KR20190041370A - 강관 그라우팅 공사에 사용되는 강관 조립체의 후단부에 사용되는 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트 및 이를 이용한 터널 보강 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 굴착 공사에서 충적토층, 파쇄대 또는 활동 가능면을 봉합하여 터널 굴착 예정 단면 주위의 지반 이완을 방지하고 사력층 및 파쇄 연암층과 암반 절리면을 통하여 유출되는 지하수를 차단하기 위하여 터널 내에서의 보호 우산망 공법과 같은 터널 보강 공법으로서 시행되는 강관 그라우팅 공사에 사용되는 강관 또는 강관 조립체(보강 튜브 조립체)의 후단부에 사용되는 코킹 유니트로서 급속 부착 설치가 가능하고 분리가 용이한 코킹 유니트 및 이를 이용한 터널 보강 방법에 관한 것이다.

Description

강관 그라우팅 공사에 사용되는 강관 조립체의 후단부에 사용되는 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트 및 이를 이용한 터널 보강 방법 {Caulking unit with quick attachment for tube assembly for tunnel grouting and tunnel supporting method of using thereof}

본 발명은 터널 굴착 공사에서 충적토층, 파쇄대 또는 활동 가능면을 봉합하여 터널 굴착 예정 단면 주위의 지반 이완을 방지하고 사력층 및 파쇄 연암층과 암반 절리면을 통하여 유출되는 지하수를 차단하기 위하여 터널 내에서의 보호 우산망 공법과 같은 터널 보강 공법으로서 시행되는 강관 그라우팅 공사에 사용되는 강관 또는 강관 조립체(보강 튜브 조립체)의 후단부에 사용되는 코킹 유니트 및 이를 이용한 터널 보강 방법에 관한 것이다.

현재 터널 시공에 있어 일반적으로 사용되는 강관 그라우팅 공법은 연약 지반에 터널을 굴착하는 경우에 널리 채택되는 보강 공법으로서, 이를 시행함으로써 굴착 예정 지반 주변을 선행하여 강화시키고 차수성을 향상시키는 터널 굴착 보조 공법인데, 도 1에 도시된 바와 같이 굴착 터널(100) 형상의 천정부 주변에 천공홀(102)을 형성하며 천공홀(102) 내부에 강관(120)을 설치하고, 그 강관(120)의 내부를 통하여 강관(120)과 천공홀(102) 벽면 사이 및 나아가 지반 내부로 그라우팅재(153)를 압력 주입하는 방법으로서, 도 2a에 도시된 바와 같이 천공 장비(110)를 이용하여 천공홀(102)을 천공하고서, 도 2b에 도시된 바와 같이 천공홀(102)의 내부에 강관(120)을 삽입하고서는, 도 2c의 코킹 공정 및 도 2d의 실링 공정을 거친 후에, 도 2e에 도시된 바와 같이 강관(120)에 형성된 분사공(121b)(예컨대, 일방향 밸브(122)가 설치된 분사공)을 통하여 패커(151)가 장착된 주입관(150) 등의 수단을 이용하여 다단식으로(또는 일괄식으로) 그라우팅재(153)를 압력 분사시켜서 지반 내로 침투시킴으로써, 주입재에 의한 지반의 고결로 강관과 주변 지반을 일체로 만들어 굴착 예정 지반 주위의 인장 강도를 증가시켜 전단 저항을 강화하고, 그리고 지반 차수성을 증대시키는 효과를 제공하게 되고, 그리하여 추가적인 굴착 공정이 안정적으로 계속 진행되도록 하는 공법이다.

이 경우 터널 굴착에 일반적으로 적용되는 NATM 공법에 따르면 굴착되어지는진 막장 자유면에 즉시 가설재로서 H빔 또는 앵글형 지보인 강지보(210)를 설치하고, 그 주변에 숏크리트층(300)을 타설하여야만 터널의 안정성을 꾀할 수 있게 되는데, 통상의 경우에 굴착 보조 공법에 해당하는 강관 그라우팅 공법은 지반에 설치된 강관 후단부가 이러한 강지보(210) 위에 접하여 걸쳐져야만 보강효과를 극대화시킬 수가 있는 것이다.

따라서, 터널 최적 설계시에 터널 굴착 주변부의 적절한 범위 내에 그라우팅 범위가 정해지므로, 강관 그라우팅 보조 공법의 시행시에 설치되는 강관의 규격이나 설치 길이, 설치 간격, 및 설치 각도(설치 각도가 크면 중첩 길이가 작아져 보강 효과가 저하됨) 등을 주요 설계 파라미터로 삼아서 시공시에 엄격한 관리를 하여야 하는 필요성이 강조되고 있다.

그러나, 종래의 방법에서는 현장 여건상 천공 장비의 드리프터(114)와 강지보(210) 사이의 간섭 및 강관 단위 길이 등으로 인하여 터널 설계도에서 예시하는 강관 설치 각도(5°~ 15°)를 그대로 적용 및 설치하기 어려운 상황이며, 이를 준수하기 위해서는 매 굴착 단면을 강관 설치 각도에 맞추어 첨부 도면 도 3a 및 도 3b와 같이 변단면 형식으로 설계하고 이에 따라 시공하여야 하나, 이는 강관(120)의 설치 각도와 맞게 터널 굴착 단면 크기를 변화시키면서 터널 굴착을 진행하여야 하기에 터널 굴착 방향으로 일정 간격마다 설치하게 되는 강지보(210)의 크기가 달라 강지보 제작 경비가 많이 들며 또한 설치 공정이 복잡하여져서 공사비 및 공사 기간이 증가하는 단점이 있다. 또한 굴착 완료 후에 차후에 굴곡진 전 굴착 단면에 대하여 상당량만큼의 숏크리트층(300)으로 채워야 하므로 재료의 소모가 크게 되는 문제점을 나타내게 된다. 따라서, 터널 보강 공사의 경비 절감 및 공정의 단순화를 위해서는 변단면 형태의 굴착 및 보강을 시행하지 않고, 일반적으로 일정 단면 굴착 조건하에 강관의 설치 각도를 제한하는 설계를 채택하게 된다.

이러한 실정을 고려하여 도 4a 내지 도 4c에 도시된 바와 같이 종래의 강관 그라우팅 및 직천공 강관 보강 공법에서는, 천공 장비의 드리프터와의 간섭을 피하면서도 강관의 설치 각도에 따른 설계상의 제한 조건(예컨대, 5°~ 15°)을 만족시키면서 또한 강관(120)이 예정 굴착 단면(k)에 추후 설치될 강지보(210a)에 걸쳐서 지지되도록 하는 조건을 맞추기 위하여, 도 4a에 도시된 바와 같이 통상적으로 예정 굴착 단면(k)에 이르기 전에 굴착 작업을 일단 중단하고 강관 설치를 위한 천공 지점을 미리 앞당겨 중간 위치의 막장면(m)에서 예컨대, 5°~ 15°의 각도로 설치하고서는 강관 그라우팅 공법을 일단 먼저 수행하며, 나아가 굴착 장비를 이용하여 도 4b에 도시된 바와 같이 예정 굴착 단면(k)에 이르기까지 추가 굴착 후에, 그리고는 도 4c에 도시된 바와 같이 상부에 노출되는 강관 돌출부(120a, 도면에 길이 'L1'로 나타냄)을 산소 절단기 등의 별도의 특수 장비를 사용하여 절단하고, 예정 굴착 단면(k)에 이르기까지 추가 굴착(굴진)한 후에 추가로 가설 강지보(210a)를 설치하고서는 숏크리트(300)를 연속하여 타설하는 시공 방법을 실시하는 대안적 공법을 사용하기도 하고 있다.

그러나, 이러한 경우에는 도 4b에 도시된 바와 같이 굴착면 내로 강관 돌출부(120a)가 노출되게 되는데, 이와 같이 노출된 강관 돌출부(120a)는 절단기 또는 산소 용접기를 사용하여 도4c에 도시된 바와 같이 제거하여야 하는데, 한 단면 당 수십 개의 강관이 설치되고 또한 강관의 경우에는 상당히 큰 강성을 가지고 있기에 이들 강관을 모두 절단하여 제거하는 데에는 상당한 경비 증가와 시간 손실을 초래할 뿐만 아니라 절단 작업시 화재 등의 위험도가 증가할 뿐만 아니라, 더욱 심각한 문제점으로서 강관의 길이(L) 중에서 강관 돌출부(102a)의 절단된 길이(L1) 만큼 실제 보강 길이가 설계 기준보다 줄어들게 되어서 이에 따른 안전상의 문제점도 심각하게 야기될 수도 있는 실정이다.

한편, 노출된 강관 돌출부의 절단에 따르는 경비 증가와 시간 손실을 방지하면서 산소 용접기와 같은 도구를 사용하여 강관을 절단할 때 발생할 수 있는 화재 위험도를 낮추기 위하여, 도 5에 도시된 바와 같이 그라우팅재 주입공(1b)이 형성된 강관(1)의 후단부에 합성수지재 연장관(3)을 추가적으로 접속하면서 합성수지재 연장관(3)을 보호하기 위한 덮게관(2)을 덧씌우는 구조의 터널 보강 튜브 조립체가 일본공개특허공보 평11-182173호(1999.07.06.)를 통하여 공개된 바 있으나, 이러한 종래 기술에 따르는 경우에는 연질의 합성수지재 연장관(3)을 보호하기 위한 덮게관(2)을 이용하여 덮게관(2)의 후방을 타격하여 천공 홀 내부로 강관을 삽입하고난 다음에 덮게관(2)을 제거하고난 다음에 그라우팅재를 주입하는 공정을 사용하게 되는데, 이와 같은 공정에 따르면 덮게관(2)의 조립 및 분해 공정이 반드시 필요하게 되는데 특히 덮게관(2)의 분해 공정은 천공홀이 터널 단면의 천정부에 형성되는 터널 시공 현장에서 상당한 불편과 어려움을 끼치게 되어서 공정 수행의 효율성을 크게 낮추는 문제점을 나타내었다.

이와 같은 덮게관 사용 구조가 가진 문제점을 해결하기 위한 시도로서 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이 강관(410)의 후단부에 연결하는 합성수지재 연장관(420)의 강성을 충분히 확보하면서 덮게관을 사용할 필요가 없도록 합성수지재 연장관(420)에 타입 하중을 인가하지 않은 개량 기술이 새롭게 제안되었는데, 그러나 이와 같은 보강 튜브 조립체(400)를 이용하여 도 6a에 도시된 바와 같이 합성수지재 연장관(420)의 외주면과 천공홀(102) 벽면 사이를 코킹재(130)로 봉입하고 보강 튜브 조립체(400)의 내부 공간에 그라우팅재 주입관(150)을 삽입하여 그라우팅재를 주입하는 경우에도, 코킹재(130)와 합성수지재 연장관(420) 사이의 낮은 마찰 저항 때문에 그라우팅재 주입 압력에 의해 코킹재(130) 또는 합성수지재 연장관(420)이 천공홀(102)로부터 터널 공간부로(도 6a에 도시된 화살표 방향으로) 밀려나오는 문제점이 발생할 수 있으며, 또한 도 6b에 도시된 바와 같이 그라우팅재 주입 및 고결이 완료된 이후에 추가적인 터널 굴착을 위하여 합성수지재 연장관(420)의 후단부에 절단 충격력(Fcut)을 인가하는 경우에 합성수지재 연장관(420)이 가지고 있는 기본적인 강성과 인성에 의해 절단이 용이하게 이루어지지 않을 수 있으며 절단이 되지 않은 상태에서 반복적으로 인가되는 절단 충격력(Fcut)은 합성수지재 연장관(420)으로부터 천공홀(102) 내부에 연장 설치된 강관(410)들에게도 연속적으로 전달되어 강관(410)과 그라우팅재의 고결 접착 부분이 파손될 수 있으며, 그 결과 그라우팅된 보강 뷰브 조립체의 보강력이 저하될 수 있는 문제점이 발생할 수도 있게 되는데, 한국등록특허 제10-0852724호(2008.08.19)에서는 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 외주면에 파단 홈이 가공된 합성수지재 연장관을 제안한 바 있다.

한편으로 이와 같은 합성 수지제 연장관을 대신하여 강관 후단부에 삽입되는 구조의 플라스틱관(20)을 사용하면서 코킹(Caulking; 그라우팅재의 역류 방지와 보강 부재와 천공홀 벽면의 접착 고정을 강화하기 위하여 플라스틱관과 천공홀 벽면 사이에 사용됨) 부분을 개량하기 위한 기술로서 한국공개특허공보 특2003-0005884호(2003.01.23)로 공지된 압력식 쏘일 네일링 공법용 이동식 발포 우레판 패커를 응용하여, 강관의 내경 보다 작은 외경을 가진 플라스틱관(20)의 외주면에 상호 이격되게 설치되는 한 쌍의 고무패커(31)와; 한 쌍의 고무패커 사이에 형성된 이격공간을 감싸 밀봉하는 부직포(32)와; 상기 이격공간에 팽창제를 주입할 수 있도록 상기 한 쌍의 고무패커(31) 중 후측에 위치한 고무패커를 관통하여 상기 이격공간(35)으로 들이어진 팽창제 주입용 호스(34)를 포함하여 이루어지는 코킹모듈(첨부 도면 도 8a, 8b, 8c 참조)이 한국 등록특허 제10-1032745호(2011.05.06)를 통하여 제안되기도 하였다.

이러한 한국 등록특허 제10-1032745호에 의해 제시된 코킹모듈의 경우에는 코킹 작업이 수행되기 위하여, 코킹 모듈의 선단부가 강관(10)의 후단부 내경에 삽입되도록 설치한 이후, 한 쌍의 고무패커(31) 중 후측에 위치한 고무패커(31)의 관통홀(31b)을 관통하여 상기 이격공간(35)으로 들이어진 팽창제 주입용 호스(34)를 통하여 한 쌍의 고무패커(31) 사이에 부직포(32)가 둘러싼 형태로 형성되는 이격공간(35)에 팽창제(약액으로 주입되어 겔화되면서 부피 팽창을 수반하는 발포우레탄이나 조기강도가 발현되는 초속형 시멘트)를 주입함으로써 부직포(32)가 외측으로 팽창되면서 천공홀(H) 입구를 간단히 코킹할 수 있게 되는 구조를 가지고 있으나, 팽창제를 이격공간의 외부에서 주입하기 위하여 고무패커(31) 중 후측에 위치한 고무패커(31)에 관통홀(31b)과 이를 관통하는 팽창제 주입용 호스(34)를 제공하여야 하는 구조적인 복잡성을 가지며, 설치 작업 공정도 2 단계로 나누어져 있어서 작업 시간이 오래 걸리고 또한 별도의 팽창제 주입 장치를 시공 현장에 설비하여 운용하여야 하기에 작업 효율이나 공정 효율이 떨어지는 문제점이 있으며, 코킹 모듈을 구성하는 플라스틱관의 외경이 강관의 내경 보다 작은 구조를 가져야 한다는 한계점을 가지고 있는데, 이러한 구조의 경우에는 후속되는 다단 패커 그라우팅 작업시 패커의 외부 반출 과정에서 플라스틱관의 선단부가 걸림턱이 되어 장애물이 되는 문제점이 있으며, 독립된 코킹 모듈로 제작된 플라스틱관의 외경 보다 큰 내경을 가진 강관에는 사용할 수 없다는 단점이 있으며, 강관의 직경(내경)이 작은 경우에 이러한 작은 직경(내경)에 삽입되는 구조의 외경을 가진 플라스틱관으로 만들어진 코킹 모듈의 경우에는 천공홀 벽면과 플라스틱관 외주면 사이의 간극이 너무 넓어서 많은 팽창제가 소요되며 아울러 팽창 압력의 완화로 인하여 코킹 효율도 떨어지는 문제점이 있다.

1) 일본공개특허공보 평11-182173호(1999.07.06.) 2) 한국등록특허 제10-0852724호(2008.08.19) 3) 한국공개특허공보 특2003-0005884호(2003.01.23) 4) 한국 등록특허 제10-1032745호(2011.05.06)

본 발명은 앞서 설명한 한국등록특허 제10-0852724호의 합성수지재 연장관이 가진 기술적 효과를 유지하면서 아울러 한국 등록특허 제10-1032745호에 의해 제시된 코킹모듈이 가진 구조적인 문제점과 제한성을 극복하기 위하여, 강관 또는 강관 조립체의 후단부에 연속하여 외주면 발포형의 독립된 코킹 유니트를 설치하되 설치 이후의 후속 굴진시 강관 또는 강관 조립체 후단부로부터의 분리(탈착) 용이성을 유지하면서도 코킹 유니트를 설치할 때에 강관 또는 강관 조립체 후단부에 연결 설치(부착)하는 작업이 더욱 간편할 뿐만 아니라, 코킹 모듈을 구성하는 플라스틱관의 외경이 후단부 강관의 내경 보다 반드시 작아야 한다는 구조적인 한계점을 극복할 수 있으며, 장치 자체의 구조적인 복잡성을 제거할 수 있는 있는 강관 그라우팅 공사에 사용되는 강관 조립체의 후단부에 사용되는 탈부착이 용이한 코킹 유니트 및 이를 이용한 터널 보강 방법를 제안하는 것을 그 기술적인 과제로 하고 있다.

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 수단으로서,

터널 굴착 단면의 전방으로 천공홀을 천공하여 강관 또는 강관 조립체(연결체)를 삽입(강관 직천공방식 또는 천공후 강관 삽입 방식)하고 삽입된 강관 또는 강관 조립체(연결체)를 통해 그라우팅재를 지반에 침투시킴으로써 터널 굴착면을 보강하는 터널 보강공법에서 그라우팅재의 역류 방지를 도모하면서 강관과 천공홀 벽면의 접착 고정을 강화하기 위하여 사용되도록 천공홀 입구 부근의 강관 또는 강관 조립체 후단부에 연속 설치되는 코킹 유니트로서,

상기 강관 또는 강관 조립체의 후단부에 연속 설치되는 플라스틱관과;

상기 천공홀의 입구 내측에서 상기 플라스틱관의 외측에 상호 이격되게 설치되는 내측 체결 밴드와 외측 체결 밴드로 이루어지는 한 쌍의 체결 밴드와;

상기 한 쌍의 체결 밴드 사이에 형성된 이격공간을 감싸 밀봉하는 부직포와;

상기 이격공간 내에서 강관의 후단부 측에 배치되는 발포형 우레탄 캡슐;을 포함하여 이루어지며, 그리고

코킹 유니트가 천공홀 내부로 삽입되어 강관 또는 강관 조립체 후단부에 연속 설치될 때 강관 또는 강관 조립체의 후단부 단부면 또는 그 외주면에 후방으로 연결 설치되는 커플링의 후단부 단부면에 충돌하는 상기 내측 체결 밴드와의 마찰력 또는 충격력에 의해 상기 발포형 우레탄 캡슐의 발포가 개시되어 발포 우레탄을 상기 부직포 내의 이격 공간 내부로 발포 충진시킴으로써 상기 부직포가 외측으로 팽창하면서 천공홀 입구를 코킹할 수 있도록 하는 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트를 제공한다.

아울러, 본 발명은 상술한 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트를 이용한 터널 보강 방법의 관점에서, 터널 굴착 단면의 전방으로 선행하여 강관 또는 강관 조립체를 삽입 설치하며 삽입된 강관 또는 강관 조립체를 통하여 그라우팅재를 지반 내에 침투시킴으로써 터널 굴착면의 천정부를 미리 보강하고 굴착 단면에서는 강지보 설치와 숏크리트 타설로 추가 보강을 실시하는 터널 보강 공법에 있어서,

굴착 지반의 막장면 상부로부터 굴착 예정 지반의 천정부에 수평면에 대하여 설정 각도로 천공홀을 형성하면서 강관 또는 강관 조립체를 천공홀 내부에 삽입하는 강관 삽입 단계;

급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트를 상기 강관 또는 강관 조립체의 후단부에 배치되는 강관에 후속하여 설치하는 코킹 유니트 설치 단계;

상기 코킹 유니트를 구성하는 발포형 우레탄 캡슐의 발포가 개시되어 발포 우레탄을 상기 부직포 내의 이격 공간 내부로 발포 충진시키는 우레탄 발포 단계;

발포 우레탄에 의해 상기 부직포가 외측으로 팽창하면서 천공홀 입구를 코킹할 수 있도록 하는 코킹 완료 단계;

상기 코킹 유니트와 상기 강관 또는 강관 조립체의 내측 공간을 통하여 그라우팅재 주입관을 설치하고 그라우팅을 실시하는 그라우팅 단계; 및

굴착 예정 지반의 굴착 예정 단면에 이르기까지 일정 단면으로 추가 굴착을 수행하면서, 굴착 예정 지반의 천정부로부터 하방으로 돌출된 코킹 유니트의 후단부에 충격력을 인가하여 파단되어 제거되도록 하는 코킹 유니트 분리 단계를 포함하여 이루어지고, 그리고

상기 코킹 유니트 설치 단계와, 상기 우레탄 발포 단계와, 상기 코킹 완료 단계는 동시에 이루어지는 것을 특징으로 하는 터널 보강 공법을 제공한다.

여기에서, 상기 코킹 유니트 분리 단계에서는, 상기 코킹 유니트를 구성하는 플라스틱관의 외주면에 우레탄 캡슐 설치홈이 제공되고, 그라우팅재 주입 및 고결이 완료된 이후에 추가적인 터널 굴착을 위하여 코킹 유니트의 후단부에 절단 충격력(Fcut)을 인가하는 경우에 우레탄 캡슐 설치홈을 따라서 플라스틱관의 파단이 발생할 수 있도록 함으로써 코킹 유니트의 분리 절단이 용이하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 코킹 유니트 분리 단계 이후에는 추가적으로 하부에 강지보를 설치하고 숏크리트를 타설하게 된다.

여기에서, 상기 강관 삽입 단계가 직천공 방식이 아니라 천공후 강관 삽입 방식으로 수행되는 경우에는 상기 천공홀과 상기 강관 또는 강관 조립체 사이의 공간부를 실링하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.

또한, 상기 그라우팅 단계에서는 강관 내부에 이동식 패커(에어 패커)를 구비한 그라우팅재 주입관을 설치하고 패커를 이동시키면서 다단 주입할 수 있으며, 이와 달리 강관 조립체의 내측 공간을 다수개의 패커로 공간 분할하면서 각각의 분할 공간에 도달하는 동시 주입관을 설치하여 그라우트재를 동시에 주입할 수도 있다.

그라우팅재의 지반 내로의 압력 분사(침투)를 위하여 상기 강관에는 주입구가 형성되고, 주입구에는 일방향 밸브가 설치되어서 이를 통하여 그라우팅재를 압력 주입할 수 있게 된다.

본 발명에 따르면, 강관 그라우팅 등의 터널 보조 공법 시행 후 연속되는 터널 굴착 작업에서 일반적으로 사용하는 굴삭기 또는 기타 손쉬운 공구로써 굴착면 내부로 노출되는 플라스틱관 타입의 코킹 유니트를 강관으로부터 쉽게 분리 절단할 수 있도록 함으로써 종래에 사용하는 절단기 또는 산소 절단기 등의 사용으로 인한 인원, 시간, 경비 등의 손실을 줄일 수 있는 효과를 제공하며, 나아가 밀폐된 터널 내부에서 산소 절단기를 사용하는 경우에 발생할 수 있는 화재 또는 폭발 사고의 가능성을 최소화하여 공사 안정성을 높일 수 있도록 할 뿐만 아니라, 강관 또는 강관 조립체의 후단부와 천공홀의 내부 벽면 사이에서 이루어지는 코킹 작업이 코킹 유니트의 단순한 삽입(압입) 공정을 통하여 코킹 유니트를 구성하는 발포형 우레탄 캡슐의 발포가 개시되어 발포 우레탄을 부직포 내의 이격 공간 내부로 발포 충진시킴으로써 발포 우레탄에 의해 상기 부직포가 외측으로 팽창하면서 천공홀 입구를 코킹하는 공정이 한번에 이루어질 수 있도록 하여 코킹 유니트의 설치시에 별도의 팽창 충진제를 별도의 관을 통하여 주입하는 공정 없이도 강관 또는 강관 조립체 후단부에 코킹 유니트를 연결 설치(부착)하는 작업이 매우 간편하게 수행되도록 하여 공정 효율을 높이며, 장치의 복잡성을 제거할 수 있는 효과를 제공한다.

도 1은 터널의 수평 횡단면도로서 강관 그라우팅이 실시된 일반적인 상태의 일 예를 나타낸 도면.
도 2a, 2b, 2c, 도 2d, 및 도 2e는 종래 기술에 따른 강관 그라우팅 공법 중 일정 단면 형태로 터널 천정면에 강관을 삽입하는 시공 방법의 순서를 나타낸 도면들.
도 3a 및 도 3b는 변단면 형식을 채택한 종래 기술에 따른 강관 그라우팅 공법의 시공 상태도 및 요부 확대도.
도 4a, 4b, 및 4c는 종래 기술에 따른 강관 그라우팅 공법 중 일정 단면 형태로 터널 막장면에 강관을 삽입하는 시공 방법의 순서를 나타낸 도면들.
도 5는 종래 기술에 따른 분리 가능한 보강 튜브 조립체(강관 조립체)의 일 실시예를 도시한 도면.
도 6a 및 도 6b는 종래 기술에 따른 보강 튜브 조립체(강관 조립체)의 다른 실시예를 도시한 도면.
도 7a 및 도 7b는 도 6a 및 도 6b에 도시된 종래 기술에 따른 보강 튜브 조립체(강관 조립체)의 개량 실시예를 도시한 도면.
도 8a 내지 도 8c는 또 다른 종래 기술에 따른 코킹 모듈을 도시한 도면.
도 9는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 코킹 유니트의 설치 상태를 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 코킹 유니트의 조립 상태 사시도.
도 11a는 도 10에 도시된 코킹 유니트의 설치 상태를 단면도 및 요부 확대 단면도로 도시한 도면이고, 도 11b는 코킹 유니트의 설치 상태의 변형 실시예에 대한 요부 확대 단면도로 도시한 도면
도 12a는 도 10에 도시된 코킹 유니트의 변형 실시예에 대한 설치 상태를 도시한 도면이고, 도 12b는 도 12a의 "A" 부분을 재확대하여 도시한 도면.
도 13은 본 발명에 따라 강관 조립체 및 코킹 유니트를 이용한 터널 보강 공법의 일 실시예를 도시한 순서도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 살펴 보기로 한다.

도 9 및 도 10 그리고 도 11a에는 본 발명에 따른 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트(1000)의 바람직한 일 실시예가 도시되어 있는데, 이에 따르면 강관 또는 강관 조립체를 구성하는 다수개의 강관들 중에 최후방에 최종적으로 설치되는 강관(120)의 후단부(내경 'D2')에 'D1'의 외경을 가진 플라스틱관으로 구성되는 코킹 유니트(1000)가 조립 설치되는 상태가 도시되어 있으며, 이에 따르면

터널 굴착 단면의 전방으로 천공홀을 천공하여 강관 또는 강관 조립체(연결체)를 삽입(강관 직천공방식 또는 천공후 강관 삽입 방식)하고 삽입된 강관 또는 강관 조립체(연결체)를 통해 그라우팅재를 지반에 침투시킴으로써 터널 굴착면을 보강하는 터널 보강공법에서 그라우팅재의 역류 방지를 도모하면서 강관(120)과 천공홀(102) 벽면의 접착 고정을 강화하기 위하여 사용되도록 천공홀 입구 부근(도 9의 'L2' 거리)의 강관 또는 강관 조립체 후단부에 연속 설치되는 코킹 유니트(1000)로서,

상기 강관(120) 또는 강관 조립체의 후단부에 연속 설치되는 플라스틱관(1100)과;

상기 천공홀(102)의 입구 내측에서 상기 플라스틱관(1100)의 외측에 상호 이격되게 설치되는 내측 체결 밴드(1200a)와 외측 체결 밴드(1200b)로 이루어지는 한 쌍의 체결 밴드(1200)와;

상기 한 쌍의 체결 밴드(1200) 사이에 형성된 이격공간을 감싸 밀봉하는 부직포(1400)와;

상기 이격공간 내에서 강관(120)의 후단부 측에 배치되는 발포형 우레탄 캡슐(1300)을 포함하여 이루어지며, 그리고

코킹 유니트(1000)가 천공홀(102) 내부로 삽입되어 강관(120) 또는 강관 조립체 후단부에 연속 설치될 때 강관(120) 또는 강관 조립체의 후단부 단부면에 충돌하는 상기 내측 체결 밴드(1200a)와의 마찰력 또는 충격력에 의해 상기 발포형 우레탄 캡슐(1300)의 발포가 개시되어 발포 우레탄을 상기 부직포(1400) 내의 이격 공간 내부로 발포 충진(도 9 및 도 11a 참조)시킴으로써 상기 부직포(1400)가 외측으로 팽창하면서 천공홀(102) 입구를 코킹할 수 있도록 하는 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트(1000)를 제공한다.

여기에서, 상기 내측 체결 밴드(1200a)는 강관(120) 또는 강관 조립체의 후단부 단부면에 충돌하는 두께를 가지거나 또는 도면에 예시된 바와 같이 상기 내측 체결 밴드(1200a)에는 강관(120) 또는 강관 조립체의 후단부 단부면에 충돌하는 크기(높이)의 돌출 체결단(1210)이 제공되게 된다(도 11a의 확대도 참조).

이와 같은 발포형 우레탄 캡슐(1300)은 도 9에 예시된 바와 같이 혼합될 때 발포할 수 있는 A액과 B액이 분리 저장된 환형 주머니 형태로 제작되고, 플라스틱관(1100)의 강관 후단부측 외주면에는 우레탄 캡슐 설치홈(1110)이 제공되며, 상기 발포형 우레탄 캡슐(1300)은 상기 우레탄 캡슐 설치홈(1110)에 끼워져 설치되고, 이를 포함하여 둘러싸는 형태로 부직포(1400)가 설치되고, 금속 밴드와 같이 소정의 탄성을 가진 소재로 제작되는 내측 체결 밴드(1200a)와 외측 체결 밴드(1200b)로 이루어지는 한 쌍의 체결 밴드(1200)가 돌출 체결단(1210)에 제공되는 체결 수단(1220; 볼트 및 너트)에 의해 체결되면서 코킹 유니트(1000)의 조립이 완료될 수 있는데, 이는 공장 제작 가능하며 경우에 따라서 현장 조립하여 사용할 수도 있다.

여기에서, 상기 우레탄 캡슐 설치홈(1110)은 후술되는 바와 같이 강관(120)의 후단부로부터 분리 제거할 때 상기 플라스틱관(1100)의 후방에 일정 수준의 충격력이 인가되면 용이하게 파단될 수 있도록 하는 노치(Notch)를 형성하는 깊이로 제공되는 것이 바람직한데, 예컨대 약 100mm의 외경과 7mm 정도의 두께를 가진 플라스틱관(1100)의 경우에 상기 우레탄 캡슐 설치홈(1110)은 2 내지 3.5mm의 깊이를 가지도록 가공하는 것이 바람직하고, 나아가 그 단면 형상은 도면에 도시된 바와 같이 사각 요철홈(또는 U자홈)의 형상을 가지도록 하는 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 바람직한 일 실시예에 따른 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트(1000)를 노치(Notch)를 형성하는 깊이를 가지도록 제공된 우레탄 캡슐 설치홈(1110)은 본 발명에 따른 코킹 유니트(1000)를 강관(120)의 후단부에 밀어 넣으면서 조립 설치할 때 내측 체결밴드(1200a)의 높은 돌출 체결단(1210)(또는 내측 체결밴드(1200a)의 높은 두께: 도면 도시 생략)이 강관(120)의 후단부의 단부면에 결려서 후퇴하게 되면서 발포형 우레탄 캡슐(1300)을 압착하게 될 때 발포형 우레탄 캡슐(1300)이 플라스틱관(1100)의 외주면 상에서 고정된 위치를 가질 수 있도록 함으로써 우레탄 캡슐(1300)의 A액과 B액 사이의 분리막 파손이 일어날 수 있도록 하여 우레탄 발포가 발생할 수 있도록 한다.

한편, 앞서 설명된 실시예의 변형 실시예로서 도 11b에 도시된 바와 같이 코킹 유니트(1000)가 천공홀(102) 내부로 삽입되어 강관(120) 또는 강관 조립체 후단부에 연속 설치될 때 강관(120) 또는 강관 조립체의 후단부 외주면에 후방으로 연결 설치되는 커플링(120c)이 제공되고, 상기 커플링(120c)의 내부로 코킹 유니트(1000)가 삽입 설치되는 경우에는, 상기 커플링(120c)의 후단부 단부면에 충돌하는 상기 내측 체결 밴드(1200a)와의 마찰력 또는 충격력에 의해 상기 발포형 우레탄 캡슐(1300)의 발포가 개시되어 발포 우레탄을 상기 부직포(1400) 내의 이격 공간 내부로 발포 충진시킴으로써 상기 부직포(1400)가 외측으로 팽창하면서 천공홀(102) 입구를 코킹할 수 있도록 하는데, 이러한 변형 실시에의 경우에는 코킹 유니트(1000)를 구성하는 플리스틱관(1110)의 외경이 커플링(120c)의 내경 보다 작은 정도로 충분히 만족되고, 강관(120)의 내경 보다 작도록 형성할 필요가 없게 되어서 구조적인 한계를 나타내지 않도록 할 수 있으며, 나아가 후속 그라우팅 작업 단계에서 그라우트재가 플리스틱관(1110)과 강관 후단부 사이의 틈으로 침입하여 강관 내부로 역류하는 것을 더욱 효과적으로 방지할 수 있도록 한다.

본 발명의 다른 실시예로서 도 10에 도시된 코킹 유니트의 변형 실시예가 도 12a 및 도 12b(도 12a의 "A" 부분을 재확대도)에 도시되어 있는데, 이에 따르면 돌출 체결단(1210)에 강관(120) 또는 강관 조립체의 후단부 단부면에 의해 밀려서 후방 이동하도록 설치되는 슬라이더 스위치(1250)가 제공되고, 이 경우에는 우레탄 캡슐(1300)은 예컨대 one liquid 압력 용기 구조로 제공되고 상기 슬라이더 스위치(1250)에 의해 개방 압력해제되어서 발포 충진되게 된다.

아울러, 본 발명은 상술한 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트를 이용한 터널 보강 방법을 제공하는데, 도 13에 도시된 바와 같이, 터널 굴착 단면의 전방으로 선행하여 강관 또는 강관 조립체를 삽입 설치하며 삽입된 강관 또는 강관 조립체를 통하여 그라우팅재를 지반 내에 침투시킴으로써 터널 굴착면의 천정부를 미리 보강하고 굴착 단면에서는 강지보 설치와 숏크리트 타설로 추가 보강을 실시하는 터널 보강 공법에 있어서,

굴착 지반의 막장면 상부로부터 굴착 예정 지반의 천정부에 수평면에 대하여 설정 각도로 천공홀(102)을 형성(S100)하면서 강관(120) 또는 강관 조립체를 천공홀(102) 내부에 강관을 삽입(S200)하는 강관 삽입 단계(S150);

급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트(1000)를 상기 강관 또는 강관 조립체의 후단부에 배치되는 강관(120)에 후속하여 설치하는 코킹 유니트 설치 단계(S310);

상기 코킹 유니트(1000)를 구성하는 발포형 우레탄 캡슐(1300)의 발포가 개시되어 발포 우레탄을 상기 부직포(1400) 내의 이격 공간 내부로 발포 충진시키는 우레탄 발포 단계(S320);

발포 우레탄에 의해 상기 부직포(1400)가 외측으로 팽창하면서 천공홀(102) 입구를 코킹할 수 있도록 하는 코킹 완료 단계(S330);

상기 코킹 유니트(1000)와 상기 강관(120) 또는 강관 조립체의 내측 공간을 통하여 그라우팅재 주입관을 설치하고 그라우팅을 실시하는 그라우팅 단계(S400); 및

굴착 예정 지반의 굴착 예정 단면에 이르기까지 일정 단면으로 추가 굴착을 수행하면서, 굴착 예정 지반의 천정부로부터 하방으로 돌출된 코킹 유니트의 후단부에 충격력을 인가하여 파단되어 제거되도록 하는 코킹 유니트 분리 단계(S500)를 포함하여 이루어지고, 그리고

상기 코킹 유니트 설치 단계(S310)와, 상기 우레탄 발포 단계(S320)와, 상기 코킹 완료 단계(S330)는 동시 단계(S300)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 터널 보강 공법을 제공한다.

이와 같이 상기 코킹 유니트 설치 단계(S310), 상기 우레탄 발포 단계(S320), 및 상기 코킹 완료 단계(S330)가 동시 단계(S300)에서 수행됨으로써 천공홀 입구를 코킹하는 공정이 한번에 이루어질 수 있도록 하여, 코킹 유니트의 설치시에 별도의 팽창 충진제를 별도의 관을 통하여 주입하는 번거로운 공정 없이도 강관 또는 강관 조립체 후단부에 코킹 유니트를 연결 설치(부착)하는 작업이 매우 간편하게 수행되도록 하여 공정 효율을 높이게 된다.

여기에서, 상기 코킹 완료 단계(S330)에서 발포 우레탄에 의해 상기 부직포(1400)가 외측으로 팽창하면서 천공홀(102) 입구를 코킹할 수 있도록 하기에 종래 기술과 같이 일반적인 코킹재 압입 공간 확보를 위한 천공홀 확공과 같은 작업이 필요없도록 한다.

상기 코킹 유니트 분리 단계(S500)에서는, 상기 코킹 유니트(1000)를 구성하는 플라스틱관(1100)의 외주면에 우레탄 캡슐 설치홈(1110)이 제공되고, 그라우팅재 주입 및 고결이 완료된 이후에 추가적인 터널 굴착을 위하여 코킹 유니트(1000)의 후단부에 절단 충격력(Fcut)을 인가하는 경우에 우레탄 캡슐 설치홈(1110)을 따라서 플라스틱관(1100)의 파단이 발생할 수 있도록 함으로써 코킹 유니트의 분리 절단이 보다 용이하게 이루어지도록 하는 것이 바람직하다.

나아가, 상기 코킹 유니트 분리 단계(S500) 이후에는 추가적으로 하부에 강지보를 설치하고 숏크리트를 타설하게 된다.

여기에서, 상기 강관 삽입 단계가 직천공 방식(단계 "S100"과 단계 "S200"이 단계 "S150"으로 동시에 수행되는 방식)이 아니라 천공후 강관 삽입 방식으로 수행되는 경우에는 상기 천공홀(102)과 상기 강관(120) 또는 강관 조립체 사이의 공간부를 실링하는 단계를 추가적으로 포함할 수 있다.

또한, 상기 그라우팅 단계(S400)에서는 강관 내부에 이동식 패커(2000; 에어 주입관 '2200'을 구비한 패커)를 구비한 그라우팅재 주입관(2100)을 설치하고 패커를 이동시키면서 다단 주입할 수 있으며, 이와 달리 강관 조립체의 내측 공간을 다수개의 고정 패커로 공간 분할하면서 각각의 분할 공간에 도달하는 동시 주입관을 분리 설치하여 그라우트재를 동시에 주입할 수도 있다.

그라우팅재의 지반 내로의 압력 분사(침투)를 위하여 상기 강관(120)에는 주입구(121a)가 형성되고, 주입구(121a)에는 일방향 밸브(122a)가 설치되어서 이를 통하여 그라우팅재를 압력 주입할 수 있게 되고, 이로써 상기 그라우팅재에 의한 지반의 고결로 강관(120)과 주변의 연약 지반이 일체화되면서 굴착 예정 지반 주위의 인장 강도가 증가되어 전단 저항이 강화되고, 지반 차수성이 증대되어서, 추가적인 굴착 공정이 안정적으로 계속 수행될 수 있도록 한다.

지금까지 본 발명을 바람직한 실시예들을 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있으므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.

그리고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 특정되는 것이며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

102: 천공홀 120: 강관
1000: 코킹 유니트
1100: 플라스틱관
1200: 체결밴드
1200a: 내측 체결 밴드 1200a: 외측 체결 밴드
1210: 돌출 체결단 1220: 체결 수단
1300: 발포형 우레탄 캡슐
1400: 부직포

Claims (7)

1. 터널 굴착 단면의 전방으로 천공홀을 천공하여 강관 또는 강관 조립체를 삽입하고 삽입된 강관 또는 강관 조립체를 통해 그라우팅재를 지반에 침투시킴으로써 터널 굴착면을 보강하는 터널 보강공법에서 그라우팅재의 역류 방지를 도모하면서 강관(120)과 천공홀(102) 벽면의 접착 고정을 강화하기 위하여 사용되도록 천공홀 입구 부근의 강관 또는 강관 조립체 후단부에 연속 설치되는 코킹 유니트(1000)로서,
   상기 강관(120) 또는 강관 조립체의 후단부에 연속 설치되는 플라스틱관(1100)과;
   상기 천공홀(102)의 입구 내측에서 상기 플라스틱관(1100)의 외측에 상호 이격되게 설치되는 내측 체결 밴드(1200a)와 외측 체결 밴드(1200b)로 이루어지는 한 쌍의 체결 밴드(1200)와;
   상기 한 쌍의 체결 밴드(1200) 사이에 형성된 이격공간을 감싸 밀봉하는 부직포(1400)와;
   상기 이격공간 내에서 강관(120)의 후단부 측에 배치되는 발포형 우레탄 캡슐(1300)을 포함하여 이루어지며, 그리고
   코킹 유니트(1000)가 천공홀(102) 내부로 삽입되어 강관(120) 또는 강관 조립체 후단부에 연속 설치될 때 강관(120) 또는 강관 조립체의 후단부 단부면에 충돌하는 상기 내측 체결 밴드(1200a)와의 마찰력 또는 충격력에 의해 상기 발포형 우레탄 캡슐(1300)의 발포가 개시되어 발포 우레탄을 상기 부직포(1400) 내의 이격 공간 내부로 발포 충진시킴으로써 상기 부직포(1400)가 외측으로 팽창하면서 천공홀(102) 입구를 코킹할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트.
2. 제1항에 있어서,
   상기 내측 체결 밴드(1200a)는 강관(120) 또는 강관 조립체의 후단부 단부면에 충돌하는 두께를 가지거나 또는 상기 내측 체결 밴드(1200a)에는 강관(120) 또는 강관 조립체의 후단부 단부면에 충돌하는 높이의 돌출 체결단(1210)이 제공되는 것을 특징으로 하는 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 발포형 우레탄 캡슐(1300)은 혼합될 때 발포할 수 있는 A액과 B액이 분리 저장된 환형 주머니 형태로 제작되고, 상기 플라스틱관(1100)의 강관 후단부측 외주면에는 우레탄 캡슐 설치홈(1110)이 제공되며, 상기 발포형 우레탄 캡슐(1300)은 상기 우레탄 캡슐 설치홈(1110)에 끼워져 설치되는 것을 특징으로 하는 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트.
4. 제3항에 있어서,
   상기 돌출 체결단(1210)에 강관(120) 또는 강관 조립체의 후단부 단부면에 의해 밀려서 후방 이동하도록 설치되는 슬라이더 스위치(1250)가 제공되고, 그리고
   상기 우레탄 캡슐(1300)은 압력 용기 구조로 제공되어서 상기 슬라이더 스위치(1250)에 의해 압력해제되면서 발포 충진되는 것을 특징으로 하는 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트.
5. 제1항 또는 제2항에 따른 급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트를 이용한 터널 보강 방법으로서, 터널 굴착 단면의 전방으로 선행하여 강관 또는 강관 조립체를 삽입 설치하며 삽입된 강관 또는 강관 조립체를 통하여 그라우팅재를 지반 내에 침투시킴으로써 터널 굴착면의 천정부를 미리 보강하고 굴착 단면에서는 강지보 설치와 숏크리트 타설로 추가 보강을 실시하는 터널 보강 공법에 있어서,
   굴착 지반의 막장면 상부로부터 굴착 예정 지반의 천정부에 수평면에 대하여 설정 각도로 천공홀(102)을 형성(S100)하면서 강관(120) 또는 강관 조립체를 천공홀(102) 내부에 강관을 삽입(S200)하는 강관 삽입 단계(S150);
   급속 부착 설치가 용이한 코킹 유니트(1000)를 상기 강관 또는 강관 조립체의 후단부에 배치되는 강관(120)에 후속하여 설치하는 코킹 유니트 설치 단계(S310);
   상기 코킹 유니트(1000)를 구성하는 발포형 우레탄 캡슐(1300)의 발포가 개시되어 발포 우레탄을 상기 부직포(1400) 내의 이격 공간 내부로 발포 충진시키는 우레탄 발포 단계(S320);
   발포 우레탄에 의해 상기 부직포(1400)가 외측으로 팽창하면서 천공홀(102) 입구를 코킹할 수 있도록 하는 코킹 완료 단계(S330);
   상기 코킹 유니트(1000)와 상기 강관(120) 또는 강관 조립체의 내측 공간을 통하여 그라우팅재 주입관을 설치하고 그라우팅을 실시하는 그라우팅 단계(S400); 및
   굴착 예정 지반의 굴착 예정 단면에 이르기까지 일정 단면으로 추가 굴착을 수행하면서, 굴착 예정 지반의 천정부로부터 하방으로 돌출된 코킹 유니트의 후단부에 충격력을 인가하여 파단되어 제거되도록 하는 코킹 유니트 분리 단계(S500)를 포함하여 이루어지고, 그리고
   상기 코킹 유니트 설치 단계(S310)와, 상기 우레탄 발포 단계(S320)와, 상기 코킹 완료 단계(S330)는 동시 단계(S300)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 터널 보강 공법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 강관 삽입 단계(S150)에서 강관(120) 또는 강관 조립체의 후단부 외주면에 후방으로 연결 설치되는 커플링(120c)이 제공되고,
   상기 코킹 유니트 설치 단계(S310)에서 상기 코킹 유니트(1000)가 천공홀(102) 내부로 삽입되어 강관(120) 또는 강관 조립체 후단부에 연속 설치될 때, 상기 커플링(120c)의 내부로 코킹 유니트(1000)가 삽입 설치되고, 그리고
   상기 우레탄 발포 단계(S320)에서 상기 커플링(120c)의 후단부 단부면에 충돌하는 상기 내측 체결 밴드(1200a)와의 마찰력 또는 충격력에 의해 상기 발포형 우레탄 캡슐(1300)의 발포가 개시되어 발포 우레탄을 상기 부직포(1400) 내의 이격 공간 내부로 발포 충진시킴으로써, 상기 코킹 완료 단계(S330)에서 상기 부직포(1400)가 외측으로 팽창하면서 천공홀(102) 입구를 코킹하는 것을 특징으로 하는 터널 보강 공법.
7. 제5항 또는 제6항에 있어서,
   상기 강관 삽입 단계(S150)에서의 천공홀(102)을 형성(S100)하는 단계와 강관(120) 또는 강관 조립체를 천공홀(102) 내부에 강관을 삽입(S200)하는 단계가 동시에 수행되는 직천공 방식으로 수행되는 것을 특징으로 하는 터널 보강 공법.

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