KR102079802B1 - 수직구 굴착 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 수직구 굴착 시스템은 서로 이격되어 서로 마주하도록 배치되어 있는 제1 프레임 및 제2 프레임, 상기 제1 프레임의 외측면에 결합되어 있는 케이싱을 포함하는 본체, 제1 프레임과 상기 제2 프레임 사이의 공간에 위치하는 굴착부, 굴착부를 이동시키는 추진부를 포함하고, 굴착부는 상부 및 하부가 개방된 튜브, 튜브 내에 상기 상부 및 하부를 연결하는 방향으로 설치되어 상기 튜브의 하부에 노출된 지반을 굴착하고, 상기 튜브의 상부로 토사를 배토하는 제1 굴착기, 튜브 내에서 상기 오거와 연결되어 상기 오거를 구동시키는 유압 모터를 포함한다.

Description

수직구 굴착 시스템{VERTICAL SHAFT EXCAVATION SYSTEM}

본 발명은 수직구를 형성하기 위한 수직구 굴착 시스템에 관한 것이다.

지하도로, 지하철, 지중 전력 시설, 통신 시설, 급수 및 배수 지하 공동구 시설에 필요한 수직 터널 건설은 산악 지역을 제외하면, 평균 깊이 20m 내지 50m 범위에 해당되며, 지반 깊이 20m 내지 30m 전후 암반 지반까지 지반 보강용 가설 공사를 선행 시공한 후 수직 굴착 공사와 수직 구조물 공사를 후속으로 작업해야 되는 환경이다.

국내 수직구 공사 중 굴착용 가설 작업은 일반적으로 수직 H형 강재 및 콘트리트 부어 넣기, 토류판 설치 및 수평지지 보강용 띠장을 설치하는 것과 같이, 굴착 중 지반의 붕괴 및 토압에 따른 굴착 및 구조물 시공에 선행공정을 필요로 하며, 가설 작업 후 일부 해체 및 매립되고 있다.

그러나 이러한 건설 공법은 가설 구조물의 불안정성으로 인한 안정성 문제와 공사비 증가 문제가 있다. 수직구 굴착 중 가장 일반적인 안정성 문제는 지하수 문제인데, 특히 지하 수위가 높은 도심지 충적층 지반에서 굴착 중 지하수 유출은 수직구 굴착 공정의 시공성을 급격히 떨어뜨리고, 지하수위 저하에 따른 광범위한 지반침하와 토립자 유출에 따른 수직구 주변 지반의 국부적 지반 침하를 유발한다.

특히 기반 암에 수직 H형 강재의 근입 깊이가 부족한 경우, 앵커, 띠장, 버팀대(스트러스) 등에 문제가 생기는 경우 구조물 붕괴를 유발할 수 있다.

기존의 수직구 굴착 및 시공 공법은 가설 구조물 설치, 본공사(터널) 수행, 수직구 구조물 시공 순으로 시공이 이루어진다. 심도가 깊어지는 경우 토압의 증가로 인해서 가설 구조물 설치에 많은 공사비가 소요되고, 도심지 지장물이 많은 곳에서는 시공성이 떨어져 사고 발생 가능성이 높은 문제가 있다.

따라서, 본 발명은 구조물의 붕괴 위험이 없고, 주변 지하의 침하를 방지하면서 굴착할 수 있는 수직구 굴착시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명은 수직구의 시공 시간을 단축할 수 있는 수직구 굴착 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 한 실시예에 따른 수직구 굴착 시스템은 서로 이격되어 서로 마주하도록 배치되어 있는 제1 프레임 및 제2 프레임, 상기 제1 프레임의 외측면에 결합되어 있는 케이싱을 포함하는 본체, 제1 프레임과 상기 제2 프레임 사이의 공간에 위치하는 굴착부, 굴착부를 이동시키는 추진부를 포함하고, 굴착부는 상부 및 하부가 개방된 튜브, 튜브 내에 상기 상부 및 하부를 연결하는 방향으로 설치되어 상기 튜브의 하부에 노출된 지반을 굴착하고, 상기 튜브의 상부로 토사를 배토하는 제1 굴착기, 튜브 내에서 상기 오거와 연결되어 상기 오거를 구동시키는 유압 모터를 포함한다.

상기 굴착부는 상기 튜브를 중심으로 대칭을 이루며, 상기 튜브의 외측에 연결되어 있는 복수의 제2 굴착기를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 굴착기는 어쓰오거이고, 제2 굴착기는 버킷 실린더를 통해서 상기 튜브 외측에 연결되는 버킷을 포함할 수 있다.

상기 제1 프레임은 복수의 제1 소프레임을 포함하고, 제2 프레임은 복수의 제2 소프레임을 포함하고, 케이싱은 복수의 소케이싱을 포함하고, 각각의 상기 제1 소프레임, 상기 제2 소프레임, 상기 소케이싱은 하나의 단위 모듈을 이룰 수 있다.

상기 본체는 원통형 구조를 이루고, 본체는 복수의 상기 단위 모듈을 연결하여 이루어질 수 있다.

상기 제1 프레임의 하단 및 상기 제2 프레임의 하단에 각각 연결되어 있는 선단슈를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 소프레임, 제2 소프레임은 각각 상기 튜브의 상부로부터 하부로 향하는 길이 방향을 따라 상부 프레임, 중간 프레임 및 하부 프레임을 각각 포함할 수 있다.

상기 선단슈는 상기 하부 프레임에 연결될 수 있다.

상기 튜브를 둘러싸며, 상기 튜브를 지지하는 제1 고정 부재, 제2 고정 부재 및 제3 고정 부재, 제1 고정 부재와 연결되어 있으며, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임의 상단부를 따라 이동하는 이송 롤러, 이송 롤러와 연결되어 있는 이송 모터를 더 포함하고, 제1 고정 부재, 제2 고정 부재 및 제3 고정 부재는 서로 이격될 수 있다.

상기 제1 고정 부재와 상기 제2 고정 부재 사이에 위치하며, 상기 제1 프레임의 상부 내측과 상기 제2 프레임의 상부 내측에 서로 마주하도록 각각 설치되어 있는 한 쌍의 제1 래크, 제1 래크에 결합되어 있는 제1 피니언, 제3 고정 부재와 상기 지반 사이에 위치하며, 상기 제1 프레임의 하부 내측과 상기 제2 프레임의 하부 내측에 서로 마주하도록 각각 설치되어 있는 한 쌍의 제2 래크, 제2 래크에 결합되어 있는 제2 피니언을 더 포함할 수 있다.

상기 제1 피니언 및 상기 제2 피니언의 회전축은 상기 이송 모터와 연결될 수 있다.

상기 제1 고정 부재에 상단이 연결되어 있는 굴착기 실린더, 굴착기 실린더의 하단에 연결되어 있으며 상기 튜브를 감싸서 고정하는 튜브 클램프를 더 포함하고, 굴착기 실린더의 수축 및 팽창에 의해서 상기 튜브는 상기 이송 롤러가 이동하는 제1 방향에 대해서 수직한 제2 방향으로 이동할 수 있다.

상기 제1 고정 부재, 상기 제2 고정 부재 및 상기 제3 고정 부재를 연결하는 복수의 고정 막대를 더 포함할 수 있다.

상기 추진부는 케이싱에 결합되어 있는 복수의 링 부재, 상기 링 부재 사이를 연결하는 웨일잭을 포함하는 링웨일, 링웨일과 상기 본체 사이에 위치하는 추진잭, 추진잭과 상기 링웨일 사이 및 상기 추진잭과 상기 본체 사이에 각각 위치하는 받침을 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 수직구 굴착 시스템으로 수직구를 시공하면, 별도의 가시설 없이도 수직구를 형성함으로써 수직구의 시공 시간을 단축하여 시공비를 절감할 수 있다.

또한, 수직구 시공시 발생될 수 있는 구조물의 붕괴 위험이 없고, 주변 지하의 침하를 방지하여 안정적으로 수직구를 시공할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 수직구 굴착 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 수직구 외주면 굴착 장치의 개략적인 사시도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 수직구 외주면 굴착 장치의 개략적인 평면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 수직구 외주면 굴착 장치의 단위 모듈을 도시한 도면이다.
도 6은 도 4의 VI-VI선을 따라 잘라 도시한 개략적인 단면도이다.
도 7은 도 6의 VII-VII선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 굴착부의 내부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 굴착부의 외부를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 10 내지 도 13는 본 발명에 수직구 외주면 굴착 장치의 고정 부재 및 회전 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 14 및 도 15는 본 발명에 따른 수직구 외주면 굴착 장치의 추진부를 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따라서 수직구를 시공하는 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 17 및 도 18은 본 발명의 한 실시예에 따라서 수직구를 시공하는 중간 단계에서의 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다. 그리고, "제 1", "제 2", 및 "제 3" 등의 서수는 구성요소들 간의 혼동을 피하기 위하여 사용된다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하에서는 도면을 참조하면 본 발명에 대해서 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 수직구 굴착 시스템의 개략적인 구성도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 수직구 외주면 굴착 장치의 개략적인 사시도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 수직구 외주면 굴착 장치의 개략적인 평면도이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 수직구 굴착 시스템(1000)은 동력시스템(100), 제어 시스템(200) 및 수직구 외주면 굴착 장치(300)를 포함한다.

동력 시스템(100)은 발전기 일 수 있다. 제어 시스템(200)은 동력 시스템(100)과 수직구 외주면 굴착 장치(300)를 서로 연결하며, 제어할 수 있다. 예를 들면, 제어 시스템(200)은 연직도 측정기(20)를 포함할 수 있으며, 수직구 외주면 굴착 상태를 측정하여 동력 시스템(100)을 구동할 수 있다.

수직구 외주면 굴착 장치(300)는 수직구 라이닝을 설치하기 위해서 수직구의 외주면을 굴착하는 장치이다.

본 발명의 실시예에 따른 수직구 굴착 시스템은 수직구의 외주면과 내부를 나누어 각각 굴착할 수 있으며, 수직구 내부는 굴착기로 굴착할 수 있다. 이처럼, 수직구 내부 굴착과 수직구 외주면 굴착을 별개로 진행하면, 어느 하나의 시공이 늦어지더라도 서로 영향을 받지 않고 각 공사를 진행할 수 있다. 따라서, 수직구 내부의 굴착 상황에 영향을 받지 않고, 수직구 외주면에 라이닝을 설치할 수 있다.

이때, 본 발명에 따른 수직구 외주면 굴착 장치(300)는 가시설을 시공하지 않고 지반을 수직으로 굴착할 수 있다. 따라서, 가시설을 설치 및 해체하는 과정이 생략되므로 비용을 줄이면서도 및 시공성을 향상시킬 수 있다.

한편, 수직구 외주면 굴착 장치(300)는 제어 시스템(200)을 매개로 동력 시스템(100)과 연결된다. 이에 따라 수직구 외주면 굴착 장치(300)는 제어 시스템(200)에 의해서 제어되어 작동된다.

도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 수직구 외주면 굴착 장치(300)는 전체적으로 원통 형상으로 이루어질 수 있으며, 복수의 단위 모듈(U)이 연결되어 하나의 수직구 굴착 장치를 이룰 수 있다. 단위 모듈의 개수는 수직구의 크기에 따라서 변경될 수 있다.

예를 들어, 원형의 수직구를 형성할 때 8개의 단위 모듈이 연결되어 하나의 수직구 외주면 굴착 장치를 이룰 수 있으며, 수직구의 크기에 따라서 더 많은 단위 모듈 또는 더 적은 단위 모듈로 구성될 수 있다.

복수의 단위 모듈은 수직구가 시공되는 현장에서 하나로 조립될 수 있으며, 굴착이 완료된 후 일부분 해체될 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 수직구 외주면 굴착 장치의 단위 모듈을 도시한 도면이고, 도 6은 도 4의 VI-VI선을 따라 잘라 도시한 개략적인 단면도이고, 도 7은 도 6의 VII-VII선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.

도 5는 도 4에서, 케이싱과 제2 프레임을 제거한 상태의 도면이다.

도 4 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 각각의 단위 모듈은 연직도 측정기(20), 본체(50), 굴착부(60), 회전 장치(70) 및 추진부(80, 도 2 참조)를 포함할 수 있다.

연직도 측정기(20)는 굴착부(60)가 지반에 수직하게 구동될 수 있도록 연직도를 측정할 수 있다. 연직도 측정기(20)는 본체(50)에 연결되어, 본체(50)의 연직도를 측정하여 굴착부(60)가 수직으로 지반을 굴착할 수 있도록 한다. 연직도 측정기(20)는 본체(50)에서 측정된 정보를 제어 시스템(200, 도 1 참조)에 전달한다.

본체(50)는 제1 프레임(51) 및 제2 프레임(52)과 제1 프레임(51)의 외측면에 결합되어 있는 케이싱(casing)(53)을 포함한다.

제1 프레임(51)과 제2 프레임(52)은 서로 이격되어 서로 마주하도록 설치되어, 제1 프레임(51)과 제2 프레임(52) 사이에 굴착부(60)가 위치하는 공간(S)이 형성된다. 이때, 제1 프레임(51)은 제2 프레임(52)보다 바깥쪽에 위치하여 케이싱(53)에 결합되어 있으며, 제2 프레임(52)으로 둘러싸이는 지반은 수직구의 내부가 된다.

제1 프레임(51) 및 제2 프레임(52)은 각각 복수의 제1 소프레임(2)과 복수의 제2 소프레임(4)을 포함하고, 각각의 제1 소프레임(2)과 제2 소프레임(4)은 제1 방향으로 분리 가능한 상부 프레임(2a, 4a), 중간 프레임(2b, 4b) 및 하부 프레임(2c, 4c)을 포함할 수 있다. 하부 프레임(2c, 4c)의 단부에는 선단 슈(2d, 4d)가 연결될 수 있다. 이때, 제1 방향은 굴착이 진행되는 연직방향이다.

상부 프레임(2a, 4a)과 중간 프레임(2b, 4b), 중간 프레임(2b, 4b)과 하부 프레임(2c, 4c)은 각각 판형 부재(2e, 4e)로 서로 연결될 수 있다.

선단슈(2d, 4d)는 추진부(80, 도 1참조)에 의해서 굴착부(60)가 가압될 때, 가압시 발생되는 반력 및 지반과의 마찰력을 감소시켜 지반에 용이하게 굴착부(60)가 삽입될 수 있도록 한다. 따라서, 선단슈(2d)는 쐐기 형상으로 형성될 수 있다.

선단슈(2d, 4d)는 받침턱을 가질 수 있으며, 하부 프레임(2c, 4c)의 하단부는 선단슈(2d, 4d)의 받침턱에 안착될 수 있다. 이에 따라 추진부(80)의 가압력은 하부 프레임(2c, 4c)을 통해 선단슈(2d, 4d)에 전달되어 지반에 용이하게 삽입될 수 있도록 한다.

제1 프레임(51)과 제2 프레임(52)은 굴착이 완료된 후 내부로부터 각각 복수의 제1 소프레임(2)과 복수의 제2 소프레임(4)으로 해체될 수 있다. 따라서, 제1 소프레임(2)과 제2 소프레임(4)들은 조립 및 분해가 가능하도록 볼트, 너트를 포함하는 결합부재(8)로 연결될 수 있다.

케이싱(53)은 제1 프레임(51)의 외측면에 나사(도시하지 않음) 등으로 결합될 수 있다. 케이싱(53)은 형성하고자 하는 수직구의 외주면과 직접적으로 접촉하며, 굴착시 토사와 지하수의 유입을 막는 흙막이 역할을 할 수 있다. 따라서, 케이싱(53)은 제1 프레임(51)과 제2 프레임(52)과 달리, 굴착이 완료되더라도 제거하지 않고 남겨질 수 있으며, 해체가 필요하지 않으므로 소케이싱(6)들은 용접으로 결합될 수 있다.

케이싱(53)의 하단부는 하부 프레임(2c)과 함께 선단슈(4d)의 받침턱에 안착될 수 있으며, 추진부로 가압시 제1 프레임(51)과 함께 용이하게 지반에 삽입될 수 있다.

한편, 지반과 직접 접촉하는 케이싱에 작용하는 토압은 약 수십 톤에 달한다. 따라서, 케이싱과 지반 사이의 마찰력을 최소화하기 위해서, 이들 사이에 윤활재가 압입될 수 있다. 이때, 상부 프레임 및 하부 프레임과 이와 대응하는 케이싱에 이들을 관통하는 직경이 20mm 내외인 그라우트 홀을 형성하고, 그라우트 홀(도시하지 않음)을 통해서 윤활재를 압입하여 지반과 케이싱의 마찰을 줄일 수 있다.

제1 프레임(51)과 제2 프레임(52)의 높이는 본체(50)로 둘러싸이는 수직구의 직경에 따라서 달라지며, 제1 프레임과 제2 프레임의 높이는 대략 수직구 직경의 1/2일 수 있다. 예를 들어, 수직구의 직경이 8m인 경우, 제1 프레임(51)과 제2 프레임(52)의 높이는 대략 4m일 수 있다.

이상의 본체(50)는 굴착이 진행되는 동안 일정한 형태를 유지하여, 별도의 가시설 설치 없이 흙막이 벽체로 사용될 수 있도록 일정 강성 이상을 가지는 물질로 이루어질 수 있다.

도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 굴착부의 내부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 굴착부의 외부를 개략적으로 도시한 도면이고, 도 10 내지 도 13는 본 발명에 수직구 외주면 굴착 장치의 고정 부재 및 회전 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 10은 제1 고정 부재 부위의 배치도이고, 도 11은 제2 고정 부재 부위의 배치도이고, 도 12는 튜브 클램프 부위의 배치도이고, 도 13은 제3 고정 부재 부위의 배치도이다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 굴착부(60)는 제1 프레임과 제2 프레임 사이에 형성되는 공간(S, 도 4 참조)에 위치할 수 있다.

굴착부(60)는 튜브(61), 튜브(61) 내에 위치하는 제1 굴착기(63), 제1 굴착기(63)와 연결되어 있는 유압 모터(62), 튜브(61) 밖에 위치하는 제2 굴착기(64), 튜브(61)를 고정하기 위한 고정 부재(65) 및 회전 장치(70)를 포함한다.

튜브(61)는 상부 및 하부가 개방된 관형태로, 하부의 개방된 부분을 통해서 굴착하는 영역의 지반이 노출될 수 있다. 그리고 상부에는 토출구(61c)가 형성되어 하부에서 굴착된 토사가 토출구(61c)를 통해서 외부로 배출될 수 있다.

튜브(61)의 외부에는 굴착기 실린더(61a)와 튜브 클램프(61b)가 더 설치될 수 있다. 굴착기 실린더(61a)는 유압 실린더일 수 있으며, 튜브(61)와 연결되어 튜브(61)를 제1 방향, 즉 연직방향으로 이동시킬 수 있다.

도 9 및 도 12을 참조할 때, 튜브 클램프(61b)는 튜브(61)를 감싸도록 튜브(61)에 결합되어, 튜브(61)가 굴착기 실린더(61a)에 고정될 수 있도록 한다. 굴착기 실린더(61a)의 하단부는 튜브 클램프(61b)와 연결되고, 상단부는 후술하는 제1 고정 부재(65a)에 연결될 수 있다. 따라서, 굴착기 실린더(61a)의 구동시 굴착기 실린더(61a)의 하단과 연결된 튜브 클램프(61b)에 고정된 튜브(61)가 함께 이동할 수 있다. 이때, 굴착기 실린더(61a)의 스트로크는 예를 들어, 대략 60cm일 수 있다.

튜브 클램프(61b)와 제1 프레임(51) 및 제2 프레임(52)의 내벽 사이에는 지지대(75)가 더 설치될 수 있다. 지지대(75)는 제1 프레임(51) 및 제2 프레임(52)의 내벽과의 사이의 공간을 줄여, 상기 내벽과 밀착되어 튜브 클램프(61b)를 지지하고, 제1 굴착기 및 제2 굴착기(64)의 구동시 발생하는 역방향의 토크를 감소시킨다. 따라서, 지지대(75)의 재질은 경질 고무 또는 합성수지 등으로 형성될 수 있다.

다시, 도 8 및 도 9를 참조하면, 유압 모터(62)는 제1 굴착기(63)의 상부에 연결되어 제1 굴착기(63)를 구동시키며, 튜브 내에 위치할 수 있다.

제1 굴착기(63)는 어쓰오거일 수 있으며, 튜브(61)의 길이 방향으로 삽입될 수 있다. 튜브(61)의 길이 방향은 지표면에 수직한 방향, 즉 굴착이 진행되는 제1 방향이다.

제2 굴착기(64)는 버킷 굴착기일 수 있으며, 양 단부에 각각 연결된 클램프(9)를 통해서 튜브(61)의 외측에 연결되어 있는 버킷 실린더(64a) 및 버킷 실린더(64a)에 의해서 구동되는 버킷(64b)을 포함한다. 제2 굴착기(64)는 굴착시 굴착부의 힘의 균형을 유지하기 위해서, 튜브(61)를 중심으로 양쪽에 대칭되는 위치에 배치될 수 있다. 버킷 실린더(64)는 유압 실린더일 수 있다.

제2 굴착기(64)는 제1 굴착기(63)의 접근이 어려운 위치의 지반을 굴착하기 위한 것으로, 예를 들어, 단위 모듈이 연결된 부분에 위치하는 지반을 굴착할 수 있다.

본 발명의 실시예에서는 제1 굴착기(63) 및 제2 굴착기(64)를 이용하여 동시에 굴착하므로, 굴착기의 이동을 최소화하면서도 동시에 많은 영역을 굴착하여 굴착 시간을 단축할 수 있다.

굴착된 토사는 오거를 통해서 튜브의 상부로 이동하고, 토출구(61c)를 통해서 제2 프레임으로 둘러싸인 수직구의 내부로 배출되고, 수직구 내부는 별도의 굴착기에 의해서 굴착될 수 있다.

고정 부재(65)는 튜브(61)와 본체(50)를 연결하며, 회전 장치(70)에 의해서 이동할 수 있도록 한다.

도 9 및 도 13을 참조할 때, 고정 부재(65)는 제1 고정 부재(65a), 제2 고정 부재(65b) 및 제3 고정 부재(65c)를 포함하며, 각각의 고정 부재(65a, 65b, 65c)는 튜브(61)가 관통하는 관통구멍(5)을 가지며 대략 판형 구조일 수 있다.

제1 고정 부재(65a)에는 튜브(61)의 상부에 위치하며, 제1 고정 부재(65a)의 하면에는 튜브(61)와 연결된 굴착기 실린더(61a)가 결합되어 있다.

제2 고정 부재(65b)는 제1 고정 부재(65a)와 이격되어 튜브(61) 길이의 중간되는 지점에 위치할 수 있으며, 굴착기 실린더(61a)의 중간부분이 제2 고정 부재(65b)에 고정될 수 있다. 제2 고정 부재(65b)는 제1 고정 부재(65a)와 제3 고정 부재(65c)를 보조하는 것으로, 고정 부재의 강성을 증가시킨다.

제3 고정 부재(65c)는 제2 고정 부재(65b)로부터 이격되어 튜브 클램프(61b) 아래에 위치할 수 있다.

제1 고정 부재(65a), 제2 고정 부재(65b), 제3 고정 부재(65c) 및 튜브 클램프(61b)에는 각각 한 쌍의 고정구멍이 형성되어 있으며, 이들의 고정 구멍에는 각각 고정막대(69)가 삽입되어 이들을 지지한다.

회전 장치(70)는 이송 롤러(71), 이송 모터(72), 제1 회전 부재(73) 및 제2 회전 부재(74)를 포함한다.

이송 롤러(71)는 제1 프레임(51)의 상단에 한쌍, 제2 프레임(52)의 상단에 한쌍씩 위치하며, 제1 프레임(51) 및 제2 프레임(52)의 상단을 레일로 하여, 제1 프레임(51) 및 제2 프레임(52)의 상단을 따라 이동할 수 있다. 제1 프레임(51)에 위치하는 이송롤러와 제2 프레임(52)에 위치하는 이송롤러는 공간(S)을 가로 지르는 회전축(17)으로 연결될 수 있다.

제1 고정 부재(65a)는 회전축(17) 위에 위치하며, 이송 롤러와 함께 프레임의 상단을 따라서 이동할 수 있다.

한편, 튜브(61)와 굴착기 실린더(61a)의 하중이 이송 롤러(71) 및 제1 프레임(51) 및 제2 프레임(52)에 전달된다. 따라서, 이송 롤러(71)는 수백 킬로 이상의 굴착부의 하중을 지지하기 위해서 고하중 지지가 가능한 특수 베어링일 수 있다. 또한, 분진과 이물질이 많은 작업 환경을 고려하여 베어링에 분진이 전달되지 않도록 분진 차단부(도시하지 않음)가 결합될 수 있다.

이송 모터(72)는 제1 고정 부재(65a) 위에 쌍으로 위치하며, 제1 프레임(51) 및 제2 프레임(52)과 각각 상대적으로 인접한 영역에 하나씩 설치될 수 있다.

제1 회전 부재(73)와 제2 회전 부재(74)는 각각 래크(73a, 74a) 및 피니언(73b, 74b)으로 구성되며, 래크(73a, 74a)는 제1 프레임(51) 및 제2 프레임(52)의 내측면에 위치하며 피니언(73b, 74b)과 맞물리도록 설치될 수 있다.

제1 회전 부재(73) 및 제2 회전 부재(74)의 피니언의 회전축(도시하지 않음)은 이송 모터(72)와 각각 연결될 수 있다. 따라서, 이송 모터(72)가 구동되면 이송 모터에 연결된 피니언의 회전축이 회전하고, 피니언(73b, 74b)이 래크(73a, 74b)를 따라서 이동하고, 이에 따라서 제1 고정 부재(65a)와 함께 굴착부도 지반에 수평한 제2 방향, 즉 제1 방향에 대해서 교차하는 방향으로 이동한다.

이때, 굴착부(60)는 단위 모듈의 폭만큼 회전 할 수 있다. 따라서, 하나의 수직구를 형성하기 위해서 8개의 단위 모듈이 결할 될 경우, 하나의 단위 모듈 내에서 회전 가능한 각도는 45도이다.

도 14 및 도 15는 본 발명에 따른 수직구 외주면 굴착 장치의 추진부를 설명하기 위한 도면이다. 도 14는 추진부가 설치된 부분의 단면도이고, 도 15는 링 웨일의 사시도이다.

추진부는 본체를 지반 내부로 이동시키기 위한 것으로, 굴착부(60)를 지반의 깊이 방향인 제1 방향으로 가압한다. 예를 들어, 굴착부에 의해서 지반이 굴착되어 공간이 형성되면, 추진부(80)는 본체(50)를 가압하여 상기 공간으로 삽입하고, 수직구의 외주면을 노출시켜 수직구 라이닝(400)을 형성할 수 있도록 한다.

추진부(80)는 링 웨일(81), 라이닝 캡(83) 및 추진 잭(84)을 포함할 수 있다.

링 웨일(81)은 케이싱(53)에 설치될 수 있으며, 본체(50)에 작용하는 외부의 수평 토압을 지지하는 역할을 하며, 동시에 현장 타설에 의한 라이닝 시공시 라이닝 캡(83) 상부의 굳지 않은 콘크리트와 거푸집(86, 도 18참조)의 하중을 지지하는 역할을 한다.

링 웨일(81)은 현장에서 이동을 용이하게 하기 위해서, 복수의 링 부재(81a)로 이루어지며, 이웃하는 링 부재(81a)는 웨일잭(81b)으로 연결될 수 있다. 이때, 링 부재(81a)는 H-빔일 수 있다.

웨일잭(81b)을 팽창시키면, 링 부재(81a)가 가압되면서 링 웨일(81)이 안정적으로 케이싱(53)에 고정될 수 있도록 하고, 웨일잭(81b)을 수축시키면 링 부재(81a) 사이의 힘이 약해져 링 웨일(81)이 자유롭게 이동할 수 있다.

추진잭(84)은 유압 실린더일 수 있으며, 링 웨일(81)과 본체(50) 사이에 위치하여 하중을 지지하면서, 추진력을 발생시킨다. 이때, 추진잭(84)은 수직구 라이닝(400) 또는 지상에 설치되는 지지부(10, 도 17 참조) 또는 링 웨일(81)에 의해서 지지되어 추진력을 생성할 수 있다.

추진잭(84)의 추력은 수평 토압에 의한 마찰력과 안전율, 윤활재의 역할 등을 고려하여 결정될 수 있으며, 예를 들어 심도 30m깊이에서 굴착기 직경이 8m인 경우 350bar의 유압을 사용하여 150ton/ea 이상의 추력을 가질 수 있다.

라이닝 캡(83)은 추진잭(84)의 상부에 위치하여 추진 반력을 상부의 경화된 라이닝에 전달하며, 경화되지 않은 상부의 시멘트 콘크리트와 거푸집의 하중을 하부의 본체(50)에 전달하여 지지하는 역할을 한다. 따라서, 라이닝 캡(83)은 충분한 강성 및 두께를 가지는 강재로 제작될 수 있다.

이상 설명한 본 발명에 따른 수직구 굴착 시스템을 이용하면, 지반에 용이하게 수직구를 형성할 수 있다.

수직구는 형성하고자 하는 수직구의 외주면를 따라서 수직구 굴착 장치로 굴착하여 수직구 라이닝을 형성하면서, 수직구 굴착 장치의 본체로 둘러 싸여진 관내토를 제거하여 수직구 라이닝과 함께 내부가 빈 수직구를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 수직구 굴착 시스템을 이용하면, 수직구 굴착 장치 내에 관내토를 남길 수 있으며, 이러한 관내토에 의해서 굴착 공정시 발생할 수 있는 히빙(heaving) 현상 및 보일링(boiling) 현상을 방지할 수 있다.

그럼 이하에서는 도면을 참조하여 수직구를 굴착하는 방법에 대해서 설명한다.

도 16은 본 발명의 한 실시예에 따라서 수직구를 시공하는 방법을 설명하기 위한 순서도이고, 도 17 및 도 18은 본 발명의 한 실시예에 따라서 수직구를 시공하는 중간 단계에서의 도면이다.

이하에서 설명되는 수직구 외주면 굴착 장치의 도면 부호는 기 설명된 도 1 내지 도 15를 참조한다.

도 16을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수직구 외주면 굴착 장치를 이용하여 수직구를 형성하는 방법은 수직구 굴착 장치를 안착 시키는 단계(S100), 수직구 굴착 장치를 지반에 고정시키는 단계(S102), 제1 방향으로 1차 굴착하는 단계(S104), 제2 방향으로 2차 굴착하는 단계(S106), 본체를 가압하는 단계(S108), 라이닝을 설치하는 단계(S110), 관내토를 제거하는 단계(S112)를 포함한다.

안착 시키는 단계(S100)에서는, 먼저 도 17에서와 같이 지지부(10)를 설치한다.

지지부(10)는 기초부(11)와 기초부(11)에 설치되는 기둥부(13), 기둥부(13)로부터 돌출되어 있는 가압부(14)를 포함할 수 있다.

기초부(11)는 콘크리트 구조물로 이루어질 수 있으며, 지표면에 설치되어 지반(500)에 단단하게 고정될 수 있다. 기초부(11)는 수직구 라이닝 구조물 주변의 지반에 설치되고, 수직구 라이닝 구조물을 감싸도록 일체로 형성될 수 있다.

기둥부(13)는 H-빔(H-BEAM)으로 이루어질 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다. 예를 들면, 기둥부(13)는 콘크리트 구조물로 이루어질 수 있고, T-바(T-BAR) 등으로 이루어질 수 있다. 기둥부(13)는 추진부와 동일한 수량으로 설치될 수 있다.

가압부(14)는 추진부(80)와 대응하도록 설치되며, 지지부(10)와 마찬가지로 H-빔으로 형성될 수 있다. 가압부(14)는 수직구 외주면 굴착 장치가 지반에 삽입됨에 따라서 높이를 조절할 수 있도록 기둥부(13)에 연결될 수 있으며, 이때, 가압부(14)와 기둥부(13)는 볼트로 연결될 수 있다.

이후, 지지부(10)로 둘러싸인 내측에 수직구 외주면 굴착 장치를 설치한다. 수직구 외주면 굴착 장치의 추진부(80)는 가압부(14)와 대응하도록 설치될 수 있다.

고정 시키는 단계(S102)에서는, 추진부(80)를 이용하여 본체(50)를 가압하여 선단슈(2d, 4d)를 지반에 삽입한다. 추진부(80)는 외부에 설치된 지지부(10)에 지지되어 팽창하면서 선단슈(2d, 4d)를 지반에 삽입시킬 수 있다.

1차 굴착하는 단계(S104)는, 굴착부(60)를 구동시켜 제1 프레임과 제2 프레임에 의해서 형성되는 공간(S) 내에 노출된 지반을 1차 굴착한다.

1차 굴착은 제1 굴착기(63)가 제1 방향으로 돌출하면서 지반을 굴착하고, 연속해서 제2 굴착기(64)로 튜브 주위의 지반을 굴착한다. 이때, 제1 굴착기는 어쓰오거이고, 제2 굴착기는 버킷 굴착기일 수 있다.

제1 굴착기(63)의 선단은 굴착부에 의해서 굴착되는 영역의 중심에 위치할 수 있으며, 중심에 관입된 제1 굴착기(63)의 선단에 의해서, 대구경 홀 천공을 위한 파일로트 홀과 같은 원리로 굴착기의 위치를 고정시켜 안정적으로 굴착이 가능하도록 할 수 있다.

제1 굴착기(63) 및 제2 굴착기(64)에 의해서 굴착된 토사는 제1 굴착기(63)의 회전에 의해서 상부로 이동하고, 토출구(61c)를 통해서 외부로 배출될 수 있다.

2차 굴착하는 단계(S106)를 진행하기 위해서, 굴착부(60)의 위치를 이동한다. 굴착부(60)의 위치는 굴착기 실린더(61a) 및 이송 모터(72)를 이용하여 이동할 수 있다.

굴착기 실린더(61a)는 제3 고정 부재(65c)로부터 제2 고정 부재(65b) 방향으로 수축하며, 이에 따라서 튜브 클램프(61b)에 연결된 굴착부(60)가 상부로 이동한다.

이후, 이송 모터(72)를 구동시켜 굴착부(60)를 제2 방향으로 이동시킨다. 이때, 이송 모터(72)는 제1 회전 부재(73)와 제2 회전 부재(74)의 회전축과 연결되어, 이송 모터(72)의 구동과 함께 제1 회전 부재(73)와 제2 회전 부재(74)에 의해서, 고정 부재와 함께 튜브가 함께 이동한다.

다시, 굴착기 실린더(61a)를 팽창시켜 굴착부(60)를 굴착하고자 하는 영역에 위치시킨다.

그런 다음, 제1 굴착기(63)와 제2 굴착기(64)를 이용하여 2차 굴착을 진행(S106)한다. 2차 굴착은 제1 굴착하는 단계와 동일한 방법으로 진행될 수 있다.

제1 굴착기(63)와 제2 굴착기(64)를 이용한 굴착은 단위 모듈 내에 노출된 지반에 대해서 진행된다. 이후, 굴착부를 이동하고 굴착하는 제2 굴착하는 단계를 반복하여 제1 프레임과 제2 프레임에 의해 형성된 공간(S) 내에 노출된 지반을 모두 굴착한다.

한편, 프레임 내부에 위치하는 상기 공간을 굴착하는 동안 본체로 둘러싸인 지반(즉, 관내토)이 노출되어 있으므로, 제1 굴착하는 단계 및 제2 굴착하는 단계를 진행하는 동안 굴착기(15, 도 18 참조)를 이용하여 본체로 둘러싸인 관내토를 동시에 굴착(S112)할 수 있다.

본 발명에 따른 수직구 굴착 장치는 흙막이와 같은 역할을 하고, 수직구 라이닝용 굴착 및 수직구 내부의 굴착이 서로 영향을 미치지 않고, 개별적으로 진행될 수 있다.

따라서, 어느 한 공정에 문제가 생겨도 다른 공정의 진행에 영향을 미치지 않아 작업 진행 속도가 향상되어 공사비를 절감할 수 있다.

본체를 가압하는 단계(S108)는, 1차 굴착 및 제2 굴착으로 프레임 내부의 공간이 굴착되면 추진부(80)로 프레임부를 가압하여 상기 굴착된 공간에 본체(50)를 삽입한다. 이때, 본체의 선단슈(2d, 4d)가 상기 공간의 노출된 지반에 삽입될 수 있도록 한다. 추진부(80)는 지지부를 활용하여 반력을 발생시킨다.

굴착부(60)가 1m/day의 속도로 굴착함에 따라 추진부는 1m의 스트로크로 팽창하여 본체를 지하로 진행시킨다. 본체가 지하로 삽입되면 추진부는 다시 수축시킨다. 그리고 링 웨일을 1m 아래로 진행시킨다.

한편, 본체(50)가 이동하면, 수직구의 외주면이 노출될 수 있으며, 예를 들어 1m의 깊이까지 노출될 수 있다.

수직구 라이닝을 설치하는 단계(S110)는, 도 18에서와 같이 노출된 수직구 외주면을 둘러싸도록 수직구 라이닝(400)을 형성한다. 수직구 라이닝(400)은 추진부 상부 및 하부에 각각 받침(85)을 설치하고, 받침(85) 위에 라이닝 캡(83)을 설치한 다음, 라이닝 캡에 거푸집(86)을 결합한다.

거푸집(86)은 수직구의 외주면으로부터 일정거리 이격되어 설치되며, 수직구의 외주면을 따라서 설치될 수 있다. 거푸집(86)과 수직구 외주면이 이격된 거리만큼 수직구의 라이닝(400)의 두께가 정해질 수 있다.

이후, 거푸집(86)과 외주면 사이에 형성된 공간에 콘크리트를 채운 후 경화시켜 수직구 라이닝(400)을 형성한다.

수직구의 깊이에 따라서, 제1 굴착, 제2 굴착, 본체 이동 및 수직구 라이닝을 형성하는 단계를 반복할 수 있다. 이때 본체(50)로 둘러싸인 관내토도 굴착기(15)에 의해서 함께 제거될 수 있다. 따라서, 수직구 라이닝의 형성과 함께 수직구가 완성될 수 있다.

이후, 원하는 깊이로 수직구를 완성한 후, 분리 가능한 제1 프레임 및 제2 프레임은 해체하여 재사용하고, 케이싱은 제거하지 않고 수직구 라이닝과 함께 지반에 매립할 수 있다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 바람직한 실시예를 통해 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

Claims (14)

1. 서로 이격되어 서로 마주하도록 배치되어 있는 제1 프레임 및 제2 프레임, 상기 제1 프레임의 외측면에 결합되어 있는 케이싱을 포함하는 본체,
   상기 제1 프레임과 상기 제2 프레임 사이의 공간에 위치하는 굴착부,
   상기 굴착부를 이동시키는 추진부를 포함하고,
   상기 굴착부는
   상부 및 하부가 개방된 튜브,
   상기 튜브 내에 상기 상부 및 하부를 연결하는 방향으로 설치되어 상기 튜브의 하부에 노출된 지반을 굴착하고, 상기 튜브의 상부로 토사를 배토하는 제1 굴착기,
   상기 튜브 내에서 상기 제1 굴착기와 연결되어 상기 제1 굴착기를 구동시키는 유압 모터,
   상기 튜브를 둘러싸며 상기 튜브를 지지하고, 서로 이격되어 있는 제1 고정 부재, 제2 고정 부재 및 제3 고정 부재,
   상기 제1 고정 부재와 연결되어 있으며, 상기 제1 프레임 및 상기 제2 프레임의 상단부를 따라 이동하는 이송 롤러,
   상기 이송 롤러와 연결되어 있는 이송 모터,상기 제1 고정 부재와 상기 제2 고정 부재 사이에 위치하며, 상기 제1 프레임의 상부 내측과 상기 제2 프레임의 상부 내측에 서로 마주하도록 각각 설치되어 있는 한 쌍의 제1 래크,
   상기 제1 래크에 결합되어 있는 제1 피니언,
   상기 제3 고정 부재와 상기 지반 사이에 위치하며, 상기 제1 프레임의 하부 내측과 상기 제2 프레임의 하부 내측에 서로 마주하도록 각각 설치되어 있는 한 쌍의 제2 래크,
   상기 제2 래크에 결합되어 있는 제2 피니언
   을 포함하는 수직구 굴착 시스템.
2. 제1항에서,
   상기 굴착부는 상기 튜브를 중심으로 대칭을 이루며, 상기 튜브의 외측에 연결되어 있는 복수의 제2 굴착기
   를 더 포함하는 수직구 굴착 시스템.
3. 제2항에서,
   상기 제1 굴착기는 어쓰오거이고,
   상기 제2 굴착기는 버킷 실린더를 통해서 상기 튜브 외측에 연결되는 버킷
   을 포함하는 수직구 굴착 시스템.
4. 제1항에서,
   상기 제1 프레임은 복수의 제1 소프레임을 포함하고,
   상기 제2 프레임은 복수의 제2 소프레임을 포함하고,
   상기 케이싱은 복수의 소케이싱을 포함하고,
   각각의 상기 제1 소프레임, 상기 제2 소프레임, 상기 소케이싱은 하나의 단위 모듈을 이루는 수직구 굴착 시스템.
5. 제4항에서,
   상기 본체는 원통형 구조를 이루고,
   상기 본체는 복수의 상기 단위 모듈을 연결하여 이루어지는 수직구 굴착 시스템.
6. 제4항에서,
   상기 제1 프레임의 하단 및 상기 제2 프레임의 하단에 각각 연결되어 있는 선단슈를 더 포함하는 수직구 굴착 시스템.
7. 제6항에서,
   상기 제1 소프레임, 제2 소프레임은 각각 상기 튜브의 상부로부터 하부로 향하는 길이 방향을 따라 상부 프레임, 중간 프레임 및 하부 프레임을 각각 포함하는 수직구 굴착 시스템.
8. 제7항에서,
   상기 선단슈는 상기 하부 프레임에 연결되어 있는 수직구 굴착 시스템.
9. 삭제
10. 삭제
11. 제1항에서,
    상기 제1 피니언 및 상기 제2 피니언의 회전축은 상기 이송 모터와 연결되어 있는 수직구 굴착 시스템.
12. 제1항에서,
    상기 제1 고정 부재에 상단이 연결되어 있는 굴착기 실린더,
    상기 굴착기 실린더의 하단에 연결되어 있으며 상기 튜브를 감싸서 고정하는 튜브 클램프
    를 더 포함하고,
    상기 굴착기 실린더의 수축 및 팽창에 의해서 상기 튜브는 상기 이송 롤러가 이동하는 제1 방향에 대해서 수직한 제2 방향으로 이동하는 수직구 굴착 시스템.
13. 제1항에서,
    상기 제1 고정 부재, 상기 제2 고정 부재 및 상기 제3 고정 부재를 연결하는 복수의 고정 막대
    를 더 포함하는 수직구 굴착 시스템.
14. 제1항에서,
    상기 추진부는
    상기 케이싱에 결합되어 있는 복수의 링 부재, 상기 링 부재 사이를 연결하는 웨일잭을 포함하는 링웨일,
    상기 링웨일과 상기 본체 사이에 위치하는 추진잭,
    상기 추진잭과 상기 링웨일 사이 및 상기 추진잭과 상기 본체 사이에 각각 위치하는 받침
    을 더 포함하는 수직구 굴착 시스템.

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