KR100438688B1 - 자유공간을 이용한 터널 굴착방법 - Google Patents

Abstract

터널의 계획굴착면에 일정한 자유공간을 형성하여 굴착시 균열이 터널 외부로 확대되는 것을 방지하는 자유공간을 이용한 터널 굴착방법은 (a) 굴착할 부위의 계획굴착면에 소정 깊이의 구멍을 천공하는 단계, (b) 천공된 구멍에 보강용 빔을 삽입하는 단계, (c) 계획굴착면 상에서 보강용 빔이 삽입된 구멍에 인접한 위치에 추가적인 구멍을 천공하는 단계, (d) 추가적인 구멍에 보강용 빔을 삽입하는 단계, (e) (c) 및 (d) 단계를 반복하여 계획굴착면을 연결하는 자유공간을 형성하는 단계, (f) 구멍에 삽입된 보강용 빔을 제거하는 단계, 및 (g) 계획굴착면 내의 중심부를 굴착하는 단계를 포함한다.

Description

자유공간을 이용한 터널 굴착방법{METHOD OF EXCAVATING TUNNEL USING FREE SPACE}

본 발명은 터널 굴착방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터널의 계획굴착면에 일정한 자유공간을 형성하여 굴착시 균열이 터널 외부로 전달되는 것을 차단하는 자유공간을 이용한 터널 굴착방법에 관한 것이다.

일반적으로, 암반 등에 터널을 굴착하기 위해서는 폭약을 발파하는 방식을 많이 이용하는데, 이러한 발파 방식에는 심발발파와 제어발파가 있다.

심발발파는 지하공동굴착이나 암반사면 굴착에서 자유면을 증가시킬 목적으로 최초에 실시하는 발파방법으로서, 국내에서는 브이커트(V-cut)와 번커트(Burn Cut) 공법이 많이 사용된다.

번커트 공법은 터널의 중심부에 무장약공을 천공하고 그 주위에 심발 장약공을 천공한 후, 심발 장약공에 장전된 폭약의 폭발력이 중심의 무장약공을 향하도록 하여 굴착면을 형성한다.

브이커트 공법은 현재 국내에서 가장 널리 사용되는 방법으로서, 일자유면에 대하여 심발 장약공을 통상적으로 60~70도의 각도를 갖도록 천공한 후 폭약을 장약하여 폭발시키는 방법을 사용한다.

그러나, 이러한 번커트 및 브이커트 공법은 심발 장약공의 폭발력을 터널의 중심으로 향하게 하는 데에는 효과적이지만, 터널의 주변부에 대해서는 정밀한 폭발력을 제공하지 못한다. 그런데, 만약 터널 주변부에 가해지는 폭발력이 필요치보다 적을 경우, 충분한 터널 공간을 확보하지 못하게 되어 재차 발파작업을 수행하거나, 굴착이 덜 된 부분을 별도의 공구를 이용하여 깍아내야하는 번거로운 작업을 수행해야 한다. 이러한 번거로움을 방지하기 위해서, 종래의 심발발파 공법은 일반적으로 터널 주변에 필요치보다 약간 과도한 폭발력을 가하며, 소정의 굴착단면 확보를 위해서 외곽 장약공을 굴착예정선보다 약간 외곽으로 천공하여 터널의 발파단면이 굴착예정선보다 더 깊게 형성된다. 그러나, 이와 같이 폭약을 발파하여 터널을 굴착할 경우, 폭약의 발파력 중 일부는 필연적으로 터널 외부를 향하게 되며, 이로 인해 터널 주변으로 진동이 전달되고 균열이 발생하게 된다.

이를 방지하기 위한 한 방법으로서 제어발파가 있다. 제어발파는 지하공동굴착이나 암반사면굴착에 원활한 벽면을 형성하기 위하여 외곽 장약공 주변에 미치는 파괴력을 제어함으로써 특정 방향에만 파괴효과를 주는 방법이다.

제어발파로서 널리 사용되는 공법은 스무스 블러스팅(Smooth Blasting)인데, 스무스 블러스팅은 계획굴착면을 따라 소정 개수의 외곽 장약공을 천공하고 폭약을 낮은 밀도로 장약한 후 폭발시켜 원활한 굴착면을 형성하는 방법이다. 이때, 여굴 생성을 최소화하기 위하여 수평놋치를 사용하기도 하는데, 수평놋치는 장약의 폭발력을 가로방향이 상대적으로 긴 타원형으로 미치게 함으로써, 생성되는 여굴의 폭을 줄이게 된다.

그러나, 제어발파로도 터널 외부로의 진동 전달을 차단할 수 없으며, 결국 터널 주변에 발생하는 균열을 완전히 없애지 못한다.

따라서, 종래 기술에서는 필연적으로 주변부에 일정 두께의 여굴을 형성하여, 이 여굴 부분을 콘크리트, 숏크리트 등으로 다시 포장함으로서 터널 주변부를 보강하는 공정이 필요하게 된다.

이러한 종래의 심발발파 및 제어발파를 위한 장약공 구조의 한 예가 도 1에 도시되어 있다.

도면을 참조하면, 종래의 터널 굴착방법에 의한 장약공 형성구조는, 완성된 터널의 외주면에 해당하는 계획굴착면(10) 내에 소정 간격의 장약공을 다수개 설치한다. 이때, 장약공은 계획굴착면(10)과 떨어진 위치, 즉 터널의 내부에 형성되는 내부 장약공(12)과, 계획굴착면(10)에 인접하거나 동일한 위치에 형성되는 외곽 장약공(14)으로 구성된다.

내부 장약공(12)은 일반적으로 터널의 중심으로 갈수록 내측으로 경사진 각도로 천공되며, 터널의 중심부에는 상대적으로 큰 직경을 갖는 무장약공(13)이 형성되어, 내부 장약공(12)에 장전된 폭약을 발파할 때 폭발력이 터널의 중심을 향하도록 구성되어 있다. 무장약공(13)은 폭약이 장전되지 않는 구멍으로서, 굴착방식에 따라서 형성될 수도 있고 형성되지 않을 수도 있다. 이 무장약공(13)은 주변의 장약공에서 폭약이 폭발할 때 주변의 암반이 중심으로 함몰되도록 유도하는 역할을 한다.

이와 같은 구조에서 내부 장약공(12) 및 외곽 장약공(14)에 폭약을 장전한 후 발파하게 되면, 터널의 내부와 함께 외곽 장약공(14)의 주변으로도 일정 크기의 여굴(18)이 형성되며, 여굴(18) 주위로는 폭약의 발파력에 의한 균열이 형성된다.

터널 굴착 후, 여굴(18)은 콘크리트 및 숏크리트로 포장되어, 균열에 의해불안정한 터널을 보강하는 역할을 하게 된다.

따라서, 종래 기술에 의한 터널 굴착방법은 불필요하게 여굴을 생성하기 때문에 사용되는 폭약의 양이 많고 작업 시간 및 인력을 낭비하게 되어, 공사기간 및 비용에서 많은 손실이 발생하게 되며, 터널의 안정성에도 많은 문제를 유발할 수 있다는 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 터널의 계획굴착면을 따라서 미리 소정 깊이의 자유공간을 형성한 후 터널 중심부를 굴착함으로써 터널 주변으로 진동 및 균열이 전달되는 것을 차단할 수 있는 자유공간을 이용한 터널 굴착방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 후술하는 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래 기술에 따른 터널 굴착방법을 설명하기 위한 도면.

도 2는 본 발명에 따른 터널 굴착방법을 설명하기 위한 도면.

도 3 내지 도 6은 도 2의 터널 굴착방법에서 수행되는 과정을 순차적으로 도시하는 도면.

도 7 및 도 8은 본 발명의 터널 굴착방법에 사용된는 보강용 빔의 각 예를 도시하는 사시도.

도 9 내지 도 12는 본 발명에 따른 터널 굴착방법에서 형성된 자유공간의 다른 예를 도시하는 도면.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

20..자유공간 21..계획굴착면 22..구멍

24..보강용 빔 25..보조판 26,28..추가적인 구멍

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 자유공간을 이용한 터널 굴착방법은 (a) 굴착할 부위의 계획굴착면에 소정 깊이의 구멍을 천공하는 단계, (b) 천공된 구멍에 보강용 빔을 삽입하는 단계, (c) 계획굴착면 상에서 보강용 빔이 삽입된 구멍에 인접한 위치에 추가적인 구멍을 천공하는 단계, (d) 추가적인 구멍에 보강용 빔을 삽입하는 단계, (e) (c) 및 (d) 단계를 반복하여 계획굴착면을 연결하는 자유공간을 형성하는 단계, (f) 구멍에 삽입된 보강용 빔을 제거하는 단계, 및 (g) 계획굴착면 내의 중심부를 굴착하는 단계를 포함한다.

바람직하게, (a) 단계는 계획굴착면을 따라 소정 거리만큼 이격된 다수의 구멍을 천공한다.

또한, 구멍에 삽입되는 보강용 빔은 H형 빔인 것이 바람직하며, 특히 H형 빔은 탄성력이 있는 재질로 이루어지고, 추가적인 구멍을 향한 H형 빔의 측면에는 강성 재질의 보조판이 부착되는 것이 바람직하다.

다른 대안으로는, 구멍에 삽입되는 보강용 빔은 관 형태로 제작될 수도 있다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명에 따른 터널 굴착방법을 설명하기 위한 개요도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 터널 굴착방법은 터널 굴착시 진동 및 균열이 터널의 계획굴착면 외부로 전달되기 위한 것을 차단하기 위해서, 계획굴착면을 따라서 소정 두께와 소정 깊이를 가지는 자유공간(20)을 형성한다. 자유공간(20)은 굴착하고자 하는 터널 깊이와 동일하거나 유사한 정도의 깊이를 가지며, 드릴 또는 착암기로 구멍을 천공하여 형성된다.

이와 같이, 터널의 계획굴착면에 자유공간(20)을 형성하는 과정을 첨부된 도 3 내지 도 6을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 굴착하고자 하는 터널의 계획굴착면(21)을 설정한 후, 도 3과 같이, 계획굴착면(21) 상에 드릴 또는 착암기 등의 장비를 이용하여 구멍(22)을 원하는 방향으로 천공한다. 이때, 구멍(22)의 천공방향은 계획굴착면(21)과 수직인 것이 바람직하나, 반드시 이에 국한되는 것은 아니며, 현장의 작업조건 및 천공장비의 제원 등에 따라서 적절한 방향을 결정할 수 있다. 또한, 이때에 천공하는 구멍(22)은 하나일 수도 있고, 또는 계획굴착면(21) 상에 소정 거리만큼 이격되도록 다수개의 구멍을 천공하는 것도 가능하다.

다음으로, 도 4에 도시된 것처럼, 이미 천공된 구멍(22)에 인접한 위치에 추가적인 구멍(26)을 천공한다. 도면에서, 이전에 천공된 구멍(22)은 실선으로 도시되었으며, 추가적으로 천공하는 구멍(26)은 점선으로 도시되었다. 이때, 이전에 천공된 구멍(22)에 인접하게 추가적인 구멍(26)을 천공하면, 드릴 또는 착암기 등의 천공장비가 이전에 천공된 구멍(22)으로 편향되는 경향이 있다. 따라서, 본 발명에서는 이전에 천공된 구멍(22)에 보강용 빔(24)을 삽입하여, 천공장비가 편향되는 것을 방지한다.

보강용 빔(24)은 천공된 구멍(22)의 직경을 고려하여 적절한 폭을 가지는 것이 바람직하며, 또한 구멍(22)의 깊이를 고려하여 적절한 길이를 가지는 것이 바람직하다. 또한, 보강용 빔(24)은 일반적인 철제, 합성수지 등으로 코팅된 철제, 또는 합성수지 등으로 제작할 수 있다. 보강용 빔(24)은 이전에 천공된 구멍(22)에 삽입되어, 더욱이 추가적인 구멍(26)을 천공하는 드릴 또는 착암기가 편향되지 않으면서 추가적인 구멍(26)을 인접한 위치에 균일한 방향으로 천공할 수 있도록 도와준다.

또한, 보강용 빔(24)은 H형 빔으로 구성할 수 있으며, 이는 도 7에 잘 도시되어 있다. 보강용 빔(24)을 H형 빔으로 제작할 경우, 빔(24)의 측면이 추가적인 구멍(26)을 천공하는 드릴 또는 착암기의 천공방향을 안내하는데 효과적이다. 다만, 천공 과정에서 보강용 빔(24)이 손상되거나 함몰되는 것을 방지하기 위해서, 추가적인 구멍(26)을 향한 측면에는 강성 재질의 보조판(25)을 부착하는 것이 바람직하다.

그러나, 보강용 빔(24)의 형태는 반드시 H형 빔으로만 한정되는 것은 아니며, 이 외에도 다양한 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 8과 같이 관 형태의 보강용 빔(24')을 사용하는 것도 가능하다. 관 형태의 보강용 빔(24')은 모든 방향에 대해서 구조적으로 안정하며, 구멍(22)의 형상과도 잘 대응되어 드릴 또는 착암기에 대한 반발력을 효과적으로 제공할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 이 경우에도, 도시되지는 않았지만, 관형 보강용 빔(24')을 탄성 재질로 구성하고, 빔(24')의 일측에 강성 재질의 보조판을 부착할 수도 있다.

이 외에도 보강용 빔은 사각형관, 삼각형관 등 다양한 형태로 변형될 수 있음은 물론이다.

이와 같은 보강용 빔(24)을 이전에 천공된 구멍(22)에 삽입한 상태에서 인접한 위치에 추가적인 구멍(26)을 천공하게 되면, 도 5에 도시된 것처럼, 이 구멍(26)에 보강용 빔(24)을 삽입한 후 다시 인접한 곳에 또 다른 추가적인 구멍(28)을 천공하는 과정을 수행한다. 이 과정은 터널의 계획굴착면(21) 전체에구멍이 천공될 때까지 반복적으로 수행되며, 그 결과 도 6에 도시된 것처럼 다수의 구멍이 계획굴착면 상에서 모두 연결되는 것이다. 이와 같이 서로 연결된 구멍은 도 2에 도시된 것과 같은 자유공간(20)이 된다.

이때, 다수의 구멍으로 연결된 자유공간(20)은 계획굴착면(21) 상에서 완전히 연결될 수 있으며, 이를 위해서 계획굴착면에 천공되는 구멍은 서로 약간씩 겹치도록 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 구멍을 천공함으로서 울퉁불퉁하게 요철이 형성된 자유공간(20)을 별도의 장비를 이용하여 매끄럽게 다듬는 것도 가능하다.

이때, 자유공간(20)은 계획굴착면(21)을 완전히 연결되도록 형성될 수도 있으나, 필요에 따라서 계획굴착면(21) 상의 일정 구간에만 적용될 수도 있다. 예를 들면, 도 9와 같이 터널의 상부면(22a)에만 자유공간을 형성하고, 터널의 하부면(22b)에는 자유공간을 형성하지 않을 수도 있다. 또한 이 외에도, 터널 주변의 지반을 고려하여 도 9의 예와는 다른 특정 구간에만 자유공간을 형성할 수도 있음은 물론이다.

다음으로, 자유공간(20) 형성을 위해 구멍에 삽입되었던 보강용 빔을 모두 제거한다. 보강용 빔을 제거하는 방법은, 모든 구멍을 천공하여 자유공간(20)을 완전히 형성한 다음에 각 구멍에 삽입된 보강용 빔을 한꺼번에 제거할 수도 있으며, 또는 각 구멍을 천공할 때마다 이전 구멍에 삽입되었던 보강용 빔을 빼내어 새로 천공된 구멍에 삽입하는 방식을 사용할 수도 있다.

터널의 계획굴착면에 자유공간(20)을 다 형성한 후에는 터널의 중심부에 대한 굴착작업을 수행한다. 터널의 중심부를 굴착하는 방식은 일반적으로 폭약 발파법을 사용하며, 이를 위해서 터널 중심부에 다수의 장약공을 천공하여 폭약을 장약한 후 발파하는 과정이 수행된다. 이때, 터널 중심부에서 발파된 폭약의 발파력은 일부가 터널의 바깥쪽으로 향하게 되지만, 계획굴착면(21)에 이미 자유공간(20)이 형성되어 있으므로 발파력에 의한 진동은 계획굴착면(21) 밖으로 전달되지 않는다. 물론, 자유공간(20)이 형성된 계획굴착면(21) 외부에는 폭약 발파에 따른 균열도 형성되지 않으며, 터널 굴착후 계획굴착면(21)은 자유공간(20)을 형성할 때의 매끈한 표면을 계속 유지하게 된다.

따라서, 본 발명의 터널 굴착방법을 사용하게 되면, 자유공간은 터널 굴착과정에서 발생하는 진동 및 균열이 터널 외부로 전달되는 것을 차단하게 되므로, 터널 굴착공사가 보다 효율적으로 안전하게 수행될 수 있다.

여기서, 본 발명은 터널 굴착시 균열이 터널 외부로 전달되는 것을 효과적으로 차단하기 위한 기술을 제시하며, 이때 터널 굴착 방법으로서 폭약 발파법을 예로 들어 설명하였다. 그러나, 폭약 발파방법은 터널 굴착의 대표적인 한 예이기는 하지만, 터널을 굴착하는 방법에는 이 외에도 파쇄법, 삭굴법 등 다른 방법이 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 터널 굴착시의 균열전달 차단기술을 제시할 뿐, 터널 중심부의 굴착방법은 폭약 발파법 외의 어떠한 방식으로도 수행될 수 있음을 이해하여야 한다.

또한, 설명의 편의상 본 발명은 통상적인 터널을 예로 들어 설명하였으나, 이 외에도 수직구멍, 경사구멍 또는 우물 구멍 등에도 적용될 수 있으며, 터널의형상 또한 반원형, 사각형, 원형 등 다양한 형태로 적용 가능하다. 특히, 도심과 같이 인접한 곳에 각종 구조물이 설치되어 진동 전달을 최소화해야 하는 경우, 본 발명의 굴착방법은 매우 유용하다. 예를 들어, 도 10에서와 같이 암석 등으로 이루어진 지표면에 지반공사를 할 경우, 지반공사의 계획굴착면에 본 발명의 방법에 따른 자유공간을 형성할 수 있으며, 이때 자유공간은 지반공사시 발생하는 진동 및 균열이 주변의 건물로 전달되는 것을 차단하게 되므로, 공사현장뿐 아니라 주변 건물에도 매우 안전하게 공사를 수행할 수 있어 인근 주민의 민원을 최소화할 수 있다.

또한, 본 발명의 터널 굴착방법에 사용되는 자유공간은 하나만 형성할 수도 있으나, 필요에 따라 그 이상의 개수를 형성하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 11에서와 같이 중심부를 가로지르는 수평방향의 제1 자유공간과 일측부에 형성된 수직방향의 제2 자유공간을 동시에 형성할 수도 있으며, 이러한 예는 수직 굴착시에 유용하게 사용될 수 있다. 또는, 도 12에 도시된 것처럼 중심부를 가로지르는 가로방향의 제1 자유공간과 하단부에 평행하게 형성된 제2 자유공간을 형성할 수도 있다. 이 예는 일반적인 수평 굴착에 응용될 수 있다. 이 외에도, 자유공간의 형태 및 개수는 다양하게 변화될 수 있으며, 이러한 변형은 모두 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해하여야 한다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

이와 같은 본 발명에 따른 터널 굴착방법은 터널의 계획굴착면에 미리 소정 깊이의 자유공간을 형성함으로써, 터널 굴착과정에서 발생하는 진동 및 균열이 터널 외부로 전달되는 것을 차단할 수 있다.

따라서, 본 발명의 터널 굴착방법은 터널 굴착과정에서 불가피했던 여굴을 최소화할 수 있으므로, 콘크리트 및 숏크리트를 이용한 여굴포장과정이 필요 없거나 최소화될 수 있어 제작기간이 단축되고 공사비용을 절감할 수 있게 된다.

또한, 계획굴착면에 형성된 자유공간에 의해 굴착하고자 하는 터널의 외부가 터널 굴착과정에서도 매우 안정되므로, 공사 도중 터널의 붕과 또는 함몰 등에 의해 발생할 수 있는 안전사고를 미연에 방지할 수 있다.

더구나, 자유공간을 형성할 때 구멍에 보강용 빔을 삽입한 상태에서 인접한 구멍을 천공하므로, 천공 과정에서 드릴 또는 착암기가 편향되는 것을 방지함에 따라 자유공간 형성이 보다 용이하다는 장점이 있다.

Claims (5)

1. (a) 굴착할 부위의 계획굴착면에 소정 깊이의 구멍을 천공하는 단계;

   (b) 상기 천공된 구멍에 보강용 빔을 삽입하는 단계;

   (c) 상기 계획굴착면 상에서 상기 보강용 빔이 삽입된 구멍에 인접한 위치에 추가적인 구멍을 천공하는 단계;

   (d) 상기 추가적인 구멍에 보강용 빔을 삽입하는 단계;

   (e) 상기 (c) 및 (d) 단계를 반복하여 상기 계획굴착면을 연결하는 자유공간을 형성하는 단계;

   (f) 상기 구멍에 삽입된 상기 보강용 빔을 제거하는 단계; 및

   (g) 상기 계획굴착면 내의 중심부를 굴착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 자유공간을 이용한 터널 굴착방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 (a) 단계는 상기 계획굴착면을 따라 소정 거리만큼 이격된 다수의 구멍을 뚫는 것을 특징으로 하는 자유공간을 이용한 터널 굴착방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 구멍에 삽입되는 보강용 빔은 H형 빔인 것을 특징으로 하는 자유공간을 이용한 터널 굴착방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 H형 빔은 탄성력이 있는 재질로 이루어지고, 상기 추가적인 구멍을 향한 상기 H형 빔의 측면에는 강성 재질의 보조판이 부착되는 것을 특징으로 하는 자유공간을 이용한 터널 굴착방법.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 구멍에 삽입되는 보강용 빔은 관 형태인 것을 특징으로 하는 자유공간을 이용한 터널 굴착방법.