KR20140138023A - 자유면을 이용한 무진동 암반 굴착 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 자유면을 이용한 무진동 암반 굴착 방법은 암반 굴착 시스템이 암반을 굴착하는 방법에서, 대상 암반의 절리 형성 패턴을 인식하고, 터널 막장에 존재하는 절리를 모니터링하는 절리 모니터링 단계, 연마제 워터젯을 이용해 터널 천단부 및 터널 내부에 자유면을 형성하는 터널 자유면 형성 단계, 그리고 파쇄기를 이용해 상기 대상 암반을 파쇄하되, 상기 절리와 상기 자유면을 활용하여 터널을 굴착하는 기계 굴착 단계를 포함한다.

Description

자유면을 이용한 무진동 암반 굴착 방법{METHORD FOR VIBRATION FREE ROCK EXCAVATING USING FREE SURFACE}

본 발명은 자유면을 이용한 무진동 암반 굴착 방법에 관한 것으로, 폭약 발파를 사용하지 않는 기계적 암반 굴착 기술이다.

건설 및 토목공사, 특히 암반 터널굴착에는 폭약을 이용한 발파공정이 빈번하게 이루어지고 있다. 여기서, 발파공정은 폭약의 폭발력을 이용하여 굴착 시 암반이나 기타 장애물 효율적으로 제거 할 수 있다. 그러나, 이로 인한 발파 진동은 심각한 수준의 진동과 여굴 및 미굴을 발생시키는 문제점을 가지고 있다. 또한, 발파공정시 발생하는 진동은 주변의 지반을 약화에 따른 지반 붕괴, 또는 시설물 및 건축물의 균열 또는 약화시키는 등의 문제점을 야기시킨다.

그리고, 일반 암반파쇄기 등을 이용한 기계굴착의 경우, 진동 저감 효과로 인하여 도심지 굴착에 적용되고 있다. 그러나, 암반 굴착에 있어서 굴착 효율이 상당히 낮아 상당한 시공 시간과 비용을 요구하게 된다. 또한, 기계 굴착 공정 후에는 굴착면이 일정치 않아 여굴 및 미굴이 발생할 수 있는 문제점이 있다.

암반 굴착에 있어서 자유면의 존재는 굴착 효율을 상당히 증가시킨다. 일반적으로 자유면의 크기와 개수가 증가하면 발파효율이 비약적으로 증가한다. 기존의 발파공법에서 심발공 발파는 내부 자유면을 생성시켜 발파 효율을 증가시키기 위함이다. 또한, 쇄기 또는 할암과 같은 무진동 기계 파쇄 공법의 경우, 공법 시공전에 다수의 천공작업이 이루어 지게 되는데, 이는 기계 파쇄 공법에서 천공 형태의 자유면을 확보하기 위함이다. 그러나, 상기 기계 파쇄 공법은 다수의 천공수가 요구되고, 각각의 천공이 연결되지 않아 자유면으로서의 역할이 떨어지는 단점이 있다.

본 발명은 굴착진동을 최소화하고 여굴과 미굴을 최소화할 수 있는 자유면을 이용한 고효율의 무진동 암반 굴착 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 자유면을 이용한 무진동 암반 굴착 방법은 암반 굴착 시스템이 암반을 굴착하는 방법에서, 대상 터널 막장에서의 암반 절리 형성 패턴을 인식하고, 터널 막장에 존재하는 절리를 모니터링하는 절리 모니터링 단계, 연마제 워터젯을 이용해 터널 천단부 및 터널 내부에 자유면을 형성하는 터널 자유면 형성 단계, 그리고 파쇄기를 이용해 상기 대상 암반을 파쇄하되, 상기 절리와 상기 자유면을 활용하여 터널을 굴착하는 기계 굴착 단계를 포함한다.

상기 터널 자유면 형성 단계는, 굴착 계획선을 따라 터널 천단부에 외곽 자유면을 형성하고, 상기 외곽 자유면과 하부 자유면 사이에 내부 자유면을 형성하되, 방사형 또는 직교형으로 상기 내부 자유면을 형성할 수 있다.

상기 기계 굴착 단계는, 상기 자유면 사이의 암반을 파쇄해 터널을 굴착하되, 상기 절리를 자유면으로 활용하여 상기 절리와 상기 자유면 사이의 암반을 파쇄하여 터널을 굴착할 수 있다.

또한 상기 기계 굴착 단계는, 상기 자유면 내부를 파쇄해 터널을 굴착하되, 상기 워터젯에 의해 생성된 자유면 또는 기존 절리 내부를 인위적으로 확장 시켜 암반을 파쇄하여 터널을 굴착할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면 연마재 워터젯로 절삭한 자유면을 이용하여 기계적인 암반 파쇄 과정에서 발생하는 굴착진동을 최소화하고, 암반 굴착 과정에서 발생하는 주변지반의 충격 진동을 최소화하고 여굴과 미굴을 최소화할 수 있는 환경을 제공한다.

또한, 본 발명은 기존의 절리를 자유면으로 활용함으로써, 워터젯 절삭 공정을 통한 자유면 형성 공정을 최소화할 수 있는 환경을 제공한다.

또한, 본 발명은 다수의 자유면을 충분히 활용하여 굴착효율이 극대화된 암반굴착 공정이 가능한 방법을 제공하고, 암반굴착 주변의 근접 지하 구조물에 안정성을 확보하며, 굴착시간 및 비용을 단축할 수 있는 환경을 제공한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 자유면을 이용한 암반 굴착 시스템을 간략히 도시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 노즐 이동 방법의 예를 도시한 도면이다.
도 3은 터널 막장의 절리와 자유면을 이용해 터널을 굴착하는 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 자유면 절삭 형태를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 쇄기형 파쇄 장치를 이용한 암반 파쇄를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라 파쇄기를 이용해 암반 굴착하는 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 할암기나 쇄기를 이용해 암반 굴착하는 예를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 자유면 간격이 넓을 경우 파쇄기를 이용해 암반 굴착하는 예를 도시한 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

또한, 명세서에 기재된 "…부", "…모듈" 의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 발명은 폭약 발파를 사용하지 않는 기계적 암반 굴착 기술에 관한 것으로, 구체적으로는 암반 굴착 과정에서 발생하는 주변지반의 충격 진동을 최소화함과 동시에 여굴 및 미굴이 발생하지 않는 암반 굴착 기술에 관한 것이다.

보다 구체적으로는 기존의 절리를 이용하거나, 연마재 워터젯을 이용하여 대상 암반에 다수의 선행 자유면을 형성하여, 파쇄기 등을 이용하여 대상 암반에 기계굴착을 수행함으로써, 신속하고 효율적인 암반 굴착이 가능한 연마재 워터젯을 이용한 굴착 시스템 및 이를 이용한 굴착 방법에 관한 것이다.

이하, 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 자유면을 이용한 무진동 암반굴착 방법 및 이를 이용한 암반굴착 시스템에 대하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 자유면을 이용한 암반 굴착 시스템을 간략히 도시한 블록도이다. 이때, 암반 굴착 시스템은 본 발명의 실시예에 따른 설명을 위해 필요한 개략적인 구성만을 도시할 뿐 이러한 구성에 국한되는 것은 아니다.

그리고, 본 발명의 한 실시예에 따른 암반 굴착 시스템(100)은 워터젯을 이용해 터널의 막장에 자유면을 형성하고, 자유면 사이의 암반을 파쇄해 터널을 굴착하는 시스템이다. 이때, 암반 굴착 시스템(100)은 암반에 형성된 기존 절리를 모니터링하고 절리를 자유면으로 활용하여 절리와 자유면 사이의 암반을 파쇄함으로써, 워터젯 절삭을 통한 자유면 형성 공정을 최소화할 수 있다. 이러한, 암반 굴착 시스템(100)은 본 발명의 한 실시예에 따라 절리 모니터링 장치(110), 자유면 형성 장치(120), 기계 굴착 장치(130) 및 제어 장치(140)를 포함한다.

절리 모니터링 장치(110)는 터널 막장에 존재하는 기존 절리를 모니터링 할 수 있는 장치이다. 절리 모니터링 장치(110)는 레이저 스캐너나 카메라 등의 촬영부(112)를 통해 터널 막장을 촬영하고, 절리 패턴 인식부(114)가 이를 활용하여 기존의 절리 형성 패턴을 확인한다.

따라서, 제어 장치(140)는 절리 모니터링 장치(110)로부터 절리 형성 패턴을 확인 후, 워터젯 절삭을 이용한 자유면 형성 계획 수립할 수 있다.

자유면 형성 장치(120)는 연마재 워터젯을 이용해 터널의 천단부 및 터널 내부의 암반에 자유면을 형성한다. 이러한 자유면 형성 장치(120)는 목표로 하는 절삭 모양 형성이 가능한 노즐 이동부(122)와 노즐 이동부(122)에 장착되어 고압의 물과 연마재를 분사하는 노즐(124)을 포함한다.

도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 노즐 이동 방법의 예를 도시한 도면이다. 여기서, 도 2의 A는 직교좌표계(x,y)를 기본으로 움직이는 노즐 이동 방법이고, 도 2의 B는 극좌표계(θ,r)를 기본으로 움직이는 노즐 이동 방법이다.

이때, 노즐 이동부(122)는 도 2의 A에서와 같이, 전후 좌우이동이 가능하며 원하는 형태의 자유면을 형성을 가능하도록 노즐을 이동시킨다. 노즐 이동부(122)는 직교좌표계(x,y)를 기본으로 레일을 통해 노즐을 좌우 방향(x방향)으로 이동시키거나 노즐의 높이를 조절(y방향)해 노즐을 이동 시킬 수 있다. 자유면 형성 장치(120)는 터널 내부에 직교형 등과 같은 형태의 자유면을 형성할 수 있다.또한, 노즐 이동부(122)는 도 2의 B에서와 같이, 극좌표계(θ,r)를 기본으로 방사형의 자유면을 형성할 수 있도록 힌지축을 중심으로 와이퍼와 같이 노즐을 이동(θ: 와이퍼 각도)시키거나 와이퍼 구조물에서 노즐을 상하로 이동(r: 힌지에서부터 노즐 위치거리) 시킬 수 있다.. 따라서, 자유면 형성 장치(120)는 터널 내부에 방사형등과 같이 다양한 형태의 자유면을 형성할 수 있다.

그리고, 자유면 형성 장치(120)는 본 발명의 한 실시예에 따라 복수개의 노즐(124)과 노즐 이동부(122)를 포함하며, 이때, 노즐간의 충돌을 방지하기 위해서 근접센서(126)를 설치하여 노즐간의 충돌을 방지할 수 있다.

기계 굴착 장치(130)는 자유면 사이의 암반이나 절리와 자유면 사이의 암반을 파쇄하거나, 자유면 내부를 가압하여 파쇄해 터널을 굴착하는 장치이다. 기계 굴착 장치(130)는 암반을 파쇄하는 파쇄기(134)와 파쇄기(134)를 이동시키는 파쇄기 이동부(132)를 포함한다.

제어 장치(140)는 터널 막장의 절리 형성 패턴을 확인하여 자유면을 형성하도록 제어한다. 그리고, 제어 장치(140)는 노즐 충돌을 방지하는 근접센서(126)와 고압의 물과 연마재 양을 조절하도록 제어할 수 있다.

도 3은 터널 막장의 절리와 자유면을 이용해 터널을 굴착하는 과정을 도시한 도면이다.

본 발명의 한 실시예에 따른 암반 굴착 시스템(100)은 절리 모니터링 장치(110)를 이용해 기존 절리를 모니터링하고(S100), 이를 활용해 자유면 형성 계획을 수립한다. 따라서, 암반 굴착 시스템(100)은 터널 막장에 존재하고 있는 다수의 절리를 자유면으로 활용하여, 워터젯 절삭 공정 또는 자유면 형성 공정을 최소화할 수 있다.

그리고, 암반 굴착 시스템(100)은 자유면 형성 장치(120)가 워터젯 절삭 경로를 따라 자유면을 형성한다(S110). 이때, 본 발명의 한 실시예에 따른 자유면 크기는 자유면 깊이가 0.5 내지 4.0m로 형성하고, 자유면 폭이 1 내지 10cm로 형성할 수 있다. 그리고, 자유면 사이의 간격은 0.5 내지 5m를 형성할 수 있다.

여기서, 자유면의 깊이는 한번 굴착시 굴진할 수 있는 길이를 의미하며, 0.5 내지 4.0m의 깊이는 암반에 따른 터널 굴착 하루 굴진량 기준으로 한다. 예를 들어, 경암의 경우에는 하루 4m까지 굴진가능하고, 암반이 좋지 않은 경우에는 하루 0.5m까지만 굴진할 수 있기 때문이다.

그리고, 자유면의 폭은 워터젯 노즐을 적용하는 것을 기준으로 설정하며, 워터젯을 이용한 경우, 자유면 폭은 최대 10 cm까지 가능하다.

자유면 사이의 간격은 굴착지반의 상태에 따라 자유면 사이의 간격을 결정한다. 이때, 자유면은 굴착지반이 좋을수록 촘촘히 절삭해야 한다. 반면, 굴착지반이 약하면 최대 2.5m에서 5.0 m의 자유면 간격까지 파쇄 범위를 가질 수 있다.

그리고, 암반 굴착 시스템(100)은 기계 파쇄 위치를 정하고, 기계 굴착 장치(130)의 파쇄기(134)가 기계 파쇄 위치를 파쇄해 터널 막장 단면을 굴착한다(S120). 이때, 파쇄기(134)가 기계 파쇄 위치를 파쇄한 경우, 암반이 자유면 사이에서 균열이 발생해 파쇄되거나, 자유면과 절리 사이에서 균열이 발생해 파쇄된다.

도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 자유면 절삭 형태를 도시한 도면이다. 도 4에서와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 암반 굴착 시스템(100)은 터널 내부의 내부 자유면을 다양한 형태로 형성할 수 있으며, 격자형, 방사형 또는 이를 혼합한 혼합형의 자유면을 형성할 수 있다. 이때, 암반 굴착 시스템(100)은 절리 모니터링 장치(110)가 모니터링한 기존 절리의 모양을 활용함으로써, 워터젯 절상 공정을 최소화 할 수 있도록 자유면 형성 계획할 수 있다.

도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 쇄기형 파쇄 장치를 이용한 암반 파쇄를 도시한 도면이다.

본 발명의 한 실시예에 따른 암반 굴착 시스템(100)은 쇄기형 파쇄 장치를 이용해 자유면 내부에 삽입, 가압하여 암반을 파쇄할 수 있다. 도 5에서와 같이, 암반 굴착 시스템(100)은 쇄기형 파쇄 장치를 가압하여 자유면에 삽압함으로써, 자유면 사이의 암반에 크랙(crack)을 발생시켜 대상 암반을 파쇄할 수 있다.

도 6은 본 발명의 한 실시예에 따라 파쇄기를 이용해 암반 굴착하는 예를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따라 할암기나 쇄기를 이용해 암반 굴착하는 예를 도시한 도면이며, 도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따라 자유면 간격이 넓을 경우 파쇄기를 이용해 암반 굴착하는 예를 도시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 암반 굴착 시스템(100)은 본 발명의 한 실시예에 따라 파쇄기로 자유면 사이의 암반을 파쇄한다. 그러면, 자유면 사이에서 크랙이 발생함으로써, 암반이 파쇄된다.

도 7을 참조하면, 암반 굴착 시스템(100)은 본 발명의 다른 실시예에 따라 자유면에 직접 할암기나 쇄기를 투입하고, 할암기나 쇄기가 투입된 자유면과 주변의 자유면 사이에 크랙을 발생시켜 암반을 파쇄한다.

또한, 도 8에서와 같이, 자유면 간격이 넓을 경우에는 파쇄기로 자유면 사이의 암반을 순차적으로 파쇄함으로써 굴착을 완료할 수 있다.

즉, 기존의 발파 공법은 자유면 형성과정에서 자유면의 형성이 부족하여 천공수의 증가와 화약량의 증가를 초래하고, 발파시 소음 및 진동발생이 커서 도심지에서는 주변 구조물의 손상 및 주변 생활 환경 민원을 발생시킨다. 또한, 무진동 공법의 경우 상부 구조물에 진동이 발생하지 않는 장점이 있으나, 자유면을 형성하기 위한 천공수의 증가로 인하여 작업공기의 증가를 초래하였다.

이에 본 발명의 한 실시예에 따른 암반 굴착 시스템(100)은 워터젯을 이용하여 터널 천단부에 자유면을 형성하고, 터널 내부에 방사형 또는 직교형의 자유면을 형성하여 자유면 사이의 암반을 파쇄기를 이용하여 제거함으로써, 천공수를 줄이고, 진동 및 소음을 획기적으로 줄일 수 있는 환경을 제공한다.

또한, 본 발명의 한 실시예에 따른 암반 굴착 시스템(100)은 터널 외곽부를 워터젯으로 절삭 함으로써, 여굴량의 감소를 가져와 1차 라이닝을 위한 숏크리트 사용량을 감소시킬 수 있는 환경을 제공한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (3)

1. 암반 굴착 시스템이 암반을 굴착하는 방법에서,
   대상 터널 막장에서의 암반 절리 형성 패턴을 인식하고, 터널 막장에 존재하는 절리를 모니터링하는 절리 모니터링 단계,
   연마제 워터젯을 이용해 터널 천단부 및 터널 내부에 자유면을 형성하는 터널 자유면 형성 단계, 그리고
   파쇄기를 이용해 상기 대상 암반을 파쇄하되, 상기 절리와 상기 자유면을 활용하여 터널을 굴착하는 기계 굴착 단계
   를 포함하는 자유면을 이용한 무진동 암반 굴착 방법.
2. 제1항에서,
   상기 터널 자유면 형성 단계는,
   굴착 계획선을 따라 터널 천단부에 외곽 자유면을 형성하고, 상기 외곽 자유면과 하부 자유면 사이에 내부 자유면을 형성하되, 방사형 또는 직교형으로 상기 내부 자유면을 형성하는 자유면을 이용한 무진동 암반 굴착 방법.
3. 제1항에서,
   상기 기계 굴착 단계는,
   상기 자유면 사이의 암반을 파쇄해 터널을 굴착하되, 상기 절리를 자유면으로 활용하여 상기 절리와 상기 자유면 사이의 암반을 파쇄하여 터널을 굴착하며,
   상기 기계 굴착 단계는, 상기 자유면 내부를 파쇄해 터널을 굴착하되, 상기 워터젯에 의해 생성된 자유면 또는 기존 절리 내부를 인위적으로 확장 시켜 암반을 파쇄하여 터널을 굴착하는 자유면을 이용한 무진동 암반 굴착 방법.

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