KR101760218B1 - 수직진동 제트천공장치 및 방법, 그리고 수직진동 제트그라우팅 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

대상물을 들어올려 승강 및 위치이동시키는 크레인과, 상기 크레인에 대상물로서 설치되어, 상하진동되는 바이브레이터와, 상기 바이브레이터에 설치되어, 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되면서 상기 크레인에 의해 승강 및 위치이동되는 주입관과, 상기 주입관의 선단에 구비되는 노즐과, 상기 주입관의 후단을 통해 상기 주입관의 내부를 거쳐 상기 노즐과 연결되어, 상기 노즐이 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되는 동안에 상기 크레인에 의해 하강되는 천공시에, 상기 노즐의 하방개구에 고압 워터를 공급하여 상기 하방개구의 하측에 고압 워터의 종파가 형성되도록 하는 공급라인을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

Description

수직진동 제트천공장치 및 방법, 그리고 수직진동 제트그라우팅 장치 및 방법 {JET DRILLING APPARATUS AND METHOD WITH VERTICAL VIBRATION AND JET GROUTING APPARATUS AND METHOD WITH VERTICAL VIBRATION USING THE SAME}

본 발명은, 수직진동 제트천공장치 및 방법, 그리고 수직진동 제트그라우팅 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세히는, 주입관 및 노즐의 수직진동에 의한 횡파 및/또는 종파에 의해 지중의 조직에 대한 파쇄력, 파괴력을 향상시켜, 천공수나 그라우팅재의 지중 도달거리를 증대시키고, 회전하지 않고 수직진동하는 그라우팅에 의해 그라우팅 결과물을 원기둥 형상이 아니라 직육면체형 또는 십자기둥형 등으로 형성함으로써, 그라우팅재의 낭비를 막는 수직진동 제트천공장치 및 방법, 그리고 수직진동 제트그라우팅 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 고압의 그라우팅재와 에어를 함께 분사하여, 지중의 조직을 강력히 파괴하면서, 견고한 고결체를 형성하는 제트(고압분사)그라우팅 공법이 알려져 있다. 이하의 설명에서는 그라우팅재로서 시멘트를 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 이에 한하지 않고, 연약지반 개량에 적용 가능한 고압주입식의 모든 유체 그라우팅재를 포함하며, 전기화학적 토질안정제와 같은 특수목적 약액도 단독사용시나 혼합사용시에 그라우팅재와 유사한 방식으로 적용될 수 있다.

일반적으로 제트그라우팅용 장치는, 도 11 내지 도 15와 같이 천공기(60)에 장착되어 회전과 함께 승하강될 수 있는 주입관(61)을 구비한다. 주입관(61)의 선단(최하단)에는 굴착용 비트(62)와 유체분사용 노즐(63)이 구비되어 있다. 노즐(63)은 측방개구(64)와 하방개구(65)를 포함할 수 있다. 주입관(61)의 후단(최상단)에는 유체(고압 시멘트와 에어, 워터)의 공급라인(50)이 연결되어 있고, 공급라인(50)에는 도 13과 같이 시멘트 사일로 및 워터탱크, 믹서(시멘트와 워터를 혼합), 교반기, 초고압펌프, 에어 컴프레서 등이 연결되어 있다.

그리고 시공에 있어서, 도 11 (a)와 같이, 천공기(60)에 의해 주입관(61)이 회전되면서 하강된다. 이때, 공급라인(50)을 통해 저압 천공수(W)가 공급되어, 하방개구(65)를 통해 하방으로 저압 공급된다. 이로써, 구경 5~10cm 정도의 천공이 이루어지고, 비트(62) 천공으로 발생한 지중 부스러기는 천공수와 함께 지상으로 배출될 수 있다.

그리고 도 11 (b)와 같이 목표한 저점(소정 깊이)에 도달하면, 도 11 (c)와 같이 하방개구(65)를 폐쇄하고 측방개구(64)를 개방한다. 여기서, 하방개구(65)의 폐쇄에는, 예컨대 도 14와 같이 주입관(61) 상방으로부터 구슬(66)을 공급하여, 하방개구(65)를 막도록 하는 방법을 이용해도 좋다.

그리고 측방개구(64)를 통해 유체를 분사하기 시작한다. 여기서 측방개구(64)로부터 분사되는 유체는, 도 14의 (a)와 같이 단순히 시멘트(C)(농도조절용 워터를 포함)만으로 이루어져도 좋지만, 강력한 지중 조직의 파괴 및 시멘트(C)의 도달거리 증대를 위해서는, (b)와 같이 노즐의 중앙에서 시멘트(C)가 분사되고, 그 주위를 둘러싸고 에어(A)가 함께 분사되는 구성으로 할 수 있으며, 압력조절 등에 필요한 경우에는, (c)와 같이 시멘트(C)를 분사함과 함께, 별도의 노즐을 통해 중앙에서 워터(W)가 분사되고, 그 주위를 둘러싸고 에어(A)가 함께 분사되는 구성으로 할 수 있다.

그리고 도 12 (d)와 같이, 천공기(60)에 의해 주입관(61)이 회전(예컨대 2.5cm/min 속도)되면서 상승된다. 이때, 측방개구(64)를 통해 분사되는 유체, 예컨대 고압 시멘트(C)(예컨대 200~400kg/cm² 압력)와 고압 에어(A)(예컨대 7kg/cm² 압력)에 의해, 지중 조직이 파괴되면서 시멘트(C)가 공간을 그라우트하여, 견고한 원기둥 형상의 고결체(G)가 형성되어 간다. 이러한 회전 상승에 의한 측방 제트분사를 통해 도 12 (e)와 같이 고점에 도달하면, 목표한 원기둥 형상의 고결체(G)가 완성된다.

요컨대, 종래기술에 의하면, 도 15 (a)와 같이 비트(62)와 하방개구(65)를 통한 천공수(W)를 이용한 천공시에는 주입관(61)이 회전하면서 하강되고, 도 15 (b)와 같이 측방개구(64)를 통한 시멘트(C)와 에어(A)의 측방 제트분사에 의한 그라우트시에는 주입관(61)이 회전하면서 상승되어, 결국 도 15 (c)와 같이 원기둥 형상의 고결체(G)를 형성하는 것이다.

그리고 이러한 개별 원기둥 형상의 고결체(G)를 다수 형성시키면서 일부 겹치도록 시공하여, 지중 구조물, 예컨대 지중 차수를 위한 차수벽을 형성할 수 있다. 즉, 원기둥 형상의 고결체(G)를 상면도로 표시하면 단면이 원으로 표시되는데, 차수벽은, 도 15 (d)와 같이 이웃하는 고결체(G)를 순차로 연결시켜 나가는 방식으로 시공할 수도 있고, 도 15 (e)와 같이 다수의 고결체(G)들이 서로 연결되지 않도록 1차로 이산적인 고결체(G)들을 형성한 후에, 이들의 사이에 2차로 연결시키는 고결체(G)들을 형성해서 연결하는 방식으로 시공할 수도 있다. 단, 도면의 숫자는 시공순서를 나타낸다.

한편, 아래의 특허문헌에는, 회전식 확장주입암 내로 고압 착공수를 주입하여 계획 심도까지 지반을 천공하는 천공단계; 회전식 확장주입암 내로 친환경 지반개량재를 고압주입하면서 회전식 확장주입암을 회전 및 인발상승시켜 지반내에 고결체를 형성하는 지반보강단계;를 포함하되, 상기 회전식 확장주입암은 로드에 체결되고 내부에 주입홀이 관통형성되며, 상기 주입홀과 연통되는 제1, 2노즐이 서로 다른 위치에 형성된 주입몸체와, 상기 주입몸체의 주입홀내로 삽입설치되어 주입홀을 따라 이동되는 피스톤부와, 상기 피스톤부와 힌지축에 의해 연결되고 주입홀내로 공급된 기반개량재 또는 착공수를 외부로 분출하는 제3노즐이 형성된 주입암과, 피스톤부의 유입홀과 주입암의 제3노즐을 연결하는 연결관을 포함하도록 되어 있는 지반개량용 제트그라우팅 공법이 개시되어 있다. 이 특허문헌의 기술에 의해서도, 그 도 1과 같이 원기둥 형상의 개별 고결체(하늘색, 지반개량범위)가 형성된다.

특허등록 제10-1628169호 공보

종래기술에서는 원형으로 360° 회전하면서 제트분사를 하므로, 분사력이 어느 한 방향으로 집중되지 못하고, 360°로 분산된다. 따라서 지중 조직에 대한 파괴력이 강하지 못하여, 천공수나 그라우팅재의 도달거리가 짧고, 부드러운 연약층 지반에만 적용된다는 문제가 있다. 특히, 예컨대 자갈을 함유한 지층에서는 파괴력이 약하여 자갈의 파쇄가 이루어지지 않아서 천공 및 그라우트시공이 불가능하고, 자갈층에는 이중천공을 하여 그라우트시공을 하여야 하지만, 천공자체가 불가능한 경우에는 그라우트시공도 불가능하다는 문제가 있다. 그리고 파괴력이 미흡하므로, 단단한 연약층 지반에는 고결체(개량체) 확보가 어렵다는 문제가 있다.

그리고 차수벽과 같은 지중 구조물은, 소정 두께를 가지는 벽체 형상이므로, 가능하면 목적에 부합하는 구조강성을 가지는 두께(이하 강성두께)로 형성됨이 바람직하다. 이러한 두께를 초과하여 두껍게 형성되면, 그라우팅재의 낭비가 되고, 두께를 하회하여 얇게 형성되면, 구조강성을 약하여 수압을 견디지 못하여 균열이나 파손이 발생되어, 차수 등 목적을 달성하지 못하게 되기 때문이다.

종래에는 상술한 도 15와 같이, 다수의 원기둥 형상 고결체(G)를 서로 연결되도록 형성하여 지중 구조물을 형성하였으므로, 마치 골판지나 빨래판처럼 세로로 얇고 두꺼운 부분이 번갈아 홈처럼 생기게 된다. 여기서 바람직한 강성두께를 가장 얇은 부분이라고 하면, 이보다 두께가 두꺼운 부분은 그라우팅재의 낭비가 되어 비경제적이 된다는 문제가 있다. 반대로 바람직한 강성두께를 가장 두꺼운 부분이라고 하면, 이보다 두께가 얇은 부분은 강성이 약하므로 균열이나 파손이 우려된다는 문제가 있다.

그리고 천공기(60)에 의해 주입관(61)이 회전되면서 승하강 되는 구조로 되어 있으므로, 천공기(60)에 대한 주입관(61)의 활동폭(상대이동 가능한 변위의 폭)이 거의 없고 고정되어 있어서, 예컨대 천공기(60)와 천공위치 사이에 바위 등 지장물이 있을 경우에, 그 지장물 이설을 한 후 그라우트시공을 해야 하고, 지장물 이설이 불가능한 경우에는 그라우트시공도 불가능하다는 문제가 있다.

본 발명은, 상기 종래의 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 상하진동과 동시에 이루어지는 천공수의 고압 하방분사에 의한 종파와, 상하진동과 동시에 이루어지는 천공수의 측방분사에 의한 횡파를 이용하여, 종래보다 더 큰 에너지로 지반 조직을 파괴하면서 천공할 수 있는 수직진동 제트천공장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

그리고 상하진동 및 고압 측방분사에 의한 횡파를 이용하여 종래보다 더 큰 에너지로 지반 조직을 파괴하면서 그라우팅할 수 있는 수직진동 제트그라우팅 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

그리고 종래의 불필요한 두께를 없애고, 직선적으로 고결체(G)를 형성할 수 있어서, 경제적, 기술적으로 우수한 수직진동 제트그라우팅 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

그리고 장치와 천공위치 사이에 예컨대 석벽이나 바위 같은 지장물이 존재하더라도, 그 지장물을 회피하여 천공 및 그라우팅할 수 있는 수직진동 제트천공장치 및 방법, 그리고 수직진동 제트그라우팅 장치 및 방법을 제공하고자 하는 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 수직진동 제트천공장치는, 대상물을 들어올려 승강 및 위치이동시키는 크레인과, 상기 크레인에 대상물로서 설치되어, 상하진동되는 바이브레이터와, 상기 바이브레이터에 설치되어, 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되면서 상기 크레인에 의해 승강 및 위치이동되는 주입관과, 상기 주입관의 선단에 구비되는 노즐과, 상기 주입관의 후단을 통해 상기 주입관의 내부를 거쳐 상기 노즐과 연결되어, 상기 노즐이 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되는 동안에 상기 크레인에 의해 하강되는 천공시에, 상기 노즐의 하방개구에 고압 워터를 공급하여 상기 하방개구의 하측에 고압 워터의 종파가 형성되도록 하는 공급라인을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

여기서 상기 공급라인을 통해, 상기 노즐의 측방개구에 고압 워터가 더 공급되어 상기 측방개구의 외측에 고압 워터의 횡파가 형성되도록 구성됨이 바람직하다.

그리고 본 발명의 수직진동 제트천공방법은, 대상물을 들어올려 승강 및 위치이동시키는 크레인과, 상기 크레인에 대상물로서 설치되는 바이브레이터와, 상기 바이브레이터에 설치되는 주 입관과, 상기 주입관의 선단에 구비되는 노즐과, 상기 주입관의 후단을 통해 상기 주입관의 내부를 거쳐 상기 노즐과 연결되는 공급라인을 포함하여 이루어지는 장치를 이용하는 수직진동 제트천공방법에 있어서, 상기 노즐이 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되는 상하진동단계와, 상기 상하진동단계 동안에 상기 노즐이 상기 크레인에 의해 하강되는 하강단계와, 상기 공급라인을 통해 상기 노즐의 하방개구에 고압 워터를 공급하는 공급단계와, 상기 하방개구의 하측에 고압 워터의 종파가 형성되도록 하는 종파형성단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

한편, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 수직진동 제트그라우팅 장치는, 대상물을 들어올려 승강 및 위치이동시키는 크레인과, 상기 크레인에 대상물로서 설치되어, 상하진동되는 바이브레이터와, 상기 바이브레이터에 설치되어, 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되면서 상기 크레인에 의해 승강 및 위치이동되는 주입 관과, 상기 주입관의 선단에 구비되는 노즐과, 상기 주입관의 후단을 통해 상기 주입관의 내부를 거쳐 상기 노즐과 연결되어, 상기 노즐이 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되는 동안에 상기 크레인에 의해 상승되는 그라우트시에, 상기 노즐의 측방개구에 고압 그라우팅재와 고압 에어를 공급하여 상기 측방개구의 외측에 고압 그라우팅재와 고압 에어의 횡파가 형성되도록 하는 공급라인을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

여기서 상기 공급라인을 통해, 상기 노즐의 하방개구에 그라우팅재가 더 공급되어 상기 하방개구의 하측에 그라우팅재의 종파가 형성되도록 구성됨이 바람직하다.

그리고 상기 노즐의 측방개구는, 상기 노즐의 중심을 기준으로 둘레방향으로 등간격으로 복수개 형성되어도 좋다.

그리고 상기 노즐의 측방개구는, 상기 노즐의 중심을 기준으로 편측으로 복수개 형성되어도 좋다.

그리고 본 발명의 수직진동 제트그라우팅 방법은, 대상물을 들어올려 승강 및 위치이동시키는 크레인과, 상기 크레인에 대상물로서 설치되는 바이브레이터와, 상기 바이브레이터에 설치되는 주입관과, 상기 주입관의 선단에 구비되는 노즐과, 상기 주입관의 후단을 통해 상기 주입관의 내부를 거쳐 상기 노즐과 연결되는 공급라인을 포함하여 이루어지는 장치를 이용하는 수직진동 제트그라우팅 방법에 있어서, 상기 노즐이 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되는 상하진동단계와, 상기 상하진동단계 동안에 상기 노즐이 상기 크레인에 의해 상승되는 상승단계와, 상기 공급라인을 통해 상기 노즐의 측방개구에 고압 그라우팅재 및 고압 에어를 공급하는 공급단계와, 상기 측방개구의 외측에 고압 그라우팅재 및 고압 워터의 횡파가 형성되도록 하는 횡파형성단계를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 상하진동과 동시에 이루어지는 천공수의 고압 하방분사에 의한 종파와, 상하진동과 동시에 이루어지는 천공수의 측방분사에 의한 횡파를 이용하여, 종래보다 더 큰 에너지로 지반 조직을 파괴하면서 천공할 수 있는 수직진동 제트천공장치 및 방법이 제공된다.

그리고 상하진동 및 고압 측방분사에 의한 횡파를 이용하여 종래보다 더 큰 에너지로 지반 조직을 파괴하면서 그라우팅할 수 있는 수직진동 제트그라우팅 장치 및 방법이 제공된다.

그리고 종래의 불필요한 두께를 없애고, 직선적으로 고결체(G)를 형성할 수 있어서, 경제적, 기술적으로 우수한 수직진동 제트그라우팅 장치 및 방법이 제공된다.

그리고 장치와 천공위치 사이에 예컨대 석벽이나 바위 같은 지장물이 존재하더라도, 그 지장물을 회피하여 천공 및 그라우팅할 수 있는 수직진동 제트천공장치 및 방법, 그리고 제트그라우팅 장치 및 방법이 제공된다.

도 1 내지 도 3은, 본 발명의 수직진동 제트천공장치 겸 제트그라우팅 장치의 제1 실시예의 시공순서를 설명하기 위한 작업설명도이다.
도 4는, 그 공급라인과 노즐의 유체 공급계통을 나타낸 예시 개략도이다.
도 5는, 노즐과 공급라인의 예시 개략도이다.
도 6은, 상하진동되는 노즐로부터 유체가 분사되는 양상을 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은, (a)~(c) 본 발명의 수직진동 제트천공방법 및 제트그라우팅 방법의 시공순서를 나타내는 작업순서도와, (d)~(f) 노즐의 개구에 따른 고결체의 단면형상과, 이들의 연결방식의 예시도이다.
도 8 및 도 9는, 본 발명의 수직진동 제트천공장치 겸 제트그라우팅 장치의 제2 실시예의 시공순서를 설명하기 위한 작업설명도이다.
도 10은, 그 공급라인과 노즐의 유체 공급계통을 나타낸 예시 개략도이다.
도 11 및 도 12는, 종래의 회전식 비트천공 및 제트그라우팅 장치의 시공순서를 설명하기 위한 작업설명도이다.
도 13은, 그 공급라인과 노즐의 유체 공급계통을 나타낸 예시 개략도이다.
도 14는, 노즐의 구조 예시도이다.
도 15는, (a)~(c) 종래의 회전식 제트그라우팅 방법의 시공순서를 나타내는 작업순서도와, (d) 및 (e) 원기둥형 고결체의 단면형상(원형)과, 이들의 연결방식의 예시도이다.

이하, 본 발명의 수직진동 제트천공장치 및 방법, 그리고 수직진동 제트그라우팅 장치 및 방법에 대해 첨부도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 다만, 동일구성에 의해 동일기능을 가지는 부분에 대해서는, 도면이 달라지더라도 동일부호를 유지함으로써, 그 상세한 설명을 생략하는 경우가 있다. 그리고 연결된다 함은 그 중간에 어댑터나 중간부재를 거쳐서 결합되는 경우를 포함한다. 그리고 어떤 기능을 수행하는 하드웨어나 소프트웨어 블럭은, 2 이상의 세부블럭으로 분리되어 구현될 수도 있고, 반대로 복수의 블럭이 하나의 통합블럭으로 결합되어 구현될 수도 있다.

<장치 기본구성>

본 발명의 수직진동 제트천공장치와 수직진동 제트그라우팅 장치는, 기본구성을 공유하고, 도 1과 같이, 크레인(10)과, 바이브레이터(20)와, 주입관(30)과, 노즐(40)과, 공급라인(50)을 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다. 수직진동 제트천공장치와 수직진동 제트그라우팅 장치는, 공급라인(50)을 통해 어떤 유체를 노즐(40)에 어떤 방식으로 공급할 것인지에 따라 구분된다. 상기 기본구성의 장치는, 수직진동 제트천공장치로만 전용으로 이용되거나, 수직진동 제트그라우팅 장치로만 전용으로 이용될 수도 있지만, 사용 유체와 공급방식을 변경함으로써, 하나의 장치를 이들 두 가지 장치로 겸용할 수도 있다.

상기 크레인(10)은, 대상물을 들어올려 승강 및 위치이동시키는 장치이다. 도 1 내지 도 10에는 붐 타입의 크레인이 예시되어 있지만, 본 발명은 이에 한하지 않고, 예컨대 천정형이나 문형 등 다양한 크레인에 적용될 수 있다.

상기 바이브레이터(20)는, 상기 크레인(10)에 대상물로서 설치되어, 천공시 및 그라우트시에 상하진동되는 장치이다. 상기 바이브레이터(20)가 상하진동되면, 이에 설치된 물체도 함께 상하진동된다. 상기 바이브레이터(20)로서, 예컨대 바이브로해머가 이용될 수 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 주입관(30)은, 상기 바이브레이터(20)에 설치되어, 상기 바이브레이터(20)에 의해 상하진동되면서, 상기 크레인(10)에 의해 승강 및 위치이동되는 파이프 형상의 부재이다. 상기 주입관(30)은, 천공시에는 주입관 내지 천공관으로서의 역할을 하고, 그라우트시에는 주입관으로서의 역할을 한다.

상기 노즐(40)은, 상기 주입관(30)의 선단에 구비되는 유체의 분사장치이다. 노즐에서 분사되는 유체는, 시멘트(C), 에어(A), 워터(W) 등을 포함할 수 있다. 본 설명에서는 그라우팅재로서 시멘트를 예로 들어 설명하지만, 본 발명은 이에 한하지 않고, 다른 그라우팅재나 전기화학적 토질안정제와 같은 특수목적 약액에도 적용될 수 있다.

상기 노즐(40)에는, 노즐 중심축에 대략 직각인 측방으로 유체를 분사하는 측방개구(41)와, 노즐 중심축에 대략 평행인 하방으로 유체를 분사하는 하방개 구(42)가 구비되어 있다. 도 5 (a)와 (b)에 예시된 노즐(40)에 있어서는, 측방개구는 시멘트(C)용 공급라인 및 노즐을 에어(A)용 공급라인 및 노즐이 에워싸는 형상으로 되어 있고, 하방개구는 시멘트(C)나 워터(W)가 공급될 수 있는 공급라인이 단독으로 노즐에 연결되어 있는 예가 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

워터(W)는 천공시의 주재료이므로, 워터(W)용 공급라인은 천공의 방향인 하방을 향한 하방개구(42)에 반드시 설치되지만, 천공의 확경과 천공토의 상승배출을 위해 측방개구(41)에 추가로 설치되어도 좋다. 천공시의 지중 조직의 파괴력, 특히 자갈의 분쇄를 위해, 하방개구(42)에는 에어(A)용 공급라인이 더 설치됨이 바람직하다.

그리고 시멘트(C)는 그라우트시의 주재료이므로, 시멘트(C)용 공급라인은 그라우트의 방향인 측방을 향한 측방개구(41)에 반드시 설치되지만, 그라우트재의 보충과 그라우트속도의 상승을 위해 하방개구(42)에 추가로 설치되어도 좋다. 그라우트시의 지중 조직의 파괴력, 특히 자갈의 분쇄를 위해, 측방개구(41)에는 에어(A)용 공급라인이 더 설치됨이 바람직하다.

상기 공급라인(50)은, 상기 주입관(30)의 후단을 통해 상기 주입관(30)의 내부를 거쳐 상기 노즐(40)과 연결되어 있는 유체의 유로이다. 상기 공급라인(50)은, 다수의 유체에 대해 구비되고, 이들 각 유로의 개폐와 개도는, 천공시에 이용되는 수직진동 제트천공장치와 그라우트시에 이용되는 수직진동 제트그라우팅 장치에 있어서 서로 차별화된다.

천공시에는, 상기 노즐(40)이 상기 바이브레이터(20)에 의해 상하진동되는 동안에 상기 크레인(10)에 의해 하강된다. 이때, 상기 수직진동 제트천공장치는, 상기 공급라인(50)에 의해, 상기 노즐(40)의 하방개구(42)에 고압 워터(W)를 공급하여 상기 하방개구(42)의 하측에 고압 워터(W)의 종파가 형성되도록 한다.

그라우트시에는, 상기 노즐(40)이 상기 바이브레이터(20)에 의해 상하진동되는 동안에 상기 크레인(10)에 의해 상승된다. 이때, 상기 수직진동 제트그라우팅 장치는, 상기 공급라인(50)에 의해, 상기 노즐(40)의 측방개구(41)에 고압 그라우팅재인 시멘트(C)와 고압 에어(A)를 공급하여 상기 측방개구(41)의 외측에 고압 그라우팅재인 시멘트(C)와 고압 에어(A)의 횡파가 형성되도록 한다.

유체의 가압 및 흐름의 제어를 위하여, 예컨대 도 4에 나타낸 바와 같이 시멘트 사일로 및 워터탱크, 믹서(시멘트와 워터를 혼합), 교반기, 초고압펌프, 에어 컴프레서 등이 연결되어 있고, 이들은 자동 또는 수동으로 밸브에 의해 개폐 및 개도가 제어된다.

<제트천공의 동작>

이러한 본 발명의 수직진동 제트천공장치를 이용하는 수직진동 제트천공방법은, 도 1 (a), (b)와 같이, 상하진동단계와, 하강단계와, 공급단계와, 종파형성단계를 포함하여 이루어진다.

상기 상하진동단계는, 상기 주입관(30)에 구비된 노즐(40)이 상기 바이브레이터(20)에 의해 상하진동되는 단계이다. 상기 진동의 주파수는, 노즐(40) 하방의 지중 조직의 성질에 따라 변경될 수 있도록 함이 바람직하고, 예컨대 토사라면 진동수가 낮은 것이, 자갈 등 견고한 물체라면 진동수가 높은 것이 바람직하다. 상기 진동에 의해, 하방개구의 하측에는 유체의 종파가 형성되고, 측방개구의 외측에는 유체의 횡파가 형성된다.

상기 하강단계는, 상기 상하진동단계 동안에 상기 노즐(40)이 상기 크레인(10)에 의해 하강되는 단계이다. 즉, 상하진동단계와 하강단계는 시간적으로 동시에 진행된다. 상기 하강의 속도는, 노즐(40) 하방의 지중 조직의 성질에 따라 변경될 수 있도록 함이 바람직하고, 예컨대 토사라면 속도가 높은 것이, 자갈 등 견고한 물체라면 속도가 낮은 것이 바람직하다. 상기 하강에 의해, 하방개구의 하측에는 지중 조직의 파괴에 의한 천공이 형성되고, 측방개구의 외측에는 지중 조직의 파괴에 의한 확경이 형성된다.

상기 공급단계는, 상기 공급라인(50)을 통해 상기 노즐(40)의 하방개구(42)에 고압 워터(W)를 공급하여 워터(W)를 고압 워터제트 분사시키는 단계이다. 워터(W)의 공급은, 예컨대 도 4의 워터(W)용 초고압펌프를 작동시키고 밸브를 개방함으로써 이루어진다. 상기 공급단계는, 상하진동단계 및 하강단계가 진행되는 도중에 수행된다. 상기 공급압력은, 노즐(40) 하방의 지중 조직의 성질에 따라 변경될 수 있도록 함이 바람직하고, 예컨대 토사라면 압력이 낮은 것이, 자갈 등 견고한 물체라면 압력이 높은 것이 바람직하다.

상기 종파형성단계는, 상기 하방개구(42)의 하측에 고압 워터(W)의 종파가 형성되도록 하는 단계이다. 상기 종파형성단계는, 유체의 공급방향인 하방으로 유체가 상하진동됨으로써 수행된다. 상기 종파형성단계는, 상기 상하진동단계 및 공급단계와 시간적으로 동시에 진행된다. 상기 종파의 주파수는, 상기 상하진동단계의 진동의 주파수에 의해 정해지고, 이는 노즐(40) 하방의 지중 조직의 성질에 따라 변경될 수 있도록 함이 바람직하고, 가능하면 지중 조직의 고유진동수(고유주파수)에 공진되도록 하는 것이 바람직하며, 예컨대 토사라면 주파수가 낮은 것이, 자갈 등 견고한 물체라면 주파수가 높은 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 수직진동 제트천공장치 및 방법의 고압 워터제트는, 기본적으로 초고압펌프에 의해 가압된 워터(W)를 공급라인(50)으로 공급받는 노즐(40)의 하방개구(42)에 의해 이루어지고, 여기에 크레인에 의한 하강력이 더해진다. 본 발명에서는 이것뿐 아니라, 바이브레이터(20)에 의한 상하진동이 가해진다. 즉, 초고압 분사력과 하강력이 상하진동에 의해 종파로서 작용하여, 파괴력을 증폭시킨다. 따라서, 지반에 자갈 등 견고한 재질이 존재하더라도, 공진에 의한 강력한 파괴력으로 이러한 지중 조직을 파괴하면서 천공할 수 있다.

그리고 크레인(10)에 의한 주입관(30)의 위치이동에 따라서, 예컨대 크레인(10)과 천공위치 사이에 바위 등 지장물이 존재하더라도, 이러한 지장물을 넘어서 천공을 시행할 수 있다.

그리고 목표 깊이까지의 천공이 완료되면, 예컨대 워터(W)용 초고압펌프의 작동을 중지시켜서 도 2 (c)와 같이 노즐(40)의 하방개구(42)를 통한 고압 워터제트를 중지시킨다.

< 제트그라우팅의 동작>

이러한 본 발명의 수직진동 제트그라우팅 장치를 이용하는 수직진동 제트그라우팅 방법은, 도 2 (c), (d), 및 도 (e), (f)와 같이, 상하진동단계와, 상승단계와, 공급단계와, 횡파형성단계를 포함하여 이루어진다.

상기 상하진동단계는, 상기 수직진동 제트천공장치 및 방법의 것과 동일하므로, 그 내용을 원용하고, 상세한 설명은 생략한다.

상기 상승단계는, 상기 상하진동단계 동안에 상기 노즐(40)이 상기 크레인(10)에 의해 상승되는 단계이다. 즉, 상하진동단계와 상승단계는 시간적으로 동시에 진행된다. 상기 상승의 속도는, 노즐(40) 외측방의 지중 조직의 성질에 따라 변경될 수 있도록 함이 바람직하고, 예컨대 토사라면 속도가 낮은 것이, 자갈 등 견고한 물체라면 속도가 높은 것이 바람직하다. 상기 상승에 의해, 하방개구의 하측에는 그라우팅재인 시멘트를 주성분으로 하는 고결체가 형성되고, 측방개구의 외측에는 지중 조직의 파괴를 통한 고결체의 확장부가 형성된다.

상기 공급단계는, 상기 공급라인(50)을 통해 상기 노즐(40)의 측방개구(41)에 고압 그라우팅재인 시멘트(C)와 고압 에어(A)를 공급하여 시멘트(C)와 에어(A)를 고압 제트분사시키는 단계이다. 시멘트(C)의 공급은, 예컨대 도 4의 시멘트(C)용 초고압펌프를 작동시키고 밸브를 개방함으로써 이루어지고, 에어(A)의 공급은, 예컨대 도 4의 에어 컴프레서를 작동시키고 밸브를 개방함으로써 이루어진다. 상기 공급단계는, 상하진동단계 및 상승단계가 진행되는 도중에 수행된다. 상기 공급압력은, 노즐(40) 측방의 지중 조직의 성질에 따라 변경될 수 있도록 함이 바람직하고, 예컨대 토사라면 압력이 낮은 것이, 자갈 등 견고한 물체라면 압력이 높은 것이 바람직하다.

상기 횡파형성단계는, 상기 측방개구(41)의 외측에 고압 시멘트(C)와 에어(A)의 횡파가 형성되도록 하는 단계이다. 상기 횡파형성단계는, 유체의 공급방향인 측방에 수직인 방향으로 유체가 상하진동됨으로써 수행된다. 상기 횡파형성단계는, 상기 상하진동단계 및 공급단계와 시간적으로 동시에 진행된다. 상기 횡파의 주파수는, 상기 상하진동단계의 진동의 주파수에 의해 정해지고, 이는 노즐(40) 측방의 지중 조직의 성질에 따라 변경될 수 있도록 함이 바람직하고, 가능하면 지중 조직의 고유진동수(고유주파수)에 공진되도록 하는 것이 바람직하며, 예컨대 토사라면 주파수가 낮은 것이, 자갈 등 견고한 물체라면 주파수가 높은 것이 바람직하다.

상기 주입관(30)은, 종래기술과 같이 360° 회전되는 것이 아니라, 그 자리에서 상하진동됨이 특징이다. 따라서, 노즐(40)의 측방개구(41)로부터 분사되는 그라우팅재(C)와 에어(A)는, 종래기술의 도 13과 같이 분사방향이 계속 바뀌면서 회전하는 것이 아니라, 도 2 (d)에 예시된 바와 같이, 측방개구(41)가 향하는 방향으로 직선적으로 전진한다. 따라서 도달거리가 종래기술에 비해 현격히 증가되고, 파괴력이 증가된다는 장점이 있다.

도 6은, 상하진동을 4단계로 끊어서 표시한 고속촬영 연속사진과 같은 도면이다. 여기서, 360° 모든 방향으로 분산되는 것이 아니라, 상하진동에 의해 특정 분사방향의 지반 조직만을 연속 파괴함을 알 수 있다.

도 3 (e)와 같이, 상기 노즐(40)의 측방개구(41)로 고압 제트그라우팅 분사를 하면서, 상기 바이브레이터(20)로 상하진동을 하고, 동시에 상기 크레인(10)으로 점차 상승시켜가면서, 목표 고점에 도달하면 도 3 (f)와 같이 고결체(G)가 완성된다.

요컨대 도 7 (a)와 같이, 바이브레이터(20)에 의한 상하진동과 함께 하방개구(42)를 통한 고압 워터제트 분사를 하면서, 하강하여 천공을 행하고, 도 7 (b)와 같이, 바이브레이터(20)에 의한 상하진동과 함께 측방개구(41)를 통한 고압 제트그라우팅 분사를 하면서, 상승하여 그라우팅을 행하여, 결국 도 7 (c)와 같은 고결체(G)를 얻는 것이다.

< 측방개구 워터공급 >

여기서, 상기 공급라인(50)을 통해, 천공시에 상기 노즐(40)의 측방개구(41)에 고압 워터(W)가 더 공급되도록 구성되어도 좋다. 상기 측방개구(42)는, 주로 그라우트시에 시멘트(C)와 에어(A)의 고압 제트그라우팅 분사를 위한 개구이지만, 천공시에는 이용되지 않는 유휴 개구이다. 따라서 천공시에 이 측방개구(42)로 워터(W)를 공급하도록 함으로써, 상기 측방개구(42)의 외측에 고압 워터(W)의 횡파가 형성되도록 구성된다. 따라서, 하방개구(42)에 의한 지중 조직의 강력한 파괴와 함께, 부족한 워터(W)를 충분히 보충할 수가 있어서, 천공의 확경 및 천공토의 지상반출이 원활하게 가능해진다는 장점이 있다.

< 하방개구 그라우팅재 공급>

여기서, 상기 공급라인(50)을 통해, 그라우트시에 상기 노즐(40)의 하방개 구(42)에 고압 그라우팅재(C)가 더 공급되도록 구성되어도 좋다. 상기 하방개구(42)는, 주로 천공시에 천공수(W)의 고압 워터제트를 위한 개구이지만, 그라우트시에는 이용되지 않는 유휴 요소이다. 따라서 그라우트시에 이 하방개구(42)로 그라우팅재(C)를 공급하도록 함으로써, 상기 하방개구(41)의 하측에 고압 그라우팅재(C)의 종파가 형성되도록 구성된다. 따라서, 측방개구(41)에 의한 지중 조직의 강력한 파괴와 함께, 부족한 그라우팅재(C)를 충분히 보충할 수가 있어서, 견고하고 신속한 그라우팅이 가능해져서 고결체(G)가 완성된다는 장점이 있다.

<대칭형 측방노즐: 실시예 1>

실시예 1의 상기 노즐(40)의 측방개구(41)는, 도 2 내지 도 7과 같이, 상기 노즐(40)의 중심을 기준으로 둘레방향으로 등간격으로 복수개 형성되도록 구성되어도 좋다. 도 7 (d), (e), (f)에는 각각, 측방개구(41)가 등간격으로 예컨대 8개(45° 간격), 2개(180° 간격), 4개(90° 간격) 형성된 경우의 고결체(G)의 단면 형상이 각각 예시되어 있다. 다만, 도 7 (d), (e), (f)는, 개별 고결체(G)를 다수 연결하여 차수벽과 같은 지중 구조물을 형성할 경우를 나타낸 것이다.

<비대칭형 측방노즐: 실시예 2>

실시예 2의 상기 노즐(40)의 측방개구(41)는, 도 8 내지 도 10과 같이, 상기 노즐(40)의 중심을 기준으로 편측으로 복수개 형성되도록 구성되어도 좋다. 여기서 천공과정은 도 1을 통해 설명된 바와 같으므로, 중복 상세한 설명을 생략한다.

실시예 2의 측방개구(41)는, 예컨대 도 8 (b)의 정면도와 같이 전방의 개구가 구비됨은 물론, 그 양 옆에 소정 각도, 예컨대 15° 벌어진 각도로 분사되는 우측대각선방향 개구 및 좌측대각선방향 개구가 구비된 형태이다. 이처럼, 전방 쪽에는 3개의 개구가 배치되고, 후방 쪽에는 개구가 배치되지 않도록 함으로써, 도 9에 도시된 바와 같이, 전방 쪽으로만 고결체(G)가 형성되게 된다. 노즐(40)의 측방개구(41)에서는, 시멘트(C)와 에어(A)가 분사되고, 하방개구(42)에서는, 시멘트(C)가 분사되도록 하고, 시멘트(C)의 공급라인은 레버(51)에 의해 개폐 및 개도조정 가능하게 구성될 수 있다.

실시예 2에 의한 개별 고결체(G)를 연결하여 차수벽 등의 지중 구조물을 형성하기 위해서는, 도 9와 같이, 하나의 천공에 의해 그라우팅을 행하고, 그 분사방향의 연장선에 해당되는 위치에 후속의 천공을 하고 그라우팅을 행하는 식으로 연속적으로 시공을 할 수 있다.

이상, 본 발명에 대해 구체적 실시예를 가지고 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한하는 것이 아니고, 특허청구범위 내에서 이루어진 당업자의 변경, 개량, 변형은 모두, 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명은, 수직진동 제트천공장치 및 방법, 그리고 수직진동 제트그라우팅 장치 및 방법의 산업에 이용될 수 있다.

10: 크레인
20: 바이브레이터
30: 주입관
40: 노즐
41: 측방개구 42: 하방개구
50: 공급라인
A: 에어 C: 시멘트(그라우팅재)
W: 워터 G: 고결체

Claims (8)

1. 대상물을 들어올려 승강 및 위치이동시키는 크레인과,
   상기 크레인에 대상물로서 설치되어, 상하진동되는 바이브레이터와,
   상기 바이브레이터에 설치되어, 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되면서 상기 크레인에 의해 승강 및 위치이동되는 주입관과,
   상기 주입관의 선단에 구비되고, 측방개구와 하방개구를 모두 구비하는 노즐과,
   상기 주입관의 후단을 통해 상기 주입관의 내부를 거쳐 상기 노즐과 연결되어, 상기 노즐의 상기 측방개구 및 상기 하방개구에 분사유체로서 고압 워터와 함께 에어를 동시에 공급하는 공급라인
   을 포함하여 이루어지고,
   상기 주입관 및 노즐이 무회전 상태에서 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되면서 상기 크레인에 의해 하강됨으로써 천공작업이 이루어지도록 제어되고,
   상기 무회전 및 상하진동에 의해,
   상기 측방개구의 외측에 분사유체의 횡파가 형성되고, 분사유체가 지중의 조직을 회전 없이 제자리에서 상하진동하면서 수직으로 절삭하도록 제어하여, 지중의 조직에 대한 파쇄력 또는 파괴력의 향상에 의해, 측방 지중 천공거리가 증대되고, 이로써, 상기 측방개구의 외측방향으로 뻗은 형상의 지중 천공공간이 형성되고, 이와 동시에,
   상기 하방개구의 하측에 분사유체의 종파가 형성되고, 분사유체가 지중의 조직을 회전 없이 제자리에서 상하진동하면서 수직으로 가압하여 압축하도록 제어하여, 지중의 조직에 대한 파쇄력 또는 파괴력의 향상에 의해, 하방 지중 천공거리가 증대되고, 이로써, 상기 하방개구의 하측방향으로 충분히 절개되어 천공된 지중 천공공간이 형성되도록 함
   을 특징으로 하는 수직진동 제트천공장치.
2. 대상물을 들어올려 승강 및 위치이동시키는 크레인과, 상기 크레인에 대상물로서 설치되어, 상하진동되는 바이브레이터와, 상기 바이브레이터에 설치되어, 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되면서 상기 크레인에 의해 승강 및 위치이동되는 주입관과, 상기 주입관의 선단에 구비되고, 측방개구와 하방개구를 모두 구비하는 노즐과, 상기 주입관의 후단을 통해 상기 주입관의 내부를 거쳐 상기 노즐과 연결되는 공급라인을 포함하여 이루어지는 장치를 이용하는 수직진동 제트천공방법에 있어서,
   상기 주입관 및 노즐이 무회전 상태에서 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되는 상하진동단계와,
   상기 상하진동 동안에, 상기 주입관 및 노즐이 무회전 상태에서 상기 크레인에 의해 하강되는 하강단계와,
   상기 상하진동 및 하강 동안에, 상기 공급라인을 통해 상기 노즐의 상기 측방개구 및 상기 하방개구에 분사유체로서 고압 워터와 함께 에어를 동시에 공급하는 공급단계와,
   상기 무회전 및 상하진동에 의해, 상기 측방개구의 외측에 분사유체의 횡파가 형성되고, 분사유체가 지중의 조직을 회전 없이 제자리에서 상하진동하면서 수직으로 절삭하도록 제어하여, 지중의 조직에 대한 파쇄력 또는 파괴력의 향상에 의해, 측방 지중 천공거리가 증대되고, 이로써, 상기 측방개구의 외측방향으로 뻗은 형상의 지중 천공공간이 형성되도록 하는 측방 횡파 형성단계와,
   상기 무회전 및 상하진동에 의해, 상기 하방개구의 하측에 분사유체의 종파가 형성되고, 분사유체가 지중의 조직을 회전 없이 제자리에서 상하진동하면서 수직으로 가압하여 압축하도록 제어하여, 지중의 조직에 대한 파쇄력 또는 파괴력의 향상에 의해, 하방 지중 천공거리가 증대되고, 이로써, 상기 하방개구의 하측방향으로 충분히 절개되어 천공된 지중 천공공간이 형성되도록 하는 하방 종파 형성단계
   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 수직진동 제트천공방법.
3. 대상물을 들어올려 승강 및 위치이동시키는 크레인과,
   상기 크레인에 대상물로서 설치되어, 상하진동되는 바이브레이터와,
   상기 바이브레이터에 설치되어, 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되면서 상기 크레인에 의해 승강 및 위치이동되는 주입관과,
   상기 주입관의 선단에 구비되고, 측방개구와 하방개구를 모두 구비하는 노즐과,
   상기 주입관의 후단을 통해 상기 주입관의 내부를 거쳐 상기 노즐과 연결되어, 상기 노즐의 상기 측방개구 및 상기 하방개구에 분사유체로서 고압 그라우팅재와 함께 고압 에어를 동시에 공급하는 공급라인
   을 포함하여 이루어지고,
   상기 주입관 및 노즐이 무회전 상태에서 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되면서 상기 크레인에 의해 상승됨으로써 그라우팅작업이 이루어지도록 제어되고,
   상기 무회전 및 상하진동에 의해,
   상기 측방개구의 외측에 분사유체의 횡파가 형성되고, 분사유체가 지중의 조직을 회전 없이 제자리에서 상하진동하면서 수직으로 절삭하도록 제어하여, 지중의 조직에 대한 파쇄력 또는 파괴력의 향상에 의해, 측방 지중 그라우팅재 도달거리가 증대되고, 이로써, 상기 측방개구의 외측방향으로 뻗은 형상의 지중 고결체가 형성되고, 이와 동시에,
   상기 하방개구의 하측에 분사유체의 종파가 형성되고, 분사유체가 지중의 조직을 회전 없이 제자리에서 상하진동하면서 수직으로 가압하여 압축하도록 제어하여, 지중의 조직에 대한 파쇄력 또는 파괴력의 향상에 의해, 하방 지중 그라우팅재 도달거리가 증대되고, 이로써, 상기 하방개구의 하측방향으로 충분히 그라우팅재가 공급되어 두께가 보강된 지중 고결체가 형성되도록 함
   을 특징으로 하는 수직진동 제트그라우팅 장치.
4. 대상물을 들어올려 승강 및 위치이동시키는 크레인과, 상기 크레인에 대상물로서 설치되어, 상하진동되는 바이브레이터와, 상기 바이브레이터에 설치되어, 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되면서 상기 크레인에 의해 승강 및 위치이동되는 주입관과, 상기 주입관의 선단에 구비되고, 측방개구와 하방개구를 모두 구비하는 노즐과, 상기 주입관의 후단을 통해 상기 주입관의 내부를 거쳐 상기 노즐과 연결되는 공급라인을 포함하여 이루어지는 장치를 이용하는 수직진동 제트그라우팅 방법에 있어서,
   상기 주입관 및 노즐이 무회전 상태에서 상기 바이브레이터에 의해 상하진동되는 상하진동단계와,
   상기 상하진동 동안에, 상기 주입관 및 노즐이 무회전 상태에서 상기 크레인에 의해 상승되는 상승단계와,
   상기 상하진동 및 상승 동안에, 상기 공급라인을 통해 상기 노즐의 상기 측방개구 및 상기 하방개구에 분사유체로서 고압 그라우팅재와 함께 고압 에어를 동시에 공급하는 공급단계와,
   상기 무회전 및 상하진동에 의해, 상기 측방개구의 외측에 분사유체의 횡파가 형성되고, 분사유체가 지중의 조직을 회전 없이 제자리에서 상하진동하면서 수직으로 절삭하도록 제어하여, 지중의 조직에 대한 파쇄력 또는 파괴력의 향상에 의해, 측방 지중 도달거리가 증대되고, 이로써, 상기 측방개구의 외측방향으로 뻗은 형상의 지중 고결체가 형성되도록 하는 측방 횡파 형성단계와,
   상기 무회전 및 상하진동에 의해, 상기 하방개구의 하측에 분사유체의 종파가 형성되고, 분사유체가 지중의 조직을 회전 없이 제자리에서 상하진동하면서 수직으로 가압하여 압축하도록 제어하여, 지중의 조직에 대한 파쇄력 또는 파괴력의 향상에 의해, 하방 지중 도달거리가 증대되고, 이로써, 상기 하방개구의 하측방향으로 충분히 그라우팅재가 공급되어 두께가 보강된 지중 고결체가 형성되도록 하는 하방 종파 형성단계
   를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 수직진동 제트그라우팅 방법.
   
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