시추조사의 개념[시추조사 목적, 스핀들식 core boring machine의 구성, 윙 비트(wing bit), 트리콘 비트(tricone bit), 버튼 비트(button bit), 메탈 비트(metal bit), 케이싱튜브(flush joint․flush coupled)․드라이브..

일반적인 시추란 조사목적에 따라 지반이나 구조물에 구멍을 뚫는 행위로서, 석유․지하수․ 온천․광상 등 지하자원 개발을 위한 천공 굴착과, 지질학적인 조사 시추 및 토목 구조물의 안정성․건전도 판정을 위한 지반조사 등으로, 광범하고 다양하게 구별하여 복합적인 용어로도 사용된다.

시추(천공)는 mechanism․system․method․목적과 대상지반에 따라 여러 가지 방법으로 분류되어 수행되지만, 지반조사와 광상조사에는 φ6" 이하의 공경이 형성되는 스핀들식 drive swivel core boring system이 주로 활용되고, 최근에는 leader형 chain feed의 rotated power head(torque) boring system으로도 발전되고 있으며, φ6" 이상 대구경 시공굴착용은 조사업무의 보조용으로 활용되므로, φ14"(350㎜) 이하와 저속회전(20rpm 이하)의 percussion drilling 등과 기타 활용빈도가 낮은 굴착 시추(wing․tricone boring)에 대하여서는 비교적 간단히 취급코자하였다.

대구경의 시추․굴착은 윙 비트와 트리콘 비트를 사용하는 회전식 시추와, 버튼 비트를 에어 해머에 부착하여 굴착하는 깊은심도용 compressed air hammer drilling system으로 구분되고, 후자는 저속회전의 percussion drilling으로, DTH(down the hole hammer method)로 분류하기도 한다.

φ3～6"의 metal cross bit 장착의 소형 drifter는 R.P.D(rotary percussion drill)와 유압 해머형이 있으며, 전자는 그라우트 주입공․계측기 매설공․rock anchor공 형성에 주로 사용되고, 후자는 earth anchor나 micro pile공 형성에 tricone bit system과 함께 활용되기도 한다.

기타 방법으로는 모래․자갈․사력 등 경질의 하상퇴적층을 얕은심도(20m이내)의 대구경 (φ8" 이상)으로 굴착하는 percussion drill이 있고, 콘크리트․아스팔트․암반 등에서 심도 2m 이내 공경 φ6" 이하의 시료를 채취하는 시공관리용의 diamond core cutter boring과, 연질 점성토 및 무수 사질토 지반을 대상으로 함수비나 토질분류용 교란시료를 채취하기 위한 시험공․지하수 관측공․SPT공 등을 수행하기 위하여, 심도 5m 이내의 흙을 채취하기 위한 auger boring도 있고, auger도 screw auger와 posthole auger 형의 수동식과 기계식으로 구분된다. 이외에도 trench와 test pit 방식을 광의의 시추범주로 취급하기도 한다.

1.2.1 토목지반조사 시추의 기준

대상지반상태 규명을 위한 조사중에서 시추는 가장 기초적이며 확실하게 관찰되고 정밀한 방법이므로, 각종 공내 원위치시험인 sounding과 물리검층․시료채취 등의 시험공으로서의 활용에 이르기까지를 고려한 계획을 수립하고 시행해야 하며, 설계 및 발주 관계기관이나 국가별로도 대상 구조물에 따라, 조사목적 달성을 위한 조건과 상황별 과업의 일률적인 설정기준은 없지만, 일반적인 공통기준은 어느 정도 수립되어 있으므로, 이를 종합한 시추기준을 설정코자 한다.

1.2.2 core boring system

회전식 기계 시추는 로드 선단의 비트를 고속 회전시켜 지반을 갈아서 파쇄하고, 순환수로 슬라임을 배출시키는 스핀들식과, 수동․유압식의 swivel type이 가장 일반적이며, 최근에는 drilling system과 혼용시킨 wire․chain guide leader․power swivel head system으로, 윈치․파이프렌치․이수펌프․공기압축기․급수펌프․용접기․유압 drifter․clamp 등을 모두 탑재시킨 일체형 시추 장비가 개발되어, 장심도 암반 시추에서 성능과 능률을 향상시키고 있다.

 

1.2.2.1 스핀들식 core boring machine의 구성

주 장비구성은 스핀들과 변속기․동력원(엔진․모터)․윈치․water & hoisting swivel․boring(grout or mud) pump․delivery & suction hose 등이 일체화되어 있으며, 이외에 hoisting swivel과 연결되는 wire block을 갖춘 derrick․믹서․급수용 펌프 및 호스는 별도로 구비되어야 한다.

주 장비의 이동기구로는 skid base에 장착된 형태와 combine 또는 crawler track에 탑재된 형태가 있으며, 트랙에 탑재된 형태는 장비의 상하차가 용이하도록 유압 잭의 leg까지 장착시킨 구조로 기동력을 향상시켰으나, 필요한 장비류가 모두 트랙에 탑재된 leader형 drilling machine과는 그 메커니즘에 다소 차이가 있다.

1.2.3 시추의 주요 기구

지반을 굴착하는 boring․percussion drilling․drifting system에 소요되는 각종 기구는, 그 방법과 형성코자 하는 공경에 따라 종류도 다양하다. 그러나 지반조사는 core boring에 의한 공경이므로 이를 중심으로 취급코자 한다.

공경은 사용되는 비트의 최대 외경이므로, 암반 시추에 사용되는 다이아몬드 비트의 국제 규격인 EX․AX․BX․NX를 기본으로 하고, 필요에 따라 가장 작은 XRT와 φ4"인 HX가 추가되었으며, wireline system이 개발되어 AQ․BQ․NQ․HQ의 step bit와 core barrel 및 flush rod가 공경에 알맞게 상호 호환되도록 규격화되었다.

비고결지층(토층)을 대상으로 하는 지반조사에서는 공벽 보호용 케이싱 설치와 관련하여 국제 규격과의 호환성을 고려한 메탈크라운 비트의 외경인 φ66(BX)․φ86(NX)․φ116(HX)을 기준하고, non-coring의 나공상태 자립공용인 φ76(NX)․φ101(HX)와 케이싱 설치공인 φ131(5")․φ146 (5½") 및 φ46(EX)․φ56(AX)용까지 점차 준표준화되고 있다.

나라마다 생산되는 제품의 일부(파이프류)는, 어느 정도의 범위 내에서 호환성이 있도록 표준화되어 활용되고는 있으나, 생산품의 시장성(소비량)에 따라 재질․규격․단위 등이 통일된 국제 규격화가 되지 못하고 있는 실정이기도 하다.

1.2.3.1 non-core bit류(wing․tricone․button․cross)

지반조사에 주로 이용되는 메탈크라운 비트와 다이아몬드 비트 이외에, φ6" 이상의 구경 형성용 윙 비트․φ3" 이상의 트리콘 비트를 비롯하여, percussion drill용의 버튼 비트․drifter용 φ6" 이하의 크로스 비트까지, 모두가 초경 metal chip(tip․segment)과 초경합금판이 용도에 알맞게 배열․삽입되어 지반 굴착에 이용되나, 조사에서는 공경 φ350㎜ 이하에 국한된 규격만을 취급하였고, 그 이상은 공사(시공)에서 주로 취급하게 된다.

가. 윙 비트(wing bit)

일반적으로 파이프 주변에 3～6편의 wing(steel plate)이 등간격으로 배치되어 있으며, wing과 파이프의 선단에 metal segment(tip)와 초경합금판을 용도에 알맞게 배열․삽입한 것으로, fish-tail type으로 대표되며, 점성토․사질토․사력과 풍화대 굴착에 주로 사용된다.

이는 시추 시작단계에서 공벽 붕괴를 방지하기 위하여 φ6" 이상의 케이싱 설치공 형성에 주로 이용되고, 점성토 지반의 bored pile공에 활용되며, 확공용의 2step형이나 cross wing 등 사용목적에 따라 그 형태가 매우 다양하게 응용되어 활용된다.

나. 트리콘 비트(tricone bit)

non-core boring의 대표적인 비트로, 진동이 최소화된 암반 장공 시추에 효과적이며, metal tip이 나열된 제1․제2․제3열의 원판형 cutter cell이 nose pin축에 bearing system으로, 큰판부터 차례로 포개져 setting되어 회전이 원활하게 될 수 있도록 조립된 3개축 트리콘형이 본체와 일체화된 형태의 것이 대표적인 표준형이다.

삽입된 metal tip이 톱니형인 것은 연암용이고 원추형․원통형(ball)인 것은 경암용이다. 사이즈는 φ3" 이상으로 φ20" 이상인 대구경용도 사용되며, 대상 암질에 따라 여러가지 형(R․J․Z․B․K 등)이 활용된다.

(rollar bit, inset bit, under reaming≒tricone+roller+tricone≒3step blind bit 등)

다. 버튼 비트(button bit)

에어 또는 유압 해머의 회전충격(rotary percussion)식 drilling에 사용되는 비트로서, 원통형(ball type)의 metal tip이 bit body의 바닥과 가장자리에 배열․삽입된 형태이며, 저속회전(20rpm)으로 암반을 굴착하는 다양한 장비(leader․wire․spindle feed형)에 장착된 해머에 부착되어 사용된다.

φ4" 이상의 대구경 굴착용으로 암반집수정의 수평천공에서부터 rock anchor공․지하수공․온천개발공․CIP공 등에 사용되며, 암반굴착시 충격에 의한 지반진동과 공기압축기의 소음 발생이 단점이다.

라. 메탈 비트(metal bit)

rotary percussion drifting bit로 크기가 φ2～5"정도이며, φ3" 이하는 I자형이고 φ3" 이상은 십자형(cross)이다. 용도는 shank에 끼워서 drifter로 굴착하는 그라우트공․그라우트의 시험공․암반 발파공․지하수․rock bolt․rock anchor공․터널의 계측기 설치공 등에 활용된다.

1.2.3.2 core boring bit류(metal crown & diamond)

암반을 주 대상으로 하는 다이아몬드 비트와 비고결 토사와 풍화대를 주 대상으로 하는 metal crown bit로 대별되며, coring bit와 reaming shell․casing bit & shoe로 구분되나 주종은 코어 비트이다.

가. metal crown & reamer

튜브형의 코어 비트로 외경이 φ86 이하인 것은 길이가 6㎝이고, 외경이 φ101 이상인 것은 길이가 10㎝이며, steel tube 선단에 다수의 metal tip을 규격별로 배열하고, 외경측은 튜브 외경에서 1.5㎜ 정도, 내경측은 0～1㎜ 정도가 돌출되도록 한 crown 형태이다.

용도는 연암․중경암까지 굴삭이 가능하나 토사와 풍화대가 주 대상이며, 코어회수율이 아주 낮은 지층의 보링․샘플링에 활용되며, 규격은 외경 기준으로 φ66․φ86․φ116이 주로 사용되고, φ76․φ101․φ131․φ146과 φ46․φ56 정도가 일반화되어 있다.

나. diamond bit & reamer

경질암반의 coring에 사용되며, 선단의 형태와 매질에 따라 surface set bit와 impregnated bit로 구분된다.

surface set bit는 공업용 다이아몬드의 알맹이(piece stone, bortz, 1/25～1/35ct)를 shank 끝의 matrix에 심은 형태이며, 이는 보통 공법에 사용되는 튜브형과 wireline 전용의 stepped bit(3～5step)로 세분된다.

impregnated bit는 powder diamond(40․50․60mesh)를 matrix powder에 적정량을 혼합하여 제작한 튜브형으로 step형은 없으며, 다이아몬드 비트 모두는 대상암석의 매질과 보링 용수압에 따라 용수량과 슬라임 처리(제거)가 용이하도록 water way․hard facing(초경합금판)의 수가 다르게 제작된다. 이는 경질암일수록 굴삭 능률이 저하되므로 다이아몬드의 알맹이가 작은 것(powder)을 사용하여야 하며, 슬라임도 작고 부드러워서 matrix를 갈아내는 힘이 약하기 때문에 matrix hardness는 약한 것이 사용되고, 저압 용수로도 슬라임 배출이 가능하므로 water way와 hard facing의 수도 적어져야 한다. 반면 연질암에서는 반대의 현상이 일어나므로 대상 암질에 따라, 비트의 형태와 규격에 따른 다이아몬드의 삽입량도 일정하지는 않으나 표준화되어 있으므로, 비트의 선택은 시추 대상 암반의 연․경도에 따라 효율적으로 이루어져야 한다.

1.2.3.3 rod & coupling

로드는 비트에 회전굴삭의 힘을 전달하는 두꺼운 튜브(파이프)로 길이 3m(10ft)가 표준이지만, 필요에 따라 길이 1.5m(5ft)․0.5～1.0m 등도 사용된다.

로드 간을 상호 연결하기 위해 별도의 coupling을 가공하여 접속토록 한 extension rod (XRT, EW-HW)와, tapered type로 별도의 coupling 없이 연결되는 flush형의 wireline 전용 로드(AQ-HQ)로도 구분한다.

1.2.3.5 core barrel(tube)

비트로 갈아내어(boring) 생긴 암심(core)을 받아내기 위한 튜브로 bit․reaming shell․core lifter․core tube․core tube head로 구성되며, 길이는 1.5m 정도이나 3m 정도까지의 제품도 사용되며 외경은 종류와 시추 규격에 따라 매우 다양하여 φ33～180㎜까지에 이른다.

가 single core tube : 단관 내부가 시추 용수 통로이므로 코어회수율(recovery)이 가장 낮은 단일관 tube system이다.

나. double core tube : inner․outer의 2중관 사이로 시추 용수가 공급되어 코어회수율이 양호하며, inner tube와 head가 직결된 것과, head가 ball bearing swivel로 연결되어, outer tube 회전에 관계없이 inner tube는 회전하지 않는 구조의 swivel type이 많이 사용된다.

다. triple core tube : double core tube의 변형으로, inner tube를 split spoon type의 2piece로 쪼개어 만든 두쪽을 taping으로 처리하여 jamming을 방지한 double tube 3piece인 D-3가 있고, inner tube내에 얇은 비닐관등을 내장하여, 회수되는 코어의 교란을 방지하는 형이 있으며, 코어 튜브와의 마찰을 최소화하기 위하여 sleeve․film(stocking형 섬유질 foil or 비닐 제품) tube와, inner tube와 일치되는 스프링을 head에 내장한 new triple type까지 다양하게 개발․활용되고 있다.

라. wireline core barrel : inner tube와 head가 결합된 barrel assembly를 로드 내부를 통해 와이어 로프로 끌어올려 코어를 제거하고 다시 수압으로 하강․setting하는 구조이며, 깊은 심도 시추에서 능률을 향상시킨 wireline공법 전용 core barrel이다.

1.2.3.6 코어 회수율과 barrel․bit 종류 및 공경과의 관계

시추시 코어 채취는 단순한 암석에서부터 균열이 많은 불균일층․이암․풍화대․비고결 토사․사력층에 이르기까지 다양한 상태의 코어링․샘플링이 수행되므로, 목적에 알맞게 코어를 회수해야 하며, 이때 회수율과 능률의 관계는 반비례한다.

동일 조건의 암석에 대해 시추하면 회수율은 공경이 클수록 양호하고, 복잡한 구조의 barrel과 다이아몬드 비트를 사용할수록 더욱 향상되나, 그 반면 능률은 저하되고 비용도 증가되므로 목적에 알맞게 선택하여야 한다.

1.2.3.7 기타 주요 기구

∙water swivel․hoisting swivel with hose․wire rod holder․casing band․rod wrench

∙inside tap(rod용․casing용․core tube용․bit용)

∙surgement tube(surging slime barrel tube)