KR102686751B1 - Tbm의 스킨플레이트를 활용하는 연약지반 터널 굴착을 위한 선단 보강장치 및 그를 이용한 굴착방법 - Google Patents
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Abstract
본 출원 발명은 막장면을 안정적으로 유지하기 위하여 터널의 굴착과정에서 굴착 안정에 영향을 미치는 막장면 지반의 범위를 어드밴스 코어 (advance core)라 정의하고 이의 보강을 통한 안전한 터널 굴착 공법을 본 출원 발명에서 제안하고자 한다. 이를 위하여, 터널 보링 머신의 전단부 스킨플레이트 및 후단부 스킨플레이트와 상기 전단부 스킨플레이트를 방향전환이 가능하게 상기 후단부 스킨플레이트와 연결하는 한쌍의 방향전환잭; 및 상기 후단부 스킨플레이트의 끝단에 구비되어 상기 후단부 스킨플레이트를 콘크리트 라이닝의 반대쪽으로 밀어주는 추진잭; 및 상기 전단부 스킨플레이트 전방으로 돌출되되 아래쪽으로 갈수록 돌출되는 정도가 작게 돌출되는 보강판; 및 상기 보강판이 상기 전단부 스킨플레이트에 고정될 수 있도록 상기 전단부 스킨플레이트 안쪽에 구비되는 보강판고정부; 및 상기 보강판 끝단에 구비되어 금속제 튜브가 부착되고 이를 통하여 고압의 물이나 공기를 분사하여 압입을 용이하게 하는 선단슈; 및 상기 보강판과 보강판 사이에 구비되어 전방으로 더욱 돌출되어 삽입됨으로써 막장붕괴를 막아주는 고정핀을 구비한 선단보강장치를 구비한 TBM을 제공한다. 상기와 같은 발명의 구성에 의하여 토사 지반이나 점토와 같은 연약지반에서 터널 굴착을 하는 경우에 막장의 붕괴 없이 안전하게 터널을 굴착할 수 있는 효과가 있는 발명을 제공한다.
Description
연약지반의 터널을 굴착하는 기술에 관한 것으로, 더욱 자세하게는 TBM의 스킨플레이트에 부착되는 선단 보강장치를 이용하여 연약지반을 굴착하는 기술에 관한 것이다.
본 발명의 출원 이전의 선행기술로 워터젯 절단 타입 암반 굴착장치가 개시되어 있다. 연약지반이나 대수 지반에 터널을 만들 때 사용되는 굴착공법인 실드 공법 또는 RCD 공법 대용으로 사용될 수 있으면서 암반을 굴착할 수 있도록 한 워터젯 절단 타입 암반 굴착장치에 관한 것으로서, 초고압으로 제공되는 워터(물)를 이용하여 암반을 1차 절단한 상태에서 스크레이퍼를 이용하여 암반을 파쇄할 수 있도록 하여 작업성 향상은 물론이고, 저비용으로 장비의 유지 관리가 이루어질 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
또 다른 선행기술로 개량형 TBM 암반터널에서 연약지반 굴착보강장치가 개시되어 있다. 이 기술에서는 회전에 의해 암반을 천공 굴착하는 회전커터헤드와 상기 회전커터헤드를 전진시키는 전진이동부를 갖는 굴착체와; 상기 굴착체의 전진이동부 외면에 구비되고 굴착된 암반면에 밀착되어 상기 굴착체 전진이동할 때 굴착체를 지지하는 그리퍼체와; 상기 굴착체의 회전커터헤드와 상기 그리퍼체 사이에 구비되어 암반 천공 굴착시 단층파쇄구간을 보강하는 보강체와; 상기 보강체에 의해 상기 단층파쇄구간에 시공되는 세그먼트를 포함하고, 상기 보강체는, 상기 굴착체의 전진이동부 외면을 포설하고 베어링부를 갖는 보강체하우징부와; 상기 보강체하우징부와 지지프레임부로 연결되어 상기 보강체하우징부의 둘레부에 위치되고 내주면을 따라 연동기어가 구비되는 보강체회전부와; 상기 보강체회전부의 연동기어와 치합되는 구동기어를 갖는 보강체회전모터와; 상기 보강체회전부와 보강체브라켓으로 연결되는 제1실린더부 및 제2실린더부와; 상기 제1실린더부와 일측이 연결되는 제1링크부 및 상기 제2실린더부와 일측이 연결되는 제2링크부와; 상기 제1링크부의 타측과 상기 제2실린더부의 타측이 연결되고 상기 세그먼트와 연결되는 연결돌부를 갖는 세그먼트이랙터로 구성된 기술이 개시되어 있다.
도시와 생활이 발전하면서, 지상에 설치하였던 전신주, 전선 등을 지하로 설치하여 지상부 환경을 깨끗이 하는 노력들이 많아지고 있다. 이를 위해서는 터널 등의 굴착이 필수적이다. 그러나, 터널을 굴착하는 것 자체가 지반에 공동을 발생시키는 과정이므로, 굴착과 동시에 지반에 공동이 생성되고, 이는 상부의 하중을 지탱하던 지반을 제거하는 것이므로, 상기 공동의 압력이 낮아지기 때문에 상기 공동 주변의 지반이 공동(터널)로 이동하려는 경향이 발생한다.
이러한 문제를 해결하고자 터널을 굴착하면서 터널의 천단(윗쪽)과 측벽은 각종 보강재로 보강하는 작업으로 상대적으로 안정적인 굴착이 가능하다. 그러나, 굴착이 진행되는 전면의 막장면은 굴착을 진행하여야 하기 때문에 보강하지 않으며, 따라서 터널 작업에서 막장면이 가장 불안정한 상태이며, 특별히 연약한 지반에서는 막장면의 붕괴(face failure)가 발생할 가능성이 가장 높다(도2)
지반이 충분히 단단하다면, 막장면이 터널 굴착과정에서 무너지지 않을 수 있다. 이는 터널의 종방항 아칭(arching) 또는 횡방향 아칭을 통해 상부 하중을 터널 주변 지반이 분담하여 막장 부근의 터널이 부담하는 하중을 줄여주기 때문이며 이것을 아칭현상 (arching effect)일라고 한다.
상기와 같은 아칭현상은 풍화암 이상의 강도를 가지는 지반에서는 터널 굴착과정에서 무너지지 않고 잘 유지되지만, 토사 지반이나 점토와 같은 탄성계수가 상대적으로 작은 연약지반의 경우 아칭에 의한 막장면의 안정성을 기대할 수 없으므로 막장 주변을 보강하지 않고 굴착한다면 터널 막장의 붕괴가 발생한다.
이러한 문제를 해결하고자 막장면을 안정적으로 유지하기 위하여 터널의 굴착과정에서 굴착 안정에 영향을 미치는 막장면 지반의 범위를 어드밴스 코어 (advance core)라 정의하고 이의 보강을 통한 안전한 터널 굴착 공법을 본 출원 발명에서 제안하고자 한다(도1)
또한 굴착면은 기존의 막장면 상하반 분할방식 보다 안정적인 효과가 있는 굴착면의 경사를 흙의 안식각 또는 토사지반 공사 중 임시 비탈면의 굴착 각도인 45도를 유지 (사면경사 1:1) 하며 굴착한다.
상기 방법에 의한 굴착은 기존의 메서쉴드 방법이 전방을 보강하여 어드밴스 코어를 만들지 않고, 막장막이의 개폐를 반복하며 굴착하는 기존의 방법과 비교하여 막장막이 없이 연속적으로 굴착이 수행되므로 시공성이 개선된다(도 7 참고)
본 출원 발명의 전단부 스킨플레이트 및 후단부 스킨플레이트를 이용한 터널공법은 굴착 시 막장막이를 상용하지 않기 때문에 작업공간이 충분하여 기계굴착이 가능하기 때문에 시공속도가 빠르고, 막장의 붕괴 가능성이 없기 때문에 매우 안정적으로 굴착이 가능하다. 이러한 굴착이 가능한 것은 굴착 전에 터널직경 D의 1.5 ∼ 2 배의 전방 연약지반에 시멘트 그라우팅으로 어드밴스 코어를 생성하여 지반을 강화시킨 후에 작업하기에 가능한 것이며, 이러한 전방 지반의 강화로 지반침하가 감소하는 장점이 있는 공법이다.
즉, 본 출원 발명은 TBM 장치를 이용하여 연약지반에서 터널 굴착을 하는 과정에서 막장면이 붕괴되지 않고 터널 굴착을 할 수 있는 수단을 제공하고자 하는 것이다. 상기 TBM(Tunnel Boring Machine, 터널을 뚫을때 쓰는 대형 천공기)는 터널을 뚫을때 쓰는 대형 천공기의 일종으로, 줄여서 TBM으로 부르며 정식 명칭으로는 터널 보링 머신인데 '터널 천공기' 또는 '굴진기' 로 불린다.
일반적인 경우 TBM 장비를 활용하여 전체 터널 구간을 굴착하나 TBM은 굴진방향을 90도 까지 변경하는 것이 불가능하므로 직선 구간만 굴착을 하고 90도 방향 전환 이후는 메서쉴드 등 다른 공법을 적용하여 굴착하고 있으며, 신규 TBM 터널을 기존의 구조물과 연결하여야 하는 경우에도 안전을 위하여 기존 구조물과 일정 거리까지만 굴착하고 이후는 다른 공법을 적용하기도 한다. 이때 공사에 사용된 TBM 장비는 후진이 안되므로 경우에 따라 회수가 불가능한 경우가 발생되어 최악의 경우 매립시켜 버릴 수도 있으며, TBM 커터헤드와 주요 내부 장치만 회수하고 외피인 스킨플레이트는 잔류시켜 매립하는 것이 적용된다. 본 출원 발명은 TBM의 스킨플레이트를 버리지 않고 다시 활용하는 터널 굴착 방법을 제공한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 과제해결 수단은 다음과 같다.
터널 보링 머신의 전단부 스킨플레이트 및 후단부 스킨플레이트와
상기 전단부 스킨플레이트를 방향전환이 가능하게 상기 후단부 스킨플레이트와 연결하는 한쌍의 방향전환 잭; 및
상기 후단부 스킨플레이트의 끝단에 구비되어 상기 후단부 스킨플레이트를 콘크리트 라이닝의 반대쪽으로 밀어주는 추진잭; 및
상기 전단부 스킨플레이트 전방으로 돌출되되 아래쪽으로 갈수록 돌출되는 정도가 작게 돌출되며 그 경사가 45도(1:1)에 가까운 보강판; 및
상기 보강판이 상기 전단부 스킨플레이트에 고정될 수 있도록 상기 전단부 스킨플레이트 안쪽에 구비되는 보강판고정부; 및
상기 보강판 끝단에 구비되는 선단슈; 및
상기 보강판과 보강판 사이에 구비되어 전방으로 더욱 돌출되어 삽입됨으로써 막장붕괴를 막아주는 고정핀을 구비한 것을 특징으로 하는 선단보강장치를 구비한 TBM을 제공한다.
또한, 상기 터널 보링 머신의 커터헤드 및 상기 커터헤드를 구동하는 구동부는 상기 TBM에서 제거된 것을 특징으로 하는 TBM의 스킨플레이트를 활용하는 연약지반 터널 굴착을 위한 선단 보강장치를 제공한다.
또한, 상기 TBM의 스킨플레이트를 활용하는 연약지반 터널 굴착을 위한 선단 보강장치를 이용한 굴착방법에 있어서,
(a)단계는 TBM 굴착 시작단계로, TBM은 커터헤드 내부장치 등으로 구성되며 외피는 금속재 스킨 플레이트로 구성되어 터널 굴착하는 장비로 최초 굴착은 TBM 굴착기로
굴착하는 단계로 굴착이 시작되면 TBM 전단에 구비된 커터헤드가 회전하며 지반을 굴착하고,
굴착된 공동의 후방에 이어서 세그먼트 라이닝 구조물을 붙여가며 연속시공하며, 후방 라이닝에 추진잭을 밀어서 전방으로 추진하며, 방향전환은 방향전환 잭으로 수행하기 때문에 정밀하고 빠른 시공을 하는단계,
(b)단계는 (a)단계 이후에 막장 전방 지반 보강단계로 TBM 커터헤드와 내부장치를 제거하고 선단보강장치를 장착하기 위하여 작업공간이 필요하나 모래, 점토, 토사 등 연역지반에서는 막장 붕괴 위험이 있기 때문에 연약지반을 안정화하기 위하여, TBM을 이용한 굴착을 중단하고 터널 직경의 3배 앞까지 그라우팅으로 지반보강을 수행하는 단계,
(C)단계는 상기 (b) 단계에서 보강한 보강지반 내부를 굴착하는 단계로, 굴착은 TBM의 커터헤드를 사용하여 굴착하며 굴착 깊이는 터널의 지름 깊이인 1D 만큼 굴착하여 1D 위치에 커터헤드가 위치하도록 굴착하는 단계,
(d)단계는 TBM 주요장비 해체 반출 단계로, 연약지반에서는 TBM의 커터헤드 등이 필요 없기 때문에 보강한 후 굴착한 안전한 지반 내부에서 커터헤드 및 주요 장치를 분해하여 굴착된 터널의 후방으로 반출하며, 이때 연약지반 굴착에 필요한 스킨 플레이트, 추진잭, 방향전환 잭은 남겨놓는 단계,
(e)단계는 가변 선단 보강장치 설치를 위한 지반굴착단계로, 인력 또는 장비를 사용하여 가변 선단 보강장치가 설치될 수 있도록 1D 정도 공간을 추가 굴착하는 단계,
(f)단계는 가변 선단 보강장치 장착 및 전방 지반보강단계로, 보강판고정부를 스킨플레이트 선단부에 용접 또는 볼트 등으로 부착하고, 상기 보강판고정부에 고정핀과 보강판을 고정하고, 막장의 선단의 터널 지름의 3D까지 그라우팅으로 지반을 보강하며 , 이때 그라우팅 등으로 보강된 지반의 강도는 풍화암과 동등한 강도를 유지하도록 보강하는단계,
(g)단계는 선단 보강장치를 활용한 지반굴착 단계로, 선단 보강장치의 경사에 따라 1:1 경사로(45도) 지반을 굴착하며 동시에 스킨 플레이트를 추진잭으로 밀어 전체 장비를 전진시키며 다음단계 굴착을 준비하고, 전방의 보강 지반이 터널 지름의 1D가 되는 위치까지 굴착하며, 이때 후방의 구조물은 콘크리트 재질의 세그먼트 라이닝을 지속적으로 설치하고, 스킨 플레이트를 추진잭으로 밀어 반력으로 전방으로 굴착을 진행하는 단계;
(h)반복단계는 상기 (f) 단계의 지반보강을 통하여 다시 3D 까지 그라우팅하여 지반을 보강하고, 보강 지반이 1D 가 되는 위치까지 굴착하는 (f) 단계 후에 (g) 단계의 과정을 목표하는 굴착완료 지점까지 반복 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 선단보강장치를 구비한 TBM을 이용한 굴착방법을 제공한다.
또한, 연약지반 터널 굴착을 위한 선단보강장치를 구비한 TBM 및 그를 이용하여 기존 구조물에 굴착한 터널을 연결하는 굴착방법에 있어서,
(sa)단계는 기존 구조물 주변 지반보강 단계로, 선단보강장치를 구비한 TBM 장비가 기존 구조물 근처에 도달하는 경우 구조물 상부와 주변을 터널 지름의 2D를 그라우팅을 통하여 지반을 보강하는 단계,
(sb)단계는 기존 구조물 주변 지반굴착단계, 선단 보강장치를 활용하여 기존 구조물 주변 지반을 굴착하는단계,
(sc)단계는 기존 구조물 외벽 제거단계로, 터널 연결을 위하여 기존 구조물 외벽을 제거하는 단계,
(sd)단계는 선단 보강장치 해체 제거단계로, 스킨 플레이트를 추진하여 선단 보강장치를 기존 구조물에 위치시키고 해체하여 반출하고, 이때 스킨 플레이트는 기존 구조물과 연결부까지 진행하여 고정하는 단계,
(se)단계는 기존 구조물과 터널 연결단계, 선단보강장치, 추진잭, 방향전환 잭은 해체하여 반출하고 남은 스킨 플레이트를 활용하여 콘크리트 라이닝을 구축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 터널 굴착을 위한 선단보강장치를 구비한 TBM 및 그를 이용하여 기존 구조물에 굴착한 터널을 연결하는 굴착방법을 제공한다.
상기와 같은 발명의 구성에 의하여 토사 지반이나 점토와 같은 연약지반에서 터널 굴착을 하는 경우에서 막장의 붕괴 없이 안전하게 터널을 굴착할 수 있는 효과가 있는 발명이다.
또한, TBM 스킨플레이트를 사용하여 연약지반에서도 빠르고 안전한 시공이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 막장보강에 사용하는 어드밴스 코어 개념을 도시하고 있다.
도 2는 기존의 상하반 분할굴착에서의 터널 막장 붕괴 예시도이다.
도 3은 본 발명의 터널보링머신(TBM), 스킨플레이트, 선단 보강장치 측면도 및 정면도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 선단보강장치 와 고정핀을 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 TBM 굴착 (a), (b) 단계를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 TBM 굴착 (c), (d) 단계를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 TBM 굴착 (e), (f) 단계를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 TBM 굴착 (g) 단계를 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 TBM 굴착시 기존구조물에 연결하는 (sa), (sb) 단계를 도시하고 있다.
도 10은 본 발명의 TBM 굴착시 기존구조물에 연결하는 (sc), (sd) 단계를 도시하고 있다.
도 11은 본 발명의 TBM 굴착시 기존구조물에 연결하는 (se) 단계를 도시하고 있다.
도 2는 기존의 상하반 분할굴착에서의 터널 막장 붕괴 예시도이다.
도 3은 본 발명의 터널보링머신(TBM), 스킨플레이트, 선단 보강장치 측면도 및 정면도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 선단보강장치 와 고정핀을 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 TBM 굴착 (a), (b) 단계를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 TBM 굴착 (c), (d) 단계를 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 TBM 굴착 (e), (f) 단계를 도시하고 있다.
도 8은 본 발명의 TBM 굴착 (g) 단계를 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 TBM 굴착시 기존구조물에 연결하는 (sa), (sb) 단계를 도시하고 있다.
도 10은 본 발명의 TBM 굴착시 기존구조물에 연결하는 (sc), (sd) 단계를 도시하고 있다.
도 11은 본 발명의 TBM 굴착시 기존구조물에 연결하는 (se) 단계를 도시하고 있다.
본 출원 발명의 작용효과를 도면을 활용하여 설명하면 다음과 같다.
도시와 생활이 발전하면서, 지상에 설치하였던 전신주, 전선 등을 지하로 설치하여 지상부 환경을 깨끗이 하는 노력들이 많아지고 있다. 이를 위해서는 터널 등의 굴착이 필수적이다. 그러나, 터널을 굴착하는 것 자체가 지반에 공동을 발생시키는 과정이므로, 굴착과 동시에 지반에 공동이 생성되고, 이는 상부의 하중을 지탱하던 지반을 제거하는 것이므로, 상기 공동의 압력이 낮아지기 때문에 상기 공동 주변의 지반이 공동(터널)로 이동하려는 경향이 발생한다.
이러한 문제를 해결하고자 터널을 굴착하면서 터널의 천단(윗쪽)과 측벽은 각종 보강재로 보강하는 작업으로 상대적으로 안정적인 굴착이 가능하다. 그러나, 굴착이 진행되는 전면의 막장면은 굴착을 진행하여야 하기 때문에 보강하지 않으며, 따라서 터널 작업에서 막장면이 가장 불안정한 상태이며, 특별히 연약한 지반에서는 막장면의 붕괴(face failure)가 발생할 가능성이 가장 높다(도2)
지반이 충분히 단단하다면, 막장면이 터널 굴착과정에서 무너지지 않을 수 있다. 이는 터널의 종방항 아칭(arching) 또는 횡방향 아칭을 통해 상부 하중을 터널 주변 지반이 분담하여 막장 부근의 터널이 부담하는 하중을 줄여주기 때문이며 이것을 아칭현상 (arch effect)일라고 한다.
상기와 같은 아칭현상은 풍화암 이상의 강도를 가지는 지반에서는 터널 굴착과정에서 무너지지 않고 잘 유지되지만, 토사 지반이나 점토와 같은 탄성계수가 상대적으로 작은 연약지반의 경우 아칭에 의한 막장면의 안정성을 기대할 수 없으므로 막장 주변을 보강하지 않고 굴착한다면 터널 막장의 붕괴가 발생한다.
이러한 문제를 해결하고자 막장면을 안정적으로 유지하기 위하여 터널의 굴착과정에서 굴착 안정에 영향을 미치는 막장면 지반의 범위를 어드밴스 코어 (advance core)라 정의하고(Lunardi, 2000) 이의 보강을 통한 안전한 터널 굴착 공법을 본 출원 발명에서 제안하고자 한다(도1).
도 1에 도시된 어드밴스드 코의 개념에서는 연약지반에서 막장면의 안정에 영향을 미치는 범위는 보통 터널 직경 D의 1배 정도이고, 지반이 지하수를 많이 포함하고 있어서 전방 지반의 지하수압을 고려해야 한다면 1.5 배 까지 보강이 필요하다. 본 출원 발명에서는 굴착 중 터널 내부 또는 지상에서 지속적으로 전방 1 ~ 1.5 D를 보강하거나, 굴착 공사 전에 보강이 필요하다.
기존에는 연약한 지반의 막장면의 안정을 유지하고자, 막장면 상부와 하부를 단계적으로 굴착하여 막장면에 작용하는 하중을 줄여주는 다단 굴착 방법(상하반 분할 굴착 등)을 도 2와 같이 사용하고 있으나, 도2에 도시된 것과 같이 이러한 보강방법을 사용함에도 불구하고 막장면이 붕괴되는 경우가 많다(도2 (b), ( C)) 따라서, 안전한 시공을 위해서는 다단 굴착 방법(상하반 분할 굴착 등)을 사용하는 경우에도 강관다단 그라우팅, FRP 보강 그라우팅과 같은 터널 상부 보강과 막장 전방 그라우팅과 같은 지반 그라우팅 방법 등을 통한 어드밴스 코어 보강을 병행하여야 가장 안정한 굴착이 가능하다.
본 출원 발명에서는 도 3에 도시된 것과 같은 기존 쉴드 TBM의 스킨 플레이트에 어드밴스 코어 보강 기술을 접목한 연약지반 터널 굴착방법을 제공하고자 한다.
본 출원 발명에서는 강재 선단 보강장치를 사용한다. 상기 강재선단 보강장치는 메서쉴드 또는 터널보링머신 (TBM) 스킨 플레이트의 선단부에 장착하여 연약한 지반에서 터널 굴착을 할 때 터널 막장면과 상부 지반의 붕괴를 방지하며, 탈거가 가능하여 곡선부 굴착시 회전을 용이하게 하며 공사가 끝난 후 재사용이 가능한 장점이 있다.
본 출원 발명에서는 안전한 굴착을 위하여 막장의 붕괴를 방지하고자 굴착 중 터널 내부 또는 지상에서 지속적으로 터널직경 D의 1.5 ∼ 2 배의 전방 지반을 터널 단면만큼 시멘트 그라우팅 등으로 지반보강을 하여, 보강 지반이 아칭현상을 유지하여 터널 안정을 위한 어드밴스 코어 역할을 하도록 한다.
또한, 보강된 지반에 고정핀을 압입하므로써 고정핀이 상부 하중의 받침점 역할을 하고 선단 보강장치가 상부 지반의 하중을 지지하는 보의 역할을 하여 상부 지반의 붕괴 하중을 지지한다.
또한, 터널 굴착을 할 때 막장면 상하반 분할방식을 사용하지 않고, 굴착면의 경사는 흙의 안식각 내지는 토사지반 공사 중 임시 비탈면의 굴착 각도인 45도를 유지 (사면경사 1:1)함으로써 막장의 안전성을 높인 시공방법을 사용한다.
상기 가변 선단 보강장치를 이용함으로써 공동구 전력구 등 터널을 굴착하는 경우 사유지 침해를 방지하고자 왕복 4차로 도로를 따라 설치가 되며 경우에 따라 교차로에서 방향을 전환하는 경우 90 도 가까이 회전하여 굴착 하여야 하고, 4거리 교차로 방향 전환을 위하여 90도 회전 시 회전반경 30 m가 필요하며 선단부의 길이가 길면 회전이 용이하지 않았으나, 본 출원 발명에서는 상기 선단 보강장치를 탈부착 또는 분리가 가능하기 때문에 회전반경 축소가 가능한 장점이 있다.
도 3은 본 발명의 터널보링머신(TBM), 스킨플레이트, 선단 보강장치 측면도 및 정면도를 도시하고 있다. 왼쪽에서부터 고정핀이 돌출되어 있다. 고정핀은 선단보강장치를 고정하기 위한 것으로 전방의 연약지반에 고정할 수도 있으나, 안전을 위하여 전방 지반 보강을 한후에 보강된 지반에 고정핀을 고정하고, 고정핀에 보강판을 연결한다. 상기 고정핀데는 선단슈가 구비되어 보강판 선단슈가 지나간 자리는 보강판의 마찰이 적어지도록 구성하였다. 보강판이 삽입되면 보강판 고정부를 TBM 스킨플레이트 전방부와 연결고정한다. TBM 스킨플레이트는 굴착면 쪽에 방향전환잭에 의하여 후방부 TBM 스킨플레이트와 각도변화를 주면서 굴착할 수 있는 전방부 TBM 스킨플레이트와 콘크리트 세그먼트 라이닝을 추진잭으로 밀어 전진할 수 있는 추진잭이 고정된 상기 후방부 TBM 스킨플레이트로 구성된다.
연약지반의 안전한 굴착을 위하여 어드밴스 코어 기술을 이용하기 위하여 굴착면 전방에 전방 지반 보강을 하고, 상기 전방 지반 보강부에 고정핀을 고정하고, 조립 가능한 보강판을 상기 고정핀 사이에 삽입하여 원형으로 터널 굴착 공사가 진행될 공간을, 측면에서 보았을 때 45도 경사지도록 선단보강장치를 조립한 후 보강판고정부를 이용하여 상기 선단보강장치와 전방부 TBM 스킨플레이트 결합한다.
이때 상기 전방부 TBM 스킨플레이트가 위치한 곳 까지는 굴착이 되어 있는 상태이고, 선단보강장치가 설치된 위치는 굴착이 진행되지 않는 위치이다. 굴착기가 상기 전방부 TBM 스킨플에이트에 위치하여 전방으로 굴착한다. 이때 굴착면은 45도를 유치한다. 굴착이 선단보강장치의 끝부분에 도달하면, 다시 전방부의 연약지반을 보강하고, 고정핀을 전진시키고 다시 선단보강장치를 삽입하고, 보강판고정부로 선단보강장치와 전방부 TBM 스킨플레이트를 연결하고, 추진잭으로 콘크리트 세그먼트 라이닝을 밀어 전방으로 추진하고, 추진된 후방에 콘크리트 세그먼트 라이닝을 추가한다.
도 4는 본 발명의 선단보강장치 와 고정핀을 도시하고 있다. 보강판을 고정하기 위하여 연약지반에 전방 지반 보강된 터널공사 구간에 고정핀을 삽입한다. 고정핀의 삽입은 인력으로 구멍을 만들어 삽입할 수도 있고, 굴착기의 유압을 사용하여 고정핀을 삽입고정할 수도 있다. 이렇게 고정핀을 삽입고정한 후에 선단슈가 구비된 보강판을 동일한 방법으로 고정핀에 고정하면서 착굴을 위한 경계면에 삽입하면서 원형의 선단보강장치를 조립한다. 이때 상기 보강판의 선단에 보강판의 두께보다 더 두꺼운 선단슈를 구비하여, 선단슈가 지나간 자리에는 마찰이 없거나 적게 보강판이 삽입될 수 있도록 구성하였다. 이때 고압의 물 또는 가넷이 포함된 고압수를 이용하여 보강판의 삽입이 쉽도록 금속튜브가 상기 보강판의 중앙 안쪽에 더 구비될 수 있다. 상기 금속튜브에는 연성튜브가 연결되어 고압의 물 또는 가넷이 포함된 고압수가 공급될 수 있다. 도 4 (B)는 보강판에 금속튜브와 연성튜브가 연결된 측단면도와 평면도를 도시하고 있다.
본 출원 발명의 연약지반 터널 굴착을 위한 선단 보강장치 및 그를 이용한 굴착방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 5의 (a)와 (b)를 참고하면,
(a)는 TBM 굴착 시작단계로, TBM은 커터헤드 내부장치 등으로 구성되며 외피는 금속재 스킨 플레이트로 구성되어 터널 굴착하는 장비로 최초 굴착은 TBM 굴착기로 시작한다.
굴착이 시작되면 TBM 전단에 구비된 커터헤드가 회전하며 지반을 굴착하고,굴착된 공동의 후방에 이어서 세그먼트 라이닝 구조물을 붙여가며 시공한다.
연속공정으로 시공하기 때문에 터널 굴착 시공이 매우 빠른 장점이 있다.
후방 라이닝을 추진 잭으로 밀어서 전방으로 추진하며, 방향전환은 방향전환 잭으로 수행하기 때문에 정밀하고 빠른 시공이 가능한 장점이 있다.
(b)단계는 (a)단계 이후에 막장 전방 지반 보강단계로 지속적인 굴착을 위하여 모래, 점토, 토사 등 연역지반에서는 막장 붕괴 위험이 있기 때문에 연약지반을 안정화하기 위하여, TBM을 이용한 굴착을 중단하고 터널 직경의 3배 앞까지 그라우팅으로 지반보강을 수행하는 단계이다(도 5의 (b))
계속하여 도 6의 (c)와 (d)를 참고하면,
( C) 상기 (b) 단계에서 보강한 보강지반 내부를 굴착한다. 굴착은 TBM의 커터헤드를 사용하여 굴착하며 굴착 깊이는 터널의 지름 깊이인 1D 만큼 굴착한다. 굴착된 1D 위치에 커터헤드가 위치하도록 한다.
(d) TBM 주요장비 해체 반출 단계, 연약지반에서는 TBM의 커터헤드 등이 필요 없기 때문에 보강한 후 굴착한 안전한 지반 내부에서 커터헤드 및 주요 장치를 분해하여 굴착된 터널의 후방으로 반출한다. 이때 연약지반 굴착에 필요한 스킨 플레이트, 추진잭, 방향전환 잭은 남겨놓고, 고정핀과 보강판으로 구성되는 선단 보강장치를 추가한다.
도 7의 (e), (f)를 참고하면,
(e) 선단 보강장치 설치를 위한 지반굴착단계, 인력 또는 장비를 사용하여 선단 보강장치가 설치될 수 있도록 1D 정도 공간을 추가 굴착한다.
(f) 선단 보강장치 장착 및 전방 지반보강, 선단 보강장치를 스킨플레이트 선단부에 용접 또는 볼트 등으로 부착하고, 안전한 굴착을 위하여 막장의 선단의 터널 지름의 3D까지 그라우팅으로 지반을 보강하여 도1에 도시된 어드밴스 코어 이론을 활용한다. 이때 그라우팅 등으로 보강된 지반의 강도는 풍화암과 동등한 강도를 유지하도록 한다.
도8 (g) 참고하면,
(g) 선단 보강장치를 활용한 지반굴착 단계, 선단 보강장치의 경사에 따라 1:1 경사로(45도) 지반을 굴착하며 동시에 스킨 플레이트를 추진잭으로 밀어 전체 장비를 전진시키며 다음단계 굴착을 준비한다. 전방의 보강 지반이 터널 지름의 1D가 되는 위치까지 굴착하며, 이때 후방의 구조물은 콘크리트 재질의 세그먼트 라이닝을 지속적으로 설치하며, 스킨 플레이트를 추진잭으로 밀어 반력으로 전방으로 진행한다.
(h) 반복단계, 상기 (f) 단계의 지반보강을 통하여 다시 3D 까지 그라우팅하여 지반을 보강하고, 보강 지반이 1D 가 되는 위치까지 굴착하는 (f) 단계 후에 (g) 단계의 과정을 목표하는 굴착완료 지점까지 반복 수행한다.
본 출원 발명의 연약지반 터널 굴착을 위한 선단 보강장치 및 그를 이용하여 기존 구조물에 굴착한 터널을 연결하는 굴착방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 9의 (sa), (sb)를 참고하면,
(sa) 기존 구조물 주변 지반보강단계, 굴착 장비가 기존 구조물 근처에 도달하는 경우 구조물 상부와 주변을 터널 지름의 2D를 그라우팅을 통하여 지반을 보강한다.
(sb) 기존 구조물 주변 지반굴착단계, 선단 보강장치를 활용하여 기존 구조물 주변 지반을 굴착한다.
도 10의 (sc), (sd)를 참고하면,
(sc) 기존 구조물 외벽 제거단계, 터널 연결을 위하여 기존 구조물 외벽을 제거한다.
(sd) 선단 보강장치 해체 제거단계, 스킨 플레이트를 추진하여 선단 보강장치를 기존 구조물에 위치시키고 해체하여 반출한다. 이때 스킨 플레이트는 기존 구조물과 연결부까지 진행하여 고정한다.
도 11의 (se)를 참고하면,
(se) 기존 구조물과 터널 연결단계, 선단보강장치, 추진잭, 방향전환 잭은 해체하여 반출하고 남은 스킨 플레이트를 활용하여 콘크리트 라이닝을 구축한다.
상기와 같은 발명의 작용효과를 나타내기 위한 발명의 구성은 다음과 같다.
터널 보링 머신의 전단부 스킨플레이트 및 후단부 스킨플레이트와
상기 전단부 스킨플레이트를 방향전환이 가능하게 상기 후단부 스킨플레이트와 연결하는 한쌍의 방향전환잭; 및
상기 후단부 스킨플레이트의 끝단에 구비되어 상기 후단부 스킨플레이트를 콘크리트 라이닝의 반대쪽으로 밀어주는 추진잭; 및
상기 전단부 스킨플레이트 전방으로 돌출되되 아래쪽으로 갈수록 돌출되는 정도가 작게 돌출되는 보강판; 및
상기 보강판이 상기 전단부 스킨플레이트에 고정될 수 있도록 상기 전단부 스킨플레이트 안쪽에 구비되는 보강판 고정부; 및
상기 보강판 끝단에 구비되며 금속제 튜브가 부착되고 이를 통하여 고압의 물이나 공기를 분사하여 압입을 용이하게 하는 선단슈; 및
상기 보강판과 보강판 사이에 구비되어 전방으로 더욱 돌출되어 삽입됨으로써 막장붕괴를 막아주는 고정핀을 구비한 것을 특징으로 하는 선단보강장치를 구비한 TBM을 제공한다.
또한, 상기 터널 보링 머신의 커터헤드 및 상기 커터헤드를 구동하는 구동부는 상기 TBM에서 제거된 것을 특징으로 하는 선단보강 장치를 구비한 TBM을 제공한다.
또한, 상기 선단보강 장치를 구비한 TBM 이용한 굴착방법에 있어서,
(a)단계는 TBM 굴착 시작단계로, TBM은 커터헤드 내부장치 등으로 구성되며 외피는 금속재 스킨 플레이트로 구성되어 터널 굴착하는 장비로 최초 굴착은 TBM 굴착기로 굴착하는 단계로
굴착이 시작되면 TBM 전단에 구비된 커터헤드가 회전하며 지반을 굴착하고,
굴착된 공동의 후방에 이어서 세그먼트 라이닝 구조물을 붙여가며 연속시공하며, 후방 라이닝에 추진잭을 밀어서 전방으로 추진하며, 방향전환은 방향전환 잭으로 수행하기 때문에 정밀하고 빠른 시공을 하는 단계,
(b)단계는 (a)단계 이후에 막장 전방 지반 보강단계로 TBM 커터헤드와 내부장치를 제거하고 선단보강 장치를 장착하기 위하여 작업공간이 필요하나 모래, 점토, 토사 등 연역지반에서는 막장 붕괴 위험이 있기 때문에 연약지반을 안정화하기 위하여, TBM을 이용한 굴착을 중단하고 터널 직경의 3배 앞까지 그라우팅으로 지반보강을 수행하는 단계,
(C)단계는 상기 (b) 단계에서 보강한 보강지반 내부를 굴착하는 단계로, 굴착은 TBM의 커터헤드를 사용하여 굴착하며 굴착 깊이는 터널의 지름 깊이인 1D 만큼 굴착한다. 굴착된 1D 위치에 커터헤드가 위치하도록 굴착하는 단계,
(d)단계는 TBM 주요장비 해체 반출 단계로, 연약지반에서는 TBM의 커터헤드 등이 필요 없기 때문에 보강한 후 굴착한 안전한 지반 내부에서 커터헤드 및 주요 장치를 분해하여 굴착된 터널의 후방으로 반출하며, 이때 연약지반 굴착에 필요한 스킨 플레이트, 추진잭, 방향전환 잭은 남겨놓고, 고정핀과 보강판으로 구성되는 선단 보강장치를 추가하는 단계,
(e)단계는 선단 보강장치 설치를 위한 지반굴착단계로, 인력 또는 장비를 사용하여 선단 보강장치가 설치될 수 있도록 1D 정도 공간을 추가 굴착하는 단계,
(f)단계는 선단 보강장치 장착 및 전방 지반보강 단계로, 보강판 고정부를 스킨플레이트 선단부에 용접 또는 볼트 등으로 부착하고, 상기 보강판 고정부에 고정핀과 보강판을 고정하고, 막장의 선단의 터널 지름의 3D까지 그라우팅으로 지반을 보강하며, 이때 그라우팅 등으로 보강된 지반의 강도는 풍화암과 동등한 강도를 유지하도록 보강하는단계,
(g)단계는 선단 보강장치를 활용한 지반굴착 단계로, 선단 보강장치의 경사에 따라 1:1 경사로(45도) 지반을 굴착하며 동시에 스킨 플레이트를 추진잭으로 밀어 전체 장비를 전진시키며 다음단계 굴착을 준비하고, 전방의 보강 지반이 터널 지름의 1D가 되는 위치까지 굴착하며, 이때 후방의 구조물은 콘크리트 재질의 세그먼트 라이닝을 지속적으로 설치하고, 스킨 플레이트를 추진잭으로 밀어 반력으로 전방으로 굴착을 진행하는 단계;
(h)반복단계는 상기 (f) 단계의 지반보강을 통하여 다시 3D 까지 그라우팅하여 지반을 보강하고, 보강 지반이 1D 가 되는 위치까지 굴착하는 (f) 단계 후에 (g) 단계의 과정을 목표하는 굴착완료 지점까지 반복 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 선단보강장치를 구비한 TBM 이용한 굴착방법을 제공한다.
또한, 연약지반 터널 굴착을 위한 선단보강장치를 구비한 TBM 및 그를 이용하여 기존 구조물에 굴착한 터널을 연결하는 굴착방법에 있어서,
(sa)단계는 기존 구조물 주변 지반보강단계로, 선단보강장치를 구비한 TBM 장비가 기존 구조물 근처에 도달하는 경우 구조물 상부와 주변을 터널 지름의 2D를 그라우팅을 통하여 지반을 보강하는 단계,
(sb)단계는 기존 구조물 주변 지반굴착단계, 선단 보강장치를 활용하여 기존 구조물 주변 지반을 굴착하는 단계,
(sc)단계는 기존 구조물 외벽 제거단계로, 터널 연결을 위하여 기존 구조물 외벽을 제거하는 단계,
(sd)단계는 선단 보강장치 해체 제거단계로, 스킨 플레이트를 추진하여 선단 보강장치를 기존 구조물에 위치시키고 해체하여 반출하고, 이때 스킨 플레이트는 기존 구조물과 연결부까지 진행하여 고정하는 단계,
(se)단계는 기존 구조물과 터널 연결단계, 선단보강장치, 추진잭, 방향전환 잭은 해체하여 반출하고 남은 스킨 플레이트를 활용하여 콘크리트 라이닝을 구축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 연약지반 터널 굴착을 위한 선단보강장치를 구비한 TBM 및 그를 이용하여 기존 구조물에 굴착한 터널을 연결하는 굴착방법을 제공한다.
100 : 선단보강장치를 구비한 TBM
110 : TBM 스킨플레이트
120 : 추진잭
130 : 방향전환잭
200 : 선단보강장치
210 : 보강판
220 : 선단슈
230 : 보강판고정부
240 : 고정핀
241 : 금속튜브
242 : 연성튜브
300 : 세그먼트 라이닝
110 : TBM 스킨플레이트
120 : 추진잭
130 : 방향전환잭
200 : 선단보강장치
210 : 보강판
220 : 선단슈
230 : 보강판고정부
240 : 고정핀
241 : 금속튜브
242 : 연성튜브
300 : 세그먼트 라이닝
Claims (4)
- 터널 보링 머신의 전단부 스킨플레이트 및 후단부 스킨플레이트와
상기 전단부 스킨플레이트를 방향전환이 가능하게 상기 후단부 스킨플레이트와 연결하는 한쌍의 방향전환잭; 및
상기 후단부 스킨플레이트의 끝단에 구비되어 상기 후단부 스킨플레이트를 콘크리트 라이닝의 반대쪽으로 밀어주는 추진잭; 및
상기 전단부 스킨플레이트 전방으로 돌출되되 아래쪽으로 갈수록 돌출되는 정도가 작게 돌출되는 보강판; 및
상기 보강판이 상기 전단부 스킨플레이트에 고정될 수 있도록 상기 전단부 스킨플레이트 안쪽에 구비되는 보강판 고정부; 및
상기 보강판 끝단에 구비되는 금속제 튜브가 부착되고 이를 통하여 고압의 물이나 공기를 분사하여 압입을 용이하게 하는 선단슈; 및
상기 보강판과 보강판 사이에 구비되어 전방으로 더욱 돌출되어 삽입됨으로써 막장붕괴를 막아주는 고정핀을 구비한 것을 특징으로 하는 TBM의 스킨플레이트를 활용하는 연약지반 터널 굴착을 위한 선단 보강장치. - 제1항에 있어서,
상기 터널 보링 머신의 커터헤드 및 상기 커터헤드를 구동하는 구동부는 상기 TBM에서 제거된 것을 특징으로 하는 TBM의 스킨플레이트를 활용하는 연약지반 터널 굴착을 위한 선단 보강장치. - 제1항의 TBM의 스킨플레이트를 활용하는 연약지반 터널 굴착을 위한 선단 보강장치를 이용한 굴착방법에 있어서,
(a)단계는 TBM 굴착 시작단계로, TBM은 커터헤드 내부장치 등으로 구성되며 외피는 금속재 스킨 플레이트로 구성되어 터널 굴착하는 장비로 최초 굴착은 TBM 굴착기로 굴착하는 단계로
굴착이 시작되면 TBM 전단에 구비된 커터헤드가 회전하며 지반을 굴착하고,
굴착된 공동의 후방에 이어서 세그먼트 라이닝 구조물을 붙여가며 연속시공하며, 후방 라이닝에 추진잭을 밀어서 전방으로 추진하며, 방향전환은 방향전환 잭으로 수행하기 때문에 정밀하고 빠른 시공을 하는단계,
(b)단계는 (a)단계 이후에 막장 전방 지반 보강단계로 지속적인 굴착을 위하여 모래, 점토, 토사 등 연역지반에서는 막장 붕괴 위험이 있기 때문에 연약지반을 안정화하기 위하여, TBM을 이용한 굴착을 중단하고 터널 직경의 3배 앞까지 그라우팅으로 지반보강을 수행하는 단계,
(C)단계는 상기 (b) 단계에서 보강한 보강지반 내부를 굴착하는 단계로, 굴착은 TBM의 커터헤드를 사용하여 굴착하며 굴착 깊이는 터널의 지름 깊이인 1D 만큼 굴착한다. 굴착된 1D 위치에 커터헤드가 위치하도록 굴착하는 단계,
(d)단계는 TBM 주요장비 해체 반출 단계로, 연약지반에서는 TBM의 커터헤드 등이 필요 없기 때문에 보강한 후 굴착한 안전한 지반 내부에서 커터헤드 및 주요 장치를 분해하여 굴착된 터널의 후방으로 반출하며, 이때 연약지반 굴착에 필요한 스킨 플레이트, 추진잭, 방향전환 잭은 남겨놓는 단계,
(e)단계는 선단 보강장치 설치를 위한 지반굴착단계로, 인력 또는 장비를 사용하여 선단 보강장치가 설치될 수 있도록 1D 정도 공간을 추가 굴착하는 단계,
(f)단계는 선단 보강장치 장착 및 전방 지반보강단계로, 보강판고정부를 스킨플레이트 선단부에 용접 또는 볼트 등으로 부착하고, 상기 보강판고정부에 고정핀과 보강판을 고정하고, 막장의 선단의 터널 지름의 3D까지 그라우팅으로 지반을 보강하며 , 이때 그라우팅 등으로 보강된 지반의 강도는 풍화암과 동등한 강도를 유지하도록 보강하는단계,
(g)단계는 선단 보강장치를 활용한 지반굴착 단계로, 선단 보강장치의 경사에 따라 1:1 경사로(45도) 지반을 굴착하며 동시에 스킨 플레이트를 추진잭으로 밀어 전체 장비를 전진시키며 다음단계 굴착을 준비하고, 전방의 보강 지반이 터널 지름의 1D가 되는 위치까지 굴착하며, 이때 후방의 구조물은 콘크리트 재질의 세그먼트 라이닝을 지속적으로 설치하고, 스킨 플레이트를 추진잭으로 밀어 반력으로 전방으로 굴착을 진행하는 단계;
(h)반복단계는 상기 (f) 단계의 지반보강을 통하여 다시 3D 까지 그라우팅하여 지반을 보강하고, 보강 지반이 1D 가 되는 위치까지 굴착하는 (f) 단계 후에 (g) 단계의 과정을 목표하는 굴착완료 지점까지 반복 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스킨플레이트를 활용하는 연약지반 터널 굴착을 위한 선단 보강장치를 이용한 굴착방법. - 삭제
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| KR1020230149739A KR102686751B1 (ko) | 2023-11-02 | 2023-11-02 | Tbm의 스킨플레이트를 활용하는 연약지반 터널 굴착을 위한 선단 보강장치 및 그를 이용한 굴착방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102686751B1 (ko) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0333397A (ja) * | 1989-06-27 | 1991-02-13 | Shimizu Corp | シールドトンネルの接合工法 |
| KR20070075067A (ko) * | 2006-01-12 | 2007-07-18 | 이병택 | 터널의 축조 공법 및 그 시공장치 |
| KR101774713B1 (ko) | 2016-12-02 | 2017-09-05 | 안석 | 개량형 tbm 암반터널에서 연약지반 굴착보강장치 |
| KR101858223B1 (ko) * | 2017-06-14 | 2018-05-16 | 주식회사 특수건설 | 비개착 구조물 시공을 위한 마찰저감 장치 및 이를 이용한 비개착 구조물 시공방법 |
| KR102260787B1 (ko) | 2020-09-17 | 2021-06-03 | 이중완 | 워터젯 절단 타입 암반 굴착장치 |
| KR20220149288A (ko) * | 2021-04-30 | 2022-11-08 | 우에무라기껜 고오교 가부시기가이샤 | 지하구조물의 시공법 |
-
2023
- 2023-11-02 KR KR1020230149739A patent/KR102686751B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (6)
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