KR20190087909A - 터널굴착장비 및 이를 이용한 터널굴착방법 - Google Patents

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KR20190087909A
KR20190087909A KR1020180006294A KR20180006294A KR20190087909A KR 20190087909 A KR20190087909 A KR 20190087909A KR 1020180006294 A KR1020180006294 A KR 1020180006294A KR 20180006294 A KR20180006294 A KR 20180006294A KR 20190087909 A KR20190087909 A KR 20190087909A
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이진호
이관섭
장용준
김이현
이창영
옥민환
조정민
김재훈
임정열
최수용
최재헌
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한국철도기술연구원
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Abstract

터널굴착장비는 와이어쏘(Wire Saw), 지그부재들, 지그이송부재, 구동풀리, 천공드릴, 및 제어부재를 포함한다. 상기 와이어쏘는 유동성이 있는 와이어 형상의 금속라인 및 상기 금속라인의 외주면에 장착되는 절삭부를 포함한다. 상기 지그부재들은 회전가능하도록 연결되고 상기 와이어쏘의 첨단부를 지지하는 첨단풀리, 및 방사형으로 돌출되어 천공 내에 고정되는 고정부를 포함하며, 복수개가 서로 마주보도록 배치된다. 상기 지그이송부재는 상기 지그부재들에 연결되어 상기 지그부재들의 위치 및 방향을 조절한다. 상기 구동풀리는 상기 와이어쏘의 뒷부분에 결합되어 상기 와이어쏘의 뒤쪽부분을 당기면서 회전시켜서 암반과 상기 와이어쏘의 첨단부에 회전력을 전달한다. 상기 천공드릴은 상기 천공을 형성한다. 상기 제어부재는 상기 지그이송부재, 상기 구동풀리, 및 상기 천공드릴을 제어한다.

Description

터널굴착장비 및 이를 이용한 터널굴착방법{TUNNEL EXCAVATION MACHINE AND METHOD OF EXCAVATING TUNNEL USING THE SAME}
본 발명은 터널굴착장비 및 이를 이용한 터널굴착방법을 제공하는데 있다. 보다 상세하게는 진동 및 소음이 감소하고 효율이 향상된 터널굴착장비 및 이를 이용한 터널굴착방법에 관한 것이다.
터널을 굴착하는 방법은 발파굴착, 기계굴착, 등의 방법으로 나뉠 수 있다.
발파굴착은 가장 일반적인 굴착방법으로 터널공사면을 천공하고 천공된 구멍에 부분에 장약을 설치하여 폭발시킨다. 폭발의 충격을 이용하여 이탈된 암반을 제거하고, 생성된 공간에 철재 스틸 립(Steel Rib), 콘크리트 라이닝 등으로 지지시킨다. 발파굴착은 시공장비가 간단하고 비용이 저렴하나, 암반 내의 절리, 단층, 암상변화 등으로 인해 여굴이 발생할 수 있으며 이완영역의 발생, 발파진동, 분진, 등의 문제점이 발생한다.
기계굴착은 TBM, SHIELD, Road Header, ITC, 브레이커 등의 굴착기계를 암반 내로 굴진시켜서 터널을 생성한다. 기계굴착은 진동이나 소음이 적고, 여굴이 감소하는 장점이 있으나, 공사비용이 비싸고 지질조건의 범위가 제한적이며 암반의 강도가 높은 경우 공사기간이 증가하는 등의 문제점이 있다.
국내에서는 발파굴착의 일종인 NATM(New Austrian Tunnel Method) 공법과 기계굴착의 일종인 TBM(Tunnel Boring Machine) 공법이 널리 사용된다.
NATM 공법은 오스트리아의 라이브 세위츠 교수가 개발한 공법으로, 발파후 숏크리트(Shotcrete), 록볼트(Rock Bolt) 등을 주요 지지재로 하여 지반의 강도적인 연화를 최대한 억제하고 지반이 본래 가지고 있는 지지력을 적극적으로 활용한다. NATM 공법은 터널 굴진에 따른 지반 현장상태에 따라 지지재를 적용하므로 현장 계측의 관리가 매우 중요하다. NATM공법은 별도의 특수한 기계설비 없이 시공이 가능하며 비용이 비교적 저렴하다는 장점이 있다. 그러나 발파로 인한 낙반사고나 과도한 소음이 발생하며 다량의 지지재가 투입되므로 소규모 터널에 적용하기 어렵다.
TBM 공법은 기계식 굴착공법의 일종으로 단면이 원형인 굴착기를 사용하여 지반 내부로 굴진함으로써 주변 암반을 지지대로 활용한다. 낙반이 적고 비교적 안정성이 높으며 공기를 단축하는 장점이 있다. 그러나 굴착기가 고가의 장비이며 장비운영에도 많은 비용이 소요되어 공사비용이 증가하는 단점이 있다.
발파를 이용하는 경우 공사비용이 감소하는 장점이 있으나 충격으로 인해 낙반, 여굴 등이 발생한다. 또한 발파시 발생하는 진동 및 소음으로 인해 도심 밀집지역 등에서 민원이 발생하여 공사 진행이 지체되는 문제가 발생하기도 한다. 이러한 발파시의 문제점을 해결하기 위하여 터널 외주면 일부를 와이어쏘 등을 이용하여 사전에 절삭하여 진동 및 소음의 전달을 차단하는 일종의 완충부로 사용하는 기술이 연구되고 있다.
그런데, 와이어쏘를 이용하여 완충부를 형성하기 위해서는 천공작업, 지그삽입 작업, 와이어지그 결선 및 회전기기 연결작업 등이 순차적으로 소요되므로 많은 시간이 소요된다.
특히, 지그를 삽입하고 와이어를 연결하는 작업은 수작업으로 이루어지기 때문에, 터널막장의 열악한 작업환경 및 지그 자체의 무게, 와이어 핸들링 문제, 등으로 인해 많은 작업시간이 소요된다. 특히, 터널막장은 분진, 낙반의 위험 등으로 인하여 작업자의 안전에 문제가 생길 수 있다.
대한민국등록특허 제10-1054380 (2011. 7. 29.) 대한민국등록특허 제10-1634119 (2016. 6. 22.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 진동 및 소음이 감소하고 효율이 향상된 터널굴착장비를 제공하는데 있다.
본 발명의 목적은 진동 및 소음이 감소하고 효율이 향상된 터널굴착장비를 이용한 터널굴착방법을 제공하는데 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 터널굴착장비는 와이어쏘(Wire Saw), 지그부재들, 지그이송부재, 구동풀리, 천공드릴, 및 제어부재를 포함한다. 상기 와이어쏘는 유동성이 있는 와이어 형상의 금속라인 및 상기 금속라인의 외주면에 장착되는 절삭부를 포함한다. 상기 지그부재들은 회전가능하도록 연결되고 상기 와이어쏘의 첨단부를 지지하는 첨단풀리, 및 방사형으로 돌출되어 천공 내에 고정되는 고정부를 포함하며, 복수개가 서로 마주보도록 배치된다. 상기 지그이송부재는 상기 지그부재들에 연결되어 상기 지그부재들의 위치 및 방향을 조절한다. 상기 구동풀리는 상기 와이어쏘의 뒷부분에 결합되어 상기 와이어쏘의 뒤쪽부분을 당기면서 회전시켜서 암반과 상기 와이어쏘의 첨단부에 회전력을 전달한다. 상기 천공드릴은 상기 천공을 형성한다. 상기 제어부재는 상기 지그이송부재, 상기 구동풀리, 및 상기 천공드릴을 제어한다.
일 실시예에서, 상기 지그이송부재는, 상기 지그부재들 사이의 상대거리를 신축하여 상기 지그부재들 사이의 너비를 조절하는 지그신축부, 및 상기 지그신축부와 결합되어 상기 지그신축부의 위치 및 방향을 조절하는 지그구동부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 천공의 깊이가 짧은 경우에는 상기 지그신축부의 길이가 짧아지며, 상기 천공의 깊이가 깊은 경우에는 상기 지그신축부의 길이가 길어질 수 있다.
일 실시예에서, 상기 구동풀리는 앞쪽과 뒤쪽으로 이동하여 상기 와이어쏘의 첨단부가 인접하는 천공들 사이의 터널면에 밀착될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 터널굴착장비는 상기 와이어쏘를 가이드하여 굴진중 상기 와이어쏘가 인접하는 천공들 사이의 터널면에만 접촉하도록 하는 복수개의 보조풀리들을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 터널굴착장비는 상기 천공드릴에 연결되어 상기 천공드릴의 위치를 변경시키는 드릴이송부재를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 지그부재는 물을 분사하여 상기 와이어쏘와 상기 암반 사이의 마찰열을 식히는 분사부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 터널굴착장비를 이용한 터널굴착방법에 있어서, 상기 터널굴착장비는 유동성이 있는 와이어 형상의 금속라인 및 상기 금속라인의 외주면에 장착되는 절삭부를 포함하는 와이어쏘(Wire Saw)와, 회전가능하도록 연결되고 상기 와이어쏘의 첨단부를 지지하는 첨단풀리, 및 방사형으로 돌출되어 천공 내에 고정되는 고정부를 포함하며, 복수개가 서로 마주보도록 배치되는 지그부재들과, 상기 지그부재들에 연결되어 상기 지그부재들의 위치 및 방향을 조절하는 지그이송부재과, 상기 와이어쏘의 뒷부분에 결합되어 상기 와이어쏘의 뒤쪽부분을 당기면서 회전시켜서 암반과 상기 와이어쏘의 첨단부에 회전력을 전달하는 구동풀리와, 상기 천공을 형성하는 천공드릴과, 상기 지그이송부재, 상기 구동풀리, 및 상기 천공드릴을 제어하는 제어부재를 포함한다. 상기 터널굴착방법에 있어서, 먼저 상기 천공드릴을 이용하여 인접하게 배치되는 두 개의 천공들을 형성한다. 이어서, 상기 지그부재들을 상기 천공들 내로 진입시킨다. 이후에, 상기 지그부재들을 상기 천공들 내에 고정시킨다. 계속해서, 상기 구동풀리를 뒤쪽으로 이동시켜서 상기 천공들 사이에 배치되는 상기 와이어쏘의 일부를 상기 천공들 사이의 터널면에 밀착시킨다. 이어서, 상기 구동풀리를 회전시켜서 상기 와이어쏘에 회전력을 인가하여 상기 천공들 사이에 완충라인을 형성한다. 이후에, 상기 완충라인이 굴진함에 따라 상기 구동풀리를 뒤쪽으로 이동시켜서 상기 와이어쏘가 상기 터널면에 밀착되도록 한다.
일 실시예에서, 상기 지그부재들을 상기 천공들 내로 진입시키는 단계는 상기 두 개의 천공들을 형성하는 단계의 위치자료를 사용하여 상기 지그부재들의 위치를 용이하고 신속하게 결정할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 지그부재에 형성된 분사부를 통하여 상기 천공 내에 물을 분사할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 두 개의 천공들을 형성하는 단계는 상기 천공들을 약간 위쪽으로 경사지게 형성하여 상기 분사된 물이 원활하게 배출되도록 할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 터널중앙부의 심빼기 작업을 위한 1차폭발 전에 완충라인을 형성하여 폭발에 의한 충격이나 진동이 외부로 전파되는 것을 감소시킨다.
또한, 지그이송부재는 제1 지그몸체와 제2 지그몸체의 상대거리를 신축하여 제1 지그몸체와 제2 지그몸체의 너비를 조절한다. 따라서 제1 천공과 제2 천공의 사이의 거리가 달라지더라도 용이하게 완충라인을 굴진할 수 있다.
또한, 천공 위치, 방향 및 지그부재들의 위치, 방향을 조절하여 다양한 형상 및 방향의 완충라인을 형성할 수 있다.
또한, 지그신축부의 길이를 조절하여 천공의 깊이가 다양하더라도 용이하게 완충라인을 형성할 수 있다.
또한, 구동풀리는 앞쪽과 뒤쪽으로 이동할 수 있다. 구동풀리를 앞뒤로 이동시키는 경우 제1 천공과 제2 천공의 사이에 배치된 와이어쏘의 일부가 터널면에 밀착될 수 있다. 또한 완충라인의 굴진에 따라 구동풀리가 뒤쪽으로 이동하여 와이어쏘를 잡아당김으로써 와이어쏘와 마찰력이 암반에 강하게 전달될 수 있다.
또한, 보조풀리들을 이용하여 와이어쏘를 적절하게 가이드하여 굴진중 와이어쏘가 인접하는 천공들 사이의 터널면에만 접촉하게 하고 와이어쏘에 적당한 인장력이 작용되도록 한다.
또한, 제어부재가 표시부를 포함하여 와이어쏘의 굴진속도, 회전속도, 와이어쏘에 가해지는 인장력 등을 표시하여 사용자에게 알려줄 수 있다. 또한, 제어부재는 와이어쏘에 가해지는 인장력을 실시간으로 체크하여 적절한 인장력이 가해질 수 있도록 구동풀리의 회전 및 후진속도를 제어할 수 있다. 따라서 와이어쏘의 과도한 인장력으로 인한 와이어쏘의 절삭성 저하나 와이어쏘 수명 단축을 방지하고, 너무 약한 인장력으로 인한 와이어쏘 절삭성 저하나 와이어쏘가 풀리로부터 이탈되는 것을 방지한다.
또한 천공드릴 및 드릴이송부재를 통하여 원하는 위치에 용이하게 천공을 형성할 수 있으며, 천공과정에 사용된 위치자료를 지그부재의 위치설정에 그대로 사용할 수 있으므로 신속한 공정이 가능하다.
또한, 드릴 이송부재와 지그 이송부재는 이송시 서로 간섭이 되지 않도록 되어 있으며, 각각 원하는 위치로 자유롭게 이송될 수 있도록 관절의 신축, 이완, 회전 및 기타 이송이 가능하다.
따라서, 발파굴착과 기계굴착을 병행하여, 발파굴착의 장점인 속도 및 경제성을 가지면서도 기계굴착의 장점인 소음과 진동을 저감하는 굴착이 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터널면을 나타내는 정면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널굴착장비를 나타내는 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 지그부재의 구동방법을 나타내는 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 터널굴착장비를 이용하여 형성된 절단면을 나타내는 정면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 터널굴착장비를 이용한 터널굴착방법을 나타내는 흐름도이다.
본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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 가장 바람직한 일 실시예에 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 터널면을 나타내는 정면도이다.
도 1을 참조하면, 터널을 굴착하는 막장에 터널면(10)이 형성된다. 터널면(10)에는 장약(도시되지 않음)이 설치되는 복수의 일반천공(11)이 형성된다. 터널면(10)의 중앙에는 터널중앙부(15)가 형성된다.
원칙적으로 일반천공(11)에 장약을 삽입하고 폭발시키면, 폭발에 의한 충격은 동심원상으로 퍼져나간다. 터널면(10)에 수직한 방향으로 굴진하기 위해서는 폭발에 의한 충격이 외부로 발산되지 않고 터널면(10) 내부로 집중되는 것이 바람직히다.
폭발에 의한 충격을 터널면(10)의 내부로 집중시키기 위하여, 터널면(10)의 중앙에 터널중앙부(15)를 형성하고, 터널중앙부(15)의 1단계폭발(심빼기)과 일반천공(110)의 2단계폭발을 수행한다.
구체적으로, 먼저 터널면(10)의 터널중앙부(15)의 하나 또는 그 이상의 천공들에 장약(도시되지 않음)을 설치하여 1차폭발에 의해 심빼기 작업을 수행한다. 심빼기 작업에 의해 터널중앙부(15)에 소규모 공간(도시되지 않음)이 형성된다. 이어서 일반천공(11)에 장약을 충진하여 2차폭발을 수행한다. 2차폭발과정에서 일반천공(11)의 장약에 의한 폭발력은 심빼기 작업에 의해 형성된 일종의 완충공간쪽으로 전파되면서 폭발력이 터널면(10)의 내부로 집중된다. 폭발력이 터널면(10)의 내부로 집중되면 외부로 전파되는 소음, 진동이 감소하고 여굴이나 낙반위험성이 줄어든다.
그런데, 터널중앙부(15)의 완충공간에 의해 충격을 흡수하는 2차폭발과 달리 1차폭발의 경우에는 별도의 완충공간이 없이 폭발의 충격이 그대로 외부로 전파될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는, 터널굴착장비를 이용하여 터널중앙부(15)에 완충공간을 형성하여 1차폭발에 의한 충격이 외부로 전파되는 것이 방지된다. 완충공간을 형성하는 터널굴착장비 및 이를 이용한 터널굴착방법은 하기의 도 2 내지 도 5에서 상술한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 터널굴착장비를 나타내는 개념도이고, 도 3은 도 2에 도시된 지그부재의 구동방법을 나타내는 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 터널굴착장비는 자동화설비 또는 사용자가 제어부재(150)에 탑승하여 터널면(10)에 천공(11, 51, 52)을 형성하거나 기형성된 천공(51, 52) 사이에 완충라인(57)을 형성한다.
터널굴착장비는 와이어쏘(Wire Saw, 103), 제1 지그부재(110), 제2 지그부재(120), 지그이송부재(130), 보조풀리(135), 구동풀리(137), 천공드릴(140), 드릴이송부재(145), 제어부재(150), 운송부재(160), 및 몸체(170)를 포함한다.
와이어쏘(103)는 유동성이 있는 와이어(Wire) 형상의 금속라인을 폐곡선 형상으로 가공하고, 금속라인의 외주면에 강도가 높은 다이아몬드 빗트 등을 장착한 구조물이다. 와이어쏘(103)를 회전시키면서 암반에 일정한 압력으로 접촉시키면, 와이어쏘(103)의 외주면 상에 배치된 다이아몬드 빗트 등에 의해 암반이 마모되어 굴착된다.
제1 지그부재(110)는 와이어쏘(103)의 상측 첨단부를 지지하고 와이어쏘(103)의 상측 첨단부를 암반의 제1 천공(51) 내로 진입시킨다.
제1 지그부재(110)는 제1 첨단풀리(111), 제1 지지풀리(113), 제1 지그몸체(115), 제1 고정부(117), 및 제1 분사부(119)를 포함한다.
제1 첨단풀리(111)는 제1 지그몸체(115)의 상측 첨단부에 회전가능하도록 연결되고 외주면에 형성된 홈을 따라서 와이어쏘(103)의 상측 첨단부를 이동가능하도록 지지한다. 와이어쏘(103)의 상측 첨단부가 이동함에 따라 제1 첨단풀리(111)가 회전하면서 와이어쏘(103)의 상측 첨단부를 가이드한다.
제1 지지풀리(113)는 제1 지그몸체(115)의 상부에 회전가능하도록 연결되고 외주면에 형성된 홈을 따라서 와이어쏘(103)의 상부를 이동가능하도록 지지한다. 와이어쏘(103)의 상부가 이동함에 따라 제1 지지풀리(113)가 회전하면서 와이어쏘(103)의 상부를 가이드한다.
제1 고정부(117)는 제1 지그몸체(115)의 외주면을 따라서 복수개가 방사형으로 돌출되어 제1 천공(51)의 내면에 고정된다. 제1 고정부(117)에 의해 제1 지그몸체(115)가 제1 천공(51)의 내부에 강하게 고정된다.
제1 분사부(119)는 제1 지그몸체(115)의 하부로 돌출되어 물을 분사한다. 제1 분사부(119)에 의해 분사된 물은 와이어쏘(103)와 암반 사이의 마찰열을 식히고 와이어쏘(103)의 수명을 연장시킨다.
제1 지그몸체(115)는 제1 고정부(117)를 통하여 제1 천공(51) 내에 고정되고, 제1 첨단풀리(111) 및 제1 지지풀리(113)를 이용하여 와이어쏘(103)의 상측 첨단부 및 상부를 가이드한다. 본 실시예에서, 제1 지그몸체(115)는 신축가능한 복수개의 절편들이 결합되어 제1 천공(51)의 깊이에 따라 다양한 길이로 와이어쏘(103)의 상측 첨단부를 가이드한다. 예를 들어, 제1 천공(51)의 깊이가 짧으면 제1 지그몸체(115)의 길이를 짧게하여, 제1 천공(51)의 입구부근에 제1 첨단풀리(111)가 위치하도록 한다. 제1 천공(51)의 깊이가 길면 제1 지그몸체(115)의 길이가 증가하여, 와이어쏘(103)가 완충라인(57)과 강하게 밀착되도록 한다.
제2 지그부재(120)는 와이어쏘(103)의 하측 첨단부를 지지하고 와이어쏘(103)의 하측 첨단부를 암반의 제2 천공(52) 내로 진입시킨다.
제2 지그부재(120)는 제2 첨단풀리(121), 제2 지지풀리(123), 제2 지그몸체(125), 제2 고정부(127), 및 제2 분사부(129)를 포함한다.
제2 첨단풀리(121)는 제2 지그몸체(125)의 하측 첨단부에 회전가능하도록 연결되고 외주면에 형성된 홈을 따라서 와이어쏘(103)의 하측 첨단부를 이동가능하도록 지지한다. 와이어쏘(103)의 하측 첨단부가 이동함에 따라 제2 첨단풀리(121)가 회전하면서 와이어쏘(103)의 하측 첨단부를 가이드한다.
제2 지지풀리(123)는 제2 지그몸체(125)의 하부에 회전가능하도록 연결되고 외주면에 형성된 홈을 따라서 와이어쏘(103)의 하부를 이동가능하도록 지지한다. 와이어쏘(103)의 하부가 이동함에 따라 제2 지지풀리(123)가 회전하면서 와이어쏘(103)의 하부를 가이드한다.
제2 고정부(127)는 제2 지그몸체(125)의 외주면을 따라서 복수개가 방사형으로 돌출되어 제2 천공(52)의 내면에 고정된다. 제2 고정부(127)에 의해 제2 지그몸체(125)가 제2 천공(52)의 내부에 강하게 고정된다.
제2 분사부(129)는 제2 지그몸체(125)의 상부로 돌출되어 물을 분사한다. 제2 분사부(129)에 의해 분사된 물은 와이어쏘(103)와 암반 사이의 마찰열을 식히고 와이어쏘(103)의 수명을 연장시킨다.
제2 지그몸체(125)는 제2 고정부(127)를 통하여 제2 천공(52) 내에 고정되고, 제2 첨단풀리(121) 및 제2 지지풀리(123)를 이용하여 와이어쏘(103)의 하측 첨단부 및 하부를 가이드한다. 본 실시예에서, 제2 지그몸체(125)는 신축가능한 복수개의 절편들이 결합되어 제2 천공(52)의 깊이에 따라 와이어쏘(103)의 하측 첨단부를 가이드한다. 예를 들어, 제2 천공(52)의 깊이가 짧은 경우에는 제2 지그몸체(125)의 길이를 짧게하여, 제2 천공(52)의 입구부근에 제2 첨단풀리(121)가 위치하도록 한다. 제2 천공(52)의 깊이가 깊은 경우에는 제2 지그몸체(125)의 길이가 증가하여, 와이어쏘(103)가 완충라인(57)과 강하게 밀착되도록 한다.
제2 지그몸체(125)가 신축하는 정도는 제1 지그몸체(115)가 신축하는 정도와 동일하거나 달라질 수 있다. 예를 들어, 완충라인(57)의 상부에서 굴진하는 정도와 완충라인(57)의 하부에서 굴진하는 정도가 다른 경우, 각각의 굴진하는 정도에 맞춰서 제1 지그몸체(115)와 제2 지그몸체(125)가 굴진하는 정도가 다를 수 있다.
지그이송부재(130)는 앞쪽에 제1 지그몸체(115) 및 제2 지그몸체(125)가 서로 반대되는 방향으로 연결된다. 지그이송부재(130)는 복수개의 구동부들(131, 133)을 포함하여 제1 지그몸체(115) 및 제2 지그몸체(125)의 위치 및 방향을 조절한다.
지그이송부재(130)는 지그신축부(131)와 지그구동부(133)를 포함한다.
지그신축부(131)는 지그이송부재(130)의 앞부분에 배치된다. 지그신축부(131)는 제1 지그몸체(115)와 제2 지그몸체(125)의 상대거리를 신축하여 제1 지그몸체(115)와 제2 지그몸체(125)의 너비를 조절한다. 따라서 제1 천공(51)과 제2 천공(52)의 사이의 거리가 달라지더라도 용이하게 완충라인(57)을 굴진할 수 있다.
지그구동부(133)는 몸체(170)의 앞부분에 연결되고 지그신축부(131)와 결합되어, 지그신축부(131)의 위치 및 방향을 조절한다.
도 2 및 도 3에는 제1 지그몸체(115)와 제2 지그몸체(125)가 상하방향으로 배열되어 있으나, 지그구동부(133)의 회전에 의해 제1 지그몸체(115)와 제2 지그몸체(125)가 좌우방향, 사선방향, 등의 다양한 방향으로 배열될 수 있다.
구동풀리(137)는 몸체(170)의 내부에 회전가능하도록 연결되고, 외주면에 형성된 홈을 따라서 와이어쏘(103)의 뒤쪽부분에 결합된다. 구동풀리(137)는 와이어쏘(103)를 단순히 가이드하는 것이 아니라, 와이어쏘(103)의 뒤쪽부분을 강하게 회전시키면서 뒤로 이동시켜서 암반과 접촉하는 와이어쏘(103)의 앞부분에 회전력 및 마찰력을 전달한다. 와이어쏘(103)의 앞부분에 전달된 회전력 및 마찰력에 의해 와이어쏘(103)의 앞부분과 암반이 마찰하여 완충라인(57)을 굴진한다.
본 실시예에서, 구동풀리(137)는 앞쪽과 뒤쪽으로 이동할 수 있다. 구동풀리(137)를 앞뒤로 이동시키는 경우 제1 천공(51)과 제2 천공(52)의 사이에 배치된 와이어쏘(103)의 일부가 터널면(10)에 밀착될 수 있다. 또한 완충라인(57)의 굴진에 따라 구동풀리(137)가 뒤쪽으로 이동하여 와이어쏘(103)를 잡아당김으로써 와이어쏘(103)와 마찰력이 암반에 강하게 전달될 수 있다.
보조풀리(135)는 몸체(170)에 회전가능하도록 연결되고, 외주면에 형성된 홈을 따라서 와이어쏘(103)의 중간부분의 위치를 가이드한다. 본 실시예에서, 몸체(170)의 내부 및 외부에 복수개의 보조풀리들(135)이 형성되어 와이어쏘(103)의 위치가 가이드된다.
본 실시예에서, 와이어쏘(103)는 첨단풀리들(111, 121), 지지풀리들(113, 123), 구동풀리(137) 및 보조풀리들(135)에만 걸쳐지고 터널굴착장비의 나머지 구성요소와는 어떠한 접촉도 생기지 않는다. 작업과정에서 와이어쏘(103)는 외부에 배치된 제1 천공(51)과 제2 천공(52) 사이의 터널면(103)에만 접촉하여 완충라인(57)을 굴진한다.
천공드릴(140)은 단부에 커터가 배치되고 회전에 의해 암반(10)에 일반천공(11), 제1 천공(51), 제2 천공(52) 등의 천공(11, 51, 52)을 형성한다. 도 2에는 천공드릴(140)의 단부가 뾰족한 콘(Cone) 형상으로 도시되어 있으나, 실린더형상을 가질 수도 있다.
드릴이송부재(145)는 천공드릴(140)과 몸체(170)의 사이를 연결하고 천공드릴(140)의 위치를 변경시킨다.
제어부재(150)는 몸체(170)의 내부에 배치되고, 지그부재들(110, 120)의 신축동작, 물분사동작, 지그신축부(131)의 신축동작, 지구구동부(133)의 이송동작, 구동풀리(137)의 동작, 천공드릴(140)의 회전동작, 드릴이송부재(145)의 이송동작, 운송부재(160)의 운송동작을 제어한다.
한편, 제어부재(150)에 사람이 탑승할 수도 있으나, 제어부재(150)는 무인시스템으로 구축되고 외부의 유선 또는 무선통신에 의해 제어될 수도 있다.
운송부재(160)는 몸체(170)의 하부에 배치되고 몸체(170)를 터널의 바닥면(20) 상에 운송한다. 예를 들어, 운송부재(160)는 무한궤도 케터필러를 포함할 수 있다.
도시되지는 않았지만, 제어부재(150)가 표시부(도시되지 않음)를 포함하여 와이어쏘(103)의 굴진속도, 회전속도, 와이어쏘(103)에 가해지는 인장력 등을 표시하여 사용자에게 알려줄 수 있다. 다른 실시예에서, 제어부재(150)는 와이어쏘(103)에 가해지는 인장력을 실시간으로 체크하여 인장력이 적절하게 유지될 수 있도록 구동풀리(137)의 회전속도 및 당김속도를 제어할 수 있다. 따라서 와이어쏘(103)가 풀리(111, 113, 135, 137)로부터 이탈되는 것이 방지하고, 또한 적절한 절삭성능을 유지하며 와이어쏘의 수명 단축을 방지한다.
도 4는 도 2에 도시된 터널굴착장비를 이용하여 형성된 절단면을 나타내는 정면도이고, 도 5는 도 2에 도시된 터널굴착장비를 이용한 터널굴착방법을 나타내는 흐름도이다.
도 1 내지 도 5를 참조하면, 터널굴착장비를 이용한 터널굴착방법에 있어서, 먼저 제어부재(150)에 의해 드릴이송부재(145)를 제어하여 천공드릴(140)을 터널면(10) 상에 이동시킨다.
이어서 천공드릴(140)을 구동하여 터널면(10) 상에 일반천공(11), 제1 천공(51), 및 제2 천공(52)을 형성한다(단계 S100). 제1 천공(51) 및 제2 천공(52)은 추후 완충라인(57)을 형성하는 과정에서 제1 분사부(119) 및 제2 분사부(129)에 의해 분사된 물이 원활하게 배출될 수 있도록 약간 위쪽으로 경사지게 굴진한다.
계속해서, 천공드릴(140)를 제1 천공(51) 또는 제2 천공(52)의 내부로 후퇴시킨다.
이어서, 제어부재(150)에 의해 지그이송부재(130)를 제어하여 제1 지그부재(110) 및 제2 지그부재(120)의 첨단부를 각각 제1 천공(51) 및 제2 천공(52)의 내부로 이동시킨다(단계 S110). 본 실시예에서 천공드릴(140)에 의해 제1 천공(51) 및 제2 천공(52)을 형성하는 과정에서, 제1 천공(51)과 제2 천공(52)의 위치자료가 제어부(150)에 저장되므로, 별도의 센터링 작업(중심 일치 작업) 없이도 기저장된 위치자료를 이용하여 제1 지그부재(110) 및 제2 지그부재(120)를 제1 천공(51)과 제2 천공(52)내로 위치시킬 수 있다.
제1 지그부재(110) 및 제2 지그부재(120)의 첨단부가 각각 제1 천공(51) 및 제2 천공(52)의 내부로 진입하면, 제1 지그부재(110)와 제2 지그부재(120)의 사이에 배치되는 와이어쏘(103)의 앞부분은 제1 천공(51)과 제2 천공(52)의 사이의 터널면(10)에 접촉한다.
이후에, 제1 고정부(117) 및 제2 고정부(127)를 이용하여 제1 지그부재(110) 및 제2 지그부재(120)를 제1 천공(51) 및 제2 천공(52)의 내부에 고정한다(단계 S120).
계속해서, 제어부재(150)에 의해 구동풀리(137)를 뒤쪽으로 이동시켜서 제1 천공(51)과 제2 천공(52)의 사이에 배치된 와이어쏘(103)의 일부가 터널면(10)에 밀착되도록 한다(단계 S130).
이어서, 제어부재(150)에 의해 구동풀리(137)에 회전력을 인가하는 동시에 뒤로 후퇴시키면서 와이어쏘(103)에 회전력 및 마찰력을 전달하고, 제1 분사부(119) 및 제2 분사부(129)를 통하여 제1 천공(51) 및 제2 천공(52)의 내부의 절삭면에 물을 분사하여 절삭중 마찰열을 냉각시키고 발생하는 물질을 배출시킬 수 있도록 한다.
이후에, 완충라인(57)의 굴진에 따라 구동풀리(137)를 뒤쪽으로 이동하여 와이어쏘(103)를 잡아당김으로써 와이어쏘(103)와 마찰력을 암반에 강하게 전달시킨다(단계 S140).
상기와 같은 본 발명에 따르면, 터널중앙부의 심빼기 작업을 위한 1차폭발 전에 완충라인을 형성하여 폭발에 의한 충격이나 진동이 외부로 전파되는 것을 감소시킨다.
또한, 지그이송부재는 제1 지그몸체와 제2 지그몸체의 상대거리를 신축하여 제1 지그몸체와 제2 지그몸체의 너비를 조절한다. 따라서 제1 천공과 제2 천공의 사이의 거리가 달라지더라도 용이하게 완충라인을 굴진할 수 있다.
또한, 천공 위치, 방향 및 지그부재들의 위치, 방향을 조절하여 다양한 형상 및 방향의 완충라인을 형성할 수 있다.
또한, 지그신축부의 길이를 조절하여 천공의 깊이가 다양하더라도 용이하게 완충라인을 형성할 수 있다.
또한, 구동풀리는 앞쪽과 뒤쪽으로 이동할 수 있다. 구동풀리를 앞뒤로 이동시키는 경우 제1 천공과 제2 천공의 사이에 배치된 와이어쏘의 일부가 터널면에 밀착될 수 있다. 또한 완충라인의 굴진에 따라 구동풀리가 뒤쪽으로 이동하여 와이어쏘를 잡아당김으로써 와이어쏘와 마찰력이 암반에 강하게 전달될 수 있다.
또한, 보조풀리들을 이용하여 와이어쏘를 적절하게 가이드하여 굴진중 와이어쏘가 인접하는 천공들 사이의 터널면에만 접촉하게 하고 와이어쏘에 적당한 인장력이 작용되도록 한다.
또한, 제어부재가 표시부를 포함하여 와이어쏘의 굴진속도, 회전속도, 와이어쏘에 가해지는 인장력 등을 표시하여 사용자에게 알려줄 수 있다. 또한, 제어부재는 와이어쏘에 가해지는 인장력을 실시간으로 체크하여 적절한 인장력이 가해질 수 있도록 구동풀리의 회전 및 후진속도를 제어할 수 있다. 따라서 와이어쏘의 과도한 인장력으로 인한 와이어쏘의 절삭성 저하나 와이어쏘 수명 단축을 방지하고, 너무 약한 인장력으로 인한 와이어쏘 절삭성 저하나 와이어쏘가 풀리로부터 이탈되는 것을 방지한다.
또한 천공드릴 및 드릴이송부재를 통하여 원하는 위치에 용이하게 천공을 형성할 수 있으며, 천공과정에 사용된 위치자료를 지그부재의 위치설정에 그대로 사용할 수 있으므로 신속한 공정이 가능하다.
또한, 드릴 이송부재와 지그 이송부재는 이송시 서로 간섭이 되지 않도록 되어 있으며, 각각 원하는 위치로 자유롭게 이송될 수 있도록 관절의 신축, 이완, 회전 및 기타 이송이 가능하다.
따라서, 발파굴착과 기계굴착을 병행하여, 발파굴착의 장점인 속도 및 경제성을 가지면서도 기계굴착의 장점인 소음과 진동을 저감하는 굴착이 가능하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.
본 발명은 철도용 터널, 도로용 터널, 참호, 벙커, 지하철, 광산, 지하저장시설, 지하상가 등에 적용될 수 있다.
10 : 터널면 20 : 바닥면
51 : 제1 천공 52 : 제2 천공
57 : 완충라인 103 : 와이어쏘(Wire Saw)
110 : 제1 지그부재 111 : 제1 첨단풀리
113 : 제1 지지풀리 115 : 제1 지그몸체
117 : 제1 고정부 119 : 제1 분사부
120 : 제2 지그부재 121 : 제2 첨단풀리
123 : 제2 지지풀리 125 : 제2 지그몸체
127 : 제2 고정부 129 : 제2 분사부
130 : 지그이송부재 131 : 지그신축부
133 : 지그구동부 135 : 보조풀리
137 : 구동풀리 140 : 천공드릴
145 : 드릴이송부재 150 : 제어부재
160 : 운송부재 170 : 몸체

Claims (11)

  1. 유동성이 있는 와이어 형상의 금속라인 및 상기 금속라인의 외주면에 장착되는 절삭부를 포함하는 와이어쏘(Wire Saw);
    회전가능하도록 연결되고 상기 와이어쏘의 첨단부를 지지하는 첨단풀리, 및 방사형으로 돌출되어 천공 내에 고정되는 고정부를 포함하며, 복수개가 서로 마주보도록 배치되는 지그부재들;
    상기 지그부재들에 연결되어 상기 지그부재들의 위치 및 방향을 조절하는 지그이송부재;
    상기 와이어쏘의 뒷부분에 결합되어 상기 와이어쏘의 뒤쪽부분을 당기면서 회전시켜서 암반과 상기 와이어쏘의 첨단부에 회전력을 전달하는 구동풀리;
    상기 천공을 형성하는 천공드릴; 및
    상기 지그이송부재, 상기 구동풀리, 및 상기 천공드릴을 제어하는 제어부재를 포함하는 터널굴착장비.
  2. 제1항에 있어서, 상기 지그이송부재는,
    상기 지그부재들 사이의 상대거리를 신축하여 상기 지그부재들 사이의 너비를 조절하는 지그신축부; 및
    상기 지그신축부와 결합되어 상기 지그신축부의 위치 및 방향을 조절하는 지그구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 터널굴착장비.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 천공의 깊이가 짧은 경우에는 상기 지그신축부의 길이가 짧아지며, 상기 천공의 깊이가 깊은 경우에는 상기 지그신축부의 길이가 길어지는 것을 특징으로 하는 터널굴착장비.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 구동풀리는 앞쪽과 뒤쪽으로 이동하여 상기 와이어쏘의 첨단부가 인접하는 천공들 사이의 터널면에 밀착되도록 하는 것을 특징으로 하는 터널굴착장비.
  5. 제1항에 있어서, 상
    기 와이어쏘를 가이드하여 굴진중 상기 와이어쏘가 인접하는 천공들 사이의 터널면에만 접촉하도록 하는 복수개의 보조풀리들을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터널굴착장비.
  6. 제1항에 있엉서,
    상기 천공드릴에 연결되어 상기 천공드릴의 위치를 변경시키는 드릴이송부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터널굴착장비.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 지그부재는 물을 분사하여 상기 와이어쏘와 상기 암반 사이의 마찰열을 식히는 분사부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터널굴착장비.
  8. 유동성이 있는 와이어 형상의 금속라인 및 상기 금속라인의 외주면에 장착되는 절삭부를 포함하는 와이어쏘(Wire Saw)와, 회전가능하도록 연결되고 상기 와이어쏘의 첨단부를 지지하는 첨단풀리, 및 방사형으로 돌출되어 천공 내에 고정되는 고정부를 포함하며, 복수개가 서로 마주보도록 배치되는 지그부재들과, 상기 지그부재들에 연결되어 상기 지그부재들의 위치 및 방향을 조절하는 지그이송부재과, 상기 와이어쏘의 뒷부분에 결합되어 상기 와이어쏘의 뒤쪽부분을 당기면서 회전시켜서 암반과 상기 와이어쏘의 첨단부에 회전력을 전달하는 구동풀리와, 상기 천공을 형성하는 천공드릴과, 상기 지그이송부재, 상기 구동풀리, 및 상기 천공드릴을 제어하는 제어부재를 포함하는 터널굴착장비를 이용한 터널굴착방법에 있어서,
    상기 천공드릴을 이용하여 인접하게 배치되는 두 개의 천공들을 형성한는 단계;
    상기 지그부재들을 상기 천공들 내로 진입시키는 단계;
    상기 지그부재들을 상기 천공들 내에 고정시키는 단계;
    상기 구동풀리를 뒤쪽으로 이동시켜서 상기 천공들 사이에 배치되는 상기 와이어쏘의 일부를 상기 천공들 사이의 터널면에 밀착시키는 단계;
    상기 구동풀리를 회전시켜서 상기 와이어쏘에 회전력을 인가하여 상기 천공들 사이에 완충라인을 형성하는 단계; 및
    상기 완충라인이 굴진함에 따라 상기 구동풀리를 뒤쪽으로 이동시켜서 상기 와이어쏘가 상기 터널면에 밀착되도록 하는 단계를 포함하는 터널굴착방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지그부재들을 상기 천공들 내로 진입시키는 단계는 상기 두 개의 천공들을 형성하는 단계의 위치자료를 사용하여 상기 지그부재들의 위치를 결정하는 것을 특징으로 하는 터널굴착방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 지그부재에 형성된 분사부를 통하여 상기 천공 내에 물을 분사하는 것을 특징으로 하는 터널굴착방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 두 개의 천공들을 형성하는 단계는 상기 천공들을 약간 위쪽으로 경사지게 형성하여 상기 분사된 물이 원활하게 배출되도록 하는 것을 특징으로 하는 터널굴착방법.
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