KR20170087786A

KR20170087786A - 터널 보강 방법

Info

Publication number: KR20170087786A
Application number: KR1020160007809A
Authority: KR
Inventors: 이평우; 이상원
Original assignee: 이평우; 이상원; 주식회사 성우사면
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2017-07-31

Abstract

터널 보강 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 터널 보강 방법은, 굴착 예정된 터널 굴착면 상부를 강관 보강재로 미리 보강한 후 계획된 깊이로 터널을 굴착하고, 굴착면에 강지보 설치 및 숏크리트를 타설하여 터널을 보강하는 터널 보강 방법에 있어서, 굴착 지반의 굴착단면으로부터 굴착 예정 지반 상부를 향하여 상향 경사지게 천공홀을 형성하는 천공 단계, 천공홀에 강관 보강재를 삽입하고 그라우팅하여 강관 보강재를 천공홀에 정착시키고 공벽을 보강하는 그라우팅 단계, 굴착단면에서부터 계획된 단계별 깊이로 굴착 예정 지반을 굴착한 후 굴착면에 강지보를 설치하는 강지보 설치 단계 및 강지보가 매립될 수 있는 두께로 숏크리트를 타설하여 굴착면을 보강하고 정리하는 숏크리트 타설 단계;를 포함하며, 천공 단계에서는 굴착단면으로부터 N번째 굴착 예정 지반의 강지보 자리 위쪽을 지나면서 굴착단면과 N번째 강지보 자리 사이에 적어도 하나 이상 존재하는 강지보 자리를 통과하도록 천공홀을 상향 천공하는 것을 요지로 한다.

Description

터널 보강 방법{Reinforcement method of Tunnel}

본 발명은 터널 보강 방법에 관한 것으로, 상세하게는 굴착 예정 지반의 상반부를 강관 그라우팅을 이용해 미리 보강하여 굴착 과정에서 지반 붕괴나 변위를 막을 수 있도록 한 터널 보강 방법에 관한 것이다.

터널 시공에 있어 굴착면 상반부 지반 보강을 위해 일반적으로 사용되는 공법이 강관형 보강재를 이용한 강관 그라우팅 공법이다. 이는 연약 지반에 터널을 굴착하는 경우 널리 채택되는 보강 공법으로, 아직 굴착 되지 않은 굴착 예정 지반 주변을 미리 강화하여 굴착 과정에서 지반 붕괴나 변위를 막는데 효과적인 공법이다.

강관 그라우팅을 이용한 터널 보강에 있어서는 일반적으로, 굴착면 상반부 주변을 터널 길이방향으로 천공하고, 천공에 의한 홀 내부에 강관 보강재를 설치하며, 강관 보장재를 통하여 강관 보강재 내부와 강관 보강재와 천공홀 벽면 사이, 그리고 천공홀 벽면 주변의 지반 내부를 가압 그라우팅함으로써 굴착면 상반부를 보강하게 된다.

천공은 드릴비트를 갖춘 전용 천공장비를 이용하며, 천공홀의 내부에 강관 보강재를 삽입한 뒤에는 천공홀 입구를 코킹주머니나 급결제를 이용하여 밀폐하는 코킹을 실시한다. 그런 다음 그라우트호스를 통하여 그라우트재를 가압식으로 주입함으로써 굴착 예정 지반 주위의 인장 강도를 증가시켜 전단 저항이 강화되도록 하는 것이다.

한편, 터널 굴착에 있어 일반적으로 이용되고 있는 NATM 공법(New Austrian Tunneling Method)은 굴착된 막장 자유면(굴착면)에 즉시 가설재로서 H빔 또는 앵글형 지보인 강지보를 설치한 후, 강지보를 포함하여 그 주변을 일정 두께로 숏크리트 타설함으로써 굴착 지반을 보강하고 굴착면에 대한 안정화를 도모하게 된다.

이러한 NATM 공법으로 터널 굴착 시 강관 그라우팅으로 터널 상반부를 보강함에 있어서는, 굴착면 상부 지반에 소정의 각도로 상향 설치된 강관 보강재의 일측 단부(터널 굴진 방향을 기준으로 했을 때 후단부)가 강지보 바로 위쪽에 위치함으로써 상기 강지보의 지지를 받는 구조이어야 보강효과가 극대화될 수가 있다.

터널 설계 단계에서 지반 상태나 지질을 고려하여 터널 굴착 주변부의 적절한 범위 내에서 강관 그라우팅의 범위를 결정하며, 이때 강관 그라우팅 시행 시 설치되는 강관의 규격, 길이, 간격, 및 각도(설치 각도가 크면 중첩 길이가 작아져 보강 효과가 저하됨) 등을 주요 설계 파라미터로 삼아 설계를 하게 된다.

그러나 굴착 예정 지반 상부 보강을 위해 강관 그라우팅을 수행함에 있어 제한된 공간에서 작업을 수행해야 하는 현장 여건상 천공 장비의 드리프터와 강지보 사이의 간섭과 강관 자체의 길이 등으로 인하여 설계 안에서 제시하는 강관 설치 각도(5˚ ~ 20˚)를 그대로 적용하기 곤란하다는 문제가 있다.

이를 준수하기 위해서는 계획된 깊이로 단계별로 굴착할 때마다 강관 보강재 설치 각도에 맞추어 도 1a 및 도 1b과 같이 변단면 형식으로 시공을 해야 하지만, 강관 보강재(120)의 설치 각도에 맞게 터널 굴착 단면 크기를 변화시키면서 터널 굴착을 진행해야 하기 때문에 공기가 길어지고 공사비가 상승되는 문제가 있다.

또한, 터널 굴착 방향으로 일정 간격마다 설치하게 되는 강지보(210)의 크기가 달라져야 하기 때문에 강지보 제작에 많은 경비가 소요되고, 단계적으로 굴착 완료 후 제일 마지막에 굴착된 굴곡진 굴착 단면을 숏크리트층(300)으로 채워야 하므로 불필요하게 소모되는 재료의 소모가 크다는 단점이 있다.

이에 공사비 절감 및 공정 단순화 차원에서 일반적으로 변단면 형태의 굴착 및 보강을 시행하지 않고, 굴착 지반을 계획된 깊이로 한번에 굴착한 후 굴착된 막장면에 강지보를 설치하고 강관 그라우팅을 실시하되, 강지보 간격에 맞춰 강관의 설치 각도를 제한하는 설계를 채택하고 있는 실정이다.

도 1a 및 도 1b에서 미설명 부호 100은 굴착 터널이며, 102와 130은 천공홀과 천공홀 입구 밀폐를 위한 코킹 수단을 가리킨다.

한국특허등록 제10-1234814호 (등록일 2013. 2. 13)

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 굴착 예정 지반에 도달하기 전에 강관 보강재 설치를 위한 천공 지점을 앞당겨 중간 위치의 막장면(굴착단면)에서 천공하고 강관 그라우팅을 먼저 수행한 후 굴착 예정 지반까지 단계별 굴착을 실시함으로써, 설계 안에서 제시하는 강관 설치 각도(5˚ ~ 20˚)로 터널 굴착면 상부 보강용 강관 그라우팅이 가능한 터널 보강 방법을 제공하고자 하는 것이다.

과제 해결을 위한 수단으로서 본 발명의 실시 예에 의하면,

굴착 예정된 터널 굴착면 상부를 강관 보강재로 미리 보강한 후 계획된 깊이로 터널을 굴착하고, 굴착면에 강지보 설치 및 숏크리트를 타설하여 터널을 보강하는 터널 보강 방법에 있어서,

굴착 지반의 굴착단면으로부터 굴착 예정 지반 상부를 향하여 상향 경사지게 천공홀을 형성하는 천공 단계;

천공홀에 강관 보강재를 삽입하고 그라우팅하여 강관 보강재를 천공홀에 정착시키고 공벽을 보강하는 그라우팅 단계;

상기 굴착단면에서부터 계획된 단계별 깊이로 굴착 예정 지반을 굴착하는 단계;

굴착면에 강지보를 설치하는 강지보 설치 단계; 및

상기 강지보가 매립될 수 있는 두께로 숏크리트를 타설하여 굴착면을 보강하고 정리하는 숏크리트 타설 단계;를 포함하며,

상기 천공 단계에서는 굴착단면으로부터 N번째 굴착 예정 지반의 강지보 자리 위쪽을 지나면서 굴착단면과 N번째 강지보 자리 사이에 적어도 하나 이상 존재하는 강지보 자리를 통과하도록 천공홀을 상향 천공하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법을 제공한다.

여기서, 굴착 지반 상부에 이미 설치된 선행 강관 보강재와 굴착 예정 지반의 N번째 강지보 자리를 위쪽을 지나는 천공홀에 설치되어 N번째 강지보 지지를 받는 후행 강관 보강재의 일부가 중첩되도록 하되, 중첩 시작점에 상기 N번째 강지보 자리가 위치하도록 하는 것이 바람직하다.

또한, 굴착 예정 지반 상부에 천공홀을 형성함에 있어서는 천공과 동시에 천공홀에 강관 보강재를 밀어 넣는 직천공방식으로 상기 천공홀에 강관 보강재를 삽입할 수 있다.

또한, 상기 강관 보강재를 직선상으로 연결되는 주 보강재와 보조 보강재로 구성하고, 상기 보조 보강재를 주 보강재와 함께 천공홀에 삽입하고 주 보강재가 정해진 위치까지 삽입되면 주 보강재로부터 분리하여 제거하며, 천공홀의 정해진 위치에 삽입된 상기 주 보강재만 그라우팅으로 고정함이 바람직하다.

이때 상기 주 보강재의 일측 단부가 N번째 강지보 자리 위쪽의 천공홀에 위치하도록 하는 것이 바람직하다.

바람직하게는, 상기 주 보강재와 보조 보강재를 두 보강재의 마주하는 측 단부를 동시에 에워싸 연결하는 홀 유지관으로 연결하거나, 마주하는 측 단부가 서로 나사결합형태로 연결되도록 하거나, 주 보강재와 보조 보강재를 하나의 몸체로 형성하되 두 보강재 사이 경계부에 둘레 방향으로 노치를 형성하여 보조 보강재가 주 보강재로부터 쉽게 탈락될 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

다른 예로서, 상기 노치를 보조 보강재 길이 방향으로 하나 이상 형성하여 터널 굴착 시 조금씩 노출되는 보조 보강재를 순차적으로 절단할 수 있도록 구성할 수도 있다.

여기서, 상기 주 보강재는 내부에 채워진 그라우트재가 외부로 배출되도록 다수의 주입공을 구비하되, 휨 강성이 저하되지 않도록 상기 주입공을 주 보강재 둘레에 나선형으로 형성되도록 함이 바람직하다.

또한, 상기 그라우팅 단계에서는 길이를 달리하는 복수 개의 그라우트호스와 공기 배출용 에어밴트호스를 이용하는 동시 가압 그라우팅방식으로 그라우팅이 행해질 수 있다.

이때 동시 가압 그라우팅은, 복수 개의 그라우트호스와 에어밴트호스를 강관 보강재 선단에서부터 천공홀 밖으로 연장시키되, 천공홀 밖으로 연장된 그라우트호스는 그라우트 펌프에 연결하고 에어밴트호스의 에어밴트밸브를 개방시킨 상태로 설치하는 호스 설치 단계; 상기 천공홀의 입구를 밀폐하는 천공홀 밀폐 단계; 상기 그라우트 펌프에 연결된 그라우트호스를 통하여 강관 보강재 내부 및 강관 보강재와 천공홀 공벽 사이에 그라우트재를 채우는 그라우트재 채움 단계; 및 상기 에어밴트호스를 통해 그라우트재가 분출되면 에어밴트호스의 상기 에어밴트밸브를 닫아 그라우트재가 천공홀을 지나 지반 속까지 균일한 압력으로 채워질 수 있도록 그라우팅하는 가압 그라우팅 단계;를 포함할 수 있다.

다른 예로서, 상기 그라우팅 단계에서는 수축/팽창 가능한 패커가 달린 그라우트호스를 천공홀 선단에서부터 단계적으로 천공홀 입구 측으로 이동시키는 다단 가압 그라우팅 방식으로 그라우팅을 실시할 수도 있다.

또한, 계획된 단계별 깊이로 굴착 예정 지반을 굴착한 후 강관 보강재가 설치되지 않는 굴착면 측부, 하부에 굴착면의 법선 방향으로 락볼트, 타이볼트, 강관 중 선택된 하나의 지보재를 이용하여 추가적으로 굴착면을 보강하는 지보재 설치 단계;를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 의한 터널 보강 방법에 따르면, 굴착 예정 지반에 도달하기 전에 강관 보강재 설치를 위한 천공 지점을 앞당겨 중간 위치의 막장면(굴착단면)에서 천공하고 강관 그라우팅을 먼저 수행한 후 굴착 예정 지반까지 단계별 굴착을 실시함으로써, 설계 안에서 제시하는 강관 설치 각도(5˚ ~ 20˚)로 터널 굴착면 상부 보강용 강관 그라우팅이 가능하다.

또한, 강관 보강재를 주 보강재와 밀대 역할을 하는 보조 보강재으로 분리 구성하여, 주 보강재를 계획된 위치까지 삽입시킨 후 밀대 역할을 하는 상기 보조 보강재를 분리 제거할 수 있게 함으로써, 강관 보강재 시공 후 굴착 예정 지반을 굴착하는 과정에서 노출되는 강관 보강재를 절단하기 위한 부가적인 작업이 요구되지 않는다.

도 1a 및 도 1b는 변단면 방식의 종래 기술에 따른 강관 그라우팅 공법을 도시한 시공 상태도 및 요부 확대도.
도 2는 본 발명에 따른 터널 보강 방법의 블록도.
도 3 내지 도 14은 본 발명에 따른 터널 보강 방법의 단계별 시공 상세도.
도 15는 본 발명에 따른 터널 보강 방법에 적용되는 강관 보강재의 다양한 실시 예를 도시한 도면.
도 16은 본 발명에 따른 터널 보강 방법에 적용되는 강관 보강재의 다른 실시 예를 도시한 도면.
도 17은 본 발명에 따른 터널 보강 방법에 적용되는 강관 보강재의 또 다른 실시 예를 도시한 도면.
도 18은 본 발명에 따른 터널 보강 방법에 적용되는 강관 보강재의 또 다른 실시 예를 도시한 도면.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 그리고 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하기로 한다.

본 발명은 굴착 예정된 터널 굴착면 상부를 강관 보강재를 이용한 강관 그라우팅으로 미리 보강한 뒤 계획된 깊이로 터널을 굴착하고, 굴착면에 강지보 설치 및 숏크리트를 타설하여 터널을 보강하되, 굴착 예정 지반을 강관 그라우팅으로 미리 보강함에 있어 설계 안에서 제시하는 강관 설치 각도(5˚ ~ 20˚, θ)를 만족시킬 수 있는 새로운 방법을 제안한다.

구체적으로, 굴착 예정 지반에 도달하기 전에 강관 보강재 설치를 위한 천공 지점을 앞당겨 중간 위치의 막장면(굴착단면)에서 천공하고 강관 그라우팅을 먼저 수행한 후 굴착 예정 지반까지 단계별 굴착을 실시함으로써, 설계 안에서 제시하는 강관 설치 각도(5˚ ~ 20˚)로 강관 그라우팅을 수행하여 터널 굴착면 상부를 보강할 수 있는 보강 방법을 제안한다.

도 2는 본 발명에 따른 터널 보강 방법의 블록도이다. 이를 참조하여 본 발명이 제안하는 터널 보강 방법에 대해 먼저 개략적으로 살펴보기로 한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 터널 보강 방법은 크게, 천공 단계(S10), 그라우팅 단계(S20), 굴착 단계(S30), 강지보 설치 단계(S40), 숏크리트 타설 단계(S50)로 이루어지며, 강지보 설치를 전후로 굴착면을 지보재(45)를 이용하여 보강하는 지보재 설치 단계(S45)를 포함한다.

천공 단계(S10)는 이미 굴착이 행해진 굴착 지반의 굴착단면으로부터 굴착 예정 지반 상부를 향하여 상향 경사지게 천공홀(H)을 형성하는 단계이다. 천공 단계(S10)에서는 점보 드릴이나 크롤러 드릴과 같은 천공장비가 이용되고, 이때 천공과 함께 강관 보강재(20)를 밀어 넣은 공지의 직천공 방식을 이용하면 천공 후 별도로 강관 보강재(20)를 삽입하는 과정이 생략될 수 있다.

천공홀(H)을 천공함에 있어 굴착단면으로부터 N번째 굴착 예정 지반의 강지보 자리(N) 위쪽을 지나면서 굴착단면과 N번째 강지보 자리 사이에 적어도 하나 이상 존재하는 강지보 자리(N-1)를 통과하도록 천공홀(H)을 상향 천공하면, 설계 안에서 제시하는 강관 설치 각도(5˚ ~ 20˚, θ)를 만족하는 강관 보강재(20) 시공이 이루어질 수 있다(후술하는 도면 3 참조).

예를 들어, 앞 뒤 강관 보강재(20)의 중첩거리와 강지보 간격(지반 상태에 따라 달라지므로 특정되지 않음)을 고려했을 때 최종 굴착단면(A)에서부터 아직 굴착되지 않은 두 번째 굴착 예정 지반(B2)의 강지보 자리(N) 위에 후행 강관 보강재(20-2) 선단이 위치하도록 시공해야 하는 경우, 최종 굴착단면(A)에서 굴착 예정 지반의 첫 번째 강지보 자리(N-1)와 두 번째 강지보 자리(N) 윗부분을 지나는 가상의 직선과 천공홀(H) 축심이 일치하도록 천공하는 것이다.

이처럼 최종 굴착단면에서 굴착 예정 지반의 첫 번째 강지보 자리(N-1)와 두 번째 강지보 자리(N) 윗부분을 지나는 가상의 직선과 천공홀(H) 축심이 일치하도록 천공하면, 후행 강관 보강재(20-2)가 두 번에 걸친 단계별 굴착 이후 두 번째 강지보 자리의 강지보에 지지되는 구조를 만족하면서 설계 안에서 제안하는 강관 설치 각도(5˚ ~ 20˚)로 설치될 수 있다.

강지보(40)의 설치 간격은 지반상태에 따라 터널 설계 과정에서 단계별 굴착이 수행될 굴착 구간을 몇 개로 분할하느냐에 따라 달라질 수 있으며, 터널 굴착 방향에 대해 앞 뒤로 위치하는 강관 보강재(20-1, 20-2) 사이의 간격은 두 보강재 간 최소한의 중첩거리를 고려해야 하기 때문에 이들 사이에 설치되는 강지보(40) 개수가 달라질 수 있다.

이로 인해 상대적으로 뒤에 위치하는 후행 강관 보강재(20-2)의 선단부를 지지하는 강지보 자리(N)는 굴착단면(막장면, A)에서부터 특정 번째 굴착 예정 지반으로 한정되는 것은 아니지만, 강관 보강재(20)의 각도가 설계에서 제안하는 각도(5˚ ~ 20˚) 범위를 만족하게 하려면, 굴착단면(A)과 N번째 강지보 자리(N) 사이에 다른 강지보 자리(N-1)가 적어도 하나는 존재해야 한다.

즉 후행 강관 보강재(20-2) 선단부가 지지될 상기 강지보 자리(N)와 굴착단면 사이에 강지보가 자리가 적어도 하나는 존재해야 하며, 이를 위해 기 굴착된 굴착단면에서부터 최소 두 번째 이후 굴착 예정 지반에 후행 강관 보강재(20-2)의 선단부를 강지보가 떠받치는 구조를 구현할 수 있게 강지보 자리를 마련하는 것이다.

천공이 끝나면 천공홀(H)에 강관 보강재(20)를 삽입하고 그라우팅하여 강관 보강재(20)를 천공홀(H)에 정착시키고 공벽을 보강하는 그라우팅이 실시된다(그라우팅 단계(S20), 도 6 내지 도 11).

물론 그라우팅 전 강관 보강재(20) 삽입은 앞서도 언급했듯이 천공과 강관 보강재(20) 삽입이 동시에 진행되는 공지의 직천공 방식으로 진행될 수 있어 별도로 강관 보강재(20) 삽입과정이 생략될 수 있다.

천공홀(H)에 삽입되는 강관 보강재(20)는 분리 가능한 주 보강재(22)와 보조 보강재(24)를 직선상으로 연결시킨 구성일 수 있으며, 이 경우 보조 보강재(24)를 주 보강재(22)와 함께 천공홀(H)에 삽입하여 주 보강재(22)가 정해진 위치까지 삽입되고 나면 주 보강재(22)로부터 분리하여 제거하고, 천공홀(H)의 정해진 위치에 삽입된 상기 주 보강재(22)만 그라우팅으로 고정시킬 수 있다.

보조 보강재(24)를 주 보강재(22)와 함께 천공홀(H)에 삽입되도록 하고 주 보강재(22)가 정해진 위치까지 삽입된 뒤 주 보강재(22)로부터 분리되어 천공홀(H)에서 제거될 수 있도록 구성하면, 이후 굴착 예정 지반을 굴착하는 과정에서 조금씩 노출되는 강관 보강재(20)를 단계적으로 절단해야 하는 번거로움을 해소할 수 있어 공기 단축 및 공사비 절감에 효과가 있다.

그라우팅 단계(S20)에서는, 길이를 달리하는 복수 개의 그라우트호스(26)와 강관 내부 공간을 분할 구획하는 간격재(27), 공기 배출용 에어밴트호스(28) 등을 이용한 동시 가압 그라우팅 또는 수축/팽창 가능한 패커가 달린 그라우트호스(26)를 천공홀(H) 제일 깊은 곳에서부터 단계적으로 천공홀(H) 입구 측으로 이동시키면서 그라우팅 하는 공지의 다단 가압 그라우팅 방식이 채택될 수 있다.

굴착 단계(S30)는 가압 그라우팅을 통한 굴착 예정 상부 지반 보강 완료 후 굴착단면(A)에서부터 계획된 단계별 깊이로 굴착 예정 지반을 굴착하는 단계이다(도 12 참조). 단계별 굴착 깊이는 지반 상태에 기반하고 상부 지반 하중을 감안한 설계를 통해 도출되며, 굴착은 지반상태에 따라 화약 굴착 또는 굴착전문장비를 이용한 굴착 등 공지의 모든 굴착방법이 사용될 수 있다.

강지보 설치 단계(S40)는 굴착을 통해 계획된 깊이와 모양으로 굴착이 완료된 후 굴착면에 강지보(40)를 설치하여 굴착면의 변형을 막고 구조 강성을 보강하는 단계이며, 이어지는 숏크리트 타설 단계(S50)는 강지보(40)가 매립될 수 있는 두께로 숏크리트(50)를 타설하여 원지반의 이완이 최소화되도록 굴착면을 보강하고 정리하는 단계이다.

강지보 설치 단계(S40) 전후로 강관 보강재(20)가 설치되지 않는 굴착면 측부, 하부에 굴착면의 법선 방향으로 지보재(45), 예를 들어 락볼트, 타이볼트, 네일, 앙카, 강관, 그라우팅 등을 이용하여 굴착면을 보강하고 안정화하는 지보재 설치 단계(S45)를 포함할 수도 있다.

이때, 지보재(45)는 터널 상부의 지반 하중을 견디기 위한 것으로 연약지반인 경우 필수적으로 설치되어야 한다.

이하 본 발명에 따른 터널 보강 방법을 도 3 내지 도 14의 단계별 시공 상세도를 참조하여 보다 구체적으로 살펴보기로 한다. 도 3의 예시와 같이 후행 강관 보강재(20-2)의 선단부를 지지하는 강지보 자리(N)가 기 굴착된 굴착단면(A)(막장면, A)에서부터 두 번째 굴착 예정 지반에 위치하는 경우를 예로 들어 본 발명에 따른 보강 방법을 설명한다.

천공 단계(S10)에서는 이미 굴착이 행해진 굴착 지반의 굴착단면(A)으로부터 굴착 예정 지반 상부를 향하여 상향 경사지게 천공홀(H)을 형성한다. 천공은 드릴 비트(112)를 선단에 구비한 드릴링 로드(114)를 갖춘 점보 드릴이나 크롤러 드릴과 같은 천공장비(110)를 이용하며, 천공과 함께 강관 보강재(20)를 밀어 넣은 직천공 방식을 이용하면 별도 강관 보강재(20) 삽입과정이 생략될 수 있다.

천공홀(H)을 형성에 있어서는 도 4와 같이, 천공홀(H)이 굴착단면(A)으로부터 두 번째 굴착 예정 지반(B2)의 강지보 자리(N) 위쪽을 지나면서 굴착단면(A)과 두 번째 강지보 자리(N) 사이의 첫 번째 굴착 예정 지반(B1) 강지보 자리(N-1)를 지나도록 천공홀(H)을 상향 천공한다. 굴착 깊이에 약간의 차이는 있으나 이렇게 하면 천공 각도가 설계 안이 제안하는 각도 범위(5˚ ~ 20˚)에 있게 된다.

천공이 끝나면 도 5와 같이 천공홀(H)에 강관 보강재(20)를 삽입한다. 천공홀(H)에 삽입되는 강관 보강재(20)는 일체형으로 구성될 수 있으나, 일체형으로 구성하면 추후 굴착 단계(S30)에서 굴착 예정 지반 천정부로부터 노출되는 부분을 단계적으로 절단해야 하는 번거로움이 수반될 수 있다. 따라서 도 5의 예시와 같이 추후 분리 가능하도록 보조 보강재(24)와 주 보강재(22)를 직선상으로 연결시킨 구성이 바람직하다.

이 경우 보조 보강재(24)는 주 보강재(22)와 함께 천공홀(H)에 삽입된 뒤 주 보강재(22)로부터 분리하여 천공홀(H)로부터 이탈 제거하며, 이때 보조 보강재(24)는 일부가 천공홀(H) 밖으로 노출될 수 있을 정도의 길이로 형성함으로써 이후 가압 그라우팅 단계(S20)에서 그라우트호스(26)와 에어밴트호스(28)가 주 보강재(22) 안쪽으로 쉽게 진입할 수 있도록 한다.

주 보강재(22)는 후술하는 가압 그라우팅 단계(S20)에서 그라우트호스(26)를 통해 공급되어 내부에 채워지는 그라우트재가 외부, 즉 주 보강재(22)와 천공홀(H) 벽면 사이로 원활히 배출되도록 길이 방향으로 다수의 주입공을 구비하되, 주입공에 의해 주 보강재(22)의 휨 강성이 저하되지 않도록 주입공은 상기 주 보강재(22) 둘레에 나선형으로 형성한다.

주 보강재(22)와 보조 보강재(24)의 연결은 도 15의 다양한 예시와 같이, 두 보강재의 이음단를 단순히 테이핑으로 연결하거나(a), 마주하는 측 단부에 체결 가능하게 나사산을 형성하여 서로 나사결합형태로 연결하는 방식(b, c)이 고려될 수 있다. 또한 도 16과 같이 이음부 안쪽에 끼움재를 넣어 연결시키는 방식 등 다양한 방법이 고려될 수 있다.

또한, 도 17에 예시한 바와 같이, 주 보강재(22)와 보조 보강재(24)를 일체형으로 형성하되, 주 보강재(22)와 보조 보강재(24)의 경계부에 둘레 방향으로 연속되는 노치(200)를 형성함으로써, 굴착 과정에서 노출되는 보조 보강재(24)에 충격을 가했을 때 노치(200) 부분이 파단되어 보조 보강재(24)가 주 보강재(22)로부터 쉽게 분리되어 제거될 수 있도록 구성할 수도 있다.

이때, 노치를 b의 예시와 같이 보조 보강재(24) 길이 방향으로 하나 이상 형성하여 굴착 예정 지반을 계획된 깊이에 맞춰 단계적으로 굴착 시 조금씩 노출되는 보조 보강재(24)를 순차적으로 절단하여 제거할 수 있도록 구성할 수도 있다.

도 18의 예시와 같이, 두 보강재의 마주하는 측 단부를 동시에 에워싸도록 연결하는 홀 유지관(210)을 이용하는 방식이 고려될 수도 있다. 이 경우 주 보강재(22) 삽입 후 홀 유지관(210)으로부터 밀대 역할을 하는 보조 보강재(24)가 분리되어 천공홀(H) 밖으로 제거될 수 있으며, 홀 유지관(210)은 주 보강재(22)와 함께 천공홀(H)에 그라우팅으로 정착될 수 있다.

이때, 밀대 역할을 하는 보조 보강재(24)는 홀 유지관(210)보다 길어야 하고 주 보강재를 두 번째 강지보 위치까지 밀어 넣을 수 있을 정도로 강성이 큰 재질이어야 하며, 홀 유지관(210)은 천공홀(H)의 입구가 무너져도 홀유지관 사이로 최소한의 공간이 확보되어 그라우팅을 실시할 수 있을 정도의 강성만 가진다면 재질 선정에 있어 특별한 제한은 없다.

그리고 주 보강재(22)는 터널 굴착면 상부의 지반 하중을 강지보(40)와 함께 지탱하여야 하기 때문에 강성이 강한 재질의 강관이 바람직하지만, 강관뿐만 아니라 토목섬유, 강봉, 네일, H형강, FRP 등으로 대체되거나 이들과 병행하여 사용될 수 있다.

물론 도면에 예시된 연결구조에 국한되는 것은 아니며, 정해진 위치까지 주 보강재(22) 삽입 후 주 보강재(22)로부터 보조 보강재(24)가 분리되어 제거될 수 있는 구조이기만 하면 무방하다. 따라서 공지된 모든 형태의 연결구조나 방법뿐 아니라, 그로부터 당업자가 용이하게 착안할 수 있는 모든 연결구조나 방법을 포함할 수 있음을 밝혀 둔다.

이처럼 보조 보강재(24)가 주 보강재(22)와 함께 천공홀(H)에 삽입되고, 주 보강재(22)가 정해진 위치까지 삽입된 뒤 주 보강재(22)로부터 분리되어 천공홀(H)에서 제거된다면, 이후 굴착 예정 지반을 굴착하는 과정에서 조금씩 노출되는 강관 보강재(20)를 단계적으로 절단해야 하는 번거로움을 해소할 수 있어 공기 단축 및 공사비 절감에 있어 유리하다.

천공홀(H)에 강관 보강재(20)를 삽입한 다음에는, 그라우팅을 위한 준비단계로서 도 6과 같이 그라우트호스(26)와 에어밴트호스(28)를 강관 보강재(20) 내에 설치한다. 그라우트호스(26)는 길이가 다른 복수의 그라우트호스(26)로 구비될 수 있으며, 각 그라우트호스(26)의 주입단이 다른 영역에 위치하도록 간격재(27)를 이용하여 강관 내부 공간을 분할할 수도 있다.

물론, 수축/팽창 가능한 패커가 달린 그라우트호스를 천공홀의 끝에서부터 단계적으로 천공홀 입구 측으로 이동시키면서 그라우팅을 수행하는 공지의 다단 가압 그라우팅 방식으로 그라우팅을 수행하는 경우에는, 말단 측 주입구 둘레에 패커가 달린 그라우트호스를 천공홀의 끝 부분에 위치시키는 것만으로 그라우팅을 위한 준비가 완료될 수 있다(도시 생략).

그라우팅을 위한 그라우트호스(26)와 에어밴트호스(28)를 설치한 다음에는, 도 7과 같이 보조 보강재(24)를 주 보강재(22)로부터 분리시켜 제거하고, 도 8과 같이 그라우트호스(26) 및 에어밴트호스(28)와 천공홀(H) 입구 공벽 사이를 적절한 수단을 이용하여 밀폐한다.

천공홀(H) 입구의 밀폐는 급결제(29)나 발포제를 이용하는 방법, 외부 압력에 의해 팽창하여 둘레면이 천공홀(H) 입구 공벽에 밀착됨으로써 천공홀(H) 입구를 차단하는 코킹주머니(도시 생략)를 이용하는 방법, 그라우트호스와 에어밴트호스가 중간에 꺾이지 않고 주 보강재 측으로 연장되도록 안내하는 복수의 관통홀이 형성된 관형 어댑터를 상기 코킹주머니와 함께 이용하는 방법 등이 고려될 수 있다.

관형 어댑터와 코킹주머니를 함께 사용하는 방법으로 천공홀(H)을 밀폐할 경우, 주 보강재(22) 선단과 천공홀(H)에서 마주하게 될 관형 어댑터 일측 단부에 코킹주머니를 설치하면, 관형 어댑터 장착 시 주 보강재(22)의 근접 위치에 코킹주머니를 위치시킬 수 있어, 추후 굴착을 통해 제거되는 부분(천공홀 입구와 코킹주머니 사이의 천공홀)에까지 불필요하게 그라우트재가 채워지는 것을 방지할 수 있다.

천공홀(H) 밖으로 연장된 그라우트호스(26)는 천공홀(H) 밖에 마련되는 그라우트 펌프(P)에 연결하며, 천공홀(H) 밖의 에어밴트호스(28)에 마련되는 에어밴트밸브(280)를 개방시킨 상태로 준비한다(도 9). 그리고 나서 그라우트 펌프(P)에 연결된 그라우트호스(26)를 통하여 강관 보강재(20) 내부 및 강관 보강재(20)와 천공홀(H) 공벽 사이에 그라우트재를 채운다(도 10).

주 보강재(22) 내부 및 천공홀(H)에 그라우트재(290)가 채워지면서 그 공간에 존재하던 공기는 에어밴트호스(28)를 통해 천공홀(H) 밖으로 배출되며, 천공홀(H)이 그라우트재로 채워지고 나면 에어밴트호스(28)를 통해 그라우트재가 분출된다. 그라우트재가 분출되면 에어밴트밸브(도 9참조)를 닫고 그라우트재(290)가 천공홀(H)을 지나 지반 속까지 균일한 압력으로 채워질 수 있도록 가압 그라우팅을 실시한다.

천공홀(H)과 주 보강재(22) 속은 밀폐되어 있기 때문에 만약 에어밴트호스(28) 없이 그라우트재(290)를 채우면, 그라우트재(290)가 채워지지 않는 동공부가 천공홀(H) 곳곳에 형성되어 그라우트의 품질 저하가 발생할 수 있으며, 결국 그라우팅을 통해 지반 보강을 하더라도 그 보강부가 지반 하중을 견뎌낼 수 있을 정도의 충분한 강성을 가지지 못하게 된다. 때문에 에어밴트호스(28)를 반드시 사용한다.

그라우팅 후에는, 그라우트호스를 폐합하고 펌프와 분리한 후 그라우트재가 충분히 양생되도록 한다(도 11). 그라우트재가 충분히 양생되면 굴착단면(A)에서부터 계획된 깊이로 첫 번째 굴착 예정 지반(B1)을 굴착하고 강지보(40-1)를 설치하며 숏크리트(50)를 타설한다(도 12). 그리고 연이어 두 번째 굴착 예정 지반(B2)을 굴착하고 마찬가지로 강지보(40-2) 설치와 숏크리트(50) 타설을 실시한다(도 13).

굴착 예정 지반(B1, B2)에 대한 굴착에 있어서는 굴착 예정 지반 천정부로 노출되는 그라우트호스 및 에어밴트호스를 제거하면서 굴착을 실시한다. 이때 굴착 과정에서 단계적으로 노출되는 그라우트호스와 에어밴트호스가 용이하게 제거될 수 있도록, 굴착 구간 천공홀에 위치하게 되는 그라우트호스 및 에어밴트호스에 노치를 형성하거나 호스를 소정의 크기로 절단하고 연결부재로 연결하는 구성이 고려될 수 있다.

보조 보강재와 주 보강재가 일체로 구성된 강관 보강재를 사용하는 경우(도 17의 경우) 역시 굴착 예정 지반을 굴착하는 과정에서 보조 보강재도 함께 노출되므로 그라우트호스 및 에어밴트호스와 함께 제거해야 하며, 보조 보강재 분리형 강관 보강재(도 15 및 도 16)를 사용하는 경우에는 그라우팅 전에 보조 보강재가 제거되기 때문에 굴착 과정에서 보조 보강재를 제거하는 작업이 불필요하다.

두 번째 굴착 예정 지반을 계획된 깊이로 굴착하면, 앞서 그라우팅 단계(S20)에서 천공홀(H)에 시공된 주 보강재(22) 선단 일부가 굴착면 내측으로 노출되며, 주 보강재(22) 선단 일부가 노출된 부분 하부에 상기 주 보강재(22) 선단을 떠받치는 구조로 강지보를 터널경 방향으로 설치하는 것이며, 이후 굴착면을 숏크리트(50)로 마무리하여 지반이 이완되는 것을 방지하고 굴착면을 보강하는 것이다.

강지보 설치를 전후하여 도 14와 같이, 강관 보강재(20)가 설치되지 않는 굴착면 측부, 하부에 굴착면의 대략 법선 방향으로 지보재(45), 예를 들어 락볼트, 타이볼트, 네일, 앙카, 강관 등을 이용하여 굴착면을 보강하고 안정화하는 지보재 설치 단계(S45)를 포함할 수도 있다. 이때 지보재(45)는 터널 상부의 지반 하중을 견디기 위한 것으로 연약지반인 경우 필수적으로 설치되어야 한다.

이상의 본 발명의 실시 예에 따르면, 굴착 예정 지반에 도달하기 전에 강관 보강재 설치를 위한 천공 지점을 앞당겨 중간 위치의 막장면(굴착단면)에서 천공하고 강관 그라우팅을 먼저 수행한 후 굴착 예정 지반까지 단계별 굴착을 실시함으로써, 설계 안에서 제시하는 강관 설치 각도(5˚ ~ 20˚)로 터널 굴착면 상부 보강용 강관 그라우팅이 가능하다.

이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

A: 굴착단면 B1, B2: 굴착 예정 지반
H: 천공홀 20: 강관 보강재
22: 주 보강재 24: 보조 보강재
26: 그라우트호스 27: 간격재
28: 에어밴트호스 29: 급결제
40: 강지보 45: 지보재
50: 숏크리트

Claims

굴착 예정된 터널 굴착면 상부를 강관 보강재(20)로 미리 보강한 후 계획된 깊이로 터널을 굴착하고, 굴착면에 강지보(40) 설치 및 숏크리트(50)를 타설하여 터널을 보강하는 터널 보강 방법에 있어서,
굴착 지반의 굴착단면(A)으로부터 굴착 예정 지반 상부를 향하여 상향 경사지게 천공홀(H)을 형성하는 천공 단계(S10);
천공홀(H)에 강관 보강재(20)를 삽입하고 그라우팅하여 강관 보강재(20)를 천공홀(H)에 정착시키고 공벽을 보강하는 그라우팅 단계(S20);
상기 굴착단면(A)에서부터 계획된 단계별 깊이로 굴착 예정 지반을 굴착하는 굴착 단계(S30);
굴착면에 강지보(40)를 설치하는 강지보 설치 단계(S40); 및
상기 강지보(40)가 매립될 수 있는 두께로 숏크리트(50)를 타설하여 굴착면을 보강하고 정리하는 숏크리트 타설 단계(S50);를 포함하며,
상기 천공 단계(S10)에서는 굴착단면(A)으로부터 N번째 굴착 예정 지반의 강지보 자리(N) 위쪽을 지나면서 굴착단면(A)과 N번째 강지보 자리 사이에 적어도 하나 이상 존재하는 강지보 자리(N-1)를 통과하도록 천공홀(H)을 상향 천공하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
제 1 항에 있어서,
굴착 지반 상부에 설치된 선행 강관 보강재(20-1)와 굴착 예정 지반의 N번째 강지보 자리(N)를 위쪽을 지나는 천공홀(H)에 설치되어 N번째 강지보 지지를 받는 후행 강관 보강재(20-2)의 일부가 중첩되도록 하되, 중첩 시작점에 상기 N번째 강지보 자리(N)가 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
제 1 항에 있어서,
천공과 동시에 천공홀(H)에 강관 보강재(20)를 밀어 넣는 직천공방식으로 상기 천공홀(H)에 강관 보강재(20)를 삽입하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 강관 보강재(20)를 직선상으로 연결되는 주 보강재(22)와 보조 보강재(24)로 구성하고,
상기 보조 보강재(24)를 주 보강재(22)와 함께 천공홀(H)에 삽입하고 주 보강재(22)가 정해진 위치까지 삽입되면 주 보강재(22)로부터 분리하여 제거하며,
천공홀(H)의 정해진 위치에 삽입된 상기 주 보강재(22)만 그라우팅으로 고정하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 주 보강재(22)의 일측 단부가 N번째 강지보 자리(N) 위쪽의 천공홀(H)에 위치하도록 하는 것을 특징으로 터널 보강 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 주 보강재(22)와 보조 보강재(24)를 두 보강재의 마주하는 측 단부를 동시에 에워싸 연결하는 홀 유지관(210)으로 연결하거나, 마주하는 측 단부가 서로 나사결합형태로 연결되도록 하거나, 주 보강재(22)와 보조 보강재(24)를 하나의 몸체로 형성하되 두 보강재 사이 경계부에 둘레 방향으로 노치(200)를 형성하여 보조 보강재(24)를 주 보강재(22)로부터 쉽게 탈락시킬 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
제 6 항에 있어서,
상기 노치(200)를 보조 보강재(24) 길이 방향으로 하나 이상 형성하여 터널 굴착 시 조금씩 노출되는 보조 보강재(24)를 순차적으로 절단할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 주 보강재(22)는 내부에 채워진 그라우트재가 외부로 배출되도록 다수의 주입공을 구비하되, 휨 강성이 저하되지 않도록 상기 주입공을 주 보강재(22) 둘레에 나선형으로 형성시킨 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 그라우팅 단계(S20)에서는 길이를 달리하는 복수 개의 그라우트호스(26)와 공기 배출용 에어밴트호스(28)를 이용하여 동시 가압 그라우팅하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 동시 가압 그라우팅은,
복수 개의 그라우트호스(26)와 에어밴트호스(28)를 강관 보강재(20) 선단에서부터 천공홀(H) 밖으로 연장시키되, 천공홀(H) 밖으로 연장된 그라우트호스(26)는 그라우트 펌프(P)에 연결하고 에어밴트호스(28)의 에어밴트밸브(280)를 개방시킨 상태로 설치하는 호스 설치 단계;
상기 천공홀(H)의 입구를 밀폐하는 천공홀 밀폐 단계;
상기 그라우트 펌프(P)에 연결된 그라우트호스(26)를 통하여 강관 보강재(20) 내부 및 강관 보강재(20)와 천공홀(H) 공벽 사이에 그라우트재를 채우는 그라우트재 채움 단계; 및
상기 에어밴트호스(28)를 통해 그라우트재가 분출되면 에어밴트호스(28)의 상기 에어밴트밸브(280)를 닫아 그라우트재가 천공홀(H)을 지나 지반 속까지 균일한 압력으로 채워질 수 있도록 하는 가압 그라우팅 단계(S20);를 포함하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 그라우팅 단계(S20)에서는 수축/팽창 가능한 패커가 달린 그라우트호스를 천공홀(H) 선단에서부터 단계적으로 천공홀(H) 입구 측으로 이동시키는 다단 가압 그라우팅 방식으로 그라우팅을 실시하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.
제 1 항에 있어서,
계획된 단계별 깊이로 굴착 예정 지반을 굴착한 후 강관 보강재(20)가 설치되지 않는 굴착면 측부 및 하부에 굴착면의 법선 방향으로 락볼트, 타이볼트, 강관 중 선택된 하나의 지보재(45)를 이용하여 추가적으로 굴착면을 보강하는 지보재 설치 단계(S45);를 포함하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 방법.