KR20130082134A - 고화토 보강에 의한 선지보 터널 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 굴착시 아칭력이 발생하지 않는 연약한 토사 지반으로 형성된 토피가 얇은 터널을 시공하는 데 있어서
터널을 굴착하기 전에 계획된 터널의 터널 토피의 구조적 영향 범위 내에서 토피부의 연약한 토사 지반을 굴착하고, 터널 토피의 구조적 영향 범위에, 예정 터널 굴착 라인과 양호한 지반의 경계선에 접하여 굴착 발생토와 고화제를 건비빔한 것을 층 다짐하여 선지보재로 보강하여 양호한 강도와 아칭력이 발생하는 두께를 만드는 것을 특징으로 하는 고화토 보강에 의한 선지보 터널에 관한 것이다.

Description

고화토 보강에 의한 선지보 터널{Pre-support tunneling reinforced by in-situ soil mixed with cement}

본 발명은 토피가 아주 얇은 터널이나 터널 시공시 불가피하게 개착 구간이 발생되는 터널의 경우, 사전에 터널의 토피를 고화토로 보강한 후, 터널을 시공하는 고화토 보강에 의한 선지보 터널에 관한 것이다.

종래의 NATM 터널 공법은 갱내에서 굴착면에 직접 숏크리트와 락볼트를 시공하여 원지반의 아칭을 유도하여 원지반이 자립하도록 하는 시공 방법이다. 선지보 터널은 평균 지표면에서 본 터널 갱내 굴착 전에 선지보재를 설치하거나 대단면 터널의 중심에 파일럿 터널을 선굴착하여 파일럿 터널에서 본 터널 굴착면에 선지보재를 먼저 설치한 후, 대단면 터널의 본 터널 굴착면까지 확공하는 시공 방법이다.

종래의 NATM 공법 터널에서는 토피가 얇을 경우, 토피가 아칭을 형성하지 못하고 굴착 중 붕괴의 문제가 생기고, 선지보 터널에서도 토피가 얕고 연약할 경우, 선지보재의 마찰력 부족으로 보강 효과가 충분하지 않아 지반 자체를 보강할 필요가 있다.

도 1에 도시된 종래 기술에 따른 카렌시안(CARINTHIAN CUT & COVER) 공법으로 터널 굴착 라인까지 얇은 토피를 굴착한 후, 계획된 터널의 굴착 라인에 철근 콘크리트를 아치 슬라브(SLAB) 형태로 형성하고, 그 위에 굴착한 토사를 되메우기 한 후, 터널을 굴착하였다. 좀더 상세히 설명하면, 계획 터널(1)의 예정 굴착 라인의 상부까지 절취한 후, 콘크리트로 타설하여 철근 콘크리트 아치 슬라브(9)를 설치 후, 이 구조물이 상부 되메움 토사(10)를 지지하는 개념의 부분 개착 터널을 형성하였다. 이러한 종래의 공법은 시공시, 토사 굴착량이 많고, 콘크리트 재료와 대형 장비를 필요로 하며, 구조적인 측면에서는 되메움 토사를 지지해야 하므로 비경제적인 구조이다.

이러한 종래의 공법은 철근 콘크리트를 타설하여야 하므로 믹서 트럭 및 펌프카 등 대형 장비가 진입할 수 있는 공사용 대규모 진입 도로를 필요로 한다. 산악 터널의 계곡부는 장소가 협소하므로 더욱 시공이 어렵게 된다.

종래의 또 다른 형태는 저토피 부위를 천공 그라우팅하여 지반 물성을 개선한 후, 터널을 굴착한다. 이러한 경우는 그라우팅 공법 자체의 불확실성으로 인하여 지반 물성의 개선 정도를 정량적으로 확정하기 어렵고, 얇은 토피에서는 그라우팅 압력에서 필요로 하는 구속압이 부족하여 그라우팅이 효과적으로 이루어지지 않았다.

도로나 철도의 선형 계획 설계시, 산악 터널에서 계곡부에 국부적으로 발생되는 개착 구간은 시공 비용과 유지 관리 비용이 비개착 구간보다 많이 발생할 수 있으며 환경 훼손이 발생하게 된다.

반면에, 되메움 토사를 재처리하여 강도를 증가시켜 그 자체가 아칭력을 갖게 하여 터널의 외압 하중을 지지하면 매우 구조적 경제성과 시공성, 안정성에서 유리하게 될 것이다. 본 발명은 이에 착안하여 발명하게 된 것이다.

이를 개선하는 방법으로 적은 비용으로 구조적으로 안전하면서 시공이 간편하게 가능하도록 현장에서 쉽게 취할 수 있는 토사와 잡석과 시멘트를 이용하여 고화토를 조성하여 계획된 터널의 토피를 고화토로 보강한 후, 터널을 굴착하는 것이다.

작은 장비와 현지 재료를 이용함으로서 과다한 공사용 진입 도로를 최소화할 수 있고 절개지를 줄이며, 터널의 토피를 식생이 가능하도록 식생이 가능한 재료로 피복하여 식물을 식재하기 위한 것이다.

본 발명의 목적은 토피가 아주 얇은 터널이나, 터널 시공시 불가피하게 개착 구간이 발생되는 터널의 경우, 사전에 터널의 토피를 고화토로 보강 형성하여 터널을 시공하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터널은 터널 굴착시 아칭력이 발생하지 않는 연약한 토사 지반으로 형성된 토피가 얇은 터널로서, 터널을 굴착하기 전에 계획된 터널의 터널 토피의 구조적 영향 범위 내에서 토피부의 연약한 토사 지반을 굴착하고 터널 토피의 구조적 영향 범위에, 예정 터널 굴착 라인과 양호한 지반의 경계선에 굴착 발생토와 고화제를 건비빔하여 층다짐하여 형성된 고화 처리토와, 터널의 굴착라인까지 추가 보강된 선지보재와, 층다짐면에 설치되는 한 개 이상의 지압판(11)이 설치된 것을 특징으로 하는 고화토 보강에 의한 선지보 터널에 의해 달성된다.

본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터널은 터널 굴착시 아칭력이 발생하지 않는 연약한 토사 지반으로 형성된 토피가 얇은 터널로서, 터널을 굴착하기 전에 계획된 터널의 터널 토피의 구조적 영향 범위 내에서 토피부의 연약한 토사 지반을 굴착하고 터널 토피의 구조적 영향 범위에, 예정 터널 굴착 라인과 양호한 지반의 경계선에 굴착 발생토와 고화제를 건비빔하여 층다짐하여 형성된 고화 처리토와, 터널의 갱내를 굴착하기 전에 계획된 터널의 토피부의 연약한 토사 지반을 굴착하고 예정 터널 굴착 면에 종횡으로 설치되는 터널 굴착면 보강 부재(6)를 가지는 것을 특징으로 하는 고화토 보강에 의한 선지보 터널에 의해 달성된다.

그리고 고화토를 보강하기 위하여 층 다짐면에 추가 설치된 스트립 또는 그리드 보강 부재(7)를 가지는 것을 특징으로 한다.

토피부를 굴착 후, 예정 터널 굴착면에 터널 굴착면 보강 부재(6)를 설치하고 선지보재를 보강 부재와 연결하여 설치한 후, 다짐 성토하여 고화토를 형성하는 것을 특징으로 한다.

터널 토피부의 습윤 상태의 원지반 토사와 시멘트 또는 시멘트와 같은 고화제(결합제)를 물을 사용하지 않고 섞어서 배합하여 20~50cm의 두께로 층다짐하여 고화 처리토를 만드는 것을 특징으로 한다.

배합된 흙의 부피 1㎥당 50~150kg의 고화제가 사용되는 것을 특징으로 한다.

상기 보강재는 스틸 부재 또는 FRP인 것을 특징으로 한다.

보강 토사의 보강 범위는 터널의 단면 폭보다 두 배 이상 보강하는 것을 특징으로 한다.

발생토와 고화제를 건비빔한 고화토를 다짐 성토한 지표면에 환경을 복원하기 위하여 식생용 유기질 토사를 피복하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 1 형태는 토피를 치환하거나 추가 성토하여 토피를 형성할 때, 형성 재료를 원지반의 토사에 강도를 증진시키는 재료를 배합하여 사용하므로서 공사용 진입 도로가 없는 산악지에서도 간단히 토피를 보강할 수 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 2 형태는 터널의 계획 굴착면에 고화제를 사용하여 종횡 방향으로 보강하고 그 위에 고화토를 다짐 성토하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 3 형태는 굴착면에 고화제를 설치시 선지보재를 보강 부재와 연결하여 수직 또는 방사상으로 설치한 후, 고화토를 다짐 성토하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 4 형태는 연약한 토피부를 고화토를 다짐 성토한 후, 선지보재로 고화토를 관통하여 터널 굴착면 깊이까지 천공 및 그라우팅하여 추가 보강하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 5 형태는 터널의 토피를 고화토로 다짐 성토시, 보강 스트립 또는 그리드를 층다짐시 삽입하여 지반을 보강하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 6 형태는 인공적으로 형성된 터널의 토피를 식생이 가능하도록 식생이 가능한 재료로 피복 후, 식물을 식재하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 토피가 아주 얇은 터널이나 터널 시공시 부득이 개착 구간이 발생되는 경우, 사전에 터널의 토피를 고화제로 보강 형성하여 터널을 시공하면, 터널 개착부 절개지의 발생을 줄여 환경 훼손을 최소로 하게 되며, 시공 기간을 단축할 수 있어서, 건설 비용을 절감하고, 사용 중, 유지 관리를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.

시공에 있어서, 작은 장비와 현지 재료를 이용함으로서 과다한 공사용 진입 도로를 최소화할 수 있고, 진입 도로 절개지의 발생을 줄이는 효과가 있다.

적은 비용으로 구조적으로 안전하면서 쉽게 시공이 가능하도록 현장에서 쉽게 취할 수 있는 토사, 잡석과 시멘트를 이용하여 계획된 터널의 토피를 고화토로 보강한 후, 터널을 굴착할 수 있는 효과가 있다.

터널의 토피에 식생이 가능하도록 식생이 가능한 재료로 피복하여 식물을 식재함으로서 환경을 훼손을 최소화하며 환경을 개선하는 효과가 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 카렌시안 공법으로 계획 터널의 예정 굴착 라인의 상부까지 절취한 후, 콘크리트를 타설하여 철근 콘크리트 아치 슬라브를 설치 후의 상부 되메움 토사를 지지하는 종래의 카렌시안 공법에 의한 터널을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 터널의 토피가 연약한 토사 지반으로 형성된 경우, 토사층을 고화 처리한 도면이다.
도 3은 고화 처리한 토피를 선지보재로 보강한 상태를 도시한 도면이다.
도 4는 터널의 일부가 노출되도록 계획된 경우, 고화토로 성토하여 토피를 형성시킨 것으로 터널의 굴착면을 스틸 부재로 보강한 것과 식생이 가능한 토사로 성토 부위를 피복한 것을 도시한 도면이다.
도 5는 스트립 또는 그리드 보강 부재를 층다짐 면에 포설하여 보강한 상태를 도시한 도면이다.
도 6은 토피부를 굴착 후, 예정 굴착면에 보강 부재를 설치하고 선지보재를 보강 부재에 연결 설치한 후, 그 사이를 고화토로 층 다짐 성토하고 층 다짐면에 지압판을 설치한 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 터널을 굴착하기 전에 계획된 터널의 터널 토피의 구조적 영향 범위 내에서 토피부의 연약한 토사 지반을 굴착하는 단계에서 지표면이 편경사시 절취 사면이 크게 발생하는 사면을 사면 보강 부재(12)로 보강한 것과 경사사면에 직각으로 선지보 한 것을 도시한 도면이다.

본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2에는 원지반이 연약한 토사층(3)과 그 하부에 풍화암(2)으로 구성된 지반에 계획된 터널(1)의 굴착 단면이 도시되어 있고, 그 터널(1)의 토피 부위를 절취하여 원지반의 토사를 고화제와 건비빔하여 층다짐한 고화 처리토(4)로 처리한 상태를 도시한다.

본 명세서에서, 상기와 같이 토사를 고화제와 건비빔하여 층다짐하는 것을 고화 처리라고 하며, 이와 같이 고화 처리된 토사를 고화토라 한다. 그리고 시멘트, 석고와 같은 결합제를 고화제라 한다.

본 발명은 터널(1) 굴착시 아칭력이 발생하지 않는 연약한 토사 지반으로 형성된 토피가 얇은 터널(1)을 시공하는 데 있어서, 터널(1)을 굴착하기 전에 계획된 터널의 터널 토피의 구조적 영향 범위 내에서 토피부의 연약한 토사 지반을 굴착하는 단계와; 터널 토피의 구조적 영향 범위 내에, 예정 터널 굴착 라인과 양호한 지반의 경계선에 접하여 굴착 발생토와 고화제를 건비빔한 것을 층 다짐하여 양호한 강도와 아칭력이 발생하는 토피의 두께를 만드는 단계를 구비한 고화토 보강에 의한 것과, 고화 처리한 토피를 다수의 선지보재(5)로 보강한 상태를 도시한 도 3과 같이 고화토를 관통하여 예정 터널 굴착면에 노출되도록 선지보재를 천공 삽입 그라우팅하여 추가 보강한다.

토피부의 연약한 토사 지반을 굴착하는 범위는 풍화암(2)보다 전단 강도가 작은 토사 지반의 지반 경계선과 터널 굴착선을 경계로 굴착선에서 터널(1) 외측으로 1~2m 정도 여유 있게 굴착한다. 굴착시, 사면이 발생될 때, 도 7과 같이, 소단을 주어 굴착하고 일시적 안정을 위해 사면보강 부재를 사용하여 보강할 수도 있다.

토피부를 굴착하는 단면의 폭은 터널 수치 해석시 발생하는 영향 범위 내로 하며 현장 여건상 불가피 할 때는 굴착 보강 범위 폭을 증감할 수 있으며 고화 처리 두께는 도로 2차선 폭 기준으로 터널 굴착 라인으로부터 최소 2m 이상이면 적절하다

이와 같은 보강의 종합적 안정성을 확인하는 것은 굴착 고화 처리한 부위를 물성과 범위를 모델링하여 수치 해석으로 터널의 안정을 확인하면 된다. 또한, 구조적으로 충분하지 않을 때에는 선지보재를 추가 보강하여 해석하면 된다.

고화 처리하는 방법은 터널 토피부의 습윤 상태의 원지반 토사와 시멘트 또는 시멘트와 같은 고화제(결합제)를 물을 사용하지 않고 섞어서 배합하여 20~50cm의 두께로 층다짐하는 것이다. 배합된 흙의 부피 1㎥당 50~150kg의 고화제가 사용된다. 이렇게 고화 처리된 고화토는 28일 경과 후, 강도가 30~100kg/㎠가 되며, 이 강도는 풍화암 상태의 원지반 강도와 비슷하나 절리가 없는 균질한 재료이므로 터널의 원지반 풍화암 상태보다 구조적으로 성능이 우수하다. 이를 양호한 강도 상태로 정의하기로 한다.

층다짐은 1~15ton의 소형 진동 롤러를 사용하며 진동 롤러의 크기는 지반의 종류와 층다짐 두께에 따라 적절하게 적용한다.

원지반 재료의 토사는 습윤 상태의 자갈이 섞인 조립질 토사로부터 실트질까지 다양하게 사용 가능하며 토사의 입자의 크기에 따라 고화제의 함량을 적절하게 조절 배합한다.

배합의 적정성은 콘크리트 배합 설계에 준하여 배합하고, 양생시는 살수를 하여 양생하고 강도는 일축 압축 시험을 통해 확인할 수 있으며 설계시 구조 해석에 사용되는 물성은 몰드 제작한 채취 시료의 평균 일축 압축 강도의 40%를 사용하는 것이 적절하다.

전체적인 시공 방법은 계획된 터널의 토피부의 연약한 토사 부분을 상기와 같이 보강 후, 살수하여 양생이 완료되면 계획된 터널 굴착 단면을 종래의 터널 공법으로 굴착 및 지보하면서 완성한다.

지보 방법은 토피부에서 이미 보강 부재를 사전에 설치하면 갱내 굴착시 숏크리트만 취부한 후, 굴착하는 공정을 반복하면 된다.

이 공법의 장점은 도 1에 도시된 종래의 카렌시안 공법과 같이, 콘크리트 타설 장비와 콘크리트 재료 등이 필요치 않고 소형 장비(무한 궤도 굴삭기)와 현지의 토사와 고화제만으로 시공이 가능하므로 산악지형의 계곡부 같은 곳에서도 적용할 수 있다.

도 3은 터널 토피를 고화 처리한 지반에 선지보재(5)를 추가 보강한 것을 도시한 도면이다.

고화 처리한 부분과 풍화암(2) 지반의 완전한 결합을 만들고 터널(1)의 추가적 구조적 안전을 확보하기 위해 선지보재(5)를 고화 처리한 지반에 설치한 것이다. 이때, 선지보재(5)는 수직으로 설치하거나 터널(1)의 중심에 방사 방향으로 설치하거나, 이 두 가지를 병행하여 지상에서 설치할 수 있다. 이때, 선지보재(5)를 설치하는 방법은 고화토를 시공한 후, 천공하여 삽입 후, 그라우팅 방법과 선지보재(5)를 수직으로 일정 간격으로 간단히 설치한 후, 그 사이를 고화토를 층다짐 할 수 있다. 터널 굴착시 갱내에서의 보강 방법은 터널 내에서 기존의 락볼트와 같이 설치하면 되지만 갱내에서 설치하면 락볼트 시공 공정이 굴착 공정과 함께 주공정이 되어 공기가 추가 되게 된다.

도 4는 사전 계획된 터널(1)의 굴착선까지 토사를 굴착 후, 굴착면에 예정된 터널의 보강을 미리 하기 위해 터널 굴착면 보강 부재(6)를 종횡으로 설치하고 고화 처리한 후, 그 위에 식생 가능한 유기질 토사(8)로 피복한 것을 도시한 것이다. 보강 부재로서는 스틸 부재가 적절하다.

굴착면에서 터널 굴착시의 사전 보강을 위해 스틸 부재인 터널 굴착면 보강 부재(6)를 종횡으로 설치하는 것은 토피의 국부적 낙반 방지와 가정한 낙반 무게를 고려하여 구조 계산하게 된다. 이때의 터널 굴착면 보강 부재(6)는 스틸 부재가 아니더라도 FRP 등 어떠한 소재도 가능할 것이다. 이 경우는 터널을 굴착할 때, 추가적으로 보강하기 위한 락볼트 또는 파이프 루프 등이 필요 없게 되어 공사비 절감과 공정이 간단해 진다.

상기와 같이 토피를 보강 완료한 후, 그 위에 식생 가능한 유기질 토사(8)로 피복하여 녹화 또는 나무를 심으면 환경을 복원할 수 있다.

도 5는 토사를 층다짐 후, 스트립 또는 그리드 보강 부재(7)를 층다짐 면에 포설하여 보강한 상태를 도시한 도면이다.

스트립 또는 지오 그리드 보강 부재(7)를 층다짐시 토사에 삽입 포설하면 지반 내에 보강 부재에 의한 c 값이 증가하게 된다. 따라서, 휨응력에도 견딜 수 있는 보강토사가 되는 것이다. 여기에서, c 값은 토질정수 중 점착력을 나타낸다.

보강 토사의 보강 범위는 터널의 단면 폭보다 두 배 이상 보강하는 것이 적절하다.

도 6은 토피부를 굴착 후, 예정 터널 굴착면에 터널 굴착면 보강 부재(6)를 설치하고 선지보재(5)를 터널 굴착면 보강 부재(6)와 연결하여 설치한 후, 고화토를 다짐 성토한 것으로 선지보재(5)를 고화토 내에 일체화 또는 마찰력을 확보하기 위해 선지보재(5)에 한 개 이상의 지압판(11)을 층다짐면에 설치한 것이다. 물론 보강 부재(6)와 연결하지 않은 경우에도 지압판(11)을 한 개 이상 층 다짐면에 설치할 수 있다.

상기의 고화토 보강과 선지보재 터널 굴착면 보강 부재(6)의 보강 설계는 충분히 전체 모델링을 실시하여 해석하여 지반의 변위와 안정성을 확인하면 된다. 여기에서, D는 터널폭을 나타낸다.

도 7은 터널(1)을 굴착하기 전에 계획된 터널(1)의 터널 토피의 구조적 영향 범위 내에서 토피부의 연약한 토사 지반을 굴착하는 단계에서 지표면이 편경사시 절취 사면이 크게 발생한다. 이 사면을 사면 보강 부재(12)로 보강한 것을 나타낸 도면이다. 또한, 경사사면에 직각으로 선지보 한 것을 도시한 도면이다.

1 : 터널 2 : 풍화암
3 : 토사층 4 : 고화 처리토
5 : 선지보재 6 : 터널 굴착면 보강 부재
7 : 스트립 또는 그리드 보강 부재 8 : 유기질 토사 9 : 철근콘크리트 아치 슬라브 10 : 되메우기 토사
11 : 지압판 12 : 사면 보강 부재
c : 토질정수 중 점착력 D : 터널폭

Claims (7)

1. 터널 굴착시 아칭력이 발생하지 않는 연약한 토사 지반으로 형성된 토피가 얇은 터널에 있어서,
   터널을 굴착하기 전에 계획된 터널의 터널 토피의 구조적 영향 범위 내에서 토피부의 연약한 토사 지반을 굴착하고 터널 토피의 구조적 영향 범위에, 예정 터널 굴착 라인과 양호한 지반의 경계선에 굴착 발생토와 고화제를 건비빔하여 층다짐하여 형성된 고화 처리토와,
   터널의 굴착라인까지 추가 보강된 선지보재가, 설치된 것을 특징으로 하는 고화토 보강에 의한 선지보 터널.
   
2. 터널 굴착시 아칭력이 발생하지 않는 연약한 토사 지반으로 형성된 토피가 얇은 터널에 있어서,
   터널을 굴착하기 전에 계획된 터널의 터널 토피의 구조적 영향 범위 내에서 토피부의 연약한 토사 지반을 굴착하고 터널 토피의 구조적 영향 범위에, 예정 터널 굴착 라인과 양호한 지반의 경계선에 굴착 발생토와 고화제를 건비빔하여 층다짐하여 형성된 고화 처리토와,
   터널의 갱내를 굴착하기 전에 계획된 터널의 토피부의 연약한 토사 지반을 굴착하고 예정 터널 굴착 면에 종횡으로 설치되는 터널 굴착면 보강 부재(6)를 가지는 것을 특징으로 하는 고화토 보강에 의한 선지보 터널.
   
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 고화토를 보강하기 위하여 층 다짐면에 추가 설치된 스트립 또는 그리드 보강 부재(7)를 가지는 것을 특징으로 하는 고화토 보강에 의한 선지보 터널.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   토피부를 굴착 후, 예정 터널 굴착면에 보강 부재를 설치하고 선지보재를 보강 부재와 연결하여 설치한 후, 다짐 성토하여 고화토를 형성하는 것을 특징으로 하는 고화토 보강에 의한 선지보 터널.
   
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   터널 토피부의 습윤 상태의 원지반 토사와 시멘트 또는 시멘트와 같은 고화제(결합제)를 물을 사용하지 않고 섞어서 배합하여 20~50cm의 두께로 층다짐하여 고화 처리토를 만드는 것을 특징으로 하는 고화토 보강에 의한 선지보 터널.
   
6. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   배합된 흙의 부피 1㎥당 50~150kg의 고화제가 사용되는 것을 특징으로 하는 고화토 보강에 의한 선지보 터널.
   
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   굴착 발생토와 고화제를 건비빔한 고화토를 다짐 성토한 지표면에 환경을 복원하기 위하여 식생용 유기질 토사를 피복하는 것을 특징으로 하는 고화토 보강에 의한 선지보 터널.
   

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