KR101106219B1 - 시트파일을 이용한 일괄설치형 수중 대구경 케이싱 가설구조물 및 그 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바다, 하천 등의 수중에 댐, 교량, 해상풍력 등의 수중 구조물을 구축하는 과정에서 기초 시공을 위해 지반을 굴착할 때 토사층의 붕괴 혹은 유입을 막기 위한 목적으로 시공하는 대구경 케이싱 설치 공사에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선조립한 후 일괄설치가 가능하여 현장작업을 줄이면서 시공할 수 있고 아울러 불규칙한 수중지반에도 유연하게 대응하면서 시공할 수 있는 대구경 케이싱 형태의 가설구조물과 이의 바람직한 시공방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 시트파일을 이용한 일괄설치형 수중 대구경 케이싱 가설구조물은 수중지반에 정착 시공되는 대구경 케이싱 구조물로서, 외주면에 맞물림접속구가 마련된 강관 부재로 복수 개가 맞물림접속구끼리 서로 마주보도록 소정 간격으로 배치되면서 수중바닥에 안착 설치되는 강관; 단부에 맞물림접속구가 마련된 시트파일로 하나 이상이 상기 강관 사이를 폐합하도록 설치되되 맞물림접속구를 통해 강관과 맞물림 접속되면서 수중지반까지 근입 설치되는 시트파일; 케이싱 내부 또는 외부에서 상기 강관 사이를 수평 연결하면서 고정 설치되는 수평스트러트; 상기 강관 내부에 삽입되어 수중지반까지 근입되면서 강관에 고정 설치되는 센터파일;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

시트파일을 이용한 일괄설치형 수중 대구경 케이싱 가설구조물 및 그 시공방법{Sheetpile Type Large-diameter Casing for Underwater Structure and Construction Method Thereof}

본 발명은 바다, 하천 등의 수중에 댐, 교량, 해상풍력 등의 수중 구조물을 구축하는 과정에서 기초 시공을 위해 지반을 굴착할 때 토사층의 붕괴 혹은 유입을 막기 위한 목적으로 시공하는 대구경 케이싱 설치 공사에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 선조립한 후 일괄설치가 가능하여 현장작업을 줄이면서 시공할 수 있고 아울러 불규칙한 수중지반에도 유연하게 대응하면서 시공할 수 있는 대구경 케이싱 형태의 가설구조물과 이의 바람직한 시공방법에 관한 것이다.

바다, 하천 등의 수중에 댐, 교량, 해상풍력 등의 수중 구조물을 안정적으로 구축하기 위해서는 수중지반에 안정적인 기초 시공이 선행되어야 한다. 수중지반의 기초공사는 수중지반을 굴착한 후 모노파일 등을 시공하는 방법으로 진행하는데, 수중지반을 굴착하기에 앞서 기초 공사구역으로 연약 토사 내지 물이 유입되는 것을 막거나 수중지반이 붕괴하는 것을 막기 위한 목적으로 기초 공사구역에 대구경 케이싱 형태의 가설구조물을 설치할 필요가 있다. 이러한 가설구조물의 시공방법은 대구경 케이싱 강관을 근입 시공하는 방식(대구경 강관식)이 대표적이다.

대구경 강관식은 공장 내지 시공현장 주변에서 강재로 대구경 케이싱 강관을 일체 제작한 다음 이를 시공현장에 반입하여 수중에 가라앉히면서 시공하는 방식이다. 이 방식은 현장작업을 줄일 수 있는 이점이 있으나, 대형 케이싱 강관의 운반, 양중을 위한 대형장비가 필요하고 케이싱 강관을 수중지반에 안정적으로 정착 설치하기 위해 수중지반의 안정화공사를 사전에 수행해야 하는 단점이 있다. 또한 암반이 노출되어 있거나 토사층이 매우 얇게 분포하는 등 수중지반이 매우 불규칙하게 발달되어 있는 경우에는 케이싱 강관이 수중지반에 유연하게 대응하지 못하기 때문에 케이싱 강관 내부를 굴착할 때 토사층이 붕괴하면서 유입되는 현상을 방지할 수 없어 굴착작업이 곤란해지는 문제가 발생하기 쉽다.

본 발명은 수중구조물의 기초 공사에서 종래 대구경 케이싱 강관에 의한 가설구조물의 단점을 개선하고자 개발된 것으로, 선조립한 후 일괄설치가 가능하여 현장작업을 줄이면서 설치할 수 있고 아울러 불규칙한 수중지반에도 유연하게 대응하면서 설치할 수 있는 대구경 케이싱 형태의 가설구조물과 이의 바람직한 시공방법을 제공하는데 기술적 과제가 있다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 시트파일을 이용한 일괄설치형 수중 대구경 케이싱 가설구조물과 그 시공방법을 제공한다.

본 발명에 따른 시트파일을 이용한 일괄설치형 수중 대구경 케이싱 가설구조물은 수중지반에 정착 시공되는 대구경 케이싱 구조물로서, 외주면에 맞물림접속구가 마련된 강관 부재로 복수 개가 맞물림접속구끼리 서로 마주보도록 소정 간격으로 배치되면서 수중바닥에 안착 설치되는 강관; 단부에 맞물림접속구가 마련된 시트파일로, 하나 이상이 상기 강관 사이를 폐합하도록 설치되되, 맞물림접속구를 통해 강관과 맞물림 접속되면서 수중지반까지 근입 설치되는 시트파일; 케이싱 내부 또는 외부에서 상기 강관 사이를 수평 연결하면서 고정 설치되는 수평스트러트; 상기 강관 내부에 삽입되어 수중지반까지 근입되면서 강관에 고정 설치되는 센터파일;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 수중 대구경 케이싱 가설구조물의 시공방법은 상기한 시트파일을 이용한 일괄설치형 수중 대구경 케이싱 가설구조물을 시공하는 방법으로, 강관,시트파일, 수평스트러트를 조립하되 시트파일이 강관보다 아래로 내려오지 않게 조립하는 제S11단계; 제S11단계의 조립체를 시공현장에 반입하여 강관을 수중바닥에 안착시키는 제S12단계; 강관 내부에 센터파일을 삽입 항타하여 수중지반에 근입 설치하는 제S13단계; 센터파일을 강관에 고정시키는 제S14단계; 시트파일을 항타하여 수중지반에 근입 설치하는 제S15단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 시트파일을 선조립한 상태로 설치할 수 있기 때문에 현장작업을 최소화하면서 수중 대구경 케이싱 공사를 실시할 수 있다. 따라서 수중구조물의 기초 공사와 관련하여 공사기간을 단축하고 공사비를 절감할 수 있다.

둘째, 시트파일과 강관을 조립체 상태로 먼저 설치하고 그 조립체의 강관 내부에 엄지말뚝을 설치하는 방식으로 수중 대구경 케이싱을 시공하기 때문에 시공오차의 발생 우려가 거의 없으며, 그 결과 설계에 따른 시공으로 시공품질을 향상시킬 수 있다.

셋째, 해저 혹은 하저에 단단한 층(혹은 암층)의 표면이 매우 불규칙한 상태로 존재하는 경우에도 그 불규칙한 수중지반에 대응하면서 시트파일을 설치할 수 있기 때문에 기초 공사를 위해 케이싱 내부의 수중지반을 굴착할 때에 토사붕괴를 최대한 방지할 수 있다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 수중 대구경 케이싱 가설구조물에 대한 평면도와 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 수중 대구경 케이싱 가설구조물에서 강관과 시트파일의 접속상세이다.
도 4는 본 발명에 따른 수중 대구경 케이싱 가설구조물의 시공방법에 대한 시공순서도이다.
도 5와 도 6은 도 4에 따른 수중 대구경 케이싱 가설구조물의 시공방법을 적용하면서 수중구조물을 시공하는 과정을 보여주는 시공순서도로, 각각 해상풍력용 모노파일(mono-pile)과 교량용 교각의 시공순서도이다.

이하 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.

도 1과 도 2는 본 발명에 따른 수중 대구경 케이싱 가설구조물에 대한 평면도와 사시도이다. 수중 대구경 케이싱은 바다, 하천 등의 수중에 댐, 교량, 해상풍력 등의 수중 구조물을 구축하는 과정에서 기초 시공을 위해 지반을 굴착할 때 토사층의 붕괴 혹은 유입을 막기 위한 목적으로 시공하는 가설구조물인데, 본 발명은 수중 대구경 케이싱을 조립구조로서 강관(10), 시트파일(20), 수평스트러트(30), 센터파일(50)을 포함하도록 구성한다는데 특징이 있다.

본 발명에서 강관(10)은 속이 빈 중공형 부재로 외주면에 맞물림접속구(13)가 마련되는 구성인데, 복수 개가 맞물림접속구(13)끼리 서로 마주보도록 소정 간격으로 배치되면서 수중바닥에 안착 설치된다. 이와 같은 강관(10)은 그 내부에 삽입 설치되는 센터파일(50)의 가이드관 역할을 한다.

본 발명에서 시트파일(20)은 단부에 맞물림접속구(23)가 마련되어 상호 간 맞물림 접속하면서 결합하는 시트 형태의 파일 부재로, 일반적으로 흙막이벽이나 가물막이 시공에 이용되는 통상의 시트파일과 동일하다. 다시 말해 시트파일(20) 한 장씩 서로 맞물리게 배치하고 지중에 때려 박으면서 설치하는 부재이다. 다만 본 발명에서는 시트파일(20)이 강관(10)과 함께 폐쇄구조의 케이싱을 형성하도록 강관(10) 사이에서 맞물림접속구(13, 23)를 통해 강관(10)과 맞물림 접속되면서 수중지반까지 근입 설치된다. 시트파일(20)에 의해 강관(10) 사이가 폐합되도록 시트파일(20) 상호 간은 물론 강관(10)과도 맞물림 접속하면서 결합 설치되는 것이다.

본 발명에서 수평스트러트(30)는 케이싱 내부 또는 외부에서 강관(10) 사이를 수평 연결하면서 고정 설치되는 구성이다. 수평스트러트(30)에 의해 복수 개의 강관(10)은 하나로 구속되면서 보강된다. 안정적인 보강구조를 위해 수평스트러트(30)는 케이싱 외부에서 연속하게 설치되는 외부스트러트(31)를 포함하도록 마련하는 것이 바람직하다. 수평스트러트(30)는 강관(10)에만 고정될 뿐이며, 시트파일(20)에는 단순히 접촉 설치된다. 그래야 강관(10), 수평스트러트(30), 시트파일(20)이 서로 조립된 상태에서도 시트파일(20)을 타격하면서 수중지반에 근입 설치할 수 있다. 한편 수평스트러트(30)는 다단으로 평행하게 마련될 수 있으며, 이 경우 다단의 수평스트러트(30)를 수직 연결하는 수직스트러트(40)를 더 마련할 수도 있다. 수평스트러트(30)와 수직스트러트(40)는 구조설계에 따라 H형강, ㄷ채널, 앵글 등 통상의 철골부재에서 적절한 단면의 부재를 채택하면 되는데, 도 1에서는 H형강으로 마련된 외부스트러트(31)와 ㄷ채널로 마련된 수직스트러트(40)를 확인할 수 있다.

본 발명에서 센터파일(50)은 강관(10) 내부에 삽입되어 수중지반까지 근입되면서 강관(10)에 고정 설치되는 구성이다. 센터파일(50)은 시트파일(20)과 함께 수중지반에 근입 설치되어 본 발명에 따른 케이싱 가설구조물을 수중지반에 안정적으로 정착시키는 구성이 된다. 다만 센터파일(50)은 일종의 엄지말뚝이 되므로 가능하다면 시트파일(20)보다 깊은 심도로 근입 설치하는 것이 바람직하다. 센터파일(50)은 H형강 등 통상의 철골부재를 적절히 채택하면 바람직한데, 도 1에서는 H형강으로 마련된 센터파일(50)을 확인할 수 있다. 한편 센터파일(50)은 강관(10)에 고정 설치되는데, 이를 위해 커플러를 적절하게 이용할 수 있다. 다만 본 발명에 따른 수중 대구경 케이싱이 곧 철거되는 가설구조물이라는 것을 감안한다면 커플러는 용접 등의 고정방법보다는 탈착이 용이한 쐐기식, 볼트조립식 등의 고정방법으로 설치되는 구조가 바람직하다.

상기와 같은 구성에 의해 수중 대구경 케이싱 가설구조물이 완성된다. 강관(10)과 시트파일(20)의 맞물림 결합으로 폐쇄구조의 케이싱이 완성되고 센터파일(50)과 시트파일(20)의 수중지반 정착으로 안정적인 구축상태가 유지되는 것이다. 본 발명에 따른 수중 대구경 케이싱 가설구조물은 원형 또는 다각형의 폐쇄구조로 완성될 수 있다.

도 1과 도 2는 다각형의 폐쇄구조로 설치한 케이싱 형태의 가설구조물을 보여준다. 보는 바와 같이 강관(10)을 다각형 구도의 모서리에 위치하도록 배치하고, 시트파일(20)을 다각형 구도의 변에 위치하도록 배치하여 다각형의 폐쇄구조로 완성하고 있다. 다각형의 폐쇄구조는 수평스트러트(30)를 통상의 직선 철골부재를 그대로 적용하면서 쉽게 완성할 수 있다.

나아가 도 1과 도 2에서는 수평스트러트(30)를 내·외부스트러트(31, 32)로 마련하여 케이싱 내·외부 각각에서 서로 이격하면서 평행하게 설치하고, 내·외부스트러트(31, 32) 사이에 시트파일(20)을 접촉시키면서 설치하고 있다. 이와 같은 수평스트러트(30)의 설치 구조는 내·외부스트러트(31, 32)에 의한 안정적인 보강구조를 확보하는 한편 시트파일(20)을 근입 설치하는 과정에서 시트파일(20)의 수직도를 유지하는데 유리하다.

도 3은 본 발명에 따른 수중 대구경 케이싱 가설구조물에서 강관(10)과 시트파일(20)의 접속상세를 보여준다. 도 3에서는 종래의 강관을 적절히 변형하여 강관(10)로 마련하고 있는데, 구체적으로 강관본체(11); 강관본체(11) 외주면에 용접 접합된 날개시트(12); 날개시트(12) 단부가 절곡되어 형성된 맞물림접속구(13);로 구성하고 있다. 다시 말해 시트파일(20)을 절반으로 나누어 강관본체(11)의 양쪽에 접합하는 것으로 맞물림접속구(13)가 마련된 강관(10)을 완성한 것이다. 이러한 강관(10)은 간편하게 시트파일(20)의 맞물림 접속하면서 결합 설치된다.

도 4는 본 발명에 따른 수중 대구경 케이싱 가설구조물의 시공방법에 대한 시공순서도로, 도 1과 도 2의 수중 대구경 케이싱 가설구조물이 시공되는 방법을 예시한다. 이를 통해 본 발명에 따른 수중 대구경 케이싱 가설구조물의 시공방법을 살펴본다.

먼저 강관(10), 시트파일(20), 수평스트러트(30)를 조립하며, 수직스트러트(40)를 더 설치하는 경우에는 수직스트러트(40)도 조립한다(제S11단계, 도 4(a)). 시트파일(20)은 강관(10)과 동일하거나 강관(10)보다 긴 길이로 준비하고 강관(10)보다는 아래로 내려오지 않게 조립하는 것이 바람직한데, 이는 시트파일(20)에 방해받지 않으면서 강관(10)을 수중바닥에 안정적으로 안착 설치하기 위함이다.

다음으로 제S11단계에서 조립한 조립체를 시공현장에 반입하여 강관(10)을 수중바닥에 안착 설치한다(S12단계, 도 4(b)). 크레인으로 양중하면서 설치하며, 안착 설치한 후에는 조립체가 움직이지 않도록 붙잡아 둔다.

다음으로 강관(10) 내부에 H형강 등의 센터파일(50)을 삽입 항타하여 수중지반에 근입 설치하고(제S13단계, 도 4(c)), 센터파일(50)을 강관(10)에 고정시키고(제S14단계), 시트파일(20)을 항타하여 수중지반에 근입 설치한다(제S15단계(도 4(d)). 크레인, 해머 등을 적절히 이용하면서 진행하도록 한다.

이로써 수중 대구경 케이싱 가설구조물 시공이 완성된다. 시공현장에서는 미리 조립한 조립체의 배치작업과, 센터파일(50)의 삽입 항타작업, 시트파일(20)의 항타작업을 실시하기만 하면 되기 때문에 현장작업량을 줄이면서 신속하게 공사를 수행할 수 있다.

도 5와 도 6은 도 4에 따른 수중 대구경 케이싱 가설구조물의 시공방법을 적용하면서 수중구조물을 시공하는 과정을 보여주는 시공순서도로, 각각 해상풍력용 모노파일(mono-pile)과 교량용 교각의 시공순서도이다.

도 5는 모노파일(MP)의 시공순서를 보여준다. 먼저 시공 위치에 수중 대구경 케이싱 가설구조물을 시공하며(도 5(a)(b)(c)(d)), 시공방법은 앞에서 살펴본 도 4에서와 같다. 이어 굴착장치를 케이싱 가설구조물 내부에 삽입하고 잭업 바지(jackup barge)의 상단에 고정한 후 굴착 베이스머신과 굴착장치를 연결하여 케이싱 가설구조물 내부를 굴착한다(도 5(e)). 이때 역순환 방식으로 케이싱 가설구조물 내부에 굴착용수를 공급하는 한편 Drill Pipe 내부를 통하여 굴착용수 및 암편을 배출할 수 있다. 다음으로 모노파일(MP)을 굴착공 내부에 관입 설치하고(도 5(f)), 모노파일과 굴착공 사이를 콘크리트, 몰탈, 각종 충전재 등으로 그라우팅(G))한 후(도 5(g)), 케이싱 가설구조물을 철거한다(도 5(h)). 철거는 설치방법과 반대로 실시하면 된다. 다시 말해 먼저 시트파일(20)을 수중지반에서 인발하고, 이어 센터파일(50)의 고정상태를 풀어 수중지반에서 인발한 후 강관(10)에서 인출하여 제거하고, 다음으로 강관(10), 시트파일(20), 수평스트러트(30)가 조립된 상태의 조립체를 양중하여 운반하는 것이다. 이로써 모노파일 같은 수중구조물의 시공이 완성된다.

도 6은 교각의 시공순서를 보여준다. 먼저 시공 위치에 먼저 시공 위치에 수중 대구경 케이싱 가설구조물을 시공하며(도 6(a)(b)(c)(d)). 이어 양수펌프 등을 이용하여 케이싱 가설구조물 내부에 양수작업을 실시하고(도 6(e)), 케이싱 가설구조물 내부에 수중지반이 드러나면 수중지반에 교각 기초(P1)와 교각 본체(P2)를 시공한다(도 6(f)(g)). 다음으로 케이싱 가설구조물 내부에 물을 투입한 후(도 6(h)), 케이싱 가설구조물을 철거한다(도 6(i)). 이때 가설구조물의 철거는 앞에서 살펴본 모노파일 시공과정에서와 동일하다. 이로써 교량의 교각 등과 같은 수중구조물의 시공이 완성된다.

이상에서 본 발명은 구체적인 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환, 부가 및 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

10: 강관
11: 강관본체
12: 날개시트
20: 시트파일
13, 23: 맞물림접속구
30: 수평스트러트
31: 외부스트러트
32: 내부스트러트
40: 수직스트러트
50: 센터파일
MP: 모노파일
G: 그라우팅
P1: 교각 기초
P2: 교각 본체

Claims (6)

1. 수중지반에 정착 시공되는 대구경 케이싱 구조물로서,
   외주면에 맞물림접속구(13)가 마련된 강관 부재로, 복수 개가 맞물림접속구(13)끼리 서로 마주보도록 소정 간격으로 배치되면서 수중바닥에 안착 설치되는 강관(10);
   단부에 맞물림접속구(23)가 마련된 시트파일(20)로, 하나 이상이 상기 강관(10) 사이를 폐합하도록 설치되되, 맞물림접속구(13, 23)를 통해 강관(10)과 맞물림 접속되면서 수중지반까지 근입 설치되는 시트파일(20);
   케이싱 내부 또는 외부에서 상기 강관(10) 사이를 수평 연결하면서 고정 설치되는 수평스트러트(30);
   상기 강관(10) 내부에 삽입되어 수중지반까지 근입되면서 강관(10)에 고정 설치되는 센터파일(50);
   을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 시트파일을 이용한 일괄설치형 수중 대구경 케이싱 가설구조물.
2. 제1항에서,
   상기 수평스트러트(30)는,
   케이싱 외부에 위치하도록 설치되는 외부스트러트(31);와 케이싱 내부에 위치하도록 설치되는 내부스트러트(32);를 포함하여 구성되되 내·외부스트러트(31, 32)가 서로 이격하면서 평행하게 배치되도록 설치되며,
   상기 시트파일(20)은, 내·외부스트러트(31, 32)에 접촉하게 설치되는 것을 특징으로 하는 시트파일을 이용한 일괄설치형 수중 대구경 케이싱 가설구조물.
3. 제1항 또는 제2항에서,
   상기 강관(10)은, 강관본체(11); 강관본체(11) 외주면에 용접 접합된 날개시트(12); 날개시트(12) 단부가 절곡되어 형성된 맞물림접속구(13);를 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 시트파일을 이용한 일괄설치형 수중 대구경 케이싱 가설구조물.
4. 제1항 또는 제2항에서,
   상기 강관(10)은, 다각형 구도의 모서리에 위치하도록 배치되고,
   상기 시트파일(20)은, 강관(10) 상호 간을 연결하면서 다각형 구도의 변에 위치하도록 배치되고,
   상기 수평스트러트(30)는, 강관(10)의 외곽으로 둘러 감으면서 다각형 구도로 설치되는 외부스트러트(31)를 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 시트파일을 이용한 일괄설치형 수중 대구경 케이싱 가설구조물.
5. 제1항 또는 제2항에서,
   상기 센터파일(50)은, H형강인 것을 특징으로 하는 시트파일을 이용한 일괄설치형 수중 대구경 케이싱 가설구조물.
6. 제1항 또는 제2항에 따른 시트파일을 이용한 일괄설치형 수중 대구경 케이싱 가설구조물을 시공하는 방법으로,
   강관(10), 시트파일(20), 수평스트러트(30)를 조립하되, 시트파일(20)이 강관(10)보다 아래로 내려오지 않게 조립하는 제S11단계;
   제S11단계의 조립체를 시공현장에 반입하여 강관(10)을 수중바닥에 안착시키는 제S12단계;
   강관(10) 내부에 센터파일(50)을 삽입 항타하여 수중지반에 근입 설치하는 제S13단계;
   센터파일(50)을 강관(10)에 고정시키는 제S14단계;
   시트파일(20)을 항타하여 수중지반에 근입 설치하는 제S15단계;
   를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수중 대구경 케이싱 가설구조물의 시공방법.

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