1. 서론
현재 국내의 터널 발파작업시 사용되는 발파공법으로는 심발발파의 발파패턴에 따라 가장 널리 사용되는 V-Cut, 주로 장공발파시 발파공보다 큰 약 100mm 직경의 무장약공을 이용하는 Cylinder-Cut, 수평 천공 및 경사 천공된 발파공을 함께 이용하는 SUPEX-Cut 등이 있다.
이들 터널 발파공법들은 각각 장단점을 가지고 있으므로 현장의 상황과 발파효율,안전성,경제성등을 고려하여 각 터널공사 현장에서 사용되고 있다.
기존의 Cylinder-Cut에 비해 훨씬 큰 200-500mm 직경의 무장약공을 이용하는 HBM 터널발파공법은 터널 심발발파가 대구경 무장약공을 자유면으로 활용하는 2자유면 발파로 이루어지므로, 다른 공법에 비해 동일한 지발당 장약량이 사용된 경우 심발발파시 발생하는 발파진동의 크기가 작을 뿐만 아니라 천공장에 대한 굴진장의 비로 나타낼 수 있는 발파효율이 매우 높은 것으로 연구된 바 있다.
기존의 Cylinder-Cut과 관련된 여러 문헌에는 무장약공의 직경이 약 200mm 정도까지의 1st square발파공의 천공위치와 발파효율에 대한 자료만이 제시되어 있어, 이 자료를 무장약공의 직경이 200mm이상인 PLHBM 터널발파공법에 그대로 적용하기는 어렵다.
따라서, 본 연구에서는 직경 200mm 이상의 대구경 무장약공을 자유면으로 활용하는 PLHBM공법의 심발부분 발파시 무장약공 방향으로의 파괴 형태와 무장약공 과 1st square 발파공의 중심사이 거리인 공간격이 발파진동에 미치는 영향 등을 정량적으로 평가하기 위하여 총 150여회의 단일공 시험발파를 수행하였다.
시험발파는 시험목적에 맞게 타설한 총 6개의 모르타르 서험체에서 실시하였는데, 직경이 각각 90mm, 180mm인 무장약공을 자유면으로 활용하는 1st square 발파공 및 최소저항선을 각각 달리하는 2자유면 발파공에 대한 시험발파시 자유면방향으로의 파괴형태를 촬영하였고, 발파진동속도를 측정하였다.
시험발파를 통해 측정한 진동속도 벡터합 자료를 이용하여 동일한 장약량인 2자유면 단일공 발파시 최소저항선이 발파진동에 미치는 영향을 평가하였고, 1st square공 발파의 경우에는 무장약공으로부터의 거리에 따른 발파진동을 비교 해석하였다.
2. 대구경 무장약공을 이용한 터널발파 공법
대구경 무장약공을 이용한 터널발파 공법은 심발발파 부분에 발파공보다 직경이 큰 대구경의 무장약공을 수평천공한 후 이 무장약공을 자유면으로 활용하여 심발발파를 수행하는 공법으로 주로 장공발파 현장에서 사용되어 진다.
<그림1>은 대구경 무장약공의 직경(Ø)과 무장약공 중심에서 발파공 중심까지의 거리(a)에 따른 무장약공 쪽으로의 파괴 양상을 제시한 그래프이다.
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<그림1> 무장약공 직경과 공간격에 따른 파괴양상 |
이 그래프에 의하면 무장약공 중심에서 발파공 중심까지의 거리인 a 가 무장약공 직경의 1.5배보다 작으면 무장약공쪽으로의 완전한 파쇄가 이루어지는 것으로 나타나 있으므로, 무장약공을이용한 대부분의 터널발파에
서는 무장약공 주변의 1st square 공들을 무장약공 중심으로부터
1.5Ø 떨어진 위치에 천공하도록 설계된다. 그러나 무장약공 방향으로의 완전한 파쇄가 이루어지는 구간의
상한선인 a=1.5Ø 직선은 <그림1>에 제시된 무장약공의 직경 약 200mm 이하에서만 활용될 수 있는 자료로
무장약공의 직경이 200mm 이상이 될 경우에는 a=1.5Ø 가 완전한 파쇄의 상한선이 될 수는 없다.
예를들어 전단면굴착기(Tunnel Boring Machine, TBM) 로 직경1m 이상의 원형터널을 선진굴착한 후 확공
발파작업이 수행되는 터널 현장에서 이 원형터널을 위 그림에서와 같은 무장약공으로 고려하여 발파공을 설계
할 경우 발파공 중심과 무장약공 중심간의 거리는 1.5m 이상이 되므로 발파작업이 불가능하다.
따라서, a=1.5Ø 라는 설계기준은 터널발파에 사용되는 발파공의 직경이 약40mm 정도인 점을 고려할 때,
무장약공의 직경이 약 200mm 이하일 경우에만 사용할 수 있는 기준으로 판단된다.
<그림2>는 무장약공의 직경과 한 발파당 천공깊이에 따른 발파효율을 나타낸 그림으로 한 발파당 천공깊이
가 길어질수록 발파효율 떨어지며 같은 천공깊이에 대해 무장약공의 직경이 클수록 발파효율은 커지는 것을 보
여주고 있다.
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<그림2> 천공깊이 및 무장약공의 직경에 따른 발파효율 |
그러나, <그림2>도 <그림1>과 마찬가지로 1st square 심발공의 발파시 자유면의 역할을 하도록 천공되는
무장약공의 직경이 약200mm 이하인 경우인 경우에 적용할 수 있는 자료이다.
현재까지 국내 터널발파 현장에서 발파공보다 직경이 큰 무장약공을 이용한 심 발파작업을 수행하는 경우
직경 102mm의 무장약공을 사용하는 경우가 가장 많고, 일부 현장에서는 무장약공의 자유면 효과를 증대시키
기 위해서 직경 102mm 무장약공을 두공 또는 세공을 천공작업을 수행하고 있다.
두공 이상의 무장약공을 천공하여 자유면으로 활용하는 경우 아래의 식을 이용해 동일한 효과를 보이는
무장약공 한공의 환산직경으로 계산할 수 있다.
½
D=d×n
D : 무장약공의 환산직경
d :무장약공의 직경
n : 무장약공의 수
이 환산식을 이용하면 102mm 직경이 무장약공을 세공 천공하는 것이 약 177mm직경이 무장약공 1공을
천공하는 것과 심발부분에서는 같은 자유면 효과를 보이는 것을 알 수 있다.
3.PLHBM 터널발파공법
PLHBM 터널발파공법은 수평 보링 장비를 이용하여 직경 362mm 또는 445mm의 무장약공을 터널 막장면
터널 막장면 약 50m 전방까지 선진 보링한 후 발파작업을 수행하는 터널발파공법으로 심발부분에 대한 발파
작업시 발생하는 발파진동을 주변공이나 외곽공에 대한 발파작업시 발생하는 발파진동 이하로 제어할 수 있는
공법이다.
<그림3>은 터널 막장면의 심발부분에 직경 Ø362mm의 대구경 수평공을 50m정도의 깊이까지 먼저 수평보
링 한 후 터널발파작업을 수행하는 PLHBM 터널발파공법의 심발부분 기존 Cyl inder-cut의 파괴각도를 상호
비교한 그림이다.
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<그림3> Cyinder-Cut 과 PLHBM-Cut의 심발발파 부분 상호 비교 |
무장약공의 직경이 보통102mm인 Cyinder-Cut에서는 1st square 발파공 중심으로부터 무장약공을 잇는 두 접선이 이루진 각인 무장약공쪽으로의 파괴각이 39°인 반면, 무장약공의 직경이 362mm인 PLHBM-Cut에
서는 이 파괴각을 최대 90°까지 크게 할 수 있다. 실제로 이 파괴각은 무장약공 중심에서 발파공 중심까지의
거리에 따라 결정되어지는데, 무장약공 직경이 102mm에 불과한 기존의 Cylinder - Cut 에서는 실제 터널
발파현장에서의 천공오차 등을 고려할 때, 파괴각도를 더 크게 하여 자유면으로서의 효과를 더 크게 하기가
어려운 것으로 판단된다.
<그림4>는 대구경의 무장약공을 선진 보링하는 각 단계를 보여주는 그림으로 1개의 Rod 길이는 5m이고,
현재까지는 1회 보링시 50m 까지 수평 보링이 이루어지고 있다.
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<그림4> PLHBM 터널발파공법에서 대구경 무장약공의 선진 보링 과정 |
<그림5>는 터널 막장면의 심발부분에 직경 Ø362mm 정도에 대구경 수평공을 50m 정도의 깊이까지 먼저
수평보링 한 후 터널발파작업을 수행하는 PLHBM 터널발파시 심발부분에 대한 파괴 메카니즘의 모식도이다.
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<그림5>PLHBM터널발파공법의 심발부분 발파 메카니즘 |
1st square 공들의 발파시 대구경 무장약공 방향으로의 파쇄는 천공장보다 오히려 더 크게 나타나는 것으
로 알려져 있는데, 2자유면 발파인 주변공 발파보다 자유면까지의 거리가 훨씬 가까우므로 PLHBM 터널발파
공법에서 1st 및 2nd square 발파공들이 대해서는 공저부분에 대한 집중장약이 아니라 충분한 장약길이를
가질 수 있도록 디커플링 효과를 활용하거나 조절용 화약을 사용하여야 심발부분에서의 발파효과가 높게 나타
난다.
4. 시험발파
4.1 모르타르 시험체 제작
1) 재료: 시멘트, 물, 모래의 혼합체
(모르타르는 암반에 비해 매우 균질하기 때문에 시험발파를 통한 자유면 방향으로의 파괴형태와
발파진동의 계측시 재료의 불균질성에 따른 오차를 줄이기 위함)
2) 규격:
직경:5400mm 두께:600mm 압축강도: 300kgf/㎠ , 양생기간: 28일
무장약공: 모르타르 관통 천공.
무장약공 직경: Ø=90mm,180mm
사용화약: Finex- I, NewMite, 도폭선
발 파 공 : 25cm
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<그림6> 시험발파공 장약 화약 |
<그림7> 시험발파 시험체 | |
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<그림8> 90mm 무장약공 파괴형태 |
<그림9> 180mm 무장약공 파괴형태 | |
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<그림10> a=0.71Ø, 22g 발파결과 |
<그림11> a=0.8Ø, 22g 발파결과 | |
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<그림12> a=0.9Ø, 22g 발파결과 |
<그림13> a=1.0Ø, 22g 발파결과 | |
4.2 발파진동 측정
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<그림14> 모르타르 시험체상 발파진동 측정 | |
4.3 PLHBM 터널발파 공법에서의 진동제어
터널발파패턴으로는 심발부분의 발파패턴에 따라 V-Cut, Cylinder-Cut, Supex-Cut, PLHBM-Cut 등이
있지만, 심발부분에 대한 발파가 이루어지고 난 후의 주변공 발파나 최외곽공 발파의 발파패턴은 거의 동일
하다고 볼 수 있다.
따라서, 주변공이나 최외곽공 발파시 발생하는 발파진동이 주변건물이나 구조물 등에 대한 허용진동속도
이하로 유지될 수 있도록 설계되어 있다고 가정할 때, 터널발파 패턴에 따른 발파진동의 제어는 심발부분의
발파작업시 발생하는 발파진동을 2자유면 발파인 주변공 발파시 발생하는 발파진동 이하로 억제하므로써
이루어질 수 있다.
실제로, 터널발파시 2자유면 발파인 주변공 발파의 최소저항선이 약 60-100cm정도인 것을 고려할 때,
대구경의 무장약공을 사용하는 PLHBM 터널발파시 1st square 공들의 최소저항선은 이보다 훨씬 적을 뿐
만 아니라, 어느 정도의 천공오차를 감안하더라도 최소저항선을 필요에 따라 줄일 수도 있다.
따라서, 주변공과 동일한 장약량이 사용된 경우라도 PLHBM 터널발파의 심발부분에 대한 발파시 발생하
는 발파진동은 주변공 발파시 발생하는 발파진동보다 작게 나타날 수 있는 것으로 판단된다.
또한, 대구경 무장약공과 1st square 공의 공간격을 줄일 경우에는 최소저항선이 더 줄어들고, 무장약공
방향으로의 파괴각은 더 커질 뿐만 아니라 주변공보다 작은 장약량으로도 발파작업이 가능해지므로
PLHBM 터널발파공법에 의한 심발부분의 발파작업에서 발생하는 발파진동을 항상 주변공 발파작업시 발생
하는 발파진동 이하로 제어할 수 있다.
5. PLHBM 공법의 연구 결과 인용
1. 균질한 매질에 대한 시험을 위해 타설한 총 6개의 모르타르 시험체의 경우 천공경 18mm, 천공장
250mm, 최소저항선 150mm인 시험 발파공에 대한 적정 장약량은 약 11g(Finex-I 10g+도폭선 1g)으로
나타났다.
2. 11g의 화약을 장약한 2자유면 단일공 시험발파시 발파진동의 크기는 최소저항선이 짧아질수록 더 작아지
는 것으로 나타났다. 최소저항선이 150mm인 경우의 2자유면 발파시 발생하는 발파진동을 기준값으로
설정한 경우, 최소저항선을 기준값의 2/3 수준인 100mm로 줄이게 되면 발파진동은 실제 진동측정이
이루어진 삼승근 환산거리 10-40m/kg1/3인 범위에서
약 13-38% 작아지는 것으로 나타났으며, 최소저항선을 기준값의 1/2 수준인 75mm로 줄이게 되면 같은
삼승근 환산거리 범위에서 약 31-50%까지 발파진동이 저감되는 것으로 나타났다.
따라서, 터널발파시 주변공의 공수를 늘려서 기존 설계보다 최소저항선을 줄이는 방법은 기존설계와
주변공 발파시 동일한 지발당 장약량을 가지더라도 발파진동을 저감시킬 수 있는 유용한 방법으로 판단
된다.
3. 직경이 각각 90mm, 180mm인 무장약공을 자유면으로 활용하는 1 st square 발파공에 대한 시험발파
결과 무장약공 방향으로의 쐐기형 파괴형태를 확인할 수 있었고, 무장약공 안쪽면에서의 굴진장은 1st
square공의 잔공은 거의 발견되지 않았다.
이는 실제 터널현장에서 선진보링된 대구경 수평보링공을 무장약공으로 활용하는 PLHBM 공법의 심발
발파가 매우 높은 발파효율을 나타낸다는 이전의 연구내용과 부합하는 결과이다.
4. 모르타르 시험체에서 직경이 180mm인 무장약공을 자유면으로 활용하는 1st square 발파공의 경우 무장
약공 중심으로부터 발파공 중심까지의 공간격이 1Ø(180mm)일 때 적정 장약량은 약 22g(Finex-I 20g
+ 도폭선 2g)으로 나타났다.
5. 직경이 180mm인 무장약공을 자유면으로 활용하는 1st square 발파공에 22g의 화약을 장약 하여 수행한
단일공 시험발파시 무장약공 중심으로부터 발파공 중심까지의 공간격이 짧아질수록 발파진동이 더 작
아 지는 것으로 나타났다.
이 같은 결과는 2자유면 시험발파시 최소저항선을 줄임에 따라 발파진동이 감소하는 내용과 유사하지
만, 2자유면 발파시 최소저항선을 줄이는 비율과 동일한 비율로 1st square 발파공의 공간격을 줄이는
경우 진동감소효과가 더 크게 나타나는데, 이는 1st square 발파공의 공간격을 줄일 경우 무장약공 방향
으로의 파괴각도도 커지게 되므로 그 만큼 파괴에 따른 저항도 줄어들기 때문으로 판단된다.
6. 직경이 각각 90mm, 180mm인 무장약공을 자유면으로 활용하는 1st square 발파공에 대한 시험결과
직경이 180mm인 무장약공을 자유면으로 활용한 발파공의 공간격이 180mm로 직경이 90mm인 무장약
공을 자유면으로 활용한 발파공의 공간격인 135mm 보다 더 큼에도 불구하고 발파진동은 더 작게 나타났
다. 이는 1st square 발파공의 발파시 발생하는 발파진동이 공간격 뿐만 아니라 무장약공 방향으로의
파괴각도에 의해 많은 영향을 받는다는 것을 의미한다. 따라서, 무장약공을 자유면으로 활용하는 1st
square 발파공의 경우 무장약공의 직경이 클수록 발파진동 저감효과가 더 크게 나타난다.
7. 이상의 연구결과로부터 직경이 200-500mm인 대구경 무장약공을 심발발파시 자유면으로 활용하는
PLHBM 터널발파공법에서는 기존의 Cylinder-Cut과는 달리 심발부분 1st square공 중심과 무장약공
중심까지의 거리인 공간격을 1.5ØØ 이하로 조정이 가능하므로, 현장의 암반상태 등을 고려하여 공간격
을 적절히 조정하고 장약장을 충분히 할 경우, 심발부분의 발파시 발생하는 발파진동을 2자유면 발파인
주변공 발파시 발생하는 발파진동 이하로 제어할 수 있는 것으로 판단된다.