토양강화장치, 토양강화장치용 공구 및 토양강화방법

토양강화장치, 토양강화공구 및 토양강화방법{SOIL CONSOLIDATION APPARATUS, TOOL AND METHOD}

기술분야

본 발명은 첨부된 독립 청구항의 전제부에 따른 토양강화장치, 토양강화공구 및 토양강화방법에 관한것이다.

배경기술

토양강화기술은 수 년동안 존재해 오던 토양구조를 정적으로 개조하는 데 사용되어 왔다. 토양강화기술은 견고성을 증대시키고자 하는 영역, 낮은 유지비용(overhead), 또는 불리한 지형조건을 가진 지역에 있어서의, 기초(foundation)문제를 해결하는 데 가장 적합하다. 전형적인 토양강화방법은, 튜브스트링(tube string)을 이용하여 회전식 드릴비트(drill bit)를 회전시켜 보어(bore)를 뚫고, 이 스트링의 자유단부를 개방한 후, 볼을 삽입하여 중력에 의해 드릴비트에 인접한 스트링내의 시트(seat)상에 낙하하게 하는 방식이다. 따라서, 회전식 드릴비트에 대한 채널(channel)을 폐쇄하고 스트링 및 드릴비트가 후퇴하는 동안 홀(hole)에 인접한 토양에 그라우트(grout)를 분사함으로써 체크밸브(check valve)가 형성된다. 강화시킬 토양이 (직경 0.3 내지 1.0 미터의) 암석(boulder)을 포함하는 경우에는, 상기 공지의 방법은 침투속도면에서 비효과적이다. 또한, 후자의 종류의 토양이 강화되어야 하는 경우에는, 종종 톱해머(top hammer)장비를 사용해야 하며, 이 톱해머는 밀봉(seal)된 드릴스트링에 충격을 가하여 충격용 드릴비트에 충격파를 전달한다. 드릴비트가 토양속으로 파고내려가 소정위치에 다다르면, 내부압력 300 내지 500 바(bar)에서 그라우트의 분사가 시작된다. 충격파는 모든 드릴스트링 조인트내에 장착된 밀봉재의 기능을 악화시키며, 그에 따라 그라우트가 누설되며, 값비싼 드릴튜브내부에 침식하여 구멍이 생기게 하여, 그라우트의 분사가 의도된 것보다 낮은 압력하에서 행해지게 된다. 누설이 발견되면 드릴튜브는 즉시 교체되어야 한다. 또한, 종래기술의 장치는 적어도 2개의 가압수단-공기에 압력을 가하는 압축기와, 그라우트의 분사를 위한 펌프-의 사용을 필요로 한다. 공기는 절삭물(cutting)을 상승시키기 위해 높은 수준으로 가압되어야 하며, 따라서 구멍을 둘러싼 토양은 침식된다.

발명의 목적

본 발명의 목적은 종래기술의 잇점을 구비한 토양강화장치, 토양강화공구 및 토양강화방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 환경친화적인 토양강화장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 단지 하나의 가압수단의 작용만을 필요로 하는 토양강화장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 드릴튜브를 악화시킴없이 높은 생산율로 토양을 침투할 수 있는 토양강화장치를 제공하는 것이다.

이들 및 다른 목적은 도면을 참조한 첨부된 청구항에 따른 토양강화장치, 토양강화공구 및 토양강화방법에 의해 달성된다.

도면의 간단한 설명

도 1은 본 발명에 따른 토양강화장치를 도시한다. 도 2는 본 발명에 따른 공구와 관련한 펌프의 흐름도를 도시한다. 도 3은 본 발명에 따른 토양강화장치의 기본 작업모드를 도시한다.

발명의 상세한 설명

도 1에는 토양강화를 위해 필요한 일반적인 장비(10)가 도시된다. 이 장비는 시멘트용 사일로(silo; 11), 물과 시멘트를 혼합하여 그라우트로 만드는 혼합기(12), 물과 시멘트 혼합물을 펌핑하기 위해 적어도 2개의 챔버를 구비한 펌프(13), 장비(10)의 파라미터(parameter)를 제어하기 위한 제어보드(14), 및 드릴 리그(drill rig; 15)를 포함하여 이루어진다. 전술한 장비는 종래기술에 해당하며 현재 시중에서 쉽게 구입가능하다.

도 2를 참조하면, 다운홀 해머(down-the-hole hammer; 16)는 일방향 밸브(non-return valve; 39)에 연결되며, 일방향 밸브(39)는 다시 그라우트 분사 모니터(jet grouting monitor; 18)에 연결되며, 그라우트 분사모니터(18)는 드릴스트링(17)에 차례로 연결된다. 드릴스트링(drill string; 17)은 나사결합영역(thread area)내에서 적절히 밀봉(seal)된 복수개의 이중리드(double lead)의 고압 드릴튜브로 이루어진다. 해머(16)는 참조문헌으로서 인용된 미합중국 특허 제 5,107,944호에서 개시된 바와 같은, 물로 구동되는 유압식 해머가 바람직하다. 물로 구동되는 해머는 참조문헌으로서 인용된 미합중국 특허 제 5,645,132 호에 개시된 충격식 드릴비트(19)를 구비한다.

해머(16)의 후방 단부에는 실린더내에서 왕복운동가능한 구동 피스톤(20)이 제공된다. 피스톤의 전방 단부는 왕복운동함에 있어서 드릴비트의 앤빌(anvil)에 인접해 위치된 베어링에 의해 가이드된다. 실린더와 베어링사이에서 해머는 피스톤에 대해 정반대로 연장되고 확장된다. 상기 해머의 후방단부에는 드릴튜브로부터의 가압된 유압유체를 공급하기 위한 포트(port)가 마련된다. 확장된 해머부분은 외부 케이싱(21)에 의해 형성된 챔버내에서 자유롭게 왕복운동한다. 케이싱은 드릴로드(drill rod)의 전방 단부에 장착된다. 드릴비트는 미끄럼가능하게 수용되며, 케이싱을 길이방향으로 통과하여 연장하는 채널을 구비한 케이싱의 전방 단부에 의해 유지된다. 구동용 물은 실린더로부터 방출되어 비트(19)에 의해 뚫어진 구멍으로 흘러 나간다. 개방 단부를 가진 관형 밸브는 왕복운동하여, 밸브의 내부를 해머와 드릴비트내의 동축선의 관통-흐름 채널(23)과 연결하는 덕트를 제어한다.

충격식 드릴비트(19)는 드릴비트의 드릴링면(drilling face)에 유체가 흐르게 하기 위해 그 내부에 형성된 유체통로(23)을 구비한 드릴본체를 포함한다. 유체통로는 비트의 후방 단부로부터 연장하여 드릴링면에 못미쳐 종결되는 주요부(main portion)와, 주요부의 전방 단부로부터 드릴링면으로 연장하는 복수의 브랜치라인들(branch lines)을 포함한다. 유체통로의 주요부에는 전후방 축방향으로 이격된 시트(seat)가 배치된다. 볼(24)형태의 체크밸브가 유체통로의 주요부내의 전방 시트 및 후방 시트와의 접촉점사이에서 자유롭게 이동가능하다. 드릴비트가 외부로부터 과도한 압력을 받게 되거나, 또는 비트가 위쪽으로 향해 있고 분출하는 물이 공급되지 않을 경우에는, 볼은 후방쪽으로 이동하여 후방 시트와 밀봉접촉하여, 여하한 물이나 오염물질이 후방 시트를 지나 후방쪽으로 흐르지 않게 한다. 물이 분출될 때에는, 분출하는 유체가 볼을 전방시트와 밀봉접촉하지 않게 하면서 앞쪽으로 밀어부치고, 볼을 지나 브랜치라인으로 분출한다. 아랫쪽으로 드릴링하는 동안, 볼의 밀도가 역류하는 물의 밀도보다 더 작으면, 볼은 역류하는 물 위에서 떠오르게 되어 후방 시트와 밀봉접촉하게 된다.

도 2는 토양강화장치내의 공구를 도시하고 있으며, 펌프(13), 수동 셧오프 밸브(26, 27, 41), 최대압력 릴리프밸브(28), 수동 릴리프밸브(29), 압력게이지(30), 필터(31), 고압호스(32, 33) 및 회전유닛(34)이 또한 도시되어 있다.

공구는 체크밸브(39)를 해머(16)의 나사결합단부에 나사결합함으로써 장착된다. 그라우트 분사모니터(18)는 체크밸브상에 나사결합되며, 드릴튜브는 그라우트 분사모니터(18)상에 나사결합된다. 내부 파이프, 즉 채널(38)이 드릴튜브로서 실질적으로 동시에 장착된다.

공구를 드릴리그의 회전유닛에 연결시킨 후 드릴리그(15)가 도 1 또는 도 3에서와 같이 드릴링하기 위한 위치상에 위치되면, 밸브(26)를 개방하여 펌프(13)로부터 80 내지 200바의 압력으로 가압된 고압의 물이, 호스(32) 및 필터(31), 스위블(swivel; 35), 드릴스트링(17)내의 물 채널(38), 개방 체크밸브(39)를 통해 해머(16)로 순차적으로 흘러 들어가도록 한다. 그러면 해머의 피스톤(20)은 드릴비트(19)의 후방단부상에 충격을 가하여, 토양 또는 암석에 충격을 가하는 비트버튼(bit botton)에 충격파를 가한다. 만약 드릴스트링의 공급방향내에 큰 암석(37)이 존재한다고 해도, 공구는 단단한 암석 드릴링용으로 구성되어 있기 때문에 드릴링작업은 중지되지 않는다. 사용된 구동용 물은 드릴비트를 냉각하는데 사용되며, 드릴비트의 앞쪽에 있는 드릴절삭물을 드릴스트링 바깥쪽 위쪽으로 이동시켜 표면으로 제거하는데 사용된다. 후자는 도 3의 (Ⅰ)에 가장 잘 나타내어져 있다. 공구길이가 더 길어야 할 경우에는, 물공급은 밸브(26)를 통해 차단되며, 추가적인 내부 파이프(38) 및 외부 튜브가 통상 2m 씩 추가로 장착된다. 도 3의 (Ⅱ)에서와 같이, 드릴비트가 소정 깊이위치에 도달하면, 수동 셧오프밸브(26)가 폐쇄되고 호스(32)내의 압력은 자체압력소모를 통해 경감된다. 물공급이 차단되고 유체의 역류가 있게 되면, 볼(24)은 후방시트로 상승하여 어떠한 유체도 역류하지 못하도록 해머를 밀봉한다. 채널(23)을 통한 역류를 최소화하기 위해, 추가적인 체크밸브(39)가 해머위쪽의 물 파이프(38)를 밀봉하여 역류가 발생되면 대항압력을 발생시킨다.

그라우트는 펌프(13)내로 들어가서, 최대 500바까지 가압될 수 있다. 그 다음, 밸브(27)는 개방되고, 매우 높은 압력으로 가압된 그라우트는 압력 릴리프밸브(28)와 호스(33)를 통해 흘러, 연속적으로 스위블(35), 드릴스트링(17)내의 그라우트 채널, 및 그라우트 분사모니터(18)의 개구 즉 그라우트 채널 분출기(40)를 통해 방출된다. 해머와 물챔버(38)는 그라우트 챔버(36)와는 분리되어 있고 밀봉되어 있기 때문에, 그라우트는 해머(16)내로는 들어가지 않는다. 회전유닛(34)은 드릴스트링을 회전시키면서 후퇴시키기 시작한다. 개구(40)로부터 방출되는 그라우트의 측면 제트류(jet stream)는 최대 1미터 직경내에 존재하는 토양과 혼합되어 도 3(Ⅱ)~(Ⅴ)에 도시된 바와 같이 뚫어진 구멍의 깊이만큼의 높이로 콘솔(console)을 생성한다. 강화공정을 완료한 후, 드릴스트링은 뚫어진 구멍으로부터 완전히 후퇴하며 가끔 분사라인은 밸브(27)가 폐쇄되기 전에 물로 씻겨진다. 공구를 후퇴시키는 동안, 내부 파이프(38) 및 외부 튜브가 탈착(dismount)될 수 있도록, 그라우트의 공급은 밸브(41)를 통해 차단된다. 그 다음, 강화장치는 새로운 드릴사이클을 위해 밸브(26)를 개방함으로써 새로운 구멍을 드릴링할 준비를 한다.

본 발명은 종래기술의 장치에 비해 많은 추가적인 잇점을 제공함을 알아야 한다. 물로 구동되는 해머는 침식, 오일오염, 및 소음의 관점에서 공기로 구동되는 공구에 비해 주변 토양에 영향을 미치지 않는다. 예를 들면, 침식의 관점에서, 공기로 구동되는 해머의 경우 공기의 속도가 20 m/s인 것에 비해, 물로 구동되는 해머를 구동하기 위한 물의 속도는 1 m/s이다. 본 발명에 따른 장치는 압축기를 필요로 하지 않는다. 또한, 물로 구동되는 해머를 사용함으로써 해머는 가열되지 않으며, 따라서 그라우트가 해머상에서 건조되지 않아 해머를 빼낼 때 방해받지 않는다.

본 발명은 첨부된 청구항의 범위내에서 자유롭게 변화될 수 있다. 이상에서 비록 본 발명은 그 바람직한 실시예와 관련하여 서술되었지만, 첨부된 청구항에서 정의된 바와 같은 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어남이 없이 추가, 삭제, 변형 및 치환등이 당해 기술분야의 당업자에 의해 이루어질 수 있음을 알아야 한다.