KR101404196B1 - 지아이엔 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법 - Google Patents

Abstract

GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법이 제공된다. GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법은, a) 주입재가 주입될 지반에 대해 시추 조사 및 수압 시험을 수행하는 단계; b) 시추공의 심도별로 지층 구성 결과를 도출하는 단계: c) 지층 특성에 따라 심도별 GIN값을 결정하고, 심도별 최대 주입압 및 최대 주입량을 결정하는 단계; d) 계산된 GIN값, 최대 주입압 및 최대주입량을 기준으로 GIN 곡선 생성을 위한 데이터를 생성하는 단계; e) 결정된 주입압으로 주입재를 시추공에 주입하는 중에 해당 심도의 현재 주입압과 현재 주입량을 검출하는 단계; f) 검출된 현재 주입압과 현재 주입량을 GIN 곡선의 주입압 및 주입량과 비교하는 단계; 및 g) 현재 주입압 및 현재 주입량이 GIN 곡선의 주입압 및 주입량과 일치할 때까지 주입재를 주입하는 단계를 포함하되, 주입재 주입시 GIN 커브를 따라 주입하지 않고, 박스형으로 관리하여 주입압과 주입량이 해당 심도별 주입단계에서 그 박스 안에서 이루어지도록 주입 관리를 수행할 수 있다.

Description

지아이엔 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법 {METHOD FOR MULTI-STEP GROUTING ACCORDING TO EACH DEPTH USING METHOD OF GROUTING INTENSITY NUMBER(GIN)}

본 발명은 주입재의 주입에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 소정 깊이의 시추공 또는 주입공에 주입재를 주입할 경우, GIN(Grouting Intensity Number) 기법을 이용하여 심도별 다단계로 주입재를 주입하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 그라우팅(Grouting)은 토목 공사 및 자원개발 공사의 기초 공사로서, 먼저 지하 지반의 상태를 진단, 분석하고 그 결과를 토대로 차수 및 연약 지반을 보강하는 고도의 전문성을 요구하는 기초 산업 응용 분야이다.

이러한 그라우팅은 그라우팅하고자 하는 지반에 소정 깊이의 시추공을 천공한 다음, 그라우팅 장치를 시추공에 삽입하고, 에어컴프레서 또는 유압 펌프를 사용하여 고무재질의 패커(Packer)를 시추공의 내벽에 밀착되도록 팽창시킨 다음에, 그라우팅 장치의 내부를 통과하는 약액관을 통하여 약액을 주입한 후 급결시킴으로써 완료된다. 이때, 그라우팅 장치는 차수 또는 보강이 필요한 정확한 위치에 약액이 주입될 수 있도록 설치되어야 하고, 주입된 약액이 보강이 필요한 위치 이외의 곳으로 누출되지 않도록 팽창된 패커는 천공된 시추공의 내벽과 적절한 강도로 넓게 밀착되어야 한다.

한편, 그라우팅 시공 중 주입을 중단해야 하는 시점을 결정하는 것은 시공품질에 가장 큰 영향을 미친다. 주입압이 갑자기 상승하거나 하강하는데 주입을 중단해야 하는지, 지금까지 현장 기능공의 경험적 판단에 의존하는 것이 현실이다. 그라우팅 적용범위가 넓어지고 해저터널 굴착공사와 같이 공사규모가 커지면서 현장 기술자의 경험에 의존한 시공관리는 시공품질 향상에 한계를 보이고 있다.

전술한 문제점을 해결하기 위한 선행 특허로서, 대한민국 등록특허번호 제10-1096817호에는 "AGS와 GIN을 이용한 지식기반 시추공사 시공 관리 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있다.

상기 선행 특허는 그라우팅 시공시 가압 그라우팅 주입으로 인한 수압파쇄(hydraulic fracture) 및 수아박용(hydrojacking)의 위험을 최소화하고, 그라우팅 주입범위를 균등하게 함으로써 효율적이고 경제적인 그라우팅 주입중단 기준을 현장에서 관리할 수 있다.

하지만, 선행 특허의 경우, 그라우팅 주입범위를 균등하게 할 수 있지만, 주입량이 심도별로 기복을 보일 수 있고, 해당 심도에서 과다 혹은 과소 주입될 수 있다는 문제점이 있었다.

1) 대한민국 등록특허번호 제10-1096817호(출원일: 2011년 6월 29일), 발명의 명칭: "AGS와 GIN을 이용한 지식기반 시추공사 시공 관리 방법" 2) 대한민국 등록특허번호 제10-970497호(출원일: 2009년 12월 31일), 발명의 명칭: "AGS를 이용한 지식기반 시추공사 시공관리 방법" 3) 대한민국 등록특허번호 제10-625333호(출원일: 2006년 7월 19일), 발명의 명칭: "그라우팅 자동 관리 시스템" 4) 대한민국 등록특허번호 제10-402472호(출원일: 2000년 9월 9일), 발명의 명칭: "그라우팅 장치" 5) 대한민국 공개특허번호 제2012-17639호(공개일: 2011년 2012년 2월 29일), 발명의 명칭: "레이저 조사와 영상촬영을 이용한 3차원 시추공 스캐닝 장치"

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 기존의 방식으로 시공했을 때 주입량의 기복을 각 심도별로 균일한 양이 주입되도록 개선할 수 있는, GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는, 주입재 주입시 기존의 GIN 커브를 따라 주입하기 힘들기 때문에 박스형으로 관리(현재 주입압과 현재 주입량의 검출횟수를 분할하여 반복 실시(박스형 관리)하는 것)하여 주입압과 주입량이 해당 심도별 주입단계에서 그 박스 안에서 주입 관리를 수행할 수 있는, GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 과다 혹은 과소 주입의 방지를 통해 균일한 주입범위의 생성 및 재료비용의 절감에 따른 경제성을 확보할 수 있는, GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법을 제공하기 위한 것이다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 수단으로서, 본 발명에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법은, a) 주입재가 주입될 지반에 대해 시추 조사 및 수압 시험을 수행하는 단계; b) 시추공의 심도별로 지층 구성 결과를 도출하는 단계: c) 지층 특성에 따라 심도별 GIN값을 결정하고, 심도별 최대 주입압 및 최대 주입량을 결정하는 단계; d) 계산된 GIN값, 최대 주입압 및 최대주입량을 기준으로 GIN 곡선 생성을 위한 데이터를 생성하는 단계; e) 결정된 주입압으로 주입재를 시추공에 주입하는 중에 해당 심도의 현재 주입압과 현재 주입량을 검출하는 단계; f) 상기 검출된 현재 주입압과 현재 주입량을 GIN 곡선의 주입압 및 주입량과 비교하는 단계; 및 g) 현재 주입압 및 현재 주입량이 상기 GIN 곡선의 주입압 및 주입량과 일치할 때까지 주입재를 주입하는 단계를 포함하되, 상기 e) 내지 g) 단계를 최상위 심도까지 반복하여 주입재를 심도별 다단계 주입하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 g) 단계는, 상기 주입재 주입시 상기 GIN 커브를 따라 주입하지 않고, 박스형으로 관리하여 주입압과 주입량이 해당 심도별 주입단계에서 그 박스 안에서 이루어지도록 주입 관리를 수행하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 a) 단계는, GIN 기법을 적용하기 위해서 그라우팅 대상 지반내 존재하는 절리의 개수 및 틈에 대한 정보를 획득하기 위해서 BIPS(Borehole Image Processing System))를 통해 시추공 내의 영상을 촬영하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 c) 단계는 주입범위, 점착력, 절리틈, JRC(절리면 거칠기 계수), 절리 갯수의 입력을 통하여 GIN값을 결정하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 주입재의 주입 전과 주입 후의 배관 장비 및 배관 시멘트에 대한 이물질 제거를 위한 세척 작업을 수행할 수 있다.

여기서, 상기 c) 단계의 GIN 값은, GIN = p × V (p: 시험 주입시 주입 중단된 지점의 주입압, V: 단위 누적 주입량)로 주어지는 것을 특징으로 한다.

여기서, 유선 또는 무선 인터넷을 통해 원거리에서 상기 b) 내지 g) 단계에서 출력되는 데이터를 확인 및 제어할 수 있다.

여기서, 기설정된 주입압(P)-주입량(Q)-시간(T) 차트에 따른 다수의 기준 패턴과 현재 P-Q-T 차트를 동시에 화면으로 출력하여 관리자가 현재 주입 유형을 판정하고 조치할 수 있다.

본 발명에 따르면, 기존의 방식으로 시공했을 때 주입량의 기복을 각 심도별로 균일한 양이 주입되도록 개선할 수 있다.

본 발명에 따르면, 주입재 주입시 기존의 GIN 커브를 따라 주입하기 힘들기 때문에 박스형으로 관리하여 주입압과 주입량이 해당 심도별 주입단계에서 그 박스 안에서 주입 관리를 수행함으로써, 주입을 중단 없이 연속적으로 수행할 수 있다.

본 발명에 따르면, 과다 혹은 과소 주입의 방지를 통해 균일한 주입범위의 생성 및 재료비용의 절감에 따른 경제성을 확보할 수 있다.

도 1은 컴퓨터를 이용한 그라우팅 주입 시공 개념도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법이 적용되는 실시간 현장 P(주입압)-Q(주입량)-T(시간) 제어 및 관리 그래픽 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법의 동작흐름도이다.
도 4a는 GIN 기준 설정을 나타내는 도면이고, 도 4b는 GIN 그래픽 구성을 나타내는 도면이다.
도 5a 내지 도 5d는 각각 GIN 기법 프로그램 운영 과정을 예시하는 도면들이다.
도 6은 P-Q-T 차트(Chart)를 예시하는 도면이다.
도 7a 및 도 7b는 각각 GIN-곡선이 반영된 공사현장의 그라우팅 시공 데이터를 나타내는 도면들이다.
도 8a 및 도 8b는 각각 GIN-곡선이 반영된 공사현장의 주입능(q/p)을 나타내는 도면들이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법에서 심도별 주입량을 예시하는 도면이다.
도 10은 현장계측을 통해 도출한 주입 심도별 주입량 및 GIN 그라우팅을 적용할 경우의 심도별 균일한 주입 범위를 비교하기 위한 도면이다.
도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법에서, 지반 조사를 위한 BIPS 시험장면을 예시하는 사진들이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법에서, 현장조건을 고려한 GIN의 산정을 예시하는 도면이다.
도 13a 및 도 13b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법을 공사현장에 적용할 경우, 제1 및 제2 단계의 P-Q-T 차트를 예시하는 도면들이다.
도 14는 도 13a에서 제1 단계의 그라우팅 시공 데이터 및 주입능을 나타내는 도면이다.
도 15는 도 13b에서 제2 단계의 그라우팅 시공 데이터 및 주입능을 나타내는 도면이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

먼저, 컴퓨터를 통한 그라우팅 제어 기술이 관심을 받고 있으며, 향후 발전 가능성도 상당히 높다. 이와 같이 컴퓨터를 이용하여 주입량, 물시멘트비, 주입압, 그라우팅 시공 전반에 대한 저장 및 시공 과정에 대한 표현, 실시간 그라우팅 모니터링을 통한 주입 과정에 대한 분석, 원격제어를 통한 밸브 조절, 그라우트재의 혼합 및 믹서기 운용, 펌프의 제어, 지반거동 분석 및 그라우팅 영향 분석 등 다양한 분야에 적용할 수 있다.

또한, 실시간 그라우팅 주입 모니터링을 통하여 그라우팅 제어가 가능하며, GIN(Grouting Intensity Number)과 연계되어 최적의 그라우팅 주입 시공이 가능하다. 컴퓨터를 이용한 주입 시공 모식도는 도 1과 같으며, 각 장비의 구성 및 역할은 다음과 같다.

도 1은 컴퓨터를 이용한 그라우팅 주입 시공 개념도이다.

도 1을 참조하면, 컴퓨터를 이용한 그라우팅 주입 시스템은, 주입 플랜트(110), 주입 배관(120), 주입 펌프(130), 자동주입 시스템(AGC: 140), 천공기(150), 모니터링부(160), 주입압-주입량 확인부(170) 및 시추공 촬영부(180)를 포함한다.

주입 플랜트(110)는 주입재를 형성하여 공급하기 위한 설비로서, 주입 펌프, 믹서장치, 교반기 등으로 이루어지며, 구체적으로, 주입 펌프(130)는 시공중에 자동주입 시스템(AGS: 140)의 주입압(p)과 주입속도(q) 관리조건에 대응하도록 설계된 것으로서, 예를 들면, 토출압력 20kgf/㎠ 이상, 토출량 20ℓ/min 이상, 토출관경 10㎜ 이상의 것을 사용할 수 있다. 또한, 믹서장치는 1조 용량 200ℓ 이상의 3조식 이상 혼합이 가능하고, 주입재가 완전히 혼합될 수 있는 회전수 350rpm 이상의 믹서(mixer)를 사용한다. 또한, 상기 교반기는, 예를 들면, A액(경화제) 1조, B1액(급결형 시멘트) 1조, B2액(완결형 시멘트) 1조로 이루어진 3조식 이상으로 구성할 수 있다.

또한, 시추공의 천공용수 및 주입용수 공급을 위한 급수배관은 급수펌프, 저수탱크 및 급수관으로 구성할 수 있다. 상기 급수펌프는 천공 및 주입용수 공급에 충분한 용량을 갖춘 것으로 청정한 수원 부근에 설치한다. 또한, 저수탱크는 급수펌프의 작동이 정지되어도 10분 이상 용수를 공급할 수 있는 용량을 갖춘 것으로서 동력 없이 중력에 의한 수두차로서 용수공급이 가능한 높이에 설치한다. 여기서, 동절기 혹한기에는 주입재의 급격한 겔타임 지연을 방지하기 위해서 주입용수의 온도를 10℃ 이상으로 관리할 수 있도록 가열장치가 부착된 저수탱크를 사용할 수 있다.

주입 배관(120)은 주입 펌프(130)에서 주입장소 사이에 설치하는 구경 20㎜ 이하의 배관으로서, 주입재의 주입이 완료되면, 배관 구간에의 주입재의 침전, 고결 방지를 위해 즉각 청수로서 관내 세척을 실시한다.

또한, 1.0~1.5shot 주입 방식의 주입관은 Φ100㎜로 천공된 시추공에 멘젯튜브를 설치하여 멘젯튜브 내부로 패커 장치를 주입관 선단부까지 삽입하여 주입한다.

천공기(150)는 시추공을 형성하기 위한 설비로서, 이때, 천공의 규격은 Φ40.0㎜~Φ100㎜를 원칙으로 하며, 공벽 붕괴가 극심한 경우에는 충격식 천공기를 사용할 수도 있다. 또한, 시추공으로 주입재가 일탈되지 않도록 하기 위해 격공으로 천공하여야 하며, 이러한 시추공 천공은 150m 이상의 천공 능력을 갖춘 로터리식을 표준으로 하되, 공벽 붕괴 방지와 현장 특수조건에 따라서는 공사감독자의 사전 승인을 받은 후 2중관 퍼커션식 천공기도 사용할 수 있다.

자동주입 시스템(AGC: 140)은 주입재를 자동으로 주입하기 위한 것으로, 현재 주입 유형의 판정 및 조치 방안을 안내하고, 현장 여건에 맞춰 주입재의 주입중단을 제어할 수 있다.

또한, 주입재의 주입 관리를 위한 그라우팅 시공관리 시스템은 대상 지반의 특성과 시공 목적에 적합하게 그라우팅 시공 과정을 컴퓨터로 정밀하게 관리할 수 있다.

주입압-주입량에 대한 실시간 모니터링 및 도식화와 한계 주입압 및 한계 주입량 설정 GIN을 적용한 그라우팅 주입을 관리할 수 있다. 이를 위해 주입압-주입량 확인부(170)는 시추공 내에 주입되는 주입재의 주입압-주입량을 측정하기 위한 것이고, 시추공 촬영부(180)는 시추공 내부를 촬영하여 시추공 벽면 영상을 획득하고, 모니터링부(160)는 그라우팅 시공중 실시간으로 주입압과 단위주입량의 모니터링할 수 있다.

한편, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법이 적용되는 실시간 현장 P(주입압)-Q(주입량)-T(시간) 제어 및 관리 그래픽 구성을 나타내는 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법은, 그라우팅 시공중 실시간으로 주입압과 단위주입량의 모니터링이 가능하므로 계측되는 데이터를 실시간(초 단위)로 도식이 가능하다. 따라서 계측되는 주입압 및 주입량의 데이터를 GIN 곡선과 연계시키기 위하여 사전에 입력 단계에서 GIN 값을 계산하여 입력하는 모듈을 작성하게 되며, 실시간 모니터링을 위한 visual mode에서의 화면 구성은 도 2에 도시된 바와 같고, 표 1은 구체적인 설명을 나타낸다.

구체적으로, 도 2는 실시간 현장 P-Q-T 제어 및 관리 그래픽 구성(210)으로서, 도면부호 ①은 호기를 나타내며, 각각의 호기 번호를 알려주며 최대 5대까지 화면을 구성하여 사용할 수 있다.

또한, 도면부호 ②는 주입중단 관리를 나타내며, 최대 주입압, 최소 주입압, 주입 횟수 등을 설정하여 주입 관리를 자동으로 수행할 수 있다.

또한, 도면부호 ③ 및 ⑩은 배합관리를 나타내며, 배합비를 미리 입력하여 주입량에 따른 자재투입량을 자동으로 산출할 수 있고, 작업 중에 배합비를 변경할 때 수치를 재입력한다.

또한, 도면부호 ④는 데이터를 나타내며, 주입 설정에 대한 자세한 설정 내용을 볼 수 있다.

또한, 도면부호 ⑤는 작업 준비를 나타내며, 현재 진행 상황을 알려주는 동시에 시작과 중단을 수행할 수 있다.

또한, 도면부호 ⑥은 세관 작업을 나타내며, 주입 전과 주입 후의 배관 장비 및 배관 시멘트 등 이물질 제거를 위한 세척 작업 등을 수행할 수 있다.

또한, 도면부호 ⑦은 비상 정지를 나타내며, 작업 중 주입호스 파손 등 이상 상황 발생시 밸브를 리턴시켜 현장 상황에 대비하는 작업을 수행할 수 있다.

또한, 도면부호 ⑧은 주입압(P)/주입속도(Q)를 나타내며, 현재 실시간 압력 및 주입속도를 디지털로 수치화하여 표현하고, 실제 리턴된 양을 제외한 실제 주입되고 있는 수치를 나타낼 수 있다.

또한, 도면부호 ⑨는 누적량을 나타내며, 각 스텝 및 시추공의 현재 누적주입량을 디지털로 수치화하여 표현할 수 있다.

한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법의 동작흐름도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법은, 먼저, 주입재가 주입될 지반에 대해 시추 조사 및 수압 시험을 수행한다(S111). 이때, GIN 기법을 적용하기 위해서 그라우팅 대상 지반내 존재하는 절리의 개수 및 틈에 대한 정보를 획득하기 위해서 시추공 영상촬영 시스템(Borehole Image Processing System: BIPS)을 통해 시추공 내의 영상을 촬영할 수 있다.

다음으로, 시추공의 심도별로 지층 구성 결과를 도출하고(S112), 지층 특성에 따라 심도별 GIN값을 결정하고, 심도별 최대 주입압 및 최대 주입량을 결정한다(S113). 이때, 주입범위, 점착력, 절리틈, JRC(절리면 거칠기 계수), 절리 갯수의 입력을 통하여 GIN값을 결정할 수 있고, GIN 값은 GIN = p × V (p: 시험 주입시 주입 중단된 지점의 주입압, V: 단위 누적 주입량)일 수 있다.

다음으로, 계산된 GIN값, 최대 주입압 및 최대주입량을 기준으로 GIN 곡선 생성을 위한 데이터를 생성한다(S114). 이때, 상기 주입재 주입시 상기 GIN 커브를 따라 주입하지 않고, 박스형으로 관리하여 주입압과 주입량이 해당 심도별 주입단계에서 그 박스 안에서 이루어지도록 주입 관리를 수행하는 것이 바람직하며, 구체적인 설명은 도 14 및 도 15를 참조하여 후술하기로 한다.

다음으로, 결정된 주입압으로 주입재를 시추공에 주입하는 중에 해당 심도의 현재 주입압과 현재 주입량을 검출한다(S115).

다음으로, 상기 검출된 현재 주입압과 현재 주입량을 GIN 곡선의 주입압 및 주입량과 비교하고(S116), 현재 주입압 및 현재 주입량이 상기 GIN 곡선의 주입압 및 주입량과 일치할 때까지 주입재를 주입한다(S117).

다음으로, 상기 해당 심도가 최상위 심도인지 확인하고(S118), 최상위 심도일 때까지 전술한 S115 내지 S118 단계를 반복하여 주입재를 심도별 다단계 주입하게 된다(S119). 여기서, 주입재의 주입 전과 주입 후의 배관 장비 및 배관 시멘트에 대한 이물질 제거를 위한 세척 작업을 수행할 수 있다.

또한, 유선 또는 무선 인터넷을 통해 원거리에서 상기 b) 내지 g) 단계에서 출력되는 데이터를 확인 및 제어할 수 있고, 기설정된 주입압(P)-주입량(Q)-시간(T) 차트에 따른 다수의 기준 패턴과 현재 P-Q-T 차트를 동시에 화면으로 출력하여 관리자가 원거리에서 현재 주입 유형을 판정하고 조치할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법은, 기존의 방식으로 시공했을 때 주입량의 기복을 각 심도별로 균일한 양이 주입되도록 개선할 수 있고, 또한, 과다 혹은 과소 주입의 방지를 통해 균일한 주입범위의 생성 및 재료비용의 절감에 따른 경제성을 확보할 수 있다.

한편, 전술한 도 2의 데이터 도식을 위한 visual mode에 GIN을 적용하기 위한 프로그램 화면 구성은 다음 도 4a 및 도 4b와 같고, 화면 구성의 기능 설명은 다음의 표 2와 같다.

도 4a는 GIN 기준 설정을 나타내는 도면이고, 도 4b는 GIN 그래픽 구성을 나타내는 도면이다.

도 4a에 도시된 도면부호 ①은 GIN 설계인자 입력부로서, 적용할 주입범위, 점착력, 절리틈, JRC(절리면 거칠기 계수), 절리 갯수의 입력을 통하여 GIN값 결정 및 주수실험 및 설계를 통한 최대 주입압, 최대 주입량을 결정한다.

도 4a에 도시된 도면부호 ②는 설계인자 데이터로서, 계산된 GIN값, 최대 주입압, 최대 주입량을 기준으로 GIN 곡선 생성을 위한 데이터를 생성한다.

도 4b에 도시된 도면부호 ③은 주입압 그래프로서, 단위 주입량에 따른 실시간 압력 변동그래프를 나타낸다.

도 4b에 도시된 도면부호 ④는 q/p 그래프로서, 주입능(주입속도/주입압)과 단위 주입량 계측값을 실시간으로 표현할 수 있다.

도 4b에 도시된 도면부호 ⑤는 GIN 곡선으로서, 계산된 데이터를 통해서 표현되는 GIN 곡선을 나타낸다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법을 수행하기 위한 프로그램 운영 방법을 예시하면 도 5a 내지 도 5d에 도시된 바와 같다.

도 5a 내지 도 5d는 각각 GIN 기법 프로그램 운영 과정을 예시하는 도면으로서, GIN 기법을 이용한 그라우팅 시공관리 기법은 현장에서 관리자가 손쉽게 운영할 수 있도록 도 5a 내지 도 5d와 같은 순서로 구성된다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 상단에 [모니터링] 아이콘을 클릭하면, 즉, 도면부호 ①로 도시된 [주입경향/침투성] 아이콘을 클릭할 경우, 실시간 P-Q 모니터링 상에서 GIN 기법을 이용한 기법을 검토할 때 수시로 들어가서 검토가 가능하다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 도면부호 ②로 도시된 [모델설정] 아이콘을 클릭할 경우, 모델 설정은 GIN 범위를 등록 및 수정할 수 있으며, 현장조사 결과 및 상황에 따라서 조정할 수 있다.

도 5c에 도시된 바와 같이, 도면부호 ③으로 도시된 GIN 관리모델 [등록/수정]을 선택할 경우, 지반조사 및 현장조건에 따라서 GIN 관리모델을 등록 및 수정 할 수 있다.

또한, 도 5d에 도시된 바와 같이, [저장] 아이콘을 클릭하면 주입관리 그래프가 도시되며, 이때, 도면부호 ①은 단위주입량에 따른 실시간 압력 변동 그래프를 나타내고, 도면부호 ②는 주입능(주입속도/주입압)과 단위 주입량 계측값을 나타내며, 도면부호 ③은 GIN곡선 범위를 나타낸다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법을 수행하기 위한 초기 주입가이드는 다음과 같다.

그라우팅 설계 단계에서 최대압력 및 주입물량을 산정할 수 있으나, 이러한 요소는 주수시험을 통해서 현장의 특성을 반영한 값으로 결정되어야 한다. 주입 초기 단계에서 초기 배합비 결정이 곤란하면 W/C 2:1 값을 초기배합 조건으로 사용할 수 있다. 만일 절리틈이 좁아서 0.75㎜ 이하이며 W/C=3:1 그렇지 않고 절리틈이 상당히 넓은 경우, (1.25㎜ 이상) W/C=1:1 적용할 수 있다.

또는, 주입초기 15분간의 주입량이 주수시험 조건에서의 주입량 보다 많은 경우에는 현재 배합비가 빈배합이므로 한 단계 낮은 배합비로 변경하여야 한다.

또는, 초기 15분간의 주입량이 주수시험 조건보다 적고 주입완료가 30분 이내 발생하면 사용하는 배합조건은 부배합이므로 한 단계 낮출 수 있다. 만일 주입 30분 지나서 주입완료가 발생하면 적절한 배합조건으로 볼 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법에 따른 GIN 분석 및 시공사례로서, 댐기초 지반 암반그라우팅 시험시공 사례에 대해 설명하기로 한다.

먼저, 현장 개요로서, 댐 건설공사 중 시험시공을 실시하여 댐 본체 위치에 대해서 기초지반의 차수 및 보강공사를 위한 그라우팅 설계 및 시공기준을 도출하고자 마이크로시멘트(MC)와 보통시멘트(OPC)를 주입재로 사용하여 시험시공을 실시하였다.

다음으로, 시공계획으로서, 암반에서 주입재 유실을 최대한 방지하기 위하여 주입홀의 상태변화를 항시 관찰하여 주입하며, 주입은 하부에서 상부로 2.5m씩 step 인발하여 상향그라우팅으로 주입하고, 주입압(p), 주입속도(q), 주입시간(t)을 측정하였다.

도 6은 P-Q-T 차트(Chart)를 예시하는 도면이고, 표 3은 지층별 계측 및 GIN 적용 결과를 나타낸다. 또한, 도 7a 및 도 7b는 각각 GIN-곡선이 반영된 공사현장의 그라우팅 시공 데이터를 나타내는 도면들이고, 도 8a 및 도 8b는 각각 GIN-곡선이 반영된 공사현장의 주입능(q/p)을 나타내는 도면들이다.

도 6은 댐 공사현장의 그라우팅 시공 데이터에 일반적으로 많이 사용하는 GIN(1500)을 적용한 P-Q-T 차트(300)를 나타내고 있다. Step 1, 3, 10의 경우, GIN 경계치를 넘는 결과를 보이고 있으며, 특히, Step 1의 경우, 급격한 압력 증가 및 감소로 수압파쇄의 발생이 의심되는 상황이다. 하부에 파란색으로 도시된 주입능(q/p) 곡선과 비교해 보면, Step 1의 데이터가 가장 적절한 주입능 곡선을 보이고 있는데, 단위 주입량이 증가함에 따라 주입능 곡선은 감소하게 된다. 이것은 주입속도가 감소하거나 또는 주입압이 증가하는 양상을 반영한다. 또한, 그라우팅 주입 궤적이 GIN 경계에 도달함에 따라 점진적인 주입속도의 감소를 통해서 그라우팅을 종료하는 것이 타당하나 전술한 바와 같이 GIN 경계치를 넘어서면서 수압파쇄가 발생한 것으로 추정된다.

또한, Step 10에서는 주입압의 큰 변화가 나타나지 않고, 주입능 또한, 일정 값을 보이며 떨어지지 않는다. 이러한 경우, 가압으로 인한 절리틈이 벌어지면서 큰 절리틈으로 주입재가 지속적으로 유출되는 것으로 판단된다. 따라서 이러한 경우, 설계 주임범위까지 주입할 수 있도록 현장 배합비 변경을 통해 주입 시공을 수행하는 것이 바람직하다.

한편, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법에서 심도별 주입량을 예시하는 도면이고, 도 10은 현장계측을 통해 도출한 주입 심도별 주입량 및 GIN 그라우팅을 적용할 경우의 심도별 균일한 주입 범위를 비교하기 위한 도면이다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법은, 심도별로 Step이 구성되므로, 각 심도별 또는 스텝별 주입량을 살펴보면, 가장 깊은 심도인 첫 번째 step에서 상당히 많은 물량이 주입되고, 두 번째 step에서는 감소, 세 번째 step에서는 다시 증가하는 패턴을 보인다. 이러한 주입 결과는 그라우팅 주입에 있어 제어 주입의 개념이 없는 상태에서 첫 주입에서는 최대로 주입될 수 있는 만큼의 물량을 주입한다. 이때 주입된 그라우트는 주변 지반으로 침투되기도 하지만 2 step 위치로 역류해 주입을 전파할 수도 있다.

따라서 1 step 주입을 통해서 2 step 위치에서도 일정 부분 주입이 이루어진 상태라고 판단할 수 있다. 이러한 과정이 반복되면서 주입량의 크기가 일정한 패턴을 가질 수 있다. 이러한 패턴의 발생에 대해서는 추가 자료를 확보하여 검토할 수 있다.

GIN을 적용함으로써, 그라우팅 주입 패턴을 실시간으로 확인해가며 GIN 곡선의 범위 내에서 원활한 주입이 되도록 시공관리 된다면, 도 10에 도시된 바와 같이 기존의 방식으로 시공했을 때 주입량의 기복을 각 심도별로 균일한 양이 주입되도록 개선할 수 있고, 과다 혹은 과소 주입의 방지를 통해 균일한 주입범위의 생성 및 재료비용의 절감에 따른 경제성을 확보할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법에 따른 GIN 분석 및 시공사례로서, 지하도로 현장 암반그라우팅 시험시공 사례를 설명하기로 한다.

먼저, 현장 개요로서, GIN 기법을 적용/검증하기 위한 시험시공이 이루어진 국도 지하도로 현장으로서, 편마암이 기반암이고 대부분의 절리는 편리에 수반되는 절리로 구성되어 있다.

구체적으로, 시험위치의 시추조사 결과 그 지층분포는, 표 4에 도시된 바와 같이 지표로부터 매립층(0.0~3.0m), 풍화암(3.0~20.0m), 연암(편마암)(20~30.5m)순으로 구성되어 있다. 시험주입은 매립층을 제외한 암반구간에서 시험 주입을 실시하였다.

또한, 지표 하부 약 16m까지는 큰 절리가 눈에 띄지 않으나 16~16.4m 사이와 17.76m에서 16.25m(N72E/66SE, Set3) 16.418m(N66W/37SW, Set1),17.76 m(N20W/22SW, Random) 등의 단층 주변으로 개구성 절리들이 발달되어 있어 이들을 통한 다량의 누수 또는 출수가 예상된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따라 GIN 기법을 적용하기 위해서는 그라우팅 대상 지반내 존재하는 절리의 개수 및 틈에 대한 정보가 필요하다. 따라서 시험현장에서는 도 11a 및 도 11b에 도시된 바와 같은 시추공 영상촬영을 수행하여 요구되는 정보를 조사하였다.

도 11a 및 도 11b는 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법에서, 지반 조사를 위한 BIPS 시험장면을 예시하는 사진들이다.

도 11a 및 도 11b를 참조하면, 시추공 영상촬영은 지표면 하부 2.0m ~ 21.2m까지 영상촬영이 시행되었으며, 지하수위는 촬영범위에서 확인되지 않았으며, 지표 하 16.25m, 16.418m, 17.76m에서 상하반 암상 등의 차이로 미루어 단층으로 의심되는 절리가 확인되었으며, 불연속면 유형별 특성분석결과 불연속면은 7.904m 이후 총 50개의 불연속면이 관찰되었다. 여기서, 열린 균열은 틈이 3㎜ 이상이며 닫힌 균열은 1㎜ 이상을 의미한다. 따라서 대부분의 절리에 시멘트 그라우팅의 주입이 가능한 상태이다.

또한, 도 12는 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법에서, 현장조건을 고려한 GIN의 산정을 예시하는 도면이다.

도 12를 참조하면, 현장조사를 토대로 작성한 사전 데이터로서 각 시추공별로 적용될 GIN값을 도출하기 위한 입력값이며 요구되는 값을 입력하여 GIN 산정이 될 수 있도록 엑셀시트 상에 프로그램화 되어 있다.

한편, 도 13a 및 도 13b는 각각 본 발명의 실시예에 따른 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법을 공사현장에 적용할 경우, 제1 및 제2 단계의 P-Q-T 차트를 예시하는 도면들이고, 도 14는 도 13a에서 제1 단계의 그라우팅 시공 데이터 및 주입능을 나타내는 도면이며, 도 15는 도 13b에서 제2 단계의 그라우팅 시공 데이터 및 주입능을 나타내는 도면으로서, 도 14 및 도 15는 주입재의 주입 관리를 GIN 곡선이 대신에 박스형으로 관리하는 것을 나타낸다.

주입시험은 5m 심도별로 주입이 이루어졌으며 각 스텝별로 주입의 결과는 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같다. 구체적으로, 1 step의 주입 심도는 지하 15~10m 구간 사이이며, 이 구간에서의 주입 패턴을 보면 초기 p-Q 곡선 상에서 가파르게 증가하는 양상을 보인다. 해당 구간에서의 절리의 틈이 타이트한 것을 나타내고 있다. 또한, 해당구간의 절리 개수는 16개이며(틈 3㎜ 이상 3개, 2㎜ 이상 4개, 나머지 2㎜ 이하) 배합비(C/W 1:3)에 비해 통수 단면적이 적은 것으로 판단된다. 이때, 누적주입량이 60ℓ수준에서 p-Q 커브가 GIN 커브와 만나게 되므로 이 시점에서 배합비를 변경하여 (C/W=1:2) 주입하여 GIN 커브를 따라 갈 수 있도록 제어하면서 주입하였다. 최종적으로 주입은 0.4ℓ/min/m 시점에 도달하였을 때 중단하였다.

또한, 2 step에서는 배합비 C/W 1:2 조건에서부터 시작하였으며 완만한 p-Q 곡선을 보였다. 해당구간에서의 절리 상태는 전체 개수가 24개이며, 틈 2㎜ 이상의 절리가 1개이다. step 1에서의 주입 결과와 비교해 보면, 틈이 넓은 절리가 소수가 있는 것 보다 다소 좁은 틈의 절리가 다수가 분포하는 상태에서의 그라우팅 주입이 원만하게 이루어지는 것을 확인할 수 있었다. 특히 주입능 곡선(q/p)이 점진적으로 감소하여 '0'에 가까운 조건에서 주입이 중단되었다. 두 개의 스텝에서 총 주입 물량은 86, 125ℓ/m으로 각 스텝별 근사한 물량의 주입이 이루어졌음을 알 수 있으며, 이는 지반조건을 반영한 주입으로서 급격한 주입 물량의 변화는 발생하지 않는다.

또한, 도 14 및 도 15에 도시된 바와 같이, 상기 주입재 주입시 상기 GIN 커브를 따라 주입하지 않고, 도시된 바와 같이, 박스형으로 관리하여 주입압과 주입량이 해당 심도별 주입단계에서 그 박스 안에서 이루어지도록 주입 관리를 수행할 수 있다.

여기서 박스형의 의미는 주입재의 주입 관리를 다수의 박스형 분할영역에서 관리하는 것을 의미하며 분할영역이 개수가 많아질수록 주입 관리의 횟수 늘어나지만 효과적인 주입재의 주입 관리가 가능하게 된다. 즉, 현재 주입압과 현재 주입량의 검출횟수를 분할하여 반복 실시(박스형 관리)하는 것이라 할 수 있다.

따라서 본 발명의 실시예에 따르면, 주입재 주입시 기존의 GIN 커브를 따라 주입하기 힘들기 때문에 박스형으로 관리하여 주입압과 주입량이 해당 심도별 주입단계에서 그 박스 안에서 주입 관리를 수행함으로써, 주입을 중단 없이 연속적으로 수행할 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: 주입 플랜트
120: 주입 배관
130: 주입 펌프
140: 자동주입 시스템(AGS 스테이션)
150: 천공기
160: 모니터링부
170: 주입압-주입량 확인부
180: 시추공 촬영부
300: P-Q-T 차트

Claims (9)

1. a) 주입재가 주입될 지반에 대해 시추 조사 및 수압 시험을 수행하는 단계;
   b) 시추공의 심도별로 지층 구성 결과를 도출하는 단계:
   c) 지층 특성에 따라 심도별 GIN값을 결정하고, 심도별 최대 주입압 및 최대 주입량을 결정하는 단계;
   d) 계산된 GIN값, 최대 주입압 및 최대주입량을 기준으로 GIN 곡선 생성을 위한 데이터를 생성하는 단계;
   e) 결정된 주입압으로 주입재를 시추공에 주입하는 중에 해당 심도의 현재 주입압과 현재 주입량을 검출하는 단계;
   f) 상기 검출된 현재 주입압과 현재 주입량을 GIN 곡선의 주입압 및 주입량과 비교하는 단계; 및
   g) 현재 주입압 및 현재 주입량이 상기 GIN 곡선의 주입압 및 주입량과 일치할 때까지 주입재를 주입하는 단계를 포함하되,
   상기 e) 내지 g) 단계를 최상위 심도까지 반복하여 주입재를 심도별 다단계 주입하며,
   상기 g) 단계는, 상기 주입재 주입시 상기 GIN 커브를 따라 주입하지 않고, 현재 주입압과 현재 주입량의 검출횟수를 분할하여 반복 실시(박스형 관리)하는 박스형으로 관리하여 주입압과 주입량이 해당 심도별 주입단계에서 그 박스 안에서 이루어지도록 주입 관리를 수행하는 것을 특징으로 하는 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 c) 단계는 주입범위, 점착력, 절리틈, JRC(절리면 거칠기 계수), 절리 갯수의 입력을 통하여 GIN값을 결정하는 것을 특징으로 하는 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 c) 단계의 GIN 값은, GIN = p × V (p: 시험 주입시 주입 중단된 지점의 주입압, V: 단위 누적 주입량)로 주어지는 것을 특징으로 하는 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   유선 또는 무선 인터넷을 통해 원거리에서 상기 b) 내지 g) 단계에서 출력되는 데이터를 확인 및 제어하는 것을 특징으로 하는 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법.
8. 제7항에 있어서,
   기설정된 주입압(P)-주입량(Q)-시간(T) 차트에 따른 다수의 기준 패턴과 현재 P-Q-T 차트를 동시에 화면으로 출력하여 관리자가 현재 주입 유형을 판정하고 조치할 수 있는 것을 특징으로 하는 GIN 기법을 이용한 심도별 다단계 주입재 주입 방법.
9. 삭제

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