KR20100078783A - 압축성 간격재를 사용한 볼트 및 이를 이용한 터널 지보 방법 - Google Patents
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Abstract
압축성 간격재를 사용한 볼트 및 이를 이용한 터널 지보 방법이 개시된다. 본 발명의 실시예에 따른 지반 내부에 형성되는 터널을 지지하기 위한 터널용 지보 장치는, 제 1 직경으로 구비되는 원통형의 볼트; 및 상기 볼트에 장착되도록 상기 제 1 직경의 제 1 두께를 갖는 원통형의 구멍이 내부에 형성되고, 상기 구멍의 외주면을 내주면으로 하고 제 2 직경의 제 2 두께를 갖는 원통형의 지지부를 포함하는 탄성 소재의 압축성 간격재를 구비한다. 본 발명에 따른 터널 지보 장치 및 이를 이용한 터널 지보 방법은 터널 지보재용 볼트의 몸체 부분에 일정 간격으로 설치되는 탄성 소재의 압축성 간격재를 이용함으로써, 볼트와 천공 사이에 삽입되는 주입재의 균일한 충진이 가능하며, 볼트에 작용하는 축력에 의한 신장을 수용함으로써 주입재(그라우트재)의 파손에 따른 볼트의 지반과의 부착의 끊김을 방지하여 터널 지보 능력을 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
Description
본 발명은 터널 지보 장치 및 이를 이용한 터널 지보 방법에 관한 것으로서, 터널 지보재용 볼트의 몸체 부분에 일정 간격으로 설치되는 탄성 소재의 압축성 간격재를 이용함으로써, 볼트와 천공 사이에 삽입되는 주입재의 균일한 충진이 가능하며, 주입재의 파손을 방지할 수 있는 터널 지보 장치 및 이를 이용한 터널 지보 방법에 관한 것이다.
지보재(支保材)용 볼트란 숏크리트(Shotcrete)와 함께 터널과 같은 지하공간의 시공에 있어서, 지반 자체가 가지고 있는 강도를 이용하여 원지반을 지지함으로써 지하공간의 안정성 유지에 매우 중요한 역할을 한다.
지보재용 볼트(볼트)는 정착 방식에 따라 여러 종류가 있고, 과거에는 선단정착식이 주로 사용되었지만 근래에는 대부분 전면접착식의 볼트를 사용하고 있다. 전면접착식은 볼트를 암반에 삽입하여 암반의 내하력을 이끌어 내는 원리이지만, 암질에 따라 그 거동이 다소 다르다. 즉, 전면접착식 볼트는, 암반의 균열 등 역학적으로 불연속면의 상태가 지하공간 거동을 지배하는 경암질에서 볼트가 개개의 암 반을 지지하고 있어 암반의 일체성을 높이는 효과가 있고, 연암질의 경우 지하공간 주변의 암반이 소성화하는 단계에서 내공변위를 구속하면 암반을 삼축응력상태로 유지하고 굴착면 주변 암반의 내하능력을 높이는 작용이 주로 이루어진다.
기존 절토 사면의 안정성을 구배 완화에 의존하여 추구하는 경우에는 절토량이 과다해지고 대절토 사면이 발생하여 용지 면적을 많이 차지하고 비용이 많이 들며 자연훼손이 크게 발생하고 있다. 또한, 일반적으로 사용되는 천공식 네일 보강공법은 원지반 교란문제, 굴착공의 불확실한 채움에 의한 인발력이 저하되는 문제, 그라우트재(주입재)와 지반의 상호거동 메커니즘에 의한 문제, 그라우트재의 인발 및 전단 저항거동 문제 및 네일과 전면벽체의 연결문제 등을 내포하고 있다.
지하공간(터널) 건설 시 굴착과정에서, 지반은 최대주응력의 작용 방향에 직각방향으로 이완되고 절리와 같은 불연속면 또한 같은 방향으로 활동하게 된다. 이때 지반에 설치된 볼트는 축력(인장력)을 받아 볼트 자체의 변형(신장)이 발생한다.
기존의 전면접착식 볼트의 경우, 이러한 변형으로 인하여 그라우트재의 파손이 볼트 전면에서 발생되고 지반과 볼트의 부착이 끊어지는 문제가 발생할 가능성이 매우 크다. 특히, 대형/대단면 지하공간의 경우 다수의 불연속면이나 연약대를 포함할 확률이 높고 굴착에 따른 주변 지반의 이완영역도 광범위하다. 즉, 대형/대단면 지하공간에서는 설치된 볼트가 부담하게 되는 하중이 증가되고 그에 따른 변형도 증가되어 그라우트재의 심각한 파손이 발생될 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 그라우트재의 파손을 최소화하여 볼트와 지반의 부착을 유지할 수 있는 터널 지보 장치 및 이를 이용한 터널 지보 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 지반 내부에 형성되는 터널을 지지하기 위한 터널용 지보 장치는, 제 1 직경으로 구비되는 원통형의 볼트; 및 상기 볼트에 장착되도록 상기 제 1 직경의 제 1 두께를 갖는 원통형의 구멍이 내부에 형성되고, 상기 구멍의 외주면을 내주면으로 하고 제 2 직경의 제 2 두께를 갖는 원통형의 지지부를 포함하는 탄성 소재의 압축성 간격재를 구비한다.
바람직하게는, 상기 제 2 직경은 상기 지반 내부에 상기 볼트가 삽입되도록 설치되는 천공의 천공경과 동일할 수 있다.
바람직하게는, 상기 압축성 간격재는 상기 볼트에 복수개로 장착될 수 있다. 이때, 상기 압축성 간격재는 상기 볼트와, 상기 볼트가 삽입되는 천공에 충진되는 그라우트재의 연신율의 차이에 대응되는 개수로 구비될 수 있다.
바람직하게는, 상기 지지부는 상기 볼트가 삽입되는 천공에 충진되는 그라우트재를 주입하기 위한 주입관이 장착되는 적어도 하나 이상의 제 1 홀을 구비할 수 있다. 또한, 상기 지지부는 상기 볼트가 삽입되는 천공에 충진되는 그라우트재를 주입하기 위한 공기 배출관이 장착되는 적어도 하나 이상의 제 2 홀을 더 구비할 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 지반 내부에 형성되는 터널을 지지하기 위한 터널 지보 방법은, 상기 터널의 외부면에 제 1 직경으로 구비되는 원통형의 볼트가 삽입되도록 천공을 형성하는 단계; 상기 볼트에 장착되도록 상기 제 1 직경의 제 1 두께를 갖는 원통형의 구멍, 및 상기 구멍의 외주면을 내주면으로 하고 제 2 직경의 제 2 두께를 갖는 원통형의 지지부를 포함하는 탄성 소재의 압축성 간격재를 상기 볼트에 부착하여, 상기 천공에 삽입하는 단계; 및 상기 압축성 간격재가 부착된 볼트가 삽입된 천공에 그라우트재를 주입하는 단계를 구비할 수 있다.
본 발명에 따른 터널 지보 장치 및 이를 이용한 터널 지보 방법은 터널 지보재용 볼트의 몸체 부분에 일정 간격으로 설치되는 탄성 소재의 압축성 간격재를 이용함으로써, 볼트와 천공 사이에 삽입되는 주입재의 균일한 충진이 가능하며, 볼트에 작용하는 축력에 의한 신장을 수용함으로써 주입재(그라우트재)의 파손에 따른 볼트의 지반과의 부착의 끊김을 방지하여 터널 지보 능력을 유지시킬 수 있는 장점이 있다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터널 지보 장치의 형상을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 터널 지보 장치(100)는 볼트(120) 및 압축성 간격재(140)를 구비한다. 볼트(120)는 제 1 직경(R1)의 원통형으로 구비된다. 압축성 간격재(140)는 내부에 볼트(120)에 장착되도록 볼트(120)의 직경(R1)과 동일한 직경의 구멍(HOL)이 형성되고, 구멍의 외주면을 내주면으로 하고 제 2 직경(R2)의 제 1 두께(T)를 갖는 원통형의 지지부(SPT)를 포함한다. 이때, 제 2 직경(R2)은 본 발명의 실시예에 따른 터널 지보 장치(100)가 장착될 천공(도 2 참조)의 천공경과 동일할 수 있다.
도 2는 도 1의 터널 지보 장치를 이용하는 터널 지보 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 터널 지보 장치(100)는 지반(GRD)의 내부에 형성되는 터널(TUN)이 토압에 의하여 붕괴되는 것을 방지하기 위해, 터널(TUN)의 외부면에 설치된다. 이때, 터널 지보 장치(100)는 터널(TUN)의 외부면에 시공되는 천공(PUN)에 삽입될 수 있다.
터널 지보 장치(100)가 도 2와 같이 삽입된 상태에서, 그라우트재(GRT)를 천공에 충진할 수 있다. 그라우트재(GRT)는 시멘트 또는 레진 등일 수 있다.
그런데, 본 발명의 실시예에 따른 터널 지보 장치(100)의 간격재(140)는 탄성 소재로 구현될 수 있다. 따라서, 볼트(120)에 장착되는 간격재(140)가 지반 내부에서의 볼트(120)의 축력(인장력)에 의한 변형에 따른 그라우트재의 파손을 방지할 수 있다.
즉, 볼트(120)에 작용하는 축력에 의하여, 연성부재인 쇠 등으로 만들어진 볼트는 신장이 발생되는 반면, 취성부재인 시멘트 등의 그라우트재는 신장되지 아니하여, 그 신장률(또는 연신률)의 차이에 의하여 그라우트재가 파손되어 볼트와 지반의 부착이 끊어져 볼트의 터널 지보 기능이 상실될 수 있는데, 본 발명의 실시예에 따른 터널 지보 장치(100)는 볼트(120)에 장착되는 탄성 소재의 간격재(140)를 구비함으로써, 출력에 의한 볼트의 변형을 수용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 터널 지보 장치(100)는 그라우트재의 파손을 최소화하여 볼트와 지반의 부착을 유지할 수 있다.
구체적으로, 지반을 천공한 후에 삽입하고 주변을 그라우팅하여 설치한 볼트에 작용하는 하중은 그라우트를 통해 주변지반에 전달된다. 즉, 볼트하중은 볼트와 그라우트 경계면의 전단저항에 의해 그라우트에 전달되고, 다시 그라우트와 지반 경계면의 전단저항에 의해 지반에 전달된다. 전단력은 볼트가 변형되어야 발생되며, 볼트 축력에 의해 발생되는 볼트 인장변형에 따라 경계면에 발생되는 전단응력이 그라우트재 최대 전단강도 보다 작을 때에는 전단력을 그라우트재가 수용 가능하지만, 그라우트재의 최대 전단강도 이상일 때에는 전단력을 그라우트재가 수용할 수 없어 볼트와 그라우트재의 부착이 끊어져서 볼트와 그라우트가 분리된다.
이때에 그라우트와 지반은 인장상태가 된다. 그런데 볼트는 인장에 강한 부재인 반면에 그라우트나 주변지반은 인장에 매우 취약한 재료이므로, 볼트의 인장변형(신장)이 허용한계 이내인 경우에도 그라우트와 지반에는 인장균열이 발생한다. 따라서 볼트하중이 커지면 그라우트에는 인장균열과 전단균열이 모두 발생된다.
그러나 간격재가 설치된 경우, 간격재가 한 지점에서 발생된 균열이 전체 구간으로 연결되는 것을 차단하여 그라우트재의 연속적인 파괴를 방지한다. 즉, 간격재는 그라우트재의 연속적인 균열 발생을 방지하는 역할을 한다.
바람직하게는, 본 발명의 실시예에 따른 간격재(140)는 볼트(120)에 다수개 장착될 수 있다. 볼트에 장착되는 간격재의 개수는 볼트와 그라우트재의 연신율의 차이에 대응되는 개수로 장착될 수 있다. 예를 들어, 볼트와 그라우트재의 연신율의 차이를 1이라 할 때 볼트의 변형을 수용하기 위해 볼트에 장착되어야 하는 간격재가 3개라고 한다면, 볼트와 그라우트재의 연신율의 차이가 2인 경우에는 볼트에 장착되어야 하는 간격재가 6개 일 수 있다.
이때, 볼트와 그라우트재의 연신율 차이에 따른 간격재의 설치간격을 산출하여, 볼트의 길이를 설치간격으로 나눈 몫이 요구되는 간격재의 개수일 수 있다. 간격재의 설치간격 l은 다음의 수학식 (1) 내지 (3)을 통하여 구체적으로 계산될 수 있다.
여기서, d는 볼트 직경, l은 설치간격, P는 작용하중, Py는 볼트의 항복하중, Tmax는 볼트와 주입재의 접촉면에서의 전단력, τmax 는 볼트와 주입재의 접촉면에서의 전단강도, Pact는 볼트에 작용하는 유효하중, εy는 볼트의 항복 변형률을 나타낸다.
수학식 (1) 내지 (3)을 이용하여 간격재의 설치 간격 l을 계산하는 방법에 대하여 설명한다. 볼트는 항복할 때까지 선형적으로 탄성변형한다고 가정한다. 볼트에 축력(작용하중) P가 작용하면 볼트를 감싸고 있는 주입재는 최대 전단력 Tmax만큼 저항한다. 축력 P가 Tmax를 초과하면 볼트에 변형이 발생하며 이때의 신장량을 s라 한다.
Tmax는 위의 수학식 (1)과 같이 계산 할 수 있으며 볼트의 신장에 작용하는 유효하중 Pact는 수학식 (2)와 같이 구할 수 있다. 모형시험을 통하여 신장량 s를 구할 수 있고 주입재의 전단강도 τmax의 경우 일축압축강도로부터 구할 수 있다. 직경 d, 항복강도 P, 항복변형률 εy는 표준이형 철근의 재료적으로 정해진 수치이다.
따라서 위의 알고 있는 모든 변수를 수학식 (3)에 대입하여 설치간격 l을 계산하여 설치 간격을 결정 할 수 있다. 상기와 같이 계산된 설치간격에 딸 간격재들을 일정 간격으로 장착하게 되면, 그라우트재도 균일하게 충진될 수 있다.
계속해서 도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 간격재(140)는 천공(PUN)에 터널 지보 장치(100)가 삽입된 후 그라우트재(GRT)를 주입하기 위한 그라우트 주입관(미도시) 및 공기 배출관(미도시)이 장착될 수 있도록, 지지부(SPT)에 적어도 하나 이상의 제 1 홀(H1) 및 제 2 홀(H2)을 구비할 수 있다.
그라우트재의 주입 시에는 유동성인 그라우트가 흘러나오지 않도록 천공입구에 마개를 설치하므로 천공 안이 폐쇄되기 때문에 공기를 배출시켜야 한다. 따라서 주입관과 공기배출관이 사용된다.
주입관과 배출관은 볼트 선단까지 위치한 길이가 긴 관과 천공홀의 입구부에 위치한 짧은 관으로 구성되며 그 길이는 볼트가 설치되는 각도에 따라 달리한다. 터널 측벽부와 같이 주입 각도가 180도 이하에서는 볼트선단까지 위치한 길이가 긴 관으로 그라우트재를 주입한다. 그라우트재가 주입되면 천공홀 내부의 공기는 천공 홀의 입구에 설치된 짧은 관을 통해 배출되고 짧은 관으로 공기대신 그라우트가 배출되면 충진이 완료된 것이다.
반면에 터널 천단부나 어깨부와 같은 180도 이상의 주입각도로 볼트가 설치되는 경우 공기는 천공 선단에 집중되므로 짧은 관으로 그라우트를 주입하고 긴 관를 통해 공기가 배출되다가 그라우트가 볼트 선단까지 완전 충진되면 공기대신 그라우트가 긴 관을 통해 배출 된다.
이렇듯, 본 발명에 따른 터널 지보 장치 및 이를 이용한 터널 지보 방법은 터널 지보재용 볼트의 몸체 부분에 일정 간격으로 설치되는 탄성 소재의 압축성 간격재를 이용함으로써, 볼트와 천공 사이에 삽입되는 주입재의 균일한 충진이 가능 하며, 볼트에 작용하는 축력에 의한 신장을 수용함으로써 주입재(그라우트재)의 파손에 따른 볼트의 지반과의 부착의 끊김을 방지하여 터널 지보 능력을 유지시킬 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 최적 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 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.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 간단한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 터널 지보 장치의 형상을 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 터널 지보 장치를 이용하는 터널 지보 방법을 설명하기 위한 도면이다.
Claims (11)
- 지반 내부에 형성되는 터널을 지지하기 위한 터널용 지보 장치에 있어서,제 1 직경으로 구비되는 원통형의 볼트; 및상기 볼트에 장착되도록 상기 제 1 직경의 원통형의 구멍이 내부에 형성되고, 상기 구멍의 외주면을 내주면으로 하고 제 2 직경의 제 1 두께를 갖는 원통형의 지지부를 포함하는 탄성 소재의 압축성 간격재를 구비하는 것을 특징으로 하는 터널용 지보 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 직경은,상기 지반 내부에 상기 볼트가 삽입되도록 설치되는 천공의 천공경과 동일한 것을 특징으로 하는 터널용 지보 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 압축성 간격재는,상기 볼트에 복수개로 장착되는 것을 특징으로 하는 터널용 지보 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 압축성 간격재는,상기 볼트와, 상기 볼트가 삽입되는 천공에 충진되는 그라우트재의 연신율의 차이에 대응되는 개수로 구비되는 것을 특징으로 하는 터널용 지보 장치.
- 제 3 항에 있어서, 상기 압축성 간격재는,상기 볼트에 일정한 간격으로 장착되는 것을 특징으로 하는 터널용 지보 장치.
- 제 1 항에 있어서, 상기 지지부는,상기 볼트가 삽입되는 천공에 충진되는 그라우트재를 주입하기 위한 그라우트 주입관이 장착되는 적어도 하나 이상의 제 1 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 터널용 지보 장치.
- 제 6 항에 있어서, 상기 지지부는,상기 볼트가 삽입되는 천공에 충진되는 그라우트재를 주입하는 때에 상기 천공내의 공기를 배출하기 위한 공기 배출관이 장착되는 적어도 하나 이상의 제 2 홀을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 터널용 지보 장치.
- 지반 내부에 형성되는 터널을 지지하기 위한 터널 지보 방법에 있어서,상기 터널의 외부면에 제 1 직경으로 구비되는 원통형의 볼트가 삽입되도록 천공을 형성하는 단계;상기 볼트에 장착되도록 상기 제 1 직경의 제 1 두께를 갖는 원통형의 구멍, 및 상기 구멍의 외주면을 내주면으로 하고 제 2 직경의 제 2 두께를 갖는 원통형의 지지부를 포함하는 탄성 소재의 압축성 간격재를 상기 볼트에 부착하여, 상기 천공 에 삽입하는 단계; 및상기 압축성 간격재가 부착된 볼트가 삽입된 천공에 그라우트재를 주입하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 터널 지보 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 제 2 직경은,상기 지반 내부에 상기 볼트가 삽입되도록 설치되는 천공의 천공경과 동일한 것을 특징으로 하는 터널 지보 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 압축성 간격재는,상기 볼트에 복수개로 장착되는 것을 특징으로 하는 터널 지보 방법.
- 제 8 항에 있어서, 상기 지지부는,상기 볼트가 삽입되는 천공에 충진되는 그라우트재를 주입하기 위한 주입관이 장착되는 적어도 하나 이상의 제 1 홀을 구비하는 것을 특징으로 하는 터널 지보 방법.
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