KR102490970B1 - 조기 효과가 발현되는 특수 씰재를 이용한 터널 강관 다단 그라우팅 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조기 효과가 발현되는 특수 씰재를 이용한 터널 강관 다단 그라우팅 공법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 보강공법은, (a)터널의 진행방향을 따라 천공홀을 형성하는 단계, (b)천공홀에 분사공이 형성되어 있는 강관을 삽입설치하는 단계, (c)강관과 천공홀 사이를 코킹하는 단계, (d)강관과 천공홀 사이의 공간에 물에 혼합한 씰재를 주입 후 겔 상태로 경화하는 단계 및 (e)강관을 통해 그라우트재를 주입하고, 그라우트재는 겔 상태의 씰재를 관통하여 지반으로 주입되는 단계를 구비하며, 씰재는 시멘트, 벤토나이트, 칼슘 설포 알루미네이트 분말과 칼슘 알루미네이트 분말 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광물계 급결재가 물에 혼합된 것으로서 수산화칼슘과 함께 에트링자이트를 형성하는 제1주입액 및 고분자 시멘트 증점제를 포함하여 가소성을 부여하는 제2주입액을 포함하는 것에 특징이 있다.

Description

조기 효과가 발현되는 특수 씰재를 이용한 터널 강관 다단 그라우팅 공법{MULTISTEP STEEL PIPE TUNNEL GROUTING REINFORCEMENT METHOD}

본 발명은 터널 시공방법에 관한 것으로서, 특히 NATM 공법에 의하여 터널을 시공할 때, 터널 굴착면 전방에 복수의 강관을 설치하고 및 그라우트재를 주입하여 지반을 보강하는 강관다단 터널 그라우팅 보강공법에 관한 것이다.

강도와 자립도가 낮은 연약 지반에서 터널을 굴착할 때에는 굴착 공정에 앞서 지반을 보강해야 한다. 이러한 보강방법으로 가장 널리 사용되는 것이 그라우팅 공법이다. 터널 보강을 위한 그라우팅 공법은 터널 굴착 전에 굴착면 전방에 강관 설치 및 그라우트재를 주입하여 원지반의 강도를 증대시킴으로써 터널 굴착면을 안정화시키고 붕괴를 방지한다.

터널 그라우팅 보강공법들 중 가장 널리 사용되는 강관다단 그라우팅 공법이 도 1 및 도 2에 도시되어 있다. 도 1은 전체 공정과 함께 터널의 길이방향의 단면을 도시한 것이다. 도 2는 터널이 막장면을 바라보는 방향에서 촬영한 사진이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 강관다단 그라우팅 공법은 굴착 예정인 터널 막장면에서 천공을 수행한다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 아치형 터널의 경우 아치(크라운부)를 따라 연속적으로 천공을 수행한다. 천공이 수행된 지반은 터널 형성 후 터널의 전방 영역이 된다. 천공 각도는 대략 5~10°정도로 형성한다. 천공 후에는 다수의 분사공이 형성되어 있는 강관을 천공홀에 삽입한다. 그리고 씰재(seal material) 주입관을 강관과 천공홀 사이에 삽입설치한 후, 천공홀 전단을 밀폐하는 코킹 작업을 수행한다. 천공홀이 밀폐되면 천공홀 내벽과 강관 사이의 공간에 씰재를 주입하고 일정한 시간이 경과되면 씰재가 겔 상태로 경화된다.

씰재가 겔 상태로 된 것을 확인 후, 강관을 통해 그라우트재(주입재)를 가압하여 공급하면, 주입재는 씰재를 통과한 후 지반으로 주입되어 지반 내 균열을 메우고 지반을 일체화시켜 강도를 강화시킨다. 그라우트재가 경화되면 막장면을 기계굴착 또는 발파굴착을 수행한다. 지반 보강을 수행하였는 바, 굴착 과정에서 천정이 붕괴되는 등의 원치 않는 사고를 방지할 수 있고, 굴착설계에 따른 안정적 굴착작업이 가능하다.

강관 다단 그라우팅 보강공법을 적용하는데 있어서 중요한 기술적 이슈 중 하나는 씰재의 겔화 시간에 따른 공기지연이다. 예컨대 '국가철도공단'의 시방 기준에 따르면 씰재 1000L를 기준으로 물 910L, 시멘트 200kg, 벤토나이트 62.5kg을 배합하도록 규정되어 있다. 위 배합비에 따르면 씰재는 주입 후 23시간 정도 후에 겔화되어 본 주입재(그라우트재)를 주입할 수 있게 된다. 그러나 건설 현장에서는 씰재를 주입 후 23시간을 기다리지 않고 그라우트재를 주입하는 일이 빈번하다. 공사 기간이 지연되기 때문이다. 씰재의 재료와 배합비를 그대로 유지하면서 겔화 시간을 준수하지 않으면 부실이 생길 수 밖에 없다. 또한, 건설 현장에서는 겔화 시간의 문제로 인하여 벤토나이트 사용량을 대폭 줄이고 규산으로 대체한 씰재를 사용하는 경우도 있다. 이 경우 씰재가 조기 경화됨으로써 그라우트재의 주입 자체가 곤란해지기도 한다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 주입 후 빠르게 겔화되면 수 시간 정도 겔 상태로 유지되는 씰재를 사용함으로써 지반에 본 주입재(그라우트재)를 조기에 주입할 수 있는 바, 공사 기간을 단축할 수 있고 그라우팅 품질이 보장되는 강관 다단 터널 그라우팅 보강공법을 제공하는데 그 목적이 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 강관 다단 터널 그라우팅 보강공법은 (a)터널의 진행방향을 따라 천공홀을 형성하는 단계; (b)상기 천공홀에 분사공이 형성되어 있는 강관을 삽입설치하는 단계; (c)상기 강관과 천공홀 사이를 코킹하는 단계; (d)상기 강관과 천공홀 사이의 공간에 물에 혼합한 씰재를 주입 후 겔 상태로 경화하는 단계; 및 (e)상기 강관을 통해 그라우트재를 주입하고, 상기 그라우트재는 겔 상태의 씰재를 관통하여 지반으로 주입되는 단계;를 구비하며, 상기 씰재는 시멘트, 벤토나이트, 칼슘 설포 알루미네이트 분말과 칼슘 알루미네이트 분말 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광물계 급결재가 물에 혼합된 것으로서 수산화칼슘과 함께 에트링자이트를 형성하는 제1주입액 및 고분자 시멘트 증점제를 포함하여 가소성을 부여하는 제2주입액을 포함하는 것에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 고분자 시멘트 증점제는 아래의 화학식1에 의하여 정의되는 물질로서, 말단에 CO₂H기가 결합된 폴리머를 사용한다.

... 화학식1

본 발명의 일 예에서, 상기 제1주입액은 시멘트 100 중량부에 대하여, 벤토나이트 13~17 중량부, 광물계 급결재 25~30 중량부로 배합되며, 물은 시멘트, 벤토나이트 및 광물계 급결재를 혼합한 전체를 100 중량부로 보았을 때 83~85 중량부의 범위로 혼합되는 것이 바람직하다.

본 발명의 일 예에서, 상기 제2주입액은 고분자 시멘트 증점제 4~6중량%와 물 94~96중량%의 범위로 혼합되는 것이 바람직하다.

본 발명에서는 광물계 급결재와 고분자 증점제를 이용하여 겔화 시간을 촉진시키고, 겔 지속 시간을 최소 6시간 정도, 최선으로는 8시간을 보장할 수 있는 바 본 주입재의 주입 작업 시간을 확보할 수 있다는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 고분자 증점제를 사용하면 씰재에 가소성이 부여되어 천공홀과 연결된 균열을 따라 씰재가 유실되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 시멘트에 포함된 중금속의 용출을 막을 수 있어 친환경적이라는 이점도 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 강관 다단 터널 보강 그라우팅 공법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 터널 보강 그라우팅 공법이 수행되는 막장면을 촬영한 사진이다.
도 3은 터널의 길이방향을 따라 연속적으로 강관이 설치된 모습을 나타낸 것이다.
도 4는 벤토나이트를 설명하기 위한 것이다.
도 5는 본 발명에서 사용하는 씰재의 배합 예를 나타낸 표이다.
도 6 및 도 7은 도 5에 도시된 조성의 씰재의 겔화 시험(비카트 시험) 결과를 나타낸 표 및 그래프이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다.

그러나 본 발명이 반드시 터널 보강용 공법에만 한정되는 것은 아니며, 사면 보강을 포함하여 강관을 지반에 삽입하고 씰재와 그라우트재를 주입하여 지반을 보강하는 모든 그라우팅 공법에 적용할 수 있다는 점을 미리 밝혀둔다. 즉 본 발명의 명칭은 예시적인 것이며, 그 명칭에도 불구하고 본 발명은 지반 보강을 위한 모든 그라우팅 공법에 적용될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 일 예에 따른 강관 다단 터널 그라우팅 보강공법에 대하여 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 일 예에 따른 보강공법은 일반적인 강관 다단 터널 그라우팅 보강공법을 따른다. 즉, 터널의 크라운부를 따라 복수의 천공홀을 형성한다. 천공홀은 도 3에 도시된 바와 같이 상향으로 경사지게 형성하며 대략 12m 길이 수준이다. 물론 경사와 길이는 환경과 조건에 따라 달라질 수 있다.

천공홀을 형성한 후에는 천공홀에 강관을 삽입설치하며, 씰재를 주입할 수 있는 주입관(주입호스)을 강관과 천공홀 사이에 별도로 설치할 수 있다. 물론 별도의 씰재 주입관이 없이 강관을 통해 씰재를 주입할 수도 있다. 그리고 강관은 다양한 형태와 구성을 사용할 수 있다.

강관과 씰재 주입관을 설치한 후에는 천공홀과 강관 사이을 밀폐하는 코킹작업을 수행한다. 코킹을 통해 천공홀 내부는 밀폐된다. 장비 설치가 완료되면 강관과 천공홀 내벽 사이로 씰재를 주입한다.

씰재를 주입 후 겔 상태로 경화가 이루어지면, 강관을 통해 그라우트재를 주입한다. 천공홀 전체에 대해서 한 번에 주입할 수도 있으며, 팩커를 이용하여 천공홀의 일부를 밀폐시킨 상태에서 다단으로 그라우트재를 주입할 수도 있다.

본 주입재(그라우트재)는 강관으로부터 배출된 후 겔 상태의 씰재를 압력으로 파열시키면서 씰재를 통과한 후 지반의 절리와 공극으로 주입된다. 절리와 공극을 메운 그라우트재가 경화되면 강관과 지반을 일체화시킴으로써 지반의 강도를 보강한다. 위의 공법은 터널의 전체 길이에 걸쳐 구간별로 연속적으로 이루어진다. 최종적으로 강관이 설치된 모습은 도 3에 도시된 바와 같다.

상기한 과정으로 이루어진 그라우팅 공법은 주지의 방법이며, 또한 본 발명 역시 다양한 변형된 형태의 기존의 그라우팅 공법에 적용 가능하다. 이에 공법 자체에 대한 더 이상의 자세한 설명은 생략하기로 한다. 이하에서는 본 발명의 핵심적인 특징에 대해서 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명에서는 씰재에 특징이 있다.

씰재는 천공홀과 공벽 사이에 주입되어 천공홀의 공벽 붕괴를 방지함과 동시에, 본 주입재(그라우트재)가 역류되는 것을 방지하는 기능을 한다. 위 2가지 조건을 모두 만족하기 위해서는 겔 상태를 유지하는 것이 가장 적합하다. 씰재가 너무 무른 경우 공벽 붕괴나 본 주입재의 역류 우려가 있고, 그렇다고 너무 단단하면 본 주입재의 주입이 곤란하다.

앞에서 설명한 바와 같이, 강관 다단 그라우팅 공법에서는 씰재가 겔화된 후 비로소 그라우트재를 주입할 수 있다. 기존의 씰재는 시멘트와 벤토나이트를 이용하는데 겔 상태까지 24시간 정도를 기다려야 하므로 공기가 길어질 수 밖에 없는 문제가 있었다.

본 발명에서 사용하는 씰재는 주입 후 3시간 후에 겔화되며, 겔 상태로 최소 8시간이 유지되므로 공사를 빠르게 진행할 수 있다는 장점이 있다. 겔 상태에 대한 판단은 비카트 시험에 의해 관입량 10~50mm 범위를 기준으로 하였다.

본 발명에서 사용하는 씰재는 시멘트, 벤토나이트, 제1주입액 및 제2주입액으로 이루어진다.

씰재로서 시멘트와 벤토나이트가 사용되는 것은 기존과 동일하다.

씰재에서 벤토나이트를 사용하는 이유는 팽창성과 겔 상태를 발현하기 위한 것이다. 씰재의 가장 기본적인 목적은 그라우트재를 주입할 때 그라우트재가 천공홀에서 역류하는 것을 방지하기 위한 것이다. 즉 천공홀을 채우기 위한 것이다. 그런데 시멘트 등으로만 채우게 되면 겔화 속도가 느려 그라우트 주입이 지체되고, 블리딩 발생으로 2차공극이 형성되며, 겔화된 후의 강도가 너무 강해서 추후 그라우트재 주입에 어려움이 있다. 이에 벤토나이트와 같은 팽창성 물질을 이용하여 천공홀을 채우면서도 겔 상태 정도의 약한 강도를 발현시키는 것이다.

벤토나이트는 4면체-8면체-4면체 광물 결정이 연속적으로 배열된 판상의 구조로 이루어지며, 도 4에 도시된 바와 같이, 판상 구조체가 여러겹 적층되어 이루어진다. 이렇게 적층된 판과 판 사이에 물 분자가 흡착되면서 벤토나이트는 팽윤(swelling)하여 부피가 급격하게 증가한다. 부피 증가에 의해서 천공홀이 채워지는 것이므로 강도는 겔 상태로 낮게 나타난다. 그리고 벤토나이트의 부피가 증가하면 점도도 함께 증가하지만 유동성은 계속 유지된다. 유동성을 억제하여 흐르지 않는 겔 상태를 만들기 위해서 시멘트를 첨가하게 된다. 물과 반응하여 형성되는 시멘트 수화물은 벤토나이트 입자 사이에 침전하면서 벤토나이트 입자를 구속하여 유동성을 억제한다. 또한 시멘트는 지속적으로 수화되어 천공홀의 장기강도(그라우트재 주입후)를 향상시키는 역할을 한다.

기존의 그라우팅용 씰재는 상기한 바와 같은 이유로 벤토나이트와 시멘트 및 물을 혼합하여 사용하였다. 여기서 한 가지 문제가 발생한다. 도 4에 도시된 바와 같이 벤토나이트의 판과 판 사이에는 물과 함께 양이온이 흡착되는데, Na과 같은 1가 양이온이 흡착되는 것이 팽창하는데 유리하다. 반면에 Ca와 같은 2가 이온이 흡착하면, 2가 이온은 전기적 인력이 1가 이온보다 강하기 때문에 벤토나이트의 판과 판 사이가 덜 벌어지며, 결과적으로 팽윤성이 떨어진다. 벤토나이트 역시 Ca계 벤토나이트가 있고 Na계 벤토나이트가 있는데, 철도시설관리공단에서는 씰재에서 Na계 벤토나이트를 사용하도록 규정하고 있다. 그러나 Na계 벤토나이트를 사용하더라도, 시멘트를 첨가하게 되면 시멘트 내 Ca이 벤토나이트에 기흡착되어 있는 Na을 치환함으로써 Ca계 벤토나이트로 전환시켜 버린다. 이에 따라 씰재의 팽창성이 저하되는 문제가 발생했던 것이다. 이를 해결하기 위하여 벤토나이트와 물을 먼저 교반한 후, 나중에 시멘트를 첨가하는 등의 해결책이 제시되었지만 종래기술에서 설명한 바와 같이 이는 또 다른 문제를 나타내곤 하였다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 제1주입액과 제2주입액을 첨가하여 사용한다.

제1주입액은 칼슘 설포 알루미네이트 분말과 칼슘 알루미네이트 분말 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광물계 급결재와 물을 혼합한 것이며, 석고 분말을 추가적으로 혼합할 수 있다. 광물계 급결재는 시멘트로부터 용출되는 수산화칼슘과 반응하여 에트링자이트(3C₆AS₃H₃₂) 결정을 생성하게 된다

그러나 칼슘설포알루미네이트는 황산이온이 존재하는 조건에서는 수십 초 내에 에트링자이트(3C₆AS₃H₃₂) 결정을 생성하게 된다. 즉 급격하게 에트링자이트를 만들어내면서 칼슘 이온을 소비함으로써 벤토나이트 내 나트륨이 칼슘으로 치환되지 않게 함으로써 벤토나이트의 팽윤성이 충분히 발현되도록 한다.

칼슘설포알루미네이트도 칼슘알루미네이트와 마찬가지로 황산이온의 존재하에서 급격하게 에트링자이트 결정을 만들어낸다. 위의 석고 분말은 황산이온 공급재로 사용되는 것이다.

또한 본 발명에서 사용하는 씰재는 위에서 설명한 것처럼 물과 반응하는 초기에 에트링자이트 결정을 급격하게 형성하고, 에트링자이트 결정이 벤토나이트 입자들 사이에 개재됨으로써 벤토나이트의 유동성을 억제한다. 이에 따라 종래의 씰재에 비하여 씰재가 훨씬 빨리 정지되고 겔화된다는 특징이 있다.

종래의 씰재에서는 벤토나이트의 유동성을 막기 위한 시멘트 수화물은 주로 CSH로서 씰재가 더 이상 이동하지 않고 겔화되기까지 20시간 이상이 소요되었기 때문에 철도시설관리공단 등에서는 씰재의 양생시간을 23±1시간으로 정하였다. 그러나 본 발명에서 사용하는 씰재의 경우 수십초만에 에트링자이트가 형성되어 벤토나이트의 유동성을 억제하는 바, 본 주입재(그라우트재)를 보다 일찍 주입할 수 있는 바, 공기가 단축되는 이점이 있다.

제1주입액에서 광물계 급결재의 배합비율은 시멘트 100 중량부에 대하여, 벤토나이트 13~17 중량부, 광물계 급결재 25~30 중량부 범위이다. 물은 위의 분말상 광물계 급결재 전체를 100 중량부로 보았을 때 83~85 중량부의 범위로 혼합된다.

중요한 것은 광물계 급결재의 양인데, 광물계 급결재가 위 범위보다 많으면 에트링자이트 등 광물 결정이 필요 이상으로 많이 생성되고 경도가 증가함으로 겔 상태가 지속되는 시간이 줄어든다. 겔 상태가 일정 시간 이상 보장되어야 본 주입재를 주입할 시간이 확보되므로 현장에서는 매우 중요한 의미가 있다. 반면에 광물계 급결재의 양이 위 범위 보다 적으면 겔화 시간이 지연될 수 있으므로 바람직하지 않다.

또한 본 발명에서는 제2주입액을 사용하여 씰재로서 더욱 우수한 기능을 발현시킨다. 제2주입액은 액상의 고분자 시멘트 증점제를 물과 혼합한 것이다. 고분자 시멘트 증점제는 씰재의 겔화를 촉진하여 점성과 가소성을 부여한다.

본 발명의 고분자 시멘트 증점제는 아크릴계단량체와 관능기류단량체 및 기능성 단량체가 중합 반응되고 고분자 폴리머로 제조되어 말단에 카르복실메틸기가 형성된 것이다. 여기서 아크릴계 단량체는 에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 스틸렌, 메틸메타크릴레이트 중 적어도 하 나이상을 사용한다. 관능기류 단량체는 메타크릴산, 아크릴산, 아이드록시에틸메타아크릴레이트 중 적어도 하나 이상을 사용한다. 그리고 기능성 단량체가 더 첨가될 수 있으며, 구체적으로는 디아릴프탈레이트수지, 3-methacryloxypropyl-trimethoxy silane, 3-mercaptopropyl trimethoxy silane를 사용할 수 있다.

고분자 시멘트 증점제의 제조 과정에 대하여 설명한다.

먼저 반응조에 이온교환수(물)와 유화제를 투입한 후 교반하면서 80℃까지 승온 시킨다. 유화제로는 알파올레핀설포네이트, 소듐도데실설포네이트 등을 사용할 수 있다. 유화제의 일부는 중합반응에 참여하여 화학구조를 형성하지만, 대부분은 중합에 의해 형성되는 폴리머들이 서로 얽히는 것을 방지하는 역할을 한다.

그리고, 혼합조에 위 유화제를 이온교환수에 용해시켜 교반하면서 투입후, 아크릴계 단량체 (에틸아크릴레이트, 부틸아크릴레이트, 스티렌, 스타디엔, 메틸메타크릴레이트 등)를 혼합조에 투입한다. 이어서 관능기류 단량체(메타크릴산, 아크릴산, 하이드록시 에틸메타아크릴레이트 등)와 기능성 단량체(디아릴프탈레이트 수지, 선택적 투입)를 투입하여 프리에멀젼 상태를 형성한다. 혼합조로부터 프리에멀젼의 5~10%를 반응조에 공급하고, 개시제(APS, KPS, SPS 등)를 이온교환수에 용해시켜 반응조에 투입한다.

이후 대략 3시간에 걸쳐 혼합조로부터 나머지 프리에멀젼을 반응조로 균일하게 드로핑하면서 반응온도를 82~83℃로 유지시킨다. 드로핑이 완료된 후 온도를 82~83℃ 유지하면서 대략 30분 정도 유지시켜 숙성한다.

1차 숙성 완료 후 다시 혼합조에서 물, 유화제 및 아크릴계 단량체와 관능기류 단량체를 투입하여 프리에멀젼을 형성한다. 그리고 반응조에 개시제(APS, KPS, SPS 등)를 투입한다. 혼합조로부터 대략 30분에 걸쳐 프리에멀젼을 반응조에 드로핑방식으로 투입하면서 반응온도를 82~83℃로 유지시킨다.

개시제의 드로핑 완료후 대략 1시간 동안 82℃로 유지하여 2차 숙성시킨다. 최종적으로 반응물을 냉각시켜 50℃이하로 형성한 상태에서 암모니아 및 소포제, 방부제를 선택적으로 투입후 20분간 교반하여 완료한다.

본 발명의 일 예에서는 상기한 중합반응을 위하여, 아크릴계 단량체로서 부틸아크릴레이트 5~30중량%, 스타디엔 5~30중량%, 메틸메타크릴레이트 5~30중량%를 투입하였고, 관능기류 단량체로서 에틸아크릴레이트 5~30중량%, 아크릴산 0.5~10중량%, 메타크릴산 0.5~10중량%를 투입하였다. 그리고 기능성 단량체로서 디아릴프탈레이트수지 0.05~10중량%를, 유화제 0.05~5중량%를 공급하였다. 상기한 바와 같은 중합반응에 의하여 아크릴계 단량체, 관능기류 단량체 및 디아릴프탈레이트 단량체는 서로 얽히면서 폴리머를 형성하게 된다. 이들 단량체가 반응하여 폴리머를 형성하는데 있어서 디아릴프탈레이트 수지가 얽힘 현상을 매개하는 것으로 파악된다. 최종적으로 형성되는 아크릴폴리머는 아래의 [화학식 1]로 표현할 수 있다.

[화학식 1]

본 발명에 의해 합성되는 아크릴폴리머는 대략 수만에서 수십만 몰의 분자량을 갖는 합성물로, 폴리머의 주쇄는 부틸아크릴 레이트, 스타디엔, 에틸아크릴레이트, 메틸메타크릴레이트 중 적어도 하나로 이루어지며, 말단기에는 산(아크릴산 및 메타크릴산)이 결합된다. 위 아크릴폴리머는 위 화학식 1에 도시된 바와 같이 말단에 배치되는 COOH와 OH 작용기가 시멘트에서 해리된 미립자 양이온과 불용성 미립자를 상호 연결시켜 길게 얽혀있는 사슬구조를 형성한다.

이러한 사슬구조에 의하여 씰재의 점도가 올라가고 겔화가 촉진되어 그라우트재를 주입할 수 있는 시간이 당겨진다, 가소성을 가지게 된다. 또한 씰재는 점도가 증대하면서 가소성이 생겨서 천공홀과 연결된 절리나 균열을 통해 씰재가 유실되는 것을 방지할 수 있다. 또한 사슬구조로 인하여 씰재로부터 중금속 등 유해물줄이 지하수 등을 만나 용출되는 것이 억지된다.

제2주입액은 고분자 시멘트 증점제 4~6중량%와 물 94~96중량%의 범위로 혼합되는데, 이 배합비율은 현장에서 매우 중요한 의미가 있다. 즉 고분자 증점제의 양이 위 범위를 초과하면 씰재의 주입 즉시 씰재의 유동성(흐름성)이 저하되어 씰재가 천공홀 전체에 충진되지 못할 수 있기 때문이다. 반대로 위 범위보다 적으면 점도와 가소성의 발현이 늦어지므로 지반의 균열을 통한 씰재의 유실이 발생할 수 있다.

제1주입액 100 중량부를 기준으로 제2주입액은 7~8중량부의 범위로 배합된다. 오히려 중요한 점은 광물계 급결재와 고분자 증점제의 중량 비율이다. 이 비율에 따라 겔 상태 지속시간이 달라질 수 있다. 광물계 급결재 분말을 100으로 볼 때, 고분자 증점제는 3~4 중량부만 사용한다. 3 중량부 미만인 경우 앞에서 언급한 본 발명에서의 장점(겔화 촉진)이 발현되지 않고, 광물계 분말이 많아지면서 겔 지속시간이 짧아지는 문제가 있다. 반면에 4 중량부를 초과하면 점도가 너무 급격하게 올라가서 흐름성이 저하되므로 천공홀에 씰재가 완전히 충진되지 못할 수 있다.

본 발명에서는 씰재의 배합비율에 따른 겔화 시험을 진행하였다. 겔화 시험은 목업을 만들고, 시간에 따른 비카트 관입량을 측정하였다. 도 5의 표에 도시된 바와 같이, 조성을 달리하여 3개의 시료1~3을 만들고 1시간부터 12시간까지 비카트 관입량을 측정하였다. 결과는 도 6의 표 및 도 7의 그래프에 나타나 있다.

도 6 및 도 7의 결과를 보면, 광물계 급결재 대비 고분자 증점제를 1.6% 정도만 사용한 시료1에서는 3시간 만에 비카트 관입량이 34mm로 매우 빠르게 겔화되는 것으로 나타났으나, 5시간을 넘어서면서 겔 상태가 유지되지 못하고 빠르게 경화되었다. 즉 겔 상태 지속시간이 2시간에 불과하였다. 여기서, 겔 상태의 판단 기준은 비카트 관입량이 10~50mm를 기준으로 하며, 이 정도에서 본 주입재(그라우트재)를 주입할 수 있다. 이보다 더 경화되면 비카트 관입량 10mm 이하가 되면 본 주입재를 주입하기 곤란하다. 반대로 50mm를 초과하는 경우에는 씰재가 너무 무른 상태이므로 역시 본 주입재를 주입할 수 없다.

시료2와 시료3의 경우 광물계 급결재 분말 대비 고분자 증점제를 3% 이상 사용한 예이다. 2개의 목업에서는 3시간 경과후 비카트 관입량이 50mm를 나타내서 그라우트재가 주입가능한 겔화가 진행되었다. 그리고 씰재 타설 후 9시간까지는 비카트 관입량이 10mm 이상으로 겔 상태가 유지되었다. 씰재 타설 후 3시간부터 9시간까지 즉 6시간 정도는 그라우트재의 본 주입이 가능하다. 시료2,3 중에서 시료3의 경우가 겔 시간이 2시간 정도 더 지속되는 결과로 나타났으며, 8시간 정도 그라우트재의 주입이 가능하므로, 최선의 배합 비율로 나타났다. 무엇보다 중요한 점은 3시간만에 겔화가 진행된다는 점이다. 기존에 시멘트와 벤토나이트만을 사용한 경우는 24시간을 기다려야 하지만, 본 발명에서는 3시간만에 가능하기 때문에 공기 단축에 매우 효과적이다.

본 발명에서는 광물계 급결재와 고분자 증점제를 이용하여 겔화 시간을 촉진시키고, 겔 지속 시간을 최소 6시간 정도, 최선으로는 8시간을 보장할 수 있는 바 본 주입재의 주입 작업 시간을 확보할 수 있다는 이점이 있다.

또한 본 발명에 따른 고분자 증점제를 사용하면 씰재에 가소성이 부여되어 천공홀과 연결된 균열을 따라 씰재가 유실되는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 시멘트에 포함된 중금속의 용출을 막을 수 있어 친환경적이라는 이점도 있다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (4)

1. (a)터널의 진행방향을 따라 천공홀을 형성하는 단계;
   (b)상기 천공홀에 분사공이 형성되어 있는 강관을 삽입설치하는 단계;
   (c)상기 강관과 천공홀 사이를 코킹하는 단계;
   (d)상기 강관과 천공홀 사이의 공간에 물에 혼합한 씰재를 주입 후 겔 상태로 경화하는 단계; 및
   (e)상기 강관을 통해 그라우트재를 주입하고, 상기 그라우트재는 겔 상태의 씰재를 관통하여 지반으로 주입되는 단계;를 구비하며,
   상기 씰재는 시멘트, 벤토나이트, 칼슘 설포 알루미네이트 분말과 칼슘 알루미네이트 분말 중 적어도 어느 하나를 포함하는 광물계 급결재가 물에 혼합된 것으로서 수산화칼슘과 함께 에트링자이트를 형성하는 제1주입액 및 고분자 시멘트 증점제를 포함하여 가소성을 부여하는 제2주입액을 포함하며,
   상기 고분자 시멘트 증점제는 아래의 화학식1에 의하여 정의되는 물질로서,
   

   

   ... 화학식1
   말단에 CO₂H기가 결합된 폴리머이고,
   상기 제1주입액은, 시멘트 100 중량부에 대하여, 벤토나이트 13~17 중량부, 광물계 급결재 25~30 중량부로 배합되며, 물은 시멘트, 벤토나이트 및 광물계 급결재를 혼합한 전체를 100 중량부로 보았을 때 83~85 중량부의 범위로 혼합되고,
   상기 제2주입액은 고분자 시멘트 증점제 4~6중량%와 물 94~96중량%의 범위로 혼합되며,
   상기 제1주입액 100 중량부를 기준으로 제2주입액은 7~8중량부의 범위로 배합되고, 상기 광물계 급결재 분말 100 중량부에 대하여 상기 고분자 시멘트 증점제는 3~4 중량부 배합되어,
   상기 씰재는 주입 후 3시간 후에 겔화되며, 비카트 시험에 의한 관입량 10~50mm 범위를 기준으로 하는 겔 상태로 최소 6시간이 유지되는 것을 특징으로 하는 강관 다단 터널 그라우팅 보강공법.
   
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