KR20190072213A - 터널 굴착을 위한 반개착 방법 - Google Patents

터널 굴착을 위한 반개착 방법 Download PDF

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Abstract

터널의 천단 아치부까지만 지반을 개착하는 지반 반개착 단계; 상기 터널 천단 아치부에 해당하는 바닥부를 면고르기한 후 상기 바닥부에 와이어메쉬를 포설하는 와이어메쉬 포설 단계; 상기 와이어메쉬 상에 원형 강관, H-형강 및 격자지보로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 강재를 횡방향으로 일정간격으로 배치하고 상기 강재를 상기 와이어메쉬에 고정하는 강재 설치 단계; 숏크리트가 상기 터널 천단 아치부의 상기 바닥부, 상기 와이어메쉬 및 상기 강재 사이의 공간, 상기 강재들 사이의 공간 및 상기 강재들 상부의 공간을 채워서 상기 강재들이 노출되지 않도록 숏크리트를 분사함으로써 상기 와이어메쉬, 상기 강재 및 상기 숏크리트가 일체화되고 또한 상기 터널 천단 아치부의 상기 바닥부에 일체적으로 결합하는 아치형 구조체를 형성하는 숏크리트 분사 단계; 및 상기 아치형 구조체 상에 토사를 다시 메우는 되메움 단계를 포함하는 터널 굴착을 위한 반개착 방법이 개시된다. 본 발명의 방법은 환경피해가 적고 시공성이 우수하며 공사기간을 단축할 수 있다.

Description

터널 굴착을 위한 반개착 방법{Method Of Ground Half-Openning For Tunnel Excavation}
본 발명은 터널 굴착을 위한 반개착 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 터널의 천단 아치부까지만 원지반을 개착한 후 터널 천단 아치부의 바닥부 상에 와이어메쉬 및 복수개의 강재를 설치한 후 숏크리트를 분사하여 아치형 구조체를 형성함으로써 환경피해가 적고 시공성이 우수하며 공사기간을 단축할 수 있는 터널 굴착을 위한 반개착 방법에 관한 것이다.
국내에서 터널굴착공법으로 일반화된 NATM 공법은 발파 또는 건설기계를 활용하여 지반을 굴착한 후 록볼트, 숏크리트 등의 지보재를 설치하여 지반을 안정화시키는 것이 핵심사항이다. 그러므로, NATM 공법을 위해서는, 원지반이 굴착에 의해 작용되는 이완하중을 지지할 수 있게 하는 아칭현상이 발현될 수 있는 상태 ,즉 지반이 견고하고 일정두께 이상의 토피고가 확보되는 조건이 필요하다. 즉 NATM 공법은 일반적으로 암반이 분포하는 깊은 심도에 적합하다.
그러나, 저토피 구간에 터널이 위치하는 경우에는 지반이 견고하지 않아 아칭현상이 발현되지 않고 시공중 과다한 지표침하가 발생되어 터널이 붕괴될 수 있으므로 통상적인 터널공법을 적용하는 데는 어려움이 있다.
이에 저토피 구간 통과방안으로, 록볼트와 숏크리트를 주지보재로 활용하는 NATM 공법에서는 아칭효과를 발현할 수 있도록 터널아치부에 별도의 강관보강 그라우팅을 실시하거나, 터널 바닥부까지 굴착하고 콘크리트 구조물을 타설한 후 원지형 상태로 되메우는 개착식공법을 적용해 왔다.
NATM 방식은 모든 공정이 터널내에서 진행되므로 지상부에 영향이 없어 환경훼손 및 민원방지 측면에서 유리할 것으로 판단할 수 있으나, 굴착 중 과다한 지표침하 또는 싱크홀이 발생될 수 있으므로 실제공사에서는 지상부에서 터널 상부 토사를 견고하게 할 수 있는 보강 그라우팅 또는 인공지반 등을 선 시공하고 터널 내에서 아칭효과를 유발시킬 수 있는 강관보강 그라우팅을 시행한 후 터널굴착을 진행하게 되므로, 복잡한 공정으로 인해 시공성이 떨어지고 과다한 보강공법 적용으로 경제성이 저하되는 문제점이 있다.
한편, 개착식공법은 터널높이를 고려할 때 깊이 15m 내외의 절취가 불가피하므로, 과다한 절취에 따른 사유지 침해와 환경훼손이 심하게 발생될 수 있고, 토피고가 두꺼운 경우에는 큰 응력이 작용하므로 콘크리트라이닝 두께가 증가하게 되며, 거푸집을 설치한 후 콘크리트를 타설하고 양생하기 때문에 품질관리가 어렵고 양생시간에 따른 전체 공사기간이 길어지는 문제점이 있다. 또한, NATM 방식으로 시공된 부분과의 접속부는 시공방법 및 하중에 대한 구조물 거동특성 차이로 인해 장기적으로 구조적 안전성과 누수에 있어 취약부를 형성하게 되므로 과다한 유지관리 비용이 발생된다.
근래에는 상기 두 공법의 문제점을 보완한 것으로, 터널 아치부만 개착하고 아치콘크리트 타설 후 원지형으로 복원하고 NATM 방식으로 터널을 굴착하는 반개착공법을 적용하고 있다. 예를 들어, 특허공개 제2003-0037086호(2003. 05. 12. 공개)는 터널 갱구부나 토피가 얇은 연약지반 조건에서의 반개착식 터널시공방법을 개시한다. 개시된 방법은 터널 아치부만을 개착한 후 터널의 측벽에 해당하는 부분에 지중연속벽을 설치하고, 터널 아치부에서 콘크리트 아치구조물을 지중연속벽과 결합되게 형성한 후 복토하는 것이다.
반개착공법은 별도의 보강공법이 없고 절취량이 적어 경제적이며, 신속하게 원지형으로 복원할 수 있어 민원해소에 유리하지만, 개착식 공법의 문제점과 같이 전체구간에 대해 아치콘크리트가 양생 된 후에 복토가 진행되므로 공사 기간이 길어지는 문제점이 있다.
한편, 특허공개 제10-2007-0095481호(2007. 10. 01. 공개)는 저토피구간의 반개착식 터널시공방법을 개시한다. 개시된 방법은 터널의 천단 아치부에 콘크리트 아치구조물을 양생하여 형성하는 대신에 공장에서 미리 제작한 아치형 구조물을 사용한다.
본 발명은 상기한 기존 공법의 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것이다. 따라서, 본 발명의 목적은 터널의 천단 아치부까지만 원지반을 개착한 후 터널 천단 아치부의 바닥부 상에 와이어메쉬 및 복수개의 강재를 설치한 후 숏크리트를 분사하여 아치형 구조체를 형성함으로써 환경피해가 적고 시공성이 우수하며 공사기간을 단축할 수 있는 터널 굴착을 위한 반개착 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 터널 굴착을 위한 반개착 방법은 터널의 천단 아치부까지만 지반을 개착하는 지반 반개착 단계; 상기 터널 천단 아치부에 해당하는 바닥부를 면고르기한 후 상기 바닥부에 와이어메쉬를 포설하는 와이어메쉬 포설 단계; 상기 와이어메쉬 상에 원형 강관, H-형강 및 격자지보로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 강재를 횡방향으로 일정간격으로 배치하고 상기 강재를 상기 와이어메쉬에 고정하는 강재 설치 단계; 숏크리트가 상기 터널 천단 아치부의 상기 바닥부, 상기 와이어메쉬 및 상기 강재 사이의 공간, 상기 강재들 사이의 공간 및 상기 강재들 상부의 공간을 채워서 상기 강재들이 노출되지 않도록 숏크리트를 분사함으로써 상기 와이어메쉬, 상기 강재 및 상기 숏크리트가 일체화되고 또한 상기 터널 천단 아치부의 상기 바닥부에 일체적으로 결합하는 아치형 구조체를 형성하는 숏크리트 분사 단계; 및 상기 아치형 구조체 상에 토사를 다시 메우는 되메움 단계를 포함한다.
상기 터널을 굴착할 지중이 암반이 아닌 토사로 이루어진 경우, 상기 지반 반개착 단계 후에 상기 터널 천단 아치부의 상기 바닥부의 양측으로부터 수직하게 지중으로 그라우팅을 실시하여 상기 터널의 측면벽이 될 지중영역을 보강하는 지상부 보강 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 강재는 원형 강관으로 이루어지고, 상기 강관은 60 내지 200 mm의 직경과 4 내지 8 mm의 두께로 이루어지고, 상기 이웃하는 강관들 사이의 간격은 300 내지 600 mm이며, 상기 숏크리트의 두께는 160 내지 400 mm일 수 있다.
한편, 본 발명은 상기한 방법에 의하여 형성되는 것으로서, 상기 와이어메쉬, 상기 강재 및 상기 숏크리트가 일체화되고 또한 상기 터널 천단 아치부의 상기 바닥부와 일체적으로 결합하는 아치형 구조체를 제공한다.
본 발명에 따른 터널 굴착을 위한 반개착 방법은 저토피 터널 통과방안으로 기존의 부분개착 후 아치콘크리트를 타설하는 반개착공법의 경제성과 강관그라우팅의 아칭효과를 활용하는 비개착공법의 지보효과를 기대할 수 있는 공법으로, 발명의 효과에 대해 자세하게 기술하면 다음과 같다.
첫째, 터널 천단아치부까지만 굴착하므로 대규모 절취가 없어 환경피해가 적다.
둘째, 터널 굴착시 지보재로 활용되는 숏크리트와 강관을 이용하므로 재료수급이 용이하고 공정이 단순하므로 시공성이 우수하다.
셋째, 와이어메쉬, 강관, 숏크리트가 일체화된 아치형 구조체는 콘크리트처럼 양생이 필요한 구조물이 아니기 때문에 아치형 구조물의 상부에 토사를 되메우는 과정과 터널 굴착을 일정간격을 두고 동시에 수행할 수 있어 공사기간을 단축할 수 있다.
넷째, 숏크리트 타설장비는 운반 및 이동이 용이한 소규모 장비를 사용하고, 와이어메쉬 및 강관은 소형화하여 운반이 가능하므로, 콘크리트 타설시 운행되는 레미콘 차량, 펌프카 및 철근 운반 트럭 등의 대형 건설장비가 불필요하여 진입로 조성시 예상되는 민원 및 환경훼손 문제를 최소화할 수 있다.
도 1 내지 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 방법의 구체적 단계들을 나타낸 단면도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
본 발명은 터널 굴착을 위한 반개착 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 일반적으로 터널 구간 중에서 저토피 구간에 적용된다.
본 발명에 따른 방법은 먼저 터널의 천단 아치부까지만 지반을 개착하는 지반 반개착 단계를 수행한다. 본 발명에 따라 지반 반개착 단계를 수행한 결과가 도 1에 도시되어 있다.
지반(10)은 터널이 형성되는 부분을 기준으로 상측 영역(11)과 측면 영역(13)으로 임의적으로 구분할 때, 상측 영역(11)은 토사로 이루어지고, 측면 영역(13)은 토사로 이루어지거나 암반으로 이루어질 수 있다. 측면 영역(13)이 암반으로 이루어지는 경우에는 아래에서 설명하는 바와 같은 지상부 보강그라우팅은 불필요하다.
지반 반개착 단계에 의하여 터널 천단 아치부(12)가 아치 형상으로 형성된다. 터널 천단 아치부(12)의 양측으로는 수평하게 형성되는 수평영역(16)이 형성될 수 있다. 이러한 터널 천단 아치부(12) 및 수평영역(16)은 지반 굴착의 바닥부를 형성한다. 경우에 따라서는 천단 아치부(12)를 수평으로 굴착하고 아치형태로 되메움 작업을 수행하여 복원할 수도 있다.
지반(10)의 지표면(18)과 굴착 바닥부, 특히 수평영역(16) 사이에는 경사면(14)이 일반적으로 형성된다. 경사면(14)의 각도는 지반(10) 굴착을 위하여 적당하게 선택되지만, 작업 용지의 확보 정도에 따라 달라질 수 있다. 작업 용지를 확보하는 것이 매우 어려운 경우에는 경사면(14)은 수직으로 또는 거의 수직으로 형성될 수도 있다. 경사면(14)을 수직으로 형성하여야 하는 경우에는 지반 굴착 과정에서 경사면(14)의 토사가 붕괴하는 것을 방지하기 위하여 먼저 지반(10)의 지표면(18)으로부터 지상부 보강그라우팅(20)을 선시공한 후 지반 굴착을 수행할 수 있다. 이때, 지상부 보강그라우팅(20)이라 함은 지상으로부터 시멘트와 혼화재를 활용하여 토사를 보강함을 의미하는 것으로, 시공방식에 따라 고압분사주입공법, 교반공법, 약액주입공법 등으로 구분할 수 있으며, 현장 및 지반조건에 따라 적절하게 선택될 수 있다. 이하에서도 동일하다.
다음으로, 측면 영역(13)이 토사로 이루어지는 경우에는 도 2에 도시된 바와 같이, 양측 수평영역(16)에서 수직하게 지중으로 지상부 보강그라우팅(20)을 실시한다. 이러한 지상부 보강그라우팅(20)은 나중에 굴착되는 터널의 측면벽에 해당하게 되므로, 막장면 굴착시 작용되는 토압을 지지할 수 있을 정도의 강도가 확보되도록 수행되어야 한다.
다음으로, 도 3에 도시된 바와 같이, 터널 천단 아치부(12)에 해당하는 아치형상 바닥부를 면고르기 한 후 그러한 바닥부(12)에 와이어메쉬(30)를 포설한다.
아치형상 바닥부(12)의 굴착면이 불규칙한 경우 이후의 공정에서 배치되는 강관(40)이 돌출되어 응력집중이 발생할 수 있기 때문에 와이어메쉬(30)를 포설하기 전에 면고르기를 수행하는 것이 필요하다. 이때, 패인 부분은 모래 등을 활용하여 평탄화시켜야 한다.
철망(와이어메쉬)은 KS D 7017에 규정된 용접 철망을 사용할 수 있다. 철망의 지름은 5mm 내외, 개구 크기는 100mm x 100mm 또는 150mm x 150mm를 표준으로 한다. 이후 공정에 의하여 숏크리트(50)에 의한 지반(10)과의 부착을 증진시키기 위하여 개구 크기와 철선 지름이 작은 철망을 사용할 수 있다. 철망은 굴착면에 밀착시켜 견고하게 고정하며 이후 공정에서 강관(40) 설치 및 숏크리트(50) 분사작업 중 이동이 발생하지 않도록 하여야 한다. 철망은 터널 종방향으로 100mm, 횡방향으로 200mm 정도로 충첩하여 이음하여야 한다.
다음으로, 도 4에 도시된 바와 같이, 와이어메쉬(30) 상에 강관(40)을 횡방향으로 일정간격으로 배치하고, 강관(40)을 와이어메쉬(30)에 고정한다. 강관(40)을 와이어메쉬(30)에 고정하기 위하여 철사 등을 사용할 수 있다.
강관(40)은 60 내지 200 mm의 직경, 특히 100mm의 직경과 4 내지 8 mm의 두께, 특히 6mm의 두께로 이루어지고, 이웃하는 강관들(40) 사이의 간격은 300 내지 600 mm, 특히 400mm일 수 있다. 강관(40)은 직경 100mm 이상의 구조용 강관(KS D 3566)을 표준으로 하며, 상재압 및 지반조건에 따라 적정한 직경으로 변경할 수 있다. 강관(40)의 연결은 나사식, 소켓식 또는 용접방식 등으로 할 수 있고, 구조적 취약부가 발생하지 않도록 종방향 연결위치는 강관별로 다르게 해야 한다.
다음으로, 도 5에 도시된 바와 같이, 강관(40) 상부에서 숏크리트(50)를 타설한다. 숏크리트(50)는 강관(40) 내부에는 분사되지 않는 것이 바람직하지만, 필요에 따라 강관(40) 내부에도 분사될 수 있다. 이때, 숏크리트(50)의 두께는 160 내지 400mm 정도가 적당하다. 숏크리트(50) 타설은 터널 천단 아치부의 바닥부(12), 와이어메쉬(30) 및 강관(40) 사이의 공간, 강관들(40) 사이의 공간 및 강관들(40) 상부의 공간을 채워서 강관들(40)이 노출되지 않도록 숏크리트를 분사하는 것이다. 그럼으로써 와이어메쉬(30), 강관(40) 및 숏크리트(50)가 일체화되고 또한 터널 천단 아치부의 바닥부(12)에 일체적으로 결합하는 아치형 구조체(60)가 형성된다.
숏크리트(50)는 작용하는 외력을 지반에 분산시키고, 굴착면 가까이에 지반아치가 형성될 수 있도록 타설되어야 한다. 숏크리트(50)는 강관(40) 사이의 굴곡부를 메우고, 와이어메쉬(30)와 강관(40)을 접착시켜 누수 및 세립자 유출을 방지하고, 응력집중이 발생되지 않도록 균등한 두께로 타설해야 한다. 숏크리트(50)의 재령 28일 설계기준강도는 일반 숏크리트의 경우 21MPa 이상, 고강도 숏크리트의 경우 35MPa 이상이고, 재량 1일 강도는 10MPa 이상이 되도록 하여야 한다. 숏크리트(50)는 배합 및 작업방법에 따라 건식과 습식으로 구분하며 필요에 따라 강재 또는 기타 재질의 섬유도 혼합하여 사용할 수 있다. 숏크리트(50) 타설 두께는 200mm를 표준으로 하며, 강관 직경, 숏크리트 강도, 토피고를 감안하여 증가시킬 수 있다.
다음으로, 도 6에 도시된 바와 같이, 아치형 구조체(60) 상에 토사(70)를 다시 메우는 되메움 단계가 수행된다.
되메움 단계는 아치형 구조체(60)의 손상이 발생하지 않도록 소형 장비를 이용하여 다짐을 수행하며, 되메움이 아치형 구조체(60) 상부에서 2.0m 이상 진행된 경우에는 대형 장비를 사용할 수 있다. 1층당 다짐두께는 30cm 이하, 상대다짐도는 90% 이상으로 한다.
상기에서는 강관(50)을 사용한 예를 설명하였지만, 강관(50) 대신에 H-형강, 격자지보 등과 같은 강재가 사용될 수 있다. 이 경우 H-형강, 격자지보 등의 강재의 칫수는 상기에서 설명한 강관(50)을 기준으로 적절하게 선택될 수 있다.
토사(70) 되메움 단계를 수행한 후에는 도 7에 도시된 바와 같이, 터널 굴착공사를 수행한다. 터널 굴착공사는 알려진 방법에 의하여 수행될 수 있다.
10: 지반 11,13: 토사
12: 터널 천단 아치부 14: 경사부
16: 수평영역 18: 지표면
20: 지상부 보강영역 30: 와이어메쉬
40: 강관 50: 숏크리트
60: 아치형 구조체 70: 복토
80: 터널

Claims (4)

  1. 터널의 천단 아치부까지만 지반을 개착하는 지반 반개착 단계; 상기 터널 천단 아치부에 해당하는 바닥부를 면고르기한 후 상기 바닥부에 와이어메쉬를 포설하는 와이어메쉬 포설 단계; 상기 와이어메쉬 상에 원형 강관, H-형강 및 격자지보로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 강재를 횡방향으로 일정간격으로 배치하고 상기 강재를 상기 와이어메쉬에 고정하는 강재 설치 단계; 숏크리트가 상기 터널 천단 아치부의 상기 바닥부, 상기 와이어메쉬 및 상기 강재 사이의 공간, 상기 강재들 사이의 공간 및 상기 강재들 상부의 공간을 채워서 상기 강재들이 노출되지 않도록 숏크리트를 분사함으로써 상기 와이어메쉬, 상기 강재 및 상기 숏크리트가 일체화되고 또한 상기 터널 천단 아치부의 상기 바닥부에 일체적으로 결합하는 아치형 구조체를 형성하는 숏크리트 분사 단계; 및 상기 아치형 구조체 상에 토사를 다시 메우는 되메움 단계를 포함하는 터널 굴착을 위한 반개착 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 터널을 굴착할 지중이 암반이 아닌 토사로 이루어진 경우, 상기 지반 반개착 단계 후에 상기 터널 천단 아치부의 상기 바닥부의 양측으로부터 수직하게 지중으로 강관 그라우팅을 실시하여 상기 터널의 측면벽이 될 지중영역을 보강하는 지상부 보강 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터널 굴착을 위한 반개착 방법.
  3. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 강재는 원형 강관으로 이루어지고, 상기 강관은 60 내지 200 mm의 직경과 4 내지 8 mm의 두께로 이루어지고, 상기 이웃하는 강관들 사이의 간격은 300 내지 600 mm이며, 상기 숏크리트의 두께는 160 내지 400 mm인 것을 특징으로 하는 터널 굴착을 위한 반개착 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 형성되는 것으로서, 상기 와이어메쉬, 상기 강재 및 상기 숏크리트가 일체화되고 또한 상기 터널 천단 아치부의 상기 바닥부와 일체적으로 결합하는 아치형 구조체.
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KR1020170173385A KR20190072213A (ko) 2017-12-15 2017-12-15 터널 굴착을 위한 반개착 방법

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110985057A (zh) * 2019-12-25 2020-04-10 云南交投公路建设第四工程有限公司 盖梁与管棚联合超前支护下隧道暗挖进洞施工工法
KR102208236B1 (ko) 2020-07-31 2021-01-27 (주)하경엔지니어링 터널 반개착 지보 시스템 및 이를 활용한 터널 시공방법

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