KR20230025512A - 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법은, 터널을 굴착하고자 하는 암반 단면의 하부에 굴착되는 터널의 길이 방향을 따라 복수의 1차파쇄홀을 천공하는 하부 파쇄홀 천공단계와, 터널을 굴착하고자 하는 암반 단면의 하부에 굴착되는 터널의 길이 방향을 따라 복수의 약재홀을 천공하는 약재홀 천공단계와, 상기 약재홀에 팽창성 약재를 투입하는 약재 투입단계와, 터널을 굴착하고자 하는 암반 단면의 상부에 굴착되는 터널의 길이 방향을 따라 복수의 2차파쇄홀을 천공하는 상부 파쇄홀 천공단계와, 암반 단면의 하부를 파쇄하고 굴착하는 하부 굴착단계 및 암반 단면의 상부를 파쇄하고 굴착하는 상부 굴착단계를 포함하며, 상기 약재홀에 상기 팽창성 약재가 투입된 직후, 상기 상부 파쇄홀 천공단계가 수행 가능하여, 상기 팽창성 약재가 팽창되는 시간과 동시에 암반 단면 상부에 복수의 2차파쇄홀이 천공됨으로써, 약재 팽창 대기 시간을 절감하여 터널 굴착에 소요되는 전체 시공 기간의 단축이 이루어지도록 한다.

Description

시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법{NON-VIBRATION ROCK EXCAVATING METHOD THAT CAN SHORTEN THE CONSTRUCTION PERIOD}

본 발명은 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 팽창성 약재를을 이용하여 터널이나 지하 등의 암반을 굴착할 때, 전체 천공완료후, 팽창성 약재 주입, 팽창 시간 대기, 할암 등 후속 작업을 진행 함으로 야기되는 시간의 과다함을 해소하기 위하여 약재가이 팽창되는 시간 동안 대기하지 않고, 후속 작업이 수행되도록 함으로써, 전체적인 시공 기간 및 비용을 절감하고, 작업자의 안전을 보장할 수 있는 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법에 관한 것이다.

일반적으로, 산악지역을 관통하는 도로, 철로 또는 도심지 지하철을 건설하기 위하여 터널을 굴착하고 있으며, 산악지역 및 도심지 지하공간은 통상 여러 종류의 암류로 구성된 연암층과 경암층의 지질구조를 가지고 있다.

이와 같은 지질 구조에서 터널을 굴착할 때는 화약을 장약하여 발파를 하거나, 할암기, 웨지, 브레이커 또는 TBM 등과 같은 기계장비를 이용하여 굴착하는 방법들이 있으나, 화약을 장약하여 발파하는 방법이 기계 굴착에 비하여 비용이 저렴하고 굴착 속도가 빠르기 때문에 널리 사용되고 있다.

그러나, 이러한 발파에 의한 터널 굴착은 대부분 화약을 사용하기 때문에 발파에 의한 소음과 진동이 발생하여 터널이 굴착 되는 주변 환경에 예기치 못한 피해를 줄 수 있다. 뿐만 아니라 가축 및 사람에 스트레스를 주어 심각한 민원의 원인이 되기도 하며, 발파 특성 상 하루 중 작업을 수행할 수 있는 시간이 한정적일 수 밖에 없다는 한계가 있다.

그리고 대표적인 기계 굴착 방법인 TBM(Tunnel Boring Machine) 공법의 경우, 무발파 작업으로 인해 안전하게 굴착 작업이 수행될 수 있으나, 전문 기능공이 필요하며, 장비 자체가 매우 고가이고, 준비 기간이 과다하게 소요됨으로 일정 정도 터널길이가 확보되지 않으면 장치를 운영하는데 매우 큰 비용이 소요되기 때문에 전체적으로 경제성을 고려해야 하는 문제가 있다.

이에 따라, 발파로 인한 상대적으로 짧은 문제 구간은 민원의 발생을 최소화 하고, 하루 중 작업을 수행할 수 있는 시간의 한계가 없으며, 장비의 운용에 대한 비용의 부담을 그나마 절감할 수 있는, 기계굴착 및 무진동 암파쇄공법이 이용되고 있다.

그 중 경화시 부피가 확장되는 팽창재를 주입하여 암반을 파쇄하는 '팽창성 무진동 파쇄공법'이 있다, 종래의 팽창성무진동 파쇄공법의 경우, 굴착하고자 하는 터널이나 암반의 전체 천공이 끝난 후에 팽창재를 주입한후 팽창시간을 기다리며, 이와같은 주입작업시 단면에서 인력작업 높이 이상에 팽창재를 주입하기 위해서는 작업자가 사다리차와 같은 장비를 타고 고소 작업을 수행해야 함에 따라, 작업자의 안전 사고가 빈번히 발생되고 있으며, 주입된 팽창재가 주입되어 팽창되기 까지 걸리는 시간 동안 막장에서는 다른 작업을 진행하지 못하고 대기 해야 함으로써, 전체적인 시공 기간 및 시공 비용이 증가하게 되는 문제가 있다.

따라서, 하루 중 작업이 가능한 시간에는 다른 조건에 구애 받지 않고, 터널 시공에 집중함으로써 소요되는 전체적인 시간과 비용을 최소화 함은 물론, 작업자의 안전이 보장될 수 있도록 하는 효율적인 터널의 굴착 방법이 요구된다.

대한민국 공개특허공보 제10-2012-0136692호 대한민국 등록특허공보 제10-2257067호

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 굴착하고자 하는 터널의 단면을 천공하는 시간에 따라 상부와 하부로 구분하여 암반의 하부에 1차파쇄홀과 팽창성 약재가 주입되는 약재홀을 천공하고, 약재홀에 팽창성 약재가 주입되어 팽창이 이루어지는 시간 동안 동시에 암반 상부에 2차파쇄홀을 천공함으로써, 약재가 팽창하기까지 걸리는 시간에 대해 대기 시간 없이 후속 작업이 연속으로 수행될 수 있도록 함은 물론, 약재를을 주입하는 작업자가 고소 작업을 수행하지 않아도 되도록 함으로써, 작업자의 안전까지 보장할 수 있도록 하기 위한 목적을 가진다.

또한, 약재가 팽창됨에 따라 발생되는 암반 하부의 균열 및 파쇄에 의해 하부의 굴착이 먼저 이루어지게 되도록 하여 하부 자유면을 확보하고, 암반 상부는 하부 자유면을 이용, 중력에 의해 균열 및 파쇄가 이루어지도록 함으로써, 암반 전체에 대한 파쇄 및 굴착 작업이 쉽게 이루어지도록 하여 작업의 효율을 향상시켜 시공 기간이 단축될 수 있도록 하기 위한 목적을 가진다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착 방법은, 터널을 굴착하고자 하는 암반 단면의 하부에 굴착되는 터널의 길이 방향을 따라 복수의 1차파쇄홀을 천공하는 하부 파쇄홀 천공단계와, 터널을 굴착하고자 하는 암반 단면의 하부에 굴착되는 터널의 길이 방향을 따라 복수의 약재홀을 천공하는 약재홀 천공단계와, 상기 약재홀에 팽창성 약재를 주입하는 약재 투입단계와, 터널을 굴착하고자 하는 암반 단면의 상부에 굴착되는 터널의 길이 방향을 따라 복수의 2차파쇄홀을 천공하는 상부 파쇄홀 천공단계와, 암반 단면의 하부를 파쇄하고 굴착하는 하부 굴착단계 및 암반 단면의 상부를 파쇄하고 굴착하는 상부 굴착단계를 포함하며, 상기 약재홀에 상기 팽창성 약재가 투입된 후, 상기 상부 파쇄홀 천공단계가 수행 가능하여, 상기 팽창성 약재가 팽창되는 시간 동안에 암반 단면 상부에 복수의 2차파쇄홀이 천공됨으로써, 약재 팽창 대기 시간을 절감하여 터널 굴착에 소요되는 전체 시공 기간의 단축이 이루어지도록 한다.

이때, 상기 하부 파쇄홀 천공단계 및 약재홀 천공단계는 복수의 천공이 가능한 드릴장치에 의해 동시에 수행이 가능하다.

또한, 상기 약재홀 천공단계에서 천공되는 상기 약재홀은 터널을 굴착하고자 하는 암반을 정면으로 바라봤을 때, 상기 암반의 최단부를 기준으로 인력 작업이 가능한 높이에 천공되도록 하여 상기 약재 투입단계에서 상기 약재홀에 팽창성 약재를 주입하는 작업자가 지면에서 쉽게 작업을 수행 가능하도록 함으로써, 고소 작업에 따른 사고 위험으로부터 작업자의 안전이 보장되도록 할 수 있다.

그리고 상기 약재홀 천공단계에서 천공되는 상기 약재홀은 상기 하부 파쇄홀 천공단계에서 천공되는 복수의 1차파쇄홀 사이에 일정 간격 이격되어 천공될 수 있다.

이때, 상기 하부 굴착단계는 상기 약재 투입단계에서 상기 약재홀에 주입되는 상기 팽창성 약재가 팽창함에 따라 상기 약재홀을 중심으로 암반에 발생되는 균열이 상기 1차파쇄홀과 이어져 연쇄 반응에 의해 암반의 파쇄가 이루어질 수 있다.

또한, 상기 하부 굴착단계는 상기 약재홀을 중심으로 확산된 균열에 의해 약해진 암반을 파쇄기 및 굴착기를 이용하여 신속하고 용이하게 굴착 작업이 이루어지도록 할 수 있다.

그리고 상기 상부 굴착단계는 상기 하부 굴착단계를 통해 터널을 굴착하고자 하는 암반의 하부가 굴착됨에 따라, 암반의 상부에는 암반의 상부가 갖는 자체 하중에 의해 처짐 현상이 발생될 수 있고, 처짐 현상으로 인해 상기 2차파쇄홀을 중심으로 암반의 균열 및 파쇄가 보다 쉽게 이루어질 수 있다. 즉, 하부 굴착단계에 의하여 하부 자유면을 확보하고, 암반 상부는 하부 자유면을 이용하여 중력에 의해 균열 및 파쇄가 이루어지도록 함으로써, 암반 전체에 대한 파쇄 및 굴착 작업이 쉽게 이루어지도록 하여 작업의 효율을 향상시켜 시공 기간이 단축되는 효과가 있다.

이때, 상기 상부 굴착단계는 상기 2차파쇄홀을 중심으로 균열이 발생되거나 일부 암반이 파쇄된 상태에서 상기 2차파쇄홀에 파쇄기를 삽입/구동시켜 남아있는 암반의 파쇄가 신속하고 용이하게 이루어지도록 하며, 암반의 상부에서 파쇄되어 지면으로 떨어진 암반의 파편은 굴착기를 이용하여 제거함으로써 터널의 굴착 작업이 수행되도록 할 수 있다.

또한, 상기 무진동 암반 굴착방법은, 상기 하부 파쇄홀 천공단계, 약재홀 천공단계, 약재 투입단계, 상부 파쇄홀 천공단계, 하부 굴착단계 및 상부 굴착단계를 하나의 사이클로 하여 굴착하고자 하는 터널의 목표 깊이에 도달 할 때까지 반복 수행이 가능하다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 굴착하고자 하는 터널의 암반 단면을 상부와 하부로 구분하고, 암반의 하부에 천공된 약재홀에 투입된 팽창성 약재가 팽창되는 시간 동안 암반 상부에 파쇄홀을 천공하는 작업이 동시에 이루어지도록 함으로써, 약재의 팽창에 소요되는 시간 동안 대기하지 않고 후속 작업이 수행되도록 하여 전체적인 시공 기간을 단축시킬 수 있는 장점이 있다.

둘째, 팽창성 약재를 투입하는 약재홀이 천공되는 높이가 지면으로부터 인력 작업이 가능한 높이에 형성되도록 함으로써, 약재홀에 약재를 투입하는 작업자가 고소 작업을 수행하지 않아도 안정적으로 약재를 투입할 수 있도록 하여 작업자의 안전이 보장될 수 있도록 하는 장점이 있다.

셋째, 암반 하부의 굴착이 완료되면 암반의 상부는 하부 자유면을 확보하고, 암반 상부는 하부 자유면을 이용, 중력에 의해 균열 및 파쇄가 이루어지도록 함으로써, 암반 전체에 대한 파쇄 및 굴착 작업이 쉽게 이루어지도록 하여 작업의 효율을 향상시켜 시공 기간이 단축될 수 있는 장점이 있다.

넷째, 이에 따라, 전체적인 시공 기간이 단축되어 시공 비용을 대폭 절감할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법의 전체적인 공정을 나타내는 블록도;
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법에 있어서, 하부 파쇄홀 천공단계 및 약재홀 천공단계를 나타내는 예시도;
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법에 있어서, 약재 투입단계를 나타내는 예시도;
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법에 있어서, 상부 파쇄홀 천공단계를 나타내는 예시도;
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법에 있어서, 약재가 팽창됨에 따라 암반에 발생되는 균열이 1차파쇄홀과 연쇄 작용을 일으키는 모습을 나타내는 예시도;
도 6 및 도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법에 있어서, 하부 굴착단계를 나타내는 예시도;
도 8 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법에 있어서, 상부 굴착단계를 나타내는 예시도; 및
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법에 적용 가능한 파쇄기를 나타내는 예시도이다.

이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시 예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 팽창성 약재를 이용하여 터널이나 지하 등을 무진동으로 굴착할 때, 약재가 팽창되는 시간 동안 대기하지 않고, 후속 작업이 수행되도록 함으로써, 전체적인 시공 기간 및 비용을 절감하고, 작업자의 안전을 보장할 수 있는 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법은 터널을 굴착하고자 하는 암반(R)을 정면에서 봤을 때, 상부와 하부로 나누어 굴착 작업을 수행하는 것을 특징으로 하며, 이러한 상기 암반 굴착방법은 도 1에 도시된 바와 같이, 터널을 굴착하고자 하는 암반(R) 단면의 하부에 굴착하고자 하는 터널의 길이 방향을 따라 복수의 1차파쇄홀(100)을 천공하는 하부 파쇄홀 천공단계(S100)와, 터널을 굴착하고자 하는 암반(R) 단면의 하부에 굴착하고자 하는 터널의 길이 방향을 따라 복수의 약재홀(200)을 천공하는 약재홀 천공단계(S200)와, 상기 약재홀 천공단계(S200)에서 천공된 상기 약재홀(200)에 팽창성 약재(400)를 투입하는 약재 투입단계(S300)와, 터널을 굴착하고자 하는 암반(R) 단면의 상부에 굴착하고자 하는 터널의 길이 방향을 따라 복수의 2차파쇄홀(300)을 천공하는 상부 파쇄홀 천공단계(S400), 그리고 상기 암반(R) 단면의 하부를 파쇄하고 굴착하는 하부 굴착단계(S500) 및 상기 암반(R) 단면의 상부를 파쇄하고 굴착하는 상부 굴착단계(S600)를 포함하여 수행될 수 있다.

보다 상세하게는 상기 약재 투입단계(S300)에서 상기 약재홀(200)에 상기 팽창성 약재(400)가 투입된 직후, 상기 상부 파쇄홀 천공단계(S400)가 수행되도록 함으로써, 상기 팽창성 약재(400)가 팽창되는데 소요되는 시간 동안 터널 굴착 작업을 멈추고 대기하지 않아도 후속 작업이 연속적으로 수행 가능하도록 하여 전체적인 터널 굴착 시공 기간을 단축시킬 수 있도록 할 수 있다.

예컨대, 상기 약재홀(200)에 상기 팽창성 약재(400)를 투입하는 작업을 수행한 이후, 상기 팽창성 약재(400)가 팽창되기 까지 소요되는 8~12시간의 시간 동안 대기할 필요 없이 상기 약재 투입단계(S300)의 후속 작업인 상기 상부 파쇄홀 천공단계(S400)를 수행함으로써, 상기 팽창성 약재(400)가 팽창되는 시간과 동시에 병행하여 암반(R) 단면의 상부에 복수의 상기 2차파쇄홀(300)을 천공하여 터널 굴착에 소요되는 전체 시공 기간을 단축시킬 수 있는 것이다.

이와 같이 상기 팽창성 약재(400)가 팽창되는 시간 동안 대기하는 딜레이 시간을 제거하게 될 경우, 파쇄홀을 천공하기 위한 드릴장치(500)포함, 투입장비 조합의 대여 기간 중 불필요하게 소요되는 시간을 대폭 줄여줌으로써, 터널 굴착 공사의 전체 시공 비용을 절감시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 상기 하부 파쇄홀 천공단계(S100) 및 약재홀 천공단계(S200)는 상기 드릴장치(500)를 이용하여 순차적으로 진행될 수 있으나, 이에 한정하는 것은 아니며, 복수의 천공 드릴을 갖는 상기 드릴장치(500)에서 상기 1차파쇄홀(100)과 상기 약재홀(200)의 필요 구경에 맞는 각기 다른 천공 드릴이 구비되도록 함으로써, 상기 하부 파쇄홀 천공단계(S100)와 상기 약재홀 천공단계(S200)를 동시에 수행하여 암반(R)의 하부에 천공되는 복수의 상기 1차파쇄홀(100)과 상기 약재홀(200)이 동시에 천공되도록 할 수도 있다.

그리고 터널을 굴착하고자 하는 암반(R)의 단면에는 상기 1차파쇄홀(100) 및 약재홀(200) 외에도 상기 드릴장치(500)를 이용하여 선대구경(700)이 더 천공될 수 있으며, 이러한 상기 선대구경(700)은 암반(R)을 파쇄함에 있어 자유면으로 활용이 가능하여 약재 팽창에 의한 균열을 유도 하는등 소음 및 진동을 감소시키는 역할을 수행할 수 있다.

이때, 상기 약재홀 천공단계(S200)에서 천공되는 복수의 상기 약재홀(200)은 도 2에 도시된 바와 같이, 터널을 굴착하고자 하는 암반(R)을 정면으로 바라봤을 때, 상기 암반(R)의 하부, 보다 구체적으로는 상기 암반(R)이 지면과 맞닿는 최단부를 기준으로 인력 작업이 가능한 높이에 천공되도록 할 수 있다.

이는, 상기 약재홀 천공단계(S200) 이후 작업자가 상기 약재홀(200)에 상기 팽창성 약재(400)를 투입하는 작업을 수행할 시, 작업자가 지면에서 쉽게 작업을 수행할 수 있도록 하기 위함이며, 이와 같이 상기 약재홀(200)이 천공되는 높이를 상기 암반(R)의 하부로 한정함으로써, 작업자가 사다리 또는 사다리차를 이용하여 고소 작업을 수행하지 않아도 되도록 하여 고소 작업에 따른 사고 위험으로부터 작업자의 안전이 보장될 수 있도록 할 수 있는 것이다.

또한, 상기 약재홀(200)은 상기 하부 파쇄홀 천공단계(S100)에서 천공되는 복수의 상기 1차파쇄홀(100) 사이에 일정 간격 이격되어 천공되도록 하는 것이 바람직하다.

예컨대, 상기 암반(R)의 단면 상에서 동일한 간격으로 천공될 수 있는 복수의 상기 1차파쇄홀(100) 사이에 복수의 상기 약재홀(200)이 천공되도록 하되, 상기 약재홀(200)과 상기 1차파쇄홀(100) 각각의 사이 거리가 일정하도록 하여 이후 상기 하부 굴착단계(S500)에서 상기 팽창성 약재(400)의 팽창에 따른 균열이 상기 약재홀(200)에 인접하여 천공된 상기 1차파쇄홀(100)로 고르게 이어지도록 할 수 있는 것이다.

또한, 터널을 굴착함에 있어서, 시간이 부족하거나 혹은 빠르게 굴착이 수행되어야 할 경우, 상기 약재홀(200)은 터널을 굴착하고자 하는 단면 하부의 양측 가장자리에만 천공하여 줌으로써, 상기 약재홀(400)에 투입되는 팽창성 약재(400)에 의해 암반(R)을 파쇄함에 있어서 상대적으로 파쇄가 힘든 가장자리 부분에 대한 파쇄가 용이하게 이루어질 수 있도록 할 수 있다.

이때, 암반(R)의 가장자리 부분이 상기 팽창성 약재(400)의 팽창으로 인해 균열 및 파쇄가 이루어지게 되면, 그 외의 부분은 상기 1차파쇄홀(100)에 파쇄기(600)를 삽입하여 구동시킴으로써 쉽게 파쇄하는 것이 가능하다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 약재 투입단계(S300)는 상기 약재홀 천공단계(S200)를 수행하면서 암반(R)의 하부에 천공된 상기 약재홀(200)에 작업자가 상기 팽창성 약재(400)를 투입하는 작업을 수행하는 단계로, 작업자는 팽창성 약재가 충진된 투입장치를 이용하여 상기 약재홀(200)에 적정량의 상기 팽창성 약재(400)를 투입할 수 있으며, 그 외에 상기 팽창성 약재(400)가 미리 충진된 충진팩 등을 지정된 상기 약재홀(200)에 투입시키는 방법으로 수행될 수 있다.

이때, 상기 약재 투입단계(S300)에서는 상기 약재홀(200)에 상기 팽창성 약재(400)를 투입한 이후, 상기 약재홀(200)의 입구를 밀폐시킬 수 있는 밀폐 커버 설치 공정(미도시)을 더 포함할 수 있다.

이는, 상기 약재홀(200)에 주입된 상기 팽창성 약재(400)가 팽창이 제대로 이루어지기 전에 상기 약재홀(200)의 외부로 누출되는 것을 방지하기 위함으로, 이를 통해 암반(R)의 파쇄를 위해 적정한 양으로 투입되는 상기 팽창성 약재(400)가 낭비되지 않고 그 역할이 충실히 수행될 수 있도록 할 수 있는 것이다.

또한, 경우에 따라 상기 약재홀(200)에 투입된 상기 팽창성 약재(400)가 외부로 흘러 누출되는 것을 방지하기 위하여 상기 약재홀 천공단계(S200)에서 상기 약재홀(200)을 천공할 때, 터널의 길이 방향을 따라 내부로 갈수록 하향 경사가 이루어지도록 할 수도 있다.

그 외에도, 상기 팽창성 약재(400)가 상기 약재홀(200)에서 쉽게 누출되지 않도록 하는 여러 방법들이 선택적으로 적용될 수 있음을 인지하여야 한다.

이와 같이 상기 약재 투입단계(S300)를 통해 상기 약재홀(200)에 상기 팽창성 약재(400)가 투입되고 나면, 상술한 바와 같이 상기 팽창성 약재(400)가 팽창되는 시간 동안 암반(R)의 상부에 2차파쇄홀(300)을 천공하는 상기 상부 파쇄홀 천공단계(S400)가 병행하여 수행될 수 있다.

이때, 상기 상부 파쇄홀 천공단계(S400)는 도 4에 도시된 바와 같이, 암반(R)의 상부에 별도의 약재홀(200)이 천공되지 않으며, 파쇄기(600)를 통해 암반(R)이 파쇄될 수 있도록 하는 파쇄홀, 즉, 상기 2차파쇄홀(300) 만이 천공되도록 한다.

이는, 암반(R)의 상부에 약재홀(200)이 천공되어 작업자가 암반(R) 상부의 약재홀(200)에 상기 팽창성 약재(400)를 투입하기 위해 고소 작업을 수행할 필요가 없어 작업자의 안전을 보장할 수 있음은 물론, 후술 할 상기 하부 굴착단계(S500)에 의해 발생되는 연쇄 작용 만으로 상부에 천공된 상기 2차파쇄홀(300)을 중심으로 균열 및 파쇄가 유도되어 굴착 작업이 쉽게 이루어질 수 있기 때문이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 하부 굴착단계(S500)는 도 5 내지 도 7을 참조하여 설명하도록 한다.

상기 하부 굴착단계(S500)에서는 상기 약재 투입단계(S300)에서 상기 약재홀(200)에 투입되는 상기 팽창성 약재(400)가 팽창함에 따라 상기 약재홀(200)을 중심으로 암반(R)에 균열이 발생하게 되며, 이러한 균열이 상기 약재홀(200)과 일정 간격 이격되어 천공되는 상기 1차파쇄홀(100)과 이어짐으로써, 연쇄 작용이 일어나 암반(R)이 자연적으로 파쇄될 수 있다.

이때, 파쇄된 암반(R)의 파편은 굴착기를 이용하여 제거할 수 있으며, 자연적인 파쇄가 이루어지지 않더라도 균열에 의해 약해진 암반(R)의 자유면을 상기 굴착기로 긁어내거나, 상기 1차파쇄홀(100)에 파쇄기(600)를 삽입/구동시킴으로써, 암반(R) 하부에 대한 굴착이 신속하고 용이하게 이루어질 수 있도록 할 수 있다.

이때, 사용되는 상기 파쇄기(600)는 도 11에 도시된 바와 같이, 쐐기 또는 할암기 등 암반(R)을 파쇄하기 위한 다양한 장비들이 선택적으로 사용될 수 있으며, 상기 약재홀(200)을 중심으로 상기 1차파쇄홀(100)과 연쇄적인 균열이 일어난 암반(R)을 효과적으로 파쇄시킬 수 있는 장비가 사용되도록 하는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 상기 상부 굴착단계(S600)는 상술한 바와 같이, 상기 하부 굴착단계(S500)와 연쇄 반응에 의해 암반(R)의 상부를 쉽게 굴착할 수 있도록 하는 것으로, 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명하도록 한다.

우선, 상기 하부 굴착단계(S500)를 통해 터널을 굴착하고자 하는 암반(R)의 하부가 굴착되어 자유면이 형성됨은 물론, 굴착된 공간이 형성되게 되면 암반(R)의 상부에는 암반(R)의 상부가 갖는 자체 하중에 의해 하방으로 중력이 작용한다.

2차파쇄홀(300)에 파쇄기(600)를 삽입시켜 구동시킴으로써, 암반(R)의 상부에서 파쇄되어 지면으로 떨어진 암반(R)의 파편은 굴착기를 이용하여 제거하여 줌으로써, 터널의 굴착 작업이 신속하고 용이하게 수행될 수 있도록 할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법은, 상기 하부 파쇄홀 천공단계(S100)와, 약재홀 천공단계(S200), 약재 투입단계(S300), 상부 파쇄홀 천공단계(S400), 하부 굴착단계(S500) 및 상부 굴착단계(S600)를 하나의 사이클로 하여 굴착하고자 하는 터널의 목표 깊이에 도달할 때 까지 반복적으로 수행될 수 있으며, 터널 굴착에 소요되는 전체적인 시공 시간을 대폭 절감하여 시공비를 절감할 수 있도록 함은 물론, 작업자의 안전이 보장되고, 작업 효율이 향상되어 완성도 높은 터널이 굴착될 수 있도록 할 수 있다.

예컨대, 터널을 굴착하기 위해 종래에 사용되어진 할암공법의 경우, 암반을 파쇄하기 위해 암반의 하부와 상부, 그리고 터널을 굴착하고자 하는 암반 단면의 외곽과 바닥에 할암공(본원 발명의 1차파쇄홀 및 2차파쇄홀에 해당함)을 모두 천공하는데는 대략 12시간이 소요된다.

또한, 천공 후 잔재를 정리하는데 약 1시간이 소요되며, 하부 자유면을 확보하기 위한 1차적인 할암에 4시간 가량이 소요되며, 상부를 시공하기 위한 2차적인 할암은 3시간 가량이 소요된다.

또한, 1차 할암 작업과 2차 할암 작업에서 발생되는 버럭을 처리하는 시간이 각각 2시간씩 소요된다.

그 이후 바닥을 정리하고 터널의 벽면을 보강하고 쇼트 작업을 하는데 대략 3시간이 소요되어 최종적으로 총 27시간의 시간이 소요되게 된다.

또 다른 예로 터널을 굴착하기 위해 종래에 사용되어지는 팽창성 파쇄 공법의 경우, 암반에 균열을 유도하는 균열유도공(본원발명의 1차파쇄홀 및 2차파쇄홀에 해당함)과 약재를 투입하는 약재투입공(본원발명의 약재홀에 해당함)을 모두 천공하고 잔재를 정리하는데 까지 대략 13시간이 소요되게 되며, 이후, 약재를 투입하는데 2시간 가량(암반 전체에 약재투입공을 천공하기 때문에 그 수는 통상적으로 300공 이상이 필요하게 됨)이 소요되며, 약재가 팽창하는 동안 대기하게 되는 시간이 8시간이 소요된다.

이후, 암반을 파쇄하는데 2시간, 암반을 파쇄하여 발생되는 버럭을 처리하는데 3시간 가량이 소요되게 되며, 바닥을 정리하고 보강 및 쇼트 작업을 하는데 3시간 가량이 소요되어 최종적으로 총 31시간의 시간이 소요되게 된다.

반면에 종래 두 기술의 단점을 상쇄시킬 수 있는 본 발명인 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법을 적용하여 터널을 굴착하게 될 경우, 다음과 같이 총 소요시간이 절약되는 효과를 가진다.

먼저, 암반의 하부와 상부 그리고 외각과 바닥에 파쇄홀(1차파쇄홀 및 2차파쇄홀)을 천공하고 약재홀을 천공하기 까지 12시간 가량이 소요된다.

이때, 약재홀은 암반의 하부에만 천공하기에 대략 80공 가량만 천공하면 되기 때문에 종래 대비 홀을 천공하는데 소요되는 시간을 단축시킬 수 있다.

그 후 약재를 투입하는데 1시간 미만 소요되는데, 이 또한 약재를 투입하는 약재홀의 수가 종래 대비 대폭 감소되고 투입 약재 또한 줄이게 되어 경제적인 절감 효과가 있으며, 암반의 하부에만 위치하여 약재 투입 작업이 수월하게 진행 가능하기 때문에 소요 시간을 보다 더 절감 시킬 수 있다.

그리고 상술한 바와 같이 약재가 팽창되는 동안 대기할 필요 없이 2차파쇄홀을 천공하는 작업이 병행하여 수행 가능하기 때문에 종래에 약재 팽창 대기 시간인 8시간 가량을 세이브할 수 있다.

이후 암반의 하부를 파쇄하고 버럭을 처리하는데 각각 1시간, 그리고 암반의 상부를 파쇄하고 버럭을 처리하는데 각각 3시간과 2시간이 소요되며, 마지막으로 바닥을 정리하고 보강 및 쇼트 작업을 수행하는데 3시간 가량이 소요되어 최종적으로 총 시공 시간은 23시간이 소요되며, 상술한 바와 같이 1차파쇄홀과 약재홀을 동시에 천공하게 될 경우, 총 시공 시간을 더 단축 시켜 20~21시간이 소요되도록 하는 것이 가능하다.

이와 같이 터널의 굴착에 소요되는 전체 시공 기간을 종래 대비 최소 8시간을 단축시킬 수 있다고 가정할 경우, 3일(72시간)마다 1일(24시간)의 공기가 단축되며, 이는 30일을 기준으로 10일의 공기 단축이 이루어지는 바, 장비를 대여하고, 작업자를 고용하는 인건비 등에 의해 소요되는 공사 비용의 1/3을 절감할 수 있게 되어 전체 시공 기간 및 비용을 대폭 단축하고 절감할 수 있게 되는 것이다.

이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시 예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술 된 실시 예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

100 : 1차파쇄홀 200 : 약재홀
300 : 2차파쇄홀 400 : 팽창성 약재
500 : 드릴장치 600 : 파쇄기
700 : 선대구경
S100 : 하부 파쇄홀 천공단계 S200 : 약재홀 천공단계
S300 : 약재 투입단계 S400 : 상부 파쇄홀 천공단계
S500 : 하부 굴착단계 S600 : 상부 굴착단계
R : 암반

Claims (9)

1. 터널을 굴착하고자 하는 암반 단면의 하부에 굴착되는 터널의 길이 방향을 따라 복수의 1차파쇄홀을 천공하는 하부 파쇄홀 천공단계;
   터널을 굴착하고자 하는 암반 단면의 하부에 굴착되는 터널의 길이 방향을 따라 복수의 약재홀을 천공하는 약재홀 천공단계;
   상기 약재홀에 팽창성 약재를 투입하는 약재 투입단계;
   터널을 굴착하고자 하는 암반 단면의 상부에 굴착되는 터널의 길이 방향을 따라 복수의 2차파쇄홀을 천공하는 상부 파쇄홀 천공단계;
   암반 단면의 하부를 파쇄하고 굴착하는 하부 굴착단계; 및
   암반 단면의 상부를 파쇄하고 굴착하는 상부 굴착단계;
   를 포함하며,
   상기 약재홀에 상기 팽창성 약재가 투입된 직후, 상기 상부 파쇄홀 천공단계가 수행 가능하여, 상기 팽창성 약재가 팽창되는 시간과 동시에 암반 단면 상부에 복수의 2차파쇄홀이 천공됨으로써, 약재 팽창 대기 시간을 절감하여 터널 굴착에 소요되는 전체 시공 기간의 단축이 이루어지도록 하는 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 하부 파쇄홀 천공단계 및 약재홀 천공단계는,
   복수의 천공기가 설치 가능한 드릴장치에 의해 동시에 수행이 가능한 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 약재홀 천공단계에서 천공되는 상기 약재홀은,
   터널을 굴착하고자 하는 암반을 정면으로 바라봤을 때, 상기 암반의 최단부를 기준으로 인력 작업이 가능한 높이에 천공되도록 하여 상기 약재 투입단계에서 상기 약재홀에 팽창성 약재를 투입하는 작업자가 지면에서 쉽게 작업을 수행 가능하도록 함으로써, 고소 작업에 따른 사고 위험으로부터 작업자의 안전이 보장되도록 하는 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 약재홀 천공단계에서 천공되는 상기 약재홀은,
   상기 하부 파쇄홀 천공단계에서 천공되는 복수의 1차파쇄홀 사이에 일정 간격 이격되어 천공되는 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 하부 굴착단계는,
   상기 약재 투입단계에서 상기 약재홀에 주입되는 상기 팽창성 약재가 팽창함에 따라 상기 약재홀을 중심으로 암반에 발생되는 균열이 상기 1차파쇄홀과 이어져 연쇄 반응에 의해 암반의 파쇄가 이루어지는 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법.
   
6. 제5항에 있어서,
   상기 하부 굴착단계는,
   상기 약재홀을 중심으로 확산된 균열에 의해 약해진 암반을 파쇄기 및 굴착기를 이용하여 신속하고 용이하게 굴착 작업이 이루어지도록 하는 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법.
   
7. 제1항에 있어서,
   상기 상부 굴착단계는,
   상기 하부 굴착단계를 통해 터널을 굴착하고자 하는 암반의 하부가 굴착됨에 따라 하부자유면이 확보되고 하부자유면 방향으로 2차파쇄홀의 암반의 균열 및 파쇄가 이루어지는 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법.
   
8. 제7항에 있어서,
   상기 상부 굴착단계는,
   상기 2차파쇄홀을 중심으로 균열이 발생되거나 일부 암반이 파쇄된 상태에서 상기 2차파쇄홀에 파쇄기를 삽입/구동시켜 남아있는 암반의 파쇄가 신속하고 용이하게 이루어지도록 하며, 암반의 상부에서 파쇄되어 지면으로 떨어진 암반의 파편은 굴착기를 이용하여 제거함으로써 터널의 굴착 작업이 수행되도록 하는 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법.
   
9. 제1항에 있어서,
   상기 무진동 암반 굴착방법은,
   상기 하부 파쇄홀 천공단계, 약재홀 천공단계, 약재 투입단계, 상부 파쇄홀 천공단계, 하부 굴착단계 및 상부 굴착단계를 하나의 사이클로 하여 굴착하고자 하는 터널의 목표 깊이에 도달 할 때까지 반복 수행이 가능한 시공 기간 단축이 가능한 무진동 암반 굴착방법.

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