KR100532248B1 - 피에스씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물및 그 시공방법 - Google Patents

피에스씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물및 그 시공방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 피에쓰씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물 및 그 시공방법에 관한 것으로, 상이한 재질인 PSC 판넬과 강재 거더의 구조가 스터드를 통한 결합으로 일체식 거동을 하게 되는 구조역학적 합성작용을 통하여 개착터널의 구조적 안정을 도모하고, 폭이 넓은 대단면 터널이 가능하게 하며, 공사기간을 단축할 수 있도록 함을 목적으로 한다. 이때, PSC 판넬은 상부의 흙과 물을 막으면서 동시에 강재 거더와 연결된 일체식 구조물로 되어 외부 하중에 저항하는 두가지 역할을 하게 된다.
본 발명에 따른 피에쓰씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물은, 하나 이상의 빔을 통해 아치형태로 이루어지며 전후 길이방향을 따라 일렬로 배열되는 다수의 형강 거더(100)와; 상기 거더의 상부에 설치되어 천정을 형성하는 다수의 피에쓰씨 판넬(200)과; 그리고, 도로 양측에 각각 형성되며 상기 거더의 양측이 각각 고정되는 기초 콘크리트 블록(500)을 포함하여 구성된다. 상기 거더와 PSC 판넬이 견고하게 결속되도록 상기 피에쓰씨 판넬에는 몰탈채움공이 형성되어 상기 몰탈채움공을 통해 몰탈(300)이 채워지고, 상기 거더의 상면에는 상기 몰탈채움공에 삽입되는 하나 이상의 스터드(115)가 구비된다.

Description

피에스씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물 및 그 시공방법{A arch-shaped composite structure with PSC pannel and the steel girder using the open trench Tunnel method, and method for manufacturing it}
본 발명은 피에쓰씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물 및 그 시공방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 PSC 판넬이 상부의 흙과 물을 막으면서 동시에 강재 거더와 연결된 일체식 구조물로 되어 구조역학적 합성작용을 통하여 외부 하중에 저항하게 되어 터널의 구조적 안정을 도모하고, 공사기간을 단축할 수 있으며 종래에 시공실적이 없는 넓은 폭의 대단면 개착식 터널이 가능하도록 한 피에쓰씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물 및 그 시공방법에 관한 것이다.
도로 철도 등의 수송망이 나날이 발달되는 추세하에서 도로변과 철도변의 자연환경보존도 중요한 이슈로 부각되고 있다. 이러한 환경보존차원에서 산을 지나도록 설계된 도로나 철도는 터널공법으로 건설되고 있다.
터널은 도시의 지하철등 지하수의 영향을 많이 받는 도시터널과 지방의 고속도로와 같이 지하수를 비교적 적게 받는 산악터널로 구분된다. 산악터널을 시공할 경우에는 무엇보다도 환경보존에 큰 노력을 기울여야 한다.
대표적인 터널 구조물 시공방법으로는 지하도, 터널 등의 터널구조물을 시공하고자 하는 곳의 땅을 완전히 개착(開鑿)하여 터널 구조물을 시공한 다음, 그 위에 개착된 흙을 덮어 터널 구조물을 시공하는 오픈 트렌치 공법(Open Trench Method ; 이하 O.T.M.)과 시공하고자 하는 곳의 땅을 개착(開鑿)하지 않고 쉴드 터널링 머신(Shield Tunneling Machine)을 사용한 비개착(非開鑿)으로 하여 터널을 형성한 다음 형성된 터널 안에 터널 구조물을 시공하는 터널 보링 공법(Tunneling Boring Method ; 이하 T.B.M.)이 있다. 그 외에 도로 또는 철도 레일 밑에 터널을 구축하는 방법으로 파이프를 이용하여 상부의 토층을 지지한 상태에서 그 아래 지하 구조물을 시공하는 파이프 루프 공법(Pipe Roof Method) 등이 있다.
이러한 오픈 트렌치 공법(O.T.M.)과 터널 보링 공법(T.B.M.)방법 중에서 현재 대표적으로 쓰이는 공법은 쉴드 터널 보링 공법(T.B.M.)이나 NATM터널 공법 등이 있다.
이 쉴드 터널 보링 공법이나 NATM터널 공법은 주로 도시지역 및 토층이 암반층으로 이루어진 곳에서 많이 사용되는데, 이는 터널을 시공하는 과정에서 지상 건축 구조물(도로 및 건물 등)과 지하 건축 구조물(하수도 및 가스관 등) 및 지상 교통흐름에 최소한의 영향을 끼치면서 터널을 시공할 수 있기 때문이다.
종래 개착식 터널은 오픈 트렌치 공법(O.T.M.)으로서 프리캐스트 콘크리트 블록을 이용한 방법, 현장 콘크리트 타설 방법, 주름이 있는 강재인 파형강판을 이용한 방법 등이 있다. 개착식 터널은 터널 상부에 토층 높이가 작거나 토층의 상태가 연약하여 비개착식 터널이 구조적 안전성을 확보하지 못하는 경우에 주로 사용된다.
이와 같은 개착식 터널은 방수, 차수, 터널 위 성토의 하중 등을 감안하여 설계 시공되어야 하는데, 종래 개착식 터널은 대개 구조적으로 취약하기 때문에 대단면 터널을 적용하기에는 붕괴위험이 따르고, 현장 타설된 콘크리트의 양생기간이 오래 걸리기 때문에 공사기간이 길어지는 단점이 있으며, 파형강판은 강판의 구조역학적 강성이 작아서 3차선이상의 폭이 넓은 개착식 터널에는 시공이 곤란하다.
그리고, 콘크리트 구조와 파형강판의 역학적 특성상 종래의 터널은 도로의 가운데 기둥을 시공하지 않을 경우에는 2-3차선 이하의 폭만 시공할 수 있고, 도로의 가운데 기둥을 시공할 경우에도 4차선 이상의 폭을 시공할 수 없다. 이때, 도로의 가운데 기둥이 시공되면 터널을 주행 중인 차량의 충돌 가능성이 높고, 동절기 기둥 상부에서 누수가 발생되어 고드름이 생기는 등 차량의 안전운행에 지장을 주는 경우가 많다.
앞서 설명한 바와 같이, 도로의 중앙에 기둥을 시공하지 않을 경우에는 3차선 이상이 무리이므로 왕복 4차선에서 8차선이 대부분인 국도나 고속도로의 대절토부 공사에서 부득이하게 높이 20m에서 40m의 사면이 발생되는 문제점도 있다.
또한, 기존 도로를 복개하는 경우에는 터널시공 중 별도의 우회도로를 만들지 않는 한 교통 통제 기간이 약 1개월에서 12개월 정도 필요하므로 우회도로의 시공을 위한 비용손실, 교통통제에 따른 비용손실 및 불편함이 있다.
본 발명은 상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 강재 거더와 PSC 판넬의 구조역학적 합성작용에 의해 구조의 안정성을 확보하면서 현장 타설에 의한 시공을 최소화하여 공사 기간을 단축할 수 있으며, 종래에 없는 폭이 넓은 대단면 개착 터널이 가능하도록 한 피에쓰씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물 및 그 시공방법을 제공하려는데 그 목적이 있다.
상술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 피에쓰씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물은, 아치형태로 이루어지며 복개아치합성구조물의 전후 길이방향을 따라 일렬로 배열되는 다수의 강재 거더와; 그리고, 상기 강재 거더들의 상면에 설치되는 다수의 PSC 판넬을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 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.
도 1a에 도시된 것처럼, 본 발명에 의한 피에쓰씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물(터널, 교각, 성곽 등)은, 강재 재질이며 길이방향을 따라 일렬로 배열되는 다수의 거더(100)와; 거더(100)의 상부에 설치되어 하부가 외부와 밀폐되도록 하는 다수의 PSC 판넬(200)과; 지면의 양측에 각각 시공되며 거더(100)의 양측이 각각 고정되는 기초 콘크리트 블록(500)을 포함한다.
도 2 내지 도 4에서와 같이, 거더(100)는 상하 수평부(111,112) 및 수평부(111,112)를 연결하는 수직부(113)로 이루어진 I형 단면의 형상이 바람직하다. 거더(100)간의 간격은 토압 등을 감안하여 설계된다. 거더(100)는 아치형태의 하나의 빔일 수도 있고, 다수의 빔(직선형 또는 곡선형)이 아치형태로 결합되어 이루어질 수도 있으나, 제조, 보관, 운반 등의 편의를 위하여 다수의 빔이 아치형태로 결합되는 것이 바람직하다.
거더(100)의 좌우 양측은 바닥에 현장 타설되거나 블록 형태로 제작된 후 설치되는 기초 콘크리트 블록(500)에 각각 고정된다. 이때, 거더(100)와 기초 콘크리트 블록(500)의 연결부의 강도를 확보하는 것이 중요하며, 이를 위하여 도 1b에서와 같이, 기초 콘크리트 블록(500)에는 다수의 철근 앵커(510)가 기초 콘크리트 블록(500)의 성형시 일부분이 노출되도록 매립(예컨대 사각형태로 매립될 수 있음)되며, 거더(100)의 기초 콘크리트 블록(500)측 단부에는 철근 앵커(510)가 관통되면서 기초 콘크리트 블록(500)에 면접촉되는 고정판(116)이 용접 결합되고, 고정판(116)에 관통된 앵커(예컨대, 철근 앵커)(510)에는 너트(511)가 체결되어 기초 콘크리트 블록(500)에 거더(100)가 고정된다.
도 3 내지 도 5에서 보이는 것처럼, PSC 판넬(200)은 판상으로 타설되어 거더(100) 위에 체결구 또는 몰탈(300) 등을 통해 고정된다. PSC 판넬(200)은 하나의 거더(100) 위에 거더(100)의 아치형태를 따라 일렬로 설치된다.
거더(100)와 PSC 판넬(200)의 결속구조는 체결구, 몰탈(300) 등이 가능하며, 본 발명에서는 몰탈(300)을 사용하는 것을 예로 들어 설명한다. 몰탈(300)의 충진을 위하여 거더(100)의 상부 수평부(111)의 상면 둘레부에는 몰탈(300)이 수평부(111)의 외부로 누출되지 않도록 패킹(114)이 장착되며, PSC 판넬(200)에는 상하로 관통되어 몰탈(300)이 거더(100)와 PSC 판넬(200)의 사이에 충진되도록 하는 하나 이상의 몰탈채움공(210)이 형성된다. 즉, 거더(100)의 상부 수평부(111) 위에 PSC 판넬(200)을 안착하고, 몰탈채움공(210)을 통해 몰탈(300)을 주입하면 도 4에서와 같이, 몰탈(300)이 패킹(114)의 안쪽과 몰탈채움공(210)에 채워져 거더(100)와 PSC 판넬(200)이 결속된다.
거더(100)와 PSC 판넬(200)간의 결속력이 더욱 견고하도록 몰탈채움공(210)과 대응되는 거더(100)의 상부 수평부(111) 상면에는 하나 이상의 스터드(115)가 갖추어진다. 즉, 스터드(115)가 없는 상태에서는 거더(100)가 평평한 판상이기 때문에 몰탈(300)에 의한 결속력이 약할 수 있지만, 스터드(115)가 몰탈(300)에 삽입됨으로써 강재 거더(100)와 PSC 판넬(200)의 결속력이 더욱 강해지며 강재 거더(100)와 PSC 판넬(200)이 일체식 거동을 하게 된다.
PSC 판넬(200)을 용이하게 설치할 수 있도록 PSC 판넬(200)의 저면에는 거더(100)의 상부 수평부(111)와 대응되는 돌출부(220)가 형성될 수 있다.
이와 같은 구조를 통해 한 라인의 거더(100)에 다수의 PSC 판넬(200)을 설치할 수 있다.
이처럼 다수의 PSC 판넬(200)들이 설치된 한 라인의 거더(100)가 복개아치합성구조물의 길이방향을 따라 일렬로 배열됨으로써 다양한 길이의 복개아치합성구조물을 시공할 수 있으며, 다수의 거더(100)가 복개아치합성구조물의 길이방향을 따라 일정간격으로 설치될 때 PSC 판넬(200)들에 좌우 비틀림이 발생되지 않도록 전후 길이방향으로 하나 이상의 강봉(230)이 더 설치된다. 강봉(230)은 길이방향을 따라 일렬로 배열되는 PSC 판넬(200)들을 관통하며, 전후방향의 마지막 PSC 판넬(200)을 관통한 단부에 긴장기(231)가 설치되어 긴장기(231)를 통해 긴장된다.
다수의 PSC 판넬(200)들의 설치가 완료되면 PSC 판넬(200)들의 사이를 통해 누수가 발생되므로 PSC 판넬(200)들의 사이에 실링재를 도포하여 누수를 차단한다.
거더(100)와 PSC 판넬(200)만으로도 복개아치합성구조물을 구축할 수 있으며, 터널 입구의 경우에는 PSC 판넬(200)의 상부에 현장 타설되는 콘크리트 마감벽(400)이 더 구축된다.
도 7에서 도시된 바와 같이, 본 발명에 의한 피에쓰씨 판넬과 강재 거더를 이용한 아치형 복개아치합성구조물 시공방법은 다음과 같다.
(S10) 기초 콘크리트 시공. 복개아치합성구조물 공사를 위하여 노면을 고르고, 도로(D)를 구축한 후 도로(D)의 양측에 기초 콘크리트 블록(500)을 시공한다. 기초 콘크리트 블록(500)은 미리 제조되어 노면에 설치되거나 현장 타설될 수 있다. 이때, 본 발명의 복개아치 구조물에 의하면 도로(D)에 기둥을 세우지 않고 왕복 4차선, 8차선, 10차선 이상의 도로가 가능하다.
(S20) 가설 동바리 설치. 복개아치합성구조물은 거더(100)의 시공의 편의성 등을 감안하여 하기의 (S40) 단계처럼 세부분 즉 양측의 기초부 거더(100A,100B)와 중앙부 거더(100C)로 구분되어 설치될 수 있으며, 기초부 거더(100A,100B)와 중앙부 거더(100C)가 연결되는 지점에 동바리(S)를 각각 설치한다.
(S30) 기초부 고정. 기초부 거더(100A,100B)의 일측 단부의 고정판(116)에 앵커(510)들이 관통되도록 하면서 고정판(116)을 기초 콘크리트 블록(500) 상면에 올리고, 너트(511)를 앵커(510)에 체결하여 고정함과 아울러, 아울러 타측 단부를 동바리(S) 위에 지지토록 한다.
(S40) 중앙부 거더 거치 및 현장이음. 크레인 등을 이용하여 중앙부 거더(100C)를 기초부 거더(100A,100B)의 사이에 삽입한 후 현장에서 용접, 체결구 등을 통해 연결한다. 이때, 복개아치합성구조물의 전후 길이방향을 따라 기초부 거더(100A,100B)를 전영역에 먼저 설치한 후, 중앙부 거더(100C)를 마지막에 현장 이음할 수도 있고, 기초부 거더(100A,100B)와 중앙부 거더(100C)로 이루어진 한 셋트를 전방에서부터 후방으로 가면서 하나씩 설치할 수도 있다.
(S50) 가설 동바리 철거. (S40) 공정을 통해 중앙부 거더(100C)와 양측의 기초부 거더(100A,100B)가 연결되면 구조적으로 안정되기 때문에 동바리(S)를 철거하여도 거더(100)가 붕괴되지 않으므로 동바리(S)를 철거한다. 이렇게 되면, 차량이 도로(D)를 주행하는데 간섭되는 구조물이 없으면서 붕괴 위험이 없으므로 도로(D)의 사용이 가능하다.
(S60) PSC 판넬 설치. (S50) 공정 완료 후 크레인 등의 장비를 이용하여 거더(100)의 상부에 PSC 판넬(200)을 설치한다.
(S70) 무수축몰탈 채움 및 종방향 강봉 긴장. PSC 판넬(200)의 돌출부(220)를 거더(100)의 상부 수평부(111)에 맞추고, 몰탈채움공(210)에 몰탈(300)을 주입하면 몰탈(300)이 패킹(114)의 내부와 몰탈채움공(210)에 채워져 거더(100)와 PSC 판넬(200)이 결속되고, 이때, 스터드(115)에 의해 몰탈(300)과 거더(100)가 견고하게 결속된다. 이러한 방법으로 PSC 판넬(200)들이 복개아치합성구조물의 길이방향을 따라 모든 영역에 설치되면, 강봉(230)을 PSC 판넬(200)들에 관통시키고, 양단부를 긴장기(231)를 통해 긴장시켜 거더(100)와 PSC 판넬(200)이 전후방향으로 이탈되지 않도록 한다. 그리고, PSC 판넬(200)들의 사이에 실링재를 도포하여 차수한다.
(S80) 콘크리트 마감벽 설치, 방수 및 방수보호재 시공후 다짐. (S10) ~ (S70) 공정을 통해 복개아치합성구조물을 완성할 수 있으며, 터널 입구의 경우 콘크리트 마감벽(400)을 구축하고, 다짐하여 마무리한다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 피에쓰씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물 및 그 시공방법에 의하면, 강재를 재질로 하는 거더와 PSC 판넬들의 구조역학적 합성작용을 통해 터널이 시공되어 터널 내부에 기둥을 시공하지 않아도 도로의 폭을 4차선, 8차선,10차선 이상까지 복개가 가능하므로 국내 산악지 공사의 대절토부를 현저하게 감소시킬 수 있다.
그리고, 콘크리트 마감부가 현장 타설되지만 타설면적이 좁고, 이미 거더와 PSC 판넬이 설치되어 도로의 주행을 방해하지 않으므로 시공기간을 단축할 수 있고, 특히 산악지에서는 우회도로를 확보할 필요가 없으므로 기타 비용을 줄일 수 있다.
또한, 기존 환경을 단절하는 도로나 철도공사에서 복개 상태는 동식물의 이동을 가능하게 하는 생태통로로서의 역할을 할 수 있으며, 낙석 방지와 우수에 의한 사면 붕괴 가능성을 미연에 방지할 수 있어 기존 국도나 고속도로와 철도 등에 있는 절토사면 붕괴와 같은 사고를 사전에 방지할 수 있는 등의 효과가 있다.
이상, 본 발명을 본 발명의 원리를 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 그와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용으로 한정되는 것이 아니다. 오히려, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다.
예를 들면, 좌우측만 강재 거더와 PSC 판넬 합성구조로 하고 중앙부는 콘크리트 판넬을 가설하지 않거나 투명 방음 유리 등으로 하여 터널의 개방감과 환기 또는 채광이 가능할 수 있다. 또한, 중앙부와 좌우측 상부 일부만 강재 거더와 콘크리트 합성구조로 하고 지점부 일부는 콘크리트 판넬을 설치하지 않도록 하여 개방감 및 환기를 도모할 수 있으며, 낙석 방지용으로는 편측만 콘크리트 판넬을 설치하지 않도록 하여 개방감과 외부 경관 조망 및 환기 등을 도모할 수 있다.
다른 한편, 강재 거더 하부에 별도의 거푸집을 설치하고 PSC 판넬 대신에 현장에서 타설하는 콘크리트를 적용할 수도 있다.
따라서, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
도 1a는 본 발명에 의한 PSC 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물의 정면도.
도 1b는 본 발명에 의한 PSC 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물에 적용된 거더와 기초 콘크리트 블록의 고정구조를 보인 확대도.
도 2는 본 발명에 의한 PSC 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물에 적용된 거더의 일부 절결 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 PSC 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물에 적용된 PSC 판넬과 거더가 결합된 상태를 보인 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 PSC 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물의 종단면도.
도 5는 본 발명에 따른 PSC 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물에 적용된 강봉의 설치상태를 보이기 위한 평면도.
도 6은 본 발명에 따른 PSC 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물 시공방법의 공정도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 강재 거더, 111,112 : 수평부
113 : 수직부, 114 : 패킹
115 : 스터드, 200 : PSC 판넬
210 : 몰탈채움공, 220 : 돌출부
230 : 강봉, 231 : 긴장기
300 : 몰탈, 400 : 콘크리트 마감벽,

Claims (6)

  1. 복개아치합성 구조물에 있어서,
    하나 이상의 빔을 통해 아치형태로 이루어지며 전후 길이방향을 따라 일렬로 배열되고 최좌측 단부와 최우측 단부에 각각 고정판이 결합된 강재 거더(100)와;
    장방형 판상으로 이루어져 상기 각각의 강재 거더의 길이방향을 따라 상기 강재 거더 상부에 결합되어 천정을 형성하는 다수의 PSC 판넬(200)과;
    상기 전후 길이방향을 따라 연속설치되는 다수의 PSC 판넬의 내부에 관통되어 상기 거더와 직각방향을 유지하면서 긴장되어 상기 다수의 PSC 판넬들이 밀착되도록 하는 하나 이상의 강봉(230)과; 그리고,
    지면에 일정 간격을 두고 각각 형성되며 상기 거더의 고정판에 관통되면서 너트로 체결되는 다수의 앵커가 매립되어 상기 거더의 좌우 양측이 각각 고정되는 기초 콘크리트 블록(500)을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 피에쓰씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 거더의 상부 수평부와 대응되는 상기 PSC 판넬에는 하나 이상의 몰탈채움공(210)이 형성되어 상기 몰탈채움공을 통해 몰탈(300)이 충진되는 것을 특징으로 하는 피에쓰씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 거더의 상부 수평부에는 상기 PSC 판넬의 몰탈채움공에 삽입되는 하나 이상의 스터드(115)가 더 형성된 것을 특징으로 하는 피에쓰씨 판넬과 강재 거더를 이용한 복개아치합성구조물.
  5. 삭제
  6. 삭제
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