KR100793945B1 - 선행침하량을 이용한 효율적인 터널굴착방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 터널 굴착 수단을 이용하여 터널을 굴착하면서 터널 막장의 원지반에 대해 기본 보강이 이루어지는 터널 굴착 방법에 있어서, 터널 막장면으로부터 일정거리 전방의 천장에 천장과 일정 각도로 구멍을 뚫어 그 구멍 안에 측정장치를 삽입하여 터널 막장 전방의 선행침하량을 측정하는 단계; 상기 선행침하가 기준이상으로 발생하는 위치를 선정하는 단계; 및 상기 선행침하가 기준이상으로 발생하는 선정된 위치에 추가 보강 또는 굴착 방식을 변경하는 단계를 포함하며, 상기에서 기준 변위량은 일정 구간 내의 각 지점에서 측정된 선행침하량들의 평균값으로 하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명에서는 안전적인 작업 및 전체 비용(공사비용, 유지비용 등)을 줄일 수 있다.
선행침하, 후행침하, 보강, 센서
Description
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 터널 막장 전방의 선행침하 측정을 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 선행침하 측정장치의 삽입상태에 따른 단면도이다.
도 3은 도 2의 하우징헤드의 부분 확대도이다.
도 4는 도 3의 A-A'의 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 선행침하 측정장치의 제거상태에 따른 단면도이다.
도 6은 도 5의 하우징헤드 부분 확대도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 선행침하량을 이용한 효율적인 터널굴착방법을 나타내는 순서도이다.
도 8a는 도 7의 터널 굴착방법을 설명하기 위한 도면으로, 터널 전체에 걸쳐 지질 구조, 지면 구조물 등이 동일하다는 가정하에서의 순수 터널 굴착으로 인해 발생되는 침하량(변위량)을 나타내는 도면이다.
도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 지질 구조, 지면 구조물 등이 실제로 적 용된 센서위치에 따른 선행 침하량(변위량)을 나타낸 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 선행침하 측정장치 11a, 11b, 11c : 측정부
12 : 연결부 13a, 13b : 와이어
14a, 14b, 14c : 와이어고정부 15a, 15b, 15c : 이동휠
16 : 이동휠가이드부 20 : 하우징헤드
21 : 하우징몸체 22 : 제 1와이어이동구
23 : 제 2와이어이동구 24 : 풀리
본 발명은 터널 굴착 방법에 관한 것으로, 하나의 터널을 굴착하는 과정에서 터널 막장 전방의 선행침하량을 측정하고, 측정된 선행침하량으로부터 추가보강(또는 굴착방식 변경) 지점을 체크하여 실시하는 선행침하량을 이용한 효율적인 터널굴착방법에 관한 것이다.
최근 사회 간접자본시설 확충을 위하여 터널이 활발하게 시공되고 있으며, 터널시공에 따라서 과거의 기술과 다른 많은 새로운 공법들에 의한 시공이 이루어지고 있다.
그러나 이러한 터널시공에는 어떠한 공법을 적용하든 여러 가지 불확실한 요소들이 많이 존재하게 되는데 그 중에서 지질적인 불확실성이 가장 중요한 문제 중의 하나라고 볼 수 있으며, 그 중에서도 터널굴착에 따른 막장전방지질의 연약한층(파쇄대 혹은 공동 외)의 존재 혹은 지반 자체의 문제로 터널의 붕락 및 붕괴와 같은 사고로 직면할 수 있다.
일반적으로, 터널을 굴진함에 있어 지반의 특성 등을 고려하여 취약한 부분을 보강한 후 시공하여야 한다. 터널을 굴착할 때, 지층의 구성상 시공되는 터널의 토피 고가 얕거나 단층 또는 절리로 인해 반드시 취약한 부분이 있게 마련이고, 그 취약 부분 때문에 안전성을 위해 그 주위 전체에 걸쳐 보강 작업을 실시하여야 한다.
그러나 실제 그 보강작업이 필요한 단면이 일부분으로 국부적인 경우가 많다. 그래서 그 부분의 보강이 이루어지기 전에 어느 부위가 가장 취약한지 미리 파악하고, 파악된 결과로부터 선별적으로 보강작업 등이 필요하다.
본 발명의 목적은 하나의 터널을 굴착하는 과정에서 터널 막장 전방의 선행침하량을 측정하고, 측정된 선행침하량으로부터 추가보강(또는 굴착방식 변경) 지점을 체크하여 실시하는 선행침하량을 이용한 효율적인 터널굴착방법을 제시하고자 한다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 터널 굴착 수단을 이용하여 터널을 굴착하면서 터널 막장의 원지반에 대해 기본 보강이 이루어지는 터널 굴착 방법에 있어서, 터널 막장면으로부터 일정거리 전방의 천장에 천장과 일정 각도로 구멍을 뚫어 그 구멍 안에 측정장치를 삽입하여 터널 막장 전방의 선행침하량을 측정하는 단계; 상기 선행침하가 기준이상으로 발생하는 위치를 선정하는 단계; 및 상기 선행침하가 기준이상으로 발생하는 선정된 위치에 추가 보강 또는 굴착 방식을 변경하는 단계를 포함하며, 상기에서 기준 변위량은 일정 구간 내의 각 지점에서 측정된 선행침하량들의 평균값으로 하는 것을 특징으로 한다.
상기 추가 보강은 록 볼트의 길이를 길게 하거나 수량을 늘리는 방법 또는 FRP 보강 그라우팅 방법 또는 상기 스틸리브 하단에 프리케스트 블록을 장착하는 방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 기술하기로 한다.
먼저, 본 발명에서는 도 1 내지 도 6을 참조하여 선행침하측정장치를 이용한 터널 막장 전방의 선행침하 측정을 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 터널 막장 전방의 선행침하 측정을 설명하기 위한 구성도이다.
도 1에 도시된 터널 막장전방 선행침하 측정 시스템은 터널 막장전방 선행침 하를 측정하기 위하여 터널 막장(400)으로부터 일정거리(20-25m 락볼트의 일반적인 천공심도 4m 감안) 전방의 천장(410)에 천장(410)과 일정 각도(약 10도, 천공기의 천공특성상)로 구멍을 뚫어 측정장치(10)를 삽입하게 된다. 이때, 측정장치(10)의 길이는 막장의 특성에 따라 다양하게 설정될 수 있으나, 일반적으로 수 미터(센서길이가 각 0.5m~3m 단위로 연결되어 있음)에 해당하는 길이를 갖고 있다. 측정장치(10)에는 데이터로거(200)와 메인단말기(300)가 연결되어 있다. 데이터로거(200)는 메인단말기(300)로 유무선 통신을 통해 제어신호를 전송받아 측정장치(10)로 침하정보 요청신호를 전송할 뿐만 아니라 측정장치(10)로부터 침하정보를 수신받아 메인단말기(300)로 전송한다.
이러한 선행침하측정장치(10)를 이하의 도 2 내지 도 6을 참고하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 선행침하 측정장치의 삽입상태에 따른 단면도이다.
도 2의 선행침하 측정장치(10)는 경사 센서가 탑재되어 있어 터널 막장전방의 선행침하를 측정하기 위한 측정부(11a, 11b, 11c), 막장 전방의 천장(410)에 뚫린 구멍으로 삽입되어 다수의 측정부(11a, 111b, 11c)를 연결하기 위한 연결부(12)와, 측정부(11a, 11b, 11c) 각각에 와이어고정부(14a, 14b, 14c)에 의해 고정된 와이어(13a)와, 각 측정부(11a, 11b, 11c)의 이동을 위한 이동휠(15a, 15b, 15c)을 포함한다. 또한, 이러한 측정장치(10)는 와이어(13a)와 반대편 와이어(13b)에 도르 레 작용을 하기 위한 풀리(24)와 풀리(24)를 감싸고 있는 하우징헤드(20)와 와이어(13a)를 이동시키기 위한 제 1와이어이동구(22)와 또 다른 반대편 와이어(13b)를 이동시키기 위한 제 2와이어이동구(23)를 포함한다. 그리고 측정장치(10)는 하우징헤드(20)와 체결되도록 하며 측정부(11a, 11b, 11c)와 와이어(13a)를 내부에 구성하는 하우징몸체(21)로 구성된다. 여기서 와이어(13b)는 하우징몸체(21)내부에 구성되지 않으며 하우징헤드(20)의 일측에 제 2와이어이동구(23)를 통해 이동하도록 형성된다. 와이어(13a)의 일부는 측정부(11a, 11b, 11c)에 고정되어 측정부(11a, 11b, 11c)가 이동하도록 연결되며 풀리(24)를 지난 와이어(13b)는 제2와이어이동구(23)를 통해 외부로 노출되어 있다. 여기서 와이어(13a, 13b)는 연결된 하나의 와이어임이 자명하지만, 설명의 편의상 풀리(24)를 기준으로 제 1와이어이동구(22)쪽에 노출된 와이어를 13a로 설명하고 제 2와이어이동구(23)쪽에 노출된 와이어를 13b로 설명한다. 여기서 와이어(13a)는 노출되어도 하우징몸체(21)에 의해 보호되며, 와이어(13b)는 외부로 노출되면 땅과 접촉되기 때문에 이를 방지하기 위해 외부에 와이어(13b)를 감싸고 있는 파이프의 내부에 위치시킨다.
작업자는 측정부(11a, 11b, 11c)의 삽입 또는 제거에 따라 참조부호 13a의 와이어와 참조부호 13b의 와이어를 선택적으로 당김으로써 측정부(11a, 11b, 11c)를 막장의 전방에 천장 상부로 용이하게 설치하거나 제거할 수 있다.
도 2의 측정장치(10)는 하우징헤드(20)의 내부에 마련된 풀리(24)에 의해 도르레 작용을 하는 와이어(13a, 13b)중의 하나를 당김에 의해 측정부(11a, 11b, 11c)가 삽입되거나 제거되는 구성이다. 즉, 터널 막장으로부터 일정거리 전방의 천장에 천장과 일정각도로 구멍을 뚫어 측정장치(10)를 삽입할 때, 와이어(13a, 13b)가 풀리(24)에 의해 연결된 하우징헤드(20)와 하우징몸체(21)를 먼저 삽입하고, 작업자는 와이어(13b)의 줄을 실선화살표(와이어 이동방향)로 당기면 도 2에 도시된 바대로 와이어(13a)에 의해 고정된 측정부(11a, 11b, 11c)가 줄줄이 당겨져 삽입되도록 구성된다. 이때 도 2에 점선화살표(측정부이동방향)와 같이 측정부가 11c, 11b, 11a 순으로 밀려 들어와 순서대로 삽입된다.
이러한 측정부(11c)의 삽입상태를 도 3의 부분 확대도를 참고로 좀 더 상세히 살펴본다.
도 3은 도 2의 하우징헤드의 부분 확대도이다.
도 3을 참고하면, 측정장치(10)는 하우징헤드(20)와 측정부(11c)만을 도시하였으며 측정부(11c)가 하우징헤드(20)쪽으로 이동하는 상태를 보여준다. 작업자가 와이어(13b)를 실선화살표(와이어이동방향)로 당기면 측정부(11c)는 당긴 만큼씩 이동(점선표시)하여 점선화살표 방향으로 측정부(11c)가 삽입된다. 이러한 측정부(11c)가 와이어(13a, 13b)에 의해 이동하는 과정을 도 4를 통해 상세히 설명한다.
도 4는 도 3의 A-A'의 단면도이다.
도 4를 참고하면, 측정부(11c)의 상하로 이동휠(15c)을 구비하고 이동휠(15c)은 상하대칭과 좌우대칭 중의 어느 하나의 이동휠가이드부(16)에 의해 가이드되도록 구성된다. 이동휠가이드부(16)는 하우징몸체(21)의 내부로 마주보는 면에 상호 대칭되도록 상하대칭과 좌우대칭의 홈형태로 구성된다. 이동휠(15c)을 고 정하고 있는 측정부(11c)는 와이어(13a)가 이동과 함께 이동휠가이드부(16)를 따라 가이드되면서 이동한다. 여기서, 복수개의 측정부가 한꺼번에 이동하더라도 이동휠가이드부(16)를 따라 이동하므로 뒤틀어짐 없이 순서대로 삽입 및 제거가 가능함은 자명하다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 선행침하 측정장치의 제거상태에 따른 단면도이다.
도 5는 도 2에서 설명한 측정장치(10)가 삽입된 상태에서 제거를 위해 이동한 상태를 보여준다. 작업자는 삽입된 측정장치(10)를 제거하기 위해서 와이어(13a)의 줄을 실선화살표(와이어이동방향)로 당기면 도 5에 도시된바 대로 와이어(13a)에 의해 고정된 측정부(11a, 11b, 11c)가 줄줄이 당겨져 제거되도록 구성된다. 이때 도 5에 점선화살표(측정부이동방향)와 같이 측정부가 11a, 11b, 11c 순으로 밀려 나오면서 제거된다. 도 5의 참조부호 중 도 2와 동일 참조부호에 대해서는 동일기능을 수행하므로 상세한 설명은 생략한다.
이러한 측정부(11c)의 제거상태를 도 6의 부분 확대도를 참고로 좀 더 상세히 살펴본다.
도 6은 도 5의 하우징헤드의 부분 확대도이다.
도 6을 참고하면, 측정장치(10)는 하우징헤드(20)와 측정부(11c)만을 도시하였으며 측정부(11c)가 하우징헤드(20)의 반대쪽으로 이동하는 상태를 보여준다. 작업자가 와이어(13a)를 실선화살표(와이어이동방향)로 당기면 측정부(11c)는 당긴 만큼씩 이동(점선표시)하여 점선화살표방향으로 측정부(11c)가 제거된다. 이러한 측정부(11c)가 와이어(13a, 13b)에 의해 이동하는 과정은 전술한 도 4와 같다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 선행침하량을 이용한 효율적인 터널굴착방법을 나타내는 순서도이다.
도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 선행침하량을 이용한 효율적인 터널굴착방법을 설명하면, 하나의 터널을 굴착하는(S101) 과정에서 앞에서 설명한 선행침하측정장치를 이용하여 터널 막장 전방의 선행침하량을 측정한다.(S102)
그리고 나서, 단계 102에서 측정된 선행침하량이 기준이상으로 발생하는 위치를 선정한다.(S103) 상기 위치 선정에 대한 상세한 설명은 도 8b 설명부분을 참조하기로 한다.
단계 103에서 선행침하량이 기준이상으로 발생하는 위치에는 기본보강 실시 및 추가 보강 실시/ 굴착 방식을 변경한다. 물론 단계 103에서 선행침하량이 기준미만으로 발생하는 위치에는 기본보강만 실시한다.(S104) 즉, 선행침하량 정도와는 무관하게 기본 보강은 이루어지고, 선행침하량이 심하게 발생한 위치에 대해서는 추가 보강을 실시하거나 앞으로의 터널 굴착 방식을 변경한다.
단계 104에서 언급된 기본 보강 및 추가 보강에 대해 살펴보기로 한다.
먼저, 기본 보강에는, 1)붕락 방지를 위해 막장면을 포함한 타설된 굴착면 전 영역에 강섬유를 포함한 보강 쇼크리트를 타설하고, 2)터널의 구조적 안정성을 확보하기 위해 강관다단 그라우팅(grouting)을 실시하며, 3)에이치빔(H Beam)이나 격자지보를 아치형태로 구부려 스틸리브(steel lib)를 굴착면의 원주방향에 따라 설치하고, 4)보강 쇼크리트가 타설된 굴착면에 록 볼트(rock bolt)를 굴착면에 수직 방향으로 설치하는 등이 있다.
또한, 추가보강으로는, 1)상기 록 볼트의 길이를 길게 하거나 수량을 늘리는 방법, 2) FRP 보강 그라우팅 방법, 3)상기 스틸리브(steel lib) 하단에 프리케스트 블록을 장착하는 방법 등이 있다.
본 발명에서는 앞에서도 언급한 바와 같이 선행침하량이 심하게 발생한 위치에 대해서는 추가 보강을 실시할 수도 있고 지금까지 굴착해 왔던 굴착 방식을 변경할 수도 있다.
변경 굴착 방식으로는, 1)굴착 공법을 변경하는 방법, 2)보조 공법에 사용되는 재료량을 늘리는 방법, 3) 굴진시 이격거리를 줄이는 방법 등이 있다.
상기 굴착 공법으로는, 그 일례로 1) 터널을 상부와 하부로 나누었을 때, 터널 상부만 전체에 걸쳐 굴착 및 보강한 후 터널 하부를 굴착하는 공법, 2)터널을 상부와 하부로 나누었을 때, 터널 상부 중 일부만 굴착 및 보강을 한 후 터널 하부를 굴착하는 공법, 3) 터널을 여러 부분으로 나누어 굴착하는 공법 등이 있다.
도 8a는 도 7의 터널 굴착면 보강방법을 설명하기 위한 도면으로, 터널 전체에 걸쳐 지질 구조, 지면 구조물 등이 동일하다는 가정하에서의 순수 터널 굴착으로 인해 발생되는 침하량(변위량)을 나타내는 도면이다.
도 8a를 참조하면, 단계 101인 굴착 작업을 통해 막장면이 C지점과 D지점 사이에 위치한 지점까지 터널 굴착작업이 이루어졌다고 가정하자.
또한, 터널 막장면에서 A 방향으로 터널을 굴착한다고 가정하면 선행침하량 측정대상은 막장면에서 A 지점까지이고, 후행침하량 측정대상은 F 지점에서 막장면까지이다. 이러한 상태에서 굴착이 더 진행되어 막장면이 C지점과 D 지점 사이가 되면 좀 전에 선행침하량이 측정되었던 C 지점은 후행침하량 측정대상이 된다.
도 8a에서 아래에 있는 그래프는 앞에서도 언급한 바와 같이, 터널 전체에 걸쳐 지질 구조, 지면 구조물 등이 동일하다는 가정하에서의 순수 터널 굴착으로 인해 발생되는 침하량(변위량)을 나타낸 것이다. 보다 상세히 설명하면 막장면이 C지점과 D지점 사이이므로 선행침하 대상지점(A, B, C) 중에서 침하량이 가장 심한 곳은 막장면과 가장 가까운 지점인 C 지점이 되고, 후행침하 대상지점(F, E, D) 중에서 침하량이 가장 심한 곳은 막장면과 가장 먼 지점인 F 지점이 된다.
도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 지질 구조, 지면 구조물 등이 실제로 적용된 센서위치에 따른 선행 침하량(변위량)을 나타낸 것으로, F 지점 이전의 위치에서 선행침하량 측정장치를 이용하여 측정한 값들이다.
본 발명에서는 기준 변위량을 일정 구간 내의 각 지점에서 측정된 선행침하량들의 평균값으로 하는 것이 바람직하다.
즉, 도면을 참조하면, A 지점의 변위량은 -18mm, B 지점의 변위량은 -37mm, C 지점의 변위량은 -28mm, D 지점의 변위량은 -18mm, E 지점의 변위량은 -20mm, F 지점의 변위량은 -23mm이므로 평균변위량은 24mm로, 이 평균변위량을 기준 변위량으로 하였다.
도면에서, 기준 변위량인 -24mm를 기준으로 그 아래(-)에 위치한 지점, 즉 C 지점과 B 지점은 기본 보강과 아울러 추가 보강/굴착방식 변경이 이루어진다.
또한, 기준변위량인 -24mm를 기준으로 그 위(+)에 위치한 지점, 즉 F, E, D, A 지점은 기본 보강만 하여도 무방하다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
상기와 같이, 본 발명에서는 하나의 터널을 굴착하는 과정에서 터널 막장 전방의 선행침하량을 측정하고, 측정된 선행침하량으로부터 추가보강(또는 굴착방식 변경) 지점을 체크하여 실시함으로써 안전적인 작업 및 전체 비용(공사비용, 유지비용 등)을 줄일 수 있다.
Claims (5)
- 터널 굴착 수단을 이용하여 터널을 굴착하면서 터널 막장의 원지반에 대해 기본 보강이 이루어지는 터널 굴착 방법에 있어서,터널 막장면으로부터 일정거리 전방의 천장에 천장과 일정 각도로 구멍을 뚫어 그 구멍 안에 측정장치를 삽입하여 터널 막장 전방의 선행침하량을 측정하는 단계;상기 선행침하가 기준 변위량 이상으로 발생하는 위치를 선정하는 단계; 및상기 선행침하가 기준 변위량 이상으로 발생하는 선정된 위치에 추가 보강 또는 굴착 방식을 변경하는 단계를 포함하며,상기에서 기준 변위량은 일정 구간 내의 각 지점에서 측정된 선행침하량들의 평균값으로 하는 것을 특징으로 하는 선행침하량을 이용한 효율적인 터널굴착방법.
- 제 1항에 있어서,상기 기본 보강은 막장면을 포함한 타설된 굴착면 전 영역에 강섬유를 포함한 보강 쇼크리트를 타설하는 방법 또는 터널의 구조적 안정성을 확보하기 위해 강관다단 그라우팅을 실시하는 방법 또는 에이치빔이나 격자지보를 아치형태로 구부려 스틸리브를 굴착면의 원주방향에 따라 설치하는 방법 또는 보강 쇼크리트가 타설된 굴착면에 록 볼트를 굴착면에 수직 방향으로 설치하는 방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 선행침하량을 이용한 효율적인 터널굴착방법.
- 제 1항에 있어서,상기 추가 보강은 록 볼트의 길이를 길게 하거나 수량을 늘리는 방법 또는 FRP 보강 그라우팅 방법 또는 상기 스틸리브 하단에 프리케스트 블록을 장착하는 방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 선행침하량을 이용한 효율적인 터널굴착방법.
- 제 1항에 있어서,상기 굴착 방식 변경은 굴착 공법을 변경하는 방법 또는 보조 공법에 사용되는 재료량을 늘리는 방법 또는 굴진시 이격거리를 줄이는 방법 중 적어도 하나의 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 선행침하량을 이용한 효율적인 터널굴착방법.
- 제 4항에 있어서,상기 굴착 공법은 터널을 상부와 하부로 나누었을 때, 터널 상부만 전체에 걸쳐 굴착 및 보강한 후 터널 하부를 굴착하는 공법 또는 터널을 상부와 하부로 나누었을 때, 터널 상부 중 일부만 굴착 및 보강을 한 후 터널 하부를 굴착하는 공법 또는 터널을 여러 부분으로 나누어 굴착하는 공법 중 하나를 이용하는 것을 특징으로 하는 선행침하량을 이용한 효율적인 터널굴착방법.
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| KR1020070036607A KR100793945B1 (ko) | 2007-04-13 | 2007-04-13 | 선행침하량을 이용한 효율적인 터널굴착방법 |
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| WO2018101790A1 (ko) * | 2016-12-01 | 2018-06-07 | 안석 | 암반 tbm 터널의 단층파쇄구간 보강방법 |
| CN110906903A (zh) * | 2019-12-13 | 2020-03-24 | 山东科技大学 | 一种快速获得综采工作面顶板下沉量的方法 |
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| KR100457244B1 (ko) | 2002-04-11 | 2004-11-16 | 에스케이건설 주식회사 | 터널 막장 전방의 이상지반 예측방법 |
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