2020

도 로 설 계 요 령

AN01145-000145-12

발 간 등 록 번 호

제4권 터널

 

터 널

제 9 편 터널

제 9-1 편 터널 본체

제 9-2 편 터널 환기

제 9-3 편 터널 조명

제 9-4 편 터널 방재

제4권

 

제 9-1 편 터널 본체

 

제4권 터널

320

13.1 TBM 일반사항 [KDS 27 25 00 TBM, 1. 일반사항]

(1) 국제 터널협회(ITA)에서는 기계화 시공기술을 ʻ비트와 디스크 등에 의하여 기계적으로 굴착을 수

행하는 모든 터널 굴착기술ʼ로 정의하고 있다.

(2) TBM은 무지보 상태에서 기기 전면에 장착된 커터의 회전과 주변암반으로부터 추진력을 얻어 터

널 전단면을 절삭 또는 파쇄하여 굴진하는 터널 굴착기계이다.

(3) 설계자는 현장 조건에 맞는 TBM을 선정할 수 있도록 기기의 종류와 그 특성을 사전에 숙지해야

한다.

(1) 개 요

기계화 시공법의 한 종류인 TBM(Tunnel Boring Machine)은 소규모 굴착 장비나 발파 방

법에 의하지 않고, 굴착에서 버력처리까지 기계화 · 시스템화 되어 있는 대규모 굴착기계를

말한다.

현재 국외의 장비제작 기술 수준과 시공 장비의 대부분이 주문 제작으로 생산되는 것을 고려

하면 매우 다양한 형태의 기능 및 특성을 갖는 장비 제작이 가능하기 때문에 어떤 특정한

기준에 의하여 기계화 시공법 또는 장비를 분류한다는 것은 쉽지 않다.

그림 13.1은 프랑스 터널협회에서 규정하고 있는 기계화 시공법의 분류이며, 그림 13.2는

국내 기계화 시공법에 대하여 연구된 보고서에서 각국의 분류 기준을 종합하여 새롭게 제시

하고 있는 분류기준(안)이다.

그림 13.2의 분류 기준(안)은 너무 복잡하지 않으면서 대표성을 잘 나타내고 있는 프랑스의

기준[AFTES WG17 권고(안)]을 모태로 하여 작성하였다. 특히, 국내에서는 적용된 바 없는

압축공기식(compressed air) 쉴드 TBM은 분류 내에 포함시키지 않았으며, 일본 · 노르웨이

의 분류에서 볼 수 있는 비회전식 굴착기인 블라인드식, 반기계식, 수동 굴착식 등은 국내

지반조건에 합당하지 않고, 사용 사례가 거의 없으므로 제외하였다.

13. TBM 터널

[KDS 27 25 00 TBM]

제9-1편 터널 본체

321

일반적으로 TBM은 그림 13.1과 그림 13.2의 Open TBM을 말하며, 이 편의 TBM 터널에

관한 사항은 주로 Open TBM 터널에 한정하여 기술한다.

무 지 보

open TBM

TBE

(Tunnel Boring Enlarging machine)

원주면 지지

원주면 및 막장 지지

<지 보 형 태> <중 분 류> <소 분 류>

붐타입(boom-type)

굴 착 기 계

전면개방형(open-face)쉴드 TBM

전면밀폐형(closed-face)쉴드 TBM

그리퍼(gripper)쉴드 TBM

세그먼탈(segmental)쉴드 TBM

더블(double)쉴드 TBM

(그리퍼 및 세그먼트)

기계식 쉴드 TBM

압축공기(compressed-air)

쉴드 TBM

슬러리(slurry), 쉴드 TBM

토압식(Earth Pressure Balance)

이토압식 쉴드 TBM

혼합식 쉴드 TBM

로 드 헤 더

(roadheader)

디거(digger)타입 굴착기계

<그림 13.1> 터널 기계화 시공법 분류[AFTES WG17 권고(안)]

제4권 터널

322

(쉴드의 유무) (지보시스템) (반 력) (명칭 및 종류)

무쉴드 None 자 중

그리퍼

(gripper)

로드헤더(roadheader)

(In line cutter, Transverse cutter)

디거(digger type)

(Backhoe, Ripper, Hydraulic hammer)

Open TBM

터널확공기

(Tunnel Reaming Machine)

쉴드

주면지보

(전면개방형)

그 리 퍼

추 진 잭

그리퍼

+

추 진 잭

추 진 잭

주면 및

막장지보

(전면밀폐형)

싱글

(single)

쉴드TBM

그리퍼 쉴드TBM

세그먼탈(segmental)

쉴드TBM

더블(Double)쉴드TBM

기계식 지보(Mechanical support)

쉴드TBM

이수식(Slurry)쉴드TBM

토압식(Earth pressure blance)

쉴드TBM

혼합식

쉴드TBM

개방형 + 토압식

개방형 + 이수식

토압식 + 이수식

<그림 13.2> 국내 기계화 시공법 분류(안)

(2) TBM과 지반조건

TBM 터널에서 적용한 TBM 장비와 지반강도 사이의 관계는 표 13.1에 나타내었다. 표 13.1

은 그림 13.1에 근거한 기계화 시공법의 분류별 각각의 대응 지반의 강도를 나타내고 있으

며, 각각의 굴착기계에 대한 설명은 다음과 같다.

제9-1편 터널 본체

323

<표 13.1> 지반의 강도별 대응 굴착기계[AFTES WG17 권고(안)]

분류

기호

지반분류

일축압축강도

(MPa)

A B C D E F G H I J

R1 Very strong rock ＞ 200

R2a

strong rock

200 ~ 120

R2b 120 ~ 160

R3a

Moderately strong rock

60 ~ 40

R3b 40 ~ 20

R4 Low strong rock 20 ~ 6

R5a Very low strength rock

and consolidated

cohesive soils

6 ~ 0.5

R5b ＜ 0.5

R6a Plastic or slightly

consolidated soils

-

R6b

A. 붐타입 굴착기계 : 높은 점착력을 갖는 토사나 연약한 암반에 적합하다. R3 ~ R5 범주

내의 지반에 대하여 적용이 가능하나, 압축강도가 30 ~ 40 MPa 이상의 지반에 적용하는

것이 바람직하다. 지하수가 높는 지반에 사용 시에는 유입수 문제 해결을 위하여 지반개

량이 선행되어야 한다.

B. Open TBM : R1 ~ R4의 지반에서의 굴착이 용이하며, R3a ~ R4 정도의 지반에서는 그

리퍼가 암반면을 뚫고 들어가는 것을 방지하기 위한 표면의 지지력 개선 작업이 필요하다.

C. 터널확장기(TBE) : R1 ~ R3(때로는 R4 ~ R5)의 암반에서 직경 8 m 이상의 대단면 터널

을 굴착 시 적합하다.

D. 그리퍼 쉴드 TBM : R1 ~ R3의 지반에 적합하다. 지반이 그리퍼의 저항을 충분히 견딜

수 있는가를 함께 검토해야 한다.

E. 세그먼트 쉴드 TBM : R4 ~ R5의 연약한 암반에 적용이 가능하며 막장은 자립할 수 있는

지반이어야 한다.

F. 더블 쉴드 TBM : 위의 두가지 개방형 쉴드 TBM의 장 · 단점을 복합적으로 보완하여 해당

지반에 사용할 수 있다.

G. 기계식 지지(mechanical-support) 쉴드 TBM : 연약한 암반이나 수압의 영향이 없거나

약간 존재하는 압밀지반에 사용할 수 있다.

제4권 터널

324

H. 압축공기 쉴드 TBM : 급작스러운 압축공기의 손실이 없어야 하므로 주절리가 없고 낮은

투수성을 가진 지반에 적합하다. 터널 상부에는 불투수층이 필수적으로 있어야 한다. 따

라서 압축공기 쉴드 TBM은 주로 작은 직경의 터널에 사용하는 경향이 있다. 막장의 지질

상태가 이방성인 지반에서는 사용하지 않는 것을 권고하고 있으며, 화재의 위험이 있는

유기질 토양에서는 사용을 금하고 있다.

I. 이수식(slurry) 쉴드 TBM : 충적층 지반과 이방성의 연약지반에 적합하며 부분적으로 경

암반을 포함하는 지반에도 사용이 가능하다. 지반에 점토가 포함되어 있을 경우 커터헤드

로부터 굴착토의 분리가 어렵거나 클로깅이 있을 수 있다. 10-2 m/sec 이상의 투수계수가

높은 지반에서도 사용이 가능하나 높은 수압이 작용할 시 굴착면에 방수층을 형성할 수

있는 특수한 슬러리의 이용이 필요하다. 오염된 지반 또는 높은 침투수압이 존재하는 지반

에서는 문제 발생에 여지가 있으므로 슬러리 혼합에 특수한 선택이 필요하다. 이러한 종류

의 쉴드 TBM에서는 지반에 메탄이 함유되어 있어도 문제가 없으나 터널 선형을 따라 대

조적인 이방성의 지반이 나타날 경우 굴착토 제거 작업이 어려워짐을 감안해야 한다.

J. 토압식 쉴드 TBM : 점토질 지반, 실트, 세립의 점토질 모래, 연약 초크(chalk), 이회토,

점토질 편암(schist) 등의 지반이 교반된 후 커터헤드의 밀실에 압력전달과 버력반출용 스

크루 컨베이어에 마개형성을 일정하게 유지할 수 있는 지반에 적합하다. 토압식 쉴드

TBM은 10－3 ~ 10－4 m/sec의 높은 투수도를 지닌 지반에서도 굴착이 가능하며, 국부적

안정이 필요한 불연속면이 교호하는 지반에서도 사용이 가능하다. 단단하고 마모에 강한

지반에서는 첨가제를 사용하거나 커터헤드 또는 스크류 컨베이어 표면을 강하게 하는 특

별한 처리가 필요하다.

(3) TBM의 구성

TBM은 디스크가 부착된 커터헤드, 추진장치, 버력운반 컨베이어 및 그리퍼로 구성되어 있으

며, 크게 Main beam TBM과 Kelly type TBM의 두 가지 형식으로 구분된다. Main beam

TBM은 추진장치가 커터헤드의 후면에 가까이 있으며, 한조의 그리퍼가 주축의 선단에 부착

되어 있다. 그림 13.3은 Kelly type TBM의 구성을 보여주는 것으로 커터헤드와 추진장치가

추진축에 연결되어 있고, 두 조의 그리퍼가 장착되어 있다. 커터헤드 및 추진장치로의 접근이

Main beam TBM에 비하여 상대적으로 용이하다.

제9-1편 터널 본체

325

두 형식 모두 커터헤드 후면에서 굴착과 동시에 록볼트와 지보재를 설치할 수 있으나, 숏크

리트 타설은 기술적으로 어렵고 장비손상의 우려가 크다. 이러한 이유로 숏크리트는 필요 시

그리퍼 또는 후속설비 뒤에서 타설된다.

TBM은 그림 13.3과 같이 본체, 후속설비 및 부대시설로 구성되며, 본체는 커터 · 커터헤드

· 추진시스템 · 클램핑시스템, 후속설비는 벨트 컨베이어 · 광차 그리고 부대시설은 버력처리

장 · 정화시설 · 환기시설 · 수전설비·급수설비 · 배수설비 등으로 구성되어 있다.

① 커터헤드 ② 커터 헤드 자켓 ③ 이너켈리 ④ 아우터켈리 ⑤ 추진 실린더 ⑥ 커터헤드 드라이브 ⑦ 클램핑 패드

⑧ 후방지지장치 ⑨ 벨트 컨베이어 ⑩ 집진기

<그림 13.3> TBM의 구성(Kelly type TBM)

(가) TBM 본체

① 커터헤드

배열 장착된 각종 커터의 압축력과 회전력에 의하여 암석을 압쇄시켜 굴착 하부에서

스크랩퍼(scraper) 및 버켓(bucket)으로 버력을 상부 또는 이너켈리(inner kelly) 내

에 설치된 벨트 컨베이어에 적재하여 후방으로 배출시키며 이너켈리의 전진 작동으로

전진한다.

② 커터헤드 자켓

커터헤드 및 쇼벨장치를 둘러싸고 있으며, 터널 벽면으로부터 떨어지는 낙반을 방지

하며 커터헤드 뒷면에서 지보재 설치작업을 용이하게 해 주며, TBM 클램핑 및 리셋

팅 시 본체 전방지지대 역할과 굴진 중 커터헤드를 지지하여 본체의 진동을 감소시켜

준다.

③ 이너켈리 및 아우터켈리

이너켈리는 추진실린더의 유압작동으로 커터헤드를 전진시키며 커터헤드를 회전시키

는 커터헤드 드라이브가 있다. 전방의 주 구동부는 유압으로 착탈되는 클러치에 의하

제4권 터널

326

여 메인베어링과 직접 연결되며, 후반부는 본체굴진방향을 조정할 수 있는 후방지지

장치(rear support)와 연결되어 있다. 이너켈리를 감싸고 있는 아우터켈리(outer

kelly)에는 굴착운행 시 본체를 지지하기 위한 클램핑 패드 장치가 있어 기 굴착된 터널

벽면에 패드로 압착지지하는 장치가 있어 이를 이용하여 TBM을 굴착 전진시킨다.

(나) 후속 트레일러

후속 트레일러는 견인 로드(rod) 또는 체인에 의하여 기계 본체에 끌려 다니며, 커터헤드

구동에 필요한 전동모타에 의해서 작동되는 각종 유압펌프, 굴진 시 발생한 분진을 처리

하기 위한 집진기가 장착되어 있으며, 상부에는 버력반출을 위한 벨트 컨베이어가 설치

되어 있다.

13.2 TBM 터널 굴착

13.2.1 굴착방법

TBM의 굴착방법은 지질조건, 굴진효율, 장비의 성능 등을 고려하여 적합한 방식을 선정해야 한다.

TBM의 굴착방법은 그림 13.4와 같이 디스크 커터(disk cutter)의 회전력에 의한 압쇄식과

버튼 커터(button cutter)의 회전력을 이용한 절삭식 굴착방법으로 구분할 수 있으며, 그

선정기준은 다음과 같다.

일반적으로 압축강도 30 ~ 80 MPa 정도의 풍화암 및 연암일 경우는 절삭식, 100 MPa 이

상일 경우에는 압쇄식을 적용한다. 최근 압쇄식이 다양한 지질에 적용할 수 있도록 개발되

고 있다.

<그림 13.4> 커터에 의한 굴착방식

제9-1편 터널 본체

327

TBM 굴착 작업은 클램핑 패드의 터널 백면 지지력을 이용하여 굴착이 이루어지며, 커트

헤드 · 앞지지대 · 뒷지지대 · 아우터켈리 · 이너켈리 · 구동 시스템 등을 이용하여 5단계의

과정을 반복 작업으로 이루어진다. 그림 13.5는 TBM 굴착작업의 순서를 나타내고 있다.

개요도 굴 착 과 정

1 단계

∙ 클램핑 패드를 터널 벽면에 압착

∙ 앞 뒤 기계지지대를 위로 오므림

∙ 커터헤드 작동 시작

2 단계

∙ 1 스트록(stroke)의 굴진이 끝남

(1 스트록 : 0.8 ~ 1.2 m)

∙ 이너켈리만 전진상태

3 단계

∙ 앞 뒤 기계지지대를 지상으로 내림

∙ 클램핑 패드를 터널벽면으로부터 탈착

4 단계

∙ 아우터켈리를 1 스트록 전진시킴

∙ 뒤쪽기계 지지대로서 기계굴진방향을 조정함

(기계 방향을 레이저 광선 방향과 일치시킴)

5 단계

∙ 1 단계와 동일

<그림 13.5> TBM에 의한 굴착작업의 순서

제4권 터널

328

13.2.2 TBM에 의한 굴착 공법

TBM을 이용한 터널굴착 공법 선정 시 지반조건, 내공단면 계획, 경제성 등을 고려하여 현장에 적합

한 공법을 선정해야 한다.

TBM을 이용한 터널굴착 공법에는 그림 13.6과 같이 전단면 굴착 공법, 선진 도갱 TBM

굴착 후 발파공법을 이용한 굴착 공법 그리고 확대형 터널 굴착기(TBE : Tunnel Boring

Enlarging machine)에 의한 굴착 공법이 있다

<그림 13.6> TBM에 의한 굴착 공법

전단면 굴착 공법은 구경 2.0 m ~ 8.0 m까지의 터널 공사 시 사용하는 빈도가 매우 높으며,

특히 장대터널에서의 적용 빈도가 높고, 굴진속도가 빨라 초기 투자비가 높은 반면 TBM의

능력을 충분히 활용할 수 있다. 직경 9.0 m 이상의 대구경 터널 굴착 시에는 순수한 TBM

굴진이 게이지(gauge) 커터의 허용 가능 속도인 2.5 m/sec에 의하여 제한될 뿐만 아니라

구경이 클수록 커터헤드의 속도가 줄어들어 적용 빈도가 적다.

도로 및 철도 터널을 대구경의 TBM이나 TBE로 굴착하면 굴착단면이 원형으로 필요 이상

의 단면굴착이 되므로 비경제적이며, 대단면의 화약 발파굴착은 발파진동으로 인한 주변피

해발생 등의 문제점이 있다. TBM굴착과 발파공법을 병용하는 공법은 TBM에 의한 선진

제9-1편 터널 본체

329

도갱 굴착 후 소요 단면을 확공 발파 굴착하는 것으로서, TBM에 의한 자유단면 확보 후

발파를 시행하므로 발파진동을 대폭 감소시킬 수 있으며, 사전에 지반조건의 파악이 용이하

므로 확공 발파 시 경제적이고 적합한 대응책을 수립할 수 있는 공법이다.

13.3 계획 [KDS 27 25 00 TBM, 2. 조사 및 계획]

13.3.1 선형계획

선형계획에는 사용목적, 설계조건, 입지조건, 지형조건, 지장물 및 지반 조건, 시공성, 장비 특성, 인

접 구조물, 방재설계 등을 고려해야 한다.

(1) 평면선형

TBM을 이용한 터널 건설 시 평면선형은 가능한 직선이 되도록 하고, 지반 및 지형조건, 터

널 입구부의 입지조건, 장비의 특성, 터널 인접 구조물 등을 고려하여 결정해야 한다.

노선은 TBM 굴진 효율을 고려하여 토사 지반, 단층파쇄대, 팽창성 지반 등을 가급적 피하고,

균질한 지반을 통과하도록 계획해야 한다.

TBM 터널의 최소 곡선반지름은 TBM의 구경, 구조 및 특성, 현장여건, ·후속대차의 회전반

지름을 감안하여 결정해야 하며, 일반적으로 다음과 같이 산정 할 수 있다.

TBM 터널의 최소곡선반지름(R)

∙ 소구경 TBM(구경 4.5 m 이하, R) = 250 m(후속대차 포함 시 : 50 ~ 100 m 가산)

∙ 대구경 TBM(구경 4.5 m 이상, R) = 350 m(후속대차 포함 시 : 50 ~ 100 m 가산)

평면선형이 급한 각도로 변화하거나 극단적으로 작은 곡선반지름인 경우는 이에 대한 대책을

마련해야 한다.

터널을 2개 이상 병렬로 계획하는 경우, 터널 간의 순간격은 TBM 굴착 외경 이상을 표준으

로 하고, 그 이하로 근접 계획할 경우에는 지반 조건을 고려하여 적절한 설계를 해야 한다.

다른 구조물에 근접하여 계획하는 경우 근접 구조물의 설계 조건이나 현황을 조사하여 편압

· 침하 · 진동 등의 영향을 주지 않도록 필요한 간격을 두어야 하며, 필요 시 구조물 주변의

보강을 고려해야 한다.

터널갱구부의 위치는 TBM 부속설비 설치에 필요한 공간계획을 감안하여 선정해야 한다.

제4권 터널

330

(2) 종단선형

TBM 터널의 종단선형은 사용목적, 유지관리, 시공성을 고려하여 결정해야 한다. 종단선형

계획은 TBM의 굴진효율 향상 및 시공 중의 용출수를 자연유하 시킬 수 있도록 0.3%로 하

며, TBM 굴진 방향은 가급적 상향경사가 되도록 해야 한다. 종단선형을 하향경사로 계획

시에는 갱내의 배수 및 굴진 능률저하 등에 대하여 검토해야 한다.

터널의 용도나 지반 및 환경조건 등에 의하여 경사가 2%를 넘을 경우는 TBM의 굴진효율

저하를 고려하여 공사기간을 재검토해야 하며, 특히 버력처리를 위한 운반장비의 견인력과

제동력에 대해서도 고려해야 한다.

터널의 토피는 굴착외경의 1.5배 이상을 기준으로 하고, 지표와 지하구조물의 현황, 지반 조

건, 굴착단면적 크기, 터널의 사용 목적, 시공방법 등을 충분히 검토하여 결정해야 한다. 토

피가 굴착외경의 1.5배 미만인 경우는 상응하는 터널의 안정성을 확보할 수 있도록 해야 한다.

13.3.2 내공단면계획

TBM 터널의 내공단면은 원형을 표준으로 하고, 터널의 사용 목적에 따른 소요 내공단면적을 결정

해야 한다.

TBM 터널의 내공단면은 시공 중 TBM 구경을 변경할 수 없는 점, TBM의 굴진오차, 사용

장비의 규격, 설계 소요단면, 변형 여유량, 지보 및 라이닝 두께, 배수로 · 대피시설 · 점검통

로 등 부대시설 계획 등도 고려해야 한다.

소요 내공단면을 확보할 수 있도록 상하좌우의 선형 오차, 변형 및 침하 등에 의한 시공

오차를 감안해야 하며, 내공 단면의 허용 시공오차 크기는 지반상태에 따른 허용변위량, 지

보 및 라이닝의 시공 편차, 터널의 용도, 구조물의 특성, 방재 및 구난설계 등을 고려하여

합리적으로 결정해야 한다.

원형 이외에도 터널의 사용 목적에 따라 다른 단면형상을 선택할 수 있으며, 이 경우 TBM

장비, 라이닝의 강도 · 형상 및 시공상의 문제점에 대하여 충분히 검토해야 한다.

그림 13.7은 국내 도로터널에서 사용하는 일반적인 TBM 공법의 단면 활용 예로서, TBM

으로 단면을 굴착하고 NATM 개념의 터널공법으로 확공하는 방식을 보여준다. 그림 13.7

의 방법 이외에 상부 반단면 굴착비가 상대적으로 고가이므로 상부 반단면을 TBM으로 굴

제9-1편 터널 본체

331

착하는 방법도 사용할 수 있다. 상부 반단면을 TBM으로 선 굴착 후 NATM으로 확공하는

방법의 장점으로는 굴착비 절감, 천단부에서 1발파 아래에 위치하므로 천장부 선형조정 용

이, 진동감소효과, 사전 지질현황 파악에 효과가 크다.

<그림 13.7> 도로 터널에서의 일반적인 TBM 단면 활용 예

13.3.3 TBM 기종 선정

TBM 기종 선정 시 적용 구간의 지반조건, 굴진 속도, 단면 형상 및 크기, 시공 연장, 터널의 선형,

사용 목적, 시공성, 작업장 용지와 굴착 버력처리방법 등을 고려하여 안전하고 경제적인 시공이 가능

한 종류 및 형식을 선정해야 한다.

Open-TBM의 종류는 제작사에 따라 터널 굴착의 주요 기능인 추진 및 회전의 기계적 방식

이 다를 수 있으므로 설계자는 TBM 기종 선정 시 이러한 특성을 사전에 파악하여 검토해야

한다.

터널 전체 노선이 전반적으로 양호한 암반상태에서는 기종의 제약을 많이 받지 않으나, 노

선 상에 파쇄대 등 연약지반이 부분적으로 나타날 경우에는 헤드자켓(head jacket)이 부착

된 TBM 등 지반조건에 적합한 TBM을 검토하여 적용한다.

노선 중 상당 부분이 파쇄대 또는 풍화암일 경우에는 Open TBM 대신 본체 부분이 원통형

강관으로 보호된 쉴드 TBM을 사용하는 방안 등을 검토해야 한다.

13.3.4 작업장 계획

TBM 작업장 계획 시는 조립장 규모·각종 부속설비와 버력처리계획 등을 고려해야 한다.

제4권 터널

332

조립장의 규모는 TBM 본체 및 후속설비의 조립에 지장이 없도록 계획해야 한다.

부대설비는 환기설비, 급수 및 배수설비, 급기설비, 전기설비, 침전설비, 커터숍, 레일 조립

장 등이 있으며, 이들의 기능과 규모를 감안한 공간 계획이 필요하다. 또한, 암버력의 발생

량을 산정하여 작업장 내에서의 버력처리 계획을 수립해야 한다.

암버력을 임시 적치를 할 경우는 발생량을 산정하여 작업장 내에서의 처리 계획 및 적치장

규모를 계획해야 한다.

13.3.5 버력처리 계획

터널 내 버력처리를 위한 장비계획은 공사기간, 버력 발생량, 터널 내부 환경 등을 감안하여 수립해야

한다.

장비 계획 시 가급적 굴착과 동시에 굴착량 전량이 터널 외부로 반출될 수 있는 운반체계로

결정해야 한다. TBM 굴착에 따른 배출버력의 운반은 덤프트럭에 의한 방법과 광차와 기관

차를 이용한 방법을 사용하는 것이 일반적이다.

디스크커터에 의하여 압쇄된 버력은 TBM 굴착과 동시에 스크래퍼를 통하여 버켓으로 운반

되면 벼력슈트를 지나 본체의 콘베이어 벨트에 적재된다. 터널 외부로 반출 시에 소구경(구

경 4.5 m 미만) 터널일 경우 광차와 기관차를 사용하여 반출하는 것이 일반적이다. 대구경

(구경 4.5 m 이상) 터널에서는 덤프트럭을 사용하나 터널연장이 길어지면 터널 내 작업환

경, 안전성 등을 고려하여 버력처리 방법을 결정해야 한다.

또한 소구경 터널이면서 약 3 km 이상의 장대터널일 경우 버력적재 · 대기시간을 최소화하

며, TBM 굴진능력을 극대화하기 위하여 2 ~ 3 km마다 그림 13.8과 같은 운반차의 교행

구간(rail switching point)을 적절히 계획해야 한다.

<그림 13.8> 교행 구간

제9-1편 터널 본체

333

13.3.6 부속설비 계획

각종 부속설비는 기능과 시공성 및 설비별 특성을 고려하여 효율적인 공간배치가 되도록 해야 하며,

터널 내부의 부속설비는 작업환경성, 안정성, 경제성 등을 고려해야 한다.

환기설비, 수전설비, 전력설비, 급수 및 배수설비, 침전지, 급기설비, 커터숍 및 레일 조립장

등 각종 부속설비는 기능과 시공성을 감안한 용량계산을 토대로 설계되어야 하며, 운반장비

의 통행을 감안하여 상호 간섭되지 않도록 공간계획을 수립해야 한다.

환기설비는 굴착 등으로 인한 터널 내 분진을 제거하고 작업자 환경 개선을 위한 기능이

확보되어야 하며, 분진 및 유해가스 정도에 따라 송기식, 배기식, 송 · 배기식의 적용을 결

정한다.

급수 및 배수설비는 작업용수 공급과 용출수 및 작업용수 배출을 위한 설비로서, 특히 하향

굴착일 경우는 강제 펌핑 배수가 필요하며, 양수기 고장을 고려한 여유분을 계획해야 한다.

전기설비 계획 시는 TBM 구동을 위한 특고압 전기를 수전할 수 있는 변전설비 규모를 고려

해야 한다. 침전설비는 용출수량, 탁수 침강속도 및 공사지역의 수질관리 기준을 고려한 처

리 계통을 계획해야 한다.

특히 막장안정을 위한 기능으로서 록볼트, 숏크리트, 강지보재 등을 유사 시 시공할 수 있는

부속설비와 지반 변화가 심할 것으로 예상되는 경우는 발생 가능한 상황에 대처할 수 있는

부속설비를 갖추도록 해야 한다.

13.3.7 TBM 운영 계획

TBM 운영 시 기계의 굴진 능력을 극대화할 수 있도록 TBM 조작자와 지질기술자 및 교대 작업 인원

편성 등의 현장운영조직을 적절히 계획해야 한다.

TBM 장비는 특수한 최첨단기술로 제작되어 특수한 공법으로 설계 · 시공해야 하므로 TBM

제작사별 생산기종, 기계의 성능, 굴진능력, 기계고장 및 부품교체 등 기술자료를 수집하여

비교 · 평가하고 그 특성에 따라 설계해야 하며, TBM 터널공법 설계 기술과 설치 및 운용

기술을 파악하여 확실하게 기술 전수를 할 수 있는 전문기술요원을 확보하도록 설계에 반영

해야 한다.

제4권 터널

334

TBM 터널에서는 효율적인 굴착을 위하여 TBM 조작자와 지질기술자 등이 상호 협조하여

현장을 운용할 수 있는 조직과 기술인력을 확보하도록 설계에 반영해야 한다.

공사 중 TBM 장비의 원활한 작동 및 유지관리를 위하여 사전에 부품수급계획을 수립해야

하며, 암질에 따른 커터의 적정 교체시기 등도 함께 고려하여 계획한다.

TBM 운영 시 기계의 굴진능력을 극대화할 수 있도록 TBM 조작자와 지질기술자 및 교대

작업 인원 편성 등의 현장운영조직을 적절히 계획해야 한다.

작업체제는 2교대 또는 3교대로 운영하며, 기계 가동 중 정기적으로 커터의 이상 · 마모를

검사하여 교환 시기 등을 판단하고, 원활한 작업진행을 위해 부품 수급계획도 수립해야 한

다(표 13.2 참조).

<표 13.2> 교대 당 작업 인원 편성 예

구분

직종

인원 비고

작업반장 1 작업지휘

TBM 조작자 2 TBM 운전 및 관리

전공 1 TBM 고압케이블, TBM 배선 점검 및 관리

기계정비공 1 기계부분 점검 관리, 유압정비 능력 보유자

특별 인부 2 커터의 교환 및 정비 관리

보통 인부 1 커터의 교환지원 및 기타 지원

13.3.8 계측 계획

계측 계획 수립 시 기계굴착의 장점을 고려하여 계측위치, 계측항목, 계측간격, 측정빈도 등을 조정하

여 경제적인 계측계획을 수립해야 한다.

계측 계획 수립 시 일반적 사항에 대해서는 원칙적으로 ʻ10. 계측ʼ 편을 따르는 것으로 한다.

TBM은 암질이 양호한 지반에 적용함을 기본으로 하지만 지반 구조 다양함으로 인하여 굴

착 시 지반 붕괴로 인한 장비의 함몰 등을 방지하기 위해서는 막장 관찰 또는 조사 장비에

의한 막장 전방 예측 기술의 적용 등을 사전에 검토해야 한다. 또한, TBM 터널의 공용 기간

동안 보유해야 하는 성능의 수준을 유지하도록 적절한 유지관리계획을 세워야 한다.

제9-1편 터널 본체

335

13.4 조사 및 시험

TBM 터널의 조사와 시험은 ʻ3. 조사ʼ에서 정하는 바를 따라 입지 조건 조사와 지형 및 지반조사를 수

행해야 하며, 특수한 경우에는 별도로 정할 수 있다.

TBM의 적용을 위한 입지 조건의 조사는 주로 노선 선정과 적용 TBM 종류의 결정, 터널의

규모 설정 등에 이용하며, 조사 시에는 TBM 장비 운반을 위한 도로망 · 교통 상황, TBM 조

립 및 해체를 위한 공사용 부지, TBM에 소요되는 전력 및 급배수 시설과 사토장 부지 등에

대한 조사를 반드시 실시해야 한다.

지형 및 지반 조사는 TBM 터널의 노선 선정, TBM 종류 선정, 지보패턴의 적용 · 보조공법

의 선정, 공사기간 산정 등 설계 및 시공 단계에서 중요한 자료를 제공하므로 정확한 조사를

수행해야 한다. 특히 TBM 공법의 적용 시에는 팽창성 지반이나 복합지반, 단층대 · 지하수위

가 높은 모래 자갈층이나 전석층 또는 토사와 암반의 경계부, 유해가스의 발생가능 지역 등

에서 문제가 발생할 수 있으므로 이와 관련한 집중적인 지반조사를 실시해야 한다.

조사 및 시험 성과의 정리는 조사 및 시험결과를 종합적으로 판단하여 터널 노선 중 지질

및 시공상의 문제가 발생할 수 있는 지형 및 지질 등을 상세히 기입해야 한다. 세부사항은

ʻ3. 조사ʼ 에서 제시된 바를 따르며, 지반조사 및 시험결과에 따라 TBM 공법의 적용가능성과

세부 설계사항을 검토해야 한다.

13.5 TBM 터널의 설계 [KDS 27 25 00 TBM, 4. 설계]

13.5.1 설계일반

TBM 터널은 조사결과를 기초로 하여 설계해야 하며, ʻ1.2 계획·설계 일반 사항ʼ에서 정한 기준을

따르는 것으로 한다.

TBM 터널은 원지반 조건, 환경조건, 사용목적의 적합성, 안전성, 경제성, 시공성 등이 확보

되도록 설계해야 하며, 지보재는 기계굴착의 장점을 최대한으로 활용할 수 있도록 설계해야

한다.

또한, 시공 중 관찰과 계측 결과에서 실제 지반조건이 설계시의 예측 지반조건과 상이할

제4권 터널

336

시는 설계변경을 통하여 조정해야 한다.

설계는 현장조건에 적합하도록 해야 하며, 다음 항목을 반드시 검토해야 한다.

① TBM 터널 내공단면의 크기

② TBM 장비의 선정

③ TBM 조립장

④ 발진기지 및 도달기지

⑤ TBM 굴착

⑥ 버력처리 및 운반 시스템

⑦ 지보 및 변형 여유량

⑧ 콘크리트라이닝

⑨ 배수 및 방수

⑩ 인버트

⑪ 보조공법

⑫ 가시설

⑬ 작업자 통로

⑭ 방재, 조명 및 환기

⑮ 수전설비 등 각종 설비

◯16 부대시설 규모 및 소요 공간

13.5.2 지보재 및 보조공법 [KDS 27 25 00 TBM, 4.3 터널 지보재 및 보조공법]

(1) 터널 지보재는 TBM의 기계적 특성과 지보재 작업의 시공성 등을 고려하여 설계해야 하며, 기타

일반적인 설계사항은 ʻ5. 지보 구조의 설계ʼ의 내용을 따른다.

(2) 보조공법은 사용 목적에 적합하고, 원지반 조건, 환경 조건, 안전성, 시공성, 경제성 등이 확보되

도록 설계해야 한다.

지보재 설계를 위한 암반 분류 시에는 반드시 TBM의 특성을 고려해야 하며, TBM 터널의

지보재는 양질의 지반조건에서는 생략이 가능하다.

TBM 터널 해석 시에는 발파굴착에 비하여 주변 지반의 응력분포와 지반변형 특성이 상이

한 점을 특별히 반영해야 하며, 경우에 따라서는 지보패턴의 등급을 조절하거나 지보재 설

제9-1편 터널 본체

337

계의 경량화를 고려해야 한다.

TBM 터널의 철망은 숏크리트의 부착력 증가와 보강효과 증가를 위하여 설치하는 철망과

낙반 방지용 철망으로 구분하고, 낙반방지용 철망은 암질상태에 따라 철망의 종류를 달리

해야 한다.

보조공법은 터널의 굴착에 따라 막장근처를 중심으로 발생되는 용수나 원지반의 변위, 붕괴

등의 문제를 특별한 기기 · 재료에 의하여 인공적으로 지하수위를 저하시키거나 지반을 강

화하는 공법으로서 사용목적에 적합해야 한다.

13.5.3 TBM 작업장 및 버력처리장 [KDS 27 25 00 TBM, 4.4 작업장 및 작업구]

(1) 작업장은 TBM의 조립에 지장이 없도록 충분한 공간이 확보되어야 하며, 각종 설비의 배치계획을

고려해야 한다.

(2) 버력적치장은 버력운반 장비의 규격에 따라 버력운반 장비의 대기공간 확보 및 버력하차 시스템을

구비해야 한다.

TBM 조립장의 폭은 TBM 본체의 폭과 크레인 작업 폭을, 조립장 길이는 TBM 본체의 길이

와 후속대차의 길이를 함께 고려해야 한다. 일반적으로 TBM 조립 시 필요한 공간의 산정은

다음과 같다.

∙ 조립장 폭(B) = TBM 본체의 폭 + 크레인 작업 폭

∙ 조립장 길이(L) = TBM 본체의 길이 + 후속대차의 길이

환기설비, 수전설비, 급수 및 배수 설비, 커터숍, 레일 조립장, 침전지, 급기설비 등 각종

가시설의 기능과 규모를 감안하여 배치계획을 수립해야 한다.

버력하차장은 최소한 2 ~ 3일분의 굴착버력량을 적치할 수 있는 공간을 확보해야 하며, 버

력적하가 가능하도록 필요 시 석축 또는 옹벽 등을 설치해야 한다.

버력하차는 버력대차의 대기시간을 최소화하여 TBM의 고속 굴진이 될 수 있도록 자동화

시스템을 구축해야 하며, 자동화시스템은 사이드덤핑 방법, 셀프로딩 방법, 로타덤프 방법

을 비교 검토하여 경제적이고 시공성이 있는 방법을 선정해야 한다.

제4권 터널

338

13.5.4 발진터널 [KDS 27 25 00 TBM, 4.4.3 발진기지]

TBM의 최초 터널 내부로의 진입을 위한 벽면지지용 발진터널 또는 발진반력대와 같은 반력설비를

계획해야 한다.

TBM 터널에서는 그립퍼가 클램핑 패드(벽면지지대)의 측벽지지력을 이용 커터헤드를 회전

시키며 굴진하므로 최초 지지 및 TBM의 터널 내부로 진입을 위한 벽면지지용 발진터널을

반드시 계획해야 한다.

발진터널은 일반적으로 재래식공법에 의하여 굴착하며, 발진터널의 구경은 TBM이 원활히

진입할 수 있는 여유 폭을 감안하여 결정해야 하며, 일반적으로 다음을 표준으로 한다.

발진터널의 구경 = TBM 구경 + 300 mm(여유 폭)

발진터널의 굴착방법은 터널 단면의 크기, 암반상태를 감안하여 결정하고, 그에 따른 지보

재를 선정한다.

발진터널의 길이는 일반적으로 TBM의 기종별 장비 사양에 따라 변동이 있으며, 벽면지지

가 필요한 TBM 본체의 길이(ℓ=10 ~ 15 m)와 암반상태를 감안하여 결정해야 한다.

클램핑 패드(벽면지지대)는 발진터널 좌우 양측 벽체의 하단부에 콘크리트 연속 블록을 설

치하는 것으로 TBM의 그립퍼가 굴착작업 중 충분한 지지반력을 얻을 수 있도록 계획해야

한다.

발진터널에 용수가 발생할 경우 클램핑 패드 후방에 배수관을 매설하여 유도 배수하도록

설계한다. 클램핑 패드는 직선으로 설계하여 그립퍼에 의한 편압이 걸리지 않도록 한다.

13.5.5 버력처리 설비 [KDS 27 25 00 TBM, 4.5 터널 내 운반시스템의 설계]

터널 내 버력처리 설비는 터널의 구경·연장·경사 등을 감안하여 버력처리를 가장 효율적으로 할 수

있도록 계획해야 한다.

터널 내 버력운반은 기관차와 광차를 이용하는 궤도방법, 덤프트럭 이용방법, 벨트 켄베이

어 방법 등이 있으며, 터널의 크기 · 연장 · 공사기간 · 버력 발생량 · 터널 내 작업환경 등을

감안하여 결정해야 한다(그림 13.9 참조).

제9-1편 터널 본체

339

(1) 광차와 기관차를 이용하는 궤도방법

(2) 덤프트럭 이용 방법

(3) 벨트 컨베이어 방법

<그림 13.9> 버력처리 시스템

일반적으로 소구경 터널의 경우는 광차와 기관차를 사용하여 반출하는 것이 유리하며, 대구

경 터널에서는 덤프트럭을 사용하나 터널연장이 길어지면 터널 내 작업환경, 안전성 등을

고려하여 버력처리방법을 결정한다.

버력적재 및 운반 시는 기 설치된 지보재, 가설시설 등을 손상시키지 않도록 계획해야 한다.

13.5.6 기타 설비 [KDS 27 25 00 TBM, 4.6 기타 설비]

터널의 부속설비는 사용목적이나 유지관리상의 필요성에 따라 배수·환기·방재 등의 설비와 맨홀 등을

설계에 포함해야 하며, 작업환경성·안전성·경제성을 고려하여 계획해야 한다. 특히 공사 중 터널 내부

의 조명설비와 분진억제 및 제거설비를 검토해야 한다.

(1) 환기설비

TBM 터널에서의 터널 내 환기방법과 설비는 소요 환기량을 계산하고, 그 결과에 따라 적합

한 설계를 해야 한다. 소요 환기량은 터널 내 최대 작업원에 대하여 필요한 소요 환기량, 분

진에 의한 소요 환기량, 터널 내 장비운용에 따른 소요 환기량과 기타 소요 환기량을 모두

합하여 산정해야 한다. 소요 환기량에 따라 환기 팬의 용량과 풍관의 구경을 결정해야 한다.

환기방법은 소요 환기량과 풍관의 구경에 따라 터널 내 배치공간을 감안하여 송기식, 배기식,

제4권 터널

340

송배기식 중 적합한 환기방법을 적용해야 한다.

(2) 수전설비

수전설비는 한전 배전선로에서 전원을 공급받아 자가용 수전설비로 부하설비를 맞게 전압을

변화시켜 TBM 및 부대시설의 전기설비에 전원을 공급하기 위한 설비를 말한다.

수전설비는 TBM의 전력소요량과 기타 가 시설에 필요한 전력소요량을 합산하여 계획해야

하며, 수전위치 및 거리를 산정하여 설계에 반영해야 한다.

TBM 본체용 전력공급은 TBM 굴진에 따라 고압케이블을 100 ~ 200 m 마다 연결하도록 계

획해야 한다. 후속설비 및 터널 내 가시설용 전력공급은 터널의 길이에 따라 발생하는 선로

손실 및 전압강하를 감안하여 800 ~ 1,000 m 마다 변압기를 설치하도록 계획해야 한다.

<표 13.3> TBM 구경별 수전설비용량 계획 예

구분

구경

설비용량(kw)

비고

TBM 부대시설 계

2.6 m 575 400 975 부대설비 : 3 km 이하

3.0 ~ 3.2 m 940 500 1,440 〃

3.5 m 1,140 550 1,690 〃

5.0 m 1,750 650 2,350 〃

6.5 m 2,300 750 3,050 〃

8.0 m 2,400 800 3,200 〃

(3) 급수 및 배수 설비

급수설비는 굴착암반과 커터의 마찰열 발생을 억제하고 공기정화기(air scrubber)에서 집진

된 먼지를 제거하며, 기타 천공 시 비트 냉각수 및 숏크리트 타설면 살수, 배관청소 등의 용

도를 위한 시설로서, TBM 기종별 소요수량을 공급하기 위하여 터널입구부에 물탱크를 설치

하여 펌프나 수두차를 이용 막장까지 공급한다. 소요되는 급수량을 충분히 고려하여 설계해

야 하며, 소요급수량에 따라 급수펌프의 동력 및 급수관의 구경을 결정해야 한다.

소요급수량은 TBM 커터에 필요한 소요급수량, 지보재 설치에 따른 소요급수량과 기타 소요

급수량을 모두 합하여 산정해야 한다. 급수펌프의 동력과 급수관 구경은 TBM 헤드에서의

소요압력이 유지될 수 있도록 결정해야 한다.

배관은 외기의 영향이 있는 곳일 경우 동결심도 이하로 매설 또는 보온재로 싸서 동절기 동

제9-1편 터널 본체

341

파가 없도록 설계한다. 배수설비는 TBM에 의한 퇴수량과 추정된 자연용수량을 터널 외로

강제배수 시키기 위한 시설로서 TBM에 공급된 용수 중 퇴수되는 양과 터널 내의 지하수 용

수량을 충분히 배수할 수 있도록 하며, 지하수맥의 존재로 다량의 지하수가 존재할 경우 등

의 예측하지 못한 출수에 대비하여 예비 배수설비를 계획해야 한다.

소요배수량은 자연용수량, TBM 퇴수량, 지보재 설치에 따른 퇴수량과 기타 퇴수량 및 비상

시 퇴수량을 모두 합하여 산정해야 한다. 소요배수량에 따라 급수펌프의 동력과 급수관의 구

경을 결정해야 한다. 장대터널에서는 TBM굴진에 따라 400 ~ 500 m 간격을 기준으로 수중

펌프를 설치하여 릴레이식으로 갱외 침전지로 배수시킨다.

배수관은 작업 폐수에 돌가루 및 슬라임(slime) 함량이 많으므로 배수관의 단면이 퇴적물로

축소되고 막힘 현상이 자주 발생하므로 배수정(drain pit)을 설치하거나 중간 배관의 해체

· 청소가 용이한 구조로 설계한다. 터널 벽면에 행거를 설치하여 급·배수관의 레벨을 일정하

게 하고, 부대시설의 간섭을 방지하도록 설계한다.

(4) 침전설비

TBM 굴진 시 발생한 석분이 터널 내부 작업용수와 혼합되어 터널내부에서 배출되는 배수상

태는 석분이 콜로이드 상태로 직접배수로 배출이 곤란하다. 그러므로 탁수정화시설 즉 침전

설비를 설치하여 황산알루미늄을 투입 · 응집시켜 침전시킨 후 배출해야 한다. 침전설비는 터

널 내의 배수용량에 따라 침전조의 규모 및 형태·수질 및 환경보호대책을 수립해야 한다.

(5) 비상급기설비

비상급기설비는 특히, 장대터널 및 지질이 불량한 지대의 터널 굴착 시 낙반사고 등 터널이

매몰될 경우를 대비하고, 인명피해를 예방하기 위한 설비이다.

비상급기설비는 터널연장 및 대피인원 8 ~ 15명을 기준으로 공기압축기의 용량 및 급기관의

구경을 결정해야 한다. 비상 시 공기의 공급을 위하여 약 100 m 정도마다 게이트밸브(gate

valve)를 설치하도록 설계한다.

(6) 갱내 조명설비

갱내 조명설비는 공사 중 작업능률 향상과 노동재해 예방을 위한 설비이다. 갱내 조명설비는

막장부위의 지질관찰, 용수상황, 숏크리트 시공관리, 측량·계측·부대시설의 설치, 재료의 반

제4권 터널

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입 반출에 시계가 확보되도록 조도 20 lux를 기준으로 형광등을 설치하도록 설계한다.

정전 시 대비하여 비상 발전기를 갱외에 설치하고 비상 시 동력원으로 사용하도록 설계한다.