화약을 이용한 지반굴착은 진동 및 소음 등의 공해가 필연적으로 수반되기 때문에 민원발생 및 주변 구조물에 영향을 미칠 수 있다. 특히, 발파작업 구간 부근에 지장물이 위치하게 되는 경우, 발파진동에 대한 안정성 평가는 매우 중요한 항목이 된다 발파진동안정성 평가 시 기존에는 시험발파를 통하여 대상지역의 발파진동식을 추정하고, 거리 및 장약량을 고려한 단순평가법이 많이 사용되어 왔으나, 이는 대상지역의 지형 및 지반조건을 현실적으로 고려하지 못한 방법이다 이를 보완하기 위해 최근에는 대상지역의 지형 및 지반조건을 연속체 또는 불연속체로 모사한 동적수치해석법이 적용되고 있다. 일반적으로 터널이나 비탈면 발파진동 수치해석시에는 다수의 발파공 모델링이 현실적으로 거의 불가능하여, 단일발파공, 특히 심발공에서 추정된 발파압력을 최종 굴착면에서의 등가압력으로 환산하여 발파하중으로 적용하게 된다. 이와 같은 이론적인 계산식이나 경험식에 의해 추정된 발파압력을 이용한 방법은 단일 발파공에서의 폭발압력에 대해 연구된 결과로서, 폭발상태를 이상적인 것으로 가정하고 폭발에너지를 구하게 된다. 따라서, 최종 굴착면에 적용된 등가압력은 지반조건을 고려하지 못하여 동일한 단면 및 발파조건에서는 동일한 발파하중이 산정된다. 즉, 기존의 발파하중 산정법은 대상지역의 지반조건을 고려하지 못하여, 해석결과의 신뢰도를 저하시키는 원인이 된다. 본 사례연구에서는 발파하중 산정 및 해석결과의 신뢰도를 제고하기 위하여, 대상지역의 시험발파시 획득된 실측진동파형을 이용한 발파하중 산정법을 통하여 비탈면 발파굴착시 주변 지장물의 안정성 평가를 수행하였다.
화약을 이용한 지반굴착은 진동 및 소음 등의 공해가 필연적으로 수반되기 때문에 민원발생 및 주변 구조물에 영향을 미칠 수 있다. 특히, 발파작업 구간 부근에 지장물이 위치하게 되는 경우, 발파진동에 대한 안정성 평가는 매우 중요한 항목이 된다 발파진동안정성 평가 시 기존에는 시험발파를 통하여 대상지역의 발파진동식을 추정하고, 거리 및 장약량을 고려한 단순평가법이 많이 사용되어 왔으나, 이는 대상지역의 지형 및 지반조건을 현실적으로 고려하지 못한 방법이다 이를 보완하기 위해 최근에는 대상지역의 지형 및 지반조건을 연속체 또는 불연속체로 모사한 동적수치해석법이 적용되고 있다. 일반적으로 터널이나 비탈면 발파진동 수치해석시에는 다수의 발파공 모델링이 현실적으로 거의 불가능하여, 단일발파공, 특히 심발공에서 추정된 발파압력을 최종 굴착면에서의 등가압력으로 환산하여 발파하중으로 적용하게 된다. 이와 같은 이론적인 계산식이나 경험식에 의해 추정된 발파압력을 이용한 방법은 단일 발파공에서의 폭발압력에 대해 연구된 결과로서, 폭발상태를 이상적인 것으로 가정하고 폭발에너지를 구하게 된다. 따라서, 최종 굴착면에 적용된 등가압력은 지반조건을 고려하지 못하여 동일한 단면 및 발파조건에서는 동일한 발파하중이 산정된다. 즉, 기존의 발파하중 산정법은 대상지역의 지반조건을 고려하지 못하여, 해석결과의 신뢰도를 저하시키는 원인이 된다. 본 사례연구에서는 발파하중 산정 및 해석결과의 신뢰도를 제고하기 위하여, 대상지역의 시험발파시 획득된 실측진동파형을 이용한 발파하중 산정법을 통하여 비탈면 발파굴착시 주변 지장물의 안정성 평가를 수행하였다.
Excavation by explosives blasting necessarily involves noise and vibration, which is highly prone to face claims on the environmental and structural aspects from the neighbors. When the blasting carried out in the vicinity of a structure, the effect of blasting vibration on the stability of the stru...
Excavation by explosives blasting necessarily involves noise and vibration, which is highly prone to face claims on the environmental and structural aspects from the neighbors. When the blasting carried out in the vicinity of a structure, the effect of blasting vibration on the stability of the structure should be carefully evaluated. In the conventional method of evaluation, an equation for blast vibration is obtained from test blasting which is later used to determine the amount of charge. This method, however, has limitations in use since it does not consider topography and change in ground conditions. In order to overcome the limitations, dynamic numerical analysis is recently used in continuum or discontinuous models, where the topography and the ground conditions can be exactly implemented. In the numerical analysis for tunnels and rock slopes, it is very uncommon to simulate multi-hole blasting. A single-hole blasting pressure is estimated and the equivalent overall pressure at the excavation face is used. This approach based on an ideal case usually does not consider the ground conditions. And this consequently results in errors in calculation. In this presentation of a case study, a new approach of using blast waves obtained in the test blast is proposed. The approach was carried out in order to improve the accuracy in calculating blasting pressure. The stability of a structure in the vicinity of a slope blasting was examined using the newly proposed method.
Excavation by explosives blasting necessarily involves noise and vibration, which is highly prone to face claims on the environmental and structural aspects from the neighbors. When the blasting carried out in the vicinity of a structure, the effect of blasting vibration on the stability of the structure should be carefully evaluated. In the conventional method of evaluation, an equation for blast vibration is obtained from test blasting which is later used to determine the amount of charge. This method, however, has limitations in use since it does not consider topography and change in ground conditions. In order to overcome the limitations, dynamic numerical analysis is recently used in continuum or discontinuous models, where the topography and the ground conditions can be exactly implemented. In the numerical analysis for tunnels and rock slopes, it is very uncommon to simulate multi-hole blasting. A single-hole blasting pressure is estimated and the equivalent overall pressure at the excavation face is used. This approach based on an ideal case usually does not consider the ground conditions. And this consequently results in errors in calculation. In this presentation of a case study, a new approach of using blast waves obtained in the test blast is proposed. The approach was carried out in order to improve the accuracy in calculating blasting pressure. The stability of a structure in the vicinity of a slope blasting was examined using the newly proposed method.
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문제 정의
본 연구에서는 기존의 여러 연구자들에 의해 제안된 발파압력 계산식을 이용하여 발파하중을 산정하는 방법의 문제점, 즉 현장의 지반조건을 고려한 발파 하중 산정이 어려운 측면을 개선하고, 발파진동에 대한 안정성 평가의 신뢰도를 제고하기 위하여 시험발파를 통해 획득된 시간이력에 따른 발파 진동 속도 파형 자료를 발파하중 산정시 이용하였다.
제안 방법
각 발파공법별 최소이격거리는 진동제어(소규모) 발파시 약 30m, 진동제어(중규모) 발파시 약 40m, 일반 발파시 약 60m이며, 송전탑 기초에 대한 안정성 검토를 기초하부의 수직, 수평방향 진동속도 및 합벡터 진동속도를 계측하여 수행되었다.
또한, 시험발파에서 획득된 실측진동파형을 동적 수치해석 시 발파하중으로 적용하기 위하여, 여러 계측지점 중 각 발파공법별 이격거리와 가장 근접한 위치에서 측정된 진동파형 자료를 활용하였다. 각 발파공법별 적용된 진동파형은 그림 3과 같고, 앞서 2.
본 사례연구에서는 현장조건을 고려한 발파 하중 산정을 위하여 시험발파에서 실측된 진동 속도 파형을 추정된 발파진동식을 이용하여 간편하게 보정하는 방법을 적용하였다. 이러한 간편한 보정법의 신뢰도를 더 향상시키고, 발파하중 산정시 불확실성을 최소화하기 위한 발파하중 산정법에 대한 연구가 향후 더 이루어져야 할 것으로 판단된다.
이를 개선하기 위하여, 최근에는 시험발파를 통해 획득된 실측 진동파형을 보정이나 역해석을 통하여 발파하중을 산정하는 방법을 적용하고 있다. 본 연구에서는 실측진동파형을 추정된 발파진동식을 이용하여 굴착경계면에서의 발파하중으로 보정하는 방법을 채택하여 적용하였다.
실측진동 파형을 보정하는 방법은 추정된 발파 진동식을 이용하여 굴착경계면에서의 발파하중으로 보정하는 것이며, 역해석에 의한 방법은 수치해석을 통하여 지반의 전달함수(transfer function)을 추출하여 시간이력에 따른 발파하중을 산정하는 것이다 (최준성 외, 2006). 본 연구에서는 해석의 효율성 및 간편성을 위하여 실측진동 파형을 추정 발파 진동식에 근거하여 보정하는 방법을 적용하였으며, 산정과정은 그림 1과 같으며, 상세과정은 다음과 같다.
지점에 발파하중을 적용하였다. 송전탑에 대한 안정성 평가는 진동속도를 기준으로 하였으며, 허용 발파진동 기준치는 LOcm/s로 설정하였다. 해석 프로그램은 FLAC 2D(Itasca)를 사용하였으며, 해석결과는 다음과 같다.
수행하였다. 시험발파는 적용되는 발파공법에 따라 3가지 조건(진동제어(소규모), 진동제어(중규모), 일반발파)에서 이루어졌으며, 추정된 발파진동식은 다음과 같다.
실측진동 파형에 의해 산정된 발파하중을 토대로 단계별 비탈면 발파굴착에 따른 송전탑의 안정성 평가를 위해, 각 발파공법별 최소이격거리가 발생되는 지점에 발파하중을 적용하였다. 송전탑에 대한 안정성 평가는 진동속도를 기준으로 하였으며, 허용 발파진동 기준치는 LOcm/s로 설정하였다.
해석을 수행하였다. 적용된 발파공법은 진동제어(소규모) 발파, 진동제어(중규모) 발파, 일반발파로 송전탑과의 이격거리를 고려하여 선택적으로 적용되었으며, 발파패턴 설계는 건설교통부에서 제안한 암발파 설계요령에 근거하여 이루어졌다.
이용한다. 즉, 시험발파를 통해 폭원으로부터 특정 거리만큼 떨어진 지점에서 진동을 실측하는 한편, 발파진동 추정식으로부터 그 거리만큼 떨어진 지점의 진동속도를 계산함으로써 실제 측정값과 추정값의 비율을 계산한다. 이 비율을 이용하여 발파진동 추정식으로부터 계산된 실제 발파작업 시 발파지점에서 최종 굴착면까지의 이격거리에서의 진동속도를 보정한다.
동적수치해석법으로 검토하였다. 특히, 본연구에서는 발파하중 산정 및 해석결과의 신뢰도를 제고하기 위하여, 대상지역의 시험발파시 획득된 실측 진동파형을 이용한 발파하중 산정법을 통하여 비탈면 발파굴착시 지장물 안정성 평가를 수행하였다.
현장의 발파진동식을 추정하고, 주변 지장물에 대한 동적 수치해석에 의한 발파진동 안정성을 평가하기 위한 실측진동파형을 획득하기 위해 시험발파를 수행하였다. 시험발파는 적용되는 발파공법에 따라 3가지 조건(진동제어(소규모), 진동제어(중규모), 일반발파)에서 이루어졌으며, 추정된 발파진동식은 다음과 같다.
대상 데이터
본 대상구간에는 도로공사시 발생된 절토부 중대 절토 구간에서 발파작업시 지장물이 되는 송전탑이 위치하고 있다. 송전탑기초의 이격거리는 적용발파패턴에 따라, 진동제어(소규모) 영역에서는 30m, 진동제어(중규모) 영역에서는 40m, 일반 발파영역에서는 60m로 산정되었으며, 그림 2는 각 발파공법별 송전탑 기초까지의 최소이격거리 및 지반 조건을 나타내고 있다.
본 사례연구의 대상구간은 00대교 접속도로 개설공사시 발생된 절토구간으로, 주변에 송전탑이 위치한 대절토 비탈면 구간의 단계별 발파굴착시 안정성을 동적수치해석법으로 검토하였다. 특히, 본연구에서는 발파하중 산정 및 해석결과의 신뢰도를 제고하기 위하여, 대상지역의 시험발파시 획득된 실측 진동파형을 이용한 발파하중 산정법을 통하여 비탈면 발파굴착시 지장물 안정성 평가를 수행하였다.
본 연구가 이루어진 대상지역은 00대교 접속도로 개설공사시 발생된 절토구간으로 주변에 송전탑이 위치한 대절토 비탈면 구간 발파굴착시 송전탑의 구조적 안정성 평가를 위해 비탈면 굴착단계를 고려하여 해석을 수행하였다. 적용된 발파공법은 진동제어(소규모) 발파, 진동제어(중규모) 발파, 일반발파로 송전탑과의 이격거리를 고려하여 선택적으로 적용되었으며, 발파패턴 설계는 건설교통부에서 제안한 암발파 설계요령에 근거하여 이루어졌다.
데이터처리
송전탑에 대한 안정성 평가는 진동속도를 기준으로 하였으며, 허용 발파진동 기준치는 LOcm/s로 설정하였다. 해석 프로그램은 FLAC 2D(Itasca)를 사용하였으며, 해석결과는 다음과 같다.
이론/모형
실제 발파작업시 발파지점으로부터 최종 굴착 면까지 이격된 지점에서의 발파진동을 정량적으로 산정하기 위하여 시험발파에서 추정된 대상지반의 발파 진동식을 이용한다. 즉, 시험발파를 통해 폭원으로부터 특정 거리만큼 떨어진 지점에서 진동을 실측하는 한편, 발파진동 추정식으로부터 그 거리만큼 떨어진 지점의 진동속도를 계산함으로써 실제 측정값과 추정값의 비율을 계산한다.
적용된 발파진동에 대한 안정성 평가법은 실무에서 가장 많이 사용되어 온 발파 진동추정식을 토대로 이격거리와 지발당 장약량을 이용한 단순평가법이 아닌, FLAC 2D 프로그램을 이용한 연속체 접근법을 활용한 동적수치해석법을 적용하였다.
송전탑기초의 이격거리는 적용발파패턴에 따라, 진동제어(소규모) 영역에서는 30m, 진동제어(중규모) 영역에서는 40m, 일반 발파영역에서는 60m로 산정되었으며, 그림 2는 각 발파공법별 송전탑 기초까지의 최소이격거리 및 지반 조건을 나타내고 있다. 한편, 주변 지장물 위치시 발파진동에 의한 피해를 최소화하기 위해, 건설교통부에서 제안한 암발파 설계요령(건설교통부, 2003)에 의거하여 발파공법을 선정하였다. 표1은 해석구간의 지반등급에 따른 물성치이고, 표 2는 건설교통부 설계요령에 근거하여 적용된 발파공법이다.
성능/효과
추정된 발파진동식을 토대로 송전탑의 허용 발파진동 기준치를 l.Ocm/s로 설정하였을 경우, 이격거리 30m까지는 암파쇄굴착공법, 30 ~ 40(m)까지는 진동제어발파(소규모), 40 ~ 60(m)까지는 진동제어발파(중규모), 60m이후에서는 일반발파를 적용하는 것이 허용 진동기준치 이내로 안전한 것으로 검토되었다.
673cm/s로 허용진동치인 l.Ocm/s보다 작아 발파진동에 의한 안정성이 확보되는 것으로 검토되었다.
발파진동 안정성 해석결과 상기 3가지 발파공법별로 송전탑의 허용 발파진동속도 기준치인 1.0cm/s 보다 작게 분석되어, 발파시 송전탑의 안정성에 문제가 없는 것으로 검토되었다.
이와 같은.방법은 발파 진동식에서 K와 n 상수로 대변되는 지반조건을 고려한 발파하중 산정법으로서 기존의 발파압력에 의한 방법보다 더 합리적인 것이고, 안정성 평가 결과의 신뢰도가 향상될 것으로 판단된다.
비탈면의 단계별 발파굴착시 송전탑 구조물의 안정성을 종합적으로 검토한 결과, 최대 수평 및 수직 방향 진동속도는 각각 0.557cm/s, 0.566cm /s로 진동제어(중규모) 발파시 발생하였으며, 최대 진동속도 벡터합은 0.795cm/s로 나타났다. 이는 송전탑 구조물의 허용 발파진동 기준치인 LOcm/s 이하로 발파에 의한 피해는 거의 없을 것으로 판단되었고, 적용된 발파공법이 합리적이고 적절한 것으로 평가되었다.
795cm/s로 나타났다. 이는 송전탑 구조물의 허용 발파진동 기준치인 LOcm/s 이하로 발파에 의한 피해는 거의 없을 것으로 판단되었고, 적용된 발파공법이 합리적이고 적절한 것으로 평가되었다.
후속연구
방법을 적용하였다. 이러한 간편한 보정법의 신뢰도를 더 향상시키고, 발파하중 산정시 불확실성을 최소화하기 위한 발파하중 산정법에 대한 연구가 향후 더 이루어져야 할 것으로 판단된다.
참고문헌 (8)
건설교통부, 2003, 암발파 설계요령, 건설교통부
김재극, 1999, 산업화약과 발파공학, 서울대학교 출판부, 서울, pp. 375-383
윤철헌, 1998, 화약 발파해설, 구미서관, 서울, pp. 385-386
최성웅, 박의섭, 선우춘, 정소걸, 2004, 실측진동파형을 이용한 발파 동해석 기법에 관한 연구, 터널과 지하공간(한국암반공학회지), Vol. 14, No.2, pp. 108-120
National Highway Institute, 1991, U.S. government printing office, Rock blasting and overbreak control, 5p
Starfield, A.M. and J.M. Pugliese, 1968, Compression waves generated in rock by cylindrical explosive charges : A comparison between a computer model and field measurements, International Journal of Rock Mechanics and Mining Science & Geomechanics Abstracts, Vol. 5, pp. 65-77
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