KR20010049877A - 3차원적 다단계 터널굴착방법 및 장치 - Google Patents

3차원적 다단계 터널굴착방법 및 장치 Download PDF

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KR20010049877A
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Abstract

본 발명은 에 의한, 터널반경방향에서 3차원적 사방향 발파공을 미리 천공해 놓고, TBM 막장으로부터 수백미터 후방에서 터널 최외곽면에 소정 길이만큼 종방향발파공의 천공을 실시하여 터널 상부반단면에 1차적으로 사방향/종방향 확폭발파를 수행하면서, 환기, 버럭처리, TBM 굴착에 필요한 각종 기기설비 및 후속설비의 보호를 병행할 수 있도록 하고, 상기 확폭발파구간(이하, "NATM 막장" 이라 칭함)의 수십미터 후방에서 터널 하부 반단면에 중앙부를 제외하고 2차적으로 종방향 발파를 수행하고, 마지막 3차적으로는 잔존하는 터널 하부 반단면 중앙부에 대하여 횡방향 천공을 사전 실시한 후, 파일롯 터널 굴착 완료후 레일을 제거하면서 횡방향 발파를 연속적으로 시행하는 3단계 발파공법을 수행함으로써, TBM유지관리를 위한 유휴시간(down time)은 물론 TBM 굴착중에도 발파작업을 수행할 수 있게 하여 공기 및 공사비용을 획기적으로 줄일 수 있는 3차원적 다단계 터널굴착방법 및 장치에 관한 것이다.
본 발명은 터널보링머신에 의해 굴착중인 파일롯(pilot)터널의 상부반단면에 터널 반경방향인 횡방향에서 진행방향인 종방향측으로 소정각도만큼 경사시켜 사방향 발파공을 미리 천공해 놓고, 상기 터널의 최외곽 굴착단면에 터널진행방향인 종방향으로 소정길이만큼 발파공을 천공한 후, 장약하여 확대발파하는 제1 단계; 상기 확대발파 구간에서 막장 후방으로 소정거리만큼 떨어진 위치에서 터널 하부 반단면에 대하여 중앙부를 제외하고 종방향 발파공을 천공한 후, 장약하여 발파하는 제2 단계; 및 상기 터널 하부 반단면 중앙부에 대하여 횡방향 천공을 사전 실시한 후, 파일롯 터널 굴착 완료후 횡방향 발파를 연속적으로 시행하는 제 3단계를 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 터널굴진방향으로 전진이동하면서 파일롯 터널을 굴착하며, 후속 트레일러가 구비된 터널보링머신(TBM) 본체; 상기 터널보링머신(TBM) 본체의 소정위치에 설치되며, 굴착중인 파일롯 터널의 상부반단면에 반경방향인 횡방향에서 굴진방향인 종방향측으로 소정각도만큼 경사시켜 천공을 실시하는 천공수단; 상기 터널보링머신(TBM) 본체에 설치되어 상기 천공수단을 경사방향 및 원주방향으로 회동시키는 회동수단; 상기 파일롯 터널의 하반부 공간에 설치되어 확대발파시 생성되는 버럭을 담아 막장외부로 반출하기 위한 버럭처리수단; 로더 앞부분에 설치되며 버켓을 수평방향으로 소정 각도만큼 회동시켜 확대발파시 터널 상반 및 하반의 좁은 공간에서 버럭을 캐리어에 용이하게 상차하기 위한 버켓회동수단; 터널 상,하반 확대발파 수행시 천공 및 버럭 처리 장비등이 상기 상,하반 막장을 원활하게 이동할 수 있도록 높이 및 각도가 가변되는 사다리; 1, 2단계 확대발파 수행후 잔존하는 터널 하부 반단면 중앙부 상단과 굴착된 터널 하부 반단면 양측을 연결하여 그 위에 레일을 추가적으로 설치할 수 있게 함으로서 레일 상에서 이동하는 광차 및 캐리어의 원활한 소통과 운행시간을 단축시키기 위한 데크 및 레일 스위치; 파일롯 터널 굴착중에 콘크리트 라이닝을 타설하기 위하여 1, 2단계 확대발파 수행후, 라이닝 폼안으로 버럭처리 캐리어 및 각종 장비의 통행이 가능하도록 상기 라이닝 폼 상부에 설치되는 통과공간 확대수단; 및 3단계 확대발파 수행시 기타설된 상기 콘크리트 라이닝을 발파로부터 보호하기 위하여 충격완화재가 부착되고 하부에 이동수단이 구비된 라이닝 콘크리트 보호수단을 포함하는 터널굴착장치를 제공한다.

Description

3차원적 다단계 터널굴착방법 및 장치{3 DIMENSIONAL MULTI PHASE TUNNELING MATHOD AND APPARATUS CORRESPONDING SAME}
본 발명은 TBM 파일롯터널의 굴착중에 그 주위를 확대굴착하고, 버럭처리 및 환기처리를 병행할 수 있는 터널굴착방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 터널보링머신(Tunnel Boring Machine; 이하 TBM이라 칭함)에 의한 선진도갱(이하, "파일롯터널(pilot tunnel)" 이라 칭함)굴착중에, 터널반경방향에서 갱구부측으로 3차원적 사방향 발파공을 미리 천공해 놓고, TBM 막장으로부터 수백미터 후방에서 터널 최외곽면에 소정 길이만큼 종방향발파공의 천공을 실시하여 터널 상부반단면에 1차적으로 사방향/종방향 확폭발파를 수행하면서, 환기, 버럭처리, 각종 기기설비 및 후속설비의 보호를 병행할 수 있도록 하고, 상기 확폭발파구간(이하, "NATM 막장" 이라 칭함)의 수십미터 후방에서 터널 하부 반단면에 중앙부를 제외하고 2차적으로 종방향 발파를 수행하고, 마지막 3차적으로는 잔존하는 터널 하부 반단면 중앙부에 대하여 천공장비의 유휴시간(idle time)을 이용하여 횡방향 천공을 사전 실시한 후, 파일롯 터널 굴착 완료후 레일을 제거하면서 횡방향 발파를 연속적으로 시행하는 3단계 발파공법을 수행함으로써, TBM유지관리를 위한 유휴시간(down time)은 물론 TBM 굴착중에도 발파작업을 수행할 수 있게 하여 공기 및 공사비용을 획기적으로 줄일 수 있는 3차원적 다단계 터널굴착방법 및 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 암반터널공사에 있어서, 지반의 진동문제를 감안하고, 굴진속도를 증가시키기 위하여, 먼저 상기 TBM으로 터널을 굴착하고 나머지 확폭부분을 발파방법에 의해 처리하는 형식(이하, NATM(New Austrian Tunnelling Method))의 TBM/NATM 병용공법이 최근들어 국내외 여러 터널현장에 적용되고 있다.
상기 TBM 파일롯터널을 이용하여 확대굴착할 경우, 종래에는 터널 굴진 방향으로의 천공발파(이하, "종방향 천공발파"라 칭함)공법을 이용하여 굴착작업을 수행하고 있으며, 대부분의 터널현장에서는 발파공 천공작업시, 현장여건에 따라 레그드릴(leg drill) 혹은 점보드릴(jumb drill)을 사용한다.
그러면, 도1 및 도2를 참조하여 종래의 TBM/NATM 병용공법을 이용한 발파공법에 대해 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도1에 도시한 바와 같이 패턴도에 따라 발파공을 천공하게 되며, 본 도에서 상기 발파공(4)에 부여된 원호안의 번호는 연속적인 발파순서를 나타낸다.
그리고 도2a 내지 도2d에 도시한 바와 같이, 먼저 파일롯(pilot) 터널(1)에 의한 자유면 효과를 얻기 위해서 상기 자유면에서 가까운 부분부터 순차적으로 발파하는 발파지연순서(이하, "지발순서"라 칭함)를 상기 파일롯(pilot) 터널(1)과 가까운 부분부터 최외곽 부분까지로 하고, 설정된 길이의 굴진장을 천공하기 위해서 현장여건에 따라 여러 작업자가 레그드릴(leg drill)을 이용하거나, 락볼트의 천공, 발파공 천공등에 사용되는 점보드릴(Jumbo drill)을 이용해서 상부반단면(2)에 발파공(4)을 천공한다.(도2a)
그리고, 다음 단계로 상기 파일롯 터널(1)의 최외곽면 라인드릴링(line drilling)부분(5)의 지발순서도 상기 파일롯 터널(1)과 같이 바닥부, 하단부, 천정부 순서로 정하고, 화약을 장약한다. 여기서, 상기 라인드릴링(5)의 발파부분에는 여굴 및 발파에 의한 암반의 이완영역을 고려해서 정밀 폭약을 장약한다.(도2b)
상기 장약이 완료되면 계획된 지발 순서대로 발파하고, 발파후 생성된 버럭을 처리한다(도2c). 그 다음 단계로 다시 전단면에 대해서 일정 길이만큼 천공을 하며(도2d), 상기 과정을 계속적으로 반복하여 굴착작업을 수행하였던 것이다.
상기와 같은 시공순서에 의해 터널굴착하는 종래의 종방향 발파공법은 터널굴진 방향인 종방향으로 장약공이 설치되어 있어 그 전체 길이에 걸쳐 발파진동이 지표면으로 전파되는데, 발파원의 발파압 및 에너지를 암반에 전달하는 과정에서, 터널직상부 인접지역의 구조물이나 진동에 민감한 시설물들에 큰 피해를 끼치는 경우가 다발하는 문제점을 내포하고 있다.
그리고, 상기 종방향 천공발파공법은 TBM 파일롯 터널 확대발파시, TBM 광차용 레일을 제거한 후 종방향으로만 발파함으로써 1회 천공장에 제한이 따르며, 굴진장 증대에 따라 여굴량 증가 및 천공시간도 많이 소요되고 있다. 또한, 굴착후 막장전면에 요철이 심하여 다음 발파공 천공작업이 불편하고, 터널 굴진방향의 발파공 천공길이가 제한되는 문제점이 있다. 또한, 터널 굴진작업시 TBM에 의해 파일롯(pilot) 터널이 굴착 완료된 상태에서 드릴의 길이만큼 종방향으로 천공을 계속적으로 수행하여 발파하는 천공-장약-발파-버럭처리 과정을 반복하여야 하기 때문에, 파일롯(pilot) 터널을 제대로 활용하지 못할 뿐만 아니라, 공사기간 및 공사비용이 많이 소요되는 문제점을 내포하고 있었다. 버럭처리방법 또한 터널바닥에 쌓인 버럭을 로더 버켓을 이용하여 덤프트럭에 일일이 상차시킴으로써 버럭처리시간이 길어짐은 물론, 막장의 버럭이 전부 제거될 때까지는 다음 공정에 착수하지 못하는 단점이 있다. 이러한 기존의 버럭처리과정은 특히, 장대터널인 경우 후속차량의 지원댓수 및 기동성의 제약으로 인하여 터널굴진장 향상에 큰 장애조건이 되고 있다. 이러한 문제점으로 인하여 일정범위의 여굴을 허용하여 굴진장을 연장하더라도 버럭량이 많아져 처리시간이 연장됨으로써 터널굴착 사이클 타임상 굴진장 증대에 제약이 따르는 문제점이 있다.
상기와 같은 문제점을 해소하고자 국내특허공보 제98-143712호에서는 종방향 및 횡방향 동시 확대발파를 수행하는 이방향 천공발파방법 및 장치가 제안되었다. 상기 이방향 발파공법은 도3a 내지 도3c에 도시한 바와 같이 파일롯 터널의 반경방향으로 격자 형태의 발파공을 천공하고, 최외곽 굴착단면에 종방향 천공을 수행하는 발파 패턴으로 이루어지며, 상기 발파공(9)에 부여된 원호안의 번호대로 연속적인 발파를 수행하도록 되어 있다.
상기 이방향 천공발파공법의 시공순서를 도4a 내지 도4d를 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다.
먼저, TBM에 의해 굴착이 완료된 파일롯터널 내부에서 터널면의 반경방향인 횡방향과 터널진행방향인 종방향으로 동시에 천공하고(도4a), 상기 종방향 및 횡방향 발파공에 화약을 장약한다(도4b). 상기 과정이 완료되면, 확폭발파를 수행하되 발파시 생성된 버럭을 로더버켓을 이용하여 처리하고(도4c), 마지막으로 최외곽 발파공을 재차 천공하고 발파하는 일련의 과정을 거친다(도4d).
그러나, 상기의 이방향 천공발파공법은 발파공천공시간을 줄일 수 있다는 점에서는 효과적일 수 있으나, 기존의 공법과 동일한 버럭처리 공정을 채택함으로써 실용성은 그다지 크지 않은 문제점이 있다. 즉, 기존공법과 마찬가지로 굴진장을 증대하더라도 요구되는 버럭처리시간이 늘어남으로써 전체 터널굴착 사이클 타임상 실효성이 없는 단점이 있다.
또한, 상기 이방향 천공발파를 수행하기 위해서는, 확대굴착용 횡방향 발파공의 천공을 수행할 수 있는 천공장치가 요구된다. 그러나, 상기 이방향 천공발파 공법은 발파패턴의 특성상 TBM 장착 천공장치를 이용한 하부 횡방향 발파공 천공이 어려워 터널 상부 반단면 바닥면에 대해서는 별도의 천공장치를 이용하여 다시 종방향 천공을 수행해야 하므로 상기 천공장치의 효율성이 반감된다. 한편, 이러한 횡방향 천공장치가 TBM에 장착되어 있지 않은 경우, 파일롯 터널 관통후에 점보드릴을 터널안에 진입시켜 천공하여야 하나, 파일롯 터널 굴착에 경제적인 중,소구경 TBM(직경 5M이하)에는 발파공 천공작업에 효과적으로 사용할 수 있는 중형 점보드릴의 진입자체가 불가능하며, 정확한 천공위치의 확인이 곤란하여 효과적인 발파효과를 기대하기가 어려운 문제점이 있다.
또한, 소형 점보드릴을 사용하더라도, 점보드릴에 장착된 케이블과 물 공급관을 천공작업을 수행할 파일롯 터널 내부까지 인입시켜야 하고, 발파작업시에는 상기 케이블 및 물공급관이 발파에 의해 손상되는 것을 방지하기 위하여, 상기 케이블 및 물공급관을 다시 파일롯 터널 외부로 인출해야 하기 때문에 천공작업의 중단 및 번거로움이 따르며, 이에 수반하여 작업시간도 오래 걸리는 등, 실질적인 발파공 사전 천공작업이 수행되기 어려운 문제점을 내포하고 있다. 또한, 터널 하부 반단면에 대해서는 기존의 종방향 천공발파공법을 동일하게 채택함으로서 발파공 천공시간 단축은 더욱 제한적인 것이었다.
전술한 TBM/NATM 병용공법을 이용한 종방향 발파공법이나 이방향 발파공법에서, 상기 종방향 발파공법은 TBM굴착이 완전히 종료된 후에 파일롯터널 주위를 종방향으로 확대발파하여야만 하며, 또한 이방향 발파공법도 마찬가지로 횡방향 발파공 천공만을 TBM 관통후 확대발파를 시행하기 전에 실시하는 것일 뿐, 확대발파는 TBM에 의한 파일롯 터널 굴착이 완료된 후에나 가능한 것이었다.
이는, TBM 굴착과 동시에 확대발파를 시도할 경우, 상기 TBM 굴착에 필요한 각종 기기설비(전기 케이블, 급기관, 물공급관, 환기덕트 등)가 발파로 인하여 손상되고, 또한 TBM굴착에서는 레일상에서 이동되는 광차를 이용하여 버럭처리를 수행하기 때문에 레일 위에서 확대발파를 실시할 경우, 상기 레일이 손상되거나 매몰되어 TBM 굴착으로 생기는 버럭을 반출시킬 수 없기 때문이다.
따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, TBM에 의한 파일롯터널의 굴진중에, 터널 반경방향에서 3차원적 경사방향으로의 사방향 발파공을 미리 천공해놓고, TBM 막장으로부터 수백미터 후방에서 터널 최외곽면에 소정길이만큼 종방향발파공의 천공을 실시하여, 1차적으로 터널 상부 반단면에 사방향/종방향 확폭발파를 실시하고, 2차적으로 NATM 막장으로부터 수십미터 후방에서 터널 하부 반단면에 중앙부를 제외하고 종방향 발파를 병행하는 2단계 발파공법을 수행하여 굴진장을 최대한으로 늘이면서 여굴을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 터널 굴착작업을 신속히 할 수 있는 3차원적 다단계 터널굴착방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 파일롯터널 굴착중에, 사방향/종방향 확폭발파와 확폭발파구간의 수십미터 후방에서 터널 하부 반단면에 중앙부를 제외하고 종방향 발파를 수행하는 2단계 발파를 실시하고, 마지막 3차적으로는 잔존하는 터널 하부 반단면 중앙부에 대하여 횡방향 천공을 사전 실시한 후, 파일롯 터널 굴착 완료후 레일을 제거하면서 횡방향 발파를 연속적으로 시행하는 1단계 발파공법을 추가 수행함으로써, TBM유지관리를 위한 유휴시간(down time)은 물론, TBM 굴착중에도 발파작업을 수행할 수 있을 뿐만 아니라, 파일롯 터널 굴착완료와 거의 동시에 터널 확대 발파작업을 마무리할 수 있게 하여 공기 및 공사비용을 획기적으로 줄일 수 있는 3차원적 다단계 터널굴착방법 및 장치를 제공함에 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 기존의 레일 및 기관차를 이용하되, TBM 굴착으로부터 생성되는 버럭은 기존의 광차를 이용하면서, 상기 3차원적 1단계 확대발파시 생성되는 버럭 및 2단계 종방향 확대발파시 생성되는 버럭은 캐리어를 이용하여 처리함으로써 버럭처리 효율 및 장비가동 효율을 증대할 수 있는 3차원적 다단계 터널굴착방법 및 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 확대발파구간에서 환기덕트를 일시적으로 제거할 수 있도록 탈착가능하게 하여 TBM굴진에 따른 환기와 함께 확대발파에 따른 장애를 최소화할 수 있는 3차원적 다단계 터널굴착방법 및 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 1차 사방향/종방향 확대발파시 발파를 실시하지 않는 파일롯 터널의 저부 공간을 이용하여 레일이나 TBM 굴착에 필요한 기기설비 즉 전기케이블, 물공급관과 급기관등을 설치하고, 버럭운반 캐리어로 방호함으로써 이들을 발파에 따른 버럭으로부터 안전하게 보호할 수 있도록 하고, 상기 캐리어가 숏크리트 타설 및 락볼트공 천공등과 같은 후속작업을 위한 발판(deck)이나 장비 또는 작업자의 이동통로로도 이용될 수 있도록 한 3차원적 다단계 터널굴착방법 및 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 2차 종방향 발파시 파일롯 터널 저부에 바닥캐리어를 설치하여 상기 TBM 굴착에 필요한 기기설비들을 발파에 따른 버럭으로부터 보호받을 수 있게 하고, 2차 종방향 발파에 따라 생성된 버럭을 용이하게 처리할 수 있도록 한 3차원적 다단계 터널굴착방법 및 장치를 제공함에 또 다른 목적이 있다.
도1은 종래기술에 따른 종방향 천공 발파 패턴도.
도2a 내지 도2d는 도1의 패턴에 따라 시공되는 종방향천공 발파방법의 시공순서도.
도3a 내지 도3c는 종래기술에 따른 이방향 천공 발파 패턴도.
도4a 내지 도4d는 도3a 내지 도3c의 패턴에 따라 시공되는 이방향 천공 발파방법의 시공순서도.
도5a 내지 도5d는 본 발명에 의한 3차원적 다단계 천공 발파방법을 구현하기 위한 발파패턴도.
도6a 내지 도6g는 본 발명에 의한 3차원적 다단계 천공 발파과정을 나타낸 시공순서도.
도7a 및 도7b는 파일롯 터널면으로부터의 사방향 발파공/락볼트공 겸용공의 천공 및 장약과정을 나타낸 개략도 및 상세도.
도8은 본 발명에 사용되는 쐐기커플러의 구성도.
도9는 본 발명에 의한 3차원적 다단계 천공 발파시 발생되는 버럭 반출 모식도.
도10a 내지 도10f는 본 발명에 의한 3차원적 다단계 천공 발파시 발생되는 버럭의 처리과정을 나타낸 순서도.
도11은 본 발명에 의한 터널굴착장치의 전체 구성을 나타낸 개략도.
도12는 본 발명에 따른 터널 굴착장치의 헤드를 나타낸 정면도.
도13은 본 발명에 따른 터널 굴착장치의 외측 켈리를 나타낸 사용상태도.
도14는 도11의 A-A'선을 따라 나타낸 단면도.
도15는 본 발명에 의한 천공,발파장치의 요부인 브라켓 유니트의 구성을 나타낸 분해사시도.
도16은 본 발명의 요부인 버럭이송장치의 구성도.
도17은 본 발명의 요부인 점보드릴이 원주방향으로 기울어진 동작상태를 나타낸 측면도.
도18은 본 발명의 요부인 점보드릴이 경사방향으로 회전되는 상태를 개략적으로 나타낸 정면도.
도19는 캐리어와 파일롯터널 하부 사이 공간에 TBM 굴착에 필요한 각종 설비가 설치된 상태도.
도20은 본 발명의 요부인 환기덕트의 탈부착 개념을 나타낸 개략도.
도21a 내지 도21c는 본 발명에 의한 콘크리트 라이닝 타설장치 및 발파시의 라이닝 콘크리트 보호수단을 나타낸 개략도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
21: 파일롯터널 22: 사방향 발파공
23: 종방향 발파공 24: 락볼트공
25: 모래전색 29: 캐리어용 데크
32: 레일 33: 캐리어
34: 콘테이너 100 : TBM 본체
200 : 점보드릴 300 : 회동유니트
400: 버럭처리장치 500 : 버럭처리 기관차
600: 환기덕트 700 : 지퍼
800: 사다리 900: 데크
1000: 레일 스위치 1100: 콘크리트 라이닝
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 터널보링머신에 의해 굴착중인 파일롯(pilot)터널의 상부반단면에 터널반경방향인 횡방향에서 진행방향인 종방향측으로 소정각도만큼 경사시켜 사방향 발파공을 미리 천공해 놓고, 상기 터널의 최외곽 굴착단면에 터널진행방향인 종방향으로 소정길이만큼 발파공을 천공한 후, 장약하여 확대발파하는 제1 단계; 상기 확대발파 구간에서 막장 후방으로 소정거리만큼 떨어진 위치에서 터널 하부 반단면에 대하여 중앙부를 제외하고 종방향 발파공을 천공한 후, 장약하여 발파하는 제2 단계; 및 상기 터널의 하부 반단면 중앙부에 대하여 횡방향 천공을 사전 실시한 후, 파일롯 터널 굴착 완료후, 횡방향 발파를 연속적으로 시행하는 제 3단계를 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법을 제공한다.
또한, 본 발명은 터널굴진방향으로 전진이동하면서 파일롯 터널을 굴착하며, 후속 트레일러가 구비된 터널보링머신(TBM) 본체; 상기 터널보링머신(TBM) 본체의 소정위치에 설치되며, 굴착중인 파일롯 터널의 상부반단면에 반경방향인 횡방향에서 굴진방향인 종방향측으로 소정각도만큼 경사시켜 천공을 실시하는 천공수단; 상기 터널보링머신(TBM) 본체에 설치되어 상기 천공수단을 경사방향 및 원주방향으로 회동시키는 회동수단; 및 상기 파일롯 터널의 하반부 공간에 설치되어 확대발파시 생성되는 버럭을 담아 막장외부로 반출하기 위한 버럭처리수단 및 로더 앞부분에 설치되며 버켓을 수평방향으로 소정 각도만큼 회동시켜 확대발파시 터널 상반 및 하반의 좁은 공간에서 버럭을 캐리어에 용이하게 상차하기 위한 버켓회동수단을 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착장치를 제공한다.
이하, 첨부된 도5이하의 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명에 의한 3차원적 다단계 터널굴착방법 및 장치는 도5a 내지 도5d의 발파패턴도에 도시한 바와 같이, 터널보링머신으로 굴착중인 파일롯 터널에 장약공을 지표면을 향하는 방향으로 설치하여 상기 장약공의 길이방향을 통해 터널굴진방향으로 더 큰 크기의 진동이 전파되는 양상을 기초로 하여, 파일롯터널 굴착중에 그의 상부반단면에 대하여 터널 반경으로 향하는 방향(이하, "횡방향" 이라 칭함)에서 터널굴진방향(이하, "종방향"이라 칭함)측으로 소정각도 만큼 틀어진 방향(이하, "사방향"이라 칭함)의 발파공(22)을 미리 천공해 놓고, TBM 막장으로부터 수백미터 후방에서 터널 최외곽면에 소정 길이만큼 종방향 발파공(23)의 천공을 실시하여, 1차적으로 사방향의 초벌발파와 터널 굴착단면의 최외곽부(최종 설계단면의 외곽부) 완성발파를 수행하고, 2차적으로 확대발파가 실시된 구간(이하, "NATM 막장"이라 칭함)의 수십미터 후방(l)에서 터널 하부 반단면에 대하여 중앙부를 제외하고 종방향발파공 천공(26)을 수행한 후, 일정구간만큼 종방향 발파를 재차 실시하고, 마지막 3차적으로는 잔존하는 터널 하부반단면 중앙부에 대하여 횡방향 천공을 사전 실시한 후, 파일롯 터널 굴착 완료후 레일을 제거하면서 발파하여 터널굴착 사이클 타임을 감축하고 공사비용을 획기적으로 줄일 수 있도록 구현한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원적 다단계 천공 발파과정을 도6a 내지 도6g를 참조하여 좀더 상세히 설명한다.
먼저, TBM으로 굴착중인 파일롯(pilot) 터널(21)내에서 사방향으로 천공할 수 있는 TBM 후속 트레일러에 탑재된 점보드릴 또는 TBM에 장착된 점보드릴을 이용하여 파일롯 터널의 상부 반단면에 사방향 발파공(22)을 소정길이만큼 천공하되, 미리 계산하여 설정해 놓은 경사각도 및 천공장에 맞게 사방향 발파공(22)을 미리 천공해 놓고, 터널 최외곽면의 여굴을 줄일 수 있도록 하기 위하여 TBM 막장으로부터 수백미터 후방에서 최외곽 발파공(line drilling hole)(23)을 소정길이만큼 종방향으로 천공한다(도6a 및 도6b), 본 실시예에서는 사방향 천공구간을 2∼4m 정도로 하고, 종방향으로 2∼4m의 길이(la)만큼 최외곽면 천공을 실시한 것을 보여주고 있다. 이때, 점선 a로 나타낸 바와 같이 상기 종방향 발파공의 길이를 상기 사방향 발파공의 선단에 일치시키도록 한다.
여기서, 상기 사방향 발파공(22)의 천공각은 발파후 생성된 버럭이 막장의 중앙측으로 비산될 수 있는 각도로 결정하는 것이 바람직하며, 본 실시예에서의 상기 사방향 발파공(22)은 막장 후방으로 경사지게 천공되며, 천공각은 실질적으로 20°∼40°중 어느 한 각을 갖는다.
한편, 본 발명의 발파공 천공에 따른 다른 실시예로서, 도7a 및 도7b에 도시한 바와 같이 상기 사방향 발파공(22)의 천공시 터널굴착 사이클 타임을 최대한으로 단축하기 위하여 상기 사방향 발파공(22)의 천공작업은, 발파공길이와 완성된 터널에서의 락볼트공(24) 길이를 합한 길이만큼 파일롯 터널(21)내에서 사전에 실시하여 파일롯 터널의 효율성을 극대화할 수 있다. 즉, 파이롯 터널(21)내에 사전 천공된 발파/락볼트 겸용공은 먼저 발파공으로서 이용되어 1차 초벌발파를 하는데 사용되며, 터널 최외곽면에 대한 2차 정밀발파가 끝난 뒤, 락볼트공(24)으로 재사용이 가능하다. 따라서, 발파후 굴착암반면의 보강을 위해 별도의 락볼트(rock bolt)공 천공을 실시하지 않아도 되므로 락볼트공 천공시간을 획기적으로 줄일 수 있게 되며, 현장여건상 횡방향 락볼트공이 요구될 경우에는 별도로 상기 사방향 발파공대신 횡방향 발파/락볼트 겸용공을 천공하여 사용할 수 있다. 이때, 상기 사방향 발파/락볼트 겸용공과 종방향 정밀 발파공이 교차하는 경우가 발생할 수 있는데, 이 경우에는 종방향발파공 천공시, 천공작업으로부터 생성되는 물이 사방향 발파공으로 누수되는지를 관찰하여 확인할 수 있다. 만약, 사방향 발파공(22)과 종방향 발파공이 교차될 경우에는 종방향 발파공을 처음공과 어느 정도 이격시켜 재천공함으로서 상기 문제를 해결한다.
상기 사방향 발파공(22) 및 최외곽 종방향 발파공(23)의 천공이 완료되면, 발파후 비산되는 버럭을 모아 외부로 배출하기 위한 버럭이송장치(31)를 NATM 막장의 파일롯 터널(21) 바닥에 설치한다.
상기 버럭이송장치(31)의 캐리어(33)는 파일롯 터널 하부 반단면 내에서 확대발파 단면 위치를 상하로 적절히 조절함으로써, 발파시 생성되는 폭압 및 버럭으로부터 안전하게 보호될 수 있다.
상기 버럭이송장치(31)의 설치후에는 사방향 발파공(22)과 종방향 발파공(23)에 장약을 설치하되, 설계 천공장보다 과다하게 천공되었을 경우에는 상기 초벌발파면까지만 장약이 투입되도록 상기 초벌발파면측의 사방향 발파공 위치에 쐐기커플러의 설치와 적절한 길이의 모래전색(25)을 실시한다. 이때, 상기 쐐기커플러는 사방향 발파공(22)의 직경보다 약간 크게 제조되며 일측에 쐐기홈(42a)이 형성된 고무 커플러(42)와, 상기 고무 커플러(42)의 쐐기홈(42a)에 끼워지는 쐐기(43)로 구성된다. 따라서, 상기 쐐기 커플러와 모래전색(25)에 의해 초벌발파면까지만 폭약이 신뢰성있게 장약될 수 있는 것이다.
한편, 상기 사방향 발파공에 투입되는 장약길이를 조절하기 위한 방법의 다른 실시예는 도8에 도시한 바와 같다.
먼저, 상기 사방향 발파공 형성 후, 공입구에 고무커플러(42)를 끼운뒤, 외주면에 길이를 잴 수 있는 눈금(46)이 표시된 중공관(44)으로 상기 사방향 발파공(22)에 천공장 설계에 맞춰 밀어넣는다. 그리고, 쐐기 밀대(45)를 이용하여 상기 쐐기(43)를 중공관(44)을 통하여 고무 커플러(42)에 끼워 삽입함으로써 상기 초벌발파면의 천공장까지만 장약이 투입되도록 할 수 있게 되는 것이다.
이러한 실시예는 사방향 천공장이 설계보다 과다하게 천공되었을지라도, 상기 쐐기커플러 또는 모래전색(25)으로 장약 천공장을 조절할 수 있으므로 정밀시공이 가능하게 된다.
상기 사방향 발파공(22)과 종방향 발파공(23)에 장약이 완료되면, 1차적으로 초벌발파 및 완성발파를 병용하여 실시한다(도6c). 이때, 막장 후방으로 경사지게 천공된 사방향 발파공에 폭약이 장약되어 있기 때문에, 상기 초벌발파 및 완성발파 과정에서 생성된 버럭은 NATM 막장의 중앙부로 비산하게 되며, 상기 NATM 막장의 파일롯 터널 바닥에 설치된 캐리어(33)상의 콘테이너(34)에 발파된 버럭이 효율적으로 담겨지게 되는 것이다. 이렇게 버럭이 쌓여진 상기 캐리어(33)는 막장 후방으로 신속히 견인됨으로써 다음 작업공간을 확보할 수 있게 되는 것이며, 후방으로 견인된 캐리어(33)의 콘테이너(34)는 덤프트럭에 상차됨으로써 쉽게 버럭을 처리할 수 있는 것이다. 이때, 버럭을 갱외 버럭처리장에 적하시킬 경우에는 광차와 같이 상기 캐리어를 측면 개폐형으로 만듦으로써 용이하게 버럭을 적하시킬 수 있다.
한편, 상기 1차 발파에 따라 생성된 버럭중 캐리어로 낙하되지 않은 나머지 버럭들은 로더를 이용하여 콘테이너(34)에 상차한다.
1차 초벌발파 및 완성발파를 실시한 후에는 NATM 막장 수십미터 후방에서 터널 하부 반단면에 대하여 중앙부를 제외한 종방향 천공(26)을 실시하고, 2차적으로 터널 하부 반단면 중앙부를 제외한 종방향 발파를 수행한다(도6b, 도6e).
2차 발파시 발생되는 버럭은 1차 발파시와 마찬가지로 로더를 이용하여 캐리어상의 콘테이너에 담아 처리할 수 있다. 또한, 상기 1단계 발파와 2단계 발파는 동시에 시행할 수 있으며, 이럴 경우 환기등 후속작업시간이 단축될 수 있다.
한편, 발파를 수행하는 과정(도6a 내지 도6e)에서, 기존 공법에서는 광차의 운행시간 단축 및 원활한 소통을 위하여, 도6f(a)에 도시한 바와 같이 장대터널에서는 1 ∼2km에 1개소씩 파일롯 터널 하부에 데크 플레이트를 설치하고, 그 위에 광차 또는 기관차가 상호 교행할 수 있도록 2개의 레일 트랙으로 구성되는 레일 스위치(1000)를 설치하고 있다. 그러나, 본 발명의 공법에서는 도6f(b)에 도시한 바와 같이 1, 2단계 확대발파 수행후 잔존하는 터널 하부반단면 중앙부 상면과 굴착된 터널 하부 반단면 양측을 데크 플레이트로 연결하고, 그 양끝에 지지대(support)를 세운다음, 상기 데크플레이트 상에 상호 교차되는 3개의 레일 트랙을 설치하여 상기 광차 및 캐리어를 신속히 견인할 수 있도록 하고 있다. 또한, 상기 2차 발파시 발생되는 버럭들을 상기 캐리어에 담을 수 있도록 터널 하부 반단면 양측 좁은 공간에서 로더 버켓의 회동이 가능하도록 로더 버켓에 수평회동장치를 설치하여 캐리어에 버럭의 상차를 용이하게 할 수 있다.
또한, 도6g에 도시한 바와 같이 점보드릴 및 로더등 터널장비들이 터널상반과 하반을 용이하게 이동할 수 있도록 높이 및 각도가 가변되는 사다리를 설치할 수 있다. 이 경우에는 중앙부에 힌지(804)를 장착하여 세개의 제1 내지 제3 데크 플레이트(801 내지 803)가 회동가능하도록 연결하고, 중앙부측 제2 데크 플레이트(802)에는 두개의 지지빔(805)을 설치하되, 상기 지지빔(805)에는 높이조절 볼트(806)를 설치하여 확대발파할 터널 하부반단면 높이의 변화에 대응하도록 하였다.
상기 제2 데크 플레이트(801)의 양측 하단부는 수평빔(807)을 매개로 연결하고, 상기 수평빔(807)의 양단 하부에는 바퀴(808)를 설치하여 터널 상,하반에 대한 천공 및 버럭처리등 작업여건에 따라 적절히 전후방으로 이동시킬 수 있도록 하고 있다.
또한, 상기 제3 데크 플레이트(803)가 터널 하부반단면 상단에 걸쳐질 수 있도록 일측은 상기 제1 데크 플레이트(801) 상에 고정되고, 타측은 힌지(804)에 감겨진후 제3 데크 플레이트(803) 상에 고정되는 와이어(809)와, 상기 제1 데크플레이트(801)에 설치되어 와이어(809)를 감고 풀면서 제3 데크 플레이트(803)를 힌지(804)를 중심으로 상승 및 하강시키기 위한 윈치(810)로 구성된다.
한편, 터널 하부 반단면에 대해서는 레일이 설치되어 있는 중앙부는 발파를 시행할 수 없으나, 상기 터널 하부 반단면 중앙부를 제외한 하부 양측에 대해서는 레일 또는 TBM 굴착에 필요한 각종 기기설비(전기 케이블, 급기관, 물공급관, 환기덕트 등)가 발파로 인하여 손상을 받지 않는다면, 발파가 가능할 수 있다.
즉, 상기 1차 확대발파와 동시에, NATM막장으로부터 수십미터 후방에서 터널 하부 반단면에 중앙부를 제외하고 2차적으로 종방향 발파를 병행하고, 마지막 3차적으로는 잔존하는 터널 하부 반단면 중앙부에 대하여 횡방향(터널 반경방향) 천공을 사전 실시한 후, 파일롯 터널 굴착 완료후 레일을 제거하면서 횡방향 발파를 연속적으로 시행한다.
여기서, 도5a 내지 5d에 도시한 바와 같이, 2차 종방향발파의 수행은 상기 레일 또는 TBM 굴착에 필요한 각종 기기설비등을 발파로부터 안전하게 보호받게 하기 위하여 터널 하부반단면 중앙부와 양측과의 수직 경계면에 대하여 정밀발파(smooth blasting)를 실시할 수 있다. 이때, 생성되는 버럭은 1차 확대발파시와 동일하게 로더버켓을 이용하여 캐리어에 상차한 다음, 기관차로 견인하여 신속하게 반출할 수 있는데, 상기 버럭처리작업은 1차 확대발파후, 락볼트 및 스틸 리브(steel rib) 설치등, 막장 안정화 작업중에 실시함으로써 터널굴착 사이클 타임을 최대한 단축할 수 있다. 3차 횡방향발파의 수행은 1, 2차 발파가 완료된 다음, 남아있는 터널 하부 반단면 중앙부에 대한 횡방향 발파공 천공을 천공장비의 유휴시간등을 이용하여 사전에 틈틈히 시행하며, 파일롯 터널굴착 완료후 레일이 제거되는 대로 터널 굴착 사이클 타임을 고려하여 무제한으로 발파할 수 있게 함으로써, 공사기간은 물론 천공장비의 가동율을 극대화할 수 있다. 이때, 3차 횡방향 발파공 천공은 천공장비의 작업여건을 고려하여 터널 막장쪽이나 갱구부쪽으로의 사방향으로도 실시할 수 있다.
상기와 같이 수행되는 본 실시예의 천공 발파과정에서는 도6b의 단계에서 완성발파와 초벌발파를 일정구간 1회에 실시하는 예를 제시하고 있으나, 굴진장을 최대한 확보하기 위하여, 1차로 일정구간에 대한 초벌발파 및 일부 완성발파를 실시한 후, 상기 최종 굴착면 주위에 여분으로 잔존하는 암반을 말끔히 제거하기 위하여 2∼4m 정도의 길이(lb)만큼 최외곽면 종방향 발파공의 천공을 재차 실시하고 정밀 폭약을 장약한 후 발파할 수도 있다(도6d). 이것은 버럭량을 고려하여 버럭의 이송이 충분하다고 판단될 경우에만 시행하며, 두 경우 모두 터널 하부 반단면 종방향 발파와 병행하여 실시한다.
이와 같이, 최종 정밀발파 굴착을 추가적으로 실시함으로써 최종굴착면 주위에 잔존하고 있는 암반을 깨끗이 제거하여 굴진장 증대에 따른 여굴량을 획기적으로 줄일 수 있는 것이다.
다음은, 3차원적 다단계 천공, 발파수행시 병행되는 버럭 반출상태를 도9 및 도10을 참조하여 상세히 설명한다.
도9는 본 발명에 의한 3차원적 다단계 천공 발파시 발생되는 버럭 반출 모식도로서, 광차(28), 캐리어(27, 33) 및 기관차(500)를 이용하여 TBM굴착시나 확대발파시 버럭을 반출하는 상태도이다. 즉, 파일롯 터널의 하부에 가설된 레일을 매개로 이동되는 광차에 TBM 굴착시 생성되는 버럭을 싣고, 기관차로 견인하여 외부로 반출하며, 또한 TBM 굴착 막장으로부터 후방으로 소정거리만큼 떨어진 위치(lc)의 NATM 막장에서 터널 확대발파시, 레일상에 설치된 캐리어에 버럭이 담겨지게 된다. 이때, 파일롯 터널 외부에 위치된 기관차가 캐리어를 견인하여 외부로 반출하며, TBM 버럭반출시 광차를 캐리어에 연결하여 함께 견인할 수 있다. 또한, 상기 광차와 캐리어는 TBM 버럭반출시 혼합 편성될 수 있으며, 장비가동의 효율성을 높이기 위하여 종래의 광차는 캐리어로 대체될 수 있다. 따라서, 한대의 기관차를 이용하여 광차와 캐리어를 견인할 수 있기 때문에 장비가동 효율을 증대시킬 수 있는 것이다.
도9에 도시된 버럭 반출 모식도를 기초로 하여 TBM 굴착 및 3차원적 다단계 확대발파에 따른 버럭처리과정을 도10a 내지 도10f를 참조하여 상세히 설명한다.
먼저, TBM으로 파일롯 터널 굴착시 생성되는 버럭은 TBM에 설치된 콘베이어를 통하여 운반되며, TBM 후속설비측에 대기하고 있는 광차(28)에 실리게 된다. 상기 버럭을 실은 광차는 기관차에 의해 견인되어 막장 외부로 반출된다(도10a).
그리고, 파일롯 터널 굴착에 따른 버럭이 반출되면서 상기 TBM 굴착수행중에 TBM 후속 트레일러에 설치된 점보드릴을 이용하여 사방향 발파공을 미리 천공해 놓고, TBM 막장으로부터 수백미터 후방에서 별도의 점보드릴을 이용하여 터널 최외곽면에 대한 종방향 발파공 천공을 수행한다. 그리고, 상기 확대발파를 실시할 구간의 레일위에 파일롯 터널 상부반단면보다 약간 낮은 높이를 가지는 캐리어(33)를 설치한 후, 터널 상부 반단면에 대한 1차 초벌발파 및 완성발파를 실시한다. 이때, 생성된 버럭은 캐리어(33)상의 콘테이너(34)에 모이게 되며, 일부 막장 바닥으로 비산되는 버럭은 로더버켓으로 담아 콘테이너에 싣게 된다. 그리고, 상기 광차(28)를 견인하였던 기관차(500)로 상기 캐리어(33)를 견인하여 외부로 반출하게 된다(도10f).
상기 1차 확대발파 실시후 생성된 버럭이 모두 반출되면, 확대발파가 실시된 곳으로부터 막장 후방측으로 수십미터 떨어진 위치(ld)의 파일롯 터널 하부에 바닥 캐리어(27)를 설치하고, 2차로 터널 하부 반단면에 중앙부를 제외하고 종방향발파공을 천공한 후 발파를 실시하게 된다(도10b, 도10c). 여기서, 상기 바닥캐리어(27)는 신속한 버럭처리를 가능하게 함은 물론 후술할 TBM굴착에 필요한 각종 기기설비를 방호하기 위함이다.
다음으로, 상기 2차 종방향 발파 실시후, 생성된 버럭은 로더버켓에 의해 상기 바닥 캐리어(27) 또는 캐리어(33)에 상재한 다음 기관차(500) 견인에 의하여 막장 후방으로 신속히 반출시킨다. 이와같이 1차, 2차에 걸친 발파후 하나의 기관차를 이용하여 캐리어에 담긴 버럭을 막장 후방으로 신속히 이동시킴으로써 다음 천공작업에 필요한 작업공간을 조기에 확보하여 터널굴착 사이클 타임을 단축할 수 있게 된다.
한편, 작업시간의 단축을 위하여 상기 1차, 2차 발파를 동시에 시행할 경우에는 로더버켓에 의해 캐리어(33)와 바닥캐리어(27)에 각각 버럭을 상재한 다음, 연결하여 기관차(500)로 신속히 후방으로 이송시킬 수 있다(도10f).
전술한 바와 같이 다단계에 걸친 천공발파와 버럭처리를 수행하기 위한 터널굴착장치와 버럭처리장치에 대하여 설명한다.
상기 터널 굴착장치는 도11에 도시된 바와 같이, 크게 전진이동하면서 파일롯 터널(1)의 굴진작업을 수행하는 TBM본체(100)와, TBM 후속트레일러(101) 및 TBM후속설비(102)로 나뉘어지며, 상기 TBM 후속 트레일러(101)의 소정위치에 설치되어 파일롯 터널의 상부 반단면에 소정각도만큼 경사방향으로 발파공을 천공하는 점보드릴(200)과, 상기 TBM 후속 트레일러(101)에 탑재되어 점보드릴(200)을 원주방향으로 회동시키고 또 상기 원주방향에서 굴진방향측으로 소정각도만큼 경사지게 회동시키는 회동유니트(300)와, 터널 상부 반단면의 확폭발파 실시후 비산되는 버럭을 담아 반출할 수 있도록 상기 파일롯 터널 하반부 공간에 설치된 버럭이송장치(400) 및 로더 앞부분에 설치되며 버켓을 수평방향으로 소정각도만큼 회동시켜 확대발파시 터널 상반 및 하반의 좁은 공간에서 버럭을 캐리어에 상차하기 위한 버켓회동수단과, 상기 파일롯 터널 내에서 이동하면서 버럭이 담긴 광차 및 버럭처리장치를 막장 후방으로 견인하기 위한 수단(500)과, 터널 상,하반 확대발파 수행시 천공 및 버럭 처리 장비등이 상기 상,하반 막장을 원활하게 이동할 수 있도록 높이 및 각도가 가변되는 사다리(800)와, 1, 2단계 확대발파 수행후 잔존하는 터널 하부 반단면 중앙부 상단과 굴착된 터널 하부 반단면 양측을 연결하여 그 위에 레일을 추가적으로 설치할 수 있게 함으로서 레일 상에서 이동하는 광차 및 캐리어의 원활한 소통과 운행시간을 단축시키기 위한 데크(900) 및 레일 스위치(1000)로 크게 구성된다.
여기서, 상기 TBM 본체(100)는, 도11 내지 도13에 도시한 바와 같이 다음과 같은 공지의 구성을 포함한다. 고속으로 회전하여 암석을 분쇄하기 위한 다수의 커터(112)와 상기 커터(112)에 의해 발생된 버럭(muck)을 후방으로 배출시키기 위한 다수의 버켓(bucket)(114)이 구비되며 헤드재킷(116)으로 둘러싸인 헤드(110)와, 상기 헤드(110)의 후방에 장착되며 헤드(110)를 전진시키기 위한 유압실린더(122)와 상기 헤드(110)에 회전력을 제공하는 구동유닛(124)이 구비된 내측 켈리(inner kelly)(120)와, 상기 내측 켈리(120)의 외주부에 장착되며 도13에 도시된 바와 같이 파일롯 터널(1)의 벽면을 향해 설치된 다수의 고정패드(132)와 상기 각 고정패드(132)를 파일롯 터널(1)의 방사방향으로 이동시키기 위한 다수의 패드 실린더(134)를 구비하여 파일롯 터널(1)의 굴진작업시 상기 헤드(110)를 지지하는 외측 켈리(outer kelly)(130)와, 상기 헤드의 버켓(114)에 담겨진 버럭을 TBM 본체(100)에서 후속 트레일러(101) 후방측으로 반송하기 위한 벨트 컨베이어(141)및 보조 컨베이어(142)를 구비한다.
TBM 후속 트레일러(101)의 플랫포옴 위치(103)에 장착된 상기 점보드릴(200)은 도14에 도시한 바와 같이 발파공 및 락볼트공의 천공작업을 수행하는 드릴(210)과, 상기 드릴(210)을 구동시키기 위한 드리프터(drifter)(220)와, 상기 드리프터(220)를 길이방향으로 전후이송시키기 위한 피드실린더(230)를 구비한다. 상기 피드실린더(230)는 터널굴착 단면의 원하는 천공길이만큼 드릴의 이송길이를 제어하도록 외부 제어부(도시하지 않음)의 제어신호에 의해 구동된다.
본 실시예에서 상기 점보드릴(200)은 벨트 콘베이어(141)에 간섭되지 않는 범위내에서 후속 트레일러(101)의 플랫포옴(103) 위치에 설치된 예를 제시하고 있다. 여기서, 상기 점보드릴(200)의 위치가 TBM 본체(100)와의 소정 거리만큼 여유가 있는 것은 점보드릴작업에 필요한 소요공간을 확보하기 위함이다. 그러나, 이러한 실시예에 반드시 국한하는 것은 아니고, 작업여건에 따라, TBM 본체의 내측 켈리(inner kelly)(120)나, TBM 본체(100)의 메인 빔상에 장착할 수 도 있다.
상기 회동유니트(300)는 도14 및 도15에 도시한 바와 같이 그 내측에 파일롯 터널(1)의 중심축과 평행한 중심축을 가지고 두개의 점보드릴에 구비된 피더를 각각 원주방향으로 회동시키는 로터리 프레임(320)상의 회전기어와, 상기 점보드릴의 피더가 각각 개별적으로 회전될수 있도록 회전기어를 소정의 각도범위, 바람직하게는 - 90°∼ + 90°사이에서 회전시키는 제1 모터(330)와, 상기 로터리 프레임(320)의 전면 양측에 장착되어 상기 점보드릴(200)을 경사방향으로 회동가능하게 하는 브라켓 유니트(340)와, 상기 브라켓 유니트(340)에 장착되어 소정각도만큼 경사방향의 회동력을 제공하는 스텝핑 모터(350)로 구성된다.
또한, 본 실시예에서, 상기 브라켓 유니트(340)는, 도15에 도시된 바와 같이 중앙에 홈부가 형성된 "요(凹)"자 형상을 가지되 상기 요홈의 양측면에 길이방향으로 관통된 관통홀(341a)이 형성되며 상기 로터리 샤프트(320)에 볼트등의 고정기구를 매개로 체결되는 브라켓(341)과, 상기 브라켓(341)의 관통홀(341a)에 구비된 베어링(346)과, 상기 브라켓(341)의 홈 내부로 관통하는 스텝핑 모터(350)의 축에 구비된 외접기어(342)와, 그 일측이 상기 점보드릴(200)의 하부에 고정되도록 그 상부 양면에 연장편(345)이 구비되며 내부에 상기 외접기어(342)와 치합하기 위한 내접기어(344)가 형성된 링기어판(343)으로 구성된다.
상기와 같이 구성된 회동유니트(300) 및 브라켓 유니트(340)에 의해 상기 제1 모터(330)의 동력을 각각 전달받은 로터리 프레임(320)상의 회전기어가 회전됨에 따라, 점보드릴(200)의 천공방위각이 맞춰지고, 상기 스탭핑 모터(350)가 제어된 각도만큼 회전력을 제공함에 따라 그의 축에 고정된 외접기어(342)와 치합되는 링기어판(343)의 내접기어(344)를 통하여 점보드릴(200)이 파일롯 터널(1)의 원주방향에서 소정 각도만큼 기울어진 경사방향으로 회전된다. 이때, 상기 스텝핑모터(350)의 구동에 의해 기울어지는 링기어판(343)의 경사범위는 약 20°∼ 40°정도가 바람직하다. 그리고, 드리프터(220)와 피드실린더(230)의 구동에 의해 드릴이 터널반단면을 사방향으로 천공하는 것이다.
상기 버럭이송장치(400)는 도16에 도시한 바와 같이 파일롯 터널의 막장 바닥면 양측에 설치된 레일(432)과, 상기 레일(432)상에서 이동할 수 있도록 그 하부에 휠(433a)이 구비되며 그 후측면에 연속하여 연결할 수 있는 연결고리가 구비된 캐리어(433)와, 버럭을 담을 수 있는 공간부를 가지고 상기 캐리어(433)의 상부에 놓여지며 덤프트럭에 상차가 가능한 콘테이너(434)와, 상기 캐리어(433)의 내면에 구비되어 상기 콘테이너(434)로 낙하되는 버럭의 충격과 소음을 감소시키기 위한 고무판(435)과, 상기 캐리어(433)에 연결되는 휠(433a)의 축에 구비되어 버럭의 낙하에 따른 충격을 감소시키기 위한 스프링(436)으로 구성된다. 여기서, 상기 캐리어(433)와 콘테이너(434)는 그들의 측면 높이가 파일롯터널 바닥면에서 상부 반단면의 높이보다 약간 낮게 형성되어 버럭운반 용량을 크게 한 구조로 되어 있다.
한편, 캐리어와 바닥캐리어는 버럭수용량과 터널 확대발파 단면위치에 따라 구별될 수 있는데, 확대발파단면의 높이보다 캐리어의 높이가 높으면 버럭의 수용량은 증대될 수 있으나, 상기 높이차이만큼 캐리어는 발파로부터 보호받지 못하고, 손상받을 수 있기 때문에 확대발파 단면위치에 따라 캐리어의 높이는 적절히 조정되어야 한다. 즉, 1차 발파시에는 터널 상부 반단면만큼 확대 굴착할 수 있기 때문에 캐리어의 높이는 그 만큼 높아질 수 있으나, 2차 발파시에는 터널 하부 반단면 일부만을 확대굴착하기 때문에 바닥캐리어의 높이는 그만큼 낮아져야 하는 것이다.
상기와 같이 구성된 버럭이송장치(400)는 파일롯 터널내에서 기관차(500)에 의해 광차와 함께 이동된다. 즉, 상기 파일롯 터널 굴착시 생성되는 버럭이 광차에 담겨지면 상기 기관차가 견인하여 막장외부로 반출하며, 확대발파시에 콘테이너에 버럭이 담기게 되면, 상기 파일롯 터널 외부에 위치하고 있던 기관차가 캐리어를 견인하여 막장 외부로 반출한다. 이와 같이 상기 기관차 한대로 광차 및 캐리어를 이동시킴으로써 장비가동효율을 증대시킬 수 있는 것이다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 터널 굴착장치의 작용상태에 대하여 첨부된 도11을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
상기 TBM 본체의 헤드(110)가 내측 켈리(120)의 유압 실린더(122)로부터 제공되는 힘으로 전진이동하면서, 또한 구동유닛(124)으로부터 제공되는 동력에 의해 헤드의 커터가 회전하여 파일롯 터널(1)을 굴착한다. 상기 굴착과정에서 생성되는 버럭은 벨트 컨베이어(141)에 의해 TBM 후속설비(102)로 반출되며, 상기 반출된 버럭은 보조 컨베이어(142) 하부에 위치된 광차에 담겨지고 버럭처리 기관차(500)의 견인력에 의해 막장후방으로 이송된다.
상기 TBM 본체(100)가 파일롯 터널(1)을 굴착하는 동안에 상기 후속 트레일러(101)의 플랫포옴(103)에 장착된 점보드릴(200)이 구동하여 파일롯 터널(1)의 상부 반단면에 사방향 발파공을 정밀하게 사전 천공한다. 즉, 상기 제1 모터(330)가 구동하여 로터리 프레임(320)상이 회전기어를 소정각도만큼 회전시킴에 따라, 상기 점보드릴(200)의 발파공 천공각도가 맞춰지며, 이 상태에서 상기 스태핑모터(350)가 구동하여 소정 각도(본 발명에서는 20°∼ 40°중 어느 한 각도)만큼 외접기어에 동력을 전달하며, 상기 외접기어(342)에 치합된 링기어판(343)의 내접기어(344)를 통하여 상기 점보드릴(200)이 원주방향에서 굴진방향 반대측으로 기울어지게 된다. 그리고, 상기 드리프터(220)와 피드실린더(230)가 구동하여 드릴(210)이 파일롯 터널(1)의 상부 반단면의 사방향으로 발파공을 천공하게 되는 것이다. 이때, 상기 발파공 천공과정에서 막장 근처의 암반절리면을 관찰하여 그 상태가 락볼트공을 시공하여야 할 경우에는 발파공구간에 락볼트공 구간만큼 길이를 더하여 천공하거나, 횡방향으로 락볼트공을 추가로 천공할 수도 있다.
상기와 같이 사방향 발파공 천공이 완료되면, 터널 최외곽면에 소정 길이만큼 종방향 천공을 실시한 후, 상기 발파공에 폭약을 장약하고, 터널의 상부 반단면에 1차 확대 발파를 실시한다. 상기 확대발파과정에서 경사방향으로 폭약이 장약되어 있기 때문에 상기 확폭작업에 의해 발생된 버럭은 막장 중앙부로 모이게 되어 캐리어(433)에 장착된 콘테이너(434) 상에 적재된다. 콘테이너(434)상에 버럭이 차게되면 파일롯 터널 외부에 위치하고 있던 기관차(500)가 캐리어(433)를 견인하여 막장 후방으로 이송시킨다.
한편, TBM 굴착에 필요한 기기설비가 다단계 발파 과정에서 생성되는 버럭에 의해 손상되거나 파손되는 것을 방지할 필요가 있으며, 이에따라 본 실시예에서는 도19에 도시한 바와 같이 파일롯 터널 하부공간에 상기 TBM 기기설비(601)인 전기케이블, 급기관, 물공급관등을 설치하고 캐리어나 바닥캐리어로 방호함으로써 발파작업의 안정성과 신속성을 기할 수 있다. 이와같이 파일롯 터널 상부와 하부는 본 발명에 따른 터널굴착 방법을 구현하기 위하여 적절히 활용되어지는데, 상기 파일롯 터널 상부 반단면은 1차 사방향 발파공의 사전 천공에 활용되며, 하부반단면은 2차 종방향 발파공 천공 및 3차 횡방향 천공과, 1, 2차 확대발파로부터 생성되는 버럭의 처리 및 전기케이블, 덕트등 TBM 기기설비의 방호에 필요한 캐리어의 구축에 활용됨으로써 파일롯 터널의 효용성을 극대화할 수 있는 것이다.
또한, 상기 TBM 굴착이나 확대발파시에 환기덕트의 처리는 도20에 도시된 바와 같이 처리한다.
도20은 환기덕트의 탈부착 개념도로서, 상기 환기덕트(600)는 파일롯 터널의 상단면이나, 측단면에 길이방향으로 설치될 수 있다. 본 실시예에서는 TBM 굴착시 환기용으로 설치된 환기덕트(600)를 그대로 사용하되, 확대발파가 적용되는 구간에서는 상기 막장 후방의 임의 지점에서 메인 덕트(602)를 막장후방측의 덕트(603)로부터 분리한 다음, 확대발파를 실시한다. 상기 환기덕트(600)는 소정 길이마다 지퍼(700)와 행어(hanger)(701)가 구비되어 쉽게 탈착할 수 있는 구조로 되어 있으므로, 확대발파구간에서 전혀 장애가 되지 않으며, TBM 터널 굴착 재개시에는 막장후방측의 덕트를 메인 덕트와 다시 연결하여 환기를 실시할 수 있으므로 터널 내부를 청정하게 유지할 수 있다. 상기한 환기덕트의 탈부착 구조는 이미 당업자에게는 주지된 사실이므로 상세한 설명은 생략한다.
상기 환기덕트(600)에서 분리된 막장 후방측의 덕트(603)는 확대발파 직후의 환기를 수행하며, 메인덕트(602)는 막장후방측의 덕트(603)와 다시 연결되어 TBM굴착중의 환기에 사용된다. 이와같이 TBM용 환기덕트(600)는 확대발파용 환기덕트로 전환되어 환기덕트의 이용효율을 높일 수 있으며, 또 작업여건에 따라 TBM용 환기덕트(600)와, 확대발파전용 환기덕트(605)를 병렬로 설치할 수도 있다. 이 경우에는 2개의 환기덕트를 이용함으로써 발파나 천공작업에 의해 발생된 먼지 등과 같은 오염물질을 파일롯 터널(1)의 외부로 신뢰성있게 신속히 배출할 수 있게 된다.
한편, 1, 2차 확대발파가 완료되고, 락볼트 및 숏크리트(shotcrete) 타설작업등 후속공정이 마무리되면, 터널공사 마지막공정으로서 터널 외곽면에 콘크리트 라이닝 타설작업을 실시할 수 있다. 기존공법에서는 파일롯 터널이 관통되고 확대발파가 완료된 다음, 터널 라이닝(lining) 타설작업을 시행하고 있으나, 본 발명에서는 도21a에 도시한 바와 같이 라이닝 폼(lining form) 안으로 버럭처리 캐리어 및 각종 장비의 통행이 가능하도록 상기 라이닝 폼(1104) 상부공간을 사전에 확보하거나, 상기 라이닝 폼 상단에 힌지(1102)를 설치하고 윈치(1103)를 이용하여 상부빔을 개폐할 수 있게 함으로써 파일롯 터널 굴착중에 콘크리트 라이닝(1100)을 타설할 수 있다.(도21b)
한편, 파일롯 터널이 관통되어 잔존하는 터널 중앙 하단부에 대한 3차 확대발파를 시행할 경우에 도21c에 도시한 바와 같이 뒷면에 고무판(1108)이 부착되고 하부에는 이동을 용이하게 하기 위한 휠(1110)이 구비된 강재 곡면판(1106)을 상기 라이닝 하부에 설치한 후, 발파를 시행함으로써 기 타설된 상기 콘크리트 라이닝을 발파로부터 보호할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 고안의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환과 변경이 가능함이 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과를 구현한다.
첫째, 파일롯터널 굴진중에 확대발파를 위한 사방향 발파공을 파일롯 터널 상부 반단면에 미리 천공해 놓고, TBM 막장으로부터 수백미터 후방에서 터널 최외곽 종방향 발파공의 천공을 터널 상부 반단면에 실시하여 1차 확폭발파하고, 2차적으로 상기 1단계 NATM 막장 수십미터 후방에서 터널 하부 반단면에 중앙부를 제외하고 종방향 발파공 천공을 실시한 후 발파하면서, 3차적으로 잔존하는 터널 하부 반단면 중앙부에 대하여 횡방향 천공을 사전 실시한 후, 파일롯 터널 굴착완료후 레일을 제거하면서 횡방향 발파를 연속적으로 시행하는 3단계 발파공법을 수행함으로써, TBM 파일롯 터널 굴착중에 TBM 후방에서 발파공 천공 및 확대발파를 연속적으로 실시할 수 있고, 사방향과 종방향에 대한 1, 2차발파로써 터널굴진장을 쉽게 연장할 수 있으며, 여굴을 줄일 수 있다.
둘째, 파일롯 터널 굴착시와 확대발파시의 버럭처리를 병행하여 수행할 수 있어 작업효율을 극대화시킬 수 있으며, 굴진속도를 신속히 할 수 있다. 특히 확대발파시 생성되는 버럭은 막장 전면 중앙의 캐리어에 모이도록 함으로써 버럭처리 효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 공기와 공사비를 절감할 수 있다.
세째, 버럭처리과정에서 TBM 파일롯 터널 굴착시 생성되는 버럭을 반출하는 광차와 확대발파시 생성되는 버럭을 반출하는 캐리어의 이송을 하나의 기관차를 이용하여 수행함으로써 장비의 가동효율을 증대시킬 수 있다.
넷째, TBM 굴착에 필요한 전기케이블, 물공급관, 급기관과 같은 기기설비가 파일롯 터널 저부에 설치되고, 캐리어나 바닥캐리어에 의해 방호됨으로써 확대발파시에 전혀 장애가 되지 않는다.
다섯째, 상기 TBM용 환기덕트를 탈부착 가능한 구조로 형성함으로써 상기 터널 확대발파 구간에서 환기덕트가 전혀 장애가 되지 않으며, TBM용 환기덕트와 확대발파용 환기덕트 겸용으로 사용할 수 있고, 상기 TBM용 환기덕트와는 별도로 확대발파 전용 환기덕트를 재차 가설할 경우에는 환기효율을 더 크게 할 수 있어 막장 내부에서의 환경을 청정하게 유지할 수 있다.
여섯째, 파일롯 터널 굴진중 곧바로 확대발파를 수행함으로써, 파일롯 터널 안정화에 필요한 임시 지보재의 양을 최소화할 수 있으며, TBM유지관리를 위한 파일롯터널 굴진중단중에도 확대발파를 수행할 수 있어 공사비를 절감하고 공기단축을 극대화할 수 있다.
일곱째, 파일롯 터널 굴진중, 터널공사 마지막 공정인 콘크리트 라이닝 타설작업을 병행할 수 있어 공기단축효과를 극대화할 수 있다.

Claims (27)

  1. 터널보링머신에 의해 굴착중인 파일롯(pilot)터널의 상부반단면에 터널 반경방향인 횡방향에서 진행방향인 종방향측으로 소정각도만큼 경사시켜 사방향 발파공을 미리 천공해 놓고, 상기 터널의 최외곽 굴착단면에 터널진행방향인 종방향으로 소정길이만큼 발파공을 천공한 후, 장약하여 확대발파하는 제1 단계; 및
    상기 확대발파 구간에서 막장 후방으로 소정거리만큼 떨어진 위치에서 터널 하부 반단면에 대하여 중앙부를 제외하고 종방향 발파공을 천공한 후, 장약하여 발파하는 제2 단계
    를 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 터널 하부 반단면 중앙부에 대하여 횡방향 천공을 사전 실시한 후, 횡방향 발파를 연속적으로 시행하는 제 3단계
    를 더 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 단계는
    터널보링머신에 의해 굴착된 파일롯 터널의 막장 바닥면에 레일을 설치하고 그 위에 광차를 위치시키는 제4단계;
    상기 파일롯 터널 굴착시 생성되는 버럭을 레일상에 위치된 광차에 담은 후 기관차로 견인하여 막장 외부로 반송하는 제5단계
    를 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 단계는
    사방향 발파공과 최외곽 종방향 발파공을 천공한 후, NATM 막장의 파일롯 터널 바닥면 레일상에 캐리어를 설치하는 제6단계;
    상기 사방향 및 최외곽 종방향 발파공에 장약한 후 초벌 및 완성 확대발파하는 제7단계; 및
    상기 확대발파시 생성되는 버럭을 캐리어에 담은 후 파일롯 터널 외부에서 대기중인 기관차로 견인하여 막장 외부로 반송하는 제8 단계
    를 더 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 제6단계는
    캐리어를 설치하기 전에 캐리어와 파일롯 터널 하부 사이 공간에 터널보링머신 굴착에 필요한 설비를 설치하는 제9단계를 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제7단계 수행후,
    상기 터널최종 굴착면 주위에 여분으로 잔존하는 암반에 일정 구간만큼 재차 종방향 천공하여 장약하고 발파하는 제10 단계
    를 더 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1단계는
    상기 사방향 발파공의 천공작업은 터널보링머신에 의한 파일롯 터널 굴착중에 TBM 후속 트레일러에 탑재된 점보드릴 또는 TBM에 장착된 점보드릴을 이용하여 천공하는 제11단계를 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1단계에서 사방향 발파공의 천공길이는
    장약 발파공길이와 락볼트공길이를 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1단계에서 사방향 발파공의 천공각은
    장약 발파후 생성된 버럭을 터널막장의 중앙측으로 비산시킬 수 있는 각도를 가지는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 사방향 발파공의 천공각은 실질적으로 20°∼40°중 어느 한 각도를 갖는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 단계는
    상기 사방향 발파공에 장약이 소정 길이만큼만 투입되도록 상기 초벌발파면측의 발파공 위치에 쐐기커플러의 설치 및 모래전색을 실시하는 제12 단계를 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 단계에서 사방향 발파공 형성 후, 공입구에 고무커플러를 끼운뒤, 그 외주면에 눈금이 표시된 중공관으로 상기 사방향 발파공에 밀어넣는 제13 단계; 및
    상기 초벌발파면의 사방향 발파공까지만 장약이 투입되도록 상기 중공관을 이용하여 고무커플러에 쐐기를 박는 제14 단계를 더 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1단계 및 제2 단계는
    굴착된 파일롯 터널의 내주면 소정위치에 환기덕트를 설치하는 제15단계;
    상기 확대발파시 막장후방의 임의지점에서 메인덕트를 막장후방측의 덕트로부터 분리하는 제16단계;
    를 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 단계는
    NATM 막장의 파일롯 터널 바닥에서 소정 높이 위에 바닥캐리어를 설치하는 제17단계;
    상기 터널 하부반단면에 중앙부를 제외하고 종방향 발파공을 천공하는 제18단계;
    상기 종방향 발파공에 장약하고 발파하는 제19단계;
    발파된 버럭을 바닥캐리어 또는 1단계 확대발파시 사용되었던 캐리어에 담는 제20단계; 및
    버럭이 실린 바닥 캐리어 또는 1단계 확대발파용 캐리어를 기관차로 견인하여 막장 외부로 반송하는 제21단계
    를 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    파일롯 터널 굴착중에 콘크리트 라이닝을 타설하기 위하여 1, 2단계 확대발파 수행후, 라이닝 폼안으로 버럭처리 캐리어 및 각종 장비의 통행이 가능하도록 상기 라이닝 폼 상부에 통과공간 확대수단을 설치하고 콘크리트 라이닝을 타설하는 제22단계; 및
    상기 제22단계 수행후 3차 확대발파시, 그 후면에 충격완화재가부착되고 하부에는 아동을 용이하게 하기 위한 휠이 구비된 강재 곡면판을 상기 라이닝 하부에 설치한 후,발파로부터 기 타설된 콘크리트 라이닝을 보호하는 제23단계를 더 포함하는 3차원적 다단계 터널 굴착방법.
  16. 터널굴진방향으로 전진이동하면서 파일롯 터널을 굴착하며, 후속 트레일러가 구비된 터널보링머신(TBM) 본체;
    상기 터널보링머신(TBM) 본체의 소정위치에 설치되며, 터널 굴착중에 파일롯 터널의 상부반단면에 반경방향인 횡방향에서 굴진방향인 종방향측으로 소정각도만큼 경사시켜 천공을 실시하는 천공수단;
    상기 터널보링머신(TBM) 본체에 설치되어 상기 천공수단을 경사방향 및 원주방향으로 회동시키는 회동수단;
    상기 파이롯 터널의 하반부 공간에 설치되어 확대발파시 생성되는 버럭을 담아 막장외부로 반출하기 위한 버럭처리수단;
    로더 앞부분에 설치되며 버켓을 수평방향으로 소정 각도만큼 회동시켜 확대발파시 터널 상반 및 하반 좁은 공간에서 버럭을 캐리어에 용이하게 상차하기 위한 버켓회동수단
    을 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 천공수단은
    터널보링머신(TBM) 본체의 내측 캘리, 메인 빔, 후속 트레일러의 플랫포옴중 어느 한 위치에 장착되어 TBM 이동과 무관하게 안정적으로 천공할 수 있는 3차원적 다단계 터널굴착장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 천공수단은
    드릴과,
    상기 드릴을 구동시키기 위한 드리프터(drifter)와,
    그 일단부에 상기 드리프터를 장착하여 그를 길이방향으로 전후이송시키기 위한 피드실린더
    를 포함하는 점보드릴로 이루어진 3차원적 다단계 터널굴착장치.
  19. 제 16 항 내지 제 18 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회동수단은
    그 내측에 파일롯 터널의 중심축과 평행한 중심축을 구비하여 천공수단의 피더를 원주방향으로 회동시키기 위한 회전기어가 구비된 로터리 프레임과,
    상기 로터리 프레임의 회전기어를 소정의 각도범위내에서 회전시키는 제1 모터와,
    상기 로터리 프레임의 전면 양측에 장착되어 상기 천공수단을 경사방향으로 회동가능하게 하는 브라켓 유니트 및
    상기 브라켓 유니트에 장착되어 소정각도만큼 경사방향의 회동력을 제공하는 스텝핑 모터
    를 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 브라켓 유니트는,
    중앙에 홈부가 형성되며, 상기 지지핸들에 고정되는 브라켓과,
    상기 브라켓의 홈 내부로 관통하는 스텝핑모터의 축에 구비된 외접기어와,
    그 일측이 상기 천공수단에 고정되며, 내부에 상기 외접기어와 치합하기 위한 내접기어가 형성된 기어프레임
    을 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착장치.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 스텝핑모터가 20°∼40°의 범위 내에서 회동력을 제공하는 3차원적 다단계 터널굴착장치.
  22. 제 16 항 내지 제 18 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 버럭처리수단은
    상기 터널보링머신의 후속 트레일러에 설치되어 파일롯 터널 굴착시 생성되는 버럭을 막장 후방으로 반송하는 수단과,
    상기 파일롯 터널의 막장 바닥면 양측에 설치된 레일과,
    상기 레일상에 구비되고, 반송수단에 의해 이송되어 떨어지는 버럭을 담기 위한 광차와,
    상기 레일상에서 이동할 수 있도록 그 하부에 휘일이 구비된 캐리어와,
    확대발파시 생성되는 버럭을 담을 수 있는 공간부를 가지고 상기 캐리어의 내면에 안착되는 콘테이너와,
    상기 파일롯 터널 외부에 위치하여 광차 및 캐리어를 견인하여 외부로 이송시키기 위한 기관차
    를 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 캐리어의 내면에 구비되어 상기 콘테이너에 비산되는 버럭의 충격 및 소음을 완화시키기 위한 제1 완충력 제공수단을 더 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착장치.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 캐리어의 휘일을 지지하는 축에 설치되어 콘테이너로 비산되는 버럭의 충격이 레일에 미치지 않도록 하기 위한 제2 완충력 제공수단을 더 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착장치.
  25. 제 16 항 내지 제 18 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 파일롯 터널의 내주면 소정위치에 설치되어 파일롯터널 굴착시 또는 확대발파시 발생되는 진애를 외부로 반송하며, 상기 확대발파구간에서는 분리될 수 있도록 소정길이마다 탈착수단이 구비된 환기덕트와,
    터널 상,하반 확대발파 수행시 천공 및 버럭 처리 장비등이 상기 상,하반 막장을 원활하게 이동할 수 있도록 높이 및 각도가 가변되는 사다리와,
    1, 2단계 확대발파 수행후 잔존하는 터널 하부 반단면 중앙부 상단과 굴착된 터널 하부 반단면 양측을 연결하여 그 위에 레일을 추가적으로 설치할 수 있게 함으로서 레일 상에서 이동하는 광차 및 캐리어의 원활한 소통과 운행시간을 단축시키기 위한 데크 및 레일 스위치
    를 더 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착장치.
  26. 제 16 항에 있어서,
    파일롯 터널 굴착중에 콘크리트 라이닝을 타설하기 위하여 1, 2단계 확대발파 수행후, 라이닝 폼안으로 버럭처리 캐리어 및 각종 장비의 통행이 가능하도록 상기 라이닝 폼 상부에 설치되는 통과공간 확대수단; 및
    3단계 확대발파 수행시 기타설된 상기 콘크리트 라이닝을 발파로부터 보호하기 위하여 상기 라이닝의 하부에 설치되며, 라이닝 콘크리트 보호수단
    을 더 포함하는 3차원적 다단계 터널굴착장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 라이닝 콘크리트 보호수단은 그 후면에 충격완화재가 부착되고 하부에는 이동수단이 구비된 강재 곡면판을 포함하는 터널 굴착장치.
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