KR101174667B1 - 지반 안정용 가압펌프와 이를 이용한 시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지반 안정용 가압펌프와 그에 따른 시공방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 굴착 지반이 해안 매립지나 균열이 심한 전석층과 밀도가 낮은 사질토와 지반마찰력이 낮은 점토층과 같은 연약지반에 고압력 가압펌프에 의한 일정량의 그라우트액을 순간적으로 반복 가압 주입하여 지반의 높은 정착력을 생성하여 높은 안전성을 발휘함과 동시에 적용지반에 따른 정착장의 길이를 최소화하여 경제적인 시공이 이루어지도록 하는 것이다.
이는 상부 내면에 피스톤 로드 가이드가 체결되도록 나사산을 형성하고 내면 한쪽에 흡입구와 배출구를 형성하며, 하부 외면에 나사산이 형성된 배출통로와 배출통로의 내부 중앙에 원형판 밸브를 갖는 실린더 몸체와, 상기 실린더 몸체의 내부에서 왕복 이동되며 외면에 고무링과 패킹이 체결하는 삽입홈을 갖는 원기둥 모양의 피스톤과, 상기 피스톤의 상부와 천공기계에 연결되도록 양단 외면에 나사산이 형성된 환봉 형태의 피스톤 로드와, 상기 실린더 몸체의 상단에 체결하여 피스톤 로드를 지지하고 피스톤의 위치를 제어하는 피스톤 로드 가이드로 구성한다.

Description

지반 안정용 가압펌프와 이를 이용한 시공방법{High pressure pump grouting and that construction method}

본 발명은 지반 안정용 가압펌프와 그에 따른 시공방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 굴착 지반이 해안 매립지나 균열이 심한 전석층과 밀도가 낮은 사질토와 지반주변마찰력이 낮은 점토층과 같은 연약지반과 풍화토 및 풍화가 심한 풍화암에 고압력 가압펌프에 의한 일정량의 그라우트액을 순간적으로 반복 가압 주입하여 지반의 높은 정착력을 생성하여 높은 안전성을 발휘함과 동시에 적용지반에 따른 정착장의 길이를 최소화하여 경제적인 시공이 이루어지도록 하는 지반 안정용 가압펌프와 그에 따른 시공방법에 관한 것이다.

일반적으로 도로, 철도, 터널, 항만 등의 기반시설이나 주거단지, 상업단지, 병원 등의 주거시설의 조성을 위한 토목공사로 형성된 사면이나 옹벽의 토압, 지하수압, 지진 등에 요인에 의한 붕괴와 건물, 교량 등의 설치지반의 침하에 따른 붕괴의 위험이 사려 되는데 이를 방지하기 위하여 그라운드 앵커, 쏘일네일링, 락볼트, 각종의 파일 등의 공사가 다양하게 실시되고 있다.

종래에 실시되고 있는 방법으로는 상기 공법을 적용할 지반에 천공기계를 사용하여 천공홀을 형성하고, 천공홀에 지반정착구조물(예로써 철근, 강연선, 앵커내하체, 락볼트 등)을 삽입한 후 그라우트를 주입하여 천공홀 내부를 충만시킨 후에 양생하여 지반정착구조물을 적용하는 방법과, 천공기계와 케이싱을 사용하여 천공홀을 형성하고 케이싱 내부에 지반 정착구조물을 삽입한 후 그라우트을 주입하여 케이싱 내부를 충만시킨 후에 천공홀로부터 삽입된 케이싱을 인발하면서 그라우팅 펌프로 가압 주입한 후 양생하여 지반정착구조물을 적용하는 방법으로 지반을 안정시키는 방법과, 상기와 동일하게 천공홀을 구성한 후 토목섬유를 사용하여 그라우트액의 유실을 방지하는 방법 등이 있다.

이러한 종래 방법의 문제점은 천공홀에 남아있는 잔여 슬라임으로 인한 지반과 그라우트 간의 마찰저항의 약화를 초래한다.

그리고 연약지반의 경우 약한 마찰저항과 지반 단위밀도가 낮음으로 말미암은 지반의 느슨함으로 인하여 기대치의 정착력을 발휘할 수 없으며 형성된 천공홀의 붕괴에 따른 정착장 그라우트구군의 형성이 곤란하며 그라우팅 펌프에 의한 가압주입 또한 안정된 지반의 경우 정착장의 구성이 가능하지만 제한된 가압력과 연속주입으로는 연약지반에서의 안정된 정착장의 구성은 크게 기대할 수 없었다.

또한 토목섬유를 사용해 정착부의 그라우팅 유실을 방지하는 방법은 정착장그라우트구군의 형성은 용이하나 시공도중 토목섬유가 파손되는 위험성과 정착체의 표면이 섬유로 형성되므로 지반과 정착체의 마찰저항의 저하로 인한 시간의 경과에 따른 정착력의 약화(Creep 현상)를 초래하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 여러 가지 문제점을 해경하고자 개발된 것으로 그 목적은 천공홀의 붕괴를 방지하고 천공홀 벽면과 그라우팅 간의 주변마찰 저항을 극대화시켜 지속적인 지반의 안정화가 이루어지도록 하는 지반 안정용 가압펌프와 그에 따른 시공방법을 제공함에 있다.

또, 연약지반의 정착장 직경을 확장시켜 지반 정착 구조물에 지압력을 적용하고 마찰 면적을 확대하여 지반과의 주변마찰 저항을 극대화하고 주변지반을 응집시켜 정착력을 강화하여 지속적인 지반의 안정화가 이루어지도록 하는 지반 안정용 가압펌프와 그에 따른 시공방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 상부 내면에 피스톤 로드 가이드가 체결되도록 나사산을 형성하고 내면 한쪽에 흡입구와 배출구를 형성하며, 하부 외면에 나사산이 형성된 배출통로와 배출통로의 내부 중앙에 원형판 밸브를 갖는 실린더 몸체와, 상기 실린더 몸체의 내부에서 왕복 이동되며 외면에 고무링과 패킹이 체결하는 삽입홈을 갖는 원기둥 모양의 피스톤과, 상기 피스톤의 상부와 천공기계에 연결되도록 양단 외면에 나사산이 형성된 환봉 형태의 피스톤 로드와, 상기 실린더 몸체의 상단에 체결하여 피스톤 로드를 지지하고 피스톤의 위치를 제어하는 피스톤 로드 가이드로 구성한다.

상기와 같은 본 발명은 다음과 같은 여러 가지의 효과가 있다.

첫째는 정착체의 부위를 확장시켜 마찰력과 지압력을 증폭시킴으로써 기존의 시공에 비하여 안정된 정착체를 제공하는 효과가 있다.

둘째는 가압주입시 그라우트액이 배토되지 않아 지반 교란을 최소화 할 수 있고, 가압 주입력이 주변지반으로의 압밀 효과를 발휘하여 지반안정에 효과적이다.

셋째는 굴착 지반이 해안 매립지나 균열이 심한 전석층과 밀도가 낮은 사질토와 지반 주면마찰력이 낮은 점토층과 같은 연약지반과 풍화토 및 풍화가 심한 풍화암에 있어서 고압력 가압펌프에 의한 일정량의 그라우트액을 순간적인 반복 가압 주입으로 정착장에 주입함으로써 지반의 높은 정착력을 발휘하여 안전성을 극대화하는 동시에 적용 지반에 따른 정착장의 길이를 최소화하여 시공의 경제성을 추구하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 구성을 나타낸 단면도
도 2는 원형판 밸브의 다른 구성을 나타탠 정면도
도 3~6는 본 발명의 사용 상태를 나타낸 단면도
도 7은 본 발명의 시공 방법을 나타낸 공정도
도 8은 본 발명의 설치구조물의 구성을 나타낸 단면도
도 9는 본 발명의 폐쇄기구의 구성을 나타낸 사시도
도 10은 본 발명의 폐쇄기구의 사용 상태를 나타낸 사용상태도

이하에서 본 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용을 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도면 도 1은 본 발명의 전체 구성을 나타낸 단면도이고, 도 7은 본 발명의 시공 방법을 나타낸 공정도이다. 이의 도면 부호 100은 본 발명인 지반 안정용 가압펌프의 본체를 나타내고 있다.

상기 본체(100)는 내부에 원형판 밸브(20)를 갖는 실린더 몸체(10)와 원기둥 모양의 피스톤(30)과 피스톤(30)과 천공기계에 연결되는 피스톤 로드(40)와 피스톤 로드(40)를 지지하는 피스톤 로드 가이드(50)로 구성한다.

상기 실린더 몸체(10)는 일정 길이를 갖는 원통형으로 상부 내면에 피스톤 로드 가이드(50)가 체결되도록 나사산(11)을 형성한다.

그리고 내면 한쪽에 그라우트 액을 흡입하는 흡입구(12)와 공기를 외부로 배출하는 배출구(13)를 형성하고, 흡입구(12)와 배출구(13)에 각각 개폐식 밸브(16)를 나사 결합한다.

또한, 상기 실린더 몸체(10)의 하부 외면에 나사산(14)이 형성된 배출통로(15)를 형성하고, 배출통로(15)의 내부 중앙에 원형판 밸브(20)를 체결한다.

상기 원형판 밸브(20)는 양측에 서로 대칭되도록 반원 형태로 체결된 원형판(21)을 갖는 회전축(22)을 형성하고, 회전축(22)의 한쪽 끝을 실린더 몸체(10)의 내측에 회전 가능하게 설치한다.

그리고 회전축(22)의 다른 쪽 끝에는 원형판(21)의 위치를 수동으로 조작하는 조작 핸들(23)을 실린더 몸체(10)의 외부로 노출되도록 설치한다.

상기 원형판 밸브(20)의 다른 형태는 첨부된 도면 도 2에서 보는 바와 같이

반원 형태이며 중앙에 체결 구멍(26a)을 갖는 체결 돌기(26)와 체결 돌기(26)가 삽입 설치되는 체결홈(27)이 연속 반복적으로 형성되면서 2개가 한 쌍으로 이루어진 밀폐판(25)을 형성한다.

상기 밀폐판(25)의 체결 돌기(26)를 체결홈(27)으로 삽입 설치하여 원형을 만든 후에 체결 돌기(26)의 체결 구멍(26a)으로 고정축(28)을 삽입 설치한다.

이때, 밀폐판(25)의 체결 돌기(26)와 체결홈(27)의 사이 공간으로 양측으로 벌어지는 탄성핀(29a)을 갖는 스프링(29)을 체결한다.

상기 스프링(29)의 탄성핀(29a)은 밀폐판(25)의 한쪽 면에 지지하고 있는 상태가 된다.

상기 밀폐판(25)은 실린더 몸체(10)의 내부로 압력이 가해져 유입되는 그라우트액에 의해 내측으로 벌어지면서 그라우트액을 천공홀로 공급하게 되고, 그라우트액의 유입이 종료되면, 스프링(29)의 탄성핀(29a)의 탄성에 의해 원위치로 복귀하여 실린더 몸체(10)의 내부를 밀폐하게 된다.

즉, 상기 밀폐판(25)은 그라우트액이 역류되는 것을 방지하는 역류방지밸브 역할을 하게 된다.

상기 밀폐판(25)으로 이루어진 원형판 밸브(20)는 개폐식 밸브(16)의 후방에 설치하여 사용할 수 있다.

상기 피스톤(30)은 외면에 고무링(31)과 패킹(32)이 체결하는 삽입홈(33)을 갖는 원기둥 모양이며 상면 중앙에 내면에 나사산(34)이 형성된 체결홈(35)을 형성한다.

아울러, 상기 피스톤(30)이 실린더 몸체(10)의 내부에서 왕복 이동될 때, 외면에 형성된 고무링(31)과 패킹(32)이 실린더 몸체(10)의 내면과 밀착되어 밀폐성이 뛰어나게 된다.

상기 피스톤 로드(40)는 양단 외면에 나사산(41)(42)이 형성된 환봉 형태이며 상부는 천공기계에 체결되고 하부는 피스톤(30)의 체결홈(35)에 나사 결합한다.

상기 피스톤 로드 가이드(50)는 중앙에 원형의 삽입공(51)이 관통되게 형성하고 외면에 나사산(52)을 형성한다.

상기 피스톤 로드 가이드(50)는 실린더 몸체(10)의 상단에 나사 체결되며 삽입공(51)으로 피스톤 로스(40)가 삽입 설치된다.

상기 피스톤 로드 가이드(50)는 피스톤 로드(40)를 지지하고 피스톤(30)의 위치를 제어하는 역할을 한다.

상기와 같은 본 발명의 작동 상태를 첨부된 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 첨부된 도면 도 3에서 보는 바와 같이 천공기계의 가이드(73) 측면에 축(74)에 의해 회전 가능한 실린더 로드(75)를 갖는 고정장치를 설치한다.

상기 실린더 로드(75)를 이용하여 가압펌프인 본체(100)의 외면을 지지하면서 가이드에 고정 설치하게 된다.

이때, 첨부된 도면 도 4 내지 도 6에서 보는 바와 같이 실린더 몸체(10)의 하부에 케이싱(60)을 나사 결합하고, 피스톤 로드(40)의 상단을 천공기계(70)의 익스텐션 로드(71)에 체결한다. 상기 익스텐션 로드(71)는 드리프터(72)와 연동되게 설치한다.

이와 같은 상태에서 피스톤 로드(40)를 상측으로 들어올려 피스톤(30)이 배출구(13)의 위치를 지나 피스톤 로드 가이드(50)의 하측 면에 위치하도록 한다.

그런 다음, 상기 실린더 몸체(10)의 외부로 노출된 수동식 조작 핸들(23)을 조작하여 원형판 밸브(20)의 원형판(21)이 실린더 몸체(10)의 내부를 밀폐하고 있는 상태가 되도록 한다.

이와 같은 상태에서 실린더 몸체(10)의 흡입구(12)를 막고 있는 개폐식 밸브(16)를 개방한 후에, 별도의 호스를 통해 실린더 몸체(10)의 내부 공간으로 그라우트 액을 채운다.

상기 그라우트 액을 가득 채운 후에, 천공기계(70)의 익스텐션 로드(71)와 드리프터(72)를 가동시켜 천공기계(70)의 동력으로 발생되는 50~100kg/의 펌프압을 실린더 몸체(10)에 연결된 케이싱(60)을 통하여 천공홀 내부지반에 일정량의 그라우트 액을 반복적으로 주입하는 방식으로 전달하게 된다.

이와 같은 고압 그라우팅은 한정된 공간에 순간적인 압력을 가하여 발생하는 팽창력으로 주변지반을 압밀시키고 단계적인 행위로 압밀된 주변지반과 확장된 정착장부를 유지시키고 상기의 행위를 반복하여 형성한 정착장에 지반정착 구조물을 적용하여 지반을 안정화시키게 된다.

상기와 같은 지반 안정용 가압펌프를 이용한 시공방법을 첨부된 도면 도 7을 통해 설명하면 다음과 같다.

상기 지반 안정용 가압펌프를 이용한 시공방법은 천공 심도 결정단계와 설치구조물 삽입단계와, 그라우트 주입단계와, 케이싱 삽입단계와, 펌프 가압단계와, 확인단계와, 재 펌프 가압단계와, 정착단계로 이루어진다.

상기 천공 심도 결정단계는,

지반의 안정을 위하여 그라운드 앵커, 쏘일레일링, 락볼트, 파일의 시공에서 지반의 마찰저항과 접착력, 지압력을 토대한 구조계산으로 설치구조물과 정착장과 자유장의 길이에 의한 천공 심도를 결정한다.

상기 설치구조물은 예시로 첨부된 도면 도 8에서 보는 바와 같이 앵커체(91) 및 내하체(92)로 이루어지며 앵커체(91)는 인장재(94)를 포함하고 있는 상태이다.

또한, 내하체(92)의 상면에는 보강 스프링(93)을 체결하여 사용한다.

상기 설치구조물 삽입단계는,

결정된 천공 심도로 천공하여 일정 길이의 천공홀을 형성하고 천공홀의 내부로 설치구조물에 폐쇄기구(80)를 부착하여 삽입 설치한다.

상기 폐쇄기구(80)는 첨부된 도면 도 9에서 보는 바와 같이 상부에 플라스틱 링(81)을 삽입 설치하고 하측으로 일정 길이를 가지면서 하부가 원형으로 개방된 방수 나일론(82)으로 구성한다.

이와 같은 폐쇄기구(80)는 설치구조물의 선단에 부착하여 설치구조물을 천공홀 내부에 삽입시 케이싱(60)의 하단에 체결되는 비트(95)의 내측에 스토퍼 볼트(96)에 의하여 설치구조물과 이탈되는 동시에 비트(95)와 고정 체결되도록 나일론(82)의 하단 부분은 밀봉 처리한다.

상기 그라우트 주입단계는,

상기 설치구조물을 천공홀 내부에 삽입한 후, 설치구조물에 부착된 주입호스를 통하여 천공홀 내부에 물을 외부로 배출시키고, 천공홀 내부를 그라우트 액으로 가득 채운다.

상기 케이싱 삽입단계는,

상기 천공홀 내부를 그라우트 액으로 채운 후에 가압하여 확장시킬 구간에 케이싱의 선단을 위치시킨다.

상기 펌프 가압단계는,

상기 케이싱(60) 선단에 부착된 폐쇄기구(80)로 케이싱(60) 선단과 천공홀 사이를 폐쇄시킨다.

이는 첨부된 도면 도 10에서 보는 바와 같이 앵커체(91)와 내하체(92)가 폐쇄기구(80)의 밀봉된 하단 나일론(82)을 개방하면서 외부로 배출되고, 지반안정용 가압펌프를 통해 실린더 몸체(10)에 있는 그라우트 액을 50~100kg/ 압력으로 가압 주입한다.

이때, 나일론(82)이 케이싱(60) 선단 부분을 감싸면서 케이싱(60)과 천공홀 사이를 밀폐되도록 한다.

상기 확인단계는,

상기 지반안정용 가압펌프를 이용하여 가압단계를 반복하여 가압 주입한 그라우트 액의 양이 소정의 목표에 도달되거나 압력게이지를 통하여 확인한 확장압력이 목표치에 도달함을 확인한다.

상기 재 펌프 가압단계는,

상기 가압주입을 완료한 후 케이싱(60)의 선단을 상측으로 이동시키고 가압주입 방식으로 인해 케이싱(60) 이동으로 늘어난 범위의 확장부를 다시 가압 주입하여 그라우트 액을 주입한다.

이와 같은 과정을 연속 반복하여 천공홀 내부를 그라우트 액으로 가압하여 주입을 완료한다.

상기 정착단계는.

상기 천공홀의 내부로 재 펌프 가압단계를 통해 가압주입을 완료한 후에는 케이싱(60)을 제거하고 그라우트가 소정의 압축강도를 갖게 되는 양생 기간 후에 설치구조물을 정착한다.

10: 실린더 몸체 12: 흡입구
13: 배출구 15: 배출통로
16: 개폐식 밸브 20: 원형판 밸브
30: 피스톤 31: 고무링
32:패킹 33: 삽입홈
40: 피스톤 로드 50: 피스톤 로드 가이드

Claims (8)

1. 상부 내면에 피스톤 로드 가이드가 체결되도록 나사산을 형성하고 내면 한쪽에 흡입구와 배출구를 형성하며, 하부 외면에 나사산이 형성된 배출통로와 배출통로의 내부 중앙에 원형판 밸브를 갖는 실린더 몸체와;
   상기 실린더 몸체의 내부에서 왕복 이동되며 외면에 고무링과 패킹이 체결하는 삽입홈을 갖는 원기둥 모양의 피스톤과;
   상기 피스톤의 상부와 천공기계에 연결되도록 양단 외면에 나사산이 형성된 환봉 형태의 피스톤 로드와;
   상기 실린더 몸체의 상단에 체결하여 피스톤 로드를 지지하고 피스톤의 위치를 제어하는 피스톤 로드 가이드로 구성함을 특징으로 하는 지반 안정용 가압펌프.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 원형판 밸브는 배기통로 중앙에 외부로부터 개폐 가능한 조작 핸들이 설치된 것을 특징으로 하는 지반안정용 가압펌프.
4. 제3항에 있어서,
   상기 원형판 밸브는 반원 형태이면서 체결 돌기와 체결홈을 갖는 밀폐판을 형성하고 이를 고정축으로 삽입 설치하고, 체결 돌기와 체결홈의 사이 공간에 스프링의 탄성핀이 밀폐판의 한쪽 면에 지지하도록 체결하여 압력에 의해 밀폐판이 개폐되도록 하는 것을 특징으로 하는 지반안정용 가압펌프.
5. 제1항에 있어서,
   상기 실린더 몸체는 내부 공기를 배출하고 그라우트액의 충만을 확인하는 배출구를 피스톤의 상측 부분에 형성한 것을 특징으로 하는 지반안정용 가압펌프.
6. 제1항에 있어서,
   상기 가압펌프를 천공기계의 가이드에 탈부착 가능하도록 실린더 로드를 갖는 고정장치가 체결된 것을 특징으로 하는 지반안정용 가압펌프.
7. 제1항, 제3항, 제4항, 제5항, 제6항 중 어느 한 항의 지반 안정용 가압펌프를 이용한 시공방법에 있어서,
   지반의 안정을 위한 그라운드앵커, 소일레일링, 락볼트, 파일의 시공에서 지반의 마찰저항과 접착력, 지압력을 토대로한 구조계산으로 설치구조물과 정착장과 자유장의 길이에 의한 천공 심도를 결정하는 천공 심도결정 단계와;
   결정된 천공 심도로 천공하고 설치 구조물에 폐쇄기구를 부착하여 천공홀 내부에 삽입하는 설치구조물 삽입 단계와;
   상기 설치구조물을 천공홀 내부에 삽입한 후 설치구조물에 부착한 주입호스를 통하여 천공홀 내부에 물을 외부로 배출시키고 천공홀 내부를 그라우트 액으로 가득 채우는 그라우트 주입 단계와,
   상기 천공홀 내부를 그라우트 액으로 채운 후에 가압하여 확장시킬 구간에 케이싱의 선단을 위치시키는 케이싱 삽입단계와;
   상기 케이싱 선단에 부착된 폐쇄기구로 케이싱 선단과 천공홀 사이를 폐쇄시키고 지반안정용 가압펌프를 사용하여 반복하여 가압주입하는 펌프 가압단계와;
   상기 펌프 가압단계를 반복하여 가압주입한 그라우트 액의 량이 소정의 목표에 도달되거나 압력게이지를 통하여 확인한 확장압력이 목표치에 도달함을 확인하는 확인단계와;
   상기 가압주입을 완료한 후 케이싱의 선단을 이동시키고 가압주입 방식으로 인해 케이싱 이동으로 늘어난 범위의 확장부를 다시 가압주입하는 재 펌프 가압단계와;
   상기 재 펌프 가압단계를 통해 가압주입 완료 후 케이싱을 제거하고 그라우트가 소정의 압축강도를 갖게 되는 양생 기간 후에 설치구조물을 정착시키는 정착단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지반 안정용 가압펌프를 이용한 시공방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 폐쇄기구는 상부에 플라스틱 링을 삽입 설치하고 하측으로 일정 길이를 가지면서 하부가 원형으로 개방된 방수 나일론으로 구성함을 특징으로 하는 지반 안정용 가압펌프를 이용한 시공방법.

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