KR200420161Y1 - 터널 숏크리트 자동 타설장치 - Google Patents

Abstract

본 고안은 터널 굴착 후 굴착면에 콘크리트를 뿜어 붙이는 숏크리트 작업을 효과적으로 수행하기 위한 숏크리트 타설장치및 차량에 관한 것이다. 노즐이 부착된 쇄기형상의 강재 거푸집과 압착판, 바퀴 등으로 구성되지만 거푸집 자체에 진동기를 구비하고 거푸집 전체가 붐(boom)에 의하여 유압으로 움직이며, 센서를 구비하여 프로그램 분석장치에 의해 자동 연속 타설할수 있도록 고안되었다. 따라서 효율적으로 숏크리트 타설이 가능할 뿐만 아니라 분진발생을 최소화하며 리바운드로 인한 콘크리트 손실을 근본적으로 방지할수 있도록 하였다.

터널, 숏크리트, 거푸집, 타설차량,

Description

터널 숏크리트 자동 타설장치{AUTO SHOTCRETING DEVICE FOR TUNNEL EXCAVATION}

도1은 종래 기술을 나타낸 사시도.

도2는 종래 기술을 나타낸 정면도.

도3은 본 고안인 숏크리트 타설장치및 차량에 의해 숏크리트 작업을 수행중인 모습을 나타내는 사시도.

도4는 본 고안인 숏크리트 타설장치를 상세히 보여주는 사시도.

도5는 본 고안인 숏크리트 타설장치를 상세히 보여주는 측면도.

도6은 본 고안인 숏크리트 타설장치의 조립과정을 보여주는 조립 사시도.

도7은 본 고안인 숏크리트 타설장치의 세부명칭을 나타내는 사시도.

도8은 본 고안인 숏크리트 타설장치의 시공상태를 보여주는 측면도.

도9는 본 고안인 숏크리트 타설장치의 시공상태를 보여주는 정면도.

도10는 종래 기술에 의한 숏크리트 시공상태를 보여주는 단면도.

*도면 중 주요부분에 대한 설명*

1: 프로그램 분석장치 2: 굴착면 3: 숏크리트 타설장치 3-a: 쇄기형 거푸집 3-b: 압착형 거푸집 3-c: 덮개 3-d: 바퀴 3-e: 압착형 거푸집 지지 붐(boom) 3-f: 쇄기형 거푸집 지지 붐(boom) 3-a-1: 쇄기형 판부재 3-a-2: 막음 판부재 3-a-3: 유도 판부재 3-a-4: 판부재 경첩 3-b-1: 압착 판부재 3-b-2: 막음 곡판부재 3-b-3: 진동기 3-b-4: 유리창 3-c-1: 통풍구 3-c-2: 호스 투입구 3-d-1: 요철 감지바퀴 3-d-2: 요철 감지센서 3-e-1: 체결판 3-e-2: 지지대 3-e-3: 유압실린더 3-e-4: 유압호스 3-f-1: 완충 스프링 3-f-2: 지지대 경첩 4: 자주식 타설차량 5: 호스 6: 숏크리트 6-a: 숏크리트 1차 타설면 6-b: 숏크리트 2차 타설면 6-c: 숏크리트 3차 타설면 7: 스틸리브(STEEL RIB) 8: 와이어 메쉬(WIRE MESH)

본 고안은 터널 시공장치에 관한것으로서, 보다 상세하게는 터널 굴착면에 숏크리트(Shotcrete)를 타설하는 거푸집장치 및 차량에 관한 것이다.

터널 굴착후 굴착면에는 콘크리트를 뿜어 붙여서 피복시키는 작업을 행하는데 이와 같이 뿜어 붙이는 콘크리트를 숏크리트(Shotcrete)라 하며 원지반의 풍화를 방지하여 초기안정을 도모하는 기능을 수행한다. 숏크리트 작업은 터널굴착이 진행함에 따라 일정한 거리 단위로 이루어진다. 표면 요철면을 고르고 경화될수 있도록 일정한 시차를 두고 2~3회 반복 타설한다.

주지된 바와 같이 종래의 타설방법은 호스를 작업원이 직접 잡고 타설하게 되며 이러한 인부 직접타설방식은 불합리한 점이 너무 많아 설명을 생략코자 하며 이를 개선하기 위하여 "곡면 패널을 이용한 터널 굴착면의 숏크리트 공법" (공개번호10-2003-0078363, 등록번호10-0447112-0000)이 발명되었다. 상기 공법은 숏크리트 피복두께만큼 이격되는 원주형 지지틀에 곡면패널을 조립후 굴착면과 곡면 패널 사이공간에 숏크리트를 타설하고 경화되면 다시 해체하여 이동하는 방식이다.

그러나 상기 공법은 일률적인 외주곡면을 형성하는 고정식 거푸집 장치로서 한번 타설시 많은 구간을 동시 타설할수 있는 장점이 있으나 다음과 같은 단점이 있다. 첫째 강재 원통형 굴착 기계를 사용하는 TBM등 일부 특수 터널 외 대부분 터널에서는 발파에 의한 굴착이 이루어지므로 과 굴착 즉 여굴이 많이 발생한다. 일률적인 원주면까지 채워서 타설하는 상기 방식은 여굴부위에서 라이닝 콘크리트보다 훨씬 비싼 숏크리트를 모두 채워 타설하게 된다. 즉 숏크리트는 굴착면을 따라 일정한 두께만 피복 타설하면 되는데 과 타설하게 되며 비 경제적이다. 둘째 경화기간 동안 거푸집은 조립된채 사용이 불가하여 여러 조의 거푸집 장치가 필요할수 있으며 작업통로를 막고 있어 굴착기 및 트럭을 사용하는 터널작업을 어렵게 한다. 셋째 호스의 노즐 방향 조절이 자유롭지 못하고 개수가 한정되어 거푸집 구석 구석 골고루 타설하기 어려울 뿐만 아니라 거푸집 뒤쪽 작업상황을 파악할수 없어 조치가 불가하며 이른바 콘크리트 곰보가 발생하거나 밀도가 치밀하지 않는 부실구간이 발생할수 있다.

숏크리트 타설은 분사되는 분사압력, 분사각도 및 분사시간, 이격거리등 많은 원인에 의해 타설품질이 크게 달라진다. 보기에는 단순하지만 한편으론 매우 복잡한 작업으로 숙련공이 필요하다. 이러한 이유로 비경제적이며 시공성이 불량한 방법임에도 불구하고 현장에서는 인부에 의한 직접 타설방식을 고집하고 있다. 최근에는 호스를 인부대신 잡아주는 분사차량을 이용하기도 하지만 여전히 리바운드가 발생하여 폐기되는 콘크리트는 환경문제 발생 및 비용을 증가시킨다. 분사차량은 기계화 타설로 시공능률을 향상시켜준다.

따라서 본 고안은 터널 굴착암벽의 초기 안정을 위해 시행하는 종래의 숏크리트 타설 공법을 개선코자 굴착곡면을 따라 바퀴 또는 계측센서를 이용하여 일정한 피복두께를 유지하며 거푸집이 자유롭게 움직일수 있도록 하며 숏크리트 부착성을 증대하기 위하여 거푸집 진동기를 구비하고 거푸집에 압력을 가하여 압출방식(SLIPFORM)형태로서 타설면이 매끄럽고 밀도가 치밀하게 타설되도록 하였다. 또한, 거푸집은 굴착면과 함께 깔대기(HOPPER) 형태를 이루어 숏크리트를 차집하여 타설함으로써 재료 손실을 막아주는 숏크리트 타설 공법을 제공하는 데 있다.

본 고안을 첨부도면에 의해 상세히 설명토록 한다.

도1은 종래 기술인 "곡면 패널을 이용한 터널 굴착면의 숏크리트 공법" (공개번호10-2003-0078363)를 나타내는 사시도이다. 터널 굴착후 지지대를 구비한 작업대차에 곡면패널을 부착하여 원주곡면을 형성한 고정식 거푸집이다.

도2는 종래 기술을 나타낸 정면도로서 터널 굴착면과 일정한 간격을 두고 상기공법 거푸집장치를 고정한 모습이며 곡면 거푸집 사이에 숏크리트를 분사하며 채워 타설하는 방식으로 상기한 바와 같은 장점 외에 단점을 가지고 있다. 특히 일정한 거푸집형태를 적용함으로써 여굴부위에서 숏크리트 과 소비가 발생하며 거푸집 뒤편 작업상태를 파악할수 없어 조치가 불가하며 부실한 타설이 이루어질수 있다.

도3은 본 고안인 숏크리트 타설 장치 및 차량에 의해 숏크리트 작업을 수행중인 모습을 나타내는 사시도이다. 먼저 숏크리트 타설장치(3)와 자주식 타설차량(4)으로 대별된다. 자주식 타설차량(4)은 숏크리트 타설장치(3)를 굴착면에 견고히 지지해 주고 전기등 동력을 제공하고 프로그램장치를 탑재한다.

도4는 숏크리트 타설장치(3)를 상세히 보여주는 사시도이다. 쇄기형 거푸집(3-a)은 한쪽면이 터인 삼각통 모양으로 터인 면을 굴착면(2)에 붙여 밀폐된 공간을 만들어 숏크리트 재료가 허비되지 않도록 하였다. 또한 거푸집 하부공간이 하단으로 향할수록 좁아지는 쇄기모양을 이루어 호스(5)에서 분사된 숏크리트는 압력이 가해져서 치밀히 다져서 타설되는 효과를 발생한다. 또한 처음 분사시 리바운드(Rebound)되어 탈락한 재료는 계속 분사되는 재료와 곧바로 재 혼합되어 타설이 이루어 지거나 중력에 의해 아래로 모여져 경하되기전에 압착형 거푸집(3-b)에 의해 압착 타설된다. 숏크리트 재료에는 급결재가 사용되며 시간경과시 사용할수가 없다. 따라서 리바운드 즉시 혼합 재타설또는 중력 압착타설하는 방식을 사용하는 본 고안은 재료 손실이 거의 발생하지 않는 유용한 고안이다.

압착형 거푸집(3-b)에는 거푸집 진동기가 부착되어 뿜어 붙이기로 형성된 면과 리바운드된 숏크리트 재료를 다시 진동을 가하여 강력히 압착시킴으로써 밀도가 치밀해져 강도가 증대되며 매끄러운 면을 성형한다. 추후 방수시트 부착에 좋은 표면을 제공한다. 덮개(3-c)는 재료의 이탈을 막아준다. 바퀴(3-d)는 굴착면(2)의 요철을 따라 거푸집장치 전체를 일정한 피복두께로 굴착면(2)과 이격하여 준다. 1개의 바퀴는 요철면을 있는 그대로 나타내지만 2개로 연결된 바퀴구조체는 2개의 바퀴 사이의 요철을 상쇄하여 나타내는 역활을 한다. 이는 2개의 바퀴가 이루어내는 궤적에 의한 것이다. 압착형 거푸집 지지 붐(3-e)은 숏크리트 타설장치(3)와 자주식 타설차량(4)을 연결해주며 회전할 수 있도록 붐(boom)역활을 해준다. 쇄기형 거푸집 지지 붐(3-f)은 쇄기형 거푸집(3-a)을 압착형 거푸집 지지 붐(3-e)에 연결해주며 회전할 수 있도록 붐(boom)역활을 해준다.

도5는 본 고안인 숏크리트 타설장치(3)를 상세히 보여주는 측면도이다.

도6은 본 고안인 숏크리트 타설장치(3)의 세부 부속품들의 상호 조립과정을 보여주는 조립사시도이며 도7은 세부 부속품 명칭을 나타내는 사시도이다. 조립과정을 살펴보면 먼저 쇄기형 판부재(3-a-1)의 우측 단부에 막음 판부재(3-a-2)를 용접 접합하여 숏크리트가 옆으로 새어 나가지 않도록 하며 좌측 단부에 유도 판부재(3-a-3)를 용접 접합하여 이미 타설된 숏크리트면에 접지되어 숏크리트가 동일 높이로 타설될수 있도록 쇄기형 거푸집(3-a)를 지지해주며 판부재 경첩(3-a-4)은 쇄기형 거푸집(3-a)과 압착형 거푸집(3-b)를 경첩으로 연결한다. 압착 판부재(3-b-1)의 우측 단부에 막음 곡판부재(3-b-2)를 용접 접합하여 숏크리트 손실을 방지하고 진동기(3-b-3)를 부착하여 타설된 숏크리트를 진동을 가하며 압착시켜준다. 또한 유리창(3-b-4)을 두어 숏크리트 시공상태를 볼수 있도록 하여 시공속도 및 압착압력 등을 운전하여 조절할수 있도록 한다. 호스 투입구(3-c-2)를 통해 호스(5)를 설치하며 쇄기형 거푸집(3-a)내로 유입된 공기는 통풍구(3-c-1)를 통해서 배출된다. 요철 감지바퀴(3-d-1) 및 요철 감지센서(3-d-2)는 쇄기형 거푸집(3-a)의 우측 단부에 볼트 조립되어 굴착면(2)의 요철을 반영하여 좌측 단부의 유도 판부재(3-a-3)와 함께 숏크리트 타설장치(3)가 일정한 높이를 유지하도록 한다. 압착형 거푸집 지지 붐(3-e)의 지지대(3-e-2)는 체결판(3-e-1)으로 압착형 거푸집(3-b)에 볼트 조립되며 지지대 경첩(3-f-2)으로 자주식 타설차량(4)에 연결되고 회전하며 유압호스(3-e-4)를 통해 유입된 유압으로 유압실린더(3-e-3)가 작동하여 길이 조절이 가능하며 굴착면(2)에 압착형 거푸집(3-b)을 압착시켜준다. 쇄기형 거푸집 지지 붐(3-f)의 지지대(3-e-2)는 체결판(3-e-1)으로 쇄기형 거푸집(3-a)에 조립되며 다른 일단은 압착형 거푸집 지지 붐(3-e)에 연결되고 회전하며 완충 스프링(3-f-1)이 있어 길이가 가변하면서 숏크리트(6)면및 굴착면(2)에 쇄기형 거푸집(3-a)을 적당 압력으로 밀착시켜준다.

도8및 도9는 본 고안인 숏크리트 타설장치(3)의 시공상태를 보여주는 측면도 및 정면도이다. 굴착면(2)에 밀착된 숏크리트 타설장치(3)에서 먼저 호스(5)를 통해 분출되는 콘크리트 혼합물은 쇄기형 거푸집(3-a) 하단 구석공간에 분사되어 일 차적으로 부착되며 다음 단계로 압착형 거푸집(3-b)을 통해 진동다짐되어 압출된다. 이때 유도 판부재(3-a-3)는 이미 타설된 숏크리트면에 접지되고 요철 감지바퀴(3-d-1) 및 요철 감지센서(3-d-2)는 굴착면(2)에 접지되어 쇄기형 거푸집(3-a)을 일정 높이로 유지하여 숏크리트가 동일 높이로 타설될수 있도록 한다. 또한 요철 감지센서(3-d-2)로 얻은 정보는 차량에 탑재된 프로그램 분석장치(1)를 통하여 요철상태를 파악하고 허용기준 이내의 요철이 성형 될 수 있도록 분석, 수정한후 명령하여 유압실린더(3-e-3)를 작동함으로써 자동화할 수 있다.

도10는 종래 기술에 의한 숏크리트 시공상태를 보여주는 단면도이다.

지반이 견고하지 못한 구간에서는 강부재인 스틸리브(7)와 와이어 메쉬(8)를 굴착면(2)에 부착한후 숏크리트를 인력으로 뿜어 붙이지만 요철이 심하여 요철 허용기준을 만족하지 못하여 약 3~4회 반복 타설하여 방수시트의 안전한 시공을 위한 평탄한 면을 성형한다. 따라서 도면의 예와 같이 숏크리트 1차 타설면(6-a), 숏크리트 2차 타설면(6-b), 숏크리트 3차 타설면(6-c)이 발생하게 된다. 인력 타설시 오목부 외 볼록부위도 숏크리트가 함께 타설되므로 요철이 쉽게 수정되지않고 결국 여러번 반복타설하여야하는 경우가 발생한다. 따라서 곡면 거푸집을 받쳐주어 타설시 평탄면을 쉽게 성형할수 있다. 종래 기술인 "곡면 패널을 이용한 터널 굴착면의 숏크리트 공법"을 이용하면 매우 좋은 평탄면을 얻을수 있으나 여굴부위를 비싼 숏크리트로 모두 채워야하는 비 경제성을 내포하고 있다. 따라서 본 고안의 숏크리트 타설장치(3)을 이용하면 요철을 감지후 수정하여 타설하므로 경제적으로 피복 타설하고 평탄면을 성형할수 있으므로 숏크리트의 손실을 최소화하며 허용기준 이내로 시공할수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 고안은 터널 굴착면에 숏크리트를 타설함에 있어서 밀폐된 쇄기형 거푸집 및 진동기, 압착형 거푸집을 사용하여 콘크리트 리바운드로 인한 손실을 크게 감소시키며 숏크리트 타설면및 굴착 암반면을 따라 피복 타설할수 있어 최소 필요량 만큼만 재료가 소요되는 등 경제성을 높이고 진동 및 압착타설로 콘크리트 강도를 증진시키며 매끄러운 표면을 형성하여 다음공종인 방수시트 공사를 용이하게 하며 밀폐된 거푸집의 사용으로 분진이 감소하여 작업환경이 개선되며 요철 감지센서 및 자주식 타설차량의 사용으로 시공 효율성을 높이는 장점이 있다.

Claims (7)

1. 쇄기형 거푸집(3-a)의 상단부에는 통풍구(3-c-1) 및 호스 투입구(3-c-2)를 구비한 덮개(3-c)를, 하단부에는 진동기(3-b-3) 및 유리창(3-b-4)을 구비한 압착형 거푸집(3-b)을, 우측부에는 요철 감지바퀴(3-d-1) 및 요철 감지센서(3-d-2)를, 좌측부에는 유도 판부재(3-a-3)를 구비하고, 쇄기형 거푸집(3-a)은 완충 스프링(3-f-1)을 구비한 쇄기형 거푸집 지지 붐(3-f)에 의해 지지가 되고 압착형 거푸집(3-b)은 가변형 유압실린더(3-e-3)가 구비된 압착형 거푸집 지지 붐(3-e)에 의해 자주식 타설차량(4)에 연결되며 지지가 되는 것을 특징으로 하는 터널 숏크리트 타설장치.
2. 청구항1에 있어 상기 쇄기형 강재 거푸집(3-a)은 한쪽면이 터인 삼각통 모양으로 터인 면을 굴착면에 붙여서 밀폐된 공간을 형성하고 하부로 갈수록 좁아지는 쇄기모양을 이루는 것을 특징으로 하는 터널 숏크리트 타설장치.
3. 청구항1에 있어 상기 압착형 거푸집(3-b)은 곡면을 이루는 판부재로서 압착형 거푸집 지지 붐(3-e)으로 지지되고 진동기(3-b-3)를 구비한 것을 특징으로 하는 터널 숏크리트 타설장치.
4. 청구항1에 있어 상기 쇄기형 거푸집(3-a)은 2개의 바퀴 구조체로 형성된 요철 감지바퀴(3-d-1)와 유도 판부재(3-a-3)가 구비된 것을 특징으로 하는 터널 숏크리트 타설장치.
5. 청구항1에 있어 요철 감지센서(3-d-2)와 이를 통해 얻은 정보를 분석, 수정, 명령하는 프로그램 장치(1)를 구비한 것을 특징으로 하는 터널 숏크리트 타설장치.
6. 청구항1에 있어 상기 압착형 거푸집 지지 붐(3-e)은 완충 스프링(3-f-1)과 가변형 유압실린더(3-e-3)가 구비된 것을 특징으로 하는 터널 숏크리트 타설장치.
7. 청구항1에 있어 상기 자주식 타설차량(4)은 숏크리트 타설장치(3)를 장착하고 구동하는 것을 특징으로 하는 터널 숏크리트 타설장치.

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