KR101256584B1 - 이중공법을 통한 터널의 굴착방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널굴착 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 굴착 시 지표면으로 전달되는 진동과 소음을 최소화하면서 경제적 측면에서도 유리한 이중공법을 통한 터널굴착 방법을 제공하고자 한 것이다. 이를 위해, 본 발명은 완성될 터널의 하부에 터널의 길이방향을 따라 하부선굴착부를 굴착하는 단계와, 상기 하부선굴착부의 상측에 위치된 잔여터널부를 굴착하는 단계 및 상기 잔여터널부의 굴착 시 상기 하부선굴착부로 낙하하는 버럭들을 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이중공법을 통한 터널의 굴착방법을 제공한다.

Description

이중공법을 통한 터널의 굴착방법{Tunnel Constructing Method Using Double Excavation method}

본 발명은 터널굴착 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 터널의 굴착을 보다 효율적으로 할 수 있음과 동시에 경제적 측면에서도 유리한 이중공법을 통한 터널굴착 방법에 관한 것이다.

현재 국내에서는 SOC사업 등이 증대함에 따라 지하공간을 활용하기 위하여 지하공간에 사회간접시설인 각종 에너지와 폐기물의 지하저장시설, 통신구, 전력구와 같은 에너지 전달시설 및 광역상수도를 구축하기 위한 도수터널과, 지하철, 철도, 고속철도, 국도 및 고속도로 등 도로교통을 위한 도로터널 등 수많은 터널굴착 작업이 수행되고 있다.

통상 터널을 굴착하는 방법으로서는 발파에 의한 굴착공법, 굴착면을 천공한 후 기계적 파쇄장치나 화학제를 사용하여 암반에 충격을 주어 무진동으로 파쇄하여 굴착하는 방법 등 여러 형태가 있다.

먼저, 발파에 의한 굴착공법은 도 1에 도시된 바와 같이, 터널의 막장면 중심부에 복수개의 장약공(1a)들을 천공하여서 된 심발부(1)를 먼저 굴착한 후에, 상기 심발부(1) 영역으로부터 외측으로 일종의 동심원을 형성하며 상기 심발부를 제외한 잔여터널부를 발파하여 굴착하는 방식으로 진행된다.

이러한 발파에 의한 굴착공법은 화약의 구입이 수월하고 운용이 편리한 장점으로 인해 굴착효율과 굴착비용의 경제성 측면에서 있어서 매우 유리하지만, 다량의 폭약을 기폭시키는 형태로 이루어짐으로써 정밀한 굴착이 이루어지기 힘들고 필연적으로 굴착기간 내내 격심한 진동, 소음 및 분진이 발생된다는 문제를 가진다.

이러한 진동, 소음 및 분진 등은 터널 직상부의 지표면으로 그대로 전파되면서 터널 직상부에 위치하는 구조물, 인체, 가축류, 기기류 등에 악영향을 미치므로 인구와 건물이 밀집된 도심지 내의 건물터파기 및 도로확장, 신설, 지하철, 고속철도, 문화재 인접지역 공사, 재개발지역 등의 공사에서는 집단민원이 빗발치고 있음은 물론 발파허가 조차 얻기 힘들어 공사자체가 거의 불가능한 실정이다.

이에 따라, 상황에 따라서는 진동과 소음 분진이 없이 암반을 파쇄하는 정적 파쇄적인 공법이 요구되고 있으며, 이러한 굴착방법의 일환으로 무진동 파쇄공법이 주로 이용되고 있다.

이러한 무진동 파쇄공법은 터널 막장을 천공한 후 천공한 구멍 안에 굴삭기에 장착된 초대형 할암기(B.R.S:Big Rock Splitter)의 바깥(外)날을 삽입하여 내(內)날인 쐐기를 고압의 유압피스톤(2,500~3,500 ton)으로 밀어넣어 암반을 파쇄하도록 하거나, 천공한 구멍 안에 겔 튜브를 주입한 다음 전기뇌관 및 소량의 기폭약으로 화학반응을 촉진시켜 순간적으로 고온, 고압 상태로 전환되는 겔의 힘(이성질체의 호변이성을 이용)을 이용하여 암반을 파쇄하도록 하는 것이다.

이러한 무진동 파쇄공법은 화약발파로 인한 비산, 폭음압 등이 없으므로 발파에 의한 굴착공법에 비하여 안전하고 소음 및 진동이 적어 환경공해 측면에서 유리하지만, 굴착효율이 낮아 공사기간이 상당한 정도로 길어짐은 물론 발파방식과 비교하여 비용도 상당하게 늘어나게 되어 경제성 측면에서 있어서는 매우 불리하다는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 종래의 문제점 및 제결점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 다음과 같다.

첫째, 본 발명은 안전성을 향상시키고 작업능률을 올릴 수 있는 터널 굴착방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

둘째, 본 발명은 굴착 시 지표면으로 전달되는 진동과 소음을 최소화할 수 있는 터널의 굴착방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

셋째, 본 발명은 일반적인 발파 공법만을 모두 적용하지 않고서도 상황에 따라 터널 굴착 시간을 단축하면서도 상술한 진동의 억제 및 작업 효율을 증대시킬 수 있는 터널 굴착방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 완성될 터널의 하부에 터널의 길이방향을 따라 하부선굴착부를 굴착하는 단계와, 상기 하부선굴착부의 상측으로 일정구간에 걸쳐 다수 회차의 잔여터널부들을 계단 형태로 굴착하는 단계와, 상기 다수 회차의 잔여터널부들의 굴착 시마다 상기 하부선굴착부로 낙하하는 버럭들을 제거하는 단계를 포함하되, 상기 다수 회차의 잔여터널부들을 계단 형태로 굴착하는 단계가, 상기 하부선굴착부로부터 인접된 구간에 1차 잔여굴착부를 종방향으로 굴착하는 단계와, 상기 1차 잔여굴착부가 진행되는 동안에 상기 1차 잔여굴착부의 상측으로 2차 잔여굴착부를 종방향으로 굴착하는 단계와, 상기 터널의 전체 높이에 이르기까지 상기 1차 잔여터널부의 굴착과 상기 2차 잔여터널부의 굴착을 반복하여 수행하는 단계로 이루어지는 이중공법을 통한 터널의 굴착방법이 일 특징이다.

여기서, 상기 하부선굴착부는 터널의 입구부로부터 일정 구간에 걸쳐 차례로 굴착되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 잔여터널부의 굴착은 상기 하부선굴착부의 상부로 일정구간에 걸쳐 상기 하부선굴착부로부터 인접된 구간부터 차례로 굴착되도록 할 수 있다.

또한, 상기 하부선굴착부는 발파방식으로 굴착되도록 할 수 있다.

그리고, 상기 하부선굴착부는, 무진동암반파쇄방식으로 굴착되도록 할 수 있다.

또한, 상기 잔여터널부는 일반 발파방식으로 굴착되도록 하거나. 상기 잔여터널부는 무진동암반파쇄방식으로 굴착되도록 할 수 있다.

나아가, 상기 하부선굴착부와 잔여터널부는 계단 형태로 병행하여 굴착되도록 할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명 이중공법을 통한 터널의 굴착방법을 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명 이중공법을 통한 터널의 굴착방법에 의하면 완성될 터널의 하부에 터널의 길이방향을 따라 하부선굴착부를 선굴착한 다음, 잔여터널부를 굴착함으로써 터널 굴착 시 발생되는 진동과 소음이 지표면과 거리가 먼 하부선굴착부를 통해 최소화되는 효과가 있다.

둘째, 본 발명 이중공법을 통한 터널의 굴착방법에 의하면, 잔여터널부를 굴착하면서 발생되는 버럭들은 자중에 의해 하부선굴착부로 모이게 되므로 버럭 제거작업이 신속하고 간편하게 이루어질 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

셋째, 두 가지의 공법을 혼용하여 전체 터널이 굴착되되, 발파 방식과 무진동 암반파괴방식을 적절히 활용함으로써 소음 및 작업 안전성을 극대화하면서도 작업 속도는 최대화할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 종래의 발파에 의한 굴착공법을 설명하기 위한 터널 정면도;
도 2는 본 발명 터널 굴착 방법의 초기단계를 개략적으로 나타낸 정면도;
도 3은 본 발명 이중공법을 이용한 터널의 굴착방법에 있어서 잔여터널부의 굴착과정을 설명하기 위한 정면도;
도 4는 본 발명 이중공법을 이용한 터널의 굴착방법에 있어서 잔여터널부의 굴착과정을 설명하기 위한 측단면도;
5는 본 발명의 이중공법을 통한 터널의 굴착방법에 따라 잔여터널부가 굴착된 상태를 나타내는 터널의 측단면도; 및
도 6은 본 발명의 이중공법을 통한 터널의 굴착방법의 다른 실시예를 나타낸 측단면도이다.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하, 본 발명의 일 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명함에 있어, 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용하며, 명료성을 위하여 가능한 중복되지 않게 상이한 부분만을 주로 설명한다.

도 2는 본 발명 터널 굴착 방법의 초기단계를 개략적으로 나타낸 정면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명 이중공법을 통한 터널의 굴착방법은 완성될 터널의 하부 일정 구간(110, 이하 "하부선굴착부"라 한다)을 선굴착한다. 이때, 상기 하부선굴착부(110)는 완성될 터널의 바닥면에 위치된 상태로 굴착되도록 할 수도 있으나, 도시된 것처럼, 터널의 바닥면으로부터 일정 높이 위치된 구간에 굴착되도록 함이 바람직하다.

여기서, 상기 하부선굴착부(110)는 작업자가 들어가 잔여굴착부(120)의 굴착 시에 발생하는 버럭(미도시)들의 제거를 용이하게 할 수 있는 충분한 공간을 가지는 높이로 굴착되어야 할 것이다.

일반적으로 상기 하부선굴착부(110)의 굴착 높이는 2m 정도가 됨이 바람직하다.

그리고, 상기 하부선굴착부(110)는 터널의 길이방향을 따라서 굴착되는데, 완성될 터널의 입구로부터 처음부터 상당한 길이로 깊게 굴착하는 경우에는 상기 잔여터널부(120)를 굴착하는 단계에서 매몰 사고가 발생될 염려가 있다.

그러므로, 미리 암반의 상태나 기타 주변환경 등을 고려하여 완성될 터널의 길이방향을 따라서 다수 구간으로 나뉘어 각 구간 별로 적정한 길이로 굴착됨이 바람직할 것이다.

그리고, 상기 하부선굴착부(110)는 무진동암반파쇄 방식이 적용되어 굴착된다. 할암기 등을 활용하는 무진동암반파쇄방식은 이미 다양한 기술이 나와 있으며, 이러한 공지된 기술 중 하나를 적용할 수 있다.

무진동암반파쇄 방식에 대한 기술은 이미 널리 알려진 기술로 당업자에게 자명한 사항이므로 보다 자세한 설명은 생략한다.

도 3은 본 발명 이중공법을 이용한 터널의 굴착방법에 있어서 잔여터널부의 굴착과정을 설명하기 위한 정면도이고, 도 4는 본 발명 이중공법을 이용한 터널의 굴착방법에 있어서 잔여터널부의 굴착과정을 설명하기 위한 측단면도이다.

도시된 바와 같이, 상기 하부선굴착부(110)를 굴착한 후에는 상기 하부선굴착부(110)의 상측에 위치하는 잔여터널부(120)를 굴착하는 단계를 거치도록 한다.

이때, 상기 잔여터널부(120)는 상기 하부선굴착부(110)의 상측 인접부로부터 일정 구간에 걸쳐 다수 회로 나뉘어 굴착함이 안정적이게 된다.

그리고, 본 발명에 있어서는, 상기 잔여터널부(120)의 굴착 시에 균일발파 등과 같은 발파 공법을 전혀 사용하지 않고 할암기 등을 적용하는 즉 무진동 암반파쇄공법이 적용됨이 바람직하다.

즉, 브레이커 등과 같은 장치를 이용 잔여터널부의 외벽에 힘을 가하여 암반을 파쇄하고, 파쇄된 암반의 버럭 들이 자중에 의하여 상기 하부선굴착부(110)로 낙하하는 것을 이용하여 굴착하는 것이다.

이 경우, 작업자는 상기 하부선굴착부(110)로 낙하한 버럭들을 외부로 반출시키면서 굴착작업이 수행됨은 물론이다.

그리고, 본 발명에 있어서 상기 잔여터널부(120)의 굴착은, 첨부된 도 5에 도시된 바와 같이, 완성될 터널의 높이에 이르기까지 한번에 전부 굴착되도록 하지 않고, 상기 하부선굴착부(110)가 터널 입구부로부터 일정 구간에 걸쳐 형성됨에 따라서 상기 잔여터널부(120)의 굴착 영역 또한 터널 입구부로부터 점점 확대되는 형태로 굴착되도록 함이 보다 바람직할 것이다.

즉, 일정 길이만큼 상기 하부선굴착부(110)가 굴착되면 상기 하부선굴착부(110)의 굴착 중에 발생된 버럭들을 제거하고, 상기 버럭들이 정리된 공간에서 종방향 굴착방식을 통해 다시 상기 잔여터널부를 다수 회 차에 걸쳐서 굴착을 실시한다.

보다 자세히 설명하면 도 5에 도시된 바와 같이, 최초 굴착된 하부선굴착부(110)에 바로 인접된 1차 잔여터널부(125)를 굴착하고, 상기 1차 잔여터널부(125)의 굴착 시 상기 하부선굴착부(110)로 낙하된 버럭들은 후방으로 이송 처리한다.

이 경우에도, 굴착하고자 하는 터널의 길이방향을 따라 상기 하부선굴착부(110)의 굴착과 1차 잔여터널부(125)의 굴착은 여전히 진행을 하게 되며, 상기 1차 잔여터널부(125)의 상측으로 2차 잔여터널부(126)를 계속 굴착하게 된다.

이렇게 하면, 계단식으로 상기 1차 잔여터널부(125)와 2차 잔여터널부(126)가 전체 터널이 높이에 이르기까지 반복되어 수행된다.

특히, 본 발명 터널 굴착방법에 의하면 계단식으로 굴착 시에 브레이커 등을 적용할 수 있는 자유면이 즉, 브레이커 등을 적용할 수 있는 면이 측방향 및 상방향 등과 같이 2 개 이상으로 많아지게 되므로, 작업자는 굴착에 유리한 면을 브레이커 등을 이용하여 굴착작업을 수행할 수 있게 되는 장점을 가진다.

그리고, 전체 터널의 길이에 이르기까지 상술한 일련의 굴착작업을 연속적으로 반복하면서 굴착구간을 연장시키면 최종적으로 전체 터널 내부를 만들 수 있게 된다.

도시 및 설명의 편의상 상술한 설명에서는 1차 잔여터널부 및 2차 잔여터널부만으로 나타내었으나, 상기 하부선굴착부(110)의 상부로 보다 많은 구간에 걸쳐 잔여터널부의 구간을 설정하여 굴착작업이 이루어질 수 있음은 물론이다.

한편, 상기 잔여터널부(110)의 굴착 시에 본 발명의 경우는 종래에 적용되었던 일반 발파 방식이 아닌 소량의 화약을 사용하는, 즉 상기 잔여터널부(110)에 소정의 균열만이 가하도록 하는 균열발파를 일부 수행한 후에, 브레이커(braker) 등의 장비를 활용하여 균열시킨 부분을 긁어 내는 방식으로 굴착이 가능하다.

여기서, 일반발파는 암반이 원래 위치로부터 다수의 조각으로 즉시로 분리되는, 즉 완전히 파괴될 정도의 발파공법을 말하며, 균열발파는 암반에 충분한 크랙(crack)이 발생되어, 소정 외력이 작용 시에는 균열이 발생된 암반이 무너질 정도의 발파를 말한다. 즉, 상기 두 개의 발파방식은 화약 또는 화약 설치 방법 등에 차이가 있게 된다.

이와 같이, 일부 균열발파를 적용하는 경우에는 브레이커 등의 장비를 활용하여 잔여터널부(120)의 굴착 작업이 보다 수월하게 이루어지게 될 것이다.

상기 잔여터널부(120)의 굴착까지 모두 완료된 후에는 상기 하부선굴착부(110) 아래의 터널 바닥부분을 굴착 및 다듬질함으로써 전체 터널의 굴착작업이 완료된다.

상기와 같이 구성된 본 발명 이중공법을 통한 터널의 굴착방법의 작용에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의하면 터널의 하부측을 선굴착하여 하부선굴착부(110)를 형성한 후에, 상기 하부선굴착부(110)의 상측에 위치되는 잔여굴착부를 굴착하는 방식으로 전체 터널이 굴착된다.

그리고, 상기 하부선굴착부(110)를 굴착한 이후 상기 하부선굴착부의 상측 잔여터널부를 일정 구간에 걸쳐서 굴착하는데, 이 경우 상기 잔여굴착부(120)의 굴착 시 발생하는 버럭들은 중력에 의하여 자동적으로 하부로 낙하하게 된다.

즉, 상기 잔여굴착부(120)가 굴착 시 발생되는 버럭들은 하부선굴착부(110)에 모이게 되는데, 상기 하부선굴착부는 작업자 및 장비가 투입되기에 충분한 공간으로 형성되어 있으므로, 작업자는 낙하된 버럭들을 장비를 활용하여 외부로 쉽게 반출할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 의하면 상기 잔여터널부(120)의 굴착 방법으로 무진동암반파쇄방식을 위주로 하되, 상황에 따라서는 소정의 균열발파방식을 적용하여 터널의 굴착 속도 및 경제성을 고려하여 최선의 방식을 선택 적용할 수 있게 된다.

특히, 계단형으로 굴착이 진행되는 경우 굴착을 개시할 수 있는 자유면이 2개 이상으로 많이 나오게 되므로, 작업자는 보다 편한 굴착작업이 가능하게 된다.

무엇보다도, 본 발명에 의하면, 주위 외부에 진동 및 소음을 최소화하는 무진동암반파쇄를 적용하면서도 작업속도는 최대화할 수 있게 되므로, 작업효율의 증대 및 터널 굴착 시 경제성을 좋게 할 수 있게 된다.

이와 같이, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상술하였으나 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 본 발명의 사상을 벗어나지 않고 변형 가능하며, 이러한 변형은 본 발명의 권리범위에 속할 것이다.

예를 들어 본 발명에 따른 이중공법을 이용한 터널의 굴착방법에 의하면, 첨부된 도 6에서와 같이, 상기 하부선굴착부(110)의 상부에 위치된 잔여터널부(120)을 한번에 굴착할 수도 있음은 물론이다.

110: 하부선굴착부 120: 잔여터널부
125: 1차 잔여터널부 126: 2차 잔여터널부

Claims (8)

1. 완성될 터널의 하부에 터널의 길이방향을 따라 하부선굴착부를 굴착하는 단계;
   상기 하부선굴착부의 상측으로 일정구간에 걸쳐 다수 회차의 잔여터널부들을 계단 형태로 굴착하는 단계; 및
   상기 다수 회차의 잔여터널부들의 굴착 시마다 상기 하부선굴착부로 낙하하는 버럭들을 제거하는 단계를 포함하되,
   상기 다수 회차의 잔여터널부들을 계단 형태로 굴착하는 단계가,
   상기 하부선굴착부로부터 인접된 구간에 1차 잔여굴착부를 종방향으로 굴착하는 단계와,
   상기 1차 잔여굴착부가 진행되는 동안에 상기 1차 잔여굴착부의 상측으로 2차 잔여굴착부를 종방향으로 굴착하는 단계와,
   상기 터널의 전체 높이에 이르기까지 상기 1차 잔여터널부의 굴착과 상기 2차 잔여터널부의 굴착을 반복하여 수행하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중공법을 통한 터널의 굴착방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 하부선굴착부는,
   상기 완성될 터널의 입구부로부터 터널의 길이방향을 따라서 일정 구간에 걸쳐서 차례로 굴착되도록 한 것을 특징으로 하는 이중공법을 통한 터널의 굴착방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 하부선굴착부는,
   무진동암반파쇄방식을 통하여 굴착되도록 한 것을 특징으로 하는 이중공법을 통한 터널의 굴착방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 하부선굴착부는,
   무진동암반파쇄방식으로 굴착되도록 한 것을 특징으로 하는 이중공법을 통한 터널의 굴착방법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 다수 회차의 잔여터널부들은,
   무진동암반파쇄방식으로 굴착되도록 한 것을 특징으로 하는 이중공법을 통한 터널의 굴착방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 다수 회차의 잔여터널부들은,
   브레이커를 이용 암반파쇄가 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중공법을 통한 터널의 굴착방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 하부선굴착부와 상기 다수 회차의 잔여터널부들은,
   병행하여 굴착되도록 한 것을 특징으로 하는 이중공법을 통한 터널의 굴착방법.

Images