KR20220043317A

KR20220043317A - 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 방법

Info

Publication number: KR20220043317A
Application number: KR1020200126572A
Authority: KR
Inventors: 김재욱
Original assignee: 동일씨엠 주식회사
Priority date: 2020-09-29
Filing date: 2020-09-29
Publication date: 2022-04-05
Also published as: KR102471506B1

Abstract

본 발명은 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 방법에 관한 것으로, 새로운 실링용 조성물 및 본주입재용 조성물을 이용하여 강관다단 그라우팅의 보강 효과를 높여주고, 속경으로 경화하는 특성으로 인하여 실링 공정 및 본주입 공정을 단축시킴과 동시에 경화된 그라우팅 조성물이 유해 중금속을 흡착하는 친환경 속경성 강관 다단 그라우팅 시공방법에 특징이 있다.

Description

강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 방법{Sealing material and main injection material composition for steel pipe reinforcing multi stage grouting and grouting method using the same}

본 발명은 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 강관 보강 그라우팅을 위하여 천공홀과 강관 사이의 공간에 실링재를 주입하여 공벽 유지 및 본주입재의 역류를 방지함과 아울러 겔화 시간을 단축시키면서도 그라우팅 주입이 가능한 일정 겔화 시간을 유지할 수 있는 실링재와, 양생 시간을 단축시키고, 중금속흡착 및 친환경 속경성 그라우팅을 가능하게 하는 본주입재를 포함하는 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 방법에 관한 것이다.

강도와 자립도가 낮은 연약 지반에서 터널을 굴착할 때에는 굴착 공정에 앞서 지반을 보강해야 한다. 이러한 보강방법으로 가장 널리 사용되는 것이 그라우팅 공법이다. 터널 보강을 위한 그라우팅 공법은 터널 굴착 전에 굴착면 전방에 강관 설치 및 그라우트재를 주입하여 원 지반의 강도를 증대시킴으로써 터널 굴착면을 안정화시키고 붕괴를 방지한다.

강관 보강 다단 그라우팅 공법은 굴착 예정인 터널 막장면에서 천공을 수행한다. 예컨대, 아치형 터널의 경우, 아치(크라운부)를 따라 연속적으로 천공을 수행한다. 천공이 수행된 지반은 터널 형성 후 터널의 전방 영역이 된다. 천공 각도는 대략 5 내지 10° 정도로 형성한다. 천공 후에는 다수의 분사공이 형성되어 있는 강관을 천공홀에 삽입하고, 실링재(Sealing material) 주입관을 설치한 후, 천공홀 전단을 밀폐하는 코킹 작업을 수행한다. 천공홀이 밀폐되면 천공홀 내벽과 강관 사이의 공간에 실링재를 주입하여 겔 상태로 경화시킨다. 이후, 강관을 통해 본주입재를 가압하여 공급하면, 본주입재는 실링재를 통과한 후, 지반으로 주입되어 지반 내 균열을 메우고, 지반을 일체화시켜 강도를 강화시킨다. 그라우트재가 경화되면 막장면을 기계굴착 또는 발파 굴착을 수행한다. 지반 보강을 수행하였는 바, 굴착 과정에서 천정이 붕괴되는 등의 원치 않는 사고를 방지할 수 있고, 굴착 설계에 따른 안정적 굴착작업이 가능하게 된다.

상기한 강관 보강 다단 그라우팅 공법을 적용하는데 있어서 가장 큰 난제 중 하나는 공기의 단축에 관한 것이다. 위에서 설명하였듯이, 강관 보강 다단 그라우팅 공법에서는 주입된 그라우트재가 경화된 후에 터널 굴착이 가능하기 때문에 경화속도가 느리면 공기가 지연될 수밖에 없다. 일반적인 양생 기준으로 그라우트재를 주입한 후, 약 24시간 내외의 양생을 하도록 되어 있다. 그 밖에 실내시험 등을 통해 적정 경화시간이 확인된 경우, 배합비를 변경할 수 있으며, 압축 강도가 2 MPa 이상의 강도가 확보된 후, 후속 공정(예를 들어 발파 공정)을 진행하도록 하는 기준이 적용되고 있다.

그러나, 실제 현장에서는 공기를 맞추기 위하여 충분한 양생 시간을 확보하지 못하여, 그라우트재 주입 후 24 시간의 양생 시간을 만족하지 못한 상태에서 터널 굴착을 하는 사례도 있는 실정이다. 그라우트재가 충분히 경화하여 지반과 강관이 서로 일체화되지 못한 상태에서 발파 및 굴착이 수행되면, 시공 안정성이 문제될 수 있다.

무엇보다도 큰 문제는, 종래의 강관 보강 다단 그라우팅 공법에 사용되고 있는 실링재는 시멘트+벤토나이트+물의 조성물을 사용하는데, 이는 겔화가 되어 다음 공정을 할 수 있는 대기 시간이 24 시간 이상의 긴 시간이 요구되어 전체 공기가 상당히 지연되는 문제점이 있다.

따라서, 최근 겔화 시간을 최대한 앞당기고 주입 가능 시간을 적합하게 유지시키는 내용의 기술이 발명되고 있다.

대한민국 등록특허 제10-1907141호는 종래 조성물(시멘트+벤토나이트+물)에 추가하여 규산소다+물의 혼합물을 사용하였으며, 동 등록특허 제10-2008226호는 종래 조성물(시멘트+벤토나이트+물)에 추가하여 메타규산소다+물의 혼합물을 사용하였다. 하지만, 규산소다계열의 급결재는 각종 강관 다단 그라우팅의 공사 시방서에서 사용을 금지하고 있는 실정이다. 규산소다계열의 급결제를 금지하는 이유는 초기 겔화시간은 앞당길 수가 있으나, 실링재가 빨리 굳어져(경화되어) 본주입재(시멘트+물)를 주입할 때 지반으로 침투가 되지 않는 문제가 발생하기 때문이며, 또한 경화 후에도 지하수에 의해 규산성분이 용출되어 환경오염 및 강도 저하의 문제가 발생되고 있다.

이러한 문제점을 개선하기 위하여 동 등록특허 제10-2106142호는 시멘트 100중량부에 대하여 물 400 내지 520 중량부, 벤토나이트 35 내지 50 중량부, 첨가제 5 내지 90 중량부를 사용하도록 되어 있으나, 여기에서 사용되는 벤토나이트는 팽윤성을 활용하여 혼합물의 침전의 방지 및 방수의 역할을 기대하고 사용되고 있으나, 혼합물 주입 후 양생되는 시간 동안에 혼합물의 점도가 미약하여 무기질 성분이 아래에 침전되고 물이 위에 뜨는 재료 분리 현상이 발생되어 강도불량 및 공동형성의 문제가 발생되고 있다. 특히 실링재 배합으로 벤토나이트를 사용하는 한, 경화된 실링재의 강도가 벤토나이트의 특성 상 미흡할 수 밖에 없으며, 후속 공정에서 투입되는 본주입재와 이질적인 경화체를 형성하는 문제점을 갖고 있다.

실링재보다 더 큰 문제는 본주입재에 대한 것으로, 종래의 강관 보강 다단 그라우팅 공법에 사용되고 있는 본주입재는 A재 조성물(시멘트+벤토나이트+물)과 B재 조성물(시멘트+규산소다+물)을 혼합 사용하는데, 이는 규산소다와 시멘트가 만나서 반응하는 급결 경화원리를 이용하여 공기 단축 및 차수 효과를 기대할 수가 있기 때문이지만, 실링재의 설명에서 이미 전술한 바와 같이 규산소다의 사용에 대한 문제점이 계속 상존하고 있다.

이에 대한 해결방안으로, 동 등록특허 제10-1530172호에서는 본주입재로 시멘트 100 중량부를 기준으로, 물 20 내지 60 중량부, 수축저감제 0.01 내지 5 중량부, 칼슘설포알루미네이트 10 내지 30 중량부, 플라이애시 10 내지 50 중량부, 증점제 0.1 내지 10 중량부, 고성능 감수제 1 내지 5 중량부를 포함하는 그라우트재 조성물을 제시하고 있다.

또한, 동 등록특허 제10-1919838호에서는 실링재로 시멘트 100 중량부에 대해 포졸란계 초미분말 20 내지 50 중량부, 수축보상제 20 내지 50 중량부, 분말유동화제 10 내지 20 중량부, 조기강도증진제 50 내지 150 중량부, 분말증점제 0.1 내지 1 중량부, 흡착제 20 내지 50 중량부, 고로슬래그분말 50 내지 150 중량부, 보습제 10 내지 20 중량부, 응결조절재 10 내지 20 중량부의 조성물을 제시하고 있으며, 본주입재로 시멘트 100중량부에 대해 포졸란계 초미분말 100 내지 300 중량부, 탄산나트륨 100 내지 150 중량부, 분말유동화제 1 내지 10 중량부, 조기강도증진제 200 내지 600 중량부, 흡착제 50 내지 150중량부, 경화제 100 내지 300 중량부, 소석회 20 내지 150 중량부, 생석회 20 내지 150 중량부, 응결조절제 20 내지 50 중량부, 실리카흄 50 내지 150 중량부의 조성물을 제시하고 있다.

또한, 동 등록특허 제10-2134887호에서는 실링재로 칼슘설포알루미네이터 5 내지 18 중량부, 석고 8 내지 20 중량부, 소석회 5 내지 12 중량부, 플라이애시 10 내지 20 중량부, 카올리나이트 32 내지 48 중량부, 고유동화제 0.1 내지 2 중량부, 경화촉진제 0.1 내지 1 중량부의 조성물을 제시하고 있으며, 본주입재로 칼슘설포알루미네이트 35 내지 48 중량부, 포틀랜드 시멘트 10 내지 20 중량부, 슬래그 시멘트 10 내지 20 중량부, 슬래그 5 내지 15 중량부, 알루미늄실리케이트 15 내지 25 중량부, 고유동화제 0.1 내지 2중량부, 지연제 0.1 내지 1중량부의 조성물을 제시하고 있으며, 급결제 조성물로 무수 석고 37 내지 52 중량부, 칼슘알루미네이트 10 내지 28 중량부, C12A7 10 내지 23 중량부, CaO 5 내지 25 중량부, 플라이애시 10 내지 20 중량부, 수산화알루미늄 5 내지 25 중량부, 비정질실리카 5 내지 12 중량부, 경화촉진제 0.3 내지 12 중량부, 고유동화제 0.1 내지 1 중량부의 조성물을 제시하고 있다. 그런데 이들 발명들의 공통적인 문제점은 실링재와 본주입재가 천공홀과 강관 사이의 공간에 동일하게 충진하는 재료이면서도 실링재와 본주입재 상호간에는 조성성분이 매우 상이할 뿐만 아니라, 물 배합비도 큰 차이가 있어서 서로의 강도 및 물성의 큰 차이로 인하여 일체화가 되기가 어렵다는 점이다.

그리고 상기의 실링재 및 본주입재에서 모두 공통적으로 사용되는 시멘트는 물과 혼합되어 Ca(OH)₂와 같은 강알칼리성의 물질을 생성시키고, 육가 크롬(Cr⁶⁺) 등과 같은 중금속을 용출시키는 환경오염원으로 작용하고 있다.

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본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 강관 보강 그라우팅을 위한 천공홀과 강관 사이의 공간에 실링재를 주입하여 공벽 유지와 본주입재의 역류를 방지함과 아울러 겔화 시간을 앞당기고 본주입재 주입이 가능한 겔화 시간을 유지하여, 강관 보강 그라우팅의 보강 효과를 증가시키며, 전체 작업 시간을 단축하는 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물 및 이를 이용한 그라우팅 방법을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

그리고 강관 보강 그라우팅의 실링재 및 본주입재에서 모두 공통적으로 사용되는 시멘트로 인하여 발생 및 생성되는 환경오염물질의 용출을 방지하는 조성물을 제공하려는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 하나의 구현예에 따르면, 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물은 제1 제와 제2 제를 포함하여 이루어지고, 여기에서 제1 제가 A재와 B재를 1 : 1의 중량비로 혼합되어 이루어지고, 여기에서 A재가 포틀랜드 시멘트 100 중량부와 물 100 중량부를 포함하여 이루어지는 시멘트 슬러리이고, 그리고 B재가 제1 경화재 조성물 100 중량부와 물 100 중량부를 포함하여 이루어지는 제1 경화재 슬러리이며, 여기에서 제1 경화재 조성물이 중금속 흡착제 0.8 내지 7.7 중량%, 속경성 시멘트 4.3 내지 15.4 중량%, 무수 석고 4.3 내지 15.4 중량% 및 잔량으로서 무기충전재를 포함하여 이루어진다.

상기 제1 경화재 조성물은 증점제, 경화촉진제, 경화지연제, 유동화제, 소포제 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 제1 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 제1 첨가제는 제1 경화재 조성물 총 중량을 기준으로 0.01 내지 10 중량%의 양으로 제1 경화재 조성물에 포함될 수 있다.

본 발명의 다른 하나의 구현예에 따르면, 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물은 제1 제와 제2 제를 포함하여 이루어지고, 여기에서 제2 제가 A재와 C재를 1 : 1의 중량비로 혼합되어 이루어지고, 여기에서 A재가 포틀랜드 시멘트 100 중량부와 물 100 중량부를 포함하여 이루어지는 시멘트 슬러리이고, 그리고 C재가 제2 경화재 조성물 100 중량부와 물 100 중량부를 포함하여 이루어지는 제2 경화재 슬러리이며, 여기에서 제2 경화재 조성물이 중금속 흡착제 0.6 내지 5.6 중량%, 속경성 시멘트 14.3 내지 33.3 중량%, 무수 석고 7.7 내지 33.3 중량% 및 잔량으로 무기충전제를 포함하여 이루어진다.

상기 제2 경화재 조성물은 증점제, 경화촉진제, 경화지연제, 유동화제, 소포제 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 제2 첨가제를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 첨가제는 제2 경화재 조성물 총 중량을 기준으로 0.01 내지 10 중량%의 양으로 제2 경화재 조성물에 포함될 수 있다.

본 발명의 또 다른 하나의 구현예에 따르면, 본 발명의 강관 보강 다단 그라우팅 방법은,

(1) 지중에 천공홀을 천공하는 제1 단계와;

(2) 상기 천공홀 안에 주입 팩커가 부착된 보강 강관을 설치하는 제2 단계와;

(3) 상기 천공홀과 보강 강관 사이의 공간에 제1 주입기를 설치하는 제3 단계와;

(4) 상기 천공홀 입구 쪽에 보강 강관과 천공홀 사이에 코킹을 설치하는 제4 단계와;

(5) 주입플랜트를 사용하여 상기 제1 주입기를 통해 실링재로서 제1 제를 주입하는 제5 단계와;

(6) 상기 보강 강관 내에 제2 주입기를 설치하는 제6 단계와;

(7) 주입플랜트를 사용하여 상기 제2 주입기를 통해 본주입재로서 제2 제를 주입하거나 또는 제1 제를 주입하고, 후속하여 제2 제를 주입하는 제7 단계;

를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 제7 단계에서 본주입재로서 제1 제를 주입하고, 후속하여 제2 제를 주입하는 경우, 본주입재 총 주입량을 기준하여 제1 제를 10 내지 90%의 양으로 그리고 후속하여 제2 제를 90 내지 10%의 양으로 주입할 수 있다.

상기 제3 단계에서 제1 주입기와 함께 제1 배출기가 더 설치되어 과량 주입된 제1 제를 배출하는 배출 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 제2 주입기는 다단용 주입관 또는 이동형 밀폐식 주입구일 수 있으며, 제2 주입기로서 이동형 밀폐식 주입구가 사용되는 경우, 상기 제7 단계의 제1 제 또는 제8 단계의 제2 제 또는 상기 제7 단계의 제1 제와 상기 제8 단계의 제2 제를 주입할 때 보강 강관의 위치를 이동하면서 반복하여 주입하는 반복 주입 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 강관 보강 그라우팅을 위한 실링재 및 본주입재로서 사용되는 제1 제 뿐만 아니라 본주입재로서 사용되는 제2 제 모두 시멘트 슬러리를 포함하는 A재를 동일하게 사용하고 있어 조성 물질의 기본이 동일하며, 단지 경화재 조성물로서 사용되는 제1 경화재 슬러리와 제2 경화재 슬러리에서 각 경화재 조성물들의 조성에 약간의 변화를 주어 실링재로서의 제1 제의 겔 타입 유지 시간과 본주입재로서의 제2 제의 속경성 등의 요구특성에 부합하게 사용할 수 있게 하고, 특히 각 슬러리들에서 물의 사용량을 동일하게 하여 결과적으로 실링재와 본주입재의 두 조성물 간에 강도 및 물성에 큰 차이가 없어서 천공홀과 강관 사이의 빈 공간에 일체화된 경화체를 형성하는 효과가 있다.

또한 본 발명에서는 중금속 흡착제가 강관 보강 그라우팅을 위한 실링재 조성물과 본주입재 조성물에 포함되어 있어 중금속 용출이 거의 일어나지 않을 뿐만 아니라, 종래의 규산소다를 사용하지 않음으로 인하여 강도저하 및 높은 알칼리 함량으로 인한 부식성, 고결 후 알칼리 용탈현상과 같은 환경성 문제가 원천적으로 발생하지 않도록 하는 효과가 있다.

또한, 종래의 실링재가 24시간 경과 후 본주입재를 주입할 수 있는 것에 비하여, 본 발명에 의하면 실링재 주입 1 시간 후부터 겔이 형성되어 본주입재를 바로 주입할 수가 있기 때문에 실링재 주입 작업과 본주입재 주입 작업을 연속하여 실시할 수가 있으며, 종래의 작업 사이클에 비해 약 36시간 이상을 크게 단축할 수가 있어 작업 시간 및 공기의 단축, 인건비와 공사비 절감, 장비 효율성의 증대를 가져오는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 강관 보강 다단 그라우팅 시공방법은 실링재의 경화시간 특성에 따라서 본주입재 주입 작업 가능 시간은 표준이 6 시간 까지 가능하지만 현장상황 여건에 따라 배합수에 지연제를 추가하여 혼합 사용하면 충분하게 작업 가능 시간을 연장할 수 있어 현장 상황 여건에 따라 능동적으로 대처할 수가 있는 작업성 개선의 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 강관 보강 다단 그라우팅 시공방법은 본 발명에 의한 본주입재의 표준 초결 경화시간이 1 분 내외로 종래의 본주입재가 규산소다를 사용하여 강도 조기 발현 및 지하수 급결 차수 및/또는 방수를 목적하는 동일한 효과를 구현하면서도 규산소다를 사용하지 않기 때문에 친환경적인 효과가 있다.

또한 본 발명에 의한 강관 보강 다단 그라우팅 시공방법은 본주입재의 경화시간 특성에 따라서 2 시간 후에 2 MPa 이상의 강도가 발현되기 때문에 후속되는 터널 굴착 작업을 빨리 진행할 수 있는 효과가 있으며, 본 발명에 의한 본주입재의 표준 초결 경화시간이 1 분 내외이지만 현장 상황 여건에 따라서 배합수에 지연제를 추가하여 혼합 사용하면 충분하게 작업가능시간을 연장할 수 있어 현장상황여건에 따라 능동적으로 대처할 수가 있는 작업성 개선의 효과가 있다.

이하, 본 발명을 구체적인 실시예를 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 하나의 구현예에 따르면, 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물은 제1 제와 제2 제를 포함하여 이루어지고, 여기에서 제1 제가 A재와 B재를 1 : 1의 중량비로 혼합되어 이루어지고, 여기에서 A재가 포틀랜드 시멘트 100 중량부와 물 100 중량부를 포함하여 이루어지는 시멘트 슬러리이고, 그리고 B재가 제1 경화재 조성물 100 중량부와 물 100 중량부를 포함하여 이루어지는 제1 경화재 슬러리이며, 여기에서 제1 경화재 조성물이 중금속 흡착제 0.8 내지 7.7 중량%, 속경성 시멘트 4.3 내지 15.4 중량%, 무수 석고 4.3 내지 15.4 중량% 및 잔량으로서 무기충전재를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

즉, 본 발명에 따른 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물은 실링재와 본주입재로서 사용되는 제1 제와 본주입재로서 사용되는 제2 제가 공히 시멘트 슬러리를 포함하여 이루어지며, 그에 의하여 실링재와 본주입재 간의 조성의 차이에 따른 이질적인 경화체가 형성되는 것을 방지할 수 있다는 특장점을 갖는다.

특히, 본 발명에 의하면, 제1 제가 실링재로서 그리고 동시에 본주입재로서 사용되도록 만들어졌으며, 제1 제를 실링재로서 먼저 주입한 후, 본주입재를 주입하게 된다. 본주입재로서는 상기 제2 제만을 투입하거나, 또는 제1 제를 투입하고, 후속하여 제2 제를 투입할 수 있다. 본주입재로서 제1 제와 제2 제를 순차적으로 투입하는 경우, 본주입재 총 주입량을 기준하여 제1 제를 10 내지 90%의 양으로 그리고 후속하여 제2 제를 90 내지 10%의 양으로 주입할 수 있다. 이때, 제1 제와 제2 제의 사용 비율은 원 지반의 강도 상태, 지하수의 누출 여부, 돌발사건에 의한 작업 진행 속도 조정 등에 따라서 현장 상황에 따라 선택적으로 사용이 가능하며, 당업자가 현장 상황에 따라 이를 조절하여 특히 급결이 요구될수록 제2 제의 사용 비율을 높이는 방향으로 조절이 가능함은 당업자에게는 이해될 수 있는 것이다. 예를 들어, 원 지반의 강도가 약하여 제1 제의 주입에 상당한 시간이 소요되는 부위의 경우에는 제1 제의 주입량을 본주입재 총 주입량을 기준하여 약 80%의 양으로, 그리고 제2 제의 주입량을 본주입재 총 주입량을 기준하여 약 20%의 양으로 주입할 수 있다. 또한, 지하수의 누출이 있는 부우의 경우나, 긴급으로 공사가 진행되어야 하는 부위의 경우에는 제1 제를 본주입재로 사용하지 않고, 즉 제1 제를 본주입재로서 주입하지 않고, 제2 제 만을 본주입재로서 사용할 수 있다. 또한, 본주입재 주입 시, 제2 제를 최소한 10%의 양으로 사용하는 것에 의하여 본주입재의 급결을 가능하게 하고, 그에 의하여 주입 공정을 마무리할 수 있으며, 본주입재의 압력주입에 따른 본주입재의 누출을 방지함과 동시에 빠른 양생을 가능하게 하여 후속 공정의 진행을 빠르게 수행할 수 있도록 할 수 있다.

실링재로서의 제1 제의 주입은 예를 들어 보강 강관과 천공홀 사이에 코킹을 설치하고, 제1 주입기와 제1 배출기로서 호스들을 연결하고, 주입용 호스로 제1 제를 주입하여 배출용 호스를 통하여 제1 제가 유출되면 실링재로서의 제1 제가 충분히 주입된 것으로 판단할 수 있다. 제1 제의 주입 동안 제1 배출기는 보강 강관과 천공홀 사이의 공간에 채워진 공기가 배출되도록 기능하여 실링재로서의 제1 제의 주입을 원활하게 하는 것을 가능하게 한다.

제2 제는 급결용 본주입재로서 기능하여 조속하 지반 보강을 가능하게 한다.

상기에서 실링재로서의 제1 제는 천공홀과 강관의 외측 사이에 주입되어 충진됨으로써 강관과 지반의 마찰력을 증가시켜 본주입재의 주입 시 주입 압력에 의한 강관의 인발, 천공홀의 붕괴 및 역류 방지와 본주입재의 주입효율을 높이기 위해 사용되며, 본주입재로서의 제1 제 및/또는 제2 제는 강관 내부에서 가압하여 공급함으로써 천공홀과 강관의 외부 사이로 배출 후 실링재를 통과하여 지반으로 주입되면서 지반 내 균열을 메우고 지반을 일체화시키기 위해 사용된다.

상기 실링재는 본주입재의 주입이 완료되기 전까지 완전 고결이 된 상태가 아닌 겔화 상태로 존재하여야 한다. 그러나 통상적으로 사용되고 있는 규산소다를 실링재로 사용할 경우 겔 타임을 짧게 할 수는 있지만, 경화되는 속도도 매우 빨라져 본주입재를 주입할 경우 실링재가 이미 양생된 상태가 되어 본주입재의 주입이 거의 되지 않는 현상이 발생하게 된다.

상기 중금속 흡착제는 시멘트에 포함된 육가 크롬(Cr⁶⁺) 등의 중금속을 흡착하는 용도로 사용되며, 제올라이트, 규조토 등과 같은 다공성의 무기흡착제 또는 탄소수 4 내지 8(C₄-C₈)의 탄소를 함유한 2 종 이상의 알킬메타크릴레이트와 2-디메틸아미노 에틸메타크릴레이트를 주성분으로 공중합시킨 수지로서 1 내지 3 개의 산 관능기를 가진 2 종 이상의 모노머를 첨가 2차 유화 중합시켜 고분자 물질을 만든 후, 카르복실산메틸기가 포함된 킬레이트 수지 등을 혼합하여 제조한 유기 흡착제를 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 속경성 시멘트는 시멘트의 수화반응을 단축시켜 빨리 경화시키는 용도로 사용되며, 칼슘알루미네이트 미분말, 칼슘설퍼알루미네이트 미분말, 알루미나 시멘트 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 무수 석고는 시멘트 및 속경성 시멘트와 수화반응하여 에트링자이트(Ettringite)를 형성시키는 용도 및 팽창재로서의 역할을 위해 사용된다.

상기 무기충전제는 시멘트와 결합하여 공간을 충천시키는 용도로 사용되며, 슬라그 미분말, 석회석 미분말, 정제된 플라이애쉬 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 증점제는 실링재의 혼합물의 재료 분리를 방지함과 동시에 천공홀과 강관의 외부 사이에 점착효과를 주어 빠른 시간 내에 본주입재가 주입될 수 있는 용도로 사용되며, 메틸셀룰로오스계, 에틸셀룰로오스계, 스타치계 등 시멘트 제품에 통상적으로 사용되는 제품을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 경화촉진제는 빠른 반응성으로 경화시간을 줄이고 수축을 최소화하기 위해 사용되며, 리튬카보네이트, 염화칼슘, 산화마그네슘(MgO), 실리콘 옥사이드 등을 단독 또는 혼합하여 사용하게 된다.

경화지연제는 시멘트 수화반응을 억제시켜 응결 또는 경화를 지연시키기 위한 것으로, 구연산, 붕산, 타르타르산, 소듐글루콘류 중 1종 이상을 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 유동화제는 입자와 입자 사이에 윤활막을 형성하여 주입성을 향상시키기 위해 사용되며, 폴리카르본산계, 나프탈렌계, 리그린계 등을 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

상기 소포제는 실재 분체와 물을 혼합하면서 생성되는 기포를 파포시키기 위해 사용되며, 시멘트 제품에 통상적으로 사용되는 제품 중에서 단독 또는 혼합하여 사용할 수 있다.

본 발명의 다른 하나의 구현예에 따르면, 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물은 제1 제와 제2 제를 포함하여 이루어지고, 여기에서 제2 제가 A재와 C재를 1 : 1의 중량비로 혼합되어 이루어지고, 여기에서 A재가 포틀랜드 시멘트 100 중량부와 물 100 중량부를 포함하여 이루어지는 시멘트 슬러리이고, 그리고 C재가 제2 경화재 조성물 100 중량부와 물 100 중량부를 포함하여 이루어지는 제2 경화재 슬러리이며, 여기에서 제2 경화재 조성물이 중금속 흡착제 0.6 내지 5.6 중량%, 속경성 시멘트 14.3 내지 33.3 중량%, 무수 석고 7.7 내지 33.3 중량% 및 잔량으로 무기충전제를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 제2 제를 구성하는 각 구성성분들은 상기 제1 제를 구성하는 각 구성성분들과 동일 또는 유사하고, 다만, 구성비만 하기와 같이 상이한 것으로서, 반복되는 설명은 피하기로 한다.

또한, 본 발명의 강관 보강 다단 그라우팅 방법은,

(1) 지중에 천공홀을 천공하는 제1 단계와;

(6) 상기 보강 강관 내에 제2 주입기를 설치하는 제6 단계와;

를 포함하여 이루어짐을 특징으로 한다.

상기 제1 단계는 지중에 천공홀을 천공하는 것으로 이루어진다. 즉, 굴착 예정인 터널 막장면에서부터 지중으로 천공을 수행한다. 예컨대 아치형 터널의 경우, 아치(크라운부)를 따라 연속적으로 천공을 수행한다. 천공이 수행된 지반은 터널 형성 후 터널의 전방 영역이 된다. 천공 각도는 대략 5 내지 10° 정도로 형성한다.

상기 제2 단계는 상기 천공홀 안에 주입 팩커가 부착된 보강 강관을 설치하는 것으로 이루어진다. 즉, 천공 후, 다수의 분사공이 형성되어 있고 주입용 팩커가 설치된 보강 강관을 천공홀에 삽입한다. 천공홀의 직경에 맞춰 보강 강관을 제조하며, 일반적으로 단위 강관을 커플러로 조립하여 사용하고, 필요에 따라 천공홀의 외부로 돌출된 부분을 절단한다.

상기 제3 단계는 상기 천공홀과 보강 강관 사이의 공간에 제1 주입기를 설치하는 것으로 이루어진다. 제1 주입기는 바람직하게는 호스이다. 즉, 천공홀 입구 쪽에 후속 공정에서 주입되는 본주입재가 누출되지 않도록 실링재 주입을 위한 주입호스가 설치된다. 그리고 주입플랜트가 제1 주입기에 연결된다. 이 제3 단계에서는, 제1 주입기와 함께 제1 배출기가 더 설치되어 과량 주입된 제1 제를 배출하는 배출 단계를 더 포함할 수 있으며, 제1 배출기는 실링재의 주입에 따른 내부 공기의 배출 및 제1 배출기로의 제1 제의 배출에 의하여 충진 완료 상태를 확인하는 것을 가능하게 한다. 제1 배출기는 바람직하게는 호스이다.

상기 제4 단계는 상기 천공홀 입구 쪽에 보강 강관과 천공홀 사이에 코킹을 설치하는 것으로 이루어진다. 즉, 실재 주입 시 막장 밖으로 누출되지 않도록 천공홀 입구 쪽에 천공홀과 보강 강관 외벽 사이를 밀폐하는 코킹 작업을 수행한다.

상기 제5 단계는 주입플랜트를 사용하여 상기 제1 주입기를 통해 제1 제, 즉 실링재를 주입하는 것으로 이루어진다. 즉, 천공홀이 밀폐되면 천공홀 내벽과 강관 사이의 공간에 상기 제1 제가 실링재를 주입플랜트를 사용하여 주입하여 겔 상태로 경화시킨다. 본 발명에 의한 실링재로서의 제1 제는 주입 후 1 시간이 경과하면 겔상태가 되기 때문에 이때부터 본주입재를 주입할 수가 있다. 본 발명에 의한 실링재에 대한 본주입재의 주입 가능 시간은 6 시간이 표준이나, 이보다 본주입재 주입 가능 시간이 현장 상황에 따라 더 길어질 것이 예상되는 경우에는 실링재의 B재인 제1 경화재의 배합수에 경화지연제의 첨가량을 증가시켜 작업시간을 연장할 수 있다. 또한, 필요에 따라, 또는 작업 현장의 상황 등을 고려하여 경화촉진제나 경화지연제의 함량을 증감하여 작업시간을 조정하는 것 또한 가능함은 이해되어야 한다.

상기 제6 단계는 상기 보강 강관 내에 제2 주입기를 설치하는 것으로 이루어진다. 상기 제2 주입기는 다단용 주입관 또는 이동형 밀폐식 주입구일 수 있다. 그리고 주입플랜트가 제2 주입기에 연결된다.

상기 제7 단계는 상기 주입플랜트를 사용하여 상기 제2 주입기를 통해 본주입재로서 제2 제를 주입하거나 또는 제1 제를 주입하고, 후속하여 제2 제를 주입하는 것으로 이루어진다. 이 단계에서 상기 제2 주입기를 통해 제1 제를 본주입재로서 가압 공급하면, 이 본주입재는 실링재를 통과한 후, 지반으로 주입되어 지반 내 균열을 메우고 지반을 일체화시켜 강도를 강화시킨다.

즉, 본주입재로서는 상기 제2 제만을 투입하거나, 또는 제1 제를 투입하고, 후속하여 제2 제를 투입할 수 있다. 본주입재로서 제1 제와 제2 제를 순차적으로 투입하는 경우, 본주입재 총 주입량을 기준하여 제1 제를 10 내지 90%의 양으로 그리고 후속하여 제2 제를 90 내지 10%의 양으로 주입할 수 있다. 이때, 제1 제와 제2 제의 사용 비율은 원 지반의 강도 상태, 지하수의 누출 여부, 돌발사건에 의한 작업 진행 속도 조정 등에 따라서 현장 상황에 따라 선택적으로 사용이 가능하며, 당업자가 현장 상황에 따라 이를 조절하여 특히 급결이 요구될수록 제2 제의 사용 비율을 높이는 방향으로 조절이 가능함은 당업자에게는 이해될 수 있는 것이다. 예를 들어, 원 지반의 강도가 약하여 제1 제의 주입에 상당한 시간이 소요되는 부위의 경우에는 제1 제의 주입량을 본주입재 총 주입량을 기준하여 약 80%의 양으로, 그리고 제2 제의 주입량을 본주입재 총 주입량을 기준하여 약 20%의 양으로 주입할 수 있다.

상기 제8 단계가 수행된 후, 본주입재의 양생이 완료되어 본주입재가 경화되면 막장면을 기계 굴착 또는 발파 굴착 등 본격적인 굴착 작업을 속행하는 것이 가능하게 된다. 발파 가능 여부는 사용된 그라우팅재, 즉 실링재와 본주입재의 종류 및 사용량 그리고 원 지반의 강도 등에 따라 주로 현장 실험에서 실험하여 얻은 결과에 기초하여 발파 여부를 결정할 수 있으며, 이는 당업자에게는 통상적으로 이해될 수 있는 것이다.

본 발명에 의한 강관 보강 그라우팅을 위한 본주입재로서의 제1 제를 주입플랜트를 사용하여 압력 주입하면 약 1 분 정도 만에 급결 경화가 되어 누수가 되는 지하수를 바로 차수할 수가 있으며, 주입 완료 후 약 2시간이 경과되면 굴착이 가능한 2 MPa 정도의 강도가 발현된다. 특히, 본 발명에 의한 본주입재는 약 1 분 만에 급결 경화되는 특성이 있으나, 이보다 본주입재 주입가능시간이 현상상황에 따라 더 길어질 것이 예상되는 경우에는 본주입재의 제1 경화재 슬러리의 제조 시 사용되는 물(배합수)에 경화지연제를 첨가하거나 첨가량을 증가시켜 작업시간을 연장할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 실링재로서의 제1 제도 약 1 시간 만에 겔화되며, 이후 약 6시간 동안 본주입재의 주입이 가능한 연속적인 작업공정이 가능해지므로 전체 그라우팅 공정을 크게 단축시킬 수 있으며, 굴착 과정에서 천정이 붕괴되는 등의 원치 않는 사고를 방지할 수 있고, 굴착 설계에 따른 안정적인 굴착 작업이 가능하다. 또한, 본주입재로서의 제1 제는 약 1 분 만에 급결 경화되며, 약 2 시간 만에 굴착 작업이 가능한 2MPa의 강도를 발현하면서도 종래의 규산소다를 이용한 급결 차수작업을 대체할 수가 있어 환경오염이 없는 친환경적인 그라우팅 공법이다. 또한, 실링재로서의 제1 제와 본주입재로서의 제1 제 및 제2 제 모두 이들 조성물 간의 구성성분이 유사하고, 조성물과 물의 배합비가 1:1 중량비로 동일하여 결과적으로 실링재와 본주입재 간에 물성 및 강도에 큰 차이가 없기 때문에 보강 강관과 천공된 벽 사이의 빈 공간에서 일체화된 충전물을 형성한다. 또한, 본 발명에 따른 시공방법에 따르면, 현장 상황에 따라 실링재 및 본주입재의 주입 작업 시간을 연장해야 하는 경우, 실링재와 본주입재의 각 경화제 조성물을 물과 혼합하여 슬러리를 만들 때 경화지연제를 일정량 첨가하면, 작업시간을 늘릴 수가 있어 현장 여건에 따라 유연하게 대체할 수가 있어 작업성이 향상된다.

이하에서 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예들이 기술되어질 것이다.

이하의 실시예들은 본 발명을 예증하기 위한 것으로서 본 발명의 범위를 국한시키는 것으로 이해되어져서는 안될 것이다.

실시예

본 발명에 따른 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물을 제1 제와 제2 제로 구분 조성하였다.

먼저, 중금속 흡착제 4.5 중량%, 속경성 시멘트 10 중량%, 무수 석고 10 중량% 및 잔량으로서 무기충전재를 혼합하여 제1 경화제 조성물을 만들고, 이 제1 경화제 조성물 100 중량부와 물 100 중량부를 혼합하여 제1 경화재 슬러리(B재)를 만들었다. 이 제1 경화재 슬러리에 증점제, 경화촉진제, 유동화제 및 소포제를 첨가하되, 제1 경화재 조성물 총 중량을 기준으로 증점제를 1 중량%, 경화촉진제를 2.5 중량%, 유동화제를 0.5 중량% 그리고 소포제를 0.5 중량%의 양으로 추가로 첨가하였다. 별도로 포틀랜드 시멘트 100 중량부와 물 100 중량부를 혼합하여 시멘트 슬러리(A재)를 만들고 A재와 B재를 1 : 1의 중량비로 혼합하여 실링재 및 본주입재로서 사용되는 제1 제를 제조하였다.

또한, 중금속 흡착제 3.2 중량%, 속경성 시멘트 25 중량%, 무수 석고 20 중량% 및 잔량으로서 무기충전재를 혼합하여 제2 경화제 조성물을 만들고, 이 제2 경화제 조성물 100 중량부와 물 100 중량부를 혼합하여 제2 경화재 슬러리(C재)를 만들었다. 이 제2 경화재 슬러리에 증점제, 경화촉진제, 유동화제 및 소포제를 첨가하되, 제1 경화재 조성물 총 중량을 기준으로 증점제를 1 중량%, 경화촉진제를 2.5 중량%, 유동화제를 0.5 중량% 그리고 소포제를 0.5 중량%의 양으로 추가로 첨가하였다. 별도로 포틀랜드 시멘트 100 중량부와 물 100 중량부를 혼합하여 시멘트 슬러리(A재)를 만들고 A재와 C재를 1 : 1의 중량비로 혼합하여 본주입재로서 사용되는 제2 제를 제조하였다.

상기 실시예의 효과를 대비하기 위한 비교예로서는 환경에 악영향을 주지 않는 종래의 기술 중 대한민국 등록특허 제10-1919838호에 기술된 바 대로 그라우팅제를 조성하여 비교실험에 사용하였다.

비교실험은 길이 300 m의 터널 공사에서, 대구경 강관 보강으로 그라우팅 작업을 수행하되, 막장을 50개로 하여 각 막장 당 27개의 천공홀을 시공(총 1,350 개의 천공홀을 시공)하면서 공기를 비교하였으며, 그 작업 결과를 하기 표 1에 정리하였다.

하기 표 1에서 비교예를 사용한 작업을 종래의 작업으로, 그리고 본 발명에 따른 실시예를 사용한 작업을 본 발명의 작업으로 각각 구분하여 표시하였다.

상기 표 1에 나타난 바와 같이, 그라우팅재 만을 바꾸는 것 만으로도 73일의 공기단축이 가능함을 확인할 수 있었으며, 터널 작업 도중 붕괴 등의 안전 사고 발생없이 안전하게 작업이 가능하였고, 환경오염 등의 염려도 없었다.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims

제1 제와 제2 제를 포함하여 이루어지고, 여기에서 제1 제가 A재와 B재를 1 : 1의 중량비로 혼합되어 이루어지고, 여기에서 A재가 포틀랜드 시멘트 100 중량부와 물 100 중량부를 포함하여 이루어지는 시멘트 슬러리이고, 그리고 B재가 제1 경화재 조성물 100 중량부와 물 100 중량부를 포함하여 이루어지는 제1 경화재 슬러리이며, 여기에서 제1 경화재 조성물이 중금속 흡착제 0.8 내지 7.7 중량%, 속경성 시멘트 4.3 내지 15.4 중량%, 무수 석고 4.3 내지 15.4 중량% 및 잔량으로서 무기충전재를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물.
제 1 항에 있어서, 상기 제1 경화재 조성물이 증점제, 경화촉진제, 경화지연제, 유동화제, 소포제 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 제1 첨가제를 더 포함함을 특징으로 하는 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물.
제 2 항에 있어서, 상기 제1 첨가제가 제1 경화재 조성물 총 중량을 기준으로 0.01 내지 10 중량%의 양으로 제1 경화재 조성물에 포함됨을 특징으로 하는 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물.
제1 제와 제2 제를 포함하여 이루어지고, 여기에서 제2 제가 A재와 C재를 1 : 1의 중량비로 혼합되어 이루어지고, 여기에서 A재가 포틀랜드 시멘트 100 중량부와 물 100 중량부를 포함하여 이루어지는 시멘트 슬러리이고, 그리고 C재가 제2 경화재 조성물 100 중량부와 물 100 중량부를 포함하여 이루어지는 제2 경화재 슬러리이며, 여기에서 제2 경화재 조성물이 중금속 흡착제 0.6 내지 5.6 중량%, 속경성 시멘트 14.3 내지 33.3 중량%, 무수 석고 7.7 내지 33.3 중량% 및 잔량으로 무기충전제를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물.
제 4 항에 있어서, 상기 제2 경화재 조성물이 증점제, 경화촉진제, 경화지연제, 유동화제, 소포제 및 이들 중 2 이상의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 제2 첨가제를 더 포함함을 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물.
제 5 항에 있어서, 상기 제2 첨가제가 제2 경화재 조성물 총 중량을 기준으로 0.01 내지 10 중량%의 양으로 제2 경화재 조성물에 포함됨을 강관 보강 다단 그라우팅을 위한 그라우팅재 조성물.
(1) 지중에 천공홀을 천공하는 제1 단계와;
(2) 상기 천공홀 안에 주입 팩커가 부착된 보강 강관을 설치하는 제2 단계와;
(3) 상기 천공홀과 보강 강관 사이의 공간에 제1 주입기를 설치하는 제3 단계와;
(4) 상기 천공홀 입구 쪽에 보강 강관과 천공홀 사이에 코킹을 설치하는 제4 단계와;
(5) 주입플랜트를 사용하여 상기 제1 주입기를 통해 실링재로서 제1 제를 주입하는 제5 단계와;
(6) 상기 보강 강관 내에 제2 주입기를 설치하는 제6 단계와;
(7) 주입플랜트를 사용하여 상기 제2 주입기를 통해 본주입재로서 제2 제를 주입하거나 또는 제1 제를 주입하고, 후속하여 제2 제를 주입하는 제7 단계;
를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 강관 보강 다단 그라우팅 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 제7 단계에서 본주입재로서 제1 제를 주입하고, 후속하여 제2 제를 주입하는 경우, 본주입재 총 주입량을 기준하여 제1 제를 10 내지 90%의 양으로 그리고 후속하여 제2 제를 90 내지 10%의 양으로 주입하는 것을 특징으로 하는 강관 보강 다단 그라우팅 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 제3 단계에서 제1 주입기와 함께 제1 배출기가 더 설치되어 과량 주입된 제1 제를 배출하는 배출 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 강관 보강 다단 그라우팅 방법.
제 7 항에 있어서, 상기 제2 주입기는 다단용 주입관 또는 이동형 밀폐식 주입구일 수 있으며, 제2 주입기로서 이동형 밀폐식 주입구가 사용되는 경우, 상기 제7 단계의 제1 제 또는 제8 단계의 제2 제 또는 상기 제7 단계의 제1 제와 상기 제8 단계의 제2 제를 주입할 때 보강 강관의 위치를 이동하면서 반복하여 주입하는 반복 주입 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 강관 보강 다단 그라우팅 방법.