KR102621153B1 - 수중터널의 지반 접속부 - Google Patents

Abstract

본원은, 적용 환경에 맞추어 강성도가 조정된 조인트를 포함하는 수중터널의 지반 접속부에 관한 것이다.

Description

수중터널의 지반 접속부{SHORE CONNECTION OF SUBMERGED FLOATING TUNNEL}

본원은, 적용 환경에 맞추어 강성도가 조정된 조인트를 포함하는 수중터널의 지반 접속부에 관한 것이다.

기상 환경에 큰 영향을 받지 않는 수중터널은 바다 및 강을 가로질러 도로 및 철도를 제공할 수 있어 최근 활발한 연구가 수행되고 있다. 수중터널은 내륙과 내륙 또는 내륙과 섬을 연결하는 목적으로 설계되며, 장거리 구간 설계 시 일정 거리마다 인공섬 또는 고정시설물을 설치하여 안정성 확보 및 환기 시설을 마련하여야 한다. 또한, 수중터널이 내륙과 연결될 경우, 지반 내부의 지중터널과 연결되어야 한다. 이때 수중터널과 지중터널이 연결될 경우, 두 터널의 구속 조건에 큰 차이가 있기 때문에 수중터널은 상대적 큰 변위가 발생하고 지중터널은 상대적으로 제한된 변위가 발생하는, 서로 다른 거동을 보이게 된다. 이에 따라 두 터널의 연결부에는 응력이 집중될 수 있으며, 응력 집중 시 터널 및 주변 지반의 변형이 발생하여 파괴 및 침수가 발생할 수 있다. 또한 수중 구조물의 파괴 시 피해가 극심하며 보수가 어려우므로 수중 터널에 지속적으로 작용하는 동적 하중에 대한 안정성을 확보하는 설계의 선행이 필수적이다.

종래기술의 터널 조인트 설계는 터널 세그먼트간 상대 변위를 제한하는 목적과 터널 세그먼트의 연결부에 생긴 틈으로 지하수 또는 해수가 침투되지 않도록 하는 목적으로 구성되었다. 따라서 종래기술의 조인트는 양쪽 터널을 완전히 고정/연결하는 역할을 하며, 일반적으로 침수를 방지하기 위한 가스켓 및 지수재를 터널 외주면을 따라 배치하고 내부에서 두 세그먼트를 볼팅하여 연결하는 것으로 설계된다 (Wang, Z., Wang, L., Li, L., & Wang, J. (2014). Failure mechanism of tunnel lining joints and bolts with uneven longitudinal ground settlement.　Tunnelling and Underground Space Technology,　40, 300-308; 및 도 1). 그러나, 종래기술의 터널 조인트 설계는 수중터널과 지중터널에서 작용하는 상대적 변위차를 고려하지 않은 바, 응력이 조인트에 집중될 수 있어 터널 및 주변 지반의 변형이 발생하여 파괴 및 침수가 발생할 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 수중터널과 지중터널을 연결하는 접속에서의 조인트는 수중 터널에 작용하는 동적 하중으로 인해 발생하는 변위를 고려하여 설계되어야 한다.

본원은, 상기 문제점을 해결하기 위해 일정 수준의 변위를 허용하는 강성의 조인트를 포함하는 수중터널의 지반 접속부를 제공한다.

그러나, 본원이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본원의 제 1 측면은, 지중부 터널과 수중부 터널을 연결하는 조인트를 포함하는, 수중터널의 지반 접속부로서, 상기 조인트는, 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널 사이의 변위를 허용하여 상기 조인트에 가해지는 응력 집중을 해소하는, 수중터널의 지반 접속부를 제공한다.

본원의 제 2 측면은, 적용 환경에 맞추어 강성도가 조정된 조인트를 사용하여 지중부 터널과 수중부 터널을 연결하는 것을 포함하는, 수중터널의 지반 접속부 제조방법을 제공한다.

본원의 구현예들에 따른 수중터널의 지반 접속부는, 지중부 터널과 수중부 터널 사이의 변위를 허용하여 조인트에 가해지는 응력 집중을 해소하여 거동 불균형으로 발생하는 위험을 제거하는 효과를 제공할 수 있다.

본원의 구현예들에 따른 수중터널의 지반 접속부의 조인트는 연결 부위의 둘레에 형성되되 각각이 6자유도 변위 발생 가능하도록 설계되어 지중부 터널과 수중부 터널 사이의 변위를 허용함으로써 응력 집중을 해소할 수 있다.

본원의 구현예들에 따른 수중터널의 지반 접속부는, 목표한 시공 대상 지역의 특성(지반 물성, 심도, 터널의 목적)에 따라 조인트 강성도를 다르게 설계함으로써 변위의 허용 가능범위를 설정하여 상기 적용 환경에 적합한 조인트 설계가 가능한 특징이 있다.

도 1은, 종래기술의 터널 조인트 설계를 나타내는 그림이다.
도 2는, 지중터널과 수중터널 사이를 연결하는 접속부 및 이들에 발생하는 변위 불균형을 나타내는 모식도이다.
도 3은, 본원의 일 구현예에 있어서, 수중터널의 지반 접속부의 위치 및 이들의 6자유도를 나타내는 모식이다.
도 4는, 본원의 일 구현예에 있어서, 수중터널의 지반 접속부의 구조 설계를 나타내는 측면도와 단면도를 나타낸다.
도 5a는, 본원의 일 실시예에 있어서, 파랑하중의 작용에 따른 지반 접속부 주변 지반에의 응력 집중을 확인하기 위한 수치해석 모델링의 조성환경 개략도이다.
도 5b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 파랑하중의 작용에 따른 접속부 주변 지반에의 응력 집중을 확인하기 위한 수치해석 모델링의 접속부 모사 개략도이다.
도 5c는, 본원의 일 비교예에 있어서, 본원의 조인트가 적용되지 않은 접속부에서의 파랑하중의 작용에 따른 접속부 주변 지반에의 응력 집중을 확인하기 위한 접속부 주변 지반의 전단변형(측면)을 확인한 그림이다.
도 5d는, 본원의 일 비교예에 있어서, 본원의 조인트가 적용되지 않은 접속부에서의 파랑하중의 작용에 따른 접속부 주변 지반에의 응력 집중을 확인하기 위한 접속부 주변 지반의 전단변형(정면)을 확인한 그림이다.
도 5e는, 본원의 일 실시예에 있어서, 수중터널의 지반 접속부의 적용에 따른 접속부 주변 지반의 전단변형(측면)을 확인한 그림이다.
도 5f는, 본원의 일 실시예에 있어서, 수중터널의 지반 접속부의 적용에 따른 접속부 주변 지반의 전단변형(정면)을 확인한 그림이다.
도 6a는, 본원의 일 실시예에 있어서, 수중터널의 지반 접속부의 조인트의 강성도 변화에 따른 상기 지반 접속부의 최대 변위 변화를 확인한 그래프이다.
도 6b는, 본원의 일 실시예에 있어서, 수중터널의 지반 접속부의 조인트의 강성도 변화에 따른 상기 지반 접속부에 가해지는 최대 모멘트 변화를 확인한 그래프이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 디바이스를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.

본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~ 하는 단계" 또는 "~의 단계"는 "~를 위한 단계"를 의미하지 않는다.

본원 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합(들)"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.

본원 명세서 전체에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A 또는 B, 또는 A 및 B"를 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본원의 구현예 및 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본원이 이러한 구현예 및 실시예와 도면에 제한되는 것은 아니다.

본원의 제 1 측면은, 지중부 터널과 수중부 터널을 연결하는 조인트를 포함하는, 수중터널의 지반 접속부로서, 상기 조인트는, 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널 사이의 변위를 허용하여 상기 조인트에 가해지는 응력 집중을 해소하는, 수중터널의 지반 접속부를 제공한다. 구체적으로, 상기 수중터널의 지반 접속부는 수중터널이 지반에 접속하여 지중터널과 연결되는 구간을 말하며, 상기 조인트는 지중부 터널과 수중부 터널을 연결하는 것으로 지중터널의 세그먼트와 수중터널의 세그먼트를 연결하는 것을 말한다.

도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면, 도 1을 통해 종래기술의 조인트 설계를 확인할 수 있다. 종래기술의 조인트 설계는 지중, 수중 등 설계 환경에 관계없이 볼팅 등으로 터널의 세그먼트 간에 작용하는 변위를 제한하여 두 세그먼트 사이를 최대한 고정하며, 연결 부위의 틈으로 지하수 또는 해수가 침투되지 않도록 하였다. 그러나, 이러한 설계는 지중부 터널과 수중부 터널의 연결과 같이 상대 변위가 차이가 발생하는 지역에서는 조인트에 응력이 집중되어 파괴 및 침수가 발생할 위험이 존재한다. 그에 반해, 본원의 수중터널의 지반 접속부는 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널 사이의 변위를 허용하여 상기 조인트에 가해지는 응력 집중을 해소하여 거동 불균형으로 발생하는 위험을 제거하는 효과를 제공할 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 조인트는 6자유도 변위 발생을 허용하는 것일 수 있다. 구체적으로, 본원의 수중터널의 지반 접속부의 조인트는 연결 부위의 둘레에 형성되되 각각이 6자유도 이동이 가능하도록 설계되어 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널 사이의 변위를 허용함으로써 응력 집중을 해소할 수 있다. 도 3 에서와 같이, 일례로서 원형의 지중터널과 수중터널이 연결되는 경우, 각각의 조인트는 원형의 둘레를 따라 배치될 수 있으며 이들 조인트의 조합을 통해 상기 조인트 전체는 6자유도 이동이 가능한 설계가 될 수 있다. 구체적으로, 상기 조인트는 6자유도를 고려하여, X,Y,Z 방향 회전과 변위에 대한 강성을 각각 정의할 수 있도록 설계가 가능하다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 조인트는 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널의 말단 각각에 테넌 및 상기 테넌을 연결하는 전단 방향 스프링, 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널 사이의 축방향 스프링, 또는 상기 둘 모두를 포함하는 것일 수 있다. 도 4를 참조하여 설명하면, 상기 전단 방향 스프링과 상기 축방향 스프링이 모두 포함되는 경우, 상기 전단 방향 스프링과 상기 축방향 스프링은 한 세트로 구성되어 상기 조인트를 형성할 수 있다. 이때 12시 방향의 조인트에서, 축방향 스프링은 도 3의 2번 방향의 이동 및 전단 반향 스프링은 3번 방향의 이동을 허용할 수 있다. 또한, 3시 방향의 조인트에서, 축방향 스프링은 도 3의 2번 방향의 이동 및 전단 반향 스프링은 1번 방향의 이동을 허용할 수 있다. 이에 따라, 상기 원형의 터널에 배치된 복수의 조인트는 전체는 6자유도 이동이 가능한 설계가 될 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 조인트는, 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널 사이의 둘레 전체에 걸쳐 복수개로 형성된 것일 수 있다.

도 5a 내지 도 5f를 참조하여 설명하면, 수치해석적으로 파랑하중의 작용에 따른 접속부 주변 지반에의 응력 집중을 확인하기 위한 수치해석 모델링의 조성환경을 도 5a와 같이 설정하고, 접속부를 도 5b와 같이 모사하였다. 이때 수치해석 모델링에서 모사한 환경 및 터널 재원은 하기 표 1 및 2와 같다:

[표 1]

[표 2]

도 5a 및 도 5b를 통해 수중터널에 파랑하중이 작용하여 변위가 발생하면 지반 접속부까지 전달되며, 지반에 의해 구속된 지반 접속부 부근의 지반 및 터널에 응력이 발생함을 확인할 수 있다. 보다 구체적으로, 도 5c 및 도 5d에서와 같이 종래기술의 조인트로 수중터널과 지중터널을 연결하고 수중터널에 파랑하중이 발생하면 지반 접속부 주변 지반에 변형이 집중되고, 이는 지반 접속부 및 주변 지반의 전단파괴 발생 위험이 큰 것을 의미하므로, 동적 안정성 향상이 필요한 것을 확인할 수 있다. 그에 반해, 본원의 수중터널의 지반 접속부를 통해 지중터널과 수중터널을 연결하여 수치해석적으로 시뮬레이션한 결과, 6자유도 변위 허용과 강성 설계를 통해 상기 조인트는 종래기술의 결과인 도 5c 및 5d에서의 결과에 비해 지반의 최대 전단변형율이 약 30%가 감소한 것으로 나타나 (도 5e 및 도 5f), 상기 지반 접속부에 전달된 변형의 일부를 흡수 및 변위를 허용하여 응력 집중을 해소하는 효과가 있음을 확인하였으며, 이를 통해 강성 조인트의 설치로 상대변위가 허용되고, 지반 안쪽으로의 전단변형이 전달됨으로써 지반 접속부에 발생하던 응력 집중이 해소되어 지반 변형 분포가 변화 있음이 확인되었다.

본원의 일 구현예에 있어서, 적용 환경에 따라 상기 조인트의 강성도를 조정하여 상기 조인트에 가해지는 응력 집중을 해소하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 조인트의 강성도는 상기 조인트에 포함되는 스프링의 탄성계수의 조절을 통해 조정될 수 있다. 또한, 목표한 시공 대상 지역의 특성(지반 물성, 심도, 터널의 목적)에 따라 상기 조인트 강성도를 변화시킴으로써 변위의 허용 가능범위를 설정하면 상기 적용 환경에 적합한 조인트 설계가 가능한 특징이 있다.

도 6a 및 도 6b를 참조하여 설명하면, 수중터널의 지반 접속부의 조인트의 강성도 변화에 따른 응력 집중 해소를 확인할 수 있다. 구체적인 일례로서, 도 5a 내지 도 5f와 같은 수치해석적으로 응력 집중을 확인에서, 상기 조인트의 강성도를 변화시키면서 상기 지반 접속부 및 터널에 가해지는 응력을 확인하였다. 상기 표 1 및 표 2에서의 조건에서, 도 6a 및 도 6b를 통해 조인트의 강성도가 증가함에 따라 최대 변위가 감소함이 확인되었다. 또한, 도 6c 및 도 6d를 통해 일정 강성도 이상에서는 최대 벤딩 모멘트가 일정해지는 것을 확인하였으며, 이는 접속부 인근의 세그먼트가 허용하는 응력 이상에 대해서는 주변 지반으로 응력을 전달함을 의미한다. 즉, 조인트의 강성도에 따라 터널에 작용하는 상대 변위 발생 정도와 터널에 작용하는 부재력으로부터 터널 설계의 안정성을 확인을 통해 강성 조인트의 사용으로 인한 지반 접속부의 설계를 충분히 할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한, 이를 통해 강성도의 감소에 따라 허용 변위가 증가하므로, 상기 지반 접속부에 작용하는 응력이 감소할 수 있다는 것과 허용 변위 이내의 최대한의 변위를 허용하도록 강성도를 설정함으로써, 발생 응력을 최소화함으로써 터널의 목적(철도, 고속도로 등)에 따라 조인트 설계가 가능함을 확인하였다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 조인트는 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널 사이의 외주, 내주, 또는 상기 둘 모두에 가스켓을 추가 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 가스켓(Gasket)은 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널 사이의 접촉면에서 지하수 또는 해수가 새지 않도록 하기 위하여 끼워 넣는 패킹(packing)으로, 비석면 가스켓, 석면　가스켓, 팽창흑연 가스켓, 불소수지 가스켓, SPIRAL WOUND 가스켓, N.B.R(Nitrile Butadiene Rubber) 가스켓, VITON 가스켓 또는 O-RING을 포함할 수 있으나, 터널의 세그먼트에 적용할 수 있는 것이면 제한없이 사용가능하다.

본원의 제 2 측면은, 적용 환경에 맞추어 강성도가 조정된 조인트를 사용하여 지중부 터널과 수중부 터널을 연결하는 것을 포함하는, 수중터널의 지반 접속부 제조방법을 제공한다.

본원의 제 1 측면과 중복되는 부분들에 대해서는 상세한 설명을 생략하였으나, 본원의 제 1 측면에 대해 설명한 내용은 본원의 제 2 측면에서 그 설명이 생략되었더라도 동일하게 적용될 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 적용 환경에 맞추어 강성도를 조정하는 것은, 상기 접속부에 작용하는 응력이 상기 조인트와 연결되는 지중부 터널 세그먼트의 허용 부재력 및 지반의 허용 응력을 초과하지 않도록 하는 상기 조인트의 강성도로 결정하는 것을 포함하는 것일 수 있다.

본원의 일 구현예에 있어서, 상기 적용 환경에 맞추어 강성도를 조정하는 것은, 지중부 터널과 수중부 터널이 연결된 전체 터널의 터널로서의 기능성을 보장하는 상기 조인트의 최대 허용 변위를 결정하고, 상기 최대 허용 변위를 초과하지 않도록 상기 조인트의 강성도를 결정하는 것을 포함하는 것일 수 있다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (9)

1. 지중부 터널과 수중부 터널을 연결하는 조인트를 포함하는, 수중터널의 지반 접속부로서,
   상기 조인트는, 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널 사이의 변위를 허용하여 상기 조인트에 가해지는 응력 집중을 해소하며,
   상기 조인트는 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널 사이의 둘레 전체에 걸쳐 복수개로 형성된 것이고,
   상기 조인트는 각각, 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널의 말단 각각에 테넌, 상기 테넌을 연결하는 전단 방향 스프링, 및 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널 사이의 축방향 스프링을 포함하는 것이며,
   상기 복수개의 조인트의 조합으로 인하여 상기 조인트는 6자유도 변위 발생을 허용하는 것이고,
   상기 조인트는 상기 지중부 터널과 상기 수중부 터널 사이의 외주, 내주, 또는 외주 및 내주에 가스켓을 포함하는 것인,
   수중터널의 지반 접속부.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   적용 환경에 따라 상기 조인트의 강성도를 조정하여 상기 조인트에 가해지는 응력 집중을 해소하는 것인, 수중터널의 지반 접속부.
   
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제