KR100693794B1 - 다층 합성단면 구조의 숏크리트 터널 라이닝 및 그시공방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 서로 다른 기능과 성능을 발휘하는 숏크리트를 다층으로 타설함으로써 터널 라이닝의 기능을 극대화하면서도 재료비를 절감할 수 있는 새로운 구조의 다층 합성단면 구조의 숏크리트 터널 라이닝과, 그 시공방법에 관한 것이다.
본 발명에서는 터널의 굴착면에 형성되는 숏크리트 터널 라이닝으로서, 굴착면의 표면 탈락이나 붕락을 방지하도록 시멘트, 물 및 골재에 급결제를 함유하여 소정의 조기 강도를 발현하는 숏크리트로 이루어져 터널의 굴착면에 직접 뿜어져 부착되는 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)과, 상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10) 위로 뿜어져 형성되며 장기 강도와 인성을 발현하여 영구지보재를 이루는 지보용 숏크리트 층(20)으로 이루어진 다층 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝, 및 그 시공방법이 제공된다.
터널, 합성, 라이닝, 다층, 숏크리트
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 숏크리트 터널 라이닝이 시공된 상태의 대략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 숏크리트 터널 라이닝이 시공된 상태의 대략적인 단면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 터널 라이닝
10 : 조기 강도 발현 숏크리트 층
20 : 지보용 숏크리트 층
30 : 마감층
40 : 방수층
본 발명은 다층 합성단면 구조의 숏크리트 터널 라이닝 및 그 시공방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 서로 다른 기능과 성능을 발휘하는 숏크리트를 다층으로 타설함으로써 터널 라이닝의 기능을 극대화하면서도 재료비를 절감할 수 있는 새로운 구조의 다층 합성단면 구조의 숏크리트 터널 라이닝과, 그 시공방법에 관한 것이다.
터널을 시공함에 있어서는, 터널 굴착이 진행됨에 따라 굴착부의 지반을 지지하기 위하여 굴착면에 숏크리트(shotcrete)를 타설하게 된다. 이러한 숏크리트 라이닝은 터널의 굴착면에 뿜어 붙여져 콘크리트 아치를 형성함으로써 굴착면에서의 지반 이완 방지, 하중 분담, 응력의 국부적인 집중 방지, 암괴의 이동 및 낙반의 방지, 굴착면의 풍화 방지 등의 기능을 하게 된다.
숏크리트는 시멘트, 물, 골재, 첨가재료 및 급결재로 이루어진다. 종래의 숏크리트 터널 라이닝의 경우에는 일정한 두께로 여러 차례 뿜어져 시공되는데, 숏크리트의 두께방향으로 일정한 배합비와 첨가재료를 가지는 숏크리트를 사용하였다. 그러나 숏크리트의 첨가재료는 일반적으로 고가이므로 경제적인 시공을 위해서는 첨가재료의 사용량을 줄이는 것이 바람직하다.
예를 들어, 종래의 숏크리트 터널 라이닝에서는 강섬유를 첨가할 때, 전체 두께에 일정하게 강섬유를 첨가하게 된다. 그러나 실제 터널 라이닝에서 강섬유의 보강 효과는 라이닝 중에서도 터널 굴착면으로부터 멀리 떨어진 부분에서 유용하게 사용되는 것이며, 터널 굴착면에 직접 부착되는 부분의 경우 강섬유 보강에 따른 효과가 그리 중요하지 않다. 그럼에도 불구하고 종래에는 강섬유를 전체 두께에 일정하게 첨가하게 되므로 그만큼 첨가재료의 낭비가 심하게 된다.
급결제의 경우도 이와 유사하다. 급결제는 숏크리트의 신속한 강도발현을 위하여 첨가하는 것인데, 터널 라이닝 중에서도 굴착면에 직접 부착되는 부분에서 그 사용효과가 큰 것이고, 터널 굴착면으로부터 멀리 떨어진 부분에서는 급결제를 그리 많이 사용하지 아니하여도 무방하다. 그러나 종래의 경우에는 이러한 터널 라이닝의 신속한 강도 발현 필요성 즉, 급결제의 필요량을 무시한 채, 라이닝의 전체 두께에 걸쳐 일정한 급결제 함유량을 가진 숏크리트를 이용하게 되므로, 그 만큼 고가의 급결제 낭비가 많다는 단점이 있다.
이와 같이, 종래의 숏크리트를 이용한 터널 라이닝에서는 라이닝의 두께 방향의 기능과 특성을 무시한 채, 동일한 첨가재료, 급결제 함유량을 가지고 있으므로 그만큼 불필요한 비용이 더 많이 소요되는 문제점이 있는 것이다.
본 발명은 숏크리트를 이용하여 터널 라이닝을 시공하는 종래 기술이 가지고 있던 위와 같은 문제점을 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 숏크리트에 사용되는 첨가재료, 급결제 등의 투여량을 줄이면서도 종래의 터널 라이닝과 동등하거나 더 큰 지보능력을 가지거나, 또는 동일한 첨가재료, 급결제의 투여량으로도 더 큰 지보능력을 가지는 터널 라이닝을 시공할 수 있는 새로운 형태의 숏크리트 터널 라이닝 및 그 시공방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 터널의 굴착면에 형성되는 숏크리트 터널 라이닝으로서, 굴착면의 표면 탈락이나 붕락을 방지하도록 시멘트, 물 및 골재에 급결제를 함유하여 소정의 조기 강도를 발현하는 숏크리트로 이루어져 터널의 굴착면에 직접 뿜어져 부착되는 조기 강도 발현 숏크리트 층과, 상기 조기 강도 발현 숏크리트 층 위로 뿜어져 형성되며 장기 강도와 인성을 발현하여 영구지보재를 이루는 지보용 숏크리트 층으로 이루어진 다층 구조를 가지는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝이 제공된다.
본 발명에서는, 상기한 숏크리트 터널 라이닝에서 상기 조기 강도 발현 숏크리트 층에는, 지보용 숏크리트 층이 지하수와 접촉하는 것을 방지하기 위한 방수 기능을 가지도록 방수재가 더 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝이 제공된다.
또한 본 발명에서는 상기한 숏크리트 터널 라이닝의 실시예로서, 상기 조기 강도 발현 숏크리트 층과 상기 지보용 숏크리트 층 사이에는 지보용 숏크리트 층의 지하수 접촉을 방지하기 위한 방수막이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝이 제공된다.
또한 본 발명에서는 상기한 숏크리트 터널 라이닝의 또다른 실시예로서, 상기 지보용 숏크리트 층 위로는 숏크리트 층의 보호와 미관을 위한 마감층이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝이 제 공된다.
상기한 본 발명에서, 상기 지보용 숏크리트 층에는 장기 강도 및 인성 발현을 위하여 섬유가 첨가되어 보강될 수 있다.
다음에서는 첨부도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시예를 살펴봄으로써 본 발명의 구성에 대하여 설명한다.
도 1에는 본 발명의 일실시예에 따른 숏크리트 터널 라이닝(1)이 시공된 상태의 대략적인 단면도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼, 숏크리트 터널 라이닝(1)은 기능과 성분이 상이한 다수의 숏크리트 층으로 이루어져 있다. 구체적으로 본 발명에 따른 숏크리트 터널 라이닝(1)은, 지반과 일체화되어 굴착 후 굴착 지반면이 이완되기 전에 굴착 지반면의 변위를 수령할 수 있도록 큰 조기 강도를 발현하는 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)과, 상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10) 위로 뿜어져 형성되며 높은 인성과 장기 강도를 발현하는 지보용 숏크리트 층(20)으로 이루어진다.
상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)은 터널 굴착 직후 굴착면에 직접 뿜어져 부착되는 층으로서, 굴착면의 표면 탈락이나 붕락을 방지하여 조기에 터널 안정성을 확보하는 층이다. 특히 전체 터널 라이닝(1)을 빔 부재로 보았을 때 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)은 휨에 의한 압축응력을 받는 층이 된다. 따라서 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)에서는 압축강도가 중요하다. 그 뿐만 아니라 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)은 굴착면에 직접 부착되는 것이므로 장기적으로는 열화를 유발할 수 있는 유해물이 함유된 지하수의 흐름을 저감시키는 방수 기능도 발휘하게 된다.
본 발명에 있어서 상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)은 위와 같은 기능 발현을 위하여 시멘트, 물 및 골재에 급결제가 첨가된다. 상기 급결제의 첨가량은 시멘트양의 6 내지 15%인 것이 바람직하다. 만일 급결제의 첨가량이 시멘트양의 6% 미만인 경우에는 필요한 정도의 조기 강도 발현이 어렵게 되며, 급결제의 첨가량이 시멘트양의 15% 보다 많은 경우에는 장기 강도가 지나치게 작아지게 되므로, 급결제의 첨가량은 시멘트양의 6 내지 15%인 것이 바람직하다. 상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)의 시멘트, 물 및 골재의 배합비는 현장 여건 및 필요 강도에 맞추어 결정하게 된다.
본 발명에 있어서, 상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)에 방수 기능을 더 부가할 수도 있다. 즉, 장기적으로 콘크리트의 열화를 유발할 수 있는 유해물이 함유된 지하수의 흐름을 차단하는 방수 기능을 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)에 부가할 수도 있는 것이다. 이를 위해서 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)에는 실리카흄, 메타카올린, 플라이 애쉬 등의 방수재를 더 첨가하게 된다. 이러한 방수재는 시멘트 수화반응시 생성되는 수산화칼슘과 활성실리카 성분 및 알루미나 성분이 화학반응하여 불용성 화합물인 규산칼슘수화물과 에트링케이트를 생성함과 동시에 콘크리트 액상형 방수재내의 유기질 성분의 피막을 형성한다. 이에 의하여 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)에 방수성능이 발현된다.
조기 강도 발현 숏크리트 층(10)에 방수재로서 실리카흄을 함유하는 경우, 150~700 kg/㎥의 범위를 밀도를 가지며 150,000~300,000 ㎤/g의 분말도를 가지는 실리카흄을 사용하며, 시멘트양의 3% 내지 10%를 첨가하는 것이 바람직하다. 이러한 실리카흄의 첨가를 통하여 숏크리트 층(11)과 터널 굴착면 사이의 접착강도가 증가되며 강도 및 내구성이 증가될 뿐만 아니라 알카리-골재 반응에 대한 저항성이 향상되고, 투수계수 감소, 리바운드 감소, 황산염에 대한 저항성 향상의 효과가 발휘된다.
상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10) 위로 뿜어져 형성되는 지보용 숏크리트 층(20)은 높은 인성과 장기 강도를 발휘한다. 즉, 지보용 숏크리트 층(20)은 편압, 국부하중, 장기적인 하중 및 기타 예측하지 못한 굴착 지반으로부터의 하중을 장기적으로 지지하는 영구지보기능을 하는 것이다. 특히, 전체 터널 라이닝(1)을 빔 부재로 보았을 때 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)은 휨에 의한 인장응력을 받는 층이 된다.
따라서 본 발명에서는 상기 지보용 숏크리트 층(20)에 장기 강도 발현과 인성 발현을 위하여, 물, 시멘트 및 골재에 더하여 첨가재로서 섬유를 더 첨가하여 보강한다. 상기 지보용 숏크리트 층(20)에 사용되는 섬유로는 강섬유, 합성섬유가 있는데, 강섬유의 경우 약 12~50㎜의 것을 사용하며 부착성능 증진을 위하여 양단이 구부러진 후크 강섬유를 사용하는 것이 바람직하다. 강섬유의 사용량은 콘크리트 전체 부피의 0.1~1%를 사용하는 것이 바람직하다. 합성섬유로는 셀룰로스 섬유, 폴리프로필렌 섬유 등을 사용할 수 있다.
한편, 상기 지보용 숏크리트 층(20)의 경우에도 강도의 신속한 발현을 위하 시멘트양의 3 내지 8%의 급결제를 첨가하는 것이 바람직하다. 급결제의 첨가량이 시멘트양의 3% 미만인 경우 강도 발현 속도가 터널 시공에 적합하지 않게 되며, 시멘트양의 8%를 넘는 경우에는 장기 강도가 낮아지게 되는 문제가 있다. 따라서 급결제의 첨가량은 시멘트양의 3 내지 8%인 것이 바람직하다.
상기 지보용 숏크리트 층(20)의 시멘트, 물 및 골재의 배합비는 현장 여건 및 필요 강도에 맞추어 결정하게 된다.
위에서 설명한 것처럼 조기 강도 발현 숏크리트 층(10) 및 지보용 숏크리트 층(20)을 시공한 후, 필요에 따라서는 상기 지보용 숏크리트 층(20)의 위로 마감층(30)을 더 형성할 수 있다. 상기 마감층(30)은 터널 라이닝(1)의 보호와 미감 증진을 위한 마감용으로 시공되는 것으로서, 시멘트 페이스트 또는 시멘트 모르타르로 이루어진다. 상기 마감층(30)은 반드시 필수적인 것은 아니며 생략이 가능하다.
위의 실시예에서 살펴본 것처럼, 본 발명의 터널 라이닝에서는 터널 굴착면에 인접한 부분과, 그로부터 멀리 떨어진 위치의 기능과 특성을 감안하여, 조기 강도를 발현하는 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)과, 장기 강도 및 인성을 발현하는 지보용 숏크리트 층(20)으로 구분하여 숏크리트를 적층하여 시공함으로써 터널 라이닝을 형성하게 된다. 따라서 각각의 숏크리트 층에 맞추어 첨가재료 및 급결제의 사용 여부 및 첨가량을 조절할 수 있으며, 그에 따라 재료비를 절감할 수 있게 된다.
특히, 지보용 숏크리트 층(20)에게 충분한 장기 강도 및 인성을 효과적으로 부여할 수 있으므로 별도의 지보용 콘크리트 라이닝을 생략할 수 있고 그만큼 공사비 및 공기를 절감할 수 있게 된다. 또한 조기 강도 발현 숏크리트 층(10) 자체에 방수 기능을 부가할 수 있고, 이 경우 지보용 숏크리트 층(20)이 지하수와 접촉하는 것을 방지할 수 있으므로 그 내구수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.
도 2에는 본 발명의 또다른 실시예에 의한 숏크리트 터널 라이닝(1)이 시공된 상태의 대략적인 단면도가 도시되어 있다.
도 2에 도시된 실시예에 의한 숏크리트 터널 라이닝(1)은 다수개의 숏크리트 층의 적층 구조를 가지고 있는데, 도 1의 실시예와는 달리 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)에 방수 기능을 부여하지 않고 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)과 지보용 숏크리트 층(20) 사이에 별도의 방수막(40)을 적층한 구조를 가지고 있다. 이와 같이 본 실시예에서는 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)에는 방수 기능이 부여되어 있지 않으므로, 방수기능을 위한 별도의 방수제를 첨가할 필요가 없으며, 그만큼 재료비를 절감할 수 있게 된다.
상기 방수막(40)은 방수기능을 발휘하여, 이후에 적층되는 지보용 숏크리트 층(20)이 지하수에 노출되어 열화되는 것을 방지하게 된다. 상기 방수막(40)은 숏크리트와 같이 뿜어 붙이기에 의하여 적층할 수 있다. 방수막(40)의 종류로는 아크릴산 마그네슘, 과류산나트륨, 엘비트엔, 코폴리머(copolymer) 등을 이용한 재료가 있으며, 방수기능이 있으며 뿜어 붙일 수 있는 모든 재료가 사용가능하다.
도 1의 실시예와 마찬가지로, 도 2의 실시예에서도 상기 방수막(40) 위로 지보용 숏크리트 층(20)이 타설되며, 필요한 경우 후속하여 마감층(30)이 타설될 수 있다. 상기 지보용 숏크리트 층(20)과 마감층(30)에 대한 내용은 도 1의 실시예와 동일하므로 반복 설명은 생략한다.
종래에는 터널 라이닝의 위치에 따른 기능을 무시한 채 일정한 배합비와 첨가재료를 가지는 숏크리트를 사용하였기 때문에 고가의 첨가재료, 급결제 등이 불필요하게 많이 사용되는 단점이 있었다.
그러나 위에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 구조적인 특성에 맞추어 기능과 성능을 달리하는 숏크리트를 다수 개의 층으로 적층한 형태로 터널 라이닝을 구성하고, 각각의 층의 기능과 성능에 맞추어 첨가재료의 종류와 함유량, 그리고 급결제의 첨가 여부 및 함유량을 조절하게 되므로, 적은 첨가재료와 급결제의 사용으로도 종래의 터널 라이닝의 성능을 발휘할 수 있게 되어 경제적인 시공이 가능하다.
특히, 지보용 숏크리트 층(20)에게 충분한 장기 강도 및 인성을 효과적으로 부여할 수 있으므로 별도의 지보용 콘크리트 라이닝을 생략할 수 있고 그만큼 공사비 및 공기를 절감할 수 있게 된다. 또한 효과적인 방수성능을 발휘할 수 있으므로, 지보용 숏크리트 층(20)이 지하수와 접촉하는 것을 방지할 수 있고, 그에 따라 내구수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.
Claims (10)
- 터널의 굴착면에 형성되는 숏크리트 터널 라이닝으로서,굴착면의 표면 탈락이나 붕락을 방지하도록 시멘트, 물 및 골재에 급결제를 함유하여, 설계에 의하여 정해지는 조기 강도를 발현하며 보강용 섬유는 포함하지 아니한 숏크리트로 이루어져 터널의 굴착면에 직접 뿜어져 부착되는 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)과,상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10) 위로 뿜어져 형성되며 장기 강도와 인성을 발현하여 영구지보재를 이루는 지보용 숏크리트 층(20)으로 이루어진 다층 구조를 가지고 있으며;상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)에 첨가되는 급결제의 첨가량은 시멘트 량의 6 내지 15%이고;상기 지보용 숏크리트 층(20)에는 장기 강도 및 인성 발현을 위하여 섬유가 첨가되어 보강되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝.
- 청구항 1에 있어서,상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)에는, 지보용 숏크리트 층(20)이 지하수와 접촉하는 것을 방지하기 위한 방수 기능을 가지도록 방수재가 더 첨가되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝.
- 청구항 1에 있어서,상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)과 상기 지보용 숏크리트 층(20) 사이에는 지보용 숏크리트 층(20)의 지하수 접촉을 방지하기 위한 방수막(40)이 더 형 성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝.
- 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,상기 지보용 숏크리트 층(20) 위로는 숏크리트 층의 보호와 미관을 위한 마감층(30)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝.
- 삭제
- 터널의 굴착면에 숏크리트를 분사하여 터널 라이닝을 시공하는 방법으로서,굴착면의 표면 탈락이나 붕락을 방지하도록 시멘트, 물 및 골재에 급결제를 함유하여 설계에 의하여 정해지는 조기 강도를 발현하며 보강용 섬유를 함유하지 아니한 숏크리트를 터널의 굴착면에 직접 뿜어 붙여 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)을 형성하는 단계; 및장기 강도와 인성을 발현하여 영구지보재를 이루는 숏크리트를 상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10) 위로 뿜어 붙여 지보용 숏크리트 층(20)을 형성하는 단계를 포함하며;상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)에 첨가되는 급결제의 첨가량은 시멘트 량의 6 내지 15%이고;상기 지보용 숏크리트 층(20)에는 장기 강도 및 인성 발현을 위하여 섬유가 첨가되어 보강되어 있는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝 시공방법.
- 청구항 6에 있어서,상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)에는, 지보용 숏크리트 층(20)이 지하수와 접촉하는 것을 방지하기 위한 방수 기능을 가지도록 방수재를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝 시공방법.
- 청구항 6에 있어서,상기 조기 강도 발현 숏크리트 층(10)과 상기 지보용 숏크리트 층(20) 사이에, 지보용 숏크리트 층(20)의 지하수 접촉을 방지하기 위한 방수막(40)을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝 시공방법.
- 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,상기 지보용 숏크리트 층(20) 위로, 숏크리트 층의 보호와 미관을 위한 마감 층(30)을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝 시공방법.
- 청구항 6 내지 청구항 8 중 어느 한 항에 있어서,상기 지보용 숏크리트 층(20)에, 장기 강도 및 인성 발현을 위하여 섬유를 더 첨가하는 것을 특징으로 하는 다층 합성단면구조의 숏크리트 터널 라이닝 시공방법.
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