KR20200043085A - 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서 - Google Patents

터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서에 관한 것으로, 본 발명의 실시예에 따른 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서는, TBM(Tunnel Boring Machine)의 전면에 구성되는 커터헤드의 터널 전방 암반의 전기비저항을 측정하기 위한 센서봉; 및 상기 센서봉을 터널 전방으로 압출시키는 압출 구동부;를 포함한다.

Description

터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서{SENSOR FOR DETECTING ELECTRICAL RESISTIVITY OF ROCK MASS AHEAD OF TUNNEL}
본 발명은 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 TBM(Tunnel Boring Machine)의 전면에 구성되는 커터헤드의 터널 전방 암반으로 압출시켜 전기비저항을 측정함으로써, 터널 전방에 존재하는 암반과 이상대의 특징을 예측하여 사전에 터널 시공 도중 발생할 수 있는 사고를 방지하기 위한, 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서에 관한 것이다.
암반이 많이 분포된 지역에서 터널 또는 전력구 공사를 수행할 경우에는, 암반의 특성을 이해하는 것이 매우 중요하다.
그런데, 공사를 수행하기 이전에 실시된 사전 조사는 암반의 특성을 매우 거시적으로 이해하기 때문에 공사에 직접적인 영향을 줄 수 있는 암반의 특성을 이해하는데 한계가 있다.
즉, 사전 조사를 통해 파악된 암반 특성과 다른 암반이 출현하는 경우에는, 기존 방식과 달리 예기치 못하게 새로운 방식으로 암반을 굴착하거나 보강을 수행해야 하기 때문에 불가피하게 공사의 지연 및 경제적 손해를 입게 될 수 있다.
한편, 암반은 공간의 크기를 갖는 자연의 암석집합체로서 암석의 불연속면이 포함된 자연상태로 존재하는 암을 의미한다.
암반은 암석의 강도와 두께, 암석의 불연속면의 두께, 불연속면을 채운 물질, 풍화 정도 등에 따라 다양한 변수들이 존재하기 때문에 평가 자체가 매우 어렵다.
이에 따라, 기존에는 물리적 물성치(예, 전기비저항)를 통해 터널을 굴착하면서 나타나는 암반과 이상대의 특징을 예측하려는 연구가 시도된 바 있다.
그런데, 터널 내부에서는 물리적 물성치를 측정하는 것이 매우 어렵기 때문에 관련 이론을 실제 현장에 적용하는 것이 용이하지 않은 실정이다.
따라서, 암반 특성을 파악하기 위해서는 터널 내부에서 터널 전방에 존재하는 암반의 전기비저항을 측정할 수 있는 방안을 마련하여 터널 전방 암반과 이상대의 특징을 예측하는 것이 필요하다.
대한민국 공개특허공보 제10-2013-0076907호
본 발명의 목적은 TBM(Tunnel Boring Machine)의 전면에 구성되는 커터헤드의 터널 전방 암반으로 압출시켜 전기비저항을 측정함으로써, 터널 전방에 존재하는 암반과 이상대의 특징을 예측하여 사전에 터널 시공 도중 발생할 수 있는 사고를 방지하기 위한, 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서는, TBM(Tunnel Boring Machine)의 전면에 구성되는 커터헤드의 터널 전방 암반의 전기비저항을 측정하기 위한 센서봉; 및 상기 센서봉을 터널 전방으로 압출시키는 압출 구동부;를 포함할 수 있다.
상기 센서봉은, 동일한 길이를 갖지만 직경이 상이한 복수의 실린더를 동일 축상에서 서로 중첩시켜 길이 변경이 가능한 하우징; 터널 전방 암반의 전기비저항을 측정하기 위한 탐침; 및 상기 탐침에 결합되고, 상기 하우징의 중공을 통해 상기 압출 구동부에 의해 터널 전방의 좌우 방향으로 이동 가능한 스프링;을 포함할 수 있다.
상기 복수의 실린더 각각은, 양단에 플렌지(flange)를 형성하는 것일 수 있다.
상기 스프링은, 절연 재질의 튜브로 둘러싸여 상기 하우징에 내장되는 것일 수 있다.
상기 압출 구동부는, 상기 스프링을 좌우 방향으로 이동시키기 위한 롤러부; 상기 롤러부의 회전 운동을 구동시키기 위한 구동부; 상기 구동부에 전원을 공급하는 전원 공급부; 및 상기 전원 공급부를 제어하기 위한 제어부;를 포함할 수 있다.
상기 롤러부는, 복수 개의 상부 롤러와 하부 롤러가 배열되어 구성되는 것일 수 있다.
상기 상부 롤러 및 상기 하부 롤러는, 상기 스프링을 수용 가능한 홈이 형성되는 것일 수 있다.
상기 홈의 표면에는, 상기 스프링의 나선형 코일홈에 대응되는 톱니 모양이 형성되는 것일 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전원공급부로부터 상기 구동부에 공급되는 전원의 전류 방향을 변경하여 상부 롤러 및 상기 하부 롤러의 회전 방향을 서로 다르게 제어하는 것일 수 있다.
본 발명은 TBM(Tunnel Boring Machine)의 전면에 구성되는 커터헤드의 터널 전방 암반으로 압출시켜 전기비저항을 측정함으로써, 터널 전방에 존재하는 암반과 이상대의 특징을 예측하여 사전에 터널 시공 도중 발생할 수 있는 사고를 방지할 수 있다.
또한, 본 발명은 전문가의 주관적인 견해로 터널 전방의 암반의 상태와 이상대의 특징을 예측하는 방법에서 벗어나 객관적인 물리적 물성치를 이용하여 암반을 평가함으로써 보다 정확한 터널 전방 상태를 파악할 수 있다.
또한, 본 발명은 센서 개발을 통해 관련 기술 적용이 용이하여 실제 터널 전방 암반과 이상대의 특징을 예측함으로써, 터널 시공 도중 예기치 못한 이상대로 인한 사고를 사전에 방지하여 공사지연 및 공사비 증가와 같은 경제적인 불안요소를 저감할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서가 TBM의 커터헤드에 장착된 상태를 나타낸 도면,
도 3은 센서봉을 나타낸 도면,
도 4 및 도 5는 압출 구동부를 나타낸 도면이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 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.
첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 또는 개략적으로 도시되었으며, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 본 발명은 첨부한 도면에 그려진 상대적인 크기나 간격에 의해 제한되어지지 않는다.
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 있음을 의미한다. 또한, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에서 사용되는 "부"라는 용어는 소프트웨어, FPGA 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, "부"는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 "부"는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. "부"는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 "부"는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로 코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 "부"들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 "부"들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 "부"들로 더 분리될 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서가 TBM의 커터헤드에 장착된 상태를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서(이하 '센서'라 함, 100)는, 터널을 굴착하는 기기인 TBM(Tunnel Boring Machine)(1)의 전면에 구성되어 있는 커터헤드(2)에 장착된다.
이러한 센서(100)는 TBM(1)의 커터헤드(2)에 2개 또는 5개를 장착하여 터널 전방 암반의 전기비저항(electrical resistivity)을 측정한다.
즉, 커터헤드(2)에 2개의 센서(100)를 장착할 경우는, 전기비저항과 암반의 특성(Q-system) 간의 상관관계를 도출하여 터널 전방 암반의 상태를 평가할 수 있다.
또한, 커터헤드(2)에 5개의 센서(100)를 장착할 경우는, 터널 전방에 존재하는 이상영역과 전기비저항 간의 상관관계를 도출하여 터널 전방에 존재하는 예기치 못한 이상대의 상태를 예측할 수 있다.
도 2는 커터헤드(2)에 5개의 센서 즉, 제1 내지 제5 센서(100-1 내지 100-5)를 장착한 경우를 나타낸다. 여기서, 제1 센서(100-1) 및 제2 센서(100-2)는 커터헤드(2)에 상시 장착되어 상시 측정이 가능하고, 제3 센서(100-3) 내지 제5 센서(100-5)는 커터헤드(2)에 탈부착이 가능하여 필요한 경우 측정이 가능하다.
한편, 센서(100)는 커터헤드(2)의 전면 암반(즉, 터널 전방 암반)의 전기비저항을 측정하기 위한 센서봉(110), 센서봉(110)을 터널 전방으로 압출시키는 압출 구동부(120)를 포함한다.
이하, 후술할 도 3 내지 도 5를 참조하여 센서(100)의 구성요소에 대해 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 센서봉을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 센서봉(110)은 동일한 길이를 갖지만 직경이 상이한 복수의 실린더를 동일 축상에서 서로 중첩시켜 길이 변경이 가능한 하우징(10), 터널 전방 암반의 전기비저항을 측정하기 위한 탐침(20), 탐침(20)에 결합되고 하우징(10)의 중공을 통해 압출 구동부(120)에 의해 터널 전방으로 압출되는 스프링(30)을 포함한다.
하우징(10)은 커버 실린더(11), 제1 내부 실린더(12), 제2 내부 실린더(13) 및 탐침 실린더(14)를 포함한다. 여기서는 제1 내부 실린더(12), 제2 내부 실린더(13)와 2개의 내부 실린더를 포함하는 경우에 대해 설명하나, 필요에 따라 내부 실린더의 개수를 변경할 수 있다.
여기서, 커버 실린더(11), 제1 내부 실린더(12), 제2 내부 실린더(13) 및 탐침 실린더(14)의 직경은 설계상 비율로 다양하게 제작될 수 있다. 예를 들어, 커버 실린더(11)는 직경 크기가 t일 때, 제1 내부 실린더(12)는 직경 크기가 0.8t, 제2 내부 실린더(13)는 직경 크기가 0.6t, 탐침 실린더(14)는 직경 크기가 0.48t일 수 있다.
이는 커터헤드(2)의 센서 투입구의 크기에 대응하여 하우징(10)에 포함된 실린더를 조정할 수 있음을 의미한다.
예를 들어, 도 2의 커터헤드(2)는 제1 센서(100)와 제2 센서(100)의 센서 투입구의 크기와 제3 센서(100) 내지 제5 센서(100)의 센서 투입구의 크기가 서로 다르기 때문에, 해당 센서 투입구에 맞는 실린더의 크기를 적용할 수 있다.
커버 실린더(11), 제1 내부 실린더(12), 제2 내부 실린더(13) 및 탐침 실린더(14)는 동일한 길이의 봉 타입의 실린더로서, 직경이 서로 상이하지만 동일 축상에서 중첩되어 결합될 수 있다.
그리고, 커버 실린더(11), 제1 내부 실린더(12), 제2 내부 실린더(13) 및 탐침 실린더(14)는 길이 변경에 따라 결합 상태가 이탈되지 않도록 하기 위해 양단에 플렌지(flange)를 형성한다.
먼저, 커버 실린더(11)는 일단에 압출 구동부(120)에 결합을 위한 제1-1 플렌지(11a), 타단에 제1 내부 실린더(12)와 결합 상태 이탈 방지를 위한 제1-2 플렌지(11b)가 구비된다. 여기서, 제1-2 플렌지(11b)는 TBM(1)의 커터헤드(2)에 나사 결합을 위한 구조가 형성된다.
다음, 제1 내부 실린더(12)는 일단에 커버 실린더(11)와 결합 상태 이탈 방지를 위한 제2-1 플렌지(12a), 타단에 제2 내부 실린더(13)와 결합 상태 이탈 방지를 위한 제2-2 플렌지(12b)가 구비된다. 여기서, 제1-2 플렌지(11b)와 제2-2 플렌지(12b)가 결합 상태 이탈 방지를 위해 서로 대응된다.
다음, 제2 내부 실린더(13)는 일단에 제1 내부 실린더(12)와 결합 상태 이탈 방지를 위한 제3-1 플렌지(13a), 타단에 탐침 실린더(14)와 결합 상태 이탈 방지를 위한 제3-2 플렌지(13b)가 구비된다. 여기서, 제2-2 플렌지(12b)와 제3-1 플렌지(13a)가 결합 상태 이탈 방지를 위해 서로 대응된다.
다음, 탐침 실린더(14)는 일단에 제2 내부 실린더(13)와 결합 상태 이탈 방지를 위한 제4-1 플렌지(14a), 타단에 탐침(20)이 구비된다. 여기서, 제3-2 플렌지(13b)와 제4-1 플렌지(14a)가 결합 상태 이탈 방지를 위해 서로 대응된다.
그리고, 탐침(20)은 서스(sus) 재질의 뾰족한 모양으로 이루어지고, 압출 구동부(120)에 의해 발생된 힘으로 터널 전방 암반을 뚫고 들어가게 된다. 이때, 탐침(20)은 스프링(30)의 일단에 결합되고, 압출 구동부(120)에 의해 스프링(30)이 이동함에 따라 발생되는 힘이 전달되게 된다.
그리고, 탐침(20)은 전기비저항 측정을 위한 전기적 신호를 주고받기 위해 전기비저항 측정부(미도시)에 와이어(wire)를 통해 전기적으로 연결된다.
스프링(30)은 압출 구동부(120)에 의해 좌우 방향으로 이동 가능하다. 즉, 스프링(30)은 나선형 코일 형태에 대응되는 압출 구동부(120)의 롤러부(60)의 회전으로 움직이게 된다. 이에 대해서는 후술할 도 4 및 도 5를 참조하여 설명하기로 한다.
또한, 스프링(30)은 하우징(10)이 최대로 늘어난 길이(약 5m) 보다 길게 제작되는 것이 바람직하다.
그리고, 스프링(30)은 절연 재질(예, 나일론 등)의 튜브로 둘러싸여 하우징(10)에 내장될 수 있다. 이는 탐침(20) 부근에서만 전류를 통하게 하여 다른 전기적 신호의 간섭을 최소화시키기 위함이다.
도 4 및 도 5는 압출 구동부를 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 압출 구동부(120)는 센서봉(110)의 스프링(30)을 좌우 방향으로 이동시키기 위한 롤러부(60), 롤러부(60)의 회전 운동을 구동시키기 위한 구동부(70), 구동부(70)에 전원을 공급하는 전원 공급부(80), 전원 공급부(80)를 제어하기 위한 제어부(90)를 구비한다.
롤러부(60)는 상부와 하부에 복수 개의 롤러들이 배열되어 구성되며, 상부 롤러와 하부 롤러 사이를 통해 스프링(30)을 이동시킨다.
여기서, 상부 롤러와 하부 롤러는 스프링(30)을 수용 가능한 홈이 형성되어 있고, 홈의 표면에는 스프링(30)의 나선형 코일홈에 대응되는 톱니 모양이 형성되어 있다.
이때, 상부 롤러와 하부 롤러는 회전 방향을 다르게 제어하여 스프링(30)을 좌측 방향 또는 우측 방향으로 이동할 수 있게 한다.
구체적으로, 상부 롤러는 시계 방향, 하부 롤러는 반시계 방향으로 회전시킬 경우에는, 스프링(30)은 우측 방향으로 이동한다. 반대로, 상부 롤러는 반시계 방향, 하부 롤러는 시계 방향으로 회전시킬 경우에는, 스프링(30)은 좌측 방향으로 이동한다.
구동부(70)는 롤러부(60)의 상부 롤러와 하부 롤러의 회전 운동을 가능하게 구동시킨다.
전원 공급부(80)는 구동부(70)에 전원을 공급한다. 이때, 전원 공급부(80)는 DC 전류를 공급하며, 제어부(90)의 제어에 따라 구동부(70)에 공급되는 전원의 전류 방향을 변경할 수 있다.
이에 따라, 구동부(70)는 전원 공급부(80)에 의해 공급되는 전원의 전류 방향에 따라 상부 롤러와 하부 롤러의 회전 방향을 다르게 움직이게 할 수 있다.
비록 상기 설명이 다양한 실시예들에 적용되는 본 발명의 신규한 특징들에 초점을 맞추어 설명되었지만, 본 기술 분야에 숙달된 기술을 가진 사람은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 상기 설명된 장치 및 방법의 형태 및 세부 사항에서 다양한 삭제, 대체, 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 상기 설명에서보다는 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된다. 특허청구범위의 균등 범위 안의 모든 변형은 본 발명의 범위에 포섭된다.
1 ; TBM 2 : 커터헤드
10 ; 하우징 20 ; 탐침
30 ; 스프링 60 ; 롤러부
70 ; 구동부 80 ; 전원공급부
90 ; 제어부 100 ; 전기비저항 측정용 센서
110 ; 센서봉 120 ; 압출 구동부

Claims (9)

  1. TBM(Tunnel Boring Machine)의 전면에 구성되는 커터헤드의 터널 전방 암반의 전기비저항을 측정하기 위한 센서봉; 및
    상기 센서봉을 터널 전방으로 압출시키는 압출 구동부;
    를 포함하는 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 센서봉은,
    동일한 길이를 갖지만 직경이 상이한 복수의 실린더를 동일 축상에서 서로 중첩시켜 길이 변경이 가능한 하우징;
    터널 전방 암반의 전기비저항을 측정하기 위한 탐침; 및
    상기 탐침에 결합되고, 상기 하우징의 중공을 통해 상기 압출 구동부에 의해 터널 전방의 좌우 방향으로 이동 가능한 스프링;
    을 포함하는 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수의 실린더 각각은,
    양단에 플렌지(flange)를 형성하는 것인 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 스프링은,
    절연 재질의 튜브로 둘러싸여 상기 하우징에 내장되는 것인 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 압출 구동부는,
    상기 스프링을 좌우 방향으로 이동시키기 위한 롤러부;
    상기 롤러부의 회전 운동을 구동시키기 위한 구동부;
    상기 구동부에 전원을 공급하는 전원 공급부; 및
    상기 전원 공급부를 제어하기 위한 제어부;
    를 포함하는 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 롤러부는,
    복수 개의 상부 롤러와 하부 롤러가 배열되어 구성되는 것인 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 상부 롤러 및 상기 하부 롤러는,
    상기 스프링을 수용 가능한 홈이 형성되는 것인 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 홈의 표면에는,
    상기 스프링의 나선형 코일홈에 대응되는 톱니 모양이 형성되는 것인 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전원공급부로부터 상기 구동부에 공급되는 전원의 전류 방향을 변경하여 상부 롤러 및 상기 하부 롤러의 회전 방향을 서로 다르게 제어하는 것인 터널 전방 암반의 전기비저항 측정용 센서.
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