< Previous18 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 국내 지질조건과 유사한 일본의 로드헤더 시공사례 조사 및 암반용 커터 분석 <그림 10> Huaguoyuan West Station Inclined Shaft Project 현장 전경 <그림 11> 슈미트해머를 이용한 막장 암반강도 측정의 예Vol. 23, No. 4 19 3.2.4 GUIYANG Metro Line No. 3 (터널 횡갱구간, Cross Passage) ∙ 사용장비 : CTR300A ∙ 터널연장 : 437.6m ∙ 터널단면적 : 51m2 (폭 7.68m, 높이 7.04m) ∙ 암종 : 백운암 ∙ 암반강도 : 70~110MPa ∙ 시공실적 - 암반강도 100MPa : 굴착효율 8m3/hr, 일굴진장 1.5m - 암반강도 70MPa : 굴착효율 14m3/hr, 일굴진장 3.2m <그림 12> GUIYANG Metro Line No. 3 현장 전경 3.3 커터 그림 13에 중국에서 사용되고 있는 일반적인 초경칩과 암반용에 대해 비교하고 표 7에 암반용 커터의 물성값을 제시 하였다. 일반형의 경우 다양한 지층과 풍화암 수준을 대상으로 하고 있으며, 압반용의 경우 강도에 대해 충격이 큰 조건 에서 마모를 절감시키기 위해 Cemented Carbide Teeth가 내장된 것을 사용하고 있다.20 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 1 국내 지질조건과 유사한 일본의 로드헤더 시공사례 조사 및 암반용 커터 분석 (a) 일반 초경칩(for Common)(b) 암반용 초경칩(for Hard Rock) <그림 13> 커터 재질의 비교 <표 7> 암반용 커터의 물성값 Material Impact Toughness Shear Strength of Wled Joint Percentage of Weld Jopint Cutter BodyCarbide Teeth 42CrMoCustomized≥59J/cm2≥190MPa≥90% 5. 맺음말 최근 국내에서 소음진동이 없는 기계화 터널공법 중 로드헤더를 사용하는 방법이 검토되고 있으나, 공개된 국내 사례 가 없는 실정이다. 이에 국내 지반조건과 유사한 일본, 중국의 로드헤더 사례와 실적데이터를 수집, 분석하였다. 향후 국내 현장에서도 관련 데이터를 수집하고 분석하여, 국내 실정에 맞는 검토방법을 도출하는데 도움이 되기를 기대한다. 참고문헌 1. コーン型プランジャーをもつシュミットハンマーを用いたロードヘッダの掘削能力予測に関する検討 (1994), 일본토목학회 제49회 연차학술강연회, p.170-171. 2. ロードヘッダによる青函トンネル千軒工区の施工について, 西松建設技報 VOL. 3, p.39-47. 3. CREG, Selection Scheme of CREG Roadheader. 4. 중국의 로드헤더 시공사례 및 최신 기술(2020), 한국암반공학회, 2020 KSRM 기술포럼 로드헤더 기계굴착, p.157-172. [본 기사는 저자 개인의 의견이며 한국터널지하공간학회의 공식입장과는 무관합니다.]Vol. 23, No. 4 21 기술기사 2 1. 머리말 최근 혼잡한 도시환경에서 지하공간의 활용을 위하여 사회기반시설 및 신축건물의 지하층 굴착공사가 나날이 증가하 고 있다. 중‧ 소형 아파트 신축공사에 따른 굴착공사를 비롯하여 터널, 전력구 공사 등 다양한 종류의 굴착공사가 진행 중에 있으며 이에 따라 안전한 시공‧ 관리를 이행하기 위하여 예측하지 못한 사고에 선제적으로 대응하여 미연에 방지할 수 있는 계측관리 중요성이 대두되고 있다. 일반적으로 지반 굴착은 시공전 조사된 제한적인 지반 조사 자료에 근거하여 전체 굴착대상 지반을 설계하는 것으로 시공 시 실제 지층이 균질하지 못하고 설계 시 가정한 지반조건과 토질정수가 실제 현장조건과 정확히 일치하지 못하는 경우가 대부분이므로 계측을 통해 지반의 거동에 의한 영향을 파악하면서 시공을 진행하는 것은 최근 지하굴착 공사에 서 매우 중요하게 평가되고 있다. 지반 굴착 시 계측기의 설치위치는 경제성, 시공성을 고려하여 흙막이 구조물 및 배면 지반의 거동을 대표할 수 있는 최소한의 위치를 선정하여 최대효과를 얻는 것을 목적으로 하며 이를 위하여 실제 시공현장에서 흙막이 구조물의 배면 에 근접하여 설치하도록 계획하고 있으나 지하수위계의 경우 지반 굴착의 진동으로 인하여 계측의 오류 또는 파손이 발 생할 경우 정확한 계측데이터의 수집 및 분석이 매우 어려우므로 본 연구에서는 굴착으로 인한 지하수위의 변화를 충분 히 고려하면서 지반 굴착으로 인한 진동의 영향을 최소화 할 수 있는 적정 이격거리를 제시하고자 한다. 암발파 굴착 시 발생하는 진동으로 인해 발생하는 계측기의 오류 및 파손을 방지하기 위한 지하수위계 적정 설치위치 검토 이태세 (주)하나기술단 대표이사 구은영 (주)하나기술단 연구전담부서 이사 김마루찬 (주)하나기술단 연구전담부서 과장22 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 암발파 굴착 시 발생하는 진동으로 인해 발생하는 계측기의 오류 및 파손을 방지하기 위한 지하수위계 적정 설치위치 검토 2. 국내 설계기준에서 제시하고 있는 계측기의 설치위치 현장 계측은 가능하면 다양한 거동을 파악 할 수 있도록 많은 위치를 선정하는 것이 바람직하지만, 합리적이며 경제적 인 측면에서 흙막이 구조물 및 배면 지반의 거동을 대표할 수 있는 최소한의 관측점을 설정하는 것이 더 효과적이다. 그러나 국내 설계참고 문헌에는 굴착현장마다 현장 여건 및 지반조건이 다르기 때문에 각 현장에 맞게 계측기의 배치 를 선정하도록 포괄적이고 모호하게 명기하고 있어 보다 명확한 설치위치 선정에 대한 연구가 필요하다. 2.1 지하안전영향평가 표준매뉴얼에서의 계측기 설치위치 선정 최근 최대굴착 깊이가 10m 이상인 굴착현장을 대상으로 실시하고 있는 지하안전영향평가의 표준매뉴얼에서는 계측 기를 지반안전성 검토 대표단면에 설치하도록 하여 시공 중 예측치와 수치해석 등으로 검토된 계측치를 비교 검토하도 록 하고 있다. 2.2 설계기준 지반계측(KDS 11 10 15 :2016)에서의 계측기 배치위치 선정 국토교통부에서 발행한 계측기의 설치계획은 현장 여건 및 인접구조물의 중요도, 사고이력 등이 상이할 수 있으므로 이를 포괄적으로 고려하여 현장에 맞게 계측 위치를 선정하도록 하고 있으며 세부 내용은 다음과 같다. (1) 계측 대상 시설물의 규모나 위험도를 기준으로 계측기기 배치밀도를 설정하는 것이 바람직하며, 일반적으로 붕괴나 활동 등의 위험인자별로 여러 종류의 계측기기를 수 개소에 배치하여 상호의 계측자료를 검토하여야 한다. (2) 계측기기는 경제성, 시공성을 고려하고 지층구성 및 성토시기 등을 감안하여 지반거동을 대표할 수 있는 최소한의 점을 선정하여 최대효과를 얻도록 배치하여야 한다. (3) 구체적인 계측기기의 배치에 대해서는 상세한 현장조사, 기존자료 및 구조계산서를 참고하여 붕괴 또는 활동의 형태 를 추정한 다음, 각각의 원인별로 계측항목과 계측기기의 관련성을 검토한 다음에 배치 계획(설치위치, 배치밀도, 설 치심도 등)을 수립하여야 한다. (4) 구조적으로 가장 위험한 단면에서 계측 대상 시설물의 최대변위와 최대응력이 작용할 것으로 예상되는 위치에 중점 적으로 계측기기를 배치하여야 한다. (5) 계측목적을 고려하여 각 계측기기는 서로의 연관성을 유지하도록 하며, 가능한 동일단면에 배치하여야 한다. (6) 계측수량의 선정은 계측목적, 결과분석, 공사상황, 계측기기의 고장 등을 고려하여 수행되어야 한다. (7) 연약지반에 계측기를 매설할 경우 설치 시, 준설 또는 산토 매립 시, 프리로딩 재하 및 제거 시 계측기가 망실될 확률 이 높으므로 현장여건을 감안한 계측기 망실률이 반영되어야 한다.Vol. 23, No. 4 23 3. 발파 진동에 의한 계측기 오류 사례 ㅇㅇ지역에 안정적인 전력을 공급하기 위한 변전소간 지중송전 계통망 구성을 목적으로 하여 시공이 완료된 ㅇㅇ전력 구의 계측사례를 살펴보고자 한다. 3.1 계측 수행 개요 총 2개의 수직구로 각 수직구의 굴착깊이는 각각 51m(수직구#2), 47m(가설수직구)로 계획되어 있는 본 구간의 착공 전 지하수위 관측공 설치 후 초기지하수위는 GL.(-)3.21~3.70m로 측정되었다. 지반 및 지질현황 분석에 의하면, 수직구 #1 구간에서는 파쇄대가 GL.(-)10.5~15.9m, GL(-).21.0~36.5m구간에서 분포하며, 수직구 #2의 경우 파쇄대는 GL.(-)12.1~14.4m, GL(-).21.9~36.1m구간에서 분포고 있다. 지하수위계는 굴착공사 초기에 수직구와 1m 이격하여 각각 1개소씩 배치하였으나 수직구 굴착에 따른 관리구역 내 누 적수위변화량 모니터링을 위해 안전관리 보완의견을 반영하여 수직구 반경으로부터 약 1H(약 60m) 이내에 지하수위 관 측공을 추가 배치하여 총 4개소를 설치하였다. <그림 1> 지하수위계 설치위치도 <표 1> 지하수위계 설치개요 계측항목 계측수량(개소) 설치위치설치심도설치방법비고 수직구 #1수직구 #2 지하수위계22토류벽 배면지반굴착 저면굴착공사 전· 중수동계측24 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 암발파 굴착 시 발생하는 진동으로 인해 발생하는 계측기의 오류 및 파손을 방지하기 위한 지하수위계 적정 설치위치 검토 3.2 계측 결과 수직구 구간의 지하수위변화량 계측 결과 위 그래프와 같이 일수위 변화량이 3차 관리기준(1m)를 초과하는 구간이 발 생하였으며, 수직구 굴착 중 발파로 인해 10일(회) 관리 기준초과가 발생하였다. 수직구 굴착을 위하여 심도 1~2.5m 구 간 단위로 발파를 수행하였으며 발파와 동시 또는 발파 시점과 시간간격을 두고 지하수위는 급격하게 하강하여 일수위 변화량 관리기준을 초과하였다. 특히 두 수직구 사이에 심한 파쇄대가 발달한 구간(25~32m, 36~38m)에서는 일 수위 변화량이 10m 내외에 달하였다. 관리기준치 이상으로 급격한 지하수위 저하가 발생하는 계측기는 수직구와 근접하여 설치한 지하수위계인 WL-1, WL-2에서 발생했으며 25m 이상 이격하여 설치되어 있는 WL-3, WL-4에서는 관리기준 이내로 관측되었다. 발파 후 급하강한 지하수위는 이후 다시 회복하는 양상을 보이므로 지하수위의 급격한 변화는 발파로 인해 발생한 진 동이 계측기 측정요소에 영향을 미쳐 계측 데이터에 신뢰도가 떨어지는 오류값이 발생했다고 보여진다. <그림 2> 일수위변화량(m) vs. 1~3차관리기준 <그림 3> 일수위변화량(m) vs. 발파이후 급하강구간Vol. 23, No. 4 25 4. 지하수위계의 적정이격 설치 위치 제안 4.1 굴착에 따른 지하수 관리구역(영향구간) 선정 서울특별시에서 발행한 공사장 지하수 관리매뉴얼(2016)에서 제시하고 있는 지하수위 영향구간 선정 및 관리에 따르 면 굴착심도의 증가에 따라 지하수 유출에 의해 지하수위 변화량은 굴착지점으로부터 거리가 멀어짐에 따라 줄어드는 데, 여기에서 지하수위 강하가 발생하지 않는 지점까지를 지하수 영향구간이라 한다. 그러나 이를 현장에 그대로 적용하 기는 어려우므로 굴착에 의해 지하수위 강하가 1.0m 되는 지점을 영향구간으로 설정하도록 명기하고 있다. 굴착공사 지점으로부터 지하수위 강하가 1.0m 되는 지하수 영향 구간은 수치해석에 의해 계산할 수 있으며 경험식을 통한 영향구간 산정은 대수층의 성격, 양수지속시간 또는 지하수위 강하량, 지하수 함양량 등에 좌우되므로 일률적으로 결정할 수 없지만 유출량을 입력변수로 사용하여 비교적 수리상수에 덜 민감한 Kozeny법 경험식을 적용하여 영향구간 을 산정 할 수 있다. ⋅ ⋅ (1) 여기서, R : 영향반경(m) K : 수리전도도(m/일) t : 양수시간(일) S : 저류계수 Q : 양수량(m3/일) 지하수 영향구간 <그림 4> 지하수 영향구간 선정26 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 2 암발파 굴착 시 발생하는 진동으로 인해 발생하는 계측기의 오류 및 파손을 방지하기 위한 지하수위계 적정 설치위치 검토 4.2 발파진동 영향구간 검토 4.2.1 발파진동 관리기준 검토 국내의 발파진동 허용기준은 외국의 허용 기준치보다 매우 엄격한 실정이며 안전성을 고려하여 인체의 감응도를 고려 하여 주거용 건축물의 경우 대부분 0.5cm/sec 이하를 기준으로 하고 있다. 그러나 이러한 엄격한 설정에도 불구하고 발파진동에 대한 피해가 끊임없이 발생하고 있기 때문에 지하매설물 및 도 로구조물의 경우에도 보다 강도 높은 기준을 설정하여 운영하는 것이 일반적이다. 가스관 보호를 위한 가스공사의 관리지침(한국지질자원연구소, 류창하)에 의하면 진동이 있는 굴착작업(발파, 브레이 커 작업) 등의 경우 10m 이상 이격거리에 대한 안전범위에서 노출가스관은 0.4cm/sec, 매설가스관은 1.0cm/sec로 규 정하고 있다. 지하매설물에 관한 진동 허용기준에 의거하여 지중매립형식의 지하수위계는 매립가스관의 진동 허용기준인 1.0cm/sec를 적용하여 적용 이격거리를 산정하였다. <표 2> 가스관 진동 허용기준(cm/sec) 구분금지범위대책범위안전범위 노출가스관3.0 이상3.0~0.40.4 이내 매설가스관4.0 이상4.0~1.01.0 이내 대책내용 - 무진동 공법시공 - 보강후 시공 4.2.2 표준발파공법 및 진동규제기준별 적용 이격거리 검토 표 3은 국토교통부에서 발간한 국도건설공사 설계실무 요령에 명기된 표준발파공법 및 진동규제기준별 적용되는 이 격거리이다. <표 3> 표준발파공법 및 진동규제기준별 적용되는 이격거리(m) TYPE발파공법0.10.20.30.51.05.0 Ⅰ미진동 굴착공법40m까지25m까지20m까지15m까지5m까지3m까지 Ⅱ정밀진동 제어발파40~80m25~50m20~40m15~30m5~20m3~7m Ⅲ소규모 진동제어발파80~140m50~90m40~70m30~50m20~30m7~10m Ⅳ중규모 진동제어발파140~260m90~170m70~130m50~90m30~60m10~25m Ⅴ일반발파260~450m170~290m130~220m90~160m60~110m25~40m Ⅵ대규모 발파450m 이상290m 이상220m 이상160m 이상110m 이상40m 이상Vol. 23, No. 4 27 앞서 지하수위계의 진동허용기준을 매립가스관의 진동허용기준인 1.0cm/sec로 설정하였으므로 지하수위계의 이격 거리는 발파공법에 따라 발파원으로부터 미진동 굴착공법 적용시 5m, 정밀진동 제어발파공법 적용시 5~20m, 소규모 진동제어발파공법 적용시 20~30m, 중규모 진동제어 발파 공법 적용시 30~60m, 일반 발파공법 적용시 60~110m로 검 토되었다. 4.3 수치해석을 통한 흙막이 이격 거리별 지하수위 저하량 검토 본 연구에서는 3절에서 언급했던 ㅇㅇ지역 전력구 공사를 대상으로 적정이격 설치위치 검토를 실시하였으며 현장 지 반조사 결과 해석 대상 지반의 설계정수는 다음 표 4와 같다. 굴착에 따른 지하수위 저감을 고려하기 위하여 굴착 단계 에 따른 응력-침투 연계해석을 실시하였으며 응력해석에서 변위에 대한 경계조건을 부여하는 것과 같은 개념으로 해석 영역에 대하여 수위 및 지하수 유출 조건을 경계조건으로 설정하여 해석을 실시하였다. <표 4> 수치해석적용 설계 물성치 구분 탄성계수 E(MPa) 포아송비 단위중량 (kN/m3) 점착력 (kN/m2) 내부마찰각 (°) 투수계수 (K) 구성모델 매립층10.00.3318.05.025.05.23×10-3 Mohr-coulomb’model 퇴적층 (사질토) 15.00.3318.05.027.04.51×10-3 풍화토60.00.3219.020.032.04.65×10-4 풍화암1000.3021.030.033.03.00×10-4 연암2,0000.2824.0150.035.01.03×10-4 경암8,0000.2327.01,000.045.02.24×10-5 강재210,0000.3578.5---Elastic model 해석과정은 현장의 흙막이벽체 시공과정을 동일하게 모사하였고, 도면 및 구조계산서에 따른 굴착 깊이를 단계별로 적용하였다. 각 토층에 투수 계수에 의한 불포화특성을 고려하여 비정상류 해석을 실시하였으며 수치해석 결과 굴착공 사 지점으로부터 지하수위 강하가 1.0m가 되는 지하수위 영향구간은 아래 표 5와 같이 95m로 검토되었다. <표 5> 흙막이 벽체 이격거리 별 지하수위 저하량(m) 구분흙막이 벽체로부터의 거리(m) 지하수위 저하량 (m) 05101520253035 -5.77 -5.52 -5.33 -4.96 -4.52 -4.20 -4.00 -3.90 4045505560657075 -3.82 -3.62 -3.30 -3.15 -2.94 -2.60 -2.49 -2.08 80859095100105110115 -1.70 -1.50 -1.40 -0.99-0.84 -0.70 -0.65 -0.50 Next >