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과제기본정보

초대구경 스마트 고압분사 시스템 개발 및 사업화1년차

사업개요
사업개요
사업명 국토교통기술사업화지원 과제번호 21TBIP-C161625-01
국가과학표준분류 1순위 원자력 | 핵자료 기술 | None 적용분야 건설업
2순위 원자력 | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 개발
과제명 초대구경 스마트 고압분사 시스템 개발 및 사업화
주관연구기관 덴버코리아이엔씨(주)
총괄연구 책임자 성명 서석현
소속 덴버코리아이엔씨(주) 직위 상무
전화번호 0317067447 FAX 0317068338
총 연구기간 2021-04-01 ~ 2023-12-31
당해연도 연구기간 2021-04-01 ~ 2021-12-31

(단위:원)

년도별 비용
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
1차년도 300,000,000 20,000,000 180,000,000 200,000,000 500,000,000
과제기본정보
연구개발개요 - 본 사업에서는 기존 고압분사장비의 작업효율성을 획기적으로 개선하고, 개량체의 직경을 세계 최고수준(5.0m 이상)으로 확대할 수 있으며, 실시간으로 그라우팅 주입정보 수집 및 분석은 물론 개량체 형성과정을 가시화할 수 있는 “초대구경 스마트 고압분사 시스템”을 개발하고자 함
- 초대구경 고압분사장비는 1)지반을 천공하고 고압수 및 그라우트를 고압으로 분사하는 천공분사장비, 2)지반절삭을 위해 초고압의 물과 공기를 공급하는 고압수 펌프, 3)시멘트와 모래를 섞은 몰탈을 주입하기 위한 몰탈 펌프, 4)시멘트, 모래, 물 등을 정량으로 섞기 위한 믹싱 플랜트, 5)실시간으로 그라우팅 주입정보를 수집 및 분석하고 개량체 형성과정을 가시화 할 수 있는 그라우팅 모니터링 시스템 등으로 구성됨
- 초대구경 스마트 고압분사 시스템은 1)직경 5.0m급의 개량체 형성이 가능하여 기존 고압분사공법 대비 공기 및 공사비를 20% 이상 절감이 가능하고, 2)몰탈의 압력주입 가능하여 대구경의 균질한 개량체 형성이 가능하며, 3)주입재료의 정확한 계량으로 개량체의 균질한 품질확보가 가능하며, 4)실시간 그라우팅 주입정보 획득 및 저장과 구근 형상 가시화 기술을 통하여 시공오차를 최소화하고 그라우팅의 신뢰성을 확보하며, 5)그라우팅 시공정보의 서버저장 및 빅데이터 분석을 통하여 지반조건에 따른 최적의 설계 및 시공이 가능하게 함
최종목표 본 연구의 최종목표는 제품개발로서 덴버코리아이엔씨(주)가 보유한 그라우팅 분야 특허기술을 활용하여 현재 현장에 적용중인 고압분사장비를 개선한 ‘실시간 모니터링이 가능한 초대구경 고압분사장비’ 개발임. 기존 고압분사장비의 작업효율성을 획기적으로 개선하고, 개량체의 직경을 세계 최고수준(5.0m 이상)으로 확대할 수 있으며, 실시간으로 그라우팅 주입정보 수집 및 분석은 물론 개량체 형성과정을 가시화할 수 있는 “초대구경 스마트 고압분사 시스템”을 개발하여 공기단축 및 생산성 향상을 통한 사업 매출증대를 목표로 함
연구내용 및 범위 1. 개량체 직경 5.0m 형성 가능한 초대구경 천공분사장비
- 천공분사장비는 선행연구(해상 교량기초 대형 원형강관 가설공법 개발, 2016.09~2020.12, 건설기술연구사업, 국토교통부)를 통하여 육상조건에서 직경 5.0m 개량체 형성이 가능한 시제품을 제작하였음. 이 장비는 개량체의 직경을 증가시키기 위해 기존 천공분사장비의 케이싱 및 노즐의 직경과 길이를 증가시겼으며, 분당 토출량을 기존 140~160ℓ/min의 범위에서 약 300ℓ/min 이상으로 2배 이상 증가시켜 주입압과 파괴력을 증대시켰음
- 본 사업을 통해서는 해상조건에서도 작업성이 뛰어나고 직경 5.0m의 균질한 개량체 형성이 가능하도록 선행연구에서 제작한 시제품의 성능을 개선하고자 함. 우선 해상구간의 수심을 고려하여 40.0m 높이까지 한번에 작업이 가능하도록 천공장비의 메인붐대를 연장할 계획이며, 최대 33.0m 심도까지 천공이 가능하도록 토크를 증대시킬 계획임
2. 토출량 400L/min급 대용량 고압펌프
- 고압펌프를 원지반을 절삭하기 위해 공기와 물을 고압으로 분사하는 장비로서, 기존 고압분사장비에서 주로 140 ~ 160 L/min 정도의 고압펌프를 사용하여 직경 2500 mm 이하의 개량체를 형성하였음
- 본 사업에서는 직경 5.0m 개량체 형성이 가능하도록 하기 위하여 토출량 400 L/min급 대용량 고압펌프를 개발하고자 함. 현재 고압펌프의 경우 전량 외국에서 수입하여 사용하고 있어 1대당 약 3.5 ~ 4.0억원의 비용이 발생하였으나 본 사업에서는 이를 국산화하여 약 3.0억원 이하로 제작할 계획이며 원가절감 및 기술경쟁력을 확보하고자 함
3. 토출압력 10.0Mpa급 고압 몰탈펌프
- 기존 고압분사장비의 몰탈펌프는 구슬타입의 밸브로 구성되어 있어 몰탈에 존재하는 모래입자가 구술과 구술구멍 접합부에 끼게 되면 밸브가 완전히 접합이 되지 않아 공기가 혼입되어 유량의 편차가 큰 단점이 있었음. 현장에서는 유량계의 조정계수(관로내경 계수)를 이용하여 믹싱 플랜트에서 계산한 유량과 일치하도록 강제적으로 조정하지만 관리에 어려움이 많고 정확한 시공에는 한계가 있음
- 절삭구간이 시간이 지나면서 원상태로 복귀하려는 현상(셋업효과)으로 개량체 구경 확보에 어려움이 많음에도 불구하고 기존 고압분사장비의 경우 몰탈펌프의 토출압력이 낮기 때문에 절삭수로 원지반을 이완, 파쇄시킨 다음 몰탈재료(시멘트+물+모래)를 압력이 없이 자유낙하 시킴으로서 직경이 큰 개량체의 형성이 불가능하고 개량체가 불균일하게 형성되는 경우가 많음
- 따라서, 대구경의 균질한 개량체 형성을 위해서는 원지반이 수축되는 현상이 발생되기 전에 몰탈이 채워질 공간을 확보 가능한 수준의 압력으로 충진이 필요함. 본 사업에서는 기존의 몰탈펌프의 단점을 개선하여 토출압력 10MPa의 고압 몰탈펌프를 제작하고자 함
4. 개량 오차 1% 이하의 정밀한 믹싱 플랜트
- 기존의 믹싱 플랜트의 경우 물, 시멘트 배합은 로드셀을 이용하여 중량 배합을 실시하고 재료의 사용량은 배합 횟수로 계산하여 사용하나 재료 사용량에 대한 정보를 저장하고 있지 않으며, 로드셀을 이용한 아날로그 측정방식은 정밀성이 떨어져 그라우팅 품질에 영향을 미칠 수 있음
- 본 사업에서는 물, 시멘트, 모래 등의 주입재료의 양을 자동으로 정확하게 측정하는 시스템을 개발하여 개량체 품질을 향상시킬 계획임. 특히 현장에서 사용하는 잔골재(모래)의 표면수량에 대한 관리 소흘로 개량체의 품질이 떨어지는 경우가 많기 때문에 이러한 영향인자를 자동으로 고려하여 배합비를 계산하고 정확한 재료배합이 이루어지는 자동화 믹싱 시스템을 설계할 계획임
5. 실시간 그라우팅 모니터링 및 빅데이터 분석 시스템
본 사업에서는 기존의 실시간 시공품질모니터링시스템을 개선하여 사용자가 실시간으로 구근의 형성과정을 직관적으로 볼 수 있도록 실시간 구근 형상 가시화 프로그램을 제작할 계획이며, 획득된 그라우팅 시공정보에 대한 빅데이터 분석모델을 개발하여 지반조건별 최적화 설계 및 시공 정보를 제공할 계획임
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
1차년도 1. 선행연구 사례조사
2. 목표성능 설정
3. 시제품 제작 및 성능평가
1.1 초대구경 고압분사장비의 구성요소별 성능분석 및 사례조사
- 천공분사장비, 고압펌프, 몰탈펌프, 믹서 플랜트 등 기존 장비의 기능분석 및 사양 조사
1.2 실시간 그라우팅 모니터링 시스템 사례조사
- 기존 그라우팅 모니터링 시스템 특허분석
- 빅데이터 분석 프로그램 조사
2.1 초대구경 고압분사장비의 구성요소별 목표성능 설정
- 천공분사장비 : 개량체 직경, 자동화 성능 등
- 고압펌프 : 유량 및 압력
- 몰탈펌프 : 유량 및 압력, 최대입자크기 등
- 믹서 플랜트 : 자동화 성능, 개량 정확도 등
2.2 실시간 그라우팅 모니터링 시스템 목표성능 설정
- 실시간 계측인자, 이격거리, 데이터 전송방식 등
- 빅데이터 구축 범위 및 방법
3.1 천공분사장비 성능개선
- 선단모니터 성능 개선
- 롯드 연결 자동화 장치 제작
3.2 실시간 그라우팅 모니터링 시스템 성능개선
- 실시간 주입범위 확인 시스템 개선
연구성과 기술적 기대성과 초대구경 천공분사장비 및 토출량 400 L/min급 대용량 고압펌프
- 직경 5.0m급의 개량체 형성, 공기 33%, 공사비 20% 절감
토출압력 1.0 MPa급 고압 몰탈펌프
- 대구경의 균질한 개량체 형성가능
개량 오차 1% 이하의 정밀한 믹싱 플랜트
- 개량체의 균질한 품질확보 가능
실시간 그라우팅 모니터링 시스템
실시간 그라우팅 정보 저장 및 빅데이터 분석용 서버 시스템
사회 경제적 파급효과 - 초대구경 스마트 고압분사 기술 개발을 통한 작업효율 증가 및 주입공 감소로 인하여 공기를 단축하고 공사비를 절감할 수 있음
- 실시간 그라우팅 정보획득 및 빅테이터 분석기술 개발을 통해 그라우팅 품질확보 및 지반개량 효과 향상을 통한 그라우팅 공법의 신뢰성 확보
- 국내 보링?그라우팅 수행이 가능한 1000여 업체를 대상으로 개발된 공법 상용화를 통한 시장성 확대
- 그라우팅 관련 전문시공사(중소기업 등)의 가격 경쟁력 및 기술 경쟁력 향상으로 해외시장에 대한 진출 기회 증대
- 기존 그라우팅 공법 대비 주입의 영향인자를 실시간 모니터링 하여 기존 구조물의 건물 변위 등과 같은 민원문제 최소화
- 개발기술의 특허 및 신기술 출원·등록 후 공법협의회 결성으로 시장성 확대가 예상되며, 궁극적으로 주관기관 및 공동기관의 매출증대 기대
활용방안 - 시공성과 경제성을 확보할 수 있는 초대구경 고압분사 장비 개발과 스마트 기술을 접목한 실시간 시공영향인자 측정 및 빅데이터 분석기술 개발을 통해 현재 고압분사 공법의 주된 적용 대상인 내진보강 및 기존 구조물 기초보강뿐만 아니라, 신설 구조물 보강, 연약지반 보강, 액상화 보강, 공극 충진 등도 가능하게 될 것으로 판단됨
- 압력이 없는 몰탈 주입과 아날로그 측정하는 방식의 기존 고압분사 그라우팅 기술에서 탈피하여 압력이 가능한 몰탈 주입과 실시간 디지털로 측정하는 방식의 신개념 고압분사 그라우팅 기술을 개발과 동시에 지식재산권화(특허, 실용신안 등)를 통하여 권리를 보호하고 현장적용 실적을 쌓아서 연구기간 중에 ‘건설신기술’ 인증을 추진할 계획임
- 고압분사 장비를 개선 한 후 실증테스트를 추진하고, 다양한 토질조건을 조절하는 디지털 품질관리시스템을 개발하여 기존 그라우팅 공법과 차별성 및 시공품질 등을 중점적으로 부각시켜 상용화를 추진할 계획임
- 향후 대도시를 중심으로 급증할 것으로 전망되는 국내 대심도 그라우팅 보강공사 관련 건설사업 기반에 적극 활용
- 개발된 공법을 주요 기술 부처인 정부기관, 시공사, 설계사, 국내외 학술지 등에 광고 및 논문게재로 우수성을 홍보
- 개발기술의 특허 및 신기술 출원·등록 후 공법협의회 결성으로 시장성 증대
핵심어
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국문 고압분사 대구경 실시간 모니터링 몰탈펌프 빅데이터
영문 Jet grouting Super-diameter Real-time monitoring Mortar pump Big data analysis
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