KR101555618B1

KR101555618B1 - 터널굴착시 진동저감과 굴진장증대를 위한 굴착방법

Info

Publication number: KR101555618B1
Application number: KR1020150079246A
Authority: KR
Inventors: 윤은경
Original assignee: 윤은경
Priority date: 2015-06-04
Filing date: 2015-06-04
Publication date: 2015-09-24

Abstract

본 발명은 터널굴착시 진동저감과 굴진장증대(장공발파)를 위한 굴착방법에 관한 것으로서, 상세하게는 종래에 사용하는 굴진장증대(장공발파)의 단점을 보완하기 위하여 장약공을 증가할 수 있게 무장약공의 크기를 늘려서 굴진장증대(장공발파)를 가능하게 하고, 또 무장약공의 주변부에 네오 스무스 블라스팅(Neo-Smooth blasting)을 배치하고, 디커플링효과를 최대한 이용하여 진동과 소음을 줄이기 위한 터널굴착시 진동저감과 굴진장증대(장공발파)를 위한 굴착방법에 관한 것이다.
상기 발파방법은 터널 바닥면의 상부 0.3~1.7m 높이에서, 막장면 전방을 향하여 대구경의 보링공을 50~70m 깊이로 천공하는 무장약공(100)을 형성하는 단계; 상기 무장약공(100)의 외측으로 심발확대공(200)과, 상기 심발확대공(200)의 좌우 외측으로 균열유도공(300)과, 심발확대공(200)의 상부의 왼쪽에서부터 시계방향으로 5~9구획으로 구분된 상부발파공(400)과 심발확대공(200)의 하부로 형성된 하부발파공(500) 및 하부발파공(500)의 양측으로 2구획으로 구분되게 주변공(600)을 형성하여 디커플링효과를 최대한 이용할 수 있도록 소구경폭약 또는 정밀폭약을 장전한 후, 무장약공(100)을 중심으로 좌,우,상,하로 연속해서 발파하는 발파단계;를 포함하여 이루어지며, 상기 무작약공(100)의 주변에 네오 스무스 블라스팅(Neo-Smooth blasting)을 적용하여 발파하되, 상기 심발확대공(200)은 1, 2, 3사각형공을 형성하여 발파되게 하고, 암반의 파쇄상황은 최소저항선이 0.7m로 하고, 천공경을 각각 75mm 또는 45mm로 하여 암반에 균열형성으로 인한 파쇄가 이루어져 2차적인 파쇄작업이 필요없도록 함과 동시에 굴착면의 전방으로 자유면이 확보되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

터널굴착시 진동저감과 굴진장증대를 위한 굴착방법{Excavation method for tunnel drilling vibration reduction and increased Chapter (long-hole blasting)}

본 발명은 터널굴착시 진동저감과 굴진장증대를 위한 굴착방법에 관한 것으로서, 상세하게는 종래에는 장공발파에 대한 기본적인 개념이 없었으며 설계 시 20~30년 전의 기준을 적용하여 암반의 지보패턴에 대해 일괄적인 굴진장을 적용한 결과 공기의 지연과 공사비의 과다형태가 나타나고, 이러한 불합리성을 개선하고자 지보패턴이 양호한 경우 또는 발파시 허용기준치를 적용하여 굴진장을 증가할 수 있게 무장약공의 크기를 늘려서 굴진장증대를 가능하게 하고, 또 무장약공의 주변부에 혼합장약(Mixed Charge)에 의한 변형된 스무스 블라스팅(Smooth blasting)을 배치하고(이후 네오 스무스 블라스팅(Neo-Smooth blasting), 디커플링효과를 최대한 이용하여 진동과 소음을 줄이기 위한 터널굴착시 진동저감과 굴진장증대를 위한 굴착방법에 관한 것이다.

현재 국내에서는 SOC사업 등이 증대함에 따라 지하공간을 활용하기 위하여 지하공간에 사회간접시설인 각종 에너지와 폐기물의 지하저장시설, 통신구, 전력구와 같은 에너지 전달시설 및 광역상수도를 구축하기 위한 도수터널과, 지하철, 철도, 고속철도, 국도 및 고속도로 등 도로교통을 위한 도로터널 등 수많은 터널굴착 작업이 수행되고 있다.

통상 터널을 굴착하는 방법으로서는, TBM 등 굴착장비를 이용한 굴착방법, 발파에 의한 굴착방법, 화학제를 사용하여 무진동으로 굴착하는 방법 등 여러 형태가 있는데, 그 중에서 굴착효율과 굴착비용의 경제성 측면에서 많이 사용되고 있는 공법은 발파에 의한 방법이다.

발파에 의한 터널 굴착방법은 공통적으로 제1단계로 심발공, 심발확대공, 바닥공 및 외곽공을 일정한 깊이로 천공하는 천공단계와, 제2단계로 상기 천공된 공들에 뇌관과 폭약을 채우는 폭약장전단계, 제3단계로 발파기에 의하여 뇌관들을 기폭시키는 기폭단계로 이루어져서 굴착하게 된다.

그런데, 상기 발파에 의한 굴착방법은 다량의 폭약을 기폭시키는 형태로 이루어짐으로써 필연적으로 진동 및 소음이 크게 발생될 수밖에 없는데, 발파기술은 그러한 전제하에 발파효율의 최대화와 소음ㆍ진동의 최소화를 동시에 달성해야 하는 2가지 측면을 함께 갖고 있다.

즉, 발파에 의한 굴착방법은 사용되는 장약량이 많을수록 발파효율은 커지나 진동 소음이 크게 발생하게 되고, 반면에 사용되는 장약량이 적을수록 소음ㆍ진동은 작게 발생하나 발파효율이 낮아지는 상반되는 특징을 갖고 있다.

특히, 발파방법은 초기 발파시 가장 커다란 진동 및 소음을 유발시키는데, 터널굴착에 있어서 초기의 심빼기는 대단히 중요하다. 즉 "심빼기"란 터널 막장 중심부의 한 부분을 먼저 효율적으로 파쇄시켜 추가 자유면을 확보하여 2자유면을 형성시킴으로써 전체적인 터널발파의 성패를 좌우하는 중요한 요소로서, 이 심빼기가 형성되는 과정과 2자유면이 만들어지는 결과에 의해 터널굴진의 성공 여부가 좌우되기 때문에, 1자유면을 갖는 터널발파에 있어서 심빼기로 인한 초기 자유면 확보는 대단히 중요하다.

한편, 터널 굴착공법과 관련하여 안출된 것으로 국내 공개특허 제10-2003-37163호(2003.05.12일 공개)에는 터널 심발 발파방법이 선출원 공개되어 있다.

이 선출원 공개발명은 발파 굴진되는 터널 단면의 일부를 수평 심발부로서 우선적으로 심발하는 터널 심발 발파방법에 있어서, 상기 수평 심발부의 하단 심발공을 터널 상부 벤치의 굴착 하단면에 인접시켜서 바닥공과 실질적으로 동일한 높이에 위치하도록 배치하고, 상기 수평 심발부의 중심부에 1차 심발공을 두고 그 1차 심발공의 외곽에 무장약공을 배치하며, 상기 무장약공의 외곽에 다수개의 2차 심발공 및 3차 심발공을 배치하고, 상기 1차 심발공의 장약을 3단으로 분산 장약하여서 그 1차 심발공의 입구쪽에 위치한 장약부터 기폭시키도록 한 것이다.

이러한 선출원 공개발명에 따르면, 수평 심발부의 하단 심발공을 바닥공과 동일한 높이로 배치하여서, 수평 심발부 전체를 굴착 하단면 측으로 하향 이동되어 위치되게 하여 주므로, 수평 심발부를 굴착하기 위해 단계별로 발파할 때에 발생되는 소음과 진동을 감소시킬 수 있게 되었다. 또, 수평 심발부의 1차 심발공 외곽에 무장약공을 배치하여서, 1차 심발공의 발파시 주변의 암반이 무장약공에 의해 보다 효과적으로 파쇄될 수 있게 하여 주는 등의 장점을 갖게 되었다.

그러나, 이와 같은 선출원 공개발명은 첫째 수평 심발부의 1차 심발공 발파 작업이 1자유면하에서 수행되므로, 효과적인 발파를 위해서 장약 집중도를 높이게 되는 만큼 장약 사용량이 증가하고 그로 인하여 발파 초기에 커다란 소음 및 진동을 유발시키게 되는 문제점이 있으며, 둘째 수평 심발부의 1차 심발공 발파시 외곽에 배치된 무장약공에 의해 진동 및 소음을 어느 정도 감소되는 효과를 기대할 수 있지만, 그 무장약공이 1차 심발공과 동일한 깊이 천공되어 있기 때문에, 1차 심발공의 발파시 외부로 전달되는 진동 및 소음을 확실히 차단 감소시키기에 역부족한 문제점이 있었으며, 셋째 수평 심발부의 2차, 3차 심발공 발파시 진동 및 소음을 차단 감소시키기 위한 대책이 전혀 마련되어 있지 못하여, 수평 심발부의 굴착을 위해 단계별로 발파할 때마다 커다란 진동 및 소음이 외부로 전달되는 문제점 등이 있었다.

상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고 터널을 미진동으로 굴착하기 위해서는, 수평 심발부의 1차 심발공을 2개 이상의 자유면하에서 장약 집중도를 낮춘상태로 발파하여 진동 및 소음의 발생을 최소화하는 동시에, 발파시 외부로 전달되는 진동 및 소음을 감소시켜야 하고, 또 수평 심발부의 2차, 2차 심발공 발파시 진동 및 소음을 감소시킬 수 있는 대책이 마련되어야 할 뿐만 아니라, 수평 심발부의 외측에 천공되는 확대공 발파시에 발생되는 진동 및 소음까지도 감소시킬 수 있는 대책이 마련되어야 할 필요성이 있었다.

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그리고 종래에는 터널의 막장면에 다수의 발파공(장약공 및 무장약공)을 형성하고, 이에 폭약을 장전하여 발파하는 굴착방법이 일반적으로 사용되고 있다.

이러한 발파작업에 앞서, 터널의 중앙부에 대구경의 보링공(상기 발파공에 비해 구경이 크다는 의미로서, 무장약공의 일종이다)을 보링해 두는 경우, 이로 인하여 발파 시 자유면이 증가하므로, 발파 효율이 증가한다는 장점이 있다.

이러한 공법을 선대구경 보링공을 이용한 터널 굴착공법(발파공법)이라 한다.

그런데, 종래에는 위 대구경의 보링공을 터널의 중앙부 높은 위치에 형성하고 발파작업을 진행하므로, 발파 효율이 좋지 못하다는 문제가 있었다.

(KR) 등록특허 제10-1077067호(2011.10.20) (KR) 등록특허 제10-1196700호(2012.10.26) (KR) 공개특허 제2003-37163호

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 지름이 350mm~950mm의 무장약공 주변에 혼합장약(Mixed Charge)에 의한 변형된 네오 스무스 블라스팅(Neo-Smooth blasting)을 적용하여 진동을 감소시킬 수 있도록 조절발파를 함과 동시에 디커플링효과가 발생하도록 함을 목적으로 한다.

즉, 심발공의 발파시 심발공 주변부에 파쇄된 암반이 전방으로 이동 및 배출을 완전히 해야만 이후의 확대공에 파쇄된 암반들이 자연스럽게 이동이 가능한데 심발부에서 장약의 형태가 하부에 집중 될 경우, 심발부의 공구 입구부분은 대괴로 발파되어 배출이 어려울 수 있기 때문에, 이를 해결하기 위해 지발당장약량을 낮추고 파쇄도를 높이기 위한 목적으로 소구경의 폭약을 봉상(공입구까지)장약을 실시하여야 하고 이는 마치 스무스 블라스팅의 변형과 같으며 이러한 발파방식으로 진동감소를 이용한 굴진장증대에 그 목적이 있는 것이다.

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또한, 채굴 암반 주위에 있는 암석 벽면이 과도한 손상을 받으면 낙반에 의한 위험이나 과굴에 따른 추가적인 암반 보강이 필요하게 되고, 균열대가 발달하여 지하수 유입의 원인이 되기 때문에, 발파할 때 주위 암반에 손상을 주지 않고 암반이 가지고 있는 자연적인 강도를 그대로 유지하면서 발파의 전방으로 자유면이 형성되게 발파하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

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본 발명에 따른 터널굴착시 도 1 및 도 1a에 나타내는 바와 같이, 터널 바닥면의 상부 0.3~1.7m 높이에서, 막장면 전방을 향하여 대구경의 보링공을 50~70m 깊이로 천공하는 무장약공(100)을 형성하는 단계;
상기 무장약공(100)의 외측으로 심발확대공(200)과, 상기 심발확대공(200)의 좌우 외측으로 균열유도공(300)과, 심발확대공(200)의 상부의 왼쪽에서부터 시계방향으로 5~9구획으로 구분된 상부발파공(400)과, 심발확대공(200)의 하부로 형성된 하부발파공(500) 및 하부발파공(500)의 양측으로 2구획으로 구분되게 주변공(600)을 형성하여 소구경폭약 또는 정밀폭약 을 장전하고, 암반의 파쇄상황은 최소저항선이 0.7m로 하고, 천공경을 각각 75mm 또는 45mm로 하여 암반에 균열형성으로 인한 파쇄가 이루어지도록 발파하는 발파단계;를 포함하는 굴착방법에 있어서,
상기 무장약공(100)을 중심으로 좌,우,상,하로 연속해서 발파할 때, 발파 매질은 공기이고, 발파의 폭발압력이 일반적으로 1×10⁴cm/m²의 디커플링효과를 적용할 경우 1×10³cm/m² 로 저감시켜 발파진동 및 소음의 감소 효과를 볼 수 있으며 무장약공 대구경 주변의 첫 번째 사각형의 암괴를 작은 사이즈로 파쇄하여 배출할 수 있게 형성하고,
상기 무작약공(100)의 주변에 네오 스무스 블라스팅(Neo-Smooth blasting)을 적용하여 발파하되, 무작약공(100)의 주변에 설치되는 혼합장약은 하부에 지름이 큰 32mm폭약을 배치하고, 상부에 지름이 작은 25mm폭약이 배치되게 형성하고,
상기 심발확대공(200)은 1, 2, 3사각형공을 형성하여 발파되게 하고, 발파공(500)과 대구경 무장약공(100) 사이의 거리를 깨끗하게 발파하여 열릴 수 있도록 대구경 지름의 1.5배인 375~1500mm의 저항선을 형성하여, 암반에 균열형성으로 인한 파쇄가 이루어져 2차적인 파쇄작업이 필요없도록 함과 동시에 굴착면의 전방으로 자유면이 확보되도록 하는 것을 특징으로 하는 터널굴착시 진동저감과 굴진장증대를 위한 굴착방법을 제공한다.

삭제

상기와 같이 구성된 본 발명은 무장약공 주변에 네오 스무스 블라스팅(Neo-Smooth blasting)을 적용하고 소구경폭약 또는 정밀폭약을 사용함으로써, 디커플링효과를 최대한 이용하여 무장약공 주변에서 발파진동을 최대한 억제함과 동시에 굴착면 전방으로 파쇄된 암석을 밀어내어 자유면이 확보되도록 할 수 있는 효과가 있다.

그뿐만 아니라 본 발명은 장약공내 폭약의 위력을 인공적으로 약화시켜 천공경/약경의 비, 즉, 디커플링계수를 달리할 경우 발생하는 지반 진동의 크기를 계측, 비교하여 그 영향을 정력적으로 평가하여 새로운 발파공법이 개발될 수 있도록 하는 것이다.

도 1은 본 발명의 보링공 작용원리를 설명하기 위한 개념도.
도 1a는 본 발명에 따른 선대구경을 나타낸 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 균열유도공을 확대하여 설명하기 위한 확대도이다.
도 2a는 본 발명에 따른 무장약공에 혼합장약을 장착한 상태를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명에 따른 디커플링효과를 사용하기 위한 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 디커플링 계수를 나타낸 그래프이다.
도 5은 본 발명에 따른 계측기의 설치 현황 및 측점위취를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 D.L별로 회귀분석하여 최대진동속도와 환산거리를 나타낸 도면이다.
도 7는 본 발명에 따른 진동치를 나타낸 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 터널굴착시 진동저감과 굴진장증대를 위한 굴착방법은 무장약공(100)의 외측으로 심발확대공(200)과, 균열유도공(300)과, 상부발파공(400), 하부발파공(500) 및 주변공(600)을 형성하여 폭약을 장전한 후, 무장약공(100)의 주변에 네오 스무스 블라시팅(Neo-Smooth blasting)을 적용함과 동시에 발파의 최소저항선이 무장약공 크기의 1.5d 정도 되게 하여 암반에 균열형성으로 인한 파쇄가 이루어지면서 전방으로 자유면이 형성되게 하여 2차적인 파쇄작업이 필요없도록 구성한 것이다.

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상기와 같은 본 발명의 구성을 도면을 참조하여 보다 구체적으로 설명하고자 한다.

터널의 막장면을 형성하는 암석은 인장력에 대해 제일 약하고, 그 다음으로 전단력에 대해 약하며, 압축력에 대하여는 가장 강하다.

막장면에 대구경의 무장약공(100)을 형성하고 발파하는 경우, 무장약공(100)의 주위에 자유면이 형성되는데, 자유면의 상부 암석은 자유면 방향(중령방향)을 향하여 인장력(중력)을 받게 되므로, 작은 발파력(적은 장약량)에 의해서도 쉽게 발파가 이루어진다.

따라서 본 발명은 터널의 바닥면의 상부 0.3~1.7m 높이(종래에 비해 낮은 위치)에 막장면 전방을 향하여 대구경의 지름이 350~950mm의 무장약공(100)을 형성하고, 그 주위에 심발확대공(200)과, 균열유도공(300)과, 상부발파공(400)과 하부발파공(500) 및 주변공(600)을 형성하여 발파하는 것을 특징으로 한다.

여기서 무장약공(100)의 0.3~1.7m 높이는 현실적인 장비의 규모, 중량 등을 고려하였을 때, 대구경의 무장약공(100) 형성은 가장 낮은 위치인 것으로 나타났다.

따라서 무장약공(100)의 직경은 장비의 규모, 중량등을 고려하였을 때, 250~1000mm인 것이 가장 바람직하다.

또한, 무장약공(100)은 장비를 통해 50~70m 깊이로 한번에 천공하여, 1스트로크(1회발파)씩 발파때마다 무장약공(100)을 매번 천공해야하는 번거로움이 해소되며, 무장약공(100)에 의해 자유면이 형성되어 무장약공(100)의 주변 장약들이 발파시 발파효율이 증대되어 굴진장을 증대시키며 큰 진동의 발생을 방지하여 도심지의 지하 터널발파 작업에 안정적인 특징이 있다.

그 뿐만 아니라 상기 무장약공(100)은 굴착 예정구간의 암반상태를 무인 탐사장비 등을 이용하여 미리 확인할 수도 있어 굴착작업시 발생할 수 있는 문제점을 사전에 예방할 수 있고, 암반내에 존재하는 지하수를 무장약공(100)을 통해 배수시켜 터널 내 전기, 전력사용의 용이성 및 전기뇌관의 사용이 지하수에 의한 전류의 위험성을 감소시켜주는 특징이 있다.

또한, 무장약공(100)은 터널발파시 1자유면의 발파를 2자유면 이상의 발파로 변환시키기 위한 기계적인 공법으로 천공하는 것으로, 터널에서 심발발파를 하지않고 주변의 확대공 발파의 형태로 변환시키는 공법이다.

그 결과 굴진장을 길게 할 수 있고 지반용수가 많을 경우 배수구의 형태로 사용가능한 것이다.

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그리고 도면상에는 본 발명의 무장약공(100)이 1공으로만 천공되어 도시되어 있지만, 무장약공(100)은 필요에 따라 막장면에 간격을 두고 수평하게 복수개가 천공될 수 있는 것으로, 무장약공(100)을 1공 천공시에는 진동이 20~30% 감소되고, 2공 천공시에는 진동이 40%, 3공 천공시에는 진동이 50% 감소되는 효과를 얻을 수 있다.

상기와 같이 막장면의 전방을 향하여 천공된 무장약공(100)의 외측으로는 도1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 폭약이 주변공으로 연속해서 발파되게 무장약공(100)의 외측으로 심발확대공(200), 심발확대공(200)의 좌, 우측으로 균열유동공(300), 심발확대공(200)의 상부와 하부에 상부발파공(400)과 하부발파공(500) 및 하부발파공(500)의 양측으로 주변공(600)을 형성하고, 심발확대공(200)은 주변 암반의 구속력이 약화된 상태에 있게 하는 무장약공(100)의 자유면에 의해 암반을 용이하게 굴착할 수 있게 되며, 균열유도공(300)은 또한 심발확대공(200)의 선 발파를 통해 형성된 자유면으로 인해 주변 암반의 구속력이 약화된 상태이므로 균열유도공(300)의 암반을 용이하게 굴착하며, 상부발파공(400)과 하부발파공(500) 및 주변공(600) 또한 균열유도공(300)의 선 발파를 통해 형성된 자유면을 이용하여 발파되므로 암반을 용이하게 굴착할 수 있도록 형성된 구조이다.

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그리고 상기 심발확대공(200), 균열유도공(300), 상부발파공(400)과 하부발파공(500) 및 주변공(600) 순으로 순차적으로 발파되되, 상기 상부발파공(400)은 무장약공(100)의 왼쪽부터 무장약공(100)의 둘레를 따라 시계방향으로 각각 순차적으로 1번 발파공, 2번 발파공, 3번 발파공, 4번 발파공, 5번 발파공으로 형성되게 원형을 이루게하여 다수개의 폭약이 순차적으로 발파되도록 한다.

또한, 심발확대공(200)을 무장약공 주변의 내측에서 외측으로 다이아몬드형, 사각형, 다이아몬드형의 1, 2, 3사각형공으로 형성하여 순차적으로 발파되도록 하는 것은 각 발파공을 선 발파된 발파공에 의해 형성된 전방으로 자유면을 이용하면서 발파되어 발파시 진동과, 소음 발생을 최소한으로 억제할 수 있는 것이고, 또 무장약공(100) 주변에 네오 스무스 블라스팅(Neo-Smooth blasting)을 적용하여 발파할 때 무장약공(100) 주변에 소구경폭약 또는 정밀폭약을 사용함으로써 디커플링효과를 발생하게 된다.

이때 상기 무장양공(100)의 주변에는 혼합장약을 설치하게 되는데, 혼합장약은 약경이 다른 폭약을 혼합하여 배치함으로써, 디커플링효과를 발생하 수 있게 된다. 즉, 혼합장약은 하부에 지름이 큰 32mm폭약을 배치하고, 상부에 지름이 작은 25mm폭약을 배치하여 구성한 것이다.

이와 같이 디커플링 효과를 최대한 이용하여 무장약공(100)에서 발파진동을 최대한 억제하고 1열에서 공구 입구까지 발파하여 2열 이후의 암석이 전방면으로 빠져나올 수 있는 공간을 확보하기 위함이다. 그 결과 2자유면 이상의 발파가 가능해지게 되는 원리이다.

이때 사용하는 소구경폭약 또는 정밀폭약은 벌크에멀젼 폭약 또는 에멀전 폭약을 사용하면 된다. 또한, 굴진장증대(장공발파)를 적용하기 때문에 공기를 단출할 수 있고, 공사비를 절감할 수 있게 되는 것이다.

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그리고 본 발명에서 무장약공 주변에 정밀폭약을 사용하는 큰 이유는 네오디커플링효과를 최대한 이용하여 무장약공 주변에서의 발파진동을 최대한 억제하고 자유면을 형성하기 위한 것으로, 이에 대한 실시예를 하기에서 구체적으로 설명하고자 한다.

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본 발명에서는 폭약의 폭력을 조정하는 방법으로 장약시 압입시켜 장약밀도를 높이는 경우가 있고, 이와 반대로 장약밀도를 적게하는 경우가 있다. 후자의 경우 공경과 약경 사이에 도 3과 같이 공간을 유지하면, 폭약의 폭력은 공간에 존재한 공기로 인해 완충작용을 일으켜 폭력이 저하된 상태에서 암석에 전달된다.

일반적으로 폭약이 폭발할 때

는 수학식 1로 주어진다.

이 폭굉압력 P_D는 폭약과 접하고 있는 매질에 전달되지만, 디커플링 이용에 의한 발파의 경우는 매질이 공기이다. 지금 공기의 밀도 ρa, 공기 충격파(P파)의 전파속도 Ca로 하면 폭약과 공기와의 경계면에 있어서 발생하는 최고압력 Pa는 수학식 2로 주어진다.

수학시 1과 수학식 2를 쓰고 실제 경우의 계산 예를 제시해 보면 폭약으로 2호 kiri dynamite(ρe=1.4g/cm3, υe=650000cm/sec)를 사용한다고 하면 P_D=1.55X105(kg/cm2)이 된다. 지금 공기를 매질로 생각한 경우 ρa=0.0012, Ca=340m/sec로 하여 Pa=12.90(kgf/cm2)이 된다. 즉, Pa는 약1/1100이 되어 대폭 압력감소를 나타낸다. 이것은 완충재로서의 공기의 층이 얼마나 벽면 손상방호에 효과적인가를 나타내는 수치이다.

한편, 폭약이 장약공 내에서 폭발할 때, 장약공 내에 작용하는 가스압력 Ps은 Abel-Noble 상태방정식으로부터 다음식으로 주어진다.

여기서,

Ps : 장약공에 작용하는 폭발가스압력(kgf/cm2)

f : 화약력(1·kgf/cm2/kg)

L : 폭약장량(kg)

V : 장약의 체적(I)

a : 폭약의 코볼륨

이때 폭약의 코볼륨(covolume) a는

로 주어진다.

상기 수학식 3에서 Ps은 당연히 장약실과 폭약체적의 비율이 클수록 작게 되며, 이에 따라 장약 공벽에 가해지는 힘도 약하게 된다.

즉, 장약실 체적과 폭약 체적의 비율을 변화시킴으로써 장약공벽에 작용하는 가스압력을 쉽게 제어할 수 있다.

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그리고 본 발명에 따른 시험구역인 서울시 중구 신당 4동 40-127번지 일대의 지형, 지질 및 암반의 특성을 살펴보면, 터파기 면상에 나타낸 절리는 수직절리 및 불규칙저리가 발달되어 있며 이들 절리면에는 간혹 지하수 유동흔적이 인지되며, 엷은 점토막이 협재되어 있으나 터파기 면상의 전반적인 암질은 신선하며 대괴를 보이고 있다. 본 지역 암반에 발달된 대표적인 절리의 주향과 경사는 N65~70E, 85~90NW이다.

한편, 공사장에서 괴상의 암석을 채취한 후 실험실에서 일축압축시험, 간접인장시험, 삼축압축시험을 실시하여 암석의 역학적 특성을 알아보았는데 그 결과는 표 1과 같다. 일축압축강도는 이미 균열이 존재하였던 N0.1과 NO.2시추공의 시료를 제외하면 1014~1105kgf/cm2의 값을 나타내었는데 이 직역의 암석이 평균 5~7m 심도 이하에서는 보통암 이상으로 판단되었다. 겉보기 밀도는 2.54~2.57gr/cm3, 공극율 0.375~0.627%로 측정되었으며, 간접인장시험을 통하여 얻은 인장강도는 일축압축강도의 4.7~5.7%에 해당하는 30~59kgf/cm2의 값을 보였다.

탄성계수는 (1.0~6.547)X105 kgf/cm2, 포아송비는0.1555~0.481의 값을 보이며 탄성파 속도는 P파가 1455~2186cm/sec, S파가 849~1270cm/sec로 구해졌다. 삼축압축실험결과를 통해 구해진 점착력은 102kgf/cm2, 내부마찰각은 59°이었다. 따라서 이들 결과를 종합해보면 굴착대상 암반은 등급분류상 보통암에 속하는 것으로 판단된다.

이와 같은 조건하에서 디커플링 효과에 대한 실험방법을 살펴보면, 실내실험결과 도 4에서 보는 바와 같이, 디커플링 계수가 커질수록 폭속 및 공벽에 작용하는 응력의 감소가 일어남을 알 수 있다. 폭속과 응력의 감소는 이론적으로 진동의 감소를 의미한다. 따라서 본 발명에서는 진동제어를 위하여 적절한 디커플링 계수를 설정하고, 그 값에 따라 진동의 크기가 어떻게 변하는가를 현지 발파를 통하여 확인하기로 하였다.

진동제어발파는 주로 시가지에서 이루어지는 점을 감안 할 때 폭약을 다소 제한적으로 선택 사용였고, 천공경은 실제 현장에서 주로 사용하고 있는 천공장비의 성능을 고려하여 45mm와 75mm로 국한 하였다. 때때로 현장에 따라서 디커플링 효과를 이용한 발파를 비교하기 위해서는 동일조건을 유지하여야 함으로 본 발명에서는 제외하기로 한다.

사용폭약은 충분한 디커플링 효과를 얻기 위해 다짐작용이 이루어지지 않도록 전색필름을 이용하였으며, 장약시에는 이를 충분히 고려하여 실시하였다.

표 2는 본 발명의 수행을 위하여 설정한 D.L값이며 앞에서 설명한 바와 같이 현장의 시공성을 고려하였다.

장약공내의 디커플링계수가 발파진동의 크기에 미치는 영향을 검토하기 위해 표 2와 같이 설정된 D.L 값을 기준하여 발파패턴을 설계하였는데 이것은 2단계로 나누어 발파를 실시하였다. 첫째는 진동의 영향은 고려하지 않고 단순히 암반에 균열을 형성시키는데 필요한 장약량과 적정 공 간격을 설정하기 위함이면, 둘째는 이 발파의 결과에 따라 적절한 공간격을 설정한 다음 진동의 크기 및 암반 파쇄정도에 미치는 영향을 검토할 목적으로 발파를 실시 하였다.

첫 단계의 발파 패턴은 천공장 2.7m, 천공경 45mm, 75mm, 천공간격 0.5m, 공당 장약량은 0.75kg, 약경은 2종류로 각각 25mm 및 32mm를 기준하여 장약한 다음, 1회에 1공씩 기폭시켜 각 D.L별로 3회씩 총 12회 실시하였다.

두번째 단계에서는 첫단계의 발파 결과를 종합 분석하여 천공간격을 조정하였다. 천공장과 공당 장약량은 각각 2.7m 및 0.75kg로 고정하였고, 천공간격은 천공경과 약경에 따라 표 3과 같이 변화시켰다.

이 경우 각 D.L별로 지발뇌관을 사용하여 1회에 3공씩 4회 발파를 실시하였는데 이때 매 발파시마다 4대의 진동계측기로 발파 진동을 계측하였다.

시험발파에 사용된 폭약의 종류는 벌크에멀젼폭약을 사용하였다.

본 발명에 사용한 발파진동기는 Instantal사 DS-477, DS-677 기종으로 주파수의 범위가 5~200Hz 사이의 진동을 계측하고 동시에 폭굉압을 측정할 수 있는 계측장비이다.

측정방법은 각 진동계의 특성상 약간의 오차가 있으므로 동일 조건에서 비교실험을 통해 보정한 수치를 사용하였다.

도 5는 시험발파시 계측기의 설치 현황 및 측정 위치를 보연 도면이다.

반면에 좁은 공간에서 천공, 암반파쇄, 적재 및 차량운행 등 다수의 중장비가 가동되는 현장 여건상 소음 즉 발파풍압(air blast)의 크기를 계측, 비교하기는 어려워 이에 관한 검토는 제외하였다.

이와 같이 D.L값을 각각 14, 1.80, 2.34, 3.00 등 4단계로 구분하고 폭원과 측점간의 거리를 15.0m에서 54m까지 여러 가지로 변환시킨 조건에서 계측된 진동치의 크기는 표 4와 같다.

표 5의 결과를 각 D.L별로 회귀분석하여 최대진동속도와 환산거리로 나타낸 예를 들면 도 6과 같다. 일반적으로 폭원과 계측점간의 거리가 짧을 수로 회귀분석기 상관계수(r)가 낮은 경향을 보인다. 그러나 본 발명의 분석결과 그 값이 0.788에서 0.891 사이에 있음을 볼 때 암반의 특성을 고려하면 비교적 좋은 결과를 보여준다고 하겠다.

이때 구해진 진동추정식에서 각각의 진동상수 K, n값을 요약하면 표 6과 같다. 단 여기서 진동상수는 자승근 환산식을 기준한 것이다.

한편 이들의 상대적인 진동치의 크기를 비교해 보기로 한다. 표 5에서 각 D.L별 진동 추정식을 살펴보면 n값이 약 1.81로서 거의 같게 나타나므로 K값으로 그 상대적인 진동치의 크기를 비교해 볼 수 있는데 이를 표시하면 표 6과 같으며 이를 도시하면 도 7과 같다.

즉, 도 9에서 D.L값의 변화에 따라 진동상수가 K값은 수학식 5와 같이 함수적으로 감소할 수 있다.

상기 표 7의 값을 비교해 보면, 잔동치의 크기는 D.L값이 커질수록 약 12~60%작게 나타남을 확인할 수 있다.

이와 같이 본 발명은 도심지에서 실시 하였기 때문에 패쇄암의 비산이 없도록 제어하였다. 즉, 일반발파는 파쇄암의 비산이 수반되는데 여기서는 선행 이완발파를 목적으로 한 것이다.

따라서 발파의 목적은 암반내 균열만을 형성시킨 것으로, 다음 단계에서 브레이커로 제거하게 된다.

따라서 종래 발파와 같이 파쇄암의 크기를 산출하여 정량적으로 평가하기는 어려웠다, 다만, 지표에서 균열형성 상태와 브레이커로 암반을 제거하면서 관찰한 균열상태를 기준하여 평가하기로 한다.

최소정항선이 0.7m일때 천공경이 각각 75mm, 45mm일대는 암반에 균열형성은 물론 상당한 파쇄가 이루어졌다.

이때 형성된 공구부분의 선행균열을 살펴보면 D.L값이 클수록 진동치가 감소딤에도 불구하고 균열의 형태는 거의 같게 나타났다.

공구부분의 발파상황을 확인한 후 마지막으로 브레이커를 이용하여 선행균열된 파쇄암을 제거한 후 공저부분의 피새상을 확인해 보았으나 브레이커 작업시 파쇄된 암편들이 겹쳐 정확히 확인할 수는 없었다.

그러나 파쇄상황을 언급해 본다면 브레이커를 이용한 작업에 차이가 없는 것으로 판단되었다.

현지 암반에는 균열의 발달 상태와 그 정도, 조암광물의 차이 등 지질적 여건이 실험실 내 모형실험에 비하여 상당한 차이를 보이기 마련이다.

그러나 본 발명에서 얻어진 진동의 감소경향은 대체로 시멘트 모르타르를 대상으로 한 모형 실험과 유사한 경향이 보인 것으로 확인 하였다.

이와 같이 현장실험에서 D.L값을 1.41, 1.80, 2.34 및 3.00으로 설정하고 각각의 경우 수차례 선행 이완발파를 실시하였다. 이때 각각의 경우 진동의 크기를 측정하고 그 결과를 회귀분석하여 얻은 진동 추정식으로부터 상대적인 진동치의 크기를 분석한 결과 D.L값 1.41에 비하여 각각 0.880, 0.474, 0.405fhtj 대첼 지수함수적으로 감소하는 경향을 보인다.

그리고 암반의 파쇄상황은 최소저항선이 0.7m이고, 천공경이 각각 75mm, 45mm일때는 암반에 균열형성은 물론 상당한 파쇄가 이루어져 2차적인 파쇄작업이 없음을 확인하였다.

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이상에서 본 발명에 대한 기술 사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

100. 무장약공 200. 심발확대공
300. 균열유도공 400. 상부발파공
500. 하부발파공 600. 주변공

Claims

터널 바닥면의 상부 0.3~1.7m 높이에서, 막장면 전방을 향하여 대구경의 보링공을 50~70m 깊이로 천공하는 무장약공(100)을 형성하는 단계;
상기 무장약공(100)의 외측으로 심발확대공(200)과, 상기 심발확대공(200)의 좌우 외측으로 균열유도공(300)과, 심발확대공(200)의 상부의 왼쪽에서부터 시계방향으로 5~9구획으로 구분된 상부발파공(400)과, 심발확대공(200)의 하부로 형성된 하부발파공(500) 및 하부발파공(500)의 양측으로 2구획으로 구분되게 주변공(600)을 형성하여 소구경폭약 또는 정밀폭약 을 장전하고, 암반의 파쇄상황은 최소저항선이 0.7m로 하고, 천공경을 각각 75mm 또는 45mm로 하여 암반에 균열형성으로 인한 파쇄가 이루어지도록 발파하는 발파단계;를 포함하는 굴착방법에 있어서,
상기 무장약공(100)을 중심으로 좌,우,상,하로 연속해서 발파할 때, 발파 매질은 공기이고, 발파의 폭발압력이 일반적으로 1×10⁴cm/m²의 디커플링효과를 적용할 경우 1×10³cm/m² 로 저감시켜 발파진동 및 소음의 감소 효과를 볼 수 있으며 무장약공 대구경 주변의 첫 번째 사각형의 암괴를 작은 사이즈로 파쇄하여 배출할 수 있게 형성하고,
상기 무작약공(100)의 주변에 네오 스무스 블라스팅(Neo-Smooth blasting)을 적용하여 발파하되, 무작약공(100)의 주변에 설치되는 혼합장약은 하부에 지름이 큰 32mm폭약을 배치하고, 상부에 지름이 작은 25mm폭약이 배치되게 형성하고,
상기 심발확대공(200)은 1, 2, 3사각형공을 형성하여 발파되게 하고, 발파공(500)과 대구경 무장약공(100) 사이의 거리를 깨끗하게 발파하여 열릴 수 있도록 대구경 지름의 1.5배인 375~1500mm의 저항선을 형성하여, 암반에 균열형성으로 인한 파쇄가 이루어져 2차적인 파쇄작업이 필요없도록 함과 동시에 굴착면의 전방으로 자유면이 확보되도록 하는 것을 특징으로 하는 터널굴착시 진동저감과 굴진장증대를 위한 굴착방법.
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