KR20230137682A - 안전성과 시공성이 향상된 터널 굴착 장치 및 이를 이용한 터널 굴착 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 굴착 장치 관한 것으로, 지반을 굴착하면서 이동하는 이동 몸체와; 굴진 방향을 향하는 상기 이동 몸체의 전방부에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와; 상기 이동 몸체의 전방부를 감싸는 헤더 커버와; 상기 헤더 커버의 후방에서 팽창 가능하게 형성되어, 상기 커터 헤드에 의해 굴착된 굴착면에 콘크리트 벽면이 시공되기 이전에 상기 굴착면을 지지하는 내벽 지지 풍선을; 포함하여 구성되어, 그립퍼를 이용하여 추진하는 터널 굴착 장치를 이용하여 터널을 굴착하는 과정에서, 커터 헤드에 의해 굴착된 굴착면에 콘크리트 벽면이 형성되기 이전에, 공압에 의해 팽창된 내벽 지지 풍선에 의해 굴착면을 지지하여 안정화시킴으로써, 지반침하 등에 의해 발생되는 굴착면의 국부적인 붕락을 방지하여 안전한 터널 시공을 가능하게 하는 터널 굴착 장치 및 이를 이용한 터널 굴착 방법을 제공한다.

Description

안전성과 시공성이 향상된 터널 굴착 장치 및 이를 이용한 터널 굴착 방법 {TUNNEL BORING MACHINE WITH IMPROVED SAFETY AND CONSTRUCTABILITY AND METHOD USING SAME}

본 발명은 터널 굴착 장치 및 이를 이용한 터널 굴착 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 그립퍼 형태의 터널 굴착 장치를 이용한 터널의 굴착 공정 중에 굴착면의 일부 또는 전부의 붕락을 억제하여 안전한 시공과 터널 굴착 장치의 작동 신뢰성을 확보하는 터널 굴착 장치 및 이를 이용한 터널 굴착 방법에 관한 것이다.

도시의 빠른 성장과 도심지로의 인구 밀집으로 인해 지상 구조물이 급격히 늘어났으며, 유동 인구 증가로 현재 지반 상부는 과포화 상태이다. 이로 인해, 교통 체증, 주차 문제 등이 발생되며, 지상 구조물의 밀집화는 사회적으로 큰 문제를 일으키고 있다.

이러한 문제를 해소하고자, 사회기반시설들이 지하화되는 것이 지속적으로 논의되고 있다. 도심지 지하공간의 활용에는 터널 공법이 주로 사용되고 있으며, 특히 TBM(Turnel Boring Machine) 공법은 기존의 발파공법과 대비하여 소음과 진동이 적어 도심지 터널 굴착에 널리 활용된다.

TBM 공법은,전면(前面)에 비트 형태의 커터(11)가 장착된 커터 헤드(10)가 회전하는 터널 굴착 장치(9)가 지반(88)의 내부에서 암반과 토사를 절삭하면서 굴진하고, 커터 헤드(10)에 의해 형성된 굴착면에 콘크리트 내벽(70)을 설치하여 터널을 시공하는 공법이다.

이를 위하여, 터널 굴착 장치(9)는, 지반(88)을 굴착하는 커터 헤드(10)가 회전 가능하게 설치되고, 이로부터 후방으로 이동 몸체(30)가 연장 형성된다. 커터 헤드(10)의 회전 구동을 위한 설비들이 수용되도록 이동 몸체(30)의 전방부를 감싸는 헤더 커버(20)가 설치되어, 지반이 불안정하여 발생되는 낙석으로부터 커터 헤드(10)의 설비를 보호한다.

도1에 도시된 터널 굴착 장치(9)는, 세그먼트의 추진 방식인 Shield TBM과 달리, 그립퍼(40)의 지지면(45)이 굴착면의 내벽에 접촉 지지한 상태로, 그립퍼 아암(42)의 길이를 신장(42d)시키는 방식으로 굴착 공정과 함께 전방으로 이동(55)하며, 그립퍼 아암(42)을 수축시키는 동안에 이동 몸체(30)를 지반(88)에 지지되도록 이동(50d) 가능한 지지대(50)를 구비한다. 그리고, 이동 몸체(30)의 후방의 후속 설비(60)는 굴착된 토사나 암반을 후방으로 이동시키는 컨베이어와 콘크리트 벽면(70)을 설치한다.

이에 따라, 도2에 도시된 바와 같이, 그립퍼(40)의 지지면(45)을 양측 굴착면에 지지시킨 상태에서 점진적으로 그립퍼 아암(42)이 신장(42d)되는 것에 의해, 커터 헤드(10)가 회전하면서 지반(88)을 굴착하면서 전방 이동하는 것을 허용한다. 그리고, 이동 몸체(30)의 위치나 자세를 고정하도록 중력 방향으로의 바닥면에 지지대(50)를 지지시킨 상태에서, 신장된 그립퍼 아암(42)을 다시 수축시킴으로써, 다시 굴진 할 수 있는 상태가 된다.

따라서, 상기와 같이 구성된 터널 굴착 장치(9)는, 헤더 커버(20)와 그립퍼(40)의 사이 공간(AF)이 굴착 공정을 갓 끝낸 지반에 노출된다. 그런데, 지반이 불안정하거나 지반 침하가 발생된 경우에는, 헤더 커버(20)와 그립퍼(40)의 사이 공간(AF)에서 도면 부호 99로 표시된 방향으로 토사나 암반의 일부가 이동 몸체(30)로 떨어지는 붕락이 발생될 수 있다. 이에 따라, 굴착 이후에 콘크리트 벽면(70)이 설치되기 이전의 굴착면이 불안정한 상태로 방치되고, 불안정한 굴착면에서 토사나 낙석이 터널 굴착 장치(9)를 덮치면 장치의 파손을 감수해야 하는 문제가 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은, 그립퍼를 이용하여 추진하는 터널 굴착 장치를 이용하여 터널을 굴착하는 과정에서 굴착면의 국부적인 붕락을 방지하여 안전하게 시공하는 터널 굴착 장치 및 이를 이용한 터널 굴착 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

다시 말하면, 본 발명은, 굴착 이후에 콘크리트 벽면이 설치되기 이전에 불안정한 굴착면을 물리적으로 유지하고, 지반 침하 등에 의해 낙석을 억제하여 터널 굴착 장치의 파손을 방지하는 것을 목적으로 한다.

이를 통해, 본 발명은, 그립퍼를 이용하여 추진하는 터널 굴착 장치를 이용하여 안전하고 원활한 시공을 보장하는 것을 목적으로 한다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명은, 지반을 굴착하면서 이동하는 이동 몸체와; 굴진 방향을 향하는 상기 이동 몸체의 전방부에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와; 상기 이동 몸체의 전방부를 감싸는 헤더 커버와; 상기 헤더 커버의 후방에서 팽창 가능하게 형성되어, 상기 커터 헤드에 의해 굴착된 굴착면에 콘크리트 벽면이 시공되기 이전에 상기 굴착면을 지지하는 내벽 지지 풍선을; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치를 제공한다.

한편, 발명의 다른 분야에 따르면, 본 발명은, 지반을 굴착하면서 이동하는 이동 몸체와, 굴진 방향을 향하는 상기 이동 몸체의 전방부에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와, 상기 이동 몸체의 전방부를 감싸는 헤더 커버와, 상기 헤더 커버의 후방에서 팽창 가능한 내벽 지지 풍선을 구비한 터널 굴착 장치로 제1영역을 굴착하는 제1굴착단계와; 상기 터널 굴착 장치로 상기 제1영역에 비하여 깊게 위치한 제2영역을 굴착하는 제2굴착단계와; 상기 제2굴착단계가 행해지는 동안에 상기 내벽 지지 풍선을 팽창시켜 상기 제1영역의 굴착면을 지지하는 제1굴착면 지지단계와; 상기 제1영역에 콘크리트 벽면을 형성하는 콘크리트 내벽형성단계를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법을 제공한다.

본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '전방' 및 이와 유사한 용어는 터널 굴착 장치가 굴착하는 굴착면을 향하는 방향(x축 방향)을 지칭하는 것으로 정의하고, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '후방' 및 이와 유사한 용어는 터널 굴착 장치가 굴착하는 굴착면의 반대측을 향하는 방향을 지칭하는 것으로 정의한다.

본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '굴착면' 및 이와 유사한 용어는 터널 굴착 장치에 의해 굴착된 표면으로서 콘크리트 벽면이 굴착면에 형성되기 이전의 표면을 지칭하는 것으로 정의한다.

본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '제1영역'과 '제2영역'은 미리 정해진 구간을 특정하여 지칭한다기 보다는, 커터 헤드에 의해 먼저 굴착한 영역을 '제1영역'이라 하고, '제1영역'에 비하여 커터 헤드에 의해 늦게 굴착되는 영역을 '제2영역'이라고 지칭하는 것으로 정의한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 그립퍼를 이용하여 추진하는 터널 굴착 장치를 이용하여 터널을 굴착하는 과정에서, 커터 헤드에 의해 굴착된 굴착면에 콘크리트 벽면이 형성되기 이전에, 공압에 의해 팽창된 내벽 지지 풍선에 의해 굴착 면이 지지되어 안정화됨으로써, 지반침하 등에 의해 발생되는 굴착면의 국부적인 붕락을 방지하여 안전한 터널 시공을 가능하게 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

본 발명은, 헤더 커버와 그립퍼의 사이 구간에서 내벽 지지 풍선이 환형 굴착면을 지지하면서 터널 굴착 장치를 감싸도록 구성되어, 굴착면에서 암반이나 토사의 붕락에 의해 굴착면에 노출된 터널 굴착 장치의 손상을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.

이 때, 본 발명은, 내벽 지지 풍선이 환형 강재 지보에 연결되어, 굴착 방향으로의 내벽 지지 풍선의 길이를 짧게 형성할 수 있게 됨에 따라, 내벽 지지 풍선과 환형 강재 지보가 함께 굴착면을 보다 큰 힘으로 지지하여 굴착면의 안정화 효과를 크게 높일 수 있다.

또한, 본 발명은, 내벽 지지 풍선이 팽창과 수축을 반복하도록 구성되어, 풍선의 팽창 상태에서 터널의 굴착면을 지지하고, 풍선의 수축 상태에서 장치의 이동을 가능하게 하여, 굴착 공정을 쉼없이 연속적으로 행할 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도1은 그립퍼의 추진 형식의 터널 굴착 장치에 의해 터널을 굴착하는 구성을 y축에 수직한 단면으로 도시한 도면,
도2는 도1의 터널 굴착 장치를 z축에 수직인 단면으로 도시한 도면,
도3은 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 굴착 장치의 내벽 지지 풍선이 팽창한 상태의 구성을 y축에 수직한 단면으로 도시한 도면,
도4는 도3의 터널 굴착 장치의 내벽 지지 풍선이 수축한 상태의 구성을 도시한 구성을 y축에 수직한 단면으로 도시한 도면,
도5는 도3의 강재 지보의 간격이 좁아진 수축 상태를 도시한 구성을 도시한 도면,
도6은 도3의 절단선 X-X에 따른 횡단면도,
도7a 내지 도7c는 터널 굴착 장치가 전진하는 동안의 내벽 지지 풍선의 작동 상태를 도시한 도면이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.

첨부된 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 굴착 장치(9)는, 지반(88)을 굴착하면서 그립퍼(40)에 의해 이동하는 이동 몸체(30)와, 굴진 방향(x)을 향하는 이동 몸체(30)의 전방부에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드(10)와, 이동 몸체(30)의 전방부를 감싸는 헤더 커버(20)와, 헤드 커버(20)의 후방에 간격 조절이 가능하게 이격된 2개 이상의 강재 지보(110)와, 강재 지보(110)의 간격을 조절하는 신축 제어부(120)와, 강재 지보(110)를 굴착 방향으로 연결하는 환형 형태의 내벽 지지 풍선(130)과, 내벽 지지 풍선(130)에 기체를 공급하거나 회수하여 내벽 지지 풍선(130)의 부푼 상태를 조절하는 공압 제어부(140)를 포함하여 구성된다.

참고로, 본 발명에서 터널이라 함은, 육상터널, 지하터널 및 해저터널을 모두 포함하는 개념으로 이해될 수 있으며, 터널의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

상기 커터 헤드(10)는 이동 몸체(30)의 굴진 방향(x축 방향)으로의 최전방에 위치하여 지반(88)을 굴착 하는 커터(11)를 포함하며, 헤더 커버(20)에 대하여 자전 가능하게 장착된다.

보다 구체적으로, 커터 헤드(10)는 커터 헤드 구동부(126)에 의해 회전하면서 지반(88)의 토사와 암반을 깍아내면서 굴진하도록 구성된다. 커터 헤드(10)는 자전하면서 지반(88)의 토사와 암반을 깍아내면서 굴진할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 커터 헤드(10)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 커터 헤드(10)의 전단부에 형성된 헤드 면판에는 회전 가능한 복수개의 커터(11)(예를 들어, 디스크 커터)가 커터 헤드(10)의 전방으로 돌출되게 마련된다. 커터(11)의 개수 및 배열 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 일 예로, 복수개의 커터(11)는 커터 헤드(10)의 반경 방향 또는 원주 방향을 따라 이격되게 배치될 수 있다.

도면에 도시되지 않았지만, 헤드 면판에는 관통공이 형성되어, 커터 헤드(10)에 의해 굴진 방향을 따라 암반을 파쇄한 버력과 토사를 수용하여 후방으로 이동시키는 설비가 구비된다.

상기 헤더 커버(20)는 커터 헤드(10)를 회전시키는 데 필요한 설비를 감싸는 형태로 형성되어, 굴착면에서의 낙석으로부터 보호한다.

상기 이동 몸체(30)는 터널 굴착 장치(9)의 전후 방향으로 이동시키는 설비가 구비되고, 커터 헤드(10)에 의해 굴착된 버력 등을 후방으로 이동시키는 컨베이어 등이 구비된다.

상기 그립퍼(40)는, 도1 및 도2에 도시된 바와 같이, 이동 몸체(30)에 대하여 수평 방향으로 펼쳐지는 회전이 가능하고 신축 가능한 그립퍼 아암(42)과, 그립퍼 아암(42)의 끝단에 굴착면과 밀착 접촉하는 지지면(45)이 구비된다. 이에 따라, 도2에 도시된 바와 같이, 그립퍼(40)의 지지면(45)이 굴착면에 접촉한 상태에서, 그립퍼 아암(42)이 서서히 신장되는 것에 의해, 커터 헤드(10)에 의한 전방 굴착면에 가압력이 도입되면서 지반(88)을 굴착하면서 서서히 전진(55)하게 된다.

지지 몸체(30)에는 굴착 공간의 바닥면에 선택적으로 지지하는 지지대(50)가 구비된다. 지지대(50)는 상하 방향(z축 방향)으로 신축 가능하게 형성되어, 그립퍼(40)의 지지면(45)이 굴착면으로부터 분리되고 그립퍼 아암(42)을 수축시키는 동안에 이동 몸체(30)를 지반(88)에 지지시킨다.

이에 따라, 터널 굴착 장치(9)는, 그립퍼(40)의 그립퍼 아암(42)을 측방향(y축 방향) 성분을 갖도록 신장시키는 동안에 전방 이동하고, 지지대(50)를 이동(50d)시켜 굴착면의 바닥에 지지한 상태에서 그립퍼 아암(42)을 수축시키고, 다시 그립퍼 아암(42)과 이동 몸체(30) 사이의 각도를 더 크게 벌린 상태로 지지면(45)을 굴착면에 접촉 지지한 상태에서, 그립퍼 아암(42)을 신장시키면 다시 이동 몸체(30)를 전방으로 이동시킬 수 있게 된다.

상기 강재 지보(110)는 헤더 커버(120)의 후방에 다수 이격되게 배치된다. 도6에 도시된 바와 같이, 터널 굴착 장치(9)에 의해 형성되는 굴착 공간이 원형 단면 형상이므로, 강재 지보(110)는 원형 링 형태로 형성된다. 예를 들어, 강재 지보(110)는 휨 강성이 큰 'H'단면이나 'ㅁ'자 단면을 포함하는 형태로 형성될 수 있다.

도4에 도시된 바와 같이, 강재 지보(110)의 외경은 원형 단면의 굴착면과 미리 정해진 틈새(c)를 갖는 직경을 갖는 원형 링 형태의 강재로 형성된다. 여기서, 강재 지보(110)의 외주면과 굴착면 사이의 틈새(c)는 터널 굴착 장치(9)가 굴착한 굴착 공간에서 간섭없이 이동할 수 있는 정도이면서, 굴착면이 불안하여 일부 붕락되는 경우에 굴착면의 붕락을 초기 단계에서 억제할 수 있는 정도의 치수로 정해진다.

상기 신축 제어부(120)는, 굴착 방향의 후방으로 이격된 다수의 강재 지보(110)를 굴착 방향으로 연결하는 연결 바(125)를 포함한다. 연결 바(125)는 신축 가능한 다양한 구성으로 형성될 수 있으며, 예를 들어, 유압 실린더로 형성될 수 있다. 이하에서는, 편의상 연결 바(125)가 유압 실린더로 형성된 구성을 중심으로 설명하기로 한다.

도6에 도시된 바와 같이, 연결 바(125)는 강재 지보(110)의 원주 방향을 따라 2개 이상 배치될 수 있으며, 바람직하게는 3개 내지 6개로 형성된다. 이에 따라, 굴착 방향으로 이격된 강재 지보(110)는 다수의 연결 바(125)가 동시에 신장되거나 수축되는 것에 의하여, 헤더 커버(20)로부터 후방으로 이격 배치되어 있는 강재 지보(110)의 일부 이상은 헤더 커버(20)를 향하여 왕복 이동하면서, 강재 지보(110)의 상호 간의 간격이 좁아지거나 넓어진다.

예를 들어, 도3 및 도4에 도시된 바와 같이, 신축 제어부(120)의 신장 신호(ⅱ)에 따라 연결 바(125)에 유압이 공급되면, 다수의 연결 바(125)가 동시에 신장되면서, 헤더 커버(20)에 고정된 강재 지보(110)를 기준으로 다수의 강재 지보(110)의 굴착 방향으로의 간격이 증가한다. 반대로, 신축 제어부(120)의 수축 신호(i)에 따라 연결 바(125)로부터 유압이 회수되면, 다수의 연결 바(125)가 동시에 수축되면서, 강재 지보(110)의 굴착 방향으로의 간격이 좁아진다.

상기 내벽 지지 풍선(130)은, 가요성 재질로 형성되어 팽창 가능하게 형성되고, 헤더 커버(20)의 후방에 설치되어, 커터 헤드(10)에 의해 굴착된 굴착면에 콘크리트 벽면이 시공되기 이전에 굴착면을 지지하는 역할을 한다.

상기 공압 제어부(140)는 내벽 지지 풍선(130)에 기체를 공급(aa)하여 내벽 지지 풍선(130)을 팽창(130e)시켜 풍선 외주면을 굴착면에 밀착시키고, 내벽 지지 풍선(130)에 공급되어 있던 기체를 회수(ee)하여 내벽 지지 풍선(130)을 수축시켜 풍선 외주면을 굴착면으로부터 분리시킨다.

공압 제어부(130)로부터 내벽 지지 풍선(130)의 사이에는 가요성 튜브(미도시)에 의해 기체가 공급되거나 회수되며, 전자 제어에 의해 작동되는 밸브가 가요성 튜브에 설치될 수도 있다.

내벽 지지 풍선(130)는 다양한 터널 굴착 환경 하에서 파손되지 않으면서 팽창과 수축이 가능한 재질로 형성된다. 예를 들어, 내벽 지지 풍선(130)은 내열성과 높은 인장 강도와 탄성이 우수한 폴리아마이드 섬유로 형성될 수 있으며, 상용화되어 있는 아라미드(aramid fiber)로 형성될 수도 있다.

내벽 지지 풍선(130)은, 이동 몸체(30)의 길이 방향으로의 일부를 감싸는 환형 링 형상으로 형성되며, 커터 헤드(20)의 후방에 2개 이상 이격 배열된 링 형태의 강재 지보(110)의 사이를 연결하도록 설치된다. 내벽 지지 풍선(130)은, 팽창하지 않은 상태(도4)에서는 내벽 지지 풍선(130)의 외주면이 강재 지보(110)와 마찬가지로 굴착면과의 사이에 틈새(c)를 형성하지만, 팽창(130e)한 상태(도3)에서는 내벽 지지 풍선(130)의 외주면이 굴착면과 밀착된다. 이를 통해, 내벽 지지 풍선(130)은 기체가 주입(ee)되어 팽창(130e)된 상태에서는 굴착면과 밀착한 상태가 되어, 굴착면을 안정되게 지지하는 역할을 한다.

특히, 내벽 지지 풍선(130)은 굴착 방향으로 이격된 강재 지보(110)의 사이에서 강재 지보(110)를 연결하는 형태로 형성됨에 따라, 내벽 지지 풍선(130)의 굴착 방향으로의 길이를 짧게 형성할 수 있고, 높은 휨 강성을 갖는 강재 지보(110)와 협력하여 굴착면에 대하여 저항하는 강성이 커지므로, 굴착면을 지지하는 힘을 크게 발휘하여 굴착면의 지지 상태를 안정되게 유지하고, 동시에 지반 침하 등에 의해 굴착면으로부터 낙석이 발생되더라도 이동 몸체(30)를 안전하게 보호하는 효과를 얻을 수 있다.

내벽 지지 풍선(130)은 중앙부가 빈 원통 형태로 형성되지만, 최전방과 최후단과 중간중간에 강재 지보(110)가 설치되어 굴착면을 지지하는 강성이 보강되므로, 높은 저항력으로 굴착면을 지지할 수 있다. 다만, 본 발명은 상기 구성에 한정되지 않으며, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 내벽 지지 풍선(130)은 강재 지보(110) 없이 헤더 커버(20)의 후방에 단독으로 설치될 수도 있다.

내벽 지지 풍선(130)은 하나의 링 형태로 형성될 수도 있지만, 도6에 도시된 바와 같이, 원주 방향을 따라 격벽에 의해 다수로 분할 형성되게 구성될 수 있다. 이 때, 도면에 도시되지 않았지만, 내벽 지지 풍선(130)을 이루는 다수의 분할 풍선은 공압 제어부(140)로부터 각각 공급되는 공압 공급 라인이 구비될 수 있다. 이를 통해, 공압 제어부(140)로부터 공급되는 기체(aa)가 국부적으로 치우쳐 일부가 충분히 팽창되지 않게 되는 것을 방지한다.

무엇보다도, 내벽 지지 풍선(130)은 반경 방향으로 이중 챔버를 형성한다. 즉, 도6에 도시된 바와 같이, 반경 내측 방향에 위치한 내측 분할 챔버(130i)와 반경 외측 방향에 위치한 외측 분할 챔버(130o)로 구분되어 형성되어, 내측 분할 챔버(130i)와 외측 분할 챔버(130o)가 반경 방향으로의 이중 챔버를 형성한다. 이를 통해, 터널의 굴착 공정 중에 굴착면과 접하는 외측 분할 챔버(130o)들 중에 어느 하나 이상이 손상되어 팽창이 불가능한 상태가 되더라도, 손상된 외측 분할 챔버(130o)의 반경 내측에 위치한 내측 분할 챔버(130i)가 팽창하여 손상에 의해 팽창하지 못한 공간을 채워 보충함으로써, 굴착면을 확실하게 지지하는 효과를 얻을 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 굴착 장치(9)를 이용한 터널 굴착 방법을 상술한다.

단계 1: 먼저, 상기와 같이 구성된 터널 굴착 장치(9)로 지반(88)을 굴착하기 위하여, 도2에 도시된 바와 같이, 이동 몸체(30)로부터 회전 가능한 그립퍼 아암(42)이 회전하여, 그립퍼(40)의 지지면(45)이 이미 굴착된 굴착면(88s)에 마찰력에 의해 높은 가압력으로 밀착되게 한다.

그리고, 그립퍼 아암(42)이 서서히 신장되면서, 커터 헤드(10)가 회전하면서 전방 굴착면을 굴착하면서 전진(55)한다. 이를 통해, 터널 굴착 장치(9)를 이용하여 제1영역(A1)을 굴착하는 제1굴착단계가 행해진다.

단계 2: 단계 1이 행해지고 나서, 도3에 도시된 바와 같이, 신축 제어부(120)에 의해 연결 바(125)를 신장(120e)시켜, 강재 지보(110)의 사이 간격을 보다 더 크게 조절하고, 동시에, 헤더 커버(20)의 후방에서 이격된 강재 지보(110)를 연결하는 내벽 지지 풍선(130)에 공압 제어부(140)로부터 팽창 기체를 공급(aa)하여, 내벽 지지 풍선(130)이 팽창시킨다. 이에 따라, 도7a에 도시된 바와 같이, 내벽 지지 풍선(130)은 이미 굴착된 제1영역(A1)의 굴착면에 밀착되어 굴착면(88s)을 지지하게 된다.

여기서, 제1영역은 커터 헤드(10)에 의해 이미 굴착되고 콘크리트 벽면(70)이 아직 형성되지 않은 영역을 지칭한다. 여기서, 콘크리트 벽면(70)은 프리캐스트 콘크리트를 이용하여 굴착면(88s)을 덮는 형태로 설치될 수도 있고, 현장에서 숏크리트를 타설하여 형성할 수도 있으며, 그 밖에 다양한 방법으로 설치될 수 있다.

이와 같이, 콘크리트 벽면이 설치되기 이전에 내벽 지지 풍선(130)에 의해 굴착면이 지지됨으로써, 훨씬 안정된 지반 상태로 유지되어 국부적인 붕락을 신뢰성있게 방지하는 효과를 얻을 수 있다. 특히, 내벽 지지 풍선(130)의 최전방과 최후방과 중간중간에서 강재 지보(110)에 의해 지지되므로, 내벽 지지 풍선(130)의 자체 강성에 비하여 보다 높은 휨 강성을 갖는 강재 지보(110)에 의해 굴착면을 보다 안정되게 지지할 수 있게 된다.

또한, 지반 침하에 의해 굴착면의 일부로부터 낙석이 발생되는 경우에도, 내벽 지지 풍선(130)에 의해 터널 굴착 장치(9)의 이동 몸체(30) 등이 보호되므로, 터널 굴착 장치(9)의 굴착 공정 중에 발생되는 고장을 예방하여 터널 굴착 공정을 예정된 공기 내에 마칠 수 있도록 한다.

단계 3: 단계 2에 의하여, 제1영역의 굴착면이 내벽 지지 풍선(130)에 의해 밀착 지지된 상태에서, 다시 단계 1에서와 마찬가지로, 이동 몸체(30)로부터 회전 가능한 그립퍼 아암(42)이 회전하여, 그립퍼(40)의 지지면(45)이 이미 굴착된 굴착면에 마찰력에 의해 높은 가압력으로 밀착시키고, 그립퍼 아암(42)이 서서히 신장되면서, 커터 헤드(10)가 회전하면서 전방 굴착면(88a)을 굴착하면서 전진(55)하여, 제1영역(A1)에 비하여 보다 전방에 위치한 제2영역(A2)을 굴착하는 제2굴착단계가 행해진다.

여기서, 제2영역(A2)은 제1영역(A1)의 바로 전방에 위치한 영역일 수도 있고, 도면에 도시된 바와 같이, 제1영역(A1)의 전방 끝단으로부터 전방으로 이격되게 위치한 영역을 모두 포함한다.

제2굴착단계가 행해지는 과정에서, 도7b에 도시된 바와 같이, 커터 헤드(10)의 회전과 그립퍼 아암(42)의 신장(42d)에 따라 이동 몸체(30) 및 전방 굴착면(88a)은 점진적으로 전방 이동하게 된다. 이 때, 제1영역(A1)의 굴착면에 밀착한 상태로 제1영역(A1)의 굴착면을 지지하고 있던 내벽 지지 풍선(130)은 자체 탄성에 의한 전단 변형이 허용되는 범위 내에서 팽창(130e)된 상태를 유지하면서 제1영역(A1)의 굴착면을 접촉 지지한다.

그 다음, 내벽 지지 풍선(130)의 탄성에 의한 전단 변형이 허용될 수 없는 정도로 터널 굴착 장치(9)가 전방 이동하면, 도7b에 도시된 바와 같이, 공압 제어부(140)에 의해 팽창 가스의 일부를 회수(ee)함으로써, 짧은 시간 동안에 내벽 지지 풍선(130)을 수축 상태(도4)로 두고, 내벽 지지 풍선(130)이 수축 상태로 있는 동안에, 전방 이동한 이동 몸체(30)의 전진 길이(dx)에 대응하여 내벽 지지 풍선(130)이 지지하고 있던 영역이 전진 길이(dx)만큼 더 전방으로 이동한다. 그리고, 도7c에 도시된 바와 같이, 공압 제어부(140)에 의해 팽창 가스를 다시 공급(aa)하여, 내벽 지지 풍선(130)에 의해 보다 전진한 영역의 굴착면을 지지하게 된다. 여기서, 내벽 지지 풍선(130)이 지지하는 영역은 제1영역(A1)에서 전진 길이(dx)만큼 이동한 영역이 된다.

이와 같이, 내벽 지지 풍선(130)의 팽창(130e)에 의해 굴착면을 지지하되, 커터 헤드(10)에 의해 굴착하면서 전진한 전진 길이(dx)가 내벽 지지 풍선(130)의 탄성 변형에 의하여 수용하지 못하는 길이를 고려하여, 미리 정해진 전진 길이(dx)의 간격마다 간헐적으로 내벽 지지 풍선(130)을 짧은 시간 동안 수축(130c)함으로써, 내벽 지지 풍선(130)이 굴착면을 지지하는 영역을 커터 헤드(10)의 전진 길이(dx)만큼씩 점진적으로 전방 이동시키게 된다.

단계 4: 단계 1 내지 3을 반복하면서 터널 굴착 장치(9)가 전방 이동하면서 굴착 공정을 쉼없이 연속하여 행하게 되고, 그립퍼(40)가 제1영역(A1)의 굴착면을 통과하면, 숏크리트나 프리캐스트 콘크리트 블록으로 굴착면의 반경 내측에 콘크리트 벽면(70)을 설치하여 굴착면을 완전히 안정화시킨다.

한편, 터널 굴착 장치(9)를 필요에 따라 후퇴시키는 경우에는, 도5에 도시된 바와 같이, 연결 바(125)가 수축되어 강재 지보(110)의 사이 간격이 좁아진 상태로 이동함으로써, 굴착면을 지지하지 않는 동안에 내벽 지지 풍선(130)이 파손될 가능성을 최소화시킬 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명은, 내벽 지지 풍선(130)은 굴착되는 터널을 기준으로 제1영역(A1)으로부터 전진 길이(dx)만큼씩 점진적으로 전방 이동하는 영역의 굴착면을 밀착하여 지지하고, 터널 굴착 장치(9)를 기준으로 헤더 커버(20)와 그립퍼(40) 사이의 이동 몸체(30)를 감싸는 영역(AF)이 내벽 지지 풍선(130)에 의해 둘러싸여 굴착면의 붕락에 의한 낙석이나 토사로부터 보호된다.

따라서, 터널 굴착 장치(9)는 연속적으로 터널 굴착 공정을 지속할 수 있게 되어 공정 효율을 높일 수 있고, 새롭게 굴착되어 콘크리트 벽면(70)이 형성되기 이전의 불안정한 굴착면은 팽창된 내벽 지지 풍선(130)에 의해 지지되므로, 시공 안전성을 보장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

9 : 터널 굴착 장치 10: 커터 헤드
20: 헤더 커버 30: 이동 몸체
40: 그립퍼 42: 그립퍼 아암
70: 콘크리트 벽면 110: 강재 지보
120: 신축 제어부 125: 연결바
130: 내벽 지지 풍선 130i: 내측 지지 풍선
130o: 외측 지지 풍선 140: 공압 제어부

Claims (11)

1. 지반을 굴착하면서 이동하는 이동 몸체와;
   굴진 방향을 향하는 상기 이동 몸체의 전방부에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와;
   상기 이동 몸체의 전방부를 감싸는 헤더 커버와;
   상기 헤더 커버의 후방에서 팽창 가능하게 형성되어, 상기 커터 헤드에 의해 굴착된 굴착면에 콘크리트 벽면이 시공되기 이전에 상기 굴착면을 지지하는 내벽 지지 풍선을;
   포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 내벽 지지 풍선은 상기 이동 몸체의 일부를 감싸는 환형 형상으로 형성된 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 내벽 지지 풍선은 다수의 격벽에 의해 다수로 분할 형성된 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
4. 제 3항에 있어서,
   상기 내벽 지지 풍선은 반경 방향으로 이중 챔버를 형성하는 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
5. 제 2항에 있어서,
   상기 내벽 지지 풍선은 아라미드 계열의 섬유재로 형성된 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
6. 제 1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 커터 헤드의 후방에는 링 형태의 강재 지보가 2개 이상 이격 배열되고, 상기 내벽 지지 풍선은 상기 강재 지보의 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
7. 제 6항에 있어서,
   상기 강재 지보의 외경은 상기 굴착면의 내경보다 작게 형성되고, 상기 내벽 지지 풍선은 팽창한 상태에서 외주면이 상기 굴착면에 밀착하는 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
8. 제 6항에 있어서,
   상기 강재 지보의 일부 이상은 상기 헤더 커버를 향하여 이동 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
9. 터널 굴착 방법으로서,
   지반을 굴착하면서 이동하는 이동 몸체와, 굴진 방향을 향하는 상기 이동 몸체의 전방부에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와, 상기 이동 몸체의 전방부를 감싸는 헤더 커버와, 상기 헤더 커버의 후방에서 팽창 가능한 내벽 지지 풍선을 구비한 터널 굴착 장치로 제1영역을 굴착하는 제1굴착단계와;
   상기 터널 굴착 장치로 상기 제1영역에 비하여 깊게 위치한 제2영역을 굴착하는 제2굴착단계와;
   상기 제2굴착단계가 행해지는 동안에 상기 내벽 지지 풍선을 팽창시켜 상기 제1영역의 굴착면을 지지하는 제1굴착면 지지단계와;
   상기 제1영역에 콘크리트 벽면을 형성하는 콘크리트 내벽형성단계를;
   포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법.
   
10. 제 9항에 있어서,
    상기 제2굴착단계가 행해지는 동안에, 상기 내벽 지지 풍선을 수축시켜, 상기 굴착면에서 상기 내벽 지지 풍선이 지지하는 영역을 보다 전진시키고, 상기 내벽 지지 풍선을 다시 팽창시켜 상기 내벽 지지 풍선이 상기 굴착면과 접촉한 상태로 지지하는 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법.
    
11. 제 9항에 있어서,
    상기 터널 굴착 장치는 상기 커터 헤드의 후방에 2개 이상 이격 배열된 링 형태의 강재 지보를 포함하고, 상기 내벽 지지 풍선은 상기 강재 지보의 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 터널 시공 방법.
    

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