KR200279246Y1 - 터널용 지지 구조물 - Google Patents

Abstract

본 고안은 메서 실드(Messer Shield) 공법에 의한 굴착시 필수적으로 설치되는 강구조물을 구조적으로 보강하여 안정시키고, 이 강구조물을 라이닝콘크리트 타설과 함께 영구 구조물화시키는 터널 시공방법을 개시한다.

본 고안은 터널 단면형상에 따라 굴착된 토사부와 인접하여서 일정간격으로 조립·설치되며, 그 외표면이 유리섬유가 혼입된 에폭시수지로 도막(11)이 형성되어 있는 강재지보(10)와; 상기 강재지보(10)들의 간격사이에 콘크리트를 타설하여 형성한 라이닝 구조물(20)과; 상기 라이닝 구조물(20)의 이면에 주입한 그라우트 (30)와; 상기 라이닝 구조물(20)의 표면에 시트를 이용해 형성한 방수면(40)과; 상기 방수면(40)위에 와이어메쉬를 설치하고 숏크리트 또는 경량콘크리트를 타설하여 형성한 보호막(50)과; 상기 보호막(50)의 외면을 마감하기 위해 부착한 마감면 (60);으로 구성된 것을 특징으로 하는 터널용 지지 구조물을 제공한다. 본 고안에 의하면 강재지보의 영구화라는 간단하면서도 효율적인 방법을 통해 공사기간 단축, 공사비용 절감 및 고품질의 터널 구조물을 제공할 수 있는 효과가 있다.

Description

터널용 지지 구조물{Supporting structure for tunnel}

본 고안은 메서 실드(Messer Shield) 공법을 통해 막장을 굴착한 후 굴착된 가설터널 내부에 영구 콘크리트 구조물을 구축하여 터널 내부의 토압을 지지하는 지하터널 구축 공법에 관한 것으로, 특히 메서 실드 공법에 의한 굴착시 필수적으로 설치되는 강구조물을 구조적으로 보강하여 안정시키고, 이 강구조물을 라이닝콘크리트 타설과 함께 영구 구조물화 시키는 방법을 통해 시공성 및 경제성을 대폭 향상시켜 주는 터널용 지지 구조물에 관한 것이다.

메서 실드 공법은 유압추진기를 이용하여 메서 플레이트를 전방으로 전진시킨 후 굴착하면서, 메서 플레이트의 후방쪽으로 토류판을 강재지보 위에 고정시키는 작업을 반복적으로 수행하여 굴진하는 공법으로서, 메서 플레이트라는 복공 철갑내에서 연속적으로 안전하게 터널을 굴착할 수 있는 시공법이다.

즉, 메서 실드 공법은 도1의 도시와 같이, 터널 막장을 굴착할 때 계획된 터널형상에 맞춰 조립된 발진기지에 메서 플레이트(1)를 병렬로 배열하고, 유압추진기(2)로 각 메서 플레이트(1)를 1매씩 압입 전진시키면서 막장을 굴착하는 한편, 메서 플레이트(1)의 진행에 따라 굴착부위가 붕괴되지 않도록 그 후방에 일정간격으로 설치한 강재지보(3)와 강재지보(3) 사이에 토류판(4)을 끼워 굴착면을 받쳐가는 작업을 통해 터널을 굴착하는 공법이다.

이러한 메서 실드 공법은 1981년 우리나라에 도입된 이래, 고속도로 횡단 터널공사·지하철 터널 공사·전력구 공사·통신구 공사 및 각종 암거 공사 등 여러 분야의 다른 작업 조건하에서 적용되어 왔는데, 터널굴착공사를 무소음 무진동으로 시공할 수 있으며, 높은 안전성이 확보되고, 터널 선형에 따라 정확하면서도 신속한 굴진이 가능하며, 굴착면의 침하를 최소로 하고, 터널 굴진에 필요한 장비가 비교적 간단하고 취급이 용이하며, 여타 공법에 비해 경제적인 시공이 가능한 등 그 효과가 매우 좋은 것으로 평가되고 있다.

그러나 종래 광범위한 메서 실드 공법 적용 현장 중, 특히 고속도로 및 철도 횡단 터널, 소형 보차도를 확보하기 위해 시공된 터널은 공사비 및 공사기간에 있어 너무 비경제적이고 비효율적인 문제점이 있었다.

도2a 및 도2b는 메서 실드 공법을 통해 터널을 굴착한 후, 영구 콘크리트 구조물을 시공하여 완성한 종래의 고속도로 횡단 터널구조물을 나타내고 있다.

이들 도면을 참조하여 종래 메서 실드 공법을 적용한 터널공사 방법 및 그 문제점을 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선, 종래 메서 실드 공법을 적용한 터널공사 방법을 간략히 설명하면, 도2a의 도시와 같이 메서 플레이트(1)를 막장에 압입 추진하면서 강재지보(3)와 중간 임시지보재(5)를 설치하면서 강재지보(3)와 강재지보(3) 사이에 토류판(4)을 끼워 넣어 굴착면을 보호하는 상태로 굴착한 다음, 도2b의 도시와 같이 강재지보(3)들의 사이에 1차 콘크리트를 타설하여 1차 콘크리트층(6)을 형성하고, 그 1차 콘크리트층(6) 위에 방수면(7)을 형성한 후, 다시 방수면(7) 내측에 철근을 조립하고 2차 콘크리트를 타설하여 2차 철근콘크리트 라이닝(8)을 형성한 후, 중간 임시지보재(5)를 절단·해체하는 방법을 통해 터널 지지용 콘크리트 구조물을 시공하고 있다.

위와 같이 시공되는 구조물에서 강재지보(3)와 중간 임시지보재(5)들로 조립된 강구조물은 굴착시에만 기능하는 것으로, 강구조물과 1차 콘크리트층(6)은 토사측 수분과 상시 접촉하는 관계로 부식이 예상되어 전혀 구조계산에 포함되지 않는 가설 구조물이며, 2차 철근콘크리트 라이닝(8)이 터널의 주요 하중을 받아주는 영구 구조물로서의 역할을 수행한다.

따라서 상기와 같은 종래의 터널 공사 방법은, 첫째 2차 철근콘크리트 라이닝(8) 작업을 하면서 1차 굴착시 설치한 강구조물의 사장으로 인해 경제적 손실이 크고, 1차 콘크리트층(6)과 2차 철근콘크리트 라이닝(8)의 이중설치에 따른 관련 공사비용 증가 및 공사기간 연장에 따른 비용이 상대적으로 많이 소요되는 문제점이 있었다.

둘째, 굴착시 설치된 중간 임시지보재(5)로 인해 터널내 콘크리트 타설 작업시 작업공간에 대한 간섭을 많이 받게 되어 시공기간이 더욱 늘어날 뿐만 아니라, 터널지지용 2차 철근콘크리트 라이닝(8) 타설 후 중간 임시지보재(5)를 절단하여 제거하므로 절단부분의 미관이 불량하며, 근본적으로 강재 절단부의 방수처리가 복잡하고 여의치 않아 누수 문제를 일으키는 문제점이 있었다.

셋째, 고속도로·철로 또는 이와 유사한 현장에서의 메서 실드 공법에 의한 터널굴착은 도로면과 굴착터널 상단의 거리(토피)가 일정 두께(약 3m)이상 확보되어야만 시공이 가능한데, 터널굴착용 강구조물과 터널 지지용 2차 철근콘크리트 라이닝(8) 등 대단히 두꺼운 이중 구조물로 설계되어 터널규격에 비해 굴착공이 크기 때문에 적용 가능한 현장이 제한적일 수밖에 없으며, 연접되는 도로와 단차가 형성되어 차량 주행성을 저하시키는 문제점이 있었다.

이에 따라, 본 고안은 메서 실드 공법을 통해 굴착된 가설터널 내부에 영구 콘크리트 구조물을 구축하는 터널공사 방법을 개선하여 메서 실드 공법에 의한 터널굴착 방법의 장점을 살리는 한편 상기와 같은 종래 기술이 가지는 제 문제점을 해결하기 위해 안출한 것이다.

따라서, 본 고안의 목적은 메서 실드 공법에 의한 굴착시 필수적으로 설치되는 강구조물을 구조적으로 보강하여 안정시키고, 이 강구조물을 라이닝콘크리트 타설시 영구 구조물화 시키는 방법을 통해 콘크리트 타설작업을 대폭 축소시킴으로써 공사비 및 공사기간을 획기적으로 줄일 수 있는 터널용 지지 구조물을 제공하는데 있다.

본 고안의 다른 목적은 상단의 강재지보를 받치기 위한 중간 임시지보재를 설치하지 않고 터널굴착 작업을 수행토록 함으로써, 철거 흔적이 전혀 남지 않아 마감면의 미관이 유려할 뿐만 아니라, 강재절단부에서 생길 수 있는 누수원인을 근본적으로 제거하여 주기 위한 터널용 지지 구조물 및 지하터널 시공방법을 제공하는데 있다.

본 고안의 또 다른 목적은 터널용지지 구조물에서 요구되는 구조적 강도를 충족시킬 수 있으면서 벽체 두께를 최소화시킴으로써, 도로상면과 굴착 터널 상단과의 두께 확보면에서 유리하여 토피가 얇은 곳도 적용 가능하고 적용범위를 확대시킬 수 있는 한편, 연접되는 도로와 단차없이 동일한 레벨로의 시공이 가능하여 차량 주행성을 높일 수 있는 터널용 지지 구조물을 제공하는데 있다.

도1은 메서 실드 공법을 이용한 터널굴착 시공도

도2a는 종래 고속도로를 횡단 터널을 구축하기 위한 터널 굴착 상태 단면도

도2b는 메서 실드 공법을 통해 터널을 굴착한 후 영구 콘크리트 구조물을 시공하여 완성한 종래의 고속도로 횡단 터널 구조물을 나타낸 단면도

도3은 본 고안에서 사용되는 강재지보를 절단하여 나타낸 사시도

도4a 및 도4b는 본 고안에 따라 강재지보와 메서플레이트를 조립하여 설치한 발진기지의 일측면도 및 정면도

도5는 본 고안에 따른 터널굴착 시공도

도6은 본 고안에 따라 라이닝 구조물을 시공한 상태의 단면도

도7은 본 고안에 따라 라이닝 구조물의 이면에 그라우트를 주입한 상태의 단면도

도8은 본 고안에 따라 영구 콘크리트 구조물을 시공하여 완성한 터널 구조물을 나타낸 단면도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10:강재지보 11:도막 20:라이닝 구조물

30:그라우트 40:방수면 50:보호막

51:1차 와이어메쉬 52:1차 경량콘크리트층 53:2차 와이어메쉬

54:2차 경량콘크리트층 60:마감면 71:메서 플레이트

72:유압추진기 73:토류판 74:쐐기목

상기 목적들을 달성하기 위한 본 고안의 터널용 지지 구조물은, 터널 단면형상에 따라 굴착된 토사부와 인접하여서 일정간격으로 조립·설치되며, 그 외표면이 유리섬유가 혼입된 에폭시수지로 도막(11)이 형성되어 있는 강재지보(10)와; 상기 강재지보(10)들의 간격사이에 콘크리트를 타설하여 형성한 라이닝 구조물(20)과; 상기 라이닝 구조물(20)의 이면에 주입한 그라우트(30)와; 상기 라이닝 구조물(20)의 표면에 시트를 이용해 형성한 방수면(40)과; 상기 방수면(40)위에 와이어메쉬를 설치하고 숏크리트 또는 경량콘크리트를 타설하여 형성한 보호막(50)과; 상기 보호막(50)의 외면을 마감하기 위해 부착한 마감면(60);으로 구성된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 특징의 터널용 지지 구조물을 구축하기 위한 시공방법은, 굴착시공할 구간의 입구에서 굴착하고자 하는 터널형상에 따라 강재지보(10)를 조립하고 그 강재지보(10) 외주쪽으로 메서 플레이트(71)를 병렬로 배열시켜 발진기지를 구축한 다음, 메서 플레이트 추진·후방 토류판 삽입·막장 굴착·막장막이 설치·강재지보 설치로 이루어진 일련의 작업을 반복적으로 수행하여 터널굴착 공사를 완료한 후, 굴착된 터널 내부의 토압을 지지하기 위한 구조물을 시공하는 지하터널 시공방법에 있어서,

상기 터널굴착 공사에서 사용되는 강재지보(10)는 부식을 방지하고 강도를 보강하기 위한 도막(11)이 형성된 것을 사용하고, 상기 콘크리트 구조물은 상기 터널굴착 공사를 완료한 이후, 터널굴착 단면을 따라 설치한 상기 강재지보(10)들의 간격사이에 콘크리트를 타설하여 라이닝 구조물(20)을 형성하고, 상기 라이닝 구조물(20)의 이면에 그라우트(30)를 주입한 다음, 상기 라이닝 구조물(20)의 표면에 시트를 이용한 방수면(40)을 형성하고, 상기 방수면(40)위에 와이어메쉬를 설치하고 숏크리트 또는 경량콘크리트를 타설하여 보호막(50)을 형성시킨 후, 보호막(50)의 외면을 면처리하여 마감면(60)을 형성하는 일련의 작업을 통해, 상기 강재지보 (10)를 영구 구조물화하여 시공한다.

위와 같은 특징의 본 고안에 의하면, 터널에서의 2차공종으로 시공되는 구조물을 시공하지 않고 가설터널을 영구 구조물화 시킴으로써, 기존 메서 실드 공법의 터널에서 1차 굴착시 설치한 강재지보의 사장으로 인한 경제적 손실 및 2차적인 구조물의 구축에 따라 공기가 증대되는 문제를 해결하여 공사기간 및 공사비용을 대폭 줄일 수 있게 된다.

또한, 터널굴착공사시 중간 임시지보재를 설치하지 않기 때문에 기존의 강재 절단부에서 발생되는 누수원인이 원천적으로 제거되며, 강재지보를 보강하여 구조적인 안정성을 확보하고 라이닝 구조물의 벽체 두께를 강재지보의 두께로 얇게 형성하기 때문에 굴착단면이 작아지게 되어 상대적으로 토피가 낮은 장소에서도 시공이 가능하게 된다.

이하, 본 고안의 기술구성을 본 고안의 시공예에 따른 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

메서 실드 공법에 의한 터널굴착에 있어서, 시공에 적합한 토질은 점토(粘土)·실트(silt) 또는 사질토(砂質土)등의 토사층 터널굴착에 가장 적합하다.

본 고안의 특징 중 하나가 토피층이 얇은 장소의 터널굴착공법이므로, 우선 굴착노선의 상세한 지질·지하수위 등을 조사하여 지층도를 작성하고 본 성과도를 검사하여 굴착작업에 위험이 있다고 판단되면 별도의 차수공사 및 연약지반 보강 공사 등 여러 가지 보조공법을 검토하고 시행해야 한다.

본 고안에서 사용되는 강재지보(10)는 영구 구조물화 되는 것이므로, 기존의sws400 강재에서 sws490 강재로 재질을 보강하여 설치간격을 최대화 할 수 있도록 하고, 내구성 향상(부식 방지)을 위해 적절한 도막이 장소에서 피복되어 현장으로 반입되어야 하며, 바람직하기로는 도3의 도시와 같이 유리섬유가 혼입된 에폭시수지로 도막(11)이 형성된 것을 들 수 있다.

본 고안에 의한 터널 시공은, 크게 대별하여 굴착공사와 콘크리트 타설공사의 2가지로 나뉘어지며, 굴착공사와 콘크리트 타설공사는 단면형태에 따라 병행하여 시공할 수도 있고 별도의 공종으로 구분하여 시공할 수도 있다.

굴착공사는 발진기지 설치 및 메서 플레이트를 배열한 다음, 메서 플레이트 추진·후방 토류판 삽입·막장 굴착·막장막이 설치·강재지보 설치로 이루어진 일련의 작업을 반복적으로 수행하여 완료하는데, 이들 작업은 다음과 같이 시행된다.

우선, 굴착하고자 하는 터널 입구에서 충분한 공간을 확보한 상태에서 바닥강재의 수평을 맞추기 위해 바닥콘크리트를 타설한 후, 그 위에 강재지보(10)를 조립하여 도4a 및 도4b의 도시와 같은 형태의 발진기지를 구축한다. 그리고 메서 플레이트(71)들을 굴착 터널의 단면에 맞추어 강재지보(10)의 상단, 중단 및 양측면에 배열 장착한다.

이후, 도5의 도시와 같이 굴착 시공해야 할 구간에 일정한 간격(60~80㎝)으로 보강 강재지보(10)를 설치해 나가면서 유압추진기(72)를 이용해 막장 속으로 메서 플레이트(71)를 1매씩 추진해 나간다.

이때, 상기 강재지보(10)들의 연결부를 유리섬유가 혼입된 에폭시수지로 코팅하여 방수처리한다.

위와 같이 메서 플레이트(71)를 추진하면서 한편으로 메서 플레이트(71) 후미부에 토류판(73)을 삽입하여 토사 하중 및 토압이 균등하게 강재지보(10)에 전달되도록 한다. 또한 쐐기목(74)을 사용하여 토류판(73)을 굴착면에 밀착시켜 흙의 이완을 방지한다.

메서 플레이트(71)의 진입이 완료되면, 막장굴착 작업을 시행하고, 진입된 메서 플레이트 길이만큼의 굴착을 완료하면 즉시 버팀대로 막장막이하여 굴착면을 보호한다.

본 고안은 위와 같은 일련의 작업을 반복적으로 수행하여서 터널굴착공사를 완료하게 되며, 굴착공사가 완료되면 콘크리트 타설공사를 실시한다.

콘크리트 타설공사는 라이닝콘크리트 타설 ·이면 그라우팅 ·방수공사 ·경량콘크리트 설치 ·마감작업 순으로 시행하여 완료하는데, 이들 작업은 다음과 같이 이루어진다.

우선, 터널굴착이 끝나면 도6의 도시와 같이 굴착시 설치된 강재지보(10)의 두께로 라이닝 구조물(20)을 타설한다.

이 라이닝 구조물(20)은 무근 콘크리트로 형성할 수도 있고, 콘크리트를 타설하기에 앞서 상기 강재지보(10)들의 사이에 철근을 배근한 후 콘크리트를 타설하여 형성시킬 수도 있다.

콘크리트 타설작업은 강재지보(10)간의 사이에 밀실하게 충진될 수 있도록해야 하므로 공사비가 다소 높아지더라도 몰탈 채움공으로 시공하는 것이 바람직하다.

라이닝 구조물(20)을 형성한 다음에는 라이닝 구조물(20) 이면의 밀실한 충진 및 방수기능을 높이기 위하여 도7의 도시와 같이 상기 라이닝 구조물(20)의 이면에 그라우트(30)를 주입한다.

이때, 그라우트 주입은 라이닝 구조물(20) 형성시 미리 설치한 그라우트 주입구(미도시)를 통해 실시하며, 그라우트의 밀실한 충진 여부는 역시 라이닝 구조물(20) 형성시 미리 설치한 에어 벤트 파이프(미도시)를 통해 확인한다.

그라우트 주입 후에는 도8의 도시와 같이 상기 라이닝 구조물(20)의 표면에 시트를 이용한 방수면(40)을 형성한다.

이와 같은 방수면(40)을 형성함에 있어서, 터널굴착시 중간 임시지보재가 설치될 경우 구체방수 방법이나 내부방수 방법을 택하여야 하나, 본 고안에 따르면 터널굴착시 근본적으로 중간 임시지보재가 설치되지 않기 때문에 기본적으로는 메탈시트 방수 또는 적절한 일반 재질의 시트방수도 가능하며, 특히 천정면의 방수는 부착성을 고려하여 메탈제품과 고무제품을 겸용하는 것이 바람직하다.

방수면(40) 형성작업을 마친 후에는 방수면(40)위에 경량콘크리트로 된 보호막(50)을 형성한다.

이 보호막(50)은 방수면(40)위에 와이어메쉬를 설치하고 숏크리트 또는 경량콘크리트를 타설하여 형성하는데, 바람직하기로는 도8의 도시와 같이 상기 방수면 (40)위에 1차 와이어메쉬(51)를 설치하고 숏크리트 또는 경량콘크리트를 타설하여1차 경량콘크리트층(52)을 형성한 후, 그 1차 경량콘크리트층(52) 위에 다시 2차 와이어메쉬(53)를 설치하고 숏크리트 또는 경량콘크리트를 타설하여 2차 경량콘크리트층(54)을 형성하는 것이 외부의 충격에 대한 내구성을 확보하는데 유리하다.

위와 같이 보호막(50)을 형성시킨 후 도8의 도시와 같은 마감면(60) 형성작업을 시행하는데, 경량콘크리트 자체를 미장으로 마감시에는 미장면 위에 에폭시 계통의 도장을 피복하여 청소가 가능하도록 한다.

상기 마감면(60)은 수려한 마감을 위해서 보호막(50)의 외면 위에 외장용 강재판넬을 부착하거나 외장용 강재타일을 부착하여 마감하는 등 다양하게 변경할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안은 터널굴착시 설치되는 강재지보를 보강하고 영구 구조물화 하는 작업을 통해 터널용 지지 구조물 구축공사를 완료하게 되며 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 굴착용 가설 강재지보를 보강하여 터널 구조물화 함으로써 공사비 및 공사기간을 획기적으로 줄일 수 있다.

둘째, 굴착단면이 최소화되기 때문에 토피가 상대적으로 얇더라도 메서 실드 공법과 동일한 굴착 방법으로 굴착이 가능해 짐으로써, 메서 실드가 가지는 굴착방법의 이점을 살릴 수 있는 적용범위가 대폭 확대된다.

셋째, 천정부분에 설치된 빔을 받치기 위한 중간 임시지보재를 설계단계에서삭제함으로써, 중간 임시지보재의 철거 흔적이 남지 않을 뿐만 아니라, 종래 공법에서 구조적으로 취약했던 누수원인이 원천적으로 제거되어 보다 품질 좋은 터널 구조물을 얻을 수 있다.

넷째, 구조적인 안정성이 확보되면서 라이닝 구조물의 두께가 종래 공법에 비해 1m이상 축소되므로 공사비용이 크게 절감될 뿐만 아니라, 연접되는 도로와 단차없이 동일한 레벨로의 시공이 가능하여 차량 주행성이 좋은 도로 구조물을 제공한다.

다섯째, 라이닝 구조물의 외면을 와이어메쉬로 보강한 경량콘크리트로 처리하였기 때문에 사용 용도에 따라 부응할 수 있는 마감이 가능하여 보다 수려한 터널 구조물을 제공할 수 있다.

따라서, 본 고안은 강재지보의 영구화라는 간단하면서도 효율적인 방법을 통해 공사기간 단축, 공사비용 절감 및 고품질의 터널 구조물을 제공할 수 있는 매우 유용한 고안이다.

Claims (1)

1. 터널 단면형상에 따라 굴착된 토사부와 인접하여서 일정간격으로 조립·설치되며, 그 외표면이 유리섬유가 혼입된 에폭시수지로 도막(11)이 형성되어 있는 강재지보(10)와; 상기 강재지보(10)들의 간격사이에 콘크리트를 타설하여 형성한 라이닝 구조물(20)과; 상기 라이닝 구조물(20)의 이면에 주입한 그라우트(30)와; 상기 라이닝 구조물(20)의 표면에 시트를 이용해 형성한 방수면(40)과; 상기 방수면 (40)위에 와이어메쉬를 설치하고 숏크리트 또는 경량콘크리트를 타설하여 형성한 보호막(50)과; 상기 보호막(50)의 외면을 마감하기 위해 부착한 마감면(60);으로 구성된 것을 특징으로 하는 터널용 지지 구조물.