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문제 정의
- 본 연구에서는 건식 연마재 워터젯(노즐 혼합형)을 이용하여 터널 계획선을 따라 연속적인 선행 자유면을 형성하여 이를 이용한 암반 발파공법을 제안하고자 한다. 제안공법의 굴착효과와 효율은 대상 지반의 구조적 특징(절리 상태 등) 및 물리적 특성(강도, 강성, 경도 등)에 따라 영향을 받을 수 있다.
- 제안공법의 굴착효과와 효율은 대상 지반의 구조적 특징(절리 상태 등) 및 물리적 특성(강도, 강성, 경도 등)에 따라 영향을 받을 수 있다. 본 연구는 표면적으로 큰 절리가 존재하지 않는 매우 단단한(경암 수준) 지반을 기준으로 수행되었다. 현장실험을 통해 발파진동/소음 저감 및 여굴/미굴의 최소화, 그리고 굴착효율을 검증하였다.
- 그러나 터널공사의 여건상 하루에 발파를 수행할 수 있는 굴착 싸이클(cycle)이 정해져 있기 때문에 절삭공정에 많은 공사시간을 할애하기 어려운 실정이다. 본 연구에서는 천공장 깊이(1.3 m)와 동일한 선행 자유면 깊이를 목표로 하였다.
- 본 연구에서는 연마재 워터젯을 이용한 자유면 발파공법을 제안하고 그 효과를 현장실험을 통해 검증하였다. 공법의 효과를 확인하기 위해 스무스 블라스팅 공법을 대조군으로 설정하여 동일한 조건에서 실험을 실시하였다.
제안 방법
- 본 연구는 표면적으로 큰 절리가 존재하지 않는 매우 단단한(경암 수준) 지반을 기준으로 수행되었다. 현장실험을 통해 발파진동/소음 저감 및 여굴/미굴의 최소화, 그리고 굴착효율을 검증하였다. 워터젯 선행 자유면을 이용한 암반 발파공법은 발파에 의한 민원이 발생하기 쉬운 도심지 굴착공사는 물론이고, 구조적으로 높은 안정성이 요구되는 중요 지하구조물 공사에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 워터젯 선행 자유면을 이용한 암반 발파공법의 효과 검증을 위해, 기존에 가장 널리 쓰이고 있는 진동저감 공법인 스무스 블라스팅(smooth blasting) 공법을 실험 대조군으로 설정하여 현장실험을 실시하였다.
- 터널 공사와 유사하게 실험하기 위해 수직에 가까운 절벽면에서 굴착실험을 실시하였다. 실험을 위한 터널은 일반 터널 내부의 비상통로 크기와 유사하게 설계 되었으며 토피고는 약 9 m를 가진다.
- 생성된 고압의 워터젯은 이동되는 노즐을 통해 절삭을 수행한다. 사용된 노즐은 두 개의 노즐을 결합하여 충분한 절삭폭이 확보될 수 있도록 설계되었다. 최적화된 결합 노즐은 절삭과 동시에 자유면 내부로 삽입이 가능하다(Oh and Cho, 2012).
- 효과적인 암반절삭을 위해 연마재를 사용하여 워터젯의 충격에너지를 증가시켰다. 실험에 사용된 연마재는 가장 널리 쓰이는 석류석(#30-40 garnet)을 사용하였다.
- 85 kg) 만큼 적게 요구된다. 심발공법은 두 공법 모두 V-cut 발파공법을 적용하고 기폭은 심발공, 확대공, 최외곽공(스무스 블라스팅만 적용) 순서로 진행하였다.
- 진동 및 소음측정은 Minimate plus 제품을 이용하여 진동속도와 환경소음을 측정하였다(Fig. 7). 진동 측정점은 공법별로 터널 직상부 상부 3지점에 설치하여 동일한 이격거리를 유지 시켰다.
- 9와 같이 두 공법의 제거형태 차이가 확연함을 보여준다. 발파 후 제안된 공법의 효과를 (1)발파진동 및 소음, (2)여굴/미굴 정도, 그리고 (3)굴진효율로 구분하여 그 결과를 비교 분석하였다.
- 발파 진동은 진동값 중 가장 크게 감지된 합성값(peak vector sum, PVS)으로 분석하였다. 워터젯 자유면을 이용한 발파공법과 스무스 블라스팅 공법으로부터 측정된 발파 진동과 소음 결과는 Table 1과 같다.
- 그러나 거리에 따라 감소되는 소음의 값은 감소되는 진동 값과 비교하여 감소 폭이 크지 않는 것으로 분석되었다. 두 공법의 소음 저감 정도를 분석하기 위해 발파소음 저감율(Rs)을 식 (2)와 같이 정의하여 비교하였다.
- 굴착효율은 발파 후 파쇄석의 크기와 비장약량(specific charge)을 기준으로 분석하였다. 본 연구에서 파쇄석 크기는 발파 후 발생되는 상위 5개의 평균 직경으로 정의하였다.
- 본 연구에서는 연마재 워터젯을 이용한 자유면 발파공법을 제안하고 그 효과를 현장실험을 통해 검증하였다. 공법의 효과를 확인하기 위해 스무스 블라스팅 공법을 대조군으로 설정하여 동일한 조건에서 실험을 실시하였다. 본 연구로부터 얻어진 주요 결론은 다음과 같다.
대상 데이터
- 현장실험은 충남 금산군 복수면에 있는 석산에서 수행되었다(Fig. 4). 현장 암반은 매우 단단한 천매암으로 이루어져 있다.
- 터널 공사와 유사하게 실험하기 위해 수직에 가까운 절벽면에서 굴착실험을 실시하였다. 실험을 위한 터널은 일반 터널 내부의 비상통로 크기와 유사하게 설계 되었으며 토피고는 약 9 m를 가진다. 실험 터널의 직경은 3.
- 실험을 위한 터널은 일반 터널 내부의 비상통로 크기와 유사하게 설계 되었으며 토피고는 약 9 m를 가진다. 실험 터널의 직경은 3.56 m이고 높이는 1.78 m로, 목표로 하는 발파단면의 면적은 약 5 m2이다.
- 물 공급 장치로부터 급수된 물은 초고압 워터젯 펌프를 통해 증압된다. 본 연구에서 사용된 펌프는 NLB Corporation에서 제작된 제품으로 240 HP의 동력을 가진 플런저(plunger)형태의 펌프를 사용하였다(Fig. 5(a)).
- 효과적인 암반절삭을 위해 연마재를 사용하여 워터젯의 충격에너지를 증가시켰다. 실험에 사용된 연마재는 가장 널리 쓰이는 석류석(#30-40 garnet)을 사용하였다. 연마재 투입량은 공압(air pressure)을 이용한 압력탱크 장치를 이용하여 조절하였다(Fig.
- 발파 화약은 에멀젼계 New Emulite (Ø32 mm)와 정밀폭약 Finex (Ø17 mm)를 사용하였다.
데이터처리
- 환경소음 분석을 위해 사람의 청감을 반영한 A가중값(A Weighing, dBA)을 고려하여 결과를 분석하였다. 환경소음은 제안공법의 경우 77.
이론/모형
- 제안된 워터젯 절삭을 이용한 발파공법의 천공패턴은 실험 대조군인 스무스 블라스팅의 천공패턴과 동일하게 적용되었다. 단, 제안된 공법의 최외곽공은 자유면으로 대체된다.
성능/효과
- 연마재를 이용한 초고압 워터젯의 경우, 연속적인 자유면 생성에 있어서 다양한 정점을 가진다. 첫째 워터젯 노즐을 이동시키는 절삭과정을 통해 일련의 자유면 생성과 원하는 형태의 절삭이 가능하다. 둘째 극경암 수준의 암석에도 충분한 절삭이 가능하다.
- 첫째 워터젯 노즐을 이동시키는 절삭과정을 통해 일련의 자유면 생성과 원하는 형태의 절삭이 가능하다. 둘째 극경암 수준의 암석에도 충분한 절삭이 가능하다. 마지막으로 물과 연마재만으로 자유면을 생성시키기 때문에 친환경적인 공법이 가능하다.
- 워터젯 자유면을 이용한 발파공법과 스무스 블라스팅 공법으로부터 측정된 발파 진동과 소음 결과는 Table 1과 같다. 발파 결과 터널의 천단부로부터 이격거리가 멀어질수록 진동값은 감소하는 경향을 보였다. 이것은 지반이 가지는 고유의 진동감쇄 특성으로 인해 발파 에너지의 발원지로부터 멀어질수록 진동에너지가 감소하기 때문이다.
- 0%가 저감되는 것으로 확인되었다. 측정한 결과로부터 평균 약 49.3%의 진동이 저감되는 것으로 확인되었다.
- 0 dBA으로 측정되었다(Table 1참조). 소음의 경우도 진동 측정값과 비슷하게 계측기의 이격거리가 멀어질수록 소음값이 감소하는 것으로 확인되었다. 그러나 거리에 따라 감소되는 소음의 값은 감소되는 진동 값과 비교하여 감소 폭이 크지 않는 것으로 분석되었다.
- 7%가 저감되는 것으로 분석되었다. 소음저감 효과는 진동저감 효과에 비해 그 효과가 미미한 것으로 확인되었다.
- 10은 워터젯 자유면을 이용한 발파공법과 스무스 블라스팅 공법으로부터 나타난 여굴 및 미굴의 상태이다. 제안된 공법은 워터젯 절삭면이 터널계획 선에서 자유면 역할을 하여 미굴과 여굴이 거의 발생하지 않는 것을 확인할 수 있다(Fig. 9 참조). 반면에 스무스 블라스팅 공법의 경우, 발파 에너지가 터널계획선 주변 암반에 직접 전달되어 암반내부에 존재하는 절리를 따라 여굴이 크게 발생한 것을 관찰할 수 있었다.
- 또한 천단부와 측벽부 발파효율이 저조하여 미굴이 크게 발생하였다. 스무스 블라스팅 공법으로부터 발생된 미굴은 평균적으로 약 300 mm이고 여굴은 평균적으로 약 460 mm로 측정되었다. 높은 수준의 여굴/미굴 발생은 많은 보강비용이 요구되고 전체적인 공사시간을 증가시킨다.
- 본 연구에서 파쇄석 크기는 발파 후 발생되는 상위 5개의 평균 직경으로 정의하였다. 워터젯 자유면을 이용한 발파공법의 평균 파쇄석의 크기가 약 340 mm인 반면에, 스무스 블라스팅 공법은 약 680 mm로 제안공법에서 절반 크기의 파쇄석이 발생하였다. 크기가 작은 파쇄석의 발생은 굴착효율이 높다라는 것을 의미한다.
- 비장약량은 kg/m3의 단위로 표현되며 값이 낮을수록 발파 효율은 증가하는 것을 의미한다. 제안공법의 경우 1회 발파에 의해 제거된 부피는 약 6.43 m3 (9.50 kg 장약량 사용)이고 스무스 블라스팅 공법은 약 6.21 m3 (12.35 kg 장약량 사용)으로 확인되었다. 따라서 비장약량은 제안공법이 1.
- 35 kg 장약량 사용)으로 확인되었다. 따라서 비장약량은 제안공법이 1.48 kg/m3, 스무스 블라스팅 공법이 1.99 kg/m3로 제안공법의 굴착효율이 상대적으로 높음을 보여준다. 이러한 굴착효율의 증가는 발파로부터 생성된 압축파가 자유면을 만나 인장파로 바뀌어 목표구역을 재 타격함으로서, 인장에 약한 암반의 파쇄가 촉진되기 때문으로 분석된다.
- 1. 단단한 암반에서 일련의 자유면을 형성함에 있어서, 연마재 워터젯 시스템은 터널 계획선을 따라 깨끗한 자유면을 생성하기에 적합하다.
- 2. 워터젯 자유면을 이용한 제안공법은 주변지역의 발파진동과 환경소음을 감소시킨다. 본 실험 조건과 같이 자유면을 천공장과 비슷한 깊이로 확보하였을 때, 발파진동은 약 49.
- 워터젯 자유면을 이용한 제안공법은 주변지역의 발파진동과 환경소음을 감소시킨다. 본 실험 조건과 같이 자유면을 천공장과 비슷한 깊이로 확보하였을 때, 발파진동은 약 49.3%가 저감되고 환경소음은 약 3.3% 감소하는 것으로 확인되었다.
- 3. 제안공법을 적용한 발파에서 여굴과 미굴은 거의 발생되지 않았다. 이러한 여굴과 미굴의 최소화는 발파 후 보강과 관련된 비용과 시간을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
- 4. 제안공법은 스무스 블라스팅 공법과 비교하여 절반 정도의 작은 파쇄석들이 관찰되었다. 또한 같은 단면에서 상대적으로 적은 비장약량이 요구되어 제안공법의 굴착효율이 상대적으로 높음을 보여준다.
- 또한 같은 단면에서 상대적으로 적은 비장약량이 요구되어 제안공법의 굴착효율이 상대적으로 높음을 보여준다. 이와 같은 결과는, 발파 천공패턴의 설계에 있어서 추가적인 장약량과 천공수를 감소시켜도 기존 공법만큼 굴착효율이 확보된다는 것을 간접적으로 보여준다.
후속연구
- 현장실험을 통해 발파진동/소음 저감 및 여굴/미굴의 최소화, 그리고 굴착효율을 검증하였다. 워터젯 선행 자유면을 이용한 암반 발파공법은 발파에 의한 민원이 발생하기 쉬운 도심지 굴착공사는 물론이고, 구조적으로 높은 안정성이 요구되는 중요 지하구조물 공사에 적용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 높은 수준의 여굴/미굴 발생은 많은 보강비용이 요구되고 전체적인 공사시간을 증가시킨다. 제안된 공법에서 확인된 여굴과 미굴의 획기적인 감소는 이러한 문제점을 최소화 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 제안공법을 적용한 발파에서 여굴과 미굴은 거의 발생되지 않았다. 이러한 여굴과 미굴의 최소화는 발파 후 보강과 관련된 비용과 시간을 획기적으로 줄일 수 있을 것으로 기대된다.
- 본 연구결과는 워터젯을 이용한 암반 굴착공법에 있어서, 선행 자유면의 효과 예측 및 자유면의 형태(특히 절삭깊이)를 최적화 하는데 중요한 기초 자료로 활용될 수 있다. 그러나 제안공법 효과는 대상암반의 물리적 특성과 지반의 구조적 특성에 따라 달라 질 수 있다.
- 또한 실질적 현장 적용을 위해서는 전통적인 굴착공법 대비 경제성 분석(시공시간과 공사비의 비교)이 요구된다. 따라서, 추후 지반의 중요 변수를 고려한 추가 연구를 통해 정확한 효과검증 및 경제성 분석을 수행할 예정이다.
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