KR100989818B1 - 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치 및 이를 이용한 직천공 터널 보강 그라우팅 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면, 천공 비트와; 전단부는 상기 천공 비트의 상기 머리부에서 후방으로 연장되는 몸체부와 분리 가능하게 결합되고 후단부는 천공 로드와 결합되는 파이롯트 디바이스와; 상기 파이롯트 디바이스의 후단부로 동력을 전달하는 천공 로드와; 천공 장비의 동력을 전달하기 위한 천공 드리프터와; 상기 천공 로드와 상기 천공 드리프터 사이에 설치되며 지반 천공 방향으로 향하는 제 1 충격단을 외주부에 구비한 로드 어댑터와; 상기 천공 비트의 몸체부가 전단에 수용되며 상기 파이롯트 디바이스의 전단부가 후단에 수용되는 케이싱 부재로서, 상기 파이롯트 디바이스의 외주면에 돌출 형성된 단면 확대부와 걸리도록 내측으로 걸림 돌기가 돌출 형성된 케이싱 슈와; 상기 케이싱 슈의 내경과 상기 파이롯트 디바이스의 외주면 사이에 전단부가 텔레스코식으로 끼움 결합되고, 내부에는 상기 천공 로드가 관통 설치되는 보강 파이프 조립체와; 상기 보강 파이프 조립체를 구성하는 최후방 보강 파이프의 후단부와 결합되는 전단부와, 상기 로드 어댑터의 제 1 충격단과 대응하는 제 2 충격단이 형성된 후단부를 구비한 강관 드라이빙 어댑터를 포함하여 이루어지는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치와, 이를 이용한 직천공 터널 보강 그라우팅 방법이 제공된다.

Description

추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치 및 이를 이용한 직천공 터널 보강 그라우팅 방법 {Apparatus for boring and inserting the reinforcing pipe with the enforced driving ability and method for reinforcing the tunnel with the same}
본 발명은 직천공 보강 그라우팅 장치 및 이를 이용한 직천공 터널 보강 그라우팅 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 터널 굴착 공사 등에서 충적토층과 같은 연약 지반을 보강하거나, 암 파쇄대 또는 활동 가능면을 봉합하여 굴착 예정 단면 주위의 지반 이완을 방지하고 사력층 및 파쇄 연암층과 암반 절리면을 통하여 유출되는 지하수를 차단하기 위하여 터널 내에서 보호 우산망 공법으로서 시행되는 다단 보강 파이프 조립체 터널 보강 방법에 사용되는 보강 그라우팅 장치 및 이를 이용한 시공방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 터널 굴착 단면의 전방으로 선행하여 설치되어 이를 통하여 그라우팅재가 지반 내부로 주입하도록 하는 보강 파이프 조립체를 지반 내부로 굴착하는 천공기와 같은 천공 장치의 천공 비트와 함께 동시적으로 지반 내부로 삽입되도록 하는 직천공 장치와, 이 장치를 사용한 직천공 터널 보강 그라우팅 공법에 관한 것이다.
터널 등의 연역 지반을 보강하기 위한 보강 공법으로서 강관(Steel Pipe), PVC관, 또는 FRP관(Fiber Reinforced Plastic Pipe) 소재의 보강 파이프를 이용한 그라우팅 공법은 지반을 보강하면서 차수성을 향상시키는 지하 굴착 보조 공법으로, 강관 또는 FRP관 등의 보강 파이프 조립체를 지반에 설치하고 그 강관 또는 FRP관의 내측으로 패커를 설치하여 그라우트재를 주입함으로서 주입재에 의한 지반의 고결로 보강 파이프와 지반을 일체로 만들고 토질, 암반의 전단강도를 증대시키는 것을 특징으로 하는 공법이며, 아울러 이 공법은 그라우팅재의 주입을 보강 파이프 속에서 수행하므로 시공성, 경제성 측면에서 매우 유리한 공법이다. 이러한 보강 파이프 그라우팅 공법은 그 효과를 인정받아 터널보강 공법의 일환으로 정착되어 널리 이용되고 있다.
도 1은 종래의 일반적인 강관(보강 파이프) 보강 그라우팅 공법에 의한 시공 순서를 도시한 도면으로, 일반적으로 강관(보강 파이프) 보강 그라우팅 공법은 지반을 천공하는 단계(a); 완성된 천공홀 내부에 스트레이너(그라우팅재 주입 밸브)가 설치된 강관을 삽입하는 단계(b); 강관과 천공홀 사이에 실링재를 투입하고 입구를 코킹하는 단계(c); 및 패커를 설치하면서 그라우팅재를 주입하는 단계(d)로 이루어졌다. 이러한 방법은 천공 후 강관(보강 파이프)을 삽입하는 방법으로 진행되기 때문에, 보강 파이프가 삽입되기까지 천공홀이 그대로 유지되고 않고 연약한 주위 지반이 천공홀 방향으로 이완함으로써 천공홀의 무너짐이 발생하여 보강 파이프의 삽입을 어렵게 하는 문제점이 발생할 수 있으며, 이 점을 고려하여 보강 파이프의 규격(직경)을 천공 홀의 직경 보다 작은 것으로 설계 시공함으로써 적합한 안정성을 확보하기 어려운 문제점이 있었다.
상기 문제점을 개선하기 위하여 강관(보강 파이프)의 삽입을 지반 천공과 동시에 가능하도록 하는 직천공 장치가 개발되었는데, 도 2에 도시된 특허등록 제166423호에 도시된 장치와 도 3에 도시된 실용신안등록 제300881호에 따른 장치가 이러한 직천공 장치의 일예가 된다. 상기 특허등록 제166423호에 따른 직천공 장치는 도 2에 도시된 바와 같이 그라우팅재 주입 밸브의 역할을 하는 스트레이너(s)가 장착된 강관(1) 전단부 내주면에 암나사가 가공이 되고, 후단부 외주면에 수나사 가공된 천공비트(2)와 나사 체결되어 강관과 천공비트가 직접 일체로 결합된 구성으로 별도의 천공 로드를 구비하지 않고 강관이 직접 천공 동력을 전달하는 구조로 되어 있음을 알 수 있는데, 이러한 구성은 강관 내주면과 일치하는 크기의 비트를 요구하여 통상의 비트를 그대로 적용하기 곤란케 할 뿐만 아니라 강관이 직접 천공 동력을 전달하는 구조로 되어 있어서 충분한 강성을 제공하기 어려워 토사를 제외한 암반층을 천공하기 어렵다는 문제점이 있다. 또한, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 등록실용신안 제300881호에 따른 직천공 장치의 경우에도 강관(1)과 천공비트(2)가 나사체결되는데, 이 경우에는 동력전달용 천공 로드(3)가 별도로 제공되는 한편 이러한 천공 로드(3)가 강관(1)과 일체로 결합되는 구성으로 되어 있음을 알 수 있는데, 이러한 구성에서도 강관 내주면과 일치하는 크기의 비트를 요구하여 통상의 비트를 그대로 적용하기 곤란케 할 뿐만 아니라, 동력전달용 로드의 재사용이 불가능하여 자재비용을 증가시키는 문제점을 유발하며, 경우에 따라서는 천공을 위해 외부에서 비트로 인가되는 동력이 직접 강관을 통하여 전달됨으로써 그 충격력으로 인하여 강관에 장착된 스트레이너가 쉽게 이탈되거나 강관에 변형이 생기게 하는 문제를 유발할 수 있다.
이러한 종래 기술들의 문제점을 해결하고자 본 출원인에 의해 등록 특허 제10-0467537호로서 새로운 구조의 직천공 장치 및 이를 이용한 강관 그라우팅 시공 방법이 제안된 바 있는데, 등록 특허 제10-0467537호에 개시된 비트 분리형 직천공 장치의 경우에는 첨부 도면 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이 강관(10), 강관 슈(20), 천공 장치의 드리프터(도시 생략)에 직접 연결된 천공 로드(30), 및 천공 로드(30)와 분리 가능하게 나사 결합된 천공 비트(40)를 포함하여 구성되며, 강관(10)은 통상 보강 및 차수를 위한 강관 그라우팅 공법에서 적용되는 구조용 강관으로 다수개의 강관이 상호 연결될 수 있도록 양단에 나사부가 가공되어 있으며 그 외주면에는 그라우트재의 주입을 위한 주입구(분사구)가 다수개 형성되며 주입구에는 주입재의 역류 방지를 위한 역류 방지 밸브로서 제공되는 스트레이너(11)가 장착되어 있으며, 그리고 상기 강관 슈(Steel Shoe, 20)는 상기 강관(10) 전단부에 직접 고정 연결(예컨대, 용접 결합 또는 나사 결합 등의 방법으로)되는 것으로, 강관 슈(20)의 내경에는 내측으로 걸림돌기(21)가 돌출되어 천공 로드(30)의 단면확대부(31)가 걸리게 되는 구조를 가지는 바, 천공 로드(30)가 회전하면서 전진 진행하면서 이와 나사식으로 결합된 천공 비트(40)로써 지반(100)을 회전/충격식으로 천공하는데, 이때 천공 로드(30)의 단면확대부(31)는 강관 슈(20)를 전방으로 타격하며 밀게 되어서, 천공 로드(30)의 진행에 따라 강관 슈(20)와 직접적으로 고정 연결된 강관(10) 또한 함께 전방으로 진행하게 됨으로써 강관(10)이 천공과 동시에 천공홀 내부로 삽입되는 것이 가능하게 되는데, 이와 같이 소정 깊이까지 천공 및 강관 삽입이 완료되면 천공 로드(30)를 반대 방향으로 회전시켜서 천공 비트(40)의 후단부 몸체(41)로부터 천공 로드 전단의 비트 결합부(32)의 나사 결합을 해제시킴으로써 천공 로드(30)를 분리하여 천공홀 외부로 반출하고서, 이후 그라우팅 작업을 진행하는 시공 방법을 제공할 수 있었다.
그러나, 이러한 구조의 직천공 장치를 이용하는 경우에는 천공 로드(30)와 천공 비트(40)가 결합되는 위치에 제공되는 강관 슈(20)의 전방 추입력에 의해 보강 파이프 전체를 전방으로 끌고 들어가는 구조를 가지고 있기에 강도가 높은 암반의 경우에는 충분한 추진력을 제공하기 어려워 천공 속도가 지연되는 경우가 발생하고, 특히 절리가 심한 복합 지층의 경우에는 슬라임(slime) 형태로 배출되는 천공 파쇄물이 강관 슈(20)와 강관(10)의 직접 연결부와 천공 로드(30) 사이에 끼여 들면서 재밍 현상을 초래(예컨대 직경 80mm 정도의 소구경 직천공의 경우에는 더욱 심각)하여 더욱 더 천공 속도가 느려지는 문제점을 나타내었다.
또한, 상기한 구조의 직천공 장치에서는 강관 슈(20)와 천공 비트(10) 사이의 별도의 결합 구조가 제공되어 있지 않아서 강관 슈(20)의 전단부와 후단부 양측에서 천공 비트(10)와 천공 로드(30)를 조립하는 작업이 용이하게 수행되지 않으며, 조립 작업 도중에 실수로 천공 비트(10)가 떨어져 안전 사고가 발생할 우려가 있으며, 또한 천공 비트(10)와 천공 로드(30)의 결합부가 나사 결합 방식으로 되어 있기에 손쉬운 결합과 분리가 어려워서 공정 진행 효율이 떨어지고, 경우에 따라서 천공 충격으로 인한 나사산의 붕괴로 인하여 천공 로드(30)가 천공 비트(10)로 분리되지 않은 사태가 발생하여 더 이상의 공정(그라우팅재 주입 공정)이 진행될 수 없는 사태가 발생하는 등의 문제점이 있다.
본 발명은 상기의 제반 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 지반 천공과 보강 파이프(강관, PVC관, 또는 FRP관 등)의 삽입을 동시에 수행할 수 있게 한 직천공 장치에서 보강 파이프(강관, PVC관, 또는 FRP관 등)의 크기에 구애받지 않고 통상의 천공 비트를 적용할 수 있으며, 천공 비트와 분리하여 천공 로드를 회수함으로써 천공 로드의 재사용을 가능케 하면서도, 또한 강도가 높은 암반이나 절리가 심한 복합 지층의 경우에도 충분한 추진력으로 보강 파이프를 후방에서 밀어서 삽입할 수 있도록 하면서도 재밍 현상을 방지하여 천공 및 보강 파이프 삽입 공정의 속도를 증진시킬 수 있는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적은 천공 비트를 따라서 전진하면서 천공홀 내부로 삽입되는 보강 파이프의 전단부가 텔레스코프식으로 끼움 결합되어 가이드되도록 하는 케이싱 슈(강관과 같은 보강 파이프와 직접적으로 고정 연결되지는 않기에 종래 기술에서의 '강관 슈'라는 구성 요소와 구별됨)와 천공 비트 사이의 결합 구조를 개선하여 장치의 조립 공정을 신속히 수행할 수 있도록 하면서, 장치 조립 시에 발생할 수 있는 안전 사고의 위험을 방지할 수 있도록 하는 직천공 보강 그라우팅 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 천공 비트와 천공 로드의 분리 가능한 체결 구조를 개선하여 장치의 조립 및 분리 공정을 더욱 신속히 수행할 수 있도록 하는 직천공 보강 그라우팅 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 지반 천공과 보강 파이프(강관, PVC관, 또는 FRP관 등)의 삽입을 동시에 수행할 수 있게 한 직천공 장치를 이용한 터널 보강 그라우팅 공법을 적용함에 있어서, 보강 파이프(강관, PVC관, 또는 FRP관 등)의 크기에 구애받지 않고 통상의 천공 비트를 적용할 수 있으며, 천공 비트와 분리하여 천공 로드를 회수함으로써 천공 로드의 재사용을 가능케 하면서도, 또한 강도가 높은 암반이나 절리가 심한 복합 지층의 경우에도 충분한 추진력으로 보강 파이프를 후방에서 밀어서 삽입할 수 있도록 하면서도 재밍 현상을 방지하여 천공 및 보강 파이프 삽입 공정의 속도를 증진시킬 수 있는 추진력이 강화된 직천공 단계를 포함하는 직천공 보강 그라우팅 방법을 제공함에 그 목적이 있다.
상기한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치는, 지반을 천공하기 위하여 전단의 머리부에 다이아몬드 또는 텅스텐과 같은 경질 소재의 팁을 구비한 천공 비트와; 전단부는 상기 천공 비트의 상기 머리부에서 후방으로 연장되는 몸체부와 분리 가능하게 결합되고 후단부는 천공 로드와 결합되는 것으로서, 천공 심도가 증가하면서 확대되는 천공 비트의 회전 관성 모멘트를 제어하는 단면 확대부를 구비한 파이롯트 디바이스와; 상기 파이롯트 디바이스의 후단부와 결합되어 동력을 전달하는 로드 부재로서, 천공 심도의 증가에 따라서 다수개가 연결되어 제공되는 천공 로드와; 천공 장치의 동력을 천공 로드와 파이롯트 디바이스 및 천공 비트로 전달하기 위한 천공 드리프터와; 상기 천공 로드와 상기 천공 드리프터 사이에 설치되며 지반 천공 방향으로 향하는 제 1 충격단을 외주부에 구비한 로드 어댑터와; 상기 천공 비트의 몸체부가 전단에 수용되며 상기 파이롯트 디바이스의 전단부가 후단에 수용되는 관 형상의 케이싱 부재로서, 상기 파이롯트 디바이스의 외주면에 돌출 형성된 단면 확대부와 걸리도록 케이싱 부재 내측으로 걸림돌기가 돌출 형성된 케이싱 슈와; 상기 케이싱 슈의 내경과 상기 파이롯트 디바이스의 외주면 사이에 전단부가 텔레스코식으로 끼움 결합되고, 내부에는 상기 천공 로드가 관통 설치되며, 설정 간격을 두고서 내외부를 관통하여 다수개의 그라우팅재 역류 방지 밸브가 설치되며, 천공 심도에 따라 설정 길이를 가진 다수개의 강관, PVC관, 또는 FRP관이 연결 설치되는 보강 파이프 조립체와; 상기 보강 파이프 조립체를 구성하는 최후방의 보강 파이프(강관, PVC관, 또는 FRP관 등)의 후단부와 결합되는 전단부와, 상기 로드 어댑터의 제 1 충격단과 대응하는 제 2 충격단이 형성된 후단부를 구비한 관 형상의 부재로서, 내부에는 상기 천공 로드의 후단부와 상기 로드 어댑터의 전단부가 연결되는 커플러가 설치되고, 내외부를 관통하는 슬라임 배출공이 하나 이상 형성되는 보강 파이프 드라이빙 어댑터를 포함하여 이루어지고, 그리고 상기 최후방 보강 파이프의 후단부는 천공과 동시에 보강 파이프가 천공홀 내부로 삽입되도록 하는 추진력을 상기 천공 드리프터, 상기 로드 어댑터, 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터를 통하여 받도록 하며, 상기 보강 파이프 조립체의 최전방 보강 파이프의 전단부는 상기 천공 비트의 진행과 함께 상기 파이롯트 디바이스에 의해 지반 내부로 밀려 들어가는 케이싱 슈 후단과의 텔레스코프식 끼움 결합에 의해 안내되도록 형성되며, 그리고 천공 완료 후에는 상기 파이롯트 디바이스와 상기 천공 비트의 결합부의 분리 및 상기 천공 드리프터와 상기 로드 어댑터 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터의 후퇴를 통하여 상기 파이롯트 디바이스 및 상기 천공 로드는 천공홀 내부의 상기 보강 파이프 조립체로부터 외부로 회수되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치를 제공한다.
본 발명은 바람직하기로, 상기 로드 어댑터와 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터 사이에서 상기 로드 어댑터가 관통하도록 배치되는 완충 링을 추가적으로 포함하며, 그리고 상기 보강 파이프의 후단부와 결합되는 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터의 전단부에는 상기 보강 파이프의 후단부의 외주면에 가공된 나사 결합면을 보호하도록 보호 캡이 추가적으로 제공되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 케이싱 슈와 천공 비트 사이의 결합 구조를 개선하기 위하여, 상기 천공 비트의 후단 몸체부의 외주면과 상기 케이싱 슈의 전단부 내측면에는 원형의 링 끼움홈이 형성되고, 상기 천공 비트의 후단 몸체부의 외주면에 형성된 상기 링 끼움홈에 탄성 끼움 결합되는 스냅 링이 추가적으로 제공되어서, 상기 천공 비트의 후단 몸체부가 상기 케이싱 슈의 전단부 내에 삽입될 때 천공 비트의 후단 몸체부의 외주면에 형성된 링 끼움홈에 끼워진 스냅 링이 내측으로 탄성 압축되었다가 상기 케이싱 슈의 전단부 내측면에 형성된 링 끼움홈에 이르러 외측으로 탄성 확장되어 걸리도록 형성되는 장치를 제공한다.
아울러, 본 발명은 천공 로드와 천공 비트 사이의 분리 가능한 체결 구조를 개선하기 위하여, 상기 천공 비트의 후단 몸체부 저면에는 상기 파이롯트 디바이스의 전단부가 분리 가능하게 체결되기 위하여 제공되는 분리 체결 슬라이딩 가이드홈 및 회전 공간부가 형성되고, 그리고 상기 파이롯트 디바이스의 전단부 외주면에는 길이 방향으로 형성되는 분리 체결 슬라이딩 가이드 돌기와 그 단부에서 원주 방향으로 돌출 형성되어 원주 방향 회전 변위 방향에 따라 상기 천공 비트의 분리 체결 슬라이딩 가이드홈과 회전 공간부가 형성하는 모서리 부분과 걸림 체결 및 해정을 제공하는 걸림턱이 형성되는 것을 특징으로 하는 장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 상기한 과제를 달성하기 위한 방법으로서 앞서 설명한 장치를 이용하여 천공 및 보강 파이프 삽입 공정의 속도를 증진시킬 수 있는 추진력이 강화된 직천공 단계를 포함하는 직천공 보강 그라우팅 방법 발명으로서,
드릴링 비트를 전단에 구비한 파이롯트 디바이스와, 파이롯트 디바이스의 후단에 고정 결합된 드릴링 로드를 회전 추진시키는 천공 드리프터를 구비한 천공 장비로 터널 굴착 단면의 전방으로 선행하는 방향으로 천공홀을 드릴링하며, 천공홀의 드릴링이 필요 깊이까지 진행되는 동안에 천공과 동시에 그라우팅 작업에 필요한 분사구 및 그라우팅재 역류 방지 밸브를 구비한 설정 개수의 보강 파이프를 천공 깊이에 따라 순차적으로 연결한 보강 파이프 조립체를 천공홀 내부로 삽입하는 천공홀 천공 및 보강 파이프 조립체의 동시 삽입 단계;
설정된 천공 심도에 도달하게 되면서 상기 천공홀 천공 및 보강 파이프 조립체의 동시 삽입 단계가 완료된 후에는, 천공 로드와 천공 로드의 전방에 고정 결합된 파이롯트 디바이스를 역회전시키며 후퇴시킴으로써 상기 파이롯트 디바이스를 상기 천공 비트로부터 분리시키고, 상기 천공 드리프터와 상기 로드 어댑터 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터를 천공홀 외부로 후퇴시킴으로써 상기 파이롯트 디바이스 및 상기 천공 로드를 천공홀 내부에 남게 되는 상기 보강 파이프 조립체의 외부로 회수하는 천공 장비 회수 단계;
보강 파이프 조립체 중에서 최후방에 설치된 상기 보강 파이프의 단부와 천공홀 벽면 사이를 코킹재로써 밀봉하는 보강 파이프 단부 코킹 단계; 및
보강 파이프 조립체를 구성하도록 연결된 보강 파이프 내부에 그라우팅재 주입관을 삽입하고, 그라우팅재 주입관을 통하여 그라우팅재를 압력 주입함으로써 상기 보강 파이프에 형성된 분사구에 설치된 그라우팅재 역류 방지 밸브를 통하여 그라우팅재가 지반 내부로 분사 주입되도록 하는 그라우팅재 주입 단계를 포함하여 이루어지고,
상기 천공홀 천공 및 보강 파이프 조립체의 동시 삽입 단계에서 사용되는 장치로서, 상기 천공 로드와 상기 천공 드리프터 사이에 설치되며 지반 천공 방향으로 향하는 제 1 충격단을 외주부에 구비한 로드 어댑터; 상기 천공 비트의 몸체부가 전단에 수용되며 상기 파이롯트 디바이스의 전단부가 후단에 수용되는 관 형상의 케이싱 부재로서, 상기 파이롯트 디바이스의 외주면에 돌출 형성된 단면 확대부와 걸리도록 케이싱 부재 내측으로 걸림 돌기가 돌출 형성된 케이싱 슈; 및 상기 보강 파이프 조립체를 구성하는 최후방 보강 파이프의 후단부와 결합되는 전단부와, 상기 로드 어댑터의 제 1 충격단과 대응하는 제 2 충격단이 형성된 후단부를 구비한 관 형상의 부재로서, 내부에는 상기 천공 로드의 후단부와 상기 로드 어댑터의 전단부가 연결되는 커플러가 설치되고, 내외부를 관통하는 슬라임 배출공이 하나 이상 형성되는 보강 파이프 드라이빙 어댑터를 추가적으로 구비하여,
상기 드릴링 비트의 지반 천공력은 상기 천공 드리프터, 상기 천공 로드, 상기 파이롯트 디바이스, 및 상기 천공 비트로 전달되는 천공 동력으로부터 얻고,
상기 보강 파이프 조립체의 전방 추진력은 상기 천공 드리프터, 상기 로드 어댑터, 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터를 통하여 최후방 보강 파이프 후단부에 전달되는 충격력으로부터 얻고, 그리고
상기 보강 파이프 조립체의 최전방 보강 파이프의 전단부는 상기 천공 비트의 진행과 함께 상기 파이롯트 디바이스에 의해 지반 내부로 밀려 들어가는 케이싱 슈 후단과의 텔레스코프식 끼움 결합에 의해 안내되는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치를 이용한 직천공 터널 보강 그라우팅 방법이 제공된다.
본 발명에 따르면, 터널 굴착 단면의 전방으로 선행하여 설치되어 이를 통하여 그라우팅재가 지반 내부로 주입하도록 하는 보강 파이프 조립체를 지반 내부로 굴착하는 천공기와 같은 천공 장치의 천공 비트와 함께 동시적으로 지반 내부로 삽입되도록 하면서도, 보강 파이프의 크기에 구애받지 않고 통상의 천공 비트를 적용할 수 있으며, 천공 비트와 분리하여 파이롯트 디바이스 및 천공 로드 등의 주요 장치 구성품들을 회수함으로써 재사용을 가능케 하면서도, 또한 강도가 높은 암반이나 절리가 심한 복합 지층의 경우에도 충분한 추진력으로 보강 파이프 조립체를 후방에서 밀어서 삽입할 수 있도록 하면서, 아울러 보강 파이프의 크기와 작아서 천공 파쇄물의 회수 통로가 협소한 경우에도 보강 파이프과 케이싱 슈 사이의 유연한 텔레스코프 방식의 연결을 통하여 천공 로드 또는 파이롯트 디바이스와의 재밍 현상의 발생 가능성을 축소함으로써 천공 및 보강 파이프 삽입 공정의 속도를 증진시킬 수 있는 효과를 제공하며, 또한 그로 인하여 터널 굴착 단면에 대한 선행적인 보강 작업이 보다 신속히 진행될 수 있도록 함으로써 연약 지반이나 이완대를 포함하는 터널 굴착 단면의 조기 안정화를 도모할 수 있는 효과를 제공한다.
본 발명에 따르면 천공 비트를 따라서 전진하면서 천공홀 내부로 삽입되는 보강 파이프의 전단부가 텔레스코프식으로 끼움 결합되어 가이드되도록 하는 케이싱 슈와 천공 비트 사이의 결합 구조가 개선됨으로써 장치의 조립 공정을 보다 신속히 수행할 수 있도록 하면서, 아울러 장치 조립 시에 천공 비트가 케이싱 슈에 대하여 제대로 고정 설치되지 않아서 발생할 수 있는 안전 사고의 위험을 방지할 수 있도록 한다.
그리고, 본 발명에 따르면 천공 비트와 천공 로드의 개선된 분리 가능한 체결 구조를 통하여 장치의 조립 및 분리 공정을 더욱 신속히 수행할 수 있도록 함으로써 공정 효율을 증가시키는 효과를 제공한다.
도 1은 종래 기술에 따른 보강 파이프 그라우팅 공법의 순서를 나타낸 도면들.
도 2 내지 도 4b는 종래 기술에 따른 직천공 보강 그라우팅 장치들을 도시한 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명에 따른 비트 분리형 직천공 보강 그라우팅 장치의 일 실시예를 도시한 분해 사시도와 결합 상태 단면도.
도 5c 및 도 5d는 본 발명에 따른 비트 분리형 직천공 보강 그라우팅 장치의 다른 실시예를 도시한 분해 사시도와 결합 상태 단면도.
도 6a 내지 도 6f는 본 발명에 따른 비트 분리형 직천공 보강 그라우팅 장치를 사용하여 직천공(천공홀 천공 및 보강 파이프 조립체, 즉 보강 파이프의 천공홀 삽입)이 동시에 이루어지는 과정과 보강 그라우팅이 진행되는 과정을 순서적으로 도시한 도면들.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 비트 분리형 직천공 보강 그라우팅 장치의 천공 비트와 파이롯트 디바이스 사이의 체결 및 해정 분리 상태를 순서적으로 도시한 도면.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 구체적인 실시 예들을 더욱 상세히 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치의 일 실시예에서는, 첨부 도면 도 5a의 분해 사시도 및 도 5b의 결합 상태 단면도에 도시된 바와 같이 천공 비트(112b)와, 파이롯트 디바이스(112g)와, 천공 로드(112r)와, 로드 어댑터(112a)와, 천공 드리프터(111)와, 상기 파이롯트 디바이스(112g)의 외주면에 설치되는 케이싱 슈(112h)와, 보강 파이프 조립체(500)와; 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)를 포함하여 이루어지는데, 보다 구체적으로 살펴보면, 상기 천공 비트(112b)는 지반을 천공하기 위하여 전단의 머리부에 다이아몬드 또는 텅스텐과 같은 경질 소재의 팁을 구비하도록 형성되고, 상기 파이롯트 디바이스(112g)는 전단부가 상기 천공 비트(112b)의 상기 머리부에서 후방으로 연장되는 몸체부와 분리 가능하게 결합되고 후단부는 천공 로드(112r)와 결합되는 것으로서, 또한 천공 심도가 증가하면서 확대되는 천공 비트(112b)의 회전 관성 모멘트를 제어하는 단면 확대부(112g-e)를 구비한다.
상기 천공 로드(112r)는 상기 파이롯트 디바이스(112g)의 후단부와 결합되어 동력을 전달하는 로드 부재로서, 천공 심도의 증가에 따라서 다수개가 연결되어 제공되며, 그리고 상기 천공 드리프터(111)는 천공 장비(도 6a의 '110')의 동력을 천공 로드(112r)와 파이롯트 디바이스(112g) 및 천공 비트(112b)로 전달하기 위하여 제공되는 것이다.
상기 로드 어댑터(112a)는 상기 천공 로드(112r)와 상기 천공 드리프터(111) 사이에 설치되며 지반 천공 방향으로 향하는 제 1 충격단(후술할 보강 파이프 드라이빙 어댑터 측에 추진력을 인가하기 위한 것)을 외주부에 구비하고 있으며, 그리고 상기 케이싱 슈(112h)는 상기 천공 비트(112b)의 몸체부가 전단에 수용되며 상기 파이롯트 디바이스(112g)의 전단부가 후단에 수용되는 관 형상의 케이싱 부재로서, 상기 파이롯트 디바이스(112g)의 외주면에 돌출 형성된 단면 확대부(112g-e)와 걸리도록 케이싱 부재 내측으로 걸림 돌기(112h-e)가 돌출 형성된다.
그리고, 본 발명에서 천공 심도에 따라 설정 길이를 가진 다수개의 보강 파이프(510, 예컨대 강관, PVC관, 또는 FRP관과 같은 지반 지지에 충분한 강성을 지닌 관체)가 연결 설치되는 보강 파이프 조립체(500)의 경우에는 상기 케이싱 슈(112h)의 내경과 상기 파이롯트 디바이스(112g)의 외주면 사이에 전단부가 도면에 확대 도시된 바와 같이 간극(cd1)을 가진 채로 텔레스코식으로 끼움 결합되고, 내부에는 상기 천공 로드(112r)가 관통 설치되며, 설정 간격을 두고서 보강 파이프의 내외부를 관통하도록 다수개의 그라우팅재 역류 방지 밸브(122v)가 설치된다.
또한, 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)는 상기 보강 파이프 조립체(500)를 구성하는 최후방의 보강 파이프(510)의 후단부와 결합되는 전단부, 및 상기 로드 어댑터(112a)의 제 1 충격단(112a-1)과 대응하는 제 2 충격단(112d-1,전술한 로드 어댑터의 제 1 충격단으로부터 추진력을 전달받기 위한 것)이 형성된 후단부를 구비한 관 형상의 부재로서, 내부에는 상기 천공 로드(112r)의 후단부와 상기 로드 어댑터(112a)의 전단부가 연결되는(예컨대, 나사 체결 방식으로) 커플러(112c)가 설치되고, 내외부를 관통하는 슬라임 배출공(112d-2)이 하나 이상 형성된다.
그리하여, 상기 보강 파이프 조립체(500)의 최후방 보강 파이프(510) 후단부는 천공과 동시에 보강 파이프(510)가 천공홀(102) 내부로 삽입되도록 하는 추진력을 상기 천공 드리프터(111), 상기 로드 어댑터(112a), 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)를 통하여 받도록 하며, 상기 보강 파이프 조립체(500)의 최전방 보강 파이프(510)의 전단부는 상기 천공 비트(112b)의 진행과 함께 상기 파이롯트 디바이스(112g)에 의해 지반 내부로 밀려 들어가는 케이싱 슈(112h) 후단과의 텔레스코프식 끼움 결합에 의해 안내되도록 형성되며, 그리고 천공 완료 후에는 상기 파이롯트 디바이스(112g)와 상기 천공 비트(112b)의 결합부의 분리 및 상기 천공 드리프터(111)와 상기 로드 어댑터(112a) 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)의 후퇴를 통하여 상기 파이롯트 디바이스(112g) 및 상기 천공 로드(112r)는 천공홀(102) 내부의 상기 보강 파이프 조립체(500)로부터 외부로 회수될 수 있도록 형성된다.
한편, 본 발명에 따른 더욱 바람직한 실시예에서는, 도 5c의 분해 사시도 및 도 5d의 결합 상태 단면도에 도시된 바와 같이, 상기 로드 어댑터(112a)와 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d) 사이에서 상기 로드 어댑터(112a)가 관통하도록 배치되는 완충 링(112e)을 추가적으로 포함하는 구조가 제시될 수 있는데, 이와 같은 완충 링(112e)이 상기 로드 어댑터(112a)의 제 1 충격단(112a-1)과 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)의 제 2 충격단(112d-1) 사이에 추가적으로 개재됨으로써 상기 로드 어댑터(112a)의 제 1 충격단(112a-1)과 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)의 제 2 충격단(112d-1) 사이의 직접적인 충격으로 인한 로드 어댑터(112a)와 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)의 충격 손상을 방지할 수 있도록 하며, 반복 사용시에 충격 하중으로 인하여 변형되거나 파손된 완충 링(112e)만을 교체하여 교체 비용을 절감할 수 있도록 한다.
또한, 상기 보강 파이프 조립체(500)를 구성하는 강관, PVC관, 또는 FRP관 같은 관체로 구성되는 보강 파이프(510)의 후단부와 결합되는 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)의 전단부에는 상기 보강 파이프(510)의 후단부의 외주면에 가공된 나사 결합면을 보호하며 강관의 파손(파열)을 방지하도록 보호 캡(112i)이 추가적으로 제공되는 것이 바람직한데, 상기 보호 캡(112i)은 도 5b 및 도 5d에 확대 도시된 바와 같이, 상기 보강 파이프(510)의 후단부의 외주면에 가공된 나사 결합면의 수나사의 나사산이 간극을 두고서 수용될 수 있는 나사골로 형성된 암나사 결합면을 내경부에 구비한 원통형 전단부, 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터의 전단부에 끼움 결합되는 원통형 후단부를 포함하여 형성되는 것이 바람직하는데, 상기 보호 캡(112i)은 구조용 탄소 강관을 재료로써 침탄법 등의 표면 경화 열처리 공정을 거쳐서 표면은 마르텐사이트 조직으로 경화시키고 재료의 중심부는 인성을 가진 저탄소강의 성질을 유지하도록 형성함으로써 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)로부터 상기 보강 파이프(510)의 후단부로 충격력을 전달하더라도 상기 보강 파이프(510)의 후단부의 외주면에 가공된 나사 결합면을 보호할 수 있을 뿐만 아니라 응력 불균형으로 인한 강관의 파열을 방지하는 작용이 원활하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.
나아가, 상기 천공 비트(112b)의 후단 몸체부의 외주면과 상기 케이싱 슈(112h)의 전단부 내측면에는 원형의 링 끼움홈이 형성되고, 상기 천공 비트(112b)의 후단 몸체부의 외주면에 형성된 상기 링 끼움홈에 탄성 끼움 결합되는 스냅 링(112br)이 추가적으로 제공되는 것이 바람직하며, 상기 천공 비트(112b)의 후단 몸체부가 상기 케이싱 슈(112h)의 전단부 내에 삽입될 때 천공 비트(112b)의 후단 몸체부의 외주면에 형성된 링 끼움홈에 끼워진 스냅 링(112br, 도 5a 참조)이 내측으로 탄성 압축되었다가 도 5b에 도시된 바와 같이 상기 케이싱 슈(112h)의 전단부 내측면에 형성된 링 끼움홈에 이르러 외측으로 탄성 확장되어 걸리도록 체결됨으로써 천공 비트(112b)가 케이싱 슈(112h)의 전방에 쉽게 고정되도록 형성되는데, 이로써 상기 천공 비트(112b)가 상기 케이싱 슈(112h)의 전방에 고정된 위치를 가지고 결합되면서도 천공 작업시에는 회전되지 않는 케이싱 슈(112h)와는 독립적으로 회전될 수 있게 된다.
아울러, 상기 천공 비트(112b)의 후단 몸체부 저면에는 상기 파이롯트 디바이스(112g)의 전단부가 분리 가능하게 체결되기 위하여 제공되는 분리 체결 슬라이딩 가이드홈(112b-1) 및 회전 공간부(112b-2)가 형성되고, 상기 파이롯트 디바이스(112g)의 전단부 외주면에는 길이 방향으로 형성되는 분리 체결 슬라이딩 가이드 돌기(112g-1)와 그 단부에서 원주 방향으로 돌출 형성되어 원주 방향 회전 변위 방향에 따라 상기 천공 비트(112b)의 분리 체결 슬라이딩 가이드홈(112b-1)과 회전 공간부(112b-2)가 형성하는 모서리 부분과 걸림 체결 및 해정을 제공하는 걸림턱(112g-2)이 형성되는데, 도 7a에 도시된 바와 같이 상기 파이롯트 디바이스(112g)의 걸림턱(112g-2)이 상기 천공 비트(112b)의 상기 분리 체결 슬라이딩 가이드홈(112b-1)을 따라서 슬라이딩하면서 체결이 진행되다가, 도 7b에 도시된 바와 같이 상기 분리 체결 슬라이딩 가이드홈(112b-1)을 지나서 상기 회전 공간부(112b-2)에 도달하기까지 체결이 진행된 이후에 상기 파이롯트 디바이스(112g)가 원주 방향으로 조금이라도 회전하게 되면 상기 파이롯트 디바이스(112g)의 상기 걸림턱(112g-2)이 분리 체결 슬라이딩 가이드홈(112b-1)과 회전 공간부(112b-2)가 형성하는 모서리 부분에 걸림으로써 체결이 완료되게 된다.
나아가, 본 발명에 따라 보강 파이프 조립체의 직천공 작업이 완료되게 되면, 도 7c에 도시된 바와 같이 상기 파이롯트 디바이스(112g)가 원주 방향으로 조금이라도 회전하게 되면 상기 파이롯트 디바이스(112g)의 걸림턱(112g-2)이 상기 천공 비트(112b)의 분리 체결 슬라이딩 가이드홈(112b-1)과 회전 공간부(112b-2)가 형성하는 모서리 부분에서의 걸림이 해제되고, 그리고는 상기 파이롯트 디바이스(112g)를 후방으로 후퇴시키게 되면 분리 체결 슬라이딩 가이드 돌기(112g-1) 및 걸림턱(112g-2)은 상기 분리 체결 슬라이딩 가이드홈(112b-1)을 지나서 외부로 빠져 나오게 되고 그리하여 체결 해제가 이루어지게 된다.
한편, 상기 파이롯트 디바이스(112g)에 형성된 상기 분리 체결 슬라이딩 가이드 돌기(112g-1)와 상기 걸림턱(112g-2)이 형성하는 모서리로서, 상기 천공 비트(112b)의 상기 분리 체결 슬라이딩 가이드홈(112b-1)과 회전 공간부(112b-2)가 형성하는 모서리 부분에 대응하는 모서리 부분에는 재밍 방지 요홈(112g-3)이 제공되어서, 천공 작업 등의 충격으로 인한 모서리 부분의 일부 변형이 발생하더라도 상기한 체결 해제가 방해받지 않도록 한다.
따라서, 이와 같은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면 케이싱 슈(112h)의 반대편 후방에서 파이롯트 디바이스(112g)을 밀어 넣어서 천공 비트(112b)와 상호 결합시키는 과정에서 상기 천공 비트(112b)의 후단 몸체부에 상기 파이롯트 디바이스(112g)가 보다 쉽게 체결되고 체결 해제될 수 있도록 한다.
이하에서는, 보다 바람직한 장치 발명의 실시예로 설명된 도 5c 및 도 5d에 도시된 완충 링(112e)을 추가적으로 포함한 실시예에 따른 추진력이 강화된 직천공 그라우팅 장치의 작동 상태로서 천공홀의 천공과 보강 파이프 조립체의 천공 홀 삽입이 동시에 진행되는 과정과, 이를 이용한 직천공 터널 보강 그라우팅 방법의 구체적 수행 단계들을 살펴보기로 한다.
먼저, 첨부 도면 도 6a에 도시된 바와 같이, 드릴링 비트(112b)를 전단에 구비한 드릴링 로드(112r)를 장착한 점보 드릴 또는 크롤러 드릴 등의 천공 장비(110)로 천공홀(102)을 드릴링하며 천공홀(102)의 드릴링이 필요 깊이까지 진행되는 동안에 천공과 동시에 그라우팅 작업에 필요한 설정 개수의 보강 파이프(510)를 천공 깊이에 따라 순차적으로 연결한 보강 파이프 조립체(500)를 천공홀(102) 내부로 삽입하게 되는데, 천공 장비(110)로부터 얻어지는 회전 추진력은 상기 천공 드리프터(111), 상기 로드 어댑터(112a), 및 상기 천공 로드(112r)를 통하여 상기 천공 비트(112b)에 전달되어서 천공홀(102)의 천공이 진행되도록 하면서, 또한 천공 장비(110)로부터 얻어지는 추진력은 상기 천공 드리프터(111), 상기 로드 어댑터(112a), 상기 완충 링(112e), 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)를 통하여 상기 보강 파이프 조립체(500)의 최후방 보강 파이프(510) 후단부에도 전달됨으로써 상기 보강 파이프 조립체(500)의 최후방 보강 파이프(510)가 회전되지 않으면서 전방으로 밀려서 진행하도록 한다.
한편, 상기 보강 파이프 조립체(500)의 최전방 보강 파이프(510)의 전단부는 천공 로드(112r)로부터 추진력을 전달받는 상기 파이롯트 디바이스(112g)와 케이싱 슈(112h)의 걸림 구조(파이롯트 디바이스(112g)의 단면 확대부(112g-e)와 케이싱 슈(112h)의 걸림 돌기(112h-e)의 걸림 구조)에 의해 상기 천공 비트(112b)의 추진 진행과 동조하여 지반 내부로 단순히 밀려 들어가는 케이싱 슈(112h) 후단과의 텔레스코프식 끼움 결합에 의해 안내되도록 형성되어 있기에, 상기 보강 파이프 조립체(500)의 최전방 보강 파이프(510)의 전방 진행과 상기 케이싱 슈(112h)의 전방 진행은 상호 독립적으로 이루어지게 되나, 상기 케이싱 슈(112h)의 전방 진행이 상기 보강 파이프 조립체(500)의 최전방 보강 파이프(510)의 전단부의 전방 진행이 올바른 방향성을 유지하도록 가이드하는 작용을 하게 된다.
이와 같이 천공이 진행되는 동안에 천공 비트(112b)에 의해 발생된 지반 파쇄물은 천공 드리프터(111)를 회전시키면서 천공수를 공급하면 천공수와 함께 천공 슬라임(slime)의 형태로 보강 파이프 조립체(500)를 구성하는 보강 파이프(510)의 내부를 거쳐 후방으로 이동하여서 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)에 내외부를 관통하도록 형성된 슬라임 배출공(112d-2)을 통하여 배출되게 된다.
그리고는, 천공 로드(112r)의 후단부를 상기 로드 어댑터(112a)로부터 분리하고, 설정된 천공 심도에 도달하기까지 추가의 보강 파이프(510)와 천공 로드(112r)를 앞서 설치된 보강 파이프(510)와 천공 로드(112r)에 연결하고, 추가로 연결된 최후방의 보강 파이프(510)의 후단부에는 그 나사 체결면을 보호하는 전단부를 구비한 보호 캡(112i)을 결합하며, 그리고 상기 보호 캡(112i)의 후단부를 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)의 전단부에 끼움 결합시킴으로써, 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)로부터의 충격력이 보강 파이프(510)의 후단부에 직접 인가되어 파열 또는 파손되는 것을 방지하게 된다.
한편, 보강 파이프(510)와 천공 로드(112r)를 연결하며 필요한 천공 심도에 거의 도달하게 되면 천공홀(102)의 천공 및 보강 파이프 조립체(500)의 동시 삽입 공정이 완료되게 되며, 그리고 이러한 공정이 완료된 후에는 도 6b에 도시된 바와 같이 천공 로드(112r)와 파이롯트 디바이스(112g)를 역회전시키며 후퇴시킴으로써 첨부 도면 도 7b 및 도 7c에 도시된 바와 같이 상기 파이롯트 디바이스(112g)를 상기 천공 비트(112b)로부터 분리시키고, 첨부 도면 도 6c에 도시된 바와 같이 상기 천공 드리프터(111)와 상기 로드 어댑터(112a) 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)를 천공홀(102) 외부로 후퇴시킴으로써 상기 파이롯트 디바이스(112g) 및 상기 천공 로드(112r)를 천공홀(102) 내부에 남게 되는 상기 보강 파이프 조립체(500)로부터 외부로 회수하게 되는데, 지반 내에 남게 되는 것을 제외하고 이와 같이 회수되는 장치 구성품들은 다른 천공홀의 시공에 재사용되게 된다.
나아가, 본 발명에 따른 장치를 이용한 지반 보강 목적을 달성하기 위하여, 보강 파이프(510)에 형성된 분사구(121h)에 설치된 그라우팅재 역류 방지 밸브(122v)를 통한 그라우팅재의 압력 주입을 통한 보강 파이프 그라우팅 작업의 전 단계로서, 도 6d에 도시된 바와 같이 최후방의 보강 파이프(510)의 단부와 천공홀(102) 벽면 사이를 코킹재(500-C)로써 코킹하고, 도 6e에 도시된 바와 같이 보강 파이프(510) 내부에 그라우팅재 주입관(600, 외주면에 설정 간격을 두고서 도면부호 '610'으로 나타낸 다수개의 패커가 설치될 수 있음)을 삽입하고서는, 도 6f에 도시된 바와 같이 그라우팅 펌프를 이용하여 그라우팅재 압력 주입 작업을 수행하는 단계를 진행하게 되는데, 이러한 그라우팅재 주입 단계는 도 6e 및 도 6f에 도시된 바와 같이 다수개의 패커와 주입관을 이용한 동시 주입 공법을 사용할 수 있을 뿐만 아니라, 1개 또는 2개의 주입관과 패커를 사용하면서 보강 파이프 조립체(500) 내에서 설정 간격 만큼 단계적으로 후퇴하면서 압력 주입을 수행할 수도 있다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시예들을 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.
그리고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 특정되는 것이며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
102: 천공홀 110: 천공 장비
111: 천공 드리프터 112a: 로드 어댑터
112b: 천공 비트 112c: 커플러
112d: 보강 파이프 드라이빙 어댑터
112e: 완충 링 112g: 파이롯트 디바이스
112h: 케이싱 슈 112r: 천공 로드
500: 보강 파이프 조립체 510: 보강 파이프
500-C: 코킹재

Claims (13)

  1. 지반을 천공하기 위하여 전단의 머리부에 다이아몬드 또는 텅스텐과 같은 경질 소재의 팁을 구비한 천공 비트와;
    전단부는 상기 천공 비트의 상기 머리부에서 후방으로 연장되는 몸체부와 분리 가능하게 결합되고 후단부는 천공 로드와 결합되는 것으로서, 천공 심도가 증가하면서 확대되는 천공 비트의 회전 관성 모멘트를 제어하는 단면 확대부를 구비한 파이롯트 디바이스와;
    상기 파이롯트 디바이스의 후단부와 결합되어 동력을 전달하는 로드 부재로서, 천공 심도의 증가에 따라서 다수개가 연결되어 제공되는 천공 로드와;
    천공 장비의 동력을 천공 로드와 파이롯트 디바이스 및 천공 비트로 전달하기 위한 천공 드리프터와;
    상기 천공 로드와 상기 천공 드리프터 사이에 설치되며 지반 천공 방향으로 향하는 제 1 충격단을 외주부에 구비한 로드 어댑터와;
    상기 천공 비트의 몸체부가 전단에 수용되며 상기 파이롯트 디바이스의 전단부가 후단에 수용되는 관 형상의 케이싱 부재로서, 상기 파이롯트 디바이스의 외주면에 돌출 형성된 단면 확대부와 걸리도록 케이싱 부재 내측으로 걸림 돌기가 돌출 형성된 케이싱 슈와;
    상기 케이싱 슈의 내경과 상기 파이롯트 디바이스의 외주면 사이에 전단부가 텔레스코식으로 끼움 결합되고, 내부에는 상기 천공 로드가 관통 설치되며, 설정 간격을 두고서 내외부를 관통하여 다수개의 그라우팅재 역류 방지 밸브가 설치되며, 천공 심도에 따라 설정 길이를 가진 다수개의 보강 파이프가 연결 설치되는 보강 파이프 조립체와;
    상기 보강 파이프 조립체를 구성하는 최후방 보강 파이프의 후단부와 결합되는 전단부와, 상기 로드 어댑터의 제 1 충격단과 대응하는 제 2 충격단이 형성된 후단부를 구비한 관 형상의 부재로서, 내부에는 상기 천공 로드의 후단부와 상기 로드 어댑터의 전단부가 연결되는 커플러가 설치되고, 내외부를 관통하는 슬라임 배출공이 하나 이상 형성되는 보강 파이프 드라이빙 어댑터를 포함하여 이루어지고, 그리고
    상기 최후방 보강 파이프의 후단부는 천공과 동시에 보강 파이프가 천공홀 내부로 삽입되도록 하는 추진력을 상기 천공 드리프터, 상기 로드 어댑터, 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터를 통하여 받도록 하며, 상기 보강 파이프 조립체의 최전방 보강 파이프의 전단부는 상기 천공 비트의 진행과 함께 상기 파이롯트 디바이스에 의해 지반 내부로 밀려 들어가는 케이싱 슈 후단과의 텔레스코프식 끼움 결합에 의해 안내되도록 형성되며, 그리고 천공 완료 후에는 상기 파이롯트 디바이스와 상기 천공 비트의 결합부의 분리 및 상기 천공 드리프터와 상기 로드 어댑터 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터의 후퇴를 통하여 상기 파이롯트 디바이스 및 상기 천공 로드는 천공홀 내부의 상기 보강 파이프 조립체로부터 외부로 회수되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 로드 어댑터와 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터 사이에서 상기 로드 어댑터가 관통하도록 배치되는 완충 링을 추가적으로 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 보강 파이프의 후단부와 결합되는 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터의 전단부에는 상기 보강 파이프의 후단부의 외주면에 가공된 나사 결합면을 보호하도록 보호 캡이 추가적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 보호 캡은 구조용 탄소 강관을 재료로써 침탄법 등의 표면 경화 열처리 공정을 거쳐서 표면은 마르텐사이트 조직으로 경화시키고 재료의 중심부는 인성을 가진 저탄소강의 성질을 유지하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 보호 캡은 상기 보강 파이프의 후단부의 외주면에 가공된 나사 결합면의 수나사의 나사산이 간극을 두고서 수용될 수 있는 나사골로 형성된 암나사 결합면을 구비한 전단부, 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터의 전단부에 끼움 결합되는 후단부를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 천공 비트의 후단 몸체부의 외주면과 상기 케이싱 슈의 전단부 내측면에는 원형의 링 끼움홈이 형성되고, 상기 천공 비트의 후단 몸체부의 외주면에 형성된 상기 링 끼움홈에 탄성 끼움 결합되는 스냅 링이 추가적으로 제공되어서, 상기 천공 비트의 후단 몸체부가 상기 케이싱 슈의 전단부 내에 삽입될 때 천공 비트의 후단 몸체부의 외주면에 형성된 링 끼움홈에 끼워진 상기 스냅 링이 내측으로 탄성 압축되었다가 상기 케이싱 슈의 전단부 내측면에 형성된 링 끼움홈에 이르러 외측으로 탄성 확장되어 걸리도록 형성되는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나의 항에 있어서, 상기 천공 비트와 천공 로드의 분리 가능한 체결 구조를 제공하기 위하여,
    상기 천공 비트의 후단 몸체부 저면에는 상기 파이롯트 디바이스의 전단부가 분리 가능하게 체결되기 위하여 제공되는 분리 체결 슬라이딩 가이드홈 및 회전 공간부가 형성되고, 그리고
    상기 파이롯트 디바이스의 전단부 외주면에는 길이 방향으로 형성되는 분리 체결 슬라이딩 가이드 돌기와 그 단부에서 원주 방향으로 돌출 형성되어 원주 방향 회전 변위 방향에 따라 상기 천공 비트의 분리 체결 슬라이딩 가이드홈과 회전 공간부가 형성하는 모서리 부분과 걸림 체결 및 해정을 제공하는 걸림턱이 형성되는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 파이롯트 디바이스에 형성된 상기 분리 체결 슬라이딩 가이드 돌기와 상기 걸림턱이 형성하는 모서리로서, 상기 천공 비트의 분리 체결 슬라이딩 가이드홈과 회전 공간부가 형성하는 모서리 부분에 대응하는 모서리에는 재밍 방지 요홈이 추가적으로 제공되는 형성되는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치.
  9. 드릴링 비트(112b)를 전단에 구비한 파이롯트 디바이스(112g)와, 파이롯트 디바이스(112g)의 후단에 고정 결합된 드릴링 로드(112r)를 회전 추진시키는 천공 드리프터(111)를 구비한 천공 장비(110)로 터널 굴착 단면의 전방으로 선행하는 방향으로 천공홀(102)을 드릴링하며, 천공홀(102)의 드릴링이 필요 깊이까지 진행되는 동안에 천공과 동시에 그라우팅 작업에 필요한 분사구(121h) 및 그라우팅재 역류 방지 밸브(122v)를 구비한 설정 개수의 보강 파이프(510)를 천공 깊이에 따라 순차적으로 연결한 보강 파이프 조립체(500)를 천공홀(102) 내부로 삽입하는 천공홀 천공 및 보강 파이프 조립체의 동시 삽입 단계;
    설정된 천공 심도에 도달하게 되면서 상기 천공홀 천공 및 보강 파이프 조립체(500)의 동시 삽입 단계가 완료된 후에는, 천공 로드(112r)와 천공 로드(112r)의 전방에 고정 결합된 파이롯트 디바이스(112g)를 역회전시키며 후퇴시킴으로써 상기 파이롯트 디바이스(112g)를 상기 천공 비트(112b)로부터 분리시키고, 상기 천공 드리프터(111)와 상기 로드 어댑터(112a) 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)를 천공홀(102) 외부로 후퇴시킴으로써 상기 파이롯트 디바이스(112g) 및 상기 천공 로드(112r)를 천공홀(102) 내부에 남게 되는 상기 보강 파이프 조립체(500)의 외부로 회수하는 천공 장비 회수 단계;
    보강 파이프 조립체(500) 중에서 최후방에 설치된 상기 보강 파이프(510)의 단부와 천공홀(102) 벽면 사이를 코킹재(500-C)로써 밀봉하는 보강 파이프 단부 코킹 단계; 및
    보강 파이프 조립체(500)를 구성하도록 연결된 보강 파이프(510) 내부에 그라우팅재 주입관(600)을 삽입하고, 그라우팅재 주입관을 통하여 그라우팅재를 압력 주입함으로써 상기 보강 파이프(510)에 형성된 분사구(121h)에 설치된 그라우팅재 역류 방지 밸브(122v)를 통하여 그라우팅재가 지반 내부로 분사 주입되도록 하는 그라우팅재 주입 단계를 포함하여 이루어지고,
    상기 천공홀 천공 및 보강 파이프 조립체의 동시 삽입 단계에서 사용되는 장치로서, 상기 천공 로드(112r)와 상기 천공 드리프터(111) 사이에 설치되며 지반 천공 방향으로 향하는 제 1 충격단(112a-1)을 외주부에 구비한 로드 어댑터(112a);
    상기 천공 비트(112r)의 몸체부가 전단에 수용되며 상기 파이롯트 디바이스(112g)의 전단부가 후단에 수용되는 관 형상의 케이싱 부재로서, 상기 파이롯트 디바이스(112g)의 외주면에 돌출 형성된 단면 확대부(112g-e)와 걸리도록 케이싱 부재 내측으로 걸림 돌기(112h-e)가 돌출 형성된 케이싱 슈(112h); 및
    상기 보강 파이프 조립체(500)를 구성하는 최후방 보강 파이프(510)의 후단부와 결합되는 전단부와, 상기 로드 어댑터(112a)의 제 1 충격단(112a-1)과 대응하는 제 2 충격단(112d-1)이 형성된 후단부를 구비한 관 형상의 부재로서, 내부에는 상기 천공 로드(112r)의 후단부와 상기 로드 어댑터(112a)의 전단부가 연결되는 커플러(112c)가 설치되고, 내외부를 관통하는 슬라임 배출공(112d-2)이 하나 이상 형성되는 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)를 추가적으로 구비하여,
    상기 드릴링 비트(112b)의 지반 천공력은 상기 천공 드리프터(111), 상기 천공 로드(112r), 상기 파이롯트 디바이스(112g), 및 상기 천공 비트(112b)로 전달되는 천공 동력으로부터 얻고,
    상기 보강 파이프 조립체(500)의 전방 추진력은 상기 천공 드리프터(111), 상기 로드 어댑터(112a), 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)를 통하여 최후방 보강 파이프(510) 후단부에 전달되는 충격력으로부터 얻고, 그리고
    상기 보강 파이프 조립체(500)의 최전방 보강 파이프(510)의 전단부는 상기 천공 비트(112b)의 진행과 함께 상기 파이롯트 디바이스(112g)에 의해 지반 내부로 밀려 들어가는 케이싱 슈(112h) 후단과의 텔레스코프식 끼움 결합에 의해 안내되는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치를 이용한 직천공 터널 보강 그라우팅 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 로드 어댑터(112a)와 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d) 사이에서 상기 로드 어댑터(112a)가 관통하도록 완충 링(112e)을 추가적으로 배치하여,
    상기 보강 파이프 조립체(500)의 전방 추진력은 상기 천공 드리프터(111), 상기 로드 어댑터(112a), 상기 완충 링(112e), 및 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)를 통하여 상기 보강 파이프(510) 후단부에 전달되는 충격력으로부터 얻는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치를 이용한 직천공 터널 보강 그라우팅 방법.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 천공홀 천공 및 보강 파이프 조립체의 동시 삽입 단계에서, 상기 천공 비트(112b)에 의해 발생된 지반 파쇄물은 천공 드리프터(111)를 회전시키면서 공급되는 천공수와 함께 천공 슬라임(slime)의 형태로 상기 보강 파이프 조립체(500)를 구성하는 보강 파이프(510)의 내부를 거쳐 후방으로 이동하여서 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)에 내외부를 관통하도록 형성된 슬라임 배출공(112d-2)을 통하여 배출되는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치를 이용한 직천공 터널 보강 그라우팅 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 천공홀 천공 및 보강 파이프 조립체의 동시 삽입 단계에서,
    천공 로드(112r)의 후단부를 상기 로드 어댑터(112a)로부터 분리하고, 설정된 천공 심도에 도달하기까지 추가의 보강 파이프(510)와 천공 로드(112r)를 앞서 설치된 보강 파이프(510)와 천공 로드(112r)에 연결하고, 추가로 연결된 최후방의 보강 파이프(510)의 후단부에는 그 나사 체결면을 보호하는 전단부를 구비한 보호 캡(112i)을 결합하며, 그리고 상기 보호 캡(112i)의 후단부를 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)의 전단부에 끼움 결합시킴으로써, 상기 보강 파이프 드라이빙 어댑터(112d)로부터의 충격력이 보강 파이프(510)의 후단부에 직접 인가되어 파열 또는 파손되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치를 이용한 직천공 터널 보강 그라우팅 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 보호 캡(112i)은 구조용 탄소 강관을 재료로써 침탄법 등의 표면 경화 열처리 공정을 거쳐서, 표면은 마르텐사이트 조직으로 경화시키고 재료의 중심부는 인성을 가진 저탄소강의 성질을 유지하도록 형성하는 것을 특징으로 하는 추진력이 강화된 직천공 보강 그라우팅 장치를 이용한 직천공 터널 보강 그라우팅 방법.
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