KR101256274B1 - 조립케이슨 및 쟈켓을 이용한 알시디(rcd)공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하상 및 해상에서 이루어지는 교량공사중 기초 시공 부분과 해상 연약지반을 치환 보강하는 시공공법으로 현장타설 말뚝공사시 발생하는 여러 가지의 문제점을 직접 기초방식과 케이슨공법의 플로팅(Floating)타입의 장점을 발췌, 도입하여 알시디(RCD: Reverse Circulation Drill)를 사용함과 시공방법을 달리하여 각 공법들의 제약 요건들을 취합 보완함으로써 목적물의 구조적인 안정성 증대와 시간적, 경제적인 절감을 도모할 수 있는 조립케이슨 및 쟈켓을 이용한 알시디(RCD)공법에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명은, 케이슨을 투하 연결하여 조립케이슨끼리 서로 결속하고 그 내부를 크람쉘 버켓을 사용하여 풍화암 상단까지 준설하며, 그후에 유도강관이 부착된 쟈켓을 설치하고 수중 콘크리트를 타설하여 일체화시키도록 구성하되; 조립케이슨의 콘크리트 구조물을 해저면에 투하하고, 크람쉘 버켓과 샌드 펌프를 사용하여 케이슨 조립체의 내부 구역을 준설하며, 쟈켓을 침설한 다음 1차 콘크리트 타설하고, 유도강관 근입한 다음 강관 압입하며, 기반암 굴착하고 철근망 근입하며, 콘크리트 타설후 2차 콘크리트 타설하고, 인공어초를 설치할 것을 그 특징으로 한다.

Description

조립케이슨 및 쟈켓을 이용한 알시디(RCD)공법{Reverse Drill Method With precast type Caisson and Jacket}

본 발명은 하상 및 해상에서 이루어지는 교량공사중 기초 시공 부분과 해상 연약지반을 치환 보강하는 시공공법으로, 현장타설말뚝 공사시 발생하는 여러 가지의 문제점을 직접 기초방식과 케이슨 공법의 플로팅(Floating) 타입의 장점을 발췌 도입하여 알시디(RCD: Reverse Circulation Drill)를 사용함과 시공방법을 달리하여 각 공법들의 제약 요건들을 취합 보완함으로써 목적물의 구조적인 안정성 증대와 시간적, 경제적인 절감을 도모할 수 있는 조립케이슨 및 쟈켓을 이용한 알시디(RCD)공법에 관한 것이다.

토질 및 기초 분야에서 깊은 기초는 말뚝기초, 현장타설말뚝 및 케이슨(Caisson) 기초로 나누어지고 있는바, 상기 말뚝기초는 재료에 따라 강관, PHC 및 RC 말뚝으로 구분되고 말뚝기초에서는 시공법에 따라 타입(항타)말뚝과 매입 말뚝으로 구분한다. 통상적으로 구조물에서 지지력은 항타말뚝일 경우, 공사비 측면에서 경제적이고 지지력 발휘가 큰데 비하여 소음 진동의 영향으로 공사 여건이 쉽지 않다. 그리고, 지층상에 자갈이나 단단한 층이 있을 때 항타의 경우, 말뚝이 부러지는 경우가 발생하므로 적용 여건이 쉽지 않다.

따라서, 상기 조건에 맞지 않을 때에는 매입이나 현장 타설말뚝을 쓰게 되는바, 상기 매입은 지반을 선굴착후 말뚝을 삽입하는데에 SIP, SDA및 PRD등 시공방법이 발달되어 지층조건 등에 따라 적용공법이 많다. 상기 현장타설말뚝은 기성제품이 아닌 현장에서 타설하는 관계로 시공관리와 품질관리에 어려움이 많으며, 대체적으로 교량에서는 대구경으로 많이 사용되고 있다.

한편, RCD(Reverse Circulation Drill)에 의한 현장타설 말뚝기초공법 또한 제한된 직경 이상의 대구경 기초는 시공이 불가능하며, 수중콘크리트 타설시 품질관리가 어렵고 완성된 기초 구조물의 양호여부를 확인할 수 없을 뿐 아니라, 필요시 보완이나 수정작업이 불가능하고, 기타 여러 종류의 재래식 Pier기초시공법 또한 연약지반과 같은 토사층에서의 굴착은 대체로 쉬운편이나 풍화암이나 연암층과 같은 지지층까지 케이슨(Caisson)을 침설 시키려면 발파 균열로 인한 침투수 유입과 수중 콘크리트 타설 등으로 인한 품질관리에 많은 제한을 받게 된다.

지지층까지의 굴착심도가 비교적 얕은 경우에 적용되는 직접기초공법 또한 수평지지력 확보를 위해서는 확대기초와 같은 폭넓은 기초형식이 요구되거나, 하천이나 호수, 해상에서와 같이 수심이 깊은 곳에서는 시트파일을 이용한 가시설이나 강재 가물막이공 등이 부가적으로 필요하게 됨으로써 기초구조물 시공에 많은 제한을 받게 된다.

상기 현장 타설말뚝 시공중 강관근입시 바이브로 햄머로 항타가 끝나고 RCD를 장착하는 동안 조류의 영향 및 세굴현상 때문에 완전히 안착되지 못한 상태에서 강관은 최초 지점에서 이탈되고 만다. 다시 안착시키기 위해 같은 작업을 반복한다. 또한, 해저면의 지층상태에 따라 많은 영향을 받는다.

하중의 경감에 대한 적응성이 좋고 교량의 상부 및 연직 하중을 등분포로 지지층에 직접 전달하는 직접 기초 방식의 교각 하부기초(Footing)를 해저면에 설치하는 방법으로, 파고의 영향이 적고 지지면과 접촉 단면이 커서 주변 마찰력이 큰 케이슨(Caisson)의 형태를 변형시켜 조합 사용하는 방법인 것이다. 이에 연암층까지 굴착이 가능한 알시디(RCD)를 장착 소정의 깊이까지 시공할 수 있다.

따라서, 교량의 기초로 많이 사용하는 말뚝기초에서 필연적으로 발생하는 세굴현상에 따른 말뚝 주변의 함몰현상과, 강관 근입 및 굴착시 발생하는 여러 가지 시공상의 문제점이 있다. 또한, 케이슨 작업시 수반되는 제작상의 문제와, 육상에서의 입지 조건, 접안 시설까지의 운송 수단 및 방법, 그리고 해상 운반시 제약 받는 기상조건 및 운반장비등의 제약 조건을 고려하게 된다.

실무토목기초 설계와 시공, 토목발전연구회편저. 도서출판 건설정보, 도로설계 편람 제5편 교량, 국토해양부, 최신기초설계 시공 핸드북, 건설문화사 p758/804. 해상 R.C.D 기초공법의 시공설명. 2006년 대한토목회 정기학술대회. 공장형 슬림폼을 이용한 제작 운송 진수공법, 현대건설 기술개발실

본 발명은 상기와 같은 제반 사정을 감안하여 발명한 것으로, 직접 기초 방식의 확대 기초로 사용하는 풋팅을 하저 또는 해저면에 설치함으로써 연직 또는 수평 방향의 지지력과 휨 모멘트, 편심 하중을 상쇄시킬 수 있으며, 지반 반력에 의한 응력과 부등 침하에 대한 저항력은 말뚝기초로 감소시켜 상부 교량의 상재하중의 경감에 따른 대응력을 증가시킬 수 있는 조립케이슨 및 쟈켓을 이용한 알시디(RCD)공법을 제공하고자 함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 케이슨을 투하 연결하여 조립 케이슨끼리 서로 결속하고 그 내부를 크람쉘 버켓을 사용하여 풍화암 상단까지 준설하며 그 후에 유도 강관이 부착된 쟈켓을 설치하고 수중 콘크리트를 타설하여 일체화 시키도록 구성하되, 조립케이슨의 콘크리트 구조물을 해저면에 투하하고 크람쉘 버켓과 샌드펌프를 사용하여 케이슨 조립체의 내부 구역을 준설하며 쟈켓을 침설한 다음 1차 콘크리트를 타설하고 강관을 근입 압입하며 기반암 굴착을 하고 철근망을 근입하며 콘크리트 타설후 2차 콘크리트를 타설하고 인공어초를 설치하는 것을 그 특징으로 한다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 하저 또는 해저면에 교각 기초부분(Footing)을 간편히 설치할 수 있으며, 강관 근입 및 알시디(RCD)굴착이 용이할 뿐만 아니라 세굴에 따른 함몰을 줄일 수 있는 효과가 있다.

도1은 본 발명 실시예에 관한 조립케이슨 및 쟈켓을 이용한 RCD공법을 설명하기 위한 설치도.
도2는 도1에 도시된 조립케이슨 및 쟈켓과 인공어초 설치를 나타낸 평면도와 단면도.
도3은 현장 타설말뚝에서 알시디(RCD)공법의 작업 순서도이다.

본 발명의 바람직한 실시예를 예시도면에 의거하여 상세히 설명한다.

도1은 본 발명의 실시예에 관한 조립케이슨 및 쟈켓을이용한 RCD 공법을 설명하기 위한 설치도이다. 도2는 도1에 도시된 조립 케이슨 및 쟈켓을 나타낸 평면도와 단면도이고, 도3은 현장 타설말뚝에서 알시디(RCD)공법의 작업 순서도이다.

본 발명은 하상 및 해상에서 이루어지는 교량공사중 기초 시공 부분과 해상 연약지반을 치환 보강하는 시공공법으로, 현장 타설말뚝 공사시 발생하는 여러 가지 문제점을 직접 기초방식과 케이슨 공법의 플로팅(Floating)타입의 장점을 발췌 도입하여 알시디(RCD)를 사용함과 시공 방법을 달리하여 각 공법들의 제약 요건들을 취합 보완함으로써 목적물의 구조적인 안정성 증대와 시간적, 경제적인 절감을 도모할 수 있는 조립케이슨 및 쟈켓을 이용한 알시디(RCD)공법인 것이다.

도1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 시공 방법으로서는 케이슨을 투하 연결하여 조립케이슨(10)끼리 서로 결속하고 그 내부를 크람쉘 버켓을 사용하여 풍화암 상단까지 준설한다. 그 후에 유도강관(33)이 부착된 쟈켓(15)을 설치하고, 수중 콘크리트(37)를 타설하여 일체화 시킨다. 그러므로 교각의 풋팅역할과 기능을 증대시키고, 강관 근입시 오차의 범위를 줄이므로 작업의 안정성을 확보하여 시간적이고 경제적 절감을 기할 수 있다.

유도강관(33)의 상부에는 구멍을 내어 붓싱 로울러(36)를 부착하여 근입강관(31)을 근입할 때 견인 크레인의 부하를 감소시킨다. 그 상부 용접고리(32)는 설치 완료후 제거한다. 바지선(20)의 크레인으로부터 와이어로프(35)가 유도강관(33)의 견인 구멍(34)에 체결되고, 상기 유도강관(33)은 해저면내에 점선만큼 RCD 굴착깊이(38)가 들어가게 된다.

도2에 도시된 조립케이슨(10)을 제작함에 있어. 기존의 케이슨은 그 규모 자체가 크고 그 구조상 형틀이 손괴되지 않고 유지하기 위해 격벽이 필요 불가결하므로, 작업상 공간의 제약 등 여러 가지의 애로 사항이 상존한다. 그 높이 또한 공법의 특성상 상단 높이가 수면보다 높아야 하므로 심도가 깊은 지역에서는 설치가 불가능하다. 이에 물속에 설치할 수 있으며 규모를 축소화해서 제작과 운반, 설치가 용이한 조립식으로 한다.

도2에 도시된 쟈켓 (15)의 제작 및 설치함에 있어, 강관 근입, 굴착시 나타나는 여러 가지 자연 현상의 제약 조건을 극복하기 위해 해저면에 시공 거점을 확보하기 위해 강관을 유도 근입시키기 위한 장치와 이를 지지하기 위한 철재 조립물을 제작 설치할 수 있다. 조립체내의 수중 콘크리트 타설은 케이슨 형태의 축소에 따른 그 기능상 효과를 충족시키기 위해 자중을 늘림으로써 파력의 영향력을 제거할 수 있다.

도2a는 조립케이슨(10)의 평면도로서 연결부분a에 숫케이슨(12)와 암케이슨(14)이 체결되고 모서리케이슨(13)도 체결되며, 도2b는 조립케이슨(10)의 단면도로서 상부 경사면(19)이 형성되게 된다. 도2c, 도2d는 연결시 숫케이슨(12)으로서 원형구멍(16)을 중심으로 4개의 고리(17)와 수중발신기(18)가 형성되면서 좌우 연결부가 형성된다.

도2e는 쟈켓(15)으로 4개의 유도강관(33)을 다수의 H빔(101)과 지지대(102)를 이용하여 고정시키고 간격유지 연결철판(103)이 사면에 설치되어 있다. 도2f는 쟈켓(15)의 단면으로 상기 유도강관(33)에 근입강관(31)이 유입되어 있다.

현장타설 말뚝공법에서 RCD공법의 작업순서도로서, 도3a는 강관 근입 과정이고, 도3b는 바이브로햄머 작업과정이며, 도3c는 RCD 작업과정이고 도3d는 철근망 근입과정이며, 도3e는 트레미파이프 조립과정이고, 도3f는 콘크리트 타설 과정이다.

상기 현장타설 말뚝공법의 RCD 작업하는 순서를 살펴보면 도3a에 도시된 바와 같이 측량지점에 용접 연결된 근입강관(31)을 짹업 바지선(40)의 상부에 설치된 해수면의 가이드 프레임(30)을 이용한다.

도3b에 도시된 바와 같이 짹업 바지선(40)에서 크레인으로 바이브로 햄머(42)를 장착 강관을 물고 해저면에 압입한다. 그후 바이브로 햄머(42)를 내려 놓고 햄머 그래브로 토사층까지 굴착한다.

이때 암반이 출현하면, 도3c에 도시된 바와 같이 RCD(43)를 강관 상단에 셋팅하여 소정의 깊이까지 굴착 작업을 진행한다. 여기서 RCD의 굴착 비트(44)를 사용하게 된다.

굴착 작업이 끝나면 RCD(43)를 해체하고 도3d에 도시된 바와 같이 조립된 철근망(45)을 근입시킨다. 이어 도3e에 도시된 바와 같이 트레미 파이프(46)를 이용하여 콘크리트(도3f 참조)를 소정의 높이까지 타설한다.

이상 설명한 바와 같이 도1, 도3에 의거하여 본 발명의 조립케이슨 및 쟈켓을 이용한 RCD공법을 설명하면 다음과 같다.

첫째, 조립케이슨(10)의 콘크리트 구조물을 해저면에 투하한다.

조립케이슨을 설치하는 것은 길이가 제일 큰 케이슨을 우선순위로 한쪽면부터 완성한 후 양쪽으로 번갈아 가면서 계속해서 조립하며, 마지막에는 제일 먼저 설치한 그 반대편 것의 순서로 한다. 연결 작업을 원활하게 하기 위하여 연결 부위, 즉 암숫 케이슨의 접촉 부분에는 목재를 부착하여야 한다. 이때 측량은 케이슨 조립체의 양 모서리에 부착되어 있는 수중발신기(18)와 저주파 소나 영상장치를 이용하여 DGPS로 미세 조정할 수 있다.

도2c, 도2d에 도시된 고리를 통하여 마심 와이어로프로 각 케이슨 조립체를 연결하여 결속하고, 마지막 연결 부분은 와이어 소켓으로 마감 처리한다. 해저면의 평탄함을 유지할 필요가 있을 때에는 대형 모래 마대를 사용해서 그 크기와 양에 따라 속 채움 양을 조절하여 채운다.

둘째는 크람쉘 버켓과 샌드 펌프를 사용하여 케이슨 조립체의 내부 구역을 준설한다. 이는 풍화암(사암)층 상단 혹은 기반암 상단까지 준설한다.

셋째는 쟈켓(15)을 침설한다. 상기 쟈켓의 형틀은 H빔(예컨대 300*300*9*12), 보강재는 ㄱ형강(Angle: 90*90*6)로 제작하며 그속에 다수의 유도강관을 설치한다. 상기 유도강관의 직경은 근입강관의 직경보다 300/mm 큰 구경으로 사용한다. 높이는 1.5 D(D=직경)이상이어야 한다.

상기 쟈켓의 크기는 케이슨 조립체 내부의 폭보다 가로, 세로 300/mm 작게 제작한다. 도2에 도시된 바와 같이, 형틀 상단 각 변마다 2개소씩 간격 유지용 철판을 댈수 있게 구멍을 내며, 각 변 모서리에는 제작된 철근망을 덮어 조립할 수 있도록 지지대를 만든다. 유도강관의 하부는 콘크리트 타설시 유입되지 않도록 폴리에틸렌 재질을 사용한 보호막을 부착하며, 상부에는 근입강관 설치시 용이하게 하기 위하여 구멍을 내고 도1과 같이 붓싱 로울러를 부착한다.

넷째는 유도강관의 근입이다. 도1과 같이 견인 크레인을 사용하여 강관을 설치한다. 용접된 고리의 높이는 유도강관보다 500/mm이상 높게 설치되어야 하며 설치후 제거한다.

다섯째는 1차 콘크리트 타설이다. 각 케이슨 조립체간의 유동을 막기 위해 트레미 파이프를 이용하여 수중 콘크리트로 타설한다. 타설 높이는 조립식 케이슨의 1/3 지점까지 한다.

여섯째는 강관 압입이다. 도3과 같이 바이브로 햄머와 햄머 그렙을 사용하여 기반암 상단 출현시까지 반복하여 굴착 압입한다.

일곱째는 철근망 근입이다. 지상에서 조립된 철근망을 설치한다.

여덟째는 콘크리트 타설로서 트레미 파이프를 이용, 원하는 높이까지 타설한다.

아홉째는 2차 콘크리트 타설이다. 즉 조립식 케이슨 상단 높이까지 타설한다. 이때 유도강관과 근입강관 사이의 빈 공간도 속 채움을 한다. 콘크리트가 조립체 연결 부위를 통하여 외부로 유출되는 것은 구조상 요철 형태로 되어 있고 콘크리트의 골재 규격의 특성상 방지된다.

삭제

구역내 지층 상태로 인하여 쟈켓의 설치 지점이 정도 이상으로 낮아졌을 경우, 도3과 같이 보강용 철근망을 덮어 조립 타설할 수 있도록 한다. 상부면의 마감 처리는 수중 바이브레이타를 사용하여 콘크리트내의 공기 함유율을 낮추고 충진시켜 균일하게 면 처리를 한다.

삭제

이상 설명한바와 같이 본 발명은 강관근입을 용이하게 하여 RCD작업에 효율을 기 할 수 있다. 즉 강관근입시 패류층 다음 암반이 곧바로 노출되거나 조류가 센 지역에서는 물속에 접촉된 강관의 그 단면적에 따른 부력과 그 하중으로 인하여 작업 바지선 상부에 설치되어 있는 가이드 프레임이 과도한 부하를 받게 되어 안착 지점의 조정 자체가 어려운 실정이며, 강관의 구경이 클수록 비례한다. 사항근입일 경우 그 정도는 더 심하다.

이에 따른 보완책으로 핀 파일을 부착한 가이드 프레임을 제작 운용하나 그 조차도 핀 파일이 완전히 근입되지 못한 상황에서 작업을 시행하나 이 또한 조류가 센 지역에서는 핀 파일 고리가 찢겨져 나가는 현상이 발생되고 있다. 설혹 안착이 되었다 하더라도 바이브로 햄머를 장착, 요동 압입을 시도하는 동안 비끌어 지는 경우가 비일 비재하다.

때문에 최초 측량지점에서 이탈, 짹업 바지선의 렉(Leg)을 올려서 다시 셋팅을 해야 한다. 같은 작업을 수 없이 반복해야 하므로 많은 시간이 소비된다. 본 발명의 굴착시의 장점은 안착지점 주면의 공극률이 큰 각종 토사층 및 여타 침전물을 제거하고 균일한 매질의 콘크리트로 주변을 감싸고 있기 때문에 압밀효과를 증가 시키므로 강관내의 압력을 감소시켜 누압 현상이 생기지 않아 굴착 작업의 효율을 증가 시킨다.

강관근입시는 기상 상태가 좋아야 하며, 그 작업이 선행되지 않으면 후속 작업이 이루어지지 않으므로 대기 하는 동안 시간적, 경제적인 손실이 막대하다. 이에 해저면에 기점을 설정, 구조물을 미리 설치함으로서 허용오차 범위내에서 시공을 할 수 있어 품질의 향상을 기할 수 있으며, 파랑의 영향을 받지 않고 작업을 하므로 공기를 단축 할 수 있다.

또 다른 장점으로는 세굴에 따른 함몰을 줄일 수 있다. 즉, 지지층 하수 및 해류에 대응하는 단면적을 확대함으로 말뚝 기초공의 필연적으로 따르는 세굴심의 깊이를 상쇄함과 교각 주위를 돌아 흐르는 해류의 접근 각도를 둔화시키고 와류의 집중력을 감쇄시켜 단면 축소, 국부 세굴을 방지할 수 있다.

10: 조립케이슨
12: 숫케이슨
13: 모서리 케이슨
14: 암케이슨
15: 쟈켓
16: 원형구멍
17: 고리
18: 수중발신기
19: 경사면
20: 바지선
30: 가이드 프레임
31: 근입강관
32: 연결고리
33: 유도강관
34: 원형구멍
36: 붓싱로울러
37: 콘크리트 타설부
38: RCD굴착
40: 짹업 바지선
42: 바이브로햄머
43: R.C.D
44: RCD비트
45: 철근망
46: 트레미파이프
47: 콘크리트 타설
101: H빔
102: ㄱ형강
103: 연결철판

Claims (1)

1. 케이슨을 투하 연결하여 조립케이슨을 결속하여 해저에 사각형태의 구조체를 만들고 그 내부를 크람쉘 버켓을 사용하여 연암층 상단까지 준설하며, 그후 유도강관이 부착된 쟈켓을 설치하고 수중 콘크리트를 타설하여 일체화시키도록 구성하되 ;
   조립케이슨에 콘크리트 구조물을 해저면에 투하하고 크람쉘 버켓과 샌드 펌프를 사용하여 케이슨 조립체의 내부 구역을 준설하며 쟈켓을 침설한 다음 1차 콘크리트를 타설하고 유도강관을 근입한 다음 강관압입하며 기반암을 굴착하고 철근망을 근입한 후 2차 콘크리트를 타설하고 공지의 인공어초를 설치한 것을 특징으로 하는 조립 케이슨 및 쟈켓을 이용한 알시디(RCD)공법.

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