본 매뉴얼 1장 "전략적 주제들"에 광범위하게 언급했듯이, 터널을 구상하는 초기 단계에 기하학적 특성을 결정해야 한다.
이러한 특성은 매우 다양하고 아래와 같이 분류할 수 있다.
이 장은 기술보고서 05.11.B " 일방향 도로터널의 단면 기하구조" 과 05.12.B "양방향 도로터널의 단면 설계".에 근거를 두고 있다.
6.1절 공법과 단면사이의 관계는 공법과 단면사이의 관계를 나태나고 있다.
6.2절 이론과 실제적인 터널 교통용량은 교통용량에 관한 이론적인 개념의 개요를 제공하고 있다.
6.3절 일반적인 노선의 선형 및 국가별 사례는 일부 국가에서 사용하는 구조를 포함하여 일반적인 도로의 선형에 관한 주요 규칙을 다루며, 터널 자체에서 노선 외에 기하구조 특성을 유지해야 할 필요성을 주장한다. (제한이 필요한 최대경사의 예외조항)
6.4절 도로의 기하구조는 일방향 및 양방향 도로터널의 횡방향 프로파일에 관한 것이다.
6.5절 수직 여유높이는 터널 여유높이에 관한 것이다.
6.6절 비상차로, 길어깨의 기하구조와 특수 요소는 터널을 따라 형성되는 다양한 안전과 관련된 특성들, 비상차로와 길어깨의 특성에 관한 것이다.
이 장은 ITA대표이며 C4위원회 협력회원인 Willy De Lathauwer (벨기에)가 집필하였다.
Fathi Tarada (영국)은 이 장을 감수하였다.
이번 장의 영어 번역 및 매뉴얼 웹페이지 게시는 류승완(한국도로공사 과장), 검토는 김남구(한국도로공사 부장)에 의해 수행되었다.
도로터널의 단면형상은 전형적으로 직사각형이나 원형이고 시공법에 따라 달라진다. 표 6.1-1은 일반적인 단면과 그 공법을 나타낸다.
적용된 형상의 치수는 교통량을 고려한 단면의 규모와 관련이 깊으며 다음의 이유로 달라진다.
상기 사항에 대한 대응은 나라별로 매우 다르다. 각 국가에서 각각의 상황에 대한 대응은 서로 다를 수 있으며, 시간이 지남에 따라 진화한다.
| 연번 | 단면 | 공법 | 설명 |
|---|---|---|---|
| 1 | 원형 | 터널보링기계(TBM) | 최근 일본에서 사각단면으로 확장되어 사용됨 |
| 2 | 사각형 | 침매터널 | 미국에서는 원형단면이 일반적으로 사용됨 |
| 3 | 사각형 | 개착터널 | 프리캐스트 공법은 차도 상단의 원형단면을 가능하게 할는 경우도 있음 |
| 4 | 마제형 | 발파 | 경암에 적용 |
| 5 | 원형왕관 및 타원형 인버트 | 굴착 | 경암에서는 마제형이 일반적임 |
도로의 이론적 용량은 시간당 자동차 통과대수로 정의한다. 15분동안 통과한 차량대수를 측정하고 이를 첨두시간으로 곱하여 결정한다. 이것은 절대적인 최고치라기 보다는 반복성에 근거한 합리적인 추정치라 할 수 있다. 교통용량은 오직 차로폭과 차로수, 길어깨, 단면의 경사도에 달려 있다. 주요한 교통이 경차 및 일반차량일 경우 교통 밀도가 최고가 되는 것이 명백하기 때문에 대형차 혼입율에 크게 의존하지 않는다. 별도의 제한이 없다면 이론 교통용량은 거의 2,200대/(시*차로) 에 달한다. 자세한 자료는 보고서 05.12.B의 4장 "도로 및 도로터널의 기하구조와 과한 용량 및 속도" 와 보고서 05.12.B의 3장 "교통속도와 교통밀도"에서 구할 수 있다.
실제 용량은 앞에서 언급한 제한사항(2,200대/(시간*차로))없이 이론교통용량에 근거하여 계산한다. 제한요소는 도로의 실제특성에 근거하여 적용되며 주요한 제한 요소로는
일방향 도로의 실제 용량 Cp 는 아래 공식에 의해 계산된다.
Cp= 2200 . N . Fw . Fhv . Fc 여기서 N은 차로수이다.
각종 계수들은 보고서 05.11.B의 4장 "도로와 도로터널의 기하구조와 관련된 용량 및 속도"와 보고서 05.12.B의 3장 "교통속도 및 밀도”에서 주어진 공식과 테이블에 따라 상세히 계산되고 채택될 수 있다.
더 많은 정보는 운송 연구 그룹(미국)에서 출판한 HCM(고속도로 용량 매뉴얼)에서 찾을 수 있다.
작은 곡선은 피해야 하며, 특히 직선 선형에 연결되는 경우는 더욱 그러하다. 최소한의 곡률은 550~600m 정도가 되야 한다. 측방여유폭은 곡선부에서의 종방향 시계를 고려해야 한다.
도심지 터널에서는 설계속도를 정상 교통흐름에서의 실제속도와 가깝게 고려해야 한다.
속도에 대한 영향으로 종방향 하향경사는 더 많은 교통사고를 야기할 수 있다. 특히 교통량의 많은경우(하행교통의 속도증가) 더욱 그러하다.
축소단면은 교통사고를 야기한다. 일반 도로와 달리 터널에서 차량의 속도는 매우 빠르고, 이로인해 교통량이 많은 경우 사고를 유발한다.
터널 내부와 접근로의 길어깨 폭이 일반도로보다 작을경우 터널 입출구 전방에서 차로폭이 가능한 부드럽게 변경되도록 주의를 기울여야 한다. 보고서 2008R17의 4.7장 "터널 입출구 설계"를 참고
사각단면 터널이나 천정에 환기구가 있는 터널에서 통과높이 위반차량에 의한 사고가 종종 발생한다.
터널 각 방향 입구 전방에 회차로 및 통과높이 위반차량의 정지시스템 설치를 권고한다.
추가 정보는 보고서05.04.B의 IV.2.6절 "통과높이”를 참고하기 바란다.
양방향터널은 일방향터널에 비해 더 많은 사고가 발생한다. 운전자가 일반적인 경사의 터널에서 추월금지를 익히 알고 있음에도 불구하고 말이다. 급경사의 경우 저속차량을 위한 차로를 추가하는 것은 적절하다.
일최대교통량을 소화하기 위해서 교통방향을 변경하는 것을 강력히 추천한다.
양방향터널 자동차 전용터널로서 경제적일 수 있는데, 경제성 고려시 우선 양방향터널의 교통 운영을 고려하고 향후 일방향터널로 변경을 고려한다. 양방향 교통수요를 염두에 둔 터널폭을 설계하되 그와 유사하게 최대교통량(휴가철)을 소화하기 위하여 충분히 넓은 폭을 고려해야 한다는 단서조항이 필요하다. 이러한 사항이 안전의 관점에서 만족스럽다 할지라도 가능한 지양하여야 하고 도심지 터널의 경우 금지해야 한다.
지하 진출입로(진출입 차로)는 사고의 위험이 있으므로 적절히 설계되어야 한다. 조명설비는 운전자가 직면하게 되는 기하학적 변화와 이러한 특이점에 역점을 두고 설계되어야 한다.
진출입 IC는 터널 입출구로부터 멀리 떨어져 설치되어야 한다. 터널 출구부 인근에 진출입로가 설치된 경우 인명사고를 포함한 많은 사고가 발생한다. 공간적 제약으로 인해 터널 출구부 인근에 진출입로가 설치되는 경우 터널내부에 진출입로를 위한 추가차로의 설치를 고려하는것이 적절하다.
용어의 정의는 다음과 같다.
그림 6.4-1 : 도로단면의 예
상세정보는 보고서05.11.B 2장 “용어사전”을 참고하라.
용이한 유지관리를 위해 도로는 기능에 의한 계층으로 분류된다. 최상위 분류 도로망은 유럽의 도로망(TERN), 미국의 주간 고속도로와 같은 주와 주사이의 연결망이다. 국제도로망은 도시 지역과 국제경제 중심지를 연결하는 노선으로 구성된다. 간선망은 지역 도시사이를 연결한다. 다른 기능의 도로망이나 노선에 대한 필요기능은 속도, 혼잡수준, 교차지점 사이의 거리 등에 의해 표현된다.
대부분의 국가는 도로 기하구조가 가져야하는 지침과 가이드라인을 가지고 있다. 국제 가이드라인에 대한 비교는 보고서05.11.B. 5장 “차선과 도로”에서 볼 수 있다.
| 국가 및 지침명 | 설계속도 또는 기준속도 (km/h) | 차로폭 (m) | 차선폭 (m) | 도로폭 (m) |
|---|---|---|---|---|
| 오스트리아 RVS 9.232 | 80 - 100 | 3.50 | 0.15 | 7.00 |
| 덴마크 (Practise) | 90 - 120 | 3.60 | 0.10 | 7.20 |
| 프랑스 (CETu) | 80 - 100 | 3.50 | ? | 7.00 |
| 독일 | 100 (26 T, 26 Tr) | 3.50 | 0.15 | 7.00 |
| 독일 RAS-Q 1996 | 70 (26 t) | 3.50 | 0.15 | 7.00 |
| 독일 RABT 94 | 110 (29.5 T) | 3.75 | 0.15 | 7.50 |
| 일본 | 80 - 120 | 3.50 | 7.00 | |
| 일본 Road Structure Ordinance | 60 | 3.25 | 6.50 |
설계속도 100km/h인 터널에서 한 차로의 폭은 3.5m 이상이 이상적이다. 터널에서 속도제한(80km/h 또는 60km/h) 도입이 필요한 경우(부득이한 급커브, 기존 시가지에서 소음감소, 비용절감), 차로폭 제한조치(예 3.25m)가 운전자가 속도를 줄이게 되는 속도제한을 심리학적으로 뒷받침한다. 이것은 일반적으로 빈번한 통제와 높은 벌금이라는 수단으로 시행된다. 경차만 허용되는 도시터널에서는 더 좁은 차로가 인정된다. 곡선차로에서는, 구조물의 너비에서 포장의 휨 현상에 끼치는 영향에 대한 주의를 요한다.
추가자료는 보고서05.11.B 5장 "차선과 도로"및 보고서05.12.B 7.1~7.5절 "단면 기하구조"에서 참고할 수 있다.
차량과 터널 천정사이의 공간(이하 헤드룸)은 허용가능한 대형트럭(HGV)의 최고 높이보다 커야하고, 포장면의 시공오차에 따른 차량의 이동을 허용하기 위한 추가적인 여유공간이 필요하다. 이 여유공간은 차로폭과 차량의 실제폭의 차이와 비슷하게 구성된다.
최소 헤드룸은 대형차량의 최고 높이에 의존하며 국가별로 다르다. 유럽 국가에서는 대형트럭의 최고높이가 4.0m 이다. 어떤 나라는 미국 및 영국보다 더 높다. 보고서 05.11.B 7장 "유지관리를 위한 여유공간" 참고
유럽연합에서의 대형트럭 최고높이는 제네바회의에서 4.3m를 허용함에도 불구하고, 4m를 적용하였다. 대형트럭의 수직적 운동을 흡수하기위해 이들 최고높이에 0.2m 여유가 추가된가면, 최소 수직여유높이는 4.2m(4.5m)가 된다.
이런 최소 여유높이 외에, 대형트럭 운전자의 편의를 위해 추가의 헤드룸이 필요하다. 이런 편의를 위한 여유공간은 목적 거리와 관련이 있다. 최소 높이와 편의여유를 더하여 관리용 헤드룸을 산정한다. 편의여유를 0.3m 주었다면, 관리용 헤드룸은 4.5m(제네바 협회 4.8m, 영국 5.35m, 미국 고속도로 4.9m, 미국 고속도로외 4.3m)가 된다.
방수포의 늘어짐으로 인한 차로상부 설치장비의 손상을 방지하기 위해 종종 추가적인 허용량을 적용하기도 한다.
마지막으로 시공오차, 지붕의 휘어짐, 차후 재포장 높이를 위한 추가 허용량이 적용되어야만 한다. 보고서05.11.B 7장 "관리 헤드룸" 과 보고서05.12.B 7.8장 "수직여유높이" 를 참고하라.
낮은 높이의 도시터널 기하구조 설계와 같이 특별한 케이스는 따로 다룰 것이다. 왜냐하면, 이런 터널은 주로 승용차나 일부 제한된 종류의 벤을 위한 것이기 때문이다.
프랑스에서 모든 연구가 이루어졌으며 승용차의 주둔에 따른 다음의 특성을 나타낸다. "낮은 높이의 도시터널 기하구조 설계” (Routes/Roads 288 - 1995) 을 참고하라.
전달과 비교를 명확하고 용이하게 하기 위하여 차로와 길어깨에 대하여 최소 조건을 정의하는 것이 필요하다. 기술보고서 05.11.B 작성한 소그룹은 다음 용어를 적용하기로 결정했다.
길어깨의 치수와 필요조건에 대해서는 국가별로 매우 상이한 반면, 차로의 치수와 사용에 대해서는 일반적인 합의가 있는 것으로 보이며 이 차이점은 타당하다. 비상차로는 “비상시 차량을 정차하기 위한 공간”으로 정의된다.
개방된 자동차전용도로에는 대개 비상차로가 있다. 터널의 경우 비상차로는 경제적인 이유로 제한되기도 하는데, 이런 제한이 고장차량이 주행차로를 점유하지 않고 주행차로에 인접한 비상차로에 정차하는 것을 불가능하게 하고, 그럼으로써 교통흐름을 방해할 수 있다.
길어깨의 기하구조는 국가별로 상이하다. 즉, 일반적인 원칙이나 모양이 없다. 많은 나라에서, 비용의 이유로 비상차로의 폭을 너무 좁게 만들어 차량을 적절히 정차할 수 없는 경우가 있어 특정거리마다 비상주차대를 제공한다. 그러나 노르웨이나 스페인에서는 고장차량의 40%만이 비상주차대에 도착하거나 이용한다는 통계가 있고, 이것은 비상주차대가 비상차로의 완벽한 대안이 되지 못한다는 것을 보여준다. 기술보고서 05.4.B III장 "차량, 기계의 고장" 의 8절에서 10절을 참고하라.
비상주차대나 다른 측면 장애물들이 터널 이용객에게 미치는 위험에 대한 연구는 기술보고서 2016R16EN “비상주차대와 측면 장애물에 대한 보호 : 유럽의 현재 사례”에 기술되었다. 이 보고서에는 비상주차대의 숫자와 구조에 대한 정보수집 및 비상주차대와 다른 측면 장애물과 관련된 사고의 피트백, 관련된 다른 연구와 정보를 수집하기 위하여 몇몇 유럽국가에서 수행된 조사결과가 수록되어 있다. 기본적으로 측면 장애물과 관련된 이용객의 안전 향상을 위하여 수행되었고, 수행된 연구의 일반적인 결론이 수록되어 있다.
비상차로는 고장으로 발이 묶인 차량을 차로 바깥에 정차가 가능하도록 해야 한다. 따라서 차선표시 가장자리로부터 측정한 너비가 적어도 승용차의 폭(1.75m)에 운전자가 하차하기 위한 너비 0.5m를 더하여 2.45m 는 되어야 한다.
대형트럭의 경우 차로 바깥쪽에 정차하기 위해(2.50 + 0.50 + 0.20 =) 3.20 m 의 폭이 필요하며, 이는 보고서05.11.B 6장 "길어깨" 편에 설명되어 있다.
그림 6.6-1 : 길어깨에서 방호벽의 전형적인 배치
방호벽은 보통 “터널 측벽에 충돌하는 차량을 교통방향으로 안전하게 이끌기 위한 구조체”를 말한다. 이것은 차량이 터널벽면에 충돌하는 것을 방지하기 위해 폴 위에 지지하는 유연하거나 부서지기 쉬운 가드레일과는 다르다.
터널의 경우 목적 거리가 차선마킹 안쪽 모서리에서 보도 경계석, 방호벽 또는 가드레일의 전면, 터널벽면까지의 거리에 의해 결정되는지 여부를 확인해야 한다. 낮은 보행통로가 낮게 설치되었을 경우 터널벽까지의 거리는 충분하다는 것은 일반적인 견해이나, 보행통로가 없을때는 기초나 방호벽 상단까지의 거리를 고려하여야 한다.
특히, 터널에서는 운전자가 선호하는 벽면(또는 보행통로, 가드레일, 방호벽)과의 특정 거리가 있는데, 이는 어떤 대상에 시야가 고정되었을때 시야각의 이동이 더 작기 때문이다. 경험적으로 터널에서 목적 거리가 인접한 운전자의 거리보다 가까운 경우 터널 벽면과의 거리를 유지하기 위해 경로를 변경한다는 사례를 볼 수 있다. 보고서05.11.B 6장 "길어깨"를 참고하기 바람.
만약 차선을 벗어난 차량이 제시간에 방향을 바꾸지 못할 경우 터널벽면과의 충돌로 인한 피해를 최소화할 필요가 있으며, 이는 방호벽이나 가드레일을 통해 가능하다. 방호벽은 가드레일보다 적은 설치공간을 필요로 하며, 차량이 방호벽과 작은 각도(예각)로 충돌할때, 차량은 교통방향의 후방으로 인도되어 중대사고를 피할 수 있다. 차량이 방호벽과 큰 각도(둔각)로 충돌시, 충돌의 결과는 더욱 심각할 것이다. 방향을 벗어난 차량의 방향을 정확히 하거나 재조정하는 면에서 가드레일은 방호벽만큼 효과적이 않지만, 둔각으로 충돌하는 경우에는 피해를 경감시킬 수 있다. 이런 이유로 좁은 비상차로의 경우에는 방호벽을, 넓은 비상차로의 경우는 가드레일이 선호된다.
가드레일은 휘어지는 공간이 필요하며, 이것은 터널 안에서 추가의 너비가 필요하다는 것을 의미한다. 이는 경제적인 관점에서 실현 불가능하다. 특히 제한된 속도에서, 방호벽은 그 기능을 잘 수행한다. 게다가 방호벽은 유지관리 또한 적게 필요로 한다.