KR101072229B1 - 지향식 수평굴착공사용 확공기 - Google Patents

Abstract

지향식 수평굴착공사용 확공기가 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 굴진장비에 연결된 구동로드가 선단에 연결됨으로써 회전력을 제공받기 위한 원추형의 머리부가 마련되고, 머리부의 전면에 다수의 팁이 돌출되도록 형성되며, 머리부로부터 뒤쪽으로 원통형의 직선몸체가 일체를 이루는 확공기와, 확공기의 내측에 다수로 장착되되, 전후 왕복운동을 하는 각각의 타격헤드가 머리부에서 회전중심 둘레에 다수로 형성되는 관통홀 각각을 통해서 전방을 향하도록 설치되는 해머와, 구동로드로부터 공급되는 물과 벤토나이트의 혼합물에 의해 동작하고, 해머를 구동시키도록 펌핑력을 제공하는 머드펌프를 포함한다.
본 발명에 따르면, 일반적인 토사층은 물론 암석층이나 호박돌을 쉽게 쪼개고 부수도록 하여 확공속도가 빠르게 진행되어 관로 공사의 작업이 신속하게 이루어지도록 하고, 암반층이나 전석층 또는 호박돌 등을 부수기 위한 해머의 구동을 물과 벤토나이트의 압력을 이용한 머드펌프를 사용함으로써 해머의 구동을 위한 별도의 동력공급장치를 필요로 하지 않도록 하고, 이로 인해 확공기의 운영에 필요한 장비를 단순화할 수 있으며, 조작의 편의성을 높이면서도 작업 시간 및 비용을 줄일 수 있는 장점을 가진다.

Description

지향식 수평굴착공사용 확공기{REAMER FOR HORIZONTAL DIRECTIONAL DRILLING}

본 발명은 굴착공의 확공에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지향식 수평굴착공사용 확공기에 관한 것이다.

일반적으로, 수도관, 가스관 등과 같은 각종 관로를 설치할 때에는 먼저 땅을 굴착하여 지하 선로를 형성하고, 지하 선로 속으로 매설관을 인입하여 매설하는 비개착 지향식 수평굴착공법을 사용하고 있다.

종래의 지향식 수평굴착공법은 소구경 드릴 헤더를 전방으로 회전 추진시켜서 관로를 천공하되, 드릴헤더에 형성된 노즐을 통해서 물과 벤토나이트(Bentonite)의 혼합물을 진행방향으로 고압 분사하여 천공함으로써 소구경 굴착공이 굴착되도록 한다.

이러한 지향식 수평굴착공법에 사용되는 장비는 자체엔진과 굴진트랙, 로드(Rod)의 장착 및 탈착 장치로 구성되고, 메인장비에는 로드가 필요한 길이로 연결되며, 로드의 외단에는 굴착시와 확공시 드릴헤더와 확공기가 각각 선택적으로 연결되며, 메인장비로부터 회전력과 추진력이 제공된다.

드릴헤더는 회전하는 구동로드의 선단에 연결되는 굴착공구로서, 전면에 다수의 팁을 가진 비트가 설치되고, 회전하면서 굴진하여 수구경 관로공을 굴착하며, 고압의 물과 벤토나이트의 혼합물이 동시에 분사되어 굴착력을 높이도록 한다.

확공기는 드릴헤더에 대체되어 구동로드의 선단에 연결되고, 관로공을 역주행하면서 넓혀주는 공구로서, 전단이 뾰족한 원추형 몸체를 가지고, 전면에 다수의 팁이 장착된 회전형 추진체로 이루어진다.

이와 같은, 지향식 수평굴착공법은 소구경 드릴헤더에 의해서 소구경 관로공이 굴착 완료되면, 반대쪽으로 인출된 구동로드의 단부에서 드릴헤더를 분리하고, 드릴헤더를 대신하여 확공기를 구동로드에 연결하여 끌어당김으로써 회전력을 가진 확공기가 소규경 관로공을 확장시키면서 역추진되며, 확공기에는 관체를 매달아 함께 인입되게 하거나, 확장후 별도로 관체를 삽입하여 매설한다.

종래의 확공기에 의한 확공 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 기술에 따른 확공기에 의한 확공 방법을 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 확공기(1)는 원추형으로 이루어지고, 전면에 다수의 팁이 장착되며, 구동로드(2)에 의해 회전하면서 소구경 굴착공(A) 속을 파고들어 굴진하여 대구경 확장공(B)으로 확공되도록 한다.

그러나, 종래의 확공기(1)는 단순히 머리부에 복수의 팁이 구비된 것이므로 일반 토사층 굴착공에 대한 확장은 용이하지만, 진행 과정에서 암반층이나, 전석층 또는 호박돌이 섞인 부분에서는 팁만으로는 이들 암석층을 타개하여 추진할 수 있는 능력이 없기 때문에 작업이 용이하지 못하고, 이로 인해 공기와 비용을 증가시키는 문제점을 가지고 있었다.

또한, 종래의 확공기(1)는 원추형으로 이루어짐으로써 전체적으로 경사형태를 가짐으로써 굴착공(A) 내에서 유동하게 된다. 즉, 확공기(1)가 굴착공(A)을 따라서 곡선 경로를 따라 이동할 때, 확공기(1)의 전체적인 형상이 원추형의 경사형태를 가짐으로써 선단이 들리거나 기울어져서 유동하게 되는 문제점을 가지고 있었다. 따라서, 곡형 굴착공 속에서 로드가 끌어당기는 쪽으로 쉽게 머리를 들어서 궤도를 이탈하게 됨으로써 굴착공의 진로가 변경되고, 작업이 지연되는 등의 문제점을 가지고 있었다.

또한, 종래의 확공기(1)는 원추형을 제외한 몸체가 짧기 때문에 소구경을 넓게 확장하는 작용은 용이하지만, 넓혀진 굴착공의 다짐력이 약하며, 확공기(1)가 통과된 뒷쪽의 확장공이 다져지지 않아서 붕괴를 유발하게 되는 문제점을 가지고 있었다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 토사층은 물론 암반층이나 전석층 및 호박돌 등의 단단한 지층을 만났을 때, 이들을 타개하면서 추진할 수 있는 지향식 수평굴착공사용 확공기 및 이를 이용한 확공 방법을 제안하는 것이다.

또한, 본 발명은 공사장비의 개선으로 궤도가 변경되는 단점을 해소하여 신속하면서도 정확한 확공 작업을 수행하여 작업효율을 향상시키고, 확공기가 통과된 확장공의 붕괴 우려를 줄이고, 견고한 확장공을 형성하도록 하는 지향식 수평굴착공사용 확공기 및 이를 이용한 확공 방법을 제안하는 것이다.

또한, 본 발명은 암반층이나 전석층 또는 호박돌 등을 부수기 위한 해머의 구동을 물과 벤토나이트의 압력을 이용함으로써 해머의 구동을 위한 별도의 동력공급장치를 필요로 하지 않음으로써 확공기의 운영에 필요한 장비를 단순화하고, 조작의 편의성을 높이면서도 작업 시간 및 비용을 줄이도록 하는 지향식 수평굴착공사용 확공기 및 이를 이용한 확공 방법을 제안하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 지향식 수평굴착용 확공기에 있어서, 굴진장비에 연결된 구동로드가 선단에 연결됨으로써 회전력을 제공받기 위한 원추형의 머리부가 마련되고, 상기 머리부의 전면에 다수의 팁이 돌출되도록 형성되며, 상기 머리부로부터 뒤쪽으로 원통형의 직선몸체가 일체를 이루는 확공기와, 상기 확공기의 내측에 다수로 장착되되, 전후 왕복운동을 하는 각각의 타격헤드가 상기 머리부에서 회전중심 둘레에 다수로 형성되는 관통홀 각각을 통해서 전방을 향하도록 설치되는 해머와, 상기 구동로드로부터 공급되는 물과 벤토나이트의 혼합물에 의해 동작하고, 상기 해머를 구동시키도록 펌핑력을 제공하는 머드펌프를 포함하는 지향식 수평굴착공사용 확공기가 제공된다.

상기 해머는, 상기 타격헤드의 선단이 상기 머리부의 경사와 동일한 경사면을 가지도록 형성되고, 상기 확공기에서 회전중심의 둘레를 따라 동일한 간격으로 설치될수 있다.

상기 구동로드로부터 상기 머드펌프로 상기 혼합물을 공급하는 공급관에 설치되고, 상기 혼합물을 분배관을 통해서 상기 해머 각각의 몸체로 공급하는 분배모듈과, 상기 분배모듈로부터 상기 분배관을 통해 공급되는 혼합물을 전방으로 분사하도록 상기 타격헤드에 형성되는 토출공을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 확공기에 의하면, 확공기의 전면부에 설치한 해머의 강력한 진동충격과 타격작용으로 지속적으로 이루어지도록 하고, 나아가서, 타격헤드의 노출공에서 물과 벤토나이트가 전방으로 지속적으로 분사되도록 함으로써 일반적인 토사층은 물론 암석층이나 호박돌을 쉽게 쪼개고 부수도록 하여 확공속도가 빠르게 진행되어 관로 공사의 작업이 신속하게 이루어지도록 하는 장점을 가진다.

또한, 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 확공기에 의하면, 확공기에서 원추형을 제외한 부분이 길도록 하여 넓혀진 관로공이 붕괴되지 않도록 다져서 견고한 토관을 형성하도록 하고, 확공기의 유동을 억제하여 궤도 변경이나 이탈 현상 없이 굴착공을 따라서 굴진 이동하여 설정된 확공 작업을 신속하면서도 정확하게 수행하도록 하는 장점을 가진다.

또한, 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 확공기에 의하면, 암반층이나 전석층 또는 호박돌 등을 부수기 위한 해머의 구동을 물과 벤토나이트의 압력을 이용한 머드펌프를 사용함으로써 해머의 구동을 위한 별도의 동력공급장치를 필요로 하지 않도록 하고, 이로 인해 확공기의 운영에 필요한 장비를 단순화할 수 있으며, 조작의 편의성을 높이면서도 작업 시간 및 비용을 줄일 수 있는 장점을 가진다.

도 1은 종래의 기술에 따른 확공기에 의한 확공 공법을 설명하기 위한 도면이고,
도 2는 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 확공기를 도시한 사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 확공기를 도시한 단면도이고,
도 4는 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 확공기를 도시한 정면도이고,
도 5는 본 발명에 따른 지향식 수평굴착 확공 방법을 도시한 흐름도이고,
도 6은 본 발명에 따른 지향식 수평굴착 확공 방법을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해 되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대해 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 확공기를 도시한 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 확공기를 도시한 단면도이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 확공기(100)는 구동로드(110)가 선단에 연결되는 확공기(120)와, 확공기(120)에 설치되는 해머(130)와, 해머(130)를 구동시키는 머드펌프(Mud pump; 140)를 포함할 수 있다.

확공기(120)는 굴진장비에 연결된 구동로드(110)가 선단에 연결됨으로써 회전력을 제공받기 위한 원추형의 머리부(121)가 마련되고, 머리부(121)의 전면에 다수의 팁(122)이 돌출되도록 형성되며, 머리부(121)로부터 뒤쪽으로 원통형의 직선몸체(124)가 일체를 이룬다. 여기서, 팁(122)은 머리부(121)의 전면에 길이방향을 따라 다수의 열을 이루도록 형성될 수 있다. 또한, 직선몸체(124)는 머리부(121)가 확장시킨 확장공을 다져주면서 성형하여 확장공이 붕괴되지 않도록 하고, 어느 정도 직선 길이를 가지게 됨으로써 확장공의 내벽면에 밀착됨으로써 머리부(121)는 물론 확공기(120) 전체의 유동을 방지함과 아울러, 궤도 변경의 우려를 없애도록 한다.

해머(130)는 확공기(120)의 내측에 다수로 장착되되, 전후 왕복운동을 하는 각각의 타격헤드(131)가 머리부(121)에서 회전중심 둘레에 다수로 형성되는 관통홀(123) 각각을 통해서 전방을 향하도록 설치되고, 몸체(132)의 내측이 왕복 운동하는 피스톤(133)에 의해 격리됨으로써 양측으로 격리된 공간을 가지고, 일측 공간에 작동을 위한 유체가 공급되며, 타측 공간에 타격헤드(131)가 왕복 운동하도록 설치된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 해머(130)는 타격헤드(131)의 선단이 머리부(121)의 경사와 동일한 경사면을 가지도록 형성되고, 확공기(120)에서 회전중심의 둘레를 따라 동일한 간격으로 설치될 수 있으며, 본 실시예에서처럼 4개가 설치될 뿐만 아니라, 굴착공의 직경이나 지반의 조성이나 경도 등에 따라 그 개수를 달리할 수 있다. 여기서, 타격헤드(131)는 타격의 효율성과 용이함을 높이기 위하여, 도끼날처럼 납작한 판체형이나 뾰족한 못 형상으로 형성될 수 있다. 이와 같이, 타격헤드(131)가 경사면을 형성함으로써, 확공기(120)의 회전시 확공면과의 간섭을 줄이면서도 타격 효과를 가지도록 한다.

머드펌프(140)는 구동로드(110)로부터 공급되는 물과 벤토나이트(Bentonite)의 혼합물에 의해 동작하고, 해머(130)를 구동시키도록 펌핑력을 제공한다. 즉, 머드펌프(140)는 물과 벤토나이트의 혼합물을 작동유체로 하여 동작하여 펌핑력을 발생시키고, 이를 위해 구동로드(110)의 공급관(111)으로부터 작동에 필요한 정해진 압력 이상의 물과 벤트나이트의 혼합물을 공급받게 되며, 해머(130)의 피스톤(133)을 왕복 운동시키기에 충분한 펌핑력을 공급라인(141)을 통해 제공한다. 또한, 머드펌프(140)는 해머(130)를 직접 작동시키는 위한 유체가 구동로드(110)로부터 공급되는 자신의 작동유체는 물론 이와는 상이한 오일이나 압축공기 등을 사용할 수 있으며, 이러한 유체의 보관을 위하여 챔버를 가질 수도 있다.

머드펌프(140)는 다수로 이루어진 해머(130)의 몸체(132) 각각으로 공급라인(141)을 통해 펌핑력을 제공하기 위해 분배부(142)가 마련될 수 있다.

본 발명에 따른 지향식 수평굴착공사용 확공기(100)는 구동로드(110)로부터 공급되는 물과 벤토나이트의 혼합물을 전방으로 분사하기 위하여 분배모듈(112)과 토출공(134)을 가질 수 있다.

분배모듈(112)은 구동로드(110)로부터 머드펌프(140)로 혼합물을 공급하는 공급관(111)에 설치되고, 물과 벤토나이트의 혼합물을 분배관(113)을 통해서 해머(130) 각각의 몸체(132)로 공급하도록 한다. 여기서, 분배관(113)은 해머(130)의 몸체(132) 내측 공간 중에서 타격헤드(131)가 위치하는 공간으로 혼합물을 공급하도록 연결된다.

토출공(134)은 분배모듈(112)로부터 분배관(113)을 통해 공급되는 물과 벤토나이트의 혼합물을 전방으로 분사하도록 타격헤드(131)에 형성되고, 본 실시예에서처럼 타격헤드(131)에 다수로 형성될 수 있으며, 분배관(113)으로부터 공급되는 혼합물을 토출공(134)에 직접 공급하거나, 본 실시예에서처럼 분배관(113)으로부터 공급되는 혼합물을 타격헤드(131)에 형성되는 공급유로(135)를 통해서 다수의 토출공(134)으로 분배되도록 공급할 수 있다.

한편, 구동로드(110)의 회전 및 혼합물 공급은 외부의 콘트롤 장치에 의해 제어된다.

도 5는 본 발명에 따른 지향식 수평굴착 확공 방법을 도시한 흐름도이고, 도 6은 본 발명에 따른 지향식 수평굴착 확공 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지향식 수평굴착 확공 방법은 구동로드 삽입단계(S11)와, 확공기 연결단계(S12)와, 구동로드 회전 및 인발단계(S13)와, 머드펌프 구동에 의한 확공단계(S14)를 포함할 수 있다.

구동로드 삽입단계(S11)에 의하면, 굴진장비에 연결된 구동로드(110)를 굴착공(A)에 삽입하여 확장공(B)의 시작구, 즉 굴착공(A)에서 확장공(B)이 시작되는 지점까지 도달하도록 한다.

확공기 연결단계(S12)에 의하면, 시작구로부터 노출되는 구동로드(110)의 끝단을 확공기(120)의 직선몸체(124) 전단에 형성되는 원추형 머리부(121)에 연결시킨다.

구동로드 회전 및 인발단계(S13)에 의하면, 굴진장비의 구동에 의해 구동로드(110)를 회전시키면서 확공기(120)를 당기게 된다.

머드펌프 구동에 의한 확공단계(S14)에 의하면, 구동로드 회전 및 인발단계(S13) 전후 또는 과정중에 구동로드(110)를 통해 물과 벤토나이트의 혼합물을 정해진 압력 이상으로 확공기(120)의 내측에 설치된 머드펌프(140)에 공급함으로써 이를 작동유체로 하여 머드펌프(140)가 확공기(120)에 설치된 다수의 해머(130)를 펌핑력에 의해 구동시키고, 해머(130)의 구동에 의해 머리부(121)로부터 전방으로 노출되는 해머(130) 각각의 타격헤드(131)를 전후로 왕복 운동시켜서 전방의 지반을 타격함과 아울러, 머리부(121)의 전면에 돌출 형성된 팁(122)이 확공기(120)의 회전에 의해 전방의 지반과 마찰을 일으켜서 굴착공(A)을 확장시킴으로써 확장공(B)을 형성하도록 한다.

한편, 머드펌프의 구동에 의한 확공 단계(S14)는 물과 벤토나이트의 혼합물의 일부가 분배모듈(112)과 분배관(113)에 의해 해머(130)의 몸체(132)로 공급되어 공급로(135)와 토출공(134)을 통해서 타격헤드(131)의 전방으로 분사되도록 하며, 이로 인해 굴착력을 높이도록 할 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

110 : 구동로드 111 : 공급관
112 : 분배모듈 113 : 분배관
120 : 확공기 121 : 머리부
122 : 팁 123 : 관통홀
124 : 직선몸체 130 : 해머
131 : 타격헤드 132 : 몸체
133 : 피스톤 134 : 토출공
135 : 공급로 140 : 머드펌프
141 : 공급라인 142 : 분배부

Claims (3)

1. 지향식 수평굴착용 확공기에 있어서,
   굴진장비에 연결된 구동로드가 선단에 연결됨으로써 회전력을 제공받기 위한 원추형의 머리부가 마련되고, 상기 머리부의 전면에 다수의 팁이 돌출되도록 형성되며, 상기 머리부로부터 뒤쪽으로 원통형의 직선몸체가 일체를 이루는 확공기;
   상기 확공기의 내측에 다수로 장착되되, 전후 왕복운동을 하는 각각의 타격헤드가 상기 머리부에서 회전중심 둘레에 다수로 형성되는 관통홀 각각을 통해서 전방을 향하도록 설치되는 해머;
   상기 구동로드로부터 공급되는 물과 벤토나이트의 혼합물에 의해 동작하고, 상기 해머를 구동시키도록 펌핑력을 제공하는 머드펌프;
   상기 구동로드로부터 상기 머드펌프로 상기 혼합물을 공급하는 공급관에 설치되고, 상기 혼합물을 분배관을 통해서 상기 해머 각각의 몸체로 공급하는 분배모듈; 및
   상기 분배모듈로부터 상기 분배관을 통해 공급되는 혼합물을 전방으로 분사하도록 상기 타격헤드에 형성되는 토출공을 포함하는 것을 특징으로 하는 지향식 수평굴착공사용 확공기.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 해머는,
   상기 타격헤드의 선단이 상기 머리부의 경사와 동일한 경사면을 가지도록 형성되고, 상기 확공기에서 회전중심의 둘레를 따라 동일한 간격으로 설치되는 것을 특징으로 하는 지향식 수평굴착공사용 확공기.
   
3. 삭제

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