KR102230972B1

KR102230972B1 - 친환경 세미실드 굴착장치

Info

Publication number: KR102230972B1
Application number: KR1020200062364A
Authority: KR
Inventors: 박종진
Original assignee: 박종진
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2021-03-22

Abstract

본 발명은 소구경 터널, 공동구 및 각종 관로 등의 비개착 시공에 활용되는 세미실드 굴착장치에 관한 것으로, 다량의 물이 분출되는 회전커터(30) 배후 격벽(25) 하부에 배액관(40)의 일단을 연결하고, 배액관(40)의 타단은 상시 음압이 작용하는 저류기(50)와 연결함으로써, 분쇄 토사와 물 등의 혼합물이 배액관(40)을 통하여 흡입되어 저류기(50)에 저류되는 것이다.
본 발명을 통하여, 세미실드 공법을 적용함에 있어서 기능성 첨가재의 사용량을 획기적으로 저감할 수 있으며, 이로써 첨가재의 지반 침투 및 외부 배출로 인한 환경오염을 방지할 수 있다.

Description

친환경 세미실드 굴착장치{ECO-FRIENDLY SEMI-SHIELD MACHINE}

본 발명은 소구경 터널, 공동구 및 각종 관로 등의 비개착 시공에 활용되는 세미실드 굴착장치에 관한 것으로, 다량의 물이 분출되는 회전커터(30) 배후 격벽(25) 하부에 배액관(40)의 일단을 연결하고, 배액관(40)의 타단은 상시 음압이 작용하는 저류기(50)와 연결함으로써, 분쇄 토사와 물 등의 혼합물이 배액관(40)을 통하여 흡입되어 저류기(50)에 저류되는 것이다.

도시화에 따른 각종 시설물의 과밀화 및 그에 따른 지상 공간의 제약으로 인하여 다양한 시설물이 지하 구조물로 건설되고 있으며, 특히 전통적 지중 시설물이었던 상, 하수도 관로 뿐 아니라, 가스 관로 및 전기 선로 관련 설비 등 다양한 선형 시설물이 지하 공동구에 수용되고 있다.

이렇듯, 지중 선형 시설물에 대한 수요가 증대하고 있는 반면, 이들 지중 시설물에 대한 개착 공사는 교통처리, 보상 및 민원 등 다양한 요인으로 인하여 사실상 불가능한 실정이며, 이에 지중 선형 시설물에 대한 다양한 비개착 공법이 개발되어 사용되고 있다.

전통적인 지중 선형 굴착 방법은 실제 구조물에 소요되는 단면적을 상회하는 대구경 단면을 굴착하여 작업 공간을 확보한 후 본 구조물을 설치하는 방식이라 할 수 있는데, 시공 중 굴착, 파쇄 또는 발파 등에 의한 소음, 진동 및 지표 침하가 유발될 수 있을 뿐 아니라, 작업간 막장을 비롯한 굴착공의 붕락을 억제하고 굴착단면의 안정을 유지하기 위하여, 지반에 대한 사전 개질, 지보공 및 사후 보강공 등 복잡한 부속 공정이 필요한 문제점이 있다.

이에 대한 대안으로 개발된 세미실드(Semi-Shield) 공법은 원통형 강제(鋼製) 굴착장치를 이용하여 소요되는 단면만을 굴착하되, 굴착장치 배후에는 추진관을 연속적으로 연결하여 압입함으로써 굴착단면의 안정을 유지함과 동시에, 지보공 및 기본적인 라이닝이 일거에 구축될 수 있도록 한 것이다.

이러한 세미쉴드 공법은 압입관 추진공법의 일종으로서, 시공 계획 지중 선형 구조물의 시점 또는 종점에 수직갱인 발진구를 형성하고 반력벽을 구축한 후, 강관(鋼管) 또는 프리캐스트 콘크리트관 등의 압입관을 반력벽에 의하여 지지되는 유압잭으로 연속 압입함과 동시에, 최선(最先) 압입관 전방의 지반을 굴착하게 되며, 결국 연속된 다수의 압입관이 지반에 선형으로 매설되면서 터널, 각종 관로 또는 공동구 등의 지중 선형 시설물이 설치된다.

다수 압입관의 연속 압입 매설이 진행되어, 역시 수직갱으로서 기 굴착된 도달구에 최선 압입관 즉, 선도관이 도달하여 목표 지중 선형 구조물이 완성되면, 도달구를 통하여 굴착장치가 인양 회수되어 재사용될 수 있다.

이러한 세미실드 공법에 있어서, 선도관 전단의 굴착장치에는 일반적으로 회전커터 배후에 격벽이 구성되며, 이로써 굴착공 막장과 격벽 사이에 일종의 기밀 챔버(chamber)가 형성되고 이 기밀 챔버 내부에서 회전커터가 회전되면서 막장 지반을 분쇄하게되는데, 이때 챔버 내부는 토사 또는 이수(泥水)로 충전되어 충분한 압력이 조성됨으로써 막장의 안정이 유지된다.

이렇듯, 세미실드 공법에서는 막장의 안정을 유지하는 수단으로서 토사 또는 이수가 활용될 수 있는데, 전자와 후자를 각각 이토압식(泥土壓式) 세미실드와 이수가압식(泥水加壓式) 세미실드로 구분한다.

이토압식 세미실드는 첨가재를 주입하면서 회전커터에 의하여 분쇄된 토사와 첨가재가 강제 교반되도록 함으로써, 토사 분쇄물을 소성유동화 시켜 굴착공 막장 안정을 유지하며, 굴착에 따른 토사 분쇄물은 대부분 고형물로서 스크류 컨베이어 등으로 이송되어 배토, 반출된다.

이러한 이토압식 세미실드는 전술한 회전커터의 작동 공간 즉, 기밀 챔버를 구성하는 막장과 격벽사이에 고형물이 주종을 이루고 저 유동성인 토사 분쇄물이 충전되고, 굴착 토사의 배토 및 반출이 기본적으로 고형물로서 이송되는 방식으로서, 회전커터의 배후 격벽을 비롯한 굴착장치 선단부의 기계적 구성에 있어서 요구되는 기밀성 내지 내압성이 상대적으로 낮은 특성을 가지는 반면, 막장 지반의 물성에 따라 챔버의 압력 조성 및 유지가 어려울 수 있으며, 점성토 또는 사질토 등 연질 지반에서의 효율성이 높지 않은 단점이 있다.

특히, 이토압식 세미실드는 고가의 첨가재를 지속적으로 공급하여야 하고, 스크류 컨베이어 등 배토 및 반출 설비가 복잡할 뿐 아니라, 막장 지반의 특성이 급변할 경우 이에 대한 기민한 대처어려운 문제점이 있다.

반면, 이수가압식 세미실드는 이토질 토사 현탁액인 이수에 소정의 압력을 가하여 막장의 안정을 유지하면서, 사용 전후 이수를 순환시키고, 굴착토 역시 액상 수송을 시행하는 방식으로서, 막장 챔버의 압력 유지가 용이할 뿐 아니라, 지반 특성의 급변에도 기민한 대처가 가능하며, 이러한 이수가압식 세미실드 관련 종래기술로는 공개특허 제2008-6364호 등을 들 수 있다.

이수가압식 세미실드는 전술한 바와 같이, 막장과 격벽 사이의 챔버에 이수(泥水)가 충전되어 막장의 붕락이 억제되고 안정성이 유지되는 방식으로서, 여기서 이수는 단순한 이토질 토사의 미분(微粉) 현탁액이 아니며, 실제 시공에서는 벤토나이트(bentonite) 등 다양한 첨가재가 투입되어 조성된다.

즉, 이수가압식 세미실드에 있어서 회전커터의 작동 공간을 형성하는 막장과 격벽 사이의 챔버에서는 막장 붕락을 초래하는 굴착공 전방 토압과 챔버 내부 이수의 팽압(膨壓)이 상호 균형을 유지할 필요가 있을 뿐 아니라, 불가피하게 지속되는 주변 지반으로의 이수 침투를 고려하면, 챔버내 이수에 토압을 상회하는 압력이 부여될 필요가 있는데, 토사 분쇄물과 단순 혼합된 현탁액으로는 충분한 팽압 조성이 어려울 뿐 아니라 주변 지반으로의 불요(不要) 침투에 대한 충분한 억제가 어려우므로 다양한 기능성 첨가재를 투입하여 소기의 기능 발현을 도모하는 것이다.

이러한 이수 첨가재로는 벤토나이트를 위시한 팽창재와 각종 윤활성 광물이 적용되는데, 이들 첨가재 대부분은 일반적인 지반과 혼화시 불필요한 부반응이 초래될 뿐 아니라, 지하수 유입시는 물론 지표면 등 외부 배출시에도 심각한 환경오염을 유발하는 문제점을 가진다.

특히, 상기 벤토나이트를 비롯한 이수 첨가재 중 일부는 수화반응을 통한 수경성을 가지는 바, 주변 지반으로의 침투시 공극 폐색 및 투수성 저하가 야기될 수 있으며, 장기적으로도 첨가재내 함유된 각종 유해 광물이 지속적으로 용탈(溶脫)됨에 따라 심각한 지하수 오염 및 토양 오염이 초래될 수 있다.

이렇듯, 이수 첨가재의 유해성에도 불구하고 사용이 불가피한 이유는 전술한 공벽 유지 기능과 더불어, 압송압을 이용한 자력 회귀 작용이 필요하기 때문인데, 이는 굴착공 측으로 공급된 이수가 챔버에서 토사 분쇄물과 혼합된 후, 이수와 토사 분쇄물이 동반 배출되는 작용으로서, 전적으로 이수 공급측 압력에 의존한 토사 분쇄물 및 잔여 이수의 회수 내지 반출이 수행되며, 따라서 이수와 토사 분쇄물간 긴밀한 혼화 및 공급압 손실 최소화를 위한 막장 및 공벽 피복이 필요한 것이다.

따라서, 기본적으로 종래의 이수가압식 세미실드 공법은 굴착공 선단부의 공벽 및 막장을 벤토나이트 등 첨가재 함유 이수로 피복하여 소기의 차수성 및 내압성을 부여함으로써, 이수 압송압을 활용하여 토사 분쇄물 및 잔류 이수를 회수하는 방식이라 할 수 있는데, 이때 압송되는 이수의 유량을 증대하면 토사 분쇄물 및 잔류 이수의 회수에는 유리할 수 있으나, 이수의 과도한 손실 및 지반 침투로 인한 오염이 초래될 수 밖에 없으므로, 이수의 압송압 및 유량을 적절하게 조절할 필요가 있다.

또한, 굴착장치의 기계적 구성에 있어서도, 전술한 바와 같이, 이수압의 조성 및 팽압 손실을 억제하기 위하여 고도의 기밀성이 부여될 필요가 있으며, 이는 세미실드 굴착장치의 최초 제작은 물론, 운용 및 유지관리상 상당한 애로점을 유발하게 된다.

결국, 종래의 이수가압식 세미실드는 지반 특성의 급변에 대한 기민한 대처 및 다종(多種) 지반에 대한 광범위한 적용성 등 상당한 장점에도 불구하고, 이수의 조성, 사용, 회수 내지 순환 전과정에 있어서 이수내 함유된 첨가재로 인한 심각한 환경오염을 야기할 수 있을 뿐 아니라, 굴착장치의 제작 및 운용을 비롯한 공정관리에도 고도의 주의를 요하는 바, 경제성 측면에서도 상당한 문제점을 가진다 할 수 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안된 것으로, 관상(管狀)의 본체(20) 전단(前端)에는 회전커터(30)가 장착되고, 본체(20) 후단에는 다수의 압입관(10)이 연속으로 연결되며, 회전커터(30)가 지반을 파쇄하고 압입관(10)이 추진됨에 따라 본체(20)가 지중(地中)에서 전진하는 세미실드 굴착장치에 있어서, 회전커터(30) 후단부에는 물이 압송되는 송수관(31)과 압축공기가 압송되는 송기관(32)이 연결되어, 회전커터(30) 전방으로 물과 압축공기가 혼합 분사되고, 회전커터(30) 배후의 본체(20) 내부에는 격벽(25)이 형성되고, 격벽(25) 하부에는 배액관(40)이 연결되되, 배액관(40)의 유입단은 회전커터(30) 배면과 격벽(25) 전면(前面) 사이에 위치하고, 배액관(40)의 배출단은 상부에는 흡기관(61)이 연결되고 하부에는 흡액관(62)이 연결되는 저류기(50)에 연결되며, 흡기관(61)과 흡액관(62)에는 각각 흡기펌프(71)와 흡액펌프(72)가 연결되어, 배액관(40)을 통하여 토사 분쇄물, 물 및 공기 혼합물이 저류기(50)로 유입된 후, 흡기관(61) 및 흡액관(62)을 통하여 배출됨을 특징으로 하는 친환경 세미실드 굴착장치이다.

또한, 상기 저류기(50)의 내측 상부에는 액위계(55)가 설치되어, 저류기(50)내 토사 분쇄물 및 물의 혼합물이 기준 액위를 초과하면 흡액펌프(72)가 가동됨을 특징으로 하는 친환경 세미실드 굴착장치이다.

본 발명을 통하여, 세미실드 공법을 적용함에 있어서 기능성 첨가재의 사용량을 획기적으로 저감할 수 있으며, 이로써 첨가재의 지반 침투 및 외부 배출로 인한 환경오염을 방지할 수 있다.

특히, 막장의 안정 유지에 활용되는 이수를 구성함에 있어서, 다량의 물을 활용하되 첨가재를 배제함으로써, 이수의 회수 설비를 대폭 간소화하거나 생략할 수 있을 뿐 아니라, 굴착장치 전단부의 기계적 구성에 있어서도 요구되는 수밀성을 완화할 수 있어, 세미실드 굴착장치의 제작, 운용 및 유지관리 전반에 있어서 편의성을 증진하고 소요 비용을 절감할 수 있다.

또한, 팽창성 또는 수경성 첨가재를 최대한 배제함으로써, 이들 첨가재의 주변 지반 침투 또는 지표 배출시 초래될 수 있는 토양 공극 폐색 및 유해물 용탈을 방지할 수 있으며, 이로써 세미실드 굴착 공사로 인한 생태계 파괴를 효과적으로 억제할 수 있다.

특히, 다량의 벤토나이트 사용이 불가피하였던 종래기술에 있어서, 벤토나이트 함유 배출 토사는 전량 고위험 건설폐기물로 처리될 수 밖에 없는 바, 막대한 폐기비용이 소요되었으며, 이는 전체 공사비의 상승 요인으로 작용할 수 밖에 없었으나, 본 발명에서는 배출 토사의 위험도를 획기적으로 개선할 수 있어 폐기물 처리 비용을 대폭 절감할 수 있을 뿐 아니라, 본 발명에서의 배출 토사는 순수 토사로서 토질에 따라 성토재 또는 골재로 활용될 수도 있다.

도 1은 본 발명의 사용상태 설명도
도 2는 본 발명의 구조도
도 3은 본 발명의 작동상태 단면도

본 발명의 세미실드 굴착장치는 종래기술과 달리, 토양 오염 및 지하수 오염을 유발하는 유해 첨가재를 최대한 배제함으로써, 세미실드 굴착장치의 굴진과정에서 다량의 유체를 압송 및 분사하여도 환경오염을 야기하지 않는 것으로, 막장으로 분출되는 유체는 기본적으로 순수한 물을 활용하며, 따라서 다량의 유체를 압송 및 분사할 수 있어 굴착공의 공벽은 견고하게 유지하면서도 토사 분쇄물의 원활한 반출이 가능하다.

도 1은 본 발명 세미실드 굴착장치의 사용상태를 예시한 것으로, 발진기지의 구조는 통상의 세미실드 공법과 큰 차이가 없으며, 동 도면에서와 같이, 토류벽(91)으로 포위된 수직갱이 구성되고, 정지(整地)된 수직갱 저면 일측에 반력벽(92)이 구축되며, 반력벽(92)과 최후단 압입관(10) 사이에는 유압잭 등으로 구성되는 추진장치(93)가 설치되어 압입관(10) 연결체를 지반으로 추진하게 된다.

또한, 발진기지 내부 또는 발진기지 직상부 주변에는 세미실드 굴착장치 본체(20)로 물과 압축공기 등을 공급하는 펌프 및 컴프레서 등이 설치되며, 도 1에서는 생략되었으나 이들 펌프 및 컴프레서와 세미실드 굴착장치 본체(20)를 연결하는 다수의 배관이 구축된다.

도 1에서와 같이 구축되는 발진기지에서 추진장치(93)가 압입관(10)을 지반으로 압입하여 추진함과 동시에, 굴착장치 본체(20) 전단(前端)에 장착된 회전커터(30)가 회전되면, 회전커터(30) 전방 막장부에 자유면이 형성되면서 전체 압입관(10) 연결체 및 본체(20)가 전진하게 된다.

즉, 본 발명 세미실드 굴착장치의 기본 구조를 도시한 도 2에서와 같이, 본 발명 굴착장치는 원형 관상(管狀)의 본체(20) 전단(前端)에는 회전커터(30)가 장착되고, 본체(20) 후단에는 다수의 압입관(10)이 연속으로 연결되며, 회전커터(30)가 지반을 파쇄하고 동시에 압입관(10)이 추진됨에 따라 본체(20)가 지중(地中)에서 전진하는 것이다.

또한, 본 발명 세미실드 굴착장치의 상세한 내부 구조를 도시한 도 3에서와 같이, 회전커터(30) 배후의 격벽(25), 회전커터(30) 후단부에 연결되는 송수관(31) 및 송기관(32), 격벽(25) 전, 후부를 연통하는 배액관(40), 배액관(40)과 연결되는 저류기(50) 등이 본 발명 굴착장치에 구성된다.

도 3에서와 같이, 회전커터(30) 후단부에는 물이 압송되는 송수관(31)과 압축공기가 압송되는 송기관(32)이 연결되어, 회전커터(30) 전방으로 물과 압축공기가 혼합되어 분사된다.

송수관(31) 및 송기관(32)은 도 1에 예시된 바와 같이, 발진기지 내부 또는 지상에 설치된 급수 펌프 및 컴프레서 등과 연결되어, 물 및 압축공기를 고압으로 이송하게 되며, 회전커터(30)로 공급된 물과 압축공기는 회전커터(30) 전방측으로 분사되면서 토사 분쇄물과 혼합된다.

도 3에 예시된 실시예에서는 회전커터(30) 후단에 스위벨(swivel)(35)을 장착하여, 회전커터(30)의 회전에도 불구하고 송수관(31) 및 송기관(32)의 안정적인 연결 및 유체 공급이 가능하도록 하였다.

또한, 회전커터(30) 전방으로 분사되는 유체는 물과 압축공기가 혼합된 유체로서, 도 3에 예시된 스위벨(35)은 회전체인 회전커터(30)와 고정 배관인 송수관(31) 및 송기관(32)을 연결하는 역할과 더불어, 송수관(31)에서 압송된 물과 송기관(32)으로 압송된 압축공기를 혼합하는 역할도 겸비하게 되는데, 이 밖에도 별도의 합류관 내지 혼류기를 구성하여 송수관(31)과 송기관(32)을 우선 연결한 후, 물과 압축공기 혼합 유체를 공급하는 단일 배관을 회전커터(30)와 연결할 수도 있다.

도 2 및 도 3에서와 같이, 회전커터(30) 배후의 본체(20) 내부에는 격벽(25)이 형성되고, 격벽(25) 하부에는 배액관(40)이 연결되되, 배액관(40)의 유입단은 회전커터(30) 배면과 격벽(25) 전면(前面) 사이에 위치하게 되는데, 도시된 실시예에서는 격벽(25)이 이중벽으로 구성되고 이들 이중의 격벽(25) 사이에 회전커터(30)를 회전시키는 기어가 내장되고 있으나, 이러한 격벽(25)의 다중 구조 및 회전커터(30)의 기계적 구동 구조는 당업자가 제반 여건을 고려하여 선택할 수 있는 사항이므로 청구범위의 구체적인 한정은 하지 않는다.

회전커터(30) 전방으로 물 및 압축공기 혼합 유체가 분사됨과 동시에, 회전커터(30)가 회전하면서 막장 지반이 분쇄되어 굴착이 진행되며, 회전커터(30) 배후부와 격벽(25)의 전면(前面) 사이에 전술한 챔버가 형성되면서, 이 공간에 토사 분쇄물, 물 및 압축공기 혼합물이 충전된다.

이러한 토사 분쇄물, 물 및 압축공기 혼합물은 결국 현택액인 액체상태라 할 수 있고, 엄밀히는 반액반고상(半液半固狀) 유체라 할 수 있는 바, 송수관(31) 및 송기관(32)을 통하여 압송된 당초 압력이 유지됨에 따라 막장 및 주변 공벽이 유지될 수 있으며, 특히, 본 발명에서는 유해 첨가재가 배제된 순수한 물이 활용되므로, 상대적으로 다량의 물 및 압축공기를 최소한의 제약하에 투입할 수 있는 바, 공벽 유지에 있어서 유리할 뿐 아니라, 후술할 배액관(40)을 통한 토사 분쇄물 반출 역시 원활하게 수행될 수 있다.

회전커터(30) 배면과 격벽(25) 전면 사이에 유입단이 형성된 배액관(40)의 타단 즉, 배액관(40)의 배출단은 도 2 및 도 3에서와 같이, 기밀 용기로서 상부에는 흡기관(61)이 연결되고 하부에는 흡액관(62)이 연결되는 저류기(50)에 연결된다.

또한, 흡기관(61)과 흡액관(62)에는 각각 흡기펌프(71)와 흡액펌프(72)가 연결되고, 흡액펌프(72)가 저류기(50)내 공기를 흡입함에 따라 저류기(50)내 음압이 조성되어 배액관(40)을 통하여 토사 분쇄물, 물 및 공기 혼합물이 저류기(50)내로 유입되고, 흡액펌프(72)가 저류기(50)내 토사 분쇄물 및 물을 흡입하여 배출하게 된다.

즉, 본 발명에서는 송수관(31) 및 송기관(32)을 통하여 공급된 물 및 압축공기의 당초 공급압에 전적으로 의존하여 격벽(25)과 회전커터(30) 사이에 형성된 내압 챔버에 충전된 토사 분쇄물, 물 및 압축공기 혼합물이 배출되는 것이 아니라, 상기 챔버내 압력을 월등하게 하회하는 음압이 형성된 밀폐 용기인 저류기(50)를 배액관(40) 배출단에 연결하여, 토사 분쇄물, 물 및 압축공기 혼합물을 흡입하는 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 배액관(40)과 저류기(50)의 연결부는 저류기(50)의 상단부에 형성하는 것이 바람직하며, 이는 저류기(50)내 기 저류된 토사 분쇄물 및 물 혼합물이 역류하여 배액관(40)을 통하여 토출되는 현상을 방지하기 위한 것이다.

다만, 도 3에 도시된 바와 같이, 비록 배액관(40)과 저류기(50) 자체의 연결부는 저류기(50) 상단부에 형성되고 있으나, 저류기(50) 내부의 배액관(40) 말단은 하부에 위치하도록 형성하여, 전체적으로 사이펀(siphon) 형태를 가지도록 구성하게 되는데, 본 발명 저류기(50)에 있어서 배액관(40) 배출단의 사이펀 구조는 저류기(50)내 유체의 외부 유출을 위한 것은 아니며, 배액관(40)의 최상단부가 배출구로서 저류기(50) 내부에서 단순 노출될 경우, 저류기(50)내 액면 상부에 유출단이 형성되어 지나친 충격 및 액면 요동이 발생될 수 있기 때문이다.

배액관(40)을 통한 저류기(50)로의 토사 분쇄물, 물 및 압축공기 혼합물의 이송에 있어서, 토출 충격으로 인하여 저류기(50)내 액면이 과도하게 요동될 경우, 흡기관(61) 등 저류기(50) 상부 구성에 악영향을 미칠 수 있을 뿐 아니라, 흡기관(61)을 통하여 액체가 유입되거나 흡액관(62)의 유입단이 노출되어 흡액펌프(72)로 기체가 과량 유입되는 등 연관 장치의 정상 작동을 방해하고 심할 경우 고장을 유발할 수도 있다.

이러한 본 발명의 저류기(50)내 음압 조성과, 토사 분쇄물, 물 및 압축공기 혼합물내 압축성 유체인 공기를 회수 내지 제거하기 위하여 흡입펌프가 연결된 흡기관(61)이 지속적으로 저류기(50)내 공기를 흡입하게 되며, 저류기(50) 내부에 일정 수준 이상 저류된 토사 분쇄물 및 물 혼합물은 흡액펌프(72)가 연결된 흡액관(62)을 통하여 주기적으로 배출됨으로써, 저류기(50)내 실질 음압 상태가 일정하게 유지될 수 있으며, 이로써 배액관(40)을 통한 토사 분쇄물, 물 및 압축공기 혼합물의 지속적인 흡입이 가능하다.

즉, 본 발명에 있어서 저류기(50)는 압축성 유체인 공기와 비압축성 유체인 토사분쇄물 및 물의 혼합물이 공존하면서 저류되는 기밀 용기로서, 압축성 유체는 지속적으로 흡입하여 저류기(50)내 음압을 상시 조성하고, 비압축성 유체는 간헐적으로 흡입하여 배출함으로써 지속적인 토사 분쇄물, 물 및 압축공기 혼합물의 유입을 유도하는 것이다.

특히, 본 발명의 저류기(50)에 있어서 내부 조성 음압은 공기를 지속적으로 흡입하여 진공과 근사한 상태를 조성하는 것으로서, 저류기(50)내 토사 분쇄물 및 물 혼합물의 액위가 과도하게 상승하여 압축성 유체인 공기의 저류기(50)내 공간 점유분이 축소되면 음압 내지 진공 조성에 따른 흡입 효과가 급감하게 되므로, 저류기(50)내 액위를 적정 수준으로 유지하는 것이 바람직하며, 이를 위하여 저류기(50)내 토사 분쇄물 및 물 혼합물이 일정수준 이상으로 저류되면 흡액펌프(72)를 가동하여 배출하게 된다.

다만, 저류기(50)내 액위가 완전히 소진되어 흡액펌프(72)의 유입단이 노출되면 액체용 펌프인 흡액펌프(72)의 기능이 상실될 뿐 아니라, 흡기펌프(71)의 작동 부하가 급증함과 동시에, 흡기펌프(71)의 가동에도 불구하고 흡액관(62)을 통하여 외부 기체가 유입되면서 저류기(50)내 기압이 상승될 수 있으므로, 흡액관(62)의 유입단은 저류기(50) 하단부에 형성하되 흡액관(62)의 유입단이 노출되지 않도록 저류기(50)내 액위를 유지할 필요도 있다.

도시된 실시예에서는 전술한 저류기(50), 흡기펌프(71) 및 흡액펌프(72)를 모두 압입관(10) 내부에 설치하였으나, 배관을 연장하여 발진기지에 설치할 수도 있으며, 경우에 따라 이들 구성을 본체(20)에 내장하여 전체 장비를 집약화할 수도 있다.

한편, 전술한 바와 같이, 저류기(50)내 기압을 일정 수준으로 유지함과 동시에, 저류기(50)의 액위 역시 일정수준으로 유지할 필요가 있고, 이들 기압 및 액위는 독립적으로 설정되는 것이 아니라, 상호 작용을 고려하여 복합적으로 설정되어야 하는 바, 이러한 저류기(50)내 액위 조절을 자동화할 필요성이 있다.

즉, 저류기(50)내 액위가 과도하게 상승할 경우 흡액관(62)으로 저류기(50)내 액체를 배출하고, 저류기(50)내 액위가 과도하게 하강할 경우 흡액을 통한 액체 배출을 중지하는 것으로, 이는 도 3에서와 같이, 저류기(50)에 내장되는 액위계(55)와 도면상 도시되지는 않았으나 액위계(55) 및 흡액펌프(72)와 연결되어 이들을 제어하는 PLC(Programmable Logic Controller) 등의 제어기를 통하여 수행된다.

이때, 액위계(55)는 저류기(50)의 내측 상부에 설치되는 것이 바람직하며, 본 발명 저류기(50)에서 취급되는 액체가 토사와 물이 혼합된 현탁액임을 감안할 때, 액면 요동 및 오염 등에 취약한 부력식 또는 광학식 보다는 초음파 방식의 액위계(55)를 적용하는 것이 바람직하다.

이렇듯, 본 발명 세미실드 굴착장치에서는 배액관(40) 등이 연결된 저류기(50)의 내측 상부에 초음파 방식의 액위계(55)가 설치되어, 액위계(55)와 전기적으로 연결되는 PLC 등의 제어기로 저류기(50)내 액위가 지속적으로 입력되고, 그에 따라 제어기는 저류기(50)내 토사 분쇄물 및 물의 혼합물이 기준 액위를 초과하면 흡액펌프(72)를 가동하여 액위를 하강시키고, 기준 액위를 하회하면 흡액펌프(72) 가동을 중지함으로써, 저류기(50)내 액위가 일정 수준으로 유지될 수 있으며, 이로써 저류기(50)내 액면 상부의 기압도 음압 내지 진공에 근사한 상태로 안정적으로 유지될 수 있다.

10 : 압입관
20 : 본체
25 : 격벽
30 : 회전커터
31 : 송수관
32 : 송기관
35 : 스위벨
40 : 배액관
50 : 저류기
55 : 액위계
61 : 흡기관
62 : 흡액관
71 : 흡기펌프
72 : 흡액펌프
91 : 토류벽
92 : 반력벽
93 : 추진장치

Claims

관상(管狀)의 본체(20) 전단(前端)에는 회전커터(30)가 장착되고, 본체(20) 후단에는 다수의 압입관(10)이 연속으로 연결되며, 회전커터(30)가 지반을 파쇄하고 압입관(10)이 추진됨에 따라 본체(20)가 지중(地中)에서 전진하는 세미실드 굴착장치로서, 회전커터(30) 후단부에는 물이 압송되는 송수관(31)과 압축공기가 압송되는 송기관(32)이 연결되어, 회전커터(30) 전방으로 물과 압축공기가 혼합 분사되면서 토사 분쇄물과 혼합되고, 회전커터(30) 배후의 본체(20) 내부에는 격벽(25)이 형성되고, 격벽(25) 하부에는 배액관(40)이 연결되되, 배액관(40)의 유입단은 회전커터(30) 배면과 격벽(25) 전면(前面) 사이에 위치하는 세미실드 굴착장치에 있어서,
배액관(40)의 배출단은 상부에는 흡기관(61)이 연결되고 하부에는 흡액관(62)이 연결되는 저류기(50)에 연결되되, 배액관(40)과 저류기(50) 자체의 연결부는 저류기(50) 상단부에 형성되나 저류기(50) 내부의 배액관(40) 말단은 저류기(50) 하부에 위치되어 사이펀(siphon) 형태를 가지도록 구성되어 배액관(40) 배출단 노출로 인한 액면 요동이 억제되며;
흡기관(61)과 흡액관(62)에는 각각 흡기펌프(71)와 흡액펌프(72)가 연결되어, 배액관(40)을 통하여 토사 분쇄물, 물 및 공기 혼합물이 저류기(50)로 유입된 후, 흡기관(61) 및 흡액관(62)을 통하여 배출되되, 상기 저류기(50)는 압축성 유체인 공기와 비압축성 유체인 토사분쇄물 및 물의 혼합물이 공존하면서 저류되는 기밀 용기로서, 압축성 유체는 지속적으로 흡입하여 저류기(50)내 음압이 상시 조성되고, 비압축성 유체는 간헐적으로 흡입 배출되며;
저류기(50)의 내측 상부에는 액위계(55)가 설치되어, 저류기(50)내 토사 분쇄물 및 물 혼합물이 일정수준 이상으로 저류되면 흡액펌프(72)가 가동되되, 저류기(50)내 액위가 완전히 소진되지 않도록 저류기(50)내 액위가 유지됨을 특징으로 하는 친환경 세미실드 굴착장치.
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