KR101656249B1 - 개폐식 3중관 그라우팅 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지중에 그라우트재를 주입시켜 지반을 보강하는 그라우팅 장치에 관한 것으로서, 지중에 매립되어 빔작용을 하는 그라우트관과, 상기 그라우트관 내부에 삽입되어 그라우트관이 삽입된 천공홀의 내부 및 그 주변의 토사에 그라우트재를 주입시키는 주입장치로 이루어지는 것으로서; 상기 그라우트관에는 외면에 패커유입홀과 이를 둘러싼 외부패커가 일정한 간격으로 구비되고, 상기 외부패커들의 각 사이에는 그라우트홀이 각각 구비되며; 상기 주입장치는 주입재 분사관과, 주입재 분사관의 중간 위치에서 이를 둘러싼 형상을 가지는 패커주입관과, 상기 패커주입관의 전후방 양측에 위치하면서 주입재 분사관을 둘러싼 형상을 가지는 내부패커와, 상기의 내부패커 중 전방에 위치한 내부패커에 접하여 설치되는 개폐장치 및, 상기의 내부패커 중 후방에 위치한 내부패커에 접하여 설치되는 가압장치로 이루어지고; 상기 주입재 분사관에는 전후방 양측 내부패커의 사이에 위치한 제1패커홀과 상기 개폐장치에 의해 개폐되는 그라우트재 분사홀이 각 구비되어, 제1패커홀을 통해 외부패커에 주입되는 팽창재와 그라우트재 분사홀을 통해 천공홀에 분사되는 그라우트재가 하나의 주입재 분사관을 통해 공급되도록 구성된다.

Description

개폐식 3중관 그라우팅 장치{TRIPLE PIPE GROUTING DEVICE WITH THE FUNCTION OF OPENING AND SHUTTING}

본 발명은 터널 등의 지하구조물 시공현장이나 도심지의 건축공사 현장에서 굴착이나 절개지 부분에서의 지반 변위 억제와 차수효과를 통하여 지하구조물의 안정성을 확보하고 인접건축물의 손상을 방지할 수 있도록 하기 위하여 지중에 그라우트재를 주입시켜 지반을 보강하는 그라우팅 장치에 관한 것이다.

도시의 인구증가에 따른 교통난의 문제해결, 도시미관 향상, 토지이용율의 극대화 등의 도모를 이유로 하여 터널이나 대심도의 지하구조물에 대한 구축이 크게 증가되고 있는바, 터널시공의 안정성 확보 내지 인접건축물에 대한 손상방지 등의 시공 조건은 갈수록 열악해지고 있는 반면, 각종 안전사고의 연속적인 발생으로 인하여 최근에는 그 어느 때보다도 안전시공이 최우선적으로 요구되고 있다.

한편 지반의 강도는 흙의 성분, 크기, 간극비, 함수비 등의 조건, 암반의 절리특성, 풍화정도 등의 지질여건에 따라 달라지는 바, 지반의 강도가 크지 않거나 지하수위가 높은 경우, 또 인접 건축물이 위치하고 있어 굴착에 따른 지반의 이완에 의해 상기 인접 건축물의 손상이 우려되는 경우에는 구조물의 축조를 위한 굴착공법과 병행하여 지반의 안정을 위한 보조공법이 함께 진행되는 것이 일반적이다.

이러한 보조공법 중에 최근 각광받고 있는 것으로 강관 다단 그라우팅 공법이 있으며, 이는 ⅰ）지중을 천공하는 단계, ⅱ）일정한 간격으로 주입홀이 구비된 강관을 천공홀에 삽입하는 단계, ⅲ） 지하수의 누수, 토사의 유출 및, 주입재의 역류를 방지하기 위하여 강관의 후단 외벽과 천공홀의 사이에 코킹을 실시하는 단계, ⅳ） 주입재의 역류를 방지하면서 한정된 범위에서만 주입되도록 강관 외벽과 천공홀 사이에 시일재를 주입하는 단계, ⅴ） 강관 내부에 패커를 설치하는 단계, ⅵ） 패커에 의해 설정되는 주입홀을 통해 를 주입시키는 단계로 진행된다.

상기의 강관다단 그라우팅 공법은 그라우트재를 이용하여 차수효과는 물론, 강관과 그 주변의 토사로 하여금 일체화된 빔구조체를 형성시켜 휨강성을 가지게 함으로써 상부의 하중을 지지하고 토압을 분산시켜 굴착면의 구조적 안정성을 높혀준다는 점에서 구조적으로 매우 유리한 공법이라고 할 수 있다.

그런데 강관 외벽과 천공홀 사이에 주입되는 시일재는 부피가 팽창하여 공간을 남기지 않도록 하고 고결강도가 너무 높지 않아 주입재가 시일재를 뚫고 지중에 널리 퍼져갈 수 있도록 시멘트계와 벤토나이트가 혼합되어 특수 제조되는 바, 상기의 기능을 발휘하기 위해서는 약 12시간 정도의 고결시간을 필요로 하며, 패커에 의해 구획되는 각 격실에 대하여 순차적으로 주입재를 주입시키기 때문에 시공기간이 길어지는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 출원의 발명자는 2015. 6. 12.자 공고된 등록특허공보 등록번호 10-1528524호의 '가압식 이중패커를 가진 그라우팅 장치 및 이를 이용한 그라우팅 시공방법'이라는 발명을 제안한 바 있다.

상기의 등록번호 10-1528524호의 그라우팅 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 지중의 천공홀에 삽입되는 그라우트관(100)과, 상기 그라우트관(100)의 내부에 삽입되는 그라우트재 분사관(200)과, 상기 그라우트관(100)의 외면에 설치되는 다수 개의 외부패커(150)와, 외부패커(150)에 팽창재(P)를 주입시키기 위한 팽창재(P) 주입공간을 형성시키는 내부패커유닛(500)을 포함하여 구성되도록 하고 있다. 이러한 상기의 그라우팅 장치는 그라우트관(100)의 외부에 주입관 등의 돌출요소를 제거함으로써 장치의 파손을 방지하고, 천공홀의 규격을 최소화시키면서 효율적인 팽창재의 주입을 가능하게 하는 등 경제성과 시공성 및 시공정밀성을 높게 가질 수 있게 한다.

그런데 현장 여건에 따라, 격실 형성을 위해 외부패커에 주입되는 팽창재와 그라우트재를 동일한 것으로, 또는 이질의 것으로 선택할 수도 있고, 천공홀 내부에 다수 개의 격실을 모두 형성시킨 후 각 격실에 대한 그라우트재를 주입시키거나, 각 격실의 형성과 그 격실에 대한 그라우트재 주입작업을 전방에서부터 순차적으로 진행시킬 수도 있는 등 작업의 순서를 달리하는 다양한 시공방법이 적용되어야 할 필요성이 있는데, 상기의 그라우팅 장치는 팽창재의 선택과 시공방법에 따라 일부 구성을 달리해야 한다는 문제점이 있다.

이를 보다 구체적으로 설명하면, 도 1의 (a)에서와 같이, 외부패커에 팽창재를 주입시키기 위한 통로와 천공홀에 그라우트재를 주입시키기 위한 통로를 하나의 관(200, 그라우트재 분사관)으로 구성시키는 경우에는, 통로의 폭을 충분히 확보할 수 있어 입자가 큰 그라우트재 등의 주입재에 의한 막힘현상이 발생할 여지가 없어 주입재의 원활한 주입을 가능하게 한다.

그러나 이러한 단일 통로의 구성은 외부패커(150)와 천공홀에 대한 주입재의 각 재질을 달리 할 수 없을 뿐 아니라, 동일한 재질의 주입재(팽창재 및 그라우트재)를 주입시키더라도 이들의 동시 주입시에는 외부패커(150)가 완전히 팽창되기도 전에 격실부분에 대한 주입이 먼저 이루어져 주입재(그라우트재)가 격실 외부로 누출되는 문제점이 있는 바, 천공홀에서 구획되는 각 격실을 모두 형성시킨 다음 각 격실의 천공홀에 그라우팅을 실시할 수 밖에 없게 된다.

이를 위해 그라우트재 분사관(200)의 선단에 형성된 그라우트재 분사구(230)에는 나사 체결방식에 의해 탈착 가능한 밀봉캡(250)이 구비되어야 하며, 외부패커(150)의 팽창시에는 상기 밀봉캡(250)으로 그라우트재 분사구(230)를 폐쇄시키고, 외부패커(150)에 의해 천공홀 전 구간에 대한 격실 형성이 완료되면 그라우트재 분사구(230)로부터 밀봉캡(250)을 손으로 제거하고, 상기 밀봉캡(250)이 제거된 장치를 천공홀에 다시 삽입하여 그라우트재의 주입작업을 실시하게 된다.

이와는 달리, 도 1의 (b)에서와 같이, 외부패커(150)에 팽창재를 주입하기 위한 외부패커관(300)이 별도로 설치된 경우에는 외부패커(150)와 천공홀에 대한 주입재의 각 재질을 달리할 수도 있고, 천공홀의 전방부터 격실의 형성과 그라우트재의 주입을 병행하면서 순차로 그라우팅 작업을 실시할 수 있다는 작업 진행상의 융통성을 가질 수 있게 되나, 각 관(200, 300)의 폭이 감소됨에 따라 주입재에 의한 막힘현상이 발생할 우려가 있게 된다.

KR 10-1528524 B1

본 발명은 상기한 종래기술에서의 각 장치가 가지는 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 팽창재의 공급통로와 그라우트재의 공급통로를 단일화하여 상기 공급통로의 폭을 충분히 확보할 수 있으면서도, 팽창재와 그라우트재의 각 재질을 달리하여 사용할 수 있고, 격실의 형성과 그라우트재의 주입시기를 다양하게 변화시킬 수 있어 그라우트 보강되는 토질 및 현장의 작업여건에 대한 범용성을 가지게 할 수 있는 범용성의 개폐식 3중관 그라우팅 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 의하면, 지중에 매립되어 빔작용을 하는 그라우트관과, 상기 그라우트관 내부에 삽입되어 그라우트관이 삽입된 천공홀의 내부 및 그 주변의 토사에 그라우트재를 주입시키는 주입장치로 이루어지는 것으로서; 상기 그라우트관에는 외면에 패커유입홀과 이를 둘러싼 외부패커가 일정한 간격으로 구비되고, 상기 외부패커들의 각 사이에는 그라우트홀이 각각 구비되며; 상기 주입장치는 주입재 분사관과, 주입재 분사관의 중간 위치에서 이를 둘러싼 형상을 가지는 패커주입관과, 상기 패커주입관의 전후방 양측에 위치하면서 주입재 분사관을 둘러싼 형상을 가지는 내부패커와, 상기의 내부패커 중 전방에 위치한 내부패커에 접하여 설치되는 개폐장치 및, 상기의 내부패커 중 후방에 위치한 내부패커에 접하여 설치되는 가압장치로 이루어지고; 상기 주입재 분사관에는 전후방 양측 내부패커의 사이에 위치한 제1패커홀과 상기 개폐장치에 의해 개폐되는 그라우트재 분사홀이 각 구비되어, 제1패커홀을 통해 외부패커에 주입되는 팽창재와 그라우트재 분사홀을 통해 천공홀에 분사되는 그라우트재가 하나의 주입재 분사관을 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 개폐식 3중관 그라우팅 장치가 제공된다.

본 발명의 그라우팅 장치는, 분리되지 아니하여 충분한 통로 폭이 확보되는 단일관로를 이용하여 팽창재와 그라우트재의 막힘현상을 방지하면서도, 주입장치가 어느 위치에 있다고 하더라도 유압을 이용하여 그라우트재 분사홀을 자유자재로 개폐시키면서 팽창재와 그라우트재를 교대로 분사시킬 수 있어, 주입장치의 일부 구성을 변경시키지 않고서도 작업순서를 임의로 바꿀 수 있으므로, 지중 토사 및 지하수위 등의 다양한 상태와 환경 및 경제적인 다양한 여건에 모두 적응하면서 효율적으로 지중을 보강할 수 있게 하는 범용성을 가지게 한다.

도 1은 종래기술에 의한 그라우팅 장치를 나타낸 각 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 그라우팅 장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 그라우팅 장치 중 그라우트관 내부에 삽입되는 주입장치를 분리한 분해사시도이다.
도 4는 상기 주입장치의 횡단면도이다.
도 5, 6은 본 발명의 각 실시예에 의한 개폐장치 및 그 작동관계를 설명하는 단면도이다.
도 7, 8은 본 발명의 유체공급관과 제1유압관의 연결을 위한 연결캡 및 그 연결구성에 관한 각 실시예의 사시도이다.
도 9, 10은 본 발명의 각 실시예에 의한 가압장치 및 그 작동관계를 설명하는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 유체공급관에 제2유압관을 고정시키기 위한 유압캡을 도시한 사시도이다.
도 12, 13은 본 발명의 그라우팅 장치를 이용한 그라우팅 작업의 각 실시예를 나타내는 공정도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명을 설명함에 있어 공지의 구성을 구체적으로 설명함으로 인하여 본 발명의 기술적 사상을 흐리게 하거나 불명료하게 하는 경우에는 위 공지의 구성에 관한 설명을 생략하기로 한다.

도 2는 본 발명의 그라우팅 장치에 관한 일 실시예를 도시한 것이고, 도 3은 그라우트관(10)의 내부에 삽입되는 주입장치(A)를 각 구성별로 분리시킨 분해사시도이며, 도 4는 이들이 결합된 상기 주입장치(A)에 대한 횡단면도이다.

본 발명의 그라우팅 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 지중에 매립되어 빔작용을 하는 그라우트관(10)과, 상기 그라우트관(10) 내부에 삽입되어 그라우트관(10)이 삽입된 천공홀의 내부 및 그 주변의 토사에 그라우트재(G)를 주입시켜 지중을 그라우팅시키는 주입장치(A)로 이루어진다.

상기 그라우트관(10)은 횡단면 상으로 그라우팅 장치의 가장 바깥쪽에 위치하는 것으로서, 다단으로 구획된 천공홀의 각 격실(R₁,R₂,‥‥)에 대하여 그라우트재(G)가 순차적으로 주입될 수 있도록 하면서 그라우팅이 완료되면 하나의 콘크리트 충전 강관(Concrete Fillde steel Tube)와 같이 고결된 그라우트재(G)를 구속시켜 강성이 매우 큰 빔(Beam) 작용을 하게 함으로써, 터널 등 지하구조물의 상부하중을 지지하게 된다.

이를 위한 그라우트관(10)의 외면에는, 팽창재(E)의 유입을 위한 패커유입홀(11)과 상기 패커유입홀(11)을 둘러싼 외부패커(13)가, 하나의 단위가 되어 일정한 간격으로 구비되고, 상기 외부패커(13)들의 각 사이에는 그라우트관(10)에 주입된 그라우트재(G)를 외부로 분출시키기 위한 그라우트홀(12)이 각각 구비된다.

그라우트관(10)을 통해 외부패커(13) 및 천공홀에 대한 팽창재와 그라우트재(이들을 총칭하여 '주입재'라 한다)의 주입 및 분사를 위한 본 발명의 주입장치(A)는 도 3, 4에 도시된 바와 같이, 주입재(E,G)를 외부로 분사시키기 위한 주입재 분사관(20)과, 외부패커(13)에 팽창재(E)를 주입시키기 위한 패커주입관(40)과, 그라우트관(10)의 내부에서 격벽을 형성시키는 내부패커(23)와, 그라우트 분사홀(22)을 개폐시키는 개폐장치 및, 상기 내부패커(23)를 작동시키는 가압장치로 구성되어 있다.

상기 주입재 분사관(20)은 주입재(E,G)를 공급하는 통로로서 작업공정에 따라 팽창재(E)와 그라우트재(G)를 교대로 공급하는 통로의 기능을 한다. 이와 같이 팽창재(E)의 공급통로와 그라우트재(G)의 공급통로가 별도로 구분되지 않고 단일 통로로 이루어지기 때문에 주입장치(A)의 제한된 단면크기에 비하여 충분한 폭의 공급통로를 확보할 수 있어 주입재(E,G)의 공급과정 중 막힘현상이 발생될 우려가 전혀 없게 된다.

이러한 주입재 분사관(20)은, 후단에 주입재(E,G)를 주입시키기 위한 주입재 주입구(25)가 구비되고, 선단에 상기 주입재(E,G) 중 그라우트재(G)를 분사시키기 위한 그라우트재 분사홀(22)이 구비되며, 이들 사이의 중간 부분, 구체적으로는 후술하는 패커주입관(40)의 전후방 양측에 설치되는 내부패커(23)들의 사이에는 팽창재(E)를 분출시키기 위한 제1패커홀(21)이 구비된다.

그라우트재 분사홀(22)이 위치한 주입재 분사관(20) 선단부분의 외면에는 후술하는 패커주입관(40)의 전방(전방이라 함은 천공홀의 끝부분을 향한 방향을 의미하고, 후방은 천공홀의 시작부분, 즉 막장부분을 향한 방향을 의미한다)에 위치한 내부패커(23)에 접하여 상기 그라우트재 분사홀(22)을 개폐시키기 위한 개폐장치가 설치된다.

도 5와 6은 상기의 개폐장치의 각 실시예 및 그에 따른 각 작동관계를 설명하고 있다.

본 발명의 개폐장치는 도 5, 6에 도시된 바와 같이, 제1유압관(50)과 피스톤로드(52)를 필수 구성으로 하면서 여기에 탄성수단인 스프링(53)을 더 부가시킬 수 있다.

상기의 제1유압관(50)은 주입재 분사관(20)을 둘러싸면서 주입재 분사관(20)과의 사이에 밀폐된 제1유체충전공간(S₁)을 형성시키면서, 선단측에서는 피스톤로드(52)가 전후로 이동할 수 있는 가이드의 역할을 한다.

이와 같이 제1유압관(50)에 의해 형성되는 제1유체충전공간(S₁)은 후술하는 유체공급관(30)을 통해 공급된 유체가 충전되게 하여 상기 유체에 의한 압력으로 피스톤로드(52)를 전방으로 이동시키면서 도 5의 (a)와 도 6의 (a)에 각 도시된 것처럼 피스톤로드(52)로 하여금 그라우트재 분사홀(22)을 폐쇄시키도록 하여, 외부패커(13)를 팽창시키기 위해 공급된 팽창재(E)가 상기 그라우트재 분사홀(22)을 통해 누출되지 않도록 한다.

이와 반대로 제1유체충전공간(S₁)에 충전된 유체를 유체공급관(30)을 통해 외부로 배출시키면 피스톤로드(52)가 후방으로 후퇴되면서 도 5의 (b)와 도 6의 (b)에 각 도시된 것처럼 그라우트재 분사홀(22)이 개방되도록 하여 그라우트재(G)가 지중으로 분사될 수 있게 한다.

상기한 피스톤로드(52)의 이동을 보다 원활하게 하기 위하여 도 5에서와 같이 피스톤로드(52)의 후단쪽, 즉 제1유체충전공간(S₁) 내에 스프링(53)을 설치하거나, 또는 도 6에서와 같이 피스톤로드(52)의 전방에 위치하면서 주입재 분사관(20)의 단부를 폐쇄시키는 마감캡(26)에 의해 일측이 고정되는 스프링(53)을 더 설치할 수 있다.

이러한 스프링(53)은 피스톤로드(52)가 전방으로 이동할 때 도 5의 (a) 및 도 5의 (b)에서와 같이 압축된 후, 그라우트재 분사홀(22)을 개방시키기 위해 피스톤로드(52)를 후방으로 복귀시킬 때 탄성력으로 피스톤로드(52)의 이동을 도와 그라우트재 분사홀(22)의 개방이 보다 명확하고 원활하게 이루어질 수 있게 한다.

제1유체충전공간(S₁)에 대한 유체의 공급 및 배출은 주입재 분사관(20)을 감싸면서 주입재 분사관(20)의 외면과의 사이에 유체 공급통로가 형성되도록 설치되는 유체공급관(30)에 의해 이루어진다. 즉 주입재 분사관(20)과 유체공급관(30)은 내관과 외관을 가지면서 그 사이에 간극(△)이 형성된 이중관의 단면 형상을 가진다.

도 7, 8은 유체공급관(30)과 제1유압관(50)이 연결되는 구성을 설명하기 위한 것으로서, 이들의 각 (a)는 이들의 연결을 위한 연결캡(54)을 부분 절개한 사시도이고, 이들의 각 (b)는 상기 연결캡(54)에 의해 유체공급관(30)과 제1유압관(50)이 연결 고정된 상태를 나타낸 부분 절개 사시도이다.

상기한 연결캡(54)은 일측의 외면에 유체공급관(30)과의 체결을 위한 수나사가 형성되어 있고, 타측의 내면에 유체공급관(30)과의 체결을 위한 암나사가 형성되어 있으며, 상기 수나사가 형성된 부분의 내면은, 도 7에서와 같이 유체공급관(30)의 내면과 일치시켜 유체의 이동이 보다 원활하게 할 수도 있고, 도 8에서와 같이 주입재 분사관(20)의 외면에 접하도록 하면서 다수 개의 유동홈(54a)을 형성시켜 유체의 이동이 이루어지게 할 수 있다.

도 8의 실시예에서와 같이 연결캡(54)의 내면이 주입재 분사관(20)의 외면에 접하도록 구성되는 경우에는 연결캡(54)이 유체공급관(30)과 제1유압관(50)의 연결부위를 지지하게 되므로 유체공급관(30)과 제1유압관(50)의 흔들림이 발생될 여지가 전혀 없게 된다.

유체공급관(30)에는 주입재 분사관(20)에 구비된 제1패커홀(21)에 연통되는 제2패커홀(31)이 구비된다. 이때 주입재 분사관(20)의 제1패커홀(21)을 통과한 팽창재(E)가 유체의 공급통로를 형성하는 주입재 분사관(20)의 외면과 유체공급관(30)의 내면 사이를 통해 누출되는 것이 방지되도록 제1패커홀(21)과 제2패커홀(31)의 테두리 전체를 용접하거나, 제1패커홀(21)과 제2패커홀(31) 사이에 구멍이 형성된 밀폐부재를 개재시킨다.

주입재 분사관(20)의 중간 위치에는 이를 둘러싼 형상을 가지는 패커주입관(40)이 설치되며, 보다 구체적으로는 주입재 분사관(20)과 유체공급관(30)을 함께 둘러쌈으로써 3중관의 단면형상을 가지게 된다.

패커주입관(40)의 전후방 양측에는 후술하는 내부패커(23)가 위치하게 되는 바, 상기 패커주입관(40)은 가압장치에 의한 가압력 또는 견인력을 전달받아 전방에 위치한 내부패커(23)의 외경을 확장 또는 축소시킬 뿐 아니라, 이들 양측의 내부패커(23)가 길이방향으로 압축 또는 신장되더라도 이들 사이에 일정한 간격을 유지시켜 팽창재(E)의 주입을 용이하게 한다.

패커주입관(40)의 중간부분에는 제1,2패커홀(21,31)을 통과한 팽창재(E)가 그라우트관(10)에 구비된 패커유입홀(11)을 통해 외부패커(13)에 유입될 수 있도록 제3패커홀(41)이 구비된다. 이때 패커주입관(40)은 내부패커(23)가 길이방향으로 압축되거나 신장됨에 따라 함께 이동하게 되므로, 패커주입관(40)에 구비되는 제3패커홀(41)은 제1,2패커홀(21,31)과의 연통되는 상태를 유지할 수 있도록 긴 장홈의 형상으로 구성시키는 것이 바람직하다.

상기 패커주입관(40)의 전후방 양측에는 내부패커(23)가 각각 설치된다. 상기 내부패커(23)는 주입재 분사관(20)과 함께 유체공급관(30)을 둘러싼 형상을 가지는 것으로서, 가압장치에 의해 길이방향으로 압축 또는 신장되면서 외경이 확장 또는 축소되는 신축성의 재질로서 탄성변형되는 재질일 수도 있고 소성변형되는 재질일 수도 있다.

이러한 내부패커(23)는 양측에 각각 하나씩 배치시킬 수도 있으나, 와셔(24)와 같은 간격재를 사이에 두면서 다수 개의 내부패커(23)를 연이어 배치시킴으로써, 외경이 확장된 이들이 다수 층의 격벽을 형성시켜 패커주입관(40)이 위치한 패커공간(S₃)에 대한 고도의 밀폐성을 가질 수 있게 하는 것이 바람직하다.

상기한 내부패커(23)는 가압장치에 의해 가압되면 외경이 확장되어 그라우트관(10)의 내면에 밀착되면서 상기한 패커공간(S₃)을 형성시키게 되고, 주입재 분사관(20)을 통해 공급된 팽창재(E)는 제1,2,3패커홀(21,31,41)과 상기 패커공간(S₃) 및, 그라우트관(10)에 구비된 패커유입홀(11)을 경유하여 외부패커(13)에 주입된다.

이와 반대로 내부패커(23)는 가압장치에 의해 당겨지면 외경이 축소되어 그라우트관(10)의 내면으로부터 분리되므로 주입장치(A)는 그라우트관(10) 내에서 자유롭게 이동될 수 있게 된다.

도 9와 10은 상기와 같이 내부패커(23)에 가압력 또는 견인력을 가하는 가압장치의 각 실시예 및 그에 따른 각 작동관계를 설명하고 있다.

본 발명의 가압장치는 앞서 설명한 개폐장치와 유사한 구조를 가지는 것으로서, 도 9에 도시된 바와 같이 패커주입관(40)의 후방에 위치한 내부패커(23)에 접하여 설치되며, 제2유압관(60)과 피스톤로드(62)로 이루어진다.

상기 제2유압관(60)은 유체공급관(30)을 둘러싸면서 유체공급관(30)과의 사이에 밀폐된 제2유체충전공간(S₂)을 형성시키면서, 그 내부에 삽입되어 있는 피스톤로드(62)가 전후로 이동할 수 있도록 가이드의 역할을 한다.

상기 피스톤로드(62)는 제2유체충전공간(S₂)에 충전된 유체의 압력에 의해 전방으로 이동하면서 도 9의 (a)와 도 10의 (a)에 각 도시된 것처럼 패커주입관(40)의 전후방에 위치한 양측의 내부패커(23)를 가압하여 내부패커(23)의 외경이 확장되도록 하고, 외경이 확장된 양측의 내부패커(23)는 그라우트관(10)의 내면에 밀착되면서 패커주입관(40)이 위치한 부분에서의 그라우트관(10) 양측에 밀폐된 격벽과 이에 의한 패커공간(S₃)을 형성시키게 된다.

따라서 주입재 주입구(25)를 통해 공급된 팽창재(E)는 제1,2,3패커홀(21,31,41) 및 상기의 패커공간(S₃)과 그라우트관(10)의 패커유입홀(11)을 통해 외부패커(13)의 내부로 유입될 수 있게 된다.

한편 패커주입관(40)은 피스톤로드(62)의 가압력를 그 후방에 위치한 내부패커(23)를 통해 전달받은 후 전방에 위치한 내부패커(23)에 전달하게 되는데, 이러한 가압력이 효율적으로 전달됨과 더불어 패커주입관(40)과 유체공급관(30) 사이가 밀폐될 수 있도록 패커주입관(40)과 각 내부패커(23)의 사이에는 수압캡(27)이 더 설치된다.

도 9의 (b)와 도 10의 (b)는 제2충전공간내에 충전되었던 유체를 외부로 배출시키면서 확장되었던 각 내부패커(23)의 외경을 다시 축소시켜 그라우트관(10) 내에서 주입장치(A)를 전후 이동 가능하게 한 상태를 나타낸 것이다.

이와 같이 제2유체충전공간(S₂) 내의 유체를 배출시키면서 피스톤로드(62)가 다시 후퇴하게 되는 바, 상기 피스톤로드(62)의 후퇴작용을 보다 원활하게 하기 위한 스프링(63)이 더 설치될 수 있으며, 도 10은 스프링(63)이 더 설치된 예를 나타낸 것이다.

상기 스프링(63)은 피스톤로드(62)를 구성하는 피스톤(62a)과 로드(62b)의 사이에 위치하여 유체의 압력에 의해 피스톤(62a)이 전방으로 이동할 때 압축되고, 유체가 배출될 때에는 압축된 스프링(63)이 복원되면서 그 복원력으로 상기 피스톤(62a)을 후방으로 밀어주게 된다. 따라서 스프링(63)은 피스톤(62a)이 전방으로 이동할 때 압축되지 않고 전방으로 함께 이동되지 않도록 그 선단은 로드(62b)와 분리되어 제2유압관(60)의 내면에 고정된다. 물론 이때 피스톤(62a)과 로드(62b)는 연결대(62c)에 의해 연결되어 단일체의 피스톤로드(62)를 구성하면서 일체로 이동하게 된다.

도 9의 실시예에서는 내부패커(23)가 탄성변형되는 재질로 이루어진 경우 보다 유리하게 적용된다. 즉 유체의 압력에 의해 외경이 확대되면서 길이방향으로 압축된 내부패커(23)는 유체를 강제로 배출시키지 않고 제2유체주입구(65)를 개방시키기만 하더라도 복원력으로 유체를 배출시키면서 원래의 상태로 쉽게 되돌아 올 수 있게 된다.

이에 반하여 도 10의 실시예에서는 내부패커(23)가 소성변형되는 재질로 이루어진 경우에 유리하게 적용된다. 내부패커(23)가 소성변형되는 재질로 이루어진 경우에는 내부패커(23)의 외경을 확대시키기 위하여 길이방향으로 압축시킬 때 그 압축력을 크게 줄 필요가 없게 되어 동력을 절감시키는 효과를 가질 수 있게 된다. 피스톤(62a)과 로드(62b) 사이에 위치한 스프링(63)의 복원력은 도 9의 실시예에서 내부패커(23)가 복원되면서 유체를 배출시키는 것과 동일한 기능을 하게 된다. 이때 소성변형되는 재질의 내부패커(23)는 후방측을 피스톤로드(62)의 후단에 고정시키는 것이 바람직하다.

제2유압관(60)의 후단은 유압캡(64)에 의해 유체공급관(30)에 고정된다, 상기 유압캡(64)에는 도 11에 도시된 바와 같이 유동공(64a)이 구비되는데, 제2유체충전공간(S₂)에 대한 유체의 공급 및 배출은 상기 유동공(64a)에 의해 이루어진다.

주입재 분사관(20)과 유체공급관(30)의 각 후단과 유압캡(64)의 유동공(64a)에는 주입재 주입구(25)와 제1,2유체주입구(35, 65)가 각 연결된다.

도 12와 13은 본 발명의 그라우팅 장치를 이용하는 경우 작업순서를 다양하게 변경하면서 지중 그라우팅 작업을 실시할 수 있음을 설명하기 위한 것으로서, 도 12는 천공홀에 대하여 다단의 격실로 모두 구획한 후 이들 각 격실에 대하여 순차로 그라우트재(G)를 분사시켜 지중을 그라우팅하는 예이고, 도 13은 격실을 형성시키고 그 격실에 그라우트재(G)를 분사시키는 일련의 과정을 천공홀의 전방부터 순차로 실시하여 지중을 그라우팅하는 예를 나타낸 것이다.

도 12에 도시된 제1실시예에 의한 그라우팅 공정은 다음과 같다.

ⅰ）보강하고자 하는 지중을 천공하여 천공홀을 형성하고{도 12의 (a)},

ⅱ）상기 천공홀에 본 발명의 그라우팅 장치를 삽입시킨 후{도 12의 (b)},

ⅲ）개폐장치를 작동시켜 그라우트재 분사홀(22)을 폐쇄시킨 상태에서, 가압장치를 작동시켜 내부패커(23)의 외경을 확장시킴으로써 패커주입관(40)의 양 사이에 외경이 확장된 내부패커(23)가 그라우트관(10)의 내면에 밀착되면서 패커공간(S₃)이 형성되도록 한다{도 12의 (c))}.

ⅳ）상기와 같이 패커공간(S₃)이 형성되면, 주입재 주입구(25)를 통해 팽창재(E)를 외부패커(13)에 유입시킴으로써 제1격실(R₁)을 형성시킨다{도 12의 (d)}. 이때 상기의 팽창재(E)는 향후 각 격실(R₁,R₂,‥‥)에 분사되는 그라우트재(G)보다 더 급결성의 다른 재질의 것을 사용할 수도 있다.

ⅴ) 천공홀 최전방의 제1격실(R₁) 형성이 완료되면, 가압장치를 다시 작동시켜 내부패커(23)의 외경을 축소시킨 다음, 주입장치(A)를 후퇴시킨 후{도 12의 (e)},

ⅵ）상기 ⅲ）내지 ⅴ）의 각 단계를 반복하여 천공홀의 전 구간에 대한 격실(R₁,R₂,‥‥)의 형성을 완료시킨다{도 12의 (f)}.

ⅶ）천공홀의 전 구간에 대한 격실(R₁,R₂,‥‥)의 형성을 완료되면, 그라우트재 분사홀(22)이 최전방의 제1격실(R₁)에 위치되도록 주입장치(A)를 다시 전방으로 이동시켜 상기 제1격실(R₁)에 대한 그라우팅을 완료시킨 후{도 12의 (g)},

ⅷ) 주입장치(A)를 후퇴시키면서 제2격실(R₂) 등의 각 격실을 순차로 그라우팅시켜 천공홀 전 구간에 대한 그라우팅 작업을 완료시킨다{도 12의 (h)}.

상기의 제1실예와는 작업의 순서를 달리하는 도 13의 제2실시예는 다음과 같은 공정에 의해 그라우팅이 이루어진다.

ⅰ）보강하고자 하는 지중을 천공하여 천공홀을 형성하고{도 13의 (a)},

ⅱ）상기 천공홀에 본 발명의 그라우팅 장치를 삽입시킨 후{도 13의 (b)},

ⅲ）개폐장치를 작동시켜 그라우트재 분사홀(22)을 폐쇄시킨 상태에서, 가압장치를 작동시켜 내부패커(23)의 외경을 확장시킴으로써 패커주입관(40)의 양 사이에 외경이 확장된 내부패커(23)가 그라우트관(10)의 내면에 밀착되면서 패커공간(S₃)이 형성되도록 하며{도 13의 (c))},

ⅳ）상기와 같이 패커공간(S₃)이 형성되면, 주입재 주입구(25)를 통해 팽창재(E)를 외부패커(13)에 유입시킴으로써 제1격실(R₁)을 형성{도 13의 (d)}시킨다.

이러한 ⅰ）내지 ⅳ）단계의 각 과정은 앞서 설명한 제1실시예와 다르지 않다. 이때 상기의 팽창재(E)는 향후 각 격실(R₁,R₂,‥‥)에 분사되는 그라우트재(G)보다 더 급결성의 다른 재질의 것을 사용할 수 있다는 점에서도 제1실시예와 동일하다.

ⅴ) 다만 제1실시예의 경우 본 단계에서 내부패커(23)의 외경을 축소시켜 주입장치(A)를 후퇴시키나, 본 실시예에서는 주입장치(A)를 후퇴시키지 아니하고 개폐장치를 작동시켜 그라우트재 분사홀(22)을 개방시킨 후 주입재 주입구(25)에 그라우트재(G)를 주입시켜 상기 제1격실(R₁)에 대한 그라우팅을 먼저 완료시킨다{도 13의 (e)}

ⅵ）천공홀 최전방의 제1격실(R₁)에 대한 그라우팅이 완료되면, 개폐장치를 작동시켜 그라우트재 분사홀(22)을 다시 폐쇄시키고, 주입장치(A)를 후퇴시킨 후{도 13의 (f)},

ⅶ）가압장치를 작동시켜 내부패커(23)의 외경을 다시 확장시키고, 그라우트재 분사홀(22)이 폐쇄된 상태에서 주입재 주입구(25)에 팽창재(E)를 주입시켜 제2격실(R₂)을 형성시킨다.

ⅷ) 그리고 상기 ⅴ）내지 ⅶ）의 각 단계를 반복하여 천공홀 전 구간에 대한 그라우팅 작업을 완료시킨다{도 13의 (h)}.

위의 제1, 2실시예는, 다단의 격실로 모두 구획한 후 이들 각 격실에 대하여 순차로 그라우팅 작업을 하거나, 격실형성과 그라우팅 작업을 교대로 하는 것만을 설명하고 있으나, 본 발명의 그라우팅 장치에 의한다면 일부 구간은 제1실시에 따라 그라우팅을 실시하고 나머지 구간은 제2실시예에 따라 그라우팅을 실시하는 제3의 실시예도 가능한 것임을 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 충분히 인식할 수 있을 것이다.

이와 같이 본 발명의 그라우팅 장치는, 분리되지 아니하여 충분한 통로 폭이 확보되는 단일관로를 이용하기 때문에 팽창재(E)와 그라우트재(G)의 막힘현상이 발생할 여지가 거의 없으면서도, 주입장치(A)가 어느 위치에 있다고 하더라도 유압을 이용하여 그라우트재 분사홀(22)을 자유자재로 개폐시키면서 팽창재(E)와 그라우트재(G)를 교대로 분사시킬 수 있어, 지중 토사 및 지하수위 등의 다양한 상태와 환경 및 경제적인 다양한 여건에 모두 적응할 수 있는 범용성을 가지게 한다.

이상에서 본 발명은 구체적인 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였으나, 상기 실시 예는 본 발명을 이해하기 쉽도록 하기 위한 예시에 불과한 것이므로, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이를 다양하게 변형하여 실시할 수 있을 것임은 자명한 것이다. 예컨대 상기한 설명에서는 유체를 이용하는 것으로 설명하고 있으나 이를 기체로 대체하더라도 동일한 작용효과를 가질 수 있게 되는바, 이는 균등수단에 불과한 것이다. 따라서 그러한 변형 예들은 청구범위에 기재된 바에 의해 본 발명의 권리범위에 속한다고 할 것이다.

10; 그라우트관 13; 외부패커
20; 주입재 분사관 22; 그라우트재 분사홀
23; 내부패커 30; 유체공급관
40; 패커주입관 50; 제1유압관
52,62; 피스톤로드 53,63; 스프링
60; 제2유압관

Claims (6)

1. 지중에 그라우트재(G)를 주입시켜 지반을 보강하기 위한 그라우팅 장치에 있어서,
   지중에 매립되어 빔작용을 하는 그라우트관(10)과, 상기 그라우트관(10) 내부에 삽입되어 그라우트관(10)이 삽입된 천공홀의 내부 및 그 주변의 토사에 그라우트재(G)를 주입시키는 주입장치(A)로 이루어지는 것으로서,
   상기 그라우트관(10)에는 외면에 패커유입홀(11)과 이를 둘러싼 외부패커(13)가 일정한 간격으로 구비되고, 상기 외부패커(13)들의 각 사이에는 그라우트홀(12)이 각각 구비되며,
   상기 주입장치(A)는 주입재 분사관(20)과, 주입재 분사관(20)의 중간 위치에서 이를 둘러싼 형상을 가지는 패커주입관(40)과, 상기 패커주입관(40)의 전후방 양측에 위치하면서 주입재 분사관(20)을 둘러싼 형상을 가지는 내부패커(23)와, 상기의 내부패커(23) 중 전방에 위치한 내부패커(23)에 접하여 설치되는 개폐장치 및, 상기의 내부패커(23) 중 후방에 위치한 내부패커(23)에 접하여 설치되는 가압장치로 이루어지되,
   상기 주입재 분사관(20)에는 전후방 양측 내부패커(23)의 사이에 위치한 제1패커홀(21)과 선단에 위치한 그라우트재 분사홀(22)이 각 구비되고,
   상기 그라우트재 분사홀(22)은 주입재 분사관(20)의 외면과의 사이에 유체 공급통로용 간극(△)이 형성되도록 설치되는 유체공급관(30)을 통해 공급 및 배출되는 유체의 압력에 의해 이동하는 개폐장치의 피스톤로드(52)에 의해 개폐되며,
   상기 유체공급관(30)에는 제1패커홀(21)에 연통되는 제2패커홀(31)이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 개폐식 3중관 그라우팅 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 가압장치는 유체공급관(30)을 둘러싸면서 유체공급관(30)과의 사이에 제2유체충전공간(S₂)을 형성시키는 제2유압관(60)과, 상기 제2유체충전공간(S₂)에 충전되는 유체의 압력에 의해 전방으로 이동하면서 내부패커(23)를 가압하는 피스톤로드(62)로 이루어지고, 상기 제2유체충전공간(S₂)에 대한 유체의 공급 및 배출은 제2유압관(60)을 상기 유체공급관(30)에 고정시키기 위해 제2유압관(60)의 후방에 고정 설치되는 유압캡(64)에 구비된 유동공(64a)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 개폐식 3중관 그라우팅 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 피스톤로드(62)는 피스톤(62a)과 로드(62b)가 연결대(62c)에 의해 단일체로 구성되되, 상기 피스톤(62a)과 로드(62b)의 사이에는 선단이 로드(62b)와 분리되어 제2유압관(60)의 내면에 고정되는 스프링(63)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 개폐식 3중관 그라우팅 장치.
5. 제3항에 있어서, 상기 피스톤로드(62)에 의해 가압되는 내부패커(23)는 탄성변형되는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 개폐식 3중관 그라우팅 장치.
6. 제4항에 있어서, 상기 피스톤로드(62)에 의해 가압되는 내부패커(23)는 소성변형되는 재질로 이루어지는 것을 특징으로 하는 개폐식 3중관 그라우팅 장치.

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