KR20190023619A - 터널 굴착면 보강구조체 및 이를 이용한 터널 보강 방법 - Google Patents

Abstract

터널 굴착면 보강구조체 및 이를 이용한 터널 보강 방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 터널 굴착면 보강구조체는, 굴착면에 굴착 단면 방향으로 설치되는 제1 아치형 보강재와, 굴착면의 굴착 단면 방향으로 제1 보강재 내측에 일정한 거리를 두고 이격 설치되는 제2 아치형 보강재, 그리고 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재를 연결하는 복수의 연결 보강재를 포함하여 구성되며, 이와 같은 구성에 의하면 표준 설계 시방서에서 요구되는 강관 보강재 설치 각도(5 ~ 20 도)로 터널 굴착면 상부 지반을 강관 보강재로 보강할 수 있다.

Description

터널 굴착면 보강구조체 및 이를 이용한 터널 보강 방법{Tunnel Reinforcement structure and Tunnel Reinforcement methods using the same}

본 발명은 터널 굴착면 보강구조체 및 이를 이용한 터널 보강 방법에 관한 것으로, 특히 표준 설계 시방서에서 요구되는 강관 보강재 설치 각도(5 ~ 20도)로 터널 굴착면 상부 지반에 대한 강관 보강을 가능토록 한 터널 굴착면 보강구조체 및 이를 이용한 터널 보강 방법에 관한 것이다.

터널 시공에 있어 굴착면 상반부 지반 보강을 위해 일반적으로 사용되는 공법이 강관형 보강재를 이용한 강관 그라우팅 공법이다. 이는 연약 지반에 터널을 굴착하는 경우 널리 채택되는 보강 공법으로, 굴착 되지 않은 굴착 예정 지반의 주변을 그라우팅을 통해 지반 내에 정착되는 강관형 보강재로 미리 강화하여 굴착 과정에서 지반 붕괴나 변위를 막는데 있어 효과적인 공법이다.

강관 그라우팅을 이용한 터널 보강에 있어서는 일반적으로, 굴착면 상반부 주변을 터널 길이방향으로 천공하고, 천공에 의한 홀 내부에 강관 보강재를 설치한다. 그리고 강관 보강재를 통하여 강관 보강재 내부와 강관 보강재와 천공홀 벽면 사이, 그리고 천공홀 벽면 주변의 지반 내부를 가압 그라우팅함으로써 굴착면 상반부를 보강하게 된다.

천공에는 드릴비트를 갖춘 전용 천공장비가 이용되며, 천공홀의 내부에 강관 보강재를 삽입한 뒤에는 천공홀 입구를 코킹주머니나 급결제를 이용하여 밀폐하는 코킹을 실시한다. 그런 다음 그라우트호스를 통하여 그라우트재를 가압식으로 주입함으로써 굴착 예정 지반 주위의 이완을 막고 인장 강도를 증대시켜 전단 저항이 강화되도록 하는 것이다.

한편, 터널 굴착에 있어 일반적으로 이용되고 있는 NATM 공법(New Austrian Tunneling Method)은, 굴착된 막장 자유면(굴착면)에 즉시 가설재로서 H빔 또는 앵글형 지보인 강지보를 설치한 후, 강지보를 포함하여 그 주변을 일정 두께로 숏크리트 타설함으로써 굴착면 상부 지반을 보강하고 이완을 신속하게 중지시켜 굴착면에 대한 안정화를 도모하는 공법이다.

NATM 공법을 이용하여 터널 굴착 시 강관 그라우팅으로 굴착면 상부 지반을 보강함에 있어서는, 굴착면 상부 지반에 소정의 각도로 상향 설치된 강관 보강재의 일측 단부(터널 굴진 방향을 기준으로 했을 때 선단부)가 강지보 바로 위쪽에 위치하여 상기 강지보의 지지를 받는 구조이어야 보강효과를 극대화할 수 있다. 강지보 사이의 간격은 지반 상태에 따라 차이는 있으나 대략 0.5 ~ 1.2m일 수 있다.

터널 설계 단계에서 지반 상태나 지질을 고려하여 터널 굴착 주변부의 적절한 범위 내에서 강관 그라우팅의 범위를 결정한다. 좀 더 구체적으로는, 강관 그라우팅으로 굴착 주변부를 보강함에 있어서는 설치되는 강관의 규격, 길이, 그리고 간격과 각도(설치 각도가 크면 중첩 길이가 작아져 보강 효과가 저하됨) 등을 주요 설계 파라미터로 삼아 설계를 하게 된다.

그러나 굴착 예정 지반 상부 보강을 위해 강관 그라우팅을 수행함에 있어 제한된 공간에서 작업을 수행해야 하는 현장 여건상 천공장비의 드리프터와 강지보 사이의 간섭, 강지보와 인접 강지보 사이의 짧은 거리, 그리고 강관 자체의 길이 등으로 인하여 표준 설계 시방서에서 요구하는 각도(숏크리트 면에 대해 약 5 ~ 20도 이하의 각도)를 그대로 적용하기가 곤란한 경우가 있다.

시방서의 요구 각도를 맞추기 위해, 터널 굴착 후 강지보를 설치하고 숏크리트를 타설한 다음, 숏크리트 면 하단에서 설계된 각도로 천공하고 강관 보강재를 설치하는 방법을 사용하기도 한다. 그러나 굴착이 진행됨에 따라 노출되는 강관 보강재와 이후 설치되는 강지보 사이의 간섭으로 강관 보강재의 일부를 절단해야만 하며, 이로 인해 설계 요구 값보다 강관 보강재가 짧은 길이로 설치될 수도 있다.

강관 보강재의 설치 각도를 준수하기 위하여, 터널 굴착 후 강지보 설치까지 막장붕괴의 위험이 가장 큼에도 불구하고 시방서에서 권장하는 시공순서와 다르게 시공하는 경우도 있다. 예를 들어, 굴착 후 강관 보강재로 터널 상부지반을 먼저 보강하고 강지보를 설치하는 변칙적인 방법이 사용되기도 한다. 그러나 이는 앞서도 언급했듯이 막장붕괴의 위험이 대단히 높아 자치 대형사고로 이어질 수 있다.

최근에는 예정된 강관 보강재의 설치 위치보다 1 내지 2 막장 앞까지 터널을 굴착한 다음 굴착면에 강지보를 설치하고 숏크리트를 타설한 후, 기 설치된 강지보와 숏크리트 아래쪽에서 굴착 예정 지반를 향하여 터널 진행 방향으로 소정의 각도로 상향 천공을 하고 강관 보강재를 설계된 위치에 설치하는 방식으로 터널을 보강하는 기술이 대안 기술로 제안된 바 있다.

이 기술은 계획된 깊이의 단계별 터널 굴착에 앞서 강관 보강재를 시공하기 때문에 터널 굴착에 따라 노출되는 강관 보강재의 길이가 짧아 강관 보강재 절단과 같은 문제가 발생되지 않으나, 천공 길이가 불필요하게 길어져 강관 보강재 설치를 위한 천공작업과 그라우팅 작업에 비용 소요가 커서 경제성 측면에서 경쟁력을 확보하기 어렵고, 시간 소요가 크다는 단점이 있다.

또한, 굴착 전에 굴착 예정 상부 지반을 향하여 선 천공하는 방식이기 때문에, 설치되는 강관 보강재의 선단부(터널 입구 측을 향하는 강관 보강재의 일측 선단) 위치가 일정하지 못하며, 이에 따라 굴착 후 터널경 방향으로 설치되는 강지보와 강관 보강재를 일체화함에 있어 곤란함이 수반되며, 강지보와 강관 보강재를 일체화시키지 못할 경우 구조적으로 취약해질 수 있다.

한국특허등록 제10-1234814호 (등록일 2013. 2. 13)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 표준 설계 시방서에서 요구되는 강관 보강재 설치 각도(5 ~ 20도)로 터널 굴착면 상부 지반에 대한 강관 보강이 가능하게 하는 터널 굴착면 보강구조체 및 이를 이용한 터널 보강 공법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명이 해결하고자 하는 다른 과제는, 터널 굴착면의 굴착 단면방향으로 설치되는 보강구조체가 강관 보강재를 떠받치는 안정적인 보강구조를 용이하게 구현할 수 있는 터널 굴착면 보강구조체 및 이를 이용한 터널 보강 공법을 제공하고자 하는 것이다.

과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따르면,

터널의 굴착면을 보강하기 위해 설치되는 터널 굴착면 보강구조체로서,

굴착면에 굴착 단면 방향으로 설치되는 제1 아치형 보강재;

굴착면의 굴착 단면 방향으로 상기 제1 보강재 내측에 일정한 거리를 두고 이격 설치되는 제2 아치형 보강재; 및

상기 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재를 연결하는 복수의 연결 보강재;를 포함하는 터널 굴착면 보강구조체를 제공한다.

본 발명의 일 측면에 따른 보강구조체는, 상기 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재 사이의 공간부를 지나 굴착 지반 상부를 향하여 상향 경사지게 설치되는 강관 보강재를 상기 상기 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재 사이에 구속하는 홀더를 더 포함할 수 있다.

바람직한 다른 예로서, 상기 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재 사이의 공간부를 지나 터널 굴착 방향을 향하여 상향 경사지게 설치되는 원형 안내관을 더 포함할 수 있다.

이때, 상기 원형 안내관과 제1, 제2 아치형 보강재가 교차하는 지점의 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재 사이에 설치되어 상기 원형 안내관을 구속하는 한 쌍의 홀더를 구비할 수 있다.

바람직하게 상기 원형 안내관은, 상기 제1, 제2 아치형 보강재 사이에 고정되며, 아치형 보강재들과 함께 굴착면에 타설되는 숏크리트 내에 매립되는 고정관부와, 고정관부와 동축 배치되며, 숏크리트 타설 후 숏크리트 면 밖으로 일부가 노출토록 설치되는 유도관부로 이루어진 구성일 수 있다.

이때, 상기 고정관부와 유도관부는 커플러(coupler)를 통해 서로 연결되거나 끼움 결합 방식으로 서로 연결될 수 있다.

또한, 상기 유도관부의 외측 주면에는 원호방향으로 연속되거나 단속(斷續)적으로 형성되는 파단부가 1개 이상 형성될 수 있으며, 상기 고정관부와 유도관부의 외측 주면에는 홈 또는 돌기 또는 불규칙한 표면 모폴로지를 갖는 부착물이 설치될 수 있다.

또한, 상기 제1 아치형 보강재 및 제2 아치형 보강재는, 각 아치형 보강재의 길이 방향에 대해 균등 또는 불균등 분할된 호형(弧形) 단위 보강재들의 결합에 의해 하나의 아치형 보강재를 이루도록 구성된 것일 수 있다.

또한, 상기 제1 아치형 보강재와 직전의 제1 아치형 보강재 또는 상기 제2 아치형 보강재와 직전의 제2 아치형 보강재 사이에 와이어 메쉬(Wire mesh) 또는 철근망이 설치될 수 있다.

과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 따르면,

(a) 계획된 깊이로 지반을 단계적으로 굴착하며, 굴착면에 지보재를 설치하고 숏크리트를 타설하여 굴착면을 보강해가면서 강관 보강재가 설치될 깊이까지 터널을 굴착하는 초기 굴착 단계(S100);

(b) 상기 초기 굴착 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면에서부터 굴착 예정 지반 상부를 향하여 5 ~ 20도 각도로 상향 경사지게 홀을 천공하고 강관 보강재를 삽입한 후 가압 그라우팅하여 터널 상부 지반을 보강하는 상부 지반 보강 단계(S200);

(c) 상기 막장면에서부터 계획된 깊이만큼 굴착 예정 지반을 굴착하고 굴착면에 제 1 항의 터널 굴착면 보강구조체를 설치하되, 지반 굴착에 의하여 노출되는 상기 강관 보강재의 선단 일부가 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재 사이에 구속되어 고정되도록 터널 굴착면 보강구조체를 설치하는 보강구조체 설치 단계(S300)

(d) 상기 터널 굴착면 보강구조체 및 강관 보강재가 완전히 매립될 수 있는 두께로 굴착면에 숏크리트를 타설하여 굴착면의 이완을 방지하는 숏크리트 타설 단계(S400);를 포함하며

터널의 굴진 방향을 따라 상기 (b) ~ (d) 단계를 반복하면서 터널을 보강하는 터널 보강 방법을 제공한다.

여기서, 상기 (b) 단계에서 강관 보강재 시공을 위한 천공홀(H)을 뚫기 직전 상기 막장면에 헤드 지지대를 설치하여 천공 작업 시 천공기 헤드가 상기 헤드 지지대에 밀착 고정된 상태로 천공작업이 이루어지도록 함으로써, 천공드릴이 흔들림 없이 안정적으로 계획된 각도와 크기로 홀을 천공할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따른 터널 보강을 위한 다른 방법으로서,

(a) 계획된 깊이로 지반을 단계적으로 굴착하며, 굴착면에 지보재를 설치하고 숏크리트를 타설하여 굴착면을 보강해가면서 강관 보강재가 설치될 깊이까지 터널을 굴착하는 초기 굴착 단계(S110);

(b) 상기 초기 굴착 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면에서부터 계획된 깊이만큼 굴착 예정 지반을 굴착하고 굴착면에 제 1 항의 터널 굴착면 보강구조체를 설치하는 보강구조체 설치 단계(S210);

(c) 상기 (b) 단계 이후 다음 굴착 예정 지반 상부를 향하여 5 ~ 20도 각도로 상향 경사지게 홀을 천공하고 강관 보강재를 삽입한 후 가압 그라우팅을 수행하되, 강관 보강재의 선단 일부가 상기 터널 굴착면 보강구조체의 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재 사이에 구속되어 고정되도록 강관 보강재를 천공홀(H)에 정착시키는 상부 지반 보강 단계(S310);

(d) 상기 터널 굴착면 보강구조체 및 강관 보강재가 완전히 매립될 수 있는 두께로 굴착면에 숏크리트를 타설하여 굴착면의 이완을 방지하는 숏크리트 타설 단계(S410);를 포함하며

터널의 굴진 방향을 따라 상기 (b) ~ (d) 단계를 반복하면서 터널을 보강할 수도 있다.

이 경우 역시, 상기 (c) 단계에서 강관 보강재 시공을 위한 천공홀(H)을 뚫기 직전 상기 (b) 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면에 천공기 헤드가 밀착 고정되는 헤드 지지대를 설치하여 천공 작업 시 천공기 헤드가 상기 헤드 지지대에 밀착 고정된 상태로 안정적인 천공작업이 이루어질 수 있도록 함이 바람직하다.

또한, (b) 단계 이후 강관 보강재 시공을 위한 천공홀(H)을 뚫기 직전((c) 단계 직전) 굴착면에 소정의 두께로 1차 숏크리트를 타설하여 굴착면에 보강구조체를 고정시키는 1차 숏크리트 타설 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 터널 보강을 위한 또 다른 방법으로서,

(a) 계획된 깊이로 지반을 단계적으로 굴착하며, 굴착면에 지보재를 설치하고 숏크리트를 타설하여 굴착면을 보강해가면서 강관 보강재가 설치될 깊이까지 터널을 굴착하는 초기 굴착 단계(S120);

(b) 상기 초기 굴착 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면에서부터 계획된 깊이만큼 굴착 예정 지반을 굴착하고 굴착면에 제 3 항의 터널 굴착면 보강구조체를 설치하는 보강구조체 설치 단계(S220);

(c) 상기 터널 굴착면 보강구조체의 원형 안내관의 선단 일부가 노출될 수 있는 두께로 굴착면에 숏크리트를 타설하여 굴착면의 이완을 방지하는 숏크리트 타설 단계(S320); 및

(d) 상기 원형 안내관을 통해 상기 (b) 단계 이후 다음 굴착 예정 지반 상부를 향하여 5 ~ 20도 각도로 상향 경사지게 홀을 천공하고 강관 보강재를 삽입한 후 가압 그라우팅을 통해 강관 보강재를 천공홀(H)에 정착시켜 터널 상부 지반을 보강하는 상부 지반 보강 단계(S420);를 포함하며

터널의 굴진 방향을 따라 상기 (b) ~ (d) 단계를 반복하면서 터널을 보강할 수도 있다.

마찬가지로, 상기 (d) 단계에서 강관 보강재 시공을 위한 천공홀(H)을 뚫기 직전 상기 (b) 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면에 천공기 헤드가 밀착 고정되는 헤드 지지대를 설치하여 천공 작업 시 천공기 헤드가 상기 헤드 지지대에 밀착 고정된 상태로 안정적인 천공작업이 이루어질 수 있도록 함이 바람직하다.

본 발명의 다른 측면에 따른 터널 보강 방법에 적용된 상기 상부 지반 보강 단계에서는, 천공과 동시에 천공홀(H)에 강관 보강재를 밀어 넣는 직천공방식으로 천공홀(H)에 강관 보강재를 삽입하고, 길이를 달리하는 복수 개의 그라우트호스와 공기 배출용 에어밴트호스를 이용하는 동시 가압 그라우팅 또는 수축/팽창 가능한 패커가 달린 그라우트호스를 천공홀(H) 선단에서부터 단계적으로 천공홀(H) 입구 측으로 이동시키는 다단 가압 그라우팅을 통해 천공홀에 강관 보강재를 정착시키는 방법이 고려될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 터널 내 지반 하중을 떠받치는 강지보(지보재) 역할을 하는 구조체가 터널경(굴착 단면방향) 방향으로 소정의 거리를 두고 이격되는 두 개의 부재(제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재)로 이루어져 그 사이를 강관 보강재가 통과할 수 있도록 구성된다. 이에 따라, 시공순서를 바꾸지 않고도 시방서에서 요구하는 설치 각도(5 ~ 20도)로 터널 굴착면 상부 지반에 대한 강관 보강이 가능하다.

또한 본 발명의 실시 예에 따른 보강구조체 의하면, 두 개의 부재(제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재) 사이를 강관 보강재가 통과하여 상부 지반에 대한 강관 보강이 이루어질 수 있어, 시방서에서 요구하는 설치 각도(5 ~ 20도)를 준수하면서도 터널 굴착면의 굴착 단면방향으로 설치되는 보강구조체가 강관 보강재를 떠받치는 안정적인 보강구조를 용이하게 구현할 수 있다.

그리고 본 발명의 다른 실시 예의 경우, 천공비트의 진입을 안내하고 천공비트의 이탈을 막는 원형 안내관이 지보재에 결착되고, 원형 안내관의 일부가 지보재와 함께 숏크리트 내에 매립됨으로써, 계획된 천공 지점에 정확한 각도로 강관 보강을 위한 홀을 천공할 수 있어 설계 과정에서 계획된 각도 보다 큰 각도로 천공되어 모암이 손상되고 그로 인해 안전성이 저하되는 문제를 해소할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 터널 굴착면 보강구조체의 정면도.
도 2는 도 1에 도시된 터널 굴착면 보강구조체의 요부 분해 사시도.
도 3은 터널 굴착면 보강구조체의 바람직한 시공 예시도.
도 4는 터널 굴착면 보강구조체의 바람직한 다른 실시 예를 도시한 정면도 및 측면도.
도 5는 도 4에 도시된 원형 안내관의 다양한 실시 예를 예시한 도면.
도 6은 터널 보강 방법의 바람직한 제1 실시 예를 도시한 시공 순서도.
도 7 내지 도 10은 도 6의 터널 보강 방법에 의한 단계별 시공 상세도.
도 11은 터널 보강 방법의 바람직한 제2 실시 예를 도시한 시공 순서도.
도 12 내지 도 13은 도 11의 터널 보강 방법에 의한 주요 단계의 시공 상세도.
도 14는 터널 보강 방법의 바람직한 제3 실시 예를 도시한 시공 순서도.
도 15 내지 도 17은 도 14의 터널 보강 방법에 의한 주요 단계의 시공 상세도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

더하여, 명세서에 기재된 "…부", "…유닛", "…모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일한 구성 요소에 대해서는 동일도면 참조부호를 부여하기로 하며 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

첨부도면을 참조하여 본 발명의 일 측면에 따른 터널 굴착면 보강구조체의 구성부터 먼저 살펴보기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 터널 굴착면 보강구조체의 정면도이며, 도 2는 도 1에 도시된 터널 굴착면 보강구조체의 요부 분해 사시도이다. 그리고 도 3은 터널 굴착면 보강구조체의 바람직한 시공 예시도이다.

도 1 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 측면에 따른 터널 굴착면 보강구조체(1)는, 터널의 굴착 단면 모양에 대응되는 형상, 예를 들어 마제형(말굽형) 또는 원형으로 형성되며 상기 굴착면에 굴착 단면 방향으로 설치되는 제1 아치형 보강재(10)와, 상기 제1 보강재 내측에 일정한 거리를 두고 이격 배치되는 제2 아치형 보강재(12), 그리고 두 아치형 보강재(10, 12)를 연결하는 연결 보강재(14)를 포함한다.

제1, 제2 아치형 보강재(10, 12)는 단면 모양이 원형, 각형, T형, H형인 강재(steel material)일 수 있으며, 각각은 그 아치형 보강재의 길이 방향에 대해 균등 또는 불균등 분할된 호형(弧形) 단위 보강재들을 연결하여 하나의 아치형 보강재를 이루는 조립식 구성일 수 있다.

또한, 제1 아치형 보강재(10)와 직전의 제1 아치형 보강재(10) 또는 제2 아치형 보강재(12)와 직전에 설치된 제2 아치형 보강재(12) 사이에는 와이어 메쉬(Wire mesh, 30) 또는 철근망이 설치될 수 있다. 즉 서로 인접한 제1 아치형 보강재(10)들 또는 서로 인접한 제2 아치형 보강재(12)들은 와이어 메쉬(30)나 철근망으로 상호 연결될 수 있다(도 3 참조).

굴착면에 시공 시 도 3의 예시와 같이, 제1 아치형 보강재(10)와 제2 아치형 보강재(12) 사이의 공간부를 지나 굴착 지반 상부를 향하도록 표준 설계 시방서가 요구하는 각도(5 ~ 20도)로 상향 경사지게 강관 보강재(20)가 설치되며, 이때 강관 보강재(20)의 일부는 상기 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12)와의 교차점 부근에서 용접, 볼팅, 와이어 등으로 연결 보강재(14)에 고정되거나 전용 홀더(16)를 통해 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12)에 견고하게 고정될 수 있다.

도 4는 터널 굴착면 보강구조체의 바람직한 다른 실시 예를 도시한 도면이다.

도 4에 도시된 다른 실시 예는, 전술한 일 실시 예의 구성에 더하여 강관 보강 시 계획된 천공지점까지 천공장비가 정확하게 진입할 수 있도록 안내하는 원형 안내관(18)을 더 포함한다. 원형 안내관(18)은 바람직하게, 도면의 예시와 같이 제1 아치형 보강재(10)와 제2 아치형 보강재(12) 사이의 공간부를 지나 터널 굴착 방향을 향하여 소정의 각도, 바람직하게는 5 ~ 20도 각도로 상향 경사지게 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에서 상기 원형 안내관(18)은 상기 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12)와의 교차점 부근에서 용접, 볼팅, 와이어 등을 통해 연결 보강재(14)에 직접 결속되도록 고정시킬 수 있으며, 도면(도 4)의 예시와 같이, 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12)가 교차하는 지점의 제1 아치형 보강재(10)와 제2 아치형 보강재(12) 사이에 설치되어 상기 원형 안내관(18)을 구속하는 한 쌍의 전용 홀더(16)를 통해 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12)에 견고히 고정시킬 수도 있다.

원형 안내관(18)은 굴착 예정된 터널 굴착면 상부 지반을 강관 보강재(20, 도 12 참조)로 미리 보강한 후 계획된 깊이로 터널을 굴착함에 있어 선행되는 천공 작업 시 천공방향을 설정하고 천공 시작점까지 천공비트의 이동을 안내하는 역할을 한다. 이러한 원형 안내관(18)은 금속 또는 합성수지 재질의 파이프 구조일 수 있으며, 그 직경이나 길이는 시공 대상부의 암반 상태에서 따라 달라질 수 있어 특별히 한정되는 것은 아니다.

도 5는 도 4에 도시된 원형 안내관의 다양한 실시 예를 예시한 도면이다.

도 5를 참조하면, 원형 안내관(18)은 고정관부(180)와 유도관부(182)로 구성될 수 있다. 고정관부(180)는 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12) 사이에 고정되며, 아치형 보강재 설치 후 굴착면에 타설되는 숏크리트(C)에 의해 상기 아치형 보강재와 함께 숏크리트(C) 내에 매립된다. 그리고 유도관부(182)는 상기 고정관부(180)로부터 터널 입구를 향하여 연장되며, 상기 숏크리트(C) 타설 후 숏크리트(C) 면 밖으로 개구된 선단 일부가 노출토록 설치될 수 있다.

고정관부(180)와 유도관부(182)는 환형(環形)의 커플러(coupler)를 통해 동축 배치를 이루도록 서로 연결되어 하나의 원형 안내관(18)을 이루거나, 한쪽 관부에 다른 한쪽 관부의 일부가 삽입시키는 끼움 결합 방식 또는 나사 체결 방식으로 서로 연결될 수 있다. 또한, 유도관부(182)를 고정관부(180)로부터 분리 가능한 원형 또는 다각 기둥모양의 블록(Block) 형태로 구성할 수도 있다.

유도관부(182)를 고정관부(180)로부터 분리 가능한 블록 형태로 구성하는 경우에는, 숏크리트(C) 타설 후 유도관부(182)를 고정관부(180)로부터 분리시켜 제거했을 때 상기 유도관부(182)가 있던 자리에 드릴비트 및 굴착면 상부 지반을 보강하는 강관 보강재(20)가 진입할 수 있는 중공부가 형성되며, 중공부를 통해 고정관부(180)까지 천공비트 및 강관 보강재(20)가 천공 시작점 및 계획된 정착 위치까지 안정적으로 진입될 수 있다.

유도관부(182)의 외측 주면에는 숏크리트(C) 타설 시 그 타설 두께에 따라 상기 숏크리트(C) 면 밖으로 노출되는 일부를 쉽게 제거할 수 있도록, 원호방향으로 연속되거나 단속(斷續)적으로 형성되는 파단부(183), 예컨대 노치(notch)가 1개 이상 형성될 수 있다. 또한, 고정관부(180)와 유도관부(182)의 외측 주면에는 숏크리트(C)와의 접촉면적을 증대시켜 숏크리트(C) 내에 안정적으로 매립되어 고정될 수 있도록 마찰력 증대부가 형성될 수도 있다.

마찰력 증대부는 예시하지는 않았으나, 고정관부(180)와 유도관부(182)의 표면을 소정의 깊이로 규칙 또는 불규칙적으로 절삭 가공하여 형성되는 홈 또는 고정관부(180)와 유도관부(182) 표면에 소정의 높이로 규칙 또는 불규칙한 간격으로 돌출 형성되는 돌기들에 의해 구현되거나, 고정관부(180)와 유도관부(182) 표면에 부착되는 불규칙한 표면 모폴로지(morphology)를 갖는 부착물에 의해 구현될 수 있다.

이하, 전술한 일 측면에 따른 터널 굴착면 보강구조체(1)를 이용하여 수행되는 본 발명의 다른 측면에 따른 터널 보강 방법에 대해 살펴보기로 한다.

도 6은 제1 실시 예에 따른 터널 보강 방법에 적용되는 시공 순서도이며, 도 7 내지 도 10은 제1 실시 예에 따른 터널 보강 방법이 제안하는 단계별 시공 상세도이다. 이들 도면을 참조하여 터널 보강 방법에 의한 터널 굴착 및 보강 과정에 대해 설명한다.

도 6 내지 도 13을 참조하면, 본 발명에 따른 터널 보강 방법은 크게, 초기 굴착 단계(S100), 초기 굴착된 터널의 막장면(M1)에서 강관 보강재(20)를 시공하여 굴착 예정 지반 상부를 미리 보강하는 상부 지반 보강 단계(S200), 미리 보강된 지반을 굴착한 후 일 실시 예에 따른 보강구조체(1)를 설치하는 보강구조체(1) 설치 단계(S300) 및 숏크리트(C)로 굴착면을 마무리 보강하는 숏크리트 타설 단계(S400)를 포함한다.

그리고 터널 굴진 방향을 따라 상기 (S200) ~ (S400) 단계를 반복해가면서 터널을 굴착하고 보강한다.

S100 단계에서는 강관 보강재(20)가 설치될 깊이까지 지반을 굴착하면서 지보재(40)와 숏크리트(C)로 보강하는 작업이 행해진다. 구체적으로는, 터널 갱구부에서 시작해 계획된 깊이로 지반을 단계적으로 굴착하며, 굴착면에 지보재(40)를 설치하고 숏크리트(C)를 타설하여 원지반의 이완을 막고 굴착면을 보강해가면서 상향 강관 보강재(20)가 설치될 깊이까지 터널을 굴착한다(도 7 참조).

터널 갱구부를 기준으로 했을 때 상기 계획된 굴착 깊이는 지질, 지반 상태, 그리고 상부 지반 하중에 따라 설계과정에서 설계 값을 도출된 깊이일 수 있으며, 터널 갱구부에서 시작되는 터널 굴착 역시 지질이나 지반 상태에 따라 일반적인 화약을 이용한 발파 굴착이나 TBM(Tunnel Boring machine)과 같은 전용 굴착장비를 이용한 굴착 등 공지된 모든 굴착 방법이 동원될 수 있다.

상부 지반 보강 단계(S200)에서는 도 8과 같이, 상기 S100 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면(M1)에서 굴착 예정 지반 상부를 향하여 상향 경사지게 홀을 뚫고 강관 보강재(20)를 삽입한 후 그라우팅을 통해 정착시켜 상부 지반을 보강하게 된다. 바람직하게는, 표준 설계 시방서가 요구하는 강관 보강재(20) 설치 각도인 5 ~ 20도 각도로 홀을 뚫고 강관 보강재(20)를 삽입한 후 가압 그라우팅을 수행한다.

강관 보강재(20)가 시공될 자리를 뚫는 천공작업에는 점보드릴이나 크롤러 드릴과 같은 공지의 천공장비가 사용될 수 있으며, 천공홀(H)에 강관 보강재(20)를 삽입하고 가압 그라우팅하여 강관 보강재(20)를 천공홀(H)에 정착시키고 공벽을 보강하여 굴착 예정 상부 지반을 보강하게 된다. 물론, 천공과 함께 강관 보강재(20)를 밀어 넣은 직천공 방식으로 시공하면 천공 후 강관 보강재(20)를 삽입하는 과정이 생략되므로 공기 단축에 유리하다.

S200 단계에서 강관 보강재(20)로 굴착 예정 상부 지반을 미리 보강하기 위한 천공작업에 앞서, 천공기 드릴이 흔들림 없이 안정적으로 계획된 각도와 크기로 홀을 천공할 수 있도록, 계획된 천공홀(H) 시작점 주변(바람직하게는 천공 시작점 인접 하부)의 상기 막장면(M1)에 헤드 지지대(50)를 설치하여 천공기 헤드(100)가 상기 헤드 지지대(50) 상에 지지되거나 밀착 고정된 상태로 천공작업이 행해질 수 있도록 함이 바람직하다(도 8의 (a)).

강관 보강재(20)를 천공홀(H)에 정착시키는 그라우팅에는, 길이를 달리하는 복수 개의 그라우트호스와 강관 내부 공간을 분할 구획하는 간격재, 공기 배출용 에어밴트호스 등을 이용하는 동시 가압 그라우팅 또는 수축/팽창 가능한 패커가 달린 그라우트호스를 천공홀(H)의 제일 깊은 곳에서부터 천공홀(H) 입구 측으로 차츰 이동시키면서 그라우팅 하는 공지의 다단 가압 그라우팅 방식이 사용될 수 있다.

강관 보강재(20)로는 강성이 강한 재질의 중공관이 바람직하다. 물론 토목섬유, 강봉, 네일, H형강, FRP 등으로 대체되거나 이들과 함께 병행하여 사용될 수 있으며, 강관 보강재(20) 길이 방향 전체에 걸쳐 동시에 그라우팅을 수행하는 동시 가압 그라우팅이나 그라우트 호스를 단계적으로 이동시켜 그라우트재(G)를 충전하는 다단 가압 그라우팅은 공지된 기술이므로 그에 대한 자세한 설명은 생략한다.

S300 단계에서는 굴착 전 S200 단계를 거쳐 굴착 대상부의 상부 지반이 미리 보강된 상태에서 막장면(M1)에서부터 계획된 깊이로 굴착 예정 지반을 굴착하고 그 굴착에 의한 굴착면에 전술한 일 실시 예에 따른 보강구조체(1)를 설치하게 된다.

바람직하게는, 지반 굴착에 의하여 노출되는 강관 보강재(20)의 선단 일부가 제1 아치형 보강재(10)와 제2 아치형 보강재(12) 사이에 구속되어 고정되도록 보강구조체(1)를 설치한다(도 9 참조).

이때 강관 보강재(20)와 상기 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12)가 서로 만나는 지점에 용접, 볼팅, 와이어 등의 고정방법 또는 수단을 통해 강관 보강재(20)를 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12) 또는 연결 보강재(14)에 직접 고정시키거나, 도 1에 예시된 형태의 전용 홀더(16)를 사용하여 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12) 사이에 강관 보강재(20)의 선단 일부를 고정시킨다.

강관 보강재(20)의 선단 일부가 보강구조체(1)에 고정되면, 천공홀 바깥으로 노출된 강관 보강재(20)의 선단 하중을 상기 보강구조체(1)가 떠받치는 구조이면서, 강관 보강재(20)가 상기 보강구조체(1)에 구속되어 서로 일체화된 구조를 이루기 때문에 구조적으로 매우 안정적인 상태가 된다. 결과적으로, 지반 변위나 변형에 대한 저항력이 증대되어 지반 변위나 변형을 보다 확실하게 막을 수 있다.

S300 단계에서 굴착면을 따라 굴착 단면 방향으로 설치되는 상기 제1 아치형 보강재(10) 또는 제2 아치형 보강재(12)는, 앞선 도 3의 예시와 같이 직전에 설치되는 제1 아치형 보강재(10) 또는 제2 아치형 보강재(12) 각각과 와이어 메쉬(Wire mesh, 30) 또는 철근망으로 연결됨으로써 강성 보강이 이루어질 수 으며, 강관 보강재(20)가 결속되지 않는 전방 또는 후방의 보강구조체(1)는 일반적인 마제형 또는 원형의 지보재(40)(H 또는 I형 아치형 빔)로 대체될 수 있다.

S300 단계에서는 또한, 상기 보강구조체(1)의 설치를 전후하여 강관 보강재(20)가 설치되지 않는 굴착면 측부나 하부에 굴착면의 법선 방향으로 보강재(도시 생략), 예를 들어 락볼트, 타이볼트, 네일, 앙카, 강관, 그라우팅 등을 이용하여 굴착면을 보강하고 안정화하는 과정이 포함될 수 있다. 연약 지반의 경우 이러한 보강재 설치는 필수 공정이므로 S300 단계에 추가적으로 포함될 수 있다.

S300 단계를 통해 보강구조체(1)의 설치가 마무리 되면, 굴착면에 소정의 두께로 숏크리트(C)를 타설하여 굴착면을 마무리 보강한다(S400). 바람직하게는, 상기 보강구조체(1) 및 강관 보강재(20)가 완전히 매립될 수 있는 두께로 굴착면에 숏크리트(C)를 타설하여 굴착면의 이완을 방지하고 굴착과정에서의 울퉁불퉁한 굴착면이 매끄럽게 정리될 수 있도록 굴착면에 대한 마무리 보강을 수행한다(도 10 참조).

도 11은 제2 실시 예에 따른 터널 보강 방법에 적용되는 시공 순서도이며, 도 12 내지 도 13은 제2 실시 예에 따른 터널 보강 방법이 제안하는 주요 단계의 시공 상세도이다.

도 11 내지 도 13을 참조하면, 본 실시 예는 전술한 제1 실시 예에 따른 터널 보강 방법과 비교해 시공 순서에 차이가 있다. 구체적으로는, 초기 굴착 이후 막장면(M1)에서 아직 굴착 전인 지반 상부를 강관 보강재(20)로 미리 보강하는 제1 실시 예와는 달리, 초기 굴착 후 그 막장면(M1)에서 계획된 깊이로 지반을 먼저 굴착하고 전술한 보강구조체(1)를 설치한 후 강관 보강재(20)로 터널 상부 지반을 보강하는 점이 다르다.

즉 전술한 제1 실시 예에서 S200 단계와 S300 단계의 순서를 바꿔, 초기 굴착 후 막장면(M1)에서 계획된 깊이로 지반을 먼저 굴착하고 전술한 보강구조체(1)를 설치하여 막장 붕괴를 막은 다음(S210), 상기 보강구조체(1)를 지나 터널 상부 지반을 향하도록 홀을 뚫고 여기에 가압 그라우팅으로 강관 보강재(20)를 시공하여 굴착면의 상부 지반을 보강하는 것이다(S310).

제2 실시 예에 따른 보강 방법에서 제안하는 단계별 시공 중 초기 굴착 단계(S110)와 숏크리트 타설 단계(S410)는 전술한 제1 실시 예에서의 초기 굴착 단계(S100) 및 숏크리트 타설 단계(S400)와 시공 과정 및 전체 공정상 순서가 동일하므로 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 하며, 순서 상 차이에 해당하는 보강구조체(1) 설치 단계(S210) 및 상부 지반 보강 단계(S310)에 대해서만 간단히 살펴보기로 한다.

S210 단계에서는 상기 초기 굴착 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면(M1)에서부터 계획된 깊이만큼 굴착 예정 지반을 굴착하고, 그 굴착된 굴착면에 전술한 일 측면에 따른 터널 굴착면 보강구조체(1)를 일정 간격으로 즉시 설치하여 굴착 지반의 막장 붕괴를 방지한다(도 12). 이때 보강구조체(1)의 설치 간격은 지반이나 지질 상태에서 따라 약 0.5 ~ 1.2m 간격으로 설치될 수 있다.

S210 단계에서 굴착면을 따라 굴착 단면 방향으로 설치되는 상기 제1 아치형 보강재(10) 또는 제2 아치형 보강재(12)는 마찬가지로, 직전에 설치되는 제1 아치형 보강재(10) 또는 제2 아치형 보강재(12) 각각과 와이어 메쉬(Wire mesh, 30) 또는 철근망으로 연결될 수 있으며, 이후 S310 단계에서 강관 보강재(20)의 결속과 무관한 전방 또는 후방의 보강구조체(1)는 일반적인 마제형 또는 원형의 지보재(40)(H 또는 I형 아치형 빔)로 대체될 수 있다.

S210 단계에서 역시, 상기 보강구조체(1)의 설치를 전후하여 강관 보강재(20)가 설치되지 않는 굴착면 측부나 하부에 굴착면의 법선 방향으로 보강재(도시 생략), 예를 들어 락볼트, 타이볼트, 네일, 앙카, 강관, 그라우팅 등을 이용하여 굴착면을 보강하고 안정화하는 과정이 포함될 수 있다. 연약 지반의 경우 이러한 보강재 설치는 필수 공정이므로 S210 단계에 추가적으로 포함될 수 있다.

S310 단계에서는 도 13과 같이, 상기 S210 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면(M1)에서 굴착 예정 지반 상부를 향하여 상향 경사지게 홀을 뚫고 강관 보강재(20)를 삽입한 후 그라우팅을 통해 정착시켜 상부 지반을 보강하게 된다. 바람직하게는, 표준 설계 시방서가 요구하는 강관 보강재(20) 설치 각도인 5 ~ 20도 각도로 홀을 뚫고 강관 보강재(20)를 삽입한 후 가압 그라우팅을 수행한다.

구체적으로는, S310 단계에서 설치된 보강구조체(1)의 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12) 사이의 공간부를 지나 다음 굴착 예정 지반 상부를 향하여 5 ~ 20도 각도로 상향 경사지게 천공기로 홀을 천공한다(도 13의 (a)). 그런 다음, 천공홀(H)에 강관 보강재(20)를 삽입하고 강관 보강재(20)의 선단을 보강구조체(1)에 결속시킨 뒤 가압 그라우팅 통해 강관 보강재(20)와 천공홀(H) 사이의 공벽을 그라우트재(G)로 메운다(도 13의 (b)).

가압 그라우팅을 통해 천공홀(H)에 강관 보강재(20)를 정착시킴에 있어서는 구체적으로 도 13의 (b)와 같이, 강관 보강재(20)의 선단 일부를 상기 터널 굴착면 보강구조체(1)의 제1 아치형 보강재(10)와 제2 아치형 보강재(12) 사이에 용접, 볼팅, 와이어로 직접 고정시키거나, 전용 홀더(16)로 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12)에 고정한 뒤 가압 그라우팅을 실시하여 터널 상부 지반을 보강한다.

여기서도 역시, 천공과 함께 강관 보강재(20)를 밀어 넣은 직천공 방식의 시공이 가능하며, 이 경우 천공과 강관 보강재(20)를 천공홀(H)에 삽입하는 과정이 하나로 합쳐지기 때문에 공기를 단축시킬 수 있다.

S310 단계에서 강관 보강재(20)로 굴착 예정 상부 지반을 보강하기 위한 천공작업에 앞서, 마찬가지로 천공기 드릴이 흔들림 없이 안정적으로 계획된 각도와 크기로 홀을 뚫을 수 있도록, 계획된 천공홀(H) 시작점 주변(바람직하게는 천공 시작점 인접 하부)의 막장면(M1)에 헤드 지지대(50)를 설치하여 천공기 헤드(100)가 상기 헤드 지지대(50) 상에 지지되거나 밀착 고정된 상태로 천공작업을 실시한다.

또한, 강관 보강재(20)를 천공홀(H)에 정착시키는 그라우팅에는 마찬가지로, 길이를 달리하는 복수 개의 그라우트호스와 강관 내부 공간을 분할 구획하는 간격재, 공기 배출용 에어밴트호스 등을 이용하는 동시 가압 그라우팅 또는 수축/팽창 가능한 패커가 달린 그라우트호스를 천공홀(H)의 제일 깊은 곳에서부터 천공홀(H) 입구 측으로 차츰 이동시키면서 그라우팅 하는 공지의 다단 가압 그라우팅이 사용될 수 있다.

강관 보강재(20)와 천공홀(H) 사이의 공벽 및 강관 보강재(20)의 내부에 그라우트재(G)를 채워넣는 가압 그라우팅 과정에서 천공홀 내부 압력 증가로 강관 보강재(20)가 천공홀(H) 밖으로 조금씩 밀려나오게 된다. 이에 따라, 종래에는 강관 보강재(20)가 밀려 나오지 않도록 천공홀(H)의 입구 측 공벽과 강관 보강재(20) 사이를 급결제나 기타 실링재로 실링하는 과정이 반드시 필요했다.

반면, 본 발명의 제2 실시 예에서처럼 강관 보강재(20)의 선단 일부를 용접, 볼팅, 와이어 등의 고정방법 또는 수단을 통해 보강구조체(1)에 직접 고정시키거나 전용 홀더(16)를 통해 보강구조체(1)에 고정시킨 뒤 가압 그라우팅하는 경우에는, 가압 그라우팅 시 강관 보강재(20)가 밀려나오지 않도록 억제하는 스토퍼(Stopper) 역할을 보강구조체(1)가 하기 때문에 별도의 실링 작업이 필요 없어 그 만큼의 비용과 시간을 절약할 수 있다.

홀더(16)로 강관 보강재(20)를 보강구조체(1)에 고정시킴에 있어서는, 가압 그라우팅 시 강관 보강재(20)가 밀려나오지 않도록 강관 보강재(20)에 대한 홀더(16)의 결속력 또는 구속력을 증대시키는 다양한 방안이 고려될 수 있다. 예를 들어, 홀더(16)와 강관 보강재(20) 사이에 고무 패드를 설치하거나, 홀더에 외측에서 반경방향으로 체결되는 복수의 고정용 볼트를 사용하여 강관 보강재를 홀더에 강하게 결속 또는 구속시키는 방법 등이 고려될 수 있다.

물론, 고무 패드나 복수의 고정용 볼트를 사용하는 방법에 국한되는 것은 아니다. 결속되는 두 부재 사이에 강한 결속력 또는 구속력을 발생시킬 수 있는 공지된 모든 형태의 결속 또는 구속 수단을 포함할 수 있다.

한편, 상기 S210 단계 이후 강관 보강재 시공을 위한 천공홀(H)을 뚫기 직전(S310 단계 직전), 굴착면에 소정의 두께로 1차 숏크리트를 타설하여 굴착면에 보강구조체를 고정시키는 1차 숏크리트 타설 단계가 추가될 수 있다.

도 14는 제3 실시 예에 따른 터널 보강 방법의 시공 순서도이며, 도 15 내지 도 17은 제3 실시 예에 따른 터널 보강 방법이 제안하는 주요 단계의 시공 상세도이다.

도 14 내지 도 17을 참조하면, 본 실시 예는 초기 굴착 후 그 막장면(M1)에서 계획된 깊이로 지반을 먼저 굴착하는 점까지는 전술한 제2 실시 예와 동일하지만, 그 굴착된 굴착면에 전술한 다른 실시 예에 따른 보강구조체(1, 도 4 참조)를 설치하는 점, 이후 숏크리트(C)로 먼저 마감을 하고 상기 보강구조체(1)의 원형 안내관(18)을 통해 홀을 뚫고 강관 보강재(20)를 시공하여 터널 상부 지반을 보강하는 점이 다르다.

제2 실시 예와 동일한 부분(S120 단계)에 대한 중복된 설명은 이하 생략하며, 제2 실시 예와 비교하여 다른 부분, 즉 초기 굴착 단계(S120) 이후의 보강구조체(1) 설치 단계(S220), 숏크리트 타설 단계(S320), 상부 지반 보강 단계(S420)에 대해서만 간단히 살펴보기로 한다.

S220 단계에서는 상기 초기 굴착 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면(M1)에서부터 계획된 깊이만큼 굴착 예정 지반을 굴착하고, 그 굴착된 굴착면에 전술한 일 측면의 다른 실시 예에 따른 터널 굴착면 보강구조체(1)(도 4 참조)를 일정 간격으로 즉시 설치하여 굴착 지반을 보강함으로써 막장이 붕괴되지 않도록 한다(도 15). 이때 보강구조체(1)의 설치 간격은 지반이나 지질 상태에서 따라 약 0.5 ~ 1.2m 간격으로 설치될 수 있다.

S220 단계에서 굴착면을 따라 굴착 단면 방향으로 설치되는 상기 제1 아치형 보강재(10) 또는 제2 아치형 보강재(12)를 마찬가지로, 직전에 설치되는 제1 아치형 보강재(10) 또는 제2 아치형 보강재(12) 각각과 와이어 메쉬(Wire mesh, 30)나 철근망으로 연결하여 강성을 보강할 수 있으며, 이후 S420 단계에서의 강관 보강재(20)와 무관한 보강구조체(1)는 일반적인 마제형 또는 원형의 지보재(40)(H 또는 I형 아치형 빔)로 대체될 수 있다.

반면, 이후 시공될 강관 보강재(20)와 결속되는 보강구조체(1)(도 4와 같은 보강구조체(1))가 설치될 자리는 도 15의 예시와 같이, 계획된 굴착 반경보다 제1 아치형 보강재(10)로부터 원형 안내관(18)이 상향 돌출되는 높이만큼을 더 크게 굴착하여 도 4의 보강구조체(1) 설치 시 안내관의 상단부가 굴착면에 간섭되거나 굴착면에 안내관이 걸려 안내관의 각도를 불가피하게 조정해야 하는 상황이 연출되지 않도록 할 수 있다.

그리고 원형 안내관(18)은 앞서도 언급 했듯이 제1 아치형 보강재(10)와 제2 아치형 보강재(12) 사이의 공간부를 지나 터널 굴착 방향을 향하여 소정의 각도, 바람직하게는 5 ~ 20도 각도로 상향 경사지게 설치함으로써, 이후 단계(S420)에서의 천공홀(H)의 각도 및 강관 보강재(20)의 설치 각도가 표준 설계 시방서에 의한 천공홀(H) 및 강관 보강재(20)의 설치 각도를 만족시킬 수 있도록 한다.

S220 단계에서 역시, 상기 보강구조체(1)의 설치를 전후하여 강관 보강재(20)가 설치되지 않는 굴착면 측부나 하부에 굴착면의 법선 방향으로 보강재(도시 생략), 예를 들어 락볼트, 타이볼트, 네일, 앙카, 강관, 그라우팅 등을 이용하여 굴착면을 보강하고 안정화하는 과정이 포함될 수 있다. 연약 지반의 경우 이러한 보강재 설치는 필수 공정이므로 S220 단계에 추가적으로 포함될 수 있다.

S320 단계에서는 도 16과 같이, S220 단계를 거쳐 보강구조체(1) 설치된 굴착면에 숏크리트(C)를 타설하여 굴착면의 이완 및 기탄 추가 변형을 방지한다. 구체적으로는, S220 단계에서 설치된 보강구조체(1)의 원형 안내관(18) 선단 일부가 숏크리트(C) 표면을 통해 외부로 노출될 수 있는 두께로 굴착면에 숏크리트(C)를 타설하여 굴착면을 보강하고 굴착면의 이완을 방지한다.

다음, S420 단계에서는 원형 안내관(18)을 통해 상기 S220 단계를 통한 굴착 이후 다음 굴착 예정 지반 상부를 향하여 5 ~ 20도 각도로 상향 경사지게 홀을 천공하고 강관 보강재(20)를 삽입한 후 가압 그라우팅하여 강관 보강재(20)를 천공홀(H)에 정착시킴으로써 터널 상부 지반을 보강한다. 바람직하게는, 강관 보강재(20) 설치 각도인 5 ~ 20도 각도로 홀을 뚫고 강관 보강재(20)를 삽입한 후 가압 그라우팅을 수행한다(도 17 참조).

본 실시 예에서도 마찬가지로, 천공과 함께 강관 보강재(20)를 밀어 넣은 직천공 방식의 시공이 가능하며, 강관 보강재(20)를 천공홀(H)에 정착시키는 가압 그라우팅 역시 천공홀(H) 및 강관 내부 공간 전체에 걸쳐 동시에 그라우트재(G)를 가압식으로 채워 공벽을 보강하는 동시 가압 그라우팅 또는 패커가 달린 그라우트호스를 천공홀(H) 입구 측으로 차츰 이동시키면서 그라우팅 하는 공지의 다단 가압 그라우팅이 사용될 수 있다.

천공홀(H) 형성에 있어 본 실시 예의 경우, 설계 안에서 제시하는 강관 설치 각도 맞춰 보강구조체(1) 상에 경사 설치된 상기 원형 안내관(18)을 따라 천공기의 드릴비트를 천공 시작점까지 이동한 뒤 원형 안내관(18)에 둘러싸여 상하좌우 이동이 제한된 상태로 천공이 행해지므로, 전술한 실시 예들과 같은 별도의 헤드 지지대(50) 및 이를 막장면(M1)에 설치하는 과정이 생략될 수 있다.

또한, 원형 안내관(18)에 둘러싸여 상하좌우 이동이 제한이 상태로 회전을 하기 때문에 드릴비트가 천공과정에서 계획된 위치로부터 벗어나거나 각도가 틀어지지 않고 원형 안내관(18)에 의해 설정된 각도(표준 설계 시방서에서 제시하는 강관 보강재(20) 설치 각도(약 5 ~ 20도))로 정확한 천공이 이루어질 수 있다.

S420 단계에서 강관 보강재(20)는 그 일측 선단이 상기 원형 안내관(18) 내에서 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12) 상에 위치하여 그라우팅을 통해 고정되도록 한다. 이 경우, 제1, 제2 아치형 보강재(10, 12)가 강관 보강재(20)의 일측 선단부를 떠받치면서 원형 안내관(18) 내에 채워지는 그라우트재(G) 및 원형 안내관(18)을 매개로 상기 강관 보강재(20)와 일체화된 구조를 이루게 됨으로써 구조적으로 매우 안정적인 상태가 된다.

이상에서 살펴본 본 발명에 따르면, 터널 내 지반 하중을 떠받치는 강지보(지보재) 역할을 하는 구조체가 터널경(굴착 단면방향) 방향으로 소정의 거리를 두고 이격되는 두 개의 부재(제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재)로 이루어져 그 사이를 강관 보강재가 통과할 수 있도록 구성된다. 이에 따라, 시공순서를 바꾸지 않고도 시방서에서 요구하는 설치 각도(5 ~ 20도)로 터널 굴착면 상부 지반에 대한 강관 보강이 가능하다.

또한 본 발명의 실시 예에 따른 보강구조체 의하면, 두 개의 부재(제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재) 사이를 강관 보강재가 통과하여 상부 지반에 대한 강관 보강이 이루어질 수 있어, 시방서에서 요구하는 설치 각도(5 ~ 20도)를 준수하면서도 터널 굴착면의 굴착 단면방향으로 설치되는 보강구조체가 강관 보강재를 떠받치는 안정적인 보강구조를 용이하게 구현할 수 있다.

그리고 본 발명의 다른 실시 예의 경우, 천공비트의 진입을 안내하고 천공비트의 이탈을 막는 원형 안내관이 지보재에 결착되고, 원형 안내관의 일부가 지보재와 함께 숏크리트 내에 매립됨으로써, 계획된 천공 지점에 정확한 각도로 강관 보강을 위한 홀을 천공할 수 있어 설계 과정에서 계획된 각도 보다 큰 각도로 천공되어 모암이 손상되고 그로 인해 안전성이 저하되는 문제를 해소할 수 있다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

1 : 터널 굴착면 보강구조체
10 : 제1 아치형 보강재
12 : 제2 아치형 보강재
14 : 연결 보강재
16 : 홀더
18 : 원형 안내관
20 : 강관 보강재
30 : 와이어 메쉬
40 : 지보재
50 : 헤드 지지대
C : 숏크리트
G : 그라우트재
H : 천공홀
M1 : 막장면

Claims (17)

1. 터널의 굴착면을 보강하기 위해 설치되는 터널 굴착면 보강구조체로서,
   굴착면에 굴착 단면 방향으로 설치되는 제1 아치형 보강재;
   굴착면의 굴착 단면 방향으로 상기 제1 보강재 내측에 일정한 거리를 두고 이격 설치되는 제2 아치형 보강재; 및
   상기 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재를 연결하는 복수의 연결 보강재;를 포함하는 터널 굴착면 보강구조체.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재 사이의 공간부를 지나 굴착 지반 상부를 향하여 상향 경사지게 설치되는 강관 보강재를 상기 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재 사이에 구속하는 홀더;를 더 포함하는 터널 굴착면 보강구조체.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재 사이의 공간부를 지나 터널 굴착 방향을 향하여 상향 경사지게 설치되는 원형 안내관;을 더 포함하는 터널 굴착면 보강구조체.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 원형 안내관과 제1, 제2 아치형 보강재가 교차하는 지점의 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재 사이에 설치되어 상기 원형 안내관을 구속하는 한 쌍의 홀더;를 더 포함하는 터널 굴착면 보강구조체.
   
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 원형 안내관은,
   상기 제1, 제2 아치형 보강재 사이에 고정되며, 아치형 보강재들과 함께 굴착면에 타설되는 숏크리트 내에 매립되는 고정관부와;
   상기 고정관부와 동축 배치되며, 숏크리트 타설 후 숏크리트 면 밖으로 일부가 노출토록 설치되는 유도관부;로 구성됨을 특징으로 하는 터널 굴착면 보강구조체.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 고정관부와 유도관부는 커플러(coupler)를 통해 서로 연결되거나 끼움 결합 방식으로 서로 연결된 것을 특징으로 하는 터널 굴착면 보강구조체.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 유도관부의 외측 주면에는 원호방향으로 연속되거나 단속(斷續)적으로 형성되는 파단부가 1개 이상 형성되며,
   상기 고정관부와 유도관부의 외측 주면에는 홈 또는 돌기 또는 불규칙한 표면 모폴로지를 갖는 부착물이 설치된 것을 특징으로 하는 터널 굴착면 보강구조체.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 아치형 보강재 및 제2 아치형 보강재는,
   각 아치형 보강재의 길이 방향에 대해 균등 또는 불균등 분할된 호형(弧形) 단위 보강재들의 결합에 의해 하나의 아치형 보강재를 이루도록 구성된 것을 특징으로 하는 터널 굴착면 보강구조체
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 아치형 보강재와 직전의 제1 아치형 보강재 또는 제2 아치형 보강재와 직전의 제2 아치형 보강재 사이에 와이어 메쉬(Wire mesh) 또는 철근망이 설치된 것을 특징으로 하는 터널 굴착면 보강구조체.
   
10. 터널 굴착면을 보강하는 방법으로서,
    (a) 계획된 깊이로 지반을 단계적으로 굴착하며, 굴착면에 지보재를 설치하고 숏크리트를 타설하여 굴착면을 보강해가면서 강관 보강재가 설치될 깊이까지 터널을 굴착하는 초기 굴착 단계(S100);
    (b) 상기 초기 굴착 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면에서부터 굴착 예정 지반 상부를 향하여 5 ~ 20도 각도로 상향 경사지게 홀을 천공하고 강관 보강재를 삽입한 후 가압 그라우팅하여 터널 상부 지반을 보강하는 상부 지반 보강 단계(S200);
    (c) 상기 막장면에서부터 계획된 깊이만큼 굴착 예정 지반을 굴착하고 굴착면에 제 1 항의 터널 굴착면 보강구조체를 설치하되, 지반 굴착에 의하여 노출되는 상기 강관 보강재의 선단 일부가 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재 사이에 구속되어 고정되도록 터널 굴착면 보강구조체를 설치하는 보강구조체 설치 단계(S300)
    (d) 상기 터널 굴착면 보강구조체 및 강관 보강재가 완전히 매립될 수 있는 두께로 굴착면에 숏크리트를 타설하여 굴착면의 이완을 방지하는 숏크리트 타설 단계(S400);를 포함하며
    터널의 굴진 방향을 따라 상기 (b) ~ (d) 단계를 반복하면서 터널을 보강하는 터널 보강 방법.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 강관 보강재 시공을 위한 천공홀(H)을 뚫기 직전 상기 막장면에 천공기 헤드가 밀착 고정되는 헤드 지지대를 설치하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
    
12. 터널 굴착면을 보강하는 방법으로서,
    (a) 계획된 깊이로 지반을 단계적으로 굴착하며, 굴착면에 지보재를 설치하고 숏크리트를 타설하여 굴착면을 보강해가면서 강관 보강재가 설치될 깊이까지 터널을 굴착하는 초기 굴착 단계(S110);
    (b) 상기 초기 굴착 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면에서부터 계획된 깊이만큼 굴착 예정 지반을 굴착하고 굴착면에 제 1 항의 터널 굴착면 보강구조체를 설치하는 보강구조체 설치 단계(S210);
    (c) 상기 (b) 단계 이후 다음 굴착 예정 지반 상부를 향하여 5 ~ 20도 각도로 상향 경사지게 홀을 천공하고 강관 보강재를 삽입한 후 가압 그라우팅을 수행하되, 강관 보강재의 선단 일부가 상기 터널 굴착면 보강구조체의 제1 아치형 보강재와 제2 아치형 보강재 사이에 구속되어 고정되도록 강관 보강재를 천공홀(H)에 정착시켜 터널 상부 지반을 보강하는 상부 지반 보강 단계(S310);
    (d) 상기 터널 굴착면 보강구조체 및 강관 보강재가 완전히 매립될 수 있는 두께로 굴착면에 숏크리트를 타설하여 굴착면의 이완을 방지하는 숏크리트 타설 단계(S410);를 포함하며
    터널의 굴진 방향을 따라 상기 (b) ~ (d) 단계를 반복하면서 터널을 보강하는 터널 보강 방법.
    
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서 강관 보강재 시공을 위한 천공홀(H)을 뚫기 직전 상기 (b) 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면에 천공기 헤드가 밀착 고정되는 헤드 지지대를 설치하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
    
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 (b)단계 이후 강관 보강재 시공을 위한 천공홀(H)을 뚫기 직전 굴착면에 소정의 두께로 1차 숏크리트를 타설하여 굴착면에 보강구조체를 고정시키는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
    
15. 터널 굴착면을 보강하는 방법으로서,
    (a) 계획된 깊이로 지반을 단계적으로 굴착하며, 굴착면에 지보재를 설치하고 숏크리트를 타설하여 굴착면을 보강해가면서 강관 보강재가 설치될 깊이까지 터널을 굴착하는 초기 굴착 단계(S120);
    (b) 상기 초기 굴착 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면에서부터 계획된 깊이만큼 굴착 예정 지반을 굴착하고 굴착면에 제 3 항의 터널 굴착면 보강구조체를 설치하는 보강구조체 설치 단계(S220);
    (c) 상기 터널 굴착면 보강구조체의 원형 안내관의 선단 일부가 노출될 수 있는 두께로 굴착면에 숏크리트를 타설하여 굴착면의 이완을 방지하는 숏크리트 타설 단계(S320); 및
    (d) 상기 원형 안내관을 통해 상기 (b) 단계 이후 다음 굴착 예정 지반 상부를 향하여 5 ~ 20도 각도로 상향 경사지게 홀을 천공하고 강관 보강재를 삽입한 후 가압 그라우팅을 통해 강관 보강재를 천공홀(H)에 정착시켜 터널 상부 지반을 보강하는 상부 지반 보강 단계(S420);를 포함하며
    터널의 굴진 방향을 따라 상기 (b) ~ (d) 단계를 반복하면서 터널을 보강하는 터널 보강 방법.
    
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 강관 보강재 시공을 위한 천공홀(H)을 뚫기 직전 상기 (b) 단계를 통해 굴착된 터널의 막장면에 천공기 헤드가 밀착 고정되는 헤드 지지대를 설치하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
    
17. 제 10 항, 제 12 항, 제 15 항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 상부 지반 보강 단계에서는 천공과 동시에 천공홀(H)에 강관 보강재를 밀어 넣는 직천공방식으로 상기 천공홀(H)에 강관 보강재를 삽입하고,
    길이를 달리하는 복수 개의 그라우트호스와 공기 배출용 에어밴트호스를 이용하는 동시 가압 그라우팅 또는 수축/팽창 가능한 패커가 달린 그라우트호스를 천공홀(H) 선단에서부터 단계적으로 천공홀(H) 입구 측으로 이동시키는 다단 가압 그라우팅을 통해 천공홀에 강관 보강재를 정착시키는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
    
    

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