KR101063958B1 - 터널 작용수압 제어장치 - Google Patents
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Abstract
터널 작용수압 제어장치는 터널에 구비되어 터널에 가해지는 수압을 측정하는 수압측정센서와, 터널에 구비되어 터널 주변의 지하수를 배출시키는 배수유닛과, 수압측정센서에 의해 측정된 수압이 기설정된 수압을 초과하지 않도록 배수유닛의 개폐를 조절하는 제어유닛을 포함한다. 이와 같이 구성되는 터널 작용수압 제어장치에 의하면, 제어유닛에 의해 터널 각 지점의 수압을 자동으로 제어할 수 있으므로, 터널의 구조적인 안정성이 증대되고, 수압과다로 인한 터널의 하자 발생을 방지할 수 있으며, 터널 상부의 지하수위를 일정수준으로 유지하도록 함으로써 환경을 보호할 수 있는 이점이 있다.
수압측정센서, 배수유닛, 제어유닛
Description
본 발명은 터널 작용수압 제어장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 배수시스템의 열화로 잔류수압이 발생하여 구조적으로 손상을 일으키는 지하수를 배수시켜 수압을 제어하도록 하는 터널 작용수압 제어장치에 관한 것이다.
대도심 하저 및 해저터널과 같이 지하수위보다 낮게 시공되는 터널은 주변을 관통하는 지하수가 유입되지 않도록 하는 것이 중요하다. 도 1에 도시된 바와 같이 종래의 터널은 (1) 비배수 터널, (2) 배수터널로 구분될 수 있다.
비배수 터널은 터널 전단면에 방수막과 부직포에 의한 차수층을 설치함으로써 지하수 유입을 완전히 차단한다. 이러한 비배수 터널은 지하수위 저하 영향이 큰 지반이나 지하수두가 낮은 조건일 때 적절하며, 유지비가 적고 주변환경에 영향을 미치지 않으나, 초기 시공비가 고가이며 완전한 방수 시공이 어려운 문제가 있다.
배수터널은 방수막과 부직포를 천정부와 측벽부에 설치하고 유입수를 터널 내로 유도하여 배수처리하는 터널을 의미한다. 배수터널은 지하수위 저하가 영향이 없는 지반이나 지하수두가 높은 조건일 때 적절하며, 누수시 보수가 용이하고 초기 시공비가 저렴하나, 건설비가 증가하고 주변 지반침하 등의 문제가 발생한다.
또한, 배수터널은 콘크리트 라이닝에 수압이 작용하지 않도록 하는 것으로서 지하 수압이 발생하지 않아 지하수 영향에 대한 단면구성이 매우 자유로우나 시간이 지남에 따라 투수재의 막힘(clogging) 및 배수재의 압착과 같은 배수시스템의 열화로 인해 잔류수입이 발생하고, 우기 시에는 지하수위의 상승으로 이상 수압을 받는 상황이 발생하여 구조적인 손상을 일으키는 것과 같이 터널 주변 지하수의 변동에 대응하지 못하는 문제점이 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 지하수위의 변동에 따라 이상적으로 발생할 수 있는 터널 주변의 수압을 자동적으로 제어하는 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 본 발명의 터널 작용수압 제어장치는 터널의 각 지점에 구비되고, 상기 터널에 가해지는 수압을 측정하는 하나 이상의 수압측정센서; 상기 터널에 구비되고, 상기 터널 주변의 지하수를 배출시키는 하나 이상의 배수유닛;및 상기 수압측정센서에 의해 측정되는 수압이 기설정된 수압을 초과하지 않도록 상기 배수유닛을 제어하는 제어유닛을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 배수유닛은 상기 터널에 구비되고, 상기 터널 외부에서 가해지는 지하수를 이동시키기 위한 배수관; 상기 배수관의 일단에 구비되고, 상기 배수관을 통해 이동하는 지하수를 배출하기 위한 노즐부; 상기 배수관과 상기 노즐부 사이에 구비되고, 상기 배수관을 통해 이동하는 지하수를 선택적으로 통과시키는 밸브부;및 상기 배수관에 구비되고, 콘크리트 라이닝 타설 시 상기 배수관의 회전을 방지하는 회전방지판을 포함하고, 상기 배수관은 상기 수압측정센서를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제어유닛은 상기 배수관에 구비되고, 상기 수압측정센서에 의해 측정되는 수압이 기설정된 수압보다 높은 경우 상기 밸브부를 개방하고, 기설정된 수압보다 낮은 경우 상기 밸브부를 차폐함으로써 수압을 조절하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제어유닛은 상기 밸브부 및 상기 수압측정센서와 원격으로 연결되고, 상기 수압측정센서에 의해 측정되는 수압이 기작성된 수압단면 구성도에 의한 수압을 추종하도록 상기 밸브부를 제어하는 것이 바람직하다.
본 발명의 배수유닛은 상기 수압측정센서에 의해 측정되는 수압을 나타내는 측정수압 확인부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 배수관은 상기 배수관의 일단에 구비되고, 상기 배수관 내부로 유입되는 이물질을 차단하는 필터부를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명의 터널은 상기의 터널 작용수압 제어장치가 설치되는 것이 바람직하다.
이와 같은 본 발명에 의한 터널 작용수압 제어장치에 의하면, 제어유닛에 의해 터널 각 지점의 수압을 자동으로 제어할 수 있으므로, 터널의 구조적인 안정성이 증대되고, 수압과다로 인한 터널의 하자 발생을 방지할 수 있으며, 터널 상부의 지하수위를 일정수준으로 유지하도록 함으로써 환경을 보호할 수 있는 이점이 있다.
이하에서는 본 발명에 의한 터널 작용수압 제어장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다.
도 2 내지 도 8에는 본 발명에 의한 터널 작용수압 제어장치의 바람직한 실시예가 도시되어 있다.
도시된 바에 따르면, 터널(10)은 터널 구조체를 구성하는 콘크리트 라이닝(11)과, 상기 콘크리트 라이닝(11)의 외주면에 구비되고 주변 지하수의 침투를 방지하기 위한 방수막(13)과, 상기 방수막(13)의 외주면에 구비되고 주변 이물질의 침투를 방지하는 차단막(15)을 포함한다. 상기 차단막(15)은 부직포와 같은 것으로 구성될 수 있다.
본 발명의 터널 작용수압 제어장치는 상기 터널(10)의 일지점에 가해지는 수압을 측정하기 위한 수압측정센서(20)를 포함한다. 상기 수압측정센서(20)에 의해 터널(10)에 가해지는 수압을 측정함으로써 터널(10) 주변의 수압 분포를 확인할 수 있다.
상기 수압측정센서(20)는 터널(10) 주변에서 발생하는 수압 분포에 따라 터널(10)의 여러 지점에 다수개로 구비될 수 있다. 그리고, 상기 수압측정센서(20)는 아래에서 설명할 배수유닛(30)에도 구비될 수 있다.
본 발명의 터널 작용수압 제어장치는 상기 터널(10)의 일지점에 가해지는 지하수를 배출하기 위한 배수유닛(30)을 포함한다. 상기 배수유닛(30)은 상기 터널(10)의 여러 지점에 다수개로 구비될 수 있다.
상기 배수유닛(30)은 상기 터널(10)의 일면을 관통하여 구비되는 배수관(31)을 포함한다. 상기 배수관(31)은 지하수를 터널(10) 내부로 유입시키기 위한 것으로서 스테인레스 재질로 구성될 수 있다.
상기 배수관(31)의 외면에는 상기 배수관(31)의 회전을 방지하는 회전방지판(32)이 구비된다. 상기 회전방지판(32)은 대략 사각형으로 구성되어 콘크리트 라이닝(11) 타설시 상기 배수관(31)이 회전하는 것을 방지하는 역할을 한다.
상기 배수관(31)에서 터널(10)의 외측면에 접하는 일단에는 필터부(33)가 구비된다. 상기 필터부(33)는 상기 차단막(15)과 접촉하여 상기 콘크리트 라이닝(11)으로부터 이탈된 흙입자나 외부로부터 유입되는 이물질을 차단하는 역할을 한다.
상기 배수관(31)에서 터널(10)의 내측면에 접하는 일단에는 밸브부(35)가 구비된다. 상기 밸브부(35)는 상기 배수관(31)을 통해 유입되는 지하수를 선택적으로 차단하는 역할을 한다. 상기 밸브부(35)는 도 4에 도시된 바와 같이 수동으로 개폐되도록 구성될 수도 있고, 아래에서 설명할 제어유닛(40)에 의해 자동으로 개폐되도록 구성될 수도 있다.
상기 배수관(31)과 상기 밸브부(35)과 접하는 지점에는 상기 수압측정센서(20)가 구비된다. 그리고, 상기 수압측정센서(20)와 연결되고, 상기 수압측정센서(20)에 의해 측정되는 수압을 확인할 수 있는 측정수압 확인부(37)가 상기 배수관(31)의 외측에 구비된다. 상기 측정수압 확인부(37)는 수압계와 같은 것으로 구성되어 상기 배수관(31)에 가해지는 수압을 확인할 수 있다.
상기 밸브부(35)의 일면에는 상기 배수관(31)을 통해 이동하는 지하수를 터 널(10) 내부로 배출시키기 위한 노즐부(39)가 구비된다.
본 발명의 터널 작용수압 제어장치는 상기 수압측정센서(20)에 의해 측정되는 수압에 의해 상기 밸브부(35)의 개폐를 제어하고 수압을 모니터링할 수 있는 제어유닛(40)을 포함한다.
상기 제어유닛(40)은 상기 배수유닛(30)을 개별적으로 제어하는 개별제어방식으로 구성되거나 상기 배수유닛(30)을 중앙집중적으로 제어하는 중앙제어방식으로 구성될 수 있다.
개별제어방식으로 구성되는 제어유닛(40)은 터널(10)의 각 부분에 구비되는 배수유닛(30)에 각각 구비된다. 상기 제어유닛(40)은 상기 터널(10)의 각 부분에 구비되는 수압측정센서(20)에 의해 측정되는 수압이 기설정된 수압보다 높은 경우 상기 밸브부(35)를 자동으로 개방하고 기설정된 수압보다 낮은 경우 상기 밸브부(35)를 자동으로 차폐하도록 구성된다.
상기 제어유닛(40)이 기설정된 수압에 따라 터널(10) 각 부분에 설치된 배수유닛(30)을 자동으로 개폐시킴으로써 터널(10) 주변의 수압을 제어할 수 있다.
중앙제어방식으로 구성되는 제어유닛(40)은 별도의 관리시스템으로 구성되어 터널(10)의 외부에서 또는 원격으로 터널(10)의 수압상태 및 밸브 개방상태를 확인할 수 있도록 구성된다.
중앙제어방식으로 구성되는 제어유닛(40)은 터널(10) 각 지점에 구비되는 수압측정센서(20)의 위치 및 갯수에 따라 도 8에 도시된 바와 같은 수압제어단계를 작성한다. 즉, 상기 수압측정센서(20)의 위치에 따른 지하수 배출량을 고려하여 터 널(10)에 가해지는 이상적인 수압을 나타내는 수압제어단계를 작성한다.
그리고, 상기 제어유닛(40)은 상기 수압측정센서(20)에 의해 측정되는 수압을 수압단면 구성도에 의한 수압과 대비하여 상기 수압측정센서(20)에 의해 측정되는 수압이 수압단면 구성도에 의한 수압을 추종하도록 상기 배수유닛(30)의 개폐를 자동으로 제어한다.
즉, 각 지점에서의 수압이 수압단면 구성도에 의해 기설정된 수압을 초과하지 않도록 상기 제어유닛(40)이 배수유닛(30)의 개폐를 제어한다. 이와 같이 제어유닛(40)이 중앙제어방식으로 구성되면 수압측정센서(20)의 구비위치 및 갯수에 따른 이상적인 수압단면 구성도에 부합하도록 터널 주변의 수압을 자동으로 제어할 수 있다.
상기 제어유닛(40)은 정전과 같은 상황에서 수동으로 제어될 수도 있다. 상기 제어유닛(40)이 수동으로 제어되는 경우, 상기 측정수압 확인부(37) 및 제어유닛(40)에 의해 모니터링되는 수압을 확인하여 사용자가 밸브부(35)를 직접 개폐함으로써 수압을 제어할 수도 있다.
이하에서는 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 터널 작용수압 제어장치의 시공과정 및 작용을 상세하게 설명한다.
도 5a 내지 도 5d에는 터널 작용수압 제어장치의 시공과정이 도시되어 있다.
먼저, 터널(10)을 시공하기 위해 시공지를 굴착한 후, 굴착된 내부면에 차단막(15)을 시공한다. 그리고, 시공된 차단막(15)에 필터부(33)와 방수막(13)을 시공한 후, 콘크리트 라이닝(11)을 타설하기 위한 철근구조체(도시되지 않음)를 시공한 다.
철근구조체가 시공되면, 상기 배수관(31)을 시공된 철근구조체에 연결하여 고정시킨다. 이때, 상기 배수관(31)의 일단에는 캡(50)을 설치하여 배수관(31) 내부로 흙이나 기타 이물질이 인입되지 않도록 한다.
상기 배수관(31)이 고정되면, 라이닝폼(60)을 시공한 후, 시공된 라이닝 폼(60) 내부에 콘크리트 라이닝(11)을 시공한다. 상기 콘크리트 라이닝(11) 시공시 상기 회전방지판(32)에 의해 상기 배수관(31)의 회전이 방지된다.
상기 콘크리트 라이닝(11)의 시공이 완료되면, 상기 캡(50)을 제거하고 상기 배수관(31)의 일단에 제어유닛(40), 수압측정센서(20) 및 측정수압 확인부(37)를 포함하는 노즐부(39)를 연결한다.
상기와 같이 터널 작용수압 제어장치가 설치되면, 상기 제어유닛(40)은 상기 수압측정센서(20)에 의해 측정되는 수압이 기설정된 수압을 초과하지 않도록 상기 밸브부(35)를 제어한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 해저(하저)터널과 같은 경우 주변 지하수의 유입으로 수위가 상승하여 터널에 구조적인 손상을 발생시킬 수 있다. 즉, 배수형 터널의 경우 시간이 지남에 따라 배수시스템의 열화 등으로 인하여 잔류수압이 발생하고, 우기 시에는 지하수위의 상승으로 이상수압을 받는 상황이 발생하여 터널에 설계수압 이상으로 인해 수압이 지속적으로 작용하여 구조적인 손상이 발생한다.
따라서, 도 6과 같이 수위가 상승하는 경우, 상기 제어유닛(40)에 의해 지속적으로 수압을 실시간으로 모니터링하여 이상수위의 경우 터널 주변의 지하수를 배 출시킴으로써 지하수위를 이상적인 상태로 조절할 수 있다.
보다 상세하게 설명하면, 도 7에 도시된 바와 같이 Stage A에서와 같이 터널(10)에 설정이상의 수압(Point A)만큼 수압이 작동하면 상기 제어유닛(40)이 밸브부(35)를 개방하여 유량을 조절함으로써 수압을 낮춘다.
Stage B에서와 같이 터널에 작용하는 수압이 낮아져서 구조물에 부담을 주지 않는 수준의 평상시 수압(Point B)이 되면 상기 제어유닛(40)이 밸브부(35)를 차폐한다.
그리고, 상기 제어유닛(40)이 중앙제어식으로 구성되는 경우, 기작성된 수압 단면구성도에 의한 수압형태를 유지할 수 있도록 각 지점에 위치한 밸브부(35)의 개폐를 제어할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능함은 물론이고, 본 발명의 권리범위는 후술하는 특허청구범위에 기초하여 해석되어야 할 것이다.
위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 의한 터널 작용수압 제어장치에 의하면 다음과 같은 이점이 있다.
제어유닛에 의해 터널 각 지점의 수압을 자동으로 제어할 수 있으므로, 터널의 구조적인 안정성이 증대되고, 수압과다로 인한 터널의 하자 발생을 방지할 수 있으며, 터널 상부의 지하수위를 일정수준으로 유지하도록 함으로써 환경을 보호할 수 있는 이점이 있다.
그리고, 대수심 터널의 유입량을 줄이고 이에 대한 처리비용 절감으로 인해 경제적인 이점이 발생하며, 비원형 터널(마제형, 난형 터널) 건설이 가능하여 시공성 및 경제성이 향상되는 이점이 있다.
또한, 터널 시공 후 운영 유지를 고려한 새로운 설계 및 시공 기술 개발이 용이하며, 터널 수압을 모니터링하고 수압조절설비를 개발함으로써 산업활성에 기여하는 이점이 있다.
그리고, 지하공간설계 및 시공에 있어서 유지보수 운영 수준이 향상되고 차후 세부적인 연구사업 및 과제로의 적극적인 활용이 가능한 이점이 있다.
도 1은 종래기술에 의한 터널의 종류를 보인 개략 단면도.
도 2는 본 발명에 의한 터널 작용수압 제어장치의 바람직한 실시예를 보인 단면도.
도 3은 본 발명에 의한 터널 작용수압 제어장치의 일부분을 확대하여 보인 단면도.
도 4는 본 발명에 의한 터널 작용수압 제어장치에 의한 수압제어단계를 보인 구성도.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 의한 터널 작용수압 제어장치의 시공과정을 보인 시공과정도.
도 6은 본 발명에 의한 터널 작용수압 제어장치에 의해 수위가 변화되는 상태를 보인 개념도.
도 7은 본 발명에 의한 터널 작용수압 제어장치에 의해 제어되는 수압상태를 보인 그래프.
도 8은 본 발명에 의한 터널 작용수압 제어장치의 배수유닛의 위치에 따른 수압제어단계를 보인 구성도.
* 도면의 주요 부분에 대한 설명 *
20 : 수압측정센서 30 : 배수유닛
31 : 배수관 32 : 회전방지판
33 : 필터부 35 : 밸브부
37 : 측정수압 확인부 39 : 노즐부
40 : 제어유닛
Claims (7)
- 터널의 각 지점에 구비되고, 상기 터널에 가해지는 수압을 측정하는 하나 이상의 수압측정센서;상기 터널에 구비되고, 상기 터널 주변의 지하수를 배출시키는 하나 이상의 배수유닛; 및상기 수압측정센서에 의해 측정되는 수압이 기설정된 수압을 초과하지 않도록 상기 배수유닛을 제어하는 제어유닛을 포함하며,상기 배수유닛은상기 터널에 구비되고, 상기 터널 외부에서 가해지는 지하수를 이동시키기 위한 배수관;상기 배수관의 일단에 구비되고, 상기 배수관을 통해 이동하는 지하수를 배출하기 위한 노즐부;상기 배수관과 상기 노즐부 사이에 구비되고, 상기 배수관을 통해 이동하는 지하수를 선택적으로 통과시키는 밸브부;및상기 배수관에 구비되고, 상기 배수관의 회전을 방지하는 회전방지판을 포함하고,상기 배수관은 상기 수압측정센서를 포함하며,상기 제어유닛은상기 배수관에 구비되고, 상기 수압측정센서에 의해 측정되는 수압이 기설정된 수압보다 높은 경우 상기 밸브부를 개방하고, 기설정된 수압보다 낮은 경우 상기 밸브부를 차폐하는 터널 작용수압 제어장치.
- 삭제
- 삭제
- 제1항에 있어서,상기 제어유닛은상기 밸브부 및 상기 수압측정센서와 원격으로 연결되고, 상기 수압측정센서에 의해 측정되는 수압이 기작성된 수압단면 구성도에 의한 수압을 추종하도록 상기 밸브부를 제어하는터널 작용수압 제어장치.
- 제1항에 있어서,상기 배수유닛은상기 수압측정센서에 의해 측정되는 수압을 나타내는 측정수압 확인부를 포함하는터널 작용수압 제어장치.
- 제1항에 있어서,상기 배수관은상기 배수관의 일단에 구비되고, 상기 배수관 내부로 유입되는 이물질을 차단하는 필터부를 포함하는터널 작용수압 제어장치.
- 삭제
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