KR20050009127A - 지중천공장비의 자동 수직도 유도장치 및 그 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건설 공사에서 상부 구조물의 기초 공사를 위해 시공되는 연약 지반 개량을 위한 플라스틱 보드 드레인( Plastic Board Drain ; PBD )공법의 장비 및 그에 의한 시공 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 수직 홀( Hole )을 시공하는 상기 지중 천공 장비에 있어서 천공 작업 준비 중에는 장비의 자세를 자동으로 수직을 유지시켜 주고, 천공 작업 중에는 땅속 천공 진행방향과 천공 심도를 추적하여 천공 진행방향이 수직을 벗어나기 시작하면 경보와 함께 천공 진행방향의 수정을 유도하고, 수정이 미진하여 오차범위를 초과할 것으로 판정이 되면 2차 경보를 발하여 그 작업은 중단하고 재시공을 하게 판단을 내려 줌으로써 지중 공사의 품질을 향상 시킬 수 있는 지중천공 진행방향의 자동 수직도유도 장치 및 그에 의한 시공 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 지중 천공 장비의 자동 수직도유도 장치는 케이싱의 지중천공 진행 궤적을 자동으로 추적하는 지중천공궤적 자동추적장치와, 상기 장치로 부터 전달된 지시에 따라, 케이싱의 궤적이 수직선을 벗어 날 경우에 케이싱 궤적의 수직도를 개선하도록 유도하는 천공방향 조정기로 구성된다.

Description

지중천공장비의 자동 수직도 유도장치 및 그 시공방법{ The Automatic Verticality Guidance System for Boring machine ＆ Boring methode }

건설공사에서 연약지반 개량을 위한 지중천공 장비의 케이싱의 궤적은 매우 중요하다. 즉 천공 장비의 케이싱이 설계목표점( 61 )으로 정확하게 직진하지 않으면 드레인 보드가 경사지게 설치되어 그 작업구간은 드레인 보드의 영향이 미치지 않아 부실공사가 되고, 그 구간의 인접구간은 설계치보다 중복되는 결과가 되어 원자재, 인건비, 장비투입비가 낭비가 되는 셈이다. 지금까지는 이런 부실공사의 방지를 위한 노력이 지상에서 이루어 지는 장비 및 공법 개선에 국한되어 왔으나, 본 발명은 이를 지중으로 확대하여 실질적인 품질관리를 할 수 있게 한다.

연약지반 개량공사의 연직배수 공법의 대표적인 예라 할 수 있는 PBD공법은 다른 공법에 비해 시공이 간단하고, 시공단가가 싸기 때문에 국내외의 연약지반 개량공사에 광범위하게 적용되고 있다. PBD공법의 성공여부는 원재료의 드레인 보드의 품질, 시공시 드레인 보드의 수직도 유지 및 드레인 보드의 정확한 설치심도에 좌우되고 있다. 그러나 드레인 보드의 타입작업 전후의 수직도 유지 및 설계 심도에의 정확한 설치 여부는 거의 작업자의 숙련도에 의해 좌우되어 왔다. 그리하여 시공속도는 훨씬 빨라졌으나, 그 품질은 반대로 떨어지고 있어 다수의 시공구간에서 계획된 연약지반 개량효과를 거두지 못 함은 물론 많은 하자가 발생하고 있다. 현실적으로 땅속의 천공궤적이 설계 목표점( 61 )까지 얼마나 근접 했는 가로 공사품질을 판정한 것이 아니라, 리다( 3 )의 수직도 여부( 장비가 수직으로 설치 되었어도 굴착궤적은 수직을 유지하지 못함. )와 단순히 땅속으로 들어간 케이싱의 길이에만 의존하는 문제가 있다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 케이싱( 4 )에 설치한 천공 진행방향을 감지 할 수 있는 진행방향 감지센사( 41 )와 케이싱의 천공심도를 측정 할수 있는 천공심도 측정센사( 42 )를 이용하여, 천공작업 준비중에는 자동으로 리다의 기울기를 표시하고, 작업중에는 케이싱의 궤적을 추적하여 케이싱의 진행방향이 수직을 벗어나면 경고와 함께 케이싱의 진행방향을 수직으로 유도 할 수 있게 지시를 네릴 수 있는 지중천공궤적 자동추적장치( 이후에는 ATT시스템이라 칭함. 실용신안 등록 제 0348946 호 )와, ATT시스템에서 추출된 데이터를 근거로 리다를 가로/세로로 움직이고 기울기를 조정할 수 있는 랙기아 감속기( 33,34 )를 이용해 천공방향을 조정해 주는 천공방향 조정기( 30 )를 조합하였다.

본 발명에 따른 지중천공장비의 자동 수직도유도 장치및 그 시공방법( 이후에는 AVG시스템이라 칭함 )을 가동시키면, 작업준비 중에는 케이싱의 기울기를 읽어 자동으로 리다( 3 )를 수직으로 유지시키고, 작업 중에는 천공 방향이 수직을 벗어나기 시작하면 1차 경고와 함께 기울기를 완화하는 방향으로 천공방향 조정기가 리다의 위치를 이동시킨다.

즉 천공방향 조정기( 30 )의 리다 유동판( 32 )이 장비 고정판( 31 ) 위에서 정확히 케이싱의 진행방향을 수직으로의 복귀를 유도하는 방향으로 이동하도록 가로/세로 조정용 랙기아 감속기( 33/34 )에 지시를 네린다. 작업 전에는 리다의 기울기가 수직이 되어야 수직천공이 시작되지만, 천공방향이 수직을 벗어 나기 시작하면 케이싱을 기울여 주어야 천공 진행방향의 수직도가 개선된다. 전술한 과정을 거쳐서도 기준 천공선과 케이싱의 끝단과의 거리를 나타내는 이격거리가 미리 설정된 기준치를 벗어나면, 즉 케이싱의 진행방향에 걸쳐 있는 장애물(64 )의 크기가 커서 케이싱의 방향조정의 한도를 넘어 선다고 판단되면 2차 경고가 발동되고 작업자는 재시공할 준비를 해야 한다.

다시 말해서 지금까지는 잘못된 방향으로 작업이 진행돼도 확인할 방법이 없어 대책을 세울 필요도 없었으나, 상기 AVG시스템으로 인하여 바로 재시공을 할지 여부의 판단을 할 수 있는 근거를 얻게 한 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 자동 수직도유도 장치를 이용하여 PBD공법을 시공하기 위한 지중 천공 장비의 개략적인 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 지중 천공 장비가 불량공사를 시공한 경우와, 케이싱의 진행 방향을 수정하여 케이싱의 수직도를 개선한 상태를 도시한 것이다.

도 3,4는 공사의 결과를 판단하는 과정을 도식화한 것이다.

도 5는 도 1의 장비의 천공 진행 방향을 기계적으로 수정시키는 천공 방향 조정기의 사시도이다.

도 6은 지중천공 장비에 있어서 천공 진행 방향을 추적하기 위한 지중천공궤적 자동추적장치의 구성도이다.

〈 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 〉

1. 크레인/백호 2. 붐대

3. 리다 4. 케이싱

4a.불량시공된 케이싱의 궤적 4b.수직도가 개선된 케이싱의 궤적

5. 드레인 보드 롤 6. 드레인보드

30. 천공방향 조정장치

31. 장비 고정판 32. 리다 유동판

33. 가로방향 랙기아 감속기 34. 세로방향 랙기아 감속기

41. 진행방향 감지센사 42. 천공심도 측정센사

50. 지중천공궤적 자동추적장치 콘트롤라 57. 경광등/부자

61. 설계 목표점 62. 설계심도

63. 기준천공선 64. 장애물

65a.불량 시공된 이격거리 65b.수직도가 수정된 이격거리

첨부된 도면에 따라 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명에 따른 PBD공법을 시공하고 있는 천공장비를 갖춘 크레인의 개략적인 그림이다.

크레인( 1 )의 붐대( 2 )에 리다( 3 )가 좌우로 회전 할 수 있게 매달려 있고 천공방향 조정기( 30 )의 장비 고정판( 31 )이 장비 본체와 연결되어 있다. 장비 고정판의 가운데에는 구멍이 뚫려 있고 가운데로 리다가 관통하고 있는데 구멍 안에서 리다가 가로/세로로 움직일 수 있다.

리다( 3 )의 안쪽에는 천공을 하는 케이싱( 4 )이 상하 운동은 자유롭되 지상에서는 리다와 같은 기울기가 되도록 롤라로 고정되어 있고, 장비 고정판( 31 )바로 위에는 리다 유동판( 32 )이 리다에 고정된 채 장비 고정판에 얹혀 있어서, 리다는 장비 고정판에 설치 돼 있는 가로/세로 조정용 랙기아 감속기( 33/34 )가 밀고 당기는 만큼 케이싱과 함께 움직인다.

케이싱( 4 )은 드레인 보드 롤( 5 )에서 풀려나와 리다의 상단을 거쳐 땅속에 묻히는 드레인 보드( 6 )의 통로가 되며, 하부 끝단에 진행방향 감지센사( 41 )를 장착하고 있다.

또한 리다의 구동부에는 케이싱의 천공심도를 측정하는 센사( 42 )가 설치되어 경광등/부자( 57 )와 같이 ATT시스템의 콘트롤라( 50 )로 연결된다.

도 2는 지중천공 장비가 불량시공을 했을 경우의 상태와 케이싱의 진행방향을 수정했을 때의 상태를 도시한 것이다.

리다( 3 )가 수직을 유지하고 있어도( 수직 실선 ) 천공 중에 장애물( 64 )을 만나면 그림( 검은색의 케이싱 ; 4a )과 같이 휘게 된다. 많이 휘면 인발이 안되어 케이싱을 잘라내야 하는 경우도 종종 생기며, 심한 경우 케이싱의 끝이 도로 지상까지 뻗치는 경우도 있다. 천공방향 조정기( 30 )를 작동시켜 리다를 변위시키면( 점선의 리다 ) 케이싱( 4b )은 자체의 탄성에 의해 그림과 같이 수직도가 개선된다.

비록 설계심도( 62 )선상의 천공목표점( 61 )까지 정확하게는 도달이 안되더라도 기준천공선( 63 )과의 이격거리( 65a, 65b )는 짧아지게 되고, 이격거리가 미리 설정된 기준치를 넘어설 것으로 예측이 되면 곧 바로 경고로 작업중단의 판단을 네려 줌으로 불량작업을 계속하는 일이 없게 된다.

도 3,4는 작업중에 공사의 결과를 판단하는 과정을 도식화 한 것이다. 천공방향 조정기를 설치하는 방법은 두가지가 있다. 즉 리다의 상부를 고정시키고 하부에서 리다를 이동시키는 방법(도 3)과, 하부를 고정시키고 상부에서 리다를 움직이는 방법(도4)이다. 도 3과 같이 하부에 천공방향 조정기를 설치했을 때, 작업중에 공사의 결과를 미리 판단하는 과정을 작업이 진행되는 단계별로 설명한다.

리다의 높이( H ), 천공방향 조정장치의 설치높이( h ),설계 심도( D ),이격거리 허용치( L )는 미리 정해진 상수이고, 케이싱의 진행방향이 수평면에서 장비의 정면중앙선과 이루는 각도를 X축 기울기( 각도 A ), 수직면에서 케이싱의진행방향과수직축과의각도를Y축기울기(각도C), 리다가 r만큼 이동했을 때의 리다의 기울기를 리다 기울기( 각도 B )라고 정의한다.

준 비 단 계

천공작업 직전의 단계로써 케이싱에 달려있는 진행 방향 감지센사가 0도가 되도록 천공방향조정기가작동한다.즉 수직을 유지한다.

경고 단계

천공심도가 d에 도달한 시점에서 장애물을 만나 천공 진행방향이 바뀌기 시작한 단계로써, 즉시 1차경고와 함께 천공방향 조정기가 ATT시스템의지시에따라 정확하게 X축 기울기인 각도A의 방향으로 리다를 이동시킨다.

이고 리다가 움직인 거리 r은

r의 제곱 = (가로방향 랙기아 감속기의 이동거리)의 제곱

+ (세로방향 랙기아 감속기의 이동거리)의 제곱

상기 두 식에서 감속기의 1회전당 이동거리는 알고 있으므로 ATT시스템에서 각도A에 따라 가로/세로방향 랙기아 감속기의 회전비율을 tanA로하여 천공방향 조정기에 지시하고, 회전수를 세고있으면 리다는 정확하게 각도A 방향으로 이동하고 이동거리 또한 정확하게 연산된다.

판정단계

작업은 진행되고 있으나 케이싱이 더 이상 움직이지 않거나 천공방향 조정기의 조정한도가 다 됐거나 한단계이다. 이 때 까지 리다가 천공방향 조정기 상에서 r만큼 움직였다고 하면 이 시점에서 이격거리 l은 리다가 움직인 거리 r과 리다가 기울어 지면서 생긴 케이싱의 변위의 합이다.

즉 l = r + (d + h) × arc tan B

= r + (d + h) × arc tan {r / (H - h)} 이다.

또한 케이싱의 진행방향의 Y축 기울기 각도 C는 이격거리 허용치인 L일때의 기울기 보다 작아야 한다.

즉 C ≤ arc tan (L - l) / (D - d - h)

가된다.

따라서 케이싱의 궤적의 이격거리가 허용치를 넘지 않으려면 케이싱의 Y축의 진행방향의 각도는 Y축의 허용각도 를 넘으면 안된다.

즉 각도 C가 상기 식을 만족시키지 못하면 이 장비의 조정능력의 한계를 넘어 선 것이므로 2차경고를 내려 작업을 중단하도록 한다.

작업을 계속해 봐야 이격거리 기준치안에 들어 갈 수 없음을 작업중에 확인 시켜 주는 것이다.

도 4 와 같이 천공 진행방향 조정기를 상부에 설치하는 경우도 마찬가지로 설명이 된다.

준비 단계 : 도 3의 경우와 같다.

경고 단계

리다를 움직이는 방향이 천공방향 조정기의 중심점을 기준으로 완전히 대칭으로 하여 리다가 천공 진행방향으로 기울어 지게 하는 것외에는 도 3 의 내용과 같다.

판정 단계

리다가 r 만큼 이동한 시점의 지중케이싱의 이격거리 l은, 리다기울기가 각도 B이므로

l = d × tan B = d × tan ( r / H - h )

이고 이격거리 허용치는 L 이므로 수직에 대한 케이싱의 Y축 기울기인 각도 C 의 최대한도는 아래와 같이 표시할 수 있다.

tan C = ( L - l ) / ( D - d )에서

C ≤ arc tan ( L - l ) / ( D - d )

= arc tan { L - d ( r / H - h ) } / ( D - d ) 가 되어

케이싱의 Y축 기울기가 상기 조건을 벗어나면 2차 경고를 받게된다.

도 5는 천공방향 조정기( 30 )의 사시도이다.

리다( 3 )에 고정된 리다 유동판( 32 )이 가로/세로 조정용 랙기아 감속기( 33/34 )가 설치된 장비 고정판( 31 )위에서 ATT시스템의 작동지시에 따라 좌우로 움직이면, 리다는 케이싱과 함께 지시된 방향으로 움직이게 된다.

이상에서 상술한 바와 같이 본 발명은 천공장비에 있어서 천공작업 준비 중에는 장비의 자세를 자동으로 수직을 유지시켜 주고, 천공작업 중에는 천공 진행방향이 수직을 벗어나기 시작하면 경고와 함에 수직도의 개선 유도를, 이탈정도가 기준치를 벗어날 것으로 판단되면 즉시 작업자에게 불량 작업이 될 것 임을 판정하여 주고 그 과정을 표시, 기록, 저장하여 줌으로써 부실공사의 예방과 작업효율의 향상을 기할 수 있다. 무엇보다 중요한 것은 공사 품질의 양부를 확인하면서 작업을할 수 있다는 점 일 것이다.

Claims (2)

1. 천공 장비의 케이싱에 설치된 진행방향 감지센사와 리다에 설치된 천공심도 측정센사에 의해 검출된 케이싱의 궤적을 비교 분석하여, 작업 준비 중에는 장비의 수직을 자동유지하고, 천공 작업 중에는 케이싱의 진행방향이 수직을 벗어날 경우 경고와 함께 천공 진행방향을 수정할 수 있는 지시를 내주고, 천공 진행방향을 예측하여 적정 공사가 될 수 없다는 판단이 서면 즉시 2차 경고를 내 주어 불량공사가 될 것 임을 판정 해 주어 작업을 중단할 수 있게 해 줌과 동시에, 그 간의 과정을 실시간으로 표시, 기록, 저장을 할 수 있는 지중천공궤적 자동추적장치와, 수정지시에 따라 적정한 방향으로 리다를 움직여 케이싱의 진행방향을 수정시킴으로써 천공방향의 수직도를 개선시키는 천공방향 조정기로 구성되는 지중천공장비의 자동 수직도유도장치
2. 상기 지중천공장비의 자동 수직도유도 장치를 이용하여 작업 준비 중에는 장비의 수직을 자동 유지하고, 천공 작업 중에 케이싱의 진행방향이 수직을 벗어나기 시작하면 경고를 받아 수직도의 개선을 유도하고, 케이싱의 궤적과 기준 천공선과의 이격거리를 계속 추적 연산하여 기준치 이내로 개선될 여지가 없다는 판정이 되면, 즉 2차 경고를 받으면 즉시 불량 공사로 판단하여 작업을 중단하고 재 시공으로 들어가는 근거로 삼는 것을 특징으로 하고, 상기 과정을 실시간으로 표시, 기록, 저장을 수행하는 지중천공 공사방법.