KR20210087128A - 해머 선회형 굴착장치 및 이를 이용한 지반 굴착공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 말뚝기초 시공 등의 목적으로 암질(巖質) 지반을 천공하는 굴착장치 및 굴착공법으로서, 다수의 선회해머(42)가 장착된 회전판(30)과, 중공축(21)이 형성된 중심판(20) 등으로 굴착장치가 구성되며, 천공 대상 지반에 사전 관입된 중심관(10)에 굴착장치의 중공축(21)이 결합된 상태에서 선회해머(42)가 가동됨에 따라 굴착공이 천공되는 것이다.
본 발명을 통하여, 암질 지반에 대한 대구경 굴착공 천공에 있어서, 굴착공의 직진성 및 정밀도를 제고하고, 시공 안정성을 확보할 뿐 아니라, 동원 장비의 간소화 및 소형화는 물론, 매연 및 미세먼지 등 오염물 배출을 최소화할 수 있다.

Description

해머 선회형 굴착장치 및 이를 이용한 지반 굴착공법{HAMMER SWIVELLING GROUND DRILL AND GROUND DRILLING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 말뚝기초 시공 등의 목적으로 암질(巖質) 지반을 천공하는 굴착장치 및 굴착공법으로서, 다수의 선회해머(42)가 장착된 회전판(30)과, 중공축(21)이 형성된 중심판(20) 등으로 굴착장치가 구성되며, 천공 대상 지반에 사전 관입된 중심관(10)에 굴착장치의 중공축(21)이 결합된 상태에서 선회해머(42)가 가동됨에 따라 굴착공이 천공되는 것이다.

건설산업에 있어서 지반천공은 말뚝기초의 시공, 착정(鑿井), 시추, 지하구조물 시공을 위한 토류벽 가설 등의 목적으로 지반에 수직 또는 수직에 근사한 방향의 굴착공을 형성하는 것으로서, 지반의 특성이나 소요심도에 따라서 다양한 장비와 공법이 적용된다.

이러한 지반천공 유형 중에서, 말뚝기초의 시공을 위한 지반천공이 대표적이라 할 수 있으며, 말뚝기초는 선단지지력과 주면(柱面)마찰력에 의하여 말뚝상부 구조물의 하중이나 지하수로 인한 지중구조물의 부압(浮壓)에 저항하게 되므로, 통상 말뚝기초용 지반천공은 암반층 이상의 굴착심도를 필요로 하게 된다.

즉, 건설산업상 지반천공에서는 대부분 암질(巖質) 지반에 대한 굴착이 요구된다 할 수 있는데, 토사 지반에 비하여 경도 및 굴진 저항이 월등하게 높은 암질 지반은 굴착 작업상 상당한 애로점을 유발하며, 특히 대구경 굴착의 경우 동원되는 장비에 고도의 성능 및 출력이 요구될 뿐 아니라, 장비의 조작 및 관리 등 직접 작업은 물론 동력 제공 및 부대시설 구축 등 간접 작업에도 상당한 인력 및 비용이 소요된다.

도 1은 종래의 전형적인 대구경 암질 지반 굴착 장비의 작동 상황을 예시한 것으로, 도시된 바와 같이, 대형 자주식 파일드라이버에 대구경 에어해머가 장착되어 암질 지반을 굴착하게 되는데, 동 도면에서는 지면에 암질 지반이 노출된 경우에 대한 굴착 상황이 예시되었으나, 토사층 하부에 암질 지반이 위치하는 경우에는 대구경 오거(auger) 또는 클램쉘(clamshell) 등을 통한 토사층 굴착 및 공벽 유지용 케이싱(casing) 관입이 선행된 후, 암질 지반에 대한 천공이 진행된다.

도 1에서와 같은 종래의 대구경 암질 지반 굴착은 굴착공의 직경과 일치하는 직경의 해머가 동원될 필요가 있으며, 이는 다음과 같은 다양한 문제를 야기한다.

우선, 대구경 해머의 적용시 해머 자체의 자중 및 출력은 물론 해머를 구동 및 조정하는 지상 장비의 규모 역시 대형화될 수 밖에 없는 바, 장비의 동원, 운용 및 시공 관리에 막대한 비용 및 고도로 숙련된 인원이 소요된다.

특히, 도 1에서와 같은 종래의 대구경 굴착에서는 일단 굴진이 개시된 후에는 굴진 방향 및 자세 등에 대한 조정이 매우 어려울 뿐 아니라, 시공 오차의 발생시 이를 복구 또는 수정하는 작업 역시 매우 어려운 문제점이 있다.

이에, 소구경 굴착공을 1차 천공한 후 대구경 본굴착을 수행하거나, 소형 중심(中心) 관체(管體)를 사전 관입시키고 이를 대구경 본굴착 장비의 유도체(誘導體)로 활용하는 공개특허 제2008-41610호가 개발된 바 있다.

종래기술인 공개특허 제2008-41610호는 소구경 1차 천공 후, 다수의 소구경 해머가 조합된 장치를 투입하여 대구경 본굴착을 수행함으로써, 대구경 단일 해머를 적용하는 전통적인 굴착공법에 비하여 굴착공의 직진성, 정밀성 및 시공 안정성을 획기적으로 개선할 수 있었으나, 장비의 간소화 및 소형화에 있어서는 한계가 있을 수 밖에 없었다.

즉, 공개특허 제2008-41610호에서는 대구경 본굴착을 수행하는 굴착장치가 비록 다수의 소구경 해머가 조합되어 구성되기는 하였으나, 이들 소구경 해머 조합체를 지반에 투입하고 회전 구동하는 대형 장치가 필요하였으며, 그 역할을 통상의 대형 파일드라이버가 수행할 수 밖에 없었던 것이다.

따라서, 다수의 소형 해머가 조합 적용되는 종래기술은 대구경 본굴착공의 직진성 및 정밀성 확보외에는 여타의 효과를 기대할 수 없었으며, 본굴착 수행시의 장비 간소화 및 소형화 효과는 전혀 기대할 수 없었다.

특히, 공개특허 제2008-41610호를 비롯한 종래의 해머 조합식 굴착장치는 대구경 본굴착용 대형 파일드라이버가 기본적으로 필요함은 물론, 1차 굴착을 수행하는 소형 굴착기를 별도로 동원하여야 하였는 바, 장비 동원 및 현장관리 측면에서는 오히려 불리한 문제점이 있었다.

또한, 대형 파일드라이버의 운송 및 운용 자체에도 막대한 동력이 소요될 뿐 아니라, 대구경 해머의 가동에는 내연기관에 의하여 작동되는 고출력 공기압축기가 요구되는 바, 시공과정 전반에 있어서 매연, 미세먼지 등 심각한 오염물이 다량 배출되는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여, 다수의 소구경 해머가 조합된 굴착장치를 통하여 대구경 본굴착을 수행함에 있어서, 대형 파일드라이버 및 고출력 공기압축기 등의 동원 없이도 작업이 가능하도록 창안된 것으로, 중심부에 중공축(21)이 형성된 중심판(20)에는 주동기어(27)가 장착된 구동부(25)가 설치되고, 상기 주동기어(27)와 치합되는 종동기어(37)가 형성된 회전판(30)의 중심부에는 상기 중공축(21)이 자유롭게 회전 가능하도록 결합되며, 회전판(30)에는 중공축(21)을 중심으로 방사상으로 배치되는 다수의 선회해머(42)가 설치되고, 중공축(21)에는 중심관(10)이 결합되되, 중심관(10)과 중공축(21)에는 각각 이형부(11) 및 억지부(22)가 형성되어, 이들 이형부(11) 및 억지부(22)가 상호 결합됨에 따라 중심판(20)의 회전은 억제되되 승강 활동은 보장됨을 특징으로 하는 해머 선회형 굴착장치이다.

또한, 상기 해머 선회형 굴착장치를 이용한 지반 굴착공법에 있어서, 중심관(10)을 지반에 관입시키는 단계와, 중심관(10) 상단부에 해머 선회형 굴착장치를 결합하는 단계와, 중심관(10)에 해머 선회형 굴착장치가 결합된 상태에서 해머 선회형 굴착장치를 하강시키면서 회전판(30)을 회전시키고 선회해머(42)를 가동하여 대구경 굴착공을 천공하는 단계와, 해머 선회형 굴착장치가 목표심도에 도달하면, 해머 선회형 굴착장치 및 중심관(10)을 지상으로 철수하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 해머 선회형 굴착장치를 이용한 지반 굴착공법이다.

본 발명을 통하여, 암질 지반에 대한 대구경 굴착공 천공에 있어서, 굴착공의 직진성 및 정밀도를 제고하고, 시공 안정성을 확보할 뿐 아니라, 동원 장비의 간소화 및 소형화는 물론, 매연 및 미세먼지 등 오염물 배출을 최소화할 수 있다.

특히, 소구경 1차 천공 후 대구경 본굴착을 수행함에 있어서, 대형 파일드라이버 및 고출력 내연기관 공기압축기의 동원 없이, 일반적인 크레인만으로 작업 수행이 가능한 바, 장비의 동원 및 운용에 소요되는 비용을 획기적으로 절감할 수 있다.

또한, 대형 파일드라이버 및 고출력 내연기관 공기압축기를 배제할 수 있는 바, 작업 과정에서 발생되는 매연 및 미세먼지 등의 오염물을 대폭 저감할 수 있으며, 이로써 공사 지역 주변의 주민 불편을 최소화하고 환경오염을 방지할 수 있다.

도 1은 종래의 대구경 굴착공 천공방식 설명도
도 2는 본 발명의 사시도
도 3은 본 발명의 분해 사시도
도 4는 본 발명의 대표 단면도
도 5는 본 발명의 시공과정 설명도
도 6은 본 발명의 변형된 실시예 사시도
도 7은 하우징이 형성된 본 발명의 일 실시예 저면 사시도
도 8은 도 7 실시예의 대표 단면도
도 9는 본 발명의 일 실시예 시공방식 설명도

본 발명의 상세한 구성 및 수행과정을 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 도 2는 본 발명 장치의 작동 상태 외관을 도시한 것으로, 도시된 바와 같이, 본 발명의 해머 선회형 굴착장치는 다수의 선회해머(42)가 조합되어 구성되되, 중심관(10)에 결합된 상태에서 자중에 의하여 하강하면서 작동한다.

특히, 지상의 대형 파일드라이버와 로드(rod) 또는 케이싱(casing)으로 연결되어 구동되는 종래기술과 달리, 본 발명의 해머 선회형 굴착장치는 도 2에서와 같이, 와이어가 결선되어 단순 지지되는 장치로서, 크레인 등 비교적 간소한 장비로도 운용이 가능하다.

도 3 및 도 4는 본 발명 장치의 세부 구성 및 내부 구조를 도시한 것으로, 본 발명의 해머 선회형 굴착장치는 중공축(21)이 형성된 중심판(20), 중심판(20)이 자유 회전 가능하도록 결합되는 회전판(30), 회전판(30)에 다수 장착되는 선회해머(42) 및 중심판(20)의 중공축(21)에 결합되는 중심관(10) 등으로 구성된다.

이러한 본 발명 장치의 구성에 있어서, 중심판(20)은 회전은 억지되되 승강은 허용되는 구성으로서, 중심판(20)의 평면상 중심부에는 중공축(21)이 형성되고, 주동기어(27)가 장착된 모터 등의 구동부(25)가 설치된다.

중공축(中空軸)(21)은 그 사전적 의미에서와 같이, 중심부가 개방되어 전체적으로 관상(管狀) 구조를 가지는 축으로서, 중공축(21)의 내부에는 중심관(10)이 회전은 억제되되 축방향 활동(sliding)은 보장되도록 결합되고, 중공축(21)의 외부에는 후술할 회전판(30)이 자유롭게 회전 가능하도록 결합된다.

회전판(30)은 평면상 중심관(10)을 중심으로 회전되는 구성으로서, 도 3에서와 같이, 회전판(30)의 평면상 중심부에는 상기 주동기어(27)와 치합되는 종동기어(37)가 형성되고, 도 4에서와 같이, 회전판(30)의 중심부에는 상기 중공축(21)이 베어링 등을 통하여 자유롭게 회전 가능하도록 결합된다.

즉, 도 3 및 도 4에서와 같이, 회전판(30)의 중심부에 형성되는 종동기어(37)의 중심에, 중심판(20) 하측으로 돌출된 중공축(21)이 자유롭게 회전 가능하도록 결합되고, 종동기어(37)에 치합되는 주동기어(27)는 중심판(20)에 설치된 구동부(25)에 의하여 구동되는 것으로서, 구동부(25)가 가동되어 주동기어(27)가 회전됨에 따라, 종동기어(37) 및 회전판(30)이 중심판(20)의 중공축(21)을 중심축으로 회전되는 것이다.

또한, 도 3 및 도 4에서와 같이, 회전판(30)에는 중공축(21)을 중심으로 평면상 방사상으로 배치되는 다수의 선회해머(42)가 설치되며, 전술한 바와 같이 회전판(30)이 회전됨에 따라, 회전판(30)에 설치된 선회해머(42) 역시 회전판(30)의 회전축인 중공축(21)을 축으로 선회(旋回)하게 된다.

이렇듯, 회전판(30) 및 선회해머(42)가 중심판(20)의 중공축(21)을 축으로 회전 및 선회함에 있어서, 중심판(20)은 회전되지 않고 고정될 필요가 있으며, 이는 중심판(20)의 중공축(21) 내부에 결합되는 중심관(10)에 의하여 수행된다.

즉, 도 3에서와 같이, 중공축(21)에는 중심관(10)이 결합되되, 중심관(10)과 중공축(21) 내부에는 각각 이형부(11) 및 억지부(22)가 형성되어, 이들 이형부(11) 및 억지부(22)가 상호 결합됨에 따라 중심판(20)의 회전은 억제되되, 도 2에서와 같이 중심판(20)을 비롯한 전체 장치의 승강 활동은 보장되는 것이다.

도시된 실시예에 있어서는 중심관(10)에 이형부(11)로서 돌출부가 형성되고, 중공축(21) 내부에 억지부(22)로서 상기 이형부(11)와 일치하는 형상의 요입부가 형성되었으나, 반대로 중심관(10)에 요입부가 형성되고 중공축(21)에 돌출부가 형성될 수도 있다.

또한, 도 3 및 도 4에서와 같이, 주동기어(27)에 비하여 대직경의 종동기어(37)가 적용되어 감속비를 달성할 수 있는데, 이로써 소형 모터 등을 구동부(25)로 적용하고도 회전판(30) 및 선회해머(42)를 원활하게 회전시킬 수 있으며, 동 도면에서와 같이, 구동부(25)와 평면상 대칭점의 중심판(20)에는 균형추(29)를 설치하여 본 발명 장치의 원활한 승강 작동을 보장한다.

한편, 도면상 도시되지는 않았으나, 회전판(30)에 장착된 선회해머(42)를 구동하기 위한 유체배관이 지상과 연결될 필요가 있는 바, 회전판(30)의 회전 작동에도 불구하고 유체배관의 연결이 가능하도록 중심판(20)과 회전판(30)의 연결부 또는 크레인의 결선부 등에 스위벨(swivel)이 설치될 수 있다.

도 5는 본 발명의 해머 선회형 굴착장치를 이용한 지반 굴착공법의 수행과정을 단계별로 도시한 것으로, 도시된 바와 같이, 본 발명 공법은 중심관(10)을 지반에 관입시키는 단계로 개시된다.

본 발명의 중심관(10)은 추후 본굴착시 형성되는 굴착공에 비하여 직경이 대폭 축소된 소직경 관체로서, 도 5에서와 같이, 소형 크롤러 드릴 등에 의하여 간편하고 신속하게 지반에 관입될 수 있다.

특히, 도면상 예시된 바와 같이, 중심관(10) 하단에 소구경 중심해머(41)가 장착되어 암질 지반을 굴착하는 중심해머(41)의 구동 로드(rod) 역할을 중심관(10)이 겸비할 수도 있다.

중심관(10)이 목표심도에 관입되면, 중심관(10) 상단부에 해머 선회형 굴착장치를 결합하는 단계가 수행된다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 해머 선회형 굴착장치는 대형 파일드라이버 없이 크레인 등을 단순 결선하여 지지 및 운용될 수 있는 바, 도 5에 예시된 바와 같이, 크레인에 본 발명 장치를 와이어로 단순 결속한 상태로 중심관(10)에 결합하게 된다.

이어서, 본굴착 작업으로서, 중심관(10)에 해머 선회형 굴착장치가 결합된 상태에서 해머 선회형 굴착장치를 하강시키면서 회전판(30)을 회전시키고 선회해머(42)를 가동하여 대구경 굴착공을 천공하는 단계가 수행된다.

이후, 해머 선회형 굴착장치가 목표심도에 도달하면, 해머 선회형 굴착장치 및 중심관(10)을 지상으로 철수하는 단계가 수행됨으로써, 본 발명 공법이 완료된다.

이렇듯, 본 발명에서는 대형 파일드라이버 및 고출력 공기압축기의 동원 없이도, 소형 크롤러 드릴 및 일반 크레인만으로 대구경 굴착공을 안정적으로 굴착할 수 있으며, 이로써 공사비를 획기적으로 절감할 수 있음은 물론, 매연 및 미세먼지 등 오염물질 배출을 대폭 저감할 수 있다.

한편, 도 6은 전술한 도 2의 실시예에 비하여 선회해머(42)를 증설한 실시예로서, 계획 굴착공의 규모 또는 지반 특성에 따라 선회해머(42)를 증감하거나 제원을 변경할 수도 있다.

또한, 도 7 및 도 8은 선회해머(42)를 포위하는 하우징(23)이 구성된 실시예를 도시한 것으로, 동 도면에 도시된 바와 같이, 하우징(23)은 중심판(20)이 원형으로 확장된 상태에서 중심판(20)의 외곽에 접합되는 실린더 형태를 가지며, 하우징(23)에는 선회해머(42) 상부, 주동기어(27) 및 종동기어(37) 등이 내장되어, 이들 작동 구성을 보호하게 된다.

이렇듯, 본 발명에서는 대형 파일드라이버의 동원 없이도, 크레인에 본 발명의 굴착장치를 결선하여 지지하는 간단한 조치만으로 대구경 굴착공의 천공이 가능한 바, 대형 파일드라이버의 접근이 곤란한 다양한 현장에 대한 대구경 굴착공 천공이 가능하다.

즉, 급경사 절, 성토사면 또는 토류벽과 기존 구조물 사이와 같이 작업 영역이 극히 협소하고 직접 접근이 곤란한 현장에서도, 도 9에서와 같이, 상측 지면에 위치한 크레인에 결선된 본 발명 굴착장치를 하강, 투입하는 방식으로 간편한 시공이 가능하다.

또한, 도 9의 사례와 반대로 사면 또는 토류벽 등 지형 급변 지역의 상측 지반에 대한 접근이 곤란한 경우에는 하측 지면에 위치한 크레인에 의하여 상측 지반으로 투입되는 본 발명 굴착장치를 지지함으로써, 상측 지반 굴착공 역시 간편하게 천공할 수 있다.

10 : 중심관
11 : 이형부
20 : 중심판
21 : 중공축
22 : 억지부
23 : 하우징
25 : 구동부
27 : 주동기어
29 : 균형추
30 : 회전판
37 : 종동기어
42 : 선회해머
41 : 중심해머

Claims (2)

1. 중심부에 중공축(21)이 형성된 중심판(20)에는 주동기어(27)가 장착된 구동부(25)가 설치되고;
   상기 주동기어(27)와 치합되는 종동기어(37)가 형성된 회전판(30)의 중심부에는 상기 중공축(21)이 자유롭게 회전 가능하도록 결합되며;
   회전판(30)에는 중공축(21)을 중심으로 방사상으로 배치되는 다수의 선회해머(42)가 설치되고;
   중공축(21)에는 중심관(10)이 결합되되, 중심관(10)과 중공축(21)에는 각각 이형부(11) 및 억지부(22)가 형성되어, 이들 이형부(11) 및 억지부(22)가 상호 결합됨에 따라 중심판(20)의 회전은 억제되되 승강 활동은 보장됨을 특징으로 하는 해머 선회형 굴착장치.
   
2. 청구항 1의 해머 선회형 굴착장치를 이용한 지반 굴착공법에 있어서,
   중심관(10)을 지반에 관입시키는 단계와;
   중심관(10) 상단부에 해머 선회형 굴착장치를 결합하는 단계와;
   중심관(10)에 해머 선회형 굴착장치가 결합된 상태에서 해머 선회형 굴착장치를 하강시키면서 회전판(30)을 회전시키고 선회해머(42)를 가동하여 대구경 굴착공을 천공하는 단계와;
   해머 선회형 굴착장치가 목표심도에 도달하면, 해머 선회형 굴착장치 및 중심관(10)을 지상으로 철수하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 해머 선회형 굴착장치를 이용한 지반 굴착공법.

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