KR102476014B1 - 배토 효율이 향상된 터널 굴착 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 굴착 장치 관한 것으로, 지반을 굴착하면서 이동하는 이동 몸체와; 굴진 방향을 향하는 상기 이동 몸체의 전방부에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와; 상기 커터 헤드에 의해 굴착된 굴착 토사를 상기 커터 헤더와 상기 이동 몸체의 사이에 임시 수용하는 토사 수용 챔버와; 샤프트의 외주면에 나선 블레이드가 형성되어 회전하는 스크류 컨베이어로 형성되어, 상기 토사 수용 챔버로부터 상기 이동 몸체의 후방으로 토사를 배출하는 배출 컨베이어와; 상기 배출 컨베이어에 고정되어 상기 샤프트와 함께 회전하고, 상기 토사 수용 챔버의 내부로 연장된 믹싱 부재를; 포함하여 구성되어, 터널의 굴착 과정에서 지반으로부터 굴착된 굴착 토사를 후방으로 이송하는 배토 효율이 향상되어, 터널의 굴착 공정을 중단없이 원활히 진행시키는 터널 굴착 장치를 제공한다.

Description

배토 효율이 향상된 터널 굴착 장치{TUNNEL BORING MACHINE}

본 발명은 터널 굴착 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로 터널의 굴착 공정 중에 지반을 굴착한 토사의 배토 효율이 향상된 터널 굴착 장치에 관한 것이다.

도시의 빠른 성장과 도심지로의 인구 밀집으로 인해 지상 구조물이 급격히 늘어났으며, 유동 인구 증가로 현재 지반 상부는 과포화 상태이다. 이로 인해, 교통 체증, 주차 문제 등이 발생되며, 지상 구조물의 밀집화는 사회적으로 큰 문제를 일으키고 있다.

이러한 문제를 해소하고자, 사회기반시설들이 지하화되는 것이 지속적으로 논의되고 있다. 도심지 지하공간의 활용에는 터널 공법이 주로 사용되고 있으며, 특히 Shield TBM 공법은 기존의 발파공법과 대비하여 소음과 진동이 적어 도심지 터널 굴착에 널리 활용된다.

Shield TBM 공법은, 도1에 도시된 바와 같이, 전면(前面)에 비트 형태의 커터가 장착된 커터 헤드(11)가 회전하는 터널 굴착 장치(10)가 지반(88)의 내부에서 암반과 토사를 절삭하면서 굴진한다.

구체적으로는, 터널 굴착 장치(10)의 전면에 배치된 커터 헤드(11)는 굴착면(91s)과 접촉 회전하여 지반(88)의 토사와 버력(이하, 본 명세서 및 특허청구범위에서 편의상 '굴착 토사'라고 통칭한다)을 분쇄하면서 터널(91)을 형성한다. 이 때, 커터 헤드(11)에는 충분히 큰 크기의 관통공이 형성되어, 커터 헤드(11)에 의해 분쇄되는 지반의 굴착 토사는 터널 굴착 장치(10) 내부의 토사 수용 챔버로 유입되고, 터널 굴착 장치(10)가 굴진하면서 지반으로부터 분쇄된 암반과 토사는 배출 컨베이어(13)를 통해 후방으로 배출(13d)된다.

그러나, 상기와 같은 터널의 굴착 공정이 행해지는 동안에 터널 굴착 장치(10)에 의해 굴착된 굴착 토사에는 암반이 분쇄된 버력이 뭉쳐진 상태로 토사 수용 챔버로 유입되기도 한다. 이에 따라, 굴착 토사의 버력이 여럿 모여서 덩어리를 형성하면 배출 컨베이어(12)를 통해 원활히 배출되지 못하고 배출 컨베이어가 헛도는 문제가 발생된다. 이로 인해 토사 수용 챔버에는 굴착 토사가 허용 한계를 넘어 유입되면, 더이상 굴착 공정을 진행시키지 못하고 중단해야 하는 문제가 발생되었다.

이와 같은 상황이 발생되면, 터널 굴착 장치(10)를 터널(91)의 굴착면(91s)으로부터 후퇴시키고, 일일히 작업자들이 토사 수용 챔버에 뭉쳐진 을 배출해야 하므로, 굴착 공정이 지연될 뿐만 아니라 분쇄 암반을 배출시키는 과정에서 작업자의 위험이 문제될 수 있다.

따라서, 터널 굴착 장치(10)를 이용하여 터널을 굴착하는 공정 중에 굴착 토사가 원활히 후방으로 배출되도록 하여, 굴착 공정의 지연을 미연에 방지하고 작업자의 안전을 보장하는 방안의 필요성이 절실히 요구되고 있다.

본 발명은 터널의 굴착 공정을 중단없이 원활히 진행되도록 하는 터널 굴착 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 굴착 공정 중에 굴착된 굴착 토사의 버력과 토사를 골고루 혼합하여 굴착 토사를 원활히 후방으로 배출하는 것을 목적으로 한다.

특히, 본 발명은, 별도의 구동 장치를 구비하지 않고서도, 굴착 토사의 버력이 뭉치지 않도록 교반하여 굴착 토사를 원활히 배출하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은 굴착 토사가 토사 수용 챔버에 누적됨에 따라 굴착 공정을 지연시키는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다.

상술한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 지반을 굴착하면서 이동하는 이동 몸체와; 굴진 방향을 향하는 상기 이동 몸체의 전방부에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와; 상기 커터 헤드에 의해 굴착된 굴착 토사를 상기 커터 헤더와 상기 이동 몸체의 사이에 임시 수용하는 토사 수용 챔버와; 샤프트의 외주면에 나선 블레이드가 형성되어 회전하는 스크류 컨베이어로 형성되어, 상기 토사 수용 챔버로부터 상기 이동 몸체의 후방으로 토사를 배출하는 배출 컨베이어와; 상기 배출 컨베이어에 고정되어 상기 샤프트와 함께 회전하고, 상기 토사 수용 챔버의 내부로 연장된 믹싱 부재를; 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치를 제공한다.

이는, 토사 수용 챔버 내에 믹싱 부재를 배치하여 커터 헤드의 관통공을 통해 토사 수용 챔버로 유입된 굴착 토사의 토사와 버력을 충분히 교반시킴으로써, 굴착된 굴착 토사에 포함된 버력이 서로 뭉쳐지 않도록 토사와 적절한 비율로 혼합되거나 버력이 분산되도록 하여, 배출 컨베이어가 굴착 토사에 걸려 정지하거나 헛도는 일이 없이 굴착 토사를 후방으로 원활히 배출시키도록 하기 위함이다.

특히, 믹싱 부재가 스크류 컨베이어 형태의 배출 컨베이어에 고정되어 함께 회전함에 따라, 별도의 구동원이 없이 배출 컨베이어로 유입되는 굴착 토사를 골고루 교반함으로써, 불필요한 위치에서 교반하지 아니하고 배출 컨베이어로 유출되도록 하는 데 필요한 동력만을 사용하므로, 에너지 효율을 높이면서 굴착 토사의 배토 효율을 높이는 효과를 얻을 수 있다.

여기서, 상기 믹싱 부재는 상기 샤프트로부터 연장된 중심 가상선에 대하여 예각을 이루도록 연장 형성될 수 있다. 이를 통해, 배출 컨베이어를 배출되는 굴착 토사는 회전하는 믹싱 부재를 거치면서 배출 컨베이어로 유입되므로, 유입되는 굴착 토사의 버력이 뭉치지 않고 분산된 상태로 배출 컨베이어로 유입되도록 하여 배출 컨베이어가 헛돌지 않고 정해진 시간에 보다 많은 굴착 토사를 배출시키게 된다.

한편, 상기 믹싱 부재는 선단의 단면이 후단의 단면에 비하여 점점 작아지는 영역을 포함하여 형성된다. 이와 같이, 믹싱 부재가 선단으로 갈수록 날카롭게 형성되어 굴착 토사 내의 뭉쳐진 버력을 분리시키는 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라, 후단의 단면이 보다 더 크게 형성되어 굴착 토사를 교반하면서 작용하는 하중에 균열없이 견고하게 버틸 수 있다.

여기서, 상기 믹싱 부재는 상기 샤프트에 하나만 형성될 수도 있지만, 샤프트의 원주 방향으로 180도 간격을 두고 2개 형성하거나, 120도 간격을 두고 3개 형성하는 등 원주 방향으로 간격을 두고 2개 이상 배치되어, 교반 효율을 높일 수 있다.

그리고, 상기 믹싱 부재는, 상기 토사 수용 챔버의 폭의 10% 내지 30%만큼 상기 커터 헤드로부터 이격된 위치까지 연장 형성되어, 굴착 과정에서 토사 수용 챔버에 수용된 굴착 토사의 대부분을 교반한 상태로 배출 컨베이어로 배출시킬 수 있다.

본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '전방' 및 이와 유사한 용어는 터널 굴착 장치가 굴착하는 굴착면을 향하는 방향을 지칭하는 것으로 정의하고, 본 명세서 및 특허청구범위에 기재된 '후방' 및 이와 유사한 용어는 터널 굴착 장치가 굴착하는 굴착면의 반대측을 향하는 방향을 지칭하는 것으로 정의한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 터널의 굴착 과정에서 지반으로부터 굴착된 굴착 토사를 후방으로 이송하는 배토 효율이 향상되어, 터널의 굴착 공정을 중단없이 원활히 진행시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

다시 말하면, 본 발명은, 토사 수용 챔버에 설치된 믹싱 부재에 의하여 토사 수용 챔버로 유입된 버력과 토사가 골고루 균질하게 혼합하여, 스크류 형태의 배출 컨베이어를 통해 후방으로 원활히 배출하는 효과를 얻을 수 있다.

무엇보다도, 본 발명은, 굴착 토사를 교반하는 믹싱 부재가 스크류 컨베이어의 샤프트와 함께 회전하도록 구성되어, 별도의 구동원이 없더라도, 믹싱 부재가 회전하면서 토사 수용 챔버에 수용된 굴착 토사를 교반하여 버력의 뭉침을 방지하고 분산된 상태로 배출 컨베이어로 배출될 수 있도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

더욱이, 본 발명은, 믹싱 부재가 샤프트의 일단에 고정됨에 따라, 배출 컨베이어로 유입되는 배출 토사는 믹싱 부재에 의해 교반된 상태로 보장되므로, 배출 컨베이어의 단위 회전당 배출량을 일정하게 유지하여 안정된 배토 효율을 얻을 수 있는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이를 통해, 본 발명은, 굴착 토사의 버력이 뭉쳐 배토 효율이 저하되는 일이 발생되지 아니하여, 연속적인 굴착 공정을 보장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

도1은 일반적인 터널 굴착 장치에 의해 터널을 굴착하는 구성을 도시한 개략도,
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 굴착 장치에 의해 터널을 굴착하는 구성을 도시한 개략도,
도3은 도2의 터널 굴착 장치의 구성을 상측에서 바라본 상측 투시도,
도4는 도3의 'A'부분으로 표시된 전방부의 구성을 도시한 측단면 개략도,
도5a는 도4의 'C'부분의 확대도,
도5b 및 도5c는 도4의 'C'부분에 대응하는 부분으로서 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 믹싱 부재 형상을 도시한 도면,
도6은 도3의 'B'부분의 확대도이다.
도7은 도3의 절단선 X-X에서 바라본 도면이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 참고로, 본 설명에서 동일한 번호는 실질적으로 동일한 요소를 지칭하며, 이러한 규칙 하에서 다른 도면에 기재된 내용을 인용하여 설명할 수 있고, 당업자에게 자명하다고 판단되거나 반복되는 내용은 생략될 수 있다.

첨부된 도면을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 터널 굴착 장치(100)는, 지반(88)을 굴착하면서 이동하되 상호 회전 가능한 제1이동몸체(111)와 제2이동몸체(112)를 포함하는 이동 몸체(110)와, 굴진 방향을 향하는 상기 이동 몸체(110)의 전방부에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드(120)와, 커터 헤드(120)에 의해 굴착된 굴착 토사를 커터 헤더(120)와 이동 몸체(120)의 사이에 임시 수용하는 토사 수용 챔버(Cs)와, 토사 수용 챔버(Cs)로부터 이동 몸체(110)의 후방으로 굴착 토사(99)를 배출하는 배출 컨베이어(130)와, 제1이동몸체(111)와 제2이동몸체(112)의 회전을 허용하게 하는 회전 허용부(140)와, 배출 컨베이어(130)의 샤프트(132)와 함께 회전하면서 토사 수용 챔버(Cs) 내에 수용된 굴착 토사(99)를 혼합하는 믹싱 부재(150, 250, 350)를 포함하여 구성된다.

참고로, 본 발명에서 터널이라 함은, 육상터널, 지하터널 및 해저터널을 모두 포함하는 개념으로 이해될 수 있으며, 터널의 종류 및 특성에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

아울러, 본 발명에 따른 터널 굴착 장치(100)는, 실제 지반(88)을 굴착하거나, 실제 지반(88)에 기초하여 인위적으로 제작된 축소모형지반(미도시)을 굴착하는데 사용될 수 있다.

참고로, 축소모형지반은 터널 굴착 장치(10)를 이용하여 굴착하고자 하는 지반(88)을 사전 조사하여, 이와 유사한 형태로 제작될 수 있다. 일 예로, 축소모형지반은 조사된 지층별로 매립층, 충적층, 풍화토, 풍화암 등이 분포될 수 있다. 이 때, 보통암, 연암, 풍화암층으로 이루어진 지층에 대해서는 일축압축강도의 값이 조사된 압축강도와 동일한 값을 갖도록 함수비를 고려하여 모래와 석고를 혼합하여 다짐법으로 조성되고, 충적층과 매립층에 대해서는 강사법으로 조성되는 것이 좋다.

상기 이동 몸체(110)는 하나의 몸체로 형성되어 직선 형태의 터널(91)을 굴착하는 데 사용될 수도 있으며, 2개 이상의 제1이동몸체(111)와 제2이동몸체(112)가 상호 간에 회전 가능하여 곡선 형태의 터널(90)을 굴착할 수 있도록 구성될 수 있다.

여기서, 제1이동몸체(111)와 제2이동몸체(112)의 사이에는 굽힘과 휨 변형이 가능한 자라바 형태의 씰링 부재(113)가 연결 형성된다. 여기서, 씰링 부재(113)는 주름 튜브 또는 신축성 재질로 형성될 수 있으며, 제1이동몸체(111)와 회전 허용부(140)의 사이 간극 변화에 대응하여 신축된다.

상기 커터 헤드(120)는 지반(88)을 굴착 하는 커터(120x)를 포함하며, 이동 몸체(110)의 전방(굴진 방향을 향하는 방향)부에 자전 가능하게 장착된다. 즉, 이동 몸체(100)가 2개 이상으로 형성된 경우에는, 최전방에 위치한 제1이동몸체(111)의 전방부에 설치된다.

보다 구체적으로, 커터 헤드(120)는 커터 헤드 구동부(126)에 의해 회전하면서 지반(88)의 토사와 암반을 깍아내면서 굴진하도록 구성된다. 커터 헤드(120)는 자전하면서 지반(88)의 토사와 암반을 깍아내면서 굴진할 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있으며, 커터 헤드(120)의 구조에 의해 본 발명이 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

일 예로, 커터 헤드(120)의 전단부에 형성된 헤드 면판(121)에는 회전 가능한 복수개의 커터(120x)(예를 들어, 디스크커터)가 커터 헤드(120)의 전방으로 돌출되게 마련된다.

커터(120x)의 개수 및 배열 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다. 일 예로, 복수개의 커터(120x)는 커터 헤드(120)의 반경 방향 또는 원주 방향을 따라 이격되게 배치될 수 있다.

아울러, 커터 헤드(120)의 반경 방향을 따른 커터 헤드(120)의 가장자리에는 원주 방향을 따라 함몰된 홈(미도시)이 형성될 수 있다. 이와 같이, 커터 헤드(120)의 가장자리에 함몰된 홈을 형성하는 것에 의하여, 막장 압력이 커터 헤드(120)의 면판에 작용하더라도 커터 헤드(120)의 설치 위치가 틀어지는 것을 최소화하고 커터 헤드(120)의 위치를 안정적으로 고정하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

또한, 커터 헤드(120)에는 관통공(120a)이 형성되어, 커터 헤드(120)에 의해 굴진 방향을 따라 암반을 파쇄한 버력과 토사를 토사 수용 챔버(Cx)로 유입(71)시킨다.

도4에 도시된 바와 같이, 헤드 면판(121)은 이동 몸체(110)를 향하여 연장된 연장 부재(122)가 결합되고, 연장 부재(122)는 회전하는 내륜(128i)과 결합된다. 그리고, 내륜(128i)은 이동 몸체(110)의 전방부에 고정된 외륜(128o)에 대하여 회전 가능하게 설치된다. 내륜(128i)과 외륜(128o)은 베어링 부재(128)를 형성한다. 일례로, 베어링 부재(128)는 V홈 형상의 몸체에 롤러와 스페이서 리테이너가 순차적으로 배치되며, 롤러는 직교 배열되어 있어 1개의 베어링으로 정방향, 축방향 및 모멘트 하중 등 다양한 방향의 하중을 지탱할 수 있는 크로스 롤러 베어링이 적용될 수 있다.

내륜(128i)의 내주면에는 링기어부(128ix)가 형성되고, 링기어부에 맞물리도록 원주 방향으로 배열된 다수의 구동 기어(125)가 구동 모터(126)에 의해 개별적으로 회전 구동된다. 이에 따라, 구동 모터(126)가 일방향으로 회전하면, 도7a에 도시된 바와 같이 회전하는 구동 기어(125)를 매개로 내륜(128i)이 이동 몸체(110)에 고정된 외륜(128o)에 대하여 회전하면서, 이동 몸체(110)에 대하여 커터 헤드(120)가 자전한다.

도면에는, 배출 컨베이어(130)가 통과하는 위치를 제외한 원주 상에 10개의 구동기어(125)가 등간격으로 이격되게 배치된 구성이 예시되어 있으나, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 구동 기어(125)는 9개 이하 또는 11개 이상으로 형성되도록 구성될 수 있다.

이와 같이, 베어링부재(128)의 내륜(128i)에 링기어부(128ix)를 형성하고, 구동원(126)에 의해 회전하는 복수개의 구동기어(125)가 내륜(128i)의 링기어부(128ix)와 맞물려 내륜(128i)을 회전시켜, 연결 부재(122)를 매개로 헤드 면판(121)을 포함하는 커터 헤드(120)를 회전시키는 것에 의하여, 커터 헤드(120)의 회전시 커터 헤드(120)의 흔들림 및 유동을 최소화하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

이 때, 이동 몸체(110)의 전방부에는 토사 수용 챔버(Cx)와 구획되면서 구동 모터(126)를 고정하는 대향 고정면(119)이 형성된다. 대향 고정면(119)은, 도4에 도시된 바와 같이, 외륜(128o)으로부터 연장되어 외륜(128o)과 일체형으로 형성될 수도 있고, 외륜(128o)과 별개로 이동 몸체(110)에 고정되는 형태로 형성될 수도 있다.

커터 헤드(120)의 회전 구조는 요구되는 조건 및 설계 사양에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

상기 토사 유입 챔버(Cs)는 커터 헤드(120)와 이동 몸체(110)의 전방부에 배치되어 커터 헤드(120)의 헤드 면판(121)을 대향하는 대향 고정면(119)의 사이에 형성되어, 굴착 과정에서 커터 헤드(120)에 의해 굴착된 토사와 분쇄된 암반인 버력으로 이루어지는 굴착 토사(99)를 임시로 수용하고, 일단이 인입된 상태로 설치된 배출 컨베이어(130)를 통해 후방으로 굴착 토사(99)를 배출(79)시킨다.

여기서, 대향 고정면(119)은, 도면에 도시된 바와 같이, 외륜(128o)으로부터 연장된 벽체 형태로 형성될 수 있으며, 이동 몸체(110)의 전방부를 구획하는 벽체 형태만으로 형성될 수도 있고, 그 밖에 다양한 형태로 굴착 토사를 수용하는 공간을 형성하는 다양한 형태로 형성될 수 있다.

배출 컨베이어(130)는 커터 헤드(120)에 의해 굴착된 토사나 버력 등의 굴착 토사를 커터 헤드(120)의 후방으로 배출시키는 데 사용된다. 일 예로, 배출 컨베이어(130)는 직선 형태로 연장된 샤프트(132)와, 샤프트(132)의 외주면에 나선 형태로 돌출 형성된 이송 블레이드(134)가 형성된 스크류 컨베이어를 포함한다.

여기서, 샤프트(132)의 일단은 토사 수용 챔버(Cs)의 하측에 인입되게 배치되고, 샤프트(132)의 타단은 굴착 토사의 배출 위치에 배치된다. 이를 위하여, 대향 고정면(119)에는 배출 컨베이어(130)의 일단부가 관통하는 관통부(119a)가 마련된다. 따라서, 구동원에 의해 샤프트(132)를 회전시키면, 토사 수용 챔버(Cs)에 쌓인 굴착 토사를 후방으로 배출한다.

바람직하게, 배출 컨베이어(130)의 타단부는 피봇(130a)에 의해 회전 가능하게 설치되어, 배출 컨베이어(130)는 타단부의 피봇(130a)을 중심으로 직선 형태를 유지하면서 별도의 구동원없이 회전(130r)한다. 여기서, 배출 컨베이어(130)의 피봇(130a)은 이동 몸체(110)의 후방부에 배치된다. 다만, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 배출 컨베이어가 구동원에 의해 회전하도록 구성하는 것도 가능하다.

이 때, 배출 컨베이어(130)의 일단부에는 배출 컨베이어(130)의 일단부가 일정한 지점에 위치하도록 가이드 부재(158)가 구비된다. 여기서, 가이드 부재(158)의 선단(158a)은 배출 컨베이어(130)의 일단부와 접촉하면서, 배출 컨베이어(130)의 일단 위치를 미리 정해진 토사 수용 챔버(Cs)의 하측 중앙부에 위치시킨다.

즉, 터널 굴착 장치(100)가 곡선 구간의 경로를 따라 굴착 공정을 진행하면서, 전방에 위치한 제1이동몸체(111)에 대하여 후방에 위치한 제2이동몸체(112)가 실링 부재(113)를 경계로 꺾임 형태의 회전 변위(112r)가 발생되고, 이에 따라 커터 헤드(120)도 역시 제2이동몸체(112)에 대하여 회전 변위(130r)가 발생되면, 배출 컨베이어(130)의 타단부의 피봇부(130a)에서 배출 컨베이어(130)가 직선 형태를 유지하면서 일단부가 가이드 부재(158)에 의해 정해진 토사 수용 챔버(Cs)의 중앙부 하측을 유지할 수 있다.

이에 따라, 이동 몸체(110)에 대한 제1이동몸체(111)의 회전에 대응하여, 배출 컨베이어(130)가 동일한 방향으로 회전하도록 하는 것에 의하여, 배출 컨베이어(130)의 선단이 제1이동몸체(111)의 후방에서 어느 일측으로 치우치지 않고, 최초 의도된 위치(예를 들어, 헤더 후방의 가운데 부위)에 배치된 상태를 유지할 수 있으므로, 헤더 후방으로 유입되는 버력이 토사 수용 챔버(Cs)에 적체되지 않고 안정적으로 배출되게 하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

따라서, 이동 몸체(110)가 2개 이상으로 형성되어 상호 회전 변위가 발생되더라도, 배출 컨베이어(130)는 직선 형태를 유지하면서, 그 일단이 토사 수용 챔버(Cs)의 정해진 중앙부 하측을 유지하면서, 토사 수용 챔버(Cs)로 유입된 굴착 토사(99)를 후방으로 원활히 배출시키는 효과를 얻을 수 있다.

상기 회전 허용부(140)는 제1이동몸체(111)와 제2이동몸체(112)의 사이 구간에서의 회전 변위를 허용하기 위한 것으로, 굴착 방향에 수직한 폭방향을 기준으로 양측에 구동 회전부(141)와 비구동 회전부(142)가 배치된다.

본 발명의 실시예에서는 회전 허용부(140)가 구동 회전부(141)와 비구동 회전부(142)를 포함하는 예를 들어 설명하고 있지만, 경우에 따라서는 헤더지지부가 구동 회전부와 비구동 회전부 중 어느 하나만을 포함할 수도 있고, 양측 모두 구동 회전부로 구성될 수도 있다.

구동 회전부(141)와 비구동 회전부(142)는 회전축(1416)을 중심으로 회전 허용부(140)에 대해 제1이동몸체(111)를 회전시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다.

일 예로, 도6을 참조하면, 구동 회전부(141)는, 회전 허용부(140)에 고정되는 제1연결부재(1412)와, 제1연결부재(1412)에 수직회전축(1416)을 중심으로 좌우 회전 가능하게 결합되며 제1이동몸체(111)에 고정되는 제2연결부재(1414)와, 수직회전축(1416)을 중심으로 제2연결부재(1414)를 좌우 방향으로 회전시키는 구동 모터(1411)를 포함한다.

마찬가지로, 비구동 회전부(142)는, 회전 허용부(140)에 고정되는 제1연결부재(도6의 1412 참조)와, 제1연결부재에 수직회전축(도6의 1416 참조)을 중심으로 좌우 회전 가능하게 결합되며 제1이동몸체(111)에 고정되는 제2연결부재(도6의 1414 참조)를 포함하여, 제1이동몸체(111)와 제2이동몸체(112) 간의 회전 변위를 허용한다. 여기서, 수직회전축(1416)을 중심으로 제2연결부재를 좌우 방향으로 회전시키는 구동부(도6의 1411 참조)를 포함하여 구동 회전부로 구성될 수도 있다. 한편, 본 발명의 다른 실시예에 따르면 구동 회전부와 비구동 회전부가 서로 다른 구조로 형성되는 것도 가능하다.

구동부(1411)는 제1연결부재(1412)에 대해 제2연결부재(1414)를 좌우 방향으로 회전시킬 수 있는 다양한 구조로 형성될 수 있다. 일 예로, 구동부(1411)(예를 들어, 구동모터)에 의한 구동력은 동력전달부재(예를 들어, 벨트나 기어 등)에 의해 제2연결부재(1414)로 전달될 수 있다. 바람직하게 구동부(1411)의 구동력은 감속기(미도시)에 의해 감속되 상태로 제2연결부재(1414)로 전달된다. 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 구동부에 의한 구동력이 동력전달부재를 거치지 않고 제2연결부재에 직접 전달되도록 구성하는 것도 가능하다.

이와 같이, 구동 회전부(141)와 비구동 회전부(142)를 폭방향을 따라 동일 선상에 배치하는 것에 의하여, 제1이동몸체(111)의 하중에 의한 휨 변형을 최소화하고, 회전 허용부(140)에 대한 제1이동몸체(111)의 지지 상태를 안정적으로 유지하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

상기 믹싱 부재(150, 250, 350)는, 토사 수용 챔버(Cs)의 내부에서 연장 형성되도록 배출 컨베이어(130)에 고정되어 샤프트(132)의 회전과 함께 회전한다.

도4 및 도5a에 도시된 바와 같이, 믹싱 부재(150)는 스크류 컨베이어 형태의 배출 컨베이어(130)의 샤프트(132)로부터 연장 형성되며, 샤프트(132)의 축선 방향으로 연장된 중심 가상선(55)에 대하여 예각(ag)을 이루고, 선단(150e)의 단면이 후단(150x)의 단면에 비하여 점점 작아지는 영역을 포함하여 형성된다. 다만, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 배출 컨베이어(130)의 이송 블레이드(134)로부터 연장 형성될 수도 있다.

이와 같이, 믹싱 부재(150)가 선단(150e)에서는 후단(150x)에 비하여 보다 날카롭고 작은 단면으로 형성됨에 따라, 토사 수용 챔버(Cs)에 수용된 굴착 토사 (99)의 버력이 뭉쳐져 있더라도, 버력 간을 분리시키고, 버력의 사이에 토사가 개재되도록 하는 효율을 높일 수 있다. 또한, 믹싱 부재(150)는 선단(150e)에 비하여 후단(150x)이 보다 큰 단면으로 형성되어, 굴착 토사를 교반하는 과정에서 믹싱 부재(150)에 작용하는 하중을 잘 견딜 수 있게 한다.

특히, 믹싱 부재(150)가 스크류 컨베이어 형태의 배출 컨베이어(130)에 고정되어 함께 회전함에 따라, 믹싱 부재(150)를 회전시키기 위한 별도의 구동원을 설치하지 않아도 되므로, 터널 굴착 장치를 보다 콤팩트한 구조로 구성하면서도 배토 효율을 높이는 이점을 얻을 수 있다.

또한, 토사 수용 챔버(Cs)로 유입된 굴착 토사를 전체적으로 교반하기 보다는, 배출 컨베이어(130)를 통해 배출되는 굴착 토사를 빠짐없이 교반하게 되므로, 불필요한 교반을 최소화하여 불필요한 에너지 소모를 방지함과 동시에, 배출 컨베이어(130)에 유입되는 굴착 토사의 버력의 분리 상태를 일정하게 유지하여, 신뢰성있는 배토 작용을 보장하는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

한편, 믹싱 부재(150)가 중심 가상선(55)에 대해 이루는 각도(ag)를 예각으로 형성함에 따라, 커터 헤드(120)의 관통공(120a)을 통해 토사 수용 챔버(Cs)로 유입된 굴착 토사(99)는 배출 컨베이어(130)를 통해 배출되기 이전에, 배출 컨베이어(130)와 함께 회전하는 믹싱 부재(150)와 접촉하게 되므로, 배출 컨베이어(130)로 유입되는 굴착 토사(99)의 버력을 서로 분리시키는 신뢰성을 높일 수 있다. 이에 따라, 굴착 토사(99)의 버력이 뭉치지 않고 분산된 상태로 배출 컨베이어(130)로 유입됨에 따라, 배출 컨베이어(130)가 헛돌지 않고 정해진 시간에 일정한 양의 굴착 토사를 배출시켜 배토 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

여기서, 믹싱 부재(150)가 중심 가상선(55)과 이루는 각도(ag)는 대략 30도 내지 60도를 이루도록 형성된다. 믹싱 부재(150)가 중심 가상선(55)과 이루는 각도(ag)가 30도 미만이면, 버력이 믹싱 부재(150)와 접촉한 상태에서 배출 컨베이어(130)로 유입되는 경로가 짧아져 굴착 토사의 버력이 충분히 분산되지 않는 문제가 발생될 수 있기 때문이다. 또한, 믹싱 부재(150)가 중심 가상선(55)과 이루는 각도(ag)가 60도를 초과하면, 토사 수용 챔버(Cs)로 유입된 굴착 토사(99)가 배출 컨베이어(130)로 유입되는 경로(73)와 평형에 가까워질 수 있어서 굴착 토사의 버력을 분산시키는 효율이 저하되어 버력의 뭉칠 가능성이 잔존하게 되기 때문이다.

한편, 믹싱 부재(150)는 도면에 도시된 바와 같이 샤프트(132)의 원주 방향으로 180도 간격을 두고 2개 형성될 수도 있고, 도면에 도시되지 않았지만 샤프트(132)의 원주 방향으로 120도 간격을 두고 3개 또는 90도 간격을 두고 4개 등 다수로 형성될 수 있다. 다만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 믹싱 부재(150)는 배출 컨베이어(130)에 하나만 연장 형성될 수도 있다.

한편, 도면에 도시된 믹싱 부재(150)는 축선 방향을 따라 직선 형태로 연장된 형상이 예시되어 있지만, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 믹싱 부재는 곡선 형태로 형성될 수도 있고, 나선 형태로 굽어진 형태로 연장 형성될 수도 있다.

그리고, 믹싱 부재(150)는, 커터 헤드(120)와 간섭되지 않는 범위 내에서, 커터 헤드(120)와 믹싱 부재(150)의 선단 사이의 틈새(cc)를 배출 컨베이어(130)에 유입될 수 있는 버력의 크기로 형성될 수 있다. 이는, 배출 컨베이어(130)와 함께 회전하는 믹싱 부재(150)의 선단(150e)과 커터 헤드(120)의 사이 틈새(cc)를 통해 버력이 배출 컨베이어(130)로 유입될 수 있는 데, 이 틈새(cc)를 배출 컨베이어(130)로 유입되어도 무방한 버력의 크기로 제한함으로써, 믹싱 부재(150)와 접촉하지 않고 유입되는 버력이 뭉침에 의해 배출 컨베이어(130)를 통한 배출 작용을 저해하지 않도록 하기 위함이다.

예를 들어, 커터 헤드(120)와 믹싱 부재(150)의 선단 사이의 틈새(cc)는 토사 수용 챔버(Cs)의 폭(W)의 10% 내지 30%만큼으로 정해질 수 있다. 이에 따라, 커굴착 과정에서 토사 수용 챔버(Cs)에 수용된 굴착 토사의 대부분은 도면부호 73으로 표시된 경로를 따라 믹싱 부재(150)에 의해 교반한 상태로 배출 컨베이어를 통해 배출(79)되며, 믹싱 부재(150)와 접촉하지 않고 틈새(cc)를 통해 배출 컨베이어(130)로 유입(74)되는 버력도 원활히 배출 컨베이어(130)를 통해 배출(79)될 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 도5b에 도시된 바와 같이, 믹싱 부재(250)는 단부가 샤프트(132)에 평행한 방향으로 연장된 부분(252)을 포함하여 형성될 수 있다. 이를 통해, 샤프트(132)에 결합된 믹싱 부재(250)의 후단부가 샤프트(132)의 중심선(55)에 대하여 각도(ag)가 크게 형성되더라도, 평행한 단부(252)에 의해 굴착 토사의 버력을 충분히 분리시킬 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따르면, 도5c에 도시된 바와 같이, 믹싱 부재(350)는 단부(351, 352, 353)가 2개 이상 분기 형성될 수 있다. 이를 통해, 회전하는 믹싱 부재(350)의 선속도가 큰 단부에서 굴착 토사(99)와 접촉하는 접촉 면적이 더 커짐에 따라, 굴착 토사의 교반 효과를 극대화할 수 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따르면, 토사 수용 챔버(Cs) 내에 믹싱 부재(150, 250, 350)를 배치하여 커터 헤드(120)의 관통공(120a)을 통해 토사 수용 챔버(Cs)로 유입된 굴착 토사(99)의 토사와 버력을 충분히 교반시킴으로써, 굴착된 굴착 토사(99)에 포함된 버력이 서로 뭉쳐지 않도록 토사와 적절한 비율로 혼합되거나 버력이 분산되도록 하여, 배출 컨베이어가 굴착 토사에 걸려 정지하거나 헛도는 일이 없이 굴착 토사를 후방으로 원활히 배출시켜 배토 효율을 신뢰성있고 크게 향상시키는 유리한 효과를 얻을 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100 : 터널 굴착 장치 110: 이동 몸체
120: 커터 헤드 130: 배출 컨베이어
140: 회전 허용부 150, 250, 350: 믹싱 부재

Claims (8)

1. 삭제
2. 지반을 굴착하면서 이동하는 이동 몸체와;
   굴진 방향을 향하는 상기 이동 몸체의 전방부에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와;
   상기 커터 헤드에 의해 굴착된 굴착 토사를 상기 커터 헤더와 상기 이동 몸체의 사이에 수용하는 토사 수용 챔버와;
   샤프트의 외주면에 나선 블레이드가 형성되어 회전하는 스크류 컨베이어로 형성되어, 상기 토사 수용 챔버로부터 상기 이동 몸체의 후방으로 토사를 배출하는 배출 컨베이어와;
   상기 배출 컨베이어에 고정되어 상기 샤프트와 함께 회전하고, 상기 토사 수용 챔버의 내부로 연장되되, 상기 샤프트로부터 연장된 중심 가상선에 대하여 예각을 이루도록 연장 형성된 믹싱 부재를;
   포함하는 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 예각은 30도 내지 60도로 형성된 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
4. 제 2항에 있어서,
   상기 믹싱 부재는 선단의 단면이 후단의 단면에 비하여 점점 작아지는 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 믹싱 부재는 상기 샤프트에 대하여 원주 방향으로 간격을 두고 2개 이상 배치된 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
6. 지반을 굴착하면서 이동하는 이동 몸체와;
   굴진 방향을 향하는 상기 이동 몸체의 전방부에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와;
   상기 커터 헤드에 의해 굴착된 굴착 토사를 상기 커터 헤더와 상기 이동 몸체의 사이에 수용하는 토사 수용 챔버와;
   샤프트의 외주면에 나선 블레이드가 형성되어 회전하는 스크류 컨베이어로 형성되어, 상기 토사 수용 챔버로부터 상기 이동 몸체의 후방으로 토사를 배출하는 배출 컨베이어와;
   상기 배출 컨베이어에 고정되어 상기 샤프트와 함께 회전하고, 상기 토사 수용 챔버의 내부로 연장되되, 단부가 상기 샤프트에 평행한 방향으로 연장 형성된 된 믹싱 부재를;
   포함하는 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
7. 지반을 굴착하면서 이동하는 이동 몸체와;
   굴진 방향을 향하는 상기 이동 몸체의 전방부에 회전 가능하게 설치된 커터 헤드와;
   상기 커터 헤드에 의해 굴착된 굴착 토사를 상기 커터 헤더와 상기 이동 몸체의 사이에 수용하는 토사 수용 챔버와;
   샤프트의 외주면에 나선 블레이드가 형성되어 회전하는 스크류 컨베이어로 형성되어, 상기 토사 수용 챔버로부터 상기 이동 몸체의 후방으로 토사를 배출하는 배출 컨베이어와;
   상기 배출 컨베이어에 고정되어 상기 샤프트와 함께 회전하고, 상기 토사 수용 챔버의 내부로 연장되되, 단부가 2개 이상 분기 형성된 믹싱 부재를;
   포함하는 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   
8. 제 2항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 믹싱 부재는, 상기 토사 수용 챔버의 폭의 10% 내지 30%만큼 상기 커터 헤드로부터 이격된 위치까지 연장 형성된 것을 특징으로 하는 터널 굴착 장치.
   

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