KR102368097B1

KR102368097B1 - Gps와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법

Info

Publication number: KR102368097B1
Application number: KR1020210178457A
Authority: KR
Inventors: 강병수
Original assignee: 강병수
Priority date: 2021-12-14
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2022-02-28

Abstract

본 발명은 직천공 강관 압입방식으로 굴착할 터널의 천장부 보강용 파이프 루프를 시공함에 있어서, 관공에 압입된 강관의 연직도를 GPS와 내시경 카메라를 이용하여 강관의 연직도를 정밀 측정하여 튼튼하고 신뢰도 높은 파이프 루프로 시공할 수 있도록 한 GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법을 제공하기 위한 것으로, 터널 막장에서 굴진방향을 따라 일정한 거리를 두고 복수의 가이드지보공을 설치하는 단계(S1); 상기 가이드지보공 상에 강관받침을 설치하는 단계(S2); 선단에 비트가 장착된 강관을 상기 강관받침에 거치하는 단계(S3): 상기 강관의 후단을 점보드릴의 천공장비에 접속하여 직천공하면서 강관을 압입하는 단계(S4); 상기 천공 및 강관 압입 후 강관 내부로 내시경 카메라를 삽입하고 주행시키다가 계획된 GPS 측정지점에서 정지시켜 현재 위치값을 3차원적으로 계측하여 외부의 콘트롤러로 전송하는 단계(S5); 상기 위치값을 통해 강관의 연직도를 측정하는 단계: 후속 측정지점별로 내시경 카메라를 이동시켜 강관의 선단에 이르기까지의 연직도를 측정하는 단계(S6)로 진행함을 특징으로 한다.

Description

GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법{Method for measuring the verticality of steel pipes in a pipe loop using GPS and an endoscope camera}

본 발명은 GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법에 관한 것으로, 특히 직천공 강관 압입방식으로 굴착할 터널의 천장부 보강용 파이프 루프를 시공함에 있어서, 관공에 압입된 강관의 연직도를 GPS와 내시경 카메라를 이용하여 강관의 연직도를 정밀 측정하여 튼튼하고 신뢰도 높은 파이프 루프로 시공할 수 있도록 한 GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법에 관한 것이다.

터널 구축 공사현장에서, 얇은 암반층, 풍화층, 절리층 구간이나 갱구부를 굴착하기에 앞서 막장에서 굴착할 터널 단면의 천장부 외곽 지반에 그 윤곽을 따라 등원주각으로 관공을 직천공하면서 강관을 압입하고, 압입된 강관에 그라우팅하여 터널 굴착에 따르는 천장부의 지반 침하와 변형을 방지하기 위한 대표적인 보강구조물이 곧 파이프 루프이다.

상기 파이프 루프 공법도 터널 건설공사의 기술 발전과 함께 진화하고 있다.

여기서, 길이가 30m를 초과하는 초장척강관으로 파이프 루프를 시공함으로써 관공의 천공수 감축에 의한 공기단축과 파이프 루프 시공비의 절감 및 파이프 루프 설치작업자의 안전성 제고에도 유리한 초장척 파이프 루프 시공방법이 대표적이다.

직천공 강관 압입을 통하여 파이프 루프를 시공하는 경우, 실제로 천공되는 관공이 계획된 천공위치를 벗어나 일측으로 치우치기도 하고, 또 어느 지점에서는 관공의 각도가 변화하기도 한다.

실제로, 초장척강관 압입용 고심도 관공은 강관 압입 계획위치에서 위쪽, 좌측으로 쏠리는 경향이 있다.

상기 관공의 상향 변형요인은 깎인 슬러지가 강관의 아래쪽 관공으로 몰려서 강관을 밀어올리고, 강관 내의 천공 로드가 자중에 의해 처져 비트에 상향 압력으로 작용한 결과 때문일 것으로 추정된다.

상기 강관 내에서 천공 로드의 처짐을 방지하려면 천공 로드의 강성을 높이고, 강관 내벽과 천공 로드와의 간격을 일정하게 유지할 수 있는 가이드 슬립, 즉 스테빌라이저 부가형 강관으로 대체하는 것이 대안일 수 있다.

또한, 상기 관공이 좌측으로 편향된 원인은 비트의 회전방향에 기인하는 것으로 추정되지만, 관공의 좌향 변형을 수정하는 방안에 대한 대책은 마련되지 않고 있는 실정이다.

고심도 관공을 천공하면서 장척강관을 압입하여 파이프 루프를 시공할 때에는 관공의 변형을 억제하여 연직도가 유지되도록 함으로써 파이프 루프의 시공정밀도를 높이는 것이 중요한 관건이다.

여기서, 상기 파이프 루프의 시공정밀도를 높이는 방안 중의 하나는 관공이 연직도를 유지하면서 천공되는지의 여부를 가늠할 수 있도록 비트의 천공방향과 강관의 압입상황을 측정하면서 시공하는 것이다.

특히, 터널 막장에 잭을 설치하고, 상기 잭에서 천공기를 향해 레이저 빔을 발사하여 레이저 빔이 천공기에 부착된 타켓의 어디에 닿는지를 측정하고, 그 레이저 빔의 검출위치를 기준으로 작업자가 천공기를 조작하여 관이 똑바른 경로로 이동하도록 공사하는 매설관 측정방법이 있는 데, 작업자가 들어갈 수 없을 정도로 관경이 작은 강관으로 파이프 루프를 시공하는 방법에서는 관공 및 강관의 연직도와 변형을 측정하는 방법으로 전용하기에는 부적합하다.

이러한 점을 고려하면, 장척강관으로 파이프 루프를 시공함에 있어서는 관공의 천공오차를 최소화하고, 변형을 억제하여 연직도에 가깝게 유지하여 강관의 압입정밀도를 높이는 방향으로 강관의 연직도 관련 측정방법을 검토할 필요성이 제기되고 있다.

등록특허 10-2090537

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 터널 공사현장의 연약한 천장 지반 보강용 파이프 루프를 정밀도를 높게 시공하기 위한 GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 정밀측정방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법은 터널 막장에 복수의 가이드지보공을 일정한 간격으로 설치하는 단계; 상기 가이드지보공 상에 강관받침을 설치하는 단계; 선단에 비트가 장착된 강관을 상기 강관받침에 거치하는 단계; 상기 강관의 후단을 점보드릴의 천공장비에 접속하여 직천공하면서 강관을 압입하는 단계; 상기 천공 및 강관 압입 후 강관 내부로 내시경 카메라를 삽입하고, 주행시키다가 계획된 GPS 측정위치에서 정지시켜 현재 위치값을 3차원적으로 계측하여 외부의 콘트롤러로 전송하는 단계; 상기 위치값을 통해 강관의 연직도를 측정하는 단계: 후속 측정지점별로 내시경 카메라를 이동시켜 강관의 선단에 이르기까지의 연직도를 측정하는 단계로 진행함을 특징으로 한다.

상기 내시경 카메라가 강관 깊숙한 곳 어느 지점에 정지했을 때, 내시경 카메라에 장착된 멀티센서가 검출한 3축의 각속도를 수평좌표계로 변환하여 적분한 피치각, 롤각 및 상대방향각의 가속변화를 얻고, 그 좌표변환에 따라 내시경 카메라가 롤링되더라도 수평면에 대한 피치각과 롤각 및 수평면 내에서의 회전각(상대방위각)이 얻어지며, 이를 바탕으로 수평, 연직면 내의 변위를 정확히 구할 수 있다.

상기 3축 각속도 관련 수평좌표계, 적분 피치각, 롤각 및 상대방향각의 가속변화값은 콘트롤러의 모니터에 디스플레이된다.

상기 수평좌표변환에 따라 내시경 카메라가 롤링되더라도 수평면에 대한 피치각과 롤각 및 수평면 내에서의 회전각이 얻어지며, 이를 바탕으로 수평, 연직면 내의 변위각도변화와 풀려나간 복합 케이블의 길이를 바탕으로 내시경 카메라의 수평, 연직방향의 변위로 강관의 연직도를 정밀 측정할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법은 이동하는 물체의 현재 위치를 정확하게 추적하는 고신뢰도의 GPS로 관공에 압입된 강관 내의 내시경 카메라를 추적하고, 내시경 카메라의 현재 위치값을 3차원적으로 계측하여 그 내시경 카메라에 장착된 멀티센서가 검출한 3축의 각속도를 수평좌표계로 변환하여 적분한 피치각, 롤각 및 상대방향각의 가속변화를 얻고, 그 좌표변환에 따라 내시경 카메라가 롤링되더라도 수평면에 대한 피치각과 롤각 및 수평면 내에서의 회전각을 얻어 강관의 수평, 연직면 내의 변위를 정확히 구할 수 있고, 이에 따라 정밀하고 신뢰도 높은 파이프 루프의 시공이 가능한 장점이 있다.

도 1은 막장에 4조의 가이드지보공을 설치하고, 천공기(점보드릴)로 직천공하면서 강관을 압입하는 상황도이다.
도 2는 제1 및 제4가이드지보공의 상단에 설치되는 강관받침의 투시도이다.
도 3은 강관받침에 강관을 걸친 경우의 측면도이다.
도 4는 개량 강관받침의 투시도이다.
도 5는 로스트비트의 단면도이다.
도 6은 스테빌라이저 부착형 강관의 예시도이다.
도 7은 GPS와 내시경 카메라를 이용한 측정 개념도이다.
도 8은 막장면에 시공된 23개의 강관의 위치를 나타낸 참고도이다.
도 9는은 강관의 연직도 정밀측정방법의 공정도이다.
도 10 내지 도 12는 강관의 내부를 1 이상의 패커로 등분하고, 소분된 공간에 대한 동시 그라우팅이 가능하게 한 경우의 예시도이다.

이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 장척강관, 초장척강관으로 파이프 루프를 시공할 때에는 관공의 연직 천공과 함께 강관 연직도가 유지되어야 하며, 필요한 부수장비도 구비해야 한다.

강관의 연직도 측정을 위하여 필요한 부수장비로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 터널 막장(1)에 터널 굴진방향을 따라 등거리로 H빔 가이드지보공(2a∼2d)을 등간격으로 설치하고, 상기 가이드지보공(2a∼2d)으로 장척강관(P)을 지지하면서 천공장비(D)로 관공(H)을 직천공하면서 강관(P)을 압입한다.

여기서, 상기 강관(P)은 대구경 강관에 속하는 Φ165.2, t=7㎜, 또는 Φ216.3, t=8㎜ 중에서 터널 천장의 상황에 따라 선택한다.

파이프 루프용 강관 분야에선 초대구경 강관으로 호칭되기도 하며, 소구경 강관에 비해 강도가 훨씬 높고, 휨응력도 크다.

강관 압입 시의 진동이나 충격으로 압입각도가 어긋나지 않게 할 보완수단으로 상기 가이드지보공(2a∼2d)에 목책을 설치하거나, 강재 수평잇기, 다리부의 기초안정용 콘크리트 등으로 보강한다.

상기 가이드지보공(2a,2d)에서 천장부 영역에는 강관받침(3,3a)을 설치한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 강관받침(3,3a)은 재사용할 수 있는 분리형이 실용적이다.

구체적으로는 평탄한 좌판(31)의 상면 좌우에 강관의 외경에 상당하는 거리를 두고, 한 쌍의 직립형 측판(32, 32a)이 부착되고, 양 측판(32, 32a) 사이에는 안장(33, 33a)이 부착된 ㅛ형이다.

상기 후위 강관받침(3a)의 측벽(32a)과 후위 안장(33a)은 전위 강관받침(3)의 측벽(32)과 후위 안장(33) 보다 높다.

상기 안장(33,33a) 간의 높이차는 강관의 압입각도에 따라 결정된다.

즉, 강관의 압입각도가 클수록 안장(33,33a) 간의 높이차를 두드러지게 하는 것이다.

각 측판(33, 33a)은 그 사이에 강관이 끼어 천공방향의 좌우로 요동하지 못하게 방지하고, 안장(33, 33a)은 측판(33, 33a) 사이에 낀 강관을 지지한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 전위 강관받침(3)은 제1가이드지보공(2a)의 상부플랜지 상에, 그리고 후위 강관받침(3a)는 제4가이드지보공(2d)의 상부플랜지에 상에 올려놓고 각각 클램프(4)로 고정한다.

상기 강관받침(3, 3a)의 안장(33, 33a)이 붙박이형이면, 도 4는 높이가변형 안장(33b)을 가진 개량 강관받침(3b)을 예시한다.

개량 강관받침(3b)은 측판(32)의 폭 중앙에 종장공(34)을 천공하고, 횡봉(35)을 관통시킨 후 너트로 체결하여 안장(33b)에 얹힌 강관의 위를 눌러 강관이 들먹거리지 않도록 한다.

동시에 측판(32)의 하부 양쪽 가에 측종장공(36)을 천공하고, 상기 측종장공(36)의 중심간 거리와 같은 폭으로 된 가변안장(33b)의 양 측면에 볼트공이 천공된 다리(37)를 부착하며, 상기 다리(37)의 볼트공과 상기 측종장공(36)을 동시에 관통하도록 나사봉(38)을 끼우고, 측판(32) 밖에서 상기 나사봉(38)에 너트를 체결하여 높이가 조정된 가변안장(33b)을 고정한 것이다.

개량 강관받침(3b)은 강관의 압입각도에 부합하도록 가변안장(33b)의 높낮이를 변경할 수 있어서 붙박이형 안장(33, 33a)을 가진 강관받침(3, 3a) 보다 효용성이 크다.

제1 및 제4가이드지보공(2a,2d)에만 강관받침(3, 3a)을 설치하면 강관 압입 중에 후속 압입용 강관받침을 설치할 수 있어 강관받침의 설치시간이 단축된다.

그리고, 안장이 낮은 강관받침(3)과 안장이 높은 강관받침(3a)은 안장들이 터널 굴진방향과 같은 방향에 놓이도록 설치하여 강관이 천공할 관공과 함께 연직방향에 놓이게 한다.

장척강관용 고심도 관공을 천공하려면 천공능력이 우수한 천공장비를 동원해야 한다.

그래서 본 발명에서는 확경비트에 비해 천공능력이 우수한 도 5의 로스트비트(10)를 채용한다.

로스트비트(10)는 링비트에 해당하는 톱비트(11)의 선단면 중앙에 파일럿 비트(12)를 일체화한 것으로, 톱비트(11)의 타격이 강력하고, 회전력의 전달 손실도 적어 정밀도 높게 관공을 천공할 수 있고, 로스트비트(10)의 구조가 간소하여 절삭칩의 배출이 양호하여 천공 시의 트러블도 감소된다.

슈(13)가 씌워진 비트어댑터(14)를 인너로드(15)의 선단에 씌워 케이싱(16) 선단에 삽입하고, 슈(13)와 케이싱(16)의 선단을 용접하며, 상기 비트어댑터(14)에 로스트비트(10)를 장착하여 천공에 임한다.

한편, 공벽과 강관과의 사이에는 여굴에 기인하는 간극이 존재하는 데,이 간극은 강관을 압입할 때 강관이 진동을 일으키게 된다.

그 진동을 방치하면 강관 압입에 악영향을 끼치고, 로스트비트(10)에 의한 천공방향이 왜곡되기도 한다.

이런 현상을 억제하기 위하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 강관(P)의 외면에 길이 L=100㎜, 두께 t=5㎜ 정도의 스테빌라이저(5)를 부착한다.

상기 스테빌라이저(5)는 강관(P)과 관공의 공벽간 틈에 끼어 강관(P)이 의지함으로써 강관의 진동을 억제하며, 강관(P)의 외주면 원주를 등분한 곳에 부착하여 관공에 압입할 때의 편심도 억제한다.

그리고, 통상, 선행 천공비트는 천공로드의 선단에 접속한다.

막장에서 천공할 지반과 유압 천공기와의 사이에 상기한 바와 같은 가이드지보공(2a,2d)이 설치되어 있어서 유압 천공기의 드리프터를 천공위치에 근접시킬 수 없기 때문에 선행 천공위치의 시공정밀도를 확보하기 곤란하다.

이 점을 고려하여, 천공할 때처럼 강관받침(3, 3a, 3b)로 천공정밀도를 높이기 위하여 강관(P)의 선단에 선행 천공비트(미도시)를 접속하여 천공할 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 직천공 압입방식으로 관공에 압입된 강관(P) 내부로 내시경 카메라(6)를 주행시켜 관공의 변형 및 강관의 위치를 측정하여 콘트롤러(7)로 피드백한다.

내시경 카메라(6)는 위성으로부터 GPS수신기(8)가 수신한 강관 내에서의 현재 위치값을 3차원적으로 계측하여 강관의 압입정밀도를 측정하는 것으로, 내시경 카메라(6)가 강관 깊숙이 정지했을 때, 내시경 카메라(6)에 장착된 멀티센서가 검출한 3축의 각속도를 수평좌표계로 변환하여 적분한 피치각, 롤각 및 상대방향각의 가속변화를 얻고, 그 좌표변환에 따라 내시경 카메라(6)가 롤링되더라도 수평면에 대한 피치각과 롤각 및 수평면 내에서의 회전각(상대방위각)이 얻어지며, 이를 바탕으로 수평, 연직면 내의 변위를 정확히 구할 수 있다.

상기 3축 각속도 관련 수평좌표계, 적분 피치각, 롤각 및 상대방향각의 가속변화값은 콘트롤러(7)의 모니터에 디스플레이된다.

그리고 상기 수평좌표변환에 따라 내시경 카메라(6)가 롤링되더라도 수평면에 대한 피치각과 롤각 및 수평면 내에서의 회전각(상대방위각)이 얻어지며, 이를 바탕으로 수평, 연직면 내의 변위각도변화(상대방위각: ΔΨ, 피치각: Δθ)와 거기에 대응하는 케이블 길이(Δτ)를 바탕으로 내시경 카메라(6)의 수평, 연직방향 변위를 얻는다.

도면 중 (9)는 인터페이스, W는 내시경 카메라(6)에 연결된 복합 케이블(C)용 윈치이다.

또, (C)는 와이어 케이블과 통신 케이블로 이뤄진 복합케이블로서, 와이어 케이블은 내시경 카메라(9)를 전전시켜 측량하고, 측량 후에는 내시경 카메라(6)를 회수하는 데 쓰이며, 통신 케이블은 내시경 카메라(6)와 콘트롤러(7)간의 교신용이다.

PL은 복합 케이블(C) 안내용 풀리를 표시한다.

초기 피치각을 θ₀로 하는 내시경 카메라(6)의 변위는 아래 식으로 구한다.

위 식에서, nx: x축 가속도, ny: y축 가속도, nz: z축 가속도, p: x축회전각속도, q: y축 회전각속도, r: z축 회전각속도, Φ: x축 회전각도, θ: X-Y면(수평면)에 대한 축의 각도: 피치각, Ψ: z축 회전각도:상대방위각이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 천장측 지반에 등원주각으로 1∼23개의 강관을 설치하고, 그 중에서 1∼3번, 5번, 6번, 12번, 13번, 18번, 23번 강관을 선택하여 압입 정밀도를 측정하였다.

◎: 계측한 곳(5곳)

●: 계측 및 스테빌라이저 설치한 곳(4곳)

GPS 위치계측정보를 바탕으로 하는 내시경 카메라(6)를 이용하여 측정한 정보를 토대로 3차원 변위가 구해진다.

구해진 X, Y, Z 변위는 강관의 선단에 대한 상대좌표이며, X변위는 터널 종단방향의 수평좌표, Y변위는 터널 횡단방향의 수평좌표, Z변위는 연직좌표이다.

강관 압입 계획위치와 강관의 실시공 위치와의 관계를 명확히 하기 위하여 L: 5, 10, 15, 20m 단면에 대한 강관의 평균 압입정밀도를 정리하여 표.1에 표시하였다.

표 1 중에서, 강관 압입정밀도는 압입계획위치로부터의 거리(R= √Y²+ Z²)를 강관 입구로 부터의 거리를 뺀 값으로 하였다.

데이터를 정리한 결과, 강관의 압입 길이가 길어지면 강관 압입정밀도가 약간 저하되지만, L: 20m에서의 강관 압입정밀도 범위는 1/100∼1/250이고, 강관 압입 정밀도는 1/160였다.

또, 강관의 압입 길이 5m 마다 압입계획선으로부터의 거리(R)를 터널 횡단방향으로 그래프화하고, 직진성을 파악하기 위한 기준선을 파선으로 표시하였다.

이때, 강관 압입계획선(그래프의 횡축)은 터널 종단구배 3.5% + 2%로 하였다.

또한, 스테빌라이저 부착형 강관의 정밀도 우위성은 확인되지 않았지만, 평균적으로는 오차가 크지 않았다.

먼저 실시한 홀수공측 천공 종료시점에서 강관의 연장길이 L=20m에서 1/183의 높은 압입정밀도가 얻어졌다.

인접한 강관과의 압입간격 450㎜를 고려하여 강관 끼리 간섭하지 않도록 허용오차를 450/2=225㎜로 하면 허용정밀도는 0.225m/20m ≒ 1/90이 된다.

홀수공의 천공정밀도(1/183)는 충분할 정도였으므로 같은 조건으로 짝수공측도 천공하였다.

그리고, 홀수공 및 짝수공에 강관을 압입한 결과, 최종적으로 평균 122㎜의 시공오차를 보였고, 1/160(0.122m/20.0m)의 평균 압입정밀도가 얻어졌다.

허용오차(1/90)와 비교해도 충분한 정밀도였다.

정밀도가 가장 낮은 것도 1/105로서, 소요 정밀도는 확보할 수 있었다.

지질이나 파이프 루프 시공방법에 따라 다소의 차이는 있겠지만, 터널에서 37m로 시공한 경우 강관 압입정밀도는 1/50로서, 37m로 시공한 강관 압입정밀도인 1/100과 비교해도 매우 양호하다.

또한, 변형된 관공도 적어 양호하다.

다만, 강관의 압입연장 길이 L이 20m를 초과하면 변형이 증폭되는 경향이 확인된 곳(1, 12, 18, 22번 강관)도 있고, 초기 단계에서 오차가 증폭되는 경향도 있으므로 강관 압입 초기에 어느 정도 정밀도를 확보할 수 있는 대책이 필요하다.

스테빌라이저의 유무에 따른 강관 압입정밀도의 차이는 확인할 수 없었지만, 강관 압입 상황에서 스테빌라이저가 없는 것에 비해 압입 시의 강관 회전이 적은 사실은 확인되었다.

관공 천공 중에 강관받침이 강관을 적극적으로 제어하여 압입 정밀도를 향상시킬 수 있는 지도 확인할 수 있었다.

가이드지보공은 3∼4기를 설치하는 게 일반적이며, 강관의 압입 정밀도 관점에서는 4기가 바람직하다.

애초에 4기의 가이드지보공을 설치하면 강관을 압입할 때 드리프터 취급 등 시공성이 떨어질 우려가 있는데, 2열로 23개의 강관을 타설한 결과, 시공성의 영향은 없었다.

강관의 선단에 접속할 수 있는 천공비트를 사용함으로써 천공 작업자의 기량과 관계없이 정확한 선행 천공이 가능하고, 시공성도 양호하였다.

전체적으로 관공은 강관 압입 계획위치에서 위쪽, 좌측으로 쏠렸다.

상승요인은 슬러지가 강관 밑으로 몰려서 강관을 밀어올린 것과 강관 내의 천공로드가 자중에 의해 처져서 비트에 상향 압력을 끼친 결과일 것으로 생각된다.

강관 내에서 천공로드의 처짐을 방지하려면 천공로드의 강성을 높이고, 강관 내벽과 천공로드와의 간격을 일정하게 유지하기 위한 가이드 슬립(스테빌라이저)을 사용할 수 있다.

상기한 가이드지보공과 강관받침, 내시경 카메라, 콘트롤러, GPS를 이용하여 강관의 연직도를 측정하는 방법은 다음과 같은 단계로 진행한다.

즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 터널 막장에서 터널의 굴진방향을 따라 일정한 거리르 두고 복수의 가이드지보공을 설치하는 단계(S1); 상기 가이드지보공 중에서 선두 가이드지보공 상에는 낮은 안장을 가진 강관받침을 그리고 후미 가이드지보공에는 높은 안장을 가진 강관받침을 설치하는 단계(S2); 선단에 비트가 장착된 강관을 상기 강관받침에 거치하는 단계(S3): 상기 강관의 후단을 점보드릴의 천공장비에 접속하여 직천공하면서 강관을 압입하는 단계(S4); 상기 천공 및 강관 압입 후 강관 내부로 내시경 카메라를 삽입하고, 주행시키다가 계획된 GPS 측정지점에서 정지시켜 현재 위치값을 3차원적으로 계측하여 외부의 콘트롤러로 전송하는 단계(S5); 상기 위치값을 통해 강관의 연직도를 측정하는 단계: 후속 측정지점별로 내시경 카메라를 이동시켜 강관의 선단에 이르기까지의 연직도를 측정하는 단계(S6)로 진행하여 강관의 압입정밀도를 측정하여 후속 파이프 루프 시공에 반영한다.

즉, 제1열의 파이프 루프용 강관에 대한 측정 결과, 오차 범위를 벗어난 강관의 경우, 제2열의 파이프 루프를 시공하기에 앞서 해당 강관과 같은 위치에 시공할 관공과 강관은 상기한 선행 강관의 오차를 보정한 각도로 천공 및 압입하여 제2열 파이프 루프의 시공정밀도를 높인다.

최근, 도시에서 산악공법으로 터널을 시공하는 사례가 늘고 있다.

지하철공사가 대표적이다. 도시에서의 시공은 주택 밀집지라든지 중요 구조물에 근접 시공하는 등 제약이 따르므로 그 영향을 억제할 필요성이 제기되는 데, 시공난이도가 높아 조건도 까다로운 터널을 굴착할 때 변형을 억제하고, 안전하고 확실하게 시공할 수 있는 본 발명의 파이프 루프 시공방법은 대단히 유용하다.

다른 관점에서, 파이프 루프의 구축에 적용된 장척강관은 길수록 그라우트재 충전시간이 더뎌서 강관의 선단까지 그라우트재가 충전되는 동안에 선행 충전된 그라우트재가 팽창되는 현상이 일어나기 때문에 그라우트의 강도가 저하되고, 그라우트재의 균일성 확보도 어렵다.

단일 강관 내에서 선주입된 그라우트재의 팽창을 억제하고, 그라우팅 시간을 단축하기 위하여 길고 짧은 그라우트 주입관으로 길이를 차등화하는 방안이 대안일 수 있겠으나, 강관의 내경을 고려하면 주입관의 숫자를 마냥 늘리기는 곤란하다.

이런 점에서, 장척강관, 특히 초장척강관의 전반에 걸쳐 그라우팅 시간을 단축하고, 선행 주입된 그라우트재의 팽창을 억제하여 그라우팅 시공품질 균질화를 기하는 것은 강관의 강도 증대 차원에서 대단히 중요하다.

그래서, 본 발명은 강관에 대한 그라우팅을 진일보시킨 방법에 대하여 도 10 내지 도 12를 참조하여 설명한다.

도 10은 장척강관의 내부를 1개의 패커로 2등분한 각 소공간마다 개별 노즐이 위치하도록 주입관이 설치된 경우의 부분 절개 측면도이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 주벽에 대략 등간격을 두고 그라우트재용 강관(P)의 내부는 1개의 패커(50)에 의해 2개의 소공간(h1)(h2)으로 양분되어 있고, 주입관(61)의 선단에 단척노즐(62)과 장척노즐(63)이 일체화된 주입유닛(60)이 내장되어 있다.

단척노즐(62)과 장척노즐(63)은 주입관(61)의 후단에서 분기된 것으로, 단척노즐(62)의 노즐단은 강관(P)의 입구에 연한 제1 소공간(h1)에 위치시키고, 장척노즐(63)의 노즐단은 패커(50)을 관통하여 제2 소공간(h2)에 위치시켜 주입관(61)으로 그라우트재를 주입하면 제1,2 소공간(h1,h2)에 동시적으로 그라우트재가 충전되도록 한 것이다.

도 11은 강관(P)의 내부를 2개의 패커로 3등분한 각 소공간마다 개별 노즐이 선택적으로 위치하도록 주입관을 설치한 경우의 부분 절개 측면도이다.

즉, 2개의 패커(50,51)로 강관(P)의 내부를 3개의 소공간(h1~h3)으로 소분하고, 주입유닛(60)의 단척노즐(62)은 노즐단이 제1 소공간(h1), 장척노즐(63)의 노즐단은 패커(50)를 관통하여 제2 소공간(h2)에 위치시키고, 제2 주입유닛(60a)의 주입관(61a)은 제1,2 패커(50,51)를 관통하여 제3 소공간(h3)에 그 노즐단이 위치하도록 해 각 소공간(h1∼h3)에 동시 그라우팅이 가능하도록 한 것이다.

도 12는 강관(P)의 내부를 3개의 패커로 4등분한 각 소공간마다 개별 노즐이 위치하도록 주입관이 설치된 경우의 부분 절개 측면도이다.

구체적으로는, 강관(P)의 내부를 3개의 패커(50, 51, 52)로 4등분하고, 주입유닛(60)의 단척노즐(62)의 노즐단은 제1소공간(h1), 장척노즐(63)의 노즐단은 패커(50)를 관통하여 제3소공간(h3)에 각각 위치시키고, 제2주입유닛(60a)의 주입관(61a)은 패커(51)를 관통시키고, 그 단척노즐(62a)은 제2패커(51)를 관통하여 제3소공간(h3)에 노즐단이 위치하며, 그 장척노즐( 63a)은 제2,3패커(51, 52)를 관통한 후 제4소공간(h4)에 노즐단을 위치시켜 각 소공간(h1∼h4)에 대한 동시 그라우팅이 가능하도록 한 것이다.

이렇듯, 강관(P)의 내부를 패커(50, 51, 52)를 사용하여 소공간(h1,h2, h1∼h3, h1∼h4)으로 소분하고, 각 소공간(h1∼h4)에 단척노즐(62, 62a)의 노즐단과 장척노즐(63, 63a)의 노즐단을 위치시키고 주입관(61, 61a)으로 그라우트재를 주입하면 각 소공간(h1∼h4)에 대한 그라우팅이 동시적으로 이뤄져 강관(P) 전체에 대한 그라우팅 시간이 1/n로 단축되므로 신속하게 그라우팅할 수 있다.

어느 경우든, 강관(P)에 패커(50, 51, 52)를 선삽입하고, 주입유닛(60, 60a)을 후설치하는 건 현실적으로 불가능하다.

강관의 단부 쪽에서 패커의 위치를 육안으로 확인하기 곤란하거니와, 앞쪽 패커에 주입유닛의 장단척노즐을 관통시킬 수 없기 때문이다.

그러므로, 주입유닛(60)(60a)은 단척노즐(62, 62a)과 장척노즐(63), 주입관(61a), 장척노즐(63a)의 노즐단이 해당 위치의 소공간에 머물도록 미리 패커(50, 51, 52)를 조립하여 강관(P)에 삽입한다.

소공간에 대한 동시 그라우팅은 선충전된 그라우트재의 팽창이 최소화되어 강성이 대폭 증대되고, 강관의 전방에 대한 그라우팅 시간도 단축된다.

본 발명의 상세한 설명에 기재한 바람직한 실시예는 예시적인 것으로서 한정적인 것은 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 나타나 있고, 그들 특허청구범위의 의미중에 들어가는 모든 변형예는 본 발명에 포함되는 것이다.

2a∼2d: 가이드지보공 3,3a,3b: 강관받침
4: 클램프 5: 스테빌라이저
6: 내시경 카메라 7: 콘트롤러
10: 로스트비트 11: 톱해머
12: 파일럿비트 33,33a: 안장
33b: 가변안장 34:중앙 종장공
36: 측종장공 50, 51, 52: 패커
60, 60a, 60b: 주입유닛 61, 61a: 주입관
62, 62a: 단척노즐 63, 63a: 장척노즐
C: 복합케이블 P: 강관
W: 윈치

Claims

터널 막장에서 굴진방향을 따라 일정한 거리를 두고 복수의 가이드지보공을 설치하는 단계(S1);
상기 가이드지보공 중에서 선두 가이드지보공 상에는 낮은 안장을 가진 강관받침을 그리고 후미 가이드지보공에는 높은 안장을 가진 강관받침을 설치하는 단계(S2);
선단에 비트가 장착된 강관을 상기 강관받침들에 거치하는 단계(S3):
상기 강관의 후단을 점보드릴의 천공장비에 접속하여 직천공하면서 강관을 압입하는 단계(S4);
상기 천공 및 강관 압입 후 강관 내부로 내시경 카메라를 삽입하고 주행시키다가 계획된 GPS 측정지점에서 정지시켜 현재 위치값을 3차원적으로 계측하여 외부의 콘트롤러로 전송하는 단계(S5);
상기 위치값을 통해 강관의 연직도를 측정하는 단계:
후속 측정지점별로 내시경 카메라를 이동시켜 강관의 선단에 이르기까지의 연직도를 측정하는 단계(S6)로 진행함을 특징으로 하는 GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법.
제1항에 있어서,
상기 내시경 카메라가 강관 깊숙이 정지했을 때, 그 멀티센서가 검출한 3축의 각속도를 수평좌표계로 변환하여 적분한 피치각, 롤각 및 상대방향각의 가속변화를 얻고, 그 좌표변환에 따라 수평면에 대한 피치각과 롤각 및 수평면 내에서의 회전각(상대방위각)을 얻는 GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법.
제2항에 있어서,
상기 내시경 카메라의 변위는 초기 피치각을 θ₀로 하여 수평변위와 연직변위를 아래식으로 구하는GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법.
제1항에 있어서,
상기 강관받침은 좌판의 상면 좌우에 강관의 좌우요동방지용 측판이 부착되고, 양 측판 사이에는 강관을 떠받치는 안장이 설치된 GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법.
제1항에 있어서,
상기 안장이 높낮이 변경이 가능한 가변안장인 GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법.
제1항에 있어서,
상기 안장이 낮은 강관받침과 안장이 높은 강관받침은 안장들이 터널 굴진방향과 같은 방향에 놓이게 한 GPS와 내시경 카메라를 이용한 파이프 루프의 강관 연직도 측정방법.