KR20100119909A - 교각을 가진 물속다리(水中橋梁) - Google Patents

Abstract

본 발명은 넓고 깊은 하천이나 바다를 통과하는 도로, 철도등의 수중교량을 건설함에 있어서, 평면선형이나 종단선형이 변화하거나, 환기구설치를 필요로 하는 구간에 수중교량을 건설할 경우는 주형가설교각을 그 위치의 물속에 가설하고, 차량이 통행하는 내부공간을 가진 주형의 세그먼트를 압출하는 방법을 사용하면 선형의 변곡점과 환기구 설치가 가능하며, 주형가설교각및 일반교각과 주형을 육상에서 제작하여 계획된 위치로 예인하여 이동한후 물속에서 부력의 작용을 활용하여 교량을 건설할 수 있으며, 주형을 주형가설교각에서 압출함에 있어서는 기설치된 주형 외부 둘레에 개폐와 이동이 가능한 압력변을 설치하고 가압관에 물을 충진하여 압력실에 필요한 수압과 같은 상태까지 압력을 가하여 주형을 압출하고, 가압관을 조정하여 압력을 푼 후에 다음 세그먼트를 결합하고, 상기 압력변을 원위치로 이동한 후에 다시 압력실을 가압하는 순서를 반복하여 높은 수압과 관계없이 수월하게 주형을 압출할 수 있는 수중교량 가설공법에 관한 것이댜.

물속다리(水中橋梁), 선형의 변곡점, 주형가설교각, 압력변, 중성부력.

Description

교각을 가진 물속다리(水中橋梁) {AN UNDERWATER BRIDGE WITH PIER}

본발명은 수중에 주형가설 교각을 설치하고, 그 곳에서 육상에서 제작한 주형 세그먼트를 연속압출방식으로 수중에 신속하게 시공하며, 상대적으로 저렴한비용으로 시공할 수 있는 수중교량 및 수중교량 시공방법에 관한 것이다.

다리는 교량(橋梁)이라고도 한다. 지지할 시설의 종류 및 건너야 할 것의 종류에 따라 다종다양한 다리가 있다. 그러나 다리의 역할은 거의 같아서 첫째, 다리가 받쳐주는 통로와 시설의 기능을 안전하게 유지하는 일이며, 그러기 위해서는 충분한 강도와 내구성을 갖추어야 한다. 다음에 거의 모든 다리는 공공적인 성격을 지니고 있으므로, 가급적 경제적으로 만들 것이 요구되며, 그러기 위해서 구조공학의 정수를 모아 사용재료 구조형식 등을 비교 검토하여 가장 합리적인 안전성과 사용성 및 경제성이 확보되도록 해야 한다.

인류가 의식적으로 다리를 만들게 된 기원은 유사 이전일 것으로 생각되며, 현재 남아 있는 고대 다리로써 유명한 것은 로마시대에 만들어진 많은 석조 아치교이다. 로마시에는 기원전에 가설된 몇 개의 다리가 아직도 남아 있으며, 또 수도를 끌기 위한 연속 아치의 유적은 이탈리아는 물론 당시 로마의 지배하에 있던 프랑스 와 에스파냐에도 남아 있다.

시대가 지나 중세기에 이르러 로마시대의 것에 비해서 더욱 규모가 크고 또 기술적으로도 진보된 많은 석조 아치교가 만들어지고, 문예부흥시대의 황금시대로 이어져 간다. 이 시대의 다리는 대리석을 사용하였고, 모양이나 배색 등을 여러 모로 고안한 다리 위에는 석조의 아케이드가 만들어져 있다. 그 후 이들의 기술은 주로 프랑스에 계승되어 16세기에 들어와서는 이론적인 연구도 발전하게 되었다.

19세기에 들어서면서 그 재료는 돌에서 철로 이행하고 마침내 강철이나 콘크리트가 보급되어 석조 아치의 필요성은 거의 없어졌다. 한편, 형교 계통에서는 수간을 그대로의 형태로 사용하는 데는 길이에 제한이 있었기 때문에 큰 발전이 없었지만, 14세기에 이르러 이것을 삼각격자상으로 짠 트러스가 고안되면서부터 획기적으로 발전하기 시작하였다. 18세기 중엽부터는 이른바 목조 트러스 시대로 접어들어, 지간 50 m가 넘는 다리를 만들기까지 한 기록이 있다. 19세기에 들어서서는 주로 미국에서 목조 트러스교가 많이 만들어지고 기술적으로도 많이 진보하였다.

그 후 철의 출현과 더불어 목철 혼합 트러스교가 나타났고, 점차 철이나 강철만을 사용하게 되었으며, 그와 함께 구조도 합리적인 것으로 변화하면서 오늘날과 같이 발전하여 왔다. 한편, 철을 사용함으로써 고래의 통나무 다리는 강판 형교로 변하고, 마침내 강철이나 콘크리트를 사용한 현대의 형교로 발전하였다.

등나무덩굴에서 출발한 현수교는 장력에 강한 철재가 쓰이게 되면서 부활하고, 1800년대부터 연철의 사슬이나 철사를 사용한 현수교가 만들어지기 시작하였다. 이 다리는 평탄하면서도 동요하지 않는 노면을 확보하기 위해 주로 영국과 미 국에서 보강방법이 연구되어 발전하였다. 장대경간을 한 걸음에 걸쳐 놓으려면 현수교가 현재로서는 가장 유리한 형식이며, 고장력강의 케이블을 사용해서 최대지간 1,000 m를 넘는 현수교가 여러개 가설되었다.

형교·아치교·현수교라고 하는 다리의 기본적 형식 외에, 이들을 조합한 복합형식을 생각하기에 이른 것은 비교적 최근의 일이다. 재료의 특성, 역학적인 성상, 가설의 난이 등을 고려해 앞으로도 새로운 형식의 복합구조가 계속 고안될 것이다. 교량공학의 진보는 단지 장대한 다리를 실현하는 것뿐만 아니라 자유로운 형태를 가진 빼어난 다리를 제공하고 있다.

이러한 교량은 다리를 받치는 기둥인 교각과 다리의 양쪽 끝을 받치는 기둥인 교대와 차량이 주행하는 주형으로 구성되어 있는데 이들은 지구의 중력에 따른 상부구조의 하중때문에 그 경간장에 많은 제약을 받고 있다.

특히 넓고 깊은 하천이나 섬과 연결하는 교량의 경우는 막대한 공사비를 필요로 하여 침매공법 [沈埋工法]을 사용하게 된다. 침매공법은 강이나 바다 밑에 트렌치(trench)를 굴착해 놓고, 작업장에서 침매함(沈埋函:터널 구조체)을 만들어 해저 터널이 설치될 장소로 운반한 다음, 미리 조성된 트렌치에 침매함을 설치한 뒤 다시 묻어서 터널을 완성시키는 공법으로 침매함의 모양과 재질에 따라 원형과 직사각형 콘크리트 방식으로 구별된다. 전자는 주로 미국에서 발달한 공법인데, 미리 모래를 깔아놓은 기초 위에 침매함을 직접 묻고 고무 가스켓(gasket)으로 수중 접합한다. 1910년 미국 디트로이트의 하저철도 터널에 처음 적용되었다. 후자는 유럽에서 많이 사용하는 공법으로, 침매함의 양끝을 가로대 위에 가설한 뒤 틈새에 모 래를 채워넣고 침매함은 고무 가스켓으로 수중 접합한다. 1937년 네덜란드의 로테르담 항구에 이 공법의 터널이 설치되었다.

침매공법은 터널에 부력이 작용하므로 겉보기비중이 적고, 지반의 지지력이 크게 필요없어 연약지반에 적합하며, 수심이 깊은 곳에서도 안전하게 공사할 수 있다. 침매함 설치에 걸리는 시간이 짧아 항로에 대한 제약이 적다. 시공의 효율성이 좋아 공사기간이 단축된다. 그러나 상기 침매공법도 깊은 물속에서의 수압으로 인하여 터널구조체가 두꺼워 지고 수중연결작업의 어려움등으로 많은 공사비가 소요되여 이에대한 개선 방법이 필요하다.

넓고 깊은 하천이나 바다에 교량을 건설할 경우는 침매공법에서의 부력(buoyancy)과 교량의 연속압출공법(ILM)을 병행 활용하여 매우 경제적인 교량건설이 가능함을 발견 하였다.

부력은 중력이 작용할 때 유체 속에 있는 정지 물체가 유체로부터 받는 중력과 반대 방향의 힘이다. 이 힘의 크기는 유체 속에 떠 있는 물체와 같은 부피의 그 유체의 무게와 같으며, 물체의 무게중심이 어디에 위치하였는지에 따라 물체가 기울어졌을 때 제자리로 되돌아오는 복원력이 달라진다. 일반적으로 물보다 비중이 큰 쇳덩어리와 같은 물체는 물에 가라앉고, 발포스타이렌수지(스티로폼)처럼 물보다 가벼운 물질은 잘 뜬다. 물에서 뜨려고 하는 성질을 양성부력(positive buoyancy), 가라앉으려는 성질을 음성부력(negative buoyancy), 물과 비중이 비슷하여 뜨지도 가라앉지도 않는 상태를 중성부력(neutral buoyancy)이라고 한다.

육상에서 교량의 교각과 주형을 제작함에 있어 적정한 규모의 부력실을 두어 그 것을 예인하여 설치할때에 부력을 이용하여 겉보기 비중이 중성부력에 가깝도록 조절하면 일반교량의 건설에서 가장 문제가 되는 사하중은 무중력상태와 같은효과를 내고, 차량의 활하중에 대하여만 대응하면 되므로 매우 경제적인 교량건설이 가능한 것으로 판단 된다

압출공법 [壓出工法, incremental launching method]은 교량의 상부 구조물을 교대 또는 제1 교각의 후방에 설치한 주형 제작장에서 1세그먼트(segment)씩 제작하여 교량의 축 방향으로 잭(jack)을 이용하여 조금씩 밀어내면서 교량을 가설하는 공법이다. 연속압출공법 또는 ILM공법이라고도 한다. 1960년대 초 독일에서 개발된 공법으로, 하천이나 계곡을 가로지르는 연속교 및 도로, 철도를 가로지르는 고가교 등의 가설에 많이 사용한다. 압출공법에는 집중 방식과 분산 방식이 있다. 집중 방식은 교대나 교각 한 곳에 잭 등의 압출장치를 설치하고, 교각 위에는 상부구조가 미끄러지게 하기 위해 미끄럼 지승(sliding bearing)을 설치하여 압출하는 방식이다. 분산 방식은 각 교각 위에 설치한 수평 및 수직 잭을 이용하여 상부구조를 들어올려 압출하는 방식이다. 세그먼트를 제작하는 장소(제작장)가 일정하여 시공 관리가 용이하다. 또 제작장에서 콘크리트를 타설하기 때문에 대량생산이 가능해 경제성이 좋고 시공 속도가 빠르다. 교각의 높이가 높고 경간이 20∼60m인 교량가설에 주로 적용된다.

넓고 깊은 하천이나 바다에서 수중교량을 시공하는 방법으로 대한민국특허 제10-079795호로 2008년 1월 28일에 등록된 발명이 있는 바, 상기 발명은 수중에 교량받침대를 설치하고, 육상에서 제작된 교량본체 유닛들을 연결한 교량본체를 연속압출방식으로 수중에 신속하게 시공하며, 상대적으로 저렴한 비용으로 시공할 수있는 부유식 수중교량 및 부유식 수중교량 시공방법을 제공하고 있어서 수중 연결작업의 어려움은 해결되었으나 상기 발명은 압출장소가 양단 육지에만 있기 때문에 넓고 깊은 하천이나 바다를 통과하는 도로, 철도등 수송시설을 건설함에 있어서, 평면선형이나 종단선형이 변화(변곡점을 가짐)하는 구간의 수중교량 건설은 불가능한 방법이며, 특히 환기구설치를 필요로 하는 비교적 긴 연장구간의 수중교량 건설도 불가능한 방법이라는 문제점이 있다는 것은 틀림 없다.

본 발명은 상기 문제를 해결하기 위하여 넓고 깊은 하천이나 바다를 통과하는 도로, 철도등 수송시설을 건설함에 있어서, 평면선형이나 종단선형이 변화하거나, 환기구설치를 필요로 하는 구간에 교량을 건설할 경우는 운반로와 작업실을 가진 주형가설교각을 필요한 위치의 물속에 가설하고, 상기 주형가설교각에서 차량이 통행하는 내부공간을 가진 주형의 세그먼트를 압출하는 방법을 사용하면 선형의 변곡점과 환기구 설치가 가능하다.

또한, 주형가설교각및 일반교각과 주형을 육상에서 제작하여 계획된 위치로 예인하여 이동한후 주형가설교각에서 부력의 작용을 활용하여 교량을 건설할 수 있으며,

또한, 주형을 주형가설교각에서 압출함에 있어서는 기설치된 주형외부 둘레 에 개폐와 이동이 가능한 압력변을 설치하고 가압관에 물을 충진하여 압력실에 필요한 수압과 같은 상태까지 압력을 가하여 주형을 압출하고, 가압관을 조정하여 압력을 낮춘 후에 다음 세그먼트를 결합하고 상기 압력변을 원위치로 이동한 후에 다시 압력실을 가압하는 순서를 반복하면 높은 수압과 관계없이 수월하게 주형을 압출할 수 있다.

주형가설교각및 일반교각을 가설함에 있어서는 계획된 위치에 앵커를 설치하고 중성부력 상태가 유지되도록 외피에 가벼운 재료를 결합하여 제작된 케이블로 교각과 연결하여 교각을 물속에서 가설하는 공법을 사용하거나, 계획된 위치의 지반을 정리하고 중성부력 상태가 유지되도록 제작된 자케트를 설치하고 교각과 연결하여 교각을 물속에서 가설하는 공법을 사용할 수 있다.

종단선형은 그 지역의 항로에 통행이 예측되는 최대규모의 선박이 안전하게 운항할 수 있는 적하한도의 흘수선인 만재흘수선[滿載吃水線, full load draft line]을 고려하여야 한다.

앞서 설명한 바와 같이, 본발명의 수중교량 시공방법은 육상에서 제작한 주형가설교각을 선형의 변곡점과 환기구가 필요한 위치에 예인하여 설치하고 그 곳에서 다수개의 주형 세그먼트들을 예인하여 수중으로 연속압출공법으로 밀어 시공함으로써,어떠한 조건 하에서도 상대적으로 저렴한 비용으로 수중교량을 시공할 수 있는 장점이 있다.

이하 도면을 참조하면서 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하기로 한다. 도1, 도2, 도3은 실시예의 주형가설교각의 단면도, 평면도, 사시도이고 도4는 압력변 단면도이며, 도5, 도6은 원형과 사각형 주형의 단면도이며 도7과 도8은 일반교각의 단면도, 사시도이고 도9는 실시예의 종단계획도이며 도10은 실시예의 평면계획도이다.

본 발명 실시예의 주형가설교각(100)은 육상에서 철근콘크리트로 제작 하는데 상기 주형가설교각(100)에는 주형(200)을 운반하는 운반로(101), 주형을 을 압출하는 작업실(102), 부력을 조절할 수 있는 부력실(103), 수압을 조절하여 주형의 압출을 수월하게 하는 압력실(104), 주형(200)이 통과하는 주형문(105)등이 각각 설치 되도록 제작하고 주형문과 압력실에는 압출작업중에 물이 내부로 침투하지 못하도록 침수방지판(107,108,109)을 가각 착설한다. 상기 주형가설교각(100)을 예인할 때에는 주형(200)의 앞 공간을 철판문(106)으로 막은 첫 번째 주형(211)이 설치된 상태로 물 위에 띄워 계획된 위치로 예인하여 설치한다.

상기 주형가설 교각(100)은 계획된 위치의 잠수부나 잠수정에 의하여 지반을 정리하고 설치한 자케트 위에 가설하거나, 수상의 바지선을 이용하여 설치한 앵커(120)와 케이블(110)로 연결하여 가설한다. 케이블(110)은 겉보기 비중이 물과 비슷하여 뜨지도 가라앉지도 않는 중성부력(neutral buoyancy) 상태가 유지되도록 외피에 가벼운 재료를 결착하여 제작된 것을 사용하고 케이블(110)의 양 끝단에 고리(111, 121)를 결착하여 작업이 수월 하도록 할 수 있으며 상기 주형가설교각 주형가설교각(100)의 설치는 부력을 적절하게 활용하면 비교적 작은 규모의 가설장비로 가능할 수 있다

도5및 도6과 같은 본 발명 실시예의 주형(200)은 육상에서 철근콘크리트로 제작하여 주형가설교각(100)까지 예인하여 운반로(101)를 통하여 운반후 작업실(102)에서 압출하여 가설하는 방법으로 할 수도 있고, 재료를 주형가설교각(100)에 운반하여 그 곳에서 제작할 수도 있으나 전자의 방법이 타당할 경우가 많을 것이다. 본 발명 실시예의 주형(200)은 원형 타원형 사각형이 모두 가능하나 수압과 이용차량의 규모등을 고려하여 결정하고 도6과 같은 원형주형은 중앙부 차량이용 공간(201)의 윗 여유공간(202)과 아래 여유공간(203)은 환기시설, 공동구, 부력조절등으로 활용하고 외측의 구조는 이중철근 콘크리트 라이닝(204,206)으로 하고 그사이에 방수층(205)을 두도록 한다. 주형들(200)을 육상에서 제작하여 예인할 경우는 주형의 한쪽을 철판으로 막고 부력을 이용하여 예인한다.

주형가설 교각(100)의 작업실(102)에서 주형(200)의 수월한 압출을 위하여 주형의 주변을 둘러싼 도4의 단면과 같은 압력변(130)은 수압을 받는 표면적이 주형의 표면적과 상응할 수 있는 넓이로하여 설치되어야 한다.

압출작업의 순서를 상세히 설명하면 도1의 주형가설교각(100) 단면도의 오른쪽 부분과 같이 세팅되여 필요한 위치에 설치된 주형가설교각(100)의 작업실에서 원격조정에 의하여 압력변 잭크(134)를 작동하거나 압력변 가압실(138)을 가압하여 눌름철판(135)을 통하여 바닥의 고무판(136)을 눌러 마찰저항에 의하여 주형(200)과 같이 움직이도록 하여, 좌우측의 수압이 차단된 상태에서, 가압관(131)에 물을 필요한 높이까지 보충하여 가압하게 되면 압력변(130)의 다른 쪽은 압력실(104) 본 체와 바퀴(137)로 접촉하기 때문에 주형(200)은 압력이 약한 쪽으로 압출하게 되는데 이 작업은 천천히 진행하는 것이 특히 중요하며, 그 후에 가압관(131)의 물높이를 낮추어 가압을 낮추고 새로운 주형(200) 세그먼트를 결합한 후에, 가압관(131)의 내부에 설치된 압력변 당김줄(133)을 끌어 당겨 압력변(130)을 원위치로 이동 시킨 후에, 다음 작업을 반복하여 교량의 주형(200)이 반대편에서 압출되어 온 것과 맞 닿으면 철판문(106)을 결합하고 내부판을 제거하는 순서로 작업한다.

주형을 가설하는 중간의 필요한 지점에는 도7, 도8과 같은 본 발명 실시예의 일반교각(300)을 육상에서 철근콘크리트로 제작한 후에 현장으로 예인하여 주형 가설 교각(100) 가설과 같은 방법으로 가설한후 교각(300)의 내부공간으로 주형을 통과시키고 압출작업 완료후에 고정한다.

도9는 본 발명 실시예의 종단계획도로써 시점부근의 A1주형가설교각(100)은 일반적으로 시행하는 개착식공법으로 가설하고 기타의 모든교각은 부력을 이용한 앵커공법으로 계획한 것을 예시하였으며, 도10은 하천을 따라 계획할 수 있는 본 발명 실시예의 평면계획도로써 A는 주형가설교각 B는 일반교각을 나타내고 있으며, 이는 어떠한 선형에서도 본 발명의 방법이 유효할 것임을 나타낸다.

본 발명은 수심이 비교적 깊지 않은 구역을 통과할 필요가 있는 하천구간에서는 하상을 필요한 깊이까지 수중굴착을 한 후에 본 발명의 방법으로 물속다리를 건설할 수도 있다.

이상과 같은 공법으로 넓고 깊은 하천이나 바다에 수중교량을 건설할 경우에 교각과 교각사이의 거리(경간장)는 500m정도가 가능하고 공사완공 후에 환기시설로 활용할 주형가설교각(100)의 간격은 도로교에서는 3km정도가 가능하고 철도교에서는 5km정도가 가능할 것으로 예측된다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

도1은 실시예의 주형가설교각 단면도

도2는 실시예의 주형가설교각 평면도

도3은 실시예의 주형가설교각 사시도

도4는 실시예의 압력변 단면상세도

도5는 실시예의 주형 단면도(네모형)

도6은 실시예의 주형 단면도(원형)

도7은 실시예의 일반교각 단면도

도8은 실시예의 일반교각 사시도

도9는 실시예의 종단계획도

도10은 실시예의 평면계획도

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

100; 주형가설교각 101; 운반로 102; 작업실 103; 부력실

104; 압력실 105; 주형문 106; 철판문 107,108; 침수방지판

130;압력변 131; 가압관 132; 도르레 133: 압력변 당김줄

134; 잭크 135; 눌름철판 136; 고무판 137; 바퀴 138;압력변가압실

110,310;케이블 111,121,311,321;연결고리 120,210; 앵커

200; 주형 201; 차량이용 공간 202, 203; 여유공간 204; 내부라이닝

205;방수층 206; 외부라이닝 211; 첫번째 주형

300; 일반교각 301; 부력실

Claims (8)

1. 넓고 깊은 하천이나 바다를 통과하는 도로, 철도등 수송시설을 건설함에 있어, 평면선형이나 종단선형이 변화(변곡점을 가짐)하거나, 환기구설치를 필요로 하는 구간에 수중교량을 건설함에 있어서;

   운반로와 작업실을 가진 주형가설교각을 필요한 위치의 물속에 가설하고;

   상기 주형가설 교각에서 차량이 통행하는 내부공간을 가진 주형의 세그먼트들을 압출하여;

   부력의 작용을 활용하여 교량을 물속에 건설하는 공법.
2. 제1항에 있어서;

   주형가설교각및 일반교각과 주형을 육상에서 제작하여;

   계획된 위치로 이동한후;.

   물속에서 부력의 작용을 활용하여 가설하는 교량건설공법.
3. 제1항에 있어서;

   주형을 주형가설교각에서 압출함에 있어:

   기설치된 주형외부 둘레에 개폐와 이동이 가능한 압력변을 설치하고;

   가압관에 물을 충진하여 압력실에 필요한 수압과 같은 상태까지 압력을 가하여 주형을 압출하고;

   가압관을 조정하여 압력을 낮춘 후에 다음 세그먼트를 결합하고;

   상기 압력변을 원위치로 이동한 후에 다시 압력실을 가압하는 순서를 반복하는 것을 특징으로하여 부력의 작용을 활용하여 교량을 물속에 건설하는 공법.
4. 제1항에 있어서;

   주형가설교각및 일반교각을 가설함에 있어서;

   계획된 위치에 앵커를 설치하고;

   케이블로 교각과 연결하여 교각을 물속에서 가설하는 공법.
5. 제1항에 있어서;

   주형가설교각및 일반교각을 가설함에 있어서;

   계획된 위치의 지반을 수중에서 정리하고;

   중성부력 상태가 유지되도록 제작된 자케트를 설치하고;

   교각과 연결하여 교각을 물속에서 가설하는 공법.
6. 제1항에 있어서;

   주형가설교각및 일반교각을 가설함에 있어서;

   계획된 위치의 지반을 수중에서 정리하고;

   그 자리에 교각을 물속에서 가설하는 공법.
7. 제 1항에 있어서;

   수심이 깊지 않은 구간에서 수중교량을 가설함에 있어서;

   하상을 필요한 깊이까지 굴착하여;

   물속에서 부력의 작용을 활용하여 가설하는 교량건설공법.
8. 제4항에 있어서;

   앵커와 교각을 연결함에 있어;

   중성부력 상태가 유지되도록 외피에 가벼운 재료를 결착하여 제작된 케이블로 교각과 연결하여 교각을 물속에서 가설하는 공법.

Images