KR101085361B1 - 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기 및 이를 이용한 확공 방법 - Google Patents

Abstract

지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기 및 이를 이용한 확공 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 굴진장비에 연결된 구동로드가 전단에 연결되는 확공기본체와, 상기 확공기본체의 전단에 회전 가능하도록 상기 구동로드의 둘레를 따라 다수로 설치되고, 외측면에 굴삭을 위한 팁이 다수로 마련되는 굴삭모듈과, 상기 확공기본체에 설치되고, 상기 구동로드로부터 공급되는 작동유체에 의해 동작하여 회전력을 발생시키는 머드모터와, 상기 머드모터로부터 발생되는 회전력을 상기 굴삭모듈 각각에 전달하도록 상기 확공기본체에 설치되는 회전전달부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 지층의 타개를 위하여 구동로드에 의존하지 않고 굴삭모듈이 자체 구동력에 의해 회전함으로써 구동로드에 의한 에너지 손실과 회전 저항을 최소화하고, 이로 인해 확공 효율을 증대시킬 뿐만 아니라, 공기와 비용을 감소시키도록 하며, 굴삭모듈의 자체 회전을 위하여 물과 벤토나이트 등과 같은 작동유체의 공급에 의해 동작하는 머드모터의 회전력을 이용함으로써, 굴삭모듈의 회전을 위한 구성의 단순화와 조작의 편의성을 높이도록 하는 장점을 가진다.

Description

지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기 및 이를 이용한 확공 방법{SELF-ROTATABLE REAMER FOR HORIZONTAL DIRECTIONAL DRILLING AND REAMERING METHOD THEREOF}

본 발명은 굴착공의 확공에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기 및 이를 이용한 확공 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 수도관, 가스관 등과 같은 각종 관로를 설치할 때에는 먼저 땅을 굴착하여 지하 선로를 형성하고, 지하 선로 속으로 매설관을 인입하여 매설하는 비개착 지향식 수평굴착공법을 사용하고 있다.

종래의 지향식 수평굴착공법은 소구경 드릴 헤더를 전방으로 회전 추진시켜서 관로를 천공하되, 드릴헤더에 형성된 노즐을 통해서 물과 벤토나이트(Bentonite)의 혼합물을 진행방향으로 고압 분사하여 천공함으로써 소구경 굴착공이 굴착되도록 한다.

이러한 지향식 수평굴착공법에 사용되는 장비는 자체엔진과 굴진트랙, 로드(Rod)의 장착 및 탈착 장치로 구성되고, 메인장비에는 로드가 필요한 길이로 연결되며, 로드의 외단에는 굴착시와 확공시 드릴헤더와 확공기가 각각 선택적으로 연결되며, 메인장비로부터 회전력과 추진력이 제공된다.

드릴헤더는 회전하는 구동로드의 선단에 연결되는 굴착공구로서, 전면에 다수의 팁을 가진 비트가 설치되고, 회전하면서 굴진하여 수구경 관로공을 굴착하며, 고압의 물과 벤토나이트의 혼합물이 동시에 분사되어 굴착력을 높이도록 한다.

확공기는 드릴헤더에 대체되어 구동로드의 선단에 연결되고, 관로공을 역주행하면서 넓혀주는 공구로서, 전단이 뾰족한 원추형 몸체를 가지고, 전면에 다수의 팁이 장착된 회전형 추진체로 이루어진다.

이와 같은, 지향식 수평굴착공법은 소구경 드릴헤더에 의해서 소구경 관로공이 굴착 완료되면, 반대쪽으로 인출된 구동로드의 단부에서 드릴헤더를 분리하고, 드릴헤더를 대신하여 확공기를 구동로드에 연결하여 끌어당김으로써 회전력을 가진 확공기가 소규경 관로공을 확장시키면서 역추진되며, 확공기에는 관체를 매달아 함께 인입되게 하거나, 확장후 별도로 관체를 삽입하여 매설한다.

종래의 확공기에 의한 확공 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 기술에 따른 확공기에 의한 확공 방법을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 확공기(1)는 원추형으로 이루어지고, 전면에 다수의 팁이 장착되며, 구동로드(2)에 의해 회전하면서 소구경 굴착공(A) 속을 파고들어 굴진하여 대구경 확장공(B)으로 확공되도록 한다.

그러나, 종래의 확공기(1)는 단순히 머리부에 복수의 팁이 구비되어 구동로드(2)의 회전에 의해서만 회전하기 때문에, 구동로드(2)가 길어질수록 에너지 손실이 클 뿐만 아니라, 구동로드(2)에 작용하는 저항이 클 경우 제대로 회전력을 전달받지 못하여 확공 효율을 저하시키며, 이로 인해 공기 및 비용의 증가를 초래하는 문제점을 가지고 있었다.

또한, 종래의 확공기(1)는 원추형으로 이루어짐으로써 전체적으로 경사형태를 가짐으로써 굴착공(A) 내에서 유동하게 된다. 즉, 확공기(1)가 굴착공(A)을 따라서 곡선 경로를 따라 이동할 때, 확공기(1)의 전체적인 형상이 원추형의 경사형태를 가짐으로써 선단이 들리거나 기울어져서 유동하게 되는 문제점을 가지고 있었다. 따라서, 곡형 굴착공 속에서 로드가 끌어당기는 쪽으로 쉽게 머리를 들어서 궤도를 이탈하게 됨으로써 굴착공의 진로가 변경되고, 작업이 지연되는 등의 문제점을 가지고 있었다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 지층의 타개를 위하여 구동로드에 의존하지 않고 굴삭모듈이 자체의 구동력에 의해 회전함으로써 구동로드에 의한 에너지 손실과 회전 저항을 최소화하고, 이로 인해 확공 효율을 증대시킬 뿐만 아니라, 공기와 비용을 감소시킬 수 있는 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기 및 이를 이용한 확공 방법을 제안하는 것이다.

또한, 본 발명은 공사장비의 개선으로 궤도가 변경되는 단점을 해소하여 신속하면서도 정확한 확공 작업을 수행하여 작업효율을 향상시키도록 하는 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기 및 이를 이용한 확공 방법을 제안하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 지향식 수평굴착공사용 확공기에 있어서, 굴진장비에 연결된 구동로드가 전단에 연결되는 확공기본체와, 상기 확공기본체의 전단에 회전 가능하도록 상기 구동로드의 둘레를 따라 다수로 설치되고, 외측면에 굴삭을 위한 팁이 다수로 마련되는 굴삭모듈과, 상기 확공기본체에 설치되고, 상기 구동로드로부터 공급되는 작동유체에 의해 동작하여 회전력을 발생시키는 머드모터와, 상기 머드모터로부터 발생되는 회전력을 상기 굴삭모듈 각각에 전달하도록 상기 확공기본체에 설치되는 회전전달부를 포함하는 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기가 제공된다.

상기 확공기본체는, 상기 굴삭모듈로부터 후방으로 연장되도록 형성될 수 있다.

상기 확공기본체는, 상기 전단에 상기 구동로드의 둘레를 따라 돌출되도록 회전지지부가 다수로 마련되고, 상기 회전지지부 각각에 상기 굴삭모듈의 회전축이 회전 가능하게 설치될 수 있다.

상기 회전축은, 전단이 상기 구동로드를 향하도록 상기 회전지지부에 경사지게 설치될 수 있다.

상기 굴삭모듈은, 상기 회전축의 전단에 고정되고, 반원 형상을 가질 수 있다.

상기 머드모터는, 동유체로서 상기 구동로드를 통해 공급되는 물과 벤토나이트의 혼합물에 의해 동작할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 지향식 수평굴착 확공 방법에 있어서, 굴진장비에 연결된 구동로드를 굴착공에 삽입하여 확장공의 시작구까지 도달시키는 단계와, 상기 시작구로부터 노출되는 상기 구동로드의 끝단을 확공기본체의 전단에 연결시키는 단계와, 상기 굴진장비의 구동에 의해 구동로드를 당기는 단계와, 상기 구동로드를 통해 물과 벤토나이트의 혼합물을 정해진 압력 이상으로 공급하고, 상기 구동로드에 연결된 머드모터가 상기 혼합물을 공급받아 회전력을 발생시키도록 하며, 상기 회전력에 의해 상기 확공기본체의 전단에 상기 구동로드의 둘레를 따라 회전하도록 다수로 설치된 굴삭모듈이 각각 회전하도록 하여, 상기 굴삭모듈의 팁이 지반과 마찰을 일으켜서 상기 굴착공을 확장시키도록 하는 단계를 포함하는 지향식 수평굴착 확공 방법이 제공된다.

본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기 및 이를 이용한 확공 방법에 의하면, 지층의 타개를 위하여 구동로드에 의존하지 않고 굴삭모듈이 자체의 구동력에 의해 회전함으로써 구동로드에 의한 에너지 손실과 회전 저항을 최소화하고, 이로 인해 확공 효율을 증대시킬 뿐만 아니라, 공기와 비용을 감소시키도록 하는 장점을 가진다.

또한, 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기 및 이를 이용한 확공 방법에 의하면, 굴삭모듈의 자체 회전을 위하여 물과 벤토나이트 등과 같은 작동유체의 공급에 의해 동작하는 머드모터의 회전력을 이용함으로써, 굴삭모듈의 회전을 위한 구성의 단순화와 조작의 편의성을 높이도록 하는 장점을 가진다.

또한, 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기 및 이를 이용한 확공 방법에 의하면, 확공기의 유동을 억제하여 궤도 변경이나 이탈 현상 없이 굴착공을 따라서 굴진 이동하여 설정된 확공 작업을 신속하면서도 정확하게 수행하도록 하는 장점을 가진다.

도 1은 종래의 기술에 따른 확공기에 의한 확공 공법을 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기를 도시한 측면도이고,
도 3은 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기를 도시한 부분단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 지향식 수평굴착 확공 방법을 도시한 흐름도이고,
도 5는 본 발명에 따른 지향식 수평굴착 확공 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해 되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기를 도시한 측면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기를 도시한 부분단면도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기(100)는 구동로드(110)가 전단에 연결되는 확공기본체(120)와, 확공기본체(120)의 전단에 다수로 설치되는 굴삭모듈(130)과, 구동로드(110)로부터 공급되는 작동유체에 의해 동작하는 머드모터(Mud motor; 140)와, 머드모터(140)의 회전력을 굴삭모듈(130)로 각각 전달하는 회전전달부(150)를 포함할 수 있다.

확공기본체(120)는 굴진장비에 연결된 구동로드(110)가 전단에 연결되고, 전단에 굴삭모듈(130)이 다수로 설치되며, 굴삭모듈(130)로부터 후방으로 연장되도록 형성되되, 일례로 꼭지점이 생략된 원추 형상을 가질 수 있다. 따라서, 확공기본체(120)는 굴삭시 전체의 유동을 방지함과 아울러 궤도 변경의 우려를 없애도록 한다. 또한, 확공기본체(120)는 구동로드(110)와의 연결을 위하여 전단 중심부에 구동로드(110)가 연결되기 위한 연결부(121)가 마련될 수 있다.

굴삭모듈(130)은 확공기본체(120)의 전단에 회전 가능하도록 구동로드(110)의 둘레를 따라 다수로 설치되고, 외측면에 굴삭을 위한 팁(131)이 다수로 마련된다.

확공기본체(120)는 전단에 구동로드(110)의 둘레를 따라 돌출되도록 회전지지부(122)가 서로 간격을 두고서 다수로 마련되고, 회전지지부(122) 각각에 굴삭모듈(130)의 회전축(132)이 회전 가능하게 설치될 수 있다.

회전축(132)은 구동로드(110)와 나란하도록 회전지지부(122)에 설치될 수 있으나, 본 실시예에서처럼 전단이 구동로드(110)를 향하도록 회전지지부(122)에 경사지게 설치될 수 있다. 여기서, 회전축(132)은 회전지지부(122) 내에서 미도시된 베어링에 의해 회전 지지되도록 설치될 수 있다.

굴삭모듈(130)은 회전축(132)의 전단에 고정되고, 전체적으로 반원 형상을 가지도록 형성될 수 있다.

머드모터(140)는 확공기본체(120)의 내측에 설치되고, 구동로드(110)로부터 공급되는 작동유체에 의해 동작하여 회전력을 발생시키며, 일례로 작동유체로서 구동로드(110)를 통해 공급되는 물과 벤토나이트(Bentonite)의 혼합물에 의해 동작할 수 있는데, 작동유체의 압력을 이용하여 회전하는 로터 내지 회전축을 가질 수 있고, 회전 구동력에 사용된 작동유체를 배출시키기 위한 배출라인(미도시)을 가질 수도 있다.

한편, 구동로드(110)에 의한 물과 벤트나이트의 혼합물 공급은 외부의 콘트롤 장치에 의해 제어됨으로써 외부에서 굴삭모듈(130)의 회전을 제어할 수 있다.

회전전달부(150)는 머드모터(140)로부터 발생되는 회전력을 굴삭모듈(130) 각각에 전달하도록 확공기본체(120)에 설치되는데, 본 실시예에서처럼 머드모터(140)의 로터 내지 회전축(미도시)에 연결되도록 머드모터(140)에 결합됨으로써 머드모터(140)의 회전력을 전달받는 기어박스(151)와, 기어박스(151)의 회전력을 굴삭모듈(130)의 회전축(132) 각각으로 전달하도록 기어(152)들로 이루어질 수 있다. 여기서, 기어박스(151)는 기어어셈블리로 이루어질 수 있고, 머드모터(140)의 회전력을 굴삭모듈(130)의 회전축(132) 각각으로 분산시키기 위한 기어 또는 회전체를 다수로 구비할 수 있으며, 일례로 머드모터(140)의 회전력을 감속시키는 감속기 역할을 할 수도 있다. 또한, 기어(152)는 회전축(132)이 경사지게 설치된 점을 감안하여 베벨기어들로 이루어지거나, 베벨기어를 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 지향식 수평굴착 확공 방법을 도시한 흐름도이고, 도 5는 본 발명에 따른 지향식 수평굴착 확공 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지향식 수평굴착 확공 방법은 구동로드 삽입 단계(S11)와, 확공기 연결 단계(S12)와, 구동로드 인발 단계(S13)와, 머드모터 구동에 의한 굴삭모듈 회전 단계(S14)를 포함할 수 있다.

구동로드 삽입 단계(S11)에 의하면, 굴진장비에 연결된 구동로드(110)를 굴착공(A)에 삽입하여 확장공(B)의 시작구, 즉 굴착공(A)에서 확장공(B)이 시작되는 지점까지 도달시킨다.

확공기 연결 단계(S12)에 의하면, 시작구로부터 노출되는 구동로드(110)의 끝단을 확공기본체(130)의 전단에 연결시킨다.

구동로드 인발 단계(S13)에 의하면, 굴진장비의 구동에 의해 구동로드(110)를 확장방향으로 당기게 된다.

머드모터 구동에 의한 굴삭모듈 회전 단계(S14)에 의하면, 굴진장비로부터 구동로드(110)를 통해 물과 벤토나이트의 혼합물을 정해진 압력 이상으로 공급하고, 구동로드에 연결된 머드모터(140)가 혼합물을 공급받아 회전력을 발생시키도록 하며, 회전력에 의해 확공기본체(120)의 전단에 구동로드(110)의 둘레를 따라 회전하도록 다수로 설치된 굴삭모듈(130)이 각각 회전하도록 하여, 굴삭모듈(130)의 팁(131)이 지반과 마찰을 일으켜서 굴착공(A)을 확장시키도록 한다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 지층의 타개를 위하여 구동로드(110)에 의존하지 않고 굴삭모듈(130)이 자체의 구동력, 즉 확공기본체(120)에 설치된 머드모터(140)의 구동력에 의해 회전함으로써 구동로드(110)에 의한 에너지 손실과 회전 저항을 최소화하고, 이로 인해 확공 효율을 증대시킬 뿐만 아니라, 공기와 비용을 감소시키도록 한다. 또한, 굴삭모듈(130)의 자체 회전을 위하여 물과 벤토나이트 등과 같은 작동유체의 공급에 의해 동작하는 머드모터(140)의 회전력을 이용함으로써, 굴삭모듈(130)의 회전을 위한 구성의 단순화와 조작의 편의성을 높이도록 하고, 확공기(100)의 유동을 억제하여 궤도 변경이나 이탈 현상 없이 굴착공을 따라서 굴진 이동하여 설정된 확공 작업을 신속하면서도 정확하게 수행하도록 한다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

110 : 구동로드 120 : 확공기본체
121 : 연결부 122 : 회전지지부
130 : 굴삭모듈 131 : 팁
132 : 회전축 140 : 머드모터
150 : 회전전달부 151 : 기어박스
152 : 기어

Claims (7)

1. 지향식 수평굴착공사용 확공기에 있어서,
   굴진장비에 연결된 구동로드가 전단에 연결되는 확공기본체;
   상기 확공기본체의 전단에 회전 가능하도록 상기 구동로드의 둘레를 따라 다수로 설치되고, 외측면에 굴삭을 위한 팁이 다수로 마련되는 굴삭모듈;
   상기 확공기본체에 설치되고, 상기 구동로드로부터 공급되는 작동유체에 의해 동작하여 회전력을 발생시키는 머드모터; 및
   상기 머드모터로부터 발생되는 회전력을 상기 굴삭모듈 각각에 전달하도록 상기 확공기본체에 설치되는 회전전달부를 포함하되,
   상기 구동로드는 상기 굴진장비의 구동에 의해 회전없이 당겨지고,
   상기 굴삭모듈의 외측면에 굴삭을 위해 다수로 마련되는 팁은 상기 구동로드의 회전이 아닌 상기 구동로드를 통해 공급되는 물과 벤토나이트의 혼합물에 의해 동작하여 회전력을 발생시키는 상기 머드모터의 회전에 의해 발생하는 상기 굴삭모듈 자체의 회전력에 의해 회전하는 것을 특징으로 하는 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 확공기본체는,
   상기 굴삭모듈로부터 후방으로 연장되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 확공기본체는,
   상기 전단에 상기 구동로드의 둘레를 따라 돌출되도록 회전지지부가 다수로 마련되고, 상기 회전지지부 각각에 상기 굴삭모듈의 회전축이 회전 가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기.
   
4. 제 3 항에 있어서, 상기 회전축은,
   전단이 상기 구동로드를 향하도록 상기 회전지지부에 경사지게 설치되는 것을 특징으로 하는 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기.
   
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 굴삭모듈은,
   상기 회전축의 전단에 고정되고, 반원 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 지향식 수평굴착공사용 자체 회전 확공기.
   
6. 삭제
7. 지향식 수평굴착 확공 방법에 있어서,
   굴진장비에 연결된 구동로드를 굴착공에 삽입하여 확장공의 시작구까지 도달시키는 단계;
   상기 시작구로부터 노출되는 상기 구동로드의 끝단을 확공기본체의 전단에 연결시키는 단계;
   상기 굴진장비의 구동에 의해 구동로드를 회전시키지 않고 당기는 단계; 및
   상기 구동로드를 통해 물과 벤토나이트의 혼합물을 정해진 압력 이상으로 공급하고, 상기 구동로드에 연결된 머드모터가 상기 혼합물을 공급받아 회전력을 발생시키도록 하며, 상기 회전력에 의해 상기 확공기본체의 전단에 상기 구동로드의 둘레를 따라 회전하도록 다수로 설치된 굴삭모듈이 각각 회전하도록 하여, 상기 굴삭모듈의 팁이 지반과 마찰을 일으켜서 상기 굴착공을 확장시키도록 하는 단계를 포함하되,
   상기 굴삭모듈의 팁은 상기 구동로드의 회전이 아닌 상기 구동로드를 통해 공급되는 물과 벤토나이트의 혼합물에 의해 동작하여 회전력을 발생시키는 상기 머드모터의 회전에 의해 발생하는 상기 굴삭모듈 자체의 회전력에 의해 회전하는 것을 특징으로 하는 지향식 수평굴착 확공 방법.

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