KR102072790B1

KR102072790B1 - 중압식 그라우트 혼합장치 및 이를 이용한 중압 혼합분사 그라우팅 공법

Info

Publication number: KR102072790B1
Application number: KR1020190089603A
Authority: KR
Inventors: 조경옥; 김차희
Original assignee: 엘케이건설산업 주식회사; 조경옥; 김차희
Priority date: 2019-07-24
Filing date: 2019-07-24
Publication date: 2020-02-03

Abstract

본 발명은 이중관 형태의 중압식 그라우트 혼합장치 및 이를 이용한 중압 혼합분사 그라우팅 공법에 관한 것으로서, 시멘트 수용액과 급결제가 완전히 혼합된 후에 분사되도록 하고 암반 굴착시 잼 현상을 방지하는 데 그 목적이 있다.
이를 위하여 본 발명은, 원통 형상의 몸체를 구성하는 외부관(21)과, 상기 외부관(21)의 내부에 구비되어 시멘트 수용액을 공급하는 내부관(22)과, 상기 외부관(21)의 외주면에 구비되어 시멘트 수용액과 약제를 혼합하여 분사하는 복수의 분사노즐(25)과, 상기 외부관(21)의 하단에 구비되어 지반을 천공하는 천공비트(27)를 포함하여 이루어지는 그라우트 혼합장치에 있어서, 상기 외부관(21)의 상부에 상부 조립부재(21a)가 조립되고, 상기 외부관(21)의 하부에 하부 조립부재(21b)와 천공부재(21c)가 차례로 조립되며, 상기 복수의 분사노즐(25)은 상기 외부관(21)의 외주면에 나선상으로 배치되고, 상기 복수의 분사노즐(25) 주위에 공간부(25a)가 형성되어어, 상기 공간부(25a)에 노즐 캡(26)이 나사 조립되는 것을 특징으로 한다.

Description

중압식 그라우트 혼합장치 및 이를 이용한 중압 혼합분사 그라우팅 공법{MIDDLE PRESSURE TYPE GROUTING APPARATUS AND CONSTRUCTION METHOD OF USING THE SAME}

본 발명은 토목 또는 건축공사시 차수 및 지반강화를 위한 중압식 그라우트 혼합장치 및 이를 이용한 중압 혼합분사 그라우팅 공법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 분사노즐의 위치와 개수를 지반상태에 따라 다양하게 조절할 수 있고, 분사노즐의 내부에 와류를 형성하는 혼합부재를 구비하여 시멘트 수용액과 급결제가 완전히 혼합되어 분사되도록 함으로써, 그라우팅 시공품질을 향상시킬 수 있도록 한 이중관 타입의 중압식 그라우트 혼합장치 및 이를 이용한 중압 혼합분사 그라우팅 공법에 관한 것이다.

일반적으로 그라우팅(Grouting)이라 함은, 토목 또는 건축공사에서 차수 또는 지반의 강화를 위해 지반에 충전재를 주입하는 시공방법을 말한다.

상기 그라우팅은, 건축물의 균열 부분을 보수하거나, 기계장치의 설치시 바닥의 지지력을 보강할 때에도 사용된다.

상기한 그라우팅은, 시공 목적에 따라 차수 그라우팅, 지반개량 그라우팅, 충전 그라우팅, 보강 그라우팅 등으로 구분할 수 있고, 주입 장소에 따라 공동 그라우팅, 균열 그라우팅, 공극 그라우팅 등으로 분류할 수 있다.

상기한 그라우팅에 사용되는 주입재를 그라우트(Grout) 또는 그라우트재라 하는데(본 명세서에서는 '그라우트'라 칭하기로 한다), 상기 그라우트는 고압펌프에 의해 지반의 천공구멍이나 틈새에 충전된다.

상기 그라우트의 종류로는, 시멘트, 물, 점토 등을 사용한 시멘트계 그라우트, 철골 기초의 충전이나 이음새 부분의 충전 보강용으로 주로 사용되는 철분질계 그라우트, 차수와 토질 안정에 주로 사용되는 아스팔트계 그라우트, 케미컬 그라우트(Chemical Grout) 등 다양한 종류가 있다.

최근에는 케미컬 그라우트를 화학적으로 개질한 약액 그라우트의 사용이 증가하고 있다.

이렇게 약액 그라우트를 사용하여 그라우팅 작업을 시행할 경우에는, 먼저 약액과 시멘트 수용액('시멘트 밀크' 또는 '시멘트 페이스트'라고도 한다)을 혼합하는 과정이 필요하다.

그런데 졸(Sol) 상태의 약액 그라우트가 겔(Gel) 상태로 되기까지의 시간인 겔 타임(Gel Time)이 매우 짧으므로(급결제 그라우트 경우의 겔 타임은 5 ~ 15초에 불과하다), 외부의 혼합탱크에서 약액과 시멘트 수용액을 혼합하여 사용하기가 매우 곤란하다.

이에 따라 그라우트 혼합장치 내부에서 약액과 시멘트 수용액을 혼합하여 사용하여야 한다.

도 1은 이러한 종래의 그라우트 혼합장치의 일례를 도시한 것이고, 도 2는 그라우트 혼합장치를 이용하여 그라우팅 시공을 하는 과정을 도시한 것이다.

도 1에 도시된 종래의 그라우트 혼합장치(10)는, 외부관(11) 및 내부관(12)과, 상기 내부관(12)과 연결되는 제1 공급관(13)과, 내부관(12)과 외부관(11)의 사이의 공간과 연결되는 제2 공급관(14)과, 시멘트 수용액과 급결제를 혼합하여 외부로 분사하는 분사노즐(15)과, 외부관(12)의 하단에 구비되는 천공비트(17)와, 상기 천공비트(17)의 상부에 구비되는 체크밸브(16)를 포함하여 구성된다.

상기 제1 공급관(13)으로는 시멘트 수용액이 공급되고, 상기 제2 공급관(14)으로는 급결제, 공기, 물 등이 공급된다.

상기 노즐부재(15)는, 수직방향으로 다수 구비되어 시멘트 수용액과 급결제가 혼합된 주입재(이하 '혼합제'라 한다)를 외부로 분사하여 원형의 그라우팅 파일이 형성되도록 한다.

상기 천공비트(17)는, 다수의 커터를 구비하여 그라우트 혼합장치(10)의 회전에 의해 지반을 천공한다.

상기 체크밸브(16)는, 지반 천공시에는 하부의 천공비트(17)에 물을 공급하고, 그라우팅 작업시에는 이를 차단하여 시멘트 수용액과 급결제가 하부의 천공비트(17) 쪽으로는 공급되지 않고, 노즐부재(15)를 통해서만 분사되도록 한다.

이하 도 2를 참조하여 그라우팅 작업을 하는 과정을 설명한다.

먼저 도 2a에 도시된 바와 같이, 그라우트 혼합장치(10)를 회전시키면서 지반을 천공한다. 이때 상기 제2 공급관(14)으로는 물을 공급하여 천공작업이 원활하게 이루어지도록 한다.

일정 깊이까지 천공이 완료되면, 도 2b에 도시된 바와 같이, 그라우팅 작업을 시작한다.

이때 제1 공급관(13)으로는 시멘트 수용액을 공급하고, 제2 공급관(14)으로는 급결제와 공기를 공급하면서 그라우트 혼합장치(10)를 상부로 인발한다.

그러면 도 2c에 도시된 바와 같이, 시멘트 수용액과 급결제가 혼합된 혼합제가 분사노즐(15)을 통해 외부로 분사되며, 이렇게 분사되는 혼합제는 급결제에 의해 급속히 경화되면서 아래로부터 원형의 그라우팅 파일을 형성하기 시작한다.

상기한 과정을 반복하여 그라우팅 파일을 계속 형성해 나가면, 도 2d와 같은 차수벽체를 형성할 수가 있다.

한편, 그라우팅 시공방법으로는, JSP 공법, LW 공법, SGR 공법 등이 알려져 있다.

상기 JSP(Jumbo Special Pattern) 공법은, 천공 홀 내에서 고압의 양방향 노즐로부터 시멘트 수용액과 공기를 분사하여 원주상의 그라우팅 파일을 형성하는 방식이다.

상기 JSP 공법은, 주입압력이 20 ~ 50 Mpa 정도인 고압 그라우팅 공법으로, 지하수위가 높은 지반에 적용성이 우수하고, 굴착심도에 제한이 없으며, 고강도의 차수벽을 시공할 수 있고, 외력에 의한 충격 및 진동에 저항력이 크다는 장점이 있다.

그러나 시공장비가 대형이어서 협소한 공간에서는 사용이 어렵고, 주입제의 고압 분사로 인해 인접지반에 영향을 줄 수 있으며, 급결제를 사용할 수 없으므로 투수성이 큰 지반에서는 주입재의 손실이 크고 비용이 많이 소요된다는 단점이 있다.

또한 LW(Labile Wasser) 공법은, 지반을 천공한 후 멘젯 튜브(Manchette Tube)와 팩커 주입관을 설치하여 시멘트 수용액과 물유리를 4방향 분사구로 분사하고, 더블팩커에 의한 주입과 인발을 반복하는 방식이다.

상기한 LW 공법은, 주입압력이 1.0 Mpa 정도인 저압 침투공법으로서, 장비가 소형이고 공정이 단순하여 시공이 간편하고, 지반의 교란이 적으므로 인접 구조물에 미치는 영향이 적다는 장점이 있다.

그러나 물유리의 용탈로 내구성 및 차수성이 떨어지고, 겔 타임이 늦어 지하수의 유속이 빠른 지층에는 차수효과가 저조하며, 파일의 형성되지 않으므로 진동 및 충격에 약하다는 단점이 있다.

또한 SGR(Space Grouting Rocket) 공법은, 이중관 타입의 주입관에 3조식 교반장치를 구비하여 지반에 물유리계의 급결성 또는 완결성 주입제를 주입하는 방식으로, 주입관의 회전이 없이 벽면 전부를 방출면으로 형성하는 방식이다.

상기한 SGR 공법은, 주입압력이 1.0 Mpa 정도인 저압 침투공법으로서, 소규모 장비로 협소한 공간에서 시공이 가능하고, 겔 타임의 조절이 용이하며, 지반의 교란이 적다는 장점이 있다.

그러나 규산소다를 사용하므로 알칼리 용탈현상이 발생하기 쉽고 내구성 및 차수성이 저하되며, 파일이 형성되지 않으므로 충전되지 않은 부위로 수압 작용시 지하수 토사가 유출될 우려가 있고, 외력에 대한 저항력이 약하다는 단점이 있다.

그런데 상기한 그라우팅 작업에 사용되는 종래의 그라우트 혼합장치는, 시멘트 수용액과 급결제가 완전하게 혼합되지 않은채 분사된다는 단점이 있다.

즉 제1 공급관(13)을 통해 공급되는 시멘트 수용액과 제2 공급관(14)을 통해 공급되는 급결제가 완전하게 혼합되지 않은 상태로 분사되어 그라우팅 시공품질이 저하된다는 문제가 있다.

또한 종래의 그라우트 혼합장치는, 분사노즐이 수직방향으로 배치되어 있어 균일한 그라우팅 파일을 형성하기가 어렵다는 단점이 있다.

또한 분사노즐이 외부관에 고정식으로 형성되어 있기 때문에, 지반 상황에 따라 노즐의 위치 및 개수를 조절할 수가 없어, 그라우트 혼합장치 전체를 교체하여야 한다는 단점이 있다.

또한 천공비트가 하단부에만 형성되어 있으므로 암반 굴착시 중앙 부분의 코어에 의해 잼 현상이 발생하게 된다.

이에 따라 시공기간이 길어지게 된다는 문제점이 지적되고 있다.

KR 10-2011-0043017 A KR 10-0463104 B1

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 서로 다른 통로로 공급되는 시멘트 수용액과 급결제가 완전히 혼합된 후에 분사되도록 하여 그라우팅 시공품질을 향상시키는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은, 중압분사로도 시멘트 수용액과 급결제를 완전하게 혼합할 수 있도록 하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 분사노즐 조립식으로 구성하여, 지반 상황에 따라 분사노즐의 개수와 위치를 다양하게 조절할 수 있도록 하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 혼합제를 방사상으로 골고루 분사할 수 있도록 하여 차수 및 지반보강 성능을 향상시키는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 급결제의 사용으로 인해 토양이나 수질이 오염되는 것을 방지하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은, 암반 굴착시에 코어에 의해 잼 현상이 발생하는 것을 방지하는데 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 그라우트 혼합장치는, 원통 형상의 몸체를 구성하는 외부관과, 상기 외부관의 내부에 구비되어 시멘트 수용액을 공급하는 내부관과, 상기 외부관의 외주면에 구비되어 시멘트 수용액과 약제를 혼합하여 분사하는 복수의 분사노즐과, 상기 외부관의 하단에 구비되어 지반을 천공하는 천공비트를 포함하여 이루어지는 그라우트 혼합장치에 있어서, 상기 외부관의 상부에 상부 조립부재가 조립되고, 상기 외부관의 하부에 하부 조립부재와 천공부재가 차례로 조립되며, 상기 복수의 분사노즐은 상기 외부관의 외주면에 나선상으로 배치되고, 상기 복수의 분사노즐 주위에 공간부가 형성되어, 상기 공간부에 노즐 캡이 나사 조립되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 각 노즐 캡의 내부에, 시멘트 수용액과 약제의 혼합성을 향상시키기 위한 링 형상의 혼합부재가 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 링 형상의 혼합부재는, 이송 스크류 형상으로 비틀어진 플라스틱 재질로 형성되고, 길이 방향을 따라 일정 간격으로 절개부가 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 외부관의 상부에 돌출부가 형성되고, 상기 돌출부에 상부 조립부재가 나사 조립되며, 상기 돌출부의 상단 외주면에 약제를 공급하기 위한 복수의 제2 공급구멍이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제2 공급구멍은, 외부관의 내부에 수직방향으로 형성되는 오목홈부를 통해 분사노즐의 공간부와 연결되고, 상기 오목홈부는, 하나의 공간부에 대해 분사노즐의 양쪽에 각각 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 외부관과 내부관의 상단에 T자형 밸브가 조립되어, 시멘트 수용액과, 약제와, 공기를 각각 주입하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 천공부재는, 하단에 일정간격으로 형성되는 제1홈과, 상기 제1홈으로부터 상부로 일정거리 이격되어 원주면을 따라 구비되는 제2홈을 구비하고, 상기 제1홈 및 제2홈에 천공비트가 삽입된 후 용접되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제2홈에 삽입되는 천공비트는, 천공부재의 내주면 안쪽으로도 돌출되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제2홈에 삽입되는 천공비트는, 천공부재의 외주면 바깥쪽으로 3 ~ 5mm 돌출되고, 내주면 안쪽으로 5 ~ 8mm 돌출되는 것을 특징으로 한다.

그리고 본 발명에 따른 중압 혼합분사 그라우팅 공법은, (a) 상기 중압식 그라우트 혼합장치를 회전시키면서 지반을 천공하는 단계(S10)와, (b) 상기 중압식 그라우트 혼합장치의 제1 공급구멍을 통해 시멘트 수용액을 공급함과 동시에, 외부관의 돌출부에 형성된 제2 공급구멍을 통해 약제를 공급하는 단계(S20)와, (c) 시멘트 수용액과 약제를 노즐 캡 내부에서 혼합부재에 의해 혼합하는 단계(S30)와, (d) 혼합된 시멘트 수용액과 약제를 분사노즐을 통해 분사하면서 상기 그라우트 혼합장치를 상부로 인발하는 단계(S40)를 포함하고, 상기 S40 단계에서, 토출압력 20 ~ 40Mpa의 펌프에 의해 시멘트 수용액과 약제를 혼합하여 분사하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 S20 단계에서 사용되는 약제는, 실리카 계열의 내구성 급결제로서, 전체중량을 기준으로 SiO₂가 18 ~ 28중량%, Na₂O가 4 ~ 8중량% 함유되고, 상기 급결제의 비중은 1.2 ~ 1.4, 몰비는 3.1 ~ 5.0 범위인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 S40 단계에서의 분사노즐의 직경은 2 ~3 mm, 노즐 분사구의 압력은 3.0 ~ 10 Mpa, 상용 토출량은 분당 60 ~ 180ℓ인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 시멘트 수용액과 급결제가 완전히 혼합된 후에 분사되도록 함으로써 그라우팅 시공품질을 향상시키고 작업시간을 단축할 수 있는 효과가 있다.

또한 고압분사가 아닌 중압분사 방식으로도 시멘트 수용액과 급결제를 완전하게 혼합하여 분사할 수 있는 효과가 있다.

또한 혼합제가 분사되는 분사노즐을 조립식으로 구성하여, 혼합제를 분사하는 분사노즐의 개수와 위치를 다양하게 조절할 수 있는 효과가 있다.

또한 뚜껑이 막힌 노즐 캡을 조립하여 혼합제가 분사되는 노즐의 개수를 줄임으로써 일정 범위 내에서 분사압력을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한 분사노즐을 외부관에 나선형으로 배치하여 혼합제를 방사상으로 골고루 분사할 수 있으므로, 차수 및 지반보강 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 간단한 구조로 시멘트 수용액과 고결제를 완전히 혼합할 수 있으므로, 작업의 편의성을 향상시키고 시공비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.

또한 시멘트 수용액과 급결제의 혼합성을 향상시켜 신속히 경화되도록 함으로써, 혼합제의 유실을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 균일한 그라우팅 파일을 형성하여 강도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한 친환경의 내구성 급결제를 사용함으로써, 토양이나 수질의 오염을 방지하고 용탈 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한 천공비트가 천공부재의 외주면 바깥쪽으로 돌출될 뿐만 아니라 내주면에도 돌출되어 있으므로, 단단한 암반의 굴착시 잼(Jam) 현상을 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래기술에 따른 그라우트 혼합장치의 일례를 나타낸 도면.
도 2는 종래기술에 따른 그라우팅 시공 과정을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 그라우트 혼합장치의 사시도.
도 4는 본 발명에 따른 그라우트 혼합장치의 분해 사시도.
도 5는 본 발명에 따른 분사노즐을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 분사노즐과 노즐 캡의 결합상태를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 혼합부재를 나타낸 도면.
도 8은 본 발명에 따른 천공부재를 나타낸 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

먼저 본 발명에 따른 중압식 그라우트 혼합장치는, 도 3 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 원통 형상의 몸체를 구성하는 외부관(21)과, 상기 외부관(21)의 내부에 구비되어 시멘트 수용액을 공급하는 내부관(22)과, 상기 외부관(21)의 외주면에 구비되어 시멘트 수용액과 약제를 혼합하여 분사하는 복수의 분사노즐(25)과, 상기 외부관(21)의 하단에 구비되어 지반을 천공하는 천공비트(27)를 포함하여 구성되는 그라우트 혼합장치에 있어서, 상기 외부관(21)의 상부에 상부 조립부재(21a)가 조립되고, 상기 외부관(21)의 하부에 하부 조립부재(21b)와 천공부재(21c)가 차례로 조립된다.

여기서 상기 복수의 분사노즐(25)은, 상기 외부관(21)의 외주면에 나선상으로 배치된다.

상기한 구조에 의해, 방사상으로 시멘트 수용액과 급결제(이하 '약제'라 한다)의 혼합제를 방사상으로 분사하여, 그라우팅 파일을 균일하게 형성할 수가 있다.

또한 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 복수의 분사노즐(25) 주위에는 공간부(25a)가 형성되고, 상기 공간부(25a)에 노즐 캡(26)이 나사 조립된다.

이를 위해 상기 노즐 캡(26)의 외주에는 숫나사부(26a)가 형성되고, 이와 대응되는 공간부(25a)에는 암나사가 형성된다.

상기한 구조에 의해, 지반의 상태 및 천공깊이, 그라우팅 파일의 직경 등에 따라 혼합제가 실제로 분사되는 분사노즐(25)의 개수를 적절히 조절할 수가 있다.

즉, 캡이 막힌 구조의 노즐 캡(26)을 공간부(25a)에 조립하면, 시멘트 수용액과 약제가 혼합된 혼합제가 분사노즐(25)을 통해 분사되지 않도록 할 수 있고, 혼합제가 실제로 분사되는 분사노즐(25)의 위치도 변경할 수가 있다.

또한 본 발명은, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 각 노즐 캡(26)의 내부에, 시멘트 수용액과 약제의 혼합성을 향상시키기 위한 링(Ring) 형상의 혼합부재(28)가 더 구비된다.

상기 혼합부재(28)에 의해, 제1 공급구멍(23)을 통해 공급되는 시멘트 수용액과, 제2 공급구멍(24)을 통해 공급되는 급결제가 완전히 혼합된 후 분사노즐(25)을 통해 분사되도록 할 수 있다.

상기 링 형상의 혼합부재(28)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 이송 스크류 형상으로 비틀어진 플라스틱 재질로 형성된다.

상기한 혼합부재(28)에 의해, 시멘트 수용액과 약제의 혼합제는 노즐 캡(26) 내부에서 와류현상을 일으키면서 완전히 혼합된 후에 분사된다.

이로써 시멘트 수용액과 약제의 혼합성을 향상시켜 혼합제가 신속히 경화되도록 함으로써, 혼합제의 유실을 방지할 수가 있다.

또한 균일한 그라우팅 파일을 형성할 수 있으므로 강도를 향상시킬 수가 있고 작업속도도 단축할 수가 있다.

그리고 상기 스크류 형상으로 비틀어진 혼합부재(28)에는, 도 7에 도시된 바와 같이, 길이 방향을 따라 일정 간격으로 절개부(28a)가 형성된다.

상기한 절개부(28a)에 의해, 혼합부재(28)를 링(Ring) 형상으로 쉽게 구부려서 노즐 캡(26)의 내부에 조립할 수가 있다.

또한 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 외부관(21)의 상부에는 돌출부(24b)가 형성되고, 상기 돌출부(24b)에는 상부 조립부재(21a)가 나사 조립된다.

그리고 상기 돌출부(24b)의 상단 외주면에는, 약제를 공급하기 위한 복수의 제2 공급구멍(24)이 형성된다.

상기 제2 공급구멍(24)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 외부관(21)의 내부에 수직방향으로 형성되는 오목홈부(24a)를 통해 분사노즐(25)의 공간부(25a)와 연결된다.

그리고 상기 오목홈부(24a)는, 하나의 공간부(25a)에 대해 분사노즐(25)의 양쪽에 각각 구비된다.

상기한 구조에 의해, 제2 공급구멍(24)을 통해 공급되는 약제가 오목홈부(24a)를 거쳐 공간부(25a)에 균일하게 공급되도록 할 수 있다.

또한 도면에는 도시하지 않았으나, 펌프와 스위블(Swivel) 사이에 T자형 밸브를 조립하여, 약제와 공기를 각각 주입할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 천공부재(27)는, 도 8에 도시된 바와 같이, 하단에 일정간격으로 형성되는 제1홈(27a)과, 상기 제1홈(27a)으로부터 상부로 일정거리 이격되어 원주면을 따라 구비되는 제2홈(27b)을 구비한다.

그리고 상기 제1홈(27a) 및 제2홈(27b)에는 천공비트(27)가 각각 삽입되어 용접된다.

또한 상기 제2홈(27b)에 삽입되는 천공비트(27)는, 천공부재(21c)의 내주면 안쪽으로도 돌출되도록 구비된다.

상기한 구조에 의해, 암반의 천공작업시 코어에 의해 잼(Jam) 현상이 발생하는 것을 방지할 수가 있다.

여기서 상기 제2홈(27b)에 삽입되는 천공비트(27)는, 천공부재(21c)의 외주면 바깥쪽으로 3 ~ 5mm 돌출되고, 내주면 안쪽으로 5 ~ 8mm 돌출되도록 하는 것이 바람직하다.

상기 천공비트(27)의 외주면 돌출높이가 5mm를 초과하면 굴착작업에 지장을 주게 되고, 3mm 미만이면 절삭효율이 저하하게 된다.

또한 상기 천공비트(27)의 내주면 돌출높이가 8mm를 초과하게 되면 굴착작업에 지장을 주고, 5mm 미만이 되면 코어의 절삭 효과가 크지 않다.

또한 본 발명에 따른 내부관(22)의 하부에는, 물의 공급을 단속하기 위한 체크밸브(도 2 참조)가 구비된다.

상기 체크밸브는, 지반 천공시에는 밸브를 열어 물이 하부의 천공부재(21c)로 공급되도록 하고, 혼합제의 분사시에는 밸브를 닫아 혼합제가 하부로 공급되는 것을 차단하여 분사노즐(25)을 통해서만 분사되도록 한다.

그리고 본 발명에 따른 중압 혼합분사 그라우팅 공법은, (a) 상기 중압식 그라우트 혼합장치(20)를 회전시키면서 지반을 천공하는 단계(S10), (b) 상기 중압식 그라우트 혼합장치(20)의 제1 공급구멍(23)을 통해 시멘트 수용액을 공급함과 동시에, 외부관(21)의 돌출부(24b)에 형성된 제2 공급구멍(24)을 통해 약제를 공급하는 단계(S20), (c) 시멘트 수용액과 약제를 노즐 캡(26) 내부에서 혼합부재(28)에 의해 혼합하는 단계(S30), (d) 혼합된 시멘트 수용액과 약제를 분사노즐(25)을 통해 분사하면서 상기 그라우트 혼합장치(20)를 상부로 인발하는 단계(S40)를 포함하고, 상기 S40 단계에서, 토출압력 20 ~ 40Mpa의 펌프에 의해 시멘트 수용액과 약제를 혼합하여 분사한다.

이하 본 발명에 따른 중압식 그라우트 혼합장치를 사용하여 그라우팅 시공을 하는 과정을 설명한다.

먼저 그라우팅 시공을 할 장소에 싸일로, 교반기, 펌프 등의 플랜트 장비를 설치한다.

이어서 천공기에 본 발명에 따른 중압식 그라우트 혼합장치(20)를 장착한 후, 지반을 천공하기 시작한다.

이때 외부관(21)의 제2 공급구멍(24)을 통해 물을 공급하여 천공작업이 원활하게 이루어지도록 한다.

상기 제2 공급구멍(24)을 통해 공급된 물은, 체크밸브가 구비된 내부관(22)을 통과하지 않고 외부관(21) 하부의 천공부재(21c)로 직접 공급된다.

지반의 천공이 완료되면, 내부관(22)의 제1 공급구멍(23)을 통해 시멘트 수용액을 공급하고, 외부관(21)의 제2 공급구멍(24)을 통해 급결제와 공기를 공급한다.

이때 일정 압력으로 내부관(22)으로 공급되는 시멘트 수용액에 의해 내부관(22) 내부에 구비된 체크밸브가 닫히게 되어, 혼합제는 하부로 공급되지 않고 분사노즐(25)을 통해서 수평방향으로만 분사된다.

상기 약제로는 실리카 계열의 내구성 급결제를 사용하는 것이 바람직하며, 전체중량을 기준으로 SiO₂가 18 ~ 28중량%, Na₂O가 4 ~ 8중량% 함유된 것을 사용하는 것이 좋다.

상기 실리카 계열의 친환경 급결제를 사용함으로써, 토양 및 수질이 오염되는 것을 방지할 수가 있다.

또한 상기 급결제의 비중은 1.2 ~ 1.4, 몰비는 3.1 ~ 5.0 범위인 것이 바람직하다.

상기 급결제의 경화속도가 너무 빠르면 균일한 그라우팅 파일을 형성하기 어렵고, 경화속도가 너무 느리면 혼합제의 유실량이 많아지게 된다.

여기서 시멘트 수용액과 급결제를 공급하는 펌프는, 토출압력 20 ~ 40Mpa의 펌프를 사용하는 것이 바람직하다.

또한 상기 분사노즐의 직경은 2 ~3 mm, 노즐 분사구의 압력은 3.0 ~ 10 Mpa, 상용 토출량은 분당 60 ~ 180ℓ인 것이 바람직하다.

상기 조건은 중압을 이용하여 300 ~ 1200mm 직경의 그라우팅 파일을 시공하는데 가장 적합하다.

본 발명에서 중압을 이용하면서도 시멘트 수용액과 약제의 혼합성을 향상시킬 수 있는 것은, 노즐 캡(26)의 내부에 혼합부재(28)를 더 구비하고 있기 때문이다.

즉 노즐 캡(26)의 내부에 구비된 링 형상의 혼합부재(28)에 의해, 시멘트 수용액과 약제가 와류를 일으키면서 완전히 혼합된 후에 분사되도록 할 수 있다.

상기한 방식으로 시멘트 수용액과 약제를 공급하면서 그라우트 혼합부재(20)를 상부로 인발하게 되면, 하부로부터 원형의 그라우팅 파일이 형성된다.

또한 본 발명은 분사노즐(25)이 외부관에 나선상으로 구비되어 있으므로, 혼합제를 방사상으로 균일하게 분사하여 균일한 그라우팅 파일을 형성할 수가 있다.

이렇게 형성된 원형의 그라우팅 파일은 차수벽 또는 지반강화용 말뚝으로 활용된다.

종래의 그라우트 혼합장치는, 분사노즐이 수직방향으로 배치되어 있어 균일한 그라우팅 파일을 형성하기에 어려움이 있다.

또한 분사노즐이 외부관에 고정식으로 형성되어 있기 때문에, 지반의 상태나 파일의 직경에 따라 분사노즐의 위치 및 개수를 조절할 수가 없다.

이로써 분사노즐의 개수가 위치를 변경하기 위해서는 그라우트 혼합장치 전체를 교체하여야 한다.

또한 종래의 그라우트 혼합장치는, 시멘트 수용액과 급결제를 완전하게 혼합하기 어렵다는 단점이 있다.

이에 비하여 본 발명은, 분사노즐(25)이 외부관에 나선상으로 배치되어 있으므로, 혼합제를 방사상으로 균일하게 분사하여 그라우팅 파일의 품질 및 강도를 향상시킬 수가 있다.

또한 노즐 캡(26)이 조립식으로 구성되므로, 뚜껑이 막힌 노즐 캡(26)을 조립하여 혼합제가 실제로 분사되는 분사노즐(25)의 위치와 갯수를 조절할 수가 있다.

이로써 그라우트 혼합장치를 교체하지 않고 하나의 그라우트 혼합장치를 사용하여, 지반의 상태, 굴착 깊이, 파일의 직경에 따라 분사노즐의 갯수와 위치를 다양하여 변경하여 사용할 수가 있다.

또한 노즐 캡(26)의 내부에 혼합부재(28)를 더 구비함으로써, 시멘트 수용액과 약제의 혼합성을 향상시킬 수가 있다.

토출압력이 높은 고압펌프를 사용하게 되면, 분사력은 향상되지만 시멘트 수용액과 급결제가 완전히 혼합되지 않은 채 분사되어 시공품질을 저하시키게 된다.

또한 토출압력이 낮은 저압펌프를 사용하게 될 경우에는, 시멘트 수용액과 약제의 혼합성은 향상되지만 분사력이 저하되어 균일한 그라우팅 파일의 형성이 어려워지고 작업속도도 지연된다.

이에 비해 본 발명은, 노즐 캡(26)의 내부에 혼합부재(28)를 구비함으로써, 시멘트 수용액과 약제의 혼합성을 최대한 향상시킬 수가 있다.

이에 따라 중압을 이용하면서도 그라우팅 파일의 시공품질을 향상시킬 수 있고, 작업속도도 단축할 수가 있다.

또한 본 발명은 천공비트(27)가 천공부재(21c)의 단부 뿐만 아니라 외주면에도 구비되어 있어 천공효율을 향상시킬 수가 있다.

특히 천공비트(27)가 천공부재(21c)의 외주면 뿐만 아니라 내주면에으로도 돌출되어 있다.

이로써 암반 굴착시 중앙 부분의 코어를 효과적으로 절삭하여 잼 현상이 발생하는 것을 방지할 수가 있다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것으로서 본 발명의 범위는 상기한 특정 실시예에 한정되지 아니한다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위를 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변경이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

10: 그라우트 혼합장치 11: 외부관
12: 내부관 13: 제1 공급관
14: 제2 공급관 15: 분사노즐
16: 체크 밸브(Check Valve) 17: 천공비트(Bit)
20: 그라우트 혼합장치 21: 외부관
21a: 상부 조립부재 21b: 하부 조립부재
21c: 천공부재 22: 내부관
23: 제1 공급구멍 24: 제2 공급구멍
24a: 오목홈부 24b: 돌출부
25: 분사노즐 25a: 공간부
26: 노즐 캡(Nozzle Cap) 26a: 숫나사부
27: 천공비트 27a: 제1홈
27b: 제2홈 28: 혼합부재
28a: 절개부

Claims

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원통 형상의 몸체를 구성하는 외부관(21)과,
상기 외부관(21)의 내부에 구비되어 시멘트 수용액을 공급하는 내부관(22)과,
상기 외부관(21)의 외주면에 구비되어 시멘트 수용액과 약제를 혼합하여 분사하는 복수의 분사노즐(25)과,
상기 외부관(21)의 하단에 구비되어 지반을 천공하는 천공비트(27)를 포함하여 이루어지는 그라우트 혼합장치에 있어서,
상기 외부관(21)의 상부에 상부 조립부재(21a)가 조립되고,
상기 외부관(21)의 하부에 하부 조립부재(21b)와 천공부재(21c)가 차례로 조립되며,
상기 복수의 분사노즐(25)은 상기 외부관(21)의 외주면에 나선상으로 배치되고,
상기 복수의 분사노즐(25) 주위에 공간부(25a)가 형성되어, 상기 공간부(25a)에 노즐 캡(26)이 나사 조립되며,
상기 각 노즐 캡(26)의 내부에, 시멘트 수용액과 약제의 혼합성을 향상시키기 위한 링 형상의 혼합부재(28)가 더 구비되고,
상기 링 형상의 혼합부재(28)는, 이송 스크류 형상으로 비틀어진 플라스틱 재질로 형성되고, 길이 방향을 따라 일정 간격으로 절개부(28a)가 형성되는 것을 특징으로 하는 이중관 형태의 중압식 그라우트 혼합장치.
제 3 항에 있어서,
상기 외부관(21)의 상부에 돌출부(24b)가 형성되고,
상기 돌출부(24b)에 상부 조립부재(21a)가 나사 조립되며,
상기 돌출부(24b)의 상단 외주면에 약제를 공급하기 위한 복수의 제2 공급구멍(24)이 형성되는 것을 특징으로 하는 이중관 형태의 중압식 그라우트 혼합장치.
제 4 항에 있어서,
상기 제2 공급구멍(24)은, 외부관(21)의 내부에 수직방향으로 형성되는 오목홈부(24a)를 통해 분사노즐(25)의 공간부(25a)와 연결되고,
상기 오목홈부(24a)는, 하나의 공간부(25a)에 대해 분사노즐(25)의 양쪽에 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 이중관 형태의 중압식 그라우트 혼합장치.
제 3 항에 있어서,
펌프와 스위블(Swivel) 사이에 T자형 밸브가 조립되어, 약제와 공기가 각각 주입되도록 것을 특징으로 하는 이중관 형태의 중압식 그라우트 혼합장치.
제 3 항에 있어서,
상기 천공부재(21c)는,
하단에 일정간격으로 형성되는 제1홈(27a)과, 상기 제1홈(27a)으로부터 상부로 일정거리 이격되어 원주면을 따라 구비되는 제2홈(27b)을 구비하고,
상기 제1홈(27a) 및 제2홈(27b)에 천공비트(27)가 삽입된 후 용접되는 것을 특징으로 하는 이중관 형태의 중압식 그라우트 혼합장치.
제 7 항에 있어서,
상기 제2홈(27b)에 삽입되는 천공비트(27)는, 천공부재(21c)의 내주면 안쪽으로도 돌출되는 것을 특징으로 하는 이중관 형태의 중압식 그라우트 혼합장치.
제 8 항에 있어서,
상기 제2홈(27b)에 삽입되는 천공비트(27)는, 천공부재(21c)의 외주면 바깥쪽으로 3 ~ 5mm 돌출되고, 내주면 안쪽으로 5 ~ 8mm 돌출되는 것을 특징으로 하는 이중관 형태의 중압식 그라우트 혼합장치.
(a) 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 중압식 그라우트 혼합장치(20)를 회전시키면서 지반을 천공하는 단계(S10),
(b) 제 3 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항의 중압식 그라우트 혼합장치(20)의 제1 공급구멍(23)을 통해 시멘트 수용액을 공급함과 동시에, 외부관(21)의 돌출부(24b)에 형성된 제2 공급구멍(24)을 통해 약제를 공급하는 단계(S20),
(c) 시멘트 수용액과 약제를 노즐 캡(26) 내부에서 혼합부재(28)에 의해 혼합하는 단계(S30),
(d) 혼합된 시멘트 수용액과 약제를 분사노즐(25)을 통해 분사하면서 상기 그라우트 혼합장치(20)를 상부로 인발하는 단계(S40)를 포함하고,
상기 S40 단계에서, 토출압력 20 ~ 40Mpa의 펌프에 의해 시멘트 수용액과 약제를 혼합하여 분사하는 것을 특징으로 하는 중압 혼합분사 그라우팅 공법.
제 10 항에 있어서,
상기 S20 단계에서 사용되는 약제는, 실리카 계열의 내구성 급결제로서,
전체중량을 기준으로 SiO₂가 18 ~ 28중량%, Na₂O가 4 ~ 8중량% 함유되고,
상기 급결제의 비중은 1.2 ~ 1.4, 몰비는 3.1 ~ 5.0 범위인 것을 특징으로 하는 중압 혼합분사 그라우팅 공법.
제 10 항에 있어서,
상기 S40 단계에서 분사노즐(25)의 직경은 2 ~3 mm, 노즐 분사구의 압력은 3.0 ~ 10 Mpa, 상용 토출량은 분당 60 ~ 180ℓ인 것을 특징으로 하는 중압 혼합분사 그라우팅 공법.