KR101166873B1 - 두부 케이싱에 의한 강제 비배토 지반천공방법 및 이를 적용한 지반보강방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 두부 케이싱에 의한 강제 비배토 지반천공방법과 이를 바람직하게 적용한 지반보강방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 두부 케이싱에 의한 강제 비배토 지반천공방법은, 천공 심도보다 짧은 길이의 케이싱을 천공할 지반의 두부(頭部)에 관입 설치하되 케이싱본체의 내경보다 작은 개구창(開口窓)이 형성된 차단판이 선단에 마련된 케이싱으로 실시하는 제1단계;와, 상기 케이싱보다 긴 길이의 배토형 굴착로드를 케이싱 내부에서 차단판의 개구창을 통과시키면서 천공 심도까지 굴착 천공하는 제2단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 지반보강방법은, 상기한 강제 비배토 지반천공방법으로 지반을 천공하면서 배토형 굴착로드를 지반에 관입 설치하되 네일 또는 강관파일을 배토형 굴착로드로 준비하여 회전 압입하면서 실시하는 제1단계; 케이싱을 인출 제거하는 제2단계; 배토형 굴착로드를 인출 제거하는 제3단계;로 이루어지되 상기 제3단계는 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.

Description

두부 케이싱에 의한 강제 비배토 지반천공방법 및 이를 적용한 지반보강방법{Earth drilling method for preventing soil from emitting by casing and earth reinforcement method thereof}

본 발명은 배토형 굴착로드를 구비한 굴착 천공기로 굴착 천공하여도 차단판이 선단에 마련된 케이싱을 지반 두부에 설치함으로써 비배토를 강제로 실현한 지반천공방법과 이를 바람직하게 적용한 지반보강방법에 관한 것이다.

흙막이벽 배후의 지반보강, 건물 기초 아래의 지반보강, 사면보강 등 건물이나 도로 등 구조물을 공사함에 있어 지반붕괴 등을 미연에 방지하기 위해 임시 또는 영구적으로 지반보강공사를 실시한다.

가장 일반적인 지반보강공사 방법에는 파일공법, 소일네일링공법, 어스앵커공법이 있다. 이들 공법들은 모두 유압드릴이나 각종 굴착 천공기를 이용하여 굴착 천공작업을 수행하고 지반보강재로 파일, 네일, 강선 등을 천공홀에 삽입한 후 그라우트재를 주입하는 과정으로 진행된다. 이와 같은 지반보강공사 방법은 굴착 천공작업과 지반보강재 설치작업이 구별되는 공정으로 이루어지기 때문에 공사시간이 지연되고 별도의 케이싱 설치 및 제거작업이 요구되는 단점이 있으며, 또한 일정의 수직도 확보를 위해 상당 크기의 천공홀을 형성시키면서 천공작업이 진행되기 때문에 천공작업에 따른 배토량과 그라우팅작업에 따른 그라우팅액 사용량이 증대되는 단점도 있다. 이러한 단점을 개선하고자 본 발명자에 의해 제안된 것으로 특허 제769309호와 특허출원 제10-2009-0105547에 따른 스크류 파일공법이 있다.

한편 굴착 천공방법은 굴착되는 토사의 처리방법에 따라 배토 방법과 비배토 방법으로 구분할 수 있다. 배토 방법은 굴착 토사를 배토시키는 방법이고, 비배토 방법은 굴착 토사를 배토시키지 않고 주변으로 압밀하는 방법인데, 굴착효과에는 배토 방법이 유리하나 지반의 안정화에는 비배토 방법이 유리하다. 지금까지 배토 방법과 비배토 방법은 사용하는 굴착 천공기에 의해 결정되었다. 다시 말해, 배토형 굴착로드(보통 스크류날개가 연속 형성됨)를 구비한 굴착 천공기를 이용하면 배토 방법이 실현되고, 비배토형 굴착로드(보통 스크류날개가 연속 형성되지 않음)를 구비한 굴착 천공기를 이용하면 비배토 방법이 실현된다.

본 발명은 종래 굴착 천공방법을 개선하고자 개발된 것으로서, 배토형 굴착로드를 구비한 굴착 천공기를 이용하여 굴착 효과를 증대시키면서도 비배토 방법을 실현하여 지반의 안정화를 효과적으로 도모할 수 있는 새로운 천공방법을 제공하고자 한다.

또한 본 발명은 별도의 패커를 이용하지 않으면서도 가압 그라우팅을 실현하면서 지반을 보강할 수 있는 보강방법을 제공하고자 한다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 두부 케이싱에 의한 강제 비배토 지반천공방법과 이를 바람직하게 적용한 지반보강방법을 제공한다.

본 발명에 따른 두부 케이싱에 의한 강제 비배토 지반천공방법은, 천공 심도보다 짧은 길이의 케이싱을 천공할 지반의 두부(頭部)에 관입 설치하되 케이싱본체의 내경보다 작은 개구창(開口窓)이 형성된 차단판이 선단에 마련된 케이싱으로 실시하는 제1단계;와, 상기 케이싱보다 긴 길이를 가지면서 케이싱의 차단판 외경보다 작은 회전 구경을 가지는 배토형 굴착로드를 케이싱 내부에서 차단판의 개구창을 통과시키면서 상기 케이싱의 차단판보다 작은 굴착 구경으로 케이싱보다 더 깊은 천공 심도까지 굴착 천공하는 제2단계;로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 지반보강방법은, 상기한 강제 비배토 지반천공방법으로 지반을 천공하면서 배토형 굴착로드를 지반에 관입 설치하되 네일 또는 강관파일을 배토형 굴착로드로 준비하여 회전 압입하면서 실시하는 제1단계; 케이싱을 인출 제거하는 제2단계; 배토형 굴착로드를 인출 제거하는 제3단계;로 이루어지되 상기 제3단계는 선택적으로 수행하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

첫째, 굴착로드의 진입방향을 두부 케이싱으로 안내받을 수 있기 때문에 일정한 수직도 내지 경사도를 유지하면서 지반을 천공할 수 있다.

*둘째, 스크류 오거, 스크류 강관파일 등 간소한 배토형 굴착로드 장비를 이용하면서도 비배토 지반천공을 실현할 수 있으며, 이에 따라 관련 공사비를 절감할 수 있다. 나아가 배토는 보통 폐기물로 분류되는데 배토를 최소화할 수 있기 때문에 환경비용과 운반비용을 절감하면서 친환경을 추구할 수 있다.

셋째, 스크류 오거, 스크류 강관파일 등 간소한 배토형 굴착로드 장비를 이용하면서도 비배토 지반천공을 실현하기 때문에 지반 압밀을 통한 안정화를 유도할 수 있다. 이에 따라 지반보강공사에 유리하게 적용할 수 있으며, 특히 배토형 굴착로드를 제거식 지반보강재로 이용할 수 있기 때문에 어스앵커공법, 네일링공법 등 종래 흙막이공법을 대체할 수 있다.

넷째, 별도의 패커를 이용하지 않으면서도 가압 그라우팅을 실현할 수 있기 때문에 경제적이면서도 효과적으로 지반보강공사를 수행할 수 있다.

도 1a 내지 도 1b는 본 발명에 따른 지반천공방법의 시공순서도를 도시한다.
도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 지반천공방법에 바람직하게 이용할 수 있는 케이싱을 도시한다.
도 3은 본 발명에 따른 지반보강방법의 일례에 대한 시공순서도를 도시한다.

이하 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다. 다만 본 발명은 지반천공방법과 지반보강방법을 제안하는바, 이들을 구분하여 설명한다.

1. 지반천공방법

도 1a 내지 도 1c는 본 발명에 따른 지반천공방법의 시공순서도를 도시하며, 도 2a와 도 2b는 본 발명에 따른 지반천공방법에 바람직하게 이용할 수 있는 케이싱을 도시한다. 본 발명에 따른 지반천공방법은 크게 케이싱(100) 관입단계와 천공단계로 구분되며, 이러한 지반천공방법에는 케이싱(100) 설치와 케이싱(100) 내부 굴착을 동시에 진행할 수 있는 종래 중앙굴착식 공법용 장비를 적절히 변경하여 적용할 수 있다.

(1) 케이싱 관입단계 (제1단계, 도 1a)

케이싱(100)을 천공할 지반의 두부(頭部)에 관입 설치하는 단계이다. 케이싱(100)의 관입 설치는 타격식, 회전 압입식 등 통상적인 방법으로 실시할 수 있다.

본 단계는 천공 심도보다 짧은 길이로 준비되고 선단에 차단판(120)이 마련된 케이싱(100)으로 실시해야 하며, 차단판(120)은 케이싱본체(110)의 내경보다 작은 개구창(開口窓, 121)이 형성되도록 마련된 것이어야 한다. 즉 선단 입구가 차단판(120)에 의해 좁아지게 구성된 케이싱(100)을 이용하는 것이다. 그래야 케이싱(100) 선단으로 천공을 실시할 때 차단판(120)으로 배토를 강제적으로 차단하여 비배토를 실현할 수 있다. 한편 차단판의 개구창(121)은 배토형 굴착로드(200)가 걸리지 않게 통과할 수 있을 정도에서 가급적 작게 형성시키는 것이 비배토 목적을 고려할 때 바람직하다.

도 2a 내지 도 2d는 선단에 차단판(120)이 마련된 케이싱(100)을 보여주는데, 도 2a는 가장 기본적인 실시예로서 케이싱본체(110)와 차단판(120)만으로 구성한 예이고, 도 2b 내지 도 2d는 케이싱본체(110) 또는 차단판(120)에 케이싱본체 외연으로 돌출된 돌출편(130)을 더 마련한 예이다. 도 2b는 돌출편(130)이 차단판(120)에서 수평 돌출된 예이고 도 2c는 돌출편(130)이 차단판(120)에서 수직 돌출된 예인데, 이러한 케이싱(100)은 차단판(120)에 의한 배토 차단에 유리한 구조가 된다. 즉 차단판(120)은 배토를 차단하는 구성으로서 배토압을 받게 되는데, 차단판(120)에 돌출편(130)이 마련되면 배토압을 안정적으로 지지하면서 차단판(120) 주변으로 배토의 압밀을 유도할 수 있다. 특히 돌출편(130)이 차단판(120)에서 수직 돌출된 경우에는 돌출편(130)이 케이싱(100)의 관입 설치에도 유리하게 역할한다. 도 2d는 돌출편(130)이 케이싱본체(110) 후단에서 수평 돌출된 예인데, 이러한 케이싱(100)은 지표면의 토사를 안정적으로 보호하는 구조가 된다. 한편 케이싱(100)은 보강지지대(140)를 더 마련하여 케이싱본체(110), 차단판(120), 돌출편(130)을 적절히 연결 보강할 수도 있으며, 케이싱본체(110)와 차단판(120) 및 돌출편(130)은 서로 일체화된 단일 부재로 준비하는 것은 물론 각각 개별적인 조립 부재로 준비하는 것도 가능하다.

(2)천공단계(제2단계, 도 1b 및 도 1c)

배토형 굴착로드(200)를 케이싱(100) 내부에서 차단판의 개구창(121)을 통과시키면서 천공 심도까지 굴착 천공하는 단계이다. 굴착로드(200)는 굴착 진행에 따라 굴착공으로 들어가는 부분인데, 배토형 굴착로드(200)는 굴착 토사를 이송 배토시킬 수 있는 굴착로드(200)를 의미한다. 오거형 굴착장비의 경우에는 스크류 오거가 배토형 굴착로드(200)가 되며, 드릴형 굴착장비의 경우에는 드릴 후단의 스크류 로드가 배토형 굴착로드(200)가 된다. 배토형 굴착로드(200)는 스크류날개를 구비하는 경우뿐만 아니라 강봉이나 강관과 같이 표면이 매끄러운 부재도 될 수 있다. 왜냐하면 배토형 굴착로드(200)는 회전 관입되므로 배토형 굴착로드(200)의 회전력에 의해 주변 토사가 교란되면서 배토형 굴착로드(200)의 진입과 반대로 배출될 것이기 때문이다.
특히 배토형 굴착로드(200)는 도 1a 등에서와 같이 케이싱(100)보다 긴 길이를 가지면서 케이싱의 차단판(121) 외경보다 작은 회전 구경을 가지는 형태로 마련되며, 그래야 배토형 굴착로드(200)를 케이싱의 차단판(120)보다 작은 굴착 구경으로 케이싱(100)보다 더 깊은 천공 심도까지 관입 설치할 수 있고 또한 배토형 굴착로드의 관입 설치에 따라 발생하는 굴착토사를 케이싱의 차단판(120)으로 차단할 수 있다.

본 단계는 도 1b의 (가)에서와 같이 케이싱(100)을 관입 설치한 후 실시하거나 도 1b의 (나)에서와 같이 케이싱(100)의 관입 설치와 동시에 실시할 수 있으며, 다만 어떠한 경우이든 케이싱(100)의 관입 설치한 후에 케이싱(100) 선단으로 본 단계를 추가적으로 진행하기만 하면 된다. 또한 도 1b의 (나)에서와 같이 배토형 굴착로드의 선단 스크류날개(210)를 케이싱의 차단판의 개구창(121)보다 크게 마련할 수 있는데, 이 경우에는 일단 배토형 굴착로드의 선단 스크류날개(210)로 굴착 천공작업을 실시한 후에 케이싱(100)을 관입 설치하는 제1단계와 본 단계를 실시하면 된다.

본 단계는 케이싱(100)이 설치된 상태에서 실시하기 때문에 배토형 굴착로드(200)는 케이싱(100) 선단 차단판의 개구창(121)을 통과하면서 관입되는데, 이에 따라 배토형 굴착로드(200)는 개구창(121)의 안내를 받으면서 천공 심도까지 일정한 각도로 관입될 수 있다. 이로써 일정한 수직도 내지 경사도로의 천공이 가능해진다.

또한 본 단계는 차단판(120)이 마련된 케이싱(100) 선단으로 추가 굴착하는 공정이기 때문에 굴착 토사가 배토형 굴착로드(200)를 따라 이송되더라도 케이싱의 차단판(120)에 도달하면 쉽사리 차단판의 개구창(121)을 통과하지 못하면서 차단판(120) 주변에서 맴돌게 될 것인데, 이에 따라 차단판(120)에 의해 배토가 억제된다. 배토가 억제되면 자연스럽게 지반 압밀이 실현되면서 안정화된다.

한편 본 단계의 진행과정에서 차단판(120)이 받는 배토압이 지나치게 크면 차단판(120)이 파괴되거나 차단판(120) 주변의 지나친 지반 압밀로 인해 배토형 굴착로드(200)의 전진이 방해되면서 천공이 원활하게 이루어지지 않을 수 있다. 이를 해결하기 위해 본 발명은 본 단계를 도 1c에서와 같이 세분하여 수행할 것을 제안한다. 구체적으로 배토형 굴착로드(200)를 케이싱(100)의 설치 심도 이상으로 관입하면서 지반을 천공하는 제2A단계(도 1c의 (가)); 케이싱(100)을 일부 인출하는 제2B단계(도 1c의 (나)); 배토형 굴착로드(200)를 관입하면서 지반을 천공하는 제2C단계(도 1c의 (다));로 세분한다. 케이싱(100)을 인출하여 차단판(120) 선단에 빈 공간을 형성시킴으로써 배토압을 저감시킨 것이다. 상기 제2B단계와 제2C단계는 배토형 굴착로드(200)의 관입이 수월하게 이루어지는지를 고려하면서 1회 이상 반복 실시하며, 이 과정에서 경우에 따라 케이싱(100)은 완전히 인출되어 제거될 수 있다.

2. 지반보강방법

도 3은 본 발명에 따른 지반보강방법의 시공순서도를 도시한다. 본 발명에 따른 지반보강방법은 스크류 강관파일(200)을 지반보강재로 이용한 방법으로서, 크게 비배토 천공단계, 그라우팅단계, 케이싱(100) 제거단계로 구분된다.

(1) 비배토 천공단계(제1단계)

앞서 살펴본 비배토 천공방법으로 지반을 굴착 천공하는 단계이다. 지반보강재로서 이용하는 네일 또는 강관파일을 곧 배토형 굴착로드(200)로 하면서 본 단계를 실시한다. 네일(강봉 이형철근 등) 또는 강관파일은 지반보강재가 되는데, 지반 상태에 따라 회전 압입을 통해 관입 설치가 가능하며, 나아가 관입 설치하는 과정에서 연결 조립하면서 배토형 굴착로드(200)의 길이 연장도 가능하다.

도 3에서는 강관 외주면에 스크류날개(210)가 마련됨과 아울러 그라우트재 방출구멍(220)이 형성된 스크류 강관파일(200)을 배토형 굴착로드(200)로 이용한 것을 확인할 수 있는데, 스크류 강관파일(200)은 자천공이 가능하여 관입 설치에 유리하다. 스크류 강관파일(200)을 이용하는 경우라면 본 단계를 스크류 강관파일(200)을 지반에 관입 설치하는 제1A단계;와, 스크류 강관파일(200)의 내부를 통해 그라우트재(G)를 주입하는 제1B단계;로 세분하여 진행할 수 있다.

제1B단계에서 그라우트재(G)의 주입은 스크류 강관파일(200)이 소정 심도까지 관입 설치된 후에 실시하며, 후술하는 제3단계를 통해 스크류 강관파일(200)을 제거한다면 그라우트재(G)는 빈배합으로 준비하여 주입한다.

또한 제1B단계는 케이싱(100)이 완전히 제거되지 않은 상태에서 실시해야 하는데 그래야 케이싱(100)에 의한 가압 그라우팅 효과를 유도할 수 있다. 다시 말해 케이싱(100) 선단의 차단판(120)에 의해 배토가 억제됨에 따라 차단판(120) 주변은 굴착 토사가 맴돌면서 차단판의 개구창(121)과 스크류 강관파일(200) 사이의 틈새를 메우게 되는데, 이에 의해 패킹되어 가압 그라우팅이 가능해지는 것이다. 이로써 그라우트재(G)가 스크류 강관파일의 그라우트 방출구멍(220)으로 방출되어 지반으로까지 침투되며, 그 결과 지반이 보강된다.

(2) 케이싱 제거단계(제2단계)

케이싱(100)을 인출하여 제거하는 단계이다. 케이싱(100)의 제거는 케이싱(100)을 역회전하여 주변 지반과의 마찰력을 줄이면서 인출하면 된다. 케이싱(100)을 제거한 후에는 케이싱(100)이 제거된 자리에 지반을 메우거나 네일 또는 강관파일의 두부 보강을 실시하는 등의 추가 작업을 실시할 수 있다. 이로써 네일 또는 강관파일에 의한 지반보강이 완성된다. 제거된 케이싱(100)은 다른 공사에서 전용할 수 있다.

(3)지반보강재 제거단계(제3단계)

네일 또는 강관파일을 역방향으로 회전하면서 제거하는 단계로서, 본 단계는 선택적으로 진행한다. 즉 네일 또는 강관파일을 지반에 영구 매입하는 경우에는 본 단계를 실시하지 않으며, 네일 또는 강관파일을 임시로 이용하는 경우에는 본 단계를 실시한다. 네일 또는 강관파일의 제거로 압밀되었던 지반은 원상 회복된다.

다만 스크류 강관파일(200)을 이용한 경우라면 본 단계를 스크류 강관파일(200)의 내부에 공기압 또는 수압을 주입하는 제3A단계;와, 스크류 강관파일(200)을 역회전 인출하면서 제거함과 아울러 그라우트재(G)를 주입하는 제3B단계;로 세분하여 진행할 수 있다. 앞서 제1B단계의 실시로 스크류 강관파일(200)은 지반에 정착되는데 제3A단계의 실시로 스크류 강관파일(200)의 정착상태를 해제할 수 있으며, 공기압 또는 수압의 주입과 함께 스크류 강관파일(200)을 역회전하면 정착 해제가 용이하다. 정착 해제된 스크류 강관파일(200)을 그대로 제거하면 공동부(空洞部)가 형성되게 마련인데, 본 발명에서는 제3B단계를 통해 스크류 강관파일(200)을 인출함과 아울러 그라우트재(G)를 주입하여 공동부를 채울 것을 제안하고 있다. 이로써 스크류 강관파일(200)을 제거하여도 지반 압밀은 그대로 유지되고, 강화된 지반은 지속된다.

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.

100: 케이싱
110: 케이싱본체
120: 차단판
121: 개구창
130: 돌출편
140: 보강지지대
200: 굴착로드, 스크류 강관파일
210: 스크류날개
220: 그라우트재 방출구멍
G: 그라우트재

Claims (4)

1. 지반을 굴착 천공하는 방법으로서,
   천공 심도보다 짧은 길이의 케이싱(100)을 천공할 지반의 두부(頭部)에 관입 설치하되, 케이싱본체(110)의 내경보다 작은 개구창(開口窓, 121)이 형성된 차단판(120)이 선단에 마련된 케이싱(100)으로 실시하는 제1단계;와,
   상기 케이싱(100)보다 긴 길이를 가지면서 케이싱의 차단판(120) 외경보다 작은 회전 구경을 가지는 배토형 굴착로드(200)를, 케이싱(100) 내부에서 차단판의 개구창(121)을 통과시키면서 상기 케이싱의 차단판(120)보다 작은 굴착 구경으로 케이싱(100)보다 더 깊은 천공 심도까지 굴착 천공하는 제2단계;
   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 두부 케이싱에 의한 강제 비배토 지반천공방법.
2. 제1항에서,
   상기 제2단계는,
   배토형 굴착로드(200)를 케이싱(100)의 설치 심도 이상으로 관입하면서 지반을 천공하는 제2A단계;
   케이싱(100)을 일부 인출하는 제2B단계; 및,
   배토형 굴착로드(200)를 관입하면서 지반을 천공하는 제2C단계;
   로 이루어지되 상기 제2B단계와 제2C단계가 1회 이상 반복 실시하면서 이루어지는 것을 특징으로 하는 두부 케이싱에 의한 강제 비배토 지반천공방법.
3. 제1항 또는 제2항에서,
   상기 제1단계의 케이싱(100)은,
   케이싱본체(110) 또는 차단판(120)에 케이싱본체(110) 외연으로 돌출된 돌출편(130)이 더 마련된 것임을 특징으로 하는 두부 케이싱에 의한 강제 비배토 지반천공방법.
4. 제1항 또는 제2항에 따른 강제 비배토 지반천공방법으로 지반을 천공하면서 배토형 굴착로드(200)를 지반에 관입 설치하되, 네일 또는 강관파일(200)을 배토형 굴착로드(200)로 준비하여 회전 압입하면서 실시하는 제1단계;
   케이싱(100)을 인출 제거하는 제2단계;
   배토형 굴착로드(200)를 인출 제거하는 제3단계;
   로 이루어지되, 상기 제3단계는 선택적으로 실시하는 것을 특징으로 하는 지반보강방법.

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