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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 터널굴착을 위한 발파와 라이닝 등 본체 구조물을 병행시공 할 경우 터널 발파 시 발생하는 진동이 콘크리트 라이닝 등 구 조물에 미치는 영향 여부를 알아보고 발파작업으 로부터 안전성을 확보하기 위한 안전이격거리 도 출 및 병행시공 실적용시 작업환경.개선방안을 소 개하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 터널굴착을 위한 발파와 라이닝 등 본체 구조물을 병행시공 할 경우 터널 발파 시 발생하는 진동이 콘크리트 라이닝 등 구 조물에 미치는 영향 여부를 알아보고 발파작업으 로부터 안전성을 확보하기 위한 안전이격거리 도 출 및 병행시공 실적용시 작업환경.개선방안을 소 개하고자 한다.
- 본 연구는 계룡터널 발파-라이닝 병행시공과 관 련하여 터널 굴착을 위한 발파와 라이닝 등 본체 구조물을 병행시공할 경우 터널 발파시 발생하는 진동이 구조물에 미치는 영향에 대하여 현장실험을 수행하였으며 실험결과를 요약하면 다음과 같다.
- 터널굴진과 터널 내 라이닝 구조물을 병행시공 할 경우 터널발파로 인해 발생하는 지반진동이 구 조물에 미치는 영향을 평가하기 위하여 국내 • 외 허용기준, 관련사례 및 자료들을 조사하였다. 특히 병행시공이라는 특수한 상황은 양생중인 콘크리트 에 미치는 영향에 대한 평가를 필요로 한다.
제안 방법
- 1) 기존의 국내외 연구 및 시공사례를 분석한 결과, 병행시공시 양생중인 콘크리트에 영향을 미 치지 않는 허용진동수준은 0.63 cm/s로 설정하였으며, 현장발파에 대한 진동속도 예측식을 도출하기 위해 총 12회의 굴진발파에 대하여 123 측점을 계측하였다.
- 또한 발파영향권 분석을 통하여 산정된 안전이 격거리의 타당성을 검증하기 위해 터널내부에 일정한 거리별로 4개의 모형라이닝을 타설한 후 진 동에 가장 예민한 시간대에 최초 발파를 실시하고 계속해서 28일 동안 일상적인 발파작업하에서 양생한다. 28일 강도시험을 위해 모형라이닝에서 코어를 채취한 후 표준공시체와 함께 실험을 실 시하여 안전이격거리에 대한 타당성을 검증한다. （Fig.
- 4) 병행시공 현장적용시 터널내 환기문제와 부 속설비 처리는 횡갱(피난연결통로)을 이용하여 이 동, 설치하였으며 추가적으로 집진기와 차단막을 설치하여 작업환경을 개선하였다.
- 굴진중인 상 • 하행선 시점부의 터널 바닥을 대상으로 각 발파별로 10 개에서 11개 측점을 적절한 간격(평균 50 m)으로 두었으며 전체적으로 총 12 차례의 굴진발파에 대하여 총 123개 측점에서 진 동을 계측하여 진동예측식을 도출하였다(Fig. 3). 발파진동 전파특성을 나타내는 예측식은 계측된 현장 자료로부터 회귀분석을 통하여 각각의 상수 를 구한 후 적합도가 높은 삼승근 환산거리를 이용한 식을 선택하였다.
- 또한 발파영향권 분석을 통하여 산정된 안전이 격거리의 타당성을 검증하기 위해 터널내부에 일정한 거리별로 4개의 모형라이닝을 타설한 후 진 동에 가장 예민한 시간대에 최초 발파를 실시하고 계속해서 28일 동안 일상적인 발파작업하에서 양생한다. 28일 강도시험을 위해 모형라이닝에서 코어를 채취한 후 표준공시체와 함께 실험을 실 시하여 안전이격거리에 대한 타당성을 검증한다.
- 막장 굴착작업을 위하여 필요한 상기의 부속설비는 횡갱과 반대편 터널을 이용하여 이동 설치하며, 환기의 효율성을 증대시키기 위하여 집진기를 설치하였다(유지오, 2005). 막장후방에서의 콘크리트 구조물 시공시 쾌 적한 작업환경을 확보하기 위하여 추가로 차단막 을 설치하여 공사중 발생하는 분진 및 매연의 흐 름을 차단하였다(Fig. 9).
- 발파진동측정기 설치는 타설된 모형라이닝 바닥부 에 암석용 드릴로 구멍을 천공한 후, 진동측정기 바닥에 있는 개 또는 개의 스파이크를 끼워서 고정시켜 측정을 실시하였다.
- 병행시공을 위한 발파영향권 분석 및 모형라이 닝 검증실험을 통해 제시된 안전이격거리를 토대 로 시공 중인 터널에서 발파-라이닝 병행시공을 실시하였다. 이격거리는 예측식을 통한 평가결과와 표준공시체 및 코어시료에 대한 강도시험 결과에 의하면 445 m 이상이면 되지만 보다 안전한 시 공을 위하여 안전이격거리를 500 m 이상으로 결 정하였다.
- 도출된 진동추정식을 이용하여 영향권 분석을 통해서 산정된 안전이격거리의 타당성을 검증하기 위해 발파진동을 받는 실험용 콘크리트 모형라이 닝을 터널 내에 설치하였다. 설치지점은 기존의 사 례 분석을 토대로, 본 연구에서 제시한 양생중인 콘크리트에 영향을 주지 않는 지점과 피해여부를 확인하기 위한 지점으로 분류하여 총 4곳에 콘크리트 모형라이닝을 제작하였다.
- 모형라이닝에서 채취 한 코어의 28일 압축강도 측정결과에 의하면 예측 식을 통해 산정된 이격거리 422 m 이내에서도 만 족하지만 표준공시체 시험을 통해 확인된 445 m 를 최소이격거리로 결정하였다. 실제 시공 시에는 보다 안전한 시공이 될 수 있도록 안전이격거리를 500 m 이상으로 하여 적용하였다.
- 실험용 모형라이닝 타설지점을 결정하기 위하여 터널 막장으로부터 일정한 거리마다 진동측정기를 설치하여 진동을 측정하였다. 현장의 발파조건 및 지반조건이 동일하지 않으므로 가능한 다양한 조건을 반영할 수 있도록 공사 진행 상황 및 조건에 따라 총 3차로 나누어 계측을 실시하여 자료를 획 득하고자 계획하였다.
- 병행시공을 위한 발파영향권 분석 및 모형라이 닝 검증실험을 통해 제시된 안전이격거리를 토대 로 시공 중인 터널에서 발파-라이닝 병행시공을 실시하였다. 이격거리는 예측식을 통한 평가결과와 표준공시체 및 코어시료에 대한 강도시험 결과에 의하면 445 m 이상이면 되지만 보다 안전한 시 공을 위하여 안전이격거리를 500 m 이상으로 결 정하였다.
- 발파진동 전파특성을 나타내는 예측식은 계측된 현장 자료로부터 회귀분석을 통하여 각각의 상수 를 구한 후 적합도가 높은 삼승근 환산거리를 이용한 식을 선택하였다. 진동의 평균수준(50% 신뢰 구간)을 나타내는 식(1)과 95% 신뢰구간을 갖는 예측식(2)을 도출하였으며 이 중 보수적인 영향평가를 위해 95% 신뢰수준의 식을 본 현장의 진동 예측식으로 사용하였다. 다음 Fig.
- 콘크리트 모형라이닝 타설이 완료된 다음, 4시간 경과후에 최초발파를 실시하였으며 진동계측은 라이닝 타설 후 4시간, 20시간, 28일 발파진동을 측정하였다(Table 5).
- 콘크리트 타설 후 27일째 되는 날 터널 내 타설 된 4개의 콘크리트 모형라이닝에서 각각 7개씩 모두 28개의 코어를 채취하여 재령 28일에 압축강도 시험을 실시하였다(Fig. 6).
- 타설지점은 전단면 발파가 진행중인 막장면 후 방에 해당하는 터널의 하단부 우측부분 4 곳에 거 푸집을 제작한 후 발파 4 시간 전까지 콘크리트 모형라이닝을 타설하였다. Fig.
- 한편 현장에서 모형라이닝 타설작업이 진행되는 동안 모형라이닝에서 코어링을 통해 채취한 시료 들과 비교분석할 목적으로 타설하는 콘크리트 레 미콘에서 일부를 이용하여 원형 표준몰드를 제작 하였다. 표준몰드는 발파진동 영향을 받는 몰드와 진동을 받지 않은 몰드로 구분하여 발파진동 영향을 받는 몰드인 경우 터널내부 모형라이닝당 10 개씩 총 40 개의 공시체를 각각의 모형라이닝 내 부에 양생하였다.
- 한편 현장에서 모형라이닝 타설작업이 진행되는 동안 모형라이닝에서 코어링을 통해 채취한 시료 들과 비교분석할 목적으로 타설하는 콘크리트 레 미콘에서 일부를 이용하여 원형 표준몰드를 제작 하였다. 표준몰드는 발파진동 영향을 받는 몰드와 진동을 받지 않은 몰드로 구분하여 발파진동 영향을 받는 몰드인 경우 터널내부 모형라이닝당 10 개씩 총 40 개의 공시체를 각각의 모형라이닝 내 부에 양생하였다.
- 실험용 모형라이닝 타설지점을 결정하기 위하여 터널 막장으로부터 일정한 거리마다 진동측정기를 설치하여 진동을 측정하였다. 현장의 발파조건 및 지반조건이 동일하지 않으므로 가능한 다양한 조건을 반영할 수 있도록 공사 진행 상황 및 조건에 따라 총 3차로 나누어 계측을 실시하여 자료를 획 득하고자 계획하였다.
대상 데이터
- 도출된 진동추정식을 이용하여 영향권 분석을 통해서 산정된 안전이격거리의 타당성을 검증하기 위해 발파진동을 받는 실험용 콘크리트 모형라이 닝을 터널 내에 설치하였다. 설치지점은 기존의 사 례 분석을 토대로, 본 연구에서 제시한 양생중인 콘크리트에 영향을 주지 않는 지점과 피해여부를 확인하기 위한 지점으로 분류하여 총 4곳에 콘크리트 모형라이닝을 제작하였다.
- 3) 진동에 가장 예민한 시간대에 발파 진동을 가한 조건하에서 모형라이닝 강도시험 결과 표준 공시체인 경우 터널막장으로부터 250 m 이하 지 점에서 제작하여 양생한 공시체는 진동영향과 외 부충격으로 강도가 저하되는 경향이 나타났으며, 400 m 이상에서 제작한 공시체는 현장설계강도를 만족하는 것으로 나타났다. 모형라이닝에서 채취 한 코어의 28일 압축강도 측정결과에 의하면 예측 식을 통해 산정된 이격거리 422 m 이내에서도 만 족하지만 표준공시체 시험을 통해 확인된 445 m 를 최소이격거리로 결정하였다. 실제 시공 시에는 보다 안전한 시공이 될 수 있도록 안전이격거리를 500 m 이상으로 하여 적용하였다.
- 본 실험은 국도 1호선 두마-반포간 도로확장 및 포장공사 중 계룡터널에서 실시되었다. 계룡터 널은 대부분 계룡산 국립공원을 통과하며 기술적, 경제적, 환경적 측면에서 유리한 선형을 선정하는 과정에서 계획된 터널로서 합리성 및 경제성 등의 관점에서 터널공법을 검토하여 안전하고 편리한 교통을 제공할 수 있기 위해 시공되는 도로터널이다.
데이터처리
- 3). 발파진동 전파특성을 나타내는 예측식은 계측된 현장 자료로부터 회귀분석을 통하여 각각의 상수 를 구한 후 적합도가 높은 삼승근 환산거리를 이용한 식을 선택하였다. 진동의 평균수준(50% 신뢰 구간)을 나타내는 식(1)과 95% 신뢰구간을 갖는 예측식(2)을 도출하였으며 이 중 보수적인 영향평가를 위해 95% 신뢰수준의 식을 본 현장의 진동 예측식으로 사용하였다.
성능/효과
- 2) 계룡터널 건설 현장에서 주로 적용되고 있는 현행 발파 패턴에 따라 지발당 최대장약량 10.5 kg을 도출된 진동예측식에 적용할 경우 허용진동 수준을 만족시킬 수 있는 영향권은 422m로 분석 되었다.
- 3) 진동에 가장 예민한 시간대에 발파 진동을 가한 조건하에서 모형라이닝 강도시험 결과 표준 공시체인 경우 터널막장으로부터 250 m 이하 지 점에서 제작하여 양생한 공시체는 진동영향과 외 부충격으로 강도가 저하되는 경향이 나타났으며, 400 m 이상에서 제작한 공시체는 현장설계강도를 만족하는 것으로 나타났다. 모형라이닝에서 채취 한 코어의 28일 압축강도 측정결과에 의하면 예측 식을 통해 산정된 이격거리 422 m 이내에서도 만 족하지만 표준공시체 시험을 통해 확인된 445 m 를 최소이격거리로 결정하였다.
- 5) 병행시공과 관련하여 현장 라이닝 실제 시공 현황을 살펴보면, 실험결과에서 산정한 안전이격 거리를 기준으로 각 공정의 상호간섭을 최소화할 수 있는 라이닝 시공 착수시점을 선정하여 병행시 공을 실시한 결과 현장 터널 발파굴착 완료시점이 2006년 2월이었으나 2005년 11월부터 라이닝을 시 공하므로써 콘크리트 라이닝 시공시기를 약 3개월 정도 단축할 수 있었다.
- 5kg의 폭약 을 사용하고 있다. 따라서 지발당 최대장약량에 따라 가장 민감한 시간대의 양생중인 콘크리트 허용 수준 0.63cm/s에 대한 영향권을 계산하면 허용진 동수준을 만족시킬 수 있는 영향권은 422m로 분 석되었다(Table 3).
- 또한 전반적으로 표준공시체 강도시험 결과와도 서로 상이한 결과를 나타내고 있는데, 이는 모형라이 닝 실험과정에서 실제 라이닝을 일정한 크기로 축 소하는 과정에서 라이닝 두께에 대한 축척영향과 일부 코어 공시체의 형상조건이 압축강도값에 영향을 미친 것으로 판단된다. 따라서 코어강도 측정 결과에 의하면 산정된 이격거리 422 m 이내에도 만족하지만 보다 안전한 시공을 위해서는 표준공 시체에 대한 실험결과를 반영하여 C지점의 이격 거리 445 m 이상으로 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 8은 모형라이닝에서 채취한 코어 28일 압축 강도 결과를 나타낸 그림으로 각각의 모형라이닝 코어강도 평균값에 있어서 큰 차이를 보이지 않는 것으로 나타났다. 터널막장으로부터 이격된 거리별로 보면 A지점(145 m), B지점(245 m), D지점 (545 m) 콘크리트 압축강도는 현장코어 채취에 의한 강도 기준대비 평균강도 이상으로 나타났으며 C지점(445 m)에 타설한 모형라이닝 코어강도인 경우 설계강도에 다소 못미치는 결과를 보였다. 또한 전반적으로 표준공시체 강도시험 결과와도 서로 상이한 결과를 나타내고 있는데, 이는 모형라이 닝 실험과정에서 실제 라이닝을 일정한 크기로 축 소하는 과정에서 라이닝 두께에 대한 축척영향과 일부 코어 공시체의 형상조건이 압축강도값에 영향을 미친 것으로 판단된다.
후속연구
- 또한 본 논문에서는 모형라이닝에 대하여 발파 진동으로 인한 양생 콘크리트 영향을 압축강도만 으로 살펴보았으나 향후에는 터널 내 발파진동에 대한 영향을 충분히 고려할 수 있도록 강도시험뿐만 아니라 가속도, 콘크리트 변형률, 주파수 등에 대한 분석이 필요할 것으로 사료된다.
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