KR102524624B1 - 천공 부산물의 처리 기능을 강화한 지향식 압입 공법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 천공 부산물 처리 기능을 강화한 지향식 압입 공법은, 지표면의 소정 부위를 일정 깊이로 개착하여 진입공을 형성하고, 선단에 굴착기를 구비한 굴착장치를 상기 진입공 측에 설치하는 제 1 단계; 상기 굴착기를 통해 지중 내부로 굴착공을 형성하는 제 2 단계; 상기 굴착장치의 선단에서 굴착기를 분리한 다음 확공기를 결합하여 상기 굴착공을 확공하는 제 3 단계; 상기 확공된 굴착공에 벤토나이트를 포함하는 회수제를 상기 굴착장치에 장착된 분사부를 통해 분사하여 상기 확공된 굴착공에서 발생한 슬러지를 응집시키는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 천공 부산물 처리 기능을 강화한 지향식 압입 공법에 따르면, 높은 수준의 굴착력을 나타낼 수 있음과 동시에 굴착 과정에서 발생한 부산물에 대한 응집 및 처리 효율을 높여, 천공 부산물이 굴착공 내에 잔류하여 굴착공을 막아버리는 문제를 해결할 수 있다.

Description

천공 부산물의 처리 기능을 강화한 지향식 압입 공법{Directional press-in method with enhanced drilling by-product treatment function}

본 발명은 천공 부산물의 처리 기능을 강화한 지향식 압입 공법에 관한 것으로서, 보다 상세히 설명하면, 확공된 굴착공에 벤토나이트를 포함하는 회수제를 분사하여 슬러지를 응집시켜 처리 기능을 강화한, 천공 부산물 처리 기능을 강화한 지향식 압입 공법에 관한 것이다.

지향식 수평 굴착, 즉 HDD(Horizontal Directional Drilling)는 지표면을 개착하지 않고 관을 매설하는 공법을 의미한다. 이 공법은 배관 관로 공사 및 지하매설물 공사 시 상부 구조물의 파괴나 변형을 초래하지 않고 지하로 굴착하는 방법으로서, 수평 굴착 장치를 이용하여 포물선 라인 등의 파이로트 천공 및 확공, 파이프 인입 공정을 거쳐 도로 개착에 의한 교통 혼잡 및 자원 낭비 등의 문제점을 보완한 공정이다.

종래의 지향성 수평 굴착 방법은 지장물을 조사 및 계획함과 아울러 측량과 선형 결정 등의 사전 준비 단계를 거친 다음 파이프를 매설하고자 하는 지표면을 소정간격을 두고 굴착하여 진입 작업공 및 도달 작업공을 형성한다.

이후, 진입 작업공 측에 굴착 블레이드(굴착날, 커터 디스크)이 부착된 드릴 파이프 및 확공기를 작동시키는 수평굴착 장치를 설치기를 통해 드릴 파이프를 연속적으로 지중에 밀어 넣어 진입 작업공에서 도달 작업공 방향으로 굴착공을 형성하고, 드릴 파이프가 도달 작업공에 도달하면 드릴 파이프 대신 확공기를 결합한다.

확공기를 수평 굴착장치를 사용하여 굴착공을 확공하면서 일정한 직경의 굴착공이 형성되도록 하며, 그리고, 확공기가 파이프가 인입될 정도의 직경을 갖는 굴착공을 형성하면 확공기의 후 측 단에 파이프를 연결시키고, 수평 굴착장치를 사용하여 확공기를 도달 작업공에서 진입 작업공 방향으로 잡아당겨(pulling) 파이프가 굴착공 내부로 인입되도록 하여 도달 작업공과 진입 작업공 사이의 굴착공에 파이프를 매설한다. 최종적으로, 도달 작업공과 진입 작업공을 토사 등의 매립재로 메우면 파이프 매설작업이 완료된다.

이와 같은 지중식 수평 굴착 공정을 개량하기 위한 국내 선행기술 역시 다수 존재하는바, 그 예로서 국내 특허 제 1249257호, 제 1186840호와 같이 HDD 공법에 사용되는 확공 장치의 구조에 대한 기술이 게시되어 있다.

그러나 상술한 선행기술에서는 굴착공에서 발생한 토사물을 별도로 제거할 수 있는 구성이 존재하지 않아, 토사물이나 기타 부유물로 인해 굴착된 굴착공이 막힐 수 있는 한계성이 존재한다.

따라서 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해, 확공된 굴착기에서 발생한 토사물이나 부유물을 포함하는 천공 부산물을 응집시켜 회수할 수 있도록 하되, 응집성을 강화하여 부산물 처리 기능을 강화한, 신규하고 진보한 지향식 압입 공법을 개발할 필요성이 대두되는 시점이다.

국내 특허 제 1249257호 국내 특허 제 1186840호

본 발명은 굴착 과정에서 발생한 부산물에 대한 응집성을 높여, 천공 부산물에 대한 처리 기능을 강화함으로써 천공 부산물이 굴착공 내에 잔류하여 굴착공을 막아버리는 문제를 해결하는 것을 주요 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은, 천공 부산물 양의 고저에 따라 분사부의 분사 압력을 조절하여 부산물 처리 기능을 강화하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 분사 수단을 통해 고압으로 분사되는 회수제로 인해 굴착공 내부에 거품이 발생하는 것을 방지하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 천공 부산물 처리 기능을 강화한 지향식 압입 공법은, 지표면의 소정 부위를 일정 깊이로 개착하여 진입공을 형성하고, 선단에 굴착기를 구비한 굴착장치를 상기 진입공 측에 설치하는 제 1 단계; 상기 굴착기를 통해 지중 내부로 굴착공을 형성하는 제 2 단계; 상기 굴착장치의 선단에서 굴착기를 분리한 다음 확공기를 결합하여 상기 굴착공을 확공하는 제 3 단계; 상기 확공된 굴착공에 벤토나이트를 포함하는 회수제를 상기 굴착장치에 장착된 분사부를 통해 분사하여 상기 확공된 굴착공에서 발생한 슬러지를 응집시키는 제 4 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제 4 단계는, 포토센서를 통해 상기 굴착공 내부에 잔류된 슬러지를 촬영하고, 상기 잔류된 슬러지의 양의 고저에 따라 분사압력을 조절하면서 상기 회수제를 분사하여 상기 확공된 굴착공에서 발생한 슬러지를 응집시키는 것을 특징으로 한다.

더하여, 상기 회수제는, 레시틴(lecithin)을 포함하는 거품 조절제를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 천공 부산물 처리 기능을 강화한 지향식 압입 공법에 따르면,

1) 높은 수준의 굴착력을 나타낼 수 있음과 동시에 굴착 과정에서 발생한 부산물에 대한 응집 및 회수 효율을 높여, 천공 부산물이 굴착공 내에 잔류하여 굴착공을 막아버리는 문제를 해결할 수 있고,

2) 잔류된 슬러지의 양의 고저에 따라 분사 압력을 조절하여 슬러지의 회수 효율을 극대화할 수 있으며,

3) 레시틴을 포함하는 거품 조절제를 회수제에 첨가함으로써 분사부를 통한 회수제 분사 시 기포가 발생되는 것을 억제하여 응집된 슬러지가 과하게 큰 부피 및 직경을 갖는 것을 방지함과 동시에 회수제와 천공 부산물 사이의 혼합성을 높인 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 지향식 압입 공법의 개략적인 공정을 도시한 개념도.
도 2는 본 발명의 지향식 압입 공법의 순서도.
도 3은 본 발명의 제 4 단계의 세부 순서를 나타낸 순서도.
도 4는 거품 조절제를 제조하는 단계를 나타낸 순서도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 본 발명의 지향식 압입 공법의 개략적인 공정을 도시한 개념도이며, 도 2는 본 발명의 지향식 압입 공법의 순서도이다.

도 1,2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 천공 부산물 처리 기능을 강화한 지향식 압입 공법은 기본적으로 제 1 단계, 제 2 단계, 제 3 단계 및 제 4 단계를 포함한다.

이러한 본 발명의 지향식 압입 공법은 일반적인 지형에서 일정 길이를 가진 상태로 다양한 직경의 굴착공(30)을 형성하는데 적용될 수 있다.

나아가 지향식 압입 공법은 도 1에 도시된 바와 같이 일 방향 수평 굴착 공정을 비롯하여, 도면에 도시되어 있지는 않으나 양방향 굴착 공정을 포함하는 것도 가능하다.

이하, 도 2의 순서도에 따라 본 발명의 지향식 압입 공법에 포함된 각 단계를 보다 세부적으로 설명하면 다음과 같다.

(S1) 제 1 단계

우선적으로, 본 발명의 지향성 압입 공법은 굴착공(30)이 형성되고자 하는 영역, 즉 지장물을 조사 및 계획함과 아울러 측량과 선형 결정 등의 사전 준비 단계를 거친 다음, 파이프(60)나 기타 구조물을 매설하고자 하는 지표면(또는 해저면)을 굴착(이하, 본 발명에서는 이러한 굴착을 ‘압입’이라고도 표현한다)하여 진입공(10)을 형성한다.

이때, 지장물이 지상인 경우에는 진입공(10) 뿐 아니라 도달공(20)까지 형성하는 것이 가능한데, 추후 압입 공법이 완료되었을 때 타깃이 되는 도달공(20)의 위치에서 오차가 심하게 발생되는 것을 방지하기 위함이고, 이러한 도달공(20)은 상술한 파이프(60)나 기타 구조물의 총 길이에 해당하는 간격으로써 진입공(10)에서 이격되어 형성된다.

진입공(10)이 형성되면, 이 진입공(10) 근처에 선단에 굴착기를 구비한 굴착장치(100)를 설치하는 작업을 수행한다. 이후, 진입공(10) 측에 굴착 블레이드(굴착날)가 부착된 드릴 파이프(40)나 굴착기를 장착할 수 있는 굴착장치(100)를 공지의 설치 수단을 통해 설치한 다음, 굴착장치(100)를 구동하여 드릴 파이프(40)를 연속적으로 지중에 밀어 넣어 진입공(10)에서 도달공(20) 방향으로 굴착공(30)을 형성한다.

이때, 드릴 파이프(40)는 반드시 필요한 수단은 아니고, 이러한 드릴 파이프(40) 없이 굴착기의 굴착 공정에 의해서만 굴착공(30)을 형성하는 것도 가능하다.

본 발명의 굴착장치(100)는 이 선단에 상술한 드릴 파이프(40)를 매개로 하거나 드릴 파이프(40) 없이 비트를 구비한 헤드 또는 후술할 로터리 워시(rotary wash)나 워터 해머 유닛이나 워터젯과 같은 굴착기가 장착되어 기본적인 굴착 공정을 수행할 수 있는 장치일 수 있다.

가장 바람직하게는 본 발명의 굴착장치(100)가 후술할 로터리 워시(rotary wash)와 워터 해머 유닛과 워터젯 중 적어도 어느 하나를 포함할 수 있다. 여기서 워터 해머 유닛 및 워터젯은 분사 수단으로 통칭하기로 한다.

또한, 굴착장치(100)는 굴착기를 탈착 가능하게 결합할 수 있는 상태를 기반으로, 이 굴착장치(100)의 선단에 굴착기 이외에 확공기(50)가 결합되는 것도 가능할 뿐 아니라 선단 이외에 선단 주변 측단에서 특정 조성물을 분사하거나 토사 등을 흡입할 수 있는 분사 모듈 내지 흡입기를 장착하는 것도 가능하다.

정리하면, 본 발명의 제 1 단계는 공지의 진입공(10)/도달공(20) 형성 공정과, 공지의 굴착 기능을 구비한 굴착장치(100)를 설치하는 단계로 이루어진 것으로, 이는 잘 알려진 진입공(10) 등의 형성 공정과 굴착장치(100)의 설치 공정과 같다 할 수 있다.

(S2) 제 2 단계

이어서 수행되는 제 2 단계는 굴착기를 통해 지중 내부로 굴착공(30)을 형성하는 공정이다. 앞서 잠시 언급하였듯이, 본 발명의 굴착기는 상술한 드릴 파이프(40)를 포함하거나 아니면 비트 헤드, 로터리 워시, 워터 해머 유닛, 워터젯과 같은 다양한 구조로 이루어지는 것이 가능하며, 가장 바람직하게는 상술한 바와 같이 로터시 워시, 워터 해머 유닛 및 워터젯 중 어느 하나를 포함하는 분사 수단을 포함하여 물을 분사하면서 굴착공(30)을 형성할 수 있다.

여기서 로터리 워시는 물을 분사하면서 단부에 회전 가능한 브러쉬가 포함되어, 물을 분사함과 동시에 회전 가능한 브러쉬로 지중 내부를 마찰시켜 굴착공(30)을 형성하는 것이라 할 수 있다.

또 다른 예시로, 워터 해머 유닛을 이용한 굴착공(30) 형성 방식에 대해 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

일반적으로 해머장치는 공압을 이용한 에어해머와 수압을 이용한 워터 해머가 존재하는데, 에어해머는 상대적으로 깊은 굴착공(30)을 천공하기 어렵다는 문제가 있지만, 워터해머는 물을 이용하여 높은 타격력을 제공함과 아울러 추후 굴착 공정에서 발생된 토사와 함께 물이 혼합된 슬러지를 배출 시 암석조각 등을 동시에 배출할 수 있는 장점이 있다.

워터 해머 유닛은 이같이 수압을 이용한 워터해머를 의미하는 것으로서, 도면에 도시되어 있지는 않지만 굴착시 타격력을 제공하는 복수 개의 비트가 회전축을 매개로 회전 가능하게 설치된 파이프 형상의 본체와, 이 본체의 내부에 물을 저장한 탱크 및 탱크에 저장된 물을 펌핑 처리하는 펌프와, 본체의 선단으로 펌프로 인해 펌핑된 물을 분사하는 노즐을 포함할 수 있다.

상술한 워터 해머 유닛은 공지의 기초적인 구조를 설명한 것으로서, 본 발명의 워터 해머 유닛은 이러한 구조를 기반으로 한 상태에서 굴착 각도 조정 수단, 수압/수량 조절 수단, 분사 시점 제어 수단과 같은 부가적 구조가 추가로 포함될 수 있고, 굴착장치(100)의 선단에 모터를 매개로 전진 가능한 로드를 매개로 결합되는 것이 가능하다.

이러한 워터 해머 유닛은 로드의 전진 및 회전축의 회전으로 진입공(10)에서 전진하면서 지중 암반 등을 비트가 타격하면서 지중 내부로 굴착공(30)을 형성하고, 이와 동시에 굴착공(30)을 향해 분사되는 수압으로 우수한 굴착력을 제공함과 아울러 토사, 암반 조각 등을 포함한 슬러지 배출의 용이성을 추구할 수 있다.

바람직하게 이러한 워터 해머 유닛과 워터젯 중 적어도 어느 하나를 통해 굴착공(30)에 물을 분사하여 굴착공(30)을 형성함에 있어, 보다 바람직하게는 물을 포함하는 굴착 조성물을 워터 해머 유닛과 워터젯 중 적어도 어느 하나를 통해 분사하여 굴착공(30)을 형성하는 것이 가능하다.

여기서 굴착 조성물은 물을 포함하는 것으로, 물이 곧 굴착 조성물일 수도 있으나 바람직하게는 연마재를 물과 혼합하여 이용함으로써 굴착기의 굴착 공정에서 굴착 대상(암석이나 토사 등)을 더욱 효율적으로 연마하여 결과적으로 굴착력을 높이는 기능을 제공한다.

바람직하게 이러한 굴착 조성물은 물 및 연마재를 포함하므로, 굴착 조성물의 물을 통해 기본적인 굴착에 필요한 수압을 제공하면서 연마재에 의한 암반이나 토사의 연마 기능으로 더욱 우수한 굴착력을 제공하는 것을 주요 특징으로 한다.

이때, 본 발명의 굴착기가 워터 해머 유닛이 아닐 경우에는 굴착 조성물을 분사할 수 있는 분사 기능을 포함한 굴착기를 적용하는 것도 가능하므로, 반드시 본 발명의 굴착기가 워터 해머 유닛으로 이루어질 필요는 없으나 기본적인 물 분사 기능을 탑재한 워터 해머 유닛을 적용하는 것이 별도의 분사장치를 구비할 필요가 없다는 경제적 이유로 보다 바람직하다.

워터 해머 유닛은 굴착장치(100)의 선단에서 분리 가능하여, 분리된 굴착장치(100)의 선단에 확공기(50)를 결합할 수 있도록 한다. 워터 해머 유닛의 분리 가능한 구조는 상술한 로드와의 결합 구조를 분리식으로 설계한 공지의 구조를 참조할 수 있다.

본 발명의 연마재는 상술한 워터 해머 유닛의 탱크에 물과 함께 포함되거나, 아니면 굴착기에 연결된 별도의 공급관을 통해 굴착기에서 물이 분사될 때 연마재가 함께 분사되도록 구성하는 것도 가능하다.

이때 연마재는 소듐 바이카보네이트(Sodium bicarbonate) 및 콘코브(corn cob) 및 쿼츠샌드(quatz sand) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 물질로 이루어질 수 있다.

소듐 바이카보네이트는 물에 녹는 성질이 있어 습식 연마에 주로 이용되며, 친환경적이라는 장점이 있다. 더불어 연마재로서의 성능이 뛰어나 빠른 작업 속도를 나타냄으로써 굴착 속도를 높일 수 있는 효과가 있다.

콘코브(corn cob)는 옥수수 열매를 따낸 후속대를 건조, 압축 및 분쇄한 것으로서 4.5 정도의 모스(MOHS) 경도를 갖는, 중등도의 경도를 가진 친환경 재질이다. 친환경적이며 가격이 저렴하다는 장점이 있다.

쿼츠샌드(quatz sand)는 7.5 정도의 모스(MOHS) 경도를 갖는 고경도의 물질로서 연마재로서의 성능이 뛰어나며 가격이 매우 저렴하다는 특성이 있다. 따라서 경제성이 뛰어나면서도 연마 성능이 뛰어나다는 장점이 있다.

이때, 이러한 연마재는 상술한 워터 해머 유닛이나 워터젯의 물과 혼합되어 굴착 조성물을 이루는바, 이 굴착 조성물은 물 80 내지 95 중량부, 연마재 1 내지 20 중량부로 혼합될 수 있고 물을 기준으로 연마재의 중량은 지중에서 암석의 밀도, 암석과 토사의 분포에 따라 상황에 맞게 가변 처리하는 것이 가능하다.

정리하면, 본 발명의 연마재는 물과 혼합되어 굴착 조성물을 형성하면서 굴착기의 굴착 공정에서 굴착 대상(암석이나 토사 등)을 더욱 효율적으로 연마하여 결과적으로 굴착력을 높이는 기능을 제공한다.

(S3) 제 3 단계

상술한 바와 같이 진입공(10) 측에 굴착 블레이드(굴착날)가 부착된 드릴 파이프(40) 또는 워터 해머 유닛(또는 워터젯, 로터리 워시)을 작동, 즉 드릴 파이프(40)를 연속적으로 지중에 밀어 넣거나 워터 해머 유닛을 통해 지속적인 굴착공(30)정을 수행하여 진입공(10)에서 도달공(20) 방향으로 굴착공(30)을 형성하는 것이 완료되면, 굴착장치(100)의 선단에 결합된 굴착기(드릴 파이프(40)나 워터 해머 유닛 또는 워터젯, 로터리 워시)를 분리한 다음 확공기(50)를 결합한다.

여기서 확공기(50)는 공지의 확공기(50)의 구조와 같으므로 별도의 구체적인 구조에 대한 설명은 생략한다.

확공기(50)를 통해 확공기(50)가 파이프(60)나 기타 구조물이 인입될 정도의 직경을 갖는 확공된 사이즈를 가진 굴착공(30)을 형성하게 되면, 확공기(50)의 후 측 단에 파이프(60)를 연결시키고, 굴착장치(100)를 사용하여 확공기(50)를 도달공(20)에서 진입공(10) 방향으로 잡아당겨(pulling) 파이프(60)나 기타 구조물이 확공된 굴착공(30) 내부로 인입되도록 하여 도달공(20))과 진입공(10) 사이의 굴착공(30)에 파이프(60)를 매설하는 것이 가능하다.

최종적으로, 도달공(20)과 진입공(10)을 토사 등의 매립재로 메우면 파이프(60)(또는 기타 구조물) 매설작업이 완료된다.

(S4) 제 4 단계

다음으로, 확공된 굴착공(30)에 벤토나이트를 포함하는 회수제를 상기 굴착장치(100)에 장착된 분사부를 통해 분사하여 상기 확공된 굴착공(30)에서 발생한 슬러지를 응집시키고 응집된 슬러지를 외부로 토출시키게 된다.

여기서, 분사부는 굴착기에 장착된 분사 수단과 별개로 굴착장치(100) 자체 또는 확공기(50)에 장착될 수 있는 것으로서, 슬러지 회수제를 저장한 탱크와 펌프, 노즐을 포함할 수 있고 이는 워터젯을 포함하는 상술한 분사 수단과 같거나 비슷한 구조를 가진다.

이러한 분사부를 통해 분사되는 회수제는 벤토나이트를 포함하는 것으로, 상술한 물과 연마재로 이루어진 굴착 조성물은 물론 토사, 암석 조각 등의 굴착 잔여물로 이루어진 슬러지를 혼합 및 응집되도록 하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 여기서 회수제는 벤토나이트 10 내지 30 중량부, 물 55 내지 90 중량부를 포함하는 혼합물로 이루어질 수 있다.

물은 워터젯(또는 워터 해머 유닛) 방식으로 회수제를 분사하기 위해 첨가되는 것이며, 벤토나이트는 운모와 같은 결정구조를 하는 단사정계에 속하는 광물인 몬모릴로나이트가 주로 들어있는 점토로써 발생한 연마재 및 연마 잔여물이 섞인 슬러지를 응집시키기 위해 첨가된다.

벤토나이트가 물과 섞일 경우 물에 분산되어 높은 구조점성을 나타내는 콜로이드 분산액을 형성하는데, 이와 같은 콜로이드 분산액이 슬러지와 함께 응집되어 처리 효율을 높일 수 있게 된다.

따라서 이와 같은 회수제를 분사부를 통해 워터젯 방식 등으로 분사함에 따라, 굴착 과정에서 생성된 굴착 잔여물 및 앞서 분사된 연마제가 혼합된 슬러지를 응집시켜 회수 처리할 수 있도록 함으로써 슬러지의 수집 효율을 극대화할 수 있도록 하였다.

이렇게 응집된 슬러지는 분사부에 의한 분사 압력에 따라 진입공(10) 방향으로 다시 밀려나올 수도 있고, 혹은 진입공(10)으로부터 시작된 굴착 방향을 따라 도달공(20)이 형성된 경우, 응집된 슬러지가 도달공(20)을 통해 토출되는 것도 가능하다. 즉 분사부가 위치한 방향으로 응집된 슬러지가 다시 밀려나올 수도 있고, 굴착공(30)의 타 단(도달공(20))으로 슬러지가 토출되도록 하는 것 역시 가능한 것이다.

이와 같은 본 발명의 천공 부산물 처리 기능을 강화한 지향식 압입 공법에 따르면, 높은 수준의 굴착력을 나타낼 수 있음과 동시에 굴착 과정에서 발생한 부산물에 대한 응집 처리 효율을 높여, 천공 부산물이 굴착공(30) 내에 잔류하여 굴착공(30)을 막아버리는 문제를 해결할 수 있다는 장점이 있다.

더 나아가 이와 같이 제 4 단계를 통해 슬러지의 토출이 완료되면, 제 5 단계의 과정으로서 확공된 굴착공(30)의 내벽에 충진재를 주입하는 단계가 더 포함되어 수행될 수 있다.

즉, 확공된 굴착공(30)이 무너지거나 토사 쏠림 등의 현상이 발생하는 것을 방지하기 위해, 확공된 굴착공(30)에 잘 알려진 그라우팅 처리(충전재 주입)하는 단계를 포함할 수 있다는 의미이다.

이때, 충전재 주입(그라우팅 처리) 공정은 싱글 팩커, 롯드, 스트레이너와 같은 단관이나 더블팩커와 같은 다중관으로 이루어진 공지의 주입관을 굴착공(30) 내로 투입한 다음 주입관의 단부를 굴착공(30)의 내벽에 꽂는 방식으로 고정시킨 다음 주입관에 연결된 투입기를 작동하여 주입관을 통해 충전재를 굴착공(30)의 내벽 내로 주입하는 것이 가능하며, 이는 공지의 그라우팅 공정과 같으므로 별도의 구체적인 설명은 생략한다.

여기서, 주입관은 후술할 충전재가 복합 조성물인만큼 여러 재료를 혼합하면서 주입이 가능한 복합 튜브인 맨젯튜브(manjettube)로 이루어질 수 있다.

더불어, 충전재가 주입관에 주입되었을 때 양생하는 단계를 포함할 수 있다.양생은 주입관에 충전재가 주입된 다음 온도 변화, 충격, 하중과 같은 유해한 영향을 받지 않고 충분히 경화되도록 보호하는 것을 의미한다.

통상적으로 양생 단계는 타설 후 28일(물론 이보다 짧을 수 있음)까지를 의미하는데, 충전재가 경화된 정도는 육안으로 판단하기 어려우므로 주입된 충전재의 양을 고려하여 충분한 양생 기간을 설정하는 것이 바람직하다.

물론 방사선 투과검사, 초음파 탐상검사, 음향 방출검사와 같은 공지의 비파괴검사 방법을 통해 충전재가 경화된 정도를 파악하여 양생 단계의 종료 시점을 특정할 수도 있다.

따라서 이와 같은 제 5 단계를 통하여 확공된 굴착공(30)의 내벽에 충진재를 주입함으로써 굴착공(30)의 무너짐을 방지하고 토사 쏠림 등의 현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.

더불어 상술한 제 4 단계에 대한 설명에서, 제 4 단계에서는 슬러지의 양의 고저를 기반으로 하여 분사 압력을 조절할 수 있다 하였는데, 여기에서 더 나아가 제 4 단계에서는 포토센서를 통해 상기 굴착공(30) 내부에 잔류된 슬러지를 촬영하고, 상기 잔류된 슬러지의 양의 고저에 따라 분사압력을 조절하면서 상기 회수제를 분사하여 상기 확공된 굴착공(30)에서 발생한 슬러지를 응집시키는 것이 가능하다.

보다 상세히 설명하면, 분사부의 일 측에 구비될 수 있는 포토센서를 통해 굴착공(30) 내부에 잔류된 슬러지를 촬영하고, 촬영된 이미지를 분석하여 슬러지의 입도(평균 직경)을 파악하며, 입도의 고저에 따라 분사부의 분사압을 조절할 수 있다.

만약 슬러지의 입도가 너무 큰 경우 진입공(10) 또는 도달공(20)을 통한 슬러지의 토출이 어려울 수 있으므로 분사부의 분사압력을 높여 슬러지의 크기를 줄여 조절할 수 있도록 하고, 분사부가 분사압력이 너무 높아 슬러지의 크기가 너무 작은 경우에는 응집 성능이 떨어질 우려가 있으므로 분사압력을 줄일 수 있도록 하는 것이다.

따라서 슬러지가 적절하게 응집되어 토출될 수 있도록 하면서도 작업성을 높이기 위한 최적의 분사압력으로 분사부의 구동을 제어하는 것이 가능하다.

도 3은 본 발명의 제 4 단계의 세부 순서를 나타낸 순서도이다.

도 3을 참조하여 설명하면, 보다 상세하게 상술한 제 4 단계는 슬러지 촬영 단계, 입도 파악 단계 및 입도 조절 단계로 구성되는 것이 가능하다.

슬러지 촬영 단계는 포토센서를 통해 굴착공(30) 내부에 잔류된 슬러지를 촬영하는 단계이다. 이는 상술한 설명에서처럼 굴착공(30) 내부에 구비된 포토센서를 기반으로 하여 슬러지를 촬영하고 영상 또는 이미지를 생성하는 기본 과정이라 할 수 있다.

다음으로, 슬러지 촬영 단계를 통해 촬영된 슬러지의 영상 또는 이미지를 기반으로 슬러지의 평균 입도를 파악하게 된다.

이때 슬러지의 색상 범위를 기 지정한 후 촬영된 이미지 또는 영상의 프레임 상에서 해당 색상 범위의 색이 차지하는 픽셀을 검출함으로써 이미지 또는 영상의 프레임에서 슬러지를 검출할 수 있는데, 이 경우 이미지 상에서 슬러지가 차지하는 영역을 검출할 수 있을 뿐 아니라 슬러지가 폐곡선을 갖는 객체로서 검출되는 경우 해당 객체의 평균 너비 또는 길이 중 어느 하나를 포함하는 평균 입도를 산출할 수 있다.

따라서 응집된 슬러지, 즉 원이나 타원형으로 응집되는 슬러지에 있어 슬러지가 나타내는 폐곡선의 평균 너비 및 길이 중 어느 하나를 평균 입도로 산출하는 것이며, 이는 이미지 분석을 통해 수행될 수 있다.

입도 조절 단계는, 산출된 평균 입도가 기 설정된 기준 입도를 초과함에 따라 분사부의 분사압력을 조절하여 입도를 조절하는 기능을 수행한다. 응집된 슬러지의 양이 정해진 상태에서 용매를 포함하는 회수제가 고압으로 추가 분사되는 경우, 회수제에 의해 응집된 슬러지가 일부 부서지고 그 후에 다시 응집되면서 입도가 일부 감소될 수 있다.

따라서 평균 입도가 기 설정된 기준 입도를 초과하는 경우, 분사부를 통해 고압으로 회수제를 추가 분사함으로써 입도가 높은 슬러지를 한 번 더 분쇄하고 재응집시켜 입도의 조절을 수행할 수 있는 것이다. 여기서 기준 입도는 기 설정될 수 있는 값으로 그 단위 및 값에 제한을 두지 않으며, 장치 관리자 등에 의해 설정될 수 있다.

여기에서 더 나아가 기 설정된 기준 입도보다 현저하게 미달되는 경우 분사부의 분사 압력을 낮추어 슬러지가 보다 원활히 응집되게 함으로써 입도를 높이는 것 역시 가능함은 무론이다.

이와 같이 포토센서를 통해 슬러지의 양의 고저 뿐 아니라 평균 입도를 측정하도록 하고, 평균 입도를 기준 입도와 비교하여 분사부의 분사 압력을 조절할 수 있도록 한 구성에 따르면 슬러지의 양의 고저, 나아가 슬러지의 입도에 따라 분사부의 분사 압력을 조절함으로써, 회수제를 통해 입도가 조절된 슬러지가 보다 원활히 회수될 수 있도록 함과 동시에 적절한 입도를 갖도록 하여 처리 효율을 극대화할 수 있다.

나아가 상술한 회수제는 굴착장치(100)에 구비된 분사부를 통해 분사되는데, 여기서 분사된 회수제에서 거품이 과하게 발생하는 경우 발생된 거품에 의해 슬러지의 응집이 지연되거나, 응집된 슬러지의 표면에서 발생된 기포에 의해 응집된 슬러지 각각이 과한 부피, 즉 과한 직경을 나타낼 우려가 존재한다.

이를 방지하기 위해 본 발명의 회수제는 레시틴(lecithin)을 포함하는 거품 조절제를 더 포함할 수 있는데, 바람직하게 이 경우 회수제는 벤토나이트 10 내지 30 중량부, 물 55 내지 90 중량부, 거품 조절제 1 내지 10 중량부를 포함하는 조성으로 이루어질 수 있다.

거품 조절제의 유효 성분인 레시틴은 지방의 일종으로 생체막의 주요 구성성분이며, 인체에 무해하며 자연에서 쉽게 분해가 가능한 성분이므로 환경에 친화적임은 물론이거니와, 천연 유화제 및 소포제의 역할을 하여 거품 발생을 억제하고 거품 조절제가 포함된 회수제의 혼합성을 보다 개선하여 슬러지의 혼합성을 높이는 기능을 수행한다.

따라서 이와 같은 거품 조절제가 회수제에 더 포함됨에 따라, 분사부를 통한 회수제 분사 시 기포가 발생되는 것을 억제하여 응집된 슬러지가 과하게 큰 부피 및 직경을 갖는 것을 방지함과 동시에 회수제의 유화성을 높여 회수제가 천공 부산물과 쉽게 혼합된 상태에서 응집될 수 있도록 하는 효과를 가진다.

나아가 거품 조절제는 레시틴 외에도 추가적인 조성을 더 포함할 수 있는데, 이러한 거품 조절제를 제조하는 단계에 대해 도면과 함께 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 거품 조절제를 제조하는 단계를 나타낸 순서도이다.

도 4를 참조하여 설명하면, 본 발명의 거품 조절제는 1차 혼합물을 제조하는 단계(S11), 2차 혼합물을 제조하는 단계(S12), 거품 조절제를 완성하는 단계(S13)를 통해 제조될 수 있다.

(S11) 1차 혼합물을 제조하는 단계

가장 먼저, 하이드로제네이티드해바라기씨오일글리세릴에스터(Hydrogenated Sunflower Seed Oil Glyceryl Esters) 10 내지 30 중량부와 글리세린(Glycerin) 40 내지 70 중량부 및 레시틴(lecithin) 10 내지 20 중량부를 혼합하여 1차 혼합물을 제조한다.

하이드로제네이티드해바라기씨오일글리세릴에스터는 하이드로제네이티드해바라기씨오일 및 글리세린의 에스터 교환반응으로 얻은 에스터 혼합물이며, 유화안정제 및 계면활성제, 나아가 비수성 점도증가제의 기능을 수행하여 거품 조절제가 혼합된 회수제의 점도를 조절하여 응집이 보다 쉽게 일어나게 할뿐 아니라 수성, 유성 성분 간의 유화도를 높여 혼합성을 증대시키고, 지방 계열 성분으로 거품 없는 혼합을 가능케 하여 거품 발생을 억제하는 효과를 제공한다.

레시틴은 상술한 바와 같이 천연 유화제 및 소포제의 역할을 하여 거품 발생을 억제하고 거품 조절제가 포함된 회수제의 혼합성을 보다 개선하여 슬러지의 혼합성을 높이는 물질이라 하였다.

글리세린은 거품 조절제의 용매로서의 기능을 수행함과 동시에, 하이드로제네이티드해바라기씨오일글리세릴에스터에 의해 증가된 점도를 적절히 조절할 수 있도록 하는 점도감소제의 역할을 수행하고, 나아가 회수제의 동결을 방지하여 혹한기에 회수제가 분사 과정에서 얼어붙는 것을 방지하는 기능을 수행한다.

(S12) 2차 혼합물을 제조하는 단계

이어서, 1차 혼합물 80 내지 90 중량부와 솔비탄세스퀴올리에이트(Sorbitan Sesquioleate) 3 내지 5 중량부 및 글루카메이트(Glucamate)를 포함하는 회수 효율 증가제 5 내지 10 중량부를 50 내지 70℃에서 혼합하여 2차 혼합물을 제조한다.

솔비탄세스퀴올리에이트는 감미료로도 이용되는 솔비톨의 하이드록시기에 지방산인 올레인산이 결합하여 얻어지는 계면활성제이다. 천연의 계면활성제이자 유화제 성분으로 친환경적이며 안정성이 높은 것으로 알려져 있으며, 거품을 발생하지 않는 유화제 타입의 계면활성제이므로 거품 조절 능력이 뛰어난 것으로 알려져 있다.

여기서 회수 효율제는 유효 성분으로서 글루카메이트(Glucamate)를 포함하는데, 글루카메이트는 옥수수에서 추출한 천연유래 점증제이며, 인체 및 환경에 안전함과 동시에 솔비탄세스퀴올리에이트 첨가로 인해 감소된 점도를 높일 수 있는, 점도 조절 효과가 있는 물질이다. 나아가 글루카메이트의 원활한 혼합을 위해 50 내지 70℃ 범위에서 혼합이 이루어져야 한다.

(S13) 거품 조절제를 완성하는 단계

마지막으로, 2차 혼합물 85 내지 95 중량부와 피롤로퀴놀린퀴논(Pyrroloquinoline Quinone) 1 내지 5 중량부 및 글루콘산나트륨(Sodium gluconate) 1 내지 10 중량부를 혼합하여 거품 조절제를 완성한다.

피롤로퀴놀린퀴논은 4,5-디히드로-4,5-디옥소-1H-피롤로[2,3-f]퀴놀린-2,7,9-트리카르복실산의 약칭이며, NAD, FAD에 이어 제3의 산화환원 조효소이다. 산화방지 효과가 뛰어난 것으로 알려져, 거품 조절제에 포함된 다양한 성분들, 특히 쉽게 산패될 수 있는 유기계열 성분들의 산화를 방지하는 기능을 수행한다.

글루콘산나트륨은 미생물을 이용하여 포도당을 발효시킴으로써 생산할 수 있는 유기산염으로, 거품 조절제의 혼합성을 개선하고 거품 조절 효과를 높이는데 도움을 줄 수 있는 유화제로서 기능할 수 있음과 동시에 산도(pH)를 조절하는 역할을 수행할 수 있어, 피롤로퀴놀린퀴논의 산화방지 효과를 보조할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 거품 조절제에 따르면, 환경에 유해하지 않으며 분해가 쉽게 이루어질 수 있는 성분들을 이용하여 고압으로 분사되는 회수제에서 쉽게 발생될 수 있는 거품을 억제할 수 있음과 동시에 거품 조절제가 포함된 회수제의 혼합성을 높이며, 나아가 액상의 회수제의 산화를 방지할 수 있는 효과를 제공한다.

이하, 본 발명의 거품 조절제의 구성에 따른 물성을 설명하기 위해 실시예 및 비교예의 평가 결과를 비교하여 설명하도록 한다. 실시예는 본 발명의 거품 조절제 포함하는 실시예 1,2로 구성되어 있고, 비교예는 종래의 소포제 조성물이다.

<실시예 1>

거품 조절제로서 레시틴 100g을 준비하였다.

<실시예 2>

하이드로제네이티드해바라기씨오일글리세릴에스터 25g, 글리세린 60g, 레시틴 15g을 혼합하여 1차 혼합물 100g을 제조하였다.

제조된 1차 혼합물 85g, 솔비탄세스퀴올리에이트 5g, 글루카메이트 10g을 60℃에서 혼합하여 2차 혼합물 100g을 제조하였다.

제조된 2차 혼합물 90g, 피롤로퀴놀린퀴논 3g, 글루콘산나트륨 7g을 혼합하여 거품 조절제 100g을 완성하였다.

<비교예 1>

폴리디메틸실록산 83g, 흄드 실리카 8g, 오르가노폴리실록산 2.5g 및 미네랄 오일 2.5g을 혼합 및 균질화하였고, 강도 20%의, 메탄올 중 수산화칼륨 용액 촉매 7500 ppm의 존재 하에 150℃에서 4시간 동안 가열하여 거품 조절제 100g을 완성하였다.

[실험예 1] 거품 조절제 유효성 시험

펄프 공정(Finland의 Kuusankoski 소재 UPM Kymmene Oy사로부터의 경목(hardwood))에서 유래한 흑액 400ml를, 80℃로 온도조절된 1,000ml 순환 펌핑 장치에서 1.5L/분의 펌핑 속도로 순환시키면서 펌핑하였다.

각각의 거품 조절제의 유효성을 시험하기 위하여, 실시예 1,2 및 비교예에 따른 조성물을, 폴리에테르실록산의 혼입 후에, 각각 미네랄 오일로 희석하여 강도 40 중량%의 용액을 생성하였고, 피펫을 이용해 계량하여 흑액에 주입하였다.

포말 레벨이 75mm의 높이에 도달하는 즉시, 실시예 1,2 내지 비교예 1의 조성물을 계량하여 주입하였고, 포말 붕괴 시간, 및 실시예 1,2 내지 비교예 1의 첨가와 포말 붕괴의 시작 후에 도달하는 최저 포말레벨을 기록하였다.

포말 붕괴 시간 t1이 짧고 포말 레벨 h1이 낮을수록, 거품 조절제의 신속한 효과가 더욱 뛰어났다. 그 후, 거품 조절제의 장기적 효과를 확인하였고, 장기적 효과는 최저 포말 레벨로부터 원래의 포말 레벨(75mm)에 도달하는 데 필요한 소요시간(timespan) t2를 나타낸다.

표 1는 거품 조절제 시험 결과를 나타낸 표이다.

	포말 붕괴 시간 t1(s)	포말 붕괴 후 포말 레벨 h1(mm)	장기적 효과 t2(s)
실시예 1	13	13	518
실시예 2	11	9	594
비교예	22	18	321

표 1을 참조하면 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 2의 조성물은 비교예에 비해 포말 붕괴 시간이 빠르고 포말 붕괴 후 포말 레벨이 낮으며, 장기적 효과가 뛰어나 거품 조절 성능이 뛰어난 것을 확인할 수 있다.

더하여 실시예 1 내지 2 사이의 비교를 통해, 거품 조절을 위한 다양한 성분을 포함한 실시예 2의 조성물이 실시예 1에 비해 거품 조절제로서의 성능이 보다 뛰어난 것을 확인할 수 있다.
지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 천공 부산물 처리 기능을 강화한 지향식 압입 공법의 구성 및 작용을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능함은 물론이다.

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10 : 진입공 20 : 도달공
30 : 굴착공 40 : 드릴 파이프
50 : 확공기 60 : 파이프
100 : 굴착장치

Claims (9)

1. 천공 부산물의 처리 기능을 강화한 지향식 압입 공법으로서,
   지표면의 소정 부위를 일정 깊이로 개착하여 진입공을 형성하고, 선단에 굴착기를 구비한 굴착장치를 상기 진입공 측에 설치하는 제 1 단계;
   상기 굴착기를 통해 지중 내부로 굴착공을 형성하는 제 2 단계;
   상기 굴착장치의 선단에서 굴착기를 분리한 다음 확공기를 결합하여 상기 굴착공을 확공하는 제 3 단계;
   상기 확공된 굴착공에 벤토나이트를 포함하는 회수제를 상기 굴착장치에 장착된 분사부를 통해 분사하여 상기 확공된 굴착공에서 발생한 슬러지를 응집 및 외부로 토출시키는 제 4 단계;를 포함하고,
   상기 회수제는,
   거품 조절제 및 상기 벤토나이트를 포함하되,
   상기 거품 조절제는,
   하이드로제네이티드해바라기씨오일글리세릴에스터(Hydrogenated Sunflower Seed Oil Glyceryl Esters) 10 내지 30 중량부와 글리세린(Glycerin) 40 내지 70 중량부 및 레시틴(lecithin) 10 내지 20 중량부를 혼합하여 1차 혼합물을 제조하는 단계;
   상기 1차 혼합물 80 내지 90 중량부와 솔비탄세스퀴올리에이트(Sorbitan Sesquioleate) 3 내지 5 중량부 및 글루카메이트(Glucamate)를 포함하는 회수 효율 증가제 5 내지 10 중량부를 50 내지 70℃에서 혼합하여 2차 혼합물을 제조하는 단계;
   상기 2차 혼합물 85 내지 95 중량부와 피롤로퀴놀린퀴논(Pyrroloquinoline Quinone) 1 내지 5 중량부 및 글루콘산나트륨(Sodium gluconate) 1 내지 10 중량부를 혼합하여 거품 조절제를 완성하는 단계;를 통해 제조되는 것을 특징으로 하는, 지향식 압입 공법.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 굴착기는,
   물을 포함하는 굴착 조성물을 상기 굴착공에 분사하는 로터리 워시(rotary wash), 워터 해머 유닛 및 워터젯 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는, 지향식 압입 공법.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 굴착 조성물은,
   소듐 바이카보네이트(Sodium bicarbonate) 및 콘코브(corn cob) 및 쿼츠샌드(quatz sand) 중 적어도 어느 하나를 포함하는 연마재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 지향식 압입 공법.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 제 4 단계 이후에는,
   상기 확공된 굴착공의 내벽에 충전재를 주입하는 제 5 단계;가 포함되는 것을 특징으로 하는, 지향식 압입 공법.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제 4 단계는,
   포토센서를 통해 상기 굴착공 내부에 잔류된 슬러지를 촬영하고, 상기 잔류된 슬러지의 양의 고저에 따라 분사압력을 조절하면서 상기 회수제를 분사하여 상기 확공된 굴착공에서 발생한 슬러지를 응집시키는 것을 특징으로 하는, 지향식 압입 공법.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 제 4 단계는,
   포토센서를 통해 상기 굴착공 내부에 잔류된 슬러지를 촬영하는 슬러지 촬영 단계와,
   상기 슬러지의 평균 입도를 파악하는 입도 파악 단계와,
   상기 평균 입도가 기 설정된 기준 입도를 초과함에 따라 상기 분사부의 분사압력을 조절하여 상기 슬러지의 입도를 조절하는 입도 조절 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 지향식 압입 공법.
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