KR102154862B1 - 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 터널 또는 암반 사면의 무진동 굴착 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 커팅과 스플리팅을 이용하여 터널 또는 암반 사면을 무진동으로 굴착하는 방법에 대한 것이다. 본 발명은, 발파가 허용되지 않는 곳에도 적용될 수 있고, 굴착과 동시에 일정한 크기의 석재를 획득할 수 있으며, 균열 제어가 용이하고 굴진율이 높으며, 필요한 장비가 단순하고 경제적이며, 자연 암반에 존재하는 불연속면을 이용함으로써 굴착 작업을 효율화 및 단순화시킬 수 있다는 장점을 갖고 있다.

Description

암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 터널 또는 암반 사면의 무진동 굴착 방법{Non-vibration excavating methods for tunnel or rock slope by cutting and splitting}
본 발명은 커팅과 스플리팅을 이용하여 터널 또는 암반 사면을 무진동으로 굴착하는 방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 발파가 허용되지 않는 곳에도 적용될 수 있고, 굴착과 동시에 일정한 크기의 석재를 획득할 수 있으며, 균열 제어가 용이하고 굴진율이 높으며, 필요한 장비가 단순하고 경제적이며, 자연 암반에 존재하는 불연속면을 이용함으로써 굴착 작업을 효율화 및 단순화시킬 수 있는, 무진동 굴착방법에 대한 것이다.
통상적으로, 터널 굴착이나 암반 사면 제거를 위한 발파 공법은 암반에 발파공을 천공하고 화약을 장전한 후 발파한다.
그러나, 발파 공법은 진동과 소음을 발생시키므로 도심지나 주요 건물 인접 지역 등에서는 허용되지 않는 경우가 많다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 슈퍼 웨지 공법(Super Wedge)이 제안되었는데, 슈퍼 웨지 공법은 대한민국 특허등록 제478029호 등에 그 구성이 개시되어 있다.
슈퍼 웨지 공법은 암반에 다수의 천공홀을 굴착하고, 유압 스플리터의 파쇄날을 천공홀에 삽입한 후, 유압 스플리터를 작동시켜 주위 암반을 파쇄하고, 이어서 유압 브레이커를 이용하여 암반을 재파쇄한 후, 덤프트럭을 이용하여 재파쇄된 암반을 반출한다.
그러나, 슈퍼 웨지 공법은 치즐 가이드와 유압 스플리터, 유압 브레이커가 반드시 필요하므로 필요 장비가 많다는 단점이 있다.
그리고, 슈퍼 웨지 공법은 원형의 천공홀로부터 균열이 개시되므로, 원하는 직선 방향 이외의 방사형으로 균열이 전파되는 균열방향 제어 문제가 있고, 이에 따라 기저면 파괴가 원활하지 않다는 문제점이 있다. 또한, 암반이 불규칙한 형상으로 제거되므로, 제거된 암반이 경제성 있는 석재로서 활용되기가 어렵다는 문제점도 있다.
아울러, 슈퍼 웨지 공법은 제거대상 암반의 부피 대비 천공 부피의 비율(천공 부피/제거대상 암반의 부피)이 대략 5% 정도로서 상대적으로 높고 이에 따라 고속 시공이 어렵다는 문제점도 있다.
나아가, 슈퍼 웨지 공법은 심발을 형성하기 위해 대구경 코어링을 하거나 심발용 밀집 천공을 해야 하는데, 이러한 천공 작업에 많은 시간과 비용이 소요된다는 문제점도 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 발파가 허용되지 않는 곳에도 적용될 수 있고, 굴착과 동시에 일정한 크기의 석재를 획득할 수 있으며, 균열 제어가 용이하고, 굴진율이 높으며, 필요한 장비가 단순하고 경제적인, 터널 또는 암반 사면의 무진동 굴착 방법을 제공하고자 하는 목적을 갖고 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 자연 암반에 존재하는 불연속면(층리, 절리 등)을 이용함으로써 굴착 작업을 효율화 및 단순화시킬 수 있는, 터널 또는 암반 사면의 무진동 굴착 방법을 제공하는데 있다.
본 발명에 따른 무진동 터널 굴착 방법은 등방성 암반을 굴착하는데 적용될 수 있다. 구체적으로, 등방성 암반에 적용된 무진동 터널 굴착 방법은, (a1) 터널의 막장면에서 암반을 수평 방향 및 수직 방향으로 커팅하여 심발 블록(BL1)을 형성하는 단계; (a2) 심발 블록(BL1)을 스플리팅으로 제거하는 단계; (a3) 심발 블록(BL1)의 주변에서 수직 방향 및 수평 방향으로 암반을 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성하는 단계; 및, (a4) 주변 블록(BL2)을 순차적으로 스플리팅하여 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)은 각각 두 개의 수평 방향 커팅홈(61)과 두 개의 수직 방향 커팅홈(62)이 서로 교차하여 형성될 수 있다.
상기 스플리팅은 쐐기(40)를 커팅홈(61)(62)에 삽입한 상태에서 쐐기(40)를 타격하거나 벌어지게 하여 심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)의 하부에 인장 파괴를 발생시켜서 이루어질 수 있다.
상기 (a1) 단계에서, 심발 블록(BL1)의 하부면을 형성하는 수평방향 커팅홈(61)은 수평면에 대해서 40˚ 이상의 각도(θ0)로 위쪽으로 경사지고, 이에 따라 (a2) 단계의 스플리팅에 의해서 심발 블록(BL1)이 아래로 슬라이딩되어 제거될 수 있다.
본 발명에 따른 무진동 터널 굴착 방법은 이방성 암반(층리(불연속면)가 존재하는 암반)을 굴착하는데 적용될 수 있다. 구체적으로, 이방성 암반에 적용된 무진동 터널 굴착 방법은, (b1) 터널의 막장면에서 층리와 교차되는 방향(바람직하게는 층리와 수직이 되는 방향)으로 암반을 커팅하여 심발 블록(BL1)을 형성하는 단계; (b2) 심발 블록(BL1)을 스플리팅으로 제거하는 단계; (b3) 심발 블록(BL1)의 주변에서 층리와 교차하는 방향(바람직하게는 층리와 수직이 되는 방향)으로 암반을 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성하는 단계; 및, (b4) 주변 블록(BL2)을 순차적으로 스플리팅하여 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 층리는 (b2) 단계와 (b4) 단계의 스플리팅시, 불연속면 역할을 하여 블록(BL1)(BL2)이 분리될 수 있도록 한다. 따라서, 두 개의 커팅홈(62)과 층리가 서로 교차하여 심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)이 각각 형성될 수 있다.
상기 (b1) 단계에서 심발 블록(BL1)의 하부면을 이루는 커팅홈(63)을 형성하되, 상기 층리가 터널의 막장면상에서 수평 방향으로 형성된 경우에는 커팅홈(63)이 수평면에 대해서 40˚ 이상의 각도로 위쪽으로 경사지는 것이 바람직한데, 이것은 (b2) 단계의 스플리팅에 의해서 심발 블록(BL1)이 슬라이딩되어 제거될 수 있기 때문이다.
한편, 상기 층리가 터널의 막장면상에서 경사지도록 형성된 경우, 각도(θ1)(θ2) 중 어느 하나가 30˚ 보다 작을 때 식 1이 만족되면 스플리팅 후에 심발 블록(BL1)이 슬라이딩되어 제거될 수 있고 각도(θ1)가 30˚ 초과 60˚ 미만일 때 식 2가 만족되면 스플리팅 후에 심발 블록(BL1)이 슬라이딩되어 제거될 수 있다.
[식 1]
θ1+θ2=90˚
θ1<30˚ 또는 θ2<30˚ 일 때,
θ1과 θ2 중 작은 각도와 관련된 평면(P2)(P1)과 수평면이 이루는 각도(θ4 또는 θ5)가 40˚ 이상임.
[식 2]
θ1+θ2=90˚
30˚< θ1 < 60˚ 일 때,
40˚≤θ3, 40˚≤θ4, 40˚≤θ5
위 식에서,
θ1 : 층리에 수직되는 방향의 커팅홈(62)에 의해서 형성된 평면(P2)과 수평선이 이루는 각도.
θ2 : 층리 방향의 커팅홈(63)에 의해서 형성된 평면(P1)과 수평선이 이루는 각도(θ2는 도 6의 α와 동일한 각도이다.).
θ3 : 두 평면(P2)(P1)이 만나서 이루어지는 모서리(E)와 수평면이 이루는 각도.
θ4 : 평면(P1)과 수평면이 이루는 각도.
θ5 : 평면(P2)과 수평면이 이루는 각도.
본 발명에 따른 무진동 터널 굴착 방법은 복합 지반(연약층과 경암층이 함께 존재하는 암반)을 굴착하는데 적용될 수 있다. 복합 지반 중 연약층이 연암 이하인 경우는, (c1) 연약층(SR)을 유압 브레이커 또는 진동 리퍼를 이용하여 제거하는 단계; 및, (c2) 경암층(HR)을 층리 방향과 교차되는 방향(바람직하게는 층리와 수직되는 방향)으로 커팅한 후, 상기 커팅과 층리에 의해 형성된 주변 블록(BL2)을 스플리팅으로 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
바람직하게, 상기 (c1) 단계는, (c1-1) 연약층(SR)을 층리 방향과 교차되는 방향(바람직하게는 층리와 수직되는 방향)으로 커팅하여 심발 블록(BL1)을 형성하는 단계; (c1-2) 상기 (c1-1) 이후에, 심발 블록(BL1)을 제거하는 단계; 및, (c1-3) 상기 (c1-2) 이후에, 심발 블록(BL1) 주변의 연약층(SR)을 유압 브레이커 또는 진동 리퍼를 이용하여 제거하는 단계;를 포함한다.
한편, 복합 지반 중 연약층이 보통암 이상인 경우는, (d1) 경암층(HR)을 커팅하여 심발 블록(BL1)을 형성하는 단계; (d2) 심발 블록(BL1)을 제거하는 단계; (d3) 심발 블록(BL1) 주변의 경암층(HR)을 층리와 교차하는 방향(바람직하게는 층리와 수직되는 방향)으로 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성하는 단계; (d4) 심발 블록(BL1)과 동일한 층에 있는 주변 블록(BL2)을 스플리팅으로 제거하는 단계; 및, (d5) 상기 (d4) 단계에서 제거된 층의 위, 아래 연약층(SR)을 유압 브레이커 또는 진동 리퍼를 이용하여 제거하는 단계; 및, (d6) 상기 (d5) 단계에서 제거된 연약층(SR)의 위, 아래 경암층(HR)을 스플리팅으로 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (d1) 단계에서 심발 블록(BL1)을 형성할 때, 스플리팅 후에 심발 블록(BL1)이 미끄러져서 제거될 수 있도록 식 1, 2를 만족하는 커팅홈(62)(63)을 형성하는 것이 바람직하다.
한편, 상술한 굴착 방법에서, 층리와 터널 진행 방향이 이루는 각도(β)가 60˚ 이상인 경우에는 막장면과 커팅선(Cutting line)이 터널 진행 방향에 대해 각각 각도(β)를 이루는 것이 바람직하다.
상기 각도(β)가 30˚ 이상 60˚ 미만인 경우에는 터널 막장면을 상부와 하부로 구분하여 계단식으로 굴착하되, 상부부터 커팅-스플리팅을 적용하여 굴착한 후 하부에 커팅-스플리팅을 적용하여 굴착하는 것이 바람직하다.
상기 각도(β)가 0˚ 미만인 경우에는 막장면이 수직이 되도록 굴착하는 것이 바람직하다.
상술한 굴착 방법에서, 터널 외곽의 커팅은 터널 외곽의 곡률 반경(R)과 동일한 곡률 반경(R)을 갖는 커터(30)에 의해서 이루어지는 것이 바람직하다. 그리고, 커터와 커터를 구동하는 장비는 자체 부피를 가지므로, 외곽 커팅시 커터(30)가 터널 벽면에 완전히 밀착하기가 어려우므로, 커터(30)가 터널 바깥을 향해서 15˚ ~ 20˚로 경사진 상태에서 커팅이 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명은 암반 사면을 무진동 굴착하는 데에도 적용될 수 있다. 구체적으로, 암반 사면 무진동 굴착 방법은, (e1) 층리와 교차되는 방향(바람직하게는 층리와 수직되는 방향)으로 제1 자유면(F1)을 커팅하여 블록(BL4)을 형성하는 단계; 및, (e2) 블록(BL4)을 스플리팅으로 제거하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 (e1) 단계에서, 커팅은 주향 방향으로 이루어지는 것이 바람직하다.
그리고, 상기 (e2) 단계에서, 스플리팅은 제2 자유면(F2)과 가까운 블록(BL4)부터 순차적으로 하나씩 제거하는 것이 바람직하다.
한편, 쐐기(40)의 하단부는 5˚~10˚의 각도(A)를 갖되, 쐐기(40)의 폭(wc)과 길이(CL)는 아래의 식 3을 만족하는 것이 바람직하다. 그리고, 커팅홈(61)(62)의 깊이(d)와 블록(BL)의 폭(w)과 길이(s)는 아래의 식 4를 만족하는 것이 바람직하다.
[식 3]
0.8d ≤ CL ≤ 1.2d
0.8w ≤ wc ≤ 0.9w
[식 4]
Figure 112018077164008-pat00001
,
Figure 112018077164008-pat00002
위의 식 3, 4에서,
CL : 쐐기의 길이
wc : 쐐기의 폭
d : 커팅홈의 깊이
w : 쐐기가 삽입되는 방향의 블록 모서리의 길이
s : 쐐기가 삽입되는 방향과 수직되는 방향의 블록 모서리의 길이
본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.
첫째, 발파가 허용되지 않는 지역에서도 효과적으로 적용될 수 있다.
둘째, 굴착과 동시에 일정한 크기의 석재를 획득할 수 있으며, 균열 제어가 용이하고, 굴진율이 높으며, 필요한 장비가 단순하고 경제적이다.
셋째, 자연 암반에 존재하는 불연속면(층리, 절리 등)을 이용함으로써 굴착 작업을 효율화 및 단순화시킬 수 있다.
도 1은 커팅된 암반을 쐐기를 이용하여 스플리팅하는 것을 보여주는 도면.
도 2a는 터널 막장면 중 내측 부분에 사용될 수 있는 쐐기를 보여주는 정면도.
도 2b는 도 2a의 평면도.
도 2c는 터널 막장면 중 외곽에서 사용될 수 있는 쐐기를 보여주는 정면도.
도 3a ~ 3f는 등방성 암반으로 이루어진 터널 막장면을 커팅-스플리팅하는 것을 순차적으로 보여주는 도면.
도 4는 심발 블록의 하부면 경사를 보여주는 단면도.
도 5는 터널 외곽용 커터의 단면을 보여주는 도면.
도 6은 터널 막장면 상에서 층리의 경사 각도(α)와, 터널 진행방향에 대한 층리의 경사 각도(β)를 보여주는 도면.
도 7a ~ 7d는 수평 층리로 이루어진 터널 막장면에 커팅-스플리팅 공법이 적용되는 과정을 순차적으로 보여주는 도면.
도 8a ~ 8d는 경사진 층리로 이루어진 터널 막장면에 커팅-스플리팅 공법이 적용되는 과정을 순차적으로 보여주는 도면.
도 9는 경사진 층리로 이루어진 터널 막장면에서 심발 블록이 아래로 슬라이딩되어 제거되기 위한 경사 각도를 보여주는 확대 도면.
도 10a ~ 10g는 복합 지반으로 이루어진 터널 막장면에 커팅-스플리팅 공법이 적용되는 과정을 순차적으로 보여주는 도면.
도 11a는 터널 진행방향에 대한 층리의 경사 각도(β)가 60˚ 이상인 경우의 굴착 방법을 보여주는 단면도.
도 11b는 터널 진행방향에 대한 층리의 경사 각도(β)가 30˚ 이상이고 60˚ 미만인 경우의 굴착 방법을 보여주는 단면도.
도 12a는 터널 진행방향에 대한 층리의 경사 각도(β)가 -90˚ 이상이고 -60˚ 미만인 경우의 굴착 방법을 보여주는 단면도.
도 12b는 터널 진행방향에 대한 층리의 경사 각도(β)가 -60˚ 이상이고 0˚ 미만인 경우의 굴착 방법을 보여주는 단면도.
도 13a는 두 개의 자유면과 경사진 층리를 가진 암반 사면에서 커팅 방향과 주향 방향을 보여주는 도면.
도 13b는 층리와 교차하는 방향으로 커팅이 이루어진 암반 사면을 보여주는 도면.
도 13c는 커팅이 완료된 암반 사면에 대해 스플리팅이 이루어지는 것을 보여주는 도면.
이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명에 따른 굴착 방법은 터널 막장면 또는 암반 사면에서 암반을 커팅하여 블록을 형성하고, 커팅으로 형성된 커팅홈 또는 층리의 경계면(층리 사이)에 쐐기를 삽입한 후, 쐐기를 타격하거나 쐐기를 벌려서 블록 하부에 인장 파괴를 발생시켜 제거한다.
상기 커팅은 커터에 의해서 이루어진다. 커터에 의한 커팅은 워터젯을 사용하는 경우 보다 커팅 속도가 2배 이상 빠르고 에너지 효율이 높다. 그리고, 워터젯은 대상체와의 이격 거리가 20cm 이상 되면 절삭 성능이 급격히 저하되는 문제점이 있는데, 커터에 의한 커팅은 커터의 직경을 증가시키면 절삭 깊이를 증가시킬 수 있으므로 이러한 문제점이 없다.
커터는 대한민국 특허등록 제607063호, 제912647호 등에 그 구성이 개시되어 있다. 그리고, 호주 Austramac社의 커터도 사용될 수 있다.
도 1은 커팅된 암반을 쐐기를 이용하여 스플리팅하는 것을 보여준다.
구체적으로, 쐐기(40)가 커팅홈(61)(62)(63)에 삽입된 상태에서 쐐기(40)에 하중(F)을 인가하면 양측의 블록에 각각 F/2의 하중이 인가되고, 이 하중에 의해서 양측 블록의 하부에는 균열(인장 파괴)이 발생된다. 상기 균열은 대부분 블록의 하단을 따라 형성 및 전파되므로, 제거된 블록은 직육면체 형상을 갖고, 이에 따라 양질의 석재를 얻을 수 있다.
한편, 블록은 두 개의 수평 방향 커팅홈과 두 개의 수직 방향 커팅홈에 의해서 형성될 수 있다. 그리고, 아래에서 설명될 것이지만, 블록은 두 개의 수직 방향 커팅홈과 두 개의 수평 또는 경사진 층리(불연속면)에 의해서 형성될 수도 있다. 또한, 층리가 수직에 가깝게 경사진 경우에는 블록이 두 개의 수평 방향 커팅홈과 두 개의 층리(불연속면)에 의해서 형성될 수도 있다.
커팅홈(61)(62)(63)의 깊이(d, 블록의 높이)와 블록의 폭(w)과 길이(s)는 아래의 수학식 1을 만족하는 것이 바람직하다. 하지만, 반드시 이에 한정되지 않고 깊이(d)와 폭(w) 및 길이(s)는 터널 막장면의 상황(암반의 강도 등)에 따라 변할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018077164008-pat00003
,
Figure 112018077164008-pat00004
수학식 1에서,
w : 쐐기가 삽입되는 방향의 블록 모서리의 길이(블록의 폭)
s : 쐐기가 삽입되는 방향과 수직되는 방향의 블록 모서리의 길이(블록의 길이)
본 명세서에서 쐐기는 사전적인 의미에서의 쐐기 뿐만 아니라 커팅홈이나 층리에 삽입되어 양측의 암반에 인장 파괴를 유도할 수 있는 수단을 의미한다. 따라서, 쐐기는 다양한 구조를 가질 수 있다. 일 예로서, 유압 브레이커의 치즐, 유압 스플리터 등이 쐐기로 사용될 수 있다. 유압 스플리터는 대한민국 특허등록 제478029호 등에 그 구성이 개시되어 있다(참고로, 대한민국 특허등록 제478029호에는 유압 스플리터가 무진동 암반 파쇄기로 기재되어 있다.). 그리고, 유압이 작용하면 양쪽으로 벌어짐으로써 양쪽 암반에 인장 파괴를 유도하는 쐐기도 사용될 수 있다(참고로, 이러한 쐐기는 대한민국 실용신안등록 제207812호 등에 개시됨).
도 2a ~ 2b에 나타난 바와 같이, 쐐기(40)는 하단부가 5˚~10˚의 각도(A)를 갖도록 뾰족하고 폭(wc)과 길이(CL)가 아래의 수학식 2를 만족하는 것이 바람직하다.
[수학식 2]
0.8d ≤ CL ≤ 1.2d
0.8w ≤ wc ≤ 0.9w
한편, 도 2c는 터널 외곽의 블록을 스플리팅 하는데 적합한 쐐기를 보여준다. 상기 외곽용 쐐기(40)는 도 2a~2b의 쐐기(40, 터널 내측 부분용 쐐기) 보다 하단부의 각도(A)가 대략 1/2이고, 이에 따라 터널 외곽의 원형(또는 원형에 가까운 곡선) 커팅홈에 용이하게 삽입될 수 있다는 장점을 갖는다.
아래에서는 각 암반의 종류에 따른 커팅-스플리팅 공정을 설명하기로 한다. 위에서 설명한 커팅-스플리팅의 원리, 쐐기 등에 대한 내용은 아래의 각 암반에 적용될 수 있다.
[등방성 암반에서의 터널 굴착]
도 3a ~ 3f는 등방성 암반으로 이루어진 터널 막장면을 커팅-스플리팅하는 공법을 순차적으로 보여주는 도면이다.
도면에 나타난 바와 같이, 상기 공법은, 심발을 형성할 부분에서 수평 및 수직 방향으로 암반을 커팅하여 심발 블록(BL1)을 형성하는 단계(도 3a), 스플리팅으로 심발 블록(BL1)을 제거하는 단계(도 3b), 심발 블록(BL1)의 주위를 수평 및 수직 방향으로 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성하는 단계(도 3c), 스플리팅으로 주변 블록(BL2)을 순차적으로 제거하는 단계(도 3d), 터널의 외곽을 커팅하는 단계(도 3e) 및, 외곽 부분의 블록(BL3)을 제거하는 단계(도 3f)를 포함한다. 아래에서는 상기 각 단계를 설명하기로 한다.
(1) 심발 형성 단계(도 3a) 및, 심발 제거 단계(도 3b)
도 3a에 나타난 바와 같이, 심발을 형성할 부분, 예를 들어 막장면의 중앙 부분에 수평 방향으로 2회 커팅하고 수직 방향으로 2회 커팅한다. 상기 커팅으로 커팅홈(61)(62)이 형성되고, 커팅홈(61)(62)으로 둘러싸인 부분은 심발 블록(BL1)이 된다.
한편, 본 명세서에서 '수평'은 수학적인 의미에서의 수평 뿐만 아니라 수직에 비해 수평에 가까운 정도로 경사진 것도 포함한다. 그리고, '수직'은 수학적인 의미에서의 수직 뿐만 아니라 수평에 비해 수직에 가까운 정도로 경사진 것도 포함한다.
상기 커팅은 심발 블록(BL1)의 형성에 필요한 길이만큼만 암반을 커팅할 수도 있지만, 도 3a에 나타난 바와 같이 터널 외곽까지 도달도록 커팅하는 것이 바람직한데, 이것은 이 커팅홈이 추후 주변 블록의 형성에 활용되기 때문이다.
수평 방향 커팅홈(61) 중에서 아래쪽의 커팅홈(61)은, 도 4에 나타난 바와 같이, 위쪽으로 경사진 것이 바람직하고, 더욱 바람직하게는 40˚ 이상의 각도(θ0)로 위쪽으로 경사진다. 이것은 일반적인 암석의 기본 마찰각이 30˚ ~ 32˚이므로, 커팅홈(61)의 각도(θ0)를 이보다 크게 함으로써 심발 블록(BL1)에 대한 스플리팅이 완료되면 심발 블록(BL1)이 아래로 미끄러져 제거되도록 하기 위함이다.
심발 블록(BL1)의 형성이 완료되면, 도 3b에 나타난 바와 같이 스플리팅으로 심발 블록(BL1)을 제거한다.
(2) 주변 블록 형성 단계(도 3c) 및, 주변 블록 제거 단계(도 3d)
심발 블록(BL1)의 제거가 완료되면 심발 블록(BL1)의 주위를 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성한 후, 주변 블록(BL2)을 스플리팅으로 순차적으로 제거한다.
주변 블록(BL2)의 제거는 심발 블록(BL1)과 가까운 것부터 순차적으로 하나씩 이루어지는 것이 바람직하다. 이것은 심발 블록(BL1)이 제거된 후, 심발 블록(BL1)의 인접한 주변 블록(BL2)을 둘러싸는 커팅홈(61)(62) 중에서 심발 블록(BL1)으로부터 먼 쪽의 커팅홈(61)(62)에 쐐기(40)를 삽입하여 타격하면 주변 블록(BL2)이 심발 블록(BL1) 쪽으로 휘어질 수 있어서 인장 파괴가 쉽게 유도되기 때문이다.
(3) 터널 외곽 커팅 단계(도 3e) 및, 외곽 블록 제거 단계(도 3f)
주변 블록(BL2)의 제거가 완료되면 터널 외곽을 커팅한 후, 외곽 블록(BL3)을 하나씩 스플리팅하여 순차적으로 제거한다. 터널 외곽의 커팅에는 터널 내측 부분의 커팅에 사용된 커터(30, 즉, 평평한 원형 커터)가 사용될 수도 있지만, 터널 외곽은 소정의 곡률 반경(R)을 가지므로 커터도 이러한 곡률 반경(R)을 갖는 것이 바람직하다. 도 5는 이러한 곡률 반경(R)을 갖는 커터(30)를 보여준다.
그리고, 터널 외곽의 커팅은 커터(30)가 터널 바깥을 향해서 15˚ ~ 20˚로 경사진 상태에서 이루어지는 것이 바람직하다. 이것은 커터(30)를 구동하는 장비 자체가 부피를 가지므로 커터(30)가 터널 벽면에 완전히 밀착해서 작업하는 것이 어렵기 때문이다.
외곽 블록(BL3)의 스플리팅 작업시에는, 터널 외곽의 커팅홈이 원형(또는 원형에 가까운 곡선)을 이루므로, 도 2c의 쐐기(40)를 이용하는 것이 바람직하다. 도 2c의 쐐기(40)는 도 2a의 쐐기(40)에 비해, 하단부의 경사 각도가 대략 절반에 불과하므로 외곽의 커팅홈에 쉽게 삽입될 수 있다.
본 출원인의 경험에 따르면, 본 발명에서 커팅된 암반의 부피는 제거대상 암반 부피의 대략 3% 정도이다. 이에 비해, 슈퍼 웨지 공법에서 천공된 암반의 부피는 제거대상 암반 부피의 대략 5% 정도이다. 따라서, 본 발명이 슈퍼 웨지 공법 보다 효율적이고 고속 시공이 가능함을 알 수 있다.
한편, 위에서는 도 3a ~ 3f의 공정이 순차적으로 이루어지는 것을 설명하였으나, 도 3c의 공정이 도 3b의 공정 보다 먼저 이루어지거나(즉, 심발 블록 형성 커팅과 주변 블록 형성 커팅이 먼저 이루어진 후 심발 블록 제거가 이루어질 수도 있다), 도 3c와 도 3e의 공정이 도 3b의 공정 보다 먼저 이루어질 수도 있다(즉, 모든 커팅이 먼저 이루어진 후 심발 블록 제거가 이루어질 수도 있다). 이러한 공정 순서 변경은 본 명세서를 참조한 당업자가 쉽게 그 구성을 알 수 있을 것이므로 자세한 설명을 생략하기로 한다.
[층리의 경사 각도 정의]
터널 막장면에 층리(수평 층리, 경사진 층리)가 있는 경우, 층리의 경사 각도는 도 6과 같이 정의될 수 있다.
경사 각도(α)는 터널 막장면(도 6에서 x-z 평면) 상에서 층리의 경사진 각도를 의미하고, 경사 각도(β)는 터널 진행방향(y 방향)에 대한 층리의 경사 각도를 의미한다. 본 명세서에서, 경사 각도(α)(β)는 수평면을 기준으로 반시계 방향으로 측정한 각도를 (+)로 하고 시계 방향으로 측정한 각도를 (-)로 하기로 한다. 예를 들어, 도 6에 도시된 층리의 경사 각도(α)(β)는 모두 (+) 각도를 갖는다.
본 발명에서는 경사 각도(α)(β)에 따라 터널 굴착방법이 달라질 수 있는데, 아래에서 이를 설명하기로 한다. 그리고, 본 명세서에서, '층리의 경계면'은 퇴적암이나 화성암 등에서 서로 다른 지층(암반층) 사이의 경계면을 의미할 뿐만 아니라, 기타 불연속면 예를 들어 절리를 포함하는 의미로 사용된다.
[수평 층리를 가진 암반에서의 터널 굴착]
터널 막장면 상에 수평 층리가 있는 경우(즉, α=0˚인 경우), 이 수평 층리의 경계면을 불연속면으로 활용하여 커팅 공정을 단순화, 효율화할 수 있다. 즉, 블록(BL1)(BL2)(BL3)을 형성하기 위해서 수평 방향으로 커팅할 필요가 없다. 이를 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
도 7a에 나타난 바와 같이, 수평 층리가 있는 막장면에서 암반을 층리와 교차되는 방향(바람직하게는 층리와 수직되는 방향)으로 2회 커팅하고, 심발 블록(BL1)의 하부면을 형성하기 위한 커팅을 수평 방향으로 한다. 이 때, 심발 블록(BL1)의 하부면을 형성하기 위한 커팅홈(63)은 위쪽으로 경사지도록 형성하는 것이 바람직하다. 커팅홈(63)의 경사 각도(θ0)는 40˚ 이상일 수 있다. 커팅홈을 경사지도록 형성하는 것은 심발 블록(BL1)이 미끄러져 제거되도록 하기 위함인데, 이 점은 도 4와 관련하여 설명한 바 있다.
상기 커팅은 심발 블록(BL1)을 형성할 부분(통상적으로 막장면의 중앙부)에 대해 이루어진다. 수직 방향의 2회 커팅(심발 블록의 양측면을 형성함)과 수평 층리(심발 블록의 윗면을 형성함) 및 커팅홈(63)에 의해서 심발 블록(BL1)이 형성된다. 수평 층리는 불연속면으로서, 수평 방향 커팅홈의 역할을 한다.
상기 커팅이 완료되면 심발 블록(BL1)을 스플리팅으로 제거하고(도 7b), 이어서 심발 블록(BL1)의 주변을 수직 방향으로 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성하며(도 7c), 다음으로 주변 블록(BL2)을 순차적으로 하나씩 제거한다(도 7d). 이 경우에도 층리가 불연속면으로서의 역할을 하므로 수평 방향으로 커팅할 필요가 없다.
주변 블록(BL2)을 제거한 후에는 터널 외곽을 커팅하고 외곽 블록(BL3)을 제거한다. 터널 외곽 커팅과 외곽 블록(BL3)의 제거는 도 3e ~ 3f와 관련하여 이미 설명한 바 있다. 다만, 층리를 불연속면으로 활용하므로 수평 방향으로 커팅할 필요가 없다는 점은 상술한 설명과 다르다.
한편, 스플리팅시 쐐기(40)를 커팅홈(62)(63)에 삽입하지만, 쐐기(40)를 층리의 경계면에 삽입할 수도 있다.
[경사진 층리를 가진 암반에서의 터널 굴착]
터널 막장면에 경사진 층리가 있는 경우(즉, α≠0˚인 경우), 이 경사진 층리를 불연속면으로 활용하여 커팅 공정을 단순화, 효율화할 수 있다. 즉, 층리와 교차하는 방향(바람직하게는 층리에 수직되는 방향)으로 커팅을 하고 층리 방향으로는 커팅할 필요가 없다. 이를 구체적으로 설명하면 아래와 같다.
도 8a에 나타난 바와 같이, 층리와 교차되는 방향(바람직하게는 층리와 수직을 이루는 방향)으로 암반을 2회 커팅하고(이에 따라, 커팅홈(62)이 형성됨) 층리 방향으로 1회 커팅하여(커팅홈(63)이 형성됨) 심발 블록(BL1)을 형성한다. 상기 커팅은 심발 블록(BL1)을 형성할 부분(통상적으로 막장면의 중앙부)에 대해 이루어진다. 수직 방향의 2회 커팅(심발 블록의 양측면 형성)과 층리(심발 블록의 윗면 형성) 및 층리 방향의 커팅홈(63, 심발 블록의 하부면 형성)에 의해서 심발 블록(BL1)이 형성된다. 층리는 불연속면으로서, 일종의 커팅홈 역할을 한다.
상기 커팅이 완료되면 심발 블록(BL1)을 스플리팅으로 제거하고(도 8b), 이어서 심발 블록(BL1)의 주변을 층리와 교차되는 방향(바람직하게는 층리와 수직되는 방향)으로 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성하며(도 8c), 다음으로 주변 블록(BL2)을 순차적으로 하나씩 제거한다(도 8d). 상기 스플리팅시, 쐐기(40)를 커팅홈(62)(62)에 삽입하지만 층리의 경계면에 삽입할 수도 있다.
주변 블록(BL2)을 제거한 후에는 터널 외곽을 커팅하고 외곽 블록(BL3)을 제거한다. 터널 외곽 커팅과 외곽 블록(BL3)의 제거는 도 3e ~ 3f와 관련하여 이미 설명한 바 있다. 다만, 층리를 불연속면으로 활용하므로 수평 방향으로 커팅할 필요가 없다는 점은 상술한 설명과 다르다.
한편, 도 9는 막장면 상에서 층리가 경사진 경우(α≠0˚), 스플리팅으로 인장 파괴된 심발 블록이 아래로 미끄러져 제거되기 위한 조건을 보여준다. 먼저, 각 부호를 설명하면 아래와 같다.
θ1 : 층리에 수직되는 방향의 커팅홈(62)에 의해서 형성된 평면(P2)과 수평선이 이루는 각도.
θ2 : 층리 방향의 커팅홈(63)에 의해서 형성된 평면(P1)과 수평선이 이루는 각도. (θ2는 도 6의 α와 동일한 각도이다.)
θ3 : 두 평면(P1)(P2)이 만나서 이루어지는 모서리(E)와 수평면이 이루는 각도.
θ4 : 평면(P1)과 수평면이 이루는 각도(도 9에 미도시).
θ5 : 평면(P2)과 수평면이 이루는 각도(도 9에 미도시).
각도(θ1)(θ2)의 크기에 따라 두 경우로 나누어 설명하면 아래와 같다.
① θ1 < 30˚ 또는 θ2 < 30˚ 인 경우
θ1+θ2=90˚이므로, θ1과 θ2 중 어느 하나가 30˚ 미만이면, θ1과 θ2 중 작은 각도와 관련된 평면(P1)(P2)이 주요 미끄러짐 평면으로 작용한다. 따라서, 상기 작은 각도와 관련된 평면(P1)(P2)과 수평면이 이루는 경사 각도(θ4 또는 θ5)가 40˚ 이상 되도록 상향 커팅각을 설계한다.
② 30˚ < θ1 < 60˚ 인 경우
이 경우에는 특정한 1개 평면(P1)(P2)에 의해서 심발 블럭이 미끄러지는 것이 아니라, 심발 블록(Bl1)의 하부 모서리(E)의 각도(θ3)와 두 평면(P1)(P2)에 의해 미끄러짐이 발생한다. 따라서, 두 평면(P1)(P2)이 수평면과 각각 이루는 경사각도(θ4)(54)가 40˚ 이상 되고, 동시에 모서리(E)의 경사 각도(θ3)도 40˚ 이상 되도록 커팅 각도를 설계해야 한다.
[복합 지반에서의 터널 굴착]
복합지반은 터널 막장면에 2가지 암반등급(경암과 연암, 암반과 토사)이 상/하부로 존재하는 구조와, 퇴적층에서 두 가지 암종이 교대로 반복하는 구조로 분류할 수 있다.
1. 터널 막장면에 두 가지 암반등급이 상/하부, 좌우에 존재하는 경우
터널 막장면에 암반과 토사(풍화암)가 함께 나타나는 경우, 중경암부 등급 이상에만 커팅-스플리팅 공정을 적용하면 되고, 연암 이하의 등급에는 유압 브레이커, 진동리퍼 등으로 쉽게 굴착 시공이 가능하다. 이 공정은 매우 단순하므로 설명을 생략하기로 한다.
2. 두 개 지반이 반복되는 퇴적층 구조
연약층과 경암층이 교대로 반복되는 경우의 굴착방법을 설명하면 아래와 같다. 여기에서, 연약층은 경암층 보다 강도가 상대적으로 낮은 암반으로 이루어진 층을 의미한다.
(1) 연약층이 연암 이하인 경우
연암 이하는 유압 브레이커, 진동 리퍼 등으로 파쇄가 원활히 이루어지므로, 연약층의 중심부에 심발을 설정한다. 층리 방향과 교차하는 방향(바람직하게는 층리와 직교되는 방향)으로 두 번의 수직 컷팅을 실시하여 심발 블록(BL1)을 형성한 후, 유압 브레이커 또는 진동리퍼 등을 이용하여 심발 블록(BL1)을 기계식으로 굴착한다.
이어서, 전단면 커팅 공정시(심발 블록의 주변을 커팅할 때), 연약층에는 커팅-스플리팅 공법을 적용할 필요가 없으므로 연약층은 커팅하지 않고 유압 브레이커와 진동리퍼 등을 이용하여 기계식으로 굴착하고 경암층에 대해서만 커팅-스플리팅 공법을 적용한다.
(2) 연약층이 보통암 이상인 경우
먼저, 도 10a에 나타난 바와 같이, 층리에 교차되는 방향, 바람직하게는 층리에 수직되는 방향으로 경암층에 2회 커팅을 실시하여 심발 블록(BL1)을 경암층(HR)에 형성한다. 한편, 도면에는 도시되지 않았지만, 심발 블록(BL1)의 하부면을 이루는 커팅홈(63)을 형성할 수도 있는데, 이 경우 스플리팅된 심발 블록(BL1)이 미끄러져 제거되기 위한 커팅홈(63)의 상향 경사각에 대해서는 위에서 설명한 바와 동일하다.
이어서, 스플리팅으로 심발 블록(BL1)을 제거하고(도 10b), 주변의 경암층(HR)을 층리와 교차하는 방향, 바람직하게는 층리와 수직되는 방향으로 커팅한다(도 10c). 이 때, 연약층에 대해서는 커팅을 하지 않는다.
다음으로, 심발 블록(BL1) 좌,우측의 주변 블록(BL2)을 스플리팅으로 제거하고(도 10d), 도 10d에서 제거된 경암층(HR)의 위, 아래 연암층(SR)을 유압 브레이커, 진동 리퍼 등으로 제거한다(도 10e). 물론, 이 연암층(SR)을 커팅한 후 스플리팅하여 제거할 수도 있다.
이어서, 터널 외곽을 커팅하고(도 10f), 외곽 블록(BL3)을 스플리팅으로 제거한다(도 10g). 터널 외곽의 커팅에는 외곽과 동일한 곡률 반경(R)을 가진 커터(30)가 사용될 수 있다.
한편, 스플리팅을 위해서, 쐐기(40)를 커팅홈(62)(63)에 삽입할 수도 있지만, 층리의 경계면에 삽입할 수도 있다.
[층리의 경사 각도(β)에 따른 굴착방법]
상술한 바와 같이, 경사 각도(β)는 터널 진행 방향에 대한 층리의 경사 각도를 나타낸다. 경사 각도(β)에 따른 터널 막장면 굴착 방법을 설명하면 아래와 같다.
1. β>0˚인 경우
(1) β≥60˚
도 11a에 나타난 바와 같이, β≥60˚인 경우에는 터널 막장면과 커팅선(Cutting line)의 경사 각도를 층리의 경사 각도(β)와 동일하게 유지하면서 굴착할 수 있다.
(2) 30˚≤β<60˚
도 11b에 나타난 바와 같이, 터널 막장면의 하부를 커팅할 때 상부의 미끄러짐 사면 파괴가 발생할 확률이 있으므로, 터널 막장면을 2단으로 분리하여 상부부터 커팅-스플리팅 방법을 적용해서 굴착한 후 하부에 대해 커팅-스플리팅 방법을 적용해서 굴착한다(즉, 계단식으로 굴착을 진행한다).
(3) 0˚≤β<30˚
β가 30˚ 미만인 경우, 미끄러짐 파괴가 발생할 확률이 매우 낮으므로, 막장을 90˚(수직)로 관리할 수 있다.
2. β<0˚인 경우
(1) -90˚<β<-60˚
도 12a에 나타난 바와 같이, -90˚<β<-60˚ 인 경우에는 전도 파괴가 발생할 확률이 낮으므로, 막장면 각도를 90˚로 유지해서 관리할 수 있다(즉, 커팅선(Cutting line)을 90˚로 형성하여 굴착함).
(2) -60˚<β<0˚
도 12b에 나타난 바와 같이, 터널 막장면에서 미끄러짐 파괴가 발생할 확률이 낮으므로 터널 막장면을 2단 분할 필요 없고 터널 막장면을 90˚로 유지해서 관리할 수 있다(즉, 커팅선(Cutting line)을 90˚로 형성하여 굴착함).
도 11a ~ 12b에 도시되고 설명된 굴착 방법은 커팅-스플리팅 방법으로 굴착할 때 층리가 존재하는 경우에 적용될 수 있는 것으로서, 구체적으로는 위에서 설명된 '막장면 상에서 층리가 수평으로 존재하는 경우', '막장면 상에서 경사진 층리가 존재하는 경우' 및, '복합 지반'에 대해 모두 적용될 수 있다.
예를 들어, 층리가 터널 막장면 상에서 수평을 이루고(α=0˚) 터널 진행 방향에 대해서는 50˚로 경사진 경우(β=50˚), 도 11b에 나타난 바와 같이 터널 막장면을 2단으로 분리하여 상부를 커팅-스플리팅 방법으로 굴착한 후 하부를 커팅-스플리팅 방법으로 굴착할 수 있다.
[암반 사면에 대한 커팅-스플리팅 공법의 적용]
본 공법은 두 개의 자유면을 갖는 암반 사면에도 적용될 수 있는데, 이를 설명하면 아래와 같다.
먼저, 도 13a ~ 13b에 나타난 바와 같이, 층리와 교차되는 방향, 바람직하게는 층리와 수직되는 방향으로 제1 자유면(F1)을 커팅하여 블록(BL4)을 형성한다. 상기 커팅은 주향 방향으로 이루어지는 것이 바람직하다.
이어서, 도 13c에 나타난 바와 같이, 블록(BL4)을 스플리팅으로 제거한다. 스플리팅은 제2 자유면(F2)과 가까운 블록(BL4)부터 순차적으로 하나씩 제거하는 것이 바람직하다.
위에서는 두 개의 자유면을 갖는 암반 사면에 대해 본 공법이 적용되는 것을 설명하였으나, 본 공법은 세 개 또는 그 이상의 자유면을 갖는 암반 사면에 대해서도 적용될 수 있는데, 이러한 점은 본 명세서를 참조한 당업자가 쉽게 알 수 있을 것이다.
30 : 커터 40 : 쐐기
61, 62, 63 : 커팅홈 F : 쐐기에 인가되는 하중
BL1, BL2, BL3, BL4 : 블록 R : 터널 외곽의 곡률 반경
d : 커팅홈의 깊이(블록의 높이) w : 블록의 폭
s : 블록의 길이 A : 쐐기의 하단부 각도
wc : 쐐기의 폭 CL : 쐐기의 길이
α : 터널 막장면 상에서 층리의 경사진 각도
β : 터널 진행방향에 대한 층리의 경사 각도
θ1 : 층리에 수직되는 방향의 커팅홈(62)에 의해서 형성된 평면(P2)과 수평선이 이루는 각도.
θ2 : 층리 방향의 커팅홈(63)에 의해서 형성된 평면(P1)과 수평선이 이루는 각도.
θ3 : 두 평면(P2)(P1)이 만나서 이루어지는 모서리(E)와 수평면이 이루는 각도.
θ4 : 평면(P1)과 수평면이 이루는 각도.
θ5 : 평면(P2)과 수평면이 이루는 각도.
P1, P2 : 평면
E : 두 평면(P1)(P2)이 만나서 이루어지는 모서리
HR : 경암층 SR : 연암층
F1, F2 : 자유면

Claims (12)

  1. 터널을 무진동 굴착하는 방법으로서,
    (a1) 터널의 막장면에서 암반을 수평 방향 및 수직 방향으로 커팅하여 심발 블록(BL1)을 형성하는 단계;
    (a2) 심발 블록(BL1)을 스플리팅으로 제거하는 단계;
    (a3) 심발 블록(BL1)의 주변에서 수직 방향 및 수평 방향으로 암반을 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성하는 단계; 및,
    (a4) 주변 블록(BL2)을 스플리팅으로 순차적으로 제거하는 단계;를 포함하고,
    심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)은 각각 두 개의 수평 방향 커팅홈(61)과 두 개의 수직 방향 커팅홈(62)이 서로 교차하여 형성되며,
    상기 스플리팅은 쐐기(40)를 커팅홈(61)(62)에 삽입한 상태에서 쐐기(40)를 타격하거나 벌어지게 하여 심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)의 하부에 인장 파괴를 발생시켜서 이루어지고,
    쐐기(40)의 하단부는 5˚~10˚의 각도(A)를 갖되, 쐐기(40)의 폭(wc)과 길이(CL)는 아래의 식 3을 만족하고,
    커팅홈(61)(62)의 깊이(d)와 블록(BL)의 폭(w)과 길이(s)는 아래의 식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 무진동 터널 굴착 방법.
    [식 3]
    0.8d ≤ CL ≤ 1.2d
    0.8w ≤ wc ≤ 0.9w
    [식 4]
    Figure 112020040075079-pat00043
    ,
    Figure 112020040075079-pat00044

    위의 식 3, 4에서,
    CL : 쐐기의 길이
    wc : 쐐기의 폭
    d : 커팅홈의 깊이
    w : 쐐기가 삽입되는 방향의 블록 모서리의 길이
    s : 쐐기가 삽입되는 방향과 수직되는 방향의 블록 모서리의 길이
  2. 터널을 무진동 굴착하는 방법으로서,
    (a1) 터널의 막장면에서 암반을 수평 방향 및 수직 방향으로 커팅하여 심발 블록(BL1)을 형성하는 단계;
    (a2) 심발 블록(BL1)을 스플리팅으로 제거하는 단계;
    (a3) 심발 블록(BL1)의 주변에서 수직 방향 및 수평 방향으로 암반을 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성하는 단계; 및,
    (a4) 주변 블록(BL2)을 스플리팅으로 순차적으로 제거하는 단계;를 포함하고,
    심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)은 각각 두 개의 수평 방향 커팅홈(61)과 두 개의 수직 방향 커팅홈(62)이 서로 교차하여 형성되며,
    상기 스플리팅은 쐐기(40)를 커팅홈(61)(62)에 삽입한 상태에서 쐐기(40)를 타격하거나 벌어지게 하여 심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)의 하부에 인장 파괴를 발생시켜서 이루어지고,
    상기 (a1) 단계에서, 심발 블록(BL1)의 하부면을 형성하는 수평방향 커팅홈(61)은 수평면에 대해서 40˚ 이상의 각도(θ0)로 위쪽으로 경사지고, 이에 따라 (a2) 단계의 스플리팅에 의해서 심발 블록(BL1)이 슬라이딩되어 제거되는 것을 특징으로 하는, 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 무진동 터널굴착 방법.
  3. 층리가 존재하는 암반에서 터널을 무진동 굴착하는 방법으로서,
    (b1) 터널의 막장면에서 층리와 교차되는 방향으로 암반을 커팅하여 심발 블록(BL1)을 형성하는 단계;
    (b2) 심발 블록(BL1)을 스플리팅으로 제거하는 단계;
    (b3) 심발 블록(BL1)의 주변에서 층리와 교차하는 방향으로 암반을 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성하는 단계; 및,
    (b4) 주변 블록(BL2)을 스플리팅으로 순차적으로 제거하는 단계;를 포함하고,
    층리는 (b2) 단계와 (b4) 단계의 스플리팅시 블록(BL1)(BL2)의 제거를 위한 불연속면이 되며, 심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)은 각각 커팅으로 형성된 두 개의 커팅홈(62)과 층리가 서로 교차하여 형성되고,
    상기 스플리팅은 커팅홈(62) 또는 층리 사이에 쐐기(40)를 삽입한 상태에서 쐐기(40)를 타격하거나 벌어지게 하여 심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)의 하부에 인장 파괴를 발생시켜서 이루어지고,
    층리와 터널 진행 방향이 이루는 각도(β)가 60˚ 이상인 경우에는 막장면과 커팅선(Cutting line)이 터널 진행 방향에 대해 각각 상기 각도(β)를 이루고,
    상기 각도(β)가 30˚ 이상 60˚ 미만인 경우에는 막장면을 상부와 하부로 구분하여 계단식으로 굴착하되, 상부부터 커팅-스플리팅을 적용하여 굴착한 후 하부에 커팅-스플리팅을 적용하여 굴착하며,
    상기 각도(β)가 0˚ 미만인 경우에는 막장면이 수직이 되도록 굴착하는 것을 특징으로 하는, 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 무진동 터널굴착 방법.
  4. 층리가 존재하는 암반에서 터널을 무진동 굴착하는 방법으로서,
    (b1) 터널의 막장면에서 층리와 교차되는 방향으로 암반을 커팅하여 심발 블록(BL1)을 형성하는 단계;
    (b2) 심발 블록(BL1)을 스플리팅으로 제거하는 단계;
    (b3) 심발 블록(BL1)의 주변에서 층리와 교차하는 방향으로 암반을 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성하는 단계; 및,
    (b4) 주변 블록(BL2)을 스플리팅으로 순차적으로 제거하는 단계;를 포함하고,
    층리는 (b2) 단계와 (b4) 단계의 스플리팅시 블록(BL1)(BL2)의 제거를 위한 불연속면이 되며, 심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)은 각각 커팅으로 형성된 두 개의 커팅홈(62)과 층리가 서로 교차하여 형성되고,
    상기 스플리팅은 커팅홈(62) 또는 층리 사이에 쐐기(40)를 삽입한 상태에서 쐐기(40)를 타격하거나 벌어지게 하여 심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)의 하부에 인장 파괴를 발생시켜서 이루어지고,
    상기 층리는 터널의 막장면상에서 수평 방향으로 형성되고,
    상기 (b1) 단계는 심발 블록(BL1)의 하부면을 이루는 커팅홈(63)을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    커팅홈(63)은 수평면에 대해서 40˚ 이상의 각도로 위쪽으로 경사지고, 이에 따라 (b2) 단계의 스플리팅에 의해서 심발 블록(BL1)이 슬라이딩되어 제거되는 것을 특징으로 하는, 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 무진동 터널굴착 방법.
  5. 층리가 존재하는 암반에서 터널을 무진동 굴착하는 방법으로서,
    (b1) 터널의 막장면에서 층리와 교차되는 방향으로 암반을 커팅하여 심발 블록(BL1)을 형성하는 단계;
    (b2) 심발 블록(BL1)을 스플리팅으로 제거하는 단계;
    (b3) 심발 블록(BL1)의 주변에서 층리와 교차하는 방향으로 암반을 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성하는 단계; 및,
    (b4) 주변 블록(BL2)을 스플리팅으로 순차적으로 제거하는 단계;를 포함하고,
    층리는 (b2) 단계와 (b4) 단계의 스플리팅시 블록(BL1)(BL2)의 제거를 위한 불연속면이 되며, 심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)은 각각 커팅으로 형성된 두 개의 커팅홈(62)과 층리가 서로 교차하여 형성되고,
    상기 스플리팅은 커팅홈(62) 또는 층리 사이에 쐐기(40)를 삽입한 상태에서 쐐기(40)를 타격하거나 벌어지게 하여 심발 블록(BL1)과 주변 블록(BL2)의 하부에 인장 파괴를 발생시켜서 이루어지고,
    상기 층리는 터널의 막장면상에서 경사지도록 형성되고,
    상기 (b1), (b3) 단계의 커팅은 층리와 수직되는 방향으로 이루어지되, (b1) 단계는 심발 블록(BL1)의 하부면을 이루는 커팅홈(63)을 형성하는 단계를 더 포함하고,
    각도(θ1)(θ2)(θ3)(θ4)(θ5)가 아래 식 1, 2를 만족하는 것을 특징으로 하는, 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 무진동 터널굴착 방법.
    [식 1]
    θ1+θ2=90˚
    θ1<30˚ 또는 θ2<30˚ 일 때,
    θ1과 θ2 중 작은 각도와 관련된 평면(P2)(P1)과 수평면이 이루는 각도(θ4 또는 θ5)가 40˚ 이상임.
    [식 2]
    θ1+θ2=90˚
    30˚ < θ1 < 60˚ 일 때,
    40˚≤θ3, 40˚≤θ4, 40˚≤θ5
    위 식에서,
    θ1 : 층리에 수직되는 방향의 커팅홈(62)에 의해서 형성된 평면(P2)과 수평선이 이루는 각도.
    θ2 : 층리 방향의 커팅홈(63)에 의해서 형성된 평면(P1)과 수평선이 이루는 각도.
    θ3 : 두 평면(P2)(P1)이 만나서 이루어지는 모서리(E)와 수평면이 이루는 각도.
    θ4 : 평면(P1)과 수평면이 이루는 각도.
    θ5 : 평면(P2)과 수평면이 이루는 각도.
  6. 연약층(SR)과 경암층(HR)이 모두 존재하는 터널 막장면을 무진동 굴착하는 방법이고, 연약층(SR)은 연암 이하의 암반으로 이루어지고 경암층(HR)은 연약층(SR) 보다 큰 강도를 가진 암반으로 이루어지며,
    (c1) 연약층(SR)을 유압 브레이커 또는 진동 리퍼를 이용하여 제거하는 단계; 및,
    (c2) 경암층(HR)을 층리 방향과 교차되는 방향으로 커팅한 후, 상기 커팅과 층리에 의해 형성된 주변 블록(BL2)을 스플리팅으로 제거하는 단계;를 포함하고,
    상기 스플리팅은 상기 커팅으로 형성된 커팅홈 또는 층리 사이에 쐐기(40)를 삽입한 상태에서 쐐기(40)를 타격하거나 벌어지게 함으로써, 주변 블록(BL2)의 하부에 인장 파괴를 발생시키고,
    층리와 터널 진행 방향이 이루는 각도(β)가 60˚ 이상인 경우에는 막장면과 커팅선(Cutting line)이 터널 진행 방향에 대해 각각 상기 각도(β)를 이루고,
    상기 각도(β)가 30˚ 이상 60˚ 미만인 경우에는 막장면을 상부와 하부로 구분하여 계단식으로 굴착하되, 상부부터 커팅-스플리팅을 적용하여 굴착한 후 하부에 커팅-스플리팅을 적용하여 굴착하며,
    상기 각도(β)가 0˚ 미만인 경우에는 막장면이 수직이 되도록 굴착하는 것을 특징으로 하는, 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 무진동 터널굴착 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 (c1) 단계는,
    (c1-1) 연약층(SR)을 층리 방향과 교차되는 방향으로 커팅하여 심발 블록(BL1)을 형성하는 단계;
    (c1-2) 상기 (c1-1) 이후에, 심발 블록(BL1)을 제거하는 단계; 및,
    (c1-3) 상기 (c1-2) 이후에, 심발 블록(BL1) 주변의 연약층(SR)을 유압 브레이커 또는 진동 리퍼를 이용하여 제거하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 무진동 터널굴착 방법.
  8. 연약층(SR)과 경암층(HR)이 함께 나타나는 터널 막장면을 무진동 굴착하는 방법이고, 연약층(SR)은 보통암 이상의 암반으로 이루어지고 경암층(HR)은 연약층 보다 큰 강도를 가진 암반으로 이루어지며,
    (d1) 경암층(HR)을 커팅하여 심발 블록(BL1)을 형성하는 단계;
    (d2) 심발 블록(BL1)을 제거하는 단계;
    (d3) 심발 블록(BL1) 주변의 경암층(HR)을 층리와 교차하는 방향으로 커팅하여 주변 블록(BL2)을 형성하는 단계;
    (d4) 심발 블록(BL1)과 동일한 층에 있는 주변 블록(BL2)을 스플리팅으로 제거하는 단계; 및,
    (d5) 상기 (d4) 단계에서 제거된 층의 위, 아래 연약층(SR)을 유압 브레이커 또는 진동 리퍼를 이용하여 제거하는 단계; 및,
    (d6) 상기 (d5) 단계에서 제거된 연약층(SR)의 위, 아래 경암층(HR)을 스플리팅으로 제거하는 단계;를 포함하고,
    상기 스플리팅은 상기 커팅으로 형성된 커팅홈(62) 또는 층리 사이에 쐐기(40)를 삽입한 상태에서 쐐기(40)를 타격하거나 벌어지게 함으로써, 층리와 커팅홈(62)에 의해서 형성된 블록(BL1)(BL2)의 하부에 인장 파괴를 발생시키고,
    층리와 터널 진행 방향이 이루는 각도(β)가 60˚ 이상인 경우에는 막장면과 커팅선(Cutting line)이 터널 진행 방향에 대해 각각 상기 각도(β)를 이루고,
    상기 각도(β)가 30˚ 이상 60˚ 미만인 경우에는 막장면을 상부와 하부로 구분하여 계단식으로 굴착하되, 상부부터 커팅-스플리팅을 적용하여 굴착한 후 하부에 커팅-스플리팅을 적용하여 굴착하며,
    상기 각도(β)가 0˚ 미만인 경우에는 막장면이 수직이 되도록 굴착하는 것을 특징으로 하는, 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 무진동 터널굴착 방법.
  9. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    층리와 터널 진행 방향이 이루는 각도(β)가 60˚ 이상인 경우에는 막장면과 커팅선(Cutting line)이 터널 진행 방향에 대해 각각 상기 각도(β)를 이루고,
    상기 각도(β)가 30˚ 이상 60˚ 미만인 경우에는 막장면을 상부와 하부로 구분하여 계단식으로 굴착하되, 상부부터 커팅-스플리팅을 적용하여 굴착한 후 하부에 커팅-스플리팅을 적용하여 굴착하며,
    상기 각도(β)가 0˚ 미만인 경우에는 막장면이 수직이 되도록 굴착하는 것을 특징으로 하는, 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 무진동 터널굴착 방법.
  10. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    터널 외곽을 커팅하는 단계;를 더 포함하고,
    터널 외곽의 커팅은 터널 외곽의 곡률 반경(R)과 동일한 곡률 반경(R)을 갖는 커터(30)에 의해서 이루어지되, 커터(30)가 터널 바깥을 향해서 15˚ ~ 20˚로 경사진 상태에서 커팅이 이루어지는 것을 특징으로 하는, 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 무진동 터널굴착 방법.
  11. 적어도 두 개의 자유면(F1)(F2)을 갖는 암반 사면을 무진동 굴착하는 방법으로서,
    (e1) 층리와 교차되는 방향으로 제1 자유면(F1)을 커팅하여 블록(BL4)을 형성하는 단계; 및,
    (e2) 블록(BL4)을 스플리팅으로 순차적으로 제거하는 단계;를 포함하며,
    상기 스플리팅은 커팅으로 형성된 커팅홈(62) 또는 층리 사이에 쐐기(40)를 삽입한 상태에서 쐐기(40)를 타격하거나 벌어지게 하여 블록(BL4)의 하부에 인장 파괴를 발생시켜서 이루어지고,
    상기 (e1) 단계에서, 커팅은 주향 방향으로 이루어지며,
    상기 (e2) 단계에서, 스플리팅은 제2 자유면(F2)과 가까운 블록(BL4)부터 제거하고,
    쐐기(40)의 하단부는 5˚~10˚의 각도(A)를 갖되, 쐐기(40)의 폭(wc)과 길이(CL)는 아래의 식 3을 만족하고,
    커팅홈(61)(62)의 깊이(d)와 블록(BL)의 폭(w)과 길이(s)는 아래의 식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 무진동 사면 굴착 방법.
    [식 3]
    0.8d ≤ CL ≤ 1.2d
    0.8w ≤ wc ≤ 0.9w
    [식 4]
    Figure 112020040075079-pat00045
    ,
    Figure 112020040075079-pat00046

    위의 식 3, 4에서,
    CL : 쐐기의 길이
    wc : 쐐기의 폭
    d : 커팅홈의 깊이
    w : 쐐기가 삽입되는 방향의 블록 모서리의 길이
    s : 쐐기가 삽입되는 방향과 수직되는 방향의 블록 모서리의 길이
  12. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    쐐기(40)의 하단부는 5˚~10˚의 각도(A)를 갖되, 쐐기(40)의 폭(wc)과 길이(CL)는 아래의 식 3을 만족하고,
    커팅홈(61)(62)의 깊이(d)와 블록(BL)의 폭(w)과 길이(s)는 아래의 식 4를 만족하는 것을 특징으로 하는, 암반의 커팅과 스플리팅을 이용한 무진동 터널 굴착 방법.
    [식 3]
    0.8d ≤ CL ≤ 1.2d
    0.8w ≤ wc ≤ 0.9w
    [식 4]
    Figure 112020040075079-pat00005
    ,
    Figure 112020040075079-pat00006

    위의 식 3, 4에서,
    CL : 쐐기의 길이
    wc : 쐐기의 폭
    d : 커팅홈의 깊이
    w : 쐐기가 삽입되는 방향의 블록 모서리의 길이
    s : 쐐기가 삽입되는 방향과 수직되는 방향의 블록 모서리의 길이
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