KR101294241B1 - Tbm에 장착된 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 터널 보링머신(Tunnel Boring Machine, TBM)에 장착하여 전방의 지질을 예측할 수 있도록 구성되는 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템 및 이를 이용한 터널 시공장치 및 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 굴착 단면을 육안으로 확인하기가 어렵고 갑작스러운 지반 변화나 지하수에 대처하기가 용이하지 못하여 이상지반으로 인해 TBM을 정지시키게 되면 공사가 지연되어 시간적, 경제적인 손실을 야기하는 문제가 있었던 종래의 TBM 장비 및 이를 이용한 터널 시공방법의 문제점을 해결하여, 시추 코어 회수를 통해 지질 분석을 수행하기 위한 선진 시추장비와, 시추 코어의 회수가 불가능한 경우에도 논코어 방식으로 지질분석을 가능하도록 시추공 내부를 영상화하는 시추공 영상화장비를 포함하는 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템이 제공되며, 또한, 그러한 시스템을 터널 시공장비에 장착함으로써 막장 전방의 지반을 예측할 수 있도록 구성되는 터널 시공장치 및 이를 이용한 터널 시공방법이 제공된다.
Description
본 발명은 터널 보링머신(Tunnel Boring Machine, 이하, 'TBM'이라 함)을 이용하여 터널을 굴착하는 방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, TBM에 장착하여 TBM의 진행방향에 대한 지질을 미리 예측하고 공사를 진행할 수 있도록 구성되는 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 TBM의 진행방향에 대한 지질을 미리 예측하고 공사를 진행할 수 있도록 구성되는 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 지반평가 시스템을 구비하는 터널 보링머신에 관한 것이다.
아울러, 본 발명은, 상기한 바와 같이 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 지반평가 시스템을 구비함으로써 진행방향에 대한 지질을 미리 예측하고 공사를 진행할 수 있도록 구성되는 터널 보링머신을 이용하여 터널을 시공하는 터널 시공방법에 관한 것이다.
종래, 터널을 굴착하기 위한 시공방법에 있어서는, 일반적으로, 이른바 TBM이라 불리는 굴착장비를 이용하여 먼저 파일럿 터널굴착을 한 후, 확대 발파에 의해 그 주위를 횡방향으로 발파하여 터널의 직경을 넓히는 방법이 널리 이용되고 있다.
여기서, 상기한 바와 같은 기존의 TBM에 대한 종래기술의 예로서는, 예를 들면, 일본공개특허 평05-25998호(1993.02.02)에 개시된 바와 같은 "굴삭기의 방향제어방법 및 장치" 및 한국 공개특허 제10-2010-0052400호(2010.05.19.)에 개시된 바와 같은 "충격굴착장치를 장착한 터널천공기계"가 있다.
더 상세하게는, 상기한 일본공개특허 평05-25998호는, 헤드부 및 후부에 굴곡 가능하게 연결된 테일부를 구비한 실드 본체를 이용한 굴삭기의 방향제어방법 및 장치에 관한 것으로, 특히, 구축하여야 할 터미널의 계획선과 같은 기준선에 따라서 지향되는 광선을 이용하여 굴삭기의 전진방향을 제어하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
또한, 상기한 한국 공개특허 제10-2010-0052400호는, 단순히 회전과 추진력만으로 암반을 압력 파쇄하여 굴착하는 기존의 TBM의 굴착능력을 증대시키기 위해 공유압의 충격장치, 전기식 충격장치 및 선단에 비트를 장착함으로써, 단단한 암반에서도 고속으로 굴착 가능하도록 구성되는 충격굴착장치를 장착한 터널천공기계에 관한 것이다.
아울러, 상기한 바와 같은 기존의 터널 시공방법에 대한 종래기술의 예로서, 예를 들면, 한국 등록특허 제10-1224880호(2013.01.16.)에 개시된 바와 같은 "발파보호대와 대차를 이용한 티비엠 굴착과 확대발파 시공방법 및 관련장치"가 있다.
더 상세하게는, 상기한 등록특허 제10-1224880호의 티비엠 굴착과 확대발파 시공방법은, 기존의 TBM굴착과 확대발파 병행 시공방법은 버럭이 파일롯 터널의 바닥에 쌓이면서 레일과 케이블을 파손시킬 수 있는 문제점이 있고, 또한, 확대발파 후 바닥에 쌓인 버럭을 완전히 제거하기 전까지는 TBM을 이용한 파일롯 터널의 굴착이 중단되는 문제점을 해결하기 위한 것이다.
이를 위해, 상기한 등록특허 제10-1224880호에 따르면, 터널보링머신(TBM)을 이용하여 파일롯 터널을 굴착하는 단계, 상기 파일롯 터널의 상측 반단부에 횡방향 또는 종방향 발파공을 천공하는 단계, 상기 파일롯 터널 내부에 상측 반단부와 하측 반단부를 구획하는 다수 개의 상부발파보호대를 전후로 연결 설치하는 단계, 상기 발파공을 이용하여 파일롯 터널의 상측 반단부를 확대발파하는 단계 및 상기 확대발파에 의해 상기 상부발파보호대 상부에 쌓인 버럭을 상기 상부발파보호대 하부 공간으로 이동하는 대차에 실어 반출하는 단계를 포함하는 발파보호대와 대차를 이용한 티비엠 굴착과 확대발파 시공방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, TBM 및 TBM을 이용한 시공방법에 대하여는, 종래부터 여러 가지로 연구 및 개발이 이루어져 왔으나, 종래의 TBM 및 이를 이용한 시공방법들은, 그 특성상 굴착 단면을 육안으로 확인하기가 어렵고, 아울러, 굴착지반의 갑작스러운 지반 변화나 지하수에 대처하기가 용이하지 못하다는 단점이 있다.
즉, TBM을 이용하여 터널을 굴착시, 예를 들면, 설계단계에서 미처 예측하지 못한 이상지반이 있는 경우, 이러한 이상지반으로 인해 TBM을 정지시키게 되면 그만큼 공사가 지연되게 되고, 또한 그에 따라 시공비용이 증가하게 되어, 경우에 따라서는 시간적, 경제적으로 막대한 손실을 야기하게 된다.
이에, 이러한 문제를 미연에 방지하기 위하여는, TBM의 굴착에 선행하여 미리 전방의 지질을 조사함으로써 TBM의 진행경로 상에 문제가 될 수 있는 이상지반이 있는지를 미리 예측하는 것이 매우 중요하다.
여기서, TBM 공법에서 가장 대표적인 전방 막장 예측기술로서는, 이른바 TBM 장비 제작사가 제공하는 프로브 드릴링(probe drilling) 시스템을 장착하는 방법이 있으나, 국내에서 운영되는 대부분의 TBM 장비는 재활용 TBM 장비이므로, 이와 같이 제작사가 제공하는 프로브 드릴링 시스템의 장착은 현실적으로 어렵다는 문제가 있다.
또한, 상기한 프로브 드릴링 시스템은, 예를 들면, 독일의 Herrenknecht사의 TBM 장착 프로브 드릴링 시스템이 있으나, 이는 천공에 초점을 맞추어 제작된 장비로 시추 코어의 회수가 어려운 단점이 있다.
아울러, 다른 예로서는, 국내의 TBM 장비에 장착되어 운영중인 일본 Koken사의 중공식 프로브 드릴링 시스템이 있으나, 이는 굴진능력이 떨어져 천공작업시 많은 시간이 소용되는 단점이 있다.
여기서, 터널 굴진면 전방의 지반 상황을 예측하기 위한 선진 시추방법으로는, 정확한 지반상태 파악을 위해 시추 코어를 회수하는 방법과, 코어를 회수하지 않고 천공시 계측되는 데이터를 이용하는 논코어 드릴링 방법이 있으며, 이러한 천공 탐사 기술을 터널 시공에 적용하면 암반 특성 및 불연속면 예측을 위해 효율적으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
따라서 상기한 바와 같이, 종래의 TBM 장비 및 이를 이용한 터널 시공방법의 문제점을 해결하기 위하여는, TBM 장비에 선진 시추 조사를 위한 선진 시추장비를 장착하여 막장 전방 지반을 천공하고 시료를 채취함으로써, 전방의 지반 상태를 예측할 수 있도록 구성되는 터널 시공장비 및 이를 이용한 터널 시공방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.
아울러, 상기한 바와 같이 시추 코어를 회수하기 위한 선진 시추장비를 장착하는 것에 더하여, 시추 장비에 의한 시추 코어의 회수가 불가능한 경우에도 막장 전방의 지반을 예측할 수 있도록, 시추공의 내부를 영상화하는 시추공 영상화 시스템을 포함하여 천공작업시 실시간으로 전방 지질예측이 가능한 TBM 장비 및 이를 이용한 터널 시공방법을 제공하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법 또한 제공되지 못하고 있는 실정이다.
[참고문헌]
1. "TBM 전방지질 예측을 위한 선진시추 및 시추공 영상화 시스템의 설계", 김기석, 김종훈, 안희윤, 이인모, 2012 한국암반공학회 춘계 총회 및 학술발표회 논문집 P131 - P140. 2012.03.28.
본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, TBM에 장착하여 TBM 진행방향의 지질을 예측 가능하도록 하기 위한 선진 시추조사를 위한 선진 시추장비 및 시추공의 내부를 영상화하여 시추장비에 의한 시추 코어의 회수가 불가능한 경우에도 실시간으로 전방 지질 예측이 가능하도록 하기 위한 시추공 영상화장비를 포함하여 구성되는 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템을 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 지반평가 시스템을 구비함으로써, 시추 코어를 회수하는 선진 시추조사에 의해 전방의 지질을 예측 가능한 동시에, 시추 코어의 회수가 불가능한 경우에도 시추공 내부를 영상화하여 실시간으로 전방 지질 예측이 가능하도록 구성되는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치를 제공하고자 하는 것이다.
아울러, 본 발명의 또 다른 목적은, 상기한 바와 같이 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 지반평가 시스템을 구비한 터널 시공장치를 이용하여, 시추 코어를 이용하는 방식과 시추 코어를 이용하지 않는 논코어 방식의 전방 지질 예측이 모두 가능한 터널 시공방법을 제공하고자 하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 터널 보링머신(Tunnel Boring Machine, TBM)을 포함하는 터널 시공장치에 장착하여 굴진 방향 전방의 지질을 예측할 수 있도록 구성되는 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템에 있어서, 시추 코어를 회수하여 지질 분석을 수행하도록 구성되는 선진 시추부; 상기 시추 코어의 회수가 불가능한 경우 논코어 방식으로 지질 분석을 수행하기 위해 시추공 내부의 영상을 촬영하도록 구성되는 시추공 영상화부; 상기 선진 시추부와 상기 시추공 영상화부를 상기 터널 시공장비에 장착하기 위한 장착부; 상기 선진 시추부에 의해 회수된 상기 시추 코어에 대한 분석 작업 및 상기 시추공 영상화부를 통하여 얻어진 영상의 분석 작업을 수행하여 상기 굴진 방향 전방의 지질을 예측하도록 구성되는 지질분석부; 및 상기 선진 시추공 지반평가 시스템 전체의 동작을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템이 제공된다.
여기서, 상기 선진 시추부는, 충격식 및 회전식 시추 조사가 가능한 탑헤드 방식의 선진 시추장비로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시추공 영상화부는, 복수의 카메라를 탑재하여 시추공 전방 및 측면의 영상을 동시에 촬영 가능한 시추공 카메라; 상기 시추공 카메라에 의해 촬영된 영상을 표시하기 위한 모니터; 상기 시추공 카메라에 의해 촬영된 영상을 저장하기 위한 저장장치; 및 외부에서 상기 시추공 카메라의 촬영을 제어하기 위한 제어부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 시추공 영상화부는, 지하수 특성 파악을 위한 미터 카운터와 온도센서를 더 포함하여, 촬영된 영상 내에 각각의 센서에 의해 감지된 정보를 함께 표시하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 지질분석부 및 상기 제어부는, 상기 선진 시추부에 의해 회수된 상기 시추 코어에 대한 분석 작업 및 상기 시추공 영상화부를 통하여 얻어진 영상의 분석 작업을 수행하기 위한 프로그램이 실행되도록 구성되어, 상기 시스템의 외부에 별도로 구비되는 컴퓨터 또는 전용의 하드웨어로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 터널 보링머신을 포함하는 터널 시공장치에 장착되어 굴진 방향 전방의 지질을 예측하기 위해 시추 코어를 회수하여 지질 분석을 수행하는 시추 코어 방식과 상기 시추 코어를 회수하지 않는 논코어 방식의 지질 분석이 모두 가능하도록 구성되는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치에 있어서, 상기 선진 수평 시추장치의 본체를 형성하는 메인프레임; 상기 메인프레임 상에서 전후로 이동 가능하도록 설치되고 시추공을 굴착하기 위한 로드가 장착되는 천공부; 상기 로드를 안내하기 위해 상기 메인프레임의 전단에 설치되는 제 1 가이드; 상기 로드를 지지하기 위해 상기 제 1 가이드의 전단에 설치되는 제 2 가이드; 상기 천공부를 상기 메인프레임 상에서 전후로 이동시키기 위한 체인 벨트; 상기 선진 수평 시추장치를 지지하는 동시에 상기 터널 시공장치에 장착하기 위한 장착부; 상기 천공부를 상기 메인프레임 상에서 전후로 이동시키기 위해 상기 체인 벨트를 구동하는 동력을 공급하는 구동모터; 상기 선진 수평 시추장치의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부; 상기 시추 코어의 채취를 위해 상기 로드의 끝 부분에 장착되는 시료 채취기; 및 상기 시추 코어의 회수가 불가능한 경우 상기 시추공 주변의 지질조건을 파악하기 위해 시추공 전방 및 측면에 대한 실시간 영상을 제공하는 시추공 카메라를 포함하여 구성되고, 상기 장착부를 통하여 상기 터널 시공장치에 상기 선진 수평 시추장치를 설치한 후, 상기 천공부에 상기 로드를 장착하고, 상기 구동모터를 구동하여 상기 체인 벨트를 통하여 상기 천공부를 전진시키면서 상기 로드를 회전시키면, 상기 제 1 가이드 및 상기 제 2 가이드를 통하여 상기 로드가 회전하면서 전진하여 시추공을 굴착하고, 상기 시추공 굴착 후 상기 시료 채취기를 통하여 상기 시추 코어를 채취하여 지질 분석을 수행하며, 상기 시추 코어의 회수가 불가능한 경우, 상기 시추공 카메라를 상기 시료 채취기 대신 삽입하여 상기 시추공의 전방 및 측면에 대한 실시간 영상을 촬영하여 지질 분석을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치가 제공된다.
여기서, 상기 선진 수평 시추장치는, 천공시 굴진 방향으로 수압을 인가하기 위한 워터 펌프를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 천공부는, 상기 로드가 장착되는 로드 장착부; 상기 로드를 회전시키기 위한 회전축이 구비되는 회전부; 상기 체인 벨트를 통해 전후로 이동 가능하도록 상기 천공부를 상기 메인프레임에 슬라이드 이동 가능하게 결합하기 위한 결합부; 및 상기 회전부의 중간 부분에 형성되는 장착홈을 포함하여 구성되고, 상기 장착홈을 통해 상기 워터 펌프를 장착하여 상기 로드의 굴진방향으로 수압을 인가하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 선진 수평 시추장치는, 다양한 크기의 시추 코어 회수가 가능하도록 시추공경을 변경할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 선진 수평 시추장치는, 천공작업시의 각종 파라미터를 측정하여 천공데이터를 산출하는 천공데이터 산출부를 더 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 시추공 카메라는, 원통형으로 형성되고 중간 부분에 오목 형상의 절단홈이 형성된 카메라 본체; 상기 카메라 본체의 전면에 설치되는 전면 카메라 및 복수의 LED를 포함하여 이루어지는 전면 조명부; 상기 카메라 본체의 측면에 설치되는 측면 카메라 및 적어도 하나의 LED를 포함하여 이루어지는 측면 조명부; 상기 카메라 본체의 후면에 설치되는 케이블 연결부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 시추공 카메라는, 외부에서 상기 시추공 카메라의 촬영을 제어하기 위한 제어부; 및 상기 시추공 카메라에 의해 촬영된 영상을 표시하고 저장하기 위한 모니터와 저장장치를 구비하는 모니터부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 모니터부는, 휴대 및 이동이 용이한 동시에 외부 충격으로부터 내부를 보호할 수 있도록 하드 케이스 형태로 구성되는 케이스; 상기 케이스 내에 설치되어 상기 시추공 카메라에 의해 촬영된 영상이 표시되는 모니터; 및 상기 케이스 내에 설치되어 상기 시추공 카메라와 상기 모니터의 동작을 제어하기 위한 제어패널을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 모니터부는, 상기 케이스 내에 설치되어 상기 시추공 카메라에 의해 촬영된 영상을 저장하기 위한 저장부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 카메라 본체와 상기 모니터부는, 상기 케이블 접속부를 통해 케이블을 이용하여 유선으로 연결되거나, 또는, 무선으로 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 모니터부는, 상기 전면 카메라의 영상과 상기 측면 카메라의 영상을 각각 표시하는 두 개의 모니터를 구비하도록 구성되거나, 하나의 모니터만을 구비하여 상기 전면 카메라의 영상과 상기 측면 카메라의 영상 중 하나 또는 두 영상을 동시에 표시하는 방식을 전환하여 표시할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 선진 수평 시추장치는, 단층이나 파쇄대에서 지하수 이동으로 인한 온도차를 감지하여 지하수 특성을 파악하기 위한 미터 카운터와 온도센서를 더 포함하고, 촬영된 영상 내에 각각의 센서의 측정을 함께 표시하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
아울러, 상기 선진 수평 시추장치는, 각각의 센서를 통해 상기 로드의 회전압, 관입속도, 토크, 추력, 심도를 포함하는 천공변수를 측정하여 상기 천공변수에 대한 데이터베이스를 구축하고, 상기 데이터베이스에 근거하여 천공지수를 산출함으로써, 상기 천공지수에 의한 지반평가를 수행 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
더욱이, 상기 선진 수평 시추장치는, 속이 빈 원통형으로 형성되어 압축공기를 주입하여 논코어링 작업를 행하기 위한 에어커플링을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 에어커플링은, 압축공기를 주입하기 위한 압축공기 주입구; 양단부의 내측에 각각 위치되는 베어링; 각각의 상기 베어링을 고정하기 위한 베어링 고정구; 상기 압축공기 주입구를 중심으로 상기 압축공기 주입구의 크기와 동일한 간격으로 2개의 반원이 마주보는 형태로 배치되어 형성되는 내부 케이싱; 및 양단부에는 각각 형성되는 암나사부 및 수나사부를 포함하여 구성되고, 상기 암나사부는 상기 천공부와 연결되고, 상기 수나사부에는 로드와 케이싱이 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따르면, 굴진 방향 전방의 지질을 예측하기 위해 시추 코어를 회수하여 지질 분석을 수행하는 시추 코어 방식과 상기 시추 코어를 회수하지 않는 논코어 방식의 지질 분석이 모두 가능하도록 구성되는 터널 시공장치에 있어서, 상기에 기재된 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치를 포함하여, 굴진 방향 전방의 지질을 예측하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 터널 시공장치가 제공된다.
아울러, 본 발명에 따르면, 굴진 방향 전방의 지질을 예측하기 위해 시추 코어를 회수하여 지질 분석을 수행하는 시추 코어 방식과 상기 시추 코어를 회수하지 않는 논코어 방식의 지질 분석이 모두 가능하도록 구성되는 터널 시공방법에 있어서, 상기에 기재된 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치를 제작하는 단계; 상기 제작하는 단계에서 구현된 상기 선진 수평 시추장치를 터널 시공장치에 장착하는 단계; 상기 장착하는 단계에서 상기 선진 수평 시추장치가 장착된 상기 터널 시공장치를 이용하여, 상기 선진 수평 시추장치를 통해 굴진 방향 전방의 지질을 예측하는 단계; 및 상기 예측하는 단계에서 상기 선진 수평 시추장치를 통해 예측된 지질의 결과에 따라 상기 터널 시공장치를 이용하여 굴착을 행함으로써 터널을 시공하는 단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 터널 시공방법이 제공된다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, TBM 장비에 선진 시추 조사를 위한 시추장비를 장착하여 막장 전방 지반의 시료를 채취하는 것에 의해 전방의 지반 상태를 예측할 수 있도록 구성되는 터널 시공장비 및 이를 이용한 터널 시공방법이 제공됨으로써, 굴착 단면을 육안으로 확인하기가 어렵고 갑작스러운 지반 변화나 지하수에 대처하기가 용이하지 못하여 이상지반으로 인해 TBM을 정지시키게 되면 공사가 지연됨으로써 시간적, 경제적인 손실을 야기하는 문제가 있었던 종래의 TBM 장비 및 이를 이용한 시공방법의 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같은 시추 코어를 회수하기 위한 선진 시추장비에 더하여, 천공작업시 실시간으로 전방 지질예측이 가능하도록 시추공의 내부를 영상화하는 시추공 영상화장비를 포함하는 터널 시공장비 및 이를 이용한 터널 시공방법이 제공됨으로써, 시추 장비에 의한 시추 코어의 회수가 불가능한 경우에도 막장 전방의 지반을 실시간으로 예측할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 시추 코어를 회수하기 위한 선진 시추장비 및 천공작업시 실시간으로 전방 지질예측이 가능하도록 하기 위한 시추공 영상화 장비를 포함하는 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 지반평가 시스템 및 그러한 시스템을 구비하는 터널 시공장치 및 시공방법이 제공됨으로써, 시추 코어를 이용하는 방식과 시추 코어를 이용하지 않는 논코어 방식의 전방 지질 예측이 모두 가능하여 보다 효율적이고 정확한 예측이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 선진 수평 시추장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 선진 수평 시추장치의 천공부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 시추 코어 채취기 대신에 삽입되어 시추공 주변의 지질 상태에 대한 실시간 영상을 제공하기 위한 시추공 카메라 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 나타낸 카메라 본체의 동작을 제어하고 촬영된 영상을 표시하기 위한 모니터부의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 수평 시추장치의 에어커플링의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1에 나타낸 본 발명에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 지반평가 시스템을 구비한 터널 시공장치를 이용하여 터널을 시공하는 시공방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 측면도이다.
도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 선진 수평 시추장치의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 선진 수평 시추장치의 천공부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 시추 코어 채취기 대신에 삽입되어 시추공 주변의 지질 상태에 대한 실시간 영상을 제공하기 위한 시추공 카메라 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5에 나타낸 카메라 본체의 동작을 제어하고 촬영된 영상을 표시하기 위한 모니터부의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 수평 시추장치의 에어커플링의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 도 1에 나타낸 본 발명에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 지반평가 시스템을 구비한 터널 시공장치를 이용하여 터널을 시공하는 시공방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템 및 이를 이용한 터널 시공장치 및 터널 시공방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다.
또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다.
즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 굴착 단면을 육안으로 확인하기가 어렵고 갑작스러운 지반 변화나 지하수에 대처하기가 용이하지 못하여 이상지반으로 인해 TBM을 정지시키게 되면 공사가 지연되어 시간적, 경제적인 손실을 야기하는 문제가 있었던 종래의 TBM 장비 및 이를 이용한 터널 시공방법의 문제점을 해결하기 위해, 시추 코어 회수를 통해 지질 분석을 수행하기 위한 선진 시추장비와, 시추 코어의 회수가 불가능한 경우에도 논코어 방식으로 지질분석을 가능하도록 시추공 내부를 영상화하는 시추공 영상화장비를 포함하는 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템에 관한 것이다.
또한, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 시추 코어를 이용한 방식과 시추 코어를 이용하지 않는 논코어 방식의 지질 예측이 모두 가능한 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 지반평가 시스템을 TBM 장비에 장착함으로써, 터널 굴착시 막장 전방 지반의 시료를 채취하는 것에 의해 전방의 지반 상태를 예측 가능할 뿐만 아니라, 시추 코어의 회수가 불가능한 경우에도 시추공의 영상화를 통해 막장 전방의 지반을 예측할 수 있도록 구성되는 터널 시공장치 및 이를 이용한 터널 시공방법에 관한 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템 및 이를 이용한 터널 시공장치 및 터널 시공방법의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.
여기서, 본 발명은, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예의 경우로만 한정되는 것은 아니며, 이하에 설명하는 실시예 이외에도 여러 가지 형태로 다양하게 수정 및 변경하여 적용 가능한 것임에 유념해야 한다.
먼저, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템(10)은, 크게 나누어, 시추 코어 회수를 통해 지질 분석을 수행하기 위한 선진 시추부(11)와, 시추 코어의 회수가 불가능한 경우에도 논코어 방식으로 지질분석을 가능하도록 하기 위해 시추공 내부를 영상화하는 시추공 영상화부(12) 및 상기한 선진 시추부(11)와 시추공 영상화부(12)를 TBM 장치와 같은 터널 시공장비에 장착하기 위한 장착부(13)를 포함하여 구성된다.
여기서, 상기한 시스템(10)은, 선진 시추부(11)에 의해 채취된 시추 코어에 대한 분석 작업 및 시추공 영상화부(12)를 통하여 얻어진 영상의 분석 작업을 수행하여 전방의 지질을 예측하기 위한 지질분석부(14)와, 시스템(10) 전체의 동작을 제어하기 위한 제어부(15)를, 시스템(10)의 내부 또는 외부에 별도로 더 포함하여 구성된다.
즉, 상기한 지질분석부(14) 및 제어부(15)는, 예를 들면, 시추 코어 및 시추공 영상의 분석작업이 가능하도록 구성된 프로그램이 실행되는 컴퓨터나, 또는, 그러한 기능을 가지는 전용의 하드웨어로서 구성될 수 있다.
또한, 상기한 지질분석부(14)와 제어부(15)에 있어서, 시추 코어를 이용하여 지질을 분석하는 방법 및 시추 코어 없이 천공 데이터를 이용하는 논코어 시스템을 통해 지질 분석을 수행하는 각각의 분석방법에 대한 상세한 내용에 대하여는, 예를 들면, 상기한 [참고문헌 1]과 같이, 종래기술의 문헌들을 참조하여 당업자에게 자명한 내용이므로, 여기서는 그 상세한 설명은 생략한다.
즉, 일반적으로, 시추장비는, 크게 나누어 천공부(drilling unit)와 동력공급부(power unit)로 구성되며, 여기서, 천공부는 피드부(feed unit), 회전부(rotation unit), 로드 고정부(road holder), 이수펌프(flush pump)로 이루어진다.
또한, 동력공급부는, 내연기관과 전력기관으로 구분되고, 시추장비의 굴진 능력에 큰 영향을 미치는 부분이므로 목적에 따라 최적의 사양을 결정하여야 한다.
더 상세하게는, 상기한 피드부는 유압을 이용하여 회전부에 장착된 로드를 굴진면으로 이송시키는 역할을 하는 것으로, 일반적으로 회전부 및 로드 연결부와 연결되어 있다.
여기서, 회전부는 로드의 회전 및 충격 에너지를 전달하고 관입 에너지를 제어하는 부분으로, 회전수 제어 및 충격에너지를 전달하는 드리프터(drifter) 등이 장착되어 있다.
또한, 회전부는, 로드나 케이싱을 고정시키는 방법에 따라 중공식과 탑헤드 방식으로 분류되며, 먼저, 중공식은, 피드부와 회전부를 일체로 제작 가능하여 주로 소형화 장비 및 TBM 장비와 같이 굴진방향으로 공간이 있는 경우에 적합하나, 피드압이 작고 회전에너지로만 굴진이 이루어지므로 시추 코어의 회수에는 유리한 반면, 자갈층이나 강도가 강한 암반이 존재하는 경우는 굴진능력이 떨어지고 시추공경의 변경이 어렵다는 단점이 있다.
반면, 탑헤드 방식은, 회전부가 로드의 선단에 위치하도록 구성됨으로써 커플링을 이용하여 다양한 크기의 시추공경을 결정할 수 있으며, 회전에너지를 충격식과 함께 적용하여 굴진능력이 향상된 방식으로, 최근의 시추장비들은 효율성과 굴진능력의 측면에서 대부분 탑헤드 방식을 적용하고 있다.
즉, 본 발명에서는, 상기한 바와 같이, 상기한 선진 시추부(11)가, 드리프터를 장착하여 충격식 및 회전식 시추 조사가 가능한 탑헤드 방식의 선진 시추장비로 이루어짐으로써, 코어를 회수하는 방식과 논코어 방식의 시스템이 동시에 운영 가능한 데 더하여, 복합지반에 대한 굴진율 및 코어 회수율을 증대시킬 수 있도록 구성된다.
또한,상기한 바와 같은 선진 시추장비에 의해 시추코어의 회수가 불가능한 경우, 시추 코어를 대신하여 막장 전방 지반을 예측하기 위한 대안의 하나로서 시추공에 대한 영상을 촬영하는 시추공 영상화 시스템을 적용할 수 있으며, 이러한 시추공 영상화 시스템은, 크게 나누어, 초음파빔(ultrasonic beam)을 이용하는 텔레뷰어(televiewer) 시스템과, 광학카메라를 이용하는 시스템으로 구성될 수 있다.
여기서, 초음파를 이용하는 텔레뷰어 시스템은, 공내수를 이용하여 공벽에서 반사된 신호를 영상화하는 시스템으로, 반드시 공내수가 존재해야 한다는 단점이 있다.
아울러, 광학 카메라를 이용한 시스템은, 고해상도의 사진 영상을 이용하여 지반을 분석하는 OPTV(optical televiewer)와, 동영상으로 시추공벽의 정보를 파악하는 시추공 카메라(borehole camera)로 구분된다.
더 상세하게는, 지반에 분포하는 불연속면을 정밀하게 조사하는 작업에는 텔레뷰어와 OPTV가 주로 활용되나, 이는 자료 획득 및 처리에 시간이 많이 소요되고, 측정시스템이 고가라는 단점이 있다.
반면, 시추공 카메라는, 상기한 OPTV 장비의 개발 이전부터 활발히 운영되던 시스템으로, 시추공벽을 연속적으로 쵤영함으로써 케이싱의 상태 또는 파쇄대 등의 존재 여부를 조사하는 방법으로 신속하게 시추공 내의 정부를 파악하고 결과를 도출할 수 있는 장점이 있다.
또한, 예를 들면, 전방 및 측면 카메라를 장착하는 것에 의해 두 방향의 지반 정보를 한번에 파악할 수 있도록 구성될 수도 있으나, 동영상으로 기록하는 방식은 정지영상으로 기록하는 방식에 비해 화질이 떨어지고 영상의 해상도가 낮다는 단점이 있다.
그러나 최근에는, 카메라 및 광학 기술의 발달로 인해 동영상에 있어서도 종래에 비해 훨씬 향상된 화질과 해상도를 제공 가능하므로, 시추공, 터널 공사, 배관, 생산 라인 검사 등의 여러 방면에 걸쳐 시추공 카메라 시스템이 널리 사용되고 있다.
즉, 본 발명에서는, 상기한 시추공 영상화부(12)가, CCD 타입 카메라를 탑재하여 시추공 전방 및 측면의 영상을 동시에 기록하고 시추공 주변의 지질 상태에 대한 실시간 영상을 제공하는 시추공 카메라 시스템으로 구성될 수 있다.
아울러, 단층이나 파쇄대에서는 지하수 이동으로 온도차가 발생하는데, 이러한 특징을 이용하여, 본 발명에 따른 시추공 영상화부(12)는, 지하수 특성 파악을 위해 미터 카운터와 온도센서를 더 포함하여 해당 센서 정보도 영상 내에 함께 표시되도록 구성될 수 있다.
여기서, 상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 대한 설명에서는, 상기한 선진 시추부(11)가 코어를 회수하는 방식과 논코어 방식의 시스템이 동시에 운영 가능한 탑헤드 방식의 선진 시추장비로 이루어지고, 또한, 상기한 시추공 영상화부(12)가 시추공 전방 및 측면에 대한 실시간 영상을 제공하는 시추공 카메라 시스템으로 구성되는 것으로 하여 본 발명을 설명하나, 본 발명은 이러한 구성으로만 한정되는 것은 아니다.
즉, 본 발명은, 예를 들면, 상기한 선진 시추부(11)가 탑헤드 방식이 아닌 다른 방식으로 구성될 수도 있고, 아울러, 상기한 시추공 영상화부(12)가 동영상이 아닌 정지화상을 기록하도록 구성되거나, 또는, 동영상과 정지화상을 동시에 기록하도록 구성될 수도 있는 등, 필요에 따라 다양하게 구성될 수 있다.
따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템(10)을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템(10)을 터널 시공장치에 장착함으로써, 터널 시공시 TBM 전방의 지질을 미리 예측하고 공사를 진행할 수 있다.
계속해서, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템을 터널 시공장치에 장착하기 위한 선진 시추공 지반평가장치의 구체적인 구성에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템(10)을 실제 터널 시공장치에 설치할 수 있도록 구성된 선진 수평 시추장치(20)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다.
또한, 도 3을 참조하면, 도 3은 도 2에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 선진 수평 시추장치(20)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 사시도이다.
더 상세하게는, 본 발명의 실시예에 따른 선진 수평 시추장치(20)는, 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 선진 수평 시추장치(20)의 본체를 형성하는 메인프레임(21)과, 상기한 메인프레임(21) 상에서 전후로 이동 가능하도록 설치되고 시추공을 굴착하기 위한 로드가 장착되는 천공부(22)와, 로드를 안내하기 위해 메인프레임(21)의 전단에 설치되는 제 1 가이드(23)와, 로드를 지지하기 위해 제 1 가이드(23)의 전단에 설치되는 제 2 가이드(24)와, 상기한 천공부(22)를 메인프레임(21) 상에서 전후로 이동시키기 위한 체인 벨트(25)와, 선진 수평 시추장치(20)를 지지하는 동시에 TBM과 같은 터널 시공장치에 선진 수평 시추장치(20)를 장착하기 위한 장착부(26)를 포함하여 구성되어 있다.
여기서, 상기한 선진 수평 시추장치(20)는, 도시되지는 않았으나, 상기한 천공부(22)를 메인프레임(21) 상에서 전후로 이동시키기 위해 체인 벨트(25)를 구동하는 동력을 공급하는 구동모터와, 천공시 수압을 공급하기 위한 워터 펌프 및 상기한 선진 수평 시추장치(20)의 동작을 전체적인 제어하기 위한 제어부를 더 포함하여 구성된다.
또한, 도 4를 참조하면, 도 4는 도 3에 나타낸 본 발명의 실시예에 따른 선진 수평 시추장치의 회전부의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
즉, 상기한 천공부(22)는, 로드가 장착되는 로드 장착부(27)와, 로드를 회전시키기 위한 회전축이 구비되는 회전부(28) 및 상기한 체인 벨트(25)를 통해 천공부(22)를 전후로 이동시키기 위해 메인프레임(21)에 슬라이드 이동 가능하게 결합되는 결합부(29)를 포함하여 구성된다.
여기서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 상기한 회전부(28)의 중간 부분에는 장착홈(41)이 형성되어 있으며, 이러한 장착홈(41)을 통해, 예를 들면, 워터 펌프를 장착하여 로드의 굴진방향으로 수압을 인가함으로써, 굴착시 발생하는 암반 부스러기 등을 제거하도록 구성될 수 있다.
따라서 도 2 내지 도 4에 나타낸 바와 같은 구성을 통하여, 상기한 장착부(26)를 통하여 TBM과 같은 터널 시공장치에 선진 수평 시추장치(20)를 설치한 후, 천공부(22)에 로드를 장착하고, 구동모터를 구동하여 로드를 회전시키면서 체인 벨트(25)를 통하여 천공부를 전진시키면, 제 1 가이드(23) 및 제 2 가이드(24)를 통하여 로드가 전진하여 굴착이 이루어지게 된다.
이때, 상기한 바와 같이 워터 펌프를 통하여 수압을 가함으로써 굴착시 발생하는 암반 부스러기 등을 제거할 수 있으며, 또한, 도시되지는 않았으나, 로드의 끝 부분에 시추 코어 채취를 위한 시료 채취기를 장착하여, 시추 코어를 채취한 후 천공부(22)를 후진시킴으로써 시료 코어를 용이하게 회수할 수 있다.
여기서, 도 2에 나타낸 본 실시예의 선진 수평 시추장치(20)는, 현재 국내에서 많이 사용되고 있는 Φ3.5m 및 Φ7.0m 급의 재활용 TBM 장비에 장착 가능하도록 구성된 예를 나타내고 있으나, 본 발명은 이러한 경우로만 한정되는 것은 아니며, 본 실시예에 나타낸 형태 이외에 다른 형태로도 적용 가능한 것임에 유념해야 한다.
더 상세하게는, 국내에서 운영되는 재활용 TBM 장비는 규모 및 사양에 따라 작업공간에 차이가 있으며, 일반적으로, 커터헤드 후면에 챔버 및 압력 셀, 컨베이어, 실린더 등의 각종 장치가 위치하여 설치 공간에 제약을 받는다.
따라서 본 발명에 따른 선진 수평 시추장치(20)는, 이러한 TBM 장비 내의 작업공간과 시추장치 자체의 굴진능력 및 굴착효율 등의 조건을 고려하여 적절하게 설계된다.
즉, 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치(20)는, 상기한 바와 같이 드리프터를 장착하여 충격식 및 회전식 시추 조사가 가능한 탑헤드 방식으로 이루어지고, 그것에 의해, 코어의 회수와 논코어 방식의 운영이 동시에 가능할 뿐만 아니라, 복합지반에 대한 굴진율 및 코어 회수율을 증대시킬 수 있도록 구성된다.
또한, 본 실시예의 선진 수평 시추장치(20)는, TBM 장비 내 프로브 드릴링 사출구를 통하여 능동적인 운영이 가능하며, 이때, 시추공경을 변경하는 것에 의해 다양한 크기의 시추 코어 회수가 가능하고, 효율성을 극대화하기 위해 유무선 원격 제어방식으로 장치의 제어가 이루어진다.
아울러, 본 실시예에 따른 선진 수평 시추장치(20)는, 천공작업시의 각종 파라미터를 측정하여 천공데이터를 산출하는 천공데이터 산출부를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
여기서, 지반 조건에 따라 단층, 파쇄대, 공동 등에 의해 시추 코어의 회수가 불가능한 경우에는, CCD 카메라를 통하여 시추공 전방 및 측면의 영상을 동시에 기록하고 시추공 주변의 지질 상태에 대한 실시간 영상을 제공하도록 구성되는 시추공 카메라 시스템을 시추 코어 채취기 대신 삽입하여 시추공 주변의 지질조건을 파악할 수 있다.
즉, 도 5를 참조하면, 도 5는 상기한 바와 같이 시추 코어의 회수가 불가능한 경우에 시추 코어 채취기 대신에 삽입됨으로써 시추공 주변의 지질 상태에 대한 실시간 영상을 통하여 지질 예측을 수행할 수 있도록 하기 위한 시추공 카메라 시스템(50)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
더 상세하게는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 시추공 카메라 시스템(50)은, 원통형으로 형성되고 중간 부분에 오목 형상의 절단홈이 형성된 카메라 본체(51)와, 상기 카메라 본체(51)의 전면에 설치되는 전면 카메라(52) 및 복수의 LED를 포함하여 이루어지는 전면 조명부(53)와, 상기 카메라 본체(51)의 측면에 설치되는 측면 카메라(54) 및 적어도 하나의 LED를 포함하여 이루어지는 측면 조명부(55)와, 상기 카메라 본체(51)의 후면에 설치되는 케이블 연결부(56)를 포함하여 구성되어 있다.
또한, 상기한 시추공 카메라 시스템(50)은, 외부에서 카메라의 촬영을 제어하기 위한 제어부 및 촬영된 영상을 표시하고 저장하기 위한 모니터와 저장장치를 구비하는 모니터부(60)를 더 포함하여 구성된다.
즉, 도 6을 참조하면, 도 6은 도 5에 나타낸 카메라 본체의 동작을 제어하고 촬영된 영상을 표시하기 위한 모니터부(60)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.
더 상세하게는, 상기한 모니터부(60)는, 도 6a에 나타낸 바와 같이, 휴대 및 이동이 용이한 동시에 외부 충격으로부터 내부를 보호할 수 있도록 하드 케이스 형태로 구성되며, 이러한 케이스(61) 내에는, 도 6b에 나타낸 바와 같이, 각각의 카메라에 의해 촬영된 영상이 표시되는 모니터(62)와, 각각의 카메라와 모니터의 동작을 제어하기 위한 제어패널(63)이 설치되어 있다.
여기서, 상기한 카메라 본체(51)와 모니터부(60)는, 상기한 케이블 접속부(56)를 통해 케이블을 이용하여 유선으로 연결되거나, 또는, 무선으로 연결되도록 구성될 수도 있으며, 아울러, 필요에 따라, 촬영된 영상을 저장하기 위한 저장부를 더 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 상기한 시추공 카메라 시스템(50)은, 상기한 모니터부(60)가, 전면 카메라(52)의 영상과 측면 카메라(54)의 영상을 각각 표시하는 두 개의 모니터를 구비하도록 구성될 수 있으며, 또는, 하나의 모니터만을 구비하여 전면 카메라(52)의 영상과 측면 카메라(54)의 영상 중 하나만을 표시하거나 두 영상을 한 화면에 동시에 표시하는 방식을 필요에 따라 전환하여 표시할 수 있도록 구성될 수 있다.
더욱이, 상기한 시추공 카메라 시스템(50)은, 도시되지는 않았으나, 단층이나 파쇄대에서 지하수 이동으로 인한 온도차를 감지하여 지하수 특성을 파악하기 위한 미터 카운터와 온도센서를 더 포함하여, 영상 내에 각각의 센서의 측정값이 함께 표시되도록 구성될 수도 있다.
따라서 상기한 바와 같은 구성을 통해, 상기한 전면 카메라(52) 및 전면 조명부(53)에 의해 전방의 영상을 촬영하는 동시에, 측면에 설치되는 측면 카메라(54) 및 측면 조명부(55)에 의해 주변 영상을 촬영하고, 모니터부(60)를 통해 외부에서 각각의 영상을 확인할 수 있다.
또한, 도 7을 참조하면, 도 7a는 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 수평 시추장치(20)의 논코어 방식 작업에 사용되는 에어커플링(70)의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 7b는 그 단면도이다.
더 상세하게는, 에어커플링(70)은, 전체적으로 속이 빈 원통형으로 형성되어 압축공기 주입구(71)를 통해 압축공기를 주입하여 논코어링 작업를 행하기 위한 장비로서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 양단부의 내부에는 2개의 베어링(72)이 각각 위치되어 베어링 고정구(73)에 의해 고정되고, 내부 케이싱(74)에 의해 비트코어부로 에어가 공급되며, 천공부의 천공비트에 의해 논코어링 작업이 진행되도록 구성된다.
여기서, 내부 케이싱(74)은, 도 7b의 단면도에 나타낸 바와 같이, 압축공기 주입구(71)를 중심으로 2개의 반원이 마주보는 형태로 구성되며, 그 간격은 압축공기 주입구(71)와 크기가 동일하도록 구성된다.
또한, 에어커플링(70)의 양단부에는 각각 암나사부(75)와 수나사부(76)가 형성되며, 암나사부(75)는 천공부(22)와 연결되고, 수나사부(76)에는 로드와 케이싱이 연결되어, 천공시 저속으로 회전시켜 최대한의 에어가 주입된 후 굴진작업을 진행하도록 구성된다.
이상, 상기한 바와 같이 하여 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 수평 시추장치(20)를 구현할 수 있으며, 또한, 상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치(20)를 TBM 장비와 같은 터널 시공장치에 장착함으로써, 막장 전방의 지반을 예측 가능한 터널 시공장치 및 이를 이용한 터널 시공방법을 구현할 수 있다.
아울러, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가시스템을 이용하여 회전압, 관입속도, 토크, 추력, 심도 등을 포함하는 천공변수에 대한 데이터베이스를 구축하고, 이러한 데이터에 근거하여 천공지수를 산출함으로써, 천공지수에 의한 지반평가를 위한 시스템으로서 활용할 수 있다.
더 상세하게는, 도 8을 참조하면, 도 8은 상기한 바와 같은 본 발명에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템을 구비한 터널 시공장치를 이용하여 터널을 시공하는 시공방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 플로차트이다.
즉, 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 따른 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템이 구비된 터널 시공장치를 이용한 터널 시공방법은, 먼저, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템을 설치하기 위한 선진 수평 시추장치를 구현하는 단계(단계 S81)와, 상기 단계에서 구현된 선진 수평 시추장치를 TBM과 같은 터널 시공장치에 장착하는 단계(단계 S82)와, 상기 단계에서 선진 수평 시추장치가 장착된 터널 시공장치를 이용하여 선진 수평 시추장치를 통해 전방의 지질을 예측하는 단계(단계 S83) 및 상기 단계에서 선진 수평 시추장치를 통해 예측된 지질의 결과에 따라 터널 시공장치를 이용하여 굴착을 행함으로써 터널을 시공하는 단계(단계S84)를 포함하여 이루어진다.
따라서 상기한 바와 같이 하여, 본 발명에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템 및 이를 이용한 터널 시공장치 및 터널 시공방법을 구현할 수 있다.
또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템 및 이를 이용한 터널 시공장치 및 터널 시공방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 시추 코어 회수를 통해 지질 분석을 수행하기 위한 선진 시추장비와, 시추 코어의 회수가 불가능한 경우에도 논코어 방식으로 지질분석을 가능하도록 시추공 내부를 영상화하는 시추공 영상화장비를 포함하는 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공 지반평가 시스템을 TBM 장비에 장착함으로써, 터널 굴착시 막장 전방 지반의 시료를 채취하는 것에 의해 전방의 지반 상태를 예측 가능할 뿐만 아니라, 시추 코어의 회수가 불가능한 경우에도 막장 전방의 지반을 예측할 수 있다.
아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 시추 코어를 이용하는 방식과 시추 코어를 이용하지 않는 논코어 방식의 전방 지질 예측이 모두 가능한 전방 지질 예측을 위한 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템을 구비하는 터널 시공장치 및 이를 이용한 터널 시공방법이 제공됨으로써, 굴착 단면을 육안으로 확인하기가 어렵고 갑작스러운 지반 변화나 지하수에 대처하기가 용이하지 못하여 이상지반으로 인해 TBM을 정지시키게 되면 공사가 지연되어 시간적, 경제적인 손실을 야기하는 문제가 있었던 종래의 TBM 장비 및 이를 이용한 터널 시공방법의 문제점을 해결할 수 있다.
이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 선진 시추공을 이용한 TBM 장착 지반평가 시스템을 구비하는 터널 시공장치 및 이를 이용한 터널 시공방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.
10. 지반평가 시스템 11. 선진 시추부
12. 시추공 영상화부 13. 장착부
14. 지질분석부 15. 제어부
20. 선진 수평 시추장치 21. 메인프레임
22. 천공부 23. 제 1 가이드
24. 제 2 가이드 25. 체인 벨트
26. 장착부 27. 로드 장착부
28. 회전부 29. 결합부
41. 장착홈 50. 시추공 카메라 시스템
51. 카메라 본체 52. 전면 카메라
53. 전면 조명부 54. 측면 카메라
55. 측면 조명부 56. 케이블 연결부
60. 모니터부 61. 케이스
62. 모니터 63. 제어패널
70. 에어커플링 71. 압축공기 주입구
72. 베어링 73. 베어링 고정구
74. 내부 케이싱 75. 암나사부
76. 수나사부
12. 시추공 영상화부 13. 장착부
14. 지질분석부 15. 제어부
20. 선진 수평 시추장치 21. 메인프레임
22. 천공부 23. 제 1 가이드
24. 제 2 가이드 25. 체인 벨트
26. 장착부 27. 로드 장착부
28. 회전부 29. 결합부
41. 장착홈 50. 시추공 카메라 시스템
51. 카메라 본체 52. 전면 카메라
53. 전면 조명부 54. 측면 카메라
55. 측면 조명부 56. 케이블 연결부
60. 모니터부 61. 케이스
62. 모니터 63. 제어패널
70. 에어커플링 71. 압축공기 주입구
72. 베어링 73. 베어링 고정구
74. 내부 케이싱 75. 암나사부
76. 수나사부
Claims (22)
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- 터널 보링머신을 포함하는 터널 시공장치에 장착되어 굴진 방향 전방의 지질을 예측하기 위해 시추 코어를 회수하여 지질 분석을 수행하는 시추 코어 방식과 상기 시추 코어를 회수하지 않는 논코어 방식의 지질 분석이 모두 가능하도록 구성되는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치에 있어서,
상기 선진 수평 시추장치의 본체를 형성하는 메인프레임;
상기 메인프레임 상에서 전후로 이동 가능하도록 설치되고 시추공을 굴착하기 위한 로드가 장착되는 천공부;
상기 로드를 안내하기 위해 상기 메인프레임의 전단에 설치되는 제 1 가이드;
상기 로드를 지지하기 위해 상기 제 1 가이드의 전단에 설치되는 제 2 가이드;
상기 천공부를 상기 메인프레임 상에서 전후로 이동시키기 위한 체인 벨트;
상기 선진 수평 시추장치를 지지하는 동시에 상기 터널 시공장치에 장착하기 위한 장착부;
상기 천공부를 상기 메인프레임 상에서 전후로 이동시키기 위해 상기 체인 벨트를 구동하는 동력을 공급하는 구동모터;
상기 선진 수평 시추장치의 전체적인 동작을 제어하기 위한 제어부;
상기 시추 코어의 채취를 위해 상기 로드의 끝 부분에 장착되는 시료 채취기; 및
상기 시추 코어의 회수가 불가능한 경우 상기 시추공 주변의 지질조건을 파악하기 위해 시추공 전방 및 측면에 대한 실시간 영상을 제공하는 시추공 카메라를 포함하여 구성되고,
상기 장착부를 통하여 상기 터널 시공장치에 상기 선진 수평 시추장치를 설치한 후, 상기 천공부에 상기 로드를 장착하고, 상기 구동모터를 구동하여 상기 체인 벨트를 통하여 상기 천공부를 전진시키면서 상기 로드를 회전시키면, 상기 제 1 가이드 및 상기 제 2 가이드를 통하여 상기 로드가 회전하면서 전진하여 시추공을 굴착하고, 상기 시추공 굴착 후 상기 시료 채취기를 통하여 상기 시추 코어를 채취하여 지질 분석을 수행하며,
상기 시추 코어의 회수가 불가능한 경우, 상기 시추공 카메라를 상기 시료 채취기 대신 삽입하여 상기 시추공의 전방 및 측면에 대한 실시간 영상을 촬영하여 지질 분석을 수행하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 6항에 있어서,
상기 선진 수평 시추장치는,
천공시 굴진 방향으로 수압을 인가하기 위한 워터 펌프를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 7항에 있어서,
상기 천공부는,
상기 로드가 장착되는 로드 장착부;
상기 로드를 회전시키기 위한 회전축이 구비되는 회전부;
상기 체인 벨트를 통해 전후로 이동 가능하도록 상기 천공부를 상기 메인프레임에 슬라이드 이동 가능하게 결합하기 위한 결합부; 및
상기 회전부의 중간 부분에 형성되는 장착홈을 포함하여 구성되고,
상기 장착홈을 통해 상기 워터 펌프를 장착하여 상기 로드의 굴진방향으로 수압을 인가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 8항에 있어서,
상기 선진 수평 시추장치는,
상기 시추 코어의 회수가 가능하도록 시추공경을 변경할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 9항에 있어서,
상기 선진 수평 시추장치는,
천공작업시의 각종 파라미터를 측정하여 천공데이터를 산출하는 천공데이터 산출부를 더 포함하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 10항에 있어서,
상기 시추공 카메라는,
원통형으로 형성되고 중간 부분에 오목 형상의 절단홈이 형성된 카메라 본체;
상기 카메라 본체의 전면에 설치되는 전면 카메라 및 복수의 LED를 포함하여 이루어지는 전면 조명부;
상기 카메라 본체의 측면에 설치되는 측면 카메라 및 적어도 하나의 LED를 포함하여 이루어지는 측면 조명부;
상기 카메라 본체의 후면에 설치되는 케이블 연결부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 11항에 있어서,
상기 시추공 카메라는,
외부에서 상기 시추공 카메라의 촬영을 제어하기 위한 제어부; 및
상기 시추공 카메라에 의해 촬영된 영상을 표시하고 저장하기 위한 모니터와 저장장치를 구비하는 모니터부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 12항에 있어서,
상기 모니터부는,
휴대 및 이동이 용이한 동시에 외부 충격으로부터 내부를 보호할 수 있도록 하드 케이스 형태로 구성되는 케이스;
상기 케이스 내에 설치되어 상기 시추공 카메라에 의해 촬영된 영상이 표시되는 모니터; 및
상기 케이스 내에 설치되어 상기 시추공 카메라와 상기 모니터의 동작을 제어하기 위한 제어패널을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 13항에 있어서,
상기 모니터부는,
상기 케이스 내에 설치되어 상기 시추공 카메라에 의해 촬영된 영상을 저장하기 위한 저장부를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 14항에 있어서,
상기 카메라 본체와 상기 모니터부는, 상기 케이블 접속부를 통해 케이블을 이용하여 유선으로 연결되거나, 또는, 무선으로 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 15항에 있어서,
상기 모니터부는,
상기 전면 카메라의 영상과 상기 측면 카메라의 영상을 각각 표시하는 두 개의 모니터를 구비하도록 구성되거나,
하나의 모니터만을 구비하여 상기 전면 카메라의 영상과 상기 측면 카메라의 영상 중 하나 또는 두 영상을 동시에 표시하는 방식을 전환하여 표시할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 16항에 있어서,
상기 선진 수평 시추장치는,
단층이나 파쇄대에서 지하수 이동으로 인한 온도차를 감지하여 지하수 특성을 파악하기 위한 미터 카운터와 온도센서를 더 포함하고,
촬영된 영상 내에 각각의 센서의 측정을 함께 표시하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 17항에 있어서,
상기 선진 수평 시추장치는,
각각의 센서를 통해 상기 로드의 회전압, 관입속도, 토크, 추력, 심도를 포함하는 천공변수를 측정하여 상기 천공변수에 대한 데이터베이스를 구축하고,
상기 데이터베이스에 근거하여 천공지수를 산출함으로써, 상기 천공지수에 의한 지반평가를 수행 가능하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 18항에 있어서,
상기 선진 수평 시추장치는,
속이 빈 원통형으로 형성되어 압축공기를 주입하여 논코어링 작업를 행하기 위한 에어커플링을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
- 제 19항에 있어서,
상기 에어커플링은,
압축공기를 주입하기 위한 압축공기 주입구;
양단부의 내측에 각각 위치되는 베어링;
각각의 상기 베어링을 고정하기 위한 베어링 고정구;
상기 압축공기 주입구를 중심으로 상기 압축공기 주입구의 크기와 동일한 간격으로 2개의 반원이 마주보는 형태로 배치되어 형성되는 내부 케이싱; 및
양단부에는 각각 형성되는 암나사부 및 수나사부를 포함하여 구성되고,
상기 암나사부는 상기 천공부와 연결되고, 상기 수나사부에는 로드와 케이싱이 연결되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전방 지질 예측을 위한 선진 수평 시추장치.
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