터널

1. 개요

터널은 땅이나 물속을 통과하도록 인공적으로 만든 구조물이다. 초기 터널 기술은 광업과 군사 공학에서 발전했으며, 기원전 2200년경 바빌로니아에서 최초의 인공 터널이 건설된 것으로 알려져 있다. 터널은 지반 및 지하수 조건, 터널의 길이, 용도 등 다양한 요소에 따라 개착식, NATM 공법, TBM 공법, 쉴드 공법, 침매 터널 공법 등 다양한 공법으로 건설된다. 터널은 도로, 철도, 수로, 군사적 목적 등 다양한 용도로 사용되며, 화재와 같은 사고 발생 시 인명 피해를 최소화하기 위해 소화 설비, 경보 설비, 피난 대피 시설, 제연 설비, 비상 전원 설비 등 방재 시설이 설치된다. 세계에서 가장 긴 철도 터널은 스위스의 고트하르트 베이스 터널이며, 가장 긴 도로 터널은 노르웨이의 레르달 터널이다. 한국에서 가장 긴 고속철도 터널은 율현터널이다.

2. 역사

터널의 초기 기술은 광업과 군사공학에서 발전하였다. 기원전 2200년경 바빌로니아에서 최초의 인공 터널이 건설되었다. 고대 로마와 고대 그리스에는 수많은 터널이 만들어졌으며, 현재까지 사용되는 것도 있다. 일본에서는 근대까지 터널이 발달하지 않았고, 1632년 현재의 가나자와시에서 착공된 다쓰미 용수가 일본 최초의 터널로 여겨진다.

근대에 들어 철도 기술이 발달하면서, 유럽에서 철도 터널이 많이 만들어져 터널 굴착 기술이 향상되었다. 다이너마이트 발명으로 터널 건설 효율이 비약적으로 높아졌다.

일본 최초의 서양식 터널은 도카이도 본선 고베시 내 이시야가와 수도로, 1871년에 완공되었다. 일본인 기술자만으로 최초로 만들어진 터널은 도카이도 본선 오쓰시 내 오사카야마 수도로, 1880년에 완공되었다.

3. 건설

터널은 부드러운 점토부터 단단한 암석까지 다양한 재료 속에서 굴착된다. 터널 공사 방법은 지반 조건, 지하수 조건, 터널 굴착 길이와 직경, 터널 깊이, 터널 굴착 지지의 물류, 최종 용도 및 터널 형태, 그리고 적절한 위험 관리와 같은 요소에 따라 달라진다.

일반적으로 사용되는 터널 공사 방법은 다음과 같다:

* 개착식 터널은 얕은 도랑에 건설된 다음 덮는다.
* 굴착식 터널은 상부 지반을 제거하지 않고 현장에서 건설된다.
* 침매터널은 관을 수역에 가라앉혀 건설한다.

터널 공사는 근로기준법 등의 법령에 따라 갱내 작업으로 규정되며, 고용 제한 및 안전 위생에 대해 일반 작업장과는 다른 규제가 마련되어 있다.

3.1. 공법

터널은 부드러운 점토부터 단단한 암석까지 다양한 재료 속에서 굴착된다. 터널 공사 방법은 지반 조건, 지하수 조건, 터널 굴착 길이와 직경, 터널 깊이, 터널 굴착 지지의 물류, 최종 용도 및 형태, 적절한 위험 관리 등 다양한 요소에 따라 달라진다.

일반적으로 사용되는 터널 공사 방법은 다음과 같다:

* 개착식 공법(Cut-and-cover): 얕은 터널 건설에 사용되는 간단한 공법으로, 도랑(trench)을 파고 터널 상부에 터널 위에 건설될 구조물의 하중을 지탱할 수 있을 만큼 강한 상부 지지 시스템으로 지붕을 덮는 방식이다.

* 상향식 공법(Bottom-up method): 필요에 따라 지반 지지대를 설치하고 도랑을 굴착한 후 그 안에 터널을 건설한다. 터널은 현장 타설 콘크리트, 프리캐스트 콘크리트, 프리캐스트 아치 또는 골 형강 아치로 건설될 수 있으며, 초기에는 벽돌이 사용되었다. 그런 다음 도랑을 신중하게 되메우고 지표면을 복구한다.
* 하향식 공법(Top-down method): 흙막이벽 또는 연속 굴착 말뚝 박기와 같은 방법으로 지표면에서부터 측면 지지벽과 상부 보를 건설한다. 프리캐스트 빔이나 벽 위에 현장 타설 콘크리트를 사용하여 터널 지붕을 건설하기 위해 얕은 굴착만 필요하다. 그런 다음 접근 개구부를 제외하고 지표면을 복구한다. 이렇게 하면 도로, 상하수도 및 기타 지표면 시설을 조기에 복구할 수 있다. 그런 다음 영구적인 터널 지붕 아래에서 굴착을 진행하고 바닥 슬래브를 건설한다.

* NATM 공법(New Austrian Tunnelling Method): 굴착한 부분을 신속하게 뿜어붙이기콘크리트로 고정하고, 록볼트를 암반 깊숙이 박아 지반 자체의 지지력을 이용하는 공법이다.
* 예: 가와구치호 터널(중앙신칸센)

* TBM 공법(Tunnel Boring Machine): 터널 굴착기(TBM)를 이용한 공법이다.
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* 예: 히다 터널(도카이호쿠리쿠 자동차도)

* 쉴드 공법: 쉴드 굴착기를 사용하는 공법이다.

* 예: 아쿠아 터널(도쿄만 아쿠아라인)

* 침매 터널 공법: 여러 개의 케이슨(잠함)을 수면 아래에 가라앉혀 이를 연결하여 터널을 만드는 공법이다.
* 예: 다마가와 터널(수도고속도로도쿄만횡단선)

* 파이프 잭킹: 유압 잭을 사용하여 특수 제작된 파이프를 TBM 또는 쉴드 뒤쪽의 지반을 통해 밀어넣는다. 이 방법은 도로나 철도와 같은 기존 구조물 아래에 터널을 건설하는 데 일반적으로 사용된다. 파이프 잭킹으로 건설된 터널은 일반적으로 최대 직경이 약 3.2m인 소구경 굴착이다.

* 박스 잭킹(Box jacking): 파이프 잭킹(Pipe jacking)과 유사하지만, 파이프 대신 상자 모양의 터널을 사용하는 점이 다릅니다. 잭킹 박스는 파이프 잭보다 훨씬 더 큰 경간을 가질 수 있으며, 일부 박스 잭의 경간은 20m를 초과하기도 합니다. 일반적으로 잭킹되는 박스 앞쪽에는 절삭 헤드가 사용되며, 토사 제거는 박스 내부에서 굴착기로 이루어진다.

* 발파굴착: 다이너마이트 등을 이용하여 암반을 폭파시켜 터널을 굴착하는 공법이다.

3.2. 갱도

터널을 굴착할 때 주 터널인 본갱(本坑)과 함께, 이보다 작은 선진갱(先進坑) (또는 선진도갱(先進導坑))을 뚫는 경우가 있다. 선진갱은 본갱보다 먼저 뚫어, 공사 중에는 본갱 굴착에 필요한 지질 조사나 물을 빼내는 데 사용하고, 터널 완공 후에는 긴급 상황 발생 시 대피로(피난갱(避難坑))나 유지 보수를 위한 통로로 활용한다.

재래식 공법에서는 말 그대로 "선행"하여 작은 단면으로 도갱을 굴착하고, 이를 넓혀 본갱을 굴착한다. 지보공을 설치하면서 1개(저설도갱: 하반부 중앙) 또는 2개(측벽도갱: 하반부 양측 벽면)의 도갱을 먼저 굴착한 후, 터널 상반부를 굴착하고, 도갱의 지보를 제거하면서 하반부를 굴착한다.

4. 용도별 터널

5. 방재 시설

터널의 방재 시설은 화재 및 사고 발생 시 인명 피해를 최소화하고 안전한 대피를 돕기 위해 설치된다. 주요 방재 시설은 다음과 같다.

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터널의 밀폐된 공간은 화재 발생 시 사용자에게 매우 심각한 영향을 미칠 수 있다. 주요 위험 요소는 가스와 연기 발생이며, 낮은 농도의 일산화탄소도 매우 유독하다. 예를 들어, 2001년 고타르트 터널 화재에서는 연기와 가스 흡입으로 11명이 사망했다. 1944년 이탈리아 발바노 열차 참사에서는 기관차가 긴 터널에서 정지하면서 400명이 넘는 승객이 일산화탄소 중독으로 사망했다. 1982년 칼데콧 터널 화재와 1904년 파리 지하철 화재에서도 유독성 연기로 인한 사망자가 다수 발생했다.

자동차 터널은 일반적으로 운영 중에 유독한 배기가스를 제거하기 위해 환기구와 동력 팬을 필요로 한다. 철도 터널도 강제 환기가 필요할 수 있으며, 두 유형 모두 비상 상황에서 환기를 증가시키는 설비를 갖추고 있다.

병행하는 별도의 터널이 있는 경우, 밀폐되지만 잠금 장치가 해제된 비상문을 통해 연기가 가득 찬 터널에서 탈출할 수 있다.

보스턴, 매사추세츠주의 빅 디그 터널과 같이 크고 많이 사용되는 터널에는 전담 관제센터가 24시간 상주하며 교통 상황을 모니터링하고 비상 상황에 대응한다. 영상 감시 장비가 자주 사용되며, 일부 고속도로의 교통 상황은 인터넷을 통해 실시간으로 제공된다.

한국 고속도로 터널에는 50m 간격으로 통보 장치와 소화기(2개), 200m 간격으로 비상 전화가 설치되어 있다. 장대 터널 입구에는 터널 입구용 신호등과 입구 표지판이 설치되며, 화재 발생 시 적색등 신호와 "진입금지 화재" 등의 표시가 이루어진다.

6. 환기

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도로 터널 내부는 배기가스가 쉽게 고이는 구조이기 때문에 도로 터널 설계에서는 환기 장치의 검토가 중요하다.

터널 내부의 환기 방법은 자동차 교통에 의해 발생하는 공기의 흐름(교통 환기)이나 터널 자체를 통과하는 바람(자연풍)을 이용하는 자연 환기 방식과 기계 설비를 사용하여 강제로 환기하는 기계 환기 방식으로 크게 나뉜다. 자연 환기 방식은 특별한 장치가 필요하지 않지만, 적용 가능한 길이와 교통량에 제한이 있다. 일정 규모 이상의 터널에서는 기계 환기 방식이 채택되는 경우가 많다.

기계 환기 방식에는 주로 다음 세 가지가 있다.

; 종류 환기 방식
: 터널 천장에 제트팬이라고 불리는 대형 송풍기를 매달거나, 송풍기 기능을 가진 환기구를 설치하여 종단 방향의 공기 흐름을 강제로 만들어 터널의 갱구 또는 중간부에서 배기를 배출하고, 외부에서 직접 터널 내부로 신선한 공기를 보내는 방법이다.
: 교통 환기력을 유효하게 활용하며, 환기 덕트가 필요 없어 터널 단면을 작게 할 수 있어 기계 환기 방식 중 비용 면에서 가장 유리하다. 그러나 교통량이 적거나, 너무 많아져 주행 속도가 저하되면 교통 환기력이 저하되어 충분한 환기가 어려워진다. 또한 자연풍의 변동을 받기 쉽다.
: 자동차 배출가스 규제 강화에 따라 장대 터널이라도 강력한 환기 기능을 갖출 필요가 없어지고 있어, 횡류 환기 방식에서 전환되는 경우가 있다.
; 반횡류 환기 방식
: 터널 일부를 칸막이하여 「환기 덕트」로 하고, 신선한 공기를 터널 갱구 등에 설치된 흡입구에서 환기 덕트를 통해 차도 내에 균일하게 공급하여 배기가스를 신선한 공기로 갱구에서 밀어내는 방법이다.
: 터널 포털(갱구) 상부에 천장판을 설치하여 천장판으로 구분된 공간을 환기 덕트로 하는 경우가 많지만, 쉴드 터널의 경우에는 도로 아래에 덕트를 통과시키는 경우가 많다. 강철제 덕트를 터널 내에 배관하는 경우도 있다.
: 신선한 공기 공급은 교통량이나 자연풍에 영향을 받지 않지만, 환기 덕트와 환기 장치가 필요하여 비용 면에서 불리하다. 환기 바람은 갱구를 향해 커지기 때문에 적용 연장에 한계가 있다.
; 횡류 환기 방식
: 반횡류 환기 방식과 마찬가지로 터널 일부를 칸막이하여 「환기 덕트」 공간을 마련하고, 「배기 덕트」와 「송기 덕트」로 나누어 신선한 공기를 송기 덕트를 통해 차도 내에 공급하고, 배기 덕트를 통해 배기가스를 강제로 배출하는 방법이다.
: 터널 포털 상부에 천장판을 설치하고 칸막이를 설치하여 배기 덕트와 송기 덕트로 확보하는 경우가 많지만, 쉴드 터널의 경우에는 도로 아래에 덕트를 통과시키는 경우가 많다. 야마테 터널(수도고속도로)은 횡류 환기 방식을 채택하고 있지만, 쉴드 공법 구간에서는 도로 아래에 덕트를 통과시키며 천장판은 없다.
: 송기용과 배기용 환기 장치가 각각 별도로 필요하여 비용 면에서 가장 불리하지만, 터널 내부의 종단 방향으로 환기 바람을 일으킬 필요가 없고, 터널 연장, 교통량, 자연풍에 영향을 받지 않아 가장 안정적인 환기 방식이다.
: 과거 장대 터널에 많이 채택되었지만, 천장판 압박감이나 제트팬 성능 향상으로 최근에는 소수파가 되고 있었다. 2012년 12월 사사고 터널 천장판 추락 사고로 노후화된 천장판의 위험성이 지적됨에 따라 전국적으로 천장판 철거, 종류 환기 방식으로 전환되었다. 그러나 기능적으로 철거가 불가능하거나 보류하는 터널도 소수 존재한다.
: 해저 터널 등에서는 이러한 방식을 조합한 환기 방식을 사용하기도 한다.

철도 터널에서도, 주행 시 고온의 매연과 증기를 방출하는 석탄 연소 증기 기관차가 동력차로 사용되던 시대에는 터널 내 환기나 배연 유도가 중요했다. 장대 터널 구간에서는 터널 천장에서 수직으로 지상부까지 종갱을 파서 배연을 촉진하거나, 터널 양단 갱구부에 강제 환기 팬을 설치하거나, 열차 통과 후 차단막을 내려 매연이 후방으로 흘러가기 어렵게 하는 등 다양한 대책이 강구되었다.

하지만 경사 구간의 장대 터널에서는 호쿠리쿠선 야나가세 터널 질식 사고처럼 기관차 동륜에 공전이 발생하여 열차 운행 속도가 저하되거나 정지했을 때 달라붙은 매연 때문에 승무원이나 승객이 질식하는 사고가 적지 않았다.

이는 소단면 장대 터널을 포함한 구간에서 전철화 공사나 터널 개축 공사, 선로 변경에 의한 개량 공사가 실시되고, 디젤 기관차 도입이 우선적으로 실시되는 원인이 되었다. 야나가세 터널 내 사고로 순직자를 낸 쓰루가 기관구에서는 터널 내 증기 기관차 배연 흐름을 제어하여 승무원이 질식할 위험을 줄이기 위한 집연 장치가 1951년에 개발되었다.

7. 기록

터널 굴착 중에는 임시 접근용 갱도가 필요한 경우가 있다. 이 갱도는 일반적으로 원형이며, 터널이 건설될 높이에 도달할 때까지 수직으로 내려간다. 갱도는 콘크리트 벽으로 이루어져 있으며 영구적으로 설계되는 경우가 많다. 접근용 갱도가 완성되면 TBM(터널 굴착기)이 바닥으로 내려지고 굴착을 시작할 수 있다. 프로젝트가 완료될 때까지 갱도는 터널의 주요 출입구 역할을 한다. 터널이 길어질 경우, 여러 위치에 여러 개의 갱도를 굴착하여 굴착되지 않은 지역에 대한 터널 출입구를 더 가깝게 만들 수 있다.

공사가 완료되면, 공사용 접근 갱도는 종종 환기갱으로 사용되며, 비상구로도 사용될 수 있다. Tunnel construction^영어는 근로기준법 등의 법령에 따라 갱내 작업으로 규정되며, 고용 제한 및 안전 위생에 대해 일반 작업장과는 다른 규제가 마련되어 있다.

7.1. 세계

고트하르트 베이스 터널은 57.1km로 세계에서 가장 긴 철도 터널이다. 채널 터널은 전체 길이 50km 중 39km가 해저 구간으로, 해저 구간이 세계에서 가장 길다. 레르달 터널은 24.5km로 세계에서 가장 긴 도로 터널이다.

7.2. 대한민국

* 대한민국에서 가장 긴 수로 터널은 영천댐 도수터널로 길이 33km이다.
* 대한민국에서 가장 긴 고속철도 터널은 율현터널로 길이 50.25km이다.
* 대한민국에서 가장 긴 간선철도 터널은 영동선 동백산-도계간 솔안터널로 길이 16.7km이다.
* 대한민국에서 가장 긴 지하철도 터널은 서울 5호선 본선 구간(방화~상일동)으로 길이 46.2km이다.
* 대한민국에서 가장 긴 고속도로 터널은 인제양양터널로 길이 10.96km이다.
* 대한민국에서 가장 긴 도로 터널은 배후령터널로 길이 5.1km이다.

8. 안전 및 사고

터널의 밀폐된 공간은 화재 발생 시 매우 위험하다. 주요 위험 요소는 가스와 연기 발생이며, 낮은 농도의 일산화탄소는 매우 유독하다. 예를 들어, 2001년 고타르트 터널 화재에서는 연기와 가스 흡입으로 11명이 사망했고, 1944년 이탈리아 발바노 열차 참사에서는 기관차가 터널에서 멈추면서 400명 이상이 일산화탄소 중독으로 사망했다. 1982년 캘디콧 터널 화재에서도 유독성 연기가 주요 사망 원인이었다.

자동차 터널은 배기가스 제거를 위해 환기구와 동력 팬을 설치한다. 철도 터널도 강제 환기가 필요하며, 비상시 환기를 늘리는 경우가 많다. 병행 터널이 있는 경우, 비상문을 통해 갇힌 사람들이 탈출할 수 있다. 보스턴, 매사추세츠주의 빅 디그 터널과 같이 크고 이용량이 많은 터널에는 24시간 상주 관제센터가 있어 비상 상황에 대응한다.

터널 사고의 예는 다음과 같다.

* 클레이턴 터널 열차 충돌 사고(1861)
* 웰윈 터널 열차 충돌 사고(1866)
* 파리 메트로 화재(1904)
* 처치 힐 터널 붕괴(1925)
* 발바노 열차 참사(1944)
* 칼데콧 터널 화재(1982)
* 1996년 영불 해저터널 화재(1996)
* 다이애나 황태자비 사망(1997)
* 몽블랑 터널 화재(1999)
* 빅 디그 천장 붕괴(2006)