KR100764590B1

KR100764590B1 - 플라즈마 유리화 기술을 이용한 차수 그라우팅 공법

Info

Publication number: KR100764590B1
Application number: KR1020050039025A
Authority: KR
Inventors: 오범용; 한민호
Original assignee: 건양씨엔이 (주)
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2007-10-08
Also published as: KR20060116562A

Abstract

본 발명은 전극을 차수 보강 처리하고자 하는 지층의 깊이까지 삽입 설치한 후, 박리 흑연과 유리 원료를 혼합한 전도성 물질을 주입한 후, 전압을 걸어 주어 박리 흑연층에 전류를 흘려주면, 그 결과 발생한 열이 박리 흑연과 주위의 토양을 섭씨3,000도 정도까지 상승시키게 되는데, 이 때 흑연으로 된 전도성 물질은 산화되어 소모되고 전류가 용해된 토양으로 흐르면서 유리 원료에 의해 유리화 지역이 확산되어 가는 것을 이용하여 지층을 세라믹화, 유리결정화 시켜, 영구적인 차수 및 보강효과를 거둘 수 있도록 개발한 플라즈마 유리화 기술을 이용한 차수 그라우팅 공법 (TPG 차수그라우팅공법) 에 관한 것이다.

차수 그라우팅 공법. 플라즈마. 전극

Description

플라즈마 유리화 기술을 이용한 차수 그라우팅 공법{The methods of earth grouting for dam up a groundwater used by the technics of plasma glassification}

도1 본 발명의 제1공정 상세도

도2 본 발명의 제2공정 상세도

도3 본 발명의 제3공정 상세도

도4 본 발명의 제4공정 상세도

도5 본 발명의 세라믹캡 고정판 측면상세도

도6 본 발명의 세라믹캡 고정판 평면 상세도

도7 내지 도 12 은 종래의 지반보강공정 상세도

도면의 부호 설명

보링천공파이프(1), 세라믹캡고정몸체(15), 보강재주입파이프(2), 에어배출파이프(3), 전극(4), 세라믹캡(10), 세라믹캡고정판(11), 세라믹캡고정통공(12), 세라믹캡고정핀(13),세라믹캡중앙통공(17), 고압배송파이프(21), 전선(22), 플라즈마장비운송차(30), 보강재 압송설비(31), 플라즈마배전설비(32), 유리화물질+박리흑연(100), 수문(A), 누수점토층(B), 암반층(C), 제방상부면(D), 유리화고결차수층(E), 보링천공(F).

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본 발명은 플라즈마 유리화 기술을 이용한 차수 그라우팅 공법에 관한 것으로서, 보다 상세히 설명하면, 댐이나 저수지 제방 및 해안 제방 등에서 차수를 목적으로 하는 지반 그라우팅공법의 일종으로서, 제방 토층을 유리 결정화하여 영구적인 차수 및 보강효과를 거둘 수 있도록 개발한 플라즈마 유리화 기술을 이용한 차수 그라우팅 공법에 관한 것이다.

본 발명이 사용하는 용도는 가시설 및 건물신축공사, 지하철공사, 통신구건설공사, 전력구건설공사, 차집관로, 하수관로등 상하수도 설치시 자체지내력 확보와 차수를 동시에 확보할 필요가 있을 경우, 그리고 제방 차수보강공사, 제방 기존구조물 및 배수통문 설치시 차수와 지반보강을 동시확보 할 때, 연약지반 차수 및 지반보강을 동시 사용시, 쓰레기매립장 연직 차수벽 설치 및 영구적으로 차단벽 설치시(무기질계 지반주입재), 바닷가 차수 및 지반보강 적용시, 바닷가 방파제 기초보강(급결성이 요구될 때)이 있다.

일반적으로 차수 및 지반보강공 은 지하터파기 공사시 차수벽 설치나 연약지반 개량 공사시 지반 보강 그라우팅을 실시하여 지하수 누출로 인한 토립자 유실 및 지반침하로 인한 주변건물의 균열을 방지하고, 토립자를 고결시켜 차수벽 및 지반강도를 증진하는데 그 목적이 있으며, 용도는 가시설 및 건물신축공사, 지하철공 사, 통신구건설공사, 전력구건설공사, 차집관로, 하수관로등 상하수도 설치시 자체지내력 확보와 차수를 동시에 확보할 필요가 있을 경우, 그리고 제방 차수보강공사, 제방 기존구조물 및 배수통문 설치시 차수와 지반보강을 동시확보 할 때, 연약지반 차수 및 지반보강을 동시 사용시, 쓰레기매립장 연직 차수벽 설치 및 영구적으로 차단벽 설치시(무기질계 지반주입재), 바닷가 차수 및 지반보강 적용시, 바닷가 방파제 기초보강(급결성이 요구될 때) 등이 있다.

종래에 알려진 공법을 살펴보면, 첫 번째, 약액주입공법이 있으며, 주입공법은 주사바늘을 사용하여 체내에 주사하는 것처럼 비교적 가는 관(주입관이라고 한다)을 사용하여 여러 가지의 주입재(그라우트라고 한다)를 지반 속에 압력을 걸어서 넣는 것이다. 그리고 지반 속의 간극, 공동, 균열 등을 메워서 그 지수성이나 강도증가를 꾀하는 지반개량공법의 하나이다.

연약지반 대책으로서의 주입공법의 대상지반은 도시 토목에서의 충적층이나 산악터널에서의 화산분출물이나 대수성의 강풍화암층에 대표되는 미고결성지반이다. 그 주입목적이나 지반조건, 주입효과에 대한 요구도에 따라서는 할열주입을 주체로 한 비교적 약한 층을 개량하는 것만으로 충분한 경우도 있지만, 그 굴착시의 사고의 대부분은 부분적으로는 충분히 고결되어 있지만, 고결의 불연속부분에서 용수가 발생하여 토사의 유실, 그리고 전체적 붕괴에 이르는 수가 많다. 따라서 미고결성 지반에의 주입은 고결체끼리의 연속성을 어떻게 높이느냐가 중요하며, 설계ㆍ시공 면에서의 유의사항이 된다.

주입공법은 간편 신속, 또 그 설비도 콤팩트하기 때문에 다른 공법에서는 흉 내낼 수 없는 유리한 면을 많이 가지고 있다. 그러므로 도시 토목공사, 산악공사에서의 굴착시의 가설로서 예부터 널리 사용되고 있으며, 수많은 실적도 남기고 있다. 주입공법의 종류 및 용도는 매우 다양하다. 그러므로 주입재의 지반 속에 들어가기 혹은 넣기에 따라서 분류하면 침투주입, 맥상주입, 충전주입, 치환주입으로 구분되며 도7과 같이 된다.

침투주입은 약액주입공법의 주류를 이루는 것으로 주입재가 토립자의 골격을 산란시키는 일없이 토립자간극에 침투하여 주입한 주입재는 소정의 시간(겔타임이라고 한다)에 고결하여 지반을 다진다. 이것은 약액주입 이상으로 하는 주입형태이며, 사질지반 등의 투수성의 지반을 대상으로 하고 있다. 이 침투주입에 의한 지반개량의 기구는 약액이 토립자간에 차지하고 있는 물이나 공기를 약액으로 밀어내서 치환하는 것이다. 이것은 기계적으로 흙과 고화재를 혼합 교반하던가, 중기를 사용하여 흙을 다지는 다른 지반개량과 개량기구가 크게 달라서, 원래지반이 가지고 있는 토립자 간의 맞물림을 그대로 이용하는 특징을 가지고 있다.

맥상주입은 이미 지반 내에 존재하는 균열 혹은 크랙이나 새로운 주입압 등에 의해 지반을 할열한 극간에 주입재가 침입해서 맥을 형성하여 고결하는 것이다. 암반주입에서는 이미 존재하고 있는 크랙에 주입재를 충전해서 수밀성을 높이는데 사용되고 있지만, 일반의 연약지반에서는 과잉한 주입압이나 주입속도 등에 의해서 지반에 생긴 터짐매에 주입재를 밀어 넣음으로서, 개량하는 것을 말하고 있다. 암반공학의 분야에서는 이전부터 원유의 채취나 지역발전 등을 실시할 경우에는 지반의 수압파쇄를 목적으로한 할열주입이 실시되고 있지만, 지반주입에서는 연약점토 지반을 대상으로 해서 시멘트 계의 주입재가 이용되어 건물의 침하억제 등을 목적으로서 이용되고 있다.

충전주입은 주입재를 지반 속에 충만시키는 주입이다. 이 때 지반 내에 충전하는 부분이 미리 공동으로 존재하고 있을 경우에는 문자대로 공동충전이며 지반침하 등에 의해 생긴 건물과 지반과의 극간에 그라우트를 채울 경우는 충전주입이 된다. 한편 강제압입형이라고도 불러야할 충전주입방법이 근년 콤팩션 그라우팅공법이라는 이름으로 도입되고 있다. 이 방법은 지반 속에 공동을 강제적으로 발생시키고 그 부분을 주입재로 채우는 주입이다. 할열이 생기지 않게 공동을 만드는 데는 극히 비유동성의 주입재를 비교적 높은 압력으로 지반에 주입하므로서 달성된다. 이렇게 하므로서 주입재가 지반 내에서 마주 하는 일없이 거의 계획대로의 장소에 괴상의 고결체를 만들 수가 있다. 주입재로서는 슬럼프 0~3cm 정도의 시멘트계 소일모르타르 이고, 그 배합은 시멘트, 흙, 역분, 물로 구성되어 있다. 이와 같이 주입재가 유동하기 어렵기 때문에 그 고결체는 괴상 내지는 주상으로 경화되어서 지반전체가 융기하고 있는 것이 된다. 이 성질을 적극적으로 이용해서 기설의 지하구조물이나 건조물의 부등침하의 수정에 이용하고 있다. 또 구조물의 언더피닝도 가능하다.

치환주입은 주입범위의 흙을 고압분사 등에 의해서 배출시키고, 그 배토된 부분에 주입재를 충진시키는 방법이다.

현재 사용되고 있는 주입방식은 주로 단관로드주입, 2중관단상주입, 2중관복상주입, 2중관더블파커주입의 4종류가 있다. 이들은 기본적인 사고법에 차이는 없 지만, 장치나 주입재의 조합 증의 점에서 조금씩 특징을 달리하고 있다. (도8참조)

현재 국내 건설현장에서 쓰여지고 있는 주입공법으로서는 물유리계 약액(LW, SGR),우레탄 등이 단독 또는 병행되어 쓰이고 있다. 그러나 선진국에서는 이보다 훨씬 개선, 발전된 공법들이 여러 가지이용되고 있으며 난공사구간에는 주입공법과 병행하여 인공동결공법이 쓰여지고 있는 실정이다. 기울어진 건물의 원상복구를 위한 몰탈 또는콘크리트를 주재료로 한 주입공법이 있다. 비유동성 재료를 다수의 주입구로 주입시키는 소위 캠팩션그라우팅공법이 바로 그것인데 미국에서 실용화되고 일본에서도 부등침하한 건물의 원상복구 실적만도 10여건에 이른다. 국내에서도 최근 포항지방 초연약지반상의 기울어져 철거단계에 있는 5층 아파트 건물을 원상복구하여 사용한 시공사례가 있다. 제한된 공간 복잡한 지하매설물등 여러 가지 악조건하에서 성공리에 지하 굴착공사를 수행하기 위해서는 여러 가지 지반주입공법 중에서 공사규모나 중대성, 공사비용, 공사기간, 토질조건, 현장시공여건 등을 감안하여 적합한 공법을 채택하고 채택된 공법의 정확한 적용방법을 알아야 한다.

약액주입이란 지반내에 주입관을 삽입, 이것을 통하여 화학약액을 지중에 압송, 충전시켜 일정한 시간을 지중에 압송, 충전시켜 일정한 시간을 경과시키면 지반이 고결되는 것으로서, 지반의 불투수화(차수, 지수)또는 지반강도증대를 그 목적으로 한다. 현행 일반화된 약액으로는 물유리 약액이 대부분으로서 차수 목적의 경우는 물유리만,지반강도증대 목적의 경우는 시멘트를 병행하여 사용된다. 한편 댐 그라우팅, 터널이입 그라우팅 등에 적용 되어온 시멘트 그라우팅이란 시멘트 현 탁액을 펌프로 압송하여 지반내에 고결시키는 것을 말하며, 이때 시멘트와 물은 수화반응을 일으켜 sol로부터 gel로 되는데 이때 원하는 시간은 온도에 따라 다르나 대략 몇 시간의 단위이며, 연속적으로 압송할 경우는 주입가능한 공극이 막히지만 않는다면 시멘트 그라우트의 세트되는 장소도무한히 멀어지게 한다. 이와같이 주입공법은 직접적인 차수공 또는 지반개량공으로서, 비교적 간편하게 소규모로도 실시할 수 있고 소음, 진동, 교통난 등의 공해가 적으며, 더욱 공기가 짧고 타공법으로는 달성 불가피한 것도 시공할 수 있는 특징을 갖고 있다. 본 공법은흙막이공의 바닥의 히빙방지, 도심지 근접시공에 있어서는 지반굴착시 인접건물의 언더피닝, 토류벽의 토압감소, 그리고 마찰말뚝, 선단지지말뚝, 피어기초의 지지력 보강과 댐기초의 지수, 쉴드터널 굴진, 대단위 지하철 건설공사에서는 터널 굴진시 지반붕락 방지 등에있어서 광범위하게 적용되고 있으며, 지반진동을 경감하기 위한 대책으로서도 쓰이고 있어 최근에는 점차 본격적, 항구적 지반개량공법으로 되어가고 있다.

두 번째, 소결공법은 점토질 연약지반속에 보링구멍을 천공하고, 그 속을 가열하여 주위의 흙을 소결하는데 따라 흙의 강도증가, 압축성의 감소 등 흙의 공학적 성질의 개량을 도모하는 것이다. 이 공법은 점토를 달구면 벽돌이 된다는 원리로 옛부터 알려진 것이나, 그 소결과정에서의 흙의 물리적, 화학적 변화 및 흙의 역학적 변화는 복잡하다.이와 같이본 공법의 원리는 옛부터 알려져 있지만, 실제로 지반개량공법으로서 개발된 것은 극히최근의 일이다. 이 공법의 개발은 우선 I.M. Litvinov(1963)을 중심으로 하는 소련의 기술자들에 의해 개발되었으며, 소련에서 현재 본 공법은그 효과와 경제성에서 다른 공법에 비교될 만 한 것으로 알려졌다. 특히, 일본에서는 일본의 국유철도에서 실용화가 진행되었으며, 실시 예는 많지 않지만 연약지반 개량에 유효한 공법으로 발전이 기대되는 공법이다.

소결공법에 의한 연약지반의 개량은 지반의 수직, 수평, 경사 등 상황에 따라 효과적으로 굴착하여 보링구멍을 형성한 후, 가열은 연료를 보링구멍내에서 연소시켜 직접가열하는 방법과 구멍밖에서 가열된 고온의 공기를 구멍내에 압입하여 지반을 가열하는 방법이 있다.

소결공법의 특징은 처리 후 흙의 강도증가 및 압축성의 감소가 다른 연약지반개량공법에 비교하여 큰 반면, 그 만큼의 에너지가 필요하여 경제적인 단점이 있다. 또 본 공법이 해외에서 성공을 거둔 예는 주로 불포화토의 경우이고, 지하수위가 높고, 대단히 연약한 경우의 지반개량에 대해서는 여러 가지 문제점이 남아 있다.소결공법이 효과적으로 적용되는 예로서 다음과 같은 경우가 있다.

노상, 노반의 강화, 절취사면의 안정, 지반활동의 방지, 건물, 장비, 굴뚝기초 등의 지지력의 증가, 침하방지, 부등침하를 받는 구조물의 회복 등.(도9참조)

세 번째, 동결공법은 지반속의 간극수를 인공적으로 얼음으로 바꾸어서 지반을 고화시켜 이 동결지반을 공사중의 일시적인 차수벽, 내력벽으로서 이용하는 것이 동결공법이다. 적용이 가능한 지반은 사력층, 연약토층, 피압수층 등을 포함하여 모든 토층이다. 1862년에 영국의 광산용 수직갱 건설에서 대수층의 붕괴방지에 세계에서 처음으로 동결공법이 이용되었다. 도시토목공사에 쓰였던 보기로는 1886 년 스웨덴에서 연장 24km의 지하도건설이 세계에서 처음일 것이라고 생각된다. 지금도 독일, 미국, 캐나다, 중국 등에서 수직갱 건설공사나 도시토목에 이용되고 있다.

일본에서 처음으로 동결공법이 채용되었던 것은 1962년 오사카에서의 하저횡단 수도관부설공사이다. 외국에 비하여 지중온도가 높고, 지반조건도 좋지 않다고 하는 불리한 조건 아래에서 일본 자체의 독자적인 발전을 해왔다. 개발 당초에는 터널의 하저횡단공사에 쓰이는 일이 많았으나 1970년대경부터는 실드공사의 증가에 따라서 실드의 발진부, 도달부, 급곡선부, 지중 접합접속부의 방호를 위한 동결공법의 적용이 늘어나서 오늘날에는 시공실적의 대부분을 차지하고 있다. 도시터널의 건설공사가 대구경화, 대도심화되는 가운데 특히 사력지반속에서의 높은 수압에 대하여 완전한 차수벽을 목적으로 해서 적용되는 일이 눈에띄게 되었다.

동결 대상지반속에 매설한 동결관이라고 부르는 직경 10cm전후의 강관 속에 빙점 이하의 저온액을 계속 공급하면 관의 표면에서부터 주변의 지반이 냉각되어 동심원형으로 동토가 성장한다. 도10에서 보는 바와같이 적당한 간격으로 동결관을 매설해 놓으면 각자의 관을 중심으로 한 나이테 모양으로 동토의 기둥이 성장하여 드디어는 이웃하는 동토의 기둥이 서로 합체되어 일련의 동토벽으로 된다.

굴착의 형상에 따라서 동결관을 지상 또는 수직갱 등으로 매설함으로서 도11에 예시하는 바와 같은 동토벽을 완성시킨다. 동토의 형상은 동결관만 매설할 수 있으면 전동토형, 원통형, 상자형, 문형 등 공사내용에 따라서 자유롭게 형성시킬 수 있다. (도11참조)

동결방식은 동결관에 공급하는 저온액의 차이에 따라서 도12에서 보는 2가지 방식으로 나누어진다. 브라인방식은 브라인(염화칼슘용액:비중 1.286에서 빙점 -55℃)을 압축기, 응축기, 냉각기 등으로 되어 있는 냉동사이클에 의해서 -25 ~ -35℃로 냉각하여 이것을 순환펌프로 동결관 속으로 순환시킴으로서 지반을 냉각시킨다. 액체질소방식은 액체질소(비등점 -196℃)를 직접 동결관으로 흘려넣어 주로 그 기화열로 지반을 냉각시킨다. 일본에서는 대부분의 시공이 브라인방식이며 냉각기 100마력당의 대상동결토량은 400~700 m³정도이다. 냉각탑 이외의 기기는 유니트화되어 현장에서는 방음벽을 설치한 기계실에 수용된다. 삭제된부분 대상동결토량이 200m³ 이하로서 단기간의 소규모공사에서만 액체질소방식이 사용된다는 것이다.(도12참조)

열에 의한 지반개량인 동결공법에는 다음과 같은 특징이 있다. 가장 큰 이점은 동토의 역학적 강도가 커서 흙의 강도는 동결에 따라서 100배 가까이나 증가되므로 토수압에 대항하는 내력벽으로서 이용할 수 있다는 것이다. 또 강재나 콘크리트 등의 동착력(접합력)도 크므로다른 부재와 연속된 차수벽·내력벽 으로서 이용할 수 있다. 그 밖의 이점으로서는 열이 높은 곳에서 낮은 곳으로 흐르고자 하는 성질을 이용하기 위하여 균질하지 못한 지반에서도 균일 두께의 동토벽이생긴다. 또 지반을 굳히는 데에 열 이외에 약제 등을 쓰지 않으므로 공사중에는 물론 공사의 완료 후에도 지반의 오염이 없다는 것 등을 들 수 있다.

한편 단점으로서는 흙에 따라서는 동결될 때에 체적이 팽창하고 해동될 때에 는 반대로 수축하여 근처의 기설구조물에 영향을 미치는 경우가 있다는 것이나 어떤 특정의 유속 이상의 지하수류가 존재하는 경우에는 동토벽을 완성하기 위하여 유속의 완화대책이 필요하게 되는 것 등을 들 수 있다. 지반의 열전도를 이용하기 위하여 필요한 동토벽을 조성하는 데에는 어느 기간이 필요하게 되는 것도 다른 공법과 비교할 때에는 결점으로 꼽을 수도 있다.

네 번째, 전기고결공법은 통전에 의하여 상기의 전기침투현상이 일어남과 동시에 간극수중에 원래 존재하던가 인위적으로 투입한 전해질 이온 또는 콜로이드 물질 등은 전하의 부호에 응하여, 각각의 극으로 전기영동을 시작한다. 이것들은 애당초 인위적으로 투입한 타물질 또는 자연적으로 토중에 존재하는 물질과 반응하여 침전 고결현상을 일으킨다. 전기 고결공법은 모두 이 기구를 응용한 것으로서 대표적인 것으로는 알루미늄 전극법과 전기주입법의 두 가지가 있다.

알루미늄 전극법은 지중에 삽입하는 전극재료로서 알루미늄을 사용하는 경우, 탈수작용에 더하여 극재료에서 전해된 알루미늄을 토립자 간극에 침전 고화시키는 전해고결작용이 일어난다. 그 고결원리는 명확하지는 않지만 우선 예상되는 것으로는 전기침투탈수에 의거한 전체적인 강도증가와 더불어 부분적 탈수속도의 차이에 의해 생기는 국부적인 고결층의 형성, 그리고 전극 알루미늄의 용해에 의한 수산화 알루미늄의 석출과 아울러, 알루미늄이온과 점토 입자 표면과 사이의 이온 교환에 의한 토질변화 등을 들 수 있다.

토양콜로이드는 음양의 이온 및 물을 흡착하고 있으며, 토중 통전에 의하여 흡착하고 있는 Na⁺ . K⁺ , Ca₂ ⁺ , Al₃ ⁺ 등의 양이온은 음극을 향하여 이동하고, 거기에서 금속을 석출하여 H₂ 가스를 방출하며, NaOH, KOH 등을 발생시킨다. 따라서 음극 부근은 알카리성 지대로 된다. 한편 토중의 SO₄ ^2- , Cl^- , CO₃ ^2- 등의 음이온은 양극을 향하여 이동하고, O₂ , Cl₂ 가스를 방출하며, H₂SO₄ , H₂CO₃ 등이 생겨서 부근은 산성지대로 된다. 산성지대인 양극측의 극재료로서 알루미늄을 사용하면, 알루미늄은 이온화하여 용출하고, 존재하는 SO₄ ^2- 등과의 반응에 의하여, Al³⁺ , H⁺ , SO₄ ^2- , Al₂ (SO₄)₃가 공존한 상태로 된다. 또 알카리성 지대인 음극측에서는 Al³⁺ 는 Al(OH)₃ 의 모양으로 존재하며, NaOH와 반응하여 Na⁺ , Al³⁺ , OH^- , AlO₂ ^- 의 공존 상태에서 용해하고 있다.

이들 양지대의 중간부에서는, 그 산성측의 Al³⁺ 는 OH^- 와 반응하여 Al(OH)₃ 을 석출하고, 알칼리성측의 AlO₂ ^- 는 H⁺ 및 H₂O와 반응하여 역시 Al(OH)₃ 을 석출한다. 이것들은 가열이나 탈수 등의 물리학적 원인에 의하여 결정성 Al(OH)₃ 으로 되고, 다시 결정성인 보기사이트, 알루미나로 변화해 간다.

이들 물질은 물에 용해되지 않고, 또 화학적으로 안정하다. 또 상기한 것으 로서 그 생성위치는 간극수의 pH에 지배되어 변한다는 것을 알 수 있다. 전기침투탈수뿐인 경우는 증가한 흙의 강도는 재차 물을 흡수하면 연화되지만, 상기한 공법의 경우에는 처리토가 극히 불투수화되어 있고, 물에 담가도 장기간에 걸쳐 고결상태를 유지하여, 스레이킹을 일으키는 일이 없다. 따라서 본 공법은 기초지반이나 말뚝지지력 개선 등에 이용되는 수가 많다.

전기주입법은 전극 자체의 용출은 아니고, 각종의 경화성 액체를 인위적으로 전극부근에 보급하여, 이것을 전기침투적으로 또는 전기영동적으로 토중에 주입하여 지반의 고결화를 도모하는 방법이 전기적 주입고결법이다. 그 특징은 보통의 기계적 주입으로는 실시 불가능한 세립지반에도 적용되는 점과 주입재를 임의의 방향으로 유도할 수 있는 점이다.

이 경우 재료의 토중 이동기구는 다음의 둘로 대별된다.

- 전기침투에 의한 간극수의 탈수이동에 따라 액체인 채로 유도된다.

- 비전해질재료 자체의 극성, 전해질 이온의 극성에 의해서, 대응전극의 방향으로 전기영동적 이동을 한다.

사용재료의 성질에 따라서, 그 어느 한쪽이거나 또는 쌍방이 동시에 야기된다.

이 공법의 가장 대표적인 예로서, 물글라스 전기주입법이 있다. 음극으로 보급한 물이 물글라스 (NaHSO₃)을 액체인 채로 또는 SiO₃ ^2- 의 형으로 양극의 방향에 유도하고, 이것이 토중의 Ca ²⁺, Mg ²⁺ 와 반응하며, 규산 겔을 생성하고 침전 고화 되는 것이다. 또한 적극적인 고결법으로서, 물글라스와 염화칼슘을 사용하여, 그 전해 중합을 도모하는 방식도 있다. 양극에 CaCl 2 을 삽입하면 Ca ²⁺ . Cl로 해리하여 Ca ²⁺ 는 음극으로 영동하고, 한편 음극에 삽입한 NaHSO ₃ 은 Na ⁺ , SO ₃ ^2- 로 해리하여, SO₃ ^2-는 양극으로 이동하는 것에서, 상방의 이온이 양극간의 토중에서 회합하여 CaSiO₃ 가 생겨 침전경화가 일어나는 것이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 기술들은 한국지반 및 토양에 적용하기 어려워 실제적으로 사용시 많은 문제점을 갖고 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 차수 및 지반보강공 및 지하터파기 공사시, 차수벽 설치나 연약지반 개량 공사시 지반 보강 그라우팅을 실시하여 지하수 누출로 인한 토립자 유실 및 지반침하로 인한 주변건물의 균열을 방지하고, 토립자를 고결시켜 차수벽 및 지반강도를 증진하는 플라즈마 유리화 기술을 이용한 차수 그라우팅 공법을 제공하는 것이 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제인 것이다.

또한 본 발명은 누수 발생의 원인이 불분명하며 누수의 면적이 넓으면서 산발적으로 흘러나오는 누수문제와 지반침하 및 연약 지반 등에 대한 보수 보강공법이다. 지하수가 구조물 내부로 누수가 발생할 때 구조물 내부에서 유리화 원료를 토사층까지 천공하여 주입하면서 플라즈마 유리화 기술을 응용하여 토사층을 유리화시키고 지하수 유속이 없도록 지반을 유리결정화시켜 지반보강과 동시에 지수의 목적을 달성함으로서 신뢰성을 극대화 할 수 있는 공법이다.

상기와 같은 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은 댐이나 저수지 제방 및 해안 제방 등에서 차수를 목적으로 하는 지반 그라우팅공법의 일종으로서, 플라즈마 유리화 기술을 이용하여 제방 토층을 세라믹화하여 영구적인 차수 및 보강효과를 거둘 수 있도록 개발한 공법 기술이다.

본 발명에서 사용되는 플라즈마유리화 에 사용되는 재료는 유리화 되기 쉬운 실리카계열 물질에 철분, 석회 등의 보강화 물질을 추가한 것을 사용한다.

본 공법에 사용되는 플라즈마 유리화 기술의 원리는 전극을 차수 보강 처리하고자 하는 지층의 깊이까지 삽입 설치한 후, 박리 흑연과 유리 원료를 혼합한 전도성 물질을 주입한 후, 전압을 걸어 주어 박리 흑연 층에 전류를 흘려주면, 그 결과 발생한 열이 박리 흑연과 주위의 토양을 섭씨3,000도 정도까지 상승시키게 되는데, 이 때 흑연으로 된 전도성 물질은 산화되어 소모되고 전류가 용해된 토양으로 흐르면서 유리 원료에 의해 유리화 지역이 확산되어 가는 것을 이용하여 지층을 세라믹화, 유리결정화 시키는 것이다.

본 공법은 크게 4가지 작업 공정으로 나눌 수 있다.

첫 번째 공정(도 1. 참조)은, 구경 D=100mm 150mm 정도의 보링(천공)을 시공 계획 심도까지 목적에 따라 다수공을 천공한다. 이 때 유리화 물질의 확산 범위를 토질 및 지반 상태에 따라 설계 계산하여 보링 간격을 정한다.

두 번째 공정(도 2. 참조)은, 박리 흑연을 유리화 물질의 혼합 재료 등을 적정한 Gel 化 재료를 사용하여 Gel 化 한 후, 고압 주입장비를 이용하여 보링 천공한 Hole에 주입하여, 소정의 위치까지 주입 완료한다.

세 번째 공정(도3. 5. 참조)은 도 5. 에 도시한 세라믹캡(Ceramic Cap) 및 세라믹관(Ceramic Pipe)을 보링 Hole 상부에 맞춰 설치하는 작업으로, 플라즈마 유리화 공정으로 인한 고열에도 견딜 수 있도록 세라믹으로 제작한 캡(Cap)과 길이50 cm 60 cm 정도의 재활용이 가능한 세라믹관과 세라믹캡의 중앙 부분에 삽입하도록 되어 있는 전극과 보강재 주입 파이프(세라믹 재질로 되어 있는 파이프), 에어배출 파이프(세라믹 재질의 에어벤트관)로 구성되어 있으며, 시공 작업 도중에 세라믹캡이 지면에서 이탈되지 않도록, 세라믹캡 고정핀을 지면에 삽입 할 수 있도록 되어 있는 세라믹캡 고정판으로 구성되어 있다.

세라믹캡을 보링 천공한 Hole 에 정착시킨 후, 전극 (구리봉 또는 철봉 등의 소재)을 보링 천공한 Hole의 시공 계획 심도까지 삽입 설치한다.

그리고 세라믹관으로 이루어진 보강재 주입 파이프를 유리화 물질 및 박리 흑연에 혼합 주입된 소정 위치의 상부까지 주입한 후, 세라믹관으로 이루어진 에어배출 파이프를 세라믹캡 하부 깊이까지 삽입 설치한다. 그 다음에 시공 작업 현장으로 이동시킨 보강재 압송설비 및 플라즈마 배전설비를 적재한 차량에서 고압 배송선 및 고압 배송 파이프를 각각 전극 및 보강재 주입파이프에 연결한다. 시공 작업 정에 모든 준비를 마친 후, 플라즈마 배전설비를 가동하여, 유리화 물질 및 박리흑연 혼합물질을 완전 유리 결정화시킨다. 그 후에 플라즈마 배전설비의 가동을 중지한 후, 보강재 압송설비를 가동시켜 , 대리석 또는 화강석 가루 등의 보강재 분말을 고압 배송하여 고온으로 유리화 되어 있는 유리 결정화 물질에 주입시켜 순간 강도를 증가시킨다. 에어배출 파이프는 이 때 발생하는 과다한 압력을 배출시키기 위하여 사용한다. 그 다음 보강재 압송설비의 가동을 중지한 후 보강재 압송설비 및 플라즈마 배전설비 적재차량 장비를 철수시킨다.

네 번째 공정(도 4. 참조)은 플라즈마 유리화 작업을 실시한 후, 1-2일 정도의 양생 단계를 거친 후, 세라믹캡 및 세라믹관을 재활용하기 위하여 회수한 후에 천공한 Hole 의 상부 주위를 토사로 메운 후, 시공을 완료한다.

이하 본 발명을 실시예를 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다

실시예

제1공정(준비공정)

구경 D=100mm 150mm 정도의 보링(천공)을 시공 계획에 따라 심도까지 다수개의 보링천공파이프를 이용하여 천공한 다음, 보링천공파이프를 제거한 다음, (도 1. 참조)

제2공정(플라즈마유리화 충진공정)

박리 흑연을 유리화 물질의 혼합 재료 등을 적정한 Gel 化 재료를 사용하여 Gel 化 한 후, 고압 주입장비를 이용하여 보링 천공한 Hole에 주입하여, 소정의 위치까지 주입 완료한 후에, (도 2. 참조)

제3공정(플라즈마 유리화공정)

도5에 도시한 세라믹캡(Ceramic Cap) 및 세라믹관(Ceramic Pipe)을 보링 Hole 상부에 맞춰 설치하는 작업으로, 플라즈마 유리화 공정으로 인한 고열에도 견딜 수 있도록 세라믹으로 제작한 캡(Cap)과 길이 50cm∼60cm 정도의 재활용이 가능한 세라믹관과 세라믹캡의 중앙 부분에 삽입하도록 되어 있는 전극과 보강재 주입 파이프(세라믹 재질로 되어 있는 파이프), 에어배출 파이프(세라믹 재질의 에어벤트관)로 구성되어 있으며, 시공 작업 도중에 세라믹캡이 지면에서 이탈되지 않도록, 세라믹캡 고정핀을 지면에 삽입 할 수 있도록 되어 있는 세라믹캡 고정판으로 구성된 장치를 이용하여,

세라믹캡을 보링 천공한 Hole 에 정착시킨 후, 전극 (구리봉 또는 철봉 등의 소재)을 보링 천공한 Hole의 시공 계획 심도까지 삽입 설치 한 다음,

세라믹관으로 이루어진 보강재 주입 파이프를 유리화 물질 및 박리 흑연에 혼합 주입된 소정 위치의 상부까지 주입한 후, 세라믹관으로 이루어진 에어배출 파이프를 세라믹캡 하부 깊이까지 삽입 설치한 다음에, 시공 작업 현장으로 이동시킨 보강재 압송설비 및 플라즈마 배전설비를 적재한 차량에서 고압 배송선 및 고압 배송 파이프를 각각 전극 및 보강재 주입파이프에 연결하고, 시공 작업 정에 모든 준비를 마친 후, 플라즈마 배전설비를 가동하여, 유리화 물질 및 박리흑연 혼합물질을 완전 유리 결정화시킨 다음, 플라즈마 배전설비의 가동을 중지한 후, 보강재 압송설비를 가동시켜 , 대리석 또는 화강석 가루 등의 보강재 분말을 고압 배송하여 고온으로 유리화 되어 있는 유리 결정화 물질에 주입시켜 순간 강도를 증가시킨(에어배출 파이프는 이 때 발생하는 과다한 압력을 배출시키기 위하여 사용한다.) 다음, 보강재 압송설비의 가동을 중지한 후 보강재 압송설비 및 플라즈마 배전설비 적재차량 장비를 철수시킨 후에,

제4공정(마무리공정)

(도 4. 참조)는 플라즈마 유리화 작업을 실시한 다음, 1-2일 정도의 양생 단계를 거친 후에, 세라믹캡 및 세라믹관을 재활용하기 위하여 회수한 후에 천공한 Hole 의 상부 주위를 토사로 메워, 플라즈마 유리화 기술을 이용한 차수 그라우팅 공법을 완료하였다.

이하 본 발명의 장치를 도면을 참고하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1 본 발명의 제1공정 상세도, 도2 본 발명의 제2공정 상세도, 도3 본 발명의 제3공정 상세도, 도4 본 발명의 제4공정 상세도, 도5 본 발명의 세라믹캡 고정판 측면상세도, 도6 본 발명의 세라믹캡 고정판 평면 상세도, 도7 내지 도12 은 종래의 지반보강공정 상세도를 도시한 것이며, 보링천공파이프(1), 보강재주입파이프(2), 에어배출파이프(3), 전극(4), 세라믹캡(10), 세라믹캡고정판(11), 세라믹캡고정통공(12), 세라믹캡고정핀(13), 세라믹캡고정몸체(15), 세라믹캡중앙통공(17), 세라믹캡관(17), 고압배송파이프(21), 전선(22), 플라즈마장비운송차(30), 보강재 압송설비(31), 플라즈마배전설비(32), 유리화물질+박리흑연(100), 수문(A), 누수점토층(B), 암반층(C), 제방상부면(D), 유리화고결차수층(E), 보링천공(F)을 나타낸 것임을 알 수 있다.

구조를 살펴보면, 도3내지 도5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는

보강재 압송설비(31) 및 플라즈마배전설비(32)가 장착된 플라즈마장비운송차(30)와, 상기 누수점토층(B)에 삽입하는 보링천공파이프(1)와, 상기 보링천공파이프(1)의 상부에 위치되는 세라믹캡(10)과, 상기 세라믹캡(10)의 상부통공에 삽입된 보강재주입파이프(2)와, 상기 보강재주입파이프(2)와 연결되어 보강재를 보강재 압송설비(31) 및 플라즈마배전설비(32)가 장착된 플라즈마장비운송차(30)에서 보링천공파이프(1)로 주입시키는 고압배송파이프(21)와, 상기 세라믹캡(10)의 상부통공에 삽입된 전극(4)과, 상기 전극(4)과 연결되어 플라즈마장비운송차(30)의 플라즈마배전설비(32)에서 전기를 통전하는 전선(22)으로 구성된 구조인 것이다.

상기 세라믹켑(10)은 도5에 도시된 바와 같이, 중앙부가 상부로 돌출되어 형성된 세라믹캡고정몸체(15)와, 상기 세라믹캡고정몸체(15)의 중앙부에 형성된 다수개의 세라믹캡중앙통공(17)과, 상기 세라믹캡중앙통공(17)에 삽입되는 보강재주입파이프(2), 에어배출파이프(3) 및 전극(4)과, 상기 세라믹캡고정몸체(15)의 삭제된부분 테두리에 형성된 세라믹캡고정판(11) 과, 상기 세라믹켑고정판(11)에 형성된 다수개의 세라믹캡고정통공(12)과, 상기 세라믹캡고정통공(12)에 삽입되어 고정시키는 세라믹캡고정핀(13)으로 구성된 구조인 것이다.

상기와 같은 본 발명은 첫 번째, 본 공법은 친환경적으로 기존의 시멘트 또는 약액주입 그라우팅공법이나 모르터 주입공법 등의 경우 시공 중이나 시공 후에 지하수 등의 주위 지반 환경에 많은 영향을 미치는 것에 비해, 본 공법은 유리화 물질 자체를 고온의 열에너지를 이용하여 유리 결정화 또는 세라믹화하여 지하수나 기타 용수 등에 불용화 되는 물질로 만들기 때문에 시공 중이나 시공 후에 주변 환경에 영향을 미치는 경우가 전혀 없게 된다.

두 번째, 본 공법은 영구적인 구조물이 되도록 지층을 유리 결정화 또는 세라믹화하기 때문에 기존 공법들에 비해 월등한 내구성을 지니게 된다. 그리고 기존의 지반 그라우트 재료들이 시간이 경과함에 따라 지하수나 기타 요인에 의해 부식 또는 내구 강도가 떨어지는데 비해 본 공법에 의해 완성된 구조체는 새라믹화되어 있기 때문에 완벽한 내구성을 발휘할 수 있게 된다.

Claims

플라즈마 유리화 기술을 이용한 차수 그라우팅 공법에 있어서,

제1공정(준비공정)

심도까지 다수개의 보링천공파이프를 이용하여 천공한 다음, 보링천공파이프를 제거한 다음,

제2공정(플라즈마유리화 충진공정)

박리 흑연을 유리화 물질의 혼합 재료를 사용하여 겔화(Gel 化) 한 후 , 고압 주입장비를 이용하여 보링 천공한 구멍(Hole)에 주입하여 후에,

제3공정(플라즈마 유리화공정)

세라믹캡(Ceramic Cap) 및 세라믹관(Ceramic Pipe)을 보링 Hole 상부에 맞춰 설치하는 작업으로, 플라즈마 유리화 공정으로 인한 고열에도 견딜 수 있도록 세라믹으로 제작한 캡(Cap)과 길이 50cm∼60cm 정도의 재활용이 가능한 세라믹관과 세라믹캡의 중앙 부분에 삽입하도록 되어 있는 전극과 보강재 주입 파이프(세라믹 재질로 되어 있는 파이프), 에어배출 파이프(세라믹 재질의 에어벤트관)로 구성되어 있으며, 시공 작업 도중에 세라믹캡이 지면에서 이탈되지 않도록, 세라믹캡 고정핀을 지면에 삽입 할 수 있도록 되어 있는 세라믹캡 고정판으로 구성된 장치를 이용하여, 세라믹캡을 보링 천공한 Hole 에 정착시킨 후, 전극 (구리봉 또는 철봉 등의 소재)을 보링 천공한 Hole의 시공 계획 심도까지 삽입 설치 한 다음,

세라믹관으로 이루어진 보강재 주입 파이프를 유리화 물질 및 박리 흑연에 혼합하여 상부까지 주입한 후 , 세라믹관으로 이루어진 에어배출 파이프를 세라믹캡 하부 깊이까지 삽입 설치한 다음에, 시공 작업 현장으로 이동시킨 보강재 압송설비 및 플라즈마 배전설비를 적재한 차량에서 고압 배송선 및 고압 배송 파이프를 각각 전극 및 보강재 주입파이프에 연결하고, 시공 작업 전에 모든 준비를 마친 후, 플라즈마 배전설비를 가동하여, 유리화 물질 및 박리흑연 혼합물질을 완전 유리 결정화시킨 다음, 플라즈마 배전설비의 가동을 중지한 후, 보강재 압송설비를 가동시켜 , 대리석 또는 화강석 가루 등의 보강재 분말을 고압 배송하여 고온으로 유리화 되어 있는 유리 결정화 물질에 주입시켜 순간 강도를 증가시킨(에어배출 파이프는 이 때 발생하는 과다한 압력을 배출시키기 위하여 사용한다.) 다음, 보강재 압송설비의 가동을 중지한 후 보강재 압송설비 및 플라즈마 배전설비 적재차량 장비를 철수시킨 후에,

제4공정(마무리공정)

플라즈마 유리화 작업을 실시한 다음, 1-2일 정도의 양생 단계를 거친 후에, 세라믹캡 및 세라믹관을 재활용하기 위하여 회수한 후에 천공한 Hole 의 상부 주위를 토사로 메워, 시공함을 특징으로 하는 플라즈마 유리화 기술을 이용한 차수 그라우팅 공법.
청구항 1에 있어서, 상기 제3공정(플라즈마 유리화공정)은 세라믹캡(Ceramic Cap) 및 세라믹관(Ceramic Pipe)을 보링 Hole 상부에 맞춰 설치하는 작업으로, 플라즈마 유리화 공정으로 인한 고열에도 견딜 수 있도록 세라믹으로 제작한 캡(Cap)과 길이 50cm∼60cm 정도의 재활용이 가능한 세라믹관과 세라믹캡의 중앙 부분에 삽입하도록 되어 있는 전극과 보강재 주입 파이프(세라믹 재질로 되어 있는 파이프), 에어배출 파이프(세라믹 재질의 에어벤트관)로 구성되어 있으며, 시공 작업 도중에 세라믹캡이 지면에서 이탈되지 않도록, 세라믹캡 고정핀을 지면에 삽입 할 수 있도록 되어 있는 세라믹캡 고정판으로 구성된 장치를 이용하여,

세라믹캡을 보링 천공한 Hole 에 정착시킨 후, 전극 (구리봉 또는 철봉 등의 소재)을 보링 천공한 Hole의 시공 계획 심도까지 삽입 설치 한 다음,

세라믹관으로 이루어진 보강재 주입 파이프를 유리화 물질 및 박리 흑연에 혼합하여 상부까지 주입한 후, 세라믹관으로 이루어진 에어배출 파이프를 세라믹캡 하부 깊이까지 삽입 설치한 다음에, 시공 작업 현장으로 이동시킨 보강재 압송설비 및 플라즈마 배전설비를 적재한 차량에서 고압 배송선 및 고압 배송 파이프를 각각 전극 및 보강재 주입파이프에 연결하고, 시공 작업 정에 모든 준비를 마친 후, 플라즈마 배전설비를 가동하여, 유리화 물질 및 박리흑연 혼합물질을 완전 유리 결정화시킨 다음, 플라즈마 배전설비의 가동을 중지한 후, 보강재 압송설비를 가동시켜 , 대리석 또는 화강석 가루 등의 보강재 분말을 고압 배송하여 고온으로 유리화 되어 있는 유리 결정화 물질에 주입시켜 순간 강도를 증가시킨(에어배출 파이프는 이 때 발생하는 과다한 압력을 배출시키기 위하여 사용한다.) 다음, 보강재 압송설비의 가동을 중지한 후 보강재 압송설비 및 플라즈마 배전설비 적재차량 장비를 철수시켜 시공함을 특징으로 하는 플라즈마 유리화 기술을 이용한 차수 그라우팅 공법.