KR101184255B1 - 무갱문 터널 구조물의 시공방법 및 그 방법에 사용되는 강판구조물 - Google Patents

Abstract

경제적이면서도 위험을 수반하지 않고 안전하면서도 시간을 절약할 수 있는 친환경적인 무갱문 터널 구조물의 시공방법 및 그 시공방법에 사용되는 강판구조물이 제공된다. 이 시공방법은, a) 터널의 단면형상을 따라서 다수개의 강관(10)을 터널시공 예정면을 따라 압입하면서 상기 강관(10)내의 토사를 빼내는 단계와; b) 압입된 상기 강관(10)내로 H형강(20)을 삽입하고 그의 첨단부를 고정시키는 단계와; c) 상기 강관(10)을 빼내는 단계와; d) 인접하는 상기 H형강(20)의 홈(21)의 사이로, 터널시공 예정면을 따라 전방 강판 구조물(40)을 압입하는 단계와; e) 상기 전방 강판 구조물(40)의 하부에 형성된 내부공간(50)을 굴착하는 단계와; f) 상기 압입된 전방 강판 구조물(40)의 후방에 후방 강판 구조물(80)을 접속하는 단계와; g) 상기 후방 강판 구조물(80)을 압입하는 단계; 및, h) 상기 e) 내지 g)의 단계를 반복하는 것을 특징으로 한다.

Description

무갱문 터널 구조물의 시공방법 및 그 방법에 사용되는 강판구조물{A construction method for a non-portal tunnel structure and a steel plate structure used in the method }

본 발명은 무갱문 터널 구조물의 시공방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 터널구조물을 형성하려는 굴착지역의 입구부가 풍화암 이하의 토사지반으로 되어 있거나 암반층이라 하더라도 미세절리와 파쇄대가 매우 발달되어 있을 경우에는 터널굴착 및 내공(內空)유지에 적합한 강도의 암반이 노출될때까지 사면을 절취한 후, 터널초기단면형성과 굴착입구부 천단붕괴에 대한 안전성 확보를 위하여 터널입구에 갱문을 설치토록 되어있고, 또한 사면절취에 따른 안전확보를 위하여 가시설 설치, 지반보강작업 등이 필요하였던 점을 감안하여, 종래의 터널굴착을 위해 필요했던 갱문을 설치하지 않고 원지반 상태에서 곧바로 터널시공을 가능하게 함으로서, 갱문설치를 위한 사면절취비, 보강비 및 용지비가 필요없을 뿐만 아니라 막대한 자연훼손을 근원적으로 차단하고 사면붕괴의 우려도 없는 안전한 터널을 시공하기 위한 무갱문 터널 구조물의 시공방법에 관한 것이다.

예를 들어, 자동차도로나 철도가 통과하는 산악터널이나 도심지하철 또는 지하차도등의 지중구간과 같은 터널구조를 형성하기 위해서는, 터널의 외부로부터 발생하는 응력에 견딜수 있도록 터널 구조물이 설치된다.

현재, 가장 일반적인 터널 구조물 설치방법은, 터널굴착전 터널입구에 갱문을 설치한 후 터널을 형성할 지반을 토질조건에 따라 일정한 깊이로 발파하고 부산물인 토괴나 암버럭을 제거한 후, 숏크리트와 LIB 등 가시설로 이를 보강함으로써 일정 길이만큼의 터널구조물을 완성한 후, 다시 발파에서 보강까지 싸이클링 방식으로 공사를 시행함으로써 터널 구조물을 완성하는 방식이다. 하지만 이러한 방법들은 그 공법의 특성상 다음과 같은 문제점을 가지고 있었다.

첫번째로, 산악지역에서 터널을 형성할 경우, 터널입구부는 지반표층과 가깝기 때문에 토사층과 풍화대가 두텁게 형성되어 있고 절리와 파쇄대가 발달된 지형이 대부분이므로 종래의 공법으로 터널굴착과 갱문을 설치하기 위해서는 터널내공(內空)유지 및 외부응력을 감당할 수 있는 암반층이 노출될때까지 대규모로 사면절취를 시행할 수 밖에 없고 이에 따라 산림과 자연환경의 훼손이 심각하며 또한 절취사면은 자연사면에 비하여 취약하기 때문에 사면안정을 위한 보강공사 및 녹화, 사방공사 등 추가시공비와 토지비용이 과다하게 발생되고 있다.

더구나, 산악지역에서 길이가 짧은 터널을 시공할 경우, 갱문설치를 위하여 터널 양쪽입구부에서 터널암반층이 노출될때까지 사면절취를 시행하면 산 전체를 깍아내야 하므로 결국 개착식으로 공사를 시행할 수 밖에 없거나, 갱문부를 인공시설물로 보강 또는 지반안정화작업 후 굴착을 시행해야하기 때문에, 과다한 비용발생과 산림훼손, 시공성 불량 등의 문제점이 상존해왔다.

두번째로, 제약조건이 많은 도심밀집지역에서 지하차도나 공동구 등 지중터널공사를 시행할 경우 종래에는 작업공간확보도 어려울 뿐만 아니라 협소한 공간내에서 지반보강작업을 포함한 갱문설치 등 복잡공정을 시행해야 하기 때문에 시공성이 지극히 불량할뿐만 아니라 각종 민원에 다양하게 노출되고 각종 안전사고의 발생우려도 높은 실정이었다.

결국, 상기와 같은 종래 방법에 의한 터널 구조물의 설치공법에 의하면, 외부의 응력을 충분히 감내할 수 있는 정도의 터널암반이 노출되는곳까지 대규모 절토를 시행하지 않으면 안되고, 천단부를 보강한후 단거리의 터널 굴착작업을 반복적으로 시행함으로써 공기자체가 무척 길어지며, 위험성을 수반한 동시에 최소단위만로 반복되는 것이기 때문에, 많은 인력과 장비 및 자재가 소요되어 작업이 비능률적이고 비경제적으로 되며, 터널 구조물의 지구력의 취약점 때문에 터널붕괴 및 안전사고의 발생 위험등이 높다는 등의 여러 가지 문제점을 내포하고 있었다.

한편, 산악지형에서의 터널이나, 혹은 도시철도, 도로, 교량, 하천등의 지상구조물이나 기타 사회 기반시설을 정상적으로 사용하면서도 지하에 터널 구조물을 축조하는 비개착식 터널 굴착공법으로서, TRCM(Tubular Roof Construction Method)공법이 사용되고 있다.

이러한 TRCM공법은, 터널을 설치하고자 하는 지반속에 대구경의 강관 다수개를 터널 시공방향에 평행한 방향으로 아치(Arch)형태로 압입한 후, 압입된 강관의 내부에서 직각방향으로 강관을 절단하고, 다수개의 강관에 의하여 형성된 아치의 하부를 굴착하여 보를 형성하며, 그 강관내에 콘크리트를 타설함으로써, 아치형 터널구조물을 완성하는 방법을 말한다.

이와 같은 TRCM공법은, 산악지형에서의 터널이나, 도심밀집지역에서의 지하철 공사등에 많이 사용되며, 상부하중을 아치형 보에서 부담하고 있기 때문에 고심도 대형단면, 즉, 터널의 폭이 넓고 높이가 높은곳에 유리할 뿐 아니라, 대형공간에서 미려한 외관을 연출할 수 있다고 하는 장점을 가진다.

그러나, 이러한 TRCM공법은 우선 대형 강관등의 자재비와, 그 부대적인 공사에 필요한 비용이 막대하게 들어갈 뿐 아니라, 강관의 절단이나 기타 작업에 있어서, 일일히 강관내부로 인력을 투입하여 수작업으로 행하여야 하기 때문에, 인건비뿐 아니라 작업시간이 장기화된다는 단점을 가지고 있다.

본 발명의 목적은, 상기한 바와 같은 종래의 터널 구조물의 시공방법이나 TRCM공법에 의한 터널 구조물의 시공방법에 있어서의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 경제적이면서도 위험을 수반하지 않고 안전하면서도 시간을 절약할 수 있는 친환경적인 무갱문 터널 구조물의 시공방법을 제공함에 있다.

상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 암반층등의 지반상태가 양호한 지점까지 취약한 조건에서의 터널 갱구부 작업이나, 기타 모든 터널공사에 있어서 비교적 단거리의 터널을 시공해야 하는 경우에는, 시공상의 위험성이 적고 작업을 일관되게 능률적으로 할수 있도록, 굴착작업을 행하지 않은 상태에서, 터널이 형성될 단면을 따라서 H형강을 압입한 상태에서, 선단이 보강된 강판구조물을 제작한 후, 제작된 세그먼트를 미리 압입된 H형강의 홈과 홈사이로 압입한 후, 압입된 강판구조물의 하부공간내부를 굴착하고, 이러한 압입 및 굴착공정을 반복하여 시행한 후, 최종적으로 라이닝 콘크리트처리를 행함으로써, 터널 구조물을 시공할 수 있도록 하였다.

본 발명에 따른 터널 구조물의 시공방법은, a) 터널의 단면형상을 따라서 다수개의 강관을 터널시공 예정면을 따라 압입하면서 상기 강관내의 토사를 빼내는 단계와; b) 압입된 상기 강관내로 H형강을 삽입하고 그의 첨단부를 고정시키는 단계와; c) 상기 강관을 빼내는 단계와; d) 인접하는 상기 H형강의 홈의 사이로, 터널시공 예정면을 따라 전방 강판 구조물을 압입하는 단계와; e) 상기 전방 강판 구조물의 하부에 형성된 내부공간을 굴착하는 단계와; f) 상기 전방 강판 구조물의 후방에 후방 강판 구조물을 접속하는 단계와; g) 상기 후방 강판 구조물을 압입하는 단계; 및, h) 상기 e) 내지 g)의 단계를 반복하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 e)와 f) 단계의 사이에, 상기 내부공간의 둘레부에 강지보재를 설치하는 단계를 더 포함한다.

바람직하게는, i) 라이닝 콘크리이트로 마감하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 전방 강판 구조물 및 후방 강판 구조물에는 터널의 단면형상의 외부쪽으로 그의 압입방향을 따라서 보강재로 보강된 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 터널 구조물의 시공방법중 d)단계에 사용되는 전방 강판 구조물은, 터널이 시공되는 최전방의 토사에 압입되는 최첨단부 및; 2장의 강판과, 이들 강판의 사이에 접합된 중간보강재로 구성되는 후방부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 터널 구조물의 시공방법중 f) 및 g)단계에 사용되는 후방 강판 구조물은, 2장의 강판과, 이들 강판의 사이에 접합된 중간 보강재로 구성되는 후방부로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본발명에 따르면, 종래의 방법에 따른 갱구부의 시공과정에서 보는 바와 같이, 암반이 노출되는 장소까지 대규모 절토를 시행할 필요가 없으며, 시공성이 좋고 안전하며, 경제적이고도 친환경적인 무갱문 터널용 구조물을 구축할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 종래의 TRCM공법에서와 같이 막대한 자재비용과 인건비 및 인력에 의한 수작업을 행하지 않아도 좋기 때문에, 공기가 단축되며 뛰어나 경제적 효과를 발휘한다는 장점이 있다.

도 1은, 본 발명의 무갱문 터널 구조물 시공방법에서, 터널의 초입단계에서 수평천공에 의하여 강관을 압입하는 단계를 나타내는 도면.
도 2는 도 1에서 압입된 강관내에 H형강을 삽입한 상태를 나타내는 도면.
도 3은 도 2에서 강관을 빼내고 강관의 홈사이로 H형강으로 보강된 강판 구조물을 압입한 상태를 나타내는 도면.
도 4는 다수개의 H형강으로 보강된 강판 구조물이 압입된 상태를 나타내는 도면.
도 5는 강판 구조물 하부의 굴착된 공간내에 강지보재를 설치한 상태를 나타내는 도면.
도 6은 본 발명의 방법을 실시하기 위한 전방 강판구조물의 사시도.
도 7은 본 발명의 방법을 실시하기 위한 후방 강판구조물의 사시도이다.

이하, 본 발명에 따른 무갱문 터널 구조물의 시공방법에 대하여, 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 터널 구조물 시공방법에 있어서, 통상의 천공기에 의한 수평천공으로 강관을 압입한 상태를 나타낸다.

동 도면에서 나타낸 바와 같이, 강관(10)은 터널의 단면형상을 따라서 그의 둘레부를 따라 다수개가 압입된다. 터널의 단면형상은, 예를 들어 일반터널의 경우에는 아치형상이며, 지하차도 혹은 지하통로 (소위 "토끼굴")등에서는 직사각형과 같은 구조로 된다.

이와 같은 강관(10)은 통상의 천공기를 사용하여 강관을 터널이 형성될 방향과 평행한 방향으로 강관(10)을 압입하면서 강관(10)의 내부의 토사가 스크류장치에 의하여 강관(10)의 외부로 빼내지게 된다.

강관(10)내부의 토사를 외부로 빼낸 후에는, 도 2에서 나타낸 바와 같이, H형강(20)을 강관(10)의 내부에 삽입한다. 여기에서, H형강(20)의 길이는 강관(10)의 길이보다 길게 형성되므로, 강관(10)의 길이를 초과하는 H형강(20)의 부분은 강관(10)이 압입된 길이를 지나서 터널이 형성되는 앞부분의 지형에 그의 첨단부분이 압입된 상태로 된다.

이와 같이 H형강(20)이 첨단부분을 압입된 상태로 고정된 후에는, 강관(10)을 빼내게 된다. 강관(10)을 빼낸 상태에서도 H형강(20)의 첨단부분은 토사등에 압입되어 고정된 상태이기 때문에 강관이 압입된 상태의 연장방향으로 정확하게 배향되어 압입된 상태로 있게 된다.

다음에는 도 3에 나타낸 바와 같이, 터널의 단면형상을 따라서 다수개가 압입고정된 상태로 있는 다수개의 H형강(20)의 인접한 홈(21)과 홈(21)의 사이에 전방 강판 구조물(40)을 장착하고 터널이 시공될 예정면을 따라서 전방 강판 구조물(40)을 압입하게 된다.

상술한 공정에서 다수개의 H형강(20)들은 터널이 시공될 예정면을 따라서 이미 압입되어 있는 상태이므로, 이들 다수개의 H형강(20)의 홈(21)과 인접한 H형강(20)의 홈(21)의 사이에 장착되어 압입되는 전방 강판 구조물(40)은 이들 전방 강판 구조물(40)에 의하여 형성되는 하부가 터널의 시공될 터널의 단면을 규정하게 된다.

도 6에는 본 발명의 방법에 사용되는 전방 강판 구조물을 나타내는 도시되어 있다. 이 전방 강판 구조물(40)은, H형강(20)의 홈(21)과 홈(21)의 사이에 장착되는 것이기 때문에 그의 전체적인 외형은 하나의 H형강(20)과 인접한 H형강(20) 사이의 곡면을 반영하고 있으며, 이와 같은 전방 강판 구조물(40)은 유압잭 또는 기타 보조적인 유압장비를 사용하여 터널형성면쪽으로 압입하게 된다.

전방 강판 구조물(40)은 통상의 강판만을 사용하여도 좋지만, 바람직하게는, 전방 강판 구조물(40)은 최첨단부(41) 및 후방부(42)로 구성된다.

최첨단부(41)는 터널이 형성될 전방의 토사부분으로 압입되는 부분으로서, 예를 들면 공구의 날과 같은 역할을 하게 되며, 그의 앞 끝단은 공구의 끌과 같이 압입면에 대하여 상부에서 하부방향으로 경사지게 되어 있다. 이와 같이 전방 강판 구조물(40)의 최첨단부(41)를 공구의 날, 혹은 백호(backhoe)나 포크레인의 앞부분과 같이 발톱이 형성된 형상으로 함으로써, 압입효과를 극대화하고, 토사등이 빠져나오기가 용이하도록 한다.

후방부(42)는 다음과 같이 형성되어 있다. 터널의 단면형상을 따라 굴곡된 2장의 강판(43)을 사이에 두고 중간 보강재(70)로서, 예를 들어 ㄷ자 형강을 용접등을 통하여 접합한 것이다. 물론, 이들 중간 보강재(70)는 전체적으로 강판(43)과 마찬가지로 굴곡되어 형성되며, 반드시 ㄷ자형강에 한하는 것은 아니며, 예를 들어 H형강이나 단면이 사각형인 것도 사용가능한 것임은 물론이다.

또한, 바람직하게는, 이들 전방 강판 구조물(40)은 H형강으로 형성된 보강재(30)에 의하여 보강되어 있어서, 압입되는 전방의 토사등에 있어서 암석이 존재하는 경우등에 대하여 대비할 수 있다. 즉, 전방 강판 구조물(40)만을 압입하게 되는 경우, 그의 중간부분등에 암석이 존재하는 경우에는 전방 강판 구조물(40)을 압입하는 것만으로는 암석의 저항에 의하여 충분한 압입력을 발휘할 수 없을 수도 있고, 암반층의 존재로 인하여 전방 강판 구조물(40)이 손상되거나 또는 함몰되는 경우도 생각되므로, 전방 강판 구조물(40)에 있어서, 터널의 단면형상의 외부방향으로 그의 압입방향을 따라 H형강으로 형성된 보강재(30)로 보강하는 것이 바람직하다.

보강재는 반드시 H형강으로 한정되는 것은 아니며, 통상의 지식을 가진 자에 의하여 이용될 수 있는 모든 형상이나 재질을 망라한 보강재를 사용하는 것이 가능하다.

또한, 이와 같은 보강재(30)은 특별히 그의 갯수가 한정되는 것이 아니며, 도 4에서 나타낸 바와 같이 다수개가 전방 강판 구조물(40)의 외부에 보강될 수도 있다.

이와 같은 전방 강판 구조물(40)은, 반드시 한정된 것은 아니지만, 예를 들면 터널형성방향에 있어서의 길이가 3m 내지 5m 정도의 길이를 가지는 것이며, 이들 전방 강판 구조물(40)을 전부 압입한 후에는, 이들 전방 강판 구조물(40)에 의하여 형성되는 하부의 토사를 굴착함으로써 터널의 내부공간(50)을 형성하게 된다.

이후, 다수개의 H형강(20)의 인접한 홈(21)과 홈(21)의 사이에 끼워져 있는 전방 강판 구조물(40)의 뒤쪽에 후방 강판 구조물(80)을 장착하고 압입한다.

도 7은 이와 같은 후방 강판 구조물(80)을 도시하는 것으로서, 전체적인 구조는 상술한 전방 강판 구조물(40)의 후방부(42)와 동일한 구조로 되어 있으므로, 상세한 설명은 생략한다.

H형강(30)의 길이는 강판구조물과 일치시키는 것이 바람직하며, 최초의 전방 강판 구조물(40)의 압입에 의하여 터널의 내부공간(50)을 일부 형성한 후에는, 다시 후방 강판 구조물(80)을 뒤쪽으로 연결하여 양자를 함께 압입하고, 강판 구조물의 압입에 의하여 형성되는 하부공간의 토사를 굴착해내도록 한다.

다시 말해서, 상술한 바와 같이 전방 강판 구조물(40)을 압입한 후에는, 그 전방 강판 구조물(40)의 하부공간(50)의 토사를 굴착하고, 후방 강판 구조물(80)의 장착 및 압입의 단계를 반복하여, H형강(20)의 전체길이에 걸쳐 강판 구조물(40),(80)을 H형강(30)의 홈과 홈사이에 압입하고 그의 하부공간(50)내의 토사를 굴착해냄으로써 터널이 형성되도록 하는 것이다.

이와 같이 형성된 터널의 내부공간(50)은 비록 H형강(20) 및 강판 구조물(40),(80)에 의하여 지지되고 있기는 하지만, 내부공간(50)을 향한 토사의 압력이 강하므로, 터널의 단면형상을 따라서 도 5에 나타낸 바와 같이, 구조상 안전한 범위에 따라 H형강으로 형성된 강지보재(60)를 설치하여 단면방향의 압력에 대하여 보완한다.

이와 같이 전방 강판 구조물(40)의 압입을 통하여 형성된 내부공간(50)의 보강작업이 완료된 후에는, 암반층등 지반상태가 양호한 지점까지 도달하면, 거푸집을 설치하고 라이닝 콘크리트를 타설하여 터널 구조체를 완성한다.

즉, 본원발명에 따른 무갱문 터널 구조물의 시공방법은, 갱구로부터 반대편 갱구에 이르기까지의 전체 터널구간에 걸쳐서 시행될 수도 있지만, 시공목적에 따라서는 필요한 구간만큼만 본 공법을 실시하고, 나머지 구간에 대해서는 통상의 일반적인 공법에서와 같이 선단부분을 발파에 의하여 터널시공부를 형성하고, 토사를 굴착해 해낸후, 보완공사를 거쳐서 라이닝 콘크리트로 마감하는 방법을 혼용하여 시공하여도 좋다.

본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

10: 강관 20: H형강
21: 홈 30: 보강재(H형강)
40: 전방 강판 구조물 41: 최첨단부
42: 후방부 43: 강판
50: 터널의 내부공간 60: 강지보재
70: 중간 보강재 80: 후방 강판 구조물

Claims (6)

1. a) 터널의 단면형상을 따라서 다수개의 강관(10)을 터널시공 예정면을 따라 압입하면서 상기 강관(10)내의 토사를 빼내는 단계와;
   b) 압입된 상기 강관(10)내로 H형강(20)을 삽입하고 그의 첨단부를 고정시키는 단계와;
   c) 상기 강관(10)을 빼내는 단계와;
   d) 인접하는 상기 H형강(20)의 홈(21)의 사이로, 터널시공 예정면을 따라 전방 강판 구조물(40)을 압입하는 단계와;
   e) 상기 전방 강판 구조물(40)의 하부에 형성된 내부공간(50)을 굴착하는 단계와;
   f) 상기 압입된 전방 강판 구조물(40)의 후방에 후방 강판 구조물(80)을 접속하는 단계와;
   g) 상기 후방 강판 구조물(80)을 압입하는 단계; 및,
   h) 상기 e) 내지 g)의 단계를 반복하는 것을 특징으로 하는 무갱문 터널 구조물의 시공방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 e)와 f) 단계의 사이에, 상기 내부공간(50)의 둘레부에 강지보재(60)를 설치하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무갱문 터널 구조물의 시공방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, i) 라이닝 콘크리이트로 마감하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 무갱문 터널 구조물의 시공방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 전방 강판 구조물(40) 및 후방 강판 구조물(80)은 터널의 단면형상의 외부쪽으로 그의 압입방향을 따라서 보강재(30)로 보강된 것을 특징으로 하는 무갱문 터널 구조물의 시공방법.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 터널 구조물의 시공방법중 d)단계에 사용되는 강판 구조물(40)로서,
   터널이 시공되는 최전방의 토사에 압입되는 최첨단부(41) 및;
   2장의 강판(43)과, 이들 강판(43)의 사이에 접합된 보강재(70)로 구성되는 후방부(42)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 강판 구조물.
6. 제 1 항 또는 제 2 항에 기재된 터널 구조물의 시공방법중 f) 및 g)단계에 사용되는 후방 강판 구조물(80)로서,
   2장의 강판(43)과, 이들 강판(43)의 사이에 접합된 보강재(70)로 구성되는 후방부(42)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 강판 구조물.

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