KR102061167B1

KR102061167B1 - 개선된 코킹 및 씰링 기능을 갖는 그라우팅 장치 및 이를 이용한 터널 보강공법

Info

Publication number: KR102061167B1
Application number: KR1020180030817A
Authority: KR
Inventors: 장기수
Original assignee: 주식회사 보강테크
Priority date: 2018-03-16
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2020-02-17
Also published as: KR20190109009A

Abstract

본 발명은 그라우팅 장치 및 이를 이용한 터널 보강공법에 관한 것으로, 천공홀을 천공한 초기에 장치를 설치하여 중간에 난해한 설치작업 없이 코킹(caulking), 씰링(sealing), 그라우팅의 일련의 작업들 모두를 순차적으로 진행하는 것이 가능하여 전체 작업에 소요되는 시간을 단축할 수 있고 우수한 작업품질을 얻을 수 있는 것이다.
이러한 본 발명의 그라우팅 장치는, 터널 굴착 단면의 전방으로 천공홀을 천공하여 삽입되고, 천공홀에 충진되는 씰링제 및 지반에 침투하는 그라우팅제를 순차적으로 주입하기 위한 다수의 주입공이 형성된 강관; 상기 강관과 연결된 상태로 상기 천공홀의 입구 내측에 설치되어 코킹을 수행하며, 상기 강관을 통해 주입된 씰링제가 강관과 천공홀 사이 공간에 충진되는 과정에서 천공홀의 입구쪽으로 넘치는 일부 분량의 배출을 허용하는 배출호스를 포함하는 코킹모듈; 상기 강관 내부에 삽입되고, 팽창시 강관의 내부 공간을 전후로 격리시켜주는 에어패커; 상기 에어패커의 앞쪽으로 들이어져 씰링제 및 그라우팅제를 순차적으로 주입해주는 주입호스;를 포함하여 구성된다.

Description

개선된 코킹 및 씰링 기능을 갖는 그라우팅 장치 및 이를 이용한 터널 보강공법{GROUTING APPARATUS WITH IMPROVED CAULKING AND SEALING FUNCTION AND TUNNEL REINFORCEMENT METHOD USING THE SAME}

본 발명은 그라우팅 장치 및 터널 보강공법에 관한 것으로, 특히 천공홀을 천공한 초기에 장치를 설치하여 중간에 난해한 설치작업 없이 코킹(caulking), 씰링(sealing), 그라우팅의 일련의 작업들 모두를 순차적으로 진행하는 것이 가능하여 전체 작업에 소요되는 시간을 단축할 수 있고 우수한 작업품질을 얻을 수 있는 그라우팅 장치 및 이를 이용한 터널 보강공법에 관한 것이다.

일반적으로, 터널 보강공법은 터널 굴착 공사에서 충적토층, 파쇄대 또는 활동 가능면을 봉합하여 터널 굴착 예정 단면 주위의 지반 이완을 방지하고 사력층 및 파쇄 연암층과 암반 절리면을 통하여 유출되는 지하수를 차단하기 위하여 시행한다.

현재 터널 시공에 있어 일반적으로 사용되는 일반 강관 그라우팅 공법(천공 후 강관을 삽입하고 그라우팅을 시행하는 공법) 및 직천공 강관 보강공법(천공과 동시에 강관을 삽입하고 그라우팅을 시행하는 공법)은 연약 지반에 터널을 굴착하는 경우에 널리 채택되는 보강공법이며, 이를 시행함으로써 굴착 예정 지반 주변을 선행하여 강화시키고 차수성을 향상시키게 된다.

도 1 및 도 2는 종래기술에 의한 터널 보강공법을 설명하기 위한 참조도이다.

종래기술에 의한 터널 보강공법을 진행하기 위해서는 먼저, 도 1에서 볼 수 있는 것처럼 천공 장비(110)를 이용하여 천공홀(102)을 천공하고, 천공홀(102)의 내부에 강관(120)을 삽입하고서는, 코킹 공정을 거친 후에 강관(120)에 형성된 주입공(121b)을 통하여 그라우팅제(153)를 압력 분사시켜서 지반 내로 침투시킨다. 이때 에어패커(151)에 의해 다단식으로 그라우팅제(153)를 주입한다. 그러면 상기 그라우팅제(153)에 의한 지반의 고결로 강관(120)과 주변 지반이 일체화되면서 굴착 예정 지반 주위의 인장 강도가 증가되어 전단 저항이 강화되고, 지반 차수성이 증대된다. 따라서 추가적인 굴착 공정이 안정적으로 계속 진행된다.

하지만, 종래기술에 의한 터널 보강공법에 따르면 주입되는 그라우팅제(153)가 천공홀(102) 외부로 유출되는 역류를 방지하기 위한 목적으로 시행하는 코킹작업에 많은 문제점이 있었다. 즉, 종래기술에 따른 코킹작업은 천공홀(102) 입구에 CX-1, 우레탄 또는 면닛트 등의 코킹재(130)를 사용하여 강관(120)을 감싸서 밀봉하는 방식으로 이루어졌는데, 이는 코킹의 정도가 천공홀(102)에 따라 불확실하게 이루어져 품질관리가 용이하지 않았으며 그라우팅제(153)의 다단주입식 압력을 견디지 못하고 코킹재(130)가 밀려나오면서 그라우팅제(153)가 천공홀(102) 밖으로 역류하는 문제가 재발되곤 하였다.

뿐만 아니라 종래기술에 의한 코킹작업은 도 2의 상세도에 나타난 것처럼 코킹재(130)로 강관(120) 외측을 둘러싸는 형태로 이루어지기 때문에 코킹재(130)의 설치공간을 확보하기 위해 천공홀(102)의 입구나 천공홀(102) 전체를 확공하는 작업이 불가피 하였다. 만일 천공홀(102) 입구를 확공한다면 리빙바트 등의 장비를 사용하여 추가적인 확공작업이 불가피하고, 아예 천공홀(102) 전체를 처음부터 확공한다 할지라도 그라우팅제(153)의 낭비가 심해지는 문제점이 야기될 수밖에 없는 것이다.

한편, 첨부된 도 3 내지 도 4를 참조하여 또 다른 문제점을 설명하고자 한다.

종래기술에 의한 터널 보강공법에서는 굴착되어지는 막장 자유면에 지보재(210)를 설치하고, 그 주변에 숏크리트층(300)을 타설하여야만 터널의 안정성을 꾀할 수 있게 되는데, 통상의 경우에 지반에 설치된 강관 후단부가 이러한 지보재(210) 위에 접하여 걸쳐져야만 보강효과를 극대화시킬 수가 있다.

그러나, 종래기술에서는 현장 여건상 천공 장비의 드리프터(114)와 지보재(210) 사이의 간섭 및 강관(120) 단위길이 등으로 인하여 터널 설계도에서 예시하는 강관 설치 각도(5ㅀ~ 15ㅀ)를 그대로 적용 및 설치하기 어려운 상황이며, 이를 준수하기 위해서는 도 3과 같이 매 굴착 단면을 강관 설치 각도에 맞추어 변단면 형식으로 설계하고 이에 따라 시공하여야만 한다. 하지만 이는 강관(120)의 설치 각도와 맞게 터널 굴착 단면 크기를 변화시키면서 터널 굴착을 진행하여야 하기에 터널 굴착 방향으로 일정 간격마다 설치하게 되는 지보재(210)의 크기가 달라 지보재(210)의 제작 경비가 많이 들며 또한 설치 공정이 복잡하여져서 공사비 및 공사 기간이 증가하는 단점이 있었다. 또한 굴착 완료 후에 굴곡진 전 굴착 단면에 대하여 상당량을 숏크리트층(300)으로 채워야 하므로 재료의 소모가 커지는 문제점이 있었다.

따라서, 터널 보강 공사의 경비 절감 및 공정의 단순화를 위해서는 변단면 형태의 굴착 및 보강을 시행하지 않고, 일반적으로 일정 단면으로 굴착하는 조건하에 강관(120)의 설치 각도를 제한하는 설계를 채택하게 된다.

이러한 실정을 고려하여 종래기술에 의한 터널 보강공법에서는, 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이 강관(120)의 설치 각도에 따른 설계상의 제한 조건(예컨대, 5ㅀ~ 15ㅀ)을 만족시키면서도 막장면에서 강지보(210) 설치 및 숏크리트(300) 타설 두께 확보를 위하여, A로 표시된 강관(120)의 돌출부를 강지보(210)와 간섭되지 않을 정도(약 1m)로 산소 절단기 등의 특수장비를 사용하여 절단하는 대안적 공법을 사용하기도 한다.

그러나, 이러한 경우 그라우팅제와 강관(120)의 이질재료 특성상 절단이 용이하지 않아 절단시간이 증가할 가능성이 높은 가운데 한 단면 당 수십 개씩 설치되는 강관(120)을 모두 절단하여 제거하는 것이 용이하지 않으므로 상당한 경비 증가와 시간 손실을 초래할 수밖에 없다. 또한, 강관(120) 절단시 당초 설계에서 요구하는 보강길이를 확보하지 못하므로 안전상의 문제점도 야기될 수 있는 실정이었다.

뿐만 아니라, 최근 국정감사를 통해 문제가 제기된 것처럼 그라우팅제를 주입하기 전, 강관(120)과 천공홀(102) 사이 공간에 씰링제를 충진하였는데 시간을 단축하기 위하여 이 씰링제가 겔 상태로 변화하는 고결시간(24시간)을 충분히 지키지 않고 그라우팅제를 주입하였던 관계로 그라우팅제가 지반 틈새에 충분히 침투되지 않아 지하수에 의한 균열이 발생하고 암반의 틈이 커지면서 터널 붕괴의 위험이 존재하였다.

한국등록특허공보 제1032745호(2011.04.26)

이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 천공홀을 천공한 초기에 장치를 설치하여 중간에 난해한 설치작업 없이 코킹, 씰링, 그라우팅의 일련의 작업들 모두를 순차적으로 진행하는 것이 가능하여 전체 작업에 소요되는 시간을 단축할 수 있고 우수한 작업품질을 얻을 수 있는 그라우팅 장치 및 이를 이용한 터널 보강공법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 그라우팅 장치는, 터널 굴착 단면의 전방으로 천공홀을 천공하여 삽입되고, 천공홀에 충진되는 씰링제 및 지반에 침투하는 그라우팅제를 순차적으로 주입하기 위한 다수의 주입공이 형성된 강관; 상기 강관과 연결된 상태로 상기 천공홀의 입구 내측에 설치되어 코킹을 수행하며, 상기 강관을 통해 주입된 씰링제가 강관과 천공홀 사이 공간에 충진되는 과정에서 천공홀의 입구쪽으로 넘치는 일부 분량의 배출을 허용하는 배출호스를 포함하는 코킹모듈; 상기 강관 내부에 삽입되고, 팽창시 강관의 내부 공간을 전후로 격리시켜주는 에어패커; 상기 에어패커의 앞쪽으로 들이어져 씰링제 및 그라우팅제를 순차적으로 주입해주는 주입호스;를 포함하여 구성되는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

여기서, 상기 강관의 후단부는 개방되되 선단부는 폐쇄되며 주입공은 강관의 벽체와 폐쇄된 선단부의 폐쇄면에 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 강관에 형성된 주입공은, 강관의 폐쇄면 및 최선단부에 형성되고 다른 부위에 형성된 것들에 비해 적어도 1.5배 이상 큰 직경을 갖도록 형성되어 그라우팅제 주입용과 더불어 씰링제 주입용으로 사용되도록 한 씰링제 겸용 주입공과, 상기 씰링제 겸용 주입공의 후측으로 형성되고 상기 씰링제 겸용 주입공에 비해 작은 직경을 갖는 그라우팅제 전용 주입공으로 이루어지며, 상기 그라우팅제 전용 주입공은, 상기 강관의 벽체에 둘레방향을 따라 4개가 하나의 군을 이루어 사방으로 형성되되 상기 에어패커의 전후 폭에 대응하는 이격을 두고 강관의 전후방향을 따라 반복적으로 형성된 제1군의 그라우팅제 전용 주입공과, 상기 제1군의 그라우팅제 전용 주입공들이 전후방향으로 이격된 중간 지점마다 4개가 하나의 군을 이루어 반복적으로 형성되되, 제1군의 주입공들이 향하고 있는 방향의 중간 대각방향을 향하도록 형성된 제2군의 그라우팅제 전용 주입공으로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 코킹모듈은, 선단부가 상기 강관의 후단부에 연통되도록 연결되는 플라스틱관; 상기 천공홀의 입구 내측에서 상기 플라스틱관의 외측에 상호 이격되게 설치되는 한 쌍의 고무패커; 상기 한 쌍의 고무패커 사이에 형성된 이격공간을 감싸 밀봉하는 시트; 상기 이격공간에 팽창제를 주입할 수 있도록 상기 한 쌍의 고무패커 중 후측에 위치한 고무패커를 관통하여 상기 이격공간으로 들이어진 팽창제 주입용 호스;를 포함하여, 상기 팽창제 주입용 호스를 통해 상기 이격공간으로 팽창제가 주입되면 상기 시트가 외측으로 팽창되면서 상기 천공홀 입구를 코킹할 수 있도록 하며, 상기 배출호스는 상기 강관을 통해 주입된 씰링제가 강관과 천공홀 사이 공간에 충진되는 과정에서 천공홀의 입구쪽으로 넘치는 일부 분량의 배출을 허용할 수 있도록 상기 한 쌍의 고무패커를 모두 관통한 상태로 설치되어 선단부가 상기 강관의 후단부 인근 천공홀까지 들이어진 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 코킹모듈에서 상기 시트는 양단부가 한 쌍의 고무패커의 외주면을 둘러 감싼 형태로 설치되고, 상기 시트가 둘러 감싼 상태의 고무패커 외주면을 한 쌍의 체결링이 감싸면서 압박하며, 상기 체결링에는 체결링의 폭방향으로 긴 직사각형 형태로 천공된 지지공이 체결링의 길이방향을 따라 다수 구비되어 상기 체결링이 상기 고무패커의 외주면을 압박하여 체결될 때 상기 시트의 일부가 지지공 내부로 인입되어 돌출되도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 플라스틱관의 선단부와 강관의 후단부를 연통되게 연결하는 연결소켓을 포함하며, 연결소켓은, 상기 플라스틱관에 대응하여 그 외측에 끼워지는 제1끼움부, 상기 강관에 대응하여 그 외측에 끼워지는 제2끼움부, 상기 제1끼움부와 제2끼움부를 연결하는 중간연결부로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 플라스틱관은 천공홀의 입구를 확공하지 않도록 상기 강관보다 작은 직경으로 이루어지며, 이에 대응하여 상기 연결소켓은 제1끼움부가 제2끼움부에 비해 작은 직경을 갖는 것으로 형성되고, 상기 중간연결부는 상기 제1끼움부와 제2끼움부를 연결하여 경사지게 형성된 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1끼움부의 내주면에는 상기 플라스틱관과 밀착되어 탄성지지하면서 분리되지 않도록 한 고무소재의 탄성지지부재가 설치되고, 상기 제2끼움부에는 상기 강관과 자력에 의해 밀착되면서 분리되지 않도록 한 마그네틱링이 더 설치되며, 상기 탄성지지부재는, 하부가 개방된 직사각 역U자형 단면을 가지면서 상기 제1끼움부 내주면을 따라 접합되는 본체부와, 상기 본체부의 하단부 둘레를 따라 더 넓은 폭을 갖도록 외측으로 연장되어 하부가 개방된 역U자형 단면을 가지면서 하단부가 상기 플라스틱관의 외주면과 접촉되도록 한 외측부와, 상기 외측부로 둘러싸인 내부공간 중앙에서 하단부가 상기 외측부의 하단부와 같거나 낮은 높이로 형성되고 하부가 개방된 역U자형 단면을 가지면서 상기 플라스틱관의 외주면과 접촉되도록 한 내측부, 상기 본체부의 하단부와 상기 내측부 외표면을 연결하여 상기 본체부에 대하여 상기 내측부를 지지하는 탄성연결부를 포함하며, 상기 탄성연결부는 상기 본체부와의 인접부위에서 다른 부위에 비해 상대적으로 얇은 두께를 갖는 박막으로 형성된 회동부와, 상기 회동부로부터 상기 내측부 외표면에 이르기까지 점진적으로 두껍게 형성된 연결부로 이루어져, 상기 내측부가 상기 플라스틱관의 외주면과의 접촉으로 상방향으로 작용하는 힘을 받으면 상기 회동부를 중심으로 회동하여 꺾이고 상기 연결부는 상측으로 볼록한 원호 형태로 휘면서 상기 내측부의 상승을 허용하였다가 상기 내측부에 작용하는 힘이 사라지면 상기 연결부의 탄성력에 의해 상기 내측부를 초기 위치로 복귀시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제1끼움부의 내주면에는 상기 플라스틱관과 밀착되어 탄성지지하면서 분리되지 않도록 한 고무소재의 탄성지지부재가 설치되고, 상기 제2끼움부에는 상기 강관과 자력에 의해 밀착되면서 분리되지 않도록 한 마그네틱링이 더 설치되며, 상기 탄성지지부재는 상기 플라스틱관 내주면을 따라 고정되는 고정링과, 상기 고정링의 내주면을 따라 돌출된 형상으로 형성되어 상기 플라스틱관이 상기 제1끼움부에 삽입될 때 밀리면서 상기 플라스틱관 외주면과의 접촉을 유지하며, 상기 플라스틱관이 삽입 방향과 반대방향으로 이동하면 상기 플라스틱관 외주면과 접촉된 상태로 플라스틱관의 이동을 저항하도록 한 환막으로 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 의한 터널 보강공법은, 그라우팅제를 지반에 침투시킴으로써 터널 굴착면을 보강하는 터널 보강공법에 있어서, 굴착 지반의 천정부에 천공홀을 천공하는 단계; 상기 천공홀에 주입공이 형성된 강관을 삽입하는 단계; 상기 천공홀의 입구를 코킹하는 단계; 상기 강관의 주입공을 통하여 그라우팅제를 주입하여 지반에 침투시키는 단계;를 포함하되, 그라우팅제를 지반에 침투시키는 단계 전에 상기 강관의 주입공을 통하여 씰링제를 주입하여 상기 강관과 천공홀 사이 공간을 충진시키는 단계;를 더 포함시켜, 그라우팅제의 주입시 그라우팅제가 상기 강관과 천공홀 사이 공간에서 낭비되지 않고 겔 상태인 씰링제를 뚫고 지반에 곧바로 침투되도록 하여 지반에 대한 그라우팅제의 침투력을 강화시킨 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.

여기서, 상기 천공홀을 천공하는 단계가 진행된 후 전술된 그라우팅 장치를 천공홀에 삽입 설치하되, 상기 강관, 코킹모듈, 에어패커 및 주입호스가 연결된 상태로 설치함으로써, 천공홀에 대하여 강관, 코킹모듈, 에어패커 및 주입호스의 설치를 동시에 진행하며, 상기 천공홀의 입구를 코킹하는 단계는 상기 팽창제 주입용 호스를 통해 상기 이격공간으로 팽창제를 주입함으로써 상기 시트를 외측으로 팽창시키는 방법으로 이루어지고, 상기 씰링제를 주입하여 상기 강관과 천공홀 사이 공간을 충진시키는 단계가 진행될 때 씰링제가 강관과 천공홀 사이 공간에 충진되는 과정에서 천공홀의 입구쪽으로 넘치는 씰링제의 일부 분량에 대해 상기 배출호스를 통해 배출되도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 씰링제는, 물, 시멘트 및 실재를 혼합된 상태로 포함하며, 주입 직후 겔 상태로 변화하여 일정 시간동안 겔 상태를 유지하도록 액체형 증점제인 조기 겔화제를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 조기 겔화제는, 아크릴산 나트륨 중합체, 메타아크릴산 나트륨 중합체, 아크릴 아마이드 중합체, 가수분해된 아크릴로 니트릴중합체, 아크릴산 메타아크릴산 공중합체, 아크릴산 아크릴 아마이드 공중합체 주성분의 고흡수성 폴리머 수지 중 1 또는 2 이상의 혼합물인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 팽창제는 겔화에 따라 부피 팽창을 수반하는 발포우레탄이나 조기강도가 발현되는 초속형 시멘트인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 그라우팅제를 지반에 침투시키는 단계는 에어패커에 의해 단계적으로 실시하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 터널지반의 굴착이 진행됨에 따라 굴착 예정 지반의 천정부로부터 하방으로 돌출된 플라스틱관의 일부를 제거하는 단계와, 상기 지보재를 설치하고 숏크리트를 타설하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치 및 이를 이용한 터널 보강공법은, 코킹작업과 씰링제 주입작업과 그라우팅제 주입작업을 모두 수행할 수 있도록 패키지화되어 작업 중간에 난해한 설치작업을 무리하게 진행하지 않아도 되므로 장치의 신속한 설치에 유리하고 작업에 소요되는 시간이 짧으며 작업품질도 우수하다.

도 1 내지 도 4는 종래기술에 의한 터널 보강공법을 설명하기 위한 참조도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치를 설명하기 위한 단면도
도 6은 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치에서 코킹모듈의 분해사시도
도 7은 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치에서 연결소켓의 사시도
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치에서 연결소켓의 구성 및 동작을 설명하기 위한 일련의 단면도
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치에서 변형된 형태의 연결소켓의 구성 및 동작을 설명하기 위한 일련의 단면도
도 10은 본 발명의 실시예에 의한 터널 보강공법을 설명하기 위한 흐름도
도 11a 내지 도 11g는 본 발명의 실시예에 의한 터널 보강공법을 설명하기 위한 일련의 과정을 보여주는 참조도

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 그라우팅 장치 및 이를 이용한 터널 보강공법에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.

또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발 명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 5는 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치를 설명하기 위한 단면도이며, 도 6은 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치에서 코킹모듈의 분해사시도이며, 도 7은 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치에서 연결소켓의 사시도이며, 도 8a 및 도 8b는 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치에서 연결소켓의 구성 및 동작을 설명하기 위한 일련의 단면도이다. 그리고 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치에서 변형된 형태의 연결소켓의 구성 및 동작을 설명하기 위한 일련의 단면도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치는 강관(10)과 코킹모듈(100)과 에어패커(40)와 주입호스(50)와 연결소켓(70)의 조합으로 이루어진다.

상기 강관(10)은 터널 굴착 단면의 전방으로 천공홀(H)을 천공하여 삽입되고, 씰링제와 그라우팅제를 지반으로 순차 주입하여 침투시키기 위한 다수의 주입공(11)이 벽체와 선단부 폐쇄면 전체에 형성된다. 상기 강관(10)은 후단부가 개방된 상태이지만 선단부는 폐쇄된 상태로 폐쇄면을 갖는다. 여기서 주입공(11)은 무작위로 형성되는 것이 아니라 강관(10)의 구조적 강도를 고려하면서 씰링제와 그라우팅제를 최적으로 주입하기 위해 신중한 설계를 바탕으로 형성된다. 이를 위해 상기 강관(10)에 형성된 주입공은, 도 5에서 볼 수 있는 것처럼 그라우팅제와 함께 씰링제 주입을 위해서도 사용할 수 있도록 한 씰링제 겸용 주입공(11a)과 그라우팅제만을 위해 사용할 수 있도록 한 그라우팅제 전용 주입공(11b)으로 이루어진다. 상기 씰링제 겸용 주입공(11a)의 경우 강관(10)의 폐쇄면 및 최선단부에 형성되고 다른 부위에 형성된 그라우팅제 전용 주입공(11b)에 비해 적어도 1.5배 이상 큰 직경을 갖도록 형성되어 강관(10)의 최선단부에만 형성되어도 강관(10)의 후단부 인근에 이르기까지 씰링제를 주입하기에 적당하다. 상기 그라우팅제 전용 주입공(11b)은 씰링제 겸용 주입공(11a)에 비해 작은 직경을 가지며, 상기 강관(10)의 벽체에 둘레방향을 따라 4개가 하나의 군을 이루어 사방으로 형성되되 상기 에어패커(40)의 전후 폭에 대응하는 이격을 두고 강관(10)의 전후방향을 따라 반복적으로 형성된 제1군(A)의 그라우팅제 전용 주입공(11b)과, 상기 제1군(A)의 그라우팅제 전용 주입공(11b)들이 전후방향으로 이격된 중간 지점마다 4개가 하나의 군을 이루어 반복적으로 형성되되, 제1군(A)의 주입공들이 향하고 있는 방향의 중간 대각방향을 향하도록 형성된 제2군(B)의 그라우팅제 전용 주입공(11b)으로 이루어진다. 이같은 그라우팅제 전용 주입공(11b)의 구성에 따르면 에어패커(40)를 에어패커(40)의 전후 폭만큼 단계적으로 이동시키면서 그라우팅제를 주입하기에 적합하며 무작위로 천공햇을 때 다르게 강관(10)의 강도가 약해져서 붕괴되는 강도 약화의 문제 없이 그라우팅제를 원활하게 주입하는 것이 가능해진다.

상기 코킹모듈(100)은 강관(10)의 후단부와 연결소켓(70)에 의해 연결된 상태로 상기 천공홀(H)의 입구 내측에 설치되어 코킹을 수행하게 된다. 이를 위해 상기 코킹모듈(100)은 플라스틱관(20)과, 한 쌍의 고무패커(31)와, 시트(32)와, 팽창제 주입용 호스(34)와, 배출호스(60)를 포함하여 이루어진다.

상기 코킹모듈(100)에서 상기 플라스틱관(20)은, 상기 강관(10)보다 작은 직경으로 이루어지고, 연결소켓(70)에 의해 선단부가 상기 강관(10)의 후단부에 연결된다. 이처럼 강관(10)에 비해 직경이 작은 플라스틱관(20)이 구비되면 강관(10) 외측에 코킹재를 설치하지 않아도 되기 때문에 천공홀(H) 입구를 확공하는 추가작업이 불필요해지는 것이다.

상기 한 쌍의 고무패커(31)는 원판 형태의 부재로서 상기 천공홀(H)의 입구 내측에서 플라스틱관(20)의 외측에 상호 이격되게 설치된다. 상기 한 쌍의 고무패커(31)에는 플라스틱관(20)이 관통하여 장착되는 장착홀(31a이 공통적으로 형성되고, 이 중 후측(도면에서 좌측)에 위치한 고무패커(31)에는 팽창제 주입용 호스(34)가 관통하는 관통홀(31b)이 추가적으로 형성된다. 여기서, 상기 고무패커(31)의 재질은 고무로만 국한되지 않고 연질 플라스틱, 나무, 철판 등으로 대체될 수 있으나 현재로서는 성능과 가격측면을 고려할 때 고무재질이 가장 바람직하다. 또한, 상기 한 쌍의 고무패커(31)에는 상기 배출호스(60)가 관통하는 홀들도 구비한다.

상기 시트(32)는 상기 한 쌍의 고무패커(31) 사이에 형성된 이격공간(35)을 감싸 밀봉한다. 이를 위해 상기 시트(32)는 부직포로 구비되는 것이 적당하며 상기 한 쌍의 고무패커(31)의 외주면을 둘러 감싼 형태로 설치되고, 체결링(33)에 의해 상기 고무패커(31)에 고정된다. 여기서 상기 시트(32)는 팽창제의 부피 팽창에 따른 압력을 충분히 견디면서 신축성이 있는 재질의 것이라면 다른 것으로 대체 가능하다. 즉, 나일론이나 천막지 등이 대체용으로 사용될 수도 있다. 상기 체결링(33)은 시트(32)의 양단부가 한 쌍의 고무패커(31) 외주면을 둘러 감싼 형태로 설치된 상태에서 고무패커(31) 외주면을 감싸 압박하게 된다. 주목할 점으로 상기 체결링(33)에는 체결링(33)의 폭방향으로 긴 직사각형 형태로 천공된 지지공(33a)이 체결링(33)의 길이방향을 따라 다수 구비되어 상기 체결링(33)이 상기 고무패커(31)의 외주면을 압박하여 체결될 때 상기 시트(32)의 일부가 지지공 내부로 인입되어 돌출되도록 한 것이다. 이로써, 외력이 순간적으로 가해지는 가혹한 상태에서도 시트(32)가 상기 체결링(33)으로부터 쉽게 이탈되지 않고 압박 지지된 상태를 계속 유지할 수 있게 된다.

상기 팽창제 주입용 호스(34)는 한 쌍의 고무패커(31) 사이에 형성되는 이격공간(35)에 팽창제를 주입할 수 있도록 상기 한 쌍의 고무패커(31) 중 후측에 위치한 고무패커(31)의 관통홀(31b)을 관통하여 상기 이격공간(35)으로 들이어진다.

이로써, 상기 팽창제 주입용 호스(34)를 통해 시트(32)가 둘러싼 이격공간(35)으로 팽창제가 가압주입되면 상기 시트(32)가 외측으로 팽창되면서 상기 천공홀(H) 입구를 간단히 코킹할 수 있게 된다. 여기서, 상기 팽창제로는 약액으로 주입되어 겔화되면서 부피 팽창을 수반하는 발포우레탄이나 조기강도가 발현되는 초속형 시멘트면 바람직하며, 혹은 이와 동등한 성질을 갖는 재료라면 팽창제로 사용하는데 제한을 두지 않는다. 일반적으로 우레탄 약액은 발포 배율, 기계적 강도 등 제반물성을 매우 다양하게 조절할 수 있는 장점이 있고, 겔화되면서 팽창하는 시간은 불과 수분 정도에 지나지 않으므로 시트(32) 내측의 밀폐된 이격공간(35)에 주입하여 충진할 경우 얼마 지나지 않아 그라우팅제를 주입하는 본 작업에 신속히 돌입할 수 있다. 또한, 조기강도가 발현되는 초속형 시멘트의 경우도 시트(32) 내측의 밀폐된 이격공간(35)에 주입하여 충진할 경우 거의 기다릴 필요없이 씰링제와 그라우팅제를 주입하는 본 작업에 곧바로 돌입할 수 있는 장점이 있다.

상기와 같이 구성된 코킹모듈(100)은 초기에 조립되어 모듈화된 형태로 구비되어 있다가 천공홀(H)에 강관(10)이 삽입된 직후 확공과 같은 별다른 작업 없이 곧바로 천공홀(H) 입구에 설치되며 팽창제 주입과 팽창에 따른 시간이 수분 정도면 충분하기 때문에 팽창제 주입과 거의 동시에 코킹을 완료할 수 있다. 더욱이 개방된 상태에서 설치되던 과거 코킹재와 달리 그라우팅제의 압력에 의해 천공홀(H) 입구로부터 밀려나 빠져버릴 염려가 전혀 없기 때문에 안정적이면서도 고품질의 코킹을 보장받을 수 있는 것이다. 본 발명의 실시예에 의한 코킹모듈(100)은 팽창제의 팽압이 시트에 의해 가두어진 상태에서 일어나면서 주로 천공홀(H)의 내벽방향으로 집중되기 때문에 40kg/cm² 이상의 압력도 안정적으로 견딜 수 있다. 하지만 종래기술의 경우 코킹재의 종류에 따라 코킹재의 접착력이나 팽압을 이용한 코킹이 이루어지는데 팽압을 이용하더라도 그 팽압이 천공홀(H)의 내벽방향으로 집중되지 못하고 개방된 길이방향(전후방향)으로 분산되면서 40kg/cm² 이상의 압력은 견딜 수 없는 실정이다.

상기 코킹모듈(100)에서 배출호스(60)는 강관(10)을 통해 주입된 씰링제가 강관(10)과 천공홀(H) 사이 공간에 충진되는 과정에서 천공홀(H)의 입구쪽으로 넘치는 일부 분량의 배출을 허용할 수 있도록 상기 한 쌍의 고무패커(31)를 모두 관통한 상태로 설치된다. 이로써 상기 배출호스(60)의 선단부는 상기 강관(10)의 후단부 인근 천공홀(H)까지 들이어진 상태가 된다. 이같이 씰링제의 배출을 허용하기 위한 배출호스(60)를 코킹모듈(100)에 일체화하여 구비하게 되면 작업 중간에 배출호스(60)를 설치하기 위한 별도의 공정이 불필요해다는 장점이 있다.

상기 에어패커(40)는 에어를 주입하면 팽창하는 에어백으로서 상기 강관(10) 내부에 삽입되고, 팽창시 강관(10)의 팽압에 의해 강관(10) 내벽에 강하게 밀착되면서 내부 공간을 전후로 분리시켜주는 역할을 한다. 상기 에어패커(40)에는 중앙에 홀이 형성되어 상기 주입호스(50)가 후방에서 전방으로 관통될 수 있도록 한다. 또한, 상기 에어패커(40)에 에어를 공급하고 회수하기 위한 에어호스(41)가 연결된다.

상기 주입호스(50)는 상기 코킹모듈(100)의 플라스틱관(20)과 강관(10) 내부를 통해 에어패커(40)의 앞쪽으로 들이어져 씰링제 및 그라우팅제를 순차적으로 주입하는 역할을 한다.

상기 연결소켓(70)은 상기 플라스틱관(20)의 선단부와 강관(10)의 후단부를 연통되게 연결하는 역할을 한다. 이를 위해 상기 연결소켓(70)은 도 7에 도시된 것처럼 상기 플라스틱관(20)에 대응하여 그 외측에 끼워지는 제1끼움부(70a), 상기 강관(10)에 대응하여 그 외측에 끼워지는 제2끼움부(70b), 상기 제1끼움부(70a)와 제2끼움부(70b)를 연결하는 중간연결부(70c)로 이루어지며, 탄성지지부재(70e)와 마그네틱링(70f)을 추가적으로 구비한다. 여기서 제1끼움부(70a)는 제2끼움부(70b)에 비해 작은 직경을 갖는 것으로 형성되고, 상기 중간연결부(70c)는 상기 제1끼움부(70a)와 제2끼움부(70b)를 연결하여 경사지게 형성된다.

상기 연결소켓(70)에서 탄성지지부재(70e)는 고무소재로 구비되어 상기 플라스틱관(20)과 분리되지 않도록 제1끼움부(70a)의 내주면에 설치되어 탄성지지하는 역할을 하며, 플라스틱관(20)과의 사이로 침투하려는 이물질을 차단하는 역할을 하며, 이를 위해 상기 탄성지지부재(70e)는 도 8a 및 도 8b에 도시된 것처럼 본체부(171)와, 외측부(172)와, 내측부(173)와, 탄성연결부(174)로 이루어진다. 그러니까 상기 본체부(171)와, 외측부(172)와, 내측부(173)와, 탄성연결부(174)가 일체로 형성되어 탄성지지부재(70e)를 이루고 있는 것이다. 이같은 탄성지지부재(70e)의 구성에 따르면 내측부(173)가 승강할 수 있도록 한 독특한 구성에 의해 도 8b와 같이 이물질이 개입되는 다양한 상황에서 이중벽 구조를 자연스럽게 형성하게 된다. 이같이 탄성지지부재(70e)가 갖는 독특한 구성에 대해 아래에서 상세히 설명하기로 한다.

상기 탄성지지부재(70e)의 본체부(171)는 하부가 개방된 역U자형 단면을 가지면서 제1끼움부(70a)의 내주면 둘레를 따라 접합된다. 상기 외측부(172)는 상기 본체부(171)의 하단부 둘레를 따라 더 넓은 폭을 갖도록 외측으로 연장되어 하부가 개방된 역U자형 단면을 가지도록 형성된다. 이를 위해 상기 외측부(172)는 본체부(171)의 하단부에서 외측 방향으로 수평하게 연장된 수평부(172a)와 상기 수평부(172a)의 바깥 둘레부에서 하방향으로 수직하게 연장되어 형성된 수직부(172b)로 이루어져서 상기 수직부(172b)의 하단부가 플라스틱관(20)의 외주면과 접촉되도록 한다. 상기 내측부(173)는 상기 외측부(172)로 둘러싸인 내부공간 중앙에서 하단부가 상기 외측부(172)의 하단부와 같거나 낮은 높이로 형성되고 하부가 개방된 역U자형 단면을 가지면서 상기 플라스틱관(20)의 외주면과 접촉되도록 한다. 이를 위해 상기 내측부(173)는 상기 탄성연결부(174)와 함께 상기 본체부(171)의 개방된 하부를 가로질러 차단할 수 있도록 한 상면부(173a)와 상기 상면부(173a)의 둘레를 따라 하방향으로 연장 형성된 벽체부(173b)로 이루어진다. 상기 벽체부(173b)의 하단부에는 외측부(172)와 내측부(173) 간에 공기가 출입할 수 있도록 공기 출입공이 형성된다. 이같은 내측부(173)에서 주목할 점은 그 하단부가 외측부(172)의 하단부와 같거나 낮은 높이로 형성되어 플라스틱관(20)에 초기 접촉시 상기 외측부(172)와 동시에 또는 먼저 접촉되도록 하면서 탄성연결부(174)에 의해 탄성 지지되어 승강 가능하도록 구성되었다는 점이다. 이처럼 내측부(173)의 하단부가 초기에는 외측부(172)의 하단부와 적어도 동일 높이 또는 그 아래 위치하다가 도 8b에 도시된 것처럼 이물질(AB)에 반응하여 국소적으로 자연스럽게 상승하면서 외측부(172)가 지속적으로 밀착된 상태를 유지할 수 있도록 한다. 또한 대부분의 경우 플라스틱관(20)의 외표면에 외측부(172)와 내측부(173)가 동시에 압착되어 이중으로 밀착된 상태가 되면서 플라스틱관(20)이 제1끼움부(70a)에 끼워진 상태로 이탈되지 않도록 지지하면서 이물질의 침투를 보다 안정적으로 차단할 수 있게 된다.

상기 탄성지지부재(70e)에서 탄성연결부(174)는 본체부(171)의 하단부와 내측부(173)의 외표면을 연결하여 본체부(171)에 대하여 내측부(173)가 승강 가능하도록 지지하는 역할을 하며 회동부(174a)와 연결부(174b)로 이루어진다. 상기 회동부(174a)는 본체부(171)와 연결된 부위로서 다른 부위에 비해 상대적으로 얇은 두께를 갖는다. 이같은 회동부(174a)가 형성되면 상기 내측부(173)가 플라스틱관(20)과의 접촉에 의해 상방향으로 작용하는 힘을 받을 때 상기 회동부(174a)를 중심으로 회동하여 꺾이면서 상기 내측부(173)의 상승이 원활하게 이루어진다. 한편 상기 연결부(174b)는 회동부(174a)로부터 내측부(173) 외표면에 이르기까지 점진적으로 두껍게 형성되며 상기 회동부(174a)와는 달리 상기 내측부(173)를 탄성지지하는 역할을 한다. 이같은 구성에 따르면 회동부(174a)를 중심으로 꺾이는 회동이 일어나면서 내측부(173)가 상승할수록 연결부(174b)가 상측으로 볼록한 원호 형태로 휘면서 상기 내측부(173)를 초기 위치로 복귀시키려는 더욱 강한 경향을 갖게 된다. 여기서 상승하는 정도가 일정 이상이 되면 회동부(174a)와 연결부(174b)가 늘어나면서 내측부(173)의 상승을 허용하기는 하지만 이 경우 내측부(173)를 초기 위치로 복귀시키려는 경향은 더욱 강해진다.

한편, 상기 연결소켓(70)에서 마그네틱링(70f)은 제2끼움부(70b)의 내주면이나 외주면에 설치되어 상기 강관(10)과 자력에 의해 밀착되면서 분리되지 않도록 한다.

상기 연결소켓(70)에서 탄성지지부재(70e)는 도 9a 내지 도 9c에 도시된 것처럼 변형 탄성지지부재(70g)로 구비될 수도 있다. 변형 탄성지지부재(70g)의 경우 전체적으로 고무소재로 이루어지며 플라스틱관(20) 내주면을 따라 고정되는 고정링(175)과, 상기 고정링(175)의 내주면을 따라 돌출된 형상으로 형성된 환막(176)으로 이루어진다. 상기 환막(176)은 도 9b에 도시된 것처럼 플라스틱관(20)이 상기 제1끼움부(70a)에 삽입될 때 삽입방향으로 밀리면서 플라스틱관(20) 외주면과의 접촉을 유지하며, 도 9c에 도시된 것처럼 상기 플라스틱관(20)이 삽입 방향과 반대방향으로 이동하면 상기 플라스틱관(20) 외주면과 접촉된 상태로 플라스틱관(20)의 이동을 저항하게 된다. 여기서 상기 환막(176)의 끝단은 플라스틱관(20)이 제1끼움부(70a)에 삽입될 때 밀리면서 플라스틱관(20) 외주면과의 접촉을 유지하도록 경사면으로 형성된다.

이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치를 이용한 본 발명의 터널 보강공법을 도 10, 도 11a 내지 도 11g를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 첨부된 도 10은 본 발명의 실시예에 의한 터널 보강공법을 설명하기 위한 흐름도이고, 도 11a 내지 도 11g는 본 발명의 실시예에 의한 터널 보강공법을 설명하기 위한 일련의 과정을 보여주는 참조도이다.

본 발명의 실시예에 의한 터널 보강공법은 도 10에 도시된 바와 같이, 천공홀 천공단계(S101), 그라우팅 장치 설치단계(S102), 팽창제 주입단계(S103), 씰링제 주입단계(S104), 그라우팅단계(S105), 플라스틱관 제거단계(S106), 지보재 설치단계(S107), 숏크리트 타설단계(S108)로 이루어진다.

먼저, 천공홀 천공단계(S101)가 진행된다. 이 단계에서는 도 11a와 같이 천공장비를 사용하여 굴착 지반의 천정부에 천공홀(H)을 천공한다. 상기 천공홀(H)의 내부는 강관(10)이 삽입될 정도면 충분하며 코킹작업을 위해 더 넓힐 필요가 전혀 없다.

이후, 그라우팅 장치 설치단계(S102)가 진행된다. 이 단계에서는 이미 강관(10)과 코킹모듈(100)과 연결소켓(70)과 에어패커(40) 및 주입호수(50)가 일체로 연결된 그라우팅 장치를 도 11b와 같이 천공홀(H) 내부에 간단히 밀어 넣어 삽입하는 방법으로 설치한다. 이때 강관은 천공홀(H) 깊숙하게 삽입되도록 하며 코킹모듈(100)은 천공홀(H) 입구에 위치하도록 한다. 이처럼 본 발명의 실시예에 의한 그라우팅 장치를 이용하는 경우 간단히 그라우팅 장치를 설치하기만 하면 코킹작업과 씰링제 주입작업과 그라우팅제 주입작업을 순차 진행할 수 있는 모든 장치의 준비가 마쳐진다는 점에서 커다란 장점을 갖는다. 단, 현장상황에 따라 도면에 도시된 것처럼 그라우팅 장치에서 강관(10)과 코킹모듈(100)과 연결소켓(70)의 조립체를 먼저 설치한 후 에어패커(40) 및 주입호수(50)를 중간에 설치할 수도 있다. 에어패커(40) 및 주입호수(50)를 중간에 설치하는 작업은 매우 간단히 이루어진다.

이후, 천공홀(H) 입구를 코킹하기 위한 팽창제 주입단계(S103)가 진행된다. 상기 팽창제 주입단계(S103)는 도 11c와 같이 팽창제 주입용 호스(34)를 통해 시트(32) 내측의 이격공간(35)으로 팽창제(36)를 주입한다. 그러면 상기 팽창제가 시트(32) 내측의 이격공간(35)에 충진된 후 부피가 팽창하면서 시트(32)를 외측으로 밀어 팽창시킨다. 이처럼 팽창제(36)에 의해 시트(32)가 외측으로 팽창되면 천공홀(H) 입구 내벽에 팽압에 의해 긴밀하게 밀착되면서 코킹이 완료된다. 팽창제의 주입이 완료되면 팽창제 주입용 호스(34)를 묶어서 주입된 팽창제가 누설되지 않도록 한다. 이같은 코킹작업은 코킹모듈(100)을 이용하여 불과 수분만에 진행되어 다음 단계를 곧바로 진행할 수 있는 준비가 마쳐진다.

이후, 진행되는 씰링제 주입단계(S104)는 이후 진행되는 그라우팅단계(S105)는 도 11d에 도시된 것처럼 에어패커(40)를 강관(10)의 최선단부 쪽으로 약간의 여유 공간만 남겨두고 이동시키고 에어를 주입하여 팽창시킨 후 주입호스(50)를 통해 씰링제(S)를 주입해준다. 그러면 씰링제(S)는 주입호스(50)를 통해 에어패커(40)를 통과한 후 강관(10)의 최선단부에 형성된 넓은 직경의 주입공(11) 즉, 씰링제 겸용 주입공을 통하여 강관(10)과 천공홀(H) 사이의 공간(강관의 삽입으로 배제된 천공홀의 나머지 공간)을 채우게 된다. 이때 씰링제(S)가 강관(10)과 천공홀(H) 사이 공간에 충진되는 과정에서 천공홀(H)의 입구쪽으로 넘치는 일부 분량의 배출이 차단되지 않고 코킹모듈(100)에 포함된 배출호스(60)에 의해 허용되기 때문에 씰링제(S)가 주입압에 의해 불필요하게 지반에 침투하지 않고 강관(10)과 천공홀(H) 사이 공간에만 적당하게 충진된 상태가 되며 충진이 완료되었는지 여부를 확인하는 것이 가능해진다. 씰링제(S)의 주입작업이 완료되면 상기 배출호스(60)를 묶는 등의 방법으로 폐쇄하여 주입작업 이후 씰링제(S)가 불필요하게 유출되는 것을 방지해준다. 주목할 수 있는 점은 상기 배출호스(60)가 코킹모듈(100)의 일부로서 초기에 설치 완료되었다는 점이다. 만일 배출호스(60)를 코킹작업이 완료된 후 설치하려한다면 천공홀(H)의 불규칙한 내주면으로 인해 삽입 자체가 어려우며, 배출호스(60)가 손상될 가능성이 높아지기 때문이다. 이같은 씰링제(S)의 주입작업을 원활하게 하기 위해서 강관(10)의 선단부는 개구된 후단부와 달리 폐쇄되어 있고 그 폐쇄된 면에는 벽체와 마찬가지로 주입공(11)이 형성된다.

아래 표 1과 표 2에서는 기존 씰링제(표 1)와 본 발명에 따른 속성 겔화 씰링제(표 2)의 일반적인 배합비를 비교한 것이다.

구 분	시멘트	실(SEAL)재	물
주입량(1㎥기준)	200kg	62.5kg	910리터

구 분	시멘트	실(SEAL)재	물	조기 겔화제
주입량(1㎥기준)	200kg	62.5kg	910리터	3~5리터

여기서 상기 씰링제(S)는, 시멘트와 실재로서 벤토나이트 등을 물에 혼합하여 만들었던 관계로 겔 상태로 변하는데만 거의 24시간이 걸려 그라우팅제의 주입 착수를 지연시켰던 기존 씰링제와 다르게 약 30초 내외면 초속성으로 겔화되어 약 24간 동안 유지되도록 새롭게 개발된 것이 사용된다. 상기 씰링제는, 물, 시멘트 및 실재(벤토나이트)를 혼합된 상태로 포함하며, 주입 직후 겔 상태로 변화하여 일정 시간동안 겔 상태를 유지하도록 액체형 증점제인 조기 겔화제를 더 포함하여 이루어진다. 상기 조기 겔화제는, 아크릴산 나트륨 중합체, 메타아크릴산 나트륨 중합체, 아크릴 아마이드 중합체, 가수분해된 아크릴로 니트릴중합체, 아크릴산 메타아크릴산 공중합체, 아크릴산 아크릴 아마이드 공중합체 주성분의 고흡수성 폴리머 수지 중 1 또는 2 이상의 혼합물로 구비된다.

이같이 씰링제(S)로서 조기에 겔화가 가능한 것이 사용된다면 작업의 연속성을 높일 수 있고 공사기간을 대폭 줄이는데 기여하게 된다.

이후 진행되는 그라우팅단계(S105)는 도 11e 내지 도 11g에 도시된 것처럼 에어패커(40)에 에어를 주입하여 팽창시킨 후 주입호스(50)를 통해 그라우팅제(G)를 가압 주입해준다. 그러면 그라우팅제(G)는 주입호스(50)를 통해 에어패커(40)를 통과한 후 강관(10) 내부에 포설되고 이후 강관(10)의 주입공(11)을 통하여 지반에 침투된다. 이 과정에서 주입공(11)을 통해 강관(10)에서 나온 그라우팅제(G)는 강관(10)과 천공홀(H) 사이의 공간에 채워진 겔 상태의 씰링제(S)를 뚫고 지반으로 곧바로 침투하게 된다. 이로써 그라우팅제(G)가 지반 이외의 불필요한 곳으로 누설되거나 침투하는 일이 없기 때문에 보다 강한 침투력을 갖고 지반에 충분한 정도로 침투하게 되는 것이다. 여기서 만일 씰링제(S)가 겔 상태로 변화되기 전 액 상태이거나 너무 경화가 진행되어 고체 상태가 된 경우라면 그 모든 경우에 그라우팅제(G)가 지반에 침투하는데 방해를 받게 되어 부실공사의 원인이 된다.

이같은 그라우팅제(G) 주입은 도면에 도시된 것처럼 천공홀(H) 깊숙한 곳에서부터 단계적으로 이루어지는데, 이를 위해 상기 에어패커(40)에 에어를 주입하고 회수하면서 강관(10) 내부에서 단계적으로 이동시켜준다.

이후, 플라스틱관 제거단계(S106)가 진행된다. 이 단계에서는 터널지반의 굴착이 진행됨에 따라 굴착 예정 지반의 천정부로부터 하방으로 돌출된 플라스틱관(20)의 일부를 제거하게 되는데, 플라스틱관(20)의 제거는 장비를 이용한 타격 등의 간단한 방법으로 이루어질 수 있다. 이처럼 간단한 방법에 의해 하방으로 돌출된 플라스틱관(20)의 일부가 제거되면 뒤이어 진행되는 지보재의 설치가 방해 없이 원활하게 이루어질 수 있다.

이후, H형 강 등의 지보재를 설치하는 지보재 설치단계(S107)와 굴곡진 터널의 굴착단면에 숏크리트층을 타설하여 터널의 안정성을 꾀하는 숏크리트 타설단계(S108)가 순차적으로 진행되어 본 발명의 실시예에 의한 터널 보강공법이 완료된다.

이처럼 본 발명의 실시예에 의한 터널 보강공법이 완료되면 지반 내에 침투된 그라우팅제(G)에 의해 지반이 고결되어 강관(10)과 주변 지반이 일체화되고 굴착 예정 지반 주위의 인장강도 및 전단저항이 강화된다. 그리고 지반 차수성도 증대된다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

10 : 강관 11 : 주입공
20 : 플라스틱관 31 : 고무패커
32 : 시트 33 : 체결링
34 : 팽창제 주입용 호스 35 : 이격공간
40 : 에어패커 41 : 에어호스
50 : 주입호스 60 : 배출호스
70 : 연결소켓 100 : 코킹모듈

Claims

터널 굴착 단면의 전방으로 천공홀을 천공하여 삽입되고, 천공홀에 충진되는 씰링제 및 지반에 침투하는 그라우팅제를 순차적으로 주입하기 위한 다수의 주입공이 형성된 강관; 상기 강관과 연결된 상태로 상기 천공홀의 입구 내측에 설치되어 코킹을 수행하며, 상기 강관을 통해 주입된 씰링제가 강관과 천공홀 사이 공간에 충진되는 과정에서 천공홀의 입구쪽으로 넘치는 일부 분량의 배출을 허용하는 배출호스를 포함하는 코킹모듈; 상기 강관 내부에 삽입되고, 팽창시 강관의 내부 공간을 전후로 격리시켜주는 에어패커; 및 상기 에어패커의 앞쪽으로 들이어져 씰링제 및 그라우팅제를 순차적으로 주입해주는 주입호스;를 포함하며,
상기 코킹모듈은, 선단부가 상기 강관의 후단부에 연통되도록 연결되는 플라스틱관; 상기 천공홀의 입구 내측에서 상기 플라스틱관의 외측에 상호 이격되게 설치되는 한 쌍의 고무패커; 상기 한 쌍의 고무패커 사이에 형성된 이격공간을 감싸 밀봉하는 시트; 및 상기 이격공간에 팽창제를 주입할 수 있도록 상기 한 쌍의 고무패커 중 후측에 위치한 고무패커를 관통하여 상기 이격공간으로 들이어진 팽창제 주입용 호스;를 포함하여, 상기 팽창제 주입용 호스를 통해 상기 이격공간으로 팽창제가 주입되면 상기 시트가 외측으로 팽창되면서 상기 천공홀 입구를 코킹할 수 있도록 하며,
상기 배출호스는 상기 강관을 통해 주입된 씰링제가 강관과 천공홀 사이 공간에 충진되는 과정에서 천공홀의 입구쪽으로 넘치는 일부 분량의 배출을 허용할 수 있도록 상기 한 쌍의 고무패커를 모두 관통한 상태로 설치되어 선단부가 상기 강관의 후단부 인근 천공홀까지 들이어지며,
상기 코킹모듈의 플라스틱관 선단부와 강관의 후단부를 연통되게 연결하는 연결소켓을 더 포함하며, 상기 연결소켓은, 상기 플라스틱관에 대응하여 그 외측에 끼워지는 제1끼움부, 상기 강관에 대응하여 그 외측에 끼워지는 제2끼움부, 상기 제1끼움부와 제2끼움부를 연결하는 중간연결부로 이루어지며,
상기 플라스틱관은 천공홀의 입구를 확공하지 않도록 상기 강관보다 작은 직경으로 이루어지며, 이에 대응하여 상기 연결소켓은 제1끼움부가 제2끼움부에 비해 작은 직경을 갖는 것으로 형성되고, 상기 중간연결부는 상기 제1끼움부와 제2끼움부를 연결하여 경사지게 형성되며,
상기 제1끼움부의 내주면에는 상기 플라스틱관과 밀착되어 탄성지지하면서 분리되지 않도록 한 고무소재의 탄성지지부재가 설치되고, 상기 제2끼움부에는 상기 강관과 자력에 의해 밀착되면서 분리되지 않도록 한 마그네틱링이 더 설치되며,
상기 탄성지지부재는 상기 플라스틱관 내주면을 따라 고정되는 고정링과, 상기 고정링의 내주면을 따라 돌출된 형상으로 형성되어 상기 플라스틱관이 상기 제1끼움부에 삽입될 때 밀리면서 상기 플라스틱관 외주면과의 접촉을 유지하며, 상기 플라스틱관이 삽입 방향과 반대방향으로 이동하면 상기 플라스틱관 외주면과 접촉된 상태로 플라스틱관의 이동을 저항하도록 한 환막으로 이루어진 것을 특징으로 하는 그라우팅 장치.
제1항에 있어서,
상기 강관의 후단부는 개방되되 선단부는 폐쇄되며 주입공은 강관의 벽체와 폐쇄된 선단부의 폐쇄면에 형성된 것을 특징으로 하는 그라우팅 장치.
제2항에 있어서,
상기 강관에 형성된 주입공은, 강관의 폐쇄면 및 최선단부에 형성되고 다른 부위에 형성된 것들에 비해 적어도 1.5배 이상 큰 직경을 갖도록 형성되어 그라우팅제 주입용과 더불어 씰링제 주입용으로 사용되도록 한 씰링제 겸용 주입공과, 상기 씰링제 겸용 주입공의 후측으로 형성되고 상기 씰링제 겸용 주입공에 비해 작은 직경을 갖는 그라우팅제 전용 주입공으로 이루어지며,
상기 그라우팅제 전용 주입공은, 상기 강관의 벽체에 둘레방향을 따라 4개가 하나의 군을 이루어 사방으로 형성되되 상기 에어패커의 전후 폭에 대응하는 이격을 두고 강관의 전후방향을 따라 반복적으로 형성된 제1군의 그라우팅제 전용 주입공과, 상기 제1군의 그라우팅제 전용 주입공들이 전후방향으로 이격된 중간 지점마다 4개가 하나의 군을 이루어 반복적으로 형성되되, 제1군의 주입공들이 향하고 있는 방향의 중간 대각방향을 향하도록 형성된 제2군의 그라우팅제 전용 주입공으로 이루어진 것을 특징으로 하는 그라우팅 장치.
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제1항에 있어서,
상기 코킹모듈에서 상기 시트는 양단부가 한 쌍의 고무패커의 외주면을 둘러 감싼 형태로 설치되고, 상기 시트가 둘러 감싼 상태의 고무패커 외주면을 한 쌍의 체결링이 감싸면서 압박하며,
상기 체결링에는 체결링의 폭방향으로 긴 직사각형 형태로 천공된 지지공이 체결링의 길이방향을 따라 다수 구비되어 상기 체결링이 상기 고무패커의 외주면을 압박하여 체결될 때 상기 시트의 일부가 지지공 내부로 인입되어 돌출되도록 한 것을 특징으로 하는 그라우팅 장치.
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그라우팅제를 지반에 침투시킴으로써 터널 굴착면을 보강하는 터널 보강공법에 있어서,
굴착 지반의 천정부에 천공홀을 천공하는 단계; 상기 천공홀에 주입공이 형성된 강관을 삽입하는 단계; 상기 천공홀의 입구를 코킹하는 단계; 및 상기 강관의 주입공을 통하여 그라우팅제를 주입하여 지반에 침투시키는 단계;를 포함하되,
그라우팅제를 지반에 침투시키는 단계 전에 상기 강관의 선단부 주입공을 통하여 주입 직후 액체 상태에서 겔 상태로 변화하는 씰링제를 주입하여 상기 강관과 천공홀 사이 공간을 충진시키는 단계;를 더 포함시켜, 그라우팅제의 주입시 그라우팅제가 상기 강관과 천공홀 사이 공간에서 낭비되지 않고 겔 상태인 씰링제를 뚫고 지반에 곧바로 침투되도록 하여 지반에 대한 그라우팅제의 침투력을 강화시키며,
상기 천공홀을 천공하는 단계가 진행된 후 제1항의 그라우팅 장치를 천공홀에 삽입 설치하되, 상기 강관, 코킹모듈, 에어패커 및 주입호스가 연결된 상태로 설치함으로써, 천공홀에 대하여 강관, 코킹모듈, 에어패커 및 주입호스의 설치를 동시에 진행하며,
상기 천공홀의 입구를 코킹하는 단계는 상기 팽창제 주입용 호스를 통해 상기 이격공간으로 팽창제를 주입함으로써 상기 시트를 외측으로 팽창시키는 방법으로 이루어지고,
상기 씰링제를 주입하여 상기 강관과 천공홀 사이 공간을 충진시키는 단계가 진행될 때 씰링제가 강관과 천공홀 사이 공간에 충진되는 과정에서 천공홀의 입구쪽으로 넘치는 씰링제의 일부 분량에 대해 상기 배출호스를 통해 배출되도록 한 것을 특징으로 하는 터널 보강공법.
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제10항에 있어서,
상기 씰링제는, 물, 시멘트 및 실재를 혼합된 상태로 포함하며, 주입 직후 겔 상태로 변화하여 일정 시간동안 겔 상태를 유지하도록 액체형 증점제인 조기 겔화제를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터널 보강공법.
제10항에 있어서,
상기 팽창제는 겔화에 따라 부피 팽창을 수반하는 발포우레탄이나 조기강도가 발현되는 초속형 시멘트인 것을 특징으로 하는 터널 보강공법.
제10항에 있어서,
상기 그라우팅제를 지반에 침투시키는 단계는 에어패커에 의해 단계적으로 실시하는 것을 특징으로 하는 터널 보강공법.
제10항에 있어서,
터널지반의 굴착이 진행됨에 따라 굴착 예정 지반의 천정부로부터 하방으로 돌출된 플라스틱관의 일부를 제거하는 단계와, 지보재를 설치하고 숏크리트를 타설하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터널 보강공법.