KR20180104605A - 터널 건설을 위한 기계화된 굴착 존재 하에 토양 컨디셔닝을 위한 발포 첨가제 - Google Patents

터널 건설을 위한 기계화된 굴착 존재 하에 토양 컨디셔닝을 위한 발포 첨가제 Download PDF

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크리스티아노 말테세
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Abstract

터널 보링 기계에 의한 기계화된 굴착 용도의 액체 발포 첨가제가 개시되는데, 이는 1 종 이상의 계면 활성제 5-40중량 %, 1 종 이상의 바이오폴리머 0.01-5중량 %, 및 물 55-94.09%를 포함한다.

Description

터널 건설을 위한 기계화된 굴착 존재 하에 토양 컨디셔닝을 위한 발포 첨가제
본 발명은 터널 보링 기계로 굴착된 토양을 컨디셔닝하기 위해 사용되는 발포 첨가제에 관한 것이다. 상기 첨가제는 쉽게 생분해될 수 있는 것으로 분류될 수 있으며, 생성된 포말의 긴 반감기로 특징지어지며, 이는 더 오래 지속되는 토양 컨디셔닝(conditioning) 및 터널 면의 더 좋은 안정성을 가져온다. 본 발명에 개시된 첨가제는 심지어 염수 존재 하에서도 높은 안정성을 가진다.
현재, 터널은 2 가지 주된 기술로 굴착될 수 있다:
Figure pct00001
폭약의 사용 (통상적인 방법);
Figure pct00002
기계 장치의 사용.
첫번째 방법은 아래에 개시된 작업의 주기적인 적용을 포함하는데, 이로써 터널이 점점 만들어진다:
1) 굴진기(jumbo machine)를 사용하여, 터널면에 드릴로 일련의 구멍을 만들고 폭약을 충진하는 단계; 구멍의 배열 및 폭약의 양은 굴착을 위한 자연 지지대 역할을 할 부분을 손상시키지 않으면서 암석의 원하는 부분을 파괴하는 방식으로 조절된다;
2) 굴착 된 물질("먹(muck)"이라고 불림)이 불도저와 트럭으로 제거되는 단계;
3) 굴착이 리브(rib) 및 숏크리트(shotcrete)에 의하여 지지되는 단계.
상기 방법은, 보강 막대 및 숏크리트의 통합 작용을 부분적으로 지지하는, "아치 효과"로 알려진 힘을 굴착부 주위에 재분배하기 위해 암석의 정확한 부분을 제거하는 것에 기초한다.
두번째 건설 기술은 2 개의 주된 카테고리로 나누어질 수 있다: 부분 페이스 시스템(partial-face system) 및 전체 페이스 시스템(full-face system) (이는 전체 터널 직경을 동시에 굴착하는 단계를 포함한다). 첫번째 경우, 작업은 로드헤더(roadheader) 및 암석 파쇄기로(폭약 대신), 전통적인 방법에 대해 앞에서 설명한 바와 같이 진행하여, 점차적으로 터널의 형태를 형성하는데 이는 후속적으로 보강된 콘크리트로 피복된다. 두번째 경우는 터널 보링 기계(tunnel boring machine: TBM)("두더지(mole)"로도 알려져 있다)로 불리는 복잡한 기계로 진행되는데, 이는 굴착을 수행할 뿐만 아니라, 면을 지지하고 면의 붕괴를 예방하며, 먹(muck)을 나르며 (스크루 컨베이어 및 컨베이어 벨트로), 미리 제작된 보강된 콘크리트 세그먼트로 이루어진 최종 터널 라이닝을 배치시킨다. 이런 유형의 기계는 컴팩트 암석(compact rock) (딱딱한-암석 TBM), 파쇄 암석 (단일 또는 이중 쉴드 TBM), 느슨한 토양 및 대수층 아래(under aquifers) (EPB - 지구 압력 균형 기계(earth pressure balance machine))를 포함하는 거의 모든 유형의 지질학적 물질을 굴착할 수 있다.
TBM는 다음으로 이루어진다:
1) 헤드, 즉 터널면과 직접 접촉하는 앞 부분, 이는 상기 면을 굴착, 지지하고, 먹을 수집하여 배출 시스템으로 운반한다;
2) 먹을 터널 밖으로 수송하기 위한 시스템 (예를 들어 컨베이어 벨트);
3) 커터헤드(cutterhead) 및 먹 운반 시스템 사이에 위치하는 굴착 챔버, 여기서 굴착된 물질이 수집되며; 상기 물질은 스크루 컨베이어 또는 오거(auger) 상에서 챔버로부터 빠져나와, 롤러 컨베이어 상에 위치하게 된다.
4) 터널 라이닝(lining) 시스템.
커터헤드는 다양한 도구들이 구비되어 있고 굴착되는 지질에 기초하여 디자인 된다. 상기 도구들은 일반적으로 3 가지 다른 유형이다: 커터, 스크레이퍼(scraper) 및 리퍼(ripper).
TBM에서, 터널면의 토양 압력의 균질하고 균일한 분포를 보장하기 위해, 또한, 한 스트로크(stroke)와 다음 스트로크 사이의 압력 강하를 방지하기 위해, 굴착 챔버가 적절하게 컨디셔닝된 굴착된 재료로 지속적이고 완전하게 가득 채워진 상태에서 진행이 이루어질 수 있다. 몇몇 경우, 지질 및 수력 상태에 따라, 비어 있거나 부분적으로 비어있는 굴착 챔버로 진행하는 것이 가능하다. EPB-TBM에서, TBM의 다음과 같은 다양한 부분들에서 굴착된 토양 또는 암석에 컨디셔닝제를 도포하는 것이 관행이다: 터널면, 굴착 챔버 및 스크루 컨베이어.
알려진 안정제는 벤토나이트 및 폴리머 현탁액을 포함한다. 이들은 몇몇 토양에서 문제를 야기할 수 있는데, 왜냐하면 이들은 토양의 물 함량을 상당히 증가시켜, 추출하기가 어려운 심한 액체 시스템을 만들기 때문이다. 더구나 몇몇 토양(예를 들어 점토)은 끈적해져서 제거하기가 어려워져서 커터헤드가 막힐 지경에 이르게 되고, 효율을 크게 떨어뜨리기 때문이다.
상기 기술의 최근 개발에서, 폴리머 포말(polymer foams)이 제안되었다. 이들은 토양 내로의 물 주입을 상당히 감소시키는 상당한 장점을 가진다. 표준적인 발포제 제형은 발포제 및 안정제를 포함한다.
따라서, 작업에서, 포말은 굴착 계면에서 커터헤드 내로 직접 주입된다.
EP 1027528은 보링 방법을 개시하는데 여기서 터널면 내로 주입되는 수성 물질의 조성물은 2 내지 8 백만 범위의 분자량을 갖는 폴리에틸렌옥사이드 및 설페이트를 함유하는 음이온성 계면 활성제로 이루어진다.
EP 0070074는 알킬다당류 계면 활성제 및 설페이트 또는 술포네이트 및/또는 카르복시레이트 공계면 활성제로 이루어진 발포 첨가제를 개시한다.
US 5851960은 재수화된 점토, 물 및 발포 계면 활성제로 이루어진 천공 유체를 사용하는 굴착 방법을 개시한다.
US 6172010은 안정한 포말을 얻기 위해, 계면 활성제 및 반대되는 전하로 특징지어지는 폴리머로 이루어지는 수성 발포 첨가제를 개시한다.
US 6802673은 음이온성 계면 활성제 및 β-나프탈렌 술포네이트 포름알데히드 축합물로 이루어진 수성 발포 첨가제를 개시한다.
US 4442018은 아크릴산 폴리머, C12-C14 및 C16 알코올, C4 및 C5 알코올, 소듐 라우릴설페이트 또는 알파-올레핀 술포네이트, 및 물로 이루어지는 수상에서 안정한 포말의 생산을 위한 첨가제의 조성을 개시한다.
본 발명은 터널면 내에 주입되는 포말을 생성시킬 수 있는, 수용액에 0.1-4중량 %의 퍼센트로 첨가되도록 디자인된 신규한 발포 첨가제에 관한 것이다. 상기 포말은 토양을 부드럽게 하고 더 빠른 추출을 가능하도록 하기 위해 상기 면에 사용되며, 터널면의 안정성을 유지하기 위해 컨디셔닝 챔버에서 사용된다.
반감기로 표현되는 생성된 포말의 높은 안정성은, 굴착 챔버에서 컨디셔닝이 더 오래 유지되게 한다.
용이한 생분해성으로 분류될 수 있는 수용액 형태의 본 발명에 따른 첨가제는 5 내지 40중량 % 범위의 퍼센트로 1 종 이상의 계면 활성제, 및 0.01 내지 5중량 % 범위의 퍼센트로 1 종 이상의 바이오폴리머를 포함한다. 물의 퍼센트는 55% 내지 94.09중량 % 범위일 수 있다. 계면 활성제는 음이온성, 양이온성 또는 비이온성, 바람직하게는 음이온성일 수 있다. 바람직한 음이온성 계면 활성제는 알킬 설페이트 염 및 알킬 헤테로설페이트, 특히 소듐 염이다. C10-C14 알킬 사슬 및 1 내지 9 범위의 에톡시화 번호를 갖는 알킬 에톡시 설페이트 염이 특히 음이온성 계면 활성제로서 바람직하다.
용어 "바이오폴리머"는 박테리아, 진균류 또는 해조류 같은 미생물의 영향으로 인하여 생분해성인 폴리머를 의미한다. 이들은 4 및 12 범위의 pH에서 수성 시스템의 점도를 증가시킬 수 있는 주로 수용해성 다당류이다. 바람직한 바이오폴리머는 잔탄 검 및 구아 검이다.
본 발명에 따른 발포 첨가제는 OECD 301 기준에 따라 용이한 생분해성으로 분류될 수 있다.
본 발명에 따른 발포 첨가제는 심지어 염수(brine) 존재하에서도 높은 안정성으로 특징지어진다.
발포 첨가제는 점토질 토양으로 인한 막힘 같은 특정 문제를 해결하기 위해, 커터헤드에 장착된 커터의 과도한 소모를 방지하기 위해, 또는 굴착 토양에 존재하는 물에 가용성인 염의 양을 감소시키기 위해 다른 화합물을 또한 포함할 수 있다.
본 발명의 추가적인 목적은 굴착 토양을 컨디셔닝할 수 있는 포말을 생성시키는 첨가제의 사용이다. 상기 첨가제는 포말 발생기 내로 펌핑되는 물에 바람직하게는 0.1 내지 4.0중량 % 범위의 퍼센트로 첨가된다.
본 발명에 따른 첨가제의 특징들 및 이점들은 하기 실시예에 더 상세히 개시된다. 성분들의 퍼센트는 중량 기준으로 표시된다.
실시예 1
발포 첨가제는 다음의 조성을 가진다:
중량 %
시료 1 시료 2 시료 3 시료 4
소듐 라우릴
에테르 설페이트		 20.0 20.0 20.0 12.0
잔탄 검 0.0 0.5 2.0 0.3
살생물제 0.2 0.2 0.2 0.2
물 79.8 79.3 77.8 87.5
표 1: 시료의 조성
물 5000 g에 발포 첨가제 2중량 %을 첨가하여 제조된 수용액에 의하여 생성된 포말의 안정성을 평가한다. 안정성은 포말의 중량이 반으로 되는데 요구되는 시간을 가리키는 반감기로 표현된다. 시험은 포말의 무게/부피의 절반에 해당하는 물이 250ml 실린더에 방출되는 시간을 평가하여 수행된다.
포말은 일정한 기류에서 액체의 흐름을 유리 볼 믹서(glass ball mixer)로 전달하는 발생기에 의해 형성된다.
반감기 (sec)
시료 1 540
시료 2 730
시료 3 1800
시료 4 690
표 2: 반감기
표 2에 나타난 수치는 바이오폴리머의 투여량이 증가할 때 포말의 안정성이 증가한다는 것을 나타낸다. OECD 301에 따른 시료 4의 생물학적 분해 결과는 상기 제품을 28 일 후 84%의 값으로 용이하게 생분해되는 것으로 분류한다.
실시예 2
발포 첨가제는 표 1에 보고한 조성을 가진다.
컨디셔닝의 안정성을 평가하기 위해 사용된 혼합재(aggregate)는 잘 정의된 입자 크기 분포 곡선 (0.06-0.25 mm)을 갖는 표준 석영이다.
매트릭스를 컨디셔닝하는데 사용되는 포말은 물 65 g 및 발포 첨가제 0.65 g 로 제조된 수용액으로부터 출발하여 2000 rpm에서 기계적으로 혼합하여 생성된다.
평가는 표준 석영의 1000g 시료 3 개에 표 1에 보고된 발포 첨가제로 생성된 포말을 첨가하는 단계, 및 표준 속도에서 3 분 동안 Hobart 믹서에서 혼합물을 균질화하는 단계를 포함한다. 매트릭스 컨디셔닝은 스핀들 D와 5 rpm의 속도를 사용하여 Brookfield DV-I Prime 점도계로 측정한 점도 값으로 표현된다. 컨디셔닝된 매트릭스의 점도는 혼합후 0 및 60 분에 평가된다. 초기 수치와 비교하여 60 분 후에 얻어진 값의 작은 차이는 사용된 포말에 의한 보다 양호한 컨디셔닝을 암시한다.
결과를 표 3에 나타내었다:
점도 (Pa*s)
0 분 60 분
물 평가 불가능
시료 1 145 325
시료 2 150 240
시료 3 145 200
시료 4 155 300
표 3: 컨디셔닝된 석영의 점도
물의 첨가만으로 수행된 시험은 응집되지 않는 매트릭스를 발생시켰다; 점도 측정은 무의미하였다.
표 3에 나타난 데이터는 긴 반감기를 갖는 포말이 사용될 때 토양 컨디셔닝의 안정성이 향상되었음을 나타낸다.
실시예 3
발포 첨가제는 다음의 조성을 가진다:
중량 %
시료 5 시료 6 시료 7
소듐 라우릴 에테르 설페이트 15.0 15.0 15.0
구아 검 0.0 0.1 0.5
물 85.0 84.9 84.5
표 4: 시료의 조성
물 5000g 에 2 중량 %의 발포 첨가제를 첨가하여 제조된 수용액에 의해 생성된 포말의 안정성을 평가한다. 안정성은 포말의 중량이 반으로 되는데 요구되는 시간을 가리키는 반감기로 표현된다. 시험은 포말의 무게/부피의 절반에 해당하는 물이 250ml 실린더에 방출되는 시간을 평가하여 수행된다.
포말은 일정한 기류를 사용하는 발생기에 의하여 형성된다.
반감기 (sec)
시료 5 480
시료 6 530
시료 7 560
표 5: 반감기
표 5에 나타난 수치는 바이오폴리머의 투여량이 증가할 때 포말의 안정성이 증가함을 가리킨다.
실시예 4
발포 첨가제는 다음의 조성을 가진다:
중량 %
시료 8 시료 9 시료 10 시료 11 시료 12
소듐 라우릴 에테르 설페이트 10.0 10.0 0.0 0.0 5.0
소듐 라우릴 설페이트 0.0 0.0 10.0 10.0 0.0
코카마이드(Cocamide) MEA 0.0 0.0 0.0 0.0 5.0
구아 검 0.1 5.0 0.0 0.5 0.5
물 89.9 85.0 90.0 89.5 89.5
표 6: 시료의 조성
물 5000g 에 2 중량 %의 발포 첨가제를 첨가하여 제조된 수용액에 의해 생성된 포말의 안정성을 평가한다. 안정성은 포말의 중량이 반으로 되는데 요구되는 시간을 가리키는 반감기로 표현된다. 시험은 포말의 무게/부피의 절반에 해당하는 물이 250ml 실린더에 방출되는 시간을 평가하여 수행된다.
포말은 일정한 기류에서 액체의 흐름을 유리 볼 믹서로 전달하는 발생기에 의하여 형성된다.
반감기 (sec)
시료 8 600
시료 9 7200
시료 10 450
시료 11 860
시료 12 650
표 7: 반감기
표 7에 나타난 수치는 첨가제에서 바이오폴리머의 투여량이 증가할 때 포말의 안정성이 증가함을 가리킨다.
실시예 5
발포 첨가제는 다음의 조성을 가진다:
중량 %
시료 13 시료 14 시료 15
소듐 라우릴 에테르 설페이트 12.0 12.0 12.0
잔탄 검 0.0 0.3 2.0
물 88.0 87.7 86.0
표 8: 시료의 조성
염수 5000g 에 2 중량 %의 발포 첨가제를 첨가하여 제조된 수용액에 의해 생성된 포말의 안정성을 평가한다. 사용된 염수는 2%의 의 소듐 클로라이드 농도로 특징지어진다. 안정성은 포말의 중량이 반으로 되는데 요구되는 시간을 가리키는 반감기로 표현된다. 시험은 포말의 무게/부피의 절반에 해당하는 물이 250ml 실린더에 방출되는 시간을 평가하여 수행된다.
포말은 일정한 기류에서 액체의 흐름을 유리 볼 믹서로 전달하는 발생기에 의하여 형성된다.
반감기 (sec)
시료 13 510
시료 14 650
시료 15 1720
표 9: 반감기
표 9에 나타난 수치는 첨가제에서 바이오폴리머의 함량이 증가할 때 염수 용액에 의하여 생성된 포말의 안정성이 증가함을 가리킨다.
실시예 6
발포 첨가제는 다음의 조성을 가진다:
중량 %
시료 10 시료 16
소듐 라우릴 에테르 설페이트 (에톡시화 번호 2) 10.0 1.0
소듐 알킬 에테르 설페이트 (에톡시화 번호 7) - 10.0
잔탄 검 - 0.3
물 90 88.7
표 10: 시료의 조성
염수 5000g 에 2 중량 %의 발포 첨가제를 첨가하여 제조된 수용액에 의해 생성된 포말의 안정성을 평가한다. 안정성은 포말의 중량이 반으로 되는데 요구되는 시간을 가리키는 반감기로 표현된다. 시험은 포말의 무게/부피의 절반에 해당하는 물이 250ml 실린더에 방출되는 시간을 평가하여 수행된다.
포말은 일정한 기류에서 액체의 흐름을 유리 볼 믹서로 전달하는 발생기에 의하여 형성된다.
반감기 (sec)
시료 13 450
시료 16 560
표 11: 반감기
표 11에 나타난 수치는 에톡시화 번호 7로 특징지어지는 소듐 알킬 에테르 설페이트가 계면 활성제로 사용되는 경우 안정한 포말을 보여준다.

Claims (10)

  1. 터널 보링 기계에 의한 기계화된 굴착 용도의 액체 발포 첨가제로서, 1 종 이상의 계면 활성제 5-40중량 %, 1 종 이상의 바이오폴리머 0.01-5중량 % 및 물 55-94.09 %를 포함하는 발포 첨가제.
  2. 제1항에 있어서, 상기 계면 활성제가 음이온성, 양이온성, 비이온성 또는 양쪽성인 발포 첨가제.
  3. 제2항에 있어서, 상기 계면 활성제가 음이온성인 발포 첨가제.
  4. 제3항에 있어서, 상기 음이온성 계면 활성제가 알킬 에톡시 설페이트 염 또는 라우레스 설페이트 염(laureth sulphate salt)인 발포 첨가제.
  5. 제4항에 있어서, 상기 음이온성 계면 활성제가 C10-C14 알킬 사슬 및 1 내지 9 범위의 에톡시화 번호를 갖는 알킬 에톡시 설페이트 염인 발포 첨가제.
  6. 제5항에 있어서, 상기 염이 소듐 염인 발포 첨가제.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 바이오폴리머가 다당류인 발포 첨가제.
  8. 제7항에 있어서, 상기 바이오폴리머가 잔탄 검 또는 구아 검인 발포 첨가제.
  9. 굴착된 토양을 컨디셔닝(conditioning)할 수 있는 포말을 형성하는 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 발포 첨가제의 용도.
  10. 제9항에 있어서, 상기 발포 첨가제가, 포말 발생기 내로 펌핑되는 물에, 0.1 내지 4.0중량 % 범위의 퍼센트로 첨가되는 용도.
KR1020187017361A 2015-12-21 2016-12-06 터널 건설을 위한 기계화된 굴착 존재 하에 토양 컨디셔닝을 위한 발포 첨가제 KR20180104605A (ko)

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