KR20030081253A - 세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법 - Google Patents

세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 세그먼트(segment)에 의한 터널 공사시 세그먼트링(segment ring)의 설계조건 및 터널노선 등 현장의 여러 가지 조건을 입력자료로 사용하여 공장에서 기 제작한 테이퍼(Taper)를 가진 사다리꼴 콘크리트 제품인 세그먼트링을 터널 선형에 맞게 자동으로 배치순서를 설계하여 현장에 적용하고 또한, 가변하는 현장의 특수한 상황에 대하여 현장 오퍼레이터가 직접 조립상태를 측정하고 측정한 데이터를 프로그램에 입력하여 다음 세그먼트의 조립자료로 사용하고, 이 때 오퍼레이터는 도출된 결과를 별도의 검토과정을 거치지 않고 현장의 변동사항에 대하여 세그먼트링의 배치순서를 미리 예측하고 수정하여 신속하게 터널 설계선형에 맞는 세그먼트링 조립 선형을 이루어 낼 수 있는 세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법을 제공하는 것을 기술적 요지로 한다.

Description

세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법{The method to form a tunnel linear by segment ring}
본 발명은 세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법에 관한 것으로, 특히 터널 굴착 후 한가지 혹은 두가지 타입의 세그먼트링을 주어진 터널 선형에 따라 조립하기 위한 조립순서를 결정하여 조립하고 가변하는 현장상황을 측정하여 다음 세그먼트링이 변경조립 될 순서를 미리 예측하여 적용한다. 또한 이렇게 현장조립한 세그먼트가 계산값과 차이가 발생될때 계산값의 조립오차를 보정하여 터널 선형과 가장 가까운 세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하도록 하는 방법에 관한 것이다.
터널 공사시 기계굴착 후 세그먼트링에 의한 터널라이닝 공법은 종래의 재래식 터널공법 적용시 겪게되는 각종 소음 및 진동 등의 건설공해를 최소화하기 위해 개발된 특수 공법으로, 기존의 발파 후 콘크리트 라이닝 시공에 반하여 발파진동과 발파소음 공해가 없어 도심지 공사시 적합하며, 기계굴착과 동시에 공장에서 제작된 세그먼트를 설치함으로써 다양한 지질에서도 시공이 가능하며 막장붕괴에 대한 안정성을 확보하고 작업의 연속성을 구현할 수 있다.
그러나, 기계굴착 후 세그먼트에 의한 터널공사는 그 역사가 상대적으로 짧아 기술적 한계, 굴착기계의 특수성 및 토질의 상태로 말미암아 여러 가지 문제점을 드러내고 있는데 그 중에서도 세그먼트링의 모양과 배치순서는 세그먼트에 의한 터널 시공시 가장 먼저 고려되어야 하는 중요한 사항이다.
종래의 이 분야의 기술에 있어서 터널 내 세그먼트 조립을 위한 순서가 도면상에서는 표시되어 있으나 그 계산치가 잘못된 데이터로 도시되어 있으며, 또한 세그먼트링의 조립은 구조적 안정성을 위하여 지그재그 조립이 이루어져야 하나 지그재그 조립을 무시하고 선형만을 고려한 단순조립순서를 도시한 경우가 있었다.
이러한 설계는 현실적으로 시공에 적용할 수가 없어 지금까지는 터널 내 작업자가 세그먼트링의 장,단변만으로 터널내 조립을 시행하는 주먹구구식 세그먼트 조립을 시행해 왔다.
그 결과 세그먼트가 터널 굴착벽에 협착되는 문제가 발생할 뿐만 아니라 무거운 굴착장비가 연약지반 통과시 장비의 하중 때문에 아래로 처지는 문제가 발생했을 경우, 강제로 세그먼트의 조립방향을 바꾸기 위하여 작업자의 경험적, 임의적시공방법에 의존하여 비틀거나 처진 장비를 쟉키로 세워서 조립하는 문제점이 있었다.
또한 종래의 설계서는 잘못된 세그먼트의 조립이격거리 계산값 및 상관관계(지그재그)의 시공을 무시한 단순한 설치방법만을 제시하여 시공에 전혀 참고자료가 될 수 없었을 뿐만 아니라 오히려 시공중 조립작업에서부터 세그먼트의 파손 및 균열, 시공 후 지하수 유입에 따른 누수에 의한 백태가 발생하여 심각한 품질 저하의 원인이 되어 사후관리비용이 과투입되는 원인이 발생하였다.
또한, 일부에서는 터널의 직선구간을 조립하기 위해 직선형(일반형) 세그먼트와 곡선구간을 조립하기 위하여 곡률에 맞는 테이퍼형(양테이퍼, 편테이퍼) 세그먼트를 설계하여 생산한 경우가 있었다.
그러나, 이 경우에도 설계선형마다 세그먼트를 제작하기 위하여 수 많은 몰드를 제작하여야 할 뿐만 아니라 이렇게 생산한 세그먼트를 설치했을 경우일지라도 상관관계를 고려한 세그먼트 조립을 위한 합리적인 툴 없이 가변하는 현장여건변화에 적절하게 대처하지 못하여 결국은 굴착벽에 세그먼트가 협착되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 설계도 상의 노선에 맞는 세그먼트 조립배열을 자동적으로 결정하고 가변적인 현장상황에 기인하는 계산된 조립상태와 실제 조립된 상태의 불일치하는 부분을 작업자가 정확히 실측하여 오차보정을 해 줌으로써 계산된 조립상태와 실제 세그먼트 조립상태를 일치시켜 현장상황에 맞는 세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법을 제공하는 것이 본 발명이 이루고자 하는 기술적 요지이다.
또한, 본 발명의 목적은 터널 내 세그먼트 조립작업을 함에 있어서 여러 가지 설계조건, 즉 세그먼트의 테이퍼각과 세그먼트링 폭, 터널 선형조건 등 조립을 위한 조건들을 입력하고 이를 기초로 하여 도출된 세그먼트링 조립 회전각을 결정하여 링북(주어진 터널선형을 형성하기 위한 제작세그먼트링의 배열순서를 미리 기재한 설계서)을 제작하는 방법을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 상기 링북을 토대로 하여 현장에서 직접 세그먼트를 조립하였을 경우 가변하는 현장상황, 즉 무거운 굴착장비가 연약지반을 통과할 때 그 중량으로 인하여 장비의 처짐, 장비 자체의 굴착오차 및 세그먼트 조립으로 인한 조립오차 등으로 링북에서 제시한 회전조립방법이 누적오차로 인하여 현장상황과 일치하지 않을 때, 현장 내 작업자는 세그먼트와 터널굴착 단면의 상태를 실측하고 계산값과의 불일치한다면 적합한 오차보정을 통하여 현장상황과 일치시켜 계속적으로 세그먼트링을 조립할 수 있는 세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 다양한 타입의 세그먼트 즉, 일반형(직선형), 양테이퍼형 및 편테이퍼형의 세그먼트링으로 설계 터널의 노선에 따라 조립하는 방법과 두가지 타입의 세그먼트링을 적절히 조합하여 보다 정교하게 터널 조립선형을 이루어내는 설계방법을 제공함을 목적으로 한다.
도 1a는 본 발명에 따른 세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법의 바람직한 일 실시예를 나타낸 블럭도
도 1b는 본 발명에 따른 세그먼트에 의한 터널라이닝을 형성하는 방법의 바람직한 다른 실시예를 나타낸 블럭도
도 2는 본 발명에 따른 세그먼트 조립을 위한 설계노선의 구간별 방향에 따른 명칭을 도시한 도면
도 3a는 본 발명에 따른 세그먼트 조립시 형성되는 세그먼트링의 정면도
도 3b는 상기 3a의 세그먼트가 가질 수 있는 여러 가지 타입의 측면도
도 3c는 양테이퍼 세그먼트로 조립하였을 경우 세그먼트링이 터널내에서 형성하는 선형을 도시한 평면도
도 3d는 세그먼트 조립시 형성되는 세그먼트링의 조립입체예시도
도 4는 본 발명에 따른 스타트업프레임에 접속하는 제작세그먼트링의 중심선의 길이로 생성된 이론세그먼트링을 도시한 예시도
도 5는 본 발명에 따른 설계 노선선형에 따라 분할된 가상의 세그먼트링 및 구간별 기준선을 도시한 예시도
도 6는 본 발명에 따른 제작세그먼트링의 4극 부분의 기호와 변장 및 제작세그먼트링을 회전하였을 경우 4극의 변장을 구하는 매개변수를 도시한 예시도
도 7은 본 발명에 따른 양테이퍼 세그먼트링을 회전하였을 경우 횡단 및 종단의 단면 모양과 그 모양에 따른 세그먼트링의 종단면 및 횡단면의 중심선이 이동하는 방향을 도시한 예시도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100. 세그먼트링 110. 직선형 세그먼트링
101. 세그먼트 102. 조립홀(Hole)
120. 편테이퍼형 세그먼트링 130. 양테이퍼형 세그먼트링
131. 최장변 132. 평균변장
133. 최단변 134. 설계(이론)테이퍼각
135. 세그먼트 외경 136. 굴착직경
137. 횡방향 테이퍼각 138. 종방향 테이퍼각
140. 세그먼트 반경 141. 세그먼트 회전조립각
151. N극 회전변장 152. W극 회전변장
153. S극 회전변장 154. E극 회전변장
155. 횡방향 조립각 156. 종방향 조립각
161. 횡방향 조립이격거리 162. 종방향 조립이격거리
163. 횡방향 조립편차 164. 종방향 조립편차
210. 직선조립 220. 곡선조립
300. 이론(가상)세그먼트링 310. 직선구간
320. 정방향 곡선구간 330. 역방향 곡선구간
340. 설계(이론)편차 350. 이론(가상)세그먼트링 장변
351. 제작세그먼트링 평균변장 352. 이론(가상)세그먼트링 단변
360. 노선곡률반경 361. 이론(가상)세그먼트링 접속각
370. 설계노선 380. 초기링
390. 구간 최종조립 세그먼트링 410. N극 공간거리
420. W극 공간거리 430. S극 공간거리
440. E극 공간거리 500. 기준선
600. 스타트업프레임 700. 상관관계조립
상기한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법은, 터널 노선의 선형구분 및 세그먼트링의 제원을 도출하는 설계분석단계와; 상기 단계에서 도출된 터널 선형구분 및 세그먼트링 설계정보를 데이터베이스에 입력하고 저장하는 설계데이터 입력/저장단계와; 상기 단계에서 입력된 터널 노선 및 세그먼트 설계정보에 따라 세그먼트를 조립하는 세그먼트 조립단계와; 상기 단계에서 세그먼트를 조립하고 난 뒤 다음 세그먼트를 조립하기 전에 모든 회전각에 대하여 가상으로 조립하였을 때의 조립편차를 구하여 설계노선에서 구한 설계편차와 비교해 보고 이후의 터널 노선을 고려하였을 때 종방향 및 횡방향에 대하여 가장 적합한 회전각을 결정하는 최적회전각 예측단계와; 상기 단계에서 결정된 세그먼트 조립 최적회전각을 기초로 하여 현장 터널에서 세그먼트 조립시 발생한 현장실측값과의 조립오차를 보정하는 오차수정단계;를 포함함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 있어서 상기 설계데이터 입력/저장단계는, 설계 선형의 구분에 의한 직선노선 또는 곡선노선을 결정하고, 구간별 연속적 조립을 위하여 이전 구간의 마지막 제작세그먼트조립링(390)의 횡단 및 종단접속각, 이격거리, 가상 세그먼트의 이론이격거리 및 이론접속각을 입력하는 단계와; 세그먼트링의 단면모양에 따른 양테이퍼형과 편테이퍼형을 결정하고 세그먼트링의 각 부분, 즉 제작세그먼트링의 최장변, 최단변, 세그먼트 외경, 회전반경, 굴착직경과 2가지 타입의 세그먼트링을 조합한 조립을 위하여 타입형식 1, 2를 입력하고 구간연장에 따른 세그먼트조립링의 개수를 입력하는 단계; 및 세그먼트링의 스타트업프레임에 접하는 초기링의 배치를 위한 타입을 결정하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 세그먼트 조립단계는 제작된 세그먼트링의 중심선 길이만큼 터널노선을일정하게 분할한 가상의 세그먼트링과 기준선과의 떨어진 이격거리(설계편차)를 계산하고, 제작된 세그먼트링의 외변의 길이와 외변의 길이에 따른 테이퍼각을 계산하여 다른 세그먼트와 접합하였을 때 이루어지는 조립편각과 회전조립링의 변장을 계산하여 기준선에 대한 조립편차가 설계편차와 최소가 되는 회전각으로 조립하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 최적회전각 예측단계는 예측된 최적회전각에 의해 회전조립될 세그먼트링의 배치순서가 적합한 지를 비교해 보는 재검토 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 1a는 본 발명에 따른 세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법의 바람직한 일 실시예를 나타낸 블럭도이며, 도 1b는 본 발명에 따른 세그먼트에 의한 터널라이닝을 형성하는 방법의 바람직한 다른 실시예를 나타낸 블럭도이며, 도 2는 본 발명에 따른 세그먼트 조립을 위한 설계노선의 구간별 방향에 따른 명칭을 도시한 도면이며, 도 3a는 본 발명에 따른 세그먼트 조립시 형성되는 세그먼트링의 정면도이며, 도 3b는 상기 3a의 세그먼트가 가질 수 있는 여러 가지 타입의 측면도이며, 도 3c는 양테이퍼 세그먼트로 조립하였을 경우 세그먼트링이 터널내에서 형성하는 선형을 도시한 평면도이며, 도 3d는 세그먼트 조립시 형성되는 세그먼트링의조립입체예시도이며, 도 4는 본 발명에 따른 스타트업프레임에 접속하는 제작세그먼트링의 중심선의 길이로 생성된 이론세그먼트링을 도시한 예시도이며, 도 5는 본 발명에 따른 설계 노선선형에 따라 분할된 가상의 세그먼트링 및 구간별 기준선을 도시한 예시도이며, 도 6는 본 발명에 따른 제작세그먼트링의 4극 부분의 기호와 변장 및 제작세그먼트링을 회전하였을 경우 4극의 변장을 구하는 매개변수를 도시한 예시도이며, 도 7은 본 발명에 따른 양테이퍼 세그먼트링을 회전하였을 경우 횡단 및 종단의 단면 모양과 그 모양에 따른 세그먼트링의 종단면 및 횡단면의 중심선이 이동하는 방향을 도시한 예시도를 각각 나타낸 것이다.
도 1a에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 세그먼트링에 의한 터널선형을 형성하는 방법은, 기본적으로 설계분석단계(S110)와, 설계데이터 입력/저장단계(S120)와, 세그먼트 조립단계(S130) 및 최적회전각 예측단계(S140) 를 포함하여 이루어진다.
또한, 본 발명에 따른 바람직한 다른 실시예에 있어서는 도 1b에 도시된 바와 같이 오차수정단계(S150)를 더 포함하여 이루어지는 것이 바람직하다.
이러한 공법으로한 터널공사는 세그먼트(101)를 원통체로 조립하여 세그먼트링(100)을 만들고 이 세그먼트링을 계속적으로 터널굴착방향으로 결합시키면서 공사가 진행된다.
본 발명에 있어서 제일 먼저하여야 하는 단계는 설계분석단계(S110)로서 일반적으로 터널굴착에 있어서 터널 선형개요도를 직선구간 또는 곡선구간으로 구분하고, 구분된 각각의 구간에 대하여 연장을 분석하는 것이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 터널 선형을 분석함에 있어서는 직선구간(310)인 A구간·C구간·E구간·G구간과 곡선구간(320,330)인 B구간·D구간·F구간·H구간으로 나누어져 있는데, 이 때 곡선구간(320,330)은 진행방향에 따라 정방향 곡선구간(320)인 D구간·F구간 및 역방향 곡선구간(330)인 B구간·H구간으로 분류된다.
여기서 상기 곡선구간(320,330)은 터널 굴착 진행방향의 우측으로 휘어질 때를 정방향 곡선구간(320)이라 명하고, 그 반대방향으로 휘어질 때를 역방향 곡선구간(330)이라 명한다.
따라서, 터널의 선형의 구분은 크게 직선구간(310)과 곡선구간(320,330)으로 나뉘고, 또한 상기 곡선구간(320,330)은 구간별 굴착방향 및 회전반경에 따라 세분될 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 상기 설계분석단계(S110)는 굴착하고자 하는 터널의 선형개요도를 직선구간(310) 또는 곡선구간(320,330)으로 구분하고, 구분된 각각의 구간에 대하여 한가지 타입의 세그먼트링 혹은 두가지 타입의 세그먼트링을 조합하여 조립할 것인지를 결정하고 세그먼트링(100)의 제원을 분석하는 것이다.
또한, 일반적으로 터널공사는 세그먼트링(100)를 원통체로 조립하여 세그먼트링(100)을 만들고 이 세그먼트링을 계속적으로 터널방향으로 결합시키면서 공사가 진행되므로, 상기 설계분석단계(S110)에서 또 한가지 분석해야할 일은 세그먼트링(100)의 타입(110,120,130)과 조립될 세그먼트링(100)의 최장변(Lmax)(131), 최단변(Lmin)(133), 외경(Ds)(135), 굴착경(Dc)(136), 회전반경(R)(360), 테이퍼각(Ø)(137,138) 등 세그먼트링의 제원을 도출하기 위해 세그먼트링에 대하여 설계분석을 한다.
도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같이, 상기 세그먼트링(100)의 타입에는 직선형(일반형)(110), 편테이퍼형(120) 및 사다리꼴 모양인 양테이퍼형(130)이 있다.
도 3b는 상기 세 종류의 세그먼트링(100)들의 단면모양이다.
여러 조각의 세그먼트들의 조립에 의하여 원통체로 형성되는 세그먼트링(100)은 설계시 노선의 곡률회전반경 등 현장여건을 고려하여 직선형(110), 편테이퍼형(120), 양테이퍼형(130)으로 설계할 수 있으며, 또한 도 3c에 도시된 바와 같이 하나의 타입인 양테이퍼형 세그먼트링(130)만으로 여러 가지 굴곡을 가진 터널 노선에 따라 터널선형에 맞는 라이닝을 형성할 수도 있다.
이러한, 상기 세그먼트링(100)들의 결합은 도 3d에 도시된 바와 같이 각 세그먼트(101)에 조립홀(102)이 형성되어 있어서 세그먼트링을 터널의 굴착방향으로 결합시 세그먼트 사이에 상기 조립홀(102)에 연결핀(104)을 꽂으면서 서로 회전조립되는 것이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 상기 설계분석단계(S110)는 굴착하고자 하는 터널의 선형개요도를 직선구간(310) 또는 곡선구간(320,330)으로 구분하고, 구분된 각각의 구간에 대하여 사용되는 세그먼트링(100)를 분석하는 것이다.
이어서, 본 발명에 있어서 상기 설계데이터 입력단계(S120)는 상기 설계분석단계(S110)에서 도출된 터널노선(370) 및 제작세그먼트링(100)의 설계정보를 입력하고, 제작세그먼트링(100)의 중심길이(132)를 이용하여 터널 노선상에서 분할된 가상(이론)의 세그먼트링(300)에 적합한 배치순서를 도출하기 위한 초기링(380)배치를 결정하는 단계이다.
더욱 상세하게는 상기 설계데이터 입력단계(S120)는 아래와 같은 3단계(STEP)로 이루어진다.
STEP 1.
우선, 첫번째로 설계선형(370)의 구분에 의한 직선구간(310) 또는 곡선구간(320)을 결정하고, 구간별 연속적 조립을 위하여 이전구간의 마지막 제작 세그먼트조립링(390)의 횡단접속각(Ø_H)(155) 및 종단접속각(Ø_V)(156), 이격거리(δ_H, δV)(161,162), 가상 세그먼트의 이론이격거리(δd)(340) 그리고 이론접속각(Ød)(361)을 입력하는 단계(S121)를 수행한다.
STEP 2.
그리고, 두번째로 세그먼트링(100)의 단면모양에 따른 편테이퍼형(120)과 양테이퍼형(130)을 결정하고 제작세그먼트링(100)의 각 부분, 즉 최장변(131), 최단변(133), 세그먼트링의 외경(135), 굴착직경(136), 회전반경(360)과 상기 두가지 타입의 세그먼트링을 조합한 조립을 위하여 타입형식 1, 2를 입력하고 구간연장에 따른 세그먼트링의 개수를 입력하는 단계(S122)를 수행한다.
STEP 3.
이어서, 세번째로 세그먼트링(100)의 스타트업 프레임(600)에 접하는초기링(380)의 배치를 위한 타입을 결정하는 단계(S123)를 더 수행한다.
여기서, 상기 세그먼트링의 스타트업 프레임(600)에 접하는 초기링의 배치를 위한 타입을 결정하는 단계(S123)로 본 발명에는 다음의 5가지 종류를 제시하고 있다.
① 양테이퍼 형태(130)의 세그먼트링 단면으로서 스타트업 프레임(600)이 실제 굴착방향과 직교하지 않아 수평방향 배치와 비슷한 경우와,
② 양테이퍼 형태(130)의 세그먼트링 단면으로서 스타트업 프레임(600)이 실제 굴착방향와 직교하여 초기링(380)조립시 한 쪽 테이퍼각(137,138)에 의해 기울기가 발생하는 경우와,
③ 편테이퍼 형태(120)의 세그먼트링 단면으로서 테이퍼각(137,138)이 있는 면이 스타트업 프레임(600)과 접속하나 스타트업 프레임(600)이 굴착방향과 직교하지 않아 수평방향 배치와 비슷한 경우와,
④ 편테이퍼 형태(120)의 세그먼트링 단면으로서 테이퍼각(137,138)이 없는 면이 스타트업 프레임(600)과 접속하고 스타트업 프레임(600)이 굴착방향과 직교한 경우와,
⑤ 편테이퍼 형태(120)의 세그먼트링 단면으로서 테이퍼각(137,138)이 있는 면이 스타트업 프레임(600)과 접속하고 스타트업 프레임(600)이 굴착방향과 직교하여 초기링(380)조립시 한 쪽 테이퍼각(137,138)에 의해 기울기가 발생하는 경우로,
이상 5가지의 경우 중에서 세그먼트링의 스타트업 프레임(600)에 접하는 초기링의 배치를 위한 타입을 결정하여 설계데이터 입력단계(S120)를 수행하게 된다.
상기와 같이 입력되는 자료들을 저장하여 데이터베이스화하고, 세그먼트 조립시 가상 세그먼트(이론 세그먼트)를 기초로 계산한 결과를 보정할 수 있는 과정을 제공하게 된다.
이어서, 본 발명에 있어서 세그먼트 조립단계(S130)는 설계분석단계(S110) 및 설계데이터 입력단계(S120)에서 도출된 터널노선 및 세그먼트 설계정보를 입력한 후 세그먼트를 조립하는 단계로서, 도 4를 참조하면 설계 노선상의 가상(이론) 세그먼트의 제원을 도출하기 위해 제작 세그먼트링(100)의 중심선의 길이(이하, 평균변장(Lc)이라 칭한다)(132)만큼 터널 설계노선(370)을 분할하여 가상의 세그먼트링(300)을 생성해 낸다.
이에 상기 평균변장(Lc)(132)을 구하는 식은 다음과 같다.
평균변장(Lc) = (Lmax + Lmin) / 2
이다.
여기서 상기 Lmax는 세그먼트링의 최장변(131), Lmin은 최단변(133)을 나타낸다.
앞에서 언급한 바와 같이 생성된 가상 세그먼트링을 기준선(500)에 대한 설계이격거리(δd)(340)를 구하기 위하여 제작세그먼트링(100)에서 구한 방법으로 곡선구간(320)의 곡률반경(360)에 따른 최장변(Lx)(350), 최단변(Ln)(352), 테이퍼각(Ød)(361) 등 가상 세그먼트링에 대한 제원을 도출하여 그 값을 계산하는 식은 다음과 같다.
최장변(Lx) = [1+ Ds/{2×√(R2-(Lc/2)2}]× Lc
최단변(Ln) = [1- Ds/{2×√(R2-(Lc/2)2}]× Lc
이다.
여기서 Ds는 세그먼트링 외경(135), R은 노선의 곡률회전반경(360), Lc는 평균변장(132)이다.
가상 세그먼트링의 테이퍼각(Ød)(361)은
tanØd = (Lx - Ln)/2/Ds = (Lx - Ln)/2Ds
에서
Ød = arctan{(Lx - Ln)/2Ds}
이다.
따라서 임의 기준선에 대한 이론횡이격거리(δd)(340)는 다음과 같은 식이 된다.
δd = Lc×sinØd
이다.
참고로, 설계노선상의 가상(이론)세그먼트링(300)은 터널의 구배에 따라 배치되므로, 그 선형은 항상 직선으로 나타난다. 따라서 가상(이론)세그먼트링(300)의 종방향에 대한 테이퍼는 0의 값을 가지는 표준형태이다.
이와 같이, 본 발명에 따른 설계노선상의 가상(이론)세그먼트의 제원은 도출되어 입력된다.
도 5를 참조하면, 터널에서 상(E), 하(W), 좌(N), 우(S)의 좌표를 생각했을때 4극 부분의 기호와 변장의 명칭을 표시하고, 제작세그먼트링을 회전하였을 경우 4극의 변장을 구하기 위한 매개변수를 도시한 도면이다.
우선, 제작된 세그먼트링(100)의 최장변(131)과 최단변(133)을 분석하고 최단변(133)이 정방향(320) 즉, 굴착방향의 오른쪽(S극)에 세그먼트링의 최단변(133)이 위치할 때를 회전각 0으로 정의한다.
이 때, 조립가능한 세그먼트 조립홀(Hole)의 회전각도(141)로 각각 회전하였을 때 4방향, 즉 우측방향(정, S), 좌측방향(역, N), 하향(하, W), 상향(상, E)의 외측변의 길이와, 상기 외측변의 길이에 따른 횡방향 및 종방향 테이퍼각(137,138)이 형성되어 나타나는 조립이격거리(161,162)와, 다른 제작세그먼트링(100)이 결합되었을 때 이루어지는 횡방향 및 종방향 조립각(155,156)과 회전조립링의 변장을 계산하는 방법을 제공하고 기준선(500)에 대한 조립이격거리(161,162)를 구하여 설계이격거리(340)간의 차이값의 절대값이 최소가 되는 회전각을 선정 후 조립하는 것이 세그먼트 조립단계(S130)이다.
상기 세그먼트 조립단계(S130)는 상기 설계분석단계(S110) 및 설계데이터 입력단계(S120)에서 도출된 터널 노선(370) 및 제작세그먼트(100) 설계정보를 입력한 후 세그먼트를 조립하는 단계이다.
이하에서는, 상기 가상(이론)세그먼트링(300)의 중심선의 끝점이 기준선에 대한 이격거리(340)에 가장 가까운 제작세그먼트링(100)의 회전각(141)을 최적회전각 예측단계(S140)를 통해 도출해 내고, 이에 따라 조립하는 방법을 설명하도록 한다.
상기 최적회전각 예측단계(S140)는 상기의 설계데이터 입력단계(S120)에서 입력된 데이터를 기초로 하여 다음 조립될 세그먼트링의 회전각(141)을 결정하는데 있어서 세그먼트 조립이 가능한 모든 경우의 수(도7)에 해당하는 조립이격거리(161,162)를 구하여 설계노선(370)에서 구한 설계(이론)이격거리(340)와 비교해 보고, 이 후의 터널노선(370)을 고려하였을 때 종방향 및 횡방향에 대하여 가장 적합한 회전각(141)을 선정하도록 하는 단계이다.
즉, 상기 세그먼트 조립단계(S130)에서 첫번째 링을 조립하고 난 후 두번째 링을 조립하기 전에, 두번째 링의 모든 회전각(도7)을 조립하였을 때의 조립 이격거리(161,162)를 미리 알아보고 그 중에서 가장 적합한 회전각(141)을 선택하여 조립하는 단계이다.
이하, 조립이격거리(161,162)를 구하는 방법은 아래와 같다.
먼저 횡방향에 대한 조립이격거리(161)를 구하기 위하여 세그먼트링을 Ø(141)만큼 회전하였을 때 S(정)변장과 N(역)변장을 구하면,
Yr_h = Rs ×cos(Ø)
Yt1_h = [(Lmax_h - Lmin_h) ×(Rs + Yrh)]/2Ds
Yt2_h = [(Lmax_h - Lmin_h) ×(Rs - Yrh)]/2Ds
이다.
따라서 세그먼트링의 회전후 S변, N변의 변장(154,151)은 아래와 같은 식으로 표현된다.
LmaxR_h(회전최장변) = Lmax_h - 2 ×Yt2_h
LminR_h(회전최단변) = Lmax_h - 2 ×Yt1_h
이다.
여기서 만약 Ø가 90°보다 작다면 S변은 회전최단변(LminR_h)(154)이 되고, N변은 회전최장변(LmaxR_h)(151)이 된다.
반대로, Ø가 90°보다 크다면 S변은 회전최장변(LmaxR_h)(151)이 되고, N변은 회전최단변(LminR_h)(154)이 된다.
또한, 이 때의 횡방향 테이퍼각(137)과 횡방향 조립이격거리(161)를 구하면,
tanØsh = (LmaxRh- LminRh)/2/Ds = (LmaxRh- LminRh)/2Ds
에서
Øsh = arctan{(LmaxRh- LminRh)/2Ds}
이다.
따라서, 기준선(500)에 대한 횡방향 조립이격거리(161)는 아래와 같은 식이 된다.
δsh = {(LmaxRh+ LminRh)/2} ×sinØsh
이다.
실제 제작된 세그먼트링을 조립한다면 가상(이론)세그먼트링과 달리 종방향에 대해서도 이격거리(162)가 발생한다.
다음은 종방향에 대한 조립이격거리(162)를 구하기 위하여 횡방향 세그먼트링의 축에 대한 십자축으로 하였을 때의 변이 W(하)변과 E(상)변이 되는 지점의 변장과 이 때의 종방향 조립이격거리(162)를 구하여 보면,
Yr_v = Rs cos(Ø) ,
Yt1_v = [(Lmaxv- Lminv) ×(Rs + Yrv)]/2Ds ,
Yt2_v = [(Lmaxv- Lminv)×(Rs - Yrv)]/2Ds
이다.
따라서 세그먼트링의 회전 후 S변, N변의 연장은 아래와 같은 식으로 표현된다.
LmaxR_v(회전최장변) = Lmax_v - 2 ×Yt2_v ,
LminR_v(회전최단변) = Lmax_v - 2 ×Yt1_v
이다.
여기서 만약 Ø가 180°보다 작다면 E(상)변은 회전최단변(LminR_v)(153)이 되고, W(하)변은 회전최장변(LmaxR_v)(152)이 된다.
반대로, Ø가 180°보다 크다면 E(상)변은 회전최장변(LmaxR_v)(152)이 되고, W(하)변은 회전최단변(LminR_v)(153)이 된다.
또한, 이 때의 종방향 테이퍼각(138)과 종방향 조립이격거리(162)를 구해 보자.
tanØsv = (LmaxRv- LminRv)/2/Ds = (LmaxRv- LminRv)/2Ds
에서
Øsv = arctan{(LmaxRv - LminRv)/2Ds}
이다.
따라서 기준선(500)에 대한 종방향 조립이격거리(162)는 아래와 같은 식이 된다.
δsv = {(LmaxRv+ LminRv)/2} ×sinØsv
이다.
이제 설계이격거리(δd,0)와 최적회전각 예측단계(S)로부터 도출된 회전각(141)으로 세그먼트링(100)을 조립했을 때 만들어지는 종방향 및 횡방향 조립이격거리(δsv,δsh)(162,161)의 차이는 허용편차 범위 내에서 적절하게 조립되어 설계선형(370)을 이루게 된다.
이하, [테이블 1]을 참조하여 본 발명에 따른 최적회전각 예측방법을 바람직한 일 실시예를 통해 설명해 보기로 한다.
[테이블 1]
상기 [테이블 1]을 살펴보면 설계노선의 회전반경(360)이 300m이고, 터널굴착직경(136)이 3.5m이며, 정방향(320)인 연장 30m구간에 제작 세그먼트의 제원이 양테이퍼형(130), 최장변(131)이 1.011m, 최단변(133)이 0.989m이며, 세그먼트 외경(135)이 3.3m인 세그먼트링(100)으로 30개의 링을 조립한 그래프이다.
여기서 Ring No.1 과 Ring No.2 두 개의 세그먼트링(100)을 조립하였을 경우를 살펴보자.
단, 여기서는 설계데이터 입력단계(S120)의 STEP 3(123)에서 ②번의 경우(양테이퍼 형태의 세그먼트 단면(130)으로서 스타트업 프레임(600)이 실제 굴착방향과 직교하여 초기링(380)조립시 한 쪽 테이퍼각(137,138)에 의해 기울기가 발생하는 경우)를 적용하고 상관관계(지그재그) 조립(700)을 무시한 경우라고 가정하자.
먼저, 회전반경(R)(360)이 300m인 이론세그먼트의 링최장변(Lx)(350)는 1.0055m이고, 링최단변(Ln)(352)은 0.9945m이며, 테이퍼(134)로 인한 한 면의 각은 0.00167(라디안)이므로 첫 번째 링의 끝면이 가지는 조립각(155)은 0.00333(라디안)이며, 그 때의 기준선(500)에 대한 횡이격거리는 0.00167이고 종이격거리는 0 이다.
이에 대하여 첫 번째 제작세그먼트링(Ring No.1)을 60°로 회전하여 조립했을 때 횡방향 및 종방향에 대한 이격거리(161,162)를 살펴보면 아래와 같다.
즉, 기준선(500)에 대하여 횡방향으로 이격거리(161)가 0.001667m가 발생하였고, 종방향으로도 0.00289m(상향,E방향)만큼 이격거리(162)가 생겼다.
위의 테이블 회전각별 횡방향 및 종방향에 대한 이격거리 분포도를 도시해 보면 아래와 같다.
횡방향에 대하여 60°의 제작세그먼트링 회방향 이격거리(161)은 설계(이론)이격거리(340)와 일치하며 60°에 대하여 횡방향의 설계편차(163) 즉, 설계이격거리(340)와 제작세그먼트의 조립이격거리(161)의 차가 0이고, 종방향의 설계편차(164)에 대하여 0.00289m 만큼 상향으로 편차가 발생하였다.
이하, [테이블 2]를 참조하여 본 발명에 따른 최적회전각 예측방법을 바람직한 다른 실시예를 통해 설명해 보기로 한다.
이번에는 제작세그먼트링(Ring No.2)을 300°로 회전하여 조립했을 때 횡방향 및 종방향에 대한 편차를 살펴보면 아래와 같다.
[테이블 2]
위 [테이블 2]는 제작세그먼트링(Ring No.1)을 60°로 조립한 후, 제작세그먼트링(Ring No.2)를 회전각도별로 조립(도 7)하였을 때의 횡, 종방향이격거리(1611,162)를 보여주는 테이블이다.
여기서 세그먼트링(Ring No.2)를 300°로 회전조립하였을 때 기준선(500)에 대하여 횡방향으로 이격거리가 0.00667m(우향, S방향)만큼 발생하였고, 종방향으로 0.00577m(상향, E방향)만큼 이격거리가 생겼다.
또한, 설계편차(163,164)에 대해서는 횡방향으로 편차가 0이며, 종방향으로 -0.00577m 만큼 차이를 보이고 있다.
상기와 같이 세그먼트링과 세그먼트링이 결합할 때 앞테이퍼각과 뒤테이퍼각의 조립각과 세그먼트링의 중심선의 길이에 따라 이격거리가 기하급수적인 값을 가짐을 알 수가 있다.
따라서 세그먼트를 조립할 때에는 횡방향 및 종방향의 회전조립각(155,156)의 누계치를 미리 계산하여 그 값이 한 쪽으로 편차가 생기지 않는 최적의 회전각을 선택하여 조립하도록 한다.
또한, 이번 조립예에서는 상관관계(지그재그)조립(700)은 무시하고 조립한 예였으나, 실제 터널 내에서 세그먼트링(100)을 조립할 때에는 상관관계(700)를 적용하여 조립을 하여야 하므로 다음의 순서에 조립될 세그먼트링의 적절한 회전조립각(141)을 선택하여 조립된다.
한편, 본 발명에 있어서 작업자가 상기의 최적 회전각(141)을 예측하고 선택한 배치순서가 가장 적합한 지를 서로 비교해보는 재검토 단계(S145)를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이와 같이, 상기의 최적회전각 예측단계(S140)에서 세그먼트 조립 회전각을 결정하고, 제작세그먼트링(100)를 조립하고 조립상태를 측정하였을 경우, 프로그램상에서 계산에 의하여 산출된 제작세그먼트링(100)의 조립상태는 상기의 상술한 바와 같은 사유로 작업자가 측정한 값과 다소 차이가 발생할 수 있다.
따라서, 오차가 발생한 조립계산 값을 실제 터널의 조립상태에 맞추기 위한 오차수정단계(S150)를 수행한다.
상기 오차수정단계(S150)는 현장 내의 작업자가 현재 설치된 세그먼트의 4방향 막장부 끝지점에서 터널굴착면까지 공간거리를 차례로 측정한 값과 프로그램에서 도출된 거리값과 차이 여부를 확인한 뒤 현장의 공간거리를 측정하여 프로그램에 입력하여 현장상황을 일치시킨 뒤 계속적으로 세그먼트링을 터널 선형에 맞게조립하게 되는 것이다.
도 6을 참조하면, 터널 내에서 작업자가 실측한 4방향 공간거리 δn, δs, δw, δe와 조립끝단면 횡조립각 및 종조립각(θsh, θsv)(155,156)을 프로그램에서 계산된 세그먼트 조립 데이터와 비교하기 위해 다음과 같은 식으로 프로그램의 데이터를 환산하여 실측데이터와 비교한다.
N-S축에 대해서 공간거리는
만약, δh < 0 일 때,
RC 2= δ2v + (δn + Rs + δh)2에서
δn = {√(R2- δ2v)} - (Rs + δh) 이고,
RC 2= δ2v + (δs + Rs - δh)2에서
δs = {√(R2- δ2v)} - (Rs - δh) 이다.
만약, δh > 0 일 때,
RC 2= δ2v + (δs + Rs + δh)2에서
δs = {√(R2- δ2v)} - (Rs + δh) 이고,
RC 2= δ2v + (δn + Rs - δh)2에서
δn = {√(R2- δ2v)} - (Rs - δh) 로 나타날 수 있고,
또한, 마찬가지로 W-E 축에서의 공간거리를 아래와 같이 나타낼 수 있다.
만약, δv > 0 일 때,
R2= δ2h + (δω + Rs + δv)2에서
δω = {√(R2- δ2h)} - (Rs + δv) 이고,
R2= δ2h + (δe + Rs - δv)2에서
δe = {√(R2- δ2h)} - (Rs - δv) 이다.
만약, δv < 0 일 때,
R2= δ2h + (δe + Rs + δv)2에서
δe = {√(R2- δ2h)} - (Rs + δv) 이고,
R2= δ2h + (δω + Rs - δv)2에서
δω = {√(R2- δ2h)} - (Rs - δv) 이다.
따라서, 터널 내에서 작업자가 실측한 4방향 공간거리 δn, δs, δw, δe에 관한 데이터를 구할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 세그먼트에 의한 터널라이닝을 형성하는 방법은 상기의 설계분석단계(S110), 설계데이터 입력단계(S120), 세그먼트 조립단계(S130), 최적회전각 예측단계(S140), 재검토단계(S145), 그리고 오차수정단계(S150)를 거쳐 본 발명이 이루려는 한 가지 모양의 단면 혹은 두가지 모양의단면을 가진 제작세그먼트링(100)을 적절하게 회전조립하여 오차허용범위를 벗어나지 않고 터널선형에 맞는 세그먼트링에 의한 조립노선을 형성하는 것이다.
한편, 본 발명은 한가지 세그먼트링(100)으로 횡방향 및 종방향 모두를 고려하여 설계노선(370)에 가장 적합한 세그먼트 회전각(141)을 자동적으로 산출하고 그 순서로 조립된 결과를 그래프로 비주얼하게 보여주는 것을 더 포함되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 보다 정교하고 구조적으로 안정된 세그먼트 조립을 실행하기 위해 두 가지 타입의 세그먼트를 조합하여 터널 선형을 형성하는 조립방법 및 입력데이터와 입력데이터에 의해 조립된 결과 데이터를 파일로 저장되는 데이터베이스와 조립결과 데이터를 엑셀프로그램에 전송하여 생성되는 출력물을 포함하는 것이 바람직하다.
도면과 명세서는 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다.
그러므로, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 터널선형과 세그먼트가 가지고 있는 설계제원을 입력하여 실질적인 조립순서를 자동적으로 도출하고 토질의 상태, 장비의 하중 및 기계굴착으로 인한 오차 등 가변적인 현장상황에 의해 발생한 터널내 세그먼트링 조립오차를 오차보정을 해 줌으로써 작업의 연속성을 제공할 수 있으며, 세그먼트를 조립함에 있어 합리적인 조립방법을 제공하여 시공상, 품질상의 문제점을 해결하여 세그먼트에 의한 터널시공시 공기단축, 품질 및 생산성 향상 뿐만 아니라 공사비절감과 사후관리 비용도 절감되는 세그먼트링에 의한 터널의 선형을 형성하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 목적은 터널 내 세그먼트 조립작업을 함에 있어서 여러 가지 설계조건, 즉 세그먼트링의 테이퍼각과 세그먼트링 폭, 터널 선형조건 등 조립을 위한 조건들을 입력하고 이를 기초로 하여 도출된 세그먼트링 조립 회전각을 결정하여 링북(주어진 터널선형을 형성하기 위한 제작세그먼트링의 배열순서를 미리 기재한 설계서)을 제작할 수 있으며, 상기 링북을 토대로 하여 현장에서 직접 세그먼트를 조립하였을 경우 가변하는 현장상황, 즉 무거운 굴착장비가 연약지반을 통과할 때 그 중량으로 인하여 장비의 처짐, 장비 자체의 굴착오차 및 세그먼트 조립으로 인한 조립오차 등으로 링북에서 제시한 회전조립방법이 누적오차로 인하여 현장상황과 일치하지 않을 때, 현장 내에서 작업자는 조립된 세그먼트링의 끝단면과 터널굴착 단면의 상태를 실측하고 계산값과 불일치한다면 적합한 오차보정을 통하여 현장상황과 일치시켜 계속적으로 세그먼트링을 조립할 수 있는 세그먼트링에 의한 터널의 선형을 형성하는 방법을 제공할 수 있다.

Claims (4)

  1. 터널 노선의 선형구분 및 세그먼트링의 제원을 도출하는 설계분석단계(S110);
    상기 단계에서 도출된 터널 선형구분 및 세그먼트링 설계정보를 데이터베이스에 입력하고 저장하는 설계데이터 입력/저장단계(S120);
    상기 단계에서 입력된 터널 노선 및 세그먼트 설계정보에 따라 세그먼트를 조립하는 세그먼트 조립단계(S130);
    상기 단계에서 세그먼트를 조립하고 난 뒤 다음 세그먼트를 조립하기 전에 모든 회전각에 의하여 가상으로 조립하였을 때의 조립이격거리를 구하여 설계노선에서 구한 설계이격거리와 비교해 보고 이후의 터널 노선을 고려하였을 때 종방향 및 횡방향에 대하여 다음의 조립될 세그먼트에 가장 적합한 회전각을 결정하는 최적회전각 예측단계(S140);
    상기 단계에서 결정된 세그먼트 조립 최적회전각을 기초로 하여 현장 터널에서 세그먼트 조립시 발생한 현장실측값과의 조립오차를 보정하는 오차수정단계(S150);
    를 포함함을 특징으로 하는 세그먼트링에 의한 터널의 선형을 형성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 설계데이터 입력/저장단계(S120)는
    설계 선형의 구분에 의한 직선노선 또는 곡선노선을 결정하고, 구간별 연속적 조립을 위하여 이전 구간의 마지막 제작세그먼트조립링의 횡단 및 종단접속각, 이격거리, 가상 세그먼트의 이론이격거리 및 이론접속각을 입력하는 단계(S121);
    세그먼트링의 단면모양에 따른 양테이퍼형과 편테이퍼형을 결정하고 세그먼트의 각 부분, 즉 제작세그먼트링의 링최장변, 링최단변, 세그먼트 외경, 굴착직경, 터널노선의 곡률회전반경과 두가지 타입의 세그먼트링을 조합한 조립을 위하여 두가지 타입형식의 세그먼트링 제원을 입력하고 구간연장에 따른 제작세그먼트조립링의 개수를 입력하는 단계(S122);
    세그먼트링의 스타트업프레임에 접하는 초기링의 배치를 위한 타입을 결정하는 단계(S123);
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세그먼트링에 의한 터널의 선형을 형성하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 세그먼트 조립단계(S130)는
    터널 노선을 제작된 세그먼트링의 중심선 길이만큼 일정하게 분할된 가상의 세그먼트링과 기준선과의 떨어진 설계(이론)이격거리를 계산하고, 제작된 세그먼트링의 4방향에 위치한 외변의 길이와 그 외변의 길이에 따른 세그먼트링의 테이퍼각을 계산하여 다른 세그먼트링과 접합하였을 때 이루어지는 조립각과 회전조립링의 변장을 계산하여 기준선에 대한 조립이격거리가 설계(이론)이격거리의 차가 최소가 되는 회전각으로 조립하는 것을 특징으로 하는 세그먼트링에 의한 터널의 선형을형성하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 최적회전각 예측단계(S140)는
    예측된 최적회전각에 의해 선택된 세그먼트의 배치순서가 적합한 지를 비교해 보는 재검토 단계(S145);
    를 더 포함함을 특징으로 하는 세그먼트링에 의한 터널의 선형을 형성하는 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN112682064A (zh) * 2020-12-22 2021-04-20 湖北省大唐安盛建筑工程有限公司 一种管片放样及钢板安装工艺
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FR3123680A1 (fr) * 2021-06-08 2022-12-09 Vinci Construction Grands Projets Procédé de saisie automatique d’un voussoir de revêtement d'un tunnel
CN117763660A (zh) * 2023-11-29 2024-03-26 徐岩军 一种盾构管片排版及选型方法

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