- 일경컨스트럭션_2021/04/12_미래를 밝히는 토목∙건축 테크놀로지日経コンストラクション
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- 저자 : 日経BP社
- 발행일 : 20210412
- 페이지수/크기 : 74page/28cm
요약
Nikkei Construction_2021.4.12 특집 (p52-57)
미래를 밝히는 토목∙건축 테크놀로지
힘들고 협소한 곳의 작업을 줄이는 토목 기계
Part 1. 복공(覆工)의 프리캐스트화
거대한 ‘팔’로 3배 이상의 속도
위를 쳐다보는 자세나 구부정한 자세를 장시간 유지해야 하거나, 먼지나 분진이 많은 곳에서 돌아다녀야 하는 ‘극한작업’이 많은 건설현장. 이러한 작업을 줄이는 기계가 도입되기 시작했다. 상식을 뛰어넘는 시공 속도나 기존 이상의 고품질을 실현하는 놀라운 ‘토목 머신’이 속속 등장하고 있다.
산악터널의 굴착 현장에서는 드릴 점보 등 대형 굴착기계를 일찍부터 도입해 고기능화나 자동화를 추진해 왔다. 그러나 굴착 후 시공의 기계화에는 그다지 눈을 돌리지 않았었다. 예를 들면, 복공 콘크리트는 현장 타설이 일반적이다. 노동력에 의지하는 작업이기 때문에 생산성은 이미 한계에 달했다. 위를 쳐다보는 자세나 허리를 구부리는 자세를 오랫동안 계속하는 힘든 작업도 많았다.
그런 상황을 타개하는 머신이 드디어 나타났다. 시미즈건설과 시공기술종합연구소, IHI건재공업(도쿄)의 3자가 공동으로 개발한 ‘분할형 PCa 복공 시스템’이다. 원주 방향으로 움직이는 ‘팔’이 PCa(프리캐스트) 부재를 들어올려 터널 벽면을 따라 조립해 나간다. 작업자는 머신에 의한 조립 정밀도를 확인하거나 설치 위치의 미세 조정 등을 원격으로 조작하기만 하면 된다.
시공기술종합연구소(시즈오카현)에 있는 폭 11.2m, 높이 7.1m의 모의터널에서 진행한 실증실험에서는, 원주 방향으로 6분할한 무게 1.1t, 아크 길이 2.8m, 폭 1m의 PCa 부재를 설치. 1시간 정도에 완료했다.
머신은 폭 1.5m까지의 PCa 부재를 들어올릴 수 있다. 하루에 12시간 가동하며, 총 18m의 복공을 구축할 수 있다. 일반적인 현장치기(Concreting in site)공법과 비교해 시공 속도는 3배 이상이다. 필요한 작업자는 절반 정도면 된다.
-- 조립 오차는 5mm 이하 --
분할형 PCa 복공 시스템은 2대의 머신으로 구성된다. 조립을 담당하는 ‘이렉터’와, 설치 후의 PCa 부재가 어긋나지 않도록 지탱하는 ‘모양유지 장치’이다. 굴착면 측에 이렉터를 설치하고, 갱구 측에 모양유지 장치를 설치한다. 각각이 터널 내에 깐 레일 위를 굴착면을 향해 자력으로 움직이며 복공을 구축해 나간다.
먼저 움직이는 것은 이렉터다. PCa 부재에서 15cm 정도 돌출한 쇠붙이를, 이렉터에서 나오는 빨간 팔이 끼워서 고정. 터널의 벽면을 따라서 소정의 위치로 이동시킨다.
PCa 부재끼리를 연결할 때는, 실드 터널의 세그먼트에서 일반적인 ‘One-Pass Joint’의 강철제 쇠붙이를 채용했다. 이렉터로 잡은 채로 이미 설치한 PCa 부재에 끼우면 일체화된다.
다음으로 모양유지 장치가 굴진 방향으로 신축하는 4개의 팔을 조종하며, 이렉터가 설치한 PCa 부재를 누른다. One-Pass Joint로 연결만 해서는 PCa 부재가 자중(自重)으로 인해 휠 우려가 있기 때문이다. 한 단면의 조립이 끝나면 아치 효과가 작용해 모양이 안정되기 때문에 팔을 분리한다.
Part 2. 지하의 굴착∙지반 개량
100m의 대심도에 대응하는 자동 드릴
리니어 주오신칸센이나 도쿄 외곽 환상도로 등 지표에서 40m 깊이의 ‘대심도 지하’에서 시행하는 공사가 늘고 있다. 매설물이 적고, 토지 사용권 등을 설정하기 쉬운 대심도 지하는 ‘대도시에 남겨진 귀중한 공간’이다. 한편, 시가지 바로 밑을 파나가기 때문에 지반 침하나 함몰 방지에 세심한 주의를 기울여야 한다.
닛토쿠건설과 독일의 휘테(HUTTE)가 고난도의 대심도 터널 공사를 지상부터 지원하는 머신을 공동으로 개발했다. ‘하이 글란즈 드릴(Hy Glanz Drill)’이라는 자주(自走)식 보링 머신이다.
케이싱이나 로봇을 덧붙이면서 최대 100m의 깊이까지 파 내려갈 수 있다. 1대로 천공과 지반 개량의 두 역할을 담당하며, 대심도의 지반 동결이나 약액 주입 등에 대응한다.
대심도의 천공을 가능하게 한 것이 국내 최대 규모인 직경 324mm의 퍼커션 드릴의 채용이다. 직경은 일반적인 보링 머신의 1.5배다. 단단한 지반을 굴착할 때도 축심이 잘 어긋나지 않고, 깊이 파도 천공 위치의 정밀도를 유지하기 쉽다. 케이싱 길이를 통상의 2배인 3m로 하고, 굴착 정밀도를 더욱 높였다.
그러나 두껍고 긴 케이싱은 무겁기 때문에 사람의 힘으로 다루기 어렵다. 그래서 닛토쿠건설 등은 연결과 분리를 가능하게 하는 전용 기계도 개발했다. 백호(Backhoe)의 팔 끝에 장착하는 ‘매니퓰레이터’다. 케이싱이나 로드를 잡아 들어올린다.
대심도 지하 공사가 필요한 도시에 광대한 야드가 존재하는 경우는 적다. 백호라면 좁은 공간에서도 가동할 수 있다.
-- 자주(自走)식도 좁은 야드를 염두 --
자주식으로 한 목적도 좁은 야드에 대한 대응이 염두에 있다. 닛토쿠건설 등은 12년에 100m의 깊이까지 천공하는 고정식의 보링 머신 ‘Ein Band’를 개발했다. 그러나 크레인 등을 설치하는 공간이 필요하기 때문에 활약의 장은 주로 야드가 넓은 안벽 공사 등에 한정되었다.
하이 글란즈 드릴의 또 다른 특징이 ‘로터리 퍼커션 드릴’과 ‘로터리 드릴’을 1대로 다룰 수 있다는 점이다. 각각에 대응한 ‘헤드’라는 구동부를 탑재. 2개의 헤드가 자동으로 슬라이드해서 교체된다.
기존에 지반을 효율적으로 개량하기 위해서는 천공 속도에 뛰어난 로터리 퍼커션 드릴로 천공한 후에, 로터리 드릴을 꽂아서 개량재를 주입해서 섞는 것이 최적이었다. 그러나 기계를 교체해야 하는 수고가 발생하는데다 기재 손료가 커진다.
하이 글란즈 드릴은 무선으로 조종할 수 있다. “보기 쉬운 위치에서 천공 상황을 확인하면서 시공하는 것이 가능하다. 무언가 이상이 있다면 조종자는 바로 그 자리를 떠날 수 있기 때문에 안전성이 향상된다”(닛토쿠건설 다카하시(高橋) 본부장). 보링 머신은 통상 조종석이 본체와 유선으로 연결되어 있어 가동 영역에 제약이 있었다.
닛토쿠건설 등은 대심도 보링이나 지반 개량 외에 굴착을 끝낸 대심도 실드 터널의 위치 확인 등에서도 활용할 수 있을 것으로 전망한다.
Part 3. 자동 천공
내진 보강으로 콘크리트를 벌집으로
기설 콘크리트 구조물을 두께 확장 보강하기 위해 필수인 ‘천공(Drilling)’. 규모에도 따르지만 수백~수천 곳에 달하는 구멍을 휴대용 드릴로 뚫는다. 콘크리트의 천공은 단조롭고 소음이나 진동, 분진이 발생한다. 작업자에게는 힘든 작업이다. 이런 힘든 작업을 없애기 위해 오쿠무라구미는 천공을 자동화하는 머신을 개발했다.
강철제 프레임에 탑재한 시판 휴대용 드릴이 상하좌우, 전후로 움직인다. CAD 도면 등에서 사전에 지정한 위치에 연속해서 구멍을 뚫어 나간다. 직경 40mm 정도의 공압 착암기에 대응하는 대구경(大口徑)용과, 직경 25mm 정도의 전통 햄머 드릴을 탑재하는 소구경(小口徑)용의 2대를 제작했다.
대구경용 머신은 높이 2.4m, 폭 1.6, 안 길이 2.2m, 무게 980kg이다. 최대 깊이 1.2m까지 천공할 수 있다. 미리 콘크리트 면과 병행해서 고정한 앵글재(Angle Iron) 위를 자동으로 움직인다.
드릴 끝의 위치를 조정해서 콘크리트 면에 닿도록 조정하면 스위치 하나로 천공을 시작한다. 깊이 1m의 천공에 필요한 시간은 약 4분. 휴대용 드릴을 작업자가 조작하는 것과 비슷한 속도다.
-- 시공 기록의 자동화로 사무 부담 경감 --
개발한 머신은 드릴의 천공 속도를 상시 계측한다. 철근에 닿으면 속도가 급속하게 떨어지기 때문에 자동 정지해 철근의 손상을 방지한다. 콘크리트의 배근에는 다소의 시공 오차가 발생하므로 철근 위치를 사전에 비파괴 탐사로 특정한다. 그러나 표면에서 탐사하는 것은 깊은 위치의 추정 정밀도가 떨어지기 때문에 철근에 드릴로 상처를 내는 경우가 흔했다.
대구경용에서는 분진의 비산 대책을 강구했다. 드릴의 날 주위에 장착한 분진 컵을 콘크리트 면에 밀착시켜 발생한 분진을 흡수해서 모은다. 회수해서 탱크에 모은 분진의 폐기나 천공의 반복으로 뜨거워진 드릴을 교환하는 것은 사람이 한다. 현시점에서는 작업자에 의한 정기적인 작업 체크가 필요하다.
시공 기록을 데이터로 남길 수 있다는 것도 로봇화의 이점 중 하나다. 천공한 위치나 깊이, 천공한 장소를 전부 기록하고 무선으로 컴퓨터에 전송한다. 관리자는 데이터를 바탕으로 완성도 보고서 등을 만들 수 있어 사무 작업이 줄어든다.
Part 4. 뉴매틱케이슨 굴착
고압 환경에서 6대의 중장비가 함께
굴착하면서 콘크리트제 프레임을 침하시키는 뉴매틱케이슨 공법에서 핵심은 프레임의 하부에 만든 높이 2.5m 정도의 작업실이다. 굴착기가 가동하는 공간이 된다.
굴착을 위해서는 지하수를 없애고, 작업실 내를 압축공기로 가득 채워야 한다. 내부가 고압이 되면서 잠수병에 걸리기 쉬워, 사람이 움직일 수 있는 시간은 짧다는 것이 난점이었다. 그 때문에 원격 조종 기술 개발을 일찍부터 추진했다.
건설회사 Oriental Shiraishi나 지바공업대학, 시스템계획연구소(도쿄)는 공동으로 ‘자동화’ 기술 개발에 착수하고 있다.
굴착기는 작업실 천장에 설치한 레일을 따라 이동하며, ‘지반 굴착’ ‘토사 운반’ ‘반출함 적재’ ‘구조물 침하’라는 4개의 공정을 반복한다. 그 중에 토사 운반의 자동화를 실현했다. 6대의 굴착기를 동시에 움직였을 때 서로 충돌하지 않는다는 것을 확인했다.
일반적인 원격 조종 굴착기에 각종 센서를 장착, 실시간으로 거동을 파악한다. 그러나 지하에는 GNSS(위성위치 측정시스템)의 전파가 닿지 않기 때문에 위치정보를 얻지 못한다. 그래서 주행거리계와 선회 각도 계측기를 탑재. 이동거리나 각도를 통해 자신의 위치를 특정한다. 굴착기의 붐이나 버킷의 움직임도 계측해서 컴퓨터에서 3차원화한다.
굴착기 주위의 상황 파악에는 레이저광을 조사해서 지형이나 구조물을 3차원 군점으로 취득하는 ‘LiDAR’를 이용했다. 굴착기의 붐 전방에 장착, 계측한 지반 모양을 정기적으로 지상의 컴퓨터에 전송한다.
-- 작업 계획을 자동으로 입안 --
현장에 따라서는 30대 이상의 굴착기가 동시에 가동한다. 각각이 기록한 3차원 데이터를 1대의 컴퓨터에 집약해서 작업실 내의 3차원 지도를 제작. 그것을 바탕으로 지반 모양이나 굴착기사의 위치를 인식하고, 버킷으로 파거나 지정한 위치까지 운반하는 등 작업 계획을 자동으로 세워서 굴착기에 지시한다.
계획을 세울 때, 개개의 굴착기에 탑재한 센서의 정보를 통해 작업 중인 붐의 간섭을 감지한다. 충돌 위험이 있을 경우는 계획을 변경한다.
교토후가 발주한 지하 펌프장의 건설공사에서의 실증실험에서는 수심 20~30m에 상당하는 0.2~0.3MPa의 압력 하에서 굴착기를 움직였다. 우선은 원격 조종으로 굴착해서 흙을 쌓아 올렸다. 다음으로 자동 조종으로 바꿔서, 그 흙을 지정한 위치로 운반했다.
“고압 상태에서 센서가 정상으로 움직이는지 여부를 확인했다. 만일 고장이 났을 경우는 버튼 하나로 원격 조종으로 바꿀 수 있도록 했다”(개발담당자). 센서의 교체를 쉽게 해서 수리에 필요한 시간을 단축했다. 향후 3, 4년 내에 굴착이나 적재의 자동화도 목표한다.
-- 끝 --
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