KR20180039938A

KR20180039938A - 워터젯 유닛을 적용한 ｔｂｍ 커터헤드, ｔｂｍ 장비 및 이를 이용한 터널공법

Info

Publication number: KR20180039938A
Application number: KR1020160131349A
Authority: KR
Inventors: 김대영; 현기창; 이재원
Original assignee: 현대건설주식회사
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2018-04-19
Also published as: KR101907751B1

Abstract

본 발명은 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드, TBM 장비 및 이를 이용한 터널공법에 대한 것이다. 보다 상세하게는 굴진면을 기설정된 방향으로 굴착하는 TBM 장치에 구비되는 커터헤드에 있어서, 원판형 몸체; 상기 몸체의 전방면을 구성하는 면판; 및 상기 면판에 복수로 구비되어 고압의 분사액을 분사하여 굴진면을 굴착하는 워터젯 유닛;을 포함하여 TBM 커터헤드 최외곽에 위치하여 소모성이 큰 게이지 커터부를 워터젯 유닛으로 대체하여 암반지반에서의 TBM 굴착에 따른 커터 교체 횟수를 줄이며, 안정적이고 효율적인 터널굴착을 시행할 수 있는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드에 관한 것이다.

Description

워터젯 유닛을 적용한 ＴＢＭ 커터헤드, ＴＢＭ 장비 및 이를 이용한 터널공법{TBM cutterhead with water jet unit, TBM system using cutterhead with water jet unit and the tunnel construction method thereof}

본 발명은 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드, TBM 장비 및 이를 이용한 터널공법에 대한 것이다.

터널 굴착 공법은 크게 NATM(New Austrial Tunnelling Method)으로 대표되는 재래식 터널 공법(conventional tunnelling method)과 Open 및 Shield TBM(Tunnel Boring Machine) 공법으로 대표되는 기계화 터널 공법(mechanized tunnelling method)로 구분된다. 기존 재래식 터널 공법은 인건비, 시공기간 상의 문제 및 안전상의 문제가 많았다.

이러한 문제점을 해소하기 위하여 기계화 터널 공법이 많이 이용되고 있는 실정이다. 기계화터널 공법은 원형의 단면으로 굴착되므로 역학적으로 안정하고, 무진동, 무발파의 굴착이므로 지반변형을 최소화함으로써 안정성 확보 및 소음, 진동을 최소화할 수 있는 친환경적 터널 굴착 공법이다.

따라서 최근 터널 및 지하공간의 굴착은 작업자의 안정성 증대, 소음 및 진동으로 인한 민원 감소, 공기 및 공비의 감소 등을 목적으로 기존의 발파공법을 대체하여 지하철, 전력구, 통신구 터널 등을 중심으로 TBM에 의한 기계화 시공이 크게 증가하고 있는 추세이다. 도 1은 TBM(tunnel boring machine)(1)을 이용한 터널 시공 개념도를 도시한 것이다. 또한, 도 2a는 TBM 장비의 커터헤드 측을 바라본 사시도를 도시한 것이다. 도 2b는 TBM 디스크 커터(3)의 실물 사진을 도시한 것이다. 그리고, 도 3은 TBM 굴착원리를 나타낸 개념도를 도시한 것이다.

TBM 장비(1)를 이용한 굴착원리는 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, TBM 장비(1)의 커터헤드(10) 면판에 장착된 다수의 디스크 커터(3)가 커터헤드(10)의 회전에 따라 회전함으로써 암석이나 흙을 잘게 부수면서 전진하게 됨을 알 수 있다. 또한, 이러한 굴착을 위하여 워터젯 굴착장비가 적용되어질 수도 있다. 도 4는 종래 워터젯 굴착 장비의 사진을 도시한 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 종래 워터젯 굴착장비는 아치형 프레임 상에서 이동되어지는 워터젯 유닛과 이러한 워터젯 유닛의 이동을 제어하는 제어부 등을 포함하여 구성될 수 있다. 이러한 워터젯 굴착장비는 워터젯 노즐에서 물과 연마제가 혼합된 분사액이 고압으로 발파 대상영역으로 분사되어 굴착이 진행되게 된다.

또한, 도 5는 종래 TBM 커터헤드의 정면도를 도시한 것이고, 도 6은 종래 TBM 장치의 단면도를 도시한 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 종래 커터 헤드(10)의 면판(12)에는 최외곽부터 내측으로 다수의 디스크 커터(3) 들이 장착되어 짐을 알 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 바와 같이 이러한 커터헤드(10)를 중심축을 기준으로 회전시키는 회전유닛(50)과, 커터헤드(10)를 전진시키기 위한 굴진구동부(40) 등이 TBM 본체(110) 내에 내장되게 됨을 알 수 있다.

그러나 이러한 디스크 커터(3)를 이용한 TBM 장비(1)의 경우 암석을 절삭하는 디스크 커터(3)가 마모된 경우 새 디스크 커터(3)로 교체해 주어야 TBM의 정상적인 성능을 발휘할 수 있게 된다.

그러나 다수의 디스크 커터(3)중, 게이지 커터(4)에 해당하는 커터헤드(10) 면판의 최외곽에 위치하는 디스크 커터의 마모 손상도가 다른 내측의 디스크 커터(3)보다 커서, 교환주기 결정에 가장 큰 영향을 미치게 되어, 게이지 커터(4)의 수명이 길수록 터널 굴착 공정의 다운타임을 줄일 수 있게 된다.

또한, 암반지반에서 마모된 게이지커터(4)를 계속 사용할 경우 TBM 쉴드 자체가 굴착지반에 구속되어 굴진자체가 불가능할 수 있고, 새 디스크 커터로 교체할 경우에는 굴착직경이 더 커지게 되므로 소규모 암석 브레이커(breaker)를 활용하여 암반을 파쇄하고 공간을 확보하여야 한다.

따라서 TBM 커터헤드 최외곽에 위치하여 소모성이 큰 게이지 커터부를 워터젯 유닛으로 대체하여 암반지반에서의 TBM 굴착에 따른 커터 교체 횟수를 줄이며, 안정적이고 효율적인 터널굴착을 시행할 수 있는 공법 및 장비가 요구되었다.

한국 등록특허 제1649888호 한국 등록특허 제1482883호 한국 공개특허 제2014-0021495호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, TBM 커터헤드 최외곽에 위치하여 소모성이 큰 게이지 커터부를 워터젯 유닛으로 대체하여 암반지반에서의 TBM 굴착에 따른 커터 교체 횟수를 줄이며, 안정적이고 효율적인 터널굴착을 시행할 수 있는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드, TBM 장비 및 이를 이용한 터널공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 암반지역에서 TBM 굴착시, 게이지커터의 마모로 인한 커터 교체 필요성을 없애 TBM 터널 굴착 다운타임을 획기적으로 줄일 수 있으며 기존 TBM 굴착 간에 디스크 커터를 교체할 경우 새 디스크 커터가 들어갈 공간을 확보하기 위하여 브레이커 등의 천공장비를 이용하여 추가작업 가능성을 없애 커터 교체 주기 연장으로 인한 다운타임 감소 및 굴착 중 TBM이 암반지반에 구속되는 현상(jamming)을 방지할 수 있는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드, TBM 장비 및 이를 이용한 터널공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 굴진면을 기설정된 방향으로 굴착하는 TBM 장치에 구비되는 커터헤드에 있어서, 원판형 몸체; 상기 몸체의 전방면을 구성하는 면판; 및 상기 면판에 복수로 구비되어 고압의 분사액을 분사하여 굴진면을 굴착하는 워터젯 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드로서 달성될 수 있다.

그리고, 상기 워터젯 유닛은 상기 면판의 최외곽 영역에 원주방향으로 서로 특정간격 이격되어 설치되고, 상기 면판의 내측의 원주방향으로 서로 특정간격 이격되어 다수의 디스크 커터가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 워터젯 유닛은, 상기 워터젯 유닛의 전방측을 구성하며 상기 굴진면 측으로 고압의 분사액을 분사시키는 적어도 하나의 분사홀을 갖는 노즐부; 상기 워터젯 유닛 내부로 설정된 특정 압력의 물을 공급하는 물공급부; 및 상기 워터젯 유닛 내부로 연마제를 공급하는 연마제 공급부를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 워터젯 유닛을 상기 면판에 탈부착시키는 탈부착부재를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 워터젯 유닛의 각도를 변경하여 상기 분사액의 분사각을 조절하는 각도 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 워터젯 유닛을 상기 면판의 직경방향으로 이동시키는 위치이동부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 워터젯 유닛의 전방면에 구비되는 마모방지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 굴진면을 기설정된 방향으로 굴착시키기 위한 TBM 장비에 있어서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드; 전방에 상기 커터헤드가 장착되는 TBM 본체; 상기 TBM 본체 내에 구비되어 상기 커터헤드의 중심축을 기준으로 상기 커터헤드를 회전시키는 회전유닛; 및 상기 커터헤드를 전진시키는 굴진구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비로서 달성될 수 있다.

그리고. 상기 워터젯 유닛은, 상기 커터헤드의 면판에 구비되어, 상기 굴진면 측으로 고압의 분사액을 분사시키는 적어도 하나의 분사홀을 갖는 노즐부; 상기 커터헤드의 중심축 상에 위치하며 상기 TBM 본체 내에 고정되며, 일측에 내부로 설정된 특정압력의 물을 공급하는 물공급부가 연결되고, 타측에 내부로 연마제를 공급하는 연마제 공급부가 연결된 워터젯 공급부; 상기 노즐부 각각의 후단측으로 상기 TBM 본체의 길이방향으로 평행하게 구비되어 상기 물과 연마제가 혼합된 분사액이 유입되어 상기 분사액을 상기 노즐부로 공급하는 노즐공급부; 상기 워터젯 공급부의 전방 끝단과 상기 노즐공급부의 후방 끝단 각각을 연결하는 연결관; 및 상기 워터젯 공급부 전방 끝단에 구비되어, 상기 커터헤드의 회전에 따라 상기 노즐공급부가 회동되도록 구비된 로터리 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비로서 달성될 수 있다.

그리고, 상기 물공급부, 상기 워터젯 공급부, 및 상기 노즐공급부 중 적어도 어느 하나에 구비되는 수압조절밸브; 및 상기 물공급부, 상기 워터젯 공급부, 및 노즐공급부 중 적어도 어느 하나에 구비되어 수압을 실시간으로 측정하는 수압센서를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 수압센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 수압조절밸브를 제어하여, 상기 굴진면 측으로 분사되는 분사액의 분사압을 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 커터헤드에 의해 암석시편이 회전절삭될 때 상기 면판에 걸리는 3분력을 측정하는 측정장치를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 측정장치에서 측정된 값을 기반으로 상기 회전유닛과, 상기 굴진구동부를 제어하고, 상기 노즐부의 각도를 변경하여 상기 분사액의 분사각을 조절하는 각도 조절부와, 상기 노즐부를 상기 면판의 직경방향으로 이동시키는 위치이동부를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 회전 및 전진하여 굴진면을 기설정된 방향으로 굴착하는 앞서 언급한 제2목적에 따른 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비를 이용한 터널공법에 있어서, 시공장소에 기굴착된 파일럿 터널에 상기 TBM 장비를 설치하는 준비단계; 물공급부에서 설정된 특정압력의 물이 워터젯 공급부의 내부로 공급되고, 연마제 공급부에서 연마제가 워터젯 공급부 내로 공급되는 공급단계; 회전유닛에 의해 커터헤드를 회전시키면서, 굴진구동부에 의해 커터헤드를 전진시키고, 연마제와 물이 혼합된 분사액이 상기 커터헤드의 면판에 구비된 노즐부에 의해 상기 굴진면 측으로 분사되어 굴진면이 굴착되는 굴착단계; 상기 커터헤드가 기설정된 거리만큼 전진하는 전진단계; 상기 커터헤드의 굴진방향을 조절하는 조절단계; 및 상기 굴착단계부터 상기 조절단계까지 기설정된 기간동안 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비를 이용한 터널공법으로서 달성될 수 있다.

그리고, 수압센서에서 측정된 수압값을 기반으로 물공급부, 워터젯 공급부 및 노즐공급부 중 적어도 어느 하나에 구비되는 수압조절밸브를 제어하여, 상기 굴진면 측으로 분사되는 분사액의 분사압을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 커터헤드에 의해 암석시편이 회전절삭될 때, 측정장치가 상기 커터헤드의 면판에 걸리는 3분력을 측정하는 단계; 및 상기 제어부가, 상기 측정장치에서 측정된 값을 기반으로 상기 회전유닛과, 상기 굴진구동부를 제어하고, 상기 노즐부의 각도를 변경하여 상기 분사액의 분사를 조절하는 각도 조절부와, 상기 노즐부를 상기 면판의 직경방향으로 이동시키는 위치이동부를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, TBM 커터헤드 최외곽에 위치하여 소모성이 큰 게이지 커터부를 워터젯 유닛으로 대체하여 암반지반에서의 TBM 굴착에 따른 커터 교체 횟수를 줄이며, 안정적이고 효율적인 터널굴착을 시행할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예 따르면, 암반지역에서 TBM 굴착시, 게이지커터의 마모로 인한 커터 교체 필요성을 없애 TBM 터널 굴착 다운타임을 획기적으로 줄일 수 있으며 기존 TBM 굴착 간에 디스크 커터를 교체할 경우 새 디스크 커터가 들어갈 공간을 확보하기 위하여 브레이커 등의 천공장비를 이용하여 추가작업 가능성을 없애 커터 교체 주기 연장으로 인한 다운타임 감소 및 굴착 중 TBM이 암반지반에 구속되는 현상(jamming)을 방지할 수 있는 효과를 갖는다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 TBM 터널 시공의 개념도,
도 2a는 TBM 장비의 면판의 사진,
도 2b는 TBM 굴착 원리 개념도,
도 3은 TBM 디스크 커터 사진,
도 4는 종래 워터젯 굴착장비 사진,
도 5는 종래 TBM 커터헤드의 정면도,
도 6은 종래 TBM 장치의 단면도 ,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드의 정면도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드가 장착된 TBM 장비의 단면도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛의 원리를 설명하기 위한 구성도,
도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 물공급부와 연마제 공급부가 연결된 워터젯 공급부의 부분 사시도,
도 10b는 본 발명의 일실시예에 다른 워터젯 유닛의 전방측 부분 사시도,
도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드의 정면도,
도 11b은 본 발명의 일실시예에 따른 커터헤드에 장착된 워터젯 유닛에 의해 절삭된 영역의 모식도,
도 12a는 본 발명의 일실시예에 따른 위치이동부에 의해 워터젯 유닛의 이동을 나타낸 모식도,
도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 각도조절부에 의해 워터젯 유닛의 각도가 변화되는 상태를 나타낸 모식도,
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛(20)을 적용한 TBM 커터헤드(10), 및 그 커터헤드(10)를 갖는 TBM 장비(100)의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛(20)을 적용한 TBM 커터헤드(10)의 정면도를 도시한 것이다. 또한, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛(20)을 적용한 TBM 커터헤드(10)가 장착된 TBM 장비(100)의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛(20)의 원리를 설명하기 위한 구성도를 도시한 것이다.

본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛(20)을 적용한 TBM 커터헤드(10)는 도 7에 도시된 바와 같이, 굴진면을 기설정된 방향으로 굴착하는 TBM 장치의 TBM 본체의 전방에 장착되게 되며, 원판형 몸체(11)와, 몸체(11)의 전방면을 구성하는 면판(12), 그리고, 이러한 면판(12)에 복수로 구비되어 고압의 분사액을 분사하여 굴진면을 굴착하는 다수의 워터젯 유닛(20)을 포함하여 구성되게 된다.

이러한 본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛(20)은 면판(12)의 최외곽에 원주방향으로 서로 특정간격 이격되어 다수 설치되고, 면판(12)의 내측의 원주방향으로 서로 특정간격 이격되어 다수의 디스크 커터가 구비되게 된다. 따라서 본 발명의 일실시예에서는 종래 TBM 장비(100)의 커터헤드(10)의 최외곽에 설치되는 게이지 커버(4)가 워터젯 유닛(20)으로 대체되게 된다.

워터젯 유닛(20)의 원리를 설명하면 도 9에 도시된 바와 같이, 워터젯 유닛(20)의 전방면은 노즐부(21)를 구성되며, 이러한 노즐부(21)에 형성된 다수의 노즐부(21)를 통해 굴진면 측으로 고압 분사액을 분사시키게 된다. 그리고, 물공급부(31)를 통해 워터젯 유닛(20) 내부로 특정 설정된 압력의 물을 공급하되며, 연마제 공급부(32)는 워터젯 유닛(20) 내부로 연마제를 공급하게 된다.

이러한 워터젯 유닛(20)을 TBM 장비(100)에 적용하게 되면, 도 8에 도시된 바와 같이, TBM 본체의 전방에 커터헤드(10)가 장착되게 되며, TBM 본체 내에 구비되는 회전유닛(50)을 통해 커터헤드(10)를 커터헤드(10)의 중심축 기준으로 회전시키게 된다. 또한, 굴진구동부(40)는 이러한 커터헤드(10)를 전진시키게 된다.

이러한 TBM 장비(100) 내에 워터젯 유닛(20)을 적용하기 위하여, 도 8에 도시된 바와 같이, 워터젯 유닛(20)은 분사홀(22)을 갖는 노즐부(21), 워터젯 공급부(29), 다수의 노즐공급부(26), 다수의 연결관(27), 로터리 유닛(28) 등을 포함하여 구성될 수 있음을 알 수 있다.

도 10a는 본 발명의 일실시예에 따른 물공급부(31)와 연마제 공급부(32)가 연결된 워터젯 공급부(29)의 부분 사시도를 도시한 것이고, 도 10b는 본 발명의 일실시예에 다른 워터젯 유닛(20)의 노즐부(21) 전방측 부분 사시도를 도시한 것이다. 노즐부(21)는 커터헤드(10)의 면판(12)의 최외곽부에 구비되어, 굴진면 측으로 고압 분사액을 분사시키게 된다. 또한, 도 10b에 도시된 바와 같이, 노즐부(21)의 전방면에는 강도가 상대적으로 높은 마모방지부재(23)가 구비되어 굴착토 및 버력으로부터 워터젯 유닛(20)을 보호할 수 있게 됨을 알 수 있다.

그리고, 워터젯 공급부(29)는 커터헤드(10)의 중심축의 일직선 상에서, TBM 본체 내에 고정된다. 또한, 도 10a에 도시된 바와 같이, 워터젯 공급부(29) 일측에 물공급부(31)가 구비되어 내부로 특정 설정된 압력의 물이 공급되고, 타측에 연마제 공급부(32)가 연결되어 내부로 연마제가 공급되게 된다.

또한, 다수의 노즐공급부(26) 각각의 전단이 노즐부(21) 각각의 후단측에 연결되며, 노즐공급부(26)의 길이방향은 TBM 본체의 길이방향으로 평행하게 구비되어 워터젯 공급부(29)로 공급된 물과 연마제가 혼합된 분사액이 유입되어 분사액을 노즐부(21)로 공급하게 된다. 그리고, 연결관(27)은 워터젯 공급부(29)의 전방 끝단과 다수의 노즐공급부(26) 후방 끝단 각각을 연결하게 된다.

그리고, 워터젯 공급부(29) 전방 끝단에는 로터리 유닛(28)을 구비하여, 회전유닛(50)의 구동에 의한 커터헤드(10)의 회전에 따라 노즐공급부(26)와 연결관(27)의 회동을 허용하도록 구성되게 된다. 또한, 이러한 워터젯 유닛(20)의 노즐부(21)는 탈부착 부재에 의해 커터헤드(10)의 면판(12)에 탈부착되도록 구성될 수 있다.

도 11a는 본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛(20)을 적용한 TBM 커터헤드(10)의 정면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 11b은 본 발명의 일실시예에 따른 커터헤드(10)에 장착된 워터젯 유닛(20)에 의해 절삭된 영역의 모식도를 도시한 것이다. 도 11a에 도시된 바와 같이, 워터젯 유닛(20)은 면판(12)의 외곽측에서 최외곽에 위치는 ①영역에 다수 설치되어 질 수 있으며, 또한, ①영역에서 특정간격 내측에 위치한 ②영역에 다수 설치될 수 있고, 그리고 ②영역에서 특정간격 내측에 위치한 ③영역에 다수 설치되어질 수 있다. 도 11b는 ①영역에 위치한 워터젯 유닛(20)에 의한 암석 절삭영역과, ②영역에 위치한 워터젯 유닛(20)에 의한 암석 절삭영역과, ③영역에 위치한 워터젯 유닛(20)에 의한 암석 절삭영역을 모식적으로 도시한 것이다.

또한 본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛(20)의 노즐부(21)는 위치이동부(25)에 의해 직경방향으로 병진운동이 가능하도록 구성될 수 있다. 도 12a는 본 발명의 일실시예에 따른 위치이동부(25)에 의해 워터젯 유닛(20)의 이동을 나타낸 모식도를 도시한 것이다. 따라서, 시공전에 암석의 위치, 강도, 절삭영역 등을 고려하여 노즐부(21)의 위치를 조절할 수 있으며, 굴진 시공시에도 암석의 절삭영역을 고려하여 노즐부(21)의 위치를 조절할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 워터젯 유닛(20)의 노즐부(21)는 각도조절부(24)에 의해 분사각도를 조절할 수 있게 된다. 도 12b는 본 발명의 일실시예에 따른 각도조절부(24)에 의해 워터젯 유닛(20)의 각도가 변화되는 상태를 나타낸 모식도를 도시한 것이다. 각도조절부(24)는 노즐부(21)를 커터헤드(10)의 원주방향을 기준으로 회전시켜 분사각도를 조절할 수 있게 된다. 특히 최외곽에 위치하는 노즐부(21)에 해당할수록 분사액이 외측 방향을 향하도록 각도를 조절하는 것이 바람직하다.

도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(120)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 본 발명의 일실시예에서는 물공급부(31), 워터젯 공급부(29), 노즐공급부(26) 중 적어도 어느 하나에 수압조절밸브(33)가 구비될 수 있다. 또한, 수압센서(34)는 굴진면 측으로 분사되는 분사액의 분사압을 실시간으로 측정하게 된다. 따라서, 제어부(120)는 수압센서(34)에서 측정된 값을 기반으로 수압조절밸브(33)를 제어하여, 굴진면 측으로 분사되는 분사액의 분사압을 조절할 수 있게 된다.

또한, 로드셀 등으로 구성되는 측정장치(110)는, 커터헤드(10)의 회전, 전진에 의해 암석시편이 회전절삭될 때 면판(12)에 걸리는 3분력을 측정하게 된다. 그리고, 제어부(120)는, 측정장치(110)에서 측정된 값을 기반으로 회전유닛(50)과, 굴진구동부(40)를 제어하게 된다. 또한, 각도조절부(24)를 제어하여 워터젯 유닛(20)의 각도를 변경하여 분사액의 분사각을 조절할 수 있다. 그리고, 워터젯 유닛(20)을 면판(12)의 직경방향으로 이동시키는 위치이동부(25)를 제어하여 워터젯 유닛(20)의 위치를 조절할 수 있게 된다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

1:TBM 장비
2:TBM 면판
3:TBM 디스크 커터
4:게이지 커터
10:커터헤드
11:몸체
12:면판
20:워터젯 유닛
21:노즐부
22:분사홀
23:마모방지부재
24:각도조절부
25:위치이동부
26:노즐공급부
27:연결관
28:로터리 유닛
29:워터젯 공급부
31:물공급부
32:연마제공급부
33:수압조절밸브
34:수압센서
40:굴진구동부
50:회전유닛
100:워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비
110:측정장치
120:제어부

Claims

굴진면을 기설정된 방향으로 굴착하는 TBM 장치에 구비되는 커터헤드에 있어서,
원판형 몸체;
상기 몸체의 전방면을 구성하는 면판; 및
상기 면판에 복수로 구비되어 고압의 분사액을 분사하여 굴진면을 굴착하는 워터젯 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드.
제 1항에 있어서,
상기 워터젯 유닛은 상기 면판의 최외곽 영역에 원주방향으로 서로 특정간격 이격되어 설치되고, 상기 면판의 내측의 원주방향으로 서로 특정간격 이격되어 다수의 디스크 커터가 설치되는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드.
제 2항에 있어서,
상기 워터젯 유닛은,
상기 워터젯 유닛의 전방측을 구성하며 상기 굴진면 측으로 고압의 분사액을 분사시키는 적어도 하나의 분사홀을 갖는 노즐부;
상기 워터젯 유닛 내부로 설정된 특정 압력의 물을 공급하는 물공급부; 및
상기 워터젯 유닛 내부로 연마제를 공급하는 연마제 공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드.
제 1항에 있어서,
상기 워터젯 유닛을 상기 면판에 탈부착시키는 탈부착부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드.
제 1항에 있어서,
상기 워터젯 유닛의 각도를 변경하여 상기 분사액의 분사각을 조절하는 각도 조절부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드.
제 5항에 있어서,
상기 워터젯 유닛을 상기 면판의 직경방향으로 이동시키는 위치이동부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드.
제 1항에 있어서,
상기 워터젯 유닛의 전방면에 구비되는 마모방지부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드.
굴진면을 기설정된 방향으로 굴착시키기 위한 TBM 장비에 있어서,
제1항, 제2항, 제4항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드;
전방에 상기 커터헤드가 장착되는 TBM 본체;
상기 TBM 본체 내에 구비되어 상기 커터헤드의 중심축을 기준으로 상기 커터헤드를 회전시키는 회전유닛; 및
상기 커터헤드를 전진시키는 굴진구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비.
제 8항에 있어서,
상기 워터젯 유닛은,
상기 커터헤드의 면판에 구비되어, 상기 굴진면 측으로 고압의 분사액을 분사시키는 적어도 하나의 분사홀을 갖는 노즐부;
상기 커터헤드의 중심축 상에 위치하며 상기 TBM 본체 내에 고정되며, 일측에 내부로 설정된 특정압력의 물을 공급하는 물공급부가 연결되고, 타측에 내부로 연마제를 공급하는 연마제 공급부가 연결된 워터젯 공급부;
상기 노즐부 각각의 후단측으로 상기 TBM 본체의 길이방향으로 평행하게 구비되어 상기 물과 연마제가 혼합된 분사액이 유입되어 상기 분사액을 상기 노즐부로 공급하는 노즐공급부;
상기 워터젯 공급부의 전방 끝단과 상기 노즐공급부의 후방 끝단 각각을 연결하는 연결관; 및
상기 워터젯 공급부 전방 끝단에 구비되어, 상기 커터헤드의 회전에 따라 상기 노즐공급부가 회동되도록 구비된 로터리 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비.
제 9항에 있어서,
상기 물공급부, 상기 워터젯 공급부, 및 상기 노즐공급부 중 적어도 어느 하나에 구비되는 수압조절밸브; 및
상기 물공급부, 상기 워터젯 공급부, 및 노즐공급부 중 적어도 어느 하나에 구비되어 수압을 실시간으로 측정하는 수압센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비.
제 10항에 있어서,
상기 수압센서에서 측정된 값을 기반으로 상기 수압조절밸브를 제어하여, 상기 굴진면 측으로 분사되는 분사액의 분사압을 조절하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비.
제 11항에 있어서,
상기 커터헤드에 의해 암석시편이 회전절삭될 때 상기 면판에 걸리는 3분력을 측정하는 측정장치를 더 포함하고,
상기 제어부는,
상기 측정장치에서 측정된 값을 기반으로 상기 회전유닛과, 상기 굴진구동부를 제어하고, 상기 노즐부의 각도를 변경하여 상기 분사액의 분사각을 조절하는 각도 조절부와, 상기 노즐부를 상기 면판의 직경방향으로 이동시키는 위치이동부를 제어하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비.
회전 및 전진하여 굴진면을 기설정된 방향으로 굴착하는 제9항에 따른 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비를 이용한 터널공법에 있어서,
시공장소에 기굴착된 파일럿 터널에 상기 TBM 장비를 설치하는 준비단계;
물공급부에서 설정된 특정압력의 물이 워터젯 공급부의 내부로 공급되고, 연마제 공급부에서 연마제가 워터젯 공급부 내로 공급되는 공급단계;
회전유닛에 의해 커터헤드를 회전시키면서, 굴진구동부에 의해 커터헤드를 전진시키고, 연마제와 물이 혼합된 분사액이 상기 커터헤드의 면판에 구비된 노즐부에 의해 상기 굴진면 측으로 분사되어 굴진면이 굴착되는 굴착단계;
상기 커터헤드가 기설정된 거리만큼 전진하는 전진단계;
상기 커터헤드의 굴진방향을 조절하는 조절단계; 및
상기 굴착단계부터 상기 조절단계까지 기설정된 기간동안 반복하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비를 이용한 터널공법.
제 13항에 있어서,
수압센서에서 측정된 수압값을 기반으로 물공급부, 워터젯 공급부 및 노즐공급부 중 적어도 어느 하나에 구비되는 수압조절밸브를 제어하여, 상기 굴진면 측으로 분사되는 분사액의 분사압을 조절하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비를 이용한 터널공법.
제 14항에 있어서,
상기 커터헤드에 의해 암석시편이 회전절삭될 때, 측정장치가 상기 커터헤드의 면판에 걸리는 3분력을 측정하는 단계; 및
상기 제어부가, 상기 측정장치에서 측정된 값을 기반으로 상기 회전유닛과, 상기 굴진구동부를 제어하고, 상기 노즐부의 각도를 변경하여 상기 분사액의 분사를 조절하는 각도 조절부와, 상기 노즐부를 상기 면판의 직경방향으로 이동시키는 위치이동부를 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 워터젯 유닛을 적용한 TBM 커터헤드를 갖는 TBM 장비를 이용한 터널공법.