KR101538981B1

KR101538981B1 - 준설을 최적화하기 위한 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101538981B1
Application number: KR1020107006958A
Authority: KR
Inventors: 룩 베르스트라에렌; 루시엔 할레우스; 스테판 반디크
Original assignee: 드레징 인터내셔널 엔. 브이.
Priority date: 2007-09-13
Filing date: 2008-09-11
Publication date: 2015-07-23
Also published as: ATE503891T1; HK1142105A1; US20100299971A1; EP2201183A1; DE602008005489D1; MY154110A; DE602008005914D1; KR20100083771A; JP5715819B2; KR101592455B1; WO2009034128A1; JP2010539356A; US20100299970A1; KR20100083770A; AU2008297122B2; DK2201182T3; EP2201183B1; ES2362747T3; PT2201182E; AU2008297122A1

Abstract

본 발명은 커터 헤드(4)를 구비한 준설 선박(25)에 의한 지역의 준설을 최적화하기 위한 시스템에 관한 것이며, 상기 시스템은, 상기 선박(25) 앞에서의 국부적 탄성파 속도를 측정하기 위한 수단을 포함하며, 상기 수단은 상기 선박의 선수(bow end)에 부착하도록 구성된 프레임(10)에 의해 지지되는 한 세트의 탄성파 수신기(11, 11', 11", 11''')를 포함하며, 상기 프레임은 상기 커터 헤드(4)의 위와 앞에 상기 탄성파 수신기(11, 11', 11", 11''')를 정렬시킨다. 본 발명은 또한 준설을 최적화하기 위한 방법에 관한 것이다.

Description

준설을 최적화하기 위한 시스템 및 방법{A SYSTEM AND METHOD FOR OPTIMIZING DREDGING}

본 발명은 커터 헤드를 구비하는 선박에 의해 한 지역의 준설을 최적화하는 시스템에 관한 것이다.

지난 10년간 준설량이 현저하게 증가하였으며, 단단한 암석에 대해 수행되는 준설의 비율이 증가하고 있다. 이 상황은 해양 인프라스트럭처 프로젝트나 페르시아만과 같은 특정 지역의 지질학적 특성에 의해 깊이가 깊어지는 것으로부터 이해하기가 쉽다. 모든 연구결과는 이러한 성장이 다음 10년에도 지속될 것이라는 것을 나타내고 있다.

이러한 발전에 따라, 더욱 강력한 커터 헤드를 장착한 준설기를 건설 지역에서 가동하면, 종래의 준설기 및 발파법에 비해 비용은 덜 들면서 굴착량이 더 높아질 수 있다.

준설기의 최적의 준설량은 건설 현장에 대한 지질학적 지식이 풍부하다는 것을 의미한다. 특히, 커터에 불필요한 마모나 손상이 생기지 않도록 암석을 신중히 파괴해야 하므로 절단하기가 가장 어려운 암석 지역에 대한 위치를 알아야만 한다.

그렇지만, 실제로는, 암석의 질 및 깊이는 수직 및 수평 방향에서 갑자기 빈번하게 변한다. 그러므로 커터 헤드(도 1)는 수 미터의 연약한 지반(모래)에 뒤이어 콘크리트보다 단단한 암석(3)을 만나게 될 수 있다. 대부분의 경우, 입찰 초청 서류에는 지질학적 그리고 지리공학적 현장 특성에 대한 표시가 나타나 있지만 이것은 종종 불충분하고 불완전하다. 준설 현장의 지역은 통상적으로 수 평방 킬로미터이고 탐사 시추공들 사이의 간격은 통상적으로 수백 미터인 반면, 얕은 암석 지대는 종종 약 10미터만을 측정한다. 이러한 경점(hard spot)은 커터 헤드에 의해 부딪칠 때까지 빈번하게 탐지되지 않은 채로 남아 있다. 추가의 무작위적인 시추공의 단순한 드릴링으로는 상황을 개선시키지 못한다.

통상적으로, 준설 마스터는 두 가지 선택에 직면한다:

- 굴착량을 최대화하기 위해 "브루트 포스(brute force)"를 사용하기. 균열의 위험이 높아 예기치 못한 수리로 인해 중지되기도 함.

- 절삭력(cutting power)을 제한하여 커터 흡입 준설기에 대한 손상을 회피하기. 비암석 지대에서 불필요하게 굴착량이 낮음.

본 발명의 목적은 커터 헤드 앞의 물질에 관한 고 분해능 탄성파 속도 정보를 수신하고, 통상적으로 이용할 수 있는 저 분해능 정보 외에 선택적으로, 정보에 응답하여 절단 파라미터에 특정한 조정을 제공할 수 있는 시스템을 제공함으로써 종래 기술의 문제를 해결하는 것이다.

고 분해능 정보는 준설하는 동안 획득되고 갱신된다. 커터 헤드 근처와 앞에서의 탄성파 속도 측정을 이용하여 준설 처리 동안, 커터 헤드에 의해 기존의 지질학적 모델을 정밀 조정하는 데 탄성파 탐사자료를 사용할 수 있다.

본 발명의 일실시예는 커터 헤드(4)를 구비한 준설 선박(25)에 의한 지역의 준설을 최적화하기 위한 시스템이며, 상기 시스템은,

상기 선박(25) 앞에서의 국부적 탄성파 속도를 측정하기 위한 수단을 포함하며, 상기 수단은 상기 선박의 선수(bow end)에 부착하도록 구성된 프레임(10)에 의해 지지되는 한 세트의 탄성파 수신기(11, 11', 11", 11''')를 포함하며, 상기 프레임은 상기 커터 헤드(4)의 위와 앞에 상기 탄성파 수신기(11, 11', 11", 11''')를 정렬시킨다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 시스템이며, 상기 프레임은 상기 한 세트의 탄성파 수신기(11, 11', 11", 11''')를 수평선(horizontal line) 상에 지지하도록 구성되어 있다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 시스템이며, 상기 한 세트의 수신기(11, 11', 11", 11''')는 적어도 두 개의 수중 청음기(hydrophones)를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 시스템이며, 상기 프레임은 상기 커터 헤드(4)를 넘어 수평 거리가 적어도 3m가 되는 지점에서 상기 선박(25)의 선수(20)에 가장 근접해서 상기 탄성파 수신기(11')를 지지하도록 구성되어 있다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 시스템이며, 상기 프레임은 상기 선박에 유동성 없게 부착되도록 구성되어 있다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 시스템이며, 상기 프레임은 관절(articulated joint) 또는 완충작용 서스펜션(dampening suspension)을 통해 상기 선박에 부착되도록 구성되어 있다.

본 발명의 다른 실시예는 커터 헤드(4)를 구비한 선박(25)에 의한 지역의 준설을 최적화하기 위한 시스템이며, 상기 시스템은,

상기 선박(25) 앞에서의 국부적 탄성파 속도를 측정하는 수단을 포함하며, 상기 수단은 수중에서 또는 수상에서 플로팅하도록 구성된 프레임에 의해 지지되는 한 세트의 탄성파 수신기(11, 11', 11", 11''')를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 시스템이며, 상기 플로팅 프레임은 상기 선박의 위치와는 관계없이 위치 및 방향을 이동할 수 있는 추진 수단을 구비한다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 시스템이며,

- 준설할 지역에 대한 기존의 토양 정보를 수신하는 수단;

- 굴착량 및 커터 마모를 최적화하기 위해, 기존의 정보와 국부적 토양 정보의 조합에 기초하여, 현재의 커터 헤드의 위치와 뒤이은 커터 헤드의 위치에 대한 준설 파라미터를 최적화하는 수단; 및

- 준설 파라미터를 출력하여, 현재의 커터 헤드 위치 및 뒤이은 커터 헤드 위치에서 최적의 효율을 제공하도록 상기 준설 파라미터에 기초하여 커터 파라미터를 조정하는 수단

을 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는 준설 동안, 커터 흡입 헤드를 장착한 선박(25)에 의한 일정 지역의 준설을 최적화하기 위한 방법이며, 상기 방법은,

- 준설할 지역에 대한 기존의 토양 정보를 획득하는 단계;

- 준설 동안 커터 헤드의 앞에서 국부적 탄성파 속도를 포함하는 하나 이상의 국부적 토양 파라미터를 측정하는 단계;

- 굴착량 및 커터 마모를 최적화하기 위해, 기존의 파라미터와 국부적 토양 파라미터의 조합에 기초하여, 현재의 커터 헤드의 위치와 뒤이은 커터 헤드의 위치에 대한 준설 파라미터를 계산하는 단계; 및

- 상기 획득된 준설 파라미터를 사용하여, 현재의 커터 헤드 위치 및 뒤이은 커터 헤드 위치에서 최적의 효율을 제공하도록 커터 파라미터를 조정하는 단계

를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 방법이며, 상기 국부적 토양 파라미터는 지전기 저항 데이터(geoelecrical resistivity data)를 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 방법이며, 상기 국부적 토양 파라미터는 파라메트릭 음향 측심 데이터(parametric echosounding data) 또는 지층 프로파일 데이터(sub bottom profiler data)와 같은 반사법 탐사 데이터를 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 방법이며, 상기 국부적 토양 파라미터는, 진동 데이터, 사운드 데이터, 커터 헤드에서의 온도 측정치, 커터 헤드의 스윙 스피드(swing speed) 중 임의의 것을 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 방법이며, 상기 커터 파라미터는, 래터럴 스윙 스피드(lateral swing speed), 커터 헤드 회전 스피드, 커터 헤드 회전 토크, 절삭 당 굴착되는 층의 두께 및 폭 중 임의의 것을 더 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 방법이며, 드릴링(drilling), 시추공(boreholes), 진동공(vibrocores), 피스톤 샘플링(piston sampling), 원뿔형 관통 테스트(cone penetration testing), 및 프로브 세척(wash probing)으로부터 지질 조사 데이터(geological survey data)를 획득한다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 방법이며, 단단한 토양 또는 암석의 근접이 측정되거나 예측될 때는, 굴착된 층 두께 및/또는 층 폭, 및/또는 커터의 래터럴 스윙 스피드가 감소한다.

본 발명의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 방법이며, 연약한 토양의 근접이 측정되거나 예측될 때는, 굴착된 층 두께 및/또는 층 폭, 및/또는 커터의 래터럴 스윙 스피드가 증가한다.

도 1은 해저에 대한 개략적 단면도이다.
도 2는 커터 헤드(4) 앞에, 수중의 위치에서 복수의 탄성파 수신기(11)가 설치된 프레임을 포함하는, 본 발명의 시스템을 채택한 선박(25)의 개략도이다.
도 3은 탄성파 수신기(11', 11", 11''')의 위치를 나타내는 커터 헤드(4)의 스윕을 나타내는 개략도이다.
도 4는 9개의 별도의 탄성파 수신기(0 내지 8) 각각으로부터 시간에 걸쳐 기록된 지진 이벤트를 나타내는 지진계에서의 트레이스.

달리 정의되지 않는 경우, 여기에서 사용된 모든 기술적 과학적 용어는 당업자가 공통적으로 이해할 수 있는 것과 같은 의미를 가진다. 여기에 언급된 모든 공개 문헌은 본 명세서에 원용된다. 문자 "a" 및 "an"은 하나 이상을 언급하기 위해 사용되며, 즉 물체의 문법적 객체 중 적어도 하나를 언급한다. 예를 들어 "센서(a sensor)"는 하나 이상의 센서를 의미한다.

종점들(endpoint)로 나타나는 수치 범위에 대한 설명은 모든 정수를 포함하며, 적절한 경우, 그 범위 내에 포함된 분수를 포함한다(예를 들어, 1 내지 5는 예를 들어, 샘플의 수를 언급할 때는 1, 2, 3, 4를 포함할 수 있고, 또한 예를 들어 농도를 언급할 때는 1.5, 2, 2.75, 3.80을 포함할 수 있다). 종점에 대한 설명은 또한 종점값 자체를 포함할 수 있다(예를 들어, 1.0 내지 5.0은 1.0 및 5.0을 포함한다).

본 발명은 토양 또는 암석을 준설하는 동안 커터 앞의 토양 또는 암석의 탄성파 속도를 측정할 수 있다는 것에 관하여 발명자들이 연구한 것에 관한 것이며, 이러한 측정치는 수면 아래의 굴착성에 대하여 강력한 표시를 제공하며, 이하에서는 이를 준설 가능성(dredgeability)이라 한다. 이러한 측정치는 다른 토양 데이터와 종래의 토양 데이터를 조합하여 사용되어 절단 위치 및 이어지는 절단 위치에서의 커터 파라미터를 조정할 수 있다. 조정될 수 있는 파라미터는 예를 들어 커터 로케이션 스피드(cutter location speed), 윈치(winch)의 인출력(pulling force) 또는 굴착량을 최적화하기 위해 및/또는 마모 및 손상을 줄이기 위해 조정되는 그 밖의 파라미터이다.

본 발명의 한 관점은 준설 동안, 커터 흡입 헤드를 장착한 준설기에 의한 일정 지역의 준설을 최적화하기 위한 방법에 관한 것이며, 상기 방법은,

- 준설할 지역에 대한 기존의 토양 정보를 획득하는 단계;

- 준설 동안 커터 헤드의 위치에서 그리고 커터 헤드의 근처에서 국부적 토양 파라미터(local soil parameters)를 측정하는 단계;

- 굴착량 및 커터 마모를 최적화하기 위해, 기존의 파라미터와 준설 동안 획득된 국부적 토양 파라미터의 조합에 기초하여, 현재의 커터 헤드의 위치와 뒤이은 커터 헤드의 위치에 대한 준설 파라미터를 계산하는 단계; 및

- 현재의 커터 헤드 위치 및 뒤이은 커터 헤드 위치에서 굴착량(production output)을 최적화하도록 커터 파라미터를 조정하는 단계

를 포함한다.

선박은 바람직하게는 준설기이며, 커터 헤드 자체는 주위로 전파되는 진동을 발생시킨다. 특히, 커터 헤드에 의해 발생되는 진동은 토양, 암석 및 물을 통해 전파된다. 준설 동안, 커터 헤드 앞에 위치한 탄성파 수신기들로부터의 신호는 기록되고, 준설 동안 획득된 지질 조사 데이터 및 탄성파 속도의 조합에 기초하여 현재의 커터 헤드의 위치 및 뒤이어진 커터 헤드의 위치에 대한 준설 파라미터를 계산하는 데 사용되어, 굴착량 및 커터 헤드를 최적화한다.

탄성파 속도(P파 속도 및/또는 S파 속도)는 암석 또는 토양 매스(soil mass)의 지질 공학적 특성과 관련하여 측정된 토양 파라미터이고, 탄성파 굴절 탐사를 통해 바람직하게 측정된다. 탄성파 속도는 지상에서의 지지파의 전파 속도를 나타낸다. 압축성 지진파(P파) 또는 전단 지진파(S파) 또는 경계(표면)파가 사용될 수 있다. 대응하는 탄성파 속도는 P파 속도 및 S파 속도로서 지정된다.

종래의 토양 데이터는 준설 작동과는 무관하게 종래의 소스 또는 측량 방법(예를 들어, 지도 및 공개문헌으로부터의 지구 데이터, 시추공 설명, 지질 공학 검사 보고서(geotechnical testing reports), 지구물리 측량(geophysical surveys))을 사용함으로써 토양 또는 암석 속성에 관하여 얻어진 모든 정보를 나타낸다.

탄성파 속도는 커터 헤드의 앞에서 측정되는데, 즉 커터 헤드의 앞에서 준설되지 않은 토양에 대해 측정된다. 선박의 선수(bow end)를 넘어 돌출하는 프레임에 의해 지지되는 한 세트의 탄성파 수신기에 의해 통상적으로 측정된다. 프레임은 탄성파 수신기들을 침수시키고, 이 수신기들을 해저 위에 그리고 커터 헤드의 앞에 위치시킨다.

이 밖에, 탄성파 속도, 커터 헤드의 현재 위치의 주변에서 측정된 다른 토양 파라미터를 사용하여 절단 현장 및 뒤이은 절단 위치에서 커터 파라미터를 조정할 수 있다. 이것들은 임의의 원래의 기술(예를 들어, 지전기 저항 탐사(geo-resistivity survey), 탄성파 반사 조사(파라메트릭 음향 측심(parametric echosounding), 지층 프로파일 데이터(sub bottom profiler data))을 사용함으로써 측정될 수 있는 것들을 포함한다.

2차 토양 관련 파라미터는 정확성을 더 제공하기 위해 분석에 사용될 수 있다. 이것으로는 진동 데이터, 사운드 데이터, 커터 헤드에서의 온도 측정치 및 커터 헤드의 스윙 스피드를 들 수 있다. 본 발명의 범주 내에서, 토양을 연구하기 위해 준설 동작 자체에 의해 발생되는 탄성파 신호를 사용한다. 준설 동작 자체에 의해 발생되는 신호는 적절한 위치에 장착된 보조 진원(예를 들어, 공기총(air gun), 스파커(sparker), 파동음 발진 장치(pinger), 부머(boomer) 등)에 의해 보완될 수 있다. 일반적으로 적절한 센서에 의해 문제의 측정치가 획득된다. 이 센서는 준설기 자체에 장착될 수 있거나, 해저에 설치되거나 적절한 보조 선박에 견인될 수 있다.

커터 헤드는 일반적으로 휠(wheel) 또는 구체(sphere)이며 준설 선박 아래에 매달린 사닥다리에 의해 회전축 상에 장착되어 있다. 사닥다리의 방향은 스윕 범위(sweep range) 내에서 3차원으로 조정 가능하며, 따라서 위쪽, 아래쪽, 측면으로 절단 가능하다. 본 시스템에 의해 계산되는 준설 파라미터는 준설 프로세스의 절단 특성(커터 파라미터), 예를 들어, 래터럴 스윙 스피드(lateral swing speed), 커터 헤드 회전 속도(cutter head rotation speed), 커터 헤드 회전 토크(cutter head rotation torque), 절단 당 굴착된 층 두께 및 폭 중 하나 이상을 조정하는 데 사용될 수 있다. 커터의 날(teeth)은 흔히 양방향이지만 한 측면의 스윙 방향(소위 오버커팅 스윙 방향)으로의 하위 절단 동작과 다른 측면의 스윙 방향(소위 언더커팅 스윙 방향)으로의 절단 동작을 가진다. 측면 스윙 방법은 예를 들어 저-충격 오버커팅 방향으로 모래나 부드러운 흙을 느슨하게 하고, 고-충격 언더커팅 방향으로 암석을 절단하도록 조정될 수 있다.

지질 조사 데이터는 당업자에게 일반적으로 공지된 방법들에 의해 획득될 수 있다. 예를 들어, 이것은 지질학적 지도 지질학적 문헌 또는 특정-현장 드릴링(site-specific drilling)으로부터 획득된 것일 수 있다.

방법은 소일 뷰어(Soil Viewer) 컴퓨터 디스플레이를 통해 준설 마스터에 이용할 수 있도록 만들어진 토양 이미지를 제공할 수 있다. 이 정보에 기초하여 그리고 완전 자동 준설 모드에서, 준설 컴퓨터 자체는, 소위 자기 학습 프로세스(self learning process)에서 준설기의 성능을 최적화할 목적으로 최적의 준설 파라미터에서 이 지질학적 정보를 변환시킨다.

여기서 사용된 바와 같이, "앞에(in front)", "전면에(in advance)", "정면에(ahead)", "넘어(beyond)"와 같은 용어는 커터 헤드(4)에 대한 탄성파 수신기(11)의 위치를 나타내는 데 사용되며, 수신기(11)가 커터 헤드(4)보다 선박의 선수로부터 더 멀리 수평으로 돌출한다는 것을 의미한다. 바람직하게, 적어도 선박에 가장 근접해 있는 탄성파 수신기(11)는 커터 헤드보다 선박의 선수로부터 수평으로 더 멀리 돌출한다.

시스템

본 발명의 한 관점은 커터 헤드(4)를 구비한 준설 선박(25)에 의한 지역의 준설을 최적화하기 위한 시스템이며, 상기 시스템은,

상기 선박(25) 앞에서의 국부적 탄성파 속도를 측정하기 위한 수단을 포함하며,

상기 수단은,

- 상기 선박의 선수(bow end)에 부착하도록 구성된 프레임(10)에 의해 지지되는 한 세트의 탄성파 수신기(11, 11', 11", 11''')를 포함하며,

상기 프레임은 상기 커터 헤드(4)의 위와 앞에 상기 탄성파 수신기(11, 11', 11", 11''')를 정렬시킨다.

방법과 관련해서 위와 같이 정의된 특징들은 시스템에도 적용된다.

본 발명의 한 관점에 따르면, 도 2를 참조하여, 국부적 탄성파 속도를 측정하는 수단은 선박(25)의 선수(20)를 넘어 돌출하는 프레임(10)에 의해 지지되는 한 세트의 수신기(11, 11')를 포함한다. 프레임은 도 2에 도시된 바와 같이 고정될 수 있다. 프레임(10)은 탄성파 수신기(11, 11')를 침수시키고, 이 수신기를 커터 헤드(4)의 위에 그리고 앞에 위치시킨다. 프레임(10)은 바람직하게 선박의 선수(20)에 부착되어 있는데, 예를 들어, 선박의 선체(hull) 또는 갑판(deck) 또는 다른 구조물에 부착되어 있다. 프레임은 예를 들어 이동이 되지 않도록 볼트(bolts) 또는 클립(clips)을 이용하여 직접적으로 단단하게 부착될 수 있다. 대안으로, 프레임은 (이동 가능한, 즉 관절식의) 힌지 조인트(hinge joint)와 같은 조인트나, 선박에 대해 프레임이 제한적으로 이동 가능한 유니버설 조인트(universial joint)를 이용하여 부착될 수 있다. 이러한 부착으로는 완충작용 서스펜션(dampening suspension)이 있으며, 이러한 완충작용 서스펜션에 의하면, 선박으로부터 디바이스로 전해지는 진동을 감소시키고 선박이 물을 헤쳐 나아갈 때 힘이 프레임에 가해짐에 따라 선박에 대한 완충작용을 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 서스펜션 시스템 및/또는 조인트에 기인하는 그리고 후속의 계산에 영향을 주는 프레임에 의한 이동은, 프레임에 의한 이동의 정도를 측정하는 보상 시스템을 사용하여 정정될 수 있다. 프레임은 선박이 물을 헤져 나아갈 때 가해지는 힘을 견뎌내도록 구성되어 있고, 이에 따라, 가벼우면서 동시에 힘(strength)을 제공하며 낮은 드래그(low drag)를 나타내는 메쉬 구조(mesh structure)를 가질 것이다. 이 프레임의 적절한 재료로는 철, 강철, 알루미늄, 유리 또는 탄소 섬유를 들 수 있다.

본 발명의 대안의 실시예에서, 프레임은 단일의 와이어(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 와이어는 선박의 선수에 대한 부착을 위해 구성되며, 탄성파 수신기들이 일렬로 부착된다. 와이어는 선박의 선수로부터 수선(water level)으로 연장한다. 선박에서 가장 멀리 있는 와이어의 단부는 선택적으로 플로트(float)와 함께 설치될 수 있으며, 이 플로트는 상기 단부가 수선 아래의 깊이를 조정하도록 구성되어 있다. 와이어는 단단하며, 바람직하게 와이어(주로 강철) 로프로 형성되며, 직경은 적어도 1cm, 2cm, 3cm, 4cm, 4cm, 6cm 또는 이와 같은 값들 중 임의의 두 개의 값 사이의 범위에 있는 값이 될 수 있다.

탄성파 수신기(11)는 수중 청음기(hydrophones), 지중 청음기(geophone) 또는 탄성파 신호와 관련된 변위 또는 압력을 검출하고 측정할 수 있는 임의의 다른 디바이스를 포함할 수 있는데, 바람직하게는 수중 청음기가 사용된다.

탄성파 수신기(11)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 직선으로 배치될 수 있으며, 대안으로, 동작에 편리한 것으로 판단된 어느 쪽으로도 오프셋될 수 있다. 예를 들어, 1차원, 2차원 또는 3차원 패턴으로 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예는 커터 헤드(4)를 구비한 준설 선박(25)에 의한 지역의 준설을 최적화하기 위한 시스템이며, 상기 시스템은, 상기 선박(25) 앞에서의 국부적 탄성파 속도를 측정하기 위한 수단을 포함하며, 상기 수단은 플로팅 프레임에 의해 지지되는 한 세트의 탄성파 수신기(11, 11', 11", 11''')를 포함한다. 플로팅 프레임은 물속의 프레임의 레벨을 제어하는 하나 이상의 플로트에 의해 수면 위 또는 수면 아래에서 지지된다. 프레임은 커터 헤드(4)의 위 그리고 앞에 위치한다. 프레임은 전술한 바와 같은 메쉬 구조를 가질 수 있으며, 가벼우면서 동시에 힘(strength)을 제공하며 낮은 드래그(low drag)를 나타낸다. 이러한 프레임의 적절한 재료로는 철, 강철, 알루미늄, 유리 또는 탄소 섬유를 들 수 있다. 대안으로, 프레임은 탄성파 수신기들이 일렬로 부착되어 있는 와이어를 포함할 수 있다. 플로팅 프레임은 선박의 위치와는 무관하게 멀리서 그 위치 및 방향을 이동시킬 수 있는 추진 수단을 구비할 수 있다. 이 추진 수단은 하나 이상의 모니터링된 프로펠러를 포함한다. 케이블 또는 무선 링크를 통해 원격 제어할 수도 있다. 플로팅 프레임의 위치는 정확하게 결정될 수 있는데, 예를 들어 선박에 설치된 두 대의 카메라로 프레임 상의 마커(marker)를 검출하는, 예를 들어 국부적 삼각 측량(local triangulation)을 사용해서, 또는 선박과는 무관하게 플로팅 프레임이 탄성파 탐사 데이터에 응답해서 위치 및 방향을 변경할 수 있는 글로벌 내비게이션 위성 시스템(예를 들어, GPS)을 사용해서 정확하게 결정될 수 있다. 이에 의해, 시스템은 더 넓은 지역으로부터 신호를 획득할 수 있거나, 커터 헤드(4)의 위치에 관한 좁은 지역에 대해 더 많은 상세한 정보를 획득할 수 있다.

프레임의 형상은 한 세트의 탄성파 수신기(11)가 선박의 선수로부터 수평으로 연장하도록 구성되어 있으며, 이에 따라 수신기들은 선박 앞의 해저 지역에 걸친 신호를 수신할 수 있다. 탄성파 수신기(11)는 바람직하게 아래 위치로 향하여 해저에서 발생되는 신호를 검출할 수 있다. 통상적으로, 프레임의 형상에 따라, 수신기들은 수평선(horizon)에 평행한 선 또는 평면을 차지할 것이다. 그렇지만, 본 발명의 범주 내에서 다른 배치도 이루어질 수 있다. 예를 들어 하나 이상의 수신기는 이러한 선 또는 평면 위 또는 아래에 위치할 수 있다. 대안으로, 또는 부가해서, 선/평면은 수평선에 대해 기울어질 수 있는데, 예를 들어, 1, 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40도로, 바람직하게는 0 내지 10도로 기울어질 수 있다.

탄성파 수신기(11)는 데이터를 데이터 획득 유닛에 전송하여 처리할 수 있다. 신호의 데이터 전송은 아날로그 또는 디지털일 수 있다. 신호는 종래의 전기 케이블, 광케이블을 통하거나, 또는 임의 종류의 텔레메트리(telemetry)(예를 들어, 아날로그 무선, 디지털 무선, 적외선, 초음파)를 사용하여 전송될 수 있다.

탄성파 수신기(11)의 수는 요구되는 분해능에 따라 다르며, 커터의 앞에서 측정되어야 하는 구역에 따라 다르다. 통상적으로, 수신기의 수는 3 내지 30개이며, 바람직하게는 5 내지 15개이다.

도 3을 참조하면, 시스템은 커터 헤드(4)와 선수로부터 가장 가까이에 있는 탄성파 수신기(11') 사이의 최소 수평 거리 DC가 1m, 2m, 3m, 4m, 5m 또는 이와 같은 값들 중 임의의 두 값 사이의 범위의 값 이하가 되도록 구성될 수 있다. 시스템은 커터 헤드(4)와 선수로부터 가장 멀리 있는 탄성파 수신기(11') 사이의 최소 수평 거리 DF가 적어도 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m 또는 이와 같은 값들 중 임의의 두 값 사이의 범위의 값이거나 같게 되도록 구성될 수 있다. 더 많은 탄성파 수신기(11)가 제공되고, 수신기가 차지하는 수평 거리 DS가 더 길수록 토양의 적용범위는 더 나아질 것이라는 것을 당업자는 이해할 것이다. 시스템은 커터 헤드(4)와 탄성파 수신기(11') 사이의 최소 수직 거리가 적어도 1m, 2m, 3m, 4m, 5m, 6m 또는 이와 같은 값들 중 임의의 두 값 사이의 범위의 값이거나 같게 되도록 구성될 수 있다. 도 3에는, 탄성파 수신기(11")가 커터 헤드(4) 앞에서 검출하는 최대 구역(30)이 도시되어 있으며, 이 최대 구역은 DS의 거리를 커버하는 길이 DA의 아크이다. DA의 값 - 커터 헤드(4)의 스윕 거리와 동일하다 - 은 적어도 2m, 3m, 4m, 5m, 6m 또는 이와 같은 값들 중 임의의 두 값 사이의 범위의 값이거나 같다. 당업자는 전술한 측정이 단지 일반적인 안내에 지나지 않는다는 것을 이해할 것이다. 본 발명의 범주 내에서, 파라미터, 예를 들어 선박, 절단 깊이, 절단 두께, 요구되는 분해능, 커버리지 및 오버랩에 따라, DC, DF, DA 및 DS의 값은 전술한 범위를 벗어나서도 적용된다.

탄성파 수신기(11)로부터 획득된 신호는 데이터 획득 유닛으로 전송될 수 있다. 데이터 전송 유닛은 획득 컴포넌트를 구비한 마이크로 처리 디바이스(예를 들어, PC 또는 내장 시스템)일 수 있으며, 신호를 디지털 데이터로 변환하여 저장하고 다른 디바이스들이 이 데이터를 검색할 수 있도록 한다. 통상적으로, 감진 센서 당 하나의 채널이 있게 된다. 신호는 지진계 또는 수신기로부터의 탄성파 탐사 데이터를 검색하고 저장할 수 있는 임의의 그외 디바이스 상에 디스플레이된다.

데이터는 바람직하게 처리되며, 이것은 탄성파 탐사 정보를 탄성파 속도의 분배에 관한 정보 및 커터 헤드의 앞에 있는 지면의 기하학적 형상에 관한 정보로 변환하는 것을 목적으로 한다. 처리는 수동으로, 자동으로 또는 양자의 조합으로 수행될 수 있다. 타임 도메인 및/또는 주파수 도메인에서, 탄성파 신호의 모든 특성은 이 처리에 사용될 수 있다.

커터 헤드(4)는 선박의 선체의 선수(20)로부터 아암(12)을 통해 연장한다. 아암(12)은 커터 헤드(4)가 위아래뿐만 아니라 옆으로도 움직이도록 구성되어 있는 조인트를 이용하여 선박에 부착되어 있다. 도 3은 좌현 위치(A), 중심부(B), 우현 위치(starboard position)(C)에서의 아암(12)을 도시하고 있으며, 이 위치들은 좌현 윈치 케이블(40) 및 우현 윈치 케이블(45)에 의해 부분적으로 제어된다. 절단 동안, 아암(12)은 선박의 좌현(22)으로부터 우현(28)으로(32의 방향으로)의 아크 형태로 스윙하고 그런 다음 선박의 우현(28)으로부터 좌현(22)으로(34의 방향으로) 스윙한다. 연속적인 아크 라인(32, 34, 36, 38)은 선박이 앞으로 나아갈 때 그리고 동시에 아암(12)이 옆으로 스윙할 때 커터 헤드(4)에 의한 전방향으로의 진행을 나타낸다. 전술한 바는 좌현(22)의 위치로부터 시작할 때 절단을 설명하고 있지만, 이에 제한되지 않으며, 어느 위치로부터 시작하여도 상관없다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

신호 및 국부적 조건에 따라, 하나 이상의 처리 기술을 사용하여 신호/노이즈비를 향상시키고 지면의 특성에 관한 정보를 획득할 수 있다. 이러한 기술들은 기존의 소프트웨어 및 절차, 또는 구체적으로 개발된 것에 기반을 두고 있다. 이러한 기술로는, 무엇보다도, 주시 결정(Picking of arrivals), 주파수 분석(frequency analysis), F-K 분석, 교차 상관(cross correlation), 필터링, 디콘벌루션(Deconvolution), 다이렉트 모델링(Direct modeling), 역모델링(Inverse modeling), 단층촬영 처리(Tomographic processing) 등을 들 수 있다. 데이터가 수집되는 영역은 수신기 어레이의 길이에 따라 스윙 길이(swing length) 및 방사 길이(radial length)에 따른 방위 길이(azimuthal length)를 가진다. 일반적으로, 방사 길이는 커터 동작의 단차 길이(step length)보다 훨씬 더 길다(통상적으로 1 - 2m). 그러므로 연속적인 스윙 동안 획득된 정보 사이에는 오버랩(overlap)이 존재한다. 이 오버래핑을 이용하여 처리를 더 향상시킬 수 있다. 처리는 전술한 바와 같은 추가의 소스(예를 들어, 제어된 진원) 및/또는 (예를 들어, 커터 헤드에 가까이 있거나 선박 위에 있는) 추가의 수신기로부터 획득된 데이터를 사용할 수 있다. 기존의 지질학적 또는 지질 공학적 데이터도 사용될 수 있다.

본 발명의 한 관점의 다른 실시예는 전술한 바와 같은 시스템이며, 이 시스템은,

- 준설할 지역에 대한 기존의 토양 정보를 수신하는 수단;

- 커터 파라미터를 출력하여, 현재의 커터 헤드 위치 및 뒤이은 커터 헤드 위치에서 최적의 효율을 제공하도록 상기 커터 파라미터를 조정하는 수단

을 더 포함한다.

본 발명의 한 관점에 따르면, 탄성파 속도를 포함하는 국부적 토양 파라미터는 커터의 현재 위치를 보여주는 지도의 디스플레이 상에 출력된다. 이 지도는 최적의 절단 파라미터를 나타내는 여러 레벨(예를 들어, 색상, 윤곽, ...)을 구비할 수 있다.

이것은 절단 프로세스 동안 측정된 하나 이상의 지구물리 파라미터와 선택적으로 조합된 탄성파 속도 데이터의 기능일 수 있다. 디스플레이로부터 그리고 수동 준설 모드에서, 준설 마스터는 가장 적절한 커터 파라미터를 결정하여 준설을 최적화할 수 있다. 커터 헤드가 단단한 지역(예를 들어, 높은 탄성파 속도 및/또는 높은 저항성)에 접근할 때, 준설 마스터는 사이드윈치 상의 인출력(pulling force)을 감소시킬 수 있고, 이에 따라 단단한 지역에 신중하게 접근하도록 래터럴 스윙 스피드(lateral swing speed)를 감소시킬 수 있다. 단단한 지역을 통과하자마자, 인출력은 증가하고 이에 따라 최대 굴착량으로 복귀하도록 래터럴 스윙 스피드가 증가한다. 자동 준설 모드에서, 커터 흡입 준설기의 보드 상의 커터 컴퓨터 자체는 수집된 지질학적 정보를 최적의 준설 파라미터로 변환시킬 것이다. 본 발명은 특별한 준설 프로젝트를 위해 입증된 바와 같이, 탄성파 속도 또는 지전기 저항 또는 임의의 다른 파라미터나 파라미터들의 조합의 사용에 제한되지 않는다.

본 발명은, 분해능이 너무 낮아 정밀 제어 및 최적의 마모를 허용할 수 없고 파라미터를 생성할 수 없는 측량 지도 또는 시추공에 대해 신뢰성 있게 최적의 준설 영역을 결정하는 수단을 이롭게 제공한다. 탄성파 속도의 사용은 굴착량 및 효율성을 증가시키며, 현재 건설 현장에서의 전체 출력의 이득은 적어도 10%로 추정된다. 시스템에 의하면 토양에 대한 정밀하고 고속의 지질학적 측량이 가능하며, 이러한 데이터는 지도를 구축하는 데 사용될 수 있다.

예

본 발명의 실시예는 이하의 비제한적인 예에 의해 예시된다. 준설 선박은 9개의 감진 센서를 장착한 선수에 프레임이 고정되어 있고, 이러한 감진 센서들은 커터 헤드의 앞에 위치하고 수위(water level) 아래에 위치한다. 센서 간의 간격은 2.5 미터이다. 절단 동안, 0 내지 8로 번호가 붙여진 각각의 센서로부터의 신호는 도 4에 도시된 바와 같은 지진계를 이용하여 기록된다. 도 4에서, 수직 스케일은 시간을 나타내고, 수평 스케일은 탄성파 신호의 진폭을 나타낸다. 각각의 수신기로부터의 신호가 디스플레이되고, "이벤트"(50, 54)라 불리는 특정한 특징을 나타낸다. 이벤트의 성공은 절단 공정에 의해 결정된다(예를 들어, 커터 헤드의 중지 및 시작 또는 커터 헤드와 지면 사이의 상호작용의 변화). 모든 수신기로부터의 신호는 확실히 유사한 이벤트(50, 54)를 나타내지만, 트레이스마다 타임 시프트(time shift)가 있다는 것을 알 수 있다. 이 타임 시프트는 신호가 전파되는데 걸리는 시간에 기인한다. 도 4에 도시된 상황은 이벤트들 사이의 직접적이고 선형의 연결을 나타내고 있는데, 즉 지면 상황이 일정하기 때문에 타임 시프트가 모든 수신기들 사이에서 거의 동일하다. 타임 시프트를 측정하고 커터 헤드와 수신기들 사이의 거리를 알고 있으면, 전파 속도를 측정할 수 있다. 예를 들어, 띠줄(dashed line)(56)은 전파 속도가 1700 m/s임을 나타낸다.

기하학적 형상이 더 복잡한 경우, 퇴적물과 암석이 존재하는 도 2에 도시된 바와 같이, 타임 시프트가 더 복잡한 패턴으로 나타날 것이라는 것을 기록이 보여줄 것이다. 또한, 다양한 타입의 탄성파 신호가 존재할 수 있다(P파, S파, 경계파). 커터 헤드가 아닌 다른 원천(origin)으로부터 탄성파 신호가 존재할 수도 있다. 이러한 신호는 다른 진동원에 의해 발생되거나, 디바이스의 일부인 진원(seismic source)에 의해 제어된 방식으로 발생될 수도 있다.

1 물의 층
2 연약한 물질층(예를 들어, 모래)
3 암석 층
4 커터 헤드
5 해저의 준설 깊이
6 모래 층 및/또는 암석 층으로의 전진
7 커터 헤드의 회전
10 프레임
11 커터 헤드 앞에서의 수중에서의 위치
11', 11", 11''' 탄성파 수신기

Claims

커터 헤드(4)를 구비한 준설 선박(25)에 의한 일정 지역의 준설을 최적화하기 위한 시스템에 있어서,
상기 선박(25) 앞에서의 국부적 탄성파 속도를 측정하기 위한 수단을 포함하며,
상기 수단은 상기 선박의 선수(bow end)에 부착하도록 구성된 프레임(10)에 의해 지지되는 한 세트의 탄성파 수신기(11, 11', 11", 11''')를 포함하며,
상기 프레임은 상기 커터 헤드(4)의 위와 앞에 상기 탄성파 수신기(11, 11', 11", 11''')를 정렬시키는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프레임은 상기 한 세트의 탄성파 수신기(11, 11', 11", 11''')를 수평선(horizontal line) 상에 지지하도록 구성되어 있는, 시스템.
제1항에 있어서,
상기 한 세트의 수신기(11, 11', 11", 11''')는 적어도 두 개의 수중 청음기(hydrophones)를 포함하는, 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레임은, 상기 커터 헤드(4)를 넘어
수평 거리가 적어도 3m가 되는 지점에서 상기 선박(25)의 선수(20)에 가장 근접해서 상기 탄성파 수신기(11')를 지지하도록 구성되어 있는, 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레임은 상기 선박에 유동성 없게 부착되도록 구성되어 있는, 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 프레임은 관절(articulated joint) 또는 완충작용 서스펜션(dampening suspension)을 통해 상기 선박에 부착되도록 구성되어 있는, 시스템.
삭제
삭제
삭제
삭제
준설 동안, 제1항에 따른 시스템, 및 커터 흡입 헤드를 장착한 선박(25)에 의한 일정 지역의 준설을 최적화하기 위한 방법에 있어서,
- 준설 공정과 독립적으로 지질 조사 데이터(geological survey data)에 의해 준설할 지역에 대한 기존의 토양 정보를 획득하는 단계;
- 준설 동안 커터 헤드의 앞에서 국부적 탄성파 속도를 포함하는 하나 이상의 국부적 토양 파라미터를 측정하는 단계;
- 굴착량 및 커터 마모를 최적화하기 위해, 기존의 파라미터와 국부적 토양 파라미터의 조합에 기초하여, 현재의 커터 헤드의 위치와 뒤이은 커터 헤드의 위치에 대한 준설 파라미터를 계산하는 단계; 및
- 상기 획득된 준설 파라미터를 사용하여, 현재의 커터 헤드 위치 및 뒤이은 커터 헤드 위치에서 최적의 효율을 제공하도록 커터 파라미터를 조정하는 단계
를 포함하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 국부적 토양 파라미터를 측정하는 단계는 지전기 저항 데이터(geoelectrical resistivity data)를 획득하는 것을 더 포함하는, 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 국부적 토양 파라미터를 측정하는 단계는 파라메트릭 음향 측심 데이터(parametric echosounding data) 또는 지층 프로파일 데이터(sub bottom profiler data)와 같은 반사법 탐사 데이터를 획득하는 것을 더 포함하는, 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 국부적 토양 파라미터를 측정하는 단계는 커터 헤드에서의 진동 데이터, 사운드 데이터, 온도 측정치, 및 커터 헤드의 스윙 스피드(swing speed) 중 임의의 것을 획득하는 것을 더 포함하는, 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 커터 파라미터는, 래터럴 스윙 스피드(lateral swing speed), 커터 헤드 회전 스피드, 커터 헤드 회전 토크, 절삭 당 굴착되는 층의 두께 및 폭 중 임의의 것을 더 포함하는, 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
드릴링(drilling), 시추공(boreholes), 진동공(vibrocores), 피스톤 샘플링(piston sampling), 원뿔형 관통 테스트(cone penetration testing), 및 프로브 세척(wash probing)으로부터 상기 지질 조사 데이터를 획득하는 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
단단한 토양 또는 암석의 근접이 측정되거나 예측될 때는, 굴착된 층 두께 및/또는 층 폭, 및/또는 커터의 래터럴 스윙 스피드가 감소하는, 방법.
제11항 또는 제12항에 있어서,
연약한 토양의 근접이 측정되거나 예측될 때는, 굴착된 층 두께 및/또는 층 폭, 및/또는 커터의 래터럴 스윙 스피드가 증가하는, 방법.