KR20200078890A - Soil reamer having three or four bit parts and three or four spiral screws, reaming methods using the same and, manufacturing methods for the same - Google Patents

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KR20200078890A
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Abstract

According to present invention, a reamer and a reaming method can reduce propulsion resistance and rotation resistance provided to the reamer when the soil ground is reamed and can also reduce downward deflection. Also, according to the present invention, provided is a manufacturing method of the reamer.

Description

삼중 또는 사중 비트부와 삼중 또는 사중 나선 스크류를 갖는 토사용 확공기와 확공방법 및, 그 제조 방법{Soil reamer having three or four bit parts and three or four spiral screws, reaming methods using the same and, manufacturing methods for the same}Soil reamer having three or four bit parts and three or four spiral screws, reaming methods using the same and manufacturing methods for the same}

본 발명은 토사용 확공기와 그 확공 방법에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는 토사 지반을 확공할 때 확공기가 받는 추진 저항력과 회전 저항력을 줄일 수 있고, 하향 편향도 감소시킬 수 있는 토사용 확공기와 그 확공방법에 대한 것이다. 아울러, 본 발명은 이러한 확공기의 제조 방법도 제공한다. The present invention relates to a soil spreader and a method for expanding the soil, and more specifically, to reduce the propulsion resistance and rotational resistance received by the expander when expanding the soil, it is possible to reduce the downward deflection and also reduce the downward deflection. And its construction method. In addition, the present invention also provides a method for manufacturing such a reamer.

토사 확공은 토사 지반에 소구경 터널을 굴착하기 위한 것으로서, 지중관을 지하에 매설하기 위해 이용되고 있다.Sediment expansion is for excavating small-diameter tunnels on the soil and is used to bury underground pipes underground.

토사 확공은 슈팅 공정이라고 불리는 선천공 작업 이후에 익스텐션 로드의 첨두 부분에 토사용 확공기를 장착하여 반대 방향으로 견인하는 작업을 여러 번 거치면서 터널을 굴착한 후, 지중관 매설을 완료한다. 일반적으로, 토사 확공 공정에는 원뿔 형상의 확공기를 사용하는데, 이를 압입, 회전시키면서 토사 확공 작업을 수행한다. After the earth drilling operation, called the shooting process, the soil excavation machine is mounted on the peak of the extension rod, and after excavating the tunnel several times while towing in the opposite direction, the underground pipe is buried. In general, a conical-shaped expander is used in the earthwork expansion process, and the earthwork expansion operation is performed while pressing and rotating it.

도 1은 원뿔형 확공기가 토사 지반(1)을 확공하는 것을 보여주는 단면도이고, 도 2는 원뿔형 확공기(4)를 보여주는 사사도이다.1 is a cross-sectional view showing a conical expander for expanding the soil foundation 1, and FIG. 2 is a perspective view showing a conical expander 4.

원뿔형 확공기(4)는 익션텐션 로드(3)를 통해 전달된 회전력(토크)과 견인력에 의해서 회전되면서 앞쪽으로 당겨진다. 상기 원뿔형은 확공기(4)가 슈팅홀(2)을 따라서 압입될 때 굴착에 요구되는 회전력과 견인력을 최소화하고 곡선 궤도 굴착이 가능하도록 하기 위한 것이다.The conical expander 4 is pulled forward while rotating by the rotational force (torque) and the traction force transmitted through the action tension rod 3. The conical shape is for minimizing the rotational force and traction required for excavation and enabling curved orbital excavation when the expander 4 is pressed along the shooting hole 2.

그러나 원뿔형 확공기(4)는 그 헤드 부분이 막혀 있으므로(즉, 밀폐형이므로) 굴착된 토사가 원뿔의 경사를 타고 측방향으로 밀쳐진 후 후방으로 이동하고, 이에 따라 큰 견인력이 필요하고 회전 저항도 크다. However, since the conical expander 4 has its head portion blocked (that is, because it is closed), the excavated soil is pushed laterally on the slope of the cone and then moves rearward, thus requiring large traction and rolling resistance. Big.

일반적으로 확공 공정은 6~8회의 단계를 거치면서 점차 확공 직경을 증가시키며 수행된다. 예를 들어, 직경 800 mm의 토사 터널을 시공할 경우, 초기 150 mm 슈팅 공정을 시작으로 직경 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 mm의 총 8회의 공정이 필요하다. 즉, 100%의 터널직경을 완료하기 위해서 15%정도씩 직경을 증가시키는 것이 일반적이다.In general, the expansion process is performed while gradually increasing the diameter of the expansion through 6-8 steps. For example, when constructing a soil tunnel of 800 mm in diameter, a total of 8 processes of 200, 300, 400, 500, 600, 700, and 800 mm in diameter are required, starting with an initial 150 mm shooting process. That is, it is common to increase the diameter by about 15% to complete the tunnel diameter of 100%.

그런데 공기 단축을 위해서 확공 단계를 1 단계씩 건너뛰어서 시공할 수도 있지만, 이 경우 확공 면적이 4배씩 증가하므로, 견인력(추력)과 토크(회전력)도 기존에 비해 4배씩 증가한다. 따라서 압입 장비의 유압 성능이 기존보다 4배 향상되어야 하며 이는 장비 단가의 상승으로 이어진다. 만약, 유압 성능이 미달되는 압입장비로 시공을 하면 해당 단계의 확공 속도가 늦어져 오히려 공기 지연을 유발할 수 있다.However, to shorten the air, the construction can be performed by skipping the construction step by step, but in this case, the construction area increases by 4 times, so the traction force (thrust) and torque (rotating power) also increase by 4 times. Therefore, the hydraulic performance of the press-fitting equipment must be improved four times, which leads to an increase in equipment cost. If the construction is performed with a press-fit device that does not have hydraulic performance, the construction speed of the corresponding step is slowed, which may cause air delay.

그리고 확공기(4)를 포함한 기존의 확공기는 자중이 크므로, 토사 지반을 굴착할 때 터널의 아래쪽으로 처짐이 발생하여 하부로 편향되게 굴진하는 경향을 갖고 있다. 이러한 하부 편향으로 인해, 수차례 확공 공정을 반복하다 보면 세로로 길쭉한 타원 형태의 터널이 만들어지는 문제점이 있다. 이러한 타원 단면 굴착은 공기를 연장시킬 뿐만 아니라, 시공 완료 후에도 매설관 상측에 불필요한 과굴(over-excavation)이 형성되므로 지반 침하를 야기하기도 한다. 따라서 하부 편향을 없애는 것이 시공의 경제성과 안전성 측면에서 유리하다. In addition, the existing air expander including the air expander 4 has a large self-weight, and thus, when excavating the soil, there is a tendency to sag downward and deflect downwardly when tunneling. Due to this lower deflection, there is a problem that a vertically elongated elliptical tunnel is formed when the construction process is repeated several times. This elliptical cross-section excavation not only extends the air, but also causes undesired ground subsidence since unnecessary over-excavation is formed on the upper side of the buried pipe even after the construction is completed. Therefore, it is advantageous to eliminate the lower deflection in terms of construction economics and safety.

본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 굴착된 토사가 확공기 헤드 부분을 관통하여 후방으로 이동될 수 있고, 이에 따라 확공에 요구되는 견인력이 작고 회전 저항도 작은 확공기를 제공하고자 하는 목적을 갖고 있다.The present invention has been proposed to solve the above problems, and the excavated soil can be moved rearwardly through the expander head portion, and accordingly, it is intended to provide an air expander having a small traction force and a small rotational resistance required for expansion. It has a purpose.

본 발명의 또 다른 목적은 확공시 하향 편향을 줄일 수 있는 확공기를 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide an air expander capable of reducing downward deflection during construction.

본 발명의 또 다른 목적은 이러한 확공기를 이용한 확공 방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide an expansion method using such an expansion machine.

본 발명의 또 다른 목적은 이러한 확공기의 제조방법을 제공하는 데 있다.Another object of the present invention is to provide a method for manufacturing such a reamer.

도 3a는 이중 나선 스크류를 가진 확공기를 보여주는 사시도이고, 도 3b는 도 3a의 정면도이다. Figure 3a is a perspective view showing a reamer with a double helix screw, Figure 3b is a front view of Figure 3a.

상기 확공기(10)는 중심축(11)과, 중심축(11)의 외주면에 용접된 두 개의 나선 스크류(13) 및, 나선 스크류(13)의 선단에 설치된 비트(15)를 포함한다. 두 개의 나선 스크류(13)는 180° 위상 차이를 갖는다. 그리고, 나선 스크류(13)는, 곡선 궤도 굴착을 위해서, 후방으로 갈수록 그 직경이 줄어든다. The expander 10 includes a central shaft 11, two spiral screws 13 welded to the outer circumferential surface of the central shaft 11, and a bit 15 installed at the tip of the spiral screw 13. The two spiral screws 13 have a 180° phase difference. And, the diameter of the spiral screw 13 decreases toward the rear for excavation of a curved track.

비트(15)에 의해 굴착된 토사는 확공기 헤드 부분(H, 확공기의 앞부분)을 관통한 후 나선 스크류(13)에 의해 후방으로 이송된다. 따라서 확공기(10)는, 원뿔형 확공기(4)에 비해, 굴착에 필요한 견인력이 작고 회전 저항도 작다는 장점이 있다. 그러나 확공기(10)는 하향 편향되는 문제점을 여전히 갖고 있는데, 이를 구체적으로 설명하면 아래와 같다.The soil excavated by the bit 15 passes through the air expander head portion (H, the front part of the air expander), and then is transferred backward by a spiral screw 13. Therefore, the expander 10 has an advantage that the traction force required for excavation is small and the rotational resistance is small as compared to the conical expander 4. However, the air expander 10 still has a problem of downward deflection, which will be described in detail below.

확공기(10)는 두 개의 나선 스크류(13)를 갖고 나선 스크류(13)의 직경이 후방으로 갈수록 점차로 작아지므로, 도 3b에 나타난 바와 같이, 비트 설치방향의 직경(D1)이 그 직교 방향의 직경(D2) 보다 크다. 예를 들어, 직경 1m 확공기의 경우, 직경(D1)은 1000mm이고 직경(D2)은 950mm이다. Since the expander 10 has two spiral screws 13, the diameter of the spiral screw 13 gradually decreases toward the rear, as shown in FIG. 3B, the diameter D1 of the bit installation direction is in the orthogonal direction. It is larger than the diameter (D2). For example, for a 1 m diameter air expander, the diameter D1 is 1000 mm and the diameter D2 is 950 mm.

이러한 직경 차이로 인해, 토사 굴착시 하부 방향의 편향 굴착이 더욱 급속도로 진행된다. 도 4(a) ~ (c)에 도시된 바와 같이, 비트선(비트가 배열되어 이루어진 선)이 수직방향으로 향한 경우 터널 바닥면에 하중 집중이 더 발생하게 되고 하부면에 위치한 최외각 비트(게이지 비트)가 하부면을 더 깊게 파게 되는데, 이것은 확공기의 좌우 방향의 직경(D2)이 작으므로 확공기가 아래로 편향되는 것을 막아주지 못하기 때문이다. 따라서 하부면의 과굴이 더욱 진행되면서 확공 작업이 이루어지고, 이에 따라 아래로 길쭉한 타원 단면을 가진 터널이 굴착된다.Due to the difference in diameter, deflection excavation in the downward direction proceeds more rapidly when excavating soil. 4(a) to (c), when the bit line (the line formed by arranging the bits) faces in the vertical direction, load concentration is more generated on the bottom surface of the tunnel and the outermost bit located on the bottom surface ( The gauge bit) digs the lower surface more deeply, because the diameter D2 in the left-right direction of the expander is small, so it does not prevent the expander from being deflected downward. Therefore, as over-drilling of the lower surface proceeds, the construction work is performed, and accordingly, a tunnel having an elliptical cross section elongated downward is excavated.

한편 확공기가 회전될 때 일정한 견인력과 회전력이 가해지는 것이 가장 유리하다. 일정한 부하가 발생될 때 토사 굴착도 가장 안정적이고 신속히 진행된다. 하지만, 두 개의 나선 스크류가 180° 위상차를 갖도록 설치된 경우, 비트선(비트가 배열되어 이루어진 선)이 수평이 되면 전방 막장면의 굴진만 이루어지지만, 비트선이 수직이 되면 막장면과 하부면 굴착이 동시에 발생하므로 최대 회전부하가 발생하게 된다. On the other hand, it is most advantageous to apply a constant traction force and rotational force when the air expander rotates. When a constant load is generated, excavation of the soil is most stable and rapid. However, when the two spiral screws are installed to have a phase difference of 180°, when the bit line (the line formed by arranging the bits) is leveled, only the front film is excavated, but when the bit line is vertical, the film surface and the bottom surface are excavated. Since this occurs simultaneously, the maximum rotational load occurs.

비트선이 수직일 때를 시점인 0°로 설정하고 최저 회전부하를 1 kNㆍm로 표현하면 도 5의 그래프와 같은 맥동 현상이 발생한다. 도 5에서 x축(수평축)은 회전 각도(°)를 나타내고 y축(수직축)은 확공기에 인가되는 회전 부하(토크, kNㆍm)를 나타낸다.When the bit line is perpendicular to 0° as the starting point and the lowest rotation load is expressed as 1 kN·m, a pulsation phenomenon as shown in the graph of FIG. 5 occurs. In FIG. 5, the x-axis (horizontal axis) represents the rotation angle (°), and the y-axis (vertical axis) represents the rotational load (torque, kN·m) applied to the expander.

확공기 1회전시 2번의 맥동이 발생하게 된다. 도 5의 그래프는 하부굴착에 소요되는 부하를 기본 굴착부하의 40%로 가정하였으나, 처짐량이 많아질수록 회전부하는 증가하고, 맥동현상도 더욱 큰 폭으로 증가하여 장비 운용이 어렵게 된다. 따라서, 확공 공정이 진행될수록 맥동 현상의 상하폭은 점점 커지게 되어 장비가 일정한 굴진성능을 발휘하기 어렵게 된다. 이 현상의 예상 결과를 도 6에 표현하였다. 도 6에서 x축(수평축)은 회전 각도(°)를 나타내고 y축(수직축)은 확공기의 회전 부하(토크, kNㆍm)를 나타낸다. R1(검은 선)은 슈팅홀을 확공하는 경우(1차 확공)의 회전 부하를 나타내고, R2(붉은 선)는 2차 확공시의 회전 부하를 나타내며, R3(파란 선)는 3차 확공시의 회전 부하를 나타낸다. Two pulsations occur during one revolution of the air expander. The graph of FIG. 5 assumes that the load required for the lower excavation is 40% of the basic excavation load, but as the amount of deflection increases, the rotational load increases, and the pulsation phenomenon increases significantly, making operation of the equipment difficult. Therefore, as the expansion process progresses, the upper and lower widths of the pulsation phenomenon are gradually increased, making it difficult for the equipment to exhibit a certain excavation performance. The expected result of this phenomenon is expressed in FIG. 6. In FIG. 6, the x-axis (horizontal axis) represents the rotation angle (°), and the y-axis (vertical axis) represents the rotational load (torque, kN·m) of the expander. R1 (black line) represents the rotational load when the shooting hole is expanded (1st expansion), R2 (red line) represents the rotational load during the 2nd expansion, and R3 (blue line) indicates the 3rd expansion. Represents a rotating load.

도 6에 나타난 바와 같이, 확공 공정에 따른 회전부하는 굴착직경 증가에 비례해서 약 10~15%씩 상승한다면, 맥동현상에 따른 최대값은 20~30%이상 상승하여 압입 장비의 부하에 부담을 주게 된다. As shown in Fig. 6, if the rotation load according to the expansion process increases by about 10-15% in proportion to the increase in the diameter of the excavation, the maximum value according to the pulsation phenomenon rises by 20-30% or more to put a burden on the load of the indentation equipment. do.

위에서 설명한 바와 같이, 확공기(10)는, 두 개의 나선 스크류(13)를 갖고 헤드 부분(H)이 개방형이므로, 비트(15)에 의해 굴착된 토사가 헤드 부분(H)을 관통한 후 나선 스크류(13)에 의해 후방으로 이송되고 이에 따라 굴착에 필요한 견인력이 작고 회전 부하도 작다. 하지만, 확공기(10)는 확공시 하향 편향되는 문제점을 여전히 갖고 있다. 따라서 이러한 문제점 해결이 필요한 실정이다. As described above, since the expander 10 has two spiral screws 13 and the head portion H is open, the soil excavated by the bit 15 penetrates the head portion H and then spirals. It is conveyed rearward by the screw 13 and accordingly the traction force required for excavation is small and the rotational load is small. However, the air expander 10 still has a problem of being downwardly deflected upon expansion. Therefore, it is necessary to solve these problems.

본 발명에 따른 확공기(100)(200)는, 구동 로드에 의해 당겨지면서 회전되는 중심축(110); 중심축(110)의 외주면에 설치된 3개 이상의 나선 스크류(120); 및, 각 나선 스크류(120)의 선단에 설치된 비트부(130);를 포함한다. Expander according to the present invention (100) (200), the central shaft 110 is rotated while being pulled by the drive rod; Three or more spiral screws 120 installed on the outer circumferential surface of the central shaft 110; And, a bit portion 130 installed at the tip of each spiral screw 120.

각각의 나선 스크류(120)는 이웃하는 나선 스크류(120)와 일정한 위상 각도 차이를 가지며, 비트부(130)는 토사를 굴착하기 위한 비트(132)를 포함한다. Each spiral screw 120 has a constant phase angle difference from the neighboring spiral screw 120, and the bit unit 130 includes a bit 132 for excavating soil.

확공기(100)(200)의 헤드 부분(H)은 비트부(130)를 제외한 나머지 부분이 비어 있는 개방형 구조를 가진다, 이에 따라, 비트(132)에 의해 굴착된 토사가 헤드 부분(H)을 관통한 후 곧바로 나선 스크류(120)로 이동되어 나선 스크류(120)에 의해서 후방으로 이동된다.The head portion H of the expander 100 and 200 has an open structure in which the rest of the portion except the bit portion 130 is empty, and accordingly, the soil excavated by the bit 132 is the head portion H After passing through, it is moved to the spiral screw 120 and is moved backward by the spiral screw 120.

나선 스크류(120)의 직경이 후방으로 갈수록 감소하는 것이 곡선 터널 굴착을 위해 바람직하다. 그리고, 나선 스크류는 3개가 120° 위상 차이로 설치되거나 4개가 90° 위상 차이로 설치될 수 있다.It is desirable for a curved tunnel excavation that the diameter of the spiral screw 120 decreases toward the rear. In addition, three of the spiral screws may be installed with a 120° phase difference or four with a 90° phase difference.

비트부(130)는 베이스(131)와 비트(132)를 포함할 수 있다. 베이스(131)는 나선 스크류(120)의 선단에 용접되어 반경 방향으로 설치되되, 좁은 폭과 긴 길이를 갖는다. 비트(132)는 베이스(131)에 소정 간격으로 설치될 수 있다.The bit unit 130 may include a base 131 and a bit 132. Base 131 is welded to the tip of the spiral screw 120 is installed in the radial direction, has a narrow width and a long length. The bit 132 may be installed at a predetermined interval on the base 131.

비트(132) 중에서 최외곽의 게이지 비트는 베이스(131)의 최외곽에 설치되되, 각 비트부(130)에 설치된 게이지 비트가 동일한 반경을 갖는 것이 바람직하다. Among the bits 132, the outermost gauge bit is installed at the outermost portion of the base 131, and it is preferable that the gauge bits installed in each bit portion 130 have the same radius.

상기 비트는 다른 비트의 회전 궤적을 고려하여 아래 식을 만족하도록 배치될 수 있다. 제2 비트(132b)는 확공기의 회전 방향을 기준으로 제1 비트(132a)가 설치된 비트부(130)와 이웃하는 후방쪽 비트부(130)에 설치된 것이고, 반경(ri+1)과 반경(ri) 사이에 다른 비트가 설치되지 않는다.The bit may be arranged to satisfy the following equation in consideration of the rotation trajectory of another bit. The second bit 132b is installed in the bit portion 130 adjacent to the bit portion 130 in which the first bit 132a is installed based on the direction of rotation of the air expander, and has a radius r i+1 and No other bits are installed between the radii (r i ).

[식] [expression]

ri+1 = ri + sr i+1 = r i + s

위 식에서, ri+1 : 제1 비트(132a)의 회전 반경 In the above equation, r i+1 : turning radius of the first bit 132a

ri : 제2 비트(132b)의 회전 반경. r i : Turning radius of the second bit 132b.

s : 1.0w~1.1w가 바람직함. (w는 비트의 너비로서, 비트가 원궤적을 그리며 회전될 때 생기는 궤적의 너비를 의미함) s: 1.0w to 1.1w is preferred. (w is the width of the bit, which means the width of the trajectory that occurs when the bit is rotated in a circular trajectory)

그리고 나선 스크류(120)는 중심축(110)의 외주면에 1회전 내지 1.5회전이 되는 길이로 결합되는 것이 바람직하다. 나선 스크류(120)의 길이가 1회전 길이 보다 작으면 토사의 후방 배출이 원활하지 못하고 확공기의 방향 제어가 안정적이지 않게 되며, 1.5회전 길이 보다 길면 확공기가 필요 이상으로 무거워지고 제작 비용이 많이 소요된다는 문제점이 있다. In addition, the spiral screw 120 is preferably coupled to the outer circumferential surface of the central shaft 110 in a length of 1 to 1.5 revolutions. If the length of the spiral screw 120 is less than one revolution, the rear discharge of the soil is not smooth and the direction control of the expansion machine becomes unstable. If it is longer than 1.5 revolutions, the expansion machine becomes heavier than necessary and the production cost is high. There is a problem that it takes.

아울러, 확공기(100)(200)를 회전시키기 위한 회전 부하의 최대값과 최소값의 차이(맥동)는 0.4 kNㆍm 이하인 것이 바람직하다. In addition, the difference (pulsation) between the maximum value and the minimum value of the rotational load for rotating the reamer 100, 200 is preferably 0.4 kN·m or less.

본 발명에 따른 확공 방법은 상술한 확공기를 이용하여 목표 직경의 터널이 되도록 확공 단계를 반복한다. 이 때, 각 확공 단계마다 확공기의 직경을 150 ~ 250 mm씩 증가시킬 수 있다. 직경 증가가 150 mm 미만이면 확공 단계가 지나치게 많아지므로 비경제적이고 시공 기간이 길어지며, 직경 증가가 250 mm를 초과하면 굴착에 필요한 토크가 증가하므로, 압입 장비의 회전이 어려워진다. 250 mm이상으로 직경을 증가시키려면 출력이 더 큰 압입장비를 사용해야 하는데, 이는 시공비를 상승시키게 된다.The expansion method according to the present invention repeats the expansion step to become a tunnel having a target diameter using the above-described expansion machine. At this time, the diameter of the expander may be increased by 150 to 250 mm for each expansion step. If the diameter increase is less than 150 mm, the expansion step is too large, which is uneconomical and prolongs the construction period. When the diameter increase exceeds 250 mm, the torque required for drilling increases, making rotation of the press-fitting equipment difficult. In order to increase the diameter to 250 mm or more, it is necessary to use a presser with a larger output, which increases the construction cost.

본 발명의 또 다른 측면인 확공기 제조방법은, (가) 원형 금속판(300)의 중심부(310)를 제거하여 도넛 형태가 되도록 하는 단계; (나) 상기 도넛 형태의 원형 금속판(300)의 중심에서 반경 방향으로 커팅하여 커팅선(316)을 형성하는 단계; (다) 상기 (나) 단계 이후에, 원형 금속판(300)을 나선 형상의 스크류(120)가 되도록 일정한 각도로 비틀림 성형하는 단계; 및, (라) 상기 비틀림 성형된 나선 형상의 스크류(120)를 중심축(110)의 외주면에 용접하는 단계;를 포함한다.Another aspect of the present invention, a method for manufacturing an air inflator includes: (a) removing a central portion 310 of a circular metal plate 300 to become a donut shape; (B) cutting in the radial direction from the center of the donut-shaped circular metal plate 300 to form a cutting line 316; (C) after the step (B), torsionally forming the circular metal plate 300 at a constant angle so as to be a screw 120 of a spiral shape; And, (D) welding the torsionally shaped screw 120 to the outer circumferential surface of the central axis 110.

상기 (다) 단계의 이전에, 원형 금속판(300)의 외곽 테두리를 나선(312) 형상으로 커팅하여 계단턱(314)이 형성되도록 하되, 계단턱(314)이 커팅선(316)의 연장선상에 위치하도록 한다. 이것은 확공기의 직경이 후방으로 갈수록 감소되도록 하기 위함이다.Prior to the step (c), the outer rim of the circular metal plate 300 is cut into a spiral 312 to form a stepped jaw 314, but the stepped jaw 314 extends along the extension line of the cutting line 316. To be located in This is to ensure that the diameter of the expander decreases toward the rear.

상기 비틀림 성형된 나선 형상의 스크류(120)가 중심축(110)의 외주면에 용접되도록 하기 위해서, 상기 (가) 단계에서 제거된 중심부(310)의 직경은 중심축(110)의 외경 보다 큰 것이 바람직하다.In order to allow the torsionally shaped screw 120 to be welded to the outer circumferential surface of the central shaft 110, the diameter of the central portion 310 removed in step (a) is greater than the outer diameter of the central shaft 110. desirable.

본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.The present invention has the following effects.

첫째, 굴착된 토사가 확공기 헤드 부분을 관통하여 곧바로 나선 스크류로 이동될 수 있고, 이에 따라 확공에 요구되는 견인력이 작고 회전 부하도 작으며 토사 배출이 원활히 이루어질 수 있다.First, the excavated soil can be moved through the screw head straight through the expander head, and accordingly, the traction force required for the expansion is small, the rotational load is small, and the discharge of the soil can be smoothly performed.

둘째, 확공시 발생하는 하향 편향을 줄일 수 있다. Second, it is possible to reduce downward bias that occurs during construction.

셋째, 나선 스크류의 제조 공정을 단순화할 수 있다.Third, the manufacturing process of the spiral screw can be simplified.

도 1은 종래 기술에 따른 원뿔형 확공기가 토사 지반을 확공하는 것을 보여주는 단면도.
도 2는 도 1의 원뿔형 확공기를 보여주는 사시도.
도 3a는 두 개의 나선 스크류(이중 나선 스크류)와 비트를 갖는 확공기를 보여주는 사시도.
도 3b는 도 3a의 확공기를 보여주는 정면도.
도 4(a) ~ 4(c)는 도 3a의 확공기가 확공 굴착할 때 하향 편향되는 것을 보여주는 단면도.
도 5는 도 3a의 확공기가 확공 굴착할 때 발생하는 회전부하(토크)를 회전 각도에 대해 도시한 그래프.
도 6은 도 3a의 확공기가 확공 굴착할 때 발생하는 회전부하(토크)를 회전 각도와 확공 차수에 대해 도시한 그래프.
도 7a는 세 개의 나선 스크류(삼중 나선 스크류)와 비트를 갖는 확공기를 보여주는 사시도.
도 7b는 도 7a의 확공기를 보여주는 정면도.
도 7c는 도 7a의 확공기를 보여주는 측면도.
도 8(a) ~ 8(c)는 도 7a의 확공기의 비트 배치 방법을 보여주는 그래프.
도 9(a) ~ 9(b)는 도 7a의 확공기가 확공 굴착할 때 하향 편향되는 것을 보여주는 단면도.
도 10은 도 7a의 확공기가 확공 굴착한 터널을 보여주는 단면도.
도 11a는 네 개의 나선 스크류(사중 나선 스크류)와 비트를 갖는 확공기를 보여주는 사시도.
도 11b는 도 11a의 확공기를 보여주는 정면도.
도 12는 확공기가 확공 굴착할 때 발생하는 회전 부하(토크)를 회전 각도와 나선 스크류 개수에 대해 도시한 그래프.
도 13은 삼중 나선 스크류를 갖는 확공기의 제조 방법을 순차적으로 보여주는 도면.
도 14는 도 7a의 확공기가 곡선 터널을 확공하는 것을 보여주는 단면도.
1 is a cross-sectional view showing a conical expander according to the prior art to expand the soil.
Figure 2 is a perspective view showing the conical expander of Figure 1;
Figure 3a is a perspective view showing an expander with two helix screws (double helix screws) and a bit.
Figure 3b is a front view showing the air expander of Figure 3a.
Figure 4 (a) ~ 4 (c) is a cross-sectional view showing that the deflator of Figure 3a is deflected downward when digging.
FIG. 5 is a graph showing a rotational load (torque) generated when the reamer of FIG. 3A is reamed with respect to a rotation angle.
Figure 6 is a graph showing the rotational load (torque) that occurs when the reamer of FIG.
7A is a perspective view showing a three-screw screw (triple screw) and an expander with a bit.
Figure 7b is a front view showing the air expander of Figure 7a.
Figure 7c is a side view showing the air expander of Figure 7a.
8(a) to 8(c) are graphs showing the bit arrangement method of the reamer in FIG. 7A.
9(a) to 9(b) are cross-sectional views showing that the air in FIG. 7A is deflected downward when the air is excavated.
10 is a cross-sectional view showing a tunnel in which the expander of FIG. 7A is expanded.
Figure 11a is a perspective view showing an expander with four helix screws (quad screw) and bits.
Figure 11b is a front view showing the air expander of Figure 11a.
12 is a graph showing the rotational load (torque) generated when the expansion machine is expanding and drilling, with respect to the rotation angle and the number of spiral screws.
13 is a view sequentially showing a method of manufacturing a reamer with a triple helix screw.
14 is a cross-sectional view showing that the air in FIG. 7A constructs a curved tunnel.

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. Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and the inventor appropriately explains the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. Based on the principle that it can be defined, it should be interpreted as meanings and concepts consistent with the technical spirit of the present invention. Therefore, the configuration shown in the embodiments and drawings described in this specification are only examples of the present invention and do not represent all of the technical spirit of the present invention, and various equivalents that can replace them at the time of this application It should be understood that there may be variations.

아래에서는 3개의 나선 스크류(3중 나선 스크류)를 가진 확공기와, 4개의 나선 스크류(사중 나선 스크류)를 가진 확공기를 예로 들어서 설명하기로 한다. 하지만, 이것은 설명의 편의를 위한 것일 뿐이고, 본 발명은 3개 이상의 나선 스크류를 가진 확공기를 그 권리범위로 하고 있다. 5개 이상의 나선 스크류를 갖는 확공기는 본 명세서를 참조한 이 기술 분야의 통상의 기술자가 그 구조를 쉽게 또는 자명하게 알 수 있을 것이므로 여기서는 설명을 생략하기로 한다.Hereinafter, the description will be given by taking as an example an expander having three spiral screws (triple screw) and an expander having four spiral screws (quad screw). However, this is only for convenience of description, and the present invention makes the air expander having three or more spiral screws as its right scope. The expander having five or more spiral screws will be omitted here, as those skilled in the art with reference to the present specification will be able to easily or clearly know the structure.

1. 삼중 나선 스크류와 비트를 갖는 확공기1.Expansion machine with triple helix screw and bit

도 7a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 확공기를 보여주는 사시도이고, 도 7b는 상기 확공기를 보여주는 정면도이며, 도 7c는 상기 확공기를 보여주는 측면도이다.7A is a perspective view showing a reamer according to a first embodiment of the present invention, FIG. 7B is a front view showing the reamer, and FIG. 7C is a side view showing the reamer.

도면에 나타난 바와 같이, 확공기(100)는 중심축(110)과, 중심축(110)의 외주면에 설치된 세 개의 나선 스크류(120) 및, 나선 스크류(120)의 선단에 설치된 비트부(130)를 포함한다. As shown in the drawing, the expander 100 includes a central shaft 110, three spiral screws 120 installed on the outer circumferential surface of the central shaft 110, and a bit unit 130 installed at the tip of the spiral screw 120 ).

중심축(110)은 소정의 직경을 가진 축으로서, 구동로드(익스텐션 로드, 도 1의 3)에 연결된다. 중심축(110)은 구동로드(3)로부터 전달된 회전력과 견인력에 의해서 회전되면서 전방(前方)으로 당겨진다.The central shaft 110 is an axis having a predetermined diameter, and is connected to a driving rod (extension rod, 3 in FIG. 1 ). The central shaft 110 is pulled forward while being rotated by the rotational force and the traction force transmitted from the driving rod 3.

나선 스크류(120)는 나선 형상의 스크류로서, 중심축(110)의 외주면에 용접 등으로 결합된다. 세 개의 나선 스크류(120)가 120° 간격으로 중심축(110)의 외주면에 설치된다. 즉, 세 개의 나선 스크류(120)는 120°의 위상차를 갖는다.The spiral screw 120 is a spiral-shaped screw, and is coupled to the outer circumferential surface of the central shaft 110 by welding or the like. Three spiral screws 120 are installed on the outer circumferential surface of the central shaft 110 at 120° intervals. That is, the three spiral screws 120 have a phase difference of 120°.

나선 스크류(120)는 1피치 ~ 1.5피치의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 중심축(110)의 둘레에 나선 스크류(120)가 1회전 또는 1.5회전되는 길이로 용접된다(도 7a~7c에는 나선 스크류의 길이가 1피치이다.) The spiral screw 120 preferably has a length of 1 pitch to 1.5 pitch. That is, the spiral screw 120 is welded to a length of 1 rotation or 1.5 rotations around the central axis 110 (the length of the spiral screw is 1 pitch in FIGS. 7A to 7C).

나선 스크류(120)의 길이가 1회전 길이 보다 작으면 토사의 후방 배출이 원활하지 못하고 확공기의 방향 제어가 안정적이지 않게 되며, 1.5회전 길이 보다 길면 확공기가 필요 이상으로 무거워지고 제작비용이 많이 소요되는 문제점이 있다. If the length of the spiral screw 120 is less than one revolution, the rear discharge of the soil is not smooth and the direction control of the expander becomes unstable. If it is longer than 1.5 revolutions, the expander becomes heavier than necessary and the production cost is high. There is a problem.

나선 스크류(120)는 비트(132)에 의해 굴착된 토사를 후방으로 이송하는 역할을 한다. 그리고, 곡선터널 굴착을 위해서, 나선 스크류(120)는 후방으로 갈수록 그 직경이 감소하는 것이 바람직한데, 이에 대해서는 아래에서 더 설명하기로 한다. The spiral screw 120 serves to transfer the soil excavated by the bit 132 to the rear. And, for the excavation of the curved tunnel, the spiral screw 120 is preferably reduced in diameter as it goes to the rear, which will be further described below.

비트부(130)는 각각의 나선 스크류(120)의 선단에 반경 방향으로 설치된다. 비트부(130)는 베이스(131)와 비트(132)를 포함할 수 있다. The bit portion 130 is installed in the radial direction at the tip of each spiral screw 120. The bit unit 130 may include a base 131 and a bit 132.

베이스(131)는 각각의 나선 스크류(120)의 선단에 용접되어 반경 방향으로 설치되되, 좁은 폭과 긴 길이(폭에 비해 반경 방향으로 상대적으로 긴 길이)를 가질 수 있다. 비트(132)는 베이스(131)에 설치된 것으로서, 본 명세서에서 비트(132)는 토사 지반을 굴착할 수 있는 통상의 굴착 수단 예를 들어 커터, 비트 등을 모두 포함하는 의미로 사용된다. The base 131 is welded to the tip of each spiral screw 120 and is installed in a radial direction, and may have a narrow width and a long length (relatively long in the radial direction compared to the width). The bit 132 is installed on the base 131, and in the present specification, the bit 132 is used in a sense including all conventional drilling means, such as a cutter, a bit, and the like, capable of excavating the soil.

확공기의 헤드 부분(H)은 베이스(131)가 설치된 부분을 제외하면 개방된 구조이므로, 비트(132)에 의해 굴착된 토사가 헤드 부분(H)을 관통하여 곧바로 나선 스크류(120) 쪽으로 이동하게 된다. 이와 같이, 확공기(100)는 헤드 부분(H)이 개방형이므로 확공시 발생하는 회전 저항과 견인 저항력이 작고, 이에 따라 압입 장비(도면에 미도시)의 용량을 그대로 둔 상태에서 확공 단계를 줄일 수 있다. Since the head portion (H) of the expansion machine is an open structure except for the portion where the base 131 is installed, the soil excavated by the bit 132 moves through the head portion (H) and moves toward the spiral screw (120). Is done. As described above, since the head portion H has an open type, the expansion machine 100 has a small rotational resistance and traction resistance during expansion, thereby reducing the construction stage while leaving the capacity of the press-in equipment (not shown in the drawing) intact. Can.

즉, 원뿔형 확공기(4)와 비교하여, 본 발명에 따른 확공기(100)는 비트 개수를 비슷하게 유지하되, 토질과의 접촉 면적을 축소하여 회전 저항력(필요한 토크)을 절감할 수 있다. 압입 장비(도면에 미도시)로부터 일정한 추력(견인력)과 회전력(토크)가 확공기에 가해질 때, 회전 저항력은 토사와 헤드 부분의 마찰 면적에 비례하여 증가한다. 확공기(100)는 헤드 부분(H)이 개방형이므로 회전 저항력을 획기적으로 줄일 수 있고, 이에 따라, 확공 단계를 1 ~ 2 단계 건너뛰어서 시공할 수도 있다. That is, compared with the conical bulge 4, the bulge 100 according to the present invention maintains a similar number of bits, but can reduce the rolling resistance (required torque) by reducing the contact area with the soil. When a constant thrust (traction force) and rotational force (torque) from the press-in equipment (not shown in the drawings) are applied to the air expander, the rotational resistance increases in proportion to the frictional area between the soil and the head. Since the head portion H of the expander 100 is open, it is possible to significantly reduce the rotational resistance, and accordingly, the expansion stage may be skipped by one or two stages to construct.

예를 들어, 직경 800 mm의 토사터널을 시공할 경우, 초기 150 mm 슈팅공정을 시작으로 직경 200, 300, 400, 500, 600, 700, 800 mm의 총 8회의 공정이 필요하다. 즉, 100%의 터널직경을 완료하기 위해서 15%정도씩 직경을 증가시키는 것이 일반적이다. For example, when constructing a soil tunnel of 800 mm in diameter, a total of 8 processes of 200, 300, 400, 500, 600, 700, and 800 mm in diameter are required, starting with the initial 150 mm shooting process. That is, it is common to increase the diameter by about 15% to complete the tunnel diameter of 100%.

이에 비해, 확공기(100)는 각 확공 단계마다 직경을 150 ~ 250 mm씩 증가시킬 수 있으므로 일반적인 상기 확공 단계를 건너뛸 수도 있다. 한편, 상기 직경 증가가 150 mm 미만이면 확공 단계가 지나치게 많아지므로 비경제적이고 시공 기간이 길어지며, 직경 증가가 250 mm를 초과하면 굴착에 필요한 토크가 증가하므로, 압입 장비의 회전이 어려워진다. 250 mm이상으로 직경을 증가시키려면 출력이 더 큰 압입장비를 사용해야 하는데, 이는 시공비를 상승시키게 된다.In contrast, the expander 100 may increase the diameter by 150 to 250 mm for each expansion step, so that the general expansion step may be skipped. On the other hand, if the diameter increase is less than 150 mm, the expansion step is too large, so it is uneconomical and the construction period is long, and when the diameter increase exceeds 250 mm, the torque required for excavation increases, making rotation of the press-fitting equipment difficult. In order to increase the diameter to 250 mm or more, it is necessary to use a presser with a larger output, which increases the construction cost.

참고로 아래의 표 1은 원뿔형 확공기(4)와 상기 확공기(100)의 접촉 면적을 각 확공 단계별로 비교한 예이다. 확공기(100)는 베이스(131)를 제외하면 헤드 부분(H)이 모두 개방되어 있으므로, 접촉 면적이 대폭 감소했고, 이에 따라 회전 저항도 감소함을 알 수 있다. For reference, Table 1 below is an example in which the contact area of the conical reamer 4 and the reamer 100 is compared with each reinforcing step. It can be seen that in the reamer 100, since the head portion H is all open except the base 131, the contact area is greatly reduced, and accordingly, the rotational resistance is also reduced.

[표 1][Table 1]

Figure pat00001
Figure pat00001

비트(132)는 베이스(131)에 소정 간격으로 설치될 수 있다. 도 8(a) ~ 8(c)는 비트가 설치된 일 예를 보여준다. 도면 참조부호 132, 132a, 132b는 모두 비트를 나타내는데, 설명의 편의를 위해 구분한 것이다. 도면 참조부호 132a는 제1 비트를 의미하고, 132b는 제2 비트를 의미하며, 132는 모든 비트(제1,2 비트를 포함)를 의미한다. The bit 132 may be installed at a predetermined interval on the base 131. 8(a) to 8(c) show an example in which bits are installed. Reference numerals 132, 132a, and 132b denote bits, and are separated for convenience of description. Reference numeral 132a denotes a first bit, 132b denotes a second bit, and 132 denotes all bits (including the first and second bits).

제1 비트(132a)는 이웃하는 베이스(131)에 설치된 제2 비트(132b) 보다 반경 방향으로 s만큼 바깥쪽에 설치된다. 비트 배열 방식에는 싱글 스파이럴과 더블 스파이럴 방식이 있는데, 여기서는 싱글 스파이럴로 배치하기로 한다.The first bit 132a is installed outside the second bit 132b installed in the neighboring base 131 by s in the radial direction. The bit arrangement method includes single spiral and double spiral methods, which will be arranged as a single spiral.

제1 비트(132a)의 반경(ri+1, 회전 반경)과 제2 비트(132b)의 반경(ri, 회전 반경)은 아래의 식 (1)을 만족한다. 그리고, 반경(ri+1)과 반경(ri)의 사이에 다른 비트는 설치되지 않는다. 확공기의 회전 방향을 기준으로 제1 비트(132a)가 설치된 비트부(130)는 제2 비트(132b)가 설치된 비트부(130) 보다 120° 전방(前方)에 위치한다.The radius of the first bit (132a), (r i + 1, a turning radius) to the radius of the second bit (132b) (r i, the turning radius) should satisfy the formula (1) below. And, another bit is not installed between the radius r i+1 and the radius r i . The bit part 130 in which the first bit 132a is installed based on the direction of rotation of the reamer is located 120° ahead of the bit part 130 in which the second bit 132b is installed.

이러한 비트 배치는 비트의 회전 궤적을 고려하여 굴착되지 않는 토사가 없도록 하면서 중복되는 궤적도 고려한 것이다. This arrangement of bits considers the trajectory of the bit so that there is no unearthed sediment and overlapping trajectories.

ri+1 = ri + s ........................ (1)r i+1 = r i + s......... (1)

위 식에서, ri+1 : 제1 비트(132a)의 회전 반경. In the above equation, r i+1 : radius of rotation of the first bit 132a.

ri : 제2 비트(132b)의 회전 반경. r i : Turning radius of the second bit 132b.

s : 1.0w~1.1w가 바람직함(w는 비트의 너비로서, 비트가 원궤적을 그리며 회전될 때 생기는 궤적의 너비를 의미함) s: 1.0w~1.1w is desirable (w is the width of the bit, which means the width of the trajectory that occurs when the bit is rotated in a circular trajectory)

그리고, 가장 바깥쪽에 설치되는 비트(게이지 비트)는 최대 반경을 가지도록 베이스(131)의 최외곽에 설치되되, 세 개의 게이지 비트가 동일한 반경을 갖는다. 이것은 최외곽 세 개의 게이지 비트가 터널 라이닝을 부드럽게 형성하고 확공기 외곽부의 마모를 줄일 수 있기 때문이다. And, the outermost bit (gauge bit) is installed on the outermost side of the base 131 so as to have the largest radius, but three gauge bits have the same radius. This is because the three outermost gauge bits smoothly form the tunnel lining and reduce wear on the outside of the expander.

위와 같이 세 개의 나선 스크류(120)를 구비하는 확공기(100)는 확공 굴착시 하향 편향이 줄어드는데, 도 9(a)에 도시된 바와 같이 두 개의 비트부(130)가 터널 바닥쪽에 있는 경우에는 두 개의 비트부(및/또는 두 개의 나선 스크루)가 좌우 벽면을 지지하고 있기 때문에 하부 평향 굴착이 일부 줄어들고, 도 9(b)에 도시된 바와 같이 한 개의 비트부(130)가 터널 바닥쪽에 있는 경우에는 두 개의 비트부(및/또는 두 개의 나선 스크루)와 좌우 벽면 사이의 마찰력에 의해 하부 편향 굴착이 일부 줄어들게 된다. 또한, 확공기 헤드 부분(H)의 직경이 측정 방향에 따라 차이가 있기는 하지만 확공기(10)의 직경 차이(D1-D2)에 비해서는 작은데, 이러한 구성도 여굴을 줄이는데 도움을 준다. As shown in the above, the expander 100 having three spiral screws 120 reduces downward deflection during excavation excavation. As shown in FIG. 9(a), when the two bit parts 130 are at the bottom of the tunnel Since two bit portions (and/or two spiral screws) support the left and right wall surfaces, the lower flat digging is partially reduced, and as shown in FIG. 9(b), one bit portion 130 is located at the bottom of the tunnel. If present, the lower deflection excavation is partially reduced by the frictional force between the two bit portions (and/or two spiral screws) and the left and right wall surfaces. In addition, although the diameter of the expander head portion H differs depending on the measurement direction, it is smaller than the diameter difference D1-D2 of the expander 10, and this configuration also helps to reduce the roughness.

도 10은 확공기(100)와, 확공기(100)에 의해 굴착된 실제 터널 및, 목표 터널(시공하고자 했던 터널)을 보여주는데, 도 4(c)와 비교하면 여굴이 대폭 줄었음을 알 수 있다. FIG. 10 shows the air expander 100, the actual tunnel excavated by the air expander 100, and the target tunnel (the tunnel to be constructed), which can be seen as compared to FIG. 4(c). have.

한편, 확공기(100)는 세 개의 나선 스크류(120)에 의해 굴착이 이루어지므로, 맥동의 최대 크기가 확공기(10)의 경우와 비교하여 감소한다. 이 점에 대해서는 아래에서 설명된다.On the other hand, since the digging machine 100 is excavated by three spiral screws 120, the maximum size of the pulsation is reduced compared to the case of the expanding machine 10. This point is explained below.

2. 사중 나선 스크류와 비트를 갖는 확공기2. Expeller with quadruple screw and bit

도 11a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 확공기를 보여주는 사시도이고, 도 11b는 상기 확공기를 보여주는 정면도이다.Figure 11a is a perspective view showing the air expander according to the second embodiment of the present invention, Figure 11b is a front view showing the air expander.

도면에 나타난 바와 같이, 확공기(200)는 중심축(110)과, 중심축(110)의 외주면에 설치된 네 개의 나선 스크류(120) 및, 각 나선 스크류(120)의 선단에 설치된 비트부(130)를 포함한다. As shown in the drawing, the expander 200 includes a central shaft 110, four spiral screws 120 installed on the outer circumferential surface of the central shaft 110, and a bit portion installed at the tip of each spiral screw 120 ( 130).

상기 구성요소 중에서 중심축(110)은 확공기(100)의 중심축(110)과 동일하다. Among the above components, the central axis 110 is the same as the central axis 110 of the expander 100.

그리고, 비트부(130)는 확공기(100)의 비트부(130)와 동일하고 비트(132)의 배치 방법도 동일하다. In addition, the bit unit 130 is the same as the bit unit 130 of the reamer 100, and the arrangement method of the bit 132 is also the same.

나선 스크류(120)는 나선 형상의 스크류로서, 중심축(110)의 외주면에 용접 등으로 결합된다. 네 개의 나선 스크류(120)가 90° 간격으로 중심축(110)의 외주면에 설치된다. 즉, 네 개의 나선 스크류(120)는 90°의 위상차를 갖는다.The spiral screw 120 is a spiral-shaped screw, and is coupled to the outer circumferential surface of the central shaft 110 by welding or the like. Four spiral screws 120 are installed on the outer circumferential surface of the central shaft 110 at 90° intervals. That is, the four spiral screws 120 have a phase difference of 90°.

확공기(100)의 나선 스크류(120)와 마찬가지로, 나선 스크류(120)는 1피치 ~ 1.5피치의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 즉, 중심축(110)의 둘레에 나선 스크류(120)가 1회전 또는 1.5회전되는 길이로 용접된다(도 11a에는 나선 스크류 길이가 1피치이다.) Like the spiral screw 120 of the expander 100, the spiral screw 120 is preferably having a length of 1 to 1.5 pitch. That is, the spiral screw 120 is welded to the length of one revolution or 1.5 revolutions around the center shaft 110 (the spiral screw length is 1 pitch in FIG. 11A ).

나선 스크류(120)는 비트(132)에 의해 굴착된 토사를 후방으로 이송하는 역할을 한다. 그리고, 곡선터널 굴착을 위해서, 나선 스크류(120)는 후방으로 갈수록 그 직경이 감소하는 것이 바람직하다. The spiral screw 120 serves to transfer the soil excavated by the bit 132 to the rear. In addition, for excavating a curved tunnel, it is preferable that the diameter of the spiral screw 120 decreases toward the rear.

확공기(200)의 헤드 부분(H)은 비트부(130)를 제외하면 빈 공간이므로 확공기(200)는 개방형 헤드 구조를 갖고, 토사와의 접촉면적이 원뿔형 확공기(4) 보다 매우 작다. 따라서, 비트(132)에 의해 굴착된 토사는 헤드 부분(H)을 관통하여 곧바로 나선 스크류(120) 쪽으로 이동된다. 그리고, 압입 장비의 견인력과 회전력이 동일할 때, 원뿔형 확공기(4) 보다 더 큰 직경으로 굴착할 수 있으므로 확공 단계를 1~2단계 생략할 수도 있다. Since the head portion H of the expander 200 is an empty space except for the bit portion 130, the expander 200 has an open head structure, and the contact area with the soil is much smaller than that of the conical expander 4 . Thus, the soil excavated by the bit 132 passes through the head portion H and is directly moved toward the spiral screw 120. And, when the traction force and the rotational force of the press-fitting equipment are the same, it is possible to excavate with a larger diameter than the conical expansion machine 4, so the expansion stage may be omitted in steps 1 to 2.

일반적으로 확공기는 특정 비트부가 최저점을 지날 때 가장 큰 수직 하중이 걸리게 되고 이 때 하향 편향 굴착 가능성이 가장 커진다. 확공기(200)는 네 개의 나선 스크류(120)를 가지므로, 특정 비트부(130)가 최저점에 있을 때, 그 양측의 비트부(또는 양측의 나선 스크류)가 터널 벽면을 지지하므로 하향 편향을 줄일 수 있다. 즉, 하향 처짐이 발생할 때 터널 벽체의 최대 반경지점에 게이지 비트(최외곽의 비트)가 고정(또는 지지)되므로 하향 굴착이 방지되거나 줄어들 수 있고 터널 단면이 원형에 최대한 가깝게 될 수 있다. In general, the expander has the largest vertical load when a certain bit portion passes the lowest point, and at this time, the possibility of downward deflection drilling is greatest. Since the expander 200 has four spiral screws 120, when a specific bit portion 130 is at its lowest point, the bit portions on both sides (or spiral screws on both sides) support the tunnel wall surface, thus reducing downward deflection. Can be reduced. That is, when the downward deflection occurs, the gauge bit (the outermost bit) is fixed (or supported) at the maximum radius point of the tunnel wall, so that downward drilling can be prevented or reduced, and the tunnel cross section can be as close as possible to the circle.

3. 맥동 현상3. Pulsation phenomenon

도 12는 확공기(10)(100)(200)가 확공 굴착할 때 발생하는 회전부하(토크)를 회전 각도와 나선 스크류 개수에 대해 도시한 그래프로서, 특정 토질(예를 들어, 사질토)에 직경 1m의 터널을 굴착하기 위해 필요한 최소 회전부하(토크 부하)를 1.0 kNㆍm라고 가정했을 때의 맥동을 보여준다. 도 12에서 x축은 확공기의 회전 각도(°)를 나타내고 y축은 회전 부하(토크 부하, kNㆍm)를 나타낸다. FIG. 12 is a graph showing the rotational load (torque) generated when the reamer 10, 100, 200 is excavated, with respect to the rotation angle and the number of spiral screws, for a specific soil (eg, sandy soil) It shows the pulsation when the minimum rotational load (torque load) required to dig a tunnel with a diameter of 1 m is assumed to be 1.0 kN·m. In FIG. 12, the x-axis represents the rotation angle (°) of the reamer and the y-axis represents the rotational load (torque load, kN·m).

도면에서 검은 선은 확공기(10, 두 개의 나선 스크류와 두 개의 비트부를 가짐)의 회전 부하를 나타내는데 맥동이 1 ~ 1.5 kNㆍm로 발생하고, 붉은 선은 확공기(100, 세 개의 나선 스크류와 세 개의 비트부를 가짐)의 회전 부하를 나타내는데 맥동이 1.1 ~ 1.4 kNㆍm로 발생하며, 파란 선은 확공기(200, 네 개의 나선 스크류와 네 개의 비트부를 가짐)의 회전 부하를 나타내는데 맥동이 1.125 ~ 1.375 kNㆍm로 발생한다. In the drawing, the black line represents the rotational load of the expander (having 10, two helix screws and two bit parts). The pulsation is 1 to 1.5 kN·m, and the red line is the expander (100, three helix screws. And three bit parts). The pulsation occurs from 1.1 to 1.4 kN·m, and the blue line represents the rotational load of the expander (200, with four helix screws and four bit parts). It occurs at 1.125 to 1.375 kN·m.

회전부하의 평균치는 비슷하지만, 나선 스크류 개수가 증가함에 따라 맥동 현상이 줄어들기 때문에 확공기의 안정적인 운영이 가능하다. 이를 수치로 계산하면 표 2와 같다. 표 2에 나타난 바와 같이, 삼중 나선 스크류를 갖는 경우는 맥동 현상을 40% 줄일 수 있고, 사중 나선 스크류를 갖는 경우는 맥동 현상을 50% 줄일 수 있다. 본 출원인의 연구에 따르면 삼중 또는 사중 나선 스크류를 가지면 맥동 차이가 0.4 kNㆍm 이하로 감소하는 것으로 분석되었다.Although the average value of the rotating load is similar, the pulsation phenomenon decreases as the number of spiral screws increases, so stable operation of the air expander is possible. Table 2 shows the calculation. As shown in Table 2, the case of having a triple helix screw can reduce the pulsation phenomenon by 40%, and the case of having a triple helix screw can reduce the pulsation phenomenon by 50%. According to the applicant's study, it was analyzed that the pulsation difference decreases to less than 0.4 kN·m when a triple or quadruple screw is used.

[표 2][Table 2]

Figure pat00002
Figure pat00002

4. 확공기 제조방법4. Manufacturing method of expanding air

도 13은 삼중 나선 스크류를 갖는 확공기의 제조 방법을 순차적으로 보여주는 도면이다.13 is a view sequentially showing a method of manufacturing an expander having a triple helix screw.

도면에 나타난 바와 같이, 확공기 제조 방법은, 원형 금속판(300)의 중심부(310)를 커팅하여 도넛 형태로 만들고 원형 금속판(300)의 외곽 테두리를 나선(312) 형상으로 커팅하여 계단턱(314)이 형성되도록 하는 단계(S10)(S20), 커팅된 원형 금속판(300)의 중심에서 반경 방향으로 커팅하여 커팅선(316)을 형성하되 커팅선(316)이 계단턱(314)의 연장선상에 위치하도록 하는 단계(S30), 원형 금속판(300)을 나선 형상의 스크류(120)가 되도록 일정한 각도로 비틀림 성형하는 단계(S40), 비틀림 성형된 원형 금속판(300, 즉 나선 스크류)을 중심축(110)의 외주면에 용접하고 원형 금속판(300)의 선단에 비트부(130)를 용접하는 단계(S50) 및, 상기 S10 ~ S50 단계를 거쳐서 만들어진 두 개의 나선 스크류(120)를 중심축(110)에 추가로 용접하는 단계(S60)를 포함할 수 있다. As shown in the figure, the manufacturing method of the air expander is cut into a donut shape by cutting the central portion 310 of the circular metal plate 300 and cutting the outer border of the circular metal plate 300 into a spiral 312 shape to form a stepped jaw 314 Step (S10) (S20) to be formed, cutting in the radial direction from the center of the cut circular metal plate 300 to form a cutting line 316, but the cutting line 316 is on the extension line of the stepped jaw 314 Step (S30) to be positioned on the torsional molding of the circular metal plate 300 at a constant angle so as to be a screw 120 of a spiral shape (S40), the central axis of the torsional circular metal plate 300 (ie, spiral screw) (S50) of welding to the outer circumferential surface of 110 and welding the bit portion 130 to the front end of the circular metal plate 300 (S50) and the two spiral screws 120 made through the steps of S10 to S50 as the central axis (110) ) May further include welding (S60 ).

아래에서 상기 각 단계를 설명하기로 한다.Each of the above steps will be described below.

먼저, 원형 금속판(300)의 중심부(310)를 제거하여 도넛 형태로 만든다(S20). 상기 중심부(310) 제거는 프레스 금형으로 원형 금속판(300)을 펀칭하여 이루어질 수 있다. 제거되는 중심부(310)의 직경은 중심축(110)의 외경 보다 약간 더 큰 것이 바람직한데, 이것은 피치 각도에 따라 나선 스크류(120)를 중심축(110)의 외주면에 비스듬히 결합(용접)시켜야 하기 때문이다. First, the central portion 310 of the circular metal plate 300 is removed to make a donut shape (S20). The central portion 310 can be removed by punching a circular metal plate 300 with a press mold. It is preferable that the diameter of the central portion 310 to be removed is slightly larger than the outer diameter of the central shaft 110, which is to be coupled (welded) at an angle to the outer peripheral surface of the central shaft 110 according to the pitch angle. Because.

이어서, 원형 금속판(300)의 외곽 테두리를 나선(312) 형상으로 커팅하여 계단턱(314)이 형성되도록 한다. 상기 나선은 나선 스크류(120)의 직경 감소 즉, 나선 스크류(120)의 직경이 확공기의 후방으로 갈수록 점차로 줄어드는 것을 구현하기 위한 것이다. Subsequently, the outer rim of the circular metal plate 300 is cut into a spiral 312 shape so that the stepped jaw 314 is formed. The spiral is to reduce the diameter of the spiral screw 120, that is, to realize that the diameter of the spiral screw 120 gradually decreases toward the rear of the expander.

다음으로, 상기 커팅된 원형 금속판(300)의 중심에서 반경 방향으로 커팅하여 커팅선(316)을 형성하되 계단턱(314)과 커팅선(316)이 동일선상에 위치하도록 한다(S30). Next, by cutting in the radial direction from the center of the cut circular metal plate 300 to form a cutting line 316, so that the stepped jaw 314 and the cutting line 316 are located on the same line (S30).

이어서, 원형 금속판(300)을 나선 형상의 스크류가 되도록 일정한 각도로 비틀림 성형하여 나선 스크류(120)를 만든다(S40). 이 때, 원형 금속판(300)이 1피치 또는 1.5피치의 나선 스크류를 형성하도록 비틀림 성형하는 것이 바람직하다.Subsequently, the spiral screw 120 is made by twisting the circular metal plate 300 at a constant angle so as to be a spiral screw (S40). At this time, it is preferable that the circular metal plate 300 is torsionally formed to form a 1 or 1.5 pitch spiral screw.

상기 비틀림 성형 후에는, 원형 금속판(300. 즉 나선 스크류)을 중심축(110)의 외주면에 용접하고 원형 금속판(300)의 선단에 비트부(130)를 용접한다(S50). 비트부(130)를 원형 금속판의 선단(나선 스크류의 선단)에 용접하는 것은 원형 금속판(300)과 중심축(110)을 용접하기 전 또는 후에 이루어질 수 있다. 한편, 비트부(130)를 원형 금속판(300)의 선단과 중심축(110)에 모두 용접시킬 수도 있다. 그리고 비트부(130)를 중심축(110)에 먼저 용접한 후, 나선 스크류(120)를 비트부(130)와 중심축(110)에 용접시킬 수도 있다. After the torsion molding, a circular metal plate 300 (that is, a spiral screw) is welded to the outer circumferential surface of the central shaft 110 and a bit portion 130 is welded to the tip of the circular metal plate 300 (S50). Welding the bit portion 130 to the tip of the circular metal plate (the tip of the spiral screw) may be made before or after welding the circular metal plate 300 and the central shaft 110. Meanwhile, the bit portion 130 may be welded to both the front end and the central shaft 110 of the circular metal plate 300. Further, after the bit portion 130 is first welded to the central shaft 110, the spiral screw 120 may be welded to the bit portion 130 and the central shaft 110.

마지막으로, 상기 용접된 원형 금속판(나선 스크류)에 추가하여 두 개의 원형 금속판(나선 스크류)를 추가로 중심축(110)에 용접한다(S60). 상기 세 개의 나선 스크류(120)는 이웃하는 나선 스크류(120)와 120°의 위상 차이를 갖도록 설치된다. Finally, in addition to the welded circular metal plate (spiral screw), two circular metal plates (spiral screw) are additionally welded to the central shaft 110 (S60). The three spiral screws 120 are installed to have a phase difference of 120° from the neighboring spiral screws 120.

5. 터널 곡률에 따른 스크류 길이 및 구배각도 설정방법5. How to set screw length and draft angle according to tunnel curvature

도 14는 확공기(100)가 곡선 터널을 확공(굴착)하는 것을 보여준다. 곡선 터널 굴착시, 확공기(100)의 헤드 부분(H, 확공기의 선단)은 터널 양측의 측벽에 밀착된 상태를 유지하고 확공기의 후단(나선 스크류의 후단)은 터널의 한쪽 측벽(도면에서는 바깥쪽 측벽)에 밀착된 상태를 유지하면서 굴착한다.14 shows that the expander 100 expands (digs) a curved tunnel. When excavating a curved tunnel, the head portion of the expander 100 (H, the tip of the expander) remains in close contact with the side walls of both sides of the tunnel, and the rear end of the expander (the rear end of the spiral screw) is one side wall of the tunnel (drawings) Excavation while maintaining a close contact with the outer side wall).

이와 같이, 확공기(100)는 나선 스크류(120)의 직경이 후방으로 갈수록 감소해야 곡선 터널을 굴착할 수 있는데, 상기 감소 비율, 즉 구배 비율은 아래 식 (2)로 구해진다.As described above, the expander 100 may decrease the diameter of the spiral screw 120 toward the rear to excavate the curved tunnel. The reduction ratio, that is, the gradient ratio is obtained by the following equation (2).

Figure pat00003
.............. (2)
Figure pat00003
.............. (2)

그리고, 구배 비율은 1/15 ~ 1/10인 것이 바람직하다. 상기 구배 비율은 구배각(θg)과 동일한 의미이다. Further, the gradient ratio is preferably 1/15 to 1/10. The gradient ratio has the same meaning as the gradient angle (θ g ).

적합한 구배각(θg, 구배 비율)은 터널의 곡률 반경에 따라 달라진다. 터널의 곡률 반경에 따른 적절한 구배각은 아래의 표 3과 같다. 표 3의 구배각은 본 출원인의 오랜 현장 경험에서 나온 것이다.A suitable draft angle (θ g , gradient ratio) depends on the radius of curvature of the tunnel. The appropriate draft angle according to the radius of curvature of the tunnel is shown in Table 3 below. The draft angle in Table 3 comes from the applicant's long field experience.

[표 3][Table 3]

Figure pat00004
Figure pat00004

1 : 토사 지반 2 : 슈팅홀
3 : 익션텐션 로드 4 : 원뿔형 확공기
10, 100, 200 : 확공기 11, 110 : 중심축
13, 120 : 나선 스크류 15, 132 : 비트
130 : 비트부 131 : 베이스
132a : 제1 비트 132b : 제2 비트
D1, D2 : 확공기(10)의 직경 H : 확공기의 헤드 부분
s : 제1 비트와 제2 비트의 반경 차이
Rt : 터널의 곡률 반경 θg : 구배각
1: Tosa ground 2: Shooting hole
3: Action tension rod 4: Conical expansion machine
10, 100, 200: air expander 11, 110: central axis
13, 120: screw 15, 132: bit
130: bit part 131: base
132a: first bit 132b: second bit
D1, D2: diameter of the expander 10 H: head portion of the expander
s: Radius difference between the first bit and the second bit
R t : radius of curvature of the tunnel θ g : draft angle

Claims (10)

구동 로드에 의해 당겨지면서 회전되는 중심축;
중심축의 외주면에 설치된 3개 이상의 나선 스크류; 및,
각 나선 스크류의 선단에 설치된 비트부;를 포함하고,
각각의 나선 스크류는 이웃하는 나선 스크류와 일정한 위상 각도 차이를 가지며, 비트부는 토사를 굴착하기 위한 비트를 포함하고,
확공기의 헤드 부분은 비트부를 제외한 나머지 부분이 비어 있는 개방형 구조를 가지며, 이에 따라 비트에 의해 굴착된 토사가 헤드 부분을 관통한 후 나선 스크류에 의해 후방으로 이동되는 것을 특징으로 하는 확공기.
A central axis that is rotated while being pulled by the driving rod;
Three or more spiral screws installed on the outer circumferential surface of the central axis; And,
Includes; a bit portion installed on the tip of each spiral screw,
Each spiral screw has a constant phase angle difference from a neighboring spiral screw, and the bit portion includes a bit for excavating soil,
The head portion of the expander has an open structure in which the rest of the portion except for the bit portion is empty, and accordingly, the soil excavated by the bit passes through the head portion and then moves backward by a spiral screw.
제1항에 있어서,
나선 스크류의 직경이 후방으로 갈수록 감소하고, 나선 스크류는 3개 또는 4개가 설치되는 것을 특징으로 하는 확공기.
According to claim 1,
The diameter of the spiral screw decreases toward the rear, and the spiral screw is characterized in that three or four are installed.
제2항에 있어서,
비트부는,
나선 스크류의 선단에 용접되어 반경 방향으로 설치되되, 좁은 폭과 긴 길이를 갖는 베이스; 및,
베이스에 소정 간격으로 설치된 상기 비트;를 포함하고,
비트 중에서 최외곽의 게이지 비트는 베이스의 최외곽에 설치되되 각 비트부에 설치된 게이지 비트가 동일한 반경을 갖는 것을 특징으로 하는 확공기.
According to claim 2,
Bit part,
It is welded to the tip of the spiral screw is installed in the radial direction, the base having a narrow width and long length; And,
The base is installed at a predetermined interval; includes;
The outermost gauge bit of the bit is installed on the outermost portion of the base, but the air blower characterized in that the gauge bit installed in each bit portion has the same radius.
제3항에 있어서,
비트는 다른 비트의 회전 궤적을 고려하여 아래 식을 만족하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 확공기.
[식]
ri+1 = ri+s
위 식에서, ri+1 : 비트(132a)의 회전 반경
ri : 비트(132b)의 회전 반경. 비트(132b)는 확공기의 회전 방향을 기준으로 비트(132a)가 설치된 비트부와 이웃하는 후방 비트부에 설치된 비트
s : 1.0w~1.1w. (w는 비트가 원궤적을 그리며 회전될 때 생기는 궤적의 너비를 의미함)
According to claim 3,
The bit is arranged to satisfy the following equation in consideration of the rotation trajectory of another bit.
[expression]
r i+1 = r i + s
In the above equation, r i+1 : turning radius of bit 132a
r i : The radius of rotation of the bit 132b. The bit 132b is a bit installed in the bit portion where the bit 132a is installed and a neighboring rear bit portion based on the rotation direction of the air expander.
s: 1.0w to 1.1w. (w is the width of the trajectory that occurs when the bit is rotated in a circular trajectory)
제3항에 있어서,
나선 스크류는 중심축의 외주면에 1회전 내지 1.5회전이 되는 길이로 결합되는 것을 특징으로 하는 확공기.
According to claim 3,
The spiral screw is a reamer, characterized in that it is coupled to the outer circumferential surface of the central shaft with a length of 1 to 1.5 revolutions.
제3항에 있어서,
확공기를 회전시키기 위한 회전 부하의 최대값과 최소값의 차이가 0.4 kNㆍm 이하인 것을 특징으로 하는 확공기.
According to claim 3,
The difference between the maximum and minimum values of the rotating load for rotating the expansion air is 0.4 kN·m or less.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 확공기를 이용하여 터널을 확공하는 방법으로서,
(a) 터널을 확공하는 단계; 및,
(b) 상기 (a) 단계의 확공기 보다 큰 직경을 갖는 확공기를 이용하여 상기 확공된 터널을 다시 확공하는 단계;를 포함하고,
원하는 직경의 터널이 되도록 상기 확공 단계를 반복하되, 확공 단계마다 확공기의 직경을 150mm ~ 250 mm씩 증가시키는 것을 특징으로 하는 확공방법.
A method for constructing a tunnel using the air expander according to any one of claims 1 to 6,
(a) constructing a tunnel; And,
(b) re-expanding the expanded tunnel using a reamer having a diameter larger than that of the step (a);
The repeating step is repeated so as to be a tunnel having a desired diameter, and the expanding method is characterized in that the diameter of the expander is increased by 150 mm to 250 mm for each expansion step.
(가) 원형 금속판의 중심부를 제거하여 도넛 형태가 되도록 하는 단계;
(나) 상기 도넛 형태의 원형 금속판의 중심에서 반경 방향으로 커팅하여 커팅선(316)을 형성하는 단계;
(다) 상기 (나) 단계의 이후에, 원형 금속판을 나선 형상의 스크류가 되도록 일정한 각도로 비틀림 성형하는 단계; 및,
(라) 상기 비틀림 성형된 원형 금속판을 중심축의 외주면에 용접하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 확공기 제조방법.
(A) removing the central portion of the circular metal plate to be a donut shape;
(B) forming a cutting line 316 by cutting in a radial direction from the center of the donut-shaped circular metal plate;
(C) after the step (B), torsionally forming a circular metal plate at a constant angle to become a spiral screw; And,
(D) welding the torsion-molded circular metal plate to the outer circumferential surface of the central axis.
제8항에 있어서,
상기 (다) 단계의 이전에, 원형 금속판의 외곽 테두리를 나선 형상으로 커팅하여 계단턱(314)이 형성되도록 하되, 계단턱(314)이 커팅선(316)의 연장선상에 위치하도록 하는 것을 특징으로 하는 확공기 제조방법.
The method of claim 8,
Before the step (c), the outer edge of the circular metal plate is cut into a spiral shape so that the stepped jaw 314 is formed, but the stepped jaw 314 is positioned on the extension line of the cutting line 316. The manufacturing method of the air expanding machine.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 비틀림 성형된 원형 금속판이 중심축의 외주면에 용접하기 위해서 상기 (가) 단계에서 제거된 중심부의 직경은 중심축의 직경 보다 큰 것을 특징으로 하는 확공기 제조방법.

The method of claim 8 or 9,
In order to weld the torsion-molded circular metal plate to the outer circumferential surface of the central axis, the diameter of the central portion removed in step (A) is greater than the diameter of the central axis.

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