KR100449002B1 - 비굴착식 소구경 터널 굴진공법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소구경의 터널 굴착 추진시 발생하는 잔토를 선단헤더의 후미로 밀어내어 추진관과 지반 사이공간에 재 압밀시켜 지반의 융기를 방지할 수 있도록 한 비굴착식 소구경 터널 굴진공법 및 그 장치에 관한 것으로서, 기존의 강관 압밀공법이나 유사 소구경 터널 굴진방법과 완전히 다른 비굴토식 공법으로서 즉 굴토된 잔토를 지상으로 반출하지 않고 지반내로 밀어내어 재 압밀시키는 공법으로서, 공기의 단축 및 간편성, 경제성 등을 동시에 제공할 수 있는 비굴착식 소구경 터널 굴진공법[일명 N.E.T.M(non excavation tunnel method)공법] 및 그 장치를 제공코자 하는 것이다.

즉, 본 발명은 비트(5)를 가진 선단헤더(3)가 유압유니트(16)와 연결된 헤더모터(15)에 의해 회전작동하면서 지하관거(22)를 비굴착 추진시 발생하는 잔토를 선단헤더(3)에 연속 소켓이음되는 추진관(4) 후미로 배토하여 추진관(4)과 지반 사이공간에 재 압밀시켜 지반의 융기를 방지할 수 있도록 하고, 추진관(4)의 자밍(jamming) 현상을 방지하기 위하여 추진구(1) 측에서 유압클립잭(21)을 사용하여 추진관(4)을 좌우로 회전시켜 고정상태가 해제될 수 있도록 한 것으로서,

본 발명에 의하면 기존 알려진 파이프 압입공법에 비하여 지하관거의 굴진작업이 보다 간편, 신속하고 경제적이다. 또한 비굴착식이므로 인력으로 굴착하는 기존의 파이프 압입공법의 외관크기를 현저하게 줄일 수 있으며, 압입작업시 선단헤더(3)에 설치된 수개의 방향가이더(11)에 의해 추진방향의 보정이 가능하며, 노우스 다운(Nose Down) 현상을 예방할 수 있는 등 국내 소구경 터널이나 파이프 압입공법의 획기적인 변화로써 무한한 응용이 가능하여 지반 굴착공법의 일대 전환이 예상되는 등 다수의 효과를 제공받을 수 있는 것이다.

Description

비굴착식 소구경 터널 굴진공법 및 그 장치{A tunnelling method for the small sized tunnel and its apparatus}

본 발명은 비굴착식 소구경 터널 굴진공법 및 그 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세히는 소구경의 터널 굴착 추진시 발생하는 잔토를 선단헤더의 후미로 밀어내어 기존의 굴착방식과 같이 지상으로 굴토시키지 않고 추진관과 지반 사이공간에 재 압밀시켜 지반의 융기를 방지할 수 있도록 하고, 공기의 단축 및 간편성, 경제성 등을 동시에 제공할 수 있는 비굴착식 소구경 터널 굴진공법[일명 N.E.T.M(non excavation tunnel method)공법] 및 그 장치를 제공코자 하는 것이다.

통상 터널을 굴진하기 위해서는 다양한 굴진공법이 개시되어 있지만, 본 발명의 모체가 된 공법은 알려진 파이프 압입공법이다.

'파이프 압입공법'은 강관 파이프를 소정 길이로 절단한 후 추진구에서 유압식 잭을 이용하여 지중에 소정 위치에 압입하는 특수한 공법으로 강관의 압입방법에 따라 '양면 압입(壓入)', '단면 압입' 등이 있고,

통상 외관을 선 굴진한 후 확보된 공간에 내관을 설치, 고정하는 방식으로 진행된다.

외관추진 시 내부에는 인력으로 선단부의 지층을 굴착하고 후미로 잔토를 인력이동한 후 지상으로 반출처리하는 공법이다.

이와 같은 파이프 압입공법의 시공순서를 참고로 살펴보면,

1. 수직구 설치(흙막이벽 가설, 가시설)-지장물 조사(전 노선)

2. 반력벽 및 바닥 콘크리트 타설

3. 선단헤더 설치(비트식)

4. 추진기 설치(유압식 추진설비)

5. 선단헤더 유압으로 압입

6. 이음관 용접 후 압입

7. 관 내부 인력으로 굴착, 잔토 이동처리

8. 도달구까지 6~7번 반복

9. 선단헤더 관통회수 및 수리보수로 작업이 진행된다.

상기한 파이프 압입공법은 인력으로 굴착되고 유압으로 추진함으로써 외관의 직경이 인력 굴착이 가능할 만큼의 작업공간 확보가 필수적으로 있어야 했다.

그리고 교통이 번잡한 입체 교차로 등을 횡단하기 위한 지하관거, 지하공동구 등의 신설공사는 재래 공법인 '가받침 공법'이나 '오픈 컷(open cut) 공법' 등을 채택하고 있으나, 교통량의 발전으로 철도 및 도로를 우회 또는 차단할 경우 교통정체 불안전으로 인한 서행, 공사 후 유지보수 비용 과다 등의 문제들이 지적되어 왔었다.

이에 반해 파이프 압입공법은 철도, 도로의 정상적인 운행을 보장하면서 공사를 진행할 수 있어 보다 안전하고 정밀한 시공방법으로 강관 단면의 크기, 연장에 상관없이 시공할 수 있다는 특징이 있다.

이러한 파이프 압입공법은 기존의 개착식 공법과 비교할 때, 다음과 같은 특징을 갖고 있다.

즉, 열차 및 차량 운행에 관계없이 공사를 진행할 수 있으며, 공기를 약 1/3로 단축할 수 있으므로 위험작업을 수반하는 기간도 단축이 되고, 철도 본 선로 작업의 경우 열차, 전차의 서행기간이 1/10로 단축이 된다는 장점도 가지고 있다.

또한 매립에 의한 지반의 허트러짐이 없어지므로 공사완공 후 보수비가 저렴하며, 모든 지층에 시공이 가능하다는 특징이 있다.

또한 파이프 압입공법을 기존의 '쉴드(sheild) 공법'과 비교하여 보면, 단면을 적절하게 선택할 수 있으며, 보다 경제적이고, 대규모의 설비가 필요치 않다는 장점이 주어지는 것이다.

그러나 이러한 파이프 압입공법은 다음과 같은 문제점도 안고 있었다.

즉, 강관 파이프를 용접이음으로 압입하므로 추진 도중에 큰 방향 전환 및구배변경이 불가능하고, 길이를 무한정으로 길게할 수 없어 적당한 간격으로 수직구를 설치하여 추진구와 도달구를 활용하여야 하며, 관 내부를 인력으로 굴착함으로써 외관의 직경을 축소할 수 없고 공기의 단축이 어렵다.

또한 인력 굴착에 따른 공간확보 때문에 내관과 외관을 각각 설치하여야 하고 그 사이 공간을 모터로 충진하여야 하는 등 불필요한 시공비가 많고, 비교적 고가라는 단점을 안고 있었던 것이다.

이에 본 발명에서는 종래 굴토식일 경우 굴진되는 공간만큼의 잔토를 추진구로 인력이동후 지상배출을 시켜야 하므로 굴진시 관내부로 연약지반이 밀려 들어오면 지상 지반이 함몰되는 위험을 초래할 수 있으나, 본 발명의 공법은 비굴착식 선단 폐쇄 강관압입방식이므로 이러한 위험이 없고 기존의 파이프 압입공법이 갖는 제반 문제점을 해결하는 비굴착식 소구경 터널 굴진공법 및 그 장치를 제공코자 하는 것으로서,

본 발명에서 제공하는 터널 굴진공법 및 그 장치는 철도, 도로의 정상적인 운행을 보장하면서 공사를 진행할 수 있어 보다 안전하고 정밀한 시공이 가능하며, 강관의 크기, 단면의 크기, 연장에 상관없이 시공할 수 있는 비굴착식 소구경 터널 굴진공법 및 그 장치를 제공함에 발명의 기술적 과제를 두고 본 발명을 완성한 것이다.

도 1은 본 발명의 굴진공법과 굴진장치를 개략적으로 보인 공법 개요도

도 2는 본 발명의 굴진장치 중 요부인 선단헤더 부위를 발췌한 단면도

도 3은 본 발명의 굴진장치 중 요부인 선단헤더 부위의 방향가이더를 발췌한

확대 단면도

도 4는 본 발명의 추진관 소켓이음방식 중 일예를 보인 확대 단면도

도 5는 본 발명에 있어서, 추진관의 구경에 따른 굴진장치 각 부분의 바람직

한 치수표

■ 도면의 주요부분에 사용된 부호의 설명 ■

1:추진구 2:도달구

3:선단헤더 4:추진관

4a:가이드홈 5:비트

6:비트헤더 7:내관체

8:외관체 9:헤더바디

10:배토공간 11:방향가이더

12:힌지핀 13:유압 실린더

14:피스톤 15:헤더모터

16:유압유니트 17:유압호스

18:소켓이음관 18a:가이드조인트

19:고정핀 20:고정공

21:유압클립잭 22:지하관거

이하 본 발명에서 제공하는 비굴착식 소구경 터널 굴진공법 및 그 장치에 대하여 첨부도면과 함께 상세히 설명키로 한다.

본 발명은 기존의 파이프 압입공법의 가장 큰 문제점 중 하나인 공법의 경제성과 굴착방식의 문제를 획기적으로 개선하였다.

이를 위하여 본 발명은 원형의 소정 규격의 강관(이하 '추진관'이라 한다)을 일정 간격으로 소켓이음(socket joint)으로 압입하면서 선단부에 지층에 적합한 비트(bit)를 장착하여 지반을 회전이나 타격식으로 전단파괴한 후 이 잔토를 별도로 굴토하지 않고 추진관의 외부 지층으로 배토시켜 지반의 안정을 기하면서 계속 압입해가는 기계식 압입장치를 이용한 추진공법을 제공하는 것이다.

본 발명의 핵심은 지반과 강관 파이프와의 마찰력 보다 큰 추진장치를 설치하고, 지반으로의 배토로 인한 지반의 전단파괴 범위가 인접 구조물이나 지반 내에서 어떤 형태로 피해를 미치는지를 지반 해석적으로 검토하고 그 피해를 방지할 수 있도록 한 것이다.

본 발명의 특징은 지금까지의 유사 압입공법이 모두 굴착방식인데 비하여 선단이 폐색 파이프를 유압으로 압입시키는 비굴착식 소구경 터널 굴진공법 및 그 장치라는 것이다.

여기서 '비굴착'이라는 단어의 정의(=의미)는 토사가 장비의 추진력과 비트(bit)의 회전력으로 파괴되어 인접 지반속으로 밀려 들어감을 의미한다.

결국 본 발명에 의하면 후미로 토사가 유출되지 않음으로써 별도의 잔토처리시스템이 불필요하다.

단, 배출되지 못한 전단파괴된 토사는 추진관의 주면에 큰 부착력으로 작용하므로 추진길이가 길어질수록 추진관의 구경이 클수록 또한 단단한 지반일수록 보다 큰 추진장치와 큰 지반파괴에 대한 대비가 필요하다.

그러므로 본 발명의 공법은 구경이 약 1,000mm 이내의 강관 압입에 적합하며, 길이의 한계를 약 100m 내외로 유지하는 것이 가장 경제성이 높다.

선도관과 추진관의 규격은 지반 파괴와 밀접한 관계가 있으므로 적절한 공간을 유지하여야 하며, 그 유격은 10~20cm 내외가 바람직하며, 소요 직경이 800mm 인 추진관의 경우 선도관은 900~1,000mm로 천공함이 타당하다.

외관과 내관 사이는 시공 오차의 범위내에서 유격을 줄이는 것이 경제적이다. 단, 내관 삽입에 필요한 최소한의 단면은 유지되어야 할 것이며, 그 유격 오차는 20cm 내외가 적합하므로 소요 직경이 400mm 인 내관의 경우 추진관은 800mm로 천공함이 타당하다.

또 종래 파이프 압입공법의 장점이 추진관 내부에서 인력으로 굴착함으로써 관의 선단부에서 육안으로 지하 지층을 확인할 수 있다는 이점이 있었으나, 본 발명을 적용시에는 별도의 지장물을 파악할 수 있는 시스템을 설치하여야 하며, 이 시스템은 지상에서 추진관의 추진방향, 거리, 추진각도를 파악할 수 있는 전자식 레이져장비로서 지상에서 지반의 상태, 지하 지장물을 파악하는데 유용하다.

본 발명은 기존 천층 지반에 주로 설치하는 상하수 관거, 전력구, 통신구, 도시가스관 및 기타 도시 기반시설에 관련된 관거의 설치에 유용하게 적용될 것이며,특히 오픈 컷 공법으로 설치되고 있는 각종 공법들을 대체할 수 있어 도심의 교통량에 무관하게 작업을 진행할 수 있으며, 각종 도시 민원에 대응하기가 용이하다는 특징을 갖는다.

또 현재의 파이프 압입공법 보다 저렴하게 시공할 수 있어 경제성도 우수하며, 다만 소요 구경이 큰 단면은 추진력의 급격한 증가로 장비의 각종 사양이 대형화되므로 통상 1,000mm 내외의 구경이 가장 경제적일 것으로 판단된다.

이하 본 발명을 실현하기 위한 굴진장치의 구성과 함께 굴진방법 등을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1에서 보는 바와 같이 터널을 시공코자 하는 지상에서 약 100m 내외로 하여 추진구(1)와 도달구(2)를 만들고, 상기 추진구(1)측에서 지하관거(22)를 설치코자 하는 수평방향으로 선단헤더(3)를 설치하여 유압식 추진설비에 의하여 선단헤더(3)를 비굴착식으로 압입하여 소정 길이를 갖는 추진관(4)을 소켓이음으로 연결하고, 추진관(4)을 비굴착식으로 압입하여 단위 길이로 절단된 추진관(4) 소켓이음후 압입, 도달구(2)까지 반복하여 선단헤더(3)가 도달구(2) 측으로 관통되면 이를 회수 및 수리보수하고 시공 중 추진관(4)의 상태 모니터링 및 지하 지장물, 지반변이를 계측하게된다.

이를 위하여 본 발명의 비굴착식 소구경 터널 굴진장치는 선단헤더(3)가 도 2에서 보는 바와 같이 지반의 형태에 따라 다양한 비트(5)가 장착되고, 상기 비트(5)가 장착되는 비트헤더(6)의 후측으로는 중공형의 관체, 즉 내관체(7) 및 외관체(8)를 일체로 한 헤더바디(9)가 구성된다.

상기 내관체(7)와 외관체(8) 중도에는 소정 간격으로 후방이 개방된 배토공간(10)이 형성되며, 선단의 비트(5)에 의해 전단파괴된 토사가 상기 배토공간(10)을 통해 후측으로 배토가 이루어질 수 있도록 헤더바디(9)의 선측에는 수개의 방향가이더(11)가 힌지핀(12)에 의해 각운동 개폐될 수 있도록 설치된다.

즉, 상기 방향가이더(11)는 내관체(7) 내부에 설치된 유압 실린더(13)의 피스톤(14)과 연결설치되어 굴착방향이 직진성을 갖지 못하고 어느 한쪽으로 치우칠 경우에 쏠리는 방향의 방향가이더(11)를 1~2개 정도 폐쇄함으로서 이를 바로 잡을 수 있도록 한 것이다.

상기 방향가이더(11)는 헤더바디(9)에 원주면을 따라 방사상으로 개략 8개 정도로 형성하는 것이 바람직하다.

그리고 내관체(7)에는 선단헤더(3)를 회전구동시키기 위한 헤더모터(15)가 설치되어 지상의 유압유니트(16)와 유압호스(17)로 연결되며, 내관체(7)의 후단부에는 추진관(4)이 소켓이음으로 연결된다.

상기 소켓이음방식은 다양한 방식이 있지만, 도 4에서 보는 바와 같이 내관체(7) 후단에 가이드조인트(18a)를 가진 소켓이음관(18)을 용접 등의 방법으로 고정하고, 상기 소켓이음관(18)의 가이드조인트(18a)에 대응하여 끼움될 수 있도록 내경부에 가이드홈(4a)을 갖는 추진관(4)을 끼움시켜 고정핀(19)을 고정공(20)을 통하여 고정시켜 이들이 이음이 되도록 하는 방식, 또는 기존에 알려진 소켓이음 중 적절한 것을 선택하여 사용하면 되는 것이다.

한편, 추진구(1) 측에는 선단헤더(3)와 수개의 추진관(4)을 굴진하다가 작업을 중단하고 다음날 작업을 행하고자 할 시에 토압에 의하여 선단헤더(3)와 추진관(4)이 유동하지 못할 경우(jamming 현상)가 많다.

이 경우에는 장비의 매몰이나 추진라인의 변경 등 복잡한 문제를 발생시키므로 추진관(4)의 자밍 방지는 본 발명의 굴착공법 달성에 중요한 성패 요인이 된다.

추진관(4)의 자밍 방지를 위해서는 추진관(4)이 처음 지반에 삽입되는 추진구(1)에서 유압크립잭(21)을 설치하여 추진관(4)을 클램핑한 후 추진관(4)을 좌우로 약 15~30°정도 회전시켜 지반과 추진관(4)의 부착력을 감소시켜서 자밍을 방지토록 하고 계속 추진토록 하는 것이다.

도면중의 부호 23은 추진잭설비, 24는 흙막이벽을 도시한 것이다.

이상에서 상세히 살펴 본 바와 같이 본 발명에서 제공하는 비굴착식 소구경 터널 굴진공법 및 그 장치는 기존 알려진 파이프 압입공법에 비하여 지하관거의 굴진작업이 보다 간편, 신속하고 경제적이다.

또한 비굴착식이므로 인력으로 굴착하는 기존의 파이프 압입공법의 외관크기를 현저하게 줄일 수 있으며, 압입작업시 선단헤더(3)에 설치된 수개의 방향가이더(11)에 의해 추진방향의 보정이 가능하며, 노우스 다운(Nose Down) 현상-추진관을 압입시켜 나갈 때 상부의 토압에 의해 선도관이 하부로 침하하는 현상-을 예방할 수 있는 등 국내 소구경 터널이나 파이프 압입공법의 획기적인 변화로써 무한한 응용이 가능하여 지반 굴착공법의 일대 전환이 예상되는 등 그 기대되는 효과가 다대한 발명이다.

Claims (3)

1. 비트(5)를 가진 선단헤더(3)가 유압유니트(16)와 연결된 헤더모터(15)에 의해 회전작동하면서 지하관거(22)를 비굴착 추진시 발생하는 잔토를 선단헤더(3)에 연속 소켓이음되는 추진관(4) 후미로 배토하여 지반 사이공간에 재 압밀시켜 지반의 융기를 방지할 수 있도록 한 비굴착식 소구경 터널 굴진공법에 있어서;

   상기 선단헤더(3)의 헤더바디(9)를 구성하는 내관체(7)와 외관체(8) 상간의 배토공간(10)을 통해 배토되는 흙을 1차 압밀시킨 후 추진관(4) 후미로 배출 시 팽창시킨 후 재 압밀토록 한 것을 특징으로 하는 비굴착식 소구경 터널 굴진공법.
2. 제 1 항에 있어서;

   상기 추진관(4)이 토사의 재 압밀에 의해 고정되는 자밍(jamming) 현상을 방지하기 위하여 추진구(1) 측에서 유압클립잭(21)을 사용하여 추진관(4)을 좌우로 회전시켜 고정상태가 해제될 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 비굴착식 소구경 터널 굴진공법.
3. 비굴착식 소구경 터널 굴진장치를 구성함에 있어서;

   유압유니트(16)와 유압호스(17)로 연결되어 헤더모터(15)에 의해 회전구동하는 비트(5)를 선단 비트헤더(6)에 갖는 선단헤더(3)와,

   상기 선단헤더(3)의 후측에는 내관체(7)와 후단이 개방된 외관체(8)를 연결하되, 내관체(7)와 외관체(8) 상간에는 배토공간(10)이 형성되고,

   상기 외관체(8)의 전방에는 유압 실린더(13)의 피스톤(14)과 연결되며 힌지핀(12)에 의해 각운동 개폐되는 방향가이더(11)를 원주상으로 수개 설치하고,

   상기 내관체(7)의 후단부에는 연속적으로 추진관(4)을 소켓이음할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 비굴착식 소구경 터널 굴진장치.