KR101067218B1 - 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 극연약 지반층에 대한 비개착식 파이프 매설공법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는, 지중의 진행을 유도하는 유도관이 전면에 구비되는 시공 파이프를, 지중에 압입하거나 견인하여 극연약 지반층의 지중에 파이프를 매설하는 과정에서, 다량의 토사가 일시에 파이프 내로 유입되는 것을 방지하여 작업 안전성과 효율성을 향상시킨 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법은, 극연약 지반층의 지중에 파이프(30)를 비개착식으로 매설 시공하기 위해, 시공 파이프(30)의 후방으로 파이프를 압입하는 파이프 압입수단을 설치하거나 시공 파이프(30)의 전방으로 파이프를 견인하는 견인수단을 설치하는 단계와, 시공 파이프(30)의 지중으로의 진행을 유도하고 시공 파이프(30)의 지중 진행 중 토사가 유입되는 개방홀(21)이 다수 형성되는 유도관(20)을 시공 파이프(30)의 전면에 구비하는 단계를, 포함하는 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법에 있어서, 상기 유도관(20)을 시공 파이프(30)의 전면에 구비하는 단계에서, 다수의 상기 개방홀(21)을 통하여 유입되는 토사의 상기 시공 파이프(30) 내부로의 일시 유입을 차단하는 토사유입 차단벽(101)을 상기 유도관(20)의 후방 내부에 개폐가능하게 형성하는 것을 특징으로 한다.

극연약 지반, 비개착식, 시공 파이프, 유도관, 차단벽, 개폐도어, 개폐홀

Description

극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법 {The Construction Method of laying Pipe Underground for Ultra soft Ground}

본 발명은 극연약 지반층에 대한 비개착식 파이프 매설공법에 관한 것으로서, 좀 더 상세하게는, 지중의 진행을 유도하는 유도관이 전면에 구비되는 시공 파이프를, 지중에 압입하거나 견인하여 극연약 지반층의 지중에 파이프를 매설하는 과정에서, 다량의 토사가 일시에 파이프 내로 유입되는 것을 방지하여 작업 안전성과 효율성을 향상시킨 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법에 관한 것이다.

지중선 또는 지중파이프(관) 등을 매설하거나 지중에 특정한 경로를 따라 지정된 단면적을 갖는 터널을 형성하기 위하여 다수의 터널 굴착 공법과 굴착용 장비들이 사용되어 왔으며, 최근에 자주 사용되는 공법 중 하나로는 파이프 압입 굴착 공법이 있는데, 이는 터널 굴착 방향의 뒤쪽에서 압력잭 등을 이용하여 시공 파이프를 압입하고, 스크류나 그밖의 장비들을 이용해 파이프 내로 들어오는 토사 등을 파이프 외부로 제거해가며 굴착을 진행시켜 나가는 방식이다. 이 공법을 시행하기 위해서는, 터널이 시작되는 지점과 끝나는 지점에 각각 추진기지와 도달기지의 작업구 형성을 위해 터파기를 실시하고, 추진기지 내에 압력잭 등의 장비를 갖추어야 한다.

이 공법은 설치가 용이하고, 작업 과정이 단순한 장점이 있으나, 굴착 도중 진행 방향 변경이 거의 불가능하고, 토사를 배출하기 위해 사용되는 스크류의 작동으로 인한 편심력의 영향 등으로 인하여 굴착 방향의 정밀한 설정이 어려울 뿐 아니라 시공 기간이 상대적으로 길다는 단점이 있다. 또한 시공 파이프의 전단이 지반에 오픈되어 있어 연약지반이거나 지하수 등을 동반한 지반인 경우 지반이 무너져 내릴 위험이 크다.

파이프 압입 공법을 응용하여 곡선의 터널을 형성할 수 있는 변형 공법들이 연구되어 왔다. 이 중 H.J.S (Head Jacking Shield) 공법이라는 것이 사용되고 있다. 이는 방향 변경이 가능하고 위치 센서가 부착된 유도관를 파이프 선단에 위치시킴으로써 굴착 도중의 방향 설정이 가능하도록 한 것이다. 이 공법에 의한 시공의 예가 도 1a 내지 도 1d에 도시되어 있다. 기본적으로 H.J.S. 공법 또한 파이프 압입 굴착 공법의 일종으로, 첨부된 도면을 참조하여 H.J.S. 공법과 함께 파이프 압입굴착 공법에 대해 설명한다.

H.J.S. 공법에 의한 파이프 압입 굴착을 위해서는, 도 1a에 도시된 바와 같이 추진기지(1) 내에 압력잭(10)을 설치한 후, 유도관(20)를 추진기지(1)에서 도달기지(2) 방향으로 향하게 위치시킨다. 그 후 도 1b에 도시된 바와 같이 압력잭(10)이 유도관(20)를 밀도록 압력을 가하면, 유도관 내로 토사 등이 밀려 들어오고, 이 러한 토사는 터널의 규모에 적합한 각종 방식을 통해 유도관 및 파이프 밖으로 제거한다. 그 후, 도 1c에 도시된 바와 같이, 일정 위치만큼 유도관(20)가 밀려 들어가면, 여기에 시공 파이프(30)를 크레인(70) 등을 이용하여 유도관(20) 뒤쪽에 위치시키고, 이 파이프(30)를 다시 압력잭(10)이 미는 과정을 반복해 나간다. 최후에, 도 1d에 도시된 바와 같이, 도달기지(2)까지 시공 파이프(30)가 관통하여 설치되면, 유도관(20)는 파이프와 분리되어 크레인 등을 이용해 도달기지(2)에서 제거된다.

여기서, H.J.S. 공법이 일반적인 파이프 압입 굴착 공법과 다른 점은, 진행 방향 변경이 가능한 특수한 유도관를 사용한다는 데 있다. 즉, 유도관(20)는 두 부분으로 나뉘어지고, 뒷부분과 앞부분에 유압으로 작동하는 잭의 양단이 각각 고정되어 있어, 각 유압잭의 길이를 다르게 함으로써 유도관 앞부분을 진행 방향에 대해 일정 정도 기울어지게 하는 것이 가능하다. 굴착은 유도관(20)의 기울어진 방향으로 진행되고, 이에 따라 곡선의 터널 형성이 가능해진다. 더욱이, 유도관 표면에 위치 센서가 부착되어 있어 위치를 확인해가며 방향을 수정하는 것도 가능하다.

그러나, 일반적인 압입 굴착 공법에 비하여 어느 정도의 방향설정은 가능하나 다양한 곡선 시공을 위해서는 한계가 있고, 또한 주변 여건, 토질 등에 따라 그러한 방향 조절이 시공 공정과 품질에 큰 지장을 초래할 수 있다. 또한, 시공 기간이 긴 것을 비롯해 그밖의 파이프 압입 굴착 공법의 단점들은 여전히 존재하였다.

이러한 파이프 압입 굴착 공법들과는 다른 방식으로서, 터널 굴착시 곡선 형성을 자유롭고 정확하게 시공하는 공법이 알려져 있다. 일반적으로 H.D.D 공 법(Horizontal directional Drill Method)이라 불리는 이 방식은, 앞선 방식이 시공 파이프 뒤에서 압력을 가해 압입하는 방식임에 반해, 시공 파이프를 터널 형성 진행 방향의 앞쪽에서 견인하는 방식이다. H.D.D 공법에 의하면 지면에 수직의 작업구를 형성하지 않고도 굴착 작업이 가능하다.

도 2a 내지 도 2c에는 이 공법에 의한 공정이 도시되어 있다. 먼저, 도 2a에 도시된 바와 같이, 컴퓨터 제어에 의해 드릴(41)로 지하에 파이롯트 홀(3)을 형성한 후, 도 2b에 도시된 바와 같이 파이롯트 홀(3)을 리머(Reamer)(42)에 의한 리머링을 반복하여 확공하고, 도 2c에 도시된 바와 같이 시공 파이프(30)를 그 직경보다 큰 적절한 크기로 확공된 상태의 홀(4)을 통하여 진행 방향 앞쪽에서 끌어당겨 터널을 완성한다.

상기 리머링은 리머(42)와 이에 연결된 드릴 로드(44)의 회전에 의해 수행된다. 또한 워시 로드를 통해서 물과 함께 벤토나이트가 공급되어 리머(42)로 부터 진행 방향을 향해 분사되기 때문에, 높은 점성을 가지고 겔화되는 벤토나이트의 요변성(搖變性, thixotropy)으로 인해 굴착속도가 현저히 증가되고, 굴착 벽면의 붕괴를 방지할 수 있게 된다.

이러한 H.D.D. 공법은 우선적으로 파이롯트 홀을 형성한 후 정확하게 형성된 파이롯트 홀을 따라 터널 굴착 시공을 하기 때문에, 곡선시공의 조작성 및 정확성이 다른 공법에 비해서 탁월하게 우수하고, 별도의 작업구를 설치하지 않아도 되며, 구조물의 깊이에 따른 추가부담이 없고, 컴퓨터 제어 시스템에 의한 정밀시공이 가능하다는 장점이 있다.

그러나, 극연약 지반일 경우, 파이프를 매설하기 위해서는 일반 지반보다 더 많은 횟수의 리머링을 하여야 할 뿐만 아니라, 모래나 자갈층에서는 벤토나이트 등에 의한 벽면 붕괴 방지가 보장되지 않으며, 또한, 점도가 약한 토사층이 다량으로 일시에 유입되는 경우에는 시공 파이프 내에서 굴착작업을 하는 작업자의 안전을 크게 위협하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 보완하기 위해 안출된 것으로, 연약한 지반의 지중에 터널을 시공하기 위한 대구경의 파이프를 매설할 경우 지반의 붕괴에 따른 시공현장의 붕괴를 방지함과 아울러, 토사가 일시에 다량으로 파이프 내에 유입되는 것을 방지하여 파이프 매설에 따른 작업환경의 안전성을 도모하고, 작업효율성을 향상시킬 수 있도록 한다.

상기 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 극연약 지반층의 지중에 파이프(30)를 비개착식으로 매설 시공하기 위해, 시공 파이프(30)의 후방으로 파이프를 압입하는 파이프 압입수단을 설치하거나 시공 파이프(30)의 전방으로 파이프를 견인하는 견인수단을 설치하는 단계와, 시공 파이프(30)의 지중으로의 진행을 유도하고 시공 파이프(30)의 지중 진행 중 토사가 유입되는 개방홀(21)이 다수 형성되는 유도관(20)을 시공 파이프(30)의 전면에 구비하는 단계를, 포함하는 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법에 있어서, 상기 유도관(20)을 시공 파이프(30)의 전면에 구비하는 단계에서, 상기 개방홀(21)을 통하여 상기 시공 파이프(30) 내부로 토사가 일시 유입되는 것을 차단하기 위한 토사유입차단벽(101)을 상기 유도관(20)의 후방 내부에 형성하되, 상기 토사유입 차단벽(101)을 개폐가능하도록, 상기 토사유입 차단벽(101)에 다수의 개폐도어(103)와 상기 개폐도어(103)에 다수의 개폐홀(107)을 형성하는 것을 특징으로 하는 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법을 제공한다.

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본 발명에서 상기 유도관(20)을, 반경이 다른 다수의 중공관(22)으로 형성하고, 상기 다수의 중공관(22)은 전방에서 후방으로 갈수록 그 반경이 큰 중공관(22)을 배치결합하여 다단으로 형성할 수 있다.

본 발명에 따른 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법은, 극연약 지반의 지중에 터널을 시공하기 위해 대구경의 파이프를 매설할 경우, 토사가 일시에 다량으로 파이프 내에 유입되는 것을 차단하여 지반의 붕괴에 따른 시공현장의 붕괴를 방지하고,

극연약 지반의 지중에 파이프를 매설하기 위해 파이프를 지중으로 압입 또는 견인하는 과정에서 유도관의 개방홀을 통해 다량의 토사가 일시에 유입되더라도 이를 일차적으로 차단한 후 유입토사에 대해 점진적으로 토사 이송작업을 행할 수 있도록 함으로써, 작업환경의 안전성과 작업효율성을 향상시킬 수 있다.

이하 상기 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예들을 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 부호가 사용되며, 이에 따른 부가적인 설명은 하기에서 생략된다.

도 1a 내지 도 1d는 종래 HJS(Head Jacking Shield)공법으로 터널을 시공하는 과정을 나타내는 시공 공정도이고, 도 2a 내지 도 2c는 종래 HDD(Horizontal Directional Drill Method)공법으로 터널을 시공하는 과정을 나타내는 시공 공정도 이다.

또한, 도 3은 종래 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법에 있어서, 파이프 매설 경로를 따라 드릴(41)로 파이롯트 홀(3)을 시공하는 것을 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법에 있어서, 시공 파이프(30)의 지중으로의 매설을 안내하는 유도관(20)을 나타내는 단면도이며, 도 5는 도 4의 유도관(20)의 정면을 나타내는 정면도이고, 도 6은 도 4의 유도관(20) 후방 내부에 형성되는 토사유입 차단벽(101)을 나타내는 단면도이다.

본 발명은, 도 1a 내지 도 1d와 도 2a 내지 도 2c에 도시된 바와 같이, 종래 비개착식 터널 시공공법 중 HJS공법이나, HDD공법에서, 파이프를 지중에 압입하는 압입수단을 파이프의 후방에 설치하거나, 파이프의 전방으로 파이프를 견인하는 견인수단을 설치하는 시공단계와, 파이프의 지중으로의 진행을 유도하고 용이한 지중 매설을 위하여 상기 시공 파이프(30)의 전면에 지중의 토사가 유입되는 다수의 개 방홀(21)이 형성된 유도관(20)을 결합하는 시공단계를 포함하는 비개착식 파이프 매설공법에 있어서, 극연약 지반에 종래 비개착식 파이프 매설공법을 적용하는 경우에 지중에 파이프를 매설하기 위하여 압입하거나 견인하는 과정에서 상기 유도관(20)의 개방홀(21)을 통하여 다량의 토사가 일시에 유입되는 것을 방지하기 위하여, 도 4와 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 유도관(20)의 후방 내부에 토사유입 차단벽(101)을 형성시킨다.

즉, 도 4와 도 5에 도시된 바와 같이, 시공 파이프(30)의 지중 진행을 용이하게 하고, 정확한 위치에 시공 파이프(30)를 매설하기 위해 상기 시공 파이프(30)의 전면에는 유도관(20)이 형성되며, 바람직하게는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 유도관(20)은 반경이 각기 다른 다수의 중공관(22)을 결합연결하여 구성되며, 상기 다수의 중공관(22)은 전방에서 후방으로 갈수록 그 반경이 큰 중공관(22)이 결합 연결되도록 하여 유도관(20)이 전진되는 방향으로 토사의 저항을 덜 받으며 용이하게 상기 유도관(20)이 지중에서 전진하며 후방에 위치한 파이프를 매설경로로 안내할 수 있도록 한다.

반경이 다른 다수의 중공관(22)에 의하여 다단으로 형성되는 상기 유도관(20)은 중공관(22)이 서로 연결되는 부위에 연결 중공관(22)의 원주면을 따라 반경 차이만큼 빈공간이 형성되며, 전방에 위치하는 중공관(22)과 후방에 위치하는 중공관(22)은 다수의 연결브라켓(23)으로 연결되고, 상기 연결브라켓(23) 사이 공간으로 개방홀(21)이 형성된다.

또한, 유도관(20)의 후방 내부에 형성되는 토사유입 차단벽(101)은 유도 관(20)에서 시공 파이프(30) 내부로 통하는 내부면을 완전히 차단 시키거나 점진적으로 토사가 시공 파이프(30) 내로 유입될 수 있도록 개폐가능하게 유도관(20)의 후방 내부면에 형성된다.

바람직하게는, 상기 토사유입 차단벽(101)의 형성은, 도 4와 도 6에 도시된 바와 같이, 유도관(20)의 후방 내부면에 원형의 철판을 상기 유도관(20)의 내주면으로 결합시키고, 상기 원형 철판의 중심부를 기준으로 상·하부가 각각 개폐될 수 있도록 상·하부에 각각 개폐도어(103)를 설치하여 비중이 상대적으로 무거운 토사는 하부 개폐도어(103)의 전면에 쌓이고, 비중이 상대적으로 가벼운 토사는 상부 개폐도어(103)의 전면에 쌓이게 되어 상기 상·하부 개폐도어(103) 중 선택적 개폐로 토사를 선택하여 파이프 내부로 유입시켜 이송시킬 수 있게 된다.

또한, 바람직하게는, 상기 토사유입 차단벽(101)의 소정의 위치에 상기 토사유입 차단벽(101)을 관통하여 개폐가능하게 형성되는 다수의 개폐홀(107)을 형성시켜 일시에 다량의 토사가 시공 파이프(30) 내부로 유입되는 것을 방지하면서 점진적으로 토사가 유입되도록 하여 시공작업의 안전성과 효율성을 향상시킬 수 있게 한다. 상기 개폐홀(107)의 일실시예로, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 토사유입 차단벽(101)을 이루는 상·하부 개폐도어(103) 상에 각각 개폐홀(107)을 형성하여 토사와 함께 유입되는 지하수 등을 먼저 상기 상·하부 개폐홀(107)을 통하여 시공 파이프(30) 내부로 유입 후 추진기지(1)로 유출 시킬 수 있고, 상기 개폐홀(107)의 개폐정도를 조정할 수 있도록 형성하여 유입되는 지하수 등의 유체의 유량을 조절할 수 있도록 한다. 이로써, 토사에 포함된 지하수 등의 수분을 일정부분 먼저 유 출시킨 후에 상대적으로 굳어진 토사를 상기 상·하부 개폐도어(103)의 개폐를 통해 안전하게 토사를 추진기지(1)로 유출시킬 수 있게 된다.

이와 같이, 극연약 지반용 파이프 매설공법의 시공과정에서, 유도관(20) 후방의 내부에 상기 토사유입 차단벽(101)을 형성시킴으로써, 상기 유도관(20)이 시공 파이프(30)의 후방에 위치한 압입잭과 같은 압입수단에 의하거나, 파이프의 전방, 즉, 상기 유도관(20)의 전방에 구비되는 견인수단에 의하여 지중으로 시공 파이프(30)와 함께 전진해 나갈 경우에 극연약 지반의 특성으로 지중 토사의 토압에 의하여 상기 유도관(20)의 다수의 개방홀(21)을 통해서 토사가 지속적으로 유입되더라도 상기 시공 파이프(30) 내부로 일시에 다량의 토사가 몰려 들어오는 것을 일차적으로 막아 토사유입이 안정된 상태에서 토사의 비중에 따라 선택적으로 토사를 추진기지(1)로 유출할 수 있게 되어 시공 파이프(30)의 매설작업을 안전하게 수행할 수 있음과 아울러, 효율적으로 작업을 수행할 수 있게 되는 것이다.

위에서 몇몇의 실시예가 예시적으로 설명되었음에도 불구하고, 본 발명이 이의 취지 및 범주에서 벗어남 없이 다른 여러 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다.

따라서, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아닌 예시적인 것으로 여겨져야 하며, 첨부된 청구항 및 이의 동등 범위 내의 모든 실시예는 본 발명의 범주 내에 포함된다.

도 1a 내지 도 1d는 종래 HJS(Head Jacking Shield)공법으로 터널을 시공하는 과정을 나타내는 시공 공정도;

도 2a 내지 도 2c는 종래 HDD(Horizontal Directional Drill Method)공법으로 터널을 시공하는 과정을 나타내는 시공 공정도;

도 3은 종래 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법에 있어서, 파이프 매설 경로를 따라 드릴(41)로 파이롯트 홀(3)을 시공하는 것을 나타내는 단면도;

도 4는 본 발명에 따른 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법에 있어서, 시공 파이프(30)의 지중으로의 매설을 안내하는 유도관(20)을 나타내는 단면도;

도 5는 도 4의 유도관(20)의 정면을 나타내는 정면도; 및

도 6은 도 4의 유도관(20) 후방 내부에 형성되는 토사유입 차단벽(101)을 나타내는 단면도;이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 추진기지 2 : 도달기지

3 : 파이롯트 홀 4 : 확공된 홀

10 : 압력잭 20 : 유도관

21 : 개방홀 22 : 중공관

23 : 연결브라켓

30 : 시공 파이프 41 : 드릴

42 : 리머 44 : 드릴 로드

60 : 가이드라인 70 : 크레인

101 : 토사유입 차단벽 103 : 개폐도어

105 : 방향조절잭 107 : 개폐홀

Claims (4)

1. 극연약 지반층의 지중에 파이프(30)를 비개착식으로 매설 시공하기 위해, 시공 파이프(30)의 후방으로 파이프를 압입하는 파이프 압입수단을 설치하거나 시공 파이프(30)의 전방으로 파이프를 견인하는 견인수단을 설치하는 단계와, 시공 파이프(30)의 지중으로의 진행을 유도하고 시공 파이프(30)의 지중 진행 중 토사가 유입되는 개방홀(21)이 다수 형성되는 유도관(20)을 시공 파이프(30)의 전면에 구비하는 단계를, 포함하는 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법에 있어서,

   상기 유도관(20)을 시공 파이프(30)의 전면에 구비하는 단계에서,

   상기 개방홀(21)을 통하여 상기 시공 파이프(30) 내부로 토사가 일시 유입되는 것을 차단하기 위한 토사유입차단벽(101)을 상기 유도관(20)의 후방 내부에 형성하되,

   상기 토사유입 차단벽(101)을 개폐가능하도록, 상기 토사유입 차단벽(101)에 다수의 개폐도어(103)와 상기 개폐도어(103)에 다수의 개폐홀(107)을 형성하는 것을 특징으로 하는 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,

   상기 유도관(20)을,

   반경이 다른 다수의 중공관(22)으로 형성하고, 상기 다수의 중공관(22)은 전방에서 후방으로 갈수록 그 반경이 큰 중공관(22)을 배치결합하여 다단으로 형성하는 것을 특징으로 하는 극연약 지반용 비개착식 파이프 매설공법.

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