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1)
High ENC 기술사사무소
2)
ORICA KOREA
* 교신저자 : [email protected] 접수일 : 2013년 12월 5일 심사 완료일 : 2013년 12월 21일 게재 승인일 : 2013년 12월 26일
매설 가스관 근접 진동제어를 위한 터널 전자발파 시공사례
최형빈1)*, 김갑수2)
A Case Study of Tunnel Electronic Blasting to Control Vibration in the Proximity of the Gas Pipe
Hyeong-Bin Choi and Gab-Soo Kim
Abstract In this case of "Seongnam~Yeoju double-lanes railroad construction", there were resident houses and gas pipe which were concerned about damages from vibration and noise. Especially, gas pipe which is a diameter of φ500mm was located under the ground along upside road. The limit of vibration was 1.0cm/sec to protect gas pipe. The electronic blasting systems have been used to control vibration & noise not only gas pipe but also resident houses. The results of tunnelling were successfully conducted with effective vibration control and quick excavation by electronic blasting without any damages to adjacent facilities.
Key words Electronic blasting, Gas pipe, eDev
초 록 본 시공사례는 “성남~여주 복선전철 제 O공구 노반건설공사”중 도로 하부통과 구간으로서 터널의 노선을 따라 진동 및 소음으로 인한 피해 영향권 내에 아파트, 도자기 생산공장 및 국도 등 주요 보안물건 등이 위치하고 있다. 특히, 터널 노선 12m 상부의 국도를 따라 도시가스관(φ500mm)이 매설되어 있어, 진동허용기준(1.0cm/sec) 이하로 안전하게 굴착하기 위하여 전자발파 공법을 적용하였으며, 굴착에 따른 지반의 변위를 최대한 방지하기 위하여 정밀 진동제어와 함께 신속한 굴착 및 보강이 이루어짐으로서 안전하게 완료되었다.
핵심어 전자발파, 가스관, eDev
1. 서 론
본 시공사례는 “성남~여주 복선전철 제 O공구 노 반건설공사”중 도로 하부통과 구간으로서 터널의 노 선을 따라 진동 및 소음으로 인한 피해 영향권 내에 아파트, 도자기 생산공장 및 국도 등 주요 보안물건 등이 위치하고 있다. 특히, 터널 노선 12m 상부의 국 도를 따라 도시가스관(500mm)이 매설되어 있어, 진동허용기준(1.0cm/sec) 이하로 안전하게 굴착하기
위하여 전자발파 공법을 적용하였으며, 굴착에 따른 지반의 변위를 최대한 방지하기 위하여 정밀 진동제 어와 함께 신속한 굴착 및 보강이 이루어짐으로서 안 전하게 완료되었다.
2. 현장개요
2.1 보안물건
도시가스관(500mm)은 터널 노선 약 12m 상부에 국도 3호선을 따라 매설되어 있다(Table 1, Fig. 1~2).
2.2 지질 및 암질
당 현장의 주 구성암석은 선캠브리아기의 변성암류 와 이를 관입한 시대미상의 화강암류 및 중생대 백악
Table 1. Site conditions
보안물건 최단거리(m)
도시가스관 12
국도 3호선 13
Fig. 1. Plan view of the site.
Fig. 2. Section view of the site.
Table 2. The limit of vibration
구 분 허용기준
도시가스관 1.0cm/sec
Table 3. Electronic blasting systems
eDev I: 0~10,000ms, 오차 ±0.1%
eDev II: 0~20,000ms, 오차 ±0.01%
(2012년 7월 제품 업그레이드)
Scanner
1ms 단위로 각 뇌관의 시차를 부여할 수 있는 시차 입력 장치.
Network Tester
발파작업장 내에서 단선 , 단락 및 누설전류 확인.
eDev II: 막장에서 모든 뇌관 통신이 가능 한 RDI Tester로 변경됨.
Blastbox
각 뇌관과의 양방향 통신을 통해 스캐너로 입력받은 각 뇌관의 시차를 프로그래밍 및 발파.
최대 발파당 800발 기폭 가능.
Harness Wire
각 뇌관을 연결하는 전용 보조 모선.
eDevII: Duplex로 업그레이드.
발파설계 및 발파진동 분석 프로그램.
기의 맥암류, 그리고 제4기의 충적층으로 대별된다.
대부분의 변성암류는 흑운모편마암이 가장 넓은 분포 를 보이며, 규장편마암, 반상 변정질 편마암, 석영~운 모편암과 규암이 흑운모 편마암에 협재 또는 점이적 인 변화를 갖고 북북동 방향의 대상 분포를 보인다.
과업구간은 변성암류를 관입한 쥬라기의 흑운모화강 암이 저반의 형태로 우세하게 발달되어 있다(한국철 도시설공단, 2006).
2.3 도시가스관 진동허용기준
발파진동의 허용기준은 한국가스공사 매설가스관 진동 제한 기준을 적용하였으며, table 2와 같다.
3. 전자발파시스템 소개
3.1 전자발파 시스템 구성
당 현장에 사용된 전자발파 시스템은 2012년 7월 이전 생산된 ORICA사의 터널전용 발파시스템인 eDev I 이 사용되었으며, 그 주요 시스템은 table 3과 같이 전자뇌관, 시차할당을 위한 Scanner, 결선의 이 상 유무를 점검하기 위한 Network Tester와 각 뇌관 과 교신하여 지정된 시차를 각 뇌관에 Programming
Table 4. Characteristics of a detonator
전자뇌관의 특성
∘전자 집적회로(ASIC)에 의하여 지연시차 부 여함.
∘뇌관 기폭초시 오차 : 0.01%(eDevⅡ)
∘높은 시차정밀도에 의한 진동제어
∘기존 뇌관의 고유오차에 의한 진동 증가 현상 이 나타나지 않음.
∘1MS 단위로 기폭시차 설정이 가능함.
∘발파원과 구조물 사이의 지반조건에 따른 최 적 시차조절이 가능함.
Cut-off에 의한 불발 뇌관 방지
∘각 뇌관의 기폭은 내부 Capacitor에 충전된 자체 에너지 사용.
∘발파명령 이후 단선이 되어도 Programming 시간에 자동기폭.
∘발파작업 후 불발뇌관 및 폭약 잔류 방지.
장약공 내부의 불발
뇌관 방지
∘발파기의 양방향 통신에 의한 불량 뇌관 보고 로 보완 지시.
∘결선 불량 뇌관 보고로 보완 지시.
∘시차 미할당 뇌관 보고로 보완 지시 만약, 보 완없이 발파 진행될 경우 발파기 스스로 자동 기폭시켜 발파 작업후 암반속에 뇌관 잔류 방지.
작업자 실수에 의한 발파사고
미연방지
∘점보의 천공 위치 변화에 따른 발파패턴 변경 이 매우 원활함.
∘장약 완료 후 기폭순서 부여.
∘발파 전문가에 의한 시차제어로 진동제어 관 리성 원활.
뇌관 안전사고 예방
∘저압전류(누설전류) 유입시 내부안전장치 작 동으로 사고 방지.
∘고압전류(낙뢰, 인체정전기) 유입시 내부 안 전장치 작동으로 사고 방지
∘특정 신호명령 체계를 가진 전용 발파기에 의해서만 작동.
Fig. 3. Waveform of electronic blasting.
Table 5. Charge weight scaling law
구 분 발파진동상수(K) 감쇠지수(n) 결정계수(r²) 전자발파 70.055 -1.354 0.82
Table 6. Charge weights by distance 거리
(m)
전자발파시 적용가능 지발당 장약량(kg) 1.0cm/s
5 10 12 14 16 18 20 25 30 35 40
0.047 0.188 0.271 0.369 0.482 0.610 0.753 1.176 1.693 2.305 3.010
Fig. 4. The results of regression analysis.
Fig. 5. Electronic blasting pattern.
한 후 최종 순차적으로 기폭시키기 위한 BlastBox 등 으로 구성되어 있다.
특히, 터널전용 발파시스템(eDev I)은 노천 전용 발 파시스템(Unitronic)과 달리 터널발파를 각 영역별(심 발, 확대, 외곽, 바닥 등) 그룹(Group)으로 세분화하여 각 영역별 발파 특성에 맞추어 각 뇌관의 시차를 통합
Table 7. The summary of blasting pattern
구 분 발파 조건
지보패턴 P-Ⅵ
천공경(mm) Φ45
장약공(공) 181
굴진장/천공장(m) 1.0/1.1 단면적/파쇄량(m
2) 49.436/49.436
지발당장약량(kg) 0.125~0.25 총장약량(kg/total) 30.825
비장약량(kg/m
3) 0.624
사용폭약류 EMULSION EXPLOSIVES
사용뇌관류 eDev I
① 장 약 ② 결 선
③ 그룹별 뇌관시차부여 ④ 네트워크 확인
⑤ 작업완료 ⑥ 프로그래밍 및 발파 Fig. 6. Working procedures.
적으로 제어할 수 있으며, 작업오류에 의한 통신불량 뇌관 발생시 발파기는 해당 영역별 뇌관의 고유 바코드 (Barcode)를 사용자에게 보고함으로써 보다 신속히 문 제해결이 가능하여 발파시공 싸이클타임(Cycle Time) 을 효과적으로 단축시킨다(Orica Mining Services, 2011).
3.2 전자발파의 특성
전자뇌관의 특성은 table 4와 같다. 전자뇌관은 일 반뇌관이 ±5~10%의 고유초시 오차를 가진 것과 비 교하여 시차 정밀도가 ±0.01%로 매우 정밀하며, 암반 조건에 맞는 적절한 시차를 부여할 때 파의 보강간섭 으로 인한 진동 증가현상이 없어 설계된 지발당장약 량을 정확히 유지시킴으로서 발파진동 예측 및 관리 수준이 매우 높다(Fig. 3).
또한, 1ms 단위로 임의 시차 적용이 가능하므로 터 널 발파당 단차한계성 없이 전단면 MS(밀리세컨드) 발파가 가능하여, 여굴제어, 파쇄도, 굴진효율 및 진 동제어 측면에서 원하는 발파조건에 맞는 원활한 시 차 제어성을 제공한다.
4. 발파 환경 영향 평가
4.1 발파진동 추정식 선정
도시가스관의 발파진동 허용기준 1.0cm/sec 이내의 진동관리를 위하여 table 5~6, fig. 4와 같이 발파진동 추정식 및 이격거리별 지발당 장약량을 산출 하였으 며, 이에 따라 적용 가능한 전자발파패턴을 설계 및 시공 하였다.
5. 전자발파 현장 시공
5.1 전자발파 시공 패턴
실 시공에 사용된 전자발파 표준패턴은 다음 fig. 5, table 7과 같으며, 매 발파 진동계측을 통해 얻어진 실 제 발파파형의 변화를 검토한 후, 다음 발파패턴을 보 완함으로서 지속적인 관리가 이루어졌다.
5.2 작업과정(전자발파시스템)
전자발파시스템의 작업 과정은 다음 fig. 6과 같으
며, 전자뇌관은 뇌관의 시차를 스캐너로 부여하기 이 전에는 시차가 없는 상태로 동일하기 때문에, 일반뇌 관의 사전 뇌관 분류 작업은 요구되지 않는다.
작업자에 의하여 임의 장약작업을 실시하고, 심발 부, 확대부, 설계굴착선부, 바닥부의 각 영역을 그룹
Fig. 7. Monitoring position.
Fig. 8. Results of vibration.
Fig. 9. Waveform of blasting.
Fig 10. Fast fourier spectrum.
암 파쇄물 사진 Image processing
암 파쇄입도 분포곡선 암 파쇄 입도 분포도 전자발파
Fig. 11. Fragmentation analysis.
화 하여 결선작업을 실시한 후, 스캐닝 작업을 통해 각 뇌관의 시차를 부여하고, 결선회로의 이상 유무를 네트워크 테스터로 확인한 후, 안전한 발파장소로 이 동하여, 스캐너의 시차 정보를 발파기로 무선 전송 후, 발파기의 양방향 통신을 통해 시차를 프로그래밍 한 후 최종 발파작업을 진행하게 된다.
5.3 현장 발파진동 측정
발파진동에 의한 도시가스관의 피해 영향을 최소화 하기 위하여 매 발파 가스관 위치에서 계측이 이루어 졌으며, 계측위치는 fig. 7과 같이 도시가스관 매설 지 점의 국도 3호선에 설치되었다.
Fig. 8의 그래프는 상시 계측 결과를 나타낸 것이며, 터널의 굴착진행에 따라 0.537~0.859cm/sec의 진동 수준으로 계측되었고, 발파 단면과의 이격거리에 따 라 일정한 진동수준의 변화를 보였으며, 허용기준인
1.0cm/sec 이하로 안전하게 관리 되었다.
5.4 발파진동의 전파 특성
도시가스관 직상부에서 진동 측정 결과는 수직방향 성분(Vertical component, Z축)이 가장 우세하게 나 타났다.
Fig. 9와 같이 진동속도는 심발공 및 바닥공보다 확 대공 또는 설계 굴착선공에서 높게 나타났는데, 이는 심발부의 높은 암반 구속도의 영향보다 확대공 및 최 외곽공과 계측기 사이의 짧은 거리가 발파진동의 크 기 변화에 높은 영향을 준 것으로 판단된다.
Fig. 10은 주파수 분석을 실시한 그림으로 전자발파 시 모든 발파공이 일정한 MS시차 간격으로 발파되면 서 주파수도 일정한 간격으로 나타나는 경향을 보이 고 있으며, 주주파수는 근거리 발파로 인해 261Hz로 나타났다.
5.5 암파쇄 입도 분석
암 파쇄 입도 분석결과, fig. 11과 같이 파쇄물의 평 균크기가 12.8cm, 파쇄물의 최대입자 크기가 47.4cm, 파쇄물의 특정크기 30.0cm가 92.4%의 입도분포를 보여 터널 굴착 효율성이 우수한 것으로 나타났다(최 형빈, 2012).
6. 결 론
가스관 하부 굴착을 위한 전자발파 시공과정을 통 해 다음과 같은 결론을 얻게 되었다.
1) 전자발파공법은 사전 발파환경영향평가를 통해 정 밀시차에 의한 진동 및 소음 제어성, 전단면 밀리 세컨드 발파에 의한 굴진 효율성, 분할발파가 요구 되지 않는 작업 안전성 측면에서 우수한 것으로 나타나, 본 도시가스관 하부 통과구간을 안전하게 완료하였다.
2) 굴착 작업 중 도시가스관의 진동에 의한 피해 영 향을 최소화 하기 위해 매회 계측을 실시하였으며, 측정결과는 0.537~0.859cm/sec의 진동 수준을 보 여 도시가스관 허용기준 1.0cm/sec를 준수하였다.
3) 도시가스관 직상부에서 진동 측정 결과, 수직방향 성분(Vertical component, Z축)이 가장 우세하게 나타났으며, 암반구속도가 높은 심발공의 진동 크 기 보다, 비교적 계측기와 근거리인 확대공 및 설 계굴착선공에서 높은 진동값을 보였다.
이는 근거리 발파작업 시 계측기와 발파공 사이의 거리 변화가 진동의 크기에 높은 영향을 미치는 것으로 판단된다.
주주파수 분석결과, 모든 발파공이 일정한 MS시 차간격으로 기폭되면서 주파수도 일정한 간격으로 나타나는 경향을 보이고 있으며, 주주파수는 261Hz로서 높은 고주파 특성을 보여 저주파에 의 한 가스관의 피해 영향은 미미한 것으로 판단된다. 4) 전자발파 적용 결과, 파쇄물의 평균크기가 12.8cm,
파쇄물의 최대입자 크기가 47.4cm, 파쇄물의 특정 크기 30.0cm가 92.4%의 입도분포를 보여 터널굴 착 효율성이 우수한 것으로 나타났다.
전자발파는 시차 정밀도가 극히 높아 발파원과의 이격거리 및 지발당 장약량의 변화에 따라 진동 수준 의 변화가 일정하여, 이전 발파결과의 진동파형 해석 을 통해 다음 발파의 진동수준을 쉽게 예측할 수 있어 근접 시설물에 대한 진동제어 효율성이 매우 높았다.
References
