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문제 정의
- 본 연구에서는 V-cut 공법과 다단평행 공법에 따른 발파진동저감 효과를 분석하기 위하여 시험발파를 수행하였고, 현장조건의 제약에 대한 한계를 보완하고자 FLAC3D 동하중 전산해석을 수행하여 시험발파의 발파진동 계측자료와 비교 분석하였다. 본 연구에서 수행한 내용을 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 심발공법에 따른 발파진동 저감효과를 분석하기 위하여 오랜 기간 동안 많은 터널발파현장에서 적용되고 있는 V-cut 공법과, 최근 발파진동 저감효과를 기대할 수 있는 것으로 알려진 다단평행심발공법을 적용하여 시험발파를 수행하였으며, 시험발파가 수행되는 터널 막장면의 암반상태를 분석하기 위하여 현장조사를 함께 실시하였다.
- 본 연구에서는 심발공법에 따른 발파진동을 분석하기 위하여 동하중에 의한 3차원 전산해석을 수행하였다. 시험발파의 심발영역과 동일하게 기폭순서를 모사하였으며, 발파하중이 충분히 전파될 때까지 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 외부적인 제약이 따르는 시공현장에서의 시험발파의 한계를 해소하고자, 수치해석적기법을 이용하여 시험발파를 모사하고 수치해석상의 발파진동을 측정하여 시험발파의 발파진동과 비교하였다. 이를 위하여 Itasca사의 3차원 유한차분법 프로그램인 FLAC3D를 이용하였으며, 해석시간의 효율성을 고려하여 자유면이 상대적으로 적은 심발영역만을 전산해석 모델에 표현하였다.
제안 방법
- 따라서 연구대상의 터널굴착현장에서 시험발파에 사용된 폭약을 대상으로 동압력에 대한 시간이력을 Fig. 9와 같이 산정하였으며, 이 때 폭약은 New Super Emulsion 200(밀도= 1.24 g/cm3, 폭속= 6,000 m/sec)을 기준으로 하였다.
- 8에서 보는 바와 같이 14 m × 2 m × 14 m(가로 × 세로 × 높이)의 영역에 대해 암반을 모사하였으며, 시험발파 영역의 평균 토피고인 43 m를 적용하여 전산해석 모델을 구성하였고, 임의로 형성된 경계면에서의 진동파의 반사에 의한 영향을 최소화하기 위하여 경계부에 대해서는 무한 경계조건을 적용하였다. 또한 각 발파공에서의 발파압력은 발파공의 반경방향으로 작용하게 하였으며, 지연시차를 고려하여 발파압력이 작용하도록 구성하였다.
- 본 연구에서는 심발공법의 변경에 따른 발파진동의 저감효과를 현장시험과 수치해석적으로 분석하고자, 터널시공 현장에서 V-cut 공법과 다단평행 심발공법을 적용하여 시험발파를 수행하였으며, 발파원으로부터 이격된 계측지점을 설정하여 발파진동을 측정하고 분석하였다. 또한 시공현장에서의 시험발파의 제약조건을 해소하고자 3차원 유한차분법 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 시험발파를 수치해석적으로 모사하고 발파진동을 계측하였으며, 시험발파의 발파진동과 비교하여 수치해석기법의 적용성을 확인하였다.
- 이를 위하여 Itasca사의 3차원 유한차분법 프로그램인 FLAC3D를 이용하였으며, 해석시간의 효율성을 고려하여 자유면이 상대적으로 적은 심발영역만을 전산해석 모델에 표현하였다. 또한, 시험발파 현장의 시료를 채취하여 실내시험을 수행하고, 정적 및 동적물성 산정하여 전산해석의 입력자료로 이용하였다.
- 본 연구에서는 심발공법의 변경에 따른 발파진동의 저감효과를 현장시험과 수치해석적으로 분석하고자, 터널시공 현장에서 V-cut 공법과 다단평행 심발공법을 적용하여 시험발파를 수행하였으며, 발파원으로부터 이격된 계측지점을 설정하여 발파진동을 측정하고 분석하였다. 또한 시공현장에서의 시험발파의 제약조건을 해소하고자 3차원 유한차분법 프로그램인 FLAC3D를 이용하여 시험발파를 수치해석적으로 모사하고 발파진동을 계측하였으며, 시험발파의 발파진동과 비교하여 수치해석기법의 적용성을 확인하였다.
- 또한, 평가된 RMR 총점에 대하여 터널의 방향성과 불연속면의 방향성에 대한 보정요소를 적용시킬 수 있다(Bieniawski, 1989). 본 연구에서는 터널 막장면에 대하여 RMR 암반분류 조사를 수행하였고, 불연속면과 터널의 방향성에 대한 점수 보정을 적용하여 최종적으로 RMR 총점과 등급을 산정하였다. 전반적으로 암반은 RMR Ⅲ등급의 ‘보통’수준을 나타내고 있는것으로 분석되었다(Table 2).
- 수치해석을 위한 동적 입력물성을 산정하기 위해 실내시험을 수행하여 암반의 정적물성과 동적물성을 산정하였고, 이론적인 계산식 및 경험식을 이용하여 발파압력 이력곡선을 추정하였다.
- 3과 같이 시험발파가 수행되는 막장면에 현장조사 지점을 설정하고, 불연속면 조사와 암반상태의 평가를 실시하였다. 스캔라인(scanline)기법을 이용하여 막장면 주변의 불연속면의 분포와 간격, 틈새, 충진물 등을 조사하였으며, 실내시험으로 구한 일축압축강도와 시추공 자료로부터 산정한 RQD 값을 종합하여 RMR 암반분류를 수행하였다.
- 시험발파에서 적용된 V-cut 공법 및 다단평행 심발공법을 반영한 전산해석을 위하여, 발파패턴의 심발영역 좌표와 발파공의 정보를 기반으로 Itasca사의 Griddle 프로그램을 이용하여 심발공법별 3차원 요소망을 구성하였다(Fig. 7).
- 본 연구에서는 심발공법에 따른 발파진동을 분석하기 위하여 동하중에 의한 3차원 전산해석을 수행하였다. 시험발파의 심발영역과 동일하게 기폭순서를 모사하였으며, 발파하중이 충분히 전파될 때까지 해석을 수행하였다.
- 이 때, 경계면의 영향이 최소화될 수 있도록 Fig. 8에서 보는 바와 같이 14 m × 2 m × 14 m(가로 × 세로 × 높이)의 영역에 대해 암반을 모사하였으며, 시험발파 영역의 평균 토피고인 43 m를 적용하여 전산해석 모델을 구성하였고, 임의로 형성된 경계면에서의 진동파의 반사에 의한 영향을 최소화하기 위하여 경계부에 대해서는 무한 경계조건을 적용하였다.
- 터널의 막장면에 대하여 암반공학적 특성을 정량적으로 분석하고자, Fig. 3과 같이 시험발파가 수행되는 막장면에 현장조사 지점을 설정하고, 불연속면 조사와 암반상태의 평가를 실시하였다. 스캔라인(scanline)기법을 이용하여 막장면 주변의 불연속면의 분포와 간격, 틈새, 충진물 등을 조사하였으며, 실내시험으로 구한 일축압축강도와 시추공 자료로부터 산정한 RQD 값을 종합하여 RMR 암반분류를 수행하였다.
대상 데이터
- 각 심발공법에 따른 발파진동저감 효과를 비교 분석하기 위해 Fig. 5와 같이 발파패턴을 적용하였으며, 사용된 폭약으로는 Super Emulsion 200과 KINEX-Ⅲ을 사용하였다. 시험발파의 굴진장은 1 m, 발파공의 직경은 45 mm이며, 시험발파의 자세한 발파패턴은 Table 3과 같다.
- 본 연구의 시험발파가 수행된 터널 현장은 이천∼문경 철도건설사업 제 ○○공구 건설공사 현장이다(Fig. 1).
- 심발공법에 따른 발파진동을 계측하기 위하여 Fig. 6과 같이 ㈜에스브이의 SV1을 터널 막장면으로부터 각각 59.1 m 및 77.9 m 만큼 이격된 지점에 설치하였다. 계측에 사용된 SV1의 상세 제원은 Table 4에 정리한 바와 같다.
이론/모형
- 발파하중을 추정하기 위한 이론적 계산식 및 경험식은 많은 연구자들에 의해 제시되고 있으며, 대부분의 식들은 입력변수로 폭약의 밀도와 폭약의 폭굉속도를 사용하고 있다. 본 연구의 발파하중 추정은 국내에서도 가장 널리 사용되고 있는 National Highway Institute(1991)의 발파압력 추정식을 이용하였으며, 추정식은 식 (1)과 같다.
- 시험발파가 수행되는 암반의 입력물성을 추정하고자 Kim(1993)이 제안한 RMR 암반분류법을 기반으로 현지 암반의 물성을 산정할 수 있는 추정식을 이용하였으며, 추정식을 통해 산정된 현지암반의 물성과 실내실험을 통해 산정된 물성 결과들을 종합하여 전산해석의 입력자료로 이용하였다.
- 시험발파는 V-cut 공법과 다단평행의 심발공법을 적용하여 수행하였다. V-cut 공법은 막장면에 대하여 중심축을 대칭으로 좌우 양방향에서 60°이상 경사 천공하여 공저부에 집중장약을 하는 발파공법으로서, 경사공을 이용하는 지하 발파 작업에서 널리 사용되는 공법이다.
- 암반의 동적물성의 특성을 분석하기 위하여 ASTM에서 제안하고 있는 ASTM C 215 시험법에 따라 종파모드(Longitudinal mode)와 비틀림파 모드(Torsional mode)의 양단자유 공진주시험(Free-free resonant column test)을 수행하였으며, 이로부터 공진주파수, 동탄성계수, 동전단계수, 감쇠비 등의 동적물성을 산정하였다(Table 7).
- 본 연구에서는 외부적인 제약이 따르는 시공현장에서의 시험발파의 한계를 해소하고자, 수치해석적기법을 이용하여 시험발파를 모사하고 수치해석상의 발파진동을 측정하여 시험발파의 발파진동과 비교하였다. 이를 위하여 Itasca사의 3차원 유한차분법 프로그램인 FLAC3D를 이용하였으며, 해석시간의 효율성을 고려하여 자유면이 상대적으로 적은 심발영역만을 전산해석 모델에 표현하였다. 또한, 시험발파 현장의 시료를 채취하여 실내시험을 수행하고, 정적 및 동적물성 산정하여 전산해석의 입력자료로 이용하였다.
성능/효과
- 1. 터널 막장에 V-cut 공법과 다단평행 심발공법을 적용하여 시험발파를 수행한 결과, 터널의 막장면으로부터 각각 59.1 m 및 77.9 m 만큼 이격된 지점에서 다단평행의 최대입자속도는 V-cut 대비 15.46%와 46.25 % 감소하는 것으로 분석되었다. 이러한 차이는 시험발파가 수행된 터널 현장의 경우, 다단평행 심발공법이 발파진동저감 효과가 더 높은 것으로 판단된다.
- 2. 동하중에 의한 전산해석을 수행한 결과, 모델상의 계측지점에서 최대입자속도는 V-cut 공법이 다단평행 심발공법보다 약 21% 높은 수준을 보이는 것으로 분석되었다. 또한 시험발파와 동하중 전산해석의 발파진동 측정값은 전산해석이 시험발파에 비해 약 13% 낮은 것으로 분석되었다.
- 각 심발공법의 발파 진동 계측결과는 Table 5와 같으며, 막장면으로부터 이격되어 있는 두 지점에서의 최대입자속도(Peak particle velocity)는 V-cut 공법이 상대적으로 높게 나타났다. V-cut 공법과 다단평행 심발공법에 의한 발파진동 분석 결과, 터널 막장면으로부터 59.1 m 만큼 이격되어 있는 지점에서의 다단평행공법의 최대입자속도는 V-cut 공법 대비 약 15.46%정도 감소하였고, 터널 막장면으로부터 77.9 m 만큼 이격되어 있는 지점에서의 다단평행공법의 최대입자속도는 V-cut 공법 대비 약 46.25% 정도 감소하였다. 각 심발공법별 최대입자속도를 비교하여 분석한 결과, 시험발파 현장에서는 다단평행 심발공법이 V-cut 공법보다 진동저감 효과가 더 높게 나타나는 것으로 확인된다.
- 25% 정도 감소하였다. 각 심발공법별 최대입자속도를 비교하여 분석한 결과, 시험발파 현장에서는 다단평행 심발공법이 V-cut 공법보다 진동저감 효과가 더 높게 나타나는 것으로 확인된다.
- Table 8은 V-cut 공법과 다단평행 심발공법의 전산해석 모델에 대한 임의 계측지점에서의 발파진동 측정 결과이다. 계측지점에서의 V-cut 공법의 최대입자속도는 평균 0.753 m/sec이며, 이는 다단평행 심발공법의 최대입자속도의 평균인 0.624 m/sec 보다 약 21% 높은 수준을 나타내는 것으로 분석되었다.
- 다만, 전산해석에 의한 시험발파는 약 17%의 발파진동의 차이를 나타내었고, 현장 시험발파는 약 30%의 발파진동의 차이를 나타내었는 바, 여기서 보여지는 약 13%의 발파진동의 차이는, 연속체 해석기법을 이용한 전산해석에서 불연속면 등의 지질조건을 충분히 고려하지 않았으며 해석의 효율성을 위하여 심발공 외의 발파영역을 완전히 모사하지 않았기 때문인것으로 판단된다. 따라서 현장에 분포하는 다수의 불규칙한 불연속면을 충분히 고려하지 않은 채 심발영역에 대한 해석을 수행하였음에도 불구하고 실제 시험결과와 수치해석에 의한 모사결과가 불과 13% 정도의 차이로 매우 유사한 경향을 나타낸 점으로 볼때, 수치해석기법을 이용하여 시험발파를 모사하는 방법의 적정성이 있는 것으로 판단된다.
- 다만, 전산해석에 의한 시험발파는 약 17%의 발파진동의 차이를 나타내었고, 현장 시험발파는 약 30%의 발파진동의 차이를 나타내었는 바, 여기서 보여지는 약 13%의 발파진동의 차이는, 연속체 해석기법을 이용한 전산해석에서 불연속면 등의 지질조건을 충분히 고려하지 않았으며 해석의 효율성을 위하여 심발공 외의 발파영역을 완전히 모사하지 않았기 때문인것으로 판단된다. 따라서 현장에 분포하는 다수의 불규칙한 불연속면을 충분히 고려하지 않은 채 심발영역에 대한 해석을 수행하였음에도 불구하고 실제 시험결과와 수치해석에 의한 모사결과가 불과 13% 정도의 차이로 매우 유사한 경향을 나타낸 점으로 볼때, 수치해석기법을 이용하여 시험발파를 모사하는 방법의 적정성이 있는 것으로 판단된다.
- 동하중에 의한 전산해석을 수행한 결과, 모델상의 계측지점에서 최대입자속도는 V-cut 공법이 다단평행 심발공법보다 약 21% 높은 수준을 보이는 것으로 분석되었다. 또한 시험발파와 동하중 전산해석의 발파진동 측정값은 전산해석이 시험발파에 비해 약 13% 낮은 것으로 분석되었다. 이는 실제로 수행된 시험발파에 대하여 보수적인 결과를 도출할 수 있으나, 일부 영역만을 전산해석 모델에 모사하고 불연속면 등의 지질 조건에 대하여 고려할 때 수치해석적 기법이 적정성이 있는 것으로 판단된다.
- 양단자유 공진주시험 결과, 종파 시험에서는 15,788 Hz의 공진주파수와 1.27%의 감쇠비를 나타내었고, 비틀림파 시험에서는 11,488 Hz의 공진주파수와 1.58%의 감쇠비를 나타내었다. 즉, 종파 시험이 비틀림파시험에 비해 높은 공진주파수와 낮은 감쇠비를 나타내고 있음을 알 수 있는데, 이는 종파의 파동이 진동하는 방향과 매질이 이동하는 방향이 서로 일치하기 때문인 것으로 판단된다.
- Table 9는 실제 터널 시공현장에서 계측된 발파진동과 FLAC3D 전산해석을 통해 도출된 발파진동을 비교한 결과이다. 최대입자속도는 두 가지 방법에서 모두 V-cut 공법에 비해 다단평행 심발공법이 낮은 수준을 나타내는 것으로 확인되었다.
- 터널 막장면에 분포하고 있는 불연속면의 방향성을 분석하기 위하여 Rocscience사의 Dips를 이용하여 불연속면의 분포양상을 분석한 결과, 조사지역에서 분포하는 절리군들은 Fig. 4와 Table 1에서 정리한 바와 같이 총 3개의 절리군이 분포하고 있으며, 이 중 가장 우세하게 나타나는 절리군 1은 214°의 경사방향과 77°의 급경사를 보이면서 절리군 2와는 거의 직교하는 형상을 나타내고 있다.
후속연구
- 이는 실제로 수행된 시험발파에 대하여 보수적인 결과를 도출할 수 있으나, 일부 영역만을 전산해석 모델에 모사하고 불연속면 등의 지질 조건에 대하여 고려할 때 수치해석적 기법이 적정성이 있는 것으로 판단된다. 따라서 향후 전산해석에서 불연속면의 조건과 다양한 암반 및 발파조건을 적용하여 수치해석을 수행할 경우 실제 시험발파를 더욱 사실적으로 모사할 수 있을 것으로 생각된다.
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