[논문]Bulk Emulsion 기계화 장전시스템을 이용한 대단면 장대터널 시공사례연구

윤지선; 장영민; 이상헌

doi:10.9711/ktaj.2009.11.2.107

문제 정의

대체로 터널에서는 덤프 (Dump)와 로우더(Loader) 에 의한 버력 처리방식이 일반적인 방식으로서 대량의 생산버력 처리수단으로 운행 거리별로 장비소요대수와 장비용량을 고려하는 것 이외에 기본적으로 가늘고 균질한 입도의 버력을 생산할 수 있는 발파방법을 선정하는 것이 무엇보다도 중요하다. 따라서 본 연구에서는 벌크에멀젼시스템(Bulk Emulsion System)적용으로 증가된 장전밀도로 인한 암 파쇄효율을 기존 발파방법과 비교하였다(에스케이건설(주), 2008).
본 연구에서는 국내 대형, 장공 터널 굴진 시스템에 적합한 고속시공법을 개발하기 위하여, 굴진효율등 굴착 시공성이 상대적으로 저조한 국내 3개 도로 터널 현장을 대상으로 벌크에멀젼시스템(Bulk Emulsion System) 의 기계화 장전시스템을 활용하여 총 15회에 걸쳐 시험 발파를 수행하였다.
시험발파 대상 현장은 3곳 모두 급격한 암질 및 암반 강도 변화에 따른 80%미만의 저조한 굴진효율을 나타내고 있어 천공패턴을 크게 변경하지 않는 조건에서 벌크에멀젼시스템(Bulk Emulsion System)을 반영하여 굴진 효율을 증대시키고자 하였다. 굴진효율 비교 결과 구간의 경우 기존 발파방식에 비하여 평균 굴진효율은 7~8%증가하였고 천공수는 약 10%감소하였으나 비장약량은 약 30%이상 증가하였다.

제안 방법

각 시험막장에서 암석의 물리적 특성을 파악하기 위해 불연속면을 포함하지 않는 샘플을 채취하여 일축 압축시험과 탄성파속도시험등의 기초 물성실험을 수행하였다. 구간-Ⅲ에서는 샘플채취에 실패하여 구간-1과 구간-II의 실험만을 비교하였다.
수행하였다. 구간-Ⅲ에서의 시험발파 계측은 카트리지형(Cartridge type) 때와 벌크에멀젼시스템(Bulk Emulsion System) 때의 진동치 비교를 위해 총 5회(카트리지형(Cartridge type) 2회, 벌크에멀젼시스템(Bulk Emulsion System) 3회)에 걸쳐 수행하였으며 시험도중횡갱 굴착작업의 병행으로 참고용으로 횡갱발파 1회 계측도 실시하였다.
기존의 작업 Cycle과 비교검증을 위해 천공~발파-버력처리— 보강작업등의 작업 Cycle을 12시간, 1일 2회 발파를 기준으로 하였으며 장비 trouble이나 기타 불규칙적 장애 요인에 의한 Time loss량은 조사대상에서 배제하였다.
벌크에멀젼폭약(Bulk Emulsion System) 적용에 따라 공당 장약량 및 회차당 전체 장약량 증가로 발생 진동 및 소음수준이 증가할 것으로 예상되어 각 시험 막장별로 발생 진동 및 소음 수준을 파악하기 위해 계측계획을 수립하였다 막장 전방 200 m 지점부터 50 m 등간격으로 지오폰(Geo-phone) 6대를 설치흐]-여 발파 작업시 계측을 수행하였다. 구간-Ⅲ에서의 시험발파 계측은 카트리지형(Cartridge type) 때와 벌크에멀젼시스템(Bulk Emulsion System) 때의 진동치 비교를 위해 총 5회(카트리지형(Cartridge type) 2회, 벌크에멀젼시스템(Bulk Emulsion System) 3회)에 걸쳐 수행하였으며 시험도중횡갱 굴착작업의 병행으로 참고용으로 횡갱발파 1회 계측도 실시하였다.
본 연구에서는 국내 3개 도로터널 현장을 대상으로 벌크에멀젼시스템(Bulk Emulsion System)을 적용하여 굴진율, 천공수의 감소 장약시간 및 장전시스템 검E, 폭약사용량 및 전체 작업공정에서의 효과에 대해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
여굴량 및 미굴량 측정은 직접 측정과 광파측량기에 의한 측량 데이터의 비교를 통해 이루어졌다. 막장별 여굴량조사결과 기존 발파방법에 비하여 벌크에멀젼시스템 (Bulk Emulsion System)적용 및 초과 천공장에 의한 발생 여굴량 및 미굴량과의 직접적인 상관성은 미약한 것으로 판단되며 가장 큰 영향을 미치는 요인으로는 현장 막장별 굴착선 주변의 암반 구조 지질학적 상태가과굴량 및 미굴량 생성에 주요한 요인으로 작용하는 것으로 판단된다.
적용 심발공법별 대표 파형을 선정하여 성분별 최대 진동속도치인 PPV(Peak particle velocity) 발생시점을 검토하였다.
천공장을 10%이상 증가시켰을 각 공종별 소요 작업 시간이 증가할 것으로 예상되어 기존의 작업 cycle 내에서 1일 2회 발파로 계획 굴진장 확보가 가능한가를 판단하기 위해 공종별 소요 작업시간을 조사하였다. 기존의 작업 Cycle과 비교검증을 위해 천공~발파-버력처리— 보강작업등의 작업 Cycle을 12시간, 1일 2회 발파를 기준으로 하였으며 장비 trouble이나 기타 불규칙적 장애 요인에 의한 Time loss량은 조사대상에서 배제하였다.
현장실험은 모두 TYPE-I, Ⅱ에 해당하는 비슷한 조건에서 수행되었기 때문에 그 각각의 결과치를 비교하였다.

대상 데이터

대상구간 중 구간-1의 지질은 선캄브리아기의 경기 편마암 복합체와 제4기 충적층으로 구성되어 있고, 변성작용에 따라 흑운모호상편마암, 각섬석 흑운모편마암, 우백질편마암이 분포하고 있다. 또한 시험대상구간은 흑운모 호상 편마암이 우세하게 분포하고 있고 불연속면 이거의 없고 RMR 77~85로 풍화도가 낮은 상태의 매우 양호한 암반상태를 나타내고 있다.

성능/효과

1. 본 연구에서는 지보패턴 I, II구간에서 Bulk emulsion 기계화 장전시스템을 적용하여 시험을 수행하였으며 기존 시공방법에 비하여 최대 15% 천공장을 증가시켰음에도 불구하고 평균 10% 이상 굴진효율이 향상된 결과를 얻었다.
2. 벌크에멀젼시스템(Bulk Emulsion System)은 회당폭약 사용량이 기존 카트리지형(Cartridge type) 에비하여 48.8-89.8% 증가하나 굴진효율 향상으로 인하여 비 장약량은 30-43% 증가하였다. 진동 수준은 기존 발파와 막장으로부터 비교적 근거리 지점인 200 m근방에서 계측한 진동 수준이 가장 큰 진동 수준을 나타내었고 이격거리가 증가함에 따라 발생 진동수준 차이는 점차로 줄어드는 경향을 보였다 여굴량은 기존 발파방법과 크게 차이가 없었다.
3. 기존의 카트리지(Cartridge) 작업 Cyclee 평균 9.45 시간이 소요되었^, 벌크에멀젼시스템(Bulk Emulsion System) 적용시에는 평균 9.83시간이 소요되었다. 기계화 장전장비 적용에 따른 장비활용 미숙으로 장전 시간이 증대다 하지만 이는 장비사용이 익숙해져서 작업 숙련도가 확보되면 오히려 작업시간이 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
결론적으로 벌크에멀젼 적용시 일반 포장형 화약류를 적용하였을 경우에 비하여 평균 파쇄입도(P50)는 64.52%, 최대 파쇄입도(TOPsize)는 69.1% 수준으로 평균 35% 이상 파쇄효율이 향상된 결과를 얻었고 더불어 균질한 입도 분포 양상을 보이는 것으로 분석되었다.
증대시키고자 하였다. 굴진효율 비교 결과 구간의 경우 기존 발파방식에 비하여 평균 굴진효율은 7~8%증가하였고 천공수는 약 10%감소하였으나 비장약량은 약 30%이상 증가하였다. 구간-Ⅱ의 경우 기존 발파방식에 비하여 평균 굴진효율은 12 ~ 13% 증가하였고 천 공수는 약 13%감소하였으나 비장약량은 약 43%가증가된 결과를 얻었다 구간-Ⅲ의 경우 기존 발파방식에 비하여 평균 굴진효율은 9 ~ 11%증가하였고 천 공수의 차이가 거의 없음에도 불구하고 비장약량이 약 25% 증가 되었다(윤지선 드 2008).
여굴량 및 미굴량 측정은 직접 측정과 광파측량기에 의한 측량 데이터의 비교를 통해 이루어졌다. 막장별 여굴량조사결과 기존 발파방법에 비하여 벌크에멀젼시스템 (Bulk Emulsion System)적용 및 초과 천공장에 의한 발생 여굴량 및 미굴량과의 직접적인 상관성은 미약한 것으로 판단되며 가장 큰 영향을 미치는 요인으로는 현장 막장별 굴착선 주변의 암반 구조 지질학적 상태가과굴량 및 미굴량 생성에 주요한 요인으로 작용하는 것으로 판단된다.
emulsion type 적용시의 대표파형이다. 성분별 PPV 검토결과 Transverse성분은 7.94 mm/s(at 0.654 sec), Vertical성분은 7.92 mm/s(at 0.035sec), Longitudinal 성분은 7.94 mm/s(at 0.589sec)에 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 심발영역 발파 이후 확대영역에서 PPV가발생되었는데, 이는 영역분할 발파방법에 의해 충분히 진동제어가 가능할 것으로 판단된다.
구간-Ⅲ에서는 샘플채취에 실패하여 구간-1과 구간-II의 실험만을 비교하였다. 실험결과 구간-1의 경우 일축 압축강도는 763.69 ~1688.9 Kg-fem2, 탄성 파속 도는 4.28 km/s/s, 동탄성계수는 4.71X105 kgf/cnf 로 나타났고, 구간-Ⅱ의 경우 각각 911.97 ~1582.4 Kg-fem2, 4.44 km/s, 4.14xl05 kgfJcn?로 나타나 두 현장 모두 암석 조건은 중경암~경암 상태로 조사되었다.
실험결과 기존 즈]업Cyclee 평균 9.45시간이 소요되었고 벌크에멀젼시스템(Bulk Emulsion System) 적용 시에는 평균 9.83시간이 소요되었었다. 이는 기계화 장전 장비 적용에 따른 인원배치 및 장비활용 미숙으로 장전 시간이 증대하였고 10%이상의 굴진장 증대로 인하여 보강시간이 증대하는 요인으로 작용한 반면 Scaling 및 Mucking에 소요되는 작업시간은 상대적으로 절감되는 효과가 있었다.
589sec)에 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 심발영역 발파 이후 확대영역에서 PPV가발생되었는데, 이는 영역분할 발파방법에 의해 충분히 진동제어가 가능할 것으로 판단된다.
83시간이 소요되었었다. 이는 기계화 장전 장비 적용에 따른 인원배치 및 장비활용 미숙으로 장전 시간이 증대하였고 10%이상의 굴진장 증대로 인하여 보강시간이 증대하는 요인으로 작용한 반면 Scaling 및 Mucking에 소요되는 작업시간은 상대적으로 절감되는 효과가 있었다.
8% 증가하나 굴진효율 향상으로 인하여 비 장약량은 30-43% 증가하였다. 진동 수준은 기존 발파와 막장으로부터 비교적 근거리 지점인 200 m근방에서 계측한 진동 수준이 가장 큰 진동 수준을 나타내었고 이격거리가 증가함에 따라 발생 진동수준 차이는 점차로 줄어드는 경향을 보였다 여굴량은 기존 발파방법과 크게 차이가 없었다. 파 쇄도 분석 결과 밀장전 효과로 인해 30%이상의 파쇄도 향상 효과가 있어 2차 암파쇄 작업 소요시간을 최적화시키고 동일 규모의 버력 처리시스템으로 보다 효율적인 작업이 가능할 것으로 예상된다.

후속연구

따라서 상기 몇몇 시스템 보완을 통해 장전밀도 조절과 운영체계가 정착화 된다면 벌크에멀젼(Bulk Emulsion) 폭약은 기존의 카트리지(Cartridge) 제품에 비해 보관 및 운반, 사용면에서 보다 우수한 안전성과 효율적인 시공으로 인한 경제적인 이점을 가지고 있어 대형 대 단면 장대 터널 굴착에서 차세대 폭약으로서 정착될 수 있을 것으로 사료된다.
진동 수준은 기존 발파와 막장으로부터 비교적 근거리 지점인 200 m근방에서 계측한 진동 수준이 가장 큰 진동 수준을 나타내었고 이격거리가 증가함에 따라 발생 진동수준 차이는 점차로 줄어드는 경향을 보였다 여굴량은 기존 발파방법과 크게 차이가 없었다. 파 쇄도 분석 결과 밀장전 효과로 인해 30%이상의 파쇄도 향상 효과가 있어 2차 암파쇄 작업 소요시간을 최적화시키고 동일 규모의 버력 처리시스템으로 보다 효율적인 작업이 가능할 것으로 예상된다.

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