WO2015142017A1 - 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 및 그 시공 방법 - Google Patents

콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 및 그 시공 방법 Download PDF

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WO2015142017A1
WO2015142017A1 PCT/KR2015/002542 KR2015002542W WO2015142017A1 WO 2015142017 A1 WO2015142017 A1 WO 2015142017A1 KR 2015002542 W KR2015002542 W KR 2015002542W WO 2015142017 A1 WO2015142017 A1 WO 2015142017A1
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WO
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tunnel
steel
steel pipe
concrete
concrete filled
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Application number
PCT/KR2015/002542
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English (en)
French (fr)
Inventor
마상준
Original Assignee
한국건설기술연구원
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    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E02—HYDRAULIC ENGINEERING; FOUNDATIONS; SOIL SHIFTING
    • E02D—FOUNDATIONS; EXCAVATIONS; EMBANKMENTS; UNDERGROUND OR UNDERWATER STRUCTURES
    • E02D29/00—Independent underground or underwater structures; Retaining walls
    • E02D29/045—Underground structures, e.g. tunnels or galleries, built in the open air or by methods involving disturbance of the ground surface all along the location line; Methods of making them
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D11/00—Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
    • E21D11/04—Lining with building materials
    • E—FIXED CONSTRUCTIONS
    • E21—EARTH OR ROCK DRILLING; MINING
    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
    • E21D11/00—Lining tunnels, galleries or other underground cavities, e.g. large underground chambers; Linings therefor; Making such linings in situ, e.g. by assembling
    • E21D11/14—Lining predominantly with metal
    • E21D11/18—Arch members ; Network made of arch members ; Ring elements; Polygon elements; Polygon elements inside arches

Definitions

  • the present invention relates to the construction of a tunnel, more specifically, to form a concrete filled steel pipe (Concrete Filled Tube: CFT) structure used in the tunnel construction to reinforce the tunnel drilling surface, concrete filled steel pipe
  • CFT Concrete Filled Tube
  • the present invention relates to a tunnel having a rigid retainer of a structure and a construction method thereof.
  • the construction of the tunnel is based on at least three kinds of reinforcement, drainage treatment and lining of the tunnel excavation surface.
  • the construction sequence of such a tunnel first reinforces the tunnel excavation surface, then drains, and finally lining.
  • the tunnel excavation surface is a place where the upper ground pressure is transmitted as it is, and is also a place to support and reinforce the upper ground pressure.
  • the support and reinforcement means for the upper ground pressure is usually made of steel reserves, rock bolts and shotcrete.
  • This primary support is a structural material supporting the tunnel excavation surface.
  • Drainage treatment refers to the installation of a tarpaulin and a nonwoven fabric on the primary support material to make it waterproof or induced drainage.
  • Lining is a finishing material or interior material for finishing work, unlike the structural material for which the primary support material supports the tunnel excavation surface.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a tunnel internal structure according to the prior art.
  • the tunnel construction method according to the prior art, first excavating the tunnel, and then the required number of rock bolts (10) and the net along the inner wall of the tunnel to prevent settlement and collapse, etc. After fixing the sieve wire mesh 11 with a pin, the first shotcrete 12 of the required thickness is poured by spraying on it.
  • the shotcrete 12 is generally used in tunnel construction as an initial support material due to favorable construction properties such as prevention of excavation of the rock surface, deformation suppression, securing strength to the initial support material, and reduction of formwork cost in the construction of underground structures such as tunnels. Is being applied.
  • the shotcrete is sprayed with concrete mortar on the excavation surface immediately after the excavation of the tunnel and closely adhered to the ground surface, and in cooperation with the surface layer portion of the ground surface to suppress the loosening and development of the inner surface of the ground surface and smoothly finish the surface irregularities, thereby cracking the ground surface due to the concentration of mortar stress. At the same time, it is used for stabilization of the excavated surface, ground reinforcement and support by preventing weathering.
  • Such shotcrete casting is carried out by processing the rucksack and placing the shotcrete on the rock surface or soil layer at 7-8 bar pressure and bonding it to the casting surface, which can prevent accidents caused by the cracking of the rock surface and the collapse of the falling slope of the rock, Air also has the effect of shortening.
  • a nonwoven fabric 13 is attached along the inner wall of the primary shotcrete 12 as a drainage material, and the waterproof membrane sheet 14 is attached again onto the nonwoven fabric 13. And fix.
  • the secondary lining concrete 15 is cast again to a thickness of 30 cm to 40 cm. In this case, formwork is manufactured and installed for placing the secondary lining concrete 15.
  • the tunnel support is to be divided into the main support and the secondary support, where the main support is composed of steel support, rock bolt, shotcrete, etc.
  • the auxiliary support is the main support for the purpose of easy excavation and stability
  • the support material for construction it may be composed of steel rods, excavated surface shotcrete, excavated surface rock bolt, injection material, steel pipe and the like.
  • stiffeners can be used for various purposes depending on the shape and size of the tunnel section, the independence of the excavation surface, the size of the ground pressure, and the limitation of surface settlement, but in general, these stiffeners exhibit the support function of shotcrete or rockbolt. It can be used when the excavation surface needs to be stabilized until it can be used, and it can be used when the reaction force supporting point of the auxiliary method such as membrane face whirling is needed, and when it is necessary to increase the rigidity of the supporting material due to the large acupressure. It can also be used in the case where it is necessary to suppress ground displacement, such as surface subsidence.
  • the shape of the steel material according to the prior art is H-shaped steel plate, U-shaped steel plate, lattice girder (Lattice girder), in general, H type (H-100, H-125, H in ultra soft ground) -150) is applied, and the grid support is used for the other tunnel sections.
  • Figure 2 is a view illustrating the type of stiffeners used in the tunnel construction according to the prior art, Figure 2 a) shows the H-shaped stiffener 20, b) is a lattice girder (Lattice Girder) : 30), and FIG. 2C shows the U-shaped steel retainer 40.
  • FIG. 3 is a view for explaining in detail the H-shaped paper holding in the paper holding shown in FIG.
  • the H-shaped steel retainer 20 has excellent rigidity and high support effect, but is difficult to install due to its heavy weight, and there is a problem that the steel itself is expensive.
  • the material of the H-shaped steel holding material 20 is a structural steel material exhibiting performance equivalent to or higher based on SS 400 defined in KS D 3503, as shown in Table 1.
  • the H-shaped paper retainer as shown in Figure 3, the back of the support is to be disposed so as to contact the tunnel excavation surface, due to the construction of the paper retainer and blasting during blasting the back of the H-shaped paper retainer 30 And the excavation surface is separated by 5 ⁇ 20cm, which makes it difficult to completely fill the excavation surface and backing material back with shotcrete, so that the ground pressure is not efficiently distributed to the backing material backing, There is a problem that can be.
  • FIG. 4A to 4C are views for explaining the lattice support in detail among the steel support shown in FIG. 2, and FIG. 4A shows the configuration of the lattice support, and FIG. 4B shows the lattice support arranged before shotcreting. 4c is a view for explaining a cavity generated in the process of pouring shotcrete on the grid support.
  • the grating support 30 is composed of a steel rod 31 of 30mm diameter, steel rod 32 of 20mm diameter and spider reinforcement 33 of 10mm diameter, as described above It is easy to install because it is about 30% lighter than the H-shaped paper retainer, but there is a problem that the support rigidity is much lowered.
  • the greatest advantage of the grid support 30 is that when the shotcrete is placed after installing the reinforcement girders, the shotcrete and the steel girder can be tightly integrated when the shotcrete is placed, since it is opened in the forward direction and left and right sides.
  • the lattice support 30 is about 1-2 cm in the middle of the triangle of the lattice support 30 mm in diameter and the steel bar 32 in 20 mm in diameter. There is a cavity. This is because the shotcrete is placed on the 20mm steel bar 32 located in the tunnel in the tunneling process in the process of pouring the shotcrete, the diameter of the shotcrete-attached steel bar is increased while the shotcrete is attached to the 20mm steel bar 32, and the lattice supporting material 30 Occlusion with the inside of the delta cavities are generated in the delta of the grid retainer (30).
  • the grid support 30 in order for the grid support 30 to function as a support, it should be able to allow a certain degree of displacement without breaking within the allowable load range.
  • the grid support material 30 should be configured as a system that can absorb the external force somewhat, for this purpose, the spider 33, which is a connecting member, is transmitted from the upper rod 31 and the lower rod 32 of the grid support system. It should play the role of an integral element that can absorb this.
  • the weld between the spider 33 and the steel rods (31, 32) plays a very important role in evaluating the load bearing capacity of the grid support during the tunnel construction, the welding technology belongs to the main technology part in the production of grid support. .
  • the weld length should be at least 3 cm to resist shear forces, and the material welds should be fully joined together with the selection of good materials so that brittle fracture of the material does not occur prior to reaching the maximum supporting load. shall.
  • the steel used in the grid support 30 is a special material that can allow a larger deformation than conventional steel in view of the characteristics of the grid support, the relevant specifications of the grid support 30 is shown in Table 2 below same.
  • Figures 5a and 5b are photographs showing the problem occurring in the welded portion of the grating support among the steel retainer shown in Figure 2, respectively, Figure 5a shows the spider deformation of the grating support, Figure 5b shows the welded part of the grating support It is photograph to show.
  • the yield strength is reduced by about 46%, which greatly reduces the support ability of the grid support material. By doing so, there is a problem that the stability of the tunnel excavation surface can be inhibited.
  • the spider of the grid support material is deformed, or, as shown in Figure 5b, the bending strength test results of the grid support 30 shows a sudden decrease in load due to the weld dropping This is because the connection between the members of the grating support 30, that is, welding of the steel rods 31 and 32 and the spider 33 is required to be precisely welded and precisely controlled and welded, which may cause instability of the welding quality. have.
  • the H-shaped steel retainer 20 or the grid retainer 30 according to the prior art may be used in the connection method of welding in advance using a connecting joint plate.
  • the lower end of the H-shaped stiffener 20 or lattice retainer 30 that is, the left and right lower ends of the tunnel contact with the excavation surface, such H-shaped stiffener 20 or lattice support 30
  • the ground load transmitted from the upper ground of the H-shaped steel support 20 or lattice support 30 is transmitted to the lower tunnel.
  • a wooden wedge or concrete block, which is a lower support, is installed.
  • the height of the tunnel lower support can not be adjusted, in some cases the construction of the H-shaped steel support (20) or lattice support (30) at the lower end without being in contact with the ground in the air floating state occurs .
  • the present invention provides a tunnel and a construction method thereof having a rigid support of a concrete-filled steel pipe structure, which can improve workability at a tunnel face due to light weight.
  • Another technical problem to be achieved by the present invention is to reduce the amount of rebound when placing shotcrete in the tunnel excavation surface and the concrete filled steel pipe rear space, and can significantly reduce the possibility of unfilled space, the steel plate of the concrete filled steel pipe structure To provide a tunnel and a construction method having a.
  • Another technical problem to be achieved by the present invention is to form a concrete filled steel pipe structure that does not generate a cavity, and the construction and the construction of the tunnel with a rigid support of the concrete filled steel pipe structure, which can completely integrate the concrete filled steel pipe and shotcrete It is to provide a method.
  • Another technical problem to be achieved by the present invention is to use a concrete filled steel pipe having excellent energy absorption capacity as a steel retaining tunnel, and a tunnel provided with a steel retaining structure of a concrete filled steel pipe structure, which can improve the seismic resistance and lateral resistance of the tunnel. It is to provide a construction method.
  • the tunnel provided with a rigid support of the concrete filled steel pipe structure is a steel pipe in which the filler is injected, bent to correspond to the tunnel excavation surface shape, the left excavation surface of the tunnel First concrete filled steel pipe (CFT) installed in;
  • Rock bolts are installed on the tunnel excavation surface between the stiffeners installed at predetermined intervals along the tunnel progress direction;
  • each of the first and second concrete filled steel pipe is a hollow tube so that the filler can be injected, respectively, the first bent to correspond to the shape of the tunnel drilling surface to be installed on the tunnel drilling surface, respectively And a second steel pipe; First and second fastening plates respectively formed at end portions of the first and second steel pipes so that the first and second steel pipes are fastened in contact with each other at a tunnel end; And fillers injected and filled into the first and second steel pipes, respectively.
  • each of the first and second concrete filled steel pipe the tunnel further comprises a fastening member for fastening the fastening plate to each other, the fastening member may be a bolt.
  • each of the first and second steel pipes is filled with filler injection holes near the first and second fastening plates to inject the filler, respectively, and discharges air in the first and second steel pipes, respectively, to form a vacuum. It characterized in that the exhaust port is formed near the filler inlet.
  • the filler injection hole and the exhaust port is characterized in that the closing after closing the filler injection.
  • the filler may be a non-shrink mortar or shotcrete + quickener having a strength of 21 MPa or more.
  • the non-shrink mortar is slowly injected at an injection pressure of 1 ⁇ 2bar so that no gaps are generated in the first and second steel pipes at the end of the tunnel, and material separation or dry shrinkage does not occur during the curing process after filling. It is characterized in that 30 to 50% of the target intensity is expressed within 6 to 12 hours.
  • Tunnel having a rigid holding of the concrete filled steel pipe structure according to the present invention
  • the concrete block is installed to secure the first and second steel pipes, which are left and right steel pipes on the lower left and right of the tunnel;
  • a height adjusting member installed between the concrete block and the first and second steel pipes, respectively, and adjusting a height of the first and second steel pipes in close contact with the tunnel excavation surface at the end of the tunnel.
  • the height adjusting member may be a screw type or a socket type height adjusting member.
  • a tunnel construction method having a rigid support of the concrete filled steel pipe structure according to the present invention, a) excavating the tunnel to form a tunnel excavation surface; b) adjusting the height of the first and second steel pipes bent into the tunnel excavation surface shape by using a height adjusting member on the concrete block installed at the lower end of the tunnel, and the first and second steel pipes Installing to contact; c) fastening the first and second fastening plates respectively formed at the ends of the first and second steel pipes at the end of the tunnel using fastening members; d) injecting a filler into each of the filler inlets formed in the first and second steel pipes; e) blocking the filler inlet and the exhaust port formed in the first and second steel pipes, and completing the first and second concrete-filled steel pipes to form a steel strip material; f) installing a rock bolt on the tunnel excavation surface between the retainers formed at predetermined intervals along the tunnel traveling direction; And g) pouring shotcret
  • the steel retaining material used in the tunnel construction in a concrete-filled steel pipe structure and installed on the tunnel excavation surface, it is possible to increase the rigidity compared to the conventional lattice supporting material, it can be manufactured more than 30% cheaper, lighter Due to the weight, the workability can be improved at the tunnel face.
  • the rebound amount when the shotcrete is placed in the tunnel excavation surface and the space of the rear portion of the concrete filled steel pipe, the rebound amount can be reduced, and the possibility of unfilled space can be very low.
  • the concrete filled steel pipe according to an embodiment of the present invention can be easily adjusted in height compared to the existing H-shaped steel support or lattice support.
  • the present invention unlike the H-shaped steel support and the grid support material to generate a cavity according to the prior art by forming a concrete filled steel pipe structure does not generate a cavity, it is possible to seamlessly integrate the concrete filled steel pipe and shotcrete, accordingly Excellent support performance can be secured.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a tunnel internal structure according to the prior art.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the type of steel retaining material used in the tunnel construction according to the prior art.
  • FIG. 3 is a view for explaining in detail the H-shaped paper holding in the paper holding shown in FIG.
  • 4A to 4C are diagrams for describing a grid support material specifically among the steel support materials shown in FIG. 2.
  • 5A and 5B are photographs showing problems occurring in the welded portion of the lattice supporter among the steel supporters shown in FIG. 2, respectively.
  • FIG. 6 is a view schematically illustrating a tunnel having a retaining material of a concrete filled steel pipe (CFT) structure according to an embodiment of the present invention.
  • CFT concrete filled steel pipe
  • FIG. 7 is a view for explaining in detail the retained steel of the concrete filled steel pipe structure (CFT) shown in FIG.
  • FIG. 8 is a view specifically showing the steel pipe joint shown in FIG. 7.
  • FIG. 9 is a view illustrating the calculation of the composite yield strength in the steel plate retainer of the concrete filled steel pipe (CFT) structure according to an embodiment of the present invention.
  • CFT concrete filled steel pipe
  • FIG. 11 is a flow chart illustrating a tunnel construction method having a steel retaining material of a concrete filled steel pipe (CFT) structure according to an embodiment of the present invention.
  • CFT concrete filled steel pipe
  • FIGS. 12A to 12I are views for explaining in detail a tunnel construction method having a steel retaining material of a concrete filled steel pipe (CFT) structure according to an embodiment of the present invention.
  • CFT concrete filled steel pipe
  • a concrete filled tube (CFT) structure is a structure in which concrete is filled in a closed steel pipe column, which is structurally stable such as rigidity, strength, and deformation, and has excellent advantages in fire resistance and construction. That is, such a CFT structure has a steel pipe bearing a bending moment as a closed cross-section member on the outside, a concrete bearing the axial force is formed on the inside, so that the steel pipe restrains the internal concrete, or the concrete blocks the local buckling of the steel pipe. Due to its giving effect, strength and energy absorption ability is superior to other structures.
  • Tunnel according to an embodiment of the present invention is provided with a steel retaining material of such a concrete filled steel pipe (CFT) structure, with reference to Figure 6 to 10, will be described a tunnel with a steel retaining material of a concrete filled steel pipe (CFT) structure With reference to Figures 11, 12a to 12i will be described a tunnel construction method having a steel retaining of the concrete filled steel pipe structure.
  • CFT concrete filled steel pipe
  • FIG. 6 is a view schematically illustrating a tunnel having a steel reserve of a concrete filled steel pipe (CFT) structure according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 7 is a steel filled material of the concrete filled steel pipe structure (CFT) shown in FIG. 6. Is a view for explaining in detail
  • FIG. 8 is a view showing in detail the steel pipe joint shown in FIG.
  • the tunnel 100 having a steel retaining material having a concrete filled steel pipe (CFT) structure may include a first concrete filled tube (CFT) 110.
  • the second concrete filling steel pipe 120, rock bolt 130, shotcrete 140, lining 150, concrete block 170 and height adjustment member 180 may include.
  • the tunnel support material installed on the excavation surface after the excavation of the tunnel 100 should be designed to meet the ground behavior characteristics around the tunnel 100 to maintain the stability of the tunnel 100 even during the construction of the tunnel or after the completion of the tunnel.
  • the support material should be designed to stabilize the excavation ground early and so that the effect of the ground excavation does not impair the stability of the adjacent structure.
  • the support material of the tunnel 100 includes a main support material composed of the first and second concrete-filled steel pipes 110 and 120, the rock bolt 130, the shotcrete 140, and the like. It may further include an auxiliary support (not shown) for construction in addition to the public support for the purpose of improving the ease and stability of the excavation.
  • the first concrete filled steel pipe (CFT) 110 is a steel pipe into which the filler 112 is injected, and is bent to correspond to the shape of the tunnel excavation surface 100s and is installed on the left excavation surface of the tunnel 100.
  • the second concrete filled steel pipe 120 is a steel pipe in which the filler material 122 is injected, and is bent to correspond to the tunnel excavation surface 100s, and is installed on the right excavation surface of the tunnel 100. 1 is filled with concrete filled steel pipe 110 to form a steel reserve.
  • the first and second concrete filled steel pipe (110, 120) is an active support, is installed on the excavation surface (100s) of the tunnel 100.
  • the first and second concrete filled steel pipes (110, 120) is integrated with other support materials, such as shotcrete 140, rock bolt 130, and the size and the interval is set to exhibit the required support function.
  • the joints of the first and second concrete-filled steel pipes (110, 120) is determined so that the joint is minimized in consideration of the construction order and workability.
  • the concrete block 170 is installed to fix the first and second steel pipes 111 and 121, which are left and right steel pipes, to the left and right lower ends of the tunnel 100.
  • the height adjusting member 180 is installed between the concrete block 170 and the first and second steel pipes 111 and 121, respectively, so that the first and second steel pipes 111 and 121 are tunneled at the top end of the tunnel.
  • the height can be adjusted to be in close contact with the excavation surface.
  • the height adjusting member 180 may be a screw type shown in a) of FIG. 7 or a socket type height adjusting member shown in b) of FIG. 7.
  • the rock bolt 130 is installed on the tunnel excavation surface 100s between the rigid retainers installed at predetermined intervals along the tunnel 100 traveling direction.
  • the rock bolt 130 is an active support member, and is installed on the tunnel excavation surface 100s between the rigid members installed at predetermined intervals along the tunnel 100 traveling direction.
  • the rock bolt 130 is urgently perforated the rock which is the base 200, inserts a bolt therein, removes the nut, and then uses it as the support hole of the tunnel 100 by bonding or the like. Says the bolt.
  • the rock bolt 130 is made of a deformed bar having a strength of more than the required strength in principle, but steel pipe, expandable steel pipe or other bolts, such as fiber reinforced plastic (FRP) having the same strength and function Can also be used, the material and strength should be suitable for the Korea Industrial Standard (KS).
  • FRP fiber reinforced plastic
  • the material of the rock bolt 130 is determined according to the base plate 200 conditions and the purpose of use, and generally used as a material of SD 25 or more, the material tensile strength and elongation is large.
  • the rock bolt 130 should be arranged to reinforce the area affected by the excavation in principle, the arrangement and length of the rock bolt 130 is the purpose of use, ground conditions, the size of the tunnel 100 cross section And shape, excavation method, joint spacing, and the like.
  • the shotcrete 140 is cast on the first and second concrete filled steel pipes 110 and 120 and the rock bolt 130.
  • the shotcrete 140 is poured on the first and second concrete-filled steel pipes 110 and 120 and the rock bolt 130.
  • the shotcrete 140 has an effect of attaching and self shearing with the base 200, disperses the external force acting on the shotcrete 140 to the base 200, and easily collapses around the tunnel 100. Supporting the rock mass, so that the ground arch is formed near the excavation surface (100s).
  • the shotcrete 140 maintains a triaxial stress state around the excavation surface by applying internal pressure to the surrounding ground by the resistance effect due to bending tension or axial force, and prevents the ground strength from falling. Exerts the function of transmitting the ground pressure to the second concrete filled steel pipe (110, 120) or rock bolt 130, and can also avoid the stress concentration phenomenon by filling the bent portion of the excavated base 200 and bonded between the joint surface To be.
  • the cement for shotcrete is to use the first type of ordinary portland cement, for example, fine aggregates should not contain fine grains with a particle size of 0.1mm or less, the coarse aggregate should be 13mm or less.
  • the shotcrete 140 is required to ensure that the necessary strength and durability, adhesion and construction is good, and should be blended so that the age of compressive strength of 100MPa or more, the age of 210MPa or more.
  • a fastener may be used to express early strength of the shotcrete 140.
  • the minimum thickness of the shotcrete 140 used as the support material of the tunnel is determined in consideration of the purpose of use, the ground conditions, the size of the cross section, and the like, and is poured in, for example, 3 cm or more.
  • the lining 150 is formed to be suitable for the purpose of use in consideration of the ground condition around the tunnel 100, environmental conditions, and the supporting ability of the main treasure, and has sufficient safety and durability for long-term use. At this time, the lining 150 has a mechanical function as a structure, a pressure resistance function in a non-drained tunnel, a durability as a permanent structure, and maintains a beautiful appearance according to the purpose of use.
  • the first and second concrete filled steel pipes (110, 120) are fastened to each other at the tunnel top end to the tunnel drilling surface (100s) serves as a steel rib (Steel Rib) is installed in.
  • the socket is used because the filling steel pipe
  • the height of the concrete filling steel pipe on the concrete block can be easily adjusted by using the height adjusting member of the screw type or the screw type fastening method.
  • each of the first concrete filled steel pipes 110 may include a first steel pipe 111, a filler 112, a first fastening plate 113, a filler inlet 115, and Exhaust port 116 may be included, and likewise, the second concrete filled steel pipe 120 may include a second steel pipe 121, a filler 122, a second fastening plate 123, a filler inlet, and an exhaust port.
  • the fastening member 114 will be described as being included in the first concrete filled steel pipe 110.
  • the first and second steel pipes 111 and 121 are hollow pipes so that the fillers 112 and 122 may be injected, respectively, and the tunnel drilling surfaces 100s may be installed on the tunnel drilling surfaces 100s, respectively. It is bent to correspond to the shape. That is, the first and second steel pipes 111 and 121 are cut to the length of the half section of the tunnel 100 to be constructed and bent into the tunnel cross-sectional shape. In other words, the first and second steel pipes 111 and 121 are cut to the length of the half section of the tunnel 100, and then bent to the tunnel cross-sectional shape. In the method, the fastening plates 113 and 123 are fastened to each other using bolts, which are fastening members 114, in the center of the tunnel end portions of the first and second steel pipes 111 and 121.
  • the first and second fastening plates 113 and 123 are respectively provided at the end portions of the first and second steel pipes 111 and 121 so that the first and second steel pipes 111 and 121 are fastened to be in contact with each other at the top end of the tunnel. Is formed.
  • Fillers 112 and 122 are injected into and filled in the first and second steel pipes 111 and 121, respectively.
  • the fillers 112 and 122 may be non-shrink mortar or shotcrete + quickener having a strength of 21 MPa or more, and the fillers 112 and 122 may be high-strength materials, so that the first and second concrete-filled steel pipes 100 , Stiffness of 200) can be increased.
  • the non-shrink mortar is slowly injected at an injection pressure of 1 ⁇ 2bar to prevent voids in the steel pipes (111, 121) at the top end of the tunnel, material separation or dry shrinkage occurs during the curing process after filling It is desirable to express 30-50% of the target intensity within 6 to 12 hours.
  • the fastening member 114 fastens the fastening plates 113 and 123 to each other at the top end of the tunnel.
  • the fastening member 114 may be a bolt, but is not limited thereto. That is, as is well known in the plumbing field and the plant field, the connection method between the steel pipes is very diverse, accordingly, in the case of the tunnel having a rigid holding of the concrete filled steel pipe structure according to an embodiment of the present invention, at the tunnel end
  • the first and second concrete filled steel pipes 110 and 120 can be easily fastened to each other.
  • Filler injection holes 115 are formed in the vicinity of the first and second fastening plates 113 and 123 to inject the fillers 112 and 122, respectively, the first and second steel pipes (111, 121).
  • An exhaust port 116 is formed near the filler inlet 115 so as to discharge the air inside the first and second steel pipes 111 and 121, respectively, to form a vacuum.
  • the filler inlet 115 and the exhaust port 116 is closed by closing after the filling of the filler (112, 122) is completed.
  • the steel support of the concrete filled steel pipe structure by filling the inside of the steel pipe with a concrete material, a structure that can improve the deformation performance and rigidity and strength of the member due to the mutual restraint effect between the steel pipe and the filler It is absent. That is, the concrete filler serves to suppress the sudden local buckling deformation of the steel pipe, wherein the steel pipe plays a complementary role between the materials, such as to improve the material strength through the constraint effect on the filler. .
  • the steel retaining of the concrete filled steel pipe structure according to an embodiment of the present invention can be reduced in light weight for improved workability, it is possible to improve the support ability through stiffness.
  • the retaining material of the concrete filled steel pipe structure according to an embodiment of the present invention can simplify the cross-sectional shape to minimize the rebound amount, it is possible to apply a uniform cross-section for effective quality control of the support material.
  • the concrete according to an embodiment of the present invention can significantly improve the workability by reducing the weight to about 70.6 kg at the time of placing the upper half holder, and can also shorten the initial support time.
  • Figure 9 is a view illustrating the calculation of the composite yield strength in the steel retainer of the concrete filled steel pipe structure according to an embodiment of the present invention.
  • the rigid support of the CFT structure may be formed in the shape shown in Figure 9, if the rigid support of the CFT structure, the diameter (D) of 101.6 mm, the thickness (t) of 3.2 mm, 9.89 2 cm2 steel pipe cross section (As), 71.18 cm2 mortar cross section (Ac), 119.855 cm 4 presynthetic steel pipe cross section secondary moment (Is), 177.454 cm 4 post composite steel pipe cross section secondary moment (Isc), 3.15
  • the yield strength () of the steel pipe of tonf / cm2 and the mortar strength () of 400 kgf / cm2 the synthetic yield strength is as follows.
  • the yield strength of the composite retaining strength of the CFT structure according to the embodiment of the present invention is 5.648 tonf / cm2.
  • the steel plate retainer of the CFT structure according to the embodiment of the present invention, 114.3 mm diameter (D), 3.2 mm thickness (t), 11.43 cm 2 steel pipe cross section (As), 96.59 cm 2 mortar cross section (Ac), 172.470 cm 4 synthesis former steel pipe moment of inertia (Is), 267.521 cm 4 synthesis steel pipe moment of inertia of the post of the (Isc), of 3.15 tonf / cm2 of steel yield strength () and 400 kgf / cm2 of mortar
  • the synthetic yield strength is equal to the following equation (2).
  • the yield strength of the composite retaining strength of the CFT structure according to the embodiment of the present invention is 5.89 tonf / cm 2.
  • Figure 10 is a view for explaining the casting of shotcrete in the tunnel with a steel retaining material of the concrete filled steel pipe (CFT) structure according to an embodiment of the present invention.
  • the steel pipe can reduce the amount of rebound when pouring shotcrete in the tunnel excavation surface and the concrete filled steel pipe rear space.
  • the possibility of unfilled space is very low.
  • Figure 11 is a flow chart of the tunnel construction method having a steel retaining of the concrete filled steel pipe structure according to an embodiment of the present invention
  • Figures 12a to 12i is a steel retaining of the concrete filled steel pipe structure according to an embodiment of the present invention, respectively Figures for explaining in detail the tunnel construction method provided.
  • the tunnel construction method having a rigid support of the concrete filled steel pipe structure according to an embodiment of the present invention, first, as shown in Figure 12a, the tunnel excavation tunnel excavation A surface 100s is formed (S110).
  • concrete blocks 170 for installing the first and second steel pipes 111 and 121 which are left and right steel pipes, are installed at left and right lower ends of the tunnel 100 (S120). .
  • each of the first and second steel pipes 111 and 121 is bent to correspond to the shape of the tunnel excavation surface 100s and is installed on the tunnel excavation surface 100s, and the fillers 112 and 122 are formed.
  • the inside is hollow so that each can be injected.
  • the fastening member 114 fastens the first and second fastening plates 113 and 123 formed at the ends of the first and second steel pipes 111 and 121 at the tunnel end portions, respectively.
  • the fastening member 114 may be a bolt, but is not limited thereto.
  • fillers 112 and 122 are injected into each of the filler inlets 115 formed in the first and second steel pipes 111 and 121 (S150). Specifically, after exhausting the air inside the first and second steel pipes 111 and 121 through the exhaust port 115 to form a vacuum, the fillers 112 and 122 are respectively formed into the first and second holes. It can be injected into the steel pipes (111, 121).
  • the fillers 112 and 122 may be non-shrink mortar or shotcrete + quickener having a strength of 21 MPa or more, for example, the non-shrink mortar is inside the steel pipe (111, 121) at the top end of the tunnel It is preferably injected slowly at an injection pressure of 1 to 2 bar so as not to generate voids, and 30 to 50% of the target strength is expressed within 6 to 12 hours to prevent material separation or dry shrinkage during curing after filling.
  • the filler inlet 115 and the exhaust port 116 formed in the first and second steel pipes 111 and 121 are blocked, and the first and second concrete filled steel pipes 110 and 120 are blocked.
  • the first and second concrete-filled steel pipe (110, 120) is to serve as a steel reserve installed on the tunnel excavation surface (100s).
  • the tunnel 100 is completed by performing drainage treatment and lining 150 (S190).
  • the tunnel and the construction method of the steel filled material of the concrete filled steel pipe structure according to an embodiment of the present invention, by forming the steel filled material used in the tunnel construction in a concrete filled steel pipe structure and installed on the tunnel excavation surface, the existing grid Compared with the support material, the rigidity can be increased, and can be manufactured at a low cost of 30% or more, and the light weight can improve the workability at the tunnel face.

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Abstract

터널 시공시 사용되는 강지보재를 콘크리트 충전강관(CFT) 구조로 형성하여 터널 굴착면에 설치함으로써 기존의 격자지보재에 비해 강성을 높일 수 있고, 가벼운 중량으로 인해 터널 막장에서 시공성을 향상시킬 수 있으며, 또한, 터널 굴착면과 콘크리트 충전강관 후면부 공간에 숏크리트를 타설할 때 리바운드량을 감소시킬 수 있고, 공간 미충전 가능성을 매우 낮출 수 있으며, 또한, 공동을 발생하지 않기 때문에 콘크리트 충전강관과 숏크리트를 완벽하게 일체화시킬 수 있다.

Description

콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 및 그 시공 방법
본 발명은 터널의 시공에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 터널 시공시 사용되는 강지보재(Steel Rib)를 콘크리트 충전강관(Concrete Filled Tube: CFT) 구조로 형성하여 터널 굴착면을 보강하는, 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 및 그 시공 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 터널의 시공은 터널 굴착면의 보강, 배수 처리 및 라이닝 등 적어도 3가지를 기본으로 하여 이루어진다. 이러한 터널의 시공 순서는, 먼저 터널 굴착면을 보강하고, 다음 배수처리를 하며, 마지막으로 라이닝을 실시한다.
이때, 터널 굴착면은 상부 지반압이 그대로 전달되는 곳이기도 하고, 상부 지반압을 지지 및 보강하는 곳이기도 하다. 이때, 상부 지반압에 대한 지지 및 보강수단으로는 통상적으로 강지보재, 록볼트 및 숏크리트로 이루어지고 있다.
이러한 터널 굴착면에 전달된 상부 지반압을 1차적으로 강지보재, 록볼트 및 숏크리트가 지지하고 있다는 점에서 강지보재, 록볼트 및 숏크리트를 1차 지보재라고 부른다. 이러한 1차 지보재는 터널 굴착면을 지지하고 있는 구조재이다.
배수 처리는 1차 지보재 위에 방수포와 부직포를 설치하여 방수되게 하거나 유도 배수시키는 것을 말하며, 라이닝은 1차 지보재가 터널 굴착면을 지지하고 있는 구조재와는 달리 끝마무리 작업에 해당되는 마감재 또는 내장재이다.
도 1은 종래의 기술에 따른 터널 내부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 터널 시공 방법은, 먼저, 터널을 굴착한 다음, 침하 및 붕괴방지 등을 위해 그 터널의 내벽을 따라 소요 갯수의 록볼트(Rock bolt: 10)와 망체로 된 와이어 메쉬(11)를 핀으로 고정 설치한 후, 그 위에 뿜어 붙이기로 소요 두께의 1차 숏크리트(12)를 타설한다.
구체적으로, 숏크리트(12)는 터널과 같은 지하구조물 건설에 있어서 굴착암면의 이탈방지, 변형억제, 초기 지보재로의 강도확보, 거푸집 제작비 절감 등의 유리한 시공성에 기인하여 초기 지보재로서 터널공사에서 일반적으로 적용되고 있다.
이러한 숏크리트는 터널 굴착 직후에 굴착면에 콘크리트 모르타르를 뿜어 붙여 원지반에 밀착시킴으로써, 원지반의 표층부와 협동해서 원지반 내부의 이완발달을 억제하고 표면의 요철을 매끄럽게 마무리함으로써, 모르타르 응력 집중에 의한 원지반의 균열을 예방함과 동시에 풍화도 방지하여 굴착면의 안정화와 지반보강 및 지보용으로 이용되고 있다. 이러한 숏크리트 타설은 버럭을 처리한 후 숏크리트를 암면 또는 토층에 7∼8 bar 압력으로 타설하여 타설 면에 접착시킴으로써, 암면의 균열, 낙석의 추락사면 붕괴로 인한 사고예방과 안전한 공사를 수행할 수 있고 공기도 단축하게 되는 효과를 갖는다.
다음으로, 상기 1차 숏크리트(12)를 타설한 후에는 배수재로서 상기 1차 숏크리트(12) 내벽을 따라 부직포(13)를 부착시키고, 상기 부직포(13) 위에 다시 방수막 시트(14)를 부착 및 고정시킨다.
이와 같이 1차 숏크리트(12)의 내벽을 따라 부직포(13)를 부착시키고 그 위에 방수막 시트(14)를 고정시킨 후에는 다시 30㎝~40㎝ 두께로 2차 라이닝 콘크리트(15)를 타설하게 되는데, 이때, 상기 2차 라이닝 콘크리트(15) 타설을 위해 거푸집이 제작 및 설치된다.
또한, 상기 2차 라이닝 콘크리트(15)를 타설한 후에는 그 형태 유지를 위해 굳을 때까지 거푸집 밑면에 수개의 강재 동바리 서포트(support) 작업을 수행한다.
전술한 바와 같이 상기 2차 라이닝 콘크리트(15)가 완전히 굳어 그 형태가 형성된 후에는 거푸집 및 동바리를 철수시키고, 마감타일(16)로 라이닝을 실시하여 일련의 터널 시공을 완료하도록 되어 있다.
전술한 바와 같이, 터널 지보재는 주지보재 및 보조 지보재로 구분하여 설계하여야 하며, 여기서, 주지보재는 강지보재, 록볼트, 숏크리트 등으로 구성되고, 보조 지보재는 굴착의 용이성 및 안정성 증진을 위해 주지보재에 추가하여 시공하는 지보재로서, 강봉, 굴진면 숏크리트, 굴진면 록볼트, 주입재, 강관 등으로 구성될 수 있다.
이러한 주지보재는 강지보재의 규격과 배치 간격을 결정함과 동시에 다른 지보재, 특히, 숏크리트와 일체가 되어 지보 기능을 효과적으로 발휘할 수 있도록 해야 하며, 이를 통해서 주지보재의 강성 및 강도를 증가시킬 수 있다.
이러한 강지보재는 터널 단면의 형상 및 크기, 굴착면의 자립성, 지반압의 크기, 지표 침하량의 제한 등에 따라 사용 목적이 달라질 수 있지만, 일반적으로, 이러한 강지보재는 숏크리트 또는 록볼트의 지보 기능이 발휘되기 전까지 굴착면의 안정을 도모할 필요가 있는 경우에 사용될 수 있고, 막장면 휘폴링 등 보조공법의 반력 지지점이 필요한 경우에 사용될 수 있으며, 큰 지압으로 인해 지보재의 강성을 증가시킬 필요가 있는 경우에 사용될 수 있고, 또한, 지표침하 등 지반 변위의 억제가 필요한 경우에 사용될 수 있다.
한편, 종래의 기술에 따른 강재보재의 형상은 H형 강지보재, U형 강지보재, 격자지보재(Lattice girder)가 있으며, 일반적으로, 초 연약지반에서는 H형(H-100, H-125, H-150)이 적용되며, 그 외의 터널 구간에 대해서는 격자지보재가 사용되고 있다. 도 2는 종래의 기술에 따른 터널 시공에 사용되는 강지보재의 종류를 예시하는 도면으로서, 도 2의 a)는 H형 강지보재(20)를 나타내고, 도 2의 b)는 격자지보재(Lattice Girder: 30)를 나타내고, 도 2의 c)는 U형 강지보재(40)를 나타낸다.
도 3은 도 2에 도시된 강지보재 중에서 H형 강지보재를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, H형 강지보재(20)는 강성이 뛰어나 지보 효과는 높지만, 중량이 무거워 설치시 어려움이 있고, 강재 자체가 고가라는 문제점이 있다. 예를 들면, 상기 H-형 강지보재(20)의 재질은 KS D 3503에 규정된 SS 400을 표준으로 하여 이와 동등 이상의 성능을 발휘하는 구조용 강재로서, 표 1에 나타낸 바와 같다.
표 1
Figure PCTKR2015002542-appb-T000001
이러한 H형 강지보재는, 도 3에 도시된 바와 같이, 지보재의 배면이 터널 굴착면과 접하도록 배치되어야 하지만, 강지보재의 시공성과 발파시 여굴 발생으로 인하여 상기 H형 강지보재(30)의 배면과 굴착면이 5~20cm 이격되고, 이로 인해 숏크리트로 굴착면과 지보재 배면에 완벽하게 충진하기 어렵고, 이에 따라 강지보재 배면으로 지반압이 효율적으로 분배되지 않으며, 또한, 강지보재에 집중하중이 걸릴 수 있다는 문제점이 있다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 도 2에 도시된 강지보재 중에서 격자지보재를 구체적으로 설명하기 위한 도면들로서, 도 4a는 격자지보재의 구성을 나타내고, 도 4b는 숏크리트 타설 전에 배치되는 격자지보재를 나타내며, 도 4c는 격자지보재에 숏크리트를 타설하는 과정에서 발생하는 공동을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 격자지보재(30)는 30㎜ 직경의 강봉(31), 20㎜ 직경의 강봉(32) 및 10㎜ 직경의 스파이더 철근(33)으로 구성되며, 전술한 H형 강지보재보다 30% 정도 가벼우므로 설치가 용이하지만, 지보 강성이 많이 떨어진다는 문제점이 있다.
이러한 격자지보재(30)의 최대 장점은 철근 거더를 설치한 후 숏크리트를 타설할 때, 타설 전방 방향 및 좌우 측방으로 개방되어 있어 숏크리트 타설시 숏크리트와 강재 거더가 밀실하게 일체화될 수 있다는 점이다.
하지만, 상기 격자지보재(30)는, 도 4c에 도시된 바와 같이, 현장 조사에서 격자지보재 직경 30㎜의 강봉(31) 및 직경 20㎜의 강봉(32)의 삼각형 중간에 1~2㎝ 정도의 공동이 존재한다. 이것은 터널 숏크리트를 타설하는 과정에서 터널 내측 방향으로 위치한 20㎜ 강봉(32)에 숏크리트가 타설되면서, 상기 숏크리트가 20㎜ 강봉(32)에 부착되면서 숏크리트 부착 강봉의 직경이 커지며, 상기 격자지보재(30)의 삼각주 안쪽과 폐색되어 상기 격자지보재(30)의 삼각주 내에 공동이 발생하게 된다.
구체적으로, 상기 격자지보재(30)가 지보재로의 제기능을 수행하기 위해서는 허용 지지하중 범위 내에서 파괴 없이 어느 정도의 변위를 허용할 수 있어야 한다. 이러한 격자지보재(30)는 외력을 다소 흡수할 수 있는 시스템으로 구성되어야 하며, 이를 위해서는 연결용 부재인 스파이더(33)가 격자지보 시스템의 상부 강봉(31)과 하부 강봉(32)으로부터 전달되는 힘들을 흡수할 수 있는 접합요소(Integral Element) 역할을 수행하여야 한다.
이때, 상기 스파이더(33)와 강봉(31, 32) 사이의 용접부는 터널 공사시 격자지보의 하중지지 능력을 평가하는데 매우 중요한 역할을 하므로, 용접기술이 격자지보 제품생산에 주요기술 부분에 속하게 된다. 일반적으로, 용접부 길이는 전단력에 저항할 수 있도록 최소한 3㎝ 이상이 되도록 하여야 하며, 최대 지지하중에 도달하기 이전 단계에서 재료의 취성파괴가 일어나지 않도록 우수재료의 선정과 함께 재료 용접부는 완전한 접합이 되도록 하여야 한다.
이러한 격자지보재(30)에 사용되는 강재는 격자지보의 특성상 종래의 일반강재보다는 더 큰 변형을 허용할 수 있는 특수 재료이어야 하며, 이러한 격자지보재(30)의 관련규격은 다음의 표 2에 나타낸 바와 같다.
표 2
Figure PCTKR2015002542-appb-T000002
구체적으로, 전술한 H형 강지보재(20) 및 격자지보재(30)의 적용 현황은 다음의 표 3에 나타낸 바와 같다.
표 3
Figure PCTKR2015002542-appb-T000003
한편, 도 5a 및 도 5b는 각각 도 2에 도시된 강지보재 중에서 격자지보재의 용접부에 발생하는 문제점을 나타내는 사진들로서, 도 5a는 격자지보재의 스파이더 변형을 나타내고, 도 5b는 격자지보재의 용접부 탈락을 나타내는 사진이다.
국내 현장에서 수행되는 격자지보재(30)의 품질관리는 형상, 치수, 변형 및 손상에 대한 검사만 이루어질 뿐이며, 강봉과 스파이더의 강도나 격자지보재의 성능 평가는 수행되지 않고 있는 실정이다. 예를 들면, 터널 시공시에 일반강을 적용한 격자지보재를 사용할 경우, 예를 들면, LG??50x20x30을 사용할 경우, 항복강도가 약 46% 정도 감소하며, 이에 따라 격자지보재의 지보 능력이 상당히 감소됨으로써 터널 굴착면의 안정을 저해할 수 있다는 문제점이 있다.
예를 들면, 도 5a에 도시된 바와 같이, 격자지보재의 스파이더가 변형되거나, 또는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 격자지보재(30)의 휨 강도 시험결과 용접부의 탈락으로 갑작스런 하중 감소를 보여주고 있으며, 이것은 격자지보재(30)의 부재들간 연결, 즉, 강봉(31, 32)과 스파이더(33)의 용접이 점용접으로 용접부의 정밀한 기술 및 관리가 요구되어 용접품질의 불안정성이 문제로 발생할 수 있다.
또한, 종래의 기술에 따른 H형 강지보재(20) 또는 격자지보재(30)는 연결 조인트판을 사용하여 사전에 용접하는 연결 방식이 사용될 수 있다.
한편, 종래의 기술에 따른 H형 강지보재(20) 또는 격자지보재(30)의 하단, 즉, 터널의 좌우 하단은 굴착면과 접해 있으며, 이러한 H형 강지보재(20) 또는 격자지보재(30)의 상부 지반에서 전달되는 지반 하중은 H형 강지보재(20) 또는 격자지보재(30)에서 터널 하부로 전달된다. 이때, 종래의 기술에 따른 H형 강지보재(20) 또는 격자지보재(30)와 지반의 지지력 확보를 위해서 그리고 H형 강지보재(20) 또는 격자지보재(30) 하단의 고저 높이 차이를 없애기 위해서 터널 하부지지대인 목재 쐐기 또는 콘크리트 블록을 설치하고 있다.
하지만, 이러한 터널 하부지지대의 높이를 조절할 수 없기 때문에, 경우에 따라 상기 H형 강지보재(20) 또는 격자지보재(30) 하단부에서 지반에 접하지 않고 공중에 뜬 상태로 시공되는 경우가 발생하게 된다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 터널 시공시 사용되는 강지보재를 콘크리트 충전강관(CFT) 구조로 형성하여 터널 굴착면에 설치함으로써 기존의 격자지보재에 비해 강성을 높일 수 있고, 가벼운 중량으로 인해 터널 막장에서 시공성을 향상시킬 수 있는, 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 및 그 시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 터널 굴착면과 콘크리트 충전강관 후면부 공간에 숏크리트를 타설할 때 리바운드량을 감소시킬 수 있고, 공간 미충전 가능성을 매우 낮출 수 있는, 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 및 그 시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 공동을 발생하지 않는 콘크리트 충전강관 구조로 형성함으로써 콘크리트 충전강관과 숏크리트를 완벽하게 일체화시킬 수 있는, 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 및 그 시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 에너지 흡수 능력이 뛰어난 콘크리트 충전강관을 강지보재로 사용함으로써 터널의 내진성과 횡저항력을 향상시킬 수 있는, 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 및 그 시공 방법을 제공하기 위한 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널은, 충진재가 주입되는 강관으로서, 터널 굴착면 형상에 대응하도록 절곡 형성되어 터널의 좌측 굴착면에 설치되는 제1 콘크리트 충전강관(CFT); 충진재가 주입되는 강관으로서, 터널 굴착면 형상에 대응하도록 절곡 형성되어 터널의 우측 굴착면에 설치되고, 터널 천단부에서 상기 제1 콘크리트 충전강관과 체결되어 강지보재를 형성하는 제2 콘크리트 충전강관; 터널 진행 방향을 따라 소정 간격으로 설치되는 강지보재들 사이의 터널 굴착면에 설치되는 록볼트; 및 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관 및 상기 록볼트 상에 타설되는 숏크리트를 포함하되, 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관은 상기 터널 천단부에서 서로 체결되어 상기 터널 굴착면에 설치되는 강지보재 역할을 하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관 각각은, 상기 충진재가 각각 주입될 수 있도록 내부가 중공인 관으로서, 각각 터널 굴착면에 설치되도록 상기 터널 굴착면의 형상에 대응하여 절곡 형성되는 제1 및 제2 강관; 상기 제1 및 제2 강관이 터널 천단부에서 서로 접하여 체결되도록 상기 제1 및 제2 강관의 단부에 각각 형성되는 제1 및 제2 체결판; 및 상기 제1 및 제2 강관 내에 각각 주입되어 충전되는 충진재를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관 각각은, 상기 터널 천단부에서 상기 체결판을 상호 체결하는 체결부재를 추가로 포함하며, 상기 체결부재는 볼트일 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2 강관 각각은 상기 충진재를 주입하도록 상기 제1 및 제2 체결판 근처에 충진재 주입구가 각각 형성되고, 상기 제1 및 제2 강관 내부의 공기를 각각 배출하여 진공을 형성하도록 상기 충진재 주입구 근처에 배기구가 형성된 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 충진재 주입구 및 배기구는 상기 충진재 주입이 완료된 후에 막아서 폐쇄시키는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 충진재는 21 MPa 이상의 강도를 갖는 무수축몰탈 또는 숏크리트재+급결재일 수 있다.
여기서, 상기 무수축 몰탈은 상기 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관 내부에 공극이 발생되지 않도록 1~2bar의 주입압으로 천천히 주입되며, 충진후 경화되는 과정에서 재료 분리 또는 건조수축이 발생하지 않도록 6~12 시간 이내에 목표강도의 30~50%가 발현되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널은, 좌우 강관인 상기 제1 및 제2 강관을 상기 터널의 좌우 하단부에 고정하기 위해 설치되는 콘크리트 블록; 및 상기 콘크리트 블록과 상기 제1 및 제2 강관 사이에 각각 설치되어 상기 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관이 터널 굴착면에 밀착되도록 높이를 조절하는 높이 조절부재를 추가로 포함할 수 있다.
여기서, 상기 높이 조절부재는 스크류형 또는 소켓형 높이 조절부재일 수 있다.
한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 다른 수단으로서, 본 발명에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법은, a) 터널을 굴착하여 터널 굴착면을 형성하는 단계; b) 상기 터널의 하단부에 설치된 콘크리트 블록 상에서 높이 조절부재를 사용하여 상기 터널 굴착면 형상으로 절곡된 제1 및 제2 강관의 높이를 조절하고, 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관이 서로 접하도록 설치하는 단계; c) 상기 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관의 단부에 각각 형성된 제1 및 제2 체결판을 체결부재를 사용하여 체결하는 단계; d) 상기 제1 및 제2 강관에 형성된 충진재 주입구 각각에 충진재를 주입하는 단계; e) 상기 제1 및 제2 강관에 형성된 충진재 주입구 및 배기구를 막고, 제1 및 제2 콘크리트 충전강관을 완성하여 강지보재를 형성하는 단계; f) 터널 진행 방향을 따라 소정 간격으로 형성되는 강지보재들 사이의 터널 굴착면에 록볼트를 설치하는 단계; 및 g) 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관 및 록볼트 상에 숏크리트를 타설하는 단계를 포함하되, 상기 e) 단계의 제1 및 제2 콘크리트 충전강관은 상기 터널 굴착면에 설치되는 강지보재 역할을 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 터널 시공시 사용되는 강지보재를 콘크리트 충전강관 구조로 형성하여 터널 굴착면에 설치함으로써, 기존의 격자지보재에 비해 강성을 높일 수 있고, 30% 이상 저렴하게 제조할 수 있으며, 가벼운 중량으로 인해 터널 막장에서 시공성을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 터널 굴착면과 콘크리트 충전강관의 후면부 공간에 숏크리트를 타설할 때 리바운드량을 감소시킬 수 있고, 공간 미충전 가능성을 매우 낮출 수 있다.
본 발명에 따르면, 소켓형 또는 스크류형 높이 조절부재를 사용하여 콘크리트 충전강관 하부의 길이를 조절할 수 있다. 즉, 기존의 H형 강지보재 또는 격자지보재에 비해서 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관은 높이를 용이하게 조절할 수 있다.
본 발명에 따르면, 종래의 기술에 따른 공동을 발생하는 H형 강지보재와 격자지보재와 달리 공동을 발생하지 않는 콘크리트 충전강관 구조로 형성함으로써 콘크리트 충전강관과 숏크리트를 완벽하게 일체화시킬 수 있고, 이에 따라 우수한 지보 성능을 확보할 수 있다.
본 발명에 따르면, 연성과 에너지 흡수 능력이 뛰어난 콘크리트 충전강관을 강지보재로 사용함으로써 터널의 내진성과 횡저항력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 터널 내부 구조를 나타내는 단면도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 터널 시공에 사용되는 강지보재의 종류를 예시하는 도면이다.
도 3은 도 2에 도시된 강지보재 중에서 H형 강지보재를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 도 2에 도시된 강지보재 중에서 격자지보재를 구체적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 5a 및 도 5b는 각각 도 2에 도시된 강지보재 중에서 격자지보재의 용접부에 발생하는 문제점을 나타내는 사진들이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관(CFT) 구조의 강지보재를 구비한 터널을 개략적으로 예시하는 도면이다.
도 7은 도 6에 도시된 콘크리트 충전강관 구조(CFT)의 강지보재를 구체적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 도 7에 도시된 강관 접합부를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관(CFT) 구조의 강지보재에서 합성 항복강도를 산정하는 것을 예시하는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관(CFT) 구조의 강지보재를 구비한 터널에서 숏크리트를 타설하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관(CFT) 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법의 동작흐름도이다.
도 12a 내지 도 12i는 각각 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관(CFT) 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법을 구체적으로 설명하기 위한 도면들이다.
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.
먼저, 콘크리트 충전강관(Concrete Filled Tube: CFT) 구조체는 폐쇄형의 강관 기둥 내부에 콘크리트를 충전한 구조체로서, 강성, 내력, 변형 등 구조적으로 안정하고 내화, 시공 등에서 우수한 장점을 갖는 구조체이다. 즉, 이러한 CFT 구조체는 폐단면부재로서 휨모멘트를 부담하는 강관이 외측에 형성되고, 축력을 부담하는 콘크리트가 내측에 형성되어 강관이 내부 콘크리트를 구속하거나, 또한, 콘크리트가 강관의 국부좌굴을 막아주는 효과로 인하여 강도와 에너지 흡수 능력이 다른 구조체에 비해 우수하다는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터널은 이러한 콘크리트 충전강관(CFT) 구조의 강지보재를 구비하며, 도 6 내지 도 10을 참조하여, 콘크리트 충전강관(CFT) 구조의 강지보재를 구비한 터널을 설명하고, 도 11, 도 12a 내지 도 12i를 참조하여 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법을 설명하기로 한다.
[콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널(100)]
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관(CFT) 구조의 강지보재를 구비한 터널을 개략적으로 예시하는 도면이고, 도 7은 도 6에 도시된 콘크리트 충전강관 구조(CFT)의 강지보재를 구체적으로 설명하기 위한 도면이고, 도 8은 도 7에 도시된 강관 접합부를 구체적으로 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관(CFT) 구조의 강지보재를 구비한 터널(100)은, 제1 콘크리트 충전강관(Concrete Filled Tube: CFT)(110), 제2 콘크리트 충전강관(120), 록볼트(130), 숏크리트(140), 라이닝(150), 콘크리트 블록(170) 및 높이 조절부재(180)를 포함할 수 있다.
먼저, 터널(100)의 굴착 이후에 굴착면에 설치되는 터널 지보재는 터널(100) 주변의 지반거동 특성에 부합되도록 설계하여 터널 시공중이나 터널 완공 후에도 터널(100)의 안정을 유지할 수 있도록 하여야 한다. 이때, 지보재는 굴착지반을 조기에 안정시키며 지반굴착에 의한 영향이 인접구조물의 안정을 해치지 않도록 설계되어야 한다.
본 발명이 실시예에서 터널(100)의 지보재는 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120), 록볼트(130) 및 숏크리트(140) 등으로 구성되어 있는 주지보재를 포함하며, 또한, 굴착의 용이성 및 안정성 증진을 목적으로 주지보재에 추가하여 시공하는 보조지보재(도시되지 않음)를 추가로 포함할 수도 있다.
제1 콘크리트 충전강관(CFT: 110)은 충진재(112)가 주입되는 강관으로서, 터널 굴착면(100s) 형상에 대응하도록 절곡 형성되어 터널(100)의 좌측 굴착면에 설치된다.
제2 콘크리트 충전강관(120)은 충진재(122)가 주입되는 강관으로서, 터널 굴착면(100s) 형상에 대응하도록 절곡 형성되어 터널(100)의 우측 굴착면에 설치되고, 터널 천단부에서 상기 제1 콘크리트 충전강관(110)과 체결되어 강지보재를 형성한다.
여기서, 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120)은 능동형 지보재로서, 터널(100)의 굴착면(100s)에 설치된다. 이때, 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120)은 숏크리트(140), 록볼트(130) 등의 다른 지보재와 일체가 되어 소요의 지보 기능을 발휘하도록 규격과 배치 간격이 정해진다. 이때, 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120)의 이음은 시공순서 및 시공성을 고려하여 이음개소가 최소가 되도록 정해진다.
콘크리트 블록(170)은 좌우 강관인 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)을 상기 터널(100)의 좌우 하단부에 고정하기 위해 설치된다.
높이 조절부재(180)는 상기 콘크리트 블록(170)과 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 사이에 각각 설치되어 상기 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)이 터널 굴착면에 밀착되도록 높이를 조절할 수 있다. 예를 들면, 상기 높이 조절부재(180)는 도 7의 a)에 도시된 스크류형 또는 도 7의 b)에 도시된 소켓형 높이 조절부재일 수 있다.
록볼트(130)는 터널(100) 진행 방향을 따라 소정 간격으로 설치되는 강지보재들 사이의 터널 굴착면(100s)에 설치된다. 구체적으로, 상기 록볼트(130)는 능동형 지보재로서, 터널(100) 진행 방향을 따라 소정 간격으로 설치되는 강지보재들 사이의 터널 굴착면(100s)에 설치된다. 여기서, 상기 록볼트(130)는 터널(100)의 굴착 후, 시급히 원지반(200)인 암반을 천공하여 그 속에 볼트를 삽입하고 너트를 죈 다음에, 접착 등에 의해 터널(100)의 지보공으로서 사용하는 볼트를 말한다.
예를 들면, 상기 록볼트(130)는 소요의 강도 이상을 가지는 이형봉강으로 제작하는 것을 원칙으로 하나 강관, 팽창성 강관 또는 이와 동일한 강도와 기능을 가지는 섬유보강 플라스틱(FRP) 등 기타 소재의 록볼트도 사용할 수 있으며, 재질 및 강도는 한국산업규격(KS)에 적합한 것이어야 한다. 이때, 상기 록볼트(130)의 재질은 원지반(200) 조건 및 사용목적에 따라 정해지며, 일반적으로 SD 25 이상의 강재로서 재질 인장강도 및 연신율이 큰 것을 사용한다. 또한, 상기 록볼트(130)는 원칙적으로 굴착에 의해 영향을 받는 영역을 보강하도록 배치하여야 하며, 상기 록볼트(130)의 배치 및 길이는 그 사용목적, 지반조건, 터널(100) 단면의 크기 및 형상, 굴착공법, 절리의 간격 등을 고려하여 결정된다.
숏크리트(140)는 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120) 및 상기 록볼트(130) 상에 타설된다. 구체적으로, 상기 숏크리트(140)는 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120) 및 상기 록볼트(130) 상에 타설된다. 여기서, 상기 숏크리트(140)는 원지반(200)과의 부착 및 자체전단 저항 효과를 갖고, 상기 숏크리트(140)에 작용하는 외력을 원지반(200)에 분산시키고, 터널(100) 주변의 붕락하기 쉬운 암괴를 지지하며, 굴착면(100s) 가까이에 지반아치가 형성될 수 있도록 타설한다.
구체적으로, 상기 숏크리트(140)는 휨인장 또는 축력에 의한 저항효과로 주변 원지반에 내압을 가함으로써 굴착면 주변지반을 3축 응력상태로 유지시켜 지반강도 저하를 방지하며, 또한, 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120) 또는 록볼트(130)에 지반압을 전달하는 기능을 발휘하고, 또한, 굴착된 원지반(200)의 굴곡부를 메우고 절리면 사이를 접착시킴으로써 응력집중 현상을 피할 수 있게 한다.
여기서, 숏크리트용 시멘트는 제1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하는 것을 원칙으로 하며, 예를 들면, 잔골재는 입경 0.1mm 이하의 세립물을 포함하지 않아야 하고, 굵은골재의 최대 입경은 13mm 이하가 되어야 한다. 이러한 숏크리트(140)는 필요한 강도와 내구성이 확보되고 부착성과 시공성이 양호하며 재령 1일 압축강도가 100MPa 이상, 재령 28일 강도가 210MPa 이상 되도록 배합하여야 한다. 또한, 상기 숏크리트(140)의 조기강도 발현을 위하여 급결제를 사용할 수 있다. 또한, 터널의 지보재로 사용되는 숏크리트(140)의 최소 두께는 사용목적, 지반조건, 단면의 크기 등을 고려해서 정해지고, 예를 들면, 3cm 이상으로 타설한다.
라이닝(150)은 터널(100) 주변의 지반상태, 환경조건 및 주지보재의 지보능력을 고려하여 사용목적에 적합하고 장기간 사용에 충분한 안전성과 내구성을 갖도록 형성된다. 이때, 상기 라이닝(150)은 사용 목적에 따라 구조체로서의 역학적 기능, 비배수형 터널에서의 내압기능, 영구 구조물로서의 내구성 확보 및 미관유지 기능 등을 가지며, 이를 감안하여 실시한다.
본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관(CFT) 구조의 강지보재를 구비한 터널에서, 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120)은 상기 터널 천단부에서 서로 체결되어 상기 터널 굴착면(100s)에 설치되는 강지보재(Steel Rib) 역할을 하게 된다.
또한, 기존의 강지보재 하단의 연결을 위해서 목재 쐐기 및 콘크리트 블록을 사용하여 지지하지만, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널의 경우, 충전강관을 사용하기 때문에 소켓형 또는 스크류형 체결 방식의 높이 조절부재를 사용함으로써 콘크리트 블록 상에서 콘크리트 충전강관의 높이를 용이하게 조절할 수 있다.
구체적으로, 도 7 및 도 8을 참조하면, 상기 제1 콘크리트 충전강관(110) 각각은, 제1 강관(111), 충진재(112), 제1 체결판(113), 충진재 주입구(115) 및 배기구(116)를 포함할 수 있고, 마찬가지로, 상기 제2 콘크리트 충전강관(120)은 제2 강관(121), 충진재(122), 제2 체결판(123), 충진재 주입구 및 배기구를 포함하며, 편의상 상기 체결부재(114)가 상기 제1 콘크리트 충전강관(110)에 포함되는 것으로 설명하기로 한다.
제1 및 제2 강관(111, 121)은 상기 충진재(112, 122)가 각각 주입될 수 있도록 내부가 중공인 관으로서, 각각 터널 굴착면(100s)에 설치되도록 상기 터널 굴착면(100s)의 형상에 대응하여 절곡 형성된다. 즉, 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)은 시공하고자 하는 터널(100)의 반단면 길이로 절단되어 터널 단면 형상으로 절곡된다. 다시 말하면, 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)을 터널(100)의 반단면 길이로 절단한 후에, 터널 단면 형상으로 절곡(Bending)하고, 이후, 터널 천단부에서 기존 강지보재와 동일한 방법으로 제1 및 제2 강관(111, 121)을 터널 천단부 중앙에서 체결부재(114)인 볼트를 사용하여 체결판(113 123)을 서로 체결하게 된다.
제1 및 제2 체결판(113, 123)은 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)이 터널 천단부에서 서로 접하여 체결되도록 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)의 단부에 각각 형성된다.
충진재(112, 122)는 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 내에 각각 주입되어 충전된다. 구체적으로, 상기 충진재(112, 122)는 21 MPa 이상의 강도를 갖는 무수축몰탈 또는 숏크리트재+급결재일 수 있고, 상기 충진재(112, 122)가 고강도 재료일수록 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(100, 200)의 강성이 올라갈 수 있다. 예를 들면, 상기 무수축 몰탈은 터널 천단부에서 상기 강관(111, 121) 내부에 공극이 발생되지 않도록 1~2bar의 주입압으로 천천히 주입되며, 충진후 경화되는 과정에서 재료 분리 또는 건조수축이 발생하지 않도록 6~12 시간 이내에 목표강도의 30~50%가 발현되는 것이 바람직하다.
체결부재(114)는 상기 터널 천단부에서 상기 체결판(113, 123)을 상호 체결하며, 예를 들면, 상기 체결부재(114)는 볼트일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다. 즉, 배관 분야 및 플랜트 분야에서 널리 알려진 바와 같이, 강관들 간의 연결 방식은 매우 다양하며, 이에 따라 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널의 경우, 터널 천단부에서 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120)을 서로 용이하게 체결할 수 있다.
충진재 주입구(115)는 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 각각은 상기 충진재(112, 122)를 주입하도록 상기 제1 및 제2 체결판(113, 123) 근처에 각각 형성된다.
배기구(116)는 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 내부의 공기를 각각 배출하여 진공을 형성하도록 상기 충진재 주입구(115) 근처에 형성된다. 여기서, 상기 충진재 주입구(115) 및 배기구(116)는 상기 충진재(112, 122)의 주입이 완료된 후에 막아서 폐쇄시키게 된다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재는, 강관 내부를 콘크리트 재료로 충전함으로써, 강관과 충진재 간의 상호구속 효과로 인해 부재의 변형성능과 강성 및 내력을 향상시킬 수 있는 구조부재이다. 즉, 콘크리트 충진재는 강관의 급격한 국부좌굴 변형을 억제하는 역할을 하며, 이때, 상기 강관은 상기 충진재에 대한 구속효과(Confinement effect)를 통하여 재료 강도를 향상시키는 등의 재료 간에 상호보완적인 역할을 한다.
따라서 상기 강관으로 구속된 콘크리트가 중심축력을 받게 되면, 내부의 콘크리트는 암괴에 의한 체적 평창을 외부의 강관에 의해 구속받게 되므로 3축 압축응력 상태로 되어 압축강도가 증대될 수 있다. 또한, 콘크리트의 암괴에 의한 탈락 현상이 방지됨으로써 단면의 결손이 없어지게 되고, 이에 따라 내력 저하가 작아진다는 장점이 있다.
본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재의 성능을 종래의 기술에 따른 H형 강지보재 및 격자지보재와 비교하면, 다음의 표 4에 나타낸 바와 같다.
표 4
Figure PCTKR2015002542-appb-T000004
한편, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재는 시공성 개선을 위해 경량화시킬 수 있고, 강성증진을 통해서 지보 능력을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재는 리바운드량 최소화를 위해 단면형상을 간소화시킬 수 있고, 지보재의 효과적 품질관리를 위해 균일한 단면을 적용할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재 및 종래의 기술에 따른 격자지보재의 단위중량을 비교하면, 다음의 표 5에 나타낸 바와 같고, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재는, 예를 들면, 1회 상반 지보재 가설시에 약 70.6kg로 중량을 감소시킴으로써 시공성을 획기적으로 개선할 수 있고, 또한, 초기 지보시간을 단축시킬 수 있다.
표 5
Figure PCTKR2015002542-appb-T000005
또한, 본 발명의 실시예에 따른 CFT 구조의 강지보재와 종래의 기술에 따른 격자지보재의 기계적 특성에 대해 비교하면 다음의 표 6에 나타낸 바와 같다.
표 6
Figure PCTKR2015002542-appb-T000006
한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재에서 합성 항복강도를 산정하는 것을 예시하는 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 CFT 구조의 강지보재는 도 9에 도시된 형상으로 형성될 수 있고, 만일 CFT 구조의 강지보재가, 101.6 ㎜의 직경(D), 3.2 ㎜의 두께(t), 9.89 ㎠의 강관 단면적(As), 71.18 ㎠의 몰탈 단면적(Ac), 119.855 cm4의 합성전 강관의 단면2차 모멘트(Is), 177.454 cm4의 합성후 강관의 단면2차 모멘트(Isc), 3.15 tonf/㎠의 강관의 항복강도() 및 400 kgf/㎠의 몰탈강도()인 경우, 이때 합성 항복강도는 다음의 수학식 1과 같다.
수학식 1
Figure PCTKR2015002542-appb-M000001
가 되고, 본 발명의 실시예에 따른 CFT 구조의 강지보재 합성 항복강도는 5.648 tonf/㎠가 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 CFT 구조의 강지보재가, 114.3 ㎜의 직경(D), 3.2 ㎜의 두께(t), 11.43 ㎠의 강관 단면적(As), 96.59 ㎠의 몰탈 단면적(Ac), 172.470 cm4의 합성전 강관의 단면2차 모멘트(Is), 267.521 cm4의 합성후 강관의 단면2차 모멘트(Isc), 3.15 tonf/㎠의 강관의 항복강도() 및 400 kgf/㎠의 몰탈강도()인 경우, 이때 합성 항복강도는 다음의 수학식 2와 같다.
수학식 2
Figure PCTKR2015002542-appb-M000002
가 되고, 본 발명의 실시예에 따른 CFT 구조의 강지보재 합성 항복강도는 5.89 tonf/㎠가 된다.
한편, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관(CFT) 구조의 강지보재를 구비한 터널에서 숏크리트를 타설하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관(CFT) 구조의 강지보재를 구비한 터널에서 숏크리트를 타설할 때, 강관(111)을 사용하기 때문에 터널 굴착면(100s)과 콘크리트 충전강관(110)의 후면부 공간에 숏크리트를 타설할 때 리바운드량을 감소시킬 수 있고, 또한, 공간 미충전 가능성을 크게 낮출 수 있다.
결국, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널에 따르면, 종래의 기술에 따른 공동을 발생하는 H형 강지보재와 격자지보재와 달리 공동을 발생하지 않는 콘크리트 충전강관 구조로 형성함으로써 콘크리트 충전강관과 숏크리트를 완벽하게 일체화시킬 수 있고, 이에 따라 우수한 지보 성능을 확보할 수 있다. 또한, 연성과 에너지 흡수 능력이 뛰어난 콘크리트 충전강관을 강지보재로 사용함으로써 터널의 내진성과 횡저항력을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널에 따르면, 강관을 사용함으로써 터널 굴착면과 콘크리트 충전강관 후면부 공간에 숏크리트를 타설할 때 리바운드량을 감소시킬 수 있고, 또한, 공간 미충전 가능성이 매우 낮아진다.
[CFT 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법]
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법의 동작흐름도이고, 도 12a 내지 도 12i는 각각 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법을 구체적으로 설명하기 위한 도면들이다.
도 11 및 도 12a 내지 도 12i를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법은, 먼저, 도 12a에 도시된 바와 같이, 터널을 굴착하여 터널 굴착면(100s)을 형성한다(S110).
다음으로, 도 12b에 도시된 바와 같이, 상기 터널(100)의 좌우 하단부에 좌우 강관인 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)을 고정하기 위한 콘크리트 블록(170)을 설치한다(S120).
다음으로, 도 12c에 도시된 바와 같이, 상기 터널(100)의 하단부에 설치된 콘크리트 블록(170) 상에서 높이 조절부재(180)를 사용하여 상기 터널 굴착면(100s) 형상으로 절곡된 제1 및 제2 강관(111, 121)의 높이를 조절하고, 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)이 서로 접하도록 설치한다(S130). 이때, 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 각각은 상기 터널 굴착면(100s)의 형상에 대응하도록 절곡 형성되어 상기 터널 굴착면(100s)에 설치되고, 상기 충진재(112, 122)가 각각 주입될 수 있도록 내부가 중공으로 형성된다.
다음으로, 도 12d에 도시된 바와 같이, 상기 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)의 단부에 각각 형성된 제1 및 제2 체결판(113, 123)을 체결부재(114)를 사용하여 체결한다(S140). 여기서, 상기 체결부재(114)는 볼트일 수 있지만, 이에 국한되는 것은 아니다.
다음으로, 도 12e에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)에 형성된 충진재 주입구(115) 각각에 충진재(112, 122)를 주입한다(S150). 구체적으로, 상기 배기구(115)를 통해 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 내부의 공기를 각각 배출하여 진공을 형성한 후, 상기 충진재(112, 122)를 각각 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 내에 주입할 수 있다. 여기서, 상기 충진재(112, 122)는 21 MPa 이상의 강도를 갖는 무수축몰탈 또는 숏크리트재+급결재일 수 있고, 예를 들면, 상기 무수축 몰탈은 상기 터널 천단부에서 상기 강관(111, 121) 내부에 공극이 발생되지 않도록 1~2bar의 주입압으로 천천히 주입되며, 충진후 경화되는 과정에서 재료 분리 또는 건조수축이 발생하지 않도록 6~12 시간 이내에 목표강도의 30~50%가 발현되는 것이 바람직하다.
다음으로, 도 12f에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)에 형성된 충진재 주입구(115) 및 배기구(116)를 막고, 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120)을 완성한다(S160). 구체적으로, 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120)은 상기 터널 굴착면(100s)에 설치되는 강지보재 역할을 하게 된다.
다음으로, 도 12g에 도시된 바와 같이, 상기 터널 굴착면에 록볼트(130)를 설치하고(S170), 이후, 도 12h에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120) 및 록볼트(130) 상에 숏크리트(140)를 타설한다(S180).
후속적으로, 도 12i에 도시된 바와 같이, 배수처리 및 라이닝(150)을 실시하여 터널(100)을 완성한다(S190).
본 발명의 실시예에 따른 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 및 그 시공 방법에 따르면, 터널 시공시 사용되는 강지보재를 콘크리트 충전강관 구조로 형성하여 터널 굴착면에 설치함으로써, 기존의 격자지보재에 비해 강성을 높일 수 있고, 30% 이상 저렴하게 제조할 수 있으며, 가벼운 중량으로 인해 터널 막장에서 시공성을 향상시킬 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.

Claims (16)

  1. 충진재(112)가 주입되는 강관으로서, 터널 굴착면(100s) 형상에 대응하도록 절곡 형성되어 터널(100)의 좌측 굴착면에 설치되는 제1 콘크리트 충전강관(Concrete Filled Tube: CFT)(110);
    충진재(122)가 주입되는 강관으로서, 터널 굴착면(100s) 형상에 대응하도록 절곡 형성되어 터널(100)의 우측 굴착면에 설치되고, 터널 천단부에서 상기 제1 콘크리트 충전강관(110)과 체결되어 강지보재를 형성하는 제2 콘크리트 충전강관(120); 및
    상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120) 및 상기 록볼트(130) 상에 타설되는 숏크리트(140)를 포함하되,
    상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120)은 상기 터널 천단부에서 서로 체결되어 상기 터널 굴착면(100s)에 설치되는 강지보재(Steel Rib) 역할을 하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120) 각각은,
    상기 충진재(112, 122)가 각각 주입될 수 있도록 내부가 중공인 관으로서, 각각 터널 굴착면(100s)에 설치되도록 상기 터널 굴착면(100s)의 형상에 대응하여 절곡 형성되는 제1 및 제2 강관(111, 121);
    상기 제1 및 제2 강관(111, 121)이 터널 천단부에서 서로 접하여 체결되도록 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)의 단부에 각각 형성되는 제1 및 제2 체결판(113, 123); 및
    상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 내에 각각 주입되어 충전되는 충진재(112, 122)를 포함하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 터널 천단부에서 상기 체결판(113, 123)을 상호 체결하는 체결부재(114)를 추가로 포함하며, 상기 체결부재(114)는 볼트인 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 각각은 상기 충진재(112, 122)를 주입하도록 상기 제1 및 제2 체결판(113, 123) 근처에 충진재 주입구(115)가 각각 형성되고, 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 내부의 공기를 각각 배출하여 진공을 형성하도록 상기 충진재 주입구(115) 근처에 배기구(116)가 형성된 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충진재 주입구(115) 및 배기구(116)는 상기 충진재(112, 122)의 주입이 완료된 후에 막아서 폐쇄시키는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널.
  6. 제2항에 있어서,
    터널(100) 진행 방향을 따라 이격되어 설치되는 강지보재들 사이의 터널 굴착면(100s)에 설치되는 록볼트(130)를 더 포함하며,
    상기 충진재(112, 122)는 무수축몰탈, 급결재가 포함된 숏크리트재인 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널
  7. 제6항에 있어서,
    상기 무수축 몰탈은 상기 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 내부에 공극이 발생되지 않도록 1~2bar의 주입압으로 천천히 주입되며, 충진후 경화되는 과정에서 재료 분리 또는 건조수축이 발생하지 않도록 6~12 시간 이내에 목표강도의 30~50%가 발현되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널.
  8. 제1항에 있어서,
    좌우 강관인 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)을 상기 터널(100)의 좌우 하단부에 고정하기 위해 설치되는 콘크리트 블록(170); 및
    상기 콘크리트 블록(170)과 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 사이에 각각 설치되어 상기 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)이 터널 굴착면에 밀착되도록 높이를 조절하는 높이 조절부재(180);를 추가로 포함하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 높이 조절부재(180)는 스크류형 또는 소켓형 높이 조절부재인 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널.
  10. a) 터널(100)을 굴착하여 터널 굴착면(100s)을 형성하는 단계;
    b) 상기 터널(100)의 하단부에 설치된 콘크리트 블록(170) 상에서 높이 조절부재(180)를 사용하여 상기 터널 굴착면(100s) 형상으로 절곡된 제1 및 제2 강관(111, 121)의 높이를 조절하고, 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)이 서로 접하도록 설치하는 단계;
    c) 상기 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)의 단부에 각각 형성된 제1 및 제2 체결판(113, 123)을 체결부재(114)를 사용하여 체결하는 단계;
    d) 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)에 형성된 충진재 주입구(115) 각각에 충진재(112, 122)를 주입하는 단계;
    e) 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)에 형성된 충진재 주입구(115) 및 배기구(116)를 막고, 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120)을 완성하여 강지보재를 형성하는 단계;
    f) 터널 진행 방향을 따라 소정 간격으로 형성되는 강지보재들 사이의 터널 굴착면에 록볼트(130)를 설치하는 단계; 및
    g) 상기 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120) 및 록볼트(130) 상에 숏크리트(140)를 타설하는 단계
    를 포함하되,
    상기 e) 단계의 제1 및 제2 콘크리트 충전강관(110, 120)은 상기 터널 굴착면(100s)에 설치되는 강지보재(Steel Rib) 역할을 하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 b) 단계의 제1 및 제2 강관(111, 121) 각각은 상기 터널 굴착면(100s)의 형상에 대응하도록 절곡 형성되어 상기 터널 굴착면(100s)에 설치되고, 상기 충진재(112, 122)가 각각 주입될 수 있도록 내부가 중공으로 형성되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 d) 단계에서 배기구(115)를 통해 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 내부의 공기를 각각 배출하여 진공을 형성한 후, 상기 충진재(112, 122)를 각각 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 내에 주입하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 b) 단계를 수행하기 전에 상기 터널(100)의 좌우 하단부에 좌우 강관인 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)을 고정하기 위한 콘크리트 블록(170)을 설치하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 b) 단계의 높이 조절부재(180)는 스크류형 또는 소켓형 높이 조절부재로서, 상기 콘크리트 블록(170)과 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 사이에 각각 설치되어 상기 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관(111, 121)이 터널 굴착면에 밀착되도록 높이를 조절하는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 충진재(112, 122)는 무수축몰탈, 급결재가 포함된 숏크리트재인 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 무수축 몰탈은 상기 터널 천단부에서 상기 제1 및 제2 강관(111, 121) 내부에 공극이 발생되지 않도록 1~2bar의 주입압으로 주입되며, 충진후 경화되는 과정에서 재료 분리 또는 건조수축이 발생하지 않도록 6~12 시간 이내에 목표강도의 30~50%가 발현되는 것을 특징으로 하는 콘크리트 충전강관 구조의 강지보재를 구비한 터널 시공 방법.
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