KR101251240B1 - 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 해저 터널과 같은 피압 용출수가 있거나 원지반의 물성을 개선해야 하는 지반 조건에서 천공홀에 선지보재를 설치하기 위한 과정에서 효율적으로 그라우팅을 하기 위하여 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법에 관한 것이다.
본 발명은 선지보재에 임시 팩커를 장착하여 홀입구까지 삽입하고 선지보재를 본 팩커가 구성된 파이프 선단에 연결하여 본 터널 굴착선까지 천공홀에 밀어넣는 단계와, 임시 팩커에 주입액을 충진 주입하는 단계와, 본 팩커를 작동하여 주주입재를 주입하는 단계와, 주입 완료 후, 본 팩커가 구성된 파이프를 회수하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

Description

선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법{Method of grouting by double packer in pre-stressed tunnel}

본 발명은 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 해저 터널과 같은 피압 용출수가 있거나 원지반의 물성을 개선해야 하는 지반 조건에서 천공홀에 선지보재를 설치하기 위한 과정에서 효율적으로 그라우팅을 하기 위하여 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법에 관한 것이다.

본 발명은 터널의 지표면에서 본 터널 굴착 전에 선지보재를 설치하거나 대단면 터널의 중심에 파일럿 터널을 선굴착하여 본선 터널 굴착면에 선지보재를 먼저 설치한 후, 대단면 터널의 본선 굴착면까지 확공하는 시공 방법에 있어서, 구조적 안정을 위해 선지보재를 효과적으로 설치하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 경화 시간이 긴 시멘트와 같은 주입 재료도 용출수가 있는 지반에서 안정적으로 사용이 가능하게 하기 위한 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법에 관한 것이다.

본 발명은 선지보 터널에서 철근과 같은 선지보재나 파이프형 팩커와 같은 선재를 유압식으로 자동으로 삽입하기 위한 장치에 관한 것이다.

종래의 NATM 터널 공법은 굴착하는 터널 내에서 굴착면에 직접 숏크리트와 락볼트를 시공하므로 원지반의 아칭을 유도하여 원지반이 자립하도록 하는 시공 방법이다.

선지보 터널 공법은 본 발명의 출원자가 선출원한 대한민국 특허출원 제10-2005-0114621호에 개시되어 있으며, 지표면에서 굴착 전에 선지보재를 설치하거나 대단면 터널의 중심에 파일럿 터널을 선굴착하여 파일럿 터널에서 본 터널 굴착면에 선지보재를 먼저 설치한 후, 대단면 터널의 본선 굴착면까지 확공하는 시공 방법이 개시되어 있다.

종래의 NATM 공법에 의한 터널에서는 터널 굴착 후, 숏크리트를 타설하고 전면 부착식 락볼트를 설치한다. 그러나, 이때에 이미 원지반이 총 변형량의 60~80%정도까지 변형을 받은 상태이며, 결과적으로는, 추가적인 변형량이 20~40% 정도만이 남아 있는 상태가 된다. 따라서, 락볼트 지보재에 발생하는 응력은 원지반의 변형량에 따라 생기므로 매우 적은 응력만이 발생하게 되는 것이다. 결국 락볼트 지보재의 실제 능력에 비해 지보 효과가 매우 미미하게 되는 문제점이 있었다.

반면에 선지보재는 선 설치 후, 굴착하므로써 원지반의 굴착 변형량을 초기부터 전량 부담하므로써 지보 역할이 NATM공법의 락볼트보다 더 크게 된다. 이와 같은 선지보재는 터널의 지표면에서 또는 갱내에서 수직으로 설치되거나 방사상으로 설치되었다. 그리고 보통 선지보재는 강봉, 강연선, 고강도 탄소 섬유, FRP와 같은 선재를 사용한다.

해저 터널과 같은 피압 용출수가 있거나 원지반의 물성을 개선해야 하는 지반 조건에서 천공홀에 선지보재를 설치하기 위한 과정에서 종래 기술에 따른 팩커에 의한 그라우팅 공법은 피압 용출수가 계속 흘러나오기 때문에 그라우팅을 할 수 없다는 문제점이 발생한다.

갱내에서 천단 쪽 상향으로 수 미터 내지 수십 미터가 되는 천공홀을 그라우팅을 위한 선지보재와 파이프형 팩커를 삽입하는 것은 인력으로는 비능률적이며 근골격계 질환을 야기하는 등의 문제점이 있어 선지보재나 파이프형 팩커를 삽입하는 작업을 회피하는 폐단이 있어 왔다.

이러한 점을 개선하기 위하여, 본 발명은 선지보재와 파이프형 팩커를 상향으로 삽입하기 위한 기계 장치를 작업대에 장착하여 쉽게 시공하고 본 발명은 터널의 중심에 파일럿 터널을 선굴착하여 파일럿 터널에서 본 터널 굴착면에 선지보재를 먼저 설치한 후, 본 터널의 굴착면까지 확공하는 시공 방법에서 선지보재를 설치하는 과정에서 그라우팅을 효율적으로 하기 위한 것이다.

본 발명의 목적은 종래 선지보 터널 공법에 있어서, 해저 터널과 같은 피압 용출수가 있거나 원지반의 물성을 개선해야 하는 지반 조건에서 천공홀에 선지보재를 설치하기 위한 과정에서 그라우팅을 효율적으로 하기 위한 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법을 제공하는 데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 경화 시간이 긴 시멘트와 같은 주입 재료도 용출수가 있는 지반에서 안정적으로 사용이 가능하게 하기 위한 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법을 제공하는 데 있다.

발명의 상기 목적은 하기 특징들에 의해 달성된다.

본 발명의 제 1 형태는 선지보 터널 공법에서 선지보재 천공홀에 임시 팩커와 본 팩커를 이중으로 설치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 2 형태는 시공 순서에 있어서 선지보재에 임시 팩커를 장착하여 홀입구까지 삽입하고 선지보재를 본 팩커가 구성된 파이프 선단에 연결하여 본 터널 굴착선까지 천공홀에 밀어넣는 단계와, 임시 팩커에 주입액을 충진 주입하는 단계와, 본 팩커를 작동하여 주주입재를 주입하는 단계와, 주입 완료 후, 본 팩커가 구성된 파이프를 회수하는 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제 3 형태는 상기 시공 순서에서 선지보재를 본 팩커가 구성된 파이프 선단에 연결하기 전에 단순 삽입용 파이프로 선지보재와 임시 팩커를 삽입하고 임시 팩커용 주입재를 먼저 주입하고 주입 호스(hose)를 제거한 후, 양생이 완료된 후, 본 팩커를 삽입하여 본 주입을 완료하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 선지보재를 설치할 때, 임시 팩커를 장착하여 그라우팅하게 되므로 본 터널 굴착시 추가 프리 그라우팅이 필요하지 않게 되는 효과가 있다.

본 발명은 선지보 터널에서 이중 팩커를 사용하므로 수압을 받는 용출수가 있는 지반에서도 주입액을 주입하고 즉시 본 팩커를 제거할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 겔타임이 짧은 주입재는 급격한 반응으로 맥상 주입을 긴시간 동안 할 수 없으나 겔타임이 긴 마이크로 시멘트와 같은 주입재를 서서히 긴시간 동안 주입하여 주입 확산 거리를 길게 할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 상향으로 주입시 겔타임이 긴 주입재는 경화 전에 팩커를 즉시 제거하면 주입재가 역류하나 본 공법은 임시 팩커가 역류를 방지하고 토출 호스가 임시 팩커에 구성되므로 홀 내에 용출수가 많아도 토출 호스로 물이 배출되면서 수압을 받지 않는 상태에서 팩커를 부풀릴 수 있어 용출수가 있는 곳에서도 용이하게 시공할 수 있는 효과가 있다.

본 발명은 임시 팩커는 급결 시멘트 또는 우레탄 등을 주입재로 사용할 수 있고 겔타임이 짧은 우레탄은 즉시 발포되므로 시공을 신속하게 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 파일럿 터널에서 본 터널의 상향으로 주입시 선지보재 삽입과 본 팩커가 구성된 파이프를 용이하게 밀어 넣을 수 있는 유압식 선재 삽입 장치를 작업대에 정착하여 사용함으로써 시공 효율을 높게 하는 효과가 있다.

도 1은 선지보 터널의 개념을 도시한 도면이다.
도 2는 이중 팩커가 설치된 상태를 도시한 도면이다.
도 3은 포대형 임시 팩커와 파이프형 본 팩커를 도시한 상세도이다.
도 4는 파이프형 본 팩커의 상세도로서 파이프 내부에 주입 호스와 토출 호스, 임시 팩커 내부 주입 호스가 장착된 상태를 도시한 도면이다.
도 5는 파이프형 본 팩커 선단 단면의 상세도이다.
도 6은 임시 팩커와 파이프형 본 팩커로서 토출 호스와 주입 호스가 파이프에 장착된 상태를 도시한 도면이다.
도 7은 선지보재 삽입을 위한 삽입 파이프를 도시한 도면이다.
도 8은 선지보재를 삽입하기 위한 작업 대차 사진이다.
도 9는 그라우팅 파이프 삽입 장치의 평면도와 측면도이다.
도 10은 양축에 파이프가 삽입된 상태를 도시한 도면이다.
도 11은 파이프가 양축의 회전에 의해 인양된 상태를 도시한 도면이다.
도 12 내지 도 17은 시공 순서를 보여주는 사진이다.

본 발명의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 이하에서 상세하게 설명한다.

도 1을 참조하면, 종래의 선지보 터널은 파일럿 터널선(2)까지 선 굴착하고 이 과정에서 지반을 확인하여 선지보재의 간격을 좁히거나 넓혀서 시공을 하게 된다. 이러한 선지보재는 본 터널 굴착선(1)을 지나 원 지반에 설치되어야 하며 선지보재(3) 시공을 위한 천공홀은 파일럿 터널과 본 터널의 굴착면 사이에는 빈공이 되고 그 나머지 부분인 원지반은 완벽히 그라우팅이 되어 지반과 일체화가 되어야 한다.

만약에 지반이 연약하거나 용출수로 인하여 터널 시공에 부적합한 경우, 선지보재(3)를 시공하는 과정에서 그라우팅시 압력 그라우팅을 할 수 있다면 터널 원지반의 물성을 개선하고 차수를 할 수 있게 된다.

그러나, 종래에는 압력 그라우팅을 터널 굴착면에서 할 경우, 지반이 연약할 경우, 그라우팅 압력을 굴착면의 구속압으로 유지하기에는 부족하였다. 반면, 선지보 터널 공법은 파일럿 터널에서 본 터널 굴착선에 팩커를 설치하고 가압하면 터널 굴착면에서 팩커까지의 깊이만큼 원지반이 버티는 구속압이 커지게 되므로 더 안전하게 압력 그라우팅을 할 수 있게 된다.

도 2 내지 도 17을 보면, 또한, 압력 그라우팅 방향이 파일럿 터널에서 터널 천단부에 그라우팅시는 그라우팅 완료 후, 팩커를 제거하면 주입홀에 받고 있는 수압과 중력에 의해 응결시간이 긴 주입액은 역으로 토출되게 된다. 이것을 해결하기 위하여, 홀 내에 매몰시키는 임시 팩커(4)를 선지보재에 설치하고 보다 더 큰 압력(15~30kg/cm2)으로 가압이 가능한 본 팩커(5)를 천공홀에 이중으로 사용하고 작업 완료 후에는 본 팩커(5)는 회수하고 임시 팩커(4)는 주입된 주입액이 경화될 때까지 토출되지 않도록 하는 역할을 한다.

상세히 작업 방법을 기술하면, 갱내 선지보 터널에서 파일럿 터널을 굴착 후, 본 터널을 향해 선지보재(3)를 삽입하기 위한 천공홀을 시공 후, 선지보재를 삽입 후, 그라우팅을 하는 데 있어서,

주입재의 흐름은 주입펌프에서 본 팩커(5)가 구성된 파이프와 임시팩커를 관통한 선단에 체크벨브(6)가 달린 주입 호스(9)를 통해 주입되며 천공홀에 충진이 완료되면 토출호스(8)를 통해 공기와 물이 배출되다가 주입액이 배출된다. 이때 토출 밸브를 닫아서 가압 그라우팅을 하게되는 것이다. 이 시공방법을 설명하면

압력 그라우팅 후, 팩커 제거시 그라우팅이 토출되는 것을 방지하기 위한 임시 팩커(4)를 선지보재에 설치하고 천공홀(21) 입구까지 삽입하는 단계,

임시 팩커(4) 내의 주입 호스(7), 선지보재 주입 호스(9), 천공홀내 토출 호스(8)를 본 팩커가 구성된 파이프 선단에 각각 연결하는 단계,

선지보재(3)를 본 팩커(5)가 구성된 파이프 선단에 연결하여 천공홀(21)에 밀어 넣는 단계,

임시 팩커(4)에 주입액을 충진 주입 양생하는 것과 본 팩커(5)를 작동하여 주주입재를 주입하는 단계,

주입 완료 후, 본 팩커(5)가 구성된 파이프(22)를 회수하는 단계로 이루어진다.

상기 방법에서 본 팩커(5)를 연결할 때, 작업대차(24)를 사용하여 상향으로 선지보재(3)와 본 팩커(5)가 구성된 파이프를 밀어넣는 그라우팅 파이프와 같은 선재 삽입 장치(25)를 사용하게 되며 임시 팩커(4)에 주입재를 넣을 때에는 지하수 용출이 많을 때에는 본 팩커(5)를 먼저 팽창시키고 주입할 수도 있는 데, 이때, 팩커 주입재는 경화 시간이 필요하다.

상기 선지보재 주입 호스는 선단이 막힌 파이프의 선단측 외주면에 구멍이 형성되고, 그 구멍을 원통 고무밴드로 채워서 막고 원통 고무밴드는 파이프에 일단을 밴드로 고정한 체크 밸브 역할을 하는 것으로 임시 팩커를 관통하여 체크 밸브 부분이 천공홀 심부쪽으로 설치하며 그 역할은 본 팩커(5)를 통한 주입재가 임시 팩커(4)를 통하여 선지보재 천공홀에 주입되고 선단의 체크 밸브(6)에 의해 주입 완료 후 역류를 방지하는 것이다.

상기 천공홀 토출 호스(8)는 선지보재를 상향으로 설치시는 선단까지 본 팩커(5)가 구성된 파이프와 임시 팩커(4)를 관통하여 측면에 설치하며 주주입재를 주입시 천공홀 내에 공기와 물이 원활이 배출되도록 하고 임시 팩커에 그라우트액을 주입시는 팽창되어 경화될 때까지 임시 팩커(4)에 홀내 용출수에 의한 수압을 해소하는 역할을 한다. 또한 선지보재가 하향 설치시는 주 주입재 호스를 길게 선단까지 설치하고 토출 호스를 짧게 임시 팩커앞까지 설치한다.

그라우팅이 토출되는 것을 방지하기 위한 임시 팩커(4)를 선지보재(3)에 조립하고, 파이프로 이 선지보재를 천공홀에 삽입하고, 먼저 임시 팩커에 급결용 그라우팅을 한 후에 임시 그라우팅 호스를 제거하고, 본 팩커가 구성된 파이프를 토출 호스를 내부로 넣어 천공홀에 삽입하여 그라우팅주제를 압력 그라우팅하는 시공 순서를 다르게 할 경우는, 천공홀 내에 용출 수압이 적을 때와, 임시 팩커에 양생 시간을 요하는 겔타임이 길 경우에 적합하다.

상기 임시 팩커(4)와 본 팩커(5)가 구성된 파이프는 파일럿 터널에서 천공한 홀의 본 터널 예정 굴착선에 위치하여 그라우팅을 하게 된다.

물론, 파일럿 터널과 본 터널 사이에도 절리가 많아 그라우팅의 필요성이 있을 때에는 본 팩커(5)를 파일럿 터널의 굴착면에 설치하면 된다.

임시 팩커(4)는 내부에 급결형 우레탄을 주입하는 데 우레탄은 주제와 경화제를 별도의 호스로 이송하여 Y자관으로 합류시켜 주입하거나 미리 주제와 경화제를 섞어서 하나의 호스로 주입한다.

여기에 사용되는 임시 팩커(4)는 부직포 등을 원통형 포대로 만들어 내부에 임시 팩커 내부 주입 호스를 삽입하고 토출 호스(8), 주주입 호스를 관통시키고 양단을 묶어서 사용한다. 이때, 팩커 내부에 팩킹 주입액이 세로로 설치된 경우 호스와 선지보재 틈으로 겔타임 전에 흘러내리게 되어 외부로 발포되는 문제점이 있다. 이를 개선하기 위하여, 포대의 묶은 틈을 에폭시 또는 실리콘으로 막아 사용한다.

본 팩커(5)가 구성된 파이프는 천공홀 심부측 파이프에 본 팩커(5)가 외부에 정착되고 파이프 선단은 선지보재(3) 주입 파이프와 임시 팩커(4)의 내부 주입 그라우팅 호스, 천공홀 내 토출 호스(8)가 연결되도록 구성되고 이 호스는 파이프 내부를 통하여 외부의 그라우팅 펌프와 배수로로 연결된다.

상기 팩커가 정착된 파이프는 그라우팅을 위한 작업 과정에서 천공홀 내에서 이탈되지 않도록 천공홀 입구측 파이프의 외부에 스토퍼를 설치한다.

스토퍼는 파이프 외측에 삼각으로 가시발이 너트를 조임에 따라 외측으로 벌어지면서 천공홀 외벽을 가압하게 되므로 파이프는 천공홀에 지지되어 이탈되지 않는다.

상기 선지보재(3)와 팩커로 구성된 파이프와 같은 선재는 양축의 회전 바퀴(26) 사이에 측면으로 삽입되어 물려서 회전력에 의해 용이하게 천공홀의 상향으로 삽입하거나 제거할 수 있는 장치이다. 상기 회전 바퀴(26)는 유압 모터(27)에 의해 회전 된다.

선재 삽입 장치(25)는 작업대(23)에 수평으로 회전하는 힌지(33)와 수직으로 회전하는 힌지(31)와 일정량 신축이 자유로운 신축 실린더(32)로 연결되어 강성이 있는 선재에 자유롭게 적응할 수 있는 파이프나 봉형 선재와 같은 선재 삽입 장치(25)이다.

상기 선재 삽입 장치(25)는 양축의 회전 바퀴(26)를 선단에 탄성 지압 스프링(30)이 장착되고 유압 호스(34)가 연결된 유압잭(28)으로 지압하는 구성으로 파이프나 봉형재와 같은 선재의 직경이 다소 변하여도 탄력적으로 구동하면서 회전하도록 하는 역할을 하도록 하였다.

1 : 본 터널 굴착선
2 : 파일럿 터널선
3 : 선지보재
4 : 임시 팩커
5 : 본 팩커
6 : 주입 호스 체크 밸브
7 : 임시 팩커 내의 주입 호스
8 : 토출 호스
9 : 주입 호스
21 : 천공홀
22 : 파이프
23 : 작업대
24 : 작업대차
25 : 선재 삽입 장치
26 : 회전 바퀴
27 : 유압 모터
28 : 유압잭
30 : 탄성 지압 스프링
31 : 수직 방향 회전 힌지
32 : 신축 실린더
33 : 수평 방향 회전 힌지
34 : 유압 호스

Claims (11)

1. 갱내 선지보 터널에서 파일럿 터널을 굴착 후, 본 터널을 향해 선지보재를 삽입하기 위한 천공홀을 시공 후 선지보재를 삽입 후 그라우팅하는 공법으로서,
   임시 팩커를 먼저 설치 후 본 팩커를 추가 설치하여 그라우팅 후 임시 팩커는 천공홀 내에 남겨두고 본 팩커만을 회수하여 재사용하는, 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법.
   
2. 갱내 선지보 터널에서 파일럿 터널을 굴착후 본 터널을 향해 선지보재를 삽입하기 위한 천공홀을 시공 후 선지보재를 삽입 후 그라우팅하는 공법으로서,
   압력 그라우팅 후, 팩커 제거시 그라우팅이 토출되는 것을 방지하기 위한 임시 팩커를 선지보재에 설치하고 파일럿 터널 굴착면 천공홀 입구까지 삽입하는 단계,
   임시 팩커의 내부 주입 그라우팅 호스, 천공홀 주입 호스, 천공홀 내 토출 호스를 본 팩커가 구성된 파이프 선단에 각각 연결하는 단계,
   선지보재를 본 팩커가 구성된 파이프 선단에 연결하여 천공홀에 밀어넣는 단계,
   임시 팩커 내부에 주입액을 충진 주입 양생하는 것과 본 팩커를 작동하여 주주입재를 주입하는 단계,
   주입 완료 후 본 팩커가 구성된 파이프를 회수하는 단계로 이루어진, 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 천공홀 주입 호스는 선단이 막힌 파이프의 선단측 외주면에 구멍이 형성되고, 상기 구멍을 원통 고무밴드로 채워 막고 원통 고무밴드는 파이프에 일단을 밴드로 고정한 체크 밸브 역할을 하는 것으로 임시 팩커를 관통하여 체크 밸브 부분이 천공홀 심부쪽으로 설치한, 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법.
   
4. 청구항 2에 있어서,
   상기 천공홀 토출 호스는 본 팩커가 구성된 파이프와 선지보재 임시 팩커를 관통하여 측면에 설치하여 천공홀 내로 공기와 물이 원활하게 배출되도록 한, 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   그라우팅이 토출되는 것을 방지하기 위한 임시 팩커를 선지보재에 설치하고 천공홀에 삽입하는 단계에서 먼저 임시 팩커에 급결용 그라우팅을 한 후에 임시 그라우팅 호스를 제거하고 본 팩커가 구성된 파이프를 토출 호스를 내부로 넣어 추가 삽입하여 그라우팅주제를 압력 그라우팅하는, 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법.
   
6. 청구항 2에 있어서,
   파일럿 터널에서 천공한 홀의 본 터널 예정 굴착선 위치에 임시 팩커와 본 팩커가 설치된, 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법.
   
7. 청구항 2에 있어서,
   임시 팩커에는 우레탄을 주입하는, 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법.
   
8. 청구항 2에 있어서
   본 팩커가 구성된 파이프는 천공홀 심부측 파이프에 본 팩커가 외부에 정착되고 파이프 내부에 그라우팅에 필요한 토출 호스와 주입 호스가 삽입된, 선지보 터널에서 이중 팩커에 의한 그라우팅 공법.
   
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