KR100803781B1 - 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지상 공간의 개발한계로 인하여 지하 공간의 개발필요성이 높아짐에 따라 대규모 토목공사 또는 건설공사, 지하터널 굴착공사를 위한 터파기 굴착공사의 비중이 점점 커지고, 굴착을 위한 발파시 진동이 주변 건물에 충격을 주면서 여러 사회문제를 발생시키기 때문에 이를 근본적으로 해결하기 위하여, 화약의 사용을 최소화하되, 화약을 테르밋제, 반응속도증강제 및 전해유체물질 중에서 선택된 팽창제와 혼합하여 사용하며, 건물로부터의 거리에 따라 화약과 팽창제의 혼합비율을 조정함으로써 소음과 진동을 최소화하고, 반대로 굴착속도는 최대화하는 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 상기 건물로부터 25m 이내에서 화약의 비중은 5% 이하이고 팽창제의 비중은 95% 이상으로 혼합하여 사용되고, 건물로부터 50m 이내에서 화약은 15% 이하이고 팽창제는 85% 이상으로 혼합하여 사용되며, 건물로부터 70m 이내에서 화약은 25% 이하이고 팽창제는 75% 이상으로 혼합하여 사용된다. 또한, 건물로부터 25m 이내에서는 화약을 사용하지 않고 팽창제만을 사용할 수 있다. 이와 같은 구성의 본 발명에 의하면, 각종 중장비의 물리력에 의한 경우에 비하여 굴착속도를 매우 빠르게 하고, 화약만을 사용하는 경우에 비하여 가스, 진동 및 소음을 최소화할 수 있게 된다.

터파기, 심빼기, 팽창제, 화약, 자유면

Description

플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법{A ground dig construction method using plasma}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법을 나타내는 개략도.

도 2는 본 발명에 의한 플라즈마를 이용한 심빼기 암반굴착공법을 나타내는 개략도.

**도면의 주요구성에 대한 부호의 설명**

20: 팽창제 30: 화약

40: 자유면

본 발명은 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 건물터파기 굴착을 위하여 심빼기 및 건물터파기의 순서로 자유면을 형성함에 있어서, 화약을 테르밋제, 반응속도증강제 및 전해유체물질 중에서 선택된 팽창제와 혼합하여 사용하며, 주변건물로부터 거리에 따라 상기 패창제와 화약의 조합비율을 변경하는 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법에 관한 것이다.

통상 건물을 신축하기 위한 건물터파기 공사, 대규모 토목공사 또는 건설공사, 지하터널 굴착공사의 경우, 암반지형 표출시 거대한 암반을 적당한 크기로 파쇄할 때에는 일반적으로 암반파쇄기를 쓰거나 화약등을 쓰게 되는 바, 화약을 쓰게 되는 경우에는 대상암반에 착암기로 구멍을 뚫어 화약을 장전한 다음, 화약을 폭발시키기 위해 외부의 케이블과 연결된 뇌관을 설치하고서, 그 위에다 주변의 모래, 잔 자갈 및 암석조각 기타 잡석 같은 고착제를 채워 뇌관을 매개로 화약을 터뜨려 발파하는 경우가 많았다.

이와 같은 발파방법은, 화약의 폭발력에 의해 암반이 파쇄되기는 하지만, 암반의 파쇄와 함께 화약위에 채워진 잡석이 날아가면서 주변물체 또는 작업자에게 손상을 주게 됨은 물론 굉음을 일으키는 등 소음과 파편의 비산 등을 일으키는 한편, 상기 구멍에서 폭발된 화약이 대상암반에 불규칙한 폭발력을 전달하게 됨으로써 폭발부위가 일정하게 되지 않아 파쇄된 바위덩어리의 이용률을 떨어뜨리는 등의 문제점이 있었다.

그리고, 특히 이러한 화약발파식 암반파쇄방법은 도심지의 건물지하굴착이나 지하철굴착과 같은 경우 화약발파 때 발생하게 되는 진동ㆍ소음ㆍ암파편의 비산 또는 민원야기 등으로 사용될 수 없어 공사가 중단되는 문제점을 가지고 있었다.

한편, 암반파쇄기에 의한 물리적인 암반 파쇄의 경우에는 굴착속도가 너무 느리다는 문제점이 있다.

이와 관련하여 종래의 파암공법의 예를 좀더 자세히 들어보면, 고열ㆍ고압에 의한 팽창력을 이용하는 미진동 발파 공법, 액화 CO2 가스가 기화되는 과정에서 발 생되는 급속 가스 압력을 이용하는 가스압 이용공법과, 유압을 이용하여 피스톤에 의해 금속쇄기가 전진하거나 유압에 의해 고무튜브가 팽창하게 되는 원리를 이용한 유압이용 공법이 있다.

여기서, 상기 화학제품 및 가스압을 이용하는 공법은 절개선과 절단면의 조절이 곤란하고, 특히 화약 발파는 초기의 폭굉압으로 천공주변의 암석을 파쇄시키면서 지속되는 폭발압이 파쇄된 부분을 확장시키고 파편을 비산시키므로 소음이나 진동이 극심하며, 유압을 이용하는 금속쇄기는 수직홈에만 적용가능하고 시공부분 무게가 높은 수평홀이나 난간에는 시공이 곤란하며, 유압잭에 의한 공법은 시공단가가 고가인 단점이 있다.

위에서 언급한 여러 가지 공법상에 따른 단점을 극복하기 위하여 특히 축전기에 충전된 전기에너지를 암반속에 설치된 전극에 순간적으로 방전시키는 일종의 충격력 전달 방식으로서 그 구체적인 원리는 전극사이에 있는 알미늄과 금속산화물간에 골드슈미트(Gold Schmidt) 환원법에 의하여 발생된 고온ㆍ고밀도의 플라즈마로 구성된 충격파의 전달력에 의해서 암석이나 암반을 파쇄하는 플라즈마 파암장비를 이용한 시공방법이 시도되기도 하였다.

하지만, 화약발파에서와 같은 충격파에 뒤이어 생성되는 복합적인 고압가스의 발생이 없으므로 화약의 폭발압에 의한 균열확장 및 소음과 암편의 비산이 없는 저진동ㆍ저소음의 작업 특성을 가지고 있는 반면, 지나치게 고가이고 무거워 현실성이 낮은 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 화약을 이용하여 기폭하되 진동 및 소음을 최소화하면서 굴착속도를 높이기 위하여 최소한의 화약과 팽창제를 적절히 조합하여 반응시키는 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 자유면의 초기 형성을 위한 심빼기 및 자유면을 확장하기 위한 터파기의 환경에 따라 화약과 팽창제의 혼합비율을 변경하는 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법을 제공하는 것이다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 통상 건물의 신축공사, 대규모 토목공사 또는 건설공사, 지하철 굴착공사를 위한 터파기 굴착공사에 있어서, 화약을 테르밋제, 반응속도증강제 및 전해유체물질 중에서 선택되고 복수개의 조합으로 이루어지는 팽창제와 혼합하여 파쇄하며, 상기 화약과 팽창제의 혼합비율은 상기 건물로부터의 거리에 따라 다르게 정해진다.

상기 건물로부터 25m 이내에서 화약의 비중은 5% 이하이고 팽창제의 비중은 95% 이상으로 혼합하고, 건물로부터 50m 이내에서 화약의 비중은 15% 이하이고 팽창제의 비중은 85% 이상으로 혼합하며, 건물로부터 70m 이내에서 화약의 비중은 25% 이하이고 팽창제의 비중은 75% 이상으로 혼합하여 사용된다.

상기 건물로부터 25m 이내에서 화약을 사용하지 않는다.

별도의 자유면이 형성되어 있지 않은 경우 자유면을 형성하기 위한 심빼기 공사는 심빼기 부분과 심빼기 확장부분으로 나누어 실시하며, 심빼기 부분에는 15% 이하의 화약과 85% 이상의 팽창제를 혼합하여 사용하며, 심빼기 확장부분에는 5% 이하의 화약과 95% 이상의 팽창제를 혼합하여 사용한다.

상기 테르밋제는 산화구리(Ⅰ)(Cu₂O), 산화구리(Ⅱ)(Cu O), 산화철(FeO), 삼산화이철(Fe₂O₃), 사산화삼철(Fe₃O₄), 이산화망간(Mn O₂) 기타 금속산화물을 알칼리금속, 알칼리토금속, 알루미늄(Al) 중에서 선택된 하나 또는 그 이상을 혼합하여 사용하고, 상기 반응속도증강제는 이산화규소(Si O₂), 삼산화이알루미늄(Al₂O₃), 삼산화이철(Fe₂O₃), 산화칼슘(Ca O) 기타 저비중, 초경량의 미소 입자를 주성분으로 하고 여기에 발열량이 높은 알루미늄(Al) 분말을 혼합하여 사용하며, 상기 전해유체물질은 알칼리금속 또는 알칼리토금속의 할로겐화물이나 산소산염과 염화나트륨(NaCl)을 물에 용해한 용액이 사용된다.

상기 팽창제를 실린더 형상의 팽창제 수용용기에 장입하여 사용한다.

상기 화약을 상기 팽창제 수용용기와 착탈되는 화약 수용용기에 장입하고, 현장에서 결합하여 사용한다.

상기 화약을 포함하여 도폭선 및 뇌관을 사용한다.

상기 팽창제 수용용기의 길이방향으로 상기 도폭선을 길게 연장하여 설치하고, 상기 도폭선과 연결된 상기 뇌관을 이용하여 상기 도폭선을 기폭시킨다.

이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법에 의하면 가스, 진동 및 소음을 줄이면서도 굴착속도를 늦추지 않는 이점이 있다.

이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 팽창제(20)의 유닛 조합과 최소한의 화약(30)을 혼합하여 반응시킴으로써 그 충격 및 압력을 이용한 터파기 암반 파쇄에 관한 것이다. 상기 팽창제(20)는 화약(30)과 달리 가스를 발생시키지 않으므로 인하여 진동 및 소음이 적고, 특히 현대에 이르러, 지상 공간의 개발한계와 공해문제등으로 인해 지하 공간개발의 중요성이 점차 증대되고 있고, 최근들어 활발하게 이루어지고 있는 지하상가, 지하아케이트, 지하고속도로 등의 개발이 점차 현실화되는 시점에서 지하 터파기 공사기술 발전에 기여하며, 주변건물에 크랙을 발생하는 화약에 의한 지반진동 및 소음을 원천적으로 방지하고 이를 최소화하는 데 가장 유효한 수단이 될 수 있다.

본 발명의 팽창제(20) 유닛 조합은 테르밋제, 반응속도증강제 및 전해유체물질로 구성된다.

상기 테르밋제는 금속산화물인 산화구리(Ⅰ)(Cu₂O), 산화구리(Ⅱ)(Cu O), 산화철(Fe O), 삼산화이철(Fe₂O₃), 사산화삼철(Fe₃O₄), 이산화망간(Mn O₂) 등을 알칼리금속, 알칼리토금속, 알루미늄(Al) 중에서 선택된 하나 또는 그 이상을 혼합하여 사용한다.

상기 반응속도증강제는 반응 유닛 간의 순폭을 유도하고 반응속도를 증가시 킴으로써 밀폐된 공간에서의 완전반응을 유발하여 파암력을 높여주기 위한 것으로, 이산화규소(SiO₂), 삼산화이알루미늄(Al₂O₃), 삼산화이철(Fe₂O₃), 산화칼슘(Ca O) 등과 같이 저 비중, 초경량의 미소 입자를 주성분으로 하고 여기에 발열량이 높은 알루미늄(Al) 분말을 혼합하여 사용한다.

상기 전해유체물질은 소음을 감소시키거나 불완전 반응시 발생되는 화염으로 인한 유폭현상을 방지하기 위한 것으로 알칼리금속 또는 알칼리토금속의 할로겐화물, 산소산염 등과 염화나트륨(NaCl)을 물에 용해한 용액이 사용된다.

상기 팽창제(20)의 유닛 조합을 현장에서 바로 지입하게 되면 발파에 필요한 유닛의 조합비율을 제대로 알 수 없고, 이를 대량으로 준비할 수 없을 뿐만 아니라 이와 결합되는 화약(30)을 별도로 경찰서에서 수령하여 현장에서 결합하여야 하기 때문에, 소정 길이를 갖는 실린더 형상의 팽창제 수용용기(도시되지 않음)에 장착하여 발파공에 장입할 수 있다.

마찬가지로, 현장에서 상기 팽창제(20) 및 화약(30)을 보다 용이하게 결합할 수 있도록 화약 수용용기(도시되지 않음)를 별도로 제작하여 상기 팽창제 수용용기와 현장에서 체결할 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 상기 화약(30)과 팽창제(20)의 혼합비율은 건물로부터의 거리에 따라 달리 결정된다.

우선, 자유면이 없는 경우에는 심빼기 공사를 통하여 자유면(40)을 형성하여야 하고, 건물로부터의 거리를 고려하여 터파기 공사를 하여야 한다.

심빼기 공사는 도 2에 도시된 바와 같이, 심빼기 부분과 심빼기 확장부분으로 나누어 볼 수 있고, 심빼기 부분에는 15% 이하의 화약(30)과 85% 이상의 팽창제(20)를 혼합하여 사용하며, 심빼기 확장부분에는 5% 이하의 화약(30)과 95% 이상의 팽창제(20)를 혼합하여 사용하는 것이 바람직하다.

터파기 공사의 암반파쇄를 시행함에 있어 건물로부터 25m 이내에서 화약(30)의 비중은 5% 이하이고 팽창제(20)의 비중은 95% 이상으로 혼합하는 것이 바람직하고, 건물로부터 50m 이내에서 화약(30)의 비중은 15% 이하이고 팽창제(20)의 비중은 85% 이상으로 혼합하는 것이 바람직하며, 건물로부터 70m 이내에서 화약의 비중(30)은 25% 이하이고 팽창제(20)의 비중은 75% 이상으로 혼합하는 것이 바람직하다.

기존에 자유면(40)이 존재하고 있으면 이를 활용할 수 있는 것은 물론이고, 자유면(40)을 형성함에 있어서도 건물로부터 25m 지점에서 형성할 필요가 없으므로 주변환경에 따라 그보다 가깝거나 먼거리에서 형성할 수 있음을 배제하지 않는다.

이때 건물로부터 25m 이내에서 화약(30)을 사용하지 않고 팽창제(20)만으로 굴착공사 할 수 있음을 배제하지 않는다. 화약(30)만을 사용하게 되면 화약(30)이 폭발하면서 발생하는 충격파에 의한 발파진동이 대단히 크고, 그 주파수 대역이 건물의 공진 주파수와 비슷한 대역에 있기 때문에 충격파는 거의 그대로 주변건물에 전달되지만, 화약(30)을 최소화하고 팽창제(20)를 사용하게 되면 팽창제(20)가 반응하면서 발생하는 진동은 진동수가 매우 높은 고주파 대역에 있기 때문에 진동이 주변 건물로 전파되지 못하고, 거리에 따른 감쇄효과도 매우 커서 화약(30)만을 사용하는 것에 비하여 매우 효과적이다. 이와 같이, 화약(30)과 팽창제(20)를 적절하게 조합함으로써 진동 주파수가 상호 간섭하며, 그 진폭이 시간의 경과와 거리에 따라 급격히 감소하는 효과가 있게 된다.

또한, 상기 테르밋제, 반응속도증강제, 전해유체물질 등의 조합으로 된 팽창제(20) 전체에 걸쳐 폭발력이 동시에 미칠 수 있도록 상기 화약(30)을 포함하여 상기 팽창제 수용용기의 길이방향으로 도폭선(도시되지 않음)과 뇌관(도시되지 않음)을 설치하여 팽창제(20)를 기폭할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 각종 중장비의 물리력에 의한 경우에 발생되는 굴착속도의 지연과 화약만을 사용하는 경우의 가스, 진동 및 소음의 발생을 최소화하기 위하여 충격력의 팽창제와 폭발력의 화약을 상호 조합하고, 건물로부터의 거리에 따라 팽창제와 화약의 조합비율을 변경하는 구성을 기술적 사상으로 하고 있음을 알 수 있다. 이와 같은 본 발명의 기본적인 기술적 사상의 범주 내에서, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서는 다른 많은 변형이 가능할 것이다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 구성에 의하면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 화약과 팽창제를 적절하게 조합함으로써, 각종 중장비의 물리력에 의한 경우에 비하여 굴착속도가 줄지 않기 때문에 공기가 지연되지 않는 작용효과가 기대된다.

둘째, 화약만을 사용하는 경우에 비하여, 가스의 발생이 적고, 진동 및 소음 이 최소화되는 작용효과가 기대된다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 통상 건물의 신축공사, 대규모 토목공사 또는 건설공사, 지하철 굴착공사를 위한 터파기 굴착공사에 있어서,

   화약을 테르밋제, 반응속도증강제 및 전해유체물질 중에서 선택되고 복수개의 조합으로 이루어지는 팽창제와 혼합하여 파쇄하며,

   상기 화약과 팽창제의 혼합비율은 상기 건물로부터의 거리에 따라 다르게 정해지며,

   상기 건물로부터 25m 이내에서 화약의 비중은 5% 이하이고 팽창제의 비중은 95% 이상으로 혼합하고, 건물로부터 50m 이내에서 화약의 비중은 15% 이하이고 팽창제의 비중은 85% 이상으로 혼합하며, 건물로부터 70m 이내에서 화약의 비중은 25% 이하이고 팽창제의 비중은 75% 이상으로 혼합하여 사용됨을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,

   별도의 자유면이 형성되어 있지 않은 경우 자유면을 형성하기 위한 심빼기 공사는 심빼기 부분과 심빼기 확장부분으로 나누어 실시하며,

   심빼기 부분에는 15% 이하의 화약과 85% 이상의 팽창제를 혼합하여 사용하며,

   심빼기 확장부분에는 5% 이하의 화약과 95% 이상의 팽창제를 혼합하여 사용함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법.
5. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 테르밋제는 산화구리(Ⅰ)(Cu₂O), 산화구리(Ⅱ)(Cu O), 산화철(FeO), 삼산화이철(Fe₂O₃), 사산화삼철(Fe₃O₄), 이산화망간(Mn O₂) 기타 금속산화물을 알칼리금속, 알칼리토금속, 알루미늄(Al) 중에서 선택된 하나 또는 그 이상을 혼합하여 사용하고,

   상기 반응속도증강제는 이산화규소(Si O₂), 삼산화이알루미늄(Al₂O₃), 삼산화이철(Fe₂O₃), 산화칼슘(Ca O) 기타 저비중, 초경량의 미소 입자를 주성분으로 하고 여기에 발열량이 높은 알루미늄(Al) 분말을 혼합하여 사용하며,

   상기 전해유체물질은 알칼리금속 또는 알칼리토금속의 할로겐화물이나 산소산염과 염화나트륨(NaCl)을 물에 용해한 용액이 사용됨을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법.
6. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 팽창제를 실린더 형상의 팽창제 수용용기에 장입하여 사용함을 특징으로 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 화약을 상기 팽창제 수용용기와 착탈되는 화약 수용용기에 장입하고, 현장에서 결합하여 사용함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 화약을 포함하여 도폭선 및 뇌관을 사용함을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 팽창제 수용용기의 길이방향으로 상기 도폭선을 길게 연장하여 설치하고, 상기 도폭선과 연결된 상기 뇌관을 이용하여 상기 도폭선을 기폭시킴을 특징으로 하는 플라즈마를 이용한 터파기 암반굴착공법.

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