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문제 정의
- 모든 뇌관의 사용과 Bunch Connector의 적절한 조합이 필요하였다. 그러나 이 시험발파를 시행함에 있어 비전기뇌관에 주어진 지연시차와 전자뇌관의 지연시차를 동일시하는 것이 비교의 형평성을 위해 타당하겠으나, 본 연구에서는 전자뇌관에 일률적인 지연시차를 부여함으로써 기초적인 자료로 활용하고자 하였다.
- 그리하여 전자뇌관을 사용함으로써 어느 정도의 진동제어 효과를 가져올 수 있는지를 고찰하는 것을 이 연구의 주목적으로 하였다.
- 따라서 본 연구에서는 2003년 9월 23일에 국내에서 최초로 강원도 양구 지역의 00터널에 전자뇌관을 이용한 시험발파를 계획 . 시공하고 발파하였으며, 발파에 의한 진동 등을 조사하여 그 효율성을 검토하였다.
- 본 연구는 전자뇌관의 진동제어 효과를 국내 터널에 적용하기 위하여 실시된 것으로써, 일본에서 연구 발표된 것을 바탕으로 하여 국내 현장에 적용하여 그 결과를 보여주는 것이다.
- 최근 미국, 유럽, 일본 등의 선진국에서는 전자 뇌관을 도입하여 상당한 효과를 보고 있으며, 남아프리카 공화국의 경우 지하심부까지 발달한 광맥을 채취하기 위하여 안전성 및 정확성이 뛰어난 전자뇌관을 사용하고 있기 때문에 이러한 초정밀시차(1~2ms)의 전자뇌관의 특성을 국내 암반에 적용함으로써 그 우수성을 고찰하여 보고 국내 현장에서의 적용성에 대한 타당성을 파악하는 기초 자료로 활용하고자 SK건설(주), 인하대학교, (주)고려노벨화약 등이 주관하여 본 연구를 실시하였다.
제안 방법
- 진동제어 효과를 비교 검토하였다. 그리고 일반발파에 대한 진동제어 효과를 검토하기 위하여 일반발파의 진동값을 계측하여 그 값을 비교하였다.
- 기본적으로 사용된 화약류의 종류는 같은 것으로 일률적으로 적용하였다. 그리하여 본 연구에서는 현장 암반이 경암인 것을 감안하여 그 지질에 잘 맞는 (주)고려노벨화약에서 제조 생산되는 Super Emulsion 및 New Emulite 200와 같이 폭속 및 에너지가 큰 폭약과 터널 외곽의 미려한 단면 형성을 위하여 Kinex-1을 조합하여 시험을 하였다. 다음의 표들은 이 시험을 위해 사용된 폭약류의 제원 및 특성을 나타낸 것이다.
- 기존 일본에서 발표된 논문에 따르면, 진동제어 효과를 위해서는 31ms 또는 59ms가 가장 효과적인 것으로 발표되고 있는바 본 연구에서는 그 결과를 바탕으로 하여 30ms씩 지연단차를 일률적으로 부여하여 시험을 실시하였다.
- 또한 파형의 전파특성으로부터 진동제어에 전자뇌관이 효과가 있음을 알 수 있었는데, 이를 위해 다음의 그림 6에 비전기뇌관, 전자뇌관, 비전기뇌관 일반발파 각각의 경우에 대하여 파의 전파 형태를 도시하였다.
- 본 연구를 위해 사용된 심발공법은 크게 두 가지이며, 이 두 가지 공법에 대해 각각 비전기뇌관과 전자뇌관을 사용하여 시험함으로써 각각의 공법의 진동제어 효과를 비교함은 물론, 각각의 공법에서 비 전기뇌관과 전자뇌관의 진동제어 효과를 각각 비교하여 어느 공법 어느뇌관을 사용하였을 때 진동제어에 가장 효과적인 것인가를 고찰하였다.
- 본 연구를 위해 적용된 전자뇌관의 경우, 국내에서는 최초로 적용됨으로 인해 국내 주요 심발공법에먼저 적용하여 성공여부를 확인 후 실규모 발파에 적용하였다.
- 본 연구에 적용한 심발공법은 국내에서 주로 사용되고 있는 심발공법 중 Supex-cut고} Cylinder-cut을 사용하여 시험을 하였으며, 기존의 상용뇌관인 전기뇌관과 비전기뇌관을 사용하여 일반적인 발파패턴을 사용하였을 경우 기폭여부는 이미 검증이 되었으나, 각공을 발파하는 경우는 확인이 되지 않았기 때문에 이를 검증하기 위하여 심발시험만을 먼저 시행 후 심발 기폭여부를 먼저 확인해 보았다.
- 본 연구에서 진동의 전파 및 감쇠 특성을 계측하기 위하여 Thomas사의 VMS-200s와 Instantel 사의 DS-077, DS-477, DS-677을 사용하여 계측을 실시하였다. 최초 발파위치로부터 100m 거리에서 시작하여 20m 간격으로 이격시켜 진동의 전파 및 감쇠 특성을 계측하였다.
- 본 연구에서는 뇌관의 종류 및 정밀성에 의한 발파진동의 제어효과 측면을 검토해보기 위한 것이기 때문에 기본적으로 사용된 화약류의 종류는 같은 것으로 일률적으로 적용하였다. 그리하여 본 연구에서는 현장 암반이 경암인 것을 감안하여 그 지질에 잘 맞는 (주)고려노벨화약에서 제조 생산되는 Super Emulsion 및 New Emulite 200와 같이 폭속 및 에너지가 큰 폭약과 터널 외곽의 미려한 단면 형성을 위하여 Kinex-1을 조합하여 시험을 하였다.
- 본 연구에서는 전자뇌관에 대한 기초 연구로써 기존의 일반뇌관과 전자뇌관의 그 진동제어 효과를 비교 검토하는 것에 중점을 두어 연구를 실시하였으며, 특히 전자뇌관의 최대 장점인 일정지연시차로 무한 단차를 구현할 수 있는 것을 감안하여, 가능한 한 같은 조건을 부여하기 위하여 일반뇌관 역시 기존의 설계를 변경하여 1지발당 1공씩 기폭을 시키는 방식으로 각 공을 순차적으로 기폭하도록 시험을 실시하였다.
- 다음의 그림은 본 연구 수행에 적용된 Supex-cut의 본발파 단면도 및 지연시차 패턴을 나타낸 것이다. 비전기뇌관을 사용하여 각공 발파를 이루기 위하여 단면을 몇 개로 분할하여 Bunch connector와 MS, LP 뇌관의 적절한 조합을 통하여 각 공이 1지발로 기폭이 되도록 설계를 하여 전자뇌관과 유사한 기폭양식을 보이도록 설계를 하였다.
- 즉 Supex-cut 비전기 뇌관 발파 후 Supex-cut 전자뇌관 발파를 실시하는 형식을 취하였으며 Cylinder-cut 역시 같은방식으로 발파를 실시하였다. 사용된 폭약류는 동일한 것을 사용하였으며, 전자뇌관을 이용한 발파의 경우에는 심발이 나 확대공, 바닥공, 최외곽공 등의 지연시차를 30ms 단위로 일정하게 증분시켜 발파를 시킴으로써 각각의 심발공법에서의 전자뇌관의 효과를 검토해 보았다. 심발공법 중 Cylinder-cute 대구경 무장약공 (102mm) 4공을 천공하였으며, 천공장은 type-1을 적용하여 3.
- 시험발파를 계획 . 시공하고 발파하였으며, 발파에 의한 진동 등을 조사하여 그 효율성을 검토하였다. 특히 전자뇌관의 특성과 장점을 최대한 살리기 위하여 각공을 발파하는 방식, 즉 1지발에 1공을 발파하는 방식을 채택하고 비전기 뇌관과 전자뇌관으로 설계를 하여 각각의 발파효율을 비교하였다.
- 사용된 폭약류는 동일한 것을 사용하였으며, 전자뇌관을 이용한 발파의 경우에는 심발이 나 확대공, 바닥공, 최외곽공 등의 지연시차를 30ms 단위로 일정하게 증분시켜 발파를 시킴으로써 각각의 심발공법에서의 전자뇌관의 효과를 검토해 보았다. 심발공법 중 Cylinder-cute 대구경 무장약공 (102mm) 4공을 천공하였으며, 천공장은 type-1을 적용하여 3.8m 천공하였으며, 장약공의 경우 $45mm 로 천공하여 032mm Super Emulsion을 장약하였다. 그리고 최외곽공의 경우 암 손상권 최소화 및 단면 의 미려함을 살리기 위하여 Kinex-1을 사용하도록 하였다.
- 다음의 그림은 터널 단면에서 심발별 발파 위치 및 부여된 지연시차를 나타낸 것이다. 심발시험의 경우 전자뇌관을 이용한 기폭 여부만을 확인하기 위한 것이므로 전자뇌관을 사용하여 지연시차를 부여하여 시험하였으며, Supex-cut의 경우 30ms, Cylinder-cut의 경우 30ms, 60ms 등으로 증분되는 지연시차를 각각 부여하여 시험하였다.
- 61 로 조사되었으며, 전체적으로 RMR 값을 82점을 얻어 1등급을 얻을 정도로 암질이 우수한 것으로 나타났다. 위에서 나타난 물성치를 조사하기 위한 시료채취는 20m 구간을 선진보링하여 얻어진 시료를 근거로 시험하였다. 다음의 각각의 그림들은 시험구간의 지질도 및 굴착진행 단면도, 선진보링, 물성시험 장면을 나타낸 것이다.
- 위에서 보는 바와 같이 시험발파는 총 5회 실시하였으며, Supex-cut과 Cylinder-cut 심발공법에 대해 동일한 발파패턴 및 단차, 장약량 등의 조건을 주고 발파를 실시하여 각 심발형태에 따른 비 전기 뇌관과 전자 뇌관의 진동제어 효과를 비교 검토하였다. 그리고 일반발파에 대한 진동제어 효과를 검토하기 위하여 일반발파의 진동값을 계측하여 그 값을 비교하였다.
- 전단면 시험발파의 경우 동일한 암질에 대하여 일반뇌관 및 전자뇌관을 사용한 결과를 얻기 위하여 동일한 심발공법으로 뇌관만을 달리하여 연속으로 발파를 실시하였다. 즉 Supex-cut 비전기 뇌관 발파 후 Supex-cut 전자뇌관 발파를 실시하는 형식을 취하였으며 Cylinder-cut 역시 같은방식으로 발파를 실시하였다.
- 전단면 시험발파의 경우 동일한 암질에 대하여 일반뇌관 및 전자뇌관을 사용한 결과를 얻기 위하여 동일한 심발공법으로 뇌관만을 달리하여 연속으로 발파를 실시하였다. 즉 Supex-cut 비전기 뇌관 발파 후 Supex-cut 전자뇌관 발파를 실시하는 형식을 취하였으며 Cylinder-cut 역시 같은방식으로 발파를 실시하였다. 사용된 폭약류는 동일한 것을 사용하였으며, 전자뇌관을 이용한 발파의 경우에는 심발이 나 확대공, 바닥공, 최외곽공 등의 지연시차를 30ms 단위로 일정하게 증분시켜 발파를 시킴으로써 각각의 심발공법에서의 전자뇌관의 효과를 검토해 보았다.
- DS-477, DS-677을 사용하여 계측을 실시하였다. 최초 발파위치로부터 100m 거리에서 시작하여 20m 간격으로 이격시켜 진동의 전파 및 감쇠 특성을 계측하였다. 터널내에서 계측이 이루어지는 관계로 소음 부분은 그 값이 기준치를 훨씬 초과할 것으로 예상하였고 결과 또한 예상과 같아서 계측에서 제외하였다.
- 시공하고 발파하였으며, 발파에 의한 진동 등을 조사하여 그 효율성을 검토하였다. 특히 전자뇌관의 특성과 장점을 최대한 살리기 위하여 각공을 발파하는 방식, 즉 1지발에 1공을 발파하는 방식을 채택하고 비전기 뇌관과 전자뇌관으로 설계를 하여 각각의 발파효율을 비교하였다.
데이터처리
- 터널내에서 계측이 이루어지는 관계로 소음 부분은 그 값이 기준치를 훨씬 초과할 것으로 예상하였고 결과 또한 예상과 같아서 계측에서 제외하였다. 계측된 진동값은 자승근 환산거리 방식을 이용하여 회귀분석을 실시하였다.
이론/모형
- 8m 천공하였으며, 장약공의 경우 $45mm 로 천공하여 032mm Super Emulsion을 장약하였다. 그리고 최외곽공의 경우 암 손상권 최소화 및 단면 의 미려함을 살리기 위하여 Kinex-1을 사용하도록 하였다. 다음의 그림은 본 연구 수행에 적용된 Supex-cut의 본발파 단면도 및 지연시차 패턴을 나타낸 것이다.
성능/효과
- (1) 장약량, 발파패턴, 지연시차 등 발파 조건이 비슷한 상황에서 비전기뇌관을 사용한 것보다 전자뇌관을 사용하여 발파를 한 경우에 있어서 진동 계측값이 18~56% 정도 낮게 나타났다.
- (2) 기존 발파패턴으로 몇 공씩 묶어 제발발파를 할 경우에 비하여는 70%까지 진동제어 효과가 있는 것으로 나타났다.
- (3) 비전기뇌관과 전자뇌관을 사용하여 발파를 할 경우 입지상수(K) 및 감쇠지수(n) 값이 차이가 있는 것으로 나타났는데, 입지상수의 경우 전자뇌관으로 발파를 할 경우 휠씬 작은 값을 보였으며, 감쇠 지수의 경우에 있어서는 비전기뇌관으로 발파를 할 경우 다소 더 빨리 감쇠되는 것으로 나타났다.
- (4) 입지상수 및 감쇠지수 특성으로부터 도심지 발파 및 근거리에 보안물건이 있는 경우, 근거리에 서진 동값이 작게 나타나는 전자뇌관을 이용한 발파방법이 보안물건의 피해를 줄이기 위한 진동제어 측면에서 효과적일 것으로 판단된다.
- (5) 파의 전파 특성에서는 비전기뇌관을 사용하는 경우 PVS값이 계속해서 크게 나타나는데 비하여 전자뇌관을 이용한 발파를 할 경우 파의 간섭 등에 의해 점진적으로 낮아지고 있음을 볼 수 있었다. 따라서 현장에서의 시험발파를 통해 파의 전파 특성 및 지연시차와의 관계를 파악하여 진동제어 효과를 크게 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 위의 결과에서 보는 바와 같이 비전기뇌관과 전자뇌관을 사용하여 발파를 하게 될 경우 입지 상수와 감쇠상수에서 일정 특성을 발견하게 되었는데, 이는 비전기뇌관에 비하여 전자뇌관을 이용한 발파에서 입지상수(K) 값이 휠씬 작은 값을 보이고 있었으며, 감쇠상수의 경우 비전기뇌관 보다는 다소 작게 나타난 것을 볼 수 있었다.
- 본 연구의 대상현장은 강원도 양구군 양구읍 웅진리에 위치하는 현장으로 주요 구성암은 크게 호상 흑운모 편마암류와 화강편마암류로 구성되어 있었으며 예상 발파 위치 약 20m의 구간에서 그 암반의 물성시험을 실시해본 결과 슈미트 해머에 의한 현지암반 강도는 695~1, 350 kgf/cnf으로 측정 되 었으며 , 시험 구간에서의 RQD 값은 73~100%로 매우 우수한 것으로 나타났다. 또한 일축압축강도의 경우 65(广1, 140 kgf/cnf로 그 범위가 크게 조사되었는데, 이는 일부 흑운모가 녹니석화가 되어 부분적으로 압축강도가 낮게 나왔다.
- 43xl05 kgf/citf, 탄성파속도는 p파의 경우 약 4, 700m/s, S파는 약 2, 700m /s를 보였다. 비중은 약 2.61 로 조사되었으며, 전체적으로 RMR 값을 82점을 얻어 1등급을 얻을 정도로 암질이 우수한 것으로 나타났다. 위에서 나타난 물성치를 조사하기 위한 시료채취는 20m 구간을 선진보링하여 얻어진 시료를 근거로 시험하였다.
- 위의 결과에서 보듯이 진동분석결과 전자뇌관으로 발파를 할 경우, 비슷한 조건에서 비전기뇌관을 사용하여 발파를 할 경우보다 0.13~0.71 kine의 진동이 저감되어 18~56%의 진동제어 효과가 있는 것으로 계측이 되었으며, 뿐만 아니라 시험전 실시되고 있는 기존 발파 방법에 비하여는 전자뇌관을 적용하여 발파를 하게 될 경우 최대 70%의 진동 저감 효과가 있는 것으로 조사되었다.
- 위의 파형 형태를 간단히 분석해 보면, 대부분의 PVS의 최대값은 심발부의 발파에서 나타남을 알 수 있었으며, 특히 각 공을 1지발로 하여 발파를 하게 될 경우 지연시차가 비교적 일정치 못한 비 전기뇌관의 발파는 마지 막 발파가 끝나는 순간까지 시 간이력 에 따른 PVS 값이 높게 나타난 데 비하여 전자뇌 관의 경우에는 일정하게 감소하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 이는 단차를 일정하게 조정함으로 인해 진동제어 효과를 더욱 크게 할 수 있을 것으로 판단되며, 시험발파를 통하여 파의 주기와 주파수 특성, 지연시차를 파악하고 이들을 적절히 조합함으로써 도심지 발파 및 아주 근거리에 보안물건이 위치하는 경우 진동제어 효과를 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 이러한 상수 값의 결과와 위의 계측결과로부터 추정된 진동예상식을 이용하여 거리별 예상 진동 값을 추정하여 본 결과 일정거리 수준을 넘어서게 될 경우, 전자뇌관과 비전기뇌관의 예상 진동값의 크기가 역전되는 현상을 볼 수 있었다. 즉, 근거리에 보안물건이 있을 경우, 진동제어 효과를 얻기 위하여는 K 값이 작게 발생되는 전자뇌관을 사용하여 발파를 하는 것이 초기 진동제어에 효과가 있을 것으로 기대된다.
후속연구
- 따라서 현장에서의 시험발파를 통해 파의 전파 특성 및 지연시차와의 관계를 파악하여 진동제어 효과를 크게 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 본 연구는 국내에서는 최초로 실시된 전자뇌관 발파 연구이기 때문에 앞으로의 전자뇌관에 대한 연구의 기초 자료를 제공하고자 실시되었으며, 여러가지 제약조건으로 인해 본 연구의 결과뿐만 아니라 전자뇌관의 특성에 관한 더 자세하고 많은 연구가 필요할 것이며, 경제성 등에 대한 연구를 통해 전자뇌관을 국내 현장에 적용함에 있어 적용성 또한 앞으로 더 연구해 나가야 할 것이다.
- 특히 도심지 발파와 같이 발파진동의 제어가 절대적으로 필요한 곳에서 현재 사용되고 있는 기존의 제어발파나 소량 발파보다 전자뇌관을 사용하여 발파함으로써 시공성 및 공비 절감 면에서 월등한 효과를 거둘 수 있는 것으로 예상되고 있으며, 뿐만 아니라 미주전류 등에 의한 뇌관의 안전사고 발생 우려가 있는 터널에서 불특정 발생 사고를 사전에 방지할 수 있고, 터널 외곽공에 대한 손상 최소화, 파 쇄도 향상으로 인한 작업 cycle의 단축 등을 통한 공기절감과 비용절감을 얻을 수 있을 것으로 기대하고 있다.
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