터널 제어발파 공법 및 화약류의 진동전달 특성에 관한 연구
A Study on the Vibration Propagation Characteristics of Controlled Blasting Methods and Explosives in Tunnelling
정 혁 상 1) ･ 정 경 식 1) ･ 문 홍 년 2) ･ 천 병 식 3) ･ 박 두 희
✝Jung, Hyuksang ･ Jung, Kyoungsik ･ Mun, Hongnyeon ･ Chun, Byungsik ･ Park, Duhee
ABSTRACT : The most common problem encountered in domestic tunnel construction sites are solving public resentments caused by damage to adjacent structures and buildings. The most effective excavation method in rock tunnelling is the drilling and blasting, which is the main cause of vibration resulting in the public resentments. In this study, numerical analysis is conducted to compare the vibration reduction effect of line drilling and pre-splitting methods. Furthermore, the numerical simulations are verified and the results are quantified. Finally, various combinations of explosives used in controlled blasting are used and the vibration reduction effects are evaluated, thereby proving the applicability of the controlled blasting for reduction of vibration in tunnelling.
Keywords : Tunnel, Numerical analysis, Blasting vibration, Controlled blast in roof hole, Line drilling, Pre-splitting
요 지 : 국내의 터널현장에서 흔히 봉착하는 난제는 주변에 존재하는 각종 구조물과 가옥의 피해에 대한 민원의 해결 문제이다.
현재 암반터널을 굴착하는데 있어서 가장 효과적인 방법은 강력한 폭력을 지닌 화약을 사용하는 것인데, 이때 발생하는 발파진동이 민원의 주원인이라 할 수 있다. 본 연구에서는 라인드릴링과 프리스플리팅의 진동저감 효과를 수치해석을 실시하여 비교･분석 하였 다 . 그리고 수치해석방법에 의한 결과의 유사성을 검증하고 진동저감 효과를 정량화하였다. 또한, 외곽공 제어발파에 적용하는 일반 화약과 폭속이 다른 이종화약류를 조합하여 폭속별 진동저감 효과와 추가로 터널 발파진동을 저감할 수 있는 외곽공 제어발파 공법 으로서 적용 타당성을 검토하였다.
주요어 : 터널, 수치해석, 발파진동, 제어발파, 라인드릴링, 프리스플리팅
1) 정회원, 한양대학교 대학원 건설환경공학과 박사과정
한국지반환경공학회 논문집
제12권 제2호 2011년 2월 pp. 5～14
1. 서 론
산업의 발달로 인해 기반시설의 확충과 보다 신속하고 편리한 교통수단이 요구되면서 한정되고 포화상태인 지표 공간을 벗어나 지하공간을 입체적으로 개발하여 활용하는 지중 건설 사업이 더욱 활성화되고 있다. 특히 지상과 연계 되어 교통망을 구축하는 지하철, 지하도로 등의 시설물들은 특성상 저심도 암반구간에 터널형태로 건설되므로 인구가 밀집되어 있는 도심아파트 단지나 외부 충격에 민감한 전 기․전자시설을 갖추고 있는 기존 구조물 등에 근접하여 통 과하는 경우가 많다.
터널공사 중 암반구간에서는 화약을 이용한 발파공법이 경제성, 시공성 면에서 우수하여 가장 효과적인 굴착공법으 로 시행되고 있으나, 발파에 의한 터널공사에서는 진동과 소음에 의한 발파공해가 발생하게 되며 이러한 공해는 발파 작업을 수행하는 과정에서 큰 제약으로 작용하고 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해서 터널발파 시 진동 저감방법으로 여러 특수한 공법들이 연구되어 현장에 적용 하게 되는데, 이러한 특수한 공법은 각각의 제어발파 공법 들에 대한 정량적인 진동저감율의 비교분석이 부족하고 체 계화 되어있지 않아 효과적으로 활용되지 못하고 있다. 본 연구에서는 기존의 터널 굴착선에 설치되는 외곽공을 이용 한 제어발파 공법을 대상으로 지중내 발파진동 전파경로 상 에서 가장 효과적인 저감방법과 저감율을 정량화하고 현재 새롭게 적용되고 있는 저폭속 화약류나 화공약품의 조합에 의한 진동 발생원에서의 진동저감 방법에 대해서 검토하여 발파설계와 현장적용에 효과적으로 활용하는데 그 목적이 있다.
2. 일반적인 터널 발파진동 저감방법
암반의 발파에 의해 파생되는 지반진동은 발파 대상의
표 1. 발파진동 영향 변수
구 분 입 지 특 성 발 파 특 성
영향 변수
ㆍ폭원과 구조물과의 거리 ㆍ일반적인 지형 ㆍ토피두께 및 형태 ㆍ암반상태 등
ㆍ사용화약의 종류 ㆍ지발당 장약량과 지연시차 ㆍ최소저항선과 천공간격 ㆍ자유면의 상태 ㆍ천공구경 및 각도
ㆍ심발공의 형태 및 전색방법 등
외곽공 제어발파 선균열층에서 진동 흡수
그림 1. 외곽공 제어 발파 개념도
그림 2. 라인드릴링 발파공법 개요도
그림 3. 프리스플리팅 발파공법 개요도 입지특성과 발파특성으로 구분되는 두 요소에 의해 영향을
받는다 . 발파 대상의 입지특성은 발파 수행과정에서 임의로 조절할 수 없는 변수들로 이루어지며 , 발파특성은 발파 설 계 시 다양하게 변화될 수 있는 변수들로 이루어진다. 표 1 은 터널 발파진동에 영향을 미치는 인자들이다 .
특히 영향변수 중에서 진동전파 경로상에서 진동을 저감 하는 방법과 발파진동을 직접적으로 유발하는 사용화약류 (폭굉파 속도)를 이용한 저감방법들은 다음과 같다.
2.1 진동전파 경로차단
터널발파에서 진동전달을 차단하는 외곽공 제어발파 (con- trolled blasting)의 원리는 적은 장약량으로 공 주위에 균열 을 발생시켜 공과 공을 연결하는 파단면을 형성하는 것인데 공과 공 사이의 균열은 처음에는 폭발에 의한 충격파에 의 해 발생되었다가 나중에 폭발 가스압에 의해 균열이 확대 되어간다. 그림 1에 외곽공 제어 발파 개념도를 나타내었다 (김재극, 1986).
2.1.1 라인드릴링 발파공법
라인드릴링 발파공법은 굴착 예정선을 따라 무장약공을 조밀하게 천공하여 본 발파 시 굴착선을 파단면의 형태로 유도하는 발파공법이다. 적정한 간격으로 천공된 무장약공 들은 장약공들이 발파될 때 발생한 균열들이 라인드릴링이 된 면을 따라 파쇄되고 그 바깥쪽으로는 균열이 미치지 못 한다. 라인드릴링 발파공법의 효과는 절리 등이 적은 균일 한 암반일 때 우수하다. 그림 2에 라인드릴링 발파공법 개
요도를 나타내었다 .
2.1.2 프리스플리팅 발파공법
프리스플리팅 발파공법은 주 발파공보다 먼저 발파되어 굴착 예정선에 미리 파단면을 형성시킨 후 나머지 발파공을 기폭시키는 발파공법으로 파단된 면의 선균열이 주 발파 시 발생되는 진동의 전파를 흡수하는 원리이다 . 그림 3은 프리 스플리팅 발파공법 개요도를 보여주고 있다.
2.2 약종(폭속)에 의한 방법
도심지 발파의 경우 보통 제어발파를 기본으로 발파작업 이 이루어지고 있는데 이러한 제어발파공법들은 장약량을 줄이거나 발파방법을 변경하는 등의 방법이 주로 사용되고 있다. 하지만 도심지에서의 발파 시 보안물건의 영향 및 민 원발생 등의 이유로 기존의 화약으로는 한계를 가질 수 밖 에 없다. 그러므로 최근에는 암파쇄 공법의 일종으로 미진 동 파쇄기, 프라즈마 등의 화공약품 또는 이러한 화공약품 과 화약품을 혼합하여 적용하는 공법과 그 적용 사례들이 소개되고 있다.
2.2.1 미진동파쇄기
미진동 파쇄기는 고열 반응에 의한 순간적인 열팽창으로
암석에 균열이 발생되는 원리를 이용한 것으로서 파쇄기 전
용의 점화구를 사용하여 파쇄를 하고 , 최근 도심지나 보안
건물이 있는 곳에서 콘크리트, 암반 및 교각 등을 발파 시
2차 파쇄를 수행하는 것을 전제로 진동, 소음제어와 비산물
방지를 위한 발파현장에서 적용되고 있는 화공품이다.
그림 4. 미진동 파쇄기
그림 5. 금속화합물(팽창제)
심발공
확대공
바닥공
외곽공
그림 6. SWELL 파암공법 발파공 배치도 예
그림 7. FEREX 발파공법의 장약공 및 빈공의 배열형태
표 2. FEREX 미진동 굴착공법에서 천공된 공의 역할
구 분 FE공
화약류 장약공
화공품류 장약공 빈 공
원리 인장파괴 인장파괴 전단 및 압축파괴
역할 균열층 형성 균열층 유도 암반파쇄
사용
파쇄재 미진동파쇄기, 프라즈마 무장약 화약류
미진동 파쇄기는 가스량이 적고 , 반응온도가 높으며 반 응속도가 늦은 특수한 물질이 사용되며 그 파괴원리는 다른 화약류와 같이 폭굉반응의 충격파에 의한 파괴가 아니라 주 로 압축 주응력에 의한 정적파괴에 근거하고 있다. 그림 4 는 미진동 파쇄기를 보여주고 있다.
2.2.2 프라즈마
모든 물질은 온도에 따라 상의 변화가 일어난다 . 이 상의 변화 중에 기체상태에서 더 높은 온도를 가해주면 물질을 구성하고 있는 원자간의 결합이 끊어져 이온과 전자로 분리 된다. 이 분리된 이온과 전자가 입자군을 이루는데 이 입자 군이 전체적으로 중성인 하전 입자군을 형성한다 . 이러한 하전 입자군을 프라즈마라 한다 .
프라즈마 파암은 금속화합물 (Al, Cu)로 이루어진 전해질 에 순간적으로 고전압 (6000～8000V)을 가해주어 프라즈마 화 시켜 고온 , 고압의 상태를 만들어내는데 이 상태를 이용 하여 암을 파쇄하는 공법이다 (그림 5 참조).
주재료가 금속의 팽창이므로 팽창력은 높으나 팽창한계 가 작다. 또한 고주파를 형성함으로 위험 및 폭발, 비산등이 매우 적은 것이 특징이다.
2.2.3 프라즈마 + 에멀젼 혼합(SWELL 파암공법) SWELL 파암공법은 국내에서 개발된 공법으로 기존의 고폭속의 화약에 의한 발파공해와 저폭속의 화공품에 의한 작업 효율 저하를 보완한 공법이다(그림 6 참조).
SWELL 파암공법은 단일 장약공에 폭발성의 화약과 팽
창성의 금속혼합물을 동시 장전하여 기폭하는 방식으로 에 멀젼 폭약의 폭발속도 (5700m/sec이상)와 금속혼합물의 폭 발속도(500m/sec이하)가 합쳐지면서 민감한 폭약의 폭속을 둔감한 금속혼합물(스웰넥스)이 폭음과 진동을 억제해주며 폭발성을 팽창성으로 전환함으로 폭음, 진동을 저감시켜준 다. 또한 기존의 화약발파에 비교하여 화약 사용량을 반으 로 줄이고 암반의 비산석을 억제시켜 발파공해에 의한 민원 발생을 줄일 수 있다.
2.2.4 화공품류+화약류 조합(FEREX 발파공법)
FEREX 진동제어 굴착공법은 국내에서 개발된 것으로서 기존의 진동제어 발파공법의 문제점과 한계성을 개선한 공 법이다(이태노 등, 2008).
FEREX 진동제어 발파공법은 최종 굴착선에 빈공과 장 약공을 설치 (FE공)하되, 그 장약공에 폭력이 매우 약한 화 공품류를 장약하고 주 발파공에는 강력한 폭력을 지닌 화약 을 장약함으로써 화공품류와 화약류가 조합된 이종화약류 진동제어 발파공법이다. 일반적으로 FEREX 발파공법의 장 약공 및 빈공의 배열형태는 그림 7과 같다.
발파순서는 화공품류 장약공을 기폭시켜 굴착선을 따라 인
장파괴를 이용한 균열층을 형성시킨 후 주 발파공의 화약류 장
(a) 스무드블라스팅 (b) 라인드릴링 (c) 프리스플리팅 그림 9. 시험발파모식도
(a) 계측기 설치 위치 (b) 발파 및 계측 그림 10. 진동측정
그림 11. 발파진동값 및 진동저감율 (a) 폭원장약공 (b) 라인드릴링공 (c) 프리스플리팅공
그림 8. 제어발파공법 천공 및 장약모습
약공을 기폭시켜 암반을 완전히 파쇄시킴과 동시에 진동이 굴 착선 방향으로 전달되는 것을 차단하게 된다 . 표 2는 FEREX 진동제어 발파공법의 천공된 공의 역할을 표기한 것이다.
FEREX 진동제어 발파공법은 발파진동을 차단하는 역할 을 할 뿐만 아니라 굴착선에 형성된 균열은 발파 시 자유면 역할을 하게 되어 암반의 파쇄효과를 증대시켜 주기 때문에 기존 프리스플리팅 발파공법과 상당히 다른 메커니즘과 발 파효과를 확인할 수 있다.
3. 모의시험발파에 의한 발파진동 실측
3.1 터널 외곽공 제어발파 공법 실측사례
3.1.1 시험발파 대상
시험발파 터널현장은 OO고속도로 2차선 도로터널 현장 에서 실시하였으며 발파 대상 암종은 응회암 내지 유문암으 로 구성되어 있다. 암석강도는 115MPa 내외이며 암질지수 (RQD)는 45이다. 불연속면 상태는 다소 거칠고 협재물이 존재하며, 지하수 상태는 습윤상태로 불연속면 방향은 N 60° E, 불연속면 경사는 EW 82°, 터널 방향은 N 24° E를 보이고 있다. 공학적 분류인 RMR값은 52이고, Q-System 값은 1.4로서 종합적인 평가 결과 보통내지 불량 암반에 해 당된다(쌍용건설(주), 2006).
3.1.2 시험발파 방법
시험발파를 위한 발파패턴은 대상지반의 조건 및 제어발 파공법의 각각의 메카니즘 및 특성을 고려하여 설계하였으 며, 또한 동일한 암반에서 천공 및 장약을 적용하여 발파진 동의 전파특성을 파악할 수 있도록 하였다 .
진동을 발생시키는 폭원 (장약공)의 위치 및 공당 장약량 은 각 제어공법별로 동일하게 유지하여 적용공법에 따른 진 동 저감효과를 파악할 수 있도록 하였다 . 그림 8은 제어발 파공법 천공 및 장약모습을 보여주고 있다 .
발파진동 분석으로는 제어발파공법 적용지점과 근접해 서 1지발용 장약공을 폭원으로 활용하여 그림 9와 같이 세 가지의 제어발파 공법별 진동을 측정한 후 프로그램을 이용
하여 폭원의 기폭시간에 따른 진동크기를 추정하였다. 터널 의 천단은 지표면에서 약 23m 위치에 있다.
3.1.3 발파진동 측정
그림 10에서 보여 주듯이 발파진동의 측정은 터널의 직 상부 소단에 진동측정기 1대를 설치하고 진동센서를 소단 바닥면에 밀착시켜 진동을 측정할 수 있도록 하였고 제어발 파 공법별로 동일한 계측거리를 유지하여 발파 시 진동을 수집하고 발파진동의 각 성분 및 합성치를 계측하였다.
데이터 분석은 발파진동 계측 후 프로그램을 이용하여 시차분석을 하고 , 폭원 장약공 시점의 진동값을 산출하여 제어공법별 진동크기를 상대적으로 비교･분석한다 .
발파진동 저감율 분석은 스무드블라스팅의 발파 진동값 를 기준으로 하여 제어발파 공법별 진동 저감율을 산출하고 , 발파진동 크기별 제어발파공법의 저감효과를 추정하였다.
3.1.4 발파진동 측정결과
그림 11은 터널 막장에 제어발파 공법별로 천공 및 장약
표 3. 시험발파의 굴착공법별 수량
공법 사용화약류 폭속
(m/sec)
장약량(kg) 공당장약량 지발당장약량 미진동파쇄기 파이넥커 100 0.18 0.18~0.36
프라즈마 노넥스 1,000 0.60 0.60
0.80 0.80 미진동
뉴마이트 5,500
0.125~0.25 0.125~0.25
정밀진동 0.375~0.5 0.375~0.5
소규모 0.875~1.0 0.875~1.0
(a) 에멀젼 화약 (b) 미진동파쇄기 (c) 프라즈마 그림 12. 시험발파 준비 전경
(a) 미진동 파쇄기 자승근 (b) 미진동 파쇄기 삼승근
(c) 프라즈마 자승근 (d) 프라즈마 삼승근
(e) 에멀젼의 자승근 (f) 에멀젼의 삼승근 그림 13. 발파진동 회귀분석 그래프
그림 14. 화약류별 발파진동추정식 변화추이 패턴에 준하여 설치하고 , 폭원 장약공을 기폭하여 진동을
측정한 결과를 나타내고 있다. 조합형조절발파공법에서 진 동이 가장 작게 측정되었고 스무드블라스팅 공법을 기준으 로 할 때, 라인드릴링 공법은 약 10%, 프리스플리팅(조합형 조절발파공법)은 약 50%정도 저감되는 것으로 분석되었다.
3.2 화약류별 시험발파 실측사례
발파원의 폭속 차이에 의한 발파 진동전달 특성을 파악 하기 위해 각기 폭속이 다른 화약류를 사용한 시험발파 자 료를 분석하였으며, 시험발파는 동일한 지점 및 암종에서 진동제어 발파공법별 효과를 확인하기 위해 수행되었다. 시 험발파 발파패턴은 표 3과 같다(GS건설(주), 2009).
시험발파에 적용된 동시 기폭 발파공은 1～2공으로 제한 하였으며, 각 발파공법별 발파패턴 및 공당 장약량은 국토 해양부의 표준발파패턴의 장약량으로 하였다. 공당 장약량 변화에 따른 시험발파 효과를 정확히 측정하기 위해서 최소 저항선 및 공 간격을 설계대로 정밀하게 천공하였다. 그림 12는 시험발파 준비 전경을 보여주고 있다.
3.2.1 화약류별 발파진동 전파특성 분석
화약류별 발파 시 지반을 통해 전달되는 진동 특성을 파 악하기 지반에 전달된 발파진동을 회귀분석하였다. 그 결과 그림 13과 같은 결과를 얻었다.
미진동파쇄기 , 프라즈마, 에멀젼의 발파결과를 통해 수집 된 진동값을 이용하여 화약류별 발파진동 전파특성에 대한 관계분석을 실시한 결과, 발파진동 전달특성에 많은 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 그림 14는 화약류별 발파진동추
정식 변화추이를 나타낸 것이다 .
각 화약류별 계측결과의 회귀분석을 통해 발파진동식을 추정하여 비교한 결과 굴진장이 1.0m 일 때 사용되는 화약 류별 적정 장약량으로 발파할 경우 동일한 거리에서 발파진 동 크기가 미진동파쇄기 사용 시 가장 적게 나타났으며 , 다 음으로 프라즈마 , 에멀젼 순으로 나타났다.
고폭속의 에멀젼 발생 진동값와 거리별 감쇠율이 크게 나타났으며 저폭속의 미진동 파쇄기는 발생 진동값와 거리 에 따른 감쇠정도가 다른 화약류에 비해 가장 적게 발생하 였다.
화약류별 적정 장약량에 따른 비교 결과 폭발속도가 가
장 빠른 에멀젼 화약은 폭발속도가 가장 느린 미진동파쇄기
그림 15. 경계조건
그림 16. 발파의 폭굉압력 파형
표 4. 입력물성치
암반등급 단위중량 (kN/m3)
내부마찰각 (°)
점착력 (kPa)
동탄성계수
(MPa) 동프아송비 III(연암) 24 41 1,250 9,984 0.34
에 비해 약 6.3～3.2배 크게 전달되는 것으로 나타났으며, 프라즈마는 미진동파쇄기에 비해 3.7～2.2배 크게 전달되는 것으로 나타났다 .
4. 수치해석
4.1 해석조건
외곽공 제어발파 공법과 발파원 폭속에 따른 진동저감 효과를 산정하기 위하여 유한차분법을 기반으로 한 FLAC 2D(Itasca Consulting Group, Inc., 2002)를 활용하여 해석을 수행하였다.
4.1.1 경계조건
FLAC에서 무한영역의 처리는 일반적인 경계조건을 설 정할 경우 발파에 의해 발생된 진동파가 반사되므로 인공경 계의 일종인 점성경계를 사용하였고 점성경계는 Lysmer와 Wass(1972)가 제안한 것으로 발생된 파가 경계면에서 반사 되지 않고 흡수하는 경계조건이다. 해석은 자유진동해석을 수행한 후 고유주기를 입력값으로 적용하였고 동해석 시 진 동파의 감쇠효과를 적용하기 위하여 레일리 감쇠비 5%를 적용하였다. 해석 시 경계조건은 그림 15와 같다.
4.1.2 하중조건
공면벽에 작용하는 화약의 폭굉압력은 National Highway Institute(1991)에서 제시한 것을 이용하여 시간에 따른 발파 이력을 계산 후 수치해석 발파 하중값으로 이용하였다 .
×
×
×
(1)
여기서,
: 폭굉압력(kPa)
: 화약의 비중
: 화약의 폭속(m/sec)
실제로 발파에 의해 공벽에 작용하는 폭굉압력은 시간에 따라 변하는 시간이력함수로서 일반적으로 많이 적용되는 감쇠합수는 Starfield(1968)등이 제안한 창함수로 폭굉압력 에 대한 시간이력을 구하여 적용하였다. 그림 16은 창함수 를 이용하여 구한 시간에 따른 발파폭굉압력의 파형이다.
×
×
(2) 여기서, B : 하중계수(16338)
t : 발파 하중 지속시간(sec)
: 폭굉압력(kPa)
: 시간에 따른 폭굉압
4.1.3 지반조건
해석에 적용된 지반물성치는 OO 지하철 현장에서 조사 된 암반 물성치를 이용하였으며, 3등급 암반의 균질지반에 대하여 해석을 실시하였다. 동적물성치는 탄성파속도 특성 및 암석 공진주 시험 등을 통해 산정하였고 , 사례분석 및 경 험식 분석 등을 통해 물성치의 신뢰도를 확보하였다. 해석 에 적용된 물성은 표 4와 같이 적용하였다.
4.1.4 해석영역 및 모델
해석 단면은 최근 수행한 OO지하철 현장의 터널 발파패
턴을 적용하였고 해석영역은 발파진동 저감공법별 진동 저
감효과 검토를 목적으로 단순화하였다. 뇌관단차를 이용한
기존의 다단발파 공법을 적용할 경우 발파공이 150공 내외
인 터널 전단면을 각 지발 (단일 발파공)로 발파가 가능하므
로 지발당 최소 기폭상태인 단일발파공을 대상으로 하여 그
림 17과 같은 해석영역을 설정하였다(김웅수, 1994).
그림 17. 해석영역
그림 18. 해석 모델링
표 5. 확대공 발파에 적용된 화약제원
구분 제품명 폭속
(m/s)
공당화약량 (kg/공)
폭굉압 (Mpa)
에멀젼 뉴마이트 5,700 0.375 646
에멀젼 + 프라즈마
뉴마이트 + 스웰넥스
5,700 0.125+0.35 215
프라즈마 노넥스 1,200 0.4 115
미진동파쇄기 뉴화이넥카 3,300 0.24 213
표 6. 외곽공 발파에 적용된 화약제원
구분 제품명 폭속
(m/s)
공당화약량 (kg/공)
폭굉압 (MPa)
에멀젼 뉴마이트 5,700 0.25 431
에멀젼 + 프라즈마
뉴마이트 + 스웰넥스
5,700 0.125+0.15 215
프라즈마 노넥스 1,200 0.2 58
미진동파쇄기 뉴화이넥카 3,300 0.12 107
그림 19. 라인드릴링 해석 모델링
표 7. 라인드릴링 해석 조건
구분 조건 해석단면
에멀젼 공간격(mm) 500, 400, 300, 200 공크기(mm) 45, 75, 105 12
에멀젼+ 프라즈마
공간격(mm) 500, 400, 300, 200 공크기(mm) 45, 75, 105 12
미진동파쇄기 공간격(mm) 500, 400, 300, 200 공크기(mm) 45, 75, 105 12
프라즈마 공간격(mm) 500, 400, 300, 200 공크기(mm) 45, 75, 105 12
해석모델은 가로 5.0m, 세로 6.0m로 모델링하였고 적용 요소는 등방성 사변형 요소를 적용하였다 . 요소는 발파공에 서 계측점까지의 모델 중심부는 발파공 등의 크기를 고려하 여 4cm 크기로 요소를 등방으로 분할하였고 외곽부는 10cm 크기로 분할하여 해석수행 시 소요되는 시간을 최소화하였다 (그림 18 참조). 요소망은 11,250개(90×126), 절점은 11,466 개로 구성되어 있다 . 지반구성 모델은 Mohr-Coulomb 탄소 성 모델을 사용하였다 .
4.1.5 발파해석에 적용된 화약종류별 제원
외곽공과 확대공 발파에 적용되는 장약량을 선정하여 공 당장약량으로 산정하여 발파해석을 실시하였다. 확대공 발 파 및 외곽공에 적용된 화약 제원은 표 5와 6에 각각 나타내
었다.
4.2 라인드릴링을 적용한 발파해석
라인드릴링 (line drilling)을 이용한 진동저감효과를 해석 적으로 검토하였다. 라인드릴링은 조건별 공크기를 고려해 요소망을 구성하고 실제와 동일하게 해석요소망을 제거한 후 확대공 발파를 수행하였고 단일공 발파 시와 비교․분석 하여 진동 저감효과를 검토하였다. 해석에 적용한 라인드릴 링 해석 모델링은 그림 19에 나타내었고, 해석 조건은 표 7과 같다.
라인드릴링의 효과에 대하여 알아보기 위하여 진동저감
법을 적용하지 않은 해석과 라인드릴링 ( 105, 200mm)을
그림 20. 화약종류에 따른 발파 진동
그림 21. 외곽공 발파 해석 모델링
(a) 0.00006초 (b) 0.00008초
(c) 0.00010초 (d) 0.00012초
(e) 0.00014초 (f) 0.00016초 그림 22. 발파진동 시간이력(외곽공)
그림 23. 화약별 발파진동(외곽공) 적용한 해석 결과를 비교해 보면, 그림 20에서 나타나듯이
에멀젼을 적용한 발파에서만 라인드릴링 적용에 의한 진동 저감 효과가 나타났으며 , 그 외 화약들에서는 라인드릴링 적용에 따른 효과가 미미하거나 발생하지 않는 것을 알 수 있었다.
화약종류에 따른 발파진동을 살펴보면 폭속이 가장 큰 에멀젼에서 가장 큰 발파진동이 관측되었으며 , 폭속이 작은 프라즈마에서 가장 작은 값을 나타내었다 . 즉, 발파에 따른 진동은 발파에 사용되는 화약의 폭굉압에 의해 결정되는 것 을 알 수 있었다.
4.3 외곽공 발파해석
발파에 의해 발생되는 진동을 저감하기 위하여 확대공 발파이전에 외곽공을 발파하는 프리스플리팅을 적용하여 해석을 실시하였다. 프리스플리팅의 해석을 위해 외곽공 위 치에서 외곽공발파에 필요한 양의 장약량을 이용해 각 화약 별로 수행하였다. 해석에 적용한 외곽공 발파 해석 모델링 은 그림 21에 나타내었으며, 해석조건은 확대공에 에멀젼,
에멀젼+프라즈마, 프라즈마, 미진동파쇄기 4가지 조건에 대 하여 해석을 수행하였다 .
발파실시 후 시간이력에 따른 해석결과는 그림 22와 같 으며, 발파공에서 발파 후 진동이 원형으로 전파되는 것을 알 수 있다.
외곽공에 발파를 적용한 결과 폭굉압이 가장 큰 에멀젼
계열의 발파공법에서 가장 큰 발파진동을 나타내었으며, 폭
굉압에 따라 발파진동이 예측되었다 . 그림 23에 화약별 발
파진동(외곽공) 결과를 그래프로 나타내었다.
그림 24. 확대공 발파 모델링
표 8. 확대공 발파 해석 조건
구분 조건 해석단면
에멀젼 공간격(mm) 200
공크기(mm) 105 1
에멀젼+ 프라즈마
공간격(mm) 200 공크기(mm) 105 1
미진동파쇄기 공간격(mm) 200
공크기(mm) 105 1
프라즈마 공간격(mm) 200
공크기(mm) 105 1
