KR101791588B1 - 지반측정장치를 탑재한 터널굴착기 및 이를 이용한 지반측정방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 터널굴착기는, 지반을 굴착하는 커터헤드, 상기 커터헤드와 연결되어 상기 굴착된 지반의 버력(debris)을 이동시키고, 상기 커터헤드를 제어하는 몸체부 및 상기 몸체부에 설치되고, 상기 지반과 접촉하여 상기 지반의 상태를 측정하는 지반측정장치를 포함하고, 상기 지반측정장치는, 상기 커터헤드의 굴진방향과 나란한 방향으로 돌출 가능하도록 형성된 제1 지반측정장치 및 상기 몸체부에서 상기 제1 지반측정장치의 돌출방향과 기울어진 방향으로 돌출 가능하도록 형성된 제2 지반측정장치를 포함할 수 있다.

Description

지반측정장치를 탑재한 터널굴착기 및 이를 이용한 지반측정방법{TUNNEL BORING MACHINE WITH GROUND PREDICTION DEVICE AND GROUND PREDICTION METHOD OF USING THE SAME}
본 발명은 지반측정장비를 탑재한 터널굴착기에 관한 것이다.
도시화의 급격한 진행으로 도심지 내에 지하철, 철도, 전력선, 통신선, 상하수도 등의 기반시설 신설이 증가하고 있다. 신설되는 기반시설들은 도시 미관 확보 및 공간 활용을 위해 대부분 지하 공간에 위치하게 된다.
위와 같은 기반시설 건설에는 굴착 진동과 굴착으로 인한 지반 영향이 적은 터널 굴착 장치(Tunnel Boring Machine, TBM)가 이용된다.
TBM을 이용하여 터널굴착 시 가장 문제가 되는 것은, 굴착 시 발생하는 다운타임(downtime)이다. 다운타임은 TBM이 실제로 굴착하는 시간을 제외한 나머지 시간을 의미하며, 다운타임을 최소화하여 시공 시간의 단축 및 비용의 절감할 수 있다.
예를 들면, 터널 굴착시 터널의 전방에 파쇄대가 존재할 경우, 그 파쇄대를 탐지하지 못하고 굴착이 계속 진행되면 터널의 붕괴를 초래할 수 있다. 또한, 터널 막장 전방에 공동이 존재할 경우, 터널은 붕괴 또는 지하수 유입 등이 발생될 수 있는 불안정한 상태에 놓일 수 있다. 따라서, 파쇄대 또는 공동의 존재여부를 미리 예측하여 숏크리트 (shotcrete) 등과 같은 적절한 지보재를 시공하여 암반의 과다한 변형을 방지함으로써 터널 붕괴의 위험을 막을 수 있다.
위와 같은 사고를 방지하고 다운타임을 줄이기 위해서 지반의 상태를 미리 탐지하여, 그에 대한 대책을 신속히 강구하는 것이 매우 중요하다.
지반의 상태를 측정하는 방법으로는, 지반의 샘플을 채취하여 확인하는 프로브 드릴링(Probe Drilling), TSP(Tunnel Seismic Prediction)로 대변되는 탄성파 탐사 및 TEPS(Tunnel Electrical resistivity Prospecting System)로 대변되는 전자기파 탐사 방법 등이 있다.
그러나, 탄성파 탐사는 폭약 발파로 인해 TBM 터널의 안정성에 영향을 미치고, 프로브 드릴링은 실시간 계측이 어려운 문제가 있으며, 전자기파 탐사는 탐사범위에 한계가 있다.
상기와 같은 기술적 배경을 바탕으로 안출된 것으로, 본 발명은 터널 전방의지반을 실시간으로 측정이 가능하고, 지반의 측정 범위가 확장되어, 지반 상태를 보다 정확하게 측정할 수 있는 지반측정장비를 탑재한 터널굴착기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터널굴착기는, 지반을 굴착하는 커터헤드, 상기 커터헤드와 연결되어 상기 굴착된 지반의 버력(debris)을 이동시키고, 상기 커터헤드를 제어하는 몸체부 및 상기 몸체부에 설치되고, 상기 지반과 접촉하여 상기 지반의 상태를 측정하는 지반측정장치를 포함하고, 상기 지반측정장치는, 상기 커터헤드의 굴진방향과 나란한 방향으로 돌출 가능하도록 형성된 제1 지반측정장치 및 상기 몸체부에서 상기 제1 지반측정장치의 돌출방향과 기울어진 방향으로 돌출 가능하도록 형성된 제2 지반측정장치를 포함할 수 있다.
상기 몸체부에 연결되고, 상기 몸체부와 상기 커터헤드 사이에 위치하여 상기 버력이 유입되는 챔버를 더 포함하고, 상기 챔버에는, 상기 버력이 상기 몸체부로 유입되는 유입홀 및 상기 제1 지반측정장치가 상기 몸체부에서 상기 챔버를 관통하도록 형성된 측정홀이 형성될 수 있다.
상기 지반측정장치는, 상기 제1 지반측정장치와 상기 제2 지반측정장치 사이의 직선거리의 4배 이내의 영역으로 측정범위가 이루어질 수 있다.
상기 지반측정장치는, 전후방으로 이동되는 포스트, 상기 포스트의 단부에서 상기 지반을 향하여 위치하고, 상기 지반과 접촉되어 지반의 상태를 측정할 수 있는 측정부 및 상기 포스트와 상기 측정부 사이를 절연하는 절연부를 포함할 수 있다.
상기 지반측정장치는, 상기 포스트를 수용하고 양단이 개구된 실린더 및 상기 실린더의 개구를 막으면서 밀폐하고, 유압호스와 연결된 유압통로가 형성되어 있는 플레이트를 포함하고, 상기 포스트는 상기 실린더의 내면과 맞닿도록 형성되고, 상기 유압통로를 통해 유입되는 유체의 유압을 받아 이동할 수 있도록 형성된 포스트바를 하고, 상기 플레이트는 상기 실린더와 나란하게 연장되고, 상기 플레이트의 각 모서리에 연결되는 플레이트바를 포함할 수 있다.
상기 측정부와 전기적으로 연결되고 돌출된 변형부를 포함할 수 있다.
상기 실린더 내부에서 상기 포스트를 내측에 수용하고, 상기 절연부 후단으로 연결되어 상기 포스트를 보호하는 보호관을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 지반측정방법은, 지반을 굴착하는 커터헤드, 상기 지반의 상태를 측정할 수 있는 지반측정장치를 포함하는 터널굴착기로 지반을 굴착하는 단계, 상기 터널굴착기의 굴착을 정지하는 단계, 상기 지반을 향하여 상기 지반측정장치를 돌출시켜 접촉시키는 단계, 상기 지반에 전자기파를 방출하고, 상기 전자기파의 신호를 수신하는 단계 및 상기 수신된 신호를 제어부에 입력하고 분석하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 지반측정장치가 상기 커터헤드를 관통하여 돌출될 수 있도록 상기 커터헤드의 각도를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 지반측정장치의 돌출길이를 계산하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 지반측정장치는, 상기 터널굴착기의 굴진방향을 향하여 돌출하는 제1 지반측정장치 및 상기 제1 지반측정장치와 기울어진 방향으로 돌출하는 제2 지반측정장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 터널굴착기는, 터널 전방의 지반을 실시간으로 측정할 수 있으며, 지반의 측정 범위가 크게 확장되어 지반의 상태를 보다 정확하고 광범위하게 측정할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지반측정장치를 탑재한 터널굴착기의 지반 측정을 나타낸 개념도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 터널굴착기의 내부 구성도를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에 나타낸 터널굴착기에 적용될 수 있는 커터헤드를 도시한 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널굴착기에 적용될 수 있는 지반측정장치의 제1 실시예를 도시한 사시도이다.
도 5는 도 4에 나타낸 지반측정장치의 단면을 도시한 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 터널굴착기에 적용될 수 있는 지반측정장치의 제2 실시예의 단면을 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 터널굴착기를 이용하여 지반을 측정하는 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지반측정장치를 탑재한 터널굴착기의 지반 측정을 나타낸 개념도이다.
도 1을 참고하면, 지반(200)을 굴착하는 터널굴착기(100)는 주변의 지반(200)을 측정할 수 있는 지반측정장치(10)를 포함할 수 있다.
터널굴착기(100)는 땅속을 굴착하면서 이동하며 터널을 구축할 수 있다. 이때, 터널굴착기(100)는 굴착된 지반인 버력(debris)을 터널굴착기(100) 후방으로 이동시켜 외부로 배출한다. 터널굴착기(100)는 특성상 뒤로 운전할 수 없기 때문에, 터널 굴착 도중 주변 지반(200)의 암질 이상 및 연약대 출현을 미리 예측할 필요가 있으며, 지반(200) 상태를 사전에 예측하고 대응하여, 터널굴착기(100)의 작동이 멈추거나 터널이 붕괴되는 것을 방지할 수 있다.
터널의 내측면으로, 터널굴착기(100)로 굴착된 뒤에 콘크리트 구조물인 라이닝(150, 도 2 참조)이 설치될 수 있다. 라이닝(150)은 프리캐스트 콘크리트로 제작되어 복수개의 세그먼트 라이닝(151, 도 2 참조)이 조립되어 형성될 수 있다. 다른 예로, 라이닝(150)은 현장에서 시공을 하여 제작될 수 있다. 이하에서는 프리캐스트 콘크리트인 복수개의 세그먼트 라이닝(151)이 조립되는 것을 예로 들어 설명한다.
세그먼트 라이닝(151)이 설치되는 시간 동안 터널굴착기(100)의 굴착은 정지하게 된다. 이때, 지반측정장치(10)를 통해 터널굴착기(100) 주변의 지반(200)을 실시간으로 측정할 수 있다. 측정된 결과를 분석하여 주변 지반(200)의 상태에 따른 대응책을 굴착이 시작되기 전에 마련하여 터널의 붕괴 위험 등을 방지한다.
지반측정장치(10)는 전자기파로 지반(200) 탐사가 가능하며, 터널굴착기(100)의 작동이 잠시 멈춘 시간 동안에 터널굴착기(100) 외부로 지반측정장치(10)의 측정부(13, 도 4 참조)가 돌출되어 주변의 지반(200)과 접촉하여 지반(200)의 상태를 실시간으로 예측하게 된다.
도 2는 도 1에 나타낸 지반측정장치를 탑재한 터널굴착기의 내부 구성도를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2에 나타낸 터널굴착기에 적용될 수 있는 커터헤드를 도시한 정면도이다.
도 2 및 도 3을 참고하면, 터널굴착기(100)는 회전하면서 지반을 깎아내 굴착이 가능한 커터헤드(110) 및 커터헤드(110)와 연결되어 커터헤드(110)의 작동을 제어하고 굴착된 지반인 버력을 이동시키는 몸체부(130)를 포함할 수 있다. 버력은 몸체부(130)를 따라 이동하여 외부로 이동될 수 있다.
커터헤드(110)는 원형 단면으로 형성될 수 있으며, 지반의 토사와 암반을 깎아내면서 굴진하게 된다.
커터헤드(110)는 몸체부(130)에 회전 가능하게 설치되고, 중심으로부터 외주면까지 이어지고 소정의 간격으로 원주방향으로 이격된 프레임(111)과, 프레임(111)외측으로 고정된 커터비트(112)가 포함될 수 있다. 각 프레임(111) 사이에 중공부(115)가 형성된다.
디스크커터(113)는 커터헤드(110)로부터 굴진방향을 향하여 돌출되고 프레임(111)에 소정의 간격으로 배열될 수 있다. 따라서, 커터헤드(110)의 회전에 의해, 프레임(111)에 연결된 커터비트(112)와 디스크커터(113)는 지반과 마찰되면서 터널굴착기(100)의 전방의 지반은 굴착된다. 굴착된 지반의 버력은 중공부(115)에 유입되어 몸체부(130)로 이동될 수 있다.
몸체부(130)는 커터헤드(110)에 연결되며 원통 형태로 형성될 수 있다. 몸체부(130) 내부에는 커터헤드(110)를 구동하는 구동모터(132) 등이 수용되어 있다. 구동모터(132)는 커터헤드(110)의 중심에 고정된 회전축(110a)에 연결되어 커터헤드(110)를 회전 구동하는 역할을 한다.
몸체부(130)는 커터헤드(110)와 챔버(120)를 매개로 연결될 수 있다.
즉, 챔버(120)는 커터헤드(110)와 몸체부(130)의 연결부위에 위치할 수 있다. 챔버(120)는 버력의 수용되는 챔버공간(121)과 버력이 몸체부(130) 내부로 유입되는 유입홀(122a) 및 커터헤드(110)의 회전축(110a)이 관통하는 격벽(122)을 포함할 수 있다.
챔버(120)의 챔버공간(121)은 커터헤드(110)의 중공부(115)와 연통되어 중공부(115)를 통해서 유입되는 버력을 담을 수 있으며 격벽(122) 하부에 형성된 유입홀(122a)로 버력이 유입되고, 격벽(122)의 중앙부에는 커터헤드(110)의 회전축(110a)이 관통하는 회전축홀(122b)이 형성될 수 있다.
스크류 컨베이어(140)는 몸체부(130) 내부에 탑재되며 유입홀(122a)과 연결되어 있다. 스크류 컨베이어(140)는 원형파이프(140a) 및 원형파이프(140a) 내부에 위치하는 스크류(140b)를 포함할 수 있다. 챔버공간(121)에 모인 버력은 스크류(140b)의 회전을 따라 원형파이프(140a) 내에서 끌어올려지고 스크류(140b)의 축을 따라 몸체부(130) 후방으로 이송된다.
터널굴착기(100)는 지반의 상태와 크기에 따라 추진방식을 나눌 수 있다. 예를 들면, 지반이 강한 암반인 경우, 몸체부(130)는 몸체부(130) 측면으로 돌출되어 측면의 지반에 밀착되는 그리퍼(Gripper)를 포함하여, 그리퍼를 통해 터널굴착기(100)는 굴진방향으로 이동할 수 있다. 굴착된 터널에는 현장에서 콘크리트를 시공하여 라이닝을 제작하게 된다. 다른 예로, 지반은 강하지 않지만 터널굴착기(100)의 직경이 큰 경우에는 세그먼트 라이닝(151)과 몸체부(130)사이에 추진장치를 두어 몸체부(130)는 추진장치로 세그먼트 라이닝(151)을 밀면서 굴진할 수 있다. 또 다른 예로, 지반이 강하지 않고 터널굴착기(100)의 직경이 작은 경우에는 세그먼트 라이닝(151) 또는 강관 파이프(Steel pipe)가 터널굴착기(100)와 추진잭(160) 사이에 관입되면서 터널굴착기(100)는 굴진할 수 있다. 이하에서는 지반은 강하지 않고 터널굴착기(100)의 직경이 작은 경우를 예로 들어 설명한다.
추진잭(160)은 커터헤드(110) 및 몸체부(130)를 굴진방향으로 가압하여 추진할 수 있다. 추진잭(160)은 몸체부(130) 후방에 위치하게 되며, 추진잭(160)의 추진압을 지지하는 지압벽(170)과 연결될 수 있다. 즉, 추진잭(160)은 지압벽(170)에 지지되고 지압벽(170)과 반발하면서 커터헤드(110) 및 몸체부(130)를 굴진방향으로 추진시킬 수 있다.
추진잭(160)이 작동하여 몸체부(130)가 이동한 뒤에, 세그먼트 라이닝(151)은 추진잭(160)과 몸체부(130) 사이에 형성된 공간에 설치될 수 있다. 다시 추진잭(160)은 지압벽(170)과 반발하면서 세그먼트 라이닝(151)을 굴진방향으로 이동시키고, 추진잭(160)과 세그먼트 라이닝(151) 사이에 형성된 공간에 다른 세그먼트 라이닝(151)을 설치한다. 이러한 과정을 반복하면서 복수개의 세그먼트 라이닝(151)을 조립하여 최종 구조물인 라이닝(150)을 형성할 수 있다. 지반의 굴착 깊이가 길어질수록 많은 세그먼트 라이닝(151)이 소요될 수 있다. 다른 예로, 추진잭(160)과 몸체부(130) 사이에 형성된 공간에 현장에서 콘크리트 시공을 하여 라이닝(150)의 구조물을 제작할 수 있다.
몸체부(130)는 터널굴착기(100)의 커터헤드(110) 작동과 추진잭(160)의 추진 및 지반측정장치(10)를 제어할 수 있는 제어부(135)를 포함할 수 있다. 제어부(135)는 지반측정장치(10)에서 들어온 신호를 분석하여 지반의 상태를 예측할 수 있다.
지반측정장치(10)는 몸체부(130) 내부에 탑재되며 굴진 방향과 몸체부(130)의 반경방향을 향하도록 설치될 수 있다.
지반측정장치(10)는 커터헤드(110)의 굴진방향과 나란한 방향으로 돌출 될 수 있는 전방의 제1 지반측정장치(10a)를 포함할 수 있다. 즉 제1 지반측정장치(10a)는 커터헤드 전방의 지반을 향하여 돌출 가능하도록 형성된다. 또한, 지반측정장치(10)는 제1 지반측정장치(10a)의 돌출방향과 기울어진 방향으로 돌출 될 수 있는 제2 지반측정장치(10b)를 포함할 수 있다. 즉, 제2 지반측정장치(10b)는 몸체부(130)의 측면으로 돌출 될 수 있다. 예를 들면, 제2 지반측정장치(10b)는 제1 지반측정장치(10a)와 수직한 방향으로 설치되어 몸체부(130)의 측면으로 돌출 가능하도록 형성될 수 있다. 제2 지반측정장치(10b)는 몸체부(130) 측면으로 돌출되고 지반에 밀착되어 몸체부(130)의 회전을 방지하는 기능 또는 그리퍼의 역할을 수행할 수 있다.
제1 지반측정장치(10a) 및 제2 지반측정장치(10b)는 터널굴착기(100)에서 돌출하여 짧은 시간 내에 추가 공정 없이 지반의 상태를 측정할 수 있다. 제1 지반측정장치(10a) 및 제2 지반측정장치(10b)는 터널굴착기(100)의 전면 및 측면에서 주변의 지반과 접촉하여 지반의 상태를 측정하게 된다.
지반측정장치(10)는 챔버(120)의 격벽(122) 뒤로 설치될 수 있다. 격벽(122)에는 제1 지반측정장치(10a)가 돌출하기 위한 측정홀(122c)이 형성될 수 있다. 이에 따라, 지반측정장치(10)는 커터헤드(110)가 지반을 굴착할 동안에도 버력에 의해 파손되지 않을 수 있다.
전술한 바와 같이, 세그먼트 라이닝(151) 설치 등으로 인해 커터헤드(110)의 작동은 잠시 멈출 수 있다. 이와 같이 커터헤드(110)의 작동이 멈춘 시간 동안에 복수개의 지반측정장치(10)의 측정부(13)가 몸체부(130)로부터 돌출하고, 지반과 접촉하여 지반의 상태를 측정할 수 있다. 따라서, 지반의 상태를 측정하기 위해 작업자는 필요 없으며, 터널굴착기(100)의 챔버공간(121) 내의 버력을 제거하지 않고도 지반의 탐사가 가능하고, 지반을 추가로 천공하는 등의 추가적인 공정이 생략되어 지반 측정 시간을 크게 줄일 수 있다. 결국, 터널굴착기(100)의 주변 지반은 실시간으로 측정 가능하고, 이를 분석하여 신속하게 대응책을 마련할 수 있다. 이러한 실시간 측정은, 터널공사의 다운타임을 줄여, 시공 시간의 단축 및 공사 비용을 절감할 수 있다.
지반측정장치(10)의 측정범위는 제1 지반측정장치(10a)와 제2 지반측정장치(10b) 사이의 직선거리의 4배 이내의 영역일 수 있다. 사용자는 측정하고자 하는 범위에 따라 지반측정장치(10)의 위치를 변경시키거나, 지반측정장치(10)의 수량을 늘릴 수 있다. 터널굴착기(100)의 전방 및 측면을 모두 포괄하기 위해 제1 지반측정장치(10a)와 제2 지반측정장치(10b)는 복수개로 설치될 수 있다. 예를 들면, 일반적인 터널굴착기(100) 크기를 고려할 때, 4개의 제1 지반측정장치(10a)와 제2 지반측정장치(10b)가 설치된다.
따라서, 제1 지반측정장치(10a)와 제2 지반측정장치(10b)로부터 받은 신호를 분석하여 터널굴착기(100) 전방에 위치하는 파쇄대뿐 아니라, 터널굴착기(100)의 측면에 위치하는 싱크홀 등의 발생 가능성을 확인할 수 있다. 전술한 바와 같이, 제1 지반측정장치(10a)와 제2 지반측정장치(10b)의 조합으로 인해 지반 측정범위가 크게 확대되는 효과를 얻을 수 있다.
도 4는 본 발명에 적용될 수 있는 지반측정장치의 제1 실시예를 도시한 사시도이고, 도 5는 도 4에 나타낸 지반측정장치의 단면을 도시한 단면도이다.
도 4 및 도 5를 참고하면, 지반측정장치(10)는 지반과 접촉되어 전자기파 탐사가 가능한 측정부(13) 및 측정부(13)를 지반을 향하여 돌출시키는 포스트(15)를 포함할 수 있다.
측정부(13)는 지반과 접촉되어 전자기파를 발생시켜 지반의 상태를 측정할 수 있다. 측정부(13)는 원형 단면을 갖도록 형성될 수 있다. 측정부(13)와 포스트(15) 사이는 절연부(14)를 매개로 연결될 수 있다.
측정부(13)는 전자기파를 발생시키므로 금속과 접촉될 경우 지반 측정결과에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 지반 측정결과에 신뢰성을 향상시키기 위해서 측정부(13)는 절연되어 지반과 접촉되는 것이 바람직하다.
절연부(14)는 측정부(13)가 포스트(15)와 전기적으로 접촉되는 것을 방지하도록 측정부(13)의 후단으로 연결될 수 있다. 절연부(14)는 측정부(13)를 따라 원형단면을 갖도록 형성될 수 있다. 일례로, 절연부(14)는 측정부(13)의 외측을 감싸도록 형성될 수 있다.
실린더(17)는 포스트(15)를 내부에 수용하고 양단이 개구될 수 있다. 실린더(17)는 원통형으로 형성될 수 있으며, 고압을 견딜 수 있도록 내압용기로 형성된다.
플레이트(16)는 실린더(17) 양단의 개구에 연결되고, 실린더(17)를 밀폐한다. 플레이트(16)에는 실린더(17) 내부에 유압을 주입할 수 있는 유압통로(20)가 형성되어 있다. 이러한 유압통로(20)에는 유압호스(21)가 연결될 수 있다. 예를 들면, 플레이트(16)는 실린더(17)의 일측에 연결되는 제1 플레이트(16a)와 실린더(17)의 타측에 연결되는 제2 플레이트(16b)로 이루어진다. 유압통로(20)는 제1 플레이트(16a) 및 제2 플레이트(16b) 각각에 연결되는 제1 유압통로(20a)와 제2 유압통로(20b)로 이루어진다.
포스트(15)는 실린더(17)에서 돌출된다. 포스트(15)의 길이는 지반측정장치(10)의 설치위치와 커터헤드(110) 또는 몸체부(130)로부터 돌출되어야 할 길이를 고려하여 설정된다.
예를 들면, 제1 지반측정장치(10a)의 포스트(15)와 실린더(17)는, 챔버(120)와 커터헤드(110)를 관통하여 터널굴착기(100)의 전방에 위치한 지반에 접촉되어야 하므로, 몸체부(130)의 반경방향으로 설치되고, 몸체부(130)의 주변의 지반에 접촉되어야 하는 제2 지반측정장치(10b)의 포스트(15)와 실린더(17)보다 길게 형성될 수 있다.
포스트(15)는 중앙에 실린더(17) 내벽에 닿도록 형성되는 포스트바(15a)가 형성될 수 있다. 실린더(17) 내부로 유출입 되는 유체에 의해 포스트(15)는 전후방으로 이동될 수 있다. 예를 들면, 제1 유압통로(20a)를 통해 유체가 주입되어 실린더(17)내의 유압이 높아지면, 제2 유압통로(20b)를 통해 유체는 배출되고 포스트(15)는 후방으로 이동하게 된다. 반대로, 제2 유압통로(20b)를 통해 유체가 주입되어 실린더(17)내의 유압이 높아지면 제1 유압통로(20a)를 통해 유체는 배출되고, 포스트(15)는 전방으로 이동하게 된다. 이러한 포스트(15)의 이동으로 포스트(15) 단부에 연결되는 측정부(13)는 커터헤드(110) 전방에서 돌출되어 지반에 접촉될 수 있고 다시 원위치로 이동할 수 있다.
실린더(17) 내부에는 높은 유압이 가해지므로, 실린더(17) 양단의 개구를 막으면서 실린더(17)와 연결되는 플레이트(16)의 이탈을 방지하기 위해 제1 플레이트(16a)와 제2 플레이트(16b) 사이에는 플레이트바(16c)가 연결될 수 있다.
케이블(18)은 포스트(15)를 관통하여 측정부(13)와 연결된다. 즉, 케이블(18)은 포스트(15) 내부를 따라 측정부(13)와 연결되며 포스트(15)로 인해 케이블(18)이 외부의 충격 등에 의해 파손되는 것을 방지할 수 있다. 케이블(18)은 측정부(13)와 제어부(135)를 연결하며, 측정부(13)에서 측정된 신호는 케이블(18)을 통해서 제어부(135)로 입력되며, 제어부(135)는 입력된 신호를 분석하여 주변 지반의 상태를 측정할 수 있다.
도 6은 본 발명에 적용될 수 있는 지반측정장치의 제2 실시예의 단면을 도시한 단면도이다.
도 6을 참고하면, 지반측정장치(10)의 측정부(13)에는 변형부(30)가 연결되고, 포스트(15) 주위로 보호관(40)이 위치할 수 있다.
이하에서는 중복되는 설명은 제외하고 지반측정장치(10)의 제1 실시예와 차이 나는 구성을 중심으로 설명한다.
변형부(30)는 측정부의 접촉면적을 보다 향상시키기 위한 구성으로, 측정부(13)가 접촉될 지반의 형태에 대응되어 형상이 변형될 수 있다. 즉, 포스트(15)에 의해 주변의 지반을 향하여 이동하는 측정부(13)의 전단에 연결된 변형부(30)는 지반에 밀착하면서 지반의 형상에 대응되어 형상이 변형될 수 있다. 예를 들면, 암석지대와 같이 표면이 불규칙한 지대일 경우, 측정부(13)의 접촉면적은 매우 작을 수 있다. 이와 같을 경우에는, 지반의 상태 측정이 불안정하고 제어부(135, 도 2 참조)로 입력된 신호 역시 신뢰성이 낮다. 변형부(30)는 불규칙한 표면에 대응되도록 형상이 변형될 수 있다. 따라서, 측정부(13)의 접촉면적이 향상되는 효과를 얻을 수 있다.
변형부(30)는 측정부(13)의 전단에서 측정부(13)의 진행방향을 향해 돌출되도록 형성될 수 있다. 또한, 변형부(30)는 포스트(15)의 가압력에 의해서도 변형되기 쉬운 재료가 선택될 수 있다. 예를 들면, 납(Pb) 또는 전도성 고무와 같은 재료일 수 있다.
실린더(17)의 내측에서 포스트(15)를 감싸며 연결되어 절연부(14)에 연결되는 보호관(40)을 포함할 수 있다. 보호관(40)은 포스트(15)가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 지반측정장치(10)의 측정부(13)가 커터헤드(110, 도 2 참조) 외부로 돌출될 때, 굴착된 지반의 암석 및 토사가 떨어지면서 파손될 위험이 크다. 보호관(40)을 통해 돌출된 포스트(15)가 토사에 의해 휘어지거나 절단 되는 것을 방지하여 측정의 신뢰도를 향상시키고, 휘어지거나 절단된 포스트(15)에 의해 커터헤드(110)의 회전이 방해되는 것을 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 터널굴착기를 이용하여 지반을 측정하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 2 및 7을 참고하면, 지반을 측정하는 방법은 지반을 굴착하는 커터헤드(110) 및 지반의 상태를 측정할 수 있는 지반측정장치(10)를 포함하는 터널굴착기(100)로 지반을 굴착하는 단계를 포함할 수 있다(S10).
다음으로 터널굴착기(100)의 굴착을 정지하는 단계를 포함할 수 있다(S20). 커터헤드(110)의 회전이 정지되고, 커터헤드(110) 전방 및 몸체부(130)의 주변방향으로 지반측정장치(10)가 돌출되어 지반과 접촉될 수 있다(S30). 전술한 바와 같이 터널굴착기(100) 후방으로 복수개의 세그먼트 라이닝(151)이 설치된다. 따라서, 터널굴착기(100)는 소정의 깊이 단위로 지반을 굴착하게 되며, 콘크리트 구조물인 세그먼트 라이닝(151)이 설치되는 시간 동안 작동을 정지하게 된다.
다음으로, 지반측정장치(10)의 측정부(13)는 지반과 접촉하여 지반에 전자기파를 방출하고, 방출된 전자기파를 다시 측정부(13)로 수신하는 단계를 포함할 수 있다(S40). 측정부(13)로 수신된 신호는 제어부(135)에 입력시키고, 제어부(135)는 이를 분석하여 전방 지반 상태를 예측한다(S50). 커터헤드(110)는 복수개의 프레임(111)이 형성되고 각각의 프레임(111)사이에 중공부가 형성된 커터헤드(110)를 포함한다. 따라서, 중공부(115)를 통하여 지반측정장치(10)가 돌출될 수 있도록, 커터헤드(110)의 위치를 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다(S25).
다음으로, 지반측정장치(10)의 돌출길이를 분석하여 지반의 상태를 측정할 수 있다. 즉, 지반측정장치(10)는 전자기파를 통해 지반의 상태를 측정할 수 있고, 돌출된 포스트(15)의 길이를 측정하여 지반의 상태를 측정할 수 있다(S35).
본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.
200: 지반 100: 터널굴착기
110: 커터헤드 110a: 회전축
111: 프레임 112: 커터비트
113: 디스크커터
115: 중공부 120: 챔버
121: 챔버공간 122: 격벽
122a: 유입홀 122b: 회전축홀
122c: 측정홀 130: 몸체부
132: 구동모터 135: 제어부
140: 스크류 컨베이어 140a: 원형파이프
140b: 스크류 150: 라이닝
151: 세그먼트 라이닝 160: 추진잭
170: 지압벽 10: 지반측정장치
10a: 제1 지반측정장치 10b: 제2 지반측정장치
13: 측정부 14: 절연부
15: 포스트 15a: 포스트바
17: 실린더 16: 플레이트
16a: 제1 플레이트 16b: 제2 플레이트
16c: 플레이트바 20: 유압통로
20a: 제1 유압통로 20b: 제2 유압통로
21: 유압호스 18: 케이블
30: 변형부 40: 보호관

Claims (11)

  1. 지반을 굴착하는 커터헤드;
    상기 커터헤드와 연결되어 상기 굴착된 지반의 버력(debris)을 이동시키고, 상기 커터헤드의 작동을 제어하는 몸체부; 및
    상기 몸체부에 설치되고, 상기 지반과 접촉하여 상기 지반의 상태를 측정하는 지반측정장치를 포함하고,
    상기 지반측정장치는,
    상기 커터헤드의 굴진방향과 나란한 방향으로 상기 커터헤드의 전방의 지반을 향해 돌출 가능하도록 형성된 제1 지반측정장치, 및 상기 몸체부의 측면에서 상기 제1 지반측정장치의 돌출방향과 기울어진 방향으로 상기 몸체부의 측방의 지반을 향해 돌출 가능하도록 형성된 제2 지반측정장치를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 지반측정장치는,
    전후방으로 이동되는 포스트;
    상기 포스트의 단부에서 상기 지반을 향하여 위치하고, 상기 지반과 접촉되어 지반의 상태를 측정할 수 있는 측정부; 및
    상기 포스트와 상기 측정부 사이를 절연하는 절연부를 포함하는 터널굴착기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 몸체부에 연결되고, 상기 몸체부와 상기 커터헤드 사이에 위치하여 상기 버력이 유입되는 챔버를 더 포함하고,
    상기 챔버에는,
    상기 버력이 상기 몸체부로 유입되는 유입홀; 및
    상기 제1 지반측정장치가 상기 몸체부에서 상기 챔버를 관통하도록 형성된 측정홀이 형성된 터널굴착기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 지반측정장치는,
    상기 제1 지반측정장치와 상기 제2 지반측정장치 사이의 직선거리의 4배 이내의 영역으로 측정범위가 이루어지는 터널굴착기.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 지반측정장치는,
    상기 포스트를 수용하고 양단이 개구된 실린더; 및
    상기 실린더의 개구를 막으면서 밀폐하고, 유압호스와 연결된 유압통로가 형성되어 있는 플레이트를 포함하고,
    상기 포스트는 상기 실린더의 내면과 맞닿도록 형성되고, 상기 유압통로를 통해 유입되는 유체의 유압을 받아 이동할 수 있도록 형성된 포스트바를 포함하고,
    상기 플레이트는 상기 실린더와 나란하게 연장되고, 상기 플레이트의 각 모서리에 연결되는 플레이트바를 포함하는 터널굴착기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 지반측정장치는,
    상기 측정부와 전기적으로 연결되고 상기 측정부의 전단에 돌출된 변형부를 더 포함하는 터널굴착기.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 실린더 내부에서 상기 포스트를 내측에 수용하고, 상기 절연부 후단으로 연결되어 상기 포스트를 보호하는 보호관을 포함하는 터널굴착기.
  8. 지반을 굴착하는 커터헤드, 상기 지반의 상태를 측정할 수 있는 복수의 지반측정장치를 포함하는 터널굴착기로 지반을 굴착하는 단계;
    상기 터널굴착기의 굴착을 정지하는 단계;
    상기 터널굴착기의 전방 및 측방의 지반을 향하여 상기 복수의 지반측정장치를 돌출시켜 접촉시키는 단계;
    상기 터널굴착기의 전방 및 측방의 지반에 전자기파를 방출하고, 상기 전자기파의 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 수신된 신호를 제어부에 입력하고 분석하는 단계를 포함하고,
    상기 지반측정장치는,
    전후방으로 이동되는 포스트;
    상기 포스트의 단부에서 상기 지반을 향하여 위치하고, 상기 지반과 접촉되어 지반의 상태를 측정할 수 있는 측정부; 및
    상기 포스트와 상기 측정부 사이를 절연하는 절연부를 포함하는 지반 측정 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 지반측정장치를 돌출시켜 접촉시키는 단계 이전에, 상기 지반측정장치가 상기 커터헤드를 관통하여 돌출 될수 있도록 상기 커터헤드의 각도를 조정하는 단계를 더 포함하는 지반 측정 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 복수의 지반측정장치를 돌출시켜 접촉시키는 단계 이후에, 상기 지반측정장치의 돌출길이를 계산하는 단계를 더 포함하는 지반 측정 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 지반측정장치는, 상기 터널굴착기의 굴진방향을 향하여 상기 터널굴착기의 전방의 지반을 향해 돌출하는 제1 지반측정장치 및 상기 제1 지반측정장치와 기울어진 방향으로 상기 터널굴착기의 측방의 지반을 향해 돌출하는 제2 지반측정장치를 포함하는 지반 측정 방법.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101936219B1 (ko) 2016-11-04 2019-01-08 계명대학교 산학협력단 모의 싱크홀 제작 방법

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101542419B1 (ko) * 2014-05-14 2015-08-07 한국과학기술원 지반 탐사 장치 및 이를 이용한 지반 탐사 방법

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6250294U (ko) * 1985-09-19 1987-03-28
JPH0715897U (ja) * 1993-08-20 1995-03-17 株式会社小松製作所 シールド掘進機の地山検知装置
JPH11287085A (ja) * 1998-04-01 1999-10-19 Ohbayashi Corp トンネル掘進機
JP6245608B2 (ja) * 2014-01-30 2017-12-13 株式会社奥村組 シールド掘進機のカッタ盤の検査方法

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101542419B1 (ko) * 2014-05-14 2015-08-07 한국과학기술원 지반 탐사 장치 및 이를 이용한 지반 탐사 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101936219B1 (ko) 2016-11-04 2019-01-08 계명대학교 산학협력단 모의 싱크홀 제작 방법

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