KR20090034716A - 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템에 의한 지중관입 터널구축공법 - Google Patents

하이브리드 셀 엘리먼트 시스템에 의한 지중관입 터널구축공법 Download PDF

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KR20090034716A
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허복현
이명우
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허복현
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Abstract

본 발명은 지중터널을 구축함에 있어서 지표면으로 부터 가까운 위치에 있는 지중터널을 구축하는 공법에 관한 것으로 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템을 서로 연결하여 순차적으로 지중에 관입시키면서 굴착하여 완전한 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 지중터널 구조물을 구축한 뒤 터널내를 굴착하여 지중에 비개착식 라멘구조물 또는 아치형의 구조물을 연장의 제한을 받지 않고 축조할 수 있는 지중 터널 구축공법으로써, 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 아치를 형성하여 서로 맞물림으로 원지반과 완전히 밀착되어 지지됨으로 원지반 상부로부터 오는 전압을 아치축을 통해 분산되어 터널구조에 작용하며 구축된 터널구조와 평형을 이룰수 있어 지반침하와 붕괴사고를 예방할 수 있는 안정성있는 지중구조물의 구축을 가능하게 하는 새로운 지중터널 구축공법에 관한 것이다.
하이브리드 엘리먼트(Hybrid Element), 수직보강 파형 강판(Vertical Reinforced Wave Steel Plate), 정착장치(Anchorage), 긴장재(Tendon), 프리스트레스 (Prestress), 긴장(Prestressing), 진공관(Vacuum Tube)

Description

하이브리드 셀 엘리먼트 시스템에 의한 지중관입 터널 구축공법{ Tunnel method due to hybrid cell element system }
본 발명은 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템 및 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템에 의한 지중관입 터널 구축공법에 관한 것으로, 지중터널을 구축함에 있어서 지표면으로 부터 가까운 위치에 있는 지중터널을 구축하는 공법에 관계되는 것으로 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템을 서로 연결하여 순차적으로 지중에 관입시키면서 굴착하여 완전한 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 지중터널 구조물을 구축한 뒤 터널내부를 굴착하여 지중에 비개착식 라멘구조물 또는 아치형의 구조물을 연장에 제한을 받지 않고 축조할 수 있는 터널공법으로써, 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 아치를 형성하여 서로 맞물림으로 원지반과 완전히 밀착되어 지지됨으로 원지반 상부로부터 오는 전압을 아치축을 통해 분산되어 터널구조에 작용하며 구축된 터널구조와 평형을 이룰수 있어 지반침하와 붕괴사고를 예방할 수 있는 안정성있는 지중구조물의 구축을 가능하게 하는 지중터널공법에 관한 것으로 가설구조물을 본 구조물로 대체하여 공사비가 절감되고, 가설구조물의 설치만으로 터널의 내부굴착을 가능케 하는 공법으로서, 터널의 종 방향으로 상판 셀 엘리먼트, 측벽 셀 엘리먼트, 저판 셀 엘리먼트를 연이어 체결하면서 압입하는 단계를 특징적으로 하여 굴착이 순차적으로 이루어 지는 새로운 지중터널 구축공법이다.
일반적으로 지중터널을 구축함에 있어서 지표면으로 부터 가까운 위치에 있는 지중터널을 구축하는 공법으로는 TRC공법(Tubular Roof Construction Method), NTR공법(New Tubular Roof Construction Method), FRONT JACKING공법, PIPE ROOF공법, JES공법 (Jointed Element Shield Structure), Shield 공법 등이 있으며 이들 공법에 대한 개략적인 설명과 시공성에서 문제점들을 정리하면 다음과 같다.
TRC공법(Tubular Roof Construction Method)은 작업구에서 선도관과 후속관 사이에 유압식(또는 볼트식) 조정장치를 장착하여 강관을 유압 Jack으로 압입한 후 강관 내부 굴착 및 철근배근, 콘크리트를 타설하여 상부 슬래브를 완성시키고 콘크리트 판넬 및 스트럿을 이용하여 지중 수직벽을 설치한 후 터널 내부를 굴착하여 구조물을 완성시키는 공법으로, 작업공간이 협소하여 철근 조립시 세부공정이 필요하며, 벽체 및 기둥이 필요하고 작업 공간 확보가 과다하다는 등 단점이 있으며, 시공성에서 갤러리관 압입에 따른 작업공간 확보가 과다 소요되는 공법이다.
NTR공법(New Tubular Roof Construction Method)은 강관을 유압잭으로 압밀, 굴착한 후, 강관 내부를 절단하고 구조체의 공간을 확보하여 철근을 배근한 다음 콘크리트를 타설하여 구조물을 완성시켜 구조물 내부를 굴착함으로서 지하 구조물이 완성되는 공법으로서, 대형 PIPE를 이용하므로 시공중 유입수 등에 따른 함몰 위험이 크며, 연암이상의 지층이 연속될 경우에는 공기가 길어지고, 연장이 50m 이상시 적용이 불가하며, 굴착 여굴이 과다하며, 인력작업으로 공사기간이 과다하게 소요되고, 공종이 복잡하여 시공관리가 곤란함 등의 단점이 있으며, 시공성에서 작업공간 확보가 과다 소요되는 공법이다.
FRONT JACKING공법은 소구경의 강관을 압입하여 구조물과의 마찰력과 토압을 최소화시킨 후 현장에서 제작한 전단면 프리캐스트 콘크리트 구조물을 유압식 Jack을 사용해서 시공지점으로 밀어 넣는 공법으로 견인방법에 따라 상호 견인, 분할 견인, 편측 견인 등이 있다. 함체를 계속 제작하면서 연속적으로 관입시켜 장거리구간의 시공이 가능한 공법으로, 대규모의 작업구가 필요함으로 현장요건에 제약을 받고, 철도 운행시 서행운전을 하여야 하며, 공기가 길고 공사비가 과다하여 경제성이 결여되고, 토층에 많은 제약을 받으며, 강관과 구조물의 공극으로 인한 침하가 발생할 가능성이 있다는 등의 단점이 있으며, 시공성에서 작업공간 확보가 과다하게 소요되는 공법이다.
PIPE ROOF공법은 파이프로 가지붕을 형성하고 지지대를 설치하면서 터널을 구축하고 지중을 굴착하여 구조물을 설치하는 공법이며 지하수위가 높아 굴착시 주변지반에 침하가 크게 예상되거나, 연약지반으로 인한 지반이완 영역이 큰 경우 등은 지하구조물 및 주변 구조물의 안정이 우려되므로 굴착공법과 함께 적절한 보조공법이 필요한 공법으로, 열차 정시운행에 지장을 초래하며, 지보공 시공시 지지력과 진동대책 등이 필요하며, 콘크리트 시공시 경화까지는 열차의 진동이 PIPR ROOF에서 지지공 거푸집등을 통하여 완전히 양생되지 않은 콘크리트에 영향을 주어 품질저하의 우려가 있고, 작업공간의 협소 및 각종 지지물로 인해 구조물 시공이 복잡하며 시공성이 떨어지는 등의 단점이 있으며, 시공성에서 작업공간 확보가 과다 하게 필요하다.
JES공법 (Jointed Element Shield Structure)은 축방향으로 힘의 전달이 가능한 이음부를 갖는 사각형 강관을 연속하여 견인, 삽입한 후 강관 속에 콘크리트를 채움으로써 사각형 라멘 구조물을 축조하는 공법으로 강재 엘리먼트의 이음부가 인장력을 전달할 수 있는 구조로 된 공법으로, 지반침하 방지에는 유리하나 기존 구조체인 엘리먼트에 구조체를 형성하기 위해 무근콘크리트를 타설시 엘리먼트내의 공극, 즉 공간부가 형성되어 본 구조물로서 구조가 불안정하고 엘리먼트가 종방향으로 지지력이 약하여 구조체로서의 불안정한 단점이 있으며 굴착토 원지반의 토질이 불량할 경우, 즉 호박돌이 포함된 토사일 경우 기계굴착으로 압입 전진시 상부지반을 자극하여 원지반을 불안정하게 하여 상부의 지반침하를 일으키고 굴착 후 상부에서 엘리먼트가 횡방향으로 하중이 발생할시 엘리먼트의 이음부에 그라우팅으로 보강하나 시공완료 후 하부 굴착시 횡단면으로 구조체가 침하하여 불안정하고 시공비가 막대하며 실제 시공성에서 안전하고 저렴한 경비로 지중 굴착 터널을 구축할 수 없는 단점이 있다.
Shield 공법은 용수를 동반하는 연약지반에 터널을 만들기 위하여 고안된 것으로 용수와 함께 붕괴하는 흙을 막으면서 굴착과 라이닝을 동시에 한다. Shield라 불리는 강제원통을 유압으로 밀어 넣으면서 선단부를 굴착하고 Shield 후방에서 세그먼트를 조립하는 것을 1차 복공으로 하는 공법으로, 토피가 너무 얇은 시공인 경우에는, 특별한 배려를 요하며, 지질조사에 시간과 비용이 많이 들며, 지질에 따라 보조공법을 많이 사용하여야 하고, 장소에 따라서는 압기를 이용하는 등 안전대책 이 필요하며, 압기작업에 제한을 받으므로 30m 깊이를 초과할 수 없으며, Shield 바로 위를 중심으로 지반 침하가 발생할 가능성이 있다는 단점이 있다.
상기한 바와 같은 지중터널을 구축함에 있어서 지표면으로 부터 가까운 위치에 있는 지중터널을 구축하는 공법에서 문제점들을 정리해 보면 다음과 같다. 상부로부터의 전압에 의한 지반침하가 적고 구조체의 안전성을 유지하는 공법으로 Shield공법, TRC공법, NTR공법, JES공법 등 여러 방식이 알려져 있는바, Shield 공법은 일반적 터널 구축공법보다 안정성 측면에서 개량된 것이기는 하나 선행침하가 크다. 물론 단단한 지반에서는 선행침하가 거의 일어나지 않는 경우도 있지만, 일반적으로 굴착면의 10~30m 정도 전방에서 선행침하가 일어나기 시작하며 터널 선단이 통과하는 곳부터 다시 침하하게 되어, Shield 끝단이 통과할 때 까지 선행침하가 계속된다. 이때의 침하량의 10~20% 정도이며 Shield 끝단이 통과한 직후부터 침하는 급격히 증가하여, 1~2주간 중에 최종치의 70~80%까지 달하는데, 그 후는 다시 완만한 2차 침하로 되어 1~2개월 동안에 안정상태로 가게 된다.
그러나, 연약한 실트질이나 점토에서는, 상당히 완만하게 반년 동안 침하가 진행할 수도 있다. 또한, 횡단방향에 대해서는 터널 중심선의 바로위에서 최대 침하가 생기고, 그 영향은 토질이나 토피에 따라 다르지만, 단단한 지반에서는 좁고, 연약지반일 수록 넓게 침하되는 것이 일반적 경향이다. 또한, 철도와 같이 접근하여 지중터널을 병설하는 경우에는, 각각의 영향이 서로 중첩되어, 침하가 더욱 크게 된다. 이는 굴착 단면의 크기가 크므로 인하여 생기는 선행침하이며, 주변 원지반의 사이에 공극, 즉 공간부가 발생되어 지반침하 또는 붕괴를 완전히 방지할 수 없으며, 도로, 철도 또는 직상 구조물의 하중에 의한 전압 때문에 지반침하가 발생하고 구조체가 침강하여 시공된 구조물 자체가 불안정한 상태가 된다.
JES공법은 지반침하 방지에는 유리하나 기존 구조체인 엘리먼트에 구조체를 형성하기 위해 무근콘크리트 타설시 엘리먼트내의 공극, 즉 공간부가 형성되어 본 구조물로서 구조가 불안정하고 엘리먼트가 종방향으로 지지력이 약하여 구조체로서의 불안정한 단점이 있으며, 굴착토 원지반의 토질이 불량할 경우, 즉 호박돌이 포함된 토사일 경우 기계굴착으로 압입 전진시 상부지반을 자극하여 원지반을 불안정하게 하여 상부에 지반침하를 일으키고, 굴착 후 상부에서 엘리먼트가 횡방향으로 하중이 발생할시 엘리먼트의 이음부에 그라우팅으로 보강하나, 시공완료 후 하부 굴착시 횡단면으로 구조체가 침하하여 불안정하고 시공비가 막대하며, 실제 시공성에서 안전하고 저렴한 경비로 지중 굴착 터널을 구축할 수 없는 단점이 있다.
일반적으로 지중터널을 구축하는 경우에 있어서는 임의의 터널 구조물 단면형을 설정하고 그 상부 및 측면에 터널의 축선방향으로 지하구조물의 필요한 단면을 굴착한다. 이때, 터널의 Shield 공법에서 단면형태로는 내공의 유효이용 등을 고려하여, 반원형, 말굽형, 장방형 등을 사용된 예도 있지만, 대부분의 경우는 원형단면으로 되어있다. 이것은 원형이 외압에 대해 가장 안정하고, 추진이나 복공조립의 경우에도 작업하기 쉽고, Shield가 중심선의 주위에서 회전하더라도 단면의 이용상 지장이 없기 때문이다.
그러나, 이는 근접방식의 정도, 상대구조물의 상황 및 중요성 등, 여러 가지 요인 때문에 부득이 하게 원형으로 시공할 수가 없고 상부의 원지반 토사가 연약지 반으로 사질토층이나 점성토층으로 이루어져 있을 때 상부 토사입자 상호간의 지지력 작용은 기대할 수 없으며 상부토사 자중의 전중량에 따라 전압이 터널형 상부면에 걸리는 것은 물론, 상부의 지표가 철도, 도로, 지하철, 교량 등 이면 그 차량들에 의해 하중이 추가되고, 또한, 바로위에 박스 등의 구조물이 존재하더라도 전압이 추가되므로, 그 부분에서 원지반 토사의 침하 또는 붕괴가 발생하고 상부 구조체에 심각한 피해를 주어 시공에 지장을 초래하며 주요 도시기능에도 중대한 문제를 발생시키게 된다.
이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 지중터널을 구축함에 있어서 지표면으로 부터 가까운 위치에 있는 지중터널을 구축하는 공법에 관계되는 것으로 하이브리드 셀 엘리먼트를 서로 연결하여 순차적으로 지중에 관입시키면서 굴착하여 완전한 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 지중터널 구조물을 구축한 뒤 터널내부를 굴착하여 지중에 비개착식 라멘구조물 또는 아치형의 구조물을 연장에 제한을 받지 않고 축조할 수 있는 터널공법으로써, 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 아치를 형성하여 서로 맞물림으로 원지반과 완전히 밀착되어 지지됨으로 원지반 상부로부터 오는 전압을 아치축을 통해 분산되어 터널구조에 작용하며 구축된 터널구조와 평형을 이룰수 있어 지반침하와 붕괴사고를 예방할 수 있는 안정성있는 지중구조물의 구축을 가능하게 하는 지중터널공법으로 가설구조물을 본 구조물로 대체하여 공사비가 절감되고, 가설구조물의 설치만으로 터널의 내부굴착을 가능케 하는 새로운 지중터널공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템 및 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템에 의한 지중관입 터널 구축공법에 관한 것으로, 지중터널을 구축함에 있어서 지표면으로 부터 가까운 위치에 있는 지중터널을 구축하는 공법에 관계되는 것으로 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템을 서로 연결하여 순차 적으로 지중에 관입시키면서 굴착하여 완전한 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 지중터널 구조물을 구축한 뒤 터널내부를 굴착하여 지중에 비개착식 라멘구조물 또는 아치형의 구조물을 연장에 제한을 받지 않고 축조할 수 있는 터널공법으로 발진, 도달부 1차 굴착(기준 셀 엘리먼트 수평보링)하는 과정; 승강가대 설치하는 과정; 발진, 도달부 2차 굴착하는 과정; 승강가대 설치하는 과정; 그 승강가대 위에서 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트를 상재하고 승강가대의 추진기를 설치하는 과정; 유압잭으로 외부 상판 셀 엘리먼트 및 측벽 상부 셀 엘리먼트의 압입 굴착하는 과정; 상판 셀 엘리먼트의 이음부 그라우팅하는 과정; 상판 셀 엘리먼트의 뒷채움 그라우팅하는 과정; 상판 셀 엘리먼트에 정착된 긴장재를 긴장하는 과정; 내부 상판 셀 엘리먼트의 압입 설치하는 과정; 외부 상판 셀 엘리먼트와 내부 상판 셀 엘리먼트 사이 공간에 콘크리트 타설 및 진공 흡입 그라우팅하는 과정; 측벽 셀 엘리먼트 압입 굴착하는 과정; 측벽 셀 엘리먼트의 이음부 그라우팅하는 과정; 측벽 셀 엘리먼트의 뒷채움 그라우팅하는 과정; 측벽 셀 엘리먼트에 콘크리트 타설 및 진공 흡입 그라우팅하는 과정; 저판 셀 엘리먼트 압입 굴착하는 과정; 저판 셀 엘리먼트의 이음부 그라우팅하는 과정; 저판 셀 엘리먼트의 뒷채움 그라우팅하는 과정; 저판 셀 엘리먼트에 콘크리트 타설 및 진공흡입 그라우팅하는 과정; 지중 터널 구조물의 내부 굴착하는 과정; 터널 구조물의 내부를 마감하는 과정으로 시공된다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템 및 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템에 의한 지중관입 터널 구축공법에 관한 것으로, 지중터널을 구축함에 있어서 지표면으로 부터 가까운 위치에 있는 지중터 널을 구축하는 공법에 관계되는 것으로 하이브리드 셀 엘리먼트를 서로 연결하여 순차적으로 지중에 관입시키면서 굴착하여 완전한 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 지중터널 구조물을 구축한 뒤 터널내부를 굴착하여 지중에 비개착식 라멘구조물 또는 아치형의 구조물을 연장에 제한을 받지 않고 축조할 수 있는 터널공법으로써, 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트의 좁은 쪽을 아래로 한 후 서로 연결장치에서 맞물리게 된 아치구조에 상재 하중이 걸릴 때 연직방향으로 가해진 하중과 하이브리드 셀 엘리먼트 아치구조의 고정하중은 두 방향으로 나누어진다. 아치구조는 수직으로 작용한 하중 때문에 양단의 지점에서 중앙으로 향하는 수평반력을 발생시킨다. 이 수평반력은 각 단면에서의 휨모멘트를 감소시키며, 부재 단면은 주로 축방향 압축력을 지지하게 된다. 양단의 지점에서 수평반력을 유발한다는 말은 지점에서의 수평변위가 없다는 것을 뜻하기도 한다. 아치는 그 형상과 양단의 동일한 지지조건에서 같은 수평길이에 같은 수직하중을 받는 단순보 보다는 훨씬 작은 휨모멘트를 발생시킨다는 사실을 알 수 있다. 일반적으로 아치의 단면은 수직 및 수평반력의 합력이라고 볼 수 있는 축방향 압축력을 주로 지탱하게 되며, 휨모멘트는 2차적인 단면력에 불과하다. 이 힘은 다시 아치 구조물 사이를 밀어주는 수평반력과 지지대를 향하는 수직반력으로 작용하므로 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트의 아치구조는 안정적인 구조이다. 즉, 하이브리드 셀 엘리먼트 아치구조를 이루는 지중관입 터널 구축공법은 하중의 분산이 효과적인 안정적인 터널구조를 이루는 공법인 것이다. 휨모멘트를 줄이는 가장 효과적인 방법은 지간을 줄이는 것인데, 같은 지간에서 휨모멘트를 줄이는 방법 중 하나가 아치이다. 따라서 아치는 수평반력 이 생기며 아치에 걸리는 휨모멘트를 증가 시키는 것이 아니라 반대로 휨모멘트를 감소시키는 역할을 하게 된다. 하중은 주로 연직방향으로 작용하는 것으로 가정하는데 아치는 그 직각으로 작용하는 수직하중들을 모두 축방향 압축력으로 바꾸게 된다. 그러므로, 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 아치구조에서는 전단력과 휨모멘트가 감소되고 축방향 압축력이 크게 된다. 압축부재로 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트를 이용하여 아치형으로 시공하게 되면 휨모멘트가 작게 발생되고 모든 하중이 축방향 압축력으로 바뀌어 안정한 터널구조물을 구축할 수 있다.
이상에서 상술한 바와같이 본 발명은 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템 및 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템에 의한 지중관입 터널 구축공법에 관한 것으로, 지중터널을 구축함에 있어서 지표면으로 부터 가까운 위치에 있는 지중터널을 구축하는 공법에 관계되는 것으로 하이브리드 셀 엘리먼트를 서로 연결하여 순차적으로 지중에 관입시키면서 굴착하여 완전한 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 지중터널 구조물을 구축한 뒤 터널내부를 굴착하여 지중에 비개착식 라멘구조물 또는 아치형의 구조물을 연장에 제한을 받지 않고 축조할 수 있는 터널공법으로써, 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템이 아치를 형성하여 원지반 상부로부터 큰 하중에 의한 전압이 상부와 측벽에 걸리는 것을 하이브리드 셀 엘리먼트가 아치형으로 서로 맞물림으로써 완전하게 밀착되어 지반의 하중을 분산, 견디게 하여 원지반 침하와 붕괴사고가 발생되지 않아 안정성 있는 지중터널을 구축할 수 있고, 하이브리드 셀 엘리먼트에 정착된 긴장재에 프리스트레스를 작용시킨 후 콘크리트를 타설하여 일 체화시켜 안전한 터널구조물을 구축하고, 특히, 이로 인해 상부로부터 큰 하중에 의한 전압을 상쇄시키는 효과가 있고, 지중터널을 안정성있게 구축할 수 있으며, 안전한 시공성과 안전한 터널구조물로써 공사비 절감효과가 매우 크다.
상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템에 의한 지중관입 터널구축공법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명은 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 아치를 형성하여 서로 맞물림으로 원지반과 완전히 밀착되어 지지됨으로 원지반 상부로부터 오는 전압을 아치축을 통해 분산되어 터널구조에 작용하며 구축된 터널구조와 평형을 이룰수 있어 지반침하와 붕괴사고를 예방할 수 있는 안정성있는 지중터널을 구축하는 효과가 있다.
둘째, 본 발명은 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템에 정착된 긴장재에 프리스트레스를 주어 상부로부터 오는 전압을 상쇄시키는 효과가 있어 터널구조의 강도가 증대되고 공사비가 절감된다.
셋째, 본 발명은 내부 상판 셀 엘리먼트를 삽입시켜 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템과 일체화시킴으로서 터널구조의 강도를 증대시켜 내구성이 좋고 안정성있는 지중터널을 구축하는 효과가 있다.
넷째, 본 발명은 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템의 수직보강재를 대체하는 파형강판을 사용함으로서 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템의 제작이 간편하고 시공공정을 줄일수 있어 공사비 절감효과가 크다.
다섯째, 본 발명은 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템에 진공관을 설 치하여 진공처리한 후 시멘트 밀크 그라우팅으로 충진하여 합성시킴으로서 터널구조의 강도를 증대시켜 내구성이 좋고 안전성있는 지중터널을 구축하여 정밀한 시공을 할 수 있는 효과가 있다.
여섯째, 본 발명은 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템 내부에 내부 상판 셀 엘리먼트를 삽입시켜 두개의 셀 엘리먼트 사이를 진공 처리하여 시멘트 밀크 그라우팅으로 충진하여 합성시킴으로서 상판의 중량을 감소시키는 효과가 있다.
일곱째, 본 발명은 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템을 서로 연결하여 순차적으로 지중에 관입시키면서 굴착하여 완전한 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 지중구조물을 구축한 뒤 터널내부를 굴착하여 지중에 비개착식 라멘구조물 또는 아치형의 구조물을 연장에 제한을 받지 않고 축조할 수 있는 지중터널공법으로 가설구조물을 본 구조물로 대체할 수 있고, 가설구조물의 설치만으로 터널의 내부굴착을 가능케 함으로 공사비가 절감되는 효과가 있다.
이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 전체 시공과정을 지중터널을 구축함에 있어서 지표면으로 부터 가까운 위치에 있는 지중터널을 구축하는 공법에 관계되는 것으로 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템을 서로 연결하여 순차적으로 지중에 관입시키면서 굴착하여 완전한 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 지중터널 구조물을 구축한 뒤 터널내부를 굴착하여 지중에 비개착식 라멘구조물 또는 아치형의 구조물을 연장에 제한을 받지 않고 축조할 수 있는 터널공법을 도시한 단면도, 도 2는 본 발명의 지중터널을 구 축함에 있어서 지표면으로 부터 가까운 위치에 있는 지중터널을 구축하는 공법에 관계되는 것으로 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템을 서로 연결하여 순차적으로 지중에 관입시키면서 굴착하여 완전한 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 지중터널 구조물을 구축한 뒤 터널내부를 굴착하여 지중에 비개착식 라멘구조물 또는 아치형의 구조물을 연장에 제한을 받지 않고 축조할 수 있는 터널공법으로 (a) 발진, 도달부 1차 굴착(기준 엘리먼트 수평보링), (b) 승강가대 설치, (c) 발진, 도달부 2차 굴착, (d) 승강가대 설치하고 그 위에 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트를 상재하고 승강가대의 추진기를 설치, (e) 유압실린더로 외부 상판 셀 엘리먼트 및 측벽 상부 셀 엘리먼트를 압입 전진시키면서 토사를 굴착하고 한 개가 종료될 때마다 승강가대에서 이동하여 차례로 시공, (f) 상판 셀 엘리먼트의 이음부 그라우팅, (g) 상판 셀 엘리먼트의 뒷채움 그라우팅, (h) 상판 셀 엘리먼트에 정착된 긴장재(Tendon)의 긴장(Prestressing), (i) 내부 상판 셀 엘리먼트의 압입 설치, (j) 외부 상판 셀 엘리먼트와 내부 상판 셀 엘리먼트 사이 공간에 콘크리트 타설 및 진공흡입 그라우팅, (k) 측벽 셀 엘리먼트 압입 굴착, (l) 측벽 셀 엘리먼트의 이음부 그라우팅, (m) 측벽 셀 엘리먼트의 뒷채움 그라우팅, (n) 측벽 셀 엘리먼트에 콘크리트 타설 및 진공흡입 그라우팅, (o) 저판 셀 엘리먼트 압입 굴착, (p) 저판 셀 엘리먼트의 이음부 그라우팅, (q) 저판 셀 엘리먼트의 뒷채움 그라우팅, (r) 저판 셀 엘리먼트에 콘크리트 타설 및 진공흡입 그라우팅, (s) 지중 터널 구조물의 내부 굴착, (t) 터널 구조물의 내부마감으로 이루어지는 전체 시공의 세부과정을 도시한 단면도, 도 3은 본 발명에 의한 파형강판(Wave Steel Plate)으로 수직 보강된 사다리꼴 외 부 상판 셀 엘리먼트를 제작하여 긴장재를 정착시킬 수 있는 정착장치를 부착시키는 단계를 도시한 단면도, 도 4는 본 발명에 의한 상기 사다리꼴 외부 상판 셀 엘리먼트의 내부에 압입하여 전진시킬 수 있는 간격재(Spacer)가 부착된 내부 상판 셀 엘리먼트를 제작하는 단계를 도시한 단면도, 도 5는 본 발명에 의한 측벽 및 저판에 사용되는 하이브리드 셀 엘리먼트를 제작하는 단계를 도시한 단면도, 도 6은 본 발명에 의한 사다리꼴 외부 상판 셀 엘리먼트를 압입 굴착 전진작업을 완료한 후 상판 셀 엘리먼트에 정착된 긴장재를 도시한 사시도, 도 7은 본 발명에 의한 상판 셀 엘리먼트에 정착된 긴장재의 긴장시 셀 엘리먼트에 작용하는 하중과 단면의 응력상태를 도시한 단면도, 도 8은 본 발명에 의한 상판 셀 엘리먼트의 긴장재(Tendon)를 긴장(Prestressing)한 후 내부 상판 셀 엘리먼트를 압입 설치단계를 도시한 단면도, 도 9는 본 발명에 의한 외부 상판 셀 엘리먼트와 내부 상판 셀 엘리먼트 사이 공간에 콘크리트 타설을 도시한 단면도, 도 10은 본 발명에 의한 하이브리드 셀 엘리먼트 내의 공극(Void)을 진공관(Vacuum Tube) 처리하여 시멘트 밀크 그라우팅으로 주입 완전고결 상태를 도시한 단면도, 도 11은 본 발명에 의한 하이브리드 엘리먼트를 사용하여 완성된 사각형단면의 설치를 도시한 단면도, 도 12은 본 발명에 의한 하이브리드 셀 엘리먼트를 사용하여 완성된 아치형단면의 설치를 도시한 단면도, 도 13은 본 발명에 의한 하이브리드 셀 엘리먼트를 사용하여 완성된 표준터널단면의 설치를 도시한 단면도이다.
이들 도면에 도시한 바와 같이, 본 발명은 도 3에 나타낸 바와 같이 터널형상에 맞도록 파형강판(Wave Steel Plate)(1)을 사용하여 긴장재(Tendon)의 정착장 치(Anchorage)(3)와 셀 엘리먼트 시스템을 서로 결합시켜주는 연결장치(Connector) (4)를 갖는 수직보강 사다리꼴 외부 상판 셀 엘리먼트(2)를 제작하는 단계; 도 4에 나타낸 바와 같이 상기 사다리꼴 외부 상판 셀 엘리먼트(2)형상의 내부에 압입하여 전진시킬 수 있는 간격재(Spacer)(6)가 부착된 내부 상판 셀 엘리먼트(5)를 제작하는 단계; 도 5에 나타낸 바와 같이 측벽 및 저판용 셀 엘리먼트(7)를 제작하는 단계; 상기 상판 셀 엘리먼트(2), 측벽 셀 엘리먼트(7), 저판 셀 엘리먼트(7)를 제작하는 단계 이후로, 도 1에 나타낸 바와 같이 터널 입구에 발진기지대(8)를 터널 형상에 맞도록 조립한 후, 발진기지대(8) 위에 외부 상판 셀 엘리먼트(2)를 일렬로 배열하여 발진기지대(8)를 만드는 단계와; 상기 발진기지대(8)를 만드는 단계 이후로, 승강가대에 추진기를 설치하는 단계; 유압잭(9)으로 외부 상판 셀 엘리먼트(2)를 압입하여 전진시키는 굴착단계와; 상기 상판 굴착단계 이후로, 셀 엘리먼트의 이음부 연결장치(Connector)에 그라우팅하는 단계와; 뒷채움 그라우팅하는 단계와; 도 7에 나타낸 바와 같이 전진한 셀 엘리먼트(2)의 내부의 정착장치(Anchorage)에 긴장재(Tendon)(7)을 설치하여 프리스트레스(Prestress)를 주는 단계와; 상기 긴장재(Tendon)(7) 설치단계 이후로, 도 8에 나타낸 바와 같이 사다리꼴 외부 상판 셀 엘리먼트(2)형상의 내부에 간격재(Spacer)(6)가 부착된 내부 상판 셀 엘리먼트(5)를 압입, 전진하는 단계; 상기 상판 셀 엘리먼트(2, 5)의 전체 설치단계가 완료되면, 도 9에 나타낸 바와 같이 사다리꼴 외부 상판 셀 엘리먼트(2)와 내부 상판 셀 엘리먼트(5)의 내부 공간에 콘크리트를 타설하는 단계(11)와; 도 10에 나타낸 바와 같이 하이브리드 셀 엘리먼트 내의 콘크리트 공극(Void)을 진공관(Vacuum Tube)(14) 처리하여 시멘트 밀크(16) 그라우팅으로 주입 완전 고결시키는 단계; 상기 상판 셀 엘리먼트(2)의 시공이 완료되면, 도 1에 나타낸 바와 같이 측벽 셀 엘리먼트(7)를 압입하여 전진시키는 굴착단계와; 상기 측벽의 굴착단계 이후로, 셀 엘리먼트(7)의 이음부 연결장치(Connector)(4)에 그라우팅하는 단계와; 뒷채움 그라우팅하는 단계와; 상기 측벽 셀 엘리먼트(7)의 전체 설치단계가 완료되면, 도 11에 나타낸 바와 같이 하이브리드 셀 엘리먼트(7)의 내부 공간에 콘크리트(12)를 타설하는 단계와; 도 12에 나타낸 바와 같이 하이브리드 셀 엘리먼트 내의 콘크리트 공극(Void)(13)을 진공관(Vacuum Tube)(14) 처리하여 시멘트 밀크(16) 그라우팅으로 주입 완전 고결시키는 단계; 상기 측벽 셀 엘리먼트(7)의 시공이 완료되면, 도 (1)과 도 2에 나타낸 바와 같이 저판 셀 엘리먼트(7)를 압입하여 전진시키는 굴착단계와; 상기 저판의 굴착단계 이후로, 셀 엘리먼트(7)의 이음부 연결장치(Connector)(4)에 그라우팅하는 단계와; 뒷채움 그라우팅하는 단계와; 상기 저판 셀 엘리먼트(7)의 전체 설치단계가 완료되면, 도 13에 나타낸 바와 같이 셀 엘리먼트(7)의 내부 공간에 콘크리트(15)를 타설하는 단계(13)와; 도 14에 나타낸 바와 같이 하이브리드 셀 엘리먼트 내의 콘크리트 공극(Void)을 진공관(Vacuum Tube)(14) 처리하여 시멘트 밀크(16) 그라우팅으로 주입 완전 고결시키는 단계로 이루어 진다.
따라서 상기한 바와 같은 구성 및 시공으로 이루어진 본 발명에 따른 하이브리드 셀 엘리먼트에 의한 지중터널 구축공법은 보강재를 파형강판(Wave Steel Plate)으로 대체한 강성효과와 상판 셀 엘리먼트(2)의 긴장재(Tendon)에 프리스트 레스(Prestress)를 주어 셀 엘리먼트(2)를 상부로 솟게 함으로서 상부로부터 큰 하중에 의한 전압이 상부구조와 측벽에 작용하게 하고 지반침하 없이 안전하고 확실한 구조물의 구축을 가능하게 하는 새로운 공법으로서, 이후로 하이브리드 셀 엘리먼트 내부에 형성되는 잔여 공극(미세한 공간) 부분을 진공 처리하여 상기 시멘트 채움 그라우팅(11)을 실시하여 구조체의 강도를 높인 것을 특징으로 한다.
이와 같이 본 발명은 축 방향으로 힘의 전달이 가능한 이음부 연결장치(Connector)(4)를 갖는 아치형 또는 사각형 라멘 구조물을 축조하는 공법으로 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트(2)을 연속하여 삽입한 후 외부 상판 셀 엘리먼트에 정착된 긴장재(Tendon)에 프리스트레스(Prestress)를 가하여 구조체의 강도를 높인 하이브리드 셀 엘리먼트 구조시스템으로 가설구조물을 본 구조물로 대체하여 공사비가 절감되고, 가설구조물의 설치만으로 터널의 내부굴착을 가능케 한 공법으로서, 터널의 종방향으로 상판 셀 엘리먼트(2), 측벽 셀 엘리먼트(5), 저판 셀 엘리먼트(7)를 연이어 체결하면서 압입하는 단계를 특징적으로 하여 굴착이 순차적으로 이루어 진다.
제1도는 본 발명에 의한 전체 시공과정을 도시한 단면도,
제2도는 본 발명에 의한 전체 시공의 세부과정을 도시한 단면도,
제3도는 본 발명에 의한 파형강판(Wave Steel Plate)으로 수직 보강된 사다리꼴 외부 상판 셀 엘리먼트를 제작하여 긴장재를 정착시킬 수 있는 정착장치를 부착시키는 단계를 도시한 단면도,
제4도는 본 발명에 의한 상기 사다리꼴 외부 상판 셀 엘리먼트의 내부에 압입하여 전진시킬 수 있는 간격재(Spacer)가 부착된 내부 상판 셀 엘리먼트를 제작하는 단계를 도시한 단면도,
제5도는 본 발명에 의한 측벽 및 저판에 사용되는 하이브리드 셀 엘리먼트를 제작하는 단계를 도시한 단면도,
제6도는 본 발명에 의한 외부 사다리꼴 상판 셀 엘리먼트를 압입 굴착 전진작업을 완료한 후 상판 셀 엘리먼트에 정착된 긴장재를 도시한 사시도,
제7도는 본 발명에 의한 상판 셀 엘리먼트에 정착된 긴장재의 긴장시 셀 엘리먼트에 작용하는 하중과 단면의 응력상태를 도시한 단면도,
제8도는 본 발명에 의한 상판 셀 엘리먼트의 긴장재를 긴장한 후 내부 상판 셀 엘리먼트를 압입 설치단계를 도시한 단면도,
제9도는 본 발명에 의한 외부 상판 셀 엘리먼트와 내부 상판 셀 엘리먼트 사이 공간에 콘크리트 타설을 도시한 단면도,
제10도는 본 발명에 의한 하이브리드 셀 엘리먼트 내의 공극(Void)을 진공 관(Vacuum Tube) 처리하여 시멘트 밀크 그라우팅으로 주입 완전고결 상태를 도시한 단면도,
제11도는 본 발명에 의한 하이브리드 셀 엘리먼트를 사용하여 완성된 사각형단면의 설치를 도시한 단면도,
제12도는 본 발명에 의한 하이브리드 셀 엘리먼트를 사용하여 완성된 아치형단면의 설치를 도시한 단면도,
제13도는 본 발명에 의한 하이브리드 셀 엘리먼트를 사용하여 완성된 표준터널단면의 설치를 도시한 단면도,
제14도는 본 발명에 의한 하이브리드 셀 엘리먼트 내의 콘크리트 공극(Void)을 진공관(Vacuum Tube)(14) 처리하여 시멘트 밀크 그라우팅으로 주입 완전 고결시키는 단계를 도시한 도면,
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
파형강판 (1)
수직보강 사다리꼴 외부 상판 셀 엘리먼트 (2)
긴장재의 정착장치 (3)
셀 엘리먼트를 서로 결합시켜주는 연결장치 (4)
간격재가 부착된 내부 상판 셀 엘리먼트 (5)
간격재 (6)
측벽 및 저판용 셀 엘리먼트 (7)
발진기지대 (8)
유압잭 (9)
긴장재 (10)
내부 공간 콘크리트 타설 (11)
하이브리드 셀 엘리먼트 시스템의 내부 공간의 콘크리트 (12)
하이브리드 셀 엘리먼트 시스템내의 콘크리트 공극 (13)
진공관 (14)
콘크리트 (15)
시멘트밀크(16)

Claims (4)

  1. 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템으로 아치를 형성하여 서로 맞물림으로 원지반과 완전히 밀착되어 지지됨으로 원지반 상부로부터 오는 전압을 아치축을 통해 분산되어 터널구조에 작용하며 구축된 터널구조와 평형을 이룰수 있어 지반침하와 붕괴사고를 예방할 수 있는 안정성있는 지중터널을 구축할 수 있는 것을 특징으로 하는 지중터널 구축공법.
  2. 수직보강재로 파형강판(Wave Steel Plate)을 사용한 것을 특징으로 하는 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템.
  3. 엘리먼트 시스템에 정착된 긴장재에 프리스트레스를 가하여 종방향으로 솟음(Camber)를 주어 하중을 상쇄시키는 것을 특징으로 하는 사다리꼴 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템.
  4. 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템 내부의 공간(Viod)에 진공관(Vacuum Tube)을 설치하여 진공처리하고 시멘트 밀크 그라우팅을 주입하여 합성형 하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 셀 엘리먼트 시스템.
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