시추작업

지하암반을 천공하여 지층분포와 각 지층의 물리적 성질을 직접 확인하기 위하여 시추작업을 실시하는데 이에 대하여는 ASTM D 2113-83 등에 상세하게 규정되어 있다.

1 장비 및 기구

가. 시추기

• 조사 심도와 목적을 고려하여 선정하며, 유압회전식 사용을 원칙으로 한다.

나. 펌프

• 시추작업에 필요한 충분한 순환수를 공급할 수 있는 용량이어야 한다.

• 장비 크기와 종류, 청수와 이수의 비중 및 점도, 시추 심도, 공경 등을 고려하여 펌프 용량, 유속, 수량 및 수압을 충분히 유지할 수 있어야 한다.

 

다. 비트(bit)

• 지층상태를 고려해 메탈크라운 비트나 다이아몬드 비트 중 적절한 것을 선택하여 사용한다.

• 기반암이 시작되면 반드시 다이아몬드 비트를 사용하여 천공한다.

<표 5.2-1> 다이아몬드 코어 비트 규격(inch)

규 격	외 경		내 경
	inch	mm	inch	mm
EWG	1.47	37.3	0.845	21.4
AWG	1.88	47.6	1.185	30.0
BWG	2.35	59.5	1.655	42.0
NWG	2.97	75.3	2.155	54.7
HWG	3.89	98.8	3.000	76.2

라. 코어 배럴(core barrel)

• 암석 코어 회수율을 최대로 높이기 위하여 지층에 따라 코어배럴을 선정하는데 통상 더블 코어배럴을 사용한다.

• 암반이 심하게 파쇄되어 더블코어바렐로 코아를 원상태로 회수하고 유지하기 어려울 경우 D-3 코어 배럴이나 트리플 코어 배럴을 사용한다.

• 심하게 파쇄된 암반에서는 코어가 코어 배럴 안에 머무는 시간을 단축하여 코어가 교란되는 것을 최소화하여야 한다. 이를 위해 길이가 1.5m 이내인 것을 사용한다.

• 코어 배럴 상부에 roller bearing swivel을 부착하여 outer tube가 회전하는 동안 inner tube는 정지상태로 코어가 교란되는 것을 방지할 수 있어야 한다.

• 연약하거나 부서지기 쉬운 지층에서 코어를 보호할 수 있도록 inner tube에 코어 리프터를 부착한다.

• 코어는 지상으로 인양한 후 교란되기 전에 관찰하고 이를 원상태로 보관한다.

• D-3 코어 배럴을 사용하여 코어를 회수하여 코어 상자에 옮길 때에는 코어가 교란되지 않도록 유의한다.

 

마. 로드(rod)

• 시추과정에서 발생하는 굴진 슬라임(slime)이 굴진 용수를 따라 공 밖으로 흘러나오는데 영향을 미치지 않아야 한다.

• 연결부(coupling)를 빼어 로드 두께가 1.5mm 이상 마모되었거나, 나사부분이 마모되었거나, 구부러진 로드는 사용하지 않는다.

• 두께가 얇아지면 로드가 파열되기 쉬우므로 1.5mm 이상 마모되지 않았더라도 마모 상태가 불량한 것은 사용하지 않는다.

• 로드의 내경이 줄어든 것은 제외한다.

• 로드를 지상에 던지거나 손상시키는 일이 없도록 하고, 지상에 놓을 때에는 받침목 위에 놓는다.

• 나사 부분이 상하지 않도록 로드를 세울 때에는 커플링 쪽을 아래로 향하도록 하고 두께 2~3cm 판자 위에 놓는다.

• 나사 부분은 항상 깨끗하게 보존한다.

• 로드 규격<표 5.2-2>

 

바. 케이싱 비트(casing bit)

• 토층이나 파쇄암반, 또는 공동 구간 등에서 시출할 때 공벽이 붕괴되지 않도록 케이싱을 설치하기 위하여 케이싱 비트를 사용하여 굴진한다.

<표 5.2-2> 로드 규격

규격	외경		내경		연결부
	inch	mm	inch	mm	inch	mm	나사수/in
EW	1.38	34.9	1.00	25.4	0.44	11.1	3
AW	1.72	43.6	1.34	34.1	0.63	15.8	3
BW	2.13	53.9	1.75	44.4	0.75	19.0	3
NW	2.63	66.6	2.25	57.1	1.38	34.9	3
HW	3.50	88.9	3.06	77.7	2.38	60.3	3

 

사. 케이싱(casing)

• 코어배럴 외경보다 한 단계 더 큰 구경의 케이싱을 설치한다.

• 시추공벽 보호, 지하수유입 차단, 로드와 공벽 사이 마찰저항 감소 등의 목적으로 설치한다.

• 시추 종료 후 케이싱 회수가 용이하고 목적 심도까지 굴착이 용이하도록 재질이나 나사 정밀도 등을 결정한다.

• 케이싱 규격<표 5.2-3>

 

<표 5.2-3> 케이싱 규격

규격	외경		내경		나사수/inch
	inch	mm	inch	mm
EW	1.81	46.0	1.50	38.1	4
AW	2.25	57.1	1.91	48.4	4
BW	2.88	73.0	2.30	60.3	4
NW	3.50	88.9	3.00	76.2	4
HW	4.50	114.3	4.00	101.6	4

 

아. 코어 상자

• 목재 또는 기타 내구성 자재로 제작하며 현장(용역)명, 시추년도, 시추공 번호 등을 기재한 후 시료를 보관한다.

• 뚜껑을 달아 코어 훼손 및 망실을 방지하도록 하며 여닫을 수 있도록 한다.

• 코어 상자 보관 기간은 사업특성에 맞게 결정할 일이나 최소한 건설이 종료되기 전까지 보관하는 것을 원칙으로 한다.

2 시추공법

가. 굴진

• 토양시료 채취방법으로 시료채취가 불가능할 경우 coring 방법을 사용한다.

• ASTM D 2113-83에서는 표준관입시험 과정에서 50회 타격에 관입 깊이가 1인치(25.4mm) 이내일 경우 coring을 시작하도록 규정하고 있다.

• 최대 굴진장은 코어 배럴에 의해 결정되기 때문에 D-3 코어 배럴 등 특수배럴 이상을 사용하는 현장에서는 어떤 경우에도 굴진장은 1.5m 이상을 넘기지 않는다.

• 파쇄대 또는 단열대에 도달하였을 경우 코어 회수율을 높일 수 있도록 노력한다. 회수율을 높이기 위하여 시추기술자가 독자적으로 벤터나이트, 점토, 화공약품 등의 첨가 여부를 결정할 수 있다. 단, 공내 시험 공으로 사전에 선정한 공은 코어 회수율을 높이거나 공벽을 유지시키기 위해 사용하는 제반 공법을 사전에 준비한다.

• 굴진 도중 암편이 토출될 경우에는 즉시 코어 배럴을 인양한다.

• 코어를 코어 상자에 넣을 때 상단부터 채워서 내려오며, 코어를 상자에 넣은 후 굴진구간 코어말미에 굴진 심도를 기록한 말목을 끼워 넣는다.

• 코어 상자에 넣기가 곤란한 코어나 마른 상태가 되면 변질될 수 있는 코어는 비닐로 감싼다.

• 암석의 구조, 박층, 균열, 공동, 파쇄대 등은 매우 중요한 자료이므로 주의 깊게 관찰하여 이러한 지층상태들을 기재한다.

• 파쇄대나 공동으로 굴진이 곤란한 경우에는, 공벽을 시멘트로 경화하거나, 확공 후 케이싱을 삽입하거나, 케이싱 삽입 후 한 단계 작은 코어 배럴을 사용하여 굴진한다. 순환수가 누수되는 균열을 만날 경우도 같은 방법을 취하며, 조사 성격상 순환수의 누수를 알아야 하거나 지하수의 유동이 중요한 경우 케이싱 삽입 후 한 단계 작은 코어 배럴을 사용하여 굴진한다. 이러한 방법은 연암, 박층 등에서도 사용된다.

나. 보호공 설치

• 시추작업이 끝난 시추공 중 지속적인 관찰이 필요한 시추공은 최대한 깨끗한 상태를 유지한다. 최근 들어 시추로 인한 지하수 오염을 방지하기 위하여 시추공 폐쇄의 중요성이 강화되고 있으므로 특별히 이에 유의한다.

• 굴진 완료된 시추공 중 보호공을 설치하지 않는 공은 시추공을 시멘트 등으로 폐쇄한다.

• 각 시추지점별로 현장 전경을 촬영한 천연색 사진과 각 시추공 보호 및 공 폐쇄 사진을 촬영한다.

 

다. 지하수위 측정

• 시추작업이 진행중인 시추공에서는 매일 작업시작 전에 공내 지하수위를 측정하여 측정시간과 함께 기록한다.

• 시추작업을 완료한 시추공에서는 안정 지하수위가 측정될 때까지 매일 일정시각에 수위측정기를 사용하여 cm 단위로 공내 수위를 측정하여 기록한다.

 

라. 성과 정리

• 시추작업과 병행하여 작업 상태를 자세히 기록한 야장과 주상도를 작성한다.

• 시주작업 중 표준관입시험으로 채취한 시료는 사업명, 시추공번, 채취심도, 채취일자, 관입저항치를 기재한 라벨을 부착한 시료병에 넣어 코어 상자에 보관한다.

• 모든 코어는 회수 즉시 가능한 원 상태로 코어 상자에 옮겨 담는다. 이 때 코어가 움직이지 않도록 상자의 빈 공간을 나무토막 등으로 채운다.

• 코어 상자 겉면과 옆면에 사업명, 시추공번, 굴진 심도 및 코어 상자 일련번호를 기재하며 뚜껑 안쪽에는 사업명, 시추공번, 코어 상자 일련번호, 굴진차수, 굴진 구간, 회수율, RQD 등을 지워지지 않도록 유성 펜으로 기재한다.

• 코어는 젖은 상태로 촬영한다.

• 코어 상자는 수직한 방향에서 상자 뚜껑 안쪽에 기재한 사항과 코어를 동시에 촬영하되 사진으로 코어 상태를 확인할 수 있도록 사진 전체에 가득 차게 촬영한다.

• 코어 상자에 축척 표시를 위해 10cm 단위로 표시한 자를 넣어 함께 촬영한다.

• 시료를 코어 상자에 옮길 때에는 원형이 최대한 보존될 수 있도록 가능한 모든 방법을 동원한다.

• 코어 상자는 가능한 충격을 받지 않고 온도의 차이가 심하지 않으며 비바람을 피할 수 있는 곳에 보관한다.

마. 곡공

굴진과정에서 시추공이 휘어지는 현상이 일어나는데, 이는 기계적인 조건과 지질조건이 복합되어 일어나므로 어느 정도 제어할 수는 있지만 이를 완벽하게 방지할 수는 없다.

1) 기계적인 조건에 의한 곡공

• 시추기의 회전, 피드 방식이 부적절한 경우

• 공경에 비하여 직경이 현저하게 작은 로드나, 짧은 코어 배럴을 사용한 경우

• 굽거나 마모된 로드, 두께가 얇은 로드를 사용한 경우

• 비트 선택, 하중과 회전수 조합, 급수량 등이 부적절한 경우

• 굴진 과정에서 진동이 발생한 경우

 

2) 지질조건에 의한 곡공

• 층리, 편리, 절리가 발달한 지층

• 암석강도 차이가 현저한 호층

• 붕괴층, 파쇄대, 동굴

 

3) 곡공 방지대책

• 비트 회전수, 하중을 적정하게 유지하고 무리하지 않게 굴진한다.

• 마모가 작은 비트를 사용한다.

• 직경이 공경과 크게 차이나지 않는 로드, 코어 배럴을 사용한다.

• 코어 배럴은 가능한 긴 것을 사용한다.

• stabilizer나 drill collar를 적절하게 이용한다.

• 순환수의 양을 늘려 슬라임을 원활하게 제거한다.

4) 곡공 측정

• 시추조사로 확인한 제반 지질구조의 정확한 위치를 파악하고, 공내시험의 정확한 위치를 확인하기 위하여 곡공측정을 실시한다.

• 곡공측정은 한 번에 측정하는 곡공 측정회수에 따라 single shot과 multi shot으로 구분하며, 측정방식에 따라 필름방식과 디지털방식으로 구분한다.

• 예전에는 곡공측정을 목적으로 만든 곡공측정기로 곡공을 측정하였으나, 최근에는 공내검층과 병행하여 곡공을 측정하기도 한다.

 

라. 이수 사용

1) 이수 사용 목적

• 슬라임을 더욱 효율적으로 제거한다.

• 로드 회전저항을 감소시킨다.

• 이벽을 조성하여 지층 붕괴를 방지한다.

• 순환수가 정지되어 있을 때 슬라임이 침전되어 코어 튜브를 억류하는 것을 방지한다.

• 공내 지하수 용출을 억제한다.

2) 이수 사용에 유의할 점

• 토층시추에는 로드와 시추공 직경이 크게 차이나기 때문에 점성이 약간 높은 이수를 사용하는 것이 좋으며, 특히 모래층과 자갈층의 경우는 공벽보호를 위하여 높은 이수를 사용한다.

• 암반시추에는 점성이 낮고 벽을 잘 형성하는 이수를 사용하는 것이 좋다.

• 이수 속에 시멘트를 사용하면 시멘트 강도는 극단적으로 떨어지고 시멘트가 풀려 섞이면 공내 상황이 약화된다. 따라서 이수 속에서는 시멘트를 사용하지 않는 것이 좋다.

• 시멘트를 사용하여야 할 때는 시멘트 슬러리 주입 전과 후에 청수로 공내를 씻어내던가, 이수 전체를 바꾼다.

3) 이수의 종류

• 벤토나이트 이수물에 벤토나이트를 7%내지 10% 혼합한 것으로, 슬라임 침강을 방지하고 이벽형성 효과를 얻는다. 일반적으로 이수라고 하면 벤토나이트 이수를 말한다. 이벽 형성효과를 개선하기 위하여 CMC를, 비중을 증가시키기 위하여 CMC나 바라이트를 첨가하여 사용한다.

• 리보나이트 이수이수에 리보나이트를 첨가하고 카세이소다 또는 소다회로 PH를 9.5내지 10.0으로 조정한 이수이다. 공벽 붕괴방지능력이 우수하고 염분이나 시멘트, 기타 오염물질에 대한 저항력이 높다. 고온에도 안정적이다.

• 계면활성제 혼합 이수이수에 텔크린, 아스텍스, 스피터 등의 윤활제를 0.2%내지 2.0% 첨가한 것이다. 이수의 윤활성을 증가시켜 부착을 방지하며, 코어 튜브와 로드 억류를 방지하는 효과가 있다.

• K-폴리머 이수물에 텔나이트KA와 텔나이트KB를 첨가하여 PH를 10.0내지 10.5로 조정한 이수이다. 수화팽윤을 억제하며, 점성을 증가시켜 수화붕괴성 이질암을 안정시킨다.

• 텔코드(특수 고분자 폴리머)물에 텔코드L을 0.2%내지 0.5% 첨가한 이수로, 연약하거나 붕괴되기 쉬운 지층에 보호 피막을 형성하여 팽윤을 억제하고 시추공을 안정시키는 효과가 우수하다.

마. 공내사고 및 복구

1) 비트사고

• 굳은 암석을 굴진할 때 비트에 압력을 지나치게 가하면 비트 잇날은 암석 중으로 깊이 파고들어 가지만 암석을 자유롭게 뚫지 못하기 때문에 비트가 회절할 때 로드가 상하로 진동하여 비트에 충격이 가해진다. 이 충격으로 비트가 파손되며 비트에서 팁이 빠져나오기도 한다.

• 시추공 바닥에 비트에서 이탈한 팁이나 파손된 조각이 남아있으면 굴진작업에 크게 방해가 된다. 그러므로 팁이나 파손된 조각 주변을 시멘트로 경화하여 굳힌 후 시멘트를 굴진하여 이를 회수하거나, 로드 끝에 포집기를 달아 이를 회수하도록 한다.

 

2) 낙하사고

• 로드 홀더에서 로드가 미끄러져 시추공 내로 낙하하는 경우가 많다.

• 로드가 낙하할 경우 로드 중량과 코어 연결 여부에 따라 낙하 후 상황이 달라진다.

• 로드와 시추공 직경이 크게 차이나지 않고 코어 튜브를 연결했을 경우에는 낙하속도가 낮아 거의 피해를 받지 않고 바닥으로 떨어진다. 그러나 로드만 낙하할 경우에는 낙하속도가 높아 낙하충격이 증가하므로 로드가 휘거나 심한 경우 로드가 절단되기도 한다.

• 낙하로 인해 로드가 크게 훼손되지 않았을 경우 아웃사이드 탭을 사용하여 이를 회수한다.

• 인사이트 탭은 와이어라인을 사용하는 경우에는 사용할 수 있으나 그 밖에는 가능하면 사용하지 않는 것이 좋다.

• 로드가 미끄러져 낙하하는 사고는 주로 로드 홀더가 불량하여 일어나므로 로드 홀더의 팁이나 샤프트 마모정도를 잘 관찰하여 사고를 방지한다.

3) 절단사고

• 굴진 중에 로드나 코어 배럴이 절단되는 사고는 주로 과다사용으로 일어나는 것이 많다. 로드의 나사부분이 마모로 인해 두께가 얇아져서 절단되는 것이기 때문에 나사부분의 마모정도에 유의한다.

• 로드가 절단된 때에는 절단부분이 시추공의 케이싱 내부 또는 나공부에 따라 대책이 달라진다. 나공부라면 공경이 확대될 수 있는 구간인지 판단하고, 절단된 로드 두부 상황을 관찰하여 인사이드 탭을 사용할 것인지 아웃사이드 탭을 사용할 것인지 결정한다.

• 이러한 사고는 시간이 흐를수록 복구하기 어렵기 때문에 가능한 빨리 조치한다.

• 싱글 코어 배럴은 인사이드 탭을 사용하여 비교적 간단히 회수할 수 있으나 더블 코어 배럴이나 와이어라인 코어 배럴은 inner tube와 장치부분이 복잡하여 회수하기 어렵다.

 

4) 케이싱 사고

• 케이싱 사고는 삽입하는 중에 일어나는 억류사고와 케이싱 하부의 이완사고가 있다.

• 케이싱 억류는 주로 순환수를 따라 슬라임이 올라오거나, 연약지층이 붕괴되거나 압축되어 일어나며, 케이싱이 억류되면 이를 복구하기 어려우므로 케이싱을 설치하기 전에 공내를 잘 정리하여야 한다.

• 굴진 도중 하부 케이싱이 이완된 것을 알지 못할 수 있지만, 케이싱이 떨어져 나가 로드 인양이 불가능해 지고 사고로 이어질 수 있으므로 케이싱 끝 부분은 견고한 지반에 지지되도록 한다.

 

5) 붕괴 사고

• 흡수에 의한 팽창 붕괴강도가 낮은 이암이나 응회암 등은 흡수 팽창하는 성질이 있지만 팽창성 점토광물을 함유한 암석을 제외하면 그 정도가 미약하므로 급격한 붕괴현상이 일어나지는 않는다. 일반적으로 이수를 사용하면 이를 방지할 수 있다.

• 점착성이 없어 일어나는 자연 붕괴점토성분을 함유하지 않아 붕괴되기 쉬운 모래층, 자갈층이나 경암 파쇄대 부분은 이수를 사용하여 어느 정도 붕괴를 막을 수 있지만, 경우에 따라 붕괴가 대규모로 확산되기도 한다. 더욱이 용수가 발생할 경우에는 붕괴가 가속되면 이를 막기 어려운 경우가 많다. 이때에는 이수의 비중을 높여 해결한다.

• 기계적 원인에 의한 공벽 파괴코어 배럴이나 로드가 오르내리거나 회전하는 과정에서 시추공에 충격을 주어 붕괴가 일어날 수 있다. 일반적으로 코어 배럴에서 30m 이상 벗어나면 코어 배럴에 의한 붕괴는 거의 일어나지 않으므로 지층이 불량한 구간에서는 굴진속도를 높여서 코어 배럴과 이격거리를 늘리는 것이 좋다. 일반적으로 굴진 속도가 낮거나 하중이 적은 쪽이 붕괴가 적게 일어난다. 또한 붕괴로 인해 공경이 넓어진 상태에서 굴진을 계속하면 로드에 의한 좌굴이 늘어나고, 이른바 로드의 줄넘기 현상이 일어나서 굴진에 장애를 일으킬 때가 많다. 그러므로 지층 분괴구간을 통과할 때 씨멘트로 공벽을 경화하여 붕괴구간을 보호하고, 동시에 공경을 원래 크기로 회복시킨다.

 

6) 억류 사고

• 코어 베럴, 로드, 케이싱 등이 공내에 꽉 끼어 움직이지 않는 억류사고는 공저에 슬라임 양이 증가하거나, 혹은 로드 회전을 정지시킨 상태로 방치할 경우 일어난다.

• 그리 자주 일어나는 사고는 아니지만, 일단 일어나면 피해가 크다.

• 굴진 도중 억류사고가 일어날 때 회전을 정지하면 치명적인 사고로 이어질 수 있으므로 어떤 경우에도 회전이 정지되지 않도록 로드를 상하로 움직이며 계속 회전시킨다.

• 억류 사고는 펌프 순환은 가능하나 회전 및 상하운동이 불가능한 경우와 펌프 순환조차 이루어지지 않는 경우로 나뉘며, 그에 따라 적절한 대책을 강구한다.

7) 일수 사고

• 시추 용수의 일부 또는 전부가 단열을 통해 지층 속으로 흘러들어가고 시추용수가 순환되지 않는 일수 사고는 얕은 심도에서 일어나는 사고와 심부에서 일어나는 사고로 구분한다.

• 일수상태에서 굴진을 계속하게 되면 과열에 의한 억류사고가 발생할 수 있다.

• 일수가 일어난다고 해서 그 때마다 일수를 처리하면서 굴진할 수는 없다. 따라서 일반적으로 이수로 굴진한다.

• 그러나 심부에서는 전량이 일수되고 이에 따라 공내수위가 급격하게 저하되기도 한다. 이 때 상승하던 슬라임이 일시에 침전되면서 코어 배럴이 억류되기도 하고, 또는 공내압력이 급격하게 떨어져서 공벽이 무너지고 이에 따라 억류가 일어나기도 한다.

• 이 때에는 굴진을 일시 중지하고 코어 배럴을 위로 들어 놓을 필요가 있다. 일반적으로는 송수량의 몇 할 정도가 일수되는 경우가 많다.

• 일수가 발생할 때에는 청수로 굴진하는 경우 이수로 바꾸며, 이수로 굴진하는 경우에는 첨가제를 사용하여 일수를 감소시킨다.

 

8) 용출수 사고

• 시추공이 피압대수층을 관통할 경우 공내로 지하수가 과다하게 유입되는 용출수 사고가 일어난다. 심부일 경우 이수에 CMC를 첨가하여 점속을 높이고, 바라이트를 첨가하여 비중을 높이는 방법으로 이를 해결한다.

• 이와 같은 방법으로 해결할 수 없을 경우에는 케이싱을 설치하거나 그라우팅을 실시한다.