KR100922333B1 - 패널식 터널 지보공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 지보공 및 지보방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터널 지보용 피씨판 및 그를 이용한 패널식 터널 지보공법에 관한 것이다.

본 발명의 일측면에 따르면 폭방향으로 일측에는 고정핀 삽입홈이, 타측에는 고정핀 삽입용 장공이, 중앙부에는 지반보강재 삽입구멍이 각각 형성되고, 길이방향으로 일측에는 받침턱이, 타측에는 걸침턱이 각각 형성된 터널 지보용 피씨판이 제공된다.

터널, 지보, 피씨판, 록볼트

Description

패널식 터널 지보공법{Tunnel supporting method using precast concrete panel}

본 발명은 터널 지보공 및 지보방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 터널 지보용 피씨판 및 그를 이용한 패널식 터널 지보공법에 관한 것이다.

터널은 크게 두 가지 원리로 안전하게 유지되는데 하나는 구조물(강재지보+숏크리트)에 의한 것이고 다른 하나는 주변 지반을 최대로 이용하는 것이다.

주변 지반을 이용하기 위해서는 변위가 어느 정도 발생하도록 하여야 하는데 즉, 주변 지반이 높은 압력을 받으려면 충분한 압축이 일어나야 하는데 기존의 터널 공법은 구조물(숏크리트)이 하중을 받고 있어 그것을 막고 있다.

고무재료와 나무재료를 같이 놓고 밀어 1cm 정도의 변위가 일어난다면 나무는 깨지고 고무는 깨지지 않는다. 이것은 나무재료가 고무재료에 비해 강성이 크기 때문이다. 이런 원리로 터널 전체 하중은 대부분 구조물이 받게 되므로 구조물로 강도를 끼워 터널의 안정을 도모하게 된다.

그러나 이 경우 토피가 커질수록 불리하고 보강량이 기하급수적으로 커지는 문제가 있다. 또한 지하수, 지진 등의 추가하중이 작용될 경우 구조물의 손상으로 터널이 붕락될 가능성이 크다는 문제가 있다.

한편, 강성 차이를 감소시키기 위하여 주변 지반을 그라우트 또는 충진 등으로 강성을 끼우는 설계를 수행하는데 그 비용이 무척이나 고가이고 시공속도 또한 느리다는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 주변 지반을 최대한 활용함으로써 숏크리트 타설 및 양생기간이 필요 없으며 지보공 시공기간을 단축시킬 수 있고 숏크리트 강성을 키우기 위하여 고가의 강재를 사용할 필요가 없는 터널 지보공법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일측면에 따르면 폭방향으로 일측에는 고정핀 삽입홈이, 타측에는 고정핀 삽입용 장공이, 중앙부에는 지반보강재 삽입구멍이 각각 형성되고, 길이방향으로 일측에는 받침턱이, 타측에는 걸침턱이 각각 형성된 터널 지보용 피씨판이 제공된다.

본 발명의 다른 측면에 따르면 터널을 굴착하고 지반보강재를 설치한 다음 상기 지반보강재의 두부에 터널 지보용 피씨판을 결합하되, 횡방향으로 서로 이웃하는 피씨판들은 굴착면에 대해 일정한 각도로 경사지게 배치하고 상대적으로 하부에 위치하는 피씨판의 고정핀 삽입용 장공으로 고정핀을 관통시켜 상대적으로 상부에 위치하는 피씨판의 고정핀 삽입홈으로 삽입하여 피씨판을 횡방향으로 서로 연결시키고, 종방향으로 서로 이웃하는 피씨판의 받침턱에 다른 피씨판의 걸침턱을 걸쳐 피씨판을 종방향으로 서로 연결시킨 것을 특징으로 하는 패널식 터널 지보공법이 제공된다.

본 발명에 따르면 시공 공정에서 숏크리트 타설 및 양생 기간이 필요 없으며 지반보강재 삽입용 구멍 천공 및 피씨판 조립 공정만이 들어가게 되므로 지보공 시공기간을 단축시킬 수 있고 숏크리트 강성을 키우기 위하여 고가의 강재를 사용할 필요가 없다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 터널 지보용 피씨판의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A선을 따라 절단한 단면도이다.

도 1, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 터널 지보용 피씨판(10, Precast concrete panel)은, 폭방향으로 일측에는 고정핀 삽입홈(11)이, 타측에는 고정핀 삽입용 장공(12)이, 중앙부에는 지반보강재 삽입구멍(13)이 각각 형성되고, 길이방향으로 일측에는 받침턱(14)이, 타측에는 걸침턱(15)이 각각 형성된다.

도 3a은 본 발명에 따른 터널 지보용 피씨판을 횡방향으로 조립한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3b는 본 발명에 따른 터널 지보용 피씨판을 종방향으로 조립한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3a에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 터널 지보용 피씨판(10)은, 터널 굴착방향에 대해 직각방향(횡방향)으로는 굴착면에 대해 일정한 각도로 경사지게 배치하되 그 폭방향 단부를 서로 겹쳐 배치하고, 도 3b에 도시된 바와 같이, 터널 굴착방향(종방향)으로는 그 길이방향 단부를 서로 겹쳐 배치한다.

즉, 본 발명에 따른 터널 지보용 피씨판(10)은 터널 굴착면에 설치된 지반보 강재(20)를 이용하여 굴착면에 밀착 결합되는데, 횡방향으로 서로 이웃하는 피씨판(10)들은 굴착면에 대해 일정한 각도로 경사지게 배치되고 상대적으로 하부에 위치하는 피씨판의 고정핀 삽입용 장공(12)으로 고정핀(32)을 관통시켜 상대적으로 상부에 위치하는 피씨판의 고정핀 삽입홈(11)으로 삽입하여 상하부에 배치된 피씨판을 횡방향으로 서로 연결시킨다. 그리고 종방향으로는 이웃하는 피씨판의 받침턱(14)에 걸침턱(15)을 걸쳐 서로 연결시킨다.

이때, 고정핀 삽입용 장공(12)은 길이방향에 비해 폭방향으로 길이가 긴 장공으로 형성하여 서로 중첩된 피씨판들이 토사에 의해 피씨판들에 작용하는 압축하중에 대해 횡방향으로 변위가 발생될 수 있도록 한다.

그리고 고정핀(32)과 피씨판(10) 사이에는 완충고무(34)를 설치하여 압축하중 작용시 고정핀(32)이 피씨판(10)에 충격을 가하는 것을 방지한다.

본 발명에서 지반보강재(20)로는 쏘일 네일, 록 볼트, 케이블 볼트 등이 선택적으로 사용될 수 있다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 터널 지보용 피씨판이 굴착면을 지보하는 원리는 다음과 같이 설명할 수 있다.

토사는 토목구조물에서 널리 사용되고 있으며, 특히 지반공학 분야에서 설계는 방어적 설계보다는 순응적 설계를 많이 하고 있다. 그것은 어느 하중으로 설계하더라고 지하수, 지진 또는 불확실성의 추가하중 등에 의하여 붕괴되는 사례가 있는데 대부분 구조물의 파괴로부터 시작된다고 보기 때문이다.

따라서 주변 지반의 특성을 최대한 활용하여 설계하는 것이 일반적이며 널리 이용되고 있다. 그 예로 콘크리트 옹벽 대신 보강토 옹벽이 적용되고 콘크리트 댐 보다는 흙댐 또는 록필 댐 등이 이용된다.

그런데 토사는 압축에는 강한데 비하여 인장에는 취약하다. 따라서 인장방향으로 변위를 억제해 주는 구조물을 이용하여 터널 아치를 최대한 활용한다면 토사 터널에서도 자연이 제공한 주변 지반을 최대로 활용하여 설계할 수 있다. 즉, 주변 지반이 하중으로 작용하는 것이 아니고 보강 지보가 되는 것이다.

지보(숏크리트)에 작용되는 설계하중은 주변 지반과 숏크리트로 전달되어 어느 변위가 x가 발생하였다면 그 힘은 다음과 같을 것이다.

터널주위 흙 : F_soil = κ_soil · x

숏크리트(콘크리트) : F_conc = κ_conc · x

일반적으로 콘크리트와 토사의 탄성계수는 100~1000배 이상 차이가 있다. 그러므로 대부분 설계하중은 숏크리트가 받고 있다.

본 발명에서는 주변 지반을 이용하기 위하여 피씨판(Precast Concrete Panel)을 터널 굴착방향에 대해 직각방향(횡방향)으로 굴착면에 대해 일정한 각도로 경사지게 배치하고 압축으로 힘이 작용되지 않고 토사의 유실을 막는 역할을 하게 한 다음, 지반보강재를 이용하여 토사의 인장 파괴를 막고, 토사가 최대한 압축에 대한 변위가 발생하도록 하여 F_soil = κ_soil · x에서 x값이 커지도록 함으로써 주변 지반이 하중을 지탱하도록 하는 비중이 커지도록 하였다.

즉, 본 발명은 터널의 내공변위를 충분히 허용하여 터널 주변 지반이 다져지 도록 하여 강성을 크게 하고, 지하수, 지진 등의 추가하중이 작용되더라도 주반 지반과 지반보강재로 전이되어 약간의 변이가 발생하고 난 다음 수렴되도록 하며, 시공시 발생될 수 있는 변위를 어느 정도 허용하도록 순응적이고 합리적으로 설계할 수 있는 것이다.

한편, 도 5에 나타낸 바와 같이 터널 주변의 응력은 보강재가 없을 경우 파괴 포락선에 접하여 지반의 전단파괴 또는 인장파괴를 발생시키지만 보강재가 있을 경우 터널 굴착 후에도 파괴 포락선에 접하지 않게 되어 안정을 도모하게 된다.

이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 지반의 응력조건에 대한 설계 개념을 설명하면, 터널의 경우 굴착과 동시에 방사방향의 응력은 감소하게 되고, 접선방향의 응력은 증가하게 된다. 즉, 두 방향의 응력이 최대, 최소 주응력이 되며, 도 5에서 파괴 포락선에 접하는 모아원 상태가 되어 지보가 없는 경우는 붕락되게 된다. 따라서 터널이 붕락되지 않도록 내부의 지보압이 필요한데, 이것을 최소 설계지보압이라 한다.

기존의 공법에서는 도 6a에 나타낸 바와 같이 지보압의 대부분을 숏크리트+강재지보 또는 주변지반 강화(그라우트)에 의하여 유지하며, 본 발명에서는 도 6b에 나타낸 바와 같이 지반보강재로 보강된 주변지반이 지보압의 대부분을 받게 된다.

본 발명이 성립될 수 있는 전제조건은 도 6c에 나타낸 바와 같이 접선방향으로 압축할 수 있고 방사방향으로 변위를 허용하여 토사의 방사방향의 응력이 보강재로 전달되도록 하여야 한다.

이러한 조건이라면 도 6d에 나타낸 바와 같이 방사방향의 응력이 지반보강재로 전이되어 터널 주변지반에 터널 설계지보압이 형성되어 터널이 안정을 유지하게 되는 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 터널 지보용 피씨판의 사시도이다.

도 2는 도 1의 A-A선을 따라 절단한 종단면도이다.

도 3a은 본 발명에 따른 터널 지보용 피씨판을 횡방향으로 조립한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3b는 본 발명에 따른 터널 지보용 피씨판을 종방향으로 조립한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 터널 지보용 피씨판을 이용하여 굴착면을 보강한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 5는 터널 설계 개념의 모아원이다.

도 6a는 종래 공법의 원리를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 6b는 본 발명의 원리를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 6c는 보강재의 개념도이다.

도 6d는 터널 주변의 응력 분포를 개략적으로 나타낸 것이다.

도 7은 종래기술에 따라 강재지보와 숏크리트 및 록볼트를 이용하여 굴착면을 보강한 상태를 개략적으로 나타낸 도면이다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 터널을 굴착하고 지반보강재를 설치한 다음 상기 지반보강재의 두부에, 폭방향으로 일측에는 고정핀 삽입홈이 형성되고 타측에는 고정핀 삽입용 장공이 형성되며 중앙부에는 지반보강재 삽입구멍이 형성되고 길이방향으로 일측에는 받침턱이 형성되고 타측에는 걸침턱이 형성된 터널 지보용 피씨판을 결합하되,

   횡방향으로 서로 이웃하는 피씨판들은 굴착면에 대해 일정한 각도로 경사지게 배치하고 상대적으로 하부에 위치하는 피씨판의 고정핀 삽입용 장공으로 고정핀을 관통시켜 상대적으로 상부에 위치하는 피씨판의 고정핀 삽입홈으로 삽입하여 피씨판을 횡방향으로 서로 연결시키고,

   종방향으로 서로 이웃하는 피씨판의 받침턱에 다른 피씨판의 걸침턱을 걸쳐 피씨판을 종방향으로 서로 연결시키는 것을 특징으로 하는 패널식 터널 지보공법.

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