[논문]구조물 근접 터널발파시 진동제어를 위한 조합형조절발파공법 적용사례 연구 -서울지하철 917공구 현장 중심으로-

유지완; 이태노; 노상림

문제 정의

본 고에서는 도심지 지하철 공사현장인 서울지하철 9호선 2단계 917공구 현장에서 본선터널 직상부에 위치해 있는 잠실학생체육관 구간을 통과하기 위해 적용된 조합형조절발파공법 적용 사례를 소개하고자 한다.
본 고에서는 서울지하철 917공구 현장 본선터널 노선 중 잠실학생체육관 하부를 통과하는 구간의 여굴을 최소화 하면서 진동을 제어할 수 있는 조합형조절발파공법(Complex Blasting) 적용사례를 소개하고자 한다.
일반적으로 진동을 제어할 수 있는 방법으로 기계식 굴착공법, 화공품류를 이용한 미진동굴착공법, 화약류를 이용한 진동제어발파공법 등이 있는데, 현장여건을 고려하여 가장 적합한 방법을 선정하여 적용하게 된다. 본 고에서는 서울지하철 917공구현장 본선터널 노선에서 약 21m 상부에 존재하는 잠실학생체육관 구조물의 피해를 최소화 하기 위해서 적용된 조합형조절발파공법에 대한 현장 시험발파 결과와 적용사례를 소개 하였다.
본 현장 본선터널 노선 중 잠실학생체육관 하부를 통과하는 구간에 조합형조절발파공법을 적용할 경우 발파진동이 체육관 구조물에 미치는 영향검토를 실시하기 위해서 잠실학생체육관 구조물에 전달되는 발파하중에 대한 동해석을 실시 하였다.
시험발파를 통해서 잠실학생체육관에서 발파진동이 허용치 이내로 감지되고 발파공사의 안전성과 효율성이 확인 된다면 잠실학생체육관 하부 본선터널에 발파공법을 적용해도 무방할 것으로 판단되었다. 시험발파는 스므스블라스팅공법과 조합형조절발파공법으로 동일한 암반조건과 위치에서 실시하여 그 결과를 분석한 후 본 구간에 가장 적합한 진동제어발파공법을 선정하고자 하였다. 표 4는 제어발파공법별 시험발파 패턴 및 수량이다.

제안 방법

34kg/m 가 되도록 하였다. 기폭 시스템은 비전기식 뇌관 기폭시스템을 이용 하였으며, 발파효과를 제고시키기 위해서 동시기폭 장약공을 확대공은 1공, 제어발파공은 2공으로 하였다.
해석에 적용되는 암반의 기본 물성값은 굴착패턴 PD-3E의 연암에 해당하는 것으로, 각 암반의 단위중량, 점착력, 내부마찰각, 변형계수, 포아송비를 표 8과 같이 설정하였다. 또한, 발파에 사용되는 화약은 에멀젼 폭약과 조절발파용 폭약의 두 종류이며, 장약 화약의 직경은 발파패턴도에 따라 결정하였다. 화약의 특성을 모델링하기 위해 각 화약의 가비중, 폭발속도, 폭발열을 기준으로 표 9와 같이 발파압력을 산정하였다.
6m 이격되어 있는 기초파일에서의 발파의 영향을 평가하기 위해 해석을 수행하였다. 또한, 터널 상부의 확대공 일부와 외곽공을 모델링하여 총 31개의 발파공을 설정하였으며 최외곽공 23공은 빈공으로 설치하여 조합형조절발파의 효과를 검증하고 그 결과를 반영할 수 있도록 해석 모델링하여 적용하였다. 그림 6은 해석모델이다.
본 현장 본선터널 노선 중 잠실학생체육관 하부 통과구간을 굴착하는데, 구조물에 진동의 영향을 주지 않고 시공성 및 굴착공기에 차질이 발생하지 않는 굴착공법을 선정하기 위해서 발파진동을 최대로 제어할 수 있는 발파공법을 적용하여 시험발파를 실시하였다. 시험발파를 통해서 잠실학생체육관에서 발파진동이 허용치 이내로 감지되고 발파공사의 안전성과 효율성이 확인 된다면 잠실학생체육관 하부 본선터널에 발파공법을 적용해도 무방할 것으로 판단되었다.
시험발파시 발파진동 및 소음은 잠실학생체육관 지하실과 지상의 3지점에서 진동측정이 이루어졌다. 사용된 계측기는 Instantel사의 Minimate Plus와 BlastMate-Ⅲ이다.
암반모델은 시행오차 방법을 이용하여 모델생성에 필요한 변수를 산정하고, 일축압축 모델을 통해 암반모델의 물성값을 결정하였으며, 발파패턴을 고려하여 모델의 크기는 가로 12m, 세로 12m의 정사각형 형태로 생성하였다. 최대발파압력은 보어홀 압력 산정을 위한 경험식 중 Sanchidrian 등의 식을 사용하였으며, 본 해석에 사용되는 천공직경(45mm)과 화약의 직경(최대 32mm) 차이에 따른 디커플링효과를 고려하였다.
최대발파압력은 보어홀 압력 산정을 위한 경험식 중 Sanchidrian 등의 식을 사용하였으며, 본 해석에 사용되는 천공직경(45mm)과 화약의 직경(최대 32mm) 차이에 따른 디커플링효과를 고려하였다. 잠실학생체육관 하부 통과 모델은 터널로부터 9.6m 이격되어 있는 기초파일에서의 발파의 영향을 평가하기 위해 해석을 수행하였다. 또한, 터널 상부의 확대공 일부와 외곽공을 모델링하여 총 31개의 발파공을 설정하였으며 최외곽공 23공은 빈공으로 설치하여 조합형조절발파의 효과를 검증하고 그 결과를 반영할 수 있도록 해석 모델링하여 적용하였다.
금번 시험발파에 사용된 화약류는 Emulsion계 φ32mm를 사용 하였으며, 외곽공은 φ17mm 정밀폭약(FINEX)을 사용 하였다. 터널 막장면의 암반특성을 고려하여 설계상의 장약패턴 대로 심발 경사공 및 확대공의 장약밀도를 0.34kg/m 가 되도록 하였다. 기폭 시스템은 비전기식 뇌관 기폭시스템을 이용 하였으며, 발파효과를 제고시키기 위해서 동시기폭 장약공을 확대공은 1공, 제어발파공은 2공으로 하였다.
또한, 발파에 사용되는 화약은 에멀젼 폭약과 조절발파용 폭약의 두 종류이며, 장약 화약의 직경은 발파패턴도에 따라 결정하였다. 화약의 특성을 모델링하기 위해 각 화약의 가비중, 폭발속도, 폭발열을 기준으로 표 9와 같이 발파압력을 산정하였다.

대상 데이터

각 발파공의 발파시차는 실제 초시순서에 맞게 설정하였고, 각 발파공의 영향이 없도록 조절하였으며, 진동 계측지점(#1, #2, #3)은 체육관 구조물 기초파일 선단부 세 군데를 선정하였다. 각 지점에서 발파진동을 예측한 결과, 잠실학생체육관 하부 본선터널에서 발파작업을 수행할 경우 직부 기초파일에서 감지될 것으로 예상되는 발파진동값은 0.
금번 시험발파에 사용된 화약류는 Emulsion계 φ32mm를 사용 하였으며, 외곽공은 φ17mm 정밀폭약(FINEX)을 사용 하였다.
본 현장은 서울지하철 9호선 2단계 917공구 현장으로서 본선터널 직상부에 잠실학생체육관이 위치해 있는데, 터널 천단부에서 구조물 지하실까지 최단거리는 21m, 기초파일 선단부 까지는 9.7m에 불과하다. 잠실학생체육관은 건축일로 부터 약 30년 가까이 경과되었기 때문에 노후가 심하여 리모델링 작업이 진행된 구조물이다.
시험발파시 발파진동 및 소음은 잠실학생체육관 지하실과 지상의 3지점에서 진동측정이 이루어졌다. 사용된 계측기는 Instantel사의 Minimate Plus와 BlastMate-Ⅲ이다.
시험발파를 위한 천공은 본선터널 PD-3E 구간 상부단면에서 이루어졌으며, 천공경은 45mm가 되도록 하였으며, 확대공의 천공장은 1,100mm, 최소저항선과 공간격은 700~800mm 정도로 유지되도록 하였다. 외곽공에 적용된 장약공별 간격은 스므스블라스팅공법의 경우 600mm로 유지 하였으며 조합형조절발파공법은 장약공 공간격이 400mm가 유지되도록 하였다.
해석에 적용되는 암반의 기본 물성값은 굴착패턴 PD-3E의 연암에 해당하는 것으로, 각 암반의 단위중량, 점착력, 내부마찰각, 변형계수, 포아송비를 표 8과 같이 설정하였다. 또한, 발파에 사용되는 화약은 에멀젼 폭약과 조절발파용 폭약의 두 종류이며, 장약 화약의 직경은 발파패턴도에 따라 결정하였다.

이론/모형

잠실학생체육관은 건축일로 부터 약 30년 가까이 경과되었기 때문에 노후가 심하여 리모델링 작업이 진행된 구조물이다. 그래서 터널굴착 설계당시 구조물 직하부에 적용되는 굴착공법은 무진동 기계굴착공법을 적용하도록 하였다. 그러나 기계굴착공법으로 터널을 굴착하는 구간이 약 70m 이기 때문에 시공상에 많은 어려움이 발생할 것으로 예상 되었다.
1% 에 불과한 것으로 예측 되었다. 따라서 본 현장 잠실학생체육관 하부를 통과하는 터널노선 구간에 제어발파공법의 시험발파결과를 토대로 조합형조절발파공법을 적용 하였다. 표 7은 잠실학생체육관 하부 본선터널 구간에 적용된 발파패턴이다.
터널 여굴이 당초 여굴량 보다 많아지고 여굴범위가 확산되면 터널상부 암반층에 사하중이 증가하여 터널 지보력에 영향을 줄 수 있을 뿐만 아니라 상부에 존재하는 학생체육관 기초지반에 영향을 줄 수 있다. 따라서, 입자유동 수치해석을 통하여 조합형조절발파공법에 대한 암반의 손상범위를 추정하여 적용 발파공법 및 발파수량의 적용성을 파악하였는데, 입자유동 수치해석에 사용된 프로그램은 DEM(Distinct Element Method)에 기반을 둔 상용 해석프로그램인 PFC2D(Particle Flow Code)를 이용 하였다.
암반모델은 시행오차 방법을 이용하여 모델생성에 필요한 변수를 산정하고, 일축압축 모델을 통해 암반모델의 물성값을 결정하였으며, 발파패턴을 고려하여 모델의 크기는 가로 12m, 세로 12m의 정사각형 형태로 생성하였다. 최대발파압력은 보어홀 압력 산정을 위한 경험식 중 Sanchidrian 등의 식을 사용하였으며, 본 해석에 사용되는 천공직경(45mm)과 화약의 직경(최대 32mm) 차이에 따른 디커플링효과를 고려하였다. 잠실학생체육관 하부 통과 모델은 터널로부터 9.

성능/효과

각 발파공의 발파시차는 실제 초시순서에 맞게 설정하였고, 각 발파공의 영향이 없도록 조절하였으며, 진동 계측지점(#1, #2, #3)은 체육관 구조물 기초파일 선단부 세 군데를 선정하였다. 각 지점에서 발파진동을 예측한 결과, 잠실학생체육관 하부 본선터널에서 발파작업을 수행할 경우 직부 기초파일에서 감지될 것으로 예상되는 발파진동값은 0.207~0.267cm/sec로 허용치(3.0cm/sec)의 7~9% 수준으로 진동에 의한 피해는 발생하지 않을 것으로 예상된다. 그림 7은 발파진동 해석 결과이다.
당초 본선터널 발파시 잠실학생체육관에서 발파진동이 허용치를 초과하는 것으로 예측되어 기계식 굴착공법으로 설계 되었으나, 제어발파공법으로 시험발파를 실시한 결과 체육관 지하실에서 0.145cm/sec 정도로 측정되어 허용기준치(1.0cm/sec)의 14.5% 수준으로 확인 되었으며, 최단거리에서 발파할 경우 체육관에서 0.211cm/sec정도로 예상되어 허용기준치의 21.1% 에 불과한 것으로 예측 되었다. 따라서 본 현장 잠실학생체육관 하부를 통과하는 터널노선 구간에 제어발파공법의 시험발파결과를 토대로 조합형조절발파공법을 적용 하였다.
또한, 본선터널 노선에서 체육관 지하층과 가장 가까운 지점에서 시험발파 결과로 산출된 발파진동추정식으로 발파진동값을 예측한 결과, 제어발파공법별 모두 허용치 이내로 감지되는 것으로 파악 되었다. 표 6은 터널과 체육관 지하층의 최단거리에서 제어발파공법별 진동을 예측한 결과이다.
제어발파공법별 시험발파는 일반적인 스므스블라스팅공법(Smooth Blasting)과 터널 굴착선에 선균열층을 형성시킬 수 있는 조합형조절발파공법(Complex Blasting)을 동일위치와 동일조건으로 비교시험을 실시하였는데, 잠실학생체육관에서 진동을 측정한 결과 조합형조절발파공법이 스므스블라스팅공법 보다 진동이 약 31% 정도 저감되는 것으로 파악 되었다. 또한, 조합형조절발파공법으로 발파할 경우 터널노선과 잠실학생체육관 지하층과의 최단거리(21m)에서 진동추정식으로 예측되는 진동값이 0.211cm/sec 으로서 허용치(1.0cm/sec) 보다 훨씬 작게 전달될 것으로 파악 되었다.
조합형조절발파공법은 라인드릴링공법 적용시 발생할 수 있는 문제점인 천공간격의 근접(20cm 내외)으로 인한 시공상의 어려움, 라인드릴링공과 장약공과의 사이에 형성되는 미굴현상을 해결할 수 있다. 또한, 프리스프리팅공법 적용시 균열효과가 발생하지 않아 진동저감 효과를 얻을 수 없는 현상을 해결할 수 있다.
7m 구간은 매립층 및 충적층으로 형성되어 있으며, 풍화암, 연암, 경암순으로 분포하고 있다. 본선터널 막장(STA.31+840.25)에서 확인된 암반상태를 보면, 불연속면에 약간의 협재물이 존재하나 대부분 신선한 상태로 유지되고 있으며 불연속면은 다소 거친 상태로 존재하고 막장면이 지하수 영향으로 약간 젖어있는 정도이다, 공학적 암반분류 결과 R.M.R값은 53점, Q값은 4.67점 정도로 확인되어 대체적으로 양호한 암반층으로 구성되어 있음을 알 수 있다.
수치해석을 통해 조합형조절발파공법 적용시의 굴착선 암반 손상범위를 추정한 결과, 약 8cm 정도로 나타나 터널 발파시 여굴현상이 거의 나타나지 않을 것으로 예측되었다.
본 현장 본선터널 노선 중 잠실학생체육관 하부 통과구간을 굴착하는데, 구조물에 진동의 영향을 주지 않고 시공성 및 굴착공기에 차질이 발생하지 않는 굴착공법을 선정하기 위해서 발파진동을 최대로 제어할 수 있는 발파공법을 적용하여 시험발파를 실시하였다. 시험발파를 통해서 잠실학생체육관에서 발파진동이 허용치 이내로 감지되고 발파공사의 안전성과 효율성이 확인 된다면 잠실학생체육관 하부 본선터널에 발파공법을 적용해도 무방할 것으로 판단되었다. 시험발파는 스므스블라스팅공법과 조합형조절발파공법으로 동일한 암반조건과 위치에서 실시하여 그 결과를 분석한 후 본 구간에 가장 적합한 진동제어발파공법을 선정하고자 하였다.
위 표에서 보는바와 같이 거의 동일한 이격거리를 두고 체육관 지하층에서 제어발파공법별 수집된 진동값을 보면, 조합형조절발파공법이 스므스블라스팅공법 보다 약 31% 정도 진동이 작게 감지되었음을 알 수 있다. 이는 조합형조절발파공의 사전 기폭으로 선균열층이 형성되어 주 장약공(확대 및 바닥공)의 발파시 체육관 방향의 암반층으로 진동이 상당히 감쇠된 것으로 파악된다.
잠실학생체육관 하부 본선터널에서 발파작업을 수행할 경우 터널 굴착선에 미치는 암반의 손상정도를 입자유동해석결과, 그림 8과 같이 굴착예정선으로 부터 평균 약 0.08m의 손상범위가 형성되는 것으로 해석 되었다. 이와 같은 손상범위는 체육관 기초파일과 이격거리(9.
당초 본 현장 본선터널 굴착시 잠실학생체육관 구조물 보호를 위해서 기계식 굴착공법을 적용하도록 설계되어 있었으나, 굴착 시공성과 공기지연 등의 어려움에 봉착되어 화약류를 이용한 제어발파공법 적용 가능성을 검토하게 되었다. 제어발파공법별 시험발파는 일반적인 스므스블라스팅공법(Smooth Blasting)과 터널 굴착선에 선균열층을 형성시킬 수 있는 조합형조절발파공법(Complex Blasting)을 동일위치와 동일조건으로 비교시험을 실시하였는데, 잠실학생체육관에서 진동을 측정한 결과 조합형조절발파공법이 스므스블라스팅공법 보다 진동이 약 31% 정도 저감되는 것으로 파악 되었다. 또한, 조합형조절발파공법으로 발파할 경우 터널노선과 잠실학생체육관 지하층과의 최단거리(21m)에서 진동추정식으로 예측되는 진동값이 0.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제어발파란?	제어발파는 조절발파공법(Controlled Blasting 또는 Cautious Blasting)으로 표현하기도 하는데, 넓은 의미에서 정의 한다면 공정상의 요구조건과 발파환경, 규모대상 등 구체적 조건하에서 파쇄결과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 발파범위, 방향 및 발파공해를 규정한도 내에서 제어할 수 있도록 세밀한 설계, 시공과 방호 등의 기술조치를 통하여 폭발에너지 방출과정과 매질의 파쇄과정을 제어하는 발파를 총칭한다(표준발파공법, 1997). 국내에서 주로 사용하고 있는 제어발파공법은 스므스 블라스팅(Smooth Blastig), 라인드릴링(Line Drilling), 프리스프리팅(Presplitting), 조합형조절발파공법(Complex Blasting) 등이다.
	암반층으로 구성된 터널을 굴착하기 위한 방법은?	암반층으로 구성된 터널을 굴착하기 위한 방법은 크게 3가지 정도로 구분할 수 있다. 첫 번째 방법으로는 강력한 폭력을 가진 화약류를 사용하는 발파굴착 방법, 두 번째 방법은 화약류에 비해 폭력이 현저히 작은 화공품류에 의한 미진동굴착 방법, 그리고 세 번째로 유압의 힘을 이용한 기계장치로 암반을 파쇄시키는 기계식굴착 방법이 있다.
	발파굴착의 문제점은?	최근래 국내의 터널 굴착작업이 증가하는 추세에 맞춰 터널 굴착공법이 다양하게 개발되어 상용되고 있으나, 시공성 및 경제성 측면으로 볼때 화약류를 이용한 발파공법이 가장 적합한 터널 굴착공법이라 할 수 있다. 그러나, 발파굴착은 강력한 폭력을 지닌 화약류를 사용하기 때문에 발파공해(진동, 소음)로 인하여 민원이 빈번히 발생하고 있으며, 연약한 암반층을 통과할 때는 화약류 폭력으로 발생하는 응력파로 인하여 터널이 부분적으로 붕괴되거나 여굴범위가 확대되는 현상이 발생하여 터널 굴착에 어려움을 주고 있다.

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