KR101900343B1 - 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 및 그 시공방법 - Google Patents

유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 및 그 시공방법 Download PDF

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Abstract

옹벽과 같은 구조물 배면을 굴착하면서 함께 보강심재를 삽입한 후, 주입된 그라우팅재와 굴착토를 교반시켜 구조물 배면에 보강심재와 교반된 굴착토를 이용하여 지중보강체를 시공하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 및 그 시공방법에 관한 것으로서, 상기 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치는 비전도성 보강심재를 수용하면서 외주면에 장착된 유선형 드릴비트, 교반날개, 보강심재 선단고정구가 함께 회전되는 중공로드를 포함한다.

Description

유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 및 그 시공방법{BORING AND MIXING MACHINE WITH STREAMLINE STRUCTURE FOR SOIL-CEMENT BODY AND THE CONSTRUCTION METHOD THEREFOR}
본 발명은 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 및 그 시공방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 옹벽과 같은 구조물 배면을 굴착하면서 함께 보강심재를 삽입한 후, 주입된 그라우팅재와 굴착토를 교반시켜 구조물 배면에 보강심재와 교반된 굴착토를 이용하여 지중보강체를 시공하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 및 그 시공방법에 관한 것이다.
도 1a는 종래 앵커 또는 쏘일네일을 이용한 지반 터파기 후 터파기 굴착면의 붕괴등을 방지하기 위한 보강재 시공단면을 도시한 것이다.
즉, 지중에 구조물(A)을 시공하기 위해서는 지반을 일정 깊이 굴착해야 하는데 굴착 시 및 구조물 시공 시 굴착면은 토압에 의하여 붕괴하려 하기 때문에 토류판, 엄지말뚝을 포함하는 가설벽체를 시공하고, 이러한 가설벽체(10)가 토압에 의하여 전도되지 않도록 스트럿(Strut)을 설치하는 경우도 있지만 이러한 스트럿은 굴착공간 내부를 가로질러 설치되므로 구조물(A) 시공에 간섭되어 시공성을 매우 떨어뜨리게 된다.
이에 상기 가설벽체(10) 배면 하방으로 연장되도록 앵커 또는 쏘일네일과 같은 보강재(20)를 설치하게 된다.
즉, 앵커 또는 쏘일네일과 같은 보강재(20)는 가설벽체(10)를 굴착면에 고정되도록 하는 고정앵커 역할을 하도록 한 것이다.
이때 굴착깊이가 길어질수록 가설벽체(10)에 작용하는 토압도 커지기 때문에 앵커 또는 쏘일네일과 같은 보강재(20)의 설치 깊이도 더 깊어질 수밖에 없으나 지중장애물 등이 있는 경우에는 그 길이 연장에 한계가 있어 앵커 또는 쏘일네일과 같은 보강재(20)를 설치하지 못하고 스트럿을 이용할 수밖에 없는 경우가 발생한다.
특히 지반 상부가 철도가 지나가는 철도노반인 경우에는 보강재(20)를 시공하기 위한 천공홀(H)을 노반에 다수 형성시킬 경우, 천공홀(H)에 의한 노반 침하가 발생할 수 있기 때문에 철도 통행 안전에 심각한 영향을 줄 수 있게 된다.
이에 스트럿을 설치하지 않으면서, 천공홀(H)에 삽입되는 보강재(20)를 설치함에 있어서도 필요한 굴착면 붕괴 등을 방지할 수 있고, 천공홀의 형성 깊이 및 설치개수를 최소화시킬 수 있다면 상기 노반등의 침하 등을 방지할 수 있게 된다.
관련하여 적용할 수 있는 기술이 도 1b(일본 공개특허 2005-226222호: 보강된 기설옹벽구조 및 기설옹벽의 보강공법)에 소개되어 있다.
상기 도 1b에 의하면 먼저 굴착 교반로드(11)를 중공로드(12)의 선단측으로 콘 형상의 정착부(17)를 가지는 심재(5)가 삽입된 상태의 보강체를 시공위치에 설치한 케이싱(2)의 위치에 세팅하게 된다.
이에 계속 굴착 교반로드(11)를 케이싱(2) 내부로 진입시켜 선단의 굴착날개(13)가 케이싱(2)을 지나게 되면 중공로드(12)내에 시멘트 밀크 등의 고화재를 공급하고 이에 중공로드(12) 선단의 굴착날개 부근의 측면에 설치한 토출구(16)에서 고화재를 토출하면서 지반을 회전, 굴진한다.
이러한 굴진에 의해 굴삭토와 고화재액은 교반날개(15)에 의해 교반 혼합되어 소일시멘트(4a)가 형성된다. 이에 소정의 심도까지 굴진하면, 소정의 깊이까지 소일시멘트(4a)가 시공되어 흙시멘트 기둥체(4')가 축조된다.
소정의 심도까지의 굴진이 종료되어 소정의 길이의 흙시멘트 기둥체(4')가 형성되었다면, 콘 형상의 정착부(17)에 의해 심재(5)를 흙시멘트 기둥체(4') 내부에 남겨두고, 고화재 공급을 계속하면서 굴착 교반로드(11)를 역회전시키면서 인발시키게 된다.
이에 상기 심재(5)는 콘 형상의 정착부(17)에 의해 흙시멘트 기둥체(4') 내부에 잔류하게 되고 콘 형상의 정착부(17)로 막혀 있던 중공로드(12)의 선단 개구는 개방됨과 동시에, 고화재가 토출되게 되어 교반되지 않고 심재(5)의 주위에 고화재층 (6)을 형성한다.
이로서 보강체가 대경의 봉형 보강체이므로 소경의 보강체의 경우보다 봉형보강체의 길이를 짧게 해도 보강 효과를 발휘할 수 있으므로, 시공에 필요한 시간도 짧게 할 수 있다는 장점이 있게 된다.
이때 상기 굴착 교반로드(11)의 선단에는 공회전방지부재(14)와 직선형 굴착날개(13)가 장착되어 있으나 토사지반이라도 회전저항이 심하여 굴착에너지 소모가 너무 크고, 이에 굴착의 직진성을 확보하기 매우 어려워 품질관리가 용이하지 않으며,
굴착 교반로드(11)의 선단에 토출구(16)가 형성되어 있기는 하지만 토출 시 교란된 지반에 고르게 교반된다는 보장이 없어 흙시멘트 기둥체(4') 시공품질이 낮을 수밖에 없고,
심재(5)는 봉형 보강체를 사용하는데 부식이 발생할 수 있어 다른 재질의 심재(5)를 사용함에 있어서 흙시멘트 기둥체(4') 내부에 잔류시키는 방법은 달리 소개하고 있지 못함을 알 수 있다.
이에 본 발명은 철도 등 선로하부 굴착 및 천공 시 엄격한 침하관리가 필요한 구간에서 지중보강체 시공이 필요한 경우 및 상기 선로하부 노반 공간이 부족하여 짧은 지중보강체가 필요한 경우에 있어서도 보다 안정적으로 그라우팅재를 굴착토와 교반시킬 수 있으며 부식우려가 없는 보강심재를 보다 적은 굴착에너지로 안전하게 시공할 수 있는 공벽유지와 중심조정이 가능한 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 및 그 시공방법 제공을 해결하고자 하는 기술적 과제로 한다.
이를 위하여 본 발명에 의한 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치는
중공부(S)가 길이방향으로 연속하여 형성된 관부재로서 중공부(S) 주위에는 그라우팅재 주입관이 내부에 길이방향으로 별도로 형성되어 있으며, 그라우팅재 주입관과 연통되는 선단부에는 그라우팅 제 1토출구가 형성되며, 중심유지날개 장착을 위해 원형의 플랜지부가 이격되어 외주면을 감싸 돌출 형성되어 비전도성 보강심재를 수용하면서 외주면에 장착된 유선형 드릴비트, 교반날개, 보강심재 선단고정구가 함께 회전되는 중공로드;및 상기 중공로드 선단부에 장착된 것으로서, 표면에 비트가 장착된 유선형 전면부로 형성되는 비트몸통부 및 일측이 그라우팅재 주입관과 연통되고, 타측이 비트몸통부의 단부 배면으로 노출되는 그라우팅 제 2 토출구를 포함하는 유선형 드릴비트;를 포함하여, 상기 유선형 드릴비트에 의하여 중공로드의 전면이 유선형 지지구조를 가지도록 함으로서 회전토크를 감소시킬 수 있어 굴착 시공에 필요한 굴착에너지를 감소시킬 수 있으며, 상기 보강심재 선단고정구는 비전도성 보강심재의 갈라진 선단부에 삽입되도록 일측은 직경이 작아지는 쐐기부로 형성되어 있고, 타측은 선단드릴부에 삽입되도는 삽입두부로 구성된 엣지핀을 포함하여, 중공로드의 선단부 단부면에 중공로드에 삽입된 비전도성 보강심재가 중공로드 선단부에 고정되도록 하게 된다.
또한, 본 발명에 의한 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 시공방법은,
(a) 비전도성 보강심재와 그라우팅재를 서로 일체화시킨 지반보강체를 시공하기 위해 굴착면(B)에 교반 천공장치를 초기 세팅시키는 단계; (b) 상기 교반 천공장치의 중공로드를 회전시켜 중심유지날개에 의하여 굴착중심을 잡으면서 교반 천공장치의 선단드릴부 및 유선형 드릴비트에 의하여 보다 적은 굴착에너지로 지반을 전진시키는 단계; 및 (c) 상기 선단드릴부 및 유선형 드릴비트의 배면으로 교란된 굴착토에 중공로드의 회전을 통해 유선형 드릴비트의 그라우팅재 제 2 토출구와 중공로드의 그라우팅재 제 1토출구를 통해 그라우팅재를 방사형으로 토출시켜 굴착토와 그라우팅재가 교반날개에 의하여 1차적으로 교반되도록 하는 단계;를 포함하게 된다.
본 발명에 의하여 굴착토를 배토하지 않고 그라우팅재와 교반하여 보강심재를 안정적으로 형성시킬 수 있으며, 천공 중 굴착저항을 최소화하기 위한 유선형 드릴비트, 중심유지날개, 교반날개로 구성된 교반 천공장치를 제공하면서, 비전도성 보강심재, 그라우팅재와 굴착토의 교반으로 형성된 소일보강체인 보강구조체를 제공할 수 있는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 및 그 시공방법을 제공할 수 있게 된다.
나아가 상기 교반 천공장치는 내부에 비전도성 보강심재를 삽입한 채 천공 시공이 가능한 중공로드, 중공로드 내부에 그라우팅재를 주입하고 선단에서 교반 토출할 수 있는 구조, 천공과 동시에 그라우팅재의 토출이 가능하도록 그라우팅재 토출구를 가진 유선형 드릴비트, 천공 지반에 선단이 근입되어 다 방향에서 지지하고, 중공로드 회전으로부터 자유로운 중심유지날개를 구비하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 및 그 시공방법을 제공할 수 있게 된다.
나아가 상기 교반 천공장치는 보상심재 선단고정구를 구성하는 엣지핀과 핀고정구를 이용하여 선단드릴부를 연결하는 비전도성 보강심재, 상기 엣지핀 삽입 시, 비전도성 보강심재가 벌어지도록 하여 핀고정구에 고정되도록 커팅된 비전도성 보강심재의 형상 및 가공 방법을 제공할 수 있는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 및 그 시공방법을 제공할 수 있게 된다.
나아가 회전 시 저항을 최소화할 수 있으면서 굴착토와 그라우팅재를 교반하는 교반날개와 는 유선형 드릴비트를 구비하고, 천공과 인발 시 굴착토와 그라우팅재의 2회 교반을 통하여 소일보강체의 균일한 품질 확보가 가능한 공벽유지와 중심조정이 가능한 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 및 그 시공방법을 제공할 수 있게 된다.
도 1a는 종래 앵커, 쏘일네일링에 의한 지반보강 시공도,
도 1b는 종래 교반 천공장치의 시공순서도 및 구성사시도,
도 2a 및 도 2b는 공벽유지와 중심조정이 가능한 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치의 구성사시도 및 단면도,
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 교반 천공장치에 의한 굴착토의 1차 및 2차 교반작용도,
도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 본 발명에 의한 교반 천공장치 시공방법의 순서도를 도시한 것이다.
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.
[ 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 ]
도 2a 및 도 2b는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치(100)의 구성사시도 및 단면도를 도시한 것이다.(간단히 교반 천공장치(100)라 한다.)
상기 교반 천공장치(100)는 중공로드(110), 유선형 드릴비트(120), 중심유지날개(130), 교반날개(140), 보강심재 선단고정구(150), 비전도성 보강심재(160)를 포함하여 구성된다.
상기 중공로드(110)는 파이프 형태의 강관으로 구체화되며 내부에는 후술되는 비전도성 보강심재(160)가 삽입될 수 있는 중공부(S)가 길이방향으로 연속하여 형성되어 있다.
이러한 중공로드(110)의 선단부에 후술되는 보강심재 선단고정구(150)가 장착되며, 유선형 드릴비트(120), 외주면에 중심유지날개(130)와 교반날개(140)가 장착된다. 특히 중심유지날개(130) 장착을 위해 원형의 플랜지부(112)가 이격되어 외주면을 감싸 돌출 형성되도록 하게 된다. 이에 중공로드 외주면을 따라 이격되어 형성된 플랜지부(112) 사이에 중심유지날개(130)의 몸통부(131)가 감싸 장착되도록 하게 된다.
나아가 도 2a 및 도 2b와 같이 상기 중공로드(110)의 중공부(S) 주위에는 그라우팅재 주입관(113)이 내부에 길이방향으로 별도로 형성되어 있으며, 이러한 그라우팅재 주입관(113)과 연통되는 선단부에는 그라우팅 제 1토출구(111)가 형성되어 있어 그라우팅재(G)가 중공로드 선단부에서 1차적으로 외부 토출될 수 있도록 하게 된다.
이러한 중공로드(110)는 비전도성 보강심재(160)를 수용하면서 미도시된 회전장치에 의하여 회전하게 되며 이에 따라 외주면에 장착된 유선형 드릴비트(120), 교반날개(140), 보강심재 선단고정구(150)는 함께 회전하게 된다.
다음으로 상기 유선형 드릴비트(120)는 도 2a와 같이 중공로드(110) 선단 외주면에 방사형으로 일체로 형성되어 중공로드(110)와 함께 회전 시 지반을 회전 굴착 하는 기본 기능을 가지게 된다.
이러한 유선형 드릴비트(120)는 도 1b의 굴착날개(13)와 대비하여 일단 중공로드를 기준으로 예컨대 십자형으로 비트몸통부(121)로 구성되고, 상기 비트몸통부(121)의 전면(굴착방향)은 유선형 전면부(122)로 형성되어 있음을 알 수 있다.
이에 종래 굴찰날개 회전 시 지반과의 회전저항이 매우 심하기 때문에 본 발명은 유선형 전면부(122)를 구비하여 회전 시 상기 회전저항을 현저하게 감소시킬 수 있는 효과를 가지게 된다. 이때 상기 유선형 전면부(122)의 표면에는 다수의 비트(124)가 장착되어 있다.
이때 비트(124)의 각도 조절로 전방부에 있는 토사 뿐만 아니라 암 제거가 매우 용이한 구조로 형성시키게 된다. 즉 종래의 회전비트는 토사 정도만 굴착할 수 있으나 본 발명에서는 암 굴착도 가능하도록 한 것이다.
또한 상기 비트몸통부(121)의 단부 배면에는 도 2b와 같이 그라우팅 제 2 토출구(123)가 형성되어 있다. 이러한 그라우팅 제 2 토출구(123)는 ㄷ자형 형태로 앞서 살펴본 일측이 그라우팅재 주입관(113)과 연통되어 있고, 타측이 비트몸통부(121)의 단부 배면으로 노출되어 있음을 알 수 있다.
이에 중공로드(110)의 선단부에 형성된 그라우팅 제 1토출구(111)와 비트몸통부(121)의 단부 배면에 형성된 그라우팅 제 2 토출구(123)에 의하여 그라우팅재(G)가 굴착토에 보다 효과적으로 토출되며 중공로드와 함께 유선형 드릴비트(120)도 회전하므로 교반 효과가 매우 뛰어나 품질관리에 매우 유리하게 된다.
이러한 유선형 드릴비트(120)는 십자형으로 4개가 도시되어 있으나 연약지반의 경우에는 3개 이하도 가능하며, 지반 강성에 따라 5개 이상도 가능하며 이는 비트몸통부(121)를 구비하여 중공로드 선단 외주면에 필요에 따른 장착이 용이하기 때문이다.
이로서 상기 유선형 드릴비트(120)에 의하여 중공로드(110)의 전면이 유선형 지지구조를 가지도록 함으로서 중공로드의 회전토크를 감소시킬 수 있어 굴착 시공에 필요한 굴착에너지를 크게 감소시킬 수 있게 된다.
상기 중심유지날개(130)는 유선형 드릴비트(120)의 후방에 위치하는 것으로서 중공로드(110)와 함께 회전하지 않고 박혀져 중공로드(110)의 회전중심을 잡아주는 역할을 하며, 몸통부(131)와 블레이드(132)를 포함한다.
먼저 상기 몸통부(131)는 중공로드(110) 외주면을 따라 이격되어 형성된 플랜지부(112) 사이에 중공로드(110)를 감싸도록 세팅되며 도 2a에는 반원형 관 형태로 2개가 구비되어 있음을 알 수 있다.
이때 상기 몸통부(131)는 중공로드 회전 시 함께 회전하지 않아 굴착 시 지반에 블레이드가 박혀져 있을 수 있도록 하게 된다.
상기 블레이드(132)는 몸통부(131) 외주면에 방사형으로 연장된 날개부로서 앞서 살펴본 유선형 드릴비트(120)에 의하여 형성되는 굴착직경보다 직경이 커지도록 연장길이를 가져 굴착토 주변에 박혀져 중공로드(110)의 회전중심을 잡아주는 지지대 역할을 하게 된다.
이때 굴착방향으로 삽입저항이 발생할 수 있어 본 발명은 상기 블레이드(132)의 단부는 유선형 모따기를 하여 삽입저항이 크지 않도록 하게 된다.
이에 상기 중심유지날개(130)는 블레이드(132)가 다수 형성된 2개의 반원형 몸통부(131)가 중공로드(110)의 양 플랜지부(112) 사이를 감싸도록 세팅되도록 하고, 상기 블레이드(132)에 형성된 체결홀(133)에 연결볼트를 이용하여 서로 중공로드(110)에 일체화되도록 함을 알 수 있다.
이에 별도의 체결수단 없이 블레이드(132)를 이용하여 중공로드에 설치할 수 있게 되고 회전저항이 감소하게 되며 블레이드(132)가 겹쳐져 지지강성도 충분히 확보할 수 있도록 하게 된다.
상기 교반날개(140)는 중심유지날개(130) 후방의 중공로드 외주면에 일체로 형성되는 것으로서, 중공로드(110)의 굴착, 인발과정(전진, 후진)에서 그라우팅재가 교란된 지반에 토출된 이후 서로 교반시키는 역할을 하는 것으로서 도 2a에서는 2개가 형성되어 있음을 알 수 있으나 형성 개수는 변경 가능할 것이다.
이때 상기 교반날개(140)도 굴착토를 교반시킴에 있어 교반에 의한 저항에 유리하도록 유선형 형태로 형성시키는 것이 바람직하며 날개부에 다수의 빗살이 형성된 것을 이용해도 상관은 없다.
상기 보강심재 선단고정구(150)는 중공로드(110)의 선단부 단부면에 중공로드(110)에 삽입된 비전도성 보강심재(160)가 중공로드 선단부에 고정되도록 하면서 중공로드 회전 시 드릴 역할을 하고, 비전도성 보강심재(160)를 최종 심도에 중공로드가 도달 했을 때 잔류시키는 역할을 하게 된다.
이러한 보강심재 선단고정구(150)는 엣지핀(151), 핀고정구(152), 선단드릴부(153)를 포함하여 구성된다.
먼저 상기 엣지핀(151)은 비전도성 보강심재(160)의 갈라진 선단부에 삽입되도록 일측은 직경이 작아지는 쐐기부(151a)로 형성되어 있고, 타측은 선단드릴부(153)에 삽입되도는 삽입두부(151b)로 구성되어 있다.
상기 핀고정구(152)는 엣지핀(151)이 관통되도록 하는 하우징부(152a)와 상기 하우징부(152a)의 일측에 수평판 형태로 형성되어 중공로드(110) 선단 단부면에 임시로 장착시키기 위한 연결플랜지부(152b)를 포함하여 구성된다.
즉, 상기 핀고정구(152)는 도 2a와 같이 중공이 형성된 소켓형태로서 중공로드(110) 선단 단부면에 형성된 고정핀(114)에 연결플랜지부(152b)를 관통하는 고정홀(152c)이 삽입되면서 장착된다.
상기 선단드릴부(153)는 두부는 중공로드 회전 시 드릴역할을 하는 드릴부로서 두부 반대편은 배면 삽입구(153a)가 형성되고, 비전도성 보강심재(160)의 갈라진 선단부에 삽입되어 물려진 엣지핀(151)의 선단이 상기 배면 삽입구(153a)에 삽입되어 막힌 선단에 접하도록 설치된다.
이에 상기 핀고정구의 하우징부(152a)와 엣지핀(151)의 삽입두부는 상기 배면삽입구(153a)에 삽입 장착되며 엣지핀(151)의 선단은 배면삽입구(153a)의 막혀진 선단에 접하도록 세팅되어 있음을 알 수 있다.
상기 비전도성 보강심재(160)는 부식방지를 위하여 예컨대 FRP 봉부재 등을 이용하게 된다. 즉, 강재로 제작하는 경우 부식될 수 있어 이러한 비전도성 재질로 보강심재를 제작한 것이다.
이러한 비전도성 보강심재(160)는 중공로드(110)의 중공부에 삽입되도록 하되 앞서 살펴본 엣지핀(151)이 선단 단부면에 삽입될 수 있도록 선단부가 일정 깊이 갈라져 있게 된다. 이에 갈라진 선단부 공간(S2)으로 엣지핀(151)이 삽입되도록 하여 물려지게 된다.
이에 보강심재 선단고정구(150)에 의하여 물려진 비전도성 보강심재(160)를 후방에서 타격하면 비전도성 보강심재(160)는 선단드릴부(153), 핀고정구(152), 엣지핀(151)과 함께 남겨져 지반보강체 내부에 남게 된다.
즉, 핀고정구(152)는 중공로드(110) 선단 단부면에 형성된 고정핀(114)에 연결플랜지부(152b)를 관통하는 고정홀(152c)이 삽입되면서 장착되어 있으므로 비전도성 보강심재(160)를 후방에서 타격 시 선단드릴부(153), 핀고정구(152), 엣지핀(151)과 함께 비전도성 보강심재(160)가 분리된다.
이에 본 발명의 교반 천공장치(100)는 보강심재 선단고정구(150)의 선단드릴부(153)와 유선형 드릴비트(120)에 의하여 지반을 회전 굴착하면서 형성된 교란된 굴착토와 중공로드(110)에 형성된 그라우팅재 제 1토출구(111)와 유선형 드릴비트(120)에 형성된 그라우팅재 제 2 토출구(123)에 의하여 토출된 그라우팅재(G)를 교반날개(140)를 이용하여 중공로드의 전진과 후진 시에 2회 교반시켜 굴착토를 배토시키지 않으면서 비전도성 보감심재(160)가 남겨져 박혀진 지반보강체를 시공할 수 있게 되며,
중심유지날개(130)에 의하여 중공로드에 의한 굴착 시 굴착중심이 흔들리지 않아 시공 및 품질관리에 매우 유리하며,
비전도성 보강심재(160)는 간단한 타격으로 지반보강체 내부에 중공로드로부터 분리되어 보강심재로 남게 되어 매우 효과적으로 소일시멘트와 같은 지반보강체 시공이 가능하게 된다.
[ 교반 천공장치(100)에 의한 굴착토의 1차 및 2차 교반 ]
도 3a 및 도 3b는 본 발명에 의한 교반 천공장치(100)에 의한 굴착토의 1차 및 2차 교반작용을 도시한 것이다.
먼저 도 3a에 의하면 교반 천공장치(100)에는 비전도성 보강심재(160)가 선단드릴부(153)가 구비된 보강심재 선단고정구(150)에 의하여 중공로드(110)에 장착되어 있고, 상기 중공로드(110)에는 유선형 드릴비트(120), 중심유지날개(130), 교반날개(140)가 장착된 상태이다.
이에 굴착면에 미도시된 회전장치를 이용하여 중공로드(110)를 초기 세팅한 후 회전시키게 되면 선단드릴부(153)의 도움과 유선형 드릴비트(120)에 의하여 굴착면의 지반은 굴착되기 시작한다.
이때 중심유지날개(130)는 중공로드의 굴착중심을 잡고 있기 때문에 회전에너지를 최대한 이용할 수 있게 된다.
이에 중공로드의 회전을 통해 전진하면서 유선형 드릴비트(120)의 그라우팅재 제 2 토출구와 중공로드(110)의 그라우팅재 제 1토출구를 통해 그라우팅재를 굴착토에 토출시키게 된다. 이에 굴착토에 그라우팅재를 토출한 상태에서 회전하는 교반날개(140)에 의하여 1차적으로 굴착토와 그라우팅재는 교반된다. 이러한 작업은 굴착심도에 도달할때 까지 계속된다.
다음으로 도 3b에 의하면 굴착토 선단부에 연장된 교반 천공장치(100)로부터 비비전도성 보강심재(160)를 1차 교반된 굴착토와 그라우팅재에 잔류시켜 놓고, 중공로드를 역회전시키면서 후진시키게 된다.
즉, 보강심재 선단고정구(150)에 의하여 물려진 비전도성 보강심재(160) 후단을 타격하면 비전도성 보강심재(160)는 선단드릴부(153), 핀고정구(152), 엣지핀(151)과 함께 남겨져 지반보강체(200) 내부에 남게 된다.
이러한 후진 과정에서 1차 교반된 굴착토와 그라우팅재(G)는 유선형 드릴비트(120), 중심유지날개(130) 및 교반날개(140)에 의하여 2차적으로 교반되며 이때 그라우팅재를 추가로 토출시키면서 후진시켜도 상관은 없다.
결국, 본 발명에 의한 교반 천공장치(100)는 1차, 2차에 걸쳐 굴착토를 배토시키지 않고 굴착토와 그라우팅재를 효과적으로 교반시켜 그라우팅재가 경화되면 비전도성 보강심재(160)가 굴착토 중심에 세팅되면서 지반보강체가 시공될 수 있도록 함을 알 수 있다.
[ 교반 천공장치(100) 시공방법 ]
도 4a, 도 4b, 도 4c 및 도 4d는 본 발명에 의한 교반 천공장치(100) 시공방법의 순서도를 도시한 것이다.
먼저 도 4a와 같이, 지중구조물, 옹벽, 철도노반 하부의 지반을 보강하기 위하여 터파기를 통해 형성된 굴착면에 가설벽체를 시공하면서 이러한 가설벽체의 배면에 비전도성 보강심재와 그라우팅재를 서로 일체화시킨 지반보강체(200)를 시공하기 위해 굴착면(B)에 교반 천공장치(100)를 초기 세팅시키게 된다.
이러한 교반 천공장치(100)에는 비전도성 보강심재(160)가 선단드릴부(153)가 구비된 보강심재 선단고정구(150)에 의하여 중공로드(110)에 장착되어 있고, 상기 중공로드(110)에는 유선형 드릴비트(120), 중심유지날개(130), 교반날개(140)가 장착된 상태임을 알 수 있다.
다음으로 도 4b와 같이, 미도시된 회전장치를 이용하여 교반 천공장치(100)의 중공로드(110)를 회전시켜 교반 천공장치(100)를 하방 경사지게 전진시키게 된다. 바람직하게는 굴착면 배면의 지반슬라이딩(원호 활동파괴)에 대한 안정성을 향상시키고, 시공성 및 경제성을 향상시키기 위하여 교반천공장치에 의한 지중보강체가 개략 하방으로 20도 내외로 형성되도록 하게 된다.
이러한 전진은 중심유지날개(130)에 의하여 굴착중심을 효과적으로 잡을 수 있고, 선단드릴부(153) 및 유선형 드릴비트(120)에 의하여 보다 적은 굴착에너지로 지반을 효과적으로 굴착할 수 있게 된다.
또한 유선형 드릴비트(120)의 비트(124)의 각도 조절로 전방부에 있는 토사 뿐만 아니라 암 제거가 매우 용이한 구조로 형성시키게 된다. 즉 종래의 회전비트는 토사 정도만 굴착할 수 있으나 본 발명에서는 암 굴착도 가능하도록 한 것이다.
이러한 과정에서 선단드릴부(153) 및 유선형 드릴비트(120)의 배면으로 교란된 굴착토가 발생되는데 이 과정에서 중공로드(110)의 회전을 통해 유선형 드릴비트(120)의 그라우팅재 제 2 토출구(123)와 중공로드(110)의 그라우팅재 제 1토출구(111)를 통해 그라우팅재를 굴착토에 방사형으로 토출시켜 굴착토와 그라우팅재가 교반날개(140)에 의하여 1차적으로 효과적으로 교반되도록 하게 된다.
이러한 교반작업은 계획된 심도까지 진행하게 되며 이에 그라우팅재(G)와 배토되지 않은 굴착토는 소일시멘트와 같은 지중보강체(200)를 형성시키게 되고, 교반 천공장치(100)의 중공부(S)에 삽입되어 보강심재 선단고정구(150)에 의하여 중공로드(110)에 장착된 비전도성 보강심재(160)는 지중보강체 중심에 자연스럽게 세팅된다.
다음으로는 도 4c와 같이 비전도성 보강심재(160)의 후단을 타격하게 되면 비전도성보강심재(160)가 물려진 보강심재 선단고정구(150)는 함께 잔류되며 잔류가 확인되면 교반 천공장치(100)를 역회전시켜 후진시키게 된다.
이 과정에서 1차 교반된 굴착토와 그라우팅재는 유선형 드릴비트(120), 중심유지날개(130) 및 교반날개(140)에 의하여 2차적으로 교반되어 보다 효과적인 지중보강체 시공이 가능하게 된다.
다음으로는 도 4d와 같이, 비전도성 보강심재(160)의 후단을 정착판(300)을 이용하여 굴착면의 가설벽체에 정착시켜 최종 지중보강체를 완성시키게 된다. 이에 도 4d의 a-a 단면도에 의하면 본 발명에 의한 지중보강체는 비전도성 보강심재(160), 지중보강체와 원 지반과의 접촉부위들은 1,2차 교반에 의하여 마찰면적이 극대화되어 서로의 결합력이 증대되고 있음을 알 수 있다.
이에 지반에는 그라우팅재(시멘트 밀크)와 굴착토가 서로 교반되어 그라우팅재가 경화되면 소일시멘트가 형성되고 이러한 소일시멘트 중앙에 비전도성 보강심재(160)가 설치되어 지지강성을 충분히 확보할 수 있게 되고, 분리되어 잔존된 보강심재 선단고정구(150)는 구근의 역할도 하게 되어 인발방지에 매우 유리하게 된다.
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.
100: 교반 천공장치 110: 중공로드
111: 그라우팅재 제 1배출구 112: 플랜지부
113: 그라우팅재 주입관 114: 고정핀
120: 유선형 드릴비트 121: 비트몸통부
122: 유선형 전면부 123: 그라우팅재 제 2 배출구
124: 비트 130: 중심유지날개,
140: 교반날개 150: 보상심재 선단고정구
151: 엣지핀 151a: 쐐기부
151b: 삽입두부 152: 핀고정구
152a: 하우징부 152b: 연결플랜지부
152c: 고정홀 153: 선단드릴부
153a: 배면 삽입구 160: 비전도성 보강심재
200: 지반보강체 300: 지압판

Claims (17)

  1. 중공부(S)가 길이방향으로 연속하여 형성된 관부재로서 중공부(S) 주위에는 그라우팅재 주입관(113)이 내부에 길이방향으로 별도로 형성되어 있으며, 그라우팅재 주입관(113)과 연통되는 선단부에는 그라우팅 제 1토출구(111)가 형성되며, 중심유지날개(130) 장착을 위해 원형의 플랜지부(112)가 이격되어 외주면을 감싸 돌출 형성되어 비전도성 보강심재(160)를 수용하면서 외주면에 장착된 유선형 드릴비트(120), 교반날개(140), 보강심재 선단고정구(150)가 함께 회전되는 중공로드(110);및
    상기 중공로드(110) 선단부에 장착된 것으로서, 표면에 비트(124)가 장착된 유선형 전면부(122)로 형성되는 비트몸통부(121) 및 일측이 그라우팅재 주입관(113)과 연통되고, 타측이 비트몸통부(121)의 단부 배면으로 노출되는 그라우팅 제 2 토출구(123)를 포함하는 유선형 드릴비트(120);을 포함하여,
    상기 유선형 드릴비트(120)에 의하여 중공로드의 전면이 유선형 지지구조를 가지도록 함으로서 회전토크를 감소시킬 수 있어 굴착 시공에 필요한 굴착에너지를 감소시킬 수 있으며,
    상기 보강심재 선단고정구(150)는 비전도성 보강심재(160)의 갈라진 선단부에 삽입되도록 일측은 직경이 작아지는 쐐기부(151a)로 형성되어 있고, 타측은 선단드릴부(153)에 삽입되도는 삽입두부(151b)로 구성된 엣지핀(151)을 포함하여, 중공로드(110)의 선단부 단부면에 중공로드(110)에 삽입된 비전도성 보강심재(160)가 중공로드 선단부에 고정되도록 하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 그라우팅재 주입관(113)으로 그라우트재(G)가 주입되어 중공로드(110)의 선단부에 형성된 그라우팅 제 1토출구(111)와 비트몸통부(121)의 단부 배면에 형성된 그라우팅 제 2 토출구(123)에 의하여 그라우팅재(G)가 굴착토에 함께 토출되어, 중공로드와 함께 회전하는 교반날개(140)에 의하여 교반되도록 하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 유선형 드릴비트(120)와 교반날개(140) 사이의 중공부 외주면에 중공로드(110)와 함께 회전하지 않는 중심유지날개(130)가 더 형성되며,
    상기 중심유지날개(130)는 지반에 박혀져 중공로드(110)의 회전중심을 잡아주는 역할을 하는 것으로서 블레이드(132)가 다수 형성된 2개의 몸통부(131)가 중공로드(110)의 양 플랜지부(112) 사이를 감싸도록 세팅되도록 하고, 상기 블레이드(132)에 형성된 체결홀(133)에 연결볼트를 이용하여 겹쳐진 블레이드(132)를 중공로드(110)에 일체화되도록 하여 별도의 체결수단 없이 중공로드에 설치할 수 있도록 하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 교반날개(140)는,
    상기 중심유지날개(130) 후방의 중공로드 외주면에 일체로 형성되는 것으로서, 중공로드(110)의 전진, 후진에 있어 그라우팅재가 교란된 지반에 토출된 이후 서로 교반시키는 역할을 하는 것으로서 날개부는 유선형 또는 다수의 빗살이 형성된 것을 이용하며, 상기 중심유지날개의 블레이드(132)의 단부는 유선형 모따기를 하여 삽입저항이 작아지도록 하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 보강심재 선단고정구(150)는
    중공로드 회전 시 드릴 역할을 하고, 비전도성 보강심재(160)를 최종 심도에 중공로드가 도달 했을 때 잔류시키는 역할을 하는 것으로서,
    엣지핀(151)이 관통되도록 하는 하우징부(152a)와 상기 하우징부(152a)의 일측에 수평판 형태로 형성되어 중공로드(110) 선단 단부면에 임시로 장착시키기 위한 연결플랜지부(152b)를 포함하는 중공이 형성된 소켓형태인 핀고정구(152)를 더 포함하여
    상기 핀고정구(152)는 중공로드(110) 선단 단부면에 형성된 고정핀(114)에 연결플랜지부(152b)를 관통하는 고정홀(152c)이 삽입되면서 장착되도록 하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 보강심재 선단고정구(150)는
    배면 삽입구(153a)가 형성되고, 비전도성 보강심재(160)의 갈라진 선단부에 삽입되어 물려진 엣지핀(151)의 선단이 상기 배면 삽입구(153a)에 삽입되어 막힌 선단에 접하도록 설치되는 것으로서,
    상기 핀고정구의 하우징부(152a)와 엣지핀(151)의 삽입두부는 상기 배면삽입구(153a)에 삽입 장착되며 엣지핀(151)의 선단은 배면삽입구(153a)의 막혀진 선단에 접하도록 세팅되도록 하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 보강심재 선단고정구(150)의 두부는 선단드릴부(153)로서 중공로드 회전 시 드릴역할을 하는 드릴부로 형성시켜, 비전도성 보강심재(160)를 후방에서 타격하면 비전도성 보강심재(160)는 선단드릴부(153), 핀고정구(152), 엣지핀(151)과 함께 남겨져 지반보강체 내부에 남도록 하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 비전도성 보강심재(160)는
    FRP 봉부재를 포함하는 부식방지 재질로 형성되며, 중공로드(110)의 중공부에 삽입되도록 하되, 상기 엣지핀(151)이 선단 단부면에 삽입될 수 있도록 선단부가 일정 깊이 갈라져 갈라진 선단부 공간(S2)으로 엣지핀(151)이 삽입되도록 하여 물려지도록 하여 보강심재 선단고정구(150)에 의하여 물려지도록 하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 유선형 드릴비트(120)의 비트(124)는 각도 조절로 전방부에 있는 토사 및 암 제거가 가능하도록 하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치.
  11. (a) 비전도성 보강심재와 그라우팅재를 서로 일체화시킨 지반보강체(200)를 시공하기 위해 굴착면(B)에 제 1항의 교반 천공장치(100)를 초기 세팅시키는 단계;
    (b) 상기 교반 천공장치(100)의 중공로드(110)를 회전시켜 중심유지날개(130)에 의하여 굴착중심을 잡으면서 교반 천공장치(100)의 선단드릴부(153) 및 유선형 드릴비트(120)에 의하여 보다 적은 굴착에너지로 지반을 전진시키는 단계; 및
    (c) 상기 선단드릴부(153) 및 유선형 드릴비트(120)의 배면으로 교란된 굴착토에 중공로드(110)의 회전을 통해 유선형 드릴비트(120)의 그라우팅재 제 2 토출구(123)와 중공로드(110)의 그라우팅재 제 1토출구(111)를 통해 그라우팅재를 방사형으로 토출시켜 굴착토와 그라우팅재가 교반날개(140)에 의하여 1차적으로 교반되도록 하는 단계; 및
    (d) 교반 천공장치(100)에 설치된 비전도성 보강심재(160)의 후단을 타격하여 비전도성보강심재(160)가 물려진 보강심재 선단고정구(150)는 함께 잔류되도록 한 후, 교반 천공장치(100)를 역회전시켜 후진시키면서 1차 교반된 굴착토와 그라우팅재는 유선형 드릴비트(120), 중심유지날개(130) 및 교반날개(140)에 의하여 2차적으로 교반되도록 하는 단계;를 포함하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 시공방법.
  12. 삭제
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 (d) 단계 이후에, 비전도성 보강심재(160)의 후단을 정착판(300)을 이용하여 굴착면의 가설벽체에 정착시켜 최종 지중보강체를 완성시켜, 지반에는 그라우팅재와 굴착토가 서로 교반되어 그라우팅재가 경화되면 소일시멘트가 형성되고 이러한 소일시멘트 중앙에 비전도성 보강심재(160)가 설치되도록 하여 분리되어 잔존된 보강심재 선단고정구(150)는 구근의 역할을 하도록 하는 (e) 단계가 더 포함되는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 시공방법.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 (a) 단계의 교반 천공장치(100)는 비전도성 보강심재(160)가 선단드릴부(153)가 구비된 보강심재 선단고정구(150)에 의하여 중공로드(110)에 장착되어 있고, 상기 중공로드(110)에는 유선형 드릴비트(120), 중심유지날개(130), 교반날개(140)가 장착된 것으로서 상기 보강심재 선단고정구(150)는
    엣지핀(151)이 관통되도록 하는 하우징부(152a)와 상기 하우징부(152a)의 일측에 수평판 형태로 형성되어 중공로드(110) 선단 단부면에 임시로 장착시키기 위한 연결플랜지부(152b)를 포함하는 중공이 형성된 소켓형태인 핀고정구(152)를 포함하며, 상기 핀고정구(152)는 중공로드(110) 선단 단부면에 형성된 고정핀(114)에 연결플랜지부(152b)를 관통하는 고정홀(152c)이 삽입되면서 장착되도록 하여
    상기 (d) 단계에서, 비전도성 보강심재(160)를 후방에서 타격하면 비전도성 보강심재(160)는 선단드릴부(153), 핀고정구(152), 엣지핀(151)과 함께 남겨져 지반보강체 내부에 남도록 하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 시공방법.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 (a)단계의 상기 비전도성 보강심재(160)는
    부식방지를 위하여 FRP 봉부재를 포함하도록 하되, 중공로드(110)의 중공부에 삽입되도록 하되 앞서 살펴본 엣지핀(151)이 선단 단부면에 삽입될 수 있도록 선단부가 일정 깊이 갈라져 갈라진 선단부 공간(S2)으로 엣지핀(151)이 삽입되도록 하여 물려지도록 하여 보강심재 선단고정구(150)에 의하여 물려지도록 하는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 시공방법.
  16. 제 11항에 있어서,
    상기 (a)단계에 있어서, 교반 천공장치(100)는 철도노반 하부의 지반을 보강하기 위하여 터파기를 통해 형성된 굴착면에 가설벽체를 시공하면서 이러한 가설벽체의 배면에 비전도성 보강심재와 그라우팅재를 서로 일체화시킨 지반보강체(200)를 시공하기 위한 것으로서, 상기 유선형 드릴비트(120), 중심유지날개(130) 및 교반날개(140)는 지반과의 회전저항이 작아지도록 유선형 드릴비트(120)는 유선형 전면부(122)를 구비하며, 상기 중심유지날개(130)의 블레이드(132) 단부는 유선형 모따기를 하여 삽입저항이 크지 않도록 하도록 하며, 상기 교반날개(140)는 굴착토를 교반시킴에 있어 교반에 의한 저항에 유리하도록 유선형 형태로 형성시키는 유선형 지지구조를 갖는 교반 천공장치 시공방법.
  17. 삭제
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