KR20220093651A - 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법 - Google Patents
조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 NATM 공법에 의하여 터널을 시공할 때 터널의 배면에 그라우트액을 주입하여 지반을 보강하도록 하는 것으로, 천공홀에 충진되는 씰재를 벤토나이트, 시멘트, 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트 및 무수석고를 혼합하여 이루어지도록 함으로써 조기겔화가 가능하도록 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법에 관한 것이다.
본 발명의 바람직한 일 실시예는 (a) 지반에 천공홀을 형성하는 단계; (b) 지반에 필요 깊이만큼 천공시킨 천공홀의 입구측에 마개고정구를 끼움 결합시키고, 마개고정구의 내부로 강관삽입홀을 갖는 그라우트역류방지용 고무마개를 삽입시켜 놓는 단계와; (c) 상기 고무마개의 강관삽입홀을 통해 고강도 강관을 천공홀의 내부로 삽입시켜 놓는 단계; (d) 상기 고강도 강관과 천공홀 사이에 벤토나이트 10~30중량%, 칼슘알루미네이트 5~10중량%, 칼슘설포알루미네이트 5~10중량%, 시멘트 40~70중량%, 황산이온공급제 3~8중량% 및 첨가제 1~5중량%을 포함하여 이루어지는 씰재를 주입시키는 단계; (e) 상기 고강도 강관을 통해 그라우트재를 주입하여, 상기 그라우트재가 상기 씰재를 통해 지반에 주입 및 경화되는 단계;를 포함하여 이루어진다.
본 발명의 바람직한 일 실시예는 (a) 지반에 천공홀을 형성하는 단계; (b) 지반에 필요 깊이만큼 천공시킨 천공홀의 입구측에 마개고정구를 끼움 결합시키고, 마개고정구의 내부로 강관삽입홀을 갖는 그라우트역류방지용 고무마개를 삽입시켜 놓는 단계와; (c) 상기 고무마개의 강관삽입홀을 통해 고강도 강관을 천공홀의 내부로 삽입시켜 놓는 단계; (d) 상기 고강도 강관과 천공홀 사이에 벤토나이트 10~30중량%, 칼슘알루미네이트 5~10중량%, 칼슘설포알루미네이트 5~10중량%, 시멘트 40~70중량%, 황산이온공급제 3~8중량% 및 첨가제 1~5중량%을 포함하여 이루어지는 씰재를 주입시키는 단계; (e) 상기 고강도 강관을 통해 그라우트재를 주입하여, 상기 그라우트재가 상기 씰재를 통해 지반에 주입 및 경화되는 단계;를 포함하여 이루어진다.
Description
본 발명은 NATM 공법에 의하여 터널을 시공할 때 터널의 배면에 그라우트액을 주입하여 지반을 보강하도록 하는 것으로, 천공홀에 충진되는 씰재를 벤토나이트, 시멘트, 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트 및 무수석고를 혼합하여 이루어지도록 함으로써 조기겔화가 가능하도록 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법에 관한 것이다.
강도와 자립도가 낮은 연약 지반에서 터널을 굴착할 때에는 굴착과 함께 지반을 보강해야 한다. 이러한 보강방법으로 가장 널리 사용되는 것이 그라우팅 공법이다. 터널 보강을 위한 그라우팅 공법은 터널 굴착 전에 그라우트재를 터널의 배면의 지반에 주입하여 원지반의 강도를 증대시킴으로써 터널 굴착면을 안정화시키고 붕괴를 방지한다.
일반적으로 강관 다단 그라우팅공법은 강관을 통해 그라우트재(주입재)를 가압하여 공급하면, 주입재는 겔화된 씰재를 관통하면서 지반으로 주입되어 지반 내균열을 메우고 지반을 일체화시켜 강도를 강화시킨다.
씰재는 유동성이 충분하여 강관과 천공홀 사이로 용이하게 주입될 수 있어야 하지만, 씰재가 느리게 겔화되면 본 주입재인 그라우트재를 주입할 수 없으므로 씰재의 주입 후에는 빠른 시간 내에 겔화되어 그라우트재가 주입할 수 있는 조건을 형성해야 한다.
겔화된 씰재는 그라우트재를 주입할 때에 그라우트재와 섞이지 않아 그라우트재가 지반으로 원활히 주입될 수 있도록 하는데, 씰재의 겔화가 이루어지지 않은 상태에서 그라우트재를 주입하면 씰재와 그라우트재가 혼합되어 그라우트재의 성능이 떨어지고, 주입압이 원하는 부위로의 집중되지 못하고 천공홀 전체로 소산되어원하는 주입을 할 수 없게되는 문제점이 있다.
종래에는 씰재로 시멘트와 벤토나이트와 물을 혼합하여 사용하여, 벤토나이트의 팽윤성을 이용하여 천공홀에 주입후 씰재가 급격하게 팽창하여 겔화되도록 하였으며, 또한 시멘트는 벤토나이트의 유동성을 억제시킬 수있기 때문에 씰재에 포함시켰다.
그러나 벤토나이트와 실재를 주재료로 하는 종래의 씰재는 시멘트내 칼슘 성분이 벤토나이트에 흡착되면서 벤토나이트의 팽윤성을 저하시키는 문제점이 있어,이를 해결하기 위하여 종래에는 벤토나이트와 물을 먼저 교반한 후 시멘트를 교반하여 주입하는 방법을 사용하기도 하였는데, 이 경우 씰재에서 물비가 너무 높아져서 겔화 시간이 지연될 뿐만 아니라 블리딩이 발생하여 2차 공극이 발생하는 우려가 있다. 또한 이런 경우에 겔화시간을 앞당기기 위하여 규산소다를 첨가하기도 하는데 씰재의 경화강도가 높아져 추후 그라우트재의 주입에 문제가 되기도 하며, 장기적으로 볼 때에는 규산소다가 지하수에 의하여 용탈되어 주변 수계에 영향을 미치는 문제가 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술로는 특허공개 제2010-0026128호 "속경화성 강관 보강형 다단 그라우팅 공법"(특허문헌 1)이 있다. 상기 배경기술에서는 '(S1) 지반에 소정 간격으로 미리 정해진 깊이의 다수의 천공홀을 형성하는 단계; (S2) 주입관을 상기 각 천공홀 내부에 삽입하는 단계; (S3) 천공면 입구와 주입관 사이를 코킹한 후, 주입관과 천공벽면 사이를 실링하는 단계; 및 (S4) Al2O3를 시멘트 총 중량 대비 14~20 중량% 함유하는 속경화성 분말 시멘트 및 물을 포함하는 속경화성 분말시멘트 그라우트재를 주입관 내부로 주입하는 단계를 포함하는 속경화성 강관 보강형 다단 그라우팅 공법'을 제안한다.
그러나 상기 배경기술 역시 속경화성 분말 시멘트를 이용하여 빠른 겔화를 나타나도록 한 것으로 씰재의 경화강도가 높아져 추후 그라우트재의 주입에 문제가 되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 주입이 용이할 뿐만 아니라 블리딩이 방지되고 조기 겔화되는 씰재를 사용함으로써 공기를 단축시키고 안정적인 지반보강이 가능한 그라우팅 보강공법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 (a) 지반에 천공홀을 형성하는 단계; (b) 지반에 필요 깊이만큼 천공시킨 천공홀의 입구측에 마개고정구를 끼움 결합시키고, 마개고정구의 내부로 강관삽입홀을 갖는 그라우트역류방지용 고무마개를 삽입시켜 놓는 단계와; (c) 상기 고무마개의 강관삽입홀을 통해 고강도 강관을 천공홀의 내부로 삽입시켜 놓는 단계; (d) 상기 고강도 강관과 천공홀 사이에 벤토나이트 10~30중량%, 칼슘알루미네이트 5~10중량%, 칼슘설포알루미네이트 5~10중량%, 시멘트 40~70중량%, 황산이온공급제 3~8중량% 및 첨가제 1~5중량%을 포함하여 이루어지는 씰재를 주입시키는 단계; (e) 상기 고강도 강관을 통해 그라우트재를 주입하여, 상기 그라우트재가 상기 씰재를 통해 지반에 주입 및 경화되는 단계;를 포함하여 시공되는 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법을 제공하고자 한다.
또한, (d) 단계에서, 씰재의 황산이온공급제는 무수석고인 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법을 제공하고자 한다.
또한, (d) 단계에서, 씰재의 첨가제는 팽창제와 응결조절제 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법을 제공하고자 한다.
또한, (e) 단계 이후에, 상기 고강도 강관의 후단에 지압판을 삽입한 후, 잠금너트를 상기 고강도 강관의 후단에 나사 체결하여 지압판을 지반측에 밀착시키도록 하는 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법을 제공하고자 한다.
또한, (b) 단계에서, 상기 마개고정구는 원통형으로 일개소에 일정 폭을 갖고 절개되어 있는 절개부와 외주면에 외측으로 절곡되어져 돌출된 다수의 걸림편이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법을 제공하고자 한다.
또한, (b) 단계에서, 상기 그라우트역류방지용 고무마개는 중앙에 관통된 강관삽입홀과, 마개고정구의 내경부에 끼움 결합되는 마개 원통부와, 마개 원통부의 끼움 깊이를 제한하는 마개 걸림턱을 갖는 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법을 제공하고자 한다.
또한, (c) 단계에서, 상기 고강도 강관은 상기 그라우트재와의 접착력을 높이기 위해 외주면의 1개소 이상에 접착력증대용 나사산이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법을 제공하고자 한다.
또한, (e) 단계에서, 상기 그라우트재는 시멘트를 포함하는 혼합조성물 100중량%를 기준으로, 중금속 흡착용 다공성 수지 0.1~5.0중량%; 고흡수성 폴리머 수지 0.01~5.0중량%; 증점제 0.01~5.0중량%가 포함된 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법을 제공하고자 한다.
또한, (e) 단계에서, 상기 증점제는 하이드록시 에칠 셀룰로스, 하이드록시 메칠 셀룰로스, 하이드록시 프로필 셀룰로스, 카르복시 메칠 셀룰로스, 메칠 셀룰로스 주성분의 증점제 중 하나 또는 2 이상의 혼합에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법을 제공하고자 한다.
본 발명의 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법은 천공홀에 충진되는 씰재를 벤토나이트, 시멘트, 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트 및 무수석고를 혼합하여 이루어지도록 함으로써, 물과 반응하여 급격하게 에트링자이트를 형성하여 시멘트 내 칼슘을 소모함으로써 벤토나이트의 팽윤성을 충분히 보장할 수 있으며, 에트링자이트가 급격하게 형성되어 벤토나이트 입자 사이에 개재되어 씰재가 매우 빠른 시간 내에 겔화됨으로써, 보다 빨리 그라우트재를 주입할 수 있어 그라우팅 보강공법에서 가장 문제가 되는 공기단축의 문제를 일부 해결할 수 있는 효과가 있다.
또한, 마개고정구에 결합되는 그라우트역류방지용 고무마개에 의해 그라우팅시 역류를 효과적으로 방지할 수 있고, 고강도 강관은 시공시 이형봉강 록볼트에 비해 단위길이당 중량이 작아 시공성이 우수하며, 선단 주입식으로 탑다운(Top-Down)방식의 고강도 강관의 내부주입으로 인한 완전 충전으로 정착력 증진이 가능한 장점과 함께 그라우트역류방지용 고무마개의 설치로 그라우트재가 천공홀의 내부 전구간에 충전되므로 그라우트 피복율 증대에 따른 고강도 강관의 부식율을 저감할 수 있어 장기수명을 기대할 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.
본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법의 개략적인 시공 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법에 적용되는 고강도 강관 록볼트 조립체의 사시도이다.
도 3은 상기 도 1의 분해사시도이다.
도 4는 도 1의 종단면도 및 요부확대도이다.
도 1은 본 발명에 따른 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법의 개략적인 시공 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법에 적용되는 고강도 강관 록볼트 조립체의 사시도이다.
도 3은 상기 도 1의 분해사시도이다.
도 4는 도 1의 종단면도 및 요부확대도이다.
아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.
이하 바람직한 실시예에 따라 본 발명의 기술적 구성을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 따른 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법의 개략적인 시공 순서도이다.
본 발명의 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법은 먼저, 도 1a에서와 같이, 지반(101)에 천공홀(102)을 천공하도록 한다(a).
터널의 천정(100)측 지반(101)에 필요 깊이만큼 복수의 천공홀(102)을 공지의 다양한 천공장비들을 이용하여 형성하며, 천공홀(102)은 상향으로 경사지게 형성할 수 있으며 경사와 길이는 환경과 조건에 따라 달라질 수 있다.
천공홀(102)의 직경은 고강도 강관(16)의 외경보다 크게 형성된다. 천공홀(102)은 예로, 고강도 강관(16)의 외경보다 10~15mm 더 큰 직경을 갖는다.
이후, 도 1b에서와 같이, 지반(101)에 필요 깊이만큼 천공시킨 천공홀(102)의 입구측에 마개고정구(12)를 끼움 결합시키고, 마개고정구(12)의 내부로 강관삽입홀(141)을 갖는 그라우트역류방지용 고무마개(14)를 삽입시켜 놓는다(b).
도 2는 본 발명에 따른 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법에 적용되는 고강도 강관 록볼트 조립체의 사시도이고, 도 3은 상기 도 1의 분해사시도이며, 도 4는 도 1의 종단면도 및 요부확대도이다.
천공홀(102)의 입구측에 마개고정구(12)를 끼움 결합시켜 놓는다. 마개고정구(12)는 금속(강재, 스테인레스 등), 플라스틱, FRP 복합재료 등으로 제작될 수 있다. 마개고정구(12)의 끼움 결합은 고무망치 등의 타격 도구를 사용하여 이루어질 수 있다.
마개고정구(12)는 원통형으로 외경은 천공홀(102)의 직경과 동일하거나 이보다 약간 클 수 있다. 마개고정구(12)는 일개소에 일정 폭을 갖고 절개되어 있는 절개부(121)와, 외주면에 외측으로 절곡되어져 돌출된 다수의 걸림편(122)이 형성될 수 있다. 따라서 마개고정구(12)는 천공홀(102)의 입구측에 박아 넣어질 수 있으며, 이때 다수의 걸림편(122)이 천공홀(102)의 내면에 박혀져 타격의 역방향으로 빠지는 것을 방지한다. 또한 절개부(121)는 다수의 걸림편(122)이 천공홀(102)의 내면에 박혀질 때 폭이 약간 좁혀지면서 마개고정구(12)가 천공홀(102)에 원할하께 삽입될 수 있도록 한다. 또한 절개부(121)는 후술할 그라우트재 주입단계에서 천공홀(102)의 내부로 그라우트재가 완전히 채워진 후 새어나오는 통로의 역할을 한다. 따라서 이를 통해 그라우트재 주입의 종료를 수행할 수 있다.
그 다음, 마개고정구(12)의 내부로 그라우트역류방지용 고무마개(14)를 삽입시켜 놓는다. 그라우트역류방지용 고무마개(14)는 중앙에 관통된 강관삽입홀(141)과, 마개고정구(12)의 내경부에 끼움 결합되는 마개 원통부(142)와, 마개 원통부(142)의 끼움 깊이를 제한하는 마개 걸림턱(143)을 갖는다. 마개 걸림턱(143)은 원추형으로 구성되어 있으나 이러한 형상에 한정되는 것은 아니다.
따라서 천공홀(102)의 입구측에는 마개고정구(12)가 끼움 결합되어 있는 그라우트역류방지용 고무마개(14)가 배치된다.
이후, 도 1c에서와 같이, 상기 고무마개(14)의 강관삽입홀(141)을 통해 고강도 강관(16)을 천공홀(102)의 내부로 삽입시키도록 한다(c).
이때, 씰재를 주입할 수 있는 주입관(71) 및 배출관(72)을 별도로 설치할 수 있다. 물론 별도의 씰재 주입관(71) 및 배출관(72)이 없이 강관을 통해 씰재(70)를 주입할 수도 있다.
그리고 강관은 다양한 형태와 구성을 사용할 수 있으며, 강관다단 공법을 적용하도록 팩커가 설치되어 있는 강관을 사용할 수 있다.
선단부로부터 그라우트재의 주입이 가능하도록 고강도 강관(16)이 천공홀(102)의 내부에 설치된다. 고강도 강관(16)은 천공홀(102)의 깊이보다 작은 길이를 갖고 고무마개(14)의 강관삽입홀(141)을 통해 삽입되어져 천공홀(102)의 내부에 위치하게 된다.
고강도 강관(16)은 중공형으로 후단에 너트 체결용 나사산(161)이 형성되어 있다. 고강도 강관(16)은 예로 직경 25.4mm, 단면적 1.73㎠으로 구성되는 경우, 항복강도 1,100MPa, 항복하중 190kN을 발휘할 수 있다.
이때 고강도 강관(16)의 출구(16b)가 천공홀(102)의 내부 막장에 근접되도록 삽입시켜 놓으면, 그의 입구(16a)는 천공홀(102)의 입구측에서 일정량 돌출되어 있게 된다.
고강도 강관(16)은 후술할 그라우트재 주입단계에서 주입되는 그라우트재(30)와의 접착력을 높이기 위해 외주면의 적어도 1개소에 접착력증대용 나사산(163)이 더 형성되어 구성될 수 있다. 따라서 접착력증대용 나사산(163)은 실시 예와 같이 3개소에 형성되거나 접착력증대용 나사산(163)의 구간을 증가시켜 1개소에 형성될 수도 있다.
이같이 본 공법은 고강도 강관(16)을 적용하기 때문에 단위 길이당 중량이 작아 시공성이 우수하다.
이후, 도 1d에서와 같이, 상기 고강도 강관(16)과 천공홀(102) 사이에 씰재(70)를 주입시키도록 한다(d).
본 발명에서의 씰재(70)는 벤토나이트 10~30중량%, 칼슘알루미네이트 5~10중량%, 칼슘설포알루미네이트 5~10중량%, 시멘트 40~70중량%, 황산이온공급제 3~8중량% 및 첨가제 1~5중량%을 포함하여 이루어져, KSF2432에 의한 흐름시험결과가 20초 이내로 매우 유동성이 좋아 빠른 시간안에 주입이 가능하며, 주입 후 3시간 이내에 겔화되어 흐름이 정지되며, 블리딩을 5% 이내로 제한할 수 있도록 한다.
여기서 첨가제는 다양하게 구성될 수 있는데, 팽창제(수축방지)와 응결조절제(겔화 촉진 및 이상응결 방지)가 사용될 수 있다. 여기서, 이온 공급제로서 무수석고 및 이수석고, 반수석고, 소듐설페이트, 포타슘설페이트가 사용될 수 있다.
본 발명의 씰재(70)는 기존의 씰재와 비교하면 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트 및 황산이온공급제가 포함되어 있다는 점에서 차이가 있다.
씰재에서 벤토나이트를 사용하는 이유는 팽창성과 손쉽게 겔 상태를 발현하기 위한 것이다. 씰재의 가장 기본적인 목적은 그라우트재를 주입할 때 그라우트재가 천공홀에서 역류하는 것을 방지하기 위한 것이다. 즉 천공홀을 채우기 위한 것이다. 그런데 시멘트 등으로만 채우게 되면 겔화 속도가 느려 그라우트 주입이 지체되고, 블리딩 발생으로 2차공극이 형성되며, 겔화된 후의 강도가 너무 강해서 추후 그라우트재 주입에 어려움이 있다. 이에 벤토나이트와 같은 팽창성 물질을 이용하여 천공홀을 채우면서도 겔 상태 정도의 약한 강도를 발현시키는 것이다.
벤토나이트는 4면체-8면체-4면체 광물 결정이 연속적으로 배열된 판상의 구조로 이루어지며, 판상 구조체가 여러겹 적층되어 이루어진다. 이렇게 적층된 판과 판 사이에 물 분자가 흡착되면서 벤토나이트는 팽윤(swelling)하여 부피가 급격하게 증가한다. 부피 증가에 의해서 천공홀(102)이 채워지는 것이므로 강도는 겔 상태로 낮게 나타난다. 그리고 벤토나이트의 부피가 증가하면 점도도 함께 증가하지만 유동성은 계속 유지된다. 유동성을 억제하여 흐르지 않는 겔 상태를 만들기 위해서 시멘트를 첨가하게 된다. 물과 반응하여 형성되는 시멘트 수화물은 벤토나이트 입자 사이에 침전하면서 벤토나이트 입자를 구속하여유동성을 억제한다. 또한 시멘트는 지속적으로 수화되어 천공홀의 장기강도(그라우트재 주입후)를 향상시키는 역할을 한다.
기존의 그라우팅용 씰재는 상기한 바와 같은 이유로 벤토나이트와 시멘트 및 물을 혼합하여 사용하였다. 여기서 한 가지 문제가 발생한다. 벤토나이트의 판과 판 사이에는 물과 함께 양이온이 흡착되는데, Na과 같은 1가 양이온이 흡착되는 것이 팽창하는데 유리하다. 반면에 Ca와 같은 2가 이온이 흡착하면, 2가 이온은 전기적 인력이 1가 이온보다 강하기 때문에 벤토나이트의 판과 판 사이가 덜 벌어지며, 결과적으로 팽윤성이 떨어진다. 벤토나이트 역시 Ca계 벤토나이트가 있고 Na계 벤토나이트가 있는데, 철도시설관리공단에서는 씰재에서 Na계 벤토나이트를 사용하도록 규정하고 있다. 그러나 Na계 벤토나이트를 사용하더라도, 시멘트를 첨가하게 되면 시멘트 내 Ca이 벤토나이트에 기흡착되어 있는 Na을 치환함으로써 Ca계 벤토나이트로 전환시켜 버린다. 이에 따라 씰재의 팽창성이 저하되는 문제가 발생했던 것이다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트와 무수석고를 씰재에 혼합 사용하였다.
칼슘알루미네이트(CA)는 일반적으로 아래와 같은 반응을 통해 시멘트의 강도 발현에 기여한다.
CA + H = CAH10
C12A7 + H = C2AH8 + AH3
그러나 칼슘설포알루미네이트는 황산이온이 존재하는 조건에서는 수십 초 내에 에트링자이트(3C6AS3H32) 결정을 생성하게 된다. 즉 급격하게 에트링자이트를 만들어내면서 칼슘 이온을 소비함으로써 벤토나이트 내 나트륨이 칼슘으로 치환되지 않게 함으로써 벤토나이트의 팽윤성이 충분히 발현되도록 한다.
칼슘설포알루미네이트도 칼슘알루미네이트와 마찬가지로 황산이온의 존재하에서 급격하게 에트링자이트 결정을 만들어낸다.
황산이온 공급재로서 무수석고및 이수석고, 반수석고, 소듐설페이트, 포타슘설페이트를 사용할 수 있다.
또한 본 발명에서 사용하는 씰재(70)는 위에서 설명한 것처럼 물과 반응하는 초기에 에트링자이트 결정을 급격하게 형성하고, 에트링자이트 결정이 벤토나이트 입자들 사이에 개재됨으로써 벤토나이트의 유동성을 억제한다. 이에 따라 종래의 씰재에 비하여 씰재가 훨씬 빨리 정지되고 겔화된다는 특징이 있다.
종래의 씰재에서는 벤토나이트의 유동성을 막기 위한 시멘트 수화물은 주로 CSH로서 씰재가 더 이상 이동하지 않고 겔화되기까지 20시간 이상이 소요되었기 때문에 철도시설관리공단 등에서는 씰재의 양생시간을 23±1시간으로 정하였다.
그러나 본 발명에서 사용하는 씰재(70)의 경우 수십초만에 에트링자이트가 형성되어 벤토나이트의 유동성을 억제하는 바, 본 주입재(그라우트재)를 보다일찍 주입할 수 있는 바, 공기가 단축되는 이점이 있다.
즉, 본 발명에서 사용하는 씰재가 벤토나이트와 시멘트 및 물을 혼합하는 것을 기존과 동일하지만, 칼슘알루미네이트와 칼슘설포알루미네이트 및 무수석고를 추가적으로 용하여 에트링자이트 결정을 형성시킨다는 점에서 차이가 있다.
물론 종래에도 칼슘설포알루미네이트를 씰재에 일부 혼입하기도 하지만 이는 씰재가 경화하는 과정에서 부피변화를 방지하는 기능을 하는 것으로서 본 발명에서의 기능과 차이가 있다. 본 발명에서는 칼슘알루미네이트와 칼슘설포알루미네이트가 단지 사용되는 것이 아니라, 무수석고와 함께 사용되었을 때 본 발명에서 의동한 기능을 달성할 수 있다.
한편, 위에서 언급된 씰재 재료 100중량부에 대하여 물을 150~200중량부의 범위로 배합한다. 씰재 재료의 비중이 28~3,0 정도이고, 씰재 재료 100중량부에 대하여 물(비중 1)을 200중량부로 배합하는 경우를 무게로 환산하면, 씰재 430kg에 물 860L를 혼합하는 결과가 된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에서는 씰재의 독특한 조성으로 인하여 종래의 씰재에서 문제가 되었던 벤토나이트의 팽창성이 저하되는 문제 또는 벤토나이트와 물을 먼저 혼합해야 하는 문제를 모두 해결하였으며, 벤토나이트의 팽윤성을 충분히 발현할 수 있다는 이점이 있다.
또한, 씰재 내에서 에트링자이트가 급격하게 형성되어 벤토나이트의 유동성을 억제하고 겔화를 촉진함으로써 그라우트재를 보다 빨리 주입할 수 있는 바 공기단축에 이점이 있다.
이후, 도 1e 및 도 1f에서와 같이, 상기 고강도 강관(16)을 통해 그라우트재(80)를 주입하여, 상기 그라우트재(80)가 상기 씰재(70)를 통해 지반에 주입 및 경화되도록 한다(e).
고강도 강관(16)의 후단측 입구(16a)에 그라우트재(30)를 주입시켜 그라우트재(80)가 상기 씰재(70)를 통해 지반에 주입되도록 한다.
그라우트재(30)의 주입 후에는 캡(50)을 고강도 강관(16)의 후단측 입구(16a)에 결합시켜 고강도 강관(16)내 그라우트재(30)의 역흘러내림을 차단하도록 할 수 있다.
또한 그라우트역류방지용 고무마개(14)가 천공홀(102)의 입구측을 밀폐시키고 있기 때문에 특히 상단 그라우트 주입시 역류발생이 방지되도록 할 수 있다.
이와 같이, 고강도 강관(16)의 선단 주입과 그라우트역류방지용 고무마개(14)의 설치로 그라우트재(30)가 천공홀(102)의 내부 전구간에 충전되므로 그라우트 피복율 증대를 가져올 수 있고, 이로 인해 고강도 강관(16)의 부식율을 저감할 수 있다.
이때 그라우트재(30)는 시멘트를 포함하는 혼합조성물 100중량%를 기준으로, 중금속 흡착용 다공성 수지 0.1~5.0중량%; 고흡수성 폴리머 수지 0.01~5.0중량%; 증점제 0.01~5.0중량%가 포함되어 조성된다. 증점제는 하이드록시 에칠 셀룰로스, 하이드록시 메칠 셀룰로스, 하이드록시 프로필 셀룰로스, 카르복시 메칠 셀룰로스, 메칠 셀룰로스 주성분의 증점제 중 하나 또는 2 이상의 혼합에 의해 형성될 수 있다.
상술한 단계에서, 위와 같이 그라우트재(80)의 주입 후 양생이 이루어지면 이후, 고강도 강관(16)의 후단에 지압판(18)을 지압판 삽입홀(18a)을 통해 삽입한 후, 잠금너트(20)를 고강도 강관(16)의 후단측 나사부(161)에 나사 체결하여 지압판(18)을 지반(101)측에 밀착시키도록 할 수 있다.
따라서 본 공법은 마개고정구(12)에 결합되는 그라우트역류방지용 고무마개(14)에 의해 그라우팅시 역류를 효과적으로 방지할 수 있고, 고강도 강관의 설치시 고강도 강관은 이형봉강 록볼트에 비해 단위길이당 중량이 작아 시공성이 우수하며, 고강도 강관(16)의 내부주입으로 인한 완전 충전이 가능한 장점과 함께 그라우트역류방지용 고무마개(14)의 설치로 그라우트재(30)가 천공홀(102)의 내부 전구간에 충전되므로 그라우트 피복율 증대에 따른 고강도 강관(16)의 부식율을 저감할 수 있다.
또한, 그라우트재 주입으로 용수가 없는 일반구간에서는 조기 강도가 우수하여 초기 안정성을 확보할 수 있고, 용수가 발생되는 구간에서는 지하수의 유입에도 그라우트재(30)가 용수와 희석되어 용탈현상 등이 발생되지 않는 이점을 갖게 된다.
상기와 같은 본 발명의 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법은 천공홀에 충진되는 씰재를 벤토나이트, 시멘트, 칼슘알루미네이트, 칼슘설포알루미네이트 및 무수석고를 혼합하여 이루어지도록 함으로써, 물과 반응하여 급격하게 에트링자이트를 형성하여 시멘트 내 칼슘을 소모함으로써 벤토나이트의 팽윤성을 충분히 보장할 수 있으며, 에트링자이트가 급격하게 형성되어 벤토나이트 입자 사이에 개재되어 씰재가 매우 빠른 시간 내에 겔화됨으로써, 보다 빨리 그라우트재를 주입할 수 있어 그라우팅 보강공법에서 가장 문제가 되는 공기단축의 문제를 일부 해결할 수 있는 효과가 있으며, 또한, 마개고정구에 결합되는 그라우트역류방지용 고무마개에 의해 그라우팅시 역류를 효과적으로 방지할 수 있고, 고강도 강관은 시공시 이형봉강 록볼트에 비해 단위길이당 중량이 작아 시공성이 우수하며, 선단 주입식으로 탑다운(Top-Down)방식의 고강도 강관의 내부주입으로 인한 완전 충전으로 정착력 증진이 가능한 장점과 함께 그라우트역류방지용 고무마개의 설치로 그라우트재가 천공홀의 내부 전구간에 충전되므로 그라우트 피복율 증대에 따른 고강도 강관의 부식율을 저감할 수 있어 장기수명을 기대할 수 있는 매우 유용한 효과가 있다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
12: 마개고정구
14: 고무마개
16: 고강도 강관
18: 지압판
20: 잠금너트
70 : 씰재
80 : 그라우트재
14: 고무마개
16: 고강도 강관
18: 지압판
20: 잠금너트
70 : 씰재
80 : 그라우트재
Claims (9)
- (a) 지반(101)에 천공홀(102)을 형성하는 단계;
(b) 지반(101)에 필요 깊이만큼 천공시킨 천공홀(102)의 입구측에 마개고정구(12)를 끼움 결합시키고, 마개고정구(12)의 내부로 강관삽입홀(141)을 갖는 그라우트역류방지용 고무마개(14)를 삽입시켜 놓는 단계와;
(c) 상기 고무마개(14)의 강관삽입홀(141)을 통해 고강도 강관(16)을 천공홀(102)의 내부로 삽입시켜 놓는 단계;
(d) 상기 고강도 강관(16)과 천공홀(102) 사이에 벤토나이트 10~30중량%, 칼슘알루미네이트 5~10중량%, 칼슘설포알루미네이트 5~10중량%, 시멘트 40~70중량%, 황산이온공급제 3~8중량% 및 첨가제 1~5중량%을 포함하여 이루어지는 씰재(70)를 주입시키는 단계;
(e) 상기 고강도 강관(16)을 통해 그라우트재(80)를 주입하여, 상기 그라우트재(80)가 상기 씰재(70)를 통해 지반에 주입 및 경화되는 단계;를 포함하여 시공되는 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법. - 제 1항에 있어서,
(d) 단계에서, 씰재(70)의 황산이온공급제는 무수석고인 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법. - 제 1항에 있어서,
(d) 단계에서, 씰재(70)의 첨가제는 팽창제와 응결조절제 중 어느 하나 또는 이들을 혼합한 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법. - 제 1항에 있어서,
(e) 단계 이후에,
상기 고강도 강관(16)의 후단에 지압판(18)을 삽입한 후, 잠금너트(20)를 상기 고강도 강관(16)의 후단에 나사 체결하여 지압판(18)을 지반(101)측에 밀착시키도록 하는 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법. - 제 1항에 있어서,
(b) 단계에서,
상기 마개고정구(12)는 원통형으로 일개소에 일정 폭을 갖고 절개되어 있는 절개부(121)와 외주면에 외측으로 절곡되어져 돌출된 다수의 걸림편(122)이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법. - 제 1항에 있어서,
(b) 단계에서,
상기 그라우트역류방지용 고무마개(14)는 중앙에 관통된 강관삽입홀(141)과, 마개고정구(12)의 내경부에 끼움 결합되는 마개 원통부(142)와, 마개 원통부(142)의 끼움 깊이를 제한하는 마개 걸림턱(143)을 갖는 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법. - 제 1항에 있어서,
(c) 단계에서,
상기 고강도 강관(16)은 상기 그라우트재(30)와의 접착력을 높이기 위해 외주면의 1개소 이상에 접착력증대용 나사산(163)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법. - 제 1항에 있어서,
(e) 단계에서,
상기 그라우트재(30)는 시멘트를 포함하는 혼합조성물 100중량%를 기준으로, 중금속 흡착용 다공성 수지 0.1~5.0중량%; 고흡수성 폴리머 수지 0.01~5.0중량%; 증점제 0.01~5.0중량%가 포함된 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법. - 제 8항에 있어서,
(e) 단계에서,
상기 증점제는 하이드록시 에칠 셀룰로스, 하이드록시 메칠 셀룰로스, 하이드록시 프로필 셀룰로스, 카르복시 메칠 셀룰로스, 메칠 셀룰로스 주성분의 증점제 중 하나 또는 2 이상의 혼합에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 조기겔화가 가능한 씰재를 이용한 고강도 강관 다단 그라우팅공법.
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| KR20220093651A true KR20220093651A (ko) | 2022-07-05 |
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Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20100026128A (ko) | 2008-08-29 | 2010-03-10 | 지오텍엔지니어링 주식회사 | 속경화성 강관 보강형 다단 그라우팅 공법 |
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2020
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