파이프 잭킹 기계: 작동 방식, 사용 시기 및 찾아야 할 사항

파이프 잭킹 기계가 실제로 하는 일

파이프 재킹 기계는 토양을 뚫고 동시에 조립식 파이프 섹션을 표면 발사장에서 굴착된 터널로 밀어 넣어 지하 파이프라인을 설치하는 무개착 건설 시스템입니다. 파이프 스트링의 뒤쪽에 위치한 유압 잭이 절단 헤드와 성장하는 파이프 트레인을 지면을 통해 전진시키는 데 필요한 전방 추력을 가하는 동안 기계는 보어의 면에서 절단합니다. 그 결과 파이프라인 경로를 따라 연속적인 개방형 트렌치를 굴착할 필요 없이 깊이에 설치된 완전히 늘어선 파이프라인이 탄생했습니다.

파이프 재킹(pipe jacking), 일부 상황에서는 파이프 래밍(pipe ramming) 또는 원격 제어 안내를 통해 더 작은 직경의 구멍에 적용될 때 마이크로 터널링이라고도 하는 이 방법은 지하 유틸리티 건설에서 가장 중요한 기술 중 하나가 되었습니다. 이는 도로, 철도, 강, 활주로 및 개방형 굴착이 불가능하거나 피해를 주거나 인프라 운영자 및 계획 당국에 의해 금지되는 도시 건설 지역 아래에 중력 하수 본관, 송수 본관, 가스 분배 라인, 통신 덕트 및 암거를 설치하는 데 사용됩니다.

파이프 재킹 기계 자체는 작업 전면의 절단 및 안내 시스템으로, 보어 직경, 토양 호환성, 라인 및 경사도 정확도, 면 지지 기능을 결정하는 구성 요소입니다. 파이프 재킹 작업의 다른 모든 것(재킹 프레임, 스러스트 링, 중간 재킹 스테이션, 윤활 시스템 및 파편 제거 장치)은 기계의 요구 사항과 프로젝트에서 발생하는 특정 지상 조건을 중심으로 구성됩니다.

파이프 재킹 시스템의 핵심 구성 요소

완전한 파이프 재킹 시스템은 단순한 절단기 그 이상입니다. 이는 작업을 안전하게 온라인으로 진행하기 위해 모두 안정적으로 함께 작동해야 하는 기계, 유압 및 안내 시스템의 통합 어셈블리입니다. 각 구성 요소의 역할을 이해하면 계약자와 프로젝트 엔지니어가 더 나은 장비 선택 결정을 내리고 문제가 가장 발생할 가능성이 있는 위치를 예측하는 데 도움이 됩니다.

커팅 헤드와 쉴드

커팅 헤드는 가장 앞쪽에 있는 요소입니다. 파이프 잭킹 기계 , 토양을 굴착하여 파이프라인 구멍을 통해 제거할 수 있도록 설계되었습니다. 커팅 헤드 디자인은 지면 조건에 따라 크게 달라집니다. 연약한 지반(점토, 미사, 모래 및 자갈)에서는 일반적으로 토양 조절 포트가 있는 회전식 디스크 또는 스포크 패턴 커터 헤드가 사용되며, 표면을 안정시키고 마찰을 줄이기 위해 종종 벤토나이트 또는 폴리머 주입과 함께 사용됩니다. 혼합된 지면이나 암석에서는 재료를 분해하여 제거하려면 디스크 커터, 드래그 비트 또는 텅스텐 카바이드 버튼 커터가 장착된 보다 견고한 커터 헤드가 필요합니다. 커터 헤드는 터널 면에서 지면을 지지하고 기계의 구조 본체를 형성하는 강철 실드 내에 들어 있습니다.

재킹 프레임과 스러스트 실린더

메인 재킹 프레임은 파이프 스트링 뒤의 발사 피트에 설치되며 지면을 통해 기계와 파이프를 전진시키는 주요 추력을 제공합니다. 이는 피트 후면 벽에 고정된 무거운 강철 반응 프레임으로 구성되며, 스트링의 마지막 파이프 후면에 있는 스러스트 링 또는 스러스트 칼라를 지탱하는 유압 실린더(일반적으로 2~4개의 대구경 램)가 장착되어 있습니다. 파이프 재킹 작업에서 재킹력은 상당합니다. 작은 직경의 마이크로 터널링 드라이브에는 50~200톤의 추력이 필요할 수 있는 반면, 긴 파이프 스트링이 있는 어려운 지면의 대구경 드라이브에는 1,000~3,000톤을 초과하는 추력이 필요할 수 있습니다. 재킹 프레임은 이러한 힘을 안전하게 전달할 수 있어야 하며 파이프 직경 및 특정 드라이브의 예상 접지 저항에 맞게 크기가 조정되어야 합니다.

부패물 제거 시스템

굴착된 자재는 잭 작업 중에 파이프라인 구멍을 통해 터널 표면에서 지속적으로 제거되어야 합니다. 폐기물 제거 방법은 파이프 재킹 기계 유형을 차별화하는 주요 변수 중 하나입니다. 슬러리 쉴드 기계는 가압된 벤토나이트 슬러리 회로를 사용하여 절단물을 슬러리 파이프를 통해 유압식으로 정지하고 표면 분리 공장으로 운반합니다. 여기서 고체는 추출되고 세척된 슬러리는 재순환됩니다. 토압 균형 기계는 굴착된 토양을 컨디셔닝제와 혼합하여 가소화된 덩어리를 생성한 다음 파이프라인 구멍을 통해 발사장까지 아르키메데스 스크류 컨베이어에 의해 추출됩니다. 수공구와 스킵 제거를 사용한 수동 굴착은 작업자 진입이 실용적이고 지반 조건이 이를 허용할 만큼 안정적인 대구경 드라이브에서 여전히 사용됩니다.

안내 및 조향 시스템

주행 전반에 걸쳐 라인 및 경사면의 정확성을 유지하는 것이 중요합니다. 정렬되지 않은 상태로 설치된 파이프라인은 중력 하수구의 수력 경사 문제, 압력 본관의 연결 응력 및 기존 서비스와의 잠재적인 충돌을 유발합니다. 파이프 재킹 기계는 쉴드 주변에 위치한 유압 스티어링 실린더의 확장을 조정하여 조종됩니다. 이 실린더는 다음 파이프 스트링을 기준으로 기계 헤드를 연결합니다. 위치 모니터링은 장비 내부의 목표물에 빔을 투사하는 발사대에 장착된 레이저 경위를 통해 이루어집니다. 작업자는 장비와 빔의 편차를 판독하고 조향 실린더를 통해 수정합니다. 자이로스코프 토탈 스테이션 또는 링 레이저 자이로스코프를 사용하는 보다 정교한 유도 시스템은 간단한 레이저 라인이 부족한 장거리 드라이브나 곡선에 사용됩니다.

파이프 잭킹 기계의 유형 및 각각의 사용 시기

파이프 재킹 기계는 단일 제품이 아닙니다. 각각 다양한 범위의 보어 직경, 지반 조건 및 프로젝트 요구 사항에 맞게 최적화된 여러 가지 구성으로 존재합니다. 올바른 기계 유형을 선택하는 것은 모든 파이프 재킹 프로젝트에서 가장 중요한 장비 결정입니다.

MTBM(마이크로 터널링 기계)

마이크로 터널링 기계는 일반적으로 150mm ~ 1,200mm 범위의 보어 직경을 위해 설계된 원격 작동 파이프 재킹 시스템이지만 더 큰 유인 진입 시스템의 경계는 프로젝트마다 다릅니다. 마이크로 터널링 기계의 특징은 운전자가 운전 중에 터널에 들어가지 않는다는 것입니다. 모든 조향, 모니터링 및 기계 제어는 엄빌리컬 연결을 통해 표면 제어실에서 관리됩니다. 이러한 원격 작동 기능을 통해 마이크로터널링은 작업자의 진입이 물리적으로 불가능한 작은 직경의 구멍과 얼굴 접근으로 인해 허용할 수 없는 안전 위험이 있는 모든 지면 조건에 적합합니다. 미세 터널링 기계는 가장 일반적으로 사용되는 슬러리 유형 시스템으로, 유압식 절단 및 슬러리 이송 기능을 통해 연약하고 혼합된 지반에서 지속적인 표면 지지와 효율적인 토양 제거를 제공합니다.

토압 밸런스 파이프 잭킹 기계

EPB(토압 평형) 파이프 재킹 기계는 굴착된 토양 자체를 사용합니다. 물, 폼 또는 폴리머로 조절하여 실행 가능한 가소성을 달성합니다. 커터 헤드 뒤의 압력 격벽은 터널 면에 대해 제어된 토양 압력을 유지하며, 스크류 컨베이어 추출 속도는 전진 속도와 균형을 이루어 면 압력을 목표 범위 내로 유지합니다. EPB 기계는 응집력이 있고 혼합된 토양, 물에 잠긴 모래, 지반 침하를 최소화해야 하는 도시 환경에서 특히 효과적입니다. 이 제품은 약 600mm에서 최대 수 미터까지 다양한 직경을 처리하며 보어 크기에 따라 원격 작동 구성과 유인 진입 구성 모두에서 사용할 수 있습니다.

슬러리 쉴드 파이프 재킹 머신

슬러리 실드 기계는 가압된 벤토나이트 슬러리를 사용하여 터널 표면을 지지하고 폐쇄된 슬러리 회로를 통해 유압식으로 절단 부분을 제거합니다. 이 제품은 EPB 컨디셔닝이 어렵고 표면 압력을 유지하는 것이 폭발이나 침전을 방지하는 데 중요한 모래, 자갈 및 투과성 충적 퇴적물과 같은 포화 입상 토양에서 탁월합니다. 표면에 필요한 슬러리 분리 플랜트는 슬러리 유형 프로젝트에서 중요한 물류 요소입니다. 이는 상당한 부지 면적을 차지하고, 슬러리 혼합 특성에 대한 세심한 관리가 필요하며, 폐기물로 관리해야 하는 필터 압착 슬러리 케이크의 찌꺼기 처리 흐름을 생성합니다. 이러한 복잡성에도 불구하고 슬러리 쉴드 기계는 상당한 깊이의 수분 함유 입상 지반에 대해 유일하게 실행 가능한 기술인 경우가 많습니다.

암석 절단 파이프 잭킹 기계

암석층에서는 표준 토양 절단기 헤드가 효과적이지 않으며 특수 암석 절단 기계가 필요합니다. 이 기계에는 원칙적으로 TBM(터널 보링 머신)과 유사한 전면 디스크 커터 어레이가 장착되어 암벽에 높은 점하중을 가하여 칩을 파쇄합니다. 그런 다음 칩은 플러시되거나 보어 밖으로 운반됩니다. 암석 재킹 기계는 특정 암석층의 압축 강도, 마모성 및 파괴 특성에 맞춰야 합니다. 분필이나 이암과 같은 부드러운 퇴적암은 강화된 드래그 비트 헤드로 처리할 수 있는 반면, UCS 값이 100 MPa를 초과하는 경질 화성암 또는 변성암은 더 단단한 강철 등급의 전면 디스크 커터가 필요합니다. 연마석의 커터 마모율은 주요 비용 동인이며 처음부터 프로젝트 예산에 반영되어야 합니다.

지상 조건과 기계 선택에 미치는 영향

단일 파이프 재킹 기계 유형은 모든 지면 조건에서 잘 작동하지 않습니다. 시추공, 시험 구덩이, 토양 샘플의 실험실 테스트 및 지하수 수준 모니터링과 같은 지질 공학 조사는 모든 기계 선택 결정의 기반이 되어야 하는 필수 기반입니다. 직면한 지면 조건에 대해 잘못된 기계를 지정하는 것은 파이프 재킹 프로젝트 실패의 가장 빈번한 원인 중 하나이며, 이는 기계 고착, 파열, 과도한 침하 또는 완전한 드라이브 포기로 이어집니다.

아래 표에는 지면 조건과 적절한 파이프 재킹 기계 유형 간의 일반적인 관계가 요약되어 있습니다.

재킹 힘 관리 및 중간 재킹 스테이션 사용

구동 중에 파이프 스트링이 길어짐에 따라 파이프 외부 표면에 작용하는 마찰이 축적되고 시스템을 전진시키는 데 필요한 총 재킹 힘이 점진적으로 증가합니다. 유리한 지면의 짧은 드라이브에서 이러한 축적은 메인 재킹 프레임의 용량 내에서만 관리할 수 있습니다. 더 긴 드라이브(특히 100~150미터를 초과하는 드라이브) 또는 마모성이 있거나 마찰이 심한 지면에서 더 짧은 드라이브의 경우 누적된 표면 마찰이 메인 프레임의 추력 용량과 파이프 조인트의 구조적 부하 용량을 초과할 수 있습니다. 이곳은 중간 재킹 스테이션이 필수적인 곳입니다.

중간 재킹 스테이션(IJS)은 자체 유압 램 세트가 장착된 짧은 강철 실린더로, 구동 중 미리 정해진 간격으로 파이프 스트링 내에 설치됩니다. 잭킹 힘이 한계에 도달하면 IJS 램이 활성화되어 메인 잭이 재설정되는 동안 파이프 스트링의 앞쪽 부분을 독립적으로 밀어냅니다. 파이프 스트링을 세그먼트로 나누고 IJS 장치를 순차적으로 활성화함으로써 개별 파이프 조인트에 적용되는 최대 힘이 안전한 구조적 한계 내에서 유지되고 드라이브는 메인 재킹 프레임만으로 달성할 수 있는 것 이상으로 계속될 수 있습니다. 장거리 드라이브에 대해 잘 설계된 파이프 재킹 프로젝트는 계산된 마찰 하중을 기반으로 사전에 IJS 위치를 지정하고, 지면 조건이 예상보다 나쁜 경우를 대비해 추가 위치를 미리 계획합니다.

파이프 벽의 포트를 통해 주입된 벤토나이트 슬러리 또는 폴리머 겔을 사용하여 파이프-지상 경계면을 윤활하는 것은 잭킹 힘을 관리하기 위한 또 다른 기본 전략입니다. 효과적인 윤활 프로그램은 윤활되지 않은 드라이브에 비해 파이프 벽 표면 마찰을 50-80% 줄여 달성 가능한 드라이브 길이를 극적으로 연장하고 필요한 IJS 장치 수를 줄일 수 있습니다. 윤활은 드라이브 전체에 걸쳐 지속적으로 유지되어야 합니다. 윤활이 분해되거나 주변 지면에 흡수되면 마찰이 급격히 증가하고 파이프 스트링이 막히는 결과를 초래할 수 있습니다.

파이프 잭킹 작업에 사용되는 파이프 재료

파이프 재킹 기계에 의해 지면을 통해 밀려난 파이프 부분은 해당 축을 따라 전달되는 재킹 스러스트 하중과 서비스 수명 동안 벽에 작용하는 외부 지면 및 지하수 압력을 모두 견뎌야 합니다. 모든 파이프 재료가 재킹에 적합한 것은 아니며, 파이프 유형의 선택은 보어 직경, 구동 길이, 조인트의 허용 편향 및 장기적인 파이프라인 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.

• 철근 콘크리트 재킹 파이프: 중~대형 직경(300mm ~ 3,000mm 이상)의 하수구 잭업에 가장 널리 사용되는 재료입니다. 콘크리트 재킹 파이프는 특정 재킹 표준(유럽의 경우 EN 1916, 북미의 ASTM C76)에 따라 제조되며, 각 접합면에 강화된 강철 엔드 링이 있어 재킹 하중을 고르게 분산하고 접합 응력 집중을 최소화합니다. 이 제품은 뛰어난 장기 내구성, 하수 가스에 대한 내화학성, 더 큰 직경에서 경쟁력 있는 가격을 제공합니다.
• 유리화 점토 잭킹 파이프: 더 작은 하수구 직경(일반적으로 150mm~600mm)에 사용됩니다. 유리화 점토는 공격적인 하수 및 산업 폐수의 화학적 공격에 대한 탁월한 저항성을 제공하므로 화학적으로 까다로운 하수 환경에 선호되는 선택입니다. 콘크리트에 비해 부서지기 쉬우므로 취급 시 주의가 필요하며 적용할 수 있는 재킹 힘이 제한됩니다.
• 강철 재킹 파이프: 더 큰 직경의 수도 및 가스 전송 본관, 송유관 및 케이싱 파이프에 사용됩니다. 강철은 매우 높은 압축 강도와 인장 강도를 제공하므로 높은 재킹력을 적용할 수 있고 장거리 드라이브와 단단한 지면 조건에 적합합니다. 외부 부식 방지(융합 에폭시, 폴리우레탄 코팅 또는 음극 보호)는 긴 사용 수명을 위해 필수적입니다.
• GRP(유리 섬유 강화 폴리머) 재킹 파이프: 높은 강도와 가벼운 무게, 뛰어난 내식성을 결합했습니다. GRP 재킹 파이프는 화학적으로 공격적인 환경과 감소된 파이프 무게로 인해 제한된 발사대에서의 취급이 단순화되는 드라이브에 점점 더 많이 지정되고 있습니다. 재킹 힘 하에서 적절한 하중 전달을 보장하려면 신중한 조인트 설계가 필요합니다.
• 폴리머 콘크리트 및 HOBAS 파이프: 원심 주조 유리 섬유 강화 폴리머 모르타르(CCFRPM) 파이프는 폴리머의 내화학성과 재킹 용도에 필요한 압축 강도를 결합합니다. 유럽 ​​전역과 기타 시장에서 점점 더 많은 공격적인 하수 및 산업 배수 응용 분야에 널리 사용됩니다.

파이프 재킹 기계를 동원하기 전 주요 프로젝트 계획 고려 사항

현장에서 심각한 문제가 발생하는 파이프 재킹 프로젝트는 운이 좋지 않은 경우가 거의 없습니다. 이는 거의 항상 부적절한 계획, 불충분한 지반 조사 또는 설계 중 이루어진 비현실적인 가정의 결과입니다. 파이프 재킹 기계를 현장으로 동원하기 전에 다음 계획 요소에 세심한 주의를 기울여야 합니다.

• 지반공학 조사 범위 및 품질: 시추공은 현장의 지반 변동성에 적합한 간격으로 배치되어야 하며(일반적으로 도시 프로젝트의 드라이브 정렬을 따라 50미터 이내) 제안된 시추 높이의 인버트 레벨 아래 파이프 직경의 최소 3배까지 확장되어야 합니다. 실험실 테스트에는 입자 크기 분포, 가소성 지수, 비배수 전단 강도, 암석의 무제한 압축 강도, 파이프나 기계 구성 요소의 부식이 우려되는 지하수 화학이 포함되어야 합니다.
• 기존 서비스 설문조사: 드라이브 정렬이 완료되기 전에 지상 투과 레이더, 전자기 위치 및 사용 가능한 모든 유틸리티 기록 검토를 사용한 전체 유틸리티 조사를 완료해야 합니다. 활성 시추를 가로지르는 감지되지 않은 유틸리티는 치명적인 결과를 초래할 가능성이 있습니다. 라이브 드라이브 근처의 가스 본관, 고전압 케이블 또는 수도 본관에 대한 서비스 파업은 도시의 무개착 건설에서 가장 심각한 위험 중 하나입니다.
• 발사 및 수신 피트 디자인: 발사장은 재킹 프레임, 파이프 처리 장비, 폐기물 제거 시스템을 수용하고 승무원에게 안전한 작업 접근을 제공할 수 있을 만큼 충분히 커야 합니다. 최소 피트 치수는 파이프 직경, 기계 길이 및 재킹 스트로크에 따라 결정됩니다. 구덩이는 적절하게 지반을 형성하고 배수되어야 하며 후방 추력 벽은 이동이나 고장 없이 예상되는 최대 재킹 힘을 구조적으로 견딜 수 있어야 합니다.
• 드라이브 길이 및 곡률: 각 기계 유형과 파이프 재료 조합에는 달성 가능한 최대 구동 길이가 있으며, 이 길이를 초과하면 잭킹 힘이나 파이프 조인트 응력이 관리하기 어려워집니다. 마찬가지로 곡선 정렬도 가능하지만 가이드가 더욱 복잡해지고 파이프 조인트 굽힘 하중이 증가합니다. 약 150미터를 초과하거나 수평 또는 수직 곡선을 포함하는 드라이브는 장비 선택이 완료되기 전에 전문 비굴착 엔지니어가 평가해야 합니다.
• 정착 모니터링 및 위험 평가: 민감한 구조물(철도 선로, 역사적 건물, 교량 교대 또는 운영 중인 산업 시설) 아래의 드라이브의 경우, 드라이브가 시작되기 전에 표면 조사 기념물, 정밀 레벨링 및 민감한 구조물의 경사계를 사용하는 정착 모니터링 프로그램을 확립해야 합니다. 기계 매개변수 조정 또는 드라이브 정지에 대한 트리거 및 조치 수준은 영향을 받는 인프라 소유자와 미리 합의해야 합니다.

파이프 잭킹 중 일반적인 문제와 숙련된 시공업체가 이를 처리하는 방법

잘 계획된 파이프 재킹 드라이브에도 문제가 발생합니다. 지반 조건이 시추공 데이터와 정확하게 일치하는 경우는 거의 없으며, 기계 구성품의 마모 또는 오작동, 예상치 못한 장애물 등이 도시 지하 건설의 현실입니다. 이러한 사건에서 복구되는 프로젝트와 기계가 멈추거나 드라이브가 중단되는 프로젝트 사이의 차이는 일반적으로 승무원의 경험과 프로젝트 계획에 포함된 비상 조치에 달려 있습니다.

터널 표면의 장애물

바위, 자갈, 오래된 석조 기초, 목재 더미 및 폐기된 유틸리티는 도시 지역에서 파이프 잭 작업 중에 직면하는 가장 흔하고 예상치 못한 장애물 중 하나입니다. 유인 진입 직경 드라이브에서 작업자는 때때로 실드 보호 아래의 수공구 또는 공압 차단기를 사용하여 장애물을 파괴할 수 있습니다. 진입이 불가능한 더 작은 마이크로 터널링 직경의 경우 비상 옵션에는 드라이브 위의 돌파 굴착을 통한 중재적 접근, 장애물 주변의 지면을 안정화하기 위한 표면 천공 제트 그라우팅 또는 수지 주입 또는 극단적인 경우 드라이브를 버리고 막힌 곳 앞의 새로운 구덩이에서 기계를 복구하는 것이 포함됩니다.

과도한 재킹 힘 축적

재킹 힘이 예상보다 빠르게 증가하는 경우 첫 번째 대응은 항상 윤활 프로그램을 평가하고 최적화하는 것입니다. 즉, 주입량과 빈도를 늘리고 윤활 포트가 막히지 않았는지 확인하고 파이프 주변의 환형 공간이 적절하게 채워졌는지 확인하는 것입니다. 윤활 최적화가 힘 증가를 억제하지 못하는 경우 계획보다 일찍 중간 재킹 스테이션을 활성화하는 것이 다음 단계입니다. 최대 추력을 적용하여 드라이브를 강제로 막는 것은 거의 생산적이지 않으며 파이프 조인트 손상, 기계 구성 요소 고장 또는 표면 융기의 위험이 있습니다. 구동을 일시 중지하고 지면이 파이프 스트링 주위에서 약간 이완되도록 허용하는 것과 강화된 윤활이 결합되어 지속적인 힘을 가하는 것보다 더 많은 진전을 이루는 경우가 많습니다.

오프라인 편차

초기에 포착된 안내 편차는 관리 가능합니다. 조향 실린더는 허용할 수 없는 연결 각도를 만들지 않고 다음 몇 파이프 길이에 걸쳐 기계 방향을 점진적으로 수정할 수 있습니다. 커질 때까지 감지되지 않는 편차는 복구하기가 훨씬 어렵고 파이프 조인트 응력, 의도하지 않은 위치의 표면 침하 또는 기존 서비스와의 잠재적인 충돌을 초래할 수 있습니다. 편차 문제에 대한 최선의 방어는 엄격한 모니터링 체제입니다. 즉, 각 교대가 시작될 때뿐만 아니라 모든 파이프 설치 후에 유도 목표 위치를 읽고 기록하는 것과 어떤 조향 수정이 어떤 편차 크기에 적용되는지에 대한 명확한 조치 프로토콜이 있습니다.