KR102489392B1 - 경로추적 및 보정을 통하여 정밀한 장대천공이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 경로추적 및 보정을 통하여 정밀한 장대천공이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템(DS)에 관한 것이다.
이를 위하여 본 발명은 레일의 길이방향을 따라 슬라이더가 왕복 구동되고, 상기 슬라이더에 로터리 조인트가 구비되어 천공 방향을 따라 복수의 로드가 순차적으로 체결되도록 하는 천공장와, 지상에서 천공 경로를 실시간으로 파악하기 위한 모니터링 장치를 포함하는 천공 시스템에 있어서, 상기 로드는 드릴 비트가 구비되는 드릴 로드와 상기 드릴 로드의 후방에 순차적으로 체결되는 복수의 연결 로드를 포함하며, 상기 드릴 로드에는 관형 케이싱의 전방에 드릴 비트가 노출되도록 구비되고, 상기 관형 케이싱의 내측에는 워터 펌프로부터 공급되는 고압의 유체를 이용하여 드릴 비트를 회전시키는 드릴 모터와, 실시간 천공 경로 파악이 가능하도록 센서를 이용한 좌표 추적모듈이 구비되어 유무선 통신망으로 지상에 구비된 모니터링 장치로 실시간 정보가 전달되는 것을 특징으로 한다.
이로써, 실시간 천공 경로 파악이 가능하도록 센서를 이용한 좌표 추적모듈이 구비되어 모니터링 장치로 실시간 정보가 전달되므로, 60m 이상의 길이를 지니는 수평갱을 시공함에 있어서도 천공 경로를 목적하는 정확한 위치에 형성할 수 있다.

Description

경로추적 및 보정을 통하여 정밀한 장대천공이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템{Precise long hole Drilling System by Geo-steering Technique for Mini Pipe Roof Reinforcement}

본 발명은 경로추적 및 보정을 통하여 정밀한 장대천공이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 천공장치에 의하여 드릴 비트를 구비하는 드릴 로드의 후방으로 복수의 연결 로드가 순차적으로 체결되어 천공 경로를 형성하며, 상기 드릴 로드에는 고압의 유체에 의하여 드릴 비트를 회전시키는 드릴 모터가 구비되고, 실시간으로 천공 경로의 추적이 가능하도록 좌표 추적모듈이 구비되는 경로추적 및 보정을 통하여 정밀한 장대천공이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 도로, 철도 등을 시공하기 위한 목적으로 지중이나 하천, 단층 파쇄대, 붕괴성 지반을 관통하도록 수평갱을 형성함에 있어서, 굴착면을 보강하기 위하여 강관 그라우팅 공법이 널리 시공되고 있다.

통상적으로 강관 그라우팅 공법은 수평갱의 천단부에 방사상으로 복수의 천공홀을 상향 경사지게 형성하고, 각 천공홀에 강관 파이프를 경사지게 삽입한 후, 주입 호스로 그라우팅재를 주입하여 보강한다.

다만, 종래의 강관 그라우팅 공법은 갱구부를 형성하기 위하여 비탈면을 절취하는 공정이 필요하고, 일정 깊이만큼 굴착을 수행한 후, 천공홀을 형성하고, 강관 파이프를 삽입하는 공정을 반복적으로 수행해야 하며, 상향 경사지게 배치되는 강관 파이프가 일부 중첩되도록 시공함에 따라 강관 파이프와 그라우팅재의 비용이 증가되는 불리함이 있었다.

이에 최근에는 원지반 사면 자체를 갱구부로 활용하여 수평갱의 굴착 예정면과 나란하도록 사전에 초대구경 강관을 연쇄적으로 체결 삽입한 후, 상기 강관에 그라우팅재를 주입하여 보강하는 미니 파이프 루프 공법이 개발되어 시공되고 있다. 상기 미니 파이프 루프 공법에 의하면, 비탈면을 절취하는 공정을 생략하여 친환경적이며, 천공홀을 형성함과 동시에 강관 파이프를 삽입하여 공기를 단축할 수 있으므로 경제적인 이점이 있다.

그런데, 상술한 미니 파이프 루프공법은 수평갱의 길이에 상응하는 길이만큼 일시에 천공홀을 형성하고, 강관 파이프를 연쇄적으로 체결 삽입함에 따라 수평갱의 굴착 예정면을 따라 직진도가 확보되도록 천공홀을 형성하여야 하나, 도 1a의 개념도에 도시된 바와 같이 지반의 상태에 따라 천공홀의 직진도를 확보하기 어려운 한계가 있었다. 특히, 수평갱의 길이가 30m를 초과하는 경우에 천공홀의 직진도를 확보하는 것은 불가능에 가깝다. 또한, 한 번 천공이 이루어진 지반의 강도가 매우 저하되므로 재천공에 어려움이 있다.

구체적으로, GPS, 무선통신 방식은 천공홀 상부에 형성되는 토피고로 인하여 좌표 데이터를 확보할 수 없고, 종래의 광파기나 레이저 빔도 천공홀의 직경으로 인하여 현실적으로 활용이 어려우며, 비트에 송신기를 구비하고, 지표면에 수신기를 구비한 상태로 파장을 이용하는 탄성파법과 레이더법도 3m 이상의 토피고에서는 활용이 불가능하며, 저주파 교류자계를 이용하는 방법도 8m 이상의 토피고에서는 데이터 확보가 어려운 것으로 알려져 있다.

이와 관련하여 대한민국 등록특허 제10-2348403호의 "비개착터널의 파이프 루프 축조 시스템"(2022. 01. 04. 등록, 이하 '선행기술문헌'이라 한다)이 제안된 바 있다. 상기 선행기술문헌은 도 1b에 도시된 바와 같이 굴착튜브(2)의 선단에 비트(2a)가 구비되어 천공홀을 형성하여 강관이 삽입되도록 함에 있어서, 상기 굴착튜브(2)와 비트(2a) 사이의 조향튜브(3)에는 전파를 발신하는 발신기(5)가 구비되어 위치탐사기(6)가 전파를 수신하도록 하여 천공홀이 정확한 경로를 따라 형성되도록 제안하였다.

그러나, 상기 선행기술문헌은 수평갱의 길이가 10 내지 20m 정도로 짧게 형성되는 경우에만 적용될 수 있었으며, 무엇보다 전파를 이용함에 따라 일정 이상의 토피고를 지니는 경우에는 전파가 지표면으로 전달되지 못하는 한계가 있다. 또한, 상기 조향튜브(3)에 전파 통과창(4)을 형성하고 있으나, 이는 강한 토압이 작용하는 선단부에 구조적 취약부로 작용될 수밖에 없었다.

대한민국 등록특허 제10-2348403호 (2022. 01. 04. 등록)

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 60m 이상의 수평갱을 시공함에 있어서도 천공 경로를 오차 범위 이내로 정확히 형성할 수 있으므로 미니 파이프 루프공법의 적용이 가능하며, 토피고와 무관하게 천공 경로를 실시간으로 전달받을 수 있고, 목적하는 천공 경로에서 이탈될 것으로 예측되는 경우에는 실시간으로 천공 경로를 수정할 수 있는 경로추적 및 보정을 통하여 정밀한 장대천공이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은 상술한 기술적 과제를 해결하기 위하여 제안된 것으로, 레일(110)의 길이방향을 따라 슬라이더(120)가 왕복 구동되고, 상기 슬라이더(120)에 로터리 조인트(130)가 구비되어 천공 방향을 따라 복수의 로드(R)가 순차적으로 체결되도록 하는 천공장치(100)와, 지상에서 천공 경로를 실시간으로 파악하기 위한 모니터링 장치(200)를 포함한다.
상기 로드(R)는 드릴 비트(310)가 구비되는 드릴 로드(300)와 상기 드릴 로드(300)의 후방에 순차적으로 체결되는 복수의 연결 로드(400)를 포함하며, 상기 드릴 로드(300)에는 관형 케이싱(301)의 전방에 드릴 비트(310)가 노출되도록 구비되고, 상기 관형 케이싱(301)의 내측에는 워터 펌프(WP)로부터 공급되는 고압의 유체를 이용하여 드릴 비트(310)를 회전시키는 드릴 모터(320)와, 실시간 천공 경로 파악이 가능하도록 센서를 이용한 좌표 추적모듈(330)이 구비되어 유무선 통신망으로 지상에 구비된 모니터링 장치(200)로 실시간 정보가 전달된다.
상기 드릴 로드(300)의 관형 케이싱(301)은 관절부(302)를 중심으로 전방 케이싱(301a)이 후방 케이싱(301b)과 상대 각도 조정이 가능하도록 형성되고, 상기 후방 케이싱(301b)은 좌표 추적모듈(330)을 감싸는 부분이 비자성체로 형성되며, 상기 좌표 추적모듈(330)은 전체적으로 베릴륨 구리 베럴로 에워싸인 형태를 지니고, 경로 제어부(331)와 센서를 이용한 좌표 추적부(332)를 포함한다.
상기 드릴 로드(300)의 관형 케이싱(301)은 후방 내주면에 전방을 향하여 축관되는 테이퍼 홈부(303)가 형성되고, 상기 테이퍼 홈부(303)에 암나사산(303a)이 형성되며, 상기 연결 로드(400)는 관형 케이싱(401)의 전방에 테이퍼 돌부(402)가 형성되고 상기 테이퍼 돌부(402)에 수나사산(402a)이 형성되어 상호 나사 체결된다.
상기 테이퍼 홈부(303)의 최단경부에는 드릴 로드(300)와 각종 정보를 송수신하고, 전원을 공급하는 케이블(CA)이 정위치에 배치되도록 중심에 케이블 관통공(350a)이 형성되는 케이블 스페이서(350)가 구비되되, 상기 케이블 스페이서(350)에는 케이블 관통공(350a)을 중심으로 복수의 유체 이동공(352)이 형성되고, 외주면에는 테이퍼 홈부(303)의 테이퍼각에 대응되도록 테이퍼면(351)이 형성되어 후방에 체결되는 연결 로드(400)는 케이블(CA)과의 간섭 없는 체결이 가능함과 동시에 상기 연결 로드(400)의 테이퍼 돌부(402)에 의하여 안정적으로 가압 고정된다.
상기 전방 케이싱(301a)의 내측에는 실시간 각도 측정이 가능하도록 각도 측정모듈(340)이 구비되며, 상기 전방 케이싱(301a)의 각도 측정모듈(340)을 감싸는 부분은 비자성체로 형성되되, 상기 각도 측정모듈(340)에는 코일(341)이 형성되고, 상기 코일(341)에 전류를 공급하는 베터리팩(342)이 구비되어 자기장이 발생되고, 좌표 추적모듈(330)의 좌표 추적부(332)가 각도 측정모듈(340)에 의하여 형성된 자기장을 이용하여 전방 케이싱(301a)과 후방 케이싱(301b)의 상대 각도를 측정하는 것을 특징으로 한다.

삭제

삭제

삭제

삭제

삭제

또한, 상기 드릴 모터(320)는 내주면에 복수의 로브(321a)가 나선형으로 돌출된 고정 실린더(321)의 내측에는 고압의 유체에 의하여 회전되도록 외주면에 복수의 로브(322a)가 나선형으로 돌출된 모터축(322)이 구비될 수 있다.

또한, 상기 고정 실린더(321)의 로브(321a)의 개수는 n 이고, 상기 모터축(322)의 로브(322a)의 개수는 n-1 일 수 있다.

삭제

또한, 상기 좌표 추적모듈(330)은 경로 제어부(331)의 전방에 압력 측정부(333)를 포함할 수 있다.

삭제

삭제

본 발명의 경로추적 및 보정을 통하여 정밀한 장대천공이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템(DS)에 의하면, 상기 드릴 로드에는 고압의 유체를 이용하여 드릴 비트를 회전시키는 드릴 모터와, 실시간 천공 경로 파악이 가능하도록 센서를 이용한 좌표 추적모듈이 구비되어 모니터링 장치로 실시간 정보가 전달되므로, 60m 이상의 길이를 지니는 수평갱을 시공함에 있어서도 천공 경로를 목적하는 정확한 위치에 형성할 수 있다.

따라서, 상기 천공 경로를 따라 외주면에 그라우팅재 분출공이 형성된 복수의 강관 파이프를 순차적으로 체결할 수 있으므로, 체결된 강관 파이프를 따라 그라우팅재를 주입하여 지반을 보강하는 미니 파이프 루프공법의 적용이 가능해진다.

또한, 상기 드릴 로드의 좌표 추적모듈은 유무선 통신망을 이용하여 지상에 구비된 모니터링 장치로 실시간 정보가 전달되며, 천공의 길이가 긴 경우에도 케이블 스페이서에 케이블을 관통시켜 각종 정보를 송수신하고, 전원을 공급할 수 있다.

나아가, 상기 드릴 로드의 관형 케이싱은 관절부를 중심으로 전방 케이싱과 후방 케이싱이 각도 조정이 가능하도록 형성되어 경로 제어부가 좌표 추적부가 측정하는 실시간 좌표 정보를 바탕으로 비트의 각도를 조정할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 전방 케이싱의 내측에는 실시간 각도 측정이 가능하도록 각도 측정모듈이 구비되어 후방 케이싱과의 상대 각도를 바탕으로 목적하는 천공 경로에서 이탈될 것으로 예측되는 경우에는 실시간으로 천공 경로를 수정할 수 있다.

그리고, 상기 드릴 모터에는 고정 실린더의 내주면과 모터축의 외주면에 나선형으로 로브가 돌출 형성되어 고압의 유체에 강한 회전이 발생되어 드릴 비트에 강하고 안정적인 회전력을 형성할 수 있다.

도 1a는 종래 미니 파이프 루프공법의 문제점을 도시한 개념도.
도 1b는 선행기술문헌의 미니 파이프 루프공법을 도시한 단면도.
도 2은 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템을 이용한 천공 과정을 도시한 단면도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 천공장치를 도시한 개념도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 드릴 로드를 도시한 부분 절개 사시도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 좌표 추적모듈을 확대 도시한 단면도.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 드릴 모터를 도시한 단면도.
도 7은 본 발명의 일 실시에에 따른 드릴 로드와 연결 로드가 결합된 상태를 도시한 단면도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 케이블 스페이서를 도시한 사시도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 천공 각도를 조정하는 원리를 도시한 다면도.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 드릴 로드를 도시한 사시도.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 각도 측정모듈을 도시한 단면도.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 파이프 루프용 천공 시스템을 이용한 강관 파이프 삽입 과정을 도시한 단면도.

이하에서는 본 발명의 경로추적 및 보정을 통하여 정밀한 장대천공이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템(DS)의 바람직한 실시예에 대하여 첨부된 도면을 바탕으로 상세하게 설명한다.

한편, 본 발명에서 '길이방향'은 천공 방향과 나란하게 시공되는 로드(R) 또는 강관 파이프(500)의 길이방향으로 정의하며, '전방'은 후술할 로드(R)의 드릴 로드(300)가 굴착을 진행하는 방향으로, '후방'은 이와 반대되는 방향으로 정의한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 미니 파이프 루프용 천공 시스템(DS)을 전체적으로 도시한 개념도로서, 천공장치(100), 모니터링 장치(200) 및 드릴 로드(300)와 연결 로드(400)로 구성되는 로드(R)를 포함한다. 후술하겠으나, 상기 천공장치(100)에 의하여 강관 파이프(500)도 천공 과정과 동시에 또는 시간적으로 분리되어 연속적으로 체결될 수 있으며, 체결된 강관 파이프(500)에는 믹싱 챔버(MC)로부터 그라우팅재가 공급되어 천공에 주입된다.

도 3에 도시된 바와 같이 상기 천공장치(100)에는 레일(110)이 일측으로 길게 형성되어 상기 레일(110)이 천공 방향을 향하도록 배치되며, 상기 레일(110)에는 길이방향을 따라 왕복 구동하도록 슬라이더(120)가 구비된다.

한편, 상기 슬라이더(120)에는 로드(R)를 파지한 상태로 회전력을 부여하는 로터리 조인트(130)가 구비되어 회전하면서 슬라이더(120)를 따라 전방 또는 후방으로 이동될 수 있으며, 상기 슬라이더(120)는 하나의 로드(R)가 천공을 형성하도록 전방으로 삽입되면, 재차 후방으로 이동하여 다음에 배치되는 로드(R)를 파지한다. 이때, 상기 로터리 조인트(130)는 파지한 로드(R)에 회전력을 부여하므로 각 로드(R) 마다 전방과 후방에 형성되는 수나사산과 암나사산이 상호 체결될 수 있으며, 이로써 복수의 로드(R)는 천공 경로를 따라 연속적으로 체결되어 전방으로 이동될 수 있다.

상술한 바와 같이 상기 로드(R)는 복수 개가 천공장치(100)에 의하여 연속적으로 체결되는 것으로, 드릴 비트(310)를 구비하여 최전방에 배치되는 드릴 로드(300)와 상기 드릴 로드(300)의 후방에 배치되어 연속적으로 체결되는 복수의 연결 로드(400)를 포함한다. 즉, 상기 천공장치(100)는 최초 드릴 로드(300)를 파지하여 드릴 비트(310)로 천공을 형성하고, 뒤이어 연결 로드(400)가 연속적으로 체결되어 길이방향을 따라 천공 경로를 형성하게 된다.

한편, 일 실시예에 따르면, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 드릴 로드(300)에는 관형 케이싱(301)의 전방에 드릴 비트(310)가 노출되도록 구비되고, 상기 관형 케이싱(301)의 내측에는 워터 펌프(WP)로부터 공급되는 고압의 유체를 이용하여 드릴 비트(310)를 회전시키는 드릴 모터(320)가 구비된다. 상기 드릴 모터(320)에는 외주면에 복수의 로브(322a)가 나선형으로 돌출 형성된 모터축(322)이 구비되어 후방에서 공급되는 고압의 유체가 회전되며, 상기 드릴 모터(320)의 회전력은 드릴 비트(310)에 전달되어 강한 타격력과 회전력이 형성된다.

또한, 상기 드릴 로드(300)의 관형 케이싱(301)에는 드릴 모터(320)의 후방에는 3축 가속도 센서와 3축 자기장 센서를 포함하는 좌표 추적모듈(330)이 구비된다. 보다 구체적으로 상기 좌표 추적모듈(330)은 전체적으로 베릴륨 구리 베럴로 에워싸인 형태를 지니며, 컨트롤러가 구비되는 경로 제어부(331)와 3축 가속도 센서와 3축 자기장 센서를 포함하는 좌표 추적부(332)를 포함한다.

이로써, 상기 좌표 추적모듈(330)은 3축 가속도 센서와 3축 자기장 센서를 이용하여 실시간으로 드릴 로드(300)의 3차원 위치 좌표와 기울기를 측정할 수 있으며, 이때, 상기 좌표 추적모듈(330)이 위치하는 관형 케이싱(301)에는 3축 자기장 센서가 지자계 이외에 교통수단이나 다른 전자기 설비에 의하여 가해지는 외부 자기장에 의하여 간섭되지 않도록 대응되는 부분이 비자성체로 형성될 수 있다.

또한, 상기 좌표 추적모듈(330)이 측정한 3차원 위치 좌표와 기울기 정보는 유무선 통신망을 이용하여 지상에 구비된 모니터링 장치(200)로 실시간 전달될 수 있다. 따라서, 시공과정에서 실시간 천공 경로 파악이 가능하므로 잘못된 천공 방향으로 인하여, 체결된 복수의 로드(R)를 재차 인발하여 재천공하는 비효율을 미연에 방지할 수 있으며, 60m 이상의 길이를 지니는 수평갱을 시공함에 있어서도 천공 경로를 목적하는 정확한 위치에 형성할 수 있다.

한편, 상기 드릴 로드(300)와 모니터링 장치(200)는 유무선 통신망으로 정보가 전달될 수 있으나, 무선 통신망은 천공의 깊이에 따라 전송에 어려움이 발생될 수 있으며, 전원을 공급하기 위한 별도의 베터리 시스템을 구비하여야 하는 단점이 있다.

따라서, 도 5에 도시된 바와 같이 상기 모니터링 장치(200)로 각종 정보를 송수신하고, 외부 전력원으로부터 전력을 공급받도록 상기 드릴 로드(300)와 연결 로드(400)를 관통하는 케이블(CA)을 구비하는 것이 바람직하다. 이때, 상기 케이블(CA)은 복수의 로드(R)를 연속적으로 체결함에 있어서 간섭이 야기될 수 있으므로, 상기 케이블(CA)이 로드(R)의 중심 정위치에 배치되도록 사전에 구비된 케이블 스페이서(350)를 관통하도록 구비될 수 있다.

한편, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 드릴 로드(300)의 관형 케이싱(301)은 관절부(302)를 중심으로 전방 케이싱(301a)이 후방 케이싱(301b)과 상대 각도 조정이 가능하도록 형성될 수 있다. 즉, 상기 드릴 비트(310)는 전방 케이싱(301a)의 전방으로 노출되도록 결합된 상태에서 상기 좌표 추적모듈(330)에 구비된 경로 제어부(331)에 의하여 드릴 비트(310)의 각도가 관절부(302)에 의하여 제어될 수 있다.

정확히는 전방 케이싱(301a)의 후방 케이싱(301b)에 대한 상대적인 각도 변경으로 인하여 상기 드릴 비트(310)의 각도가 변경될 수 있다. 따라서, 모니터링 장치(200)를 바탕으로 천공 경로를 변경하고자 하는 경우에는 경로 제어부(331)로 신호를 전달하여 상기 드릴 비트(310)의 각도를 조정할 수 있다. 일 실시에에 따르면, 상기 관절부(302)는 전방 케이싱(301a)와 후방 케이싱(301b)의 슬리브 체결부의 체결 정도에 따라 자연스럽게 각도가 조정되도록 구현될 수 있다.

또한, 상기 드릴 로드(300)의 후방 케이싱(301b)에 구비되는 드릴 모터(320)는 탄성 소재로 형성되는 고정 실린더(321)의 내측에 모터축(322)이 구비될 수 있다. 보다 구체적으로 상기 고정 실린더(321)의 내주면에는 복수의 로브(321a)가 나선형으로 돌출 형성되어 후방에서 유입되는 고압의 유체에 강한 회전을 유도할 수 있으며, 상기 모터축(322)에도 고정 실린더(321)의 로브(321a)와 동일한 방향으로 복수의 로브(322a)가 나선형으로 형성되어 유체는 고압으로 내외주면에 나선형으로 형성된 로브(321a)(322a)를 따라 유체에 강한 회전력을 형성하게 된다.

한편, 도 6의 단면도에 도시된 바와 같이 상기 고정 실린더(321)의 로브(321a)의 개수는 n 이고, 상기 모터축(322)의 로브(322a)는 하나 작은 n-1 개로 형성되어, 상기 고정 실린더(321)와 모터축(322) 사이에 유체가 유도되는 유도 공간이 마련되어 안정적이고 연속성이 있게 고압으로 회전하는 유체의 흐름을 유도할 수 있다.

도 6의 (a) 내지 (c)은 다른 실시에에 따른 드릴 모터(320)를 도시된 단면도로서, 동일한 직경을 기준으로 상기 고정 실린더(321)와 모터축(322)에 형성되는 로브(321a)(322a)의 개수가 많아지면 유체의 토크가 커지는 특성을 지니므로, 현장의 지반상태에 따라 드릴 모터(320)를 적절히 변경할 수 있다.

또한, 상기 좌표 추적모듈(330)은 전체적으로 베릴륨 구리 베럴로 에워싸인 형태를 지니므로 상술한 케이블(CA)을 이용하여 전력이나 정보를 안정적으로 송수신할 수 있으며, 상기 후방 케이싱(301b)은 좌표 추적모듈(330)이 위치하는 부분이 비자성체로 형성되어 외부 자기장의 간섭을 차단할 수 있다.

뿐만 아니라, 상기 좌표 추적모듈(330)에는 경로 제어부(331)의 전방에 압력 측정부(333)가 구비되어 천공 과정에서 발생되는 토사와 유체의 압력을 실시간으로 측정할 수 있으며, 과도한 압력이 발생하는 경우에는 모니터링 장치(200)를 바탕으로 경로 제어부(331)로 신호를 전달하여 상기 드릴 비트(310)의 각도를 유연하게 조정할 수 있다.

한편, 이하에서는 도 9를 바탕으로 본 발명의 경로추적 및 보정을 통하여 정밀한 장대천공이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템(DS)의 구체적인 천공 방법을 보다 상세하게 설명한다. 도 9의 (a)는 목적하는 천공 경로를 따라 이동하고 있는 과정을 도시한 것으로, 상술한 천공장치(100)의 로터리 조인트(130)에 의한 드릴 로드(300) 자체의 회전과 드릴 모터(320)에 의한 고압의 유체 회전력을 이용한 드릴 비트(310)의 회전을 선택적으로 또는 동시에 형성하여 천공하게 된다.

이후, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이 경도가 큰 지반에 의하여 목적하는 천공 경로로부터 일부 오차가 발생된 경우에는 경로 제어부(331)에 신호를 전달하여 드릴 비트(310) 각도가 관절부(302)를 매개로 조정되도록 드릴 비트(310)를 회전한다. 이때, 상기 드릴 로드(300) 자체의 회전은 일시 중단한다.

각도가 변경된 상태로 드릴 비트(310)에 의한 천공이 형성되면, 도 9의 (c)에 도시된 바와 같이 드릴 로드(300) 자체의 회전시 조정된 각도로 안내되어 자연스럽게 변경된 각도를 따라 천공이 이루어진다. 이때, 상기 드릴 로드(300)의 관형 케이싱(301)은 전방 케이싱(301a)과 후방 케이싱(301b) 사이에 각도가 형성됨에 따라 천공의 직경이 보다 크게 형성될 수 있다.

한편, 도 10에 도시된 바와 같이 상기 전방 케이싱(301a)에 구비되어 각도가 조정되는 드릴 비트(310)는 후방 케이싱(301b)에 대한 상대적인 각도가 실시간으로 정확히 측정되는 것이 중요하다. 이를 위해, 실시형태에 따라서는 상기 전방 케이싱(301a)의 내측에는 실시간 각도 측정이 가능하도록 센서를 이용한 각도 측정모듈(340)이 추가적으로 구비될 수 있다.

보다 구체적으로 상기 각도 측정모듈(340)은 상기 드릴 비트(310)와 관절부(302) 사이에 형성될 수 있으며, 도 11에 도시된 바와 같이 3축 가속도 센서(343)와 3축 자기장 센서(344)를 이용하여 실시간으로 각도를 측정할 수 있으며, 이때, 상기 각도 측정모듈(340)이 위치하는 전방 케이싱(301a)에도 자기장 센서가 외부 자기장에 의하여 간섭되지 않도록 대응되는 부분이 비자성체로 형성될 수 있다.

또한, 상기 각도 측정모듈(340)은 추가적으로 코일(341)이 형성되고, 상기 코일(341)에 전류를 공급하는 베터리팩(342)이 구비될 수 있다. 상기 베터리팩(342)에 의하여 코일(341)에 전류가 공급되면 자기장이 발생하므로, 상기 좌표 추적모듈(330)의 좌표 추적부(332)에 의하여 각도 측정모듈(340)에 의하여 형성된 자기장을 측정하게 된다.

따라서, 상기 좌표 추적모듈(330)은 상기 각도 측정모듈(340)로부터 각도 정도를 전기적 신호로 전달받을 수도 있으나, 코일(341)에 의하여 발생된 자기장의 방향을 바탕으로 드릴 비트(310)의 상대적인 각도를 파악할 있다.

보다 구체적으로 상기 좌표 추적모듈(330)과 각도 측정모듈(340)의 상대적 각도가 0°라면, 코일(341)에서 발생되는 축과 수직인 자기장의 평면 백터는 좌표 추적모듈(330)에 의하여 측정되지 않으나, 상대적 각도가 형성되면, 축과 수직인 자기장 평면 백터가 좌표 추적모듈(330)에 의하여 인식될 수 있으므로 이를 이용하여 정확한 경사 각도를 측정할 수 있다.

이하에서는 천공 과정에서 천공장치(100)의 최전방에 구비되어 천공을 형성하는 드릴 로드(300)의 후방으로 연결 로드(400)를 연속적으로 체결하는 방법에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

도 7은 분해된 상태의 드릴 로드(300)와 연결 로드(400)를 도시한 것으로, 상기 드릴 로드(300)는 관형 케이싱(301)의 후방 내주면에 전방을 향하여 축관되는 테이퍼 홈부(303)가 형성되고, 상기 테이퍼 홈부(303)에 암나사산(303a)이 형성되며, 상기 연결 로드(400)는 관형 케이싱(401)의 전방에 테이퍼 돌부(402)가 형성되고 상기 테이퍼 돌부(402)에 수나사산(402a)이 형성되어 상호 체결될 수 있다. 이로써, 상기 천공장치(100)의 로터리 조인트(130)에 의하여 상기 드릴 로드(300)와 연결 로드(400)가 체결되는 과정에서 안정적인 체결이 유도될 수 있다.

한편, 천공의 깊이나 토피고에 따라서는 무선 통신이 불가능한 경우가 있으므로 상기 테이퍼 홈부(303)의 최단경부에는 드릴 로드(300)와 각종 정보를 송수신하고, 전원을 공급하는 케이블(CA)이 정위치에 배치되도록 관통되는 케이블 스페이서(350)가 구비될 수 있다. 이때, 상기 케이블 스페이서(350)에는 유체가 이동할 수 있도록 케이블 관통공(350a)을 중심으로 복수의 유체 이동공(352)이 형성될 수 있다.

또한, 상기 케이블 스페이서(350)의 외주면은 테이퍼 홈부(303)의 테이퍼각에 대응되도록 테이퍼면(351)이 형성되고, 후방에 체결되는 연결 로드(400)에 의하여 안정적으로 가압 고정될 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 연결 로드(400)의 테이퍼 홈부(403)에도 케이블 스페이서(450)가 구비되어 케이블(CA)의 간섭이 방지된 상태로 연결 로드(400)를 연속적으로 체결할 수 있다.

아울러, 상기 드릴 로드(300)의 관형 케이싱(301) 내부에 구비되는 좌표 추적모듈(330)은 유체가 흐르는 공간부를 확보하면서도 정위치에 배치되어야 하므로 상기 좌표 추적모듈(330)의 일측에 관형 케이싱(301)의 내주면을 탄성 가압하는 센트럴라이저(335)가 구비될 수 있으며, 상기 케이블(CA)은 센트럴라이저(335)와 상기 케이블 스페이서(350)에 의하여 중심 정위치에 배치될 수 있다.

이하에서는 본 발명의 미니 파이프 로프용 천공 시스템(DS)에 있어서, 도 12에 도시된 사항을 바탕으로 천공장치(100)에 의하여 강관 파이프(500)를 삽입하는 과정에 대하여 설명한다. 상술한 바와 같이 목적하는 경로대로 천공 경로가 형성되면, 상기 강관 파이프(500)는 천공 장치(100)를 이용하여 로드(R)와 동일한 방식으로 연속적으로 체결할 수 있다.

이때, 천공 장치(100)를 이용하여 강관 파이프(500)를 삽입하는 과정은 단위 로드(R)의 길이만큼 천공을 형성한 직후에 단위 강관 파이프(500)를 삽입하여 시공하는 방법과, 복수의 로드(R)를 연속적으로 체결함으로써 전체 길이로 천공 경로를 형성한 후에 순차적으로 강관 파이프(500)를 삽입하여 체결할 수도 있다.

다만, 단위 로드(R)와 강관 파이프(500)를 격번으로 교차하여 삽입하는 실시형태는 강관 파이프(500)의 체결을 위한 로터리 조인트를 별도로 형성하여야 하는 불리함이 있으므로 복수의 로드(R)를 이용하여 전체 길이로 천공 경로를 형성한 후에 순차적으로 강관 파이프(500)를 삽입하여 체결하는 것이 바람직하다. 이 경우에는 최전방에 위치하는 강관 파이프(500)에 링비트(도면 미도시)를 체결하여 이미 굴착된 천공 경로를 따라 보다 용이한 삽입이 구현될 수 있다.

한편, 천공을 따라 복수의 강관 파이프(500)를 삽입하여 체결하면, 상기 믹스챔버(MC)로부터 강관 파이프(500)에 그라우팅재를 주입하는 과정을 거치게 된다. 다만, 수평갱의 굴착 예정면과 나란하도록 아치형으로 복수의 천공을 형성하고, 상기 천공 마다 동일한 방식으로 강관 파이프(500)를 연속적으로 체결 삽입한 후, 상기 강관 파이프(500)에 그라우팅재를 주입하여 보강함으로써 미니 파이프 루프공법이 완성되어 진다.

이상에서 설명한 본 발명에 따른 경로추적 및 보정을 통하여 정밀한 장대천공이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템(DS)은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며, 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

DS:미니 파이프 루프용 천공 시스템
100:천공장치 110:레일
120:슬라이더 130:로터리 조인트
200:모니터링 장치 R:로드
300:드릴 로드 310:드릴 비트
320:드릴 모터 330:좌표 추적모듈
331:경로 제어 332:좌표 추적부
340:각도 측정모듈 350:케이블 스페이서
400:연결 로드 500:강관 파이프

Claims (11)

1. 레일(110)의 길이방향을 따라 슬라이더(120)가 왕복 구동되고, 상기 슬라이더(120)에 로터리 조인트(130)가 구비되어 천공 방향을 따라 복수의 로드(R)가 순차적으로 체결되도록 하는 천공장치(100)와, 지상에서 천공 경로를 실시간으로 파악하기 위한 모니터링 장치(200)를 포함하는 천공 시스템(DS)에 있어서,
   상기 로드(R)는 드릴 비트(310)가 구비되는 드릴 로드(300)와 상기 드릴 로드(300)의 후방에 순차적으로 체결되는 복수의 연결 로드(400)를 포함하며, 상기 드릴 로드(300)에는 관형 케이싱(301)의 전방에 드릴 비트(310)가 노출되도록 구비되고, 상기 관형 케이싱(301)의 내측에는 워터 펌프(WP)로부터 공급되는 고압의 유체를 이용하여 드릴 비트(310)를 회전시키는 드릴 모터(320)와, 실시간 천공 경로 파악이 가능하도록 센서를 이용한 좌표 추적모듈(330)이 구비되어 유무선 통신망으로 지상에 구비된 모니터링 장치(200)로 실시간 정보가 전달되며,
   상기 드릴 로드(300)의 관형 케이싱(301)은 관절부(302)를 중심으로 전방 케이싱(301a)이 후방 케이싱(301b)과 상대 각도 조정이 가능하도록 형성되고, 상기 후방 케이싱(301b)은 좌표 추적모듈(330)을 감싸는 부분이 비자성체로 형성되며, 상기 좌표 추적모듈(330)은 전체적으로 베릴륨 구리 베럴로 에워싸인 형태를 지니고, 경로 제어부(331)와 센서를 이용한 좌표 추적부(332)를 포함하며,
   상기 드릴 로드(300)의 관형 케이싱(301)은 후방 내주면에 전방을 향하여 축관되는 테이퍼 홈부(303)가 형성되고, 상기 테이퍼 홈부(303)에 암나사산(303a)이 형성되며, 상기 연결 로드(400)는 관형 케이싱(401)의 전방에 테이퍼 돌부(402)가 형성되고 상기 테이퍼 돌부(402)에 수나사산(402a)이 형성되어 상호 나사 체결되고,
   상기 테이퍼 홈부(303)의 최단경부에는 드릴 로드(300)와 각종 정보를 송수신하고, 전원을 공급하는 케이블(CA)이 정위치에 배치되도록 중심에 케이블 관통공(350a)이 형성되는 케이블 스페이서(350)가 구비되되, 상기 케이블 스페이서(350)에는 케이블 관통공(350a)을 중심으로 복수의 유체 이동공(352)이 형성되고, 외주면에는 테이퍼 홈부(303)의 테이퍼각에 대응되도록 테이퍼면(351)이 형성되어 후방에 체결되는 연결 로드(400)는 케이블(CA)과의 간섭 없는 체결이 가능함과 동시에 상기 연결 로드(400)의 테이퍼 돌부(402)에 의하여 안정적으로 가압 고정되고,
   상기 전방 케이싱(301a)의 내측에는 실시간 각도 측정이 가능하도록 각도 측정모듈(340)이 구비되며, 상기 전방 케이싱(301a)의 각도 측정모듈(340)을 감싸는 부분은 비자성체로 형성되되, 상기 각도 측정모듈(340)에는 코일(341)이 형성되고, 상기 코일(341)에 전류를 공급하는 베터리팩(342)이 구비되어 자기장이 발생되고, 좌표 추적모듈(330)의 좌표 추적부(332)가 각도 측정모듈(340)에 의하여 형성된 자기장을 이용하여 전방 케이싱(301a)과 후방 케이싱(301b)의 상대 각도를 측정하는 것을 특징으로 하는 경로추적이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   상기 드릴 모터(320)는 내주면에 복수의 로브(321a)가 나선형으로 돌출된 고정 실린더(321)의 내측에는 고압의 유체가 회전되도록 외주면에 복수의 로브(322a)가 나선형으로 돌출된 모터축(322)이 구비되는 것을 특징으로 하는 경로추적이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 고정 실린더(321)의 로브(321a)의 개수는 n 이고, 상기 모터축(322)의 로브(322a)의 개수는 n-1 인 것을 특징으로 하는 경로추적이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템.
   
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 좌표 추적모듈(330)은 경로 제어부(331)의 전방에 압력 측정부(333)를 포함하는 것을 특징으로 하는 경로추적이 가능한 미니 파이프 루프 보강용 천공 시스템.
10. 삭제
11. 삭제

Images