KR102014471B1 - 터널 시공 방법 및 터널 지지 구조 - Google Patents

터널 시공 방법 및 터널 지지 구조 Download PDF

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우신이엔씨 주식회사
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Abstract

본 발명은 터널 지지 구조에 관한 것으로, 분할 굴착으로 형성되는 터널의 지지 구조는, 터널의 굴착 형태에 대응하여 만곡되게 형성되며 터널의 굴착면을 지지하는 지보재와, 지보재의 하부 공간을 후속 굴착하기 전에 지보재를 지반에 고정시키는 앙커를 포함하는 것에 의하여, 터널의 굴착 상태를 안정적으로 유지하고, 터널 굴착 시공의 안정성을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

Description

터널 시공 방법 및 터널 지지 구조{TUNNEL CONSTRUCTION METHOD AND TUNNEL SUPPORTING STRUCTURE}
본 발명은 터널 시공 방법 및 터널 지지 구조에 관한 것으로, 보다 구체적으로 터널의 굴착 상태를 안정적으로 유지할 수 있으며, 터널 굴착 시공의 안정성을 높이고 공사 기간을 단축할 수 있는 터널 시공 방법 및 터널 지지 구조에 관한 것이다.
현재 국내에서는 SOC(Social Overhead Capital; 사회간접자본) 사업 등이 증대함에 따라 지하공간을 활용하기 위하여 지하공간에 사회간접시설인 각종 에너지와 폐기물의 지하저장시설, 통신구, 전력구와 같은 에너지 전달시설 및 광역상수도를 구축하기 위한 도수터널과, 지하철, 철도, 고속철도, 국도 및 고속도로 등 도로교통을 위한 도로터널 등 수많은 터널굴착 작업이 수행되고 있다.
통상 터널을 굴착하는 방법으로서는, TBM(Tunnel boring Machine) 등 굴착장비를 이용한 굴착방법, 발파에 의한 굴착방법, 화학제를 사용하여 무진동으로 굴착하는 방법 등 여러 형태가 있다.
터널을 굴착하는 공법 중 하나로서, NATM(New Austrian Tunnelling Method) 공법은 특수 터널 굴착 장비나 화약을 이용한 발파에 의해 토사나 암반층을 소정의 깊이만큼 굴착한 이후에, 루프 형태의 지보재로 굴착면을 지지하고, 다수의 록볼트(Rock bolt)를 지반에 박은 후에, 굴착면을 숏크리트로 굳혀 붕괴를 방지하면서, 추가적으로 더 깊게 굴착하는 공정을 반복하는 것에 의하여 이루어진다.
도 1을 참조하면, 기존 터널의 지지 구조는, 토사나 암반의 지반(1)을 굴착한 터널의 굴착면(11)에 대하여 깊이 방향(굴착 방향)으로 이격되게 지보재(20)를 설치하고, 굴착면(11)에 다수의 록볼트(30)를 박아 지반(1) 보강을 실시한 후, 지보재(10)와 굴착면(11)이 매몰되도록 숏크리트(40)를 타설하여 형성된다.
한편, 터널의 크기가 일정 이상 크거나 지반 조건이 나쁜 경우, 터널을 한번에 굴착하면 안정상 문제점이 야기될 수 있으므로, 터널을 분할하여 여러번 굴착하게 된다. 즉, 도 2를 참조하면, 일정 이상 큰 단면적을 갖는 대형 터널(10)은, 1차적으로 전체 굴착 공간 중 상반(상부 영역 공간)(120)을 굴착하고, 1차굴착면(12a)을 지보재(20)로 지지한 상태에서, 전체 굴착 공간 중 하반(하부 영역 공간)(14)을 2차적으로 굴착하여 형성된다.
그런데, 1차적으로 굴착된 1차굴착면(12a)에 지보재(20)가 설치된 상태에서, 1차굴착면(12a)의 하부에 위치하는 하반(14)을 굴착하게 되면, 지보재(20)의 하중(P)과 상재 하중에 의해 지보재(20)가 중력 방향으로 밀려 내려오는 문제점이 있고, 이에 따라, 1차적으로 굴착된 1차굴착면(12a)의 변위가 발생하여 터널 굴착 상태를 안정적으로 유지하기 어려운 문제점이 있다.
이에 따라 최근에는 터널의 굴착 상태를 안정적으로 유지하고, 굴착 시공의 안정성을 높이기 위한 터널 지지 구조에 대한 개발이 절실히 요구되고 있다.
본 발명은 터널의 굴착 상태를 안정적으로 유지할 수 있으며, 터널 굴착 시공의 안정성을 높일 수 있는 터널 시공 방법 및 터널 지지 구조를 제공하는 것을 목적으로 한다.
특히, 본 발명은 터널의 굴착 공간 중 먼저 굴착된 상부 공간을 견고하게 지지하면서, 상부 공간의 하부에 위치하는 하부 공간을 굴착하더라도 지반이 붕괴될 위험을 제거하여 보다 효율적인 터널 시공을 가능하게 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 터널의 지지 구조를 보다 신속하고 쉽게 시공할 수 있도록 하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 터널 굴착 시간을 단축하고, 터널 굴착 시공 장비를 간소화할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 터널 굴착 시공의 안정성 및 신뢰성을 향상시킬 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 분할 굴착으로 형성되는 터널의 지지 구조는, 터널의 굴착 형태에 대응하여 만곡되게 형성되며 터널의 굴착면을 지지하는 지보재와, 지보재의 하부 공간을 후속 굴착하기 전에 지보재를 지반에 고정시키는 앙커를 포함한다.
이는 터널의 굴착 상태를 안정적으로 유지하고, 터널 굴착 시공의 안정성을 높이기 위함이다.
즉, 터널을 상하반 분할 굴착방식으로 시공함에 있어, 1차적으로 굴착된 상반 굴착면에 지보재가 설치된 상태에서, 상반 굴착면의 하부에 위치하는 하반을 굴착하게 되면, 지보재의 하중과 상재 하중에 의해 지보재가 중력 방향으로 밀려 내려오는 문제점이 있고, 이에 따라, 1차적으로 굴착된 상반 굴착면의 변위가 발생하여 터널 굴착 상태를 안정적으로 유지하기 어려운 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 지보재의 하부 공간을 후속 굴착하기 전에, 1차적으로 굴착된 상반 굴착면에 설치된 지보재를 지반에 고정시키는 것에 의하여, 터널의 굴착 상태를 안정적으로 유지하고, 굴착 시공의 안정성을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
보다 구체적으로, 앙커는, 지반에 삽입 고정되는 삽입부와, 지보재의 단부 둘레를 감싸도록 삽입부의 단부에 절곡 형성되며 지보재를 지지하는 절곡부를 포함한다. 바람직하게, 절곡부는 삽입부가 지반에 삽입되는 삽입 방향에 교차하는 방향으로 삽입부의 단부에 절곡된다.
더욱 바람직하게, 삽입부는 지보재의 하중이 작용하는 방향(수직 방향)을 기준으로 소정 각도로 하향 경사지게 지반에 삽입 고정된다.
이와 같이, 삽입부를 하중이 작용하는 방향에 경사지게 지반에 삽입하는 것에 의하여, 앙커에는 휨 하중과 압축 하중이 동시에 작용할 수 있으므로, 앙커에 의한 허용 하중을 높일 수 있으며, 지보재의 하중을 보다 안정적으로 지지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
무엇보다도, 앙커에 휨 하중과 압축 하중이 동시에 작용하도록 하는 것에 의하여, 앙커에 의한 허용 하중을 높일 수 있으므로, 지보재의 최하단(최하단 바닥면)을 지지하지 않더라도 지보재를 충분히 안정적으로 지지하는 유리한 효과를 얻을 수 있으며, 앙커의 시공 과정을 보다 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그리고, 지보재는 굴착면에 접촉되는 제1플랜지와, 제1플랜지와 평행하게 이격되는 제2플랜지와, 제1플랜지와 제2플랜지의 중앙부를 일체로 연결하는 웨브(web)를 포함하며, 터널의 굴착 형태에 대응하는 아치 형태로 만곡되게 형성되며, 삽입부는 제1플랜지와 제2플랜지의 사이 공간의 둘레를 감싸고, 절곡부는 상기 제2플랜지의 둘레를 감싸도록 배치된다. 경우에 따라서는 지보재로서 U형 강지보재, 격자지보형 강지보재(래티스거더)를 사용하는 것도 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 터널 지지 구조는 제1플랜지와 제2플랜지의 사이에 구비되는 스티프너(stiffener)를 포함한다.
스티프너는 보강재의 좌굴을 억제하기 위해 마련되며 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 형성될 수 있다. 또한, 스티프너의 구조 및 배치 간격은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
일 예로, 스티프너는 제1플랜지의 내면에 밀착되는 제1보강플랜지와, 제2플랜지의 내면에 밀착되는 제2보강플랜지와, 제1보강플랜지와 제2보강플랜지를 일체로 연결하는 보강웨브를 포함하여 대략 "U"자 형태를 이루도록 형성된다.
또한, 터널 지지 구조는 앙커와 지보재를 고정하는 용접부를 포함한다. 일 예로, 용접부는, 보강웨브와 삽입부를 고정하는 제1용접부와, 절곡부와 제2플랜지를 고정하는 제2용접부를 포함한다.
이와 같이, 본 발명은 앙커와 지보재를 용접부를 매개로 고정하는 것에 의하여, 터널의 지지 구조를 보다 신속하고 쉽게 시공할 수 있으며, 시공 시간을 단축하고, 시공 장비를 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 제1용접부는 삽입부의 길이 방향을 따라 연속적으로 형성되고, 제2용접부는 절곡부의 길이 방향을 따라 연속적으로 형성된다. 일 예로, 스티프너의 보강웨브는 앙커의 삽입부가 지반에 삽입되는 방향을 따라 경사지게 배치되며, 제1용접부는 삽입부의 길이 방향(삽입 방향)을 따라 보강웨브와 삽입부를 연속적으로 연결하도록 형성된다.
이와 같이, 제1용접부가 삽입부를 따라 연속적으로 형성되고, 제2용접부가 절곡부를 따라 연속적으로 형성되도록 하는 것에 의하여, 지보재에 의한 하중을 제1용접부와 제2용접부를 거쳐 삽입부 및 절곡부에 전체적으로 고르게 분산시킬 수 있으므로, 하중 집중에 따른 지보재 및 앙커의 변형 및 손상을 최소화할 수 있으며, 앙커의 시공을 보다 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 터널의 굴착 상태를 안정적으로 유지하고, 터널 굴착 시공의 안정성 및 신뢰성을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
즉, 터널을 상하반 분할 굴착방식으로 시공함에 있어, 1차적으로 굴착된 상반 굴착면에 지보재가 설치된 상태에서, 상반 굴착면의 하부에 위치하는 하반을 굴착하게 되면, 지보재의 하중과 상재 하중에 의해 지보재가 중력 방향으로 밀려 내려오는 문제점이 있고, 이에 따라, 1차적으로 굴착된 상반 굴착면의 변위가 발생하여 터널 굴착 상태를 안정적으로 유지하기 어려운 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 지보재의 하부 공간을 후속 굴착하기 전에, 1차적으로 굴착된 상반 굴착면에 설치된 지보재를 지반에 고정시키는 것에 의하여, 터널의 굴착 상태를 안정적으로 유지하고, 굴착 시공의 안정성을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 앙커를 지보재의 하중이 작용하는 방향에 경사지게 지반에 삽입하는 것에 의하여, 앙커에는 휨 하중과 압축 하중이 동시에 작용할 수 있으므로, 앙커에 의한 허용 하중을 높일 수 있으며, 지보재의 하중을 보다 안정적으로 지지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다. 더욱이, 앙커에 의한 허용 하중이 충분하게 보장될 수 있으므로, 지보재의 최하단(최하단 바닥면)을 지지하지 않더라도 지보재를 안정적으로 지지하는 유리한 효과를 얻을 수 있으며, 앙커의 시공 과정을 보다 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 터널의 지지 구조를 보다 신속하고 쉽게 시공할 수 있는 유리한 효과한 효과를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 터널 굴착 시간을 단축하고, 터널 굴착 시공 장비를 간소화하는 유리한 효과한 효과를 얻을 수 있다.
도 1 및 도 2는 종래 터널 지지 구조를 설명하기 위한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 터널 지지 구조를 설명하기 위한 도면,
도 4는 도 3의 'A'부위의 확대도,
도 5는 도 3의 'C-C'선 단면도,
도 6은 도 3의 'B-B'선 단면도,
도 7 본 발명에 따른 터널 지지 구조로서, 스티프너를 설명하기 위한 측면도,
도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 터널 지지 구조에 의한 터널 굴착 공정을 설명하기 위한 도면,
도 11은 본 발명에 따른 터널 시공 방법을 설명하기 위한 블록도이다.
이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 터널 지지 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 도 3의 'A'부위의 확대도이며, 도 5는 도 3의 'C-C'선 단면도이고, 도 6은 도 3의 'B-B'선 단면도이다. 또한, 도 7 본 발명에 따른 터널 지지 구조로서, 스티프너를 설명하기 위한 측면도이다.
도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 분할 굴착으로 형성되는 터널의 지지 구조는, 터널(10)의 굴착 형태에 대응하여 만곡되게 형성되며 터널(10)의 굴착면을 지지하는 지보재(120)와, 지보재(120)의 하부 공간을 후속 굴착하기 전에 지보재(120)를 지반(1)에 고정시키는 앙커(200)를 포함한다.
참고로, 본 발명에서 터널(10)이라 함은, 육상터널(10), 지하터널(10) 및 해저터널(10)을 모두 포함하는 개념으로 이해될 수 있으며, 터널(10)의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명에서 터널(10)은 상하반(14) 분할 굴착에 의해 형성된다. 보다 구체적으로, 전체 굴착 공간 중 상반(상부 공간)(12)을 1차적으로 굴착하고, 제1차 굴착에 의해 형성된 상반(12) 굴착면을 지보재(120)로 지지한 상태에서, 전체 굴착 공간 중 하반(하부 공간)(14)을 2차적으로 굴착함으로써 시공된다.
지보재(120)는 터널(10)의 굴착 형태에 대응하여 만곡된 아치 형태로 형성되며, 터널(10)의 굴착면을 지지하도록 마련된다.
보다 구체적으로, 지보재(120)는 터널(10)의 전체 굴착 공간 중 상반(12)이 굴착된 상태에서, 터널(10)의 전체 굴착 공간 중 하반(14)을 굴착하기 전에 상반(12)의 굴착면을 접촉 지지하도록 구비된다.
지보재(120)는 숏크리트(140)를 타설한 후 경화되기 전까지 임시 보강재의 기능을 수행하면서, 무지보지반(1)의 직접 보강 및 숏크리트(140) 라이닝의 하중을 분산시킬 수 있으며, 훠폴링 및 파이프루프 시공시 지지대의 역할과, 터널(10)의 내공확인 및 발파 천공의 지표 역할로 사용된다.
도 5를 참조하면, 지보재(120)는 굴진 방향을 따라 소정 거리(L)를 두고 이격되게 배치되며, 지보재(120)의 이격 거리(L)는 지반의 종류 및 특성에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
지보재(120)로서는 터널(10)의 굴착면을 접촉 지지할 수 있는 다양한 지보재(120)가 사용될 수 있으며, 지보재(120)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.
일 예로, 지보재(120)로서는 H형 단면을 갖는 강지보재가 사용된다. 보다 구체적으로, 지보재(120)는 굴착면에 접촉되는 제1플랜지(122)와, 제1플랜지(122)와 평행하게 이격되는 제2플랜지(124)와, 제1플랜지(122)와 제2플랜지(124)의 중앙부를 일체로 연결하는 웨브(web)(126)를 포함하며, 터널(10)의 굴착 형태에 대응하는 아치 형태로 만곡되게 형성된다.
참고로, 본 발명의 실시예에서는 지보재(120)로서 H형 강지보재(120)가 사용된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 지보재(120)로서 U형 강지보재, 격자지보형 강지보재(래티스거더) 등과 같은 여타 다른 지보재를 사용하는 것도 가능하다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 앙커(200)는 지보재(120)의 하부 공간을 후속 굴착하기 전에 지보재(120)를 지반(1)에 고정시키기 위해 마련된다.
즉, 1차적으로 굴착된 상반 굴착면에 지보재가 설치된 상태에서, 상반 굴착면의 하부에 위치하는 하반을 굴착하게 되면, 지보재의 하중과 상재 하중에 의해 지보재가 중력 방향으로 밀려 내려오는 문제점이 있고, 이에 따라, 1차적으로 굴착된 상반 굴착면의 변위가 발생하여 터널 굴착 상태를 안정적으로 유지하기 어려운 문제점이 있다.
하지만, 본 발명은 지보재(120)의 하부 공간을 후속 굴착하기 전에, 1차적으로 굴착된 상반(12) 굴착면에 설치된 지보재(120)를 지반(1)에 고정시키는 것에 의하여, 터널(10)의 굴착 상태를 안정적으로 유지하고, 굴착 시공의 안정성을 높이는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
앙커(200)는 지보재(120)를 지반(1)에 고정시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.
일 예로, 앙커(200)는, 지반(1)에 삽입 고정되는 삽입부(210)와, 지보재(120)의 단부 둘레를 감싸도록 삽입부(210)의 단부에 절곡 형성되며 지보재(120)를 지지하는 절곡부(220)를 포함한다.
절곡부(220)는 지보재(120)의 하단부 둘레를 감싸도록 삽입부(210)의 단부에 절곡 형성되며, 지보재(120)가 절곡부(220)에 지지된 상태에서 지보재(120)의 하중 및 상재 하중은 절곡부(220) 및 삽입부(210)에 의해 지지된다.
절곡부(220)는 지보재(120)의 하단부 둘레를 감쌀 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 절곡부(220)는 삽입부(210)가 지반(1)에 삽입되는 삽입 방향에 교차하는 방향으로 삽입부(210)의 단부에 절곡된다. 바람직하게, 절곡부(220)는 삽입부(210)의 삽입 방향에 직교하는 방향으로 절곡 형성되며, 삽입부(210)와 절곡부(220)는 대략 "L"자 형태를 이루도록 형성된다.
보다 구체적으로, 삽입부(210)는 제1플랜지(122)와 제2플랜지의 사이 공간의 둘레를 감싸도록 배치되고, 절곡부(220)는 제2플랜지의 둘레를 감싸도록 배치된다.
바람직하게, 삽입부(210)는 지보재(120)의 하중이 작용하는 방향(수직 방향)을 기준으로 소정 각도(θ)로 하향 경사지게 지반(1)에 삽입 고정된다.
이와 같이, 삽입부(210)를 하중이 작용하는 방향에 경사지게 지반(1)에 삽입하는 것에 의하여, 앙커(200)에는 휨 하중(도 4의 P(y))과 압축 하중(도 4의 P(x))이 동시에 작용할 수 있으므로, 앙커(200)에 의한 허용 하중을 높일 수 있으며, 지보재(120)의 하중(P)을 보다 안정적으로 지지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
경우에 따라서는 삽입부를 지면에 수평한 방향으로 지반에 삽입하는 것도 가능하다. 하지만, 삽입부가 지반에 수평하게 삽입되면, 앙커에는 휨 하중만이 작용하게 되므로, 앙커를 경사지게 배치한 것에 비하여 앙커의 허용 하중이 작아지게 된다.
또한, 본 발명에 따른 터널(10) 지지 구조는 제1플랜지(122)와 제2플랜지(124)의 사이에 구비되는 스티프너(stiffener)(300)를 포함한다.
스티프너(300)는 보강재의 좌굴을 억제하기 위해 마련되며 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 형성될 수 있다. 또한, 스티프너(300)의 구조 및 배치 간격은 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
일 예로, 스티프너(300)는 제1플랜지(122)의 내면에 밀착되는 제1보강플랜지(310)와, 제2플랜지(124)의 내면에 밀착되는 제2보강플랜지(320)와, 제1보강플랜지(310)와 제2보강플랜지(320)를 일체로 연결하는 보강웨브(330)를 포함하여 대략 "U"자 형태를 이루도록 형성된다.
또한, 본 발명에 따른 터널(10) 지지 구조는 앙커(200)와 지보재(120)를 고정하는 용접부(400)를 포함한다.
일 예로, 용접부(400)는, 보강웨브(330)와 삽입부(210)를 고정하는 제1용접부(410)와, 절곡부(220)와 제2플랜지(124)를 고정하는 제2용접부(420)를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 용접부가 제1용접부와 제2용접부 중 어느 하나만을 포함하도록 구성하는 것도 가능하다.
이와 같이, 본 발명은 앙커(200)와 지보재(120)를 용접부(400)를 매개로 고정하는 것에 의하여, 터널의 지지 구조를 보다 신속하고 쉽게 시공할 수 있으며, 시공 시간을 단축하고, 시공 장비를 간소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 제1용접부(410)는 삽입부(210)의 길이 방향을 따라 연속적으로 형성되고, 제2용접부(420)는 절곡부(220)의 길이 방향을 따라 연속적으로 형성된다.
일 예로, 스티프너(300)의 보강웨브(330)는 앙커(200)의 삽입부(210)가 지반(1)에 삽입되는 방향을 따라 경사지게 배치되며, 제1용접부(410)는 삽입부(210)의 길이 방향(삽입 방향)을 따라 보강웨브(330)와 삽입부(210)를 연속적으로 연결하도록 형성된다.
이와 같이, 제1용접부(410)가 삽입부(210)를 따라 연속적으로 형성되고, 제2용접부(420)가 절곡부(220)를 따라 연속적으로 형성되도록 하는 것에 의하여, 지보재(120)에 의한 하중(P)을 제1용접부(410)와 제2용접부(420)를 거쳐 삽입부(210) 및 절곡부(220)에 전체적으로 고르게 분산시킬 수 있으므로, 하중 집중에 따른 지보재(120) 및 앙커(200)의 변형 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면 지보재에 관통공(미도시)을 관통 형성하고, 앙커가 관통공을 통과하여 지반에 고정되도록 하는 것도 가능하다. 하지만, 지보재에 관통 형성된 관통공에 앙커가 설치되면, 지보재의 하중이 앙커에 지지되는 관통공에 집중되므로 지보재 또는 앙커의 변형이 발생할 수 있다. 더욱이, 앙커가 지보재를 관통하도록 설치하기 위해서는 번거로운 관통공 형성 공정을 거쳐야 하므로 시공 시간이 증가하고 시공 장비가 복잡해지는 문제점이 있다. 따라서, 지보재(120)의 하중을 앙커(200)에 전체적으로 고르게 분산시킬 수 있으면서 시공 공정을 간소화할 수 있는 구조로 지보재(120)와 앙커(200)를 고정하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명에 따른 터널(10) 지지 구조는 터널(10)의 주변 지반(1)에 설치되는 복수개의 록볼트(130)를 포함한다.
일 예로, 록볼트(130)로서는 이형철근 모양의 강재가 사용될 수 있다. 록볼트(130)의 개수 및 배치 형태는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
이와 같이, 터널(10)의 주변 지반(1)에 록볼트(130)를 설치하는 것에 의하여, 봉합 작용(발파 등에 의해 이완된 암괴를 이완되지 않은 원지반에 고정하여 낙하를 방지하는 효과), 보형성 작용(터널 주변의 층을 이루고 있는 지반의 절리면 사이를 조여줌으로써 절리면에서의 전달력을 전달하여 합성보로서 거동시키는 효과), 내압 작용(록볼트의 인장력과 동등한 힘이 내압으로 터널벽면에 작용하면 2축 응력상태에 있던 터널주면 지반이 3축응력 상태로 되는 효과가 있으며, 이것은 3축압축시험시 구속압력의 증대와 같은 의미를 가지므로 지반의 강도 혹은 내하력 저하를 억제하는 작용), 아치형성 작용(시스템 록볼트의 내압효과로 인해 굴착면 주변의 지반이 내공측으로 일정하게 변형하는 것에 의해 내하력이 큰 그랜드 아치를 형성하는 효과), 지반 보강 작용(지반의 전단저항능력이 증대되어 지반의 내하력을 증대시키고 지반의 항복후에도 잔류강도 향상을 도모하는 효과)에 유리한 효과를 얻을 수 있다.
바람직하게, 앙커(200)는 록볼트(130)에 대응하는 길이만큼 지반(1)에 삽입된다.
여기서, 앙커(200)가 록볼트(130)에 대응하는 길이만큼 지반(1)에 삽입된다 함은, 앙커(200)의 삽입부(210)가 지반(1)에 삽입되는 길이(L2)가 록볼트(130)의 삽입 길이(L1)에 대응되는 길이로 형성되는 것으로 정의된다.(도 4 참조)
또한, 삽입부(210)가 지반(1)에 삽입되는 길이(L2)가 록볼트(130)의 삽입 길이(L1)에 대응된다 함은, 삽입부(210)가 지반(1)에 삽입되는 길이(L2)와 록볼트(130)의 삽입 길이(L1)가 서로 같거나, 미리 정해진 오차 범위 안에 있는 것으로 정의된다.
이와 같이, 삽입부(210)가 지반(1)에 삽입되는 길이(L2)를 록볼트(130)의 삽입 길이(L1)에 대응되게 길게 형성하는 것에 의하여, 앙커(200)는 지보재(120)를 지반(1)에 지지 및 고정하는 역할을 수행함과 동시에 터널(10) 주변의 지반(1)을 강화하는 역할을 함께 수행하게 되는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 따른 터널(10) 지지 구조는 굴착면을 덮도록 설치되는 숏크리트(140)를 포함한다.
숏크리트(140)는 압축공기를 이용하여 굴착면에 뿜어 붙여지는 몰탈 혹은 콘크리트로 정의되며, 굴착면에 밀착되게 설치된다.
터널(10)의 굴착면에 숏크리트(140)를 형성하는 것에 의하여, 지반(1)의 이완을 방지하여 원지반(1)의 강도를 유지하고, 콘크리트 아치로서 하중을 분담할 수 있으며, 응력의 국부적인 집중을 방지하고, 암괴의 이동방지 및 낙반을 방지할 수 있으며, 굴착면의 풍화를 방지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
이하에서는 본 발명에 따른 터널 시공 방법을 설명하기로 한다.
도 8 내지 도 10은 본 발명에 따른 터널(10) 지지 구조에 의한 터널(10) 굴착 공정을 설명하기 위한 도면이고, 도 11은 본 발명에 따른 터널 시공 방법을 설명하기 위한 블록도이다. 아울러, 전술한 구성과 동일 및 동일 상당 부분에 대해서는 동일 또는 동일 상당한 참조 부호를 부여하고, 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 11을 참조하면, 본 발명에 따른 터널 시공 방법은, 터널(10)의 전체 공간 중 상반(12)을 굴착하는 제1굴착단계(S10)와, 상반(12)의 굴착면을 지보재(120)로 지지하는 지지단계(S20)와, 지보재(120)를 지반(1)에 고정하는 고정단계(S30)와, 터널(10)의 전체 공간 중 상기 지보재(120)의 하부에 위치하는 하반(14)을 굴착하는 제2굴착단계(S40)를 포함한다.
먼저, 도 8을 참조하면, 제1굴착단계(S10)에서는 특수 터널(10) 굴착 장비나 화약을 이용한 발파를 이용하여 터널(10)의 굴진 방향을 따라 전체 굴착 공간 중 상반(상부 공간)(12)을 1차적으로 굴착한다.
지지단계(S20)에서는 제1굴착단계(S10)에서 굴착된 상반(12)의 굴착면을 지보재(120)로 지지한다. 지보재(120)는 터널(10)의 굴착 형태에 대응하여 만곡된 아치 형태로 형성되며, 터널(10)의 굴착면을 지지하도록 마련된다.
지보재(120)로서는 터널(10)의 굴착면을 접촉 지지할 수 있는 다양한 지보재(120)가 사용될 수 있으며, 지보재(120)의 종류 및 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 일 예로, 지보재(120)로서는 H형 단면을 갖는 강지보재가 사용된다. 보다 구체적으로, 지보재(120)는 굴착면에 접촉되는 제1플랜지(122)와, 제1플랜지(122)와 평행하게 이격되는 제2플랜지(124)와, 제1플랜지(122)와 제2플랜지(124)의 중앙부를 일체로 연결하는 웨브(web)(126)를 포함하며, 터널(10)의 굴착 형태에 대응하는 아치 형태로 만곡되게 형성된다.(도 6 및 도 7 참조)
참고로, 본 발명의 실시예에서는 지보재(120)로서 H형 강지보재(120)가 사용된 예를 들어 설명하고 있지만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 지보재(120)로서 U형 강지보재, 격자지보형 강지보재(래티스거더) 등과 같은 여타 다른 지보재를 사용하는 것도 가능하다.
다음, 도 9와 같이, 고정단계(S30)에서는 지보재(120)를 지반(1)에 고정한다. 보다 구체적으로 고정단계(S30)에서는 지보재(120)가 앙커(200)에 의해 지반(1)에 고정된다. 보다 구체적으로, 상반(12) 굴착면에 설치된 지보재(120)가 지반(1)에 고정되도록 앙커(200)를 설치한다. 앙커(200)가 설치된 상태에서 지보재(120)의 하중 및 상재 하중은 앙커(200)에 의해 지반(1)에 지지된다.
일 예로, 앙커(200)는, 지반(1)에 삽입 고정되는 삽입부(210)와, 지보재(120)의 단부 둘레를 감싸도록 삽입부(210)의 단부에 절곡 형성되며 지보재(120)를 지지하는 절곡부(220)를 포함한다.
절곡부(220)는 지보재(120)의 하단부 둘레를 감싸도록 삽입부(210)의 단부에 절곡 형성되며, 지보재(120)가 절곡부(220)에 지지된 상태에서 지보재(120)의 하중 및 상재 하중은 절곡부(220) 및 삽입부(210)에 의해 지지된다.
절곡부(220)는 지보재(120)의 하단부 둘레를 감쌀 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 절곡부(220)는 삽입부(210)가 지반(1)에 삽입되는 삽입 방향에 교차하는 방향으로 삽입부(210)의 단부에 절곡된다. 바람직하게, 절곡부(220)는 삽입부(210)의 삽입 방향에 직교하는 방향으로 절곡 형성되며, 삽입부(210)와 절곡부(220)는 대략 "L"자 형태를 이루도록 형성된다.
보다 구체적으로, 삽입부(210)는 제1플랜지(122)와 제2플랜지의 사이 공간의 둘레를 감싸도록 배치되고, 절곡부(220)는 제2플랜지의 둘레를 감싸도록 배치된다. 바람직하게, 삽입부(210)는 지보재(120)의 하중이 작용하는 방향(수직 방향)을 기준으로 소정 각도(θ)로 하향 경사지게 지반(1)에 삽입 고정된다.
또한, 제1플랜지(122)와 제2플랜지(124)의 사이에는 스티프너(300)가 구비될 수 있다.
스티프너(300)는 보강재의 좌굴을 억제하기 위해 마련되며 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 스티프너(300)는 제1플랜지(122)의 내면에 밀착되는 제1보강플랜지(310)와, 제2플랜지(124)의 내면에 밀착되는 제2보강플랜지(320)와, 제1보강플랜지(310)와 제2보강플랜지(320)를 일체로 연결하는 보강웨브(330)를 포함하여 대략 "U"자 형태를 이루도록 형성된다.
바람직하게, 고정단계(S30)에서 앙커(200)와 지보재(120)는 용접부(400)에 의해 고정된다.
일 예로, 용접부(400)는, 보강웨브(330)와 삽입부(210)를 고정하는 제1용접부(410)와, 절곡부(220)와 제2플랜지(124)를 고정하는 제2용접부(420)를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면 용접부가 제1용접부와 제2용접부 중 어느 하나만을 포함하도록 구성하는 것도 가능하다.
더욱 바람직하게, 제1용접부(410)는 삽입부(210)의 길이 방향을 따라 연속적으로 형성되고, 제2용접부(420)는 절곡부(220)의 길이 방향을 따라 연속적으로 형성된다.
일 예로, 스티프너(300)의 보강웨브(330)는 앙커(200)의 삽입부(210)가 지반(1)에 삽입되는 방향을 따라 경사지게 배치되며, 제1용접부(410)는 삽입부(210)의 길이 방향(삽입 방향)을 따라 보강웨브(330)와 삽입부(210)를 연속적으로 연결하도록 형성된다.
이와 같이, 제1용접부(410)가 삽입부(210)를 따라 연속적으로 형성되고, 제2용접부(420)가 절곡부(220)를 따라 연속적으로 형성되도록 하는 것에 의하여, 지보재(120)에 의한 하중(P)을 제1용접부(410)와 제2용접부(420)를 거쳐 삽입부(210) 및 절곡부(220)에 전체적으로 고르게 분산시킬 수 있으므로, 하중 집중에 따른 지보재(120) 및 앙커(200)의 변형 및 손상을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
그 후, 도 10과 같이, 제2굴착단계(S40)에서는 특수 터널(10) 굴착 장비나 화약을 이용한 발파를 이용하여 지보재(120)의 하부에 위치하는 하반(14)을 굴착한다.
이때, 지보재(120)는 앙커(200)에 의해 지반(1)에 고정된 상태이므로, 지보재(120)의 하부 공간을 추가적으로 굴착하더라도 지보재(120)가 하방으로 밀려 내려오지 않고 원위치(최초 설치 위치)에 안정되게 위치 고정된 상태로 유지된다.
또한, 본 발명에 따른 터널 시공 방법은, 터널(1)의 내벽면(예를 들어, 상반 굴착면)을 덮도록 숏크리트를 설치하는 숏크리트 설치단계와, 터널(1)의 주변 지반에 록볼트(130)를 박아 지반(1)을 보강하는 록볼트 설치 단계를 포함할 수 있다.(도 3 참조)
바람직하게, 고정단계(S30)에서 앙커(200)는 록볼트(130)에 대응하는 길이만큼 지반(1)에 삽입된다. 여기서, 앙커(200)가 록볼트(130)에 대응하는 길이만큼 지반(1)에 삽입된다 함은, 앙커(200)의 삽입부(210)가 지반(1)에 삽입되는 길이(L2)가 록볼트(130)의 삽입 길이(L1)에 대응되는 길이로 형성되는 것으로 정의된다.(도 4 참조) 따라서, 앙커(200)는 지보재(120)를 지반(1)에 지지 및 고정하는 역할을 수행함과 동시에 터널(10) 주변의 지반(1)을 강화하는 역할을 함께 수행할 수 있다.
이와 같이 시공되는 터널(10)은 비교적 간단한 앙커(200) 보강 작업으로 지보재(120)를 상반(12) 굴착면에 안정되게 고정할 수 있으므로, 터널(10)의 굴착 공정을 종래에 비하여 보다 안전하고 신속하게 시공할 수 있을 뿐만 아니라 단순화된 공정을 행한다는 점에 큰 특징이 있다. 더욱이, 터널(10)의 굴착 공정을 용이하게 하는 앙커(200)의 시공은 터널(10)의 굴착 공정에서만 지반(1)을 보강하는 용도로 사용되는 것이 아니라, 터널(10)의 시공이 완료된 상태에서도 지반(1)을 보강하는 역할을 가짐에 따라, 완성된 터널(10)의 안전성을 보다 향상시킬 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10 : 터널 12 : 상반
14 : 하반 120 : 지보재
122 : 제1플랜지 124 : 제2플랜지
126 : 웨브 130 : 록볼트
140 : 숏크리트 200 : 앙커
210 : 삽입부 220 : 절곡부
300 : 스티프너 310 : 제1보강플랜지
320 : 제2보강플랜지 330 : 보강웨브
400 : 용접부 410 : 제1용접부
420 : 제2용접부

Claims (29)

  1. 터널 시공 방법으로서,
    터널의 전체 공간 중 상반을 굴착하는 제1굴착단계와;
    상기 상반에 굴착면에 접촉되는 제1플랜지와, 상기 제1플랜지와 이격되게 배치되는 제2플랜지와, 상기 제1플랜지와 상기 제2플랜지를 일체로 연결하는 웨브(web)를 포함하는 지보재를 이용하여, 상기 상반의 굴착면을 지지하는 지지단계와;
    지반에 삽입 고정되는 삽입부와, 상기 지보재의 단부 둘레를 감싸도록 상기 삽입부의 단부에 절곡 형성되며 상기 지보재를 지지하는 절곡부를 포함하는 앙커를 이용하여, 상기 지보재를 상기 지반에 고정하는 고정단계와;
    상기 터널의 전체 공간 중 상기 지보재의 하부에 위치하는 하반을 굴착하는 제2굴착단계를; 포함하되,
    상기 제1플랜지와 상기 제2플랜지의 사이에는, 상기 제1플랜지의 내면에 밀착되는 제1보강플랜지와, 상기 제2플랜지의 내면에 밀착되는 제2보강플랜지와, 상기 제1보강플랜지와 상기 제2보강플랜지를 일체로 연결하는 보강웨브를 포함하는 스티프너(stiffener)가 마련되고,
    상기 고정단계에서, 상기 지보재와 상기 앙커는, 상기 보강웨브와 상기 삽입부를 고정하는 제1용접부와, 상기 절곡부와 상기 제2플랜지를 고정하는 제2용접부에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고정단계에서 상기 삽입부는 상기 지보재의 하중이 작용하는 방향을 기준으로 하향 경사지게 상기 지반에 삽입 고정되는 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 절곡부는 상기 삽입부의 삽입 방향에 교차하는 방향으로 상기 삽입부의 단부에 절곡된 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 삽입부는 상기 제1플랜지와 상기 제2플랜지의 사이 공간의 둘레를 감싸고, 상기 절곡부는 상기 제2플랜지의 둘레를 감싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 고정단계에서 상기 삽입부는 상기 지보재의 하중이 작용하는 방향을 기준으로 하향 경사지게 상기 지반에 삽입 고정되고,
    상기 보강웨브는 상기 삽입부의 삽입 방향을 따라 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1용접부는 상기 삽입부를 따라 연속적으로 형성되고, 상기 제2용접부는 상기 절곡부를 따라 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터널의 주변 지반에 록볼트를 설치하는 록볼트 설치 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 고정단계에서 상기 앙커는 상기 록볼트에 대응하는 길이만큼 상기 지반에 삽입되는 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법.
  9. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터널의 내벽면을 덮도록 숏크리트를 설치하는 숏크리트 설치단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법.
  10. 분할 굴착으로 형성되는 터널의 지지 구조로서,
    터널의 굴착면에 접촉되는 제1플랜지와, 상기 제1플랜지와 이격되게 배치되는 제2플랜지와, 상기 제1플랜지와 상기 제2플랜지를 일체로 연결하는 웨브(web)를 포함하여, 상기 터널의 굴착 형태에 대응하여 만곡되게 형성되며, 상기 굴착면을 지지하는 지보재와;
    상기 제1플랜지의 내면에 밀착되는 제1보강플랜지와, 상기 제2플랜지의 내면에 밀착되는 제2보강플랜지와, 상기 제1보강플랜지와 상기 제2보강플랜지를 일체로 연결하는 보강웨브를 포함하는 스티프너(stiffener)와;
    지반에 삽입 고정되는 삽입부와, 상기 지보재의 단부 둘레를 감싸도록 상기 삽입부의 단부에 절곡 형성되며 상기 지보재를 지지하는 절곡부를 포함하며, 상기 지보재의 하부 공간을 후속 굴착하기 전에, 상기 지보재를 상기 지반에 고정시키는 앙커와;
    상기 보강웨브와 상기 삽입부를 고정하는 제1용접부와, 상기 절곡부와 상기 제2플랜지를 고정하는 제2용접부를 포함하며, 상기 앙커와 상기 지보재를 고정하는 용접부를;
    포함하는 것을 특징으로 하는 터널 지지 구조.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 삽입부는 상기 지보재의 하중이 작용하는 방향을 기준으로 하향 경사지게 상기 지반에 삽입 고정되는 것을 특징으로 하는 터널 지지 구조.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 절곡부는 상기 삽입부의 삽입 방향에 교차하는 방향으로 상기 삽입부의 단부에 절곡된 것을 특징으로 하는 터널 지지 구조.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 삽입부는 상기 제1플랜지와 상기 제2플랜지의 사이 공간의 둘레를 감싸고, 상기 절곡부는 상기 제2플랜지의 둘레를 감싸도록 배치되는 것을 특징으로 하는 터널 지지 구조.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 삽입부는 상기 지보재의 하중이 작용하는 방향을 기준으로 하향 경사지게 상기 지반에 삽입 고정되고,
    상기 보강웨브는 상기 삽입부의 삽입 방향을 따라 경사지게 배치된 것을 특징으로 하는 터널 지지 구조.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1용접부는 상기 삽입부를 따라 연속적으로 형성되고, 상기 제2용접부는 상기 절곡부를 따라 연속적으로 형성된 것을 특징으로 하는 터널 지지 구조.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 터널의 주변 지반에 설치되는 복수개의 록볼트를 포함하는 터널 지지 구조.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 앙커는 상기 록볼트에 대응하는 길이만큼 상기 지반에 삽입되는 것을 특징으로 하는 터널 지지 구조.
  18. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 굴착면을 덮도록 설치되는 숏크리트를 포함하는 것을 특징으로 하는 터널 지지 구조.
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