KR20020025936A - 방향제어 시추조사장치, 조사방법 및 그에 따른 터널의시공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하의 지반을 조사하거나 터널 및 각종구조물의 시공과 설계에 대한 그 조사장치와 시공방법에 관한 것이다.

본 발명인 지반시추조사장치는 시추조사방향과 측량좌표를 확인하는 천공홀의 측량장비, 천공 방향을 제어할 수 있는 방향조정장치, 중력을 이용하는 코아방향표시기를 결합하여 시추의 방향을 제어하며, 암반내의 절리등 불연속면의 절리, 균열등의 방향성을 함께 조사하는 방법이며, 이러한 조사가 종료된 후에는 시추공을 이용하여 시추공을 확대하여 천공할 수 있는 장치와 방법을 개발한 것이다.

확대천공장치는 크게 두 가지 종류로 분류되며. 첫째, "천공관통시 사용되는 확대천공장치", 둘째, "일부천공시 사용되는 확대천공장치"로 이루어진다.

또한, 본 발명인 터널의 시공법은 방향이 제어된 시추공과 확대된 공을 이용하여 터널을 축조하는 공법으로 그 각 공법은 다음과 같다.

첫째, 이를 이용한 방향제어 마이크로 터널공법.

둘째, 이를 이용한 상수도용 집수공법.

셋째, 이를 이용한 터널내 환기 및 배수 공법.

넷째, 이를 이용한 터널의 굴착(발파)을 하는 공법으로 분류된다.

다섯째, 이를 이용한 R.B.M(RAISE BORING MACHINE) 굴착공법으로 분류된다.

Description

방향제어 시추조사장치, 조사방법 및 그에 따른 터널의 시공법{Core Orientation System with Direction Control Core Drilling System, And the Associated Tunnelling Methods}

1. 기술분야 : 건설 및 광업분야.

본 발명은 건설분야와 광법분야의 시추조사에 관한 사항이다.

일반적으로 시추조사(Core Boring)시에는 시추조사기(Core Boring Machine)와 천공로드(DRILL ROD). 코아배럴(Core Barrel)로 구성되어 있으며, 시추시의 시추방향의 설정은 수직, 수평, 경사 시추를 시행한다. 일반적으로 코아배럴의 길이는 3미터이며 천공로드의 선단에 부착한다. 코아배럴의 선단에는 암반을 절삭하는 BIT가 장착되어 있고, 그 뒤에는 공을 약간 확대하는 REAMMING SHELL이 장착되어있다. 이들은 시추조사기에 의하여 회전력을 받아 암반을 천공하며, 그 회전속도는 천공직경에 따라서 약 400~800(RPM : Round Per Meter)로 변화한다.

2. 그 분야의 종래기술 : Core 시추조사 및 천공공법, 터널의 조사 및 설계,시공. 과거 수십년간에 걸쳐 국내의 건설의 설계 및 시공과 광업에서 지하광물에 대한 조사에 사용되는 시추조사에 관한 것이다.

일반적으로 사용되는 시추조사는 대개 선단의 시추용 BIT가 회전을하며 암반을 절삭하여 시추를 하는 형식으로 되어있으며, 이방성 물질인 암반의 특성상, 암의 절리 발향과 균열의 형상에 따라 시추방향이 오차 및 편차와 같은 변화가 다양하게 발생되고 있으며, 이로 인한 경제적 및 시간적 낭비를 현재 극복하지 못하고 있다. 또한, 현재까지도 시추조사에 있어서 시추의 방향을 측량하고 발생된 오차 및 편차와 이에 대한 수정과 보정이 불가능하였다. 또한 시추코아를 통하여 원지반에 대한 절리, 불연속면에 대한 방향성분석은 불가능한것이 현재의 실정이다.

(표-1). 기존공법 및 신공법의 비교표.

가. 개발배경.

국내의 건설산업과 광업분야의 지반조사와 터널 및 각종 구조물의 설계와 시공에서 사용되는 시추조사는 대개 진행방향의 오차 및 편차의 측정과 방향제어가 불가능하며, 대개 터널의 중심선에는 시추조사를 할 수 없었다. 또한 대개의 시추조사는 수직으로 실시하거나, 아니면 수평이나, 어떠한 일정 각을 설정하여 천공을 하나, 그 천공 방향에 대한 제어를 불가능하다.

본 개발은 현재 불가능한 방향을 제어하여 시추조사를 가능하게 한 공법이며, 터널노선의 중심선을 따라 방향을 제어하여 천공을 하는 동시에 시추공을 측량하고 시추코아에 표기를 하여 코아의 방향성을 측정할 수 있는 공법이며, 또한, 이 시추공을 확대하는 장치의 개발과 이에 따른 시공법이 핵심내용이다.

본 발명은 기존 시추조사의 상기와 같은 문제점을 해소하기위하여 시추공의 오차 및 편차정도를 조사하였다. 그 결과 균일한 등방성(等方性)을 지니는 금속물질은 그 정도가 미미 하나, 여러물질이 복합된 이방성(異方性)을 지니는 암석에서는 그 정도가 크며, 균열 및 절리 파쇄가 있는 암반은 더욱 더 심하다.

(표-2). 천공종류별 오차정도 분류표.

건설분야와 광업에서의 시추조사 심도가 클수록 그 오차는 따라서 가중되어 발생한다. 그러나, 이러한 천공오차를 발견하고 이를 보정하며, 원하는 방향으로 시추조사를 진행하는 방법을 제공하는 동시에 코아의 원래의 방향과 암반의 절리 및 불연속면등의 주향, 경사, 방향을 알수 있는 정확한 방법을 제공하는데 있는 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 첫번째 단계로, 스웨덴 REFLEX AB(또는 FLEXIT AB)의 공내측량장비를 사용하여 시추공의 측량을 실시하여 원래 계획된 위치 및 방향을 비교하는 단계이며, 두번째 단계는 시추공에 중력(GRAVITY FORCE)을 이용한 시추코아방향표시기를 투입하여 시추코아에 표기를 한는 단계이며, 이 두 공정은 동시에 수행 할수 있도록 방향표시기 내에 측량장비가 설치되도록 하였다. 세번째 단계는 방향 제어 코아배럴에 보정방향 및 각도를 미리 정(Setting)한 후 천공을 실시하여 시추공의 오차를 보정하여 정확한 시추천공 및 지반에 대한 정보를 상세하고 정확하게 획득할 수 있는 것이 그 특징이 있다.

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이하 첨부된 도면에 의하여 상세한 설명을 하면 다음과 같다.

시추공측량장비는, 스웨덴의 REFLEX AB의 EMS와 EZ-SHOT제품을 사용한다.

(도-1)은 방향제어 코아배럴로 스웨덴의 LIWINSTONE AB의 제품을 적용하였으나, 제품의 규격이 국내의 K.S.규격의 코아채취에 미달되는 관계로 본 특허 출원에서는 국내의 K.S.규격에 맞게 장비를 개발하였다.

또한 (도-2-A)는 시추코아방향표시기의 전체모습을 나타낸 것이며, 여기서 1은 중력(GRAVITY FORCE)을 이용한 시추코아방향표시기 몸체로써, 표시기의 충격을 흡수하고 완화 시켜주는 2중의 스프링장치로 되어있다. 도면에서 2는 Inner Tube Reactor로써, 이 장치는 수압(펌프의 힘)으로 이동되는 피스톤 역활을 하여 시추코아방향표시기를 공내에서 이동을 하게 해주는 동시에 내부에는 시추공 측량장비가 설치될 공간을 제공해 준다. 3은 시추코아에 표시(Marking)을 하는 Impact Device로 상단에는 구형 베어링이 용접되어있고, 이것은 2개의 Tubular Pin으로 이탈을 방지하게 되어있으며. 이 구형 베어링이 용접된 Impact Device는 중력의 영향을 받아 항상 지구의 중심(수직)으로 향하는 원리로 되어있다.

B는 시추코아방향표시기가 시추시 ROD를 통하여 코아배럴의 내부로 투입할수 있슴을 보여준다. 또한 C는 부품들의 명칭과 수량을 상세하게 표기하였다.

(도-3)은 시추조사시 장비조합에 관한 사항으로 터널내에서 시추작업을 할 경우,장비조합 제1도를 기준으로 발전기나, 동력을 공급받아 전기 파워팩(Electric Power Pac)으로부터 Control Unit를 거쳐 천공장비가 가동되도록하였다. 장비조합 제2도는 지상에서 시추를 할 경우로 디젤엔진형 파워팩을 갖춘장비에서 Control Unit를 거쳐 천공장비가 가동되도록 하였다.

본 장비의 특성상 건설분야의 교통터널의 경우 터널중심선을 따라 원곡선과 완화곡선(크로소이드, 3차포물선)을 도두 적용하여 시행가능하다.

(도-4-1)는 시추조사방법으로 터널의 조사시 시추천공의 길이가 짧은 경우에는 "관통공법"을 사용하고. 길이가 길거나, 도심의 경우에는 "바나나형(Banana Type:부분 시추)"형의 천공법을 사용한다.

(도-5-B)는 시추공 천공시 길이가 짧은 경우에 적용하는 "관통확공법"에 관한 사항으로 여기에서 사용될수 있는 확대장비는 (도-7)의 DIAMOND REAMMING BIT, (도-8)은 TRICON REAMER, (도-9)은 D.T.H. REAMER이다.

(도-6)는 시추공 천공시 연장이 약800미터 이상이거나, 도심지역인 경우에 적용하는 "부분확공법"에 관한 사항으로 여기에서 사용될수 있는 확대장비는 (도-10)은 DIAMOND REAMMING BIT, (도-11)은 TRICON REAMER, (도-12)은 D.T.H. REAMER이다.

각 장비중 확대장비중 (도-7), (도-10)의 DIAMOND REAMMING BIT는 도심지의 소구경(직경 150mm 이하)의 경우 확대를 위한 장비이다. (도-8), (도-11)의 TRICONREAMER는 도심지의 중.대구경(직경 300mm ~ 600mm정도)의 확대를 위한 장비이다.

(도-9), (도-12)의 D.T.H. REAMER를 이용한 확대천공장치이다.

(도-13)은 하천하부의 마이크로터널과 이를 응용한 집수정 취수장치이다.

(도-14)는 터널공사시 양방향 환기로 방향제어 확대천공을 응용하여 터널내의 배수와 환기를 실시하는 장치이다.

또한 단면적이 큰 터널의 축조를 위하여 발파를 할 경우, 기존 도로공사 터널발파 표준도에 본 방향제어 확대천공법을 적용하여 심발공으로 할경우의 발파패턴도(도-15-A, 도-15-B)및 이에 따른 발파법을 개발하였다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은, 건설에 있어서 각종 시설물의 설계와 시공에 필수인 시추조사를 획기적으로 개선한 방법으로 설계조사후 일반 시추공은 시멘트 그라우팅을 하여 폐공시키나, 본공법은 이를 더욱 확대 굴착하여 각종 목적의 마이크로 터널을 축조하거나, 상수원의 취수, R.B.M. TUNNEL의 시공시 PILOT HOLE로써의 사용과 더불어 터널의 확대 발파시 심발공의 역활을 하며, 환기 및 배수공의 역활을 한다. 그에 대한 각 공종별 효과는 다음과 같다.

1. 방향제어 코어천공법 및 시추코아방향분석법.

가. 지반조사가 추정이 아닌 신뢰성이 높고 정확한 실제 원위치조사로 전환됨.

나. 종래 불가능한 방향제어천공과 시추코아의 방향성 분석이 가능.

다. 종래 불가능한 터널중심선 Core천공과 장거리 방향제어천공이 가능.

라. 시추코아에 대한 코아방향성 분석 및 원지반의 정확한 분석이 가능.

마. 원지반의 코아의 완벽한 채취가 가능.

2. 방향제어 확대 천공법.

가. 지반조사시 방향제어 천공Hole을 확대하여 마이크로 터널을 축조함.

나. 굴착거리, 굴착 직경, 시공환경에 따라 3가지 굴착장비중 이에 알맞는 장비를 선정하여 사용하므로 어떠한 조건의 암반여건에서도 효율적인 사용이 가능하다.

다. 가장 확실하고 효율적인 암반 마이크로 터널공법으로 확립됨.

(표-3). 기존 암반 마이크로터널공법과 비교.

3. 이를 응용한 상수도 집수공법.

가. 당 공법은 자연의 정수효과를 이용하여 집수정용 마이크로터널에 유입된 원수를 인근의 정수장에 상수원수 및 중수도등의 용수로 공급한다.

나. 현재 수도권의 상수원은 팔당댐, 청평댐에서 취수하여 수도권 각 지역의 정수장으로 원수를 PIPE LINE을 통하여 공급함. 따라서 장거리 송수비용을 획기적으로 절감.

다. 그러나, 상수원수가 갈수록 오염이 되어 2급수 및 3급수구로 전락하고 상수원수의 이송거리가 증가함에 따라 이송비용과 누수률(漏水率)이 증대함. 본 공법을 적용시 상수원수의 질이 향상되고, 누수률이 대폭감소한다.

(표-4). 기존 취수 및 및 송수방법과 비교.

4. 이를 응용한 터널내 환기 및 배수 공법.

가. 기존 급기식 환기방식에서 양방향 변환이 급기 및 배기 환기공법이다.

나. 기존의 환기방식에서 사용되는 덕트(풍관)의 설치가 필요없다.

다. 따라서 본 공법을 적용시 환기효율이 증대되고 비용은 대폭 감소된다.

( 표-5). 기존 터널공사시 비교.

5. 이를 응용한 터널의 굴착(발파)을 하는 공법.

가. 방향제어 CORE 천공과 확대 천공을 터널 발파시 심발공으로 사용한다.

나. 심발법의 이론적 배경은 CYLINDER CUT의 이론을 응용한다.

다. 기존의 발파공법에 비하여 진동과 소음을 줄이고,굴진률을 높이며, 화약의 소요량과 장약 및 환기 시간을 줄인다(도-13-A, 도-13-B, 도-14-A, 도-14-B참조).

라. 심발공의 단면적이 크므로 굴진률이향상된다

마. 발파막장면을 아치형을 이루게 하여 터널의 안전성과 시공효율을 높인다.

바. 이 결과 터널의 시공비용과 시공능력향상을 가져온다.

(표-6). 기존도로공사 터널 발파표준도(패턴-1)와의 비교.

6. 이를 응용한 R.B.M.터널 공법.

가. 방향제어 CORE천공을 실시하여 PILOT HOLE을 천공한다.

나. R.B.M.의 DRILL PIPE가 설치 될 유도공을 확대천공(ENLARGE BORING)한다.

다. 여기에 R.B.M.의 REAMMING CUTTER를 장착하여 R.B.M.터널을 완성한다.

라. 이 결과 정확한 유도공의 설치로 시공시간을 줄이고, 시공오류에 의한 비용을 대폭 감소시킨다.

Claims (1)

1. 현재 터널 및 지반조사에 사용되는 KS규격의 방향제어 시추조사 장치, 시추공의 측량을 병용하는 동시에 시추Core의 방향성을 분석할 수 있는 장치.

2. 방향을 제어하여 시추조사를 시행한 후 이를 이용하여 확대하는 장치.

3. 방향을 제어하여 시추조사를 시행한 후 이를 확대한후 이를 응용하는 각 방법.

가. 이를 응용한 마이크로터널공법.

나. 이를 응용한 상수도 집수공법.

다. 이를 응용한 터널내 환기 및 배수 공법.

라. 이를 응용한 터널의 굴착(발파)을 하는 공법.

마. 이를 응용한 R.B.M. 터널의 시공법.