KR20030065036A

KR20030065036A - 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법

Info

Publication number: KR20030065036A
Application number: KR1020020005179A
Authority: KR
Inventors: 정종주
Original assignee: 김진춘; 정종주
Priority date: 2002-01-29
Filing date: 2002-01-29
Publication date: 2003-08-06
Also published as: KR100475416B1

Abstract

본 발명에 따른 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법은, 지반 보강 대상의 지반에 강관 삽입을 위한 다수의 구멍을 천공하는 단계; 강관 몸체에 주입재의 지반내로의 토출을 위한 다수의 주입공을 천공하는 단계; 천공된 다수의 주입공에 주입재의 지반내로의 균일한 토출을 위한 주입밸브를 조립하는 한편 강관의 외주면에 강관과 상기 지중에 천공된 구멍 내면과의 적정 간격 유지를 위한 다수의 스페이서를 설치하는 단계; 지반에 천공된 다수의 구멍에 상기 주입밸브 및 스페이서가 설치된 강관을 삽입하는 단계; 강관이 삽입된 구멍에 보조재 주입용 호스를 삽입한 후, 구멍의 입구를 코킹하는 단계; 보조재 주입용 호스를 통해 보조재를 주입하여 상기 강관 주변의 구멍 내부의 공간에 보조재를 충전하는 단계; 강관의 내부에 MSG 주입재 주입용 패커를 설치하는 단계; 및 패커를 이용하여 MSG 주입재를 주입하여 그라우팅을 완료하는 단계를 포함한다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 밸브를 구비한 강관을 삽입하여 주입재를 주입하므로, 토사나 이물질 및 주입재 등의 강관 내부로의 유입 및 주입공 막힘을 방지할 수 있고, 마이크로계 분체를 현탁액형으로 사용하기 때문에 세립질 모래 지반은 물론 점토질이 소량 함유된 점토질 모래지반 및 암반의 헤어 크랙까지도 주입재를 균일하게 침투시킬 수 있는 장점이 있다.

Description

강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법{Micro silica grouting method reinforced with a steel pipe}

본 발명은 마이크로 실리카 그라우팅(micro silica grouting) 공법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 대상 지반을 천공하여 강관을 설치한 후, 그 강관을 주입관으로 이용하여 마이크로 실리카 그라우팅 주입재를 그라우팅함으로써 주변의 지반을 고결시키고, 강관의 매몰에 따른 강성의 증대로 터널 굴착 시 갱구부 및 막장의 안정, 천단부의 붕괴방지 및 용수를 효율적으로 처리할 수 있는 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법에 관한 것이다.

일반적으로, 터널공사에서 토사지반의 지반보강 및 누수방지, 암반의 균열에 대한 보강공사를 할 때에는 다수의 주입공이 천공된 강관을 지반에 천공된 구멍에 삽입한 후에 상기 강관의 내부로 주입재를 일정한 압력으로 강제로 주입하여 강관의 주입공을 통하여 주입재를 토출시켜 지반의 균열된 틈새를 충전시키는 그라우팅 공법이 널리 사용되고 있다.

그러나, 상기와 같은 공법은 강관을 지반에 천공된 구멍에 삽입할 때 토사나 이물질이 강관에 천공된 다수의 주입공을 통해 강관 내부로 유입되거나, 주입재의 주입시 근접한 강관 내부로 주입재가 침투되어 근접 강관의 주입공이 막히는 등의 문제점이 있다.

따라서, 이에 대한 대책으로 근래에는 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 강관(101)의 주위에 테이프(102)를 부착하고, 강관(101) 내부로 일정압력 이상으로 주입재를 주입시킴으로써 주입공(101h)에 부착되어 있던 테이프(102)가 떨어지면서 주입공(101h)을 통해 주입재가 지반에 침투되도록 하는 그라우팅 방법을 사용하고 있다. 그러나, 이와 같은 방법은 강관(101)의 외주면에 부착된 테이프(102)가 떨어질 경우 토사 등 이물질이 주입공(101h)을 통해 강관(101)의 내부로 유입되거나, 테이프(102)에 의해 주입공(101h)이 막히는 문제점이 있다. 또한, 주입재를 일정한 압력으로 강관(101)의 내부에 주입시킬 때, 강관(101)에 부착되어 있던 테이프 (102)가 불규칙적으로 떨어져 주입재를 강관(101) 주변의 지반으로 균일하게 주입할 수 없는 문제점과, 주입재의 주입시 마찬가지로 근접한 강관의 내부로 주입재가 침투되어 근접 강관의 주입공이 막히는 사태를 근본적으로 해결할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 이상과 같은 종래 그라우팅 공법상에서의 문제점을 해소하기 위하여 창출된 것으로서, 마이크로 복합 실리카의 주입재와 강관을 이용하여 지반의 미세한 공극 및 암반의 헤어 크랙 부분까지 주입재를 균일하게 침투시킬 수 있는 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법을 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 연약지반 보강을 위한 그라우팅 방법의 일 예를 보여주는 도면.

도 2는 종래 연약지반 보강을 위한 그라우팅 방법의 다른 예를 보여주는 도면.

도 3은 본 발명에 따른 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅(MSG) 공법에 따라 천공장비를 이용하여 지반에 구멍을 천공하는 과정을 보여주는 도면.

도 4는 도 3의 천공작업에 의해 천공된 지반 내의 구멍에 그라우팅용 강관을 삽입한 상태를 보여주는 도면.

도 5는 도 4의 강관 삽입 후, 보조재 주입용 호스를 삽입하고, 입구를 코킹한 상태를 보여주는 도면.

도 6은 도 5의 코킹작업 완료 후, 보조재를 주입하는 과정을 보여주는 도면.

도 7은 도 6의 보조재 주입 완료 후, MSG 주입재의 주입을 위한 패커를 강관 내에 설치한 상태를 보여주는 도면.

도 8은 도 7의 패커 설치 후, 패커를 이용하여 MSG 주입재를 주입하는 과정을 보여주는 도면.

도 9는 본 발명에 따른 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅(MSG) 공법에 사용되는 강관의 주입공에 조립되는 주입밸브의 분해사시도.

도 10은 도 9의 주입밸브가 강관의 주입공에 조립된 상태에서의 단면도.

도 11은 본 발명에 따른 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅(MSG) 공법에 있어서의 다단 그라우팅의 개요를 보여주는 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

101,401...강관 101h,401h...주입공

102...테이프 301...천공장비

402...스페이서 501...보조재 주입용 호스

502...공기배출 및 보조재 충전 확인용 호스 503...천

701...주입재 주입용 패커 900...주입밸브

910...밸브 911...이탈방지구

920...밸브케이스 921...나사부

922...이탈방지홈 923...요홈

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법은,

지반 보강 대상의 지반에 소정 직경의 다수의 구멍을 상호 소정 간격 이격하여 천공하는 단계;

소정 직경의 강관 몸체에 주입재의 지반내로의 토출을 위한 다수의 주입공을 소정 간격으로 천공하는 단계;

상기 천공된 다수의 주입공에 주입재의 지반내로의 균일한 토출을 위한 주입밸브를 조립하는 한편 강관의 외주면에 강관과 상기 지중에 천공된 구멍 내면과의 적정 간격 유지를 위한 다수의 스페이서를 설치하는 단계;

상기 지반에 천공된 다수의 구멍에 상기 주입밸브 및 스페이서가 설치된 강관을 각각 삽입하는 단계;

상기 강관이 삽입된 구멍에 보조재 주입용 호스를 삽입한 후, 구멍의 입구를 코킹(calking)하는 단계;

상기 보조재 주입용 호스를 통해 보조재를 주입하여 상기 강관 주변의 구멍 내부의 공간에 보조재를 충전하는 단계;

상기 강관의 내부에 마이크로 실리카 그라우팅 주입재의 주입을 위한 패커를 설치하는 단계; 및

상기 패커를 이용하여 마이크로 실리카 그라우팅 주입재를 주입하여 그라우팅을 완료하는 단계를 포함하는 점에 그 특징이 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.

도 3 내지 도 8은 본 발명에 따른 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법에 따라 그라우팅을 실시하는 과정을 순차적으로 보여주는 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법에 따라 먼저 지반 보강 대상의 지반에 특수제작된 천공장비(301)를 이용하여 소정 직경의 다수의 구멍을 상호 소정 간격 이격하여 천공하게 된다. 이때, 마이크로 실리카 그라우팅(이하 MSG로 칭함)공법 적용을 위한 플랜트 설치, 시공위치에의 기계기구설치, 천공장비 위치선정 및 천공각도 조정 등의 작업이 사전에 먼저 이루어진다.

지반에의 구멍 천공작업이 완료되면, 소정 직경의 강관(401)(도 4 참조) 몸체에 주입재의 지반내로의 토출을 위한 다수의 주입공(401h)을 소정 간격으로 천공한다. 그리고, 그 천공된 다수의 주입공(401h)에 주입재의 지반내로의 균일한 토출을 위한 주입밸브(900)(도 9 참조)를 조립하는 한편 강관(401)의 외주면에 강관 (401)과 상기 지중에 천공된 구멍 내면과의 적정 간격 유지를 위한 다수의 스페이서(spacer)(402)를 설치한다. 이때, 상기 강관(401)에 천공된 주입공(401h)에 조립되는 주입밸브(900)는 도 9에 도시된 바와 같이, 테이퍼 가공된 몸체면에 이탈방지구(911)가 형성되어 있는 밸브(910)와, 테이퍼형으로 가공된 내주면에는 주입재의 토출을 위한 요홈(923)이 형성되고, 외주면에는 강관에의 나사결합을 위한 나사부 (921) 및 상기 이탈방지구(911)에 상응하는 이탈방지홈(922)이 각각 형성되어 있는 밸브케이스(920)로 구성되며, 밸브(910)가 밸브케이스(920)에 조립된 상태의 주입밸브 조립체가 도 10에 도시된 바와 같이, 강관(401)의 주입공(401h)에 조립되는 것이다. 여기서, 이상과 같은 주입밸브(900)에 대해서는 본 출원인과 동일 출원인에 의해 선출원되어 등록된 실용신안등록번호 제20-0212412호에 상세하게 개시되어 있는 바, 따라서 여기에서는 더 이상의 설명을 생략한다.

이렇게 하여 강관(401)에 주입밸브(900) 및 스페이서(402)의 설치가 완료되면, 그 강관을 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 지반에 천공된 다수의 구멍에 각각 삽입한다. 그리고, 도 5에 도시된 바와 같이, 강관(401)이 삽입된 구멍에 보조재 주입용 호스(501)와, 공기배출 및 보조재 충전 확인용 호스(502)를 삽입한 후, 구멍의 입구를 코킹한다. 이때, 입구에서 약간 안쪽의 일정 부위까지는 부직포 등의 천(503)으로 먼저 메우고, 그곳으로부터 입구까지는 급결시멘트 등을 사용하여 코킹한다. 여기서, 이와 같이, 구멍입구를 천조각으로 메우고 급결시멘트로 코킹하는 이유는 후술되는 보조재(실링재)의 주입시 주입된 보조재(실링재)가 구멍밖으로 흘러나오는 것을 막기 위한 것이다.

보조재 주입용 호스(501) 및 구멍입구의 코킹이 완료되면, 도 6에 도시된 바와 같이, 보조재 주입용 호스(501)를 통해 보조재(실링재)를 주입하여 상기 강관 주변의 구멍 내부의 공간에 보조재(실링재)를 충전한다. 여기서, 이와 같이 보조재를 충전하는 이유는 강관(401) 주변의 구멍 내부의 공간을 보조재(실링재)로 충전하여 그 공극부분을 메우기 위한 것이다. 이때, 사용되는 보조재(실링재)로는 일반 시멘트와 벤토나이트(bentonite)를 소정 비율로 배합한 혼합물이 사용된다.

그런 후, 도 7에 도시된 바와 같이, 강관(401)의 내부에 MSG 주입재의 주입을 위한 패커(packer)(701)를 설치하고, 도 8에 도시된 바와 같이, 그 패커(701)를 이용하여 MSG 주입재를 주입하여 그라우팅을 완료한다. 이때, 패커(701)를 일정 거리만큼씩 강관(401)의 외부로 인출시키면서 그라우팅을 실시한다.

이상과 같은 그라우팅에 있어서, 상기 도 8의 경우는 1단 그라우팅 방법의 경우를 나타낸 것으로서, 이는 지하수가 적은 암반층에서 불연속면의 크랙 봉합과 터널 굴착면 암반층의 표피가 적은 경우 강관에 의한 상부 지반의 상재하중 분산 및 경감, 아칭(arching) 효과의 기대 목적으로 적용된다. 이때, 사용되는 MSG 주입재로는 MSG-N(완결 고강도형) 분체 750kg에 물 500ℓ를 혼합한 현탁액이 사용된다. 여기서, 상기 MSG 재료는 초미립자 시멘트(CaO,SiO₂), 포틀란계 초미립자 실리카(SiO₂), 분산제(폴리카르복실계), 겔타임조정제(무기염류) 및 무수규산(nNa₂Oㆍ SiO₂)을 각각 소정 비율로 배합한 분말상태의 혼합물이다. 그리고, 이상과 같은MSG 재료는 그 특성에 따라 MSG-SE(초급결 고강도형), MSG-E(급결 고강도형), MSG-N(완결 고강도형), MSG-R(초완결 중강도형) 등으로 분류된다.

한편, 도 11은 다단 그라우팅 방법의 경우를 보여주는 것으로서, 이는 용수가 많고 굴착암반에 절리가 발달되어 풍화가 매우 심한 지층 또는 터널 상부 암반층의 두께가 두껍지 않은 곳에서 상재하중의 분산 및 경감, 아칭 효과에 따른 터널 굴착시의 지반변형을 감소시키고, 지하수 탈수 등으로 인한 주변지반의 변형 및 침하 등을 방지하기 위한 목적으로 적용된다.

이와 같은 다단 그라우팅 방법의 적용에 있어서, 주입되는 주입재는 상기 1단 그라우팅 방법 적용시의 주입재와 다르다. 즉, 상기 1단 그라우팅 방법 적용시에는 한 가지 주입재가 사용되는 것에 반해, 이 다단 그라우팅 방법 적용시에는 A액(규산소다 200ℓ+ 물300ℓ)과 B액(MSG-N 200kg + 물 436ℓ)의 두 가지 주입재가 사용된다.

그러면, 이상과 같은 MSG 주입재가 강관의 주입공을 통해 지반 내로 그라우팅되는 과정에 대해 간략히 설명해 보기로 한다.

강관(401)의 내부로 주입재를 일정 압력(예컨대, 약 4~10 kg/㎠) 이상으로 연속해서 주입하면, 강관(401)의 내부가 주입재의 주입압력에 의해 팽창되어 밸브케이스(920)에 결합되어 있는 밸브(910)가 강관(401)의 외측 반경방향으로 밀리게 된다. 즉, 밸브(910)는 외주연 양측에 형성된 이탈방지구(911)가 밸브케이스(920)의 외주연 양측에 형성된 이탈방지홈(922)에 결합되어 있으므로, 이탈방지구(911)의 탄성력을 받으면서 밸브(910)가 일정 거리만큼 밸브케이스(920)의 외부로 압출력을 받게 되는 것이다. 이에 따라, 밸브케이스(920)의 내면부를 따라 종방향으로 형성되어 있는 주입재 토출용 요홈(923)의 내측 단부가 강관(401)의 내부와 연통되고, 그 통로를 따라 강관(401) 내부의 주입재는 강한 압력으로 주입밸브(900) 외부로 토출되어 대상 지반에 침투된다.

이상과 같은 일련의 과정에 있어서, 주입재의 주입작업이 연속적이지 못하여 주입재의 주입압력이 약해지거나 소멸되면, 강관(401)의 외측으로 밀려 있던 밸브 (910)는 이탈방지구(911)의 탄성력에 의해 다시 원상 복귀되어 상기 요홈(923) 통로 및 밸브케이스(920)를 밀폐하게 되며, 그에 따라 주입재는 더이상 강관(401) 외부로 토출됨없이 강관(401) 내부에 머무르게 되어, 주입재가 원하지 않게 경화되는 것이 방지된다.

이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법은 대상지반에 천공된 다수의 구멍에 밸브를 구비한 강관을 삽입하여 주입재를 주입하므로, 토사나 이물질 및 주입재 등이 강관의 주입공을 통하여 강관 내부로 유입되는 것과, 그와 같은 토사나 이물질 및 주입재로 인하여 주입공이 막히는 것을 방지할 수 있는 장점이 있다. 그리고, 주입밸브를 통하여 주입재를 주입하므로 지반의 미세한 공극 및 암반의 헤어 크랙 부분까지 주입재를 균일하게 침투시킬 수 있는 장점이 있다. 또한, 최대 입경 10㎛ 이하의 마이크로계 분체를 현탁액형으로 사용하기 때문에 세립질 모래 지반은 물론 점토질이 소량 함유된 점토질 모래지반 및 암반의 헤어 크랙까지도 주입재를 침투시킬 수 있는 장점이 있다. 또한,MSG 약액의 호모겔 고결체는 고강도가 발현되고, 장기재령에서도 시편변형이 적기 때문에 내구성이 우수하고, 지하수에 의한 알칼리 용탈이 적어 pH 상승이 낮고, 식생환경에 미치는 영향이 적어 환경적인 안정성이 높다.

이상과 같은 본 발명의 MSG 그라우팅 공법은 도로 근접건물의 방호, 도심지 터널, 산아터널, 해저 터널, 복합대단면의 터널, 교량 및 건물하부 통과 터널, 지하구조물의 Underpinning, 사면보호 등의 공사에 두루 적용될 수 있으며, 고침투, 고강도, 고내구성 및 친환경성의 지반 보강 및 터널 굴착보호 공법으로 시공이 가능하다.

Claims

(a) 지반 보강 대상의 지반에 소정 직경의 다수의 구멍을 상호 소정 간격 이격하여 천공하는 단계;

(b) 소정 직경의 강관 몸체에 주입재의 지반내로의 토출을 위한 다수의 주입공을 소정 간격으로 천공하는 단계;

(c) 상기 천공된 다수의 주입공에 주입재의 지반내로의 균일한 토출을 위한 주입밸브를 조립하는 한편 강관의 외주면에 강관과 상기 지중에 천공된 구멍 내면과의 적정 간격 유지를 위한 다수의 스페이서를 설치하는 단계;

(d) 상기 지반에 천공된 다수의 구멍에 상기 주입밸브 및 스페이서가 설치된 강관을 각각 삽입하는 단계;

(e) 상기 강관이 삽입된 구멍에 보조재 주입용 호스를 삽입한 후, 구멍의 입구를 코킹(calking)하는 단계;

(f) 상기 보조재 주입용 호스를 통해 보조재를 주입하여 상기 강관 주변의 구멍 내부의 공간에 보조재를 충전하는 단계;

(g) 상기 강관의 내부에 마이크로 실리카 그라우팅(MSG) 주입재의 주입을 위한 패커를 설치하는 단계; 및

(h) 상기 패커를 이용하여 마이크로 실리카 그라우팅(MSG) 주입재를 주입하여 그라우팅을 완료하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법.
제 1항에 있어서,

상기 단계 (f)에서의 보조재는 일반 시멘트와 벤토나이트(bentonite)를 소정 비율로 배합한 혼합물인 것을 특징으로 하는 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법.
제 1항에 있어서,

상기 단계 (h)에서의 마이크로 실리카 그라우팅(MSG) 주입재로는 MSG-N(완결 고강도형) 분체 750kg에 물 500ℓ, 또는 MSG-N 분체 200ℓ에 물 436kg, 또는 규산소 200ℓ에 물 300ℓ 중에서 선택적으로 혼합한 현탁액이 사용되는 것을 특징으로 하는 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법.
제 3항에 있어서,

상기 MSG 재료는 초미립자 시멘트(CaO,SiO₂), 포틀란계 초미립자 실리카 (SiO₂), 분산제(폴리카르복실계), 겔타임조정제(무기염류) 및 무수규산(nNa₂Oㆍ SiO₂)을 각각 소정 비율로 배합한 혼합물인 것을 특징으로 하는 강관 보강 마이크로 실리카 그라우팅 공법.