KR100656142B1

KR100656142B1 - 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치와 이를 이용한 지반그라우팅 공법

Info

Publication number: KR100656142B1
Application number: KR1020040075780A
Authority: KR
Inventors: 윤재철
Original assignee: 유한회사 대진기건; 윤재철
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2006-12-12
Also published as: KR20060027443A

Abstract

본 발명은 지반 중의 공동이나 전석층 및 균열된 암반 등에 천공 및 그라우트재를 충전하는데 사용하는 것으로, 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치와 이를 이용한 지반 그라우팅 공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용한 지반 그라우팅 공법은 대상 지반에 청구항 1의 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 설치함과 동시에 지반을 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치의 하단부에 위치한 드릴비트를 이용하여 지반을 일정한 깊이 및 직경으로 천공하는 단계; 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치의 스위벨에 형성된 압축공기주입구, 초고압수주입구, 그라우트재주입구에 압축공기, 초고압수, 그라우트재를 각각 주입함과 동시에 모니터에 장착된 압축공기분사구, 초고압수분사구 및 그라우트재분사구를 통하여 압축공기, 초고압수 및 그라우트재를 함께 분사시켜, 지중에 고결체를 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치와 이를 이용한 지반 그라우팅 공법

Description

지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치와 이를 이용한 지반 그라우팅 공법{The foundation grouting construction method of having used foundation digging and the equipment for grout material and this}

도 1은 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용하여 지반을 그라우팅하는 상태를 도시한 개념도,

도 2는 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 도시한 종단면도,

도 3a 내지 3e는 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용하여 지반을 그라우팅하는 과정을 도시한 공정도,

도 4는 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치의 실시예를 도시한 종단면도.

-도면의 주요부분에 대한 부호의 설명-

10 : 압축공기주입구 12 : 초고압수주입구

14 : 그라우트재주입구 16 : 스위벨

18 : 압축공기통로 20 : 초고압수통로

22 : 그라우트재통로 24 : 3중관로드

25 : 2중관로드 26 : 압축공기분사구

28 : 초고압수분사구 30 : 그라우트재분사구

32 : 모니터 34 : 볼밸브

36 : 케이싱 38 : 상부가이드부싱

40 : 하부가이드부싱 42 : 숄더

44 : 드릴비트 46 : 슬리브

48 : 스톱링 50 : 섕크

52 : 관통채널 54 : 피스톤해머

56 : 압력챔버 58 : 밸브

60 : 후면헤드 62 : 밸브케이싱

64 : 튜브 66 : 노즐

68 : 필터지지체 70 : 백헤드

72 : 피스톤영역 74 : 간격슬리브

76 : 필터 78 : 환형공간

80 : 구동챔버

A : 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치

G : 지반 P : 주상형 고결체

본 발명은 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치와 이를 이용한 지반 그라우팅 공법에 관한 것으로, 특히 전석층이나 균열된 암반, 호박돌 등으로 이루어진 지반을 굴착 및 그라우트재를 충전하는데 사용하는 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치와 이를 이용한 지반 그라우팅 공법에 관한 것이다.

일반적으로 지반주입공법은 지반 속에 약액ㆍ시멘트 밀크 등의 응결제를 주입, 굳힘으로써 지반의 강도를 증가시키는 공법으로서, 초고압분사 충전공법(SIG 공법), 고압충전공법(SRC 공법), 초고압분사 교반공법(RJP 공법), 고압분사 교반공법(JSP 공법) 등이 널리 사용되고 있다.

여기서, 상기한 SIG 공법은 초고압(P=400∼600㎏/㎠)의 제트류를 분사하면서 회전시켜 연약토를 배출시키고, 배출된 공간에 직경(Φ=1200∼2000㎜) 정도의 대구경 원주형 고결체를 조성하는 공법으로, 주로 토사층, 사력층, 자갈층, 연암층 및 N<10인 점성토층에 사용된다.

상기한 바와 같은 SIG 공법은 기존의 제트 그라우팅의 단점인 고압분사 주입으로 인한 주변지반 융기 문제와 분출수로 인한 원지반 연약화 문제를 해결할 수 있고, 다중관 로드의 회전인발 속도를 조절할 수 있어 단면의 크기조절이 용이하며, 고압수로 석회암 공동이나 파쇄대의 연약한 토사분을 배출시키면서, 배출된 공간에 시멘트 밀크를 주입하여 원지반과 전혀 다른 성질의 지반강도 및 내구성이 우수한 보강지반을 형성할 수 있으며, 특히 치환공법이므로 보강 후 강도 증가가 현저한 장점이 있다.

그러나 상기한 바와 같은 SIG 공법은 대규모 공동이 상호 연결되어 있는 경우에는 그라우트 주입량이 과다하게 발생하고, 시멘트가 경화하면서 수축되어 원지반과 경화재가 밀착되지 않아 지하수에 의해 공동이 다시 발생되는 단점이 있다.

한편, 상기한 SRC 공법은 천공시 압축공기를 동반한 초고압수(0∼800㎏/㎠)를 이용하여 지반을 절삭, 이완시키며, 이때 배출되는 절삭 이토를 고화재와 섞어 주입재로 재사용하는 공법이다.

상기한 바와 같은 SRC 공법은 절삭, 충전(치환)시 배출되는 이토는 절삭수와 충전재의 혼합재로 사용하기 때문에 슬라임이 대폭 삭감되는 특징이 있으며, 슬라임을 이수와 이토로 분류하여 재사용하므로 폐기물 처리가 거의 없는 친환경적인 공법이며, 충전재의 배합비를 조정하여 개량목적에 적합한 강도조정이 가능하며, 시공시 지반이나 주변 구조물에 영향을 주지 않는 장점이 있다.

그러나 상기한 바와 같은 SRC 공법은 배출된 이토의 양이 적을 경우에는 주입재를 보충하여야 하며, 슬라임을 재처리하여 주입하므로 장비가 복잡하며, 공법을 적용하는 구간의 토사가 점토일 경우에는 이토로의 재사용이 불가능하고, 그라우트주입재를 충전시 지하수와 접촉시 재료분리 현상이 나타나며 공동내부에 자갈 및 사질토에 치환 주입할 수 없는 단점이 있다.

한편, 상기한 RJP 공법은 초고압(P=400∼600㎏/㎠)의 제트류를 분사하면서 회전시켜 지중에 원지반의 연약토와 교반시켜 직경(Φ=1200∼2000㎜) 정도의 대구경 원주형 고결체를 조성하는 공법으로, 주로 토사층, 사력층, N<10인 점성토층에 사용된다.

상기한 바와 같은 RJP 공법은 무진동, 무소음으로 도심지에서 시공이 가능하고 보조작업이 필요 없으며, 다중관 로드의 회전 인발 속도를 조절할 수 있어 단면의 크기조절이 용이하며, 고압수로 석회암 공동이나 파쇄대의 연약한 토사분과 시멘트 밀크를 교반시켜 주변지반과 일체화시키므로 지반 강도 및 내구성이 우수한 보강지반을 형성할 수 있는 장점이 있다.

그러나 상기한 바와 같은 RJP 공법은 SIG 공법에 비해 개량체의 강도(최대강도=60㎏/㎠) 및 경제성이 떨어지며, 대규모 공동이 상호 연결되어 있는 경우에는 그라우트 주입량이 과다하게 발생하고, 시멘트가 경화하면서 수축되어 원지반과 경화재가 밀착되지 않아 지하수에 의해 공동이 다시 발생되는 단점이 있다.

한편, 상기한 JSP 공법은 고압(P=200㎏/㎠)의 제트류를 분사하면서 회전시켜 지중에 직경(Φ=800∼1000㎜) 정도의 원주형 고결체를 조성하는 공법으로, 주로 토사층, 사력층, N<10인 점성토층에 사용된다.

상기한 바와 같은 JSP 공법은 수직, 경사 어떤 방법으로도 시공이 가능하고, 특히 협소한 장소(건물의 지하실, 교량 하부 등)에서 작업이 가능하므로 기존 구조물의 보강공법으로 적합하며 원주고결체의 배치, 배열의 조합에 의하여 여러 가지로 개량되며, 지중에 인공적으로 만든 공극에 그라우트재를 충전하는 것이기 때문에 보통의 약액주입공법 처럼 인근 구조물이나 지하매설물에 영향을 미치는 일이 거의 없는 장점이 있다.

그러나 상기한 바와 같은 JSP 공법은 개량체가 원지반 흙과 시멘트 밀크에 의해 형성된 일종의 소일 시멘트이므로 소요강도의 발현 등에 따른 품질관리가 어려우며, SIG 공법에 비해 개량체의 강도(최대강도=40㎏/㎠) 및 경제성이 떨어지는 단점이 있다.

또한, 상기한 바와 같은 JSP 공법은 대규모 공동이 상호 연결되어 있는 경우에는 그라우트 주입량이 과다하게 발생하고, 시멘트가 경화하면서 수축되어 원지반과 경화재가 밀착되지 않아 지하수에 의해 공동이 다시 발생되는 단점이 있다.

따라서, 상기한 바와 같은 종래의 지반주입공법들은 현장에서 천공장비를 이용하여 어느 정도의 직경 및 깊이로 지반을 천공한 상태에서, 지반여건에 맞는 주입공법을 이용하여 지중에 구조체를 형성하거나, 지반을 개량하는 방식이므로, 항상 지반천공을 위한 천공장비와 그라우트재를 주입하기 위한 주입장비가 병행하여 작업을 해야되는 문제점 있다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 공법들의 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 천공장치와 주입장치를 하나의 장치로 구성하여 전석층이나 균열된 암반, 호박돌 등으로 이루어진 지반을 용이하게 굴착 및 그라우트재를 충전하도록 하여 지중에 고결체를 형성할 수 있도록 한 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치와 이를 이용한 지반 그라우팅 공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치는 상부에 위치되며, 압축공기주입구, 초고압수주입구, 그라우트재주입구가 형성된 스위벨과; 상기 스위벨의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로, 초고압수통로, 그라우트재통로가 형성된 3중관로드와; 상기 3중관로드의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기분사구, 초고압수분사구, 그라우트재분사구가 형성된 모니터와; 상기 모니터의 내측면 하단부에 설치된 볼밸브로 이루어지는 주입장치부와;

상기 모니터의 하부와 결합되며, 원통형상으로 이루어진 케이싱과; 상기 케이싱내 하단부에 위치되며 상하로 배치되는 상하부가이드부싱과; 상기 상하부가이드부싱간에 설치되어 상부가이드부싱을 지지하는 숄더와; 상기 하부가이드부싱내에서 각 방향으로는 고정됨과 동시에 축방향으로는 제한적으로 이동되도록 장착된 드릴비트와; 상기 하부가이드부싱과 드릴비트와의 사이에 설치되며, 케이싱의 내측으로 나사산이 형성된 슬리브와; 상기 하부가이드부싱과 슬리브와의 사이에 장착되어 드릴비트가 분리되는 것을 방지하는 스톱링과; 상기 드릴비트의 섕크에 충격을 가하도록 배치되며, 관통채널을 구비한 피스톤 해머와; 상기 피스톤 해머의 왕복운동을 제어함과 동시에 압력챔버를 교호적으로 가압 및 감압하는 밸브와; 상기 밸브를 감싸고 있음과 동시에 케이싱의 후방 단부내로 나사가 형성된 후면 헤드를 구비한 밸브케이싱과; 상기 밸브케이싱의 내측으로 길이방향으로 가운데에 형성된 튜브와; 상기 튜브 상에 설치된 노즐과; 상기 밸브케이싱의 후면 헤드에 지지되는 필터지지체와; 상기 필터지지체상에 내측으로 결합되는 백헤드와; 상기 압력챔버에는 밸브에 의해 압력챔버가 가압될 때 상기 피스톤해머를 전방으로 구동시키도록 형성된 피스톤영역으로 이루어지는 굴착장치부로 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용한 지반 그라우팅 공법은 대상 지반에 청구항 1의 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 설치함과 동시에 지반을 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치의 하단부에 위치한 드릴비트를 이용하여 지반을 일정한 깊이 및 직경으로 천공하는 단계; 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치의 스위벨에 형성된 압축공기주입구, 초고압수주입구, 그라우트재주입구에 압축공기, 초고압수, 그라우트재를 각각 주입함과 동시에 모니터에 장착된 압축공기분사구, 초고압수분사구 및 그라우트재분사구를 통하여 압축공기, 초고압수 및 그라우트재를 함께 분사시켜, 지중에 고결체를 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용하여 지반을 그라우팅하는 상태를 도시한 개념도이며, 도 2는 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 도시한 종단면도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치는 상부에 위치되며, 압축공기주입구(10), 초고압수주입구(12), 그라우트재주입구(14)가 형성된 스위벨(16)과; 상기 스위벨(16)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로(18), 초고압수통로(20), 그라우트재통로(22)가 형성된 3중관로드(24)와; 상기 3중관로드(24)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되 며, 압축공기분사구(26), 초고압수분사구(28), 그라우트재분사구(30)가 형성된 모니터(32)와; 상기 모니터(32)의 내측면 하단부에 설치된 볼밸브(34)로 이루어지는 주입장치부와;

상기 모니터(32)의 하부와 결합되며, 원통형상으로 이루어진 케이싱(36)과; 상기 케이싱(36)내 하단부에 위치되며 상하로 배치되는 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40)과; 상기 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40)간에 설치되어 상부가이드부싱(38)을 지지하는 숄더(42)와; 상기 하부가이드부싱(40)내에서 각 방향으로는 고정됨과 동시에 축 방향으로는 제한적으로 이동되도록 장착된 드릴비트(44)와; 상기 하부가이드부싱(40)과 드릴비트(44)와의 사이에 설치되며, 케이싱(36)의 내측으로 나사산이 형성된 슬리브(46)와; 상기 하부가이드부싱(40)과 슬리브(46)와의 사이에 장착되어 드릴비트(44)가 분리되는 것을 방지하는 스톱링(48)과; 상기 드릴비트(44)의 섕크(50)에 충격을 가하도록 배치되며, 관통채널(52)을 구비한 피스톤해머(54)와; 상기 피스톤해머(54)의 왕복운동을 제어함과 동시에 압력챔버(56)를 교호적으로 가압 및 감압하는 밸브(58)와; 상기 밸브(58)를 감싸고 있음과 동시에 케이싱(36)의 후방 단부내로 나사가 형성된 후면 헤드(60)를 구비한 밸브케이싱(62)과; 상기 밸브케이싱(62)의 내측으로 길이방향으로 가운데에 형성된 튜브(64)와; 상기 튜브(64) 상에 설치된 노즐(66)과; 상기 밸브케이싱(62)의 후면 헤드(60)에 지지되는 필터지지체(68)와; 상기 필터지지체(68) 상에 내측으로 결합되는 백헤드(70)와; 상기 압력챔버(56)에는 밸브(58)에 의해 압력챔버(56)가 가압될 때 상기 피스톤 해머(54)를 전방으로 구동시키도록 형성된 피스톤영역(72)으로 이루어지는 굴착장치부로 구성된다.

또한, 상기 그라우트재는 경화발현재를 주성분으로 한 유동성의 현탁액을 A액으로 하고, 몬모닐로나이트 점토 광물과 알루미늄 분말을 주성분으로 한 유동성의 점성액을 B액으로 하고, 상기 A액 및 B액을 각각 별도의 믹싱장치에 의해 고압펌프 흡입구 부근에서 상기 A액과 B액을 혼합하여 고압분사구를 통하여 지반에 교반 침투하고 2차적으로 시멘트의 알칼리 성분과 알루미늄분말의 화학적 반응에 의해 발포로 인하여 그라우트재가 팽창되어 원지반과 그라우트재가 압밀되는 것이다.

즉, 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)는 크게 스위벨(16), 3중관로드(24), 모니터(32)로 이루어진 주입장치부와; 케이싱(36), 드릴비트(44), 피스톤 해머(54)로 이루어진 굴착장치부가 유기적으로 결합되어 이루어진 장치이다.

여기서, 상기 주입장치부는 최상단에 스위벨(16)이 설치되는바, 이 스위벨(16)에는 압축공기, 초고압수, 그라우트재를 주입할 수 있도록 압축공기주입구(10), 초고압수주입구(12) 및 그라우트재주입구(14)가 형성된 구조이다.

또한, 상기 3중관로드(24)는 스위벨(16)의 각 구성요소에 해당하는 압축공기주입구(10)와 초고압수주입구(12) 및 그라우트재주입구(14)에 각각 대응되어, 압축공기, 초고압수, 그라우트재를 이송시키기 위한 압축공기통로(18), 초고압수통로(20), 그라우트재통로(22)가 형성된 구조이다.

그리고 상기 모니터(32)는 3중관로드(24)의 각각에 대응되도록 압축공기, 초고압수 및 그라우트재를 분사시키기 위해 압축공기분사구(26)와 초고압수분사구(28) 및 그라우트재분사구(30)가 형성된 구조이다.

여기서, 상기 모니터(32)의 그라우트재분사구(30)는 그 주위면에 지름방향 외향으로 형성되며, 압축공기분사구(26)는 상기 그라우트재분사구(30)의 주위로부터 지름방향 외향으로 고압으로 압축공기를 분사하도록 형성된 구조이다.

그리고 상기 모니터(32)의 내측면 하단부에는 볼밸브(34)가 설치되고, 이러한 볼밸브(34)는 물로 구동되는 굴착장치부에 물의 공급을 제한하는 밸브로, 볼밸브(34)가 열려 있으면 굴착장치부의 피스톤 해머(54) 및 드릴비트(44)가 작동되고, 폐쇄되어 있으면 굴착장치부는 작동이 중지된 상태를 유지한다.

또한, 후자의 굴착장치부는 케이싱(36)을 가지며, 그의 주요부는 숄더(42)와 각각의 단부에 내측 나사를 갖는 원통형 튜브이다.

드릴비트(44)는 튜브(64) 또는 케이싱(36)의 내측으로 나사 형성된 슬리브(46)에 의해 케이싱(36) 내에 위치되어 있다.

슬리브(46)는 드릴비트(44)의 상단에 위치되며, 드릴비트(44)는 슬리브(46) 및 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40)에 의해 케이싱(36)내로 유도되고, 스톱링(48)은 드릴비트(44)가 떨어져 나가는 것을 방지한다.

상부가이드부싱(38)을 숄더(42)가 지지하며, 간격슬리브(74)는 상부가이드부싱(38)에 지지된다.

후면 헤드(60)를 갖춘 밸브케이싱(62)이 간격슬리브(74)에 지지되며, 필터(76)가 구비된 튜브형 필터지지체(68)는 밸브케이싱(62)의 후면 헤드(60)에 지지된다.

상기 후면 헤드(60)는 케이싱(36)의 후방부로 나사 형성되어 있으며, 숄더(42)에 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40), 간격슬리브(74), 밸브케이싱(62), 후면 헤드(60), 필터지지체(68)를 축방향으로 조인다.

상기한 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40), 간격슬리브(74), 밸브케이싱(62), 후면 헤드(60), 필터지지체(68)는 함께 스프링 역할을 하고, 이들의 누적거리는 후면 헤드(60)가 나사 결합될 때 이들이 압축되는 거리이다.

여기서, 상기 간격슬리브(74)는 압축에 상당한 영향을 미치는데, 이는 간격슬리브(74)의 길이와 비교적 작은 단면적을 갖기 때문이다.

필터지지체(68)는 간격슬리브(74)와 거의 동일한 단면적을 가질 수 있지만, 실제적으로는 간격슬리브(74)에 비해 더 작다.

따라서, 밸브케이싱(62)의 후면 헤드(60)는 밸브케이싱(62)의 주요부를 조인다.

후면 헤드(60)는 회전을 굴착장치부에 전달하고, 가압수 형태의 수압 구동수를 전달하도록 배치된다.

작동시 밸브케이싱(62)의 이면의 환형공간(78)이 가압하에 여과수가 연속해서 채워진다.

구동장치부는 조립시 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40), 간격슬리브(74), 밸브케이싱(62), 후면 헤드(60), 필터지지체(68) 모두를 느슨하게 적층 함으로써 조립이 간단하며, 축 방향 공차가 감소된다.

추가의 공차는 축 방향의 탄성 압축에 의해 처리되며, 상기 구동장치부의 모든 부품은 구동장치부내에서 용이하게 미끄러지므로 구동장치부를 분해할 때 용이하게 제거된다.

튜브(64)는 밸브케이싱(62)의 일부를 형성하고, 관통채널(52)을 구비한 피스톤해머(54)는 상부가이드부싱(38)의 내부로 유도되는 전방단부를 가진다.

피스톤 해머(54)의 후방단부는 밸브케이싱(62)과 튜브(64) 사이의 밸브케이싱(62)내에 형성된 구동챔버(80)내로 연장된다.

따라서, 피스톤해머(54)는 밸브케이싱(62)에 의해서 유도된다.

피스톤해머(54)는 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40)과 밸브케이싱(62) 사이에 축방향으로 형성된 구동챔버(80)에 상이한 피스톤 면적을 가진다.

한편, 상기한 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트 주입용 장치에는 그라우트재가 주입되는바, 경화발현재를 주성분으로 한 유동성의 현탁액을 A액으로 하고, 몬모닐로나이트 점토 광물과 알루미늄 분말을 주성분으로 한 유동성의 점성액을 B액으로 하고, 상기 A액 및 B액을 각각 별도의 믹서로 혼합하여 고압펌프입구에서 상기 A액과 B액을 혼합하여 사용한 것이다.

이하, 상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용한 지반 그라우팅에 대해서 설명한다.

도 3a 내지 3e는 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용하여 지반을 그라우팅하는 과정을 도시한 공정도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용한 지반 그라우팅 공법은 대상 지반(G)에 청구항 1의 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)를 설치함과 동시에 지반(G)을 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)의 하단부에 위치한 드릴비트(44)를 이용하여 지반(G)을 일정한 깊이 및 직경으로 천공하는 단계;

상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)의 스위벨(16)에 형성된 압축공기주입구(10), 초고압수주입구(12), 그라우트재주입구(14)에 압축공기, 초고압수, 그라우트재를 각각 주입함과 동시에 모니터(32)에 장착된 압축공기분사구(26), 초고압수분사구(28) 및 그라우트재분사구(30)를 통하여 압축공기, 초고압수 및 그라우트재를 함께 분사시켜, 지중에 주상형 고결체(P)를 형성하는 단계로 이루어진다.

여기서, 상기 주상형 고결체(P) 형성단계는 상기 스위벨(16)에 형성된 그라우트재주입구(14)에 그라우트재를 주입하고, 초고압주입구(12)에 초고압수를 주입하여, 상기 모니터(32)에 장착된 초고압수분사구(28) 및 그라우트재분사구(30)를 통하여 초고압수와 그라우트재를 함께 분사시켜, 주상형 고결체(P)를 지중에 형성하는 단계로 이루어진다.

즉, 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용한 지반 그라우팅 공법은 지반 천공단계와 주상형 고결체(P) 형성단계로 이루어진다.

여기서, 상기 지반 천공단계는 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)를 이용하여 대상 지반(G)을 그 하단부에 위치한 드릴비트(44)를 이용하여 지반(G)을 일정한 깊이 및 직경으로 천공하는 단계이다.

즉, 종래의 공기식이 아닌 물의 압력에 의한 방식으로 피스톤 해머(54)를 항타하여, 피스톤해머(54)의 항타에 의하여 드릴비트(44)가 지반을 굴착하는 것이다.

또한, 상기 주상형 고결체(P) 형성단계는 상기한 바와 같이 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)를 이용하여 대상지반(G)을 천공하여 천공부위를 형성한 상태에서, 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)를 상향으로 인발하면서 3중관로드(24)의 내관 및 외관으로 그라우트재를 충전 압밀하기 위해 공동을 채워 넣는 단계이다.

특히, 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)의 스위벨(16)의 압축공기주입구(10)는 압축공기를 넣고, 초고압수주입구(12)에는 초고압수를 주입하고, 그라우트재주입구(14)에는 그라우트재를 주입함과 동시에 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)를 상향으로 회전 인발하면서, 상기 압축공기주입구(10)와 초고압수주입구(12) 및 그라우트재주입구(14)에 주입된 압축공기와 초고압수 및 그라우트재가 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)의 모니터(32)에 장착된 압축공기분사구(26), 초고압수분사구(28) 및 그라우트재분사구(30)를 통하여 압축공기와 초고압수 및 그라우트재를 함께 분사시켜, 지중에 주상형 고결체(P)를 형성하는 것이다.

이와 같이, 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)에서 그라우트재를 주입한 후 동시에 분사시키는 이유는 지반(G)을 천공하여 선단부에 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)를 회전 인발하면서 그라우트재를 주입 및 분사시 먼저 초고압수분사구(28)를 통해서 초고압수주입구(12)를 통해 주입된 초고압수가 일정한 고압에 의해서 분사되면, 이러한 분사는 고압분사 주입장치(A)가 회전 인발함과 동시에 그라우트재의 분사도 함께 회전되면서, 일정한 직경의 원주를 그리게 되는 그라우트막을 형성하게 된다.

즉, 이러한 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)에서 그라우트재의 회전 분사에 따라 분사된 그라우트재는 자연히 지중에서 주상형 고결체(P)가 형성된다.

여기서, 상기 그라우트재는 경화발현재를 주성분으로 한 유동성의 현탁액을 A액으로 하고, 몬모닐로나이트 점토 광물과 알루미늄 분말을 주성분으로 한 유동성의 점성액을 B액으로 하고, 일차 충전으로서 각각 별도의 믹서로 혼합하여 고압펌프 입구에서 A액과 B액을 혼합하여 고압으로 지반에 주입하는 것이다.

다음에 제2반응으로서 일차 충전으로 공동의 대략적인 부분밖에 충전(주입)하지 못한 그라우트재는 주입 B액 중의 알루미늄 분말이 A액의 경화 발현재 중의 알칼리 성분(주로 칼슘이온)과 발포 반응(수소가스를 발생)을 일으키고, 그라우트는 팽창하여 공동의 구석까지 충전시킬 수 있다.

본 발명의 그라우트재에서 A액은 경화 발현재 현탁액 또는 이것에 골재나 첨가제 등을 가한 현탁액을 의미한다.

여기서, 상기 경화 발현재라 함은 물을 가하면 경화 발현하는 물질로서, 시멘트, 시멘트 슬래그, 슬래그-석회를 예로 들 수 있다.

또한, 본 발명의 그라우트재에서 A액을 가하는 경우가 있는 골재(또는 중량재)로서 모래, 플라이 애쉬(fly ash), 석회, 일차 광물 미분말(암석, 석영, 석회석, 백운석 등), 점토광물(벤토나이트, 도자기토, 등)을 예로 들 수 있고, 또한 이 들 골재의 일종 또는 이종 이상을 조합할 수 있다.

그리고 일반적인 그라우트재에 첨가하는 분산제, 지연제, 고분자 흡수제, 증점제, 조기 경화 발현재 등을 목적에 맞춰서 첨가할 수 있다.

본 발명의 그라우트재에서 B액이라 함은 알루미늄 분말과 몬모릴로나이트 점토광물(대표적인 것으로서 벤토나이트)을 주성분으로 한 유동성의 점성액을 의미한다.

또한, 상기 알루미늄 분말은 판형 구조체로서 수면 확산 면적이 8000㎠/g 정도인 것이 바람직하다.

본 발명의 그라우트재에 가하는 알루미늄 분말량은 그라우트재의 강도, 경화 발현재의 종류와 양, 온도, 밀폐 상태 등에 따라 다르지만, 그라우트의 팽창율 5 내지 40%에서는 경화 발현재의 약 0.01 내지 0.10% 범위이다.

이러한 발포제인 알루미늄 분말을 이용한 콘크리트를 프리팩트 콘크리트라 칭하고, 이 프리팩트 콘크리트는 주로 수중 콘크리트로서 이용된 것으로, 수중에 설치된 프레임 내에 골재를 투입하고, 알루미늄 분말, 시멘트, 플라이 애쉬, 모래, 감수제, 물 등을 개어 섞은 모르타르를 골재 속에 주입하여 만든 콘크리트이다.

이 원리는 모르타르 속의 알루미늄 분말이 시멘트의 알칼리와 반응하여 발포함으로써 모르타르가 팽창하는 성질을 채택한 것이다.

이 알루미늄 분말을 혼입한 그라우트재(모르타르 등)의 시공을 행할 때는, 1) 공동에 충전 주입을 행할 때까지는 그라우트재의 팽창을 일으키게 하지 않을 것, 2) 시멘트(그라우트재)가 경화되기 전에 팽창을 종료시킬 것이, 좋은 품질의 그라우트재를 만들기 위한 절대적 조건이다.

즉, 알루미늄 분말과 벤토나이트 점성액(B액)에 강알칼리성의 경화 발현재 현탁액(A액)을 첨가함으로써, 비로소 발포반응을 일으키게 된다.

이로써, 실제 현장에서는 A액과 B액을 주입구에서 합류 혼합하여 공동에 충전한 후에, 비로소 팽창하여 1차 충전의 주입으로 충전할 수 없었던 공동의 구석구석까지 충전시킬 수 있는 것이다.

따라서, 상기한 바와 같은 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)를 이용한 지반 그라우팅공법은 먼저 지반을 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)를 이용하여 하향으로 굴착한 후, 상향으로 이를 들어올리면서, 지중의 천공부위에 그라우트재를 충전시킴으로써, 별도의 지반(G)의 천공을 위한 장비와 주입을 위한 두 대의 장비를 복합적으로 이용하던 방식을 탈피하여 천공과 주입할 수 있는 1대의 장비로서 복합적으로 천공 및 분사가 이루어지는 작용효과가 있다.

이하, 본 발명을 실시예를 예로 들어 좀 더 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치의 실시예를 도시한 종단면도이다.

이 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치는 상부에 위치되며, 압축공기주입구(10),그라우트재주입구(14)가 형성된 스위벨(16)과; 상기 스위벨(16)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로(18),그라우트재통로(20)가 형성된 2중관로드(25)와; 상기 2중관로드(25)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기분사구(26), 그라우트재분사구(28)가 형성된 모니터(32)와; 상기 모니터(32)의 내측면 하단부에 설치된 볼밸브(34)로 이루어지는 주입정치부와;,

상기 모니터(32)의 하부와 결합되며, 원통형상으로 이루어진 케이싱(36)과; 상기 케이싱(36)내 하단부에 위치되며 상하로 배치되는 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40)과; 상기 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40)간에 설치되어 상부가이드부싱(38)을 지지하는 숄더(42)와; 상기 하부가이드부싱(40)내에서 각 방향으로는 고정됨과 동시에 축 방향으로는 제한적으로 이동되도록 장착된 드릴비트(44)와; 상기 하부가이드부싱(40)과 드릴비트(44)와의 사이에 설치되며, 케이싱(36)의 내측으로 나사산이 형성된 슬리브(46)와; 상기 하부가이드부싱(40)과 슬리브(46)와의 사이에 장착되어 드릴비트(44)가 분리되는 것을 방지하는 스톱링(48)과; 상기 드릴비트(44)의 섕크(50)에 충격을 가하도록 배치되며, 관통채널(52)을 구비한 피스톤해머(54)와; 상기 피스톤해머(54)의 왕복운동을 제어함과 동시에 압력챔버(56)를 교호적으로 가압 및 감압하는 밸브(58)와; 상기 밸브(58)를 감싸고 있음과 동시에 케이싱(36)의 후방 단부내로 나사가 형성된 후면헤드(60)를 구비한 밸브케이싱(62)과; 상기 밸브케이싱(62)의 내측으로 길이방향으로 가운데에 형성된 튜브(64)와; 상기 튜브(64) 상에 설치된 노즐(66)과; 상기 밸브케이싱(62)의 후면 헤드(60)에 지지되는 필터지지체(68)와; 상기 필터지지체(68)상에 내측으로 결합되는 백헤드(70)와; 상기 압력챔버(56)에는 밸브(58)에 의해 압력챔버(56)가 가압될 때 상기 피스톤 해머(54)를 전방으로 구동시키도록 형성된 피스톤영역(72)으로 이루어지는 굴착장치부로 구성된다.

즉, 본 발명의 실시예에서는 주입장치부의 3중로드(24)를 2중관로드(25)로 대체하여 사용한 점에 있어서 그 특징이 있음을 밝혀두는 바이다.

상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용한 지반 그라우팅공법은 대상 지반(G)에 청구항 2의 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)를 설치함과 동시에 지반(G)을 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)의 하단부에 위치한 드릴비트(44)를 이용하여 지반(G)을 일정한 깊이 및 직경으로 천공하는 단계; 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)의 스위벨(16)에 형성된 압축공기주입구(10), 그라우트재주입구(14)에 각각 압축공기, 그라우트재를 각각 주입함과 동시에 모니터(32)에 장착된 압축공기분사구(26), 그라우트재분사구(30)를 통하여 압축공기, 그라우트재를 함께 분사시켜, 지중에 고결체를 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

여기서, 상기 그라우트재는 경화발현재를 주성분으로 한 유동성의 현탁액을 A액으로 하고, 몬모닐로나이트 점토 광물과 알루미늄 분말을 주성분으로 한 유동성의 점성액을 B액으로 하고, 상기 A액 및 B액을 각각 별도의 믹싱장치에 의해 고압펌프 흡입구 부근에서 상기 A액과 B액을 혼합하여 고압분사구를 통하여 지반에 교반 침투하고 2차적으로 시멘트의 알칼리 성분과 알루미늄분말의 화학적 반응에 의해 발포로 인하여 그라우트재가 팽창되어 원지반과 그라우트재가 압밀되는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치와 이를 이용한 지반 그라우팅 공법은 대상 지반의 조건에 따라 2중관로드(25)나 3중관로드(24)를 선택하여 사용할 수 있음으로 장비사용의 폭을 넓힐 수 있는 이점이 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치와 이를 이용한 지반 그라우팅 공법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 지반천공과 그라우트재의 충전이 동시에 시행함으로 균등한 개량경이 형성되며, 인발속도 및 주입압에 따라 개량경의 크기를 임의로 조절할 수 있는 장점이 있다.

둘째, 본 발명은 균등하게 절삭된 개량공에 그라우트재를 압송 충전시키므로, 균질한 강도의 고결체가 형성되는 장점이 있으며, 특히, 전석층, 호박돌, 및 균열된 암반에 매우 양호하다.

셋째, 본 발명은 그라우트재가 저유동성이므로 개량하고자 하는 위치에서 이탈하지 않으며, 특히 전석층 및 호박돌 및 균열된 암반층에 매우 효과적이다.

넷째, 본 발명은 그라우트재의 배합에 따라 강도를 임의로 조절할 수 있으며, 전석층 및 호박돌 및 균열된 암반층에 고강도의 구근을 형성할 수 있는 이점이 있다.

다섯째, 본 발명은 지반의 특성에 따라 재료의 슬럼프치 및 배합비를 조정하여 강도를 조정할 수 있는 이점이 있다.

여섯째, 본 발명은 천공부위를 그라우트재의 주입으로 압밀 충전되므로 주위 지반이나 주변 건물에 대해 안전한 이점이 있다.

Claims

상부에 위치되며, 압축공기주입구(10), 초고압수주입구(12), 그라우트재주입구(14)가 형성된 스위벨(16)과, 상기 스위벨(16)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로(18), 초고압수통로(20), 그라우트재통로(22)가 형성된 3중관3중관로드(24)와, 상기 3중관로드(24)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기분사구(26), 초고압수분사구(28), 그라우트재분사구(30)가 형성된 모니터(32)와, 상기 모니터(32)의 내측면 하단부에 설치된 볼밸브(34)로 이루어지는 주입장치부와;

상기 모니터(32)의 하부와 결합되며, 원통형상으로 이루어진 케이싱(36)과, 상기 케이싱(36)내 하단부에 위치되며 상하로 배치되는 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40)과, 상기 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40)간에 설치되어 상부가이드부싱(38)을 지지하는 숄더(42)와, 상기 하부가이드부싱(40)내에서 각 방향으로는 고정됨과 동시에 축방향으로는 제한적으로 이동되도록 장착된 드릴비트(44)와, 상기 하부가이드부싱(40)과 드릴비트(44)와의 사이에 설치되며, 케이싱(36)의 내측으로 나사산이 형성된 슬리브(46)와, 상기 하부가이드부싱(40)과 슬리브(46)와의 사이에 장착되어 드릴비트(44)가 분리되는 것을 방지하는 스톱링(48)과, 상기 드릴비트(44)의 섕크(50)에 충격을 가하도록 배치되며, 관통채널(52)을 구비한 피스톤해머(54)와, 상기 피스톤해머(54)의 왕복운동을 제어함과 동시에 압력챔버(56)를 교호적으로 가압 및 감압하는 밸브(58)와; 상기 밸브(58)를 감싸고 있음과 동시에 케이싱(36)의 후방 단부내로 나사가 형성된 후면헤드(60)를 구비한 밸브케이싱(62)과, 상기 밸브케이싱(62)의 내측으로 길이방향으로 가운데에 형성된 튜브(64)와, 상기 튜브(64) 상에 설치된 노즐(66)과, 상기 밸브케이싱(62)의 후면헤드(60)에 지지되는 필터지지체(68)와; 상기 필터지지체(68)상에 내측으로 결합되는 백헤드(70)와; 상기 압력챔버(56)에는 밸브(58)에 의해 압력챔버(56)가 가압될 때 상기 피스톤해머(54)를 전방으로 구동시키도록 형성된 피스톤영역(72)으로 이루어지는 굴착장치부로 구성됨을 특징으로 하는 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치.
상부에 위치되며, 압축공기주입구(10),그라우트재주입구(14)가 형성된 스위벨(16)과, 상기 스위벨(16)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기통로(18),그라우트재통로(20)가 형성된 2중관로드(24)와, 상기 로드(24)의 하부에 장착됨과 동시에 각각 연통되며, 압축공기분사구(26),그라우트재분사구(28)가 형성된 모니터(32)와, 상기 모니터(32)의 내측면 하단부에 설치된 볼밸브(34)로 이루어지는 주입장치부와;

상기 모니터(32)의 하부와 결합되며, 원통형상으로 이루어진 케이싱(36)과, 상기 케이싱(36)내 하단부에 위치되며 상하로 배치되는 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40)과, 상기 상ㆍ하부가이드부싱(38, 40) 간에 설치되어 상부가이드부싱(38)을 지지하는 숄더(42)와, 상기 하부가이드부싱(40) 내에서 각방향으로는 고정됨과 동시에 축방향으로는 제한적으로 이동되도록 장착된 드릴비트(44)와, 상기 하부가이드부싱(40)과 드릴비트(44)와의 사이에 설치되며, 케이싱(36)의 내측으로 나사산이 형성된 슬리브(46)와, 상기 하부가이드부싱(40)과 슬리브(46)와의 사이에 장착되어 드릴비트(44)가 분리되는 것을 방지하는 스톱링(48)과, 상기 드릴비트(44)의 섕크(50)에 충격을 가하도록 배치되며, 관통채널(52)을 구비한 피스톤해머(54)와, 상기 피스톤해머(54)의 왕복운동을 제어함과 동시에 압력챔버(56)를 교호적으로 가압 및 감압하는 밸브(58)와, 상기 밸브(58)를 감싸고 있음과 동시에 케이싱(36)의 후방 단부내로 나사가 형성된 후면헤드(60)를 구비한 밸브케이싱(62)과, 상기 밸브케이싱(62)의 내측으로 길이방향으로 가운데에 형성된 튜브(64)와, 상기 튜브(64)상에 설치된 노즐(66)과, 상기 밸브케이싱(62)의 후면헤드(60)에 지지되는 필터지지체(68)와, 상기 필터지지체(68) 상에 내측으로 결합되는 백헤드(70)와, 상기 압력챔버(56)에는 밸브(58)에 의해 압력챔버(56)가 가압될 때 상기 피스톤해머(54)를 전방으로 구동시키도록 형성된 피스톤영역(72)으로 이루어지는 굴착장치부로 구성됨을 특징으로 하는 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치.
대상 지반(G)에 청구항1의 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)를 설치함과 동시에 지반(G)을 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)의 하단부에 위치한 드릴비트(44)를 이용하여 지반(G)을 일정한 깊이 및 직경으로 천공하는 단계;

상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)의 스위벨(16)에 형성된 압축공기주입구(10), 초고압수주입구(12), 그라우트재주입구(14)에 압축공기, 초고압수, 그라우트재를 각각 주입함과 동시에 모니터(32)에 장착된 압축공기분사구(26), 초고압수분사구(28) 및 그라우트재분사구(30)를 통하여 압축공기, 초고압수 및 그라우트재를 함께 분사시켜, 지중에 고결체를 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용한 지반 그라우팅공법.
제 3항에 있어서,

상기 그라우트재는 경화발현재를 주성분으로 한 유동성의 현탁액을 A액으로 하고, 몬모닐로나이트 점토 광물과 알루미늄 분말을 주성분으로 한 유동성의 점성액을 B액으로 하고, 상기 A액 및 B액을 각각 별도의 믹싱장치에 의해 고압펌프 흡입구 부근에서 상기 A액과 B액을 혼합하여 고압분사구를 통하여 지반에 교반 침투하고 2차적으로 시멘트의 알칼리 성분과 알루미늄분말의 화학적 반응에 의해 발포로 인하여 그라우트재가 팽창되어 원지반과 그라우트재가 압밀되는 것을 특징으로 하는 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용한 지반 그라우팅공법.
대상 지반(G)에 청구항2의 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)를 설치함과 동시에 지반(G)을 상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)의 하단부에 위치한 드릴비트(44)를 이용하여 지반(G)을 일정한 깊이 및 직경으로 천공하는 단계;

상기 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치(A)의 스위벨(16)에 형성된 압축공 기주입구(10), 그라우트재주입구(14)에 각각 압축공기, 그라우트재를 각각 주입함과 동시에 모니터(32)에 장착된 압축공기분사구(26), 그라우트재분사구(30)를 통하여 압축공기, 그라우트재를 함께 분사시켜, 지중에 고결체를 형성하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용한 지반 그라우팅공법.
제 5항에 있어서,

상기 그라우트재는 경화발현재를 주성분으로 한 유동성의 현탁액을 A액으로 하고, 몬모닐로나이트 점토 광물과 알루미늄 분말을 주성분으로 한 유동성의 점성액을 B액으로 하고, 상기 A액 및 B액을 각각 별도의 믹싱장치에 의해 고압펌프 흡입구 부근에서 상기 A액과 B액을 혼합하여 고압분사구를 통하여 지반에 교반 침투하고 2차적으로 시멘트의 알칼리 성분과 알루미늄분말의 화학적 반응에 의해 발포로 인하여 그라우트재가 팽창되어 원지반과 그라우트재가 압밀되는 것을 특징으로 하는 지반굴착 및 그라우트재 주입용 장치를 이용한 지반 그라우팅공법.