KR20210023967A - 절단구획에 따라 절단선의 변화가 가능한 와이어-쏘 굴착장치 및 이를 이용한 터널의 굴착방법 - Google Patents

절단구획에 따라 절단선의 변화가 가능한 와이어-쏘 굴착장치 및 이를 이용한 터널의 굴착방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 굴착하고자 하는 암반의 대상면의 절단구획에 따라 천공된 복수의 진입공에 설치되어 와이어-쏘를 이용하여 상기 대상면을 굴착하는 와이어-쏘 굴착장치에 관한 것으로서, 특히 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치는 하나의 지지암에 N개의 풀리를 설치함으로써 N개의 방향으로 암석을 1회에 절단할 수 있어 작업효율을 현저히 향상시킬 수 있다.

Description

절단구획에 따라 절단선의 변화가 가능한 와이어-쏘 굴착장치 및 이를 이용한 터널의 굴착방법{WIRE-SAW EXCAVATION APPARATUS THAT CAN CHANGE THE CUTTING LINE ACCORDING TO THE CUTTING SECTION TUNNEL EXCAVATION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 절단구획에 따라 절단선의 변화가 가능한 와이어-쏘 굴축장치 및 이를 이용한 터널의 굴착방법에 관한 것으로서, 굴착속도를 향상시킴과 동시에 활용 가능한 형태의 석재를 채취할 수 있는 와이어-쏘 굴착장치 및 이를 이용한 터널의 굴착방법에 관한 것이다.
지반을 굴진하여 터널을 시공할 경우 암반(岩盤)이 매립된 위치의 경우에는 발파공법을 이용하거나, TBM(Tunnel Boring Machine)을 이용하여 터널을 굴착한다.
발파공법은 굴착하고자 하는 암석을 와이어-쏘나 젯버너(jet-burner)를 이용하여 절개 기준선을 커팅하고, 암석발파를 위한 천공을 설치한다. 그 후에 폭약을 장약하고 발파하여 해당범위의 암석을 굴착한다. 발파공법의 경우 안정성과 원하는 형태로 암석을 발파하기 위해 적지 않은 작업과 시간이 소요된다. 뿐만 아니라, 폭약의 폭발은 종종 예상하지 못한 범위까지 암석을 굴착하기도 하며, 발파로 인한 분진의 비산 · 소음 등과 같은 공해로 인한 문제가 발생한다.
TBM은 다수의 디스크커터를 장착한 커터헤드를 회전시켜 암반을 압쇄하여 굴진하는 원형의 회전식 굴진기로서, TBM를 이용한 굴착은 발파공법에 비해 시공속도고 빠르고, 안전이 향상되며, 공해의 문제가 현저히 낮다는 장점이 있다. 하지만 TBM은 매우 고가의 장치로, 중·소 규모의 터널굴착에 이용하기 쉽지가 않고, 굴착으로 채굴한 암석이 자갈 등의 크기로 파쇄된 상태이므로 대상 암석의 재활용이 사실상 불가능하다는 문제가 있다.
이와 같은 문제를 해소하기 위해, 와이어-쏘(wire-saw)를 이용하여 암석을 절단하고 굴착하는 기술이 등록특허 제10-1649328호(선행문헌 1)에 개시되어 있다.
와이어-쏘를 이용하여 터널을 굴착하기 위해서는 굴착하고자 하는 대상면을 구획하고, 구획화된 영역의 둘레에 따라 진입공을 천공한다. 그 후 진입공 중 인접하는 두개의 진입공에 와이어-쏘가 설치된 암(arm)을 삽입하고, 와이어-쏘 굴착장치를 작동시켜 구획화된 영역의 일 선분을 절단한다.
예컨대, 구획화된 영역이 사각형이라면 선행문헌 1에 제안된 와이어-쏘 굴착장치로는 사각형의 4개의 변을 4회에 걸쳐 절단하고, 마지막으로 절단된 내측의 단부를 절단하는 작업을 수행하여야 한다. 터널을 시공하기 위해서는 구획화된 영역이 복수이므로 암(arm)의 설치, 절단, 암(arm)의 제거에 따른 작업 시간은 기하급수적으로 증가될 수밖에 없다.
한편, 일본 공개특허공보 특개평07-269266호(선행문헌 2)에도 와이어-쏘를 이용한 굴착장비를 개시하고 있다.
와이어-소를 이용하여 터널을 굴착할 경우 대상면이 항상 일정한 것이 아니며, 때에 따라서는 절단구획을 달리할 필요가 있다.
하지만 선행문헌 2에서 제안된 와이어-쏘 굴착장치는 4개의 지지암들이 서로 고정부재로 고정되어 있는바, 절단구획에 따라서 진입암의 위치나 개수를 변경하는 것에 제한적일 수 밖에 없다. 선행문헌 2에 제안된 와이어-쏘 굴착장치를 이용할 경우 때에 따라서는 불필요한 곳에도 진입공을 천공하는 등 오히려 작업 효율이 감소한다.
따라서 현업에서 이용가능한 새로운 방안이 필요한 실정이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서 굴착하고자 하는 대상면을 최소한의 시간으로 굴착할 수 있는 와이어-쏘 굴착장치와 이를 이용한 터널의 굴착방법을 제공하고자 한다.
한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.
상기 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착방법은 굴착 대상 암반 전체단면을 와이어쏘를 이용하여 제거 가능한 크기로 1회에 분할절단 하기 위하여 대상면의 테두리선과 테두리 내측의 격자형 절단선의 교차점에 선택적으로 천공된 복수의 진입공에 삽입되는 진입암의 다방향 풀리에 각 방향별 와이어를 배선하고, 각자 다른 방향으로 회전하면서 각 절단구획의 절단을 수행하는 가로, 세로, 대각선 방향의 각각의 와이어쏘를 각 방향별로 구동롤러에 한데 모은 후, 삽입된 진입암을 뒤에서 지지하는 지지프레임의 지지력으로 각 구동롤러를 동시에 구동하여 테두리선 및 테두리내측의 격자형 절단구획을 제거 가능한 크기로 1회에 분할 절단 하는 것을 특징으로 한다.
상기 일 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치는 다방향 진입암 풀리;와 상기 풀리에 배선된 다수의 와이어쏘를 구동하여 전체단면을 1회에 분할절단하기 위한 굴착 장치로써; 상기 다방향 진입암 풀리는 굴착대상 전체 단면을 절단선이 교차하는 진입공에 삽입되며, 진입암 단부에 2개이상의 풀리가 가로, 세로, 대각선 방향 중 어느 하나의 방향으로 장착되며, 상기 진입공에 삽입되는 진입암 풀리는 교차하는 절단선의 숫자와 절단환경에 따라 풀리의 개수가 변경되고, 각 진입공에 삽입된 다방향 진입암 풀리에는 방향별 와이어쏘가 동일한 진입공내에 배선되고, 상기 배선된 와이어쏘는 이웃한 진입공에 배선된 동일한 방향의 와이어쏘와 연결구동되며, 진입공에 삽입된 다방향풀리의 서로 다른 방향으로 회전하는 기능에 의해 상기 진입공 내에 배선된 가로, 세로, 대각선 방향의 와이어쏘가 좁은 공간에서 회전하여도 서로 간섭받지 않고 방향별로 테두리선 및 내측의 격자형 절단선에 따라 전체단면을 1회에 절단하는 것을 특징으로 한다.
다른 실시예에 있어서, 방향별 절단선이 여러 진입공을 1개의 절단선으로 통과절단해야함으로 인하여 소요되는 절단시간을 단축하기 위하여 절단환경에 따라 진입암에 동일한 방향의 풀리를 추가 장착하여 2개의진입암을 연결하는 1개의 선분씩 분할하여 다수의 와이어쏘로 절단 작업을 수행할 수 있으며, 장착되는 동일한 방향의 2개의 풀리는 진입공에서 진입공 내부를 바라볼 때 서로 약간의 간격을 두어 장착시켜 풀리에 배선된 2개의 와이어쏘간의 간섭을 방지하며 다수배치된 각각의 구동롤러에 연결하여 절단하면 선분 1개 절단시간으로 전체를 절단하여 대폭의 절단시간의 단축이 가능한 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치를 매트릭스 구조의 지지프레임을 이용하여 복수의 구획면에 대해 동시에 절단작업을 수행할 수 있어 작업효율을 현저히 향상시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 다른 와이어-쏘 굴착장치는 지지프레임과 하나의 지지암에 복수의 풀리를 설치함으로써 다양한 형태의 절단구획을 효율적으로 절단할 수 있다.
이에 따라 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치를 이용한 터널의 굴착방법은 최소한의 횟수로 터널을 굴착할 수 있어 효율적이다.
한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치의 개략적 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치의 개략적 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치의 개략적 평면도이다.
도 4는 진입암의 다른 실시형태를 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치가 와이어-쏘 가이드프레임을 더 포함할 경우의 개략적 사시도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치가 보조지지프레임을 더 포함할 경우의 개략적 평면도이다.
도 7(a) 및 도 7(b)는 구동롤러의 개략적 사시도이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치를 이용한 터널의 굴착방법의 개략적 플로우 차트이다.
도 9은 굴착하고자 하는 대상면의 절단구획에 따른 제1절단선을 표시한 것이다.
도 10은 와이어-쏘 굴착장치로 제1절단선에 따라 절단한 후, 수행할 제2절단선을 표시한 것이다.
도 11은 굴착하고자 하는 대상면의 절단구획을 한번에 절단하여 굴착할 수 있는 절단선의 형태의 일 예를 표시한 것이다.
도 12은 터널의 상면을 아치형으로 하여 붕괴의 위험성을 낮출 수 있는 형태의 절단구획의 절단선을 표시한 것이다.
도 13은 복수개의 풀리를 가지는 진입암을 이용하여 절단구획을 한번에 절단할 수 있도록 와이어-쏘를 구성한 와이어쏘 굴착장치의 진입압과 와이어-쏘의 개략적 사시도로서, 설명의 명확성을 위하여 구동롤러와 지지프레임을 생략한 것이다.
도 14 내지 도 16은 절단구획의 테두리 부분에만 진입공을 천공하여 보다 효율적으로 굴착할 수 있는 절단구획을 이용한 굴착방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 17 및 18은 또 다른 형태의 절단구획을 개략적으로 도시한 것이다.
도 19 및 도 20은 도 4의 풀리에 동일한 방향의 풀리를 추가장착하여 1개 선분씩 분할절단하는 형태이다.
※첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치의 개략적 사시도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치의 개략적 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치의 개략적 평면도이다.
도 1 내지 3을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치의 각 구성에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치는 굴착하고자 하는 암반의 대상면(1)의 절단구획에 따라 천공된 복수의 진입공(5)에 설치되어 와이어-쏘(W)를 이용하여 대상면(1)을 굴착한다. 이를 위해, 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치는 진입암(10), 지지프레임(20), 및 구동롤러(30)를 포함한다. 한편, 절단구획은 가로선, 세로선, 또는 대각선으로 구성될 수 있다.
본 발명의 와이어-쏘 굴착장치를 설치하기 전에, 앞서 대상면(1)에 전단구획에 따라 복수의 진입공(5)을 천공한다. 절단구획이란 암석을 굴착하기 위해 절단하여야 하는 절단선들이 모여 구성되는 구획의 집합을 의미한다. 즉, 절단구획의 절단선에 따라 암반을 소정의 깊이까지 절단하고, 소정의 깊이에 위치하는 암반의 끝부분을 절단하면, 절단구획에 따라 절단된 석재를 장비를 이용하여 꺼낼 수 있다. 이와 같은 작업을 반복하면 터널을 굴착하는 것과 동시에 이용가능한 형태의 석재를 얻을 수 있다.
절단구획의 하나의 절단선과 다른 하나의 절단선이 만나는 점에는 진입공(5)이 형성된다. 진입공(5)은 점보드릴을 이용하여 천공할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 집입공(5)에는 와이어-쏘(W)가 배선된 진입암(10)이 삽입된다. 진입암(10)은 진입공(5)에 삽입될 수 있도록 일 방향으로 길게 형성되며, 단면은 사각형이나 원형일 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 진입암(10)의 단면은 다각형일 수 있다.
대상면(1)에 대하여 도 3 같이 배선된 와이어-쏘(W)를 순환구동시키면서 당겨주면 절단선을 따라 암반이 절단된다. 특히, 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치는 다수의 절단구획에 대하여 동시에 절단작업을 수행할 수 있다는 장점이 있다.
진입암(10)의 삽입방형의 단부에는 와이어-쏘가 끼워져 순환구동하도록 도와주는 풀리(12)가 설치된다. 풀리(12)는 도면에 도시한 것처럼 진입암(10)의 단부로부터 연장되도록 설치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예컨대, 풀리(12)는 진입암(10)의 단부 내측에, 또는 단부의 일측에 설치되는 것도 가능하다.
진입암(10)의 삽입 반대방향의 단부에는 삽입부(11)가 형성된다. 삽입부(11)는 진입암(10)보다 작은 단면적을 가진다. 이와 같은 단면적 차이로 인해, 삽입부(11)와 진입암(10) 사이에는 걸림턱이 형성된다. 지지프레임(20)에는 삽입부(11)가 삽입되는 삽입구(23)가 형성되는데, 걸림턱에 의해 진입암(10)이 지지프레임(20)에 의해 지지된다. 삽입부(11)의 다면의 형상에는 제한이 없으나, 회전을 방지하기 위해 다각형의 단면으로 형성될 수 있다.
도 4는 진입암(10)의 다른 실시형태를 도시한 것이다. 도 4를 참조하면, 진입암(10)에는 레버(15)에 의해 동작되는 복수의 고정쐐기(16)를 설치될 수 있다. 진입암(10)을 진입공(5)에 삽입한 후, 레버(15)를 조작하면 고정쐐기(16)가 진입공(5)의 벽면으로 전개되어 진입암(10이 진입공(5) 내에 고정시킬 수 있다. 또한, 하나의 진입암(10)에 복수개의 풀리(12a, 12c, 12d)가 배치되는 것도 가능하다. 이때, 각각의 풀리(12a, 12b, 12c)는 커버(13a, 13b, 13c)를 가진다. 이와 같이, 하나의 진입암(10)에 복수개의 풀리(12a, 12b, 12c)를 배치하는 것은 상술한 바와 같이 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치를 이용하여 다수의 절단구획에 대하여 한번에 절단작업을 수행하기 위함이다. 예컨대, 진입공(5)으로 절단선이 복수개 나와 있는 것을 우(偶)진입공이라 하고, 진입공(5)으로 상기 절단선이 홀수개 나와 있는 것을 기(奇)진입공이라 할 수 있는데, 절단구획에 기진입공이 0개 또는 2개인 경우 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치로 한번에 모든 절단구획을 절단할 수 있다. 다만, 이처럼 한번에 모든 절단구획을 절단하기 위해서는 하나의 진입암(10)에 복수개의 풀리(12a, 12b, 12c)를 배치될 필요가 있다. 또는, 공정을 최소화하기 위해 와이어-쏘가 절단선에 따라 하나의 진입공(5)을 복수번 지나가는 경우, 해당 진입공(5)에 삽입될 진입암(10)에는 복수번만큼 또는 그 이상의 풀리(12a, 12b, 12c)가 배치된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치는 다수의 절단구획에 대하여 동시에 절단작업을 수행할 수 있는데, 이를 위해 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치는 복수개의 진입암(10)을 한번에 이용하게 된다. 예를 들어, 3개 이상의 진입암(10)을 한번에 이용하거나, 바람직하게는 5개 이상의 진입암(10)을 한번에 이용하는 것도 가능하다.
또한, 굴착하고자 하는 암반의 대상면(1)은 굴착이 수행되는 장소마다 달라지며, 그 때마다 절단구획도 달라진다. 절단구획이 달라지면 진입공(5)의 개수도 달라진다. 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치는 이러한 환경 변화에 능동적으로 대응할 수 있다. 즉, 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치를 이용하면 지지프레임에 설치되는 진입암의 개수를 절단구획에 따라 변경이 가능하다는 장점이 있다.
이처럼 복수개의 진입암(10)을 한번에 이용하기 위해, 또는 달라지는 환경에 대응하기 위해 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치는 지지프레임(20)을 이용한다. 암질이 무른 곳에서는 진입공의 수를 줄임으로써 진입공 설치를 위한 작업시간을 감소시킨다. 반대로 암질이 단단한 곳이라면 진입공을 수를 늘려 절단에 소요되는 작업시간을 감소시킬 수 있다. 또한, 터널의 굴착 과정에서 생산되는 석재의 형상을 조절할 수 있는바, 생산되는 석재이의 이용가능성을 현저히 높일 수 있다.
지지프레임(20)은 제1방향으로 배치되는 제1프레임(21)과 제2방향으로 배치되는 제2프레임(22)으로 구성된다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1프레임(21)은 가로방향으로, 제2프레임(22)은 세로방향으로 놓여진 프레임을 의미할 수 있다.
지지프레임(20)은 제1프레임(21)과 제2프레임(22)이 서로 교차하여 절단구획에 대응하는 매트릭스 구조를 가질 수 있다.
지지프레임(20)에는 절단구획의 진입공(5)에 대응하는 위치에 삽입구(23)가 설치된다. 삽입구(23)는 제1프레임(21) 또는 제2프레임(22)에 설치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 삽입구(23)는 별도의 삽입구 부재를 제1프레임(21)이나 제2프레임(22)에 결합하여 형성할 수도 있다.
지지프레임(20)에는 확장구(24)가 형성되어 있다. 확장구(24)에는 와이어-쏘(W)가 지지프레임(20)을 파손하지 않도록 방향을 조절하는 전환롤러(25)가 설치되거나, 외측으로 돌출되어 지지프레임(20)을 벽면에 고정시키는 적어도 하나 이상의 지지대(26)가 설치될 수 있다.
한편, 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치는 도 5에 도시된 바와 같이, 지지프레임(20)과 구동롤러(30) 사이에 배치되는 와이어-쏘 가이드프레임(40)을 더 포함할 수 있다. 와이어-쏘 가이드프레임(40)은 구동롤러(30)에 비슷한 높이를 가지며, 구동롤러(30)에 배선된 와이어-쏘(W)가 구동롤러로부터 평행하게 인출될 수 있도록 배치되는 중간풀리(45)를 가진다. 구동롤러(30)에 배선된 와이어-쏘(W)의 이탈을 최소화하거나, 구동롤러(30)로부터 전달되는 힘이 절단에 손실없이 이용되기 위해서는 와어이-쏘(W)가 구동롤러(30)로부터 회전방향과 평행하게 인출 되어야 한다. 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치는 와이어-쏘 가이드프레임(40)을 이용하여 구동롤러(30)에 배선된 와이어-쏘(W)가 구동롤러로부터 평행하게 인출될 수 있도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치는 도 6에 도시된 바와 같이, 지지프레임(20)과 대상면(1)의 사이에 보조지지프레임(20')을 더 포함할 수 있다. 보조지지프레임(20')은 지지프레임(20)과 동일한 구성들을 포함할 수 있으나, 다만 삽입구(23) 대신 보조지지구(23')가 형성되어 있다는 것에 차이가 있다. 보조지지구(23')는 진입암(10) 자체가 삽입될 수 있도록 진입암(10)과 동일한 단면적과 형상을 가지는 구멍을 의미한다. 보조지지프레임(20')을 이용할 경우, 진입암(10)은 지지프레임(20)에 의해 후방으로 지지되고, 보조지지프레임(20')에 의해 상하좌우로 흔들리지 않도록 지지될 수 있다.
와이어-쏘(W)는 진입암을 따라 무한궤도로 배선된다. 와이어-쏘(W)는 구동롤러(30)에 의해 순환동작된다. 구동롤러(30)가 회전함으로써 와이어-쏘(W)가 순환동작되어 절단선에 따라 암반을 절단한다. 나아가 구동롤러(30)가 삽입반대방향으로 서서히 이동하게 되는데, 구동롤러(30)의 이동에 따라 와이어-쏘(W)의 장력이 유지되어 연속적으로 암반을 절단할 수 있다.
구동롤러(30)는 도 7에 도시된 바와 같이, 일 방향으로 길게 형성된 원통형상의 바디(31)와 바디(31)에 형성된 홈부(32)를 가질 수 있다.
홈부(32)의 수는 이용되는 와이어-쏘(W)의 수와 같거나, 그보다 더 많아야 한다. 제1 내지 제n와이어-쏘(단, n은 자연수)를 이용하는 경우, 도 7(a)에 도시된 바와 같이 구동롤러(30)에는 제1 내지 제n홈부(32)가 형성된다. 예를 들어, 구동롤러(30)가 세로로 길게 형성된 원통형상일 경우, 복수개의 와이어-쏘(W)가 구동롤러(30)에 서로 이격되어 배치되어, 세로로 암반을 절단할 수 있다.
이와 달리, 와이어-쏘(W)를 하나만 이용할 경우에는 도 7(b)에 도시된 바와 같이 나선형의 홈부(32)가 형성된 구동롤러(30)를 이용할 수 있다.
한편, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 진입암(10) 중 절단구획의 전체 중 외측에 배치된 진입암(10)은 절단구획의 외측으로 벌어지도록 설치될 수 있다. 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치를 이용하여 대상면(1)의 암반을 굴착하게 되면, 새롭게 노출된 대상면에 대해서 와이어-쏘 절단장치를 재설치하여 굴착작업을 계속하여 진행하여야 한다. 이때 진입암(10) 중 절단구획의 전체 중 외측에 배치된 진입암(10)이 절단구획의 외측으로 벌어지도록 배치하지 않는다면, 새롭게 노출된 대상면은 기존의 대상면(1)보다 면적이 작을 수 밖에 없다. 하지만 도 2 내지 도 4와 같이, 진입암(10) 중 절단구획의 전체 중 외측에 배치된 진입암(10)은 절단구획의 외측으로 벌어지도록 설치한다면, 와이어-쏘 굴착장치를 재설치할 공간을 확보할 수 있다. 이에따라 굴착작업의 효율을 현저히 증가시킬 수 있다.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치를 이용한 터널의 굴착방법에 대하여 설명하도록 한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치를 이용한 터널의 굴착방법(M100)의 개략적 플로우 차트이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치를 이용한 터널의 굴착방법(M100)은 굴착하고자 하는 암반의 대상면에 절단구획에 따라 복수의 진입공을 천공하는 천공단계(S10); 상기 절단구획 중 절단선에 대응하도록 와이어-쏘가 배선되어 있으며, 상기 진입암의 삽입 반대방향의 단부에 상기 진입암보다 작은 단면적을 가지는 삽입부가 형성된 복수의 진입암을 상기 복수의 진입공에 삽입하는 삽입단계(S20), 제1방향으로 배치된 제1프레임과 제2방향으로 배치된 제2프레임이 교차함으로써 상기 절단구획에 대응하는 매트릭스 구조를 가지며 상기 삽입부가 삽입될 수 있는 삽입구가 형성된 지지프레임을 마련하고, 상기 삽입부가 상기 삽입구에 삽입되도록 상기 지지프레임을 설치하는 지지프레임 설치단계(S30) 및 상기 와이어-쏘의 일부가 감기도록 걸려있는 구동롤러를 동작시켜, 상기 와이어-쏘가 절단할 위치의 암반을 절단하는 단계(S40)를 포함한다.
먼저, 천공단계(S10)가 수행된다. 천공단계(S10)는 굴착하고자 하는 암반의 대상면에 절단구획을 설정하고, 절단구획을 구성하는 절단선이 교차하는 지점에 점보드릴을 이용하여 진입공을 천공하게 된다.
다음으로 절단하고자 하는 절단선에 대응하도록 와이어-쏘가 배선된 진입암을 복수의 진입공에 삽입하는 삽입단계(S20)가 수행된다. 이때, 진입암에 고정쐐기를 구비하고 있는 경우 레버를 조작하여 진입암을 진입공에 고정시킬 수 있다.
지지프레임 설치단계(S30)는 제1방향으로 배치된 제1프레임과 제2방향으로 배치된 제2프레임이 교차함으로써 절단구획에 대응하는 매트릭스 구조를 가지며, 삽입부가 삽입될 수 있는 삽입구가 형성된 지지프레임을 설치한다. 한편, 지지프레임 설치단계(S30)를 수행하기 전에 제1방향으로 배치된 제1프레임과 제2방향으로 배치된 제2프레임이 교차함으로써 상기 절단구획에 대응하는 매트릭스 구조를 가지며 상기 진입암이 삽입될 수 있는 보조지지구가 형성된 보조지지프레임을 설치하는 보조지지프레임 설치단계가 수행될 수 있다.
삽입단계(S20)와 지지프레임 설치단계(S30)는 서로 선후가 바뀔 수 있다. 예컨대, 진입암을 진입공에 삽입한 후에 삽입부에 삽입구가 대응하도록 지지프레임을 설치하거나, 지지프레임의 삽입구에 진입암의 삽입부를 결착한 후에 지지프레임과 진입암을 함께 이동시켜 진입암을 진입공에 삽입할 수 있다.
이처럼, 진입공으로 진입암을 삽입시키면 무한괘도로 배선되어 있던 와이어-쏘는 서로 인접하는 진입암과 그 사이의 암반에 의해 'ㄷ' 형태로 놓여지게 된다. 즉 'ㄷ' 형태의 중앙부에 암반이 위치하는 것이다.
다음으로, 와이어-쏘의 일부가 감기도록 걸려있는 구동롤러를 동작시켜, 와이어-쏘가 절단할 위치의 암반을 절단하는 단계(S40)가 수행된다. 이때, 구동롤러는 회전과 함께 대상면의 반대방향으로 점차 이동하게 된다. 이에 따라 최초에 'ㄷ' 형태로 배선되어 있던 와이어-쏘가 점차 펴지면서 암반을 절단한다.
본 발명의 와이어-쏘 굴착장치를 이용한 터널 굴착방법의 다양한 실시예를 살펴보면 다음과 같다.
도 9 및 도 10를 참조하면, 먼저 대상면(1)에 복수의 진입공(51a~51d, 52a~52d, 53a~53d, 54a~54d)이 천공된다.
다음으로, 도 9과 같이, 가로의 절단선(L-1)에 대응하도록 와이어-쏘가 위치하도록 S20 내지 S40의 단계를 수행한다.
이후, 도 10와 같이, 세로의 절단선(L2)에 대응하도록 와이어-쏘가 위치하도록 S20 내지 S40 의 단계를 수행한다.
마지막으로 와이어-쏘를 이용하여 대상구획에 따라 절단된 암반의 내측을 단부를 자르고, 암반을 제거하여 굴착을 완료한다. 암반을 제거시에 절단된 상태 그대로 빼내게 되면, 암반을 석재로 이용가능한다.
한편, 도 11과 같이, 한번에 모든 암반을 절단구획에 따라 절단하는 것도 가능하다.
진입공으로 절단선이 복수개 나와 있는 것을 우(偶)진입공이라 하고, 진입공으로 상기 절단선이 홀수개 나와 있는 것을 기(奇)진입공이라 할 수 있는데, 절단구획에 기진입공이 0개 또는 2개인 경우 한번에 모든 암반을 절단구획에 따라 절단할 수 있다.
예컨대, 와이어-쏘를 도 11의 S 지점부터 배선하여, 화살표를 따라 S지점으로부터 F지점까지 배선하면 모든 절단선(L)에 대해 배선이 가능하다. 이때, 일부 진입공은 와이어-쏘가 복수번 지나가게 되는데, 이를 위해 진입암은 복수개의 풀리가 단부에 설치될 수 있다. ㅈ
필요에 따라, 도 12와 같이, 대상면(1')에 대하여 절단구획의 상부의 절단선(L')은 다각 아치형으로 할 수 있다. 이처럼, 절단구획의 상부를 다각 아치형으로 설정하는 것은 작업중에 터널이 붕괴되지 않도록 하중이 분배되기 위한 것이다.
도 13은 복수개의 풀리를 가지는 진입암을 이용하여 절단구획을 한번에 절단할 수 있도록 와이어-쏘를 구성한 와이어쏘 굴착장치의 진입압과 와이어-쏘의 개략적 사시도로서, 설명의 명확성을 위하여 구동롤러와 지지프레임을 생략한 것이다.
먼저, 천공단계(S10)를 수행한다. 대상면(1')에 복수의 진입공(51b~51d, 52a~52d, 53a~53d, 54b~54d)이 천공된다.
다음, 복수의 진입공(51b~51d, 52a~52d, 53a~53d, 54b~54d)에 복수의 진압암(10)을 삽입하는 삽입단계(S20)가 수행된다.
삽입단계(S20)에서 진입압(10)을 진입공(51b~51d, 52a~52d, 53a~53d, 54b~54d)에 삽입하기 전에 와이어-쏘(W1, W2, W3)를 복수의 진입암(10)과 구동롤러에 배선하여야 한다. 모든 와이어-쏘가 동일한 구동롤러에 배선될 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 즉, 와이어-쏘 굴착장치가 서로 독립적으로 구동하는 복수개의 구동롤러를 구비하고, 복수의 와이어-쏘 중 일부가 서로 다른 구동롤러에 배선되는 것도 가능하다.
한편, 진입공에 몇개의 와이어-쏘가 삽입되는지에 따라 진입암(10)에 설치되는 풀리(12)의 개수를 달리할 수 있다. 예컨대, 진입공 51b 및 54b에 삽입되는 진입암(10)의 경우에는 제1와이어-쏘(W1), 제2와이어-쏘(W-2), 제3와이어-쏘(W3)가 모두 배선되기 때문에 3개의 풀리(12)가 설치되어 있다. 이외의 나머지 진입공에는 2개의 와이어-쏘만 배선되므로 2개의 풀리(12)가 설치된다.
만일, 진입암(10)에 복수개의 풀리(12)가 설치되지 않는다면, 서로 교차하는 부분의 와이어-쏘가 굴착과정 중에 서로 마찰하여 와이어-쏘가 끊어지는 등 파손될 가능성이 있다. 하지만 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치는 진입공에 몇개의 와이어-쏘가 삽입되는지에 따라 진입암(10)에 설치되는 풀리(12)의 개수를 달리함으로써 복수의 와이어-쏘를 동시에 구동하더라도 서로 교차하는 부분의 와이어-쏘가 굴착과정 중에 서로 마찰하여 와이어-쏘가 끊어지는 등 파손되는 문제를 방지할 수 있다. 즉, 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치는 진입암(10)에 설치되는 풀리(12)의 개수를 달리함으로써 1회의 굴착만으로 절단구획의 절단선을 모두 절단할 수 있다는 장점이 있다.
이처럼 와이어-쏘가 배선된 진입암을 진입공에 삽입한 후에는 지지프레임을 설치(S30)하고, 구동롤러를 동작시켜 암반을 절단(S40)하게 된다.
한편, 와이어-쏘 굴착방법에 있어서 절단구획에 따라 진입공을 천공하는 과정도 많은 시간이 소요된다. 그리고 대상면이 항상 동일한 암질이 아니고, 매번 다른 작업환경을 마주하게 된다. 따라서 필요에 따라 도 14 내지 도 16에 도시한 바와 같이, 절단구획의 테두리 부분에만 진입공을 천공하여 보다 효율적으로 굴착할 수 있다. 이처럼 절단 구획의 테두리부분에만 진입공을 천공하는 경우 와이어-쏘 굴착장치의 진입암의 종류 및 위치와 와이어-쏘의 배선은 도 13에서 절단구획의 테두리 부분만과 같이 구성될 수 있다.
한편, 이 경우 절단구획의 내측 부분 중 서로 교차하는 부분의 와이어-쏘가 굴착과정에서 서로 마찰하는 것을 방지하기 위해 시차(예를 들어, 10분)를 두어야 한다. 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 14와 같이 제1와이어에 대응하는 제1절단선(L1)을 절단(C)한다. 그 다음 시차를 두고 도 15와 같이 제2와이어에 대응하는 제2절단선(L-2)을 절단(C)한다. 시차를 둔다는 것은 제1절단선(L1)에 따른 절단을 완전히 완료한 것을 전제로 하는 것이 아니며, 선행 절단에 의해 와이어-쏘가 소정의 깊이로 삽입되어 후행 절단을 수행하는 와이어-쏘가 선행 절단을 진행하는 와이어-쏘와 마찰되지 않을 정도가 되도록 여유를 두는 것을 의미한다. 예컨대 제1절단선(L1)에 따라 절단을 시작한 뒤 10분 후에 제2절단선(L2)에 따른 절단을 시작한다. 마지막으로 도 16과 같이 제2절단선(L2)의 절단에 시차를 두고 제3절단선(L3)에 따른 절단(C)을 수행한다.
도 14 내지 도 16에 도시된 방법에 의하면, 복수의 구획면에 대하여 동시에 절단작업을 수행하되, 불필요한 진입공의 천공을 줄여 작업시간을 감소시킬 수 있고, 굴축과정에서 각각의 와이어-쏘의 구동에 시차를 둠으로써 교차하는 와이어-쏘가 서로 마찰되어 파손되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 도 14 내지 도 16의 도시된 방법에 의하더라도 와이어-쏘 굴착장치를 설치하여 1회의 굴착만으로 절단구획의 절단선을 모두 절단할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 와이어-쏘 굴착장치를 이용하는 또 다른 장점은 다양한 형태의 절단구획에 대하여 손쉽게 대응이 가능하다는 것이다. 예컨대, 앞에서 살펴본 직사각형의 절단구획(도 9 등)이나 아치형의 절단구획(도 12 등) 뿐만아니라 도 17과 같이 팔각형의 절단구획으로 하거나, 마름모형의 절단구획(미도시)으로 하는 것도 가능할 것이다. 나아가 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치는 도 18과 같이 아치형의 절단구획에 대응하는 것도 가능하다.
이로써 지지프레임의 외측의 프레임으로 이루어지는 형태가 사각형 이상의 다각형이 될 수 있다. 또한, 지지프레임 중 일부는 곡선인 것을 이용할 수 있는데, 이는 예를들어 절단구획이 아치형의 상부를 가질 경우 그 곳에 곡선의 프레임(예를 들어, 반원)을 적용함으로써 보다 간단하게 아치형의 상부 형상을 형성할 수 있다. 더욱 나아가서는, 지지프레임의 외측의 프레임으로 이루어지는 형태를 원형 또는 타원형으로 하는 것도 이론상 가능하다.
한편, 진입암 풀리에 배선된 각 방향별 절단선이 여러 진입공을 1개의 절단선으로 통과 절단함으로 인하여 소요되는 절단시간을 단축하기 위하여 도 19 및 도 20의 형태처럼 도 4의 진입암에 동일방향의 풀리를 추가장착하여 abcd의 4개선분으로 1개선분씩 분할절단하여 절단시간을 대폭 줄일 수 있다(e-굴착단면 f-진입공). 이때 동일방향의 2개의 풀리는 서로간격을 두고 장착하여 와이어간의 간섭을 방지한다.
결국 본 발명의 와이어-쏘 굴착장치를 이용함으로써 다양한 작업환경에 대하여 능동적으로 대응이 가능하다는 장점이 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 와이어-쏘 굴착장치를 이용함으로써 굴착하고자 하는 대상면을 최소한의 시간으로 굴착할 수 있을 것이다. 나아가, 터널을 굴착하는 과정에서 이용가능한 형태의 석재를 얻을 수 있다.
발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (3)

  1. 굴착 대상 암반 전체단면을 와이어쏘를 이용하여 제거 가능한 크기로 1회에 분할절단 하기 위하여 대상면의 테두리선 과 테두리 내측의 격자형 절단선의 교차점에 선택적으로 천공된 복수의 진입공에 삽입되는 진입암의 다방향 풀리에 각 방향별 와이어를 배선하고, 각자 다른 방향으로 회전하면서 각 절단구획의 절단을 수행하는 가로, 세로, 대각선 방향의 각의 와이어쏘를 각 방향별로 구동롤러에 한데 모은 후, 삽입된 진입암을 뒤에서 지하는 지프레임의 지력으로 각 구동롤러를 동시에 구동하여 테두리선 및 테두리내측의 격자형 절단구획을 제거 가능한 크기로 1회에 분할 절단 하는 것을 특징으로 하는 와이어쏘 굴착 방법.
  2. 다방향 진입암 풀리;와 상기 풀리에 배선된 다수의 와이어쏘를 구동하여 전체단면을 1회에 분할절단하기 위한 굴착 장치로써;
    상기 다방향 진입암 풀리는 굴착대상 전체 단면의 절단선이 교차하는 진입공에 삽입되며,
    진입암 단부에 2개 이상의 풀리가 가로, 세로, 대각선 방향 중 어느 하나의 방향으로 장착되며,
    상기 진입공에 삽입되는 진입암 풀리는 교차하는 절단선의 숫자와 절단환경에 따라 풀리의 개수가 변경되고,
    각 진입공에 삽입된 다방향 진입암 풀리에는 방향별 와이어쏘가 동일한 진입공내에 배선되고,
    상기 배선된 와이어쏘는 이웃한 진입공에 배선된 동일한 방향의 와이어쏘와 연결구동되며,
    진입공에 삽입된 다방향풀리의 서로 다른 방향으로 회전하는 기능에 의해 상기 진입공 내에 배선된 가로, 세로, 대각선 방향의 와이어쏘가 좁은 공간에서 회전하여도 서로 간섭받지 않고 방향별로 테두리선 및내측의 격자형 절단선에 따라 전체단면을 1회에 절단하는 것을 특징으로 하는 와이어쏘 굴착 장치.
  3. 제2항에 있어서
    방향별 절단선이 여러 진입공을 1개의 절단선으로 통과절단해야함으로 인하여 소요되는 절단시간을 단축하기 위하여 절단환경에 따라 진입암에 동일한 방향의 풀리를 추가 장착하여 2개의 진입암을 연결하는 1개의 선분씩 분할하여 다수의 와이어쏘로 절단 작업을 수행할 수 있으며,
    장착되는 동일한 방향의 2개의 풀리는 진입공에서 진입공 내부를 바라볼 때 서로 약간의 간격을 두어 장착시켜 풀리에 배선된 2개의 와이어쏘간의 간섭을 방지하며 다수배치된 각의 구동롤러에 연결하여 절단하면 선분 1개 절단시간으로 전체를 절단하여 대폭의 절단시간의 단축이 가능한 것을 특징으로 하는 와이어쏘 굴착 장치.
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