암석 파이프 잭킹 기계: 유형, 절단 시스템 및 프로젝트 선택에 대한 완전한 가이드

암석 파이프 재킹 기계란 무엇이며 암석 조건에 전문 장비가 필요한 이유

암석 파이프 잭킹 기계는 발사 샤프트에서 가해지는 유압 잭킹 힘을 사용하여 전체 파이프 스트링과 기계를 지면을 통해 앞으로 밀어내는 동시에 그 뒤에 일련의 파이프를 설치하는 동시에 단단하거나 혼합된 암석을 뚫도록 설계된 비굴착 건설 장비의 전문 부품입니다. 이 기계는 보어 전면의 암벽을 굴착하고 설치된 파이프 스트링을 통해 전리품을 제거하며 완성된 파이프라인에 필요한 정확한 라인과 경사를 유지합니다. 이 모든 작업은 표면을 공개적으로 굴착하지 않고도 가능합니다. 암석 파이프 재킹 기계는 표면 붕괴가 금지되거나 비실용적이며 표준 연지 파이프 재킹 장비가 처리하기에는 너무 단단하거나 마모성이 있는 암석이 포함된 도로, 철도, 강 및 도시 기반 시설 아래에 중력 하수구, 수도 본관, 가스 파이프라인 및 케이블 덕트를 설치하기 위해 선택하는 장비입니다.

표준 파이프 재킹 기계와 암석 조건을 위해 특별히 설계된 기계 간의 차이점은 기본입니다. 연약지반 마이크로터널링 기계는 슬러리 압력 또는 토압 균형을 사용하여 터널 표면을 지지하고 토양 및 약한 암석에 적합한 디스크 커터 또는 드래그 픽을 사용합니다. 80~100MPa 이상의 무제한 압축 강도(UCS)를 갖는 화강암, 현무암, 규암, ​​사암 또는 석회암과 같은 유능한 단단한 암석에서는 이러한 절단 도구가 빠르게 마모되고 굴착 속도가 허용할 수 없는 수준으로 떨어지며 기계가 의존하는 유체 압력 없이 지반이 자체적으로 지탱되면 기계가 멈출 수 있습니다. 에이 암석 파이프 잭킹 기계 단단한 암석에 적합한 디스크 커터 또는 버튼 비트를 장착하도록 특별히 설계된 커터헤드, 견고한 메인 베어링 및 암석 굴착에 필요한 높은 추력 및 토크 하중을 견딜 수 있는 구동 시스템, 그리고 종종 자립형 암석 조건에 적합한 개방형 또는 대기 작업 모드를 사용하여 이러한 모든 문제를 해결합니다.

암석 파이프 잭킹 기계의 작동 방식: 전체 프로세스

암석의 파이프 잭킹 공정은 연약한 지반에서와 동일한 기본 순서를 따르지만 각 단계에는 단단한 암석 굴착 문제에 적합한 장비와 절차가 포함됩니다. 전체 프로세스를 이해하면 기계가 수행해야 하는 작업과 다양한 시스템이 현재의 방식으로 설계된 이유가 명확해집니다.

발사대 준비 및 기계 설정

이 공정은 발사 샤프트(기계가 낮아지고 파이프 스트링이 전진되는 수직 굴착)의 건설로 시작됩니다. 암석층에서 발사 샤프트는 드릴링 및 폭파 또는 암석 톱 절단을 통해 형성되는 경우가 많으며 재킹 프레임, 스러스트 벽 및 설치되는 첫 번째 파이프 섹션을 수용할 수 있을 만큼 충분한 크기여야 합니다. 샤프트의 후면 벽을 지지하는 철근 콘크리트 또는 강철 구조물인 스러스트 벽은 구동 중에 가해지는 전체 재킹 힘을 견딜 수 있도록 설계해야 하며, 단단한 암석 조건에서는 중간 직경 보어의 경우에도 수백 톤에 이를 수 있습니다. 천공 작업이 시작되기 전에 기계를 샤프트로 내려 놓고 올바른 라인과 등급의 재킹 프레임에 설정하고 후행 시스템(슬러리 라인, 전원 공급 장치, 데이터 케이블, 찌꺼기 제거 컨베이어 또는 슬러리 파이프)에 연결합니다.

커터헤드에서 암석 굴착

커터헤드는 재킹 시스템에 의해 가해지는 추력과 커터헤드 구동 모터의 토크가 결합된 효과로 암벽에 대해 회전합니다. 단단한 암석에서 주요 절단 작업은 디스크 커터에 의해 수행됩니다. 즉, 높은 점 하중 하에서 암석 표면을 가로질러 굴러가는 경화 강철 휠은 인접한 커터 경로 사이의 암석을 깨뜨리는 인장 균열을 유발합니다. 디스크 커터의 간격, 직경 및 팁 하중은 특정 암석 유형 및 UCS에 맞게 설계되었습니다. 더 단단하고 마모성이 높은 암석에는 허용 가능한 관통률과 커터 수명을 달성하려면 더 높은 등급의 카바이드 인서트가 있는 더 가까운 간격의 더 큰 직경의 커터가 필요합니다. 연약하거나 부서진 암석은 혼합면 조건을 위한 디스크 커터와 픽을 모두 운반하는 드래그 픽 또는 조합 커터헤드를 사용하여 보다 효율적으로 절단할 수 있습니다.

보어에서 전리품 제거

커터헤드에서 생성된 암석 절단물은 제거를 위해 설치된 파이프 스트링을 통해 발사 샤프트로 다시 운반되어야 합니다. 슬러리 모드 암석 파이프 잭킹 기계에서는 물 또는 벤토나이트 슬러리가 커터헤드로 펌핑되어 암석 칩과 혼합되고 슬러리로서 표면의 분리 플랜트로 다시 펌핑됩니다. 이 방법은 미세한 암석 입자와 작은 칩을 효율적으로 처리하지만 단단한 암석에서 생성된 거친 암석 조각을 운반하기 위해서는 충분한 슬러리 속도가 필요합니다. 이는 슬러리 펌프 크기 및 파이프라인 직경에 영향을 미치는 고려 사항입니다. 일부 암석 파이프 재킹 구성, 특히 자립형 암석에서는 기계적 이송(파이프 스트링을 통과하는 스크류 컨베이어 또는 드래그 컨베이어)이 슬러리 이송 대신 사용되어 분리 플랜트가 필요 없으며 현장 운영이 단순화됩니다.

파이프 설치 및 잭킹 순서

기계가 전진함에 따라 파이프 섹션이 발사 샤프트로 내려가고 파이프 스트링의 뒤쪽에 추가되며 이는 메인 재킹 프레임에 의해 앞으로 밀려납니다. 각 잭킹 스트로크는 파이프 길이(파이프 직경과 샤프트 깊이에 따라 일반적으로 1.0~3.0미터)만큼 스트링을 전진시킵니다. 그런 다음 재킹 프레임이 수축되고 새 파이프가 내려져 배치되며 다음 스트로크가 시작됩니다. 중간 재킹 스테이션(드라이브를 따라 간격을 두고 파이프 섹션 사이에 설치된 유압 잭)은 긴 드라이브에 사용되어 메인 재킹 프레임이 전체 파이프 스트링 길이를 밀어야 하는 누적 마찰 부하를 줄입니다. 암석 드라이브에서는 긴 구멍에서 수천 톤에 도달할 수 있습니다.

조향 및 경사면 제어

암석을 통과하여 지정된 선과 경사를 유지하려면 암석 이방성 및 균열 패턴이 기계에 부과할 수 있는 방향 경향을 극복할 수 있는 조향 시스템이 필요합니다. 암석 파이프 잭킹 기계는 후행 파이프에 대해 기계의 전면 부분을 편향시키는 유압 조향 실린더가 있는 관절형 실드를 사용하므로 구동 중에 지속적으로 수정이 이루어질 수 있습니다. 레이저 경위의 또는 자이로스코프 유도 시스템은 표면 제어 스테이션에 실시간 데이터가 표시되어 설계 정렬을 기준으로 기계 위치를 모니터링합니다. 단단한 암석에서는 조향 수정을 점진적으로 적용해야 합니다. 딱딱한 지면에서 갑작스러운 조향 조정은 파이프 조인트가 손상되거나 마찰 부하가 증가할 수 있습니다. 방향 변경 중에 파이프 스트링에 과도한 응력이 가해지지 않도록 기계의 조향 형상을 파이프 직경 및 조인트 공차와 일치시켜야 합니다.

다양한 암석 조건에 대한 커터헤드 유형

커터헤드는 암석 파이프 잭킹 기계를 정의하는 구성 요소입니다. 커터헤드의 설계는 기계가 대상 암석을 효과적으로 굴착할 수 있는지 여부, 커터 마모가 얼마나 빨리 발생하는지, 혼합 면 조건에서 기계가 어떻게 작동하는지를 결정합니다. 지면 조건에 맞는 올바른 커터헤드 구성을 선택하거나 지정하는 것은 프로젝트 계획에서 가장 중요한 결정 중 하나입니다.

절단기 검사 및 교체 접근은 암석 파이프 재킹 기계의 중요한 설계 고려 사항입니다. 더 큰 직경의 기계(일반적으로 DN 1200 이상)에서는 직원이 자립 암석의 안전한 대기 조건에서 커터헤드 챔버에 들어가서 운전 중에 마모된 커터를 검사하고 교체할 수 있습니다. 더 작은 직경의 기계에서 커터를 교체하려면 기계를 발사축으로 후퇴시키거나(상당한 시간과 비용 손실) 인력이 개입하지 않고도 마모된 도구를 교체할 수 있는 원격 작동 커터 교환 시스템을 사용해야 합니다. 커터 교체의 타당성과 비용은 드라이브 계획에 고려되어야 하며, 특히 커터 소비율이 높은 마모성이 높은 암석의 장거리 드라이브의 경우 더욱 그렇습니다.

재킹 힘 계산 및 중간 재킹 스테이션

암석 파이프 재킹 기계를 전진시키는 데 필요한 총 재킹 힘은 프로젝트 계획에서 가장 중요한 매개변수 중 하나입니다. 이는 주 재킹 프레임의 용량, 스러스트 벽의 구조 설계, 파이프 섹션에 필요한 강도 및 중간 재킹 스테이션이 필요한지 여부를 결정합니다. 재킹 힘을 과소평가하면 드라이브가 정지되고, 과도한 추력으로 인해 파이프가 손상되거나, 프로젝트를 완료할 수 없게 됩니다.

총 재킹 힘은 면 저항(암석을 통해 커터헤드를 전진시키는 데 필요한 힘)과 설치된 파이프 스트링의 전체 길이에 따른 표면 마찰의 합입니다. 암석의 면 저항은 주로 암석 UCS, 커터헤드 영역 및 커터 구성의 함수입니다. 표면 마찰은 파이프 OD와 시추공 사이의 환형 간격, 오버컷 치수, 윤활 주입 효율성 및 파이프 표면 거칠기에 의해 결정됩니다. 암석 파이프 재킹에서 시추공 직경은 일반적으로 파이프 OD보다 약간 크게 절단됩니다(오버컷). 이는 표면 마찰을 줄이고 환형 윤활 주입을 위한 공간을 제공하기 위한 것입니다. 암석 상태에 대한 일반적인 오버컷은 암석 품질과 드라이브 길이에 따라 반경 20~50mm입니다.

인터잭이라고도 불리는 IJS(중간 잭킹 스테이션)는 드라이브를 따라 계산된 간격으로 파이프 섹션 사이에 설치된 유압 잭 어셈블리입니다. 이를 통해 드라이브를 더 짧은 세그먼트로 나눌 수 있으며 각 세그먼트는 가장 가까운 잭킹 스테이션에 의해 앞으로 밀려나므로 파이프의 개별 섹션이 전체 드라이브 길이의 누적 마찰을 전달하지 않습니다. 일반적인 조건에서 150~200미터를 초과하는 암벽 파이프 잭 드라이브의 경우 IJS가 거의 항상 필요합니다. IJS의 간격은 파이프 섹션의 최대 허용 잭킹 하중에 의해 결정됩니다. 파이프 제조업체는 제품에 대한 최대 허용 잭킹 힘을 지정하고 IJS 간격은 최악의 마찰 조건에서 드라이브의 어느 지점에서도 이 힘이 초과되지 않도록 해야 합니다.

암석 파이프 재킹의 윤활 및 환형 그라우팅

파이프 스트링과 시추공 벽 사이의 환형 공간 윤활은 모든 파이프 재킹 드라이브에 필수적이지만 연약한 지반 적용에 비해 암석 조건에서는 특정한 특성을 갖습니다. 연약한 지반에서는 파이프 스트링의 포트를 통해 주입된 벤토나이트 슬러리가 고리를 채우고 저전단 윤활 매체를 제공하여 피부 마찰을 줄입니다. 암석에서 자체 지지형 시추공 벽은 윤활유가 표면 지지를 제공할 필요가 없음을 의미하지만 여전히 파이프-암석 접촉 마찰을 줄이고 드라이브가 일정 기간 동안 정지된 경우 파이프 스트링이 구멍에 잠기는 것을 방지하는 중요한 기능을 수행합니다.

암석 드라이브의 윤활 주입은 파이프 스트링을 따라 분산된 여러 주입 포트를 통해 주입되는 벤토나이트 또는 폴리머 기반 윤활 그라우트를 사용합니다. 주입 압력은 환형 공간을 채우고 지하수 또는 암석 미세분을 대체할 수 있을 만큼 충분해야 하지만 주변 암석의 수압 균열을 일으키거나 균열 평면을 따라 지표면이나 인접 구조물로 빠져나갈 정도로 높아서는 안 됩니다. 구동 중 각 포트의 주입량과 압력을 모니터링하면 환형 충진 품질에 대한 정보가 제공되고 파이프가 시추공 벽과 직접 접촉하는 위치(마찰과 마모 위험이 증가하는 조건)를 작업자에게 알릴 수 있습니다.

구동이 완료되면 환형 공간은 일반적으로 시멘트-벤토나이트 또는 PFA-시멘트 그라우트로 그라우팅되어 파이프에 대한 영구적인 지지를 제공하고 그렇지 않으면 위에 있는 지반에 침전을 일으킬 수 있는 빈 공간을 채웁니다. 시추공이 완전히 자립하는 유능한 암석에서는 직경이 작은 드라이브의 경우 이 그라우팅 단계를 생략할 수 있지만 직경이 더 크고 균열이나 풍화가 있는 암석에서는 시간이 지남에 따라 블록이 환형 공간으로 점진적으로 느슨해질 수 있는 표준 관행입니다.

암석 파이프 잭킹 프로젝트에 대한 지상 조사 요구 사항

암석 파이프 재킹 프로젝트의 성공 여부는 기계 선택 및 프로젝트 계획 이전에 수행되는 지반 조사의 품질에 크게 좌우됩니다. 암석 상태는 단거리에서 변하기로 악명 높으며, 기계 성능에 가장 큰 영향을 미치는 매개변수(UCS, 마모 지수, 파괴 빈도, 혼합 면 영역의 존재)는 표면 매핑이나 희박한 시추공 데이터에서는 확실하게 추론할 수 없습니다. 부적절한 지반 조사는 예상치 못한 기계 정지, 예상보다 훨씬 높은 커터 소비, 암석 파이프 재킹 시 프로젝트 비용 초과의 가장 일반적인 원인입니다.

• 드라이브 정렬을 따라 시추공 드릴링: 벌목 및 실험실 테스트를 위한 연속 코어 샘플을 회수하는 드라이브 정렬을 따라 최대 50미터 간격의 회전식 코어 시추공은 의미 있는 지상 모델을 위한 최소 요구 사항입니다. 매 실행마다 코어 회수율, 암석 품질 지정(RQD) 및 미터당 파손 빈도를 기록해야 합니다. 지질학적으로 복잡한 지반에 있는 드라이브의 경우, 부적절한 데이터로 인해 발생할 수 있는 기계 정지 비용으로 인해 더 가까운 시추공 간격이 정당화됩니다.
• 실험실 암석 테스트: 코어 샘플은 ISRM 또는 ASTM 표준에 따른 무제한 압축 강도(UCS), 브라질 인장 강도, 점하중 지수 및 CAI(Cerchar Abrasivity Index) 또는 이와 동등한 수준에 대해 테스트해야 합니다. CAI는 커터 소비 추정에 특히 중요합니다. 마모성이 높은 암석(CAI가 3.0 이상)은 중간 정도의 마모성을 갖는 재료보다 3~5배 더 높은 속도로 디스크 커터를 소비할 수 있어 프로젝트 경제성에 큰 영향을 미칩니다.
• 수문지질학적 평가: 드라이브에 따른 지하수 조건은 전리품 제거 시스템 설계, 수갱 건설 방법, 균열 또는 카르스트 암석으로의 지하수 유입 위험에 영향을 미칩니다. 지하수가 예상되는 모든 드라이브에 대한 지상 조사 프로그램에는 시추공의 고여 있는 수위와 침투성을 특성화하기 위한 패커 테스트가 포함되어야 합니다.
• 혼합 얼굴 상태 식별: 암석과 상부 토양 사이의 전이 구역, 풍화 암석 경계면, 암석 내 제방 또는 침입 접촉부는 암석 파이프 재킹 기계에 대한 가장 위험한 조건입니다. 지상 조사에서는 특히 이러한 전환 영역의 특성을 파악하고 드라이브를 따라 가능한 위치를 식별하여 이 섹션에서 적절한 커터헤드 사양 및 사전 속도 계획을 허용하도록 시도해야 합니다.

암석 파이프 재킹 기계를 선택할 때 비교할 주요 사양

특정 프로젝트를 위해 암석 미세 터널링 기계 및 암석 파이프 재킹 장비를 평가할 때 공급업체와 모델을 비교하는 데 가장 중요한 것은 다음 사양 매개변수입니다.

암석 파이프 재킹 드라이브의 일반적인 문제와 이를 방지하는 방법

잘 계획된 암석 파이프 재킹 프로젝트라도 운영상의 어려움에 직면합니다. 가장 일반적인 문제와 그 원인을 이해하면 프로젝트 팀이 예방 조치를 구현하고 문제가 발생할 때 효과적으로 대응하는 데 도움이 됩니다.

• 특대 암석 파편에 커터헤드 걸림: 부서진 암석에서는 커터헤드 구멍보다 큰 블록이 커터헤드에 끼어 회전이 멈출 수 있습니다. 예방하려면 커터헤드 개구부 크기를 암반 특성화에서 예상되는 블록 크기와 일치시키고, 커터헤드에 사소한 걸림이 발생하지 않도록 충분한 토크 예비력이 있는지 확인해야 합니다. 일부 암석 파이프 재킹 기계에는 특히 걸린 절단기나 파편을 제거하기 위한 가역적 절단기 헤드 회전 기능이 포함되어 있습니다.
• 골절된 지역의 지하수 유입: 상당한 수압 수두를 지닌 고도로 균열된 암석은 기계가 물을 함유한 균열 구역과 교차할 때 지하수가 구멍 속으로 빠르게 유입될 수 있습니다. 예방하려면 운전 전 수리지질학적 평가가 필요하며, 고위험 구역이 식별된 경우 기계가 해당 구역에 도달하기 전에 침투성을 줄이기 위해 표면이나 파이프 스트링 내부에서 사전 그라우팅을 해야 합니다. 잠재적으로 수분을 함유하고 있는 암석의 모든 드라이브에는 비상 안면 밀봉 장비를 사용할 수 있어야 합니다.
• 파이프 마찰로 인한 드라이브 잠금: 유지 관리, 커터 변경 또는 장비 고장 등으로 인해 드라이브가 장기간 정지된 경우 윤활 그라우트가 파이프에 굳어지면서 파이프 스트링이 보어에 잠길 수 있습니다. 예방하려면 정기적인 윤활 주입량을 유지하고, 계획된 중단 중에 파이프 스트링이 계속 움직이도록 짧은 재킹 스트로크를 수행하고, 계획되지 않은 중단이 발생할 경우 긴급 재이동을 위한 비상 계획을 세워야 합니다. 메인 재킹 프레임으로 전체 스트링을 풀려고 시도하기보다는 세그먼트의 마찰을 끊기 위해 중간 재킹 스테이션을 활성화해야 합니다.
• 이방성이 큰 암석의 안내 편차: 강한 엽리, 바닥재 또는 연결부가 있는 암석은 구동 방향에 대해 비스듬히 설정되어 커터헤드에 측면 힘을 가하여 조향 수정이 적용되기 전에 기계를 정렬에서 벗어날 수 있습니다. 예방을 위해서는 빈번한 안내 모니터링(이상적으로는 지속적으로 자동화된 추적)이 필요하며 상당한 편차가 발생한 후 대응적인 수정보다는 사전 조향 조정이 필요합니다. 알려진 이방성 암석 단면에서 전진 속도를 줄이면 기계 방향을 더 잘 제어할 수 있습니다.
• 거친 절단으로 인한 슬러리 파이프라인 막힘: 단단한 암석에서 디스크 커터 치핑 작업은 연약한 절단 슬러리 시스템이 운반하도록 설계된 것보다 훨씬 더 거칠 수 있는 불규칙한 조각을 생성합니다. 슬러리 회수 라인이 막히면 드라이브가 급격하게 중단되고 설치된 파이프 스트링을 통해 제거하기 어려울 수 있습니다. 예방하려면 슬러리 속도와 파이프 직경이 예상되는 칩 크기에 적합한지 확인하고, 슬러리 회로에 접근 가능한 청소 지점을 설치하고, 반환 유량과 펌프 압력을 지속적으로 모니터링하여 부분적인 막힘이 완전히 막히기 전에 감지해야 합니다.

귀하의 프로젝트에 적합한 암석 파이프 잭킹 기계 선택

프로그램 및 예산 내에서 필요한 결과를 달성하려면 기계 사양을 각 암석 파이프 재킹 프로젝트의 특정 지반 조건, 드라이브 형상 및 프로젝트 제약 조건에 맞추는 것이 필수적입니다. 다음 질문은 선택 과정에 대한 구조화된 프레임워크를 제공합니다.

• 대상 암석의 최대 UCS 및 Cerchar 마모 지수는 얼마입니까? 이 두 매개변수는 함께 필요한 커터 사양과 예상 커터 소비율을 결정합니다. 150 MPa UCS 암석 등급의 기계는 250 MPa의 화강암에 배치되어서는 안 됩니다. 기계의 설계 UCS 등급이 적절한 안전 여유를 가지고 지상 조사 데이터와 일치하거나 초과하는지 확인하십시오.
• 드라이브 길이와 파이프 직경은 얼마입니까? 드라이브 길이는 중간 재킹 스테이션이 필요한지 여부를 결정하고 필요한 최소 주 재킹 프레임 용량에 영향을 미칩니다. 파이프 직경은 보어 직경, 커터헤드 직경, 기계 치수 및 인력 투입 커터 검사 가능 여부를 결정합니다. 일반적으로 기계 설계에 따라 약 DN 1000~1200 이상에서만 가능합니다.
• 혼합 얼굴 상태가 예상됩니까? 드라이브가 암석이 더 부드러운 재료로 덮여 있거나 그 사이에 깔려 있는 구역을 통과하는 경우 개방형 암석 모드와 폐쇄형 토압 균형 또는 슬러리 모드에서 작동할 수 있는 조합 커터헤드와 기계가 필요합니다. 순수한 암석뿐만 아니라 특히 혼합면 조건에서 기계의 성능을 확인하십시오.
• 샤프트 치수 및 표면 설치 공간에 대한 현장 제약은 무엇입니까? 암석 파이프 재킹 장비(재킹 프레임, 슬러리 플랜트, 폐석 처리)에는 발사 샤프트 주변에 상당한 표면적이 필요합니다. 낮은 파이프 섹션에 대한 크레인 작업 및 슬러리 탱크 이동을 위한 안전한 접근을 포함하여 공급업체가 제안한 장비 구성이 사용 가능한 현장 공간에 맞는지 확인하십시오.
• 공급업체는 비슷한 암석 조건에서 어떤 실적을 보유하고 있습니까? UCS 범위, 암석 유형, 드라이브 길이 및 직경과 같은 유사한 지질학적 암석 파이프 재킹에 대한 프로젝트 참조를 특별히 요청하십시오. 연약지반 마이크로터널링 분야에서 광범위한 실적을 보유하고 있지만 단단한 암석에 대한 경험이 제한된 공급업체는 유사한 조건에서 여러 개의 완료된 암석 프로젝트를 보유한 공급업체보다 까다로운 암석 드라이브에 대한 위험이 더 높은 선택입니다. 프로젝트 완료 확인뿐만 아니라 달성된 보급률 및 절단기 소비 데이터를 포함한 사례 연구를 요청하세요.