KR20050012615A - 분할 메서플레이트를 이용한 메서실드 굴착장치 및 이를이용한 지중터널굴착공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 소정의 단면크기를 가지는 지중터널을 메서실드 굴착장치를 이용하여 시공함에 있어, 굴곡부에서 굴진방향이 변경되는 경우 새로운 메서실드장치를 지중터널 내부에 반입하여 설치하지 못하기 때문에 새로운 메서실드장치를 설치할 수 있는 공간을 확보하기 위하여 지중터널 단면의 폭을 미리 확폭시켜 시공하고 굴곡부에서 새로운 메서실드장치를 설치하는 종래의 방식을 탈피하여 메서실드 굴착장치를 구성하는 메세플레이트를 길이방향으로 분할하여 결합시킬 수 있도록 단계별 시공을 함으로서 지중 터널단면의 확폭없이도 용이하게 메서실드장치를 이용하여 지중터널을 시공할 수 있으며, 직선 터널구간에 있어 기존규격의 메서플레이트에 본 발명의 연결 메서플레이트를 연결시킴으로서 지보공 간격의 조정이 가능하여 공기단축이 가능하며 경제적인 지중터널 시공이 가능한 메서실드 굴착장치 및 이를 이용한 지중터널 방법에 관한 것이다.

Description

분할 메서플레이트를 이용한 메서실드 굴착장치 및 이를 이용한 지중터널굴착공법{Messer shield excavator apparatus with separated messer plate and excavation method using the same}

본 발명은 분할 메서플레이트를 이용한 메서실드 굴착장치 및 이를 이용한 지중터널 굴착공법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 소정의 단면크기를 가지는 지중터널을 메서실드 굴착장치를 이용하여 시공함에 있어, 굴곡부에서 굴진방향이 변경되는 경우 새로운 메서실드장치를 지중터널 내부에 반입하여 설치하지 못하기 때문에 새로운 메서실드장치를 설치할 수 있는 공간을 확보하기 위하여 지중터널 단면의 폭을 미리 확폭시켜 시공하고 굴곡부에서 새로운 메서실드장치를 설치하는 종래의 방식을 탈피하여 메서실드 굴착장치를 구성하는 메세플레이트를 길이방향으로 분할하여 결합시킬 수 있도록 함으로서 중터널단면의 확폭없이도 용이하게 메서실드장치를 이용하여 지중터널을 시공할 수 있는 메서실드 굴착장치 및 이를 이용한 지중터널 방법에 관한 것이다.

종래의 메서실드 굴착장치를 이용한 지중터널공법(메서실드공법)은 메서플레이트를 이용해 지중터널의 굴착면의 외주쪽에 압입시키면서 지반을 굴착하고, 지보공을 설치한 후 지반의 안정을 위해 1차복공을 하고 필요한 2차구조물(전력구, 터널 등)을 설치하는 지중터널 공법이다.

즉, 도1a와 같이 수직갱을 적어도 2개소(A,B)를 형성시키고 수직갱을 서로 연결시키는 수평갱(C)의 굴착에 있어, 수평갱(A)의 발진작업구 입구를 초기 굴착 한 후 굴착단면의 형태에 따라 강재 지보공(10)을 설치하고, 상기 지보공(10)의 외주 쪽에 다수의 메서플레이트(Messer Plate,20)를 병렬 설치한 후, 굴착되어야 할 방향으로 상기 메서플레이트(20)를 추진시키면서 지중굴착을 진행시킴과 동시에 일정간격(60cm~80cm)을 두고 새로운 지보공을 설치해 나가는 굴착공정을 반복하여 최종적으로 수평갱(B)의 도달 작업구까지 수평갱(C)을 형성시키는 공법이다.

이때 상기 메서플레이트(20)는 도1b와 같이 유압잭 등과 같은 추진수단(30)에 의하여 추진되면서 굴착에 의하여 새로운 막장굴착면이 형성되면 막장막이(40)를 설치하여 막장을 지보시키고 추가적인 지보공(10)을 설치하는 방식으로 굴착공정이 반복되어 최종 목표지점까지 지중터널을 위한 굴착 및 지보작업이 진행된다. 이때 지보공과 지보공사이에는 타이로드를 이용하여 지보공을 서로 연결시켜 지보공을 안정시키고 토류판(50,60b)을 삽입시켜 지보공과 지보공 사이의 굴착면을 메꾸게 되고, 지보공 상부에는 토류판이 굴착면에 밀착되도록 쐐기목(60a)을 설치하여 상부지보공과 접한 지반으로부터 전달되는 하중(토압 등)을 지보공이 적절하게 지지하도록 하며, 상부지반보강용 그라우팅 및 1차복공을 통해 굴착진행 시 막장안정, 용수처리 및 지반침하를 방지하게 된다. 이에 굴착면에 필요한 단면의 2차 콘크리트구조물(전력구, 암거 등)을 형성시킴으로서 최종적으로 용도에 적합한 지중터널을 완성하게 된다.(1차복공(70) 및 2차 콘크리트 구조물(80)이 형성된 상태의 지중터널 단면도인 도1d참조.)

이러한 메서실드공법를 이용한 지중굴착에 있어서, 수평갱(C)의 굴착방향이 도1c와 같이 직선부(C1) 및 굴곡부(C2)가 혼재되어있는 경우, 직선부에서 사용된 메서실드 굴착장치와는 별도로 새로운 메서실드 굴착장치를 기굴착한 직선부 수평갱을 경유하여 굴곡부의 새로운 발진 작업구에 반입하고 변경된 굴진방향으로 반입된 메서실드 굴착장치를 설치한 후 추가적인 지중굴착 작업이 이루어지게 된다.

하지만 상기 굴곡부(C2)에 형성된 작업공간이 협소하여 메서실드 굴착장치를 새로운 굴진방향으로 설치하는 것이 불가능할 경우가 발생할 수 있는데, 이러한 점을 고려하여 종래에는 도1d와 같이 미리 굴곡부에 메서실드 굴착장치에 의하여 굴착되는 굴착단면을 확폭시켜 시공함으로서 필요한 굴곡부(C2)의 작업공간을 확보하였다. 하지만 이러한 확폭굴착(C3)은 결국 불필요한 지중굴착을 초래한다는 문제점이 있었다.

즉, 확폭굴착(C3) 부분에서 메서플레이트의 벌어짐 현상이 발생하여 메서플레이트 굴진작업 시 누수 및 지반침하현상이 발생하게되어 시공성이 매우 저하될 뿐만 아니라, 확폭굴착에 인하여 요구되는 지보재, 토류판 등의 추가 사용에 의한 공기 및 공사비 증가요인이 커질 수밖에 없었고, 무엇보다도 확폭굴착 부분을 위한 별도의 지보공을 설치하기 전까지 막장의 안정성을 확보하지 못할 뿐만 아니라, 굴착단면이 일정한 단면형상이 형성되지 않고 굴착이 진행됨에 따라 굴착단면의 형상이 변형될 수밖에 없어 변형단면에 대한 응력불균형으로 인한 구조적인 불안정에 대처하기 위해 부가적인 단면보강 등을 고려해야 하는 등 지중터널 굴착을 위한 효율적이고 경제적인 시공이 이루어지지 못한다는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 메서실드공법에 의한 굴곡부를 포함하는 지중 터널굴착에 있어 굴진방향의 변경이 필요하여 새로운 메서실드 굴착장치를 굴곡부에 반입하여 설치하려는 경우에 추가적인 굴착단면의 확폭없이도 굴곡부에서 새로운 메서실드 굴착장치를 이용하여 지중굴착이 가능하도록 하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 추가적인 굴착단면 확폭없이도 굴곡부를 포함하는 지중굴착이 가능하므로, 확폭굴착에 따른 추가 지보재의 사용의 필요성이 없으며, 메서플레이트의 벌어짐 현상에 의한 누수 및 지반침하 방지, 변형된 굴착단면에 작용하는 응력불균형에 의한 구조적인 불안정에 관한 문제가 없어 효율적이며 경제적인 지중터널굴착이 가능하도록 하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 기존 메서플레이트에 적용하는 경우 지보공의 간격을 조정할 수 있어 공기단축이 가능하며 경제적인 지중터널굴착이 가능하도록 하는 것이다.

도1a 및 도1b는 종래의 메서실드 굴착장치를 이용한 시공개념도 및 메서실드 굴착장치를 도시한 것이고,

도1c는 종래의 굴곡부(2개소) 및 지중터널의 확폭부분을 포함한 시공개념도이고,

도1d는 종래의 확폭부분을 포함한 지중터널의 a-a 단면도이다.

도2a는 종래의 일체로 제작되어 지보공에 설치된 메서플레이트의 설치단면도이고,

도2b는 본 발명의 선단 메서플레이트의 사시도이고,

도2c는 본 발명의 연결 메서플레이트의 사시도이고,

도2d는 본 발명의 선단 메서플레이트 및 연결 메서플레이트가 연결된 상태의 설치단면도이고,

도2e 및 도2f는 본 발명의 선단 메서플레이트 및 연결 메서플레이트의 연결부의 평면도 및 연결부 절단면도이고.

도2g는 본 발명의 메서실드 굴착장치에 의하여 확폭없이 굴착된 수평갱 단면도를 도시한 것이다.

도3a,도3b,도3c,도3d 및 도3e는 본 발명의 메서실드 굴착장치를 이용하여 굴곡부를 포함한 지중터널의 시공순서도이다.

<도면의 주요부호의 설명>

10:지보공 20:종래의 메서플레이트

30:추진수단 40:막장막이

50,60b:토류판 60a:쐐기목

70:1차 복공

80:2차 콘크리트 구조물

100:종래의 메서실드 굴착장치

200:본 발명의 메서실드 굴착장치

210:선단 메서플레이트 220:연결 메서플레이트

230:선단 메서플레이트와 연결메서플레이트의 연결부

본 발명은 상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 메세실드 굴착장치를 구성하는 메서플레이트(messer plate)를 적어도 2개 이상의 길이방향으로 분할하여 직선부 뿐만 아니라 굴곡부의 작업 발진구에 있어서도 메서플레이트를 용이하게 설치할 수 있도록 한다.

이에 기술적과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 분할 메서플레이트를 이용한 메서실드 굴착장치 및 이를 이용한 지중터널굴착공법을 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자가 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명하며, 동일 구성에 관한 도면부호는 동일하게 이용한다.

도2a는 종래의 일체로 제작된 메서플레이트(100)가 지보공(10)에 지지된 경우를 단면도 형태로 도시한 것이고, 도2b 및 도2c는 본 발명의 메서플레이트를 구성하는 선단 메서플레이트(210) 및 연결 메서플레이트(220)를 사시도형태로 도시한 것이며, 도2d는 상기 선단 메서플레이트(210)와 연결 메서플레이트(220)가 서로 결합된 상태의 본 발명의 메서플레이트(200)를 단면도 형태로 도시한 것이며, 도2e 및 도2f는 상기 선단 메서플레이트와 연결메서플레이트와의 연결부(230)의 평면도 및 b-b절단면도를 도시한 것이며, 도2g는 본 발명의 메서실드 굴착장치에 의하여확폭없이 굴착된 수평갱의 굴착단면도이다.

도3a 내지 도3e는 본 발명의 분할 메서플레이트를 이용한 메서실드 굴착장치를 이용하여 직선부 및 굴곡부의 지중굴착 순서도를 도시한 것이다.

본 발명의 분할 메서플레이트를 이용한 메서실드 굴착장치(200)는

굴곡부의 확폭없이 굴곡부 내부에서 새로운 굴진방향으로 설치될 수 있도록 소정의 길이로 형성된 선단 메서플레이트(210); 및 상기 선단 메서플레이트의 후단에 연결구에 의하여 결합된 연결 메서플레이트(220);를 포함한다.

상기 선단 메서플레이트(210)는 도2b와 같이 토질, 굴착단면의 크기 및 굴곡부의 발진작업구의 단면크기 등에 따라 소정의 길이로 제작되는 메서플레이트로서 일체로 제작되는 도2a의 종래의 메서플레이트(100)와 비교하여 길이가 개략 절반에 해당하는 길이로 형성된다.

하나의 선단 메서플레이트는 적어도 2개의 강관이 병렬로 배치되고(도2f참조), 상기 강관을 연결하는 판부재 및 굴진시 필요한 강성을 확보할 수 있도록 상단에 판부재가 적층되는 것이 일반적이며, 선단부는 지중에 압입되므로 쐐기 형상으로 형성되도록 하고, 후단부는 후술되는 연결 메서플레이트가 볼트와 같은 연결구로 체결될 수 있도록 볼트구멍(211)이 다수 형성되며, 후단부의 하부는 연결 메서플레이트가 끼워져 삽입될 수 있도록 블럭아웃부(212)가 형성된다.

상기 연결 메서플레이트(220)는 도2c와 같이 선단부는 연결되는 선단 메서플레이트(210)의 후단부의 하부면에 끼워질 수 있도록 상면에 블럭아웃부(221)가 형성되며, 상기 블럭아웃부에는 상기 선단 메서플레이트의 볼트구멍에 대응한 볼트구멍(211)이 다수 형성되고 볼트구멍에 볼트와 같은 연결구가 관통되어 너트 등으로 고정되어 선단 메서플레이트 및 연결 메서플레이트가 서로 결합된다. 그 후단부는 지보공에 지지되는 쐐기목 및 상부지보공을 수용할 수 있도록 블럭아웃부(222)가 하부에 형성된다.

또한 상기 연결 메서플레이트의 블럭 아웃부가 제작 시 용접 열에 의하여 탄성이 저하되고, 외부토압 등으로 변단부가 휨 등의 변형으로 토류판 삽입 시 문제가 있어 이를 위해 보강플레이트(223)를 형성시켜 블럭 아웃부의 두께를 보완한다.

선단 메서플레이트와 연결메서플레이트가 볼트와 같은 연결구로 결합되는 연결부(230)는 도2d 및 도2e와 같이 선단 메서플레이트(210) 및 연결 메서플레이트(220)의 블럭아웃부(211,221)가 겹쳐지는 부위를 관통하여 다수의 볼트와 같은 연결구(240)에 의하여 결합된다. 나아가 선단 메서플레이트 및 연결 메서플레이트가 서로 맞닿는 측면부는 필렛용접에 의하여 용접(250)되어 보다 확실하게 결합되도록 한다.

본 발명의 선단 메서플레이트(210)와 연결 메서플레이트(220)가 서로 연결구(240) 및 용접(250)에 의하여 도2f와 같이 결합된 상태에서, 도1b의 각 직선부(C1)의 지중터널이 굴착된다.

이러한 본 발명의 메서실드장치(200)를 이용하여 굴곡부를 포함한 지중터널을 굴착하는 공법을 도3을 기준으로 설명하면,

먼저 도1c의 수직갱(10)의 발진작업구 직선부(C1)를 본 발명의 메서실드 굴착장치를 이용하여 굴착하게 된다.

즉 상기 발진작업구의 수직갱에서 도2g와 같이 지중굴착단면의 확폭없이 지보공의 설치 및 선단메서플레이트 및 연결 메서플레이트를 연결시켜가면서 도3a와 같이 지반을 굴착시켜 굴곡부(C2)까지 진행시킨다.

이 때 지보공의 설치간격은 선단 메서플레이트의 길이 등을 고려하여 결정하고, 직선부에서 선단 메서플레이트를 굴진시키면서 연결 메서플레이트를 선단 메서플레이트에 후단에 연결시키는 작업을 반복하여 굴곡부까지 본 발명의 메서실드 굴착장치을 도달시키게 된다.

굴곡부(C2)에서는 굴진방향이 변경되는데, 도1b와 같이 거의 직각으로 굴진방향이 변경되는 경우에는 굴곡부까지 도달된 메서실드 굴착장치와 별도의 메서실드장치를 이용하여 새로운 굴진방향으로 수평갱을 굴착하게 된다. 이를 위해 추가로 도3b와 같이 굴곡부발진구(400)를 구축하게 되고 굴곡부발진구로부터 새로운 굴진방향으로 수평갱을 굴착하게 된다.

이에 수평갱 입구가 될 지반에 도3c와 같이 본 발명의 선단 메서플레이트(210)를 새로운 수평갱의 외주쪽으로 굴진시키면서 지보공(10)을 일정간격을 유지하면서 설치한다. 본 발명의 선단 메서플레이트는 발진작업구로부터 굴곡부까지 반입이 용이하게 길이가 형성되어 있으므로 수평갱의 확폭없이도 새로운 굴진방향의 수평갱의 초입에 설치가 가능하다.

이에 도3d와 같이 상기 선단 메서플레이트 후단(210)에 본 발명의 연결 메서플레이트(220)를 연결시키고 새로운 지보공에 연속하여 지지되록한다. 이때 상기 연결은 선단 메서플레이트 및 연결 메서플레이트의 연결부를 도시한 도2d 및 도2e와 같이 볼트와 같은 연결구를 이용하여 서로 결합시키게 된다.

이때 지보공의 설치 간격은 메서플레이트의 연결부에서는 조금 좁게 형성시키고, 연결 메서플레이트가 연결된 후에는 다소 길게 형성시켜 지보공의 설치간격을 조정하게 된다.

새로운 굴진방향으로 설치가 완료된 본 발명의 메서실드장치의 굴진작업을 도3e와 같이 계속 진행시킴으로서 다음 굴곡부까지 메서실드장치를 굴진시킨다.

즉 선단 메서플레이트와 연결 메서플레이트가 결합된 메서실드 굴착장치(200)를 굴진시키면서 새로운 막장이 형성됨에 따라 막장막이(40)를 설치해가면서 지보공을 계속 설치하고, 노출된 상부굴착면에 토류판(60b) 및 쐐기목(60a)을 설치하고, 필요한 경우 지보공 배면에 그라우팅작업을 통해 굴착면을 따른 용수 및 지반침하를 방지할 수 있도록 한다.

다시 메서실드장치가 굴곡부에 도달하면 새로운 굴곡부 작업구를 형성시키고 새로운 메서실드 굴착장치를 이용하여 원하는 방향으로 메서실드장치를 굴진시켜 최종적으로 수평갱의 도달 작업구까지 메서실드장치를 굴진시켜 소요의 지중터널이 완성되게 된다.

지중터널 내부에는 필요한 단면의 제2차 콘크리트구조물을 설치하여 용도에 맞는 구조물이 설치될 수 있다.

또한 굴곡부와 굴곡부 사이를 제외한 직선부 구간의 경우 본 발명의 연결 메서플레이트를 기존 메서플레이트 후단에 연결하여 지중터널을 굴착시키는 경우, 지보공의 설치 간격을 좀 더 크게하여 시공이 가능하므로 보다 경제적으로 지중터널구간을 시공할 수 있게 된다.

본 발명의 메서실드 굴착장치에 의하여 굴곡부를 가지는 지중터널 작업 시 불필요한 굴착단면 확폭을 피할 수 있어, 확폭을 위한 지보공의 설치, 1차복공, 낙석 등의 불경제적이고 비경제적인 굴착시공이 가능하며, 굴착공기를 줄일 수 있어 매우 경제적이며 효율적인 지중터널 공사가 가능하며, 특정 직선부에 있어 기존 메서플레이트에 연결메서플레이트를 연결시켜 시공하는 경우 지보공의 설치간격을 효율적으로 제어할 수 있어 공기단축 및 소요 지보공의 절감효과에 의해 경제적인 지중터널 시공이 가능하다.

Claims (6)

1. 메서플레이트를 포함하는 메서실드 굴착장치에 있어서,

   상기 메서플레이트는 굴곡부의 확폭없이 굴곡부 내부에서 새로운 굴진방향으로 반입되어 설치될 수 있도록 길이가 형성된 선단 메서플레이트; 및

   상기 선단 메서플레이트의 후단부에 연결구에 의하여 결합된 연결 메서플레이트;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 분할 메서플레이트를 이용한 메서실드 굴착장치.
2. 메서플레이트를 포함하는 메서실드 굴착장치에 있어서,

   상기 메서플레이트의 후단부에 연결구에 의하여 연결 메서플레이트가 더 결합되는 것을 특징으로 하는 분할 메서플레이트를 이용한 메서실드 굴착장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 선단 메서플레이트 또는 메서플레이트와의 연결 메서플레이트 결합은

   연결 메서플레이트의 선단부의 블럭아웃된 상부면이 선단 메서플레이트 또는 메서플레이트의 후단부의 블럭아웃된 하부면에 겹쳐 볼트로 연결되어 결합되는 것을 특징으로 하는 분할 메서플레이트를 이용한 메서실드 굴착장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 연결 메서플레이트의 후단부의 블럭아웃된 하부면과 선단부의 블럭아웃된 상부면 사이의 변단면부에 보강플레이트가 더 형성된 것을 특징으로 하는 분할 메서플레이트를 이용한 메서실드 굴착장치.
5. 메서실드 굴착장치를 이용하여 소정의 방향으로 지중터널을 굴착하는 단계; 및

   상기 메서실드 굴착장치가 굴곡부까지 진행되면, 새로운 굴착방향으로 지보공을 설치하면서 새로운 제1항의 선단 메서플레이트를 새로운 굴착방향으로 설치하고 선단 메서플레이트의 후단에 새로운 제1항의 연결 메서플레이트를 결합시켜 메서실드 굴착장치를 추진시킴으로서 지중터널을 굴착하는 단계;

   를 포함하며, 상기 굴착단면 확폭없이 굴곡부에서 메서실드 굴착장치를 설치하여 지중터널을 굴착할 수 있는 것을 특징으로 하는 지중터널굴착방법.
6. 지중터널의 직선부를 메서실드 굴착장치를 이용하여 소정의 방향으로 지중터널을 굴착하는 방법에 있어서,

   상기 메서실드 굴착장치의 후단에 제2항의 연결 메서플레이트를 결합시켜 메서실드 굴착장치를 추진시켜 지중터널을 굴착함으로써, 설치되는 지보공의 간격을 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 지중터널굴착방법.