KR100902364B1 - 쉴드 터널링 장치 및 그 공법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 암반 및 토사 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 지반을 굴착하는 굴착 수단과, 상기 굴착 수단에 의해 굴착된 암반 및 토사를 이송하는 스큐류 이송수단과, 상기 스크류 이송수단에 의해 운반된 암반을 일정 크기 이하의 버럭으로 파쇄하는 암반 파쇄수단과, 상기 암반 파쇄 수단에서 배출된 버럭 및 토사를 이송시키기 위한 적어도 하나의 압송 펌프와, 상기 압송 펌프를 통해 버럭 및 토사를 이송하는 압송관 및 상기 압송관을 통해 이송된 버럭 및 토사를 입자의 크기에 따라 분리하는 버럭 분리수단을 포함하는 쉴드 터널링 장치 및 그 공법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 암반 및 토사 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 지반을 굴착하고, 굴착된 암반을 소정 크기 이하의 버럭으로 파쇄하여 지상으로 압송하여 버럭 및 토사를 입자의 크기에 따라 분리하여 재활용할 수 있게 함으로서 친환경적이고 경제적이며 진동과 소음이 적다.
쉴드 터널링, 터널, 암반, 토사, 버럭, 디스크 커터, 암반 파쇄, 압송

Description

쉴드 터널링 장치 및 그 공법{Shield tunneling apparatus and constructing method thereof}
쉴드 터널링 장치 및 그 공법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디스크 커터 헤드(Cutter Head)의 회전력에 의해 암반을 압쇄하여 굴착하고 굴착된 암반을 암반 파쇄수단을 이용하여 2차로 압쇄하고 펌프로 이송관을 통해 후방으로 압송하여 지상에서 버럭 및 토사를 분리하는 쉴드 터널링 장치 및 그 공법에 관한 것이다.
터널(Tunnel)을 굴착하는 공법으로는 오픈 트렌치형 공법(Open Trench Method), 쉴드 터널링 공법(Shield tunneling Method), 파이프 루프 공법(Pipe Roof Method) 등이 있다.
오픈 트렌치형 공법은 터널이 위치할 곳의 땅을 개착하여 지하도 등의 터널 구조물을 시공한 다음, 그 위에 개착된 흙을 덮어 터널 구조물을 시공하는 공법이다.
쉴드 터널링 공법은 쉴드 터널링 머신(Shield Tunneling Machine)을 사용하 여 터널을 굴착한 다음, 형성된 터널 안에 터널 구조물을 형성하는 공법이다.
파이프 루프 공법은 도로 등의 밑에 터널을 구축하는 방법으로서 파이프와 같은 지지대를 이용하여 상부의 토층을 지지한 상태에서 터널 구조물을 시공하는 공법이다.
일반적으로 쉴드 터널링 공법은 터널을 시공하는 과정에서 건물, 도로 등의 지상의 건축 구조물에 대한 영향, 하수도, 가스관 등의 지하 건축 구조물에 대한 영향, 지상의 교통 흐름, 진동, 소음 등을 최소화시키는 시공이 가능하므로 많이 사용되고 있는 공법이다.
쉴드 터널링 공법은 지상에서 일정한 깊이로 수직 굴착하여 수직 전진갱과 수직 도달갱을 형성한 다음, 수직 전전갱에서 수직 도달갱까지 도달하도록 굴착기를 이용하여 암반층과 토사를 굴착하여 터널을 시공하게 된다. 굴착된 토사와 암반은 컨베이어를 통해 운반대차에 상차시키고 운반대차를 이용하여 수직 전진갱까지 운반하여 외부 지상으로 배출시키게 된다.
그러나, 이러한 종래의 쉴드 터널링 공법은 굴착기에 의해 굴착된 암반을 외부로 배출시키기 위해 컨베이어와 운반대차를 통해 이동해야 하며, 이에 따라 운반대차가 이동하는 레일이 필요하고, 운반 대차를 이용하여 운반해야 하므로 진분, 먼지 등이 많이 발생하게 되고 운반 시에 굴착된 암반 또는 토사가 이동 중에 운반대차 밖으로 떨어질 수 있어 수시로 청소해야 하는 부담이 발생하며, 운반대차를 사용하므로 그에 따른 수많은 작업 인력이 필요하고 이에 따라 작업자는 수많은 작업위험에 노출되게 되며, 암반을 이송하는데 진동 및 소음이 많이 발생한다는 문제 점이 있다. 또한, 무게가 큰 암반을 지상으로 반출하는데 기중기나 별도의 수직 승강 수단이 필요하다는 단점이 있다. 운반 대차를 이용하여 이송하므로 진분, 먼지 등이 많이 발생하게 되는데, 이는 작업자의 건강을 해칠 우려가 있다.
한편, 토사반출 방법으로는 여러가지 방식이 있으나 인력 절감 효과, 굴착 속도 향상 및 안정성의 향상을 위해 파이프라인 방식이 주로 사용되고 있으며, 현재 적용되는 파이프라인 방식으로는 물의 흐름으로 토사를 이송하는 유체 운송식, 피스톤 펌프 등을 이용하여 토사를 이송하는 펌프 압송식 및 공기의 흐름으로 토사를 이송하는 공기 운반식이 있다.
쉴드로 굴착된 토사는 지상으로 보내져 지상에서 토사 사토장으로 보내져 처분된다. 파이프라인 방식은 지반 굴착과 병행하여 토사를 반출하는 것이 가능하고 작업 능률이 높으며, 갱내 유효 공간을 넓힐 수 있고, 수평 운반과 수직 운반을 조합할 수 있으며, 작업시 안정성이 뛰어나고, 갱내가 청결하며, 생력화가 가능하다는 특징이 있다.
그러나, 이러한 파이프라인 방식은 입자 크기가 작은 토사에는 적용할 수 있으나, 입자의 크기가 큰 암반의 이송에는 적용할 수 없다는 단점이 있다. 또한, 지상에 보내진 배출물질은 재활용할 수 없고 폐기물로 버려지기 때문에 친환경적이지 못하며 경제적이지 못하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 암반 및 토사 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 지반을 굴착하고, 굴착된 암반을 일정 크기 이하의 버럭으로 파쇄하여 지상으로 압송하여 버럭 및 토사를 입자의 크기에 따라 분리하여 재활용할 수 있게 함으로서 친환경적이고 경제적이며 진동과 소음이 적은 쉴드 터널링 장치를 제공함에 있다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 암반 및 토사 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 지반을 굴착하고, 굴착된 암반을 일정 크기 이하의 버럭으로 파쇄하여 지상으로 압송하여 버럭 및 토사를 입자의 크기에 따라 분리하여 재활용할 수 있게 함으로서 친환경적이고 경제적이며 진동과 소음이 적은 쉴드 터널링 공법을 제공함에 있다.
본 발명은, 암반 및 토사를 굴착하여 지상으로 배출하는 쉴드 터널링 장치에 있어서, 암반 및 토사 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 지반을 굴착하는 굴착 수단과, 상기 굴착 수단에 의해 굴착된 암반 및 토사를 이송하는 스큐류 이송수단과, 상기 스크류 이송수단에 의해 운반된 암반을 일정 크기 이하의 버럭으로 파쇄하는 암반 파쇄수단과, 상기 암반 파쇄 수단에서 배출된 버럭 및 토사를 이송시키기 위한 적어도 하나의 압송 펌프와, 상기 압송 펌프를 통해 버럭 및 토사를 이송하는 압송관 및 상기 압송관을 통해 이송된 버럭 및 토사를 입자의 크기에 따라 분리하는 버럭 분리수단을 포함하는 쉴드 터널링 장치를 제공한다.
상기 굴착 수단은, 지반을 굴착하는 디스크(Disk) 모양의 디스크 커터가 설치된 커터 헤드를 구비하고, 상기 커터 헤드의 회전력에 의해 지반을 압쇄하여 굴착할 수 있다.
굴착된 암반의 치수는 상기 디스크 커터의 궤적 간격으로 결정할 수 있다.
상기 스크류 이송수단은, 굴착된 암반 및 토사를 상기 암반 파쇄수단으로 이송하기 위한 스크류 콘베이어를 구비할 수 있다.
상기 암반 파쇄수단은, 고정식의 외측콘과, 회전식의 내측콘 및 굴착된 암반 및 토사를 상기 외측콘과 내측콘 사이로 밀어넣는 스크류 콘베이어를 포함할 수 있다.
상기 외측콘은 진원형이고, 상기 내측콘은 타원형이며, 상기 내측콘의 편심 효과와 상기 외측콘 및 내측콘의 표면에 마련된 돌기에 의해 굴착된 암반을 파쇄할 수 있다.
상기 내측콘에 연결되어 회전 축방향으로 슬라이드하는 슬라이드 잭이 구비되고, 상기 슬라이드 잭은 상기 내측콘의 회전 축방향으로 슬라이드하면서 상기 내측콘과 상기 외측콘 사이의 간격을 조정하여 파쇄된 버럭의 크기나 배토량을 조절할 수 있다.
상기 스크류 콘베이어는, 스크류 날개와 케이싱을 구비하고, 상기 스크류 날개의 피치나 회전수는 지질 현황이나 암반 배토량에 따라 결정할 수 있다.
상기 쉴드 터널링 장치는, 상기 압송 펌프와 상기 버럭 분리수단 사이에 압송관의 길이가 늘어남에 따라 상기 압송 펌프의 역할을 보조하기 위한 중계 압송 펌프를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 쉴드 터널링 장치는, 상기 압송 펌프와 상기 버럭 분리수단 사이에 쉴드 굴진의 연장을 고려하여 배관의 수축 및 연장을 조절할 수 있는 신축관을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 쉴드 터널링 장치는, 압송관 내에서 압송되는 버럭 및 토사의 유량을 측정 표시하기 위하여 상기 압송관 중간에 삽입 설치되는 유량계를 더 포함할 수 있다.
지상으로 진동 및 소음이 전파되는 것을 방지하기 위하여 상기 압송 펌프와 상기 버럭 분리수단 사이에 설치되는 진동 및 소음 저감장치를 더 포함할 수 있다.
상기 진동 및 소음 저감장치는, 유압 또는 에어(Air)로 일정압을 유지하는 아큐뮤레이터와, 유압 또는 에어(Air)에 의해 전진 및 후진하여 압송관의 압력을 일정하게 유지하기 위한 실린더 및 상기 아큐뮤레이터로부터 유압 또는 에어(Air)를 상기 실린더로 보내기 위한 통로인 배관을 포함하며, 상기 압송관의 압력이 설정 압력보다 고압일 경우 상기 실린더는 후방으로 후퇴하여 압송관의 압력이 설정 압력으로 유지되도록 하고, 상기 압송관의 압력이 설정 압력보다 저압일 경우 상기 아크뮤레이터에서 유압 또는 에어(Air)를 배관을 통해 상기 실린더에 보내게 되고 상기 실린더는 전방으로 전진하여 압송관의 압력이 설정 압력으로 유지되도록 할 수 있다.
또한, 상기 쉴드 터널링 장치는, 압송 펌프의 작동이 일시적으로 중단되어 일시적으로 압송이 중지될 때 수직갱의 수직 배관 높이에 의해 압력이 압송방향 흐름의 반대방향으로 작용하여 배관 내의 버럭 또는 토사가 역류할 수 있는데 이를 억제하기 위하여 수직갱 근처의 수평 배관 부분에 설치되는 자동유압 밸브장치를 더 포함할 수 있다.
상기 버럭 분리수단은, 이송된 버럭 및 토사를 물과 함께 넣어 교반하는 스크류 교반기와, 버럭, 토사 및 상기 버럭에서 분리된 석분을 크기에 따라 분리시키기 위한 전동 스크린 및 상기 전동 스크린을 통과한 이수를 저장하는 적어도 하나의 이수조를 포함할 수 있다.
상기 버럭 분리수단은, 일정 크기보다 작은 석분을 포함하는 상기 이수조에 저장된 이수는 오버 플로우되어 잉여 이수조로 보내고, 일정 크기보다 큰 석분을 포함하는 이수는 전동 스크린으로 보내 필터링되어 배출되게 하는 사이클론을 더 포함할 수 있다.
상기 버럭 분리수단은, 상기 이수조에 저장된 이수를 필터링하여 케이크화시키는 필터 프레스를 더 포함할 수 있다.
상기 버럭 분리수단은, 상기 필터 프레스의 필터링을 통과한 물을 저장하기 위한 청수조를 더 포함하고, 상기 청수조의 물은 상기 스크류 교반기로 보내거나 굴착 수단의 챔버로 보내 재활용할 수 있다.
또한, 본 발명은, 암반 및 토사를 굴착하여 지상으로 배출하는 쉴드 터널링 공법에 있어서, 암반 및 토사 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 지반을 굴착수단을 이용하여 굴착하는 단계와, 스크류 이송수단을 이용하여 굴착된 암반 및 토사를 이송하는 단계와, 상기 스크류 이송수단에 의해 운반된 암반을 암반 파쇄수단을 이용하여 일정 크기 이하의 버럭으로 파쇄하는 단계와, 적어도 하나의 압송 펌프를 이용하여 압송관을 통해 버럭 및 토사를 이송하는 단계 및 버럭 분리수단을 이용하여 이송된 버럭 및 토사를 입자의 크기에 따라 분리하는 단계를 포함하는 쉴드 터널링 공법을 제공한다.
상기 굴착수단은 지반을 굴착하는 디스크(Disk) 모양의 디스크 커터가 설치된 커터 헤드를 구비하고, 상기 커터 헤드의 회전력에 의해 지반을 압쇄하여 굴착할 수 있다.
굴착된 암반의 치수는 상기 디스크 커터의 궤적 간격으로 결정할 수 있다.
상기 암반 파쇄수단은, 고정식의 외측콘과, 회전식의 내측콘 및 굴착된 암반 및 토사를 상기 외측콘과 내측콘 사이로 밀어넣는 스크류 콘베이어를 포함하고, 상기 내측콘의 편심 효과와 상기 외측콘 및 내측콘의 표면에 마련된 돌기에 의해 굴착된 암반을 파쇄할 수 있다.
상기 내측콘에 연결되어 회전 축방향으로 슬라이드하는 슬라이드 잭이 구비되고, 상기 슬라이드 잭은 상기 내측콘의 회전 축방향으로 슬라이드하면서 상기 내측콘과 상기 외측콘 사이의 간격을 조정하여 파쇄된 버럭의 크기나 배토량을 조절할 수 있다.
상기 스크류 콘베이어는, 스크류 날개와 케이싱을 구비하고, 상기 스크류 날개의 피치나 회전수는 지질 현황이나 암반 배토량에 따라 결정할 수 있다.
상기 쉴드 터널링 공법은, 상기 압송 펌프와 상기 버럭 분리수단 사이에 신축관이 더 구비되고, 쉴드 굴진의 연장을 고려하여 신축관으로 배관의 수축 및 연장을 조절할 수 있다.
또한, 상기 쉴드 터널링 공법은, 상기 압송관 중간에 삽입 설치되는 유량계가 구비되고, 상기 압송관 내에서 압송되는 버럭 및 토사의 유량을 측정 표시할 수 있다.
또한, 상기 쉴드 터널링 공법은, 상기 압송 펌프와 상기 버럭 분리수단 사이에 진동 및 소음 저감장치가 설치되어 지상으로 진동 및 소음이 전파되는 것을 억제할 수 있다.
상기 진동 및 소음 저감장치는, 유압 또는 에어(Air)로 일정압을 유지하는 아큐뮤레이터와, 유압 또는 에어(Air)에 의해 전진 및 후진하여 압송관의 압력을 일정하게 유지하기 위한 실린더 및 상기 아큐뮤레이터로부터 유압 또는 에어(Air)를 상기 실린더로 보내기 위한 통로인 배관을 포함하며, 상기 압송관의 압력이 설정 압력보다 고압일 경우 상기 실린더는 후방으로 후퇴하여 압송관의 압력이 설정 압력으로 유지되게 하고, 상기 압송관의 압력이 설정 압력보다 저압일 경우 상기 아크뮤레이터에서 유압 또는 에어(Air)를 배관을 통해 상기 실린더에 보내게 되고 상기 실린더는 전방으로 전진하여 압송관의 압력이 설정 압력으로 유지되게 할 수 있다.
수직갱 근처의 수평 배관(압송관) 부분에 유압 밸브장치가 설치되고, 압송 펌프의 작동이 일시적으로 중단되어 일시적으로 압송이 중지될 때 수직갱의 수직 배관 높이에 의해 압력이 압송방향 흐름의 반대방향으로 작용하는 경우 압송관 내의 버럭 또는 토사가 역류하는 것을 억제하기 위하여 밸브를 개폐할 수 있다.
상기 이송된 버럭 및 토사를 입자의 크기에 따라 분리하는 단계는, 스크류 교반기에 이송된 버럭 및 토사를 물과 함께 넣어 교반하는 단계와, 전동 스크린을 이용하여 버럭, 토사 및 상기 버럭에서 분리된 석분을 크기에 따라 분리하는 단계 및 상기 전동 스크린을 통과한 이수를 적어도 하나의 이수조에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
일정 크기보다 작은 석분을 포함하는 상기 이수조에 저장된 이수는 오버 플로우되어 잉여 이수조로 보내고, 일정 크기보다 큰 석분을 포함하는 이수는 전동 스크린으로 보내 필터링되어 배출되게 하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 이수조에 저장된 이수를 필터 프레스를 이용하여 필터링하여 케이크화시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 필터 프레스의 필터링을 통과한 물을 청수조에 저장하고, 상기 청수조의 물은 상기 스크류 교반기로 보내거나 또는 굴착수단의 챔버로 보내 재활용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 의한 쉴드 터널링 장치 및 그 공법에 의하면, 암반 및 토사 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 지반을 굴착할 수 있다. 또한, 굴착된 암반을 소정 크기 이하의 버럭으로 파쇄하여 지상으로 압송이 가능하다. 지상으로 압송된 버럭 및 토사는 입자의 크기에 따라 분리하여 재활용할 수 있게 함으로서 친환경적이고 경제적이며 진동과 소음이 적다.
또한, 본 발명에 의하면, 암반을 외부로 배출시키기 위한 운반대차, 운반대차가 이동하는 레일, 무게가 큰 암반을 지상으로 반출하기 위한 기중기나 수직 승강 수단 등이 필요가 없고, 압송관을 통해 이송하므로 진분, 먼지 등이 거의 발생하지 않으며, 따라서 작업자가 작업위험에 노출되는 것을 상당히 억제할 수 있다. 입자의 크기가 큰 암반을 2차적으로 파쇄하는 과정이 있으므로 암반의 이송에도 적용할 수 있다는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쉴드 터널링 장치 및 쉴드 터널링 공법을 설명하기 위하여 도시한 도면들이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쉴드 터널링(Shield Tunneling) 공법은 쉴드(Shield)라는 강재형 원통의 굴착수단(100)을 수직 작업구 내에 투입시켜 커터 헤드(Cutter Head)(110)의 디스크 커터(Disk Cutter)(120)를 회전시키면서 지반을 굴착하고, 각종 보조공법(압기 약액주입)으로 막장면의 붕괴를 방지하며, 굴착수단(100)의 후방부에 지보공(일반적으로 세그먼트(Segment))(미도시)를 설치하는 것을 반복해가면서 터널(Tunnel)을 굴착하는 공법을 말한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쉴드 터널링 공법은 점토, 모래, 자갈 전석 등을 포함하는 연약지반, 암반, 기타 다양한 지반조건 하에서 기반시설을 위한 지하공간(상하수도, 전기, 통신선로, 지하철도, 지하 터널 등)의 확보를 위해 적용되는 공법이며, 종래 개착식 공법, NATM 등으로 시공시에 발생하는 지반침하와 각종 소음 및 진동 등의 건설공해, 공사구간 주변의 민원, 교통, 통행의 장해 등의 문제점을 최소화할 수 있는 공법이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쉴드 터널링 공법은 토사 또는 암반 등으로 이루어진 지반을 굴착하는 디스크 커터(120)가 설치된 커터 헤드(110)의 회전력에 의해 암반을 압쇄하여 굴착하고, 커터 헤드(110)의 작용에 의해 발생된 암반 및 토사는 스크류 이송수단(200)을 통해 암반 파쇄수단(300)까지 이송된다. 암반 및 토사를 터널 외부로 반출 시 스크류 이송수단(200)과 압송 펌프(P0) 사이에 암반 파쇄수단(300)을 부착하여 2차로 암반을 압쇄하고, 암반 파쇄수단(300) 하부에 부착된 압송 펌프(P0)를 통해 버럭 및 토사를 버럭 분리수단(500)으로 압송한다. 압송 연장에 따라 중계 압송 펌프(P1, P2, P3)를 추가로 설치하여 지상의 버럭 분리수단(500)까지 압송할 수 있다.
압송 펌프(P0)로부터 버럭 분리수단(500)으로 이송된 버럭 및 토사는 물과 함께 호퍼(505)에 투입되고, 버럭 및 토사는 스크류 교반기(510)에서 교반되고, 버럭에 부착된 석분을 분리시키기 위해 전동 스크린(520)으로 통과시켜 탁수(흙탕물), 굵은 골재, 잔골재 및 세립분으로 선별한다. 전동 스크린(520)을 통과한 물은 사이클론(560)을 통과시켜 전동 스크린(520)에서 재차 탁수와 세립분으로 선별하고, 사이클론(560)에서 오버 플로우(Over Flow)된 물은 필터 프레스(530)에 보내 케이크화시켜 석분을 제거한다. 선별된 버럭 입자와 케이크화된 석분은 사토 처리 또는 재활용을 하고, 물은 순환시켜 재사용한다. 버럭 분리수단(500)은 굵은 골재, 잔골재 및 세립분 등으로 분리 탈수하여 용도에 따라서 재활용될 수 있게 한다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쉴드 터널링 장치는 토사 및 암반 등의 지반을 굴착하는 굴착 수단(100)과, 굴착 수단(100)에 의해 굴착된 암반 및 토사를 이송하는 스큐류 이송수단(200)과, 스크류 이송수단(200)에 의해 운반된 암반을 일정 크기 이하의 버럭으로 파쇄하는 암반 파쇄수단(300)과, 암반 파쇄 수단(300)에 의해 파쇄된 버럭 및 토사를 압송관(400)을 통해 이송시키기 위한 압송 펌프(P0)와, 압송 펌프(P0)를 통해 버럭 및 토사를 이송하는 배관인 압송관(400)과, 압송관(400)을 통해 이송된 버럭 및 토사를 입자의 크기에 따라 분리하는 지상에 구비된 버럭 분리수단(500)을 포함한다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쉴드 터널링 장치는 압송 펌프(P0)와 버럭 분리수단(500) 사이에 압송관(400)의 길이가 늘어남에 따라 압송 펌프(P0)의 역할을 보조하기 위한 중계 압송 펌프(P1, P2, P3)를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쉴드 터널링 장치는 압송 펌프(P0)와 버럭 분리수단(500) 사이에 쉴드 굴진의 연장을 고려하여 배관의 수축 및 연장을 조절할 수 있는 신축관(410)을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쉴드 터널링 장치는 압송 펌프(P0)와 버럭 분리수단(500) 사이의 배관 내에서 압송되는 버럭 및 토사의 유량을 측정 표시하기 위한 유량계(420)와, 소음 및 진동을 완화하기 위해 저감장치(430), 및 압송관 내에서의 역류를 방지하기 위한 밸브장치(450)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쉴드 터널링 장치는, 압송 펌프(P0)를 사용한 압송 방식에 의해 버럭 및 토사를 이송하는 방식을 적용한다. 도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이 굴착 수단(100)으로부터 배출된 암반 및 토사는 스크류 이송수단(200) 및 암반 파쇄수단(300)을 통해 압송 펌프(P0)로 이송되고, 압송 펌프(P0)는 배출된 토사를 터널 밖의 버럭 분리수단(500)까지 압송한다.
압송에 적합한 버럭 및 토사는 적당한 유동성을 지닐 필요가 있으며, 막장에서의 소성 유동화를 만들기 위하여 소성 유동화재인 작니재를 주입하는 펌프 압송식을 채용할 수 있다. 이러한 펌프 압송식은 토사가 대기압 아래서 일단 개방되므로 펌프 압송에 의한 압력 변동이 압송관(400) 내의 압력에 영향을 끼치지 않고 막장 압력과 토사반출을 독립해서 제어하게 된다. 압송의 자동화에는 스크류 이송수단(200)에서 터널 외부의 버럭 분리수단(500)까지 연속된 반출 시스템이 필요하다.
도 3a 및 도 3b는 암반 및 토사 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 지반을 굴착하기 위한 굴착 수단을 도시한 도면이다.
도 1, 도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 굴착 수단(100)은 토사 또는 암반 등으로 이루어진 지반을 굴착하는 디스크(Disk) 모양의 디스크 커터(120)가 설치된 커터 헤드(110)를 구비한다. 복수 개의 디스크 커터(120)가 부착된 커터 헤드(110)는 회전력에 의해 암반을 압쇄하여 굴착한다. 굴착된 암반의 치수는 커터 헤드(110)에 부착된 디스크 커터(120)의 궤적 간격으로 결정되어 지고, 암반의 절리에 의해 영향을 받는다.
커터 헤드(110)의 중앙부에는 트윈 디스크 커터(Twin Disk Cutter) 타입의 센터 커터(Center Cutter)(130)가 더 구비될 수 있다. 또한, 디스크 커터(120)의 측면에는 토사를 굴착하기 위한 바이트 커터(Bite Cutter)(140)가 더 구비될 수 있다.
또한, 커터 헤드(110)에는 물 또는 작니재를 분출하기 위한 주입포트(Injection Port)(150)가 더 구비될 수 있다. 버럭 분리수단(500)에서 재활용된 물은 도관을 통해 굴착수단의 챔버(160)로 유입되고, 작니재 탱크(620)에서 물과 혼합된 작니재는 도관을 통해 굴착수단의 챔버(160)에 유입되게 된다. 굴착수단의 챔버(160)는 주입포트(150)와 연결되어 있으며, 물에 융해된 작니재는 주입포트(150)를 통해 배출될 수 있게 된다. 디스크 커터(120)가 부착된 커터 헤드(110)의 회전력에 의해 암반을 압쇄하여 굴착과 동시에 폴리머 화합물인 작니재를 물에 융해시켜 막장 및 굴착수단(100)의 주입포트(150)에 주입하여 굴착된 암반 및 토사와 혼합함으로써 암반 및 토사의 소성 유동화를 만든다. 작니재의 주입량은 세립분의 양에 따라 조절하여야 하고, 유동성 여부는 굳지 않은 콘크리트 슬럼프 시험방법에 의하여 체크한다.
버럭 분리수단(565)의 물은 재활용되어 슬러리 펌프(SLP3)를 통해 굴착 수단의 챔버(160) 또는 스크류 콘베이어(200)에 보내질 수 있고, 작니재 탱크(620)는 물과 작니재를 혼합 융해하여 슬러리 펌프(SLP2)를 통해 굴착 수단의 챔버(160)로 보내거나 스크류 이동수단(200)으로 보낼 수 있다. 이때, 밸브들(V1, V2)을 통해 그 유량을 제어할 수 있다.
도 1에서 미설명된 참조부호 SP, OP 및 JS는 차례로 호퍼 토압계, 유닛오일 압력계 및 주수링을 지칭한다. 또한, P0 IF, P1 IF, P2 IF 및 P3 IF 는 해당 펌프의 조작반을 나타낸다.
도 3a에서 미설명된 참조부호 170, 175, 180, 185, 190, 195는 차례로 로터리 조인트(Rotary Joint), 커터 구동유닛(Cutter Drive Unit), 프론트 그리퍼(Front Gripper), 트러스트 잭(Thrust Jack), 롤링 잭(Rolling Jack), 쉴드 잭(Shield Jack)이며, 이들은 일반적으로 잘 알려진 것이므로 여기서는 그 설명을 생략한다.
커터 헤드(120)의 작용에 의해 발생된 암반 및 토사는 스크류 이송수단(200) 을 통해 암반 파쇄수단(300)까지 이송된다. 상기 스크류 이송수단(200)은 굴착된 암반 및 토사를 암반 파쇄수단(300)으로 이송하기 위한 스크류 콘베이어를 구비한다.
굴착된 암반의 치수는 커터 헤드(110)에 부착된 디스크 커터(120)의 궤적 간격으로 결정되어지고 암반의 절리에 의해 영향을 받으며, 암반 파쇄수단(300)으로부터 반출되는 버럭의 치수는 통상 스크류 이송수단(200)의 스크류 날개의 간격, 케이싱 내경 치수 및 스크류 타입(축 샤프트 방식, 리본 방식) 등에 의해서 결정되어 진다. 스크류 이송수단(200)은 스크류 날개와 스크류 콘베이어를 구비한다.
도 4는 암반 파쇄수단을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 굴착된 암반 및 토사를 터널 외부로 반출 시 스크류 이송수단(200)과 압송 펌프(P0) 중간에 암반 파쇄수단(300)을 부착하여 2차로 굴착된 암반을 압쇄한다.
암반 파쇄수단(300)은 콘 분쇄기를 베이스로 하고 있어 고정식의 외측콘(310), 회전식의 내측콘(320) 및 스크류 콘베이어(Screw Conveyor)(330)를 포함한다. 고정식의 외측콘(310)은 진원형이고, 회전식의 내측콘(320)은 타원형이며, 그 편심 효과와 콘의 표면에 마련한 돌기(미도시)와의 상승 효과에 의해 굴착된 암반을 파쇄한다. 내측콘(320)은 구동모터(350)의 구동에 의해 회전이 가능하다. 스크류 콘베이어(330)는 스크류 날개와 케이싱을 구비하고, 굴착된 암반 및 토사를 내측콘(320)과 외측콘(310) 사이로 밀어넣는 역할을 한다. 케이싱은 스크류 날개의 외곽을 감싸는 몸체에 해당한다.
회전식의 내측콘(320)은 조건에 따라 슬라이드 잭(360)과 연결할 수 있는데, 슬라이드 잭(360)은 유압 실린더(360)와 연결되고 회전 측방향(350)으로 슬라이드된다. 슬라이드 잭(340)은 내측콘(320)의 회전축 방향(350)으로 슬라이드하면서 내측콘(320)과 외측콘(310) 사이의 간격을 조정하여 파쇄된 버럭의 크기나 배토량을 조절한다. 스크류 이송수단(200)의 스크류 콘베이어(Screw Conveyor)와 콘 분쇄기의 스크류 콘베이어(330)는 굴착된 암반을 외측콘(310)과 내측콘(320) 사이에 밀어넣는 기능을 하고, 스크류 날개의 피치나 회전수는 지질 현황이나 암반 배토량 등에 따라 결정한다.
펌프 압송이 가능한 버럭의 치수는 일반적으로 펌프의 흡입 구경의 3분의 1 이하의 크기(버럭의 최대 치수는 60㎜ 정도)로 하여야 가능하다. 따라서, 큰 치수의 버럭을 압송이 가능한 버럭 치수로 파쇄하기 위하여 암반 파쇄수단(300)은 압송 펌프(P0)에 투입 전에 스크류 이송수단(200)과 압송 펌프(P0) 중간에서 암반을 2차로 파쇄하는 역할을 한다. 굴착된 암반이 암반 파쇄수단(300)에 의해 파쇄되는 크기보다 작은 일정 크기 이하의 잔골재로 이루어지거나 토사로 이루어져 있는 경우 암반 파쇄수단(300)은 암반을 2차적으로 파쇄하지 않고 이러한 경우에는 버럭 및 토사를 압송 펌프(P0)로 이송하는 역할을 한다.
도 5a는 압송 펌프 또는 중계 압송 펌프를 도시한 도면이고, 도 5b는 압송 펌프 또는 중계 압송 펌프를 보조하는 펌프 유닛을 도시한 도면이다.
도 1, 도 2, 도 5a 및 도 5b를 참조하면, 암반 파쇄수단(300) 하부에 부착된 압송 펌프(P0)는 버럭 및 토사를 버럭 분리수단(500)으로 압송한다. 압송 연장에 따라 중계 압송 펌프(P1, P2, P3)를 추가로 설치하여 지상의 버럭 분리수단(500)까지 압송할 수도 있다.
압송 펌프(P0)는 암반 파쇄수단(300)의 배출구에 직결 연결되어 있고, 버럭 및 토사 등의 배출물질을 중계 압송 펌프(P1, P2, P3) 또는 중계 압송 펌프(P1, P2, P3)가 없는 경우에는 버럭 분리수단(500)까지 이송하는 역할을 한다.
중계 압송 펌프(P1, P2, P3)는 배출물질 압송용 펌프이고 터널 외부의 버럭 분리수단(500)까지 압송한다. 장거리 압송의 경우 중계용으로 압송 펌프(P0)와 같은 사양의 펌프를 필요 대수에 따라 설치할 필요가 있다.
압송 펌프(P0) 또는 중계 압송 펌프(P1, P2, P3)는 연결 호스(32)에 의해 펌프 유닛의 연결관(62)과 연결되며, 펌프 유닛은 압송 펌프(P0) 또는 중계 압송 펌프(P1, P2, P3)가 작동하는데 보조하는 역할을 한다.
도 5a에서 미설명된 참조부호 10, 12, 14, 16, 18, 20, 22, 24, 26, 28, 30은 차례로 , 구동(Drive) 실린더, 프레임, 워터 박스, 워터 박스 커버, 전달(Delivery) 실린더, 물펌프, 호퍼, 점검창, 흡입구, 구리스 펌퍼, 단자 박스이며, 펌프를 구성하는 이러한 장비는 일반적으로 잘 알려진 것이므로 여기서는 그 설명을 생략한다.
도 5b에서 미설명된 참조부호 50, 52, 54, 56, 58, 60, 64, 68은 차례로 오일 탱크, 모터, 유압 펌프, 오일필트, 프레임, 오일쿨러, 단자박스 및 압력계이며, 펌프 유닛을 구성하는 이러한 장비는 일반적으로 잘 알려진 것이므로 여기서는 그 설명을 생략한다.
배출물질이 이송되는 통로인 압송관(400)은 토출 압력(예컨대, 30∼100㎏f/㎠)에 견디고, 배관 저항을 가능한 작게 하기 위해 압송 펌프(P0) 또는 중계 압송 펌프(P1, P2, P3) 능력 범위 내의 큰 지름의 관으로서 강성이 높은 강관이 사용될 수 있다. 압송관(400)은 쉴드 굴진 속도의 변화에 의해 배토량이 변화 가능하고, 장착 공간이 제한되기 때문에 콤팩트해야 하며, 쉴드의 방향 변화 등에 대응 가능한 구조일 필요가 있다.
도 6은 쉴드 굴진에 따라 변화하는 배관 연장을 조정하기 위한 신축관을 도시한 도면이다.
도 1, 도 2 및 도 6을 참조하면, 쉴드 굴진에 따라 변화하는 배관의 축소 및 연장을 조정하기 위한 신축관(410)이 사용될 수 있는데, 이러한 신축관(410)에는 슬라이드식 신축관과 스네이크식 신축관이 있을 수 있다.
슬라이드식 신축관은 큰 지름의 배관(외관)의 중앙에 작은 지름의 배관(내관)을 넣은 2중관 형식으로, 작은 지름의 배관(내관) 빠져서 배관이 늘어나고, 누름에 의해 배관의 축소를 한다. 슬라이드식 신축관은 중계 압송 펌프의 압력 손실 이 적도록 직선으로만 사용되고, 내압이 낮은(예컨대, 0.2∼0.3MPa) 장소에 설치시에 내관과 외관의 중심을 합하는데 시간이 많이 걸리는 단점이 있다.
스네이크식 신축관은 짧은 배관을 산형태로 조합하여 빅토리조인트로 고정하는 것에 의해 회전을 이용하여 신축한다. 스네이크식 신축관은 압송 펌프(P0) 또는 중계 압송 펌프(P1, P2)의 토출측에 설치하는 것이 많기 때문에 압송 펌프(P0) 또는 중계 압송 펌프(P1, P2)의 압력 손실이 높지만, 커브(Curve)에 대응하는 것이 가능하고 설치가 용이하며 내압이 높은 장소 등에 설치하기가 용이하다.
유량계(420)는 압송관(400) 중간에 삽입 설치하는 장치이고, 배관 내에서 압송되는 버럭 및 토사의 유량을 측정 표시하며, 측정된 유량은 데이타로 환산되어 적산치가 표시된다. 유량계(420)에 의해 검지된 데이타는 외부로 신호 출력도 가능하여 원격으로 유량 확인 및 데이타 기록이 가능하다.
한편, 버럭 및 토사 압송에 있어서 압송관(400)과 압송관(400)의 접속은 일반적으로 빅토리조인트를 사용하고 있으며, 버럭 및 토사를 이송하기 위한 압송 펌프(P0)는 실린더의 피스톤 작용에 의해 동작하는데 압송 중에는 피스톤이 끝까지 올 때 배관 접속을 끊고 교체하거나 순간적으로 배관 내압이 해방된 상태에서 급속한 압력차가 발생하게 되며 이에 따라 소음 및 진동이 발생한다. 이러한 소음 및 진동을 완화하기 위해 진동 및 소음 저감장치(430)를 사용할 수 있다.
도 7은 진동 및 소음 저감장치를 도시한 도면이다.
도 1, 도 2 및 도 7을 참조하면, 진동 및 소음 저감장치(430)는 지상으로 진동 및 소음이 전파되는 것을 방지하기 위하여 압송 펌프(P0) 또는 중계 압송 펌프(P1, P2, P3)와 버럭 분리수단(500) 사이에 설치되는 것이 바람직하다. 아큐뮤레이터(432)는 유압 또는 에어(Air)로 일정압을 유지하는 역할을 한다. 압송관(400)의 압력이 설정 압력보다 고압일 경우, 실린더(436)는 후방으로(즉, 작동확인도(444) 방향으로) 후퇴하여 압송관(400)의 압력이 설정 압력으로 유지되도록 한다. 압송관(400)의 압력이 설정 압력보다 저압일 경우, 아크뮤레이터(432)에서 유압 또는 에어(Air)를 배관(434)을 통해 실린더(436)에 보내게 되고, 실린더(436)는 전방으로(즉, 작동확인도(444) 방향으로) 전진하여 압송관(400)의 압력이 설정 압력으로 유지되도록 한다. 이와 같은 작용에 의해 압송관(400)의 압력이 일정하게 유지되게 함으로서 진동 및 소음을 저감할 수 있다.
도 7에서 미설명된 참조부호 438, 440 및 442는 차례로 유압계, 자동연동급유기 및 카라링이며, 진동 및 소음 저감장치를 구성하는 이러한 장비는 일반적으로 잘 알려진 것이므로 여기서는 그 설명을 생략한다.
압송 펌프(P0) 또는 중계 압송 펌프(P1, P2, P3)의 작동이 일시적으로 중단되어 일시적으로 압송이 중지될 때 수직갱의 수직 배관(압송관) 높이에 의해 압력이 압송방향 흐름의 반대방향으로 작용하여 배관(압송관) 내의 버럭 또는 토사가 역류할 수 있는데, 이를 억제하기 위하여 자동유압 밸브장치(440)를 설치할 수 있다. 자동유압 밸브장치(440)는 진동 및 소음 저감장치(430)와 버럭 분리수단(500) 사이에, 즉 수직갱 근처의 수평 배관(압송관) 부분에 설치하는 것이 바람직하다. 자동유압 밸브장치(440)는 유압 실린더에 의해 개폐되는 밸브 형태이고, 원격 조정으로 조작이 가능하다.
도 8은 버럭 분리수단을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 9는 버럭 분리수단의 스크류 교반기, 전동 스크린 및 사이클론을 개략적으로 도시한 도면이다. 도 10은 필터 프레스 및 청수조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 압송 펌프(P0) 또는 중계 압송 펌프(P1, P2, P3)로부터 버럭 분리수단으로 이송된 버럭 및 토사는 물과 함께 호퍼(505)로 투입되고, 버럭 및 토사는 스크류 교반기(510)에 교반된다. 교반된 버럭 및 토사는 버럭에 부착된 석분을 분리시키기 위해 전동 스크린(520)으로 통과시켜 탁수(흙탕물), 굵은 골재, 잔골재 및 세립분 등으로 선별한다. 전동 스크린(520)을 통과한 물은 사이클론(560)을 통과시켜 전동 스크린(520)에서 재차 탁수와 세립분으로 선별하고, 사이클론(560)에서 오버 플로우(Over Flow)된 물은 필터 프레스(530)에 보내 케이크화시켜 석분을 제거한다.
스크류 교반기(510)는 유동성이 좋은 상태로 압송된 버럭 및 토사에 물을 가하고 고속 교반하여 버럭의 석분을 분리하고, 그 결과물을 전동 스크린(520)으로 보내 입자를 선별한다. 스크류 교반기(510)는 압송된 버럭 및 토사를 물과 혼합 교반하여 버럭에 부착된 점성 물질을 분리하는 장치이다. 2개의 회전축(512, 514)에 스크류 날개(516)를 부착하여 제1 회전축(512)은 정회전시키고 제2 회전축(514)은 역회전시키는 방식으로 고속 회전시켜 교반을 한다.
스크류 교반기(510)에서 교반되어 버럭에서 분리된 이수(흙탕물) 및 버럭은 전동 스크린(520) 하단에서 필터들(522b, 522c)에서 필터링되어 입자의 크기 별로 선별되어 진다. 선별된 굵은 골재 및 잔골재 등은 배출토 피트에 선별적으로 배출된다. 전동 스크린(520)을 통과한 일정 크기(예컨대, 2㎜) 이하의 버럭 및 석분은 하부의 적어도 하나의 이수조(550)로 떨어지게 된다.
이수조(550)의 물은 슬러리 펌프(SLP4)에 의해 사이클론(Cyclone)(560)으로 투입되어져 일정 크기(예컨대, 74㎛)를 분기점으로 하여 일정 크기(예컨대, 74㎛) 이하의 토사 또는 석분을 포함한 이수는 오버 플로우(Over Flow)되어 잉여 이수조(565)로 보내어진다. 일정 크기(예컨대, 74㎛) 이상의 석분 또는 토사를 포함하는 이수는 전동 스크린(520)에서 진동 및 탈수 처리되어 지고, 필터(522a)에서 필터링되어 소정(예컨대, 15％)의 함수비로 해서 배출된다. 사이클론(560)은 이수 중에 섞여 있는 모래나 흙을 분리하여 농축처리에 적합한 장치이다. 사이클론(560)에 투입된 이수는 원심력에 의해 선회해서 무거운 입자는 아래로 플로우(Flow)되어 지고, 물과 입자가 적은 것은 내부의 부압에 의하여 위로 플로우(Flow)되어 배출된다.
이수조(550)의 이수는 항상 액비중을 측정하여 액비중이 높을 경우에는 이수를 잉여 이수조(565)로 보낼 수 있다. 잉여 이수조(565)의 물은 슬러리 펌프(SLP1)를 통해 작니재 탱크(620)로 보내 재활용할 수 있다. 작니재 탱크(620)는 물과 작니재를 혼합 융해하여 슬러리 펌프(SLP2)를 통해 굴착 수단의 챔버(160)로 보내거나 스크류 이동수단(200)으로 보낼 수 있다. 잉여 이수조(565)의 물은 순환시켜 사 용할 수 있고, 비중이 높아 순환시키기가 어려울 경우에는 필터 프레스(530)를 이용하여 작업수를 필터링하여 케이크화시키고, 케이크화 후 발생한 작업수는 슬러리 펌프(SLP6)를 이용하여 스크류 교반기(510)로 보내거나 또는 슬러리 펌프(SLP3)를 이용하여 굴착수단(100)의 챔버로 보내 순환시키거나 탁수 처리 설비로 보내어 방류한다.
잉여 이수조(565)에 저장되어진 이수는 고압 슬러리 펌프(SLP5)에 의해 필터 프레스(530)에 압송되어 여과된다. 필터 프레스(530)는 이수 등의 가압탈수 처리장치로서 여판(534), 여포(532), 유압장치(536), 물받이(537), 벨트 콘베이어(Belt Conveyor)(538) 및 벨트 콘베이어를 구동시키는 구동 모터(539)를 구비하고, 여포(532)와 여포(532)와의 간격으로 케이크가 나와서 여과 탈수되어 진다. 유압장치(536)는 고정측(536a)과 압입측(536b)이 있어서 개폐 동작을 한다. 압입측(536a)은 여판(534)에서 이수가 비산하지 않도록 소정 크기(예컨대, 5∼7㎏/㎠)의 압력으로 지지된다. 여과 사이클은 타이머(Timer)로 설정 가능하고, 좋은 케이크가 되는 시간을 우선적으로 1∼2회 여과 테스트를 시행하여 설정할 수 있다. 탈수된 케이크는 하부의 벨트 콘베이어(538)에서 토사 비트(Bit)로 보내어 배출된다. 여수는 물받이(537)로 떨어지며, 물받이(537)는 청수조(570)에 연결되어 있다. 청수조(570)의 물은 재활용하기 위하여 슬러리 펌프(SLP6)를 통해 스크류 교반기(510)로 보내 교반수로 사용하거나 슬러리 펌프(SLP3)를 통해 굴착 수단의 챔버(160)로 보내 세정수로 사용하며, 남은 것은 탁수 처리장치로 보내어져 3차 처리된다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 쉴드 터널링 장치 및 쉴드 터널링 공법을 설명하기 위하여 도시한 도면들이다.
도 3a 및 도 3b는 암반 및 토사 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 지반을 굴착하기 위한 굴착 수단을 도시한 도면이다.
도 4는 암반 파쇄수단을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5a는 압송 펌프 또는 중계 압송 펌프를 도시한 도면이고, 도 5b는 압송 펌프 또는 중계 압송 펌프를 보조하는 펌프 유닛을 도시한 도면이다.
도 6은 쉴드 굴진에 따라 변화하는 배관 연장을 조정하기 위한 신축관을 도시한 도면이다.
도 7은 진동 및 소음 저감장치를 도시한 도면이다.
도 8은 버럭 분리수단을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 버럭 분리수단의 스크류 교반기, 전동 스크린 및 사이클론을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10은 필터 프레스 및 청수조를 개략적으로 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 굴착 수단 110: 커터 헤드
120: 디스크 커터 160: 굴착 수단의 챔버
200: 스크류 이동수단 300: 암반 파쇄수단
400: 압송관 410: 신축관
420: 유량계 430: 진동 및 소음 저감장치
450: 유압 밸브 장치 500: 버럭 분리수단
510: 스크류 교반기 520: 전동 스크린
530: 필터 프레스 560: 사이클론
620: 작니재 탱크

Claims (33)

  1. 암반 및 토사를 굴착하여 지상으로 배출하는 쉴드 터널링 장치에 있어서,
    암반 및 토사 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 지반을 굴착하는 굴착 수단;
    상기 굴착 수단에 의해 굴착된 암반 및 토사를 이송하는 스큐류 이송수단;
    상기 스크류 이송수단에 의해 운반된 암반을 버럭으로 파쇄하는 암반 파쇄수단;
    상기 암반 파쇄 수단에서 배출된 버럭 및 토사를 이송시키기 위한 압송 펌프;
    상기 압송 펌프를 통해 버럭 및 토사를 이송하는 압송관; 및
    상기 압송관을 통해 이송된 버럭 및 토사를 입자의 크기에 따라 분리하는 버럭 분리수단을 포함하며,
    상기 굴착 수단은, 지반을 굴착하는 디스크(Disk) 모양의 디스크 커터가 설치된 커터 헤드를 구비하고, 상기 커터 헤드의 회전력에 의해 지반을 압쇄하여 굴착하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  2. 삭제
  3. 제2항에 있어서, 굴착된 암반의 치수는 상기 디스크 커터의 궤적 간격으로 결정하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스크류 이송수단은,
    굴착된 암반 및 토사를 상기 암반 파쇄수단으로 이송하기 위한 스크류 콘베이어를 구비하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 암반 파쇄수단은,
    고정식의 외측콘;
    회전식의 내측콘; 및
    굴착된 암반 및 토사를 상기 외측콘과 내측콘 사이로 밀어넣는 스크류 콘베이어를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 외측콘은 진원형이고, 상기 내측콘은 타원형이며, 상기 내측콘의 편심 효과와 상기 외측콘 및 내측콘의 표면에 마련된 돌기에 의해 굴착된 암반을 파쇄하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  7. 제5항에 있어서, 상기 내측콘에 연결되어 회전 축방향으로 슬라이드하는 슬라이드 잭이 구비되고, 상기 슬라이드 잭은 상기 내측콘의 회전 축방향으로 슬라이드하면서 상기 내측콘과 상기 외측콘 사이의 간격을 조정하여 파쇄된 버럭의 크기나 배토량을 조절하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  8. 제5항에 있어서, 상기 스크류 콘베이어는,
    스크류 날개와 케이싱을 구비하고, 상기 스크류 날개의 피치 또는 회전수는 지반 현황 또는 암반 배토량에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 쉴드 터널링 장치는,
    상기 압송 펌프와 상기 버럭 분리수단 사이에 압송관의 길이가 늘어남에 따라 상기 압송 펌프의 역할을 보조하기 위한 중계 압송 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 쉴드 터널링 장치는,
    상기 압송 펌프와 상기 버럭 분리수단 사이에 쉴드 굴진의 연장을 고려하여 배관의 수축 및 연장을 조절할 수 있는 신축관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 쉴드 터널링 장치는,
    압송관 내에서 압송되는 버럭 및 토사의 유량을 측정 표시하기 위하여 상기 압송관 중간에 삽입 설치되는 유량계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  12. 제1항에 있어서, 지상으로 진동 및 소음이 전파되는 것을 방지하기 위하여 상기 압송 펌프와 상기 버럭 분리수단 사이에 설치되는 진동 및 소음 저감장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 진동 및 소음 저감장치는,
    유압 또는 에어(Air)로 일정압을 유지하는 아큐뮤레이터;
    유압 또는 에어(Air)에 의해 전진 및 후진하여 압송관의 압력을 일정하게 유 지하기 위한 실린더; 및
    상기 아큐뮤레이터로부터 유압 또는 에어(Air)를 상기 실린더로 보내기 위한 통로인 배관을 포함하며,
    상기 압송관의 압력이 설정 압력보다 고압일 경우 상기 실린더는 후방으로 후퇴하여 압송관의 압력이 설정 압력으로 유지되도록 하고, 상기 압송관의 압력이 설정 압력보다 저압일 경우 상기 아크뮤레이터에서 유압 또는 에어(Air)를 배관을 통해 상기 실린더에 보내게 되고 상기 실린더는 전방으로 전진하여 압송관의 압력이 설정 압력으로 유지되도록 하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  14. 제1항에 있어서, 압송 펌프의 작동이 일시적으로 중단되어 일시적으로 압송이 중지될 때 수직갱의 수직 배관 높이에 의해 압력이 압송방향 흐름의 반대방향으로 작용하여 배관 내의 버럭 또는 토사가 역류할 수 있는데 이를 억제하기 위하여 수직갱 근처의 수평 배관 부분에 설치되는 자동유압 밸브장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  15. 제1항에 있어서, 상기 버럭 분리수단은,
    이송된 버럭 및 토사를 물과 함께 넣어 교반하는 스크류 교반기;
    버럭, 토사 및 상기 버럭에서 분리된 석분을 크기에 따라 분리시키기 위한 전동 스크린; 및
    상기 전동 스크린을 통과한 이수를 저장하는 적어도 하나의 이수조를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 버럭 분리수단은,
    일정 크기보다 작은 석분을 포함하는 상기 이수조에 저장된 이수는 오버 플로우되어 잉여 이수조로 보내고, 일정 크기보다 큰 석분을 포함하는 이수는 전동 스크린으로 보내 필터링되어 배출되게 하는 사이클론을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 버럭 분리수단은,
    상기 이수조에 저장된 이수를 필터링하여 케이크화시키는 필터 프레스를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  18. 제17항에 있어서, 상기 버럭 분리수단은,
    상기 필터 프레스의 필터링을 통과한 물을 저장하기 위한 청수조를 더 포함하고, 상기 청수조의 물은 상기 스크류 교반기로 보내거나 굴착 수단의 챔버로 보내 재활용되는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 장치.
  19. 암반 및 토사를 굴착하여 지상으로 배출하는 쉴드 터널링 공법에 있어서,
    암반 및 토사 중에서 선택된 적어도 하나로 이루어진 지반을 굴착수단을 이용하여 굴착하는 단계;
    스크류 이송수단을 이용하여 굴착된 암반 및 토사를 이송하는 단계;
    상기 스크류 이송수단에 의해 운반된 암반을 암반 파쇄수단을 이용하여 버럭으로 파쇄하는 단계;
    압송 펌프를 이용하여 압송관을 통해 버럭 및 토사를 이송하는 단계; 및
    버럭 분리수단을 이용하여 이송된 버럭 및 토사를 입자의 크기에 따라 분리하는 단계를 포함하며,
    상기 굴착하는 단계는 지반을 굴착하는 디스크(Disk) 모양의 디스크 커터가 설치된 커터 헤드의 회전력에 의해 지반을 압쇄하여 굴착하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  20. 삭제
  21. 제19항에 있어서, 굴착된 암반의 치수는 상기 디스크 커터의 궤적 간격으로 결정하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  22. 제19항에 있어서,
    굴착된 암반 및 토사는 스크류 콘베이어에 의해 고정식의 외측콘과 회전식의 내측콘 사이로 밀어넣어지고, 상기 내측콘의 편심 효과와 상기 외측콘 및 내측콘의 표면에 마련된 돌기에 의해 굴착된 암반을 파쇄하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 내측콘에 연결되어 내측콘의 회전 축방향으로 슬라이드하는 슬라이드 잭을 이용하여 상기 내측콘과 상기 외측콘 사이의 간격을 조정하여 파쇄된 버럭의 크기나 배토량을 조절하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 스크류 콘베이어에 설치된 스크류 날개의 피치 또는 회전수는 지반 현황 또는 암반 배토량에 따라 결정하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  25. 제19항에 있어서, 상기 쉴드 터널링 공법은,
    쉴드 굴진의 연장을 고려하여 상기 압송 펌프와 상기 버럭 분리수단 사이에 설치된 신축관으로 배관의 수축 및 연장을 조절하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  26. 제19항에 있어서, 상기 쉴드 터널링 공법은,
    상기 압송관 중간에 삽입 설치된 유량계를 이용하여 상기 압송관 내에서 압송되는 버럭 및 토사의 유량을 측정 표시하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  27. 제19항에 있어서, 상기 쉴드 터널링 공법은,
    상기 압송 펌프와 상기 버럭 분리수단 사이에 설치된 진동 및 소음 저감장치를 이용하여 지상으로 진동 및 소음이 전파되는 것을 억제하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  28. 제27항에 있어서,
    압송관의 압력이 설정 압력보다 고압일 경우 유압 또는 에어(Air)에 의해 전진 및 후진하여 압송관의 압력을 일정하게 유지하기 위한 실린더는 후방으로 후퇴하여 압송관의 압력이 설정 압력으로 유지되게 하고, 상기 압송관의 압력이 설정 압력보다 저압일 경우 유압 또는 에어(Air)로 일정압을 유지하는 아큐뮤레이터에서 유압 또는 에어(Air)를 배관을 통해 상기 실린더에 보내게 되고 상기 실린더는 전방으로 전진하여 압송관의 압력이 설정 압력으로 유지되게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  29. 제19항에 있어서, 압송 펌프의 작동이 일시적으로 중단되어 일시적으로 압송이 중지될 때 수직갱의 수직 배관 높이에 의해 압력이 압송방향 흐름의 반대방향으로 작용하는 경우 압송관 내의 버럭 또는 토사가 역류하는 것을 억제하기 위하여 수직갱 근처의 수평 배관 부분에 설치된 유압 밸브장치를 이용하여 밸브를 개폐하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  30. 제19항에 있어서, 상기 이송된 버럭 및 토사를 입자의 크기에 따라 분리하는 단계는,
    스크류 교반기에 이송된 버럭 및 토사를 물과 함께 넣어 교반하는 단계;
    전동 스크린을 이용하여 버럭, 토사 및 상기 버럭에서 분리된 석분을 크기에 따라 분리하는 단계; 및
    상기 전동 스크린을 통과한 이수를 이수조에 저장하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  31. 제30항에 있어서, 일정 크기보다 작은 석분을 포함하는 상기 이수조에 저장된 이수는 오버 플로우되어 잉여 이수조로 보내고, 일정 크기보다 큰 석분을 포함하는 이수는 전동 스크린으로 보내 필터링되어 배출되게 하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  32. 제30항에 있어서, 상기 이수조에 저장된 이수를 필터 프레스를 이용하여 필터링하여 케이크화시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
  33. 제32항에 있어서, 상기 필터 프레스의 필터링을 통과한 물을 청수조에 저장하고, 상기 청수조의 물은 상기 스크류 교반기로 보내거나 또는 굴착수단의 챔버로 보내 재활용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 쉴드 터널링 공법.
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