KR101482592B1 - 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비 및 그 방법 - Google Patents

열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

굴착장비, 작업차량, 기존라이닝 절삭장비, 전차선 설비 및 신규라이닝 조립장비로 구성되어 열차 운용 중 안전하게 확폭 공사를 실시할 수 있고, 자립하지 않는 토사나 용수가 있는 경우에 및 절리가 있는 암반이나 파쇄대에 용이하게 적용할 수 있으며, 철도터널의 확폭 공사시 소음과 진동의 발생이 적고, 별도의 레일을 설치하지 않아도 되고, 또한, 버럭처리를 위한 별도의 설비를 구비함으로써 굴착량이 많은 경우에도 용이하게 적용할 수 있고, 전차선 설비에 의해 가공전차선을 사용하는 전기철도의 경우에도 적용할 수 있는, 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비 및 그 방법이 제공된다.

Description

열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비 및 그 방법 {EQUIPMENT FOR ENLARGING TRAIN TUNNEL CONSIDERING OPERATION OF RAILROAD, AND METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 철도터널의 확폭에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 열차 운용 중에 철도터널(Train Tunnel)의 확폭(Enlarging) 공사를 안전하게 실시하기 위한 철도터널의 확폭 장비 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 지하도, 터널 등의 터널 구조물을 시공하기 위해서 다양한 시공방법이 사용되고 있다.
예를 들면, 대표적인 터널 구조물 시공방법으로는 터널을 시공하고자 하는 곳의 땅을 완전히 개착하여 터널 구조물을 시공한 후, 개착된 토사를 시공된 터널 구조물의 위로 덮어 시공을 완성하는 오픈 트렌치 공법(Open Trench Method; OTM)이 있다.
또한, 터널을 시공하고자 하는 곳의 땅을 개착하지 않고 쉴드 터널링 머신(Shield Tunneling Machine)을 사용하여 비개착 방식으로 터널을 형성한 후, 형성된 터널 내측에 터널 구조물을 시공하여 완성하는 터널 보링 공법(Tunneling Boring Method; TBM)이 있다.
그밖에 도로 또는 철도 레일 밑에 터널을 구축하는 방법으로서, 파이프를 이용하여 상부의 토층을 지지한 상태에서 그 하부에 지하 구조물을 시공하는 파이프 루프 공법(Pipe Roof Method) 등이 있다.
상기 오픈 트렌치 공법(OTM)과 터널 보링 공법(TBM) 중에서 현재 대표적으로 쓰이는 공법은 터널 보링 공법(TBM)이다. 이러한 터널 보링 공법(TBM)은 주로 도시지역 또는 지반이 암반층으로 이루어진 곳에서 널리 사용되는데, 이것은 터널을 시공하는 과정에서 지상 구조물(도로, 건물 등)과 지하 구조물(하수도, 가스관 등) 및 지상의 교통흐름에 최소한의 영향을 끼치면서 터널을 시공할 수 있기 때문이다.
한편, 선행 기술로서, 유럽공개특허 EP25005142A2호에는 터널 확폭장비가 개시되어 있는데, 독일의 GTA 사의 터널 확폭장비로서, 도 1a 및 도 1b를 참조하여 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 기술에 따른 철도터널의 확폭장비의 사시도 및 단면도이다.
종래의 기술에 따른 철도터널의 확폭장비는, 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 이동형 실드(11), 자동 해머(12), 다용도 팔(13), 피봇 축(14), 원뿔형 끌(15) 등으로 구성된다.
이동형 실드(11)를 이용하여 열차 운행시 선로를 보호하면서, 자동 해머(12)와 원뿔형 끌(15)을 이용하여 기존 라이닝 및 배면 지반을 깨어내는 방식이 사용된다.
그러나 종래의 기술에 따른 철도터널의 확폭장비는, 자립하지 않는 토사나 용수가 있는 경우에는 적용하기 곤란하고, 절리가 있는 암반이나 파쇄대에 적용할 경우 붕락과 관련된 불확실성이 존재한다는 문제점이 있다. 또한, 종래의 기술에 따른 철도터널의 확폭장비는 타공 및 해머와 끌 사용에 따른 소음과 진동이 발생할 수 있다는 우려가 있고, 이때, 이동형 실드 사용에 따른 별도의 레일을 설치해야 한다는 문제점이 있다. 또한, 종래의 기술에 따른 철도터널의 확폭장비는 버럭처리를 위한 별도의 설비가 없으므로, 굴착량이 많을 시에는 적용하기 곤란하고, 가공전차선을 사용하는 전기철도의 경우 사용할 수 없다는 문제점이 있다.
대한민국 공개특허번호 제2010-0003061호(공개일: 2001년 12월 10일), 발명의 명칭: "TMB을 이용한 파일롯터널 굴착, 확대발파, 라이닝병행시공 터널굴착 방법 및 장치" 대한민국 등록특허번호 제10-0926501호(출원일: 2008년 6월 30일), 발명의 명칭: "루프와 실드를 결합한 비개착식 터널구조물의 시공방법(RSM 공법) 및 그 터널구조물" 유럽공개특허번호 EP2500514A2호 유럽공개특허번호 EP1972753A1호
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 굴착장비, 작업차량, 기존라이닝 절삭장비, 전차선 설비 및 신규라이닝 조립장비로 구성되어 열차 운용 중 안전하게 확폭 공사를 실시할 수 있는, 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 버럭처리를 위한 별도의 설비를 구비함으로써 굴착량이 많은 경우에도 용이하게 적용할 수 있고, 전차선 설비에 의해 가공전차선을 사용하는 전기철도의 경우에도 적용할 수 있는, 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비는, 열차의 운용 시에 비개착 방식으로 철도터널을 확폭하는 장비에 있어서, 기존 철도터널을 바깥쪽에서 감싸는 형상으로 배치되는 다수개의 소구경 터널기계화 시공장비를 사용하여 기존 철도터널의 배면의 지반을 굴착하는 굴착장비; 레일을 따라 기존 철도터널의 작업위치로 이동되는 작업차량; 상기 작업차량에 탑재되어 이동되며, 확폭되는 기존 철도터널의 기존라이닝을 절삭하는 기존라이닝 절삭장비; 상기 작업차량에 탑재되어 이동되며, 작업반경 내에서 신규라이닝 세그먼트를 조립하기 위한 신규라이닝 조립장비; 및 철도터널의 전방부 및 공사가 이루어지지 않는 나머지 선로에 대한 전력공급을 유지하도록 확폭공사 중에도 전차선이 연결된 상태를 유지시키는 전차선 설비를 포함하되, 상기 굴착장비는 철도터널 확폭 공사 중에도 열차의 운용이 가능하도록 기존 철도터널의 라이닝 및 철도터널 내부에 있는 선로구조물을 존치시킨 상태에서 기존 철도터널의 배면의 지반을 비개착 방식으로 굴착하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 작업차량에 상기 기존라이닝 절삭장비의 다이아몬드 벨트톱 및 광차, 사토탱크, 슬러리탱크, 유압설비, 앵커 시공을 위한 천공장비, 신규라이닝 조립장비인 다자유도 로봇팔, 라이닝 세그먼트 적재부 및 그라우팅 시공장비가 탑재될 수 있다.
본 발명에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비는, 상기 신규라이닝 세그먼트를 조립 설치하기 위한 앵커를 2방향으로 시공하기 위해서, 1/4원형 프레임을 따라 움직이는 앵커 시공을 위한 천공장비를 추가로 포함하는 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비.
본 발명에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비는, 상기 기존 철도터널의 굴착면과 신규라이닝 세그먼트 사이의 공극을 메우기 위한 뒷채움 그라우팅을 위해 가위형 리프트(Scissor Lift)를 이용하는 그라우팅 시공장비를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 굴착장비는, 기존 철도터널을 바깥쪽에서 감싸는 형상으로 배치되는 다수개의 소구경 터널기계화 시공장비(MTBM); 슬러리 공급(Slurry in)을 위해 상기 MTBM(111)에 연결되는 슬러리 공급 파이프; 버럭의 반출(Spoil out)을 위해 상기 MTBM에 연결되는 버럭반출 파이프; 및 상기 MTBM의 후미에 연결되어 지반을 굴착하면서 전진할 수 있는 구동력을 제공하는 유압잭을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 기존라이닝 절삭장비는, 상기 굴착장비가 기존 철도터널의 배면을 소정의 길이만큼 굴착한 후 전진하게 되면, 다이아몬드 벨트톱(Diamond belt saw)을 이용하여 상기 굴착장비의 후미로 돌출된 기존라이닝 및 잔여 지반을 절삭하여 철거할 수 있다.
여기서, 상기 신규라이닝 조립장비는, 작업반경 이내의 어떠한 임의의 지점까지도 도달할 수 있도록 설계된 다자유도 로봇팔을 이용하여 신규라이닝 세그먼트를 조립할 수 있다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 방법은, 열차의 운용 시에 비개착 방식으로 철도터널을 확폭하는 방법에 있어서, a) 열차가 운용되지 않을 때 작업차량을 확폭하기 위한 기존 철도터널의 작업위치로 이동시키는 단계; b) 기존 철도터널을 바깥쪽에서 감싸는 형상으로 배치되는 다수개의 소구경 터널기계화 시공장비로 이루어진 굴착장비를 사용하여 기존 철도터널의 배면의 지반을 굴착하는 단계; c) 상기 작업차량에 탑재된 기존라이닝 절삭장비를 사용하여 확폭되는 기존 철도터널의 기존라이닝을 절삭 및 철거하는 단계; d) 상기 작업차량에 탑재된 신규라이닝 조립장비를 사용하여 작업반경 내에서 신규라이닝 세그먼트를 조립하는 단계; e) 상기 작업차량에 탑재된 앵커 시공을 위한 천공장비를 사용하여 상기 신규라이닝 세그먼트를 조립 설치하기 위한 앵커를 시공하는 단계; 및 f) 상기 작업차량에 탑재된 그라우팅 시공장비를 사용하여 상기 기존 철도터널의 굴착면과 신규라이닝 세그먼트 사이의 공극을 메우기 위한 뒷채움 그라우팅을 수행하는 단계를 포함하되, 상기 열차가 운용 중이면 상기 작업차량을 대기위치로 이동시키고, 상기 열차가 운용되지 않을 때 상기 작업차량을 작업위치로 이동시킨 상태에서 상기 b) 내지 f) 단계를 반복적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 기존 철도터널의 전방부 및 공사가 이루어지지 않는 나머지 선로에 대한 전력공급을 유지하도록 확폭공사 중에도 전차선이 연결된 상태를 유지시키는 전차선 설비가 설치되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 b) 단계의 굴착장비는 철도터널 확폭 공사 중에도 열차의 운용이 가능하도록 기존 철도터널의 라이닝 및 철도터널 내부에 있는 선로구조물을 존치시킨 상태에서 기존 철도터널의 배면의 지반을 비개착 방식으로 굴착하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 굴착장비, 작업차량, 기존라이닝 절삭장비, 전차선 설비 및 신규라이닝 조립장비로 구성되어 열차 운용 중 안전하게 확폭 공사를 실시할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자립하지 않는 토사나 용수가 있는 경우에 및 절리가 있는 암반이나 파쇄대에 용이하게 적용할 수 있고, 철도터널의 확폭 공사시 소음과 진동의 발생이 적고, 별도의 레일을 설치하지 않아도 된다.
본 발명에 따르면, 버럭처리를 위한 별도의 설비를 구비함으로써, 굴착량이 많은 경우에도 용이하게 적용할 수 있고, 또한, 전차선 설비에 의해 가공전차선을 사용하는 전기철도의 경우에도 적용할 수 있게 된다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 기술에 따른 철도터널의 확폭장비의 사시도 및 단면도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 굴착장비를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 굴착장비의 전면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 굴착장비의 내부를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 굴착장비의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 작업차량을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 기존라이닝 절삭장비를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 전차선 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에 의해 확폭공사가 완성된 터널의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 신규라이닝 조립장비를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 앵커 시공을 위한 천공장비를 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 방법의 동작흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비(100)]
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비(100)는, 굴착장비(110), 작업차량(120), 기존라이닝 절삭장비(130), 전차선 설비(140) 및 신규라이닝 조립장비(150)를 포함하며, 이때, 상기 작업차량(120)은 열차(310)가 다니지 않는 시간에 작업위치로 이동하여 작업한다.
굴착장비(110)는 기존 철도터널(200a)을 바깥쪽에서 감싸는 형상으로 배치되는 다수개의 소구경 터널기계화 시공장비를 사용하여 기존 철도터널(200a)의 배면의 지반을 굴착한다. 이때, 상기 굴착장비(110)는 철도터널 확폭 공사 중에도 열차(310)의 운용이 가능하도록 기존 철도터널(200a)의 라이닝 및 철도터널(200a) 내부에 있는 선로구조물을 존치시킨 상태에서 기존 철도터널(200a)의 배면의 지반을 비개착 방식으로 굴착하게 된다.
작업차량(120)은 레일(320)을 따라 기존 철도터널(200a)의 작업위치로 이동된다. 이때, 후술할 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 작업차량(120)에 상기 기존라이닝 절삭장비(130)의 다이아몬드 벨트톱(131) 및 광차(133), 사토탱크(134), 슬러리탱크(135), 유압설비(136), 앵커 시공을 위한 천공장비(160), 신규라이닝 조립장비(150)인 다자유도 로봇팔, 라이닝 세그먼트 적재부(180) 및 그라우팅 시공장비(190)가 탑재될 수 있다.
기존라이닝 절삭장비(130)는 상기 작업차량(120)에 탑재되어 이동되며, 확폭되는 기존 철도터널(200a)의 기존라이닝을 절삭한다. 예를 들면, 상기 기존라이닝 절삭장비(130)는, 상기 굴착장비(110)가 기존 철도터널(200a)의 배면을 소정의 길이만큼 굴착한 후 전진하게 되면, 도 7에 도시된 다이아몬드 벨트톱(Diamond belt saw)(131)을 이용하여 상기 굴착장비(110)의 후미로 돌출된 기존라이닝 및 잔여 지반을 절삭하여 철거할 수 있다.
전차선 설비(140)는 철도터널(200a)의 전방부 및 공사가 이루어지지 않는 나머지 선로에 대한 전력공급을 유지하도록 확폭공사 중에도 전차선(141)이 연결된 상태를 유지시킨다.
신규라이닝 조립장비(150)는 상기 작업차량(120)에 탑재되어 이동되며, 작업반경 내에서 신규라이닝 세그먼트를 조립한다. 예를 들면, 상기 신규라이닝 조립장비(150)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 작업반경 이내의 어떠한 임의의 지점까지도 도달할 수 있도록 설계된 다자유도 로봇팔을 이용하여 신규라이닝 세그먼트를 조립할 수 있다.
또한, 도 7에 도시된 앵커의 시공을 위한 천공장비(160)는 상기 신규라이닝 세그먼트(210)를 조립 설치하기 위한 앵커를 2방향으로 시공하기 위해서, 1/4원형 프레임(161)을 따라 움직이는 앵커(170)를 시공한다.
또한, 도 7에 도시된 그라우팅 시공장비(190)는 상기 기존 철도터널(200a)의 굴착면(Z)과 신규라이닝 세그먼트(210) 사이의 공극을 메우기 위한 가위형 리프트(Scissor Lift)를 이용하여 뒷채움 그라우팅을 수행한다.
한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 굴착장비를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 굴착장비의 전면도이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 굴착장비의 내부를 나타내는 도면이고, 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 굴착장비의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 굴착장비(110)는, 도 3 내지 도 6을 참조하면, 예를 들면, 지름 1m 내외의 여러 개의 소구경 터널기계화 시공장비(Micro Tunnel Boring Machine: "MTBM")(111)를 마제형으로 연결한 구성을 갖는다. 구체적으로, 여기서, 상기 굴착장비(110)는, 기존 철도터널(200a)을 바깥쪽에서 감싸는 형상으로 배치되는 다수개의 소구경 터널기계화 시공장비(MTBM: 111); 슬러리 공급(Slurry in)을 위해 상기 MTBM(111)에 연결되는 슬러리 공급 파이프(112a); 버럭의 반출(Spoil out)을 위해 상기 MTBM(111)에 연결되는 버럭반출 파이프(112b); 및 상기 MTBM(111)의 후미에 연결되어 지반을 굴착하면서 전진할 수 있는 구동력을 제공하는 유압잭(113)을 포함할 수 있다.
이러한 MTBM(111)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 기존 철도터널(200a)을 바깥쪽에서 감싸는 형상으로, 기존 철도터널(200a)의 라이닝 및 철도터널(200a) 내부에 있는 선로구조물을 존치시킨 상태에서 배면의 지반을 굴착할 수 있기 때문에, 확폭 공사 중에도 열차(310)의 운용이 가능하게 한다. 여기서, 도면부호 140은 전차선 설비를 나타낸다.
상기 굴착장비(110)의 MTBM(111)은 각각은 독립적으로 작동할 수 있는데, 일반적인 MTBM과 마찬가지로, 도 5에 도시된 바와 같이, 디스크커터(Disc Cutter)가 장착된 면판(Cutterhead)이 회전하면서 굴착장비(110)의 후미에 연결된 유압잭(113)의 미는 힘을 이용하여 지반을 굴착하면서 전진한다. 여기서, 상기 유압잭(113)은, 후술할 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 작업차량(120)에 탑재되어 있는 유압설비(136)와 연결될 수 있다.
이때, 매끈한 굴착면을 얻기 위해, 전면에서 보았을 때 상기 MTBM(111)이 서로 일부가 겹쳐지도록 구성할 수 있다.
상기 굴착장비(110)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 일반적인 슬러리(Slurry) TBM과 마찬가지로 벤토나이트(Bentonite) 등이 포함된 슬러리를 사용하여 버럭(Spoil) 처리 및 막장면(Tunnel face) 안정화를 도모할 수 있는데, 이를 구현하기 위해 각각의 MTBM(111)에는 슬러리의 공급(Slurry in) 파이프(112a) 및 버럭의 반출(Spoil out)을 위한 파이프(112b)가 연결되도록 구성할 수 있다. 이들 파이프(112a, 112b)는 상기 굴착장비(110)의 후미에 있는 마제형 메인프레임(Main Frame)을 통해, 후술할 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 작업차량(120)에 탑재되어 있는 슬러리탱크(135) 및 사토탱크(134)와 각각 연결된다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 작업차량을 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 작업차량(120)은, 도 7에 도시된 바와 같이, 기존라이닝 절삭장비(130)인 다이아몬드 벨트톱(131) 및 광차(133), 사토탱크(134), 슬러리탱크(135), 유압설비(136), 앵커 시공을 위한 천공장비(160), 신규라이닝 조립장비(150)인 다자유도 로봇팔, 라이닝 세그먼트 적재부(180) 및 그라우팅 시공장비(190)가 탑재되도록 구성할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 작업환경이나 작업조건에 따라 다양하게 구성할 수 있다.
작업차량(120)에 탑재된 기존라이닝 절삭장비(130)의 다이아몬드 벨트톱(131)이 기존 철도터널(200a)을 절삭하면, 상기 다이아몬드 벨트톱(131)의 전후에 배치된 광차(113)가 절삭된 기존라이닝을 철거할 수 있다.
작업차량(120)에 탑재된 슬러리탱크(135) 및 사토탱크(134)는 각각 전술한 굴착장비(110)의 슬러리의 공급 파이프(112a) 및 버럭반출 파이프(112b)에 연결되고, 유압설비(136)는 굴착장비(110)의 유압잭(113)에 연결될 수 있다.
또한, 앵커 시공을 위한 천공장비(160) 및 신규라이닝 조립장비(150)인 다자유도 로봇팔이 작업차량(120)에 탑재될 수 있는데, 후술하기로 한다.
또한, 작업차량(120)에는 라이닝 세그먼트 적재부(180) 및 그라우팅 시공장비(190)가 탑재될 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 작업차량(120)은 열차(310)가 운용되지 않는 시간에 레일(320)을 따라 기존 철도터널(200a)의 작업위치로 용이하게 이동할 수 있게 하며, 각종 장비들이 탑재되어 철도터널(200a)의 굴착, 절삭, 라이닝 공급과 조립, 천공 등이 원활하게 이루어지게 한다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 기존라이닝 절삭장비를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비(100)에서, 전술한 굴착장비(110)가 기존 철도터널(200a)의 배면을 소정의 길이(예를 들면, 1미터 내외)만큼 굴착한 후 전진하게 되면, 작업차량(120)에 탑재되어 있는 기존라이닝 절삭장비(130)의 다이아몬드 벨트톱(Diamond belt saw)(131)을 이용하여 상기 굴착장비(110)의 후미로 돌출된 기존라이닝 및 잔여 지반을 절삭하여 철거할 수 있다.
여기서, 상기 다이아몬드 벨트톱(131)은 원형 프레임(132)에 연결되어 있어서 상기 원형 프레임(132)을 따라 움직일 수 있도록 구성되는데, 상기 다이아몬드 벨트톱(131)이 천단부로부터 바닥부까지 모든 높이의 기존라이닝을 절삭할 수 있도록 구성할 수 있다. 여기서, 상기 다이아몬드 벨트톱(131)은 90도 회전이 가능하도록 구성되며, 이에 따라 철도터널(200a)의 길이 및 원주방향으로 절삭이 가능하다. 또한, 상기 절삭된 라이닝을 손쉽게 이송하기 위해 상기 다이아몬드 벨트톱(131) 전후에 광차(133)를 넣어 작업차량(120)을 구성할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 전차선 처리를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 전차선 설비(140)를 나타내며, 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비(100)를 이용한 철도터널의 확폭 공사는, 기존라이닝 배면의 원지반을 먼저 굴착한 후, 기존라이닝을 철거하고 신규라이닝 세그먼트(210)를 조립하는 공정의 반복이므로, 철도터널에 기존라이닝이 여전히 남아 있는 부분과 기존라이닝이 철거된 부분이 동시에 존재하게 된다. 이때, 작업구간을 기준으로 보았을 때. 기존라이닝이 아직 철거되지 않고 여전히 남아 있는 철도터널의 전방부에서는 원래의 전차선을 이용한 열차 급전이 가능하지만, 기존라이닝이 철거된 후 신규라이닝이 설치되어 있는 터널의 후방부에서는 열차가 급전 없이 타행으로 주행하게 된다.
이때, 비록 터널 후방부에서는 급전이 이루어지지 않지만, 전방부 및 공사가 이루어지지 않는 나머지 선로에 대한 전력공급을 유지하기 위해, 공사 중에도 전차선(141)이 연결된 상태를 유지시키는 것이 필요하다.
따라서 철도터널의 후방부에서는 신규라이닝의 측부 또는 어깨부를 따라 일정한 간격으로 브라켓(142)을 설치하고 전차선(141)을 안전하게 매달아 두도록 한다. 이때, 안전사고에 대비하여 신규라이닝 구간에는 피복된 전차선(141)을 사용할 수 있다.
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에 의해 확폭공사가 완성된 터널의 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 전제로 하여 상반부 굴착을 통한 철도터널의 확폭 공사의 경우, 완성된 철도터널(200b)의 단면이, 도 10에 도시된 바와 같이, 궤도가 놓인 바닥부가 열려진 폐합되지 못하는 구조를 가지게 되므로, 이를 보완하기 위해 최하단에 설치될 세그먼트(220)를 앵커(170)를 이용하여 주변 지반에 고정시킬 수 있도록 구성할 수 있다. 이때, 앵커(170)는 2방향(즉, 수직 및 수평 방향, 또는 수평에서 내려간 비스듬한 방향)으로 시공할 수 있으며, 이때, 수직방향 앵커 시공을 위하여 최하단 라이닝 세그먼트(220)를 "L"자 형상으로 구성할 수 있다.
한편, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 신규라이닝 조립장비를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비(100)에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 신규라이닝 조립장비(150)는 작업반경 이내의 어떠한 임의의 지점까지도 도달할 수 있도록 설계된 다자유도 로봇팔을 이용하여 신규라이닝 세그먼트(210)를 조립할 수 있다.
한편, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비에서 앵커 시공을 위한 천공장비를 나타내는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비(100)의 경우, 신규라이닝 세그먼트(210)를 조립 설치하기 위한 앵커를 2방향(수직 및 수평 방향, 또는 수평에서 내려간 비스듬한 방향)으로 시공하기 위해서, 앵커 시공을 위한 천공장비(160)가 1/4원형 프레임(161)을 따라 움직이도록 구성할 수 있다.
이때, 굴착면(Z)과 신규라이닝 세그먼트(210) 사이의 공극을 메우기 위한 뒷채움 그라우팅을 위해, 도 7에 도시된 바와 같이, 가위형 리프트(Scissor Lift)를 이용하는 그라우팅 시공장비(190)를 구성할 수도 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비는, 굴착장비, 작업차량, 기존라이닝 절삭장비, 전차선 설비 및 신규라이닝 조립장비로 구성되어 열차 운용 중 안전하게 확폭 공사를 실시할 수 있다.
또한, 자립하지 않는 토사나 용수가 있는 경우에 및 절리가 있는 암반이나 파쇄대에 용이하게 적용할 수 있고, 철도터널의 확폭 공사시 소음과 진동의 발생이 적고, 별도의 레일을 설치하지 않아도 된다.
또한, 버럭처리를 위한 별도의 설비를 구비함으로써, 굴착량이 많은 경우에도 용이하게 적용할 수 있고, 또한, 전차선 설비에 의해 가공전차선을 사용하는 전기철도의 경우에도 적용할 수 있게 된다.
[열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 방법]
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 방법의 동작흐름도이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 방법은, 열차(310)의 운용 시에 비개착 방식으로 철도터널을 확폭하는 방법으로서, 열차(310)가 운용되지 않을 때 작업차량(120)을 확폭하기 위한 기존 철도터널(200a)의 작업위치로 이동시킨다(S110).
다음으로, 기존 철도터널(200a)을 바깥쪽에서 감싸는 형상으로 배치되는 다수개의 소구경 터널기계화 시공장비로 이루어진 굴착장비(110)를 사용하여 기존 철도터널(200a)의 배면의 지반을 굴착한다(S120). 이때, 상기 굴착장비(110)는 철도터널 확폭 공사 중에도 열차(310)의 운용이 가능하도록 기존 철도터널(200a)의 라이닝 및 철도터널(200a) 내부에 있는 선로구조물을 존치시킨 상태에서 기존 철도터널(200a)의 배면의 지반을 비개착 방식으로 굴착한다.
다음으로, 상기 작업차량(120)에 탑재된 기존라이닝 절삭장비(130)를 사용하여 확폭되는 기존 철도터널(200a)의 기존라이닝을 절삭 및 철거한다(S130).
다음으로, 상기 작업차량(120)에 탑재된 신규라이닝 조립장비(150)를 사용하여 작업반경 내에서 신규라이닝 세그먼트를 조립한다(S140).
다음으로, 상기 작업차량(120)에 탑재된 앵커 시공을 위한 천공장비(160)를 사용하여 상기 신규라이닝 세그먼트(210)를 조립 설치하기 위한 앵커를 시공한다(S150).
다음으로, 상기 작업차량(120)에 탑재된 그라우팅 시공장비(190)를 사용하여 상기 기존 철도터널(200a)의 굴착면과 신규라이닝 세그먼트(210) 사이의 공극을 메우기 위한 뒷채움 그라우팅을 수행한다(S160).
이때, 상기 열차(310)가 운용 중이면 상기 작업차량(120)을 대기위치로 이동시키고, 상기 열차(310)가 운용되지 않을 때 상기 작업차량(120)을 작업위치로 이동시킨 상태에서 상기 S120 내지 S160 단계를 반복적으로 수행하게 된다. 이때, 상기 기존 철도터널(200a)의 전방부 및 공사가 이루어지지 않는 나머지 선로에 대한 전력공급을 유지하도록 확폭공사 중에도 전차선(141)이 연결된 상태를 유지시키는 전차선 설비(140)가 설치될 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따른 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비는, 굴착장비, 작업차량, 기존라이닝 절삭장비, 전차선 설비 및 신규라이닝 조립장비로 구성되어, 열차 운용 중 안전하게 확폭 공사를 실시할 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 철도터널의 확폭 장비
110: 굴착장비
120: 작업차량
130: 기존라이닝 절삭장비
140: 전차선 설비
150: 신규라이닝 조립장비
160: 앵커 시공을 위한 천공장비
170: 앵커
180: 라이닝 세그먼트 적재부
190: 그라우팅 시공장비
200a: 기존 철도터널
200b: 확폭 철도터널
210: 신규라이닝 세그먼트
220: L자형 신규라이닝 세그먼트
310: 열차
320: 레일
111: 소구경 터널기계화 시공장비(Micro Tunnel Boring Machine: "MTBM")
112a: 슬러리 공급 파이프
112b: 버럭반출 파이프
113: 유압잭
131: 다이아몬드 벨트톱(Diamond Belt Saw)
132: 원형 프레임
133: 광차
134: 사토탱크
135: 슬러리탱크
136: 유압설비
141: 전차선
142: 전차선 고정용 브라켓
161: 1/4원형 프레임

Claims (10)

  1. 열차의 운용 시에 비개착 방식으로 철도터널을 확폭하는 장비에 있어서,
    기존 철도터널(200a)을 바깥쪽에서 감싸는 형상으로 배치되는 다수개의 소구경 터널기계화 시공장비를 사용하여 기존 철도터널(200a)의 배면의 지반을 굴착하는 굴착장비(110);
    레일(320)을 따라 기존 철도터널(200a)의 작업위치로 이동되는 작업차량(120);
    상기 작업차량(120)에 탑재되어 이동되며, 확폭되는 기존 철도터널(200a)의 기존라이닝을 절삭하는 기존라이닝 절삭장비(130);
    상기 작업차량(120)에 탑재되어 이동되며, 작업반경 내에서 신규라이닝 세그먼트를 조립하기 위한 신규라이닝 조립장비(150); 및
    철도터널(200a)의 전방부 및 공사가 이루어지지 않는 나머지 선로에 대한 전력공급을 유지하도록 확폭공사 중에도 전차선(141)이 연결된 상태를 유지시키는 전차선 설비(140)를 포함하되,
    상기 굴착장비(110)는 철도터널 확폭 공사 중에도 열차(310)의 운용이 가능하도록 기존 철도터널(200a)의 라이닝 및 철도터널(200a) 내부에 있는 선로구조물을 존치시킨 상태에서 기존 철도터널(200a)의 배면의 지반을 비개착 방식으로 굴착하며,
    상기 작업차량(120)에 상기 기존라이닝 절삭장비(130)의 다이아몬드 벨트톱(131) 및 광차(133), 사토탱크(134), 슬러리탱크(135), 유압설비(136), 앵커 시공을 위한 천공장비(160), 신규라이닝 조립장비(150)인 다자유도 로봇팔, 라이닝 세그먼트 적재부(180) 및 그라우팅 시공장비(190)가 탑재되는 것을 특징으로 하는 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 신규라이닝 세그먼트(210)를 조립 설치하기 위한 앵커를 2방향(수직 및 수평 방향, 또는 수평에서 내려간 비스듬한 방향)으로 시공하기 위해서, 1/4원형 프레임(161)을 따라 움직이는 앵커 시공을 위한 천공장비(160)를 추가로 포함하는 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기존 철도터널(200a)의 굴착면(Z)과 신규라이닝 세그먼트(210) 사이의 공극을 메우기 위한 뒷채움 그라우팅을 위해 가위형 리프트(Scissor Lift)를 이용하는 그라우팅 시공장비(190)를 추가로 포함하는 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비.
  5. 제1항에 있어서, 상기 굴착장비(110)는,
    기존 철도터널(200a)을 바깥쪽에서 감싸는 형상으로 배치되는 다수개의 소구경 터널기계화 시공장비(MTBM: 111);
    슬러리 공급(Slurry in)을 위해 상기 MTBM(111)에 연결되는 슬러리 공급 파이프(112a);
    버럭의 반출(Spoil out)을 위해 상기 MTBM(111)에 연결되는 버럭반출 파이프(112b); 및
    상기 MTBM(111)의 후미에 연결되어 지반을 굴착하면서 전진할 수 있는 구동력을 제공하는 유압잭(113)
    을 포함하는 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 기존라이닝 절삭장비(130)는, 상기 굴착장비(110)가 기존 철도터널(200a)의 배면을 소정의 길이만큼 굴착한 후 전진하게 되면, 다이아몬드 벨트톱(Diamond belt saw)(131)을 이용하여 상기 굴착장비(110)의 후미로 돌출된 기존라이닝 및 잔여 지반을 절삭하여 철거하는 것을 특징으로 하는 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 신규라이닝 조립장비(150)는, 작업반경 이내의 어떠한 임의의 지점까지도 도달할 수 있도록 설계된 다자유도 로봇팔을 이용하여 신규라이닝 세그먼트를 조립하는 것을 특징으로 하는 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 장비.
  8. 열차의 운용 시에 비개착 방식으로 철도터널을 확폭하는 방법에 있어서,
    a) 열차(310)가 운용되지 않을 때 작업차량(120)을 확폭하기 위한 기존 철도터널(200a)의 작업위치로 이동시키는 단계;
    b) 기존 철도터널(200a)을 바깥쪽에서 감싸는 형상으로 배치되는 다수개의 소구경 터널기계화 시공장비로 이루어진 굴착장비(110)를 사용하여 기존 철도터널(200a)의 배면의 지반을 굴착하는 단계;
    c) 상기 작업차량(120)에 탑재된 기존라이닝 절삭장비(130)를 사용하여 확폭되는 기존 철도터널(200a)의 기존라이닝을 절삭 및 철거하는 단계;
    d) 상기 작업차량(120)에 탑재된 신규라이닝 조립장비(150)를 사용하여 작업반경 내에서 신규라이닝 세그먼트를 조립하는 단계;
    e) 상기 작업차량(120)에 탑재된 앵커 시공을 위한 천공장비(160)를 사용하여 상기 신규라이닝 세그먼트(210)를 조립 설치하기 위한 앵커를 시공하는 단계; 및
    f) 상기 작업차량(120)에 탑재된 그라우팅 시공장비(190)를 사용하여 상기 기존 철도터널(200a)의 굴착면(Z)과 신규라이닝 세그먼트(210) 사이의 공극을 메우기 위한 뒷채움 그라우팅을 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 열차(310)가 운용 중이면 상기 작업차량(120)을 대기위치로 이동시키고, 상기 열차(310)가 운용되지 않을 때 상기 작업차량(120)을 작업위치로 이동시킨 상태에서 상기 b) 내지 f) 단계를 반복적으로 수행하며,
    상기 (a) 단계의 작업차량(120)에 상기 기존라이닝 절삭장비(130)의 다이아몬드 벨트톱(131) 및 광차(133), 사토탱크(134), 슬러리탱크(135), 유압설비(136), 앵커 시공을 위한 천공장비(160), 신규라이닝 조립장비(150)인 다자유도 로봇팔, 라이닝 세그먼트 적재부(180) 및 그라우팅 시공장비(190)가 탑재되도록 하는 것을 특징으로 하는 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 기존 철도터널(200a)의 전방부 및 공사가 이루어지지 않는 나머지 선로에 대한 전력공급을 유지하도록 확폭공사 중에도 전차선(141)이 연결된 상태를 유지시키는 전차선 설비(140)가 설치되는 것을 특징으로 하는 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 b) 단계의 굴착장비(110)는 철도터널 확폭 공사 중에도 열차(310)의 운용이 가능하도록 기존 철도터널(200a)의 라이닝 및 철도터널(200a) 내부에 있는 선로구조물을 존치시킨 상태에서 기존 철도터널(200a)의 배면의 지반을 비개착 방식으로 굴착하는 것을 특징으로 하는 열차 운용을 고려한 철도터널의 확폭 방법.
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