KR100936471B1 - 배수 구조를 갖는 세그먼트에 의한 원형 지보공 구조체 및 이를 이용한 실드터널을 시공하는 방법 - Google Patents

배수 구조를 갖는 세그먼트에 의한 원형 지보공 구조체 및 이를 이용한 실드터널을 시공하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 세그먼트의 조립구조는 실드터널의 원형 지보공으로서 견고한 구조를 이루면서 조립이 용이하고 동시에 세그먼트의 접합부에서 누수가 전혀 없는 배수 구조를 갖도록 함을 그 특징으로 하고 있다.
이를 위한 세그먼트의 4변에는 배수유도로가 형성되어있으면서 그 양측에 지수제가 부착되어있으므로 세그먼트 접합부를 통해 침투수의 침투가 방지된다. 설령 접합부를 통하여 침투수가 침투된다하더라도 배수유도로를 통해서 신속하게 중력방향으로 배수되므로 원형 지보공으로 전혀 누수 되지 않는다. 또한 침투수가 배수유도로를 통하여 신속하게 배수되므로 배수유도로에는 잔류수압이 걸리지 않은 상태로 유지되므로 배수는 항상 원활하게 이루어지게 된다.
한편 키 세크먼트의 형상이 삽입방향으로 갈수록 좁아지고 후방으로 갈수록 넓어지는 쐐기형상이므로 원형 지보공의 결합이 견고하여 실드터널이 구조적으로 더 한층 보강되고 안정된 구조를 갖는 유용한 발명이다.
쉴드 공법, 원형 지보공, 키-세그먼트, 배수구조, 배수유도로, 지수제, 첵크밸브

Description

배수 구조를 갖는 세그먼트에 의한 원형 지보공 구조체 및 이를 이용한 실드터널을 시공하는 방법{A circular structure supported by the segment with a drainage structure and method constructing the shield tunnel}
본 발명은 배수 구조를 갖는 세그먼트에 의한 원형 지보공 구조체 및 이를 이용한 실드터널을 시공하는 방법에 관한 것으로 좀더 구체적으로 말하면 실드(shield)공법에 의하여 시공되는 원형 지보공(복공)을 세그먼트로 견고하게 구축하기위한 구조이면서 이와 함께 세그먼트의 접합부의 누수를 방지하기위한 배수구조에 관한 것이다.
실드(shield)공법은 터널 외형단면보다 약간 큰 단면을 갖는 실드라고 하는 튼튼한 강재원통형의 기계를 지반 중에 밀어 넣고 이를 진행시켜 그 선단부 지반의 붕괴를 막으면서 굴착하고, 실드기계 후방부에서는 굴착단면을 지보하는 지보공 또는 복공[세그먼트(segment)]을 구축하며 이러한 선단굴착과 후방 지보공의 구축을 반복하면서 터널을 굴착해가는 공법이다.
쉴드 공법은 종래 개착식 공법의 문제점인 시공 시에 발생하는 지반침하와 각종소음 및 진동 등의 건설공해와 교통, 통행의 장해 등의 문제점을 최소화하기 위해 개발된 공법이지만
현재는 SHIELD 기술의 비약적인 발달로 예전에는 굴착 불가능했던 거대 전석층, 복합지질구간(토사+암구간) 등에도 공법의 적용이 가능하게 되었다. 그뿐 아니라 시공 속도가 빨라 공기가 단축됨은 물론 통수단면을 그대로 유지시키면서 시공이 가능할 뿐만 아니라 연속 굴착작업으로 시공관리가 용이하여 전력구, 통신구, 지하철도, 상하수도 등은 물론 하저터널이나 해저터널에 까지 적용이 가능하게 되었다.
본 발명은 실드터널의 지보공인 세그먼트의 조립구조가 견고하면서 조립이 용이하고 또한 접합부의 누수가 없는 구조에 관한 기술이다.
쉴드 공법은 거대한 초대형 굴착기라고 할 수 있는 쉴드 굴착기를 이용한 최첨단 공법으로 기존의 NATM공법보다 진보된 공법이다.
자동화된 굴진시스템에 의해 굴착되며, 미리 제작된 콘크리트 세그먼트(segment)를 조립해 지보공인 터널라이닝을 형성한다. 모든 공정이 컴퓨터로 제어가 되는 기술이어서 특히 강 밑으로 터널을 뚫는 공사 있어 주변 지반 함몰 이나 수몰 위험으로부터 안전하다.
쉴드 기계는 수압과 토압을 견딜 수 있는 커터헤드를 회전시켜 굴진해 나가면서 동시에 스크류 컨베이어로 배토 처리해 나간다. 또한, 후방 작업 시스템을 연결해 지보공인 세그먼트를 조립함으로써 세그먼트 지보공가 지반변형을 처음부터 방지하면서 쉴드굴착기계가 전진할 수 있도록 반력대 역할을 한다.
이와 같이 세그먼트가 원형으로 조립되는 실드터널 구조에서 세그먼트의 누수는 가장 중요한 문제이다. 누수는 구조물의 성능저하로 연결되고 터널의 수명을 단축시키는 원인이 되기 때문이다.
특히 수압이 크게 작용되는 하저 및 해저터널에서 세그먼트의 접합부의 누수방지는 가장 중요하다.
세그먼트의 접합부를 통과한 누수는 철근콘크리트의 슬래브 내를 거쳐 터널내로 침투하게 된다. 터널 내에 설치된 전기설비나 궤도설비에 악영향을 줄뿐만 아니라 철근콘크리트의 철근에 녹을 유발시키게 된다. 철근의 녹이 가장 우려되는 문제점이다.
철근이 녹슬게 되면 유효 단면이 감소하게 되고 동시에 녹에 의한 팽창으로 콘크리트가 파괴되게 된다. 이 파괴는 주로 터널 내면측의 피복부분에서 발생되고 콘크리트의 박리, 박락을 일으키며 전차 운행상 대단히 위험하다.
이들을 방치하게 되면 부분적인 콘크리트 박리가 인근의 철근의 녹을 유발하고, 박리가 확대되어 터널의 강도 부족을 일으키게 된다. 이는 실드터널의 구조적 안정성에 치명적인 문제점이다.
종래의 방수공법으로는 세그먼트의 접합부에 줄눈부를 형성하여 코킹처리하거나 이음매면에 시일을 형성하는 공법이다. 이러한 종래기술은 누수를 완벽하게 차단하는 것을 전제로 한 기술이기 때문에 일단 접합부에서 누수가 시작되면 침투수는 터널내부로 유입될 수밖에 없다. 터널내부로 유입된 침투수는 결국 철근을 녹슬게 만들고 전기설비 및 궤도설비를 망가뜨리는 악영향을 끼치게 된다. 침투수를 유도배수로틀 통해 터널내부가 아닌 다른 통로로 배출시킬 배수구조를 가지고 있지 못하기 때문이다.
또한 현재 지하 콘크리트 구조물에 사용되고 있는 세그먼트는 지수재 및 가스켓 등을 이용하여 누수를 차단함으로써 배수구조가 없는 비배수 터널로서 시공되고 있다.
그러나 실제 시공시 작업자의 숙련도부족에 의한 세그먼트 파손 및 단차발생, 뒤채움재의 성능부족, 과도한 하저 및 해저의 수압발생 등에 의해 사실상 완전방수는 이루어지지 않고 있는 실정이다.
본 발명은 실드(shield)공법의 원형 지보공을 견고하게 구축할 수 있는 조립식 세그먼트의 형상과 구조를 갖으면서 동시에 접합부의 사방에 지수제를 설치하여 침투수가 접합부를 통해 침투되지 못하도록 함에 그 목적이 있고, 수압으로 인하여 침투수가 접합부로 침투된다하더라도 세그먼트의 사방에 형성된 배수구조에 의하여 중력방향으로 신속하게 배수되도록 함으로써 배수구조 내에 잔류수가 존재하지 않도록 함에 다른 목적이 있으며, 중력방향으로 집수된 물은 원형 지보공의 하단부에 형성된 배수공을 통해 신속하게 배수층을 거쳐 터널 밖으로 배출되도록 함에 또 다른 목적이 있고, 세그먼트의 조립구조는 실드터널의 지보공으로서 견고한 구조를 이루면서 조립이 용이하고 동시에 세그먼트의 접합부에서 누수가 전혀 없는 배수 구조를 갖도록 함에 다른 목적이 있다.
본 발명의 세그먼트의 조립구조는 실드터널의 지보공으로서 견고한 구조를 이루면서 조립이 용이하고 동시에 세그먼트의 접합부에서 누수가 전혀 없는 배수 구조를 그 특징으로 하고 있다.
지보공으로서 견고한 조립구조를 형성하기 위한 세그먼트의 구조 및 형상과 세그먼트 접합부의 침투수를 방지하기위한 배수구조에 대하여 설명하면 다음과 같 다.
1) 원형 지보공(10)의 세그먼트 구조 및 형상
원형 지보공(10)은 다수개의 세그먼트로 조립되는 형태이다.
본 발명의 세그먼트 구조 및 형상은 키-세그먼트(key-segment)[이를 K-세그먼트라 부르기로 한다.]와, 배수공(12)을 갖는 SL-세그먼트 및 SR-세그먼트로 조립된 구성이다.
이를 좀더 구체적으로 말하면 K-세그먼트를 중심으로 좌우에 KL-세그먼트와, KR-세그먼트가 설치되고, 또 배수공(12)을 갖는 SL-세그먼트와 SR-세그먼트를 중심으로 SL1-세그먼트와 SR1-세그먼트가 그 좌우에 설치된다. SL1-세그먼트와 SR1-세그먼트는 동일한 크기와 형상을 갖는 동일한 세그먼트이다. 설명의 편의상 SL1-세그먼트와 SR1-세그먼트로 구분해서 설명하기로 한다.
SL1-세그먼트는 KL-세그먼트와 인접되고, SR1-세그먼트는 KR-세그먼트와 인접된다.
본 발명의 원형 지보공(10)은 K-세그먼트와 이에 인접된 좌우 KL-세그먼트ㆍKR-세그먼트와, 그리고 배수공(12)을 갖는 SL-세그먼트 및 SR-세그먼트 와 이에 인접된 좌우 SL1-세그먼트ㆍSR1-세그먼트로 구성된다. 원형 지보공(10)의 직경에 따라 SL1-세그먼트ㆍSR1-세그먼트는 생략할 수도 있다.
이를 제외한 세그먼트는 생략해서는 안 된다.
K-세그먼트는 원형 지보공(10)을 조립하는 마지막 조립 세그먼트로 원형지보재롤 견고하게 조립시키는 키-세그먼트이다.
K-세그먼트의 형상은 원형 지보공(10)의 조립을 견고하게 고정시키는 역할을 하기 때문에 삽입방향의 전면은 그 폭이 좁고 그 후면으로 갈수록 폭이 넓어지는 형상이다. 세로방향의 양변은 세로방향의 중심선에 대하여 대칭이다.
KL-세그먼트ㆍKR-세그먼트의 세로방향의 한 변은 K-세그먼트의 세로방향의 변과 접면되고 다른 한 변은 SL1-세그먼트ㆍSR1-세그먼트의 세로방향의 변과 접면된다. SL1-세그먼트ㆍSR1-세그먼트의 세로방향의 양변은 세로방향으로 서로 평행하다. SL1-세그먼트ㆍSR1-세그먼트의 세로방향과 접면된 KL-세그먼트ㆍKR-세그먼트의 세로방향의 변은 SL1-세그먼트ㆍSR1-세그먼트의 변의 세로방향과 동일한 경사면을 갖는다.
SL1-세그먼트ㆍSR1-세그먼트의 세로방향의 양변은 세로방향으로 평행하게 형 성되어있기 때문에 이에 접면되는 좌우 배수공(12)을 갖는 SL-세그먼트 및 SR-세그먼트의 세로방향의 양변도 평행하다. 즉 SL-세그먼트 및 SR-세그먼트와 이에 접면되는 SL1-세그먼트ㆍSR1-세그먼트는 양변의 세로방향이 모두 평행하다.
여기에다 SL1-세그먼트ㆍSR1-세그먼트와 좌우 배수공(12)을 갖는 SL-세그먼트 및 SR-세그먼트는 모두 그 크기가 동일하다.
4개의 세그먼트를 동일한 크기로 형성되어있기 때문에 제작이 용이하고 그 대체가 용이하다.
배수공(12)을 갖는 SL-세그먼트 및 SR-세그먼트는 배수를 원활하게 하기위하여 하단부에 위치되고, K-세그먼트는 대개 조립작업의 편의상 상단부에 위치된다.
2) 세그먼트의 배수구조와 첵크밸브(14)
세그먼트의 배수구조는 지수제(18)와, 배수유도로(16)와, 배수공(12)으로 구성되어있다.
지수제(18)는 배수유도로(16)를 중심으로 양측에 형성되어있다. 침투수가 접합부를 통해 원형 지보공(10)내로 침투되지 못하도록 2중 3중으로 방지수단을 형성한 것이다.
원형 지보공(10)을 형성하고 있는 모든 세그먼트의 4변 모두에 배수유도로(16)가 형성되어있다.
세그먼트의 4변은 좌우 세그먼트뿐만 아니라 전후 세그먼트와 접면되는 접합부이다. 조립식 구조에서 물이 침투되기 쉬운 곳이 바로 접합부이다. 만일 접합부로 물이 침투된다하더라도 이를 빠르게 배수시켜 누적된 물이 없도록 하기 위하여 배수유도로(16)를 사방으로 연통시킨 구조이다.
세그먼트의 접합부에는 사방으로 연통된 배수유도로(16)가 형성되어있고 배수유도로(16)의 전후에는 지수제(18)가 배수유도로(16)를 따라 길게 설치되어있다. 물이 접합부로 침투되는 것을 방지하기위하여 지수제(18)를 배수유도로(16)를 따라 길게 설치한 것이다.
터널은 종ㆍ횡구배가 주어지도록 설계되므로 배수 유도로(16)도 경사진 상태이다.
이와 같이 배수 유도로(16)는 위에서 아래로 또는 경사지게 형성된 배수 구조이므로 침투수는 중력에 의하여 아래로 흐르게 된다. 중력식으로 배수 유도된 침투수는 원형 지보공(10)의 최저부에 집수되게 된다. 원형 지보공(10)의 최저부에는 배수공(12)이 형성되어있다. 배수공(12)은 배수공(12)이 형성된 SL-세그먼트와 SR-세그먼트의 접면에 의하여 형성된다.
배수공(12)의 상부에는 첵크 밸브(14)가 부착되어있다.
집수된 물이 배수공(12)을 통해 위로 배출되는 경우에는 첵크밸브(14)는 위로 상승되면서 배수공이 개방되게 된다. 그러나 배수층(20)의 물이 배수공(12)으로 유입되려고 하면 첵크밸브(14)는 아래로 하강되면서 배수공(12)의 입구를 자동으로 밀폐시킨다. 즉 첵크밸브(14)는 집수된 물이 배수층(30)으로 배출되는 것은 용이하게 하면서 배수층(30)에서 배수공(12)으로 유입되는 것을 방지하는 역할을 하고 있다.
3) 배수층(20)과 상부 콘크리트
원형 지보공(10)의 내부의 하단에는 배수층(20)과 상부 콘크리트층(30)이 형성된다.
배수층(20)은 터널의 종 방향으로 길게 터널 밖까지 형성되어있다. 배수공(12)을 통해 배출된 배출수를 배수층(20)을 통해 터널 밖으로 배출시키기 위해서다. 배수층(20)은 투수계수가 큰 버림 콘크리트 층이거나 투수콘크리트 층으로 형성하는 바람직하다.
배수층(20)의 상부에는 콘크리트층(30)이 형성되어있다. 콘크리트층(30)위에 사용용도에 적합한 구조물을 설치하기위해서다. 콘크리트층(30)위에 도로나 철도를 설치할 수도 있고 전력구나 통신구로 사용하는 경우에는 작업이나 유지관리를 위한 작업통로로 사용할 수도 있다. 전력구나 통신구인 경우 터널상부에 전선 케이블이나 통신 케이블을 지지하기 위한 구조물이 설치된다.
본 발명의 세그먼트의 조립구조는 동일크기의 세그먼트로 제작되므로 제작이 용이하고 조립이 간편하여 시공 효율이 크다.
지보공의 내부 하저부에 배수공을 갖는 SL-세그먼트과 SR-세그먼트를 설치하고 이를 중심으로 세그먼트를 조립한 다음 원형 지보공의 최종 마무리를 쐐기형상의 키-세그먼트로 조립함으로써 원형 지보공의 조임이 확실하여 지반하중과 상부하중에 대한 지지력이 더 한층 강화되게 된다.
세그먼트의 4변 모두에 형성된 배수 구조는 중력식 유도 배수가 되도록 사방으로 연통된 배수유도로를 형성한 것이므로 침투수의 배수가 원활하게 이루어져 지보공 내부로 침투수가 침입되는 현상이 발생되지 않아 철근의 부식을 방지할 수 있어 실드터널의 내구성이 강화되게 된다.
여기에다 배수유도로의 전후에 지수제가 설치되어있으므로 침투수가 배수유도로까지 침투되지 않을 뿐 아니라 침투된다하더라도 배수유도로를 통해 중력식으로 배수되게 되어 지보공 내부로 침투수의 침입이 방지되게 된다.
지보공의 내부 하저부에 위치된 배수공의 상단에 첵크밸브가 설치되어있으므로 배수유도로를 거쳐 집수된 물은 배수층으로 배출되고, 배수층에서 다시 배수유도로로 유입되는 것이 방지된다. 그뿐만 아니라 중력에 의하여 빠르게 배수되는 배수 구조이므로 각 세그먼트의 유도배수로에는 잔류수가 없게 되어 잔류수압이 걸리지 않는다.
세그먼트의 조립구조가 간단하고 실드터널에 적합한 형상과 구조로 이루어졌으므로 조립작업이 용이하여 비숙련공이라도 조립이 가능한 유용한 발명이다.
쉴드 굴착기에 의하여 굴착된 후단에 원형 지보공(10)을 세그먼트로 조립하는 과정을 설명하면 다음과 같다.
⒜ 배수구조 및 배수공(12)이 형성된 SL-세그먼트 및 SR-세그먼트를 접면되게 설치하되 배수공(12)이 원형지보공(10)의 최하저부에 위치되도록 설치하는 단계;
⒝ 배수공(12)이 형성된 SL-세그먼트와 SR-세그먼트에 접면되게 배수구조가 형성된 SL1-세그먼트와 SR1-세그먼트를 설치하는 단계;
⒞ SL1-세그먼트에 접면되게 배수구조가 형성된 KL-세그먼트를, SR1-세그먼트 에 접면되게 배수구조가 형성된 KR-세그먼트를 설치하는 단계;
⒟ KL-세그먼트와 KR-세그먼트사이에 전방의 폭이 후방으로 갈수록 넓어지는 쐐기형상의 K-세그먼트를 삽입하여 원형 지보공(10)을 견고하게 설치하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 원형 지보공 구조를 이용한 실드터널을 시공하는 방법
여기에다 원형 지보공(10)내부에 배수층(20)을 터널 끝까지 종방향으로 길게 설치하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 원형 지보공 구조를 이용한 실드터널을 시공하는 방법
상기 ⒜ 단계에서 배수공(12)의 상단에 배수층(20)과 연결되는 배수공(12)의 상단에 배출수에 의하여 개방되고 배출수가 없으면 자동으로 배수공이 밀폐되는 첵크밸브(14)를 설치하는 단계;를 포함할 수도 있다.
또한 ⒟ 단계 이후에 원형 지보공(10)의 내부에 배수층(20)을 터널 끝까지 종방향으로 길게 설치하는 단계;를 포함할 수 있다.
[도1] 본 발명의 배수 구조를 갖는 세그먼트에 의하여 조립된 실드터널의 전체사시도
[도2] 본 발명의 배수 구조를 갖는 단위 세그먼트에 의해 조립된 단위 실드터널의 사시도
[도3] 도2의 분해사시도
[도4] 도2의 A-A 단면도
[도5] 도2의 B 확대도
[도6] 본 발명의 세그먼트에 의하여 조립된 원형 지보공 내에 배수층과 콘크리트층을 설치한 다른 실시예 정면도
[도7] 도6의 배면도
[도8] 도6의 원형 지보공 내에 철로와 통신 지지구 등을 나타낸 다른 사용 실시예
※ 도면부호에 대한 간단한 설명
10; 원형 지보공
K-세그먼트, KL-세그먼트, KR-세그먼트,
SL-세그먼트, SR-세그먼트, SL1-세그먼트, SR1-세그먼트
12; 배수공, 14; 첵크밸브, 16; 배수유도로, 18; 지수제,
20; 배수층,
30; 콘크리트층

Claims (6)

  1. 실드터널의 세그먼트에 의한 원형지보공 구조체에 있어서
    원형 지보공(10)에 삽입되는 세로방향의 형상이 전방으로 갈수록 작아지고 후방으로 갈수록 넓어지는 쐐기형상의 K-세그먼트와 K-세그먼트의 좌우에 인접한 KL-세그먼트ㆍKR-세그먼트와, 배수공(12)을 갖는 SL-세그먼트와, 그리고 SR-세그먼트의 좌우에 인접한 SL1-세그먼트ㆍSR1-세그먼트로 원형 지보공(10)을 형성하되 모든 세그먼트의 4변에 배수유도로(16)와, 그리고 배수유도(16)로 전후에 지수제(18)를 설치한 배수 구조를 갖으면서 하저부에 설치되는 SL-세그먼트와 SR-세그먼트에는 배수공(12)이 형성되어있음을 특징으로 하는 배수 구조를 갖는 세그먼트에 의한 원형 지보공 구조체
  2. 제1항에 있어서
    배수층(20)과 연결되는 배수공(12)의 상단에 배출수에 의하여 개방되고 배출수가 없으면 배수공이 자동으로 밀폐되는 첵크밸브(14)가 설치됨을 특징으로 하는 배수 구조를 갖는 세그먼트에 의한 원형 지보공 구조체
  3. 실드 굴착기에 의하여 굴착된 후단에 원형지보공 구조를 이용한 실드터널을 시공하는 방법에 있어서
    ⒜ 배수구조 및 배수공(12)이 형성된 SL-세그먼트와 SR-세그먼트를 접면되게 설치하되 배수공(12)이 원형지보공(10)의 최하저부에 위치되도록 설치하는 단계;
    ⒝ 배수공(12)이 형성된 SL-세그먼트와 SR-세그먼트에 접면되게 배수구조가 형성된 SL1-세그먼트ㆍSR1-세그먼트를 설치하는 단계;
    ⒞ SL1-세그먼트에 접면되게 배수구조가 형성된 KL-세그먼트를, SR1-세그먼트에 접면되게 배수구조가 형성된 KR-세그먼트를 설치하는 단계;
    ⒟ KL-세그먼트와 KR-세그먼트사이에 전방의 폭이 후방으로 갈수록 넓어지는 쐐기형상의 K-세그먼트를 삽입하여 원형 지보공(10)을 견고하게 설치하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 원형 지보공 구조를 이용한 실드터널을 시공하는 방법
  4. 제3항에 있어서
    상기 ⒜ 단계에서 배수공의 상단에 배수층(20)과 연결되는 배수공(12)의 상단에 배출수에 의하여 개방되고 배출수가 없으면 배수공이 자동적으로 밀폐되는 첵크밸브(14)가 설치하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 원형 지보공 구조를 이용한 실드터널을 시공하는 방법
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서
    ⒟ 단계 이후에 원형 지보공(10)의 내부에 배수층(20)을 터널 끝까지 종방향으로 길게 설치하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 원형 지보공 구조를 이용한 실드터널을 시공하는 방법
  6. 제3항 또는 제4항에 있어서
    ⒟ 단계 이후에 원형 지보공(10)의 내부에 배수층(20)과 그 위에 콘크리트층(30)을 설치하는 단계;를 포함함을 특징으로 하는 원형 지보공 구조를 이용한 실드터널을 시공하는 방법
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