KR20180130468A - 비개착 구조물설치공법 - Google Patents

비개착 구조물설치공법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기존 강관추진식 비개착공법의 문제점을 개선하기위하여 주-관의 설치방법을 선진천공과 확대와 동시에 주-관의 인양방식으로 변경하고 지반공학의 고압 그라우팅기법과 철근-콘크리트 등에서 사용하는 긴장재(Tension, Compression Element)기법과 기초공학의 요소를 동원하여 지중에 내력구조물을 구축한 후, 그 내부를 굴착하여 구조물을 설치하는 기법으로 안정성의 증대와 더불어 작업장 규모의 축소, 시공인력의 감소, 시공비용과 시공시간을 절감 할 수 있는 탁월한 특징이 있다.

Description

비개착 구조물설치공법{The Construction Method of Underpinning.}
본 발명은 산업일반(건설, 교통, 환경 등)의 비개착 구조물의 굴착과 설치에 관한 공법이다.
도로, 철도, 지하철, 수로, 하천. 건축물 등을 포함하는 구조물이나, 시설물의 하부를 비개착하여 구조물을 설치하는 하여 상부구조물, 교통, 하천 등에 영향을 주지 않게 하기위한 비개착공법에 관한 사항이다.
본 발명은 구조물을 설치함에 있어서 상부구조물 및 시설물 등에 영향을 주지 않게 하기위한 비개착공법에 관한 사항이다,
비개착공법에 관한 기존공법과 지식재산권출원을 보면 대개가 강관을 압입하여 지반내에 상부 시설물을 떠받치는 지중 구조체를 형성하고 이후 지반을 굴착하여 그 내측을 굴착하고 영구구조물을 설치하는 것이 대개의 일관된 흐름이다.
이 분야 지식재산권출원과 기존 수행되고 있는 비개착 공법을 확인하면 대략 9가지 공법으로 "1)Front Jacking공법 2)STS공법 3)PRS공법 4)UPRS공법 5)TRcM공법 6)NTR공법 7)DSM공법 8)TES공법 9)TSTM공법”으로 대별된다. 대개의 공법들은 먼저 파이프를 추진하고 강관으로 외부구조물을 형성하여 상부하중과 변위를 강관구조체가 담당하게 한 후에 내부를 굴착하고 구조물을 설치한다. 그러나 강관을 구조물로 하는 공법은 그 강관이 부식에 취약하고 절단 및 용접, 연결 등에 많은 시간과 경비가 소요된다. 강관을 그대로 존치할 경우 강관부식에 의한 주변환경 오염과 더불어 구조물에도 좋지 않은 영항을 주게 되며, 대개 지반내에 상부 시설물을 떠받치는 강관 구조물을 형성하는 방법에 관한 것이 대부분으로 지반의 변화에 능동적인 대처가 부실하고 특히 암반이 출현하였을 경우 강관의 추진과 지반의 굴착, 지반의 보강, 차수 등에 있어서 가장 큰 비용과 시간을 소비하고 있는 것이 현실이다.
본 발명은 “특허 제10-0794609호 충전강관 루프와 콘크리트 벽체를 이용한 지하구조물축조방법. 특허 제10-1447380호(T.R.c.M 공법), 특허 제10-0805189호 벽체 구축과 굴착을 병행하는 지하구조물 축조방법. 특허 제10-1179778호 비개착식 지하구조물 시공방법 등”과 같이 비개착공법을 수행함에 있어서 가장 문제가 되는 주-관(03)의 추진, 협소한 작업장(추진구 및 도달구)에서의 적용 불가, 주-관(03)내에서의 횡단관(橫斷管, Cross Pipe)의 추진 및 설치, 암반내에서의 주-관(03) 및 횡단관의 추진등의 문제점과 암반에서의 관 추진불능을 해결하고 원 지반(또는 암반)의 강도를 활용하여 시공에 있어서의 경제성 향상과 시공 시간 단축, 안정성 확보를 위하여 본발명을 고안하였다.
본 발명은 기존 비개착공법들이 강관의 추진과 지반굴착, 지반보강, 지하수 차수 및 방수 등에 있어서 가장 큰 비용과 시간을 소비하고 있는 문제점을 ‘지반공학’의 “시추 및 주입(Drilling & Grouting)”기법과 ‘구조공학’분야의 “공법(Pre-Tensioning, Post-Tensioning)"과 ‘기초공학’분야 등에서 사용되는 "Ground Anchoring"기법을 도입하여 본 문제점을 해결하여 보다 경제적이고 안전하며 효율적인 비개착공법을 제시하고자 한다.
본 발명으로 인하여 전술한 문제점을 해결하고 이로 인하여 얻어지는 효과에 대하여 기술하고자 한다.
1. 산업(건설과 광업)분야 비개착공법에서의 암반굴착문제를 개선하였다.
2. 본발명은 “강관의 압입 또는 추진”이 아닌 “선진천공후 확공 및 인양”기법을 도입하므로서 “강관의 압입 또는 추진”에 따른 추진기지 및 작업장 확보문제를 개선하였다.
3. “강관의 압입 또는 추진”을 “선진천공후 확공 및 인양”기법으로 변경하므로서 “강관의 압입 또는 추진”시 추진관내의 작업원의 투입을 배제하여 “선진천공후 확공 및 인양”기법으로 변경 무인화 기계화작업으로 변환하였다.
4. 고압그라우팅을 통하여 차수 및 방수문제, 지반개량을 통한 강도증대를 통한 상부 시설물의 안정성을 개선하였다.
5. 고압그라우팅을 실시하여 보강된 지반(암반)의 천공에 PC공법에서 사용하는 긴장재(06)를 적용하여 원지반을 구조재로 전환하므로 안정성증대와 추가적인 횡단관의 추진을 배제하였다.
상기의 효과로 인한 경제성, 안정성, 공기단축을 총한 비개착공법의 효율을 증대가 가능하게 하였다.
도 1은 본 발명의 흐름도.
도 2는 일반적 비개착공법의 개념도
도 3은 Step-1 시설물하부에 굴착 및 주-관설치 개념도
도 4는 Step-2 설치된 주-관에서 다른 주-관으로 수평관통천공 및 주-관에서 수직천공 개념도.
도 5는 수평관통천공 및 수직천공 후, 그라우트(Drilling & Grouting)주입하여 구조체 형성개념도.
도 6는 수평관통천공 및 수직천공에 긴장재 삽입후 정착그라우트 및 정착구 설치 개념도.
도 7는 필요시 1열 이상으로 수평관통천공 및 수직천공에 긴장재 삽입후 정착그라우트 및 정착구 설치 개념도.
도 8는 지중 구조체 완성 후, 구조물 설치를 위한 하부굴착 개념도.
도 9는 천공 및 고압그라우팅, 긴장재로 지중구조물을 완성한 사시도로서 주-관과 주열식 기둥벽체와 주열식 도가 연속된 슬라브(Slab)로 구성을 명시한 것이다.
도 10은 설치될 구조물과 주변환경 및 지반의 형상에 따른 본발명의 적용 예.
본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도시화의 가속화 및 산업사회가 발전하면서 비개착 분야의 건설 수요는 꾸준히 증가되고 있다. 그러나 기존의 비개착 분야는 높은 공사비, 과도한 공사기간, 지반변화에 대한 대처능력 부족이 원인이 되어 경제성과 효율성이 낙후되어 온 것이 사실이다. 본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위하여 선진천공기법을 도입하고 지반보강기술과 PC공법을 병용하여 본 발명을 도-1부터 도-9를 예로 들어 실시하는 공법을 설명한다.
a. 도-1은 건설교통 분야에서 사용하는 비개착공법을 개선하기 위한 본 발명의 흐름도이다.
도-2는 건설교통 분야에서 사용하는 비개착공법에 대한 개념도이다.
b. 도-3은 흐름도 Step-1의 공정으로 상부에 철도, 도로, 항로 등이 있어 비개착으로 상부의 교통시설에 영향을 주지 않고 하부를 비개착 공법으로 건설하기 위하여 먼저 선진천공(12, Pilot Drilling)을 실시한다. 이때 선진천공을 통하여 지반상황을 확인하고 정보를 수집하여 후속공정에 피드백(Feed Back)자료로 한다. 선진천공이 반대측의 도달구에 도착하면 확대기(13)를 장착하고 그 뒤에 관(03)을 함께 인양하며 확대기(13)로 굴착시켜 2개 또는 그 이상의 주-관(03, Main Pipe)의 설치를 완료한다. 이때 주-관(03)의 형상은 대개 원형이나 사각형 또는 이상의 다각형도 상관이 없다.
c. 도-4는 흐름도 Step-2의 공정으로 주-관(03, Main Pipe)의 설치가 완료된 후에 주-관(03, Main Pipe)내부에서 수평천공을 하여 다른 주-관(03)으로 관통시키고 수직으로도 천공(04)을 실시한다.
d. 도-5는 도-4에서 실시한 천공(04)에 Step-3의 실시공정으로 팩커(미도시)등을 밀폐장치를 설치하고 고압그라우팅(05)을 실시하여 그라우트가 지반(암반)을 침투하고 이를 고결시켜 지반(암반)의 강도를 증진시킴과 동시에 차수(또는 방수)효과를 지니게 한다. 의 흐름도 Step-3까지의 공정으로 주-관내에서 천공을 실시하는 개념도이다.
e. 도-6은 Step-4의 공정인 천공(04)에 긴장재(05, PC강봉, PC강선 등)를 삽입 및 긴장하고 정착구로 고정하여 지반(암반)과 함께 복합구조물을 지중에 구축한다. 지반이 모두 토사내지 풍화암등 연약하거나 설치될 지중 구조물의 주변 압력이 높을 경우에는 사각형등의 폐단면형으로 하고, 주-관(03)과 지중설치구조물공간(08)의 하부에 암반이 출현할 경우에는 캡(Cap)형태로, 주-관(03)을 암반 내에 설치할 경우에는 상부에 2개의 주-관(03)만을 Step-4의 공정으로 보(Beam, Slab)형상만을 선택적으로 설치하여 원지반의 강도를 활용하게 하여 시공시간과 시공비용을 정감한다. 그라우트가 고압으로 주입된 지반은 일반지반에 비하여 강도가 탁월하며, 천공내에 삽입되어 그라우트가 고결된 지반과 긴장재(06, PC강봉, PC강선 등)가 일체가 된 지중구조물은 인장력 및 압축력, 휨-모멘트에 잘 견디는 보강구조물로 탁월한 응력을 지니게 된다.
f. 주-관이 설치된 곳이 암반일 경우, 암반의 상황에 따라 선택적으로 수직천공을 생략 할 수도 있고 하부의 주관(03)을 생략 할 수도 있다.
g. 천공(04) 및 그라우팅(05)에 있어서 지반이 경암이며 무결점암(Intact Rock)일 경우 본 그라우팅(05)을 생략할 수도 있으며 긴장재(06, PC강봉, PC강선 등)를 천공(04)에 설치하고 정착용 그라우트를 주입한다.
Step-2, Step-3, Step-4의 공정을 반복하여 기둥이 연속된 주열식 벽체와 보가 연속된 주열식 보-슬라브(Slab)를 형성하여 지중구조물을 완성한다.
h. 사각형 및 폐단면형, 캡(모자, Cap)형, 일자(一字)형태의 지중구조물의 하부 또는 내부를 설계된 굴착선까지 굴착하고 필요시 추가 보강을 실시하고 후속 방수공정, 마감공정 등을 시행한다.
i. 도-6은 흐름도 Step-6의 공정으로 영구구조물을 설치 완공하고 비 개착구조물을 공용하게 하여 본 발명의 전 공정을 완료한다.
j. 도-7은 설치될 구조물 주변의 압력이 높거나 상부의 하중이 과대 할 경우 1열 이상의 천공(04) 및 그라우팅(05), 긴장재(06)를 설치하여 주변압력과 상재하중에 대응하게 한다.
k. 도-8은 지중 구조체 완성 후, 구조물 설치를 위한 하부굴착 개념도로서 필요시 방수와 마감등의 공정을 추가한다.
l. 도 9는 천공 및 고압그라우팅, 긴장재로 지중구조물을 완성한 사시도로서 주-관과 주열식 기둥벽체와 주열식 도가 연속된 슬라브(Slab)로 구성을 명시한 것이다.
m. 도 10은 설치될 구조물과 주변환경, 압력 및 지반의 조건에 따른 본발명의 적용 예를 명시한 것이다.
01 : 열차, 차량 등
02 : 지반내에 작용하는 하중
03 : 관(Pipe, Tube)
04 : 지반내 천공(Drill Hole)
05 : 지반내 고압그라우트가 침투 및 고결된 영역
06 : 긴장재(Tension Element, Compression Element)
07 : 정착구(긴장재(Tension Element, Compression Element)를 고정시키는 장치)
08 : 설계굴착선
09 : 영구 구조물
10 : 구조물 내부공간
11 : 선박
12 : 선진천공(Pilot Drilling)
13 : 확대기(Reamer)
14 : 시추장비(Drill Rig 또는 Raise Boring Machine)

Claims (4)

  1. 비개착 구조물을 설치함에 있어서 시추장비가 설치된 추진구에서 도달구 측으로 먼저 선진천공(12)을 하고 이후 확대기(13)로 확대하며 동시에 주-관(03)을 확대기(13)에 연결하여 인양하여 설치하고, 주-관(03)에서 다른 주-관(03)으로 천공하여 관통시키고, 주-관(03)에서 하부방향으로 천공을 실시한 후, 그 천공에 고압 그라우팅과 긴장재를 삽입하고 정착구로 고정하여 지중의 구조물을 완성한 후에 그 하부 또는 내부를 굴착하여 구조물을 축조하는 비개착공법을 시행함에 있어서;
    시추장비측의 추진구에서 도달구로 먼저 선진천공(12)을 하고 이후 확대기(13, Reamer)로 확대하며 동시에 주-관(03)을 확대기에 연결하여 인양하여 설치하는 주-관의 설치공법
  2. 상기 청구1항에 있어서 주-관(03)에서 주-관(03)으로 천공(05)하여 관통시키고 주-관(03)에서 아래방향으로 천공(05)을 하여 고압 그라우팅을 실시하고 천공에 긴장재(06)를 삽입 및 긴장(Tension 또는 Compression)후 정착구(07)로 고정하여 지중에 기둥(Column) 또는 기둥을 연속으로 연결한 주열식 벽체와 보(Beam) 또는 보를 연속으로 연결한 슬라브(Slab)가 연결되어 주-관(03)과 일체화된 지중 구조물을 완성한 후에 그 내부를 굴착하여 구조물을 축조하는 비개착공법법
  3. 상기 청구1, 2항에 있어서 일자형(一字形), 캡형(Cap Type), 폐단면형(閉斷面形)의 지중구조물을 완성한 후에 현장타설 구조물 또는 외부에서 제작한 영구 구조물을 밀거나 당겨서 굴착한 지중구조물의 하부 또는 내부의 공간으로 이동하거나 PC(프리케스트, Precast)형 기둥, 벽체, 보, 슬라브등의 부재를 지중구조물 내부에서 설치하여 구조물을 축조하는 비개착공법
  4. 상기 청구1, 2항에 있어서 지중구조물의 설치는 주-관(03)을 제외하고 기둥 및 벽체, 보 및 슬라브의 구조체를 지중에 설치함에 있어서 강관을 설치하거나 굴착후 인공구조을 설치하는 것이 아닌 고압주입(Injection, Grouting등)을 통한 원지반의 개량과 긴장재를 투입을 통한 원지반보강을 하여 지중에 구조물을 형성시키는 비개착공법
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