KR101053193B1 - 숏크리트 타설장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 숏크리트 타설장치는 압축공기를 공급하는 공기 압축기; 상기 공기 압축기에 연결되며, 숏크리트 재료를 혼합하는 아리바; 상기 아리바에 일단이 연결된 숏크리트 공급관; 상기 공급관의 타단에 연결되며 상기 수직터널의 내부에 배치되는 제1 파이프; 상기 제1 파이프로부터 상기 수직터널의 굴착방향으로 연장되어 있는 제2 파이프; 및 상기 제2 파이프로부터 만곡되게 연결되어 상기 수직터널의 내벽면에 숏크리트를 타설하는 숏크리트 배출관;을 포함하고, 상기 제1 파이프의 직경은 상기 공급관 및 상기 제2 파이프의 직경보다 큰 것을 특징으로 한다.

숏크리트 압송용 관, 공기 압축기, 아리바

Description

숏크리트 타설장치{DEVICE FOR INJECTING SHOTCRETE}

본 발명은 숏크리트 타설장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 장대 수직구에서 배관의 막힘없이 효율적으로 숏크리트를 타설하기 위한 숏크리트 타설장치에 관한 것이다.

수직터널을 시공함에 있어서는 터널 굴착이 진행됨에 따라 굴착부의 지반을 지지하기 위하여 굴착면에 숏크리트(shotcrete)를 타설하게 된다. 숏크리트는 통상 시멘트, 물, 골재, 첨가제 및 급결제로 이루어진다. 이와 같이 굴착면 안정화 공법의 지보재로 사용되는 숏크리트는 암반 또는 지반을 보강하여 붕괴를 방지하기 위해 별도의 거푸집이 필요 없이 숏크리트 장비를 사용하여 굴착된 원지반에 압축공기를 이용하여 분사 고착된다. 지반의 이완을 방지하여 원지반의 강도를 유지하고 하중을 분담시켜 굴착면을 평활하게 하여 응력 집중을 방지하므로, 숏크리트 타설에는 강도 확보, 굴착 암반과의 부착성 향상 및 리바운드와 분진 발생의 최소화와 같은 기능이 요구되며, 이를 위해서는 타설 시 골재와 콘트리트가 서로 분리되지 않아야 한다.

이러한 숏크리트 시공방식에는 건식공법과 습식공법이 있다.

습식공법은 물을 첨가하여 모든 재료를 혼합한 후 분사장치에 공급하고 압축공기를 통해 노즐에서 분사속도를 증가시켜 시공면에 분사 고착하는 방식이다. 이에 반해, 건식공법은 물이 투입되지 않은 상태에서 재료를 혼합하고 분사 직전에 물과 혼합시켜 숏트리트를 타설하는 방식이다.

굴착된 수직터널에서의 숏크리트 타설은 수직터널의 특성상 공간의 제한, 자제 공급의 문제, 작업거리의 증대 등의 이유로 습식공법은 곤란하며 건식공법이 일반화되어 있다. 하지만, 200m 이상의 장대 수직터널의 굴착면에 숏크리트를 타설할 경우에는, 아리바로부터 시공면까지 배관된 호스 또는 파이프에서의 관로 저항이 증대되고, 맥동현상 및 관의 막힘이 발생하여, 그 결과 숏크리트의 분사시에 압력이 감소되어 양질의 숏크리트의 타설이 곤란해 지는 문제가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 타설장비, 골재 및 기타 재료를 수직터널의 막장으로 운반하여 타설하기도 하였으나, 이러한 방법은 효율이 극히 낮고 경제성이 없어 적절한 해결방법이 될 수 없다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 장대 수직터널의 굴착면에 숏크리트를 타설함에 있어서 관로 저항을 줄여 관의 막힘을 방지하고, 골재의 분리현상을 없애며 노즐로부터 분사되는 숏크리트에 요구되는 압력을 지속적으로 공급할 수 있도록 하는 숏크리트 타설장치를 제공하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명의 숏크리트 타설장치는,

압축공기를 공급하는 공기 압축기;

상기 공기 압축기에 연결되며, 숏크리트 재료를 혼합하는 아리바;

상기 아리바에 일단이 연결된 숏크리트 공급관;

상기 공급관의 타단에 연결되며 상기 수직터널의 내부에 배치되는 제1 파이프;

상기 제1 파이프로부터 상기 수직터널의 굴착방향으로 연장되어 있는 제2 파이프; 및

상기 제2 파이프로부터 만곡되게 연결되어 상기 수직터널의 내벽면에 숏크리트를 타설하는 숏크리트 배출관;을 포함하고,

상기 제1 파이프의 직경은 상기 공급관 및 상기 제2 파이프의 직경보다 큰 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1 파이프의 직경은 상기 제2 파이프의 직경의 1.2 내지 1.5배인 것이 바람직하다.

또한, 상기 공기 압축기와 상기 아리바 사이에는 상기 공기 압축기로부터 공급되는 압축공기를 보관할 수 있는 에어 탱크가 구비될 수 있다.

또한, 상기 제1 파이프 양단에는 레듀사(reducer)가 구비될 수 있다.

또한, 상기 제1 파이프 및 상기 제2 파이프는 탄소 강관이고, 상기 공급관 및 상기 배출관은 가요성 호스인 것이 바람직하다.

또한 상기 제1 파이프의 길이는 굴착된 수직 터널 연장의 1/4 내지 1/2인 것 이 바람직하다.

또한, 상기 배출관과 연결된 상기 제2 파이프의 단부가 타설면으로부터 20m 이내에 위치하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 배출관의 끝단에는 노즐이 부착될 수 있다.

본 발명에 따른 숏크리트 타설 장치에 의하면, 숏크리트를 운반하는 배관의 관로 저항을 줄여 관의 막힘을 방지하고, 숏크리트 재료의 분리 현상을 없애며, 타설 압력을 지속적으로 유지시킬 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절히 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

도 1은 본 발명에 따른 숏크리트 타설장치(100)를 나타낸 도면이다. 요구되는 압력으로 숏크리트를 타설하기 위해 숏크리트에 필요한 압력을 가하는 압축공기를 공급하는 공기 압축기(10)가 지상에 구비된다. 이 공기 압축기(10)는 장대 수직 터널 하부까지 지속적으로 압축력을 부가하기 위해, 일반 숏크리트 타설시보다 월등한 27m³/min 이상의 성능을 가지고 있는 것이 바람직하다. 그리고, 이 공기 압축기(10)에는 숏크리트 타설 전에 막장까지 연결된 배관의 체적을 충분히 채울 수 있는 압축 공기를 보관할 수 있는 에어 탱크(20)가 연결되어 있다. 이 에어 탱크(20)의 용량은 수직터널의 연장 및 배관의 직경에 따라 다르지만 통상 10m³ 이상이 바람직하다.

한편, 지상에는 시멘트, 골재, 첨가제, 급결제 등의 숏크리트 재료를 배합 및 혼합하는 아리바(30)가 구비된다. 이 아리바(30)에서 혼합된 골재 시멘트가 압축기(10) 및 에어 탱크(20)로 부터 공급된 압축공기에 의해 장대 수직 터널 하부까지 운반된다. 아리바(30)에서 혼합된 골재 시멘트는 공급관(40)을 거쳐 순차적으로 제1 파이프(50), 제2 파이프(60) 및 배출관(70)을 지나 노즐(80)을 통해 물과 함께 굴착된 수직 터널의 내벽면에 타설된다. 이와 같이, 200m 이상의 장대 수직터널의 경우에는 공간의 제한이나 자제 공급 등의 이유로 습식 타설보다는 타설 직전 물이 첨가되어 타설되는 건식 타설이 일반화되어 있다. 하지만, 반드시 본 발명에 따른 숏크리트 타설 장치가 건식 타설에만 이용되는 것은 아니고, 습식 타설에도 사용될 수 있음은 물론이다. 이 경우에는, 아리바(30)에서 물이 다른 숏크리트 재료와 함께 혼합될 수 있다.

공급관(40)과 연결된 제1 파이프(50)는 상기 공급관(40)과 실질적으로 90도의 각도를 이루며 수직 터널의 내부에 배치되어 있다. 제2 파이프(60)는 제1 파이프(50)로부터 수직터널의 굴착방향으로 일직선을 이루며 연장되어 있으며, 제2 파 이프(60) 또한 제1 파이프(50)와 같이 수직 터널의 내부에 배치된다. 제2 파이프(60)에는 수직 터널의 내벽면으로 숏크리트를 배출하는 배출관(70)이 만곡되게 연결되어 있으며, 배출관(70)의 끝단에는 노즐(80)이 부착되어 있다. 장대 수직터널에서의 숏크리트 타설시에는 작업거리가 길어 막힘 현상이 발생되기 쉬우므로, 이 노즐(80)은 압력 변화에 따라 탄력적으로 탈부착될 수 있다.

본 발명에 따른 숏크리트 타설장치(100)는 관로의 저항을 줄이고 막힘 현상을 방지하기 위해 직경이 서로 다른 숏크리트 압송용 관을 가지고 있다. 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 파이프(50)의 직경은 공급관(40) 및 제2 파이프(60)의 직경보다 더 크다. 이와 같이, 숏크리트를 타설하기 위한 배관의 직경 구성을 제1 파이프에서 증가시키고 다시 제2 파이프에서 감소시키는 이유는 관로의 저항을 줄여 막힘을 억제하고 숏크리트 재료의 분리를 방지하며 굴착된 수직 터널의 막장까지 압력의 손실을 최소로하여 숏크리트를 타설하기 위함이다.

종래에는 숏크리트 배관이 모두 동일한 직경으로 구성되어 있었기 때문에 관이 막힘, 맥동 현상 및 이에 따른 재료의 분리현상이 빈번하였으며, 압력 손실이 발생하여 요구되는 압력으로 숏크리트를 타설하는데 어려움이 많았다. 일반적으로, 숏크리트의 타설 과정에서 공급되는 압력은 아리바에서 골재 압송 시 6kg/m² 이상이 일정하게 유지되어야 하며, 그 이하로 압력이 낮아지면 배출부에서 막힘현상이 발생한다. 하지만, 수직으로 꺾어져 배관되는 제1 파이프(50)의 직경을 공급관보다 크게 하면, 상술한 문제점을 해결할 수 있고, 제2 파이프(60)에서 다시 직경 을 감소시킴으로써 압력의 손실을 최소화하여 숏크리트를 타설할 수 있게 된다.

제1 파이프(50)의 직경은 제2 파이프(60)의 직경의 1.2 내지 1.5배의 크기를 가지는 것이 바람직하다. 제1 파이프(50)의 직경이 제2 파이프(60)의 직경의 1.2 배 미만이라면 관로의 저항이 감소되는 양이 미흡하여 막힘이 생기기 쉬우며, 1.5배를 초과한다면 관로 저항은 상당히 줄어들 수 있지만, 그만큼 압력의 손실이 증대되어 원하는 숏크리트 압송용 관의 성능을 얻을 수 없다. 숏크리트 배관의 직경은 굴착된 수직 터널의 직경 및 깊이에 따라 변화될 수 있지만, 가장 바람직한 실시예에서는 공급관(40), 제2 파이프(60) 및 배출관(70)의 직경은 대략 75mm, 제1 파이프(50)의 직경은 대략 100mm 인 것이 바람직하다.

한편, 직경이 확대된 제1 파이프(50)의 길이는 굴착된 수직 터널 연장의 1/4 내지 1/2 정도가 바람직하다. 상술한 바와 마찬가지로, 제1 파이프(50)의 길이가 굴착된 수직 터널 연장의 1/4 미만이라면, 관로의 저항이 감소되는 양이 미흡하게 되어 저항 감소의 효과를 충분히 얻을 수 없으며, 1/2을 초과한다면 압력 손실이 증대되어 숏크리트 압송용 관의 성능이 떨어지게 된다. 가장 바람직하게는 제1 파이프(50)의 길이가 굴착된 수직 터널 연장의 1/3 정도일 때, 관로 저항을 줄이면서 압력 손실을 최소화 할 수 있는 것으로 파악되었다.

직경이 변화되는 위치, 즉 공급관(40)과 제1 파이프(50)의 연결부 및 제1 파이프(50)와 제2 파이프(60)의 연결부에는 레듀샤(reducer)가 구비되어 있다. 레듀샤(51a, 51b)는 압력의 손실 및 마찰의 손실을 최소화하기 위해 길이가 30cm 이내인 것이 바람직하며, 골재 콘트리트와의 충돌로 인한 마모를 최소화하기 위해 열처 리를 통해 강도를 증가시키는 것이 바람직하다.

한편, 지면에 대해 수직방향으로 배치되는 제1 파이프(50) 및 제2 파이프(60)에는 이들을 각각 지지 고정하기 위한 제1 지지부재(52x, 52y) 및 제2 지지부재(61x, 61y)가 구비된다. 이 지지부재들의 개수는 특별히 한정되지 않으며 제1 파이프 및 제2 파이프를 적절히 지지 고정할 수 있는 수량이면 충분하다.

배출관(70)과 연결된 제2 파이프(60)의 단부(62)의 높이는 타설면으로부터 20m 이내인 것이 바람직한데, 만약 20m 를 초과하게 되면, 맥동현상 및 골재 분리 현상으로 인하여 배출관이 막히는 현상이 발생할 수 있다.

공급관(40) 및 배출관(70)은 일반적으로 가요성 호스가 많이 사용되며, 제1 파이프(50) 및 제2 파이프(60)는 고압으로 운반되는 골재 시멘트와의 충돌에 충분히 견딜 수 있는 강성을 갖도록 탄소 강관으로 제조되는 것이 바람직하다.

도 2는 건식공법의 과정을 나타낸 순서도이다. 시멘트, 골재, 첨가제, 급결제 등이 아리바에서 배합 및 혼합되고, 혼합된 골재 시멘트는 공기 압축기로부터 공급되는 압축공기에 의해 숏크리트 타설장치의 배관을 따라 노즐에 도달되어 물과 함께 굴착된 수직터널의 내벽면에 타설된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해해야 할 것이다. 그러므로, 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범 위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 숏크리트 타설 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 건식공법의 과정을 나타낸 순서도이다.

Claims (8)

1. 굴착된 수직터널의 내벽면에 숏크리트를 타설하기 위한 숏크리트 타설장치에 있어서,

   압축공기를 공급하는 공기 압축기;

   상기 공기 압축기에 연결되며, 숏크리트 재료를 혼합하는 아리바;

   상기 아리바에 일단이 연결된 숏크리트 공급관;

   상기 공급관의 타단에 연결되며 상기 수직터널의 내부에 배치되는 제1 파이프;

   상기 제1 파이프로부터 상기 수직터널의 굴착방향으로 연장되어 있는 제2 파이프; 및

   상기 제2 파이프로부터 만곡되게 연결되어 상기 수직터널의 내벽면에 숏크리트를 타설하는 숏크리트 배출관;을 포함하고,

   상기 제1 파이프의 직경은 상기 공급관 및 상기 제2 파이프의 직경보다 크고, 상기 제2 파이프 직경의 1.2 내지 1.5배이고,

   상기 제1 파이프의 길이는 굴착된 수직터널 연장의 1/4 내지 1/2이고,

   상기 아리바는 지상에 설치되고,

   상기 제1 파이프 및 상기 제2 파이프는 상기 수직터널의 내부를 따라 지면에 대해 수직방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 숏크리트 타설장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,

   상기 공기 압축기와 상기 아리바 사이에는 상기 공기 압축기로부터 공급되는 압축공기를 보관할 수 있는 에어 탱크가 구비된 것을 특징으로 하는 숏크리트 타설장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 파이프의 양단에는 레듀샤(reducer)가 구비된 것을 특징으로 하는 숏크리트 타설장치.
5. 제1항에 있어서,

   상기 제1 파이프 및 상기 제2 파이프는 탄소 강관이고,

   상기 공급관 및 상기 배출관은 가요성 호스인 것을 특징으로 하는 숏크리트 타설장치.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 배출관과 연결된 상기 제2 파이프의 단부가 타설면으로부터 20m 이내에 위치하는 것을 특징으로 하는 숏크리트 타설장치.
8. 제1항에 있어서,

   상기 배출관의 끝단에는 노즐이 부착되는 것을 특징으로 하는 숏크리트 타설장치.

Images