| 연구개발개요 |
- 본 기술은 시추공에 균열확장장치를 이용하여 공벽에 선균열을 유도하며 고무 패커 사이 구간에 높은 수압을 가하여 인위적으로 암반에 균열을 발생시키는 수압파쇄법 원리를 적용하여 지하 공간 형성하기 위한 무진동·무소음·무분진 암반 굴착 공법임.- 시추공 내의 암반에 파괴하려는 심도의 한 구간에 피스톤 압축에 의해 고무 패커를 수축시켜 공벽에 고정시킨 후 그 이중패커 사이 구간(인터벌)에 물을 주입하면서 압력을 가하여 암반에 인장 응력을 발생시켜 암반을 절개하는 기술임- 또한, 암반 절단 후 패커 하단부에 유압잭을 부착하여 고압의 압력으로 천공 바닥으로부터 암반을 밀어내어 굴착 구간의 암반을 이탈시켜 굴착함 - 본 기술은 시추공에 높은 수압을 가하여 인위적으로 암반에 균열을 발생시키는 수압파쇄법, 기존의 사용하고 있는 슈퍼웨지 및 할암봉 원리를 통합하여 암반균열을 유도하는 기술 및 패커 하단부에 유압잭을 부착하고 천공 바닥으로부터 암반을 이탈시키는 원리 등을 굴착공법으로 적용한 것임 - 인장균열은 최대 수평주응력방향에서 접선 응력(Hoop stress)이 최소가 되어 시추공에 수압이 증가할수록 수평주응력의 크기는 점차 작아지며 압축응력이 인장 응력으로 바뀌고 인장 응력이 인장강도를 넘어서면 수압파쇄가 발생하므로 수압파쇄의 방향이 최대 수평응력방향과 일치함- 파괴원리를 통한 암반 절개는 암반이 취성재료로서 정적인장 강도가 압축강도에 비해 1/10∼1/20 정도의 수준이며, 동적인장 강도는 압축강도의 1/3 정도임- 발파 하중에 의해 발생된 압축 응력파보다 인장 응력파에 의해 더 많은 파괴 발생으로 천공공벽에 내압이 작용하면 천공 주변의 암석 입자에 반경 방향으로 작용되는 반면, 접선방향으로 인장응력이 발생으로 크랙 형성됨- 균열을 생성시키는 방법은 대상지층의 내부마찰각을 낮게 하거나 대상지층에 작용하는 유효수직 응력을 낮추는 방법으로 전자는 현실적으로 힘들기 때문에 공극압력을 높여 유효수직응력을 낮춤으로서 균열 생성이 가능함- 균열 발생은 시추공경에 평행한 방향인 종균열과 시추 공경과 교차하는 방향인 횡균열 중 하나가 발생하는데, 암반의 주응력 차가 작을수록 시추공의 존재에 크게 좌우되며 종균열이 발생하기 쉽고 주응력 차가 클 때에는 기존 균열에 의존하며 횡균열이 발생하기 쉬움.
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| 최종목표 |
- 최종 목표는 무진동·무소음·무분진 암반굴착 공법 및 장치 시제품 개발임 - 본체 장치로 천공을 한 후 암반 굴착에 적합한 실린더형 이중패커, 균열확장장치, 인터벌 수압 및 암반파쇄유닛 등 4가지 기술을 사용하여 암반을 굴착하며, 국내·외 처음 적용하는 무진동·무소음·무분진 친환경적 공법으로 시공성·경제성·안정성을 확보를 목표로 함- 즉, 수압과 균열확장장치를 이용한 무진동·무소음·무분진 암반 굴착공법으로 국내·외 처음으로 적용하는 기술이며 자체적인 국산화 시작품 장치개발과 시험시공을 통한 공정개발 등을 정립하여 사업화 대상기술에 대한 최종 목표를 확립하고자 함
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| 연구내용 및 범위 |
[1차년도]- 암반굴착에 적합한 장치의 설계 및 제작을 통한 운영성능 시험 * 선행연구에서 제시된 문제점 분석 및 현안문제 제시 . 슬롯으로 균열방향 유도기술 . 수압에 의한 팽창원리 이중패커 . 고압·저용량을 갖는 일반 모터 펌프 . 패커 하단부에 암반이탈 장치 고안 * 무진동·무소음·무분진 암반굴착 본체장치설계 . 수압공급장치, 실린더형 이중패커 및 본체 장치설계 * 패커 시스템 및 수압공급 장치제작 . 수압공급장치, 실린더형 이중패커와 균열확장장치, 암반파쇄유닛 장치개발 * 패커주입기 1대를 갖춘 본체 장치제작 . 기존 굴착 장비에 탈·부착 방식으로 패커주입기 1대를 개조한 장치개발 * 현장시험을 통한 장치에 대한 기술개발검증: 운영성능시험 . 암반굴착 자동화 장치를 이용한 현장시험 . 암반절개 연장성 및 방향 제어 현장시험 * 균열 제어를 위한 유도슬롯의 효율성에 관한 실내축소모형 시험 검증 . 모형실험용 장치 개발 . 수치해석 실험 [2차년도]- 개발된 장치의 검증을 통한 굴착성능 및 지침 설정 * 현장시험에서 전년도 개발된 장치 성능에 대한 문제점 수정·보완 . 양방향 응력으로 인장균열 유도 . 유압 실린더형 및 쐐기형 이중패커 . 암반균열 생성 대용량·고압펌프 . 암석변위 발생위한 암반파쇄유닛 잭* 패커주입기 4대로 구성된 본체장치에 대한 설계 . 수압공급장치, 실린더형 이중패커시스템 및 본체장치 설계 * 패커 하단부에 천공축에 직교인 슬롯생성장치 개발 . 드릴머신에 천공축에 직교인 회전방향 비트장치 부착 * 패커주입기 4대로 구성된 본체장치에 대한 제작 . 수압공급장치, 실린더형 이중패커시스템 및 본체장치 개발 * 시험시공을 통한 굴착 성능 지침 설정 . 본체 장치로 시공속도 및 물량으로 굴착 성능제시 * 다양한 가압조건 및 유량？수압 조건을 이용한 실내축소모형 성능시험 . 시멘트를 이용하여 불균질적인 자연 암반의 특성을 고려한 축소모형 제작 . 등방성/이방성 암석 시료를 이용한 실내실험 수행[3차년도]- 장치에 대한 성능검증과 신기술등록으로 사업화 제시 * 개발된 장치에 대한 성능 및 개선점 도출 . 균열확장장치 . 유압 실린더형 및 쐐기형 이중패커 . 암반균열 생성 대용량·고압펌프 . 암석변위 발생위한 암반파쇄유닛 잭 * 본 기술을 통하여 사면, 터널 굴착 성능시험 및 기능개선점 도출 . 사면굴착에 따른 암편 절취 기술검증 . 터널굴착에 따른 암편 절취 기술검증* 각 unit별 장치에 대한 성능검증 . 균열 및 무결암반에서 굴착기술 . 구성된 장치에 대한 기능제시 * 상용화 기술 시행방안의 기술지침 및 공정개발 . 설계기준 및 표준시방서 작성* 신기술 등록을 통한 사업화 대상기술정립 . 본 장치를 통한 굴착 신기술 등록으로 사업화 제시 * 유도균열 효과 및 수치해석에 의한 기술검증 . 실험 영향인자에 따른 유도균열의 효과에 대한 분석 . 수치해석을 통한 기술의 효율성 파악○ 세부목표는 선행연구를 통한 문제점 등을 분석하고 암반 굴착에 적합한 수압공급장치, 실린더형 이중패커 및 본체 장치에 대한 설계를 근거하여 장치를 제작하며 시험시공을 통한 장치개발 및 공법개발로 무진동 암반 굴착 기술개발임
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