KR100850257B1 - 암반용 쉴드 공사에서 발생하는 굴착토를 재활용할 수 있도록 용도별로 분산 및 응집하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 암반용 쉴드 공사에서 발생하는 굴착토를 재활용할 수 있도록 용도별로 분산 및 응집하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히 설명하면 암반 굴착시 발생하는 굴착토가 대전위 양.음 이온을 띄게 되어 점성이 발생된다. 굴착토는 마치 生콘크리트(레미콘) 형상을 갖게 되고 진동체로 분리를 불가능한 상태이다. 이에 분산제를 투입하여 이온을 제거 시키고 자갈, 모래, 미립자 농축 점토 액으로 분리하는 공정단계를 거친 후에 자갈 및 모래는 용도별로 재활용하고, 미립자 농축 점토 액은 응집제를 첨가하여 플록(Floc)과 청수로 분리하는 공정을 통하여 침전된 플록(Floc)은 탈수과정을 거쳐 고체상태의 토사 케익과 재활용물로 각각 용도에 맞도록 재활용할 수 있는 것을 특징으로 한다.
굴착토, 청수(淸水), 쉴드 공법, 필터 프레스(Filter press), 케이크(Cake), 트윈패들믹서(Twin paddle mixer), 플럭(flock)

Description

암반용 쉴드 공사에서 발생하는 굴착토를 재활용할 수 있도록 용도별로 분산 및 응집하는 방법{Processing method and device of Excavate happening in shield working place for a base rock}
본 발명은 암반용 쉴드 공사에서 발생하는 굴착토를 재활용할 수 있도록 용도별로 분산 및 응집하는 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세히 설명하면 암반 굴착시 발생하는 굴착토에 분산제를 투입하여 자갈, 왕사, 세사, 미립자 농축 점토 액으로 분리하는 공정단계를 거친 후에 자갈 및 모래는 입자크기에 따라 선별하여 용도별로 재활용하고, 미립자 농축 점토 액은 응집제를 첨가하여 플록(Floc)과 물로 분리하는 공정단계를 거쳐 침전된 플록을 탈수과정을 거쳐 토사 케익과 물로 분리하여 각각 용도에 맞도록 재활용할 수 있는 것을 특징으로 한다.
일반적으로 쉴드 공법은 터널공사와 교통이 복잡한 도심지의 기반시설인 상하수도, 전력구, 통신구, 가스관로 등과 하천 및 제방횡단, 지하수가 높은 지역, 연약 지반 등 종래의 개착식 시공으로 인하여 발생하는 소음, 분진, 지반침하, 교통장애 등 피해가 우려되는 지역에 효과적으로 터널을 시공할 수 있는 공법이다.
상기 암반용 쉴드 공법의 기본원리는 밀폐형의 굴진 기계의 전면, 굴착부에 암반용 굴착면판에 디스크 카타와 스크레파가 부착되어 회전하는 굴착면판에 의해 터널전면의 암반을 파쇄 굴착한다.
굴착토는 챔버로 들어와, 스크류 콘베이어를 통해 배출되어 후방 벨트 콘베이어와 운반 대차에 의해 갱외로 배출 된다. 또, 쉴드머신 후방의 잭에 의해 전진하며 한공정(0.8m ~1.5m 굴진장)마다 세그먼트를 조립하며, 그 세그먼트 반력을 받아 잭추력으로 쉴드 머신이 전진한다.
그러나 암반용 쉴드 공법으로 배토 되는 굴착토는 자갈, 모래, 미립자 농축액이 혼합된 반죽상태의 토사물로 이를 재활용할 방법이나 수단이 여의치 않아 현장마다 대부분 폐기물로 처리됨으로써 공사비용 발생 및 환경오염 등의 문제가 야기되어 공사진행에 상당한 영향을 주고 있다.
즉 암반굴착과정에서 발생하는 굴착토는 자연 상태에서 굴착된 토사임에도 불구하고 육안으로 식별되는 상태와 함수율, 점성 등으로 인해 전량 건설 폐기물로 분류 되어 상당한 처리 비용을 지불하고 처리한다.
왜냐하면, 암반용 쉴드 공사에 있어, 암반 터널에서는 커터 헤드(cutter head)가 굴착을 할 때, T.B.M에 비해 출력이 약하므로 Disc cutter 에 전달된 파괴력이 적기 때문에 이로 인해 암반에서 파쇄되어 나오는 입자가 적을 수밖에 없다.
이로 인하여, 굴착 토사는 암석이 분쇄된 석분과 쇄석으로 배출되어, 배토 과정에서 cutter head, chamber, scw conveyor , belt conveyor, 과정을 거치며 교반을 하게 된다.
이 과정에서 굴착된 입자는 지하수와 만나 마이너스 대전(帶電)발생하여, 양이온과 음이온이 결합 한다.
굴착 토사 배토 과정 Chamber, 스쿠류콘베이어 등에서 교반되는 효과에 의해 점성을 가진 입자끼리 쉽게 상호 간의 인력(引力)이 생겨 응집이 되어 점성이 급격히 상승하게 되고, 여기서 지하수등 물과 만나게 되면, 점토 입자의 농도가 높으면 높을수록 응집도 쉽게 일어나고 점성이 급격하게 상승하게 되기 때문에 이렇게 굴착ㆍ배토 된 토사는 점성이 높으므로 물을 분리하기가 굉장히 어렵다.
따라서, 상기 배토 되는 굴착토와 작업수가 혼합된 슬러리를 처리하기 위해서는 굴착토의 유동성 때문에 운반비와 적재의 한계성으로 인하여 현실적으로 과다하게 처리비용을 지불하고 있는 실정이기 때문에 토사처리비용이 공사 시공비에 미치는 영향이 지대하다.
따라서 굴착토 처리과정에서 환경적으로 미치는 영향을 최소화하여 처리하고, 일부 골재를 자원 재활용하여 운반비를 절감할 수 있는 방안이 강구되어야하는 현실이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명은 암반 굴착시 발생하는 굴착토에 분산제를 투입하여 굴착토 입자간의 이온을 변위시켜 점성을 풀고, 자갈, 모래, 미립자 농축 점토 액으로 분리세척하는 공정단계를 거친 후에 자갈 및 모래는 용도별로 재활용하고, 미립자 농축 점토 액은 응집제를 첨가하여 플록과 맑은 물로 또, 플록을 탈수장치를 통해 고체상태 토사Cake과 여과수로 분리하는 공정 후, 각각 용도에 맞도록 재활용할 수 있도록 방법 및 장치를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 암반 굴착시 발생하는 굴착토를 분산제 투입과정과 응집제 투입과정을 거쳐 자갈, 모래, 미립자 농축 점토 액을 서로 분리하여 자갈, 모래는 각각의 용도에 맞게 골재로 활용하고, 물은 골재 세척수 작 업 용수로 재사용하거나 또는 정수과정을 거쳐 하천에 방류할 수 있어 환경친화적인 효과를 제공한다.
또한, 본 발명은 굴착토를 상기와 같이 토사를 처리할 수 있어 골재로 재활용 하여 운반비와 적재비용, 작업수 비용을 절감하여 전체적으로 공사비를 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.
이하 첨부된 도면에 의해 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명 암반용 쉴드 공사에서 발생하는 굴착토를 재활용할 수 있도록 용도별로 분산 및 응집하는 공정을 도시해 보인 블록도 이다.
암반용 쉴드 공사에서 발생하는 굴착토를 처리하기 위해서는 지하암반에서 굴착 토사를 배토한다.
상기 굴착토는 자갈, 모래, 미립자 농축액이 혼합된 반죽 상태의 토사물로 서로 엉겨 붙어 착탈이 어려운 상태이다.
따라서 상기 배토 된 굴착 토사에 분산제를 투입함으로써 점토입자의 표면에 흡착되어 강한 대전층을 형성하여 입자끼리 반발력이 생겨 결과적으로 점성을 저하하며 물 입자를 분리하기 때문에 육안으로 확인시 허물 허물한 상태에서 트윈믹서(3)에 의해 1차 진동 스크린(7-1)으로 이송한다.
한편 상기 분산제는 토사에 표면이 음전화를 띄어 점도가 높기 때문에 이를 떨어뜨리기 위해 리그닌슬폰산계, 카르본산계, 후민산계, 나프탈렌계 등의 성분으로 이루어진다.
상기 이송된 굴착 토사는 1차 진동 스크린(7-1)을 통해 입자 크기를 5m/m 기준으로 하여 5m/m 이상인 자갈을 선별 분류하며, 고속 침전조의 재활용수를 이용한 세척장치(Ⅱ)에 의해 세척된 골재(자갈)로 배출함으로써 재활용 자재로 사용가능하며, 5m/m 이하인 굴착 토사는 2차 진통스크린(7-2)으로 배출하도록 분리한다.
상기 1차 진동 스크린에서 5m/m이하의 굴착 토사는 2차 진동 스크린(7-2)에서 입자 크기를 1.5m/m이상을 기준으로 선별하여 1.5~5m/m의 왕사(석분)을 선별 분류하며, 재활용수를 이용한 세척장치(Ⅱ)에 의해 세척된 골재(왕사)를 배출함으로써, 재활용 골재로 사용하며, 1.5m/m이하인 굴착토사는 또 3차 진동스크린(7-3)으로 배출하도록 분리한다.
상기 2차 진동스크린에서 1.5m/m이하의 굴착토를 3차 진동스크린에서 0.2m/m이상을 기준으로 1.5 ~ 0.2m/m의 세사를 분류하여, 재활용수를 이용한 세척 장치(Ⅲ)에 의해 세척된 골재(세사)를 배출하여 재활용 골재로 사용하며, 0.2m/m이하는 슬러리 탱크(13)로 배출한다.
0.2m/m 이하의 토사를 진동체 하부의 탱크에 침전용 경사판(14)을 설치 하여 침전속도를 높인다. 경사판의 역활은 경사판을 여러장 경사지게 설치하여 슬러리의 침전면적을 최대한 넓히므로서 침강거리를 최소화 하여 침강속도를 빠르게 하기 위함이다.
하부에 Chain Conveyor(15)를 설치하여 침전된 슬러리는 수평으로 이송하여 다시 60°가량으로 경사 이송하여 고농도 슬러리 탱크(16)로 배출한다. 토출구는 침전탱크의 수치보다 높게 하여 함수율이 최소화 된 슬러리를 배출 시킨다. 탱크의 측면에 상부의 물이 넘어갈 수 있는 공간을 만들어(Over flow) 침전되고 난, 탁도가 낮은 물을 저장조(12)에 저장 시킨다. 저장조(12)에 저장된 탁수를 PAC와 응집제를 투입하여 라인믹서(19)를 통해 혼합하며, 플록화 시켜 고속 침전조(20)로 보내진다. 이때 PAC와 응집제의 투입량은 탁수의 상태와 양에 따라 콘트롤 판넬에서 비례제어 되어 적정량이 투입된다.
상기 고속 침전조(8)에 이송된 슬러리는 1차 침전되어 상부는 청수와 하부는 침전된 플록이 위치한 상태로 구분되어지며, 하부의 플록은 필터 프레스(21)로 배출하고 상부의 청수는 세척장치(Ⅱ)로 이송되어 세척수로 사용되거나, 작업수로 재활용되어 방류 된다.
또한, 상기 고속 침전조(20)에서 배출된 플록은 필터 프레스(9)로 탈수하여 여과수는 여액저장조(22)로 방류하고, 토사는 케이크(cake)화되어 매립용 토사로 배출하여 재생한다.
상기 탈수단계에서 방류된 여과수를 여액저장조(22)로 유입되어 고속 침전조(20)로 재투입 되어 재차 침전하는 과정을 반복한다.
또한, 고속 침전조(20)에서 청수를 방류할 경우, 폭기조(23)에 유입되어 공기를 불어 넣은 폭기 과정을 거친 청수를 PH 조정조(24)로 이동하여 PH를 조정하는 PH조정단계를 거친 후 방류한다.
고속침전조(20)의 상부 청수의 대부분은 터널 작업수나 1,2,3차 진동스크린의 골재 세척수로 재사용(20)며, 골재 세척수는 노즐에 의해 고압 세척하므로 사용량을 줄인다.
도 2는 본 발명 공정을 개략적으로 도시해 보인 작동상태 순서도 이고, 도 3은 도 2의 A부분을 확대해 보인 순서도이다.
본 발명은 굴착토를 재활용할 수 있도록 분산 및 응집하는 장치로 암반용 쉴드 공법에 의해 터널공사를 할 때 배토 되는 굴착 토사를 토사바켓(2)에 담아 겐트리크레인(1)으로 터널밖으로 이송하여 상부에 형성된 호퍼(3)에 담고 호퍼하부에 로타리피더(4)에 의해 정량으로 트윈 패들믹서(5)로 공급하여 1, 2, 3차 진동 스크린(7)이 설치된 1차 진동스크린(7-1)으로 이송 공급한다.
이때 상기 트윈 패들 믹서(5)로 공급된 굴착 토사에는 토립자 간에 분리가 용이하게 되도록 약품 투입조(6)에서 굴착 토사에 분산제를 투입함과 동시에 혼합과정을 거치면서 이송된다.
상기 굴착 토사는 1차 진동 스크린(7-1)에서 1차선별 과정을 거쳐 입자 크기가 5m/m 이상인 자갈은 재활용수로 스크린 상부에서 분사하여 세척과정을 거쳐 벨트 콘 베이어(8)에 의해 선별되어 재활용되고, 입자 크기가 5m/m 이하인 1.5m/m 이상 2차 진동 스크린(7-2)으로 낙하 되어 입자 크기를 1.5m/m ~ 5m/m 기준으로 선별하여 1.5m/m ~ 5m/m 이상인 왕사가 재활용수로 세척과정을 거쳐 벨트 콘베이어(9)에 의해 이송 배출되고, 1.5m/m ~ 0.2m/m 세사는 0.2m/m 의 3차 진동 스크린(7-3)에 의해 분리되며 세척과정을 거쳐 벨트 콘베이어(10)에 의해 이송 배출. 0.2m/m이하의 슬러리는 하부에 형성된 슬러리 탱크(13)로 유입된다. 유입된 슬러리는 탱크 내부에 설치된 경사판(14)을 통해 토사는 급속히 하부로 침강되어 하부의 체인콘베이어(15)를 통해 배출된다. 상부로는 탁도가 낮은 물이 Over Flow 하여 다음 저장 조(12)로 이동한다.
상기 저장조(12)에 유입된 물은 슬러리 펌프(P₂)에 의해 라인 믹서(19)로 공급되고, 라인 믹서(19) 사이에는 플로어 메타(FLOW - METTER)1, 2 3과 슬러리에 PAC 약액을 투입할 수 있도록 약액 펌프(P₃)가 구비된 PAC약액 저장조(17)와 응집제를 투입하기 위해 약액 펌프(P₄)가 구비된 응집제 저장조(18)가 위치한다.
또한, 상기 플로어 메터 (FLOW - METTER)1, 2 3은 컨트롤 판넬(E)에서 유량비례제어하여 PAC 약액과 고분자 응집제를 투입한다.
상기 라인 믹서(7)에 의해 고속 침전조(20)로 슬러리에 PAC 약액과 응집제가 투입되어 플록이 형성된 상태로 공급된다.
상기 고속 침전조(20)에서 상부의 청수와 하부의 침전된 플록이 분리되어 청수는 작업수와 진동스크린의 골재 세척수로 재활용되고, 침전된 플록은 슬러리 펌프(P)에 의해 필터 프레스(21)로 배출되어 탈수함으로써 청수와 토사 케이크로 한번 더 분리되어, 토사 케이크는 Pit(25)로 배출되고, 청수는 여백저장조를 거쳐 고속침전조(20)로 되돌아간다.
고속 침전조에서 상등수(청수)를 재사용하지 않고 방류시에는 폭기조(23)로 방류되고, 상기 폭기조(23)로 방류된 청수는 폭기 과정을 거쳐 PH조정조(24)로 방류되어 PH처리 후 방류할 수 있도록 처리할 수 있는 장치로 이루어진다.
도 1은 본 발명 암반용 쉴드 공사에서 발생하는 굴착토를 재활용할 수 있도록 용도별로 분산하여 골재 분리 및 슬러리 응집하는 공정을 도시해 보인 블록도.
도 2는 본 발명 공정을 개략적으로 작동상태를 도시해 보인 순서도.
도 3은 도 2의 A부분을 확대 도시해 보인 순서도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1: Gantry Crane 2: 토사바켓
3: Hopper 4: Rotary Feeder
5: Twin Paddle Mixer 6: 약품 투입조
7: 3단 진동 스크린 7-1:1차 스크린
7-2:2차 스크린 7-3:3차 스크린
8: Belt Conveyor 9: Belt Conveyor
10: Belt Conveyor 11: 세척장치
12: 저장조 13: 슬러리 Tank
14: 슬러리 침전판 15: Chain Conveyor
16: 고농도 슬러리 Tank 17: PAC 약액 저장조
18: 고분자 응집제 저장조 19: Line Mixer
20: 고속침전조 21: Filter Press
22: 여액 저장조 23: 폭기조
24: PH 조정조 25: Pit

Claims (1)

  1. 암반용 세미실드 공사에서 발생하는 슬러리를 처리하기 위해서는 지하암반에서 굴착 토사를 배토하는 공정단계와;
    상기 배토 된 굴착 토사에 분산제를 투입한 후, 트윈믹서에 의해 1차 진동 스크린으로 이송하는 공정단계와;
    상기 이송된 굴착 토사를 스크린을 통해 입자 크기를 5m/m 기준으로 선별하여 5m/m 이상인 자갈은 세척하여 재활용 자재로 사용하고, 5m/m 이하인 굴착 토사는 2차 진동스크린으로 배출하는 1차 진동 스크린 공정단계와;
    상기 1차 진동 스크린에서 배출된 굴착 토사는 입자 크기를 1.5m/m ~ 5m/m 기준으로 선별하여 1.5m/m 이상인 왕사(골재)는 세척하여 재활용 자재로 사용하고, 1.5m/m 이하인 굴착토는 3차 진동스크린으로 배출하는 2차 진동 스크린 공정 단계와:
    상기 2차 진동스크린에서 배출된 1.5m/m 이하의 굴착토는 0.2m/m를 기준으로 선별하여 1.5 ~ 0.2m/m 크기의 세사는 세척한 후 재활용 자재로 사용하고, 0.2m/m 이하의 굴착토 즉 슬러리는 하부 탱크로 배출하는 3차 진동스크린 공정단계와;
    상기 3차 진동스크린의 하부에는 슬러리 침강용 경사판과 체인콘베이어를 설치하여 침강된 슬러리를 배출하고, 탁도가 낮은 상부의 탁수는 저장탱크로 Over flow 시키는 공정단계와;
    저장탱크에서 펌프를 통해 배출되는 슬러리를 라인 믹서에 의해 이송할 때 슬러리에 P.A.C 와 응집제를 투입하는 공정단계와;
    상기 응집제가 투입된 슬러리를 라인 믹서에 의해 고속 침전조로 이송하는 공정단계와;
    상기 고속 침전조에서 침전된 플록(Floc)은 필터프레스(Filterpress)로 배출하고, 청수로 침전 분리하는 공정단계와;
    상기 고속 침전조에서 배출된 플록을 필터 프레스로 탈수하여 청수는 여액 저수조로 방류하고, 토사는 케이크(Cake)화되어 매립용 토사로 재생하는 탈수 공정단계와;
    상기 탈수단계에서 방류된 청수를 여과조로 모아서 2차 고속 침전조로 방류하는 여과 공정단계와;
    상기 2차 고속 침전조에서 방류한 청수가 폭기조에 유입되어 공기를 불어 넣는 폭기 공정단계와;
    상기 폭기 공정단계를 거친 청수를 PH 조정조로 방류하여 PH를 조정하는 PH조정단계와;
    상기 PH조정단계를 거친 청수를 방류하여 작업수로 재활용하는 것을 특징으로 하는 암반용 쉴드 공사에서 발생하는 굴착토를 재활용할 수 있도록 용도별로 분산 골재 분리 및 응집하는 방법.
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