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문제 정의
- 본 사례 연구는 수중 기반암을 제거하는 일반적인 방법 중 하나인 쇄암공법 적용 현장에서 주변에 위치하고 있는 부두 시설물을 보호하기 위한 목적으로 시작되었다. 본 쇄암공사를 진행하기 전에 유사 사례를 검색했으나 국내·외적으로 쇄암과 관련된 자료는 전무하였고, 말뚝 항타 공법과 동다짐 공법에 관한 진동 예측 자료 등은 다수 존재하였다.
- 본 사례 연구의 목적은 쇄암작업으로 인해 유발되는 충격진동으로부터 인접 시설물의 안정성을 저해하지 않는 진동관리를 수행함에 있으며, 쇄암작업 전 과정을 통하여 진동수준을 계측하여, 관리기준에 근접할 경우에는 쇄암봉의 낙하고를 조절하여 유발진동을 제어하는데 있고, 본 연구의 전반적인 진행과정은 Fig. 3과 같다.
- 본 쇄암공사를 진행하기 전에 유사 사례를 검색했으나 국내·외적으로 쇄암과 관련된 자료는 전무하였고, 말뚝 항타 공법과 동다짐 공법에 관한 진동 예측 자료 등은 다수 존재하였다. 시험시공을 통해 쇄암작업의 진동발생 및 전파 특성을 분석하여, 이를 바탕으로 본 공사에 대한 관리지침을 제정할 수 있었다. 약 5,000m3에 달하는 수중 기반암을 처리하는데 소요된 시간은 시험시공을 포함하여 총 4일이 소요되었다.
제안 방법
- Breasting Dolphin (1) 주위에 쇄암작업 대상 기반암이 가장 많이 있고, 계획 굴착 깊이는 2.5m에 달하며 우물통과 슬래브의 진동 증폭현상 등을 고려하여 총 3일간 진행된 본 작업의 모든 쇄암 진동을 측정, 비교하였고 그 결과는 Table 17과 같다.
- 본 쇄암작업에 앞서 진동 발생 및 전달경향을 파악하기 위하여 시험시공을 실시하였다. 시험시공은 시설물의 보호 측면에서 준설 대상 중 구조물로부터 가장 원거리에 해당하는 지역에서부터 시설물 방향으로 이동하면서 낙하고를 달리하여 진행하였다.
- 즉 중량의 쇄암봉 낙하에너지와 폭약의 폭굉압과 가스압이 그것이다. 본 연구에서 측정된 쇄암진동 파형과 육상 트렌치 발파에서 측정된 파형을 서로 비교하여 특징을 분석하였다. 분석은 3가지 대상을 선정하였으며 주요 내용은 아래 Table 21과 같이 정리하였다.
- 특히 항타진동과 같이 충격에 의한 진동은 지반의 성질에 따라 그 전달 정도가 크게 달라지며, 지반의 특성이 고려되지 않은 식으로 예측했을 경우 신뢰성 있는 예측치를 확보하기 어렵다. 수중에서 발생되는 쇄암진동과 관련된 직접적인 자료는 검색과정에서 확보되지 못하였고 낙하물 충격진동과 관련된 것으로 환경부(2010)의 자료를 바탕으로 첨삭하여 정리하였다(Table 4 참조).
- 시험시공 계측 결과를 바탕으로 각 보호 시설물에 대한 이격 거리별 충격진동 수준을 예측할 수 있었고 3일에 걸쳐 본 작업을 실시하였으며, Fig. 9와 같이 계측을 실시하였다. 이때 3곳의 보호 시설물에서 측정된 진동수준은 관리 기준인 5.
- 본 쇄암작업에 앞서 진동 발생 및 전달경향을 파악하기 위하여 시험시공을 실시하였다. 시험시공은 시설물의 보호 측면에서 준설 대상 중 구조물로부터 가장 원거리에 해당하는 지역에서부터 시설물 방향으로 이동하면서 낙하고를 달리하여 진행하였다. 진동전달 거리 산정은 사거리 또는 평면상 거리가 아닌 실제 진동 전파 경로를 고려하였다(Fig.
- 쇄암작업은 평균 35ton 중량의 쇄암봉을 자유낙하 시켜 기반암에 충격을 주어 파쇄하는 공정의 특성상 연속충격진동이 발생된다. 이로 인한 인접 시설물의 구조적 영향을 최소화하기 위하여 쇄암작업 전과정에 걸쳐 해당 시설물에 대한 진동측정을 실시하였고, 이들 자료를 바탕으로 인접 구조물의 안정성을 평가하였다.
- 정역학적 검토에 의해 산출된 균열발생 임계 진동 수준은 연속 충격진동을 적용하여 7.1cm/sec이나, 보호 대상물의 안전진단 결과(C등급)를 고려하여 5.0cm/sec를 관리기준으로 채택하였다.
- 총 4일간의 쇄암작업(시험시공 1일, 본 시공 3일)을 통해 약 5,000m3의 수중 기반암을 파쇄 완료하였고, 부두 시설물 4곳에서 진동계측을 수행하였으며 최대 측정값은 Breasting Dolphin 상부 슬래브에서 4.44cm/sec(PPV)로 관리기준 5.0cm/sec 미만을 준수하였으며, 시공 중 각 구조물 진동센서에 전달된 최대 진동 속도는 Table 18과 같다.
- 현장 추정식은 50%와 95%로 각각 산출하였으며, 주변 보호 대상 시설물의 노후도 및 중요성 등을 고려하여 반영하도록 하였고, 당 현장 본 공사 쇄암시에는 50% 추정식으로 진동관리를 하였다.
대상 데이터
- 본 사례 대상지는 우리나라 OO지역에 위치하는 부두로 배후지역 산업단지에서 사용되는 원재료를 반입하는 시설물로 이루어져 있고, 약 40여년이 경과되어 Dolphin, Working Platform 등의 시설물이 다소 노후화 되어, 에스큐엔지니어링(주)(2013)에서 실시한 안전점검 등급 분류상 전체적으로 C등급에 해당되어 유지보수가 시행 중에 있는 현장으로서 접안선박의 대형화에 따라 DL(-)10m 수심 확보를 위해 최대 2.5m를 준설하여야 하는 현장이다.
- 본 사례 연구는 우리나라 서해안에 위치한 OOO부두에서 수행되었으며, 이 부두의 주요 시설물은 Breasting Dolphin 및 Working Platform으로 구성되어 있다(Fig. 2 참조).
- 본 연구에서 측정된 쇄암진동 파형과 육상 트렌치 발파에서 측정된 파형을 서로 비교하여 특징을 분석하였다. 분석은 3가지 대상을 선정하였으며 주요 내용은 아래 Table 21과 같이 정리하였다.
- 준설작업 대상 수량은 약 5,000m3이며, 계획준설 심도는 DL(-) 10.0m로 최대 준설 깊이는 약 2.5m이다. 준설 대상지에 인접하는 위치하는 부두 시설물에 대한 안전점검 결과는 Table 3과 같이 나타났다(에스큐엔지니어링, 2013).
데이터처리
- 쇄암작업으로 유발되는 진동의 전달 경향을 파악하기 위해 회귀분석 기법을 통하여 추정식을 Table 19와 같이 도출하였으며, G.P.S 측량으로 진동 발생지점을 정확히 파악할 수 있는 시험시공 계측 결과를 분석에 사용하였다. 당 현장은 기반암에 대하여 평균 2회의 타격으로 약 0.
성능/효과
- (1) 작업환경이 열악한 수중의 기반암을 제거하는 대표적인 공법은 쇄암준설과 발파준설이 있는데, 수중으로 작업자를 투입하지 않고서도 작업이 가능한 쇄암준설공법이 시공성과 경제성, 안전성 측면에서 효과적인 방법임을 알 수 있었다.
- (2) 쇄암작업은 동일한 지점에 대해 연암은 2~3회, 경암은 5~6회 연속타격이 이루어지기 때문에 최초 타격에 비해 후속 타격 시에 발생되는 진동수준의 감소가 큰 특징을 지니고 있었다.
- (3) 쇄암작업으로 인한 발생 진동은 쇄암봉의 중량, 형상, 낙하고 등에 영향을 받는 것으로 알려져 있으나, 본 연구에서는 낙하고의 변화에 따라 발생되는 진동의 크기는 유의미하지는 않은 것으로 조사되었다.
- (4) 시험시공 계측자료를 회귀분석 처리를 하여 50% 및 95% 진동 추정식을 도출하였고, 이는 여러 진동 추정식 중에서 50% 추정식은 Mayne-1 식과, 95% 식은 대한주택공사 식과 유사한 경향을 나타내고 있음을 알게 되었다.
- (5) 여러 진동 추정식 중 말뚝항타진동 관련 예측식보다는 동다짐 공법에 사용되는 예측식이 쇄암작업 진동 특성과 유사한 것을 발견하였고, 이를 바탕으로 쇄암작업 계획을 수립할 때 진동 영향권 예비 검토 단계에서 Mayne-1 식을 적용한다면 소정의 안전성이 확보될 것으로 예상된다.
- (6) 부두 시설물인 Breasting dolphin은 기초부인 우물통과 상부 슬래브로 나누어지는데, 쇄암작업으로 전파되어 온 진동은 우물통보다 상부 슬래브에서 더 높은 진동이 계측되었고, 이는 이격거리가 증가하였으나 슬래브 구조의 특성으로 진동이 증폭되는 현상이 발생하였음을 알게 되었다.
- (7) 쇄암진동과 발파진동을 비교한 결과, 쇄암은 6.0~12.0Hz대의 저주파수를 나타내고 발파진동은 39.4~51.2Hz로 상대적으로 고주파수를 나타내었다. 이는 향후 부두 시설물 주변에서 쇄암작업을 할 때, 공진현상에 의한 피해 발생 개연성이 발파에 비해 높을 것으로 추론된다.
- 4개 영역에서 낙하고를 달리하여 실시한 시험시공의 계측하여 분석한 결과는 Breasting dolphin 구조물에서 최대값(1.64cm/sec)이 측정되었고 관리기준인 5.0cm/sec 미만으로 평가되어 안전성이 확보될 것으로 분석되었다.
- Table 5는 검토대상 구조물에 대한 물성치이며, 쇄암작업으로 인한 보호 대상 구조물인 Dolphin의 우물통 철근콘크리트에 대한 균열발생 임계 진동 수준을 산출하기 위하여 Table 6의 개념으로 개략 계산을 하였다. 그 결과, 콘크리트 구조물에 대한 균열발생 임계진동 수준은 쇄암 및 항타 등 연속 충격 진동에 대한 안전율인 1/3을 적용하여 최종적으로 7.1cm/sec로 산출하였다.
- 또한 쇄암은 L-성분에서 최고 수치가 나타났으나 발파에서는 V-성분이 최고 수치를 나타내었다. 본 연구에서 기반암과 직접 접해있는 우물통 상부 진동 수치가 작고(0.687cm/sec) 우물통에서 약 6.0m 상부인 Breasting Dolphin 슬래브 진동 수치가 더 높게(0.987cm/sec) 나타났으며, 이는 두께가 얇은 슬래브 부재에서 진동이 증폭되는 현상으로 추론된다.
- 여러 추정식과 비교한 결과 현장 50% 추정식과 비교적 유사한 경향을 보이는 것은 Mayne-1 제안식이고, 현장 95% 추정식과 유사한 것은 대한주택공사 제안식으로 평가되었다. 그러나 실시설계 단계에서 고려한 Attewell & Farmer 제안식은 다른 것에 비하여 상당한 차이를 보이고 있는 바, 이것은 유압항타진동 자료로부터 획득된 것이고 Mayer-1, 2 및 대한주택공사 제안식은 무거운 중량물(10~50 ton)을 자유낙하시켜 지반을 개량하는 동다짐 공법에서 획득한 것이기에 진동발생 메커니즘의 차이에 기인한 것으로 추론된다.
- 시험시공으로 유발된 충격진동을 분석한 결과, 다음과 같은 몇 가지 의미 있는 경향을 발견하였다. 자유낙하에 의한 진동 수준이 해수면에서의 낙하보다 더 높은 진동이 측정되었고, 기반암반과 직접 접해 있는 우물통 상부에 비해 Dolphin 및 Platform은 진동 전파거리가 증대되었음에도 불구하고 더 높은 수준으로 측정되었다. 이는 구조 특성상 보(Beam) 및 슬래브(Slab) 형태로 우물통에서 전달된 진동이 증폭되었기 때문으로 추정된다.
후속연구
- (8) 향후 쇄암작업에 대한 수중소음의 발생, 전파경향에 대해 계측자료를 확보하고, 전파특성을 수식화하는 연구가 수행되어, 수중발파와 쇄암작업으로 인한 수중 생명체에 대한 영향권을 비교할 수 있는 기술자료가 작성되기를 기대한다.
- 2Hz로 상대적으로 고주파수를 나타내었다. 이는 향후 부두 시설물 주변에서 쇄암작업을 할 때, 공진현상에 의한 피해 발생 개연성이 발파에 비해 높을 것으로 추론된다. 즉 발파는 순간 충격진동이나 쇄암은 연속충격진동이기 때문에 진동관리 기준을 1/3로 하향하여 관리를 할 것을 제안한다.
- 이는 향후 부두 시설물 주변에서 쇄암작업을 할 때, 공진현상에 의한 피해 발생 개연성이 발파에 비해 높을 것으로 추론된다. 즉 발파는 순간 충격진동이나 쇄암은 연속충격진동이기 때문에 진동관리 기준을 1/3로 하향하여 관리를 할 것을 제안한다.
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