< Previous28 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 발파에 의한 암반 굴착 시 콘크리트 구조물에 미치는 영향 분석 대상 지역의 기반암은 3가지의 암종으로 분류 할 수 있으며 다음과 같다. 단단한 사암(SS-1)은 녹색을 띈 회색이며 대규모의 블록형태의 사암이며 층상의 가파른 절벽 형태로 분포한다. 연약한 사암(SS-2)은 현장에서 회색의 빛나는 색 과 중간~세립의 입자로 층상구조이며 SS-1과 접촉하고 있다. 점토층이 섞여있는 실트질 사암(SS-3)은 연한 녹색을 띄 는 회색이고 중간~세립정도의 입자로 구성되어있다. 실트질 사암은 점토층의 연한 분홍색이고 표면이 풍화되고 균열이 심한 상태이다. 프로젝트 대상 지역은 강한 강도의 사암과 연약한 실트암, 이암, 사암 층들이 순서적으로 분포하며, 중간~급한 정도의 경사도(50~60°)로 분포하고 있다. 프로젝트 구간의 현황측량, 시추조사, 3차원 지질학적 모형의 결과를 그림 2에 나타내었고, 현장 전경은 그림 3과 같다. <그림 3> 굴푸르 수력발전 프로젝트 현장전경 4. 발파진동의 측정 및 예측 발파진동은 충격파라는 특징을 지니고 있으며 약해지면서 빠르게 정점에 도달한다는 시간적 특성이 있다. 지하 발파 작업에서 한 번의 발파 진동 발생 시 다수의 충격이 발생할 수 있다. 발생한 충격의 지속시간은 지연 간격의 수, 장약량, 발파 방식, 이격거리 및 발파원 및 측점사이의 지질 구조에 따라 달라지며 이에 따라 발파 규모가 결정된다. 일반적인 발 파는 필요한 폭약을 포함하여 다수의 시추공으로 구성되며 밀리초 간격의 지연에 따라 폭발한다. 발파진동과 같은 충격은 일반적으로 3가지 구성의 입자 속도의 시간 이력을 통해 최대값을 확인할 수 있다. 진동측정 은 속도 측정기를 이용하여 측정하며, 최대진동속도(PPV)를 확인할 수 있다. 진동측정 장비는 다양한 범위의 속도를 측 정할 수 있으며 진동주파수는 4.5Hz에서 250Hz이다. 발파진동의 진동주파수는 일반적으로 5Hz에서 40Hz이다. 진동속 도의 예측을 위한 진동 데이터를 구축하기 위하여 여러 번의 시험 발파가 수행되어야 하며 지형조건, 장비 및 지질구조 등에 따라 차이가 있을 수 있다. 3방향에서 측정된 최대진동속도(PPV)가 기록되며, 최대 진동 요소들이 각 측정 시 마다 고려되어야 한다. 환산거리 s는 다음 식 (1)과 같다. (1)Vol. 23, No. 2 29 여기서, d: 발파지점으로부터의 거리(m), c: 지발당 최대장약량(kg)을 나타낸다. 최대진동속도(PPV)를 이용하여 환산 거리를 표시하는 경우 90% 및 50%의 신뢰도의 선형 회귀 분석을 통한 결과를 그림 4에 나타내었다. 회귀분석에 의한 관 계식은 발파패턴 및 암반의 지질학적 특성에 따라 달라지며 발파 설계 시 특정거리에서의 진동을 제어하는데 매우 유용 하다. 또한, 허용 진동치 및 환산거리를 알면, 지발당 장약량(MIC)을 산정할 수 있다. <그림 4> 대상 지역 최대 진동속도와 환산거리의 관계 현장의 발파진동식을 산정하기 위해 다음과 같은 단계를 수행하였다. 1. 각 발파시 지발당 최대 장약량, 발파패턴, 지질자료와 발파지역의 좌표의 기록 2. 진동 및 소음 측정기기를 이용하여 각 발파마다 최대진동속도(PPV) 측정 3. 각 발파지점으로부터의 측점간의 거리 측정 4. 환산거리 와 최대진동속도(PPV)와 관계식 산정 5. 도출된 발파진동 추정식을 이용하여, 이격 거리에 따른 허용 지발당 장약량(Safe MIC)산정 6. 현장 발파 작업 시, 발파 위치에서 구조물까지의 거리 측정, 관계식에 따른 지발당 장약량 결정 7. 예상 진동 수준과 실제 진동 수준을 비교할 수 있도록 진동 측정 5. 발파진동에 의한 손상 가능성 발파에 의한 진동의 주요 요소는 장약량, 구조물과 발파지점 사이의 거리, 두 위치 사이 지질학적 조건 및 발파패턴 등이 있다(Siskind et al., 1980; Dowding, 1985). 최대 진동속도(PPV)는 구조물의 손상과 연관이 있고(Edwards and 30 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 발파에 의한 암반 굴착 시 콘크리트 구조물에 미치는 영향 분석 Northwood, 1960; Duvall and Fogelson, 1962) 최대 진동속도(PPV)와 주파수(Frequency)가 함께 구조물에 영향을 미칠 수도 있다(Siskind et al., 1980; Dowding, 1985; Khandelwal and Singh, 2006; Ozer, 2008). 구조물에 대한 허 용 진동속도(PPV)는 다음 관계식을 사용하여 결정할 수 있다. × (2) 여기서, SVp는 허용 진동속도(PPV), fct는 인장강도(MPa),Vc는 압축파속도(km/s), ρ는 밀도(kg/cm3)이다. 진동 데이 터는 세 성분(종방향, 횡방향 및 수직방향)의 벡터합으로 측정된다. 만일 세 가지 성분 중 한 군데에서 안전 한계가 초과 하는 경우, 구조물의 손상이 발생할 수 있다. 최대 진동속도(PPV)의 최대값을 측정하기 위해서는 실 벡터합(TVS)과 유 사 벡터합(PVS)이 사용된다. TVS는 다음 식 (3)과 같다. (3) 여기서, VL(t),VV(t),VT(t)는 각각 움직임의 방향과 직각방향으로 가해지는 지표면에 진동이 시간에 따라 변화하는 시간 이력이다. 최대값에서 VTVS(t)상 결과 최대 진동속도(PPV)를 도출할 수 있으며 이는 일반적으로 세 방향에서의 최대 진 동속도에 영향을 받는다. 지하 발파 작업에서, PVS 상의 결과 최대 진동속도(PPV)는 세 방향에서의 최대 속도 절대값으 로부터 도출된다. (4) 여기서, VLmax, VVmax 및 VTmax는 각각 종파, 수직파 및 횡파의 최대 속도이다. VLmax, VVmax 및 VTmax가 꼭 동시에 나타나 는 것은 아니며 일반적으로 Vp는 VTVS ,max 보다 16% 크다. 기존 연구자들에 의해 제안된 대부분의 최대진동속도(PPV)의 기준은 주거용 건물에 적합하였으며 광산 발파에 기반하고 있었기 때문에 작은 진폭, 낮은 주파수 및 긴 지속시간으로 분류되는 반면 건설 현장에서의 경우는 높은 주파수, 더 큰 진폭 및 짧은 지속시간의 특징이 보인다. 현장에서 발파진동 속도 추정식을 효과적으로 적용하기 위해서는 허용 진동치를 산정해야 한다. 대부분의 기준에서 제안한 허용 진동치은 50~100mm/s 범위이다. 댐과 부대시설의 안전성을 고려해 볼 때 가장 보수 적인 값을 적용하여 경화된 콘크리트의 허용 진동치(PPV)은 50mm/s를 적용하였다. Kwan과 Lee(2000)는 콘크리트의 양생기간에 따른 손상 PPV의 관계를 제시한 바 있다. (5) 여기서, VPD는 손상 PPV값이며, Vc는 콘크리트 양생기간에 따른 P파 속도를 의미한다. Vc는 식 (6)으로 산정할 수 있다. Vol. 23, No. 2 31 ln (6) 여기서, 콘크리트를 통해 전달되는 Vc는 P파 속도(km/s)이며, T는 콘크리트 타설에 대한 시간이다. 그림 5는 P파 속도 (Vc)와 콘크리트 양생기간의 관계를 나타내고 있다(Tripathy et al., 2016). <그림 5> 콘크리트 양생기간과 P파속도의 관계 곡선(Tripathy et al., 2016) 식 (5)와 식 (6)을 사용하여 콘크리트의 손상 수준 PPV를 확인할 수 있다. 이 관계는 1.25일에서 7일 사이의 콘크리트 양생기간에 적용할 수 있다(Tripathy et al., 2016). 콘크리트 타설 후 몇 시간 지나지 않아, 콘크리트는 100까지의 최대 진동속도(PPV)를 견딜 수 있다(Oriard and Coulson, 1980; Hulshizer and Desai, 1984; Olofsson, 1988). 그러나 11~16시간 정도의 양생기간 동안에 콘크리트는 손상에 더욱 취약하다(Esteves 1978). 식 (5)와 (6)을 이용하여 안전율(FS) 20을 식 (5)에 적용하여 양생기간이 짧은(1~7일) 콘크리트(green concrete)의 허용 진동속도기준을 산정하였다. 표 1은 콘크리트 양생 기간에 따른 허용 진동속도기준을 제시하였다. <표 1> 콘크리트 타설후 양생기간에 따른 허용진동속도(PPV)기준(Tripathy et al., 2016) 콘크리트 타설 후 경과시간허용 진동속도(mm/s) 0~1.5 hrs10 1.5~24 hrs5 1~2 days25 2~7 days30 >7 days3532 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 발파에 의한 암반 굴착 시 콘크리트 구조물에 미치는 영향 분석 지발당 최대 장약량(MIC), 경사거리 및 측정된 진동속도(PPV) 간의 상관관계는 관계식을 형성하는 기본 요소이다. X 축은 log10(환산거리), Y축은 log10(최대 진동속도, PPV)의 상관식을 결정하기 위해 회귀분석이 수행되었고, 그림 6에 제시하였다. 최대진동속도와 환산거리와의 관계식은 신뢰 수준 90%와 50%의 수준에서 산정되었다. <그림 6> 최대 진동속도와 환산거리과의 그래프(굴푸르현장) (7) ∗ (8) (9) ∗ (10) 식 (8)은 발파원으로부터 이격거리별 측정된 최대 진동속도(PPV)는 지발당 최대장약량(MIC)를 산정하는데 사용한다. 측정된 최대 진동속도(PPV)는 대상 지역의 발파원과 측점간의 지질 구조 영향을 반영한 측정 결과이다. 지발당 최대장 약량의 산정은 5~35mm/s와 50mm/s의 허용 진동기준을 각각 양생기간이 짧은(1~7일)콘크리트와 양생기간이 경과된 (28일이상) 콘크리트에 적용하였고, 식 (8)을 이용하여 콘크리트 양생 기간에 따른 지발당 최대장약량(MIC)을 산정하였 다. 표 2는 콘크리트의 양생 기간에 따른 지발당 장약량 및 허용진동속도(Safe PPV)를 제시하였다.Vol. 23, No. 2 33 <표 2> 콘크리트의 양생기간에 따른 지발당 최대 장약량 및 허용진동 속도 콘크리트 양생시간 허용 진동속도 (mm/s) 지발당 최대장약량(Kg), 거리(m) 102030405060708090100 0~1.5hrs100.110.420.951.692.653.815.196.778.5710.58 1.5~24hrs50.030.110.240.430.670.971.321.732.192.70 1~2 days250.642.585.8010.3116.1123.1931.5741.2352.1964.43 2~7 days300.923.698.3114.7723.0733.2345.2259.0774.7692.29 7~28 days351.255.0011.2620.0131.2745.0261.2880.04101.30125.06 >28 days502.5310.1022.7440.4263.1690.94123.79161.68204.62252.62 그림 7은 현장에 측정된 진동속도(PPV)와 측정자료를 통해 산정된 관계식을 보여주며, 측정된 진동속도가 허용진동 치 이내로 분포하는 것으로 나타났다. 또한, 대상 지역에서 안전이격거리는 최소 30m까지 콘크리트 타설과 발파를 병행 할 수 있는 것으로 분석되었다. <그림 7> 환산거리와 최대 진동속도(PPV)의 그래프(현장측정 결과) 6. 결 론 1) 발파 굴착은 화약 발파로 인해 진동을 발생시키고 전파된 진동은 주변 구조물 등에 피해를 유발할 수 있으며, 이러한 진동은 발파지점에서 멀어짐에 따라 감소하고 현장의 지질 조건에 따라 달라진다. 2) 타설된 콘크리트 구조물에 발파진동에 의한 손상 유무를 판단하기 위한 허용진동치는 콘크리트의 강도와 양생 기간 에 따라 결정된다. 그러므로 콘크리트 양생기간에 따른 허용 진동치를 제시하였다.34 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 발파에 의한 암반 굴착 시 콘크리트 구조물에 미치는 영향 분석 3) 현장발파 자료 분석을 통해 암반 특성을 반영한 진동 추정식을 산정하고 이를 통해 허용 진동치를 만족시킬 수 있는 안전이격거리를 산정하여 발파진동으로부터 이미 타설된 콘크리트에 영향이 없도록 안전하게 시공될 수 있도록 하 였다. 4) 본 연구는 발파진동이 타설된 콘크리트 구조물에 미치는 영향을 검토하여 안전이격거리 확보를 목적으로 수행되었으 며, 대상은 사암과 이암층이 교차하는 유사한 지질 구조에 국한된다. 그러나 본 연구에서 제시된 방법은 향후 다른 현장 및 프로젝트에서 발파진동에 따른 손상유무를 판단하기 위한 방법으로서 실무에서 유용하게 활용될 수 있을 것 으로 기대된다. 참고문헌 1. Ak H, Iphar M, Yavuz M, Konuk A. (2009). “Evaluation of ground vibration effect of blasting operations in a magnesite mine.” Soil Dynamics and Earthquake Engineering, 29(4):669-76. 2. BS 7385. (1993). “Evaluation and measurement for vibration in buildings, Part-2, Guide to damage levels from ground borne vibration.” London: British Standard Institution. 3. Dowding CH. (1985). “Blast vibration monitoring and control.” Englewood Cliffs: Prentice Hall Inc. 4. Duvall WI, Fogelson DE. (1962). “Review of criteria for estimating damage to residences from blasting vibrations.” US Bureau of Mines. 5. Edwards AT, Northwood TD. (1960). “Experimental studies of the effects of blasting on structures.” The Engineer. 210:538-46. 6. Elevli B, Arpaz E. (2010). “Evaluation of parameters affected on the blast induced ground vibration by using relation diagram method.” Acta Montanistica Slovaca,15(4):261-8. 7. Esteves JM. (1978). “Control of vibrations caused by blasting.” Memoria 409. Lisbon, Portugal: Laboratorio de Engenharia Civil, Ministerio de Habitacao e Obras Publicas. 8. Khandelwal M, Singh TN. (2006). “Prediction of blast induced ground vibrations and frequency in opencast mine: a neural network approach.” Journal of Sound and Vibration, 289(4-5):711-25. 9. Kwan AKH, Lee PKK. (2000). “A study of the effects of blasting vibration on green concrete.” Geo Report No. 102. Geotechnical Engineering Office, Civil Engineering Department, the Government of the Hong Kong Special Administrative Region. 10. Nateghi R. (2011). “Prediction of ground vibration level induced by blasting at different rock units.” International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 48(4): 899-908. 11. Olofsson SO. (1988). “Applied explosives technology for construction and mining.” APPLEX, p. 158-65. 12. Oriard LL, Coulson JH. (1980). “TVA blast vibration criteria for mass concrete: In minimizing detrimental construction vibrations.” American Society of Civil Engineers (ASCE), p. 80-175. 13. Sheikh KA, Masood MM, Chae HM, Tanoli AY, Lee DH, Moon EM, Akhtar K. (2018). “Gulpur Hydropower Project: Influence Zone of Blast Vibrations on Concrete Structure.” IFCEE, p. 494-505. 14. Siskind DE, Stagg MS, Koop JW, Dowding CH. (1980). “Structure response and damage produced by ground vibration from surface mine blasting.” US Bureau of Mines, p. 74. 15. Tripathy, G.R., Shirke, R.R., Kudale, M.D. (2016). “Safety of engineered structures against blast vibrations: A case study.” Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering 8, 248-255. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 23, No. 2 35 기술기사 3 1. 변경설계 개요 총연장 137.7km의 평택~부여~익산(서부내륙) 고속도로는 BTO(Build-Transfer-Operate)방식으로 진행되는 사업 으로서 총사업비 2조 6,694억, 총 공사기간 60개월로 진행되는 민간투자 사업이다. 노선변경 구간은 예산군 대흥면 통과구간(8~9공구)으로서 공사 착공이후 당초노선의 민원으로 인해 수행된 문화재 (임존산성1), 사적 제90호) 현상변경 심의를 거친 후, 문화재 현상변경 허가조건, 지형·지역의 토지이용과 조화를 고려 하는 동시에 선형의 연속성, 평면 및 종단선형의 조화를 도모하고 주변여건, 시공성, 경제성, 공기, 유지관리의 효율성 등을 고려하여 최종적으로 연장 4.286km의 장대터널이 계획되었다. 노선 변경구간의 당초 노선은 전 구간 토공 및 교량공 구간으로 계획되었으나 환경영향평가 당시 지역 주문의 생활근 거지 단절, 마을의 양분, 과도한 절토계획 등으로 많은 민원이 제기되었고, 노선 인근에 많은 문화재(임존성, 대흥향교, 최익현 선생묘 등)가 존재함에 따라 노선 변경의 요구가 거세게 일어났던 구간이다. 또한, 예산군 대흥면은 슬로시티 (Slow city)2)로 선정된 지역으로 획일적인 도시개발보다는 지역의 고유한 자원(문화재)과 지역민의 문화 등이 조화되어 1) 백제 멸망 후, 백제 부흥운동의 거점이었던 봉수산 정상부에 백제가 쌓은 최대 규모의 산성. 2) 1999년부터 이탈리아의 그레베 인 키안티(Greve in Chianti)에서 시작된 느린 도시(정체성 없는 획일적인 대도시와는 반대 되는 개념)만들기 운동으로, 지역이 원래 갖고 있는 고유한 자원(자연 환경 · 전통산업 · 문화 · 음식 등)을 지키면서 지역민이 주체가 되는 지역문화와 지역경제 살리기 운동. 평택~부여~익산(서부내륙) 고속도로내 노선변경에 따른 봉수산 터널 설계 사례 신현강 (주)포스코건설 부장 조은형 (주)포스코건설 과장 고성일 (주)서하기술단 대표이사 심성규 (주)서하기술단 전무이사36 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 3 평택~부여~익산(서부내륙) 고속도로내 노선변경에 따른 봉수산 터널 설계 사례 지역의 정체성을 찾고자 노력하는 지역이다. 따라서 환경영향평가시 가급적 터널로 노선변경을 추진하는 이행조건으로 실시계획 승인을 받았다. 임존성과는 최대한 이격하되 터널로 계획하여 기존 지역환경을 보존하고자 터널로 변경된 사 례이다. <그림 1> 예산군 통과구간(8~9공구) 당초·변경 평면 및 종단면도 <표 1> 터널 주요 현황 구분현황 본선 터널 연장4,274.91m(익산방향) / 4,286.00m(평택방향) 평면선형∝→2,250 →2,495 →∝(익산방향) / ∝→2,275 →2,470 →∝(평택방향) 종단경사+0.3386% →-0.300%(익산방향) / +0.3447% →-0.300%(평택방향) 통행방식일방향 통행(2차로) 환기 방식기계환기(JET FAN+배연전용 경사갱) 피난시설 대형차량용 피난연결통로 2개소 / 차량용 피난연결통로 4개소 대인용 피난연결통로 11개소 / Safety Zone 1개소 경사갱 #1연장 / 종단경사227.00m / 최대 10.0% 경사갱 #2연장 / 종단경사295.00m / 최대 10.0%Vol. 23, No. 2 37 2. 터널 설계 주요 내용 2.1 국내최초 설계속도 120km/hr에 부합되는 안전한 터널 계획 봉수산 터널은 국내 최초로 설계속도 120km/hr로 계획된 도로이다. 따라서 터널의 횡단구성, 종단 및 평면선형 선정 시 120km/hr에 부합되는 조건을 만족하기 위한 계획으로 수립하였다. 2.1.1 터널 횡단 구성(터널단면) 구분단위규모개요도 NATM 구간 총폭원m10.7 (내공단면적=74.69m2, 굴착단면적=92.46m2) 차로폭m2@3.6=7.2 중앙분리대m- 길어깨 좌측m1.0 우측m2.5 측대 좌측m0.25 우측m0.25 2.1.2 터널구간 정지시거를 고려한 평명선형 설계속도 (km/hr) 주행속도 (km/hr) 종단경사 (%) 정지시거 (m) 최소곡선반경(m) 중앙분리대(M=2.70)곡선내측 길어깨(M=4.20) 120120 01901,671.31,074.4 -11951,760.41,131.7 -21951,760.41,131.7 -31951,760.41,131.7 2.2 장대터널 유지관리 및 방재성능 극대화를 위한 계획 2.2.1 유지관리를 고려한 2개소의 경사갱 및 지하환기소 계획 2.2.1.1 연직갱 및 경사갱 상호비교를 통한 최적 구조물 형식 선정 봉수산 터널은 문화재 현상변경 승인 당시 수직갱으로 계획하였으나, 다음과 같은 문제점을 고려하여 경사갱으로 변 경하였다.Next >