Prediction of Blasting-induced Vibration at Sintanjin Area, Daejeonusing Borehole Test Blasting

시추공 시험발파를 이용한 대전 신탄진 지역의 발파진동 예측

Prediction of Blasting-induced Vibration at Sintanjin Area, Daejeonusing Borehole Test Blasting

이충원

⋅박성용

Lee, Chung-Won⋅Park, Sung-Yong

Abstract

Problems on vibration due to blasting for infrastructure development are getting important because of a civil appeal. Blasting-induced vibration is representative construction pollution, hence, it is possible that a number of environmental damages occur. In this study, borehole test blasting was conducted at Sintanjin area, Daejeon and square root equation with 95% confidence level was proposed for prediction of blasting-induced vibration.

The vibration value predicted from this equation was more conservatively evaluated than the values predicted from U.S. Department of Interior, Bureau of Mines (USBM) and Nippon Oil & Fats Co., Ltd. (NOF) equations. Therefore, the proposed equation in this study seems to contribute for safety blast design. However, for optimal blast design, inducing equation for prediction of blasting-induced vibration through the identical test blasting with field construction such as rock slope blasting would be required.

Keywords: Borehole; test blasting; measuring vibration; charge per delay; equation for prediction of blasting-induced vibration

Ⅰ. 서 론

1. 개 요

발파작업을 시작하거나 지질조건이 급격하게 변화할 때, 다시 말해 암종, 토양 두께 변화 시 일반적으로 시험발파를 실시할 필요가 있다. 시험발파는 발파현장의 지반운동에 대 한 설계용 감쇠관계 특성을 제시하기 위하여 수행된다. 시험 발파는 사업 초기에 민원발생 소지가 있을 것으로 예상되거 나 사업도중에 민원발생으로 인하여 실시하는 경우가 대부분 이다. 동일 발파에 대하여 광범위하게 다른 환산거리에서 최 대 입자속도를 측정하기 위해 여러 개의 발파진동 계측기를 사용하여야 모든 발파변수들을 다양하게 유지할 수 있으며, 계측결과는 거리와 지발당 장약량의 영향으로 나타나게 된다. 물론 진동 계측기는 지질상태가 일정한 한 선상에 배열해야 한다. 즉, 그 선은 토양의 두께가 일정하고 단층과 같은 거대

한 지질학적 불연속면을 가로지르지 않아야 할 것이다 (Gi and Kim, 2002).

진동의 크기는 화약의 종류 및 특성, 장약량, 기폭방법, 전 색 상태나 화약의 장전밀도, 자유면의 수, 폭원과 측점간의 거리, 지질조건 등에 따라 다르며, 지발 뇌관의 사용으로 일정 시간간격으로 기폭하는 지발당 최대 장약량과 폭원으로부터 의 거리 등이 진동의 전파특성에 영향을 미치는 요인이 된다. 이러한 진동 계측자료의 실벡터합(Peak vector sum, PVS)과 환산거리와의 관계를 전대수지 (log-log 좌표계) 상에 나타내 고 이들의 관계를 선형 회귀분석하면 진동의 전파특성을 나 타내는 직선형의 상관식을 도출할 수 있다.

2. 연구 목적

Habberjam and Whetton (1952), Davies et al. (1964), Gustafsson (1973), Ghosh and Daemen (1983) 및 Roy (1991) 등은 이와 같은 진동의 전파특성의 이론적 파악을 위하여 연 구하였다. 이들은 발파 현상에 관련된 변수의 차원해석 및 다 수의 발파진동 측정경험에 근거하여 구조물 피해의 척도가 되는 지반의 진동속도를 지발당 최대장약량과 폭원으로부터 의 거리를 매개변수로 하여 경험적인 관계식을 도출할 수 있 음을 나타내었다. 각 연구자들이 제시한 관계식들을 Table 1 에 나타내었다.

* Professor, National Civil Defense and Disaster Management Training Institute, Ministry of the Interior and Safety

** Senior Researcher, National Disaster Management Research Institute, Ministry of the Interior and Safety

† Corresponding author

Tel.: +82-52-928-8463 Fax: +82-52-928-8199 E-mail: [email protected]

Received: May 9, 2018

Revised: June 12, 2018

Accepted: June 12, 2018

상기의 경험적 연구결과를 근거로, 최대 지발당 장약량 및 발파원에서부터의 거리를 변수로 하여 식 (1)과 같이 표시할 수 있다.



   ^





여기서, V는 지반의 진동속도 (cm/sec)를 의미한다. D는 발 파원으로부터의 거리 (m)이며, W는 지발당 장약량 (kg/delay) 이다. 또한 K, n은 지질의 암반조건, 발파조건 등에 따르는 상수이며, b는 장약지수이다. 식 (1)에서 D/W^b를 환산거리 (Scaled Distance, SD)라 하며 b가 1/2인 경우와 1/3인 경우를 각각 자승근 환산거리 (Square Root Scaled Distance, SRSD), 삼승근 환산거리 (Cube Root Scaled Distance, CRSD)라고 한 다. Kim et al. (1994)은 국내의 지질조건에 가장 적합한 식은 미 광무국에서 제안한 자승근식 및 삼승근식임을 밝힌 바 있 으며, 이 식들은 전대수지 상에서 직선으로 나타난다. 또한, Gi and Kim (2002)는 어느 거리 이내에서는 자승근식보다 삼 승근식이 더 보수적으로 나타난다고 보고하였다.

발파진동을 추정하기 위하여 설계에 대표적으로 이용되는 미 광무국 (U.S. Department of Interior, Bureau of Mines, USBM) 식은 미 광무국 고시 제656호 (Nicholls et al., 1971)를 통해 10여년간 채석장을 중심으로 발파진동에 대하여 축적한 연구결과를 분석함으로써 제시된 것으로, 식 (2)와 같이 나타 난다.



   ^

^





또한, 일본의 화약 제조사인 일본유지 (NOF Corporation)에 서는 터널 발파시에 대한 발파 진동식으로서 식 (3)을 제시하 고 있다 (JEIA, 2002).



 

   ^

^





이에 본 연구에서는 지속적으로 개발되고 있는 대전 신탄 진 지역에서 시추공 시험발파를 수행하고, 진동 계측결과를 바탕으로 각 매개변수를 적절히 산정한 발파진동 추정식을 제시함과 동시에 기존의 발파진동 추정식인 미 광무국식 및 일본유지식과 비교함으로써 그 적용성을 검토하고자 하였다.

Ⅱ. 시험발파

1. 시험발파 현장

시험발파 현장은 대전 신탄진 지역으로 좌측에는 금강이, 우측에는 대청호가 위치하고 있다. 본 지역의 3개 시추공 (A, B, C)에 대하여 시추공 시험발파를 수행하였다. 본 지역의 암 질은 사질편암으로 구성된다. Fig. 1에 시험발파지점의 위치 를 나타내었다.

Fig. 1 Location of borehole for test blasting

2. 시험발파 조건

본 연구에서는 에멀젼 화약인 NewMITE Plus I (φ 32mm×295mm×250g)을 사용하였다. 본 화약은 적은 양의 질

Proposer Proposed equation Remark

Habberjam and Whetton (1952) ∝

a: displacement of particle; W: charge per delay

Davies et al. (1964)



V: maximum particle velocity; W: maximum charge per delay; D: distance; K, a, b: local constant

Gustafsson (1973)



^



V: particle velocity; W: charge per delay; D: distance; K:

constant Ghosh and Daemen (1983)























V: particle velocity; W: charge per delay; D: distance; K, n: constant; α: inelastic damping coefficient

Roy (1991)

  







V: particle velocity; W: maximum charge per delay; D:

distance; n: local constant; K: design constant

Table 1 Proposed equations for prediction of blasting-induced vibration

산암모늄 용액과 산화제로 구성되어 있으며, 미네랄 오일과 왁스의 혼합물로 구성된 폭약으로 유중수적형 함수폭약의 일 종이다. 본 폭약은 암질에 따라 적용 범위가 다양하며, 소음 및 진동의 저감에 우수한 특성을 지닌다. 또한 마찰, 불 또는 기타 기계적 자극을 통한 충격에 둔감하므로 매우 안전하며, 내수성, 내한성 (-20℃)이 우수한 장점을 지닌다. 폭속이 약 5,700m/sec으로 일정하여 오래 저장하더라도 안정된 폭속을 유지할 수 있으며, 발파 후 가스가 양호하여 작업환경에 유리 하고 환경친화적 특성을 갖는다.

본 연구는 전기뇌관을 사용하였다. 안전을 위해서는 비전 기 뇌관 사용이 적당하나, 장약시 공내에 튜브와 Cap이 걸릴 확률이 높고 발파 후 공내에 튜브의 잔류물이 남아 후속작업 이 어려우며 튜브 비중이 작아 물이 있는 시추공 내에서 작업 이 어려워 전기뇌관을 충분한 방수 및 절연 등 안전조치를 시행한 후 사용하였다.

시험발파 시에는 각 발파별 발파심도 및 장약량을 달리하 여 측정 데이터의 분산을 유도하였다. Table 2에 발파 Case 및 발파심도, 사용 폭약량을 정리하였다. 또한, Fig. 2에 시험 발파 준비 작업을 나타내었다.

Borehole Blasting Case Depth (m) Explosive quantity (kg)

A Case 1 30 0.250

B

Case 1 44 0.250

Case 2 38 0.375

Case 3 30 0.500

Case 4 13 0.375

C Case 1 53 0.500

Table 2 Blasting case

3. 발파진동 계측

진동계측 결과는 진동의 영향권 예측 및 판단 근거 자료로 활용된다. 이를 위하여 발파진동의 3개 방향 성분인 수직 방 향 (Vertical), 진행 방향 (Longitudinal) 및 접선 방향 (Transversal) 성분을 계측한다. 진동계측은 발파원으로부터 등간격으로 계측기를 설치하여 진동 데이터를 수집하였다.

계측기간 설치거리는 4∼10m로 데이터 분산을 위하여 거리 를 조절하여 설치하였으며, 계측기간 설치거리, 심도를 고려 하여 수진기까지의 거리를 산출하였다.

(a) Measurement of depth (b) Preparation of explosive

(c) Charging (d) Tamping

Fig. 2 Preparation of test blasting

본 연구에서는 eXAD-8 2대 및 Blastmate 4대의 계측기를 사용하였다. eXAD-8 진동 측정기는 최대 80 mm/sec까지 진 동을 측정할 수 있으며 소음 측정범위는 90∼140dBL이다. 또 한, 1초에 300개의 데이터를 수집할 수 있다. Blastmate 진동 측정기는 최대 254mm/sec의 진동을 측정할 수 있으며, 진동 가속도를 0.01∼30gal 범위 내에서 계산할 수 있다.

발파진동측정기의 Sensor는 진동에 매우 민감하므로 발파 진동에 의한 자체의 진동 발생을 막기 위하여 센서에 스파이 크 (Spike)를 부착하여 지면에 박아 고정시켰으며, 바닥면과

밀착시켜 측정면과 센서가 가능한 일체화 되도록 하였다. 진 동측정기의 작동은 진동속도치가 일정치 이상이 되면 자동 작동될 수 있도록 트리거 소스 (Trigger sourse)를 Geophone으 로 설정하고, 트리거 레벨 (Trigger level)은 미세한 진동까지 측정할 수 있도록 0.015∼0.035 cm/sec로 설정하였다. 수진시 간 (Record time)은 1회 발파시간을 계산하여 충분한 여진까 지 측정 가능 하도록 Continuous로 설정하였다. 센서의 고정 을 Fig. 3에, 진동의 측정 장면을 Fig. 4에 나타내었으며, 계측 지점과 발파원까지의 거리를 산출하여 Table 3에 나타내었다.

(a) Fixing sensor using spike (b) Fixing sensor using heavy object Fig. 3 Fixing sensor for vibration measurement

Fig. 4 Measurement of blasting-induced vibration

Distance (m) Borehole A (Case 1) Distance (m) Borehole B (Case 1)

S1 31 S1 45

S2 33 S2 47

S3 35 S3 49

S4 37 S4 51

S5 40 S5 53

S6 43 S6 55

Table 3 Distance between blasting point and measuring point

Ⅲ. 시험발파 결과 분석

1. 발파진동의 회귀분석

시추공 A, B, C에 대하여 시험발파 시 발생하는 진동 측정 결과를 Table 4에 나타내었다. 발파진동의 전파특성을 나타내 는 추정식은 계측자료로부터 회귀분석을 통해 각각의 상수를 구한 후 적합도가 높은 식을 선택하는 것이 일반적이다. 따라 서, 발파진동 계측자료를 통해 발파진동의 세 성분인 수직 방 향 (Vertical), 진행 방향 (Longitudinal) 및 접선 방향 (Transversal) 성분에 대한 벡터합(Peak vector sum, PVS)에 대 하여 자승근 환산거리 및 삼승근 환산거리 기법으로 진동의 중위수준인 50%을 나타내는 식 (신뢰수준 50%) 및 자료의 95%를 포함하는 식 (신뢰수준 95%)을 각각 도출하여 이 중

가장 적합도가 높은 식을 발파진동 추정식으로 채택한다.

Rosenthal and Morlock (1987)은 회귀 분석시 95% Fitting을 적용하며, 결정계수(R²)는 0.7보다 커야 하고, 표준편차는 0.2 이하를 적용하는 것이 좋으며, 표준편차가 0.5이상인 추정식 은 적용할 수 없다고 보고하였다. 발파진동 추정식의 결정을 위하여 선형 회귀분석 (Linear regression)한 그래프 및 결과를 자승근 환산거리 (SRSD)에 대하여 Fig. 5 및 Table 5에, 삼승 근 환산거리 (CRSD)에 대하여 Fig. 6 및 Table 6에 각각 나타 내었다. Rosenthal and Morlock (1987)이 제시한 기준에 대한 검토결과 자승근, 삼승근 추정식 모두 결정계수 (R²)이 1에 근접하고 표준 편차가 0에 근접하여 회귀분석 및 표본, 모평 균치의 적합도가 우수한 것으로 검토되었다.

Distance (m) Borehole B (Case 4) Distance (m) Borehole C (Case 1)

S1 15 S1 53

S2 18 S2 54

S3 23 S3 55

S4 27 S4 57

S5 32 S5 60

S6 36 S6 63

Borehole Case No. Location No. Charge (kg/delay)

PVS (cm/sec)

Directional component Transversal

(cm/sec)

Vertical (cm/sec)

Longitudinal (cm/sec)

A Case 1

1

0.250

0.259 0.234 0.161 0.181

2 0.261 0.179 0.240 0.159

3 0.216 0.203 0.187 0.172

4 0.143 0.121 0.134 0.112

5 0.159 0.122 0.130 0.140

6 0.124 0.116 0.087 0.105

Table 4 Measured blasting-induced vibration

Distance (m) Borehole B (Case 2) Distance (m) Borehole B (Case 3)

S1 39 S1 32

S2 41 S2 34

S3 43 S3 37

S4 45 S4 41

S5 47 S5 44

S6 50 S6 48

Fig. 5 Linear regression using SRSD Fig. 6 Linear regression using CRSD B

Case 1

1

0.250

0.151 0.118 0.101 0.138

2 0.142 0.124 0.082 0.137

3 0.138 0.106 0.100 0.118

4 0.124 0.109 0.091 0.117

5 0.132 0.112 0.084 0.103

6 0.113 0.107 0.076 0.097

Case 2

1

0.500

0.234 0.198 0.161 0.217

2 0.212 0.190 0.164 0.108

3 0.186 0.154 0.125 0.111

4 0.152 0.138 0.106 0.122

5 0.128 0.117 0.084 0.075

6 0.105 0.078 0.091 0.059

Case 3

1

0.500

0.402 0.249 0.281 0.382

2 0.385 0.205 0.354 0.176

3 0.291 0.135 0.192 0.278

4 0.278 0.232 0.197 0.213

5 0.247 0.176 0.118 0.221

6 0.195 0.125 0.135 0.183

Case 4

1

0.375

0.852 0.809 0.481 0.582

2 0.751 0.405 0.739 0.610

3 0.582 0.352 0.258 0.521

4 0.385 0.222 0.325 0.275

5 0.212 0.197 0.112 0.157

6 0.247 0.186 0.164 0.210

C Case 1

1

0.500

0.192 0.183 0.137 0.125

2 0.123 0.083 0.110 0.096

3 0.142 0.116 0.109 0.131

4 0.114 0.102 0.075 0.085

5 0.098 0.079 0.088 0.089

6 0.102 0.062 0.063 0.093

2. 발파설계를 위한 진동추정식 결정

시추공 시험발파에 의해 구해진 신뢰수준 50% 및 95%에 대한 자승근식 (Square Root Equation, SRE)과 삼승근식 (Cube Root Equation, CRE)의 거리에 따른 지발당 장약량을 진동관 리 기준이 0.2cm/sec, 0.3cm/sec 및 0.5cm/sec인 경우에 대해 계산하여 Fig. 7에 그래프로 도시하였다. 본 그래프로부터, 신 뢰수준 (Confidence level) 50%의 경우에는 진동관리 기준이 0.2cm/sec, 0.3cm/sec 및 0.5cm/sec인 경우에 대해 자승근식이 각각 약 40m, 30m, 25m에서 삼승근식보다 안전약량이 산출 되었으며, 신뢰수준 95%의 경우에는 각각 약 45m, 35m, 25m 에서 삼승근식보다 안전약량이 산출되었다. 즉, 모든 신뢰수 준에서 자승근식이 삼승근식에 비해 상대적으로 원거리에서 안전약량을 산출함을 알 수 있었다. 따라서, 이러한 결과를 토대로 본 연구에서는 신뢰수준 95%의 자승근식을 발파진동 추정식으로 결정하였다.

3. 기존 진동추정식과의 비교

본 연구에서는 발파진동 추정식으로 결정한 신뢰수준 95%

의 자승근식을 기존 발파진동 추정을 위한 제안식들과 비교 하여 그 적용성을 검토하고자 한다. 비교를 위한 식은 I장에서 서술한 미 광무국식 및 일본유지식이다. 각 식들을 동일 조건 에서 비교하고자 최대 지발당 장약량을 1.0kg으로 설정하여 각 발파진동 추정식의 환산거리 (Scaled Distance)에 따른 지 반의 진동속도 (Particle velocity, cm/sec)를 Fig. 8에 도시함으 로써 비교하였다. 이 경우, 환산거리는 실제 거리와 동일하게 된다. 분석 결과, 시추공 시험발파 결과는 미 광무국식 및 일 본유지식에 비해 보수적인 결과를 보임을 알 수 있으며, 이는 시추공 시험발파시 측정되는 진동 특성이 일반 발파시에 비 해 보수적으로 평가된다는 기존의 연구결과와 일치한다 (Lee, 2017). 즉, 시추공 시험발파는 일반 발파와 같이 폭약의 힘이 암반을 파쇄시킬 때 발생하는 진동량이 아닌, 소량의 폭약으 로 발파 시 발생하는 일정량의 파의 크기를 측정하기 때문인 것으로 사료된다. 따라서, 본 식을 발파설계를 위한 진동추정

50% Confidence level 95% Confidence level Standard error Coefficient of determination (R

)



  

^





  

^





0.080 0.89

Table 5 Result of linear regression using SRSD

50% Confidence level 95% Confidence level Standard error Coefficient of determination (R

)



  

^





  

^





0.071 0.91

Table 6 Result of linear regression using CRSD

0 4 8 12 16 20

10 30 50 70 90 110

C har ge p er d el ay (k g/ de la y)

Distance (m)

CRE, V=0.2cm/sec SRE, V=0.3cm/sec CRE, V=0.3cm/sec SRE, V=0.5cm/sec CRE, V=0.5cm/sec

0 4 8 12 16 20

10 30 50 70 90 110

C har ge p er d el ay (k g/ de lay)

Distance (m)

CRE, V=0.2cm/sec SRE, V=0.3cm/sec CRE, V=0.3cm/sec SRE, V=0.5cm/sec CRE, V=0.5cm/sec

(a) Confidence level 50% (b) Confidence level 95%

Fig. 7 Graph of maximum charge per delay with vibration value and distance

식으로 사용할 경우 안전측 설계가 가능할 것으로 판단되나, 최적의 발파설계를 위해서는 암반사면 발파 등 현장 시공과 동일한 방법의 시험발파를 실시하고 이에 근거한 발파진동 추정식을 도출함이 필요하다고 생각된다.

0.10 1.00 10.00

10 100

P ar ti cle v elo ci ty (c m /se c)

Scaled distance

Test blasting USBM NOF

Scaled distance (m/kg

)

Fig. 8 Comparison between tendencies of blasting-induced vibration with distance

Ⅳ. 결 론

본 연구에서는 대전 신탄진 지역에서 시추공 시험발파를 수행하여 이에 대한 진동 계측결과를 바탕으로 제시한 발파 진동 추정식을 기존의 발파진동을 추정하기 위한 제안식들과 비교하여 그 적용성을 검토하였다. 이로부터 도출된 결론은 다음과 같다.

1) 시추공 시험발파시 발생한 진동측정 결과에 근거하여 신 뢰수준 50% 및 95%에 대한 자승근식 및 삼승근식을 도 출하였으며, 두 신뢰수준에서 모두 자승근식이 삼승근식 에 비해 상대적으로 원거리에서 안전약량을 산출하는 것 으로 나타났다. 이에 따라, 본 연구에서는 신뢰수준 95%

의 자승근식을 발파진동 추정식으로 결정하였다.

2) 시추공 시험발파에 의해 구해진 발파진동 추정식을 기 존의 발파진동 추정식인 미 광무국식 및 일본유지식과 비교한 결과, 본 연구에서 도출된 발파진동 추정식이 가 장 보수적인 결과를 나타내었다. 따라서, 본 식을 발파설 계를 위한 진동추정식으로 사용할 경우 안전측 설계가 가능할 것으로 판단되나, 현장 여건에 부합하는 최적의 발파설계를 위해서는 암반사면 발파 등 현장 시공과 동 일한 방법의 시험발파를 실시하고 이에 근거한 진동 계 측 및 발파진동 추정식을 도출할 필요가 있다.

본 시험으로부터 도출된 발파진동 추정식은 지속적 시험발 파를 통해 검증할 필요가 있으며, 실제 시공시에는 진동을 지 속적으로 계측함으로써 주변 보안물건에 피해가 발생하지 않 도록 유념하여야 한다.

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