KR20200001678A - 워터젯 장치 및 이를 이용한 암반 절삭방법 - Google Patents

Abstract

암반에 천공홀과 환형홀을 형성하여 암반을 절삭하기 위한 장치 및 암반을 절삭하는 방법이 개시된다.
본 발명에 따른 암반 절삭장치는 원통 형상의 몸체와, 상기 몸체의 단부에 구비되고 회전하도록 설치되는 회전부와, 상기 회전부에 구비되고 상기 원통 형상의 몸체의 축선에 대하여 직각 방향으로 길이조절가능한 접철부와, 상기 접철부에 구비되고 워터를 분사하는 분사부를 포함한다.
본 발명에 따른 암반을 절삭하기 위한 방법은, 암반에 천공홀과 환형홀로 이루어지는 절삭홀을 형성하는 제1 단계와, 상기 절삭홀로부터 소정 거리 이격되는 곳에 서로 환형홀이 중복되는 공유영역과 서로 환형홀이 중복하지 않는 유지영역을 갖도록 적어도 3개 이상의 절삭홀을 형성하는 제2 단계와, 환형홀의 전측에서 분리된 암반 절편을 파쇄하여 제거하는 제3 단계를 포함하여 이루어진다.

Description

워터젯 장치 및 이를 이용한 암반 절삭방법{Water jet and Rock cutting method using the same}

본 발명은 암반을 절삭하여 제거하기 위한 워터젯 장치 및 이를 이용한 암반 절삭방법에 관한 것이다.

토목 공사 중에 단단한 암반이 존재하면 발파 등을 이용하여 암반을 제거한다. 그러나 발파에 의한 암반 제거방법은 발파 시에 발생하는 소음, 먼지 등이 발생하게 되고, 더욱 심각하게는 발파 시에 발생하는 진동에 의해 인근 건물에 균열을 발생시킬 수 있다.

등록특허공보 제10-0827428호의 워터젯 시스템 등록특허공보 제10-0945073호의 회전류 워터젯을 형성시켜주는 워터젯 어태치먼트 장치용 노즐 공개특허공보 제10-2015-0040840호의 자유면을 이용한 무진동 암반 굴착 방법 공개실용신안공보 제20-2013-004638호의 워터젯 직기용 노즐

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 천공홀의 바닥에 환형홀을 형성하기 위한 워터젯 장치를 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 공사 중 암반 제거시 발생하는 소음, 먼지, 진동 등 단점을 보완한 워터젯 장치로 암반 천공 장치 및 이를 이용한 암반 절삭 방법을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 언급한 과제로 제한되지 않는다. 언급하지 않은 다른 기술적 과제들은 이하의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 암반에 형성된 천공홀에 환형홀을 형성하기 위한 워터젯 장치로서, 원통 형상의 몸체와, 상기 몸체의 단부에 구비되고 회전하도록 설치되는 회전부와, 상기 회전부에 구비되고 상기 원통 형상의 몸체의 축선에 대하여 직각 방향으로 길이조절가능한 접철부와, 상기 접철부에 구비되고 워터를 분사하는 분사부를 포함한다.

또한 본 발명에 따른 워터젯 장치의 몸체에는 가이드부가 끼워지고, 상기 가이드부는 내부에 공간부가 형성되는 파이프부와, 상기 파이프부의 타측 단부로부터 돌출되는 돌출부를 포함한다.

이때 가이드부에 워터젯 장치를 삽입되면, 상기 워터젯 장치의 회전부가 가이드부의 일측에 돌출된다.

본 발명에 따른 접철부는 원통 형상의 몸체의 축선에 대하여 직각방향으로 유효 절삭거리 단위로 신장된다.

본 발명에 따른 암반을 절삭하기 위한 방법은, 암반에 천공홀과 환형홀로 이루어지는 절삭홀을 형성하는 제1 단계와, 상기 절삭홀로부터 소정 거리 이격되는 곳에 서로 환형홀이 중복되는 공유영역과 서로 환형홀이 중복하지 않는 유지영역을 갖도록 적어도 3개 이상의 절삭홀을 형성하는 제2 단계와, 환형홀의 전측에서 분리된 암반 절편을 파쇄하여 제거하는 제3 단계를 포함하여 이루어진다.

여기서 암반에 천공홀과 환형홀로 이루어지는 절삭홀을 형성하는 제1 단계는 천공형성장치를 사용하여 암반에 천공홀을 형성하는 제1-1 단계와, 상기 천공홀에 가이드부를 끼움고정하는 제1-2 단계와, 상기 가이드부의 공간부에 워터젯 장치를 삽입하는 제1-3 단계와, 상기 워터젯 장치를 구동하여 천공홀의 타측에 환형홀을 형성하는 제1-4 단계를 포함하여 이루어진다.

한편, 제1-4 단계에서 환형홀은 다단계의 절삭작업에 의해 형성된다.

본 발명에 따르면, 암반에 천공홀을 형성한 후 소정의 반경을 갖는 환형홀을 형성함으로써 암반의 전면에 암반 절편을 형성할 수 있고, 외력으로 암반절편을 파쇄하여 암반을 전측에서 순차적으로 제거할 수 있다.

또한 워터젯 장치를 이용함으로써, 발파 공법에서 필수적으로 발생하는 소음, 먼지, 진동 등이 발생하지 않는다.

도 1은 본 발명에 따른 워터젯 장치를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 가이드부를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 가이드부에 워터젯 장치를 삽입한 상태를 나타낸 것이다.
도 4는 암반에 하나의 절삭홀을 형성하는 과정을 나타낸 것이다.
도 5는 절삭홀들을 형성한 후 암반을 절삭하는 것을 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명에 따른 암반 절삭 과정을 순차적으로 나타낸 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 설명의 편의를 위해 도면에 도시된 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 표현될 수 있다.

이하의 설명에서 절삭홀(VHH)은 천공홀(V-H)과 환형홀(H-H)로 이루어지는 구멍(홀)을 말하며, 환형홀은 천공홀의 바닥에서 천공홀의 축선에 대하여 직각 방향으로 형성되는 홀(hole)로 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 워터젯 장치를 나타낸 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 워터젯 장치(100)는 원통 형상의 몸체(110)와, 상기 몸체의 단부에 구비되고 회전하도록 설치되는 회전부(120)와, 상기 회전부에 구비되고 상기 원통 형상의 몸체의 축선에 대하여 직각 방향으로 길이조절가능한 접철부(130)와, 상기 접철부에 구비되고 워터를 분사하는 분사부(140)를 포함한다.

본 발명에 따른 워터젯 장치(100)는 암반에 형성된 천공홀(V-H)에 끼워진 가이드부(200)에 삽입된다. 여기서 상기 천공홀(V-H)는 햄머 드릴, 에어 햄머 등의 천공형성장치를 사용하여 형성할 수 있다. 본 발명에서는 천공홀을 햄머 드릴(HMD)로 형성하는 것을 실시예로 한다.

상기 워터젯 장치의 몸체(110)는 원통 형상의 외형을 갖는다. 상기 몸체의 타측 단부에는 돌출부(111)가 구비되고 상기 몸체의 일측 단부에는 회전부가 구비된다. 상기 몸체는 후술할 가이드부(200)와 동일한 길이를 갖는다.

회전부(120)는 회전 구동부의 의해 몸체의 일측 단부에서 회전한다. 상기 회전부에는 접철부가 구비되고, 상기 접철부의 단부에는 분사부가 구비된다. 본 발명에 의하면, 회전부가 회전하면 회전부와 함께 접철부와 분사부가 회전한다.

상기 접철부(130)는 신축 구동부에 의해 원통 형상의 몸체의 축선에 대하여 직각 방향으로 신축한다. 한편 접철부의 단부에는 분사부가 구비되어 있는데, 접철부의 신축동작에 따라 분사부가 회전부의 축선으로부터 이격거리가 변동된다.

본 발명에 따른 분사부(140)는 소정 압력을 갖는 워터(water)를 분사한다. 상기 분사되는 워터에 의해 천공홀(V-H)의 일측에 환형홀(H-H)을 형성된다.

본 발명에서는 회전부에 하나의 접철부와 분사부가 구비되는 실시예로 하고 있으나, 다른 실시예로서, 회전부의 중심으로부터 서로 동일한 각도를 갖도록 N개의 접철부와 분사부가 구비될 수 있다. 이때 접철부와 분사부는 N/360도 범위 내에서 정회전과 역회전을 반복회전할 수 있다. 실시예로서, 회전부에 2개의 접철부와 분사부를 설치한다면, 서로 180도의 각도를 갖도록 배치될 수 있고 접철부와 분사부는 180도 범위 내에서 정회전과 역회전을 반복회전할 수 있다. 또한 회전부에 3개의 접철부와 분사부를 설치한다면, 서로 120도의 각도를 갖도록 배치될 수 있으며, 접철부와 분사부는 120도 범위 내에서 정회전과 역회전을 반복회전할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 가이드부를 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 가이드부를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 가이드부에 워터젯 장치를 삽입한 상태를 나타낸 것이다.

본 발명의 워터젯 장치는 가이드부에 끼워진다. 본 발명에 따른 가이드부는 암반의 천공홀에 끼워진다. 가이드부는 천공홀의 공벽이 함몰되는 것을 방지하는 기능을 갖는다. 또한 가이드부는 워터젯 장치가 천공홀에서 견고히 고정될 수 있는 지지대의 역할을 수행한다.

천공홀에 가이드부를 끼운 후 상기 워터젯 장치를 가이드부의 내부에 형성된 공간부에 삽입한다.

본 발명에 따른 가이드부(200)는 내부에 공간부(V)가 형성되는 파이프부(210)와 상기 파이프부의 타측 단부로부터 돌출되는 돌출부(220)를 포함한다. 실시예로서 암반에 형성된 천공홀의 지름은 파이프부의 외경과 동일한 크기로 형성된다. 암반에 형성된 천공홀에 파이프부를 끼우면 상기 파이프부의 타측에 형성된 돌출부는 천공홀에 더 이상 삽입되지 않도록 하는 기능을 수행한다.

한편 천공홀에 끼워진 가이드부는 그 내부에 끼워지는 워터젯 장치가 구동될 때 유동하지 않아야 한다.

천공홀에 끼워진 가이드부가 유동되지 않도록 하기 위하여, 돌출부에는 가이드부를 암반에 견고히 고정하기 위한 고정홀을 구비한다. 상기 고정홀(221)은 돌출부에서 일정한 이격거리를 갖도록 복수 개 형성될 수 있다. 돌출부에 형성된 고정홀에 고정핀(AP)으로 암반에 견고히 고정할 수 있다.

다른 실시예로서 상기 돌출부에는 파이프부가 형성된 방향으로 돌출하는 돌출핀이 더욱 구비될 수 있다. 상기 돌출핀(222)은 가이드부를 천공홀에 삽입한 후 망치 등과 같은 도구를 사용하여 외력으로 타격하여 돌출핀을 암반에 박을 수 있다.

이와 같이 가이드부를 천공홀에 고정한 후 본 발명에 따른 워터젯 장치를 삽입한다. 워터젯 장치는 회전 및 분사될 때 가이드부로부터 워터젯 장치가 위치변동될 수 있다. 이를 방지하기 위하여 워터젯 장치는 가이드부와 견고히 고정된다. 본 발명에 따르면, 가이드부의 돌출부(220)와 워터젯 장치의 돌출부(111)는 볼트체결 등과 같은 고정수단을 통해 상호 견고히 고정할 수 있다.

워터젯 장치는 천공홀의 일측에서 천공홀의 축선에 대하여 직각 방향으로 고압 워터를 분사하여 환형홀(H-H)을 형성한다.

한편 워터젯 장치에서 분사되는 고압 워터는 소정 거리를 벗어나면 암반 절삭이 잘 이루어지지 않는다. 이에 따라 워터젯 장치의 분사부에서 분사되는 고압 워터는 유효 절삭거리가 설정되고, 접철부는 유효 절삭거리 단위로 신장되도록 설치된다. 상기 유효 절삭거리는 고압 워터의 분사력, 회전부의 각속도, 시간당 절삭력 등에 따라 설정될 수 있다.

본 발명에 따르면 환형홀은 다단계의 절삭작업으로 환형홀의 반경을 점진적으로 확장시킨다. 구체적으로는 소정 크기의 반경을 갖는 작은 환형홀을 형성한 다음, 접철부를 신장시켜 이보다 좀 더 큰 반경을 갖는 환형홀을 형성한다.

이하, 암반에 절삭홀을 형성하여 암반을 절삭하는 것을 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 암반 절삭 과정을 순차적으로 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 암반 절삭방법은, 암반에 천공홀과 환형홀로 이루어지는 절삭홀을 형성하는 제1 단계와, 상기 절삭홀로부터 소정 거리 이격되는 곳에 서로 환형홀이 중복되는 공유영역과 서로 환형홀이 중복하지 않는 유지영역을 갖도록 적어도 3개 이상의 절삭홀을 형성하는 제2 단계와, 환형홀의 전측에서 분리된 암반 절편을 파쇄하여 제거하는 제3 단계를 포함하여 이루어진다.

상기 암반에 천공홀과 환형홀로 이루어지는 절삭홀을 형성하는 제1 단계에서 상기 절삭홀은 다음과 같은 방법에 의해 형성된다.

도 4는 암반에 하나의 절삭홀을 형성하는 과정을 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 절삭홀을 형성하는 방법은 천공형성장치를 사용하여 암반에 천공홀을 형성하는 제1-1 단계와, 상기 천공홀에 가이드부를 끼움고정하는 제1-2 단계와, 상기 가이드부의 공간부에 워터젯 장치를 삽입하는 제1-3 단계와, 상기 워터젯 장치를 구동하여 천공홀의 타측에 환형홀을 형성하는 제1-4 단계를 포함한다.

1. 천공형성장치를 사용하여 암반에 천공홀을 형성하는 제1-1 단계;

우선, 도 4(a)를 참조하면, 암반에 천공홀을 형성한다. 상기 천공홀은 소정의 설정된 길이로 형성할 수 있다. 바람직하게는 상기 천공홀의 깊이는 후술한 워터젯 장치의 몸체와 회전부를 포함한 깊이로 형성할 수 있다. 천공홀은 천공형성장치로 형성한다. 상기 천공형성장치는 암반에 구멍을 뚫을 수 있는 햄머 드릴, 에어 햄머 등일 수 있다.

2. 천공홀에 가이드부를 끼움고정하는 제1-2 단계;

이어서, 도 4(b)에서 보듯, 암반에 형성된 천공홀에 가이드부를 끼우고, 가이드부의 돌출부를 천공홀의 주변 암반에 고정한다. 암반에 대한 돌출부의 고정은 돌출부의 고정홀에 고정핀을 사용하여 가이드부를 암반에 고정하거나 돌출부의 타측 - 파이프부가 형성된 방향 - 에 형성된 돌출핀으로 가이드부를 암반에 고정할 수 있다. 그리고 상기 가이드부의 길이는 몸체의 길이와 동일할 수 있다.

3. 가이드부의 공간부에 워터젯 장치를 삽입하는 제1-3 단계;

가이드부를 천공홀에 끼움고정한 후, 도 4(c)와 같이, 가이드부의 공간부에 워터젯 장치를 삽입한다. 본 발명에 따른 워터젯 장치는 천공홀(V-H)의 일측에 환형홀(H-H)을 형성하기 위한 장치이다. 이때 워터젯 장치의 회전부에 구비된 접철부는 최소로 수축된 상태로 가이드부의 공간부에 삽입된다. 워터젯 장치를 가이드부의 공간부에 삽입하면, 워터젯 장치의 회전부는 가이드부의 일측으로부터 돌출된다.

4. 워터젯 장치를 구동하여 천공홀의 타측에 환형홀을 형성하는 제1-4 단계;

가이드부의 일측에서 돌출되는 워터젯 장치의 회전부에는 천공홀의 축선에 대하여 직각방향으로 접철부와 분사부가 구비되어 있다.

이 단계에서는 워터젯 장치의 회전부가 회전하여 환형홀을 형성한다. 본 발명에 따른 환형홀은, 도 4(d), 도 4(e), 도 4(f)에서 보듯이, 다단계의 절삭작업으로 환형홀의 반경을 점진적으로 확장시킨다.

본 발명에 따르면, 접철부의 단계적 신장동작으로 환형홀 반경을 확장시켜 원하는 반경을 갖는 환형홀을 형성한다. 여기서 접철부의 단계적 신장동작의 신장거리는 고압 워터의 유효 절삭거리와 동일하거나 작을 수 있다.

먼저 접철부를 최소로 수축된 상태에서 접철부의 단부에 구비된 분사부는 고압 워터를 분사한다. 분사된 고압 워터의 유효 절삭거리만큼 암반을 절삭하여 환형홀을 형성한다. 이어서 접철부를 유효 절삭거리만큼 신장시켜 환형홀의 반경을 확장시킨다.

본 발명에 따른 암반 절삭방법은 하나의 절삭홀의 인근에 소정 개수의 절삭홀을 더욱 형성한다. 하나의 절삭홀의 환형홀과 인근에 형성된 절삭홀의 환형홀은 서로 공유영역과 유지영역을 갖는다.

도 5는 절삭홀들을 형성한 후 암반을 절삭하는 것을 나타낸 것이다.

도 5는 암반을 전면에서 바라본 것을 나타낸 것인데, 암반의 전면에 절삭홀을 복수 개 형성한다. 이때, 하나의 절삭홀을 형성한 후 이웃하는 절삭홀은 서로 공유영역(SHA)을 갖는다. 다시 말하면 하나의 절삭홀의 환형홀과 이웃하는 절삭홀의 환형홀은 서로 겹치는 영역을 갖게 된다. 그리고 하나의 절삭홀과 이웃하는 절삭홀은 서로 겹치지 않은 유지영역(SUP)을 갖도록 이웃하는 절삭홀의 위치를 설정한다.

본 발명에 따르면 하나의 절삭홀과 공유영역 및 유지영역을 갖는 이웃하는 절삭홀은 적어도 3개 이상으로 형성할 수 있다.

이어서, 본 발명에 따른 암반 절삭방법의 제3 단계에서는

계속하여 암반의 전면에 절삭홀들을 모두 형성하면 유지영역을 기준으로 암반의 전면에는 유지영역에 의해 분리된 암반절편이 형성하게 된다. 이후 분리된 암반절편을 햄머 등 타격수단을 이용하여 타격하여 파쇄한다.

이와 같은 절삭홀을 형성하고 암반절편을 파쇄하는 과정을 순차적으로 진행하여 암반을 파쇄할 수 있다.

이상, 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.

100 : 워터젯 장치
110 : 몸체
111 : 몸체의 돌출부
120 : 회전부
130 : 접철부
140 : 분사부
200 : 가이드부
210 : 파이프부
220 : 돌출부
221 : 고정홀
222 : 돌출핀
V : 공간부
AP : 고정핀
HMD : 햄머 드릴
SHA : 공유영역
SUP : 유지영역
VHH : 절삭홀
V-H : 천공홀
H-H : 환형홀

Claims (7)

1. 암반에 형성된 천공홀에 환형홀을 형성하기 위한 워터젯 장치로서,
   상기 워터젯 장치는,
   원통 형상의 몸체(110)와,
   상기 몸체의 단부에 구비되고 회전하도록 설치되는 회전부(120)와,
   상기 회전부에 구비되고 상기 원통 형상의 몸체의 축선에 대하여 직각 방향으로 길이조절가능한 접철부(130)와,
   상기 접철부에 구비되고 워터를 분사하는 분사부(140)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 워터젯 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 워터젯 장치의 몸체에는 가이드부가 끼워지고,
   상기 가이드부는,
   내부에 공간부(V)가 형성되는 파이프부(210)와,
   상기 파이프부의 타측 단부로부터 돌출되는 돌출부(220)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 워터젯 장치.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 가이드부에 워터젯 장치를 삽입되면, 상기 워터젯 장치의 회전부가 가이드부의 일측에 돌출되는 것을 특징으로 하는 워터젯 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 접철부는 원통 형상의 몸체의 축선에 대하여 직각방향으로 유효 절삭거리 단위로 신장되는 것을 특징으로 하는 워터젯 장치.
   
5. 암반을 절삭하기 위한 방법으로서,
   암반에 천공홀과 환형홀로 이루어지는 절삭홀을 형성하는 제1 단계와,
   상기 절삭홀로부터 소정 거리 이격되는 곳에 서로 환형홀이 중복되는 공유영역과 서로 환형홀이 중복하지 않는 유지영역을 갖도록 적어도 3개 이상의 절삭홀을 형성하는 제2 단계와,
   환형홀의 전측에서 분리된 암반 절편을 파쇄하여 제거하는 제3 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 암반 절삭 방법.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1 단계는,
   천공형성장치를 사용하여 암반에 천공홀을 형성하는 제1-1 단계와,
   상기 천공홀에 가이드부를 끼움고정하는 제1-2 단계와,
   상기 가이드부의 공간부에 워터젯 장치를 삽입하는 제1-3 단계와,
   상기 워터젯 장치를 구동하여 천공홀의 타측에 환형홀을 형성하는 제1-4 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 암반 절삭 방법.
   
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 제1-4 단계에서 환형홀은 다단계의 절삭작업에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 암반 절삭 방법.
   
   

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