KR200406965Y1 - 터널 시공시의 지반 거동 계측에 적합한 지중 응력 계측기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 터널 굴착 전부터 지반 거동을 계측하여 터널의 안정성을 판단하면서 시공하게 하는 지중 응력 계측기와, 이를 이용한 터널 시공시의 지반 거동 계측 방법으로서, 내부가 구획판에 의해 전방체 및 후방체로 구획된 본체에서 외부로 출몰되는 압출부가 지중에 천공되는 홀의 내면에 밀착되어 수평 및 수직 방향으로 가해지는 지중 응력의 영향으로 일으키는 위치 변화를, 상기 압출부에 내장되는 변위계가 검출하여 전기 신호로 데이터 로거에 송출하는 것으로 지중 응력을 측정하는 지중 응력 계측기와, 이 지중 응력 계측기를 터널의 막장에서 지반의 전방으로 천공되는 홀에 상기 지중 응력 계측기를 삽입하여 지중 홀의 내면과 본체의 압출부가 밀착되게 하여, 수평 및 수직으로 가해지는 지중 응력의 변화를 실시간으로 연속 측정하여 표시되는 그래프 패턴으로 현재 굴착되는 터널의 지보 거동을 파악하여 미리 조치해 나갈 수 있도록 하는 것이다.

지중응력, 터널전방계측, 양방향 지중응력 측정, 터널안전 시공, 응력경로

Description

터널 시공시의 지반 거동 계측에 적합한 지중 응력 계측기{instrument used to measuring underground stress of ground movements in case of build in tunnel}

도 1은 종래의 계측기 설치시기에 대한 모식도.

도 2는 종래의 계측방법을 통한 계측가능범위를 나타내는 그래프.

도 3은 본 고안에 관련된 지중 응력 계측기의 구조를 도시하는 측단면도.

도 4는 도 3의 A-A선에 따른 단면도.

도 5는 도 3의 B-B선에 따른 단면도.

도 6은 본 고안에 관련된 지중 응력 계측기의 설치시기에 대한 모식도.

도 7은 지중 응력 계측기의 설치 상태를 나타내는 도면.

도 8은 본 고안에 관련된 계측기를 통한 계측가능범위를 나타내는 모식도.

도 9는 본 고안의 계측기로 얻어지는 천단부에서 터널굴착에 따라 발생하는 응력 경로와 안정성을 판단하는 그래프.

도 10은 본 고안의 계측기로 얻어지는 측벽부에서 터널굴착에 따라 발생하는 응력 경로 및 안정성을 판단하는 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 압출부 2: 본체

2a: 전방체 2b: 후방체

3: 내측관 4: 전방 커버

5: 후방 커버 6: 압력 주입관

7: 변위계 8: 압력계

9: 계측선

본 고안은 터널의 굴착 시에 지중 응력을 선행 측정하여 공사의 안전성 강화와 정밀 시공을 도모하기 위하여 행하는 터널 시공시의 지반 거동 계측에 적합한 지중 응력 계측기에 관한 것이다.

터널은 그 사용 목적이나 시공법에 따라 단면 형태, 구조가 다르게 되는 것이나 대개는 사용 목적별, 시공방법별, 터널위치별, 굴착 단면 크기별, 단면 형태별, 지질별, 경사도별, 차선수별, 터널수별, 터널길이별 등으로 구분하고 있다.

터널을 굴착하려면, 사전에 치밀하게 계획을 수립하고 이에 따른 현장 조사를 거쳐 설계함이 일반적이다. 터널 계획은 지역 여건, 지형 상태, 토지 이용현황,장래 전망, 지반 조건 등의 사전 조사 성과를 토대로 수립하고, 조사는 터널의 위치 선정, 설계, 시공 및 완성 후의 유지관리에 중점을 두어 실시하며, 설계에는 조사 결과에 기초하여 원 지반이 가지는 지보능력을 최대로 활용할 수 있는 단면 형상, 굴착 방법, 시공 순서, 단면의 폐합시기 등이 종합적으로 감안되어야 한다. 이 와 같은 단계를 거쳐 터널의 시공 계획을 수립하여도, 원 지반의 물리적 특성과 지질 구조는 복잡하기 때문에 실제 시공 시의 터널 거동은 설계시에 예측한 거동과는 반드시 일치하지 않는다. 이 때문에 터널 시공 현장에서는 일상 계측과 정밀 계측을 행하여 굴착 되는 터널의 거동을 예측하고 있다.

이러한 터널 계측은 터널 굴착시 대상 암반 및 지보 거동의 복잡성과 불확실성에 의한 시공상의 위험요인 제거를 통한 안정성 확보, 시공의 최적화를 통한 경제성 제고, 완성터널의 품질향상을 위한 시공상의 품질관리, 향후 터널의 유지ㆍ관리에 필요한 자료 확보 등을 도모함과 동시에, 조사, 설계 및 시공단계에서 부득이 고려하지 못한 사항이나 판단의 오차를, 계측을 통하여 얻어진 데이터의 분석 및 판단으로 이에 신속히 대처할 수 있는 이점이 있다.

일반적으로, 일상 계측에서는 갱내 관찰조사, 내공변위 측정, 천단 침하측정, 록 볼트 인발시험 등으로 행하고, 정밀 계측은 지반조건에 따라 상기 일상 계측 외에 지중변위 측정, 록 볼트 축력 측정, 콘크리트 라이닝 응력 측정, 지표 및 지중침하 측정 등을 더 포함하여 행한다.

상기와 같은 순서로 시공되는 터널의 굴착 단계에서, 터널의 내공 변위, 천단 변위 등은 터널의 내공 단면 안정성을 판단하는 자료가 되는 것이므로, 대단히 중요하게 점검되어야 하는 항목이고, 이 때문에 터널 굴착 시에는 지반 및 지보재의 거동을 주기적으로 측정하여 지반의 불균일성 여부, 설계 단계에서의 예상 거동과, 지반의 실제 거동을 비교하여 이상거동 여부가 나타나는가의 여부를 점검할 필요가 있다.

현재 일반적으로 행해지고 있는 계측방법은, 기본적으로 터널의 시공 중이나 이후에 터널 내공변위 및 천단 변위 측정, 숏크리트 응력 및 록볼트의 축력 등을 계측하고 있다.

내공변위 측정은 막장의 진행에 따른 터널의 수평방향 벽면에 임의 설정한 지점이 수평방향으로 이동된 거리를 내공변위로 측정하여 안전성을 판단하는 것이고, 또 천단 변위 측정은 막장의 진행에 따른 내공변위에, 터널 전단면과 하부 인버트(invert) 변화 전체를 포함하여 측정함으로써 연속하는 선형 그래프화된 데이터로 얻는다.

이렇게 계측을 통해 얻어진 데이터는 종합 분석되어 터널 전체의 안전성을 판단하는 자료가 된다.

터널 내공변위, 천단 변위의 측정에 관하여 더 상세히 설명하면, 터널을 2 ~ 3 막장 굴착한 지점에서 0.01mm 의 정밀도를 가지는 테이프식 내공변위계나 1mm 정도의 정밀도를 가지는 레이저 빔 내공변위계 등을 이용하여 측정하는 방식, 또는 도 1로 나타낸 바와 같이 굴착된 막장을 따라 임의점에 레벨 장치(L)를 설치하여 특정 지점을 측정하되, 시차를 두고 또한 장소를 옮겨가면서 측정하여 변위 차이를 산출하는 방식 등으로 행하고 있다.

그렇지만, 이와 같은 계측 방식은 터널이 2 ~ 3 막장 진행한 후에나 실시할 수 있는 것이므로, 막장 거리를 기준으로 하였을 때에 계측 가능한 범위는 도 2의 그래프로 나타낸 바와 같이 이미 터널의 내공변위와 천단 변위가 발생한 다음에 측정하는 것으로 되어, 터널의 굴착 전이나 굴착 직후의 지반 거동 파악은 할 수 없 게 되는 문제가 있다. 따라서, 풍화토 내지는 풍화암 등의 지질조건이 불량한 지점이나 중요 구조물의 지층부를 통과하여 굴착하는 지점 등에서는 잘못된 판단으로 심각한 위험이 초래될 수 있다.

특히, NATM 공법을 적용하는 터널 굴착의 경우, 굴착 직후에 지반이 겪는 비평형 상황을 신속히 파악하여 원 지반의 평형조건에 근접한 지보공을 타설함으로써 지반 고유의 지지력을 활용하여 터널의 안정성을 확보해야 하는 것이므로, NATM 공법에서는 시공 중은 물론 시공 전후의 지반 거동 파악이 대단히 중요하다.

더구나 지반의 주 거동은 대부분 굴착 직전부터 굴착 직후에 발생하는 점을 감안할 때, 이를 계측하여 설계에 반영한다면 경제적이고 안전한 시공을 보장할 수 있으며, 특히 지반이 퇴적토, 풍화토 내지는 풍화암으로 구성된 불량한 지형에서 터널의 안전성 훼손을 미리 예측할 수 있어서 더욱 큰 손실을 미리 방지할 수 있다.

이에 따라 본 고안의 목적은 지중 응력의 변화를 분석하여 실제 지반 거동을 미리 파악하기 위하여, 터널 굴착 전에 지중의 임의점에 매설되어 지중 응력을 터널의 굴착 중에도 연속 측정할 수 있는 지중 응력 계측기를 제공함에 있다.

상기 지중 응력 계측기는 지반을 천공하여 삽입되는 것이며, 원 지반의 거동을 직접적으로 측정할 수 있도록 지반에 천공된 홀의 내주면과 밀착되는 구조를 가진다.

본 고안의 측정기를 이용한 지반 거동 측정은 터널 굴착 전방지반에 계측기 를 설치하여 터널 전방지반의 지중 응력을 터널 굴착 과정에 따라 측정함으로써, 지중 응력의 측정범위가 굴착 후 계측하게 되는 종래의 방법에 비하여 현저하게 증대되는 것이며, 측정의 결과로 응력변화 경로를 파악하고 이를 통해 터널 안정성을 판단한다.

상기의 목적을 구현하기 위한 본 고안의 지중 응력 계측기는, 지층의 수직 및 수평방향에 따르는 지중 응력을 동시 측정 가능한 구성으로서, 내부가 구획벽에 의해 전방체와 후방체로 구분되는 본체와, 전 후방체의 내부로 각각 수용되고 상호 직교하는 방향으로 출몰되는 압출부와, 상기 본체의 중앙에 열려진 내측관을 통해 인입되어서 상기 전 후방체로 구분 연결되는 2개의 압력 주입관과, 이들 양 압력 주입관에 각각 연통된 압력계 및, 이 압력계에서 발생하는 전기 신호를 전송시키기 위하여 상기 내측관을 타고 인입되는 계측 전송선으로 구성되어 있다.

또 상기 본체의 전면에는 전방 커버가 부착되어서 지층에 천공된 홀로 삽입 장착할 때에 그 삽입을 용이하게 하고 또한 본체를 보호하여 주게 되어 있고, 반대측 후방에는 외부로 연장되는 압력 주입관과 계측 전송선을 견고하게 유지시켜 주는 후방 커버가 부착된다.

상기와 같은 계측기를 이용한 지중 응력의 계측은, 터널을 굴착하기 위한 지점의 전방지반에 천공된 홀로 상기 지중 계측기를 삽입하고 지반과 일체로 거동하도록 본체의 압출부를 팽창시켜 홀의 내주면에 밀착시킨 다음, 데이터 로거(Data Logger)에 계측 전송선을 연결하고 계측 값을 초기화하여 놓고, 터널 굴착을 진행 하면서 측정되는 지중 응력 데이터의 출력 패턴을 분석하여 안전도를 평가해 나가는 단계로 행해진다.

이하 본 고안의 바람직한 실시 예를 첨부 도면 도 3 내지 도 10을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 고안에 관련된 지중 응력 계측기의 단면도로서, 본체(1)는 금속재질로 되어 지중의 압력에 충분히 견딜 수 있게 되어 있으며, 그 내부는 구획벽(2)에 의해 전방체(2a)와 후방체(2b)로 구분되고 이들 전방체(2a)와 후방체(2b)의 내부에는 압출부(3)가 각각 수용되어서 그 일부를 외부로 노출시켜 놓고 있다.

또, 전방체(2a)와 후방체(2b)로 구분되게 배치되는 압출부(3)는 상호 직교상으로 배치되어서 지중의 수직방향 및 수평방향으로 발생하는 응력을 받을 수 있게 설치된다.

상기 본체(1)의 중심에 통로 형태로 형성되어 있는 내측관(4)에는 압력 주입관(5) 및 계측 전송선(6)이 연장되어 있다. 압력 주입관(5)은 전후로 구분하여 직교 배치된 2개의 압출부(3)로 압축공기를 주입시키기 위한 관체이고, 계측 전송선(6)은 상기 각 압력 주입관(5) 마다 설치된 압력계(7) 및 상기 압출부(3)에 내장된 변위계(8)에서 발생하는 전기 신호를 전송하기 위하여 마련된다.

압출부(3)는 외부와 격리된 밀폐상으로 되어 압축공기의 공급에 따라 신축할 수 있는 구조로 되어 있으며, 이 압출부(3)의 내부 압력은 압력 주입관(5)에 설치된 압력계(7)를 통해 검출된다. 또 압력 변화에 따른 압출부(3)의 출몰 변화는 상기 압출부(3)에 내장된 변위계(8)에 의해 전기 신호로 검출된다.

상기 본체(1)의 전면에는 전방 커버(11)가 씌워지고, 마찬가지로 본체(1)의 후면에도 후방 커버(12)가 부착되어서 외부로 인출되는 2개의 압력 주입관(5)과 계측 전송선(6)을 견고하게 지지하여 주게 되어 있다.

또, 외부로 인출되는 압력 주입관(5)과 계측 전송선(6)은 도 4의 도시와 같이 각각 별도로 준비되는 컴프레서(11)와 데이터 로거(12: data logger)에 각각 연결되어서, 상기 계측 전송선(6)을 통해 계측되는 변위계(8)의 데이터는 실시간으로 데이터 로거(12)에 저장되고 그래프로 출력된다.

이와 같은 구성으로 된 지중 응력 계측기는 상기 본체(1)를 지중에 매설하여 사용된다. 이때 본체(1)의 외주면에 노출된 압출부(3)는 지중의 홀(H) 내면과 밀착하도록 컴프레서(11)를 통하여 압축공기를 공급받고, 이렇게 하여 지중의 홀(H) 내면으로 밀착한 압출부(3)로는 실시간으로 지중 응력이 가해지게 된다.

지중 응력의 수평방향 변화는 도 5로 나타낸 바와 같이 상기 본체(1)에서 수평방향으로 배치된 압출부(3)에 의해 검출되고, 마찬가지로 지중 응력의 수직방향 변화는 도 6으로 나타낸 바와 같이 상기 본체(1)에서 수직방향으로 배치된 압출부(3)에 의해 검출된다.

상술한 구성으로 된 지중 응력 계측기는 터널 굴착시에 막장에서 굴착방향으로 지반을 천공하여 미 굴착지반 속으로 지중 응력 측정기를 매설하여, 터널의 미 굴착위치에서 지반의 거동을 분석할 수 있다.

즉, 터널의 굴착 이전부터 지반의 거동을 파악함으로써 안전한 시공을 이룰 수 있고 사고의 큰 손실을 예방할 수 있는 것이다.

더 구체적으로, 본 고안의 지중 응력 계측기를 이용한 계측방법을 설명하면 다음과 같다.

도 7에 도시한 바와 같이, 터널 굴착 예정지점의 막장에서 전방의 지반을 천공하여 홀(H)을 뚫고, 이 홀(H)에 본체(1)를 끼워 수납한 다음, 압력 주입관(5)을 통해 컴프레서(11)로 압축공기를 주입한다. 이렇게 공기를 주입하면, 본체(1)의 주위에서 압출부(3)가 돌출되면서 홀(H)의 내면에 밀착하게 되며, 충분히 압축공기를 주입한 다음에 데이터 로거(12)의 입력단을 0점 조정하여 현재 변위계(8)에서 전송되는 신호가 0의 값으로 입력되게 한다.

지중의 홀(H)에 끼워진 계측기에서, 수평 및 수직으로 배열된 압출부(3)는 지중 응력의 변화에 따라 연속하여 출몰 위치가 변화하게 되고, 그로 인해 내측에 설치된 변위계(8)가 연동하면서 지중 응력의 수평 및 수직 방향 변화를 전기 신호로 송출하게 된다.

이러한 신호는 데이터 로거(12)에서 신호처리되어 실시간으로 연속하는 그래프로 프린트 출력된다.

상술한 바와 같은 지중 응력의 측정은, 터널의 막장보다 앞쪽에 위치하는 지반의 거동을 살피는 것이므로, 계측 가능범위는 도 8의 도시와 같이 광범위하게 되어 터널 굴착에 요구되는 지반 거동을 정확하게 예측할 수 있다.

예로서, 도 9는 터널의 천단부를 측정 대상으로 하였을 때의 수직계측 패턴을 보여 주고, 도 10은 터널의 측벽부를 대상으로 하였을 때의 수평계측 패턴을 보여주는 것이며, 도 9와 도 10처럼 출력되는 그래프의 패턴 진행방향에 따라 현재 의 터널 안정/불안정 상태를 파악할 수 있고, 패턴이 불안정 방향으로 진행하면 정밀 측정을 행하여, 그 결과에 따라 터널 내의 지보재 보강, 벽면 숏크리트 처리, 지반 안정화 작업 등을 병행하여 안전성을 강화시키면서 공사를 진척한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 고안은 지중 응력의 변화를 수직 및 수평방향으로 동시에 측정하여 그 수직 응력과 수평 응력에 대한 응력 경로를 도시할 수 있다. 특히 본 고안은 터널의 천단 및 측벽에 관련된 응력 경로를 수치해석적으로 분석하여 출력되는 응력 경로의 패턴을 통한 터널의 안정성 판단기준을 제시하는 장점이 있다.

또한 본 고안은 터널의 천단 및 측벽에서 터널 굴착에 따라 발생하는 응력 경로를, 종래와는 달리 터널의 굴착 전부터 막장의 앞쪽 지반의 지중 응력을 연속하여 측정하고, 그 결과에 따라 터널의 안정성을 판단하면서 굴착 시공하는 것이므로 터널 공사의 안전도를 대폭 향상할 수 있음은 물론, 공사의 불안정 요인도 미리 파악하여 예방 조치할 수 있는 장점이 있다.

Claims (1)

1. 전방체와 후방체로 구분된 본체로 이루어지고, 각각 독립적으로 접속된 압력 주입관을 통한 압축공기로 압출부가 외부로 돌출되어 지중의 홀 내면으로 밀착됨으로써 지중 응력을 직접적으로 측정할 수 있으며, 전방체와 후방체에 각각 독립적으로 수용되는 압출부는 상호 직교 배치되어 지중 내에서의 수직 및 수평 응력을 동시에 측정할 수 있는 구성으로 되어 있는 지중 응력 계측기.

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