캐스트-인-시튜 파일을 제작하기 위한 천공방법 및 천공장치{A hole-boring method and system for making cast-in-situ piles}
본 발명은 천공방법과 천공장치에 관한 것으로서 특히 캐스트-인-시튜 파일(cast-in-situ pile)을 제작하기 위한 천공방법 및 천공장치에 관한 것이다. 지반에 캐스트-인-시튜 파일을 제작하기 위하여, 우선 파일의 크기에 적합한 깊이와 직경을 갖는 천공을 형성하고 상기의 천공구에 콘크리트 또는 그라우트를 삽입하여 파일을 제작하는 방법이 알려져 있다. 프랑스 특허 제2,566,813호에는 도 1에 도시된 것과 같은 기계를 사용하는 캐스트-인-시튜 파일의 제작을 위한 향상된 천공방법이 개시되어 있다. 상기 기계는 크레인(crane)의 지브(jib)에 의해 지지되는 케이블의 한쪽 끝에 연결되어 있는 어셈블리로 구성된다. 상기 기계는 톱헤드(1)를 가지며 이 톱헤드는 오거(5)를 회전시키는 드라이브 헤드(4)를 지지하기 위한 액츄에이터 장치(system of actuators)(2, 3)를 이용하는 선반(bracket)을 구성한다. 오거는 중공코어(6)와 나선형의 블레이드(7)로 구성된다. 드라이브 헤드(4)는 천공구(7')를 형성하도록 오거(5)를 회전시키는 구동력을 전달한다. 딥 튜브(9)로 언급된 강튜브(rigid tube)는 상기 중공코어(6)의 내부에서 움직일 수 있도록 거치되고, 그 하단부에는 공구(14)와 콘크리트 주입을 위한 구멍(13)이 형성되어 있다. 상기 딥 튜브의 상단부는 지지선반(1)에 견고하게 고정되고 로터리 조인트(rotary joint)(15)를 매개로 콘크리트 수송관(10)과 연결된다. 천공시에는 클러치 시스템(12) 등에 의해서 상기 딥 튜브와 오거(5)의 병진운동과 회전운동이 함께 이루어지게 된다. 이러한 조건 하에서, 상기 액츄에이터(3)는 상기 공구(14)를 오거의 중공코어의 하부첨단에 위치시키기 위하여 신장된다. 천공이 종료되면 딥 튜브는 오거로부터 분리된다. 천공구(7')의 내부에 캐스트-인-시튜 파일을 제작하기 위하여,액츄에이터(3)는 딥 튜브(9)에 대해서 오거를 점진적으로 상승시킴으로써, 딥 튜브의 회전은 자유롭게 된다. 상기의 과정을 통하여 딥 튜브의 하단부에 형성된 오리피스(13)가 오거의 외부로 노출되기 때문에 상기 오리피스를 통하여 콘크리트가 주입될 수 있게 된다. 이와 같이 딥 튜브가 오거와 엇갈려 위치하게 될 때에는, 천공구를 콘크리트 또는 그라우트로 완벽히 채우기 위하여 크레인을 이용하여 딥 튜브와 오거 어셈블리를 들어올릴 수 있다. 상기와 같은 캐스트-인-시튜 파일 공법은 천공품질을 효율적으로 제어할 수 없다는 단점이 있다. 특히, 천공구벽과 천공구의 바닥부분의 효율적인 제어가 불가능하다. 또한, 파일의 품질과 기계적 강도는 천공구로부터 굴착된 물질이 천공구에 삽입될 콘크리트 또는 그라우트와 혼합되지 않음에도 불구하고 이들 굴착된 물질에 매우 의존적이다.
본 발명은 더욱 향상된 품질의 캐스트-인-시튜 파일의 제작, 특히 천공구벽과 그 바닥부분의 품질제어면에 있어서 향상된 캐스트-인-시튜 파일의 형성을 가능하게 하는 천공방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
도 1은 종래의 캐스트-인-시튜 파일을 제작하기 위한 천공장치를 나타낸 도면, 도 2는 본 발명에 의한 천공장치의 전체도, 도 2A는 본 발명에 의한 천공장치의 상부를 도시한 단면도, 도 3은 천공구의 주요부분을 제작하고 있는 상태에서의 오거와 딥 튜브의 하단부를 도시한 부분도, 도 4는 천공구의 바닥면을 제작하고 있는 상태에서의 오거와 딥 튜브의 하단부를 도시한 부분도이다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 오거와 상기 오거의 내부에 이동가능하도록 거치된 딥 튜브로 구성되며 상기 딥 튜브는 그 하단부에 적어도 하나의주입구와 천공공구가 형성되어 있는 천공장치를 이용하는 천공방법을 제공하며 본 발명에 의한 천공방법은 하기의 단계로 이루어지는 것을 그 특징으로 한다: - 상기 오거와 딥 튜브를 회전시킴과 동시에 하강시켜 상기 딥 튜브의 천공공구가 상기 오거의 끝부분과 충분히 동일한 높이에 있도록 하는 단계; - 지반 내에서 상기 오거에 의하여 천공장치가 고정되도록 하기 위하여, 상기 오거의 회전과 하강을 중단시키는 단계; - 상기 딥 튜브만을 회전·하강시킴으로써 상기 천공공구를 이용하여 천공구의 바닥부분을 치환하고 압축하여 천공구를 형성하는 단계. 즉, 오거에 의하여 천공구의 주요 부분이 일단 형성되면, 그 천공구의 바닥면은 딥 튜브 하단부의 천공공구에 의해서만 형성되며 이 과정에서 치환효과와 천공구 바닥면의 효율적인 다짐이 이루어짐으로써 결과적으로 캐스트-인-시튜 파일 바닥면의 품질을 현저히 향상시킬 수 있게 되는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서는, 우선 오거의 중공코어의 직경은 오거 블레이드의 외부 직경을 고려하여 적당한 방법을 통하여 선택되어야 하며 다음으로 오거가 작동 중인 동안 적어도 부분적으로 지반치환(ground displacement) 효과를 얻음으로써 천공구의 주요부분에 있어서 천공구벽의 다짐을 보다 양호하게 하기 위하여 오거의 하강율과 회전속도를 조절하여야 한다. 또한, 본 발명은 지반에 천공구를 형성하기 위한 천공장치를 제공한다. 본 발명에 의한 천공장치는 중공코어와 중공코어의 길이 전체에 걸쳐 나선형으로 돌출되어 형성된 적어도 하나의 블레이드로 구성되며 상기 중공코어의 외부직경 D1과상기 블레이드의 외부직경 D2는 각각 이들을 직경으로 갖는 원들의 면적의 비가 25%~75%인 오거와; 오거의 중공코어의 내부에 이동가능하도록 거치되고 하단부에 천공공구가 형성된 딥 튜브와; 수직 안내 수단과; 상기 오거를 회전시키는 수단과; 상기 안내 수단을 따라 이동할 수 있는 수단으로 구성되며, 또한 특징적으로 하기의 수단들을 더 포함한다. - 딥 튜브의 천공공구가 오거의 하단과 충분히 동일한 높이를 갖도록 하기 위하여 딥 튜브와 오거의 사이에서 병진운동과 회전운동을 제어하는 연결수단; - 딥 튜브의 천공공구를 오거의 하단부의 바깥쪽으로 돌출시키기 위하여, 딥 튜브를 상기 오거에 대하여 수직방향으로 이동시키는 수단; - 상기 딥 튜브 자체를 회전시킬 수 있는 수단. 실시예 본 발명의 또 다른 특징과 장점들은 첨부된 바람직한 실시예에 대한 기술을 통하여 보다 명확히 드러나며, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 보다 명확히 설명한다. 먼저, 도 2와 도 2A를 참조하여, 캐스트-인-시튜 파일을 제작하기 위한 천공장치의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 발명에 의한 천공장치는 수직으로 세워져 이용되는 안내기둥(22)이 설치된 플랫폼(20)을 포함하여 구성된다. 수직방향의 이동이 가능한 왕복대(24)가 모터(도시되지 않음)와 연결된 케이블(26)에 의하여 상기 안내 기둥에 설치된다. 상기 왕복대(24)에는 중공코어형의 수직 오거(30)의 회전운동을 구동하기에 적합한드릴링 헤드(28)가 설치되며, 상기 오거는 중공코어(32)와 상기 코어의 길이 전체를 따라 돌출되어 형성되어 있는 적어도 하나 이상의 나선형의 블레이드(34)를 갖는다. 상기 오거(30)의 중공코어(32)의 내부에는 견고한 딥 튜브(36)가 자유롭게 거치되고, 마찬가지로 중공형으로 형성된 상기 딥 튜브의 하단부에는 상기 오거의 중공코어의 하단부(32a)의 바깥쪽으로 돌출되도록 구성된 공구(38)가 부착되게 된다. 이동 플레이트(40)는 수직 액츄에이터(42)를 매개로 상기 드릴링 헤드(28)에 연결된다. 도 2A에 보다 상세히 나타낸 바와 같이 상기 이동 플레이트(40)는 상기 딥 튜브(36)의 상단부(36a)를 수용하고 이를 회전시키기 위한 모터(40)를 운반한다. 딥 튜브의 상기 상단부(36a)는 로터리 조인트를 매개로 하여 상기 딥 튜브의 내부로 콘크리트 또는 그라우트를 주입시키기 위한 유연한 호스(46)와 연결된다. 도 2A에 도시된 바와 같이, 상기 드릴링 헤드(28)는 특히 상기 오거(30)를 회전시키기 위한 모터(48)를 포함하여 구성된다. 또한, 상기 로터리 조인트(50)는 상기 딥 튜브의 상단과 상기 유연한 호스(46)을 상기 플랫폼(40)을 관통시켜 연결한다. 상기 드릴링 헤드(28)에는 상기 오거의 실제 회전 속도를 측정하기 위한 탐지기(52)가 설치된다. 상기 드릴링 헤드(28)와 상기 플레이트(40)를 연결하는 액츄에이터(42)에는 압력 탐지기(54)가 설치될 수 있다. 상기 액츄에이터(42)는 오거에 대한 상기 딥 튜브(36)의 위치를 변화시킬 수 있는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 드릴링 헤드(28)의 수직운동을 구동하기 위한 케이블(26) 또는 상기 케이블을 구동하는 모터는 상기 오거의 실제 수직변위를 측정하기 위한 선형변위센서(60)와 연결된다. 도 3은 오거의 하단부(32a)와 천공공구(38)가 설치되어 있는 딥 튜브 하단부(36a)의 상대적 위치를 보여준다. 천공구의 주요 부분을 천공하는 동안에는 클러치 시스템(62) 등에 의해서 딥 튜브(16)와 오거(32)는 함께 회전되기 때문에 딥 튜브의 콘크리트 주입 오리피스(64)는 오거의 중공코어에 의해 가려지게 된다. 즉, 이 단계에서는 딥 튜브에 의해 운반되는 공구(38)가 오거의 하단부(32a)와 충분히 동일한 높이를 유지하도록 하기 위하여 상기 액츄에이터(42)는 신장된 상태에 있게 되며 주입구(64) 또한 상기 오거에 의하여 가려지게 된다. 오거의 회전속도와 그 수직변위의 변화율을 감지하는 센서가 설치되어 있기 때문에, 천공구(66)의 천공과정에서 적어도 일부분의 지반의 치환을 유발시키기 위하여 오거의 하강속도와 회전속도를 제어할 수 있다. 상기 과정을 통하여 천공구의 벽은 완벽하게 다져지게 되는 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 오거가 천공구의 주요 부분의 바닥에 위치하게 되면 오거의 회전과 하강은 중지된다. 즉, 드릴링 헤드(28)는 정지되고 오거에 비하여 딥 튜브(36)가 낮아지도록 액츄에이터(42)를 이용하여 딥 튜브의 위치를 조절하게 된다. 이와 같이 오거가 정지된 상태에서 그 외부의 블레이드는 지반에 대하여 오거를 고정시키는 역할을 하게 되는 것은 쉽게 이해될 수 있다. 딥 튜브의 하단부에 있는 천공공구(38)를 점진적으로 하강시키기 위하여 액츄에이터(42)의 작동은 보조 회전 헤드(44)와 결합될 수 있다. 이러한 하강은 천공구의 주요 부분(66)에 대하여 연장된 천공구(68)를 형성하는 역할을 한다. 천공공구(38)의 하강과 함께 이루어지는 딥 튜브의 하강은 지반의 치환 현상을 야기시키며 이와 함께 연장된 천공구의 벽(68a)의 다짐현상이 수반된다. 이로 인하여 천공구 벽의 높은 기계적 강도를 얻을 수 있게 되는 것이다. 이러한 상태에서 유연한 호스(46)로 유입된 콘크리트 또는 그라우트를 딥 튜브(38)를 통하여 주입할 수 있으며 이와 동시에 드릴링 헤드(28)을 상승시킴으로써 딥 튜브와 오거를 상승시키고 액츄에이터(42)는 이전의 위치로 되돌아가게 된다. 따라서, 바람직한 상태에서 딥 튜브의 주입구(64)를 통하여 콘크리트와 그라우트를 주입하는 것이 가능하게 된다. 오거 자체를 회전시키지 않는 상태에서 오거를 상승시키기 때문에 천공구(66)의 주요 부분을 천공할 때 굴착된 물질을 효율적으로 상승시킬 수 있고 이로 인하여 주입되는 콘크리트 또는 그라우트와 굴착된 물질이 혼합될 위험이 제거되게 되는 것이다. 이 과정에서 바람직하게는 딥 튜브 자체만을 회전시킬 수 있다. 바람직하게는 상기 액츄에이터(42)에는 표준 액체의 압력을 감지하기 위한 센서(54)가 설치될 수 있다. 오거는 정지되어 있고 딥 튜브만이 하강하도록 액츄에이터를 작동시키면서 이 때의 압력을 측정함으로써 천공구 하단부(68) 지반의 특성을 이해할 수 있는 정보를 얻게 된다. 또한, 바람직하게는 오거의 중공코어의 외부직경 D1과 날의 외부직경 D2는 각각의 직경에 상당하는 원들의 면적의 비가 25%~75%의 범위에 해당하도록 설정되어야 한다. 이러한 직경의 결정은 오거의 하강율이 그 회전속도와 적절한 상관관계에 있는 한 지반 내에서의 현저한 치환효과를 얻기 위해서 오거를 사용하는 것을 가능하게 한다. 덧붙여서, 딥 튜브의 하단에 설치된 천공공구(38)에 의하여 오거의 중공코어의 하단부가 닫히게 되는 것으로 이해될 수 있다.
이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명에 의한 캐스트-인-시튜 파일을 제작하기 위한 천공장치 및 천공방법은 천공구 내부의 벽과 그 바닥면에서의 향상된 치환효과 및 다짐효과를 제공하는 것으로서 토목 및 건설산업상 유용한 발명이다. |
