KR101598275B1 - 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 대단면 터널의 편평률이 작은 터널에 있어서 선형 지보재를 이용한 터널 원지반의 보강과 방수 시트(sheet)와 라이닝 및 환기 구조물을 시공하는 방법에 관한 것이다.
편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법으로서, 기준이 되는 터널 최대폭 높이 편평율이 0.5인 가상 굴착면(200)을 갖는 가상 기준 터널에서 설치해야 할 선형 지보재(5)의 길이(L2)와, 최대폭 높이 편평율이 0.5보다 작은 실제 굴착면(100)에서 실제 굴착면(100)과 가상 굴착면(200) 사이에 연결되는 선형 지보재(5) 길이(L1)는 최대폭 높이 편평율이 낮은 만큼 추가로 더 길게 형성되는 터널의 천단부에서 가장 길고, 터널의 측벽부 양측으로 갈수록 짧은 길이를 갖는 선형 지보재가 설치된다.
편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법으로서, 기준이 되는 터널 최대폭 높이 편평율이 0.5인 가상 굴착면(200)을 갖는 가상 기준 터널에서 설치해야 할 선형 지보재(5)의 길이(L2)와, 최대폭 높이 편평율이 0.5보다 작은 실제 굴착면(100)에서 실제 굴착면(100)과 가상 굴착면(200) 사이에 연결되는 선형 지보재(5) 길이(L1)는 최대폭 높이 편평율이 낮은 만큼 추가로 더 길게 형성되는 터널의 천단부에서 가장 길고, 터널의 측벽부 양측으로 갈수록 짧은 길이를 갖는 선형 지보재가 설치된다.
Description
본 발명은 편평률이 작은 대단면 터널에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선형 지보재를 이용한 터널 원지반의 보강과 방수 시트(sheet)와 라이닝 및 환기 구조물을 시공하는 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법에 관한 것이다.
종래에, 터널의 단면을 계획하고 설계할 때, 편평율을 고려하여 설계하였다. 편평율이란, 터널의 최대 높이와 최대폭의 비이며, 대한민국 고속도로에 기시공된 터널의 평균 편평률은 0.55 내지 0.65 정도로 설계되어 있는데, 0.55를 기준으로 이 보다 작은 터널은 편평율이 작다고 한다. 터널이 원형일 때, 탄성 이론상 터널 주변 지반이 압축력을 받게 되나 경제성과 건축 한계를 고려할 때, 원형보다는 타원형이 유리하기 때문에 편평율은 0.5보다 큰 0.55가 최소 평균치이다.
최근에는 대단면 터널이 많이 적용되는 추세이며 편평율이 작은 터널이 요구되고 있다. 편평율이 작은 대단면 터널에서는 터널 원지반의 이완 영역이 커지고 터널폭(경간)이 넓어져 라이닝의 두께가 더 두꺼워져 시공이 불가하였다. 또한, 편평율을 0.55 이상을 적용하여 대단면 터널을 시공할 경우에는 라이닝은 아칭 구조로서 보다 얇은 구조로 적용 가능하나 굴착량이 매우 커서 비경제적이 된다.
그리고 종래 터널 공법은 터널 내에 시트 방수를 설치하기 위하여, 방수 시트를 고정하는 셋트 앵커를 원지반에 추가로 설치하고 셋트 앵커와 방수 시트가 물이 새지 않도록 연결부를 열융합 용접을 하거나 접착제로 접합하였다.
라이닝을 설치할 때에도 철근 배근을 하기 위한 철근 매달기용 셋트 앵커를 추가로 설치하여 시공하였다. 셋트 앵커는 소형 드릴로 숏크리트면을 천공하여 앵커 핀을 삽입하여 지압으로 고정되는 기계적 결합을 하므로 하중이 작용하면 뽑히는 사례가 많았고 구조적 지지점으로 적용할 수 없는 단점이 있어 폭이 큰 터널은 라이닝 두께가 과도하게 두꺼워지는 단점이 있다.
환기용 덕트 슬라브는 프리캐스트로 만들거나 현장 타설 콘크리트로 타설하였으나 4차선 이상 도로의 대단면 터널은 터널 폭이 커서 터널 중앙에 기둥이나 지지점이 없으면 슬라브 두께가 과도하게 두꺼워지는 단점이 있다.
본 발명의 목적은, 편평율이 작은 대단면 터널의 원지반 보강시, 선형 지보재를 적절히 설치하여 터널의 구조적 안정성을 확보하기 위하여 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 터널 방수, 라이닝 설치, 환기를 위한 환기 덕트용 슬라브 및 터널 내 구조물을 매달기 위한 시공을 용이하게 하기 위한 방법을 개선한 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 하나의 목적은, 더욱 구체적으로, 예를 들면 라이닝에 복수의 선형 지보재를 연결하여 인장력을 받도록 함으로써 소성 변형의 염려가 있는 지반에서 이완 하중이 매우 큰 경우와 수압이 함께 작용하는 경우 등에서 라이닝 두께와 철근이 과도하게 배근되는 것을 라이닝 두께와 철근을 획기적으로 줄일 수 있는 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 하나의 목적은, 환기용 덕트 슬라브는 프리캐스트로 만들거나 현장 타설 콘크리트로 타설하였는데 도로 4차선 이상의 대단면 터널은 터널 폭이 커서 터널 중앙에 기둥이나 지지점이 없으면 슬라브 두께가 과도하게 두꺼워지는 단점을 해결하는 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 하나의 목적은, 라이닝에 기타 구조물을 안전하게 매달 경우에도 적용할 수 있는 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 하나의 목적은 터널의 원지반을 보강 및 지보하기 위한 락볼트, 네일과 같은 선형 지보재를 이용한 구조 역학적으로 유리한 원지반 보강과 라이닝 구조를 만들고 선형 지보재를 이용한 시공 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 상기 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 제1 양태는, 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법으로서, 기준이 되는 터널의 최대폭 높이 편평율이 0.5인 가상 굴착면(200)을 갖는 가상 기준 터널에서 설치해야 할 선형 지보재(5)의 길이(L2)를 결정하는 단계와, 최대폭 높이 편평율이 0.5보다 작은 실제 굴착면(100)에서 실제 굴착면(100)과 가상 굴착면(200) 사이에 연결되는 선형 지보재(5) 길이(L1)를 결정하는 단계와, 상기 결정된 길이(L2)에 길이(L1)를 더한 길이로 선형 지보재(5)를 시공하는 단계를 구비하고, 최대폭 높이 편평율이 낮은 만큼 추가로 더 길게 형성되는 터널의 천단부에서 가장 길고, 터널의 측벽부 양측으로 갈수록 짧은 길이를 갖는 선형 지보재가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 양태에 있어서, 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법으로서, 터널을 굴착하고 굴착면에 숏크리트(2)를 실링하고 선형 지보재(5)를 설치하기 위하여 굴착면에 복수의 천공홀을 형성 후 선형 지보재(5)를 삽입 정착하는 단계; 터널을 보강 및 지보하기 위해 설치한 선형 지보재(5)에 굴착면을 지압하고 숏크리트(2)와 일체화되도록 지압판을 설치하는 단계; 지압판에 돌출된 선형 지보재(5)에 커플링부(10)를 장착하고 커플링부(10) 입구를 보호 테이프(20)로 막아 숏크리트(2)에 의해 막히지 않도록 하고 커플링부(10) 끝단이 일부 노출되도록 지보용 숏크리트(2)를 타설하는 단계; 방수 시트(3)를 숏크리트면에 포설할 때, 숏크리트(2)에 노출된 커플링부(10)에 보호 테이프(20)를 제거하고 방수 시트(3)를 천공하여 방수 시트 연결 볼트(7)에 장착하고 연결 볼트의 조각 방수 시트(22)에 접착하는 단계; 방수 시트 연결 볼트(7)에 철근 장착구(18)를 설치하여 라이닝 콘크리트 보강철근을 조립할 때, 철근(19)을 고정하므로써 현장 타설된 콘크리트 라이닝과 원지반을 지보하는 선형 지보재(5)가 결합하여 일체로 거동하도록 하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 양태에 있어서, 터널 단면의 중앙 천단부의 선형 지보재(5)에 연결된 방수 시트 연결 볼트(7)에 커플링부(10)를 정착하고 커플링부 입구를 보호 테이프(20)로 막아 라이닝 거푸집면에 닿도록하여 라이닝 콘크리트를 타설하고 양생하는 단계; 라이닝에 일면이 노출된 커플링부에 보호 테이프(20)를 제거하고 연결 철근을 장착하여 터널 환기 덕트 슬라브(16)와 연결하여 고정하는 단계를 더 구비한 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제4 양태에 있어서, 연결 볼트(11)에 철근 장착구(18)를 설치하여 라이닝 콘크리트 보강 철근을 조립할 때, 철근(19)을 고정하는 철근 연결 장착구(18)는 커플링부(10)의 측면에 원형 고리(21)를 용접한 형태인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제5 양태에 있어서, 방수 시트 연결 볼트(7)의 고무 패킹 모양을 연결 볼트와 접촉면을 볼록하게 하고 와셔의 모양도 볼록하게 하여 너트로 조이면 연결 볼트와 고무 패킹(13)이 닿는 면적이 커지므로 틈으로 누수가 방지되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 편평율이 작은 대단면 터널에서 선형 지보재의 길이를 터널 최대폭의 단면 높이에서 터널 폭의 반을 반지름으로 하는 가상 굴착면(200)과 작은 편평율을 가진 실제 굴착면(100)으로 선형 지보재의 방향으로 길이(L1) 만큼 더 긴 선형 지보재를 지보하게 되면, 첫째로, 터널 굴착에 따라 형성되는 메인 아칭 영역을 벗어난 가상 굴착면과 실제 굴착면의 영역을 선형 지보재의 구속력으로 아칭 영역화하여 이완 영역을 줄일 수 있고, 둘째로, 터널 변형량을 줄일 수 있고, 셋째로, 선형 지보재 길이에 변화를 주어 길게 설치하므로 광폭 터널에서 발생 가능한 대규모 쐐기 파괴를 방지할 수 있고, 넷째로, 터널의 천단부에서 측벽부까지 선형 지보재 길이를 점차 짧게 적용하게 되어 경제적인 설계가 되도록 하는 효과가 있다.
라이닝에 복수의 선형 지보재를 연결하여 인장력을 받도록 하므로써 라이닝 두께를 획기적으로 줄일 수 있도록 하였으며 수압과 소성 변형의 염려가 있는 지반에서 이완 하중이 매우 커서 라이닝 두께와 철근이 과도하게 배근되는 것을 두께가 얇은 구조로 해결하였다.
종래 사용했던 셋트 앵커는 지반이 연약하면 이탈하는 위험이 있고 셋트 앵커 공정이 추가로 발생하였으나, 본 발명은 정착력이 큰 원지반을 보강하는 선형 지보재에 커플링부를 사용하여 볼트를 이음하여 방수 시트와 라이닝을 고정하므로써 셋트 앵커를 추가로 설치하지 않아도 되고 지지 하중이 크게 되는 효과가 있다.
환기 덕트 슬라브를 시공할 때, 라이닝 시공시에 커플링부를 선형 지보재에 끼우고 이 부분을 블록 아웃하여 필요한 길이의 연결 볼트를 추가로 연결하여 슬라브를 매달 수 있는 효과가 있다.
환기용 덕트 슬라브는 프리캐스트로 만들거나 현장 타설 콘크리트로 타설하였으나 4차선 이상 도로의 대단면 터널은 터널 폭이 커서 터널 중앙에 기둥이나 지지점이 없으면 덕트 슬라브 두께가 과도하게 두꺼워지는 단점을 연결 볼트를 사용하여 지점을 만들어 덕트 슬라브 두께를 얇게 하는 효과가 있다.
방수 시트 연결 볼트의 종래의 방법은 와셔와 고무 패킹이 편평한 것을 사용하여 누수가 발생 되었으나 이 부분에서 고무 패킹 모양을 연결 볼트와 접촉면을 볼록하게 하고 와셔의 모양도 볼록하게 하여 너트로 조이면 연결 볼트의 틈과 고무 패킹의 접촉 면적이 편평한 고무 패킹보다 커져 누수에 대하여 보다 더 안전한 효과가 있다.
구조적인 측면에서는 셋트 앵커가 이탈되어 불안전한 구조였으나 선형 지보재에 연결하므로서 정착력이 적어서 이탈되는 경우가 발생하지 않게 되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공한 터널을 도시한 도면이다.
도 2는 방사상으로 터널 원지반을 보강한 선형 지보재와 숏크리트 방수 시트 라이닝이 연결된 전체 도면이며, 선형 지보재 길이를 생략하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A선 단면의 상세도로서 지압판 체결 상세와, 방수 시트 연결 볼트 상세와, 라이닝 철근 연결 상세를 도시한 것으로 철근의 배근도는 생략하여 도시한 도면이다.
도 4는 터널 천단부에 환기 덕트가 설치된 단면도로서 천단의 선형 지보재를 이용하여 덕트 슬라브를 지지하는 개념도이다.
도 5는 도 4의 B-B선 단면도로써 터널 종방향으로 일정 간격으로 선형 지보재에 연결 볼트로 연결하여 덕트 슬라브를 지지하는 형태의 상세도이다.
도 6a는 방수 연결 볼트의 부분 상세도이다.
도 6b는 방수 연결 볼트의 부분 사시도이다.
도 7a는 커플링부의 일면을 숏크리트 타설 또는 콘크리트 타설시 막히지 않도록 테이핑한 상태를 도시한 도면이다.
도 7b는 커플링부를 콘크리트에 임시 매립할 때, 콘크리트와 접촉을 방지하여 풀기 쉽도록 하기 위하여 커플링부 보호 스티로폼으로 피복한 상태를 도시한 도면이다.
도 8a는 라이닝과 원지반을 지보하는 선형 지보재가 일체로 결합하게 하는 여러형태의 철근 장착구(18)중 하나로서 커플링부에 양측과 철근의 직경 만큼 하방으로 이격하여 이와 직교한 양측에 원형의 고리를 용접한 형태인 것을 도시한 상세도이다.
도 8b는 도 8a의 원형 고리(21)를 복철근으로 배근시 상하 복철근 간격만큼 이격하여 용접된 철근 장착구(18)를 도시한 도면이다.
도 9는 커플링부에 원형 고리가 용접된 철근 장착구에 철근이 끼워진 상태를 도시한 도면이다.
도 2는 방사상으로 터널 원지반을 보강한 선형 지보재와 숏크리트 방수 시트 라이닝이 연결된 전체 도면이며, 선형 지보재 길이를 생략하여 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 A-A선 단면의 상세도로서 지압판 체결 상세와, 방수 시트 연결 볼트 상세와, 라이닝 철근 연결 상세를 도시한 것으로 철근의 배근도는 생략하여 도시한 도면이다.
도 4는 터널 천단부에 환기 덕트가 설치된 단면도로서 천단의 선형 지보재를 이용하여 덕트 슬라브를 지지하는 개념도이다.
도 5는 도 4의 B-B선 단면도로써 터널 종방향으로 일정 간격으로 선형 지보재에 연결 볼트로 연결하여 덕트 슬라브를 지지하는 형태의 상세도이다.
도 6a는 방수 연결 볼트의 부분 상세도이다.
도 6b는 방수 연결 볼트의 부분 사시도이다.
도 7a는 커플링부의 일면을 숏크리트 타설 또는 콘크리트 타설시 막히지 않도록 테이핑한 상태를 도시한 도면이다.
도 7b는 커플링부를 콘크리트에 임시 매립할 때, 콘크리트와 접촉을 방지하여 풀기 쉽도록 하기 위하여 커플링부 보호 스티로폼으로 피복한 상태를 도시한 도면이다.
도 8a는 라이닝과 원지반을 지보하는 선형 지보재가 일체로 결합하게 하는 여러형태의 철근 장착구(18)중 하나로서 커플링부에 양측과 철근의 직경 만큼 하방으로 이격하여 이와 직교한 양측에 원형의 고리를 용접한 형태인 것을 도시한 상세도이다.
도 8b는 도 8a의 원형 고리(21)를 복철근으로 배근시 상하 복철근 간격만큼 이격하여 용접된 철근 장착구(18)를 도시한 도면이다.
도 9는 커플링부에 원형 고리가 용접된 철근 장착구에 철근이 끼워진 상태를 도시한 도면이다.
본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 상세히 설명한다.
도 1은 터널 최대폭이 B2이고 최대폭의 높이 위치(14)에서 천단까지 높이가 0.5B2인 가상 굴착면(200)과, 같은 폭의 터널에서 천단까지 높이가 0.5B2 = H2보다 작은 터널의 실제 굴착면(100)의 선형 지보재 설치 개념을 나타낸 도면으로 선형 지보재(5)의 길이는 가상 굴착면(200)에 설계시 보강하는 선형 지보재(5) 길이(L2)에 가상 굴착면(200)과 실제 굴착면(100) 사이의 선형 지보재(5) 길이(L1)를 더한 길이 L1 + L2를 설치하게 된다.
여기에서, 용어를 정의하면, 터널 최대폭의 단면 높이 위치(14)에서 터널 폭의 반을 반지름으로 하는 가상 굴착면(200)을 갖는 터널을 본 발명의 기준이 되는 가상 기준 터널이라고 정의하며, 이때의 터널 최대폭의 단면 높이 위치(14)에서 터널 천단까지 높이에 대한 터널 최대폭의 비를 최대폭 높이 편평율이라고 지칭하기로 한다. 즉, 가상 기준 터널은 터널 최대폭의 단면 높이에서 천단까지 높이와 최대폭의 비가 0.5이므로 최대폭 높이 편평율이 0.5인 터널이 된다.
L2는 가상 기준 터널의 선형 지보재(5) 길이로서, 편평율이 최대 굴착면 높이에서 0.5인 터널로서 터널 최대폭의 반경을 가지게 되는 가상 굴착면(200)으로 설치해야 할 선형 지보재(5) 길이로서, 여러 경험식 중 일예로 L2 = (2 + 0.15 B2)/ESR로 계산된다. 여기에서, ESR은 굴착 지보비라고 하며, 굴착 목적으로 영구적인 경우와 임시적인 경우, 위험도의 크기에 따라 쓰이는 상수이다.
L1은 가상 기준 터널의 굴착면과 최대폭 높이 편평율이 0.5보다 작은 실제 굴착면과의 사이에 이어지는 선형 지보재로서 실제 터널 굴착면에 설치되는 선형 지보재의 길이는 L1 + L2가 된다. 더욱 상세히 설명하면, 편평율이 작은 실제 굴착면(100)에서, 최대 굴착폭이 되는 터널 높이를 기준으로 최대 굴착폭의 반경을 가지는 가상 굴착면(200) 사이에 각각 선형 지보재 길이 방향으로 편평율이 낮은 만큼 추가로 더 길게 형성되는 선형 지보재이다.
L1은 터널의 천단부에서 최대 길이가 되고, 터널의 측벽으로 갈수록 짧아진다. 일반적인 원지반은 압축과 인장에 대한 강도가 다른 이방성 재질로 측벽으로 갈수록 터널의 요구되는 지보재 길이는 짧게 된다.
H1과 H2는 터널 최대폭에서의 천단까지 높이이며, H2는 터널 최대폭의 반경이고, H1은 최대폭의 반경보다 작은 터널이다.
본 발명에서 정의되는 편평율은 터널 바닥에서 천단까지 높이를 터널 최대폭으로 나눈 것이며 최대폭 높이 편평율은 최대 굴착폭(B2)이 되는 터널 높이를 기준으로 터널 천단까지 높이를 최대 굴착폭으로 나눈 값을 말한다. 예를 들면, H2/B2는 가상 굴착면의 최대폭 높이 편평율이고, H1/B2는 실제 굴착면(100)의 최대폭 높이 편평율이 된다.
도 2는 터널의 단면도로서, 원지반(1)에 터널 단면을 나타낸 것으로 단면의 상부는 환기를 위한 덕트 슬라브(16)가 천단부에 종방향으로 일정 간격으로 있는 선형 지보재(5)에 연결 철근으로 덕트 슬라브(16)의 중앙 지점을 연결 지지한 것으로서 슬라브의 지간을 줄여 슬라브 두께를 더 얇은 구조로 할 수 있고 프리캐스트 콘크리트로 제작하여 현장 조립도 가능하도록 한 구성이다.
또한, 선형 지보재(5)에서 한 칸 걸러 숏크리트(2)와 일체화하기 위한 지압판(4)과, 방수 시트(3)를 고정하기 위한 방수 시트 연결 볼트(7, 도 3 참조)와, 라이닝 내의 보강 철근을 고정하기 위한 철근 장착구가 연결 볼트로서 결합되어 라이닝과 방수 시트(3)와 숏크리트(2)를 일체화하여 터널 원지반의 토압과 수압을 받을 수 있는 구조가 된다.
도 3은 도 2의 A-A 단면으로 터널 길이 방향을 종방향이라 이하에서 지칭하기로 하고, 종방향의 단면에서 사각 격자 지보(8, 도 3 참조)와 선형 지보재(5)에 연결된 지압판(4), 연결 철근 방수 시트, 철근 장착용 원형 고리(21)가 부착된 커플링부(10)가 구성된 것을 도시한 것이다.
도 4는 터널 단면에서 덕트 슬라브(16)가 선형 지보재(5)에 연결된 구성으로 라이닝 콘크리트를 타설하기 전에 선형 지보재(5)에 방수 시트 연결 볼트(7)로 연결된 커플링부(10)를 미리 라이닝 거푸집 면에 맞도록 설치하고, 커플링부(10)의 구멍을 테이프(20)로 막아 시멘트물이 들어가지 않도록 하고 라이닝 거푸집을 설치하여 콘크리트를 타설하여 양생 후 거푸집을 탈영한 후, 연결 볼트(11)를 커플링부(10)에 연결 후, 덕트 슬라브 연결구(17)를 설치하여 덕트 슬라브(16)를 프리캐스트로 만들어 조립하거나 현장 타설 콘크리트를 거푸집을 대고 타설하여 만들 수 있다. 이와 같이 하여, 선형 지보재(5)에 덕트 슬라브(16) 외에 환풍기 터널 내 안내 간판 등을 매달 수 있다.
도 5는 도 4의 일부 종방향 단면도로서, 일정한 간격으로 설치된 선형 지보재(5)를 보여주며 지반 조건에 따라 선형 지보재(5)의 보강 간격이 달라지면 이에 따라 구조 계산을 하여 선형 지보재(5)를 설치하면 된다. 또한, 방수 시트 연결 볼트(7)가 불필요한 경우에는 선형 지보재(5)를 설치할 때부터 길게 노출하여 커플링부(10)를 설치하고 라이닝 거푸집에 맞도록 잘라 시공하면 된다.
도 6a는 방수 시트 연결 볼트(7)를 도시하고, 도 6b는 도 6a를 확대 도시한 도면으로서, 터널 내면을 방수하는 방수 시트(3)에 이음을 하기 위한 원형의 조각 방수 시트(22)를 연결 볼트(11)에 천공하여 끼우고 상하면에 고무 패킹(13)을 대고 그 위에 와셔(12)를 추가로 끼우고 상하 양측에 너트(6)를 설치하여 조이면 고무 패킹(13)이 압착되면서 연결 볼트(11)를 압착하게 되어 방수가 되고 원형의 조각 방수 시트(22)를 터널 내 방수 시트(3)에 융착하거나 접착하여 방수 시공을 하게 된다. 이 부분에서 종래의 방법은 와셔(12)와 고무 패킹(13)을 편평한 것을 사용하여 누수가 발생 되었으나 이 부분에 있어서 고무 패킹 모양을 연결 볼트와 접촉면을 볼록하게 하고 와셔의 모양도 볼록하게 하여 너트로 조이면 연결 볼트(11)의 틈과 고무 패킹(13)의 접촉 면적이 편평한 고무 패킹(13)보다 커져 누수에 대하여 보다 더 안전하다.
또한, 숏크리트(2)에 묻힌 선형 지보재(5)에 미리 끼워진 커플링부(10)에 터널 방수 시트(3)를 천공하여 방수 시트 연결 볼트(7)를 연결하면, 선형 지보재(5)가 길게 돌출되어 방수 시트(3)를 터널 내면에 포설시 방수 시트(3)의 천공 위치를 맞추기 어려운 것을 용이하게 작업이 가능하다. 그러나, 요구되는 연결 볼트의 갯수가 적을 경우에는 커플링부(10)를 사용하지 않고 선형 지보재(5)의 길이를 요구되는 길이 많큼 길게 노출시켜 너트와 와셔(12), 고무 패킹(13)을 직접 방수 시트(3)를 천공하여 상기와 같이 설치하면 원형의 조각 방수 시트(22)가 없어도 시공이 가능하다.
도 7a는 커플링부(10)의 한 쪽을 테이프(20)로 막은 것을 도시한 도면으로서, 숏크리트(2)나 라이닝에 커플링부(10)를 매입하여 숏크리트(2)를 취부하거나 콘크리트를 타설할 때, 연결 볼트(11)를 체결시 막히는 것을 방지하기 위해서다. 도 7b는 커플링부(10)의 외측을 커플링부 보호 스치로폼(15)으로 감싼 것을 도시한 도면으로서, 콘크리트 속에 묻힌 커플링부(10)를 다시 조이거나 풀기 위하여 커플링부 보호 스티로폼(15)으로 감싸 시공한다.
도 8a는 연결 볼트(11)를 회전시켜 끼우는 커플링부(10)에 원형 고리(21)를 용접하여 붙인 것을 도시한 도면이다. 상세히는 연결 볼트(11)에 철근 장착구(18)를 설치하여 라이닝 콘크리트 보강 철근을 조립할 때, 철근(19)을 고정하는 철근 장착구(18)는 커플링부(10)에 양측과 철근(19)의 직경 만큼 하방으로 이격하여 이와 직교한 양측에 원형 고리(21)를 용접한 형태이다. 도 8b는 라이닝의 보강 철근(19)을 복철근으로 상하에 설치할 때, 복철근의 상하 간격 만큼 이격하여 도 7a의 원형 고리(21)를 설치한 것을 도시한 것이다.
도 9는 커플링부에 원형 고리(21)가 용접된 철근 장착구(18)에 철근(19)이 끼워진 도면으로 선형 지보재(5)의 위치가 일정하지 않아 원형 고리(21)에 끼울 수 없을 때에는 결속선으로 철근(19)과 원형 고리(21)를 결속하면 된다.
본 발명의 주요한 요소인 선형 지보재(5)는 철근(19)을 주로 사용하나 강관이나 케이블을 사용할 수도 있다. 염해를 받는 곳에서는 GRP(Glass fiber Reinforce Plastics)나 FRP를 사용한다.
선형 지보재(5)에 나사산이 있는 철근(19) 또는 GRP를 사용하는 것이 볼트 너트에 의한 이음 구조로서 가장 적합한 구조이고, 쐐기를 사용한 이음을 사용할 수도 있다. 터널 원지반에 터널을 굴착하는 막장에서 선형 지보재(5)는 굴착면에 숏크리트(2)로 실링하고 일정한 간격으로 천공하여 몰타르 또는 레진을 삽입하고 4 내지 5M의 철근을 삽입하여 고정하거나 그라우팅하여 고정하고, 굴착 전에 미리 갱외에서 수직으로 선형 지보재(5)를 설치하고 굴착하거나 대단면 터널 내의 파일럿 터널에서 선형 지보재(5)를 방사상으로 터널 원지반에 설치하고 확대 굴착하여 길게 노출되도록 한다.
노출된 선형 지보재(5)는 요구되는 길이로 절단하고 지압판을 설치하고 커플링부(10)를 사용하여 연결 볼트(11)를 연결하게 된다. 이 연결 볼트(11)에 커플링부(10) 형태의 철근 장착구(18)를 정착하여 라이닝 철근을 매달 수 있고 또는 방수 시트 연결 볼트(7)를 회전 정착하여 조각 방수 시트(22)에 터널 방수 시트(3)를 접착시킬 수 있다.
종래의 기술에서 선형 지보재는 원지반을 보강하는 용도로만 설치되었으나, 본 발명은 터널 원지반에 견고히 설치된 선형 지보재(5)에 커플링부(10)와 연결 볼트(11)를 이용하여 터널 내에 구조물을 매달 수도 있으며 방수 시트(3)와 라이닝을 고정할 수도 있다.
종래에는 선형 지보재인 락볼트는 숏크리트에 매입되어 방수 시트의 손상을 방지하는 개념으로 설치되고 방수 시트와 라이닝이 완전 분리 시공되었으며 현장 타설되는 라이닝은 여러 번 재사용하는 철재 거푸집을 사용하므로 선형 지보재를 이용하여 구조물과 방수 시트와 라이닝을 고정시키는 개념이 없었다.
본 발명의 최적의 제1 실시예인 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재(5)를 터널을 보강 및 지보하기 위해 설치하는 최적의 방법은 다음과 같다.
기준이 되는 터널의 최대폭 높이 편평율이 0.5인 가상 굴착면(200)을 갖는 가상 기준 터널에서 설치해야 할 선형 지보재(5) 길이와, 터널의 최대폭 높이 편평율이 0.5보다 작은 실제 굴착면(100)에서, 가상 굴착면(200) 사이에 각각 선형 지보재(5) 길이 방향으로 최대폭 높이 편평율이 낮은 만큼 추가로 더 길게 형성되는 터널의 천단부에서 가장 길고 터널의 측벽부에서 짧은 변화 길이를 갖는 선형 지보재(5)를 설치한다.
이때의 최대폭 높이 편평율을 계산시 터널 측벽이 수직으로 형성되면 수직벽면의 하부를 기준으로 천단까지 높이를 계산한다. 그리고 선형 지보재의 길이는 도 1에서 L1 + L2이며, 본 시공 방법은 도로 철도와 같이 길이 방향으로 길게 형성되는 일반적인 터널을 기준으로 적용 가능하다.
본 방법을 응용하여 시공성을 고려하면, 터널의 천단부와 측벽부를 선형 선지보재(5) 길이의 최대값으로 각각 일정하게 적용할 수 있으며, 안전을 고려하여 전체를 가장 긴 선형 지보재(5) 길이로 일정하게 시공할 수도 있다. 특히, 측압 계수가 큰 터널에서는 이와 같이 응용하는 것은 더욱 안전하다.
이와 같이 시공하면, 터널 굴착에 따라 형성되는 메인 아칭 영역을 벗어난 가상 굴착면(200)과 실제 굴착면(100)의 영역을 선형 지보재(5)의 구속력으로 아칭 영역화하여 이완 영역을 줄일 수 있고, 터널 변형량을 줄일 수 있으며, 선형 지보재(5) 길이에 변화를 주어 길게 설치하므로 광폭 터널에서 발생 가능한 대규모 쐐기 파괴를 방지할 수 있고, 터널의 천단부에서 측벽부까지 선형 지보재(5) 길이를 점차 짧게 적용하여 경제적인 설계가 되도록 한다.
제2 실시예는 상기 선형 지보재(5)를 이용하여 종래에는 편평율이 작은 대단면 터널에서 경간이 넓어져 외력 하중에 라이닝의 두께가 더 두꺼워져 시공이 불가하거나 비경제적인 것을 다음과 같은 방법에 의해 극복된다.
선형 지보재와 라이닝을 연결 시공하는 방법은,
터널을 굴착하고 굴착면에 숏크리트(2)를 실링하고 선형 지보재(5)를 설치하기 위하여 굴착면에 복수의 천공홀을 형성한 후, 선형 지보재(5)를 삽입 정착하는 단계;
터널을 보강 및 지보하기 위해 설치한 선형 지보재(5)에 굴착면을 지압하고 숏크리트와 일체화되도록 지압판을 설치하는 단계;
지압판에 돌출된 선형 지보재(5)에 커플링부(10)를 장착하고 커플링부 입구를 보호 테이프(20)로 막아 숏크리트(2)에 의해 막히지 않도록 하고 커플링부(10) 끝단이 일부 노출되도록 지보용 숏크리트를 타설하는 단계;
방수 시트(3)를 숏크리트면에 포설할 때, 숏크리트(2)에 노출된 커플링부(10)에 보호 테이프(20)를 제거하고 방수 시트 연결 볼트(7)를 방수 시트(3)를 천공하여 장착하고 연결 볼트(11)의 조각 방수 시트 (22)와 접착하는 단계;
방수 시트 연결 볼트(7)에 철근 장착구(18)를 설치하여 라이닝 콘크리트 보강 철근을 조립할 때, 철근(19)을 고정하므로써 현장 타설된 콘크리트 라이닝과 원지반을 지보하는 선형 지보재(5)가 결합하여 일체로 거동하도록 하는 단계로 이루어져 있다.
이와 같은 방법은 현장 여건에 따라 여러 가지로 응용될 수 있다. 연결 볼트(11)를 사용하지 않고 선형 지보재(5)를 길게 노출되도록 하여 직접 방수 시트(3)에 구멍을 뚫어 방수 시트 연결 볼트(7)의 고무 패킹(13)과 와셔(12)와 너트를 직접 결합할 수도 있다. 이와 같은 미소한 응용은 본 발명의 영역에 포함된다.
상기 선형 지보재(5)에 연결 볼트(11)를 커플링부(10)로 연결하여 라이닝을 연결한 후, 갱내의 환기 덕트와 같은 구조물을 연결하는 실시예를 설명하면,
터널 단면의 중앙 천단부의 선형 지보재(5)에 연결된 방수 시트 연결 볼트(7)에 커플링부(10)를 정착하고 커플링부 입구를 보호 테이프(20)로 막아 라이닝 거푸집면에 닿도록하여 라이닝 콘크리트를 타설하고 양생하는 단계;
라이닝에 일면이 노출된 커플링부(10)에 보호 테이프(20)를 제거하고 연결 철근을 장착하여 터널 환기 덕트 슬라브(16)와 연결하여 고정하는 단계로 이루어진 선형 지보재(5)와 환기 덕트 슬라브(16)를 연결 시공하는 방법이다. 이와 같은 방법으로 터널 내에 안전 간판 등의 여러 구조물도 연결하여 고정할 수 있다.
그리고 연결 볼트에 철근 장착구(18)를 설치하여 라이닝 콘크리트 보강 철근을 조립할 때, 철근(19)을 고정하는 철근 장착구(18)는 커플링부(10)에 양측과 철근의 직경 만큼 하방으로 이격하여 이와 직교한 양측에 원형 고리(21)를 용접한 형태이다.
터널 단면의 중앙 천단부의 선형 지보재(5)에 연결된 방수 시트 연결 볼트(7)에 커플링부(10)를 정착하고 커플링부 입구를 보호 테이프(20)로 막아 라이닝 거푸집면에 닿도록하여 라이닝 콘크리트를 타설하고 양생하는 단계;
라이닝에 일면이 노출된 커플링부(10)에 보호 테이프(20)를 제거하고 연결 철근을 장착하여 터널 환기 덕트 슬라브(16)와 연결하여 고정하는 단계로 이루어진 선형 지보재(5)와 환기 덕트 슬라브(16)를 연결 시공하는 방법이다. 이와 같은 방법으로 터널 내에 안전 간판 등의 여러 구조물도 연결하여 고정할 수 있다.
그리고 연결 볼트에 철근 장착구(18)를 설치하여 라이닝 콘크리트 보강 철근을 조립할 때, 철근(19)을 고정하는 철근 장착구(18)는 커플링부(10)에 양측과 철근의 직경 만큼 하방으로 이격하여 이와 직교한 양측에 원형 고리(21)를 용접한 형태이다.
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1: 원지반 2: 숏크리트
3: 방수 시트 4: 지압판
5: 선형 지보재(락볼트) 6: 너트
7: 방수 시트 연결 볼트 8: 사각 격자 지보
10: 커플링부 11: 연결 볼트
12: 와셔 13: 고무 패킹
14: 최대폭의 높이 위치 15: 커플링부 보호 스티로폼
16: 터널 환기 덕트 슬라브 17: 덕트 슬라브 연결구
18: 철근 장착구 19: 철근
20: 보호 테이프 21: 원형 고리
22: 조각 방수 시트 100: 실제 굴착면
200: 가상 굴착면
3: 방수 시트 4: 지압판
5: 선형 지보재(락볼트) 6: 너트
7: 방수 시트 연결 볼트 8: 사각 격자 지보
10: 커플링부 11: 연결 볼트
12: 와셔 13: 고무 패킹
14: 최대폭의 높이 위치 15: 커플링부 보호 스티로폼
16: 터널 환기 덕트 슬라브 17: 덕트 슬라브 연결구
18: 철근 장착구 19: 철근
20: 보호 테이프 21: 원형 고리
22: 조각 방수 시트 100: 실제 굴착면
200: 가상 굴착면
Claims (5)
- 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법에 있어서,
기준이 되는 터널 최대폭 높이 편평율이 0.5인 가상 굴착면(200)을 갖는 가상 기준 터널에서 설치해야 할 선형 지보재(5)의 길이(L2)를 결정하는 단계와,
터널 최대폭 높이 편평율이 0.5보다 작은 실제 터널 굴착면(100)에서 실제 굴착면(100)과 가상 굴착면(200) 사이에 연결되는 선형 지보재(5)의 길이(L1)를 결정하는 단계와,
상기 결정된 길이(L2)와 길이(L1)를 더한 길이로 선형 지보재(5)를 시공하는 단계를 구비하고,
상기 선형 지보재(5)의 길이는 최대폭 높이 편평율이 낮은 만큼 추가로 더 길게 형성되는 터널의 천단부에서 가장 길고, 터널의 측벽부 양측으로 갈수록 짧은 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법. - 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법에 있어서,
터널을 굴착하고 굴착면에 숏크리트(2)를 실링하고 선형 지보재(5)를 설치하기 위하여 굴착면에 다수의 천공홀을 형성 후 선형 지보재(5)를 삽입 정착하는 단계;
터널을 보강 및 지보하기 위해 설치한 선형 지보재(5)에 굴착면을 지압하고 숏크리트(2)와 일체화되도록 지압판을 설치하는 단계;
지압판에 돌출된 선형 지보재(5)에 커플링부(10)를 장착하고 커플링부(10) 입구를 보호 테이프(20)로 막아 숏크리트(2)에 의해 막히지 않도록 하고 커플링부(10) 끝단이 일부 노출되도록 지보용 숏크리트(2)를 타설하는 단계;
방수 시트(3)를 숏크리트면에 포설할 때, 숏크리트(2)에 노출된 커플링부(10)에 보호 테이프(20)를 제거하고, 방수 시트(3)를 천공하여 방수 시트 연결 볼트(7)를 장착하고, 방수 시트 연결 볼트의 조각 방수 시트(22)에 접착하는 단계;
방수 시트 연결 볼트(7)에 철근 장착구(18)를 설치하여 라이닝 콘크리트 보강철근을 조립할 때, 철근(19)을 고정함으로써 현장 타설된 콘크리트 라이닝과 원지반을 지보하는 선형 지보재(5)가 결합하여 일체로 거동하도록 하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 하는 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법. - 청구항 2에 있어서,
터널 단면의 중앙 천단부의 선형 지보재(5)에 연결된 방수 시트 연결 볼트(7)에 커플링부(10)를 정착하고 커플링부 입구를 보호 테이프(20)로 막아 라이닝 거푸집면에 닿도록하여 라이닝 콘크리트를 타설하고 양생하는 단계;
라이닝에 일면이 노출된 커플링부에 보호 테이프(20)를 제거하고 연결 철근을 장착하여 터널 환기 덕트 슬라브(16)와 연결하여 고정하는 단계를 더 구비한 것을 특징으로 하는 편평율이 작은 대단면 터널의 선형 지보재를 시공하는 방법. - 청구항 2에 있어서,
연결 볼트(11)에 철근 장착구(18)를 설치하여 라이닝 콘크리트 보강 철근을 조립할 때, 철근(19)을 고정하는 철근 연결 장착구(18)는 커플링부(10)의 측면에 원형 고리(21)를 용접한 형태인 것을 특징으로 하는 편평율이 작은 대단면 터널에 선형 지보재를 시공하는 방법.
- 삭제
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