천공기 파일 기초공사 이해 PILE DRIVER
최근 대부분 현장의 기초공법 중 주로 사용되고 있는 공법은 말뚝기초이다. 또한 소음 및 진동에 비교적 장점을 가지고 있는 매입말뚝공법이 주로 사용되고 있는데 대부분의 현장 관리자들은 매입말뚝공법에 사용되고 있는 시공장비에 대해 잘 모르는 것이 현실이다. 따라서 본 장에서는 매입말둑공법의 시공장비에 대하여 각 장비별 종류, 용도, 현장적용 등 전반적인 시공 장비에 대한 내용을 소개하여 현장관리자들의 파일기초공사의 이해도를 높이고자한다.
1. 장비의 구성
(매입말뚝공법 적용 시 파일드라이버 장비 세팅의 예)
2.주요장비별 세부사항
▶ Pile driver (천공기 또는 항타기)
① 천공기는 파일공사를 위한 메인장비로서 리더길이에 의해 천공길이를 결정하고 각 부대장비를 장착하여 천공할 수 있으며 주행장치에 의해 이동을 할 수 있는 장비임
② 지지방식에 의한 분류
가. 3점 지지식 (전용기)
- 일반적으로 리더의 상부를 2개의 백스테이로, 리더의 하부를 리더 브래킷에서 천공기에 결합한 3점지지 형식의 견고한 구조로 되어있음
- 전용기는 와이어드럼, 아웃리거, 프론트장치, 조작용 유압장치, 안정도를 높이기 위한 카운터 웨이트를 갖추고 있으며 붐지지식보다는 항타목적으로 만들어진 전용 장비임
- 리더의 전후좌우 경사각도는 2개의 백스테이 유압실린더를 이용하여 쉽게 조절 가능함
나. 현수식 (붐지지식)
- 붐지지식 천공기는 리더의 상부를 크레인 붐의 끝면에 연결 고정하고 리더의 하단과 크레인 본체를 캐치호크로 연결함
- 리더의 전후경사각도의 조절은 붐각도와 캐치호크 길이로 조절할 수 있으나 좌우의 각도는 조절이 불가능함
- 작업반경은 넓으나 수직도 등 품질측면에서 불리함, 또한 현재는 파일공사 전용이 아닌 사유로 현장 투입이 제한적임
(전용기 / 붐지지식)
③ 천공 길이에 의한 분류
가. 천공기의 주요 기능은 천공작업이며, 천공작업 중에서도 천공할 수 있는 길이에 따라 항타기의 종류가 분류된다고 해도 무방함.
나. 일반적으로 지반조건 및 시공효율을 감안하지 않은 상태라면 어떤 천공기를 사용한다 해도 안테나스크류 및 스크류 이어차기 등의 시공으로 천공 길이에 제약을 받지 않고 적용 가능하나, 실제 지반조건이나 시공효율을 감안해야 하므로 논스톱으로 천공할 수 있는 길이는 천공기마다 제한되어 있음
다. 또한 지반조건에 따라 케이싱의 장착 사유로 인해 장비의 사양에 따라 천공 길이는 추가적으로 제한됨.
라. 아래 표에서는 국내의 천공기 중 많이 사용되고 있는 천공기들의 천공능력을 비교함.
※ 상기 천공능력은 장비제원표와는 별개로 현행되고 있는 사양을 참고함
▶ 상부오거 (Single Auger 또는 스크류오거)
(상부오거 / 상부오거 장착 전경)
① 상부오거는 파일공사 및 흙막이 공사 등 천공장비에는 필수적으로 부착하여 사용되는 장비이며, 천공기 리더에 부착하여 와이어로 매달아 내리거나 감아 올리며 수직 작동하고, 상부오거 아답타와 스크류를 결합하여 상부오거 내부의 모터를 가동시켜 시계방향으로 스크류와 비트를 회전시켜 지반을 굴착함
② 천공기 운전석 내부에 상부오거에 대한 암페어 게이지가 부착되어 있어 지층에 따른 천공성향에 대해 장비기사의 판단을 도와 각 지지층의 결정에 중요한 역할을 하며, 매입공법 시 상부오거는 특이사항이 없는 한 시계방향으로 정회전만 구동해야 하며 역회전 시 스크류 사이의 슬라임이 천공홀로 떨어질 수 있음을 주의해야 함
③ 상부오거의 전원공급은 항타기 뒷부분 상부의 발전기에서 상부오거 배전판을 통해 공급함
④ 상부오거의 종류
가. 상부오거의 종류는 제조사마다 조금씩 다르지만 일반적으로 능력에 따라 80HP, 100HP, SUPER 100HP, 120HP, 150HP 등과 같이 통용 분류함
나. 모델명 수치가 클수록 천공능력이 크며, 일반적인 PHC파일공사에서는 기존에는 120HP까지만 사용되고 150HP는 잘 사용하지 않았으나 현재는 천공능력을 키우기 위해 150HP사용이 많아짐.
다. 상부오거의 자체중량은 4~8톤 정도로 다양함
▶ 하부오거 (Double Auger 또는 케이싱오거)
(하부오거 / 스커트)
(스커트 장착모습 / 스커트와 케이싱의 결합/분리)
① 하부오거는 천공공법 중 천공홀이 붕괴되는 지반에 공벽붕괴를 방지하기 위하여 케이싱을 사용하는 SDA공법에 사용
② 상부오거 아래로 배치하여 항타기 리더에 부착하고 와이어로 매달아 상하 수직 작동을 하며, 강관 케이싱과 연결하여 스크류와 역방향(시계 반대방향)으로 굴진 시켜 슬라임의 배토가 용이하도록 함
③ 상부오거와 마찬가지로 천공기 운전석 내부에 하부오거에 대한 암페어 게이지가 부착되어 있어 장비의 과부하를 판단할 수 있으며, 전원 공급은 항타기 뒷부분 상부의 발전기에서 하부오거 배전판을 통해 공급
④ 하부오거와 강관케이싱의 연결은 하부오거 밑면에 있는 스커트에서 볼트결합하고 파일의 규격에 따라 스커트의 규격을 달리하여 결합함
⑤ 하부오거의 종류
가. 하부오거도 상부오거와 마찬가지이며 일반적으로 많이 쓰이고 있는 종류는 120P와 150P이다.그러나 최근에는 200P의 사용이 증가하고 있음.
나. 장비 자체의 중량이 10톤이 넘는 경우가 많아 와이어의 결속 등 조립 시 주의 요함
▶ 스크류 및 케이싱
(스크류 / 케이싱)
① 스크류
가. 스크류는 천공작업 중 슬라임의 원활한 배토를 위하여 나선형으로 되어 있으며 위로는 상부오거와 아래로는 천공비트와 결합
나. 스크류의 총 외경은 SIP 공법 시 파일규격에 +100mm 정도로 제작하고 천공작업 중 수시로 외경을 확인하여 닳은 부분에 대해 보강토록 해야 하며, SDA공법 적용 시 스크류의 직경은 케이싱 내경에 한쪽 기준하여 10mm이상 차이나지 않도록 제작하고 수시로 확인하여 보강해야 함
다. 파일공사 시 스크류는 일반적으로 3m, 6m로 제작되며 천공 길이에 맞추어 연결하며, 스크류 원형롯드 내부는 Air 및 시멘트페이스트를 공급하기 위해 비어있음
② 케이싱
가. 케이싱은 기성 강관을 사용하며 천공홀의 붕괴가 일어나는 지반의 공벽보호를 위하여 사용
나. 케이싱은 하부오거 스커트와 연결하며 연결 시 탈부착이 원활하도록 케이싱 상부에 연결쇠를 용접 부착
다. 케이싱 하부는 링비트를 부착하여 지반 천공 시 원활한 굴진이 되도록 함
③ 스크류 및 케이싱 제작규격
- SDA 공법을 기준으로 규격을 정리하였으며, 케이싱은 기성 강관제품으로서 12T~14T를 기준함
(파일공사 시방서를 기준한 규격별 스크류 및 케이싱 외경 기준)
▶ Drop Hammer (Ram 또는 Hammer)
(Drop Hammer / Drop Hammer 장착모습)
① 일반적으로 매입공법에서는 지지층을 판단하여 그 깊이까지 천공 후 가벼운 경타로 안착시키는 방법으로 시공하며, 그에 따라 소음,진동등의 환경문제를 감안하여 유압Hammer보다 Drop Hammer의 사용이 보편화 되어 있음
② Drop Hammer는 유압Hammer 보다 비교적 효율이 떨어지며 시공장비마다 Drop Hammer의 정확한 무게를 알지 못하고 시공하고 있는 것이 현실임. 그러나 파일 시공품질을 위해서는 Drop Hammer의 관리가 매우 중요한 비중을 차지함
③ Drop Hammer 중량 결정 시 신중히 판단하여 항타에너지도 만족시키고 낙하고도 높지 않게 관리하여 두부파손을 억제할 수 있는 적정 중량 Drop Hammer를 선택해야함. 따라서 가급적 무거운 중량으로 낙하고를 낮추어 시공하여 타격의 안정성이나 파일의 건전도를 유지하는 것이 바람직함
④ Drop Hammer의 낙하고는 2m 이하로 관리하는 것이 바람직하며 재하시험 시 항타에너지 및 효율을 판단하여 적정 Drop Hammer를 선정해야 함 (EOID 시 60% 이상, Restrike 시 50% 이상 권장)
⑤ 파일 규격/길이별 Hammer의 적정중량 (아래 적정중량은 경험에 의한 참고 기준이며 최소 기준임)
(파일 규격 및 길이별 Hammer의 적정중량 참고 기준)
▶ Hammer Cap (캡)
(Hammer cap / 보조리더(가이드)에 부착된 Hammer cap)
① 캡은 햄머와 파일 축을 일치시키고 또한 캡 상부의 쿠션과 함께 파일의 두부를 보호하여 햄머의 타격력을 파일에 균등하게 전달하기 위해 사용되며, 현장에서 캡에 대해 무시하는 경우가 많으나 파일 품질관리에 매우 중요한 사항임
② 캡은 강관을 용접해서 만든 것과 주물로 만든 것 2종류가 있으며, 강판제는 용접부에 균열이 발생하지 않도록 용접 후 열처리 하는 것을 원칙으로 하며, 캡의 크기는 파일 직경에 맞는 것을 사용해야 파일 두부에 편타할 가능성이 작아짐
③ 캡은 반드시 가이드를 부착하여 리더나 보조리더에 고정시켜야 함. 일부 시공 장비는 캡을 리더에 고정하지 않고 경타를 실시하는데 이런 경우 파일에 편타할 가능성이 매우 높아 두부파손의 원인이 되므로 반드시 보조리더에 고정시킬 수 있도록 해야함
④ 캡의 쿠션재는 내구성을 높이기 위해 가급적 압축합판을 사용해야 하며, 정기적인 쿠션재 교체를 통해 편타를 예방해야함
▶ Auger Bit (천공 Bit 또는 Bit)
① Bit는 스크류 하단에 장착되어 천공 시 지반에 직접 닿는 부분으로서 매우 강도를 요구하는 장비이다. Bit 끝 부분에 매우강한 Bit Tip 4개~6개를 용접으로 부착하여 제작하며 폭은 스크류 외경과 동일하게 제작해야 함.
② 일반적으로 토사에서 사용하는 Bit는 총길이가 60~90cm이고 스크류와 마찬가지로 롯드 내부에 에어 및 시멘트페이스트를 공급하기 위한 빈홀이 뚫려 있음
③ 천공작업 중 원활한 천공능력을 유지하기 위해서는 수시로 Bit의 상태를 점검하여 Tip 및 날개 부분을 교체 또는 보강하여야 하며 빈홀이 막히지 않도록 신경써서 관리해야 함
▶ Air Hammer (T4 Hammer)
(개량T4 (미니T4) Hammer / 정T4 Hammer)
① Air Hammer는 일반적으로 지반 조건이 단단한 토사층, 두터운 자갈층, 연암, 중간 전석층 및 호박돌층 등이 존재할 경우 사용함.
② 파일공사에서는 Air Hammer를 사용하는 경우 일명 T4공법이라고 불리며 그 종류로는 Bit부를 개량한 개량(미니)T4와 Bit와 천공지경이 동일한 정T4 등으로 분류되고 있음. 또한 매우 단단한 토사층이나 자갈층, 호박돌 및 전석층, 맥암층 등이 있을 경우 개량T4를 사용하고 그 외에는 정T4를 사용함
③ Air Hammer는 오거비트와 다르게 시멘트페이스트를 공급할 수 있는 빈홀이 없어 시멘트페이스트를 다른 여분의 호스로 주입해야 하며 시멘트페이스트 품질관리에 매우 취약하여 주의가 요구됨
④ T4공법 적용 시 일반 오거천공보다 작업속도가 떨어지고 콤프레셔 장비의 용량을 키우고 1~2대까지 더 투입해야 하므로 시공단가의 상승이 불가피함. 또한 시공 시에는 매우 소음이 심하고 먼지가 많이 발생하므로 공법선정이나 시공 시 그 대책을 강구하고 조치를 취하여 민원에 대비해야함
▶ Air compressor (콤프레셔)
(중,저압 콤프레셔 / 고압 콤프레셔)
① 콤프레셔는 천공 시 토사를 밖으로 배출하거나 T4공법 시 Air Hammer의 작동 및 세기를 원활히 하는 역할을하며, 그 역할을 원활히 할 수 있도록 충분한 용량을 가져야 함
② 천공 공법별 콤프레셔 사용 예시
가. 일반 토사 천공 : 중저압 콤프레셔 (1대 기준 : 정격작동압력 10.5~17.0kg)
나. 장심도 또는 점토지층 등 배토가 힘든 천공 : 고압 콤프레샤 1대 (정격작동압력 25.0kg)
다. 개량T4 천공 : 고압 콤프레샤 1대~2대 (1대 기준 : 정격작동압력 25.0kg)
라. 정T4 천공 : 고압 콤프레셔 2대~3대
▶ Silo 및 mixer plant
(믹서플랜트 / 사일로)
① 사일로
가. 사일로는 많은 양의 벌크시멘트를 저장하는 저장고이며 배전판 타이머에 의해 정해진 양만큼 믹서플랜트 믹서기에 시멘트를 공급하는 장치이며, 저장 용량으로는 일반적으로 30ton, 50ton 사일로를 사용하고 있음
② 믹서플랜트
가. 플랜트 내부에는 크게 믹서기, Agitate, Mortar Pump 등이 포함되어 있어야 하고 물의 공급이 원활해야 함.
나. 믹서 용량은 시멘트페이스트의 시공량을 충분히 지원할 수 있는 용량을 설치해야 하며, Agitate는 1본 시공 이상의 저장량을 확보하는 것이 유리함
다. 시멘트와 물의 공급을 자동으로 할 수 있는 타이머가 설치되어 있어 시멘트페이스트의 배합비를 일정하게 유지할 수 있어야 하며, Mortar Pump의 압력은 너무 약하지 않고 시공장비에 충분한 압력으로 전달할 수 있어야 함.
▶ 기타 부대 장비의 소개
위와 같이 말뚝기초에 사용되는 주요장비 및 부대장비에 대해 소개하였다. 위의 내용은 작성자의 현장경험을 토대로 작성되었으며, 각 현장관리자들의 파일공사 시 시공장비에 대한 기본적인 이해와 판단에 조금이나마 도움이 되었으면 한다.