KR102531968B1 - 터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법에 있어서, 가) 강관(10)을 가공하고, 강관(10) 내부에 복수 개의 패커(40) 및 복수 개의 주입관을 삽입하는 단계; 나) 지반을 천공하여 천공홀(1)을 형성하는 단계; 다) 상기 천공홀(1) 내부에 강관(10)을 삽입하는 단계; 라) 상기 천공홀(1) 입구를 코킹하는 단계; 마) 상기 복수 개의 주입관에, 급결 그라우트재를 동시에 주입하는 단계를 포함하는 터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 터널 시공에 적용되는 강관 동시주입 그라우팅 공법에 관한 것이다.
터널보강공법 중 하나인 강관다단 그라우팅 공법은, 일반적으로 지반강도가 약한 토사층이나 풍화 및 절리가 발달한 연약한 암반에서 터널을 시공할 때 터널의 안정성을 높이고, 인근 구조물의 피해방지를 위해 적용하는 보조공법이다.
강관다단 그라우팅 공법은 굴착대상 터널 주변 지반의 응력 및 변형상태를 안정한 상태로 변화시켜 터널의 안정성을 유지하기 위해 사용되는데, 지반과 강관이 일체가 되게 함으로써 강관에 의한 아칭효과에 의해 지반을 보강하고, 차수효과를 동시에 얻는 공법이다.
강관다단 그라우팅 공법의 기본원리는 터널굴착 전에, 강관을 설치할 천공홀을 형성하고, 천공홀 속에 강관을 삽입한 후, 강관의 내부에 그라우트재를 주입함으로써, 주변 지반으로 침투된 그라우트재의 고결에 의해 강관과 주변 지반을 일체를 만드는 것이다.
종래에는, 이동식 패커를 사용하여 강관다단 그라우팅 공법을 적용하였다.
이동식 패커를 이용한 강관다단 그라우팅 공법은, 강관의 안쪽으로 이동식 패커를 위치시키고, 강관의 가장 안쪽 구간에 그라우트재를 먼저 주입시킨 후, 단계적으로 패커를 바깥쪽으로 이동시키면서 두 번째 구간, 세 번째 구간 등에 대해 그라우트재를 주입하는 방식이다.
그러나 그라우트재에는 급결재가 포함되어 있으므로, 첫 번째 안쪽 구간에 대해 그라우트재를 주입하고, 패커를 이동하여 두 번째 구간에 그라우트재를 주입하는 과정 중에 강관에 형성된 주입공이 막혀 버리는 문제가 발생하게 되고, 두 번째 구간에 대해 그라우트재를 주입하면 주변 지반으로 그라우트가 침투하지 못하는 주입 사각지대가 발생하는 문제가 있었다.
이러한 문제는 세 번째 구간 및 네 번째 구간에 그라우트재를 주입하는 과정 중에도 동일하게 나타났다.
위와 같은 문제는 종래의 그라우트재의 주입성, 유동성, 자기충전성, 내구성 등이 부족한 것으로 인해 더욱 문제가 되었다.
또한, 강관은 굴진방향 상향으로 일정각도 기울어지게 설치되는데, 강관의 단부가 굴착면보다 밖으로 돌출될 수 밖에 없어, 터널을 굴착한 후에는 굴착면에 맞게 강관의 돌출된 부분을 일일이 절단하여 제거해야 했다.
강관의 돌출된 부분의 절단은 산소 절단기 또는 산소 용접기를 사용하여 진행되는데, 제거 대상이 되는 강관의 수가 워낙 많아 비용과 시간이 많이 소요되었고, 버려지는 강관에 의한 재료낭비가 컸으며, 절단 작업시 안전사고의 위험이 있었다.
따라서 터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법에서, 그라우트재가 주변 지반으로 신속하고, 균일하게 침투할 수 있고, 강도 및 내구성이 우수하며, 시공을 효율적으로 진행할 수 있는 강관 동시주입 그라우팅 공법에 대한 개발이 요구되었다.
본 발명은, 위와 같은 종래기술의 문제점을 개선하기 위해, 그라우트재가 주변 지반으로 신속하고, 균일하게 침투할 수 있는 강관 동시주입 그라우팅 공법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 지반 내부에 고결된 그라우트재의 장기적인 내구성 저하가 적은 강관 동시주입 그라우팅 공법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 급결성, 차수성, 주입성, 유동성, 자기충전성, 휨강도, 지반 및 강관과의 부착강도가 우수한 강관 동시주입 그라우팅 공법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 급결재를 사용하면서도 타설 초기뿐만 아니라 장기적으로 발생하는 수축에 대해 효율적으로 보상할 수 있는 강관 동시주입 그라우팅 공법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명에서는, 터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법에 있어서, 가) 강관(10)을 가공하고, 강관(10) 내부에 복수 개의 패커(40) 및 복수 개의 주입관을 삽입하는 단계; 나) 지반을 천공하여 천공홀(1)을 형성하는 단계; 다) 상기 천공홀(1) 내부에 강관(10)을 삽입하는 단계; 라) 상기 천공홀(1) 입구를 코킹하는 단계; 마) 상기 복수 개의 주입관에, 마이크로시멘트; 포졸란 미분말; 급결재 미분말; 수축저감제; 재유화형 분말수지; 고성능감수제; 소포제; 증점제; 고성능유동화제를 포함하는 급결 그라우트재를 동시에 주입하는 단계를 포함하는 터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법을 제공한다. .
상기 급결 그라우트재는 배합재료와 배합수를 포함하되, 상기 배합재료는, 마이크로시멘트 48~59 중량%; 포졸란 미분말 14~24 중량%; 급결재 미분말 5~14 중량%; 수축저감제 2.6~4.2 중량%; 재유화형 분말수지 11~18 중량%; 고성능감수제 0.4~1.8 중량%; 소포제 0.1~0.2 중량%; 증점제 0.1~0.5 중량%; 고성능유동화제 0.5~2 중량%를 포함하고, 상기 급결재 미분말은 CA계 급결재 66~90중량%, 석고 미분말 10~34중량%를 포함한다.
상기 CA계 급결재는, CaO 38~49중량%, Al2O3 23~40중량%, SO3 16~29 중량%, SiO2 3~6중량%, MgO 1.6~3중량%, Fe2O3 1.2~2 중량%를 포함한다.
상기 마이크로시멘트의 분말도는 6,500~8,000cm2/g인 것을 특징으로 한다.
상기 급결재 미분말의 분말도는 6,500~9,000cm2/g 인 것을 특징으로 한다.
상기 포졸란 미분말은 천연 포졸란, 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 실리카 퓸 중 적어도 어느 하나이고, 상기 포졸란 미분말의 분말도는 6,000~8,000cm2/g인 것을 특징으로 한다.
상기 강관(10)의 일단에는 회수관(20)이 결합된 상태로 천공홀에 삽입되고, 상기 회수관(20)은 급결 그라우트재 경화 후 터널 굴착 시 제거되는 것을 특징으로 한다.
상기 패커(40)는 4개가 간격을 두고 강관(10) 내부에 구비되고, 상기 4개의 패커(40)에 의해 강관(10) 내부가, 제1구간(11), 제2구간(12), 제3구간(13), 제4구간(14)로 나뉘어지고, 상기 주입관은 제1주입관(61) 및 제2주입관(62)으로 구비되어, 상기 제1주입관(61)에 의해 상기 제1구간(11) 및 제2구간(12)에 급결 그라우트재가 주입되고, 상기 제2주입관(62)에 의해, 상기 제3구간(13) 및 제4구간(14)에 급결 그라우트재가 주입되는 것을 특징으로 한다.
상기 강관(10)의 외면에는 복수 개의 스페이서(50)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
상기 급결 그라우트재는, 상기 마이크로시멘트와 배합수를 혼합한 A액과 상기 포졸란 미분말; 급결재 미분말; 수축저감제; 재유화형 분말수지; 고성능감수제; 소포제; 증점제; 고성능유동화제와 배합수를 혼합한 B액으로 나뉘어 제조 및 공급되고, 공급되면서 합류 및 혼합되어 주입되는 1.5shot 방식으로 주입되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 강관 동시주입 그라우팅 공법은 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 복수 개로 분할된 구간을 통해 그라우트재를 동시에 주입하면서, 사용되는 급결 그라우트재의 주입성, 유동성, 자기충전성이 우수하므로, 그라우트재가 지반 속으로 신속하게 침투할 수 있고, 아울러, 취약구간없이 모든 주입구간에 걸쳐 균일하게 침투할 수 있다.
둘째, 본 발명의 급결 그라우트재는, 급결성이 우수하여, 강관 동시주입 그라우팅 공사 직후부터 높은 차수성능을 발휘할 수 있고, 지하수에 의한 그라우트재의 유실 발생을 최소화할 수 있다.
셋째, 본 발명의 급결 그라우트재는, 휨강도, 지반 및 강관과의 부착강도가 우수하여, 터널 단면의 안정성과 내구성이 높다.
넷째, 본 발명의 급결재 미분말은, CA계 급결재와 석고 미분말을 혼합하여 사용한다. CA계 급결재에 의해 그라우트재의 초기 급결성을 확실하게 확보하면서, 이와 유기적으로 결합된 석고 분말에 의해 장기적인 강도와 내구성을 확보할 수 있다. 이때 CA계 급결재와 석고 미분말의 양을 조절함으로써 필요로 하는 겔타임을 조절할 수 있다.
다섯째, 본 발명의 급결 그라우트재는, 급결재를 사용하면서도 수축에 대해 충분한 보상이 이루어져 지반 속으로 침투한 그라우트재의 균열 및 차수성능 저하가 최소화된다.
여섯째, 터널 시공 공정을 볼 때, 강관 단부의 절단 작업이 필요 없고, 회수관을 재사용할 수 있으며, 그라우트재 주입시 복수 개로 구획된 강관 내부에 동시 주입이 가능하므로, 시공이 빠르고, 공사비용을 절감할 수 있으며, 시공품질 또한 우수하다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 터널 단면 내에서 천공하고 강관을 삽입하는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 강관 내부에, 4개의 패커, 2개의 주입관이 삽입되는 실시예의 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 시공과정을 설명하는 것이다.
도 6은 주입공을 나타내는 것이다.
도 7은 회수관의 기능을 나타내는 것이다.
도 2는 본 발명의 강관 내부에, 4개의 패커, 2개의 주입관이 삽입되는 실시예의 단면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 시공과정을 설명하는 것이다.
도 6은 주입공을 나타내는 것이다.
도 7은 회수관의 기능을 나타내는 것이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 쉽게 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. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 강관 동시주입 그라우팅 공법은 복수의 패커에 의해 강관 내부를 복수 개의 구간으로 나누고, 복수 개의 주입관을 삽입하여, 강관 내 복수 개의 구간에서 그라우트재를 동시에 주입한다.
본 발명에 관한 설명에서, 천공홀 내부에 강관(10)을 삽입하였을 때, 강관(10)의 길이방향 양단 중 천공홀 안쪽으로 삽입되는 부분의 강관 끝을 타단이라 하고, 천공홀 입구 쪽에 있는 강관의 끝을 일단이라고 한다.
본 발명의 강관 동시주입 그라우팅 공법에 사용되는 강관(10), 패커(40), 주입관, 스페이서(50) 등은 공장에서 미리 제작하여 조립한 후, 터널 시공현장으로 운반하는 것이 바람직하다.
상기 강관(10)에는 주변 지반으로 급결 그라우트재를 신속하게 주입할 수 있도록 복수의 주입공(101)을 형성한다.
도 6에 도시되어 있는 것과 같이, 상기 주입공(101)은 강관의 내측에서 강관의 외측으로 갈수록 틈이 커지는 형태로 구비하여, 급결 그라우트재가 주변 지반으로 확산되어 주입될 수 있도록 구비한다.
그리고, 강관의 외면에는 복수 개의 스페이서(50)를 구비하여, 천공홀 내부에서 강관의 위치를 잡아줄 수 있도록 한다.
강관의 내부에는 복수 개의 패커(40)와 복수 개의 주입관을 삽입한다.
강관(10) 내부에 구비되는 패커(40)에 의해, 강관의 내부가 복수의 구간으로 나뉘어질 수 있고, 이렇게 구분되는 구간들에서 동시에 그라우트재가 주입된다.
동시 주입을 위한 복수 개의 주입관도 패커와 함께 강관의 내부에 구비한다.
도 2에는 본 발명의 바람직한 실시예가 도시되어 있다. 강관(10)의 내부가, 4개의 패커(40)에 의해, 제1구간(11), 제2구간(12), 제3구간(13), 제4구간(14)으로 나뉘어지고, 주입관은 2개의 주입관 즉, 제1주입관(61) 및 제2주입관(62)이 구비된다.
상기 제1구간(11)이 강관의 가장 안쪽에 위치한 구간이 되고, 천공홀의 입구 쪽으로 오면서, 제2구간(12), 제3구간(13), 제4구간(14)이 순서대로 구비된다.
상기 제1주입관(61)이 상기 제2주입관(62)보다 길게 구비된다.
제1주입관(61)에 의해 상기 제1구간(11) 및 제2구간(12)에 그라우팅이 이루어지고, 상기 제2주입관(62)에 의해, 상기 제3구간(13) 및 제4구간(14)에 그라우팅이 이루어지는 것이 도시되어 있다.
제1주입관(61)의 끝이 제1구간(11)에 위치하고, 상기 제2구간(12) 위치에 있는 제1주입관(61)에는 주입홀(601)이 구비되며, 제3구간(13) 및 제4구간(14) 위치에 있는 제1주입관(61)에는 주입홀(601)이 구비되지 않는다.
제2주입관(62)의 끝이 제3구간(13)에 위치하고, 상기 제3구간(13) 위치에 있는 제2주입관(62)에 주입홀(602)이 구비된다.
강관의 길이방향 양단 중 천공홀의 안쪽에 위치하는 끝이 아닌 천공홀 입구쪽에 위치하는 강관(10)의 일단에는 회수관(20)이 결합된다.
상기 회수관(20)이 천공홀 입구 쪽으로 위치하도록 하고, 터널 굴착 시 회수관을 간단하게 제거할 수 있도록 함으로써 굴착 후 강관의 일부를 절단할 필요가 없게 되고, 강관 절단에 따르는 문제점들을 해소할 수 있다.
상기 회수관(20)은 강관과 같은 재질 또는 합성수지로 제작될 수 있고, 강관과 회수관의 결합은 나사결합에 의해 결합한 후, 터널 굴착 시에 제거될 수 있다.
강관과 회수관의 결합은 나사결합 외에도, 결합과 분리가 쉽도록 강관에 결합홈을 구비하고, 회수관에 결합돌기를 구비하여 스냅핏 결합할 수도 있다. 이와 반대로 회수관에 결합홈을 구비하고, 강관에 결합돌기를 구비할 수도 있을 것이다.
패커(40), 주입관, 스페이서(50), 회수관(20) 등을 조립한 강관(10)을 준비하고, 터널을 시공할 위치의 적당한 장소에 천공홀(1)을 형성한다.
지반조사를 통해, 토질, 지반 강도, 절리, 균열 상태, 침출수 및 지하수 상태 등을 조사하고, 시공의 편의성, 공사관리, 경제성 등을 고려하여, 천공홀의 위치, 개수, 직경, 깊이, 천공 각도 및 방향 등을 결정한다.
필요로 하는 천공홀(1)이 구비되면, 천공홀(1)의 내부에 강관(10)을 삽입한다(도 3 참조).
이때, 상기 천공홀(1)의 입구 쪽으로 상기 회수관(20)의 일부가 돌출될 수 있다.
강관을 삽입한 후에는 상기 천공홀(1) 입구에 코킹(30)을 형성하여 밀봉하게 된다(도 4 참조).
코킹(30)은 천공홀(1)의 입구에서, 회수관 및 강관 일부의 외면과 천공홀 공벽 사이 공간을 차폐하여, 지하수의 누수, 토사 유출 및 그라우트재의 유출을 방지한다.
코킹이 경화되면, 주입관을 통해 급결 그라우트재를 동시에 주입한다(도 5 참조).
주입플랜트에서 제조, 공급되는 급결 그라우트재를 각 주입관으로 주입하여, 급결 그라우트재가 강관의 내부 및 주변 지반으로 신속히 퍼져나가도록 한다.
본 발명에 사용되는 급결 그라우트재는 1.5shot 방식으로 주입될 수 있다. 즉, 주입플랜트에서 A액과 B액으로 나뉘어 제조되고, 공급되면서 혼합되어 주입된다.
본 발명의 급결 그라우트재는 배합재료에 배합수를 혼합하여 제조하되, 배합재료 100중량부를 기준으로 배합수 32~52중량부를 혼합하여 제조한다.
배합재료는 마이크로시멘트; 포졸란 미분말; 급결재 미분말; 수축저감제; 재유화형 분말수지; 고성능감수제; 소포제; 증점제; 고성능유동화제를 포함한다.
마이크로시멘트와 배합수를 혼합한 A액과 포졸란 미분말; 급결재 미분말; 수축저감제; 재유화형 분말수지; 고성능감수제; 소포제; 증점제; 고성능유동화제와 배합수를 혼합한 B액으로 나누어 제조, 공급, 혼합, 주입한다.
A액과 B액의 배합수의 양은, 전체 배합재료 100중량부를 기준으로 배합수 32~52중량부를 혼합하는 범위 내에서 결정할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 배합재료는, 마이크로시멘트 48~59 중량%; 포졸란 미분말 14~24 중량%; 급결재 미분말 5~14 중량%; 수축저감제 2.6~4.2 중량%; 재유화형 분말수지 11~18 중량%; 고성능감수제 0.4~1.8 중량%; 소포제 0.1~0.2 중량%; 증점제 0.1~0.5 중량%; 고성능유동화제 0.5~2 중량%를 포함한다. 배합재료에 포함되는 상기 구성들은 배합재료에 포함되는 전체 구성들과 서로 유기적으로 맞물려 작용하게 되고, 각 구성의 조성비는 다른 구성들과의 결합관계를 고려하여 결정된 것이다. 아래에서 상기 구성들에 대해 자세히 설명한다.
시멘트는, 시멘트계 그라우트재를 형성하는 기본적인 재료로서, 본 발명에서는 높은 물시멘트비에서 속경성을 확보하기 위해 마이크로시멘트를 사용하고, 그 분말도(비표면적)는 6,500~8,000cm2/g이 바람직하다. 본 발명의 전체 배합재료 결합관계 내에서 위와 같은 수치범위의 분말도에서 그라우트재의 주입성, 급결성을 확보할 수 있다.
본 발명의 마이크로시멘트 조성비는, 배합재료에 포함되는 전체 구성들과 유기적으로 작용하게 되고, 마이크로시멘트의 조성비는 다른 구성들과의 결합관계를 고려하여 결정한다.
본 발명의 급결 그라우트재의 배합재료의 전체 조성비에서, 마이크로시멘트의 양을 48중량% 미만으로 사용할 경우 그라우트 내부 조직 간의 결합력이 약해 강도 및 내구성이 저하될 수 있고, 59중량%를 초과해서 사용할 경우 수화열에 의한 균열이 발생할 수 있고, 수축저감제에 의한 수축보상 효과가 부족할 수 있다.
본 발명에서 사용하는 포졸란 미분말은 천연 포졸란, 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 실리카 퓸 중 적어도 어느 하나를 사용할 수 있다.
포졸란 물질은 수화열을 감소시키고, 장기적으로 발현되는 잠재수경성에 의해 그라우트재 내부의 조직을 치밀하게 형성시켜, 장기강도, 내구성, 수밀성, 내부식성 및 내화학성 등을 향상시키며, 마이크로시멘트를 대체하는 만큼 이산화탄소 배출을 저감시키는 등의 효과를 발휘한다.
본 발명의 포졸란 미분말 조성비는, 배합재료에 포함되는 전체 구성들과 유기적으로 작용하게 되고, 포졸란 미분말의 조성비는 다른 구성들과의 결합관계를 고려하여 결정한다.
본 발명의 급결 그라우트재 배합재료의 전체 조성비에서 포졸란 미분말의 양을 14~24중량%를 포함한다. 포졸란 미분말의 양을 14중량% 미만으로 사용할 경우, 위와 같은 포졸란 물질에 의한 효과를 충분하게 얻기 어렵다.
따라서 본 발명의 배합재료 전체 조성비에서 포졸란 미분말의 양을 14중량% 이상으로 하는 것이 바람직한데, 다만, 포졸란 물질이 과다하게 포함될 경우, 포졸란 물질에 의해 초기 강도가 부족할 수 있고, 단위수량이 증가하며, 건조수축이 발생하는 문제가 있을 수 있으므로, 본 발명에서는 수축저감제를 2.6~4.2중량% 포함하면서, 포졸란 미분말의 양을 24중량% 이내로 함으로써 포졸란에 의한 효과를 극대화하면서, 포졸란에 의해 발생할 수 있는 건조수축을 방지하도록 한다.
포졸란 미분말의 분말도가 클수록 주입성, 충전성이 향상되고, 블리딩률, 수화열이 감소하는데, 본 발명에서는 이러한 성질을 고려하여 포졸란 미분말의 분말도는 6,000 ~ 8,000 cm2/g로 하는 것이 바람직하다.
포졸란 미분말의 분말도가 6,000cm2/g 미만일 경우, 포졸란에 의한 효과가 부족할 수 있고, 포졸란 미분말의 분말도가 8,000cm2/g 초과할 경우, 효과 대비 비용이 지나치게 상승하게 되므로 8,000cm2/g 이하가 바람직하다.
본 발명에서는 그라우트재의 급결성을 향상시키기 위해, 급결재 미분말을 사용한다. 본 발명의 급결재 미분말 조성비는, 배합재료에 포함되는 전체 구성들과 유기적으로 작용하게 되고, 급결재 미분말의 조성비는 다른 구성들과의 결합관계를 고려하여 결정한다.
본 발명의 급결 그라우트재 배합재료의 전체 조성비에서 급결재 미분말의 양을 5~14중량%를 포함한다. 급결재 미분말의 양을 5중량% 미만으로 사용할 경우, 본 발명에서 의도하는 급결성능을 확보하기 어렵고, 14중량%를 초과하게 되면, 과도한 응결 및 균열 발생의 문제가 발생할 수 있다.
다만 본 발명의 급결재 미분말은 각각의 특성을 지니는 두 가지를 혼합하여 사용하는데, CA(calcium aluminate)계 급결재와 석고 미분말을 혼합하여 사용하면서 그 혼합비율은 CA계 급결재 66~90중량%, 석고 미분말 10~34중량%로 혼합하여, 초기 급결성, 장기 강도, 내구성 등을 충분히 확보할 수 있도록 한다.
CA계 급결재에 의해 초기 급결성을 확실하게 확보하면서, 이와 유기적으로 결합된 석고 미분말에 의해 초기 급결성에 더하여 장기적인 강도를 보장할 수 있다.
CA계 급결재 66~90중량%, 석고 미분말 10~34중량%를 혼합하는 것이 바람직하고, 상기 조성비의 범위 내에서 CA계 급결재의 양과 석고 미분말의 양을 조절함으로써 필요로 하는 겔타임을 조절할 수 있다.
전체 배합재료에서 석고 미분말의 사용량이 상기 비율보다 적으면 장기 강도 발현성이 부족할 수 있고, 석고 미분말의 사용량이 34중량%를 초과하면, CA계 급결재의 양이 부족하여 본 발명에서 목표로 하는 초기 응결이 부족할 수 있다.
본 발명은 포졸란 미분말을 사용하면서 급결재로 석고 미분말을 포함하여 사용하는데, 포졸란 미분말과 석고가 함께 작용함으로써 강도 개선, 수화열 감소 등의 효과를 얻을 수 있다.
아울러, 석고는 그라우트재 내에서 물과 반응하여 수산화칼슘을 생성하면서 일정부분 팽창반응을 일으킨다. 석고의 팽창반응은 물과 만나서 무기물질을 생성하는 과정에서 나타나는데, 그라우트재 내에서 무기물질이 주입 초기에 생성됨으로써 건조수축 및 경화수축에 의한 체적의 감소를 보상하게 된다.
다만 석고 미분말은 CA계 급결재에 비해서는 초기 급결성이 떨어지므로 본 발명에서는 위와 같은 비율로 사용함으로써 초기 급결성 뿐만 아니라 장기 강도 및 내구성도 함께 향상시키도록 한다.
본 발명에서 사용하는 석고는 무수석고, 반수석고 및 이수석고 중 어느 하나를 사용할 수 있고, 이들 2종 이상을 혼합하여 사용할 수도 있다. 다만, 급결성 및 강도 측면에서 무수석고를 사용하는 것이 바람직하다.
급결재의 분말도는 다른 재료들과의 혼합 정도, 반응성, 급결성, 경제성 등을 고려하여 결정하는데, 6,500~9,000cm2/g이 바람직하다. 분말도 6,500cm2/g 이하에서는 본 발명에서 목표로 하는 급결성, 조기강도에 미치지 못할 수 있고, 9,000cm2/g을 초과하게 되면 효과 대비 경제성이 떨어지게 된다.
본 발명에서 사용하는 CA(calcium aluminate)계 급결재는, CaO 38~49중량%, Al2O3 23~40중량%, SO3 16~29 중량%, SiO2 3~6중량%, MgO 1.6~3중량%, Fe2O3 1.2~2 중량%를 포함한다.
CaO가 38중량% 미만일 경우 에트린가이트 생성이 부족하여 경화속도가 늦어지고, Al2O3 23중량% 미만일 경우, 급결성이 저하되고, 초기 강도가 저하되며, 에트린가이트 생성이 감소하여 체적이 감소하는 문제가 발생할 수 있다. SO3 성분이 29중량%를 초과하면 팽창량이 과도해질 우려가 있다.
그라우팅 후 그라우트재의 수축이 발생하게 되면, 수축에 의한 균열이 발생하게 되고, 이러한 균열에 의해 차수성, 내구성이 저하되는 문제가 발생할 수 있으므로, 본 발명에서는, 전체 배합재료와의 유기적인 작용에 의해 그라우트재의 수축을 충분히 보상할 수 있도록 하기 위해 수축저감제, 고성능감수제, 고성능유동화제를 포함하여, 수축문제를 해결한다.
본 발명에서는, 그라우트재의 건조수축을 감소시키고, 본 발명의 마이크로시멘트, 포졸란 미분말에 의한 단위수량 증가를 저감시키기 위해 수축저감제를 사용한다.
수축저감제의 양은 그라우트재 반죽의 주입성, 유동성 등을 고려할 뿐만 아니라 상기 석고 미분말의 팽창효과와 다른 재료를 모두 고려하여 결정한다. 본 발명의 급결 그라우트재 배합재료의 전체 조성비에서 수축저감제의 양을 2.6~4.2중량%를 포함한다.
수축저감제의 양을 2.6중량% 미만으로 사용할 경우, 위와 같은 효과가 충분하지 못할 수 있고, 수축저감제 4.2중량%를 초과하게 되면, 불필요하게 비용이 상승할 뿐만 아니라, 굳지 않은 그라우트재의 유동성이 저하될 우려가 있다.
본 발명에서는 재유화형 분말수지를 혼합하여, 그라우트재의 내부에 필름을 형성하여 조직을 치밀하게 하고, 휨강도, 지반 및 강관과의 부착강도를 향상시키며, 보수성이 개선되도록 하여 중성화, 염화물 침투, 동결융해 등에 대한 내구성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 급결 그라우트재 배합재료의 전체 조성비에서 재유화형 분말수지 11~18중량%를 포함한다.
재유화형 분말수지의 양을 11중량% 미만으로 사용할 경우, 내구성이나 부착강도의 발현이 불충분할 수 있고, 재유화형 분말수지의 양이 18중량%를 초과하게 되면, 불필요하게 비용이 상승할 뿐만 아니라, 굳지 않은 그라우트재의 유동성, 자기충전성이 저하될 우려가 있다.
본 발명에서는 단위수량을 감소하기 위해 고성능감수제를 사용하고, 본 발명의 급결 그라우트재 배합재료의 전체 조성비에서 고성능감수제의 양을 0.4~1.8 중량%를 포함한다. 고성능감수제의 양을 0.4중량% 미만으로 사용할 경우, 감수효과가 부족하고, 양호한 유동성을 얻기 어려우며, 고성능감수제 1.8중량%를 초과하게 되면, 강도 저하 문제가 발생할 수 있다.
소포제는 마이크로시멘트, 포졸란 미분말, 재유화형 분말수지 등을 혼합할 때 연행될 수 있는 기포를 감소시키고 그라우트재의 압축강도, 휨강도 저하를 방지하기 위해 사용한다.
본 발명의 급결 그라우트재 배합재료의 전체 조성비에서 소포제의 양을 0.1~0.2중량%를 포함한다. 소포제의 양을 0.1중량% 미만으로 사용할 경우, 기포 감소 효과가 충분하지 못하고, 소포제 0.2중량%를 초과하게 되면, 강도와 내구성에 악영향을 미칠 수 있다.
증점제는 그라우트재의 점성을 증가시키는 혼화제로 다른 구성들과 혼합하여 재료분리 저항성을 높이고, 그라우트재의 내구성을 향상시키기 위해 사용한다.
본 발명의 급결 그라우트재 배합재료의 전체 조성비에서 증점제의 양을 0.1~0.5중량%를 포함한다. 증점제의 양을 0.1중량% 미만으로 사용할 경우, 점성 증가 효과가 충분하지 못하고, 증점제가 0.5중량%를 초과하게 되면, 점성이 과도하여 유동성, 충전성에 악영향을 줄 수 있다.
본 발명에서는, 그라우트재에 유동성과 감수 기능을 부여하기 위해 고성능유동화제를 사용한다. 고성능유동화제는 분산작용에 의해 단위수량을 감소시키고, 적은 배합수로도 유동성이 향상되도록 하여 그라우트재의 내구성과 강도를 증진시킨다.
본 발명의 급결 그라우트재 배합재료의 전체 조성비에서 고성능유동화제의 양을 0.5~2중량%를 포함한다. 고성능유동화제의 양을 0.5중량% 미만으로 사용할 경우, 유동성 증대 및 감수효과가 부족하고, 고성능유동화제가 2중량%를 초과하게 되면, 강도 저하가 발생할 수 있다.
위에서 설명한 비율에 따라 배합재료가 혼합, 제조될 수 있고, 본 발명의 급결 그라우트재는 상기 배합재료에 배합수를 혼합하여 A액과 B액을 별도로 제조하되, 전체 배합재료 100중량부를 기준으로 배합수 32~52중량부를 혼합하여 제조한다.
배합수는 그라우트재를 비비고, 주입할 때 필요로 하는 유동성을 부여하고, 마이크로시멘트와의 수화반응을 위해 사용한다.
위와 같이 배합된 배합재료 100중량부를 기준으로 배합수 32중량부 미만일 경우에는 필요로 하는 주입성, 유동성, 자기충전성 등을 확보하기 어렵고, 52중량부를 초과하는 경우에는 건조수축 및 균열이 발생할 수 있으며, 내구성, 압축강도, 부착강도 등에 악영향을 초래할 수 있다.
본 발명의 급결 그라우트재의 물리적 특성을 평가하기 위하여, 표 1, 2(단위 : 중량%)과 같은 실시예 1, 2, 3 및 비교예 1, 2, 3의 배합을 실시하였다. 배합에 따른 재료적 특성을 검증하기 위해 6가지 모두에 대해 물/결합재비(물의 중량/(시멘트+포졸란)의 중량) 50중량%로 혼합하였다.
| 구 분 | 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 |
| 마이크로시멘트 | 48 | 53 | 56 |
| 고로슬래그 미분말 | 24 | 18 | 14 |
| CA 급결재 | 3.5 | 6 | 10 |
| 석고 미분말 | 1.5 | 3 | 4 |
| 수축저감제 | 3 | 3 | 3 |
| 재유화형 분말수지 | 18 | 15 | 11 |
| 고성능감수제 | 1 | 1 | 1 |
| 소포제 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
| 증점제 | 0.2 | 0.2 | 0.2 |
| 고성능유동화제 | 0.6 | 0.6 | 0.6 |
| 합 | 100 | 100 | 100 |
표 1에서, 실시예 1, 2, 3은 본 발명에 의한 배합재료를 적용한 것이고, 비교예 1은 CA계 급결재를 사용한 경우, 비교예 2는 석고 미분말을 사용한 경우, 비교예 3은 CA계 급결재와 석고 미분말을 사용하되, 둘의 합이 17중량%인 경우이다.
| 구 분 | 비교예1 | 비교예2 | 비교예3 |
| 1종 포틀랜드 시멘트 | 62 | 51 | 65 |
| 고로슬래그 미분말 | 30 | 30 | 14 |
| CA 급결재 | 4 | 0 | 12 |
| 석고 미분말 | 0 | 15 | 5 |
| 수축저감제 | 3 | 3 | 3 |
| 감수제 | 0.5 | 0.5 | 0.5 |
| 소포제 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 증점제 | 0.1 | 0.1 | 0.1 |
| 유동화제 | 0.3 | 0.3 | 0.3 |
| 합 | 100 | 100 | 100 |
KS F 2432(주입 모르타르의 컨시스턴시 시험방법) 및 KS F 4044(수경성 시멘트 무수축 그라우트)에 규정되어 있는 방법에 의해, 유하시험을 실시하고, 재령 12시간과 28일 압축강도를 측정하였으며, 부착강도는 KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험 방법)에 규정된 방법에 의해 측정하였고, 그라우트재의 수축 정도를 확인하기 위해, KS F 2424(모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험 방법)에 규정되어 있는 방법에 의해 재령 4주의 길이변화율(‘-’는 수축, ‘+’는 팽창을 나타내는 것이다)을 측정하고, 그 결과를 표 3에 나타내었다.
| 유하 시험 (초) |
12시간 압축강도 (MPa) |
28일 압축강도 (MPa) |
12시간 부착강도 (MPa) |
28일 부착강도 (MPa) |
길이변화율 (%) |
|
| 실시예1 | 18.8 | 31.2 | 40.4 | 1.8 | 2.8 | -0.003 |
| 실시예2 | 18.3 | 32.5 | 41.8 | 2.0 | 2.9 | -0.005 |
| 실시예3 | 18.2 | 32.6 | 42.5 | 1.9 | 2.9 | -0.006 |
| 비교예1 | 24.2 | 20.5 | 30.7 | 1.2 | 1.5 | -0.2 |
| 비교예2 | 23.4 | 22.5 | 33.5 | 1.1 | 1.6 | -0.09 |
| 비교예3 | 24.3 | 24.6 | 33.8 | 1.3 | 1.6 | -0.11 |
KS F 2432(주입 모르타르의 컨시스턴시 시험방법)에 규정된 깔때기(상단부 내경 70mm, 하단부 내경 10mm, 높이 420mm, 유출관의 길이 30mm) 속에 실시예 1, 2, 3 및 비교예 1, 2, 3에 의해 반죽된 그라우트재를 완전히 채우고, 그라우트재의 유출이 멈출 때까지 소요된 시간을 스톱워치로 측정(단위 : 초)하여 그라우트재의 컨시스턴시(consistency), 충전성을 확인하였다.
깔때기에 의한 유하 시험 결과, 그라우트재의 유출이 멈추는데, 실시예 1은 18.8초, 실시예 2는 18.3초, 실시예 3은 18.2초가 소요되어, 비교예 1, 2, 3(평균 약 24초)에 비해 약 20% 이상 충전성능이 우수한 것을 확인하였다.
따라서 위와 같은 급결 그라우트재를 사용하는 강관 동시주입 그라우팅 공법은, 그라우팅 주입압을 대폭 낮출 수 있다.
그라우팅시 주입압을 절감하는 특별한 효과는 본 발명의 배합재료에 포함된 구성들의 유기적인 결합 및 상호작용에 의해 유동성, 자기충전성 등이 향상된 결과로 얻을 수 있는 효과이다.
KS F 4044(수경성 시멘트 무수축 그라우트)에 규정된 방법으로 실시예 1, 2, 3과 비교예 1, 2, 3에 대해 재령 12시간과 28일 압축강도를 측정한 결과, 실시예 1, 2, 3은 본 발명과 다르게 급결재를 적용한 비교예 1, 2, 3에 비해 초기 강도 및 장기 강도에서 월등히 우수한 것을 확인할 수 있었다.
그라우트재의 바람직한 부착강도(접착강도)는 1.5MPa 이상이고, 보다 바람직하게는 1.7MPa 이상이다. KS F 2476(폴리머 시멘트 모르타르의 시험 방법)에 규정된 방법에 의해 실시예 1, 2, 3과 비교예 1, 2, 3에 대해 부착강도(접착강도)를 측정한 결과, 실시예 1, 2, 3 모두 소요 강도를 충분히 만족하는 것을 확인할 수 있었다.
KS F 2424(모르타르 및 콘크리트의 길이 변화 시험 방법)에 규정된 방법에 의해 실시예 1, 2, 3의 길이변화율을 측정한 결과, 실시예 1, 2, 3의 수축량이 극히 미미하여 실질적으로 수축이 발생하지 않는 정도인 것을 확인할 수 있었다.
상기 시험결과값들로부터 본 발명의 강관 동시주입 그라우팅 공법에 의한 그라우트재는 초기 강도, 부착강도, 주입성, 유동성, 자기충전성, 차수성 등이 우수하고, 경화 후 수축이 거의 발생하지 않는다는 것을 알 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
10. 강관
11. 제1구간 12. 제2구간
13. 제3구간 14. 제4구간
101. 주입공
20. 회수관
30. 코킹(caulking)
40. 패커
50. 스페이서
61. 제1주입관 601. 주입홀
62. 제2주입관 602. 주입홀
70. 그라우트재
1. 천공홀
11. 제1구간 12. 제2구간
13. 제3구간 14. 제4구간
101. 주입공
20. 회수관
30. 코킹(caulking)
40. 패커
50. 스페이서
61. 제1주입관 601. 주입홀
62. 제2주입관 602. 주입홀
70. 그라우트재
1. 천공홀
Claims (10)
- 터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법에 있어서,
가) 강관(10)을 가공하고, 강관(10) 내부에 복수 개의 패커(40) 및 복수 개의 주입관을 삽입하는 단계;
나) 지반을 천공하여 천공홀(1)을 형성하는 단계;
다) 상기 천공홀(1) 내부에 강관(10)을 삽입하는 단계;
라) 상기 천공홀(1) 입구를 코킹하는 단계;
마) 상기 복수 개의 주입관에, 배합재료와 배합수를 포함하는 급결 그라우트재를 동시에 주입하는 단계를 포함하고,
상기 배합재료는, 마이크로시멘트 48~59 중량%; 포졸란 미분말 14~24 중량%; 급결재 미분말 5~14 중량%; 수축저감제 2.6~4.2 중량%; 재유화형 분말수지 11~18 중량%; 고성능감수제 0.4~1.8 중량%; 소포제 0.1~0.2 중량%; 증점제 0.1~0.5 중량%; 고성능유동화제 0.5~2 중량%를 포함하고,
상기 급결재 미분말은 CA계 급결재 66~90중량%, 석고 미분말 10~34중량%를 포함하는
터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법. - 삭제
- 제1항에 있어서,
상기 CA계 급결재는, CaO 38~49중량%, Al2O3 23~40중량%, SO3 16~29 중량%, SiO2 3~6중량%, MgO 1.6~3중량%, Fe2O3 1.2~2 중량%를 포함하는
터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 마이크로시멘트의 분말도는 6,500~8,000cm2/g인 것을 특징으로 하는
터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 급결재 미분말의 분말도는 6,500~9,000cm2/g 인 것을 특징으로 하는
터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 포졸란 미분말은 천연 포졸란, 고로슬래그 미분말, 플라이애시, 실리카 퓸 중 적어도 어느 하나이고,
상기 포졸란 미분말의 분말도는 6,000~8,000cm2/g인 것을 특징으로 하는
터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 강관(10)의 일단에는 회수관(20)이 결합된 상태로 천공홀에 삽입되고,
상기 회수관(20)은 급결 그라우트재 경화 후 터널 굴착 시 제거되는 것을 특징으로 하는
터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 패커(40)는 4개가 간격을 두고 강관(10) 내부에 구비되고,
상기 4개의 패커(40)에 의해 강관(10) 내부가, 제1구간(11), 제2구간(12), 제3구간(13), 제4구간(14)로 나뉘어지고,
상기 주입관은 제1주입관(61) 및 제2주입관(62)으로 구비되어,
상기 제1주입관(61)에 의해 상기 제1구간(11) 및 제2구간(12)에 급결 그라우트재가 주입되고, 상기 제2주입관(62)에 의해, 상기 제3구간(13) 및 제4구간(14)에 급결 그라우트재가 주입되는 것을 특징으로 하는
터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 강관(10)의 외면에는 복수 개의 스페이서(50)가 구비되는 것을 특징으로 하는
터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법. - 제1항 또는 제3항에 있어서,
상기 급결 그라우트재는, 상기 마이크로시멘트와 배합수를 혼합한 A액과 상기 포졸란 미분말; 급결재 미분말; 수축저감제; 재유화형 분말수지; 고성능감수제; 소포제; 증점제; 고성능유동화제와 배합수를 혼합한 B액으로 나뉘어 제조 및 공급되고, 공급되면서 합류 및 혼합되어 주입되는 1.5shot 방식으로 주입되는 것을 특징으로 하는
터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230009306A KR102531968B1 (ko) | 2023-01-25 | 2023-01-25 | 터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020230009306A KR102531968B1 (ko) | 2023-01-25 | 2023-01-25 | 터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR102531968B1 true KR102531968B1 (ko) | 2023-05-12 |
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| KR1020230009306A KR102531968B1 (ko) | 2023-01-25 | 2023-01-25 | 터널 시공을 위한 강관 동시주입 그라우팅 공법 |
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-
2023
- 2023-01-25 KR KR1020230009306A patent/KR102531968B1/ko active IP Right Grant
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