KR101278928B1 - 잠수식 역순환 굴착기 - Google Patents

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임종규
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(주)부마씨이
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Abstract

본 발명은 잠수식 역순환 굴착기(Submerged Reverse Circulation Drilling Rig)에 관한 것이다. 이를 위하여, 본 발명은 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)과 드릴 비트(500)를 구동시킬 수 있는 장치들을 장착하는 플랫폼을 갖는 상부 역순환 굴착기(100)와, 지반 굴착용 드릴 비트(500)와 상기 드릴 비트를 구동시키기 위한 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)을 고정하여 하강시키고, 지반 굴착 시 발생된 슬러지를 토출관(210)으로 토출하기 위한 드릴 로드 파이프와, 지반 굴착 시 드릴 비트(500)에 일정한 압력을 주기 위한 압하기(300)와, 수중에서도 드릴 비트(500)를 최적으로 구동시키고 압력보상장치를 통해 실시간 모니터링 가능한 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)을 구성함으로써, 잠수방식의 드라이브 시스템 채택으로 역순환 굴착기 구조체의 경량화로 제조원가를 획기적으로 줄일 수 있고, 드릴 로드 파이프에 장착되는 하나 이상의 스테빌라이저가 필요 없기 때문에 작업공정과 작업시간을 크게 단축시키며, 수중작업 시 압력장치 등에서 발생되는 누유 등의 실시간 모니터링이 가능하여 작업 안정성과 고장 발생 시 즉각적인 조치가 가능한 독특한 특징이 있다.

Description

잠수식 역순환 굴착기{Submerged Reverse Circulation Drilling Rig}
본 발명은 역순환 굴착기(RCD Rig)에 관한 것으로, 특히, 잠수식 파워 드라이브 시스템을 지반 굴착용 드릴 비트와 직결시킴으로서, 드릴 로드 파이프를 회전시키지 않고서도 드릴 비트를 구동시켜 지반을 굴착하도록 한 잠수식 역순환 굴착기에 관한 것이다.
최근 소음을 크게 줄이면서 대구경 지반 굴착이 가능한 역순환 굴착(RCD, Reverse Circulation Drill)공법이 많이 시공되고 있다. 이는 1950년 중반 독일의 자르츠사와 Wirth사에 의해 최초로 개발된 것으로 어스드릴(Earth Drill) 공법과 함께 대표적인 대구경 현장타설 콘크리트 말뚝 시공법이다.
RCD공법은 물속에 잠겨 있는 드릴 스트링(Drill String) 및 드릴 로드 파이프(Drill Rod Pipe)를 통하여 최하부의 드릴 비트까지 압축공기를 공급하고, 압축공기가 파이프를 통하여 부양될 때 생기는 부력을 이용하여 굴착된 토사나 파쇄된 암석 조각들을 배출하는 것이다. 이런 일련의 작업을 통하여 지하 암반을 굴착하여 암반에 철근 콘크리트 기둥을 시공할 수 있도록 하는 장비를 RCD Machine 또는 RCD Rig라 한다.
다시 말해서, RCD장비를 이용해 정수압으로 공벽을 보호하며 드릴 로드 파이프 끝부분에 장착된 특수한 드릴 비트(Drill Bit)를 360° 회전시켜 지반에 대구경 천공을 한 후, 미리 조립된 철근망을 삽입하고 콘크리트를 타설하여 3000mm 이상의 대구경 현장타설 콘크리트 말뚝을 시공하는 공법이다.
또한, 이 공법은 일반적인 로터리식 타공(Boring)공법에서의 물의 순환과는 반대로 드릴 로드 파이프(Drill Rod Pipe)로 순환수와 굴착토를 함께 흡입하여 지상으로 배출하고 배출된 순환수는 침전지를 거쳐 다시 굴착공으로 보내어지는 순환과정을 반복한다. 직경 3,000mm의 대구경 현장타설 콘크리트 말뚝이 시공된 우리나라 인천대교가 그 일예이다.
한편, 역순환 굴착기(RCD-Rig)와 관련하여, 대한민국 등록특허 제10-0693285호의 파워팩 착탈식의 역순환굴반기에 의하면, 클램프부(10), 베이스부(20), 플랫폼부(30), 파워 스위블 몸체부(40)로 구성되고, 이에 소정의 폭과 크기를 갖는 파워팩(100)이 클램프부(10)의 좌ㆍ우에 장착되어 있으며, 드릴 로드 파이프(12)를 지지하기 위한 복수개의 스테빌라이저(13,14)가 구성되어 있는 무게중심이 RCD장비의 상부에 위치하는 복잡한 구조체를 갖는다.[도 1의 (가) 참조]
또한, 대한민국 등록특허 제10-1119199호의 역순환 굴착 장치에 의하면, 복수 개 연결되는 드릴 파이프(100)와, 드릴 파이프(100)의 외주를 따라 구비되는 복수개의 스테빌라이저(200)와, 드릴 파이프(100)와 연결되는 비트 바디 유닛(300)과, 드릴 파이프(100)와 비트 바디 유닛(300) 사이에 구비되는 기어 박스 유닛(400)을 포함한다.[도 1의 (나) 참조]
그러나 상기 [(도 1 (가) 참조]의 RCD장치는 케이싱 상부에 RCD 본체를 장착하고 상부에서 드라이브를 통한 토크 전달 방식으로 드릴 스트링(Drill String) 및 드릴 로드 파이프(Drill Rod Pipe) 전체가 회전하여 하부의 드릴 비트(Drill Bit)를 구동하여 지반을 굴착시키는 방식이고, 또한 상기 [(도 1 (가) 참조] 및 [도 1 (나) 참조]의 RCD장치는 스테빌라이저가 장착된 방식이므로,
1)역순환 굴착기(RCD-Rig) 상부 마스트(Mast)에 집중화된 복잡한 구조체로 인한 장치 전체의 고중량화로 이송 및 굴착작업자의 동선이 용이하지 않고,
2)드릴 로드 파이프(12)/드릴 파이프(100)를 수평방향으로 지지하기 위한 다수개의 회전날개를 갖는 하나 이상의 스테빌라이저(13,14)가 별도로 장착되어 있으므로, 드릴 스트링(Drill String)/드릴 로드 파이프(Drill Rod Pipe) 삽입을 위한 틸트 작업 시 작업공정과 작업시간이 지연되며,
3)수압을 받는 스위블 시스템(Swivel System) 및 드라이브 시스템(Drive System) 등에 대한 누유발생 등의 모니터링 장치가 없기 때문에 실시간 심도측정과 작업 진직도 및 동작상태의 체크가 불가능하다.
4)스테빌라이저(13,14,200) 장착에 따른 물의 저항으로 인한 스테빌라이저의 브레이드(Blade) 마모가 심하므로 장비운용 비용이 상대적으로 높아지는 등의 문제점이 있다.
따라서 본원 발명은 역순환 굴착기(RCD-Rig) 본체의 유압시스템으로부터 유압, 공기압을 하부에 설치된 잠수식 파워 드라이브 시스템에 공급하여 드릴 비트를 직접 구동시키는 새로운 잠수식 역순환 굴착기를 제공한다.
본 발명의 목적은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 보다 상세하게는, 수중에서도 드릴 비트(Drill Bit)를 구동시키기 위한 다단 유성감속기(Planetary Reducer)와 굴착 시 수압에 견딜 수 있도록 한 압력보상형 파워 스위블(Power Swivel of Pressure Compensator Type)을 갖는 잠수식 파워 드라이브 시스템(Submerged Power Drive System)을 지반 굴착용 드릴 비트(Drill Bit)와 직결시킴으로써, 역순환 굴착기 전체의 구조체를 경량화시키고 실시간 모니터링 가능하도록 한 잠수식 역순환 굴착기를 제공한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 의하면, 구조물 내진기초시공을 위한 역순환 굴착기(Reverse Circulation Drilling Rig, RCD-Rig)에 있어서, 상기 역순환 굴착기는, 거치용 마스트(Mast,110)와, 잠수식 파워 드라이브 시스템에 유압 및 공기를 공급하는 파워 팩(Power Pack,120) 및 파워 호스(131)를 권선하는 호스 릴(Hose Reel,130)과, 플랫폼(Platform,140)과 상기 플랫폼 하부에 장착되어 굴착공에 삽입되는 역순환 굴착기를 보호하는 케이싱(Casing,150)을 유압으로 고정시키는 클램프부(Clamping Unit,160)를 갖는 상부 역순환 굴착기(100)와; 상기 상부 역순환 굴착기와 연직방향으로 다단 연결되되, 지반 굴착용 드릴 비트(Drill Bit,500)와 상기 드릴 비트를 구동시키기 위한 잠수식 파워 드라이브 시스템(Power Drive System)을 고정하여 하강시키고, 지반 굴착 시 발생된 슬러지(Sludge)를 토출관(210)으로 토출하기 위한 드릴 로드 파이프(Drill Rod Pipe,200)와; 상기 드릴 로드 파이프의 외주면에 위치하여 플랜지(Flange,310)에 의해 고정되되, 원형블록 형태로 적층되어 지반 굴착 시 드릴 비트(Drill Bit)에 일정한 압력을 주기 위한 압하기(Weigher,300)와; 상기 압하기의 하단에 위치하되, 상기 드릴 비트(Drill Bit)의 상단에 결합되어 수중에서도 드릴 비트(Drill Bit)를 구동시키기 위한 다단 유성감속기(Planetary Reducer,410) 및 상기 다단 유성 감속기와 결합되어 굴착 시 수압에 견딜 수 있도록 한 압력보상형 파워 스위블(Power Swivel of Pressure Compensator Type,420)을 갖는 잠수식 파워 드라이브 시스템(Submerged Power Drive System,400)을 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수식 역순환 굴착기를 제공한다.
본 발명의 일실시 예에 의하면, 상기 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)은, 수중작업 시 물의 수압에 의한 외부와 내부의 압력 편차를 보상하기 위한 압력보상장치(430)가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시 예에 의하면, 상기 압력보상장치(430)는, 압력보상형 파워 스위블(420)의 외부에 설치되는 고무풍선 형태의 튜브(431)이며, 튜브(431) 내부에는 외부 수압에 따라 유압작동을 위한 일정량의 유압오일(Hyd. Oil,432)이 들어 있고, 튜브의 하단쪽은 외부 수압을 직접 받을 수 있도록 노출되어 있으며, 튜브의 하단쪽에서 받는 외부 수압에 따라 튜브 내부에 들어 있는 유압오일이 상기 압력보상형 파워 스위블(420)로 유입과 유출되면서 상기 압력보상형 파워 스위블(420)의 압력편차를 자동적으로 조절되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시 예에 의하면, 상기 압력보상장치(430)의 튜브(431) 내압한도는 10~15kg/cm2인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시 예에 의하면, 상기 다단 유성감속기(410)는, 상기 드릴 비트를 구동시키기 위한 유압 모터(Hyd. Motor,411)와 상기 유압 모터의 회전속도를 감속시키며 최대 900kNㆍm의 토크(Torque)를 출력하기 위한 기어박스(412)가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시 예에 의하면, 상기 드릴 비트(500)는, 상기 드릴 비트의 하부에 위치하며, 지반 혹은 암반을 굴착하고 발생된 슬러지를 상기 드릴 로드 파이프(200)를 통해 용이하게 토출하기 위한 다수개의 툴(Tool)이 나선형으로 배열되어 장착되는 롤러 커터(Roller Cutter,510)가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시 예에 의하면, 상기 파워 호스(131)는, 상기 드릴 로드 파이프(200)의 다단 연결 길이에 따라 상기 호스 릴(130)에 의해 권선되며, 상기 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)의 압력보상형 파워 스위블(420)과 체결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일실시 예에 의하면, 상기 잠수식 역순환 굴착기는, 상기 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)과 드릴 비트(Drill Bit,500)를 직결시키기 위한 체결장치를 갖는 크로스 오브 서브(Cross Over Sub,600)가 더 포함되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 잠수식 역순환 굴착기에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명에 의하여, 실시간 모니터링 가능한 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)을 지반 굴착용 드릴 비트(Drill Bit)와 직결시켜 지반을 굴착하도록 역순환 굴착기(RCD-Rig)를 경량화시킴으로써,
(1) 종래의 상부 역순환 굴착기에 장착된 2중 유압실린더 구동 슬라이더와 결합된 드릴 로드 파이프에 의해 지반 굴착용 드릴 비트(500)를 구동시키지 않고 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)을 드릴 비트(500)와 직결시키기 때문에 상부 역순환 굴착기 구조체의 경량화로 전체 구조가 간단하여 제조원가를 획기적으로 줄일 수 있다.
(2) 종래의 2중 유압실린더 구동 슬라이더와 직결된 드릴 로드 파이프의 좌굴(Buckling)을 방지하기 위하여 다수개의 회전날개를 갖는 하나 이상의 스테빌라이저(Stabillizer)를 드릴 로드 파이프에 장착할 필요가 없기 때문에 스테빌라이저에 대한 물의 저항이 없을 뿐만 아니라, 드릴 로드 파이프 틸트 작업공정과 작업시간을 크게 단축시킬 수 있다.
(3) 종래의 기술은 수중 스위블 시스템 등에 발생 가능한 누유 등의 실시간 고장체크가 어려운 반면에, 본 발명은 수중동작 상태를 지상에서 실시간 모니터링 가능함으로써, 작업 안정성과 사고 발생을 줄일 수가 있다.
도 1의 (가),(나)는 종래의 역순환 굴착기(RCD-Rig)에 대한 기술적 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 상기 도 1의 (가)와 유사한 역순환 굴착기(RCD-Rig) 시스템에 대한 스테빌라이저가 장착된 드릴 로드 파이프 실물사진
도 3은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 잠수식 역순환 굴착기에 대한 핵심 기술적 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 잠수식 역순환 굴착기에 대한 상부 역순환 굴착기를 구체적으로 나타낸 그래픽
도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 잠수식 역순환 굴착기에 대한 잠수식 파워 드라이브 시스템을 구체적으로 나타낸 도면
도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 잠수식 역순환 굴착기에 대한 압력보상장치를 개략적으로 나타낸 도면
도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 잠수식 역순환 굴착기에 대한 900kNㆍm급 잠수식 다단 유성감속기 Drive System 나타낸 3D 설계도
도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 잠수식 역순환 굴착기에 대한 모니터링 화면를 나타낸 도면
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다.
우선 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시하더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지의 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 잠수식 역순환 굴착기에 대한 핵심 기술적인 구성을 살펴보면, 본 발명은, 상부 역순환 굴착기(100)와, 드릴 로드 파이프(Drill Rod Pipe,200)와, 압하기(Weigher,300)와, 잠수식 파워 드라이브 시스템(Submerged Power Drive System,400), 드릴 비트(Drill Bit,500) 및 크로스 오브 서브(Cross Over Sub,600)로 이루어지며, 구조물 내진기초시공을 위한 3000mm 내지 5000mm 대구경 잠수식 역순환 굴착기(Submerged Reverse Circulation Drilling Rig, RCD-Rig)에 관한 것이다.
먼저, 도 3을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 상부 역순환 굴착기(100)는, 굴착공에 삽입되는 케이싱의 상부에 설치되는 지상용 RCD-Rig 작업설치대 수단으로서, 거치용 마스트(Mast,110)와, 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)에 유압 및 공기(혹은 공압)를 공급하는 파워 팩(Power Pack,120) 및 파워 호스(131)를 권선하는 호스 릴(Hose Reel,130)과, 상기 거치용 마스트와 파워 팩 및 호스 릴을 장착하기 위한 플랫폼(Platform,140)과 상기 플랫폼 하부에 장착되어 굴착공에 삽입되는 역순환 굴착기를 보호하는 케이싱(Casing,150)을 유압으로 고정시키는 클램프부(Clamping Unit,160)를 갖는다.
또한, 상기 상부 역순환 굴착기(100)의 플랫폼(140) 중앙에는 드릴 로드 파이프(Drill Rod Pipe,200)를 굴착 깊이에 따라 다단으로 연결하기 위한 3000mm 내지 5000mm의 대구경 홀(Hall,미도시)이 형성되어 있다.
여기서 도 4를 참조하여, 상기 파워 호스(131)는 드릴 로드 파이프(200)의 다단 연결 길이에 따라 감기거나 풀 수 있는 동작을 호스 릴(130)에 의해 권선된다. 따라서 상기 드릴 로드 파이프(200)의 다단 연결 길이는 드릴 비트(500)의 지반 및 암반 굴착 깊이에 따라 달라지는 것은 자명한 사항이다.
또한, 상기 파워 호스(131)는 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)의 압력보상형 파워 스위블(420)과 체결되고, 상기 압력보상형 파워 스위블(420)에는 파워 호스(131)를 결합시켜 선회하는 피벗 수단이 형성되어 있으므로 파워 호스의 꼬임을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)과 드릴 비트(500)가 직결되어 있으므로, 파워 팩(120) 및 파워 호스(131)를 통해 유압 또는 공압을 제공하여 상기 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)의 압력보상형 파워 스위블(420)과 다단 유성감속기(410)를 작동시키면 드릴 비트(500)만 구동된다. 즉 종래에는 드릴 로드 파이프(200)가 드릴 비트(500)를 구동(혹은 회전) 시켰지만 본 발명에서는 잠수식 파워 드라이브 시스템에 의해 드릴 비트를 구동시키고 드릴 로드 파이프(200)는 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)과 드릴 비트(500)를 고정하고 상기 드릴 비트(500)의 롤러 커터(510)에 의해 굴착된 슬러지를 토출하는 기능만 수행한다.
따라서 드릴 로드 파이프(200)에 장착된 다수개의 회전날개를 갖는 하나 이상의 스테빌라이저가 필요없기 때문에 역순환 굴착기 구조체를 단순화시켜 경량화를 도모할 수 있다. 이러한 본 발명의 특징은 후술되는 드릴 로드 파이프(200)에서 더욱 상세하게 기술된다.
도 3 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 드릴 로드 파이프(Drill Rod Pipe,200)는, 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)과 드릴 비트(500)를 지지하고 하강시키기 위한 수단으로서, 드릴 비트(500)에 의해 굴착되는 지반의 깊이에 따라 상부 RCD-Rig와 연직(수직)방향으로 다단으로 연결된다.
또한, 상기 드릴 로드 파이프(Drill Rod Pipe,200)는, 지반 굴착용 드릴 비트(Drill Bit,500)와 상기 드릴 비트를 구동시키기 위한 잠수식 파워 드라이브 시스템(Power Drive System)을 고정하여 하강시키고, 지반 굴착 시 발생된 슬러지(Sludge)를 토출관(210)으로 토출하는 기능을 수행한다.
여기서 본 발명의 실시 예에 따른 드릴 로드 파이프(200)는 종래와 달리 드릴 로드 파이프가 상부 역순환 굴착기에 장착된 2중 유압실린더 구동 슬라이더와 지반 굴착용 드릴비트 사이에 결합되어 지반 굴착용 드릴 비트를 구동시키는 상부 구동방식이 아니라, 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)과 드릴비트(500)를 직결시켜 상기 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)에 의해 드릴비트(500)를 구동시키기 때문에 상부 역순환 굴착기 구조체의 경량화로 전체 구조가 간단하여 제조원가를 획기적으로 줄일 수 있다.
또한, 종래의 2중 유압실린더 구동 슬라이더와 직결된 드릴 로드파이프의 좌굴(Buckling)을 방지하기 위하여 다수개의 회전날개를 갖는 하나 이상의 스테빌라이저(Stabillizer)를 드릴로드파이프에 장착할 필요 없기 때문에 스테빌라이저에 대한 물의 저항이 없을 뿐만 아니라, 드릴로드파이프의 틸트 작업공정과 작업시간을 크게 단축시킬 수 있다.
도 3 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 압하기(Weigher,300)는, 드릴 비트(500)를 압하하기 위한 수단으로서, 드릴 로드 파이프(200)의 외주면에 위치하여 플랜지(Flange,310)에 의해 드릴 로드 파이프(200)에 고정시키며 원형블록 형태로 적층되어 지반 굴착 시 드릴 비트(Drill Bit)에 일정한 압력을 주게 된다.
여기서 상기 압하기(Weigher,300)는, 일정한 중량을 갖는 쇠붙이 혹은 단단한 벽돌 등이 될 수 있으며, 드릴 비트의 구동에 따른 진동에 충분히 견딜 수 있도록 별도의 수납케이스가 사용되거나 단단하게 고정시킨다. 또 압하기의 전체 중량은 굴착용 드릴 비트에 따라 달라지는 것은 자명한 사항이다.
도 3 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 잠수식 파워 드라이브 시스템(Submerged Power Drive System,400)은 드릴 비트(500)를 구동시키고, 압하기(Weigher,300)의 하단에 위치한다.
또한, 상기 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)에는 드릴 비트(500)의 상단에 결합되어 수중에서도 상기 드릴 비트(500)를 구동시키기 위한 다단 유성감속기(Planetary Reducer,410)와 상기 다단 유성 감속기에 결합되어 굴착 시 수압에 견딜 수 있도록 하는 압력보상형 파워 스위블(Power Swivel of Pressure Compensator Type,420)이 구비되어 있다.
여기서 도 5 및 도 7을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 다단 유성감속기(410)는, 상기 드릴비트(500)를 구동시키기 위한 유압모터(Hyd. Motor,411)와 상기 유압 모터의 회전속도를 감속시키며 최대 900kNㆍm의 토크(Torque)를 출력하기 위한 기어박스(412)가 더 포함된다.
이러한 본 발명의 다단 유성감속기(410)는 유압모터(411)로부터 동력을 전달받아서 구동되며 최대 900kNㆍm 힘을 출력할 수 있는 고효율성을 갖는다.
또한, 다단 유성감속기(410)는 잠수식으로 굴착 시 수압에 견딜 수 있도록 심실링(Seamsealing) 처리는 물론 드릴 비트(500)와 직결 가능하도록 구조설계가 이루어진다.
다시 도 5 및 도 6을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)은, 수중작업 시 물의 수압에 의한 외부와 내부의 압력 편차를 보상하기 위한 압력보상장치(430)가 포함된다.
여기서 상기 압력보상장치(430)는, 압력보상형 파워 스위블(420)에 연결되어 있는 일종의 고무풍선 형태의 튜브(431)로서, 튜브(431) 내부에는 외부 수압에 따라 유압작동을 위한 일정량의 유압오일(Hyd. Oil,432)이 들어 있고, 튜브의 하단쪽은 외부 수압을 직접 받을 수 있도록 노출되어 있으며, 튜브의 하단쪽에서 받는 외부 수압에 따라 튜브 내부에 들어 있는 유압오일이 상기 압력보상형 파워 스위블(420)로 유입과 유출되면서 상기 압력보상형 파워 스위블(420)의 압력편차를 자동적으로 조절하도록 한다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 상기 튜브(431)는 설계 압력보다 1.5배 이상의 안전율을 유지해야 하므로 그 내압한도는 10~15kg/cm2에 견딜 수 있도록 설계 및 제작된다.
또한, 상기 압력보상형 파워 스위블(420)에 설치되는 제1/제2 압력센서(440,450)와 초음파발생기(460)로부터 검출된 값을 PLC(Programmable Logic Controller)제어로 지상에서 모니터링 가능하다.
다시 말해서, 플랫폼(140) 하단에 노출 설치되는 제2 압력센서(450)를 통해 수압이 미치지 않은 압력값을 먼저 검출한다. 이때 제2 압력센서(450)는 플랫폼(140) 하단에 설치되어 있으므로 위치값과 압력값을 쉽게 알 수 있다. 그리고 굴착공(케이싱)에는 물이 채워져 있으므로 제2 압력센서(450)와 제1 압력센서(440)의 압력차를 알면 제1 압력센서(440)의 위치를 산출할 수 있게 된다. 따라서 제1 압력센서(440)와 제2 압력센서(450)의 측정값을 사용하여 드릴 비트(500)의 삽입 위치를 파악할 수 있다.
그리고 초음파발생기(460)는 압력보상형 파워 스위블(420)의 외부에 설치되어 음파를 발산한다. 이를 통하여 초음파발생기(460)가 굴착공(케이싱)의 중심으로부터 어느 정도 벗어 난지를 알 수 있기 때문에 드릴 비트(500)의 진직도(Straightness)를 파악할 수 있게 된다.
한편, 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 모니터링 모습을 나타내며, 이를 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시 예에서는 압력보상장치(430)와 제1/제2 압력센서(440,450) 및 PLC(Programmable Logic Controller)제어 수단을 통하여 압력보상형 파워 스위블(420)의 정회전과 역회전 상태(CW/CCW Revolution), 정회전과 역회전 시 유압 상태(CW/CCW Hyd. Pressure), 유압 볼륨(Hyd. Volume), 토오크(Torque), 유압오일의 탱크 온도(Tank Temp of Hyd. Oil), 호스 릴의 토오크(Torque of Hose Reel), 심도(혹은 굴착) 깊이(Drilling Rate)를 모니터링 하고, 초음파발생기(460)를 통해 X축 및 Y축 편차를 검출하는 굴착 수직도를 모니터링 하며, 이들 모니터링은 모두 PLC(Programmable Logic Controller)제어로 지상에서 모니터링 할 수 있는 것이고, PLC제어는 널리 공지된 기술이므로 여기서는 별도의 설명은 생략한다.
이와 같이, 종래의 역순환 굴착기 기술은 수압을 받는 스위블 시스템 등에 발생 가능한 누유 등의 실시간 고장체크가 어려운 반면에, 본 발명의 실시 예에서는 압력보상장치(430)와 센서(440,450) 및 초음파발생기(460)를 통해 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)의 수중동작 상태를 지상에서 실시간 모니터링 가능함으로써, 작업 안정성과 고장 발생 시 즉각적인 조치가 가능하다.
다시 도 3 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 드릴 비트(500)는, 상기 드릴 비트의 하부에 위치하여, 지반 혹은 암반을 굴착하는 수단으로서, 상기 드릴 비트(500)에 의해 발생된 슬러지를 상기 드릴 로드 파이프(200)를 통해 용이하게 토출하기 위한 다수개의 툴(Tool)이 나선형으로 배열되어 장착되는 롤러 커터(Roller Cutter,510)가 더 포함된다.
여기서 상기 롤러 커터(510)를 나선형으로 배열시키는 이유는, 롤러 커터(510)는 지반 및 암반을 깎아내는 일종의 스크레퍼(Scrapper) 기능을 수행하기 때문에 이때 발생된 슬러지를 드릴 비트(500)의 중심부에 위치하는 드릴 로드 파이프(200) 홀(Hall) 쪽으로 끌어 모아지도록 할 필요성이 있다. 따라서 본 발명의 실시 예에서는 롤러 커터(510)가 드릴 비트(500)의 하부면 원주 끝에서 중심부로 곡면을 갖는 나선모양으로 배열시킨 것이다.
한편, 도 3 및 도 5를 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 크로스 오브 서브(Cross Over Sub,600)는, 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)과 드릴 비트(Drill Bit,500)를 직결시키기 위한 체결장치이다.
이하, 도 3 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 잠수식 역순환 굴착기에 대한 작용을 상세하게 설명한다.
본 발명은 구조물 내진기초시공을 위한 3000mm 내지 5000mm 대구경 잠수식 역순환 굴착기에 관한 것으로, 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)과 드릴 비트(500)를 구동시킬 수 있는 장치들을 장착하는 플랫폼을 갖는 상부 역순환 굴착기(100)와, 지반 굴착용 드릴 비트(500)와 상기 드릴 비트를 구동시키기 위한 잠수식 파워 드라이브 시스템(Power Drive System,400)을 고정하여 하강시키고, 지반 굴착 시 발생된 슬러지를 토출관(210)으로 토출하기 위한 드릴 로드 파이프와, 지반 굴착 시 드릴 비트(500)에 일정한 압력을 주기 위한 압하기(Weigher,300)와, 수중에서도 드릴 비트(500)를 구동시키고 압력 센서를 통해 실시간 모니터링 가능한 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)을 구성함으로써, 종래의 상부 드라이브 방식에 비해 잠수방식의 하부 드라이브 시스템을 채택하여 역순환 굴착기 구조체의 경량화로 제조원가를 획기적으로 줄일 수 있고, 드릴 로드 파이프에 장착되는 다수개의 회전날개를 갖는 하나 이상의 스테빌라이저가 필요 없기 때문에 작업공정과 작업시간을 크게 단축시키며, 수중작업 시 실시간 모니터링이 가능하여 작업 안정성과 고장 발생 시 즉각적인 조치가 가능한 독특한 특징이 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 상부 역순환 굴착기 110 : 마스트
120 : 파워 팩 130 : 호스 릴
131 : 파워 호스 140 : 플랫폼
150 : 케이싱 160 : 클램프부
200 : 드릴 로드 파이프 210 : 토출관
300 : 압하기(Weigher) 310 : 플랜지
400 : 잠수식 파워 드라이브 시스템
410 : 다단 유성감속기 412 : 기어박스
420 : 압력보상형 파워 스위블 430 : 압력보상장치
431 : 튜브 440 : 제1 압력센서
450 : 제2 압력센서 460 : 초음파발생기
500 : 드릴 비트 510 : 롤러 커터
600 : 크로스 오브 서브(Cross Over Sub)

Claims (9)

  1. 구조물 내진기초시공을 위한 역순환 굴착기(Reverse Circulation Drilling Rig, RCD-Rig)에 있어서,
    상기 역순환 굴착기는, 거치용 마스트(Mast,110)와, 잠수식 파워 드라이브 시스템에 유압 및 공기를 공급하는 파워 팩(Power Pack,120) 및 파워 호스(131)를 권선하는 호스 릴(Hose Reel,130)과, 플랫폼(Platform,140)과 상기 플랫폼 하부에 장착되어 굴착공에 삽입되는 역순환 굴착기를 보호하는 케이싱(Casing,150)을 유압으로 고정시키는 클램프부(Clamping Unit,160)를 갖는 상부 역순환 굴착기(100)와;
    상기 상부 역순환 굴착기와 연직방향으로 다단 연결되되, 지반 굴착용 드릴 비트(Drill Bit,500)와 상기 드릴 비트를 구동시키기 위한 잠수식 파워 드라이브 시스템(Power Drive System)을 고정하여 하강시키고, 지반 굴착 시 발생된 슬러지(Sludge)를 토출관(210)으로 토출하기 위한 드릴 로드 파이프(Drill Rod Pipe,200)와;
    상기 드릴 로드 파이프의 외주면에 위치하여 플랜지(Flange,310)에 의해 고정되되, 원형블록 형태로 적층되어 지반 굴착 시 드릴 비트(Drill Bit)에 일정한 압력을 주기 위한 압하기(Weigher,300)와;
    상기 압하기의 하단에 위치하되, 상기 드릴 비트(Drill Bit)의 상단에 결합되어 수중에서도 드릴 비트(Drill Bit)를 구동시키기 위한 다단 유성감속기(Planetary Reducer,410) 및 상기 다단 유성 감속기와 결합되어 굴착 시 수압에 견딜 수 있도록 한 압력보상형 파워 스위블(Power Swivel of Pressure Compensator Type,420)을 갖는 잠수식 파워 드라이브 시스템(Submerged Power Drive System,400)을 포함하는 것을 특징으로 하는 잠수식 역순환 굴착기
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)은, 수중작업 시 물의 수압에 의한 외부와 내부의 압력 편차를 보상하기 위한 압력보상장치(430)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 잠수식 역순환 굴착기
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 압력보상장치(430)는, 압력보상형 파워 스위블(420)의 외부에 설치되는 고무풍선 형태의 튜브(431)이며, 튜브(431) 내부에는 외부 수압에 따라 유압작동을 위한 일정량의 유압오일(Hyd. Oil,432)이 들어 있고, 튜브의 하단쪽은 외부 수압을 직접 받을 수 있도록 노출되어 있으며, 튜브의 하단쪽에서 받는 외부 수압에 따라 튜브 내부에 들어 있는 유압오일이 상기 압력보상형 파워 스위블(420)로 유입과 유출되면서 상기 압력보상형 파워 스위블(420)의 압력편차를 자동적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 잠수식 역순환 굴착기
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 압력보상장치(430)의 튜브(431) 내압한도는 10~15kg/cm2인 것을 특징으로 하는 잠수식 역순환 굴착기
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 다단 유성감속기(410)는, 상기 드릴 비트를 구동시키기 위한 유압 모터(Hyd. Motor,411)와 상기 유압 모터의 회전속도를 감속시키며 최대 900kNㆍm의 토크(Torque)를 출력하기 위한 기어박스(412)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 잠수식 역순환 굴착기
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 드릴 비트(500)는, 상기 드릴 비트의 하부에 위치하며, 지반 혹은 암반을 굴착하고 발생된 슬러지를 상기 드릴 로드 파이프(200)를 통해 용이하게 토출하기 위한 다수개의 툴(Tool)이 나선형으로 배열되어 장착되는 롤러 커터(Roller Cutter,510)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 잠수식 역순환 굴착기
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 파워 호스(131)는, 상기 드릴 로드 파이프(200)의 다단 연결 길이에 따라 상기 호스 릴(130)에 의해 권선되며, 상기 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)의 압력보상형 파워 스위블(420)과 체결되는 것을 특징으로 하는 잠수식 역순환 굴착기
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 잠수식 역순환 굴착기는, 상기 잠수식 파워 드라이브 시스템(400)과 드릴 비트(Drill Bit,500)를 직결시키기 위한 체결장치를 갖는 크로스 오브 서브(Cross Over Sub,600)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 잠수식 역순환 굴착기
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