도로 설계자들이 도로터널이 시각적 침해나 소음 공해와 같은 환경문제를 줄일 수 있는 기능에 대한 측면을 고려하게 되면서 터널을 좋은 대안으로 선택하는 일이 증가하고 있다, 그러나 터널을 선택하면서 일부 문제가 남아있거나 심지어는 더 악화하기도 한다. 교통량을 제어하고 줄이려는 많은 정책적인 노력에도 불구하고 향후 수십 년간 교통량은 계속 증가할 것으로 예측되므로, 도로 교통과 관련된 환경문제들이 고려되어야 한다.
PIARC 터널 위원회는 다음과 같은 공기오염 현상에 대하여 심도 깊고 구체적인 연구를 하였다.
실질적으로 공기 오염을 고려하여 환기시스템의 종류를 선정할 때 배출공기의 위치와 유량 등을 고려하여야 하며, 환기시설의 운영방침이나 환기제어시 공기질의 목표치를 적절히 설정하는 것이 더 복잡한 환기시스템을 선정하는 것보다 국부적인 오염농도를 만족시키는데 더 효과적일 경우가 있다.
도로 교통량과 이로 인한 자동차 배기가스는 터널이라는 제한된 공간내에서 매연에 의한 심각한 환경문제와 연관된다. 배기가스는 다양한 오염물질의 존재로 정의되는데, 높은 비율이 되면 나쁜 영향과 결과를 초래하게 된다. PIARC 터널 위원회는 전통적으로 터널내의 차량에 의한 배출가스와 공기질에 대해 평가를 수행해왔다. 이런 목적을 위하여 일반적인 모델링 이론이 검토되고, 적절한 공기질 기준이 정의되며 현재의 기준이 특정된다. 측정되고 시뮬레이션된 오염도는 공기질 기준과 비교되어, 최종적으로 터널내의 적정 공기질 관리를 위한 완화대책이 제시된다. (8.5절 환기)
초장대터널에서 터널 외부의 공기온도가 높을경우 차량으로부터 배출된 열로인해 터널내 공기온도는 심각한 환경문제를 유발한다. 이런경우, 자전거나 오토바이와 같이 직접공기를 접하게 되는 운송수단들이 운행하기에 터널 내 공기온도가 허용 온도보다 너무 높아지게 된다. 이 문제를 해결하기 위한 해법으로는 기계환기를 하거나 터널 내부로 물을 분무하여 증발잠열을 이용하여 터널내 온도를 낮추는 방법등이 있을 수 있다.
터널 배기가스는 발생된 지점으로부터 비교적 짧은 거리내에서 공기질에 영향을 미치지만 인접한 도로망은 더 넓은 지역의 환경에 영향을 미친다. 그런 이유로 터널의 공기질 영향은 터널 바깥쪽의 도로망과 함께 조사되어야 한다. (5.1절 터널 외부 공기질의 영향).
다른 중요한 환경적 문제는 소음과 진동이다. 건설단계에서 높은 소음이 발생되기 때문에 환경적 위해요소를 야기하는 소음공해가 발생할 수 있다. 게다가 정상교통시의 많은 교통량은 허용수준 이상의 소음을 발생시킬 수 있다. 교통량이 많은 도로 인접지역의 소음공해가 문제되는 경향이 점점 더 증가되고 있다.
소음경감을 위한 전략은 계획과 건설과정을 포함하는 기준수립 절차를 수반한다. 소음원에서부터 소음을 감소시킬 수 있는 주요한 방법들이 마련되었다 : 특수한 소음 흡수형 포장의 이용은 소음을 감소시킬 수 있고, 차음재와 방음벽은 점점 더 효율이 높아지고 있으며, 조합된 특성과 개선된 건설장비들의 이용은 소음과 진동의 발생을 최소화 시킬 수 있게 한다. (5.2절 소음과 진동)
수질 문제는 터널과 같은 사회기반 시설물의 생애주기 동안 분석되어야 할 또 다른 측면이다. 건설 이전과 건설중에 지면과 지면 밑의 수문학(水文學)에 대한 자세한 조사가 이루어 져야 한다. 위험을 최소화 할 수 있는 방법과 구조적 요소는 수문학 패턴과 프로세스의 중단과 변화를 최소화시키는 방향으로 선택되어야 한다. 사회기반시설물의 건설에 의한 수원 고갈 문제는 점점 더 중요한 화제가 되고 있다. 터널 주변 지역에서 수문학에 의한 영향을 밝히는 통찰력을 제시하고, 어떻게 이러한 영향을 완화시키는 지에 대한 방법을 제시하는 몇몇 연구가 수행될 수 있다. 작업장에서 건설 재료의 누설에 의한 수질오염은 외부로의 누출을 막을 수 있는 컨테이너의 사용으로 줄일 수 있다.(5.3절 수질 문제)
터널 설계자와 운영자의 최종 목표는 기능적인 측면과 환경적인 측면 모두에서 지속가능한 운영을 달성하는 것이고, 합리적인 수준의 안전도와 환경적인 측면에서의 부정적인 충격을 가능한 최소화 시키는데 있다. 운영의 지속가능성을 향상시키기 위한 다른 요소들이 고려되고 분석되어야 한다. (5.4절 지속가능한 터널 운영)
이 장은 다음의 C4 위원회(2008-2011)의 소그룹 4(WG4)에 의해 작성되었다.
도로터널 분야에서 공기질에 관한 문제는 전통적으로 터널 내부 자동차 배출가스의 농도 수준과 관련된 부분이 고려되었다. 그러나 터널 외부 오염물의 농도가 사람들에게 해롭거나 괴로울 수 있다. 이런 오염물질 농도는 공기의 속도와 방향, 주변 지형 등의 복잡한 메커니즘에 의해 터널 입출구나 수직구로부터 주변환경으로 빠르게 감소된다. 결과적으로 터널 입출구나 다른 배기구 주변의 공기질은 교통 밀도 증가와 터널이 도심지 환경에 건설될 때와 밀접한 관련이 있는 것으로 알려져 있다.
동일지역에 터널보다는 개방된 도로가 설치될 경우의 공기질이 더 좋다고 예측된다. 교통흐름에 의한 피스톤 효과와 (또는) 환기시스템에 의해 종류 또는 횡류 공기가 배출될 때 터널 입출구와 수직구에서 오염된 공기가 방출된다. 터널 입출구와 수직구에 인접한 주변공기 농도와 다른 지역적 원인에 따라 오염물질 농도는 당국에서 제한하는 최대치를 초과할 수 있다. 이런 경우 터널 인근의 공기질을 향상시키기 위하여 터널 인근의 부지를 이용하는 계획 등의 토목이나 기계적인 시설을 포함하는 조치가 취해져야 한다. 보통 환기시설 운영방식을 바꾸는 등의 조치가 오염물질 농도를 낮추는 방법으로 사용될 수 있다.
PIARC 에서 발행한 기술보고서 2008 R04 "도로터널: 공기질 영향을 주변환경에 최적화시키는 방법"은 터널과 관련된 외부 공기질에 초점을 맞추었으며, 터널 주변의 공간내에서 자동차 배출가스와 배출가스의 공간적 분포 변화 등을 통해 도시환경을 향상시킬 수 있다. 보고서에는 터널의 최적 위치와 구배, 환기방법, 공기유동 관리, 교통관리, 터널 유지관리, 그리고 마지막으로 적용가능한 오염제거 기술등 터널 외부의 영향을 완화시키기 위한 다양한 설계 및 운영 방법을 포함하고 있다.
소음은 일반적으로 사람들에게 가장 큰 공해로 여겨지는 것들 중 하나로 도심지역에서 크게 영향을 받는다. 터널 설계에 있어서 소음에 대한 문제는 필히 고려되어야 하며, 특히 도심지 터널의 출구나 수직구 인근에 사람이 많이 있을 경우엔 더욱 그렇다.
교통량이 만들어내는 소음은 터널에서만의 문제는 아니다. 지하 기반시설의 경우 일반적으로 소음환경에서는 긍정적인 영향을 미치는 것으로 간주되지만, 형상적으로 출구에 해당되는 지역들에서는 문제가 발생된다. 대부분의 선진국에서 모든 새로운 기반시설을 계획할 때 소음의 영향이 연구되며, 터널이 있는 경우 이 단계에서 당연히 고려된다.
터널 주위의 소음 환경에 대한 영향은 주로 교통량에 의해 발생된다. 터널 내부에서 주행중인 자동차로부터 발생되는 소음은 터널의 라이닝에 의해 반사되고 출구까지 전달되어 소음의 원인이 된다. 이런 상황에서 터널 출구 인근의 소음 수준은 오픈된 공간에서 발생하는 것보다 높은 값을 가지게 된다. 이런 영향은 터널 출구부 주위에 사람들이 많이 있을 경우에 주요한 영향을 미치지만, 터널의 출구에서 멀어지면 소음 수준은 급격히 감소된다. 이것은 터널로부터 나온 소음이 오픈된 공간의 발생된 주요한 자동차 소음이 줄어들기 때문이다.
터널 기반시설에서 발생되는 소음이 또 하나의 소스는 환기시설이다. 횡류식 환기시설이나, 수직 배출구가 있는 종류식 환기시설에서 흡입구와 토출구를 통과하는 유동과 팬이 주요한 소음발생의 원인이고, 소음 환경 기준이 낮게 설정되어 있어 야간에는 그 효과를 더하게 된다. 이 문제를 해결하는 하나의 방법이 제어를 최적화하여 환기시설의 사용을 줄이는 것이지만, 한정된 범위 안에서만 가능하다.
가장 효과적인 방법은 설계 단계에서 문제를 고려하는 것이다. 가장 주요한 소음의 원인은 지리적인 제한에 의한 것으로 공기 흡입/토출구가 근처 건물에서 가능한 멀리 떨어질수록 좋지만 그럴경우 비용이 급격히 상승한다. 소음 발생을 줄이기 위해 공기의 흡입/토출구의 면적을 충분히 크게하여 공기의 유속을 줄여야 한다. 수직구에서 축류팬에 의한 소음을 줄이기 위해 소음기의 사용도 일반적으로 사용되는 방법이다.
종류식 환기시설에서 팬에 의한 소음 효과는 팬의 효율을 최대로 하기 위해 출구에 너무 근접해서 설치가 되지 않고(결론적으로 팬이 만드는 소음은 교통량에 의해 만들어지는 소음에 희석된다), 다른 한편으로 터널 내 소음도를 적정 수준으로 유지하게 위해 소음기를 설치하기 때문에 일반적으로 크지 않다. 그러나 특별히 민감한 형태일 경우 특수한 설계나 운영적 방법이 필요하다.
기차는 자동차에 비해 훨씬 큰 진동을 만들어내기 때문에 철도터널과는 다르게 도로터널에서 교통량이 만들어내는 진동은 운영단계에서는 크게 중요하지 않다. 만약 이런일이 발생할 경우 중차량의 운행을 금지시킴으로서 비교적 쉽게 문제를 해결할 수 있다. 또하나의 진동의 원인은 팬이다. 팬은 과도한 진동을 막기위해 세심히 조정되어야 한다. 그러나, 팬의 진동은 기계 자체에 주로 영향을 미치고 긴 시간을 두고 조정될 수 있기 때문에 일반적으로 환경문제로 인식되지 않는다. 팬의 진동은 터널 천정에 달린 제트팬이 과도한 진동에 의해 일부분 또는 전체가 떨어질 수 있기 때문에 안전상의 문제로 연결된다. 진동 감시는 제트팬의 신뢰성과 안전성 문제에 있어 중요하다.
진동은 건설단계에서 폭약을 사용할 경우 훨씬 더 문제시 된다. 터널의 건설과 환경적 방안은 PIARC 도로터널 운영 위원회의 주된 관심사가 아니므로, ITA의 출판물을 참조하기를 권고한다.
도로 기반시설이 수질에 미치는 영향은 정상 운영상태(탄화수소 물질의 누출과 타이어의 분진등)와 사고상황(오염물질의 대량 유출) 두 가지 모두 매우 중요하다.
터널의 유무에 따라 문제는 많이 바뀌지 않는다. 어떠한 도로에서든 주위 환경으로 물을 배출하기전에 오염물질의 분리와 제거등의 수처리시설이 필요하다. 그러나 극히 일부의 터널 설계에서만 수처리시설에 대하여 명확히 제시하고 있다. 첫째, 기본적으로 통행량이 많은 도심지 터널에서는 매달 한번씩 터널 청소가 되어야 한다. 이런 터널에서는 청소용품이 포함된 많은 양의 물이 생성된다. 둘째, 위험물질의 통행이 허용되는 터널에서는 노면을 통해 인화성 액체가 퍼지는 것을 제한하기 위한 특수한 배수로가 설치된다. 사고에 의한 유출이 발생했을 때 배수로에 들어오는 액체성 오염물질의 양은 일반적인 노면에서 발생되는 양보다 많으며, 수처리시설은 이 용량을 감당할 수 있도록 설치되어야 한다.
건설중에 발생되는 물과 관련된 문제들, 예를들어 건설현장 폐수의 혼탁도등 민감한 환경적 문제들은 상당히 어려운 문제이고, 적절한 방법으로 조치되어야 한다. 이따금 이런일들은 건설단계에 상당한 제약조건이 되기도 하고, 비용이 많이 들기도 한다. 터널의 건설과 관련된 문제들은 PIARC 위원회의 터널 운영에 대한 관점에서 주된 관심사가 아니므로, 더 자세한 내용은 ITA 권고를 참조하기를 권고한다.
그림 5.3.1 : 불연속 구조체의 접속으로 이루어진 터널의 누수
수질 문제는 기반시설로서의 터널의 생애주기를 고려하여 분석되어야 한다.
터널의 물과 관련된 대부분의 문제들은 건설 단계에서 발생되지만, 어떤 문제들은 장기간에 걸쳐 영향을 미치고 터널의 운영과 유지관리에 장애를 일으키기도 한다. 반대를 최소화하고, 싸고, 신뢰성 있는 결과를 얻기 위해 터널의 계획 및 설계단계에서 주의하여야 한다. 건설 이전과 건설 단계에서 지면과 지면 밑의 수리학에 대한 자세한 연구가 수행되어야 한다. . 구조 요소는 위험을 최소화 할 수 있는 방법과 물 흐름의 중단과 변화를 최소화시키는 방향으로 선택되어야 한다.
이론적으로, 터널은 비침투성(라이닝을 통해 수압을 지탱하며, 물의 침투가 없는)이 될 수도 있고, 침투성이나 반침투성(라이닝을 통해 수압을 지탱하며 일부 물의 침투가 가능한) 이 될 수도 있다. 일반적으로 터널의 건설중에는 침투성이고, 운영단계에서는 반침투성이 된다. 그림 5.3.1은 반침투성으로 설계되고 마디마디로 시공된 터널내 물의 누수를 보여준다.
그림 5.3.2 : 투과성 현무암층을 통과한 낙수
라이닝이 시공되지 않은 터널(혹은 침투성 라이닝을 가진)에서는 물의 침투가 중요하다. 그림 5.3.2는 캐나다에 있는 현무암 침투층을 통한 물의 흐름을 보여준다.
지하수의 고갈은 기반시설의 건설에서 더욱더 중요한 문제를 야기시킨다. 이런 효과는 터널의 운영단계에 한정되지 않고, 원래의 지하수 레벨은 어김없이 내려가며, 물의 공급망에 돌이킬 수 없는 영향을 미친다.
그림 5.3.3 : 배수시스템과 콘크리트 라이닝에 함유된 소석회(왼쪽) .................... 그림 5.3.4 : 시공 이음부에서 발생하는 유사한 문제(오른쪽)
터널내로 유입되는 물은 콘크리트 라이닝 내에 함유되어 있는 자유 석회 수산화물에 의해 산도는 높아지고 배수시스템의 고체화된 퇴적이 발생된다. 이런 문제는 오래된 터널의 낡은 배수시스템에서 자주 발생된다. 그림 5.3.3은 콘크리트 라이닝 터널에서 예측되는 배수 시스템의 유동과 석회 칼슘 수산화물이다. 그림 5.3.4는 접합부에서 보이는 비슷한 현상이다.
현재 세계적인 추세는 도로 관리당국과 도로 운영자들의 요구에 의해 에너지 효율을 높이고 공용 도로의 건설과 운영이 지속가능하도록 적용하는데 있다.
PIARC는 터널 운영 효율을 높이고 운영비용을 절감하며 환경적인 영향을 최소화시키는 목적의 다양한 보고서를 발간해 왔다.
세계적으로 오염 증가와 천연자원 부족현상에 따라 지난 십년간 사회 여러 분야에서 지속가능한 발전이 매우 흥미롭고 중요한 주제가 되어왔다. 사회기반시설에 대한 분야도 예외가 아니다.
그러나, 도로터널의 지속가능성에 대한 정확한 설명에 대한 가이드라인과 적용가능한 모범사례는 많이 않다.
게다가 오랫동안 세계도로협회에서는 다양한 국가의 최신 경향을 반영한 도로터널의 제언을 발표하지 않고 있다. 도로터널이 전체 도로 네트워크망의 일부라는 관점에서 이해는 가능한 부분이지만, 반대로 도로터널이 통상 100년 이상 사용가능한 시설이고 매우 복잡하여 비싼 시설임을 감안하면 기속 가능한 발전이라는 개념은 매우 중요해 진다.
기술보고서 2017R02EN “도로터널 : 지속가능한 접근을 위한 출발점” 은 이런 부족분을 보충하기 위한 첫번째 의미있는 행동이라고 할 수 있다.