< Previous38 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 초 록 최근 국내 건설현장들은 도심지 근접구간에서 발파진동피해를 최소화하기 위하여 전자뇌관을 이용한 미진동 전자발 파공법 적용사례가 증가하고 있는 추세이다. 그러나 미진동 전자발파는 무진동 암파쇄 대체공법으로 경제성은 우수하나 시공현장에서 진동을 제어하는 공법으로 1 회 굴진장을 1m 이하로 적용하고 있어 시공속도가 저하되는 문제점이 발생하고 있다. 따라서, 미진동 전자발파 수준의 진동제어와 굴착비 절감 및 시공속도를 높일 수 있는 더블데크 발파공법을 연구 및 시험을 수행하였다. 미진동 전자발파와 더블데크 전자발파 비교 시험결과 진동레벨, 발파효율, 파쇄입도, 여굴량 등이 비슷한 수준으로 평가되어 현장 적용시 굴진장 증대로 인한 공사기간 단축 및 시공비 절감이 가능할 것으로 판단되었다. 1. 서 론 최근 철도, 지하철, 도로 지하화 등 지하공간 개발이 활성화되고 있으며, 터널 시공시 다양한 지반에 적용이 가능하고 지반변화에 즉각적으로 대응할 수 있는 발파굴착공법이 보편적으로 적용되고 있다. 그러나 터널에 인접하여 지장물 또 는 구조물이 위치하는 경우 발파굴착공법 적용이 제한적이며, 발파로 인한 진동이 주변 구조물에 피해를 주지 않도록 구 조물에 따른 허용진동 기준이 산정되어 있다. 이와 같은 이유로 현장에서는 허용진동 기준을 만족시키기 위하여 양질의 더블데크 전자발파를 이용한 터널 발파공법 개발 연구 The study on the tunnel double-deck blasting methods using electronic blasting systems 이종우 대진대학교 토목환경공학과 문홍표 DL이앤씨(주) 부장 김남수 (주)엔에스비 NOW E&C 대표이사 이강일 대진대학교 스마트건설환경공학부 (토목공학전공) 교수Vol. 23, No. 4 39 암반에서도 굴진장을 축소하거나 무진동 암파쇄공법과 같은 진동제어공법을 적용하여 굴착을 진행하고 있으나 진동제 어공법은 공기를 지연시키고, 공사비를 증가시키는 주요한 원인이 되고 있다. 당사에서는 이러한 진동제어공법 적용시 발생하는 공기지연과 공사비 증가를 방지하기 위하여 발파공에 폭약을 이중 장약하여 1회 발파에 2회 굴진장을 굴착하는 더블데크 발파를 터널 진동제어구간에 적용하는 방안을 검토하였다. 더블 데크발파는 노천발파에 일반적으로 적용되는 발파공법으로, 한 번에 발파되는 장약량이 감소하여 발파진동을 저감시키 는 동시에 공기를 확보할 수 있는 공법이다. 그러나 더블데크발파 공법이 터널에 적용된 사례는 홍콩과 일본에 일부 있 을 뿐이며, 국내에서는 적용된 사례가 없으므로, 본 연구에서는 더블데크발파를 활용한 터널굴착 공기단축 기술을 개발 하고, 더블데크발파 공법의 현장 시험발파를 통하여 현장 적용성 검증 및 공기단축 효과를 확인하고자 하였다. 2. 더블데크발파 공법 개요 2.1 제어발파 굴착 공법 터널시공시 발파굴착으로 인한 허용진동기준을 만족하기 위하여 터널막장에 추가 자유면을 형성하는 방법, 전자뇌관 을 사용하여 발파 진동 중첩으로 인한 발파진동 증가를 방지하는 방법, 굴진장을 축소하여 지발당장약량을 감소시키고 발파진동을 저감하는 방법, 최종적으로 발파를 하지않는 무진동 암파쇄공법 등이 적용된다. 여기서, 지발당 장약량이란 <표 1> 단계별 제어발파 굴착공법 선대구경 심발 적용 (CB1)CB1 + 전자뇌관 적용 (CB2) ∙ 심발부 자유면 증가로 인한 진동저감∙ 기폭초시 정밀도에 의한 진동저감 CB2 + 굴진장축소 적용 (CB3)무진동 암파쇄 (CB4) ∙ 굴진장축소(1.5~2.0m)로 공당 장약량 저감∙ 비발파공법으로 유발진동 없음40 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 더블데크 전자발파를 이용한 터널 발파공법 개발 연구 동시(발파의 시차가 0.008초 이내)에 발파되는 폭약의 무게를 의미하며, 발파 진동치는 일반적으로 이러한 지발당장약 량에 비례한다. 그러나 터널발파에서 지발당장약량을 감소시키면 1회 굴진장도 감소하게 되므로 진동제어를 위해 지발 당장약량을 감소시킬 경우 굴진장 단축으로 인하여 공기증가의 요인이 된다. 표 1은 터널 현장에서 일반적으로 적용되는 제어발파의 적용단계 예시를 나타내었다. 2.2 전자뇌관을 이용한 더블데크 전자발파 공법 2.2.1 전자뇌관 뇌관은 폭약의 기폭장치로서 전기식, 비전기식, 전자식 뇌관으로 분류되며 이중 전기식, 비적기식 뇌관은 뇌관 내 지 연화약을 통하여 시차를 제어하고, 전자뇌관은 전자집적회로를 통하여 뇌관의 시차를 제어한다. 이처럼 전자뇌관은 전 자집적회로를 통하여 시차를 제어하므로 기존 기폭시차 오차(약 ±10%) 및 한정된 시차가 단점인 전기뇌관, 비전기 뇌관 과 달리 뇌관의 시차 정밀도(약 0.01%)가 우수하여 발파진동 파형중첩에 의한 진동증가 현상이 발생할 가능성이 낮고, 무한단차 설정이 가능하므로 발파현장에 적합한 발파설계가 가능하며 발파 및 파쇄효율을 높일 수 있다는 장점이 있다. 또한 전자뇌관 발파는 발파공 장약완료, 전자 집적회로 충전, 발파 순으로 발파가 진행되므로 충전이 완료된 후에는 뇌 관의 도선이 절단되어도 정확한 시차에 발파가 가능하다. 뇌관종류별 특성 비교표는 표 2에 나타내었다. <표 2> 뇌관종류별 특성 비교 구분전기뇌관비전기뇌관전자뇌관 점화방식전기전류충격파ASIC(전자회로 통제) 시차 정밀도±10%±10%±0.01% 시차 결정요소지연화약의 길이지연화약의 길이전자 집적회로통제 안전성전기적 충격에 민감외부 전기 요인에 안전(전용발파 신호체계에서만 작동) 설정초시0~7,000ms0~7,000ms0~20,000ms 사용단수 MS: 20단/LP: 22단, MS & LP조합: 약42단 800단 (무한단차 효과) 장점가격 저렴전기적 안전진동 분해능력 우수 단점 뇌관오차로 진동증가 전기적 위험 뇌관오차로 진동증가 가격 다소 높음 가격 고가 발파 진동파형Vol. 23, No. 4 41 2.2.2 더블데크(Double Deck) 발파 공법 본 연구에서는 터널발파의 진동제어 구간에서 굴진장을 유지하며, 진동을 제어하기 위하여 더블데크(Double Deck) 발파 즉, 2단 장약(Double Deck Charge) 공법을 터널에 적용하고자 한다. 더블데크(Double Deck) 발파 공법은 한 발파 공에 2단의 장약(폭약+뇌관)을 설치하고 각 장약의 기폭시간을 달리하여 분할 발파하는 공법을 말한다. 이러한 더블데 크(Double Deck) 발파 공법은 분할한 장약이 단차별로 기폭되어 지발당장약량을 감소시킬 수 있으므로 진동과 소음 저 감에 효과가 있다. 노천발파 현장에서는 더블데크(Double Deck) 발파 공법을 포함한 다단 장약(Deck Charge) 공법이 일반적으로 사용되었지만, 터널발파 현장에서는 좁은 공간에서 다수의 발파공을 한번에 발파하며 발생하는 문제점(시차 중첩, Cut-off등)으로 인하여 기존 전기 및 비전기뇌관으로는 적용할 수 없었다. 그러나 전자뇌관은 정밀한 시차 제어 가 가능하고 전기집적 회로가 충전된 후에는 도선이 단선되어도 발파가 가능하므로, 터널발파에서도 전자뇌관을 활용하 여 더블데크발파 적용이 가능하게 되었다. 그림 1은 일반적인 미진동 전자발파 모식도이며, 그림 2는 더블데크 미진동 전자발파 모식도이다. <그림 1> 일반적인 미진동 전자발파 모식도 <그림 2> 더블데크 발파 모식도 3. 더블데크 발파 공법의 현장 시험발파 수행 3.1 시험발파 개요 본 연구는 세종~포천 고속도로 안성~구리 건설공사 제11공구 현장의 남한산성터널 종점부에서 시험발파를 수행하였 으며, 더블데크 전자발파 2회, 일반 전자발파 2회를 수행하였다. 시험발파의 목적은 더블데크 전자발파와 일반 전자발 파공법의 비교시험을 통하여 진동크기 분석, 굴착효율, 파쇄입도 크기 분석 등 현장 적용성 파악이다. 시험발파 위치는 그림 3과 같으며, 현장에 적용패턴 굴진장을 고려하여 시험을 수행하였다.42 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 더블데크 전자발파를 이용한 터널 발파공법 개발 연구 <그림 3> 남한산성터널 종점부 시험발파 수행 위치도 3.2 시험발파 적용패턴 시험발파 구간은 종점부 B-2(CB3, 선대구경, 전자뇌관, 굴진장 축소 적용)패턴으로 굴진장이 1.5m인 일반 미진동 전 자발파와 굴진장 1.5m+1.5m의 더블데크 전자발파를 비교 시험하였다. 굴진장의 차이로 인하여 더블데크 전자발파 (1.5m+1.5m)시 일반 미진동 발파(1.5m)대비 장약공 수를 약 5% 증가 시켜 시험발파를 수행하였다. 시험발파 패턴 제원 표는 표 3이며 발파패턴도는 그림 4~5와 같다. <표 3> 시점부 시험발파 패턴 요약 구분1차2차3차4차 발파패턴B-2 (CB3)B-2 (CB3)B-2 (CB3)B-2 (CB3) 시험발파 공법더블데크 전자일반 미진동 전자더블데크 전자일반 미진동 전자 굴진장 / 천공장(m)1.5+1.5 / 3.31.5 / 1.61.5+1.5 / 3.31.5 / 1.6 장약공 (mm)Φ 45Φ 45Φ 45Φ 45 무장약공 (mm)Φ 365Φ 365Φ 365Φ 365 장약공 (공수)194186195184 단면적(m2) / 파쇄량(m3)79.921 / 239.76379.921 / 119.88279.921 / 239.76379.921 / 119.882 지발당 장약량(kg/delay)0.50~0.800.50~0.800.50~0.800.50~0.80 총장약량(kg/total)286.6135.8288.2134.2 비장약량(kg/m3)1.1951.1331.2021.119 사용 폭약류에멀전, 정밀폭약에멀전, 정밀폭약에멀전, 정밀폭약에멀전, 정밀폭약 사용 뇌관류(전자뇌관)388 EA186 EA390 EA184 EAVol. 23, No. 4 43 <그림 4> 더블데크 전자발파(1차, 3차) <그림 5> 일반 미진동 전자발파(2차, 4차) 3.3 시험발파 자료수집 더블데크 발파와 일반 미진동 발파의 진동크기를 비교하기 위하여 시험 발파간 발파진동을 계측하였으며, 계측된 결 과를 기반으로 회귀분석을 실시하여 더블데크 발파와 일반 미진동 발파의 경향을 비교하였다. 시험 발파 직후에는 3D스 캐너를 이용하여 굴진장과 여굴량의 정밀분석을 수행하였으며, 파쇄입도 크기 분석은 디지털(영상처리기법) 방식을 적 용하여 패턴별 파쇄입도 크기를 비교 분석하였다. 표 4에는 각 시험발파 후 수집된 자료의 예시를 나타내었다.44 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 더블데크 전자발파를 이용한 터널 발파공법 개발 연구 <표 4> 시험발파 자료수집 예시 발파진동 측정 및 회귀분석 굴진장 및 굴진효율 분석여굴량 분석파쇄도 분석 4. 연구 결과 4.1 발파진동 분석 시험발파시 매 발파마다 계측기를 설치하여 진동을 계측하였으며, 발파진동 계측위치와 위치별 계측거리는 표 5와 같다. <표 5> 시험발파 계측기별 이격거리 구분 종점부 시험발파 계측기별 이격거리(m) 1차2차3차4차계측기 설치위치도 계측기 #1909393.596.5 계측기 #2100103103.5106.5 계측기 #3130133133.5136.5 계측기 #4160163163.5166.5 계측기 #5190193193.5196.5 계측기 #6200203203.5206.5 계측기 #7210213213.5216.5 계측기 #8220223223.5226.5Vol. 23, No. 4 45 4.1.1 전자뇌관 유폭여부 확인 더블데크 전자발파는 목표 굴진장을 2단으로 분할하여 발파하는 공법으로 공법 특성상 1단에 장약된 폭약이 발파되며 2단에 장약된 폭약이 같이 발파되는 유폭현상이 발생할 수 있다. 따라서 초시정밀도가 우수한 전자뇌관을 사용으로 뇌 관 시차 오차에 의한 진동 파형 중첩에 관하여 분석을 수행하였으며, 분석결과 모든 발파에서 입력된 시차에 정확히 기 폭되었고, 유폭으로 인한 진동 증폭현상은 발생하지 않았다. 그림 6은 발파의 시차분석 결과 그래프이다. <그림 6> 더블데크 발파시 발파 시차분석 그래프 4.1.2 발파진동 계측결과 분석 더블데크 전자발파 수행시 일반 미진동 전자발파 굴진장(L=1.5m)대비 2배의 굴진장을 2단(1.5m+1.5m)으로 나누어 발파함으로써 동일한 1회 굴진장 및 지발당장약량 조건에서 진동의 크기변화를 분석하였다. 동일한 지발당장약량을 사 <표 6> 발파진동 계측 결과 구분 시험발파별 발파진동 계측결과(cm/sec) 1차(더블데크 전자)2차(일반 미진동 전자)3차(더블데크 전자)4차(일반 미진동 전자) 계측기 #10.8730.9240.9521.060 계측기 #20.1300.1300.1370.186 계측기 #30.0380.0380.0410.054 계측기 #40.0510.0630.0330.036 계측기 #50.0190.0210.0280.034 계측기 #60.0170.0170.0240.025 계측기 #70.0120.0140.0200.022 계측기 #80.01 미만0.01 미만0.01 미만0.01 미만46 자연,터널 그리고 지하공간 기술기사 4 더블데크 전자발파를 이용한 터널 발파공법 개발 연구 용할 경우 더블데크 전자발파는 일반 미진동발파 보다 진동이 작거나 비슷한 경향을 보였다. 표 6은 발파진동 계측결과 표이며, 계측기 #1의 경우 계측위치가 갱문과 근접하여 발파시 발파 폭풍압에 의하여 진동이 과다하게 측정되었다. 그림 7은 동일한 지발당장약량이 적용된 시험발파의 진동 크기를 비교하였다. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 자유장 #2자유장 #3자유장 #4자유장 #5자유장 #6자유장 #7 진 동속도 (c m/ se c) 더블데크 전자미진동 전자 <그림 7> 더블데크 전자 발파와 일반 미진동 전자발파의 진동소곧 비교 그래프 4.1.3 발파진동 회귀분석 시험발파에서 수행한 더블데크 전자발파와 일반 미진동 전자발파의 진동데이터를 바탕으로 회귀분석을 수행하여 발 파진동의 경향성을 분석하였으며, 시험발파 시 동일한 지발당장약을 적용하였으므로 발파진동 추정식을 산출하여 발파 진동의 경향성을 비교분석이 가능하였다. 분석결과 일반 미진동 전자발파에 비해 더블데크 전자발파공법의 발파진동이 작게 측정되어 더블데크 전자발파 적용시 동일거리에서 지발당 장약량을 약 10% 정도 더 사용이 가능한 것으로 분석되 었다. 그림 8은 발파진동 추정식별 비교 그래프이다. <그림 8> 종점부 발파진동 추정식 비교그래프Vol. 23, No. 4 47 4.2 더블데크 발파의 발파효율 분석 각 차수의 시험발파 후 막장면에 대하여 3D 스캔과 파쇄입도 분석을 실시하였으며, 분석결과는 표 7에 나타내었으며, 각 차수의 발파 종료 후 버럭만 처리 한 상태에서 3D 스캐너 작업을 수행하였다. <표 7> 시점부 파쇄입도 분석 결과 구분 종점부 1차 (더블데크 전자) 2차 (일반 미진동 전자) 3차 (더블데크 전자) 4차 (일반 미진동 전자) 굴진장 및 굴진효율 2.98m (99.3%) 1.48m (98.7%) 2.85m (95.0%) 1.41m (94.0%) 평균 여굴길이 (최대 여굴길이) 19.8cm (23.2cm) 14.1cm (15.1cm) 15.2cm (16.4cm) 12.5cm (14.3cm) 파쇄입도 분석결과 30cm 통과율80.6%80.0%81.2%83.6% 최대545.6mm589.5mm572.9mm539.9mm 시험발파의 굴진효율 분석 결과, 더블데크 전자발파의 경우 95.0~99.3%, 일반 전자발파는 94.0~98.7% 굴진효율이 발생하였으며, 발파 여굴에서는 일반 전자발파 평균 여굴길이는 12.5~14.1cm, 최대 여굴길이는 14.3~15.1cm이고, 더 블데크 전자발파는 평균 여굴길이는 15.2~19.8cm, 최대 여굴길이는 16.4~23.2cm로 분석되었다. 파쇄입도 분석의 경 우, 30cm 미만의 파쇄석 비율이 일반 전자발파는 80.0~83.6%, 더블데크 전자발파는 80.6~81.2%로 분석되었다. 발파효율 분석 결과, 더블데크 전자발파(1.5m+1.5m)와 일반 미진동 전자발파(1.5m)의 굴진장 차이로 인하여 더블데 크발파의 평균 여굴량이 다소 크게 계측되었지만 굴진효율 및 파쇄입도는 더블데크발파와 일반 전자발파의 결과가 유사 하게 나타났다. 4.3 사이클 타임 검토 더블데크 전자발파의 사이클 타임 분석을 위하여 시험발파간 사이클 타임을 측정하였으며, 시험발파의 현장조건은 3 차로 도로 터널로 총 터널 단면적 약 106m2 중 상반 단면적이 80m2이고, 24시간 작업가능 조건이었다. 측정결과 더블데 크 전자발파(굴진장 1.5m+1.5m)의 평균 사이클 타임이 14.3시간으로 나타났다. 시험발파 중 측정한 사이클 타임과 현장조건을 고려할 때, 시험발파 실시현장에 3B-2(CB3)패턴을 적용할시 1회 발 파 굴착 사이클이 12시간을 초과하여 한 막장에 더블데크 전자발파 1회, 일반 미진동 전자발파 1회를 조합하여 적용이 가능하다. 그러므로 시험발파 현장에서는 더블데크 전자발파 적용시 약 30%(3B-2(CB3)패턴 적용) 공기단축이 가능할 것으로 판단된다. 그러나 터널현장의 사이클 타임은 터널의 단면적, 발파 가능시간, 작업자의 숙련도 등 현장여건에 따라 달라질 수 있 으므로 타 현장에 더블데크 전자발파를 적용할 경우 현장여건을 고려하여 현장적용성을 판단하여야 한다. 표 8은 시점 부 및 종점부 사이클타임 측정결과이다. 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