KR102505365B1 - 터널 숏크리트 낙하 방지용 지보재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 숏크리트 공사에 사용하는 터널용 지보재에 관한 것으로, 상세하게는 낙하 방지판과 패커를 부착한 지보재를 사용함으로써, 신속한 지보효과 형성 및 리바운드로 낭비되는 숏크리트를 절감하기 위한 기술이다. 본 발명은 몰탈을 주입하는 방식으로, 신속하게 1차 지보재를 형성하여 터널 초기 안정성을 향상시키며, 자루형태의 패커를 사용하여 몰탈 손실이 발생하지 않는다. 즉 종래의 리바운드 및 탈락이 근본적으로 방지되어 재료손실을 최소화 시킬 수 있다. 따라서 터널공사에서 가장 중요한 공정으로, 초기변형을 방지하는 숏크리트 공사에 있어서, 시공성및 안정성을 향상시키며 ,공사기간 및 공사비를 크게 절감할수 있는 기술을 제공한다.

Description

터널 숏크리트 낙하 방지용 지보재{Support for tunnel shotcrete drop prevention}

본 발명은 터널 숏크리트 공사에 사용하는 터널용 지보재에 관한 것으로, 상세하게는 낙하 방지판과 패커를 부착한 지보재를 사용함으로써, 신속한 지보효과 및 리바운드로 낭비되는 숏크리트를 절감하기 위한 기술이다.

본 발명은 신속하고, 강력한 1차 지보를 형성하며, 몰탈 손실이 발생하지 않는다. 즉 종래의 리바운드 및 탈락이 근본적으로 방지되어 재료손실이 최소화 시킬 수 있다. 따라서 터널공사에서 가장 중요한 공정으로, 초기변형을 방지하여 1차 지보를 형성하는 숏크리트 공사에 있어서, 시공성, 안정성 향상및 공사기간 및 공사비를 크게 절감할수 있는 기술을 제공한다.

본 발명은 터널공사에서 굴착된 암반 벽면의 초기 안정을 꾀하기 위하여 피복하는 숏크리트(Shotcrete) 공사에 사용하는 터널용 지보재에 관한 것으로, 상세하게는 낙하 방지판과 패커를 부착한 지보재를 사용함으로써, 신속한 지보효과 및 리바운드로 낭비되는 숏크리트를 절감하기 위한 기술이다.

주지된 바와 같이 터널공사에서의 숏크리트 작업은 도 1의 도시와 같이, 압축공기를 이용해 터널 굴착면에 몰탈을 뿜어 붙여 굴착면을 평활하게 하는 작업을 말하며, 타설된 숏크리트는 터널 굴착면의 표층부와 협동해서 응력 집중에 의한 암반의 이완을 방지하고 암반 표면의 풍화를 억제하여 터널 굴착면의 안정을 도모하는 지보공 중 하나이다.

숏크리트 공사는 암반면에 직각 방향으로 몰탈을 뿜어서 붙이는 작업을 2-3회 반복하여 이루어지며, 각 회차에 따른 숏크리트의 시공은 자연 양생 기간을 고려하여 일정한 시차를 두고 이루어지는 것이 보통이다. 양생기간 부족으로 굳지 않은 경우 큰 면적이 떨어지는 붕락이 발생하게 된다.

이러한 숏크리트 공사는 타설면의 각도에 구애받지 않고 시공할 수 있고, 신속한 콘크리트층을 형성하여 지보효과 발생이 타설과 동시에 이루어지며, 콘크리트 층의 두께를 자유롭게 형성할 수 있다는 점에서 매우 효과적인 지보의 형성방법이다.

그러나, 위와 같은 전통적인 숏크리트 타설 방법은 다음과 같은 여러 문제를 내포하고 있다.

첫째 숏크리트의 탈락 방지를 위한 장치를 별도로 구비시키지 않은 채 숏크리트를 타설함으로써, 뿜어붙이는 숏크리트의 리바운드 율이 높아 손실되는 몰탈 양이 과다하다는 문제점이다.즉, 숏크리트의 리바운드율은 뿜어 붙이는 시공위치·공기압·재료배합·골재입도·타설두께및 작업자의 숙련도 등에 의해 크게 달라지는데, 통상적으로 벽체부는 15~25%, 천정부는 25~35%에 이르게 되고, 리바운드 되는 숏크리트는 재사용하지 못하고, 폐기물로 고가의 처리비용을 부담하며 처리해야 하므로. 일반 몰탈에 비해 상당히 고가인 숏크리트의 과다한 손실로 인해 공사비용이 증대되는 문제점이 있다.

둘째, 숏크리트 타설 작업중 리바운드 되는 숏크리트 분진이 터널공간내에서 심하게 비산되어 작업환경을 악화시키는 문제점이 있었다. 즉, 환기가 제대로 이루어지지 않는 터널공간내에서 숏크리트를 뿜어 붙일 때 분진 발생이 대단히 심하여 작업자들의 건강을 보장받지 못하게 됨으로써, 작업자들에게 비싼 임금을 지불할 수밖에 없게 되고, 또한 숏크리트 작업중에는 다른 일체의 작업을 중단해야 하므로 공사 기간 및 비용의 증대가 불가피한 문제점이 있었다.

셋째, 고압의 공기로 몰탈을 뿜어 붙일 때, 공기가 혼입되어 내부에 공극이 발생하기 쉬우며, 강도 저하로 이어진다. 즉 일반 콘크리트처럼 제대로 된 진동다짐 작업이 이루어지지 않기 때문이다. 몰탈에 진동이 가해지면, 큰 면적이 떨어지는 붕락이 발생하게 된다.또한 용출수 구간은 급결제를 다량 투입하여 사용하는 숏크리트이지만 부착되지 못하고 떨어져서 타설 작업에 곤란을 격고 있다.

넷째, 숏크리트 작업을 2-3회 반복하여야 어느 정도의 콘크리트 구체가 만들어 지고, 1차 지보 기능을 할 수 있다. 콘크리트가 어느 정도 굳은 후, 타설 작업을 반복해야 하므로 상당한 시간이 소요되기 때문에 굴착된 암벽을 조기에 안정시키지 못하고 암벽의 변형이 발생하며, 암벽의 변형은 필연적으로 터널 지보에 암벽의 상재하중을 증대시키게 되므로 터널의 안전도를 확보하는 면에서 상당히 불리한 단점이 있었다.

다섯째, 통상의 터널 시공법에 의하면 1차 지보인 숏크리트 층과 2차 지보인 라이닝 콘크리트 층 사이에, 암벽에서 유출되어 숏크리트 층을 투과하는 지하수를 터널 하단의 배수측구로 유도시키기 위한 방수막을 설치하게 되는데, 종래 뿜어 붙이기식에 의한 숏크리트 공법에 의하면 편중된 타설, 암반요철, 골재모서리 및 숏크리트 속에 혼합된 강섬유로 인한 날카로운 돌출부가 생기게 되어 방수막이 파손되고, 이로 인해 지하수가 2차 지보인 라이닝 콘크리트까지 침투하여 터널 구조물에 악영향을 끼치는 문제점이 있었다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 표면을 편평하게 하기 위하여, 여러번 숏크리트 추가 타설하여야 하므로, 고가재료 낭비 및 작업시간이 추가되는 단점이 있다.

종래기술1 로서, 등록특허 10-0447112 (곡면 패널을 이용한 터널 굴착면의 숏크리트 공법)이 있는데. 상기 기술은 지지틀을 설치하고, 지지틀 바깥으로 강판을 대고, 숏크리트 타설한 후, 굳으면 지지틀만 철거하는 방식이다.

이와 비숫한 방식으로, 종래의 라이닝 타설공사에서는 라이닝 콘크리트 타설시 반 원통형으로 생긴 강재 거푸집과 지지틀이 일체화된, 터널용 거푸집 대차를 사용하였다. 터널내에 거푸집 대차를 설치한 후, 라이닝 콘크리트를 타설후, 철거하는 방식이다. 상기 특허는 타설후, 거푸집이 대차에서 분리되어 숏크리트에 일체화되어 남는다는 것이 다른 점이다.

또한 종래기술2 로서, 등록특허10-0890666(강판 터널벽면 구조체 및 이를 이용한 터널 시공방법)가 있는데, 상기 기술은, 숏크리트 층에 고정앙카를 박고, 앙카에 터널형 프레임을 고정하고, 절곡강판을 고정하는 기술이다.

절곡강판 자체를 터널 외장 마감재로 사용되는 것이다. 따라서 라이닝 콘크리트를 생략할수 있다. 상기 기술은 숏크리트 위에 덧붙이는 외장재 기술로, 숏크리트를 타설하기 위한 기술인 본 발명과 큰 차이가 있다.

종래기술1과 2는 모두 강판을 사용하는데, 종래1은 지지틀로 지지한 강판을 거푸집으로 사용하며, 숏크리트를 채워 넣고 일체화하는 기술이고, 종래2는 숏크리트와 이격되게 강판을 설치하고, 마감재로 사용하는 기술이다.

따라서 본 발명은 적용대상을 숏크리트 공사에 한정하는 바, 종래1기술에 가깝다 할수 있다. 또한 강판을 숏크리트와 일체화하므로 더욱 가까우나, 지지방식이 본 발명은 숏크리트 내에 매몰되는 지보재에 지지하는 바, 상이하고, 패커를 사용함으로 더욱 상이하다 할수 있다. 즉 종래 기술과는 지지체가 다르고, 패커 사용에서 크게 다르다고 할수 있다.

본 발명은 터널 굴착암벽의 초기안정을 위해 시행하는 종래의 숏크리트 공법에서 나타나는 제반 문제점을 해결하고자 안출한 것으로, 숏크리트의 탈락 방지하고, 신속한 지보재 형성하여 터널 안정성을 향상시키고, 지하수 용출수 구간에서도 지보재를 형성할수 있으며, 터널내 작업환경 개선을 개선하는 공법을 제시하고자 한다.

본 발명은 낙하 방지판과 패커를 부착한 지보재를 사용한다. 패커내로 급결제가 혼합된 몰탈을 주입하여 지보재와 일체화 하여 철근 콘크리트 합성 구조체를 만들어, 1차 지보 역할을 담당하고, 거푸집 판넬을 부착하여 지보재와 지보재 사이를 몰탈 주입하여, 지보 역할을 하도록 하여, 단계별로 신속한 지보 효과를 구축하고, 재료 낭비를 방지하며, 고밀도 숏크리트를 채워 넣을수 있는, 숏크리트용 지보재를 제공하는데 있다.

본 발명에 의하면, 숏크리트를 타설할 굴착면 부근에 설치하는 종래의 지보재에 낙하 방지판과 패커를 부착하여 사용하므로 써,

첫째: 강력한 1차 지보를 형성한다. 패커내의 몰탈이 주입과 동시에 급결하면서, 지보재와 일체화되어 철근 콘크리트 아치보(arch beam)을 형성하되, 강력한 1차 지보를 형성한다. 종래의 공기압으로 쏘아 붙이는 숏크리트 공법은 몰탈 내에 공극이 많이 형성되어 밀도가 낮고, 강도 약한 단점이 있다. 본 발명은 패커에 진동을 가하여 몰탈 밀도를 치밀하게 할수 있다.

둘째: 신속한 1차 지보를 형성한다. 종래에는 지보재를 설치 후, 양생을 고려 2~3회 쏘아 붙이는 숏크리트 타설 작업을 해야 지보재와 일체화된 콘크리트 구체가 형성되고, 일정 강도를 발휘한다. 숏크리트 타설 작업은 먼저 타설한 몰탈이 굳지 않은 상태에서 추가 타설하면, 충격으로 덩어리째 떨어지게 되므로 타설및 대기시간으로 전체적으로 오랜 시간을 소요된다.

하지만 본 발명은 패커내로 몰탈 주입기로 주입하면, 타설이 완료되고, 급결제로 인하여 굳자마자, 곧 바로 1차 지보역활을 발휘한다. 굴착된 지반에서 초기 변형을 방지하는 역할은 매우 중요하다. 풍화및 균열이 많이 형성된 암반에서, 굴착 표면의 암반이 이완되면, 상부에 위치한 암괴가 연쇄적으로 변위가 발생하고, 모두 사하중으로 작용하여, 터널붕괴로 이어 질수 있기 때문이다.

셋째: 본 발명은 패커내에 몰탈을 주입하여 채우고, 거푸집 판넬과 굴착면 사이에 몰탈을 채우는 방식으로, 몰탈 손실이 발생하지 않는다. 즉 종래의 리바운드 및 탈락이 근본적으로 방지되어 재료손실이 최소화되므로 공사비를 크게 절감시킬 수 있다.

넷째: 분진 발생이 최대한 억제되므로 쾌적한 작업환경이 유지되어 작업자의 건강을 보장할 수 있음은 물론 작업의 효율성을 제고시키며, 숏크리트 타설 작업과 동시에 다음 구간의 작업을 진행시킬 수 있게 되므로 공기단축에도 크게 기여한다.

다섯째: 용수구간에서도 숏크리트 타설 작업이 가능하다. 일반적으로 터널은 산 하단부를 관통하므로, 산에 집적된 침투수에 의하여 항상 지하수가 용출하는 작업조건이다. 용출수가 있는 상태에서 숏크리트 타설하면, 초기부착도 잘 되지 않을 뿐만 아니라, 이내 덩어리째로 탈락되는 경우가 많다.

여섯째: 편평면 형성이 용이하다. 거푸집 판넬에 의하여 불필요한 숏크리트 타설이 방지되어 편평면 형성이 용이하며, 방수쉬트 부착이 용이하다. 숏크리트 층의 날카로운 돌출부들이 방수막과 접촉하지 아니하므로 방수막이 파손될 염려가 없을 뿐만 낙하 방지판 접합부에 방수재를 부착하여 사용시 별도의 방수막이 필요없게 된다.

따라서, 본 발명은 터널공사에서 가장 중요한 공정으로, 초기변형을 방지하여 1차 지보를 형성하는 숏크리트 공사에 있어서, 시공성·안정성·공사기간 및 비용적인 측면에서 탁월한 효과를 가지는 매우 유용한 발명이다.

또한 상기 장점은 터널 라이닝과는 응력구조및 작업환경이 전혀 다른 특성을 가진 숏크리트 공사에서만 발휘되는 것으로서, 마감재 기능의 라이닝 공사에서는 발생하지 않는다. 본 발명은 요구조건이 특별한 숏크리트 공사에 관한기술이다.

도 1은 종래의 숏크리트 타설 작업을 설명하는 그림.
도 2는 터널용 강지보재의 종류를 설명하는 그림.
도 3은 터널용 지보재를 설치하는 사진.
도 4은 숏크리트 1차 타설 작업 후 모습을 보여주는 사진.
도 5 및 도 6은 숏크리트의 단계별 타설 과정을 보여주는 설명도.
도 5a는 굴착면에 지보재와 철망을 설치한 모습.
도 5b는 1차 숏크리트 타설 작업후 모습.
도 6a는 2차 숏크리트 타설 작업후 모습.
도 6b는 3차 숏크리트 타설 작업후 모습.
도 7a는 최소피복 두께를 벗어나게 숏크리트를 타설 작업한 모습.
도 7b는 최소피복 두께를 벗어나게 숏크리트를 제거한 모습.
도 8a는 지보재를 중심으로 본 발명의 패커를 접어서 감싼 모습.
도 8b는 8a에 이어, 패커 배면에 낙하 방지판을 추가로 부착한 모습.
도 9a는 8b에 이어, 패커속으로 몰탈을 주입하여 팽창시킨 모습.
도 9b는 9a에 이어, 낙하 방지판에 거푸집 판넬을 추가로 부착한 모습.
도 10은 본 발명에 사용할수 있는 거푸집 판넬의 모습.
도 11a는 지보재 배면에 거푸집 판넬만 부착한 모습.
도 11b는 11b에 이어, 몰탈을 채운 모습.
도 12a는 거푸집 판넬에 방수막을 부착한 모습.
도 12b는 방수막 부착후, 라이닝 콘크리트를 타설한 모습.
도 13a는 긴 자루형태의 패커를 격자 지보재에 끼운 모습.
도 13b는 13a에 이어, 몰탈을 주입하여 팽창한 모습.
도 14a는 13b에 이어, 지보재 배면에 거푸집 판넬을 설치한 모습.
도 14b는 14a에 이어, 몰탈을 타설하는 모습.
도 15a는 종래의 격자 지보재.
도15b는 15a에 이어 격자 지보재에 받침판을 부착한 모습.
도 16a는 15b에 이어, 격자 지보재에 패커를 씌운 후, 고정한 모습.
도 16b는 16a에 이어, 낙하 방지판을 추가 부착하고, 고정한 모습.
도 17a는 16b에 이어, 패커에 주입호스로 몰탈을 주입하는 모습.
도 17b는 17a에 이어, 주입을 완료하고, 거푸집 판넬을 조립한 모습.
도 18a는 17b에 이어, 거푸집 판넬사이에 주입호스를 설치한 모습.
도 18b는 18a에 이어, 몰탈을 타설하는 모습.
도 19a는 지보재에 거푸집 판넬을 조립하는 모습.
도 19b는 19a에 이어, 주입호스를 설치하는 모습.
도 20a는 19b에 이어, 몰탈을 타설하는 모습.
도 20b는 지보재에 거푸집 판넬을 조립한 모습의 배면도.
도 21a는 높낮이가 다르게 제작한 낙하 방지판의 모습.
도 21b는 다양하게 제작할 수 있는 낙하 방지판의 모습.

본 발명의 적용대상은 터널 숏크리트 공사용 지보재에 한정된다.

그 외의 다른 대상에서는 권리가 없다. 이렇게 스스로 적용대상을 숏크리트에 한정하는 이유는, 그 만큼 숏크리트는 터널에 있어서 중요한 의미를 가지기 때문이다.

터널에서 가장 많이 적용하는 NATM공법은 지반 자체의 자립 강성을 이용하는 공법이다. 발파로 굴착한 공간은 구속된 응력이 해제됨으로서, 동시에 붕괴하려는 응력도 작용하는데, 대책방법은 첫 번째로 신속히 지보재를 설치하고, 숏크리트를 타설해서 지반이 이완되지 않도록 지지한다. 즉 초기변형을 잡아주는 것이다.

지보재에 숏크리트를 타설하게 되면, 철근 콘크리트 합성체인 철근콘크리트 아치보(arch beam)가 형성되어 아치 형태로 지반을 지지하게 된다. 두 번째로 록볼트를 박아서 상기 철근 콘크리트 아치보를 굴착 지반과 일체화되게 한다. 이때 록볼트는 균열이 발달된 암괴들을 함께 묶어서 단면상으로 볼때, 철근 콘크리트 아치보가 아치보처럼 반원형으로 1차 배치되고, 암괴 아치가 2차 배치되며, 상호 연결되어 철근 콘크리트 보와 암괴 보가 합성체가 되어 더 큰 형태의 복합 아치 구조물을 형성하여 지반 붕괴를 방지하게 된다.

지반 굴착후 천공된 터널 공간을 통하여 응력이 해제됨과 동시에 중력에 의하여, 천단부 암괴는 초기변형을 시작하며 조금씩 낙하한다. 이를 천단침하라고 하며, 천단침하가 발생하기 시작하면, 변형으로 틈새가 발생하고 상부 암괴들이 움직일 공간이 형성되어 연쇄적으로 침하가 발생하며, 침하된 암괴는 상부하중으로 작용하며, 진행이 많이 발생하면 결국 터널붕괴로 이어 질수 있다.

따라서 초기변형을 막아 주어야, 상기 연속된 침하진행을 방지할수 있고, 안전한 상태에서 연이은 록볼트를 시공할수 있게 되며, 상기한 더 큰 복합 아치 구조물을 형성할수 있게 된다. 이처럼 터널에서 지보재와 숏크리트 타설 작업은 매우 중요한 초기 작업으로 얼마나 빠른 시간에 설치하느냐? 가 터널의 안정성을 좌우한다. 지연되면 될수록 침하를 유발하기 때문이다.

다음으로 방수막 설치및 라이닝 콘크리트를 타설하여 터널을 완성하게 된다. 방수막 설치와 라이닝 콘크리트 작업은 터널 굴착, 지보재및 숏크리트 타설후 많은 시간이 경과된 후, 시행하는 공종이다. 계측으로 터널 변위가 종료된 것을 확인한 후, 시행하는 공종으로 터널 변위와 아무런 연관성이 없으며, 안정성과도 무관하다.

즉 방수막은 방수쉬트를 설치하여 누수를 방지하는 작업이며, 라이닝 콘크리트는 공용중 차량 및 운전자 보호를 위한 마감재의 기능을 담당하고 있다. 물론 장기적으로 라이닝 콘크리트도 지반변형 등에 약간은 지지 하는 역할도 하겠지만, 터널 구조상 라이닝 콘크리트는 기본적으로 지지체로 보지 않는다.

이러한 관점에서 라이닝 콘크리트는 터널에서 구조적으로는 의미가 없으며, 안정성에도 영향을 주지 않는바, 터널 안정을 위해서는 초기변형을 방지하는 중요한 기능을 담당하는 지보재와 숏크리트에 주목해야 할 필요가 있다.

즉 본 발명의 대상은 라이닝 콘크리트가 아닌, 숏크리트에 관한 기술이다. 구조적인 기능을 하지 않는 라이닝 콘크리트에 본 발명을 적용해도 아무런 효과를 발생하지 못하기 때문이다. 라이닝 콘크리트와 숏크리트는 타설 방법도 상이하지만, 구조적으로는 크게 다르다.

도 1은 종래의 숏크리트(50) 타설 작업을 설명하는 그림으로, 급결제가 혼합된 몰탈을 공기압으로 분사하여 굴착면에 숏크리트를 타설하는 모습이다. 숏크리트(50)는 콘크리트 재료를 shot하여 타설하는 콘크리트의 합성어로, 그야 말로 던져서 붙여서 타설하는 방법이다 보니, 떨어지는 재료손실이 너무 크다는 단점이 있다. 이를 리바운드(rebound)라고 하는데. 작업여건및 숙련도에 따라 차이가 많지만 통상 벽체의 경우 15~25%가 낙반되고, 천정부는 25~35%가 떨어져서 못 쓰게 된다.

한번 떨어진 몰탈은 굳어서 재사용이 불가하고, 폐기물로서 고가의 폐기물 처리를 하여야 한다. 이중으로 재료비용이 발생한다.따라서 이러한 리바운드 손실을 줄이기 위하여, 고가의 급결재및 접착제를 다량 혼합하여 사용하는데, 화학성분으로 인하여 재료비 증가및 작업자의 건강을 위협하며, 분사시 발생하는 분진은 작업자를 힘들게 하고 있다.

도2는 터널용 강지보재의 종류를 설명하는 그림으로서, 지보재는 일반적으로 H형, U형, 격자형을 많이 사용한다. 본 발명에서는 격자지보를 대표적인 실시 예로 사용해서 설명하도록 한다. 그러나 본 발명이 격자지보에 한정되지는 않는다.

도3은 지보재(10)를 설치하는 사진으로, 지보재(10)는 암발파후 곧바로 설치하여야 한다. 굴착후 지반이 이완 되기 전에, 즉 초기변형이 발생하기 전에 신속히 보강하여야 한다. 굴착면의 지반이 이완되어 하강하면, 상부에 암괴들이 연쇄적으로 이완되고, 모두 사하중으로 작용하여 터널 변형 및 붕괴의 원인이 되기 때문이다.

따라서 암발파후 곧바로 지보재(10)를 설치한 후, 1차 숏크리트(50)를 타설하게 된다. 도 3a는 격자 지보재(10)를 설치하는 모습, 도 3b는 설치후 모습이다. 암질이 불량한 경우, 그림처럼 발파 굴착후 곧바로 간격을 좁혀서 설치하고, 숏크리트(50)를 타설한다. 즉 지반이 이완 되기 전에 격자 지보재(10)에 몰탈을 덧 붙여서, 철근 콘크리트 부재를 굴착면에 밀착 시공하여 일체화하여 지반보강을 하는 것이다. 철근은 인장부재로서, 압축부재인 콘크리트와 일체로 구성되어야 보(beam)구조를 형성하여 제대로 하중을 지지할수 있다.

즉 격자 지보재(10)를 설치하는 것이 중요한 것이 아니라, 신속히 몰탈을 분사타설하여 굳혀서 “철근 콘크리트 보”를 만들어 주어야 한다. 신속히 몰탈을 타설하지 못하면 지연된 시간만큼, 지반이 이완되어 하강할수 있게 된다. 그 만큼 빠른 시간에 몰탈의 타설여부는 터널 안정성에 큰 영향을 미친다고 하겠다.

그러나 숏크리트(50) 타설은 그리 간단한 작업이 아니다. 혼합기와 대형 타설 장비가 필요하며, 한번에 지보재(10)를 감싸는 만큼을 타설하면, 자체무게를 견디지 못하고 붕락한다. 자체 무게를 견딜 만큼 타설후, 굳은 후 타설하는 작업을 반복하여야 한다. 2~3회 분할해서 타설하게 되는데, 이것 또한 지반이 이완할 시간을 주게 되어 안정성에는 좋지 않게 된다. 따라서 한번 만에 신속히 타설할 수 있다면 터널 안정에 큰 도움이 될 것이다.

도 3은 지보재(10)를 설치하는 모습. 도 3a의 사진을 살펴보면, 격자 지보재(10) 부위가 볼록하게 돌출되게 숏크리트(50)가 타설된 것을 볼수 있다. 최대한 격자 지보재(10)의 철근을 감싸는 몰탈을 신속히 형성하기 위한 조치라고 할수 있다. 숏크리트 1차 타설 작업에 해당한다

또한 지보재(10)가 배치된 부위는 볼록하고, 지보재(10) 사이는 오목하게 형성되어 있다. 지보재 구간만 집중적으로 두껍게 분사하고, 지보재 사이는 얇게 분사하여 타설하였기 때문이다. 지보재와 지보재 사이 오목부를 채우는 작업은 2차 타설 작업이라 하고, 표면을 방수막(70)을 시공할수 있을 정도로 편평하게 만들기 위하여 타설하는 작업을 3차 타설이라 할수 있겠다. 각 각의 타설 작업은 또 2~3회씩 분할해서 타설하는 작업으로 구성되어 있다.

도 4은 숏크리트 1차 타설 작업 후 모습을 보여주는 사진으로, 지보재(10) 구간만 과도하게 블록해져 있는 것을 볼수 있다. 지보재(10) 주변을 몰탈로 신속히 감싼 후, 신속히 철근 콘크리트 아치보를 만들기 위하여, 지보재 부위만 겨냥하고 집중 분사한 결과이다. 다른 부위까지 균등하게 분사하면 전체적으로 편평한 면을 만들수 있겠지만, 많은 시간이 소요되고, 지체되어 지반 안정성이 불리해진다. 오목구간 타설시 분사 충격에 의한 진동으로 볼록구간이 붕락될수 있다.

도 5 및 도 6은 숏크리트의 단계별 타설 과정을 보여주는 설명도이다.

도 5a는 굴착면에 지보재와 철망을 설치한 모습.

도 5b는 1차 숏크리트 타설 작업으로, 급한 대로 지보재(10) 구간만 집중 분사하여 타설한 모습. 지반이완이 진행되기 전에 신속히 숏크리트(50) 타설 작업을 실시하여, 철근 콘크리트 아치보를 만들어 지반을 지지하는 모습이다.

도 6a는 2차 숏크리트 타설 작업으로, 오목부를 집중적으로 타설하여 메우는 과정이다. 그러나 지보재(10) 구간 근처에서는 분사된 숏크리트(50)가 지보재 구간에도 부착되어 두께가 조금씩 두꺼워지게 된다. 분사방식은 목표지점을 벗어나 주변에도 부착하게 된다.

도 6b는 3차 숏크리트 타설 작업으로, 방수막(70)을 시공하기 위하여 요구되는 최소 편평률을 맞추기 위하여 편평작업을 시행하는 과정이다. 일반적으로 시방서에서는 요철높이와 길이를 1:7 이하로 형성할 것을 주문하고 있어 오목부를 고가의 숏크리트(50) 자재로 채우게 된다. 이를 1:7 정도로만 채우고, 일반 콘크리트용 몰탈로 채울수 있으면 매우 경제적인 공사가 될 것이다.

즉 도 7a에서 처럼 지보재(10)를 감싸기 위한, 최소피복 두께를 벗어난, 빨간색 구간은 불필요한 구간이다. 도 7b처럼 시공하면 경제적이다.

본 발명은 일반 콘크리트로 1:7 정도로 필요한 부위만 채울 수가 있다.

지금부터는 본 발명을 설명하도록 하겠습니다.

본 발명은 숏크리트 공사에 한정되는 기술로, 지보재(10)는 격자 지보재를 대표적인 실시 예로 사용하며 설명하도록 하며, 불필요한 사항은 가급적 생략하여, 본 발명의 설명을 충실히 하도록 하겠습니다.

종래의 기술은 몰탈을 분사방식으로 타설한 콘크리트이므로 “숏크리트(50)”로 표기하며, 본 발명은 몰탈을 주입호스로 주입하여 채우는 방식으로 지금부터는 “몰탈(60)”로 구분하여 표기하도록 한다.

도 8a는 굴착면에 종래의 지보재(10)와 철망을 설치한 모습. 그리고 지보재(10)를 중심으로 주변을 본 발명의 패커(20)를 접어서 감싼 모습. 패커(Packer)는 속에 몰탈(60)을 채울 수 있는 자루를 말하며, 재질은 신축성이 있는 고무 또는 방수 처리된 섬유직물을 일반적으로 사용한다.

도 8b는 지보재(10) 배면에 낙하 방지판(30)을 부착한 모습이다. 도 21을 참조하면, 낙하 방지판(30)은 재질은 강재, 플라스틱 등 다양한 재질을 사용할수 있고, 형태는 단면상으로 “U”형이 바람직하며, 낙하를 지지할수 있는 기능을 수행하면 가능한 바, 다양하게 변형이 가능하다.

즉 패커(20)가 밑으로 처지지 않도록, 숏크리트 계획선을 벗어나지 않게 잡아주는 거푸집 역할을 한다. 패커 주머니에 주입한 몰탈(60)은 무거워 처지게 된다. 낙하 방지판(30)은 이를 일정한 계획공간에 가두어 두는 역할을 하는데, 숏크리트 타설 구역을 벗어나 후방으로 볼록해지는 것을 막아준다.

따라서 패커(20)가 부풀게 되면 단면상으로 원형을 이루게 되는데, 이를 효과적으로 감싸기 위하여, “U“형 또는 리브형(갈비뼈:rib) 구조를 이루는 것이 바람직하다. 판형 또는 통공이 다수 형성된 판형, 철망형, 절곡철근 등 다양한 형태로 제작이 가능한 바, 낙하 방지 기능을 수행하는 부재로 “낙하 방지판(30)”으로 명기한다.

도 9a는 패커(20)속으로 몰탈(60)을 주입하여 팽창시킨 모습. 종래에는 고가의 숏크리트 타설전용 장비(도 1참조)로 분사하여야 했으나, 본 발명은 소형 몰탈주입기로 간단히 주입할수 있다. 장비 운용비를 절감할수 있다.

접힌 패커(20)는 지보재(10)와 굴착면 사이에서 팽창하면서 굴착면을 견고히 지지한다. 낙하 방지판(30)은 후방뿐만 아니라 측면으로 지지 할수 있도록 U형으로 제작하며, 굴착면과 거리가 먼 경우, 즉 여굴 공간이 큰 경우를 대비하여 목두께가 다르게 종류별로 제작 사용하는 것이 바람직하다.(도 21a 참조)

패커(20)에 주입된 몰탈(60)은 급결제로 인하여 급속히 응결되고, 지보재(10)와 일체가 되고, 아치형 철근 콘크리트 보(beam)를 형성하여 굴착 지반을 지지하게 된다. 패커(20)가 부착된 지보재로서 패커형 지보재(이하 “패커형 지보재”: A )이다.

패커(packer)는 일종의 긴 자루형태의 주머니로서 몰탈(60)의 유실이 발생할수 없다. 즉 리바운드(rebound) 자체가 없으며, 손실이 발생하지 않는다. 또한 종래의 분사방식은 지보재를 감싸는 정도의 철근 콘크리트 구체를 형성하기 위해서는 2~3회 정도의 분할 타설이 불가피하며, 지보재 형성이 지연되어 지반이완이 발생할 가능성이 커진다. 본 발명은 재료비 절감 및 신속한 지지 구조물 구축이 가능하다.

즉 종래 기술은 대형장비를 가동하고 고가의 재료를 사용하였지만, 많은 재료손실이 발생하고, 작업시간이 소요되어, 지반 안정에 불리한 결과가 발생하고 있다.

또한 본 발명은 용수구간에서도 숏크리트 타설 작업이 가능하다. 일반적으로 터널은 산 하단부를 관통하므로, 산에 집적된 침투수에 의하여 대부분의 터널에서 지하수가 용출하게 돤다. 용출수가 있는 상태에서 숏크리트를 타설하면, 초기부착도 잘 되지 않을 뿐만 아니라, 이내 굴착면과 숏크리트 사이에 지하수가 차고 분리되어 덩어리째로 탈락되는 경우가 많다.

따라서 지하수 용출이 많은 구간에서는 숏크리트 작업시 큰 어려움을 격고 있다. 지하수가 많은 지반은 수압까지 작용하여 응력구조상 매우 불리하지만, 1차 지보재 형성 작업은 더욱 어려운 상황이 된다. 본 발명은 긴 자루형태의 주머니 패커를 몰탈로 채우는 방식으로, 지하수에 영향을 받지 않고 1차 지보재를 형성할수 있다. 지하수가 많은 구간에서는 지보재 형성이 지연되어, 터널 안정성이 저하되어, 붕괴등 안전사고가 발생할수 있는 바, 지하수 용출구간에서도 지보재를 신속히 형성할수 있는 기술은 본 발명에 있어서 큰 장점이라 할수 있다.

도 9b는 낙하 방지판(30)에 추가하여, 거푸집 판넬(40)을 후방에 부착한 모습이다. 거푸집 판넬(40)은 지보재(10)와 지보재(10) 사이를 연결하는 판넬로서, 오목부를 채우는 몰탈(60) 타설시 필요한 거푸집이다.

또한 본 발명은 패커(20)없이 사용하여도 양호한 타설 작업을 수행할수 있다. 즉 지보재(10)와 낙하 방지판(30)만 사용하는 기술로서, 굴착면에 지보재(10)를 설치하고, 낙하 방지판(30)을 부착한다. 다음으로 낙하 방지판(30)과 굴착면 사이로 숏크리트(50)를 분사하는 방식이다.

종래의 경우 전면과 측면에서 분사하다보니, 잡아주는 거푸집이 없는 상태이며, 열린 공간이 많아서, 리바운드가 많이 발생할 수밖에 없었다. 하지만 본 발명은 낙하 방지판(30)과 굴착면 사이를 측면에서만 분사하여 채우는 방식이다. 전면을 낙하 방지판(30)이 지지하고 있어 리바운드가 발생하지 않고 채우기가 쉬워 진다.

종래의 경우 전면과 양쪽의 측면이 개방되어 3면이 개방된 상태이며, 본 발명은 전면은 낙하 방지판(30)으로 폐쇄되고, 두 개의 측면이 개방되어 2면이 개방된 상태이다. 단순하게 비교해도 1면이 폐쇄되어 리바운드가 1/3이 적게 발생한다. 종래의 지보재에 낙하 방지판(30) 하나만 추가 하였을 뿐인데, 리바운드 손실을 30% 절감할수 있다.

종래의 2차 숏크리트 타설 작업을, 본 발명에서는 고가의 숏크리트 대신 일반 콘크리트를 사용할수 있는 장점이 있어 설명하고자 한다.

상기 패커형 지보재(A)에 의하여 아치보가 형성되어, 굴착 지반이 이미 지지되고 있으므로, 매우 불안정한 지반이 아니라면, 오목부를 급하게 채우지 않아도 된다. 현장 작업시에도 1차 숏크리트 타설 작업은 최대한 신속히 완료하여야 하지만, 채움용 2차 숏크리트 타설 작업은 굴착이 어느 정도 진행되어, 타설구간이 어느 정도 확보되고 나면, 일괄로 타설 작업을 진행한다.

초기 변형을 1차 숏크리트 타설을 실시하여, 지보재(10)와 숏크리트(50)로 철근 콘크리트 아치보를 형성하여 지지하기 때문에 지보재와 지보재 사이는 다 채울 필요가 없기 때문이다.(도 4참조) 메쉬 철망을 대고 1차 숏크리트 타설을 실시하여 혹시 발생할수 있는 낙반석을 막아주는 정도로 기본 타설만 실시하고 있다.

그런데 어느 정도 시간이 경과후 일괄로 타설해도, 터널 안정에 큰 문제가 없는 채움 콘크리트를 굳이 고가의 숏크리트(50) 재료를 사용해서 분사방식으로 시공할 필요가 없게 된다.

이러한 종래의 불합리한 시공을 개선하고자, 본 발명에서는 거푸집 판넬(40)을 설치하고, 저렴한 일반 콘크리트용 몰탈(60)을 사용하여, 몰탈 주입기로 채워서 타설하게 된다. 저가재료 및 소형장비 사용으로 비용절감 효과가 있으며, 아울러 리바운드 발생을 근본적으로 차단할수 있다. 3가지 장점이 발생한다. 간단한 거푸집 판으로 큰 효과를 기대할수 있다.

도 10은 본 발명에 사용할수 있는 다양한 거푸집 판넬(40)의 모습.

종래에는 지보재(10)와 지보재(10) 사이구간을 메쉬 철망을 설치한 후, 숏크리트(50)를 분사타설로 덧붙여서, 일체화된 구조물을 만들었다. 본 발명에서는 판넬을 설치하므로 철망이 필요없게 된다. 따라서 거푸집 판넬(40)은 몰탈(60) 채움시 일정 압력을 견딜수 있도록, 길이방향으로 어느 정도의 휨강도를 가져야 한다.

본 발명에서는 거푸집을 별도로 제작시 제작비용이 비싸지므로, 다양하게 제작되어 판매되는 기성제품을 사용하는 것이 바람직하다.

데크 플레이트(Deck plate) 형식으로, 절곡형 또는 철근보강형 등의 다양한 형태를 사용할수 있으며, 재질은 강판 또는 플라스틱, 콘크리트 등 다양한 재질이 사용 될 수 있다. 따라서 재질과 형태를 특정할수 없는 바, 몰탈(60)이 외부로 유출되지 않도록 하며, 일정 모양으로 성형을 도와주는 거푸집 기능을 수행하므로, “거푸집 판넬(40)”로 표기하도록 한다.

도 10a는 절곡형의 강판, 도 10b는 상현재는 철근, 하현재는 콘크리트, 복부 연결은 철근을 사용한 철근보강형의 콘크리트 판넬, 도 10c는 철근 보강형의 강재 판넬이다. 본 발명에 사용할수 있는 다양한 형태의 거푸집 판넬(40) 들의 모습이다. 이러한 기성 판넬을 사용하면, 제작과 설치작업이 간단하고, 타설후 콘크리트와 일체가 되어, 휨강도가 강한 강합성 콘크리트 보(beam)를 만든다. 작업효율과 지반 안정성을 크게 향상시킨다.

상기한 거푸집 판넬(40)은 본 발명에서 2가지 경우로 구분 적용할수 있다.

패커형 지보재(A)에 거푸집 판넬(40)을 추가 적용하는 방법(도 9b참조), 그냥 지보재(10)에 거푸집 판넬(40)을 추가 적용하는 방법(도 11b참조)이 있다.

굴착지반이 균열이 많아 불안정한 경우, 지반 이완을 방지하기 위하여, 패커(20)에 신속히 몰탈(60) 속채움한 후, 패커형 지보재(A)를 형성하는 것이 바람직하다. 그러나 지반이 매우 양호한 경우, 1차 지보재 형성은 필요없게 되므로, 굳이 패커작업은 할 필요가 없게 된다. 이런 경우에는 패커(20)와 낙하 방지판(30)을 생략할 필요가 있다.

도 11은 패커(20)와 낙하 방지판(30)을 생략하고, 지보재(10)에 거푸집 판넬(40)만 부착한 모습. 거푸집만 부착한 지보재로서 거푸집형 지보재(이하 “거푸집형 지보재” : B)라 표기한다.

도 11a는 지보재(10) 배면에 거푸집 판넬(40)만 부착한 모습. 거푸집 판넬(40)은 굴착면 방향으로 돌출되게 만곡된 것을 볼수 있다. 방수막(70) 시공에 문제되지 않는 범위에서, 몰탈(60) 채움을 적게 하기위한 구조이다. 따라서 시방조건인 1:7 기준을 만족하는 만곡부 단면으로 제작하는 것이 바람직 하다.

도 11b는 굴착면과 거푸집 판넬(40) 사이에 몰탈(60)을 채운 모습이다. 채움 몰탈(60)은 일반 콘크리트를 사용할수 있고, 비교적 신속한 지보효과를 얻고자 하는 경우, 급결제를 투입하여 사용하도록 한다. 급결제 사용량을 높이면 신속한 강도발현도 가능한 바, 패커작업을 생략하여, 작업을 보다 간단하고, 경제적으로 향상시킬수 있다.

본 발명은 종래기술처럼 숏크리트(50)를 분사하며, 채워 넣을수도 있고, 일반 콘크리트를 주입기로 주입타설 할수도 있다. 분사방식보다는 주입방식이 경제적이다. 작업조건에 따라 선택해서 사용할수 있다.

그러나 패커형 지보재(A)는 패커 주머니만 채우면, 급결작용으로 강도발현이 즉시 이루어 지고, 신속한 지보효과를 발휘한다. 주입량이 적어서 작업이 빠르다는 장점이 있다. 그러나 거푸집형 지보재(B)는 전 굴착면을 채워야 하므로, 몰탈(60) 타설량이 많아지고 작업이 늦어지는 단점이 있다.

또한 천정부의 거푸집에서는 몰탈의 무게로 수직하중이 크게 작용하고, 벽체 거푸집에서는 측압이 상승하여 거푸집및 지보재 변형이 발생할수 있다. 즉 거푸집 판넬(40)과 지보재(10)를 구조적으로 보강해야 하는 문제가 발생하며, 무거워져서 작업효율이 저하되고, 비용이 증가하게 된다.

작업여건에 따라 불량지반에서는 패커형 지보재(A)를, 양호한 지반에서는 거푸집형 지보재(B)를 선택해서 사용하는 것이 바람직하다.

다음으로 상기 본 발명의 패커형 지보재(A)또는 거푸집형 지보재(B)에 거푸집 판넬(40)을 설치하고, 오목구간에 채움 몰탈(60)을 타설하고, 그 위에 방수막(70)과 라이닝 콘크리트(80)를 시공함으로써 터널작업은 완성된다.

도 12a는 거푸집 판넬(40)에 방수막(70)을 부착하고, 도 12b는 라이닝 콘크리트(80)를 타설한 모습. 거푸집 판넬(40)은 판넬 형태로 자체 방수가 되지만, 이음부에서는 누수가 발생할수 있으므로, 방수작업이 선행되어야 한다. 이러한 방수작업은 일반적 사항으로 세부사항은 미도시 하였다.

도 12a는 패커형 지보재(A)를 실시 예로, 거푸집 판넬(40)을 고정하되, 판넬 이음부 사이에 방수재를 삽입하여 볼트조입 하고, 쉬트 형태로 이음부를 부착하는 모습으로 일반적인 방수방법이다. 도 12b는 12a의 상기 작업에 이어 라이닝 콘크리트(80)를 타설한 모습.

본 발명은 지반조건이 매우 양호한 경우, 패커형 지보재(A) 또는 거푸집형 지보재(B)에 거푸집 판넬(40) 설치및 채움 몰탈(60) 타설, 그리고 방수막(70) 시공후, 라이닝 콘크리트(80)를 모두 생략할수도 있다. 이때 거푸집 판넬(40)은 곧바로 외장 마감재가 된다.

지금부터는 패커형 지보재(A)를 그래픽 그림을 보면서 시공과정을 자세히 설명하도록 하겠습니다.

도 13a는 긴 자루형태의 패커(20)를 격자 지보재(10)에 끼운 모습.

도 13b는 격자 지보재(10)의 배면에 낙하 방지판(30)을 설치하고, 패커(20)의 상단과 하단을 묶은 후, 몰탈(60)을 주입하여 팽창한 모습. 여기서 지보재(10) 배면은 굴착면과 반대방향을 말한다.

도 14a는 지보재(10) 사이에 철망을 설치하고, 지보재(10) 배면에 거푸집 판넬(40)을 고정부재로 설치한 모습. , 고정부재는 볼트와 너트, 스크류 볼트, 와셔 등 고정 용도의 부재를 말한다. 도 14b는 거푸집 판넬(40)을 설치하고, 거푸집 판넬(40)과 굴착면 사이에 몰탈(60)을 타설하는 모습. 거푸집 판넬(40)의 조립높이는 타설 작업을 감안하여 조립하는 것이 바람직하다.

상기한 고정부재로 패커(20)를 지보재(10)에 고정하는 방법을 실시 예로 간단히 보충 설명하고자 한다.

도 15a는 종래의 격자 지보재(10). 도15b는 격자 지보재에 받침판을 부착한 모습이며, 볼트 조임 또는 용접으로 고정한다.

도 16a는 격자 지보재(10)를 가운데 두고 바깥으로 패커(20)를 뒤집어 씌운 후, 고정부재로 지보재의 받침판에 고정한 모습. 도 16b는 낙하 방지판(30)을 추가 부착하고 고정부재로 고정한 모습.

도 17a는 패커(20)를 씌우고, 낙하 방지판(30)을 고정한 모습과 패커(20)에 주입호스로 몰탈(60)을 주입하는 모습. 도 17b는 주입을 완료하고 철망과 거푸집 판넬(40)을 조립한 모습.

도 18a는 굴착면과 거푸집 판넬(40) 사이에 주입호스를 설치하고, 도 18b는 몰탈(60)을 타설하는 모습.

지금부터는 거푸집형 지보재(B)를 그래픽 그림을 보면서 시공과정을 설명하도록 하겠습니다.

도 19a는 지보재(10)에 거푸집 판넬(40)을 조립하는 모습. 도 19b는 굴착면과 거푸집 판넬(40) 사이에 주입호스를 설치하는 모습.

도 20a는 몰탈(60)을 타설하는 모습. 도 20b는 지보재(10)에 거푸집 판넬(40)을 조립한 모습을 보여주는 배면도.

도 21a는 낙하 방지판(30)의 실시 예로 여굴 깊이 따라 선택하여 사용할수 있도록 낙하 방지판(30)의 목부위 높낮이가 다르게 제작하는 모습. 도 21b는 낙하 방지판(30)의 실시 예로 형태가 철망형, 리브형 등 으로 다양하게 변경 제작할수 있으며, 재질 또한 강재, 플라스틱 등 으로 다양하게 제작할수 있음을 보여 준다.

지보재: 10
패커: 20
낙하 방지판: 30
거푸집 판넬: 40
숏크리트: 50
몰탈: 60
방수막: 70
라이닝 콘크리트: 80
패커형 지보재(A)
거푸집형 지보재(B)

Claims (3)

1. 삭제
2. 터널 숏크리트 낙하 방지용 격자 지보재에 있어서,
   
   터널 굴착면에 아치형태로 설치하는 격자 지보재;
   
   몰탈 콘크리트의 낙하를 방지할수 있도록,
   굴착면과 반대방향으로 숏크리트 피복두께 만큼 이격하여,
   일 측면을 폐쇄할수 있도록 상기 격자 지보재에 덧붙여 고정하는,
   일정한 높이와 폭을 가진 사각 판재인, 낙하 방지판;
   을 구비하고,
   
   터널 굴착면과 낙하 방지판 사이에서,
   단면상 격자 지보재를 중심으로 감싸서 배치하며,
   몰탈 콘크리트 주입시 철근 콘크리트 아치 구조물을 형성하기 위한
   긴 자루형태의 방수 주머니인, 패커;
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 터널 숏크리트 낙하 방지용 격자 지보재.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   몰탈 콘크리트를 채울수 있도록, 격자 지보재와 격자 지보재 사이에서, 굴착면과 반대방향으로 격자 지보재에 덧 붙여 고정하는, 일정한 높이와 폭을 가진 사각 판재인, 거푸집 판넬을 추가 구비하는 것을 특징으로 하는 터널 숏크리트 낙하 방지용 격자 지보재.
   

Images