KR100462466B1 - 지반경화층 조성공법 및 장치 - Google Patents

지반경화층 조성공법 및 장치 Download PDF

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Abstract

종래의 고압분사에 의한 경화재 주입은 분사압에 의한 지중압력의 상승이 고압분사의 균형을 무너뜨리고 균질한 주입이 불가능하게 하거나, 예측하기 어려운 장소에 지반융기를 야기시키거나 하는 문제가 있다.
중합노즐의 중심노즐으로부터 고압에 의한 경화재 분사류, 주위노즐로부터 저압의 청수분사류를 분사하여, 고속경화재 분사류를 질량이 다른 저속 청수 분사류에 포함시켜 중심 분사류와 주위 분사류와의 분사압에 차이를 둠으로서 발생하는 캐비테이션 현상을 지반경화재 주입에 있어서의 분사류의 지반파쇄력에 이용함과 동시에, 상부의 하방경사 분사노즐로부터 고압의 청수 분사류를 회전분사하여 삿갓모양의 패킹 분사류로서 하방으로부터의 상승 지중압력을 패킹하여 지중압력을 복수의 홈구멍을 뚫어놓은 조정부로 빨아들여 주입 균형을 유지하도록 구성하였다.

Description

지반경화층 조성공법 및 장치{A Method for preparing the ground stiffening layer and Device the same}
본 발명은 터널 등의 땅속 갱도의 복공지보(覆工支保)나, 구축된 기초지반의 강화(强化)지보, 또는 지수(止水)를 목적으로 하여 굴삭된 지반의 주위 등에 지반경화재를 주입하여 지반경화층을 조성하는 지반경화층 조성공법과 그 장치에 관한 것이다.
종래의, 지반의 복공지보나 강화지보, 또는 지수를 목적으로 하는 경화재층을 조성하기 위한 지반경화재 주입은 경화재 분사류의 도달거리를 조금이라도 연장하여 큰 직경의 경화재 층을 조성하는 것을 이상(理想)으로 하여, 에어(air) 감김 분사류 등 다양한 방안이 강구되어 왔지만, 어느 것이나 경화재 분사의 분사류 압력 자체를 고압화하는 부대(附帶)적인 구성에 의하여 분사압의 저하를 방지하는 것에 주안점을 두어 왔었다.
그러나, 경화재 분사의 분사압 자체를 고압화하는 것에는 한계가 있고, 또한 고압분사에 의한 지중(地中)압력의 상승이 고압분사의 균형을 흩트려서 균질한 주입이 불가능하다든지, 예측하기 어려운 장소에 지반융기를 야기시킨다든지 하는 문제가 늘상 있어왔다.
본 발명은 상기의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 캐비테이션 현상을 이용하여 지반파쇄력과 분사추진력을 증진함과 동시에, 상부의 하방경사 분사노즐로부터 회전분사되는 패킹 분사류로 상승 지중압력을 패킹하고 지중압력 조정부에 흡인하여 주입 균형을 유지할 수 있는 지반경화층 조성공법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 시공 상황을 도시한 전체 측면도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 주입(注入)로드(rod) 선단부의 요부 구조를 도시한 확대 측면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1...주입로드, 2...중합(重合)분사노즐,
3...지중(地中)압력 조정부, 4...하방경사 분사노즐,
5...기초대, 6...주입로드 작동기구,
7...주입로드 전향기구, 11...스위블(swivel),
21...중심노즐, 22...주위노즐,
31...지중압력 조정부 홈구멍, G...대상(對象)지반,
X...경화재 주입층, X1...경화재 주입층 조성예정지반,
Y...차단부, Z...패킹(packing)분사류.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 중합(重合)분사노즐에 의하여 중심노즐로부터 고압에 의한 경화재 분사류, 주위노즐로부터 저압의 청수(淸水) 분사류를 분사하는 것에 의해, 고속 경화재 분사류를 질량이 다른 저속 청수 분사류에 포함시켜 블록(block)류로 하여 중심분사류와 주위분사류와의 분사압에 차이를 설정해 둠에 따라서 발생하는 캐비테이션(cavitation) 현상을 지반 경화재 주입에 있어서의 분사류의 지반파쇄력(破碎力)과 분사류추진력 증진에 이용할 수 있도록 구성한 것이다.
즉, 중합분사노즐의 중심노즐로부터 고압에 의한 경화재 분사류, 주위노즐로부터 저속의 청수 분사류를 분사하는 것에 의하여, 고압분사류가 이것을 포함하는 질량이 다른 저압 분사류를 관통하면 그 분사류 경계의 상대속도 차이에 따라 경계 부근에 소용돌이가 발생하고, 소용돌이 중심에는 저압영역이 발생하여 여기에 캐비테이션(공동)이 다수 발생한다.
캐비테이션은 대상지반과 분사류의 접촉면까지 계속 성장하여 대상지반과 분사류의 접촉면 부근에서 소멸하지만, 소멸할 즈음에 발생하는 충격파(shock wave)와 제트(jet)류에 의하여 대상지반에 대한 분사류 작용면적이 확장되어, 지반파쇄력과 분사류추진력이 발생하는 것이다.
캐비테이션 분사류는, 이 지반파쇄력과 분사류추진력을 발생하는 면적이 통상의 제트류에 비하여 수배에서 수십배 확장되므로, 지반파쇄력과 분사류추진력도매우 강력하게 되는 것이다.
그러나, 분사압력과 다량의 슬라임(slime)에 따른 상기와 같은 지중압력의 상승은, 캐비테이션 분사류의 파쇄력과 함께 주입 영역의 범위를 무질서하고 불확정한 상태로 만들고, 예측하기 어려운 장소에 지반융기를 야기시킨다든지, 경화재 층을 불균질한 것으로 만든다든지 하는 문제점을 안고 있다.
따라서, 본 발명은 특히, 중합분사노즐의 상부에 복수의 홈구멍이 방사상으로 뚫려 있는 지중압력 조정부를 설치하고, 경화재 등의 고압분사에 의하여 상승하는 지중압을 세로 방향으로 연장된 홈구멍에 의하여 로드 내에 흡인함으로써 지중압의 조정을 행함과 더불어, 그 상부의 하방경사 분사노즐로부터 고압의 청수 분사류를 회전분사하여 삿갓 모양의 패킹(packing) 분사류로 하여서 하방에서부터의 상승지중압을 패킹하게 하여 조정부 홈구멍에 의한 흡인이 원활하게 이루어질 수 있도록 한 것이다.
이하, 도면에 따라서 본 발명의 실시예를 설명한다.
주입로드(1)에서 선단부 측벽에 중합분사노즐(2), 그 상부에 복수의 홈구멍(31)이 방사상으로 뚫려있는 지중압력 조정부(3), 또한 그 상부에 하방경사 분사노즐(4)이 설치되어 있다.
중합분사노즐(2)은 중심부에 중심노즐(21), 그 주위를 둘러싸서 주위노즐(22)이 뚫려 있고, 각각이 스위블(11)을 통하여 분사재료조(噴射材料槽)에 연결되는 로드 내의 분리된 유로에 연결된다. 또한, 중심노즐(21), 주위노즐(22)의 형상은 원형에 국한되지 않고 시공환경에 맞추어 각(角)이 진 형상의 노즐이 사용될 수 있다. 또한, 노즐의 개구(開口)면적은 중심노즐보다 주위노즐 쪽을 크게 하여, 캐비테이션 효과를 높이도록 한다.
지중압력 조정부(3)는, 복수의 홈구멍(31)이 축 중심에 대하여 방사상으로 뚫려 있어 상승하는 지중압의 균형을 잡아가면서 흡인하여 로드 내의 배출로를 통하여 지상으로 배출할 수 있도록 되어 있다. 홈구멍에는 필요에 따라서 여과기구가 설치되어 경화유효성분이 흡입되지 않도록 함과 동시에, 배출액 중의 공해성분이 제거될 수 있도록 하고 있다.
지중압력 조정부(3)의 상부에는 하방경사 분사노즐(4)이 설치되어, 로드(1)의 회전과 함께 조정부(3)의 상부를 삿갓 모양으로 덮도록 패킹 분사류가 고압분사되게 구성되어 있다.
주입로드(1)의 후단은 스위블 기구(11)로 되어 있어, 로드 내의 각 유로의 대응부에 연결되는 호스로 연결됨과 동시에, 기초대(5) 위에 장치된 주입로드 작동기구(6)와 로드 전향기구(7)에 지지되어있다.
먼저, 로드 전향기구(7)에 의해 삽입대상지반에 대한 주입로드(1)의 각도를 수직방향, 수평방향, 윗방향으로 전향시킴과 동시에, 주입로드 작동기구(6)가 주입로드(1)를 대상지반(G)에 삽입시키기 위해 주입로드(1)에 대하여 전진, 후퇴, 회전 등의 작동을 가한다.
이와 같이, 장치된 주입로드(1)를 대상지반(G)으로 향하여 추진삽입하고, 소정의 깊이에 도달한 지점에서, 중합분사노즐(2)의 중심노즐(21)로부터 초고압의 경화재 분사류, 주위노즐(22)로부터 저압의 청수 분사류를 분사하면서, 주입로드(1)를 회전시키면서 상기 주입로드(1)를 뽑아내는 방향으로 후퇴시키면, 경화재 분사류는 청수 분사류를 관통하여 양 분사류의 경계부에 캐비테이션 현상을 발생시킴과 동시에, 주변 지반을 천공(穿孔)절삭하여 토양 입자를 파쇄하고, 대상지반(G)으로 주입로드(1)의 구동궤적에 따라서 원통 형상으로 경화재 주입층(X)을 조성한다.
한편, 중합분사노즐(2)으로부터의 중합분사류 분사와 동시에 하방경사 분사노즐(4)로부터도 고압의 청수 분사류에 의한 패킹 분사류(Z)의 분사가 행해지는 것에 의하여, 중합 캐비테이션 분사류의 확산이 억제되어 집중됨과 동시에, 로드 주변의 지중압력이 상승하여 압력에 의해 눌려진 잉여액이 홈구멍(31)으로 흡입되어서 배출되는 것에 의해 지중압력의 균형이 보존되어 주입환경이 정비되고, 균질하게 큰 직경의 경화재 주입층을 조성할 수 있는 것이다.
본 발명에 의해 분사되는 분사류는, 중합주위분사류, 패킹 분사류에 모두 청수을 이용하므로 경화재에 대하여 청수의 비율이 크게 되고 지중압력의 상승에 의해 조정부(3)로 흡입되는 잉여 슬라임은 비중이 작은 청수액의 비율이 큰 몫으로 되어, 경화재 성분이 유효하게 활용되고 배출액은 환경에 친화적인 것으로 된다.
또한, 분사노즐(4)은 하방으로 경사져 있음으로 인해, 분사류 기부(基部)로 공기압 포켓(pocket)을 발생시켜, 주위 청수 분사류로서의 역할을 완수하고 감쇠한 비중이 작은 압밀(壓密)청수액을 조정부(3) 영역으로 끌어들임과 동시에, 중합분사노즐(2)로부터의 중합 캐비테이션 분사류는, 하방경사 분사노즐(4)로부터의 패킹 분사류로 인한 분사류 차단벽과 가속력에 의하여 고압분사의 지중압력과 잉여 슬라임이 분사방향으로 끌어들이도록 유도되어서, 적당한 주입 환경을 보존하므로 분사경화재의 도달거리를 신장함과 동시에, 도달거리의 신장이 주입영역의 혼입(混入)용량을 증대시킨다.
게다가, 하방경사 분사노즐(4)로부터의 패킹 분사류는, 후속(後續)의 캐비테이션 분사류에 대한 사전개량(事前改良)으로서의 작용도 겸하게 되어, 캐비테이션 분사류의 효과를 더욱 높일 수 있게 된다.
이와 같이, 조성되는 주입층(X)은 필요에 따라서 이에 인접하는 X1의 부분에 동일한 주입층을 조성하고, 차례로 인접시켜 소정의 형상으로 나란히 배열하는 것에 의해, 소정의 지반경화층을 조성해 가는 것이다.
본 발명은 상술한 바와 같이, 중심노즐으로부터의 고속경화재 분사류를 질량이 다른 저속 청수 분사류에 포함시켜 중심 분사류와 주위 분사류와의 분사압에 차이를 둠으로서 발생하는 캐비테이션 현상을 이용하여 지반파쇄력과 분사추진력을 증진함과 동시에, 상부의 하방경사 분사노즐로부터 회전분사되는 패킹 분사류로 상승 지중압력을 패킹하고 지중압력 조정부에 흡인하여 주입 균형을 유지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 주위 분사류와 패킹 분사류에 청수를 이용함으로써, 경화재 성분은 유효하게 활용되고 배출액에는 청수액의 비율이 커서 환경에 영향을 덜 주게 되므로 환경을 보호할 수 있다는 장점도 있다.

Claims (2)

  1. 선단부 측벽에 중심노즐과 주위노즐로 이루어진 중합분사노즐, 그 상부에 방사상으로 천공된 복수개의 홈구멍을 갖는 지중(地中)압력 조정부 및 그 상부에 하방경사(下方傾斜) 분사노즐이 설치된 주입로드(rod)를 대상지반(對象地盤)의 소정 깊이까지 삽입하는 단계;
    상기 중합분사노즐의 중심노즐로부터 고압의 경화재 분사류와, 주위노즐로부터 저압의 청수(淸水) 분사류에 의한 캐비테이션 분사류를 분사하는 단계;
    상기 캐비테이션 분사류의 분사시에, 상기 캐비테이션 분사류의 확산을 억제함과 함께 주입로드 주변의 상승 지중압력을 상기 지중압력조정부로 흡인하도록 상기 하방경사분사노즐로부터 고압의 청수 분사류를 상기 지중압력조정부의 상부측으로 하방경사지게 분사하는 단계;
    상기 주입로드를 회전시켜 후퇴시킴으로써 대상 지반속에 경화재층을 조성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 지반경화층 조성공법.
  2. 대상지반(對象地盤)의 소정 깊이까지 삽입하여 청수와 경화재 분사류를 분사하는 주입로드와, 상기 주입로드를 지지하여 전진후퇴 및 회전구동하도록 전진후퇴기구와 회전구동기구를 구비한 구동기구를 구비하는 지반경화층 조성장치에 있어서,
    상기 주입로드는, 그 선단부 측벽에 형성되어 고압의 경화재 분사류와 저압의 청수(淸水) 분사류에 의한 캐비테이션 분사류를 분사하도록 중심노즐과 주위노즐로 이루어진 중합분사노즐;
    상기 중합분사노즐의 상부에 방사상으로 천공된 복수개의 홈구멍을 갖는 지중압력 조정부;
    상기 캐비테이션 분사류의 확산을 억제하도록 상기 지중압력 조정부의 상부에 하방 경사지게 형성된 하방경사분사노즐을 포함하는 것을 특징으로 하는 지반경화층 조성장치.
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