KR101500667B1 - 강관 그라우팅 장치와 이를 이용한 터널 선진 보강 및 차수 그라우팅공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 천공홀 내부에 잔존하는 공기량과 설계주입량으로 지반침투 주입하기보다는 공기를 외부로 배출시키고 주입재만 주입함으로써, 공기량을 지반에 주입하는 양에 해당하는 주입시간을 단축하도록 한 강관 그라우팅 장치와 이를 이용한 터널 보강 및 차수 그라우팅 공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치는 일정한 직경 및 길이를 갖고, 내외가 관통되도록 일정한 크기를 갖는 분사공이 형성된 강관과; 상기 강관의 내주면에 삽입됨과 동시에 일정한 두께를 갖는 원형 구조체로 형성되고, 상기 원형 구조체의 외주면에 다수개의 절취부가 형성된 간격재와; 상기 간격재의 절취부에 삽입되는 다수개의 일단이 막힌 주입관, 공기배출관으로 구성됨을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 이용한 터널 보강 및 차수 그라우팅 공법은 대상지반을 일정한 직경 및 깊이로 천공하여 천공홀을 형성하는 단계; 상기 천공홀에 강관 그라우팅 장치를 삽입하는 단계; 상기 천공홀 입구와 강관 그라우팅 장치 사이의 틈새를 밀폐시키도록 코킹재로 코킹하는 단계; 상기 강관 그라우팅 장치에 주입재를 삽입하여 천공홀과 강관 그라우팅 장치 간을 그라우팅하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

강관 그라우팅 장치와 이를 이용한 터널 선진 보강 및 차수 그라우팅공법{steel pipe grouting device and tunnel reinforcement andbarrier grouting method using this}

본 발명은 강관 그라우팅 장치와 이를 이용한 터널 선진 보강 및 차수그라우팅공법(일명, "TMG공법"이라 함)에 관한 것이다.

일반적으로 강도가 낮고 자립도가 낮은 지반에서의 터널 굴착을 수행하는 경우 또는 지하수위가 높아 지하굴착시 지하수 배출에 따른 주변지반의 침하가 예상되거나 연약지반으로 인해 굴착시 지반의 이완영역이 넓은 경우 등은 지하구조물 및 인접구조물의 안전성을 확보하기 위하여 굴착공법과 병행하여 적절한 보조공법을 사용한다.

이러한 보조공법 중에서 전 세계적으로 많이 사용되는 공법으로 주입공법을 들 수 있다.

상기한 주입공법은 철도 및 인근 고층건물 등에 의한 상재하중이 큰 경우 또는 투수 계수가 낮은 실트, 점토층이나 점토질층이 협재해 있는 암반에서는 효용성을 기대하기가 매우 어려우며, 특히 기존의 주입공법은 주입재가 일반적으로 저강도이므로 차수 효과는 있으나 보강효과는 크게 발휘되지 못하고 있는 실정이다.

한편, 보조공법으로 많이 이용되는 타공법으로 파이프 루프공법을 들 수 있다.

파이프 루프 공법은 주로 터널굴착에 선행하여 터널 예정 단면 주변 위 소위 수평시추방식에 의한 소구경관을 일정간격으로 천공, 설치하고 일련의 파이프 루프를 형성시켜 지반의 이완 및 지압의 확대 등을 미리 방지해 나가는 공법이기 때문에 다른 시공법에 비해 지하구조물에 대한 안정효과가 큰 것으로 알려져 있다.

이러한 파이프 루프 공법은 현장조건에 따라 강관을 연결하는 방법과 분리하는 방법으로 크게 구분되어 사용되는데 연결하는 상재하중 지지효과는 크지만 시공이 어렵고, 공사비가 매우 비싼 단점이 있다.

따라서 최근 국내에서는 강관 분리방법이 많이 이용되는데 이러한 강관 분리방법은 강관과 강관 사이의 간격이 최소 20㎝에서 최대 1m 이상을 유지하고 있으므로 차수 효과를 기대할 수가 없으며, 특히 지반이 연약하여 강관 사이로 지반의 이동이 터널굴착과 함께 급진전하는 경우에는 공법의 효용성을 크게 기대하기는 어렵다.

따라서 국내 터널시공현장에서는 주입공법을 1차로 수행하여 터널 주변을 차수시킨 후에 막장안정을 위해 파이프 루프 공법을 추가로 적용하는 2단계 시공방법을 채택하고 있다.

그러나 이와 같은 경우는 2단계 공사종류에 따른 공기지연 및 공비 과다 문제가 크게 대두되고 있다.

또한, 상기한 바와 같이 주입관으로 강관을 사용하면 터널굴착시 굴착선(Pay Line) 내부에 발파시 저해가 되고, 터널 굴착시 장비에 걸려서 쉽게 상차가 되지 않고 천공시 비트가 주입관에 접촉되어 걸리면 장비고장과 함께 안전사고가 발생된다.

이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 등록특허 10-1394985호 터널 그라우팅 장치를 이용한 터널 보강공법이 제안되었다.

상기한 종래의 터널 그라우팅 장치를 이용한 터널 보강공법은 도 1 내지 도 5e에 도시된 바와 같이, 터널(T)의 소정의 위치를 일정한 길이 및 직경으로 천공하여 천공홀(H)을 형성한 후, 상기 천공홀(H)에 일정한 두께를 갖는 원형 구조체로 구성되고, 상기 원형 구조체의 외주면 네 군데 또는 다섯 군데가 절취형성되는 폴리에틸렌 주입관 삽입공(310), 공기배출관 삽입공(320), 실링용 충전재 주입관 삽입공(330)이 형성된 평와셔(300)와; 상기 평와셔(300)의 공기배출관 삽입공(320)에 삽입되는 공기배출관(320)과; 상기 평와셔(300)의 폴리에틸렌 주입관 삽입공(310)에 삽입되는 폴리에틸렌 주입관(500)과; 상기 평와셔(300)의 실링용 충전재 주입관 삽입공(330)에 삽입되는 실링용 충전재 주입관(600)으로 구성되고, 상기 평와셔(300)는 다수 겹의 지류로 구성되며, 상기 폴리에틸렌 주입관(500)은 Φ15∼30㎜, t=2.0㎜, L= 7∼27m로 구성되고, 각각의 폴리에틸렌 주입관(500)은 그 길이가 상이하도록 구성되며, 상기 폴리에틸렌 주입관(500)에 주입재 토출공(510)이 다수 개 천공 형성된 터널 그라우팅 장치(G)를 삽입 및 장착한 후, 상기 천공홀(H)의 터널 그라우팅 장치(G)가 삽입된 입구를 코킹재(C)로 코킹한 후, 상기 터널 그라우팅 장치(G)의 폴리에틸렌주입관(500)을 통해 우레탄 또는 시멘트밀크를 주입하면서 공기배출관(320)을 통해 공기가 배출되는 것을 확인하면서, 천공홀(H)에 우레탄 또는 시멘트밀크를 주입 및 양생하여 시공하되, 상기 평와셔(300)에 코킹액을 발라서 건조시킨 후, 상기 평와셔(300)의 사용시에 물을 묻혀서 사용하며, 상기 평와셔(300) 사이에 헝겊으로 동일규격으로 만들어 코킹액을 발라서 끼워 넣어 코킹재(C)로 사용하며, 상기 천공홀(H)에 코킹재(C)를 삽입할 때 물을 뿌려서 삽입하면 코킹재(C)가 팽창되면서 상기 천공홀(H)을 꽉 끼게 하도록 하면서 시공함을 특징으로 한다.

상기한 바와 같은 구성 및 단계로 이루어진 종래의 터널 그라우팅 장치를 이용한 터널 보강공법은 터널의 지반 내부를 차수 및 보강시 천공홀에 터널 그라우팅 장치를 삽입하고, 상기 터널 그라우팅 장치의 폴리에틸렌 주입관을 통해 우레탄 또는 시멘트밀크를 주입하여 천공홀을 주입함으로써, 지반 내부를 밀실하고 확실하게 차수 및 터널 지반 내부를 견고히 보강하는 효과가 있고, 우레탄 또는 시멘트밀크가 천공홀과 강관 주변을 주입하면서 공기배출관(320)을 통하여 공기를 배출함으로써, 지반 내부를 밀실하고, 충실하게 그라우팅하는 효과가 있다.

그러나 상기한 바와 같은 구성 및 단계로 이루어진 종래의 터널 그라우팅 장치를 이용한 터널 보강공법은 먼저 설계적용된 시멘트밀크 또는 우레탄은 침투주입되어야 하는데 공기가 먼저 주입되고 그 후에 시멘트밀크 또는 우레탄이 침투 주입함으로써 지반이 압밀되어 공극의 균열부위는 공기가 자리를 잡아 정작 주입이 되어야 할 시멘트밀크 또는 우레탄과 같은 주입재는 침투주입이 되지 않아서 주입시간이 오래 걸리면서 최종시간까지 연장되는 공사기간과 관련이 있어서 무리하게 고압 주입하여 할렬 맥상주입하여 에어 포켓을 발생시키고 지반을 이완시켜 균열이 발생하여 사고의 원인을 제공하는 문제가 있다.

등록특허 10-1394985호(등록일: 2014.05.08)

이에, 본 발명은 상기한 바와 같은 제문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 천공홀 내부에 잔존하는 공기량과 설계주입량으로 지반침투 주입하기보다는 공기를 외부로 배출시키고 주입재만 주입함으로써, 공기량을 지반에 주입하는 양에 해당하는 주입시간을 단축하도록 한 강관 그라우팅 장치와 이를 이용한 터널 보강 및 차수 그라우팅 공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치는 일정한 직경 및 길이를 갖고, 내외가 관통되도록 일정한 크기를 갖는 분사공이 형성된 강관; 상기 강관의 내주면에 삽입됨과 동시에 일정한 두께를 갖는 원형 구조체로 형성되고, 상기 원형 구조체의 외주면에 다수개의 절취부가 형성된 간격재와; 상기 간격재의 절취부에 삽입되는 다수개의 일단이 막힌 주입관, 공기배출관으로 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 이용한 터널 선진 보강 및 차수 그라우팅 공법은 대상지반을 일정한 직경 및 깊이로 천공하여 천공홀을 형성하는 단계; 상기 천공홀에 강관 그라우팅 장치를 삽입하는 단계; 상기 천공홀 입구와 강관 그라우팅 장치 사이의 틈새를 밀폐시키도록 코킹재로 코킹하는 단계; 상기 강관 그라우팅 장치에 주입재를 삽입하여 천공홀과 강관 그라우팅 장치 간을 그라우팅하는 단계로 이루어짐을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치와 이를 이용한 터널 보강 및 차수 그라우팅 공법은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 본 발명은 천공홀 내부에 잔존하는 공기량과 설계주입량으로 지반침투 주입하기보다는 공기를 외부로 배출시키고 주입재만 주입함으로써, 공기량을 지반에 주입하는 양에 해당하는 주입시간이 단축된다.

둘째, 본 발명은 주입재 주입관을 평균적으로 3개를 사용하여 길이를 달리하여 삽입하여 주입범위를 설정하여 해당하는 주입재 주입관의 주입범위에 분사공을 네 방향으로 설치하여 주입시 동시에 주입재 주입관으로 저압침투주입하면 균등하게 주입재의 침투주입이 이루어진다.

셋째, 본 발명은 시공시간을 실측한 결과 종래의 TAS공법으로 소구경 1공 시공시 60분으로 시공하면 4개월 공기이지만 본 발명의 TMG공법으로 시공하면 공기배출과 동시 주입에 15분의 시간이 단축되어 3개월 시공으로 1개월의 기간단축 효과가 있다.

도 1은 종래의 터널 그라우팅 장치를 도시한 예시도,
도 2a 및 2b는 종래의 터널 그라우팅 장치를 도시한 평면도,
도 3a 및 3b는 종래의 터널 그라우팅 장치의 평와셔를 도시한 사시도,
도 4는 종래의 터널 그라우팅 장치로 터널을 보강한 상태를 도시한 종, 횡단면도,
도 5a 내지 5e는 종래의 터널 그라우팅 장치로 터널을 보강하는 상태를 도시한 공정도,
도 6은 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 도시한 사시도,
도 7은 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 도시한 단면도,
도 8은 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 도시한 분해 사시도,
도 9는 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치의 확공비트를 도시한 예시도,
도 10a 내지 도 10f는 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 이용하여 터널을 보강 및 차수하는 과정을 도시한 공정도,
도 11a 내지 도 11e는 본 발명에 따른 직천공 강관 그라우팅 장치를 이용하여 터널을 보강 및 차수하는 과정을 도시한 공정도.

이하, 본 발명을 첨부한 예시도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 도시한 사시도이고, 도 7은 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 도시한 단면도이며, 도 8은 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 도시한 분해 사시도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치(A)는 일정한 직경 및 길이를 갖고, 내외가 관통되도록 일정한 크기를 갖는 분사공(110)이 형성된 강관(100)과; 상기 강관(100)의 내주면에 삽입됨과 동시에 일정한 두께를 갖는 원형 구조체(210)로 형성되고, 상기 원형 구조체(210)의 외주면에 다수개의 절취부(220)가 형성된 간격재(200)와; 상기 간격재(200)의 절취부(220)에 삽입되는 다수개의 일단이 막힌 주입관(310), 공기배출관(320)으로 구성된다.

즉, 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치(A)는 강관(100), 간격재(200), 주입관(310) 및 공기배출관(320)이 유기적으로 결합되어 이루어진 장치이다.

여기서, 상기 강관(100)은 도 8에 도시된 바와 같이, 일정한 직경 및 길이를 갖고, 내외가 관통되도록 일정한 크기를 갖는 분사공(110)이 형성된 관으로서, 상기 강관(100)의 일측단에 굴착비트(120)가 고정 설치되고, 타측단에 원주방향을 따라 다수개의 확장천공팁(130)이 용접 설치된다.

또한, 상기 간격재(200)는 도 8에 도시된 바와 같이, 일정한 두께를 갖는 원형 구조체(210)로 형성되고, 상기 원형 구조체(210)의 외주면에 다수개의 절취부(220)가 형성된 구조이다.

상기 절취부(220)에는 다수개의 폴리에틸렌 주입관(310)과, 공기배출관(320)이 삽입된다.

그리고, 상기 폴리에틸렌 주입관(310)과 공기배출관(320)은 Φ15∼30㎜, t≒1.8㎜, L= 7∼27m의 세 개 내지 다섯 개로 구성되고, 각각의 폴리에틸렌 주입관(310)은 그 길이가 상이하도록 형성된 구조이다.

또한, 상기 각각의 폴리에틸렌 주입관(310)에 메인주입장비를 물려서 주입량과 압력과 주입시간을 관리하면서 터널 내 주입구역에는 동시에 주입한다.

이는 터널에 주입재를 분사시키는 위치에 따라 폴리에틸렌 주입관(310)의 길이를 다르게 하여 주입재의 분사를 용이하게 하기 위함이다.

그리고 상기 공기배출관(320)은 강관 또는 폴리에틸렌관으로 구성된다.

한편, 상기 공기배출관(320)의 노출되는 선단에는 도 10f에 도시된 바와 같이, 공기배출의 유무를 확인하는 공기배출량계측기(400)가 고정 설치된다.

즉, 상기 공기배출량계측기(400)는 매 막장마다 1회씩 천공홀(H)에서 강관 그라우팅 장치(A) 삽입 후, 코킹함으로써 천공홀(H)내에 갇혀있는 공기를 배출시키도록 하기 위하여 공기배출관(320)의 노출되는 선단에 연결하여 공기배출량계측기(400)에서 디지털을 사용하여 기록지로써 정량적으로 공기배출량을 계측한다.

또한, 필요에 따라 육안으로 공기배출량을 검측하기 위하여 공기배출관에 고무풍선을 달아서 정성적으로 계측한다.

특히, 공기배출량 계측시 천공홀(H)에 갇혀있는 공기와 물과 주입재 중에서 물과 혼합하여 슬라임으로 배출되는 주입재를 소규모의 탱크를 경유하여 통과량에 따른 전체의 주입재 배출량을 측정하고, 지반에 주입하는 실주입량을 계측토록 한다.

여기서, 상기 공기배출량계측기(400)는 탱크, 가스계량기, 유량계량기, 디지털모니터, 고무풍선 외 각종 직관과 연결관 밸브 등으로 구성된다.

여기서, 상기 공기배출량계측기(400)는 강관(100)의 공기배출관(320)과 연결하여 천공홀(H) 내에 갇혀 있는 공기 전량을 공기배출량계측기(400)를 전량 배출확인하여 천공홀(H)내를 완전 밀실하게 주입재가 충전되게 침투주입을 확인하면서 그라우팅한다.

이하, 상기한 바와 같은 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치(A)를 이용한 터널 보강 및 차수에 대해 설명한다.

도 10a 내지 도 10f는 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 이용하여 터널을 보강 및 차수하는 과정을 도시한 공정도이며, 도 11a 내지 도 11e는 본 발명에 따른 직천공 강관 그라우팅 장치를 이용하여 터널을 보강 및 차수하는 과정을 도시한 공정도이다.

이들 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 이용한 터널 보강 및 차수공법은 대상지반(G)을 일정한 직경 및 깊이로 천공하여 천공홀(H)을 형성하는 단계; 상기 천공홀(H)에 일정한 직경 및 길이를 갖고, 내외가 관통되도록 일정한 크기를 갖는 분사공(110)이 형성된 강관(100)과; 상기 강관(100)의 내주면에 삽입됨과 동시에 일정한 두께를 갖는 원형 구조체(210)로 형성되고, 상기 원형 구조체(210)의 외주면에 다수개의 절취부(220)가 형성된 간격재(200)와; 상기 간격재(200)의 절취부(220)에 삽입되는 다수개의 일단이 막힌 주입관(310), 공기배출관(320)으로 구성되고, 강관(100)의 막장쪽 일측단에 굴착비트(120)가 고정 설치되고, 입구쪽 타측단에 원주방향을 따라 다수개의 확장천공팁(130)이 용접 설치되며, 상기 공기배출관(320)의 노출되는 선단에 공기배출의 유무를 확인하는 공기배출량계측기(400)가 고정 설치된 강관 그라우팅 장치(A)를 삽입하는 단계; 상기 천공홀(H) 입구와 강관 그라우팅 장치(A) 사이의 틈새를 밀폐시키도록 코킹재(C)로 코킹하는 단계; 상기 강관 그라우팅 장치(A)에 주입재(M)를 삽입하여 천공홀(H)과 강관 그라우팅 장치(A) 간을 다수개의 주입관(310)으로 동시 그라우팅하는 단계로 이루어진다.

즉, 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 이용한 터널 보강 및 차수 그라우팅 공법은 천공홀(H)을 형성단계; 강관 그라우팅 장치(A) 삽입단계; 코킹단계; 그라우팅 단계를 순차적으로 시행하여 터널을 보강 차수함을 특징으로 한다.

여기서, 상기 천공홀(H)을 형성단계는 확장천공과 일반천공으로 구분하여 시행한다.

먼저, 확장천공에 대해 설명하면 천공은 분당회전수(rpm)에 비례하여 시공속도가 정해진다.

확장천공은 강관(100)을 삽입하기 이한 최소의 구경으로 천공하는 것과 확실한 천공홀(H) 입구의 코킹을 위한 필요구간에 확장천공한다.

구경 최소화 천공을 위하여 재천공보다 1회 천공(시작부터 종료까지 쉬지 않고 막장까지 한번에 천공하는 것)으로 시공성이 우수하고 시공속도가 빠르고 경제적이기 때문에 천공홀(H) 입구측으로부터 1m 이내를 확장 천공한다.

일반적인 천공은 강관(100)과 천공홀(H)의 간격이 약 30∼40mm 여유있게 천공한다.

일반적인 직천공은 Φ114.3㎜ 강관(100) 천공시 Φ122㎜의 굴착비트(120)를 사용함으로써 유격이 발생하여 Φ125㎜ 천공된다.

협소한 공간에 천공홀(H) 입구에서 약 1m 구간을 천에 우레탄이나 시멘트페이스트를 묻혀서 쇠꼬챙이로 밀어넣어 코킹한다.

실제는 유격거리가 Φ125㎜-Φ114.3㎜=Φ10.7㎜는 협소하여 코킹할 수 없다.

따라서 강관(100) 천공시 천공홀(H) 입구 1m 이내 대구경 Φ114.3㎜는 Φ135∼150㎜가 될 수 있도록 확장 천공하고, 소구경 Φ60.5㎜는 천공홀(H) 입구 1m 이내 Φ85∼100㎜ 확장 천공한다.

천공된 천공홀(H) 입구에서 50∼100㎝ 코킹하기 위하여 1m 지점에 천공 로드 외경에 확장천공팁(130)을 용접하여 부착 설치한다.

소ㆍ대구경 확장천공팁(130) 크기는 1∼2㎝×1∼2㎝를 사용하며, 상기 확장천공팁(130) 설치위치는 강관(100) 외경에 천공홀(H) 입구 기준으로 1m 지점에 4∼6개소를 등간격으로 배치하여 용접하여 부착 설치한다.

또 다른 방법으로 충전 그라우팅할 경우에는 직천공시 협소한 부위인 천공홀(H) 입구에 코킹이 어려워서 천공홀(H)과 삽입된 강관(100) 사이의 천공홀(H) 입구측에 급결성 시멘트모르타르를 깊이 10cm 이내 바른 후 무압력으로 천공홀(H) 입구에서 1m까지 공기배출관(320)을 사용하여 충전 그라우팅한다.

이렇게 할 경우에는 밀실하게 천공홀(H) 입구의 코킹이 이루어진다.

또한, 일반천공 후 12m 강관(100)을 해체하고 대형 확장천공팁(130)으로 교체하여 천공홀(H) 입구 1m를 재천공하여 확장천공하는 공정 대신에 미리 강관(100)에 확장천공팁(130)을 부착하여 확장천공하는 것이 2회 천공의 효과가 발현되는 것이다.

상기한 확장천공팁(130) 사용시 이익은 코킹이 쉽고, 천공속도가 빠르며, 시공(주입)속도가 빠르며, 충전을 확인할 수 있고, 확실한 충전과 주입으로 인하여 지반의 안정성이 우수하다.

특히, 상기한 확장천공팁(130)을 이용한 확장천공은 직천공에서 필히 사용하며, 일반적인 강관그라우팅은 강관(100) 삽입 후 누수가 되지 않는 구간에서 소ㆍ대구경의 강관(100)보다 30∼40mm 크게 천공하여 코킹을 하며, 강관(100) 삽입 후 누수가 되거나, 천공홀(H) 입구에 코킹이 어려울 경우에는 급결시멘트로서 모르타르를 발라서 충전그라우팅을 한다.

한편, 일반적으로 직천공은 강관(100) 삽입과 동시에 천공함으로써 천공완료시 굴착비트(120)가 매몰된다.

터널 천공시 천공홀(H)에서 누수가 발생되지 않는 구간에서 천공시 슬라임이 천공홀(H)의 측벽의 요철면과 절리 공극 부위에 코팅하여 막을 형성함으로써 천공 도중은 당연하고 일시적으로 천공홀(H)이 붕락이 되지 않는다.

터널 천공후 천공홀(H)에 강관(100) 삽입시 붕락 우려가 있고 누수구간이 많거나 커서 지하수 유출로 인하여 강관(100)의 삽입이 곤란할 경우에는 직천공하게 된다.

일반적인 천공은 천공수를 사용하여 천공하거나 공기를 사용하여 천공한다.

누수발생구간은 천공홀(H)의 붕락의 위험이 있다.

그러한 경우는 터널 내에서 차수그라우팅으로 누수가 발생되지 않도록 선시공한다.

직천공은 천공시 강관(100) 내부에서 천공한 굴착비트(120)는 회수되고, 매몰될 강관(100)에 부착된 굴착비트(120)는 비트 매몰형 방식과 천공시 굴착비트(120)를 회수할 목적으로 강관(100)을 밀어 넣으면서 천공 완료 후 내부의 굴착비트(120)를 회수하는 비트 회수형 방식이 있다.

상기한 두 방식은 코킹과 보강 및 차수그라우팅시 동일한 효과가 발현됨으로 직천공시 어느 하나의 방식에 구애받을 필요성은 없다.

이어서, 강관(100) 그라우팅 장치(A) 삽입단계로 대구경강관(100)은 강관(100)의 직경이 Φ114.3㎜, t=5∼6mm이며 소구경강관(100)은 강관(100)의 직경이 Φ60.5㎜, t=3∼4mm이며, 구조용강관(100) 또는 이와 동등 이상의 보강효과를 발휘하는 재료의 관으로 사용할 수 있다.

여기서, 상기 강관(100)의 길이는 12m로써 사용시 6m마다 시공하여 중첩길이는 6m로서 2중첩하여 통상적으로 사용하지만 굴착면의 지반상태 및 단면크기에 따라 안정성을 고려시 4m 마다 시공하여 중첩길이 8m로써 3 중첩하여 적용한다.

직천공관은 막장부위의 강관(100)에 굴착비트(120)가 부착되고 입구측에는 확장천공팁(130)이 설치되어 있다.

강관(100)에는 일정 거리에 맞춰 규격에 맞는 분사공(110)이 설치된다.

터널의 천공과 동시에 삽입되는 강관(100) 내부에는 간격재가 설치되고, 상기 간견재에 주입관 2∼3개와 공기배출관 1개가 설치된다.

여기서, 상기 강관(100)은 단관으로 길이가 12m 이상 연장 사용시는 커플링을 사용한다.

한편, 상기 강관(100)내의 공기배출관 설치위치는 주입관의 크기와 수량을 감안하여 소구경 강관(100)은 외측에 대구경 강관(100)은 내측의 간격재에 설치한다.

강관(100)내의 간격재에 공기배출관의 삽입을 원칙으로 하지만 부득이 모든 주입관 및 공기배출관을 강관(100) 내의 간격재에 삽입시 협소할 경우에는는 강관(100) 외주면에 설치할 수도 있음을 밝혀둔다.

이어서, 코킹단계는 두 가지 방법이 있는데, 첫째 방법은 천공홀(H) 입구에 강관(100)과 주입관 및 공기배출관으로 구성된 강관(100) 그라우팅 장치(TMG강관(100))을 삽입하고, 천공홀(H)의 입구에 코킹을 위하여 급결성 모르타르로써 바르고, 코킹은 주입재가 천공홀(H) 입구에서 역류되지 않게 1m 이내 무압력으로 공기배출관을 이용하여 공기를 배출시키면서 코킹용 충전 그라우팅한다.

침투주입의 확산 폭에 비례하여 코킹의 길이가 결정되며, 통상 천공홀(H) 입구에서 50∼100cm 코킹한다.

한편, 둘째 방법은 터널 직천공홀(H)의 코킹시 20∼40mm의 이격이 있게 천공이 되어야 코킹할 수 있다.

현재 약 10mm의 유격으로 협소하여 50∼100cm를 코킹재를 골고루 압밀되게 밀어 넣을 수 없다.

밀실코킹이 되지 않아 지반에 침투주입하는 것이 아니라 천공홀(H)에 충전하는 파이프 루프공법을 하는 것과 같이 시공하고 있는 실정이다.

천공홀(H) 입구에 짧게 떡을 발라 코킹함으로 밀실 침투주입을 위하여 압력 주입할 수 없어 충전만 하는 실정이다.

그래서 강관(100)과 천공홀(H) 사이 코킹을 위하여 확장천공한 부위에 코킹하는 방법과 코킹그라우팅을 위한 충전 그라우팅을 한다.

한편, 강관(100) 내부에 주입관들 사이 코킹하기 위하여 역류방지콘을 설치한다.

코킹은 코킹그라우팅을 위한 충전그라우팅을 정량주입하여야 하며, 인접공에서 강관 그라우팅시 주입재가 유출되면 주입을 중단하게 되므로 그 정도의 범위 내로 코킹한다.

여기서, 상기 역류방지콘은 록 볼트의 코킹용으로 주입재 역류방지캡과 같은 용도로 사용하며 충전의 효과를 향상시키려고 코킹을 위하여 사용한다.

즉, 상기 강관(100) 보강 그라우팅시 내부에는 역류방지콘 설치와 주입관 2-3개와 공기배출관 1개를 강관(100) 내부에 설치하며, 역류방지콘이 빠지지 않게 역류방지콘의 표면은 고무링이 여러 줄로서 돌출되어 있어야 압력 주입시 지탱하게 코킹 마감처리를 잘하여야 한다.

또한, 마개설치는 직천공은 직천공 강관(100)의 막장 끝 부분에 주입재가 흘러나오지 못하게 마개 설치가 필수적이며, 주입재가 분사공(110)을 경유하여 지반에 주입되도록 하여야 한다. 마개는 임의의 재료로서 막아주기만 한다면 된다.

현재는 5cm 두께 관의 내경보다 약간 작게 제작하여 공기배출관과 주입관의 끝과 결속하여 막장까지 밀어 넣어 고정한다.

마개가 없으면 분사공(110)이 필요 없으며, 주입시 없는 마개부위로 주입재가 전량 들어가서 약한 지반에 집중적으로 다량 할렬 맥상주입이 되므로 골고루 침투주입이 되지 않는 단점이 있다.

이어서, 그라우팅단계는 천공홀(H) 내에 주입의 효과를 향상시키려고 실링하는 경우는 실링재가 빨리 고결하지 않게 하기 위하여 벤토나이트를 사용하여 양생 시간을 지연시키고 강도를 저하시키고 있다.

실링 충전시 공기배출관이 없어서 충전이 원만히 되지 않고 있으며, 실링재도 지반 주입재와 동등의 강도를 가져야 지반보강 그라우팅용으로 사용할 수 있음으로 완결제를 사용하면서 시멘트량을 늘리고 물의 양을 줄여서 개선해야 한다.

직천공시 확장천공하지 않고 천공홀(H)과 강관(100) 사이가 협소한 구간에서 코킹을 할 경우는 입구측 코킹은 시멘트 급결 모르타르를 사용하여 떡 바르고 공기배출관을 사용하여 주입관 1m 이내 충전그라우팅하여 확실한 코킹하여야 한다.

이렇게 하지 않을 경우는 필히 확장천공해야 코킹할 수 있다.

동시주입은 다단주입과 같은 단계를 구분하여 주입관을 설치하여 2-3개의 관을 동시에 주입한다.

이 점의 우수성은 아래와 같다.

대형장비 1대에서 분배기를 3개의 관에 설치하여 동시주입하면서 3개의 주입관마다 주입상태를 관리한다.

도달거리 1개소 다단주입시 대구경은 3개소 4m 마다 소구경은 2개소 6m 마다 분사될 수 있게 설치하며, 입구측은 주입량이 과다 주입되고 말구측은 주입량이 과소 주입됨으로 주입관과 주입구의 번호를 매기고, 분사공(110)의 크기와 거리 배치를 적정하여 하여, 전 구간이 균등 주입될 수 있게 한다.

그라우팅시 가압하면 침투력이 발생하면서 공기가 있었던 그 곳에 주입재가 채워진다.

그 공기는 어느 한 곳에서 에어포켓이 발생한다.

주입대상 체적의 주입입자가 작으면 당연히 침투력이 좋은 고가의 마이크로 입자의 시멘트 재료를 사용하면 당연히 주입효과가 우수하다.

강도에 저해가 되는 지중에 공기, 물, 강도 없는 주입재 등으로 할렬 맥상 주입시 지반에 안정성에 큰 문제가 발생한다.

즉, 지반보다 우수한 성능이 있는 재료를 주입해서 결집시키면 고강도의 지반이 되어 안정성이 있게 된다.

참고로 동시주입과 다단주입의 차이점은 일반적인 주입은 주입장비 1대와 주입과 1개소와 연결하여 주입하는 것이고, 동시주입은 주입장비 1대로 주입관 2-3개소를 W자 Y자로 연결하여 동시(한꺼번)에 주입하는 것 또는 주입장비 2-3대로서 주입관 2-3개소를 각각 연결하여 동시에 주입하는 것이며, 다단주입은 주입장비 1대를 사용하여 주입구 1개소를 패커를 사용하여 12m 강관(100)을 3-4회로 구분하여 단계별로 3-4회에 걸쳐 막장부위부터 순차적으로 입구쪽으로 단계별 주입하는 것이다.

단일 또는 다단주입은 1단구간 주입 후 패커의 공기를 빼면서 뒤로 인발해서 2단구간에 공기를 주입하면서 패커를 설치한 후 2단 주입하며, 이렇게 3, 4단 구간을 3-4회 주입하는 것이다.

동시주입에 비하여 약 3-4배 주입시간이 소요된다.

강관(100)과 천공홀(H) 내 충전하는 시간은 주입시간에 미미하다.

지반에 침투주입 시간이 주입량에 비례하여 소요되며, 주입시간 차이가 다양하게 발생한다.

침투주입은 침투거리까지 도달하여 젖어들 듯이 주입해야 함으로써 주입재가 도달한 후에도 조 세골재 미세입자까지 공극을 충전하는 시간이 곡선비례로 대단히 많이 소요된다.

압력 주입시 맥상 할렬 주입되어 꼭 필요한 부위에 침투 주입되지 않고 외부로 빠져나가 에어포켓이 발생하지 않게 주입하기 위해서는 필요 이상으로 주입시간이 많이 소요된다.

처음 주입시 속도가 빠르지만 점차 주입속도가 늦어진다.

주입량이 정량되고 주입압력이 정압주입으로써 1.0MPa 이하로 설계되어 있는데 추가로 공기량 만큼은 주입량을 주입한다면 주입속도가 매우 늦어지며 많은 주입시간이 소요된다.

고압력 1.5MPa으로 가압주입하게 된다. 악순환을 거듭하게 된다.

공기배출관은 상향은 막장까지 하향은 입구에 설치한다.

코킹을 위한, 충전그라우팅시 사용하고, 지반침투그라우팅시에 사용한다.

단일 또는 다단주입시 공기량은 강관(100) 내부의 부피가 지반에 주입되는데 다단의 양은 1단주입시 4구간 3m의 공기량, 2단주입시 3, 4구간 3+3=6m의 공기량, 3단주입시 2,3,4 구간 3+3+3=9m의 공기량, 4단주입시 1,2,3,4구간 2+3+3+3=11m의 공기량으로 합계29m의 대구경 강관(100)의 공기량 V=(114.3-6*2)2*Φ이/4*28=240ℓ이며, 동시의 공기량은 강관과 천공홀 사이를 실링할 경우에는 강관(100) 내부의 부피가 지반에 주입되는데 그 양은 합계 12m의 대구경 강관(100)의 공기량 V=(114.3-6*2)2*Φ/4*12=100ℓ, 실링하지 않는 경우는 공기량 V=(150X150XΦ/4-강관부피)X12m=212ℓ이며, 압력주입시 지반에 공기가 잔류하면서 압력을 받으면 점차 분산된다.

그러나 어느 순간 지반이 압밀현상으로 이완되고 균열이 발생되면서 에어포켓이 발생한다.

* 녹색 산소병의 산소 용량이 6m3로서 압축력이 15MPa이며, 실제용량은 40ℓ이다.

공기압축이 되어 에어포켓 형성 시 누수유로가 되어 차수가 되지 않고, 지반에 압력이 크게 작용하여 변위가 발생하여 차후에 위험이 도래한다.

천공홀(H)내의 충전 완료여부를 판별하는 데는 공기배출 완료시 주입재가 배출됨이 확인 즉시 공기배출구를 체결하면서 본 주입이 실시된다.

공기배출관이 설치된 강관(100)선진보강차수그라우팅은 천공홀(H) 내의 공기는 주입시 분산되어 있는 분사공(110)를 경유하여 강관(100)과 천공홀(H) 사이 상호 연결되어 공기배출관을 통하여 외부로 배출된다.

천공후 강관(100) 삽입시 상향은 공기배출관을 길게 하향시는 공기배출관을 짧게 설치한다.

직천공 또는 천공 후 강관(100) 삽입하여 시공할 때 단관이든 이중관이든 간에 필히 공기배출관이 설치되어야 한다.

직천공 강관(100)그라우팅과 일반강관(100) 동시주입은 공기배출시스템이 없어 충전그라우팅이 되지 않고, 다단주입은 역류현상과 공기량을 전량 지반에 주입하고 있다.

다단주입은 별도의 공기배출관을 삽입하면 패커 사용시 지장이 되어 사용할 수 있는 시스템이 되어 있지 않아 주입시 사용하지 않고 있다.

동시주입은 일부 공법에서 입구에만 공기배출관을 사용하는 경우를 왕왕 현장에서 볼 수 있다.

그러나 공기배출관이 짧아서 전량 충전되지 않고 있다.

공기배출량계측기

매 막장마다 1회씩 천공홀(H)에서 강관(100)삽입 후 코킹함으로써 갇혀있는 공기를 공기배출계측기에서 디지털을 이용하여 기록지로써 정량적으로 공기배출량을 계측한다.

육안으로 검측하기 위하여 공기배출량을 고무풍선을 달아서 정성적으로 계측한다.

공기배출량 계측시 천공홀(H)에 갇혀 있는 공기와 물과 시멘트밀크 중에서 물과 혼합하여 슬라임으로서 배출하는 시멘트밀크를 소규모의 탱크를 경유하여 통과량에 따른 전체의 배출량을 측정하고, 지반에 주입하는 실주입량을 계측한다.

공기배출량계측기는 탱크, 가스계량기, 유량계량기, 디지털모니터, 고무풍선, 외 각종 직관과 연결관 밸브 등으로 구성되어 있다.(그림 참조)

강관(100)의 공기배출구와 공기배출량계측기의 관을 연결하여 천공홀(H) 내의 갇혀 있는 공기 전량을 공기배출량계측기를 통하여 전량 배출 확인하며, 완전 밀실 충전되게 침투주입을 확인하면서 강관(100)선진보강차수그라우팅 한다.

-차수그라우팅

천공홀(H) 내의 공기가 주입재에 의하여 지반에 밀려 주입되어 에어포켓이 발생되면 이것이 누수의 원인이 되는 유로(물길)가 형성된다.

이것을 없게 하면서 공극에 충전이 된다면 차수가 가능하다.

공기 제거한 상태에서 지반에 주입재를 압밀 침투주입시는 주입량 만큼 공극이 충전됨으로 누수될 유로가 공극임으로 압밀되어 상대적으로 좁혀지고 그라우팅으로 막혀져서 차수가 된다.

수맥(물길)과 균열부위와 느슨한 공극에 압력 주입시 상호 밀려서 굵은 유로는 가는 유로로 변하여 마침내 유로는 없어지고 침투압에 의하여 젖어들어 마침내 누수현상이 발생하게 될 원인이 차수그라우팅이 된다.

- 분사공(110) 크기와 위치

지반 침투영역이 강관(100) 길이 12m 구간 내에서 동일하게 하기 위하여 천공홀(H)과 강관(100) 사이 균등한 압력분포가 될 수 있게 주입해야 한다.

그렇게 하기 위하여 분사공(110)의 크기와 배치 간격을 규정하여야 한다.

분사공(110) 설치 위치는 소구경 강관(100)은 2등분 대구경 강관(100)은 3등분으로 구분하여 분사공(110)을 동서 2개소 남북 2개소 50m 마다 균등하게 배치하고, 크기와 위치는 주입관의 분사공(110)과 강관(100)의 분사공(110)을 동일하게 하며, 분사공(110) 지름은 2-3등분으로 구분한 구간마다 입구측 가운데측 말구측에 1/N로 나누어 Φ3, 4, 5mm를 설치한다.

천공홀(H) 내에서 강관(100)이 바닥에 깔려 접합 면적이 강관(100)의 5% 이내이므로 강관(100)에 설치된 분사공(110)이 천공홀(H)에 강관(100) 삽입시 매몰되어 역할을 할 수 있는지 여부는 천공시 천공수 배출시 천공홀(H) 바닥에 모래와 같은 조립자 슬라임이 잔존하여 요철이 생겨 분사공(110)가 막히지 않기 때문에 기능상 이상이 없다.

강관(100) 삽입시 분사위치 표시하여 바닥과 접착하지 않도록 유의하고 정위치에 안착시키면 분사 기능상 이상이 없다.

즉 간격재가 필요 없다.

분사공(110)에 리턴밸브를 다단그라우팅시 일반적으로 박아서 사용하는데 직천공시 리턴밸브가 열리기전에 주입액이 막장의 마개 없음으로 인하여 그곳을 경유하여 전체가 통하게 되어 주입된다.

그래서 말구에 마개로써 막고 리턴밸브 제거함이 바람직하다.

친환경급결제로서, 중성화 급결제 제조장치를 이용한 플랜트에서 생산되는 WGS-ECO는 다량의 급결제가 필요하고 하천 해안에서 사용하며, 일반적으로 공장 생산제품, WCG-C1을 사용하며, 시멘트 사용시 급결제는 규산소다3호를 사용해서는 안된다.

터널 라이닝 콘크리트 타설시까지 장기간 노출됨으로 안정성이 우려되는 구간은 필히 시멘트와 용탈되지 않는 급결제를 사용하여 주입 후 즉시 시공 가능하고 조기와 장기강도 발현이 우수한 제품의 친환경 급결제이어야 한다.

장대터널은 장기간 터널라이닝 콘크리트 타설하지 않고 몇 년간 방치하여 강지보 처짐현상 단면축소의 문제점이 발생하여 단면확보에 따른 공사비 추가부담과 공사기간 지연 안전의 문제 등으로 사전에 최대한 인위적으로 막을 수 있게 해야 함을 인지해야 한다.

터널 강관(100) 선진 보강 차수그라우팅 시 천공홀(H) 내 코킹함으로써 갇혀있는 공기를 공기배출관을 통하여 외부로 배출하여 공기를 지반에 침투주입하지 않도록 주입관리하여야 한다.

과다한 용수가 있을 경우 수량 증대나 주입재를 조정하며, 지반의 특성을 고려하여 주입재 선정 및 배합비 결정시 시멘트와 혼합하는 급결제는 저용해성 제품을 사용하여 보강재와 지반을 양호하게 결합시키는 성능을 보유하여야 한다.

막장의 안정을 위한 공법임으로 가급적 작업시간 단축을 위하여 주공정에 차질없도록 강관(100) 내부에 구간이 분리된 2-3개 구간을 주입기 1대로써 2-3개의 주입관으로 동시 주입하여야 한다.

공기배출확인을 위하여 기능시험은 공기배출량계측기를 사용하여 1막장당 1회 또는 100공마다 1회씩 실시한다. 누수량시험은 매 공기배출량계측기를 사용하여 매 막장마다 누수 발생공에서 1-2회씩 실시한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 강관 그라우팅 장치를 이용한 터널 보강 및 차수 그라우팅공법은 천공홀 내부에 잔존하는 공기량과 설계주입량으로 지반침투 주입하기보다는 공기를 외부로 배출시키고 주입재만 주입함으로써, 공기량을 지반에 주입하는 양에 해당하는 주입시간이 단축된다.

특히, 주입재 주입관을 평균적으로 3개를 사용하여 길이를 달리하여 삽입하여 주입범위를 설정하여 해당하는 주입재 주입관의 주입범위에 분사공을 네 방향으로 설치하여 주입시 동시에 주입재 주입관으로 저압침투주입하면 균등하게 주입재의 침투주입이 이루어진다.

시공시간을 실측한 결과 종래의 TAS공법으로 소구경 1공 시공시 60분으로 시공하면 4개월 공기이지만 본 발명의 TMG공법으로 시공하면 공기배출과 동시 주입에 15분의 시간이 단축되어 3개월 시공으로 1개월의 기간단축 효과가 있다.

본 발명의 명세서에 기재한 바람직한 실시예는 예시적인 것으로서 한정적인 것은 아니며, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서 나타나 있고, 그들 특허청구범위의 의미중에 들어가는 모든 변형예는 본 발명에 포함되는 것이다.

100: 강관 110: 분사공
120: 굴착비트 130: 확장천공팁
200: 간격재 210: 원형구조체
220: 절취부 310: 주입관
320: 공기배출관 400: 공기배출량계측기
A: 강관 그라우팅 장치 C: 코킹재
G: 지반 H: 천공홀
M: 주입재

Claims (7)

1. 일정한 직경 및 길이를 갖고, 내외가 관통되도록 일정한 크기를 갖는 분사공(110)이 형성된 강관(100); 상기 강관(100)의 내주면에 삽입됨과 동시에 일정한 두께를 갖는 원형 구조체(210)로 형성되고, 상기 원형 구조체(210)의 외주면에 다수개의 절취부(220)가 형성된 간격재(200)와; 상기 간격재(200)의 절취부(220)에 삽입되는 다수개의 일단이 막힌 주입관(310), 공기배출관(320)으로 구성되고, 상기 강관(100)의 일측단에 굴착비트(120)가 고정 설치되고, 타측단에 원주방향을 따라 다수개의 확장천공팁(130)이 용접 설치되며, 상기 공기배출관(320)의 노출되는 선단에 공기배출의 유무를 확인하는 공기배출량계측기(400)가 고정 설치됨을 특징으로 하는 강관 그라우팅 장치.
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4. 대상지반(G)을 일정한 직경 및 깊이로 천공하여 천공홀(H)을 형성하는 단계; 상기 천공홀(H)에 강관 그라우팅 장치(A)를 삽입하는 단계; 상기 천공홀(H) 입구와 강관 그라우팅 장치(A) 사이의 틈새를 밀폐시키도록 코킹재(C)로 코킹하는 단계; 상기 강관 그라우팅 장치(A)에 주입재(M)를 삽입하여 천공홀(H)과 강관 그라우팅 장치(A)간을 그라우팅하는 단계로 이루어지되, 상기 강관 그라우팅 장치(A)는 일정한 직경 및 길이를 갖고, 내외가 관통되도록 일정한 크기를 갖는 분사공(110)이 형성된 강관(100)과; 상기 강관(100)의 내주면에 삽입됨과 동시에 일정한 두께를 갖는 원형 구조체(210)로 형성되고, 상기 원형 구조체(210)의 외주면에 다수개의 절취부(220)가 형성된 간격재(200)와; 상기 간격재(200)의 절취부(220)에 삽입되는 다수개의 일단이 막힌 주입관(310), 공기배출관(320)으로 구성되고, 상기 강관(100)의 일측단에 굴착비트(120)가 고정 설치되고, 타측단에 원주방향을 따라 다수개의 확장천공팁(130)이 용접 설치되며, 상기 공기배출관(320)의 노출되는 선단에 공기배출의 유무를 확인하는 공기배출량계측기(400)가 고정 설치됨을 특징으로 하는 강관 그라우팅 장치를 이용한 터널 선진 보강 및 차수그라우팅공법.
   
   
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