KR19980078862A - 플라즈마 파암장비를 이용한 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축전기에 충전된 전기에너지를 암반속에 설치된 전극에 순간적으로 방전시켜 전극사이에 있는 알미늄과 금속산화물간에 골드슈미트(Gold Schmidt) 환원법에 의하여 발생된 고온·고밀도의 플라즈마로 구성된 충격파의 전달력에 의해서 암석이나 암반을 파쇄하는 시공방법에 관한 것이다.

본 발명은 현장조사 및 시공계획 단계를 거쳐 시험파쇄 단계, 천공 단계, 공저 및 공벽에 남아있는 이물질을 제거하는 공청소 단계, 전선타입 전극봉 또는 전극봉 하단에 전해액을 주입결착하는 전해액 결착 단계, 상기 전해액 부분이 공저 부분에 완전 밀착되게 삽입하는 전선타입 전극봉(전극봉) 삽입 단계, 팁 상부로부터 공입구까지 밀폐시키는 충진단계, 축전기에 충전된 전기 에너지를 순간적으로 방전시켜 플라즈마의 충격파에 의해 암석이나 암반을 파쇄하는 파암 단계와, 파암이 끝난 전극봉을 재사용하기 위하여 전선(전극봉)을 회수하는 단계, 굴삭(2차파쇄) 및 제거 작업 단계 및 새로운 천공위치 선정단계를 포함하는 플라즈마 파암장비를 이용한 시공방법을 제공한다.

Description

플라즈마 파암장비를 이용한 시공방법

본 발명은 파암장비를 이용한 시공방법에 관한 것으로서, 특히 플라즈마 파암장비를 이용한 시공방법에 관한 것이다.

일반적으로 대규모 토목공사 또는 건설공사, 지하터널 굴착공사의 경우, 암반지형 표출시 거대한 암반을 적당한 크기로 파쇄할 때에는 일반적으로 암반파쇄기를 쓰거나 화약 등을 쓰게 되는 바, 화약을 쓰게 되는 경우에는 대상암반에 착암기로 구멍을 뚫어 화약을 장전한 다음, 화약을 폭발시키기 위해 외부의 파워케이블과 연결된 뇌관을 설치하고서, 그 위에다 주변의 잡석 같은 것을 채워 뇌관을 매개로 화약을 터뜨려 발파하는 경우가 많은데 이와 같은 발파방법은, 화약의 폭발력에 의해 암반이 파쇄되기는 하지만, 암반의 파쇄와 함께 화약위에 채워진 잡석이 날아가면서 주변물체 또는 작업자에게 손상을 주게 됨은 물론 굉음을 일으키는 등 소음과 파편의 비산 등을 일으키는 한편, 상기 구멍에서 폭발된 화약이 대상암반에 불규칙한 폭발력을 전달하게 됨으로서 폭발부위가 일정하게 되지 않아 파쇄된 바위덩어리의 이용률을 떨어뜨리는 등의 문제점이 있었다. 그리고, 특히 이러한 화약발파식 암반파쇄방법은 도심지의 건물지하굴착이나 지하철굴착과 같은 경우 화약발파 때 발생하게 되는 진동·소음·암파편의 비산 또는 민원야기 등으로 사용될 수 없어 공사가 중단되는 문제점을 가지고 있었다.

이와 관련하여 종래의 파암 공법의 예를 들어보면, 고열·고압에 의한 팽창력을 이용하는 미진동 발파 공법, 석회계의 규산염을 주체로 한 무기화합물의 경화팽창력을 이용하는 팽창성 파쇄제 등과 같은 화학 제품의 팽창력을 이용하는 공법과, 액화 CO₂가스가 기화되는 과정에서 발생되는 급속 개스 압력을 이용하는 가스압 이용공법과, 유압을 이용하여 피스톤에 의해 금속쇄기가 전진하거나 유압에 의해 고무튜브가 팽창하게 되는 원리를 이용한 유압이용 공법이 있다.

여기서, 상기 화학제품의 팽창력을 이용하는 공법 및 가스압을 이용하는 공법은 절개선과 절단면의 조절이 곤란하고, 특히 화약 발파는 초기의 폭굉압으로 천공주변의 암석을 파쇄시키면서 지속되는 폭발압이 파쇄된 부분을 확장시키고 파편을 비산시키므로 소음이나 진동이 극심하며, 유압을 이용하는 금속쇄기는 수직홈에만 적용가능하고 시공부분 무게가 높은 수평홀이나 난간에는 시공이 곤란하며, 팽창성 파쇄제 공법은 장약후 암이 파쇄될 때까지 상당한 시간이 요구되며, 유압잭에 의한 공법은 시공단가가 고가인 단점이 있다.

위에서 언급한 여러가지 공법상에 따른 단점을 극복하기 위하여 특히 플라즈마 파암장비를 이용한 시공방법이 시도된다.

플라즈마 파암이란 축전기에 충전된 전기에너지를 암반속에 설치된 전극에 순간적으로 방전시키는 일종의 충격력 전달 방식으로서 그 구체적인 원리는 전극사이에 있는 알미늄과 금속산화물간에 골드슈미트(Gold Schmidt) 환원법에 의하여 발생된 고온·고밀도의 플라즈마로 구성된 충격파의 전달력에 의해서 암석이나 암반을 파쇄하는 것이다. 그 물리·화학적 반응식은

2Al + 3CuO → 3Cu⁺+ Al₂O₃ ⁺+ 4e로 표시된다.

따라서, 플라즈마 파암장비를 이용한 파암시스템은 화약발파와 달리 초기에 발생된 충격적 에너지에 의한 폭굉파(Detonation Wave)만 암석층에 전달되므로 암석내에 존재하는 약면과 불연속면에서 균열만 발생되며, 상기 반응식에 보는 바와 같이 화약발파에서와 같은 충격파에 뒤이어 생성되는 복합적인 고압가스의 발생이 없으므로 화약의 폭발압에 의한 균열확장 및 소음과 암편의 비산이 없는 저진동·저소음의 작업 특성을 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 진동과 소음이 적고, 파쇄시간이 짧고, 수직·수평공에 적용가능하며, 절개선과 절단면 조절이 가능하고 시공단가가 절약되며, 도심지 및 인구밀집 지역에서도 저소음·저진동 작업으로 민원발생 등을 줄일 수 있고, 직렬로 다수공을 동시 파암하는 연속파암 시스템 채택으로 시공성 향상 뿐만 아니라, 굴착작업의 자동화 시스템 채택으로 파암 시공작업의 경제성과 효율성을 극대화시킬 수 있는 시공방법을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 현장조사 및 시공계획 단계를 거쳐 시험파쇄 단계, 천공 단계, 공저 및 공벽에 남아있는 이물질을 제거하는 공청소 단계, 전극봉 하단에 전해액을 밀봉·결착하는 전해액 결착 단계, 상기 전해액 부분이 공저 부분에 완전 밀착되게 삽입하는 전선타입 전극봉(전극봉) 삽입 단계, 모래나 흙 기타 점토 등으로 팁 상부로부터 공입구까지 밀폐시키는 충진단계, 축전기에 충전된 전기 에너지를 암반 속의 전극 사이에 순간적으로 방전시켜 전해액중의 알미늄과 금속 산화물의 골드슈미트 환원 반응에 따라 고온·고밀도의 에너지를 가진 플라즈마의 충격파에 의한 강한 전달력으로 암석이나 암반을 파쇄하는 파암 단계와, 파암이 끝난 전극봉을 재사용하기 위하여 전선(전극봉)을 회수하는 단계, 굴삭(2차파쇄) 및 제거 작업 단계와, 새로운 천공위치 선정단계를 포함하는 플라즈마 파암장비를 이용한 시공방법을 제공한다.

도 1은 시공공정을 도시한 블록 다이어그램

도 2는 도 1의 전원제어장치의 구성 및 작동원리를 도시한 블록 다이어그램

이하 본 발명을 첨부된 도면을 이용하여 상세히 설명한다.

도 1은 현장조사 및 시공계획 단계, 시험파쇄 단계, 천공 단계, 공청소 단계, 전해액 결착 단계, 전선(전극봉) 삽입 단계, 충진 단계, 파암 단계, 전선회수 단계, 굴삭 및 제거 단계와, 새로운 천공위치 선정 단계로 이루어진 플라즈마 파암장비를 이용한 시공방법을 도시한 블록 다이어그램이다.

이하, 각 단계에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.

우선, 현장조사 단계에 있어서, 현장조사는 시공전 조사, 시공중 조사, 완공후 조사를 기본으로 하며, 시공전 조사는 건설공사의 계획 및 설계시에 소음 진동 대책을 검토·반영하기 위해 공사 착수전에 주변 환경을 파악하는 것으로서, 공사현장 주변에 있는 건조물의 유무와 규모 및 밀집도, 지질 등과 소음·진동 발생원과 가옥 등과의 거리를 조사하고, 필요에 따라 소음 진동의 영향에 관해서 검토하고, 또한 현장과 피해자와의 거리 공간의 넓이, 차폐물의 유무와 소음 민감 시설 및 지하 매설물 등을 조사하고, 시공시에 민원이 발생될 우려가 있는 지점에서 민원이 발생되기 쉬운 시간에 암소음과 암진동을 측정하고, 필요한 경우에는 공사현장 주변에서 시공시의 작업시간대에 따라 암소음과 암진동을 측정하며, 건설공사로 인하여 진동의 영향이 예상되는 현장 주변의 위험물 저장소 및 전자계산기, 전자현미경, 전자빔 이용장비, 전자교환기 등과 같은 초정밀기기가 설치된 시설이 있는지 여부와 건조물 균열 상태, 또는 기왓장의 어긋남 등에 대해서 조사한다. 시공중 조사는 공사중의 방음대책 효과, 예기치 않은 소음 진동의 발생 여부 확인 및 필요에 따른 소음 진동의 측정과 공사현장 주변의 상황 및 건조물 등의 상태를 파악하는 것이고, 완공후 조사는 상기 단계의 측정 데이터를 기준으로 주변 보완 시설물에 대한 피해 유무를 조사하는 것이다.

한편, 시공 도중의 공법 변경은 거의 불가능하고 비용 또한 증대하므로 시공계획 단계에서 충분히 검토하여 전체적으로 소음 진동의 영향이 적은 공법을 택하도록 한다.

시험파쇄 단계에서는 암반을 파쇄할 경우 파암장비설치, 천공, 청소, 전선제작, 삽입, 충진(전색), 파암, 확인 및 굴착작업을 통하여 진동·소음을 계측하여 환경 영향치 이내가 되도록 전압 세기를 조절한다.

천공단계에 있어서, 착암기로 암반을 천공할 경우 저소음 착암기(유압식 또는 소음기가 부착된 공압식)를 사용하거나 비트(BIT)에 링댐퍼(RING DAMPER) 장착을 검토할 수 있고, 방음 상자의 채용도 고려할 수 있다. 또한, 다수공을 천공하여 다수공 연속파암을 할 수도 있다.

청소 단계는 공저 및 공벽에 남아있는 암분이나 이물질을 압축공기로 청소하는 단계이다.

그 다음에 전해액 결착 단계에서, 자동 믹서기에 알미늄과 산화구리 그리고 물을 규정치로 정확히 넣고 전해질을 만들어 폴리에틴비닐에 담아 전극봉 끝에 연결된 팁에 부착시킨다.

전선 삽입 단계에서, 전선 끝에 부착된 전해액 부분이 공저 부분에 완전 밀착되게 삽입한다.

충진 단계에서, 모래나 흙 기타 점토 등으로 팁 상부 부분부터 공입구까지 공극이 생기지 않게 잘 다져 넣고 시멘트, 모래 및 점토 혼합물의 급결제로 밀폐시킨다.

파암 단계에서, 전원제어장치에 의해 축전기에 충전된 약 200 Mega Joule의 전기에너지가 암반속에 있는 전극 사이에 순간적으로 방전되면 전해액중의 알미늄과 금속산화물의 골드슈미트(Gold Schmidt) 환원 반응에 따라 고온·고밀도의 에너지를 가진 플라즈마의 충격파에 의한 강한 충격 전달력에 의해 암석이나 암반이 파쇄된다. 여기서 사용되는 플라즈마 장치는 1995년 10월 30일자로 출원된 특허출원 제 38020호 골드슈미트 파암장치에 기술되어 있으므로 상세한 설명은 생략한다.

참고로, 상기 파암 단계에서 이용되는 전원제어장치의 조작방법을 도 2를 참고하여 기술한다.

먼저 차단기가 OFF 되었는지 확인한 후, 전원을 연결하고, 차단기를 ON한다. 그 다음에 진공펌프의 MOTOR S/W를 ON으로 하고(단, 동절기에는 MIN. 15분 열품기로 가열한 후 ON한다), 진공펌프의 MOTOR를 수분 동작시킨 후 VALVE S/W를 열림상태로 한다. 그 다음에 메인스위치(시스템내에 있음)의 진공도가 4×10^-2내지 6×10^-2토르(TORR)가 될 때까지 계속 진공시킨다. 만약 진공게이지의 바늘이 4×10^-2내지 6×10^-2토르(TORR)가 되면 충전시키고자 하는 전압을 전압 조절 볼륨으로 조정한 후 고정시킨다. 그 다음에 파암준비를 체크하여 파암준비가 완료되면 파암현장 주위에 사람의 접근을 통제하고 충전스위치를 눌러 충전을 한 후, 충전이 완료되면(계기판 : 준비완료표시등, 장비측 : 경보음) 발파스위치를 누른다.

그리고, 전선(전극봉) 회수 단계는 파암이 끝난 전극봉을 재사용하기 위해 회수하는 단계로서, 전극봉의 재사용 회수가 많을수록 시공단가가 저렴해진다.

마지막으로 굴삭(2차 파쇄) 및 제거작업 단계에서 천공깊이, 천공간격, 전압의 세기조절에 따라 굴삭작업의 과정이 결정되며, 새로운 천공위치를 선정하여 상기 천공 단계부터 다시 반복할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 플라즈마 파암 시스템은 앞에서 기술한 바와 같이 알미늄과 금속산화물의 골드슈미트(Gold Schimidt) 환원법에 의한 고온·고밀도의 플라즈마의 충격파에 의한 타격력을 사용함으로서 특히 경암파암시 한 공당 2m²이상의 암석을 일시에 파쇄할 수 있는 파암력을 가지고 있으며, 플라즈마 파암방법은 전적으로 초기의 순간적 폭굉압에 의해 암석이나 암반을 파쇄시키므로 분진이나 파편의 비산이 없다. 또한 진동과 소음면에서 화약발파와 비교해서 매우 적게 나타나며, 수직·수평공에 적용가능하고, 절개선과 절단면 조절이 가능하며, 전극 사이에 있는 전해물질과 전극에 가해지는 전기에너지의 조절이 가능하므로 최소한의 진동과 음압수준을 유지하여 환경기준치 이하의 시공실시가 가능하다. 전해물질이 알미늄과 금속산화물로써 취급하기가 비교적 안전하고 화약류로 취급되지 않으며, 발파 진동은 전압의 세기로 제어되므로 안전성이 뛰어나며 직렬로 다수공을 동시 파암하는 연속파암시스템 적용시 파암의 시공성 향상 뿐만 아니라, 굴착작업의 자동화 시스템 채택으로 시공작업의 경제성과 효율성을 극대화시킬 수 있다.

Claims (5)

1. 플라즈마 파암장비를 이용한 시공방법에 있어서,

   현장조사 및 시공계획 단계를 거친 후의 시험파쇄 단계와,

   천공 단계와,

   공저 및 공벽에 남아있는 이물질을 제거하는 공청소 단계와,

   전극봉 하단에 전해액을 주입결착하는 전해액 결착 단계와,

   전선 끝에 부착된 전해액 부분이 공저 부분에 완전 밀착되게 삽입하는 전선삽입 단계와,

   모래나 흙 기타 점토 등으로 팁 상부 부분부터 공입구까지 밀폐시키는 충진단계와,

   축전기에 충전된 전기 에너지를 암반 속의 전극 사이에 순간적으로 방전시켜 전해액중의 알미늄과 금속 산화물의 골드슈미트 환원 반응에 따라 고온·고밀도의 에너지를 가진 플라즈마의 충격파에 의한 강한 충격전달을 일으켜서 암석이나 암반을 파쇄하는 파암 단계와,

   파암이 끝난 전극봉을 재사용하기 위하여 전선(전극봉)을 회수하는 단계와,

   굴삭(2차파쇄) 및 제거 작업 단계와,

   상기 굴삭 및 제거 단계를 통하여 새로운 천공위치 선정단계를 포함하는 플라즈마 파암장비를 이용한 시공방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 시험파쇄 단계에서 암반을 파쇄할 경우 환경 영향치 이내가 되도록 전압 세기를 조절하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 파암장비를 이용한 시공 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 공청소 단계에서 암분이나 이물질을 청소하는데 압축공기를 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 파암장비를 이용한 시공 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 천공 단계에서 새로운 천공위치선정 단계까지 반복되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 파암장비를 이용한 시공 방법.
5. 제 1 항에 있어서,

   다수공을 동시 파암하는 연속파암시스템 적용이 가능한 것을 특징으로 하는 플라즈마 파암장비를 이용한 시공 방법.