지하철 구조물의 부력방지용 영구앙카 시공사례
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시공시 유의사항 및 검토내용
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토목관련 / 2006. 8. 8. 14:49
| ◎ No, 118 ◎ NAME: 최영준 ◎ CLASS: 토목학개론(R) ◎ 2001/5/19(토) 12:19 (MSIE5.0,Windows98) 211.193.103.22 800x600 | |
 TBM  1. TBM 굴착TBM (TUNNEL BORING MACHINE)의 굴착방식은 BUTTON CUTTER의 회전력을 이용한 절삭식과 DISK CUTTER의 회전력과 압축력에 의한 압쇄식 굴착방식으로 구분되며, 압축강도 300~800 kg/cm2 정도의 풍화암 및 연암일 경우 절삭식을, 1000 kg/cm2 이상일 경우에는 압쇄식을 적용 사용한다. 최근에는 압쇄식을 다양한 지질에 적용 사용할 수 있도록 개발하고 있다. 1-1.압쇄식의 원리 CUTTER HEAD 전면에 배열 장착된 각 CUTTER 들은 장착되는 위치에 따라 각각 다른 장착대(MOUNT) 및 CUTTER들이 사용되며 압축력을 가하면서 회전시키면 DISK CUTTER의 가장자리(EDGE)부분이 굴착단면에 수직력을 가해 그 힘이 암석의 강도를 초과할 때 암이 파쇄된다. CUTTER HEAD의 회전에 의해 정밀하게 배열장착된 DISK CUTTER가 외측으로부터 암을 압쇄, 순차적으로 암면에 자유면이 발생 굴진 능력을 배가 시켜주며, CUTTER 간격과 투과깊이에 따라 폭 60~80 mm, 두께 10~40 mm정도의 골재상태로 파쇄된다. 1-2. 주요 장치의 구조 및 기능 TBM은 기계본체와 기계본체를 작동하기 위한 각종 실내 설비시설을 적재하고 있는 후속 트레일러, 버럭 반출을 위한 후속설비로 구성되어 있으며 주요 부분의 명칭과 기능은 다음과 같다. 1-2-1. TBM 본체 1) CUTTER HEAD (그림 ①) 배열 장착된 각종 CUTTER의 압축력과 회전력에 의해 암석을 압쇄시켜 굴착하부에서 SCRAPER 및 BUCKET으로 버럭을 상부 또는 INNER KELLY내에 설치된 BELT CONVEYOR에 적재하여 후방으로 배출시키며 INNER KELLY의 전진 작동으로 전진한다 2) CUTTER HEAD JACKET (그림②) CUTTER HEAD 및 BUCKET을 둘러싸고 있으며, 터널 벽면으로부터 떨어지는 낙반을 방지하여 CUTTER HEAD 뒷면에서 지보재 설치작업을 용이하게 해주며, TBM CLAMPING 및 RESETTING시 본체 전방지지대 역할과 굴진중 CUTTER HEAD를 지지하여 본체의 진동을 감소시켜 준다. 3) INNER KELLY (그림③) 및 OUTER KELLY (그림④) INNER KELLY는 ADVANCE CYLINDER(그림⑤)의 유압작동으로 CUTTER HEAD를 전진시키며 CUTTER HEAD를 회전시키는 CUTTER HEAD DRIVE(그림⑥)가 있다. 전방의 주구동부는 유압으로 착탈되는 클러치에 의해 메인베어링과 직접 연결되며, 후반부는 본체굴진방향을 조정할 수 있는 REAR SUPPORT (그림⑧)와 연결되어 있다. INNER KELLY를 감싸고 있는 OUTER KELLY에는 굴착운행시 본체를 지지하기 위한 CLAMPING PAD(그림⑦)장치가 있어 기굴착된 터널벽면에 PAD로 압착지지하여 TBM을 굴착 전진시킨다. 1-2-2. 후속 트레일러 후속 트레일러는 견인롯드 또는 체인에 의하여 기계본체에 견인되며 CUTTER HEAD구동에 필요한 전동모타와 전동모타에 의해서 작동되는 각종 유압펌프, 굴진시 발생한 분진을 처리하기 위한 집진기가 정착되어 있으며 상부에는 버럭반출을 위한 BELT CONVEYOR가 설치되어 있다. 1-3. TBM 의 굴착작업순서 CLAMPING SYSTEM과 결합된 OUTER KELLY는 여러 개의 CLAMPING 실린더, GUIDING BOX, CLAMPING PAD로 구성되어 굴진중 터널벽면에 견고하게 지지된다. 굴진중 회전하는 CUTTER HEAD는 OUTER KELLY안을 미끄러져 움직이는 INNER KELLY에 의해 전진되며 추진 SYSTEM에 의해 한 행정이 끝날 때까지 굴진면을 눌러주게 된다. 그 뒤 전방 및 후방지지대를 끌고 CLAMPING 실린더는 수축되며, 후방지지대의 유압 실린더 조정에 의해 TBM의 굴진방향은 일직선상에 재정렬하게 된다. 재정렬시 OUTER KELLY는 추진실린더에 의해 전방으로 이동하게 되며 CLAMPING 장치는 다시 터널벽면을 견고하게 지지하고 전후부 지지대를 다시 올리고 TBM은 다음 행정굴진을 시작한다. (제 1단계) ▷ CLAMPING PAD를 터널벽면에 압착 ▷ 앞 뒤 기계지지대를 위로 오므림 ▷ CUTTER HEAD 작동시작 (제 2 단계) ▷ 1 STROKE의 굴진이 끝남 (1 STROKE : 0.9m ~ 1.4 m ) ▷ INNER KELLY만 전진상태 (제 3단계) ▷ 앞 뒤 기계지지대 지상으로 내림 ▷ CLAMPING PAD를 터널벽면으로부터 품 (제 4단계) ▷ OUTER KELLY를 1 STROKE만큼 전진시킴 ▷ 뒷쪽 기계 지지대로서 기계굴진방향을 조정함 (기계방향을 레이저 광선 방향과 일치시킴) (제 5단계) ▷ 제 1단계와 같음 1-4 TBM 의 조정 및 운영 1-4-1. 기계조정 1) TBM 조정 교대당 정 . 부 조정원 2명이 조정석에 설치된 각종 레버를 조정하며 설치된 각종 계기를 통해 기계상태, 암반상태 등을 파악 정밀하게 굴착 조정한다. 2) TBM의 선형수정 및 RESETTING TBM은 유형에 따라 일반적으로 0.9~1.4 m의 1 STROKE를 굴진한뒤 CLAMPING SYSTEM을 수축시킨후, 전.후부 지지대에 의해 방향수정이 이루어진다. TBM의 굴진방향은 후방 200m 이내에 설치된 LASER BEAM에서 CUTTER HEAD 뒷면에 부착된 TARGET에 LASER 광선을 발사 조정원이 판독하여 CUTTER HEAD 전부 지지대를 정점으로 유압식 후부 지지대를 전후 또는 상하 방향으로 조정함으로서 TBM의 방향 수정이 이루어진다. 1-4-2. TBM의 운영 1) 기계의 굴진능력을 극대화할 수 있도록 2교대 또는 3교대 작업체제로 운영한다. 2) 기계 작동중 정기적으로 CUTTER의 이상, 마모를 검사하여 교환시기 등을 판단한다. 3) 굴진중 암반상태를 검사하여 ROCK BOLT 보강이 필요한 경우 TBM본체에 부착된 ROCK DRILLING MACHINE을 사용 BOLTING 작업후 굴진한다 1-5 PILOT 터널 설치 TBM은 CLAMPING PAD의 측벽지지력을 이용CUTTER HEAD를 회전시켜 굴착 하므로 최초지지를 위해 기종별 장비사양에 따라 10~20 m내외의 PILOT터널을 준비해야 한다. PILOT터널은 재래식 굴착방법을 이용하여 투입기종보다 30~40 cm 의 여유공간을 확보하여 원형또는 마재형으로 측벽 지내력 (30~50 kg/cm2)이 충분 하도록 형성한다. 1-6 TBM 운반 및 조립 TBM 본체 및 후속트레일러는 부피가 크고, 중량이 100~500 ton의 대형장비로 직경에 따라 운송이 가능하도록 분해, 조립할 수 있게 제작되어 있다. 1-7. TBM 활용방법 TBM을 이용한 터널 굴착방법에는 전단면 터널굴착기(TBM), 확대형터널굴착기 (TBE : TUNNEL BORING ENLARGING MACHINE), TBM굴착 후 발파공법을 이용한 굴착방법이 있으며, 수평 터널에 대한 적용빈도는 아래표와 같다. 1-7-1. TBM 활용방법 전단면 터널굴착기(TBM)는 구경 2 .0 m 이상 8 . 0 m 까지 터널 공사시 사용하는 빈도가 매우 높으며, 특히 장대터널에서의 적용 빈도가 높고, TBM굴진 속도가 빨라 초기투자비가 높은 반면 TBM의 능력을 충분히 활용할 수 있다. 9 . 0 m 이상이 대구경 터널 굴착에서의 적용 빈도는 순수한 TBM의 굴진이 GAUGE CUTTER의 허용 가능속도 2 . 5 m/sec에 의해 제한될 뿐만 아니라 구경이 클수록 CUTTER HEAD 의 속도가 줄어 들어 감소된다 1-7-2. TBM굴착과 발파공법을 이용한 굴착 도로 및 철도터널을 대구경의 TBM이나 TBE로 굴착하면 굴착단면이 원형으로 필요이상의 단면굴착이 되므로 비 경제적이며, 대단면의 화약 발파굴착은 발파진동으로 인한 주변피해 발생등의 문제점이 있다. TBM굴착과 발파공법을 이용한 굴착방법은 TBM에 의한 PI LOT터널 굴착 후 소요단면을 확공 발파굴착하는 것으로 TBM에 의한 자유단면 확보후 발파를 시행하므로 발파 진동을 대폭 감소시키며 완벽한 지질파악으로 확공발파시 경제적이고 적합한 대응책을 수립할 수 있는 공법으로 구미, 선진 국에서도 다수의실적이 있으며, 국내에서도 지하철공사, 도로터널 및 철도 터널에 본공법이 적용 시공되고 있다. 1-7-3. 확대 굴착기(TBE)에 의한 굴착 TBM에 의한 전단면 터널굴착에서 직경 8 . 0 m까지는 전단면 굴착기로 굴착하지만 직경 8 . 0 m 이상은 장비의 효율, 후속설비증대 시공성 및 경제성이 저하되므로 직 경 8 . 0 m~15 . 0 m까지 구경의 터널은 먼저 소구경 TBM으로 도갱(PILOT터널)을 굴착한 후 확대 굴착기(TBM)로 굴착하는 것이 경제적이다. 자료출처 http://www.clubrich.com |
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Shield 공법  1. 실드공법의 개요실드공법은 SHIELD라는 강재원통형의 기계를 수직 작업구내에 투입시켜 CUTTER HEAD를 회전시키면서 지반을 굴착하고 막장면은 각종 보조공법(압기 약액주입)으로 막장면의 붕괴를 방지하면서 실드기계 후방부에 지보공 (보통 SEGMENT)을 설치하는 것을 반복해가면서 TUNNEL을 굴착하는 공법을 말하며 점토, 모래, 자갈등을 포함하는 연약지반에서의 도시기반시설을 위한 지하공간(상하수도, 전기, 통신 선로, 지하철도 등)의 확보를 위해 종래 개착식 공법으로 시고시에 발생하는 지반침하와 각종소음 및 진동등의 건설공해와 교통, 통행의 장해등의 문제점을 최소화하기 위해 개발된 공법으로 그동안 SHIELD 기술의 비약적인 발달로 예전에는 굴착 불가능했던 거대 전석층, 복합지질구간(토사+암구간)등도 굴착이 가능하게 되었다. 2. 실드공법의 역사 쉴드공법의 개발은 1818년 영국의 Marc Isambard Brunel이 고안하여 1825년 런던의 테임즈강 하저터널공사에 최초로 쉴드공법이 시공되었다. 그 이후 1887년 최초로 압기공법이 사용, 1900년대 초반 Blind식, 기계식 쉴드등 여러 타입이 고안되었고 1900년대 후반 이수가압식, 토압식, 이수가압식 쉴드가 개발되는 등 급격히 발달되었다. 우리나라에서는 1987년 전력구 공사에 소구경 쉴드가 처음 도입된 이후 지하철 터널와 같은 대구경 쉴드는 광주지하철과 부산지하철에 처음으로 도입되었다. 3. 실드공법의 필요성 최근 소음, 분진이나 교통장애 등의 사회적 문제가 대두되고 있고 이를 최소화 할 수 있는 도심지 시공에 관심이 모아지고 있는 시점에서 개착 및 NATM공법 공사에 수반되는 도시의 과밀화에 의한 도로 교통의 저해, 소음진동 등 공해의 발생, 도시시설의 밀집화에 따른 터널시공의 난이성, 지하구축물의 장대화 등의 이유로 도심지 터널 공사에서 Shield 공법의 적용성은 증가되었고 시공이 어려운 하저터널이나 해저터널의 경우 하천의 통수단면 감소와 환경오염 등 여러 문제점이 대두되어 앞으로 주요시공법으로 정착할 것이다. -도심 교통 통행의 문제점 최소화 -연약 토사지반 통과 용이 -하천, 해저, 지하구조물의 통과 용이 -시공 속도가 빠르고 공기를 단축할 수 있다. -진동 소음등의 공해가 적다. -연속 굴착작업으로 시공관리 용이 4. 실드기의 구성 실드는 그 내부를 보호하는 강각, 실드를 추진하는 추진기구, 붕괴 방지기구, 세그먼트 조립기구, 유압기구 및 부속기구로 구성된다. 실드 추진에 필요한 동력 설비는 실드단면의 크기와 구조를 고려해 설비의 일부 또는 전부가 후속대차에 설치된다. 강각은 스킨플에이트와 그 보강재로 이뤄지며 어떤 형식의 실드라도 굴삭면에서 후드부, 거더부, 테일부로 구분된다. 후드부는 굴삭면의 굴삭과 산붕괴를 방지하는 부분으로서, 수굴식 실드에서는 천정에 무버블후드(포어보링) 가 설치되며, 굴삭면에 붕괴방지 잭과 작업텍을 장비하고 있다. 밀폐형 실드에서는, 그 전면에 커터헤드가 설치되어, 격벽에 의해 후드부와 거더부로 나위어 있다. 그리고 후드부는 커터로 굴삭된 토사의 배토기로로의 이동로도 되고 있다. 기더부는 후드부와 테일부를 연결해 실드전체를 지지하는 강구조부분으로서, 커터헤드의 구동장치, 배토기구, 추진장치 등이 장비되어 있으며, 또한 바깥둘레를 따라 실드잭이 격납되어 있다. 테일부는 세그먼트를 조립하는 공간에서 이렉타를 장비하고, 또한 후단에는 테일부의 내경은 세그먼트의 외지금에 시공사 필요한 테일크리어런스로해서 반지름방향에 20~30mm정도의 여유를 예상해서 결정하는 일이 많다. 중절기구를 갖추고 있는 실드는 거더부로 분할되기 때문에 감각은 전동과 후동으로 분할되며 방향제어 잭으로 연결되어 있다. 기계가 지날 때 무려 직경 7.28ｍ의 터널이 자동적으로 만들어지는 대구경 실드터널(Shield Tunnel)공법이 국내 지하철공사 최초로 부산지하철 2호선 2단계 공사에 적용돼 관심을 끌고 있다. 5. 실드 공법 관련 국내 기사(2000/11/09 인터넷 연합 뉴스) 화제의 공사현장은 난공사 구간으로 일컬어지고 있는 부산시 수영구 민락동- 해운대구 우동간 420ｍ의 지하철 2호선 230공구 수영강 횡단구간. 실드공법은 대개 암반이나 수압이 높은 지역에 적용되는 공법으로, 부산시 북구 낙동로 구간의 한전 지하전력구 공사 등 직경 3-4ｍ의 통신구나 전력구 공사에 적용된 사례가 있지만 이처럼 대형 터널공사에 적용되기는 이번이 처음이다. 실드공법은 기존의 폭파방법과는 달리 초대형 칼날(Head Cutter)이 달린 실드기계가 공사구간을 굴착하고 굴착과 동시에 콘크리트를 분사하는 것으로, 실드기계가 지나간 자리에 자동으로 터널이 건설된다. 이번 공사구간은 당초 수영강을 가로막아 댐을 만든 뒤 해당구간을 모두 파내 터널을 시공하도록 설계됐지만, 강의 흐름을 차단함으로써 강 상류지역인 금사공단의 침수피해는 물론 하류의 어장에 피해를 줄 수 있다는 우려때문에 지난 1년여간의 연구끝에 실드공법으로 변경됐다. 당초 설계보다 100억원 정도의 공사비가 더 소요되지만 굴착속도가 빨라 공기단축효과를 거둘 수 있을 뿐만아니라 민원과 환경피해를 최소화할 수 있을 것으로 기대된다. 자료출처 http://www.dsland.co.kr/techforum/tech_tomok01.asp 두산건설 http://www.civilnet21.co.kr/htm/tun2.htm http://www.cycon21.co.kr http://www1.yna.co.kr/news/20001109/2702000000200011090859460.html |
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