< Previous기술강좌 시리즈 터널환경기술위원회 88 자연,터널 그리고 지하공간 <표 3> 외국의 발파진동 추정식Vol. 23, No. 2 89 터널발파 환경문제 3.4 발파진동의 규제연구와 진동 허용기준 발파진동의 크기를 표시하는 척도는 지반이 움직이는 정도를 나타내는 변위(mm), 지반의 움직이는 속도(mm/sec)와 가속도 (mm/sec2)의 세 가지가 있다. 유럽, 캐나다, 미국 등에서 수십 년간 행해진 일련의 연구를 종합하면 인체가 반응하는 정도는 가속도성 분에 따라 변하고, 지상이나 지하의 구조물이 받는 피해의 정도는 지반의 진동속도성분과 직접적인 연관이 있는 것으로 보고되었다. 3.4.1 외국의 허용기준 3.4.1.1 미국 1980년 미광무국(USBM)과 미국 내무부 노천광업청(OSM)의 구조물에 대한 발파진동 안전수준에서는 진동속도에 대한 주파수의 영향을 고려하여 주파수 40Hz와 30Hz를 기준으로 허용한계치를 제안하였으며, USBM RI 8507(Siskind et al., 1980)에서는 구조물 손상에 대한 지반진동 규제기준의 잣대로서 주파수대역별 PPV를 사용할 것을 최초 제안하였다. <그림 13> 미국 구조물 피해기준(USBM RI8507) 3.4.1.2 독일 1986년 개정된 DIN 4150(Structural Vibration in Buildings)part 3에서 진동피해와 관련하여 구조물을 각 형식별로 구분하고 기초 레벨과 최상층 레벨에서 측정된 속도값에 대하여 공진이나 피로 효과를 배제한 조건에서의 기준을 제시하고 있다. 독일의 경우 일반산 업건물 및 콘크리트 구조물에 대해서는 주파수의 변화에 따라 진동속도를 2~5cm/sec로 규제하고 있으며, 문화재의 경우는 0.3~1.0 cm/sec까지 제한하고 있다.기술강좌 시리즈 터널환경기술위원회 90 자연,터널 그리고 지하공간 <그림 14> 독일의 구조물 피해기준(DIN 4150) 3.4.1.3 스웨덴 스웨덴 표준은 건축물에 영향을 주는 발파진동의 수준을 결정하기 위한 것으로 세 성분의 진동속도 값을 계측하여야 하며, 건물의 기초지반에서 계측하도록 규정하고 있다. 1989년에 승인되고, 1991년 한차례의 개정을 거쳤다. 기준값 V는 다음 식과 같이 규정한다. × × × (5) 여기서, × 로 하며, 표 4와 그림 15에 의해 결정된다. 스웨덴 기준은, 식 (5)와 같이 건물의 크기 및 구조형식, 지반조건과 함께, 발파가 진행되는 공사종류, 발파시점과 측정부위까지의 거리 등 매우 다양한 사항을 변수로 하여 정해졌다고 할 수 있다. <표 4> 기준값 및 계수 <그림 15> 거리계수 FdVol. 23, No. 2 91 터널발파 환경문제 표 5는 스웨덴의 학자 Langefors 등이 암반위에 세워진 스톡홀름의 빌딩철거 과정에서 수많은 시험발파를 실시하여 구조물에 미치는 피해영향을 연구한 실험결과이다. 3.4.1.4 스위스 스위스의 경우 역시 주파수에 따라 허용기준치가 다른데 주파수 10~60Hz에서 역사적인 유물 또는 민감한 구조물의 경우에는 0.762cm/sec, 주파수 60~90Hz에서 역사적인 유 물 또는 민감한 구조물의 경우에는 0.762~1.27cm/sec로 허용기준을 정하고 있다. <표 6> 스위스의 구조물 피해기준 종별구조물의 종류주파수 범위(Hz) 입자속도(mm/sec) 1종 강구조 및 철근콘크리트 구조물 : 공장건물/옹벽구조물/교량/철탑/개수로 구조물(open channel) : 지하의 터널 및 지하 공동중 콘크리트 라이닝 처리 한 것, 또는 라이닝 없는 것 10~6030 60~9030~40 2종 기초벽(foundation vall)이 있고 콘크리트 슬래브(floor)콘크리트 또는 석조재 벽체로 축조된 건물 : 석조식 옹벽 : 느슨한 지층내관거 : 지하 터널 및 지하공동중석조재라이닝 처리한 것 10~6018 60~9018~25 3종석조재 벽체와 함께 목재 천장을 갖고 있는 건물 10~6012 60~9012~25 4종역사적 가치가 있는 구조물 및 기타 진동예민 구조물 10~608 60~908~12 3.4.1.5 각국의 건물에 대한 발파진동 허용기준 <표 7> 각국의 구조물 피해기준 진동치(cm/sec)SwedenU.S.AGermanySwiss 40 이상큰 균열 발생 큰 균열 발생 (피해발생) 큰 피해 발생구조물 위험30균열 발생 15미세한 균열가벼운 피해 10요주의 요주의피해발생 10, 35Hz의 구조물 주의 5 눈에 보이는 피해 없음 1 안전 극히 가벼운 피해 10, 35Hz의 기계안전한계 0.5요주의 0.2인체에는 잘 느껴지나 구조물에는 피해 없음 0.04일반적으로 많은 사람이 진동은 느낌 0.01대단히 민감한 사람만이 진동을 느낌 0.005 이하인체에 감각이 없다 <표 5> 지반에 따른 진동속도와 피해정도(Langefors, 1978)기술강좌 시리즈 터널환경기술위원회 92 자연,터널 그리고 지하공간 3.4.2 국내의 허용기준 국내에서는 국가 또는 지방 자치단체에서 설정한 발파진동에 대한 구체적인 규제 조항은 아직 없는 상태이며, 외국의 기준을 참고 로 하여 서울 지하철 2, 3호선 건설 당시 설정한 기준과 부산 지하철의 기준, 노동부 고시기준, 그리고 각 기관에서 제시하는 설계기준 등이 있으며, 주파수에 따른 건물 허용기준치는 환경분쟁조정위원회에서 제시하고 있다. 현재는 조건에 따라 국토교통부 “도로공사 노천발파 설계, 시공지침-2007.1”을 근거로 하여 설계기준을 마련하고 있으며, 일반적으로 안전율을 높여 엄격히 적용하고 있다. <표 8> 노동부고시(터널공사 표준 안전지침 2020-06호 기준) 구분문화재주택, 아파트상가(금이 없는 상태)철근 콘크리트 빌딩 및 상가 건물기초에서의 허용 진동치(cm/sec)0.20.51.01.0~0.4 <표 9> 국토해양부 구분가축류 등재래주택(조적, 목조) 가옥(RC조)상업용건축물철근콘크리트 건물 및 공장 건물기초에서의 허용 진동치(cm/sec)0.10.30.51.01.0~4.0 <표 10>서울 및 부산 지하철 진동 기준 구분 건물구분허용 진동치(cm/sec) 서울 지하철 문화재0.2 주택, APT(실금이 나타나 있는 정도)0.5 상가(금이 나타나 있는 블록구조물)1.0 철근 콘크리트 빌딩 및 공장1.0~4.0 부산 지하철 문화재0.2 주택, 아파트0.5 상가1.0 철근 콘크리트 빌딩 및 공장1.0~4.0 Computer 시설물 주변0.2 <표 11> LH토목설계지침(2018) 구분가축류 등문화재, 컴퓨터시설물재래주택(조적, 목조)가옥(RC조)상업용건축물 건물기초에서의 허용 진동치(cm/sec)0.10.20.30.51.0 <표 12> 터널표준시방서(2015) 구분 문화재 및 진동예민구조물 조적식(벽돌, 석재 등) 벽체와 목재로 된 천장을 가진 구조물 지하기초와 콘크리트슬래브를 갖는 조적식 건물 철근콘크리트 및 슬래브를 갖는 중소형 건축물 철근콘크리트 또는 철골골조 및 슬래브를 갖는 대형건물 건물기초에서의 허용 진동치(cm/sec) 0.2~0.31.02.03.05.0Vol. 23, No. 2 93 터널발파 환경문제 <표 13> 국내 각 기관의 구조물에 대한 발파진동허용기준 3.4.3 인체에 대한 발파진동의 허용기준 정부는 1990년 8월 1일 환경법에서 소음· 진동규제법을 분리하여 제정하였다. 소음· 진동 관리법은 공장· 건설공사장· 도로· 철도 등으로부터 발생하는 소음·진동으로 인한 피해를 방지하고 소음·진동을 적정하게 관리· 규제함으로써 모든 국민이 정온한 환경에서 생활할 수 있게 함을 목적으로 제정되었고 그동안 지속적인 개정을 실시하여 최근에는 2019년 12월에 개정을 하였다. <표 14> 건설, 생활진동 규제 기준(소음진동관리법 제20조 제3항) 단위 dB(V) 시간별 대상지역 주간 (06:00~22:00) 야간 (22:00~06:00) 주거지역, 녹지지역, 관리지역 중 취락지구· 주거개발진흥지구 및 관광· 휴양개발진흥지구, 자연환경보전지역, 그 밖의 지역에 소재한 학교· 종합병원· 공공도서관 65 이하60 이하 그 밖의 지역70 이하65 이하 비고 : 1. 대상지역의 구분은 국토이용관리법에 의하여, 도시지역은 도시계획법에 의한다. 2. 발파진동의 경우 주간에만 규제기준치에 +10dB을 보정한다. 3. 공사장 진동 규제기준은 주간에 한해 진동 발생 시간이 1일 2시간 이하일 때는 +10dB를 보정한 값으로 하고, 1일 4시간 이하일 때는 +5dB를 보정한 값으로 한다. 3.4.4 가축에 대한 발파진동의 허용기준 국토교통부“도로공사 노천발파 설계 및 시공지침”-2007.1 허용진동수준 제안하여 국토해양부, LH토목설계지침(2018)에서 적용∙ 대체적으로는 법원의 판례 등을 감안하여 인체나 가축에 대한 고려가 필요한 경우 0.1cm/s를 설계기준으로 채택하는 것이 무난하다.기술강좌 시리즈 터널환경기술위원회 94 자연,터널 그리고 지하공간 <표 15> 가축에 대한 허용기준 구분가축류 등 건물기초에서의 허용 진동치(cm/sec)0.1 중앙환경분쟁조정위원회 제시기준을 살펴보면 96년 한국자원연구소, 97년 소음진동공학회, 2001년 서울대 수의과대학, 2007년 서울대 환경소음연구센터, 2009년 서울대 수의과대학에 의뢰하여 기준을 정하였고 세계적으로 가축에 대한 기준은 없고, 미국에서 진동은 70dB(V), 소음은 70dB(A) 권고규정으로 한다. <표 16> 중앙환경분쟁정위원회 연도별 제시기준 해당년도1996년1997년2001년2007년2009년 허용 진동치 dB(V)70--5757 (cm/sec)0.09~0.10.02~0.05--- 소음기준(dB(A)7060~70606060 피해기준은 아래 표와 같다. <표 17> 중앙환경분쟁정위원회 피해기준 피해현황평가방법(소음)피해인정기준비고 폐사, 유/사산, 압사, 부상 등LAmax 소음 : 60dB(A) 진동 : 57dB(A) 사육환경, 소음발생특성, 배경소음 등에 대한 신중한 검토필요 성장지연, 수태율, 생산성저하 등LAeq(5min) 3.5 발파소음 최근 도심지의 주거 밀집지역 인근에서 발파작업이 행해지고 있는 경우가 많아지고 있고, 발생되는 소음은 발파진동과 함께 민원 발생의 근원이 되고 있다. 폭약이 자유면 근처에서 폭발할 때 발파에 의한 에너지의 일부가 암반중으로는 탄성파로써 또는 공기 중에서의 발파풍압으로 주위 에 전파되면서 소멸된다. 발파로 인해 발생되는 폭음은 일반 소음과는 달리 비교적 큰 압력을 갖기 때문에 폭풍압(Air Blast)이라고도 한다. 이 경우 공기 중에서 발생하는 파동은 발파원 근처에서는 충격파의 형태를 가지며 발파원에서 어느 정도 떨어진 곳에서는 음압 180dB 이하의 음파로 전파된다. 일반적으로 발파풍압은 넓은 범위의 주파수를 가지고 있으며 0.1㎐에서 200㎐범위의 주파수가 중심 이 된다. 이 범위 중 20㎐ 이상의 발파풍압은 사람이 들을 수 있는 가청영역의 소음이 된다. 20㎐ 이하의 저주파는 사람의 가청영역을 벗어나 사람들이 들을 수는 없지만 비교적 먼 곳까지 에너지의 손실 없이 전파되는 성질이 있으며 가옥 등 구조물을 진동시켜 2차의 소음을 발생시킨다. 발파소음의 크기에 영향을 미치는 것으로는 크게 발파작업시의 영향변수와 발파소음 전파시의 영향변수의 두 가 지로 구분할 수 있다. 발파작업시의 영향변수로는 최대 지발당 장약량, 사용화약의 폭발위력, 천공장, 전색상태 등이 있고, 발파소음전 파시의 영향 변수로는 폭원으로 부터의 거리, 소음 전파 경로상의 지형, 온도 및 습도, 풍향 및 풍속, 지면 상태 등이 있다. Vol. 23, No. 2 95 터널발파 환경문제 3.5.1 발파풍압의 발생과 특성 폭약이 자유면 근처에서 폭발할 때 발파에 의한 에너지의 일부가 암반중으로는 탄성파로써 또는 공기 중에서의 발파풍압으로 주위 에 전파되면서 소멸된다. 이 경우 공기 중에서 발생하는 파동은 발파원 근처에서는 충격파의 형태를 가지며 발파원에서 어느 정도 떨어진 음압 곳에서는 180dB 이하의 음파로 전파된다. 일반적으로 발파풍압은 넓은 범위의 주파수를 가지고 있으며 0.1㎐에서 200㎐범위의 주파수가 중심이 된다. 이 범위 중 20㎐ 이상 의 발파풍압은 사람이 들을 수 있는 가청영역의 소음이 된다. 20㎐ 이하의 저주파는 사람의 가청영역을 벗어나 사람들이 들을 수는 없지만 비비교적 먼 곳까지 에너지의 손실 없이 전파되는 성질이 있으며 가옥 등 구조물을 진동시켜 2차의 소음을 발생시킨다. <발파작업과정에서 발파풍압의 생성원인> ① 발파지점에서의 직접적인 암반의 변위로 인한 공기압력파(Air Pressure Pulse : APP) ② 지반진동에 의해 공기로 전달되는 파(Rock Pressure Pluse : RPP) ③ 파쇄된 암반의 틈을 통해서 나오는 가스의 분출(Gas Release Pluse : GPP) ④ 불완전한 전색에 의해 전색물이 분출되면서 나오는 가스의 분출(Stemming Release Pluse : SRP) 일반적으로 발파에서 발생되는 저주파음의 대부분은 공기압력파(APP)에 의한 것이며, 소규모 발파나 부적절하게 설계된 발파에서 는 ③, ④의 영향도 크지만 발파설계 단계에서 비교적 쉽게 제어할 수 있다. 3.5.2 발파풍압의 산출 일반적인 발파에서 발생되는 저주파음의 대부분은 공기압력파(Air Pressure Pulse : APP)에 의한 것이 대부분이다. 발파 풍압의 세기는 압력의 단위나 사람의 청각보정을 가하여 음압수준(dB)단위로 표현할 수 있다. log : (음압수준= 소음레벨) : 과압(psi) - 음파의 음압(A 특성의 음압의 실효치) : 기준치로서 사람이 인지할 수 있는 최저의 음압(= 2.9×10-9psi = 2.9×10-5pa) 3.5.3 발파풍압의 구분 소음의 dB단위는 주파수에 따른 사람의 청각에 따라 보정을 가한 단위이다. 이는 발파풍압의 측정시 측정대상 주파수 영역에 따라 적절한 보정회로를 사용해야 한다는 것을 의미한다. 일반적으로 쓰이는 세 가지 보정회로의 주파수 스펙트럼, 즉 변환기의 응답을 나타낸다. 50㎐ 이하의 주파수를 가지는 음압을 A 또는 보정회로를 사용할 경우 실제값보다 낮게 기록된다. 즉 A와 C는 가청응답을 측정하는데는 적합하지만 구조물의 응답과 관련된 저주파음을 기록하는데는 적당하지 못하다. 그러나 발파에 의한 환경문제에서는 구조물의 반응과 사람의 가청범위의 압력을 모두 정확하게 기록하는 선형보정(L)이 필요하다. 발파풍압도 발파진동과 같이 장약량과 거리 즉 환산거리로써 예측이 가능하며, 삼승근 환산거리로 표시하는 것이 바람직하다고 발표하였다(Siskind, 1981). K= 82, n = -1.2 (siskind 제시)기술강좌 시리즈 터널환경기술위원회 96 자연,터널 그리고 지하공간 (a) 보정회로(b) 시간이력 <그림 16> 발파풍의 기록에 대한 보정회로의 영향 3.5.4 생활소음 규제기준 발파시공 중 발생되는 소음은 여러 가지 제어대책에도 불구하고 주변 주민들의 발파공사장에 대한 원천적인 불안감과 불만이 표출 되어 허용기준에 준하는 규제를 적용하여 민원이 야기되고 있는데 소음규제기준을 보면 소음·진동 관리법상의 국내 생활 소음 규제 기준으로 표 18과 같다. <표 18> 국내생활소음 규제기준Vol. 23, No. 2 97 터널발파 환경문제 3.6 진동 및 소음을 측정하는 기기 발파로 인한 소음과 진동의 값을 측정하여 안전성을 판단하고 인체 및 구조물에 미치는 한계치 이내의 값을 확인하여 안전발파가 될 수 있도록 도움을 주기 위한 기기이다. 지반진동의 측정기는 여러 가지 타입으로 개발되었다. 초기의 장치는 기계식이었다. 이것은 측정을 요하는 곳에 직접 고정시킨다. 작동원리는 스프링 추가 매달려 있어 이것이 관성체로서 작동한다. 요즘에는 전기식장치에서는 기계식 진동을 지오폰이라고 부르는 변환기로 감지하고, 전기신호로 변환한다. 이 변환기는 진동의 진동속도에 비례되는 전기신호를 발행하고 그 값이 기록한다. 지오폰은 스프링, 추, 코일, 영구자석으로 되어 있다. 코일이 추 둘레에 감겨 움직이면 영구자석에 의해 생성된 자기장에서 이 시스템은 자연스 럽게 움직인다. 코일이 자기장에서 움직일 때, 전류는 코일의 속도에 비례해서 발생한다. 실제로 사용되는 지오폰에서는 자석이 본체 와 함께 움직이고 코일은 움직이지 않는 구조로 되어있다. 3.6.1 기기종류 <표 19> 국내외 계측기 Instantel사(미국) BlastmateⅢInstantel사(미국) Minimate plus Geosonic사(미국) SSU 2000Nomis사(미국) Nomis 5400Next >