제거식 네일구조 및 이를 이용한 보강철근 회수공법{Extractable nail structure and reinforce steel-bar extraction method using the same}

도1은 종래의 소일네일링공법을 적용한 시공 단면도이다.

도2는 본 발명에 따른 제거식 네일구조의 단면도이다.

도3은 본 발명에 따른 제거식 네일구조의 분해사시도이다.

도4는 본 발명에 따른 보강철근 회수공법의 순서를 도시한 것이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 지반 2 : 보강철근

3 : 그라우팅재 4 : 지압판

5 : 고정너트

100 : 제거식 네일구조 110a : 제1고정구

110b : 제2고정구 120a : 제1쐐기부

120b : 제2쐐기부 130 : 정착구

131 : 요철부(정착구) 132 : 제1중공부(정착구)

133 : 제2중공부(정착구) 140 : 마감캡

150 : 파이프

본 발명은 토목, 건축의 각종 터파기 공사에서 지반의 굴착벽면이나 사면등을 안정시키기 위한 흙막이 공법의 한 종류인 소일네일링 공법(soil-nailing method)에서 사용하는 소일네일에 관한 것으로, 소일네일링공법으로 지반의 지지력을 보강한 후에 더 이상의 지반보강이 불필요한 상태에는 네일을 제거, 회수할 수 있도록 구성된 제거식 네일구조, 이를 이용한 소일네일링공법 및 보강철근 회수공법에 관한 것이다.

일반적으로 터파기, 철도 및 도로 등에 인접한 자연사면 및 인공사면의 보강, 지하구조물 및 터널 등의 구조물 축조에 필요한 지반보강, 옹벽의 보수, 설치 등의 공사에서는 그 굴착면이 붕괴되는 것을 방지하기 위한 지반보강공법이 적용되는데, 흙막이 공사, 어스앵커링 및 소일네일링 공법이 주로 이용되고 있다.

상기 흙막이 공사는 엄지말뚝, 횡말뚝, 쉬트파일(sheet pile) 등을 이용한 버팀공법이지만 이런 공법은 대형 천공장비를 사용하기 때문에 말뚝 등을 설치하는데 수반되는 소음과 진동이 문제되고 있으며 또한 버팀대가 시공 공간을 좁게 만들 어 굴토토사의 운반이 용이하지 못하다는 문제가 있고, 상기 어스앵커링 공법은 굴토공사 자체가 용이하기는 하나 시공시간이 오래걸리는 단점과 아울러 앵커의 길이가 매우 길어 대상부지 밖으로 가시설 구조체가 형성되는 경우가 있어 분쟁의 소지를 항상 안고 있는 문제점이 있다.

따라서 근래에는 소일네일링 공법이 널리 사용되고 있는데, 이 소일네일링 공법은 상기한 바와 같이 경사면이나 건물의 지하굴착시 단계별로 굴착과 함께 보강재인 이형철근(네일)과 지압판으로만 굴착사면을 보강하여 흙막이 가시설을 하는 방식으로써, 비교적 경량장비를 사용하므로 굴착공사 수행시 소음과 진동이 상대적으로 작으며, 어스앵커링 공법에 비하여 보강영역을 위한 천공깊이가 매우 짧으므로, 인접대지의 경계를 침범하는데 따른 분쟁발생이 감소하여, 현재 외국에서는 물론이거니와 국내에서도 활발하게 건설공자 현장에서 적용, 실시되고 있으며 이에 대한 연구와 독점적 권리획득을 위한 각종 출원이 활발하게 이루어지고 있다.

이와 같은 소일네일링 공법은 굴토 또는 절토 과정을 통하여 일련의 보강작업이 이루어지는 것으로서, 비탈면이나 터파기 굴착면을 자립할 수 있는 안정높이로 굴착함과 동시에 숏크리트로 표면보호면을 시공하고 굴착배면을 천공하여 네일을 삽입한 후 이를 그라우팅 처리하여 소일네일 앵커체를 조성하는 공법이고, 그 시공과정을 간략히 살펴보면 다음과 같다.

도1에서 보는 바와 같이 보강대상 지반(1) 내에 하향 경사지게 깊게 구멍을 천공하고, 그 천공된 구멍내로 이형철근인 보강철근(2)을 삽입한 후 몰탈 등의 그라우팅재(3)를 주입, 경화시켜 그라우팅 고결체를 형성한 후 지상으로 노출된 보강철근(2)의 끝단을 지압판(4)과 고정너트(5)등을 이용하여 지반(1)에 고정시키는 작업을 통해 경사말뚝 형태의 소일네일체를 형성하게 된다.

이와 같은 소일네일체는 그라우팅 고결체의 주변 마찰력저항과 삽입된 이형철근인 보강용 네일의 인발저항을 통해 굴착지면(경사지면)쪽으로 작용하는 토압에 대항하여 원지반의 강성을 키워줌으로써, 원지반의 전체적인 전단강도를 증가시키고 발생 변위를 억제하여 굴착도중 및 굴착완료 후에 예상되는 지반의 이완을 억제하여 지반이 자립지지 될 수 있도록 하는 것이다.

그러나, 상기한 방식에 의해 설치되는 소일네일체는 지중에 매설되는 보강철근이 복잡한 도심에서는 인접 대지경계선을 침범하여 시공되는 것이 보통이어서 철근을 제거하지 않고 지중에 그대로 잔류시킬 경우 민원에 따른 분쟁과 협의에 따른 공기지연, 토지점용료 지불에 관한 문제가 발생하고, 추후 인접지역 공사시의 장애요인이 되며, 철근이 지중에서 부식됨에 따른 토양오염의 문제도 함께 지적된다.

본 발명은 소일네일의 인장강도를 확보하여 지반보강에 문제가 없도록 하고, 더 이상 지반보강이 필요치 않은 때에는 보강철근을 용이하게 회수할 수 있도록 하 여 지중에 철근을 장기간 방치함으로써 발생되는 철근부식에 의한 지반환경 오염문제, 소일네일의 대지경계선 침범에 의한 민원발생과 점용료 납부 및 인접구조물 신축시 발생하는 시공장애 등의 문제를 해소함을 그 목적으로 한다.

본 발명은 소일네일링(Soil-Nailing)을 위해 지반에 삽입되는 보강철근을 용이하게 회수할 수 있도록 구성된 제거식 네일 장착구조로서, 내주면에는 원추형 중공부가 형성되어 상기 보강철근이 관통하고, 외주면에는 수나사산이 형성된 부재로서, 상기 원추형 중공부의 큰 반경을 갖는 쪽 면이 상호 마주보도록 배치된 제1,2고정구; 상기 제1,2고정구의 원추형 중공부에 각각 끼워져 상기 보강철근과 밀착되는 곡면상의 단위쐐기 복수개가 전체적으로 원추형을 이루는 제1,2쐐기부; 상기 보강철근이 관통하는 원통형 부재로서, 외주면은 요철부가 형성되어 있고, 내부에는 상기 제1,2고정구가 함께 나사결합할 수 있는 암나사산이 형성된 제1중공부 및 상기 제1고정구와 상기 제1,2쐐기부의 단위쐐기들을 한번에 수용할 수 있는 제2중공부가 구비된 정착구; 상기 정착구의 제2중공부를 덮는 마감캡; 및 상기 정착구의 양단에 돌출한 상기 보강철근을 수용하는 파이프; 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 제거식 네일구조를 제공한다.

또한, 본 발명은 다음의 각 단계로 이루어지는 제거식 네일구조를 이용한 보강철근 회수공법도 함께 제공한다.

(a) 상기 제거식 네일구조를 이용한 소일네일링공법을 완료한 후 상기 지압판의 압착, 고정상태를 해체하는 단계; (b) 지반 위로 돌출된 상기 보강철근을 회전시겨, 상기 제1,2고정구가 상기 정착구의 제2중공부에 형성된 암나사산을 따라 지반면을 향해 나선운동하도록 하는 단계; (c) 지반 위로 돌출된 상기 보강철근을 회전시켜, 상기 제1고정구가 상기 정착구의 제2중공부에서 이탈시키고, 상기 제1고정구의 원추형 중공부에서 상기 제1쐐기부의 단위쐐기들을 이탈시키는 단계; 및 (d) 지반 위로 돌출된 상기 보강철근을 잡아당겨, 상기 제2고정구의 원추형 중공부에서 상기 제2쐐기부의 단위쐐기들을 이탈시키고, 상기 보강철근을 회수하는 단계.

이하에서는 도시된 도면에 따라 본 발명을 더욱 상세히 설명하기로 한다.

Ⅰ. 제거식 네일구조

도2는 본 발명에 따른 제거식 네일구조(100)의 단면도이고, 도3은 본 발명의 이해를 돕기 위한 제거식 네일구조(100)의 분해사시도이다. 도시된 바와 같이 본원발명의 제거식 네일구조(100)는 보강철근(2), 제1고정구(110a), 2고정구(110b), 제1쐐기부(120a), 2쐐기부(120b), 정착구(130), 마감캡(140) 및 파이프(150)로 구성된다.

상기 제1고정구(110a)는 내주면에는 상기 보강철근이 관통하는 원추형 중공 부(111)가 형성되고, 외주면에는 수나사산(112)이 형성된 부재로서 보강철근(2)에 밀착되는 제1쐐기부(120a)를 고정시키는 역할을 한다. 반대로 말하면, 상기 보강철근(2)이 상기 제1고정구(110a)의 원추형 중공부(111)를 관통하도록 삽입, 설치되고 상기 원추형 중공부(111)에서 상기 보강철근(2)을 삽입한 후 남는 공간에 상기 제1쐐기부(120a)를 끼워, 상기 보강철근(2)과 제1쐐기부(120a), 상기 제1쐐기부(120a)와 제1고정구간(110a)간의 마찰력에 의해 제1고정구(110a)와, 제1쐐기부(120a) 및 보강철근(2)이 일체화되어 고정된다.

상기 제1쐐기부(120a)는 상기 제1고정구(110a)의 원추형 중공부(111)에 끼워져 상기 보강철근(2)에 밀착되는 곡면상의 단위쐐기(121) 복수개로 구성된 것이며, 전체적으로는 상기 원추형 중공부(111)와 대응하는 원추형으로 이루어진다.

한편, 상기 제2고정구(110b)도 상기 제1고정구(110a)와 동일하게 구성되고 동일한 작용을 하며, 상기 제1고정구(110a)와 제2고정구(120b)는 원추형 중공부(111)의 큰 반경을 갖는 쪽 면이 상호 마주보도록 배치된다. 또한, 상기 제2쐐기부(120b)도 상기 제1쐐기부(120a)와 동일하게 구성되고 동일한 작용을 한다. 상기 보강철근(2)에 결합되는 제1고정구(110a)와 제2고정구(110b), 제1쐐기부(120a)와 제2쐐기부(120b)가 상호 대칭적으로 배치되는 것이다. 단, 상기 제1,2쐐기부(120a, 120b)를 구성하는 단위쐐기(121)를 제1,2고정구(110a, 110b)의 원추형 중공부(111)에 삽입, 밀착시키기 위해 제1,2고정구(110a, 110b)는 일정한 간격을 두고 배치하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 보강철근(2)은 종래기술에서와 마찬가지로 이형철 근으로 하는 것이 바람직하다.

상기 정착구(130)는 상기 보강철근(2)이 관통하는 원통형 부재로서, 외주면은 요철부(131)가 형성되어 있고, 내측에는 제1중공부(132) 및 제2중공부(133)가 형성되어 있다.

상기 정착구(130)는 보강철근(2)과 일체화된 상기 제1,2고정구(110a, 110b)가 끼워지는 부재로서 소일네일링 공법에서 그라우팅재(3)와의 마찰력을 증가시켜 소일네일체의 인발응력을 강화하기 위해 위와 같은 요철부(131)가 필요하다.

상기 제1중공부(132)는 상기 정착구(130)의 중앙부에 형성된 내부공간으로서 상기 제1,2고정구(110a, 110b)와의 나사결합을 위해 내주면에는 암사사산이 형성되어 있다. 이 때, 상기 제1중공부(132)는 최소한 상기 제1,2고정구(110a, 110b)가 함께 나사결합할 수 있는 길이로 형성되어 있어야 한다.

상기 제2중공부(133)는 상기 정착구(130)의 일단에 형성된 내부공간으로서 상기 제1고정구(110a)와 상기 제1,2쐐기부(120a, 120b)의 단위쐐기(121)들을 한번에 수용할 수 있는 크기의 공간이 구비되어 한다. 이는 보강철근(2)을 회수하는 과정에서 상기 제1고정구(110a)가 상기 정착구(130)와의 나사결합상태가 해제되고, 상기 제1,2쐐기부(120a, 120b)의 단위쐐기(121)들은 상기 제1,2고정구(110a, 110b)로부터 이탈되기 때문이다. 이에 대한 자세한 사항은 후술하기로 한다.

이 때, 상기 제1,2고정구(110a, 110b), 제1,2쐐기부(120a, 120b) 및 정착 구(130)는 각각 철재로 구성하면 소일네일링 공법에서 소일네일체에 필요한 인발응력(마찰력) 확보에 유리하게 된다.

또한, 상기 제1고정구(110a)의 내주면에는 상기 단위쐐기 사이에 걸쳐지는 돌기(113)가 형성된 것을 사용할 수 있는데, 상기 돌기(113)는 후술하는 바와 같이 소일네일링 공법으로 인한 지반보강 완료 후 보강철근(2)을 회수하기 위해 지반 밖으로 돌출된 보강철근(2)을 돌려 뺄 때, 보강철근(2)에 밀착된 제1,2쐐기부(120a, 120b)가 상기 제1,2고정구(110a, 110b)와 별개로 헛돌지 않도록 잡아주는 걸림턱 역할을 하는 것이다.

상기 마감캡(140)은 상기 정착구(130)의 제2중공부(133)를 덮는 부재이다. 즉, 그라우팅재(3)가 상기 정착구(130)의 제2중공부(133)에 밀려들어가지 않게 씰링처리용 부재라 할 수 있다. 상기 마감캡(140)을 상기 정착구(130)에 용이하게 결합시키기 위해서는 상기 마감캡(140)을 상기 정착구와 나사결합방식으로 끼움결합하도록 구성할 수 있는데, 구체적으로는 도2에 도시된 바와 같이 상기 마감캡(140)의 외주면에 수나사산을 형성하고, 상기 정착구(130) 제2중공부(133)의 내주면에는 암사산을 형성하여 상호 나사결합하도록 할 수 있다.

상기 파이프(150)는 상기 정착구(130)의 양단에 돌출한 상기 보강철근(2)을 수용하는 부재로서, 상기 보강철근(2)이 그라우팅재(3)에 직접 묻히게 되면 보강철근(2)의 회수가 불가능해지므로 상기 보강철근(2)을 감싸며 수용하는 역할을 한다. 이 때에도 도2에 도시된 바와 같이 파이프(150)와 정착구(130), 또는 파이프(150)와 마감캡(140)을 나사결합하도록 구성할 수 있다.

상기 마감캡(140)과 파이프(150)는 보강철근(2)이 제거된 후에도 지중에 남아있는 부재이므로 PVC소재로 제작하는 것이 바람직하다. PVC소재로 제작할 때는 상당한 내구성을 확보함과 동시에 제작단가를 낮추고, 부식발생이 최소화되며, 해당 지반에 다른 공사가 진행될 때 철근 구조물과 같은 장애요인이 되지 않는다는 장점이 있다.

한편, 상기 정착구(130)와 마감캡(140)은 상기 제1중공부(133)를 기준으로 좌우대칭으로 구성하여, 본 발명에 따른 제거식 네일구조(100)를 구비한 소일네일체가 지반 천공홀에 어느 방향으로 매입되더라도 '보강철근 회수'라는 소기의 목적을 달성하도록 할 수 있다.

Ⅱ. 제거식 네일구조를 이용한 보강철근 회수공법

보강철근 회수공법을 설명하기에 앞서, 상기 제거식 네일구조(100)를 이용한 소일네일링공법을 간단히 설명하면, 지반을 천공하여 수평선을 기준으로 일정각도 처진 천공홀을 형성시키는 단계; 상기 제거식 네일구조(100)를 구비한 소일네일을 상기 천공홀에 삽입하되, 상기 제1고정부(110a)는 천공홀의 상단쪽에 배치하고, 상기 제2고정부(110b)는 천공홀의 하단쪽에 배치하며, 상기 보강철근(2)의 상단 일부가 지반 위로 돌출되도록 설치하는 단계; 상기 천공홀 내에 그라우팅재(3)를 주입하여 천공홀 내에 삽입된 소일네일을 지반에 정착시키는 단계; 및 상기 천공홀 주변 지반에 지압판(4)을 압착, 고정시키는 단계로 구분할 수 있다.

상기한 바와 같이 시공된 소일네일체는 토목, 건축의 각종 터파기 공사에서 지반의 굴착벽면이나 사면 등을 안정시키는 역할을 한 후에는 다음의 각 단계로 이루어지는 제거식 네일구조(100)를 이용한 보강철근 회수공법으로 제거할 수 있다. 이하에서는 제거식 네일구조(100)를 이용한 보강철근 회수공법을 도4에 따라 상세히 설명하기로 한다.

1. (a)단계

본 단계는 지반 위로 돌출된 상기 보강철근(2)을 회전시겨, 상기 제1,2고정구(110a, 110b)가 상기 정착구(130)의 제1중공부(132)에 형성된 암나사산을 따라 지반면을 향해 나선운동하도록 하는 단계이다. 본 단계에서는 상기 보강철근(2)과 제1,2고정구(110a, 110b) 및 제1,2쐐기부(120a, 120b)가 상호 맞물려 일체화된 상태로 상기 정착구의 제1중공부(132) 나사산을 따라올라가게 된다. (도4의 (a) 참조)

2. (b)단계

본 단계는 지반 위로 돌출된 상기 보강철근(2)을 회전시켜, 상기 제1고정구(110a)를 상기 정착구(130)의 제1중공부(132)에서 이탈시키고, 상기 제1쐐기부(120a)의 단위쐐기(121)들을 상기 제1고정구(110a)의 원추형 중공부(111)에서 이탈키는 단계이다. 상기 제1고정구(110a)가 상기 정착구(130)의 제1중공부(132)에서 이탈하면, 상기 정착구(130)의 제2중공부(133)로 나오게 되고, 이후 상기 제1고정구(110a)의 원추형 중공부(111)에서 이탈하는 상기 제1쐐기부(120a)의 단위쐐기(121)들은 자연스럽게 상기 정착구(130)의 제2중공부(133)에 수용된다. (도4의 (b), (c) 참조)

3. (c)단계

본 단계는 지반 위로 돌출된 상기 보강철근(2)을 잡아당겨, 상기 제2고정구(110b)의 원추형 중공부(111)에서 상기 제2쐐기부(120b)의 단위쐐기(121)들을 이탈시키고, 상기 보강철근(2)을 회수하는 단계이다. 상기 (b)단계에서 보강철근(2)과 제1고정구(110a) 및 제1쐐기부(120a)가 분리되면 상기 보강철근(2)을 잡아당겨, 상기 제2쐐기부(120b)를 상기 제2고정구(110b)에서 이탈시킬 수 있게 된다. 이 때, 상기 제2고정구(120b)는 상기 정착구(130) 제1중공부(132)의 암나사산과 나사결합한 채로 고정되고, 상기 제2쐐기부(120b)의 단위쐐기(121)들만이 상기 보강철근(2)과의 밀착상태를 유지하며 끌려 나오다가 상기 제2고정구(110b)의 원추형 중공부(111)에서 이탈되어 상기 정착구(130)의 제2중공부(133)에 수용된다. 이후에는 별다른 마찰저항 없이 상기 보강철근(2)을 회수할 수 있게 된다. (도4의 (d), (e) 참조)

이후 상기 정착구(130), 마감캡(140) 및 파이프(150) 등의 부재는 지반에 매립된 상태로 남아 있게 되나, 상기 각 부재들은 이후의 흙파기 작업 등에 의해서 쉽게 제거될 수 있으므로 인접토지 소유자들 간의 관계에서 문제를 일으킬 염려가 없고, 상기 정착구(130)가 철재로 제작되어 부식의 염려가 있기는 하지만 표면적이 큰 보강철근(2)이 지중에 남아 있는 것과 비교하면 상기 정착구(130)의 부식이 토양 오염에 미치는 영향은 극히 미미하다.

위와 같은 본 발명을 이용하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있게 된다.

첫째, 정착구와 고정구 및 쐐기부의 결합방식상의 특성에 의해 보강철근을 쉽게 회수할 수 있다.

둘째, 철재 정착구를 이용함으로써 소일네일체의 마찰저항을 크게 할 수 있다.

셋째, 지중에 매립된 채로 남아있는 마감캡 및 파이프는 PVC소재로 제작하면 부식을 방지하여 토양오염의 우려가 해소되고, 후의 지반공사에서 쉽게 파괴, 제거되므로 인접토지 소유자 간의 마찰이 빚어지지 않게 된다.