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문제 정의
- 본 검토는 수직갱 #2(높이 307m) 확대발파 굴착 시 발파버력을 처리하기 위해 수백 m의 높이에서 버력을 수직 낙하시킬 경우 발생되는 진동과 소음이 수직갱 굴착과 동시에 시공될 본선터널 콘크리트 라이닝에 미치는 영향과 작업자의 안전 확보 여부를 확인하고 영향범위를 산정하여 추후 수직갱 #1 굴착 시 이를 활용하기 위해 수행되었다.
제안 방법
- (1) 수백 m의 높이에서 버력의 수직낙하로 인한 충돌로 발생되는 진동 및 소음을 계측한 사례로는 첫 사례가 될 것으로 예상되며, 문헌 등을 분석하여 버력의 크기와 낙하높이를 변수로 계측케이스를 설정하였으며, 버력의 크기는 발파패턴에 영향을 받으므로 최종적으로 발파패턴과 낙하높이에 따라 계측케이스를 선정하였다.
- 다음은 인제터널 본선부 단면을 나타낸 것으로서 공동구 상부에 타이어형 비상차량을 도입하여 비상 시 사고지점에 대한 신속한 접근과 유지관리 시의 효율성을 확보하였고 노면의 측방여유폭을 2.5m 확보함으로서 전 구간 비상주차가 가능하도록 계획되었다.
- 발파 시 계측된 소음DATA를 회귀분석하여 산출한 소음추정식을 이용하여 지발당장약량 3.9kg과 6.75kg 사용 시 위와 같이 거리별 예상 소음치를 산출하였다.
- 발파와 수백 m에서 버력의 수직낙하 시 바닥부와 충돌로 인해 발생되는 진동 · 소음이 수직갱굴착과 병행하여 타설되는 본선터널 콘크리트 라이닝의 품질과 작업자의 안전에 미치는 영향을 검토하기 위해 일련의 계측을 실시하였으며 이를 분석 및 종합하면 다음과 같다.
- 사용된 계측기의 사양은 다음과 같으며 버력의 크기는 낙하 후 디지털카메라로 촬영한 후 이미지프로세싱을 통해 산정하였다.
- 시험발파 시 상부에서 계측된 소음 DATA 4개(시험 발파결과보고서 참고), 1차 계측시 상부에서 계측된 DATA 5개, 2차 계측시 상부에서 계측된 DATA 5개, 3차 계측시 상부에서 계측된 DATA 5개를 이용하여 회귀분석을 실시하였고, 아래와 같은 소음추정식을 산출하였다.
- 시험발파 시 상부에서 계측된 진동 DATA 4개(시험 발파결과보고서 참고), 1차 계측시 상부에서 계측된 DATA 5개, 2차 계측시 상부에서 계측된 DATA 5개, 차 계측시 상부에서 계측된 DATA 5개를 이용하여 회귀분석을 실시하였고, 오른쪽과 같은 진동추정식을 산출하였다.
- 이 중 수치해석은 필요한 변수가 너무 많고 각 변수들을 정확히 산정하는 것은 불가능하다고 판단되어 진동 · 소음 계측을 수행하였다.
- 문헌조사 및 진동 · 소음 이론 등을 검토한 끝에 발생되는 진동 · 소음의 크기는 작용되는 하중과 하중작용점과의 이격거리에 따르며 버력 낙하 시 하중은 버력이 낙하지점과 충돌할 때 발생되는 충격하중이다. 충격하중은 백(2011)에 의하면 충돌체의 낙하높이와 무게, 충돌체와 피충돌체의 상대적인 탄성계수의 함수이며 충돌체의 무게는 결국 크기와 관련되고 크기는 발파패턴에 따라 달라질 수 있으므로 발파패턴과 낙하높이별로 최종적으로 다음과 같이 계측계획을 수립하였다.
성능/효과
- (2) 발파로 인한 콘크리트 라이닝의 진동에 대한 영향을 분석하기 위하여 발파 시 계측된 진동 DATA를 회귀분석하여 거리별 예상진동치를 산출한 결과 콘크리트 라이닝의 동시시공을 위한 발파작업 안전이격거리는 당 현장의 라이닝에 대한 규제기준이 0.254cm/sec인 것을 고려한다면 지발당 장약량 3.9kg 사용 시 120m, 지발당장약량 6.75kg 사용 시 160m 이내에서는 발파작업이 콘크리트 라이닝 작업에 영향을 미칠 것으로 사료된다.
- (3) 발파 시 발생되는 소음의 영향을 검토하기 위해 계측된 소음DATA를 회귀분석하한 결과, 발파시 당 현장 규제기준이 75dB(A)인 것을 고려한다면 지발당 장약량 3.9kg 사용 시 320m, 6.75kg 사용 시 400m 이내에서는 발파소음이 작업자에 영향을 미칠 수 있을 것으로 사료된다. 하지만 소음추정식은 대체로 결정계수가 낮기 때문에 소음 감쇠경향을 파악하는데 참고자료로 이용하는 것이 적절하다고 사료된다.
- (4) 버력 낙하 시 발생된 진동 및 소음은 낙하높이뿐만이 아니라 버력의 크기와도 관련되는 것으로 나타났으며, 콘크리트 라이닝의 동시시공 시 낙하높이 300m에서 충돌지점과 이격거리 48.3m 이내에서는 버력낙하 작업이 콘크리트 라이닝 작업에 영향을 미칠 것으로 분석되었다. 하지만 전체적으로 버력 낙하에 따른 진동 및 소음은 발파시에 비해 작게 발생되는 것으로 나타나 발파에 의한 진동 및 소음이 주요 관리대상인 것으로 사료된다.
- (5) 낙하높이 수백 m에서, 직경 약 10m에 굴진장 1.2m 혹은 2.0m로 굴착한 버력을 한꺼번에 수직 낙하시키는 상황에 비해 진동과 소음은 예상된 것보다는 작게 발생되는 것으로 나타났는데, 그 원인을 살펴보면 우선 버력이 크기가 약 10cm 내외로 매우 작게 파쇄되어 충격하중이 크지 않았기 때문으로 사료되며 그 만큼 대심도 수직낙하를 대비한 발파설계가 이루어 진 것으로 판단된다. 두 번째로는 버력이 충돌되는 바닥부에 충격하중을 최소화하기 위해 R.
- 낙하높이 200m 이상에서, 직경 약 10m에 굴진장 1.2m 혹은 2.0m로 굴착한 버력을 한꺼번에 수직 낙하시키는 상황에 비해 진동과 소음은 예상된 것보다는 작게 발생되는 것으로 나타났다.
- 상기 분석결과 발파 시 양생중인 콘크리트 라이닝의 품질확보를 위해서는 지발당최대장약량 3.9kg을 사용할 경우 120m 이상, 6.75kg을 사용할 경우 160m 이상 이격거리를 확보해야하는 것으로 나타났다.
- 상기 분석결과 발파 시 인체에 대한 소음 규제기준을 만족하기 위해서는 지발당최대장약량 3.9kg을 사용할 경우 320m 이상, 6.75kg을 사용할 경우 360m 이상 작업자를 발파지점에서 떨어뜨려야하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 국내외 유사사례를 조사한 결과 터널 굴착 시 수백 m에서 버력을 수직 낙하시킨 사례와 진동·소음 영향을 검토한 사례가 없는 것으로 조사되었으며 따라서 본 검토가 첫 사례가 될 것으로 예상되는 바, 추후 유용하게 이용되었으면 한다.
- 그 원인을 살펴보면 우선 버력이 크기가 약 10cm 내외로 매우 작게 파쇄되어 충격하중이 크지않았기 때문으로 사료되며 그 만큼 대심도 수직낙하를 대비한 발파설계가 이루어 진 것으로 판단된다. 두 번째로는 버력이 충돌되는 바닥부에 충격하중을 최소화하기 위해 R.B.M 굴착 시 발생된 석분과 파쇄암편을 포설하였고 매우 느슨한 상태이기 때문에, 전술한 바와 같이 충돌체와 피충돌체의 상대적 탄성계수의 함수인 충격하중에서 피충돌체의 탄성계수가 매우 작아짐에 따라 충격하중이 크게 감소하였기때문으로 판단되며 이 또한 버력의 수직낙하에 대비한 적절한 대책인 것으로 판단된다.
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