KR20050086448A - 지하 파이프 케이스 설치 방법 - Google Patents

Abstract

지름이 168인치까지인 파이프 케이스를 사용하여 400피트까지의 거리에 대하여 트렌치 없이 지하에 파이프 케이스(18)를 설치하는 방법 및 장치. 이 시스템은 에너지를 결집하는 변형된 고에너지 파일 해머(12)를 사용하여 케이스(18)를 구동한다. 파일 구동 해머(12)는 파이프 케이스(18)에 대하여 유지되어 해머 시스템의 재충전 동안 해머(12)의 반작용과 동일한 힘으로 구동된다. 헬멧(40)과 절단 헤드(20)는 동작 능력을 개선한다.

Description

지하 파이프 케이스 설치 방법{METHOD TO INSTALL UNDERGROUND PIPE CASING}

본 발명은 장거리에 걸쳐 큰 지름의 파이프 케이스의 재킹(jacking) 또는 래밍(ramming)에 의한 비개착 터널링(trenchless tunneling) 분야에 관한 것으로서, 특히, 지름이 72인치 이상인 100 내지 400피트의 파이프 케이스의 설치에 관한 것이다.

현재, 통상 비개착 터널링으로 불리는 굴착 없이 파이프를 지하에 설치하는데 사용되는 여러 방법이 있다. 이들 방법은 파이프 재킹 및 래밍, 터널 시추 기계(tunnel boring machine) 또는 마이크로 터널링을 사용한다.

비개착 터널링 방법은 프리캐스트 콘크리트(precast concrete) 또는 볼트 스틸 패널(bolted steel panel)로 제작된 완전 압출 부분을 사용하여 자신을 전진시키는 시추 실드를 포함하는 터널 시추 기계를 사용한다. 시추 방법에 대한 변형은 TBM 또는 굴착기(mole)를 제1 케이스 파이프 상부 또는 전방에 탑재하여 그 후 이를 큰 유압잭을 사용하여 형성된 터널에 밀어 넣는다. 이들 터널 시추 기계가 지면을 통하여 나아감에 따라, 토양이 제거되고 통상 유체와 혼합되어 이 혼합물이 터널 밖으로 나와 분리 플랜트에 주입되며, 여기서 고형물들은 유체와 분리된다. 이들 방법은 토양 유형에 따라 얕은 애플리케이션(shallow application)에서는 잘 동작하지 않는다. 최소 산업 표준 요건은 적어도 기계 지름의 두 배로 설치되는 터널 상부의 커버이다. 터널 시추는 필요한 장비 유형으로 인해 매우 느리고 고가이다.

TBM 또는 마이크로 터널링은 토양 제거를 위한 터널링동안 에너지가 토양을 파내는데 사용되는 지하 비개착 터널링에 관한 것이다. 또한, 마이크로 터널링은 터널을 생성하는데 사용하는 시간에 있어서 매우 느리고 매우 고가일 수 있다.

파이프 래밍 또는 파이프 재킹을 사용하는 비개착 터널링 방법이 공지되어 있다. 이 방법은 통상 공기 래밍 해머(pneumatic ramming hammer), 일련의 유압 램(hydraulic ram), 또는 양자의 조합에 의해 터널 지하로 파들어 가는 케이스 라이너(casing liner)를 사용한다. 이 터널은 통상 케이스 파이프 또는 터널 라이너가 지하에 배치될 수 있는 깊이로 파낸 재킹 피트(jacking pit)에서 시작된다.

현재 사용된 래밍 해머와 재킹 파이프 케이스 설치의 용량은 지금까지 총 길이 또는 파이프 길이와 같은 용량에서 제한되어, 파이프의 부분이 터널에 설치됨에 따라 내부 굴착이 필요하다. 파이프 케이스 부분이 형성되고 전체 케이스가 보다 길어짐에 따라 겪는 매우 큰 마찰력으로 인해 100피트 이상으로 길게 연장된 터널에 있어서 래밍 해머와 재킹 램은 6피트 내지 12피트와 같은 큰 지름을 구비한 길게 연장된 터널에 충분한 힘을 갖지 않았다. 래밍 또는 재킹을 동시에 사용하여 발굴함으로써, 터널 낙반(tunnel cave-in) 또는 표면의 침강의 위험이 있을 수 있다. 재킹 또는 래밍 또는 이들의 조합을 사용하여 터널을 설치하는데 필요한 생산 프로세스 또는 시간은 다른 파이프 부분이 구동될 수 있기 전에 파이프 내부를 발굴하여야 할 중단 요소에 의해 영향을 받는다.

1997년 5월 27일에 허여된 미국 특허 제5,632,575호는 파이프 재킹 터널 주변에 벤토나이트의 제어된 파이프에 대한 방법 및 장치를 나타낸다. 비록 본 특허는 비개착 터널링을 나타내지만, 이는 터널 시추 기계 또는 심지어 수작업에 의한 터널 발굴의 조합을 사용할 수 있다. 이 시스템은 터널 램을 사용하고 유압 재킹의 한도를 프레스 하는 윤활제가 필요하다. 이는 수평 파이프 드라이버를 사용하여 파일(pile)이 터널 캐스팅을 긴 길이로 구동하는 것과는 완전히 상이한 동작이다.

1983년 7월 5일에 허여된 미국특허 제4,391,553호는 터널링 장치의 동작을 제어하는 유압 제어 시스템 및 방법을 나타낸다. 이는 종래 한 쌍의 유압 램 및 펌프의 사용을 나타낸다. 이러한 시스템은 전체 파이프 케이스 달성가능 거리에서 엄격히 제한되어 본 출원과는 완전히 다르게 동작한다.

1985년 12월 10일에 허여된 미국특허 제4,557,672호는 실드 드라이브를 사용한 터널 공사 장치 및 방법을 나타낸다. 또한, 이는 본 발명과 완전히 상이한 비개착 터널링 방법이다. 이 방법은 실드 드라이브를 사용하여 이 실드 바로 뒤에 콘크리트 터널 라이닝을 혼합한다.

1973년 7월 3일에 허여된 미국특허 제3,742,718호는 한정된 공간량이 이용 가능한 큰 지름의 튜브를 구동하는 튜브 구동 장치를 나타낸다. 나타낸 방법 및 장치는 튜브 공사에 이용 가능한 전체 비개착 파이프 거리에는 상당히 제한되며, 이는 본 발명에서 개시된 것과 완전히 상이하다.

1983년 8월 16일에 허여된 미국특허 제4,398,845호는 복수의 드라이브 멤버를 나란히 실린더 어레이로 구비한 커터 실드를 포함하는 터널 구동 장치를 나타낸다. 이 시스템은 출원인에 의해 사용된 것과는 완전히 상이하다.

본 발명은 낙반의 위험을 크게 줄이면서 구동되는 비개착 터널 캐스팅의 길이를 상당히 늘리는, 근해 수직 파일 구동 공사(offshore vertical pile driving construction)에 사용된 것과 같은, 강력한 파일 구동 해머를 사용한 방법 및 시스템을 제공하여 상술한 문제점을 극복한다. 기존 재킹/래밍 시스템을 사용하여, 더욱 많은 터널 라이너 부분이 설치됨에 따라, 라이너 부분과 내부 및 외부 표면과 주변 토양 간의 마찰력이 증가한다. 이들 시스템의 한정된 구동 용량으로 인해, 재킹 장비에서 통상 사용되는 상부 압박 한도를 감소시키기 위해서 각 터널 부분이 추가됨에 따라, 이러한 현상은 내부 플러그가 제거될 것을 요구한다.

안전 및 제작을 개선하고 굴착 없이 하나의 연속 동작으로 보다 큰 지름의 파이프보다 긴 드라이브 길이를 가능하게 함으로써 표면의 붕괴 또는 지면의 침강의 위험을 감소시키기 위해서, 토양의 굴착을 개시하기 전에, 터널 케이스의 큰 부분 또는 심지어 전체 터널 케이스를 구동하는데 충분한 구동력을 갖는 방법 및 장치가 필요하다. 이는 혼잡한 도로 또는 철로(또는 양자의 조합) 아래에서 이들 지하 설치가 종종 계획되어 실용적이거나 비용 효율적이지 않고 심지어 오픈 트렌치로 절단을 개방할 수도 없다. 따라서, 비개착 터널링은 특정 환경에서 매우 중요하다. 본 발명에서, 출원인은 비개착 터널링을 사용하여 지름 72인치 상에서 100피트를 초과한 거리에 168인치까지 지하 파이프 케이스를 구동할 수 있다. 또한, 이는 상당한 비용 감소로 비개착 터널링의 다른 방법과 비교하여 날짜 및 주 대신에 시간의 단위로 매우 신속하게 행해질 수 있다.

저주파, 고속 및 고에너지의 충격 파일링(파일 구동) 해머(IHC에 의해 제작된 변형 하이드로해머(Hydrohammer) 등)의 사용은 래밍과 같이 저 에너지, 저속 및 고주파 시스템의 사용보다 토양 입자가 전자에서는 강제로 뚫리지만 후자에서는 간단히 서스펜션으로 되지 않는다는 점에서 바람직하다. 파이프 래밍/재킹의 한계는 유압 래밍이 토양 플러그를 동작하게 할 수 있는 토양 액상화를 야기할 수 있는 유체 포함 토양 또는 늪에서 행해지는 설치에 대하여 특히 명확하게 된다.

파일링 해머를 사용하여 본 발명에 따라 저주파, 고속 및 고에너지 시스템에서 이용 가능한 큰 용량의 다른 이점은, 특히 환경적으로 민감한 프로젝트에서, 윤활유를 칠 필요성을 제거하기 위해서 충분한 구동 용량의 해머가 선택될 수 있다. 따라서, 몇몇 환경 상황에서, 예를 들면 설치가 물고기를 양식하는 장소 근방 또는 그 상부인 경우 환경오염을 방지한다. 그러나 윤활이 허용되면, 본 발명에 따라 파일 구동 해머를 사용하여 획득될 수 있는 보다 긴 길이에 대하여 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 측면 개략도.

도 1a는 본 발명에서 사용되는 파일 구동 해머의 상면도.

도 2a는 본 발명의 상면도.

도 2b는 본 발명의 측면 개략도.

도 3은 본 발명에서 사용되는 헬멧의 단면의 부분 측면도.

도 4는 본 발명의 절단/루브 슈(cutting/lube shoe)의 상면도.

도 5는 절단/루브 슈의 부분적으로 단면 및 절단된 측면도.

도 6은 설치 구동 동안 파이프 케이스의 내부 및 외부 주변의 윤활제의 배포를 나타내는 도면.

단면이 순차 결합한 수평 배치 대형 파이프 케이스를 구동하여 터널을 형성하는 비개착 터널링 시스템 빛 방법은 현재 방법보다 안전하고 효율적이다. 본 발명은 트렌치를 파낼 필요없이 긴 길이(100피트 초과)에 대하여 큰 지름(72인치)의 케이스를 사용하여 터널 생성을 제공할 수 있다.

본 발명의 목적은, 매우 혼잡한 도로, 고속도로, 철로 또는 이들의 임의의 조합 하에서, 오픈 컷 굴착(open cut excavation)이 가능하거나 실용적이지 않은 영역에서 파이프 케이스의 설치를 위한 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

저주파, 고속 및 고에너지 시스템에서 큰 용량 이용가능성의 다른 이점은, 특히 환경적으로 민감한 프로젝트에서, 충분한 용량의 해머는 본 발명에 따라 선택되어 벤토나이트 또는 다른 첨가물로 윤활제 수요를 제거하여 환경오염을 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 목적은, 환경적으로 덜 민감한 프로젝트에서 특히 300피트 비개착을 넘는 터널 거리가 필요한 경우, 본 발명은 보다 장거리에서 내부 또는 외부 또는 양자 상에서 벤토나이트와 같은 윤활제를 제공하는 방법 및 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 목적은 케이스 파이프의 진입 단계에서의 토양을 일시적으로 안정화시켜 설치 진입이 도로의 갓길, 철로 제방, 또는 침강 방지를 요구하는 다른 구조물 근처에 있을 때마다 설치될 수 있게 하는 것이다.

토양 지지의 일시적 수단은, 토양이 붕괴하여 파이프로 진입하여 지반 손실과 표면 침강을 야기하는 것을 방지하도록 드라이브가 개시되자마자 파이프 앞의 개구단에서 제공되는 것이 중요하다. 절단 슈(cutting shoe)에 대하여 연동하는 스틸 플레이트로 이루어진 일시적 실링은 선단에서 인클로줘와 그에 따른 일시적 벌크 헤드를 형성하지만, 가변 거리에서, 터널링 될 토양의 유형에 따라 일시 벌크 헤드는 후에 두 개의 벌크 헤드 사이의 공간이 유동가능한 충진재로 충진될 수 있게 구동되도록 캐스팅 내부에 배치된다. 후단 벌크 헤드는 알루미늄으로 구성되고 케이스 파이프의 내부 지름과 인터페이스 간의 마찰력이 팽창가능 실링에서 압력을 조절하여 제어될 수 있는 팽창가능 고무 실링을 사용한 실드이며, 이 벌크 헤드와 함께 유동가능 충진 플러그는 진입 시에 지면을 지지할 수 있어 표면 침강을 방지하는 제어가능 저항을 형성한다.

본 발명은 첨부 도면을 참조하여 이들 및 다른 목적에 따라 설명되어 명백해질 것이다.

이하 도면을 참조하면, 도 1은 본 발명의 개략도가 도시되어 있다.

본 발명은 파이프를 설치할 트렌치를 파내지 않고 적어도 250피트의 거리에서 168인치 이하의 지름과 2인치 이하의 두께의 대형 스틸 파이프 케이스를 설치하는데 사용된다. 파이프 케이스가 설치되면, 토양이 제거되고, 원하는 최종 파이프는 케이스 내에 배치된다. 이는 영구 파이프 케이스 내에 배치된 대형 콘크리트 수도 또는 하수 파이프일 수 있다. 이 모두는 트렌치를 파내지 않고 달성된다.

전체 설치는 지면 입구 피트를 파내어 주요 구동력의 파일 구동 해머와 지지 시스템을 구동될 지하 터널에의 입구를 형성하는 피트에 수평으로 배치하는 것을 포함한다. 이 설치는 파이프 케이스가 일련의 파이프 케이스 부분에 의해 형성될 것을 요구하며, 각각의 파이프 케이스 부분은 약 30피트(또는 그 이하)의 길이로 파이프 케이스의 원하는 총 길이가 트렌치 없이 지하에서 달성될 때까지 각 파이프 케이스 부분이 구동됨에 따라 (말단 간) 서로 결합한다. 파이프 케이스의 각 부분이 지면에 구동될 때, 새로운 부분이 용접 또는 결합 장치에 의해 추가된다.

대형 파일 구동 해머(12)는 파이프(18)가 설치되는 장소 전방에 통상 수평으로 피트에 배치된다. 비록 작업에 따라 피트가 필요하지 않을 수 있지만, 이 피트가 필요할 수도 있다. 해머는 지면에 고정된 안정 구조상에 배치되어 해머 헤드가 통상 균일하게 부딪히게 한다. 파일 구동 해머는 수직 해머에 의해 사용된 중력 "g"의 손실을 보상하기 위한 수평 사용을 위해 변형된 수직 파일 구동 해머와 유사하다.

도 1에 도시한 바와 같이, 해머(12) 헤드의 구동 단은 플레이트(16)에 인접한 헬멧(14)에 닿는다. 플레이트(16)는 헬멧(14)에 탑재된다. 주 헬멧으로 불리는 이 헬멧은 바람직하게는 부 헬멧에 부딪히고 이는 차례로 구동될 케이스 파이프의 지름에 따라 사용될 수 있는 일련의 헬멧에 부딪힐 수 있다. 일련의 헬멧이 있는 경우, 마지막 헬멧은 구동 플레이트에 부딪히고, 이는 차례로 구동될 케이스 파이프(18)의 제1 부분에 부딪힌다. 리드 케이스(18)는 후술하는 절단 헤드(20)를 갖는다. 토양과 애플리케이션에 따라, 절단 헤드는 조정될 수 있다. 제1 케이스 파이프가 구동된 후에, 구동 헬멧 등의 구동 장치는 제1 케이스 파이프로부터 물러나게 된다. 다음에, 구동될 제2 케이스 파이프는 최종 구동 헬멧 및 플레이트와 설치된 제1 케이스 파이프 사이에 삽입된다. 제1 및 제2 케이스 파이프 간의 연결은 사유 잠금 장치의 사용을 통해 또는 용접을 통해 형성될 수 있다. 제1 및 제2 케이스 파이프 간의 연결이 행해진 후에, 압박 링을 갖는 구동 장치와 헬멧이 제2 케이스 파이프의 구동 단에 대하여 배치되고, 그 후 상술한 구동 프로세스가 반복된다. 이러한 순서는 마지막 케이스 파이프가 구동될 때까지 자체 반복할 수 있다. 각 케이스는 30피트의 길이일 수 있다.

해머 헤드는 지름이 대략 24 내지 36인치이고 플레이트는 지름이 대략 64인치이며 강체 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 할로우 헬멧 또는 헬멧들, 그리고 삽입될 파이프는 지름이 대략 120인치로 이루어지는 것이 바람직하고, 지름이 160 또는 190인치까지일 수 있다.

해머(12)는 대형 근해 수직 파일링 건설 프로세스와 같이 고에너지 충돌 해머(통상, 60,000 - 260,000피트/파운드)인 것이 바람직하다. 사용 시에, 해머는 분당 대략 50 내지 60타수로 부딪히고 약 35분에서 평균 대형 지름 파이프의 30피트를 구동할 수 있다. 그러나 근해 건설과는 달리, 해머는 수직보다는 수평으로 사용된다. 해머가 의도된 대로 동작하도록 여러 요소가 배치되어야 한다. 큰 해머는 500,000피트/파운드까지 필요할 때 사용될 수 있다.

도 1a는 파이프 케이스(110)를 구동하는데 사용되는 높은 힘, 수직 파일 구동기(12)와 수평 구동할 때의 구동 해머 설치의 개략도를 나타낸다. 가스 버퍼에서 압력 증가에 대응하기 위해서, 일정한 장력 로딩 장치(아래로 당기는 힘)가 해머 하우징(112)을 모루(anvil) 상에 고정 유지하는데 필요하다. 스프링 구성(116)은 장력 전선(114)과 해머(118) 사이에 배치되어 이들 전선 사이에 매우 큰 충격 부하를 방지한다. 이 시스템은 복수의 라인 및 도르래와, 이 도르래에 부착되어 일정 장력 부하 장치(CTLD)를 통해 일정한 장력을 제공하도록 지면에 영구 탑재되는 스프링을 포함하는 윈치를 포함한다. 파일 구동 해머(118)는 그 자체가 본 발명에 있는 것이 아니지만, 파이프 케이스를 특히 수평으로 구동하여 트렌치를 파내는 것을 방지하는 개선을 포함하여 사용되는 해머이다.

도 2a 및 도 2b는 헬멧(14)에 연결된 파일 구동 해머(12)와 파이프 구동 위치의 파이프 케이스(18)를 포함한 본 발명을 나타낸다. 이 해머는 프레임(20) 상에서 지지된다. 시스템은 장력 케이블(24), 윈치(22), 강체 파일(34 및 34a)에 탑재된 도르래(26, 28 및 32)를 포함한다. 말단 캡(30a)과 케이블 장력 충격 흡수 장치(30)는 해머를 정렬하여 팽팽하게 유지한다.

도 3은 본 발명에서 사용되는 개선된 헬멧(40)의 측면도를 나타낸다. 개선된 헬멧(40)의 사용은 해머(12)의 양호한 부위가 헬멧(40)의 내부에 탑재되는 만큼 파일 구동 해머 피트에 필요한 전체 길이를 감소시킨다. 헬멧(40) 자체는 구동될 제1 케이스 파이프 내에 부분 탑재된다. 해머 단(12a)은 헬멧(40) 내부의 T1 고탄소재로 구성된 내부 탑재 모루(46)에 부딪힌다. 헬멧(40)은 헬멧 내부 챔버(40c) 내부에 영구 배치된 모루(40)에 높은 충격력에 제공하는 드라이버 해머(12)를 수신한 연장 원형 중심 챔버(40c)를 구비한 긴 실린더 주철부이다. 헬멧 프렌지 단(40a)은 원추 형상으로서 구동된 파이프 케이스 부분에 집적 연결된 플레이트와 직접 접촉되게 하여 구동된 파이프 케이스의 전체 경계 에지에 대하여 해머(12)에서 헬멧(40)으로 전송된 힘을 제공한다. 해머의 실린더 외부 형제를 넘어 연장하는 연장된 원형 영역을 구비한 원추 플랜지 부위를 포함한다. 이 해머는 외부 해머(12) 본체 표면과 내부 챔버(40c) 사이에 배치된 복수의 스페이서(41)에 의해 모루(46)에 대하여 정렬된다. 헬멧의 플랜지 원추 단(40a)은 대형 파이프에 대한 헬멧 지름을 연장하는 추가 플랜지 단(42 및 44) 등을 통해 상이한 지름의 파이프 케이스를 결합할 수 있도록 형성된다. 따라서, 헬멧(40)은 각각 상이한 크기 파이프 케이스에 대한 개별 헬멧을 생성할 필요없이 상이한 작업을 위한 서로 다른 지름의 파이프에 대하여 조절 가능한 크기의 지름을 포함한다. 헬멧 자체는 고강도의 주철로 이루어지고, 해머의 주요 부위가 헬멧 내부에 수용될 수 있게 하고 헬멧(40) 내부의 모루에 충격하여 초기 해머 설치 피트에서 발굴의 대략 15 내지 20피트를 절약하도록 길이가 조정되며, 헬멧은 모두 제1 케이스 파이프 내부에 부분적으로 수신 된다.

도 2a 및 도 2b를 참조하면, 해머(12)는 지면 지지 구조(20) 상에 배치된다. 해머(12) 뒷면에서, 충격 흡수재를 구비한 도르래를 포함하는 장력 선반(30a)이 부착된다. 바람직한 실시 예에서, 2개의 도르래(26 및 28)는 진입 실링 뒤에 지면에 직접 또는 간접적으로 파일링(34)에 고정 부착된다. 두 개의 다른 도르래(31)는 해머의 본체에 고정된 선반(30a) 근방에 통상 배치된 위치에서 확고하게 고정된다. 프로젝트의 필요에 따라, 다른 도르래와 댐핑 시스템이 사용될 수 있다. 충격 흡수제는 사용될 때 해머의 댐핑 및 리바운드를 지원하고, 해머에 대한 일정 장력을 제공하며 본 발명을 안정화하게 한다. 파일링(34a)으로의 도르래 시스템 부착은 도르래 시스템을 통한 일정 장력을 유지할 수 있게 하도록 시스템의 데드 단(dead end)에 부하 셀을 갖는다. 바람직하게는, 부하 셀은 유압 윈치(22)를 제어하는 PLC를 갖는다. 도르래 시스템은 하나 내지 다섯의 기계 이점을 제공하는 것이 바람직하다.

해머(12)에 대한 운동량은 질소 실린더의 압축에 의해 구동된 유압 실린더에 의해 제공되는 것이 바람직하다. 그러나 운동량을 제공하는 다른 힘 구동기가 공지되어 있다.

파이프 케이스의 설치를 개시할 때, 파이프 케이스의 처음 30피트 부분은 선단에서 도 4, 5 및 7에 도시한 절단 헤드(20)로 영구 부착된다. 이 절단 헤드(20)는 파이프 케이스가 구동될 때 암석과 지면을 절단하는 경계 주변에서 경화된 칼날 형상의 선단 절단 헤드(56)를 갖는 튜브 또는 환형 도관(50)이다. 날의 에지(56)는 절단 헤드의 선단 에지의 전체 경계 주변에 연장한다. 경계(58) 후방의 절단 헤드(20)는 터널을 시작하도록 구동될 수 있는 제1 파이프 케이스의 선단에 용접된다. 절단 헤드(20)는 또한 절단 에지와 함께 사용되는 윤활 디스펜싱 슈를 구비하여 벤토나이트와 같은 윤활제를 투여하여 파이프 케이스 절단 헤드(20)와 지면 사이, 파이프 케이스 내부와 외부 사이의 마찰력을 감소시킨다. 파이프 구동 동작 동안 파이프 케이스에 대한 지면 마찰력을 감소하도록 구동될 수 있는 파이프 케이스의 전체 총 길이를 증가시키기 위해서, 윤활제에 환경적으로 민감하지 않은 특정 작업에 대하여 특정 원주 윤활제 배포 패턴(내부와 외부)이 선택된다.

환경이 민감하여 윤활제가 지하 스트림 근방과 같은 토양으로 투여되지 않아야 하기 때문에 윤활제를 사용할 수 없는 몇몇 동작이 있다. 그러나 윤활제는 마찰력을 감소하도록 해머의 유효 힘을 증가시키는데 사용되는 경우, 그 결과는 임의의 해당 시나리오에 대하여 구동될 수 있는 파이프 케이스의 길이를 연장하는 것이다. 윤활제를 절단 헤드 및 슈에 제공하기 위해서, 두 개의 공급 파이프, 즉, 하나는 절단 헤드의 내부 공급용으로 다른 하나는 절단 헤드의 외부를 윤활제로 공급하기 위해 있어야 한다. 파이프 케이스의 각 부분이 구동된 전체 파이프에 추가됨에 따라, 윤활제 파이프는 각 파이프 케이스의 외부에 용접 또는 부착되어야 하며, 도관 커플링은 각 파이프 케이스 부분 사이에 부착된 윤활제 공급 파이프에 결합한다.

도 5에 도시한 바와 같이, 절단 헤드 본체(50)는 절단 헤드의 외측 상에 환형 홈(64)을 갖는다. 스페이서(62)는 용접에 의해 절단 헤드에 부착된다. 스페이서(62)는 공급 파이프(52)로부터 윤활제를 수신할 수 있는 절단 헤드 본체(50) 주변에 환형 챔버를 형성하는 환형 커버 링(60)에 부착된다. 제2 공급 파이프(54)는 스페이서(68)에 의해 본체(50)의 내측 벽에 부착된 환형 커버 링(66)과 환형 내측 홈(70)에 의해 형성된 절단 헤드 본체(50)의 내벽 상에서 내부 디스펜싱 채널(70)과 유체를 전달한다. 먼지는 전체 동작 동안 절단 헤드의 내부와 외부 모두 이동하기 때문에 윤활제 디스펜싱 채널에 대하여 가능한 절단 헤드 내부와 외부에 가장 낮은 물리적 높이 프로파일을 유지하도록 마찰력을 감소시키는 것이 바람직하다.

도 4를 이하 참조하면, 절단 헤드(50)는 제1 및 제2 윤활제 공급 파이프(52 및 54)에 부착된 것으로 도시되어 있다. 제1 윤활제 도관(52)은 절단 헤드의 외측 상부 경계 주변에서 대략 120 내지 270도에서 윤활제를 디스펜스할 수 있는 커버 플레이트(60)를 통해 연결된다.

제2 윤활제 공급 도관(54)은 외측 패턴 윤활제 배포와는 상이하게 호 원주 패턴으로 절단 헤드의 내측 하부 패턴 주변에서 대략 90도로 윤활제를 배포할 수 있는 절단 헤드의 내측 상의 본체(50)를 통해 출구통로(72)를 갖는 것으로 도시되어 있다. 환형 플레이트는 절단 헤드 본체(50) 내측 주변에 완전히 홈 또는 채널(70) 상으로 절단 헤드 표면의 내측에 용접된 스페이서(68)로 부착되는 절단 헤드의 내측에 탑재된다. 윤활제에 대한 제2 공급 도관(54)의 출구는 통로(72)를 진행하며 절단 헤드의 내측에 윤활제를 디스펜싱하는 환형 커버(6^)와 내측 채널에 의해 형성된 채널(70)로 비어 있게 된다.

도 5를 이하 참조하면, 절단 헤드는 제1 공급 도관(52)의 전방에 보호 슈(74)를 이용하여 외측에 있는 벤토나이트 윤활제 수용 및 디스펜싱 챔버(64)를 갖는다. 또한, 환형 배치된 챔버(70)를 통해 절단 헤드의 내측에 윤활제를 공급하는 제2 공급 도관(54)으로부터 출구와 연결이 도시되어 있다. 블레이드 에지(56)는 절단 헤드의 선단에 가리키는 방식에 주목하자. 도 6은 벤토나이트 윤활제의 디스펜싱을 위해 파이프의 내측과 파이프의 외부에 대한 적절한 배포 각도와 호 각도 부분으로 나뉘는 원을 나타낸다. 파이프의 외측은 윤활제가 225도 내지 135도로 배포된다. 파이프 케이스의 내부는 135도 내지 225도로 윤활제가 배포된다. 윤활제의 내측과 외측 양자의 디스펜싱은 외부 스페이서(62)와 내부 스페이서(68)에서 포트 또는 개구의 개수에 의존한다.

절단 헤드(20)는 지면 절단에 사용되며, 지면 윤활제 디스펜서 슈를 포함할 수 있다. 절단 헤드(50)는 제1 리드 파이프 케이스에 부착되어 절단 및 터널 형성을 개시하는데 사용된다. 필요할 때 윤활제는 절단 헤드와 파이프 케이스 내부와 외부 모두 토양의 마찰력을 줄일 수 있다. 헤드(50)는 튜브 형상으로서 초기 콘택트가 구동 동안 지면에 행해지는 부착된 림에서 날이 날카롭게 된다. 외부 슈는 절단 헤드의 외부 경계 주변으로 각도가 정해진다. 외부 슈는 디스펜싱 개구를 포함한다. 절단 헤드의 내부 경계에 따라 내부 슈가 존재하며 낮은 물리적 높이 프로파일에 있어서 지면을 통해 마찰력을 감소하도록 기울여진다. 내부 슈 디스펜싱 개구는 헤드에서 직접 바라볼 때 대략 4시 위치에서 8시 위치로 연장한다.

내부 디스펜싱 슈와 외부 디스펜싱 슈는 절단 헤드 상으로 용접되는 것이 바람직하다. 벤토나이트 윤활제의 디스펜싱 압력은 제곱 인치 당 대략 60파운드인 것으로서 조정가능한 것이 바람직하다.

슈로 진행하는 케이스 파이프의 상부 본체를 따라 벤토나이트와 같은 윤활제용 두 개의 도관이 있다. 하나의 도관은 외부 디스펜싱 용도이고 다른 도관은 내부 디스펜싱 용도이다. 벤토나이트 또는 이의 등가물은 두 개의 개별 회로를 통해 헤드 주변에서 슈에 펌핑된다. 벤토나이트가 사용되는 경우, 벤토나이트는 벽지 풀 밀도를 갖는 것이 바람직하다. 파이프 케이스 부분이 절단 헤드 뒤에 부착되는 경우, 윤활제를 위한 두 개의 공급 파이프는 각각의 새로운 파이프 케이스 부분에 부착되는 것이 바람직하다. 파이프 케이스로의 부착은 파이프 단면의 외부와 내부 상에 도관용 발판(saddle)인 것이 바람직하다. 또한, 도관은 제자리에 용접되는 것이 바람직하다. 이 도관은 파이프 케이스가 절단 헤드 상의 디스펜싱 슈에 추가되어 부착됨에 따라 서로 직렬로 부착되는 것이 바람직하다.

절단 헤드는 오목하기 때문에, 토양의 플러그가 형성된다. 일 실시 예에서, 토양 유지재의 플러그가 절단 헤드 후방에 케이스 파이프에서 해머가 동작을 개시하기 전에 배치된다. 따라서, 토양은 자연스러운 듯이 용이하게 가라앉지 않기 때문에, 설치 트렌치의 입구 지점에서 토양의 바람직하지 않은 유입을 야기하여, 표면의 원하지 않은 침강이 발생한다. 또한, 플러그는 유동 가능한 충진재를 포함하는 것이 바람직하다. 다른 실시 예에서 터널 굴착 기기와 같은 장비는 첨부 도면에 도시한 바와 같이 배관에서 토양을 파내는데 사용된다.

특히, 도관이 적어도 일부 지하에 있는 경우에는, 해머에 대한 예비 영역을 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이 경우, 첨부 도면에서 도시한 바와 같은 스틸 플레이트에 의해 둘러싸인 피트는 본 발명의 해머 주변에 배치될 수 있다.

본 발명은 가장 실용적이고 바람직한 실시 예로 간주한 것을 나타내어 설명하였다. 그러나 본 발명의 범위 내에서 변형이 행해질 수 있으며 이러한 변형은 당업자에게 명백함이 이해되어야 한다.

Claims (11)

1. 장거리에서 큰 지름의 파이프 케이스에 대한 비개착 터널링(trenchless tunneling) 방법에 있어서,

   a. 파일 구동 해머(pile driving hammer)를 수평 사용하여 고에너지 저주파 및 고속으로 지름이 70인치가 넘는 대형 터널 케이스의 적어도 한 부분을 구동하는 단계; 및

   b. 상기 파일 구동 해머에 의해 구동된 파이프 케이스 부분을 순차적으로 결합하여 지하 100피트를 넘는 거리에서 터널을 비개착 형성하는 단계를 포함하는 비개착 터널링 방법.
2. 제1항에 있어서,

   c. 상기 파이프 케이스의 제1 부분에 부착되는 절단 헤드(cutting head)를 제공하는 단계를 포함하는 비개착 터널링 방법.
3. 제2항에 있어서,

   d. 상기 파일 구동 동안 상기 파이프 케이스의 외부와 내부를 매끄럽게 하여 상기 파이프 케이스 상의 마찰력을 감소시키는 단계를 포함하는 비개착 터널링 방법.
4. 제1항에 있어서,

   e. 상기 파일 구동 해머에 장력 댐핑 시스템을 제공하여 상기 파이프 케이스 부분이 파일 구동하는 동안 반동(recoil) 에너지를 흡수하는 단계를 포함하는 비개착 터널링 방법.
5. 제1항에 있어서,

   f. 상기 파일 구동 해머와 상이한 지름의 파이프에 사용되도록 크기가 정해진 구동 중인 파이프 케이스 부분 사이에 연결된 파일 구동 해머 모루(anvil)를 제공하는 단계를 포함하는 비개착 터널링 방법.
6. 지름이 72인치보다 큰 파이프 케이스를 사용하여 매우 큰 지름의 파이프에 대하여 적어도 100피트의 파이프 케이스를 설치할 수 있는 비개착 터널을 생성하는 방법에 있어서,

   a. 파이프 케이스가 설치된 위치 전방에 대략 수평으로 피트를 제공하는 단계;

   b. 상기 피트 내에서 수평으로 대형 파일 구동 해머를 배치하는 단계;

   c. 길이가 적어도 72인치인 지름을 갖는 파이프 케이스의 제1 부분을 헬멧에 부착하고, 상기 헬멧을 상기 파일 구동 해머의 상기 구동 단에 부착하되, 상기 해머는 60,000피트 파운드를 넘는 고에너지 충격 해머인 단계;

   d. 절단 헤드를 상기 지면에 구동될 상기 파이프 케이스의 일단에 부착하는 단계;

   e. 일정 장력을 제공하여 상기 해머 하우징이 상기 모루에 고정 부착되게 유지하는 단계;

   f. 상기 제1 파이프 케이스 부분의 충분한 양이 상기 지면에 임베디드될 때까지 상기 절단 에지가 일단에 부착된 상기 파이프의 제1 부분을 구동하는 단계; 및

   g. 후속 파이프 케이스를 상기 제1 파이프 케이스에 부착하여 서로 결합한 파이프 케이스의 파이프 케이스 터널을 상기 지면에서 100피트가 넘게 생성하는 단계를 포함하는 비개착 터널 생성 방법.
7. 제6항에 있어서,

   a. 소정의 호 측정 주변에 상기 파이프 케이스의 외부의 상기 제1 파이프 부분에 대한 제1 윤활제 배포를 제공하여 해머 동작 동안 상기 파이프 케이스에 지면 밖의 마찰력을 감소시키는 단계; 및

   b. 특정 호의 배포에 따라 상기 파이프의 내측 주변에 윤활제를 배포하는 상기 제1 파이프 케이스 부분의 내부에 탑재된 제2 윤활제 배포 시스템을 제공하여 파이프 케이스 구동 동안 상기 파이프의 내측에 마찰력을 감소시키는 단계를 포함하는 비개착 터널 생성 방법.
8. 제7항에 있어서,

   a. 구동될 상기 파이프 케이스 부분과 구동 동안 상이한 지름의 파이프를 조정하도록 조절될 수 있는 모루 지름 부분을 포함하는 상기 해머의 결합으로부터 소정 지름을 갖는 모루를 부착하는 단계를 포함하는 비개착 터널 생성 방법.
9. 지면까지 100피트가 넘는 거리에서 지름이 72인치가 넘는 대형 파이프 케이스를 사용할 수 있는 비개착 터널을 설치하는 시스템에 있어서,

   a. 적어도 40,000피트 파운드의 구동력을 전달할 수 있는 고에너지 파일 구동 해머;

   b. 상기 해머와 상기 모루에 일정한 장력을 제공하여 파이프 케이스 부분이 구동될 때 상기 해머의 반동을 조정하는 수단;

   c. 파이프 부분의 일단이 플레이트와 함께 구동되고 타단이 상기 해머에 부착되게 결합하도록 지름 크기가 정해지는 헬멧; 및

   d. 상기 지름 크기가 정해진 상기 지면을 절단하는 칼 형상의 앞날을 상기 지면을 효율적으로 절단하기 위해 포함하는 튜브 도관을 포함하되,

   e. 상기 고에너지 해머는 지름이 72인치를 넘는 파이프 케이스를 사용하여 100피트가 넘는 거리에서 수평으로 상기 절단 에지와 결합하여 함께 부착된 파이프 케이스의 연속 부분을 구동하는데 사용되는 비개착 터널 설치 시스템.
10. 제9항에 있어서,

    a. 상기 절단 헤드에 부착되어 상기 파이프 케이스의 외부에 그리고 상기 파이프 케이스의 내부에, 상기 파이프 케이스의 외부와 상기 케이스의 내부 상의 소정의 호 윤활 배포 패턴에 따라 상기 해머 동작 동안 상기 파이프 케이스의 마찰을 감소시키기 위해 윤활제를 배포하는 수단을 포함하는 비개착 터널 설치 시스템.
11. 제9항에 있어서,

    a. 상기 헬멧의 지름을 조정가능하게 크기 지정하여 각각의 상이한 크기 파이프 케이스 지름에 대하여 별도의 개별 헬멧을 요구하지 않고 상이한 지름의 파이프를 조정하는 수단을 포함하는 플랜지 원추 단과, 상기 파일 구동 해머 부위를 수용하여 상기 파일 구동 해머를 조정하는데 필요한 초기 피트의 길이를 감소시키는 내부 채널을 포함하는 상기 헬멧을 포함하는 비개착 터널 설치 시스템.