그라우팅(Grouting) 공법 / 지반주입공법

 

 

 

 

 

자연석 사이사이에 낀 시멘트가 지반속 주입재처럼 느껴집니다.

 

 

 

O Grouting 개요

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1. 그라우팅의 정의

 - 그라우팅이란 기초지반에 발달되어 있는 균열, 절리, 공극 등을 주입재로 채워 수밀성과 지반의 강도를 증진시키기 위해, 천공장비로 구멍을 뚫은 후 주입펌프를 이용하여 주입재가 더 이상 들어가지 않을 때까지 틈새에 집어넣어서 고결되게 하는 일련의 과정을 말한다

 

얼핏 들으면 이 작업은 제반과정을 일반적인 작업순서와 시방서에 의해 수행하기만 하면 훌륭한 시공 결과가 이루어지는 것으로 생각될 수 있다.

 

그러나 절대로 그렇지 않다. 이 과정은 대단히 어렵고 복잡하며 많은 경험과 기술이 필요한 분야로써 독일의 Christian Kutzner 교수는 그라우팅을 과학이라기보다는 예술이라고 표현하였다. 이는 그라우팅의 설계와 시공은 무한한 절리계(Joint system)와의 싸움으로 시공과정에서도 절리의 발달 상태를 완전히 파악할 수 없으므로 설계서나 지침에 따라 시공하는 것만이 능사가 아니라 상황변화에 따라 끊임없이 조정하고 분석해야 하는 어려운 기술분야라는 의미이다. 따라서 그라우팅의 성공과 효과의 예측도 대단히 어렵다.

 

더욱이나 주입재의 유동과 침투의 범위를 눈으로 볼 수 없으며 노련한 경험자들도 감으로 알 수 있을 뿐이다. 따라서 이를 알 수 있는 직접적인 방법은 없기에 그라우팅 관계기술자들은 항상 불안해하게 된다.

 

2. 그라우팅의 역사

① 그라우팅의 시초 :  1802년 C.Benigny가 점토와 석회의 수용액을 펌프로 주입한 것이 시초임

② 현대식 그라우팅의 시초 : 1876sus T.Hawksley(영국)가 Tunstall댐 기초안반에 시멘트 밀크를 주입

③ 국내 현황

 - 1970년대 이후로 기간산업투자로 인해 고속철도, 영종도 국제공항, 지하철 등 대규모 지하시설물 공사가 급증하면서 지반주입 그라우팅 수요가 확대됨

 - 1980년대 이후로 지반조건 및 그라우팅 목적에 따라 여러 가지 신공법이 도입되기 시작하여 지반강화 또는 차수 목적으로 특수약액이나 마이크로 시멘트 등을 주입하는 공법을 발전

 

3. 그라우팅의 적용 범위

① 댐 : Curtain Grout, Blanket Grout

-댐체 또는 댐체 하부 지반을 통한 누수를 방지하기 위한 차수 그라우팅 또는 구조물이나 수압발생에 따른 주변지반 변위방지 그라우팅.

②터널 : 선단보강 그라우팅(강관다단 그라우팅 등), Back Fill Grouting

-터널 시공시 선진 굴착 안정성 및 차수목적 또는 시공 후 배면 공극 채움이나 지하수 유출 차단을 위한 그라우팅.

③지반보강 : 시멘트 밀크 Grout, Compaction Grout, JSP, RJP, Free-Jet

-구조물이나 도로건설 등을 위해 지반의 지지력이나 전단 저항력 증대가 요구될 때 대상 지반에 그라우팅.

④차수목적(강성벽체 차수벽) :  JSP, JET, SIG, RJP, Free-Jet Grout

⑤차수목적(비강성 배면차수)

-물유리계 : LW, SGR, MSG 공법.

-무기질계 : SPG 공법(Special Green & Permanent Grouting Method)

 

 

 

 

O Grouting  공법 분류

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주입방식에 따른 분류

 

① 1.0 Shot

- 단관 주입방식으로 하나의 관을 이용해 주입재가 플랜트에서 믹싱된 후 주입되는 방식

- Gel – Time : 15 ~ 60분 이상

- 적용공법 : 롯드 주입공법, 스트레나 공법 등

 

② 1.5 Shot- 두 가지 약액을 플랜트에서 각기 믹싱 후 주입관내에서 혼합되어 주입되는 방식- Gel – Time : 2 ~ 10분 이상

- 적용공법 : 더블스트레나 공법, LW공법, MSG공법, SPG공법 등

 

③ 2.0 Shot

- 이중관 주입방식으로 두가지 약액을 플랜트에서 각기 믹싱 후 이중관을 이용하여 천공 선단부까지 이동 후 지반 내에서 주입되면서 혼합되는 방식

- Gel – Time : 3 ~ 120초 내외

- 적용공법 : SGR공법, MSG공법, SPG공법 등

 

주입방식에 의한 분류

 

 

 

주입 mechanism에 의한 분류

 

① 저압주입공법

- 저압(보통 10kg/㎠이내)으로 주입하여 지반내 공극을 채우는 방법

- 구근체를 형성하기는 어려움

- 공법 : 시멘트 그라우팅, LW공법, SGR공법, MSG공법, SPG공법 등

 

② 치환공법(비배출치환)

- 비유동성 주입재를 연약한 지반에 압입 하여 균일한 고결체를 형성

- 주변 지반을 압축 강화시킴

- 공법 : Compaction Grout 등

 

③ 치환공법(배출치환)

- 굴진 후 고압(200~800kg/㎠)으로 주입재를 분사하여 주변지반과 강제로 교반 시키는 공법

- 주입반경 크기의 구근체 형성

- 공법 : JSP, JET, RJP, Free-Jet Grout 등

 

주입 mechanism에 의한 분류

 

 

 

 

 

 

 

O Grouting  설계 기법

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Grouting 설계흐름도

 

 

① 약액확산 범위는 1.0m를 표준으로 한다.

② 주입공의 간격(C.T.C)은 0.8 ~ 1.2m(표준 : 0.8m)로 한다.

③ 주입공의 배치

 

 

단열배치

 

 

복열배치

 

④ 주입량 산정

Q = V × λ

Q : 주입량(㎥)     V : 주입대상체적(㎥)     λ : 주입률

λ = η × α × (1 + β)

η : 간극(공극)율     α : 주입충전율     β : 손실계수(통상 5~10%)     1+β : 안전율

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구 분  토 질	토질조건	TCR (%)	RQD (%)	공극율(η) (%)	충전율(α) (%)	주입율(λ) (%)
점성토	매우연약~연약			60~70	60~70	50이하
사질토	세립토			45	80~100	45이하
	중립토			40		40이하
	조립토			35		35이하
모래자갈	자갈함유 50%이상			35	90~100	35이하
	자갈함유 50%이하			30		30이하
풍화암		40이하	20이하	20	60	12.6
연  암		41~50	20이하	19.0	60	12.0
			20이상	15.0	70	11.0

 

⑤ 흙의 입경에 따른 투수계수 값

- 균질점토 : K = 10-6cm/sec 이하의 불투수층

- 실트층 : K = 10-6 ~ 10-3cm/sec

- 모래층 : K = 10-3 cm/sec 이상의 투수층

 

입경에 따른 투수계수 값

 

O 시공관리 중점사항

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① 주입설계(설계목적)에 준해서 하지만 시공진행과 함께 효과적인 체크를 병행하고, 현장의 실상에 따라 계획변경을 하여 효과의 만전을 기한다.

② 시험굴착 또는 샘플링으로 채취시료에 의한 강도시험, 사운딩, 공내재하시험, 지반재하시험 등으로 품질을 확인한다.

③ 투수시험 : 주수시험, 수위회복시험, 양수시험 등 시공목적에 따라 선정한다.

④ 누수시험 : 주입 전후의 누수경로, 누수계의 변화를 조사한다.

 

※ 수화반응의 형태

점진적으로 일어나는 수화반응의 형태

 

 

O 시공관리 중점사항

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1. 저압 주입공법

① 지반 내에 천공 후 주입관을 삽입하고 화학약액(Chemical Grout 또는 주입재) 또는 무기질계 주입재를 저압으로 주입하여 일정한 시간(Gel-time) 후 지반을 고결시키는 공법

② 주입압력은 대략 2~10kg/㎠의 저압으로 주입하는 침투주입 방법

③ 저압 침투주입으로 지반강화, 차수효과는 크나 구근형성 또는 지하 강성벽체 형성은 기대하기 어려움

④ 지반유속이 크지 않고 미세공극이 분포하며 지반강화 목적시 1.0Shot System 사용

⑤ 지반유속이 있고 상대적으로 크지 않은 공극 분포 시에는 1.5Shot System 사용

⑥ 지반유속이 큰 사질토 지반의 경우 2.0Shot System 사용

 

물유리계 무기질계 비교

 

2. 저압 주입공법(L.W공법 : Labiles Wasser Glass)

① L.W 공법이란 규산소다 수용액과 시멘트 혼탁액을 혼합하여 지상의 Y 자관을 통하여 지반에 주입시키는 공법으로서 지반의 공극을 시멘트입자로 충진시켜 지반의 밀도를 높여 지반강화 및 지수성을 향상시키는 저압침투공법이다.(1.5Shot)

② 타공법에 비해 공사비가 저렴

③ 물유리의 용탈에 의해 내구성이 짧고 토양 및 지하수 오염원으로 작용

④ 일축압축강도(양생28일) : 점성토 – 4~6kg/㎠, 사질토 – 10~20kg/cm2

⑤ 시공 순서

 

시공순서(LW공법)

 

3. 저압 주입공법(S.G.R 공법 : Space Grouting Rocket System)

① S.G.R 공법이란 물유리계 주입재를 사용하는 이중관복합주입공법의 일종이다.

② Φ40.5mm의 이중관 롯드로 소정의 심도까지 천공한 후 급결성과 완결성의 주입재를 저압에 의해 연속으로 복합주입한다.(2.0Shot)

③ 시공 순서

 

시공순서(S.G.R 공법)

 

 

 

 

 

 

 

4. 고압 주입공법

① 지반 내에 70~127mm 규격으로 천공 후 롯드를 회전 인발하며 200~700kg/㎠의 초고압 Jet류를 분사하여 주변지반을 절삭 배출하고 시멘트 밀크를 분사하여 Φ800~Φ2,500정도의 구근체를 형성하는 공법임

② 기둥을 형성하며 연속 시공 시 지하에 강성 벽체를 이루므로 가시설 벽체 또는 말뚝으로 사용가능

③ 저압 분사공법에 비해 매우 고가임

④ JSP공법, Jet공법, RJP공법, Free-Jet공법 등이 있음

⑤ 다량의 쏘일시멘트 슬라임이 발생하므로 폐기물 처리가 요구됨

 

비배출 배출공법 비교

 

5. 고압 Grouting 공법(J.S.P : Jumbo Special Pattern System)

① J.S.P 공법은 Double Rod 선단에 Jetting Nozzle을 장착하여 경화제를 분사하면서 회전하게 하며 Nozzle이 한 바퀴 또는 한바퀴 반을 회전하면 자동적으로 2.5cm 상승하면서 전과 같은 동작을 반복하게 된다. 이와 같은 과정을 계속적으로 시행함으로써 지반 중에 원주상의 고결체를 조성하는 공법

② 고압(200kg/㎠)의 Jet류를 이용하여 연약지반을 절삭하고 고압분사하는 공법

③ 지층에 따라 Φ800~Φ1,200의 원주형 구근체 형성

④ 일축압축강도(양생28일) : 점성토 – 20~40kg/㎠, 사질토 – 40~150kg/㎠

⑤ 시공 순서

 

시공순서(J.S.P 공법)