KR101020645B1

KR101020645B1 - 터널 보강공법

Info

Publication number: KR101020645B1
Application number: KR1020100084849A
Authority: KR
Inventors: 윤재철; 이현기
Original assignee: 윤재철; 재환지질(주)
Priority date: 2010-08-31
Filing date: 2010-08-31
Publication date: 2011-03-09

Abstract

본 발명은 대상 지반을 워터해머로 천공하여 천공홀을 형성하고, 상기 천공홀에 보강재를 설치 또는 천공과 동시에 보강재를 설치한 후, 상기 보강재를 주입관으로 이용하여 마이크로실리카를 이용한 그라우트재를 주입함으로써, 그라우트재가 지반에 침투성 및 접착성이 양호하며, 분진의 발생이 없으므로 작업환경이 양호하고, 유압유를 사용하지 않음으로 수질오염을 방지하는 환경친화적인 공법이며, 시공중 직천공 천공이 양호한 이점과 지반에 침투력 및 접착력이 좋은 그라우트재를 사용함으로써, 시공품질이 우수한 터널 보강공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 터널 보강공법은 원통형 또는 별 형의 케이싱과; 상기 케이싱 선단에 설치되며 지반을 천공 굴착하는 굴착비트와; 상기 굴착비트의 상단에 결합되며, 상기 굴착비트에 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수에 의해 램의 상하운동에 의한 타격에너지를 가하는 워터해머와; 상기 워터해머에 연결되며 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수를 고압펌프에 의해 공급하는 로드로 구성된 터널 굴착장치로 대상 지반을 천공하여 천공홀을 형성함과 동시에 보강재를 삽입하고, 상기 보강재에 그라우트재를 주입하여 충전함을 특징으로 한다.

Description

터널 보강공법{Tunnel reinforcement work method}

본 발명은 터널 보강공법에 관한 것으로, 특히 대상 지반을 워터해머로 천공하여 천공홀을 형성하고, 상기 천공홀에 보강재를 설치 또는 천공과 동시에 보강재를 설치한 후, 상기 보강재를 주입관으로 이용하여 그라우트재를 주입하는 터널 보강공법에 관한 것이다.

일반적으로 터널 보강공법으로는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 대구경 천공 강관 다단 그라우팅 공법과 직천공 강관 그라우팅 공법이 사용되며, 이들 그라우팅 공법에서 에어를 이용한 다운 홀 해머를 이용한 선단에서 충격을 가해 천공방식과, 유압을 이용한 드립프리 해머로 후단부 천공 로드를 충격을 가해 천공방식으로 터널주변을 천공하였다.

여기서, 상기한 에어를 이용한 다운 더홀 해머(Down the hole Hammer) 방식은 천공 잔해물이 먼지로 변해 작업자들이 작업하기가 어려움이 많고, 에어에 유압유가 섞여 나오므로 수질환경에 지장을 초래하며, 에어의 배출속도에 의해 양호한 지반에 균열을 발생시키는 문제점이 있다(도 3a 및 도 3b 참조).

또한, 상기한 유압을 이용한 드립프리 해머 방식은 충격이 후단부 천공 로드를 가해 선단을 천공함으로 충격력의 일부가 로드에 흡수되므로 천공속도가 늦어지고, 천공 로드의 후단에서 힘을 가해 밀면서 천공이 이루어지므로 수평도가 부정확한 문제점이 있다. (도 4 참조)

그리고 그라우트재는 보통 포틀랜드시멘트를 이용하여 물로 희석하여 지반에 주입 또는 시멘트와 규산을 1.5shot 방식인 LW공법으로 주입하는 방법으로 시공하였으나, 미세한 균열지반에 그라우트재가 침투가 불투명하고, 지반의 접착성이 떨어져 터널 굴착시 지반이 붕괴되는 경우가 있어 안전사고의 문제점이 발생되고 있다.

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 대상 지반을 워터해머로 천공하여 천공홀을 형성하고, 상기 천공홀에 보강재를 설치 또는 천공과 동시에 보강재를 설치한 후, 상기 보강재를 주입관으로 이용하여 마이크로실리카를 이용한 그라우트재를 주입함으로써, 그라우트재가 지반에 침투성 및 접착성이 양호하며, 분진의 발생이 없으므로 작업환경이 양호하고, 유압유를 사용하지 않음으로 수질오염을 방지하는 환경친화적인 공법이며, 시공중 직천공 천공이 양호한 이점과 지반에 침투력 및 접착력이 좋은 그라우트재를 사용함으로써, 시공품질이 우수한 터널 보강공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 터널 보강공법은 원통형 또는 별 형의 케이싱과; 상기 케이싱 선단에 설치되며 지반을 천공 굴착하는 굴착비트와; 상기 굴착비트의 상단에 결합되며, 상기 굴착비트에 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수에 의해 램의 상하운동에 의한 타격에너지를 가하는 워터해머와; 상기 워터해머에 연결되며 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수를 고압펌프에 의해 공급하는 로드로 구성된 터널 굴착장치로 대상 지반을 천공하여 천공홀을 형성함과 동시에 보강재를 삽입하고, 상기 보강재에 그라우트재를 주입하여 충전함을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 터널 보강공법은 대상 지반을 워터해머로 천공하여 천공홀을 형성하고, 상기 천공홀에 보강재를 설치 또는 천공과 동시에 보강재를 설치한 후, 상기 보강재를 주입관으로 이용하여 마이크로실리카를 이용한 그라우트재를 주입함으로써, 그라우트재가 지반에 침투성 및 접착성이 양호하며, 분진의 발생이 없으므로 작업환경이 양호하고, 유압유를 사용하지 않음으로 수질오염을 방지하는 환경친화적인 공법이며, 시공중 직천공 천공이 양호한 이점과 지반에 침투력 및 접착력이 좋은 그라우트재를 사용함으로써, 시공품질이 우수한 이점이 있다.

도 1은 종래의 보강재 보강 그라우팅 공법을 도시한 예시도,
도 2는 종래의 지하굴착을 위한 보조공법의 시공예를 나타낸 단면 구성도,
도 3은 종래의 더홀 해머 굴착과 워터 해머 굴착상태를 비교 도시한 예시도,
도 4는 종래의 더홀 해머 굴착과 워터 해머 굴착상태의 천공 변화공을 비교 도시한 예시도,
도 5는 본 발명에 따른 터널 굴착장치를 도시한 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 터널 굴착장치를 도시한 분해 사시도,
도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 터널 굴착장치를 이용하여 터널을 보강하는 과정을 도시한 공정도.

이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 터널 굴착장치를 도시한 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 터널 굴착장치를 도시한 분해 사시도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 터널 굴착장치는 원통형 또는 별 형의 케이싱(10)과; 상기 케이싱(10) 선단에 설치되며 지반을 천공 굴착하는 굴착비트(20)와; 상기 굴착비트(20)의 상단에 결합되며, 상기 굴착비트(20)에 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수에 의해 램의 상하운동에 의한 타격에너지를 가하는 워터해머(30)와; 상기 워터해머(30)에 연결되며 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수를 고압펌프에 의해 공급하는 로드(40)로 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 터널 굴착장치는 원통형 또는 별 형의 케이싱(10)과; 상기 케이싱(10) 선단에 설치되며 지반을 천공 굴착하는 굴착비트(20)와; 상기 굴착비트(20)의 상단에 결합되어 구조체 보강재(S)와 상호 연결 및 탈착할 수 있는 보강재 비트(20a)와, 상기 굴착비트(20)에 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수에 의해 램(30)의 상하운동에 의한 타격에너지를 가하는 워터해머(30)와; 상기 워터해머(30)에 연결되며 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수를 고압펌프에 의해 공급하는 로드(40)로 구성된다.

이하, 상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 터널 굴착장치를 이용한 터널 보강에 대해 설명한다.

도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 터널 굴착장치를 이용하여 터널을 보강하는 과정을 도시한 공정도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 터널 보강공법은 원통형 또는 별 형의 케이싱(10)과; 상기 케이싱(10) 선단에 설치되며 지반을 천공 굴착하는 굴착비트(20)와; 상기 굴착비트(20)의 상단에 결합되며, 상기 굴착비트(20)에 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수에 의해 램(30)의 상하운동에 의한 타격에너지를 가하는 워터해머(30)와; 상기 워터해머(30)에 연결되며 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수를 고압펌프에 의해 공급하는 로드(40)로 구성된 터널 굴착장치(A)로 대상 지반을 천공하여 천공홀(H)을 형성함과 보강재를 삽입 또는 동시에 보강재(S)를 삽입하고, 상기 보강재(S)에 그라우트재(G)를 주입하여 충전한다.

여기서, 상기 그라우트재는 포틀랜드시멘트 100중량부에 마이크로실리카 5∼40 중량부로 이루어진다.

상기 포틀랜드시멘트는 KS L 5201에 그 품질이 규정되어 있으며, 가장 보편적으로 쓰이는 시멘트이다.

그리고 상기 마이크로실리카는 실리콘(Si), 페로실리콘(FeSi), 실리콘 합금 등을 제조할 때에 발생되는 폐가스 중에 포함되어 있는 SiO₂를 집진기로 모아서 얻어지는 초미립자의 산업부산물이다. 양질의 마이크로실리카를 사용하여 적절한 배합, 타설, 양생하면 마이크로실리카의 포졸란 반응은 수화초기부터 시작되어 공극충전효과에 따른 강도증진과 투기, 투수성을 감소시키므로 콘크리트의 각종 물리적, 역학적 성질을 개선하는데 유효하다. 아울러 중성화 속도의 감소, 염소 이온의 침투방지 등의 효과가 있다. 마이크로실리카의 물리적 특성은 마이크로실리카의 색깔은 일반적으로 회색이며 흑색과 백색의 것도 있다.

색의 차이는 철분의 함유량에 따른 영향도 있지만 주로 탄소량의 다소에 따라서 결정된다. 비중은 종류에 따라 다르며 단위 중량은 150-300kg/㎡ 정도로서 시멘트의 약 1/4 - 1/8 정도이다. 모양은 구형이며 평균지름은 0.2㎛ 정도이다.

마이크로실리카의 비표면적은 150,000-250,000㎠/g[bet법] 정도로서 보통 포틀랜드시멘트의 약 20-30배이고, 단위 중량은 150∼300㎏/㎥으로 이루어진다.

마이크로실리카의 입자크기는 시멘트 입자의 1/25 정도로 미세하기 때문에 시멘트 입자의 공극을 충전하는 마이크로 필러 효과가 있으며, 입자모양이 구형으로 되어 있어서 볼 베어링[ball bearing] 역할을 하기도 한다.

한편, 마이크로실리카는 매우 미세한 비정질의 실리카로 되어 있어서 수화 초기부터 수산화칼슘과 결합하는 포졸란 반응을 하여 미세한 공극을 감소시켜 시멘트 경화체의 공극을 더욱 치밀하게 하여 강도의 증진과 투수성, 투기성을 감소시키는 데에도 기여한다. <표 1 내지 표 7 참조>

마이크로실리카를 혼입한 시멘트 페이스트는 0.1㎛ 이상의 큰 지름을 갖는 세공량이 적다.

상기 포틀랜드시멘트와 마이크로실리카의 혼합물을 100중량부로 보고, 상기 혼합물에 물 100∼600중량부를 혼합하여 터널지반에 삽입된 보강재에 주입한다.

상기 그라우트재는 초미립자시멘트(CaO, SiO₂), 벤토나이트, 겔타임조정제(무기염류) 및 무수규산(nNa2OㆍSiO2) 또는 염화마그네슘 중 어느 하나가 첨가되거나 또는 이종 이상이 각각 소정의 비율로 배합한 혼합물로 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 터널 보강공법은 원통형 또는 별 형의 케이싱(10)과; 상기 케이싱(10) 선단에 설치되며 지반을 천공 굴착하는 굴착비트(20)와; 상기 굴착비트(20)의 상단에 결합되어 구조체 보강재(S)와 상호 연결 및 탈착할 수 있는 보강재 비트(20a)와, 상기 굴착비트(20)에 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수에 의해 램의 상하운동에 의한 타격에너지를 가하는 워터해머(30)와; 상기 워터해머(30)에 연결되며 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수를 고압펌프에 의해 공급하는 로드(40)로 구성된 터널 굴착장치(A)로 대상 지반을 천공하여 천공홀(H)을 형성함과 보강재를 삽입 또는 동시에 보강재(S)를 삽입하고, 상기 보강재(S)에 그라우트재(G)를 주입하여 충전한다.

상기 마이크로실리카는 비표면적이 150,000∼250,000㎠/g[bet법]으로 이루어지고, 단위 중량은 150∼300㎏/㎥으로 이루어진다.

상기 포틀랜드시멘트와 마이크로실리카의 혼합물을 100중량부로 보고, 상기 혼합물에 물 100∼600중량부를 혼합한다.

상기 그라우트재는 초미립자시멘트(CaO, SiO₂), 벤토나이트, 겔타임조정제(무기염류) 및 무수규산(nNa₂OㆍSiO₂) 또는 염화마그네슘 중 어느 하나가 첨가되거나 또는 이종 이상이 각각 소정의 비율로 배합한 혼합물로 구성된다.

10: 케이싱 20: 굴착비트
20a: 보강재 비트 30: 워터해머
40: 로드 A: 지반굴착장치
G: 그라우트재 H: 천공홀
S: 보강재

Claims

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원통형 또는 별 형의 케이싱(10)과; 상기 케이싱(10) 선단에 설치되며 지반을 천공 굴착하는 굴착비트(20)와; 상기 굴착비트(20)의 상단에 결합되며, 상기 굴착비트(20)에 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수에 의해 램(30)의 상하운동에 의한 타격에너지를 가하는 워터해머(30)와; 상기 워터해머(30)에 연결되며 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수를 고압펌프에 의해 공급하는 로드(40)로 구성된 터널 굴착장치(A)로 대상 지반을 천공하여 천공홀(H)을 형성 후 보강재(S)를 삽입하고, 상기 보강재(S)에 그라우트재(G)를 주입하여 충전하고,
상기 그라우트재는 포틀랜드시멘트 100중량부에 마이크로실리카 5∼40 중량부로 이루어지며, 상기 마이크로실리카는 비표면적이 150,000∼250,000㎠/g[bet법]으로 이루어지고, 단위 중량은 150∼300㎏/㎥으로 이루어지며, 포틀랜드시멘트와 마이크로실리카의 혼합물을 100중량부로 보고, 상기 혼합물에 물 100∼600중량부를 혼합하며, 그라우트재는 초미립자시멘트(CaO, SiO₂), 벤토나이트, 겔타임조정제(무기염류) 및 무수규산(nNa2OㆍSiO2) 또는 염화마그네슘 중 어느 하나가 첨가되거나 또는 이종 이상이 각각 소정의 비율로 배합한 혼합물로 구성됨을 특징으로 하는 터널 보강공법.
원통형 또는 별 형의 케이싱(10)과; 상기 케이싱(10) 선단에 설치되며 지반을 천공 굴착하는 굴착비트(20)와; 상기 굴착비트(20)의 상단에 결합되어 구조체 보강재(S)과 상호 연결 및 탈착할 수 있는 보강재 비트(20a)와, 상기 굴착비트(20)에 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수에 의해 램의 상하운동에 의한 타격에너지를 가하는 워터해머(30)와; 상기 워터해머(30)에 연결되며 50∼200bar의 압력과 80∼350ℓ/min의 유량의 고압수를 고압펌프에 의해 공급하는 로드(40)로 구성된 터널 굴착장치(A)로 대상 지반을 천공하여 천공홀(H)을 형성함과 동시에 보강재(S)를 삽입하고, 상기 보강재(S)에 그라우트재(G)를 주입하여 충전하고, 상기 그라우트재는 포틀랜드시멘트 100중량부에 마이크로실리카 5∼40 중량부로 이루어지며, 상기 마이크로실리카는 비표면적이 150,000∼250,000㎠/g[bet법]으로 이루어지고, 단위 중량은 150∼300㎏/㎥으로 이루어지며, 상기 포틀랜드시멘트와 마이크로실리카의 혼합물을 100중량부로 보고, 상기 혼합물에 물 100∼600중량부를 혼합하며, 상기 그라우트재는 초미립자시멘트(CaO, SiO₂), 벤토나이트, 겔타임조정제(무기염류) 및 무수규산(nNa₂OㆍSiO2) 또는 염화마그네슘 중 어느 하나가 첨가되거나 또는 이종 이상이 각각 소정의 비율로 배합한 혼합물로 구성됨을 특징으로 하는 터널 보강공법.
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