KR102020113B1 - 비개착식 터널 굴착기 - Google Patents

비개착식 터널 굴착기 Download PDF

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KR102020113B1 KR1020170115612A KR20170115612A KR102020113B1 KR 102020113 B1 KR102020113 B1 KR 102020113B1 KR 1020170115612 A KR1020170115612 A KR 1020170115612A KR 20170115612 A KR20170115612 A KR 20170115612A KR 102020113 B1 KR102020113 B1 KR 102020113B1
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Abstract

본 발명은 비개착식 터널 굴착기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터널을 시공하고자 하는 곳의 지반 또는 암반 특성에 최적화된 굴착성능 나타내는 한편 장거리 굴착과 곡선 굴착에 의한 터널시공의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 비개착식 터널 굴착기에 관한 것이다.
이에 따른 본 발명은, 터널을 시공하고자 하는 곳의 땅이나 암석을 파고들도록, 장치 전방에 배치된 상태로 회전구동 및 추진되는 쉴드유닛; 상기 쉴드유닛을 둘러 감싸는 원통형 구조로써, 상기 쉴드유닛에 의한 터널굴착에 따른 지산의 변형 및 붕괴를 방지하도록 터널의 내벽을 지지하는 바디부; 상기 쉴드유닛 후방의 상기 바디부 내에 연계설치된 상태로, 상기 쉴드유닛의 전후 위치보정 및 상기 바디부 선단의 추진을 통한 굴착의 연속으로 장거리 굴착이 가능토록 하는 추진장치; 및, 상기 쉴드유닛에 의한 굴착으로 생겨난 굴착토를 교반하고 상기 바디부의 후방으로 이송시키는 배출장치;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

비개착식 터널 굴착기{TUNNELING MACHINE FOR NON-OPEN CUT TYPE TUNNEL PRESSING}
본 발명은 비개착식 터널 굴착기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터널을 시공하고자 하는 곳의 지반 또는 암반 특성에 최적화된 굴착성능 나타내는 한편 장거리 굴착과 곡선 굴착에 의한 터널시공의 효율을 향상시킬 수 있도록 한 비개착식 터널 굴착기에 관한 것이다.
국가적인 교통수요·교통량의 급격한 증가로, 국가기간교통망(國家基幹交通網, key national traffic network)의 확충과 함께 다양한 종류의 교통수요 해결, 여객 및 물류수송 소요 경비의 대폭 단축을 위한 신규도로 및 철도노선 선정과 연차별 건설사업이 추진되고 있다.
한데, 우리나라 여건상 대규모 건설계획노선에서 산악지형 및 도심지중(都心地中)의 통과를 피할 수 없는바, 이를 위한 대안으로 터널공사가 지속적으로 증가하는 추세이다.
여기서, 상기 터널공사시에는 지산(地山, natural ground / 터널 내벽의 땅속)의 변형이나 허물어져 떨어짐을 억제·방지하여 누수를 막고 터널 안의 소요 단면과 기능을 유지하기 위한 구조체(構造體 / tunnel lining)의 시공이 매우 중요한바, 대표적인 터널구조체 시공방법으로는 터널을 시공하고자 하는 곳의 땅을 완전히 개착(開鑿)하여 터널구조체를 시공 후 그 터널구조체 위를 굴착토(掘鑿土, spoil)로 덮어 시공을 완성하는 오픈트렌치공법(Open Trench Method; OTM)이 있다.
또한, 터널을 시공하고자 하는 곳의 땅을 개착하지 않고 쉴드터널링머신(Shield Tunneling Machine)을 사용하여 비개착(非開鑿) 방식으로 터널을 형성한 후 그 터널 내측에 터널구조체를 시공하여 완성하는 터널보링공법(Tunneling Boring Method; TBM)이 있다.
이 중, 현재 대표적으로 쓰이는 상기 터널보링공법(TBM)은, 주로 도시지역 또는 지반이 암반층으로 이루어진 곳의 터널굴착에서 널리 사용되는데, 이는 터널을 시공하는 과정에서 지상구조물(도로, 건물 등)과 지하구조물(하수도, 가스관 등) 및 지상의 교통흐름에 최소한의 영향을 끼치면서 터널을 시공할 수 있기 때문이다.
이러한 기술적 사상을 기반으로, 대한민국 등록특허 제10-0562121호에서는, 지중에 비개착식으로 터널을 시공하기 위해 터널구조물(터널구조체)을 지중 내부에 연속적으로 밀어 넣으면서 터널을 시공함과 동시에 터널시공에 따른 바닥면의 침하현상을 방지하여 구조적으로 안정된 비개착식 터널구조물 시공방법을 제안하였다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1021867호에서는, 터널구조물(터널구조체)의 전방에 위치하여 터널구조물의 지중 압입을 안내하는 구조물로, 터널구조물의 외측으로 다수의 루프파이프를 설치하며, 상기 루프파이프의 전방 일측을 선단헤드에 끼워 넣어 결합시키고, 터널구조물과는 독립적으로 먼저 선단헤드와 루프파이프를 지중에 소정거리만큼 압입 전진시킬 수 있도록 하여, 지중 굴착작업의 안정성을 향상시키며 터널구조물의 지중 압입 시공시 지반이 붕괴되는 것을 방지함과 아울러 터널구조물 시공작업을 단순화하고 공사기간을 단축시킬 수 있는 비개착식 터널 구조물 시공용 선단헤드를 제시하였다.
그러나, 종래와 같은 비개착식 터널 시공방법을 이용하여 터널을 시공할 경우, 터널구조체와는 별도로 상기한 루프파이프를 압입시공하여야 하고, 다수의 루프파이프 압입에 따른 시공비용 증가 및 공사기간 지연 등의 각종 문제점이 발생되어 왔다.
또한, 대한민국 등록특허 제10-1276216호에서는, 터널공사나 상하수도 및 가스관로 등과 같은 건축물 기초공사시 지반을 뚫는 굴착장치의 전측부에 설치되어 굴착공사 진행 중 나타나는 암반과 토사를 파쇄하여 굴착시키는 비트조립체를 링비트의 단일구조로 형성하고, 내부구조를 개량함으로써 경질의 지반이나 전석층(轉石層) 및 암괴(巖塊)가 형성된 지반에서도 원활한 지반굴착이 가능하고, 굴착면의 마찰저항을 최소화하여 부하를 적게 걸리게 함으로써 추진속도를 확보할 수 있으며, 추진 작업시 정상경로를 이탈하게 되는 경우 그 추진 방향을 정상궤도로 수정할 수 있는 지반 굴착장치의 비트조립체를 제시하였으나, 터널 선단구조체의 진행이 어렵고 시공 도중 손상이 발생하는 경우 교체가 어렵다는 문제점 등이 있어 왔다.
(문헌 0001) 대한민국 등록특허 제10-0562121호(등록일자 : 2006.03.10.) (문헌 0002) 대한민국 등록특허 제10-1021867호(등록일자 : 2011.03.07.) (문헌 0003) 대한민국 등록특허 제10-1276216호(등록일자 : 2013.06.12.)
본 발명의 목적은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위한 것으로, 추진장치를 이용한 쉴드유닛의 전후 위치보정을 통해, 터널을 시공하고자 하는 곳의 지반 또는 암반 특성에 대응한 상황대처별 터널시공이 가능할 수 있도록 하는 비개착식 터널 굴착기를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 굴착된 터널의 소요 단면을 지지하는 바디부 선단의 방향조정을 통해, 상기 바디부 방향조정에 따른 상기 쉴드유닛의 추진방향 동시전환으로 곡선 굴착이 가능할 수 있도록 하는 비개착식 터널 굴착기를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 다수의 유압잭으로 구성된 상기 추진장치를 이용한 상기 바디부의 선단 및 상기 쉴드유닛의 유기적인 추진을 통해, 굴착작업 지속 및 그에 따른 장거리 굴착이 가능할 수 있도록 하는 비개착식 터널 굴착기를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 터널을 시공하고자 하는 곳의 땅이나 암석을 파고들도록, 장치 전방에 배치된 상태로 회전구동 및 추진되는 쉴드유닛; 상기 쉴드유닛을 둘러 감싸는 원통형 구조로써, 상기 쉴드유닛에 의한 터널굴착에 따른 지산의 변형 및 붕괴를 방지하도록 터널의 내벽을 지지하는 바디부; 상기 쉴드유닛 후방의 상기 바디부 내에 연계설치된 상태로, 상기 쉴드유닛의 전후 위치보정 및 상기 바디부 선단의 추진을 통한 굴착의 연속으로 장거리 굴착이 가능토록 하는 추진장치; 및, 상기 쉴드유닛에 의한 굴착으로 생겨난 굴착토를 교반하고 상기 바디부의 후방으로 이송시키는 배출장치;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 쉴드유닛은, 지반과 암반의 절삭 및 파쇄와 함께 그로써 생겨난 굴착토를 교반하고 후방으로 밀어낼 수 있는 오거스크루와, 상기 오거스크루를 둘러 감싸, 상기 오거스크루에 의한 굴착토의 교반과 이송을 관장하는 내부공간이 마련되도록 한 하우징관체와, 상기 오거스크루의 후단부에 연계장착된 상태에서의 회전구동으로 발생된 회전력을 상기 오거스크루에 전달하는 제1구동모터로 구성되고, 상기 오거스크루는, 상기 제1구동모터 회전구동에 따라 회전하는 회전축과, 상기 회전축 둘레에 길이방향을 따라 나선형 궤도를 갖도록 돌출형성됨으로써 상기 회전축 회전시 상기 하우징관체 내측으로 유입된 굴착토를 교반함과 동시에 후방으로 밀어내는 교반블레이드로 구성된다.
더하여, 상기 바디부는, 상기 쉴드유닛을 둘러 감싸도록 전방에 배치되는 한편, 상기 추진장치에 의해 상기 쉴드유닛과 연계한 유기적 추진에 따른 전방이동으로 터널의 전방 내벽을 지지케 된 전방추진관체와, 상기 전방추진관체의 후방으로부터 연이어 배치되는 한편, 상기 추진장치와 상기 배출장치의 내재수용 및 연계장착과 더불어 별도 추진기에 의한 전방이동으로 상기 전방추진관체와 밀착하도록 추진된 상태로 터널의 후방 내벽을 지지케 된 후방추진관체와, 상기 전방추진관체의 전방에 연계배치된 상태로, 상기 쉴드유닛의 굴착방향 전환이 가능한 조향장치로 구성되고, 상기 전방추진관체의 후방 끝단부에는, 상기 후방추진관체 일부위를 둘러 감싸 상기 전방추진관체와 상기 후방추진관체가 이어지는 부위의 틈새형성을 방지하는 중접판이 일체로 더 연장되며, 상기 전방추진관체의 일부위에는, 상기 쉴드유닛에 의해 굴착된 터널 내벽 전체로 고르게 압입되도록 다수 부위로부터 그라우팅제를 분사하는 노즐관이 더 구비된다.
또한, 상기 배출장치는, 상기 교반블레이드에 의해 상기 하우징관체 후방으로 밀려나는 굴착토의 내부유입 및 이송안내를 위해 상기 하우징관체로부터 이어지는 배출관과, 상기 배출관 내부에서의 회전구동으로 굴착토를 교반하고 후방으로 밀어내는 배출스크루와, 상기 배출스크루의 후단부에 연계장착된 상태로 회전구동하고, 그 회전구동으로 발생된 회전력을 상기 배출스크루에 전달하는 제2구동모터로 구성된다.
더하여, 상기 회전축의 선단부에는, 땅속을 파고드는 커터헤드가 형성되고, 상기 커터헤드의 전방에는 지반과 암반의 절삭 및 파쇄가 용이토록 앞쪽이 뾰족한 형태의 센터커터가 돌출되며, 상기 커터헤드 다음의 상기 회전축 일 둘레부로부터는, 터널의 소요 단면 굴착을 위한 메인비트들이 전방에 돌출된 다수의 비트스포크가 형성되되, 각각의 상기 비트스포크는 상기 회전축을 중심으로 하여 방사형으로 뻗어나간 구조를 이루고, 상기 비트스포크 다음의 상기 회전축 다른 일 둘레부로부터는, 상기 센터커터 및 상기 메인비트들에 의해 절삭 및 파쇄된 절삭토의 상기 하우징관체 내 과다유입을 방지하는 레귤레이팅플레이트가 구비되되, 상기 레귤레이팅플레이트의 미리 정한 각 부위에는 일정량의 절삭토가 상기 하우징관체 내부로 지속유입될 수 있도록 한 토사유입공들이 관통된다.
또한, 상기 추진장치는, 상기 전방추진관체의 후단부와 근접한 부위에 잭본체가 고정결합되고, 상기 잭본체로부터 유압에 의해 압출되는 램이 상기 쉴드유닛의 후단부에 연결결합되는 한편, 상기 램 압출에 따른 상기 쉴드유닛의 전후 위치보정이 가능토록 한 제1유압잭과, 상기 후방추진관체의 후단부와 근접한 부위에 잭본체가 고정결합되고, 상기 잭본체로부터 유압에 의해 압출되는 램이 상기 전방추진관체의 후단부에 연결결합되는 한편, 상기 램 압출에 따른 상기 전방추진관체의 추진이 가능토록 하는 다수의 제2유압잭으로 구성된다.
더하여, 상기 조향장치는, 상기 전방추진관체 전방에 연이어 배치되는 원통형의 조향체와, 상기 조향체 방향조정에 따른 상기 전방추진관체의 추진방향 전환으로, 상기 쉴드유닛의 굴착방향 전환이 가능토록 한 다수의 조정유압잭으로 구성된다.
또한, 상기 회전축에는, 지반 개량이나 용수의 방지를 목적하여 땅속 공극으로의 그라우팅제 전방분사를 위한 제1관로와, 상기 센터커터 및 상기 메인비트들에 의한 지반 또는 암반 절삭 및 파쇄시의 마찰력 감소를 위한 윤활재 전방분사를 위하는 제2관로가 형성되되, 상기 제1관로 및 상기 제2관로는, 상기 회전축의 후단부 둘레면 각 부위를 개별관통한 상태로 시작된 반면, 상기 회전축 내부에서는 이중관의 형태로 길이방향을 따라 형성됨으로써, 상기 커터헤드의 전면 중앙부위를 동시 관통하는 구조를 갖는다.
더하여, 상기 하우징관체는, 상기 레귤레이팅플레이트의 후단부와 근접한 위치로부터 시작해서 상기 교반블레이드 전체가 내재수용될 수 있도록 상기 회전축의 후단부 근접한 부위까지의 범위를 갖는 원통형 관체로써, 후방 끝단에는, 굴착토의 무단방출 방지를 위한 내부공간 차폐와 더불어 상기 회전축 후단부의 지지고정을 위한 리어플레이트가 일체로 결합되고, 상기 회전축 둘레면에 닿는 상기 리어플레이트의 중앙 관통부에는, 상기 회전축의 회전을 원활히 하는 볼베어링이 구비된다.
또한, 상기 제1관로 및 상기 제2관로가 관통된 상기 회전축의 후단부 둘레면 각 부위에는, 그라우팅제 및 윤활재의 공급호스 연결이 가능토록 상기 회전축 회전시에도 무회전상태를 유지케 되는 복수의 커넥팅베어링이 더 조립된다.
이상의 설명에서 분명히 알 수 있듯이, 본 발명의 비개착식 터널 굴착기는, 교통이 복잡한 도시지역의 소음·분진 등 환경공해 해결, 공항과 도로, 철도 등 터널공사로 인한 지반침하로 교통장해 피해가 우려되는 지역에서의 안정된 공사를 하기 위해 발달한 공법으로써, 특히 쉴드유닛의 전후 위치보정을 통한 상황별 굴착작업이 가능케 됨에 따른 터널굴착 공정효율 향상의 효과와 더불어 오거스크루 채용에 따른 장치의 경량화와 함께 자중에 의한 상기 쉴드유닛 처짐방지의 효과가 있다.
또한, 조향장치를 이용한 바디부 선단의 방향전환 및 이에 따른 상기 쉴드유닛의 동시 방향전환을 통해 곡선 굴착이 가능하고, 추진장치를 이용한 상기 쉴드유닛과 바디부의 유기적 추진에 따른 굴착의 연속으로 장거리 굴착이 가능하여, 결국 터널을 시공하고자 하는 곳의 굴착은 물론 터널시공의 안정성 확보와 작업효율성 극대화로 인한 공사기간 및 공사비용의 획기적인 절감 효과를 거둘 수 있다.
이와 함께, 지금까지와 같은 각종 효과의 달성으로, 터널을 시공하고자 하는 곳의 굴착작업(공정)은 물론이거니와 터널시공작업의 안정성과 효율성을 높여, 관련기업의 이익창출과 더불어 이와 관련된 건설산업의 발전 및 활성화에 크게 기여할 수 있는 아주 유용한 발명이다.
도 1은 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기의 외부구조를 나타낸 사시도.
도 2는 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기의 내부구조를 나타낸 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기에 있어서, 오거스크루의 요부구조를 나타낸 요부사시도.
도 4는 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기에 있어서, 오거스크루의 정면구조를 나타낸 요부정면도.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기의 작동관계를 나타낸 예시단면도.
도 6은 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기의 실시 예를 나타낸 터널굴착예시도.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 우선, 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
첨부도면 중 도 1은 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기의 외부구조를 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기의 내부구조를 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기에 있어서 오거스크루의 요부구조를 나타낸 요부사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기에 있어서 오거스크루의 정면구조를 나타낸 요부정면도이며, 도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기의 작동관계를 나타낸 예시단면도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기(A)는, 터널을 시공하고자 하는 곳의 땅이나 암석을 파고들도록 장치 전방에 배치된 상태로 회전구동 및 추진되는 쉴드유닛(1)과, 상기 쉴드유닛(1)을 둘러 감싸는 원통형 구조로써 쉴드유닛(1)에 의한 터널굴착에 따른 지산(地山)의 변형 및 붕괴를 방지하도록 터널의 내벽을 지지하는 바디부(2)와, 상기 쉴드유닛(1) 후방의 바디부(2) 내에 연계설치된 상태로 쉴드유닛(1)의 전후 위치보정 및 상기 바디부(2) 선단의 추진을 통한 굴착의 연속으로 장거리 굴착이 가능토록 하는 추진장치(3)와, 상기 쉴드유닛(1)에 의한 굴착으로 생겨난 굴착토를 교반(攪拌, agitation)하고 상기 바디부(2)의 후방으로 이송시키는 배출장치(4)를 포함하여 구성된다.
쉴드유닛(1)은, 산악지형의 관통 및 지하노선을 형성하도록 땅속을 파 들어가는 굴착장치(drilling rig)인 것으로, 지반과 암반의 절삭/파쇄와 함께 그로써 생겨난 굴착토를 교반하고 후방으로 밀어낼 수 있는 오거스크루(11)와, 상기 오거스크루(11)를 둘러 감싸 오거스크루(11)에 의한 굴착토의 교반과 이송을 관장하는 내부공간이 마련되도록 한 하우징관체(12)와, 상기 오거스크루(11)의 후단부에 연계장착된 상태에서의 회전구동으로 발생된 회전력을 오거스크루(11)에 전달하는 제1구동모터(13)로 구성된다.
상기 오거스크루(augger screw, 11)는, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 제1구동모터(13) 회전구동에 따라 회전하는 회전축(111)과, 상기 회전축(111) 둘레에 길이방향을 따라 나선형 궤도를 갖도록 돌출형성됨으로써 회전축(111) 회전시 상기 하우징관체(12) 내측으로 유입된 굴착토를 교반함과 동시에 후방으로 밀어내는 교반블레이드(112)로 구성된다.
또한, 상기 회전축(111)의 선단부에는, 땅속을 파고드는 커터헤드(111-1)가 형성되는바, 이를 위해 상기 커터헤드(111-1)의 전방에는 지반과 암반의 절삭 및 파쇄가 용이토록 앞쪽이 뾰족한 형태의 센터커터(111-11)가 돌출되어 있다.
더하여, 상기 커터헤드(111-1) 다음의 상기 회전축(111) 일 둘레부로부터는, 터널의 소요 단면 굴착을 위한 메인비트(111-21)들이 전방에 돌출된 다수의 비트스포크(111-2)가 형성되되, 각각의 상기 비트스포크(111-2)는 회전축(111)을 중심으로 하여 방사형으로 뻗어나간 구조를 이룬다.
그리고, 상기 비트스포크(111-2) 다음의 상기 회전축(111) 다른 일 둘레부로부터는, 상기 센터커터(111-11) 및 메인비트(111-21)들에 의해 절삭(및 파쇄)된 절삭토(토사와 암석조각)의 상기 하우징관체(12) 내 과다유입을 방지하는 레귤레이팅플레이트(111-3)가 구비되되, 도 4에 도시된 바와 같이, 미리 정한 각 부위에는 일정량(소량)의 절삭토가 하우징관체(12) 내부로 지속유입될 수 있도록 한 토사유입공(111-31)들이 관통되어 있다.
그리고, 상기 회전축(111)에는, 지반 개량이나 용수(湧水)의 방지를 목적하여 땅속 공극으로의 그라우팅제(시멘트풀) 전방분사를 위한 제1관로(111-4)와, 상기 센터커터(111-11) 및 메인비트(111-21)들에 의한 지반 또는 암반 절삭 및 파쇄시의 마찰력 감소를 위한 윤활재(규산과 물의 혼합용액) 전방분사를 위하는 제2관로(111-5)가 형성된다. 여기서, 상기 제1,2관로(111-4)(111-5)는 회전축(111)의 후단부 둘레면 각 부위를 개별관통한 상태로 시작된 반면 상기 회전축(111) 내부에서는 이중관의 형태로 길이방향을 따라 형성되어 상기 커터헤드(111-1)의 전면 중앙부위를 동시 관통하는 구조를 갖게 된 것임이 바람직하다. 아울러, 상기 커터헤드(111-1)의 가장자리로 이어져 더 연장되고 다수로 관통됨으로써 그라우팅제 및 윤활재의 분포배출이 가능토록 한 분기로(111-6)들을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1,2관로(111-4)(111-5)가 관통된 상기 회전축(111)의 후단부 둘레면 각 부위에는, 그라우팅제 및 윤활재의 공급호스 연결이 가능토록 상기 회전축(111) 회전시에도 무회전상태를 유지케 되는 복수의 커넥팅베어링(111-7)이 더 조립되어 있다.
그리고, 상기 교반블레이드(stir blade, 112)는, 상기 회전축(111)의 둘레면으로부터 시작해서 상기 하우징관체(12)의 내벽면과 근접하는 범위까지 돌출되는 한편 상기한 회전축(111)의 길이방향을 따라 나선형 궤도를 갖는 판체인 것이 바람직하다.
상기 하우징관체(12)는, 상기 레귤레이팅플레이트(111-3)의 후단부와 근접한 위치로부터 시작해서 상기 교반블레이드(112) 전체가 내재수용될 수 있도록 상기 회전축(111)의 후단부 근접한 부위까지의 범위를 갖는 원통형 관체이고, 그 후방 끝단에는 굴착토의 무단방출 방지를 위한 내부공간 차폐와 더불어 상기 회전축(111) 후단부의 지지고정을 위한 리어플레이트(121)가 일체로 결합되는바, 회전축(111)의 둘레면이 닿는 상기 리어플레이트(121)의 중앙 관통부에는 상기 회전축(111)의 회전을 원활히 하는 볼베어링(ball bearing)이 구비됨이 바람직하다. 또한, 상기 리어플레이트(121)의 하측 일부위에는 상기 배출장치(4)와의 연통결합을 위하는 연통공(121-1)이 관통형성되어 있다.
상기 제1구동모터(13)는, 전력을 받아 회전구동하여 회전축에 회전력을 발생시키는 동력기계(動力機械) 중 하나로써, 지반과 암반을 절삭 및 파쇄함에 충분한 토크(torque)를 나타내는 회전동력을 상기 오거스크루(11)에 전달할 수 있도록 된 것임이 바람직하다.
바디부(2)는, 상기 쉴드유닛(1)에 의한 굴착에 따른 지산의 변형 및 붕괴 방지와 아울러 단일장치의 구조달성을 위한 장치본체인 것으로, 상기 쉴드유닛(1)을 둘러 감싸도록 전방에 배치되는 한편 상기 추진장치(3)에 의해 쉴드유닛(1)과 연계한 유기적 추진에 따른 전방이동으로 터널의 전방(막장) 내벽을 지지케 된 전방추진관체(21)와, 상기 전방추진관체(21)의 후방으로부터 연이어 배치되는 한편 상기 추진장치(3)와 배출장치(4)의 내재수용 및 연계장착과 더불어 별도의 추진기에 의한 전방이동으로 전방추진관체(21)와 밀착하도록 추진된 상태로 터널의 후방(막장 이후) 내벽을 지지케 된 후방추진관체(22)와, 상기 전방추진관체(21)의 전방에 연계배치된 상태로 상기 쉴드유닛(1)의 굴착방향 전환이 가능한 조향장치(23)로 구성된다.
상기 전방추진관체(21) 및 후방추진관계(22)는, 굴착되는 터널의 소요 단면에 대응하는 직경을 가진 원통체로써, 전방추진관체(21)의 후방 끝단부에는 상기 후방추진관체(22) 일부위를 둘러 감싸 상기 전방추진관체(21)와 후방추진관체(22)가 이어지는 부위의 틈새형성을 방지하는 중접판(211)이 일체로 더 연장되어 있다.
또한, 상기 전방추진관체(21)의 일부위에는, 외부를 둘러 감싸는 형태로 구비되고, 상기 쉴드유닛(1)에 의해 굴착된 터널 내벽 전체로 고르게 압입되도록 다수 부위로부터 그라우팅제를 방사상(放射狀)으로 분사하는 노즐관(212)이 구비된다.
상기 조향장치(23)는, 상기 전방추진관체(21) 전방에 연이어 배치되는 원통형의 조향체(231)와, 상기 조향체(231) 방향조정에 따른 전방추진관체(21)의 추진방향 전환으로 상기 쉴드유닛(1)의 굴착방향 전환이 가능토록 한 다수의 조정유압잭(232)으로 구성되되, 상기 조정유압잭(232)은 상기한 조향체(231)의 다방향 조정이 가능토록 상하좌우 사방 또는 그 이상이 위치에 더 배치될 수도 있다.
또한, 상기 조향체(231)에는, 상기 쉴드유닛(1)의 하우징관체(12)를 둘러 감싼 상태로 전후 이동을 안내하는 가이드관체(231-1)와, 굴착된 터널 전방으로 이동시의 충격강도 향상을 위해 상기 가이드관체(231-1) 외측에 덧대는 보강판(231-2)을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 조정유압잭(232)은, 유압을 이용하여 중량물을 밀어내는 힘을 얻는 기계장치 중 하나로써, 잭본체는 상기 전방추진관체(21)에 고정결합되고, 유압에 의해 상기 잭본체로부터 압출(진출)되는 램은 상기 조향관체(231)에 연결결합된다.
추진장치(3)는, 상기 쉴드유닛(1)의 전후 위치보정 그리고 상기 바디부(2)의 추진(전방이동)을 통한 굴착의 연속 및 이를 통한 장거리 굴착이 가능토록 하기 위한 수단인 것으로, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 상기 전방추진관체(21)의 후단부와 근접한 부위에 잭본체가 고정결합되고 상기 잭본체로부터 유압에 의해 압출되는 램이 상기 쉴드유닛(1)의 후단부에 연결결합되는 한편 상기 램 압출에 따른 쉴드유닛(1)의 전후 위치보정이 가능토록 한 제1유압잭(31)과, 상기 후방추진관체(22)의 후단부와 근접한 부위에 잭본체가 고정결합되고 상기 잭본체로부터 유압에 의해 압출되는 램이 상기 전방추진관체(21)의 후단부에 연결결합되는 한편 상기 램 압출에 따른 전방추진관체(21)의 추진(전방이동)이 가능토록 하는 다수의 제2유압잭(32)으로 구성된다.
상기 제1,2유압잭(31)은, 상기 조향장치(23)의 조정유압책(232)과 마찬가지로, 유압을 이용하여 중량물을 밀어내는 힘을 얻는 기계장치 중 하나로써, 앞서 설명한 바와 같이, 잭본체 그리고 유압에 의해 상기 잭본체의 전방으로부터 압출되는 램으로 구성되며, 상기 쉴드유닛(1)과 전방추진관체(21)를 추진함에 충분한 토크(torque)를 나타내는 진출력이 발휘될 수 있게 된 것임이 바람직하다.
배출장치(4)는, 상기 쉴드유닛(1)에 의해 절삭/파쇄된 굴착토(토사와 암석조각)의 교반과 더불어 그렇게 교반되는 절삭토를 장치의 후방으로 밀어내어 배출시키기 위한 수단인 것으로, 상기 오거스크루(11)의 교반블레이드(112)에 의해 하우징관체(12) 후방으로 밀려나는 굴착토의 내부유입 및 이송안내를 위해 상기 쉴드유닛(1)의 하우징관체(12)로부터 이어지는 배출관(41)과, 상기 배출관(41) 내부에서의 회전구동으로 굴착토를 교반하고 후방으로 밀어내는 배출스크루(42)와, 상기 배출스크루(42)의 후단부에 연계장착된 상태로 회전구동하고 그 회전구동으로 발생된 회전력을 배출스크루(42)에 전달하는 제2구동모터(43)로 구성된다.
상기 배출관(41)은, 적당량의 굴착토가 내부로 유입될 수 있고 그렇게 유입되는 굴착토를 밀어내어 지정장소로 이송시키에 적당한 일정길이를 갖는 관체로써, 선단이 상기 하우징관체(12)의 리어플레이트(121)에 결합되되 상기 연통공(121-1)와 연통된다.
상기 배출스크루(42)는, 상기 배출관(41) 내 길이방향으로 삽입되고, 그 상태로의 회전에 의거 내부로 유입된 굴착토의 교반하고 후방으로 밀어내기 위한 나선형 교반블레이드가 형성된 것임이 바람직하다.
상기 제2구동모터(43)는, 상기 제1구동모터(13)와 마찬가지로 전력을 받아 회전구동하여 회전축에 회전력을 발생시키는 동력기계 중 하나로써, 상기 배출관(41) 내부로 유입된 굴착토의 교반과 동시에 후방으로 밀어내는데 충분한 토크(torque)를 나타내는 회전동력을 상기 배출스크루(42)에 전달할 수 있도록 된 것임이 바람직하다.
미 설명부호, (t)는 상기 배출장치의 배출관으로부터 외부배출되는 굴착토의 수집 및 그로써 수집된 적당량의 굴착토를 운반을 위해 바디부 안으로 배차되는 이동대차이다.
상기와 같은 구성으로 되는 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기(A)의 작용을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 6은 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기의 실시 예를 나타낸 터널굴착예시도로써, 도 6에 도시된 바와 같이, 터널을 시공하고자 하는 곳의 양쪽에 일정깊이의 수직갱을 굴착하여 추진기지(810)와 도달기지(820)가 형성되도록 한 후, 상기 추진기지(810)에서 별도의 추진기(830)를 이용하여 본 발명의 비개착식 터널 굴착기(A)를 지중으로 압입하고 굴착기(A)를 작동시켜 추진기지(810)의 일측 전단면으로부터 상기 도달기지(820)까지 도달하는 터널시공을 위한 굴착작업을 진행한다.
이를 위해, 본 발명의 비개착식 터널 굴착기(A)에 있어, 쉴드유닛(1)의 제1구동모터(13)를 작동시켜 상기 쉴드유닛(1)의 오거스크루(11)가 회전구동토록 하고, 이로써 상기 오거스크루(11)의 커터헤드(111-1)와 비드스포크(111-2)가 더불어 회전되는 것이며, 그들 전방의 센터커터(111-11)와 메인비트(111-21)들이 오거스크루(11)를 중심으로 회전되는 것에 의거 터널을 시공하고자 하는 곳의 지중을 파고드는 굴착이 이루어진다.
이때, 상기 오거스크루(11)의 회전축(111) 전방으로 관통된 제1관로(111-4)로부터 그라우팅제가 전방분사되어 땅속 공극으로 압입되고, 제2관로(111-5)로부터 전방분사되는 윤활재에 의해 상기 센터커터(111-11)와 메인비트(111-21)들의 절삭 및 파쇄 마찰력이 감소된다.
또한, 상기 전방추진관체(21)의 전방 둘레부위에 구비된 노즐관(212)으로부터는 그라우팅제가 방사상으로 분사되어, 굴착된 터널의 소요 단면 전반의 공극으로 압입된다.
한편, 지반 또는 암반의 특성 및 터널시공계획을 고려하여 상기 쉴드유닛(1)의 전후 위치보정을 이룰 수 있는바, 이는 상기 추진장치(3) 중 제1유압잭(31)을 작동시켜 상기 제1유압잭(31)의 램이 유압에 의해 압출되도록 함으로써 가능하며, 이는 도 5a 및 도 5b를 참조한다.
계속해서, 상술한 바와 같이 상기 쉴드유닛(1)이 지중을 파고드는 작용으로 굴착이 이루어지는바, 그러한 과정에서 절삭 및 파쇄된 굴착토는 상기 쉴드유닛(1)의 레귤레이팅플레이트(111-3) 각 부위에 관통된 토사유입공(111-31)을 통해 적정량이 상기 하우징관체(12) 내부로 지속적으로 유입된 이후 상기 오거스크루(11)에 의해 교반되며 후방으로 밀려나가게 되고 이어서 상기 배출장치(4)의 배출관(41) 안으로 유입된 후 상기 배출스크루(42)에 의해 또 다시 교반되고 후방으로 밀려나는 이송과정을 거쳐 상기한 배출관(41) 외부로 최종 배출된다.
그리고, 상기와 같이 배출되는 굴착토는 미리 배차된 이동대차(t)로 낙하수집되고, 이렇게 상기 이동대차(t)에 적정량의 굴착토가 수집되면 그 이동대차(t)를 정해진 장소로 운반하는 것을 통해 터널굴착으로 생겨난 굴착토를 반출시킬 수 있다.
이어서, 앞서 설명한 바와 같이 굴착이 진행되면 장거리 굴착이 이루어지도록 쉴드유닛(1)을 추진시키는바, 이는 상기 추진장치(3) 중 제2유압잭(32)을 작동시켜 상기 제2유압잭(32)의 램이 유압에 의해 압출되도록 하고, 그로써 상기 바디부(2)의 전방추진관체(21)와 더불어 상기 쉴드유닛(1)가 추진되도록 하는 장치구동 과정의 수행을 통해 이룰 수 있다.
그 과정에서, 상기 전방추진관체(21)의 전방에 배치된 조향장치(23)의 방향을 조정하여 전방추진관체(21)의 추진방향이 전환되도록 하고, 이로써 상기 쉴드유닛(1)의 굴착방향이 더불어 전환되는 것에 의해 곡선구간의 터널굴착이 가능하다. 즉, 상기 조향장치(23)의 조정유압잭(232)들을 선택적으로 작동시켜 해당 조정유압잭(232)의 잭본체로부터 램이 압출되도록 함을 통해 이룰 수 있다.
다음으로, 지금까지 설명한 모든 과정을 통해 터널을 시공하고자 하는 곳의 굴착이 이루어지면, 상기 바디부(2)의 후방추진관체(22) 다음으로 연속해서 터널구조체(도시하지 않음)를 상기 추진기(830)를 이용하여 밀어넣는 것을 통해 터널 복공을 이룰 수 있는바, 즉 본 발명에 의해 굴착된 터널 안으로 강제 또는 철근 콘크리트 세그먼트(segment)를 밀어넣거나 내부에서 조립하는 작업을 통해 완료할 수 있다.
정리하자면, 본 발명에 따른 비개착식 터널 굴착기(A)에 의하면, 특히 상기 쉴드유닛(1)의 전후 위치보정을 통한 상황별 굴착작업이 가능케 됨에 따른 터널굴착 공정효율 향상의 효과와 더불어 상기 오거스크루(11) 채용에 따른 장치의 경량화와 아울러 자중에 의한 쉴드유닛(1) 처짐방지의 효과를 거둘 수 있다.
이와 함께, 상기 전방추진관체(21) 전방에 연계배치된 조향장치(23)를 이용한 바디부(2) 선단의 방향전환 및 이에 따른 상기 쉴드유닛(1)의 동시 방향전환을 통해 곡선 굴착이 가능하고, 또한 상기 추진장치(3)를 이용한 상기 쉴드유닛(1)과 바디부(2)의 유기적 추진에 따른 굴착의 연속으로 장거리 굴착이 가능하여, 결국 터널을 시공하고자 하는 곳의 굴착은 물론이거니와 터널시공의 안정성 확보와 작업효율성을 극대화로 인한 공사기간 및 공사비용의 획기적인 절감 효과를 거둘 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정과 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
A : 터널 굴착기, 1 : 쉴드유닛
2 : 바디부, 3 : 추진장치
4 : 배출장치, 11 : 오거스크루
12 : 하우징관체, 13 : 제1구동모터
21 : 전방추진관체, 22 : 후방추진관체
23 : 조향장치, 31 : 제1유압잭
32 : 제2유압잭, 41 : 배출관
42 : 배출스크루, 43 : 제2구동모터
111 : 회전축, 111-1 : 커터헤드
111-2 : 비트스포크, 111-3 : 레귤레이팅플레이트
111-4 : 제1관로, 111-5 : 제2관로
111-6 : 분기로, 111-7 : 커넥팅베어링
111-11 : 센터커터, 111-21 : 메인비트
111-31 : 토사유입공, 112 : 교반블레이드
121 : 리어플레이트, 121-1 : 연통공
211 : 중접판, 212 : 노즐관
231 : 조향체, 231-1 : 가이드관체
231-2 : 보강판, 232 : 조정유압잭

Claims (10)

  1. 터널을 시공하고자 하는 곳의 땅이나 암석을 파고들도록, 장치 전방에 배치된 상태로 회전구동 및 추진되는 쉴드유닛;
    상기 쉴드유닛을 둘러 감싸는 원통형 구조로써, 상기 쉴드유닛에 의한 터널굴착에 따른 지산의 변형 및 붕괴를 방지하도록 터널의 내벽을 지지하는 바디부;
    상기 쉴드유닛 후방의 상기 바디부 내에 연계설치된 상태로, 상기 쉴드유닛의 전후 위치보정 및 상기 바디부 선단의 추진을 통한 굴착의 연속으로 장거리 굴착이 가능토록 하는 추진장치; 및,
    상기 쉴드유닛에 의한 굴착으로 생겨난 굴착토를 교반하고 상기 바디부의 후방으로 이송시키는 배출장치;를 포함하여 구성되고,

    상기 쉴드유닛은, 지반과 암반의 절삭 및 파쇄와 함께 그로써 생겨난 굴착토를 교반하고 후방으로 밀어낼 수 있는 오거스크루와, 상기 오거스크루를 둘러 감싸, 상기 오거스크루에 의한 굴착토의 교반과 이송을 관장하는 내부공간이 마련되도록 한 하우징관체와, 상기 오거스크루의 후단부에 연계장착된 상태에서의 회전구동으로 발생된 회전력을 상기 오거스크루에 전달하는 제1구동모터로 구성되고, 상기 오거스크루는, 상기 제1구동모터 회전구동에 따라 회전하는 회전축과, 상기 회전축 둘레에 길이방향을 따라 나선형 궤도를 갖도록 돌출형성됨으로써 상기 회전축 회전시 상기 하우징관체 내측으로 유입된 굴착토를 교반함과 동시에 후방으로 밀어내는 교반블레이드로 구성되며,
    상기 회전축의 선단부에는, 땅속을 파고드는 커터헤드가 형성되고, 상기 커터헤드의 전방에는 지반과 암반의 절삭 및 파쇄가 용이토록 앞쪽이 뾰족한 형태의 센터커터가 돌출되며, 상기 커터헤드 다음의 상기 회전축 일 둘레부로부터는, 터널의 소요 단면 굴착을 위한 메인비트들이 전방에 돌출된 다수의 비트스포크가 형성되되, 각각의 상기 비트스포크는 상기 회전축을 중심으로 하여 방사형으로 뻗어나간 구조를 이루고, 상기 비트스포크 다음의 상기 회전축 다른 일 둘레부로부터는, 상기 센터커터 및 상기 메인비트들에 의해 절삭 및 파쇄된 절삭토의 상기 하우징관체 내 과다유입을 방지하는 레귤레이팅플레이트가 구비되되, 상기 레귤레이팅플레이트의 미리 정한 각 부위에는 일정량의 절삭토가 상기 하우징관체 내부로 지속유입될 수 있도록 한 토사유입공들이 관통되며,
    상기 회전축에는, 지반 개량이나 용수의 방지를 목적하여 땅속 공극으로의 그라우팅제 전방분사를 위한 제1관로와, 상기 센터커터 및 상기 메인비트들에 의한 지반 또는 암반 절삭 및 파쇄시의 마찰력 감소를 위한 윤활재 전방분사를 위하는 제2관로가 형성되되, 상기 제1관로 및 상기 제2관로는, 상기 회전축의 후단부 둘레면 각 부위를 개별관통한 상태로 시작된 반면, 상기 회전축 내부에서는 이중관의 형태로 길이방향을 따라 형성됨으로써, 상기 커터헤드의 전면 중앙부위를 동시 관통하는 구조를 가짐을 특징으로 하는 비개착식 터널 굴착기.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 바디부는, 상기 쉴드유닛을 둘러 감싸도록 전방에 배치되는 한편, 상기 추진장치에 의해 상기 쉴드유닛과 연계한 유기적 추진에 따른 전방이동으로 터널의 전방 내벽을 지지케 된 전방추진관체와,
    상기 전방추진관체의 후방으로부터 연이어 배치되는 한편, 상기 추진장치와 상기 배출장치의 내재수용 및 연계장착과 더불어 별도 추진기에 의한 전방이동으로 상기 전방추진관체와 밀착하도록 추진된 상태로 터널의 후방 내벽을 지지케 된 후방추진관체와,
    상기 전방추진관체의 전방에 연계배치된 상태로, 상기 쉴드유닛의 굴착방향 전환이 가능한 조향장치로 구성되고,
    상기 전방추진관체의 후방 끝단부에는, 상기 후방추진관체 일부위를 둘러 감싸 상기 전방추진관체와 상기 후방추진관체가 이어지는 부위의 틈새형성을 방지하는 중접판이 일체로 더 연장되며,
    상기 전방추진관체의 일부위에는, 상기 쉴드유닛에 의해 굴착된 터널 내벽 전체로 고르게 압입되도록 다수 부위로부터 그라우팅제를 분사하는 노즐관이 더 구비됨을 특징으로 하는 비개착식 터널 굴착기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배출장치는, 상기 교반블레이드에 의해 상기 하우징관체 후방으로 밀려나는 굴착토의 내부유입 및 이송안내를 위해 상기 하우징관체로부터 이어지는 배출관과,
    상기 배출관 내부에서의 회전구동으로 굴착토를 교반하고 후방으로 밀어내는 배출스크루와,
    상기 배출스크루의 후단부에 연계장착된 상태로 회전구동하고, 그 회전구동으로 발생된 회전력을 상기 배출스크루에 전달하는 제2구동모터로 구성됨을 특징으로 하는 비개착식 터널 굴착기.
  5. 삭제
  6. 제3항에 있어서,
    상기 추진장치는, 상기 전방추진관체의 후단부와 근접한 부위에 잭본체가 고정결합되고, 상기 잭본체로부터 유압에 의해 압출되는 램이 상기 쉴드유닛의 후단부에 연결결합되는 한편, 상기 램 압출에 따른 상기 쉴드유닛의 전후 위치보정이 가능토록 한 제1유압잭과,
    상기 후방추진관체의 후단부와 근접한 부위에 잭본체가 고정결합되고, 상기 잭본체로부터 유압에 의해 압출되는 램이 상기 전방추진관체의 후단부에 연결결합되는 한편, 상기 램 압출에 따른 상기 전방추진관체의 추진이 가능토록 하는 다수의 제2유압잭으로 구성됨을 특징으로 하는 비개착식 터널 굴착기.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 조향장치는, 상기 전방추진관체 전방에 연이어 배치되는 원통형의 조향체와,
    상기 조향체 방향조정에 따른 상기 전방추진관체의 추진방향 전환으로, 상기 쉴드유닛의 굴착방향 전환이 가능토록 한 다수의 조정유압잭으로 구성됨을 특징으로 하는 비개착식 터널 굴착기.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하우징관체는, 상기 레귤레이팅플레이트의 후단부와 근접한 위치로부터 시작해서 상기 교반블레이드 전체가 내재수용될 수 있도록 상기 회전축의 후단부 근접한 부위까지의 범위를 갖는 원통형 관체로써,
    후방 끝단에는, 굴착토의 무단방출 방지를 위한 내부공간 차폐와 더불어 상기 회전축 후단부의 지지고정을 위한 리어플레이트가 일체로 결합되고,
    상기 회전축 둘레면에 닿는 상기 리어플레이트의 중앙 관통부에는, 상기 회전축의 회전을 원활히 하는 볼베어링이 구비됨을 특징으로 하는 비개착식 터널 굴착기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1관로 및 상기 제2관로가 관통된 상기 회전축의 후단부 둘레면 각 부위에는, 그라우팅제 및 윤활재의 공급호스 연결이 가능토록 상기 회전축 회전시에도 무회전상태를 유지케 되는 복수의 커넥팅베어링이 더 조립됨을 특징으로 하는 비개착식 터널 굴착기.
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