[논문]수압암반절개시스템을 이용한 벤치컷 현장 적용 사례 연구

박종오; 우익

doi:10.9720/kseg.2022.4.725

수압암반절개시스템을 이용한 벤치컷 현장 적용 사례 연구
Application of a Hydraulic Rock Splitting System to Bench-Cut Field Experiments 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.32 no.4, 2022년, pp.725 - 733

초록
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본 연구에서는 기존 패커를 개량한 하이브리드패커를 장착한 수압암반절개시스템을 벤치컷 공법에 적용하였다. 하이브리드패커는 주입압을 이용하여 수압파쇄균열을 생성시키고 고무패커를 팽창시켜 수압파쇄균열을 확장하고 연장시키는 두 가지 기능을 하나의 패커에 접목시킨 패커시스템으로, 무소음·무진동 수압암반절개에 효율적으로 적용할 수 있도록 설계되었다. 본 연구에서는 벤치컷 굴착을 위해 사면 최상단에 설치된 실험공과 자유면으로부터의 이격거리와 주입설정 등 실험조건을 조정하면서 현장실험을 수행하여 주입 조건에 따른 암반 굴착 효율성을 비교하였다. 5 m의 이격거리를 지닌 조건에서는 굴착이 이루어지지 않은 부분이 발생하였으나 1 m의 이격거리에서는 굴착되지 않은 부분이 발생하지 않았다. 주입압에 의해 생성된 수압파쇄균열은 대체적으로 자유면과 평행하게 발달하여 고무팽창에 의해 확장 및 연장되어 벤치컷 굴착이 용이하게 이루어졌다. 벤치컷 암반 굴착에 수압암반절개공법을 체계적으로 적용하기 위해서는 다양한 암반 상태에 대하여 실험조건을 변화하면서 현장실험 결과를 축적하여야 할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study applied a hydraulic rock splitting system equipped with a hybrid packer to the bench-cut method. The hybrid packer system is an improvement of the packer developed in previous studies; it is designed efficiently to reduce vibration and noise during rock excavation by combining the two functions of inducing hydraulic fractures using injection pressure and then expanding and extending them using a rubber packer. Field experiments assessed the efficiency of rock excavation with respect to the injection conditions; the adjusted experimental conditions included the distance from the free surface and the test holes drilled at the top of the slope and the injection settings. Using a separation of 5 m left some unexcavated parts, but using a separation of 1 m left no unexcavated parts. The hydraulic fractures generated by the injection pressure developed generally parallel to the free surface and expanded and extended as the rubber packer expanded, thus facilitating bench-cut excavation. For hydraulic rock splitting to be broadly applicable to bench-cut rock excavation, it is important to accumulate results from many field experiments conducted under varying experimental conditions for various types of rockmass.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig.1. (a) Diagram and (b) photograph of the hybrid packer system: A indicates the wedge-type urethane, B indicates the expandable rubber packer, (c) Demonstration of hybrid packer system on the ground.
그림 Fig.2. Study area: (a) location in Korea and (b) geological map showing it to be covered with biotite granite.
그림 Fig.3. Photograph of the front slope surface at the study site.
그림 Fig.4. (a) Schematic illustration giving the borehale array's dimension. (b) Plan of the test hole array in section A, B, and C. Solid circles represent the injection holes, into which the high-pressure water is injected and the packer is inflated. Open circles represnt the non-injection holes that are only subjected to the inflation of rubber packer at the lower part of the hybrid packer. Numbers above the circles show the test order in each section.
그림 Fig.5. Photograph for (a) test hole drilling, (b) installation of the hybrid packer, and (c) two hybrid packers installed at a test site.
그림 Fig.6. Photographs of (a) test section A before the installation of test holes and (b) packers installed in the test holes.
$Fig.7. (a) Generation of a hydrofracture parallel to the borehole array for the first test. (b) and (c) Excavation using excavators along with hydrofractures after inflation of the rubber packer at the lower part of each hybred packer.$ 그림 Fig.7. (a) Generation of a hydrofracture parallel to the borehole array for the first test. (b) and (c) Excavation using excavators along with hydrofractures after inflation of the rubber packer at the lower part of each hybred packer.
$Fig.8. (a) Hydrofracture generated at one test hole by inflation of the rubber packer at the lower part of the hybrid packer; the packer is oriented perpendicular to the free-surface in the third test. (b) Rock splitting in the fourth test in section A using two boreholes with injection of high-pressure water and inflation of the rubber packer at the lower part of each hybrid packer.$ 그림 Fig.8. (a) Hydrofracture generated at one test hole by inflation of the rubber packer at the lower part of the hybrid packer; the packer is oriented perpendicular to the free-surface in the third test. (b) Rock splitting in the fourth test in section A using two boreholes with injection of high-pressure water and inflation of the rubber packer at the lower part of each hybrid packer.
그림 Fig.9.Excavated area in section A
$Fig. 10. Hydraulic splitting tests in section B. (a) Installation of four hybrid packers parallel to the strike direction of the slope surface (b) Generation of hydrofractures on the borehole walls. (c) Extension of the hydrofractures by expansion of the rubber packer. (d) Fractures propagation along the borehole array parallel to the free surface$ 그림 Fig. 10. Hydraulic splitting tests in section B. (a) Installation of four hybrid packers parallel to the strike direction of the slope surface (b) Generation of hydrofractures on the borehole walls. (c) Extension of the hydrofractures by expansion of the rubber packer. (d) Fractures propagation along the borehole array parallel to the free surface
$Fig. 11. Hydraulic splitting tests in section C. (a) Test section before the installation of test holes. (b) Installation of four hybrid packers parallel to the strike direction of the slope surface. (c) Generation of hydrofractures on the borehole walls.$ 그림 Fig. 11. Hydraulic splitting tests in section C. (a) Test section before the installation of test holes. (b) Installation of four hybrid packers parallel to the strike direction of the slope surface. (c) Generation of hydrofractures on the borehole walls.

AI 본문요약
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제안 방법

본 현장실험에서는 실험공 배열을 달리하면서 굴착 효율성을 판단하였다. A 구역에서 5 m 이격된 실험공으로 수압절개실험을 수행하였을 때, 계획한 굴착 암반 내에 강도 및 절리분포 등 암반 특성이 주위와 다른 부분이 분포할 경우에는 일부분이 절개되지 않고 암괴 형태로 남게 되어 추가적인 실험공 시추와 주입 및 팽창을 통한 수압절개실험을 수행하였다. 반면, B 구역과 C 구역에서는 자유면과의 이격거리를 0.
A 구역에서는 자유면으로부터 5 m 이격된 거리에 사면의 주향방향에 평행하게 설치된 2개의 실험공에 대하여 3회에 걸쳐 주입압을 적용한 후 고무패커 팽창을 통하여 암반을 굴착하는 벤치컷 수압절개실험을 순차적으로 수행하도록 계획하였다(Fig. 6a).
굴착 사면의 정상부에서 벤치컷 방식으로 새로 개발된 하이브리드패커를 사용하여 3개 구역―A 구역, B 구역, C 구역―에 대하여 현장실험을 실시하였다(Fig. 4).
본 현장 실험에서는 수압절개방법을 이용한 무소음, 무진동 굴착기술을 벤치컷에 적용하여 다양한 조건에 따른 다음과 같은 실험 결과를 도출하였다.
이때, 수압파쇄균열이 생성되는 압력은 암반조건에 따라 10~15 MPa 정도의 주입압이 발생하였다. 수압파쇄균열이 생성된 후에 하이브리드패커 하부의 고무패커를 압력을 20 MPa까지 주어 팽창시켰으며, 이로 인하여 이미 유도된 수압파쇄균열이 연장 또는 이완됨에 따라 자유면으로부터 분리된 암괴를 포크레인 또는 니퍼와 같은 중장비를 이용하여 굴착하는 수압절개실험을 실시하였다. A 구역은 2개의 실험공에 대하여, B 구역과 C 구역에서는 4개의 실험공 중 2개의 주입공(Fig.
유도된 수압파쇄균열 확장 및 연장을 위하여 A 구역에서는 2개의 실험공, B 구역과 C 구역에서는 4개의 실험공 모두에 대하여 고무패커를 팽창시켰다. 이에 의해 균열을 따라 분리된 암괴를 굴삭기 등을 이용하여 굴착하여 수압절개실험을 수행하였다.
11a). 점진적인 굴착을 위하여 실험공 배열을 B 구역에서는 3열로 설치하여 3회에 걸쳐 수압절개실험을 수행하였고, C 구역에서는 실험공을 2열로 배열하여 4회에 걸쳐 수압절개실험을 수행하였다(Fig. 4b 참고).

대상 데이터

수압절개 현장실험 지역은 충북 충주시 엄정면에 위치하고 있으며, 주로 중생대 쥐라기에 형성된 흑운모화강암과 화강섬록암으로 이루어진 보은화강암이 기반암으로 분포하고 있다(Fig. 2).
2). 특히, 현장실험 대상인 암반은 보통암~경암의 흑운모화강암으로 이루어진 굴착 사면이며, Fig. 3과 같이 토사로 덮여 있었기 때문에 정확한 절리 분포와 같은 암반 조건은 육안으로 판단할 수 없지만, 절리간격은 0.

데이터처리

0 m의 실험공을 천공하였으며(Fig. 5a), 각 실험 구역마다 실험공 간의 거리(l)과 자유면인 사면과 실험공 사이의 거리(w)를 달리하면서 굴착 효율성을 평가하였다.

성능/효과

즉, B와 C 구역에서 4개의 실험공 중 2개의 주입공에 주입하여 발생시킨 수압파쇄균열이 실험공 배열 방향과 평행하게 연장되었으나, 1개의 공을 이용한 A 구역의 3번째 실험에서는 균열 방향을 제어할 수 없었다. 따라서, 벤치컷 굴착에서는 1개의 주입공에 의해 형성된 수압파쇄균열은 주위의 응력조건과 절리 조건에 영향을 주로 받지만, 2개 이상의 주입공에 의해 생성된 수압파쇄균열은 대부분 주입공 배열과 평행한 방향으로 형성되어 자유면을 따른 굴착이 가능하다는 것을 보여주었다.
본 현장실험에서는 실험공 배열을 달리하면서 굴착 효율성을 판단하였다. A 구역에서 5 m 이격된 실험공으로 수압절개실험을 수행하였을 때, 계획한 굴착 암반 내에 강도 및 절리분포 등 암반 특성이 주위와 다른 부분이 분포할 경우에는 일부분이 절개되지 않고 암괴 형태로 남게 되어 추가적인 실험공 시추와 주입 및 팽창을 통한 수압절개실험을 수행하였다.

후속연구

5 m로 증가하고, 계획한 굴착 단면을 얻을 수 있었다. 따라서 보다 계획적인 굴착을 위해서는 이격거리를 암반 조건에 따라 설정하여야 하며, 이는 현장 암반조건에 따라 시험시공을 통하여 적절하게 조절하여야 할 것으로 판단된다.
본 현장 실험에서는 하이브리드패커를 이용한 벤치컷 수압절개실험이 민감한 굴착 지역에 대하여 무진동 ‧ 무소음 굴착이 적용 가능하다는 것을 보여주고 있지만, 기존 절리 분포와 강도와 같은 암반 특성 및 실험공 배열 등 다양한 조건을 고려한 굴착방법을 개발할 필요성이 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (9)

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Haimson, B., Lee, M.Y., Song, I., 2003, Shallow hydraulic fracturing measurements in Korea support tectonic and seismic indicators of regional stress, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 40, 1243-1256.

상세보기
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Park, J.O., Woo, I., 2019, Field tests of hydraulic rock splitting technique using arrays of injection holes with guide slots, The Journal of Engineering Geology, 29(4), 405-415 (in Korean with English abstract).
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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