KR102573293B1 - 터널 구축을 위한 지반개량 병행 함체 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지중을 터널방향으로 굴토하면서 미리 제작된 함체를 추진 내지 견인하는 방식으로 터널을 시공하는 방법에 관한 것으로서, a) 구축될 터널구간 상부의 도로 노면에 복공판을 설치하는 단계; b) 상기 복공판에 관통구멍을 형성시키고, 상기 관통구멍으로 그라우트 주입관을 삽입시켜 하부 토사를 그라우팅 시키는 단계; c) 상기의 그라우팅이 이루어진 부분까지 터널의 진행방향으로 지중 굴착을 실시하고, 굴착이 이루어진 부분에 함체의 진입을 실시하는 단계; d) 상기 b)단계의 그라우팅 작업과 c)단계의 굴착 및 함체의 진입 작업을 반복하여 작업구간 전체에 대한 함체의 진입을 완료시킨 후, a)단계에서 설치하였던 복공판을 제거하는 단계;가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

터널 구축을 위한 지반개량 병행 함체 공법{GROUND IMPROVEMENT PARALLEL CONCRETE BOX CONSTRUCTION METHOD FOR TUNNEL CONSTRUCTING}

본 발명은 지하구조물인 터널의 구축에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 지중을 터널방향으로 굴토하면서 미리 제작된 함체를 추진 내지 견인하는 방식으로 터널을 시공하는 기술에 관한 것이다.

도로, 철도 등의 하부에 횡단공사를 통해 터널, 지하차도 등을 건설하기 위한 공법에는 개착공법과 비개착공법이 있다. 개착공법은 지표면에서 땅을 파들어간 뒤 구조물을 설치하고 흙을 다시 메우는 공법으로, 굴토 후 내부 공간에서 구조물을 설치할 수 있으므로 안정적으로 시공할 수 있다는 장점이 있으나, 작업기간 중 보행 및 차량의 운행을 통제해야 하는 등의 문제점이 있으므로 이를 해결하기 위하여 도로를 점유하지 않고, 직접 측면에서 지하구조물을 설치할 수 있도록 하는 비개착공법이 다수 개발되어 이용되고 있다.

비개착공법으로 터널을 구축할 수 있는 대표적인 예로 함체공법이 있는데, 상기의 함체공법은 전방의 굴착작업 진행과 함께 굴착된 공간 내부로 미리 제작된 콘크리트 함체를 연속적으로 추진 내지 견인하여 삽입시키는 방식이다.

상기의 함체공법에서는 굴착 과정중 또는 함체가 지중에 진입된 상태에서 그 상부의 토사가 침하되는 것을 방지하기 위하여 통상적으로 강관(70)을 함체의 진행방향으로 삽입시켜 강관(70)루프를 형성시키거나, 도 1에 도시된 바와 같이 굴착부의 선단에서 상부방향으로 그라우트재를 분사시켜 토사의 안정화를 꾀하면서 함체를 진입시킨다.

그런데 상부의 토사층이 얇은 경우에는 상부방향으로 분사된 그라우트재로 인하여 상부에 위치한 도로가 볼록하게 튀어나오면서 그 도로를 운행하는 차량에 위험을 야기시킨다.

다른 한편으로 지중에 진입하는 함체는 고중량의 콘크리트 구조로 이루어져 있어 진입과정 중 연약지반을 만나게 되면 함체의 침하로 작업의 원활하게 진행되지 못하면서 공사기간이 길어지게 되는 문제점이 있다.

KR 10-1487312 B1

본 발명은 종래기술의 상기한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 굴착부분의 상부에 위치한 도로의 안전한 이용이 가능하도록 하면서, 굴착 및 함체의 진입이 이루어지고, 함체가 진입과정 중에 연약지반과 만나더라도 침하됨이 없이 정확한 수평상태를 유지하면서 지중 진입이 이루어질 수 있는 터널 구축의 함체 공법을 제공고자 한다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 의하면, a) 구축될 터널구간 상부의 도로 노면에 복공판을 설치하는 단계; b) 상기 복공판에 관통구멍을 형성시키고, 상기 관통구멍으로 그라우트 주입관을 삽입시켜 하부 토사를 그라우팅 시키는 단계; c) 상기의 그라우팅이 이루어진 부분까지 터널의 진행방향으로 지중 굴착을 실시하고, 굴착이 이루어진 부분에 함체의 진입을 실시하는 단계; d) 상기 b)단계의 그라우팅 작업과 c)단계의 굴착 및 함체의 진입 작업을 반복하여 작업구간 전체에 대한 함체의 진입을 완료시킨 후, a)단계에서 설치하였던 복공판을 제거하는 단계;가 포함되어 구성되는 것을 특징으로 하는 터널 구축을 위한 지반개량 병행 함체 공법이 제공된다.

이때 본 발명은 굴착공간의 하부에 대한 지반보강을 실시하면서 함체를 진입시키거나 굴착을 진행할 수 있는 것으로서, 상기 지중 굴착을 위해 최전방 함체의 전방에 위치한 선단슈의 내부에 하부로 신장되는 수직잭을 설치하고, 상기 수직잭으로 보강말뚝을 굴착공간의 하부지반에 압입 설치하여, 상기 선단슈에 의해 굴착된 공간의 하부지반을 개량하면서 함체를 진입시킬 수도 있고, 함체 하단의 양측 단부가 위치하게 될 작업구간의 지반 양측 하부에 작업구간의 길이방향으로 강관을 삽입하여 지반을 보강한 후, 상기 c) 단계에서의 굴착과 함체 진입이 이루어지게 할 수도 있다.

전자에 의한 지반보강의 경우에는 선단슈에 보강말뚝의 압입을 안내하는 가이드체가 더 설치될 수 있고, 이 경우 수직잭과 가이드체는 터널의 진행방향에 대하여 좌우로 이동할 수 있게 할 수 있다. 아울러 상기 보강말뚝을 관로가 형성된 파이프구조로 구성시키고, 상기 관로에 외부로 관통된 적어도 하나 이상의 분사공을 형성시켜, 수직잭에 의해 보강말뚝이 지반에 압입 설치되면, 상기 분사공을 통해 보강말뚝의 주변 토사에 그라우트재가 주입되게 할 수 있다.

후자에 의한 지반보강의 경우에는 c)단계에서 함체를 진입시킬 때, 상기 강관의 상면을 타고 이동하게 할 수도 있고, 상기 강관을 ㄴ자 형상으로 절개하고 이에 의해 형성된 가이드면을 타고 함체가 이동하게 할 수 있다.

본 발명은 지반의 변화되는 조건에 따라 보강말뚝을 지중에 압입 설치하여 연약지반을 곧 바로 보강하면서 함체를 지중 진입시키거나, 하부지반에 수평방향으로 강관을 삽입시켜 연약지반을 보강한 후 굴토 및 함체의 진입이 이루어지기 때문에, 함체의 침하에 따른 문제점이 발생하지 않아 터널 구축의 원활한 공사진행을 가능하게 한다.

아울러 토피고 부분에 대한 상부지반의 개량이 개방된 도로의 노면에서 이루어지기 때문에 작업의 효율성이 향상되고, 복공판에 의해 지중 토사에 주입된 그라우트재가 상부도로의 노면이 돌출되는 경우가 발생하지 않아 차량의 안전한 운행을 가능하게 함과 더불어 상기 복공판에 의해 그라우트재가 넓게 펼쳐질 수 있어 효율적이고 고품질인 지반개량이 이루어질 수 있게 된다.

또한 본 발명은 하부지반 보강을 위해 작업구간의 폭방향으로 설치된 각 강관을 절개하여 가이드면을 형성시키면서 함체 진입의 경로에 대한 계획된 라인으로의 선보정하고 이에 따라 함체가 진입되게 함으로써 정밀시공을 능률적으로 도모하게 한다.

도 1은 그라우트재를 분사시키면서 함체를 진입시키는 종래기술의 설명도이다.
도 2는 터널구축을 위한 본 발명의 작업 공정도이다.
도 3은 상기 공정도에서의 복공판 설치 단계에 관한 단면도이다.
도 4는 상기 공정도에서의 상부도로 하부의 그라우팅 단계에 관한 단면도이다.
도 5는 상기 공정도에서의 지중 굴착 및 함체의 진입 단계에 관한 단면도이다.
도 6은 굴착공간 하부지반의 보강작업에 관한 일 실시예의 단면도이다.
도 7은 도 6의 실시예에 대한 변형예의 단면도이다.
도 8은 굴착공간 하부지반의 보강작업에 관한 또 다른 실시예의 단면도이다.
도 9는 도 8이 실시예에 대한 변형예의 단면도이다.
도 10은 본 발명에 의해 작업구간 전체에 대한 함체진입이 완료된 상태의 단면도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명을 설명함에 있어 공지의 구성을 구체적으로 설명함으로 인하여 본 발명의 기술적 사상을 흐리게 하거나 불명료하게 하는 경우에는 위 공지의 구성에 관한 설명을 생략하기로 한다.

본 발명은 터널의 구조물이 되는 함체(50)를 추진하거나 견인하는 방식으로 지중에 진입시켜 터널을 구축하되, 이러한 함체(50)의 진입과 더불어 연약지반의 개량을 병행함으로써 지반의 조건이나 터널 상부의 토피고에 영향을 받지 않고 원활한 터널 구축작업을 수행할 수 있도록 하는 것으로서, 도 2는 이러한 본 발명의 작업공정을 도시한 것이고, 도 3 내지 8은 상기 작업공정의 각 단계에 관한 설명을 도면으로 도시한 것이다.

본 발명에 의한 함체(50) 공법은, 상기한 도 2에 도시하고 있는 바와 같이, a) 상부도로에 복공판(12)을 설치하는 단계, b) 상기 복공판(12)에 관통구멍(12a)을 형성시켜 그 하부로 그라우팅을 실시하는 단계, c) 상기 그라우팅이 이루어진 부분까지 지중 굴착 및 함체(50)를 진입시키는 단계, d) 상기 b)단계의 그라우팅 실시와 c)단계의 굴착 및 함체(50) 진입을 반복하는 단계가 순차로 이루어지도록 한다. 이에 관하여 각 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 상부도로에 복공판(12)을 설치하는 단계를 도시한 것이다.

상기한 복공판(12)의 설치작업에 앞서 또는 이와 동시에 터널의 작업구간 전후방 중 적어도 후방에 작업기지(20)를 구축한다.

후방에 설치된 작업기지(20)는 미리 제작된 함체(50)를 지중에 진입시키기 위한 작업공간으로서 필요에 따라 반력대(21)가 설치된다. 상기 함체(50)는 작업기지(20) 내에서 제작될 수도 있다.

복공판(12)은 구축될 터널구간의 상부에 위치한 상부도로의 노면(11)에 설치하되, 터널의 작업구간 전체에 대하여 설치하는 것이 바람직하다.

이와 같이 노면(11)에 설치된 복공판(12)은 정확한 위치에서 효율적인 그라우팅 작업을 진행할 수 있도록 함과 더불어, 낮은 토피고를 가진 경우 노면(11)을 보강하여 안전한 차량의 운행을 가능하게 한다.

따라서 상기 복공판(12)은 지중앵커(13)를 이용하여 노면(11)과 일체가 되도록 설치되어야 하며, 상기 복공판(12)에는 설정된 계획에 따라 일정한 간격으로 복공판(12)에 그라우팅을 위한 관통구멍(12a)이 설치된다.

도 4는 상기와 같이 복공판(12)에 관통구멍(12a)을 형성시키고, 상기 관통구멍(12a)으로 그라우트 주입관(14)을 삽입시켜 하부 토사를 그라우팅 시키는 단계를 도시한 것이다.

상기 그라우팅은 외부에서 하향 작업으로 이루어지기 때문에 시공성이 매우 좋아진다. 아울러 하부 토사로 주입되는 그라우트재(63)가 토압으로 인하여 역류되더라도 복공판(12)이 쉴드 기능을 하기 때문에 도로의 노면(11)에 그라우팅으로 인한 돌출현상이 발생되지 않고 그라우트재(63)가 옆으로 넓게 퍼지면서 작업구간 전단면의 연약부분을 중심으로 그라우팅이 이루어져 지반개량이 효율적으로 이루어지게 된다.

상기한 그라우팅에 의해 토피고 부분에 대한 지반의 개량이 이루어짐으로써, 그 부분에 대하여 굴토가 진행되더라도 여굴이 발생할 여지가 적어지게 된다. 이에 따라 그라우팅이 이루어진 부분까지 터널의 진행방향으로 지중 굴착을 실시하고, 굴착이 이루어진 부분에 대한 함체(50)의 진입을 실시한다. 도 5 내지 8은 상기한 굴착 및 함체(50)의 진입에 관한 각 실시예를 도시한 것이다.

도 5는 하부지반이 단단하여 별도의 지반보강이 요구되지 않는 경우를 도시한 것이다.

먼저 선단슈(30)를 지중에 압입시켜 그 내부를 굴착하고, 견인 또는 추진방식으로 굴착된 내부공간에 함체(50)를 진입시킨다. 상기 선단슈(30)의 지중 압입은 그 후방에 위치한 슈추진체(40) 또는 최선단의 함체(50) 자중을 이용하여 이루어질 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같이 복공판(12)을 이용하여 노면(11)에서 토피고 부분에 대한 그라우팅이 선행되어 이루어지기 때문에 통상적으로 실시되는 여굴 방지를 위한 선단슈(30)에서의 그라우팅은 실시하지 않아도 무방하다.

도시하지는 아니하였으나, 함체(50)의 원활한 진입을 위하여 바닥면에 가이드레일이 설치될 수도 있고, 양측에 도갱이 미리 설치될 수도 있다.

다른 한편으로 굴착된 공간의 하부지반이 연약한 경우에는 상술한 바와 같이 고중량의 함체(50)가 침하됨으로써 굴착된 전방으로의 추진 내지 견인작업이 곤란하게 될 여지가 많게 된다. 따라서 본 발명의 다른 실시예들에서는 굴착 바닥의 하부지반에 대하여도 보강작업을 통해 지반개량을 하면서 함체(50)의 진입 내지는 굴착이 이루어질 수 있도록 한다.

이러한 하부지반의 개량에 관한 일 실시예는, 도 6에서 설명하고 있는 바와 같이, 전방에 대한 굴착이 완료된 부분에 대하여 보강말뚝(60)을 압입 설치하는 방식으로 이루어진다. 이를 위해 최전방 함체(50)의 전방에 위치한 선단슈(30)의 내부에는 하부로 신장되는 수직잭(31)이 설치된다.

따라서 본 실시예에서는 선단슈(30)를 지중에 삽입시키면서 진행되는 지중 굴착후, 굴착공간에 대한 함체(50)의 진입에 앞서 상기 수직잭(31)을 이용하여 보강말뚝(60)을 지반에 압입 설치하여 연약한 하부지반을 개량하면서 함체(50)가 진입되도록 한다. 이때 상기 선단슈(30)에는 보강말뚝(60)의 압입을 안내하는 가이드체(32)가 더 설치될 수 있다.

한편, 상기한 보강말뚝(60)의 지반 압입은 터널의 폭방향 모두에 대하여 이루어질 수 있어야 하는 바, 상기한 수직잭(31)과 가이드체(32)는 터널의 진행방향에 대하여 좌우로 이동할 수 있도록 설치되어야 한다.

아울러, 상기한 보강말뚝(60)은, 하부지반을 압밀시킴으로써 지반이 개량되도록 하는 것이나, 도 7에 도시된 바와 같이 내부에 관로(61)를 가지는 파이프구조로 구성시키고, 상기 관로(61)를 그라우트재(63)의 공급관로(61)로 이용함으로써 상기한 압밀과 더불어 그라우팅에 의해 보다 단단한 지반으로의 개량을 도모하게 할 수 있다. 이를 위해 상기한 파이프구조의 보강말뚝(60)에는 관로(61)가 외부로 관통된 적어도 하나 이상의 분사공(62)이 형성된다.

이러한 도 7의 실시예에 의하면, 수직잭(31)에 의해 보강말뚝(60)이 지반에 압입 설치 완료된 후, 상기 관로(61)로 그라우트재(63)를 공급하여 분사공(62)을 통해 지중 토사에 분사시켜 이를 그라우팅시키는 방식으로 지반개량이 이루어진다. 이 경우 지반에 압입시키는 보강말뚝(60)의 개수를 최소화시킬 수 있게 된다.

도 8은 굴착된 공간의 하부지반에 대한 또 다른 실시예에 관하여 도시한 것이다.

상기한 도 8에 의한 실시예에서는 하부지반에 작업구간의 길이방향으로 강관(70)을 삽입하여 지반을 보강한다. 상기 강관(70)의 삽입은 굴착작업보다 먼저 진행되는 것으로서 적어도 함체(50) 하단의 양측 단부가 위치하게 될 작업구간의 지반 양측 하부 위치에서 이루어진다.

상기와 같이 하부지반에 설치된 강관(70)은 함체(50)의 하중을 분산시켜 지중에 전달하는 기초의 기능을 함과 더불어, 다른 한편으로는 함체(50) 진입에 대한 가이드 역할을 한다.

예컨대, 함체(50)의 진입이 하부지반에 설치된 강관(70)의 상면을 타고 이동하는 방식으로 이루어지게 할 수 있다. 그러나 이 경우 강관(70)의 설치상태에 따라 함체(50)를 좌우 및 상하 방향으로 보정을 하면서 진입시켜야 하나, 이러한 방향조절의 보정이 쉽지 않아, 계획된 라인을 따라 정확하게 함체(50)를 진입시키는 것이 곤란한 경우가 많게 된다.

따라서 본 발명의 또 다른 실시예에서는, 굴착이 완료되면 도 9에 도시된 바와 같이, 강관(70)을 ㄴ자 형상으로 절개하여 가이드면(71)을 형성시키고, 함체(50)의 양 측단부분이 상기 가이드면(71)을 타고 이동하도록 하는 방식으로 함체(50)의 지중 진입이 이루어지게 한다. 물론 상기한 강관(70)의 절개는 계획된 라인의 높이에 맞도록 이루어져야 한다. 절개되어 형성된 가이드면(71)에는 보강을 위한 콘크리트(72)가 충진될 수 있으며, 함체(50)의 규모에 따라 보강철물(73)을 가이드면(71)의 하부에 설치하여 상기 콘크리트(72)에 매립되게 하거나, 단독으로 설치하여 가이드면(71)이 충분한 지지력을 가지게 할 수 있다.

이와 같이 함체(50)가 진해야 하는 계획된 라인은 상기 강관(70)을 절개하여 가이드면(71)을 형성시키면서 선보정이 완료되므로, 함체(50)의 정확한 진입을 위하여 고중량의 함체(50)를 상하좌우로의 이동시키는 어려운 보정작업을 별도로 할 필요가 없게 된다.

지금까지 c)단계의 지중 굴착과 함체(50)의 진입 작업에 관한 다양한 실시예에 관하여 설명하였는바, b)단계의 하부 토사 그라우팅 작업과 c)단계의 상기한 지중 굴착 및 함체(50)의 진입 작업을 반복함으로써 작업구간 전체에 대한 함체(50)의 진입 작업이 완료된다. 도 9는 작업구간 전체에 대한 함체(50)의 진입이 완료된 상태를 도시한 것이다.

작업구간 전체에 대한 함체(50)의 진입 작업이 완료되면, a)단계에서 상부도로의 노면(11)에 설치하였던 복공판(12)을 제거하고, 함체(50) 내부에 대한 마감작업을 함으로써 본 발명에 의한 터널의 구축이 완료된다.

이상에서 본 발명은 구체적인 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였으나, 상기 실시 예는 본 발명을 이해하기 쉽도록 하기 위한 예시에 불과한 것이므로, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이를 다양하게 변형하여 실시할 수 있을 것임은 자명한 것이다. 따라서 그러한 변형 예들은 청구범위에 기재된 바에 의해 본 발명의 권리범위에 속한다고 할 것이다.

11; (도로의)노면 12; 복공판
12a; 관통구멍 13; 지중앵커
14; 주입관 20; 작업기지
21; 반력대 30; 선단슈
31; 수직잭 32; 가이드체
40; 슈추진체 50; 함체
60; 보강말뚝 61; 관로
62; 분사공 63; 그라우트재
70; 강관 71; 가이드면
72; 콘크리트 73; 보강철물

Claims (7)

1. a) 구축될 터널구간 상부의 도로 노면(11)에 복공판(12)을 설치하는 단계;
   b) 상기 복공판(12)에 관통구멍(12a)을 형성시키고, 상기 관통구멍(12a)으로 그라우트 주입관(14)을 삽입시켜 하부 토사를 그라우팅 시키는 단계;
   c) 상기의 그라우팅이 이루어진 부분까지 터널의 진행방향으로 지중 굴착을 실시하고, 굴착이 이루어진 부분에 함체(50)의 진입을 실시하는 단계;
   d) 상기 b)단계의 그라우팅 작업과 c)단계의 굴착 및 함체(50)의 진입 작업을 반복하여 작업구간 전체에 대한 함체(50)의 진입을 완료시킨 후, a)단계에서 설치하였던 복공판(12)을 제거하는 단계;가 포함되어 구성되는 것으로서,
   상기 c)단계에서의 지중 굴착은 최전방 함체(50)의 전방에 위치한 선단슈(30)를 지중에 삽입시키면서 진행되고, 상기 선단슈(30)의 내부에는 하부로 신장되는 수직잭(31)이 설치되어, 상기 수직잭(31)으로 보강말뚝(60)을 굴착공간의 하부지반에 압입 설치하여 상기 하부지반을 개량하면서 함체(50)를 진입시키며,
   상기 선단슈(30)에는 보강말뚝(60)의 압입을 안내하는 가이드체(32)가 설치되고, 상기 수직잭(31)과 가이드체(32)는 터널의 진행방향에 대하여 좌우로 이동할 수 있는 것임을 특징으로 하는 지반개량 병행 함체 공법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 보강말뚝(60)은 관로(61)가 형성된 파이프구조로 이루어지고, 상기 관로(61)에는 외부로 관통된 적어도 하나 이상의 분사공(62)이 형성되고, 수직잭(31)에 의해 지반에 압입 설치된 후 상기 분사공(62)을 통해 보강말뚝(60) 주변 토사에 그라우트재(63)가 주입되는 것을 특징으로 하는 지반개량 병행 함체 공법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 c)단계를 진행하기에 앞서, 함체(50) 하단의 양측 단부가 위치하게 될 작업구간의 지반 양측 하부에 작업구간의 길이방향으로 강관(70)을 삽입하여 지반을 보강하는 것을 특징으로 하는 지반개량 병행 함체 공법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 c)단계에서의 함체(50) 진입은 상기 강관(70)의 상면을 타고 이동하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지반개량 병행 함체 공법.
7. 제5항에 있어서,
   상기 c)단계에서의 함체(50) 진입은 상기 강관(70)을 ㄴ자 형상으로 절개하여 형성된 가이드면(71)을 타고 이동하는 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지반개량 병행 함체 공법.

Images