KR101065872B1 - 분사노즐이 구비된 추진용 선도관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분사노즐이 구비된 추진용 선도관에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지하 구조물 공사시 지반 지지를 위한 강관추진공법에 사용되는 선도관 앞부분에 고압의 공기와 벤토나이트, 물 등을 분사하여 추진이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 분사노즐이 구비된 추진용 선도관에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 선도관 전방의 지반을 고압의 공기로 절개하면서 선도관이 진행하게 되므로 기존 기술에 비하여 장거리 압입이 가능하며, 활재노즐을 통해 활재를 분사함으로써 추진공법에 사용되는 유압잭의 출력을 낮추어도 동일한 압입 효과를 낼 수 있는 효과가 있다.

Description

분사노즐이 구비된 추진용 선도관{FRONT PIPE WITH NOZZLE FOR PIPE PROPULSION}

본 발명은 분사노즐이 구비된 추진용 선도관에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지하 구조물 공사시 지반 지지를 위한 강관추진공법에 사용되는 선도관 앞부분에 고압의 공기와 벤토나이트, 물 등을 분사하여 추진이 원활하게 이루어질 수 있도록 하는 분사노즐이 구비된 추진용 선도관에 관한 것이다.

상하수도 및 통신, 전력 등의 선로 공사 시 도로, 하천, 철도 등을 개착하지 않고 교통흐름이나 지상물에 영향을 주지 않으면서 목적물을 매입시킬 수 있도록, 관부재 즉, 파이프 형상의 강관을 지중에서 추진하여 압입시키는 강관추진 압입공법이 최근 들어 상용화되고 있다.

이와 같은 강관추진 압입공법은 관을 매설하고자 하는 지점의 시작 부분의 지중에 단위 강관의 길이보다 약간 더 긴 갱도를 판 다음, 이 갱도 내에 강관을 눕혀 강관의 선단을 갱도의 측벽으로 향하게 한 상태에서 유압잭을 이용하여 강관의 후단을 전방으로 추진하는 방법으로 강관을 지중으로 압입하고, 강관 내의 토사를 밖으로 배출시킨 다음, 다른 하나의 강관을 선행 강관의 후단에 연결하여 압입시키는 반복과정을 통해 시공되는 비개착식 굴착공법이다.

그러나, 상기와 같은 경우에는 강관 압입과 관내부의 토사 운반을 동시에 수행하기 때문에, 실제 강관 압입의 시공기간이 길고, 특히 딱딱한 성질의 토질이나 암반 등이 포함된 경우 시공을 어렵게 하는 것이었다.

특히 강관 추진체의 맨앞에 위치한 선도관이 지중을 뚫고 전진하면서 공사가 이루어지는데, 암반이 전방에 존재하거나 밀도가 높은 토사층이 가로막는 경우에는 유압잭의 출력을 높여도 제대로 전진하지 못하는 문제점이 있었다.

추진력을 높여서 선도관이 전진한다고 하여도 암반 등으로 인하여 직선으로 진행하지 못하고 상하좌우로 휘어지게 됨으로써 올바른 강관 압입이 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 강관추진 압입공법에 사용되는 선도관 앞부분에 고압의 분사노즐을 설치하고, 공기와 벤토나이트 또는 공기와 물을 동시에 고압으로 분사함으로써 전방의 암밤이나 토사를 깎아서 선도관의 전진이 용이해지도록 하는 분사노즐이 구비된 추진용 선도관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 선도관을 구성하는 강관의 주위에 활재노즐을 추가로 설치하고, 이를 통해서 활재를 강관 외벽으로 분사함으로써 강관의 압입에 따라 약해진 지반을 다지면서 강관이 부드럽게 미끄러져 들어갈 수 있도록 하는 분사노즐이 구비된 추진용 선도관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 분사노즐이 형성된 노즐뭉치를 90도 간격으로 절개하여 4등분함으로써 공기의 분사량을 조절하여 선도관의 진행 방향의 오차를 보정할 수 있도록 하는 분사노즐이 구비된 추진용 선도관을 제공하는 것을 목적으로 한다.

전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명은 지하 구조물 공사시 지반 지지를 위한 강관추진공법에 사용되는 선도관으로서, 원통형의 파이프인 금속제 강관(102)과; 원통형의 파이프로서, 내측면이 상기 강관(102)의 말단부 외측면과 접촉하도록 접합되는 금속제 보강링(104)과; 상기 강관(102)의 말단부 내측면에 원주 형상으로 설치되며, 공기와 벤토나이트를 분사하는 분사노즐(108)이 상기 강관(102)의 원통의 중심축과 평행인 방향으로 다수 형성되는 노즐뭉치(106)와; 상기 강관(102) 내부를 통과하여 상기 노즐뭉치(106)에 연결되며, 상기 노즐뭉치(106)의 내부에 형성된 공간으로 공기를 공급하는 에어공급관(116)과; 상기 강관(102) 내부를 통과하여 상기 노즐뭉치(106)에 연결되며, 상기 노즐뭉치(106)의 내부에 형성된 공간으로 벤토나이트를 공급하는 벤토공급관(118);을 포함한다.

상기 강관(102)의 가운데 상측에 돌출 형성되어 활재를 분사하는 활재노즐(110)과; 상기 강관(102) 내부를 통과하여 상기 활재노즐(110)에 연결되며, 상기 활재노즐(110)에 상기 활재를 공급하는 활재공급관(114);을 추가로 포함하며, 상기 활재는 상기 벤토나이트와 물을 혼합한 용액인 것을 특징으로 한다.

상기 노즐뭉치(106)는 상기 원주를 4등분 했을 때 생기는 원호의 형상과 동일하게 네 개의 몸체로 제작되며, 상기 네 개의 몸체에서 분사되는 공기와 벤토나이트의 압력은 서로 다르게 제어가능한 것을 특징으로 한다.

고무나 우레탄 재질로 제작되며, 상기 강관(102)의 내벽면에 설치되는 고리 모양의 누수방지턱(112);을 추가로 포함한다.

본 발명에 따르면 선도관 전방의 지반을 고압의 공기로 절개하면서 선도관이 진행하게 되므로 기존 기술에 비하여 장거리 압입이 가능하며, 활재노즐을 통해 활재를 분사함으로써 추진공법에 사용되는 유압잭의 출력을 낮추어도 동일한 압입 효과를 낼 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명에 따르면 지중에서 강관의 추진방향이 휘어져도 공기의 분사량을 조절함으로써 다시 직선방향으로 선도관이 진행할 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선도관의 구조를 나타낸 사시도.
도 2는 선도관의 정면 구조를 나타낸 정면도.
도 3은 선도관의 내부 구조를 나타낸 단면도.
도 4는 노즐뭉치의 구조를 나타낸 사시도.
도 5는 노즐뭉치의 내부 구조를 나타낸 단면도.
도 6은 선도관의 시공 상태를 나타낸 개념도.
도 7은 누수방지턱의 구조를 나타낸 사시도.
도 8은 누수방지턱에 의해 물이 외부로 흘러나오지 못하는 상태를 나타낸 단면도.

이하에서 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 "분사노즐이 구비된 추진용 선도관"(이하, '선도관'이라 함)을 설명한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 선도관의 구조를 나타낸 사시도이며, 도 2는 선도관의 정면 구조를 나타낸 정면도, 도 3은 선도관의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.

본 발명의 선도관(100)은 지중에 압입되어 지반이나 지상물의 하중을 지탱하는 강관(102), 강관(102)의 말단부에 설치되어 강관(102)의 파손을 방지하는 보강링(104)으로 이루어진다.

강관(102)이나 보강링(104)은 모두 원형의 금속 파이프로서, 기존에 강관추진 압입공법에 사용되던 구조물과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.

보강링(104)은 강관(102)의 제일 앞쪽 외측에 용접 등의 방식으로 접합된다. 보강링(104)의 내측면은 강관(102)의 외측면과 접촉하도록 설치되므로 보강링(104)의 외경은 강관(102)의 외경보다 더 큰 것이 일반적이다.

그리고, 강관(102)의 제일 앞쪽 내측면에는 노즐뭉치(106)가 설치된다.

노즐뭉치(106)의 전방에는 다수의 분사노즐(108)이 형성되는데, 분사노즐(108)의 방향은 강관(102)의 원통의 중심축과 평행인 방향이다. 분사노즐(108)을 통해서는 공기(Air)와 벤토나이트, 물이 고압으로 분사되면서 전방의 토사를 깎아내게 된다.

노즐뭉치(106)의 내부 구조와 분사 방식에 대해서는 후술한다.

강관(102)의 가운데 부분, 즉 보강링(104)과 접촉하는 근처에는 3-4개 정도의 활재노즐(110)이 돌출 형성된다. 활재노즐(110)은 강관(102) 내부의 활재공급관(114)과 연결되어 활재를 외부로 분사한다. 활재는 점토의 일종인 벤토나이트를 물과 혼합한 용액으로서, 강관(102)의 추진시에 외벽과 지중 토사 사이의 마찰력을 줄여준다. 그리고 보강링(104)의 외경이 강관(102)의 외경에 비하여 더 크기 때문에 보강링(104)이 먼저 지나간 상태에서 강관(102)이 따라나오면 강관(102)의 외벽과 지중의 터널 내벽 사이에 공간이 생긴다. 활재는 이 공간을 메꿔주면서 터널 위의 지반에 의해 터널이 무너지는 것을 방지한다.

활재노즐(110)을 강관(102)의 상측부에만 설치하여도 활재가 분사되면서 강관(102)의 외벽을 타고 아래쪽으로 흘러내려 공간을 골고루 채운다. 따라서 강관(102)의 아래쪽에는 활재노즐(110)을 설치하지 않아도 무방하다.

분사노즐(108)에 의해 분사된 공기와 벤토나이트 역시 전방의 토사를 절개한 후, 주위로 흘러내리면서 강관(102) 주위를 메워주는 역할을 한다. 활재노즐(110)로 분사된 벤토나이트와 분사노즐(108)을 통해 분사된 벤토나이트가 합쳐져서 여굴이 생기는 것을 방지할 수 있다.

강관(102)의 내벽에는 누수방지턱(112)이 설치된다. 누수방지턱(112)은 노즐뭉치(106)의 뒤쪽과 접하는 위치에 설치되는 것이 가장 바람직하다.

누수방지턱(112)은 약간의 탄성이 있는 고무나 우레탄 재질로 만들어지며, 분사노즐(108)을 통해 분사된 벤토나이트나 물이 강관(102)의 중공을 타고 뒤쪽으로 흘러나가지 못하도록 차단해주는 역할을 한다.

도 4는 노즐뭉치의 구조를 나타낸 사시도이며, 도 5는 노즐뭉치의 내부 구조를 나타낸 단면도이다.

노즐뭉치(106)는 단면이 원형인 강관(102)의 내벽에 밀착하여 설치되어야 하므로 전체적으로는 원형의 파이프 형상을 가진다. 그러나 본 발명에서는 원형의 파이프 형상인 노즐뭉치(106)를 몇 개의 조각으로 나누어 하나씩 설치하는 방식을 사용한다.

도 2 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 노즐뭉치(106)는 90도 간격으로 절개된 네 개의 몸체로 이루어진다. 그리고 네 개의 노즐뭉치(106)는 강관(102) 내벽의 원주를 따라 상하 좌우에 배치된다. 다시 말해서 네 개의 노즐뭉치(106)는 원주를 4등분 했을 때 생기는 원호의 형상과 비슷하게 제작되며, 네 개의 노즐뭉치(106)를 연결하면 하나의 완전한 원이 구성된다.

그리고 각각의 노즐뭉치(106)를 통해 분사되는 공기와 벤토나이트의 압력은 서로 다르게 제어할 수 있도록 구성된다. 즉 공기와 벤토나이트를 공급하는 콤프레샤에 밸브를 각각 설치하여 압력의 크기를 다르게 할 수 있도록 한다.

만약 선도관(100)이 전진하다가 장애물에 의해 아래쪽으로 기울어진 경우, 그대로 추진을 계속하면 처음부터 끝까지 아래로 기울어진 터널이 형성될 수밖에 없다. 이때 네 개의 노즐뭉치(106) 중에서 위쪽에 있는 몸체를 통해서만 공기를 분사하거나, 위쪽에 있는 몸체를 통해 더 높은 압력의 공기를 분사한다면 터널의 위쪽이 좀 더 깎이면서 선도관(100)이 점차 위로 올라가는 방향으로 전진하게 된다. 어느 정도 위쪽으로 방향을 트는 보정이 완료되면, 나머지 뭉치의 공기 분사압력을 동일하게 하면서 추진을 하게 되고, 다시 선도관(100)은 직선으로 전진을 할 수 있다. 더 정밀한 방향 전환을 위해서는 노즐뭉치(106)의 개수를 여덟 개나 그 이상으로 하여도 되겠지만, 네 개 정도로도 충분한 방향 보정 효과를 낼 수 있다.

그리고 노즐뭉치(106)에서 분사노즐(108)이 형성되어 있는 전면은 강관(102)의 원통 단면의 중심방향으로 경사진 상태가 된다. 다시 말해서 가장자리로부터 강관(102)의 중심방향으로 갈수록 강관(102)의 내부로 들어가는 방향으로 경사지게 형성된다. 이렇게 경사를 형성함으로써 선도관(100)이 전진할 때, 토사가 강관(102) 속으로 잘 밀려들어오게 된다.

노즐뭉치(106)에는 에어공급관(116)과 벤토공급관(118)이 각각 연결된다. 에어공급관(116)을 통해서는 고압의 공기가 공급되며, 벤토공급관(118)을 통해서는 물과 혼합된 벤토나이트가 공급된다. 공기와 벤토나이트는 노즐뭉치(106) 내부 공간에서 혼합되어 분사노즐(108)을 통해 고속으로 분사된다. 공기와 벤토나이트는 고압으로 분사되어 전방의 토사를 깎아낸다. 노즐뭉치(106)가 원형으로 배치되어 있기 때문에 분사된 공기와 벤토나이트에 의해 강관(102)의 단면 형상과 비슷한 원형의 절개선이 생기게 되고, 이 절개선으로 강관(102)과 보강링(104)이 들어가면서 추진이 이루어진다.

본 발명에서는 공기와 벤토나이트가 노즐뭉치(106)의 내부 공간에서 혼합되어 분사되는 것으로 설명하지만, 공기가 분사되는 노즐 상측에 벤토나이트를 분출하는 노즐을 따로 형성하고, 고압의 공기를 분사하면서 벤토나이트는 단순히 흘려주기만 할 수도 있을 것이다. 흘러내린 벤토나이트는 고압으로 분사되는 공기와 만나서 같이 섞일 수 있다. 대부분의 절삭력은 고압의 공기에서 나오므로, 이러한 방법으로도 토사를 절개하면서 벤토나이트를 절개면에 분사할 수 있을 것이다.

도 6은 선도관의 시공 상태를 나타낸 개념도이다. 분사노즐(108)을 통해 고압의 공기와 벤토나이트를 분사하면서 전방의 토사를 깎아내고, 보강링(104)이 지나간 공간에는 활재를 분사하여 터널의 붕괴를 막아준다.

한편, 도 7은 누수방지턱의 구조를 나타낸 사시도이며, 도 8은 누수방지턱에 의해 물이 외부로 흘러나오지 못하는 상태를 나타낸 단면도이다.

전방을 향해서 공기와 벤토나이트를 분사하면 그 힘에 의해 토사가 절개되면서 선도관(100)이 전진하게 되는데, 이때 사용된 벤토나이트 혼합액이 그대로 강관(102)을 타고 뒤로 배출되는 것보다는 선도관(100)의 전방에 머무르도록 하여 선도관(100)이 전진할 때의 마찰력을 줄여주는 것이 바람직하다.

이를 위해 강관(102)의 내벽면에 약간의 높이를 가진 고리 모양의 누수방지턱(112)을 설치하는 것이다. 누수방지턱(112)은 고무나 우레탄 재질로 제작함으로써 제작비를 줄이고 파손시 유지보수가 용이하도록 한다.

도 8에는 누수방지턱(112)에 의해 앞쪽에 고이게 되는 벤토나이트 혼합액(10)이 도시되어 있다.

본 발명에서는 분사노즐(108)을 통해 고압의 공기와 벤토나이트를 분사하는 것으로 설명하였지만, 고압의 공기와 물을 함께 분사할 수도 있을 것이다. 이 경우에는 금속이나 건축폐자재 등을 절단하는데 사용하는 워터제트와 동일한 효과를 낼 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100 : 선도관 102 : 강관
104 : 보강링 106 : 노즐뭉치
108 : 분사노즐 110 : 활재노즐
112 : 누수방지턱 114 : 활재공급관
116 : 에어공급관 118 : 벤토공급관

Claims (4)

1. 지하 구조물 공사시 지반 지지를 위한 강관추진공법에 사용되는 선도관으로서,
   원통형의 파이프인 금속제 강관(102)과;
   원통형의 파이프로서, 내측면이 상기 강관(102)의 말단부 외측면과 접촉하도록 접합되는 금속제 보강링(104)과;
   상기 강관(102)의 말단부 내측면에 원주 형상으로 설치되며, 공기와 벤토나이트를 분사하는 분사노즐(108)이 상기 강관(102)의 원통의 중심축과 평행인 방향으로 다수 형성되는 노즐뭉치(106)와;
   상기 강관(102) 내부를 통과하여 상기 노즐뭉치(106)에 연결되며, 상기 노즐뭉치(106)의 내부에 형성된 공간으로 공기를 공급하는 에어공급관(116)과;
   상기 강관(102) 내부를 통과하여 상기 노즐뭉치(106)에 연결되며, 상기 노즐뭉치(106)의 내부에 형성된 공간으로 벤토나이트를 공급하는 벤토공급관(118)과;
   상기 강관(102)의 가운데 상측에 돌출 형성되어 상기 벤토나이트와 물을 혼합한 용액인 활재를 분사하는 활재노즐(110)과;
   상기 강관(102) 내부를 통과하여 상기 활재노즐(110)에 연결되며, 상기 활재노즐(110)에 상기 활재를 공급하는 활재공급관(114)과;
   고무나 우레탄 재질로 제작되며, 상기 강관(102)의 안쪽 벽면에 설치되는 고리 모양의 누수방지턱(112);을 포함하며,
   상기 노즐뭉치(106)는 상기 원주를 4등분 했을 때 생기는 원호의 형상과 동일하게 네 개의 몸체로 제작되며, 상기 네 개의 몸체 중에서 추진 방향을 전환하려는 방향에 위치한 몸체가 상대적으로 더 높은 압력으로 공기와 벤토나이트를 분사하도록 제어하는 것을 특징으로 하는, 분사노즐이 구비된 추진용 선도관.
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