KR101007287B1 - 근접 가진 방식의 보강재 주입 공법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 보강이 필요한 대상체에 형성되는 주입공 내에서 주입을 위해 유동하는 보강재를 가진(加振) 하여 진동파의 감쇠를 최소화하고 주입 효율을 향상시킬 수 있도록 구성되는 근접 가진 방식의 보강재 주입 공법 및 장치를 제공한다.

Description

근접 가진 방식의 보강재 주입 공법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR INJECTING REINFORCING MATERIAL IN NEAR-VIBRATING MANNER}

본 발명은 암반이나 구조물 또는 지반 등의 대상체에 형성된 균열에 가진된 보강재를 주입하기 위한 공법 및 그에 이용되는 장치에 관한 것이다.

건물, 터널 및 지하 공동시설물 등과 같은 구조물의 굴착 과정, 또는 시공 후 내·외적 요인에 의해, 상기 구조물 및 지반 등(이하, '대상체'라 한다)에 균열이 발생한다. 균열은 대상체로의 물의 침투를 용이하게 한다. 균열이 더욱 진행됨에 따라서는 상기 대상체의 구조적 안전이 위협받게 되기도 한다.

이러한 균열로 인한 위험을 해결하기 위하여, 균열에 보강재를 주입하는 보강 방식이 사용되고 있다. 상기 보강재로는 시멘트 등을 물에 혼합한 현탁액 형이나, 물유리계 약액과 같은 용액형 등이 사용되고 있다.

상기 현탁액 형으로 사용되는 포트란트 시멘트 현탁액은 대상체의 강도 및 내구성을 향상시키는 고강도의 발현이 용이하고 값이 싸 경제적이나, 현탁액의 점성에 의해 미세 균열(틈이 1/10 ~ 2/10 mm 범위 이하의 균열)에 대한 침투성이 떨어지는 문제가 있다. 다시 말해서, 상기 미세 균열에 대해서는 물과 시멘트가 분리 되어 시멘트의 주입량이 감소 된다. 이는 상기 미세 균열에 대한 보강을 불충분해 짐을 의미한다.

미세 균열의 보강을 위하여, 상기 미세 균열에 대한 침투성이 우수한 초미립자시멘트(평균입자 크기가 10㎛로서 용액형에 버금가는 침투성을 가지며 고강도의 발현이 가능) 현탁액이나 용액형의 보강재가 사용된다. 그러나, 이들은 모두 고가여서 비 경제적이고, 용액형 보강재는 시멘트 현탁액에 비하여 대상체에 대한 보강 강도 및 내구성이 떨어지는 문제가 있다.

본 발명의 일 목적은 종래와 다른 형태의 보강재 주입 공법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 일 목적은 보강재를 가진(加振) 하여 미세 균열에 대한 침투성을 높이면서도 진동파의 감쇠를 최소화하기 위한 보강재 주입 공법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 위 주입 공법을 실현하기 위하여 대상체에 형성된 주입공에 배치 가능한 보강재 주입 장치를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 일 실시예와 관련된 근접 가진 방식의 보강재 주입 공법은 보강재 주입을 위한 주입공을 대상체에 형성하는 단계와, 상기 보강재가 상기 주입공 내에서 주입을 위한 유동 중에 가진 되도록 하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 보강재는 시멘트류 현탁액을 포함하며, 상기 대상체는 인공구조물과 자연 토사체 및 절개된 경사면 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 보강재에 대한 가진은 상기 주입공 내에 배치되는 가진 유닛에 의해 이루어지며, 상기 가진 시 가진파는 7.5 내지 22.5 Hz 범위의 정현파일 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 상기 가진 시 상기 보강재가 가진 방향과 교차하는 방향으로 진행 중에 가지는 되어 진동파의 역전달을 완화하도록 구성이 바람직하다. 상기 보강재의 주파수를 검출하여 상기 보강재가 설정 기준으로 가진 되도록 상기 가진을 위한 주파수를 조절하는 단계가 더 포함될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른 근접 가진 방식의 보강재 주입 장치는 대상체에 형성되는 주입공에 삽입 가능하며 내부 공간을 가지는 케이싱과, 상기 내부 공간에 배치되며 유입되는 보강재를 가진 하는 가진 유닛, 및 상기 가진 유닛과 연통 되어 상기 가진된 보강재를 주입될 부분으로 안내하는 안내부를 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상가 안내부는 상기 가진 유닛의 출구에 연결되는 주입 파이프이고, 상기 주입 파이프에 장착되어 주입재가 상기 케이싱 내에서 역류하는 것을 방지하는 팩커를 포함할 수 있다. 상기 가진 유닛은, 구동원과, 상기 구동원에 연동되어 진동을 발생시키는 진동부를 포함한다.

본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 상기 대상체에 주입되는 보강재의 감쇠된 진동 주파수를 측정하는 주파수감지센서와, 상기 주파수감지센서에서 검출된 감쇠 진동 주파수가 설정된 기준 진동 주파수에 대응하도록 상기 구동원을 제어하는 제어기가 더 포함된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 관련된 근접 가진 방식의 보강재 주입 공법 및 장치는 균열에 주입되는 보강재가 가진 되게 함에 따라, 미세 균열에 대한 침투가 어려운 고밀도 고점성의 시멘트류 현탁액의 겉보기 점성을 낮춰서 이들도 미세 균열에 효과적으로 침투할 수 있게 한다.

또한, 보강재가 주입공에서 주입을 위한 유동 중에 가진 됨에 따라서는, 균열에서 먼 곳에서 가진 된 후에 이송되는 경우에 비하여 진동파의 감쇠를 완화시킬 수 있게 된다. 이는 보강재가 가진된 상태에서 큰 변화없이 바로 균열로 침투하도록 하여, 보강재의 침투성을 향상시키는 효과를 가진다.

상기 시멘트류 현탁액은 저가이나 고강도 발현이 가능하기에, 본 발명에 따른 균열 보강 장치를 이용하면 보다 저렴하면서도 내구성이 좋게 균열 보강 공사를 할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 보강 장치 및 방법은 균열에 대한 보강재의 침투에 가장 적합한 주파수 범위의 진동을 발생시키도록 가진 유닛을 제어 가능하여, 균열 보강 공정을 보다 효율화할 수 있게 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 근접 진동 방식의 보강재 주입 공법 및 장치에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 본 명세서에서는 서로 다른 실시예라도 동일·유사한 구성에 대해서는 동일·유사한 참조번호를 부여하고, 그 설명은 처음 설명으로 갈음한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보강재 주입 공법을 구현하기 위한 개념도이도, 도 2는 도 1의 대상체(400) 부분에 대한 확대 단면도이다.

도 1을 참조하면, 보강재를 대상체(400)의 보강할 부분으로 공급하기 위해 펌핑하는 펌핑 유닛은 전체적으로 도면부호 100으로 지정된다. 펌핑 유닛(100)은 보강재를 저장하는 저장통(110)을 포함한다. 저장통(110)에는 교반기(미도시)가 설치되어 상기 보강재를 교반 한다. 저장통(110)에서 연장하는 펌핑 파이프(160)는 가진 유닛(200) 측으로 상기 보강재를 안내한다.

펌핑 파이프(160)에 연통 되게 설치되는 펌프(120)는 저장통(110)에 저장된 보강재를 가진(加振) 유닛(200) 측으로 펌핑 한다. 여기서, 상기 보강재는 일반적으로 사용되는 포트란트 또는 일반 시멘트 현탁액과 같은 현탁액 형일 수 있다.

펌핑 파이프(160)에 연결된 유량계(130) 및 압력계(140)는 각각 펌핑되는 보강재의 양이나 펌핑 압력 등을 제어하기 위한 것이다. 리턴밸브(150)는 대상체(400)에서 주입되지 못한 보강재를 저장통(110)으로 회수하기 위한 밸브이고, 리턴 파이프(170)는 상기 회수를 위한 통로로서 리턴밸브(150)와 저장통(110)을 연결한다.

펌핑 파이프(160)에 연결되는 가진 유닛(200)은 보강재가 대상체(400)에 형성된 주입공(410) 내에서 가진 되어, 알맞은 침투성을 갖고서 균열(430)로 침투되게 한다. 이를 위하여, 가진 유닛(200)은 주입공(410) 내에 배치될 수 있다. 가진 유닛(200)의 설치를 위하여, 주입공(410)에는 내부 공간을 가지는 케이싱(420)이 배치될 수 있다. 가진 유닛(200)은 케이싱(420) 내에 배치되며, 케이싱(420)의 내주와 결합 될 수 있다.

가진 유닛(200)에서 가진된 보강재를 균열(430)을 향해 안내하는 안내부로서, 가진 유닛(200)에는 주입 파이프(460)가 연결될 수 있다. 주입 파이프(460)는 주입 파이프(460)의 단부를 지향하며, 주입 파이프(460)에서 분사되는 보강재는 주 입공(410)에 연결된 균열(430)로 침투하게 된다.

주입 파이프(460)와 케이싱(420) 사이에는 팩커(500)가 설치되어, 주입 파이프(460)에서 분사된 보강재가 케이싱(420)의 내부 공간을 통해 역류하는 것을 완화 또는 방지하게 된다.

도 2를 참조하면, 대상체(400)는 자연적인 지반일 수 있다. 상기 지반에는 상측에 성토층(401)이 형성되고, 하측에 암반층(402)이 형성된 형태가 통상적이다. 주입공(410)은 드릴링 등을 통하여 지표면(440)에 교차하는 방향, 통상적으로 수직한 방향으로 뚫어진다.

케이싱(420)은 주입공(420)의 연장방향과 동일하게 일 방향으로 연장하는 중공체의 형태를 가진다. 가진 유닛(200)이 케이싱(420)에 결합 되고 또한 가진 유닛(200)에 보강재를 유입시키거나 그로부터 유출시키는 펌핑 파이프(160) 및 주입 파이프(460)가 연결된 상태라면, 주입 파이프(460)에 케이싱(420){가진 유닛(200)이 장착된}을 삽입하는 것으로 균열(430) 보강 작업에 대한 준비가 간단하게 이루지게 된다. 주입 파이프(460)의 단부는 보강재가 분사되는 분사 영역(450)을 형성한다.

대상체(400)는 이상의 자연적인 지반과 달리 제체(dam), 제방(reverside dike), 방조제(sea dike), 터널, 건물 등과 같은 인공구조물이거나 절개된 토사층 또는 암반층 등과 같이 인위적인 조작이 가해진 자연물일 수도 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가진 유닛(200)을 보인 단면도이다.

본 도면을 참조하면, 가진 유닛(200)은 하우징(210)과, 보강재 유동 통 로(220) 및 진동 발생부(230)를 포함한다.

하우징(210)은 보강재의 유입을 위한 유입 파이프(201)와 연결되는 제1 하우징(211)과, 보강재 유출을 위한 유출 파이프(202)와 연결되는 제2 하우징(212), 그리고 제1 및 제2 하우징들(211 및 212)를 연결하는 제3 하우징(213)을 포함한다. 제3 하우징(213)은 일정 간격(223)을 두고서 제4 하우징(214)에 의해 감싸진다.

유입 파이프(201)는 펌핑 파이프(160)와 별도로 형성되거나 일체로 형성될 수 있으며, 유출 파이프(202)는 주입 파이프(460)와 역시 별도로 형성되거나 일체로 형성될 수 있다. 유입 파이프(201)와 유출 파이프(202)는 각각 제1 또는 제2 하우징(211,212)과 나사 결합 등에 의해 분리 가능하게 연결될 수 있다. 유입 파이프(201)와 유출 파이프(202)가 하우징(210)의 길이방향의 양단부 측에 연결됨에 따라, 이들의 결합체가 일 방향으로 따라 정렬되어 케이싱(420) 내에 삽입하기에 알맞은 배열을 갖추게 된다.

유입 파이프(201)를 통해 하우징(210) 내로 유입된 보강재는 관형통로(221)를 거쳐서 환형통로(222)로 유동한다. 보강재는 제1 내지 제3 하우징(211 내지 213)과 제4 하우징(214) 사이에 형성된 관형길이통로(223)를 따라 가진실(236)로 유입된다.

상기 진동 발생부(230)는 구동원과 진동부를 포함한다. 구동원은 회전력을 발생시키는 모터(231)일 수 있다. 상기 모터(231)는 인버터가 장착되어 회전 속도 조절이 가능한 것이 진동 주파수 조절의 관점에서 바람직하다. 모터(231)은 케이블(C)에 의해 제어기(340)에 연결되어 제어될 수 있다. 진동부는 회전력전달 부(232)와, 진동봉(233) 및 진동판(234)을 포함한다.

회전력전달부(232)는 모터(231)의 회전력을 진동봉(233)에 전달하여 진동봉(233)이 하우징(210)의 길이방향을 따라 왕복 운동할 수 있게 한다. 이를 위하여, 회전력전달부(232)는 일 측으로 편심된 캠과 같은 형태를 가지면 될 것이다. 진동판(234)은 완충부재(235)에 의해 지지될 수 있으며, 진동봉(233)에 의해 변형되면서 보강재에 일정 대역의 주파수를 가지는 진동파를 인가하게 된다. 본 출원인은 상기 주파수 대역으로서 7.5 ~ 22.5 Hz가 적합함을 알게 되었다.

가진실(236)로 유입되는 보강재 유동 통로(220)는 유입 방향과 교차하는 방향, 대략 수직한 방향을 따라 진동을 받게 된다. 그 결과, 진동파의 역전달에 의해 보강재의 유입에 장애가 발생하는 것이 완화된다. 가진실(236)에서 가진된 보강재는 들뜸 상태가 되어 침투성이 개선된 상태로 유출 파이프(202)를 통해 유출된다.

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 주파수조절유닛(300)과 함께 동작하는 가진 유닛(200)을 보인 개념도이다.

도 4를 참조하면, 지반인 대상체(400)의 지하 부분에는 가진 유닛(200)을 이루는 구동원(231)과 진동부(232 내지 234)가 배치된다. 나아가, 지하 부분에는 주파수감지센서(360)가 추가로 배치된다.

주파수감지센서(360)는 지상 부분에 배치되어도 무방한 주파수조절유닛(300)의 일부를 이룬다. 주파수조절유닛(300)은 전원공급부(310)와 주파수검출기(320)와 대비회로(330), 그리고 제어기(340) 및 증폭기(350)를 포함한다.

주파수감지센서(360)는 케이싱(420) 내부에 배치되어 가진 유닛(200)으로 유 입되는 보강재의 진동 주파수를 감지하고, 이는 주파수검출기(320)에 의해 검출된다. 검출된 주파수는 대비회로(330)에서 균열(430)에 효과적으로 주입되기 위해 설정된 특정 진동 주파수와 대비된다. 이 대비 결과를 근거로 하여, 제어기(340)는 구동원(231)의 작동의 회전 정도를 제어하게 되며, 증폭기(350)는 제어기(340)에서 구동원(231)에 전달되는 신호를 증폭하게 된다. 이러한 제어에 의해, 균열(430)로 주입되는 보강재에 대한 보다 정밀한 가진이 가능해진다.

이상과 같이 구성되는 보강 장치 및 공법에 의하면, 펌핑 유닛(100)에서 펌핑되어 펌핑 파이프(160)를 통해 가진 유닛(200)으로 유입되는 보강재는 가진 유닛(200)의 진동부 등에 의해 가진 된다.

상기 가진은 균열(430)이 형성된 대상체(400)의 주입공(410) 내에서 이루어지기에, 가진 유닛(200)에 의해 가진된 보강재는 균열(430)로 유동 시에 그 진동에 대한 최소한의 감쇠만을 경험하게 된다. 이는 가진된 시멘트류 현탁액과 같이 점성이 큰 보강재라도 필요 수준의 들뜬 상태가 되어 균열(430)로 효과적으로 침투할 수 있음을 의미한다. 또한, 진동의 감쇠로 인해 가진 효과가 손상되는 정도가 미약하여, 필요 이상의 가진을 요하지 않게 한다.

보강재에 대한 가진의 정도는 가진 유닛(200)으로 유입되는 보강재에 대한 주파수를 검출하고 주파수조절유닛(300)에 의해 기준 주파수와 비교함으로써, 가장 적정한 수준으로 조절될 수 있다. 이 역시, 보강재의 진동 주파수를 무시한 일률적인 가진이나 지나친 가진을 방지하여, 가진 유닛(200)에 과부하가 걸리지 않고 매끄러운 작동을 도모할 수 있게 한다.

이상에서는 본 발명에 따른 보강 장치 및 공법을 첨부한 도면들을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 당업자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 보강재 주입 공법을 구현하기 위한 개념도이고,

도 2는 도 1의 대상체 부분에 대한 확대 단면도이며,

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가진 유닛을 보인 단면도이고,

도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 주파수조절유닛과 함께 동작하는 가진 유닛을 보인 개념도이다.

Claims (11)

1. (a) 보강재 주입을 위한 주입공을 대상체에 형성하는 단계; 및

   (b) 상기 보강재가 상기 주입공 내에서 주입을 위한 유동 중에 가진 되도록 하는 단계를 포함하고,

   상기 (b) 단계에서 상기 보강재에 대한 가진은 상기 주입공 내에 배치되는 가진 유닛에 의해 이루어지며,

   상기 가진 유닛은,

   상기 보강재의 유입을 위한 유입 파이프와 연결되는 제1 하우징과, 상기 보강재의 유출을 위한 유출 파이프와 연결되는 제2 하우징과, 상기 제1 및 제2 하우징을 연결하는 제3 하우징과, 간격을 두고서 상기 제3 하우징을 감싸는 제4 하우징과, 상기 유출 파이프와 연통되며 상기 제2 및 제3 하우징의 사이에 배치되는 가진실을 포함하고,

   상기 가진 시 상기 보강재가 가진 방향과 교차하는 방향으로 진행 중에 가진되어 진동파의 역전달을 완화하도록, 상기 유입 파이프를 통해 상기 제1 하우징내로 유입된 보강재는 상기 제3 및 제4 하우징 사이에 형성된 관형길이통로를 따라 유동하며, 상기 가진실로 상기 관형길이통로와 수직한 방향으로 유입되는 것을 특징으로 하는 근접 가진 방식의 보강재 주입 공법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 (a) 단계에서 보강재는 시멘트류 현탁액을 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 가진 방식의 보강재 주입 공법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 대상체는 인공구조물과 자연 토사체 및 절개된 경사면 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 가진 방식의 보강재 주입 공법.
4. 삭제
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 가진 시 가진파는 7.5 내지 22.5 Hz 범위의 정현파인 것을 특징으로 하는 근접 가진 방식의 보강재 주입 공법.
6. 삭제
7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   (c) 상기 보강재의 주파수를 검출하여 상기 보강재가 설정 기준으로 가진되도록 상기 가진을 위한 주파수를 조절하는 단계를 더 포함하는 근접 가진 방식의 보강재 주입 공법.
8. 대상체에 형성되는 주입공에 삽입 가능하며, 내부 공간을 가지는 케이싱;

   상기 내부 공간에 배치되며, 유입되는 보강재를 가진 하는 가진 유닛; 및

   상기 가진 유닛과 연통 되어, 상기 가진된 보강재를 주입될 부분으로 안내하는 안내부를 포함하고,

   상기 가진 유닛은,

   상기 보강재의 유입을 위한 유입 파이프와 연결되는 제1 하우징과, 상기 보강재의 유출을 위한 유출 파이프와 연결되는 제2 하우징과, 상기 제1 및 제2 하우징을 연결하는 제3 하우징과, 간격을 두고서 상기 제3 하우징을 감싸는 제4 하우징과, 상기 유출 파이프와 연통되며 상기 제2 및 제3 하우징의 사이에 배치되는 가진실을 포함하고,

   상기 유출 파이프는 상기 안내부와 연결되며,

   상기 가진 시 상기 보강재가 가진 방향과 교차하는 방향으로 진행 중에 가진되어 진동파의 역전달을 완화하도록, 상기 유입 파이프를 통해 상기 제1 하우징내로 유입된 보강재는 상기 제3 및 제4 하우징 사이에 형성된 관형길이통로를 따라 유동하며, 상기 가진실로 상기 관형길이통로와 수직한 방향으로 유입되는 것을 특징으로 하는 근접 가진 방식의 보강재 주입 장치.
9. 제8항에 있어서,

   상가 안내부는 상기 가진 유닛의 출구에 연결되는 주입 파이프이고,

   상기 주입 파이프에 장착되어 주입재가 상기 케이싱 내에서 역류하는 것을 방지하는 팩커를 포함하는 근접 가진 방식의 보강재 주입 장치.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서,

    상기 가진 유닛은,

    구동원; 및

    상기 구동원에 연동되어, 진동을 발생시키는 진동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 근접 가진 방식의 보강재 주입 장치.
11. 제10항에 있어서,

    상기 대상체에 주입되는 보강재의 감쇠된 진동 주파수를 측정하는 주파수감지센서; 및

    상기 주파수감지센서에서 검출된 감쇠 진동 주파수가 설정된 기준 진동 주파수에 대응하도록 상기 구동원을 제어하는 제어기를 더 포함하는 근접 가진 방식의 보강재 주입 장치.

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