되고 있으며, 지속적인 연구를 통해 기술적, 경제적으로 발전하고 있다. 일본에서는 팽창성 지압 문제로 어려움을 겪었던 조에츠 신칸센나카야마 터널 공사 등에 NATM 공법이 도입되었다.[11][12]

NATM 공법은 산악 지형 터널뿐만 아니라 도시 지하 터널 공사에도 보조 공법과 함께 널리 활용되고 있으며, 지하 발전소 건설과 같은 대규모 지하 공간 구축에도 적용되고 있다.

8. 1. 철도 터널

터널은 주변 흙이나 암반의 압력인 지압이 높아질수록 붕괴 위험이 커진다. 기존의 산악 터널 공법에서는 터널 벽면에 뼈대 역할을 하는 지보공을 설치하고, 굴착면과의 사이에 나무나 철판으로 만든 널말뚝을 끼워 넣어 최종 형태인 복공 콘크리트를 타설할 때까지 단면을 지지했다. 하지만 기존 지보공 방식으로는 강한 지압을 견디기 어려워 낙반 사고를 완전히 막을 수는 없었다. 일본에서는 특히 팽창성 지압으로 인해 지보공 변형 문제가 심각했던 조에쓰 신칸센의 나카야마 터널 공사에서 NATM 공법이 본격적으로 도입되었다.[11][12]

NATM 공법은 지압 자체를 이용하여 주변 지반과 터널 구조물을 일체화시켜 안정성을 확보하는 방식이다. 이를 통해 터널 굴착 단면과 굴착면 모두의 안정을 꾀한다.

요코하마 시영 지하철 미츠자와카미초 역


NATM 공법이 적용된 주요 철도 터널 사례는 다음과 같다.

  • 호쿠에쓰 급행 호쿠호쿠선・나베타치야마 터널
  • * 착공부터 완공까지 일본국유철도 재건 계획에 따른 공사 중단을 포함하여 22년이 걸린 대표적인 난공사 구간이다. 나베타치야마의 특수한 지질 조건은 NATM 공법 적용을 매우 어렵게 만들었다. 이 공사는 세이칸 터널이나 영불 해협 터널 공사보다도 더 어려운 공사로 평가받으며, 전 세계 터널 기술자들 사이에서도 잘 알려져 있다.

  • 조에쓰 신칸센・나카야마 터널
  • * 일본에서 처음으로 NATM 공법을 부분적으로 채택한 터널이다. 공사 중 예상치 못한 다량의 지하수 유출 문제로 인해 노선 선형 변경이 불가피했는데, 문제가 발생한 구간은 기존 공법으로 시공 중이었다. 이 실패 경험이 오히려 NATM 공법을 전면적으로 도입하는 계기가 되었다고 평가받기도 한다.

  • 요코하마 시영 지하철블루 라인・미츠자와시모초 역・미츠자와카미초 역・키시네 터널
  • * 당초 계획 노선이 사유지 지하를 통과하게 되어 있어 주민들의 반대 운동이 있었다. 이로 인해 노선 계획이 변경되어 가능한 한 도로 지하를 통과하도록 우회하여 건설되었다.

  • 센다이 시 지하철

  • 큐슈 신칸센・사츠마타가미 터널, 무기우다 터널

  • 킨키 일본 철도게이한나선・이코마 터널・히가시이코마 터널・시라니와 터널・키타야마토 터널

8. 2. 도로 터널

터널은 주변 흙이나 암반의 압력인 지압이 높아질수록 붕괴 위험성이 커진다. 기존의 산악 터널 공법은 터널 벽면에 뼈대 역할을 하는 지보공을 설치하고, 굴착면과의 사이에 널말뚝을 끼워 넣어 최종 구조물인 복공 콘크리트를 타설할 때까지 버티는 방식이었다. 하지만 기존 지보공만으로는 강한 지압을 견디기 어려워 낙반 사고를 완전히 막을 수는 없었다. 일본에서는 특히 팽창성 지압 문제로 어려움을 겪었던 조에츠 신칸센의 나카야마 터널 공사에서 NATM 공법이 본격적으로 도입되었다.[11][12]

NATM 공법은 지압 자체를 터널 구조의 일부로 활용하여 주변 지반과 터널 구조물을 일체화시키는 방식으로, 굴착 단면과 굴착면 모두의 안정을 확보하는 원리이다.

다음은 NATM 공법으로 건설된 일본의 주요 도로 터널 사례이다.

;한신 고속도로 고베 야마테 선・고베 나가타 터널

:북쪽 구간(기타 고베 선 방면)은 NATM 공법으로 건설되었으나, 남쪽 구간(고베 나가타 출입구 방면)은 터널 상부 흙 두께(토피)가 15m~45m로 매우 얕고 지반이 약한 저습지대여서, 앙브렐라 공법 등 특수 공법이 동원된 어려운 공사였다.

;수도 고속도로 중앙 환상선・아스카야마 터널

:

;수도권 중앙 연락 자동차도・오메 터널

:상하수도관 등 기존 지하 매설물의 존재와 소음 문제 등으로 인해, 2층 구조의 대단면 터널로는 세계 최초로 NATM 공법을 적용하여 굴착했다.

;나고야 고속도로 히가시야마 선・히가시야마 터널

;이세 자동차도・타키 터널

;도카이 호쿠리쿠 자동차도・히다 터널

;주부 횡단 자동차도・아보 터널

;신메이신 고속도로・스즈카 터널

;규슈 자동차도・히고 터널

;세토 중앙 자동차도/혼시 비산 선・와시우야마 터널

;국도 140호선 간사카 터널

:

;국도 274호선・이나사토 터널

:홋카이도에서 처음으로 NATM 공법으로 건설된 도로 터널이다.

;국도 289호선 코마도메 바이패스・코마도메 터널

:그린 터프라는 연약 지질 구간 때문에 공사 중이던 1977년 9월부터 도로 터널로는 일본 최초로 NATM 굴착을 시작했다.

;아사히 터널 (이바라키현)

9. 관련 공법



=== 앰브렐러 공법 ===

도시 지역처럼 터널 위를 덮고 있는 흙이나 암반의 두께(토피)가 얇은 곳에서는 록 볼트를 사용하기 어렵다. 이런 경우, 터널을 팔 면 주위에 접는 우산처럼 여러 개의 강철 파이프를 박아 넣고, 그 파이프를 통해 우레탄 수지 등을 주변 땅속으로 스며들게 하여 지반을 단단하게 만드는 공법이다.[13]

=== CD (Center Diaphragm)·CRD (Cross Diaphragm) 공법 ===

도시 지역에서 NATM 공법을 변형하여 사용하는 방식으로, 두 공법 모두 터널 위쪽 땅이 내려앉는 것을 줄이기 위한 굴착 방법이다.

  • CD 공법: 터널을 만들 단면 가운데에 수직으로 칸막이 벽(격벽)을 세운다. 먼저 한쪽 절반을 위에서부터 아래로 순서대로 파내려가고, 다음으로 나머지 절반도 같은 방식으로 파내려간다. 마지막으로 가운데 칸막이 벽을 제거하여 터널 전체 단면을 완성한다.[14] 이 공법은 마치다 시도의 마코메 터널에서 처음 사용되었다.[15]
  • CRD 공법: CD 공법과 비슷하게 터널 단면 가운데에 수직 칸막이 벽을 만들지만, 터널의 위쪽 절반 부분을 팔 때 칸막이 벽을 남겨둔 채로 굴착하는 방식이다.[14] 이 공법은 도요 고속 철도의 나라시노다이 터널에서 처음 사용되었다.[15]

참조

[1] 서적 Sprayed Concrete Lined Tunnels – 2nd ed Taylor & Francis
[2] 서적 North American Tunneling Taylor & Francis
[3] 논문
[4] 웹사이트 RMR and Q System https://www.tunnels.[...]
[5] 서적 Tunneling: Management by Design Taylor & Francis
[6] 웹사이트 NATM In Soft-ground: A Contradiction Of Terms? https://www.yumpu.co[...]
[7] 서적 Heathrow failures highlight NATM (abuse?) misunderstandings https://issuu.com/tu[...] TunnelTalk
[8] 웹사이트 特集： 多様化するNATM https://www.kajima.c[...] 2020-11-20
[9] 웹사이트 NATM工法 http://www.hokume.co[...] 北越メタル 2020-11-20
[10] 웹사이트 NATMの概要 https://www.kajima.c[...] 2020-11-20
[11] 간행물 山岳トンネル工法の今昔 https://www.jstage.j[...] 土木学会 1984-09-20
[12] 웹사이트 鉄道におけるトンネル建設技術のあゆみと新たな挑戦 － 青函から羊蹄へ － https://www.pwri.go.[...] 鉄道建設・運輸施設整備支援機構 2018-10-02
[13] 웹사이트 最小土被り4mの都市トンネル https://www.kajima.c[...] 2020-11-20
[14] 간행물 土被りの浅い未固結地山トンネルの地表面沈下抑止方法に関する評価 https://www.jstage.j[...] 土木学会 1999-12
[15] 학위논문 含水未固結地山におけるシールドを用いた場所打ち支保システムに関する研究 https://waseda.repo.[...] 早稲田大学
[16] 웹사이트 膨張性地山における山岳トンネル https://www.kajima.c[...] 2020-11-20
[17] 웹사이트 3連NATMでつくる地下駅 https://www.kajima.c[...] 2020-11-20
[18] 서적
[19] 뉴스 http://newslibrary.n[...]

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