KR101531766B1 - 연약 지반에 터널을 설치하기 위한 선지보 터널 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 입출구와 도심 터널에서 발생하는 토피가 얕은 초연약 지반에서 터널을 설계 시공하는 연약 지반에 설치하기 위한 선지보 터널 공법에 관한 것이다. 지표면에서 터널을 굴착 전에 선지보재를 차수 또는 지지하기 위하여 터널 계획 단면의 횡방향으로는 좌우 외부까지, 수직 방향으로는 지표부터 터널 바닥에서 요구되는 깊이까지 관통하여 설계된 복수의 선지보재를 설치하는 단계; 선지보된 터널 계획 단면을 굴착하는 단계; 숏크리트와 강지보재를 설치 후, 선지보재를 지압판을 설치할 수 있도록 필요한 길이로 절단하여 제거하는 단계; 지압판을 설치 후, 피복을 위해 숏크리트를 재취부하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하며, 굴착 전에 선시공되는 선지보재에 따른 횡방향 아치와 종방향 아칭을 굴착과 동시에 확보하고 선지보재를 지표면에서 터널 바닥 하부까지 기둥처럼 설치하므로 터널 상부 지반을 기둥처럼 지지하는 효과와 막장을 안정시키고 하부 지반을 차수하는 효과가 있으며 종래의 NATM공법에서 굴착 순간 발생하는 무지보 상태가 없기 때문에 보다 더 안전하게 터널 굴착을 할 수 있으며 원지반의 이완을 최소화할 수 있어 원지반의 지반 강도 역시 감소량이 적게 되는 효과가 있다.

Description

연약 지반에 터널을 설치하기 위한 선지보 터널 공법{Method of Pre-supported tunnel costructed in a soft ground}

본 발명은 터널 입출구나 도심 터널에서 발생하는 토피가 얕은 초연약 지반에서 터널을 설계 시공하여 연약 지반에 터널을 설치하기 위한 선지보 터널 공법에 관한 것이다.

종래에, 시가지 천층 터널 시공시, 미리 지반을 보강하기 위한 그라우팅을 실시하여 지반을 개량하는 보조 공법이 있었으나, 이러한 보조 공법은 투입된 노력에 비해 지반의 지보 효과가 적은 단점이 있었다.

또한, 터널 내에서 파이프 루프만으로 수평 선지보하거나 쉴드 터널 개념을 도입한 대형 쉴드를 유압으로 압입하고, 내부를 굴착하는 방식이 있었으나, 파이프 루프는 횡방향 보강이 부족하게 되고, 쉴드 형태는 국지적으로 일부 발생하는 터널에 쉴드 장비 비용이 과다하게 발생하여 대단면에서 적용이 불가능하였다.
본 출원인의 대한민국 특허 제10-0740200호는 터널 굴착 전에 선지보재를 설치하는 개념을 도입한 것이다.

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상기 발명은 터널 입출구나 도심 터널에서 발생하는 토피가 얕은 토사 터널의 시공 및 대단면 터널 내에서 파일럿 터널을 선굴착 관통 후, 선지보 파일을 복수의 위치에서 선지보재를 먼저 천공 설치한 후, 대단면 터널, 즉 메인 터널의 굴착 라인까지 굴착하면서 라이닝 형성재인 프리캐스트 조각판 철근으로 짜여진 트러스판, 스틸리브 등의 세그먼트를 선지보재와 결합 시공하거나, 아주 초연약 지반에서 방사상으로 설치하는 선지보재 외에 종방향의 파이프 루프 강관 다단 그라우팅을 조밀하게 해야 할 경우에는 시공상 서로 간섭되지 않도록 내부 라이닝 지보재로 굴착 라인을 보강하는 선지보 터널 공법 및 이에 적합한 장치에 관한 것으로서, 지표면 또는 파일럿 터널의 내부에서 예정된 터널의 굴착 라인을 향하여 복수의 선지보재를 천공 설치하고 그라우팅하는 단계와; 상기 터널의 굴착 라인을 따라 터널을 굴착하고, 그 굴착면에 배수재를 설치하는 단계와; 상기 배수재의 하단에 상기 선지보재 마다에 조각판을 연속하여 끼워 설치하되, 조각판 들의 측면에 형성된 끼움 돌기와 끼움 홈이 서로 맞물려 라이닝이 형성되도록 설치하는 단계와; 상기 조각판을 관통한 선지보재에 지압판을 대고 정착구를 조여 압착을 가하는 단계를 포함하여 이루어진다.

이와 같은 종래 기술은 굴착 전에 선시공되는 선지보재에 따른 횡방향 아치와 종방향 아칭을 굴착과 동시에 확보할 수 있어서 무지보 상태가 발생하지 않게 되어 비교적 안전한 시공을 할 수 있으나 내부 마찰각이 작은 점토 또는 실트질 초연약 원지반에서는 선지보재를 굴착면까지만 설치해서는 내부 막장의 안전과 원지반의 아칭력 부족으로 이완되고 원지반의 강도가 감소하게 되므로 안전하게 터널 굴착을 할 수 없어 초천층 터널에 적용하기 어려운 경우가 있었다.

대한민국 특허 제10-0740200호

본 발명의 목적은 상기 종래 기술이 갖고 있던 문제점을 해결하기 위해 개발된 것으로서 터널 굴착 전에 선지보재를 설치하는 종래의 개념을 도입하고 이에 추가하여 초연약 지반에서 터널 주변을 보다 더 효율적으로 차수와 지보하는 방법을 도입하여 연약 지반에 설치하는 선지보 터널 공법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 지하 수위가 지표면 하에 인접하여 높게 형성된 연약한 토사 지반에서도 터널을 안전하게 시공하는 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 상기 목적은 본 발명에 의해 달성되는 데, 본 발명은 지표면에서 터널을 굴착 전에 선지보재를 차수 또는 지지하기 위하여 터널 계획 단면의 횡방향으로 필요로 하는 좌우 외부까지, 수직 방향으로는 지표부터 터널 바닥에서 요구되는 깊이까지 관통하여 설계된 복수의 선지보재를 설치하며, 선지보재는 원지반을 천공하여 네일을 삽입한 후, 가압 그라우팅을 하여 시공한다. 선지보재는 가압 그라우팅에 의한 침투와 맥상 주입으로 차수 효과와 원지반의 물성을 개량하여 굴착과 지보를 원활하게 하는 것을 특징으로 한다.

지표면에서 터널을 굴착 전에 선지보재를 차수 또는 지지하기 위하여 터널 계획 단면의 횡방향으로는 좌우 외부까지, 수직 방향으로는 지표부터 터널 바닥에서 요구되는 깊이까지 관통하여 설계된 복수의 선지보재를 설치하는 단계;

선지보된 터널 계획 단면을 굴착하는 단계;

숏크리트와 강지보재를 설치 후, 선지보재에 지압판을 설치할 수 있도록 필요한 길이로 절단하여 제거하는 단계;

지압판을 설치 후, 피복을 위해 숏크리트를 재취부하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

지표면에서 터널을 굴착 전에 선지보재를 차수 또는 지지하기 위하여 터널 계획 단면의 횡방향으로 필요로 하는 좌우 외부까지 보강을 할 때, 터널 외부에서 차수를 위한 그라우팅을 추가하는 것을 특징으로 한다.

상기 선지보재는 직경 50 내지 150mm로 천공하여 선지보재를 삽입 후, 가압 그라우팅하여 설치하는 것을 특징으로 한다.

굴착 전에 선시공되는 선지보재에 따른 횡방향 아치와 종방향 아칭을 굴착과 동시에 확보하고 선지보재를 지표면에서 터널 바닥 하부까지 기둥처럼 설치하므로 터널 상부 지반을 기둥처럼 지지하는 효과와 막장을 안정시키고 하부 지반을 융기나 침하에 대해 지지하는 효과가 있으며 종래의 NATM공법에서 굴착 순간 발생하는 무지보 상태가 없어서 보다 더 안전하게 터널 굴착을 할 수 있으며 원지반의 이완을 최소화할 수 있어 원지반의 지반 강도 역시 감소량이 적게 되는 효과가 있다.

또한, 선지보재를 지표면에서 터널을 굴착 전에 터널 계획 단면의 횡방향으로는 필요로 하는 좌우 외부까지 수직 방향으로 지표부터 터널 바닥에서 요구되는 깊이까지 복수의 선지보재를 일정한 간격으로 설치하므로서 시공하는 과정에서 가압 그라우팅에 의한 침투와 맥상 주입으로 차수 효과와 원지반의 물성을 개량하여 굴착과 지보를 원활하게 하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 단면도로서 지표면에서 터널을 굴착 전에 선지보재를 차수 또는 지지하기 위하여 터널 계획 단면의 횡방향으로 필요로 하는 좌우 외부까지 수직 방향으로는 지표부터 터널 바닥에서 요구되는 깊이까지 설계 간격으로 복수의 선지보재를 설치하는 것을 도시한 도면이다.
도 2는 평면도로서 계획된 터널의 상부 지표면에서 선지보재의 위치와 터널의 좌우 외곽부에 차수 그라우팅을 추가하여 도시한 도면이다.
도 3은 측면도로서 일 롯트를 추가 굴착한 것을 도시한 도면이다.
도 4는 측면도로서 숏크리트와 강지보재를 굴착면에 타설한 것을 도시한 도면이다.
도 5는 측면도로서 선지보재를, 지압판을 체결할 수 있도록 철근을 요구되는 길이만큼 여유 길이를 남겨 놓고 절단하여 제거한 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 측면도로서 터널 주변에 절단된 선지보재에 지압판을 설치한 것을 도시한 도면이다.
도 7은 측면도로서 지압판이 피복되도록 마무리 숏크리트를 타설한 것을 도시한 도면이다
도 8은 도 7의 지압판이 설치된 상태를 도시한 상세도이다.

이하에서 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명은 터널을 건설하기에 부적합하였던 아칭력이 잘 형성되지 않는 내부마찰각이 작은 점토 또는 실트질 초연약 원지반에서 선지보재를 터널 양측부와 바닥 하부 지반까지 설치하여 경제적이면서 구조적으로 안정하고 용이하게 건설하기 위한 것이다.

본 발명의 주요 부재인 선지보재는 터널을 굴착 전에 원지반을 천공하고 그 내부에 철근 강봉 GRP(플라스틱 함침 유리 섬유) 등을 삽입하고 시멘트로 그라우팅하여 형성한 인장 또는 압축을 받는 부재이다. 또 다른 실시 방법으로서는 철근을 항타하여 설치를 할 수도 있다.

선지보재에 사용되는 그라우팅 재료는 화학적으로 안정한 보통 포틀란트 시멘트 또는 차수가 용이한 마이크로 시멘트를 사용하며, 차수가 매우 중요한 곳은 시멘트와 약액을 혼합하거나 용액형 약액을 사용하여 압력 그라우팅할 수 있다.

이하에서 상세를 도면을 이용하여 설명하면,

도 1은 단면도로서, 지표면(3)에서 터널을 굴착 전에 선지보재(1)를 차수 또는 지지하기 위하여 지지력과 차수 그라우팅(9)의 주입 범위에 따라 터널 계획 단면(2)의 횡방향으로 설계에서 요구하는 좌우 외부까지 설치하고 종방향 간격을 결정하여 배치한다.

수직 방향으로는 지표부터 터널 바닥에서 지지력과 차수가 요구되는 깊이까지 설계 간격으로 복수의 선지보재(1)를 설치한다.

도 2는 평면도로서 계획된 터널의 상부 지표면(3)에서 선지보재(1)의 위치와 터널의 좌우 외곽부에 차수 그라우팅(9)을 추가한 상태를 도시한 것이다. 물론 차수가 필요하지 않을 때에는 지지력을 만족하는 선지보재만 배치하면 된다.

도 3은 측면도로서 선지보재(3)가 노출되도록 한 막장면(8, 일롯트)을 추가 굴착한 것을 도시한 것이다.

도 4는 측면도로서, 도 3과 같이 굴착한 면에 숏크리트(7)와 강지보재(5, 보강재)를 굴착면에 타설한 것을 도시한 도면이다.

시공 순서를 상세히 설명하면, 굴착 후, 숏크리트(7)로 실링 후, 강지보재(5)를 설치하고 숏크리트(7)를 추가로 타설한다.

도 5는 측면도로서 숏크리트(7)와 강지보재(5)로 지보를 한 후 막장부에 노출된 선지보재(1)에 지압판(6)을 체결할 수 있도록 철근에 너트를 채울 수 있는 요구되는 길이 만큼 여유 길이를 남겨 놓고 절단하여 제거한다.

도 6은 측면도로서, 터널 굴착면 숏크리트 위의 절단된 선지보재(1)에 지압판(6)을 설치한 것을 도시한 것이다.

도 7은 측면도로서, 지압판(6)이 피복되도록 마무리 숏크리트(7)를 타설한 것을 도시한 것이다. 방수시 지압판(6)과 선지보재(1)에 의해 쉬트가 파손되는 것을 방지하고 숏크리트(7)의 구조상 요구되는 두께를 완성하기 위해서이다.

도 8은 도 7의 지압판(6)이 설치된 상세도이다.

본 발명의 최적의 실시 방법을 설명하면

터널을 지표면(3)에서 터널을 굴착 전에 선지보재(1)를 차수 또는 지지하기 위하여 터널 계획 단면(2)의 횡방향으로 필요로 하는 좌우 외부까지 수직 방향으로는 지표부터 터널 바닥에서 요구되는 깊이까지 관통하여 설계된 복수의 선지보재를 설치하는 단계;

선지보된 터널 계획 단면을 굴착하는 단계;

숏크리트(7)와 강지보재(5)를 설치 후, 막장의 선지보재(1)를 지압판(6)이 설치될 수 있도록 여분을 남겨두고 절단하여 제거하는 단계;

지압판을 설치 후, 피복을 위해 숏크리트(7)를 재취부하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. 선지보재를 지표면에서 터널 바닥 하부까지 기둥처럼 설치하므로 터널 상부 지반을 기둥처럼 지지하는 효과와 막장을 안정시키고 하부 지반을 융기나 침하에 대해 지지하는 효과가 있도록 하고 선지보재를 시공하는 과정에서 가압 그라우팅에 의한 침투와 맥상 주입으로 차수 효과와 원지반의 물성을 개량하여 굴착과 지보를 원활하게 하도록 하는 효과가 있다. 상기 선지보재 설치는 여러 가지 재료와 방법으로 설치할 수 있지만 최적의 방법은 외경 50mm 내지 150mm로 천공하여 선지보재(1)를 삽입 후, 가압 그라우팅하여 설치하는 것을 특징으로 한다. 최적의 천공경은 원지반의 천공경 주변 마찰 전단 강도가 적은 지반은 크게 적용하고 마찰 전단 강도가 큰 양호한 지반은 작게 한다.
상기의 선지보재(1)를 설치하는 과정에서 차수가 요구되는 지하 수위(4)가 높은 지반에서는 터널 계획 단면(2)의 횡방향으로 좌우 외부까지 보강을 할 때, 터널 외부에 차수를 위한 그라우팅을 추가하는 것을 특징으로 한다.

차수 그라우팅(9)을 추가하는 방법은 종방향으로 1열 또는 2열을 설치할 수 있고 그라우팅 재료는 현탁액형, 용액형 등 모두 사용할 수 있으며, 분말도가 가는 침투가 용이한 마이크로 시멘트를 사용하면 보다 더 차수를 용이하게 하고 지반 강도를 보강할 수 있다. 그리고 선지보 자체도 가압 그라우팅에 의해 차수 효과가 있다.

선지보재의 설치 간격은 원지반에 선지보재로 보강된 터널을 모델링하여 지반을 연속체로 가정하여 유한 요소 해석을 하거나 절리 방향을 고려한 불연속체로 가정하여 해석할 수 있다.

선지보재의 역할은 터널의 바닥에서는 설계 깊이로 설치하여 지반 변위를 억제하는 역할과 침투 및 맥상 그라우팅으로 차수 효과를 발휘한다.

1 : 선지보재 2 : 터널 계획 단면
3 : 지표면 4 : 지하 수위
5 : 강지보재(보강재) 6 : 지압판
7 : 숏크리트 8 : 막장면
9 : 차수 그라우팅

Claims (3)

1. 지표면에서 터널을 굴착 전에 선지보재를 차수 또는 지지하기 위하여 터널 계획 단면의 횡방향으로는 좌우 외부까지, 수직 방향으로는 지표부터 터널 바닥에서 요구되는 깊이까지 관통하여 설계된 복수의 선지보재를 설치하는 단계;
   선지보된 터널 계획 단면을 굴착하는 단계;
   숏크리트와 강지보재를 설치 후, 막장의 선지보재를 지압판이 설치될 수 있도록 필요한 길이로 절단하여 제거하는 단계;
   지압판을 설치 후, 피복을 위해 숏크리트를 재취부하는 단계를 포함하고,
   상기 선지보재는 직경 50 내지 150mm로 천공하여 선지보재를 삽입 후, 가압 그라우팅하여 설치하는 것을 특징으로 하는 선지보 터널 공법.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   지표면에서 터널을 굴착 전에 선지보재를 차수 또는 지지하기 위하여 터널 계획 단면의 횡방향으로 필요로 하는 좌우 외부까지 보강을 할 때, 터널 외부에서 차수를 위한 그라우팅을 추가하는 것을 특징으로 하는 선지보 터널 공법.
   
3. 삭제

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