그라우팅의 주입체계와 장비[혼합기, 교반기, 주입펌프, 주입장착장치, 패커]

가. 혼합기

주입체계는 주입재료를 혼합기를 이용하여 충분히 혼합되게 한 후 이를 교반기에 보내며, 교반기에서는 주입재료가 가라앉지 않도록 낮은 회전속도로 교반되어야 하며, 이를 주입펌프가 흡입하여 주입공으로 보내는 방법으로 갖추어져야 한다. 혼합기는 동력 25HP 이상, 1,000rpm 이상의 고속․고전단 믹서로써 주입재료가 완전히 분리될 수 있는 것을 현장 투입하도록 설계한다.

<그림 4-32> 주입체계도

시멘트는 미세립 입자로 물과 혼합되면 덩어리가 되려는 성질이 있어 입자의 표면이 흡수상태가 되는 것이 방해받으며 공기가 입자에 달라붙어 있어 흡수를 더욱 지연시킨다. 따라서 고속믹서를 사용하면 시멘트입자가 완전히 분리되므로 덩어리가 만들어지지 않고 입자의 표면이 수막으로 싸여 완전히 흡수될 수 있어서 시멘트 입자간에 화학적으로 충분히 활성화되어 강도와 내구성 증대에 필요한 충분한 수화작용이 일어난다. 입자 개개가 분리되지 않은 덩어리 상태의 주입재는 미세한 절리에 침투되지 못하고, 균열의 좁아진 부분에 다다르면 그 부분에 막아 더 이상의 주입재 침투를 방해하는 장애물의 역할을 하게 한다.

좋은 혼합기의 조건은 15～25HP 동력, 1,500rpm 이상의 고속 로터를 사용하여 15초 또는 1분 이내에 주입재료의 혼합을 끝낼 수 있어야 한다. 이 고속 로터는 격렬한 와류와 고전단 작용을 하여 신속하게 완전한 혼합이 되도록 할 뿐 아니라 혼합이 다 된 주입재를 교반기로 보내는데 사용된다. 고속혼합기로 시멘트는 물론이고 모래, 벤토나이트, 플라이애시 등 모든 주입재료를 효과적으로 혼합시킬수 있다.

 

나. 교반기

교반기는 혼합기에서 만들어진 주입재를 저장하는 곳으로서 주입펌프에 의해 주입공으로 보내지기 전까지 주입재가 침전되지 않도록 계속 교반하는 장치이며, 주입공으로 주입되지 못하고 패커에서부터 되돌아오는 주입재가 모아지는 곳이기도 하다. 회전속도는 100rpm 이상이어야 하며 1조의 용량이 200l 이고 토출관경은 50mm이상이어야 한다. 수직축에 2조의 페달이 장착되어야 하며 가장 아래쪽의 페달은 드럼의 바닥 가까이에 부착된 것이어야 한다. 또한 주입량을 측정할 수 있는 계심장치가 있어야 하며, 교반기는 뚜껑이 개방되어 육안으로 주입속도를 관찰할 수 있는 구조이어야 한다.

(그림 4-33) 같이 2조의 페달을 수직축에 부착시키며 가장 아래쪽의 페달은 드럼의 바닥 가까이에 부착시켜야 주입재의 침전을 막을 수 있다.

<그림 4-33> 교반기 형태

교반기에는 주입량을 측정할 수 있는 계심장치를 하여야 하고 항상 주입속도를 관찰할 수 있게 뚜껑이 없는 것이어야 한다.

 

다. 주입펌프

주입도중 압력의 변동이 적은 피스톤펌프, 나선형 로터펌프, 다이어프램 펌프 등을 사용하고 배출압력 25kgf/㎠ 이상, 배출량 70l/min 이상, 배출관경 50mm 이상을 사용토록 설계한다.

펌프는 교반기에 담겨진 주입재를 주입배관을 통해 주입공까지 보내는 역할을 하는 것으로 밸브가 없는 것 두가지로 나누며 종류가 다양하다. 밸브가 있는 것과 밸브가 없는 주입펌프에는 나선형로터펌프<그림 4-34>, 와권펌프가 있으며 밸브가 있는 것에는 피스톤펌프<그림 4-35>, 다이어프럼펌프<그림 4-36>, 램펌프 등이 있다.

<그림 4-34> 모노펌프                                             <그림 4-35> 피스톤펌프                          <그림 4-36> 다이어프럼펌프

라. 주입장착장치

주입량 조절시스템에는 주입재를 주입공내로 들어가게하는 주입량 조절밸브, 순환배관에서 주입공내로 들어가지 않고 교반기로 되돌아가게하는 리턴밸브, 그라우팅이 끝난 후 주입재 역출방지를 위한 역출방지밸브 등이 있다. 이외에도 주입공내의 물과 빈배합의 주입재를 지표로 배제하는 브리더밸브와 교반기와 주입펌프 사이에서 양을 조절하는 밸브가 있으며 주입펌프에서 직관으로 주입재를 배출시키는 곳에도 밸브를 설치한다.(그림 4-37)

<그림 4-37> 닛플에 설치하는 조절장치

마. 패커

패커는 몇 개의 주입대상 구간으로 나누어 주입재가 나누어진 구간에만 들어가도록 하며 수압시험 때도 시험구간에만 주수되도록 하는 장치이다. 또한 시추공 상부의 각종 조정장치를 단단하게 고정시키는 역할도 한다. 이는 기본적으로 붕괴된 지층이나 팽창된 지층에도 자유롭게 설치할 수 있어야 하고 주입압력이 증가하여도 움직이지 않고 고정될 수 있어야 하며 확실하게 밀폐시켜야 한다.

패커에는 기계식과 팽창식 두 가지가 있는데, 기계식은 부드러운 고무로 만든 슬리브가 팽창하여 공벽에 밀착될 수 있도록 고안된 장치이고, 팽창식은 조그마한 튜브로 공급되는 압축공기, 질소 또는 수압으로 인하여 고무가 팽창되도록 하는 장치이다. 어느 것이 좋은 장치인가 하는 의견은 분분하나 대개 주입공이 원형이고 편평한 경우에는 기계식이, 공벽이 거칠어서 울퉁불퉁한 경우는 팽창식이 좋다. 예를 들면 셰일, 사암, 석회암 등이 얕은 층후로 교호하여 발달하고 있어 공경이 불규칙한 퇴적암에는 팽창식이 좋다. 압력은 15kgf/㎠ 까지 가능하다.