KR102105255B1 - 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 ｔｂｍ의 미량 폼 주입장치, 그 주입장치를 이용한 토압식 ｔｂｍ 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치 및 시험방법 - Google Patents
피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 ｔｂｍ의 미량 폼 주입장치, 그 주입장치를 이용한 토압식 ｔｂｍ 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치 및 시험방법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치, 그 주입장치를 이용한 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치 및 시험방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 압축공기를 토출시키는 압축기와, 압축공기 이송관 일측에 구비되어 압축공기의 주입량을 실시간으로 측정하는 질량유량계를 갖는 공기공급부; 폼제와 물이 혼합된 폼 용액의 유량을 제어하여 토출시키는 피스톤 펌프와, 폼 용액이송관 일측에 구비되어 유량을 측정하는 제1유량계를 갖는 폼 용액공급부; 및 상기 공기공급부에서 발생된 압축공기가 유입되는 압축공기유입구와, 상기 폼 용액공급부에서 발생된 폼 용액이 유입되는 폼 용액유입구를 갖는 실린더와, 상기 실린더 내에 구비되는 복수의 구슬을 포함하여, 버블상태의 폼을 상기 토압균형식 TBM 모사 시험장비로 주입시키는 폼 건;을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치에 관한 것이다.
Description
본 발명은 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치, 그 주입장치를 이용한 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치 및 시험방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 피스톤 펌프를 이용하여 폼발생 및 미량제어가 가능하여 정확한 폼 배합설계가 가능한 시험장치에 대한 것이다.
터널 굴착 공법은 크게 NATM(New Austrian Tunnelling Method)으로 대표되는 재래식 터널 공법(conventional tunnelling method)과 Open 및 Shield TBM(Tunnel Boring Machine) 공법으로 대표되는 기계화 터널 공법(mechanized tunnelling method)로 구분된다. 기존 재래식 터널 공법은 인건비, 시공기간 상의 문제 및 안전상의 문제가 많았다.
이러한 문제점을 해소하기 위하여 기계화 터널 공법이 많이 이용되고 있는 실정이다. 기계화터널 공법은 원형의 단면으로 굴착되므로 역학적으로 안정하고, 무진동, 무발파의 굴착이므로 지반변형을 최소화함으로써 안정성 확보 및 소음, 진동을 최소화할 수 있는 친환경적 터널 굴착 공법이다.
따라서 최근 터널 및 지하공간의 굴착은 작업자의 안정성 증대, 소음 및 진동으로 인한 민원 감소, 공기 및 공비의 감소 등을 목적으로 기존의 발파공법을 대체하여 지하철, 전력구, 통신구 터널 등을 중심으로 TBM에 의한 기계화 시공이 크게 증가하고 있는 추세이다. 도 1은 TBM(tunnel boring machine)(1)을 이용한 터널 시공 개념도를 도시한 것이다.
일반적으로 터널공사에서 발파공법은 소음, 진동 및 굴착 후 변형에 대하여 신속하게 대처하기 어렵다. 하지만 TBM은 저소음, 무진동으로 도심지 및 연약지반, 하천하부등 여러지반에 적용이 가능하며 둘레가 날카로운 강철재 날인 원통을 막장에 압입시켜 원통내부를 굴착하는 방식으로 터널을 시공하게 된다.
그러나, 터널 보어링 머신을 이용하여 터널을 굴착하는 공정은 지반의 다양한 상태에 따라 예견치 못하는 안전사고가 발생되기도 하고, 굴착이 중단되어 터널 굴착에 소요되는 비용이 급격히 증가하는 문제가 발생된다. 더욱이, 최근 터널의 장대화 추세에 따라 공사 공정 중에 보다 빈번하게 문제점이 발생되고 있다.
이와 같은 문제를 해소하기 위하여, 터널 보어링 머신에 의한 굴착 공정을 수치해석으로 사전에 모사하고자 하는 시도가 있었다. 그러나, 수치해석에 의해서는 지반의 암반 물성과 구조물의 형상을 환산하여 현지의 상태를 재현하는 데 한계가 있으므로, 정확도가 낮은 문제가 있었다. 터널 보어링 머신에 의한 굴착 공정을 보다 정확하게 분석하여, 실제로 터널 공사를 하는 모든 공정을 예측할 수 있고, 예측 결과를 토대로 터널 보어링 머신의 굴진 시의 작동 조건을 각 구간별로 제어함으로써, 보다 안전하면서도 신속하게 터널을 시공할 수 있도록 하는 필요성이 절실히 대두되고 있다.
또한, 토압균형식(EPB, Earth Pressure Balance) TBM의 경우, 막장압력유지, 굴착과 배토의 원활, 커팅툴(디스크 커터 또는 커터비트) 마모의 최소화 등을 위해 폼제(Foam agent), 물, 공기를 배합한 거품형태의 폼을 굴착면과 챔버 등에 주입하게 된다. 도 2는 토사지반 TBM의 폼 분사 전경을 나타낸 사진을 도시한 것이다. 도 3은 폼 배합에 따른 TBM굴진속도 변화 그래프를 도시한 것이다. 도 4는 TBM 폼에 따른 배토상태 변화 사진을 나타낸 것이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 지반 특성별로 폼제, 물, 공기의 폼 배합에 따라 TBM 굴진속도 및 장비의 부하정도에 영향을 미치게 된다.
토압균형식 TBM에서는 굴착과 배토를 용이하게 하기 위하여, 폼(Foam)을 막장에 투입하여 시료(토사)를 굴착하게 된다. 이러한 폼은 폼제와 물과 공기가 배합되어 구성되며, 폼 전체에 대한 폼제의 농도, 물과 공기의 배합비, 폼과 굴착지반면적의 비율 들의 다양한 인자를 가지고 해당 인자들의 변화에 따라 굴진성능에 큰 차이를 보이게 된다.
도 5는 상용 TBM 장비 폼 발생장치 사진을 나타낸 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 상용 TBM 장비 폼 발생장치는 폼을 발생시켜 TBM 굴착 중 분사하거나 상용 변수에 맞춰 계산된 일정량을 채취 후 시료와 교반하여 사용(실험)하고 있음을 알 수 있다. 그러라 이러한 종래기술은 미세-미량 폼발생이 불가하며, 최소 조절가능 폼 유량이 매우 커(약 40LPM) 시험용 장비에 실시간으로 적당량 주입이 불가능하고, 해당 장비 이용시 굴착 중에 폼이 분사되는 것이 아닌 시료에 폼을 대기압 상태에서 교반하는 것으로 실제 TBM을 모사하는 것이 불가(배합설계인자 최적값 산정불가)한 문제가 존재한다.
도 6은 Pennsylvania State University에서 사용하고 있는 폼 발생장치 사진을 나타낸 것이다. 도 6의 폼 발생장치는 일정 비율로 분사된 폼을 분사시킬 수 있으나, 미세-미량 폼 발생이 불가하며, 공기/폼 용액의 비율인 발포비율(FER, Foam Expansion Ratio)을 조정하여 폼을 발생시킬 있으나, 굴진속도에 맞춰 폼을 주입하고 있지는 않다(주입비율에 맞춤양을 시료와 교반).
따라서 폼의 최적 배합비를 측정하는 것을 매우 중요함에도 종래에는 폼과 관련된 실험은 폼을 섞은 시료에 대해 슬럼프 시험을 하는 것이 전부로, 이는 그 저 대기압 상태하에서 수행되기 때문에 실제 TBM 챔버(압력상태) 내에서의 폼이 혼합된 시료와는 상태 자체가 달라 최적의 폼 배합비를 찾을 수 없는 문제점이 존재한다.
폼 배합에 따라 TBM 성능(굴착속도, 커팅툴 마모, TBM 장비추력/토크 등) 예측을 위해서는 실제 TBM의 폼 상태와 일치하는 균질한 폼을 발생시킬 수 있고, 변수에 따라 그 양을 정확히 조절할 수 있는 미량의 폼 배합발생 및 조절장치가 필요하다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 실시예에 따르면, 토압 균형식(EPB, Earth Pressure Balance) TBM에서 지반특성에 맞는 정확한 폼 배합설계가 가능한 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치 및 시험방법를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 지반특성에 따른 최적 폼 배합(배합비, 주입량 및 폼 버블 상태 등)을 결정하여 TBM 운영효율 향상이 가능하고, TBM 커터헤드(Cutterhead) 토크, 스크류 컨베이어 토크 등 장비 부하를 최소화할 수 있으며, 커팅툴(Ripper, Scraper 등) 마모를 최소화할 수 있고, 원활한 굴진면 압력유지에 따른 지반침하를 최소화할 수 있는, 토압균형식 TBM을 모사한 시험장비에 미량의 폼을 정확한 양만큼 분사하여 실제 TBM과 같은 굴착상태를 모사하여 정확한 폼 배합설계가 가능한 시험장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1목적은, 토압균형식 TBM 모사 시험장비로 폼을 주입시키기 위한 장치에 있어서, 압축공기를 토출시키는 압축기와, 압축공기 이송관 일측에 구비되어 압축공기의 주입량을 실시간으로 측정하는 질량유량계를 갖는 공기공급부; 폼제와 물이 혼합된 폼 용액의 유량을 제어하여 토출시키는 피스톤 펌프와, 폼 용액이송관 일측에 구비되어 유량을 측정하는 제1유량계를 갖는 폼 용액공급부; 및 상기 공기공급부에서 발생된 압축공기가 유입되는 압축공기유입구와, 상기 폼 용액공급부에서 발생된 폼 용액이 유입되는 폼 용액유입구를 갖는 실린더와, 상기 실린더 내에 구비되는 복수의 구슬을 포함하여, 버블상태의 폼을 상기 토압균형식 TBM 모사 시험장비로 주입시키는 폼 건;을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치로서 달성될 수 있다.
그리고 상기 공기공급부는 상기 압축공기의 유량을 0.3 ~ 8.25LPM 범위에서 조절하는 공기조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 질량유량계와 상기 압축공기유입구 사이의 압축공기이송관 일측에 구비되어 압축공기의 역류를 방지하는 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 폼 용액공급부는 상기 피스톤 펌프의 구동을 제어하여 폼 용액 유량을 10cc/min ~ 3000cc/min 범위에서 조절하는 구동제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 피스톤 펌프에서 토출되는 폼 용액의 유량을 실시간으로 측정하는 제1유량계와, 압력을 실시간으로 측정하는 제1압력계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 폼 건의 실린더는 투명하고 탈부착 가능하도록 구성되며, 상기 실린더 내의 구슬의 교체가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 폼 건과 상기 토압균형식 TBM 모사 시험장비 사이의 폼 주입관 일측에 구비되어 주입되는 폼의 압력을 실시간으로 측정하는 제2압력계와 유량을 실시간으로 측정하는 제2유량계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
그리고 상기 질량유량계, 상기 제1압력계, 상기 제1유량계, 상기 제2유량계, 상기 제2유량계에서 측정된 측정값을 모니터링하는 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 모니터링부와 연결되어, 상기 측정값을 기반으로 상기 공기조절부와 상기 구동제어부를 제어하여, 설정된 배합비율에 부합되도록 압축공기의 유량과 폼 용액의 유량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제2목적은 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치에 있어서, 앞서 언급한 제 1목적에 따른 폼 주입장치; 및 시험시료인 토사가 내부에 구비되는 토사챔버와, 상기 시험시료를 굴착하기 위한 커팅툴과, 상기 시험시료측으로 상기 폼 주입장치에서 발생된 폼이 분사되는 폼분사부와, 상기 커팅툴을 회전 구동시키는 회전구동부를 갖는 토압균형식 TBM 모사 시험장비;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치로서 달성될 수 있다.
그리고 토압균형식 TBM 모사 시험장비에 의한 전단강도측정, 굴진성능평가 시험중, 상기 폼 주입장치에 의해 상기 시험시료 측으로 폼이 주입되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한 상기 토압균형식 TBM 모사 시험장비에 의한 슬럼프 시험, 베인 시험을 통해 지반특성에 맞는 최적 폼 배합비를 도출하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 제3목적은 앞서 언급한 제2목적에 따른 시험장치를 이용한, 최적 폼 배합설계를 위한 시험방법에 있어서, 시험 시료의 종류를 결정하는 단계; 폼 배합변수를 설정하는 단계; 상기 폼 배합변수에 맞게 폼 주입장치를 통해 폼을 발생시키는 단계; 토압균형식 TBM 모사 시험장비에 의한 시험 중 상기 폼이 주입되는 단계; 및 슬럼프 시험, 베인 시험을 통해 지반특성에 맞는 최적 폼 배합비를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험방법으로서 달성될 수 있다.
그리고 폼을 발생시키는 단계는, 공기공급부의 압축기가 압축공기를 토출시키고 공기조절부에 의해 조절되어 설정된 배합변수에 맞는 압축공기가 발생되고, 폼 용액공급부의 구동제어부가 피스톤 펌프를 제어하여 폼제와 물이 혼합된 폼 용액의 유량이 제어되어 폼 용액이 발생되는 단계; 및 상기 공기공급부에서 발생된 압축공기가 폼 건의 실린더 내로 유입되고 상기 폼 용액공급부에서 발생된 폼 용액이 실린더 내로 유입되어, 상기 실린더 내에 구비되는 복수의 구슬을 통과하며 버블상태의 폼이 발생되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험방법으로서 달성될 수 있다.
또한 제어부가 폼 주입장치의 질량유량계, 제1압력계, 제1유량계, 제2유량계, 제2유량계에서 측정된 측정값을 기반으로 상기 공기조절부와 상기 구동제어부를 제어하여, 설정된 배합비율에 부합되도록 압축공기의 유량과 폼 용액의 유량을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치 및 시험방법에 따르면, 토압 균형식(EPB, Earth Pressure Balance) TBM에서 지반특성에 맞는 정확한 폼 배합설계가 가능한 효과를 갖는다.
본 발명의 실시예에 록 토압균형식 TBM을 모사한 시험장비에 미량의 폼을 정확한 양만큼 분사하여 실제 TBM과 같은 굴착상태를 모사하여 정확한 폼 배합설계가 가능한 시험장치에 따른면, 지반특성에 따른 최적 폼 배합(배합비, 주입량 및 폼 버블 상태 등)을 결정하여 TBM 운영효율 향상이 가능하고, TBM 커터헤드(Cutterhead) 토크, 스크류 컨베이어 토크 등 장비 부하를 최소화할 수 있으며, 커팅툴(Ripper, Scraper 등) 마모를 최소화할 수 있고, 원활한 굴진면 압력유지에 따른 지반침하를 최소화할 수 있는 효과를 갖는다.
한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 TBM 터널 시공의 개념도,
도 2는 토사지반 TBM의 폼 분사 전경을 나타낸 사진,
도 3은 폼 배합에 따른 TBM굴진속도 변화 그래프,
도 4는 TBM 폼에 따른 배토상태 변화 사진
도 5는 상용 TBM 장비 폼 발생장치 사진
도 6은 Pennsylvania State University에서 사용하고 있는 폼 발생장치 사진,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치의 블록도
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치의 구성도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치의 구성도
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름에 따른 블록도,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 1은 TBM 터널 시공의 개념도,
도 2는 토사지반 TBM의 폼 분사 전경을 나타낸 사진,
도 3은 폼 배합에 따른 TBM굴진속도 변화 그래프,
도 4는 TBM 폼에 따른 배토상태 변화 사진
도 5는 상용 TBM 장비 폼 발생장치 사진
도 6은 Pennsylvania State University에서 사용하고 있는 폼 발생장치 사진,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치의 블록도
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치의 구성도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치의 구성도
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 신호흐름에 따른 블록도,
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험방법의 흐름도를 도시한 것이다.
이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.
본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.
본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치(1)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치(1)의 블록도를 도시한 것이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치(1)는 전체적으로 미량 유량제어가 가능한 폼 주입장치(100)와, 토압균형식 TBM 모사 시험장비(40)를 포함하여 구성될 수 있다.
폼 주입장치(100)는 토압균형식 TBM 모사 시험장비(40)로 배합설계에 부합되는 폼 을 주입시키기 위한 것으로 공기공급부(10)와, 폼 용액공급부(20)와, 폼 건(gun)을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 공기공급부(10)는 압축기(11), 공기조절부(12), 질량유량계(13), 압축공기 유량을 실시간으로 디스플레이하는 표시부(15), 체크밸브(16)를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 폼 용액공급부(20)는 피스톤 펌프(21)와, 피스톤 펌프(21)의 피스톤을 구동시키기 위해 서보모터 등으로 구성된 구동제어부(22)와, 제1압력계(23), 제1유량계(24)를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 폼 건은 투명 실린더와 실린더 내에 구비되는 복수의 구슬을 포함하여, 압축공기과 폼 용액이 유입되어 버블 형태의 폼을 발생시키도록 구성된다.
또한, 토압균형식 TBM 모사 시험장비(40)는 실제 토압균형식 TBM을 모사할 수 있도록, 시험시료(42)인 토사가 저장되는 토사챔버(41)와, 시험시료(42)를 굴착하기 위한 커팅툴(43), 커팅툴(43) 일측에 구비되어 시험시료(42) 측으로 폼 주입장치(100)에서 발생된 폼이 분사되는 폼 분사부(44), 커팅툴(43)에 의해 시험시료(42)가 굴착되도록 커팅툴(43)을 회전구동시키는 회전구동부(45)와, 굴착 진행중 전단강도를 측정하는 전단강도측정부(46)와, 토압을 실시간으로 측정하는 토압측정부(47) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치(100)의 구성도를 도시한 것이다. 공기공급부(10)는 도 8에 도시된 바와 같이, 압축공기를 토출시키는 압축기(11)와, 압축공기 이송관(14) 일측에 구비되어 압축공기의 주입량을 실시간으로 측정하는 질량유량계(13)를 포함하여 구성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 일반유량계가 아닌 질량유량계(13)를 통해 온도, 압력에 따라 부피가 달라지는 공기 주입량에 대한 정확한 측정이 가능하다. 또한, 공기공급부(10)는 압축공기의 유량을 0.3 ~ 8.25LPM 범위에서 조절하는 공기조절부(12)(Air regulator)를 포함하여 구성된다.
또한 질량유량계(13)와 상기 압축공기유입구 사이의 압축공기이송관(14) 일측에 구비되어 압축공기의 역류를 방지하는 체크밸브(16)를 포함하여 구성된다.
본 발명의 실시예에 따른 폼 용액공급부(20)는 폼제와 물이 혼합된 폼 용액의 유량을 제어하여 토출시키는 피스톤 펌프(21)와, 폼 용액이송관(25) 일측에 구비되어 유량을 실시간으로 측정하는 제1유량계(24)와, 압력을 실시간으로 측정하는 제1압력계(23)를 포함하여 구성될 수 있다. 피스톤 펌프(21)는 도 9에 도시된 바와 같이, 실린더와 피스톤을 포함하며 피스톤의 이동을 구동제어하는 서보모터 등으로 구성됨 구동제어부(22)를 포함하여 구성된다. 그리고 구동제어부(22)는 피스톤 펌프(21)의 구동을 제어하여 폼 용액 유량을 10cc/min ~ 3000cc/min 범위에서 조절하게 된다. 따라서 미량제어가 가능한 피스톤 펌프(21)를 통해 작은 사이즈의 토압식 TBM 모사 시험장비(40)에도 적합한 초미량 폼 제어가 가능하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 폼 건은 실린더로 구성되며 이러한 실린더에는 공기공급부(10)에서 발생된 압축공기가 유입되는 압축공기유입구와, 폼 용액공급부에서 발생된 폼 용액이 유입되는 폼 용액유입구, 발생된 버블형태의 폼이 토출되는 폼 토출부를 포함하여 구성된다.
또한, 이러한 실린더 내에 구비되는 복수의 구슬을 포함하여, 버블상태의 폼을 토압균형식 TBM 모사 시험장비(40)로 주입시키게 된다.
그리고 폼 건의 실린더는 투명하여 정상발생여부를 실시간으로 확인할 수 있으며 탈부착 가능하도록 구성되어 다양한 사이즈로의 교체가 가능하다. 실린더 내의 구슬 역시 다양한 사이즈로 교체가 가능하도록 구성된다. 따라서 지반에 맞는 실린더, 구슬 교체를 통한 폼 버블 상태(사이즈, 거품발생정도) 및 주입량을 조절할 수 있다.
그리고 폼 건과 상기 토압균형식 TBM 모사 시험장비(40) 사이의 폼 주입관 일측에 제2압력계(37)가 구비되어 주입되는 폼의 압력을 실시간으로 측정할 수 있으며, 제2유량계(38)가 구비되어 주입되는 폼의 유량을 실시간으로 측정할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치(1)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 제어부(60)의 신호흐름에 따른 블록도를 도시한 거싱다. 또한, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험방법의 흐름도를 도시한 것이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 폼 주입장치(100)에 의해 발생된 폼은 토압균형식 TBM 모사 시험장비(40) 측으로 주입되게 된다. 도 9에 도시된 바와 같이, 토압균형식 TBM 모사 시험장비(40)는 시험시료(42)인 토사가 내부에 구비되는 토사챔버(41)와, 시험시료(42)를 굴착하기 위한 커팅툴(43)과, 시험시료(42)측으로 상기 폼 주입장치(100)에서 발생된 폼이 분사되는 폼분사부(44)와, 커팅툴(43)을 회전 구동시키는 회전구동부(45) 등을 포함하여 구성될 수 있다.
그리고 도 10에 도시된 바와 같이, 모니터링부(50)는 질량유량계(13), 상기 제1압력계(23), 상기 제1유량계(24), 상기 제2유량계(38), 상기 제2유량계(38)에서 측정된 측정값을 모니터링하도록 구성된다. 따라서 이러한 모니터링부(50)를 통해 압축공기의 유량, 폼 용액의 유량, 폼의 유량을 실시간으로 확인할 수 있게 된다.
또한, 제어부(60)는 모니터링부(50)와 연결되어, 측정값을 기반으로 상기 공기조절부(12)와 상기 구동제어부(22)를 제어하여, 설정된 배합비율에 부합되도록 압축공기의 유량과 폼 용액의 유량을 제어하게 된다.
즉, 모니터링부(50)에서 전달받은 측정값을 바탕으로 설정한 배합비율에 맞게 압축공기 및 폼 용액의 유량을 자동제어하게 되며, 폼 배합변수인 FIR, FER 입력시 시험장비(40)의 굴진속도와 연계하여 정확한 압축공기 및 폼 용액 주입이 가능하도록 제어한다. 또한, 굴진속도의 변화에 따른 실시간 주입량 변경이 가능하도록 제어한다. 그리고 토압균형식 TBM 모사 시험장비(40)에 의한 슬럼프 시험, 베인 시험을 통해 지반특성에 맞는 최적 폼 배합비를 도출하게 된다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험방법의 흐름도를 도시한 것이다. 최적 폼 배합설계를 위한 시험방법은 먼저 시험 시료(42)의 종류를 결정한다(S1).
그리고 폼 배합변수인 FIR, FER을 설정, 입력하게 된다(S2).
그리고 폼 배합변수에 맞게 폼 주입장치(100)를 통해 폼을 발생시키게 된다(S3). 즉 공기공급부(10)의 압축기(11)가 압축공기를 토출시키고 공기조절부(12)에 의해 조절되어 설정된 배합변수에 맞는 압축공기가 발생되고, 폼 용액공급부(20)의 구동제어부(22)가 피스톤 펌프(21)를 제어하여 폼제와 물이 혼합된 폼 용액의 유량이 제어되어 폼 용액이 발생되게 된다. 그리고 공기공급부(10)에서 발생된 압축공기가 폼 건의 실린더 내로 유입되고 상기 폼 용액공급부(20)에서 발생된 폼 용액이 실린더 내로 유입되어, 실린더 내에 구비되는 복수의 구슬을 통과하며 버블상태의 폼이 발생되게 된다.
그리고 발생된 폼은 토압균형식 TBM 모사 시험장비(40)로 유입되어 시험시료(42) 측으로 분사되게 된다(S4). 그리고 슬럼프 시험, 베인 시험(S5)을 통해 지반특성에 맞는 최적 폼 배합비를 도출하게 된다(S6)
또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.
1:토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치
10:공기공급부
11:압축기
12:공기조절부
13:질량유량계
14:압축공기이송관
15:표시부
16:체크밸브
20:폼 용액공급부
21:피스톤 펌프
22:구동제어부
23:제1압력계
24:제1유량계
25:폼 용액이송관
30:폼 건
31:압축공기유입구
32:폼 용액유입구
33:폼 토출부
34:실린더
35:수슬
36:폼 주입관
37:제2압력계
38:제2유량계
40:토압식 TBM 모사 시험장비
41:토사챔버
42:시험시료
43:커팅툴
44:폼 분사부
45:회전구동부
46:전단강도측정부
47:토압측정부
50:모니터링부
60:제어부
100:피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치
10:공기공급부
11:압축기
12:공기조절부
13:질량유량계
14:압축공기이송관
15:표시부
16:체크밸브
20:폼 용액공급부
21:피스톤 펌프
22:구동제어부
23:제1압력계
24:제1유량계
25:폼 용액이송관
30:폼 건
31:압축공기유입구
32:폼 용액유입구
33:폼 토출부
34:실린더
35:수슬
36:폼 주입관
37:제2압력계
38:제2유량계
40:토압식 TBM 모사 시험장비
41:토사챔버
42:시험시료
43:커팅툴
44:폼 분사부
45:회전구동부
46:전단강도측정부
47:토압측정부
50:모니터링부
60:제어부
100:피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치
Claims (15)
- 토압균형식 TBM 모사 시험장비로 폼을 주입시키기 위한 장치에 있어서,
압축공기를 토출시키는 압축기와, 압축공기 이송관 일측에 구비되어 압축공기의 주입량을 실시간으로 측정하는 질량유량계를 갖는 공기공급부;
폼제와 물이 혼합된 폼 용액의 유량을 제어하여 토출시키는 피스톤 펌프와, 폼 용액이송관 일측에 구비되어 유량을 측정하는 제1유량계를 갖는 폼 용액공급부; 및
상기 공기공급부에서 발생된 압축공기가 유입되는 압축공기유입구와, 상기 폼 용액공급부에서 발생된 폼 용액이 유입되는 폼 용액유입구를 갖는 실린더와, 상기 실린더 내에 구비되는 복수의 구슬을 포함하여, 버블상태의 폼을 상기 토압균형식 TBM 모사 시험장비로 주입시키는 폼 건;을 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치.
- 제 1항에 있어서,
상기 공기공급부는 상기 압축공기의 유량을 0.3 ~ 8.25LPM 범위에서 조절하는 공기조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치.
- 제 2항에 있어서,
상기 질량유량계와 상기 압축공기유입구 사이의 압축공기이송관 일측에 구비되어 압축공기의 역류를 방지하는 체크밸브를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치.
- 제 2항에 있어서,
상기 폼 용액공급부는 상기 피스톤 펌프의 구동을 제어하여 폼 용액 유량을 10cc/min ~ 3000cc/min 범위에서 조절하는 구동제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치.
- 제 4항에 있어서,
상기 피스톤 펌프에서 토출되는 폼 용액의 유량을 실시간으로 측정하는 제1유량계와, 압력을 실시간으로 측정하는 제1압력계를 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치.
- 제 5항에 있어서,
상기 폼 건의 실린더는 투명하고 탈부착 가능하도록 구성되며, 상기 실린더 내의 구슬의 교체가 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 폼 건과 상기 토압균형식 TBM 모사 시험장비 사이의 폼 주입관 일측에 구비되어 주입되는 폼의 압력을 실시간으로 측정하는 제2압력계와 유량을 실시간으로 측정하는 제2유량계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치.
- 제 7항에 있어서,
상기 질량유량계, 상기 제1압력계, 상기 제1유량계, 상기 제2유량계에서 측정된 측정값을 모니터링하는 모니터링부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치.
- 제 8항에 있어서,
상기 모니터링부와 연결되어, 상기 측정값을 기반으로 상기 공기조절부와 상기 구동제어부를 제어하여, 설정된 배합비율에 부합되도록 압축공기의 유량과 폼 용액의 유량을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 TBM의 미량 폼 주입장치.
- 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치에 있어서,
제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 폼 주입장치; 및
시험시료인 토사가 내부에 구비되는 토사챔버와, 상기 시험시료를 굴착하기 위한 커팅툴과, 상기 시험시료측으로 상기 폼 주입장치에서 발생된 폼이 분사되는 폼분사부와, 상기 커팅툴을 회전 구동시키는 회전구동부를 갖는 토압균형식 TBM 모사 시험장비;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치.
- 제 10항에 있어서,
토압균형식 TBM 모사 시험장비에 의한 전단강도측정, 굴진성능평가 시험중, 상기 폼 주입장치에 의해 상기 시험시료 측으로 폼이 주입되는 것을 특징으로 하는 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치.
- 제 11항에 있어서,
상기 토압균형식 TBM 모사 시험장비에 의한 슬럼프 시험, 베인 시험을 통해 지반특성에 맞는 최적 폼 배합비를 도출하는 것을 특징으로 하는 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치.
- 제 11항에 따른 시험장치를 이용한, 최적 폼 배합설계를 위한 시험방법에 있어서,
시험 시료의 종류를 결정하는 단계;
폼 배합변수를 설정하는 단계;
상기 폼 배합변수에 맞게 폼 주입장치를 통해 폼을 발생시키는 단계;
토압균형식 TBM 모사 시험장비에 의한 시험 중 상기 폼이 주입되는 단계; 및
슬럼프 시험, 베인 시험을 통해 지반특성에 맞는 최적 폼 배합비를 도출하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험방법.
- 제 13항에 있어서,
상기 폼을 발생시키는 단계는,
공기공급부의 압축기가 압축공기를 토출시키고 공기조절부에 의해 조절되어 설정된 배합변수에 맞는 압축공기가 발생되고, 폼 용액공급부의 구동제어부가 피스톤 펌프를 제어하여 폼제와 물이 혼합된 폼 용액의 유량이 제어되어 폼 용액이 발생되는 단계; 및
상기 공기공급부에서 발생된 압축공기가 폼 건의 실린더 내로 유입되고 상기 폼 용액공급부에서 발생된 폼 용액이 실린더 내로 유입되어, 상기 실린더 내에 구비되는 복수의 구슬을 통과하며 버블상태의 폼이 발생되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험방법.
- 제 14항에 있어서,
제어부가 폼 주입장치의 질량유량계, 제1압력계, 제1유량계, 및 제2유량계에서 측정된 측정값을 기반으로 상기 공기조절부와 상기 구동제어부를 제어하여, 설정된 배합비율에 부합되도록 압축공기의 유량과 폼 용액의 유량을 제어하는 것을 특징으로 하는 토압식 TBM 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180151005A KR102105255B1 (ko) | 2018-11-29 | 2018-11-29 | 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 ｔｂｍ의 미량 폼 주입장치, 그 주입장치를 이용한 토압식 ｔｂｍ 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치 및 시험방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180151005A KR102105255B1 (ko) | 2018-11-29 | 2018-11-29 | 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 ｔｂｍ의 미량 폼 주입장치, 그 주입장치를 이용한 토압식 ｔｂｍ 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치 및 시험방법 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102105255B1 true KR102105255B1 (ko) | 2020-04-28 |
Family
ID=70456033
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180151005A KR102105255B1 (ko) | 2018-11-29 | 2018-11-29 | 피스톤 펌프를 이용한 토압균형식 ｔｂｍ의 미량 폼 주입장치, 그 주입장치를 이용한 토압식 ｔｂｍ 모사 최적 폼 배합설계를 위한 시험장치 및 시험방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102105255B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113338972A (zh) * | 2021-07-02 | 2021-09-03 | 浙江大学 | 基于lstm的泥水盾构开挖面压力动态平衡自主控制方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| KR101293337B1 (ko) | 2011-10-28 | 2013-08-06 | 강릉건설 주식회사 | Ｔｂｍ을 이용한 하향 천공장치 및 이를 이용한 천공방법 |
| KR101322125B1 (ko) | 2011-11-30 | 2013-10-28 | 호서대학교 산학협력단 | 터널 보어링 머신의 굴착 모사 시험 장치 |
| KR20180083472A (ko) * | 2017-01-12 | 2018-07-23 | 현대건설주식회사 | 최적 폼 배합 설계를 위한 폼 혼합 토사 전단강도 측정 시험장치 및 시험방법 |
| KR20180083471A (ko) * | 2017-01-12 | 2018-07-23 | 현대건설주식회사 | 토사지반 tbm 성능 예측을 위한 굴진성능 평가 시험장치 및 시험방법 |
-
2018
- 2018-11-29 KR KR1020180151005A patent/KR102105255B1/ko active IP Right Grant
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| CN113338972A (zh) * | 2021-07-02 | 2021-09-03 | 浙江大学 | 基于lstm的泥水盾构开挖面压力动态平衡自主控制方法 |
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