KR0166423B1 - 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법 및 직천공 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 굴착시 지반의 보강 및 차수성을 향상시키고 연약지반(층적토 등)에서의 터널공사에 적용할 수 있는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법 및 직천공 장치에 관한 것으로, 소정길이의 중공형상을 가지며, 그 외주연 상측부에 그라우트재를 분사시키기 위한 다수의 주입구(12)가 소정길이마다 형성되되, 상기 주입구(12) 상부면에 그의 차폐방향으로 지지가이드수단(13)이 구비되는 강관(1); 상기 강관(1)내부에서 주입구(12)측으로 그라우트재가 역류없이 주입되도록 하기 위하여 상기 강관(1)에 연통하도록 주입구(12)에 내장되는 스트레이너(14); 및 상기 강관(1)에 연결되며, 외부의 드릴링장치로 부터 구동력을 인가받아 지반을 직천공하는 비트(2)를 포함하는 직천공장치와, 비트(Bit)(2)가 장착된 소정길이의 강관(1)을 드릴링(driling) 장비를 이용하여 소정의 깊이까지 설치한 후, 강관(1)의 설계길이에 이를 때까지 계속적으로 강관을 연결, 직천공하는 제1단계; 그라우팅시 그라우트재의 역류를 방지하도록 강관(1)과 천공면(6) 사이에 소정재질의 코르킹(corking)재(3)를 장착하는 제2단계; 및 강관(1) 내부에 소정간격으로 패커(packer)(5)를 설치하고 상기 그라우트재를 주입하는 제3단계를 포함하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법을 제공한다.

Description

직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법 및 직천공 장치

제1a도 내지 제1d도는 종래기술에 따른 강관 보강형 다단 그라우팅공법의 시공순서도.

제2a도 내지 제2c도는 본 발명에 의한 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 공법의 시공순서도.

제3도는 본 발명에 의한 직천공장치의 요부인 강관의 일실시예 구성을 나타낸 단면도.

제4도는 제3도의 b부분 상세도.

제5는 연약 지반에 적용되는 충적토용 비트(Bit)의 단면구성도.

제6도는 제5도의 정면도.

제7도는 다층지반에 적용되는 풍화암용 비트(Bit)의 단면구성도.

제8도는 제7도의 정면도.

제9도는 본 발명에 의한 그라우트재와 종래 그라우트재의 호모겔(homogel) 강도를 수중 양생일수에 따라 비교한 값을 나타낸 그래프도.

제10a도 및 제10b도는 환경조건 변화시의 GCM 약재의 장기강도 변화를 나타낸 표.

제11도는 그라우트재의 수축률을 나타낸 표.

제12도는 그라우트재의 점도를 나타낸 표.

제13도는 그라우트재의 분포상태를 확인하기 위해 수행된 페놀프탈레인 용액 반응시험 결과를 나타낸 사진.

제14도는 수직단면에서의 그라우트재 분포도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 강관 2 : 비트

3 : 코르크재 4 : 실링호스

5 : 패커 6 : 천공면

11a : 수나사 11b : 암나사

12 : 주입구 13 : 지지가이드

14 : 스트레이너 15 : 스프링

16 : 볼 21 : 충적토용 비트

22,32 : 비트몸체 23 : 단턱부

2434 : 둥근나사 25,35 : 초경팁

26,36 : 스텐볼 27,37 : 스프링

28,38 : 볼 고정나사 31 : 풍암화용 비트

33 : 날개편 39 : 그라우트재 주입구

본 발명은 천공로드(Rod) 및 보강재로서의 역할을 병용할 수 있는 특수 강관과 그 내부에서 그라우팅을 정밀하게 수행할 수 있게 하는 그라우트재 역류 방지장치 및 강관내 고무재질인 그라우트재 역류방지장치(Packer System), 그리고 고강도 그라우트재를 개발하므로써 지하 굴착시 지반의 보강 및 차수성을 향상시키고 천공시에 공(hole) 유지가 어려워 강관 설치가 곤란했던 연약지반(충적토 등)에서의 터널공사에 적용할 수 있는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법 및 직천공 장치에 관한 것이다.

최근 도시 지하 구조물의 시공 현장에서는 지하 구조물의 안정성 증대와 인접 구조물의 손상 방지를 위하여 지하 굴착 보조 공법을 사용하고 있으며, 경우에 따라서는 차수와 보강효과를 동시에 얻기 위해서 이들을 2개 이상 조합하여 시공하는 현장도 늘고 있다.

일반적으로, 지하 굴착시 요구는 굴착 보조 공법은 시공성이 뛰어나고 경제성이 있어야 하며, 적용 목적에 부합하는 충분한 효과를 얻을 수 있어야 한다. 이러한 효과를 얻기 위한 종래의 관련 기술로서는 파이프 루프(pipe roof) 공법과, 그라우팅(grouting) 공법을 단일 공종으로 수행하므로써 공기와 공비의 절감효과를 얻을 수 있고, 보강과 차수의 효과를 동시에 얻을 수 있는 강관 보강형 다단 그라우팅 공법을 대표적으로 들 수 있다.

종래의 강관 보강형 다단 그라우팅 공법은 통상 천공, 강관삽입, 코르킹(corking) 및 실링(sealing), 그라우팅(grouting)수순으로 진행하여 주로 연약 풍화암층의 차수 및 보강용으로 사용되고 있다.

상기 공법을 제1a도 내지 제1d도를 참조하여 간략히 설명하면 다음과 같다.

도면에서 101은 강관, 101a는 분사공, 102는 커플링, 103은 코르킹재, 104는 실링호스, 105는 패커, 106는 천공면을 각각 나타낸 것이다.

도면에 도시된 바와 같이, 터널 굴착에 선행하여 터널 원주면을 따라 직경 100㎜ 정도의 빈 공을 일정 간격으로 천공한다(제1a도).

상기 천공 수행후 중공형상을 가지되, 소정간격마다 고무밴드가 끼워진 분사공(101a)이 형성된 일반 구조용인 소구경 강관(101)을 소정길이만큼 커플링(102)을 매개로 연결하여 빈 공(hole)에 삽입시킨다(제1b도).

그리고, 상기 강관에 패커(packer)(105)를 설치하되, 강관(101)과 천공면(106)사이에 그라우트재 역류방지를 위한 급결시멘트 또는 발포제등의 코르킹(corking)재(103)를 주입한다(제1c도).

상기 패커(105)내측에 다단으로 그라우트재를 주입하여 강관(101)의 분사공(101a)으로 유출시켜 지반을 차수, 보강한다.(제1d도)

상기 종래 시공방법의 제1d도에서 강관과 천공면 사이에 설치되는 그라우팅은 규산소다와 시멘트를 주재료로 하는 LW타입의 그라우트재와, 규산소다, 시멘트 등에 약제를 혼합하여 주입성을 좋게 한 화학 그라우팅 타입(chemical grouting type)으로 크게 대별된다.

여기서, 화학 그라우팅(chemical grouting)은 LW 타입(type)에 비해 그라우트재의 점도가 낮아 침투성이 우수한 장점이 있으나, 지반의 개량 강도는 상대적으로 낮아 지반보강 보다는 주로 차수용으로 널리 사용되고 있다.

상기한 수순으로 진행되는 종래의 강관보강형 다단 그라우팅 공법은 여러가지 문제점을 안고 있다.

첫째, 천공 후 강관을 삽입하기 때문에 공(hole)이 자연 유지되지 않는 연약한 토사지반에서는 사용하기 곤란하므로 활용에 큰 제약을 받고 있으며, 이러한 단점을 극복하기 위해서 종래에는 이중관 설치가 가능한 전용 굴착보강장비를 채용하고 있으나, 이 장비는 고가이고, 국산화가 되어 있지 않아 외화 유출이란 부담을 안고있다.

둘째, 상기 공법에서는 그라우트재 역류방지를 위해 구멍이 뚫린 강관 부위를 고무밴드로 막도록 설계되어 있으나, 상기 고무밴드는 약하고 조잡해 시공시 파손될 우려가 크고 주입효과도 저하된다.

셋째, LW용 재료(규산소다+시멘트)나 화학 그라우트 재료(규산소다+경화재+시멘트)를 사용하고 있으나, 전자의 LW용 재료는 강도가 높은 대신 주입성이 떨어지며, 후자의 화학그라우트재료는 주입성이 우수한 반면에 강도가 낮은 단점이 있다.

넷째, 천공후 강관을 삽입하고, 강관과 공(hole)사이의 틈속에는 별도의 관을 삽입하여 실링(sealing)작업을 수행하므로서 작업시간이 많이 소요된다.

따라서, 본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 이중관이나 케이싱(casing) 없이 국내 기존 천공장비를 이용하면서도 천공 주변 지반의 이완을 극소화시키고, 연약지반에서의 강관 시공이 가능한 직천공장치를 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 지반조건에 따라 충적토용이나 풍화암용 비트(Bit)를 강관 선단에 부착하여 강관을 직시공하고, 이들을 일정 간격 배치하고 그 내부에서 그라우팅을 실시하여 터널 천단부를 보강, 차수하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 공법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 연약한 충적토나 토사를 포함하는 풍화암층의 지반에 천공을 수행하는 천공장치에 있어서, 소정길이의 중공형상을 가지며, 그 외주연 상측부에 그라우트재를 분사시키기 위한 다수의 주입구가 소정길이마다 형성되되 상기 주입구 상부면에 그의 차폐방향으로 지지가이드수단이 구비되는 강관; 상기 강관내부에서 주입구측으로 그라우트재가 역류없이 주입되도록 하기 위하여 상기 강관에 연통하도록 주입구에 내장되는 스트레이너; 및 상기 강관에 연결되며 외부의 드릴링장치로 부터 구동력을 인가받아 지반을 직천공하는 비트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법에 있어서, 비트(Bit)가 장착된 소정길이의 강관을 드릴링(driling) 장비를 이용하여 소정의 깊이까지 설치한 후, 강관의 설계길이에 이를 때까지 계속적으로 강관을 연결, 직천공하는 제1단계; 그라우팅시 그라우트재의 역류를 방지하도록 강관과 천공면 사이에 소정재질의 코르킹(corking)재를 장착하는 제2단계; 및 강관 내부에 소정간격으로 패커(packer)를 설치하고 상기 그라우트재를 주입하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.

본 발명에 의한 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공을 위한 직천공 장치는 연약한 충적토나 풍화암등의 천공시 차수 및 보강이 용이하도록 구현한 것으로, 본 실시예에서는 그라우팅의 주입효과를 증대시킬 수 있는 주입용 스트레이너(Strainer)가 다수 내장된 중공형상의 강관(1)과, 상기 강관(1)의 일단부에 장착되며 연약지반 굴착이 가능하고 천공구의 함몰 폐쇄를 방지할 수 있을 뿐만 아니라 그라우트재의 역류 방지가 가능한 직천공용 비트(Bit)(2)로 구성되며, 또한 직천공 장치는 상기 강관(1)과 천공면사이에 지반의 보강 및 차수성이 용이하며, 종래에 사용되던 약액 주입재에 비해 호모겔(homogel) 강도가 3배 이상되는 그라우팅재를 포함한다.

여기서, 본실시예에서의 강관을 제3도 및 제4도를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제3도는 본 발명에 의한 직천공장치의 요부인 강관의 일실시예 구성을 나타낸 단면도이고, 제4도는 제3도의 b부분 상세도를 나타낸 것이다. 도면에서 1은 강관, 11a는 수나사, 11b는 암나사, 12는 주입구, 13은 지지가이드, 14는 스트레이너, 15는 스프링, 16은 볼을 각각 나타낸다.

도면에 도시한 바와 같이, 소정길이를 가지는 상기 강관(1)은 그의 일측부 외주연과 타측부 내주연에 둥근나사산(11a,11b)이 형성된 구조를 가지므로서 설계길이만큼 나사체결로 연결할 수 있도록 한다.

상기 강관(1)의 외주연 상측부에는 그라우트재를 유입시키기 위한 다수의 주입구(12)가 소정길이마다 형성되어 있으며, 상기 주입구(12)의 상부면에는 지지가이더(13)가 장착된다. 그리고, 상기 그라우트재 주입구 각각에는 스트레이너(14)가 상기 강관(1)에 연통하도록 장착되어 상기 강관(1)내부에서의 그라우트재 주입이 이루어지도록 한다.

여기서, 상기 스트레이너(14)는 제4도에 도시한 바와 같이 소정크기의 볼(16)과, 상기 볼(16)의 상측에 구비되되 상기 지지가이더(13)에 지지되는 스프링(15)으로 구성되어 있으며, 상기 주입구(12)내에서 그라우트재의 압력에 의해 상기 스프링(15)을 매개로 볼(16)이 연동하여 주입이 가능하도록 한다.

상기 강관(1)에 연결되어 지반을 직천공 하기 위한 본 실시예에서의 비트(2)는 연약 토사지반인 충적토용 비트(21)와, 풍화암용 비트(31)로 구분되어 각각 지반에 맞게 채용한 구조를 제시하고 있다.

그러면, 지반의 성질에 적합하도록 구성된 각각의 비트의 실시예를 첨부된 제5도 내지 제8도의 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

제5도는 본 발명에 의한 충적토용 비트(Bit)의 단면구성도이고, 제6도는 제5도의 정면도를 나타낸다.

도면에서 21은 충적토용 비트, 22는 비트몸체, 23은 단턱부, 24는 둥근나사, 25는 초경팁, 26은 스텐볼, 27은 스프링, 28은 볼 고정나사를 각각 나타낸다.

도면에 도시한 바와 같이, 충적토용 비트(21)는 그라우트재의 주입을 위해 중공형상을 가지며, 일측 외주연에 상기 강관(1)의 내주연 암나사(11b)와 체결되도록 둥근나사(24)가 형성되고, 타측 외주연에는 계단식의 단턱부(23)가 다수 형성된 몸체(22)와, 상기 몸체(22)의 각 단턱부(23)에 지반천공을 위한 초경팁(25)이 장착되는 구조로 되어 있다. 본 실시예에서의 상기 비트몸체(22)는 손상방지를 위해 S45C재질의 강재로 형성되어 있다.

또한, 상기 비트몸체(22)의 일측 중공부에는 그라우트재의 역류방지를 위해 스텐볼(26)과, 스프링(27)이 끼워져 있으며, 또한 상기 스텐볼(26)의 이탈을 방지하기 위해 중공단부에는 볼 고정나사(28)가 체결되어 있다.

제7도는 다층지반(토사와 풍화암등)에 적용되는 비트(Bit)의 단면구성도이며, 제8도는 제7도의 정면도를 나타낸다.

도면에서 31은 풍암화용 비트, 32는 비트몸체, 33은 날개편, 34는 둥근나사, 35는 초경팁, 36은 스텐볼, 37은 스프링, 38은 볼 고정나사, 39는 그라우트재 주입구를 각각 나타낸다.

본 실시예에서는 단단한 암반굴착이 용이하도록 상기 비트(31)의 선단부에 4각 날개편(23)을 형성하며, 상기 각 날개편(23)에는 초경팁(Tip)(35)이 부착되도록 한 구조를 제시하고 있다.

또한, 상기에서 전술한 충적토용 비트와 동일하도록 스텐볼(36)과 스프링(37)을 구비하고 있으며, 상기 스프링(37)의 선단부 상측에는 그라우트재 주입구(39)가 형성되어 있다.

한편, 강관(1)과 천공면 사이에 설치되는 그라우팅은 지반특성을 목적에 따라 개량시키기 위해 그라우트재를 지반에 주입시키는 일련의 작업이며 지반의 강도 증진, 압축성 저감 및 투수성 저감 등을 주된 목적으로 하고 있다.

본 실시예에서는 종래의 화학 그라우트재(chemical grout)의 단점을 보완하여 주입시 지반의 침투성이 우수할 뿐만 아니라, 지반의 강도증진 효과도 크게 얻을 수 있도록 아래의 표 1과 표 2에 도시한 바와 같이 GCM No. 5와 GCM No. 7의 2종류의 그라우트재를 안출하였다.

본 실시예에서의 상기 GCM No. 5는 규산소다 25%: 물25%을 배합하고, 경화재 3.54%: 시멘트 4.76%: 물41.7%를 배합하는 것을 각각 혼합하여 이루어지며, 상기 GCM No. 7은 규산소다 25%: 물25%을 배합하고, 경화재 6.24%: 시멘트 4.76%: 물39%를 배합한 것을 각각 혼합하여 이루어진 구조를 제시하고 있다.

상기 그라우트재들을 적용함에 있어서, 초기 강도에서부터 후기강도까지 지속적으로 향상되는 강도를 유지하고 있어 6개월 정도 지나면 차수 효과가 현저히 떨어지는 종래의 화학 그라우트(chemical grout)재와는 달리 차수효과도 강도증진 효과와 같이 오랜 기간 지속되는 효과를 가진다.

상기 표 1, 표 2와 같은 그라우트재는 지반내 공극이 매우 작은 슬릿(silt)층 이하에서는 GCM No. 5를 적용하고, 공극이 다소 큰 지반에서는 GCM No. 7을 적용하는 것이 유리하다.

표 1과 표 2는 개발 그라우트재의 표준배합을 나타내며, 배합비 조절시 겔 타임(Gel-time)도 조절이 가능하므로 현장지반조건, 지하수 온도 및 유도상태, 주입목적 등에 따라 배합비를 조정하여 사용할 수 있다.

표준 배합된 GCM No. 5는 무기계로서 겔 타임(Gel Time)이 60∼61초이며, GCM No. 7도 무기계이지만 겔타임(Gel Time)이 전자보다 빠른 36∼38초 정도이다. 이들 그라우팅약재의 주요 특징으로서는 다음의 것들을 들 수 있다.

1. 주입재의 초기 점도(고화 또는 겔화전의 유동성)나 후기 점도가 낮아 미세한 토립자 간극에도 침투가 가능하다.

2. 토립자 간극에 침투, 충전된 주입재는 겔(Gel) 반응 종료와 동시에 고강도를 발휘한다.

3. 고화 또는 겔(Gel)화된 주입재는 수축 등을 일으키지 않는다.

4. 시공시 주입재의 취급 및 사용이 간편하고 겔 타임(Gel-Time) 조절이 용이하다.

5. 시공후 장기간의 시일이 경과 후에도 안정하다.

6. 개발 그라우트재의 성분 중에서 토질 및 지하수를 오염시키는 유해한 이온이나 화합물을 포함하고 있지 않다.

본 발명에서는 상기 그라우트재의 강도증진 효과를 확인하기 위하여 시편을 제작, 수중상태, 습윤상태, 반건조상태 등, 3가지 환경조건 하에서 일축압축강도시험을 실시하였으며, 그라우트재의 차수효과를 파악하기 위하여 시편의 수축률과 점도에 대한 시험도 아울러 수행하였다.

제9도는 본 발명에 의한 그라우트재와 종래 그라우트재의 호모겔(homogel) 강도를 수중 양생일수에 따라 비교한 값을 나타낸 그래프도로서, 수중에서 28일간에 걸쳐 양생시킨 그라우트재 강도의 변화값들을 나타내고 있다.

또한, 제10a도 및 제10b도는 환경조건 변화시의 GCM 약재의 장기강도변화를 나타낸 표, 제11도는 그라우트재의 수축률을 나타낸 표, 제12도는 그라우트재의 점도를 나타낸 표이다.

상기 제10a도 및 제10b도에 도시한 바와 같이 GCM No. 7은 시료 성형후 3일, 7일 경과시의 조기강도가 30㎏/㎤ 이상으로 매우 높게 나타나고 있으며, 12개월 장기강도도 지속적으로 증가하여 40 ㎏/㎤ 이상을 보여주고 있다. GCM No. 5는 GCM No. 7에 비해 조기강도나 장기강도 모두가 다소 떨어지나 기존 화학(chemical) 그라우트재에 비해서는 2배 이상인 약 30㎏/㎤ (28일 재령강도)을 보여주고 있다.

한편, 상기 그라우트재의 차수성을 조사하기 위해 실시한 그라우트재의 수축률 시험의 결과는 제11도에서 보는 바와 같이 무시할 수 있을 정도의 매우 작은 수축률을 보여주고 있으며, 주입성을 파악하기 위한 그라우트재 점도시험에서는 GCM No. 5가 점도 28.6 cps로, 종래의 화학(Chemical) 그라우트재의 평균 점도 32 cps보다 낮은 값을 보여 GCM No. 5는 주입성이 우수하다는 것을 알 수 있다. 그러나, GCM No. 7은 이보다 다소 높은 38.6 cps의 값을 보여주고 있으나 40 ㎏/㎤ 정도의 고강도를 발현하는 장점이 있으므로 투수성이 다소 큰 지반에 적용할 경우 주입효과를 크게 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

한편, 본 발명에서는 개발약재의 수질 오염성 여부를 파악하기 위하여 중금속 함유도에 대한 조사, 실험을 수행하였으며, 그 결과는 아래의 표 3과 같다.

상기에선 전술한 바와 같은 직천공장치를 적용한 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 공법은 제2도에서 보는 바와 같이 강관이 직천공되므로 종래 공법에(제1도 참조) 비해서 강관 삽입단계가 생략되고, 시공이 간편해진다.

본 발명에서 사용되는 표준강관은 보강효과가 크도록 기존공법에서 사용되는 강관보다 다소 두꺼운 9㎜ 두께, 60.5㎜ 직경의 강관이며, 강관과 강관 연결부는 나사식 연결방식을 채용한다. 이러한 강관의 규격이나 설치간격, 설치길이, 천공각도 등은 기존 공법에서와 같이 터널현장의 제조건에 따라서 변화시켜 적용할 수 있다.

제2a도 내지 제2c도는 본 발명에 의한 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 공법의 시공순서도로서 도면에서 1은 강관, 2는 비트, 3은 코르크재, 4는 실링호스, 5는 패커, 6은 천공면, 12는 주입구, 14는 스트레이너를 각각 나타낸다.

제2도에서 보는 바와 같이 시공 1단계에서는 비트(Bit)(2)가 달려있는 소정길이의 강관(1)을 드릴링(driling) 장비를 이용하여 소정의 깊이까지 설치한 후, 강관(1)의 설계길이에 이를 때까지 계속적으로 강관을 연결, 직천공한다. 시공 2단계에서는 그라우팅시 그라우트재의 역류를 방지하도록 강관(1)과 천공면(6) 사이에 발포제등의 코르킹(corking)재(3)를 장착하여 최대 20∼40㎏/㎤의 고압에 견딜수 있게 하고, 상기 강관(1)과 지반 사이의 공극 충진재인 실(seal)재는 강관(1) 내부에 설치된 패커(packer)(5)를 이용하여 강관 헤더부에서 주입하며, 상기 실(seal)재의 주입상태 확인은 코르킹(corking)부에 설치된 실링(sealing)호스(4)에 의해 이루어지도록 한다.

여기서, 상기 실(seal)재는 수축성이 다소 큰 기존의 벤토나이트 seal 재 대신 수축이 거의 발생치 않는 GCM No. 6을 사용한다.

상기 실(seal)재는 그라우트재가 계획된 방향과 범위 내에 잘 주입될 수 있도록 강관(1)과 지반 사이에 발생할 수 있는 공극을 메워주는 재료이므로 그라우트재의 주입이 용이하도록 강도는 낮으나 수축은 일어나지 않는 재료여야 한다. GCM No. 6은 기존의 벤토나이트 실(seal)재에 비해 강도가 낮으면서(0.1 ㎏/㎤ 이하) 수축성이 없어 실(seal)재로서 적합하다.

본 실시예에서의 실(seal)재는 시멘트 6.35% : 실재 6.25% : 물 87.4%의 비율로 혼합된 구조를 제시하고 있다.

표 7은 상기 실재의 비율에 따른 표준배합을 나타낸다.

시공 3단계에서는 강관(1) 내부에 1.5∼3.0m 간격으로 패커(packer)(5)를 설치하고 상기 그라우트재를 주입하게 되는데, 주입압력을 일반적으로 정수압에 3∼4배 정도로 하나 지반특성을 고려하여 이를 가감하게 된다. 여기에 사용되는 그라우트재로서는 지하수의 용출량과 수압크기에 따라서 개발약재를 사용할 수도 있고, 일반 LW형 그라우트재와 화학밀크(cement milk)를 혼합, 사용할 수도 있다.

본 발명에서 안출된 직천공식 강관 보강형 다단 그라우팅 공법의 현장 적용성을 조사, 분석하기 위해 천공속도 시험과 그라우트재의 주입성 시험이 수행되었다.

여기서, 상기 천공속도 시험을 위한 현장으로는 서울 지하철8-10공구 성남 단대천 터널현장이 이용되었고, 그라우트재 주입성 시험을 위한 현장으로는 직접 굴착하여 주입영역을 확인할 수 있는 서울 지하철 8-1공구 잠실사토장이 활용되었다.

서울 지하철 8-10공구 시험현장의 경우, 터널이 통과하는 지반은 지표에서 터널상부 1m가지는 풍화토로, 그 하부는 풍화암으로 구성되어 있으며, 단대천이 인접한 관계로 터널 내로의 유입지하수는 분당 5ton정도의 많은 양을 보이고 있다.

상기 천공속도 시험은 직천공식 강관을 설치할 때 소요되는 시간과 기존 로드(rod) 천공시의 소요시간을 비교하는 방식으로 진행되었으며, 터널 쇼율더(shoulder)부 좌측 2개소에 직천공식 강관이 설치되었고 우측 2개소에는 기존 로드(rod) 천공이 실시되었다. 천공은 터널 쇼율더(shoulder)에서 약 10°정도 상향경사로 실시되었기 때문에 천공장이 6m 정도에 이를 때까지는 풍화암 구간을 천공한 것이 되나 그 이상이 되면 풍화토 구간을 천공하게 된다.

표 9는 기존의 로드(rod) 천공시의 소요시간과 직천공식 강관 설치시의 소요시간을 비교한 표이다. 표에서 보는 바와 같이 풍화암의 경우가 풍화토에 비해 약 30% 정도 천공시간이 더 소요되나 rod 천공과 강관 직천공의 경우는 지반조건에 관계없이 거의 비슷한 천공시간이 소요됨을 알 수 있다.

한편, 본 발명에서 그라우트재의 주입상태를 조사하기 위해서 그라우트재 주입을 실시한 후 이틀이 지난 뒤에 상부토를 걷어내고 페놀프탈레인 용액 반응시험을 수행하였다.

제13도는 상부토를 걷어내고 페놀프탈레인 반응시약을 뿌려 그라우트재가 분포하는 상태를 나타낸 사진이며 제10도는 정밀분석을 위해서 현장 맵핑(mapping) 자료와 촬영사진을 토대로 수직 단면에서의 그라우트재 분포상태를 도시한 것이다. 제14도에서 알 수 있듯이 그라우팅은 침투주입보다는 맥상주입 형태로 나타나고 있으나 강관 주변 직경 약 30㎝ 구간까지는 그라우트재가 비교적 조밀하게 분포하여 주변 지반을 결속시키고 있다. 특히, 지표로 용출되는 그라우트재는 대체적으로 판상의 형태를 취하고 있고, 강관과 강관 사이를 연결시켜 주는 그라우트재는 주변지반의 차수성을 높여서 터널내로 지하수의 유입을 차단시키는 역할을 한다. 또한, 강관 주변 직경 약 15㎝ 정도의 범위까지는 구근에 가까운 형상을 보이고 있어 강관 주변지반도 강관과 함께 상부 토하중을 어느 정도 지지하는 역할을 하고 있다고 판단된다.

상기에서 전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 지반조건에 따라 충적토용이나 풍화암용 비트(Bit)를 강관 선단에 부착하여 강관을 직시공하고므로서 천공 후 공 유지가 어려운 연약 토사지반에서도 적용이 가능하다. 또한, 기존 그라우트재에 비해 점도가 낮고 강도가 높은 그라우트재를 사용하여 다단 패커(packer) 그라우팅에 적용하므로써 터널의 보강 효과와 차수효과를 보다 증진시킬 수 있으며, 시공시 강관 삽입단계를 생략할 수 있어 작업시간도 단축할 수 있는 효과를 가진다.

Claims (17)

1. 연악한 충적토나 토사를 포함하는 퐁화암층의 지반에 천공을 수행하는 천공장치에 있어서, 소정길이의 중공형상을 가지며, 그 외주연 상측부에 그라우트재를 분사시키기 위한 다수의 주입구(12)가 소정길이마다 형성되되, 상기 주입구(12) 상부면에 그의 차폐방향으로 지지가이드수단(13)이 구비되는 강관(1); 상기 강관(1)내부에서 주입구(12)측으로 그라우트재가 역류없이 주입되도록 하기 위하여 상기 강관(1)에 연통하도록 주입구(12)에 내장되는 스트레이너(14); 및 상기 강관(1)에 연결되며, 외부의 드릴링장치로 부터 구동력을 인가받아 지반을 직천공하는 비트(2)를 포함하는 것을 특징으로 하는 직천공장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 강관(1)은 설계된 천공길이만큼 연장할 수 있도로 그의 일측부 외주연과 타측부 내주연에 소정길이만큼 나사산(11a,11b)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 직천공장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 스트레이너(14)는 강관 주입구에 내장되는 소정크기의 볼(16)과, 상기 볼(16)의 상측에 구비되되 상기 지지가이드수단(13)에 지지되는 스프링(15)으로 구성되되, 상기 주입구(12)내에서 그라우트재의 압력에 의해 상기 스프링(15)을 매개로 볼(16)이 연동되어 주입이 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 직천공장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 비트(2)는 중공형상을 가지며, 일측 외주연에 상기 강관(1)의 내주연 암나사(11b)와 체결되도록 수나사(24)가 형성되고, 타측 외주연에는 계단식 단턱부(23)가 다수 형성된 비트몸체(22); 상기 비트몸체(22)의 각 단턱부(23)면에 지반천공을 위해 장착된 소정크기의 초경팁(25); 상기 강관(1)으로부터 주입되는 그라우트재의 역류방지를 위해 상기 비트몸체(22)의 일측 중공부에 끼워지는 스텐볼(26); 및 상기 스텐볼(26)과 몸체(22)의 중공부사이에 내장되어 상기 스텐볼(26)이 연동할 수 있도록 탄성력을 제공하는 스프링(27)을 포함하는 것을 특징으로 하는 직천공장치.
5. 제1항 또는 2항에 있어서, 상기 비트(2)는 중공형상을 가지며, 일측 외주연에 상기 강관(1)의 내주연 암나사(11b)와 체결되도록 수나사(34)가 형성되고, 타측 선단면은 십자형상의 날개편(33)이 일체로 구비ㅚ며, 상기 선단면측의 외주연에는 다수의 그라우트재의 주입홀(39)이 형성된 몸체(32); 상기 비트몸체(32)의 날개편(33) 소정위치에 지반천공을 위해 장착된 다수의 초경팁(35); 상기 강관(1)으로부터 비트몸체(32)의 주입구(39)측으로 주이뵈는 그라우트재의 역류방지를 위해 상기 비트몸체(32)의 일측 중공부에 끼워지는 스텐볼(36); 및 상기 스텐볼(36)과 몸체(32)의 중공부사이에 내장되어 상기 스텐볼(36)이 연동할 수 있도록 탄성력을 제공하는 스프링(37)을 포함하는 것을 특징으로 하는 직천공장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 비트몸체(32)는 지반 굴척에 따른 손상방지를 위해 S45C재질의 강재로 형성된 것을 특징으로 하는 직천공장치.
7. 제5항에 있어서, 상기 비트몸체(32)는 지반 굴착에 따른 손상방지를 위해 S45C재질의 강재로 형성된 것을 특징으로 하는 직천공장치.
8. 소정길이의 중공형상을 가지며, 그 외주연 상측부에 그라우트재를 유입시키기 위한 다수의 주입구(12)가 소정길이마다 형성되되, 상기 주입구(12) 상부면에 그의 차폐방향으로 지지가이드수단(13)이 구비되는 강관(1); 상기 강관(1)내부에서 주입구(12)측으로 그라우트재가 역류없이 주입되도록 하기 위하여 상기 강관(1)에 연통하도록 주입구(12)에 내장되는 스트레이너(14); 및 상기 강관(14)에 연결되며, 외부의 드릴링장치로 부터 구동력을 인가받아 지반을 직천공하는 비트(2)를 포함하는 직천공장치를 이용하여 연약한 충적토나 토사를 포함하는 풍화암층의 지반에 천공을 수행하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법에 있어서, 비트(Bit)(2)가 장착된 소정길이의 강관(1)을 드릴링(driling) 장비를 이용하여 소정의 깊이까지 설치한 후, 강관(1)의 설계길이에 이를 때까지 계속적으로 강관을 연결, 직천공하는 제1단계; 그라우팅시 그라우트재의 역류를 방지하도록 강관(1)과 천공면(6) 사이에 소정재질의 코르킹(corking)재(3)를 장착하는 제2단계; 및 강관(1) 내부에 소정간격으로 패커(packer)(5)를 설치하고 그라우트재 및 실재를 주입하는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 제2단계의 코르킹재(3)는 급결시멘트 또는 발포재중 어느하나의 재질로 형성되되, 최대 20∼40㎏/㎤의 고압에 견딜수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 강관(1)과 지반 사이에 공극 충진재인 실(seal)재를 강관(1) 내부에 설치된 패커(packer)(5)를 이용하여 강관 헤더부에서 주입하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 제2단계는 상기 실(seal)재의 주입상태는 코르킹(corking)부에 설치된 실링(sealing) 호스로 확인하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 실(seal)재는 수축의 발생이 소정치만큼 작게 형성되도록 시멘큼 6.35% : 실재 6.25% : 물 87.4%의 비율로 혼합되는 것을 특징으로 하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법.
13. 제8항에 있어서, 상기 제3단계는 주입압력을 정수압에 3배 및 4배중 어느하나로 하되, 지반특성을 고려하여 소정수로 가감하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법.
14. 제8항에 있어서, 상기 제3단계의 그라우트재는 지반내 공극이 소정크기만큼 작은 슬릿층 이하에서 사용 가능하도록 규산소다 25%: 물25%을 배합하고, 경화재 3.54%: 시멘트 4.76%: 물41.7%를 배합한 것을 각각 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법.
15. 제8항에 있어서, 상기 제3단계의 그라우트재는 지반내 공극이 소정크기만큼 큰 암반층에서 사용 가능하도록 규산소다 25%: 물25%을 배합하고, 경화재 6.24%: 시멘큼 4.76%: 물39%를 배합한 것을 각각 혼합하여 이루어진 것을 특징으로 하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법.
16. 제8항에 있어서, 상기 제3단계의 그라우트재는 LW형 그라우트재와 화학밀크(cement milk)를 소정배율로 혼합하여 사용하는 것을 특징으로 하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 LW형 그라우트재와 화학밀크(cement milk)는 50:50의 배합으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 직천공 강관 보강형 다단 그라우팅 시공 방법.