KR100805189B1

KR100805189B1 - 벽체 구축과 굴착을 병행하는 지하구조물 축조방법

Info

Publication number: KR100805189B1
Application number: KR1020060087732A
Authority: KR
Inventors: 김영호; 유성근; 전호탁; 윤기철; 이재웅
Original assignee: 신일씨엔아이(주)
Priority date: 2006-09-12
Filing date: 2006-09-12
Publication date: 2008-02-21

Abstract

본 발명은 지하구조물 축조방법에 관한 것으로, 압입수단을 이용하여 갤러리관(110a,1110b)을 시공예정 지하구조물의 루프 좌우단에서 지하구조물의 길이방향으로 순차적으로 압입하면서 내부 토사를 제거하는 갤러리관 압입 공정과; 상기 갤러리관(110a,110b) 중 일측 갤러리관에서 타측 갤러리관으로 일렬로 다수개의 슬라브관(120)을 압입하면서 내부 토사를 제거한 후 콘크리트를 충전하는 슬라브관 압입 및 콘크리트 충전 공정과; 상기 갤러리관(110a,110b)에서 하향으로 소정 간격으로 지하구조물의 벽체 골조를 이루는 파일(144)을 설치하는 벽체 골조 설치 공정과; 상기 갤러리관(110a,110b)에 철근을 배근하고 콘크리트(112)를 충전하는 갤러리관 콘크리트 충전 공정과; 상기 갤러리관(110a,110b)과 벽체 골조로 구성된 구조물의 내부 토사(160)를 제거해 나가면서 동시에 상기 벽체 골조를 이루는 파일(144) 사이에 토류판(145)을 삽입하고 철근을 배근한 후 거푸집을 대어 콘크리트를 타설하는 내부 굴착 및 지하구조물 벽체 구축 공정과; 내부 굴착작업이 완료된 후 지하구조물의 바닥을 구성하는 바닥 슬래브 콘크리트(150)를 타설하는 공정을 포함하며, 여기서, 상기 슬라브관 압입 및 콘크리트 충전 공정은 슬라브관(120) 내부에 쉬스관을 매설하고 콘크리트를 충전하고 양생 후 PS강선이나 강봉(126)을 긴장시키는 것을 특징으로 한다.

지하구조물, 터널, 갤러리관, 슬라브관, 벽체, H파일

Description

벽체 구축과 굴착을 병행하는 지하구조물 축조방법{Construction method of underground structure characterized by going side by side wall construction and excavation}

도 1은 본 발명에 따른 지하구조물 축조방법에 있어서 작업구를 설치하고 갤러리관을 압입하는 공정을 보여주는 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 지하구조물 축조방법에 있어서 슬라브관 압입 공정을 보여주는 도면이다.

도 3a, 3b는 본 발명에 따른 지하구조물 축조방법에 있어서 슬라브관에 콘크리트를 충전하는 공정을 보여주는 도면이다.

도 4a, 4b는 본 발명에 따른 지하구조물 축조방법에 있어서 벽체 골조를 구성하는 파일을 설치하는 공정을 보여주는 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 지하구조물 축조방법에 있어서 갤러리관에 콘크리트를 충전한 후 갤러리관과 벽체의 양측단부를 연결하여 강성골조를 구축하는 공정을 보여주는 도면이다.

도 6a, 6b는 본 발명에 따른 지하구조물 축조방법에 있어서 내부 굴착과 병행하여 벽체 콘크리트를 타설하는 공정을 보여주는 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 지하구조물 축조방법에 있어서 바닥 콘크리트 타설 공정을 보여주는 단면도이다.

도 8 내지 도 13은 종래 지하구조물 축조방법을 순서대로 나타낸 단면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

110a, 110b : 갤러리관

120 : 슬라브관

130 : 가이드벽체

140 : 벽체

144 : 파일

145 : 토류판

148 : 피에스강선 또는 강봉

150 : 바닥 콘크리트

본 발명은 지하구조물 축조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 강관을 압입하여 지하에 거대한 루프(Concrete filled Tube Roof)를 형성하고 강관의 내부에서 수직으로 벽체 형성용 공간을 굴착한 후 콘크리트를 타설하여 벽체를 구축한 다음 강관과 콘크리트 벽체 사이의 내부 토사를 굴착함으로써 터널 등 지하구조물을 축조하는 방법에 있어서 벽체의 구축과 동시에 토사 굴착을 병행하는 지하구조물 축조방법에 관한 것이다.

지하상가, 지하철 및 지하철 역사, 지하주차장, 지하차도, 지하통신구, 터널, 지하도수로 등의 지하구조물을 축조하기 위해 기존에 가장 많이 사용해 온 방법은 개착식(Open Cut) 공법이나 이는 지상교통의 흐름을 방해하고 공사소음 및 주변의 침하로 인한 민원발생 등의 문제점을 야기시켜 왔다.

이에 대한 대안으로 국내에서는 외국의 프론트 잭킹(Front Jacking)이나 파이프 루프(Pipe Roof) 공법과 같은 비개착식 공법이 도입되어 사용되어 오고 있다.

프론트 잭킹 공법은 발진기지를 지상에 설치하고 횡단 구조물을 형성할 때에는 그 적용성이 우수하나 도로 레벨보다 낮은 즉, 지하공간에서 발진하는 형식의 횡단 지하구조물을 축조할 경우에는 효율성이 매우 떨어진다.

파이프 루프 공법은 강관을 박아 토류판과 같이 면을 형성하고 여기에 지주나 스트럿트를 설치하여 토압이나 상재하중을 지지하고 내부에 구조물은 기존 공법과 같이 축조하는 방법이나 침하 안정성 및 시공성이 떨어지는 단점이 있다. 특히 도심지 내에서 횡단 지하차도나 철도 구조물을 축조할 경우와 지하철과 같이 심도가 대략 10m 이하에서 형성되는 철도 지하구조물의 경우 많은 작업 공정을 효과적으로 적용하기가 열악하고 불안정하기 때문에 그 적용성이 매우 비효율적이다.

따라서 위의 공법들은 대도시 중심부에서 주변 환경과 지질조건이 까다롭고 대규모의 작업기지를 확보할 수 없는 도심지에서는 사용에 제약이 따를 뿐만 아니라 전술한 사항을 극복하기 위해서는 공사비용이 높아져 경제적으로도 부담이 되어 왔던 것이 사실이다.

그래서 본 출원인의 특허인 대한민국 특허 제322844호가 제안되었다.

도 8 내지 도 13은 특허 제322844호에 의한 지하구조물의 시공단계를 나타낸 단면도로서, 시공순서는 도 8에 도시된 바와 같이 갤러리관(110a)(110b) 2개를 지하구조물의 진행방향으로 나란히 압입하면서 내부 토사를 제거한 후, 도 9에 도시된 바와 같이 갤러리관(110a)(110b) 내부에서 갤러리관(110a)(110b)을 서로 연결하도록 다수의 슬라브관(120)들을 연이어 압입하면서 내부 토사를 제거한 후 도 10에 도시된 바와 같이 콘크리트를 충전한 다음, 도 11에 도시된 바와 같이 갤러리관(110a)(110b)의 하부로 수직하게 굴착하고 콘크리트를 타설하여 벽체(140)를 형성한 다음, 도 12에 도시된 바와 같이 갤러리관(110a)(110b) 내부에 콘크리트를 타설하여 벽체와 갤러리관(110a)(110b)을 연결하고 충전강관루프와 벽체로 형성된 공간 내부를 굴착(160)한 후, 도 13에 도시된 바와 같이 바닥 콘크리트(150)를 타설함으로써 지하구조물의 축조가 완료된다.

상기 특허는 충전강관 루프와 콘크리트 벽체를 이용한 지하구조물 축조공법으로 변화가 심한 국내 토질에 다목적으로 대응할 수 있으며 무진동, 무소음으로 주변환경을 변화시키지 않고 필요한 지하공간을 축조할 수 있으며 공기단축 및 안정성이 우수하고 경제적인 지하구조물 축조공법이라는 장점을 가지고 있다.

그러나 상기 특허의 경우 지하구조물의 수평부재인 충전강관 루프와 수직부재인 콘크리트 벽체를 선시공한 후 터널 내부를 굴착하는 공법으로서, 도 11에 도시된 바와 같이 수직부재인 벽체 콘크리트 타설을 위해 수직 하향으로 트렌치 굴착작업이 선행해야 한다.

이 트렌치 굴착작업은 철근 콘크리트 벽체를 지중에서 형성하기 위한 굴착작업으로 구조체의 높이와 두께가 작업공간을 나타내게 되는데, 통상 벽체 두께는 800-1100mm이고 높이는 6-8m 정도이다. 따라서 지중에서 800-1100mm 폭 내에서의 트렌치 굴착작업은 어려울 뿐만 아니라 많은 시간이 소요됨으로써 공사비 증가 및 공기지연의 원인이 되었다.

또한 연약지반에서 특히 대상 횡단구간 지반 내에 유입수가 많을 경우 작업성이 떨어지는 문제점이 있었다.

또한 지하구조물을 지지하는 지반이 연약지반일 경우 상재하중을 지지하기 위한 벽체에 작용하는 집중하중이 하부 지지지반의 지내력 부족으로 인해 충분한 지지효과를 기대할 수 없기 때문에 마찰말뚝과 같은 주변 지반과의 마찰정수와 마찰면적의 곱으로 지지력을 확보할 수 있도록 벽체의 깊이 즉, 벽체의 하단부가 바닥 슬래브 보다 깊은 곳에 위치하도록 증가시켜야만 하는 문제점 뿐만아니라, 종래에는 도 11에 나타낸 것처럼 벽체 형성용 공간을 좁은 폭으로 6-8m 정도의 높이로 굴착한 후 콘크리트를 타설하여 벽체를 구축하는 방법을 사용함으로써 좁은 공간 내에서 굴착, 철근 배근 및 콘크리트 타설을 해야 하므로 작업이 곤란하고 비경제적이며 시공성이 떨어지는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 종래 특허를 개량한 것으로, 충전강관 루프와 콘크리트벽체를 이용한 지하구조물 축조방법에 있어서 벽체의 구축과 동시에 내부 굴착을 병행함으로써 공사비 절감과 함께 공사기간의 단축을 기대할 수 있는 지하구조물 축 조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한 본 발명의 목적은 연약지반에서 특히 대상 횡단구간 지반 내에 유입수가 많을 경우 지하수위를 낮춰서 작업의 효율성과 공사 시공성의 향상을 기대할 수 있는 지하구조물 축조방법을 제공하는 데 있다.

또한 본 발명의 목적은 종래 연약지반에서 지중에 루프 시스템과 수직 벽체를 형성한 후 터널 굴착을 할 경우 수직 벽체에 작용하는 토압에 의해 하단부에 수평력과 휨모멘트가 발생하여 벽체가 캔틸레보 보와 같이 거동하여 벽체의 하단부가 터널 굴착면 안쪽 방향으로 휘어지는 문제를 해결할 수 있는 지하구조물 축조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 그 밖의 목적, 특정한 장점 및 신규한 특징들은 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예로부터 더욱 분명해질 것이다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위해 지하구조물의 루프를 구성하는 강관의 압입을 완료한 후, 벽체 구축과 내부 굴착 작업을 병행하여 지하구조물을 축조하는 방법을 제공한다. 이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세히 설명한다.

갤러리관 압입

먼저 지하구조물의 루프를 구성하는 갤러리관을 압입하기 위한 준비단계로서 지표에서 수직으로 지하구조물의 시공위치까지 수직갱을 굴착하여 작업구를 형성시킨다.

이렇게 형성된 작업구는 강관을 압입하기 위한 발진기지로 사용되며, 지하구조물의 길이가 길어지면 발진기지를 중앙부에 설치하여 양방향으로 강관을 압입할 수 있으며, 작업구간 내 일정 간격마다 여러 개소의 중간 발진기지를 설치하여 장연장의 지하구조물도 시공할 수 있다.

작업구의 시공이 완료되면 도 1에 도시된 바와 같이 강관 추진 작업시 반력에 견딜 수 있도록 반력벽(2)을 설치한 후 강관 추진을 위한 유압 잭(3)과 같은 압입수단을 설치하고 압입수단을 이용하여 갤러리관(110a,110b)을 시공예정 지하구조물의 루프 좌우단에서 지하구조물의 길이방향으로 순차적으로 압입하면서 내부 토사를 제거한다.

슬라브관 압입 및 콘크리트 충전

갤러리관(110a,110b)의 압입이 완료되면, 도 2에 도시된 바와 같이, 갤러리관(110a,110b) 중 일측 갤러리관에서 타측 갤러리관으로 다수개의 슬라브관(120)을 병렬로 압입하면서 내부 토사를 제거한 후 콘크리트를 충전한다.

이때, 도 3a에 나타낸 것처럼 철근(122)을 배근하고 콘크리트(124)를 충전할 수 있으며, 도 3b에 나타낸 것처럼 철근을 배근하지 않고 슬라브관(120) 내부에 쉬스관을 매설하고 콘크리트(124)를 충전하여 양생시킨 후 PS강선이나 강봉(126)을 긴장시켜 슬라브관(120)에 프리스트레스를 도입함으로써 슬라브관(120)의 휨모멘트 저항 효과를 증대시킬 수도 있다. 이에 따라 슬라브관(120)의 경간장이 클 경우이거나 축조 대상구조물의 중앙부에 기둥이 배치한 경우(즉, 슬라브관(120) 중앙 하부에 기둥을 설치한 경우), 슬라브관 내부에 설치한 PS강선을 긴장시켜 슬라브 관(120)에 발생하는 휨모멘트를 저감시킬 수 있을 뿐만아니라 슬라브관 단면의 저항능력을 상승시킴으로써 슬라브관 하부의 기둥을 설치할 필요가 없게 된다.

벽체 골조 구축

도 4a, 4b에 도시된 바와 같이 벽체를 구축하기 위한 선행작업으로 먼저 갤러리관(110a,100b)에서 하부로 벽체의 골조를 이루는 파일(144)을 소정 간격으로 설치한다.

파일(144)의 설치방법은 도 5a에 도시된 바와 같이 갤러리관(110a,110b)의 내부에서 먼저 파일이 삽입될 위치에 오거 드릴(142)을 이용하여 하부로 수직홀을 굴착한 후 파일을 삽입하는 방법과, 갤러리관(110a,110b)의 내부에 유압식 또는 공압식 항타장비를 설치한 후 파일(144)을 항타 매입하는 하는 방법을 지반조건에 따라 선택적으로 사용할 수 있다.

이때, 파일(144)은 H형강 파일과 강관파일이 선택적으로 사용될 수 있으며, 중대구경의 강관파일을 이용할 경우 강관파일 설치 후 내부 토사를 인력 또는 기계를 이용하여 제거함으로써 강관파일을 집수정으로 이용할 수 있고 그에 따라 연약지반에서 특히 대상 횡단구간 지반 내에 유입수가 많을 때 지하수위를 낮춰 작업의 효율성과 공사 시공성의 향상을 효과적으로 기대할 수 있다.

또한, 지하구조물을 지지하는 지반이 연약지반일 경우 상재하중을 지지하기 위한 벽체에 작용하는 집중하중이 하부 지지지반의 지내력 부족으로 인해 충분한 지지효과를 기대할 수 없기 때문에 마찰말뚝과 같은 주변 지반과의 마찰정수와 마찰면적의 곱으로 지지력을 확보할 수 있도록 벽체의 깊이를 증가시켜야만 하고, 또 한 종래 연약지반에서 지중에 루프 시스템과 철근 콘크리트 벽체를 형성한 후 터널굴착을 할 경우 수직벽체는 수평토압과 수압 등을 저항하고 있으나 상부 루프시스템과 연결되어 있으므로 벽체 상부는 고정점이나 하부는 자유단과 같은 힌지점 거동을 할 수 있으므로 작용하는 토압이나 수압에 의한 횡하중에 의해 내부굴착에 따라 벽체가 캔틸레버 보 거동을 나타내어 벽체 하단부가 굴착면 방향으로 휘어지는 문제가 나타나고 이를 해결하기 위해 터널 하부 바닥면보다 깊게 수직벽체를 시공하거나 벽체 내부에 스트럿트를 배치하여 휘어지는 현상을 억제하기 위한 가설재를 배치하게 되는데, 본 발명에서는 파일을 설치함으로써 경제적이고 간편하게 대응할 수 있게 된다.

한편, 벽체 골조 형성시 갤러리관(110a,110b)의 하부 양측에 가이드 벽체(Guide Wall)(130)를 설치하는 것이 바람직하다. 이 가이드 벽체(130)는 파일 설치 작업을 위한 공간을 확보하고 갤러리관(110a,110b)과 슬라브관(120)의 상부에 재하되는 상재하중을 원활하게 지반에 전달시키기 위한 안전 보호장치로서의 역할을 하게 된다.

설치방법은 상부 갤러리관(110a,110b)의 하부를 절단한 후 벽체 골조 설치를 위한 작업성을 확보할 수 있도록 소정 깊이로 굴착한 후 굴착면에서 그라우팅 주입관을 배치하고 형틀 기능과 구조적 보강 기능을 갖는 피씨판을 겹쳐서 설치하고 굴착면과 피시판 사이에 그라우팅함으로써 설치가 완료된다.

갤러리관 콘크리트 충전

벽체 골조가 구축된 후 내부 굴착을 진행하기 전에 도 5에 도시된 바와 같이 갤러리관(110a,110b) 내부에 철근을 배근하고 콘크리트를 충전함으로써 벽체 골조와 슬라브관(120)을 강체로 연결시킨다.

한편, 상술한 슬라브관(120)과 마찬가지로 철근을 배근하지 않고 갤러리관 (110a,110b)내부에 쉬스관을 매설하고 PS강선이나 강봉을 긴장시킨 후 콘크리트를 충전하여 갤러리관(110a,110b)에 프리스트레스를 도입함으로써 갤러리관(110a,110b)의 휨모멘트 저항 효과를 증대시킬 수 있다.

내부 굴착 및 벽체 콘크리트 타설 병행

도 6a에 도시된 바와 같이 벽체 콘크리트를 타설하는 것과 동시에 내부 굴착(160)을 병행한다. 즉, 굴착이 완료된 구간에는 인접하는 파일(144) 사이에 토류판(145)을 설치한 다음 철근을 배근하고 거푸집을 대어 콘크리트를 타설함으로써 지하구조물의 벽체를 구축해 나감으로써 내부 굴착과 동시에 벽체 구축을 완료한다.

이때, 벽체의 양측 단부에 먼저 콘크리트(146)를 타설, 양생한 후 내부 굴착을 진행함으로써(즉, 충전강관 루프와 벽체를 강성골조로 구축한 후) 시공 안전성을 확보하는 것이 바람직하다.

한편, 내부 굴착 공간의 경간이 클 경우에는 단부 모멘트에 의해 벽체 상부에 휨모멘트가 크게 발생하므로 이를 억제하기 위해 도 6b에 도시된 것처럼 락볼트나 어스앵커(148)를 설치하여 벽체 골조 상부에 발생하는 모멘트를 저감시킨다.

바닥 슬래브 콘크리트 타설

마지막으로 양쪽 벽체를 서로 연결하는 바닥 슬래브 콘크리트(150)를 타설함 으로써 지하구조물의 구축을 완료하게 된다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 종래 시간이 많이 걸리고 비용이 많이 소요되던 벽체 콘크리트 타설을 위한 트렌치 굴착 작업을 배제하고 내부 굴착과 병행하여 진행함으로서 공사기간과 공사비를 현저히 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 연약지반에서 특히 대상 횡단구간 지반 내에 유입수가 많을 경우 지하수위를 낮춰서 작업의 효율성과 공사 시공성의 향상을 기대할 수 있다.

또한 벽체 하단부가 수평력과 휨모멘트에 의해 휘어지는 문제를 해결하고, 수직 벽체 크기를 본 구조물 크기와 동일하게 형성하기 때문에 경제성이나 시공성 측면에서 활용성을 기대할 수 있다.

또한 슬래브관의 경간이 크고 수직벽체의 높이가 클 경우 슬래브관 단부와 수직벽체의 상부에 커다란 부모멘트가 발생되므로 앵커시스템을 활용하여 발생모멘트를 완화하면서 내부굴착 및 지하벽체를 구축할 수 있다.

비록 본 발명이 상기에서 언급한 바람직한 실시 예와 관련하여 설명되어졌지만 본 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형이 가능하다. 따라서 특허청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 어떠한 수정이나 변형도 포함할 것이다.

Claims

압입수단을 이용하여 갤러리관(110a,1110b)을 시공예정 지하구조물의 루프 좌우단에서 지하구조물의 길이방향으로 순차적으로 압입하면서 내부 토사를 제거하는 갤러리관 압입 공정과;

상기 갤러리관(110a,110b) 중 일측 갤러리관에서 타측 갤러리관으로 일렬로 다수개의 슬라브관(120)을 압입하면서 내부 토사를 제거한 후 콘크리트를 충전하는 슬라브관 압입 및 콘크리트 충전 공정과;

상기 갤러리관(110a,110b)에서 하향으로 소정 간격으로 지하구조물의 벽체 골조를 이루는 파일(144)을 설치하는 벽체 골조 설치 공정과;

상기 갤러리관(110a,110b)에 철근을 배근하고 콘크리트(112)를 충전하는 갤러리관 콘크리트 충전 공정과;

상기 갤러리관(110a,110b)과 벽체 골조로 구성된 구조물의 내부 토사(160)를 제거해 나가면서 동시에 상기 벽체 골조를 이루는 파일(144) 사이에 토류판(145)을 삽입하고 철근을 배근한 후 거푸집을 대어 콘크리트를 타설하는 내부 굴착 및 지하구조물 벽체 구축 공정과;

내부 굴착작업이 완료된 후 지하구조물의 바닥을 구성하는 바닥 슬래브 콘크리트(150)를 타설하는 공정을 포함하며,

여기서, 상기 슬라브관 압입 및 콘크리트 충전 공정은 슬라브관(120) 내부에 쉬스관을 매설하고 콘크리트를 충전하고 양생 후 PS강선이나 강봉(126)을 긴장시키는 것을 특징으로 하는 벽체 구축과 굴착을 병행하는 지하구조물 축조방법.
삭제
제 1 항에 있어서,

상기 벽체 골조 설치 공정에 있어서 파일(144)은 H파일 또는 강관파일인 것을 특징으로 하는 벽체 구축과 굴착을 병행하는 지하구조물 축조방법.
제 3 항에 있어서,

상기 내부 굴착 및 지하구조물 벽체 구축 공정 전에 벽체의 양측 단부를 굴착한 후 갤러리관(110a,110b)에 콘크리트를 충전하는 것과 동시에 벽체의 양측 단부에 콘크리트(146)를 타설함으로써 충전강관 루프와 벽체를 강성골조로 구축한 후 내부 굴착 및 지하구조물 벽체 구축 공정을 진행하는 것을 특징으로 하는 벽체 구축과 굴착을 병행하는 지하구조물 축조방법.
제 4 항에 있어서,

상기 내부 굴착 및 지하구조물 벽체 구축 공정에 있어서 양측 벽체 사이의 내부 경간장이 클 경우 벽체로부터 지반으로 락볼트 또는 어스앵커(148)를 설치하는 공정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 벽체 구축과 굴착을 병행하는 지하구조물 축조방법.