KR100331969B1 - 유리섬유보강 플라스틱 주입관을 이용한 다단 그라우팅 장치및 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 및 사면을 굴착하는 경우 지하수의 유입을 차단하고 굴착에 의한 지반의 이완영역을 감소시키고 이완된 구간에서는 지반의 지지력을 증가시킬 수 있는 FRP 주입관을 이용한 다단 그라우팅 장치 및 공법에 관한 것이다.

본 발명의 FRP 주입관을 이용한 다단 그라우팅 장치는 원통형 파이프의 벽면에 방사상으로 다수개의 주입구(3)가 형성되며 상기 주입구(3)가 파이프 길이방향으로 일정 간격으로 반복해서 형성된 주입관(1), 상기 주입관(1)의 외부에 일정간격으로 설치되어 주입관(1)과 일체가 되는 마디를 형성하는 간격재(2), 상기 주입관(1)의 내부에 삽입되어 그라우트재를 주입하는 주입호스(5), 상기 주입호스(5)의 단부에 부착되며 보호링(8)과 튜브(7)로 구성되는 팩커(6), 상기 주입관(1)과는 별도로 천공구멍(11)에 삽입되는 두 개의 실링호스(9), 상기 주입구(3)를 개폐할 수 있어 그라우팅재가 주입관 내부로 침투하는 것을 방지하는 역류방지수단, 상기 주입관(1)과 주입관(1)을 연결하기 위한 커플러(12)로 구성된다.

본 발명의 FRP 주입관은 유리섬유와 불포화 폴리에스터 수지를 혼합하여 만들어진 신소재 강화 플라스틱 복합재로써 절단 및 가공이 쉽고 중량이 가벼워 취급이 용이하며, 내화학성과 내부식성이 우수한 제품으로 부식과 변질이 되지 않아 시공 중 굴착보조공법으로써 뿐만 아니라 영구적인 보강재로서 사용할 수 있다.

Description

유리섬유보강 플라스틱 주입관을 이용한 다단 그라우팅 장치 및 공법 {An apparatus and method for multi-step grouting using FRP tube}

본 발명은 고강도 유리섬유보강 플라스틱(FRP) 주입관을 이용한 그라우팅 장치 및 공법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 연약한 충적토나 토사를 포함한 풍화암 및 파쇄암반층의 지반에 터널 및 사면을 굴착하는 경우 지하수의 유입을 차단하고 굴착에 의한 지반의 이완영역을 감소시키고 이완된 구간에서는 지반의 지지력을 증가시킬 수 있는 FRP 주입관을 이용한 그라우팅 장치 및 공법에 관한 것이다.

최근 도시 지하 구조물의 시공현장에서는 지하구조물의 안전성 증대와 인접구조물의 손상방지를 위하여 지하굴착보조공법을 사용하고 있으며, 경우에 따라서는 차수와 보강효과를 동시에 얻기 위해서 차수 그라우팅과 보강 그라우팅 두 공법을 조합하여 사용하기도 한다. 일반적으로, 지하굴착시 사용하는 굴착보조공법은 강관 보강형 다단 그라우팅 공법을 대표적으로 들 수 있다.

종래의 강관 보강형 다단 그라우팅 공법은 통상 천공, 강관삽입, 코킹(caulking) 및 실링(sealing), 그라우팅(grouting)의 순서로 진행하여 주로 연약 풍화암층의 차수 및 보강용으로 사용되고 있다. 터널 및 사면굴착에 선행하여 터널 및 사면의 원주면을 따라 직경 125mm 정도의 구멍을 일정 간격으로 천공한다.천공 후 분사구멍과 역류방지용 고무밴드가 설치된 일반 구조용 소구경 강관을 소정의 길이로 커플링으로 연결하여 천공된 곳에 삽입한다. 강관 삽입 후 강관과 천공홀 사이에 그라우트재의 역류방지와 천공홀을 통하여 토출되는 그라우트재를 막기 위하여 코킹재를 주입하여 천공구멍의 입구를 봉합한다. 그리고 다단 그라우팅을 실시하기 위하여 강관 내에 팩커를 집어넣고 내측으로부터 외측으로 팩커를 이동시키며 분사구멍을 이용 다단 그라우팅을 실시한다.

상기와 같은 순서로 진행되는 종래의 강관보강형 다단 그라우팅 공법은 여러 가지 문제점을 안고 있다. 첫째. 사용하는 주재료가 강관이므로 실링이 되지 않고 지반에 직접 접촉할 경우 강관이 부식할 우려가 있어, 목적상 시공 중 보조 보강재이지만 영구적인 지보재로서 결함이 나타날 수 있다. 둘째, 그라우팅 시공 후 다음 막장을 굴착할 시에 표면으로 돌출된 강관을 컷팅하는 작업이 오래 걸리는 단점이 있다. 셋째, 지반의 상태와 터널의 단면크기에 따라 보강해야되는 깊이가 길어질 경우 강관의 무게로 인해 강관을 천공구멍으로 삽입하는 과정에서 어려움이 많다. 넷째, 강관 삽입 후에도 강관의 자중으로 인해 천공구멍 내면에 강관이 접촉되어 강관 표면의 그라우트재 분사구를 막아 지반내 그라우팅 효과가 떨어지게 된다. 다섯째, 주입시 분사공 전체가 개방되지 않아 주입분포가 일정하지 않은 단점이 있다.

본 발명의 목적은 FRP 주입관을 사용함으로써 부식이 발생하지 않고, 터널굴착시 주입관의 절단이 용이하여 터널 굴진속도를 증가시킬 수 있는 다단 그라우팅 장치 및 공법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 지하수 침투방향으로의 그라우트 주입량을 증가시킬 수 있도록 하여 보다 확실한 차수 및 지반보강 효과를 발휘할 수 있는 다단 그라우팅 장치 및 공법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 중량이 가벼워 취급이 용이하고, 주입관의 자중에 의해 주입구멍이 막히는 현상이 없어 주입 효율이 양호하고 주입 분포가 균일한 다단 그라우팅 장치 및 공법을 제공하는 것이다.

도1은 본 발명의 다단 그라우팅 장치에서, 주입관을 천공구멍에 설치한 상태의 단면도이다.

도2는 본 발명의 다단 그라우팅 장치의 상세 단면도이다.

도3은 본 발명의 다단 그라우팅 장치에서, 주입관의 정단면도 및 측단면도이다.

도4는 본 발명의 다단 그라우팅 장치에서, 주입관의 단면도 및 팩커와 주입호스의 결합 사시도이다.

도5는 주입관과 주입관을 연결하기 위한 커플러의 정면도 및 단면도이다.

<도면의 부호에 대한 간단한 설명>

1: 주입관 2: 간격재

3: 주입구 4: 고무밴드

5: 주입호스 6: 팩커

7: 튜브 8: 보호링

9: 실링호스 10: 코킹재

11: 천공구멍 12:커플러

도면에 따라 본 발명을 설명한다.

도2는 본 발명의 고강도 유리섬유보강 플라스틱(FRP) 주입관을 이용한 그라우팅 장치의 단면도로써, 본 발명의 FRP 주입관을 이용한 그라우팅 장치는 주입관(1), 간격재(2), 역류방지수단, 주입호스(5), 팩커(6), 실링호스(9) 및 커플러(12)로 구성된다.

주입관(1)은 FRP로 만들어진 원통형 파이프로 파이프의 벽면에 방사상으로 다수개의 주입구(3)가 형성되며 상기 주입구(3)가 파이프 길이방향으로 일정한 간격을 두고 반복해서 형성되고, 양단부 외주면에는 수나사가 형성되어 암나사형 커플러(12)를 이용해서 다수개의 주입관(1)을 서로 연결할 수 있다.

FRP관은 유리섬유(Fiberglass)를 주재료로 하여 불포화 폴리에스터수지(Unsaturated-polyester Resin)를 배합 가공한 복합 구조재로써 알루미늄보다 가볍고 철보다 내열 및 내부식성이 우수한 반영구적인 소재로 강도가 높아, 전 산업 분야에서 응용분야가 확대되고 있는 신소재 플라스틱이다.

간격재(2)는 고리모양으로 상기 주입관(1)의 외부에 일정간격으로 주입관(1)과 일체가 되는 마디를 형성하도록 성형된다. 상기 간격재(2)는 주입관(1)이 천공구멍(11)에 삽입되었을 때, 주입구(3)가 천공구멍(11) 내부면에 직접 접촉되지 않고 항상 간격재(2) 돌출 높이만큼 일정한 간격을 유지하여 그라우트재 주입에 방해받지 않고, 주입관(1)을 천공구멍(11)의 중심에 최대한 근접하도록 위치시키므로 응력 중심이 편향되지 않는다. 또한 상기 간격재(2)는 주입관(1)을 천공구멍(11)으로 삽입하는 방향으로 주입구(3)의 바로 앞쪽에 설치되어, 주입관(1)을 천공구멍(11)에 삽입할 때 후술하는 역류방지수단인 고무밴드(4)가 천공구멍(11)의 불규칙한 내부면에 직접 닿아 파손되는 것을 막아주므로 주입구(3)가 막히는 것을 방지한다.

역류방지수단은 주입관(1)을 천공구멍(11)에 삽입할 때 주입구(3)를 통해 주입관(1)의 내부로 토사나 이물질이 유입하는 것과 주입관(1)을 통해 그라우트재 주입시 주입관(1) 외부로 주입된 그라우트재가 주입관(1) 내부로 다시 역류하는 것을 방지하기 위한 것이다. 역류방지수단으로써 고무밴드(4)를 사용하며, 주입관(1)의 외부에 일정폭의 고무밴드(4)를 끼워 그라우트재를 주입하지 않을 때는 상기 고무밴드(4)가 주입구(3)를 압착하여 폐쇄하나, 그라우트 주입압력이 상승하면 고무밴드(4)와 주입구(3) 사이의 바늘구멍이 벌어지면서 그라우트재가 지반 내 간극이나균열부에 충진된다.

상기 고무밴드(4)는 그 표면에 미세한 바늘구멍을 더 형성할 수 있다. 고무밴드(4)에 있는 바늘구멍은 평상시에는 상기 구멍이 막힌 상태로 있으나, 주입관(1) 내부의 주입압력이 높아지면 고무밴드(4)가 팽창하면서 바늘구멍이 커지게 되고 상기 바늘구멍으로 그라우트재가 배출됨으로써 지반으로의 그라우트재의 주입효율을 향상시킬 수 있다.

또한 상기 역류방지수단은 폭이 좁은 다수개의 고무밴드를 중첩하여 사용할 수도 있다.

고무밴드(4) 타입은 제작 및 설치가 용이하고 경제적이며, 원형인 주입관(1)의 외부에 부가되어 요철을 형성하지 않아 천공구멍(11)으로의 삽입이 용이하다.

주입관(1)의 내부에는 주입호스(5)가 설치되며, 상기 주입호스(5)를 이용하여 주입관(1)의 내부에 그라우트재를 주입한다. 주입호스(5)의 단부에는 팩커(6)가 부착된다.

팩커(6)는 중심에 주입호스(5)가 관통하는 원기둥 형상으로 양단부의 보호링(8)과 중앙의 튜브(7)로 구성된다.

상기 튜브(7)는 외부로부터 한 개의 공기주입관(1)이 연결되어 상기 공기주입관(1)을 통하여 압축공기를 불어넣거나 빼내어 팽창 및 수축이 가능하며, 압축공기를 불어넣으면 튜브(7)와 주입관(1)의 내벽사이 및 튜브(7)와 튜브(7)를 관통하여 설치된 주입호스(5) 사이의 틈새를 밀폐한다. 따라서 상기 팩커(6)를 관통해 연장된 주입호스(5)를 통해 주입되는 그라우트재는 튜브(7)에 의해 차단되어 주입관(1)의 입구쪽으로 역류하지 않고, 튜브(7)가 설치된 이후의 주입구(3)를 통해서만 그라우트재가 천공구멍(11)으로 주입되므로, 주입관(1)의 내부에서 그라우트재의 역류를 방지하고 천공구멍(11)의 안쪽부터 밀실하게 주입할 수 있다. 어느 정도 주입이 완료되면 다시 튜브(7)를 수축시킨 다음 팩커(6)가 부착된 주입호스(5)를 입구쪽으로 이동시키고, 다시 튜브(7)를 팽창시켜 주입관(1)을 폐쇄한 다음 그라우트재를 주입하여 천공구멍(11)의 끝에서부터 밀실하게 다단식 주입이 이루어진다.

상기 보호링(8)의 직경은 주입관(1)의 내경보다 조금 작아서 주입관(1) 내부에서의 이동이 자유롭고 튜브(7)를 수축한 주입호스(5)를 주입관(1)내에서 이동할 때 상기 튜브(7)가 주입관(1)의 벽면에 닿지 않도록 보호하는 역할을 한다.

주입관(1)과는 별도로 천공구멍(11)의 내부에 두 개의 실링호스(9)가 삽입된다. 상기 실링호스(9)는 하나는 주입관(1)의 하부에 위치하며 길이가 길어 천공구멍(11)의 끝 부분까지 연장되고, 다른 하나는 주입관(1)의 상부에 위치하며 길이가 짧아 천공구멍(11)의 초입까지만 연장된다. 상기 실링호스(9)를 통해서 실링재가 투입되어 주입관(1)과 천공구멍(11) 사이의 공극을 충전한다. 실링재는 주입관(1) 하부의 길이가 긴 실링호스(9)를 통해 천공구멍(11)의 안쪽에서부터 투입되고 천공구멍(11)의 입구까지 충진되면 주입관(1) 상부의 길이가 짧은 실링호스(9)를 통해 오버 플로우된다. 투입된 실링재는 천공구멍(11)에 잔류하는 불순물을 천공구멍(11) 밖으로 밀어내고 천공구멍(11)의 내부로 침투하는 물을 막는 안정액의 역할을 하고 주입관(1)의 위치를 잡아주어 그라우트재의 주입을 용이하게 한다.또한 이후 주입된 그라우트재와 섞여 견고하게 경화된다.

본 발명의 FRP 주입관을 이용한 다단 그라우팅 장치의 시공 순서를 설명한다. 먼저 굴착면의 상방향으로 천공을 한다. 천공 작업과는 별도로 주입구(3)가 형성된 주입관(1)에 고리모양의 간격재를 일정간격으로 일체가 되도록 공장에서 제작한다. 주입관(1)에 형성된 주입구(3)에는 고무밴드(4) 타입의 역류방지장치를 설치한 후, 커플러(12)를 사용하여 천공구멍(11)의 길이에 맞게 주입관(1)을 연결한다. 천공이 완료되면 주입관(1)을 천공구멍(11)에 삽입한다. 이어서 주입관(1)과는 별도로 천공구멍(11)에 실링호스(9) 두 개를 삽입한다. 하나는 주입관(1)의 하부에 위치하며 천공구멍(11)의 끝 부분까지 연장하고, 다른 하나는 주입관(1)의 상부에 위치하며 천공구멍(11)의 초입까지만 설치한다.

주입관(1)과 실링호스(9)의 삽입이 완료되면 천공구멍(11)의 입구를 코킹재(10)를 사용하여 봉합한다.

주입관(1)의 하부에 위치하며 천공구멍(11)의 끝 부분까지 연장된 실링호스(9)를 통해 실링재를 주입한다. 상기 실링재는 천공구멍(11)과 주입관(1) 사이의 공극을 메우고 불순물을 배출하기 위한 것으로 주입이 완료되어 천공구멍(11)의 초입까지 설치된 실링호스(9)를 통해 실링재가 오버 플로우하면 실링재의 주입을 중단한다. 실링재가 어느 정도 경화하면 상단에 팩커(6)가 부착된 주입호스(5)를 주입관(1)에 삽입하여 그라우트재를 주입한다. 팩커(6)의 중앙에 위치한 튜브(7)는 압축공기에 의해 팽창하여 주입관(1)의 내벽을 밀폐함으로써 상기 팩커(6)를 관통해 연장된 주입호스(5)를 통해 주입되는 그라우트재가 튜브(7)에의해 차단되고 튜브(7)가 설치된 이후의 주입구(3)를 통해서만 그라우트재가 주입된다. 어느 정도 주입이 완료되면 다시 튜브(7)를 수축시킨 다음 주입호스(5)를 바깥쪽으로 이동시키고 다시 튜브(7)를 팽창시켜 주입관(1)을 폐쇄한 다음 그라우트재를 주입하여 천공구멍(11)의 끝에서부터 다단식 주입이 이루어지도록 한다. 주입된 그라우트재는 먼저 주입관(1)의 내부를 채운 후, 주입구(3)를 빠져나가 천공구멍(11)의 내벽을 통해 지반에 침투되며 주입관(1)과 천공구멍(11) 사이에 있던 실링재와 섞여 경화된다.

본 발명의 FRP 주입관은 유리섬유와 수지로 구성된 플라스틱 제품으로 절단 및 가공이 쉽고 그라우팅 후 터널 굴착 시 강관에 비해 절단이 용이하므로 시공속도가 빠르며, 중량이 가벼워 취급이 용이하다. 또한 내화학성 및 내부식성이 좋으므로 부식과 변질이 되지 않아 시공 중 굴착보조공법으로써 뿐만 아니라 영구적인 보강재로서 사용할 수도 있으며, 그라우트재와의 접촉면적이 종래의 강관에 비해 매우 넓고, 표면 상태가 거칠어 부착강도가 큰 장점이 있다.

본 발명의 다단 그라우팅 장치는 FRP 주입관과 일체화되게 특수 제작된 간격재가 고무밴드를 보호하여 주고 상기 간격재는 천공구멍의 중앙부에 주입관을 놓이게 하여 천공구멍의 내벽에 주입구가 직접 접촉하지 않고, 이로 인해 그라우트재의 주입이 방해받지 않아 그라우팅이 용이하며, 천공구멍의 중심에 근접하여 주입관을 위치시킬 수 있으므로 천공구멍의 내부에 고르게 그라우팅할 수 있고 응력중심이편향되지 않아 그라우팅의 품질을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

1. 중공이 형성된 파이프로 상기 파이프의 벽면에 방사상으로 형성된 다수개의 주입구(3)가 파이프 길이방향으로 일정간격으로 반복적으로 형성되고, 양단부 외주면에는 수나사가 형성된 다수개의 주입관(1);

   상기 주입관(1)의 수나사에 체결되어 다수개의 주입관(1)과 주입관(1)을 연결할 수 있는 암나사형 커플러(12);

   상기 주입관(1)의 외부에 일정간격으로 끼워져 상기 주입관(1)과 일체로써 마디를 형성하는 고리모양의 간격재(2);

   상기 주입구(3)를 개폐할 수 있는 역류방지수단;

   상기 주입관(1)의 내부로 삽입되어 그라우트재를 주입하기 위한 주입호스(5);

   상기 주입호스(5)의 단부에 상기 주입호스(5)가 중심을 관통하도록 부착되며, 압축공기에 의해 팽창 및 수축이 가능하여 상기 주입관(1)의 내부를 개방 및 폐쇄할 수 있는 튜브(7)와 상기 튜브(7)를 보호하는 두 개의 보호링(8)으로 구성되는 팩커(6); 및,

   상기 주입관(1)의 외부에 설치되며, 하나는 길이가 길어 천공구멍(11)의 끝 부분까지 연장되고, 다른 하나는 길이가 짧아 천공구멍(11)의 초입까지만 연장되는 두 개의 실링호스(9);

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 그라우팅 장치.
2. 제1항에서, 상기 주입관(1)은 고강도 유리섬유보강 플라스틱(FRP)으로 제조되는 것을 특징으로 하는 다단 그라우팅 장치.
3. 제1항에서, 상기 역류방지수단은 주입구(3)의 외부에 설치된 고무밴드(4)인 것을 특징으로 하는 다단 그라우팅 장치.
4. 제3항에서, 상기 고무밴드(4)에 미세한 바늘구멍을 더 형성하거나 폭이 좁은 다수개의 고무밴드를 중첩시키는 것을 특징으로 하는 다단 그라우팅 장치.
5. 제1항에서, 상기 간격재(2)는 주입관(1)을 천공구멍(11)으로 삽입하는 방향으로 주입구(3)의 바로 앞쪽에 설치되는 것을 특징으로 하는 다단 그라우팅 장치.
6. 제1항 또는 제2항의 주입관(1)을 설치장소로 운반한 후 주입구(3)에 역류방지장치를 설치하고;

   제1항의 커플러(12)를 사용하여 천공구멍(11)의 길이에 맞게 다수개의 주입관(1)을 연결하고;

   연결한 주입관(1)을 천공구멍(11)에 삽입하고;

   제1항의 두 개의 실링호스(9)를 하나는 천공구멍(11)의 끝 부분까지 그리고 다른 하나는 천공구멍(11)의 초입까지 삽입하고;

   천공구멍(11)의 입구를 코킹재(10)를 사용하여 봉합하고;

   천공구멍(11)의 초입에 삽입된 실링호스(9)를 통하여 실링재가 오버 플로우할 때까지 천공구멍(11)의 끝 부분까지 삽입된 실링호스(9)로 실링재를 주입하고;

   제1항의 팩커(6)가 부착된 주입호스(5)를 주입관(1)에 삽입하고;

   팩커(6) 중앙의 튜브(7)를 팽창시켜 주입관(1)을 폐쇄한 후 주입관(1)을 통하여 그라우트재를 주입하고; 그리고,

   튜브(7)를 수축하여 팩커(6)가 부착된 주입호스(5)를 일정간격 바깥쪽으로 이동시키고, 다시 튜브(7)를 팽창시켜 주입관(1)을 폐쇄한 다음 그라우트재를 주입하는 단계를 반복하여 천공구멍(11)의 입구까지 그라우팅하는 단계;

   로 구성되는 것을 특징으로 하는 다단 그라우팅 공법