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문제 정의
- 간접 방호 작업은 연돌이 붕괴 전도 시 지면과 충돌할 때 발생하는 비산에 대한 피해를 방지하기 위해 그림 13과 같이 실시하였다. 붕괴 예측지역에 쌍줄 비계를 설치하고 구갑망과 분진망을 겹쳐서 그림 13(a)와같이 시공하였고, 충격진동을 저감시키기 위해 예상낙하지점 3곳에 높이 2m, 폭 2m의 흙둑을 그림 13(b) 와 같이 쌓고, 그림 13(c)와 같이 고압살수기를 설치하여 붕괴 시 발생하는 분진을 저감시키고자 하였다.
- 화약을 이용한 발파 해체공법은 기계식 해체공법보다 공사비용을 절감시킬 수 있을 뿐만 아니라 환경적 문제에 관한 대책을 단기간에 해결할 수 있으며 보다 안전하게 해체할 수 있는 장점이 있어 주요 해체공법으로 관심이 증대되고 있다. 본 논문은 제주특별자치도 제주시 삼양일동 900번지에 있는 제주화력발전소 내 기력 1호기 70m 높이의 연돌을 원하는 방향으로 확실히 전도 하면서, 발전소 주변시설물에 비산, 먼지, 진동에 의해 미치는 피해가 최소화 될 수 있도록 발파를 실시한 사례로 발파해체에 관한 계획에서부터 결과까지의 과정에 대해 내용을 기술하였다.
- 본 시공사례는 제주화력 기력 1호기 연돌 해체 공사를 다룬 것이다. 2004년 내연설비 교체를 위해 연돌 2기를 발파해체 한 사례가 있었음에도 불구하고 발전시설물은 국가적 중요 시설물인 관계로 절단, 인양공법으로 해체를 하고자 하였으나 제주 산업안전공단에서 고소작업 시 작업자의 추락 위험에 대한 문제를 제기하여 발파해체공법으로 연돌 1기를 안전하고 경제적으로 해체하였다.
- 시험발파의 목적은 산출된 화약량에 따른 파쇄효율의 적정성 검토를 통해 본 발파 시 적용할 화약량을 조정하고, 방호의 적정성을 검토하여 발파 시 발생되는 발파진동을 확인해 지발당 발파공수를 선정하기 위함이다. 장약량은 식 (3)을 이용해 구한다.
제안 방법
- 1) Shell 구조물을 해체하기 위하여 적용 가능한 공법 3가지를 제안하였으며 주변 현황조사를 통해 안전성과 경제성을 고려한 가장 적합한 해체공법 선택 절차를 제시하였다.
- 정확한 방향성을 가지는 전도발파를 수행하기 위하여 낙하지점 중앙부와 연돌 중앙부에 대한 계측을 통하여 중앙 라인을 선정한 후 사전 취약화로 3개의 개구부를 그림 8(a)와 같이 생성시켰다. 1개는 전도방향에 높이 2.4m, 폭 1.2m의 직사각형 형태의 개구부를 만들었고, 나머지 2개는 방향성을 제어하기 위하여 발파구역과 잔존구역 사이에 좌우로 높이 1.5m, 폭 1.2m의 사다리꼴 형태의 개구부를 코아로 천공하여 개설하였다. 개구부 개설 후 내부에 있는 내화 벽돌을 그림 8(b)와 같이 소형장비로 반출하였다.
- 발파로 인한 1차 방호는 PVC 코팅 능형철망 #8 2겹과 장섬유부직포 350g를 사용하였고, 2차 방호는 부직포 350g를 2∼3겹으로 사용하였다. 1차 방호 작업의 효율을 높이고 결속을 단단히 하기 위해 발파구간 상단부에서 1.0m 이격해 약 1.0m 간격으로 앵커볼트를 설치한 후 능형철망과 부직포를 결속하였다. 2차 방호는 발파 구간 상부에 부직포를 고정시켜 2겹으로 감싸고, 하부는 콘크리트 파쇄석의 적재 현상 방지 목적으로 고정을 시키지 않았다.
- 2차 방호는 발파 구간 상부에 부직포를 고정시켜 2겹으로 감싸고, 하부는 콘크리트 파쇄석의 적재 현상 방지 목적으로 고정을 시키지 않았다. 3차 방호로는 발파 비산으로 인한 피해 방지를 위해 12mm 합판을 쌍줄 비계에 고정하였으며, 발파 비산 방향을 고려하여 항공 마대에 모래를 담아 좌,우측에 둑을 설치하였다.
- 0m 의 사전 절단을 그림 8(c)와 같이 수행하였다. RC 벽체의 파쇄 제거작업 후 노출된 철근에 대해 산소 절단을 하였다.
- 기 폭은 좌우 대칭으로 2블록으로 구분하였다. 결선방법은 직렬결선을 하였으며, 전색재는 모래와 쇄석을 혼합한 재료로 공구까지 다짐을 하였다.
- 진동 및 소음 측정은 그림 17과 같이 주요 보안물건에서 측정을 수행하였다. 계측점 1, 2에서는 Blastmate II를 사용해 계측하였고, 계측점 3은 eXiD-8로 계측 하였다.
- 구조물 전도 시 주변 피해를 최소화하고 붕괴된 구조물이 파쇄 될 수 있을 만큼 충분한 공간 확보가 가능한 지역으로 전도방향을 남쪽 방향으로 계획하였으며, 전도 구간의 허용범위는 전도 방향의±5°이다.
- 당 현장의 해체공법을 선정하기 위한 해체 조건은 작업 중 안전성 확보와 주변 발전설비에 대한 무재해이다. 당 현장의 해체 조건에 만족하는 해체공법을 선정하기 위하여 3가지 공법을 검토하였다. 중장비의 인장력에 의한 전도붕괴 공법을 적용할 때 구조물 내력보다 많은 사전파쇄가 되었을 경우 갑작스런 강풍이나 구조적 불안정성에 의해 예기치 못한 붕괴가 발생할 수 있는 문제점이 있으며, 절단 인양에 의한 해체공법을 적용할 때 인양을 위해 500T 이상의 크레인이 요구되나 제주도 특성상 당 현장에 동원될 수 있는 크레인은 100T인 관계로 절단 부재 최소화에 따른 공사비 증가가 예상되었고 인양 및 절단이 70m 높이부터 이루어져 작업자의 예기치 못한 사고가 발생될 수 있는 문제점이 있는 것으로 판단되었다.
- 126m2으로 산출되었다. 따라서 나머지 조건은 동일하게 하고 장약량에 대해 0.125kg과 0.1875kg 2가지 TYPE으로 구분하여 표 4와 같이 총 4공에 대해 시험발파를 수행하였다. 이때 사용한 폭약은 메가마이트(MEGAmite Φ28mm)이고, 기폭은 8호 순발 전기뇌관으로 사용하고 전색은 모래와 쇄석이 혼합된 모래를 그림 10(a)와 같이 전색하였다.
- 5g의 경우는 다소 과장 약인 것으로 나타났다. 따라서 본 발파 작업 시 발파 공해(비산, 진동, 소음) 제어와 최적 파쇄량 확보를 위해 하부 2개열은 공당 150g을 적용하고 3열 이상은 공당 125g을 적용하는 것으로 하였다. 진동 및 소음 측정 결과는 표 5와 같이 폭원으로부터 50m 되는 No.
- 발파구역은 전도방향과 수직으로 계획하였으며, 전도붕괴가 이루어지는 곳에서는 높이 2m, 폭 2m의 흙둑 3개를 설치하여 충격진동을 최소화하였고, 주변 보안물건에 대한 비산 피해를 막기 위하여 높이 6.0∼8.0m의 쌍줄 비계를 설치하는 것으로 계획하였다.
- 375kg)이며, R은 보안물건과의 거리 (m)이다. 발파진동 예측결과 50m에서 예상 발파진동 속도는 0.12cm/s로 평가되었으며 발전소에서 제시한 진동치보다 작게 계산되어 지발당 공수를 27공 이내로 하여 설계를 수행하였다.
- 58cm/s의 진동속도가 발생되는 것으로 산출되었으나, 발전소에서 제시한 허용진동 수준을 넘었으므로 이에 대한 대책이 필요하다. 방진둑 설치 시 진동 감쇄는 약 60% 정도인 0.23cm/s로 예상되나, 지반의 조건에 따라 진동 감쇄가 달라질 수 있으므로 유한요소해석 프로그램 (솔리드 웍스, 2007)을 이용하여 그림 6과 같이 모델링하였다. 충격조건을 0.
- 진동 및 소음 측정은 그림 17과 같이 주요 보안물건에서 측정을 수행하였다. 계측점 1, 2에서는 Blastmate II를 사용해 계측하였고, 계측점 3은 eXiD-8로 계측 하였다.
- 천공계획은 사각형 배열 패턴으로 375mm 천공 길이와 300mm 공간격으로 총 106공을 표 3과 같이 천공 마킹을 수행하였다. 천공장비는 외경이 φ 32mm인 비트를 장착한 코어드릴을 사용하였는데, 이는 주철근 철근 배열이 200mm로 간격이 촘촘하여 착암기 사용 시 정확한 천공을 수행할 수가 없으므로 코어 드릴을 사용하였다.
- 천공장비는 외경이 φ 32mm인 비트를 장착한 코어드릴을 사용하였는데, 이는 주철근 철근 배열이 200mm로 간격이 촘촘하여 착암기 사용 시 정확한 천공을 수행할 수가 없으므로 코어 드릴을 사용하였다. 코어 드릴 2개를 2조로 좌우측에 1대씩 배치하여 4일간 그림 9와 같이 수평 천공을 수행 하였다.
- 해체공법을 선정하기 위하여 진동 및 작업 안전성을 검토한 결과 당 현장의 해체 대상구조물인 연돌을 해체하기 위한 최적공법으로 화약을 이용한 발파 전도붕괴공법을 선정하였다. 발파 전도붕괴 계획은 그림 7과 같다.
대상 데이터
- (b)과 같이 다이너마이트 종류인 MegaMite ∅28mm 13.5kg과 전기뇌관 HiDETO Plus 100개를 사용하였다.
- 대상구조물은 개구부(Duct)가 전면에 있고, 그림 5와 같이 외벽은 두께 560mm, 주철근은 지름 25mm의 이형철근으로, 배근간격은 200mm인 철근 콘크리트 구조로 이루어져 있으며, 내부는 두께 230mm의 내화벽돌로 쌓아져 있다. 철근 콘크리트와 내화벽돌 사이에 열전달 방지를 위해 100mm의 공기층이 있다.
- 발파로 인한 1차 방호는 PVC 코팅 능형철망 #8 2겹과 장섬유부직포 350g를 사용하였고, 2차 방호는 부직포 350g를 2∼3겹으로 사용하였다.
- 발파해체는 2011년 6월 30일 오전 11시에 수행되었으며, 대상구조물인 높이 70m 연돌이 바닥에 충돌하는 데는 그림 15와 같이 약 10초가 소요되었다.
- 천공장비는 외경이 φ 32mm인 비트를 장착한 코어드릴을 사용하였는데, 이는 주철근 철근 배열이 200mm로 간격이 촘촘하여 착암기 사용 시 정확한 천공을 수행할 수가 없으므로 코어 드릴을 사용하였다.
- 해체 대상구조물은 그림 3과 같이 제주특별자치도 제주시 삼양동 900번지에 있는 제주화력 발전소 내에 있는 기력 1호기 연돌(Stack)이다.
성능/효과
- 2) 연돌 발파해체 적용 시 정확히 유도된 전도붕괴를 위해서는 기존 덕트를 활용하거나, 활용하기 어려울 때는 기존 덕트의 위치에 따라 사전 취약을 하여 방향을 제어해야 할 것으로 판단된다.
- 3) 발파진동에 대한 영향을 고려 할 때 폭원으로부터 보안물건 까지를 이격거리로 하고, 충격진동은 예상 전도구간의 중심에서부터 보안물건 까지의 직선거리를 이격거리로 해야 한다.
- 4) 발전소에서 제안한 허용 최대 변위값은 0.01016cm, 50m 이격된 지점에서의 예측 최대변위값은 0.00713 cm, 40m 이격된 No. 1에서 계측된 최대진동변위 값은 0.0048cm로 허용최대 변위 값보다 작게 발생되어 안전하게 붕괴전도발파가 이루어진 것을알 수 있다. 또한 예측값이 실측값보다 약 48.
- 5) 발파작업으로 인한 비산은 1∼3차에 걸친 직접방호에 의해 충분히 제어가 되어 발파비산 제어를 위한 방호 방법은 양호한 것으로 평가되었다.
- Shell 구조물 해체공법을 비교한 결과 화약을 이용한 발파전도공법이 중장비의 인장력에 의한 전도붕괴 공법에 비해 구조적 안전성이 확보되도록 사전 파쇄를 최소화하므로 안전한 작업조건을 확보할 수 있는 것과 동시에 사전 안전성 평가를 명확히 할 수 있다. 또한 절단 인양 해체공법에 비해 공사기간 단축과 공사비가 절감되는 장점이 있으므로 가장 적절한 해체 공법이다.
- 1, 2의 경우는 전도방향 좌, 우 방향에 위치하고 있으며, 상대적으로 발파원으로부터 원거리에 위치하여 발파진동은 이격거리 증가에 따라 감쇄된 진동이 측정된데 반해 연돌 전도로 인한 낙하 충격진동이 우세하게 측정된 것으로 분석되었다. 또한 발파 진동 예측값보다 약 48.54% 낮은 수치가 측정되었는데, 이는 충격진동이 발생, 전달되는 지반이 철근콘크리트와 토사의 이종 매질로 구성되어 있어 매질 임피던스로 인해 감쇄가 예측했던 것보다 많이 발생된 것으로 사료된다.
- 0048cm로 허용최대 변위 값보다 작게 발생되어 안전하게 붕괴전도발파가 이루어진 것을알 수 있다. 또한 예측값이 실측값보다 약 48.54%가 크게 발생되었는데 이는 충격진동이 발생, 전달 되는 지반이 철근콘크리트와 토사의 이종 매질로 구성되어 있어 매질 임피던스로 인해 감쇄가 예측했던 것보다 많이 발생한 것으로 생각된다.
- 0031cm로 계측되었다. 모든 계측된 결과는 당 현장에서 제안한 최대 허용 진동속도 0.5cm/s와 최대 허용 변위 0.01016cm 이하로 나타나 운전 중인 발전설비에 영향을 미치지 않은 것으로 평가된다.
- 1dB로 기록되었다. 사전 예측 시 이격거리가 증가함에 따라 소음이 감소하여 약 180m에서 인체에 대한 허용기준치를 만족한다는 점과 본 발파 시 대피거리를 고려할 때 발생소음수준은 만족할만한 수준이라 판단된다.
- 시험발파 결과에 따르면 장약량에 따른 파쇄효과는 사용화약량 모두에 대해 발파 효과가 전반적으로 우수한 것으로 나타났으나 187.5g의 경우는 다소 과장 약인 것으로 나타났다. 따라서 본 발파 작업 시 발파 공해(비산, 진동, 소음) 제어와 최적 파쇄량 확보를 위해 하부 2개열은 공당 150g을 적용하고 3열 이상은 공당 125g을 적용하는 것으로 하였다.
- 당 현장의 해체 조건에 만족하는 해체공법을 선정하기 위하여 3가지 공법을 검토하였다. 중장비의 인장력에 의한 전도붕괴 공법을 적용할 때 구조물 내력보다 많은 사전파쇄가 되었을 경우 갑작스런 강풍이나 구조적 불안정성에 의해 예기치 못한 붕괴가 발생할 수 있는 문제점이 있으며, 절단 인양에 의한 해체공법을 적용할 때 인양을 위해 500T 이상의 크레인이 요구되나 제주도 특성상 당 현장에 동원될 수 있는 크레인은 100T인 관계로 절단 부재 최소화에 따른 공사비 증가가 예상되었고 인양 및 절단이 70m 높이부터 이루어져 작업자의 예기치 못한 사고가 발생될 수 있는 문제점이 있는 것으로 판단되었다. 화약을 이용한 발파 전도붕괴공법을 적용하면 고소작업이 필요 없어 작업자의 안전성이 확보되고, 구조물 내력을 안정 상태에서 사전취약을 수행해 구조물 안전성을 확보하면서 예견된 시간과 위치에 전도 붕괴를 일으키는 것이 가능하지만 전도 붕괴 시 발생하는 충격진동이 발전설비에 미치는 영향에 대한 사전 검토가 필요하다.
- 23cm/s로 예상되나, 지반의 조건에 따라 진동 감쇄가 달라질 수 있으므로 유한요소해석 프로그램 (솔리드 웍스, 2007)을 이용하여 그림 6과 같이 모델링하였다. 충격조건을 0.6초간 15ton의 집중하중이 작용하는 것으로 하여 해석한 결과 발생된 변위는 0.00713cm로 나타나 발전소에서 제안한 허용진동변위 0.01016cm 보다 작게 예측되었다.
후속연구
- 전도를 유도하는 방향은 덕트 중앙에서 우측으로 약 5° 정도 틀어져 있는 곳에 위치되어 있어, 지면과 충돌 시 좌측부의 저항이 우측부보다 적어 좌측으로 약 3° 틀어져 전도가 되었으나, 당 현장에서 허용전도 오차 ±5°이내에 드는 범위였다. 그러나 향후 발파구간 위에 덕트 존재 시 이를 고려하여 방향을 제어해야 할 것이다. 발파 후 파쇄 상태는 그림 16과 같이 양호한 것으로 나타났다.
- 이는 본 발파해체 작업 전 계속된 강우로 인해 기 설치된 흙둑 사이에 물이 고여 구조물 낙하 시 충격에 의해 물과 함께 토사에 함께 묻혀있던 돌과 구조물 잔해가 비산된 것으로 판단되고, 흙둑의 위치가 지반보다 낮게 설치되어 있어 낙하 길이가 길어지면서 위치에너지가 증가되어 비산된 것으로 사료된다. 위 결과로 볼 때 추후 구조물 해체 작업 시 장마철 강우에 의한 영향도 고려하여야 하며, 흙둑의 설치 높이를 높게 하여 낙하되는 높이를 감소시킴으로써 위치에너지를 최소화시켜 비산을 방지해야 할 것으로 판단된다.
- 이는 본 발파해체 작업 전 계속된 강우로 인해 기 설치된 흙둑 사이에 물이 고여 구조물 낙하 시 충격에 의해 물과 함께 토사에 함께 묻혀있던 돌과 구조물 잔해가 비산된 것으로 판단되고, 흙둑의 위치가 지반보다 낮게 설치되어 있어 낙하 길이가 길어지면서 위치에너지가 증가되어 비산된 것으로 사료된다. 위 결과로 볼 때 추후 구조물 해체 작업 시 장마철 강우에 의한 영향도 고려하여야 하며, 흙둑의 설치 높이를 높게 하여 낙하되는 높이를 감소시킴으로써 위치에너지를 최소화시켜 비산을 방지해야 할 것으로 판단된다.
- 비산 발생은 그림 11과 같이 방호 구역 내에 제한되었다. 이는 현장에 적용할 3차 방호가 적정하다는 것을 알 수 있으며, 차후 본 발파 작업에서도 방호구역 밖으로 인원, 장비의 대피가 완벽히 이루어지면 비산에 의한 문제는 없을 것으로 판단된다.
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