KR20200041413A - 선도보링부를 통해 케이싱 구조체내 유입한 켄틸레버 구조형태의 코어를 인장력을 이용하여 대형크기로 파단하며 터널을 형성하는 대형코어 파단식 유닛구조 및 이에 의한 터널형성 시스템과 이를 이용한 터널형성 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전방부 전면적을 작은 자갈크기로 보링하여 많은 시간이 소요되는 TBM보링방식과 다르게 테두리부만을 보링하여 켄틸레버 구조형태의 코어를 형성하여 인장력을 이용한 대형크기 파단으로 전방 암반을 빠르게 제거하기에 전진속도가 매우 빨라지고, ‘선도보링부’에서 여러 개의 ‘선도보링 유닛구조체’가 독립적으로 움직이며 '케이싱 구조체' 진입공간을 만드는 단계(A), ‘선도보링 유닛구조체’ 후면, ‘파티션 그라우트’공간에 그라우팅을 주입하여 ‘케이싱구조체’ 전진시 주변 지반에 마찰력 전달을 차단 하는 단계(B), ‘선도보링부’에서 생성된 '케이싱 구조체' 진입공간내로 ‘케이싱 구조체’를 유압력으로 진입시키고 구조체 내부로 남겨진 코어를 유입시키는 단계( C), '케이싱 구조체' 내로 유입한 코어를 안식각을 유지하며 인장력을 활용하여 대형크기로 제거하고 후방으로 운송하는 단계(D), 후방으로 운송된 코어를 조립완료된 터널내부에서 운송가능한 크기로 추가 절단하는 단계(E), 외측이 '파티션 그라우트' 로 보호받는 조립공간에서 신규세그먼트를 조립하는 단계(F), 위의 A부터 F까지의 모든 공정의 단계가 결합하여 하나의 유기적 움직임을 이뤄내고 각 공정이 독립적으로 동시에 작동하여 공정 단계별 제약이 존재 하지 않는 연속작업으로 작업효율성을 증가시키도록 한 발명이다.

Description

선도보링부를 통해 케이싱 구조체내 유입한 켄틸레버 구조형태의 코어를 인장력을 이용하여 대형크기로 파단하며 터널을 형성하는 대형코어 파단식 유닛구조 및 이에 의한 터널형성 시스템과 이를 이용한 터널형성 시공방법{A large core fracture-type unit structure that forms a tunnel by fracturing a core in the form of a cantilever structure that flows into the casing structure through the leading front boring part into a large size using a tensile force and tunnel forming system using the same, and tunnel forming method using the unit structure}

본 발명은 선도보링부를 통해 케이싱 구조체내 유입한 켄틸레버 구조형태의 코어를 인장력을 이용하여 대형크기로 파단하며 터널을 형성하는 대형코어 파단식 유닛구조 및 이에 의한 터널형성 시스템과 이를 이용한 터널형성 시공방법에 관한 것이다.

이를 좀 더 구체적으로 말하면, 전방부 전면적을 작은 자갈크기로 보링하여 많은 시간이 소요되는 TBM보링방식과 다르게 테두리부만을 보링하여 켄틸레버 구조형태의 코어를 형성하여 인장력을 이용한 대형크기 파단으로 전방 암반을 빠르게 제거하기에 전진속도가 매우 빨라지고, ‘선도보링부’에서 여러 개의 ‘선도보링 유닛구조체’가 독립적으로 움직이며 '케이싱 구조체' 진입공간을 만드는 단계(A), ‘선도보링 유닛구조체’ 후면, ‘파티션 그라우트’공간에 그라우팅을 주입하여 ‘케이싱구조체’ 전진시 주변 지반에 마찰력 전달을 차단 하는 단계(B), ‘선도보링부’에서 생성된 '케이싱 구조체' 진입공간내로 ‘케이싱 구조체’를 유압력으로 진입시키고 구조체 내부로 남겨진 코어를 유입시키는 단계( C), '케이싱 구조체' 내로 유입한 코어를 안식각을 유지하며 인장력을 활용하여 대형크기로 제거하고 후방으로 운송하는 단계(D), 후방으로 운송된 코어를 조립완료된 터널내부에서 운송가능한 크기로 추가 절단하는 단계(E), 외측이 '파티션 그라우트' 로 보호받는 조립공간에서 신규세그먼트를 조립하는 단계(F), 위의 A부터 F까지의 모든 공정의 단계가 결합하여 하나의 유기적 움직임을 이뤄내고 각 공정이 독립적으로 동시에 작동하여 공정 단계별 제약이 존재 하지 않는 연속작업으로 작업효율성을 증가시키도록 한 발명이다.

또한, 보링머신은 구조물 테두리부를 따라 독립적으로 작동하는 각 개별 작은 보링 유닛구조체들의 조합으로 이뤄져 있으며, 각 유닛구조체는 여러대의 미니 보링기 조합으로 구성되어 있어 모든 구조물 형태를 미니보링기의 조합으로 시공이 가능하고 미니 보링기는 동일한 규격제품으로 장비 재사용이 수월하기에 보링 머신의 가격이 TBM에 비하여 매우 저렴하고 장비 재사용률을 높이고, 그리고 구조물의 테두리부만 보링하기에 TBM에 비하여 보링면적이 약 70%감소하여 보링비트의 교체량이 매우 감소하고 케이싱구조체내 유입된 코어를 안식각을 유지하며 제거하기에 막장면 안정을 위하여 벤토나이트와 같은 안정액 유지장치가 불필요하여 유지관리비를 매우 절약하는 경제적인 효과가 있는 발명이다.

그뿐만 아니라, 미니 보링기의 조합으로 구성된 보링유닛구조체가 구조물의 테두리부를 따라 설치되기에 원형 뿐만아니라 박스 및 아치와 같은 다양한 구조물 형태를 시공할 수 있고, 케이싱 구조체내 유입된 코어가 안식각을 유지하며 제거하기에 막장면 토압에 대한 문제가 없어 대형단면 구조물 시공이 가능한 효과를 지닌 유용한 발명이다.

터널시공 공법중 대표적으로 사용되는 시공방법은 TBM(Tunnel Boring Machine)장비를 이용한 기계굴착 터널시공방법이다. TBM공법은 전면부 커터헤드와 여러 개의 디스크커터가 회전과 압력을 통하여 막장면을 갈아 뚫는 보링을 하고 후면부에서 세그먼트를 조립하며 전진하는 기계굴착 장비를 통칭하여 TBM공법이라 부른다. TBM공법은 여러 문제점이 있으며 그 문제점은 다음과 같다.

첫번째 문제점은, TBM장비가 전진하며 터널을 굴착하기 위하여 TBM장비 직경 이상의 전방부 공간이 지속 생성되어야 하고 이를 위하여 전방 굴착암을 커터헤드에 부착된 여러 개의 디스크커터의 회전력과 압력을 이용하여 작은 자갈크기로 갈아내는 보링을 하기에 작은조각으로 갈아내는데 많은 시간과 에너지가 소요되고 직경이 커질수록 갈아내어야 하는 면적이 넓어져 디스크커터 마모에 따른 교체비용이 커지고 모터 회전력을 얻기 위한 전력이 더 많이 소요되는 문제점이 발생한다.

두번째 문제점은, TBM장비는 세그먼트 조립후 조립, 완성된 구조체를 반력벽 삼아 전방 커터헤드에 압력을 가한 보링을 통하여 전진하는 구조이기에 세그먼트 조립시 전방 커터헤드의 회전은 정지하고 대기하며, 또한 커터헤드 회전 보링시 후방 세그먼트를 반력벽 삼기에 세그먼트 조립이 불가능함에 연속 작업의 어려움으로 작업 연속성의 결여로 인한 작업효율 감소가 전진속도를 느리게 한다.

세번째 문제점은, TBM장비는 전단면을 한번에 보링하다보니 목적 구조물의 직경에 맞게 주문생산방식으로 제작되고 직경에 맞게 장비의 크기는 커지고 중량이 과다해져 장비가격이 매우고가이고 운반설치 기간이 많이 소요되는 문제점이 있다. 그리고, 목적 구조물의 크기와 지반조건이 동일한 경우가 흔치않기에 TBM장비의 재사용에도 어려움이 많이 발생한다.

네번째 문제점은, TBM장비는 직경이 커질수록 막장면 넓이가 커져 전방 토압의 증가로 전도의 위험과 연약지반층 통과시 막장부 지반붕괴와 같은 위험성이 존재한다. 그로인하여, 막장면 안정을 위한 벤토나이트와 같은 안정액 유지장치가 필요하고 배토된 토사와 벤토나이트를 분리하는 기계설비등이 추가로 설치되어 설비장치 유지관리비가 많이 발생하는 문제점도 함께 발생한다.

다섯번째 문제점은, TBM장비는 전방부 커터헤드의 회전력으로 보링을 하기에 전단면이 원형을 이루고 있고 단면의 크기가 커질수록 막장 토압 안정화의 어려움이 크게 발생하여 원형형태와 직경크기의 한계가 발생한다. 그로인하여, BOX 및 아치형태의 구조물 시공은 불가능하여 상하 및 측면부 비활용공간이 발생하는 원형형태 구조물만 시공되고 막장면 안정화 문제로 대단면 터널시공도 불가능하여 지하공간 개발과 활성화에 어려움이 있는 문제점이 있다.

본 발명의 해결과제는 다음과 같다.

첫번째, 구조물 단면 크기만큼 전방부 전면적을 작은 자갈크기로 보링하는 방식은 많은 시간이 소요되고 직경이 커질수록 더 많은 시간이 소요되는 문제점을 해결하고자 한다.

두번째, 세그먼트 조립중 보링작업의 연속 작업이 불가능하기에 작업 연속성의 결여에 의한 작업효율이 떨어져 전진속도가 느린 문제점을 해결하고자 한다.

세번째, 목적 구조물의 직경에 맞게 주문생산방식으로 제작되어 직경에 맞게 장비의 크기는 커지고 중량이 과다해져 장비가격이 매우 고가이고 운반설치 기간이 많이 소요되는 문제점을 해결하고자 한다.

네번째, 굴착부 직경이 커질수록 막장면 넓이가 커져 전방 토압의 증가로 전도의 위험과 연약지반층 통과시 막장부 지반붕괴와 같은 위험성이 존재하고, 막장면 안정을 위하여 벤토나이트와 같은 안정액 유지장치를 사용하고 배토된 토사와 벤토나이트를 분리하는 기계설비등이 추가로 설치되어 설비장치 유지관리비가 많이 발생하는 문제점을 해결하고자 한다.

다섯번째, 전방굴착부는 커터헤드의 회전력으로 보링을 하기에 전단면이 원형을 이루고 있고 단면의 크기가 커질수록 토압 안정화의 어려움이 크게 발생하기에 원형형태와 직경크기의 한계가 발생하는 문제점을 해결하고자 한다.

본 발명은 목적구조물 단면형상과 동일 내구성을 갖은 ‘케이싱 구조체’가 지반으로 진입할 수 있도록 테두리부를 보링하여 전진공간을 형성하고, 동시에 ‘케이싱 구조체’와 외측 지반과의 마찰력 전달을 막아주는 역할의 ‘파티션 그라우트’가 설치될 수 있는 공간과 ‘케이싱 구조체’ 내측과 코어 외측사이 작업공간이 형성되도록 최전방에서 단면을 보링하여 후방에 공간을 공급하며 켄틸레버 구조형태의 코어를 형성하는 ‘선도보링부’를 통하여 내부로 유입된 ‘코어(지반)’을 안식각을 유지하며 안전하게 인장력을 이용하여 대형크기로 빠르게 파단하여 후방 운송하고 필요시 시공완료된 후면 터널내부에서 운반된 코어를 운반이 용이한 크기로 추가 절단하며 굴착작업공간의 다원화를 통하여 빠르게 터널시공토록 진행하는 ‘대형코어 파단식 유닛구조’이다.

또한 독립적으로 작동하는 각 개별 작은 유닛구조체들의 조합으로 이뤄져 있으며, 각 유닛구조체는 여러대로 조합된 미니 보링기의 보링으로 공급되는 전진공간내 ‘케이싱 강박스’가 전진하여 내부에 남아있는 코어를 유입시켜 안전하게 큰조각으로 제거하므로 터널공간을 만드는 ‘대형코어 제거식 유닛구조’가 작은크기로 작동하는 동일 원리로 구성되어있고, 각 ‘유닛구조체’는 ‘케이싱 구조체’ 와 코어사이에 형성된 작업공간을 통하여 작업인력과 제거된 코어를 입,반출하는 통로로 사용되고, 모든 미니 보링기는 동일한 규격제품을 사용하여 수리 및 부품관리가 용이하고 재사용이 수월토록 만드는 ‘선도보링부’ 구조이다.

그뿐 아니라 코어 암반의 특징중 압축력에는 강력하지만 인장력에는 매우 취약한 점을 이용하여 ‘선도보링부’에 의하여 만들어진 ‘케이싱 구조체’내 작업공간으로 주변 지지지반이 제거되고 뿌리부에만 의지하는 켄틸레버 구조 형태의 코어 최상단에 수직으로 유압잭을 설치하고 외측 지반을 반력벽삼아 코어에 유압력을 가하여 발생한 회전력으로 뿌리부가 인장력으로 전면이 쪼개지며 분리되고 분리된 코어를 하부에 미리 설치한 운반차로 후방운송하며 제거하거나 코어 뿌리부에 쐐기가 들어갈 틈을 절단하고 수직으로 설치된 유압력으로 쐐기를 중심부로 밀어 넣으며 양쪽으로 벌어지게 하여 코어가 분리되는 방법으로 대형코어를 제거하는 ‘터널 코어 부 제거’ 구조이다.

또 ‘선도보링부’에서 단면을 보링하여 만들어진 ‘케이싱 구조체’ 외측 공간에 그라우팅을 밀실하게 주입하여 빈공간을 없애고 전면을 커버하는 폐합구조 형태로 '케이싱 구조체'와 지반과의 사이에 존재하며 '케이싱 구조체'가 전진할 때 마찰력이 ‘파티션 그라우트’ 내측에만 작용하고 지반과 접촉한 외측면에는 전달되지 않도록 차단하여 지반거동을 막아주는 역할과 '선도보링부'와 '케이싱 구조체' 전방부 사이 공간 그리고 '케이싱 구조체' 후방부와 조립된 신규 세그먼트 사이 공간의 지반 탈락과 지하수 유입으로 부터 보호하는 ‘파티션 그라우트’ 구조이다.

또한 일반적인 TBM의 전면 보링방식은 목적구조물의 단면크기가 커질수록 토압에 의한 막장면 전도 및 붕괴의 위험성이 커지기에 단면크기를 키우는데 어려움이 존재하고, 전면 회전을 통하여 보링하기에 구조물 단면이 원형형상인 한계가 존재하지만, '대형코어 제거식 유닛구조'는 '케이싱 구조체' 내부에서 안식각을 준수하며 코어를 안전하게 제거하기에 목적구조물 단면크기의 제약이 없고 목적구조물의 테두리부를 따라 '선도보링부'가 배열되기에 원형, 박스, 아치형등 모든 구조물 단면형상 시공이 가능한 형상의 제약없는 특징을 가지는 ‘대형코어 파단식 유닛구조’이다.

한편 ‘선도보링부’에서 여러 개의 ‘선도보링 유닛구조체’가 독립적으로 움직이며 '케이싱 구조체' 진입공간을 만드는 단계(A), ‘선도보링 유닛구조체’ 후면, ‘파티션 그라우트’공간에 그라우팅을 주입하여 ‘케이싱구조체’ 전진시 주변 지반에 마찰력 전달을 차단 하는 단계(B), ‘선도보링부’에서 생성된 '케이싱 구조체' 진입공간내로 ‘케이싱 구조체’를 유압력으로 진입시키고 구조체 내부로 남겨진 코어를 유입시키는 단계( C), '케이싱 구조체' 내로 유입한 코어를 안식각을 유지하며 인장력을 활용하여 대형크기로 제거하고 후방으로 운송하는 단계(D), 후방으로 운송된 코어를 조립완료된 터널내부에서 운송가능한 크기로 추가 절단하는 단계(E), 외측이 '파티션 그라우트' 로 보호받는 조립공간에서 신규세그먼트를 조립하는 단계(F), 위의 A부터 F까지의 모든 공정의 단계가 결합하여 하나의 유기적 움직임을 이뤄내고 각 공정이 독립적으로 동시에 작동하여 공정 단계별 제약이 존재 하지 않는 '대형코어 파단식 유닛구조에 의한 터널형성 시스템'이다.

또 다른 한편 ‘선도보링부’에서 여러 개의 ‘선도보링 유닛구조체’가 독립적으로 움직이며 '케이싱 구조체' 진입공간을 만드는 단계(A), ‘선도보링 유닛구조체’ 후면, ‘파티션 그라우트’공간에 그라우팅을 주입하여 ‘케이싱구조체’ 전진시 주변 지반에 마찰력 전달을 차단 하는 단계(B), ‘선도보링부’에서 생성된 '케이싱 구조체' 진입공간내로 ‘케이싱 구조체’를 유압력으로 진입시키고 구조체 내부로 남겨진 코어를 유입시키는 단계( C), '케이싱 구조체' 내로 유입한 코어를 안식각을 유지하며 인장력을 활용하여 대형크기로 제거하고 후방으로 운송하는 단계(D), 후방으로 운송된 코어를 조립완료된 터널내부에서 운송가능한 크기로 추가 절단하는 단계(E), 외측이 '파티션 그라우트' 로 보호받는 조립공간에서 신규세그먼트를 조립하는 단계(F),로 구성된 '대형코어 파단식 유닛구조를 이용한 터널시공방법'이다.

본 발명의 효과는 다음과 같다.

첫번째, 전방부 전면적을 작은 자갈크기로 보링하여 많은 시간이 소요되는 보링방식과 다르게 테두리부만을 보링하여 켄틸레버 구조형태의 코어를 형성하여 인장력을 이용한 대형크기 파단으로 전방 암반을 제거하기에 전진속도가 매우 빨라지는 효과가 있고,

두 번째, ‘선도보링부’에서 여러 개의 ‘선도보링 유닛구조체’가 독립적으로 움직이며 '케이싱 구조체' 진입공간을 만드는 단계(A), ‘선도보링 유닛구조체’ 후면, ‘파티션 그라우트’공간에 그라우팅을 주입하여 ‘케이싱구조체’ 전진시 주변 지반에 마찰력 전달을 차단 하는 단계(B), ‘선도보링부’에서 생성된 '케이싱 구조체' 진입공간내로 ‘케이싱 구조체’를 유압력으로 진입시키고 구조체 내부로 남겨진 코어를 유입시키는 단계( C), '케이싱 구조체' 내로 유입한 코어를 안식각을 유지하며 인장력을 활용하여 대형크기로 제거하고 후방으로 운송하는 단계(D), 후방으로 운송된 코어를 조립완료된 터널내부에서 운송가능한 크기로 추가 절단하는 단계(E), 외측이 '파티션 그라우트' 로 보호받는 조립공간에서 신규세그먼트를 조립하는 단계(F), 위의 A부터 F까지의 모든 공정의 단계가 결합하여 하나의 유기적 움직임을 이뤄내고 각 공정이 독립적으로 동시에 작동하여 공정 단계별 제약이 존재 하지 않는 연속작업이 가능하여 작업효율성 증가로 전진속도가 향상되는 효과가 있고,

세번째, 보링머신은 구조물 테두리부를 따라 독립적으로 작동하는 각 개별 작은 보링 유닛구조체들의 조합으로 이뤄져 있으며, 각 유닛구조체는 여러대의 미니 보링기 조합으로 구성되어 있어 모든 구조물 형태를 미니보링기의 조합으로 시공이 가능하고 미니 보링기는 동일한 규격제품으로 장비 재사용이 수월하기에 보링 머신의 가격이 TBM에 비하여 매우 저렴하고 장비 재사용률이 높아 매우 경제적인 효과가 있고,

네 번째, 구조물의 테두리부만 보링하기에 TBM에 비하여 보링면적이 약 70%감소하여 보링비트의 교체량이 매우 감소하고 케이싱구조체내 유입된 코어를 안식각을 유지하며 제거하기에 막장면 안정을 위하여 벤토나이트와 같은 안정액 유지장치가 불필요하여 유지관리비가 매우 저렴한 경제적인 효과가 있고,

다섯 번째, 미니 보링기의 조합으로 구성된 보링유닛구조체가 구조물의 테두리부를 따라 설치되기에 원형 뿐만아니라 박스 및 아치와 같은 다양한 구조물 형태를 시공할 수 있고, 케이싱 구조체내 유입된 코어가 안식각을 유지하며 제거하기에 막장면 토압에 대한 문제가 없어 대형단면 구조물 시공이 가능한 효과를 지닌 유용한 발명이다.

[도 1] TBM 원리에 의한 작은 조각으로 전면을 보링하는 원리도
[도 2] 선도보링부를 통하여 켄틸레버 코어를 형성 후 인장력으로 파단하여 파단된 대형코어를 후방으로 운송하는 모식도
[도 3] 선도보링부의 보링유닛구조체 구성 및 작동 모식도
[도 4] 케이싱구조체내 유입된 켄틸레버 코어 끝상단에 유압력을 가하여 인장력으로 파단하는 방법과 코어주변에 수직으로 쐐기를 압입하며 인장력으로 파단하는 방법의 모식도 및 작업공간 다원화 모식도
[도 5] 케이싱 구조체 주변을 감싸며 지반에 마찰력 전달을 차단하는 파티션 그라우트 모식도
[도 6] 코어의 안식각 유지를 통한 막장면 안정화로 대단면 시공이 가능한 모식도 및 구조물 테두리부를 따라 보링유닛구조체 설치를 통하여 다양한 형태의 구조물 시공이 가능한 모식도
[도 7] 단계별 시공순서도

본 발명인 '선도보링부를 통해 케이싱 구조체내 유입한 켄틸레버 구조형태의 코어를 인장력을 이용하여 대형크기로 파단하며 터널을 형성하는 대형코어 파단식 유닛구조 및 이에 의한 터널형성 시스템과 이를 이용한 터널형성 시공방법.' 에 대한 설명을 하면 다음과 같다.

먼저, 본 발명 '선도보링부를 통해 케이싱 구조체내 유입한 켄틸레버 구조형태의 코어를 인장력을 이용하여 대형크기로 파단하며 터널을 형성하는 대형코어 파단식 유닛구조'의 구성에 대한 설명이다.

첫 번째로, 외부토압을 방어하며 내부로 유입한 코어를 안전하게 제거할 수 있는 공간을 만들어주는 '케이싱 구조체'에 대한 설명이다. '케이싱 구조체'는 목적구조물의 구조체와 동일 단면크기로 세그먼트와 후면사이 유압력으로 전진하고, ‘선도보링부’에 의해 만들어진 구조물 테두리부 전진 공간내로 '케이싱 구조체'가 진입하면, 남아있는 지반 코어(심, 원기둥)가 내부로 유입된다. 그러면, ‘케이싱 구조체’는 유입된 코어 외측과 ‘케이싱 구조체’ 내측사이 의 작업공간에서 인장력을 활용하여 대형크기로 코어가 파단, 제거되어도 지반하중을 버티는 안전한 터널공간을 만드는데 그 목적이 있는 구조이다. 그리고 '케이싱 구조체'의 길이는 내부로 진입한 지반 코어(심, 원기둥)가 안식각을 유지하며 안전하게 제거 될 수 있는 범위 이상에서 지반조건에 따라 그 길이를 유지한다. (통상 직경의 1~2배 길이를 유지한다.)

두 번째로, ‘케이싱 구조체’가 전진할 때 테두리부만 진입공간을 만들어 내부에서 대형크기로 안전하게 제거될 수 있는 코어를 형성하는 '선도보링부'에 대한 설명이다.

'선도보링부'는 ‘케이싱 구조체’가 지반으로 진입할 수 있도록 테두리부를 보링하여 전진공간을 형성하고, 동시에 ‘케이싱 구조체’와 외측 지반과의 마찰력 전달을 막아주는 역할의 ‘파티션 그라우트’가 설치될 수 있는 공간과 ‘케이싱 구조체’ 내측과 코어 외측사이 작업공간이 형성되도록 최전방에서 단면을 보링하여 후방에 공간을 공급하고 켄틸레버 구조형태의 코어가 남겨지도록 하는데 그 목적이 있는 구조이다.

‘선도보링부’는 독립적으로 작동하는 각 개별 작은 유닛구조체들의 조합으로 이뤄져 있으며, 각 유닛구조체는 여러대로 조합된 미니 보링기의 보링으로 공급되는 전진공간내 ‘케이싱 강박스’가 전진하여 내부에 남아있는 코어를 유입시켜 안전하게 큰조각으로 제거하므로 터널공간을 만드는 ‘대형코어 파단식 유닛구조’가 작은크기로 작동하는 동일 원리로 구성되었다. 각 ‘유닛구조체’는 ‘케이싱 구조체’와 코어사이에 형성된 작업공간을 통하여 작업인력과 제거된 코어를 입,반출하는 통로로 사용하고, 모든 미니 보링기(통상 직경0.4m)는 동일한 규격제품을 사용하여 수리 및 부품관리가 용이하고 재사용이 수월토록 만든다.

세 번째로, '케이싱 구조체‘내 유입한 코어를 인장력을 활용하여 대형크기로 파단,제거하여 반출하는 '터널 코어부 제거'에 대한 설명이다.

'터널 코어부 제거'는 '선도보링부'에서 보링되고 남겨진 단면 형상으로 '케이싱 구조체' 내부로 유입한 코어(심, 원기둥)를 작은 자갈크기로 갈아내는데 시간이 오래 걸리는 보링 굴착이 아닌 '케이싱 구조체' 내부 작업공간에서 인장력을 활용하여 대형크기로 제거하여 굴착속도와 후방운반을 빠르게 하는데 그 목적이 있는 구조이다. 또한, 전방부에서만 굴착작업이 이뤄지는 기존의 단일성 작업 공간을 유입된 코어를 인장력을 활용하여 대형크기로 제거 후 시공이 완료되어 운송통로로만 사용되는 후방 터널내부로 이동하여 추가로 운송가능한 크기로 절단하므로 동시에 두군데 이상의 다원성 작업 공간을 확보하여 전진속도를 빠르게 하는 이점이 있는 구조이다.

'터널 코어부 제거'방법은 코어 암반의 특징중 압축력에는 강력하지만 인장력에는 매우 취약한 점을 이용하여 ‘선도보링부’에 의하여 만들어진 ‘케이싱 구조체’내 작업공간으로 주변 지지지반이 제거되고 뿌리부에만 의지하는 켄틸레버 구조 형태의 코어 최상단에 수직으로 유압잭을 설치하고 외측 지반을 반력벽삼아 코어에 유압력을 가하여 발생한 회전력으로 뿌리부가 인장력으로 전면이 쪼개지며 분리되고 분리된 코어를 하부에 미리 설치한 운반차로 후방운송하며 제거하는 구조이다. 또한, 암반의 인장력에 취약한 특징을 이용하여 코어 뿌리부에 쐐기가 들어갈 틈을 절단하고 수직으로 설치된 유압력으로 쐐기를 중심부로 밀어 넣으며 양쪽으로 벌어지게 하여 코어가 분리되는 방법으로도 상황에 따라 제거할 수 있다.

네 번째로, '케이싱 구조체'를 감싸며 전진시 지반에 마찰력 전달을 차단시키는 '파티션 그라우트'에 대한 설명이다.

'파티션 그라우트'는 ‘선도보링부’에서 단면을 보링하여 만들어진 ‘케이싱 구조체’ 외측 공간에 그라우팅을 밀실하게 주입하여 빈공간을 없애고 전면을 커버하는 폐합구조 형태로 '케이싱 구조체'와 지반과의 사이에 존재하며 '케이싱 구조체'가 전진할 때 마찰력이 ‘파티션 그라우트’ 내측에만 작용하고 지반과 접촉한 외측면에는 전달되지 않도록 차단하여 지반거동을 막아주는 역할과 '선도보링부'와 '케이싱 구조체' 전방부 사이 공간 그리고 '케이싱 구조체' 후방부와 조립된 신규 세그먼트 사이 공간의 지반 탈락과 지하수 유입으로 부터 보호하는데 그 목적이 있는 구조이다.

다섯 번째로, 구조물단면의 크기와 형상에 제약 없이 구조물을 만들 수 있는 ‘대형코어 제거식 유닛구조’의 특징에 대한 설명이다.

일반적인 TBM의 전면 보링방식은 목적구조물의 단면크기가 커질수록 토압에 의한 막장면 전도 및 붕괴의 위험성이 커지기에 단면크기를 키우는데 어려움이 존재하고, 전면 회전을 통하여 보링하기에 구조물 단면이 원형형상인 한계가 존재한다. 하지만, '대형코어 제거식 유닛구조'는 '케이싱 구조체' 내부에서 안식각을 준수하며 코어를 안전하게 제거하기에 목적구조물 단면크기의 제약이 없고 목적구조물의 테두리부를 따라 '선도보링부'가 배열되기에 원형, 박스, 아치형등 모든 구조물 단면형상 시공이 가능한 형상의 제약없는 특징을 가지고 있는 구조이다.

다음은, 본 발명 '대형코어 파단식 유닛구조에 의한 터널형성 시스템'에 대한 설명이다.

‘대형코어 파단식 유닛구조에 의한 터널형성 시스템'은 다음과 같다. ‘선도보링부’에서 여러 개의 ‘선도보링 유닛구조체’가 독립적으로 움직이며 '케이싱 구조체' 진입공간을 만드는 단계(A), ‘선도보링 유닛구조체’ 후면, ‘파티션 그라우트’공간에 그라우팅을 주입하여 ‘케이싱구조체’ 전진시 주변 지반에 마찰력 전달을 차단 하는 단계(B), ‘선도보링부’에서 생성된 '케이싱 구조체' 진입공간내로 ‘케이싱 구조체’를 유압력으로 진입시키고 구조체 내부로 남겨진 코어를 유입시키는 단계( C), '케이싱 구조체' 내로 유입한 코어를 안식각을 유지하며 인장력을 활용하여 대형크기로 제거하고 후방으로 운송하는 단계(D), 후방으로 운송된 코어를 조립완료된 터널내부에서 운송가능한 크기로 추가 절단하는 단계(E), 외측이 '파티션 그라우트' 로 보호받는 조립공간에서 신규세그먼트를 조립하는 단계(F), 위의 A부터 F까지의 모든 공정의 단계가 결합하여 하나의 유기적 움직임을 이뤄내고 각 공정이 독립적으로 동시에 작동하여 공정 단계별 제약이 존재 하지 않는 '대형코어 파단식 유닛구조에 의한 터널형성 시스템' 이다.

마지막으로, 본 발명 '대형코어 파단식 유닛구조를 이용한 터널시공방법'에 대한 설명이다.

‘대형코어 파단식 유닛구조를 이용한 터널시공방법’은 다음과 같다. ‘선도보링부’에서 여러 개의 ‘선도보링 유닛구조체’가 독립적으로 움직이며 '케이싱 구조체' 진입공간을 만드는 단계(A), ‘선도보링 유닛구조체’ 후면, ‘파티션 그라우트’ 공간에 그라우팅을 주입하여 ‘케이싱구조체’ 전진시 주변 지반에 마찰력 전달을 차단 하는 단계(B), ‘선도보링부’에서 생성된 '케이싱 구조체' 진입공간내로 ‘케이싱 구조체’를 유압력으로 진입시키고 구조체 내부로 남겨진 코어를 유입시키는 단계( C), '케이싱 구조체' 내로 유입한 코어를 안식각을 유지하며 인장력을 활용하여 대형크기로 제거하고 후방으로 운송하는 단계(D), 후방으로 운송된 코어를 조립완료된 터널내부에서 운송가능한 크기로 추가 절단하는 단계(E), 외측이 '파티션 그라우트' 로 보호받는 조립공간에서 신규세그먼트를 조립하는 단계(F),로 구성된 '대형코어 파단식 유닛구조를 이용한 터널시공방법' 이다.

Claims (7)

1. 목적구조물 단면형상과 동일 내구성을 갖은 ‘케이싱 구조체’가 지반으로 진입할 수 있도록 테두리부를 보링하여 전진공간을 형성하고, 동시에 ‘케이싱 구조체’와 외측 지반과의 마찰력 전달을 막아주는 역할의 ‘파티션 그라우트’가 설치될 수 있는 공간과 ‘케이싱 구조체’ 내측과 코어 외측사이 작업공간이 형성되도록 최전방에서 단면을 보링하여 후방에 공간을 공급하며 켄틸레버 구조형태의 코어를 형성하는 ‘선도보링부’를 통하여 내부로 유입된 ‘코어(지반)’을 안식각을 유지하며 안전하게 인장력을 이용하여 대형크기로 빠르게 파단하여 후방 운송하고 필요시 시공완료된 후면 터널내부에서 운반된 코어를 운반이 용이한 크기로 추가 절단하며 굴착작업공간의 다원화를 통하여 빠르게 터널시공토록 진행하는 ‘대형코어 파단식 유닛구조’.
2. 독립적으로 작동하는 각 개별 작은 유닛구조체들의 조합으로 이뤄져 있으며, 각 유닛구조체는 여러대로 조합된 미니 보링기의 보링으로 공급되는 전진공간내 ‘케이싱 강박스’가 전진하여 내부에 남아있는 코어를 유입시켜 안전하게 큰조각으로 제거하므로 터널공간을 만드는 ‘대형코어 제거식 유닛구조’가 작은크기로 작동하는 동일 원리로 구성되어있고, 각 ‘유닛구조체’는 ‘케이싱 구조체’ 와 코어사이에 형성된 작업공간을 통하여 작업인력과 제거된 코어를 입,반출하는 통로로 사용되고, 모든 미니 보링기는 동일한 규격제품을 사용하여 수리 및 부품관리가 용이하고 재사용이 수월토록 만드는 ‘선도보링부’ 구조.
3. 코어 암반의 특징중 압축력에는 강력하지만 인장력에는 매우 취약한 점을 이용하여 ‘선도보링부’에 의하여 만들어진 ‘케이싱 구조체’내 작업공간으로 주변 지지지반이 제거되고 뿌리부에만 의지하는 켄틸레버 구조 형태의 코어 최상단에 수직으로 유압잭을 설치하고 외측 지반을 반력벽삼아 코어에 유압력을 가하여 발생한 회전력으로 뿌리부가 인장력으로 전면이 쪼개지며 분리되고 분리된 코어를 하부에 미리 설치한 운반차로 후방운송하며 제거하거나 코어 뿌리부에 쐐기가 들어갈 틈을 절단하고 수직으로 설치된 유압력으로 쐐기를 중심부로 밀어 넣으며 양쪽으로 벌어지게 하여 코어가 분리되는 방법으로 대형코어를 제거하는 ‘터널 코어 부 제거’ 구조.
4. ‘선도보링부’에서 단면을 보링하여 만들어진 ‘케이싱 구조체’ 외측 공간에 그라우팅을 밀실하게 주입하여 빈공간을 없애고 전면을 커버하는 폐합구조 형태로 '케이싱 구조체'와 지반과의 사이에 존재하며 '케이싱 구조체'가 전진할 때 마찰력이 ‘파티션 그라우트’ 내측에만 작용하고 지반과 접촉한 외측면에는 전달되지 않도록 차단하여 지반거동을 막아주는 역할과 '선도보링부'와 '케이싱 구조체' 전방부 사이 공간 그리고 '케이싱 구조체' 후방부와 조립된 신규 세그먼트 사이 공간의 지반 탈락과 지하수 유입으로 부터 보호하는 ‘파티션 그라우트’ 구조.
5. 일반적인 TBM의 전면 보링방식은 목적구조물의 단면크기가 커질수록 토압에 의한 막장면 전도 및 붕괴의 위험성이 커지기에 단면크기를 키우는데 어려움이 존재하고, 전면 회전을 통하여 보링하기에 구조물 단면이 원형형상인 한계가 존재하지만, '대형코어 제거식 유닛구조'는 '케이싱 구조체' 내부에서 안식각을 준수하며 코어를 안전하게 제거하기에 목적구조물 단면크기의 제약이 없고 목적구조물의 테두리부를 따라 '선도보링부'가 배열되기에 원형, 박스, 아치형등 모든 구조물 단면형상 시공이 가능한 형상의 제약없는 특징을 가지는 ‘대형코어 파단식 유닛구조’.
6. ‘선도보링부’에서 여러 개의 ‘선도보링 유닛구조체’가 독립적으로 움직이며 '케이싱 구조체' 진입공간을 만드는 단계(A), ‘선도보링 유닛구조체’ 후면, ‘파티션 그라우트’공간에 그라우팅을 주입하여 ‘케이싱구조체’ 전진시 주변 지반에 마찰력 전달을 차단 하는 단계(B), ‘선도보링부’에서 생성된 '케이싱 구조체' 진입공간내로 ‘케이싱 구조체’를 유압력으로 진입시키고 구조체 내부로 남겨진 코어를 유입시키는 단계( C), '케이싱 구조체' 내로 유입한 코어를 안식각을 유지하며 인장력을 활용하여 대형크기로 제거하고 후방으로 운송하는 단계(D), 후방으로 운송된 코어를 조립완료된 터널내부에서 운송가능한 크기로 추가 절단하는 단계(E), 외측이 '파티션 그라우트' 로 보호받는 조립공간에서 신규세그먼트를 조립하는 단계(F), 위의 A부터 F까지의 모든 공정의 단계가 결합하여 하나의 유기적 움직임을 이뤄내고 각 공정이 독립적으로 동시에 작동하여 공정 단계별 제약이 존재 하지 않는 '대형코어 파단식 유닛구조에 의한 터널형성 시스템'.
7. ‘선도보링부’에서 여러 개의 ‘선도보링 유닛구조체’가 독립적으로 움직이며 '케이싱 구조체' 진입공간을 만드는 단계(A), ‘선도보링 유닛구조체’ 후면, ‘파티션 그라우트’공간에 그라우팅을 주입하여 ‘케이싱구조체’ 전진시 주변 지반에 마찰력 전달을 차단 하는 단계(B), ‘선도보링부’에서 생성된 '케이싱 구조체' 진입공간내로 ‘케이싱 구조체’를 유압력으로 진입시키고 구조체 내부로 남겨진 코어를 유입시키는 단계( C), '케이싱 구조체' 내로 유입한 코어를 안식각을 유지하며 인장력을 활용하여 대형크기로 제거하고 후방으로 운송하는 단계(D), 후방으로 운송된 코어를 조립완료된 터널내부에서 운송가능한 크기로 추가 절단하는 단계(E), 외측이 '파티션 그라우트' 로 보호받는 조립공간에서 신규세그먼트를 조립하는 단계(F),로 구성된 '대형코어 파단식 유닛구조를 이용한 터널시공방법'.

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