KR101279988B1 - 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법 - Google Patents

마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터널 콘크리트 라이닝을 시공함에 있어, 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 사용하여 거푸집 본체를 가열함으로써 터널 벽면과 거푸집 본체 사이에 타설된 콘크리트의 초기 수화 시간을 단축시켜 특히 외기 온도가 낮은 기간 동안의 터널 시공 기간을 현저히 단축시킬 수 있는 신개념의 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 이용하여 터널 콘크리트 라이닝을 시공하면, 콘크리트 초기 수화 시간을 단축시켜 양생 기간을 단축시켜 전체 공기를 획기적으로 단축시킬 수 있으며, 보온 양생 과정에서 기존의 난로나 열풍기 등을 사용하지 않고도 콘크리트의 보온 양생이 가능하므로 저비용 고효율의 저탄소, 친환경 기술이다.

Description

마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법{Form structure for tunnel concrete lining construction using heating forms heated by microwave and construction method of tunnel concrete lining using the same}
본 발명은 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법 에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 터널 콘크리트 라이닝을 시공함에 있어, 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 사용하여 거푸집 본체를 가열함으로써 터널 벽면과 거푸집 본체 사이에 타설된 콘크리트의 초기 수화 시간을 단축시켜 특히 외기 온도가 낮은 기간 동안의 터널 시공 기간을 현저히 단축시킬 수 있는 신개념의 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조 및 그를 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법에 관한 것이다.
우리나라는 전 국토의 70%가 산악 지형으로 구성되어 있고, 최근 30년 동안 급격한 경제 발전으로 사회 간접 시설물에 대한 사회적 요구가 급증되어 왔다. 이와 같은 사회적 환경 변화로 인하여 도로 및 철도 구조물의 건설이 급증하였으며, 전국 반나절 생활권 및 물류 운반 효율성을 높이기 위하여 노선의 직선화 및 선형 개량으로 터널 건설이 90년대 이후 급격하게 증가하였다.
터널 공정은 지반 조사, 설계, 시공 및 유지관리 단계로 구분할 수 있으며, 이중 시공 공정은 시공 계획, 굴착, 지반 보강, 라이닝 및 부대시설 설치로 나눌 수 있다. 본 발명은 이러한 시공 공정 중 터널 콘크리트 라이닝에 이용되는 거푸집 구조에 관한 것이다.
거푸집(form)은 콘크리트 구조물을 제조하는 과정에서 콘크리트가 경화될 때까지의 사이에 사용하는 임시 구조물을 말한다. 임시 구조물이므로 콘크리트의 양생이 완료되면 분리하여 재사용되는 것이 일반적이다.
터널을 시공하기 위해서는 먼저 브레이커, 발파 등을 이용하여 굴착을 진행하고 굴착된 터널 벽면을 숏크리트 급결제, 록볼트 등을 이용하여 지보하고 바닥부를 시공한 후 방수시트를 부착하고 콘크리트 라이닝 작업이 진행되는 것이 일반적이다.
콘크리트 라이닝 작업은 철근 배근과 터널 라이닝 거푸집 을 설치한 후 콘크리트를 타설하는데 이때에는 보통 8 ~ 10m 정도의 길이로 구간을 나누어 거푸집을 전진 이동시키면서 연속적으로 콘크리트 라이닝 작업을 진행한다.
도 1은 종래 일반적인 방법으로 터널 내측에 콘크리트를 타설하기 위한 라이닝 거푸집을 도시한 것이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 터널(30) 내벽과 상응하는 형상을 가진 거푸집 패널(31)이 구비되고 상기 거푸집 패널(31)의 내측은 거리 조절 수단에(32) 의해 거리가 조절되는 다수의 빔(33)으로 지지되며, 상기 빔(33)과 거푸집 본체는 바닥의 레일(34)을 따라 이동하도록 구성된다.
다시 말해, 터널 내부에 콘크리트를 타설할 때 거푸집 본체(35)를 터널 내부의 제1구간에 위치시킨 상태에서 거푸집 본체(35)의 거푸집 패널(31)과 터널의 내벽 사이로 콘크리트(C)를 타설한 후 거푸집 본체(35)를 다음 구간으로 전진 이동시킨 상태에서 동일한 콘크리트 타설 작업을 진행하는 방식으로 터널 라이닝이 시공된다.
이러한 터널 라이닝을 시공함에 있어서, 종래에는 하절기와 같이 외부 온도가 높은 경우에는 콘크리트의 수화 반응이 정상적으로 진행되어 시공에 문제가 없으나, 겨울철과 같이 외기 온도가 낮은 경우에는 콘크리트 수화 반응이 일어나기 어렵기 때문에 시공 기간이 그만큼 길어진다. 이와 같은 어려움은 터널 입구나 출구와 같이 외기에 인접한 구간에서 특히 문제된다.
이와 같이 외기 온도가 낮은 경우에 터널 라이닝 시공을 하기 위하여 종래에는 보양막 등으로 외기와 차단하고 갈탄 난로나 열풍기, 스팀 등을 이용하여 내부 공간의 온도를 일정하게 유지하는 방법으로 시공을 하였다. 그러나 이와 같은 급열 또는 보온 양생 방법은 갈탄 난로의 경우에는 유독 가스가 다량 발생하여 작업자들의 안전이 보장되기 어렵고 민원 발생의 소지가 있으며, 열풍기, 스팀 등의 경우에는 막대한 양의 기름, 가스 및 전기가 소모되는 문제가 있었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 일부 기술에서는 거푸집 본체에 전열선을 부착하여 온도를 올리는 방법을 제안한 바 있다. (대한민국 공개 특허 제2009-0024906호 등) 그러나, 상기 거푸집 본체에 전열선을 부착하여 온도를 올리는 방법은 전열선을 거푸집에 설치해야 하므로 복잡한 전기 공사를 요하고 전열선에 전기를 지속적으로 공급해야 하므로 막대한 양의 전기가 소모되며 열효율이 높지 않은 문제점이 있을 뿐만 아니라, 시공이 완료된 후에는 거푸집에서 전열선과 단열재를 해체해야 하므로 거푸집 재사용을 위한 해체 작업이 지나치게 복잡하고 인력이 많이 소모된다는 문제점도 가지고 있었다.
기존 방법의 경우 위와 같은 문제가 있어, 사용이 제한적이었으며 시공을 하더라도 안전문제, 환경문제 및 과다한 비용 발생 등의 문제로 인해 겨울철 터널 라이닝 시공 공사는 진행되기 어려운 면이 있었다.
따라서 막대한 양의 전기, 기름, 가스 등을 사용하지 않고도 거푸집의 온도를 올림으로써 콘크리트 양생에 따른 터널 시공 기간을 단축할 수 있는 방법이 개발된다면 터널 시공 기술에 있어서 획기적인 전기가 될 수 있을 것이며, 특히 늦가을, 겨울 및 초봄과 같이 콘크리트 양생 시간이 오래 걸리거나 콘크리트 양생이 어려운 시기에 콘크리트 양생 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 기술이 개발된다면 전체 시공 기간을 단축할 수 있으므로 경제적 효용성은 막대할 것으로 기대된다. 그러나, 종래 기술은 아직 이와 같은 기술은 개발되거나 제안된 적이 없으며, 일부 제안된 기술이 있기는 하나 현실적인 적용 가능성은 매우 제한적이고 비경제적이므로 실제 적용된 사례는 극히 드물다.
본 발명은 상기와 같은 상황 및 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 기존 터널 라이닝 공사를 위하여 사용되는 거푸집 본체의 파티션에 발열 거푸집을 부착하여 시공함으로써 콘크리트 양생을 촉진하여 시공 기간을 획기적으로 단축시킬 수 있는 신개념의 친환경 거푸집 구조를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 두 번째 과제는 기존 터널 라이닝 콘크리트 양생을 위해 사용되는 갈탄 난로나 열풍기와 같은 장치를 사용하지 않고 발열 거푸집을 사용함으로써 친환경적으로 보온 양생시킬 수 있는 신개념의 보온 양생 터널 시공 방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기 본 발명의 첫 번째 과제를 달성하기 위해, 본 발명은
터널 벽면과 일정 거리를 유지하며 반원형 형태로 설치되는 거푸집 본체;
상기 거푸집 본체의 내주면에 구비된 파티션에 삽입되어 상기 거푸집 본체 파티션의 패널에 부착되는 발열 거푸집; 및
상기 발열 거푸집에 전원을 공급하고 상기 발열 거푸집의 온도를 제어하기 위한 콘트롤러를 포함하여 구성되며,
상기 발열 거푸집은 마이크로파에 의하여 발열되는 발열 거푸집인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의하여 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조를 제공한다.
상기 본 발명의 두 번째 과제를 달성하기 위해, 본 발명은
(a) 굴착된 터널 내부에 터널 벽면과 일정 거리를 유지하며 반원형 형태로 거푸집 본체를 설치하는 단계;
(b) 상기 설치된 거푸집 본체의 내주면에 구비된 파티션에 발열 거푸집을 삽입하고 상기 거푸집 본체 파티션의 패널에 부착하는 단계;
(c) 상기 거푸집 본체와 터널 벽면 사이에 콘크리트를 타설하는 단계; 및
(d) 상기 발열 거푸집에 전원을 공급하고 상기 타설된 콘크리트를 양생시키는 단계
를 포함하여 구성되며, 상기 발열 거푸집은 마이크로파에 의해 발열되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 시공용 거푸집 구조 및 그를 이용한 터널 시공 방법의 특징 및 장점을 설명하면 다음과 같다.
1. 마이크로파에 의해 발열되는 발열부를 포함하는 모듈 형태의 발열 거푸집을 기존 거푸집 본체의 파티션에 부착하여 사용하므로 별도의 전열선 작업과 같은 복잡한 전기 배선 작업이 필요 없다. 또한, 시공이 종료된 후에는 발열 거푸집을 파티션에서 분리하기만 하면 해체 작업이 완료되므로 거푸집 해체에 따른 어려움이 없다. 따라서 작업이 단순화되고 시공성이 현저히 개선된다.
2. 또한, 본 발명에 사용되는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집은 불과 수분 내지 수십분 동안만 전기를 공급해도 원하는 온도까지 단시간에 도달하며 이후에도 온도가 쉽게 식지 않아 전기를 지속적으로 투입하지 않아도 되므로 기존 전열선 방식에 비하여 전력 소비량을 획기적으로 줄일 수 있어 에너지 효율이 향상될 수 있다.
3. 본 발명에 사용되는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집은 거푸집 본체의 파티션 형태에 맞게 쉽게 설계 변경이 가능하므로 실내 제작 또는 실외 제작 등 기존 거푸집 작업이 진행되는 어떠한 형태의 제작에도 자유자재로 활용될 수 있다.
4. 본 발명에 사용되는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집은 외부 온도에 상관없이 적용이 가능하므로 특히 콘크리트 양생 시간이 오래 걸리는 겨울철 등 외기 온도가 낮은 경우에 공사 기간을 단축하는데 효과가 크다.
5. 본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 이용한 거푸집 구조 및 터널 시공 방법을 이용하면, 기존 갈탄 난로나 열풍기, 스팀 등을 대체할 수 있으므로 안전 문제 및 환경 문제가 발생하지 않고 기름이나 가스와 같은 연료를 소모할 필요가 없으므로 시공 비용도 절감할 수 있어 경제적인 시공이 가능하다.
6. 기존의 동절기 터널 콘크리트 양생 방법의 경우 내부 온도가 일정하게 유지되기 어렵고 동해로 인해 콘크리트 내구성이 약해지는 문제가 발생하기 쉬웠는데 본 발명에 따른 거푸집 구조 및 터널 시공 방법을 사용하면 내부 온도가 일정하게 유지되기 때문에 콘크리트의 품질 확보에도 효과적이다.
도 1은 종래 일반적인 방법으로 터널 내측에 콘크리트를 타설하기 위한 라이닝 거푸집을 도시한 것이다.
도 2a는 본 발명의 터널 시공용 거푸집 구조 및 이를 이용한 터널 시공 방법에 사용되는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집 모듈의 일 예를 나타내는 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 터널 시공용 거푸집 구조 및 이를 이용한 터널 시공 방법에 사용되는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집 모듈의 일 예를 나타내는 측단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 거푸집 본체의 파티션에 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집이 부착된 상태를 나타내는 올려다본 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따라 거푸집 본체의 파티션에 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집이 부착된 상태를 나타내는 측면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 시공 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 발명이 속하는 기술분야의 통상의 기술자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 2a는 본 발명의 거푸집 구조체 및 이를 이용한 터널 시공 방법에 사용되는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집 모듈의 일 예를 나타내는 사시도이고, 도 2b는 그 측단면도이다.
도 2a 및 도 2b에서 보는 바와 같이 본 발명에 따른 터널 시공용 거푸집 구조 및 이를 이용한 터널 시공 방법에 사용되는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집은 마이크로파 발생기(15); 상기 마이크로파 발생기(15)로부터 마이크로파를 전달받아 하우징(17) 내부로 전달하는 도파관(16); 상기 도파관(16)으로 전달된 마이크로파를 난반사시키는 하우징(17); 및 상기 난반사되는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키고 이 열에 의해 가열 대상 콘크리트의 표면을 가열하는 발열부(18)를 포함하여 구성된다.
본 발명에 따른 터널 시공용 거푸집 구조의 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집은 상기 도파관이 상기 하우징의 외부에서 마이크로파 발생기에 연결되고 상기 발열부의 외부 패널은 상기 거푸집 본체 파티션의 패널 표면과 맞닿도록 모듈화된 것을 특징으로 한다. 이 때 상기 발열부의 외부 패널은 상기 거푸집 본체 파티션의 패널 표면이 굴곡(R)되어 있는 경우 발열 거푸집 모듈의 패널 표면도 이에 상응하도록 굴곡되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 도파관은 강재, 알루미늄재, 또는 동재로 이루어진 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 하우징은 상기 도파관과 연결되는 부분의 폭보다 상기 발열부와 연결되는 부분의 폭이 넓은 테이퍼드(tapered) 구조를 갖는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 마이크로파 발생기는 마그네트론(magnetron) 및 고전압 변압기(transformer)를 포함하여 구성되는 것을 사용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발열부의 가열대상과 반대쪽 일방에는 단열부가 더 포함되는 것을 사용하는 것이 바람직하다. 이 때, 상기 단열부의 재료는 글래스울(glass wool), 콘크리트, 석고, 내열 플라스틱, 내열 세라믹, 내열지 또는 돌가루인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 따른 상기 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집에 있어서, 상기 발열부(18)의 외부 패널은 거푸집 본체의 파티션 패널에 부착되어 파티션 패널을 가열시키고 반대편 타방은 하우징(17)에 연결되도록 구성되는 것이 바람직하다.
본 발명에 사용되는 상기 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집의 구조 및 형상 등에 관해서는 후에서 상술하도록 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따라 거푸집 본체의 파티션에 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집이 부착된 상태를 나타내는 올려다본 도면이고, 도 4는 그 측면도이다.
도 3 및 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 터널 시공용 거푸집 구조에서는 거푸집 본체(35)의 파티션(36) 내에 본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집(100)이 상기 파티션(36)의 내측 패널에 부착되고, 상기 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집에 전원을 인가하면 발열부에서 발생하는 열기로 인해 상기 거푸집 본체의 파티션 표면이 가열되면서 터널 벽면과 거푸집 본체 사이에 타설된 콘크리트(C)를 강제 발열시켜 수화를 촉진한다. 본 발명에 따른 상기 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집은 콘크리트의 초기 수화를 촉진할 뿐만 아니라 거푸집 본체가 다음 구간으로 이동하기 전까지 콘크리트를 보온 양생시키는 역할까지 한다.
상기 발열 거푸집 모듈의 외부나 거푸집 본체 또는 기타 적절한 위치에는 상기 발열 거푸집에 전원을 공급하고 상기 발열 거푸집의 온도를 제어하기 위한 콘트롤러(미도시)가 구비된다.
종래 기술에서도 콘크리트를 촉진 양생시키기 위하여 전열선을 사용하는 방법 등이 제안된 적은 있으나 전열선을 이용한 방법의 경우에는 복잡한 전열선 작업을 요하므로 작업이 쉽지 않고 또한 과다한 양의 전력이 소모되는 문제가 있었으며, 시공 후 거푸집 해체를 위한 작업이 복잡하다는 문제가 있었다.
본 발명에서는 터널용 거푸집 본체(35)의 각 파티션(36)에 본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집(100)을 모듈 형태로 부착하여 전원을 공급하기만 하면 설치가 끝나므로 작업이 용이하고, 발열부 재료의 특성으로 인해 온도 상승이 빠르고 한 번 상승된 온도는 서서히 하강하므로 설정된 온도를 유지하기 위해서 전력을 과다하게 소비하지 않아도 되는 장점이 있다. 또한, 강도나 내구성 등 양생된 콘크리트의 품질도 소요 품질 이상을 만족할 수 있다.
특히, 겨울철과 같이 외기 온도가 낮을 경우 기존에는 콘크리트의 자연 수화에 따른 양생이 불가능하여 겨울철 콘크리트 타설 공정이 매우 제한적이었으나, 본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 사용하면 일정한 온도를 콘크리트에 공급하여 초기에 강제로 온도 상승을 유발하고 이후 자연 수화가 진행됨으로써 하절기 공사와 크게 차이가 없는 콘크리트 양생이 가능해진다.
따라서 겨울철이나 초봄, 늦가을과 같이 온도가 낮아 콘크리트 양생 기간이 오래 걸리는 기간 동안에 사용하면 하절기에 콘크리트를 양생시키는 것과 거의 대등한 효과를 볼 수 있다.
또한 터널 시공이 완료된 후에는 상기 발열 거푸집 모듈(100)을 상기 거푸집 본체(35)의 파티션(36)에서 분리하기만 하면 되므로 분리 해체를 위한 복잡한 작업이 필요 없고, 거푸집 본체를 재사용하기도 용이하다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 시공 방법을 나타내는 순서도이다.
도 5에 기재된 바와 같이 본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 시공 방법은
(a) 굴착된 터널 내부에 터널 벽면과 일정 거리를 유지하며 반원형 형태로 거푸집 본체를 설치하는 단계(S100);
(b) 상기 설치된 거푸집 본체의 내주면에 구비된 파티션에 발열 거푸집을 삽입하고 상기 거푸집 본체 파티션의 패널에 부착하는 단계(S110);
(c) 상기 거푸집 본체와 터널 벽면 사이에 콘크리트를 타설하는 단계(120); 및
(d) 상기 발열 거푸집에 전원을 공급하고 상기 타설된 콘크리트를 양생시키는 단계(S130)
를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기에서는 (b)단계인 상기 거푸집 본체의 내주면에 구비된 파티션에 발열 거푸집을 삽입하고 상기 거푸집 본체 파티션의 패널에 부착하는 단계가 (c)단계인 거푸집 본체와 터널 벽면 사이에 콘크리트를 타설하는 단계 이전에 진행되는 것으로 기재되어 있으나, 상기 (b)단계와 상기 (c)단계는 서로 순서가 바뀌어도 본 발명이 달성될 수 있으므로 상기 순서는 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.
터널 시공은 먼저 기계식 굴착기나 장약에 의한 폭파 등으로 터널 공을 굴착한 후에 굴착된 터널 벽면에 숏크리트, 록 볼트 등의 지보재를 이용하여 지보하고 바닥면을 시공한 후 배관 공사, 거푸집 설치 등의 작업을 진행하고 설치된 거푸집과 터널 벽면 사이에 콘크리트를 타설하여 양생하는 과정으로 진행된다.
거푸집 본체를 설치함에 있어서는 반원 형태를 이루는 다수의 빔이 종/횡 방향을 이루어 터널 벽면과 일정 거리를 유지하도록 거푸집 본체를 설치한다. 이 때 거푸집 본체의 하부에는 이동이 용이하도록 이동용 바퀴나 레일이 구비될 수 있다.
이어서, 상기 설치된 거푸집 본체의 내주면에 구비된 각 파티션 내에 본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 삽입하고 상기 거푸집 본체 파티션의 내부 패널에 상기 발열 거푸집의 발열부 외부 패널을 부착한다.
이어서, 상기 거푸집 본체와 터널 벽면 사이에 콘크리트를 타설한다. 이 때, 콘크리트 타설을 위해서는 철근 배근 작업을 선행해야 하는 것은 당연하므로 이에 관해서는 별도의 설명은 생략한다.
이어서, 상기 거푸집 본체 파티션에 부착된 본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집에 전원을 공급하여 상기 거푸집 본체의 표면을 가열함으로써 타설된 콘크리트의 초기 수화를 강제로 유도한다. 겨울철과 같이 외기가 낮은 경우에 콘크리트의 수화는 진행되기 어려우므로 강제 가열에 의해 콘크리트의 초기 수화를 유도하면 이후는 자연 수화가 진행되므로 콘크리트의 양생을 촉진시킬 수 있는 것이다.
본 발명의 터널 시공 방법에 사용되는 상기 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집은 마이크로파 발생기; 상기 마이크로파 발생기로부터 마이크로파를 전달받아 하우징 내부로 전달하는 도파관; 상기 도파관으로 전달된 마이크로파를 난반사시키는 하우징; 및 상기 난반사되는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키고 이 열에 의해 가열 대상 콘크리트의 표면을 가열하는 발열부를 포함하여 구성되며, 상기 발열부의 외부 패널이 상기 거푸집 본체의 파티션 패널에 부착되어 있는 것을 특징으로 한다. 이 때 전원 공급에 따라 발열부가 가열되면 발생된 열기가 상기 발열부의 외부 패널을 통해 상기 거푸집 본체의 파티션 패널로 전달되고 여기에 전달된 열기는 다시 타설된 콘크리트에 전해져서 콘크리트의 초기 수화를 유도한다.
이하에서는 본 발명에 사용되는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집의 구조, 기능 및 재료 등에 관하여 상세히 기술한다.
본 발명에 사용되는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집은 시공하고자 하는 터널 및 거푸집 본체의 크기, 모양, 용도 등에 따라 발열 거푸집의 형태는 다양하게 변형이 가능하며, 도파관의 개수도 1개 또는 그 이상을 포함시켜 사용할 수도 있다.
본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집에 있어서, 상기 도파관(16)은 하우징(17)의 외부에 연결되고 상기 발열부(18)는 하우징의 내부에 장착된 형태로 모듈화된 것이 바람직하다. 이 때 모듈(100)에는 내부 장치 보호를 위해 박스 형태의 외부 케이스(20)가 추가로 포함될 수 있다. 실제 시공시에는 이러한 모듈 형태의 발열 거푸집을 현장에서 거푸집 본체의 파티션에 그대로 부착해서 사용한다.
본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집에 있어서, 상기 도파관(16)의 재질은 강재, 알루미늄재, 또는 동재인 것이 바람직하나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니고 마이크로파를 효과적으로 반사시킬 수 있는 재질이면 제한 없이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집에 있어서, 상기 하우징(17)은 상기 도파관(16)과 연결되는 부분의 폭보다 발열부와 연결되는 부분의 폭이 넓은 테이퍼드(tapered) 구조를 갖는 것이 바람직하다. 이럴 경우 마이크로파의 난반사가 원활하게 일어나서 발열부(18) 전체적으로 마이크로파를 조사할 수 있어 전체적으로 발열을 고르게 일으킬 수 있다. 그러나, 반드시 테이퍼드된 구조일 필요는 없고 직사각형 형태의 하우징도 가능하다. (도 2a 및 도 2b의 우측 도면 참조)
본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집에 있어서, 상기 마이크로파 발생기(15)는 마그네트론(magnetron, MGT), 고전압 변압기(transformer) 및 냉각팬(cooling fan)을 포함하여 구성되며, 추가로 고전압 콘덴서, 고전압 다이오드를 포함할 수 있다. 고전압 변압기는 외부로부터 입력되는 상용교류전압을 고주파 발생에 적합한 고전압(예를 들면, 4 킬로볼트[kV] 정도)으로 변압하여 마그네트론으로 인가하며, 마그네트론은 고전압 변압기로부터 인가되는 고전압에 의하여 고주파 발진을 하여 마이크로파를 발생시킨다.
마이크로파 주파수는 ISM(Industrial, Scientific and Medical) 주파수(Frequency)를 사용하되, 부품수급의 원활성 등 장점을 살려 주로 2,450 MHz 대역을 사용하는 것이 바람직하나, 이에 한정하는 것은 아니고, 용도에 따라 300MHz ~ 300GHz 영역의 주파수를 갖는 마이크로파를 다양하게 변형하여 사용할 수 있다.
상기 마그네트론이 구동될 때 마그네트론에서 발생되는 고열을 냉각시키기 위해 마그네트론의 주변에는 냉각팬이 설치되고, 냉각팬은 팬모터와 연결되며, 외부로부터 상용교류전압이 팬모터에 인가되면 팬모터가 가동되면서 팬모터에 의해 냉각팬이 구동되어 외부의 찬공기를 마그네트론에 송풍함으로써, 마그네트론에서 발생되는 고열을 냉각시킬 수 있다. 다만, 경우에 따라 마그네트론의 냉각을 위한 다른 장치를 사용할 경우나 외부에 노출되는 경우와 같이 개별 냉각 장치가 필요 없을 경우에는 냉각팬을 제외할 수 있다.
상기 마이크로파 발생기(15)는 도파관(16)의 일단부 측면, 상부면 및 하부면 중 하나에 고정브라켓에 의해 고정되고, 마이크로파 발생기(15)에 돌출된 연결관에 의해 도파관(15)의 일단부에 연통 가능하게 결합됨으로써, 마이크로파 발생기(15)로부터 발생된 마이크로파를 도파관(16)의 일단부로 전달할 수 있다. 또한 도파관을 길게 연결하여 하우징 내부에 마이크로파가 전체적으로 고르게 전달되도록 하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집에 있어서, 상기 도파관(16)은 하우징(17)의 외측에 노출될 수도 있고 하우징의 내측에 함입될 수도 있다. 외부로 노출될 경우에는 노출된 도파관(16)의 일측면, 상부면 또는 하부면에 마이크로파 발생기(15)가 설치될 수 있다. 또한, 하우징(17)의 내측에 함입될 경우에는 외부에는 노출되지 않을 수 있다. 이 때 함입된 도파관(16)의 전단부는 테이퍼드된 구조인 것이 마이크로파의 난반사를 원활하게 하기 위해 바람직하다. 상기 도파관(16)의 단면 형태는 사각형 형태, 원형 형태 또는 삼각형 형태 등 임의의 형태를 사용할 수 있으며, 이에 대해서는 특별히 한정하지 않으나 용도나 필요에 따라 적절한 형태를 선택하여 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집에 있어서, 상기 발열부의 가열 대상과 반대쪽 일방에는 단열부(19)가 더 포함될 수 있다. 상기 단열부(19)의 재료는 마이크로파는 흡수하지 않고 그대로 통과시킬 수 있으며 내열성이 있는 재료로서, 구체적인 예로는 글래스울(glass wool), 콘크리트, 석고, 내열 플라스틱, 내열 세라믹, 내열지 또는 돌가루 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집에 있어서, 상기 발열부(18)의 상부면에는 패널(panel)(10)을 추가적으로 포함할 수 있다. 이 때, 상기 패널(10)의 재료는 발생되는 열을 분산시킬 수 있는 재료가 바람직하며, 구체적인 예로는 강재, 알루미늄재 또는 동재 등을 사용할 수 있으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집에 있어서, 상기 발열부(18)는 300MHz ~ 300GHz의 마이크로파에 의해 발열되는 세라믹 재료를 사용한다. 이러한 재료에 대해서는 본 발명자들이 별도의 대한민국특허출원(10-2011-0032313)를 통하여 제안한 재료를 그대로 사용할 수 있다. 상기 대한민국 특허출원 10-2011-0032313에 기재된 내용은 인용에 의하여 본 발명에 포함되는 것은 해석되어야 한다. 상기 대한민국 특허출원 10-2011-0032313에 기재된 발열재료는 Fe2O3, Fe3O4 및 FeO 중 하나 이상의 산화철 화합물을 4 중량% 이상 포함하는 금속산화물 함유 조성물을 말하며, 이러한 재료는 300MHz ~ 300GHz의 마이크로파에 의해 단시간에 고온까지의 발열이 가능하므로 본 발명에 따른 발열 거푸집에 사용되기 적합하다. 또한, 본 발명에서는 상기 대한민국 특허출원 10-2011-0032313에 기재된 발열재료에 더하여 물, 오일, 탄소, SiC 등의 재료를 상기 발열부에 추가로 포함시켜 사용할 수 있다. 아울러, 본 발명에 사용되는 발열부의 재료로서는 상기 물, 오일, 탄소, SiC 등 마이크로파에 의해 발열이 가능한 모든 임의의 재료가 단독 또는 조합 형태로 사용되는 것도 포함되는 것으로 해석되어야 한다. 본 발명에서는 이와 같이 마이크로파에 의해 발열될 수 있는 재료를 MIP(microwave-irradiated pyrogen)로 명명한다.
본 발명에 따른 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집은 콘크리트의 조기 양생이 필요한 터널의 콘크리트 라이닝 시공에 사용할 경우 겨울철과 같이 외기 온도가 낮은 시기에도 충분한 초기 수화가 가능하게 되어 겨울철 터널 시공이 효과적으로 가능해진다. 특히 동절기에 초기 동해로부터 콘크리트를 보호하고 소요 강도를 확보함은 물론 콘크리트를 급열 양생하여 강도 발현을 촉진함으로써 공기 단축이 가능하고, 기존의 단열 및 가열 보온 양생 방법에 비해 연료 소비량과 전력 소비량을 현저히 줄일 수 있는 저에너지, 저비용, 고효율 기술이며, 또한, 종래 방법과 같은 유독가스가 발생하지 않아 안전성이 확보될 수 있는 저탄소, 친환경 기술이다.
이상과 같이, 본 발명을 도면을 참조하여 그 특징에 관하여 구체적으로 설명하였으나, 본 발명은 통상의 기술자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 해석되어야 할 것이다.
15 : 마이크로파 발생기 16 : 도파관
17 : 하우징 18 : 발열부
19 : 단열부 20 : 외부 케이스
30 : 터널 31 : 거푸집 패널
32 : 거리조절 수단 33 : 빔
34 : 레일 35 : 거푸집 본체
36 : 파티션 100: 거푸집 모듈

Claims (10)

  1. 터널 벽면과 일정 거리를 유지하며 반원형 형태로 설치되는 거푸집 본체;
    상기 거푸집 본체의 내주면에 구비된 파티션에 삽입되어 상기 거푸집 본체 파티션의 패널에 부착되는 발열 거푸집; 및
    상기 발열 거푸집에 전원을 공급하고 상기 발열 거푸집의 온도를 제어하기 위한 콘트롤러를 포함하여 구성되며,
    상기 발열 거푸집은 마이크로파에 의하여 발열되는 발열 거푸집인 것을 특징으로 하며, 상기 마이크로파에 의하여 발열되는 발열 거푸집은 마이크로파 발생기; 상기 마이크로파 발생기로부터 마이크로파를 전달받아 하우징 내부로 전달하는 도파관; 상기 도파관으로 전달된 마이크로파를 난반사시키는 하우징; 및 상기 난반사되는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키고 이 열에 의해 가열 대상 콘크리트의 표면을 가열하는 발열부를 포함하여 구성되고, 상기 도파관(16)은 하우징(17)의 외부에 연결되고 상기 발열부(18)는 하우징(17)의 내부에 장착되어 설치되되, 상기 발열부(18)의 일방은 대상 콘크리트의 표면을 가열시키고 타방은 하우징 내부에 장착된 형태로 모듈화되도록 구성되며, 상기 발열부는 Fe2O3, Fe3O4 및 FeO 중 하나 이상의 산화철 화합물을 4 중량% 이상 포함하는 금속산화물 함유 조성물로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의하여 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 도파관은 강재, 알루미늄재, 또는 동재로 이루어진 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의하여 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 하우징은 상기 도파관과 연결되는 부분의 폭보다 상기 발열부와 연결되는 부분의 폭이 넓은 테이퍼드(tapered) 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의하여 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 마이크로파 발생기는 마그네트론(magnetron), 고전압 변압기(transformer) 및 냉각팬(cooling fan)을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의하여 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 발열부의 가열대상과 반대쪽 일방에는 단열부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의하여 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 단열부의 재료는 글래스울(glass wool), 콘크리트, 석고, 내열 플라스틱, 내열 세라믹, 내열지 또는 돌가루인 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의하여 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공용 거푸집 구조.
  9. (a) 굴착된 터널 내부에 터널 벽면과 일정 거리를 유지하며 반원형 형태로 거푸집 본체를 설치하는 단계;
    (b) 상기 설치된 거푸집 본체의 내주면에 구비된 파티션에 발열 거푸집을 삽입하고 상기 거푸집 본체 파티션의 패널에 부착하는 단계;
    (c) 상기 거푸집 본체와 터널 벽면 사이에 콘크리트를 타설하는 단계; 및
    (d) 상기 발열 거푸집에 전원을 공급하고 상기 타설된 콘크리트를 양생시키는 단계
    를 포함하여 구성되며, 상기 발열 거푸집은 마이크로파에 의하여 발열되는 발열 거푸집인 것을 특징으로 하고, 상기 마이크로파에 의하여 발열되는 발열 거푸집은 마이크로파 발생기; 상기 마이크로파 발생기로부터 마이크로파를 전달받아 하우징 내부로 전달하는 도파관; 상기 도파관으로 전달된 마이크로파를 난반사시키는 하우징; 및 상기 난반사되는 마이크로파를 흡수하여 열을 발생시키고 이 열에 의해 가열 대상 콘크리트의 표면을 가열하는 발열부를 포함하여 구성되며, 상기 발열부의 외부 패널이 상기 거푸집 본체의 파티션 패널에 부착되어 거푸집 본체를 가열하고, 상기 도파관(16)은 하우징(17)의 외부에 연결되고 상기 발열부(18)는 하우징(17)의 내부에 장착되어 설치되되, 상기 발열부(18)의 일방은 대상 콘크리트의 표면을 가열시키고 타방은 하우징 내부에 장착된 형태로 모듈화되도록 구성되며, 상기 발열부는 Fe2O3, Fe3O4 및 FeO 중 하나 이상의 산화철 화합물을 4 중량% 이상 포함하는 금속산화물 함유 조성물로 구성되는 것을 특징으로 하는 마이크로파에 의해 발열되는 발열 거푸집을 이용한 터널 콘크리트 라이닝 시공 방법.
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