KR20120034545A - 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조에 관한 것으로, 굴착부분의 굴착설계선을 따라 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시키는 일련의 연속된 자유면을 형성해 발파 진동을 억제함과 동시에 자유면 형성에 따른 굴착단면적에 최소화하는 발파패턴을 보임으로써 장약 수가 최소화로 감소함에 따라 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시켜 보다 안전하고 친환경적인 발파구성이 가능한 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조에 관한 것이다.
이를 위한 본 발명의 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조는, 굴착단면에 터널의 굴착설계선의 형상을 따라 소정의 공간으로 파쇄된 암반 공간 사이에 워터젯 노즐에 의한 고압의 물을 분사로 굴착설계선의 형상을 따라 형성된 자유면과; 상기 굴착단면에 다수개 등간격으로 천공을 이루어 장약이 장착되는 발파공과; 상기 발파공이 굴착단면 내에서 굴착선공을 제외한 내측에 다수의 천공이 소정의 패턴으로 형성되는 발파패턴;으로 구성된다.

Description

터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조{Blasting structure that have blasting pattern that minimize tunnel blasting perforation}

본 발명은 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 굴착부분의 굴착설계선을 따라 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시키는 일련의 연속된 자유면을 형성해 발파 진동을 억제함과 동시에 자유면 형성에 따른 굴착단면적에 최소화하는 발파공으로 형성되는 발파패턴을 보임으로써 장약 수가 최소화로 감소함에 따라 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시켜 보다 안전하고 친환경적인 발파구성이 가능한 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조에 관한 것이다.

도심지에서 경제 발전은 거대 도시를 구축하고, 거대 도시의 발전은 도심의 효율적 활용을 위해 지하공간 건설을 증가시킨다.

더욱이 우리나라와 같이 좁은 국토를 가진 국가들에서는 교통의 효율적인 활용을 위해 도심지 내 지하철이나 터널을 많이 구축하고 있다.

건설 및 토목공사, 특히 지하 터널굴착에는 폭약을 이용한 발파공정이 빈번하게 이루어지고 있다.

여기서, 발파공정은 폭약의 폭발력을 이용하여 압축응력을 발생시키고 자유면을 만나면 압축응력은 인장응력으로 변화게 된다.

이때 자유면에서 반사된 인장응력에 의하여 암석이 파괴된다. 발파패턴은 인장응력으로 유도하기 위한 자유면의 위치와 크기에 따라 결정된다.

터널 발파시 자유면이 존재하지 않기 때문에 본 발파 이전에 심발공 발파를 통해서 자유면을 형성한 후 발파를 실시한다.

한편, 자유면이 없는 구성에 의해 터널굴착을 위하여 터널의 굴착설계선을 따라서 소정의 간격으로 천공된 굴착선공과 상기 굴착선공의 내 측으로 굴착선공과 소정의 거리, 즉 최소저항선을 띄우고 천공된 전열공과 상기 전열공의 내측으로 다수개의 중앙부 발파천공을 천공하고, 천공된 장약천공 마다에 장약을 설치하여 장약수 증가 따라 비례적으로 장약 소비와 많은 장약 장착에 충격, 진동 및 소음의 전달이 증가하게 된다.

이렇게, 장약천공과 비례적으로 장약 수의 증가에 따라 발파시 필연적으로 발생하는 진동과 소음이 지표면으로 전파되어 건물이나 각종 구조물에 좋지 않은 영향을 미친다.

부연하면, 발파공정에서 폭원으로부터 전파되는 충격파는 거리에 따라 현저하게 감쇄하지만 이때 발생하는 에너지의 일부는 탄성파의 형태로 전파되면서 지반의 진동(발파 진동, blast vibration)을 야기한다.

만약 폭원과 비교적 근접한 거리에 건물이나 지하철 시설물이 있는 경우에는 심각한 문제로 확대될 개연성이 있다.

상술한 발파 구조에 따른 위한 선행기술들을 살펴보면 다음과 같다. 대한민국 등록특허 제0599982호 터널 발파공법은 터널 외곽부와 이격되어 천공된 대구경의 무장약공, 이들 무장약공 사이에 배치되도록 천공된 균열유도공, 무장약공의 내측으로 천공된 다수의 확대공들을 이용한 기술을 개시하고 있다.

상기 선행기술은 터널진행 방향으로 천공된 복수개의 구멍을 터널 외곽부에 모두 형성하며, 실제 시공시 천공구가 증가하는 문제점이 있고, 126개의 많은 천공 수에 비례적으로 증가하는 장약을 통해 발파 위험성과 충격, 진동 및 소음의 증가하는 문제점이 있다.

여기서, 일반적인 발파패턴의 설계는 도 1과 같다.

설계 도면 1은 굴착단면상에 표현된 발파패턴으로서 그림에서 직선은 단면에 투영된 천공방향을 가리킨다. 일반적인 발파설계시 2등급 암반의 경우 실린더컷을 적용하는 경우가 많으나, 실제 시공시 최외곽 굴착선공(2)을 포함한 천공(30) 수가 증가하는 문제가 있고, 작업자의 숙련도가 충분하지 않은 경우가 있어서 V-Cut으로 전환하여 발파하는 경우가 많다.

따라서, 이 검토에서는 심발방법을 V-Cut으로 하고, 굴진율을 비교적 낮게 적용하였다.

실제 시공시 암반조건 및 현장 상황에 따라 발파공수는 증가 또는 감소될 수는 있으나 설계 결과 천공(30) 수가 132개 천공으로 산정되었다.

상기한 종래 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 굴착부분의 굴착설계선을 따라 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시키는 일련의 연속된 자유면을 형성해 발파 진동을 억제함과 동시에 자유면 형성에 따른 굴착단면적에 최소화하는 발파공으로 형성되는 발파패턴을 보임으로써 장약 수가 최소화하는 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조를 제공함에 있다.

아울러, 굴착단면에 발파패턴을 이용하여 굴착 과정에서 발생하는 발파에 의한 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시킴과 동시에 발파효율을 극대화하는 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조를 제공함에 있다.

또한, 굴착단면에 최소화된 발파공과 비례적으로 감소하는 장약 설치로 보다 경제적인 발파구성이 가능한 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조를 제공함에 있다.

아울러, 본 발명의 또 다른 목적은 장약 사용량을 줄여 보다 안전하고 친환경적인 발파공정이 가능한 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조는, 굴착단면에 터널의 굴착설계선의 형상을 따라 소정의 공간으로 파쇄된 암반 공간 사이에 워터젯 노즐에 의한 고압의 물을 분사로 굴착설계선의 형상을 따라 형성된 자유면과; 상기 굴착단면에 다수개 등간격으로 천공을 이루어 장약이 장착되는 발파공과; 상기 발파공이 굴착단면 내에서 굴착선공을 제외한 내측에 다수의 천공이 소정의 패턴으로 형성되는 발파패턴;으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 발파패턴은, 굴착설계선을 따라 형성된 자유면에 의해 발파공과 장약이 굴착단면에 최소화로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 발파패턴에 따른 발파천공 수는 암반등급에 따라 발파공의 등간격을 다르게 유지하되, 발파공의 수는 88개 내외로 천공되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 발파패턴에 따라 자유면에서 근접한 발파공에 장착된 장약을 발파하는 순서로 발파하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 굴착부분의 굴착설계선을 따라 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시키는 일련의 연속된 자유면을 형성해 발파 진동을 억제함과 동시에 자유면 형성에 따른 굴착단면적에 최소화하는 발파공으로 비례적으로 장약 수가 최소화로 감소함에 따라 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시켜 보다 안전하고 친환경적인 발파공정이 가능한 효과가 있다.

따라서 최소의 공사 시간과 비용으로 발파 효율을 극대화시킬 수 있다.

도 1은 종래의 자유면이 없는 굴착단면상에 표현된 발파패턴을 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조의 일실시형태에 따른 터널굴착 자유면 형성 구성도.
도 3은 도 2의 워터젯 노즐 구성에 따른 자유면을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조의 자유면이 형성된 굴착단면상에 표현된 발파패턴을 도시한 도면.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

굴착단면에 터널의 굴착설계선의 형상을 따라 소정의 공간으로 파쇄된 암반 공간 사이에 워터젯 노즐에 의한 고압의 물을 분사로 굴착설계선의 형상을 따라 형성된 자유면과;

상기 굴착단면에 다수개로 등간격으로 천공을 이루어 장약이 장착되는 발파공과;

상기 발파공이 굴착단면 내에서 굴착선공을 제외한 내측에 다수의 천공이 소정의 패턴으로 형성되는 발파패턴;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조를 제공함으로써 달성하였다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의하여 상세하게 설명한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명에 따른 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조의 일실시형태에 따른 터널굴착 자유면 형성 구성도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴은 굴착부분의 굴착설계선(20)을 따라 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시키는 일련의 연속된 자유면(100)을 형성해 발파 진동을 억제함과 동시에 자유면(100) 형성에 따른 굴착단면(10) 적에 최소화하는 발파패턴을 보임으로써 장약 수가 최소화로 감소함에 따라 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시켜 보다 안전하고 친환경적인 발파공정이 가능한 것이다.

아울러, 발파 대상 영역이 되는 터널의 굴착단면(10)은 종단면 형태와 유사한 아치형이다.

이러한, 굴착단면(10)에 터널의 굴착설계선(20)의 형상을 따라 소정의 공간으로 파쇄된 암반 공간 사이에 워터젯 노즐(130)에 의한 고압의 물을 분사로 굴착설계선(20)의 형상을 따라 자유면(100)이 형성된다.

도 2 내지 도 4을 참조하면, 본 발명에 따른 워터젯을 이용한 자유면(100) 형성하기 위한 구성은 프레임(110), 이동부(120), 워터젯 노즐(130) 및 제어장치(140)를 포함한다.

상기와 같은 구성으로 이루어진 워터젯을 이용한 자유면(100) 형성하기 위한 각 구성간의 결합관계를 설명하면 다음과 같다.

우선, 프레임(110)은 워터젯 노즐(130)을 지지하는 구성요소로서, 굴착방향으로 전후이동 가능하다. 도 2에서 상기 프레임(110)은 아치형으로 예시되어 있으나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

보다 구체적으로 프레임(110)은 발파 대상영역의 전면(1)에 배치된다. 프레임(110)은 도면과 같이 터널의 종단면 형태와 유사한 아치형이며, 터널굴착 방향을 따라 이동 가능하다. 프레임(110) 상부에는 레일(112)이 구비되어 있다. 레일(112)에는 이동수단(120)이 이동가능하게 계합된다. 이동수단(120)은 제어장치(140)의 제어 하에 레일(112)을 따라 왕복 순회된다.

상기 이동수단(120)의 이동 대상체는 워터젯 노즐(130)이다. 워터젯 노즐(130)은 발파 대상영역의 전면(1)을 향해 고압의 물을 분사한다. 이 고압의 물은 미도시된 물 공급장치에 의해 공급된다. 본 발명은 워터젯 노즐(130)로부터 분사되는 물을 통해 발파 대상영역을 분쇄(혹은 파쇄)하는데, 그 성능향상을 위해 연마제를 병용할 수 있다. 연마제는 모래 등의 입자이며 미도시된 연마제 공급장치를 통해 워터젯 노즐(130)로 공급된다. 따라서 워터젯 노즐(130)에서는 물과 이 물에 의해 가속된 연마제가 발파 대상영역으로 분사된다. 워터젯 노즐(130)을 통해 분사되는 물의 압력과 연마제의 투입량은 제어장치(140)에 의해 조절 가능하다. 상술한 워터젯 노즐(130)은 이동수단(120)에 고정지지되어 있으므로 레일(112)을 따라 왕복 순회한다.

상기 워터젯 노즐(130)은 이동수단(120)을 통해 이동가능하며 복수개가 사용될 수도 있다.

상기 워터젯 노즐(130)은 워터젯에서 분사되는 물의 파괴력을 지반에 충분히 전달하기 위해서 워터젯 노즐(130)의 일부가 회전가능하도록 회전부분을 구성할 수 있다.

한편, 제어장치(140)는 이동수단(120)의 이동속도, 워터젯 노즐(130)의 회전부분의 회전속도 및 워터젯 노즐(130)에서 분사되는 물의 압력 및 방향을 제어한다. 이때, 워터젯 노즐(130)을 통해 분사되는 물에는 굴착의 효율성을 높이기 위해 연마제 등의 보조물질이 혼합될 수 있다.

아울러, 상기 워터젯 노즐(130)에 의해 형성되는 자유면(100) 내측으로 존재하는 굴착단면(10)에 정약이 장착될 수 있는 소정의 깊이를 가지면서 다수개로 구성되되 등간격으로 천공된 발파공(200)이 구성된다.

이때, 상기 발파공(200)은 굴착단면(10)에 터널의 굴착설계선(20)의 형상을 따라 형성된 자유면(100)을 제외한 굴착단면(10) 내측 공간으로 다수의 천공이 소정의 발파패턴으로 형성된다.

여기서, 상기 자유면(100)은 굴착단면(10)에 구성된 발파공(200)에 비례적으로 장착된 장약의 발파에 의한 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시키게 된다.

상기 굴착설계선(20)에 형성된 자유면(100) 존재에 의해 굴착설계선(20)에 발파공(200)이 제외되고, 제외되는 발파공(200)이 발파패턴에 따라 최소화로 구성할 수 있어 발파공(200)과 장약이 굴착단면(10)에 최소화로 구성된다.

여기서, 상기 굴착설계선(20)을 따라 형성된 자유면(100)의 공간이 굴착공간에서 이미 절단된 상태이므로 발파패턴 설계시 최외각공 주변의 암반을 보호하기 위해 설치되는 기존 발파구조에 기반이 되는 최외곽 전열공이 필요없는 것이다.

이같이 본 발명에서의 발파구조는 굴착부분의 굴착설계선(20)을 따라 일련의 연속된 자유면(100)을 형성해 발파 진동을 억제함과 동시에 발파공(200) 수와 장약 량을 최소화하는 발파 패턴을 기반으로 한다.

한편, 일예로, 굴착단면(10)에 형성된 발파공은 폭은 3 inch로 가정한다.

발파패턴의 설계는 도 4와 같다. 굴착단면(10)에 3 inch의 발파공(200)이 있는 경우 자유면(100)으로 절단된 공간을 형성한 상태이므로 발파패턴 설계시 최외곽공 주변의 암반을 보호하기 위해 설치되는 최외곽 굴착선공(2)이 필요없게 된다.

또한, 전열공의 공간격과 저항선을 확대공의 저항선과 공간격 만큼 확대할 수 있으며, 확대공과 같은 장약을 사용하여 확대공으로 발파하는 것이 가능하다.

이에 따른 발파패턴은 일반 발파패턴의 천공수가 132공 이었으나, 본 발파패턴의 발파공(200) 수는 한정된 88공으로 44공 감소되었으며, 비장약량은 0.1898kg/m3, 비천공장은 0.6397m/m3 감소되었다.

이같이, 상기 발파패턴에 따른 발파천공 수는 암반등급에 따라 발파공(200)의 등간격을 다르게 유지하되, 발파공(200)의 수는 88개 내외로 한정 천공될 수 있는 것이다.

이때, 상기 발파패턴에 따라 자유면(100)에서 근접한 발파공(200)에 장착된 장약을 발파하는 순서로 발파하여 자유면(100)이 장약의 발파에 의한 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시킨다.

이와 같이, 굴착부분의 굴착설계선(20)을 따라 자유면(100)을 형성하고 자유면(100) 내측으로 다수의 발파공(200)을 형성하여 이를 통해 발파 천공수의 감소와 장약 량 감소를 얻게 되는 효과가 있으며, 발파패턴이 단순화되어 작업자가 쉽게 작업이 가능하다.

아울러, 자유면(100) 형성에 따른 굴착단면(10) 적에 최소화하는 발파패턴을 보임으로써 장약 수가 최소화로 감소함에 따라 충격, 진동 및 소음의 전달을 감소시켜 보다 안전하고 친환경적인 발파공정이 가능하다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 청구범위의 균등 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

10:굴착단면 20:굴착설계면
100:자유면 110:프레임
112:레일 120:이동수단
130:워터젯 노즐 140:제어장치
200:발파공

Claims (4)

1. 굴착단면에 터널의 굴착설계선의 형상을 따라 소정의 공간으로 파쇄된 암반 공간 사이에 워터젯 노즐에 의한 고압의 물을 분사로 굴착설계선의 형상을 따라 형성된 자유면과;
   상기 굴착단면에 다수개 등간격으로 천공을 이루어 장약이 장착되는 발파공과;
   상기 발파공이 굴착단면 내에서 굴착선공을 제외한 내측에 다수의 천공이 소정의 패턴으로 형성되는 발파패턴;으로 구성되는 것을 특징으로 하는 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 발파패턴은,
   굴착설계선을 따라 형성된 자유면에 의해 발파공과 장약이 굴착단면에 최소화로 구성되는 것을 특징으로 하는 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 발파패턴에 따른 발파천공 수는 암반등급에 따라 발파공의 등간격을 다르게 유지하되, 발파공의 수는 88개 내외로 천공되는 것을 특징으로 하는 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 발파패턴에 따라 자유면에서 근접한 발파공에 장착된 장약을 발파하는 순서로 발파하는 것을 특징으로 하는 터널 발파 천공을 최소화하는 발파패턴을 가지는 발파구조.
   

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