KR102566443B1 - 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법 - Google Patents

복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법은, 터널 건설을 위하여 예정된 터널의 굴착설계선을 따라 다수의 외곽공과 바닥공을 천공하는 경계면 천공단계(S10); 상기 굴착설계선 안쪽의 지정된 위치에 선천공을 천공하여 자유면을 형성하는 선천공 형성단계(S20); 다각형의 각 모서리에 위치하는 복수의 구멍으로 이루어지는 단위 할렬공을 굴착설계선(10) 내부에 분산되도록 다수로 천공하는 할렬공 형성단계(S30); 및 상기 단위 할렬공의 중심부에 파쇄공을 천공하여 단위 할렬공을 파쇄하는 파쇄단계(S40);를 포함한다.
이로써, 본 발명은 막장면의 중심부에 형성되는 선천공과 그 주위에 형성되는 단위 할렬공이 상대적으로 작은 크기의 구멍들이 조합되어 형성되므로 대구경 구멍 천공의 어려움을 해소하여 시공성을 향상시킬 수 있다.

Description

복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법{Vibration-Free Rock Crushing with 3 Free-face Excavation Method}
본 발명은 무진동 암파쇄 굴착공법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자유면의 형성을 위하여 암반에 형성된 선천공의 주위에 복수의 구멍으로 이루어진 다수의 단위 할렬공을 분산 천공하고, 단위 할렬공의 중심부에 파쇄공을 천공하여 단위 할렬공을 형성하는 복수의 구멍이 파쇄공을 중심을 파쇄되면서 암반의 파쇄가 이루어지는 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법(3FEM)에 관한 것이다.
일반적으로 지하 터널을 건설하기 위한 굴착과정에서 암반을 굴착하는 작업이 요구되며, 암반 굴착의 대표적인 방법은 암반에 구멍을 천공하고, 천공된 구멍에 폭약을 설치하여 발파시키는 방법이다.
이러한 천공발파공법은 경제적이고 다양한 지질조건에 유연하게 대처할 수 있는 장점을 갖는 반면, 발파 시 발생되는 진동과 소음으로 인해 도심 밀집지역이나 인근에 인가나 축사가 있는 지역에서는 각종 민원의 발생으로 인해 작업 진행에 많은 어려움이 따르게 된다.
이와 같은 천공발파공법의 문제점을 해소하기 위하여 착암기 등 천공장치로 암반에 복수의 천공홀을 형성하고, 할암기 등의 암파쇄장치로 천공홀을 확장시키는 방식으로 암반의 파쇄를 유도하여 터널 굴착과정에서 발생되는 소음과 진동을 현저히 줄인 기계식 암파쇄공법이 사용되고 있다.
한편, 천공발파공법 및 기계식 암파쇄공법에서 암반 파쇄가 원활하게 진행될 수 있도록 자유면을 형성하는 대구경의 선천공을 터널 막장면의 중앙부에 천공하게 되며, 이와 관련된 선행기술문헌으로는 대한민국 공개특허 제10-2014-0065634호(2014.05.30. 공개, 이하 '선행기술문헌 1'이라 한다)가 제안된 바 있다. 선행기술문헌 1의 터널 굴착공법은 도 1a에 도시된 바와 같이 터널 바닥면에 설치된 레일 구조의 지지대(11) 위에 구동부(12)와 로드(13) 및 비트(14)가 탑재된 것으로 이루어진 선대구경 보링장치(10)를 이용하여 암반에 소정의 심도로 대구경의 선천공을 형성하게 된다.
그러나, 선행기술문헌 1에서와 같이 선대구경 보링장치(10)를 이용하여 암반에 선천공을 형성하기 위해서는 지지대(11)를 터널 바닥에 고정하고, 지지대(11) 위에 구동부(12)와 로드(13) 및 비트(14)를 탑재하여 조립하는 작업이 선행되어야 하며, 선천공의 형성 이후에는 발파공이나 할암공의 가공을 위한 장비의 투입 및 활동을 위한 공간 확보를 위하여 기 설치된 선대구경 보링장치(10)를 해체하고 터널 밖으로 운반하는 작업이 요구되며, 이러한 조립과 해체 및 운반 작업은 터널의 건설과정에서 반복 실시되므로 시공의 효율성이 떨어지는 문제점이 있다.
한편, 대한민국 공개특허 제10-2018-0041950호(2018.04.25. 공개, 이하 '선행기술문헌 2'라 한다)에는 할암장치를 이용한 터널 굴착방법이 개시되어 있으며, 선행기술문헌 2에서와 같이 할암장치를 이용하여 암반을 파쇄하기 위해서 도 1b에 도시된 바와 같이 선천공(21)의 주위에 일정한 간격으로 다수의 할암공(22)을 천공하였으나, 다수의 할암공(22)을 개별적으로 천공하기 위해서는 많은 인력과 시간이 소요되었다.
특히, 천공을 위한 막장 표면의 마킹작업에 상대적으로 많은 시간이 소요되어 시공의 효율성이 떨어졌고, 다수의 천공 위치를 표시함에 따라 천공의 균일성도 담보하기 어려운 추가적인 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2014-0065634호(2014.05.30. 공개) 등록특허공보 제10-2018-0041950호(2018.04.25. 공개)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 복수의 구멍으로 이루어진 단위 할렬공을 한 번의 천공작업을 통해 암반에 형성할 수 있어 균일하고, 시공성이 우수한 무진동 암파쇄 굴착공법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 천공하고자 하는 구멍의 종류나 지질등급에 대응하여 적절한 어태치먼트를 굴삭기에 부착하여 사용하도록 함으로써 최적의 조건에서 원활한 천공작업이 가능하게 한 무진동 암파쇄 굴착공법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상대적으로 작은 크기의 구멍을 조합하여 대구경의 선천공을 형성하므로 천공 작업의 원활한 진행이 가능한 무진동 암파쇄 굴착공법을 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하고 종래의 결점을 제거하기 위한 과제를 수행하는 본 발명의 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법은, 터널 건설을 위하여 예정된 터널의 굴착설계선(10)을 따라 다수의 외곽공(11)과 바닥공(12)을 천공하는 경계면 천공단계(S10); 상기 굴착설계선(10) 안쪽의 지정된 위치에 선천공(20)을 천공하여 자유면을 형성하는 선천공 형성단계(S20); 다각형의 각 모서리에 위치하는 적어도 3개의 구멍으로 이루어지는 단위 할렬공(30)을 굴착설계선(10) 내부에 분산되도록 다수로 천공하되, 적어도 3개의 드릴날(134)이 구비된 드리프터 보링 머신(130)을 굴삭기에 장착하여 일정한 간격을 갖도록 복수의 구멍(31)을 동시에 천공하는 할렬공 형성단계(S30); 및 상기 단위 할렬공(30)의 중심부에 상기 구멍(31)보다 직경이 큰 파쇄공(40)을 천공하여, 천공만으로 단위 할렬공(30)을 파쇄하되, 상기 선천공(20)을 중심으로 가까운 위치의 단위 할렬공(30)부터 순차적으로 파쇄공(40)을 천공하여 선천공(20)의 크기를 점진적으로 확장시키는 파쇄단계(S40);를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 선천공 형성단계(S20)는 가운데 천공되는 중심공(21)을 중심으로 방사상으로 복수의 주변공(22)이 상기 중심공(21)과 일부가 중첩되게 천공할 수 있다.
또한, 상기 할렬공 형성단계(S30)는 3개의 구멍을 역삼각 구조로 천공할 수 있다.
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또한, 굴착 대상 암반의 경도가 상대적으로 높은 경우에는, 상기 선천공 형성단계(S20)와 파쇄단계(S40)는 타격을 통해 암반에 구멍을 천공하는 해머 보링툴(114)이 구비된 해머 보링 머신(110)을 굴삭기에 장착하여 선천공(20)과 파쇄공(40)을 천공할 수 있다.
또한, 굴착 대상 암반의 경도가 상대적으로 낮은 경우에는, 상기 선천공 형성단계(S20)와 파쇄단계(S40)는 복수의 보링비트(125)가 구비된 푸시 보링툴(126)을 포함하여 회전 및 가압을 통해 암반에 구멍을 천공하는 푸시 보링 머신(120)을 굴삭기에 장착하여 선천공(20)과 파쇄공(40)을 천공할 수 있다.
그리고, 상기 할렬공 형성단계(S30)는 굴착 대상 암반의 종류에 따라 인접한 단위 할렬공(30)의 중심부 사이의 간격을 달리하되, 암반의 경도가 낮을수록 단위 할렬공(30) 간의 거리를 증가시킬 수 있다.
본 발명의 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법에 의하면, 막장면의 중심부에 형성되는 선천공과 그 주위에 형성되는 단위 할렬공이 상대적으로 작은 크기의 구멍들이 조합되어 형성되므로 대구경 구멍 천공의 어려움을 해소하여 시공성을 향상시킬 수 있다.
특히, 대형천공장비의 사용 없이도 굴삭기에 장착 가능한 어태치먼트 타입의 소형 보링 머신을 공정 및 지질구조에 대응하여 교체 사용함으로써 천공에 소요되는 시간을 현저히 줄일 수 있을 뿐만 아니라 천공장비의 준비에 요구되는 시간을 줄여 시공성을 대폭 향상시킬 수 있다.
나아가, 단위 할렬공을 구성하는 복수의 구멍을 한 번의 천공작업을 통해 형성하여 천공작업에 소요되는 시간을 줄일 수 있고, 인접한 구멍의 사이 간격이 항상 일정하므로 파쇄작업의 지연 없이 암반 굴착 작업을 원활하게 진행할 수 있다.
뿐만 아니라, 중심공과 복수의 주변공으로 이루어지는 선천공은 3 자유면을 형성하여 암반파쇄에 필요한 에너지량을 감소시키게 되므로 시공성을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한, 암반에 구멍을 형성하기 위한 마킹작업의 횟수 및 천공작업의 횟수가 현저히 감소하므로 시공성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1a는 선행기술문헌1의 선대구경 보링장치를 이용하여 암반에 선천공을 형성하는 상태를 보인 예시도,
도 1b는 선행기술문헌2의 선천공 주위에 다수의 할암공이 형성된 상태를 보인 예시도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무진동 암파쇄 굴착공법을 시계열적으로 도시한 블록도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 경계면 천공단계를 나타낸 예시도,
도 4는 굴착면이 계단형의 단차진 구조로 형성된 상태를 보인 예시도,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 선천공 형성단계를 나타낸 예시도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 선천공 형성과정을 보인 예시도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 할렬공 형성단계를 나타낸 예시도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 단위 할렬공 중심에 형성되는 파쇄공의 위치를 보인 예시도,
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 파쇄단계를 나타낸 예시도,
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 실시예에 따른 선천공 형성단계와 파쇄단계에서 사용되는 해머 보링 머신의 구조도,
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 선천공 형성단계와 파쇄단계에서 사용되는 푸시 보링 머신의 구조도,
도 12a 내지 도 12c는 본 발명의 실시예에 따른 할렬공 형성단계에서 사용되는 3축 드리프터 보링 머신의 구조도.
이하에서는 도면에 도시된 사항을 바탕으로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하되, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법은 경계면 천공단계(S10), 선천공 형성단계(S20), 할렬공 형성단계(S30) 및 파쇄단계(S40)를 포함하여 순차적으로 진행되며, 상기 파쇄단계(S40) 이후에 버력처리단계(S50)와 굴착면 정리단계(S60) 및 굴착면 보강단계(S70)가 순차적으로 더 진행될 수 있다.
한편, 상기 경계면 천공단계(S10)에 앞서 구멍의 천공위치를 시공 상세도에 따라 막장면에 표시하는 마킹작업이 실시될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 경계면 천공단계(S10)는 터널 건설을 위하여 예정된 터널의 굴착설계선(10)을 따라 다수의 외곽공(11)과 바닥공(12)을 소정의 심도로 천공하는 단계로서, 점보 드릴 장치를 이용하여 굴착설계선(10)을 따라 다수의 구멍을 일정한 간격으로 천공하게 된다.
한편, 상기 굴착설계선(10)은 시공 대상 터널의 둘레를 따라 연장되는 폐곡선으로 이루어지며, 굴착설계선(10)을 따라 다수의 외곽공(11)과 바닥공(12)을 천공함에 있어서, 각각의 구멍을 터널의 외측 방향으로 경사지게 천공하게 된다. 예컨대 터널의 측벽과 천장에 위치하는 다수의 외곽공(11)은 터널의 좌우측 및 상부 방향으로 경사지게 천공되고, 터널의 바닥에 위치하는 다수의 바닥공(12)는 터널의 하부 방향으로 경사지게 천공된다.
또한, 터널의 측벽과 천장에 위치하는 다수의 외곽공(11)은 2열 이상의 복렬구조로 천공될 수 있다.
이러한 경계면 천공단계(S10)는 굴착설계선(10)을 상부영역과 하부영역으로 구획하는 복수의 경계공(13)을 천공하는 공정을 더 포함할 수 있으며, 상기 복수의 경계공(13)은 하부로 일정 각도 경사지게 천공된다.
이와 같이 상부영역과 하부영역으로 구분된 굴착설계선(10)의 내부를 굴착함에 있어서, 상부영역의 굴착과 시간차를 두고 하부영역의 굴착이 진행되어 도 4에 도시된 바와 같이 굴착면이 계단형의 단차진 구조를 이루도록 단계적인 굴착을 통해 굴착작업의 효율성을 높이고 상부영역의 붕괴를 예방하여 안전성을 확보할 수 있다.
도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 상기 선천공 형성단계(S20)는 굴착설계선(10) 안쪽의 지정된 위치에 선천공(20)을 천공하여 자유면을 형성하는 단계로서, 중심공(21)과 복수의 주변공(22)으로 이루어진 선천공(20)을 굴착설계선(10)의 안쪽 중심에 천공하게 된다.
보다 구체적으로, 상기 선천공 형성단계(S20)는 중심공(21)과 그 주변에 방사상으로 형성되는 주변공(22)을 천공함에 있어서, 중심공(21)의 일부가 주변의 모든 주변공(22)과 중첩되도록 중심공(21)과 주변공(22)을 천공하게 된다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 선천공 형성단계(S20)는 4개의 주변공(22)을 먼전 천공한 후, 중심공(21)을 천공하되, 주변공(22)의 천공 시 하방에 위치하는 주변공(22)을 먼저 천공하게 된다. 이와 같은 순서에 따라 주변공(22)과 중심공(21)을 천공함으로써, 중심공(21)에 의하여 시공오차 없이 안정적으로 3 자유면을 제공할 수 있다.
상기와 같이 중심공(21)과 복수의 주변공(22)으로 이루어진 선천공(20)은 3 자유면을 형성하므로, 주변 단위 할렬공(30)의 파쇄에 필요한 에너지량을 줄여 단위 할렬공(30)의 원활한 파쇄를 유도할 수 있다.
뿐만 아니라, 상대적으로 작은 크기의 구멍으로 이루어진 중심공(21)과 주변공(22)의 조합을 통해 대구경의 선천공(20)을 형성하게 되므로, 대구경 천공기를 사용하지 않더라도, 굴삭기에 탈부착 가능한 소형 어태치먼트를 이용한 작업이 가능하게 된다.
즉, 본 발명에 따른 선천공 형성단계(S20)는 굴착 대상 암반의 경도가 경암, 보통암, 연암과 같이 상대적으로 높은 경우에는, 도 10a 및 도 10b에 도시된 바와 같이 타격을 통해 암반에 구멍을 천공하는 해머 보링툴(114)이 구비된 해머 보링 머신(110)을 굴삭기에 장착하여 실시하게 된다.
상기 해머 보링 머신(110)은 굴삭기에 탈부착이 가능하도록 이루어진 몸체부(111)와, 상기 몸체부(111)의 안쪽에 장착된 구동 실린더(112)와, 상기 구동 실린더(112)와 연결되어 왕복 이동을 하는 구동 샤프트(113)와, 상기 구동 샤프트(113)와 함께 이동하는 해머 보링툴(114)을 포함한다.
이때, 상기 구동 실린더(112)는 굴삭기로부터 공급되는 오일을 이용하여 구동하는 유압 실린더로 구성되며, 상기 해머 보링툴(114)은 암반에 맞닿는 전면에 보링 비트(114a)가 방사상으로 형성되어 해머 보링툴(114)의 전후 왕복 이동시 암반을 타격하면서 구멍을 천공하게 된다.
한편, 상기 선천공 형성단계(S20)는 굴착 대상 암반의 경도가 풍화암 또는 풍화토와 같이 상대적으로 낮은 경우에는, 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같이 복수의 보링비트(125)가 구비된 푸시 보링툴(126)을 포함하여 회전 및 가압을 통해 암반에 구멍을 천공하는 푸시 보링 머신(120)을 굴삭기에 장착하여 실시하게 된다.
상기 푸시 보링 머신(120)은 굴삭기에 탈부착이 가능하도록 이루어진 몸체부(121)와, 상기 몸체부(121)의 안쪽에 장착된 구동 모터(122)와, 상기 구동 모터(122)에 순차 결합된 제1회전부재(123) 및 제2회전부재(124)와, 다수의 잇날이 방사상으로 형성된 복수의 보링비트(125)가 구비되고 제2회전부재(124)에 결합되어 제2회전부재(124)와 함께 회전하는 푸시 보링툴(126)을 포함한다.
이때, 상기 구동 모터(122)는 굴삭기로부터 공급되는 오일을 이용하여 구동하는 유압 모터로 구성되고, 상기 푸시 보링툴(126)은 제1,2회전부재(123,124)와 함께 회전하면서 암반에 구멍을 천공하게 된다.
한편, 상기 제1회전부재(123)와 제2회전부재(124)에는 굴삭기로부터 공급되는 물이나 에어를 푸시 보링툴(126)로 전달하기 위한 통로(123a,124a)가 구비되고, 상기 통로(123a,124a)를 통해 전달되는 물이나 에어를 보링비트(125)로 분사하는 분사구(126a)가 푸시 보링툴(126)에 형성된다. 또한, 보링비트(125)의 중심에는 가이드 로드(127)가 돌출 형성되어 표시된 굴착 위치를 정확히 특정하도록 가이드할 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이 상기 할렬공 형성단계(S30)는 복수의 구멍(31)으로 이루어지는 다수의 단위 할렬공(30)을 굴착설계선(10) 내부에 천공하는 단계로서, 선천공(20)의 주위로부터 다수의 단위 할렬공(30)을 순차적으로 천공하게 되며, 상기 단위 할렬공(30)은 다각형의 각 모서리에 위치하는 복수의 구멍(31)으로 이루어진다.
한편, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 단위 할렬공(30)은 정삼각형의 각 모서리에 위치하는 3개의 구멍(31)으로 이루어지되, 3개의 구멍(31)은 역삼각 구조로 천공된다.
이와 같은 할렬공 형성단계(S30)는 3개의 구멍(31)을 한 번의 천공작업을 통해 동시에 형성하여 3개의 구멍(31)이 항상 일정한 간격을 갖도록 하는 것이 바람직하다.
이를 위하여 상기 할렬공 형성단계(S30)는 도 12a 내지 12c에 도시된 바와 같이 전후로 왕복 이동을 하면서 암반을 타격하여 구멍을 천공하는 3개의 드릴날(134)이 구비된 3축 드리프터 보링 머신(130)을 굴삭기에 장착하여 3개의 구멍을 동시에 천공하게 된다.
상기 3축 드리프터 보링 머신(130)은 굴삭기에 탈부탁이 가능하도록 이루어진 몸체부(131)와, 상기 몸체부(131)의 안쪽에 장착된 구동 실린더(132)와, 상기 구동 실린더(132)와 연결되어 왕복 이동을 하면서 타격력을 발생시키는 타격 몸체(133)와, 상기 타격 몸체(133)의 타격력을 전달받아 암반을 타격하면서 구멍을 천공하는 3개의 드릴날(134)을 포함한다.
또한, 상기 3축 드리프터 보링 머신(130)은 구동 모터(135)와, 상기 구동 모터(135)에 의해 회전하고 외주면이 기어치가 형성된 구동 몸체(136)와, 상기 몸체부(131)의 내부에 회전 가능하게 장착되고 상부는 타격 몸체(133)와 맞닿으며 3개의 드릴날(134)과 결합되어 3개의 드릴날(134)을 지지하되 구동 몸체(136)와 기어결합을 위한 기어치가 외주면에 형성된 회전 몸체(137)와, 상기 회전 몸체(137)로부터 몸체부(131)의 길이 방향으로 이격되도록 몸체부(131)의 내부에 장착되고 내주면에 기어치가 형성된 드릴 회전 구동체(138)와, 상기 드릴 회전 구동체(138)의 안쪽에 위치하되 드릴 회전 구동체(138)와 기어결합을 위한 기어치가 외주면에 형성되고 각각의 드릴날(134)에 결합 고정되어 드릴날(134)을 개별적으로 회전시키는 3개의 회전 기어(139)와, 상기 회전 몸체(137)와 드릴 회전 구동체(138)의 사이에 배치된 압축 스프링(140)을 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 구동 실린더(132)와 구동 모터(135)는 굴삭기로부터 공급되는 오일을 이용하여 구동하는 유압 실린더와 유압 모터로 구성될 수 있다.
이와 같은 3축 드리프터 보링 머신(130)을 이용하여 다수의 단위 할렬공(30)을 천공함에 있어서, 굴착 대상 암반의 종류에 따라 인접한 단위 할렬공(30)의 중심부 사이의 간격을 달리하되, 암반의 경도가 낮을수록 단위 할렬공(30) 간의 거리를 증가시켜 작업공수를 감소시키는 것이 바람직하다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이 상기 파쇄단계(S40)는 단위 할렬공(30)을 파쇄시키는 단계로서, 단위 할렬공(30)의 중심부 마다 파쇄공(40)을 천공하되, 선천공(20)의 주변에 위치한 단위 할렬공(30)으로부터 파쇄가 진행되도록 단위 할렬공(30)의 중앙부에 파쇄공(40)을 천공하게 된다. 이로써, 선천공(20)의 크기는 점진적으로 확장되므로, 선천공(20)을 중심으로 가까운 위치의 단위 할렬공(30)부터 순차적으로 파쇄공(40)을 천공한다.
이러한 파쇄단계(S40)는 굴착 대상 암반의 경도가 상대적으로 높은 경우에는 선천공(20)과 마찬가지로 상기 해머 보링 머신(110)을 굴삭기에 장착하여 파쇄공(40)을 천공하고, 굴착 대상 암반의 경도가 상대적으로 낮은 경우에는 상기 푸시 보링 머신(120)을 굴삭기에 장착하여 파쇄공(40)을 천공하게 된다.
한편, 단위 할렬공(30)의 중앙부에 천공되는 파쇄공(40)의 천공과정에서 발생되는 진동과 충격에 의하여 파쇄공(40)의 주변에 균열이 발생되면서 단위 할렬공(30)의 구멍(31)으로 연결되도록 확장되고, 이러한 균열의 발생과 확장 및 전파가 파쇄공(40)을 중심으로 방사상으로 발생되면서 단위 할렬공(30)의 파쇄가 이루어진다.
특히, 선천공(20) 주위에 위치한 단위 할렬공(30)의 경우, 선천공(20)에 형성된 복수의 자유면으로 인하여 낮아진 암반 구속저항력에 의해 상대적으로 적은 파쇄 에너지가 요구되므로, 파쇄작업을 보다 안정적으로 실시할 수 있다. 또한, 단위 할렬공(30)을 형성하는 복수의 구멍(31)은 오차 없이 항상 동일한 간격을 지니도록 형성되므로, 파쇄작업의 균일성을 도모할 수 있다.
뿐만 아니라, 상기 단위 할렬공(30)을 천공하기 이전에, 3축 드리프터 보링 머신(130)이 위치할 중심부를 막장면에 표시하므로, 파쇄단계(S40)에서도 표시된 중심부에 해머 보링 머신(110)이나 푸시 보링 머신(120)이 위치하여 파쇄공(40)을 천공할 수 있으므로, 균일한 파쇄를 도모함과 동시에 시공 효율성을 확보된다.
이후에 진행되는 상기 버력처리단계(S50)는 암반의 굴착으로 인해 발생된 버력을 처리하는 단계로서, 버력을 모아 터널 외부로 운반하는 것으로 진행될 수 있다. 또한, 상기 굴착면 정리단계(S60)는 브레이커나 푸시 보링 머신(120)을 이용하여 굴착설계선(10)을 따라 굴착면을 정리하는 것으로 진행될 수 있다.
마지막으로 다음 번 굴착을 수행하기 위하여 정리된 굴착면에 지보재를 설치하여 굴착면을 보강하는 상기 굴착면 보강단계(S70)가 진행된다.
이하에서는 상기와 같이 구성된 본 발명의 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법을 이용하여 폭 8,560㎜, 높이 7,580㎜의 터널을 1m의 굴진장을 목표로 굴착하는 과정을 예시하도록 한다. 다만, 이하에서 설명하는 천공의 직경이나 간격은 하나의 예로 제시한 것이므로, 현장이나 장비에 따라 유연하게 변경될 수 있음은 통상의 기술자가 자명하게 이해할 수 있을 것이다.
먼저, 점보 드릴 장치를 이용하여 실시되는 경계면 천공단계(S10)는 외곽공(11)과 바닥공(12) 및 경계공(13)을 굴착설계선(10)을 따라 350㎜의 간격으로 천공하되, 외곽공(11)과 바닥공(12) 및 경계공(13)은 직경 45㎜의 구멍을 8도 내지 12도의 각도로 경사지게 천공하고, 이들 구멍의 천공작업이 완료되면 점보 드릴 장치를 철수하고 선천공(20)의 천공을 위한 굴삭기를 투입한다.
상기 선천공 형성단계(S20)에 따른 선천공(20)의 천공작업은 굴착 대상 암반의 경도를 고려하여 해머 보링 머신(110) 또는 푸시 보링 머신(120)를 굴삭기에 장착하고, 터널의 중앙부에 직경 216㎜의 구멍으로 이루어진 중심공(21)과 주변공(22)을 천공하여 직경 560㎜의 초대형 선천공(20)을 형성하게 된다.
상기 중심공(21)과 주변공(22)의 천공 시, 먼저 4개의 주변공(22)을 중심공(21)을 중심으로 방사상의 구조로 천공하고, 이들 주변공(22)의 중심부에 중심공(21)을 천공하되, 중심공(21)과 그 주변 주변공(22)이 서로 연결되도록 중심공(21)을 천공하게 되며, 이와 같은 선천공(20)이 터널 중심에 형성됨에 따라 단위 할렬공(30)의 파쇄 시 3 자유면을 제공하게 된다.
상기 선천공(20)의 천공작업이 완료되면, 굴삭기에 장착된 보링 머신을 분리하고, 3축 드리프터 보링 머신(130)을 해당 굴삭기에 장착하거나, 선천공(20)의 천공을 위한 보링 머신이 장착된 굴삭기를 철수하고, 3축 드리프터 보링 머신(130)이 장착된 굴삭기를 투입하여 상기 할렬공 형성단계(S30)에 따라 선천공(20)의 주위로부터 다수의 단위 할렬공(30)을 천공하게 된다.
상기 3축 드리프터 보링 머신(130)에 의해 암반에 형성되는 단위 할렬공(30)은 직경이 89㎜인 3개의 구멍(31)으로 이루어지며, 구멍(31) 간의 간격은 330㎜이다.
한편, 단위 할렬공(30) 간의 중심부 사이 간격은 굴착 대상 암반의 종류에 따라 결정되며, 굴착 대상 암반이 경암과 보통암 및 연암 중 하나인 경우 단위 할렬공(30)의 중심부 사이 간격은 560㎜ 내지 670㎜로 하고, 굴착 대상 암반이 풍토암 또는 풍화토인 경우에는 단위 할렬공(30)의 중심부 사이 간격은 680㎜ 내지 880㎜로 하여 굴착 대상 암반의 경도가 상대적으로 낮은 지질구조에서는 단위 할렬공(30)의 천공 개수를 줄이게 된다.
상기 단위 할렬공(30)의 천공이 완료되면, 3축 드리프터 보링 머신(130)이 장착된 굴삭기가 철수하고, 선천공(20)의 천공작업에 사용된 굴삭기를 다시 투입하거나 3축 드리프터 보링 머신(130)을 분리하고 해머 보링 머신(110)이나 푸시 보링 머신(120)을 굴삭기에 장착하여 상기 파쇄단계(S40)에 따라 파쇄공(40)을 천공하게 된다.
상기 파쇄공(40)의 천공작업은 단위 할렬공(30)의 중심부에 파쇄공(40)을 형성하는 것으로 이루어지며, 선천공(20)의 주위에 위치한 단위 할렬공(30)으로부터 순차적으로 파쇄공(40)을 형성하면서 파쇄작업을 진행하게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 터널의 굴착 과정에서 대구경 천공기의 사용하지 않고 굴삭기에 장착되는 보링 머신을 이용하여 구멍을 천공하면서 선천공 형성단계(S20)와 할렬공 형성단계(S30) 및 파쇄단계(S40)를 진행하게 되므로, 각 단계 간 신속한 장비의 전환이 가능하여 시공의 효율성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 구멍의 천공 시 발생되는 소음 및 진동을 감소시킬 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법은, 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 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 굴착설계선 11: 외곽공
12: 바닥공 13: 경계공
20: 선천공 21: 중심공
22: 주변공 30: 단위 할렬공
31: 구멍 40: 파쇄공
110: 해머 보링 머신 111: 몸체부
112: 구동 실린더 113: 구동 샤프트
114: 해머 보링툴 120: 푸시 보링 머신
121: 몸체부 122: 구동 모터
123: 제1회전부재 123a: 통로
124: 제2회전부재 124a: 통로
125: 보링비트 126: 푸시 보링툴
126a: 분사구 130: 3축 드리프터 보링 머신
131: 몸체부 132: 구동 실린더
133: 타격 몸체 134: 드릴날
135: 구동 모터 136: 구동 몸체
137: 회전 몸체 138: 드릴 회전 구동체
139: 회전 기어 140: 압축 스프링

Claims (7)

  1. 터널 건설을 위하여 예정된 터널의 굴착설계선(10)을 따라 다수의 외곽공(11)과 바닥공(12)을 천공하는 경계면 천공단계(S10);
    상기 굴착설계선(10) 안쪽의 지정된 위치에 선천공(20)을 천공하여 자유면을 형성하는 선천공 형성단계(S20);
    다각형의 각 모서리에 위치하는 적어도 3개의 구멍으로 이루어지는 단위 할렬공(30)을 굴착설계선(10) 내부에 분산되도록 다수로 천공하되, 적어도 3개의 드릴날(134)이 구비된 드리프터 보링 머신(130)을 굴삭기에 장착하여 일정한 간격을 갖도록 복수의 구멍(31)을 동시에 천공하는 할렬공 형성단계(S30); 및
    상기 단위 할렬공(30)의 중심부에 상기 구멍(31)보다 직경이 큰 파쇄공(40)을 천공하여, 천공만으로 단위 할렬공(30)을 파쇄하되, 상기 선천공(20)을 중심으로 가까운 위치의 단위 할렬공(30)부터 순차적으로 파쇄공(40)을 천공하여 선천공(20)의 크기를 점진적으로 확장시키는 파쇄단계(S40);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선천공 형성단계(S20)는 가운데 천공되는 중심공(21)을 중심으로 방사상으로 복수의 주변공(22)이 상기 중심공(21)과 일부가 중첩되게 천공하는 것을 특징으로 하는 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 할렬공 형성단계(S30)는 3개의 구멍을 역삼각 구조로 천공하는 것을 특징으로 하는 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    굴착 대상 암반의 경도가 상대적으로 높은 경우에는, 상기 선천공 형성단계(S20)와 파쇄단계(S40)는 타격을 통해 암반에 구멍을 천공하는 해머 보링툴(114)이 구비된 해머 보링 머신(110)을 굴삭기에 장착하여 선천공(20)과 파쇄공(40)을 천공하는 것을 특징으로 하는 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법.
  6. 제1항에 있어서,
    굴착 대상 암반의 경도가 상대적으로 낮은 경우에는, 상기 선천공 형성단계(S20)와 파쇄단계(S40)는 복수의 보링비트(125)가 구비된 푸시 보링툴(126)을 포함하여 회전 및 가압을 통해 암반에 구멍을 천공하는 푸시 보링 머신(120)을 굴삭기에 장착하여 선천공(20)과 파쇄공(40)을 천공하는 것을 특징으로 하는 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 할렬공 형성단계(S30)는 굴착 대상 암반의 종류에 따라 인접한 단위 할렬공(30)의 중심부 사이의 간격을 달리하되, 암반의 경도가 낮을수록 단위 할렬공(30) 간의 거리를 증가시키는 것을 특징으로 하는 복수의 시추공으로 이루어진 단위 할렬공을 이용한 3자유면 무진동 암파쇄 굴착공법.
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