KR101240007B1 - 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치 및 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강관에 열교환파이프가 설치되어 강관과 그라우트에 의해 지반보강이 되면서 동시에 열교환파이프에 의해 지열에너지를 얻을 수 있어 그 시공이 용이하고, 경제적인 지열에너지를 이용할 수 있는 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관장치 및 공법에 관한 것이다.

Description

지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치 및 공법{A Pipe For Intergrating Geothermal And Ground Reinforcement And Method Using It}

본 발명은 강관에 열교환파이프가 설치되어 강관과 그라우트에 의해 지반보강이 되면서 동시에 열교환파이프에 의해 지열에너지를 얻을 수 있어 그 시공이 용이하고, 경제적인 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치 및 공법에 관한 것이다.

일반적으로 갱구부와 같은 저토피고 지반조건, 파쇄대와 같은 연약 지반 조건, 교각 기초 하부와 같이 큰 상재하중이 직접적으로 작용하는 조건, 그리고 지하공간 주변에 지중시설물 혹은 기존 지하공간이 인접하여 위치하는 경우 지하공간 굴착 시 붕락 혹은 과도한 지하공간 내공변위가 발생된다. 사전 지반조사를 통해 이와 같은 불리한 지반 조건을 최대한 벗어나 지하공간의 위치 및 선형을 결정하지만 불가피하게 불리한 지반에서 지하공간 굴착을 시공해야하는 경우가 발생되며, 대부분 이러한 구간에서 시공 시 문제가 발생된다. 따라서 이러한 문제점을 극복하고자 지하공간을 계획함에 있어 지하공간 지반보강 공법이 반드시 병행된다.

지하공간 지반보강 계획을 수립할 때에는 보강 목적, 해당 지점의 지반조건, 시공환경 등을 감안하여 종합적으로 분석하고 공법을 선정하여야 한다. 또한 지하공간 굴착 시 적용되는 지반보강공법은 시공을 위한 일시적인 안정 공법인지, 아니면 지하공간 구조물 수명기간 동안 안정을 도모하여야 하는 보강공법인지를 결정하여야 하며, 지반의 강도를 최대로 활용하고자 하는 NATM 공법과 같은 경우에는 후자에 대하여 신중하게 고려하여야 한다.

지하공간 개발의 대표적 구조물인 터널의 형성을 위해 현재 시공되고 있는 지반보강 공법은 대부분 그라우트 기술을 이용하여 지반의 물성치를 개선하는 개념으로 시행되고 있으며, 그라우트 기술 중에도 지반으로 그라우트재의 주입을 통해 지반을 보강하는 기술이 주를 이루고 있다. 대표적인 지반보강 공법으로는 강관다단 그라우트 공법이 있으며, 이와 유사한 공법들은 그라우트재의 주입에 의한 지반의 점착력 증가와 강관에 의한 지반의 일체화를 통해 지하공간의 안정성을 높이고자 시행된다.

한편 종래의 지열 냉난방시스템은 지중에 열교환파이프를 매설하고, 이와 연결된 히트펌프, 공조설비 등으로 이루어지는 바, 열교환매체가 지중에 매설된 열교환파이프를 순환함으로서 열교환매체가 지중의 에너지를 축적하여 이러한 에너지를 이용하는 것으로 친환경적이며 열효율이 높은 장점이 있다.

그런데 터널은 지열에너지 자원으로 활용하기 좋음에도 불구하고 종래의 지열 냉난방시스템을 이용하기 위해서는 터널의 내벽에 천공홀을 타공하고 열교환파이프를 매설하여야 하므로 터널의 구조적 안정성을 해할 수 있는 문제가 있으며, 이러한 구조적 문제점을 해결하기 위해 상기에서 언급한 종래의 지반 보강공법을 시공하고자 한다면 이를 위해 또 다른 천공홀을 타공하여야 하므로 시공이 번잡하고 비경제적인 문제가 있다.

이에 본 발명은 상기 종래 기술에 의한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 터널의 지열에너지를 이용할 수 있으면서도 동시에 터널의 지반을 보강할 수 있는 복합공법(장치, 시스템)을 제공하고자 함이다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치는 복수의 주입공이 형성되며 천공홀에서 터널에 작용하는 하중을 완화시켜주는 강관과, 상기 강관의 외부에 위치하며 스파이럴 형상의 외측관, 상기 외측관과 연결되며 상기 강관의 내부에 위치하는 내측관으로 구성된 열교환파이프와, 상기 강관의 내부에 위치하는 그라우트주입관과, 상기 강관의 내부에서 상기 내측관과 상기 그라우트주입관이 관통하면서 팽창에 의해 상기 강관을 가압하며 상기 내측관을 지지하는 패커로 구성되는 에너지강관;을 포함하며,
터널의 둘레로 각각의 천공홀에 상기 에너지강관이 삽입되어 터널의 길이방향으로 복수의 세트를 구성하고, 각각의 세트에서 일 에너지강관의 내측관이 타 에너지강관의 외측관과 연결되며, 양측의 에너지 강관에 있어 각각의 내측관 및 외측관은 터널 저부에서 히트펌프에 연결된 연결관에 각각 연결되도록 구성되고,
상기 연결관에 연결되는 각각의 세트에 있어 상기 내측관 및 상기 외측관에는 각각 개폐밸브가 구성되어 상기 개폐밸브 및 상기 히트펌프는 제어부에 의해 제어됨을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 공법은 천공홀을 타공하는 단계와; 천공홀에 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치를 설치(삽입)하는 단계와; 그라우트를 하는 단계와; 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치에 있어 외측관으로 열교환매체를 주입하고 내측관으로 열교환매체가 배출되도록 히트펌프를 가동시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

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상기와 같은 구성에 의하여 본 발명인 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치 및 공법은 강관에 의한 지반보강과 함께 지열을 이용한 에너지를 이용할 수 있어 시공이 용이하고 경제적이며 이렇게 얻어진 에너지를 이용하여 터널입구 결빙방지, 터널의 부대시설 등에 에너지원으로서 사용할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관장치가 천공홀에 삽입된 상태를 나타내는 측단면도이고,
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관장치의 실시 예를 나타내는 사시도이고,
도 3a및 도 3b는 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관장치가 터널에 설치된 상태를 나타내는 정면도 및 측단면도이고,
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관장치에 있어 일 구성인 패커의 작동상태를 나타내는 평면도이고,
도 5는 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치가 터널에 설치된 상태를 나타내는 개략도이고,
도 6은 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 공법을 나타내는 블럭도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명한다.

도 1은 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치가 천공홀에 삽입된 상태를 나타내는 측단면도이고, 도 2a 및 도 2b는 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치의 실시 예를 나타내는 사시도이고, 도 3a및 도 3b는 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치가 터널에 설치된 상태를 나타내는 정면도 및 측단면도이고, 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치에 있어 일 구성인 패커의 작동상태를 나타내는 평면도이고, 도 5는 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치가 터널에 설치된 상태를 나타내는 개략도이고, 도 6은 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 공법을 나타내는 블럭도이다.

우선 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치는 도 1에서 보는 바와 같이 에너지강관(100)을 포함하는 바, 상기 에너지강관(100)은 복수의 주입공(111)이 형성된 강관(110)과, 상기 강관(110)의 외부에 위치하는 외측관(121)과 상기 외측관(121)과 연결되며 상기 강관(110)의 내부에 위치하는 내측관(122)으로 구성된 열교환파이프(120)와, 상기 강관(110)의 내부에 위치하는 그라우트주입관(130)으로 구성되어 열교환파이프(120)에 기해 지열 에너지를 이용하고, 강관(110) 및 그라우트주입관(130)에 기해 지반이 보강되도록 하는 것으로 이러한 하이브리드 기능을 갖고 있음을 그 특징으로 한다.

상기 강관(110)은 복수의 주입공(111)이 형성되어 이하에서 설명할 그라우트주입관(130)을 통해 상기 강관(110)의 내주연으로 주입되는 그라우트(131)가 상기 주입공(111)을 통해 외부로 유출이 되도록 하는 것이며, 이렇게 유출된 그라우트(131)가 천공(200)의 외주연에 침투, 가압하여 지반의 전단강도를 높이고, 그라우트(131)가 경화됨에 따라 상기 강관(110)이 빔의 기능을 하여 터널에 작용하는 상재하중, 토압 등을 완화시켜 구조적 안정성을 향상시키는 것이다.

상기 열교환파이프(120)는 도 1에서 보는 바와 같이 상기 강관(110)의 외부에 위치하는 외측관(121)과 상기 외측관(121)과 연결되며 상기 강관(110)의 내부에 위치하는 내측관(122)으로 구성된다. 상기 열교환파이프(120)를 통해 열교환매체가 상기 외측관(121)으로부터 상기 내측관(122)으로 유동을 하게 되는 것이다. 상기 강관(110)의 외부에 위치하는 외측관(121)을 통해 열교환매체가 유동하면서 지반으로부터 열을 흡수하거나 지반으로 열을 방출하게 되는 것이며, 이렇게 열을 흡수하거나 방출된 열교환매체는 상기 강관(110)의 내부에 위치하는 내측관(122)을 통해 타 지열에너지를 이용할 수 있는 지반보강 장치(100)의 외측관(121)으로 유동하거나 히트펌프(400)로 유동하게 되는 것이다. 이렇게 외측관(121)을 상기 강관(110)의 외부에 위치하도록 하는 것은 지반과의 열교환을 충분히 하도록 하기 위한 것이고, 내측관(122)을 강관(110)의 내부에 위치시키는 것은 열교환이 이루어진 열교환매체가 강관(110)에 의해 지반과 차단이 됨으로서 축적된 에너지가 방출되지 않도록 하기 위함이다.

한편 도 2a에서는 직관형상으로 구성되는 외측관(121)을 도시하고 있으나, 지반과의 충분한 열교환이 이루어지도록 도 2b에서는 스파이럴 형상의 외측관(121a)이 도시되고 있다. 이렇게 외측관(121a)을 스파이럴 형상으로 구성하면 충분한 열교환 이외에도 그라우트(131)와의 부착력이 증가되어 그만큼 지반과의 일체거동이 가능하게 되므로 앞서 설명한 강관(110)의 보강기능을 더욱 증대시킬 수 있는 것이다.

상기 열교환파이프(120)는 다양한 재질로 구성될 수 있으나, 더욱 바람직하게는 내구성과 내부식성이 우수한 폴리에틸렌(HDPE)재질로 구성함이 타당하다.

상기 그라우트주입관(130)은 상기 강관(110)의 내부에 위치하도록 구성되는 것으로 천공홀(200)에 그라우트(131)를 주입하기 위한 구성이다. 상기 그라우트주입관(130)으로 주입되는 그라우트(131)는 다양한 재질이 사용될 수 있으며, 특히 열전달효율이 우수하면서도 경화 시 강도가 우수하여 열교환효율 및 터널의 안정성을 확보할 수 있도록 하는 것이 타당하다.

상기 그라우트주입관(130)에는 도 1, 도 3a 및 도 3b에서 보는 바와 같이 다단으로 그라우트(131)를 천공홀(200)에 주입하기 위한 구성으로 패커(140)가 더 장착될 수 있다. 상기 패커(140)는 도 3a 및 도 3b에서 보는 바와 같이 상기 그라우트주입관(130) 및 상기 내측관(122)이 관통한 상태로 상기 강관(110)의 내부에 설치되는 구성으로 도면에 도시된 바는 없으나 상기 패커(140)는 복수로 일정유격을 형성하며 각각의 그라우트주입관(130)과 상기 내측관(122)이 관통하도록 구성될 수 있다. 또한, 상기 패커(140)는 도 3a 및 도 3b에서 보는 바와 같이 팽창, 수축이 가능하도록 구성되어 강관(110) 및 열교환파이프(120)가 설치된 상태에서 유압 또는 공기압에 의해 상기 패커(140)를 팽창시킴으로서 강관(110) 및 열교환파이프(120)가 견고하게 고정이 되고 이렇게 고정이 된 상태에서 그라우트주입관(130)을 이용하여 다단으로 그라우트(131)를 주입할 수 있도록 하는 것이다. 즉 본 발명에 있어 상기 패커(140)는 그라우트(131)를 다단으로 주입할 수 있도록 하여 밀실한 충진이 가능하도록 하는 기능을 하는 외에 본 발명의 특징인 강관(110)내에 열교환파이프(120)의 내측관(122)이 내재되는 구조에서 그라우트(131) 주입 시 강관(110)내에서 내측관(122)을 견고하게 잡아주어 그라우트(131) 주입압에 의해 내측관(122)의 변형 등을 방지하는 것이다.

한편 본 발명의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치는 도 4a, 도 4b 및 도 5에서 보는 바와 같이 터널(10)의 굴착면에 방사형으로 천공되는 복수의 천공홀(200)과, 각각의 천공홀(200)에 상기 에너지강관(100)를 삽입하되, 각각의 에너지강관(100) 간에는 상호 연결이 되어 열교환매체가 에너지강관(100) 간을 유동하도록 구성되는 것이다.

즉 각각의 에너지강관(100) 간에는 상호 연결이 되어 열교환매체가 에너지 강관(100) 간을 유동하도록 구성된다 함은 도 4a에서 보는 바와 같이 인접하는 천공홀(200)에 삽입된 각각의 에너지강관(100)에서 일 에너지강관(100)의 내측관(122)이 타 에너지강관(100)의 외측관(121)과 연결되어 열교환매체가 천공홀(200)마다 구성되는 각각의 에너지강관(100)간을 유동하도록 하는 것이다.

또한, 도 5에서 보는 바와 같이 양측의 천공홀(200)에 설치되는 에너지강관 (100)에 있어 각각의 내측관(121) 및 외측관(122)은 터널(10)의 측면을 타고(지반(20)에 매입된 상태) 연장되어 터널(10) 저부에 연결관(300)에 각각 연결되며 상기 연결관(300)은 히트펌프(400)에 연결되도록 구성된다. 즉 히트펌프(400)에서 열교환매체가 일측의 연결관(300)을 타고 유동하여 일측의 천공홀(200)에 설치된 에너지강관(100)에 있어 열교환파이프(120)의 외측관(121)으로 유입되어 각각의 에너지강관(100)을 거치면서 열교환이 이루어지고, 이렇게 열교환이 이루어진 열교환매체는 타측의 천공홀(200)에 설치된 에너지강관(100)에 있어 열교환파이프(120)의 내측관(122)을 통해 타측의 연결관(300)으로 유동하여 히트펌프(400)로 회귀하도록 하는 것이다. 이렇게 복수의 방사형으로 구성된 천공홀(200) 및 이에 설치되는 에너지강관(100)은 터널(10)의 길이방향을 따라 도 5에서 보는 바와 같이 복수의 세트(A, B, C)로 구성될 수 있는 바, 열교환매체는 이러한 구조에 기해 터널(10) 전체에 걸쳐 열교환이 이루어지도록 구성될 수 있는 것이다.

이에 더하여 상기 연결관(300)과 연결되는 내측관(122) 및 외측관(121)에는 각각 개폐밸브(500)가 구성됨이 타당하며, 이러한 개폐밸브(500) 및 히트펌프(400)는 제어부(600)에 의해 제어되도록 함이 바람직하다. 이렇게 개폐밸브(500)를 구성함에 의해 도 5에서 보는 바와 같이 B세트에서 에러가 발생하는 경우 B세트의 개폐밸브(500)를 off시키고 나머지 A세트, C세트의 개폐밸브(500)를 on시켜 에러가 생긴 B세트로는 열교환매체가 유동하지 않도록 하여 열교환매체의 열교환효율의 저하를 방지할 수 있으며, 에러가 발생한 B세트는 나머지 A세트, C세트의 열교환을 중지하지 않은 상태에서 교체, 수리가 가능하도록 하여 전체 시스템이 중지 없이 계속적인 운전이 가능한 것이다. 이렇게 선택적인 개폐밸브(500)의 on, off 작동과 히트펌프(400)의 작동은 상기 제어부(600)에 의해 자동 또는 수동에 의해 제어가 되는 것이다.

한편 본 발명에서는 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 공법이 제시되고 있다.

지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 공법은 도 6에서 보는 바와 같이 우선 천공홀을 타공하는 단계(S10)를 갖는다. 즉 터널(10)의 굴착면의 주변부로서 상방향으로 경사구배를 형성하도록 방사형으로 복수의 천공홀(200)을 타공하는 것이다.

그 다음으로 각각의 천공홀(200)에 상기에서 언급한 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치를 설치하는 단계(S20)를 갖는다. 상기에서 언급한 바와 같이 각각의 에너지강관(100)은 상호간에 연결이 되며 또한 터널 저부의 연결관(300) 및 히트펌프(400)에 연결이 되도록 배관을 한다.

그 다음으로 그라우트를 주입하는 단계(S30)를 갖는다. 본 단계에서 그라우트를 주입하기 전에는 천공홀(200)의 개구부에 코킹하는 단계를 갖는다. 즉 천공홀(200)의 초입부에 코킹재를 이용하여 봉합하는 단계를 갖는 것이다. 이러한 코킹재에 의해 그라우트가 외부로 유출되는 것을 방지할 수 있게 되는 것이며, 또한, 그라우트에 의해 천공홀(200)의 내주연 및 지반을 가압하는 경우 압력의 외부유출에 의한 가압효과 저하를 방지할 수 있게 되는 것이다. 본 단계에서는 상기에서 언급한 패커(140)를 사용하여 천공홀(200)에 다단으로 그라우트주입관(130)을 이용하여 그라우트(131)를 주입하는 것이 타당하다. 이렇게 천공홀(200)에 그라우트(131)가 주입되어 경화되면서 그라우트(131)가 지반에 침입을 하여 지반의 전단강도를 강화시키고 강관(110)이 천공홀(200)에서 지지보의 기능을 하여 굴착면 주변부의 지반이 보강이 되는 것이다.

마지막으로 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치에 있어 외측관으로 열교환물질을 주입하고 내측관으로 열교환매체가 배출되도록 히트펌프를 가동시키는 단계(S40)를 갖는다. 즉 히트펌프(400)를 제어부(600)의 제어에 의해 가동하되 일측의 연결관(300)으로 열교환매체를 유동시킴에 의해 이와 연결된 최외측의 에너지강관(100)에 있어 외측관(121)으로 열교환매체가 유입되어 유동하면서 열교환이 이루어지고 이렇게 에너지가 축적된 열교환매체는 강관(110) 내부에 위치한 내측관(122)으로 유출이 됨으로써 외측관(121)에서의 유동으로 이미 열교환이 이루어진 매체가 강관(110)에 의해 지반과 차단된 상태에서 내측관(122)으로 유동하도록 함으로서 에너지 손실을 방지할 수 있도록 하는 것이다.

이상 설명된 내용은 본 발명의 실시 예에 의하여 일례로 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 당업자라면 본 발명의 기술사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 기술적 범위는 명세서에 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

100 : 에너지강관
110 : 강관
120 : 열교환파이프 140 : 패커
200 : 천공홀 300 : 연결관
400 : 히트펌프 500 : 개폐밸브
600 : 제어부

Claims (9)

1. 복수의 주입공이 형성되며 천공홀에서 터널에 작용하는 하중을 완화시켜주는 강관과, 상기 강관의 외부에 위치하며 스파이럴 형상의 외측관, 상기 외측관과 연결되며 상기 강관의 내부에 위치하는 내측관으로 구성된 열교환파이프와, 상기 강관의 내부에 위치하는 그라우트주입관과, 상기 강관의 내부에서 상기 내측관과 상기 그라우트주입관이 관통하면서 팽창에 의해 상기 강관을 가압하며 상기 내측관을 지지하는 패커로 구성되는 에너지강관;을 포함하며,
   터널의 둘레로 각각의 천공홀에 상기 에너지강관이 삽입되어 터널의 길이방향으로 복수의 세트를 구성하고, 각각의 세트에서 일 에너지강관의 내측관이 타 에너지강관의 외측관과 연결되며, 양측의 에너지 강관에 있어 각각의 내측관 및 외측관은 터널 저부에서 히트펌프에 연결된 연결관에 각각 연결되도록 구성되고,
   상기 연결관에 연결되는 각각의 세트에 있어 상기 내측관 및 상기 외측관에는 각각 개폐밸브가 구성되어 상기 개폐밸브 및 상기 히트펌프는 제어부에 의해 제어됨을 특징으로 하는 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 천공홀을 타공하는 단계와; 천공홀에 제 1항의 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 장치를 설치하는 단계와; 그라우트를 하는 단계와; 에너지 강관에 있어 외측관으로 열교환매체를 주입하고 내측관으로 열교환매체가 배출되도록 히트펌프를 가동시키는 단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 공법.
   
9. 제 8항에 있어서,
   그라우트를 하는 단계에는 강관의 내부에 설치된 패커를 확장시켜 그라우트를 하는 것을 특징으로 하는 지열에너지 및 지반보강 일체형의 에너지 강관 공법.

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