KR102513958B1 - 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일실시례에 따른 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치는, 기설정된 제1 이동구간을 세미쉴드 공법으로 전진하도록 제어하는 세미쉴드 제어부 및 기설정된 제1 이동구간 이후의 기설정된 제2 이동구간은 쉴드 공법으로 전진하도록 제어하는 쉴드 제어부를 포함하고, 세미쉴드 제어부는, 헤드부가 지속적으로 이동하도록 중압잭을 제어할 수 있으며, 중압잭 일지점에 마련되고, 중압잭의 과부하 여부를 판단하는 과부하 센서 및 하기 [수학식 1]에 의해 산출되는 과부하센서의 평균오차(Aerr)가 기설정된 한계오차(Serr)보다 큰 경우, 과부하센서가 고장난 것으로 판단하는 센서 모니터링부를 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112022104452419-pat00014

(여기서, Aerr은 평균오차, Taver는 상기 과부하센서 센서값의 전체평균, Paver는 상기 과부하센서 센서값 n개에 대한 일부평균, Tσ는 상기 과부하센서 센서값의 전체표준편차를 의미함)

Description

장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치 및 방법 {DEVICE AND METHOD FOR TUNNEL EXCAVATION FOR LONG-DISTANCE CONSTRUCTION}
본 발명은 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치 및 방법에 관한 것으로 상세하게는, 세미쉴드 공법 및 쉴드 공법을 동시에 사용하고, 중압잭을 제어하여 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 세미쉴드(Semi-Shield) 공법이란, 커터 헤드가 장착된 세미쉴드머신을 발진구에 장착시켜 막장면의 붕괴를 방지하면서 커터 헤드의 회전력에 의해 굴착을 실시하며, 기계 후방 수직구의 반력벽에 설치된 유압잭을 이용하여 쉴드 장비 및 추진관을 압입하여 지중에 터널을 완성시키는 공법을 말한다.
세미쉴드 공법은 터널 내 지하수 유출 빈도가 낮은 장점이 있지만, 터널 연장이 길 경우 중압관 사용으로 굴진능률이 저하되고, 700m 이상의 장대터널의 경우 적용이 불가하다는 단점이 있다. 그 단점을 보완하기 위해 종래 기술에서는 세미쉴드 공법과 쉴드 공법의 조합으로 만들어진 복합 쉴드 공법을 개시하고 있다.
복합 쉴드 공법은 초기 추진관 압입 시에 발진기지의 원압잭으로 추진 후 쉴드 TBM으로 전환하여 자체부착된 추진잭으로 굴진할 수 있다. 하지만, 상기 복합 쉴드 공법에서도 초기 추진관 압입 시, 다수 개의 중압관 사용으로 인한 공기의 지연 및 여러 예상치 못한 어려운 환경의 터널 굴착에서의 안전사고 발생 가능성이 큰 문제점이 있다.
따라서, 공기의 지연 없이, 여러 예상치 못한 환경에 대응할 수 있는 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치 및 방법에 대한 연구가 요구된다.
한국등록특허 제10-1550159호
본 발명의 목적은, 헤드부가 지속적으로 이동하도록 중압잭을 제어함으로써, 터널 굴진 장치가 정지하지 않고 지속적으로 이동할 수 있는 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 여러가지 데이터를 측정하고 비교함으로써, 터널 굴진에 문제가 생긴 경우, 신속하게 헤드부의 이동을 중지시킬 수 있는 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
또한, 쉴드 공법 및 세미쉴드 공법을 복합적으로 사용함으로써, 안정적으로 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일실시례에 따른 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치는, 기설정된 제1 이동구간을 세미쉴드 공법으로 전진하도록 제어하는 세미쉴드 제어부 및 기설정된 제1 이동구간 이후의 기설정된 제2 이동구간은 쉴드 공법으로 전진하도록 제어하는 쉴드 제어부를 포함하고, 세미쉴드 제어부는, 헤드부가 지속적으로 이동하도록 중압잭을 제어할 수 있으며, 중압잭 일지점에 마련되고, 중압잭의 과부하 여부를 판단하는 과부하 센서 및 하기 [수학식 1]에 의해 산출되는 과부하센서의 평균오차(Aerr)가 기설정된 한계오차(Serr)보다 큰 경우, 과부하센서가 고장난 것으로 판단하는 센서 모니터링부를 할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112022104452419-pat00001
(여기서, Aerr은 평균오차, Taver는 상기 과부하센서 센서값의 전체평균, Paver는 상기 과부하센서 센서값 n개에 대한 일부평균, Tσ는 상기 과부하센서 센서값의 전체표준편차를 의미함)
또한, 본 발명의 일실시례에 따른 세미쉴드 제어부는, 헤드부에 연결된 중압잭은 최대이완가능거리의 a%(a는 100 이하의 기설정된 수)만큼 이완하되, a는 헤드부가 적어도 b회 전진할 수 있는 자연수일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시례에 따른 쉴드제어부는, 기설정된 n개의 단위시간 동안의 상기 헤드부의 회전속도, 굴진속도, 굴진압력, 굴착면의 온도, 굴착면의 전기저항, 커터 마모도를 각각 n번 측정하고, 상기 측정된 회전속도의 평균값, 굴진속도의 평균값, 굴진압력의 평균값, 굴착면 온도의 평균값, 굴착면 전기저항의 평균값, 커터 마모도의 평균값(M)을 하기 [수학식 2]에 의해 산출하며,
[수학식 2]
Figure 112022104452419-pat00002
상기 측정된 회전속도의 표준편차, 굴진속도의 표준편차, 굴진압력의 표준편차, 굴착면 온도의 표준편차, 굴착면 전기저항의 표준편차, 커터 마모도의 표준편차(Sd)를 하기 [수학식 3]에 의해 산출하고,
[수학식 3]
Figure 112022104452419-pat00003
상기 측정된 회전속도의 평균편차, 굴진속도의 평균편차, 굴진압력의 평균편차, 굴착면 온도의 평균편차, 굴착면 전기저항의 평균편차, 커터 마모도의 평균편차(Md)를 하기 [수학식 4]에 의해 산출하여
[수학식 4]
Figure 112022104452419-pat00004
상기 평균값(M), 표준편차(Sd), 평균편차(Md)가 각각 기설정된 기준평균값, 기설정된 기준표준편차, 기설정된 기준평균편차 이상이고, 상기 회전속도의 최저값이 기설정된 기준회전속도 이하이며, 상기 굴진속도의 최저값이 기설정된 기준굴진속도 이하이고, 상기 굴진압력의 최대값이 기설정된 기준압력 이상이며, 상기 굴착면의 온도 최대값이 기설정된 기준온도 이상이고, 상기 굴착면의 전기저항의 최대값이 기설정된 기준전기저항 이상이며, 상기 커터 마모도 최대값이 기설정된 기준마모도 이상인 경우 헤드부의 이동을 중지시키도록 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시례에 따른 쉴드 제어부는, 추진관의 전방에 이렉터를 두고 추진관과 이렉터 사이 공간에 세그먼트를 삽입할 수 있다.
본 발명에 따르면, 헤드부가 지속적으로 이동하도록 중압잭을 제어함으로써, 터널 굴진 장치가 정지하지 않고 지속적으로 이동할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 여러가지 데이터를 측정하고 비교함으로써, 터널 굴진에 문제가 생긴 경우, 신속하게 헤드부의 이동을 중지시킬 수 있는 효과를 가진다.
또한, 쉴드 공법 및 세미쉴드 공법을 복합적으로 사용함으로써, 안정적으로 장거리 시공이 가능한 효과를 가진다.
도 1은 종래 세미쉴드 공법을 사용하는 터널 굴진 장치의 동작을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시례에 따른 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치의 동작을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시례에 다른 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시례에 따른 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치의 블럭도이다.
도 5는 본 발명의 일실시례에 따른 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 방법의 순서도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시례를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시례에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시례를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
이하, 본 발명인 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치 및 방법은 첨부된 도 1 내지 도 4를 참고로 상세하게 설명한다.
도 1은 종래 세미쉴드 공법을 사용하는 터널 굴진 장치의 동작을 도시한 도면이고, 도 2는 본 발명의 일실시례에 따른 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치의 동작을 도시한 도면이며, 도 3은 본 발명의 일실시례에 다른 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치를 도시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일실시례에 따른 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치의 블럭도이며, 도 5는 본 발명의 일실시례에 따른 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 방법의 순서도이다.
본 발명의 일실시례에 따른 터널 굴진 장치는 세미쉴드 제어부(110) 및 쉴드 제어부(120)를 포함할 수 있다.
세미쉴드 제어부(110)는 기설정된 제1 이동구간(10)을 세미쉴드 공법으로 전진하도록 제어할 수 있다. 상기 세미쉴드 공법은, 기계 후방 수직구의 반력벽에 설치된 유압잭을 이용하여 쉴드 장비 및 추진관(160)을 압입하는 공법을 말한다.
또한, 상기 세미쉴드 제어부(110)는, 헤드부(140)가 지속적으로 이동하도록 중압잭(130)을 제어할 수 있다.
또한, 상기 세미쉴드 제어부(110)는, 과부하센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 과부하센서는 상기 중압잭(130) 일지점에 마련되고, 상기 중압잭(130)의 과부하 여부를 판단할 수 있다.
한편, 상기 과부하센서의 신뢰도 유지를 위해 상기 세미쉴드 제어부(110)는 상기 과부하센서의 고장여부를 판단하는 센서 모니터링부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 센서 모니터링부(미도시)는 하기 [수학식 1]에 의해 산출되는 상기 과부하센서의 평균오차(Aerr)가 기설정된 한계오차(Serr)보다 큰 경우, 상기 과부하센서가 고장난 것으로 판단할 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112022104452419-pat00005
여기서, Aerr은 평균오차, Taver는 상기 과부하센서 센서값의 전체평균, Paver는 상기 과부하센서 센서값 n개에 대한 일부평균, Tσ는 상기 과부하센서 센서값의 전체표준편차를 의미한다.
보다 상세하게는, Taver는 상기 과부하센서 센서값의 전체평균이며, 과부하센서가 정상 동작하는 기설정된 기간동안(ex. 한 달) 다수의 데이터를 수집하여 센싱되는 값들의 전체 평균을 산출한 값을 의미하고, Tσ는 상기 기설정된 기간동안(ex. 한 달) 다수의 데이터를 수집하여 센싱되는 값들의 전체표준편차를 산출한 값을 의미한다.
또한, Paver는 상기 과부하센서 센서값 n개에 대한 일부평균이며, 과부하센서가 현장 설치되어 사용되는 과정에서 기설정된 수(n개)의 센서값을 실시간으로 입력받고 상기 기설정된 수(n개)의 센서값에 대한 평균을 산출한 것으로서, 일부 센서값의 평균에 해당하므로 일부평균이라 지칭할 수 있다.
이 때, 일부평균을 이용하여 95%의 신뢰도로 추정평균값을 산출하면, 추정평균값(μ)은
Figure 112022104452419-pat00006
범위를 갖게 된다.
따라서, 추정평균값(μ)의 상한 또는 하한과 전체평균(Taver)과의 차이값인 평균오차(Aerr)는, 상기 [수학식 1]과 같이 산출될 수 있다.
그러므로, 상기 [수학식 1]에 의해 산출되는 평균오차(Aerr)가 기설정된 한계오차(Serr)보다 크다는 것은 실시간으로 입력받은 기설정된 수(n개)의 센서값이 과부하센서의 고장으로 잘 못 입력되고 있을 가능성이 매우 높음을 의미하므로, 센서 모니터링부(미도시)는 상기 조건이 만족되면 과부하센서가 고장난 것으로 판단할 수 있다.
한편, 상기 헤드부(140)에 연결된 상기 중압잭(130)은 최대이완가능거리의 a%(상기 a는 100 이하의 기설정된 수)만큼 이완하되, 상기 a는 상기 헤드부(140)가 적어도 b회 전진할 수 있는 자연수인 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 중압잭(130)이 최대이완가능거리의 a%만큼 이완하면, 도 1에 도시된 정지 구간이 필요한 종래 기술과는 달리, 도 2에 도시된 바와 같이 정지 구간 없이 추진할 수 있다.
도 3을 참고하면, 상기 쉴드 제어부(120)는 추진관(160)의 전방에 이렉터(150)를 둘 수 있다. 먼저, 상기 세미쉴드 공법으로 기설정된 제1 이동구간(10)을 전진하고 난 후, 기설정된 제2 이동구간(20)은 상기 추진관(160)과 상기 이렉터(150) 사이 공간에 세그먼트(170)를 삽입하며 쉴드 공법으로 전진할 수 있다. 상기 쉴드 공법은 장비에 부착된 추진잭이 기설치된 세그먼트를 반력대로 사용하면서 추진하는 공법을 말한다.
상기 쉴드 제어부(120)에서는 여러가지 데이터를 측정하고, 기준값과 비교하여 굴진 장치에 문제가 생긴 경우, 헤드부(140)의 이동을 중지시키도록 제어할 수 있다. 먼저, 기설정된 n개의 단위시간(ex. 1초) 동안의 상기 헤드부(140)의 회전속도, 굴진속도, 굴진압력, 굴착면의 온도, 굴착면의 전기저항, 커터 마모도를 각각 n번 측정할 수 있다. 다음으로 상기 측정된 회전속도의 평균값, 굴진속도의 평균값, 굴진압력의 평균값, 굴착면 온도의 평균값, 굴착면 전기저항의 평균값, 커터 마모도의 평균값을 하기 [수학식 2]에 의해 산출할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112022104452419-pat00007
다음으로, 상기 측정된 회전속도의 표준편차, 굴진속도의 표준편차, 굴진압력의 표준편차, 굴착면 온도의 표준편차, 굴착면 전기저항의 표준편차, 커터 마모도의 표준편차를 하기 [수학식 3]에 의해 산출할 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112022104452419-pat00008
다음으로, 상기 측정된 회전속도의 평균편차, 굴진속도의 평균편차, 굴진압력의 평균편차, 굴착면 온도의 평균편차, 굴착면 전기저항의 평균편차, 커터 마모도의 평균편차를 하기 [수학식 4]에 의해 산출할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112022104452419-pat00009
상기에서 산출한 상기 평균값, 표준편차, 평균편차가 각각 기설정된 기준평균값, 기설정된 기준표준편차, 기설정된 기준평균편차 이상이고, 상기 회전속도의 최저값이 기설정된 기준회전속도 이하이며, 상기 굴진속도의 최저값이 기설정된 기준굴진속도 이하이고, 상기 굴진압력의 최대값이 기설정된 기준압력 이상이며, 상기 굴착면의 온도 최대값이 기설정된 기준온도 이상이고, 상기 굴착면의 전기저항의 최대값이 기설정된 기준전기저항 이상이며, 상기 커터 마모도 최대값이 기설정된 기준마모도 이상인 경우 헤드부(140)의 이동을 중지시키도록 제어할 수 있다. 상기 헤드부(140)의 이동을 중지시킨 후, 굴진 장치의 오류를 점검하고, 정비할 수 있다.
이하에서는 도 5를 참고하여 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 방법을 상세하게 설명한다.
이하에서 설명할 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 방법은 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치에 의해 수행될 수 있으며, 상기 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치와 관련된 구성 중 상기에서 언급된 내용과 중복되는 내용은 이하에서 설명을 생략한다.
도 5를 참고하면, 단계(S510)에서는 기설정된 제1 이동구간(10)을 세미쉴드 공법으로 전진할 수 있다.
단계(S520)에서는 기설정된 제1 이동기간(10) 이후의 기설정된 제2 이동구간(20)은 쉴드 공법으로 전진할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일실시례에 따르면, 헤드부가 지속적으로 이동하도록 중압잭을 제어함으로써, 터널 굴진 장치가 정지하지 않고 지속적으로 이동할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 여러가지 데이터를 측정하고 비교함으로써, 터널 굴진에 문제가 생긴 경우, 신속하게 헤드부의 이동을 중지시킬 수 있는 효과를 가지고, 쉴드 공법 및 세미쉴드 공법을 복합적으로 사용함으로써, 안정적으로 장거리 시공이 가능한 효과를 가진다.
이상과 같이 본 발명의 일실시례는 비록 한정된 실시례와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명의 일실시례는 상기 설명된 실시례에 한정되는 것은 아니며, 이는 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 본 발명의 일실시례는 아래에 기재된 특허청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 제1 이동구간
20: 제2 이동구간
100: 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치
110: 세미쉴드 제어부
120: 쉴드 제어부
130: 중압잭
140: 헤드부
150: 이렉터
160: 추진관
170: 세그먼트

Claims (4)

  1. 기설정된 제1 이동구간을 세미쉴드 공법으로 전진하도록 제어하는 세미쉴드 제어부; 및
    상기 기설정된 제1 이동구간 이후의 기설정된 제2 이동구간은 쉴드 공법으로 전진하도록 제어하는 쉴드 제어부;
    를 포함하고,
    상기 세미쉴드 제어부는,
    헤드부가 지속적으로 이동하도록 중압잭을 제어하는 것을 특징으로 하며,
    상기 중압잭 일지점에 마련되고, 상기 중압잭의 과부하 여부를 판단하는 과부하 센서; 및
    하기 [수학식 1]에 의해 산출되는 상기 과부하센서의 평균오차(Aerr)가 기설정된 한계오차(Serr)보다 큰 경우, 상기 과부하센서가 고장난 것으로 판단하는 센서 모니터링부;
    를 포함하고,
    [수학식 1]
    Figure 112023002360246-pat00010

    (여기서, Aerr은 평균오차, Taver는 상기 과부하센서 센서값의 전체평균, Paver는 상기 과부하센서 센서값 n개에 대한 일부평균, Tσ는 상기 과부하센서 센서값의 전체표준편차를 의미함)
    상기 Taver는,
    상기 과부하센서가 정상 동작하는 기설정된 기간동안 다수의 데이터를 수집하여 센싱되는 값들의 전체 평균을 산출한 값이며,
    상기 Tσ는,
    상기 기설정된 기간동안 다수의 데이터를 수집하여 센싱되는 값들의 전체표준편차를 산출한 값이고,
    상기 Paver는,
    상기 과부하센서 센서값 n개에 대한 일부평균이며, 상기 과부하센서가 현장 설치되어 사용되는 과정에서 기설정된 수(n개)의 센서값을 실시간으로 입력받고 상기 기설정된 수(n개)의 센서값에 대한 평균을 산출한 것으로서, 일부 센서값의 평균에 해당하고, 상기 일부평균을 이용하여 95%의 신뢰도로 추정평균값을 산출하면, 추정평균값(μ)은
    Figure 112023002360246-pat00020
    범위인 것을 특징으로 하며,
    상기 세미쉴드 제어부는,
    상기 헤드부에 연결된 상기 중압잭은 최대이완가능거리의 a%(상기 a는 100 이하의 기설정된 수)만큼 이완하되,
    상기 a는 상기 헤드부가 적어도 b회 전진할 수 있는 자연수인 것을 특징으로 하는 장거리 시공이 가능하며,
    상기 쉴드제어부는,
    기설정된 n개의 단위시간 동안의 상기 헤드부의 회전속도, 굴진속도, 굴진압력, 굴착면의 온도, 굴착면의 전기저항, 커터 마모도를 각각 n번 측정하고,
    상기 측정된 회전속도의 평균값, 굴진속도의 평균값, 굴진압력의 평균값, 굴착면 온도의 평균값, 굴착면 전기저항의 평균값, 커터 마모도의 평균값(M)을 하기 [수학식 2]에 의해 산출하며,
    [수학식 2]
    Figure 112023002360246-pat00011

    상기 측정된 회전속도의 표준편차, 굴진속도의 표준편차, 굴진압력의 표준편차, 굴착면 온도의 표준편차, 굴착면 전기저항의 표준편차, 커터 마모도의 표준편차(Sd)를 하기 [수학식 3]에 의해 산출하고,
    [수학식 3]
    Figure 112023002360246-pat00012

    상기 측정된 회전속도의 평균편차, 굴진속도의 평균편차, 굴진압력의 평균편차, 굴착면 온도의 평균편차, 굴착면 전기저항의 평균편차, 커터 마모도의 평균편차(Md)를 하기 [수학식 4]에 의해 산출하여
    [수학식 4]
    Figure 112023002360246-pat00013

    상기 평균값(M), 표준편차(Sd), 평균편차(Md)가 각각 기설정된 기준평균값, 기설정된 기준표준편차, 기설정된 기준평균편차 이상이고,
    상기 회전속도의 최저값이 기설정된 기준회전속도 이하이며,
    상기 굴진속도의 최저값이 기설정된 기준굴진속도 이하이고,
    상기 굴진압력의 최대값이 기설정된 기준압력 이상이며,
    상기 굴착면의 온도 최대값이 기설정된 기준온도 이상이고,
    상기 굴착면의 전기저항의 최대값이 기설정된 기준전기저항 이상이며,
    상기 커터 마모도 최대값이 기설정된 기준마모도 이상인 경우 헤드부의 이동을 중지시키도록 제어하는 것을 특징으로 하고,
    상기 쉴드 제어부는,
    추진관의 전방에 이렉터를 두고 상기 추진관과 상기 이렉터 사이 공간에 세그먼트를 삽입하는 것을 특징으로 하는 장거리 시공이 가능한 터널 굴진 장치.
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