KR20190032210A - 이중 헤드 드릴링 장치 및 이를 이용하여 보어를 형성하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 외부 파이프 및 외부 파이프 내에서 적어도 구간별로 동작하는 내부 로드를 갖는 드릴 로드를 위한 이중 헤드 드릴링 장치에 관한 것으로, 회전 방식으로 내부 로드를 구동하는 제1 구동 유닛과, 회전 방식으로 외부 파이프를 구동하는 제2 구동 유닛을 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따르면 내부 로드의 해제 가능한 클램핑을 위해 제1 클램핑 헤드와 제2 클램핑 헤드가 마련되며, 두 클램핑 헤드는 상호 간에 축방향으로 변위 가능하게 지지된다. 또한, 본 발명은 이 이중 헤드 드릴 장치를 이용하여 보어를 형성하는 방법을 포함한다.

Description

이중 헤드 드릴링 장치 및 이를 이용하여 보어를 형성하는 방법{Double head drilling device and method for producing a bore}

본 발명은 청구항 제 1항의 도입부에 따르면, 외부 파이프 및 외부 파이프 내에서 적어도 구간별로 동작하는 내부 로드를 갖는 드릴 로드를 위한 이중 헤드 드릴링 장치에 관한 것으로, 내부 로드를 회전 방식으로 구동하는 제1 구동 유닛과 외부 파이프를 회전 방식으로 구동시키는 제2 구동 유닛을 구비한다.

또한, 본 발명은 청구항 제 11항에 따르면, 외부 파이프 및 외부 파이프의 내에서 적어도 구간별로 동작하는 내부 로드를 갖는 드릴 로드가 이중 헤드 드릴링 장치에 의해 회전 가능하도록 설정되고 축방향으로 이동되어 보어를 형성하는 방법에 관한 것이다.

일반적인 드릴링 장치가 DE 10 2006 059 171 B3에 개시되어 있다. 이 드릴링 장치는 외부 파이프를 구동하기 위한 제1 구동 유닛을 구비한다. 제1 구동 유닛은 환 형태(annular design)로, 제1 구동 유닛을 통해 내부 로드를 회전 방식으로 구동하는 제2 구동 유닛까지 돌출된 내부 로드를 갖는다. 위치 결정 실린더에 의해 후방의 제2 구동 유닛은 전방의 제1 구동 유닛에 대해 축방향으로 이동 가능하기 때문에, 내부 로드는 외부 파이프에 대해 상대적으로 축방향으로 조정될 수 있다. 축방향의 조정은 위치 결정 실린더의 스트로크 길이에 의해 제한된다.

외부 파이프와 내부 로드를 갖는 드릴 로드용 회전 구동 장치는 EP 1 936 109 A1에 개시되어 있다. 이 회전 구동 장치에서는 외부 로드용 회전 구동 유닛과 내부 로드용 회전 구동 유닛이 서로 축방향으로 고정된 방식으로 배치된다. 내부 로드는 두 구동 유닛들을 관통해서 돌출하며, 터미널 베어링 하우징 내부의 후단에 의해 지지된다. 따라서, 후방 베어링 하우징과 내부 로드는 위치 결정 실린더에 의해 축방향으로 이동할 수 있으며 또한 외부 파이프에 대해 조정될 수 있다. 이 장치에서도 내부 로드의 축방향 조정은 위치 결정 실린더의 스트로크 길이에 의해 제한된다.

EP 2 295 645 B1에는 오거(auger)를 갖는 드릴링 장치가 개시되어 있다. 오거는 싱글 드릴 드라이브를 통해 돌출된 연장 로드에 고정되며, 이 경우 연장 로드는 드릴 드라이브에서 드릴링 공구로 토크 전달을 위해 마련된다.

EP 2 236 734 B1에는 드릴 로드의 외부 파이프와 내부 파이프 사이의 각도 위치(angular position)가 조정 수단에 의해 설정될 수 있는 이중 헤드 드릴링을 위한 구동 유닛이 개시되어 있다.

이중 헤드 드릴링에서 외부 파이프에 대한 내부 로드의 상대적인 축방향 조정은 몇 가지 경우에 유리한 것으로 입증된다. 예를 들면, 모래 또는 불안정한 지반의 경우, 보어 홀(borehole)을 지지하기 위해 외부 파이프가 내부 드릴링 공구를갖는 내부 로드에 앞서 작동하는 것이 편리할 수 있다. 그러나, 다른 경우에는 내부 드릴링 공구를 갖는 내부 로드를 외부 드릴 파이프에 앞서 우선적으로 작동하는 것이 합리적일 수 있다. 특히, 층이 있는 구조의 지반인 경우는 드릴 파이프를 통해 상부 영역의 보어 홀을 지지해야 하지만, 높은 안정성을 갖는 더 깊은 지반층에서는 내부 드릴링 공구를 갖는 내부 로드 단독으로도 충분히 드릴링할 수 있다.

본 발명의 목적은 이중 헤드 드릴링 장치 및 이와 관련한 드릴링 방법에 관한 것으로, 특히 매우 높은 적용 범용성(applicaion versatility)을 달성할 수 있는 이중 헤드 드릴링를 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 상기 목적은 청구항 1의 기술적 특징들을 갖는 이중 헤드 드릴링 장치 및 청구항 11의 기술적 특징들을 갖는 보어를 형성하는 방법에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 실시 예들은 각각의 종속항에 기재되어 있다.

본 발명에 따른 이중 헤드 드릴링 장치는 내부 로드의 해제 가능한 클램핑을 위해 제1 클램핑 헤드와 제2 클램핑 헤드를 구비하며, 두 개의 클램핑 헤드는 상호 간에 축방향으로 변위 가능하게 지지되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 기본 사상은 이중 헤드 드릴링 장치에 있어서 내부 로드의 해제 가능한 클램핑이 제공된다는 사실로부터 알 수 있다. 이를 위해, 제1 클램핑 헤드 및 제2 클램핑 헤드는 서로에 대해 축방향으로 변위 가능하도록 지지되어 제공된다. 축방향으로 변위 가능한 방식으로 지지되는 적어도 하나의 클램핑 헤드에 의해 축방향 변위는 이루어질 수 있으며, 이는 두 클램핑 헤드의 배치로 인해 반복적으로 또는 단계적으로 수행될 수 있다. 따라서, 이중 헤드 드릴링 장치의 시공 공간이 제한된 경우에도, 외부 파이프에 대한 내부 로드의 거의 모든 축방향 조정은 이루어질 수 있다. 특히, 두 개의 환형 구동 유닛을 통해 돌출하며 구동 장치로부터 수 미터 후방으로 돌출하는 내부 로드가 사용될 수 있다. 원칙적으로 내부 로드의 단부에 추가 연장부를 부착하는 것도 가능하므로, 본 발명에 따른 이중 헤드 드릴링 장치에 있어서, 일반적으로 드릴 파이프인 외부 파이프에 대한 내부 드릴링 공구가 부착된 내부 로드의 거의 모든 축방향 이동이 가능해진다.

본 발명의 바람직한 실시 예는 두 개의 클램핑 헤드는 내부 로드를 교대로 클램핑하기 위해 서로 독립적으로 작동될 수 있다는 사실에 있다. 교대 작동을 통해 내부 로드는 항상 축방향으로 고정되도록 보장한다. 이는 수직 또는 경사진 보어 홀에서 내부 로드를 도입 또는 인출하는 동안 내부 로드의 미끄러짐을 방지한다. 특히, 제2 클램핑 헤드가 엔드 위치에 도달하고 스타트 위치로 리셋될 때, 내부 로드는 제1 클램핑 헤드에 의해 클램핑된다.

본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 제1 클램핑 헤드는 제1 구동 유닛에 견고하게 배치되고 제2 클램핑 헤드는 제1 구동 유닛에 대해 축방향으로 변위 가능하게지지되는 것이 유리하다. 제1 클램핑 헤드는 제1 구동 유닛과 내부 로드 사이에 토크 전달 연결(torque-transmitting connection)을 구성할 수 있다. 구동 유닛은 바람직하게는 해당 기어 전달(a corresponding gear transmission)을 갖는 유압 구동 장치를 포함할 수 있다. 내부 로드가 회전 방식으로 구동될 때, 제1 클램핑 헤드는 내부 로드에 토크 방지 방식(torque-proof manner)으로 연결되고 제2 클램핑 헤드는 내부 로드로부터 해제된다. 그러나, 변위 동작을 위해 제2 클램핑 헤드가 내부 로드에 힘-잠금 방식(force-locked manner)으로 연결될 때 제1 클램핑 헤드는 내부 로드로부터 해제되고 제2 클램핑 헤드는 내부 로드와 함께 축방향으로 변위될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 제2 클램핑 헤드의 변위에 위해 적어도 하나의 변위 실린더가 제공될 수 있다. 바람직하게는 두 개 이상의 실린더가 제공되며, 실린더는 특히 유압으로 작동될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 적어도 하나의 선형 가이드(linear guide)가 마련되며,이 선형 가이드는 제2 클램프 헤드가 안내되는 방향으로 마련되는 것을 특징으로 한다. 선형 가이드는 후방 제1 구동 유닛으로부터 내부 로드의 축과 평행한 배후 방향으로 연장될 수 있다. 선형 가이드는 변위 가능한 제2 클램핑 헤드의 홀딩 및/또는 비틀림 방지 역할을 한다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 클램핑 상태에서 제2 클램핑 헤드는 제1 구동 유닛으로부터의 토크의 토크 전달을 위해 축방향으로 고정되고 회전 가능한 방식으로 내부 로드를 홀딩하도록 마련되는 것이 유리하다. 토크 전달을 위해 제1 클램핑 헤드는 내부 로드에 클램핑된다. 이 상태에서 제2 클램핑 헤드는 내부 로드로부터 해제될 수 있다.

또한, 클램핑 상태에서 제2 클램핑 헤드는 내부 로드를 축방향으로 고정하고 토크 방지 방식으로 홀딩하도록 마련되는 것이 유리하다. 제2 클램핑 헤드가 내부 로드를 클램핑할 때 토크 전달은 발생할 수 없다. 내부 로드가 클램핑된 제2 클램핑 헤드의 변위를 위해 제1 클램핑 헤드는 내부 로드로부터 해제되고 제2 클램핑 헤드는 이후 축방향으로, 바람직하게는 변위 실린더에 의해, 변위된다.

기본적으로, 클램핑 헤드는 내부 로드와 힘-잠금(force-locked) 및/또는 폼-피팅 연결(form-fitting connection)을 형성할 수 있도록 적절한 방식으로 마련될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 클램핑 헤드 및/또는 제2 클램핑 헤드는 내부 로드의 힘-잠금 클램핑을 위해 적어도 하나의 클램핑 실린더를 가질 수 있다. 클램핑 또는 척킹(chucking) 실린더는 특히 내부 로드에 대해 횡방향으로 지향되거나 척 웨지(chucking wedges) 또는 척 콘(chuncking cone)을 갖는다. 바람직하게, 두 개 이상의 클램핑 실린더가 하나의 클램핑 헤드에 배치될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 제2 클램핑 헤드는 내부 로드를 향해 개구된 통로를 갖는 환형으로 마련될 수 있으며, 제2 클램핑 헤드에 의해 내부 로드는 바람직하게 제1 구동 유닛의 내측(moved into the first drive unit)을 향해 이동하거나 또는 제2 구동 유닛의 외측(moved out of the second drive unit)을 향해 이동할 수 있다. 따라서, 내부 로드는 환형 제2 클램핑 헤드를 관통해서 후방으로 최대 8m 이상 돌출될 수 있다. 특히, 드릴링 오거(drilling auger)와 같이 내부 로드에 선행 드릴링 공구(ahead-running drilling tool)가 있는 경우, 드릴링 공구는 수 미터까지 외부 로드보다 앞서 동작할 수 있다. 클램핑 헤드들을 통해 돌출하는 내부 로드는 토크 전달을 위해 외부에 구동 키들을 갖는 소위 켈리 로드(Kelly rod)로 마련되는 것이 바람직하다. 토크 전달을 위해, 이 구동 키들은 환형 구동 장치 상의 해당 키들과 연결 동작될 수 있다.

본 발명에 따른 이중 헤드 드릴링 장치는 이중 헤드 드릴링뿐만 아니라 다른 드릴링 방법, 예를 들면 슈퍼인포지션 드릴링(superimposition drilling)에서도 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 캐리어 차량과 마스트(mast) 또는 마운팅(mounting)을 구비한 드릴링 장치를 포함하며, 이중 헤드 드릴링 장치는 미리 설정된 본 발명에 따라 마련된 변위 가능한 방식으로 안내된다. 특히, 드릴링 장치는 지면에 보어 파일(bored piles)을 생성하는 데 사용될 수 있다. 일반적으로, 드릴링 장치의 캐리어 차량은 실질적으로 수직 방향의 마스트를 가지며, 이중 헤드 드릴링 장치는 이 마스트를 따라 수직 방향으로 변위 가능하게 안내된다. 또한, 본 발명에 따른 이중 헤드 드릴링 장치는, 예를 들어 소위 앵커 드릴링 장치(anchor drilling apparatus)에 사용되는 공간 조절식 마운팅(spatially adjunstable mounting)에도 사용될 수 있다.

또한, 본 발명은 외부 파이프와 외부 파이프 내에서 적어도 구간별로(at least in sections) 작동하는 내부 로드를 갖는 드릴 로드가 상술한 이중 헤드 드릴링 장치에 의해 회전 설정되고 축방향으로 이동되면서 보어를 형성하는 방법을 포함한다. 본 발명에 따르면 이 방법에 의해, 상술한 기술적 이점들이 달성 될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예는 제2 클램핑 헤드에 의해 클램핑된 내부 로드의 변위를 위해 제1 클램핑 헤드는 내부 로드로부터 해제되고 내부 로드가 클램핑된 제2 클램핑 헤드는 축방향으로 변위된다는 사실에 있다. 이러한 방식으로, 제2 클램핑 헤드를 이용하여 내부 로드의 안전하고 단계적인 변위가 가능하며, 이 경우 제1 클램핑 헤드는 제2 클램핑 헤드가 추가 변위 단계(a further displacement step)를 위해 엔드 위치에서 스타트 위치로 복귀하는 내부 로드로부터 다시 해제될 때 폴-쓰루 프로텍션(fall-through protection)을 구성한다.

내부 로드를 회전 구동하기 위해 제1 클램핑 헤드는 내부 로드를 클램핑한다. 제1 클램핑 헤드의 클램핑 후에, 제2 클램핑 헤드는 내부 로드로부터 해제된다. 제1 구동 유닛에 의해 토크는 별도의 토크 구동 수단을 통해 또는 클램핑 헤드를 통해 내부 로드로 직접적으로 전달될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 이중 헤드 드릴링 장치의 측면도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예는 도시된 개략 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 이중 헤드 드릴링 장치(10)의 측면도이다. 도면을 참조하면, 이중 헤드 드릴링 장치(10)는 드릴링 장치(미도시)의 마스트를 따라 직선 방향으로 이동될 수 있는 캐리지(40)를 구비한다. 본 발명에 따른 이중 헤드 드릴링 장치는 제1 구동 유닛(12) 및 제2 구동 유닛(14)을 포함한다. 제2 구동 유닛(14)은 카다닉 스위벌 조인트(cardanic swivel joint)(18)가 부착된 환형 구동 플랜지(16)로 마련된다. 카다닉 스위벌 조인트(18) 상에는 명확한 설명을 위해 드릴 파이프(drill pipe)로 언급된 외부 파이프(미도시)가 고정되어 있다. 제2 구동 유닛(14)에 의해 미도시된 외부 파이프는 지면을 드릴링하도록 회전 방식으로 구동될 수 있다.

제1 구동 유닛(12)은 원통형 내부 로드(50)를 구동하도록 마련된다. 내부 로드(50)는 환형 구동 유닛(12, 14)을 갖는 이중 헤드 드릴링 장치(10)를 통해 돌출한다. 내부 로드(50)의 도시된 전단부에는 드릴링 오거(drilling ouger) 또는 드릴링 버킷(drilling bucket)과 같은 드릴링 공구가 설치될 수 있는 다각형 연결 피스(52)가 탈착 가능한 형태로 고정될 수 있다. 내부 로드(50)는 예를 들어 시공된 보어 홀에 콘크리트 또는 기타 경화물을 주입하기 위한 내부 덕트를 갖는 파이프 형태로 마련될 수 있다.

두 개의 구동 유닛(12, 14)은 내부 로드(50) 또는 외부 파이프로 토크 전달을 위한 환형 구동 휠을 갖는다. 토크는 기어 전달 수단(21)을 통해 두 개의 구동 유닛(12, 14)의 구동 휠에 토크를 전달하는 후 배열 된 유압 모터(20)에 의해 생성된다. 두 개의 구동 유닛(12, 14)은 적어도 하나의 연결 바(38)에 의해 상호 견고하게 연결된다. 대안으로, 두 개의 구동 유닛(12, 14)은 또한 축방향 위치 결정 실린더에 의해 상호 간에 축방향으로 이동 가능할 수 있다.

외부 파이프에 대한 내부 로드(50)의 축방향 이동을 위해 환형의 제1 클램핑 헤드(22)는 제1 구동 유닛(12)의 후방에 배치된다. 클램핑된 상태에서 제1 클램핑 헤드(22)는 축방향으로 고정되지만 드릴링 축(11)에 대해서는 회전 가능하도록 내부 로드(50)를 홀딩한다. 또한 축방향을 따라 이격된 제2 클램핑 헤드(24)는 축방향으로 고정되며 토크 방지 방식(torque-proof manner)으로 내부 로드(50)를 클램핑할 수 있도록 배치된다. 제2 클램핑 헤드(24)는 바람직하게는 환형 또는 다른 형태로 이루어질 수 있다.

제2 클램핑 헤드(24)가 클램핑되고 제1 클램핑 헤드(22)가 클램핑 해제될 때, 제2 클램핑 헤드(24)는 클램핑된 내부 로드(50)와 함께 변위 실린더(30)에 의해 스타트 위치와 엔드 위치 사이에서 축방향으로 이동될 수 있다. 이때, 제2 클램핑 헤드(24)는 막대 모양의 선형 가이드(34)를 따라 가이드 슈(35)에 의해 토크 방지 방식으로 안내된다.

따라서, 내부 로드(50)는 제2 클램핑 헤드(24)에 의해 변위 실린더(30)의 스트로크를 따라 축방향으로 이동될 수 있다. 이후, 제2 클램핑 헤드(24)는 다시 해제되어 스타트 위치로 복귀될 수 있다. 이러한 복귀 이동 프로세스 중 내부 로드(50)는 제1 클램핑 헤드(22)에 의해 클램프되어 제 위치에 고정될 수 있다. 이어서, 제2 클램핑 헤드(24)를 이용하여 새로운 클램핑이 발생할 수 있으며 이 경우 제1 클램핑 헤드(22)는 내부 로드(50)로부터 다시 해제된다. 또한, 향후 변위 단계는 변위 실린더(30) 및 제2 클램핑 헤드(24)에 의해 다시 수행될 수 있다.

이러한 방식에 의해, 두 개의 구동 유닛(12, 14) 및 두 개의 클램핑 헤드(22, 24)를 통해 돌출하는 내부 로드(50)의 거의 모든 길이는 이중 헤드 드릴링에 사용될 수 있다. 외부 파이프에 대한 내부 로드(50)의 반복되는 단계적 변위를 통해 드릴링 공구는 외부 파이프의 하단부에 대해 거의 모든 길이에 걸쳐 선행 작동될 수 있다.

Claims (12)

1. 외부 파이프와 상기 외부 파이프 내에서 적어도 구간별로 동작하는 내부 로드를 갖는 드릴 로드용 이중 헤드 드릴링 장치에 있어서,
   상기 내부 로드를 회전 구동하기 위한 제1 구동 유닛과,
   상기 외부 파이프를 회전 구동하기 위한 제2 구동 유닛과,
   상기 내부 로드의 해제 가능한 클램핑을 위한 제1 클램핑 헤드 및 제2 클램핑 헤드를 포함하고,
   상기 제1,2 클램핑 헤드는 축방향으로 상호 변위 가능하게 지지되는 이중 헤드 드릴링 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 제1,2 클램핑 헤드는 상기 내부 로드를 선택적으로 클램핑할 수 있도록 서로 독립적으로 동작할 수 있는 이중 헤드 드릴링 장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 클램핑 헤드는 상기 제1 구동 유닛에 견고하게 배치되고,
   상기 제2 클램핑 헤드는 상기 제1 구동 유닛에 대해 축방향으로 변위 가능한 방법으로 지지되는 이중 헤드 드릴링 장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 클램핑 헤드의 이동을 위해 적어도 하나의 변위 실린더가 마련되는 이중 헤드 드릴링 장치.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 클램핑 헤드가 안내되는 적어도 하나의 선형 가이드가 마련되는 이중 헤드 드릴링 장치.
6. 제 1항에 있어서,
   클램핑 상태에서 상기 제1 클램핑 헤드는 상기 제1 구동 유닛으로부터의 토크 전달을 위해 축방향으로 고정되는 한편 회전 가능한 방법으로 상기 내부 로드를 홀딩하도록 마련되는 이중 헤드 드릴링 장치.
7. 제 1항에 있어서,
   클램핑 상태에서 상기 제2 클램핑 헤드는 상기 내부 로드를 축방향으로 고정하는 한편 토크 방지 방식(torque-proof manner)으로 홀딩하도록 마련되는 이중 헤드 드릴링 장치.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 클램핑 헤드 및/또는 제2 클램핑 헤드는 상기 내부 로드의 힘-잠금 클램핑(force-locked clamping)을 위한 적어도 하나의 클램핑 실린더를 구비하는 이중 헤드 드릴링 장치.
9. 제 1항에 있어서,
   상기 제2 클램핑 헤드는 상기 내부 로드를 향해 개구된 통로를 갖는 환 형태로 이루어지며,
   상기 내부 로드는 상기 제2 클램핑 헤드에 의해 상기 제1 구동 유닛의 내측 또는 상기 제2 구동 유닛의 외측으로 단계적으로 이동될 수 있는 이중 헤드 드릴링 장치.
10. 이중 헤드 드릴링 장치가 이동 가능하게 안내되는 캐리어 차량과 마스트(mast) 또는 마운팅(mounting)을 포함하고,
    상기 이중 헤드 드릴링 장치는 상기 제 1항에 의해 마련되는 드릴링 장치.
11. 상기 제 1항에 따른 이중 헤드 드릴링 장치에 의해 외부 파이프와 상기 외부 파이프 내에서 적어도 구간별로 동작하는 내부 로드를 갖는 드릴 로드가 회전 가능하며 축방향으로 이동되어 보어를 형성하는 방법.
12. 제 11항에 있어서,
    상기 제2 클램핑 헤드에 의해 클램핑된 상기 내부 로드의 이동을 위해,
    상기 제1 클램핑 헤드는 상기 내부 로드로부터 클램핑이 해제되고,
    상기 내부 로드를 클램핑한 제2 클램핑 헤드는 축방향으로 이동되어 보어를 형성하는 방법.

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