KR100631103B1

KR100631103B1 - 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법

Info

Publication number: KR100631103B1
Application number: KR1020060034203A
Authority: KR
Inventors: 인현진
Original assignee: 주식회사 산하이앤씨
Priority date: 2006-04-14
Filing date: 2006-04-14
Publication date: 2006-10-04

Abstract

본 발명은, 폐광 및 석회암지대 등에 형성된 지하공동의 상부지반을 지지하기 위한 기둥구조체의 시공방법에 있어서, 비교적 작은 직경으로 상부 지반을 천공한 후 그라우트 백이 장착된 소직경의 주입관을 삽입하고 그라우트를 주입하여 경화시킴으로써 지하공동 내에 상부지반을 지지할 수 있는 대직경의 기둥구조체를 형성하여 상부지반을 안정화시킬 수 있는 지지구조를 제공함과 더불어 그라우트 재료를 절약하고 지하수로 인한 그라우트 유실을 방지하는 효과를 지닌 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법에 관한 것이다.

그라우트, 백(bag), 주입관, 천공, 지하공동, 지반보강

Description

그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법{Grout Bag Reinforcing Method for Underground Caves}

도 1 및 도 2는 지하공동 지반보강을 위한 종래의 기둥 시공 방법을 도시한 것이고,

도 3은 본 발명에 따라 그라우트 백이 장착된 주입관이 천공홀에 삽입된 상태를 도시한 것이고,

도 4는 도3의 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법에 따라 지하공동내에 기둥구조체가 형성된 상태를 도시한 것이고,

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 다중 그라우트 백이 장착된 주입관이 천공홀에 삽입된 상태를 도시한 것이고,

도 6은 도5의 다중 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법에 따라 지하공동내에 기둥구조체가 형성된 상태를 도시한 것이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 천공홀 20: 상부지반

30: 하부지반 40: 그라우트

100: 주입관 110, 111: 토출공

200, 201, 202: 그라우트 백 300, 301, 302: 밀봉띠

400: 결속띠

일반적으로 폐광 지역이나 석회암 지역에 인공적 또는 자연적으로 발생하는 지하공동이 존재하는데 이러한 경우, 그 지하공동의 붕괴에 따른 지표의 함몰 및 침하가 발생하여 상부 구조물의 안정성이 저해된다.

따라서 기존 또는 신설되는 상부 구조물의 안정성 확보를 위해 지하공동 및 이완대를 보강대상으로 지반을 보강하는데, 그 보강시공법으로 국내에서는 주로 지하 공동을 그라우트재로 직접 채우는 충전법이나 상부에 뿌리말뚝 등을 설치하여 지반을 일체화 시키는 상부보강법 또는 그 외에 공동내 기둥형성법 등을 사용하고 있다.

그런데, 충전법의 경우 소요 공기가 길고 공동 규모 및 깊이에 비례하여 경제성이 급격히 떨어지며, 상부 보강법의 경우 완전한 침하 차단이 불가능하며 공사비가 비교적 고가이어서 구조물 하부 구간만 보강하는 등 제한적으로 사용된다.

한편, 공동내 기둥형성법은 도1과 같이 지반에 천공홀(10)을 천공한 뒤, 그라우트(40)를 주입하여 지하공동 내부에 기둥구조체를 형성하는 그라우트 기둥공법과, 도 2와 같이 지반 천공 후에 지하공동 하부부터 지하공동 상부지반(20)까지 대직경의 강관(50)을 설치하고 그 안에 그라우트(40)를 주입하여 기둥을 시공하는 그라우트 케이스공법을 들 수 있다. 여기서 그라우트라 함은 시멘트 밀크, 몰탈, 콘크리트 등을 포함하는 고화성 액체 충전제를 의미하고, 이하에서도 그 의미는 동일하게 사용된다.

그러나 그라우트 기둥공법의 경우, 공동내 기둥이 그라우트 재료의 안식각에 따라 원추형으로 퍼져 형성되므로 재료비가 많이 들고 대부분의 공동내에 존재하는 지하수로 인해 그라우트가 유실될 우려가 있으므로 기둥의 구조적 품질 확보를 위해 고가의 수중불분리성 혼화제를 사용해야 하므로 경제성이 떨어지는 단점이 있다. 한편, 그라우트 케이스 공법은 전자의 공법에 비해 구조적 품질확보는 비교적 용이하나 기둥의 직경에 상응하는 대직경(일반적으로 직경 300㎜ 이상)의 천공이 필요하여 천공 비용이 증가하고 강관 사용 등에 따른 재료비가 고가인 문제점이 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 지하공동의 상부지반 지지를 위한 기둥구조체의 시공방법에 있어서, 지하공동내의 기둥형성 시공시, 상부지반에 소직경 천공만으로도 지하공동내에 대직경의 직경을 갖는 기둥을 형성할 수 있고 지하공동의 상부지반이 충분히 지지될 수 있는 실질적으로 상하부의 직경이 일정한 기둥체를 시공할 수 있으며, 또한 그라우트 혼화제의 사용이나 별도의 보강공사 없이도 지하공동내의 지하수 유동으로 인한 그라우트재의 유실을 방지하여 지속적인 구조적 안정성을 보장해 주는 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지하공동의 상부지반을 지지하기 위한 기둥구조체의 시공방법은 (a) 지표로부터 상기 지하공동의 천장부까지 상기 상부지반에 천공홀을 천공하는 단계; (b) 일단부측에 다수의 토출공이 형성된 토출부를 갖는 주입관을 준비하는 단계; (c) 상기 주입관의 토출부를 감싸도록 그라우트 백을 씌우고, 상기 그라우트 백의 입구에 밀봉띠를 체결하여 밀봉하여 상기 그라우트 백을 상기 주입관의 토출부상에 장착하는 단계; (d) 상기 그라우트 백이 장착된 토출부를 선두로 하여 상기 주입관을 상기 천공홀을 통하여 상기 지하공동 하부까지 삽입하는 단계; 및 (e) 상기 주입관을 통하여 그라우트를 주입함으로써, 상기 그라우트 백을 부풀려 상기 천공홀 보다 직경이 큰 기둥체를 형성하여 경화시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 그라우트 백을 이용한 기둥구조체 시공방법에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일실시예로서, 그라우트 백이 장착된 주입관이 천공홀에 삽입된 상태를 도시한 것이다. 본 실시예에서는 먼저 보강하고자하는 지반을 측량하여 천공홀의 위치를 잡고 지표에서부터 상기 지하공동의 직상부(지하공동내의 천장)까지 천공홀(10)을 천공한다. 바람직하게는 천공장치 등을 사용하여 지표로부터 지하공동 상부지반(20)의 하표면 까지 직경 100㎜?200mm정도의 소직경으로 지하공동의 상부지반을 천공한다.

이때, 미리 일단부측의 소정 부위에 걸쳐 다수의 토출공(110)이 형성된 토출부를 갖는 주입관(100)을 준비하고, 주입관의 상기 일단부측을 그라우트 백(200)에 삽입하여 상기 토출부가 감싸지도록 하고 그 입구를 밀봉하여 토출부상에 장착한다.

상기 그라우트 백(200)은 상당한 압력에도 견딜 수 있는 토목 섬유재질로 된 주머니 형태로서, 그라우트 주입에 의해 그라우트 백이 부풀려졌을 때 그 형상이 대략 원기둥형상을 갖도록 봉재되어 있다. 또한 그 크기는 상기 주입관(100)의 길이 및 측정된 지하공동의 내부의 깊이에 따라 결정되어 진다.

상기 주입관(100)은 직경 300㎜이상의 강관을 이용하는 대신에 직경 50~150㎜정도의 소직경 강관을 사용한다. 또한 상기 주입관(100)은 주입관의 일단부측의 소정 위치까지 다수의 토출공(110)이 형성되어 있는 토출부를 지닌다.

상기 토출부에는, 주입관을 통하여 그라우트를 주입할 때에 그라우트(40)가 그라우트 백(200) 안으로 주입될 수 있도록, 다수의 토출공(110)이 형성된다. 상기 토출공(110)의 배치는 필요에 따라 다양하게 가능하나, 바람직하게는 강관의 원주를 따라 환상으로 복수개 형성되고 그 환상으로 배치된 복수의 토출공이 상하로 일정거리가 이격되게 형성된다.

그리고 상기 그라우트 백(200)을 상기 주입관의 토출부(110)상에 장착시, 상기 주입관의 일단부측을 그라우트 백(200)에 삽입하여 상기 토출부가 감싸지도록 하고 토출부의 직상부에 그라우트 백의 입구를 위치시키고 그라우트 백의 입구부에 밀봉띠(300)를 체결하여 그라우트 백의 입구를 밀봉한다. 여기서 밀봉띠 체결부위에는 환상의 돌출부 또는 요홈부를 형성하여 그라우트 백이 가압될 때 밀봉부가 주입관 상에서 미끄러지지 않도록 하는 것이 바람직하다.

그라우트 백이 상기와 같이 주입관의 일단부측에 밀봉 장착된 상태에서 그 장착 부위가 과도한 부피를 차지하게 되면 주입관을 소직경의 천공홀로 통과시키기 곤란하므로, 그라우트 백(200)이 최소 부피가 되도록 그라우트 백(200)을 소정의 모양으로 주입관(100)의 토출부를 감싸듯이 상하 및 수평 방향으로 적절히 개어 접은 후에 상하 방향 소정 개소에 결속띠(400)를 체결하여, 그라우트 백이 장착된 토출부의 직경이 천공홀의 직경 보다는 작게 되도록 결속하여 준다.

상기 결속띠(400)를 이용하여 그라우트 백(200)을 접힌 상태로 결속하되, 상기 결속띠(400)가 그라우트 주입시 인가되는 설정 주입압력에서 자연적으로 끊어지 거나 해체되어 그라우트 백(200)이 필요 시점에 부풀려 지는데 방해되지 않도록 결속띠(400)의 결속 강도를 미리 설정해 둔다.

통상적으로 결속띠(400)는 동일한 재료 및 강도의 것을 사용하여 적절한 위치에 결속시키게 된다.

그러나 바람직하게는 상기 결속띠는 토출공 형성 위치상에 결속되고, 결속띠의 결속 강도는 상부로 갈수록 단계적으로 증가되게 설정하여 그라우트액이 하부측 토출공으로부터 먼저 토출될 수 있도록 구성할 수도 있다.

반면에, 상기 밀봉띠(300)는 기둥형성에 요구되는 최대 주입압력(약 50㎏f/㎠)에서도 밀봉력이 상실되지 않도록 체결되어, 그라우트(40)를 주입하는 도중에 상기 그라우트가 그라우트 백의 외부로 누출되지 않을 정도로 밀봉된다. 여기서 그라우트 백의 입구가 지표상까지 연장될 수 있도록 마련된다면, 밀봉띠를 사용하지 않거나 밀봉띠의 체결강도를 다소 약하게 하여 설정하는 것도 가능하다.

지하공동의 상부 지반 천공작업과 그라우트 백의 밀봉 및 장착작업이 완료되면, 주입관을 상기 그라우트 백(200)이 장착된 주입관(100)의 토출부를 선두로 하여 천공홀(10)을 통하여 지하공동내로 삽입한다. 상기 주입관의 선두가 지하공동내의 하부지반에 도달되면, 주입관의 타단에 적정 주입압력을 가하여 그라우트(40)를 주입한다.

도 4는 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법에 따라 지하공동 내에 직경 300㎜ 이상의 대직경 원기둥구조체가 형성된 상태를 도시한 것이다. 그라우트가 주입관(100)의 각 토출공(110)을 통하여 그라우트 백(200) 내부로 주입되면 상기 그라우트 백의 하부로부터 그라우트가 충만되어 점차 부풀려져 본래의 형상인 원기둥 형태를 취하게 되고 이후 시간이 경과함에 따라 경화하게 된다.

도시된 바와 같이 원기둥구조체의 직경은 천공홀 직경보다 크게 형성되므로, 원기둥구조체의 상부 어깨부에 의하여 지하공동의 상부지반이 견고하게 지지되는 구조를 제공하여 상부지반의 안정성이 한층 강화된다.

그라우트가 완전히 경화하면 필요에 따라 윤활제를 코팅한 주입관을 제거하고 지표를 복원한다. 또한 필요에 따라 합성물질인 그라우트 백의 재료에 습기분해 소재를 첨가하여 그라우트 경화 후 분해되도록 할 수도 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예로서, 2중의 그라우트 백이 주입관에 장착되어 천공홀에 삽입된 상태를 도시한 것이다. 상기 2중의 그라우트 백은 내부백과 외부백으로 구성되고 내부백은 적어도 하나의 토출공을 커버하도록 토출부 하부를 감싸고 내부백 입구에 밀봉띠를 체결하여 밀봉 장착하고, 외부백은 상기와 같이 장착된 내부백을 커버함과 더불어 상기 내부백으로 커버되지 않은 적어도 하나의 토출공을 추가로 커버하도록 하여 잔여의 토출부를 감싸고 토출부 직상부에서 외부백의 입구에 밀봉띠를 체결하여 밀봉 장착된다.

여기서 상기 주입관(101)은 그 토출부가 단계적으로 직경을 감소시켜 형성된 2단원통형으로 형성된 강관을 사용한다. 토출부의 축경원통부에 앞서와 같은 요령으로 상기 내부백이 먼저 장착되고 상위 단계 직경의 토출부에 같은 요령으로 상기 외부백을 덧씌워 장착되게 되며, 이는 다단 원통형 주입관 토출부의 매 직경 단계로 올라 갈수록 장착되는 그라우트 백의 수가 순차적으로 감소되는 형식이 된다.

상기에서 2중 그라우트 백과 2단 원통형 토출부를 기준으로 설명하였으나, 이를 3중 이상의 다중 그라우트 백과 다단 원통형 토출부에 대하여 확장 적용하는 것은 상기 설명으로부터 자명한 것이다. 또한 다중 그라우트 백이 반드시 다단 원통형 토출부에만 적용되는 것은 아니며, 도3 및 도4에 도시된 바와 같은 직관형 토출부에 다중그라우트 백을 장착하는 변형예도 상기 설명으로부터 자명하다.

다중 그라우트백의 장착 및 다단 원통형 토출부를 사용하는 것을 제외하면 나머지 사항은 앞서의 제1실시예와 마찬가지이므로 중복되는 설명은 생략한다.

도 6은 다중의 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법에 따라 지하공동내 기둥구조체가 형성된 상태를 도시한 것이다. 그라우트(40)가 상기 그라우트 백으로 토출공(111)를 통하여 주입되면, 상기 그라우트(40)가 경화되기 전에 유체압이 높게 걸리는 그라우트 내부백(201)으로 먼저 주입되어 기둥 하부가 형성되고, 순차적으로 그라우트 외부백(202)에 그라우트가 주입되어 기둥 상부가 형성됨으로써, 접시상의 구조체가 적층되는 방식으로 원기둥구조체가 형성된다.

상기에서 2개의 접시 구조체가 적층되는 예를 설명하였으나, 이를 3층 이상이 적층되는 경우로 확장 적용하는 것은 상기 설명으로부터 또한 자명한 것이다.

부풀려지기 전의 접힌 그라우트 백을 포함한 직경이 상기 천공홀의 직경보다 작은 직경이 되도록 그라우트 백 위로 복수의 결속띠를 체결하여 그라우트 백을 결속하는 것은 앞서의 실시예와 마찬가지이다.

또한 통상적으로 결속띠(400)는 동일한 재료 및 강도의 것을 사용하여 적절한 위치에 결속시키게 되나, 바람직하게는 상기 결속띠는 토출공 형성 위치상에 결 속되고, 결속띠의 결속 강도는 상부로 갈수록 단계적으로 증가되게 설정하여 그라우트액이 하부측 토출공으로부터 먼저 토출될 수 있도록 구성할 수도 있음은 앞서의 실시예와 마찬가지이다.

상기와 같은 적층식 원기둥구조체는 지하공동의 높이가 높을 경우에 특히 유용할 수 있다. 즉, 그라우트(40)가 경화되기 전에 그라우트가 원추형으로 퍼지는 힘에 의해 하부가 넓고 상부가 좁게 형성되어 하부가 지나치게 불룩해 지는 현상을 완화시켜, 균일한 직경의 접시구조체가 적층되어 전체적으로 균일한 직경의 원기둥 모양을 이루게 된다.

이때 유체압이 높게 걸리는 하부면은 다중 겹의 백으로 커버되고, 상대적으로 유체압이 낮게 걸리는 상부면은 소수 겹의 백으로 커버되므로, 전체적으로 높이에 따라 인가되는 유체압에 비례적으로 토목섬유 겹수가 제공되는 효과가 있다. 또한 지하공동은 날카로운 암석 등으로 불규칙하여 그라우트 백의 하면에 손상을 줄 수 있으나 다중 그라우트백은 그 하부가 다중겹으로 되어 손상에 대한 내성이 증가되는 효과를 제공한다.

또한 단 1회만 그라우트를 주입한다면 그라우트가 경화되기 전까지는 높은 높이의 그라우트 유체기둥을 토목섬유로 이루어진 그라우트 백에만 의존하여 그 형상을 유지하여야 하므로, 그 형상 유지에 어려움이 있을 수 있으므로, 먼저 내부백을 그라우트로 주입하여 충만시킨 후 어느 정도 경화되고 나서, 순차적으로 외부백에 그라우트를 주입한다면 상대적으로 높은 높이의 원기둥구조체를 효과적으로 적층시킬 수 있다.

이상, 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는, 예시의 목적을 위해 개시된 것이므로, 당업자라면, 아래의 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 또 다른 다양한 변형예들을 부가하는 것이 가능할 것이다.

이상에서의 설명과 같이, 본 발명에 따른 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법은, 폐광 및 석회암지대등에 형성된 지하공동 상부지반의 지지를 위한 기둥구조체의 시공방법에 있어서, 소직경 천공 후 그라우트 백이 장착된 주입관을 넣어 그라우트를 주입하여 상기 그라우트 백을 부풀려 기둥을 형성하여 지하공동에서 상부지반을 지지하는 원기둥구조체를 형성함으로써 지하공동의 지표함몰 및 침하로 인한 불안정성을 제거함과 아울러 소직경 천공만으로도 대직경의 원기둥체 시공이 용이하며, 지지구조가 원추형이 아닌 원기둥 형상을 취함으로써 그라우트 재료비가 절감되며, 지하수의 유동으로 인한 그라우트의 유실방지, 고가의 혼화제 사용을 배제함으로 인한 재료비 절감 등의 효과를 갖는 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims

지하공동의 상부지반을 지지하기 위한 기둥구조체의 시공방법에 있어서,

(a) 지표로부터 상기 지하공동의 천장부까지 상기 상부지반에 천공홀을 천공하는 단계;

(b) 일단부측에 다수의 토출공이 형성된 토출부를 갖는 주입관을 준비하는 단계;

(c) 상기 주입관의 토출부를 감싸도록 그라우트 백을 씌우고, 상기 그라우트 백의 입구에 밀봉띠를 체결하여 밀봉하여 상기 그라우트 백을 상기 주입관의 토출부상에 장착하는 단계;

(d) 상기 그라우트 백이 장착된 토출부를 선두로 하여 상기 주입관을 상기 천공홀을 통하여 상기 지하공동 내로 삽입하는 단계; 및

(e) 상기 주입관을 통하여 그라우트를 주입함으로써, 상기 그라우트 백을 부풀려 상기 천공홀 보다 직경이 큰 기둥체를 형성하고 이후 경화시키는 단계를 포함하되,

상기 단계(c)에서, 상기 그라우트 백은 내부백과 외부백을 포함하는 적어도 2이상의 다중 그라우트 백을 사용하고, 내부백은 적어도 하나의 토출공을 커버하도록 하여 토출부상에서 상기 내부백의 입구를 밀봉하여 장착하고, 외부백은 상기 장착된 내부백과 함께 상기 내부백으로 커버되지 않은 적어도 하나의 토출공을 추가로 커버하도록 하여 토출부 직상부에 외부백의 입구를 밀봉하여 장착하는 것을 특징으로 하는 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법.
제 1항에 있어서,

상기 그라우트 백은, 부풀려졌을 때 상기 천공홀의 직경보다 큰 직경의 원기둥 형상을 갖는 토목 섬유재질로 이루어진 주머니 형태인 것을 특징으로 하는 그라 우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 주입관의 토출부가 단계적으로 직경이 축소된 다단원통형이고 최소 직경 원통부에 상기 내부백이 장착되고 최상위 단계 원통부에 상기 외부백이 장착되며 매 직경 단계별로 장착되는 그라우트 백의 수가 순차적으로 감소되도록 하는 것을 특징으로 하는 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법.
제 1항, 제2항 또는 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 단계(c)에서, 상기 토출부 상에 접혀 장착된 그라우트 백의 직경이 상기 천공홀의 직경보다 작도록 그라우트 백의 위로 복수의 결속띠를 체결하여 그라우트 백을 결속하는 것을 특징으로 하는 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법.
제5항에 있어서,

상기 결속띠는 토출공 형성 위치상에 결속되고, 결속띠의 결속 강도는 상부로 갈수록 증가되는 것을 특징으로 하는 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법.
제 1항, 제2항 또는 제4항 중의 어느 한 항에 있어서,

상기 주입관은 밀봉띠가 체결될 위치에 돌출부 또는 요홈부를 구비하는 것을 특징으로 하는 그라우트 백을 이용한 기둥구조체의 시공방법.