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문제 정의
- 따라서 본 실험에서는 굴착선공에 주장약으로 정밀폭약을 사용시 미굴과 여굴을 최소화할 수 있는 천공착점의 위치를 규명하기 위하여 천공착점의 위치와 여굴 및 미굴량과의 상관관계를 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 현장에서의 작업 관찰을 토대로, 천공이 여굴에 미치는 요인을 천공전 굴착선표시 방법, 점보드릴 위치에 따른 천공각 설정, 실제 천공이 이루어지는 천공착점의 위치, 굴착선공천공간격 둥 4가지로 세분하고 각 항목별로 평상시및 개선시 작업상태가 여굴 및 천공의 정확성에 미치는 영향을 분석하여 이룰 토대로 여굴을 저감하기 위한 천공방법을 제시하고자 하였다.
- 본 연구에서는 여굴에 가장 큰 영향을 미치는 굴착선공에서 암반등급에 따른 적정 천공간격을 실험 적으로 파악하기 위하여 굴착선공의 공간격을 현장에서 통용될 수 있는 범위 내에서 인위적으로 설정 하여 이에 따른 여굴량을 분석하였다.
가설 설정
- 1) 천공착점의 위치는 여굴 및 미굴량의 크기와 직결된다. 따라서 천공착점의 위치를 결정하는 굴착선 표시작업시, 표시 위치를 2-3둥급의 암반에서는 굴착설계선 2-3 an 안쪽에 설정하는 것이 여굴 및 미굴의 저감을 위해 적절하다고 판단된다.
제안 방법
- 이를 위해 한 막장을 좌측, 천단, 우측으로 3둥분하고 각 부위별로 다른 공간격으로 표시한 후 그 지점에 천공을 하도록 하였다. 공간격은 암질타입에 따라 45-75cm로 변화시켰으며 천공시 천공착점 설정오차가 발생하므로 천공 후에는 Profiler를 이용하여 굴착선공 및 굴착선전열공 전체의 착점위치를 실측하였다. 발파후 부석 정리 전 여굴을 측정한 후 이를 굴착선공 및 굴착선전열공의 천공착점위치와 중첩시켜 각 부위별로 천공착점으로부터의 여굴량을계산하였다.
- 따라서 본 실험에서는 기존의 작업방법대로 터널 중앙에 점보드릴을 고정시켜 전단면을 천공할 때와 좌우측 한쪽으로 이동하여 굴착선공을 천공할 때 발생하는 천공각의 크기 및 그에 따른 여굴량를 비교하였다. 중앙에 고정시켜 천공할 때는 일상적으로 천공할 때（A방법）와 장비기사가 적당히 천공각을 줄이려고 노력했을 때（B 방법）로 구분하였으며, 이동하여 천공할 때는 실제 작업 상황에 따른 차이를 확인하기 위하여 터널중앙부에서 굴착선공을 제외한 대부분을 천공한 후 점보드릴 앞쪽만 좌측으로 비스듬하게 이동한 채 나머지 굴착선공을 천공하는 방법（C 방법）과 점보드릴 전체를 완전히 좌우측 한쪽으로 이동하여 굴착선공을 천공하는 방법（D 방법）으로 구분하였다.
- 공간격은 암질타입에 따라 45-75cm로 변화시켰으며 천공시 천공착점 설정오차가 발생하므로 천공 후에는 Profiler를 이용하여 굴착선공 및 굴착선전열공 전체의 착점위치를 실측하였다. 발파후 부석 정리 전 여굴을 측정한 후 이를 굴착선공 및 굴착선전열공의 천공착점위치와 중첩시켜 각 부위별로 천공착점으로부터의 여굴량을계산하였다.
- 본 실험에서는 한 막장을 좌우측으로 분할하여 양측의 마킹 빈도 즉, 표시 간격을 다르게 하였을때 실제 굴착설계선으로부터 표시지점 및 천공착점까지의 오차를 분석하였다. 예를 들어 좌측은 표시 빈도를 6개로 하여 lm간격, 우측은 11개 지점으로 하여 0.
- 본 연구에서는 천공시 여굴이 발생하는 작업과정을 크게 굴착선 표시, 천공착점 설정, 점보드릴 위치, 굴착선공 천공간격으로 구분하고 각 과정별 작업조건이 여굴에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
- 사전 현장조사를 통해 착안되었거나 기존 연구사례를 통해 나타난 여굴저감 방안중 현장에서 현실 적으로 적용 가능한 항목을 발췌하여 실험을 실시하였다. 즉, 천공과 관련된 4가지 주요 작업항목에 대해 기존방법 대 수정방법으로 비교실험을 실시하여 각 방법에서의 여굴량 및 천공정확도에 미치는 영향을 분석하였다.
- 현재 실험이 진행되고 있는 암반둥급 1등급을 제외하고 이미 완료된 2・5등급에 대해서만 결과를 정리 하였다. 여굴깊이는 굴착설계선부터 내공까지의 거리가 아난 실제 굴착선공 위치로부터 내공까지의 거리를 기준으로 분석하였다.
- 이를 위해 한 막장을 좌측, 천단, 우측으로 3둥분하고 각 부위별로 다른 공간격으로 표시한 후 그 지점에 천공을 하도록 하였다. 공간격은 암질타입에 따라 45-75cm로 변화시켰으며 천공시 천공착점 설정오차가 발생하므로 천공 후에는 Profiler를 이용하여 굴착선공 및 굴착선전열공 전체의 착점위치를 실측하였다.
- 5m간격으로 굴착선을 표시하였을 때, 좌우측 각각 굴착선상 임의의 10개 지점에서 실제 굴착 설계선으로부터의 이격거리를 측정하여 이 값의 표준편차를 구한다. 이어서 상기 표시 지점 상에 천공할 때 굴착설계선에 대한 천공착점의 표준편차도 측정하였다. 한편 RMR 기준 암반둥급이 4, 5 등급인 도로터널에서는 대체로 강지보가 설치되고 천공시 강지보를 굴착설계선 대신 활용하므로 대부분의 현장에서는 막장에 별도의 굴착선 표시를 하지 않고 천공을 하는데 이에 따른 천공착점의 오차도 분석해 볼 필요가 있다.
- 전단면으로 굴착되는 2, 3등급의 경우에는 막장을 좌우로 분할하여 마킹 빈도수에 따른 표시의 정확성과 천공착점의 정확성을 측정하였고 상하 반단면으로 굴착되는 4,5 등급에서는 마킹 유무에 따른 천공의 정확성을 측정하였다. 정확성의 기준으로는 굴착설계선에 대한 오차의 평균치 대신 표준편차를 적용하였는바 이것은 천공기사마다 굴착설계선을 참고로 개인의 판단에 따라 천공착점의 위치를 일률적으로 조절하기 때문에 평균치는 객관적이지 못하다고 사료되었기 때문이다.
- 따라서 본 실험에서는 기존의 작업방법대로 터널 중앙에 점보드릴을 고정시켜 전단면을 천공할 때와 좌우측 한쪽으로 이동하여 굴착선공을 천공할 때 발생하는 천공각의 크기 및 그에 따른 여굴량를 비교하였다. 중앙에 고정시켜 천공할 때는 일상적으로 천공할 때（A방법）와 장비기사가 적당히 천공각을 줄이려고 노력했을 때（B 방법）로 구분하였으며, 이동하여 천공할 때는 실제 작업 상황에 따른 차이를 확인하기 위하여 터널중앙부에서 굴착선공을 제외한 대부분을 천공한 후 점보드릴 앞쪽만 좌측으로 비스듬하게 이동한 채 나머지 굴착선공을 천공하는 방법（C 방법）과 점보드릴 전체를 완전히 좌우측 한쪽으로 이동하여 굴착선공을 천공하는 방법（D 방법）으로 구분하였다.
- 사전 현장조사를 통해 착안되었거나 기존 연구사례를 통해 나타난 여굴저감 방안중 현장에서 현실 적으로 적용 가능한 항목을 발췌하여 실험을 실시하였다. 즉, 천공과 관련된 4가지 주요 작업항목에 대해 기존방법 대 수정방법으로 비교실험을 실시하여 각 방법에서의 여굴량 및 천공정확도에 미치는 영향을 분석하였다.
- 천공각 역시 Profiler를 이용하여, 천공시 점보드릴의 Feed 끝단과 천공입구 2곳의 위치를 측정한후 3차원 공간좌표 상에서 터널축과 이루는 각을 계산하여 분석하였다.
- 현재 실험이 진행되고 있는 암반둥급 1등급을 제외하고 이미 완료된 2・5등급에 대해서만 결과를 정리 하였다. 여굴깊이는 굴착설계선부터 내공까지의 거리가 아난 실제 굴착선공 위치로부터 내공까지의 거리를 기준으로 분석하였다.
대상 데이터
- 2002년 9월부터 2003년 5월까지 현장에서 실시된 실험 7가지 항목의 실험횟수는 총 67회였으며 이 중 아직 진행 중인 실험을 제외한 4가지 항목 45회의 실험에 대해서만 결과를 표 2에 정리하였다.
- 본 실험은 강원도 속초부터 인제를 연결하는 미시령 터널건설공사 현장에서 실시되었다. 미시령 터널은 국가지원 지방도 56호선 15.
- 점보드릴의 위치는 터널 중앙에 고정하였고 폭약은 굴착선공에 32mm 다이너마이트와 17mm 정밀 폭약을 사용하였다.
이론/모형
- 굴착설계선으로부터 각 측정지점까지의 거리는 좌표변환과정을 거친 측정값과 굴착설계선을 중첩 시키므로써 계산할 수 있으며 표시지점 및 천공착점의 위치 측정은 Profiler를 이용하였다.
- 터널 단면 측량 및 천공착점 위치 측정, 천공각 측정은 AMT Profiler 4000을 이용하였다. 본 측량 기는 광파를 이용하여 별도의 표적판 없이 터널단면 또는 임의의 물체 표면 형상을 자동으로 측정하는 장비로서 개략적인 성능은 표 1과 같다.
성능/효과
- 2) 천공착점의 설정은 표시된 굴착선을 기준으로 이루어지므로 굴착선의 정밀도, 즉, 표시 굴착선과실제 굴착설계선과의 오차가 클수록 천공착점의 오차도 비례하는 것으로 나타났다. 이것은 발파후 여굴 및 미굴 발생도 증가할 수 있음을 의미한다.
- 3) 천공각을 줄이기 위해 1차적으로 터널규모에 적합한 점보드릴의 선정이 바람직하다. 천공각이 과도하게 발생하는 경우 점보드릴을 좌우측으로 이동시켜 천공해도 좋지만 무엇보다도 천공기사의 세심한 작업 및 이를 해결하기 위한 지속적인 노력이 있으면 천공각은 상당수준 감소시킬 수 있다.
- 4) 암질상태에 따라 굴착선공의 공간격을 변화시키는 것이 여굴저감에 효과적이며 암질이 양호할수록 공간격을 RMR을 기준으로 한 등급당 5 - 10cm 정도씩 증가하는 것이 바람직하다.
- 4회의 실험이 실시된 반단면의 경우 굴착선 표시를 실시한 쪽이 그렇지 않은 쪽보다 대체로 천공 정확성이 대체로 양호한 것으로 나타났다.
- 5) 부분적으로 발생한 미굴을 가급적 제거하고자 한다면 막장 부석정리시 Breaker를 이용하거나 후속 천공작업시 점보드릴을 이용하여 절취하더라도 작업시간에는 큰 지장이 없는 것으로 분석되므로 미굴을 방지하기 위해 인위적으로 천공착점을 굴착 설계선으로부터 상당한 외측에 설정하거나 천공각을 과다하게 설정하는 것은 불합리한 것으로 판단된다.
- B실험이 아직 진행 중이어서 상기 표에 나타난 평균값이 변화할 가능성도 있지만, 발파후 미굴발생 양상을 고려하여 천공각을 적절히 줄이고자 하는 노력만으로도 장비의 이동 없이 천공각을 만족할 만한 수준 내에서 유지할 수 있다는 점을 천공기사들과의 토론을 통해 확인할 수 있었다.
- 각 암반등급별 적정 천공간격을 종합한 결과 암질이 저하할수록 여굴 최소화를 위한 적정 공간격도 감소하고 있었다. 대체로 암반둥급이 1둥급씩 향상됨에 따라 50cm정도 공간격을 중가시키는 것이 여굴저감 및 효율적인 발파를 위해 효과적이라 판단된다.
- 그 결과 전단면에서는 표시 빈도가 증가할수록 굴착설계선의 정밀도가 양호해지고 천공착점의 오차도 작아지는 것으로 나타났다. 즉, 표시 빈도를 10희로 할 때보다 20회로 했을 경우 천공오차는 평균적으로 약 2-3cm가 감소하며 이를 비율로 환산시 10회일 때보다 46% 정도 정확도가 증가하는 것으로 나타났다.
- 총 6회를 실시하였다. 그 중 Data가 정상적인 5회의 실험에 대한 분석결과 약 60-65cm정도의 공간 격일 때 최저의 여굴량이 발생하는 것으로 나타났다.
- 각 암반등급별 적정 천공간격을 종합한 결과 암질이 저하할수록 여굴 최소화를 위한 적정 공간격도 감소하고 있었다. 대체로 암반둥급이 1둥급씩 향상됨에 따라 50cm정도 공간격을 중가시키는 것이 여굴저감 및 효율적인 발파를 위해 효과적이라 판단된다.
- 본 실험에서는 천공간격을 작업 여건을 고려하여10cm단위로 변경하였으므로 실제 최적의 천공간격은 변화가 있을 수 있다. 따라서 본 실험에서 나타난 결과와 기존의 국내외 연구 및 시공사례를 고려할 때 여굴 최소화를 위한 굴착선공 적정 공간격은표 10과 같이 설정하는 것이 적절하다고 판단된다.
- 2“ 였다. 또한 점보드릴의 앞쪽만 좌측으로 이동하여 천공시는 평균 54 , 점보드릴 전체를 이동하여 천공시는 44 로 나타나 천공각을 줄이고자 하는 천공기사의 각별한 노력이 있다면 보통 천공시보다 약 14 , 특별한 노력 없이 장비 전체를 이동하는 것만으로 평균 12 정도 천공각이 감소하는 것으로 나타났다. 이론적으로 천공각이 1'，감소함에 따라 3m천공시 천공저부에서 약 5cm정도의 여굴이 감소한다는 점을 고려할 때 천공기사가 각별한 노력을 하거나 또는 점보드릴 전체를 이동하므로써 천공저부에서 대체로 약 6>7cm정도의 여굴이 감소한다고 할 수 있다.
- 이 결과를 근거로 여굴과 미굴을 동시에 최소화 하기 위해서는, 여타 작업방법이 특별한 변화 없이 기존과 동일하다면, 굴착설계선으로부터 약 2-3cm 안쪽으로 천공착점을 일치시키는 것이 적절하다고 사료된다. 즉, 만약에 굴착설계선에 천공착점을 정확하게 일치시킨다면 부분적으로 약간의 미굴이 발생하기는 하지만 여굴은 허용기준치이내에서 최소화시킬 수 있게 된다.
- 따라서 천공착점의 위치를 결정하는 굴착선 표시작업시, 표시 위치를 2-3둥급의 암반에서는 굴착설계선 2-3 an 안쪽에 설정하는 것이 여굴 및 미굴의 저감을 위해 적절하다고 판단된다. 이때 굴착선공의 공간격도 암반등급에 따라 본 논문에서 제시된 결과를 기준으로 적절히 조절하면 여굴 및 미굴의 발생을 더욱 억제할 수 있다고 사료된다.
- 또한 점보드릴의 앞쪽만 좌측으로 이동하여 천공시는 평균 54 , 점보드릴 전체를 이동하여 천공시는 44 로 나타나 천공각을 줄이고자 하는 천공기사의 각별한 노력이 있다면 보통 천공시보다 약 14 , 특별한 노력 없이 장비 전체를 이동하는 것만으로 평균 12 정도 천공각이 감소하는 것으로 나타났다. 이론적으로 천공각이 1'，감소함에 따라 3m천공시 천공저부에서 약 5cm정도의 여굴이 감소한다는 점을 고려할 때 천공기사가 각별한 노력을 하거나 또는 점보드릴 전체를 이동하므로써 천공저부에서 대체로 약 6>7cm정도의 여굴이 감소한다고 할 수 있다.
- 그 결과 전단면에서는 표시 빈도가 증가할수록 굴착설계선의 정밀도가 양호해지고 천공착점의 오차도 작아지는 것으로 나타났다. 즉, 표시 빈도를 10희로 할 때보다 20회로 했을 경우 천공오차는 평균적으로 약 2-3cm가 감소하며 이를 비율로 환산시 10회일 때보다 46% 정도 정확도가 증가하는 것으로 나타났다.
- 총 3회 실시한 결과 45cm전후의 공간격일 때 최저의 여굴량 발생하지만 65&m일 때와 큰 차이는 없었다. 그러나 기타 실험 결과 및 국내외 관련 자료를 참조할 때 약 50cm 전후가 적절한 공간격이라고 판단된다.
- 총 4회 실험의 실험결과 50-55cm정도의 공간격일때 최저의 여굴량 발생하였으며 4 등급의 암반에서도 절리의 영향이 상당히 큰 것으로 관찰되었다.
- 총 4회를 실시하였으며 공간격에 따른 여굴량의 변화가 매우 뚜렷하게 나타나고 있었다. 평균공간격 72cm일 때 최저 여굴이 발생하였다.
후속연구
- 이러한 패턴은 암종 및 암질에 따라 차이가 있을수 있으므로 보다 신뢰성 있는 결과를 위해서는 향후 다양한 현장에서 추가적인 보완실험이 필요하며 이를 토대로 여굴저감을 위한 암반둥급별 굴착선공의 적정 천공간격을 설정할 수 있으리라 사료된다.
- 그러나 기타 실험 결과 및 국내외 관련 자료를 참조할 때 약 50cm 전후가 적절한 공간격이라고 판단된다. 한편 발파후 상태를 육안으로 관찰한 결과 암질이 매우 취약한 상태인 5 둥급에서는 무엇보다도 절리 발달상태가 여굴형성에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었으며 좀더 신뢰성 있는 결과 도출을 위해서는 추가적인 실험이 필요하다고 사료 된다.
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