KR101254005B1 - 소형 굴절 굴착기를 이용한 집수정 개발 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 집수정 개발 공법을 개시한다. 본 발명의 집수정 개발 공법은 다수의 수평유압발을 통한 방향전환이 가능한 소구경 터널굴착기를 이용하여 수직집수정에 연결된 집수공을 굴착하는 점에 특징이 있다. 구체적으로는 (a) 수직정을 굴착하는 단계; (b) 상기 굴착기가 제1 방향을 따라 전진하면서 상기 수직정과 연결된 집수공을 굴착하는 단계; (c) 상기 다수의 수평유압발 중에서 적어도 하나를 신장하여 집수공의 내벽에 대해 압력을 가함으로써 상기 굴착기의 방향을 상기 제1방향과 다른 제2방향으로 변경하는 단계; (d) 상기 굴착기가 상기 제2방향을 따라 전진하면서 상기 집수공을 연속하여 굴착하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 집수공을 굴착하는 굴착기가 굴진 중에 진행방향을 자유로이 전환할 수 있으므로 장애물에 의한 시공시간 및 시공비용의 증가를 방지할 수 있다. 또한 집수공을 적절히 굴절시키면 대상 지역에서 굴착영역을 실질적으로 넓힐 수 있기 때문에 보다 높은 확률로 지하수를 확보할 수 있게 된다.

Description

소형 굴절 굴착기를 이용한 집수정 개발 공법{Development method for water collecting well using small size tunneling machine}

본 발명은 집수정 개발공법에 관한 것으로서, 구체적으로는 수직 집수정에 연결되는 집수공의 방향을 자유로이 설정할 수 있는 집수정 개발공법에 관한 것이다.

최근 수자원의 고갈로 인해 지하수나 강변여과수를 생활용수 또는 산업용수로 활용하는 방안에 대한 관심이 커지고 있다.

지하수는 눈이나 비가 지하로 스며든 후 지중의 불투수층에 의해 정체되어 집적된 것으로서, 통상 자갈, 모래, 점토나 이들의 혼합물로 이루어진 미고결된 암석의 틈새에 함유된 간극수와 고결된 암석의 절리나 파쇄대를 따라 존재하는 열극수로 구분된다. 한편 강변여과수는 강이나 저수지의 하부지층에 저수된 물로서 충적대수층을 통과하면서 자연 여과되므로 활용가능성이 매우 높다.

이러한 지하수나 강변여과수를 집수하기 위해서는 도 1에 도시된 바와 같이 5~6m 직경의 수직 집수정(10)을 20~40m 깊이로 굴착한 후 콘크리트관(20)을 수직정(10)의 내부에 적층하여 측벽을 형성한다. 콘크리트관(20)은 수직정(10)의 바닥까지 설치될 수도 있으나, 바닥부가 경암층인 경우에는 그 자체로서 내력벽의 기능과 저수탱크의 기능을 수행하므로 도시된 바와 같이 보통암층까지만 콘크리트관(20)을 설치하면 된다.

콘크리트관(20)을 설치한 후에는 수직정(10)의 측벽 하부에서 측방으로 다수의 집수관(40)을 굴착한다. 주변에 지표수가 흐르지 않는 지역에서는 통상 도 2에 도시된 바와 같이 방사형으로 다수의 집수공(40)을 굴착하며, 강변여과수를 집수하는 경우에는 강변의 수변지역에 수직정(10)을 형성하고 집수공(40)은 하천바닥의 충적대수층까지 굴착한다. 집수공(40)이 경암층에 형성되는 경우에는 집수관을 별도로 설치할 필요가 없으나 강변여과수를 집수할 때는 함몰의 위험이 높으므로 집수관을 설치하는 것이 바람직하다. 집수관을 통해 수직정(10)으로 집수된 물은 수중모터(30)와 집수파이프(32)를 통해 외부로 공급된다.

한편 수직 집수정(10)에서 집수공(40)을 형성하려면 수직 집수정(10)의 내부에 굴착장비를 설치해야 하는데 종래의 굴착장비는 그 부피가 매우 크기 때문에 수직 집수정(10)의 직경을 5~6m 정도로 크게 형성해야 했으며 이로 인해 시공기간이 길어지고 비용이 증가하는 문제점이 있었다.

또한 종래에는 굴착장비의 특성으로 인해 모든 집수공을 직선으로 형성하였는데 이로 인해 많은 문제점 들이 노출되고 있다. 예를 들어 퇴적층이나 연암층에 집수공을 굴착하는 경우에는 중간에 암석 등의 장애물이 나타나면 별도의 파쇄기계를 사용하거나 새로 집수공을 형성해야 하므로 시공기간 및 비용이 증가하는 경우가 빈번하게 나타난다. 또한 집수공을 직선으로만 형성하면 굴착영역이 한정되어 지하수를 확보하는데 확률적인 제한이 불가피하므로 가급적 많은 집수공을 굴착해야 하므로 시공기간 및 비용이 증가하는 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 수직 집수정으로부터 측방으로 집수공을 굴착할 때 시공기간을 단축하고 시공비용을 절감할 수 있는 방안을 제공하는데 그 목적이 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 회전절삭동작을 하는 비트부와, 상기 비트부의 후단에 연결되고 상기 비트부를 진동시키기 위한 피스톤이 내장된 함마부와, 상기 함마부의 후단에 축으로 연결되고 상기 함마부 및 상기 비트부를 회전시키기 위한 모터를 구비한 구동부와, 상기 구동부의 하부에 결합되어 상기 구동부의 직선운동을 가이드하는 레일과, 상기 구동부를 상기 레일상에서 이동시키는 유압추진수단과, 상기 구동부에 구비되고 상기 구동부의 측면으로부터 수축 또는 신장되는 다수의 수평유압발을 포함하는 터널 굴착기를 이용하는 집수정 개발공법에 있어서, (a) 수직정을 굴착하는 단계; (b) 상기 굴착기가 제1 방향을 따라 전진하면서 상기 수직정과 연결된 집수공을 굴착하는 단계; (c) 상기 다수의 수평유압발 중에서 적어도 하나를 신장하여 집수공의 내벽에 대해 압력을 가함으로써 상기 굴착기의 방향을 상기 제1방향과 다른 제2방향으로 변경하는 단계; (d) 상기 굴착기가 상기 제2방향을 따라 전진하면서 상기 집수공을 연속하여 굴착하는 단계를 포함하는 집수정 개발공법을 제공한다.

본 발명에 따르면, 집수공을 굴착하는 굴착기가 굴진 중에 진행방향을 자유로이 전환할 수 있으므로 장애물에 의한 시공시간 및 시공비용의 증가를 방지할 수 있다. 또한 집수공을 적절히 굴절시키면 대상 지역에서 굴착영역을 실질적으로 넓힐 수 있기 때문에 보다 높은 확률로 지하수를 확보할 수 있게 된다.

도 1은 종래 집수정의 구조를 나타낸 개략 단면도
도 2는 종래 집수공의 방향을 나타낸 개략 평면도
도 3은 본 발명의 실시예에 따라 집수공을 굴착하는 모습을 나타낸 개략 평면도
도 4는 본 발명에 사용되는 비 굴착식 소구경 터널 굴착기를 나타낸 평면도
도 5a 내지 도 5e는 본 발명에 따른 비 굴착식 소구경 터널 굴착기의 전진과정을 나타낸 도면
도 6은 본 발명에 따른 비 굴착식 소구경 터널 굴착기의 방향전환과정을 구체적으로 나타낸 도면

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

본 발명의 실시예에 따라 개발되는 집수정도 도 1에 도시된 바와 같이 수직정(10)과 수직정(10)으로부터 측방으로 형성된 집수공(40)을 포함하는 점에서는 종래와 마찬가지이다. 다만 본 발명에서는 도 3에 도시된 바와 같이 소구경의 비 굴착식 터널 굴착기(이하 '굴착기'라 한다.)(100)를 사용하여 집수공(40)을 직선뿐만 아니라 다양한 방향으로 굴착할 수 있다는 점에 특징이 있다. 즉, 집수공(40)을 굴착하는 도중에 장애물을 회피하기 위하여 방향을 전환할 수도 있고, 곡선 경로로 굴착하여 지하수 확보의 확률을 높일 수 있다.

이러한 집수공(40) 굴착에 사용되는 굴착기(100)를 살펴보면 다음과 같다.

상기 굴착기(100)는 대략 3m 이내의 길이와 1m 이내의 직경을 가지며, 도 4의 평면도에 도시된 바와 같이. 선단의 비트부(130), 비트부(130) 후단의 함마부(140), 함마부(140) 후단의 구동부(150)로 나누어볼 수 있다.

비트부(130)는 본 발명에 따른 굴착기(100)의 최선단에 위치하여 회전절삭작용을 한다. 비트부(130)는 함마부(140) 및 구동부(150)보다 직경이 크고, 내부에 길이방향을 따라 적어도 하나의 에어통로(132)가 관통 형성되는 것이 바람직하다. 비트부(130)의 절삭면 형태 등은 지질이나 목적 등에 따라 다양하게 변형될 수 있다.

함마부(140)는 비트부(130)의 후단에 연결되고 비트부(130)를 전후 방향으로 진동시키기 위한 피스톤(142)이 내장된다. 따라서 비트부(130)는 피스톤(142)의 왕복운동에 의해 막장벽을 강타함과 아울러 회전절삭을 통해 굴착작업을 진행하게 되므로 상대적으로 단단한 지반도 효과적으로 파쇄하여 굴착하는 것이 가능하다. 필요에 따라서는 암석 등의 파쇄도 가능할 것이다.

함마부(140)에는 피스톤(142)의 출력을 제어하여 비트부(130)의 진동속도와 진동폭을 조절하는 초크(144)가 설치되는 것이 바람직하다. 초크(144)는 압력에 따라 열리고 닫히는 동작을 함으로써 내부압력을 조절하는 역할을 한다.

구동부(150)는 함마부(140)의 후단에 축(146)으로 연결되고 함마부(140) 및 비트부(130)를 회전시키기 위한 회전력을 발휘하는 모터(152) 및 모터(152)의 회전력을 적절히 조절하여 축(146)으로 전달하는 기어박스(154)가 내장된다.

구동부(150)의 외주면에는 길이방향을 따라 둘 이상의 지지날개(156)가 날개형태로 설치된다.

또한 구동부(150)의 하단에는 본 발명에 따른 굴착기(100) 전체를 전진시키기 위한 유압추진수단(158)이 설치되며, 구동부(150)의 측면을 따라서는 복수의 수평유압발(166)이 설치된다.

지지날개(156)는 집수공(40)의 내벽에 밀착되어 굴착기(100)의 균형을 유지하는 동시에 굴진작업시 강한 지지력을 얻기 위한 것으로서, 접었다 펴는 동작이 가능하도록 구동부(150)에 회전가능하게 장착되는 것이 바람직하다. 또한 유압에 의해 각 지지날개(156)의 돌출높이가 조절되어 막장벽에 밀착 또는 이격되도록 설치될 수도 있다.

구동부(150)의 하부에는 길이방향을 따라 한 쌍의 레일(160)이 결합되며, 구동부(150)는 상기 레일(160)을 따라 직선운동을 하게 된다.

유압추진수단(158)은 구동부(150)를 상기 레일(160)을 따라 전후진 시키는 역할을 한다. 유압추진수단(158)은 여러 방식으로 구현될 수 있다. 예를 들어 일단이 레일(150)에 고정되어 구동부(150)를 이동시키는 유압실린더가 사용될 수도 있고, 일단이 구동부(150)에 고정되어 레일(150)을 이동시키는 유압실린더가 사용될 수도 있다. 두 기능을 모두 갖춘 양방향 유압실린더가 사용될 수도 있고, 위 2개의 실린더가 모두 사용될 수도 있다.

구동부(150)의 하단에는 유압리프트(도 3a의 162 참조, 이하 동일하다)가 설치되어 굴착기 전체 또는 구동부(150)를 바닥으로부터 승강시킨다. 따라서 복수의 유압리프트(162)에 의해 굴착기(100)가 바닥으로부터 상승하여 레일(160)에 가해지는 하중이 줄어들면 레일(160)을 구동부(150)에 대해 상대적으로 전진시키고, 다시 복수의 유압리프트(162)에 의해 레일(160)을 비롯한 전체가 바닥에 안착되면 구동부(150)를 레일(160)을 따라 전진시키는 방식으로 본 발명에 따른 굴착기(100)를 순차적으로 이동시킬 수 있다.

이와 같이 레일(160)과 유압리프트(162)를 사용하여 이동시키면 바퀴를 사용하는 경우에 비해 굴착작업시 큰 지지력을 얻을 수 있는 이점이 있다. 보다 구체적인 이동방법은 후술하기로 한다.

구동부(150)의 측면에는 방향전환시에 사용되는 수평유압발(166)이 다수 설치된다. 수평유압발(166)은 유압에 의해 수축 또는 신장이 가능하며, 길이방향의 중심축을 기준으로 좌우대칭으로 설치되는 것이 바람직하다. 본 발명의 실시예에서는 일측에 2개, 타측에 2개씩 모두 4개의 수평유압발(166)을 설치하였으나 그 개수가 이에 한정되는 것은 아니다. 다만 수평유압발(166)의 동작에 의해 굴착기(100)가 회전할 수 있어야 하므로 굴착기(100)의 회전중심을 기준으로 다수의 수평유압발(166)이 대칭적으로 배치되는 것이 바람직하다.

그 밖에도 구동부(150)의 후단에는 케이싱의 고정을 위한 복수의 케이싱홀더(168), 외부의 와이어가 연결되는 와이어고리(170) 등이 설치될 수 있다. 케이싱홀더(168)에는 원통형의 집수관이 고정되는데, 비교적 연약한 비고결층에서는 집수공(40)의 붕괴 등을 방지하기 위해 집수관이 설치될 필요가 있지만 암반 등의 고결층에서는 생략될 수 있다. 그리고 와이어고리(170)에는 와이어가 연결되며, 구간터널의 굴진 중에 굴착기(100)를 빼낼 경우, 굴진 중단후 재 굴진을 위해 빼내야 하는 경우, 굴착기(100)가 매몰되어 움직이지 않는 경우 등의 상황이 발생하면 와이어렌치로 와이어를 끌어당기게 된다.

또한 냉각수 순환을 위한 하나 이상의 냉각수 튜브, 유압 전달을 위한 하나 이상의 유압 튜브, 에어 순환을 위한 하나 이상의 에어 튜브 등을 포함하는 복수의 튜브(T)가 구동부(150)에 연결될 수 있다. 또한 외부의 전원에 연결되는 전원선(P)이 연결될 수도 있다. 또한 굴착상황을 파악할 수 있도록 CCTV와 조명라이트 등을 구동부(150)에 설치할 수도 있다.

이하에서는 도 5a 내지 도 5e를 참조하여 본 발명에 따른 굴착기(100)의 전진과정을 설명한다.

본 발명에 따른 굴착기(100)의 구동부(150)에는 앞서 언급된 유압추진수단(158)과 유압리프트(162)가 설치되어 있으며, 구동부(150)는 레일(160)에 안착되어 있다. (도 5a 참조)

이 상태에서 구동부(150)를 레일(160)을 따라 전진시키면서 굴진작업을 진행하게 된다. (도 5b 참조)

구동부(150)의 전진만으로는 굴진작업을 계속할 수는 없으므로 구동부(150)가 일정거리를 전진한 이후에는 굴착기(100)를 지지하는 레일(160)을 전진시켜야 한다. 이를 위해서는 유압리프트(162)를 신장시켜 구동부(150)를 상승시킨다. 이때 구동부(150)만을 상승시킬 수도 있고 구동부(150)와 함께 레일(160)도 바닥(G)으로부터 약간 상승시킬 수도 있다. (도 5c 참조)

이 상태는 구동부(150)가 유압리프트(162)에 지지되어 고정된 상태이므로 유압추진수단(158)을 이용하여 레일(160)을 전진시킬 수 있다. (도 5d 참조)

레일(160)이 전진한 후에는 유압리프트(162)를 수축시켜서 구동부(150)를 레일(160)의 상부에 다시 안착시킨다. (도 5e 참조)

이어서 도 5a에 도시된 바와 같이 유압추진수단(158)을 이용하여 레일(160)을 따라 구동부(150)를 전진시키면서 굴진작업을 진행하게 된다. 이 과정에서 굴착된 흙은 별도 설치된 콤프레샤 등을 통해 고압공기를 분사하여 외부로 빼낼 수 있다.

한편 본 발명에 따른 굴착기(100)는 굴진과정에서 용이하게 굴진방향을 전환할 수 있는 장점이 있다.

예를 들어 굴진 중에 오른쪽으로 방향전환이 필요한 경우에는, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이 좌측 선단의 수평유압발(166)과 우측 후단의 수평유압발(166)을 동시에 신장시켜서 굴착기(100) 전체를 오른쪽으로 방향전환시킬 수 있다. 이와 같이 2개의 수평유압발(166)을 함께 동작시키지 않고 좌측 선단의 수평유압발(166)만을 동작시키거나 우측 후단의 수평유압발(166)만을 동작시켜도 방향전환이 이루어질 수 있으나, 보다 효과적인 방향전환을 위해서는 회전중심을 기준으로 대칭적으로 배치된 다수의 수평유압발(166)을 동시에 동작시키는 것이 바람직할 것이다.

또한 굴진중에 왼쪽으로 방향전환이 필요한 경우에는 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이 우측 선단의 수평유압발(166)과 좌측 후단의 수평유압발(166)을 동시에 신장시켜서 굴착기(100) 전체를 왼쪽으로 방향전환시킬 수 있다.

이처럼 각 수평유압발(166)의 수축 및 신장 정도를 적절히 조절함으로써 본 발명에 따른 굴착기(100)는 굴진 작업중에 진행방향을 자유로이 전환할 수 있게 되는 것이다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 구체적인 적용에 있어서 보다 다양한 형태로 변형 또는 수정될 수 있으며, 이와 같이 변형 또는 수정된 실시예도 후술하는 특허청구범위에 포함된 본 발명의 기술적 사상을 포함한다면 본 발명의 권리범위에 속함은 당연하다.

10: 수직정 20: 콘크리트관
30: 수중모터 40: 집수공
100: 굴착기 130: 비트부
132: 에어통로 140: 함마부
142: 피스톤 144: 초크
146: 축 150: 구동부
152: 모터 154: 기어박스
156: 지지날개 158: 유압추진수단
160: 레일 162: 유압리프트
166: 수평유압발 168: 케이싱홀더

Claims (2)

1. 회전절삭동작을 하는 비트부와, 상기 비트부의 후단에 연결되고 상기 비트부를 진동시키기 위한 피스톤이 내장된 함마부와, 상기 함마부의 후단에 축으로 연결되고 상기 함마부 및 상기 비트부를 회전시키기 위한 모터를 구비한 구동부와, 상기 구동부의 하부에 결합되어 상기 구동부의 직선운동을 가이드하는 레일과, 상기 구동부를 상기 레일상에서 이동시키는 유압추진수단과, 상기 구동부에 구비되고 상기 구동부의 측면으로부터 수축 또는 신장되는 다수의 수평유압발을 포함하는 터널 굴착기를 이용하는 집수정 개발공법에 있어서,
   (a) 수직정을 굴착하는 단계;
   (b) 상기 굴착기가 제1방향을 따라 전진하면서 상기 수직정과 연결된 집수공을 굴착하는 단계;
   (c) 상기 다수의 수평유압발 중에서 적어도 하나를 신장하여 집수공의 내벽에 대해 압력을 가함으로써 상기 굴착기의 방향을 상기 제1방향과 다른 제2방향으로 변경하는 단계;
   (d) 상기 굴착기가 상기 제2방향을 따라 전진하면서 상기 집수공을 연속하여 굴착하는 단계
   를 포함하는 집수정 개발공법
2. 제1항에 있어서,
   상기 다수의 수평유압발은 상기 구동부의 길이 방향을 기준으로 적어도 2쌍이 대칭적으로 배치되고, 상기 (c)단계에서는 상기 구동부의 회전중심을 기준으로 서로 반대쪽에 위치하는 한 쌍의 수평유압발이 동시에 동작하여 방향전환이 이루어지는 것을 특징으로 하는 집수정 개발 공법

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