KR20150111255A

KR20150111255A - Tbm의 운용조건 결정 장치

Info

Publication number: KR20150111255A
Application number: KR1020140119952A
Authority: KR
Inventors: 조정우; 이재욱; 오주영; 조민기; 송창헌; 권기범; 박진영
Original assignee: 한국생산기술연구원
Priority date: 2014-09-11
Filing date: 2014-09-11
Publication date: 2015-10-05
Also published as: KR101660446B1

Abstract

본 발명에 따르면, 공사 현장의 암반에 따라 TBM 디스크 커터의 운용조건을 모델링 시험으로 결정할 수 있다.

Description

TBM의 운용조건 결정 장치{Apparatus for determining the operating condition for TBM}

본 발명은 TBM의 최적 운용조건 결정 장치에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는 공사 현장의 암반에 따라 TBM 디스크 커터의 운용조건을 최적으로 결정할 수 있는 장치에 대한 것이다.

일반적으로, 확공기는 지반 또는 암반 속에 이미 형성되어 있는 굴착공을 넓히는 장치이고, TBM은 디스크 커터가 장착된 커터헤드를 회전시켜 터널 등을 굴착하는 장치이다.

확공기에는 해머가 설치될 수 있는데, 해머의 선단에 장착된 해머비트는 공기압에 의해서 왕복 이동하면서 암반을 타격한다. 해머의 타격은 확공기 자체의 회전과 협력하여 효율적인 굴착이 이루어질 수 있도록 하는데, 이러한 확공기는 대한민국 등록특허 제1072232호, 제1085362호, 제1072232호 등에 그 구성이 개시되어 있다.

확공기는 암반의 상태에 따라 운용 조건을 달리하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 암반의 강도가 큰 경우는 암반 강도가 작은 경우와 비교하여 확공기의 운용 조건을 달리하는 것이 에너지 절감과 효율적인 굴착을 위해 바람직할 것이다.

확공기의 운용 조건은 기술자의 경험에 의존하거나 공사현장에서 시험 굴착을 수행해서 결정될 수 있다. 그러나, 기술자의 경험에 의존하는 것은 정확하지 못할 가능성이 있다는 문제점이 있고, 시험 굴착에 의하는 것은 공사 기간과 공사 비용이 늘어날 수 있다는 문제점이 있다.

더욱이, 암반의 상태는 공사 현장마다 다르고, 동일한 공사 현장에서도 각 구간마다 암반의 상태가 다를 수 있기 때문에 확공기의 운용조건을 최적으로 결정하는 것이 용이하지 않다.

한편, 상기 디스크 커터는 커터헤드에 장착되어 커터헤드와 함께 회전됨으로써 암반을 굴착한다. 이러한 디스크 커터는 대한민국 등록특허 제1282945호 등에 그 구성 및 작용이 개시되어 있다.

디스크 커터는 암반의 상태에 따라 커터헤드에 적절하게 배치되어야 하고, 디스크 커터에 인가되는 하중의 크기도 암반의 상태를 고려하여 정해져야 한다.

그런데, 디스크 커터의 배치 및 상기 인가 하중의 크기는, 확공기의 경우와 마찬가지로, 기술자의 경험에 의존하거나 공사현장에서 시험 굴착을 수행해서 결정되고 있다.

따라서, 암반 상태를 고려하여 디스크 커터의 운용조건을 최적으로 결정하는 장치 또는 방법이 필요한 실정이다.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 암반용 확공기 및 TBM 디스크 커터와 같은 회전형 굴착기의 운용조건을 최적으로 결정하기 위한 장치 및 방법을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.

본 출원인은, 오랜 연구와 경험을 통해서, 암반용 확공기의 굴착 속도와 1회 타격시 굴착량은 확공기의 회전속도(R.P.M.)와 공기압에 큰 영향을 받는다는 것을 알게 되었다. 그리고, 디스크 커터의 굴착 효율은 디스크 커터 사이의 간격과 압입 깊이 등에 의해 영향을 받는다.

따라서, 본 발명은 비에너지(굴착에 소요되는 에너지를 굴착량으로 나눈 것, MJ/m³)를 최소화할 수 있는 확공기의 회전속도(R.P.M.)와 공기압 및, 디스크 커터의 간격과 압입깊이 등을 결정하기 위한 장치와 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

특히, 본 발명은 공사현장에서 확공기와 디스크 커터가 작동하는 것을 모델링함으로써 시험비용과 시간을 대폭 절약할 수 있는 장치 및 방법을 제공하고자 하는 목적을 갖는다.

본 발명에 따른 기술적 사상은 확공기와 TBM과 같은 회전형 굴착기에 적용될 수 있다.

구체적으로, 본 발명의 제1 실시예는 공사현장의 암반에 따라 확공기의 회전속도(R.P.M.)와 확공기에 공급되는 공기압을 최적으로 결정하기 위한 장치이다.

상기 장치(100)에서는 해머(127)는 회전되지 않고 암석 시편(s)이 회전되고 있는 상태에서 해머(127)의 하단에 장착된 해머 비트(128)가 압축공기에 의해서 상하로 왕복이동하면서 암석 시편(s)을 타격한다.

상기 장치(100)는 암석시편을 타격하는 타격 유닛;과, 암석 시편을 고정하는 시편고정 유닛(130); 및, 시편고정 유닛(130)을 회전시키는 회전 유닛(140);을 포함할 수 있다.

상기 타격 유닛은 해머(127)의 위치가 고정된 상태에서 해머비트(128)를 상하로 왕복이동시켜 암석시편을 타격한다.

구체적으로, 타격 유닛은, 베이스 프레임(121); 베이스 프레임(121)에 수직으로 설치되어 해머를 지지하는 수직 기둥(122); 및 수직 기둥(122)에 지지되도록 설치되고, 상기 해머비트(128)와 실린더가 구비된 상기 해머(127);를 포함한다. 실린더가 압축공기에 의해서 팽창되면 해머비트(128)가 암석시편(s)을 타격하게 되고, 회전 유닛(140)은 확공기(1)에 장착된 해머비트(3)(4)의 회전속도(R.P.M)와 대응하는 속도로 시편고정 유닛(130)을 회전시킨다.

또한, 상기 시편고정 유닛은, 암석시편이 내부에 수납될 수 있는 공간을 갖고 상측이 개방된 고정틀(131); 고정틀의 둘레에 설치된 기어(133); 및 고정틀(131)을 회전 가능하도록 지지하는 베어링(134);을 포함할 수 있다.

아울러, 회전유닛(140)은, 회전모터(141); 및 회전모터(141)에 의해서 회전되고 기어(133)와 맞물리도록 설치된 기어(142)를 포함할 수 있다. 회전모터(141)의 회전력이 기어(142)와 기어(133)를 통해 전달되어 암석시편(s)이 회전된다.

상기 제1 실시예에서는, 암석시편의 회전 속도와 공기압을 다르게 하면서 암석시편에 대해서 반복적으로 시험하여 상기 회전 속도 및 공기압에 따른 굴착량을 측정함으로써 비에너지를 구하고, 상기 비에너지가 최소로 되는 공기압과 상기 회전 속도를 구한다.

또한, 제1 실시예에서는 복수 개의 서로 다른 암석시편에 대해서 각각 비에너지가 최소로 되는 공기압과 암석시편의 회전속도를 구하고, 이를 이용하여 비에너지가 최소로 되기 위한 공기압과 단축압축강도(UCS) 사이의 수학식 및, 확공기의 회전속도(R.P.M)와 단축압축강도(UCS) 사이의 수학식을 얻는다.

상기 수학식은 아래와 같다.

단, 상기 수학식에서,

P_air: 공기압

RPM : 확공기의 회전속도

UCS : 암석의 단축압축강도.

본 발명의 다른 측면인 회전형 굴착기의 최적 운용조건 결정 방법은, (a) 비에너지가 최소로 되도록 하는 확공기(1)의 회전속도(R.P.M.)와 암석의 단축압축강도(UCS) 사이의 관계를 나타내는 수학식 및, 공기압과 암석의 단축압축강도(UCS) 사이의 관계를 나타내는 수학식을 준비하는 단계; (b) 공사 현장에서 얻어진 암석의 단축압축강도(UCS)를 구하는 단계; 및, (c) 상기 (b) 단계에서 구한 단축압축강도(UCS)를 상기 수학식에 대입하여 비에너지가 최소로 되도록 하는 확공기의 회전속도(R.P.M)와 공기압을 결정하는 단계;를 포함한다.

상기 수학식은 위에서 언급된 것과 동일하다. 그리고, 상기 수학식은 확공기(1)의 암반굴착을 모델링한 장치(100)를 이용하여 복수 개의 암석시편(s)에 대해 굴착시험을 하여 구할 수 있다.

한편, 본 발명의 제2,3 실시예는 TBM 디스크 커터(9)의 굴착을 모델링한다. 구체적으로, 제2 실시예에 따른 장치(200)는, 암석시편(s)을 고정하는 시편고정 유닛(130); 시편고정 유닛(130)을 회전시키는 회전유닛(140); 시편고정 유닛(130)의 위에 설치되고, 회전 가능하도록 설치된 디스크 커터(9)를 구비하는 장착부재(250); 장착부재(250)의 위에 설치되어 디스크 커터(9) 또는 암석시편(s)에 하향 수직 하중을 인가하는 수직하중 인가수단;을 포함한다.

그리고, 제3 실시예에 따른 장치(300)는, 암석시편(s)을 고정하는 시편고정 유닛(130); 시편고정 유닛(130)을 회전시키는 회전유닛(140); 시편고정 유닛(130)의 위에 설치되고, 회전 가능하도록 설치된 디스크 커터(9)를 구비하는 장착부재(250); 시편고정 유닛(130)의 아래에 설치되어 디스크 커터(9) 또는 암석시편(s)에 상향 수직 하중을 인가하는 수직하중 인가수단;을 포함한다.

상기 장치(200)(300)에서는 디스크 커터(9)의 위치는 고정되고 암석시편(s)이 회전되며, 상기 상,하향 수직하중이 인가된 상태에서 디스크 커터(9)가 암석시편(s)을 굴착한다.

상기 장치(200)(300)는 장착부재(250)를 수평방향으로 이동시키기 위한 수평 이동부(240)를 포함할 수 있다.

상기 수평 이동부(240)는, 수직 기둥(220)에 수평으로 설치되고 장착부재(250)가 설치된 수평부재(241); 및 장착부재(250)를 수평방향으로 이동시키는 수평이동용 실린더(242);를 포함할 수 있다. 커터헤드(7)에 설치된 디스크 커터 사이의 간격을 모델링할 수 있도록 수평이동용 실린더(242)의 신장과 수축에 의해 장착부재(250)가 수평방향으로 이동한다.

상기 장치(200)의 수직하중 인가수단은 수직이동용 실린더(231)를 포함한다. 수직이동용 실린더(231)는 수평부재(241) 위에 설치되는데, 수직이동용 실린더(231)의 신장과 수축에 의해서 수평부재(241)가 수직으로 상하로 이동되고, 이에 따라 디스크 커터(9) 또는 암석시편(s)에 하향 수직하중이 인가된다.

상기 장치(300)의 수직하중 인가수단은 유압유닛(310)을 포함할 수 있다. 유압유닛(310)은 시편고정 유닛(130)의 아래에 설치되어 시편고정 유닛(130)을 수직방향으로 이동시킴으로써 디스크 커터(9) 또는 암석시편(s)에 상향 수직 하중을 인가한다.

상기 장치(200)(300)의 시편고정 유닛(130)은, 암석시편(s)이 내부에 수납될 수 있는 공간을 갖고 상측이 개방된 고정틀(131); 고정틀(131)의 둘레에 설치된 기어(133); 및 고정틀(131)을 회전 가능하도록 지지하는 베어링(134);을 포함할 수 있다.

상기 회전유닛(140)은, 회전모터(141); 및 회전모터(141)에 의해서 회전되고 기어(133)와 맞물리도록 설치된 기어(142)를 포함할 수 있다. 회전모터(141)의 회전력이 기어(133)와 기어(142)를 통해 전달되어 암석시편(s)이 회전될 수 있다.

본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.

첫째, 공사 현장의 암반상태에 따라 확공기와 TBM의 운용 조건을 최적으로 결정할 수 있다. 구체적으로, 암반의 상태에 따라 확공기의 회전속도와 공기압을 모델링 시험 또는 수학식을 이용하여 최적으로 결정할 수 있고, 암반의 상태에 따라 디스크 커터의 배치 간격과 압입깊이를 모델링 시험을 통하여 최적으로 결정할 수 있다.

둘째, 확공기와 디스크 커터의 회전 굴착 메카니즘을 암석시편의 회전으로 구현함으로써 장치의 구성이 간단해지고 단가가 저렴해지며, 이에 따라 최적 운용 조건을 작은 비용과 시간으로 알아낼 수 있다. 특히, 확공기와 디스크 커터의 회전 굴착 메카니즘을 암석시편의 회전으로 구현하는 것은, 확공기(해머)와 디스크 커터를 선형으로 이동시키는 시험에 비해서, 실제와 더욱 근접한 결과를 얻을 수 있다.

셋째, 공사 현장에서 얻어진 암석의 단축압축강도(UCS, uniaxial compressive strength)만을 알면 확공기의 최적 운용조건을 결정할 수 있다.

도 1은 암반에 사용될 수 있는 확공기를 보여주는 사시도.
도 2는 도 1의 확공기를 보여주는 측면도.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른, 회전형 굴착기의 최적 운용조건 결정 장치를 보여주는 사시도.
도 4는 도 1의 장치에 구비된 해머비트를 보여주는 사시도.
도 5는 터널굴착에 사용되는 일반적인 커터헤드를 보여주는 정면도.
도 6은 도 5의 커터헤드에 장착된 디스크 커터를 보여주는 사시도.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른, 회전형 굴착기의 최적 운용조건 결정 장치를 보여주는 사시도.
도 8은 도 7의 장치에 구비된 장착부재와 디스크 커터를 보여주는 사시도.
도 9a 내지 도 9c는 각각 디스크 커터가 암석시편을 굴착하는 것을 보여주는 정면도.
도 10은 도 9a 내지 도 9c의 디스크 커터 사이의 간격과 압입 깊이를 보여주는 도면.
도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른, 회전형 굴착기의 최적 운용조건 결정 장치를 보여주는 사시도.
도 12는 도 11의 장치를 보여주는 정면도.
도 13은 비에너지와 공기압 및 확공기 회전속도의 관계를 보여주는 3차원 그래프로서, 도 3의 장치를 경암에 적용하여 얻어진 그래프.
도 14는 비에너지와 공기압 및 확공기 회전속도의 관계를 보여주는 등고선 그래프로서, 도 3의 장치를 경암에 적용하여 얻어진 그래프.
도 15는 비에너지와 공기압의 관계 및 비에너지와 확공기 회전속도의 관계를 보여주는 그래프로서, 도 3의 장치를 경암에 적용하여 얻어진 그래프.
도 16은 공기압과 단축압축강도의 관계를 보여주는 그래프로서, 경암과 중경암 및 보통암에 대해서 얻어진 그래프.
도 17은 확공기 회전속도와 단축압축강도의 관계를 보여주는 그래프로서, 경암과 중경암 및 보통암에 대해서 얻어진 그래프.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명은 암반용 확공기와 TMB에 적용되는 것이지만, 본 발명은 토사 지반 등에 사용되는 확공기와 TBM에도 적용될 수 있는데, 이러한 점은 본 명세서를 참조한 당업자가 자명하게 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위를 암반용만으로 한정하여 해석하여서는 아니될 것이다.

1. 제1 실시예

본 발명의 제1 실시예는 확공기의 최적 운용조건을 결정하기 위한 장치 및 방법에 대한 것이다.

본 실시예를 설명하기에 앞서서, 본 실시예의 적용 대상이 될 수 있는 확공기의 일례를 설명하기로 한다. 아래의 설명은 본 실시예가 적용될 수 있는 일례를 설명하는 것일 뿐이고 본 실시예의 적용대상을 한정하는 것은 아니다.

도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 확공기(1)는 몸체(2)와, 몸체(2)에 왕복 이동 가능하도록 설치된 해머를 구비한다.

몸체(2)는 구동로드(5)에 연결되어 소정의 회전속도(R.P.M.)로 회전된다. 그리고, 해머의 선단에는 해머비트(3)(4)가 장착되어 있고, 해머비트(3)(4)는 공기압에 의해 왕복 이동하면서 전방(前方)의 암반(도면에 미도시)을 타격한다.

몸체(2)에는 복수 개의 해머가 구비되는데, 복수 개의 해머는 효율적인 굴착을 위해 몸체(2)의 중심을 기준으로 외곽과 내곽에 분산되어 배치된다. 도면은 외곽에 2개의 해머비트(3)가 설치되고 내곽에 2개의 해머비트(4)가 설치된 것을 보여준다. 확공기가 회전되면 외곽 해머비트(3)는 반경 r1의 원을 그리면서 암반을 타격하고 내곽 해머비트(4)는 반경 r2의 원을 그리면서 암반을 타격한다.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 장치를 보여주는 사시도이다.

도면을 참조하면, 상기 장치(100)는 하부 프레임(110)과, 암석시편(s)을 타격하는 타격 유닛과, 암석 시편(s)을 고정하는 시편고정 유닛(130)과, 시편고정 유닛(130)을 회전시키는 회전 유닛(140)을 포함한다. 한편, 여기에서는 상기 장치의 각 구성요소를 설명하고, 상기 장치의 작동과정은 아래의 '4. 장치의 작동과정'에서 설명하기로 한다.

하부 프레임(110)은 해머비트(128)의 아래에 시편고정 유닛(130)이 위치할 수 있는 공간을 형성한다. 하부 프레임(110)의 위에는 베이스 프레임(121)이 설치된다. 한편, 타격에 의한 진동 때문에 타격 유닛과 하부 프레임(110)이 흔들리지 않도록 하부 프레임(110)의 하단은 지면 또는 평판(도면이 미도시) 등에 설치되는 것이 바람직하다.

타격 유닛은 베이스 프레임(121)과, 베이스 프레임(121)에 설치된 수직 기둥(122) 및, 해머(127)를 구비한다.

베이스 프레임(121)은 하부 프레임(110)에 고정되어 있다. 한편, 경우에 따라서는 베이스 프레임(121)이 별도로 구비되지 않고 하부 프레임(110)과 베이스 프레임(121)이 일체로 형성될 수도 있다.

수직 기둥(122)은 베이스 프레임(121)에 수직으로 세워지는데, 수직 기둥(122)에는 고정부(123)가 설치된다. 고정부(123)는 해머(127)의 상단을 고정하는데, 고압공기 호스(124)는 고정부(123)를 관통하여 해머(127)와 연결된다. 한편, 수직 기둥(122)은 지지봉(125)에 의해 지지될 수 있다. 지지봉(125)의 하단은 베이스 프레임(121)에 연결되고 지지봉(125)의 상단은 수직 기둥(122)에 연결된다.

한편, 지지봉(125)은 실린더로 이루어지고, 상기 실린더의 수축과 팽창에 의해 고정부(123)가 수직 기둥(122)을 따라 상하로 슬라이딩되고, 이에 따라 해머(127)도 함께 상하로 이동되도록 할 수도 있다. 이러한 구성은 암석 시편(s)의 높이에 따라 해머비트(128)의 높이를 조절할 수 있도록 한다.

해머(127)는 베이스 프레임(121)에 수직으로 설치되는데, 그 상단은 고정부(123)에 고정되고, 그 하부는 베이스 프레임(121)에 설치된 고정판(126)에 고정된다. 해머(127)는 압축공기에 의해서 작동하는 실린더와, 실린더의 신축에 의해 상하 왕복이동하면서 암석시편(s)을 타격하는 해머비트(도 3 및 도 4의 128)를 구비하는데, 이러한 해머(127)의 구조는 공지된 것이므로 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다.

상기 압축공기는 장치 외부에 설치된 압축공기 탱크(도면에 미도시)로부터 공급될 수 있는데, 상술한 바와 같이 압축공기의 공기압은 굴착 효율에 영향을 미친다. 그리고, 베이스 프레임(121)에는 장치의 작동에 필요한 전원 공급원(예를 들어, 밧데리 등)이 설치될 수도 있다.

시편 고정유닛(130)은 그 내부에 암석시편(s)을 고정하는 것으로서, 고정틀(131)과, 고정틀(131)의 둘레에 설치된 기어(133)를 구비한다.

고정틀(131)은 그 상측이 개방되고, 그 내부에는 암석시편(s)을 수용하기 위한 공간이 형성된다. 상기 공간에는 암석시편(s)이 움직이지 않도록 고정하는 수단이 설치될 수 있는데, 예를 들면, 암석시편(s)과 고정틀(131) 사이에 콘크리트부(132)가 형성될 수 있다. 콘크리트부(132)는 고정틀(531)과 암석시편(s) 사이의 공간을 메우도록 콘크리트 및/또는 몰탈이 타설되어 만들어진 것으로서, 암석시편(s)을 고정하는 역할을 한다.

고정틀(131)의 하단에는 고정틀(531)의 흔들림을 방지하면서도 고정틀(131)의 회전을 원활하게 하기 위해서 베어링(134)이 설치될 수도 있다.

회전 유닛(140)은 시편 고정유닛(130)을 회전시킨다. 회전유닛(140)은 회전 모터(141)와, 회전모터(141)에 의해서 회전되는 기어(142)를 구비한다. 기어(142)는 기어(133)와 맞물리도록 설치되고, 이에 따라 회전모터(141)의 회전력은 기어(142)(133)를 통해 고정틀(131)에 전달되어 암석시편(s)을 회전시킨다.

한편, 암석시편(s)의 회전 속도는 확공기 해머비트(3)(4)의 회전속도와 대응된다. 예를 들어, 확공기가 빠른 회전속도로 회전하는 것을 모델링할 경우에는 확공기의 회전속도에 대응하여 암석시편(s)도 빠르게 회전된다.

또한, 확공기의 외곽 해머비트(3)를 모델링하는 경우와 내곽 해머비트(4)를 모델링하는 경우에는 암석시편(s)의 타격위치가 서로 상이하다. 따라서, 외곽 해머비트(3)의 타격을 모델링한 후 내곽 해머비트(4)의 타격을 모델링하고자 하는 경우에는 시편고정 유닛(130) 또는 하부 프레임(110)의 위치를 옆으로 조금 이동시킨 후 타격을 할 수 있다.

본 실시예는 해머비트(3)(4)가 회전되면서 암반을 타격하는 실제의 확공기를 모델링하기 위해서 암석시편(s)을 회전시키고 해머비트(128)가 고정된 위치에서 암석시편(s)을 타격하는 구성을 갖는다. 이러한 구성은 실제 확공기를 모델링하기 위해 암석시편과 해머비트 중 어느 하나가 선형 이동되면서 해머비트가 암석시편을 타격하는 경우에 비해 확공기의 실제 작동에 더욱 근접한 결과를 얻을 수 있다는 장점이 있다.

2. 제2 실시예

본 발명의 제2 실시예는 TBM의 커터헤드에 설치되는 디스크 커터의 최적 운용조건을 결정하기 위한 장치에 대한 것이다.

본 실시예를 설명하기에 앞서서, 본 실시예의 적용 대상이 될 수 있는 디스크 커터의 일례를 설명하기로 한다. 아래의 설명은 본 실시예가 적용될 수 있는 일례를 설명하는 것일 뿐이고 본 실시예의 적용대상을 한정하는 것은 아니다.

도 5는 커터헤드를 보여주고, 도 6은 도 5의 커터헤드에 설치된 디스크 커터를 보여준다.

커터헤드(7)는 TBM의 선단에 설치되는 것으로서, 다수 개의 디스크 커터(9)가 그 앞면에 설치된 구조를 갖는다. 커터헤드(7)는 소정의 회전수단에 의해서 회전되면서 전방으로 전진하고, 이에 따라 디스크 커터(9)도 함께 회전되면서 전방의 암반(도면에 미도시)을 굴착한다. 이 때, 디스크 커터(9) 사이의 간격과 디스크 커터(9)의 압입 깊이 및 디스크 커터(9)가 암반에 작용하는 하중은 굴착 효율에 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 장치를 보여주는 사시도이다.

상기 장치(200)는 암석시편(s)을 고정하는 시편고정 유닛(130)과, 시편고정 유닛(130)을 회전시키는 회전유닛(140)과, 디스크 커터(9)가 설치된 굴착유닛 및, 디스크 커터(9)에 하향 수직 하중을 인가하는 수직하중 인가수단을 포함한다.

시편고정 유닛(130)은 그 내부에 암석시편(s)을 고정하는 것으로서, 고정틀(131)과, 고정틀(131)의 둘레에 설치된 기어(133)를 구비한다.

고정틀(131)은 그 상측이 개방되고, 그 내부에는 암석시편(s)을 수용하기 위한 공간이 형성된다. 비록 도면에는 도시되지 않았지만, 제1 실시예와 마찬가지로 암석시편(s)과 고정틀(131) 사이의 공간에 콘크리트부가 형성될 수 있다. 상기 콘크리트부는 고정틀(131)과 암석시편(s) 사이의 공간을 메우도록 콘크리트 및/또는 몰탈이 타설되어 만들어진 것으로서, 암석시편(s)을 고정하는 역할을 한다.

고정틀(131)의 하단에는 고정틀(131)의 흔들림을 방지하면서도 고정틀(131)의 회전을 원활하게 하기 위해서 베어링(134)이 설치될 수도 있다. 베어링(134)은 소정의 평판(138)에 설치될 수 있다.

한편, 암석시편(s)의 회전 속도는 커터헤드(7)의 회전속도와 대응된다. 따라서, 커터헤드(7)가 빠르게 회전되고 있는 것을 모델링할 경우에는 암석시편(s)도 빠르게 회전된다.

그리고, 암석시편(s)의 회전 속도는 커터헤드(7)의 중심과 디스크 커터(9) 사이의 거리(반경)에 대응된다. 따라서, 외곽의 디스크 커터(9)를 모델링하는 경우에는 내곽의 디스크 커터(9)를 모델링하는 경우 보다 그 속도가 빠르다.

굴착유닛은 하부 프레임(110)과, 하부 프레임(110)의 위에 설치된 베이스 프레임(121)과, 베이스 프레임(121)에 설치된 수직 기둥(220)과, 수직 기둥(220)에 설치된 수평 이동부(240)와, 디스크 커터(9)가 회전 가능하도록 설치된 장착부재(250)를 구비한다.

하부 프레임(110)은 베이스 프레임(121)을 지지하는 부재로서, 베이스 프레임(121)이 소정 높이에 위치하도록 하여 디스크 커터(9)가 암석시편(s)의 상면과 대응하는 높이에 위치하도록 한다.

베이스 프레임(121)은 하부 프레임(110)의 위에 고정되는데, 베이스 프레임(121)에는 수직 기둥(220)과 지지봉(125)이 설치된다.

수직 기둥(220)은 베이스 프레임(121)에 수직으로 세워진 것으로서, 그 하단에서 상단까지 수직으로 형성된 가이드 홈(221)을 구비한다. 수직 기둥(220)은 지지봉(125)에 의해서 지지될 수도 있다. 지지봉(125)은 그 하단이 베이스 프레임(121)에 연결되고 그 상단이 수직 기둥(220)에 연결된다.

수평 이동부(240)는 수평부재(241)와 수평이동용 실린더(242)를 구비한다.

수평부재(241)는 수직 기둥(220)에 상하로 슬라이딩 가능하도록 설치된다. 수평부재(241)의 후단에는 돌출부(245)가 형성되고 수평부재(241)의 아랫면에는 슬라이딩 홈(246)이 형성된다.

돌출부(245)는 가이드 홈(221)에 삽입되는데, 이러한 구성은 수평부재(241)의 상하 방향 슬라이딩을 가이드한다. 이와 같이, 본 발명은 수평부재(241)가 수직으로 이동될 때 수평부재(241)의 상기 수직 이동을 가이드하는 수단을 구비한다. 그리고, 슬라이딩 홈(246)에는 장착부재(250)의 체결부(252)가 삽입된다.

수평이동용 실린더(242)는 수평부재(241)의 아래에 설치된다. 수평이동용 실린더(242)는 압축공기에 의해 신장과 수축을 함으로써 장착부재(250)를 수평방향으로 이동시킨다.

장착부재(250)에는 디스크 커터(9)가 회전 가능하도록 설치된다. 장착부재(250)는 디스크 커터(9)의 회전축이 삽입되는 관통공(251)과, 슬라이딩 홈(246)에 삽입되는 체결부(252)를 구비한다.

체결부(252)는 슬라이딩 홈(246)에 삽입되어 슬라이딩될 수 있는 구조를 가지는데, 바람직하게는 슬라이딩 홈(246)의 단면형상과 상응하는 단면 형상을 갖는다. 예를 들어, 도 8에 나타난 바와 같이, 슬라이딩 홈(246)의 입구 보다 내부가 넓은 경우에는 체결부(252)의 상부(253)가 하부(254) 보다 넓게 형성된다.

수직하중 인가수단은 하향 수직 하중을 디스크 커터(9)에 인가한다. 상기 하향 수직하중은 실제 공사현장에서 커터헤드(디스크 커터)를 전방으로 추진하는 힘을 모델링한다.

수직하중 인가수단은 지지대(232)와 수직이동용 실린더(231)를 구비한다.

지지대(232)는 수직 기둥(220)의 상단에 수평으로 설치되고, 수직이동용 실린더(231)는 지지대(232)와 수평부재(241)를 연결하도록 설치된다. 따라서, 수직이동용 실린더(231)가 신장 또는 수축하면 수평부재(241)가 위,아래로 슬라이딩된다. 그리고, 상기 슬라이딩에 의해 디스크 커터(9)가 암석시편(s)의 상면에 접촉하게 되면 하향 수직하중이 암석시편(s)에 인가될 수 있다.

한편, 수직하중 인가수단은 수직 기둥(220)의 내부에 설치된 보조 실린더를 더 구비할 수도 있다. 보조 실린더는 수직 기둥(220)의 내부에 설치되되 그 하단은 베이스 프레임(121)에 설치되고 그 상단은 돌출부(245)에 설치되어 수직이동용 실린더(231)의 신장 또는 수축에 대응하여 수축 또는 신장됨으로써 수직부재(241)가 수평을 유지한 채로 수직 이동되도록 하고 하향 수직하중 인가시 수평부재(241)가 수평을 유지하도록 지지한다.

장착부재(250)는 수평이동용 실린더(242)의 신장과 수축에 의해 수평방향으로 슬라이딩되어 이동되는데, 도 9a 내지 도 9c, 도 10은 이러한 이동을 보여준다.

디스크 커터(9)가 도 9a의 위치에서 암석시편(s)을 굴착한 후, 수직이동용 실린더(231)가 약간 수축하여 디스크 커터(9)가 약간 위로 상승한 다음, 수평이동용 실린더(242)에 의해서 디스크 커터(9)가 좌측으로 소정 간격(m)만큼 이동하고, 이어서 수직이동용 실린더(231)에 의해 디스크 커터(9)가 약간 아래로 이동하여 도 9b의 위치에 위치한 후, 수직이동용 실린더(231)에 의해 하향 수직하중이 인가된 상태에서 암석시편(s)이 회전되면 암석시편(s)의 굴착이 이루어진다.

상기 간격(m)은 커터헤드(7)에서 디스크 커터(9) 사이의 간격에 해당하고, 디스크 커터(9)의 압입깊이(d)는 실제 암반의 압입 깊이(d)에 대응한다. 따라서, 동일한 암석시편(s)에 대해 간격(m)과 압입깊이(d)를 달리하면서 반복 시험하면 최적의 간격(m)과 압입깊이(d)를 결정할 수 있다.

최적의 간격(m)과 압입깊이(d)는 비에너지가 최소로 되는 경우인데, 상기 비에너지(MJ/m³)는 굴착에 소요된 에너지를 굴착량으로 나눔으로써 구할 수 있다. 굴착에 소요된 에너지는 암석시편(s)을 회전시키는데 소요된 에너지와 하향 수직하중을 인가하는데 소요된 에너지를 합한 것이다. 그리고, 상기 굴착량 측정은 모래 채움법, Shapemetrix 3D 등을 이용하여 이루어질 수 있는데, 이러한 방법은 이미 공지된 것이기 때문에 여기서는 그 설명을 생략하기로 한다.

본 실시예에서는 실제 공사현장의 상태(디스크 커터(9)가 회전되고 암반이 고정된 상태)를 디스크 커터(9)의 위치가 고정되고 암석시편(s)이 회전되는 상태로 모델링하기 때문에 실제 공사현장의 상태에 더욱 근접한 결과를 얻을 수 있다. 즉, 본 실시예에 따른 장치는 암석시편(s)이 고정되고 디스크 커터(9)가 직선이동하면서 암석시편(s)을 굴착하는 경우보다 실제 공사현장의 상태에 더욱 근접한 결과를 얻을 수 있다.

3. 제3 실시예

도 11은 본 발명의 제3 실시예에 따른 장치를 보여주는 사시도이고, 도 12는 상기 장치를 보여주는 정면도이다.

상기 장치(300)는 암석시편(s)을 고정하는 시편고정 유닛(130)과, 시편고정 유닛(130)을 회전시키는 회전유닛(140)과, 디스크 커터(9)가 설치된 굴착유닛 및, 디스크 커터(9)에 상향 수직 하중을 인가하는 수직하중 인가수단을 포함한다. 도 11과 도 12의 도면 참조부호 중에서 도 1 내지 도 10의 도면 참조부호와 동일한 것은 동일한 구성요소를 나타낸다.

상기 구성요소 중에서 시편고정 유닛(130)과 회전유닛(140)은 상부평판(315)에 설치되어 상부평판(315)과 함께 승강한다는 점을 제외하면 제2 실시예의 시편고정 유닛(130) 및 회전유닛(140)과 각각 동일하므로 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.

굴착유닛은 수평 이동부(240)의 위치가 고정되어 있다는 점을 제외하면 제2 실시예의 굴착유닛과 동일하다.

수평 이동부(240)는 수직 기둥(220)에 고정되도록 설치된 수평부재(241)와, 수평부재(241)의 아래에 설치된 수평이동용 실린더(242)를 구비한다.

수평부재(241)는 상향 수직하중을 지지할 수 있을 정도의 강도와 강성을 가지고 수직 기둥(220)에 고정되어 있다. 따라서, 유압유닛(310)에 의해서 상부평판(315)이 상승하면 디스크 커터(9)에 상향 수직하중이 인가된다.

수평이동용 실린더(242)는 압축공기에 의해서 신장과 수축을 함으로써 장착부재(250)를 수평방향으로 이동시킨다. 이에 따라, 커터헤드(7)에 설치된 디스크커터(9) 사이의 간격(m)만큼 디스크 커터(9)를 이동시킬 수 있는데, 이 점은 제2 실시예와 동일하다.

수직하중 인가수단은 베어링(134)의 아래에 설치된 유압 유닛(310)으로 이루어질 수 있다.

유압유닛(310)은 하부평판(311)과, 하부평판(311)에 설치된 유압 실린더(313)와, 유압 실린더(313)의 수축과 팽창에 의해 상하로 이동하는 상부평판(315)을 구비한다. 상부평판(315)에는 시편고정 유닛(130)과 회전유닛(140)이 설치되고, 이에 따라 시편고정 유닛(130)과 회전유닛(140)은 상부평판(315)과 함께 상하로 이동된다.

디스크 커터(9)가 도 12의 위치에서 암석시편(s) 굴착을 완료하면 유압유닛(310)에 의해 시편고정 유닛(130)이 아래로 약간 하강한 후 수평이동용 실린더(242)에 의해 디스크 커터(9)가 좌측으로 소정 간격(m)만큼 이동하고 이어서 유압유닛(310)에 의해 시편고정 유닛(130)이 위로 약간 상승한 후 유압유닛(310)에 의해 상향 수직하중이 디스크 커터(9)에 인가된 상태에서 암석시편(s)이 회전됨으로써 굴착이 이루어진다.

상기 간격(m)이 커터헤드(7)에 설치된 디스크 커터(9) 사이의 간격에 대응하고 디스크 커터(9)의 압입깊이(d)는 실제 암반의 압입 깊이(d)에 대응한다는 것은 제2 실시예와 같다. 따라서, 동일한 암석시편(s)에 대해 간격(m)과 압입깊이(d)를 달리하면서 반복 시험하면 최적의 간격(m)과 압입깊이(d)를 결정할 수 있다.

그리고, 최적의 간격(m)과 압입깊이(d)를 구하는 방법도 제2 실시예와 동일하다. 즉, 비에너지가 최소로 되는 경우를 구함으로써 최적의 간격(m)과 압입깊이(d)를 구할 수 있는데, 상기 비에너지(MJ/m³)는 굴착에 소요된 에너지를 굴착량으로 나눔으로써 구할 수 있고, 굴착에 소요된 에너지는 암석시편(s)을 회전시키는데 소요된 에너지와 상향 수직하중을 인가하는데 소요된 에너지를 합한 것이다.

본 실시예에서는 실제 공사현장의 상태(디스크 커터(9)가 회전되고 암반이 고정된 상태)를 디스크 커터(9)의 위치가 고정되고 암석시편(s)이 회전되는 상태로 모델링하기 때문에 실제 공사현장의 상태에 더욱 근접한 결과를 얻을 수 있다.

4. 장치의 작동과정

그러면, 본 발명에 따른 장치(100)를 이용하여 확공기의 최적 운용조건(압축공기의 공기압 및 회전속도)을 결정하는 과정을 설명하기로 한다. 상기 장치(100)를 제외한 나머지 장치(200)(300)의 작동 및 최적 운용조건 결정 과정은 본 명세서를 참조한 당업자가 자명하게 알 수 있을 것이다.

먼저, 공사현장에서 채취한 암석시편(s)을 고정틀(131)에 수납하고 고정틀(131)과 암석시편(s) 사이에 콘크리트 및/또는 몰탈을 타설하여 암석시편(s)을 고정한다.

암석시편(s)의 고정이 완료된 후에는 회전유닛(140)을 이용하여 시편고정 유닛(130)을 회전시키면서 암석시편(s)을 타격한다.

이 때, 암석시편(s)의 회전속도는 확공기의 회전속도에 대응되는데, 예를 들어, 외곽 해머비트(3)에 의한 타격을 모델링하는 경우에는 내곽 해머비트(4)의 타격을 모델링하는 경우 보다 암석시편(s)의 회전속도가 빠르다.

그리고, 외곽 해머비트(3)의 타격을 모델링한 후 내곽 해머비트(4)의 타격을 모델링할 경우에는 시편고정 유닛(130) 또는 하부 프레임(110)을 약간 이동시킨 후 타격을 한다.

상기 타격은 압축공기를 해머(127)에 공급함으로써 이루어지는데, 상기 압축공기의 공기압에 따라 해머비트(128)의 타격강도가 달라진다.

상기 타격이 완료되면, 굴착량을 측정하고 상기 굴착에 소요된 에너지를 구하여 비에너지를 계산한다. 상기 굴착량 측정은 모래 채움법, Shapemetrix 3D 등을 이용하여 이루어질 수 있다.

굴착에 소요된 에너지는 해머(127)를 구동하는데 사용된 압축공기량과 공기압 및, 시편고정 유닛(130)을 회전시키는데 소요된 에너지를 합산함으로써 구할 수 있다. 그리고, 상기 비에너지(MJ/m³)는 소요된 에너지를 굴착량으로 나눔으로써 구할 수 있다.

공사현장에서 채취한 동일한 암석시편에 대해 상기와 같은 시험을 반복하여 공기압과 회전속도에 따른 비에너지를 계산하고, 비에너지를 최소화하는 공기압과 회전속도를 구함으로써 확공기의 최적 운용조건(공기압과 확공기 회전속도)을 구할 수 있다.

아래의 표 1은 경암(예를 들어, 화강암)에 대해 시험조건에 따른 굴착량 및 비에너지를 구한 것으로서, 확공기의 회전속도와 공기압에 따른 굴착량(굴착부피)과 비에너지를 보여준다.

도 13 내지 도 15는 표 1의 결과를 그래프로 보여준다. 상기 그래프를 분석해 보면, 비에너지가 최소가 되는 최적의 공기압, 회전속도 조합은 약 1900 kpa, 약 3.9 RPM으로 도출된다. 이 결과를 현장에 반영하면 공기압축기 3대, 확공기 회전속도를 4 RPM 내외로 운용하는 것이 굴착 효율을 가장 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다. 이것은 경암 타격시, 암석 내부의 균열 발생을 위해서 3대 이상의 공기압축기가 투입되어야 하고, RPM(확공기 회전속도)을 낮은 수준으로 유지하며 조밀한 타격을 실시하여야 암반에 생긴 균열이 효율적으로 상호 연결된다는 것을 의미한다. 참고로, 공기압축기의 대수는 일반적으로 사용되는 공기압축기 1대가 토출하는 최대 압력이 2400 kpa임을 감안하여, 2대의 공기압축기를 사용하여 확공기를 운용할 경우를 1200 kpa로 가정하고, 3대는 1800 kpa, 4대는 2400 kpa로 가정하여 구한 것이다.

5. 회귀 분석식 도출

위 4에서는 경암에 대해서 최적운용조건을 구했는데, 상기 과정을 중경암과 보통암에 대해서도 반복하면 비에너지가 최소로 되는 확공기의 최적 운용조건을 각각 구할 수 있고, 아울러, 암석시편의 단축압축강도(UCS)에 따른 최적 운용조건 즉, 확공기의 회전속도와 공기압을 구할 수 있다.

도 16은 경암과 중경암 및 보통암에 대해서 구한 최적 공기압(y축)과 단축압축강도(UCS)(x축)을 x-y 좌표축에 나타낸 후 회귀분석하여 그래프로 나타낸 것이고, 도 17은 경암과 중경암 및 보통암에 대해서 구한 최적 회전속도(y축)와 단축압축강도(UCS)(x축)을 x-y 좌표축에 나타낸 후 회귀분석하여 그래프로 나타낸 것이다.

상기 회귀분석으로 얻어진 그래프의 식은 아래와 같다.

단, 상기 수학식 1, 2에서,

P_air: 공기압(KPa)

RPM : 확공기의 회전속도

UCS : 암석의 단축압축강도(MPa)

상기 수학식 1,2를 이용하면, 공사현장에서 채취한 암석의 단축압축강도만을 알면 확공기의 최적 운용조건(공기압, 확공기의 회전속도)을 결정할 수 있다는 장점이 있다.

1 : 확공기 2 : 몸체
3 : 외곽 해머비트 4 : 내곽 해머비트
7 : 커터헤드 9 : 디스크 커터
110 : 하부 프레임 121 : 베이스 프레임
122, 220 : 수직 기둥 127 : 해머
128 : 해머 비트 130 : 시편고정 유닛
140 : 회전유닛 231 : 수직이동용 실린더
240 : 수평 이동부 241 : 수평부재
242 : 수평이동용 실린더 250 : 장착부재
100, 200, 300 : 회전형 굴착기의 최적 운용조건 결정 장치
310 : 유압유닛 s : 암석시편
m : 디스크 커터 사이의 간격 d : 압입깊이

Claims

암석시편(s)을 고정하는 시편고정 유닛(130);
시편고정 유닛(130)을 회전시키는 회전유닛(140);
시편고정 유닛(130)의 위에 설치되고, 회전 가능하도록 설치된 디스크 커터(9)를 포함하는 장착부재(250);
장착부재(250)의 위에 설치되어 디스크 커터(9)에 하향 수직 하중을 인가하거나 암석시편(s)의 아래에 설치되어 암석시편(s)에 상향 수직 하중을 인가하는 수직하중 인가수단;을 포함하고,
디스크 커터(9)의 위치는 고정되고 암석시편(s)이 회전되며, 상기 하향 수직하중 또는 상향 수직하중이 인가된 상태에서 디스크 커터(9)가 회전하는 암석시편(s)을 굴착하며,
암석시편(s)의 회전 속도는 커터헤드(7)의 회전속도와 대응되고,
디스크 커터(9)는 TBM에 사용되는 것을 특징으로 하는, TBM의 운용조건 결정 장치.
제1항에 있어서,
커터헤드(7)의 외곽에 설치된 디스크 커터를 모델링하는 경우는 커터헤드(7)의 내곽에 설치된 디스크 커터를 모델링하는 경우 보다 암석시편(s)의 회전 속도가 빠른 것을 특징으로 하는, TBM의 운용조건 결정 장치.
제2항에 있어서,
장착부재(250)를 수평방향으로 이동시키기 위한 수평 이동부(240)를 포함하고,
수평 이동부(240)는,
수직 기둥(220)에 수평으로 설치되고, 장착부재(250)가 설치된 수평부재(241); 및
장착부재(250)를 수평방향으로 이동시키는 수평이동용 실린더(242);를 포함하고,
커터헤드(7)에 설치된 디스크 커터 사이의 간격을 모델링할 수 있도록 수평이동용 실린더(242)의 신장과 수축에 의해 장착부재(250)가 수평방향으로 이동하는 것을 특징으로 하는, TBM의 운용조건 결정 장치.
제3항에 있어서,
수평부재(241)는 수직 방향으로 슬라이딩 가능하도록 수직 기둥(220)에 설치되고, 수평부재(241) 위에는 수직이동용 실린더(231)가 설치되며, 수직이동용 실린더(231)의 신장과 수축에 의해서 수평부재(241)가 수직으로 이동되고,
수평부재(241)가 수직으로 이동될 때 수평부재(241)의 상기 수직 이동을 가이드하는 수단이 구비되며,
수직이동용 실린더(231)가 상기 하향 수직 하중을 인가하는 것을 특징으로 하는, TBM의 운용조건 결정 장치.
제3항에 있어서,
수직하중 인가수단은,
시편고정 유닛(130)의 아래에 설치되어 시편고정 유닛(130)을 수직방향으로 이동시킴으로써 상향 수직 하중을 인가하는 유압유닛(310)을 포함하는 것을 특징으로 하는, TBM의 운용조건 결정 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
시편고정 유닛(130)은,
암석시편(s)이 내부에 수납될 수 있는 공간을 갖고, 상기 공간에 수납된 암석시편(s)이 움직이지 않도록 고정하는 수단을 가지며, 상측이 개방된 고정틀(131); 및
고정틀(131)을 회전 가능하도록 지지하는 베어링(134);을 포함하고,
회전유닛(140)은 회전모터(141)를 포함하며,
회전모터(141)의 회전력이 고정틀(131)을 회전시킴으로써 암석시편(s)이 회전되는 것을 특징으로 하는, TBM의 운용조건 결정 장치.