KR100956316B1

KR100956316B1 - 복합 착정 감압식 피압대수층 주교 공법

Info

Publication number: KR100956316B1
Application number: KR1020090109011A
Authority: KR
Inventors: 정경문; 임기운
Original assignee: 주식회사 도화종합기술공사; 주식회사 지스코
Priority date: 2009-11-12
Filing date: 2009-11-12
Publication date: 2010-05-10

Abstract

본 발명은 지반의 보강이나 차수(遮水)를 위하여 실시하는 주교(注膠, grouting) 공법에 관한 것으로, 피압대수층(被壓帶水層)이 형성된 지반에 주교를 실시함에 있어서 주교 굴착공 양측에 감압용 굴착공을 형성하여 주교 대상 구간의 피압지하수면(被壓地下水面, Piezometric Surface)을 하강시킴으로써 안정적인 주교가 가능하도록 한 것이다.

본 발명을 통하여 피압대수층이 형성된 지반에 주교를 실시함에 있어서, 주교 굴착공 천공과정에서의 공내 피압지하수 유입에 의한 피압대수층내 지하수 유동이 야기할 수 있는 주입재 유실현상을 방지할 수 있어, 주교효과를 제고하고 소요 주입재를 절감하며 지반 안정성을 확보함은 물론 피압대수층내 주입재 확산으로 인한 지하수 오염을 방지하는 효과를 얻을 수 있다.

주교(注膠), 피압대수층(被壓帶水層), 영향추(影響錐)

Description

복합 착정 감압식 피압대수층 주교 공법{GROUTING METHOD USING COMPOSITE DRAWDOWN WELL FOR CONFINED AQUIFER}

주교란 지반 내부에 시멘트액이나 물유리(water glass) 등의 주입재를 고압으로 주입하여, 지반을 구성하는 토립자간 공극이나 암반의 절리 및 공동에 충전되도록 함으로써 지지력 또는 차수능을 향상시키는 지반개량공법을 말한다.

도 1은 일반적인 주교 공정을 도시한 것으로 동 도면을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 일단 주교 대상 지반에 케이싱(21)과 굴착장치(22)를 관입하여 공벽이 유지되는 굴착공(20)을 형성하고, 계획 심도까지 굴착공(20) 형성이 완료되면 선단 부에 압축공기 등으로 작동되는 팩커(packer)(31)가 설치된 주입관(30)을 굴착공(20)내로 투입한 후 팩커(31)를 팽창하여 주입관(30) 선단부 지반과 팩커(31) 배후 굴착공(20)간 기밀을 확보하며, 주입관(30)으로 주입재(39)를 고압 압송하여 주변 지반에 주입재(39)가 침투된 후 고결(固結)되로록 함으로써 지반 특성을 개량하는 것이다.

한편, 도 1의 우측단에 도시된 바와 같이 주입관(30) 등을 인발하면서 주입재(39)를 주입함으로써 주입재(39) 고결체를 주상(柱狀)으로 형성할 수 있으며, 동 도면의 하단에 도시된 바와 같이, 여러차례의 주교를 인접하여 실시함으로써 일정 구간의 지반을 개량할 수도 있다.

피압대수층(被壓帶水層)(10)이란 도 2에서와 같이, 해성점토(marine clay) 또는 실트(silt)층 등의 난투수층(難透水層)(11)으로 상부가 폐쇄된 대수층을 의미하는 것으로, 통상 하부의 암반층(12)과 상부의 점토 또는 실트층 사이에 토사층 또는 균열이 발달한 투수성 암석층이 적층되어 형성되거나, 석회암과 같은 용해성 암반내 공동(空洞)을 통하여 형성되고, 도시된 바와 같이 난투수층(11) 상부에 별도의 상층지반(13)이 적층될 수도 있으며, 이때 피압대수층(10)은 포화상태임은 물론, 수두(水頭, Piezometric Head)를 연결한 가상면인 피압지하수면(Piezometric Surface)이 난투수층(11) 이상으로 형성된다.

피압대수층(10)에 함양된 지하수는 수리학적으로 일종의 관수로와 같은 거동을 하게되며, 도 2 및 도 3에 예시된 바와 같이, 피압지하수면이 지표면 이상으로 형성되는 지점의 경우 피압대수층(10)에 도달하는 굴착공(20)을 착정하면 자분정 (自噴井)을 형성하게 된다.

도 3은 전술한 피압대수층(10)이 형성된 지반에 다점(多點) 주교를 실시하는 상황을 도시한 것으로 동 도면을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 피압대수층(10)에 굴착공(20)을 착정하는 순간 피압지하수가 굴착공(20)으로 급속히 유입되면서 주변 피압대수층(10)내 지하수 유동이 유발되고 이로 인하여 고결(固結) 전의 인근 주입재(39)가 유실되어 소기의 지반 보강효과를 기대할 수 없게 된다.

다점 주교가 아닌 일점(一點) 주교 즉, 주교를 단 1회만 실시하는 경우에는 피압대수층(10)내 지하수 유동에 의한 주입재(39) 유실현상은 미미한데, 이는 일단 주교를 위하여 형성한 굴착공(20)이 유일할 뿐 아니라 주교과정에서 해당 굴착공(20)을 기밀상태로 유지하기 때문에 굴착공(20)으로의 피압지하수 유입이 발생되지 않으며, 주입재(39) 또한 상대적으로 고압 주입되므로 피압지하수의 압력을 충분히 극복하고 주변 지반에 침투할 수 있기 때문이다.

그러나 다점 주교의 경우 주교 대상 구간 지반에 일정한 간격으로 연속적으로 주교 굴착공(20)을 형성함과 동시에 주교를 실시하게 되므로, 이전 주교 지점의 주입재(39)가 완전히 고결되기 전에 인접한 굴착공(20)을 형성하게 되는 바, 굴착공(20)을 착정하는 순간 발생된 피압대수층(10)내 지하수 유동에 의하여 인접한 이전 주교 지점의 주입재(39)가 유실되는 문제점이 있었다.

이러한 주입재(39) 유실 현상을 방지하기 위하여 일단 기 주교한 주입재(39)가 완전히 고결된 후 다음 지점의 주교를 실시할 수 있으나, 이는 공기(工期)의 지 연 및 그로 인한 공사비 증액을 야기하는 심각한 문제가 있었다.

또한, 주입재(39)의 유실은 단순히 주교효과의 감소 및 공사비 증액에 그 문제가 국한되는 것이 아니라, 주입재(39)가 피압대수층(10)에 확산되면서 지하수 오염을 유발하는 심각한 문제를 야기할 수도 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 감안하여 창안한 것으로, 피압대수층(被壓帶水層)(10)이 형성된 지반내 소정의 주교(注膠) 대상 구간에 피압대수층(10)에 도달하는 주교 굴착공(20)을 천공하는 다점(多點) 주교 공법에 있어서, 주교 대상 구간 외측에 다수의 감세정(25)을 착정하되 각 감세정(25)으로 인하여 형성된 피압지하수면(被壓地下水面, Piezometric Surface)의 영향추(影響錐, Cone of Depression)가 서로 중첩되도록 하고, 이 영향추의 중첩부가 주교 대상 구간에 위치하도록 하는 단계와, 주교 대상 구간에 주교 굴착공(20)을 천공하고 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계와, 상기 다수의 감세정(25)을 폐공처리하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 복합 착정 감압식 피압대수층 주교 공법이다.

또한, 주교 대상 구간 외곽에 시점 굴착공(20a) 및 종점 굴착공(20b)을 형성하여 이들 시점 굴착공(20a) 및 종점 굴착공(20b)으로 인하여 형성된 피압지하수면(被壓地下水面, Piezometric Surface)의 영향추(影響錐, Cone of Depression)가 서로 중첩되도록 하는 단계와, 이들 시점 굴착공(20a) 및 종점 굴착공(20b) 사이에 주교 굴착공(20)을 천공하고 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계 와, 상기 시점 굴착공(20a) 및 종점 굴착공(20b)에 각각 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 복합 착정 감압식 피압대수층 주교 공법이며, 주교 대상 구간 외곽에 시점 굴착공(20a)을 형성하는 단계와, 시점 굴착공(20a)에서 계획간격(L)의 2배가 이격된 지점에 선행 굴착공(20d)을 천공하는 단계와, 시점 굴착공(20a)과 선행 굴착공(20d) 간을 등분(等分)하는 지점에 주교 굴착공(20c)을 천공하는 단계와, 주교 굴착공(20c)에 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계와, 상기 선행 굴착공(20d)에서 계획간격(L) 이격된 지점에 새로운 선행 굴착공(20d)을 천공하고 이전 선행 굴착공(20d)에 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입함을 반복하는 단계와, 선행 굴착공(20d)이 주교 대상 구간 외곽에 도달하면 해당 선행 굴착공(20d)의 천공 완료 후 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하고, 시점 굴착공(20a)에 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 복합 착정 감압식 피압대수층 주교 공법이며, 주교 대상 구간 외곽에 시점 굴착공(20a)을 형성하는 단계와, 시점 굴착공(20a)에서 계획간격(L)의 2배가 이격된 지점에 격행 굴착공(20e)을 천공하는 단계와, 시점 굴착공(20a)과 격행 굴착공(20e) 간을 등분(等分)하는 지점에 주교 굴착공(20c)을 천공하고 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계와, 상기 격행 굴착공(20e)에서 계획간격(L)의 2배가 이격된 지점에 새로운 격행 굴착공(20e)을 천공한 후, 이들 신(新), 구(舊) 격행 굴착공(20e) 간을 등분(等分)하는 지점에 주교 굴착공(20c)을 천공하고 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입함을 반복하는 단계와, 격행 굴착공(20e)이 주교 대상 구간 외곽에 도달하면 주교 대 상 구간 내부의 격행 굴착공(20e)에 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계와, 주교 대상 구간 내부 격행 굴착공(20e) 주교가 완료되면 주교 대상 구간 외곽 시점 굴착공(20a) 및 격행 굴착공(20e)에 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 복합 착정 감압식 피압대수층 주교 공법이다.

본 발명의 상세한 수행과정을 첨부된 도면을 통하여 설명하면 다음과 같다.

우선 도 4는 본 발명의 수행을 위하여 주교 대상 구간의 피압지하수면을 하강시키는 방식을 설명한 것으로, 다수의 굴착공(20)을 착정하여 이들 다수의 굴착공(20)으로 인하여 형성된 피압지하수면의 영향추가 서로 중첩되도록 함으로써 중첩부의 피압지하수면 하강효과를 배가할 수 있도록 한 것이다.

도 3 및 도 4에서와 같이, 선단부가 피압대수층(10)에 도달하는 굴착공(20) 을 착정하게되면 굴착공(20) 주변의 피압지하수가 굴착공(20)내로 유입되면서 주변의 피압지하수면이 점차 하강하여 원추형의 영향추(影響錐, Cone of Depression)를 형성하게 되는데, 도 4에서와 같이 2개소 이상의 굴착공(20)을 각각의 영향추가 중첩될 수 있도록 형성하게되면, 영향추의 중첩구간에서 피압지하수면의 하강효과가 배가될 뿐 아니라 이로 인하여 영향추 중첩구간에서의 지하수 유동이 감속 내지 억제될 수 있다.

즉, 2개소의 굴착공(20)이 형성된 도 4의 상부 등수두선도(等水頭線圖)를 통하여 알 수 있는 바와 같이, 굴착공(20) 사이에 역안장형(逆鞍裝型)의 피압지하수면 하강 구간이 형성되며, 이 피압지하수면 하강 구간은 수두(水頭, Piezometric Head)의 절대치가 낮을 뿐 아니라 피압지하수면의 경사 또한 극히 완만하게 형성되므로, 해당 구간에 굴착공(20)을 천공할 시 굴착공(20)으로의 피압지하수 유입은 물론 주변 피압대수층(10)내 지하수 유동 또한 억제될 수 있다.

이러한 굴착공(20)을 통한 영향추 형성 및 중첩은 자분(自噴)을 통하여도 달성될 수 있으나 피압지하수면 하강 효과를 강화하거나 정상상태(定常狀態, Steady State) 도달을 촉진하기 위하여 인위적인 양수(揚水)를 실시할 수도 있다.

도 5 및 도 6은 각각 3각 복합 착정시 및 3각망 복합 착정시 등수두선도를 예시한 것으로, 이들 도면에서와 같이 각각 3각형의 꼭지점에 위치한 굴착공(20)을 착정함으로써 영향추 중첩부의 피압지하수면 하강효과를 더욱 강화할 수 있으며, 굴착공(20)을 망상(網狀)으로 배치함으로써 광범위한 지역의 피압지하수면을 하강시킬 수도 있다.

도 7 내지 도 10은 본 발명의 구체적인 수행과정을 실시예별로 단계적으로 도시한 것으로, 이를 상세히 설명하면 다음과 같다.

우선 도 7은 주교 대상 구간 외측에 별도의 감세정(25)을 착정함으로써 이들 감세정(25)의 영향추 중첩으로 인한 피압지하수면 하강을 유도하는 것이다.

여기서 주교 대상 구간은 최초 주교 굴착공(20)과 최종 주교 굴착공(20) 사이 구간을 의미하며, 주교 굴착공(20)과는 별도로 착정되는 각 감세정(25)으로 인하여 형성되는 피압지하수면의 영향추는 서로 중첩되도록 하고, 이 영향추의 중첩부가 주교 대상 구간에 위치하도록 하며, 피압지하수면 하강 효과를 극대화하기 위하여 양수를 실시하는 것이 바람직하다.

감세정(25) 설치가 완료되면 주교 대상 구간에 주교 굴착공(20)을 천공하고 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하고, 이를 주교 대상 구간에 소정 간격으로 반복함으로써 주교를 완료한다.

주교가 완료되고 주입재(39)의 고결이 완료되면 더이상 피압지하수면을 인위적으로 하강시킬 필요가 없으므로 감세정(25)의 양수를 중단하고 폐정(廢井)할 수 있으나, 폐정된 감세정(25)을 방치할 경우 지표 오염물 유입으로 인하여 피압대수층(10)이 오염될 수 있으므로 이를 차단할 수 있는 폐공처리를 실시한다.

본 발명에서의 폐공처리는 감세정(25)을 구성하는 케이싱(21)을 인발함과 동시에 피압대수층(10)에 해당되는 구간에는 투수성 재료를 투입하고, 이후 구간에는 불투수성 재료를 투입하며, 최종 지표 구간은 콘크리트를 타설 및 양생함으로써 완료된다.

한편 도 8 내지 도 10은 주교를 실시하기 위한 굴착공(20)과 별도의 감세정(25)을 착정하지 않고 주교용 굴착공(20)을 활용하여 피압지하수면을 하강시키는 실시예이다.

즉, 굴착공(20)의 착정후 해당 굴착공(20)의 주교를 즉각 실시하지 않고, 굴착공(20) 착정과 주교를 굴착공(20)에 따라 적절히 분리하여 실시함으로써 일부 굴착공(20)이 도 7 실시예의 감세정(25)과 같은 역할을 수행할 수 있도록 한 것이다.

우선 도 8은 주교 대상 구간 양단에 각각 시점 굴착공(20a) 및 종점 굴착공(20b)을 착정하여 이들 시점 굴착공(20a) 및 종점 굴착공(20b)이 각각 감세정(25) 역할을 수행하도록 한 후 주교 대상 구간에 대한 주교 굴착공(20c) 착정 및 주교를 실시하는 것이다.

또한 도 9에서와 같이, 주교 대상 구간의 굴착공(20) 착정 및 주교를 일방(一方)으로 순차 실시하되, 주교 진행방향으로 선행 굴착공(20d)을 미리 착정함으로써, 영향추 중첩구간을 순차적으로 형성할 수도 있다.

즉, 주교 대상 구간 외곽에 시점 굴착공(20a)을 착정하고, 시점 굴착공(20a)에서 계획간격(L)의 2배가 이격된 지점에 선행 굴착공(20d)을 착정한 후, 시점 굴착공(20a)과 선행 굴착공(20d) 간을 등분(等分)하는 지점에 주교 굴착공(20c)을 천공하여 주입관(30)을 투입하고 주입재(39)를 주입하며, 상기 선행 굴착공(20d)에서 계획간격(L) 이격된 지점에 새로운 선행 굴착공(20d)을 천공하고 이전 선행 굴착공(20d)에 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입함을 반복하다가, 선행 굴착공(20d)이 주교 대상 구간 외곽에 도달하면 해당 선행 굴착공(20d) 및 시점 굴착 공(20a)에 주입관(30)을 투입하여 주교를 실시함으로써 주교 대상 구간에 대한 주교를 완료하는 것이다.

여기서 계획간격(L)이란 주교의 목적에 따라 설계시 설정하는 주교 굴착공(20)의 간격으로서 주입재(39)의 침투범위를 고려하여 결정하게 된다.

또한 도 10은 계획간격(L)의 2배 간격으로 격행 굴착공(20e)을 연속 착정하면서, 연속 착정된 격행 굴착공(20e) 사이에 주교를 실시하고, 최종적으로 격행 굴착공(20e)에도 주교를 실시함으로써 더욱 효과적인 피압지하수면 하강이 가능하도록 한 것이다.

즉, 주교 대상 구간 외곽에 시점 굴착공(20a)을 착정하고, 이 시점 굴착공(20a)에서 계획간격(L)의 2배가 이격된 지점에 격행 굴착공(20e)을 착정한 후, 시점 굴착공(20a)과 격행 굴착공(20e) 간을 등분(等分)하는 지점에 주교 굴착공(20c) 천공 및 주교를 실시하고, 상기 격행 굴착공(20e)에서 계획간격(L)의 2배가 이격된 지점에 새로운 격행 굴착공(20e)을 천공한 후, 이들 신(新), 구(舊) 격행 굴착공(20e) 간을 등분(等分)하는 지점에 주교 굴착공(20c)의 천공 및 주교 실시를 반복하다가, 격행 굴착공(20e)이 주교 대상 구간 외곽에 도달하면 우선 주교 대상 구간 내부의 격행 굴착공(20e)에 대한 주교를 실시한 후 주교 대상 구간 외곽의 시점 굴착공(20a) 및 격행 굴착공(20e)에 대한 주교를 실시함으로써 주교 대상 구간에 대한 주교를 완료하는 것이다.

이상에서와 같이, 피압대수층(10)의 복합 착정을 통하여 주교 대상 구간의 피압지하수면을 효과적으로 하강시킴으로써 주교시 주입된 주입재(39)의 유실을 방 지하여 주교효과를 제고하고 소요 주입재(39)를 절감하며 지반 안정성을 확보할 수 있다.

도 1은 일반적인 주교 공법 설명도

도 2는 피압대수층이 형성된 지반 대표 단면도

도 3은 피압대수층 형성 지반 주교시 주입재 유실 현상 설명도

도 4는 복합 착정에 의한 피압대수층 감압 현상 설명도

도 5는 3각 복합 착정시 등수두선도

도 6은 3각망 복합 착정시 등수두선도

도 7은 본 발명의 복합 착정 감압 효과를 이용한 주교 공정 설명도

도 8은 본 발명의 시종점 감세형 실시예 공정 설명도

도 9는 본 발명의 선행 굴착공 감세형 실시예 공정 설명도

도 10은 본 발명의 격행 굴착공 감세형 실시예 공정 설명도

<도면의 주요부분에 대한 부호설명>

10 : 피압대수층

11 : 난투수층

12 : 암반층

13 : 상층지반

20 : 굴착공

21 : 케이싱

22 : 굴착장치

25 : 감세정

30 : 주입관

31 : 팩커

39 : 주입재

Claims

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피압대수층(被壓帶水層)(10)이 형성된 지반내 소정의 주교(注膠) 대상 구간에 피압대수층(10)에 도달하는 주교 굴착공(20)을 천공하는 다점(多點) 주교 공법에 있어서,

주교 대상 구간 외곽에 시점 굴착공(20a)을 형성하는 단계와;

시점 굴착공(20a)에서 계획간격(L)의 2배가 이격된 지점에 선행 굴착공(20d)을 천공하는 단계와;

시점 굴착공(20a)과 선행 굴착공(20d) 간을 등분(等分)하는 지점에 주교 굴착공(20c)을 천공하는 단계와;

주교 굴착공(20c)에 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계와;

상기 선행 굴착공(20d)에서 계획간격(L) 이격된 지점에 새로운 선행 굴착공(20d)을 천공하고 이전 선행 굴착공(20d)에 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입함을 반복하는 단계와;

선행 굴착공(20d)이 주교 대상 구간 외곽에 도달하면 해당 선행 굴착공(20d)의 천공 완료 후 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하고, 시점 굴착공(20a)에 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 복합 착정 감압식 피압대수층 주교 공법.
피압대수층(被壓帶水層)(10)이 형성된 지반내 소정의 주교(注膠) 대상 구간에 피압대수층(10)에 도달하는 주교 굴착공(20)을 천공하는 다점(多點) 주교 공법에 있어서,

주교 대상 구간 외곽에 시점 굴착공(20a)을 형성하는 단계와;

시점 굴착공(20a)에서 계획간격(L)의 2배가 이격된 지점에 격행 굴착공(20e)을 천공하는 단계와;

시점 굴착공(20a)과 격행 굴착공(20e) 간을 등분(等分)하는 지점에 주교 굴착공(20c)을 천공하고 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계와;

상기 격행 굴착공(20e)에서 계획간격(L)의 2배가 이격된 지점에 새로운 격행 굴착공(20e)을 천공한 후, 이들 신(新), 구(舊) 격행 굴착공(20e) 간을 등분(等分)하는 지점에 주교 굴착공(20c)을 천공하고 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입함을 반복하는 단계와;

격행 굴착공(20e)이 주교 대상 구간 외곽에 도달하면 주교 대상 구간 내부의 격행 굴착공(20e)에 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계와;

주교 대상 구간 내부 격행 굴착공(20e) 주교가 완료되면 주교 대상 구간 외곽 시점 굴착공(20a) 및 격행 굴착공(20e)에 주입관(30)을 투입하여 주입재(39)를 주입하는 단계로 이루어짐을 특징으로 하는 복합 착정 감압식 피압대수층 주교 공법.