KR101571123B1 - 링 ｔｂｍ 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법 - Google Patents
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Abstract
링(Ring) TBM을 이용하여 터널을 1차로 굴착하고, 수평천공장치 및 기계굴착으로 터널을 2차로 굴착함에 따라 TBM의 안전성과 NATM(New Austrian Tunneling Method)의 경제성의 장점을 겸비하여 철도 터널 내부를 안전하고 경제적으로 굴착할 수 있으며, 터널 단면의 외주면을 굴착하여 중공부에 코어부를 형성함으로써 굴착면의 안전성을 향상시킬 수 있고, 또한, 터널 굴착에 사용되는 숏크리트 타설, 록볼트 등의 시공이 생략되고 터널 단면의 외주면만 선굴착함으로써 굴착 반발력과 굴진 저항력을 감소시켜 굴착 작업의 효율을 증대시킬 수 있고, 디스크비트(커터)의 사용량을 최소화함으로써 경제성을 확보할 수 있는, 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법이 제공된다.
Description
본 발명은 터널의 시공에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 링(Ring) TBM(Tunnel Boring Machine)을 이용하여 터널을 1차로 굴착하고, 수평천공장치 및 기계굴착으로 터널을 2차로 굴착함에 따라 TBM 공법의 안정성과 NATM(New Austrian Tunneling Method)의 경제성의 장점을 겸비하여 철도 터널 내부를 안전하고 경제적으로 굴착할 수 있는 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 도로 또는 철도용으로 이용되는 터널의 시공에는 여러 가지 방법이 사용되고 있으며, 기본적으로는 터널 굴착장치를 사용하거나, 폭약을 이용하여 단단한 암반을 파괴하고 기계 굴착하는 방법이 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 실드 터널링 머신(Shield Tunneling Machine)을 사용하여 비개착 방식으로 터널을 형성한 후, 기형성된 터널 내측에 터널 구조물을 시공하여 완성하는 TBM(Tunnel Boring Machine) 공법이 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.
전술한 오픈 트렌치 공법(OTM)과 TBM 공법 중에서 현재 대표적으로 쓰이는 공법은 TBM 공법이다. 이러한 TBM 공법은 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 교통 흐름에 최소한의 영향을 끼치면서 터널을 시공할 수 있기 때문이다.
이러한 TBM은 비트, 커트 등이 부착된 디스크 형상의 굴착헤드를 회전시킴으로써 터널의 전체 단면을 한 번에 굴착하거나, 또는, 비트, 커트 등이 부착된 드럼을 자유롭게 이동시킴으로써 필요한 단면을 자유롭게 굴착할 수 있다. 특히, 이러한 TBM은 산악지대와 같이 비교적 단단한 지반에 터널을 건설할 때 효과적으로 이용될 수 있다.
한편, NATM 공법(New Australian Tunneling Method)은 터널을 굴착하기 위한 공법 중 하나로서, 1956년 오스트리아에서 개발되었으며 1962년 국제암반학회에서 NATM이라 명명하였다. 이러한 NATM 공법은 굴착한 터널 안쪽 천장과 터널 벽면에 2~3m 길이의 고정봉을 일정 간격으로 박은 후, 그 위에 콘크리트를 입히는 방식으로 암반의 붕괴를 방지하면서 터널을 뚫어 나가는 굴착방법이다.
이러한 NATM 공법은 원래의 지반 자체를 주지보재로 활용함으로써 터널의 내구성이 높고 H형 빔과 같은 가설용 지보강재가 필요하지 않다는 점에서 경제성이 높다. 이러한 NATM 공법은 기계화된 작업으로 적은 인력으로 공사가 가능하지만, 정확한 계측과 시공을 위한 전문인력이 필요하고 공정이 다소 복잡하며 안정성이 떨어진다는 단점이 있다.
한편, 선행기술로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1282945호에는 "터널 굴착장치"라는 명칭의 발명이 개시되어 있는데, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.
도 1은 종래의 기술에 따른 터널 굴착장치를 이용하여 터널을 굴착하는 것을 예시하는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 터널 굴착장치의 굴착용 헤드를 나타내는 단면도이다.
종래의 기술에 따른 터널 굴착장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 굴착용 헤드(10); 상기 굴착용 헤드(10)가 회전가능하게 설치되는 본체(20); 상기 본체(20)의 내부에 구비되어 상기 굴착용 헤드(10)를 회전시키는 모터(21)와 감속기(22); 및 상기 모터(21)와 감속기(22)를 제어하는 제어반으로 이루어진다. 또한, 상기 굴착용 헤드(10)는, 도 2에 도시된 바와 같이, 전면이 원판 형상으로 이루어지는 몸체(13)의 중심에서 외측으로 일정 간격을 유지하며 형성되는 천공수단(11); 상기 천공수단(11)에 의해 형성된 구멍에 물과 액화질소를 주입하는 주입수단(12); 및 상기 몸체의 표면에 구비되어 암반을 파쇄하는 다수의 절삭식 또는 압쇄식 커터(14)를 포함한다.
이때, 상기 천공수단(11)은 레이저 드릴일 수 있고, 상기 주입수단(12)은 상기 굴착용 헤드(10)의 몸체(13)에 구비되고, 전단에는 암반에 접촉 가능한 밀착부가 형성되는 지지부재, 상기 지지부재에 구비되어 전방으로 물을 분사하는 물 분사노즐, 상기 지지부재에 구비되어 액화질소를 분사하는 액화질소 분사노즐로 구성될 수 있다.
종래의 기술에 따른 터널 굴착장치는, 굴착용 헤드(10)에 구비된 천공수단(11)으로 암반(30)에 일정 깊이의 구멍을 형성하고, 그 구멍에 물과 액화질소를 주입하여 물이 얼 때 팽창하는 성질을 이용하여 암반(30)의 크랙 및 부서짐을 유도하여 용이하게 파쇄할 수 있다.
종래의 기술에 따른 터널 굴착장치에 따르면, 레이저 드릴 등의 천공수단(11)으로 구멍을 뚫고 물과 액화질소를 주입하여 암반(30)을 파쇄하여 현장 주변의 진동, 소음 및 먼지를 감소시킬 뿐만 아니라, 공정의 진행속도를 증가시킬 수 있다. 또한, 기존의 TBM보다 1일 굴착거리가 더 길어져 전체 터널공사 기간을 단축시킬 수 있고, 커터(14)의 마모에 의한 수명이 길어지기 때문에 커터 교환주기가 더 길어져 유지보수비용을 절감시킬 수 있다.
그러나 전술한 종래의 기술에 따른 터널 굴착장치의 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 본체가 원통 형상으로 형성되고, 본체의 선단 전체 면에 걸쳐서 복수의 굴착 롤러가 설치됨에 따라, 암반 굴착시 본체의 선단 전체 면에 대응되는 면적으로 암반을 굴착하게 된다. 이에 따라 암반 굴착시 암반으로부터 본체로 가해지는 굴착 반발력이 크게 작용하므로 굴착이 원활하게 이루어지지 못할 수 있다. 뿐만 아니라 굴진 속도도 크게 떨어지므로 굴착 작업의 효율이 저하된다는 문제점이 있다.
즉, 종래의 기술에 따른 터널 굴착장치의 경우, 암반 굴착시 굴착 반발력이 본체의 선단 전체 면으로 작용함에 따라 본체가 원활하게 회전되지 않아 굴착 롤러에 의한 굴착 작업이 방해받기 때문이다. 특히, 해당 굴착면이 암반으로 이루어진 경우, 굴착 반발력이 더욱 크게 작용하여 전술한 문제점이 더욱 가중될 수밖에 없다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 링(Ring) TBM을 이용하여 터널을 1차로 굴착하고, 수평천공장치 및 기계굴착으로 터널을 2차로 굴착함에 따라 TBM의 안전성과 NATM(New Austrian Tunneling Method)의 경제성의 장점을 겸비하여 철도 터널 내부를 안전하고 경제적으로 굴착할 수 있으며, 터널 단면의 외주면을 굴착하여 중공부에 코어부를 형성함으로써 굴착면의 안전성을 향상시킬 수 있는, 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 터널 굴착에 사용되는 숏크리트 타설, 록볼트 등의 시공이 생략되고 터널 단면의 외주면만 선굴착함으로써 굴착 반발력과 굴진 저항력을 감소시켜 굴착 작업의 효율을 증대시킬 수 있는, 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법은, 철도 또는 도로의 터널을 비개착식으로 굴착하여 시공하는 터널 시공 방법에 있어서, a) 링(Ring) TBM(Tunnel Boring Machine)의 전면에 형성된 링 TBM 면판의 회전과 유압실린더의 반발력에 의하여 터널을 1차 굴착하는 단계; b) 상기 1차 굴착시 발생된 버럭(Muck)과 슬러리(Slurry)를 링 TBM의 배토파이프를 통하여 배출하여 터널 단면의 외주면을 링 형태로 굴착하는 단계; c) 수평천공장치를 구비한 NATM 공법(New austrian tunnelling method)의 기계굴착에 의하여 상기 링 TBM 내부의 중공에 형성된 코어부를 2차 굴착하는 단계; d) 버럭 반출장비를 사용하여 상기 2차 굴착시 발생된 버럭을 터널 외부로 반출하는 단계; e) 라이닝 설치장비를 사용하여 상기 굴착된 터널 단면에 라이닝 세그먼트를 순차적으로 조립하여 터널 라이닝을 설치하는 단계; 및 f) 상기 터널 라이닝의 배면에 뒷채움 그라우팅을 실시하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 a) 단계의 Ring TBM은 굴착대상인 터널 단면의 외주면을 링 형태로 굴착하도록 내부 중공의 원통 형태로 구성된 1차 굴착장치이고, 상기 c) 단계의 수평천공장치는 NATM 공법에 사용되는 장치로서 상기 터널의 2차 굴착을 위해 수평으로 천공하는 장치인 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 Ring TBM에 의하여 1차로 터널 단면의 외주면을 링 형태로 굴착하고, 상기 Ring TBM의 굴착작업에 의하여 내부 중공에 형성된 코어부가 상기 수평천공장치를 포함한 NATM 공법의 기계굴착에 의해 2차로 굴착되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 링 TBM은, 상기 링 TBM의 외주면을 감싸는 형태로서, 터널 단면의 외주면과 동일한 크기로 제작되는 버럭 챔버; 회전에 의하여 터널 갱구부의 전면을 굴착하도록 상기 링 TBM의 전면에 형성되고, 슬러리의 주입을 위한 다수의 슬러리 주입공 및 굴착된 버럭과 슬러리의 배출을 위한 다수의 배출공이 형성된 Ring TBM 면판; 링 형상의 판상 구조물로서, 상기 버럭 챔버의 내주면에 설치되는 메인프레임; 굴착 방향으로 전후진 및 굴착 작업의 반발력을 얻기 위해 상기 메인프레임에 장착되는 다수의 유압실린더; 상기 Ring TBM 면판의 회전력을 얻기 위한 동력원으로서, 상기 메인프레임의 전면에 장착된 다수의 회전모터; 상기 회전모터에 장착되어 상기 링 TBM 면판을 회전시키는 다수의 구동축; 상기 Ring TBM 면판을 통하여 터널의 갱구부와 상기 Ring TBM 면판의 접촉면으로 슬러리를 주입하도록 장착된 다수의 슬러리주입구; 일측이 상기 메인프레임의 후방으로 일정 길이 돌출되고, 타측이 상기 메인프레임의 전방으로 돌출되어, 상기 Ring TBM 면판의 회전 절삭에 의해 발생되는 버럭과 슬러리를 배출하는 배토파이프; 상기 Ring 형상의 내주면에 톱니형태의 기어가 형성되어 상기 회전모터와 구동축의 회전 구동에 의하여 회전하는 요 베어링; 및 상기 Ring TBM 면판의 전면부에 일정 간격으로 다수개가 장착되어, 터널 갱구부의 암반을 파쇄하는 커터를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 메인프레임에 설치된 회전모터의 회전에 의하여 상기 구동축이 구동되고, 상기 구동축이 상기 요 베어링을 회전시키고, 상기 요 베어링에 치합된 상기 Ring TBM 면판이 회전함으로써 상기 Ring TBM 면판에 장착된 다수의 커터가 터널 단면의 외주면을 링 형태로 굴착하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 메인프레임에 설치된 다수개의 유압실린더는 상기 Ring TBM의 후방에 설치된 터널 라이닝에 의해 지지되고, 상기 유압실린더의 유압 작동에 의한 반발력으로 상기 Ring TBM이 굴착 방향으로 전진하면서 터널 단면의 외주면을 굴착하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 터널 굴착시 슬러리의 주입과 버럭의 반출은 상기 버럭 챔버의 내주면과 상기 Ring TBM의 굴착에 의해 형성된 코어부 사이의 공간에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 a) 단계에서 상기 Ring TBM 면판을 회전시키면서 동시에 슬러리주입구를 통하여 슬러리를 주입하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 링(Ring) TBM을 이용하여 터널을 1차로 굴착하고, 수평천공장치 및 기계굴착으로 터널을 2차로 굴착함에 따라 TBM의 안전성과 NATM의 경제성의 장점을 겸비하여 철도 터널 내부를 안전하고 경제적으로 굴착할 수 있으며, 터널 단면의 외주면을 굴착하여 중공부에 코어부를 형성함으로써 굴착면의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 터널 굴착에 사용되는 숏크리트 타설, 록볼트 등의 시공이 생략되고 터널 단면의 외주면만 선굴착함으로써 굴착 반발력과 굴진 저항력을 감소시켜 굴착 작업의 효율을 증대시킬 수 있으며, 디스크비트(커터)의 사용량을 최소화함으로써 경제성을 확보할 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 터널 굴착장치를 이용하여 터널을 굴착하는 것을 예시하는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 터널 굴착장치의 굴착용 헤드를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터널 굴착장치인 링 TBM의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Ring TBM의 구동 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 Ring TBM의 전면에 형성되는 Ring TBM 면판을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법의 동작흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서 Ring TBM을 사용하여 터널을 1차로 굴착하는 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서 수평천공장치를 사용하여 터널을 2차로 굴착하는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서 굴착된 터널 내에서 버럭을 제거하는 것을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서 굴착된 터널 내에 라이닝을 설치하는 것을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 터널 굴착장치의 굴착용 헤드를 나타내는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터널 굴착장치인 링 TBM의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Ring TBM의 구동 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 Ring TBM의 전면에 형성되는 Ring TBM 면판을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법의 동작흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서 Ring TBM을 사용하여 터널을 1차로 굴착하는 것을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서 수평천공장치를 사용하여 터널을 2차로 굴착하는 것을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서 굴착된 터널 내에서 버럭을 제거하는 것을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서 굴착된 터널 내에 라이닝을 설치하는 것을 나타내는 도면이다.
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.
[터널 단면의 외주면을 따라 링 형태로 굴착하는 Ring TBM(100)]
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 터널 시공 방법은 링 TBM을 사용하여 터널을 1차 굴착하고, 수평천공장치 및 기계굴착으로 터널을 2차 굴착하게 되는데, 이하, 도 3 내지 도 5를 참조하여 링 TBM의 구성 및 동작을 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 터널 굴착장치인 링 TBM의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 Ring TBM의 구동 메커니즘을 설명하기 위한 도면이며, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 Ring TBM의 전면에 형성되는 Ring TBM 면판을 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 터널 굴착장치인 Ring TBM(100)은, 버럭 챔버(101), 메인프레임(110), 유압실린더(120), 회전모터(130), 구동축(Driving Shaft: 140), 슬러리주입구(150), 배토파이프(160), 요 베어링(Yaw Bearing: 170), Ring TBM 면판(180) 및 커터(Cutter: 190)를 포함한다.
버럭 챔버(101)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 메인프레임(110), 유압실린더(120), 회전모터(130), 구동축(140), 슬러리주입구(150), 배토파이프(160), 요 베어링(170)을 외부에서 감싸는 원통 형상으로서, 터널 단면의 외주면과 동일한 크기로 제작된다. 이때, 상기 버럭 챔버(101)는 굴착 단계에서부터 터널 라이닝(200)의 설치 단계 이전까지의 시공 과정에서 작업공간으로 활용되고, 터널의 임시 라이닝 역할을 하게 된다.
메인프레임(110)은 본 발명의 실시예에 따른 터널 굴착장치인 Ring TBM(100)의 본체부를 구성하는 상기의 유압실린더(120), 회전모터(130), 구동축(140), 슬러리주입구(150), 배토파이프(160)가 장착되는 링 형상의 판상 구조물로서, 상기 버럭 챔버(101)의 내주면에 설치된다.
유압실린더(120)는 본 발명의 실시예에 따른 터널 굴착장치인 Ring TBM(100)의 굴착 방향으로 전후진 및 굴착 작업의 반발력을 얻기 위한 것으로, 일측은 상기 터널 라이닝(200)의 전면에 지지되고, 타측은 상기 메인프레임(110)에 장착된다. 이때, 시공된 터널 라이닝(200)에 지지된 유압실린더(120)의 작동으로 Ring TBM(100)의 전진 및 후진과 굴착을 위한 반발력을 얻게 된다.
회전모터(130)는 상기 Ring TBM 면판(180)의 회전력을 얻기 위한 동력원으로서, 상기 메인프레임(110)의 전면에 다수개가 장착되고, 이때, 상기 회전모터(130)의 구동력은 상기 구동축(140)에 의하여 상기 요 베어링(170)을 구동시킬 수 있고, 이에 따라 상기 Ring TBM 면판(180)이 회전 및 굴착작업을 실시할 수 있다.
구동축(140)은 일측에 상기 회전모터(130)의 회전부가 장착되고, 타측에 톱니형태의 기어가 장착된 봉 형상의 동력전달장치로서, 일측의 외주면에 장착된 기어에 의해 상기 요 베어링(170)의 내측 면에 형성된 톱니와 연결되고, 이에 따라 상기 요 베어링(170)이 상기 구동축(140)의 회전 방향으로 회전할 수 있다.
슬러리주입구(150)는 원통형의 파이프로 구성되며, 상기 메인프레임(110)의 상단을 관통하여 일측은 메인프레임(110)의 후방으로 돌출되도록 설치되고, 타측은 상기 Ring TBM 면판(180)의 후방으로 연장 설치되어, 상기 Ring TBM 면판(180)을 통하여 터널의 갱구부와 상기 Ring TBM 면판(180)의 접촉면으로 슬러리가 주입될 수 있다.
배토파이프(160)는 원통형의 파이프로 구성되며, 일측이 상기 메인프레임(110)의 하단을 관통하여 후방으로 일정 길이 돌출되고, 타측이 상기 메인프레임(110)의 전방으로 돌출되도록 배치됨으로써, 상기 Ring TBM 면판(180)의 회전 절삭에 의해 발생되는 버럭과 슬러리를 배출할 수 있다.
요 베어링(170)은 상기 Ring TBM 면판(180)에 장착되는 링 형상의 구동장치로서, 상기 Ring 형상의 내주면에 톱니형태의 기어가 형성되어 상기 회전모터(130)와 구동축(140)의 회전 구동에 의하여 회전하여 상기 Ring TBM 면판(180)을 회전 구동시킬 수 있다.
Ring TBM 면판(180)은 본 발명의 실시예에 따른 터널 굴착장치인 Ring TBM(100)의 전면부에 형성되는 굴착장치로서, 상기 Ring TBM 면판(180)에 슬러리의 주입을 위한 다수의 슬러리 주입공 및 굴착된 버럭과 슬러리의 배출을 위한 다수의 배출공이 형성됨으로써, 각각 다수의 슬러리주입구(160) 및 다수의 배토파이프(160)에 연결되며, 또한, 암반의 절삭 및 굴착을 위하여 일정 간격으로 장착된 다수의 커터(190)가 구비되어 상기 Ring TBM 면판(180)의 회전에 의하여 터널 갱구부의 전면을 굴착하게 된다.
커터(190)는 터널 갱구부의 암반을 파쇄하는 절삭식 커터로서, 상기 Ring TBM 면판(180)의 전면부에 일정 간격으로 다수개가 장착되며, 상기 터널 갱구부의 접촉면으로 일부 돌출되도록 설치된다.
본 발명의 실시예에 따른 터널 굴착장치인 Ring TBM(100)은 상기의 Ring TBM(100)에 장착된 버럭 챔버(101), 메인프레임(110), 유압실린더(120), 회전모터(130), 구동축(140), 슬러리주입구(150), 배토파이프(160), 요 베어링(170), Ring TBM 면판(180) 및 커터(190)의 각각의 구성 및 기능을 통하여 효과적으로 터널을 굴착할 수 있으며, 본 발명의 실시예에 따른 구성 이외에도 추가적인 장치가 탑재되도록 구성할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 작업환경이나 작업조건에 따라 다양하게 구성할 수 있다.
구체적으로, 도 3 및 도 4를 다시 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 터널 굴착장치인 Ring TBM(100)은, 상기 Ring TBM(100)의 구동을 위하여 상기 버럭 챔버(101), 메인프레임(110), 유압실린더(120), 회전모터(130), 구동축(140), 슬러리주입구(150) 및 배토파이프(160)로 구성되는 본체부, 그리고 상기 터널 갱구부의 굴착을 위한 상기 요 베어링(170), Ring TBM 면판(180) 및 커터(190)로 구성된 전면부(헤드부)로 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 터널 굴착장치인 Ring TBM(100)은, 상기 메인프레임(110)에 장착된 다수개의 회전모터(130)가 구동되고, 이에 따라 일측에 상기 회전모터(130)가 장착되고 타측에 톱니형태의 기어가 장착된 상기 구동축(140)이 회전할 수 있다.
또한, 상기 구동축(140)의 회전력은 일측에 형성된 톱니형태의 기어의 회전에 의해 상기 Ring TBM 면판(180)의 내주면에 톱니형태의 기어가 형성된 링 형상의 상기 요 베어링(170)을 회전시키게 되고, 이와 함께 상기 Ring TBM 면판(180)이 회전 구동하게 된다.
이에 따라 상기 Ring TBM 면판(180)에 일정 간격으로 장착된 다수개의 커터(190)가 터널 갱구부의 암반의 접촉면을 절삭 및 파쇄하게 된다. 다시 말하면, 터널의 라이닝(200)에 일측이 지지되고 타측이 메인프레임(110)에 장착된 다수개의 유압실린더(130)의 유압에 의해 반발력이 더해지고, 상기 Ring TBM 면판(180)에 장착된 다수개의 커터(190)의 마찰력이 더해져 터널의 갱구부의 암반을 절삭 및 파쇄할 수 있다.
또한, 각각의 상기 유압실린더(130)는 개별적인 유압조절장치(도시되지 않음)를 이용하여 상기 Ring TBM 면판(180)의 부위별 반발력을 제어함으로써 터널의 굴착 중에 발생되는 종방향 선형의 오차와 각도를 조절할 수 있다.
또한, 슬러리주입구(150)는 원형 파이프로 구성되고, 본 발명의 실시예에 따른 터널 굴착장치인 Ring TBM(100)의 내부에 장착되며, 일측이 상기 메인프레임(110)의 상부를 관통하여 후방으로 돌출되고, 타측이 상기 Ring TBM 면판(180)에 형성된 슬러리 주입공에 연결되며, 이에 따라 상기 슬러리주입구(150)를 통해 슬러리를 주입함으로써 절삭의 효율을 높일 수 있다.
또한, 배토파이프(160)는 일측이 상기 메인프레임(110)의 하부를 관통하여 후방으로 연장되고, 타측이 상기 메인프레임(110)의 전방으로 돌출되도록 배치되며, 이에 따라 상기 Ring TBM 면판(180)의 회전에 의하여 절삭 및 파쇄된 버럭과 슬러리는 상기 배토파이프(160)를 통하여 용이하게 배출될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 Ring TBM(100)은, 그 내부에 장착된 메인프레임(110)을 관통하도록 장착된 슬러리주입구(150)와 버럭배출용 배토파이프(160), 그리고 Ring TBM(100)의 외주면을 감싸는 형상으로 장착된 버럭 챔버(101)로 구성됨으로써, 터널 굴착시에 슬러리의 주입과 버럭의 반출이 상기 버럭 챔버(101)의 내주면과 상기 Ring TBM(100)의 굴착에 의해 형성된 코어부 사이의 공간에서 용이하게 수행될 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따르면, 굴착대상인 터널 단면의 외주면을 Ring 형태로 굴착하는 내부중공의 원통 형태로 구성된 굴착장치인 Ring TBM(100)을 이용하여 터널 단면의 외주면을 선굴착함으로써, 굴진 저항력이 감소되어 시공의 효율을 향상시킬 수 있고, 또한, 내부 중공부에 형성된 코어부는 NATM 공법을 통한 기계굴착을 통하여 굴착함으로써, 숏크리트, 록볼트 등의 일차지보재의 설치공정을 생략할 수 있고, 또한, 전단면이 아닌 Ring 형태의 굴착을 실시함으로써 디스크비트(커터)의 사용량을 최소화할 수 있다.
[링 TBM(100) 및 수평천공장치(400)를 이용한 터널 시공 방법]
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법의 동작흐름도이다.
도 6 내지 도 10을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법은, 철도 또는 도로의 터널을 비개착식으로 굴착하여 시공하는 터널 시공 방법으로서, 먼저, 링 TBM(100)의 전면에 형성된 링 TBM 면판(180)의 회전과 유압실린더(120)의 반발력에 의하여 터널을 1차 굴착하는데(S110), 구체적인 설명은 도 7을 참조하여 후술하기로 한다.
다음으로, 상기 1차 굴착시 발생된 버럭(Muck)과 슬러리(Slurry)를 링 TBM(100)의 배토파이프(160)를 통하여 배출하여 터널 단면의 외주면을 링 형태로 굴착한다(S120).
다음으로, 수평천공장치(400)를 구비한 NATM 공법(New austrian tunnelling method)의 기계굴착에 의하여 상기 링 TBM(100) 내부의 중공에 형성된 코어부를 2차 굴착하는데(S130), 구체적인 설명은 도 8을 참조하여 후술하기로 한다.
다음으로, 버럭 반출장비(500)를 사용하여 상기 2차 굴착시 발생된 버럭을 터널 외부로 반출하는데(S140), 구체적인 설명은 도 9를 참조하여 후술하기로 한다.
다음으로, 라이닝 설치장비(600)를 사용하여 상기 굴착된 터널 단면에 라이닝 세그먼트(210)를 순차적으로 조립하여 터널 라이닝(200)을 설치하는데(S150), 구체적인 설명은 도 10을 참조하여 후술하기로 한다.
다음으로, 상기 터널 라이닝(200)의 배면에 뒷채움 그라우팅을 실시한다(S160).
후속적으로, 상기 터널의 시공이 완료될 때까지 전술한 S110 내지 S160) 단계를 반복적으로 수행하게 된다.
한편, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서 Ring TBM을 사용하여 터널을 1차로 굴착하는 것을 나타내는 도면이다.
전술한 도 3 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서, Ring TBM(100)을 사용하여 터널을 1차로 굴착할 때, 전술한 바와 같이, 상기 메인프레임(110)에 장착된 다수개의 회전모터(130)가 구동되고, 이에 따라 일측이 회전모터에 장착되고 타측에 톱니형태의 기어가 장착된 상기 구동축(140)이 회전하게 된다.
또한, 상기 구동축(140)의 회전력은 일측에 형성된 톱니형태의 기어의 회전에 의해 상기 Ring TBM 면판(180)의 내주면에 톱니형태의 기어가 형성된 링 형상의 상기 요 베어링(170)을 회전시키게 되고, 이와 함께 상기 Ring TBM 면판(180)이 회전하게 되며, 이에 따라 상기 Ring TBM 면판(180)에 장착된 다수개의 커터(190)가 터널 갱구부의 지반 또는 암반(300)의 접촉면을 절삭 및 파쇄하게 된다.
이때, 일측이 터널의 라이닝(200)에 지지되고, 타측이 상기 메인프레임(110)에 장착된 다수개의 유압실린더(130)의 유압에 의한 반발력에 의하여 상기 Ring TBM 면판(180)에 장착된 다수개의 커터(190)의 마찰력이 더해지며, 상기 슬러리주입구(150)를 통하여 슬러리를 주입하고, 이후, 굴착된 버럭과 슬러리를 상기 배토파이프(160)를 통하여 배출하여 터널 단면의 외주면을 Ring 형태로 굴착하게 된다.
또한, 상기의 Ring TBM(100)의 굴착 작업에 의해 터널 단면의 외주면을 따라 링 형태의 굴착면이 형성되고, 상기 Ring TBM(100)의 내부 중공에는 굴착되지 않은 암반인 코어부가 형성된다.
한편, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서 수평천공장치를 사용하여 터널을 2차로 굴착하는 것을 나타내는 도면으로서, 그 내부의 중공에 형성된 코어부를 수평천공장치(400)를 통하여 코어부를 천공하고 굴착하는 것을 나타낸다.
전술한 도 3 및 도 8을 참조하면, 전술한 도 7에서 Ring TBM(100)의 내부 중공에는 굴착되지 않은 암반인 코어부는 NATM공법에 의한 기계식 굴착장치인 상기 수평천공장치(400)를 통하여 코어부를 수평천공 및 발파를 통하여 파쇄하는데, 이때 상기 중앙 코어부는 일차 굴착을 통하여 주변부가 Isolation(분리)된 상태이므로 발파에 의한 소음 및 진동을 최소화하여 효과적으로 터널굴착을 실시할 수 있다. 이때, 본 발명의 실시예에 따른 구성 이외에도 추가적인 장치가 탑재되도록 구성할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 작업환경이나 작업조건에 따라 다양하게 구성할 수 있다.
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서 굴착된 터널 내에서 버럭을 제거하는 것을 나타내는 도면으로서, 굴착된 버럭을 버럭 반출장비(500)를 통하여 터널외부로 반출하는 것을 나타낸다.
전술한 도 3 및 도 9를 참조하면, 전술한 도 7에서 발생된 버럭 및 슬러리와 더불어 도 8에서 발생된 버럭은 NATM 공법에 사용되는 일반장비인 페이로더, 백호우 등의 상차장비와 덤프트럭 등의 운반장비를 조합하여 갱도 밖으로 배출하게 되는데, 본 발명의 실시예에 따른 구성 이외에도 추가적인 장비를 구성할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 작업환경이나 작업조건에 따라 다양하게 구성할 수 있다.
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법에서 굴착된 터널 내에 라이닝을 설치하는 것을 나타내는 도면으로서, 굴착된 터널 단면에 라이닝 설치장비(600)를 통하여 라이닝 세그먼트(210)를 설치하여 터널의 라이닝(200)을 설치하는 것을 나타낸다.
전술한 도 3 및 도 10을 참조하면, 전술한 도 9에서 버럭의 배출이 완료되면, 라이닝 세그먼트(210)를 설치하게 되는데, 이때, 상기 라이닝 세그먼트(210)의 설치장비는 특수장비가 아닌 일반 백호우 또는 백호우를 개조하여 제작한 라이닝 설치장비(600)를 통하여 설치가 가능하도록 구성되며, 본 발명의 실시예에 따른 구성 이외에도 추가적인 장비를 구성할 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니며, 작업환경이나 작업조건에 따라 다양하게 구성할 수 있다.
따라서 본 발명의 실시예에 따르면, 링(Ring) TBM을 이용하여 터널을 1차로 굴착하고, 수평천공장치 및 기계굴착으로 터널을 2차로 굴착함에 따라 TBM 공법의 안전성과 NATM 공법의 경제성의 장점을 겸비하여 철도 터널 내부를 안전하고 경제적으로 굴착할 수 있으며, 터널 단면의 외주면을 굴착하여 중공부에 코어부를 형성함으로써 굴착면의 안전성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 터널 굴착에 사용되는 숏크리트 타설, 록볼트 등의 시공이 생략되고 터널 단면의 외주면만 선굴착함으로써, 굴착 반발력과 굴진 저항력을 감소시켜 굴착 작업의 효율을 증대시킬 수 있으며, 디스크비트(커터)의 사용량을 최소화할 수 있고, 이에 따라 경제성을 확보할 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: Ring TBM(Tunnel Boring Machine)
101: 버럭 챔버
110: 메인프레임
120: 유압실린더
130: 회전모터
140: 구동축(Driving Shaft)
150: 슬러리주입구
160: 배토파이프
170: 요 베어링(Yaw Bearing)
180: Ring TBM 면판
190: 커터(Cutter)
200: 터널 라이닝
210: 신규 라이닝 세그먼트
300: 터널 지반
400: 수평천공장치
500: 버럭 반출장비
600: 라이닝 설치장비
101: 버럭 챔버
110: 메인프레임
120: 유압실린더
130: 회전모터
140: 구동축(Driving Shaft)
150: 슬러리주입구
160: 배토파이프
170: 요 베어링(Yaw Bearing)
180: Ring TBM 면판
190: 커터(Cutter)
200: 터널 라이닝
210: 신규 라이닝 세그먼트
300: 터널 지반
400: 수평천공장치
500: 버럭 반출장비
600: 라이닝 설치장비
Claims (9)
- 철도 또는 도로의 터널을 비개착식으로 굴착하여 시공하는 터널 시공 방법에 있어서,
a) 링(Ring) TBM(Tunnel Boring Machine)(100)의 전면에 형성된 링 TBM 면판(180)의 회전과 유압실린더(120)의 반발력에 의하여 터널을 1차 굴착하는 단계;
b) 상기 1차 굴착시 발생된 버럭(Muck)과 슬러리(Slurry)를 링 TBM(100)의 배토파이프(160)를 통하여 배출하여 터널 단면의 외주면을 링 형태로 굴착하는 단계;
c) 수평천공장치(400)를 구비한 NATM 공법(New austrian tunnelling method)의 기계굴착에 의하여 상기 링 TBM(100) 내부의 중공에 형성된 코어부를 2차 굴착하는 단계;
d) 버럭 반출장비(500)를 사용하여 상기 2차 굴착시 발생된 버럭을 터널 외부로 반출하는 단계;
e) 라이닝 설치장비(600)를 사용하여 상기 굴착된 터널 단면에 라이닝 세그먼트(210)를 순차적으로 조립하여 터널 라이닝(200)을 설치하는 단계; 및
f) 상기 터널 라이닝(200)의 배면에 뒷채움 그라우팅을 실시하는 단계를 포함하며,
상기 링 TBM(100)은, 상기 링 TBM(100)의 외주면을 감싸는 형태로서, 터널 단면의 외주면과 동일한 크기로 제작되는 버럭 챔버(101); 회전에 의하여 터널 갱구부의 전면을 굴착하도록 상기 링 TBM(100)의 전면에 형성되고, 슬러리의 주입을 위한 다수의 슬러리 주입공 및 굴착된 버럭과 슬러리의 배출을 위한 다수의 배출공이 형성된 Ring TBM 면판(180); 링 형상의 판상 구조물로서, 상기 버럭 챔버(101)의 내주면에 설치되는 메인프레임(110); 굴착 방향으로 전후진 및 굴착 작업의 반발력을 얻기 위해 상기 메인프레임(110)에 장착되는 다수의 유압실린더(120);를 포함하되,
상기 메인프레임(110)에 설치된 다수개의 유압실린더(120)는 상기 Ring TBM(100)의 후방에 설치된 터널 라이닝(200)에 의해 지지되고, 상기 유압실린더(120)의 유압 작동에 의한 반발력으로 상기 Ring TBM(100)이 굴착 방향으로 전진하면서 터널 단면의 외주면을 굴착하는 것을 특징으로 하는 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법. - 제1항에 있어서,
상기 a) 단계의 Ring TBM(100)은 굴착대상인 터널 단면의 외주면을 링(Ring) 형태로 굴착하도록 내부 중공의 원통 형태로 구성된 1차 굴착장치이고, 상기 c) 단계의 수평천공장치(400)는 NATM 공법에 사용되는 장치로서 상기 터널의 2차 굴착을 위해 수평으로 천공하는 장치인 것을 특징으로 하는 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법. - 제2항에 있어서,
상기 Ring TBM(100)에 의하여 1차로 터널 단면의 외주면을 링 형태로 굴착하고, 상기 Ring TBM(100)의 굴착작업에 의하여 내부 중공에 형성된 코어부가 상기 수평천공장치(400)를 포함한 NATM 공법의 기계굴착에 의해 2차로 굴착되는 것을 특징으로 하는 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법. - 제1항에 있어서, 상기 링 TBM(100)은,
상기 Ring TBM 면판(180)의 회전력을 얻기 위한 동력원으로서, 상기 메인프레임(110)의 전면에 장착된 다수의 회전모터(130);
상기 회전모터(130)에 장착되어 상기 링 TBM 면판(180)을 회전시키는 다수의 구동축(Driving Shaft: 140);
상기 Ring TBM 면판(180)을 통하여 터널의 갱구부와 상기 Ring TBM 면판(180)의 접촉면으로 슬러리(Slurry)를 주입하도록 장착된 다수의 슬러리주입구(150);
일측이 상기 메인프레임(110)의 후방으로 일정 길이 돌출되고, 타측이 상기 메인프레임(110)의 전방으로 돌출되어, 상기 Ring TBM 면판(180)의 회전 절삭에 의해 발생되는 버럭과 슬러리를 배출하는 배토파이프(160);
상기 Ring 형상의 내주면에 톱니형태의 기어가 형성되어 상기 회전모터(130)와 구동축(140)의 회전 구동에 의하여 회전하는 요 베어링(Yaw Bearing: 170); 및
상기 Ring TBM 면판(180)의 전면부에 일정 간격으로 다수개가 장착되어, 터널 갱구부의 암반을 파쇄하는 커터(Cutter: 190)를 더 포함하는 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법. - 제4항에 있어서,
상기 메인프레임(110)에 설치된 회전모터(130)의 회전에 의하여 상기 구동축(140)이 구동되고, 상기 구동축(140)이 상기 요 베어링(170)을 회전시키고, 상기 요 베어링(170)에 치합된 상기 Ring TBM 면판(180)이 회전함으로써 상기 Ring TBM 면판(180)에 장착된 다수의 커터(190)가 터널 단면의 외주면을 링 형태로 굴착하는 것을 특징으로 하는 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법. - 삭제
- 제4항에 있어서,
터널 굴착시 슬러리의 주입과 버럭의 반출은 상기 버럭 챔버(101)의 내주면과 상기 Ring TBM(100)의 굴착에 의해 형성된 코어부 사이의 공간에서 수행되는 것을 특징으로 하는 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법. - 제1항에 있어서,
상기 a) 단계에서 상기 Ring TBM 면판(180)을 회전시키면서 동시에 슬러리주입구(150)를 통하여 슬러리를 주입하는 것을 특징으로 하는 링 TBM 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법. - 삭제
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| KR1020130158984A KR101571123B1 (ko) | 2013-12-19 | 2013-12-19 | 링 ｔｂｍ 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| KR1020130158984A KR101571123B1 (ko) | 2013-12-19 | 2013-12-19 | 링 ｔｂｍ 및 수평천공장치를 이용한 터널 시공 방법 |
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ID=53518018
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Citations (2)
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-
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