WO2023158172A1 - 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치 - Google Patents

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WO2023158172A1
WO2023158172A1 PCT/KR2023/002068 KR2023002068W WO2023158172A1 WO 2023158172 A1 WO2023158172 A1 WO 2023158172A1 KR 2023002068 W KR2023002068 W KR 2023002068W WO 2023158172 A1 WO2023158172 A1 WO 2023158172A1
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ground
unit
excavation
laser
spectroscopic analysis
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PCT/KR2023/002068
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김승현
한만호
김민석
이상환
신창민
윤형주
이정환
정미선
조서연
정해룡
Original Assignee
한국원자력환경공단
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    • E21D—SHAFTS; TUNNELS; GALLERIES; LARGE UNDERGROUND CHAMBERS
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    • E21D9/11—Making by using boring or cutting machines with a rotary drilling-head cutting simultaneously the whole cross-section, i.e. full-face machines
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    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited

Definitions

  • the present invention relates to a tunnel excavation apparatus to which a spectroscopic analysis method is applied, and more particularly, to a spectroscopic analysis method in which the components of the ground to be excavated are measured using a laser-guided spectroscopic analyzer and the operation is controlled according to the measured components of the ground. It is about the applied tunnel excavation equipment.
  • Tunnel excavation method is largely divided into conventional tunnel method and mechanized tunnel method.
  • the conventional tunnel construction method has problems such as high labor costs, long construction period, and a high incidence of safety accidents.
  • the mechanized construction by the Tunnel Boring Machine is mechanically stable because the cross section is excavated in a circular shape, and it is excavated in a non-vibration and non-blasting method, so it is possible to secure safety by minimizing ground deformation, , It is an eco-friendly tunnel excavation method that can minimize noise and vibration.
  • FIG. 1 is a diagram showing a conceptual view of tunnel construction using a tunnel excavation device
  • FIG. 2 is a perspective view of an excavation part of the tunnel excavation device
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing the excavation principle of the tunnel excavation device.
  • a plurality of disk cutters 1120 may be mounted on the excavation unit 1100 in front of the tunnel excavation apparatus 1000.
  • the tunnel excavation apparatus 1000 rotates the excavation part 1100 while contacting the ground in front, the rock or soil of the ground in contact with the excavation part 1100 is crushed into small pieces, and as the ground is broken in this way, the tunnel It can be seen that the drilling device 1000 can move forward.
  • tunnel excavation device In the process of excavating the ground, information on the ground to be excavated by the tunnel excavation device is acquired in real time so that no impact beyond the acceptable limit is applied to the ground, and operation is controlled based on the obtained information on the ground. Tunnel excavation device needs to be developed.
  • One object of the present invention is to provide a tunnel excavation apparatus to which a spectroscopic analysis method is applied that can more accurately acquire information on the excavated ground in real time.
  • Another object of the present invention is to provide a tunnel excavation apparatus applying a spectroscopic analysis method capable of excavating the ground without applying an impact to generate cracks in the ground.
  • the tunnel excavation apparatus to which the spectroscopic analysis method according to an embodiment of the present invention is applied is, in the tunnel excavation apparatus to which the spectrometry is applied, the main body portion and the main body portion are connected to the main body A first driving unit for advancing a unit, a rotatably installed in front of the main body unit, an excavation unit for excavating the ground in contact with the ground, and a second driving unit installed in the main body unit to be connected to the excavation unit and rotating the excavation unit.
  • a driving unit, a ground component measurement unit for measuring the components of the ground excavated by the excavation unit using a laser induced spectroscopic analysis device, and a control unit for controlling the operation of the tunnel excavation apparatus to which the spectroscopic analysis method is applied according to the components of the ground can include
  • control unit stores operation data for operating the first driving unit and the second driving unit for each component of the ground, and based on the operation data according to the component of the ground measured by the ground component measurement unit, The first driving unit and the second driving unit may be operated.
  • the ground component measuring unit sucks in the powder of the ground excavated by the drilling unit, accommodates it inside, then discharges it to the outside, and irradiates the laser with the laser induced spectroscopic analyzer to the powder of the ground accommodated inside. By doing so, the components of the ground can be measured.
  • the ground component measurement unit is formed with a first suction device for sucking the powder of the ground excavated by the excavator, and a chamber for receiving the powder of the ground sucked by the first suction device, on one side
  • An accommodating mechanism having a transparent window through which laser is transmitted, the laser-induced spectroscopic analyzer for measuring the components of the ground by irradiating a laser with the powder of the ground accommodated in the chamber through the transparent window, and the powder of the ground accommodated in the chamber It may include a second suction mechanism for inhaling and discharging it from the receiving mechanism.
  • the laser induced spectroscopy device includes an irradiation module for irradiating a laser beam on a predetermined target and a light receiving module for receiving light of plasma generated from the predetermined target by the laser irradiated on the predetermined target, and the transparent window
  • a distance between the outer periphery of the chamber and the irradiation module may be the same as a focal length of a laser irradiated by the irradiation module.
  • the drilling unit is connected to the second driving unit, and the drilling unit body rotatably coupled to the body unit and the drilling unit body rotate to crush the ground when the drilling unit body contacts the ground. It may include an excavation member to be installed.
  • the excavation member may be composed of a plurality of disc cutters.
  • the tunnel excavation apparatus to which the spectroscopic analysis method according to the present invention is applied is a ground component configured such that the focal length of the laser irradiated from the laser induced spectroscopic analysis apparatus is located in the ground to be measured. Since the properties of the ground to be excavated are measured using the measuring unit, information on the ground to be excavated can be obtained more accurately in real time.
  • first driving unit and the second driving unit are controlled to be operated based on the information about the ground measured through the ground component measuring unit, cracks in the ground are prevented from occurring during the ground excavation process. Provides an effect.
  • FIG. 1 is a diagram showing a conceptual diagram of tunnel construction using a tunnel excavation device.
  • FIG. 2 is a perspective view looking at the excavation part of the tunnel excavation apparatus.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing the excavation principle of the tunnel excavation apparatus.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a tunnel excavation apparatus to which a spectroscopic analysis method according to an embodiment of the present invention is applied.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating an excavation unit.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a ground component measurement unit.
  • FIG. 7 is a view showing a ground component measurement unit.
  • FIG. 8 is a diagram showing a laser-induced spectroscopy device.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a tunnel excavation apparatus to which a spectroscopic analysis method according to an embodiment of the present invention is applied.
  • the tunnel excavation apparatus 1 to which the spectroscopic analysis method is applied includes a main body 100, a first driving unit 200, an excavation unit 300, a second driving unit 400, a ground component measuring unit ( 500), and a control unit 600.
  • the body portion 100 is formed so that components of the tunnel excavation apparatus 1 to which the spectroscopic analysis method is applied can be mounted therein, and may be formed in a shape extending in the longitudinal direction. That is, components including a first driving unit 200, an excavation unit 300, a second driving unit 400, a ground component measuring unit 500, and a control unit 600 are mounted on the main body unit 100, Various equipment required for excavation, such as a water circulation unit for discharging soil generated when the tunnel excavation apparatus 1 using the spectroscopic analysis method is excavated, may be installed.
  • the first driving unit 200 may perform a function of moving the body unit 100 forward by being connected to the body unit 100 and generating a driving force.
  • the first drive unit 200 may slide the front of the body unit 100 forward and backward by a reaction force extending and contracting in the longitudinal direction.
  • the first driving unit 200 may be formed of a structure capable of moving the body unit 100 forward by being composed of a hydraulic cylinder or a motor controlled by conventional hydraulic pressure.
  • the excavation unit 300 is rotatably installed in front of the body unit 100 and may function to excavate the ground in contact with the ground.
  • FIG. 5 is a block diagram illustrating an excavation unit.
  • the excavation unit 300 may include an excavation unit body 310 and an excavation member 320 .
  • the excavation unit body 310 is rotatably coupled to the front of the body portion 100 and is connected to the second driving unit 400 to be described later to rotate by receiving rotational force from the second driving unit 400 .
  • the excavation unit body 310 may be formed in a disk shape, and by continuously changing the position of the excavation member 320 to be described later by a rotational operation, the excavation efficiency of the tunnel excavation apparatus 1 to which the spectroscopic analysis method is applied can be improved.
  • the drilling member 320 is installed in front of the drilling body 310, and may be configured to crush the ground when the drilling body 320 rotates and contacts the ground.
  • the excavation member 320 may be composed of a plurality of disc cutters and may be installed in front of the excavation body 310 .
  • the second driving unit 400 is installed on the main body 100 and is connected to the excavation unit 300 to transmit rotational force to rotate the excavation unit 300 .
  • the second drive unit 400 is connected to a motor installed inside the main body 100 to generate rotational force, an output shaft of the motor, and the drilling unit body 310 to transmit the rotational force of the motor to the drilling unit body ( 310) may include a power transmission member for transmission.
  • ground component measurement unit 500 Next, the ground component measurement unit 500 will be described.
  • the ground component measuring unit 500 may suck in the powder of the ground excavated by the excavation unit 300 to accommodate it therein and then discharge it to the outside.
  • the excavation unit 300 rotates and contacts the ground, the ground is crushed, and some of the crushed ground floats in the air in the form of powder.
  • the ground component measurement unit 500 may inhale and accommodate the ground powder floating in the atmosphere, and then discharge it to the outside.
  • the ground component measuring unit 500 may measure the components of the ground by irradiating a laser with a laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) on the powder of the ground accommodated therein.
  • LIBS laser induced breakdown spectroscopy
  • FIG. 6 is a block diagram showing a ground component measurement unit
  • FIG. 7 is a view showing a ground component measurement unit.
  • the ground component measurement unit 500 includes a first suction mechanism 510, an accommodation mechanism 520, a laser induced spectroscopic analyzer 530, and a second suction mechanism ( 540).
  • the first suction mechanism 510 may perform a function of suctioning powder of the ground excavated by the excavation unit 300 and may be composed of a conventional vacuum suction device or the like.
  • the powder of the ground sucked by the first suction mechanism 510 is transferred to a receiving mechanism 520 to be described later.
  • the accommodating device 520 is connected to the first suction device 510 and may perform a function of accommodating powder of the ground that is sucked and transported by the first suction device 510 .
  • a chamber 522 capable of accommodating powder of the ground may be formed inside the receiving mechanism 520, and the powder of the ground accommodated in the chamber 522 floats inside the chamber 522, and then a second suction to be described later. It can be discharged to the outside of the receiving mechanism 520 by the mechanism 540 .
  • a transparent window 524 through which a laser can be transmitted may be formed on one side of the receiving device 520 .
  • the transparent window 524 is made of a material such as glass so that the laser irradiated from the laser-induced spectroscopic analyzer 530 to be described later can pass through the transparent window 524 and be irradiated to powder of the ground accommodated in the chamber 522. can be formed
  • the laser-induced spectroscopic analyzer 530 may be composed of a conventional device capable of analyzing the components of a sample by irradiating a laser beam on a sample and receiving light generated from plasma generated from the sample by the irradiated laser beam.
  • the function of measuring the components of the ground can be performed by irradiating a laser with the powder of the ground accommodated in 522.
  • FIG. 8 is a diagram showing a laser-induced spectroscopy device.
  • the laser induced spectroscopy device 530 includes an irradiation module 531 , a light receiving module 532 , and a case 533 .
  • the irradiation module 531 may be formed to irradiate a laser to a predetermined target.
  • the irradiation module 531 may include at least one lens, and the focus of the laser irradiated from the irradiation module 531 may be formed on a focal distance determined by the at least one lens.
  • the focal point of the laser is formed on the surface of a target, the largest amount of plasma can be generated from the target.
  • the light receiving module 532 to be described later effectively receives the light of the plasma, so that components of the predetermined object can be more accurately analyzed.
  • the light receiving module 532 may be formed to receive light of plasma generated from a predetermined target by the laser irradiated by the irradiation module 531 .
  • the light receiving module 532 may also include at least one lens, and the at least one lens of the light receiving module 532 is a predetermined distance from the focal point formed by the laser, for example, the focal point formed by the laser.
  • the focal length may be set so that the focus of the image sensed by the light receiving module 532 is formed at a distance apart by .
  • the light receiving module 532 can sense an image in which the focus is on the plasma generated from the sample.
  • the light receiving module 532 may be disposed around the irradiation module 531 to increase the plasma light receiving efficiency.
  • the case 533 may perform a function of accommodating the irradiation module 531 and the light receiving module 532 therein, and may form an external appearance of the laser induced spectroscopy device 530 .
  • the focus of the laser irradiated from the irradiation module 531 is formed on the surface of a predetermined target, the most plasma is generated from the predetermined target, so in order to more accurately measure the components of the ground, It is preferable that the focal point of the laser is formed on the surface of the powder of the ground.
  • the focus of the laser irradiated from the irradiation module 531 is directed to the chamber 522 on the outer periphery of the transparent window 524. need to be formed.
  • the focus of the laser irradiated from the irradiation module 531 is focused on the transparent window ( 524)
  • the focus of the laser irradiated from the irradiation module 531 may be formed on the surface of the powder of the ground.
  • the distance l 1 between the chamber 522 on the outer periphery of the transparent window 524 and the irradiation module 531 of the laser induced spectroscopic analyzer 530 is If it is the same as the focal length of the laser irradiated by the irradiation module 531, the focus of the laser irradiated from the irradiation module 531 is formed in the chamber 522 on the outer periphery of the transparent window 524 so that the components of the ground can be more accurately measured. do.
  • the second suction device 540 may perform a function of sucking in the powder of the ground accommodated in the chamber 522 of the receiving device 520 and discharging it from the receiving device 520, and may be composed of a conventional vacuum suction device or the like.
  • Ground powder sucked by the second suction device 540 may be discharged to the outside of the ground component measurement unit 500 .
  • control unit 600 will be described.
  • the control unit 600 controls the operation of the tunnel excavation apparatus 1 to which the spectroscopic analysis method is applied so that the operation of the tunnel excavation apparatus 1 to which the spectroscopic analysis method is applied is controlled according to the components of the ground excavated by the tunnel excavation apparatus 1 to which the spectroscopic analysis method is applied. You can control the operation of components.
  • the excavation speed must be adjusted differently for each property of the ground excavated by the tunnel excavation apparatus 1 to which the spectroscopic analysis method is applied, so that cracks or the like can be prevented from occurring in the ground during the ground excavation process.
  • control unit 600 stores operation data for operating the first driving unit 200 and the second driving unit 400 for each component of the ground, and the ground measured by the ground component measuring unit 500. It is possible to operate the first driving unit 200 and the second driving unit 400 based on the received operation data according to the components of .
  • the operation data is the first driving unit 200 and the second driving unit 400 for each component of the ground so that the forward speed of the main body 100 and the rotational speed of the excavation unit 300 vary according to the components of the ground having different strengths. contains information to operate
  • the first driving unit 200 moves the main body unit 100 relatively slowly and the second driving unit ( 400) may include information for rotating the excavation unit 300 relatively slowly.
  • the operation data indicates that when the ground measured by the ground component measurement unit 500 has relatively low strength, the first driving unit 200 moves the main body unit 100 relatively quickly and the second driving unit 400 moves the body unit 100 forward relatively quickly.
  • Information for relatively quickly rotating the excavation unit 300 may be included.
  • the ground While measuring the components of the ground with the ground component measurement unit 500, the ground is excavated with the tunnel excavation apparatus 1 to which the spectroscopic analysis method is applied.
  • the ground component measuring unit 500 inhales the powder of the ground and measures the components of the ground using the laser induced spectroscopic analyzer 530, and the focus of the laser irradiated from the laser induced spectroscopic analyzer 530 is Since it is formed on the powder surface of the ground, it is possible to measure the components of the ground more accurately in real time.
  • the control unit 600 determines the forward speed of the body part 100 and the excavation unit ( The operation of the first driving unit 200 and the second driving unit 400 is controlled so that the rotation speed of the 300 is changed.
  • the control unit 600 slows down the speed at which the tunnel excavation apparatus 1 to which the spectroscopic analysis method is applied slows down the excavation of the ground. 200) and the operation of the second driving unit 400 can be controlled, and when the strength of the ground measured by the ground component measuring unit 500 is relatively small, the tunnel excavation apparatus 1 to which the spectroscopic analysis method is applied excavates the ground
  • the operation of the first driving unit 200 and the second driving unit 400 may be controlled so that the driving speed is increased.
  • the tunnel excavation apparatus to which the spectroscopic analysis method according to the present invention is applied measures the properties of the ground to be excavated using a ground component measuring unit configured such that the focal length of the laser irradiated from the laser induced spectroscopic analysis apparatus is positioned on the ground to be measured. Since it is measured, it provides an effect of acquiring information about the excavated ground more accurately in real time.
  • first driving unit and the second driving unit are controlled to be operated based on the information about the ground measured through the ground component measuring unit, cracks in the ground are prevented from occurring during the ground excavation process. Provides an effect.

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Abstract

본 발명은, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치에 관한 것이다. 이러한 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치는, 지반성분측정부를 구비하여 굴착되는 지반의 성질을 측정하고, 측정된 지반에 관한 정보를 기초로 제1 구동부 및 제2 구동부가 작동되도록 제어됨으로써 지반 굴착 과정에서 지반에 균열이 발생하는 것을 방지할 수 있게 한다.

Description

분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치
본 발명은, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 굴착되는 지반의 성분을 레이저유도분광분석장치를 이용하여 측정하고, 측정된 지반의 성분에 따라서 작동이 제어되는 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치에 관한 것이다.
터널 굴착 공법은 크게 재래식 터널 공법과 기계화 터널 공법으로 구분된다. 종래의 재래식 터널 공법은 인건 비용이 많이 소요되고, 시공 기간이 길어지는 등의 문제가 있으며, 안전 사고 등의 발생률이 높은 문제 또한 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 최근에는 기계화 터널 공법이 주로 사용되고 있다. 이러한 기계화 터널 공법 중 터널 굴착 장치(Tunnel Boring Machine, TBM)에 의한 기계화 시공은 단면이 원형으로 굴착되므로 역학적으로 안정적이고, 무진동 및 무발파 방식으로 굴착되므로 지반 변형을 최소화 하여 안전성을 확보할 수 있으며, 소음 및 진동 발생을 최소화 할 수 있는 친환경적인 터널 굴착 공법이다.
도 1은 터널 굴착 장치를 이용한 터널 시공의 개념도를 도시한 도면이고, 도 2는 터널 굴착 장치의 굴착부를 바라본 사시도이며, 도 3은 터널 굴착 장치의 굴착 원리를 나타내는 개념도를 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 3을 참조하여 설명하면, 터널 굴착 장치(1000) 전방의 굴착부(1100)에는 복수 개의 디스크커터(1120)가 장착될 수 있다. 그리고, 터널 굴착 장치(1000)가 전방의 지반과 접촉하면서 굴착부(1100)를 회전시키면 굴착부(1100)와 접촉하는 지반의 암석이나 흙이 잘게 부숴지게 되고, 이처럼 지반이 부숴짐에 따라서 터널 굴착 장치(1000)가 전방으로 전진할 수 있게 됨을 알 수 있다.
이와 같은 터널 굴착 장치를 이용하여 지반을 굴착하면, 작업자의 안전성이 증대되고, 소음 및 진동의 발생으로 인한 민원의 발생을 줄일 수 있으며, 시공 비용을 절감할 수 있는 등의 장점이 있다.
그러나, 지반의 성질을 고려하지 않고 터널 굴착 장치를 빠른 속도로 전진시키면서 빠른 속도로 굴착부를 회전시키면, 지반에 수용 한도 이상의 충격이 가해져서 균열 등이 발생할 수도 있다.
이처럼, 지반에 균열 등이 발생하는 경우에는 심각한 문제가 발생할 수도 있다. 예를 들어 설명하면, 방사화 폐기물을 저장하기 위한 용도 등으로 사용하기 위해 지반을 굴착하는 과정에서 지반에 균열 등이 발생하게 되면, 방사화 폐기물이 지반의 균열을 통해서 외부로 유출되는 등의 문제가 발생할 수도 있다.
그러므로, 지반에 수용 한도 이상의 충격이 가해지지 않도록 지반의 성질을 고려하면서 지반을 굴착하도록 터널 굴착 장치의 작동을 제어할 필요가 있다.
한편, 터널 굴착 장치로 지반을 굴착할 때 지반의 성질을 고려하기 위한 방안으로서 사전에 굴착될 지반의 성질을 미리 조사하는 방법이 있을 수 있지만, 이와 같은 방법은 굴착 과정에서 계속해서 바뀌는 지반의 성질에 대한 정확한 정보를 획득하기 어렵다.
따라서, 지반의 굴착 과정에서 지반에 수용 한도 이상의 충격이 가해지지 않도록, 터널 굴착 장치에 의해서 굴착되는 지반에 관한 정보를 실시간으로 획득하고, 획득된 지반에 관한 정보를 기초로 작동이 제어되는 터널 굴착 장치를 개발할 필요가 있다.
본 발명의 일 과제는, 굴착되는 지반에 관한 정보를 보다 정확하게 실시간으로 획득할 수 있는 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 또 다른 과제는, 지반에 균열을 발생시키는 충격을 가하지 않고 지반을 굴착할 수 있는 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 과제는 이상에서 언급된 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치는, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치에 있어서, 본체부, 상기 본체부에 연결되어 상기 본체부를 전진시키는 제1 구동부, 상기 본체부의 전방에 회전 가능하게 설치되고, 지반과 접촉하여 상기 지반을 굴착하는 굴착부, 상기 굴착부에 연결되도록 상기 본체부에 설치되고, 상기 굴착부를 회전시키는 제2 구동부, 상기 굴착부에 의해서 굴착되는 상기 지반의 성분을 레이저유도분광분석장치를 이용하여 측정하는 지반성분측정부 및 상기 지반의 성분에 따라 상기 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치의 작동을 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 지반의 성분 별로 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부를 작동시키기 위한 작동데이터를 저장하고, 상기 지반성분측정부로 측정한 상기 지반의 성분에 따른 상기 작동데이터를 기초로 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부를 작동시킬 수 있다.
또한, 상기 지반성분측정부는, 상기 굴착부에 의해서 굴착된 상기 지반의 가루를 흡입하여 내부에 수용한 다음 외부로 배출하고, 내부에 수용된 상기 지반의 가루에 상기 레이저유도분광분석장치로 레이저를 조사하여 상기 지반의 성분을 측정할 수 있다.
또한, 상기 지반성분측정부는, 상기 굴착부에 의해서 굴착된 상기 지반의 가루를 흡입하는 제1 흡입기구, 상기 제1 흡입기구에 의해서 흡입된 상기 지반의 가루를 수용하는 챔버가 형성되고, 일측에 레이저가 투과되는 투명창이 형성된 수용기구, 상기 투명창을 통해서 상기 챔버에 수용된 상기 지반의 가루로 레이저를 조사하여 상기 지반의 성분을 측정하는 상기 레이저유도분광분석장치 및 상기 챔버에 수용된 상기 지반의 가루를 흡입하여 상기 수용기구로부터 배출시키는 제2 흡입기구를 포함할 수 있다.
또한, 상기 레이저유도분광분석장치는, 소정 대상에 레이저를 조사하는 조사모듈, 상기 소정 대상에 조사된 레이저에 의해 상기 소정 대상으로부터 발생하는 플라즈마의 빛을 수광하는 수광모듈을 포함하고, 상기 투명창 외주연의 상기 챔버와 상기 조사모듈 간의 거리는, 상기 조사모듈에 의해서 조사되는 레이저의 초점거리와 동일할 수 있다.
또한, 상기 굴착부는, 상기 제2 구동부와 연결되며, 상기 본체부에 회전 가능하게 결합하는 굴착부몸체 및 상기 굴착부몸체가 회전하면서 상기 지반과 접촉하면 상기 지반을 파쇄하도록, 상기 굴착부몸체에 설치되는 굴착부재를 포함할 수 있다.
또한, 상기 굴착부재는 복수 개의 디스크커터로 구성될 수 있다.
과제를 해결하기 위한 기타 실시예들의 구체적인 사항들은 발명의 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
전술한 본 발명의 과제의 해결 수단에 의하면, 본 발명에 따른 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치는, 레이저유도분광분석장치에서 조사되는 레이저의 초점거리가 성질이 측정될 지반에 위치되도록 구성되는 지반성분측정부를 이용하여 굴착되는 지반의 성질을 측정하므로, 굴착되는 지반에 관한 정보를 보다 정확하게 실시간으로 획득할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 지반성분측정부를 통해서 측정된 지반에 관한 정보를 기초로 제1 구동부 및 제2 구동부가 작동되도록 제어되므로, 지반 굴착 과정에서 지반에 균열 등이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.
도 1은 터널 굴착 장치를 이용한 터널 시공의 개념도를 도시한 도면이다.
도 2는 터널 굴착 장치의 굴착부를 바라본 사시도이다.
도 3은 터널 굴착 장치의 굴착 원리를 나타내는 개념도를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치를 도시한 블록도이다.
도 5는 굴착부를 도시한 블록도이다.
도 6은 지반성분측정부를 도시한 블록도이다.
도 7은 지반성분측정부를 도시한 도면이다.
도 8은 레이저유도분광분석장치를 도시한 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 “상에” 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "약", "실질적으로" 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본원의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다. 본원 명세서 전체에서 사용되는 정도의 용어 "~(하는) 단계" 또는 "~의 단계"는 "~ 를 위한 단계"를 의미하지 않는다.
이하, 첨부한 도면들 및 후술되어 있는 내용을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여기서 설명되어지는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 명세서 전체에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치의 구성에 관하여 설명한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치를 도시한 블록도이다.
도 4를 참조하여 설명하면, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치(1)는 본체부(100), 제1 구동부(200), 굴착부(300), 제2 구동부(400), 지반성분측정부(500), 제어부(600)를 포함한다.
먼저, 본체부(100)에 관하여 설명한다.
본체부(100)는 내부에 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치(1)의 구성 요소가 장착될 수 있도록 형성되며, 길이 방향으로 연장되는 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 본체부(100)에는 제1 구동부(200), 굴착부(300), 제2 구동부(400), 지반성분측정부(500), 제어부(600)를 포함하는 구성 요소가 장착되며, 이외에도 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치(1)가 굴착을 할 때 발생되는 토사를 외부로 배출시키는 이수순환유닛 등 굴착에 필요한 다양한 장비들이 장착될 수 있다.
이어서, 제1 구동부(200)에 관하여 설명한다.
제1 구동부(200)는 본체부(100)에 연결되어 구동력을 발생시켜서 본체부(100)를 전진시키는 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어 설명하면, 제1 구동부(200)는 길이 방향으로 신축되는 반력에 의해서 본체부(100)의 전방을 전후 방향으로 슬라이드 이동시킬 수 있다.
이러한 제1 구동부(200)는, 종래의 유압에 의해서 조절되는 유압 실린더 또는 모터 등으로 구성되어 본체부(100)를 전진시킬 수 있는 구조로 형성될 수 있다.
이어서, 굴착부(300)에 관하여 설명한다.
굴착부(300)는 본체부(100)의 전방에 회전이 가능하게 설치되고, 지반과 접촉하여 지반을 굴착하는 기능을 수행할 수 있다.
도 5는 굴착부를 도시한 블록도이다.
도 5를 참조하여 설명하면, 굴착부(300)는 굴착부몸체(310), 굴착부재(320)를 포함할 수 있다.
굴착부몸체(310)는 본체부(100)의 전방에 회전 가능하게 결합되고, 후술할 제2 구동부(400)에 연결되어 제2 구동부(400)로부터 회전력을 인가 받아 회전할 수 있다.
이러한 굴착부몸체(310)는 원판 형상으로 형성될 수 있으며, 회전 작동에 의해 후술할 굴착부재(320)의 위치를 연속적으로 변경시켜서 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치(1)의 굴착 효율을 향상시킬 수 있다.
굴착부재(320)는 굴착부몸체(310)의 전방에 설치되며, 굴착부몸체(320)가 회전하면서 지반과 접촉하면 지반을 파쇄하도록 구성될 수 있다.
예를 들어 설명하면, 굴착부재(320)는 복수 개의 디스크커터로 구성되어 굴착부몸체(310)의 전방에 설치될 수 있다.
이어서, 제2 구동부(400)에 관하여 설명한다.
제2 구동부(400)는 본체부(100)에 설치되고, 굴착부(300)에 연결되어 회전력을 전달함으로써 굴착부(300)를 회전시킬 수 있다.
예를 들어 설명하면, 제2 구동부(400)는 본체부(100)의 내부에 설치되어 회전력을 발생시키는 모터, 모터의 출력축, 굴착부몸체(310)에 연결되어 모터의 회전력을 굴착부몸체(310)로 전달하는 동력전달부재를 포함할 수 있다.
이어서, 지반성분측정부(500)에 관하여 설명한다.
지반성분측정부(500)는 굴착부(300)에 의해서 굴착된 지반의 가루를 흡입하여 내부에 수용한 다음 외부로 배출할 수 있다. 굴착부(300)가 회전하면서 지반과 접촉하면 지반이 파쇄되고, 파쇄된 지반 중 일부는 가루 형태로 대기 중에 부유하게 된다. 지반성분측정부(500)는 이처럼 대기 중에 부유하는 지반의 가루를 흡입하여 내부에 수용한 다음 외부로 배출할 수 있다.
그리고, 지반성분측정부(500)는 내부에 수용된 지반의 가루에 레이저유도분광분석장치(Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)로 레이저를 조사하여 지반의 성분을 측정할 수 있다.
도 6은 지반성분측정부를 도시한 블록도이고, 도 7은 지반성분측정부를 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면, 지반성분측정부(500)는 제1 흡입기구(510), 수용기구(520), 레이저유도분광분석장치(530) 및 제2 흡입기구(540)를 포함한다.
제1 흡입기구(510)는 굴착부(300)에 의해서 굴착된 지반의 가루를 흡입하는 기능을 수행할 수 있으며, 종래의 진공 흡입 장치 등으로 구성될 수 있다.
제1 흡입기구(510)에 의해서 흡입된 지반의 가루는 후술할 수용기구(520)로 이송된다.
수용기구(520)는 제1 흡입기구(510)와 연결되고, 제1 흡입기구(510)에 의해서 흡입되어 이송된 지반의 가루를 수용하는 기능을 수행할 수 있다.
수용기구(520)의 내부에는 지반의 가루를 수용할 수 있는 챔버(522)가 형성될 수 있으며, 챔버(522) 내부에 수용된 지반의 가루는 챔버(522) 내부에서 부유하다가 후술할 제2 흡입기구(540)에 의해서 수용기구(520) 외부로 배출될 수 있다.
그리고, 수용기구(520)의 일측에는 레이저가 투과 가능한 투명창(524)이 형성될 수 있다. 투명창(524)은 후술할 레이저유도분광분석장치(530)로부터 조사되는 레이저가 투명창(524)을 투과하여 챔버(522) 내부에 수용된 지반의 가루에 조사될 수 있도록, 유리 등의 재질로 형성될 수 있다.
레이저유도분광분석장치(530)는 시료에 레이저를 조사하고 조사된 레이저에 의해서 시료로부터 발생되는 플라즈마로부터 발생되는 빛을 수광하여 시료의 성분을 분석할 수 있는 종래의 장치로 구성될 수 있으며, 챔버(522)에 수용된 지반의 가루로 레이저를 조사하여 지반의 성분을 측정하는 기능을 수행할 수 있다.
도 8은 레이저유도분광분석장치를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하여 설명하면, 레이저유도분광분석장치(530)는 조사모듈(531), 수광모듈(532), 케이스(533)를 포함한다.
조사모듈(531)은 소정 대상에 레이저를 조사하도록 형성될 수 있다. 이를 위해 조사모듈(531)은 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 렌즈에 의해서 결정되는 초점거리 상에는 조사모듈(531)에서 조사된 레이저의 초점이 형성될 수 있다. 이러한 레이저의 초점이 소정 대상의 표면 상에 형성될 때 소정 대상으로부터 가장 많은 플라즈마를 발생시킬 수 있다.
그리고, 소정 대상으로부터 가장 많은 플라즈마가 발생하는 경우, 후술할 수광모듈(532)로 플라즈마의 빛을 효과적으로 수광하여 소정 대상의 성분을 보다 정확하게 분석할 수 있게 된다.
수광모듈(532)은 조사모듈(531)에 의해서 조사된 레이저에 의해서 소정 대상으로부터 발생하는 플라즈마의 빛을 수광하도록 형성될 수 있다. 이를 위해 수광모듈(532) 역시 적어도 하나의 렌즈를 포함하여 형성될 수 있으며, 수광모듈(532)의 적어도 하나의 렌즈는 레이저에 의해서 형성되는 초점 주변, 일 예로 레이저에 의해서 형성되는 초점으로부터 소정 거리만큼 이격된 위치에 수광모듈(532)에서 센싱되는 영상의 초점이 형성되도록 초점거리가 설정될 수 있다.
그러므로, 시료의 표면 상에 조사모듈(531)에서 조사되는 레이저의 초점이 위치할 때, 수광모듈(532)에서 시료로부터 발생하는 플라즈마에 초점이 일치된 영상을 센싱할 수 있다. 이러한 수광모듈(532)은 플라즈마의 수광의 효율을 높이기 위해 조사모듈(531)의 주변에 배치될 수도 있다.
케이스(533)는 조사모듈(531)과 수광모듈(532)을 내부에 수용하는 기능을 수행할 수 있으며, 레이저유도분광분석장치(530)의 외관을 형성할 수 있다.
한편, 조사모듈(531)에서 조사된 레이저의 초점이 소정 대상의 표면 상에 형성될 때 소정 대상으로부터 가장 많은 플라즈마가 발생하므로, 지반의 성분을 보다 정확하게 측정하기 위해서는 조사모듈(531)에서 조사된 레이저의 초점이 지반의 가루의 표면 상에 형성되는 것이 바람직하다.
그리고, 조사모듈(531)에서 조사된 레이저의 초점이 지반의 가루의 표면 상에 형성되기 위해서는, 조사모듈(531)에서 조사된 레이저의 초점이 투명창(524) 외주연의 챔버(522)에 형성될 필요가 있다.
즉, 챔버(522) 내부에 수용된 지반의 가루는 챔버(522) 내부에서 부유하면서 챔버(522) 내부의 모든 공간에 분포하게 되기 때문에, 조사모듈(531)에서 조사된 레이저의 초점이 투명창(524) 외주연의 챔버(522)에 형성될 때 조사모듈(531)에서 조사된 레이저의 초점이 지반의 가루의 표면 상에 형성될 수 있다.
그러므로, 도 7에 도시된 바와 같이, 투명창(524) 외주연의 챔버(522)와 레이저유도분광분석장치(530)의 조사모듈(531) 간의 거리(l1)가 조사모듈(531)에 의해서 조사되는 레이저의 초점거리와 동일하게 되도록 하면, 조사모듈(531)에서 조사된 레이저의 초점이 투명창(524) 외주연의 챔버(522)에 형성되어 지반의 성분을 보다 정확하게 측정할 수 있게 된다.
제2 흡입기구(540)는 수용기구(520)의 챔버(522)에 수용된 지반의 가루를 흡입하여 수용기구(520)로부터 배출시키는 기능을 수행할 수 있으며, 종래의 진공 흡입 장치 등으로 구성될 수 있다.
제2 흡입기구(540)에 의해서 흡입된 지반의 가루는 지반성분측정부(500) 외부로 배출될 수 있다.
이어서, 제어부(600)에 관하여 설명한다.
제어부(600)는 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치(1)가 굴착하는 지반의 성분에 따라서 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치(1)의 작동이 제어되도록, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치(1)의 구성 요소의 작동을 제어할 수 있다.
일반적으로, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치(1)에 의해서 굴착되는 지반이 단단할수록 지반을 굴착하는 속도를 느리게 해야 지반에 가하는 충격을 최소화 할 수 있다.
즉, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치(1)에 의해서 굴착되는 지반의 성질 별로 굴착 속도를 다르게 조절해야, 지반 굴착 과정에서 지반에 균열 등이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해서, 제어부(600)는 지반의 성분 별로 제1 구동부(200) 및 제2 구동부(400)를 작동시키기 위한 작동데이터를 저장하고, 지반성분측정부(500)로 측정한 지반의 성분에 따른 작동데이터를 전송 받아 이를 기초로 제1 구동부(200) 및 제2 구동부(400)를 작동시킬 수 있다.
작동데이터는 강도가 서로 다른 지반의 성분에 따라서 본체부(100)의 전진 속도와 굴착부(300)의 회전 속도가 달라지도록, 지반의 성분 별로 제1 구동부(200) 및 제2 구동부(400)를 작동시키기 위한 정보를 포함한다.
예를 들어 설명하면, 작동데이터는 지반성분측정부(500)로 측정한 지반이 상대적으로 강도가 큰 경우, 제1 구동부(200)가 본체부(100)를 상대적으로 느리게 전진시키고 제2 구동부(400)가 굴착부(300)를 상대적으로 느리게 회전시키기 위한 정보를 포함할 수 있다.
반면에, 작동데이터는 지반성분측정부(500)로 측정한 지반이 상대적으로 강도가 작은 경우, 제1 구동부(200)가 본체부(100)를 상대적으로 빠르게 전진시키고 제2 구동부(400)가 굴착부(300)를 상대적으로 빠르게 회전시키기 위한 정보를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치의 작용 및 효과에 관하여 설명한다.
지반성분측정부(500)로 지반의 성분을 측정하면서 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치(1)로 지반을 굴착한다.
이 때, 지반성분측정부(500)는 지반의 가루를 흡입하여 레이저유도분광분석장치(530)를 이용해서 지반의 성분을 측정하며, 레이저유도분광분석장치(530)에서 조사되는 레이저의 초점은 지반의 가루 표면에 형성되므로 지반의 성분을 보다 정확하게 실시간으로 측정할 수 있다.
지반성분측정부(500)에 의해서 측정된 지반의 성분에 관한 정보가 제어부(600)로 전송되면, 제어부(600)는 측정된 지반의 성분에 따라서 본체부(100)의 전진 속도와 굴착부(300)의 회전 속도가 달라지도록 제1 구동부(200) 및 제2 구동부(400)의 작동을 제어한다.
구체적으로, 제어부(600)는 지반성분측정부(500)에 의해서 측정된 지반의 강도가 상대적으로 큰 경우 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치(1)가 지반을 굴착하는 속도가 느려지도록 제1 구동부(200) 및 제2 구동부(400)의 작동을 제어할 수 있으며, 지반성분측정부(500)에 의해서 측정된 지반의 강도가 상대적으로 작은 경우 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치(1)가 지반을 굴착하는 속도가 빨라지도록 제1 구동부(200) 및 제2 구동부(400)의 작동을 제어할 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치는, 레이저유도분광분석장치에서 조사되는 레이저의 초점거리가 성질이 측정될 지반에 위치되도록 구성되는 지반성분측정부를 이용하여 굴착되는 지반의 성질을 측정하므로, 굴착되는 지반에 관한 정보를 보다 정확하게 실시간으로 획득할 수 있는 효과를 제공한다.
또한, 지반성분측정부를 통해서 측정된 지반에 관한 정보를 기초로 제1 구동부 및 제2 구동부가 작동되도록 제어되므로, 지반 굴착 과정에서 지반에 균열 등이 발생하는 것을 방지할 수 있는 효과를 제공한다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

  1. 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치에 있어서,
    본체부;
    상기 본체부에 연결되어 상기 본체부를 전진시키는 제1 구동부;
    상기 본체부의 전방에 회전 가능하게 설치되고, 지반과 접촉하여 상기 지반을 굴착하는 굴착부;
    상기 굴착부에 연결되도록 상기 본체부에 설치되고, 상기 굴착부를 회전시키는 제2 구동부;
    상기 굴착부에 의해서 굴착되는 상기 지반의 성분을 레이저유도분광분석장치를 이용하여 측정하는 지반성분측정부; 및
    상기 지반의 성분에 따라 상기 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치의 작동을 제어하는 제어부를 포함하는, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 지반의 성분 별로 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부를 작동시키기 위한 작동데이터를 저장하고, 상기 지반성분측정부로 측정한 상기 지반의 성분에 따른 상기 작동데이터를 기초로 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부를 작동시키는, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 지반성분측정부는,
    상기 굴착부에 의해서 굴착된 상기 지반의 가루를 흡입하여 내부에 수용한 다음 외부로 배출하고,
    내부에 수용된 상기 지반의 가루에 상기 레이저유도분광분석장치로 레이저를 조사하여 상기 지반의 성분을 측정하는, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 지반성분측정부는,
    상기 굴착부에 의해서 굴착된 상기 지반의 가루를 흡입하는 제1 흡입기구;
    상기 제1 흡입기구에 의해서 흡입된 상기 지반의 가루를 수용하는 챔버가 형성되고, 일측에 레이저가 투과되는 투명창이 형성된 수용기구;
    상기 투명창을 통해서 상기 챔버에 수용된 상기 지반의 가루로 레이저를 조사하여 상기 지반의 성분을 측정하는 상기 레이저유도분광분석장치; 및
    상기 챔버에 수용된 상기 지반의 가루를 흡입하여 상기 수용기구로부터 배출시키는 제2 흡입기구를 포함하는, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 레이저유도분광분석장치는,
    소정 대상에 레이저를 조사하는 조사모듈;
    상기 소정 대상에 조사된 레이저에 의해 상기 소정 대상으로부터 발생하는 플라즈마의 빛을 수광하는 수광모듈을 포함하고,
    상기 투명창 외주연의 상기 챔버와 상기 조사모듈 간의 거리는, 상기 조사모듈에 의해서 조사되는 레이저의 초점거리와 동일한, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 굴착부는,
    상기 제2 구동부와 연결되며, 상기 본체부에 회전 가능하게 결합하는 굴착부몸체; 및
    상기 굴착부몸체가 회전하면서 상기 지반과 접촉하면 상기 지반을 파쇄하도록, 상기 굴착부몸체에 설치되는 굴착부재를 포함하는, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 굴착부재는 복수 개의 디스크커터로 구성되는, 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치.
PCT/KR2023/002068 2022-02-16 2023-02-13 분광분석법을 적용한 터널 굴착 장치 WO2023158172A1 (ko)

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KR1020220020066A KR102431794B1 (ko) 2022-02-16 2022-02-16 터널 굴착 장치
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