터널링 실드

터널링 실드(tunnelling shield)는 크고 인공적인 터널을 굴착할 때 사용되는 보호 구조물이다. 연약하고 액체 상태이거나 불안정한 지반을 굴착할 때, 떨어지는 자재나 붕괴로 인해 작업자와 프로젝트 자체에 잠재적인 건강 및 안전 위험이 발생할 수 있다. 터널링 실드는 임시 지지 구조물로 사용될 수 있다. 일반적으로 터널 구간이 굴착된 후 영구적인 지지 구조물로 보강될 때까지 단기간 동안 제자리에 있다. 영구 구조물은 시대에 따라 벽돌, 콘크리트, 주철 또는 강철로 만들어질 수 있다. 현대의 실드는 일반적으로 원통형이지만, 마크 이점바드 브루넬이 설계한 최초의 "실드"는 실제로는 세 개의 층과 층당 열두 개의 섹션, 그리고 단단한 하중 지지 상부 표면을 가진 크고 직사각형의 비계와 같은 철 구조물이었다. 이 구조물은 실드 앞에서 터널을 파는 동안 작업자들이 붕괴로부터 보호받도록 했다.

 역사 

최초의 성공적인 직사각형 터널링 실드는 마크 이점바드 브루넬이 개발하여 1818년 1월 코크레인 경과 함께 특허를 받았다. 브루넬과 그의 아들 이점바드 킹덤 브루넬은 1825년부터 템스 터널을 굴착하는 데 이를 사용했다(터널은 1843년까지 개통되지 않았다).Becket, Derrick (1980). Brunel's Britain. Newton Abbot: David & Charles. . Chapter 10: "Tunnels". 브루넬은 조선소에서 일하면서 물에 잠긴 목재를 뚫는 효율성을 관찰한 선박좀이라는 연체동물의 껍데기에서 영감을 받아 자신의 설계를 했다고 전해진다. 이 실드는 모즐리, 선스 & 필드 오브 램버스, 런던에서 제작되었으며, 이들은 터널 배수를 위한 증기 펌프도 제작했다.

1840년, 사이언티픽 아메리칸(Scientific American) 저널의 편집장인 앨프레드 엘리 비치는 원형 디자인이 브루넬의 직사각형 디자인보다 우수할 것이라고 처음으로 제안했다. 1868년 비치는 원형 실드를 제작했으며, 그 그림은 그의 공기압 터널 시스템 아이디어에 대한 뉴욕 뉴스 기사에 실렸다. 이 디자인은 브루넬의 실드 격자와 나사 잭에 기반을 두었으며, 작업면이 수동으로 진행됨에 따라 앞으로 밀려나갔다.

1864년 피터 W. 발로우는 원형 단면을 가진 디자인 특허를 신청했다. 이론적으로 이것은 실드를 만들고 주변 토양을 지지하는 데 더 쉽게 만들었지만, 실제로는 이 디자인을 사용하여 제작된 실드는 없었다. 1864년 발로우 특허는 1868년에 더 개선되어 임시 특허를 받았지만, 발로우가 얼마 후 사망하여 비준되지 않았다.

브루넬의 원래 디자인은 제임스 헨리 그레이트헤드에 의해 크게 개선되었고, 그는 여러 실드 디자인에 대한 세 가지 특허를 받았다. 또한 그는 분사 콘크리트 그라우트 개념을 발명하여 주입된 콘크리트로 토공사를 안정화하고, 유압으로 보강 그라우트를 건설된 라이닝과 원형 터널 벽 사이의 공동에 주입하는 그라우트 팬을 발명했다.

그레이트헤드는 1869년 런던 중심부의 템스강 아래 타워 지하철 건설에서 원통형 터널링 실드를 처음으로 사용했다. 그레이트헤드 실드는 직경 이었다. 마찬가지로 앨프레드 엘리 비치는 1870년 3월 1일에 자신의 터널을 대중에게 개방했다.

그레이트헤드는 1884년 시티 & 사우스 런던 철도(오늘날 런던 지하철노던선의 일부) 건설에도 직경 의 터널을 만들면서 실드를 사용했다. 그의 실드는 1898년에 개통된 워털루 & 시티 철도의 직경  주행 터널 건설에도 사용되었다. 시티역(현재 뱅크역으로 알려짐)의 역 터널은 당시 세계에서 가장 큰 직경의 터널링 실드로, 에 달했다.

무어게이트역 아래 폐기된 터널에는 런던 지하철 심층 노선 굴착에 사용된 원래 그레이트헤드 실드가 여전히 남아 있다.

대부분의 터널링 실드는 여전히 그레이트헤드의 디자인에 느슨하게 기반을 두고 있다.John C Gillham, The Waterloo & City Railway, The Oakwood Press, Usk, 2001, 

 수동 실드 터널링 
초기 실드 터널링에서는 실드가 굴착 작업을 수행하고 실드를 앞으로 이동시키는 노동자들을 보호하는 역할을 했으며, 점진적으로 터널 벽의 미리 건설된 섹션으로 대체되었다. 런던 지하철의 초기 심층 터널은 이러한 방식으로 건설되었다. 실드는 작업면을 각 작업자가 굴착할 수 있는 겹치는 부분으로 나누었다.

 현대 터널굴착기 

터널굴착기(TBM)는 실드(큰 금속 실린더)와 후방 지지 메커니즘으로 구성된다.

실드의 전면에는 회전하는 절단 바퀴가 있다. 절단 바퀴 뒤에는 굴착된 토양이 슬러리와 혼합되거나(슬러리 TBM) 그대로 남겨지는(흙 압력 균형 또는 EPB 실드) 챔버가 있으며, 이는 TBM 유형에 따라 다르다. TBM 유형의 선택은 토양 조건에 따라 달라진다. 토양(또는 슬러리와 혼합된 토양) 제거 시스템도 존재한다.

챔버 뒤에는 완성된 터널 부분에 의해 지지되는 유압 잭 세트가 있으며, 이는 TBM을 앞으로 밀어내는 데 사용된다. 일정 거리(대략 )가 굴착되면, 이렉터(Erector)를 사용하여 새로운 터널 링이 건설된다. 이렉터는 프리캐스트 콘크리트 세그먼트를 들어 올려 원하는 위치에 배치하는 회전 시스템이다.

실드 뒤, 완성된 터널 내부에는 TBM의 일부인 여러 지지 메커니즘이 있다: 흙 제거, 해당하는 경우 슬러리 파이프라인, 제어실, 프리캐스트 세그먼트 운반용 레일 등.

 라이닝 
터널 라이닝은 터널의 벽이다. 일반적으로 링을 형성하는 프리캐스트 콘크리트 세그먼트로 구성된다. 런던 지하철 터널에서는 전통적으로 주철 라이닝이 사용되었고, 다른 곳에서는 강철 라이너가 때때로 사용되었다. 프리캐스트 성형 라이닝 섹션을 사용하는 개념은 새로운 것이 아니며, 1874년 제임스 헨리 그레이트헤드에 의해 처음 특허를 받았다.

 일본의 실드 
일본에는 이중-O-튜브 또는 DOT-터널과 같은 여러 혁신적인 실드 터널링 접근 방식이 있다. 이 터널은 두 개의 겹치는 원처럼 보인다. 또한 사실상 어떤 모양으로든 터널을 굴착하는 데 사용할 수 있는 컴퓨터화된 팔을 가진 실드도 있다.

 같이 보기 
 장벽 채광, 일련의 유압 실드를 사용하는 석탄 채굴 방법

 각주 

 외부 링크 
 그레이트헤드 실드를 사용한 수동 터널링 사진

분류:건설기계