KR20120099811A - 편심굴착 보링공 내에 기둥을 수직으로 삽입하는 공법 - Google Patents

Abstract

우리나라는 세계에서 깊은(多層) 지하실 연면적이 가장 넓은 나라이다. 지금까지 깊은 지하실을 축조하는 가장 안전한 기술로 알려진 것은 탑다운(Top Down)공법이며 이를 위하여서는 지하실 흙을 파내기 전에 토압을 지지할 외벽과 아울러 기둥과 기초를 선시공하여야 한다.

최근 탑다운공사를 위한 굴착장비로는 RCD(Reversed Circulation Drill) 또는 PRD(Percussion Rotary Drill)를 가장 많이 사용하는데 그 연직도 관리치는 1/300이다. 예를 들어 지하실 깊이가 30m라면 최하단에서 중심축 이탈 관리치가 10cm라는 뜻이다. 그러나 1군 시공사가 공사하는 공사 현장에서도 때로는 기둥의 중심축 이탈이 20cm에 달해서 법정 지하주차장 주차폭을 맞추기에도 어려움을 겪는 경우가 발생하기도 한다. 이는 보링작업의 오차 때문이기도 하지만 보링공내에 기둥을 삽입할 때 수직도를 맞추지 못한 결과이기도 하다. 설사 보링이 다소 편심 시공 되었다고 해도 기둥을 수직으로 삽입하여 후속 작업에는 아무런 문제가 없도록 해야 한다. 또한 보링을 하는 동안 기둥 중심축을 벗어나지 않게 하기위해 상부에 타설하는 가이드콘크리트가 1회용이므로 재활용 하는 방법을 제시하여 자재낭비와 파쇄 및 폐기물 처리비용을 절감시키고 환경오염을 방지하는 것도 본 발명의 목적이다. 본 발명에서 보링공 내에 삽입하는 기둥은 별도 특허출원한 원심력철근콘크리트기둥을 대상으로 하나 H형강, 각형강관이나 원형강관기둥에도 동일하게 적용할 수 있다.

Description

편심굴착 보링공 내에 기둥을 수직으로 삽입하는 공법{Method of Column Inserting Vertically into the Eccentrically Bored Hole}

우리나라는 도심지 인구밀도가 높아 땅값이 비싸며 또한 주차장을 비롯한 지하실 소요량이 많으므로 깊은 지하실 연면적이 세계에서 가장 넓다. 또한 도심지에 지하 굴토공사를 하는 과정에서 주변 건물이나 도로 등에 유발하는 피해를 최소한으로 줄이기 위하여 탑다운 공법을 많이 채택하고 있다. 탑다운 공사는 1층 이하 지하실을 하향 축조하는 동시에 2층 이상 상층부 공사도 동시에 시행해야 하므로 지하실 기둥과 기초를 선시공하여야 하는데 이를 위한 보링은 주로 RCD 또는 PRD 공법에 의존한다.

RCD 또는 PRD 공법은 수직도 관리치가 비교적 정밀하나 수직도 오차가 1/300이라고 해도 30m 깊이에서 10cm에 달한다. 때로는 편심시공 된 철골기둥이 철골 철근콘크리트기둥 표면에 노출되거나 설계도에 표시된 기둥 외곽면을 침범하여 법정 주차장 소요대수를 채우지 못하는 어려운 일이 벌어지기도 한다. PRD 공법으로 보링하기 위해서는 가이드콘크리트를 타설하는데 모든 공사 현장에서 이를 1회용으로 사용하고 파쇄하여 폐기하고 있다.

건축공사 과정에서 1층바닥 슬래브까지 즉 지하실 골조공사를 무사히 마치기만 하면 지상부는 준공시까지 별로 위험부담을 느끼지 않고 안전하게 공사를 마칠 수 있다고 알려져 있다. 또한 아파트 공사는 지상 10층까지가 지하실에 투입되는 추가비용을 보충하는데 소비하고, 지상 11층부터라야 수익을 낼 수 있다고 할 만큼 지하실 공사는 "난공사"에 속한다. 지금까지 연약지반에 지하실을 건축하기 위한 흙막이공사 중에서 가장 안전한 것으로 인정받고 있는 탑다운공법은 굴토작업을 하기 전에 외벽과 기둥, 기초를 선시공하여야 하는데 도 4는 지금까지 PRD 보링구멍에 기둥을 삽입하는 표준공법이다.

표준공법의 경우, 삽입되는 기둥을 고정하기 위해 인케이싱(IN CASING) 최상단 수평면에 H형강 또는 ㄱ형강을 ＃자형으로 조립하여 용접하는 정착장치가 필요하다. IN CASING에 고정된 기둥은 기둥 길이가 얼마든 간에 아래로 전 길이에 걸쳐서 횡방향으로 구속하는 장치가 없으므로 마치 다림추와 마찬가지로 중력가속도에 의해 스스로 수직도가 확보되도록 방치하는 것이 된다. 또한 횡방향 구속장치가 없으므로 기둥과 암반굴착공 사이 빈 공간에 채우는 기초콘크리트가 유동성이 부족하여 횡방향으로 편심저항을 하거나 또는 최상단에 정착하는 ＃자형 틀의 수평도에 오차가 있으면 기둥이 수직도를 벗어날 가능성이 있다. 위에서 아래로 한 개 층씩 땅을 파내려 가는 탑다운공사 과정에서 층마다 기둥의 수직도를 정밀측정 한 값을 토대로 공작도(Shop Drawing)를 작성하고, 철골보 길이를 맞춤 재단하여 공장제작 후 현장에 반입 설치한다. 이러한 번거로움 때문에 철골공사업체는 공기를 맞추기도 어렵고 손실을 보게 되며 공사의 시공정밀도가 떨어지는 이유와 함께 탑다운공 사 적용을 기피하는 원인이 되고 있다.

기둥이 횡지지 없이 30~50(m) 길이에 걸쳐 직진도를 유지하도록 하나의 부재로 이음 하는 것은 쉬운 일이 아니지만 이를 사전 보링한 구멍에 수직으로 오차 없이 삽입하는 것도 매우 조심스러운 일이다. 길이가 긴 다림추가 최종 연직방향을 가리킬 때까지 오랜 시간 흔들리는 것을 기다려야 하는데 도중에 횡방향으로 조금만 건드려도 재조정을 해야 하는 것과 마찬가지로 중량물인 긴 기둥도 상단만 걸친 상태에서 연직상태를 확보하는 것은 어려운 일이다. 이렇게 불안정한 상태로 수직도를 유지하고 있는 기둥 하단에 콘크리트를 부어 넣으면 그 충격과 편심저항 횡하중으로 기둥 수직도와 평행이 교란되는 것이 당연한 일이다.

본 발명에서는 선시공한 보링구멍에 다소간의 수직 오차가 있다고 해도 기둥은 쉽게 수직도를 유지하면서 삽입하는 방법을 모색하기로 한다. 또한 지금까지는 하나의 기둥을 수직으로 삽입하기 위하여 통상 3~5(ton) 무게의 가이드콘크리트 덩어리를 기둥마다 단 1회용으로 사용한 다음 파쇄하여 폐기물로 처리하고 있는데 그 시간과 비용과 환경오염(소음, 분진, 에너지 소모)도 무시할 수 없다. 따라서 당해 발명을 적용하는 공사현장에서는 이를 재활용하는 방법을 마련하기로 한다.

기둥의 길이가 길어도 사전에 상하단부의 정확한 설치위치를 측정하여 직선으로 연결시키면 기둥의 직진도 오차는 기둥 자체가 구부러진 값에 불과할 것이다. 그러므로 PRD 굴착장비로 보링한 구멍의 삽입하고자 하는 기둥 최하단부 비뚤어진 정도를 수직도 측정장비인 코덴(KODEN)으로 측정한 후, 수직기둥 최하단부에 4방으로 편심공벽과의 간격에 맞춰 위치고정용철물을 부착한다. 위치고정용철물이 부착된 기둥 하단은 가이드레일로 인하여 정확한 위치에 구속되므로 역시 정확한 위치에 고정한 기둥상단과 함께 상하 두 점이 원하는 수직선상에 있게 된다. 가이드콘크리트는 기둥 중심선에서 2개로 수직 분할하여 보링 및 기둥삽입 후 크레인을 사용하지 않고도 백호(Back hoe) 등의 대체장비로 분리하여 재활용하는 방법을 채택한다.

지금까지 탑다운공사는 지하실 층마다 굴토하여 기둥이 X, Y 방향으로 이동한 값과 뒤틀린(꼬인) 정도를 측정한 후 현장사정에 맞게 별도로 작성한 공작도에 맞춰서 보를 제작해야 접합이 가능해지는 어려움이 있었다. 그러나 본 발명에서 제시하는 방법을 적용하면 탑다운공사의 지하공사 부분도 일반 지상 철골공사와 동등하게 일괄 작성한 공작도에 맞춰서 사전에 보를 제작해도 현장 맞춤에 착오가 없는 효율적인 공사가 가능하다. 탑다운공사를 위하여 보링한 구멍에 삽입하는 기둥은 시공오차를 감수할 수밖에 없다는 통상의 경험을 불식시키고, 시공의 질적 향상을 보장한다. 또한 지금까지 1회용으로 낭비하던 가이드콘크리트를 재활용하면 시간과 비용을 절감하고 환경오염을 줄인다. 가이드콘크리트는 크레인 이외 백호 등 대체장비로도 해체할 수 있도록 2개로 분리할 수 있게 제작한다.

당해 발명은 탑다운 공법에서 영구기둥을 설치하는 방법에 관한 것이다. 지금까지 기둥설치를 위해 사용하는 굴착장비는 연직도 관리치가 1/300 이며 편심시공을 부득불 용인하였으나, 당해 공법에서는 이러한 기둥편심을 획기적으로 감소시킬 수 있다. 또한 본 발명에서 제시하는 "편심굴착 보링공 내에 기둥을 수직으로 삽입하는 공법"은 별도로 특허출원한 원심력 철근콘크리트기둥에 적용하기 위하여 개발한 것이지만, 필요에 따라 기둥 단부에 위치고정용철물(30)을 부착하면 H형강이나 각형강관기둥(도 5)과 원형강관기둥(도 6)에도 같은 요령으로 적용할 수 있다.

구체적인 실시방법은 다음과 같다.

1. 도 3과 같이 기둥(5) 설치위치에 안식각에 맞춰 땅을 파고, 버림콘크리트(2)를 친 다음 땅을 판 주변에 스티로폼 거푸집을 댄다. 연질 합성수지를 감은 OUT CASING(강관토막)을 중앙에 세우고 OUT CASING(3)과 스티로폼 거푸집 사이에 샌드위치패널을 끼운 상태에서 가이드콘크리트(1)를 부어 넣는다. 땅을 파는 깊이는 강관토막(OUT CASING)을 고정할 높이 정도로 한다.

상기 가이드콘크리트는 재활용하기 위하여 들어 올릴 때 사용할 커플러를 삽입해 둔다. 샌드위치패널은 크레인을 사용하여 가이드콘크리트를 중앙의 기둥 높이까지 들어 올리지 않아도 되도록 2개로 분리시키기 위한 거푸집이며, 기둥의 상부 돌출높이가 높지 않을 때 샌드위치패널 삽입을 생략하면 가이드콘크리트는 한 덩어리로 생성된다.

2. 콘크리트가 양생되면 OUT CASING을 뽑아내고 가이드콘크리트 내부에 IN CASING을 삽입하면서 오거장비로 버림콘크리트를 포함한 하부 연약지반을 굴착한다(이하 도 1 참조).

3. 연약지반 하부의 경질지반 굴착은 PRD장비를 활용하여 소정의 깊이까지 굴착하고, 굴착공 내부를 청소한다.

4. KODEN 장비 등을 활용하여 굴착공 내부의 수직도를 확인한다.

5. 보링공 내에 소정의 깊이로 기초콘크리트를 부어 넣는다. 방법에 따라 기초콘크리트 투입은 기둥 삽입 후로 변경할 수 있다.

6. 상기 4항에서 측정한 결과 편심 값에 맞춰 기둥이 수직선상에 위치할 수 있도록 기초에 묻히는 기둥단부 마구리강판(8)에 위치고정용철물(30)을 용접한다(도2). 위치고정용철물은 조정링(6)과 가이드레일(7)로 구성되며, 강관토막 조정링 4방에 가이드레일강판을 공장용접 한 것이다.

기둥상단에는 인양용 고리를 부착하고 설치용철물(20)을 부착한다. 설치용철물은 압박링(9)과 설치용브라켓(10), 레벨조정장치(11)로 구성된다. 압박링은 오메가형상(Ω 형)으로 기둥상부 설계상 정해진 레벨에 기둥 외주면을 따라 조립하고, 압박링의 조립방법은 조립볼트의 인장력이 기둥 외주와 압박링 내면의 마찰을 유발하는 방법을 활용하는 것으로 기둥 무게가 클 때는 상부 마구리강판과의 사이에 ㄱ형강 등을 추가하여 보강한다(도면 생략). 압박링은 기둥 외주면의 1/2보다 약간 짧은 원형강판 끝의 날개부위를 맞대고 조립볼트로 조이는 방법으로 기둥에 고정시키는 것이며, 압박링 표면에는 수직 방향으로 4방에 대칭이 되도록 설치용브라켓을 공장용접한 것이다. 설치용브라켓의 끝단에는 슬롯홀을 뚫은 강판조각을 볼트로 조 립할 수 있도록 레벨조정장치(11)가 부착되어 있다(도 2).

7. 인양용 고리를 활용하여 크레인으로 보링공 내에 기둥을 삽입하면, 보링 하부 경질지반 공벽에 위치고정용철물의 가이드레일이 미끄러지면서 정해진 위치까지 내려간다(도 1, 도 2).

8. 기둥 상단은 설치용브라켓을 활용하여 IN CASING에 거치하고, 기둥의 정확한 X, Y좌표를 맞춘 후 레벨은 레벨조정장치의 볼트를 조정하여 맞춘다.

9. 기둥과 IN CASING 사이 공간 일부(통상 IN CASING 길이의 1/3 정도)에 토사를 채우고 나서 설치용브라켓을 제거하면 IN CASING을 뽑아 올려 회수할 수 있다.

10. 기둥과 보링공 사이 나머지 빈 공간을 토사로 채우고 나서 가이드콘크리트를 회수한다.

11. 회수한 가이드콘크리트는 다른 기둥 설치위치에 굴토하고 버림콘크리트를 타설한 후 조립하고 주변에 흙을 메우면 다음 보링작업을 계속할 수 있다. 그러므로 가이드콘크리트는 공장제작 또는 현장제작 한 프리캐스트 콘크리트도 적용이 가능하다.

도 1은 편심굴착된 보링홀에 기둥을 수직으로 삽입한 상태이며 B-B 단면도는 편심 없이 굴착된 이상적인 상태의 단면도,

도 2는 도 1의 상단부 상세도,

도 3은 가이드콘크리트와 OUT CASING 설치 상세도,

도 4는 IN CASING에 H형강 기둥을 삽입하는 재래식 정착장치의 평면도(a), 단면도(b),

도 5는 H형강 기둥에 조정링을 부착하는 방법,

도 6은 원형강관기둥에 조정링을 부착하는 방법

도 7은 원형기둥을 적용한 경우 작업순서도이다.

＜도면의 부호에 대한 간단한 설명＞

1 ; 가이드콘크리트 2 ; 버림콘크리트

3 ; OUT CASING 4 ; IN CASING

5 ; 기둥 6 ; 조정링

7 ; 가이드레일 8 ; 마구리강판

9 ; 압박링 10 ; 설치용브라켓

11 ; 레벨조정장치

20 ; 설치용철물 30 ; 위치고정용철물

Claims (3)

1. 탑다운 공사에서 지하에 사용될 기둥을 지상에서 천공 후 설치하는 과정에 있어서 ;

   (a) 기둥 설치 위치에 원형강관토막의 OUT CASING(3)이 삽입될 깊이 하부로 버림콘크리트 두께 만큼 땅을 파고 땅을 판 주변에 스티로폼 거푸집을 대며, 기둥 중심에 맞춰 연질합성수지를 감은 OUT CASING을 설치하고 OUT CASING과 스티로폼 거푸집 사이에 샌드위치 패널을 끼우는 단계 ;

   (b) OUT CASING과 스티로폼 거푸집 사이에 가이드콘크리트(1)를 부어 넣거나 또는 상기 (a)단계 대신 공장제작 프리캐스트 가이드콘크리트를 설치하는 단계 ;

   (c) 콘크리트가 양생되면 OUT CASING을 뽑아내고, 가이드콘크리트 내부에 IN CASING(4)을 삽입하면서 오거장비로 하부 연약지반을 굴착하는 단계 ;

   (d) 연약지반 하부의 경질지반은 경질지반 굴착장비로 소정의 깊이까지 굴착한 후 굴착공 내부를 청소하고, 수직도를 확인하는 단계 ;

   (e) 기초콘크리트를 기둥 설치 전 보링공 내에 소정깊이 만큼 부어 넣거나 또는 하기 (f) 단계의 기둥 설치 후 보링공 내에 소정깊이 만큼 기초콘크리트를 부어 넣는 단계 ;

   (f) 기초에 묻히는 기둥단부 마구리강판에는 상기 (d)단계에서 측정한 수직도 편심값에 따라 위치고정용철물(30)을 부착하고, 기둥상부 마구리강판에는 설치용철물(20)을 고정하여 기둥(5)을 삽입하는 단계 ;

   (g) 기둥이 정해진 위치까지 내려가면 IN CASING과 기둥 사이에 토사를 채우고, IN CASING을 회수하는 단계 ;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 편심굴착 보링공 내에 기둥을 수직으로 삽입하는 공법
2. 제1항에 있어서,

   위치고정용철물(30)은 원형강관토막 조정링(6) 4방 외곽에 가이드레일(7)을 용접한 것을 특징으로 하는 편심굴착 보링공 내에 기둥을 수직으로 삽입하는 공법
3. 제1항에 있어서,

   기둥상단에 기둥 외주면을 따라 압박링(9)으로 설치하도록 제작한 설치용철물(20)은 두 개의 오메가형 압박링으로 구성되며, 각 단부에는 플레이트가 기둥 바깥쪽으로 돌출되어 서로 마주보는 두 면을 조립볼트로 고정하며 ;

   상기 두 개의 압박링 표면에는 각각 2개씩 설치용브라켓(10)을 고정하고 ;

   상기 설치용브라켓은 끝단에 슬롯홀의 강판조각을 볼트로 조립하여 레벨을 조정하는 레벨조정장치(11)가 부착된 것을 특징으로 하는 편심굴착 보링공 내에 기둥을 수직으로 삽입하는 공법

Images