KR102073061B1 - 지중 파일 형성 장치 및 이를 이용한 지중 파일 형성 방법 - Google Patents

Abstract

지표에서 지중에 파일을 형성하되 폐기물이 발생되지 않는 지중 파일 형성 장치 및 이를 이용한 지중 파일 형성 방법이 개시된다. 이러한 지중 지반 형성 장치는 오거 모듈 및 케이싱을 포함한다. 상기 오거 모듈은 회전축, 배토 날개 유닛 및 교반 날개를 포함한다. 상기 회전축은 크레인의 지지암에 지지된 상태로 수직으로 고정 설치된 리더와 평행하게 길게 형성되고, 내부에 통로가 형성되며, 오거 구동 유닛에 의해 회전한다. 상기 배토 날개 유닛은 상기 회전축의 상측부에 배치되어 지면으로부터 제1 심도까지 영역의 토사를 배토하기 위한 배토 날개를 포함한다. 상기 교반 날개는 상기 회전축의 하측부에 배치되어 상기 제1 심도에서 제2 심도까지의 영역의 토사를 교반한다. 상기 케이싱은 상면 및 하면이 개방된 형상을 갖고, 상기 오거 모듈의 일부를 수용한다. 이와 같이, 상기 오거 모듈 및 상기 케이싱이 개별 구동되어 상기 케이싱의 하단이 지하 시설물의 바닥이 될 지점까지 삽입된 후, 상기 오거 모듈을 회전시켜 토사를 지표로 배출시킴에 따라, 지표에서 지중에 파일을 형성하되 폐기물을 발생시키지 않을 수 있다.

Description

지중 파일 형성 장치 및 이를 이용한 지중 파일 형성 방법{UNDERGROUND PILES FORMING APPARATUS AND UNDERGROUND PILES FORMING METHOD USING THE APPARATUS}

본 발명은 지중 파일 형성 장치 및 이를 이용한 지중 파일 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지하 주차장 등 시설물의 하부 지반에 파일을 형성하는 지중 파일 형성 장치 및 이를 이용한 지중 파일 형성 방법에 관한 것이다.

옹벽, 제장, 아파트 등 건축물이나 도로, 교량 기타 지상 구조물을 시공할 때는 지반의 상태에 따라 차이가 있기는 하나 지지력 향상을 위한 지반 보강 공사를 먼저 수행하게 되며, 그 중 대표적인 방법 중 하나가 고화재 등과 같은 그라우트를 지중의 토사와 교반하여 지중에 파일을 형성시키는 지반 치환 기초 공법이다.

토지를 효과적으로 사용하기 위해 지상에 건물을 형성하는 것에 더하여, 건물 지하에 주차장, 지하실 및 창고 등의 지하 시설물을 형성하는 경우가 많으며, 이러한 경우 지하 시설물 하부 지반에 파일을 형성시켜야 한다.

한국 공개 특허 제10-2018-0019849호(2018년 2월 27일 공개)에는 종래의 파일 형성 장치가 개시되어 있다. 이러한 파일 형성 장치는 교반로드 하단에 오거헤드를 연결하여, 크롤러 크레인에서 전달되는 구동력으로 오거헤드를 회전시키면서 그라우트를 분사하여 지중에 파일을 형성할 수 있다.

그런데, 이러한 기존의 파일 형성 장치를 이용하여 지하 시설물의 바닥에 파일을 형성하는 경우에는 지면으로부터 지하 시설물 바닥까지 토사를 퍼낸 후, 토사가 무너지는 것을 방지하기 위한 보강벽을 설치한 후에 파일 형성 장치를 지파내고, 파낸 토사가 무너지는 것을 방지하기 위하여 별도의 보강대로 지지한 후에, 파일 형성 장치를 지하 시설물 바닥까지 가져와서 파일을 형성하여야 하는데 시공성 및 공사 비용 증가로 인하여 현실적으로 적용이 불가능한 방법이다.

그렇다고 파일 형성 장치로 지표에서부터 굴착을 시작하여 지중에 파일을 형성하면, 파일이 형성되지 않아야 하는 상부, 즉 지표에서 지하 시설물의 바닥까지 불필요한 영역에 파일이 형성되며, 이 경우 고가의 그라우트가 소모되어 공사 비용이 증가되는 문제점 및 환경 폐기물이 발생하는 문제점이 발생한다. 또한, 파일 형성 후에 지하 시설물 바닥까지 지반을 파내는 과정에 있어서 고강도로 형성된 파일은 파쇄하기 어려운 문제점이 발생한다.

따라서, 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 해결하고자 하는 과제는 지표에서 지중에 파일을 형성하되 폐기물이 발생되지 않는 지중 파일 형성 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 해결하고자 하는 다른 과제는 상기 지중 파일 형성 장치를 이용한 지중 파일 형성 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 의한 지중 지반 형성 장치는 오거 모듈 및 케이싱을 포함한다.

상기 오거 모듈은 회전축, 배토 날개 유닛 및 교반 날개를 포함한다. 상기 회전축은 크레인의 지지암에 지지된 상태로 수직으로 고정 설치된 리더와 평행하게 길게 형성되고, 내부에 통로가 형성되며, 오거 구동 유닛에 의해 회전한다. 상기 배토 날개 유닛은 상기 회전축의 상측부에 배치되어 지면으로부터 제1 심도까지 영역(이하, '제1 심도 영역'이라 함)의 토사를 배토하기 위한 배토 날개를 포함한다. 상기 교반 날개는 상기 회전축의 하측부에 배치되어 상기 제1 심도에서 제2 심도까지의 영역(이하, '제2 심도 영역'이라 함)의 토사를 교반한다. 상기 케이싱은 상면 및 하면이 개방된 형상을 갖고, 상기 오거 모듈의 일부를 수용한다.

상기 오거 모듈은, 상기 회전축의 하부 말단에 장착되고, 상기 회전축 내부의 통로와 연결된 배출홀 및 지반을 파쇄하기 위한 비트로 구성되는 오거 헤더를 더 포함할 수 있다.

상기 오거 모듈은, 상기 지면으로부터 상기 제1 심도까지 진입시에는, 상기 오거 헤더의 배출홀에서 물을 배출하면서 상기 비트를 회전하여 진입하고, 상기 제1 심도 이하로 진입시에는, 상기 오거 헤더의 배출홀로부터 그라우트를 배출하고 상기 제2 심도 영역의 토사를 상기 교반 날개로 교반할 수 있다.

상기 오거 모듈은, 상기 교반 날개가 상기 제2 심도까지 진입할 때, 상기 배토 날개 유닛은 상기 제1 심도 영역에 위치될 수 있다.

상기 케이싱은, 케이싱 구동 유닛에 의해 회전하면서 상기 제1 심도까지 진입하고, 상기 제1 심도 영역에 위치한 상기 배토 날개 유닛을 수용할 수 있다.

상기 케이싱의 지름은, 상기 제2 심도 영역에 형성되는 파일의 지름보다 작을 수 있다.

상기 오거 모듈은, 상기 교반 날개의 상측에 배치되고, 상기 회전축의 축 방향에 수직으로 상기 회전축과 연결된 적어도 하나의 멈치 돌기를 더 포함할 수 있다.

상기 배토 날개 유닛은 다각통 형상을 갖는 상기 회전축의 상측부를 감싸도록 배치되고, 상기 회전축의 상측부와 맞물리도록 다각통 형상을 가지며, 외측면에 상기 배토 날개가 형성된 날개 몸체부를 더 포함할 수 있다.

상기 회전축의 하측부는 원통 형상을 가질 수 있다.

상기 배토 날개 유닛은, 상기 케이싱의 내측면에 원 회전이 가능하도록 배치된 볼링부와, 상기 날개 몸체부의 외측면 및 상기 볼링부 사이를 연결하는 적어도 하나의 연결부를 더 포함할 수 있다.

이어서, 본 발명의 일 실시예에 의한 지중 파일 형성 방법은 회전축, 상기 회전축 상측부에 배치된 배토 날개 유닛 및 상기 회전축 하측부에 배치된 교반 날개로 구성된 오거모듈, 및 상기 오거 모듈의 일부를 수용하는 케이싱을 포함하는 지중 파일 형성 장치에 의해 수행되는 방법에 관한 것으로, (a) 상기 지중 파일 형성 장치를 지표면의 시공할 위치에 위치시키는 단계; (b) 상기 케이싱을 회전시키면서 상기 지표면을 파쇄하여, 제1 심도까지에 삽입하는 단계; (c) 상기 오거 모듈을 회전시키면서 상기 지표면을 파쇄하여, 상기 오거 모듈의 배토 날개 유닛을 지면에서 제1 심도까지의 영역(이하, '제1 심도 영역'이라 함)에 위치시키고, 상기 오거 모듈의 교반 날개를 상기 제1 심도에서 제2 심도까지의 영역(이하, '제2 심도 영역'이라 함)에 위치시키도록, 삽입하는 단계; (d) 상기 오거 모듈에서 그라우트를 배출하면서 상기 교반 날개를 회전시켜, 상기 제2 심도 영역의 토사와 상기 배출된 그라우트를 교반하여, 상기 제2 심도 영역에 파일을 형성함과 동시에, 상기 배토 날개 유닛을 회전시켜 상기 제1 심도 영역의 토사를 배토하는 단계; 및 (e) 상기 오거 모듈 및 상기 케이싱을 상기 지표면 밖으로 추출하는 단계를 포함한다.

상기 (c) 단계에서는, 상기 오거 모듈은 상기 지표면에서 상기 제1 심도까지는 물을 배출하면서 진입하고, 상기 제1 심도 이하에서는 그라우트를 배출하면서 상기 제2 심도까지 진입할 수 있다.

상기 (c) 단계에서는, 상기 오거 모듈에서 배출되는 물 및 그라우트가 상기 회전축 내부에 형성된 통로에 의해 공급될 수 있다.

상기 지중 파일 형성 방법은 (f) 상기 (d) 단계 및 상기 (e) 단계 사이에서 수행되고, 상기 교반 날개를 상기 제2 심도 영역 내에서 수직 방향으로 상하 반복 이동시키고, 그라우트를 배출하면서 상기 제2 심도 영역의 토사를 교반하는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 (f) 단계에서는, 상기 교반 날개가 상기 제2 심도 영역에서 수직 방향으로 상하 이동할 경우에 상기 배토 날개 유닛은 수직 방향으로 이동하지 않고 상기 제1 심도 영역에 유지될 수 있다.

상기 (f) 단계에서는, 상기 교반 날개가 상하 방향으로 이동되는 시간 동안에는 상기 회전축에 회전 구동력이 전달되지 않을 수 있다.

이와 같이 본 발명에 의한 지중 파일 형성 장치 및 이를 이용한 지중 파일 형성 방법에 따르면, 케이싱의 하단이 지하 시설물의 바닥이 될 지점까지 삽입된 후, 오거 모듈 또는 케이싱을 회전시켜 토사를 지표로 배출시킴에 따라, 지하 시설물의 바닥까지 토사를 파내지 않고 지표에서 바로 지하 시설물의 바닥을 지지하는 파일을 형성할 수 있고, 그에 따라 시공이 간편하고 공기가 단축될 수 있다.

또한, 교반 날개들을 회전시켜 토사 및 그라우트를 교반시킬 때, 배토 날개 유닛의 회전에 의해 토사만 배출되거나 소량의 그라우트만이 배출되기 때문에, 종래와 같이 그라우트와 토사의 혼합물이 경화되어 생기는 폐기물을 처리하기 위한 노력과 비용이 대폭 감소될 수 있다.

또한, 멈치 돌기가 교반 날개들의 상측에 배치됨에 따라, 회전축이 상하로 반복 이동하면서 회전하여 교반 날개들이 토사와 그라우트를 교반시킬 때, 교반 날개들이 케이싱의 하단에 충돌되지 않도록 방지될 수 있다.

또한, 연결부에 의해 날개 몸체부가 케이싱에 고정될 경우, 회전축이 상하로 반복 이동하면서 회전하여 교반 날개들이 토사와 그라우트를 교반시킬 때, 배토 날개 유닛이 케이싱 내에 고정된 상태로 회전축의 회전에 의해 함께 회전됨에 따라, 케이싱 내에 존재하거나 유입되는 토사를 보다 효과적으로 지표로 배출시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 지중 파일 형성 장치를 도시한 개념도이다.
도 2는 도 1의 지중 파일 형성 장치의 오거 모듈 및 케이싱을 측면에서 바라본 측면 투시도이다.
도 3은 도 2의 지중 파일 형성 장치의 오거 모듈 및 케이싱을 분리해서 도시한 분리 사시도이다.
도 4는 도 2의 I-I'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 5는 도 2와 다른 실시예의 지중 파일 형성 장치의 오거 모듈 및 케이싱을 측면에서 바라본 측면 투시도이다.
도 6은 도 5의 지중 파일 형성 장치의 오거 모듈 및 케이싱을 분리해서 도시한 분리 사시도이다.
도 7은 도 5의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 8은 도 5의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단한 단면도이다.
도 9는 본 발병에 따른 지중 파일 형성 방법 중 시공 위치 확인 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 10은 도 9의 지중 파일 형성 방법 중 천공 및 배토 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 11은 도 9의 지중 파일 형성 방법 중 배토 및 교반 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 12는 도 9의 지중 파일 형성 방법 중 반복 교반 단계를 설명하기 위한 개념도이다.
도 13은 도 9의 지중 파일 형성 방법 중 시공 완료 단계를 설명하기 위한 개념도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다.

그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성 요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 지중 파일 형성 장치를 도시한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 의한 지중 파일 형성 장치는 크롤러 크레인(100)에 연결되어 지중에 파일을 형성하는 장치로, 리더(200), 오거 모듈(300) 및 케이싱(400), 오거 구동 유닛(500) 및 케이싱 구동 유닛(600)을 포함할 수 있다.

상기 크롤러 크레인(100)은 지상에 자주식으로 주행이 가능하도록 구성된 차량일 수 있다. 상기 리더(200)는 상기 크롤러 크레인(100)의 선단 지지암에 지지된 상태로 수직으로 고정 설치될 수 있다. 상기 오거 모듈(300)은 상기 리더와 평행하게 배치되고, 땅 속으로 압입되어 파쇄 및 배토를 수행할 수 있다. 상기 케이싱(400)은 상기 오거 모듈(300)의 일부를 수용하여 상기 오거 모듈(300)에 의한 배토를 도와줄 수 있다. 상기 오거 구동 유닛(500)는 상기 리더(200)의 상단에 형성된 톱시브에 와이어로 연결되어 상하로 이동이 가능하게 설치되고, 상기 오거 모듈(300)의 상단과 연결되어 상기 오거 모듈(300)로 회전력을 제공할 수 있다. 상기 케이싱 구동 유닛(500)은 상기 리더(200)의 상단에 형성된 톱시브에 와이어로 연결되어 상하로 이동이 가능하게 설치되고, 상기 케이싱(400)의 상단과 연결되어 상기 케이싱(300)으로 회전력을 제공할 수 있다.

이하, 상기 지중 파일 형성 장치 중 상기 오거 모듈(300) 및 상기 케이싱(400)에 대해서 상세하게 설명하고자 한다.

도 2는 도 1의 지중 파일 형성 장치의 오거 모듈 및 케이싱을 측면에서 바라본 측면 투시도이고, 도 3은 도 2의 지중 파일 형성 장치의 오거 모듈 및 케이싱을 분리해서 도시한 분리 사시도이며, 도 4는 도 2의 I-I'선을 따라 절단한 단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 상기 오거 모듈(300)은 회전축(310), 오거 헤드(320), 복수의 교반 날개들(330), 배토 날개(342)를 포함하는 배토 날개 유닛(340) 및 적어도 하나의 멈치 돌기(350)를 포함할 수 있다.

상기 회전축(310)은 상기 리더(200)와 평행하게 길게 형성되어 있고, 내부가 빈 통 형상, 예를 들어 원통 형상을 가질 수 있다. 상기 회전축(310)는 상기 오거 구동 모듈(500)로부터 회전력을 전달받아 회전될 수 있다. 이때, 상기 회전축(310)의 상단부에는 상기 오거 구동 모듈(500)와 연결되기 위한 회전축 파지부(312)가 형성될 수 있다. 즉, 상기 회전축 파지부(312)가 상기 회전축(310)의 상단부에 바깥으로 돌출되어 형성된 단턱일 수 있다. 구체적으로 예를 들면, 상기 회전축 파지부(312)의 원주를 따라 톱니가 형성될 수 있고, 상기 오거 구동 유닛(500)에도 상기 회전축 파지부(312)에 형성된 톱니와 맞물리도록 톱니가 형성될 수 있다. 그 결과, 상기 오거 구동 모듈(500)이 상기 회전축 파지부(312)를 견교하게 파지하여 상기 회전축(310)으로 회전력을 제공할 수 있다. 또한, 지중 파일 시공 후 상기 회전축(310)을 제거할 때 상기 회전축 파지부(312)에 걸어 손쉽게 뽑아낼 수 있다. 한편, 상기 회전축(310)의 하측부, 즉 상기 교반 날개들(330)이 형성되는 부분에 상기 회전축(310)의 내부 통로로 제공되는 그라우트가 배출되기 위한 복수의 그라우트 배출홀들(314)이 형성될 수 있다.

상기 오거 헤드(320)는 상기 회전축(310)의 하부 말단에 조립되고, 상기 회전축(310)의 회전에 의해 회전되어 지반을 파쇄함으로써 구멍을 뚫을 수 있다. 예를 들어, 상기 오거 헤드(320)의 하면에는 지반을 파쇄하기 위한 복수의 비트들(322)이 형성될 수 있다. 한편, 상기 오거 헤드(320)의 하면에는 상기 회전축(310)의 내부 통로와 연결되어, 상기 내부 통로로 제공되는 고압의 물을 배출시키기 위한 배출홀이 형성될 수도 있다. 여기서, 상기 오거 헤드(320)가 회전함과 동시에 상기 배출홀을 통해 고압의 물이 배출될 경우, 지반을 보다 용이하게 파쇄시킬 수 있다.

상기 교반 날개들(330)은 상기 회전축(310)의 하측부에 상기 회전축(310)의 축 방향을 일정 간격으로 이격되어 배치되고, 상기 회전축(310)의 축 방향에 수직으로 상기 회전축(310)과 결합될 수 있다. 이때, 상기 회전축(310)의 하측부 중 상기 교반 날개들(330)이 형성되어 있지 않는 부분에는 상기 그라우트 배출홀들(314)이 형성되어 있을 수 있다. 상기 교반 날개들(330)은 상기 회전축(310)의 회전에 따라 지반을 파쇄할 수도 있고, 파쇄에 의해 형성된 토사와 상기 그라우트 배출홀들(314)을 통해 배출된 그라우트를 교반시킬 수도 있다.

상기 교반 날개들(330) 각각의 형상은 직육면체, 예를 들어 직사각형 판이거나 삼각기둥일 수 있다. 상기 교반 날개들(330) 각각의 형상이 직육면체인 경우, 상기 교반 날개들(330) 각각의 회전 방향으로 리브(332)가 형성될 수 있다. 상기 리브들(332) 각각은 지반 파쇄날 역할을 수행하면서 상기 교반 날개들(330) 각각의 휨을 방지하는 기능을 수행할 수도 있다. 상기 리브들(332) 각각은 상기 회전축(310)과 멀어질수록 높이가 높아질 수 있다. 즉, 상기 회전축(310)과 멀리 떨어져 있는 부분일수록 토사에 의해 저항력을 많이 받게 되므로, 상기 교반 날개들(330) 각각의 휨을 방지하기 위해서 그에 대응되는 높이로 상기 리브들(332) 각각이 형성될 수 있다. 또한, 상기 회전축(310)이 토사와 그라우트 교반할 때 정회전과 역회전을 반복하여 수행되므로, 교반 효율을 향상시키기 위해 상하 인접한 상기 교반 날개들(330)의 리브들(332)이 서로 반대면에 형성될 수 있다.

한편, 상기 교반 날개들(330) 각각이 삼각기둥 형상인 경우, 쐐기 모양 단면의 예각 부분이 상기 교반 날개들(330)의 회전 방향을 향하도록 상기 회전축(310)에 결합될 수 있다. 이때, 상기 교반 날개들(330)의 예각 부분은 지반 파쇄날 역할을 수행할 수 있다.

상기 배토 날개 유닛(340)의 배토 날개(342)는 상기 회전축(310)의 상측부에 배치되고, 예를 들어 나선형으로 상기 회전축(310)의 축 방향을 따라 연속적으로 형성되는 나선경사로일 수 있다. 상기 배토 날개(342)는 상기 회전축(310)의 상측부에 형성되어 상기 회전축(310)이 회전이 회전될 때 토사를 지표로 배출시킬 수 있다.

한편, 본 실시예에서, 지면으로부터 지하 시설물의 바닥에 대응되는 제1 심도까지의 영역을 제1 심도 영역이라고 정의하고, 상기 제1 심도에서 상기 제1 심도보다 깊은 제2 심도까지의 영역을 제2 심도 영역이라고 정의할 때, 상기 배토 날개 유닛(340)의 배토 날개(342)는 상기 제1 심도 영역의 토사를 배토하기 위한 역할을 수행할 수 있고, 상기 교반 날개들(330)은 상기 제2 심도 영역의 토사를 교반하는 역할을 수행할 수 있다.

또한, 상기 오거 모듈(300)은, 지면으로부터 상기 제1 심도까지 진입시에는, 상기 오거 헤더(320)의 배출홀에서 물을 배출하면서 상기 비트(332)를 회전하여 진입하고, 상기 제1 심도 이하로 진입시에는, 상기 오거 헤더의 배출홀 또는 상기 그라우트 배출홀들(314)로부터 그라우트를 배출하고 상기 제2 심도 영역의 토사를 상기 교반 날개들(330)로 교반할 수 있다. 이때, 상기 오거 모듈(300)은 상기 교반 날개들(330)이 상기 제2 심도까지 진입할 때, 상기 배토 날개 유닛(340)은 상기 제1 심도 영역에 위치될 수 있다.

상기 케이싱(400)은 상면 및 하면이 개방된 형상으로, 예를 들어 원통 형상을 가질 수 있다. 이때, 상기 케이싱(400)는 상기 회전축(310)이 원통 형상을 가질 때, 상기 회전축(310)의 원통 형상과 동심원이 되는 원통 형상을 가질 수 있다. 상기 케이싱(400)는 상기 배토 날개(342)가 형성되어 있는 부분을 감쌀 수 있도록 상기 회전축(310)의 상측부에 배치될 수 있다. 이와 같이, 상기 케이싱(400)이 상기 배토 날개(342)가 형성되어 있는 부분을 감싸도록 배치됨에 따라, 상기 배토 날개(342)가 상기 회전축(310)이 회전이 회전될 때 상기 케이싱(400)의 내부 공간에 존재하는 토사를 지표로 용이하게 배출시킬 수 있다. 또한, 상기 케이싱(400)은 외부 토사가 내부 공간으로 유입되는 것을 방지하기 때문에, 상기 제2 심도 영역에 파일을 형성하는 과정에 있어서 외부 토사가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 상기 케이싱(400)의 상단에는 상기 케이싱 구동 유닛(600)과 연결되기 위한 케이싱 파지부(410)가 형성될 수 있다. 즉, 상기 케이싱 파지부(410)가 상기 케이싱(10)의 원주를 따라 상기 케이싱(10)의 두께보다 두껍게 형성된 단턱일 수 있다. 이때, 상기 케이싱 파지부(410)에는 원주를 따라 톱니가 형성되고, 상기 케이싱 구동 유닛(600)에는 상기 케이싱 파지부(410)에 형성된 톱니와 맞물리도록 톱니가 형성될 수 있다. 그 결과, 상기 케이싱 구동 유닛(600)은 상기 케이싱 파지부(410)를 통해 상기 케이싱(400)을 견고하게 파지하여 상기 케이싱(400)으로 회전력을 제공할 수 있다.

상기 케이싱(400)은 상기 케이싱 구동 유닛(600)에 의해 회전하면서 상기 제1 심도까지 진입하고, 상기 제1 심도 영역에 위치한 상기 배토 날개 유닛(340)을 수용할 수 있다. 이때, 상기 케이싱의 지름은 상기 제2 심도 영역에 형성될 파일의 지름보다 작을 수 있다.

본 실시예에서, 상기 배토 날개(342)가 상기 회전축(310)의 상측부에 형성되지 않고, 상기 케이싱(400)의 내측면에 형성될 수도 있다. 이와 같이, 상기 배토 날개(342)가 상기 케이싱(400)의 내측면에 형성될 경우, 상기 배토 날개(342)의 무게를 상기 케이싱(10)으로 이전함으로써, 상기 케이싱(400)과 상기 오거 모듈(300)의 관성 능률을 비슷하게 맞출 수 있다. 이로써, 상기 케이싱(400)과 상기 오거 모듈(300)의 회전 방향이 반대일 때, 상기 케이싱(400)과 상기 오거 모듈(300)의 회전에 의해 상기 크롤러 크레인(100)에 가해지는 토크를 상쇄시킬 수 있다.

본 실시예에서, 상기 오거 모듈(300)은 적어도 하나의 멈치 돌기(350)를 더 포함할 수 있다.

상기 멈치 돌기(350)는 상기 교반 날개들(330)의 상측에 배치되어 상기 회전축(310)의 축 방향에 수직으로 상기 회전축(310)과 결합될 수 있다. 예를 들어, 상기 멈치 돌기(350)는 상기 교반 날개들(330)의 상측에 상기 회전축(310)으로부터 한 쌍이 상기 회전축(310)의 축 방향에 수직으로 돌출되어 형성될 수 있다. 이와 같이 상기 멈치 돌기(350)가 상기 교반 날개들(330)의 상측에 배치됨에 따라, 상기 회전축(310)이 상하로 반복 이동하면서 회전하여 상기 교반 날개들(330)이 토사와 그라우트를 교반시킬 때, 상기 교반 날개들(330)이 상기 케이싱(400)의 하단에 충돌되지 않도록 방지될 수 있다. 즉, 상기 멈치 돌기(350)는 상기 교반 날개들(330)이 상측으로 이동하여 상기 케이싱(400)의 하단에 충돌되지 않도록 스토퍼 역할을 수행할 수 있다.

이하, 도 2와 다른 실시예의 지중 파일 형성 장치에 대해서 상세하게 설명하고자 한다.

도 5는 도 2와 다른 실시예의 지중 파일 형성 장치의 오거 모듈 및 케이싱을 측면에서 바라본 측면 투시도이고, 도 6은 도 5의 지중 파일 형성 장치의 오거 모듈 및 케이싱을 분리해서 도시한 분리 사시도이며, 도 7은 도 5의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 절단한 단면도이고, 도 8은 도 5의 Ⅲ-Ⅲ'선을 따라 절단한 단면도이다.

도 5 내지 도 8을 참조하면, 상기 오거 모듈(300) 중 상기 배토 날개 유닛(340)은 상기 배토 날개(342)에 더하여 날개 몸체부(344), 볼링부(346) 및 적어도 하나의 연결부(348)을 더 포함할 수 있다.

상기 날개 몸체부(344)는 상기 회전축(310)의 상측부를 감싸도록 배치될 수 있다. 이때, 상기 회전축(310)은 원통 형상이 아닌 다각통 형상, 예를 들어 사각통 형상을 갖고, 상기 날개 몸체부(344)는 상기 회전축(310)의 다각통 형상과 대응되도록 다각통 형상, 예를 들어 사각통 형상을 가질 수 있다. 이와 같이, 상기 날개 몸체부(344) 및 상기 회전축(310) 모두가 다각통 형상으로 서로 맞물리도록 형성됨에 따라, 상기 회전축(310)이 회전될 때 상기 날개 몸체부(344)도 함께 회전될 수 있다.

본 실시예에서, 상기 회전축(310)의 전 영역이 다각통 형상을 가질 수도 있지만, 도면과 같이 상기 회전축(310)의 상측부만이 다각통 형상을 갖고, 상기 회전축의 하측부는 그대로 원통 형상을 가질 수도 있다.

상기 배토 날개(342)는 상기 회전축(310)의 상측부에 형성되어 있지 않고, 상기 날개 몸체부(344)의 외측면에 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 배토 날개(342)는 상기 날개 몸체부(344)의 외측면에 나선형으로 상기 회전축(310)의 축 방향을 따라 연속적으로 형성되는 나선경사로일 수 있다. 상기 배토 날개(342)는 상기 회전축(310)의 회전에 의해 회전되는 상기 날개 몸체부(344)에 의해 회전되어 상기 케이싱(400)의 내부 공간에 존재하는 토사를 지표로 배출시킬 수 있다.

상기 볼링부(346)는 상기 케이싱(400)의 상단의 내측면에 원주를 따라 배치되어 원 회전이 가능하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 케이싱(400)의 상단의 내측면에는 원주를 따라 볼링 수용부(420)가 형성되고, 상기 볼링부(346)은 상기 볼링 수용부(420)에 삽입되어 결합될 수 있다. 한편, 상기 볼링부(346)는 상기 볼링 수용부(420)에 삽입된 복수의 볼들이 서로 연결된 결합체일 수 있다.

상기 연결부(348)은 상기 날개 몸체부(344)의 외측면과 상기 볼링부(346) 사이를 연결하여 상기 날개 몸체부(344)를 상기 케이싱(400)에 고정시킬 수 있다. 예를 들어 상기 연결부(348)는 네 쌍이 상기 날개 몸체부(344)의 네 변 및 상기 볼링부(346) 사이를 각각 연결할 수 있다. 이와 같이, 상기 연결부(348)에 의해 상기 날개 몸체부(344)가 상기 케이싱(400)에 고정됨에 따라, 상기 회전축(310)이 상하로 이동하더라도 상기 배토 날개 유닛(340)은 상기 케이싱(400)과 함께 그대로 고정될 수 있다. 그 결과, 상기 회전축(310)이 상하로 반복 이동하면서 회전하여 상기 교반 날개들(330)이 토사와 그라우트를 교반시킬 때, 상기 배토 날개 유닛(340)이 상기 케이싱(400) 내에 고정된 상태로 상기 회전축(310)의 회전에 의해 함께 회전됨에 따라, 상기 케이싱(400) 내에 존재하거나 유입되는 토사를 보다 효과적으로 지표로 배출시킬 수 있다.

본 실시예에서, 상기 볼링부(346) 및 이와 연결된 상기 연결부(348)가 상기 케이싱(400)의 상단에 배치되어 결합되는 것으로 도시되었으나, 상기 케이싱(400)의 하단 또는 중간에 인정 간격으로 복수개가 배치되어 결합될 수도 있다.

이하, 상기 지중 파일 형성 장치에 의해 수행되는 지중 파일 형성 방법에 대해 상세하게 설명하고자 한다.

본 실시예에 의한 지중 파일 형성 방법은 시공 위치 확인 단계, 천공 및 배토 단계, 배토 및 교반 단계, 반복 교반 단계 및 완료 단계를 포함할 수 있다.

도 9는 본 발병에 따른 지중 파일 형성 방법 중 시공 위치 확인 단계를 설명하기 위한 개념도이다.

도 9을 참조하면, 우선, 상기 지중 파일 형성 장치를 파일을 시공할 위치에 위치시킨다. 구체적으로 설명하면, 상기 지중 파일 형성 장치는 상기 크롤러 크레인(100)을 이동시켜 파일을 시공한 위치에 위치시킬 수 있다.

도 10은 도 9의 지중 파일 형성 방법 중 천공 및 배토 단계를 설명하기 위한 개념도이다.

도 10을 참조하면, 이어서, 상기 지중 파일 형성 장치는 상기 케이싱(400)을 회전시키면서 지하 시설물의 바닥이 될 지점, 즉 상기 제1 심도까지 삽입할 수 있다.

이어서, 상기 지중 파일 형성 장치는 상기 오거 모듈(300)을 회전시키면서 지표면을 파쇄하여, 상기 배토 날개 유닛(340)의 배토 날개(342)을 상기 제1 심도 영역에 위치시키고, 상기 교반 날개들(330)을 상기 제2 심도 영역에 위치시키도록, 삽입할 수 있다. 이때, 상기 오거 모듈(300)은 지면에서 상기 제1 심도까지는 물을 배출하면서 진입하고, 상기 제1 심도 이하에서는 그라우트를 배출하면서 상기 제2 심도까지 진입할 수 있다. 이때, 상기 오거 모듈(300)에서 배출되는 물 및 그라우트는 상기 회전축(310)의 내부 통로에 의해 공급될 수 있다.

한편, 상기 배토 날개 유닛(340)의 배토 날개(342)를 따라 토사를 지표로 배출시킬 수 있다. 또한, 상기 오거 모듈(300)이 정회전될 때 상기 케이싱(400)은 정지 상태에 있거나 역회전될 수 있다.

도 11은 도 9의 지중 파일 형성 방법 중 배토 및 교반 단계를 설명하기 위한 개념도이다.

도 11을 참조하면, 이어서, 상기 지중 파일 형성 장치는 상기 회전축(310)을 통해 그라우트를 전송하여 상기 그라우트 배출홀들(314)을 통해 배출시키면서, 상기 제2 심도 영역의 토사와 상기 배출된 그라우트를 교반하여, 상기 제2 심도 영역에 파일을 형성함과 동시에, 상기 배토 날개 유닛(340)의 배토 날개(342)을 회전시켜 상기 제1 심도 영역의 토사를 배토할 수 있다. 이때, 소량의 그라우트와 토사가 상기 배토 날개 유닛(340)의 배토 날개(342)의 회전에 의해 배출될 수 있으나, 그 양은 종래에 비해 현저히 적을 수 있다.

도 12는 도 9의 지중 파일 형성 방법 중 반복 교반 단계를 설명하기 위한 개념도이다.

도 12를 참조하면, 이어서, 상기 지중 파일 형성 장치는 상기 교반 날개들(330)을 상기 제2 심도 영역 내에서 수직 방향으로 상하 반복 이동시키고, 그라우트를 배출하면서 상기 제2 심도 영역의 토사를 교반할 수 있다. 이때, 상기 교반 날개들(330)이 상기 제2 심도 영역에서 수직 방향으로 상하 이동할 경우에, 상기 배토 날개 유닛(340)의 배토 날개(342)은 수직 방향으로 이동하지 않고 상기 제1 심도 영역에 유지될 수 있다. 한편, 상기 교반 날개들(330)이 상하 방향으로 이동되는 시간 동안에는 상기 회전축(310)에 회전 구동력이 전달되지 않을 수도 있다.

한편, 본 실시예에서, 상기 회전축(310)을 통해 전송되어 배출되는 그라우트는 압축 강도의 현저한 저하가 있지 않은 범위에서 CO2 포집물이 혼합될 수 있다. 이때, 상기 CO2 포집물은 정유 공정 등에서 발생되는 CO2를 고정한 물질로써, 화력 발전소, 제철소, 정유 공장 등에 설치된 CO2 포집 플랜트에서 포집될 수 있으며, 일반 시멘트에 비해 가격이 저렴하여 그라우트의 재료로 사용될 수 있다. 이때, 그라우트 내에서의 CO2 포집물의 적정 비율은 10% 내지 15%인 것이 바람직하다.

도 13은 도 9의 지중 파일 형성 방법 중 시공 완료 단계를 설명하기 위한 개념도이다.

도 13을 참조하면, 이어서, 상기 지중 파일 형성 장치는 상기 케이싱(400) 및 상기 오거 모듈(300)을 지표 밖으로 추출할 수 있다. 그 결과, 상기 제2 심도 영역에는 파일이 형성되고, 지하 시설물이 형성될 공간, 즉 상기 제1 심도 영역에는 원통형 구멍이 형성될 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따르면, 상기 케이싱(400)의 하단이 지하 시설물의 바닥이 될 지점까지 삽입된 후, 상기 오거 모듈(300) 또는 상기 케이싱(400)을 회전시켜 토사를 지표로 배출시킴에 따라, 지하 시설물의 바닥까지 토사를 파내지 않고 지표에서 바로 지하 시설물의 바닥을 지지하는 파일을 형성할 수 있고, 그에 따라 시공이 간편하고 공기가 단축될 수 있다.

또한, 상기 교반 날개들(330)을 회전시켜 토사 및 그라우트를 교반시킬 때, 상기 배토 날개 유닛(340)의 회전에 의해 토사만 배출되거나 소량의 그라우트만이 배출되기 때문에, 종래와 같이 그라우트와 토사의 혼합물이 경화되어 생기는 폐기물을 처리하기 위한 노력과 비용이 대폭 감소될 수 있다.

또한, 상기 멈치 돌기(350)가 상기 교반 날개들(330)의 상측에 배치됨에 따라, 상기 회전축(310)이 상하로 반복 이동하면서 회전하여 상기 교반 날개들(330)이 토사와 그라우트를 교반시킬 때, 상기 교반 날개들(330)이 상기 케이싱(400)의 하단에 충돌되지 않도록 방지될 수 있다.

또한, 상기 연결부(348)에 의해 상기 날개 몸체부(344)가 상기 케이싱(400)에 고정될 경우, 상기 회전축(310)이 상하로 반복 이동하면서 회전하여 상기 교반 날개들(330)이 토사와 그라우트를 교반시킬 때, 상기 배토 날개 유닛(340)이 상기 케이싱(400) 내에 고정된 상태로 상기 회전축(310)의 회전에 의해 함께 회전됨에 따라, 상기 케이싱(400) 내에 존재하거나 유입되는 토사를 보다 효과적으로 지표로 배출시킬 수 있다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 크롤러 크레인 200 : 리더
300 : 오거 모듈 310 : 회전축
312 : 회전축 파지부 314 : 그라우트 배출홀
320 : 오거 헤드 322 : 비트
330 : 교반 날개 332 : 리브
340 : 배토 날개 유닛 342 : 배토 날개
344 : 날개 몸체부 346 : 볼링부
348 : 연결부 350 : 멈치 돌기
400 : 케이싱 410 : 케이싱 파지부
420 : 볼링 수용부 500 : 오거 구동 유닛
600 : 케이싱 구동 유닛

Claims (16)

1. 크레인의 지지암에 지지된 상태로 수직으로 고정 설치된 리더와 평행하게 길게 형성되고 내부에 통로가 형성되며 오거 구동 유닛에 의해 회전하는 회전축, 상기 회전축의 상측부에 배치되어 지면으로부터 제1 심도까지 영역(이하, '제1 심도 영역'이라 함)의 토사를 배토하기 위한 배토 날개를 포함하는 배토 날개 유닛, 및 상기 회전축의 하측부에 배치되어 상기 제1 심도에서 제2 심도까지의 영역(이하, '제2 심도 영역'이라 함)의 토사를 교반하며 상기 회전축에 결합된 교반 날개를 포함하는 오거 모듈; 및
   상면 및 하면이 개방된 형상을 갖고, 상기 오거 모듈의 일부를 수용하며, 상기 배토 날개 유닛이 결합되는 케이싱을 포함하며,
   상기 회전축의 상측부는 다각통 형상을 갖고,
   상기 배토 날개 유닛은, 상기 회전축의 다각통 형상에 대응하여 맞물리도록 다각통 형상을 가지며, 외측면에 상기 배토 날개가 형성된 날개 몸체부를 더 포함하고,
   상기 배토 날개 유닛은, 다각통 형상을 갖는 상기 회전축의 상측부를 감싸도록 배치되어서 상기 회전축이 회전될 때 상기 날개 몸체부가 함께 회전되고,
   상기 회전축의 회전에 따라, 상기 배토 날개 유닛 및 상기 교반 날개는 상기 회전축과 함께 회전하고,
   상기 회전축의 상하 이동에 따라, 상기 배토 날개 유닛은 상기 케이싱에 고정된 상태로 상하 이동하지 않고, 상기 교반 날개는 상기 회전축과 함께 상하 이동하는 것을 특징으로 하는 지중 파일 형성 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 오거 모듈은
   상기 회전축의 하부 말단에 장착되고, 상기 회전축 내부의 통로와 연결된 배출홀 및 지반을 파쇄하기 위한 비트로 구성되는 오거 헤더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 파일 형성 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 오거 모듈은
   상기 지면으로부터 상기 제1 심도까지 진입시에는 상기 오거 헤더의 배출홀에서 물을 배출하면서 상기 비트를 회전하여 진입하고,
   상기 제1 심도 이하로 진입시에는 상기 오거 헤더의 배출홀로부터 그라우트를 배출하고 상기 제2 심도 영역의 토사를 상기 교반 날개로 교반하는 것을 특징으로 하는 지중 파일 형성 장치.
4. 제2항에 있어서,
   상기 오거 모듈은
   상기 교반 날개가 상기 제2 심도까지 진입할 때, 상기 배토 날개 유닛은 상기 제1 심도 영역에 위치되는 것을 특징으로 하는 지중 파일 형성 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 케이싱은
   케이싱 구동 유닛에 의해 회전하면서 상기 제1 심도까지 진입하고, 상기 제1 심도 영역에 위치한 상기 배토 날개 유닛을 수용하는 것을 특징으로 하는 지중 파일 형성 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 케이싱의 지름은 상기 제2 심도 영역에 형성되는 파일의 지름보다 작은 특징으로 하는 지중 파일 형성 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 오거 모듈은
   상기 교반 날개의 상측에 배치되고, 상기 회전축의 축 방향에 수직으로 상기 회전축과 연결된 적어도 하나의 멈치 돌기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 파일 형성 장치.
8. 삭제
9. 제1항에 있어서,
   상기 회전축의 하측부는
   원통 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 지중 파일 형성 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 배토 날개 유닛은
    상기 케이싱의 내측면에 원 회전이 가능하도록 배치된 볼링부; 및
    상기 날개 몸체부의 외측면 및 상기 볼링부 사이를 연결하는 적어도 하나의 연결부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 파일 형성 장치.
11. 회전축, 상기 회전축 상측부에 배치된 배토 날개 유닛 및 상기 회전축 하측부에 배치된 교반 날개로 구성된 오거모듈, 및 상기 오거 모듈의 일부를 수용하는 케이싱을 포함하는 지중 파일 형성 장치에 의해 수행되는 지중 파일 형성 방법에 있어서,
    (a) 상기 지중 파일 형성 장치를 지표면의 시공할 위치에 위치시키는 단계;
    (b) 상기 케이싱을 회전시키면서 상기 지표면을 파쇄하여, 제1 심도까지에 삽입하는 단계;
    (c) 상기 오거 모듈을 회전시키면서 상기 지표면을 파쇄하여, 상기 오거 모듈의 배토 날개 유닛을 지면에서 제1 심도까지의 영역(이하, '제1 심도 영역'이라 함)에 위치시키고, 상기 오거 모듈의 교반 날개를 상기 제1 심도에서 제2 심도까지의 영역(이하, '제2 심도 영역'이라 함)에 위치시키도록, 삽입하는 단계;
    (d) 상기 오거 모듈에서 그라우트를 배출하면서 상기 교반 날개를 회전시켜, 상기 제2 심도 영역의 토사와 상기 배출된 그라우트를 교반하여, 상기 제2 심도 영역에 파일을 형성함과 동시에, 상기 배토 날개 유닛을 회전시켜 상기 제1 심도 영역의 토사를 배토하는 단계;
    (e) 상기 오거 모듈 및 상기 케이싱을 상기 지표면 밖으로 추출하는 단계; 및
    (f) 상기 (d) 단계 및 상기 (e) 단계 사이에서 수행되고, 상기 교반 날개를 상기 제2 심도 영역 내에서 수직 방향으로 상하 반복 이동시키고, 그라우트를 배출하면서 상기 제2 심도 영역의 토사를 교반하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 (f) 단계에서는,
    상기 교반 날개가 상기 제2 심도 영역에서 수직 방향으로 상하 이동할 경우에 상기 배토 날개 유닛은 수직 방향으로 이동하지 않고 상기 제1 심도 영역에 유지되는 것을 특징으로 하는 지중 파일 형성 방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서는,
    상기 오거 모듈은 상기 지표면에서 상기 제1 심도까지는 물을 배출하면서 진입하고, 상기 제1 심도 이하에서는 그라우트를 배출하면서 상기 제2 심도까지 진입하는 것을 특징으로 하는 지중 파일 형성 방법.
13. 제12항에 있어서,
    상기 (c) 단계에서는,
    상기 오거 모듈에서 배출되는 물 및 그라우트는
    상기 회전축 내부에 형성된 통로에 의해 공급되는 것을 특징으로 하는 지중 파일 형성 방법.
14. 삭제
15. 삭제
16. 제11항에 있어서,
    상기 (f) 단계에서는,
    상기 교반 날개가 상하 방향으로 이동되는 시간 동안에는 상기 회전축에 회전 구동력이 전달되지 않는 것을 특징으로 하는 지중 파일 형성 방법.

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