KR101643908B1 - 선진노즐이 형성되어 있는 굴진기와, 이를 이용한 spp공법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 최근 굴진기를 이용한 기계식 추진공법에 의한 굴진시 지반의 토압 및 지하수압에 의해 굴착된 토사가 과다하게 굴진기내로 유입되어 굴진 방향의 상부지반이 침하 또는 붕괴(싱크홀)되는 문제를 방지하기 위한 것으로서, 기존 굴진기의 전단부에 선진노즐을 결합시켜 상기 선진노즐을 통한 안정액을 분사함으로써 굴착대상의 지반을 미리 팽창 이완시켜, 회전하는 면판에 의한 굴착이 원활하게 이루어짐과 동시에 지반침하 없이 추진 가능하도록 하는 선진노즐이 형성되어 있는 굴진기와, 이를 이용한 싱크홀 방지 추진공법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 최근 굴진기를 이용한 기계식 추진공법에 의한 굴진시 지반의 토압 및 지하수압에 의해 굴착된 토사가 과다하게 굴진기내로 유입되어 굴진 방향의 상부지반이 침하 또는 붕괴(싱크홀)되는 문제를 방지하기 위한 것으로서, 기존 굴진기의 전단부에 선진노즐을 결합시켜 상기 선진노즐을 통한 안정액을 분사함으로써 굴착대상의 지반을 미리 팽창 이완시켜, 회전하는 면판에 의한 굴착이 원활하게 이루어짐과 동시에 지반침하 없이 추진 가능하도록 하는 선진노즐이 형성되어 있는 굴진기와, 이를 이용한 싱크홀 방지 추진공법(Sinkhole Prevent Propulsion method, 이하, 'SPP공법'이라 한다.)에 관한 것이다.
싱크홀은 지반침하(沈下, settlement)와 함몰(陷沒, sinking)로 구분하여 볼 수 있는데, 상기 지반침하는 지반의 하향 변위를 말하는 광의적 표현이고, 상기 함몰은 지반이 움푹 패인 형태로 침하된 것을 의미한다.
싱크홀의 원인은 지지력 부족으로 인한 변형, 흙의 압밀, 다짐 부족, 지하수의 영향, 지장물의 영향 등 다양한 원인이 있을 수 있으며, 이와 같은 원인은 다시 자연적인 발생 원인과 인위적인 발생원인으로 구분하여 볼 수 있다.
상기 자연적 원인은 주로 석회암 지반에서 오랜 시간 지하수에 용해되어 공동(동굴)이 생겼다가 공동 내에 채워져 있던 지하수가 빠져나가는 경우에 발생하게 되며, 상기 인위적 원인은 터널 굴진으로 인해 상부 지반이 침하되고, 지중에 있던 상수관 누수가 중첩되면서 대규모의 토사 유실과 지하공동이 발생하게 된다.
상기 인위적 원인에 대해 좀 더 살펴보면, 기존 기계식 추진공법에 의한 지중에서 회전하는 굴진기를 통한 굴진시, 지반의 토압 및 지하수압에 의해 굴착된 토사가 과다하게 굴진기내로 유입됨으로써, 굴진 방향의 상부지반의 침하 또는 붕괴가 발생하게 된다.
본 발명자는 이와 같은 기존 기계식 추진공법이 갖고 있는 문제를 해결하기 위하여, 기계식 추진공법에 이용되는 굴진기의 전단부에 안정액 분사와 물 분사가 동시에 이루어지도록 하는 선진노즐을 추가로 설치함으로써 싱크홀의 방지를 해소하고자 하였다.
본 발명은 기계식 추진공법에 있어, 면판(Disk cutter)의 디스크 비트 또는 스크래퍼 비트를 통한 굴착하던 방식을 개선하여, 상기 면판의 중심부에 돌출형의 선도노즐을 설치함으로써, 면판(Disk cutter)에 의해 굴착이 되고 있는 지점보다 앞선 지점에서 선도노즐에 의해 안정액이 토사를 향해 분사되고, 이로 인해 면판에 의해 굴착 될 지반을 미리 팽창이완시켜 잡아줌으로써, 면판에 의한 굴착시 필요 이상의 토사가 굴진기 내로 유입되는 것을 차단하여, 지반침하인 싱크홀을 사전에 방지할 수 있도록 하는 선진노즐이 형성되어 있는 굴진기와, 이를 이용한 SPP공법을 제공하고자 하는 것을 발명의 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여,
본 발명은 기계식 추진공법에 이용되는 굴진기에 있어,
상기 굴진기의 선단부에 결합되되, 방사형으로 형성되는 다수의 물(water) 분사노즐을 포함하는 면판(Disk cutter)과,
상기 면판의 중심부에 부착되는 선진노즐을 포함하여 이루어지는 것으로서,
상기 선진노즐은 원뿔 형상의 몸체부와,
상기 몸체부 상단 측면으로 다수 형성되는 안정액분사노즐과,
상기 안정액분사노즐로 안정액을 공급하기 위하여, 상기 몸체부의 중심부에 형성되는 안정액공급관을 포함하여 이루어지는 선진노즐이 형성되어 있는 굴진기를 제공한다.
그리고 상기 선진노즐이 형성되어 있는 굴진기를 이용한 SPP 공법으로서,
지중에서 회전하는 굴진기 선단부의 면판(Disk cutter)에 부착된 디스크 비트 또는 스크래퍼 비트가 지반을 굴착하고, 굴착된 토사는 굴진기 내로 유입되어 배출 장치에 의해 지상으로 배출하는 추진공법으로서,
상기 면판(Disk cutter)의 중심부에 돌출된 형태로 부착된 선진노즐을 통해 안정액을 고압 분사하여, 상기 선진노즐의 전단에 위치하는 굴착대상 지반을 미리 팽창이완시켜 붕괴되지 않도록 잡아준 후, 상기 면판(Disk cutter)에 의한 굴착이 이루어지도록 굴진기를 이용한 SPP공법을 제공한다.
본 발명에 따른 SPP공법은 굴진기 선단부의 면판(Disk cutter)에 돌출형상으로 부착되어진 선진 노즐을 통해 안정액을 고압 분사함으로써, 굴착대상 지반을 미리 팽창이완시킴으로써, 굴진시 지반의 토압 및 지하수압에 의해 굴착된 토사가 과다하게 굴진기내로 유입되어 굴진 방향의 상부지반이 침하 또는 붕괴(싱크홀)되는 것을 막을 수 있으며, 막장의 안정성을 확보할 수 있다.
그리고 굴착대상의 단단한 지반을 미리 팽창 이완시킴으로써, 회전하는 면판(Disk cutter)에 의한 굴착이 원활하게 이루어질 수 있으며, 이와 동시에 팽창이완재인 안정액과 굴착된 토사를 교반시켜 Tail void(여굴) 발생 즉시 Tail void(여굴)를 채워주어 지반침하 없이 추진이 가능하다.
또한 면판(Disk cutter)에 부착된 디스크 비트 또는 스크래퍼 비트가 단단한 지반이 아닌 선진 노즐에서 주입된 안정액에 의해 느슨해진 지반을 굴착하므로 비트의 마모가 줄어 기존 공법에 비해 비트의 교환 없이 장거리 추진이 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 면판에 선진노즐이 부착 형성된 굴진기를 보인 측면도.
도 2는 면판 내부에 설치되는 2중관의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 선진노즐이 설치되는 면판(Disk cutter)을 보인 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 선진노즐의 단면도.
도 5~도 7은 선진노즐 내에 설치되어 있는 안정액분사노즐의 분사각도에 따른 도면.
도 2는 면판 내부에 설치되는 2중관의 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 선진노즐이 설치되는 면판(Disk cutter)을 보인 정면도.
도 4는 본 발명에 따른 선진노즐의 단면도.
도 5~도 7은 선진노즐 내에 설치되어 있는 안정액분사노즐의 분사각도에 따른 도면.
이하, 상기의 기술 구성에 대한 구체적인 내용을 살펴보도록 한다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 선진노즐이 형성되어 있는 굴진기는,
기계식 추진공법에 이용되는 굴진기로서,
상기 굴진기의 선단부에 결합되되, 방사형으로 형성되는 다수의 물(water) 분사노즐(101)을 포함하는 면판(Disk cutter)(10)과,
상기 면판(10)의 중심부에 부착되는 선진노즐(20)을 포함하여 이루어지는 것으로서,
상기 선진노즐(20)은 원뿔 형상의 몸체부(201)와,
상기 몸체부(201) 상단 측면으로 다수 형성되는 안정액분사노즐(202)과,
상기 안정액분사노즐(202)로 안정액을 공급하기 위하여, 상기 몸체부(201)의 중심부에 형성되는 안정액공급관(203)을 포함하여 이루어진다.
일반적으로, 굴진기는 관로 굴진을 위해 원통형의 몸통과, 상기 몸통의 전단부에 커터와 메인 비트가 부착된 회전가능한 면판과, 상기 면판을 구동시키기 위한 모터(cutter motor)와, 감속기(reducer)를 포함하여 구성되는 것으로서, 상기 면판에 개구부가 형성되어 있어, 상기 개구부를 통해 굴착된 암사와 토사가 굴진기 내부로 유입처리되도록 하는 장치이다.
본 발명은 이와 같은 굴진기의 전단부의 면판 내부의 구성과, 상기 면판의 중심부에 부착되는 선진노즐에 기술적 특징이 있는 것으로서, 이는 선진노즐이 면판에 비해 전방으로 돌출되어 있으며, 이와 같이 돌출된 선진노즐을 통해 안정액을 사전에 분사하여 줌으로써, 면판(Disk cutter)에 의해 굴착이 되고 있는 지점보다 앞선 지점의 위치하는, 굴착 될 지반을 미리 팽창이완시켜 잡아줌으로써, 면판에 의한 굴착시 필요 이상의 토사가 굴진기 내로 유입되는 것을 차단하여 지반침하인 싱크홀을 발생을 억제하면서 기계식 추진공법이 이루어질 수 있다.
상기 면판(Disk cutter)(10)은 도 2에 도시된 바와 같이, 그 내부가 2중관(102) 구조를 이루며,
상기 2중관(102) 중 내부관(102a)은 안정액 공급을 위한 안정액 공급관으로 이용되어, 면판에 부착되는 선진노즐(20)로 안정액을 공급하고,
상기 2중관(102) 중 외부관(102b)은 물(water)의 공급을 위한 물(water) 공급관으로 이용되어 물 분사노즐(101)로 물을 공급하도록 구성됨으로써,
굴진시, 면판(10)을 통한 물의 분사와 선진노즐(20)에 의해 안정액 분사가 동시 또는 교대로 이루어지도록 구성된 것임을 특징으로 한다.
상기 면판(10) 내부에 2중관으로 형성되어 있어, 중심부의 내부관을 통해서는 팽창이완재인 안정액이 공급되고, 상기 내부관을 둘러쌓고 있는 외부관을 통해서는 물(water)이 공급되는 이원화 방식이 적용된다.
이와 같은 이원화 방식을 통해 기존의 면판(10)에 선진노즐(20)을 부착시킴으로써 개선된 굴진기를 제공할 수 있다.
상기 2중관은 기존 면판(10) 내부에 형성되어 있는 하나의 원통형관에 삽입함으로써 설치되고, 상기 선진노즐(20)은 면판(10)의 전면 중앙에 위치시켜 나사결합을 이룸으로써 설치된다.
따라서 새롭게 면판(10)을 제작하지 않더라도, 기존의 면판(10)을 재활용하여 본 발명에 따른 선진노즐이 형성되어 있는 굴진기를 제공할 수 있다.
상기 선진노즐(20)은 면판(Disk cutter)(10)의 중심부에 원뿔 형상으로 돌출형성됨으로써, 회전을 하면서 지반을 굴착하는 면판(Disk cutter)(10)에 앞선 지점에서 안정액을 분사할 수 있으며, 이와 같이 면판(Disk cutter)(10)의 위치보다 앞선 지점에서 안정액을 분사함으로써 굴착전 상태의 단단한 지반을 미리 팽창이완시켜 주어, 굴진시 지반의 토압 및 지하수압에 의해 굴착된 토사가 굴진기 내로 과다하게 유입되는 것을 차단하여 굴진 방향의 상부지반이 침하 또는 붕괴되는 것을 방지하고, 막장의 안정성을 확보할 수 있다.
또한 굴착대상 지반을 미리 팽창 이완시킴으로써, 회전하는 면판(Disk cutter)에 의한 굴착이 원활하게 이루어지도록 함과 동시에 팽창이완재인 안정액과 굴착된 토사를 교반시켜 Tail Void(여굴) 발생 즉시, 상기 Tail Void(여굴)를 채워주므로 지반침하 없이 추진이 가능하다.
그리고 면판(Disk cutter)(10)에 부착된 디스크 비트 또는 스크래퍼 비트가 단단한 지반이 아닌 선진 노즐에 의해 지반으로 주입된 안정액에 의해 느슨해진 지반을 굴착함으로써 비트의 마모를 줄여 기존 공법에 비해 비트의 교환없이 장거리 추진이 가능하도록 한다.
상기 안정액은 굴착토 1㎥를 기준으로 하여, 물(water) 867~933ℓ, 벤토나이트 42~83kg, 점토 126~250kg, 증점재 1~1.5kg의 혼합으로 조성된 안정액을 주입하되, 토질이나 토질의 성상에 따라 혼합비를 달리하여 사용할 수 있다.
그리고 이때 안정액의 주입압은 1~2Kgf/㎠으로 한다.
상기 안정액 분사를 위한 안정액분사노즐(202)은 선진노즐(20)의 전단부 측면에 형성되며, 상기 선진노즐(20)의 내부에는 토질에 따라 다른 분사각도를 유지하는 분사관(202a)이 형성되어 있어 토질에 따른 분사각도를 달리하여 안정액을 주입할 수 있도록 한다.
상기 분사관(202a)의 분사각도는 수평축 방향을 0°로 하여, 이를 기준으로 할 경우, 보통토사의 경우, 0°, 경질토사의 경우, 15°, 모래, 자갈의 경우, 30°를 유지한다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이,
상기 보통토사는 점토질 및 사질토 지반의 보통 견고하거나 느슨한 형태의 토질로서, 추진시 막장 전방으로 안정액을 분사시켜 지반을 안정화시켜 토사의 과다유입을 방지하고 추진속도를 증가시킨다.
이와 같은 보통토사의 경우 분사관(202a)의 분사각도는 0°가 바람직하다.
상기 경질토사는 점토질 및 사질토 지반의 매우 견고하거나 조밀한 형태의 토질로서, 추진시 막장 전방에 15°방향으로 안정액을 폭넓게 분사하여 선도체가 접하는 면적의 지반을 이완, 안정화시켜 토사가 선도체 내부로 과다유입되는 것을 방지하고 추진 속도를 증대시킨다.
이와 같은 경질토사의 경우 분사관(202a)의 분사각도는 15°가 바람직하다.
상기 모래, 자갈층은 일반 토사에 비하여 모래, 자갈층은 소구경 추진에서 파쇄하여 굴진하기가 힘들기 때문에 선도체 전방에서 최대 각도(30°)로 안정액을 분사하여 선도체 헤드컷터에 접하는 모래, 자갈층을 이완, 안정화시켜 모래의 선도체 내부 과다 유입을 방지하고 추진 속도를 증대시킨다.
이와 같은 모래, 자갈층의 경우 분사관(202a)의 분사각도는 30°가 바람직하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 상기 원뿔 형상의 선진노즐(20) 외면에는 다수의 공업용 다이아몬드 팁(201a)이 형성되어 있어 단단한 지반으로의 진입이 원활하게 이루어질 수 있도록 한다.
본 발명에 따른 선도체 막장 안정액 분사노즐은 굴진기 선단부의 면판(Disk cutter)에 부착되어진 선진 노즐에서 안정액을 고압 주입하여 굴진 시 지반의 토압 및 지하수압에 의해 굴착된 토사가 과다하게 굴진기내로 유입되어 굴진 방향의 상부지반이 침하 또는 붕괴(싱크홀)되는 것을 막고, 막장의 안정성을 확보하며, 굴착대상 지반을 미리 팽창 이완시켜, 회전하는 면판(Disk cutter)에 의한 굴착을 원활히 함과 동시에 안정액과 굴착된 토사를 교반시켜 Tail void(여굴) 발생 즉시 Tail void(여굴)를 채워주므로 지반침하 없이 추진이 가능하고, 면판(Disk cutter)에 부착된 디스크 비트 또는 스크래퍼 비트가 단단한 지반이 아닌 선진 노즐에서 주입된 안정액에 의해 느슨한 지반을 굴착하므로 비트의 마모가 줄어 기존 공법에 비해 비트의 교환 없이 장거리 추진이 가능하므로 산업상 이용가능성이 크다.
10 : 면판(Disk cutter)
101: 분사노즐
20 : 선진노즐
201: 몸체부
202: 안정액분사노즐
203: 안정액공급관
101: 분사노즐
20 : 선진노즐
201: 몸체부
202: 안정액분사노즐
203: 안정액공급관
Claims (5)
- 기계식 추진공법에 이용되는 굴진기로서,
상기 굴진기의 선단부에 결합되되, 방사형으로 형성되는 다수의 물(water) 분사노즐(101)을 포함하는 면판(Disk cutter)(10)과,
상기 면판(10)의 중심부에 부착되는 원뿔형상의 몸체부(201)를 갖는 선진노즐(20)을 포함하여 이루어지는 것에 있어서,
상기 선진노즐(20)은 몸체부(201) 상단 측면으로 다수 형성되는 안정액분사노즐(202)과,
상기 안정액분사노즐(202)로 안정액을 공급하기 위하여, 상기 몸체부(201)의 중심부에 형성되는 안정액공급관(203)을 포함하여 이루어지는 것으로서,
상기 안정액분사노즐(202)은 토질에 따라 다른 분사각도의 분사관(202a)을 갖는 것으로서, 상기 분사관(202a)의 분사각도는 수평축 방향을 0°로 하여, 이를 기준으로 할 경우,
보통토사의 경우, 0°,
경질토사의 경우, 15°,
모래, 자갈의 경우, 30°임을 특징으로 하는 선진노즐이 형성되어 있는 굴진기.
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- 지중에서 회전하는 굴진기 선단부의 면판(Disk cutter)에 부착된 디스크 비트 또는 스크래퍼 비트가 지반을 굴착하고, 굴착된 토사는 굴진기 내로 유입되어 배출 장치에 의해 지상으로 배출하는 추진공법에 있어서,
상기 면판(Disk cutter)의 중심부에 돌출된 형태로 부착된 선진노즐을 통해,
굴착토 1㎥를 기준으로 하여, 물(water) 867~933ℓ, 벤토나이트 42~83kg, 점토 126~250kg, 증점재 1~1.5kg의 혼합으로 조성된 안정액을 고압 분사하여,
상기 선진노즐의 전단에 위치하는 굴착대상 지반을 미리 팽창이완시켜 붕괴되지 않도록 잡아준 후,
상기 면판(Disk cutter)에 의한 굴착이 이루어지도록 하는 것임을 특징으로 하는 선진노즐이 형성되어 있는 굴진기를 이용한 SPP공법.
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|---|---|---|---|
| KR1020150133420A KR101643908B1 (ko) | 2015-09-21 | 2015-09-21 | 선진노즐이 형성되어 있는 굴진기와, 이를 이용한 spp공법 |
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| KR (1) | KR101643908B1 (ko) |
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- 2015-09-21 KR KR1020150133420A patent/KR101643908B1/ko active IP Right Grant
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