KR20170025442A - 워터제트를 이용한 터널시공방법 - Google Patents

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KR20170025442A
KR20170025442A KR1020150121889A KR20150121889A KR20170025442A KR 20170025442 A KR20170025442 A KR 20170025442A KR 1020150121889 A KR1020150121889 A KR 1020150121889A KR 20150121889 A KR20150121889 A KR 20150121889A KR 20170025442 A KR20170025442 A KR 20170025442A
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cut
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조남준
차원준
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국민대학교산학협력단
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Abstract

워터제트를 이용한 터널 시공 방법은 워터제트를 사용하여 터널의 하부를 제1 특정 형태로 절삭하는 단계, 그 단면이 상기 제1 특정 형태를 갖도록 형성되고, 그 하면에 윤활제가 도포된 금속 부재를 상기 절삭된 터널의 하부에 삽입하는 단계 및 상기 워터제트를 사용하여 상기 터널의 상부를 제2 특정 형태로 절삭하는 단계를 포함한다. 따라서, 워터제트를 이용한 터널 시공 방법은 터널을 굴착하는 과정에서 소음 및 진동을 최소화할 수 있다.

Description

워터제트를 이용한 터널시공방법{TUNNEL CONSTRUCTION METHOD USING WATER JET}
본 발명은 터널 시공 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 워터제트를 사용하여 암반을 절삭하고, 금속 부재를 사용하여 암석 부산물을 획득하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법에 관한 것이다.
신 오스트리아 터널 공법(NATM, New Austrian Tunneling Method)은 현재 터널을 시공하는 과정에서 주로 사용된다. 신 오스트리아 터널 공법은 굴착한 터널의 안쪽에서 천장 위의 지표 쪽과 터널 벽면을 향해 고정봉을 일정 간격으로 설치하여, 그 위에 콘크리트를 입혀서 천장이 받는 압력을 막으며, 기계나 폭약을 이용하여 발파를 수행한다. 신 오스트리아 터널 공법은 양방향에서 공사를 진행할 수 있고, 터널의 내구성이 높으며, 산악 터널에서부터 도시의 지하 터널까지 활용 범위가 넓다. 다만, 신 오스트리아 터널 공법은 소음 및 진동이 많이 발생하고, 여굴에 의하여 경제적인 문제점이 발생한다.
터널 굴착 장비(TBM, Tunnel Boring Machine)는 원형의 단면을 형성하도록 터널을 굴착할 수 있고, 지반 굴착에 따른 지반 변형을 최소화하여 시공 과정에서의 안전성을 최대한 확보할 수 있다. 또한, 터널 굴착 장비를 사용하여 시공된 터널은 구조물의 품질이 우수하고, 시공 관리가 용이하다. 다만, 터널 굴착 장비는 굴진 속도가 느리고, 가격이 높은 단점이 있다.
신 오스트리아 터널 공법 및 터널 굴착 장비는 터널을 시공하는 과정에서 발파 또는 굴착에 의한 부산물(예를 들어, 암석 부스러기)이 발생할 수 있고, 발생된 부산물은 다시 사용하기 어렵다.
한국공개실용신안 제20-2011-0007199호는 크러쉬 헤드에 형성된 워터 젯을 구비한 터널 굴진기에 관한 것으로, 디스크 커터(disc cutter)을 구비한 크러쉬 헤드(crush head)는 이중의 중공축으로 고정된 고정형 스크류(screw)가 장치되고, 상기 중공을 중심으로 다수의 고압 워터 젯 라인(water jet line)에서 고압수가 분사되어 암석을 절개하는 동시에, 크러쉬 헤드(crush head)내로 유입된 암석이 크러쉬 드럼(crush drum)과 상관하여 파쇄되고 고압수와 혼합된 슬러리(slurri)가 상기 스크류에 의해서 강제 배출되는 터널 굴진기에 대하여 개시한다.
한국등록특허 제10-1479267호는 터널 벽체를 선시공한 후 터널 내부를 굴착하는 비개착 터널 시공방법에 관한 것으로, 굴착될 터널의 횡방향 윤곽선 경계를 따라 다수 개의 강관을 압입하고, 압입된 강관들에 의해 형성된 터널의 횡단면 윤곽선을 기준으로 하여, 터널의 길이방향을 따라 상기 강관들이 서로 인접하는 인접부를 일정폭 만큼 절단하여 상기 강관들의 각 내부를 서로 연통시키는 연결공간을 형성하고, 상기 연결공간과 상기 강관 내부에 의해 형성된 작업공간에 터널 지지보를 터널의 전장(全長)에 걸쳐 순차적으로 설치하고 콘크리트를 타설함으로써 터널 벽체시공을 완료하고 난 이후에, 터널 내 토사의 굴착작업을 실시하여 터널을 시공하는 방법에 대하여 개시한다.
한국공개실용신안 제20-2011-0007199호 (2011. 07. 20 공개) 한국등록특허 제10-1479267호 (2014. 12. 29 등록)
본 발명의 일 실시예는 터널을 굴착하는 과정에서 소음 및 진동을 최소화할 수 있는 터널 시공 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 터널을 굴착하는 과정에서 발생된 암석 부산물을 획득하여 고가의 자재로 재활용할 수 있는 터널 시공 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 공사 기간을 단축시키고 공사 비용을 절감할 수 있는 터널 시공 방법을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 워터제트를 이용한 터널 시공 방법은 워터제트를 사용하여 터널의 하부를 제1 특정 형태로 절삭하는 단계, 그 단면이 상기 제1 특정 형태를 갖도록 형성되고 그 하면에 윤활제가 도포된 금속 부재를 상기 절삭된 터널의 하부에 삽입하는 단계 및 상기 워터제트를 사용하여 상기 터널의 상부를 제2 특정 형태로 절삭하는 단계를 포함한다.
상기 터널의 하부를 절삭하는 단계는 상기 워터제트의 노즐을 상기 터널의 단면과 수직한 방향으로 분사하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 터널의 하부를 절삭하는 단계는 상기 워터제트의 노즐을 상기 터널 단면의 수직 축으로부터 일정 각도 경사진 방향으로 분사하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 터널의 하부를 절삭하는 단계는 상기 워터 제트에 의한 절삭 거리의 종점에 상기 워터제트의 노즐을 삽입하기 위하여 노즐의 분사 방향을 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 터널의 하부를 절삭하는 단계는 상기 워터제트에 의하여 절삭되지 않은 암반을 절삭 보조 부재를 사용하여 절삭하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 터널의 하부를 절삭하는 단계는 상기 터널의 막장면의 둘레에 워터제트 고정 부재를 설치하여, 상기 워터제트를 고정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 터널의 상부를 절삭하는 단계는 상기 워터제트의 노즐을 상기 터널의 단면과 수직한 방향으로 분사하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 터널의 상부를 절삭하는 단계는 상기 워터제트의 노즐을 상기 터널 단면의 수직 축으로부터 일정 각도 경사진 방향으로 분사하는 단계를 더 포함할 수 있다.
워터제트를 이용한 터널 시공 방법은 상기 삽입된 금속 부재를 견인하여 상기 터널의 부산물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 터널의 부산물을 제거하는 단계는 상기 금속 부재를 견인하여 상기 금속 부재의 상면에 퇴적된 부산물을 상기 터널로부터 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 터널의 부산물을 제거하는 단계는 상기 금속 부재와 동일한 형상을 가진 추가 금속 부재를 상기 절삭된 터널의 상부에 삽입하여 상기 금속 부재와 결합하고, 상기 금속 부재 및 상기 추가 금속 부재에 비틀림(Torsion)을 가하여 상기 워터제트에 의하여 절삭되지 않은 암반을 절삭하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 터널의 부산물을 제거하는 단계는 상기 금속 부재에 형성된 고리에 견인 부재를 연결하여, 상기 견인 부재를 통해 상기 금속 부재를 견인하는 단계를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 터널의 부산물을 제거하는 단계는 상기 워터제트에 의하여 절삭되지 않은 암반을 천공하고, 상기 천공된 영역에 유압 부재를 삽입하여 상기 암반을 절삭하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 터널의 부산물을 제거하는 단계는 상기 금속 부재의 하면에 이동 부재를 결합하여, 상기 이동 부재를 통해 상기 금속 부재를 견인하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 워터제트를 이용한 터널 시공 방법은 터널을 굴착하는 과정에서 소음 및 진동을 최소화할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 워터제트를 이용한 터널 시공 방법은 터널을 굴착하는 과정에서 발생된 암석 부산물을 획득하여 고가의 자재로 재활용할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 워터제트를 이용한 터널 시공 방법은 공사 기간을 단축시키고 공사 비용을 절감할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 워터제트를 이용한 터널 시공 방법을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 터널 시공 방법의 시계열적 과정을 설명하는 도면이다.
도 3은 도 1에 있는 터널 시공 방법에 의하여 굴착된 터널의 측면을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 있는 워터제트의 분사 방향을 제어하여 터널을 굴착하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 5는 도 1에 있는 워터제트에 의하여 절삭되지 않은 암반을 절삭하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 도 1에 있는 워터제트를 이용한 터널 시공 과정을 설명하는 순서도이다.
도 7은 도 6에 있는 터널의 시공을 준비하는 과정을 설명하는 순서도이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 워터제트를 이용한 터널 시공 방법을 설명하는 도면이고, 도 2는 도 1에 있는 터널 시공 방법의 시계열적 과정을 설명하는 도면이다. 도 3은 도 1에 있는 터널 시공 방법에 의하여 굴착된 터널의 측면을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 1에 있는 워터제트의 분사 방향을 제어하여 터널을 굴착하는 과정을 설명하는 도면이다.
여기에서, 본 발명의 도면 및 도면에 대한 상세한 설명은 발명의 일 실시예에 해당하는 것에 불과하고, 본 발명은 도면 및 상세한 설명의 실시예에 제한되지 않는다. 즉, 터널의 단면을 원의 형태로 절삭하는 방법은 본 발명의 일 실시예에 불과하며, 다른 일 실시예에서는 이와 다른 형태의 단면을 가지도록 터널을 굴착할 수 있다.
도 1을 참조하면, 워터제트를 이용한 터널 시공 방법(100)은 워터제트(110)를 사용하여 터널의 하부를 제1 특정 형태로 절삭할 수 있다. 예를 들어, 제1 특정 형태는 하반원의 형태에 해당할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, 워터제트(110)는 초고압수를 분사하여 터널을 절삭하는 장비에 해당할 수 있고, 초고압수는 터널의 암반을 절삭할 수 있는 고압력수를 의미한다. 워터제트(110)를 사용하여 터널의 하부를 절삭하기 전에, 작업자는 지질 조사의 결과, 워터제트의 성능, 준비된 금속 부재(120)의 형상에 따라 계획선을 측량할 수 있다. 계획선은 금속 부재(120)가 삽입될 수 있도록 하반원의 형태로 설계될 수 있다. 즉, 워터제트(110)는 계획선을 따라 초고압수를 분사하여, 터널의 하부를 하반원의 형태로 절삭할 수 있다.
워터제트(110)의 노즐은 터널의 단면과 수직한 방향으로 분사될 수 있고, 분사된 초고압수는 터널의 하부를 절삭할 수 있다. 워터제트(110)의 절삭 거리(a)는 1회의 터널 시공 과정을 진행하기 부족할 수 있고, 워터제트(110)는 절삭 거리(a)의 종점에서 다시 분사될 수 있다. 즉, 1회의 터널 시공 과정에서 워터제트(110)는 동일한 방향으로 복수회 분사될 수 있다. 예를 들어, 워터제트(110)의 절삭 거리(a)가 30cm에 해당하고 1회의 시공 거리(c)가 90cm에 해당하는 경우, 작업자는 워터제트(110)를 3회 작동시켜 터널의 90cm를 절삭할 수 있다. 여기에서, 시공 거리는 본 발명에 의한 터널 시공 과정을 1회 실시한 터널 절삭 거리(c)에 해당할 수 있다.
일 실시예에서, 워터제트(110)의 노즐은 터널 단면의 수직 축으로부터 일정 각도(θ) 경사진 방향으로 분사될 수 있고, 분사된 초고압수는 터널의 하부를 그 단면의 수직 축으로부터 경사진 방향으로 절삭할 수 있다. 예를 들어, 작업자는 워터제트(110)의 노즐을 터널의 단면과 수직한 방향으로 분사한 후, 노즐의 방향을 터널의 상부 방향으로 6도 기울여 분사할 수 있다. 워터제트(110)의 1회의 절삭 단면의 지름이 3cm에 해당하는 경우, 작업자는 절삭 단면의 지름(b)이 6cm에 해당하도록 노즐의 분사 방향을 제어할 수 있다. 따라서, 작업자는 워터제트(110) 노즐의 분사 방향을 제어하여, 절삭 거리(a)의 종점에서 노즐의 삽입 공간을 확보할 수 있다.
워터제트(110) 노즐의 분사 방향은 절삭 거리(a)의 종점에서 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 워터제트(110)의 1회 분사에 의하여 절삭된 터널 단면의 넓이는 워터제트(110)가 삽입되기에 부족할 수 있다. 따라서, 워터제트(110)의 노즐은 분사 방향을 달리하여 각각 분사될 수 있고, 터널의 하부는 워터제트(110)가 삽입되기에 충분한 공간을 가지도록 절삭될 수 있다. 워터제트(110)는 시공 거리(c)를 절삭하기 위하여 절삭 거리(a)의 종점에 삽입되어 복수회 분사될 수 있다.
금속 부재(120)는 그 단면이 제1 특정 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 금속 부재(120)는 절삭된 터널의 하부와 동일한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 터널의 하부가 하반원의 형태로 절삭되는 경우, 금속 부재(120)는 굴곡진 하반원으로 형성될 수 있고, 그 하면에 윤활제가 도포될 수 있다. 금속 부재(120)는 절삭된 터널의 하부에 삽입될 수 있다. 금속 부재(120)는 1회의 터널 시공 과정을 완료하여 터널의 부산물을 획득하기 위하여 삽입될 수 있다. 금속 부재(120)는 터널 하부로부터 용이하게 견인되기 위하여 그 하면에 윤활제가 도포될 수 있다. 예를 들어, 윤활제는 친환경 터널 시공을 위하여 친환경 윤활제가 사용될 수 있고, 금속 부재(120)의 마찰력을 감소시켜 터널 하부로부터 용이하게 견인될 수 있다. 윤활제의 성능은 금속 부재(120)의 상면에 적재되는 부산물의 중량에 따라 고려될 수 있다.
워터제트(110)는 터널의 상부를 제2 특정 형태로 절삭할 수 있다. 예를 들어, 제2 특정 형태는 상반원의 형태에 해당할 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 여기에서, 제2 특정 형태는 절삭된 터널 하부의 형태에 따라 결정될 수 있다. 작업자는 절삭된 터널 하부의 형태에 따라 계획선을 설계할 수 있다. 계획된 터널 상부의 형태는 절삭된 터널 하부의 형태와 상하 대칭을 형성할 수 있다.
워터제트(110)의 노즐은 터널의 단면과 수직한 방향으로 분사될 수 있고, 분사된 초고압수는 터널의 상부를 절삭할 수 있다. 일 실시예에서, 워터제트(110)는 동일한 방향으로 복수회 분사될 수 있다. 워터제트(110)는 터널의 하부의 시공 거리(c)를 기초로 복수회 분사될 수 있다.
일 실시예에서, 워터제트(110)의 노즐은 터널 단면의 수직 축으로부터 일정 각도(θ) 경사진 방향으로 분사될 수 있고, 분사된 초고압수는 터널의 상부를 그 단면의 수직 축으로부터 경사진 방향으로 절삭할 수 있다. 예를 들어, 작업자는 워터제트(110)의 노즐을 터널의 단면과 수직한 방향으로 분사한 후, 노즐의 방향을 터널의 하부 방향으로 6도 기울여 분사할 수 있다. 워터제트(110)의 1회의 절삭 단면의 지름이 3cm에 해당하는 경우, 작업자는 절삭 단면의 지름(b)이 6cm에 해당하도록 노즐의 분사 방향을 제어할 수 있다. 따라서, 작업자는 워터제트(110) 노즐의 분사 방향을 제어하여, 절삭 거리(a)의 종점에서 노즐의 삽입 공간을 확보할 수 있다.
워터제트(110) 노즐의 분사 방향은 절삭 거리(a)의 종점에서 제어될 수 있다. 보다 구체적으로, 워터제트(110)의 1회 분사에 의하여 절삭된 터널 단면의 넓이는 워터제트(110)가 삽입되기에 부족할 수 있다. 따라서, 워터제트(110)의 노즐은 분사 방향을 달리하여 각각 분사될 수 있고, 터널의 상부는 워트제트(110)가 삽입되기에 충분한 공간을 가지도록 절삭될 수 있다. 워터제트(110)는 시공 거리(c)를 절삭하기 위하여 절삭 거리(a)의 종점에 삽입되어 복수회 분사될 수 있다.
도 2a에서, 작업자는 워터제트(110)의 노즐을 터널의 단면과 수직한 방향으로 분사하고, 분사된 초고압수는 터널의 하부를 절삭할 수 있다. 터널의 하부가 수직한 방향으로 절삭된 후, 워터제트(110)의 노즐은 터널 단면의 수직 축으로부터 일정 각도(θ) 경사진 방향으로 분사될 수 있고, 분사된 초고압수는 터널의 하부를 그 단면의 수직 축으로부터 경사진 방향으로 절삭할 수 있다.
도 2b에서, 금속 부재(120)는 절삭된 터널의 하부에 삽입될 수 있고, 그 하면에 윤활제가 도포될 수 있다. 윤활제는 금속 부재(120)의 마찰력을 감소시켜, 금속 부재(120)는 터널의 바깥을 향하여 용이하게 견인될 수 있다.
도 2c에서, 작업자는 워터제트(110)의 노즐을 터널의 단면과 수직한 방향으로 분사하고, 분사된 초고압수는 터널의 상부를 절삭할 수 있다. 터널의 상부가 수직한 방향으로 절삭된 후, 워터제트(110)의 노즐은 터널 단면의 수직 축으로부터 일정 각도(θ) 경사진 방향으로 분사될 수 있고, 분사된 초고압수는 터널의 상부를 그 단면의 수직 축으로부터 경사진 방향으로 절삭할 수 있다.
도 2d에서, 터널의 하부에 삽입된 금속 부재(120)는 견인 부재(210)에 의하여 견인될 수 있다. 금속 부재(120)는 그 상단에 터널의 부산물(10)을 적재할 수 있고, 터널 밖으로 견인되어 터널의 부산물(10)을 제거할 수 있다. 여기에서, 터널 시공 방법(100)은 워터제트(110)를 사용하여 터널의 상하부를 각각 상반원, 하반원으로 절삭하기 때문에, 절삭 위치로부터 떨어진 부산물(10)은 본래의 형상을 유지할 수 있다. 예를 들어, 부산물(10)은 적어도 일 변의 길이가 1m에 이르는 암반에 해당하거나, 크게는 일 변의 길이가 3m에 이르는 암반에 해당할 수 있다. 따라서, 터널을 굴착하는 과정에서 발생된 암석 부산물(10)은 석재 공장 또는 암반의 가공 장소에 납품되어 고가의 자재로 재활용될 수 있다. 부산물(10)은 공사 비용에 일부 충당되는 경우, 터널 시공 방법(100)은 공사 비용을 절감할 수 있다.
일 실시예에서, 견인 부재(210)는 금속 부재(120)에 형성된 고리와 연결되어, 금속 부재(120)를 견인할 수 있다. 보다 구체적으로, 금속 부재(120)는 견인 방향을 향하여 형성된 적어도 하나의 고리를 포함할 수 있고, 견인 부재(210)는 적어도 하나의 고리와 체결되어 금속 부재(120)에 인력을 제공할 수 있다.
일 실시예에서, 금속 부재(120)는 그 하면에 이동 부재(미도시)를 포함할 수 있다. 이동 부재는 절삭된 면과 접촉하여 금속 부재(120)를 이동시킬 수 있다. 일 실시예에서, 이동 부재는 차륜으로 구현될 수 있다.
도 3에서, 워터제트 고정 부재(320)는 터널의 막장면(310)의 둘레에 설치되어 워터제트(110)를 고정시킬 수 있다. 워터제트 고정 부재(320)는 워터제트(110)가 초고압수를 분사하는 과정에서 노즐의 방향이 틀어지지 않도록 워터제트(110)를 고정시킬 수 있다.
도 4a에서, 워터제트(110)의 노즐은 터널의 단면과 수직한 방향으로 분사될 수 있고, 분사된 초고압수는 터널을 절삭 거리(a)만큼 절삭할 수 있다.
도 4b에서, 워터제트(110)의 노즐은 터널 단면의 수직 축으로부터 일정 각도(θ) 경사진 방향으로 분사될 수 있고, 분사된 초고압수는 터널을 그 단면의 수직 축으로부터 경사진 방향으로 절삭할 수 있다.
도 4c에서, 워터제트(110)의 노즐은 절삭 거리(a)의 종점에 삽입되어, 터널의 단면과 수직한 방향으로 분사될 수 있다. 워터제트(110)는 절삭 거리(a)의 종점에서 터널을 절삭 거리(a)만큼 절삭할 수 있다.
도 4d에서, 워터제트(110) 노즐의 분사 방향은 절삭 거리(a)의 종점에서 제어될 수 있다. 워터제트(110)의 노즐은 터널 단면의 수직 축으로부터 일정 각도 경사진 방향으로 분사되어, 터널을 그 단면의 수직 축으로부터 경사진 방향으로 절삭할 수 있다.
도 5는 도 1에 있는 워터제트에 의하여 절삭되지 않은 암반을 절삭하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 5a에서, 절삭 보조 부재(510)는 워터제트(110)에 의하여 절삭되지 않은 암반(20)을 절삭할 수 있다. 보다 구체적으로, 워터제트(110)가 분사되어 터널의 상부 또는 하부를 굴착하는 과정에서, 워터제트(110)의 절삭력이 부족하여 일부 암반(20)이 절삭되지 않을 수 있다. 즉, 워터제트(110)를 사용하여 절삭할 수 없는 암반(20)은 절삭 보조 부재(510)를 사용하여 절삭할 수 있다. 절삭 보조 부재(510)는 일단이 뾰족한 형태로 형성되고, 다른 일단은 넓적한 형태로 형성될 수 있다. 절삭 보조 부재(510)의 뾰족한 일단은 절삭된 터널 단면을 통해 절삭되지 않은 암반(20)의 표면에 수직으로 접촉될 수 있고, 절삭 보조 부재(510)의 넓적한 일단은 외부의 힘을 받을 수 있다. 절삭 보조 부재(510)는 뾰족한 일단을 통해 절삭되지 않은 암반(20)에 충격을 가하여 절삭되지 않은 암반을 절삭할 수 있다.
도 5b에서, 워터제트(110)에 의하여 절삭되지 않은 암반(20)은 터널의 절삭 방향을 향해 천공될 수 있다. 유압 부재(520)는 절삭되지 않은 암반(20)의 천공된 영역에 삽입될 수 있다. 유압 부재(520)는 절삭되지 않은 암반(20)에 전기적 충격을 가할 수 있고, 절삭되지 않은 암반(20)은 절리를 따라 분리될 수 있다. 절삭되지 않은 암반(20)은 복수의 영역들이 천공될 수 있고, 유압 부재(520)는 천공된 영역들에 각각 삽입되어, 절삭되지 않은 암반(20)을 원하는 형상으로 분리할 수 있다.
일 실시예에서, 유압 부재(520)는 무진동 유압암반 절개장비(HRS, Hydro Rock Splitter)로 구현될 수 있다. 무진동 유압암반 절개장비(520)는 팽창부(522)를 천공 내에 삽입하여, 팽창부(522)를 팽창시킬 수 있다. 보다 구체적으로, 무진동 유압암반 절개장비는 내부의 고무 튜브를 통해 유압을 발생시켜 팽창부(522)를 팽창시킬 수 있다. 절삭되지 않은 암반(20)은 팽창부(522)의 팽창에 의하여 분리될 수 있다. 무진동 유압암반 절개장비(520)는 암반을 파쇄하거나 절개하는 과정에서 소음, 진동 및 분진 형상을 최소화할 수 있고, 인근 구조물(예를 들어, 기 시공된 터널 구조물, 삽입된 금속 부재)에 영향을 미치지 않는다. 또한, 무진동 유압암반 절개장비(520)는 소형 및 경량으로 구현되어, 터널의 시공에 용이하게 사용될 수 있다.
다른 일 실시예에서, 유압 부재(520)는 GNR 장비로 구현될 수 있다. GNR 장비(520)는 절삭되지 않은 암반(20)을 일정한 간격을 따라 천공하여, 진동부(522)를 천공 내에 삽입할 수 있다. GNR 장비(520)는 유압을 이용하여 진동부(522)에 진동을 발생시킬 수 있고, 절삭되지 않은 암반(20)은 진동부(522)의 진동에 의하여 절삭될 수 있다. GNR 장비(520)는 암반을 절삭하는 과정에서 진동, 소음, 분진 및 비산의 발생을 방지하여 환경 공해를 예방할 수 있다. 또한, GNR 장비(520)는 암반의 절삭 방향, 절삭 깊이 등을 용이하게 조절할 수 있다.
또 다른 일 실시예에서, 유압 부재(520)는 할암 장비로 구현될 수 있다. 절삭되지 않은 암반(20)은 착암기 또는 드릴에 의하여 천공될 수 있고, 할암 장비(520)는 천공 내에 삽입될 수 있다. 보다 구체적으로, 할암 장비(520)는 외측 부재 및 내측 부재를 포함할 수 있다. 할암 장비(520)는 외측 부재를 천공 내에 삽입하고, 유압을 이용하여 내측 부재를 외측 부재를 향하여 압박할 수 있다. 예를 들어, 외측 부재는 서로 분리된 2개의 날들로 구현될 수 있고, 내측 부재는 2개의 날들 사이에 배치될 수 있다. 2개의 날들은 내측 부재에 의하여 바깥 방향으로 밀려날 수 있고, 절삭되지 않은 암반(20)을 파쇄할 수 있다.
도 5c에서, 금속 부재(120) 및 추가 금속 부재(530)는 터널의 절삭된 영역에 삽입되어 서로 결합할 수 있다. 금속 부재(120)는 터널의 하부에 미리 삽입되고, 추가 금속 부재(530)는 금속 부재(120)와 대칭될 수 있도록 터널의 상부에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 금속 부재(120) 및 추가 금속 부재(530)의 결합된 단면은 원으로 형성될 수 있다. 금속 부재(120) 및 추가 금속 부재(530)는 외부의 힘에 의하여 비틀림(Torsion)을 받을 수 있고, 워터제트(110)에 의하여 절삭되지 않은 암반(20)을 절삭할 수 있다. 즉, 금속 부재(120) 및 추가 금속 부재(530)는 비틀림에 의한 힘을 절삭되지 않은 암반(20)의 절리를 따라 제공하여, 암반을 절삭할 수 있다.
도 6은 도 1에 있는 워터제트를 이용한 터널 시공 과정을 설명하는 순서도이다.
터널 시공 방법(100)을 통해 터널을 시공하기에 앞서, 작업자는 터널이 시공될 지역의 지질을 조사할 수 있다(단계 S610). 지질의 상태는 터널의 시공 여부를 결정하고 터널 시공의 진행 계획을 설립하는데 중요한 요소 중 하나에 해당할 수 있다. 예를 들어, 작업자는 암석의 종류와 분포, 주향, 경사, 단층과 같은 지질의 상태를 조사할 수 있다. 터널의 시공사는 지질의 상태에 따라 터널의 시공 위치를 결정할 수 있다.
터널의 시공이 결정되면, 터널의 시공사는 터널의 시공을 위해 필요한 준비를 할 수 있다(단계 S620). 일 실시예에서, 굴착면 또는 막장면(310)에서 절삭을 시작하기에 앞서, 작업자는 토사물을 굴삭할 수 있다. 작업자는 삽을 통해 토사물을 직접 굴삭하거나, 굴삭기, 기타 장비를 사용하여 굴삭할 수 있다.
터널의 시공을 준비하는 과정은 침사지를 설치하고, 용수처리막을 설치하며, 절삭 계획선을 설계하고, 워터제트를 설치하는 과정을 포함할 수 있다. 이하, 터널의 시공을 준비하는 과정은 도 7에서 자세히 설명한다.
작업자는 워터제트(110)를 사용하여 터널의 하부를 하반원의 형태로 절삭할 수 있다(단계 S630).
금속 부재(120)는 터널 하부의 절삭된 영역에 삽입될 수 있고, 그 하면에 윤활제가 도포될 수 있다(단계 S640).
작업자는 워터제트(110)를 사용하여 터널의 상부를 상반원의 형태로 절삭할 수 있다(단계 S650).
일 실시예에서, 절삭 보조 부재(510), 유압 부재(520), 금속 부재(120)와 결합된 추가 금속 부재(530)는 워터제트(110)에 의하여 분리되지 않은 암석을 분리할 수 있다(단계 S660).
견인 부재(210)는 삽입된 금속 부재(120)를 견인하여 터널의 부산물을 제거할 수 있다(단계 S670).
상기 기재된 시공 과정이 완료되면, 작업자는 터널의 막장면(310)에서부터 상기 시공 과정을 반복할 수 있다(단계 S680). 일 회의 시공 거리(c)는 워터제트의 절삭 거리(a), 금속 부재(120)의 크기, 절리의 존재 여부, 지질의 상태와 같이 복합적인 요소들에 의하여 결정될 수 있다. 터널은 복수회의 시공 과정을 반복하여 완성될 수 있고, 본 발명의 실시예들에 의한 터널 시공 방법(100)은 소음 및 진동을 최소화하고, 굴착 과정에서 발생된 암석 부산물을 획득할 수 있으며, 공사 기간을 단축시키고 공사 비용을 절감할 수 있다.
도 7은 도 6에 있는 터널의 시공을 준비하는 과정을 설명하는 순서도이다.
도 7에서, 터널의 시공을 준비하는 단계(S620)에 대한 실시예들이 개시될 수 있고, 도 7에 대한 실시예는 복수의 과정들(S710 ~ S750) 간의 순서를 한정하는 것이 아니다. 따라서, 복수의 과정들 간의 순서는 실시예에 따라서 변할 수 있다.
작업자는 굴착면 또는 막장면(310)의 주변을 정리할 수 있다(단계 S710). 보다 구체적으로, 작업자는 굴착면 또는 막장면(310)의 주변에서 토사물을 굴삭할 수 있다. 작업자는 삽을 통해 토사물을 직접 굴삭하거나, 굴삭기, 기타 장비를 사용하여 굴삭할 수 있다.
침사지는 워터제트(110)에 의한 배출 용수를 수용하기 위하여 설치될 수 있다(단계 S720). 워터제트(110)는 초고압수를 분사하기 때문에 시공 과정에서 상당한 양의 물이 사용될 수 있고, 배출 용수를 재활용하여 다시 분사할 수 있다. 시공 과정에서 사용된 배출 용수는 시공 지역을 통과하면서 토양 물질을 포함할 수 있고, 침사지는 토양 물질을 침전시켜 청정수를 획득할 수 있다. 워터제트(110)는 청정수를 사용하여 장비의 이상을 방지할 수 있다.
용수처리막은 금속 부재(120)의 상면으로 흐르는 물을 취합하기 위하여 설치될 수 있다(단계 S730). 암반 절삭시 사용된 용수는 금속 부재(120)의 상면으로 흐를 수 있고, 용수처리막은 용수를 침사지에 제공할 수 있다. 일 실시예에서, 용수처리막은 방수 재질의 천막으로 구현될 수 있다.
절삭이 진행될 계획선은 기 수행된 지질 조사의 결과, 워터제트의 성능, 준비된 금속 부재(120)의 형상에 따라 측량될 수 있다. 터널의 하부는 하반원의 형태로 절삭될 수 있고, 계획선은 굴곡진 하반원으로 형성된 금속 부재(120)가 삽입될 수 있도록 설계될 수 있다. 일 실시예에서, 계획선은 절삭을 용이하게 하기 위하여 스프레이로 그려질 수 있고, 워터제트(110)는 계획선을 따라 터널을 절삭할 수 있다(단계 S740).
워터제트(110)는 초고압수를 분사하기 위하여 일정 위치에 고정되어야 하고, 펌프를 연결하여 물을 공급 받을 수 있다(단계 S750). 워터제트(110)는 막장면(310)에 고정되고 계획선을 따라 분사할 수 있도록 설치될 수 있다. 일 실시예에서, 워터제트(110)의 노즐은 터널 단면의 수직 축으로부터 일정 각도(θ) 경사진 방향으로 분사될 수 있고, 분사된 초고압수는 터널의 하부를 그 단면의 수직 축으로부터 경사진 방향으로 절삭할 수 있다. 워터제트(110)의 노즐은 분사 방향을 달리하여 각각 분사될 수 있고, 터널은 워터제트(110)가 삽입되고 고정되기에 충분한 공간을 가지도록 절삭될 수 있다.
따라서, 워터제트를 이용한 터널 시공 방법(100)은 터널을 굴착하는 과정에서 소음 및 진동을 최소화할 수 있고, 암석 부산물을 획득하여 고가의 자재로 재활용할 수 있다. 또한, 워터제트를 이용한 터널 시공 방법(100)은 공사 기간을 단축시키고 공사 비용을 절감할 수 있다.
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 통상의 기술자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 터널 시공 방법
110: 워터제트 120: 금속 부재
210: 견인 부재 310: 터널의 막장면
320: 워터제트 고정 부재 510: 절삭 보조 부재
520: 유압 부재 530: 추가 금속 부재

Claims (14)

  1. 워터제트를 사용하여 터널의 하부를 제1 특정 형태로 절삭하는 단계;
    그 단면이 상기 제1 특정 형태를 갖도록 형성되고 그 하면에 윤활제가 도포된 금속 부재를 상기 절삭된 터널의 하부에 삽입하는 단계; 및
    상기 워터제트를 사용하여 상기 터널의 상부를 제2 특정 형태로 절삭하는 단계를 포함하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 터널의 하부를 절삭하는 단계는
    상기 워터제트의 노즐을 상기 터널의 단면과 수직한 방향으로 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 터널의 하부를 절삭하는 단계는
    상기 워터제트의 노즐을 상기 터널 단면의 수직 축으로부터 일정 각도 경사진 방향으로 분사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 터널의 하부를 절삭하는 단계는
    상기 워터제트에 의한 절삭 거리의 종점에 상기 워터제트의 노즐을 삽입하기 위하여 노즐의 분사 방향을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 터널의 하부를 절삭하는 단계는
    상기 터널의 막장면의 둘레에 워터제트 고정 부재를 설치하여, 상기 워터제트를 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 터널의 상부를 절삭하는 단계는
    상기 워터제트의 노즐을 상기 터널의 단면과 수직한 방향으로 분사하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 터널의 상부를 절삭하는 단계는
    상기 워터제트의 노즐을 상기 터널 단면의 수직 축으로부터 일정 각도 경사진 방향으로 분사하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 터널의 상부를 절삭하는 단계는
    상기 워터제트에 의하여 절삭되지 않은 암반을 절삭 보조 부재를 사용하여 절삭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 터널의 상부를 절삭하는 단계는
    상기 워터제트에 의하여 절삭되지 않은 암반을 천공하고, 상기 천공된 영역에 유압 부재를 삽입하여 상기 암반을 절삭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 삽입된 금속 부재를 견인하여 상기 터널의 부산물을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 터널의 부산물을 제거하는 단계는
    상기 금속 부재를 견인하여 상기 금속 부재의 상면에 퇴적된 부산물을 상기 터널로부터 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  12. 제10항에 있어서, 상기 터널의 부산물을 제거하는 단계는
    상기 금속 부재와 동일한 형상을 가진 추가 금속 부재를 상기 절삭된 터널의 상부에 삽입하여 상기 금속 부재와 결합하고, 상기 금속 부재 및 상기 추가 금속 부재에 비틀림(Torsion)을 가하여 상기 워터제트에 의하여 절삭되지 않은 암반을 절삭하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  13. 제10항에 있어서, 상기 터널의 부산물을 제거하는 단계는
    상기 금속 부재에 형성된 고리에 견인 부재를 연결하여, 상기 견인 부재를 통해 상기 금속 부재를 견인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.
  14. 제10항에 있어서, 상기 터널의 부산물을 제거하는 단계는
    상기 금속 부재의 하면에 이동 부재를 결합하여, 상기 이동 부재를 통해 상기 금속 부재를 견인하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터제트를 이용한 터널 시공 방법.

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KR20110007199U (ko) 2010-01-13 2011-07-20 김헌우 크러쉬 헤드에 형성된 워터 젯을 구비한 터널 굴진기
KR101479267B1 (ko) 2012-12-24 2015-01-05 최희숙 터널 벽체를 선시공한 후 터널 내부를 굴착하는 비개착 터널 시공방법

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