KR20200126468A - 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법 - Google Patents

회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법 Download PDF

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Abstract

지반을 굴착하지 않고 지중에서 수평굴착을 진행하는 비개착공법에 있어, 상부지반 또는 전방지반에서 발생하는 침하, 변형 및 붕괴를 억제할 수 있도록 수평파일을 이용하면서도 회수 가능하도록 하고, 지반의 강도정수를 고려한 경사진 굴착면으로 시공하여 굴착면 안전성을 개선할 수 있는 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법이 개시된다.

Description

회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법{TRENCHLESS METHOD USING RECOVERABLE HORIZONTAL PILE AND INCLINATION ANGLE OF EXCAVATION SURFACE}
본 발명은 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 지반을 개착하지 않고 지중에서 수평굴착을 진행하는 비개착공법에 있어, 상부지반 또는 전방지반에서 발생하는 침하, 변형 및 붕괴를 억제할 수 있도록 수평파일을 이용하면서도 회수 가능하도록 하고, 지반의 강도정수를 고려한 경사진 굴착면으로 시공하여 굴착면 안전성을 개선할 수 있는 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법에 관한 것이다.
교통시설의 성능개선과 신규 건설로 인하여 지상 및 지하에서의 교통시설의 병행 및 교차가 빈번하게 발생하게 되고, 특히, 도심지 확대로 대심도 도로, 지하철, 철도 등의 건설을 위하여 비개착 공법으로 도로, 지하철, 철도 등의 하부지반을 수평굴착하는 공법이 필요하게 된다.
예컨대, 철도를 횡단하는 도로를 시공함에 있어 철도 운행에 방해가 되지 않도록 하기 위해서 철도 하부지반을 수평굴착 하고, 수평굴착된 공간에 지중터널구조물을 시공하여 차량이 통행할 수 있도록 하게 된다.
이에 지표면을 개착하지 않고 철도 하방으로 굴착작업이 지중터널구조물 시공이 이루어지기 때문에 비개착공법이라고 지칭하게 된다.
하지만 이러한 비개착공법에 있어서도 수평굴착으로 인하여 상부지반이 이완되어 침하와 변형이 일부 발생하는 것이 통상적이며, 이를 최소화하는 방안이 필요하다. 특히 저토피 구간에서 수평굴착시 상부지반 이완과 전방지반의 붕괴를 효율적으로 제어할 필요성이 생기게 된다.
도 1a는 종래 비개착 구조물 시공방법 순서도를 도시한 것이다.
즉, 수직구 형태로 공사시점부(S)와 종점부(E)가 시공된 상태이며, 철도 하부 지반을 횡단하는 지중터널구조물을 시공하고 있음을 알 수 있다.
즉, 지중에 지중터널구조물을 구성하는 중공관모듈(11,13)을 시점부에서 종점부로 견인방식으로 압입시키기 위하여 선단슈(12)를 이용하고 있음을 알 수 있다.
이때 종점부에서 견인함에 따라 선단슈(12)는 지중에 압입되는데 이러한 압입 과정에서 상부지반 및 전방지반이 이완되면서 침하가 발생하기 때문에 이를 방지하기 위하여 굴착면을 기준으로 상방 경사지도록 강관 다단그라우팅(14)을 통해 전방지반 및 상부지반의 이완을 제어하고 있음을 알 수 있다.
하지만 이러한 강관 다단그라우팅(13)은 최소한의 각도를 가지면서 전방으로 방사형으로 배치시켜 시공해야 하기 때문에 공기지연 및 공사비 증가요인이 될 수밖에 없고, 그라우팅 작업을 요구하기 때문에 환경오염 문제가 발생할 수 밖에 없고, 지장물이 있을 경우에는 시공이 매우 어렵다는 한계가 있게 된다.
도 1b는 종래 지중터널구조물을 시공함에 있어 수평 소형강관의 시공상태도를 도시한 것이다.
즉, 터널 굴착면을 초기 시공함에 있어 상기 굴착면 보강을 위하여 수평으로 소구경강관(30)을 서로 이격시켜 일종의 루프형태로 터널단면을 따라 압입 시공하고, 내측에 강재지보공(50)을 설치하고 있음을 알 수 있다.
이때 소구경강관을 사용하는 이유는 대구경강관을 사용하는 경우에는 대형장비가 요구되어 경제성 및 시공성이 저하되고, 굴착면만 보강하기 위한 연장길이만 시공하면 되기 때문에 소구경강관을 사용해도 달리 문제는 없기 때문이다.
도 1c는 종래 SEM 공법의 시공도를 도시한 것이다.
상기 SEM(Super Equilibrium Method) 공법은 비개착공법으로서 압입과정에서 전방지반 및 상부지반이 이완되면서 침하되지 않도록 SEM 파일(61)을 선단슈(62, 함체포함) 상면으로부터 전방으로 일정길이(5M 전,후) 연장되도록 설치하고, 상부지반에 침하(①②③)가 SEM 파일(11)에 의하여 최소화되도록 하고, SEM 파일(11) 하부의 전방지반(④⑤)이 선단슈 굴착면으로 침입하지 않도록 전면가압판(12)을 설치하고 있음을 알 수 있다.
이때 SEM 파일(11)은 소구경강관(직경이 100~130mm)을 이용하여 전방 수평으로 종방향 압입시키되 횡방향으로 서로 이격되도록 배치되며, 상부지반의 이완에 의한 침하가 최소화될 수 있도록 소요의 직경을 가지도록 하되, 작용하는 하중에 의하여 파단되지 않으면서 최대의 하중을 지지할 수 있는 간격과 길이를 가지도록 설계되어 시공된다.
하지만 상기 SEM 파일(61)은 선단슈(62) 외부에 설치되기 때문에 최종 회수될 수 없어 수평굴착이 완료된 이후에는 지중에 희생될 수 밖에 없고, 전면가압판(63)을 사용할 경우 작업성이 저하될 뿐만 아니라 시공중 굴착면이 붕괴되는 안전사고가 발생할 여지가 있어 시공관리가 용이 하지 않다는 문제가 있었다.
대한민국 특허 제 10-1858223호(발명의 명칭: 비개착 구조물 시공을 위한 마찰저감 장치 및 이를 이용한 비개착 구조물 시공방법, 공개일자: 2018년05월16일) 대한민국 특허 제 10-1665515호(발명의 명칭: 원지반 절취 없는 직천공 강관다단 터널 시공방법 및 구조, 공개일자: 2016년10월24일)
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법은,
(a) 수평파일을 선단슈를 경유하여 함체 상부 내측면에 설치하여 상부지반(G1)의 이완하중인 지반하중과 상재하중을 수평파일이 지지하도록 단계; 및 (b) 상기 선단슈를 전방지반(G2)으로 압입하면서 함체도 함께 전방으로 연장되도록 하여 지반을 수평굴착하되, 보강재 없이 굴착면이 안전하도록 전방지반(G2)의 지반강도 정수를 이용하여 굴착면의 경사도를 유지하는 단계;를 포함하여, 상기 수평파일은 일단은 선단슈에 힌지 고정되고, 선단은 전방 지반에 압입되어 고정되어 회수가 가능하도록 설치하게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 (a) 단계에서, 상기 선단슈 후방으로는 함체가 일체로 연결되어 있어 선단슈와 함체가 수평으로 압입되면서 수평굴착에 의한 지중터널구조물 시공이 이루어지도록 하게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 (a) 단계에서, 상기 수평파일은 다수의 소구경 파일이 서로 일체화되어 상부지반으로부터 작용하는 하중을 지지하는 기능을 가진 직경이 100~300mm인 소구경파일체로서, 종방향으로 일정한 연장길이를 가지고, 횡방향으로는 서로 접하거나, 일정 간격 이격되도록 배치되고, 일단은 선단슈 내측면에 고정되고, 선단은 전방지반(G2)에 압입되도록 시공하게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 (a) 단계에서, 상기 수평파일은 수평파일의 종단면 안전성을 검토하고, 수평파일의 횡단면안전성을 검토한 후, 굴착면 경사도를 검토하여 시공이 이루어지도록 하게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 수평파일(120)의 종단면 안전성은 수평파일의 직경을 임의로 결정하고, 수평파일의 상부 지반의 이완영역에서 수평파일 1개가 받는 하중(단위하중)을 평가하고, 상기 수평파일 1개의 단면 강성이 작용하는 단위하중에 의한 응력보다 커지도록 하고, 상기 단위하중이 최대가 되는 간격을 평가하여 중첩 이완영역 하중보다 수평파일 1개의 단면 강성이 커지도록 이루어지게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 수평파일의 횡단면 안전성은 수평파일의 휨강성이 상부지반의 이완하중인 지반하중과 상재하중 보다 크고, 수평파일의 인발하중이 주변마찰력보다 커지도록 하게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 굴착면 경사도는 수평파일의 최종 수평굴착 길이를 산정하고, 토피고에 따라 지반강도 정수를 고려하여 굴착면이 붕괴되지 않도록 이루어지게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 굴착면 경사도는 45도+Φ/2에 지중터널구조물이 설치되는 심도를 고려하여 정해지게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 굴착면 경사도는 선단슈 경사 40~75도를 유지하여 이루어지게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 굴착면의 경사도를 확보함에 따라 수평파일이 부담하는 상부지반(G1)의 이완하중인 지반하중과 상재하중이 제어될 수 있도록 하게 된다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법은,
(a) 수평파일을 선단슈를 경유하여 함체 상부 내측면에 설치하여 상부지반(G1)의 이완하중인 지반하중과 상재하중을 수평파일이 지지하도록 단계; 및 (b) 상기 선단슈를 전방지반(G2)으로 압입하면서 함체도 함께 전방으로 연장되도록 하여 지반을 수평굴착하되, 보강재 없이 굴착면이 안전하도록 전방지반(G2)의 지반강도 정수를 이용하여 굴착면의 경사도를 유지하는 단계;를 포함하여, 상기 수평파일은 일단은 선단슈에 힌지 고정되고, 선단은 전방 지반에 압입되어 고정되어 회수가 가능하도록 설치하게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 (a) 단계에서, 상기 선단슈 후방으로는 함체가 일체로 연결되어 있어 선단슈와 함체가 수평으로 압입되면서 수평굴착에 의한 지중터널구조물 시공이 이루어지도록 하게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 (a) 단계에서, 상기 수평파일은 다수의 소구경 파일이 서로 일체화되어 상부지반으로부터 작용하는 하중을 지지하는 기능을 가진 직경이 100~300mm인 소구경파일체로서, 종방향으로 일정한 연장길이를 가지고, 횡방향으로는 서로 접하거나, 일정 간격 이격되도록 배치되고, 일단은 선단슈 내측면에 고정되고, 선단은 전방지반(G2)에 압입되도록 시공하게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 (a) 단계에서, 상기 수평파일은 수평파일의 종단면 안전성을 검토하고, 수평파일의 횡단면안전성을 검토한 후, 굴착면 경사도를 검토하여 시공이 이루어지도록 하게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 수평파일(120)의 종단면 안전성은 수평파일의 직경을 임의로 결정하고, 수평파일의 상부 지반의 이완영역에서 수평파일 1개가 받는 하중(단위하중)을 평가하고, 상기 수평파일 1개의 단면 강성이 작용하는 단위하중에 의한 응력보다 커지도록 하고, 상기 단위하중이 최대가 되는 간격을 평가하여 중첩 이완영역 하중보다 수평파일 1개의 단면 강성이 커지도록 이루어지게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 수평파일의 횡단면 안전성은 수평파일의 휨강성이 상부지반의 이완하중인 지반하중과 상재하중 보다 크고, 수평파일의 인발하중이 주변마찰력보다 커지도록 하게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 굴착면 경사도는 수평파일의 최종 수평굴착 길이를 산정하고, 토피고에 따라 지반강도 정수를 고려하여 굴착면이 붕괴되지 않도록 이루어지게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 굴착면 경사도는 45도+Φ/2에 지중터널구조물이 설치되는 심도를 고려하여 정해지게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 굴착면 경사도는 선단슈 경사 40~75도를 유지하여 이루어지게 된다.
또한 바람직하게는,
상기 굴착면의 경사도를 확보함에 따라 수평파일이 부담하는 상부지반(G1)의 이완하중인 지반하중과 상재하중이 제어될 수 있도록 하게 된다.
본 발명은 수평파일의 수평설치에 의한 전방부 지반 보강과 지반의 강도정수를 고려한 경사진 굴착면을 채택하여 지반 교란을 최소화시킬 수 있고, 굴착면 안전성 및 시공속도 개선을 통하여 보다 효율적인 비개착 지하횡단구조물 공법을 제공할 수 있으며,
종래 중,대구경(직경 800∼1000mm) 강관 압입 단계에서 발생하는 지표면 침하 등의 지반변형을 최소화 하기 위하여 소구경 강관(직경 100∼300mm)을 적용하면서도 회수가 가능하여, 효율성과 경제성을 확보할 수 있게 되며, 달리 시멘트 그라우팅을 사용하지 않음으로 인한 지반 환경오염을 최소화할 수 있게 된다.
도 1a는 종래 비개착 구조물 시공방법 순서도,
도 1b는 종래 터널을 시공함에 있어 수평 소형강관의 시공상태도,
도 1c는 종래 SEM 공법의 시공도
도 2 및 도 3은 본 발명의 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법의 시공개념도,
도 4는 본 발명의 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법의 설계방법도,
도 5 및 도 6은 본 발명의 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법의 순서도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
[ 본 발명의 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법의 구성]
도 2 및 도 3은 본 발명의 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법의 시공개념도, 도 4는 본 발명의 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법의 설계방법도를 도시한 것이다.
상기 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법은 수평파일(120)을 회수가능하도록 설치하여 추후 회수되도록 시공하게 된다.
이에 본 발명에 의한 비개착공법은 도 2 및 도 3과 같이, 선단슈(110), 수평파일(120), 굴착면(130), 함체(140)를 포함하여 이루어지게 된다.
먼저, 상기 선단슈(110)는 도 2 및 도 3과 같이, 지반을 수평굴착함에 필요한 것으로서 전방으로 압입됨에 따라 선단슈는 예컨대 전면이 쐐기형태로 형성되어 있고, 선단슈 후방으로는 함체(140)가 일체로 연결되어 있어 선단슈(110)와 함체(140)가 수평으로 압입되면서 수평굴착에 의한 지중터널구조물 시공이 이루어지게 된다.
상기 수평파일(120)은 도 2 및 도 3과 같이, 특히 선단슈(110)를 경유하여 함체(140)의 내측면으로부터 전방으로 수평으로 연장된 소구경파일체로 설치되어 회수가 가능하도록 형성시키는 것이 특징이다.
즉, 종래는 수평파일(120)을 선단슈(110) 외부인 상면에 설치하여 전방으로 연장되도록 하였기 때문에 함체(140) 내부에서 회수할 수 있는 상태가 될 수 없지만, 본 발명은 수평파일(120)을 선단슈(110)를 경유하여 함체(140) 상부 내측면에 설치되도록 한 상태에서 전방으로 연장 설치하여 추후 회수가 가능하도록 하게 된다.
이에 상기 수평파일(120)은 다수의 소구경 파일이 서로 일체화되어 상부지반으로부터 작용하는 하중을 지지하는 기능을 가진 소구경파일체 시공되며, 예컨대 직경이 100~300mm 정도되는 강관을 횡방향으로 서로 이격시켜 일체화시켜 시공하게 된다.
이러한 소구경파일체는 선단슈(110) 전방의 상부지반(G1)을 지지하는 역할을 하도록 수평지지체로 시공되며, 전방 방향을 종방향이라고 하였을 때, 종방향으로는 일정한 연장길이를 가지고, 횡방향으로는 서로 접하거나, 일정 간격 이격되도록 배치되고, 일단은 선단슈 내측면에 고정되고, 선단은 전방지반(G2)에 압입되도록 시공된다.
이로서 수평파일(120)의 일단은 선단슈(110)에 힌지 고정되고, 선단은 전방 지반에 압입되어 고정되어 시공과정에서 상부지반의 이완하중(지반하중)과 상재하중을 지지할 수 있도록 회수가 가능하도록 하게 됨을 알 수 있다.
구체적으로 수평파일(120)은 소구경 파일 1개가 받는 하중을 평가하여 소요 강성을 구비한 소구경 파일의 직경을 정하고, 최대의 하중을 지지할 수 있는 간격을 평가하여 소구경 파일의 시공 간격을 정하고, 다수의 소구경 파일에 의한 소구경파일체가 상부지반의 이완하중(지반하중)과 상재하중에 의하여 파단되지 않으면서도 인발에 충분히 저하할 수 있도록 안전성도 평가하는 방식으로 설계된다.
상기 굴착면(130)은 도 2 및 도 3과 같이, 수평파일(120)의 하부지반인 전방지반(G2)도 굴착과정에서 이완되기 때문에 굴착면(굴착에 의하여 형성된 전방지반의 굴착면)으로 붕괴되려고 하게 된다.
이러한 굴착면(130)은 미도시된 굴착기등 장비와 발파를 통해 형성되는데 시공과정에서 자연스럽게 발생하게 된다.
이때 굴착면은 단면적이 상당히 크기 때문에 상부단면 부터 먼저 굴착하고, 하부단면을 추후 굴착하는 방식을 채택하여 시공순서에 따라 자연스럽게 경사지게 형성된다.
하지만 상기 경사진 굴착면이 안전하지 않아 종래 보강재를 추가로 설치(굴착면 보강)하게 되는데 이러한 보강재는 일종의 지보재로서 시간과 비용이 많이 소요된다.
이에 본 발명은 상기 굴착면(130)을 자립하여 안정화될 수 있도록 경사도를 제어하게 되는데 경사도가 낮을수록 안정화를 이룰 수 있지만, 시공과정에서 경사도를 무작정 낮게 시공하는 것도 용이하지 않기 때문에 별도의 보강이 필요없도록 하면서 붕괴되지 않는 굴착면 경사 관리가 중요해지게 된다.
이에 본 발명은 선단슈(110) 굴착면 상부지반 지반하중과 외력에 의한 상재하중이 작용하게 되므로 이를 기준으로 굴착면 안정해석을 수행한 결과를 이용하여 최적 경사를 결정하게 된다.
예컨대, 도 4에 의하면 굴착면 높이에 따른 안전율(안전율 1을 기준으로 하여 비용 및 효율성 확보)과 경사도를 미리 계산하여 예컨대 38도 정도의 경사각(수평면으로부터 전방 상방으로 경사진 굴착면의 각도, 예각)이 보강재 없이 안정화를 이룰 수 있는 굴착면 경사도를 유지하도록 하여 굴착면 경사가 관리되도록 하게 된다.
이때 현장마다 변하는 지반강도 정수를 반영하여 도 4에 의한 경사면 그래프를 준비하여 시공하게 된다.
상기 함체(140)는 도 2 및 도 3과 같이, 선단슈(110) 후방에 일체로 연결되어 있어 선단슈(110)가 전방으로 압입되면 선단슈가 압입되는 길이만큼 함체(140)도 전방으로 이동할 수 있게 연속적으로 일체화된 함체(140)는 지중터널구조물을 형성시키게 되며, 첫 번째 함체(140)에는 수평파일(120)이 상단 내측면에 힌지 고정되어 있게 된다.
이로서 본 발명은 비개착공법으로 회수 가능한 수평파일(120)과 보강재 없이 안전한 굴착면의 경사각을 이용하는 방법으로 수평파일(120)의 상부지반의 이완에 의한 침하, 변형을 방지할 수 있도록 하면서도, 수평파일(120) 설치간격을 최대한 확보할 수 있도록 하여 경제성을 확보하고, 전방 굴착면의 경사각 관리를 통하여 막장관리를 할 수 있는 공법임을 알 수 있다.
[ 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법 ]
도 5 및 도 6은 본 발명의 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법의 설계검토순서도 및 시공순서도를 도시한 것이다.
먼저 본 발명에 의한 비개착공법 이전 설계단계에서 검토해야할 사항을 순서도로 살펴보면 도 5와 같이, 먼저 지중에 수평굴착함에 있어 지표면으로부터 수평굴착 중심축까지의 토피고를 결정하고 있음을 알 수 있다.
이러한 토피고는 현장조건에 따라 결정되는 값이기 때문에 임의의 토피고에서 지반이완에 의한 침하, 굴착면의 붕괴가 발생하지 않도록 지중터널구조물을 시공해야 한다.
이에 먼저 도 5와 같이, 첫째, 수평파일(120)의 종단면 안전성을 검토하고, 둘째, 수평파일(120)의 횡단면안전성을 검토한 후, 셋째, 굴착면 경사도를 검토하는 방식으로 사전 검토작업이 이루어지게 됨을 알 수 있다.
먼저 상기 수평파일(120)의 종단면 안전성은 수평파일(120)의 직경을 임의로 결정하고, 이완영역(수평파일(120)의 상부 지반의 이완영역을 결정하는 산술식을 이용)에서 수평파일(120) 1개가 받는 하중(단위하중)을 평가하고, 상기 수평파일(120) 1개의 단면 강성이 작용하는 단위하중에 의한 응력보다 크면, 상기 단위하중이 최대가 되는 간격을 평가하여 중첩 이완영역 하중보다 수평파일(120) 1개의 단면 강성이 커지도록 하는 것을 전제로 횡단면 안전성을 검토로 넘어가게 된다.
다음으로 상기 수평파일(120)의 횡단면 안전성은 수평파일(120)의 휨강성이 상부지반의 이완하중(지반하중)과 상재하중 보다 커지도록 하여, 수평파일(120)의 인발하중이 주변마찰력보다 커지도록 하는 방식으로 검토하게 된다.
최종 상기 굴착면 경사도 검토는 수평파일(120)의 최종 수평굴착 길이를 산정하고, 도 4와 같이, 토피고에 따라 지반강도 정수를 고려하여 굴착면이 붕괴되지 않도록 즉, 안전율이 1이 되는 굴착면 경사도를 검토하는 방식으로 이루어지게 된다.
이에 수평파일(120)의 횡방향 안전성, 종방향 안전성 및 굴착도 검토가 완료되면 수평파일(120)의 설치개수, 연장길이, 횡방향폭이 결정되고, 굴착면 경사가 정해지게 된다.
이에 도 6에 의하면,
먼저, 함체(140)와 선단슈(110)는 초기 세팅된 상태에서 수평파일(120)을 선단슈 내측면을 경유하여 일측이 함체(140) 내측면에 고정힌지 형태로 연결되고, 선단은 전방 지반에 고정된 상태로 설치하게 됨을 알 수 있다.
이에 상기 수평파일(120)은 함체(140) 내부에 위치하게 되므로 공사가 완료되면 회수가 가능하게 됨을 알 수 있다.
다음으로는 함체(140)와 수평파일(120)에 의하여 상부지반의 침하가 발생하지 않도록 한 상태에서 선단슈(110)를 전방으로 확장시켜 전방 굴착준비를 하게 된다.
다음으로는 선단슈(110)가 전방으로 확장되면서 이완된 전방지반을 굴착하게 되며 이때 굴착면은 예컨대 안전율이 1이 되는 경우를 기준으로 하여 굴착면 경사확보에 의하여 굴착면 안정화가 가능하도록 하게 됨을 알 수 있다.
다음으로는 함체(140)와 선단슈(110)를 전방으로 함께 전진시켜 수평굴착이 이루어지게 됨을 알 수 있다.
이에 필요한 만큼 수평굴착을 계속 반복하여 최종 수평굴착을 하게 되면 상부지반(G1)의 이완에 의한 침하, 변형이 발생하지 않으면서도 전방지반(G2)에 의한 굴착면도 별도의 보강없이 안전화를 이루게 되므로 보다 신속하면서도 경제적인 수평굴착에 의한 지중터널구조물 시공이 가능하게 된다.
이로서 수평파일로서 소구경(직경 100∼300mm)강관을 사용함에 따라 중구경, 대구경 강관을 사용하는 경우와 대비하여 상부지반(G1) 이완 영역도 작아질 뿐만 아니라, 회수하여 재사용이 가능하게 되므로 매우 경제적이고,
종래와 달리 수평으로 수평파일을 배치하여 압입시키기 때문에 별도의 그라우팅작업이 필요없어 공종이 단순화되고, 환경오염 피해도 최소화시킬 수 있게 되며, 수으로 배치되는 수평파일의 적용 및 경사진 굴착면 관리로 인하여 시공속도가 증진되고, 안전성을 확보할 수 있게 된다.
상기 굴착면 경사도는 수평파일(120)의 최종 수평굴착 길이를 산정하고, 토피고에 따라 지반강도 정수를 고려하여 굴착면이 붕괴되지 않도록 이루어지도록 하되, 예컨대, 45도+Φ/2로 정해질 수 있는데, (Φ: 지반의 마찰각) 이를 선단슈 경사 40~75도를 유지하여 이루어지도록 하게 되며, 지중터널구조물이 설치되는 심도를 고려하여 값을 결정하면 된다.
결국 본 발명은 상기 굴착면의 경사도를 확보함에 따라 수평파일(120)이 부담하는 상부지반(G1)의 이완하중인 지반하중과 상재하중이 제어될 수 있도록 하는 메커니즘을 구비하게 됨을 알 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
110: 선단슈
120: 수평파일
130: 굴착면
140: 함체

Claims (10)

  1. (a) 수평파일(120)을 선단슈(110)를 경유하여 함체(140) 상부 내측면에 설치하여 상부지반(G1)의 이완하중인 지반하중과 상재하중을 수평파일(120)이 지지하도록 단계; 및
    (b) 상기 선단슈(100)를 전방지반(G2)으로 압입하면서 함체(140)도 함께 전방으로 연장되도록 하여 지반을 수평굴착하되, 보강재 없이 굴착면이 안전하도록 전방지반(G2)의 지반강도 정수를 이용하여 굴착면의 경사도를 유지하는 단계;를 포함하여,
    상기 수평파일(120)은 일단은 선단슈(110)에 힌지 고정되고, 선단은 전방 지반에 압입되어 고정되어 회수가 가능하도록 설치되는 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서,
    상기 선단슈 후방으로는 함체(140)가 일체로 연결되어 있어 선단슈(110)와 함체(140)가 수평으로 압입되면서 수평굴착에 의한 지중터널구조물 시공이 이루어지도록 하는 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 수평파일(120)은
    다수의 소구경 파일이 서로 일체화되어 상부지반으로부터 작용하는 하중을 지지하는 기능을 가진 직경이 100~300mm인 소구경파일체로서, 종방향으로 일정한 연장길이를 가지고, 횡방향으로는 서로 접하거나, 일정 간격 이격되도록 배치되고, 일단은 선단슈 내측면에 고정되고, 선단은 전방지반(G2)에 압입되도록 시공되는 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (a) 단계에서, 상기 수평파일(120)은
    수평파일(120)의 종단면 안전성을 검토하고, 수평파일(120)의 횡단면안전성을 검토한 후, 굴착면 경사도를 검토하여 시공이 이루어지도록 하는 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 수평파일(120)의 종단면 안전성은
    수평파일(120)의 직경을 임의로 결정하고, 수평파일의 상부 지반의 이완영역에서 수평파일(120) 1개가 받는 하중(단위하중)을 평가하고, 상기 수평파일 1개의 단면 강성이 작용하는 단위하중에 의한 응력보다 커지도록 하고, 상기 단위하중이 최대가 되는 간격을 평가하여 중첩 이완영역 하중보다 수평파일(120) 1개의 단면 강성이 커지도록 이루어지는 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 수평파일(120)의 횡단면 안전성은
    수평파일(120)의 휨강성이 상부지반의 이완하중인 지반하중과 상재하중 보다 크고, 수평파일(120)의 인발하중이 주변마찰력보다 커지도록 하여 이루어지는 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법.
  7. 제 5항 및 제 6항에 있어서,
    상기 굴착면 경사도는
    수평파일(120)의 최종 수평굴착 길이를 산정하고, 토피고에 따라 지반강도 정수를 고려하여 굴착면이 붕괴되지 않도록 이루어지는 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 굴착면 경사도는 45도+Φ/2에 지중터널구조물이 설치되는 심도를 고려하여 정해지는 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 굴착면 경사도는 선단슈 경사 40~75도를 유지하여 이루어지도록 하여 검토되는 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 굴착면의 경사도를 확보함에 따라 수평파일(120)이 부담하는 상부지반(G1)의 이완하중인 지반하중과 상재하중이 제어될 수 있도록 하는 회수가능한 수평파일과 굴착면의 경사도를 이용한 비개착공법.
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