KR20050037911A

KR20050037911A - 다중 고압분사 압밀 다짐 그라우팅 공법 및 장치

Info

Publication number: KR20050037911A
Application number: KR1020030073195A
Authority: KR
Inventors: 문동춘; 곽수정
Original assignee: 한미기초개발주식회사; 문동춘
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2005-04-25

Abstract

본 발명은, 연약지반의 지중 개량이나 차수벽(遮水壁) 그리고 사면활동과 지반침하 방지, 건축구조물의 복원 등에 적용되는 다중 고압분사 압밀다짐 그라우팅(JCG, Multi-Jet Compaction Grouting) 공법 및 그 장치에 관한 발명이다. 본 발명에서는 2중 이상의 다중 관을 동심원상으로 설치한 로드를 채택하여, 최 내측 로드를 통해서는 슬럼프치가 낮은 시멘트몰탈 등의 보강충전재를 지중에 압밀하고, 그 외측 로드의 관벽 양측에 상하 길이 방향으로 다수 개의 노즐을 형성하여 시멘트 현탁액을 고압으로 분사하며, 필요에 따라 상기 시멘트 현탁액 공급 로드 외측에 별도의 로드를 설치하여 고압의 공기를 분사함으로써, 지중에 보강충전재가 채워질 유도공간을 형성하며, 특히 로드를 지중에 천공된 구멍의 상하 길이 방향으로 이동시키거나, 또는 로드의 상하 길이 방향 중심축을 중심으로 20??범위 내에서 요동시키면서 구멍의 길이 방향으로 이동시켜, 지중의 원하는 부분에 원하는 형상으로 유도공간을 형성함으로써, 지중에 압밀되는 보강충전재가 지중에 천공되는 구멍의 단면 중앙부에서는 대략 원형 단면의 파일로 형성되고, 원형 단면 파일의 양측 날개부에는 판상의 파일로 형성되므로, 인접하여 시공되는 보강충전재의 판상의 파일이 연속하여 서로 중첩되는 형태로 시공될 수 있고, 그 결과 1열 시공으로 완벽한 차수벽 형성이 가능하여, 기존의 2열로 시공되던 콤팩션 그라우팅 공법 등에 비하여 공사비 절감과 공기 단축 및 지반의 종류에 관계없이 범용으로 적용할 수 있는 작용효과를 가지게 된다.

Description

다중 고압분사 압밀 다짐 그라우팅 공법 및 장치{METHOD AND APPARATUS OF MULTI-JET COMPACTION GROUTING, JCG}

본 발명은, 연약지반의 지중 개량이나 사면활동과 지반침하의 방지, 건축구조물의 복원, 특히 지중에 차수벽을 설치하는데 유용하게 적용될 수 있는 다중 고압분사 압밀다짐 그라우팅(JCG, Multi-Jet Compaction Grouting) 공법 및 그 장치에 관한 것이며, 서로 착탈 될 수 있도록 결합되는 2중 또는 3중 이상의 다중 관을 동심원상으로 배치한 로드를 채택하여, 최 내측 로드를 통해서 슬럼프치가 낮은 시멘트몰탈 등의 보강충전재(그라우트)를 지중에 압밀하고, 그 외측 로드의 관벽에 로드의 상하 길이 방향으로 다수 개의 노즐을 형성하여 상기 노즐을 통하여 시멘트 현탁액을 고압으로 분사하며, 필요에 따라 시멘트 현탁액 공급로드의 외측에 별도의 고압 공기 공급로드를 설치하여 상기 고압 공기 공급로드의 관벽에 형성되는 노즐을 통하여 고압의 공기를 분사하는 한편, 상기 다중 관으로 되는 로드를 회전시키지 않고 구멍의 상하 길이방향으로 이동시키거나 또는 수평방향에서 0~20??범위 내에서 시계방향 및 반시계방향으로 요동시키면서 구멍의 상하 길이 방향으로 이동시킴으로써 지중의 원하는 부분에 원하는 형상의 시멘트밀크 주입 및 유도공간을 형성하여, 지중에 압밀되는 보강충전재가 천공된 구멍의 중앙부에서는 대략 원형 단면의 파일로 형성되고, 원형 단면 파일의 양측 날개부에서는 판상의 파일로 형성되므로, 인접하여 시공되는 보강충전재의 판상의 파일이 서로 연속하여 중첩되는 형태로 시공될 수 있고, 그 결과 1열 시공으로 완벽한 차수벽 형성이 가능할 뿐만 아니라, 연약지반의 개량 효과와 구조물의 침하방지 효과를 동시에 추구할 수 있는 다중 고압분사 압밀 다짐 그라우팅 공법 및 장치에 관한 발명이다.

종래의 지중 개량 및 차수벽 형성 기술로서, 대한민국 등록특허공보 등록번호 특0155195호에 기재된 바와 같이, "개량하고자 하는 지중 부분을 천공하고, 주입관을 통하여 고압으로 그라우트를 주입하는 콤팩션 그라우팅(CGS) 기술"이 알려져 있었으나, 위와 같은 콤팩션 그라우팅 기술은 그라우트의 고압 주입에 의하여 지반의 종류에 따라 지반에 미세 크랙이 발생하는 등 지반의 조직 구조를 무리하게 파괴할 우려가 있고, 또한 조밀한 화강암질 지반의 경우 그라우트의 압밀 주입이 곤란하므로 지반의 종류에 따라 시공에 제한을 받으며, 특히 차수 목적으로 시공할 경우에는 형성되는 파일의 단면 형상이 불규칙하여 차수가 되지 않는 미 충전부가 발생할 수 있으며, 또 위와 같은 누수 현상을 방지하기 위해서는 차수벽의 중복도를 높여 2열 이상으로 시공해야 하는 경제적인 문제점도 있었다.

그리고 대한민국 공개특허공보 공개번호 특2003-0024723호의 "제트 그라우팅 파일 공법"에서와 같이, 제트류를 연약 지반에 회전 분사하면서 분사관을 통하여 그라우트를 분사하여 원형단면을 갖는 원주상의 고결체를 형성하는 기술이 알려져 있었으나, 고압의 제트류를 회전시키면서 그라우트 유도공간을 형성하므로 불필요하게 지중의 개량공간이 확대되는 만큼 지상으로 배출되는 이수의 발생이 많아 이를 처리해야 하는 문제점과 또 위 공법을 차수벽에 적용할 경우 시공시간이 많이 소요되고 시공 개소가 많아지는 문제점도 있었다.

그 외에도 종래기술로서 약액주입공법이 알려져 있었으나, 주입된 약액이 지중을 유동하는 지하수 등에 의해 희석되거나 지반으로 스며들어 원하는 형태의 고결체를 얻을 수 없고, 또 약액은 시간이 경과함에 따라 용탈되어 강도가 저하되는 문제점도 있었다.

본 발명은, 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 보강충전재를 연약지반의 시공 위치에 강력하게 압밀할 수 있으므로 설계 강도를 충분히 만족시키는 고결체 파일을 형성할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 로드의 관벽 양측을 통하여 고압의 시멘트 현탁액과 공기를 분사하되, 이를 설정된 방향 및 각도 범위 내에서 분사하여 지중의 원하는 부분에만 유도공간을 형성할 수 있으므로 매우 경제적이면서도 품질이 우수한 시공을 달성할 수 있도록 하는데 목적이 있다.

이하에서는 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은, 본 발명의 다중 고압분사 압밀 다짐 그라우팅 공법 및 장치에 적용되는 장비와 그 시공 상태를 개략적으로 나타낸 도면이며, 지중에 천공되는 구멍에 동심원 상으로 결합되는 다수의 관으로 되는 로드(1)가 로드 지지 및 회전 장치(5)로 지지되고, 상기 로드(1)를 이루는 다중 관의 각 통로를 통하여, 슬럼프치가 0에 가깝거나 적어도 5이하로 낮은 시멘트몰탈 등의 보강충전재와, 물에 시멘트를 배합한 시멘트 현탁액과 같은 액체와, 공기를 각각 보강충전재 펌프(2)와 시멘트 현탁액 펌프(3) 그리고 공기 압축기(4)로 지중의 시공 위치에 고압으로 공급하며, 위와 같이 고압으로 공급되는 보강충전재는 로드(1)의 최 내측에 설치되는 보강충전재 공급로드의 하측 출구 선단을 통해 지중에 압밀 충전되고, 시멘트 현탁액과 공기는 다중 관으로 되는 로드(1) 선단의 양쪽 측벽에서 노즐을 통하여 고압으로 분사되어 지중에 보강충전재가 채워질 유도 공간을 형성하며, 지반의 종류에 따라 압축 공기의 분사는 생략할 수도 있다. 그 외에 시멘트 현탁액 및 공기 분사노즐의 구조 및 배치와 다중 관으로 되는 로드(1)의 이송 및 요동에 대하여는 다음의 도 2 및 도 3을 통하여 구체적으로 설명한다.

도 2는, 본 발명에 적용되는 다중 관으로 되는 로드(1)의 선단부를 상하 길이 방향의 단면으로 나타낸 도면이고, 도 3은 도 2의 A-A선 단면도인데, 로드(1)는 제일 안쪽에 보강충전재가 고압으로 공급되는 보강충전재 공급로드(7)와 그 바깥쪽에 시멘트 현탁액이 공급되는 로드(8), 그리고 고압 공기가 공급되는 로드(9)가 동일 중심축(O')에 대하여 동심원 상으로 착탈 가능하며 일체로 이동 가능하도록 설치되고, 지중의 유도공간에 압밀되는 보강충전재는 지상의 보강충전재 펌프(2)에 의하여 가압되어 보강충전재 공급로드(7)의 최 하측 출구 선단을 통해 주입되고, 시멘트 현탁액 역시 지상에 설치되는 시멘트 현탁액 펌프(3)에 의하여 가압되어 시멘트 현탁액 공급로드(8)를 통하여 시멘트 현탁액 공급로드(8)의 양쪽 측벽에 형성된 시멘트 현탁액 분사노즐(10)을 통해 지중의 절삭할 위치로 분사되며, 고압 공기는 지상의 공기 압축기(4)에서 가압되어 고압 공기 공급로드(9)를 지나 공기 분사노즐(11)을 통하여 분사된다.

이때 상기 시멘트 현탁액 분사노즐(10)과 고압 공기 분사노즐(11)은, 도 2에 도시된 바와 같이 로드(1)의 양측 표면에 상하 길이 방향으로 다수 개 형성되며, 이때 중간부에 위치하는 노즐에 의해 지반 절삭이나 제거가 곤란한 호박돌의 뒷부분 등에 대해서는 중간 노즐 쪽으로 경사지게 형성되는 상·하 노즐에서 분사되는 시멘트 현탁액과 고압의 공기에 의해서 쉽게 절삭되어 효율적인 유도공간의 형성이 가능하도록 한다. 상기 노즐(10)(11)은 도 2에 도시된 바와 같이 로드(1)의 중간과 상·하의 3개 위치에 형성될 수 있고, 지반의 종류나 작업 성격에 따라 다중 관으로 되는 로드(1)의 표면에 상하 길이 방향으로 2개 또는 그 이상의 위치에 노즐을 형성할 수 있으며, 시멘트 현탁액 분사노즐(10)을 중심으로 그 둘레에 고압공기 분사노즐(11)이 형성되는 것이 바람직하나, 상기 2개의 노즐의 설치위치를 서로 바꾸어도 무방하다. 또한 작업의 성격에 따라 고압공기 분사노즐(11)을 통한 공기 분사는 생략할 수 있다.

그리고 도 3에 도시된 바와 같이, 하나의 쌍으로 형성되는 시멘트 현탁액 분사노즐(10)과 고압 공기 분사노즐(11)은, 로드(1)의 수평 원주둘레 방향으로 180ㅀ 이격되게 서로 대칭적으로 설치되나, 상기 이격되는 각도는 시공하고자 하는 파일의 형상에 따라 150ㅀ나 120ㅀ 등으로 조절될 수 있고, 경우에 따라 로드(1)의 원주 둘레에 서로 이격되는 3개 이상의 쌍으로 되는 시멘트 현탁액 분사노즐(10)과 고압 공기 분사노즐(11)을 설치할 수도 있다.

도 4a 및 4b는, 본 발명의 공법 및 장치로 시공된 파일의 실시 예를 그 단면 및 파일의 상하 길이 방향으로 나타낸 도면이며, 앞서 살펴본 다중 관으로 되는 로드(1)가 지상에 설치되는 로드 지지 및 회전 장비(5)에 의하여 지중의 천공된 구멍을 통하여 구멍의 상하 길이방향으로만 이동하거나, 로드(1)의 상하 길이방향 중심축을 중심으로 0~20ㅀ 범위 내에서 시계방향 및 반시계방향으로 요동하면서 구멍의 상하 길이방향으로 이동하므로, 그에 따라 노즐을 통하여 고압으로 분사되는 시멘트 현탁액과 공기가 지중의 필요한 부분에만 보강충전재가 압밀될 유도공간을 형성할 수 있고, 때문에 도면 4a 및 4b에 도시된 바와 같이 지중에 압밀되는 보강충전재가 구멍의 단면 중앙부에서는 대략 원형 단면의 파일로 되고, 상기 원형 단면부(6')의 양측 날개부에는 판상의 파일로 형성된다. 이와 같이 시공된 파일과 서로 인접하여 시공되는 파일은 그 판상의 파일들이 서로 중첩되어 중첩부(6")가 형성되는 형태로 시공될 수 있고, 그 결과 1열 시공만으로도 보강충전재가 충전되지 않는 미 충전부의 발생을 막을 수 있어 지하수 등을 완벽하게 차단할 수 있는 차수벽 형성이 가능하게 된다.

이에 대하여 도 5a 및 5b는 종래의 콤팩션 그라우팅 공법 등에 의하여 지반을 개량한 파일을 나타낸 도면으로, 지중에 보강충전재가 충전되지 않아 차수벽에 구멍이 형성된 것과 같은 미 충전부(17)가 발생하여 완벽한 차수벽 형성이 곤란하고, 이러한 문제점을 해결하기 위해서는 도 5c에 도시된 바와 같이 2열 이상으로 파일을 시공하여 차수벽의 중복도를 높여야 하나, 이는 공사비용의 증가와 신속한 차수벽 형성이 곤란한 단점이 있다.

이상 도면을 통하여 살펴본 본 발명에 따른 다중 고압분사 압밀 다짐 그라우팅 공법 및 장치는, 개량하고자 하는 연약지반이나 차수벽을 형성하려는 지반의 정해진 심도까지 천공하고, 보강충전재 공급로드(7)를 통하여 지중에 보강충전재를 압밀하는 한편, 그와 동시에 로드(1)를 회전시키지 않거나 또는 로드(1)를 상하 길이 방향 중심축을 중심으로 0~20ㅀ 범위에서 시계 및 반시계방향으로 교대로 요동시키면서 지면 방향으로 인양함과 동시에 시멘트 현탁액 공급로드(8)와 공기 공급로드(9)를 통하여 시멘트 현탁액과 공기를 고압으로 분사하여 보강충전재가 충전될 유도공간을 형성하는 구성으로 이루어지며, 위와 같은 작업 단계에 의하여 지중에 압밀되는 보강충전재는 지중의 연약 지반을 강하게 압박하여 밀어내면서 그 공간에 충전되는 한편, 로드(1)의 양측 벽에서 분사되는 고압의 시멘트 현탁액과 공기에 의하여 형성된 유도공간에도 압밀 충전되므로, 원형 단면 파일과 그 양측에 날개 형상으로 형성되는 판상 단면의 파일이 생성된다. 이때 고압으로 분사되는 시멘트 현탁액 및 공기에 의하여 절삭 형성되는 유도공간은 처음 형성되는 짧은 시간 동안에는 액체상의 시멘트 현탁액이 채워진 상태여서 지중응력이 순간적으로 느슨해지지만, 곧바로 상기 유도공간에 보강충진재가 압밀 충진되므로 원래의 지중응력보다 같거나 강한 응력으로 회복된다. 그리고 위에서 설명한 구성은 로드(1)의 선단부분을 지표면 방향으로 끌어올리면서 시공하는 상향식 다중 고압분사 그라우팅(Upstage Multi Jet Compaction Grouting)에 대하여 설명한 것이나, 지반의 종류에 따라 지면에서 고압 분사로 유도 공간을 형성함과 동시에 보강충전재를 압밀하여 지중의 설계 심도까지 시공이 이루어지도록 하는 하향식 다중 고압분사 그라우팅(Down stage Multi Jet Compaction Grouting)에도 적용될 수 있다.

이상 설명한 본 발명의 구성은 하나의 예시이며, 본 발명이 영향을 미칠 수 있는 범위를 한정하는 것이 아니므로, 본 발명의 기술적 범위는 상세한 설명에 예시된 내용에 국한되지 않는다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 고압분사 그라우팅 공법 및 장치는, 필요 이상으로 절삭 제거하는 공간을 줄이면서도 지중의 원하는 지역에 원하는 형태로 고압의 보강충전재를 압밀하여 파일을 형성할 수 있고, 특히 본 발명의 기술을 차수벽 공사에 적용할 경우, 인접하는 파일 간의 간격을 크게 하면서도 1열 시공만으로 완벽한 차수가 가능하여 적은 비용으로 단 시간에 공사를 완료할 수 있으며, 또 일반적인 그라우팅 공법의 적용이 곤란한 미세 크랙이 발생하거나 보강충전재의 압밀이 곤란한 지반에도 용이하게 적용할 수 있는 점에서 특징적인 효과를 가진다.

도 1은, 본 발명의 공법 및 장치에 적용되는 장비 및 시공 상태를 개략적으로 나타낸 도면,

도 2는, 본 발명의 공법 및 장치에서 보강충전재와 시멘트 현탁액 그리고 공기가 분사되는 로드의 선단부분을 나타낸 도면,

도 3은, 도 2의 A-A선 단면을 나타낸 도면,

도 4a는, 본 발명의 공법 및 장치로 시공된 실시 예를 나타낸 시공 상태도,

도 4b는, 도 4a의 B-B선 단면을 나타낸 도면,

도 5a는, 종래 기술로 시공된 지중 파일의 시공 상태를 나타낸 상태도,

도 5b는, 도5a의 C-C선 단면을 나타낸 도면,

도 5c는, 종래 기술로 2열 시공된 지중 파일의 시공 상태를 나타낸 도면.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 로드 2 : 보강충전재 펌프

3 : 시멘트 현탁액 펌프 4 : 공기 압축기

5 : 로드 지지 및 회전 장비 6 : 파일

6': 파일의 원형 단면부 6": 판상 파일 중첩부

7 : 보강충전재 공급로드 8 : 시멘트 현탁액 공급로드

9 : 고압 공기 공급로드 10 : 시멘트 현탁액 분사노즐

11 : 고압 공기 분사노즐 16 : 원형 단면 파일

16': 파일 중첩부 17 : 미 충전부

A : 보강충전재 공급 통로 B : 시멘트 현탁액 공급 통로

C : 고압 공기 공급 통로

Claims

연약지반 개량, 차수벽 형성, 지반 침하방지, 건축구조물 복원을 위해 지중에 보강충전재를 압밀 충전하여 파일을 형성하는 공법에 있어서, 보강충전재 공급로드(7)가 중앙에 위치하고 그 주위에 동심원을 이루도록 시멘트 현탁액 공급로드(8)가 설치되는 다중관의 로드(1)를 지중에 천공된 구멍에 위치시켜, 시멘트 현탁액 펌프(3)에 의하여 가압된 시멘트 현탁액은 시멘트 현탁액 공급로드(8)를 통해 로드(1) 측면의 상하 길이 방향으로 다수 개 설치되는 시멘트 현탁액 분사노즐(10)을 통하여 분사되어 보강충전재가 채워지는 유동공간을 형성하고, 보강충전재 펌프(2)에 의하여 가압된 보강충전재는 보강충전재 공급로드(7)의 하측 선단을 통하여 지중에 압밀 주입되며, 상기 로드(1)는 로드 지지 및 회전 장비(5)에 의하여 로드(1)의 중심축(O')을 중심으로 0~20ㅀ 범위에서 요동하면서 천공된 구멍의 상하 길이 방향으로 이송되도록 하는 것을 특징으로 하는 다중 고압분사 압밀 다짐 그라우팅 공법.
제1항에 있어서, 상기 다중관의 로드(1)에 고압공기 공급로드(9)를 부가 설치하고, 공기 압축기(4)에서 가압된 공기가 상기 고압공기 공급로드(9)를 통해 시멘트 현탁액 분사노즐(10)과 인접되게 형성되는 공기 분사노즐(11)을 통해 분사되도록 하는 것을 특징으로 하는 다중 고압분사 압밀 다짐 그라우팅 공법.
제2항에 있어서, 상기 시멘트 현탁액 분사노즐(10)과 이와 인접되게 형성되는 공기 분사노즐(11)을 하나의 쌍으로 하여, 상기 쌍을 이루는 시멘트 현탁액 분사노즐(10)과 공기 분사노즐(11)이 로드(1)의 측벽 둘레방향으로 일정 간격을 가지도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다중 고압분사 압밀 다짐 그라우팅 공법.
연약지반 개량, 차수벽 형성, 지반 침하방지, 건축구조물 복원을 위해 지중에 보강충전재를 압밀 충전하여 파일을 형성하는 장치에 있어서, 보강충전재 공급로드(7)와 시멘트 현탁액 공급로드(8)가 동일 중심축(O')에 대하여 동심원 상으로 배치되는 다중관의 로드(1)와; 상기 보강충전재 공급로드(7)와 시멘트 현탁액 공급로드(8)에 각각 보강충전재와 시멘트 현탁액을 공급하는 보강충전재 펌프(2)와 시멘트 현탁액 펌프(3)와; 시멘트 현탁액을 분사하는 로드의 측벽에 형성되는 시멘트 현탁액 분사노즐(10)과; 상기 로드(1)를 로드의 상하 길이 방향 중심축(O')에 대해 0~20ㅀ범위에서 요동시키며 로드(1)를 상하 길이방향으로 이송시키는 로드 지지 및 회전장비(5)로 이루어지는 것을 특징으로 다중 고압분사 압밀 다짐 그라우팅 장치.
제4항에 있어서, 다중관의 로드(1)의 보강충전재 공급로드(7)와 시멘트 현탁액 공급로드(8) 외측에 고압공기 공급로드(9)를 설치하고, 공기 압축기(4)에서 가압된 공기가 상기 고압공기 공급로드(9)를 통해 시멘트 현탁액 분사노즐(10)과 인접되게 형성되는 공기 분사노즐(11)을 통해 분사되도록 하는 것을 특징으로 하는 다중 고압분사 압밀 다짐 그라우팅 장치.