KR101608960B1 - 분출 회전식 지중 굴진 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 터널, 지하도, 공동구 등의 지중구조물의 시공시 공사구간을 개착하지 않고 지하에서 강제(鋼製) 또는 콘크리트 관체(管體)를 압입, 추진함으로써 시공하는 관추진 공법에 사용되는 굴진 장치에 관한 것으로, 경사익(51)이 형성된 회전콘(50)을 굴진 장치 선단의 헤드(20) 전면에 자유롭게 회전 가능하도록 설치하고, 액상 분출재를 회전콘(50)의 경사익(51)에 분출하여 회전콘(50)을 회전시킴으로써 헤드(20) 전방의 굴착토를 교반할 수 있도록 한 것이다.
본 발명을 통하여, 회전콘(50)이 헤드(20) 전방의 굴착토를 회전 교반할 수 있도록 함으로써, 굴착토 토립자와 액상 분출재의 균일하고 충분한 혼합이 가능하고, 대입경 토립자 편중이 억제되며, 선도관(10) 유입 굴착토의 유동성을 확보할 수 있다.

Description

분출 회전식 지중 굴진 장치{JET ROTARY TYPE UNDERGROUND PROPULSION APPARATUS}
본 발명은 터널, 지하도, 공동구 등의 지중구조물의 시공시 공사구간을 개착하지 않고 지하에서 강제(鋼製) 또는 콘크리트 관체(管體)를 압입, 추진함으로써 시공하는 관추진 공법에 사용되는 굴진 장치에 관한 것으로, 경사익(51)이 형성된 회전콘(50)을 굴진 장치 선단의 헤드(20) 전면에 자유롭게 회전 가능하도록 설치하고, 액상 분출재를 회전콘(50)의 경사익(51)에 분출하여 회전콘(50)을 회전시킴으로써 헤드(20) 전방의 굴착토를 교반할 수 있도록 한 것이다.
관추진 공법이란 도로터널, 지하도, 공동구(共同溝), 도수(導水)터널, 배수구 등 각종 지하구조물의 시공시, 공사구간의 개착을 최소화하기 위하여 구조물 종단의 시점 또는 종점에 토류벽(土留壁)(91) 및 반력벽(反力壁)(94)이 설치된 발진기지를 구축하고 유압잭 등의 추진장치(92)를 통하여 강제(鋼製) 또는 콘크리트 관체인 추진관(30)을 수평 또는 수평에 근사한 방향으로 압입 추진하면서 추진관(30) 전면의 지반을 굴착하는 공법을 말한다.
도 1을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 통상의 관추진 공법은 토류벽(91)으로 포위된 일종의 수직갱인 발진기지에 후단이 반력벽(94)에 의하여 지지되는 추진장치(92)를 설치하고, 발진지점의 토류벽(91) 일부를 절개하여 추진관(30)을 투입한 후 추진장치(92)를 전진하여 추진관(30)을 압입 추진하며, 추진관(30)이 소정 거리 이상 압입되면 추진장치(92)를 후퇴한 후 기 압입된 추진관(30)의 후단에 새로운 추진관(30)을 접합하고 추진장치(92)를 재차 전진 신장하는 방식으로 진행된다.
이러한 추진관(30) 연결체의 선두에는 선단에 굴착용 헤드(20)가 장착된 선도관(10)이 설치되어 헤드(20)가 회전 내지 진동함으로써, 선도관(10) 전방 지반이 절삭 및 굴착되고, 굴착된 토사는 선도관(10) 및 후속 추진관(30) 내부에 부설되는 배토관(排土管)(40)을 통하여 발진기지로 이송되어 지상으로 반출된다.
또한 도 1에 도시된 바와 같이 발진기지 또는 발진기지 인근의 지상에 이수(泥水) 또는 활재(滑材) 등의 액상(液狀) 분출재 공급설비를 구축하고 분출재 공급설비와 굴진 장치를 배관(93)으로 연결하여 헤드(20) 전방 지반 또는 선도관(10) 측방 지반으로 분출재를 분출함으로써 공벽(孔壁) 유지 또는 추진 저항 저감을 도모한다.
도 1에 예시된 굴진 장치의 배토 방식은 나선 플라이트(flight)가 형성된 스크류(45)를 배토관(40)에 내장하여 굴착된 토사를 후방으로 강제 이송하는 것이나, 이 밖에도 벨트 컨베이어 또는 대차(臺車) 등을 이용하여 건식으로 반출하거나, 분출재와 혼합된 반액반고상(半液半固狀)의 굴착토를 가압하여 배토관(40)을 통하여 강제 압송하는 등 다양한 방식이 가능하다.
관추진 공법을 통하여 개착 없이도 신속한 지중구조물의 시공이 가능하게 되었고, 특히 공사구간 상부에 구조물이 많은 도심지 공사나 하천 또는 제방 등의 하부를 통과하는 공사와 같이 개착이 불가능한 경우에도 효과적인 시공이 가능하게 되었으며, 이러한 관추진 공법 관련 종래기술로는 실용신안등록 제217031호를 들 수 있다.
관추진 공법에 있어서 선도관(10)의 헤드(20)에 의하여 절삭된 굴착토는 선도관(10) 및 후속 추진관(30) 내부에 부설된 배토관(40)에 의하여 반출되는데, 배토관(40)에 의한 굴착토 운반은 전술한 바와 같이 반액반고상의 굴착토가 선도관(10) 내부로 압송되는 분출재의 압력에 의하여 가압되거나 선도관(10)에 별도로 설치된 펌프에 의하여 가압되어 배토관(40)을 통하여 후방 압송되는 방식 또는 배토관(40)에 내장된 스크류(45)가 회전됨에 따라 스크류(45) 플라이트의 나선 회전 운동에 의하여 굴착토가 이송되는 방식으로 수행된다.
선도관(10) 선단에 장착된 헤드(20)가 회전 또는 진동함에 따라 절삭된 지반은 선도관(10)의 측방 또는 헤드(20)의 전방으로 분출된 이수 또는 활재 등의 액상 분출재와 혼합되어 선도관(10) 내부로 수집되며, 이렇듯 수집된 굴착토는 배토관(40)으로 유입되어 이송되는데, 굴착토의 토립자가 분출재와 충분히 혼합되지 않았거나, 충분히 파쇄되지 않은 대입경 토립자가 선도관(10)내 유입 후 특정 지점에 편중된 상태로 배토관(40)으로 유입되는 경우, 배토관(40)의 기능에 장애가 유발되는 문제점이 있다.
굴착토의 파쇄 불량 또는 굴착토와 분출재간 혼합 불량 발생시 압송식 배토관(40)의 경우 배토관(40)의 폐색이 유발될 수 있으며, 스크류(45)식 배토관(40)의 경우 스크류(45) 플라이트의 결착이 유발되어, 배토관(40)의 기능이 상실되는 심각한 문제가 초래되는 것이다.
본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 선도관(10)의 선단에 헤드(20)가 장착되고, 선도관(10)의 후단에는 추진관(30)이 연결되며, 선도관(10) 내부로 공급된 액상 분출재가 헤드(20)에서 분출되고, 선도관(10) 및 추진관(30)의 내부에는 배토관(40)이 설치되어, 헤드(20)에 의하여 절삭된 굴착토가 배토관(40)을 통하여 반출되는 관추진용 굴진 장치에 있어서, 헤드(20)의 전면(前面)에는 전방측으로 직경이 확대된 원추형 회전콘(50)의 후단부가 자유롭게 회전 가능하도록 설치되고, 회전콘(50)의 외주면에는 경사익(51)이 형성되며, 회전콘(50) 설치 지점의 헤드(20)에는 분출구(26)가 형성되어, 분출구(26)에서 분출된 액상 분출재가 경사익(51)에 충돌함에 따라 회전콘(50)이 회전되어 헤드(20) 전면의 굴착토를 교반함을 특징으로 하는 분출 회전식 지중 굴진 장치이다.
또한, 상기 헤드(20)에는 요입부(23)가 형성되고, 요입부(23)의 중심부에는 회전콘(50)이 자유롭게 회전 가능하도록 설치되되, 요입부(23)에 회전콘(50)이 수용되고, 상기 배토관(40)의 내부에는 중공(中空) 스크류(45)가 설치되고, 회전콘(50)이 설치된 지점의 헤드(20) 배후부에는 선도관(10) 내측으로 돌출된 결합관(25)이 형성되며, 스크류(45)의 선단이 결합관(25)에 결합되고, 분출구(26)는 결합관(25) 내부와 헤드(20) 전면을 연통하여, 중공 스크류(45) 내부로 압송된 분출재가 분출구(26)로 분출됨을 특징으로 하는 분출 회전식 지중 굴진 장치이디.
본 발명을 통하여, 회전콘(50)이 헤드(20) 전방의 굴착토를 회전 교반할 수 있도록 함으로써, 굴착토 토립자와 액상 분출재의 균일하고 충분한 혼합이 가능하고, 대입경 토립자 편중이 억제되며, 선도관(10) 유입 굴착토의 유동성을 확보할 수 있다.
이로써 배토관(40)의 폐색 또는 배토관(40)내 스크류(45)의 결착 등 배토관(40)의 기능 상실을 미연에 방지할 수 있을 뿐 아니라, 굴착토의 원활한 반출이 가능하여, 작업효율을 제고하고 공기를 단축하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 종래의 지중 굴진 장치 사용상태 설명도
도 2는 본 발명의 일 실시예 사시도
도 3은 본 발명의 일 실시예 부분절단 사시도
도 4는 본 발명의 일 실시예 부분절단 분해 사시도
도 5는 본 발명의 사용상태 대표 단면도
도 6은 암질 지반용 헤드가 적용된 본 발명의 일 실시예 사시도
본 발명의 상세한 구성 및 원리를 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.
우선 도 2는 본 발명이 적용된 굴진 장치 즉, 선도관(10) 및 헤드(20)의 외관을 도시한 사시도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명은 선도관(10)의 선단에 헤드(20)가 장착되고, 헤드(20)에는 취토구(22)가 절개 형성되며, 헤드(20)의 전면(前面) 중앙부에는 회전콘(50)이 장착되어 구성된다.
헤드(20)에 장착되는 회전콘(回轉cone)(50)은 그 사전적 의미에서와 같이 원추형(圓錐形)의 회전체로서, 헤드(20)의 전면에 전방측으로 직경이 확대된 원추형 회전콘(50)의 후단부가 자유롭게 회전 가능하도록 설치된다.
회전콘(50)은 도 2에서와 같이 원추형 회전콘(50)의 첨부(尖部)에 회전축이 형성되어 헤드(20)에 결합되며, 확경부(擴徑部)가 헤드(20)의 전방측 즉, 굴진 방향을 지향하도록 설치된다.
또한, 도 2의 발췌 확대부에서와 같이, 회전콘(50)의 외주면에는 경사익(51)이 형성되며 회전콘(50)의 전면(前面)에는 돌출판(52)이 돌출 형성되어 후술할 회전콘(50)의 굴착토 교반 효과를 극대화한다.
도 2의 발췌 확대부에서와 같이, 회전콘(50) 외주면에 측방 돌출 형성되는 경사익(51)은 회전콘(50)의 측면상 중심축과 경사를 이루도록 형성되는 것으로, 회전콘(50)의 축방향으로 유체(流體) 흐름이 발생되면 경사익(51)에 의하여 회전콘(50)이 회전하게 된다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명의 내부 구조를 도시한 부분절단 사시도 및 부분절단 분해 사시도로서, 도시된 바와 같이, 본 발명의 선도관(10) 내부에는 배토관(40)이 설치되어, 헤드(20)에 의하여 절삭된 굴착토가 헤드(20)를 관통하여 형성된 취토구(22)를 통하여 선도관(10)으로 유입된 후 배토관(40)을 통하여 반출되며, 선도관(10)에 결합되는 헤드(20)의 후단부에는 링기어(27)가 형성되고, 선도관(10) 내부에 설치된 구동모터(29)에는 피니언(28)이 장착되어, 이들 링기어(27) 및 피니언(28)이 치합됨에 따라 구동모터(29)에 의하여 헤드(20)가 회전된다.
도 5는 본 발명의 작동상태를 도시한 대표 단면도로서, 후속 추진관(30)이 연결된 본 발명 굴진 장치의 종단면을 도시하고 있으며, 동 도면에 도시된 바와 같이, 선도관(10)의 후단에는 추진관(30)이 연결되며, 추진관(30)의 내부에는 선도관(10)의 배토관(40)과 접합 연결되는 배토관(40)이 설치되어, 헤드(20)에 의하여 절삭된 굴착토가 배토관(40)을 통하여 후방의 발진기지로 반출된다.
본 발명은 선도관(10)으로 이수(泥水) 또는 활재(滑材) 등의 액상(液狀) 분출재가 선도관(10) 내부로 공급되어 헤드(20)에서 굴진 대상 지반으로 분출되는 지중 굴진 장치로서, 도 3 내지 도 5에서와 같이, 회전콘(50) 설치 지점의 헤드(20)에는 분출구(26)가 형성되어, 분출구(26)에서 분출된 액상 분출재가 회전콘(50) 외주면의 경사익(51)에 충돌함에 따라 회전콘(50)이 회전된다.
본 발명에 있어서 액상 분출재가 분출되는 분출구(26)는 도 3 및 도 4에서와 같이, 회전콘(50) 배후부의 헤드(20)에 다수가 천공 형성되되, 회전콘(50)의 회전축을 중심으로 다수의 분출구(26)가 방사상(放射狀)으로 배열되며, 이로써 회전콘(50)의 회전익과 분출되는 액상 분출재간 접촉 유량을 확보하고 회전콘(50)의 원활하고 강략한 회전을 유도한다.
배관(93)을 통하여 발진기지로부터 공급되어 헤드(20)로 압송되는 분출재가 분출구(26)를 통하여 고속, 고압으로 분출됨에 따라 회전콘(50)이 회전되면서, 헤드(20) 전방의 굴착토 즉, 헤드(20)에서 분출된 액상 분출재와 헤드(20)에 의하여 절삭된 토사의 혼합물이 회전콘(50)에 의하여 교란 및 교반된다.
도 2의 발췌 확대부에서와 같이, 회전콘(50)의 전면에는 돌출판(52)을 돌출 형성함으로써, 회전콘(50)의 회전시 일층 보강된 교반 및 교란 효과를 얻을 수 있다.
회전콘(50)에 의한 굴착토의 교반 과정에서 굴착토의 토립자가 분출재와 충분히 혼합되고, 굴착토내 대입경 토립자 역시 편중되지 않고 분산되며, 이렇듯 유동성이 배가된 굴착토는 취토구(22)를 경유하여 선도관(10) 내부로 수집된 후 배토관(40)으로 배출되는 과정에서 배토관(40)의 폐색 또는 배토관(40)내 스크류(45)의 결착 현상을 유발하지 않게 된다.
한편, 회전콘(50)이 헤드(20) 전방측으로 과도하게 돌출될 경우, 헤드(20)에 의하여 파쇄되기 이전의 경질 지반에 회전콘(50)이 압착되면서 회전콘(50)의 회전이 억제되고 추진저항이 유발될 수 있을 뿐 아니라, 추진과정에서 회전콘(50)이 파손될 수도 있으므로, 본 발명에서는 도 2 내지 도 3에서와 같이, 헤드(20)에 요입부(23)를 형성하고, 요입부(23)의 중심부에 회전콘(50)을 자유롭게 회전 가능하도록 설치하여, 요입부(23)에 회전콘(50)이 수용되도록 한다.
또한 회전콘(50)이 수용되는 요입부(23) 역시 회전콘(50)과 같이 원추형으로 형성하며, 요입부(23) 형성 실시예에 있어서의 분출구(26)는 요입부(23) 내부에 천공함으로써, 도 5에서와 같이 분출구(26)로 분출된 분출재가 회전콘(50)의 경사익(51)에 직접 충돌됨과 동시에 요입부(23)를 경유하여 배출되는 과정에서 강력하고 밀실(密實)한 흐름이 형성되어 회전콘(50)의 회전력이 배가된다.
즉, 본 발명의 헤드(20) 전면에 요입 형성되는 요입부(23)는 회전콘(50)을 수납하여 보호하고 추전저항을 저감하는 기능 뿐 아니라, 회전콘(50)에 강력한 회전을 유도하는 역할도 동시에 수행하는 것이다.
한편, 도 3 내지 도 5에서와 같이, 본 발명에 있어서 배토관(40)에는 나선 플라이트(flight)가 형성된 스크류(45)를 내장하여, 스크류(45) 플라이트의 나선 회전을 통한 배토를 수행할 수 있는데, 이때 중공(中空) 스크류(45)를 적용함으로써, 스크류(45)가 분출재의 압송 배관(93) 기능을 겸비하도록 구성할 수 있다.
즉, 도 3에서와 같이, 선도관(10)내 배토관(40)에 내장되는 스크류(45)를 관체(管體) 외주면에 나선 플라이트가 접합된 중공 스크류(45)로 구성하고, 도 4 및 도 5에서와 같이, 후속 추진관(30)에 내장되는 배토관(40)에도 동일한 형태의 스크류(45)를 내장하되, 선도관(10)의 스크류(45) 및 후속 추진관(30)내 스크류(45)를 동축(同軸) 연결하여, 발진기지에서 선도관(10)에 이르는 스크류(45)내 압송 관로를 구축하고, 이렇듯 구축된 중공 스크류(45)를 통하여 분출재를 압송하는 것이다.
이때, 회전콘(50)이 설치된 지점의 헤드(20) 배후부에는 도 3 및 도 4에서와 같이, 선도관(10) 내측으로 돌출된 결합관(25)을 형성하고, 이 결합관(25)에 스크류(45)의 선단을 결합하며, 분출구(26)는 결합관(25) 내부와 헤드(20) 전면을 연통하도록 천공하여, 도 5에서와 같이, 중공 스크류(45) 내부로 압송된 분출재가 결합관(25)을 경유하여 분출구(26)로 분출된다.
이러한 중공 스크류(45) 내부 압송 및 결합관(25)을 경유한 분출재 배출을 통하여 별도의 분출재 이송 관로 및 관로와 헤드(20)간 연결 수단 구비 없이도 원활한 분출재 이송 및 효율적인 분출이 가능하며, 특히 선도관(10) 및 추진관(30)내 공간이 협소한 소구경 굴진 장치의 구성에 있어서 이점을 얻을 수 있다.
한편, 도 6은 암질 지반용 헤드(20)에 본 발명의 회전콘(50)이 장착된 상태를 예시한 것으로, 전술한 바와 같이 본 발명의 회전콘(50)은 분출되는 분출재의 유체역학적 거동에 의하여 작동되는 구성인 바, 자체 구동용 동력원 또는 복잡한 동력 전달 수단이 불필요하므로, 헤드(20)의 종류 또는 규격을 막론하고 간편한 장착이 가능하다.
10 : 선도관
20 : 헤드
22 : 취토구
23 : 요입부
25 : 결합관
26 : 분출구
27 : 링기어
28 : 피니언
29 : 구동모터
30 : 추진관
40 : 배토관
45 : 스크류
50 : 회전콘
51 : 경사익
52 : 돌출판
91 : 토류벽
92 : 추진장치
93 : 배관
94 : 반력벽

Claims (3)

  1. 선도관(10)의 선단에 헤드(20)가 장착되고, 선도관(10)의 후단에는 추진관(30)이 연결되며, 선도관(10) 내부로 공급된 액상 분출재가 헤드(20)에서 분출되고, 선도관(10) 및 추진관(30)의 내부에는 배토관(40)이 설치되어, 헤드(20)에 의하여 절삭된 굴착토가 배토관(40)을 통하여 반출되는 관추진용 굴진 장치에 있어서,
    헤드(20)의 전면(前面)에는 전방측으로 직경이 확대된 원추형 회전콘(50)의 후단부가 자유롭게 회전 가능하도록 설치되고;
    회전콘(50)의 외주면에는 경사익(51)이 형성되며, 회전콘(50) 설치 지점의 헤드(20)에는 분출구(26)가 형성되어;
    분출구(26)에서 분출된 액상 분출재가 경사익(51)에 충돌함에 따라 회전콘(50)이 회전되어 헤드(20) 전면의 굴착토를 교반함을 특징으로 하는 분출 회전식 지중 굴진 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 헤드(20)에는 요입부(23)가 형성되고, 요입부(23)의 중심부에는 회전콘(50)이 자유롭게 회전 가능하도록 설치되되, 요입부(23)에 회전콘(50)이 수용됨을 특징으로 하는 분출 회전식 지중 굴진 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 배토관(40)의 내부에는 중공(中空) 스크류(45)가 설치되고;
    회전콘(50)이 설치된 지점의 헤드(20) 배후부에는 선도관(10) 내측으로 돌출된 결합관(25)이 형성되며;
    스크류(45)의 선단이 결합관(25)에 결합되고;
    분출구(26)는 결합관(25) 내부와 헤드(20) 전면을 연통하여, 중공 스크류(45) 내부로 압송된 분출재가 분출구(26)로 분출됨을 특징으로 하는 분출 회전식 지중 굴진 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2000291359A (ja) * 1999-04-12 2000-10-17 Ohbayashi Corp 大口径削孔工法および削孔装置

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