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문제 정의
- 따라서 기폭 시스템보다는 발파 규모를 줄이고 있는 실정이다. 이는 환경적인 측면에 맞추기 위하여 기술적인 측면을 고려하지 못하는 방법으로 발파가 이루어지고 있기 때문에, 이를 개선하고 보다 더 효과적인 발파를 시행하기 위하여 정확한 초시의 전자뇌관을 적용하여 현장에 경제성을 향상시키고, 환경적인 측면에서도 만족할 수 있는 최적의 기폭시차에 대해 연구하였다. 그리고 Wang Zhenyu et al.
- 이에 본 연구는 현재 제품화 되고 있는 뇌관의 지연시차인 20, 25 ms의 지연시차와 기폭위치(정기폭, 중간기폭, 역기폭)에 따라 발파에 의한 지반진동의 전파특성을 파악하기 위해 공간격, 저항선, 천공장 그리고 장약량을 달리하여 다단발파기를 사용한 총 4회의 시험발파를 실시하여 지반진동 예측식을 도출하였다. 도출된 평균 지반진동 예측식을 통해 지연시차와 기폭위치에 따른 최대입자속도의 노모그램 분석을 통해 진동특성을 규명하였고, “도로공사 노천발파 설계 시공 지침 및 요령”에 제시된 표준발파공법의 공법별 경계 기준 장약량인 0.
- 본 연구는 발파공 사이의 지연시차와 기폭위치에 따라 발파에 의한 진동의 전파 특성을 파악하기 위해서 공간격, 저항선, 천공장 그리고 장약량 등을 달리하여 총 16회의 시험발파를 실시하여 지반진동 예측식을 도출하였다. 그리고 도출된 평균(50%) 지반진동 예측식을 이용하여 발파공 사이의 지연시차(20, 25 ms)와 기폭위치(정기폭, 중간기폭, 역기폭)에 따른 최대입자속도 (PPV)의 노모그램 분석과 지반진동 예측을 통해 진동 특성을 규명하였고, 국토교통부의 “도로공사 노천발파 설계 시공 지침 및 요령”에 제시된 표준발파공법의 공법별 경계 기준 장약량인 0.
제안 방법
- 6, 5, 15 kg(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2006)을 적용하여 진동증가율을 비교분석하였다. 그리하여 장약량에 따라 진동제어에 유리한 발파방법을 제안하여 발파설계의 인자로 사용할 수 있도록 하였다.
- 도출된 평균 지반진동 예측식을 통해 지연시차와 기폭위치에 따른 최대입자속도의 노모그램 분석을 통해 진동특성을 규명하였고, “도로공사 노천발파 설계 시공 지침 및 요령”에 제시된 표준발파공법의 공법별 경계 기준 장약량인 0.5, 1.6, 5, 15 kg(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2006)을 적용하여 진동증가율을 비교분석하였다.
- (2012)은 기폭위치에 따라 지반진동의 전파 특성을 파악하기 위해 공간격, 저항선, 천공장, 장약량 등을 달리하여 지반진동 예측식을 도출하였다. 도출된 지반진동 예측식으로 기폭위치에 따른 최대입자속도의 노모그램 분석을 통한 진동특성을 규명하였고, 기폭위치별 진동 감쇠경향을 비교분석하였다. Song et al.
- (2013)은 진동데이터의 시간 이력곡선에서 정보를 추출하는데 효과적인 시간-주파수 분해 방법인 WT(Wavelet Transform)와 HHT(Hibert Haung Transform)를 사용하였다. 이 방법을 사용하여 MS발파에서 진동에너지 분석에 의해 지연시차 확인하는 비교연구를 수행하였다. 그 결과 진동데이터의 노이즈 제거 뿐만 아니라 MS 발파의 진동감쇠 메커니즘을 조사하는데 매우 유용하다고 하였다.
- 본 연구의 현장실험은 다단발파기를 사용하여 총 4회의 시험발파를 실시하였다. 발파 회수별 실험조건과 발파패턴은 Table 1, Fig.
- 본 지반진동 예측에 사용된 지발당 장약량은 “도로공사 노천발파 설계시공 지침 및 요령”에 제시된 표준발파공법의 공법별 경계 기준 장약량인 0.5, 1.6, 5, 15 kg 을 적용하여 지연시차와 기폭위치별로 지반진동을 비교분석하였다.
- 현장실험을 통해 계측된 지반진동 데이터에서 지연시차와 기폭위치별로 최대입자속도(Peak Particle Velocity, PPV) 데이터를 이용하여 회귀분석을 실시하였다. 입지상수 K와 n을 구하기 위하여 진동속도와 환산거리의 로그-로그 그래프 상에서 1차 상관관계를 보이는 특성을 이용하였다. 그리고 통계처리하여 지반진동 예측식을 구하였다.
- 최대입자속도에 의한 지반진동을 예측하기 위해 자승근 환산거리(SRSD)의 평균 지반진동 예측식으로 거리에 따른 예측 진동치를 Fig. 9와 같이 도시하였다.
- 장약량에 따라 낮은 진동수준을 보이는 방법을 찾아내기 위해 “도로공사 노천발파 설계시공 지침 및 요령”에 제시된 장약량을 사용하여 발파방법에 따라 진동이 역전되는 거리를 구하였다.
- 그리고 도출된 평균(50%) 지반진동 예측식을 이용하여 발파공 사이의 지연시차(20, 25 ms)와 기폭위치(정기폭, 중간기폭, 역기폭)에 따른 최대입자속도 (PPV)의 노모그램 분석과 지반진동 예측을 통해 진동 특성을 규명하였고, 국토교통부의 “도로공사 노천발파 설계 시공 지침 및 요령”에 제시된 표준발파공법의 공법별 경계 기준 장약량인 0.5, 1.6, 5, 15 kg을 적용하여 지연시차와 기폭위치에 따른 진동 증가율을 비교분석 하였다.
- 4. 본 연구는 군산의 편암지역에서 기존에 상용화되고 있는 뇌관의 지연시차인 20 ms와 25 ms를 이용하여 지반진동을 규명하였다. 이는 다른 지역에서 지연시차와 기폭위치에 따라 진동의 합성에 의한 증폭 혹은 감쇠가 발생할 가능성이 있는 지역적인 한계성을 보이나 추후에 위와 같은 실험조건으로 다양한 지역에서 실험을 실시한 결과가 추가된다면 발파설계 적용시 가장 유용한 자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.
대상 데이터
- 본 연구지역은 군산시 성산면 성덕리 산 2-1번지로 장항～군산간 29번 국도상의 당선리와 금강하구둑을 지나 요동에서 북동측으로 분지된 709호선 지방도를 따라 약 4 km지점에 위치한다. 노령산맥과 차령산맥 남서연장부에 해당하며 실험지역 일대에는 북동방향의 능선(망해산 230.
- 본 연구지역은 군산시 성산면 성덕리 산 2-1번지로 장항～군산간 29번 국도상의 당선리와 금강하구둑을 지나 요동에서 북동측으로 분지된 709호선 지방도를 따라 약 4 km지점에 위치한다. 노령산맥과 차령산맥 남서연장부에 해당하며 실험지역 일대에는 북동방향의 능선(망해산 230.3 m ～ 취성산 205.0 m ～ 용천산 141.0 m)과 남북 방향의 오성산(227.7 m) 능선이 발달한 지역이다(Fig. 1).
- 연구지역의 지질은 광역적으로 살펴보면, 함열도폭(1:50000) 남동부일대에는 고생대 편마암류를 포함한 변성퇴적암류를 기반암으로 하고 중생대 쥬라기로 추정되는 편마암류와 후기에 이들을 관입한 백악기 관입암류(섬록암, 석영반암, 암맥) 등으로 구성된다. 석영반암은 중생대 백악기 관입암류로 함열도폭 북부에 주로 발달했다.
- 폭약은 약경이 Φ50 mm인 에멀젼 폭약을 사용하였고, 뇌관은 순발 전기뇌관을 사용하였다.
- 순발 전기뇌관을 사용한 이유로는 지발 전기뇌관의 발화오차를 배제하기 위함이고, 다단식 발파기를 사용하여 발파공 사이의 지연시차를 부여하였다. 그리고 실험의 효율성을 높이기 위해 Fig. 4와 같이 다단식 발파기의 회로 별로 실험조건을 달리하여 한 번의 발파로 여러 Case의 분석 데이터를 획득하였다. 그리고 계측파형의 분리가 용이하도록 회로 당 100 ms의 시차를 두어 계측기 별로 3～5개의 분석데이터를 획득하였다.
- 4와 같이 다단식 발파기의 회로 별로 실험조건을 달리하여 한 번의 발파로 여러 Case의 분석 데이터를 획득하였다. 그리고 계측파형의 분리가 용이하도록 회로 당 100 ms의 시차를 두어 계측기 별로 3～5개의 분석데이터를 획득하였다.
- Table 1의 발파조건과 Fig. 3의 발파패턴으로 총 4회에 걸쳐 실시된 지반진동 계측 결과 136개의 계측 파형을 획득하였고, 발파공 사이의 지연시차와 기폭위치 조건에 따라 파형분리를 실시하여 총 544개의 분석 데이터를 획득하였다.
- 지반진동의 계측은 Fig. 5와 같이 총 34대의 계측기를 사용하여 발파지점과 23～227 m의 이격거리에서 실시하였고, 연구지역의 현장실험을 통해 얻어진 분석 데이터는 Table 2와 같다.
데이터처리
- 현장실험을 통해 계측된 지반진동 데이터에서 지연시차와 기폭위치별로 최대입자속도(Peak Particle Velocity, PPV) 데이터를 이용하여 회귀분석을 실시하였다. 입지상수 K와 n을 구하기 위하여 진동속도와 환산거리의 로그-로그 그래프 상에서 1차 상관관계를 보이는 특성을 이용하였다.
- 입지상수 K와 n을 구하기 위하여 진동속도와 환산거리의 로그-로그 그래프 상에서 1차 상관관계를 보이는 특성을 이용하였다. 그리고 통계처리하여 지반진동 예측식을 구하였다. 지반진동 데이터의 전산처리는 TunDesignTM 4의 보조프로그램인 TDTestBlast를 사용하였다.
- 그리고 통계처리하여 지반진동 예측식을 구하였다. 지반진동 데이터의 전산처리는 TunDesignTM 4의 보조프로그램인 TDTestBlast를 사용하였다.
이론/모형
- 그리고 Wang Zhenyu et al.(2013)은 진동데이터의 시간 이력곡선에서 정보를 추출하는데 효과적인 시간-주파수 분해 방법인 WT(Wavelet Transform)와 HHT(Hibert Haung Transform)를 사용하였다. 이 방법을 사용하여 MS발파에서 진동에너지 분석에 의해 지연시차 확인하는 비교연구를 수행하였다.
성능/효과
- 지연시차(20, 25 ms)와 기폭위치(정기폭, 중간기폭, 역기폭)에 의한 발파방법인 Case No. 1～6을 종합 비교해보면 환산거리가 1～100 m/kg1/2 범위에서는 지연시차가 25 ms이고 정기폭(Case No. 4) 발파방법이 진동제어 측면에서 가장 유리하게 예측되었다. 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법을 제외하고 1～29.
- 4) 발파방법이 진동제어 측면에서 가장 유리하게 예측되었다. 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법을 제외하고 1～29.3 m/kg1/2 범위에서는 지연시차가 20 ms이고 역기폭(Case No. 3), 29.4～100 m/kg1/2 범위에서는 지연시차가 20 ms이고 중간기폭(Case No. 2) 발파방법이 진동제어 측면에서 유리하게 예측되었다. 이를 보면 본 분석 환산거리 범위에서는 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법이 다른 발파방법보다 지반진동의 상쇄간섭이 발생하는 발파방법일 것으로 판단된다.
- 3), 29.4～100 m/kg1/2 범위에서는 지연시차가 20 ms이고 중간기폭(Case No. 2) 발파방법이 진동제어 측면에서 유리하게 예측되었다. 이를 보면 본 분석 환산거리 범위에서는 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법이 다른 발파방법보다 지반진동의 상쇄간섭이 발생하는 발파방법일 것으로 판단된다.
- 2) 발파방법이 진동제어 측면에서 유리하게 예측되었다. 이를 보면 본 분석 환산거리 범위에서는 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법이 다른 발파방법보다 지반진동의 상쇄간섭이 발생하는 발파방법일 것으로 판단된다.
- 최대입자속도(PPV)의 평균 지반진동 예측식을 통한 5～200 m의 이격거리에서 진동속도를 예측한 결과 장약량이 3.0 kg 이내에서 발파원과 거리가 가까울수록 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법의 진동수준, 발파원과 거리가 멀어질수록 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법의 진동수준이 가장 낮게 예측되었다. 그리고 장약량이 3.
- 지발당 장약량이 0.5 kg일 때 5～200 m까지의 거리에서 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법의 예측진동속도는 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 5～80 m 구간에서는 최대 196.15% 낮게 예측되었고, 81～200 m 구간에서는 최대 29.74% 높게 예측되었다. 그리고 지연시차가 20 ms이고 중간기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 5～92 m 구간에서는 최대 69.
- 74% 높게 예측되었다. 그리고 지연시차가 20 ms이고 중간기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 5～92 m 구간에서는 최대 69.24% 낮게 예측되었고, 93～200 m 구간에서는 최대 12.88% 높게 예측되었다. 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법의 예측진동속도는 지연시차가 20 ms이고 중간기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 5～71 m 구간에서는 최대 42.
- 88% 높게 예측되었다. 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법의 예측진동속도는 지연시차가 20 ms이고 중간기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 5～71 m 구간에서는 최대 42.85% 높게 예측되었고, 72～200 m 구간에서는 최대 24.00% 낮게 예측되었다. 지발당 장약량이 1.
- 00% 낮게 예측되었다. 지발당 장약량이 1.6 kg일 때 5～200 m까지의 거리에서 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법의 예측진동속도는 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 5～114 m 구간에서는 최대 271.55% 낮게 예측되었고, 145～200 m 구간에서는 최대 11.85% 높게 예측되었다. 그리고 지연시차가 20 ms이고 중간기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 5～166 m 구간에서는 최대 87.
- 85% 높게 예측되었다. 그리고 지연시차가 20 ms이고 중간기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 5～166 m 구간에서는 최대 87.92% 낮게 예측되었고, 167～200 m 구간에서는 최대 3.26% 높게 예측되었다. 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법의 예측진동속도는 지연시차가 20 ms이고 중간기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 5～128 m 구간에서는 최대 49.
- 26% 높게 예측되었다. 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법의 예측진동속도는 지연시차가 20 ms이고 중간기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 5～128 m 구간에서는 최대 49.42% 높게 예측되었고, 129～200 m 구간에서는 최대 9.74% 낮게 예측되었다. 지발당 장약량이 5 kg일 때 5～200 m까지의 거리에서 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법의 예측진동속도는 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 최대 364.
- 74% 낮게 예측되었다. 지발당 장약량이 5 kg일 때 5～200 m까지의 거리에서 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법의 예측진동속도는 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 최대 364.00%에서 최소 10.08% 낮게 예측되었고, 지연시차가 20 ms이고 중간기폭의 예측진동속도에 비해 최대 108.21%에서 최소 7.19% 낮게 예측되었다. 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법의 예측진동속도는 지연시차가 20 ms이고 중간기폭의 예측진동속도에 비해 최대 55.
- 19% 낮게 예측되었다. 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법의 예측진동속도는 지연시차가 20 ms이고 중간기폭의 예측진동속도에 비해 최대 55.13%에서 최소 2.63% 높게 예측되었다. 지발당 장약량이 15 kg일 때 5～200 m까지의 거리에서 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법의 예측진동속도는 지연시차가 20 ms이고 중간기폭의 예측진동속도에 비해 최대 129.
- 63% 높게 예측되었다. 지발당 장약량이 15 kg일 때 5～200 m까지의 거리에서 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법의 예측진동속도는 지연시차가 20 ms이고 중간기폭의 예측진동속도에 비해 최대 129.85%에서 최소 18.33% 낮게 예측되었고, 지연시차가 20 ms이고 역기폭 발파방법의 예측진동속도에 비해 최대 43.90%에서 최소 28.82% 낮게 예측되었다. 지연시차가 20 ms이고 중간기폭의 예측진동속도는 지연시차가 20 ms이고 역기폭발파방법의 예측진동속도에 비해 5～113 m 구간에서는 최대 37.
- 82% 낮게 예측되었다. 지연시차가 20 ms이고 중간기폭의 예측진동속도는 지연시차가 20 ms이고 역기폭발파방법의 예측진동속도에 비해 5～113 m 구간에서는 최대 37.40% 높게 예측되었고, 114～200 m 구간에서는 최대 8.87% 낮게 예측되었다(Table 4, Fig. 10).
- 지연시차와 기폭위치에 의한 최대입자속도의 지반진동 예측 결과 지발당 장약량에 따라 진동수준이 역전되는 경향은 다르지만 대부분 발파원과 거리가 가까울수록 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법과 발파원과 거리가 멀어질수록 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파 방법이 진동제어 측면에서 유리한 발파방법으로 예측되었다. 장약량에 따라 낮은 진동수준을 보이는 방법을 찾아내기 위해 “도로공사 노천발파 설계시공 지침 및 요령”에 제시된 장약량을 사용하여 발파방법에 따라 진동이 역전되는 거리를 구하였다.
- 소규모 진동제어발파에서 장약량이 0.5 kg인 경우 80 m, 0.625 kg은 90 m, 0.64 kg은 91 m, 1 kg은 114 m, 1.5 kg은 140 m 이내에는 지연시차가 25 ms이고 정기폭발파방법이 그 이후의 거리에서는 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법이 진동제어 측면에 유리한 발파방법으로 분석되었다.
- 중규모 진동제어발파에서 장약량이 1.6 kg인 경우 144 m, 2.8 kg은 191 m, 3 kg은 198 m 이내에는 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법이 그 이후의 거리에서는 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법이 진동제어 측면에 유리한 발파방법으로 분석되었다.
- 1. 지연시차(20, 25 ms)와 기폭위치(정기폭, 중간기폭, 역기폭)에 의한 발파방법 중 환산거리가 1～100 m/kg1/2 범위에서는 지연시차가 25 ms이고 정기폭 (Case No. 4) 발파방법이 진동제어 측면에서 가장 유리하게 예측되었다. 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법을 제외하고 1～29.
- 2. 지연시차와 기폭위치에 의한 최대입자속도의 지반진동 예측 결과 지발당 장약량에 따라 진동수준이 역전되는 경향은 다르지만 대부분 발파원과 가까운 거리에서는 지연시차가 25 ms이고 정기폭 발파방법과 발파원과 멀어지는 거리에서는 지연시차가 25 ms이고 역기폭 발파방법이 진동제어 측면에서 유리한 발파방법으로 예측되었다. 장약량에 따라 진동수준이 역전되는 교차점 거리를 아래와 같은 하나의 식을 산출하였다.
- 3. 보안물건이 근접해 있어 허용된 지발당 장약량이 적을 경우 위와 같은 방법으로 발파설계를 적용하면 발파공경이 작고, 공간격, 최소저항선 등이 좁아져서 정기폭을 사용할 경우 발파공 윗부분의 지반운동으로 인해 cut off가 발생될 우려가 있다. 그러나 정기폭이 역기폭보다 충격파가 자유면에 도달하는 시간이 빠르므로 자유면에서 반사하는 반사파의 세기가 크다는 이유 때문에 정기폭이 발파위력이 크고, 순폭성도 우수하다고 보고되고 있다.
후속연구
- 본 연구는 군산의 편암지역에서 기존에 상용화되고 있는 뇌관의 지연시차인 20 ms와 25 ms를 이용하여 지반진동을 규명하였다. 이는 다른 지역에서 지연시차와 기폭위치에 따라 진동의 합성에 의한 증폭 혹은 감쇠가 발생할 가능성이 있는 지역적인 한계성을 보이나 추후에 위와 같은 실험조건으로 다양한 지역에서 실험을 실시한 결과가 추가된다면 발파설계 적용시 가장 유용한 자료가 될 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 전자뇌관 등의 지연시차 구현이 다양한 뇌관의 사용이 늘어남으로 다양한 지연시차에 따른 지반진동에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 이는 다른 지역에서 지연시차와 기폭위치에 따라 진동의 합성에 의한 증폭 혹은 감쇠가 발생할 가능성이 있는 지역적인 한계성을 보이나 추후에 위와 같은 실험조건으로 다양한 지역에서 실험을 실시한 결과가 추가된다면 발파설계 적용시 가장 유용한 자료가 될 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 전자뇌관 등의 지연시차 구현이 다양한 뇌관의 사용이 늘어남으로 다양한 지연시차에 따른 지반진동에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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