KR101901381B1 - 스크류 날개의 직경이 후방으로 갈수록 감소하는 수평방향 굴착용 공압식 다중해머 확공기 및, 스크류 날개의 직경을 구하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 확공기는 후방 로드의 처짐을 고려하여 스크류 날개의 직경이 후방으로 갈수록 감소되므로, 암반을 효율적으로 배출하면서도 스크류 날개의 무게와 마찰력을 줄일 수 있고 제작 단가를 낮출 수 있다.

Description

스크류 날개의 직경이 후방으로 갈수록 감소하는 수평방향 굴착용 공압식 다중해머 확공기 및, 스크류 날개의 직경을 구하는 방법{Reamer of pneumatic multiple hammer type for drilling horizontally having screw whose diameter decreases toward the rear and, methods for calculating the diameter}

본 발명은 수평방향 굴착용 공압식 다중해머 확공기에 대한 것으로서, 더욱 구체적으로는 확공기의 후단에 연결된 스크류 날개의 직경이 후방으로 갈수록 감소되므로, 암분을 효율적으로 배출하면서도 스크류 날개의 무게와 마찰력을 줄일 수 있고 제작 단가를 낮출 수 있는 확공기에 대한 것이다.

아울러, 본 발명은 이러한 스크류 날개의 직경을 구하는 방법에 대한 것이기도 하다.

다중 해머 방식의 천공기는 몸체에 설치된 다수 개의 해머가 왕복이동을 하면서 전방(前方)의 암반을 타격하여 굴착하는데, 해머의 작동방식에 따라 수압식과 공압식으로 분류된다.

공압식 다중 해머 방식의 천공기는 지하수 개발, 천심도 지열 개발 등과 같은 수직 천공에 주로 사용되고 있다. 공압식 해머를 이용하여 암반을 수직 천공할 때, 암반 또는 지반이 파쇄되어 만들어진 암분(rock particles)은 해머의 작동을 위해 사용된 압축공기에 의해 자동으로 지표면으로 배출된다. 암분이 압축공기와 함께 상부로 배출될 때, 천공벽과의 마찰에 의한 부분적 속도 감소를 제외하면 전반적으로 속도 벡터가 비교적 균일(uniform)하게 형성되고, 이에 따라 암분이 원활하게 외부로 배출될 수 있다.

그러나, 공압식 다중 해머 방식의 천공기를 이용하여 수평방향으로 천공하는 경우에는 굴진장이 길어질수록 암분 배출이 잘 되지 않는데, 이러한 점을 다중해머 방식의 확공기를 예로 들어 설명하면 아래와 같다.

알려진 바와 같이, 공압식 다중해머 확공기는 압축공기에 의해서 해머가 왕복이동하면서 전방(前方)의 암반을 타격하여 터널을 확장하고, 상기 타격에 의해서 만들어진 암분은 상기 해머를 작동시키는 데 사용된 압축공기에 의해서 후방으로 배출된다.

도 1(a)에 나타난 바와 같이, 굴착 시작부에서는 확공기(1) 후방에 암분(3)이 거의 없고, 이에 따라 암분 배출이 방해를 받지 않기 때문에 암분(3)이 원활하게 후방(지상)으로 배출될 수 있다.

그러나, 도 1(b)에 나타난 바와 같이, 굴진장이 10m ~ 30m 정도 되면 확공기(1) 후방에 암분(3)이 쌓이기 때문에 암분 배출이 방해를 받기 시작하고, 도 1(c)에 나타난 바와 같이, 굴진장이 30m ~ 50m를 초과하면 암분(3)이 확공기(1) 후방에 많이 쌓이기 때문에 암분 배출이 저하되고 재밍(jamming)이 발생한다.

위와 같이, 공압식 다중해머 천공기(확공기 포함)를 이용하여 수평방향으로 천공하는 경우에는 굴진장이 길어질수록 암분(3)이 외부로 원활하게 배출되지 않고, 이에 따라 천공 작업에 지장이 생긴다는 문제점이 있다.

본 출원인은 상기 문제점들을 해결하기 위해 확공기의 후방 로드(7)에 스크류 날개를 설치한 바 있다. 스크류 날개의 직경은 터널의 직경 보다 작다. 그리고, 스크류 날개의 직경은 확공기에서부터 지상까지 동일하다. 스크류 날개는 후방 로드(7)와 함께 회전되면서 암분을 후방으로 이동시킨 후 지상으로 배출한다.

그러나, 후방 로드(7)에 스크류 날개를 설치하면 그 만큼 후방 로드(7)의 무게가 증가되고 스크류 날개와 암분 사이의 마찰력으로 인해 회전력이 손실되고, 이에 따라 더 큰 추력과 회전력을 확공기에 제공해야 한다는 문제점이 있다.

본 출원인은 이러한 문제점을 해결하기 위해 연구를 거듭한 결과, 수평 굴착시 후방 로드(7)가 아래로 쳐지고 처짐량은 전체 후방 로드(7)의 길이가 길어질수록 커진진다는 점과, 암분은 터널 하부에 쌓이게 된다는 점에 착안하여 후방으로 갈수록 스크류 날개의 직경을 작게 함으로써 스크류 날개로 인한 무게 증가를 줄이고 스크류 날개와 암분 사이의 마찰력을 감소시킬 수 있었으며 제작 단가를 낮출 수 있었다.

이와 같이, 본 발명은 암분을 효율적으로 배출하면서도 스크류 날개의 무게와 마찰력을 줄일 수 있고 제작 단가를 낮출 수 있는 확공기를 제공하는 것에 그 목적이 있다.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은 이러한 스크류 날개의 직경을 구하는 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명에 따른 확공기(100)는, 몸체(10); 몸체(10)의 후단에 연결되어 몸체(10)와 함께 회전되는 후방 로드(50); 및, 후방 로드(50)의 외주면에 나선 형상으로 형성된 스크류 날개(60);를 포함한다. 수평 방향으로 지반 굴착시 후방 로드(50)는 아래쪽으로 쳐지게 된다. 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 후방으로 갈수록 작아지되, 후방 로드(50)의 상기 쳐짐을 고려하여 터널 바닥 또는 터널 하부에 쌓인 암분을 후방으로 배출할 수 있는 직경(D_sc)을 갖는다.

몸체(10)에 설치된 다수 개의 해머(20)는 압축공기에 의해서 왕복이동하면서 전방의 암반을 타격하며, 압축공기는 해머(20)를 구동시킨 후 후방으로 배출되면서 암분을 몸체(10)의 후방으로 배출하고, 후방으로 배출된 암분은 스크류 날개(60)에 의해서 지상으로 배출된다.

곡선 궤도 굴착을 위해서, 해머(20)의 해머비트 중에서 일부가 몸체(10) 보다 측방향으로 돌출되도록 설치되거나 몸체(10)가 후방으로 갈수록 그 직경이 작아지도록 형성될 수도 있다.

상기 압축공기에 의해 후방으로 배출되는 암분은 몸체(10)의 후단에서부터 소정 거리만큼 이격된 곳에 쌓이게 되고, 이에 따라 스크류 날개(60)는 몸체(10)의 후단에서 1m ~ 2m의 후방에서부터 후방 로드(50)에 형성될 수 있다.

스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 후방으로 갈수록 점차로 감소하거나 계단식으로 감소할 수 있다. 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 아래의 식 1에 의해서 계산될 수 있다.

[식 1]

D_sc = D_t - δ_max×2 - C_curve

D_t : 확공기에 의해서 굴착되는 터널의 직경

δ_max : 후방 로드(50)의 최대 처짐량

C_curve : 곡선 굴착시 터널 벽면과의 유격을 위한 보정값

한편, 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 후방으로 갈수록 감소하다가 일정한 값으로 수렴된다. 스크류 날개(60)의 최소 직경인 상기 수렴 값은 아래의 식 2에 의해서 계산될 수 있다.

[식 2]

D_{sc_min} = D_r + W

D_{sc_min} : 스크류 날개(60)의 최소 직경

D_r : 후방 로드(50)의 직경

W : 스크류 날개 자체의 폭(70mm ~ 130mm)

본 발명에 따라 스크류 날개의 직경을 구하는 방법은, (a) 후방 로드(50)의 개수 또는 후방 로드(50)가 연결된 전체 길이(L)에 따른 후방 로드(50)의 최대 처짐량(δ_max)을 각각 구하는 단계; 및, (b) 상기 최대 처짐량(δ_max)과 식 1을 이용하여 후방 로드(50)에 결합된 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)을 계산하는 단계;를 포함한다.

상기 (a) 단계는 스크류 날개(60)가 없는 상태에서 후방 로드(50)의 최대 처짐량(δ_max)을 구한다. 확공기(100)의 굴착 길이가 늘어남에 따라 확공기(100)에 추가로 연결되는 후방 로드(50)에 결합된 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 확공기에 연결된 전체 후방 로드(50)의 개수 또는 전체 후방로드(50)의 길이(L)에 따른 최대 처짐량(δ_max)과 식 1을 이용하여 계산된다.

본 발명은 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 확공기를 이용한 수평 굴착시, 암분을 효율적으로 배출하면서도 스크류 날개의 무게와 마찰력을 줄일 수 있고 제작 단가를 낮출 수 있다.

둘째, 스크류 날개의 직경을 구하는 방법을 제공한다.

도 1(a) ~ 1(c)는 공압식 다중해머 확공기를 이용한 수평방향 암반 굴착 및 그에 따른 암분 배출을 보여주는 단면도.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공압식 다중해머 확공기를 보여주는 정면도.
도 3a는 확공기 내부의 압축공기 흐름을 보여주는 단면도.
도 3b는 확공기에 의한 암반 굴착시 암분이 후방으로 배출되는 것을 보여주는 단면도.
도 4는 확공기에 연결된 후방 로드와 스크류 날개를 보여주는 정면도.
도 5는 스크류 날개의 변형예를 보여주는 정면도.
도 6은 수치해석 대상인 드릴링 로드의 체결 구조를 보여주는 단면도.
도 7은 드릴링 로드의 처짐을 수치해석하기 위한 하중, 구속조건, 로드 조인트의 구조를 보여주는 도면.
도 8은 로드의 길이에 따른 최대 처짐량을 보여주는 그래프.
도 9는 로드의 직경이 73mm인 경우에 로드의 개수(길이)에 따른 처짐량을 각각 보여주는 도면.
도 10은 로드의 직경이 114mm인 경우에 로드의 개수(길이)에 따른 처짐량을 각각 보여주는 도면.
도 11은 로드의 길이에 따른 스크류 날개의 직경을 보여주는 그래프.

이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

1. 확공기의 구성

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 공압식 다중해머 확공기를 보여주는 정면도이다.

도면에 나타난 바와 같이, 확공기(100)는 몸체(10)와, 몸체(10)에 설치된 해머(20)와, 몸체(10)의 선단에 연결된 구동 로드(5)와, 몸체(10)의 후단에 연결된 후방 로드(50) 및, 후방 로드(50)의 외주면에 결합된 스크류 날개(60)를 포함한다.

상술한 바와 같이, 확공기(100)는 지반(암반 포함)을 수평 방향으로 굴착하는 경우에 이용되는데, 본 명세서에서 '수평 방향 굴착'은 수학적인 의미에서의 수평 방향 굴착 뿐만 아니라, 확공기를 이용한 굴착시 후방 로드가 아래로 쳐지게 되는 방향으로의 굴착을 의미한다.

몸체(10)는 구동로드(5)에 연결되어 소정의 회전속도(R.P.M.)로 회전된다. 구동로드(5)는 몸체(10)를 전방 쪽으로 당기면서 회전시킨다.

몸체(10)의 후단에는 후방 로드(50)가 연결되어 있는데, 후방 로드(50)는 해머(20)의 작동을 위한 압축공기를 몸체(10)에 공급한다. 그리고, 후방 로드(50)의 외주면에는 스크류 날개(60)가 결합되어 있다.

후방 로드(50)를 통해서 공급된 압축공기는 해머(20)를 전,후방으로 왕복이동시켜 암반을 굴착할 수 있도록 한다. 도 3a의 붉은 색 점선과 화살표는 확공기 내부에서 압축공기의 흐름을 나타낸다.

해머(20)의 작동에 사용된 압축공기는 해머비트에 형성된 배출공(21)을 통해 막장으로 배출된 후, 도 3b에 나타난 바와 같이 플러싱 채널(30)을 통해서 후방으로 배출된다. 플러싱 채널(30)은 몸체(10)를 관통하도록 몸체(10)의 길이방향을 따라 형성된다.

구동로드(5)에 의한 몸체(10)의 회전, 후방 로드(50)를 통한 압축공기의 공급, 압축공기에 의한 해머(20)의 작동 및, 플러싱 채널(30)을 통한 후방으로의 암분 배출 등은 통상적인 확공기의 구성이고 당업자에게 잘 알려져 있으므로 여기서는 자세한 설명을 생략하기로 한다.

후방 로드(50)는 몸체(10)의 후단에 결합되어 있고, 이에 따라 몸체(10)와 함께 회전된다. 몸체(10)와 후방 로드(50)의 결합은 공지의 커플러(도면에 미도시)에 의해서 이루어진다. 상기 커플러는 몸체(10)와 후방 로드(50)를 결합시킬 뿐만 아니라, 몸체(10)의 회전력을 후방 로드(50)에 전달한다.

후방 로드(50)는 그 내부가 비어있는 중공관으로서, 그 양단부는 이웃하는 후방 로드(50)와 결합될 수 있다. 따라서, 확공기(100)의 굴착 거리가 길어지면 후방 로드(50)가 서로 결합되어 지상까지 연장될 수 있다. 후방 로드(50)가 몸체(10)에 연결된 경우, 수평 굴착시 후방 로드(50)는 아래로 처지게 되는데, 그 처짐량은 후방 로드(50)의 전체 길이가 길어질수록 그리고, 후방 로드(50)의 직경이 작을수록 커지게 된다.

후방 로드(50)의 외주면에는 스크류 날개(60)가 나선 형상으로 후방 로드(50)의 길이방향을 따라 연속적으로 결합된다. 스크류 날개(60)는 후방 로드(50)와 함께 회전된다. 따라서, 구동로드(5)의 회전력에 의해서 몸체(10)가 회전되면 후방 로드(50) 및 스크류 날개(60)가 함께 회전되면서 암분을 후방으로 배출시킨다.

압축공기에 의해 후방으로 배출되는 암분은 몸체(10) 후방 1~2m 지점, 정확하게는 몸체(10) 후방 1.5m 부터 쌓이기 시작하므로, 스크류 날개(60)는 몸체(10) 후방 1~2m 지점부터 설치될 수도 있다. 도 2에서 g는 몸체(10) 후단과 스크류 날개(60)의 시작점 사이의 거리를 나타낸다. 이러한 구성은 스크류 날개(60)의 무게를 감소시키고 회전력 감소를 줄이며, 제작 단가를 낮출 수 있다는 장점이 있다.

도 4에 나타난 바와 같이, 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 후방로드(50)의 직경과 스크류 날개 자체의 폭(W)을 합친 것으로서, 후방 로드(50)의 직경은 일정하지만 스크류 날개 자체의 폭(W)이 후방으로 갈수록 작아지므로 직경(D_sc)도 후방으로 갈수록 작아진다. 이것은 후방 로드(50)의 처짐량이 후방으로 갈수록 커진다는 점과 암분이 터널의 하부에 쌓이게 된다는 점에 착안하여 스크류 날개(60)의 직경(D_sc), 정확하게는 스크류 날개 자체의 폭(W)을 후방으로 갈수록 작게 하여도 암분을 효율적으로 배출할 수 있기 때문이다. 직경(D_sc)을 후방으로 갈수록 작게 만들면 그만큼 스크류 날개(60)의 하중이 작아지므로 회전력 손실이 줄어든다.

도 4에 나타난 바와 같이, 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 계단식으로 줄어든다. 즉, 하나의 후방 로드(50)에 결합된 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 동일하되, 이웃하는 후방 로드(50)에 결합된 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)과는 차이가 있다. 따라서, 후방 로드(50)가 이웃하는 후방 로드(50)와 연결되는 부분에는 계단턱(62)이 형성된다(도 4는 후방 로드의 연결 부분을 확대하여 보여준다).

이에 비해, 도 5는 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)이 점차적으로 변하는 구조를 보여준다. 즉, 동일한 후방 로드(50)에서 스크류 날개(60)는 좌측 단부에서 우측 단부로 갈수록 그 직경이 점차적으로 줄어든다. 따라서, 후방 로드(50)의 양측 단부에는 계단턱(62)이 없다. 그리고, 아래의 수학식 1, 2에 의해서 계산된 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 후방 로드(50)의 중앙 부분의 직경에 해당된다.

한편, 본 발명은 곡선 궤도의 터널을 굴착하는 데에도 적용될 수 있다. 본 출원인은 곡선 궤도 터널을 굴착하는데 효과적으로 사용될 수 있는 확공기를 연구 개발한 바 있고, 이를 대한민국 특허등록 제1677278호 "곡선 궤도로 굴착이 가능한 확공기 및, 이를 이용한 확공 방법"으로 등록받은 바 있다. 상기 특허등록 제1677278호에 개시된 내용은 본 명세서에 포함된다.

상기 등록된 특허발명은 해머 비트들 중의 일부가 확공기 몸체 보다 측방향으로 돌출된 구조를 갖거나 확공기 몸체가 후방으로 갈수록 그 직경이 감소하는 구조를 갖는데, 이러한 구조는 곡선 궤도를 확공하는데 효과적이다.

곡선 궤도를 굴착하는 경우, 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 직선 궤도인 경우보다 작은 것이 바람직한데, 이것은 직경(D_sc)이 크면 곡선 궤도 굴착시 터널 측벽이나 천정에 닿을 수도 있기 때문이다.

구체적으로, 곡선 궤도인 경우에는 직선 궤도인 경우 보다 직경(D_sc)이 50mm ~ 250mm 정도 작고, 바람직하게는 100mm ~ 200mm 정도 작으며, 더욱 바람직하게는 130mm ~ 170mm 정도 작다. 이 점에 대해서는 아래에서 더 자세히 설명될 것이다.

2. 스크류 날개의 직경 계산

상술한 바와 같이, 후방 로드(50)는 중공형 관으로서, 일정한 길이를 갖는다. 그리고, 확공기(100)의 굴착 길이가 길어지면 그에 대응하여 후방 로드(50)를 하나씩 순차적으로 연결하여 지상까지 연장되도록 하여야 하고, 순차적으로 연결되는 후방 로드(50)의 스크류 날개(60)는 암분을 후방으로 효율적으로 배출할 수 있어야 한다. 이러한 조건 하에서 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)을 구하는 방법은 길이가 정해진 구조물 예를 들어, 일정한 길이의 보(beam)의 처짐을 구하고 이에 따라 철근량 등을 계산하는 방법과는 다르다.

본 발명에서는 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)을 구하기 위해, 확공기(100)의 굴착 길이가 늘어남에 따라 확공기(100)에 추가로 연결되는 후방 로드(50)의 스크류 날개(60) 직경(D_sc)은 확공기에 연결된 전체 후방 로드(50)의 개수(길이)에 따른 최대 처짐량(δ_max)과 아래의 수학식 1, 2를 이용하여 구하였다.

아래에서는 이러한 계산 방법에 대해서 설명하기로 한다.

(1) 해석 조건

본 발명에서는 후방 로드(50)의 처짐을 수치해석으로 계산하였다(물론, 후방 로드(50)의 처짐은 축소된 모형 실험 또는 실제 규모의 실험을 통해서도 구해질 수 있다).

구체적으로, 아래 표 1과 같은 4개 모델의 드릴링 로드(스크류 날개가 없는 상태)를 대상으로 수치해석을 하였다. 상기 로드(50)는 다양한 사이즈로 제작되는 로드 중 실제 현장에 적용되고 있거나 적용 예정인 로드이다. 도 6에 나타난 바와 같이, 로드(50)는 중공관이고 그 양단부에는 나사산(52)이 형성되어 있어 이웃하는 로드(50)와 나사 결합된다.

본 발명은 경량화를 통한 암분 배출이 목표이기 때문에, 과대 설계된 과하중 상태의 로드(50)와 스크류 날개(60)의 처짐 해석을 수행하면 스크류 날개(60)의 직경을 과소 평가하게 되어 암분 배출이 원활히 되지 않는 오류를 범할 수 있다. 따라서, 스크류 날개(60)가 터널 하부 지면에 확실히 닿을 수 있도록 보수적인 설계 방법을 적용하였다.

[표 1] 해석 대상인 드릴링 로드 사양

상기 로드(50)는 G105 Grade 드릴링 파이프이며, 재질은 27MrCo, 37CrMnMo, 42CrMo 등의 강재로 제작되고 있다. 즉, 일반 강재와 기계적 물성(mechanical properties)이 유사하기 때문에 수치 해석에서 영 계수(Young's modulus, E)는 210 GPa, 푸아송비(Poisson's ratio, ν)는 0.3을 적용하였다.

유한요소 해석에서 로드(50)에는 중력에 의한 자중만 작용하며, 이 때 중력가속도(g)는 9810 mm/s² 으로 설정하였다. 중력 가속도의 작용 방향은 도 7에서 -y 방향이다.

실제 현장에서의 로드 거동에 가깝게 해석하기 위해, 도 7에 나타난 바와 같이, 확공기와 연결되는 로드(50)의 한쪽 끝은 3자유도(x, y, z축 병진운동)를 구속하였고, 반대편은 2자유도(y, z축 병진운동)를 구속하였다.

로드(50)가 나사산에 의해 서로 체결되는 부분은 마주하는 면의 노드(node)들을 1D Rigid로 결합하여 x, y, z 방향 병진운동을 구속하였고, 나머지 맞물리는 부분은 서로 접촉(General Contact, 마찰계수=0.05)되도록 유한요소모델을 생성하였다.

(2) 해석 결과

로드(50)가 처짐으로 인해 터널 바닥에 닿을 때까지 로드 길이(로드 개수)를 증가시키면서 유한요소해석을 수행하였다.

도 8은 로드(50)의 연결 길이에 따른 최대 처짐량을 각 로드 타입별로 보여준다. 도 8에 나타난 바와 같이, 로드(50) 길이(로드의 개수)가 증가할수록 최대 처짐이 급격하게 증가하였고, 로드 직경이 작을수록 동일한 길이에서 더 많은 처짐이 발생하였다.

한편, 확공기의 크기는 직경 650mm, 직경 900mm(총 2가지 타입)이므로, 73(2-7/8"), 89(3-1/2"), 114(4-1/2"), 140(5-1/2")의 로드는 그 연결된 개수가 각각 8, 6, 5, 4개 이상이면 처짐으로 인해 로드 중심부(최대 처짐 발생 위치)가 터널바닥에 닿게 됨을 알 수 있다.

아래의 표 2는 도 8의 그래프를 표로 정리한 것이다.

[표 2] 각 로드 타입별 로드의 총 길이에 대한 최대 처짐량

도 9는 로드(50)의 직경이 73mm인 경우, 로드(50)가 1~8개 연결되었을 때의 처짐량을 각각 보여주는 도면이다. 그리고, 도 10은 로드(50)의 직경이 114mm인 경우, 로드가 1~5개 연결되었을 때의 처짐량을 각각 보여주는 도면이다.

(3) 스크류 날개의 직경 계산

스크류 날개(60)의 적정한 직경(D_sc)을 제안하기 위하여, 굴착되는 터널의 직경은 확공기의 직경과 동일하다고 가정하였다. 예를 들어, 직경 650mm 확공기로 굴착하는 경우에는 터널 직경도 650mm로 가정하였다.

스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 터널 직경에서 최대 처짐량의 두 배를 감한 후, 곡선굴착을 위한 스크류 보정값(터널면과의 유격)을 추가로 차감하였다(아래의 수학식 1 참조). 스크류 보정값(C_curve)은 곡선 궤도의 곡률과 터널 직경 등에 따라 결정되는데, 대략 50mm ~ 250mm이고, 바람직하게는 100mm ~ 200mm이며, 더욱 바람직하게는 130mm ~ 170mm이다. 그리고, 만약 굴착 궤도가 직선인 경우에는 스크류 보정값(C_curve)이 0이다. 하지만, 대부분의 소규모 유틸리티 터널공사는 곡률이 있기 때문에 대부분의 경우에 스크류 보정값(C_curve)을 입력하는 것이 바람직하다.

직경(D_sc)의 최소값 즉, 최소 직경(D_{sc_min})은 암분 배출을 위해서 최소한으로 필요한 스크류 날개 자체의 폭(W=스크류 날개의 직경-로드 직경)을 로드 직경에 더한 값을 적용하였다(아래의 수학식 2 참조).

[수학식 1]

D_sc = D_t - δ_max×2 - C_curve

D_sc : 스크류 날개(60)의 직경

D_t : 확공기에 의해서 굴착되는 터널의 직경

δ_max : 로드(50)의 최대 처짐량

C_curve : 곡선 굴착시 터널 벽면과의 유격을 위한 보정값

[수학식 2]

D_{sc_min} = D_r + W

D_{sc_min} : 스크류 날개(60)의 최소 직경

D_r : 로드(50)의 직경

W : 스크류 날개 자체의 폭. 대략 70mm ~ 130mm이고, 바람직하게는 100mm임.

아래의 표 3 ~ 6은 각각 73(2-7/8") 로드, 89(3-1/2") 로드, 114(4-1/2") 로드인 경우, 140(5-1/2") 로드인 경우, 로드의 개수(로드의 총 길이)에 따른 최대 처짐량과 스크류 날개의 직경을 나타낸 것이다. '최대처짐량만 고려한 스크류 직경'은 터널 직경에서 최대 처짐량의 두 배를 감하여 계산된 것으로서, 스크류 보정값(C_curve)과 최소 직경(D_{sc_min})이 고려되지 않은 것이다.

[표 3] 73(2-7/8") 로드의 스크류 직경

[표 4] 89(3-1/2") 로드의 스크류 직경

[표 5] 114(4-1/2") 로드의 스크류 직경

[표 6] 140(5-1/2") 로드의 스크류 직경

위와 같은 계산 결과를 참조하여 스크류 날개의 경량화가 가능하다. 예를 들어, 89(3-1/2″) 로드(표 4)의 1~3번째 후방 로드의 스크류 날개 직경을 450mm 정도로 설계하고, 4번째 후방 로드의 스크류 날개 직경은 Φ300, 5번째 로드부터는 스크류 날개 직경을 Φ189 mm 이상으로 설계하여 스크류 날개를 경량화할 수 있다.

위 계산 결과를 그래프로 나타내면 도 11과 같다. 도 11에 나타난 바와 같이, 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 후방 로드(50)의 길이가 길어짐에 따라 감소하다가 일정한 값에 수렴한다. 상기 감소 구간은 수학식 1에 의해서 계산된 것이고, 상기 수렴 구간은 수학식 2에 의해서 계산된 것이다.

(4) 계산식 제안

위 (2)(3)의 결과를 분석하여, 후방 로드(50)의 총 길이(L)에 따른 최대 처짐(δ_max) 계산식을 아래와 같이 만들 수 있다. 아래 수학식 3에서 계수 A는 각각의 후방 로드 마다 다른 값을 가진다.

[수학식 3]

δ_max = A×L⁴

L : 로드(50)의 길이

상기 수학식 3은 단면 형상이 일정한 보(beam)가 길이방향에 수직 방향으로 등분포하중(p)을 받을 때, 최대 처짐(중심부에서 발생)을 계산하는 수식을 기반으로 만들어졌다. 앞서 유한요소해석을 수행한 드릴링 로드는 조인트(체결 부)로 인해 단면형상이 일정하지 않으나, 조인트 길이가 전체 로드길이에 비해 매우 짧고 자중으로 인해 중력방향으로 거의 일정한 하중을 받고 있으므로 위의 수식을 적용 가능하다고 판단된다.

상기 수학식 3을 사용하여 각각의 로드에 대한 계수 값(A)을 계산하면 표 7과 같다.

[표 7] 로드 길이에 따른 수학식 3의 계수(A) 값

위 A의 값을 수학식 3에 대입하여 로드의 총 길이(L)에 따른 최대 처짐량을 계산하고, 이 최대 처짐량을 수학식 1에 대입하여 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)을 구할 수 있는데, 이렇게 구한 직경(D_sc)은 도 11에 점선 그래프(각 색깔별 점선 그래프)로 도시되어 있다. 도 11을 참조하면, 점선 그래프와 실선 그래프가 거의 일치함을 알 수 있다.

위와 같이, 로드 규격(모델) 별로 처짐 해석을 수행하여 계수(A) 값을 알아내면 로드 길이(L)에 따른 최대 처짐량을 산정할 수 있으며, 이를 수학식 1, 2에 적용하면 모든 로드에 대해 스크류 날개 직경을 산출할 수 있다.

3 : 암분 5 : 구동 로드
7, 50 : 후방 로드 1, 10 : 몸체
20 : 해머 21 : 배출공
30 : 플러싱 채널 60 : 스크류 날개
52 : 나사산 62 : 계단턱
100 : 수평방향 굴착용 공압식 다중해머 확공기
g : 몸체(10)의 후단과 스크류 날개(60)가 시작되는 지점 사이의 거리
D_sc : 스크류 날개(60)의 직경
D_t : 확공기(100)에 의해서 굴착되는 터널의 직경
δ_max : 후방 로드(50)의 최대 처짐량
C_curve : 곡선 굴착시 터널 벽면과의 유격을 위한 보정값
D_{sc_min} : 스크류 날개(60)의 최소 직경
D_r : 후방 로드(50)의 직경
W : 스크류 날개 자체의 폭

Claims (9)

1. 몸체(10);
   몸체(10)의 후단에 연결되어 몸체(10)와 함께 회전되는 후방 로드(50); 및,
   후방 로드(50)의 외주면에 나선 형상으로 형성된 스크류 날개(60);를 포함하고,
   수평 방향으로 지반 굴착시 후방 로드(50)는 아래쪽으로 쳐지게 되며,
   스크류 날개(60)의 직경(D_sc)이 후방으로 갈수록 점차로 감소하거나 계단식으로 감소하되, 후방 로드(50)의 상기 처짐을 고려하여 터널 바닥 또는 터널 하부에 쌓인 암분을 후방으로 배출할 수 있는 직경(D_sc)을 갖고,
   스크류 날개(60)의 직경(D_sc)이 아래의 식 1에 의해서 계산되는 것을 특징으로 하는, 수평방향 굴착용 공압식 다중해머 확공기.
   [식 1]
   D_sc = D_t - δ_max×2 - C_curve
   D_t : 확공기에 의해서 굴착되는 터널의 직경
   δ_max : 후방 로드(50)의 최대 처짐량
   C_curve : 곡선 굴착시 터널 벽면과의 유격을 위한 보정값
2. 제1항에 있어서,
   구동 로드(5)를 포함하고, 구동 로드(5)는 몸체(10)의 선단에 연결되어 몸체(10)를 당기면서 회전시키고, 후방 로드(50)는 몸체(10)에 압축공기를 공급하며,
   몸체(10)에 설치된 다수 개의 해머(20)는 압축공기에 의해서 왕복이동하면서 전방의 암반을 타격하며, 압축공기는 해머(20)를 구동시킨 후 후방으로 배출되면서 암분을 몸체(10)의 후방으로 배출하고, 후방으로 배출된 암분은 스크류 날개(60)에 의해서 지상으로 배출되는 것을 특징으로 하는, 수평방향 굴착용 공압식 다중해머 확공기.
3. 제2항에 있어서,
   해머(20)의 해머비트 중에서 일부가 몸체(10) 보다 측방향으로 돌출되도록 설치되거나 몸체(10)가 후방으로 갈수록 그 직경이 작아지도록 형성된 것을 특징으로 하는, 수평방향 굴착용 공압식 다중해머 확공기.
4. 제2항에 있어서,
   상기 압축공기에 의해 후방으로 배출되는 암분은 몸체(10)의 후단에서부터 소정 거리만큼 이격된 곳에 쌓이게 되고, 이에 따라 스크류 날개(60)는 몸체(10)의 후단에서 1m ~ 2m의 후방에서부터 후방 로드(50)에 형성된 것을 특징으로 하는, 수평방향 굴착용 공압식 다중해머 확공기.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 후방으로 갈수록 감소하다가 일정한 값으로 수렴하고, 스크류 날개(60)의 최소 직경인 상기 수렴 값은 아래의 식 2에 의해서 계산되는 것을 특징으로 하는, 수평방향 굴착용 공압식 다중해머 확공기.
   [식 2]
   D_{sc_min} = D_r + W
   D_{sc_min} : 스크류 날개(60)의 최소 직경
   D_r : 후방 로드(50)의 직경
   W : 스크류 날개 자체의 폭(70mm ~ 130mm)
7. (a) 후방 로드(50)의 개수 또는 후방 로드(50)가 연결된 전체 길이(L)에 따른 후방 로드(50)의 최대 처짐량(δ_max)을 각각 구하는 단계; 및,
   (b) 상기 최대 처짐량(δ_max)과 아래의 식 1을 이용하여 후방 로드(50)에 결합된 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)을 계산하는 단계;를 포함하고,
   확공기(100)는 지반을 수평방향으로 굴착하며, 상기 후방 로드(50)는 확공기 몸체(10)의 후단에 연결되어 몸체(10)와 함께 회전되고 일정 길이를 가지며, 확공기(100)에 의한 천공 길이가 길어짐에 따라 후방 로드(50)의 후단에는 또 다른 후방 로드(50)가 연결되며,
   후방 로드(50)의 외주면에는 스크류 날개(60)가 나선형으로 형성되고, 스크류 날개(60)는 확공기의 굴착으로 발생된 암분을 후방으로 이동시켜 지상으로 배출하며,
   상기 (a) 단계는 스크류 날개(60)가 없는 상태에서 후방 로드(50)의 최대 처짐량(δ_max)을 구하고,
   확공기(100)의 굴착 길이가 늘어남에 따라 확공기(100)에 추가로 연결되는 후방 로드(50)에 결합된 스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 확공기에 연결된 전체 후방 로드(50)의 개수 또는 전체 후방로드(50)의 길이(L)에 따른 최대 처짐량(δ_max)과 아래의 식 1을 이용하여 연산되는 것을 특징으로 하는, 스크류 날개의 직경을 구하는 방법.
   [식 1]
   D_sc = D_t - δ_max×2 - C_curve
   D_t : 확공기에 의해서 굴착되는 터널의 직경
   δ_max : 후방 로드(50)의 최대 처짐량
   C_curve : 곡선 굴착시 터널 벽면과의 유격을 위한 보정값
8. 제7항에 있어서,
   스크류 날개(60)의 직경(D_sc)은 후방으로 갈수록 감소하다가 일정한 값으로 수렴하고, 스크류 날개(60)의 최소 직경인 상기 수렴 값은 아래의 식 2에 의해서 계산되는 것을 특징으로 하는, 스크류 날개의 직경을 구하는 방법.
   [식 2]
   D_{sc_min} = D_r + W
   D_{sc_min} : 스크류 날개(60)의 최소 직경
   D_r : 후방 로드(50)의 직경
   W : 스크류 날개 자체의 폭(70mm ~ 130mm)
9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
   곡선 터널을 굴착하는 경우, C_curve 는 100mm ~ 200mm인 것을 특징으로 하는, 스크류 날개의 직경을 구하는 방법.
   

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