터널

<시간 />

배경

터널은 주로 수평인 지하 또는 수중 통로입니다. 상대적으로 직경이 작은 것들은 유틸리티 라인을 운반하거나 파이프라인으로 기능합니다. 철도나 자동차로 사람을 수송하는 터널은 종종 반대 방향 교통, 서비스 차량 및 비상구 경로를 위한 2~3개의 대형 평행 통로로 구성됩니다.

세계에서 가장 긴 터널은 델라웨어 강에서 뉴욕시까지 170km에 달하는 물을 운반합니다. 사람이 다니는 가장 긴 터널은 세이칸 철도 터널입니다. 일본에서 가장 큰 두 섬인 혼슈와 홋카이도를 연결하는 길이 53km, 지름 9.7m의 철도입니다.

가장 기대되는 터널 중 하나는 채널 터널이었습니다. 1994년에 완공된 이 터널은 31마일(50km) 길이의 터널 3개(편도 2개와 서비스 터널 1개)를 통해 영국과 유럽을 연결합니다. 이 터널의 37km는 수중입니다.

연혁

터널은 인도와 지중해 지역의 여러 고대 문명에 의해 손으로 팠습니다. 굴착 도구와 구리 암석 톱 외에도 때때로 불을 사용하여 암석 장애물을 가열한 후 물을 부어 암석을 부수었습니다. 4000년 전 바빌론에서는 깊은 도랑을 파고, 도랑 내 적절한 높이에 지붕을 만들고, 지붕 위의 도랑을 덮는 절단 및 덮개 공법(오늘날에도 여전히 사용되는 터널링 기술)이 사용되었습니다.

수작업을 넘어선 첫 번째 발전은 1681년 프랑스에서 화약을 사용하여 515피트(160m) 길이의 운하 터널을 폭파한 것입니다. 다음 두 가지 주요 발전은 1850년경에 이루어졌습니다. 니트로글리세린(다이너마이트 형태로 안정화됨)이 대체되었습니다. 터널 발파에서 덜 강력한 흑색 화약. 증기와 압축 공기는 폭발물을 위한 구멍을 만들기 위해 드릴에 동력을 공급하는 데 사용되었습니다. 이 기계화는 결국 하루에 12시간 동안 각 손으로 10파운드(4.4kg) 썰매 망치를 휘두르며 14개 깊이의 강철 끌을 두드리는 "강철 운전사" 존 헨리가 만든 수동 프로세스를 대체했습니다. ft(4.2m)를 단단한 암석 속으로.

1820년과 1865년 사이에 영국 엔지니어인 Marc Brunel과 James Greathead는 템스 강 아래에 두 개의 터널을 건설할 수 있는 터널링 쉴드의 여러 모델을 개발했습니다. 직사각형 또는 원형 인클로저(방패)는 수평 및 수직으로 여러 구획으로 나뉩니다. 각 구획에서 일하는 사람은 방패의 전면에서 한 번에 한 판자를 제거하고 몇 인치 앞으로 파고 판자를 교체할 수 있습니다. 전면 전체에서 공간이 파헤쳐지면 방패를 앞으로 밀고 파헤치는 과정을 반복했다. 방패 뒤편의 일꾼들은 터널을 벽돌이나 주철 고리로 늘어서 있었습니다.

1873년 미국의 터널 공사인 클린턴 하스킨스는 허드슨 강 아래 건설 중인 철도 터널에 압축 공기를 채워 물이 스며드는 것을 방지했습니다. 이 기술은 여러 위험을 내포하고 있지만 오늘날에도 여전히 사용됩니다. 작업자는 교대 근무가 끝나면 감압실에서 시간을 보내야 합니다. 이는 터널의 비상구를 제한하는 요건입니다. 터널 내부의 압력은 주변의 흙 및 수압과 주의 깊게 균형을 이루어야 합니다. 불균형으로 인해 터널이 붕괴되거나 파열됩니다(이후 범람을 허용함).

연약한 토양은 무너지기 쉽고 굴착 장비가 막힐 수 있습니다. 토양을 안정화시키는 한 가지 방법은 지역 전체에 간격을 두고 매설된 파이프를 통해 냉각수를 순환시켜 토양을 동결시키는 것입니다. 이 기술은 1900년대 초반부터 미국에서 사용되었습니다. 1970년대부터 널리 사용된 또 다른 안정화 및 방수 기술은 터널 경로를 둘러싼 토양이나 파쇄된 암석에 그라우트(액체 결합제)를 주입하는 것입니다.

숏크리트(Shotcrete)는 표면에 분무되는 액체 콘크리트입니다. 1907년에 발명되어 1920년대부터 터널의 예비 및 최종 라이닝으로 사용되었습니다.

1931년에 후버 댐 건설 현장 주변으로 콜로라도 강을 우회시킬 터널을 파기 위해 최초의 드릴링 점보가 고안되었습니다. 이 점보는 트럭 침대에 용접된 프레임에 장착된 24-30개의 공압 드릴로 구성되었습니다. 현대식 점보를 사용하면 한 명의 작업자가 유압으로 제어되는 암에 장착된 여러 드릴을 제어할 수 있습니다. 1954년, 제임스 로빈스는 사우스다코타에 댐 건설을 위한 우회 터널을 건설하는 동안 터널 굴착기(TBM)를 발명했습니다. 이 터널 보링 머신은 굴착 또는 절단 헤드가 회전하는 전면에 장착된 원통형 장치로 암석과 흙을 갈아내는 기계입니다. 앞으로 살금살금 움직인다. 최신 TBM은 절단 헤드의 유형과 배열을 현장 지질에 일치시켜 각 프로젝트에 맞게 맞춤화됩니다. 또한 TBM의 직경은 설계된 터널(내벽 포함)의 직경과 같아야 합니다.

원자재

터널에 사용되는 재료는 각 프로젝트에서 선택한 설계 및 시공 방법에 따라 다릅니다. 토양을 안정화하거나 터널 라이닝 뒤의 빈 공간을 채우는 데 사용되는 그라우트는 규산나트륨, 석회, 규소, 시멘트 및 벤토나이트(고흡수성 화산 점토)를 비롯한 다양한 재료를 포함할 수 있습니다. 벤토나이트 및 물 슬러리는 또한 진흙(터널에서 굴착된 파편)의 부유 및 운송 매체로 사용되며 터널을 통해 밀어내는 물체(예:TBM, 차폐)의 윤활제로도 사용됩니다. 물은 천공 중과 발파 후 먼지를 제어하는 ​​데 사용되며, 이는 종종 저온 젤라틴 폭발로 수행됩니다. 물과 소금 염수 또는 액체 질소는 동결에 의해 연약한 지반을 안정화하기 위한 일반적인 냉매입니다. 강철이나 섬유로 보강된 콘크리트인 가장 일반적인 현대식 라이닝 재료는 패널에 스프레이하거나 제자리에 주조하거나 조립식으로 만들 수 있습니다.

방법 선택

터널의 건설 방법은 지질, 비용 및 기타 활동의 잠재적 중단을 포함한 여러 요인에 의해 결정됩니다. 동일한 대규모 프로젝트의 일부인 개별 터널에 다른 방법을 사용할 수 있습니다. 예를 들어, Boston의 Central Artery/Tunnel 프로젝트의 일부에 4개의 개별 방법이 사용됩니다.

제조 공정

준비

<울>

1 현장 지질은 표면 특징과 지하 코어 샘플을 조사하여 평가됩니다. 계획된 주 터널의 약 1/3 직경의 파일럿 터널을 전체 경로를 따라 건설하여 지질을 추가로 평가하고 선택한 건설 방법을 테스트할 수 있습니다. 파일럿 터널은 메인 터널의 경로를 따라 달리고 결국에는 환기, 서비스 접근 및 탈출 경로를 제공하기 위해 간격을 두고 연결될 수 있습니다. 또는 파일럿 터널을 확장하여 메인 터널을 생성할 수 있습니다.

2 토양 안정화가 필요한 경우 토양에 간격을 둔 작은 파이프를 통해 그라우트를 주입하여 수행할 수 있습니다. 대안으로, 냉매는 토양을 동결시키기 위해 지면에 매립된 파이프를 통해 순환될 수 있다.

채굴

<울> <리>

3 터널 경로에서 재료를 제거하는 데 사용되는 7가지 다른 방법이 있습니다. 첫 번째는 침지 튜브 방식입니다. 작업자들이 수로 바닥에 도랑을 파서 수중 터널 부지를 준비하고 있습니다. 터널 쉘의 강철 또는 철근 콘크리트 섹션은 마른 땅에 건설됩니다. 각 섹션의 길이는 수백 피트(100m 이상)일 수 있습니다. 단면의 끝은 밀봉되고 단면은 터널 현장에 떠 있습니다. 단면은 트렌치에 인접한 앵커에 묶여 있으며 해당 단면에 내장된 밸러스트 탱크는 침수됩니다. 단면이 가라앉으면서 트렌치의 제자리로 안내됩니다. 섹션은 이전에 배치된 인접 섹션에 연결되고 각 섹션의 끝을 밀봉하는 플레이트가 제거됩니다. 두 섹션 사이의 고무 씰은 방수 연결을 보장합니다.

절단 및 덮개 방법에서 작업자는 터널과 그 쉘을 포함할 수 있을 만큼 충분히 큰 도랑을 파냅니다. 상자 모양의 튜브는 종종 철근 콘크리트의 제자리 타설로 구성됩니다. 특정 유형의 토양 또는 다른 구조물에 매우 근접한 경우 굴착 중에 도랑이 무너지는 것을 방지하기 위해 굴착이 시작되기 전에 터널 벽을 건설할 수 있습니다. 이것은 강판을 땅에 박거나 슬러리 벽(흙이 제거되면 물 점토로 채워진 깊은 도랑)을 구축하여 수행할 수 있습니다. 벽의 단면에 대해 원하는 크기에 도달하면 강철 보강봉 케이지를 그 안으로 낮추고 콘크리트를 펌핑하여 젖은 점토 슬러리를 대체합니다. 굴착 기계가 지면 아래로 떨어질 정도로 굴착이 진행되면 임시 표면 패널을 도랑을 가로질러 놓을 수 있어 차량이 통과할 수 있습니다. 터널 쉘이 완성되면 굴착토를 교체하여 덮습니다.

세 번째 방법은 하향식 방법입니다. 터널의 경로를 따라 평행한 한 쌍의 벽이 강판 말뚝을 박거나 슬러리 벽을 건설하여 지반에 매립됩니다. 터널 지붕의 표면에서 내부까지 계획된 거리와 동일한 깊이로 벽 사이에 트렌치를 파냅니다. 터널 지붕은 얕은 트렌치 바닥에 철근 콘크리트를 부어 벽 사이에 형성됩니다. 터널 지붕이 양생된 후에는 방수막으로 덮고 굴착된 토양이 그 위에 교체됩니다. 프론트 엔드 로더와 같은 기존 굴착 기계는 다이어프램 벽 사이와 터널 지붕 아래의 흙을 파내는 데 사용됩니다. 충분한 깊이에 도달하면 철근 콘크리트 바닥을 부어 터널 쉘을 완성합니다.

드릴 앤 블래스트 방식에서는 드릴링 점보를 사용하여 터널 경로를 따라 암석에 미리 정해진 패턴의 구멍을 뚫습니다. 조심스럽게 계획된 다이너마이트 장입물이 뚫린 구멍에 삽입됩니다. 장약은 주변 암석을 과도하게 손상시키지 않으면서 터널 경로에서 물질을 제거하도록 설계된 순서대로 폭발합니다. 공기는 폭발 영역을 통해 순환되어 폭발 가스와 먼지를 제거합니다. 폭발에 의해 제거된 잔해는 운반됩니다. 공압 드릴과 수공구는 블라스트된 부분의 표면을 매끄럽게 하고 느슨한 암석 조각을 제거하는 데 사용됩니다.

유로터널.

나폴레옹이 수세기 동안 구상하고 장려한 꿈이었던 영국과 프랑스 사이의 영국 해협 터널 건설은 1987년에 시작되었습니다. 원래는 터널이라고 불렸고 지금은 유로 터널로 알려졌으나 1994년에 130억 달러의 비용으로 완공되었습니다. . 2개의 철도 터널(하나는 북쪽으로, 다른 하나는 남쪽으로 향함)과 1개의 서비스 터널은 길이가 각각 50km이고 해저 아래 평균 깊이가 150피트(46m)입니다. 영국과 유럽 대륙을 연결하는 최초의 물리적 연결 고리입니다. 여객 철도 서비스는 물론 자동차 및 트럭 운송도 제공됩니다. 런던에서 파리까지의 이동 시간은 유로터널을 통해 5시간 이상(바다 위)에서 3시간으로 단축되었습니다.

일본의 세이칸 터널은 1988년에 개통되었습니다. 길이 33mi(53km)의 터널은 일본 본섬의 북단과 홋카이도 섬을 연결하고 쓰가루 해협 아래를 지나갑니다. 세이칸 터널은 세계에서 가장 긴 해저 터널로, 해저 깊이가 최대 140m인 해협을 가로질러 해저 330피트(100m) 아래에서 굴착됩니다.

일반적으로 예비 라이닝으로 새로 블라스트된 단면의 표면을 안정화하고 보강하는 것이 필요합니다. 한 가지 기술은 나무 또는 강철 버팀대로 연결된 일련의 강철 리브를 삽입하는 것입니다. 새로운 오스트리아 터널링 방법(NATM)이라고 하는 또 다른 기술은 표면에 몇 인치(수 센티미터)의 콘크리트를 분사하는 것입니다. 적절한 지질 조건에서, 실드 터널링. 이 "숏크리트" 라이닝은 긴 강철 막대(암석 볼트)를 암석에 삽입하고 각 볼트의 머리를 둘러싼 강철 플레이트에 대해 너트를 조임으로써 보완될 수 있습니다.

터널에서 물질을 제거하는 다섯 번째 방법은 쉴드 구동 또는 터널 재킹 방법입니다. 일부 터널은 여전히 ​​Greathead 스타일의 방패를 사용하여 파고 있습니다. 쉴드의 상단은 측면과 하단을 넘어 확장되어 쉴드보다 앞서 땅을 파는 작업자를 위한 보호 지붕을 제공합니다. 실드 윗면의 앞쪽 가장자리는 날카로워서 흙을 자를 수 있습니다. 굴착은 손으로 또는 전동 공구로 수행할 수 있습니다. 초과 자재는 컨베이어 또는 벨트의 실드를 다시 통과하여 카트에 실린 후 터널 밖으로 운반됩니다. 작업자가 쉴드 앞의 자재를 맨 위까지 파냈을 때 쉴드 후면의 잭은 터널 라이닝의 가장 최근에 설치된 부분에 버팀대됩니다. 잭을 활성화하면 작업자가 다른 섹션을 파기 시작할 수 있도록 방패가 앞으로 밀려납니다. 실드가 앞으로 이동한 후 잭이 수축되고 강철 또는 철근 콘크리트 링 세그먼트가 볼트로 고정되어 터널의 영구 라이닝 섹션을 형성합니다.

터널 재킹도 비슷한 기술이지만 지면을 통해 구동되는 실드는 실제로 터널 라이닝의 조립식 섹션입니다.

병렬 드리프트 방법에서 일련의 평행 수평 구멍(드리프트)은 오거 또는 작은 버전의 TMB와 같은 마이크로 터널링 기계(마이크로 터널은 인간 광부가 내부에서 작업하기에는 너무 작음)를 사용하여 천공됩니다. 이러한 드리프트는 채워집니다. 예를 들어, 강관을 삽입한 다음 파이프를 그라우트로 채울 수 있습니다. 채워진 드리프트는 터널 경로 주위에 보호용 아치를 형성합니다. 굴착 기계는 아치 내부의 흙을 제거하는 데 사용됩니다.

마지막 공법은 터널 굴착기 공법이다. TBM 면에 있는 절단 장치의 유형과 배열은 터널 현장의 지질에 따라 결정됩니다. 면은 천천히 회전하고 그 앞의 암석과 흙을 갈아냅니다. TBM은 얼굴이 목표물에 계속 닿도록 계속해서 앞으로 밀리게 됩니다. TBM 후면에 있는 잭이 터널 라이닝의 가장 최근에 설치된 부분을 밀면서 전방 압력이 가해질 수 있습니다. 또는 그리퍼 암이 TBM의 측면에서 바깥쪽으로 뻗어 바위가 많은 터널 벽을 밀어 얼굴이 앞으로 밀리는 동안 기계를 제자리에 고정할 수 있습니다. 오물은 전면의 구멍을 통과하여 컨베이어 벨트를 통해 TBM 뒤쪽으로 운반되며, 그곳에서 터널 밖으로 운반하는 카트에 떨어집니다. 벤토나이트는 TBM 표면을 통해 펌핑되어 토양 표면을 더 작업 가능하게 만들고 오물을 제거할 수 있습니다. 일부 TBM에는 장비가 앞으로 이동하는 즉시 터널 라이닝의 일부를 배치하고 부착하는 로봇 팔이 후면에 장착되어 있습니다. 터널 상단을 지지하기 위해 강철로 만든 지붕 볼트를 바위에 고정합니다. 충분한 거리. 다른 경우 NATM은 TBM이 진행됨에 따라 예비 라이닝을 만드는 데 사용됩니다.

특히 2개의 TBM이 터널의 반대쪽 끝에서 서로를 향해 굴착하는 경우 굴착이 완료되면 제거하기가 너무 어렵거나 비용이 많이 들 수 있습니다. 임무가 거의 끝나감에 따라 TBM은 터널 경로에서 멀어져 영구적으로 봉인된 짧은 박차를 파낼 수 있습니다.

최종 라이닝

<울> <리>

4 굴착 과정에서 최종 라이닝을 하는 경우가 있습니다. 두 가지 예는 라이닝 세그먼트를 설치하는 TBM과 제자리에 고정되는 조립식 터널입니다. 다른 경우에는 터널 전체를 굴착한 후 최종 라이닝을 시공해야 합니다. 한 가지 옵션은 철근 콘크리트 라이닝을 제자리에 붓는 것입니다. 슬립포밍은 콘크리트가 터널 벽과 사이에 타설될 때 거푸집의 일부를 천천히 앞으로 이동시키는 효율적인 기술입니다. 콘크리트는 거푸집이 계속 움직일 때까지 스스로를 지탱할 수 있을 만큼 충분히 빨리 굳습니다.

두 번째 옵션은 일부 TBM과 마찬가지로 미리 형성된 콘크리트 또는 강철 라이닝 세그먼트를 설치하는 것입니다. 안감 부분은 몇 피트(1-2미터) 너비의 완전한 링을 형성하기 위해 그 중 몇 개를 결합할 수 있도록 구성됩니다. 링이 제자리에 볼트로 고정되면 그라우트가 링과 터널 벽 사이에 주입됩니다.

세 번째 옵션은 터널 벽에 몇 인치(70mm 이상) 두께의 숏크리트 층을 스프레이하는 것입니다. 숏크리트를 보강하기 위해 하나 또는 두 개의 철망을 먼저 배치하거나 콘크리트 혼합물에 보강 섬유를 추가하여 강도를 높일 수 있습니다.

부산물/폐기물

때때로 터널에서 제거된 흙은 단순히 매립지로 버려집니다. 그러나 다른 경우에는 다른 프로젝트의 원료가 됩니다. 예를 들어, 접근 도로의 기본 코스를 형성하거나 더 넓은 갓길이나 침식 방지를 위한 도로 제방을 만드는 데 사용할 수 있습니다.

품질 관리

터널 주변의 지반 안정성을 유지하고 터널 라이닝의 구조적 무결성을 보장하는 것 외에도 굴착 경로의 적절한 정렬이 이루어져야 합니다. 두 가지 유용한 도구는 위성 신호를 통해 정확한 위치 데이터를 수신하는 GPS(Global Positioning System) 센서와 터널 내에서 레이저 빔을 투사 및 감지하는 안내 시스템입니다.

미래

탐사 방법, 재료 및 기계는 개선할 수 있는 영역입니다. 지구를 통해 전송된 음파는 이제 터널 경로의 가상 CAT 스캔을 생성할 수 있으므로 코어 샘플 및 파일럿 터널을 드릴링할 필요가 줄어듭니다. 재료 연구의 몇 가지 예에는 더 효과적이고 내구성 있는 절단 도구, 경화 속도가 더 정밀하게 제어되는 콘크리트, 절단, 파기 또는 제거가 더 쉽도록 토양을 수정하는 더 나은 프로세스가 포함됩니다. 최근 기계 기술의 발전에는 2개 또는 3개의 평행 터널을 동시에 뚫을 수 있는 다중 헤드 TBM과 절단하는 동안 코너를 최대 90° 회전할 수 있는 TBM이 포함됩니다. 굴착 기계에 대한 더 나은 원격 제어 기능은 굴착 과정에서 사람들이 지하에 있어야 하는 시간을 줄여 안전성을 향상시킬 것입니다.