Tunnel and Underground Space. December 2018. 692-705
https://doi.org/10.7474/TUS.2018.28.6.692


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 콘크리트 공시체를 이용한 인공 슬롯 자유면 발파 실험

  •   2.1 실험 공시체 제작

  •   2.2 파쇄성능 및 충격가속도 측정방법

  • 3. 실험결과 및 분석

  •   3.1 충격진동 전파 특성

  •   3.2 파쇄체적 평가

  •   3.3 파쇄산물의 파쇄입도 평가

  • 4. 토의 및 고찰

  •   4.1 인공 슬롯 자유면에서의 충격진동 감쇠효과 및 발파 손상 특성에 대한 고찰

  •   4.2 인공 슬롯 자유면이 발파 파쇄도에 미치는 영향

  • 5. 인공 슬롯 자유면 발파의 천공 패턴 설계식 제안

  • 6. 결 론

1. 서 론

오늘날 주로 사용되는 암반의 굴착 방법에는 TBM(tunnel boring machine)이나 로드헤더(load header), 할암기 등을 이용한 기계적 방법과 화약류를 이용한 발파공법이 대표적이다. 특히 발파를 이용한 암반 굴착 기술은 굴착 단위체적당 경제성 및 작업 효율성이 우수함에 따라, 국내외의 다양한 암반 굴착 현장에서 널리 통용되고 있다. 하지만 광산개발이나 터널굴착, 구조물 해체 등에서 수행되는 발파작업으로 인해 발생하는 소음 및 진동은 환경분쟁 및 민원발생의 원인이 되고 있으며, 최근 산업기술의 발달과 함께 국내외의 환경문제에 대한 인식이 변화하고 있음에 따라 이를 저감하기 위한 다양한 연구들이 수행되고 있다(Ryu et al., 1994; Park et al., 2010; Lee et al., 2016).

발파 시 발생하는 소음 및 진동을 저감할 수 있는 방안은 접근 요인에 따라 크게 두 가지 형태로써 고려해 볼 수 있다. 첫째는 발파 시 사용되는 폭약의 종류를 변경하거나 지발당 장약량을 조절하는 등 내부적 설계 요인을 변경하는 방법이 있으며, 두 번째로는 일반적인 발파설계 인자들을 그대로 유지하되, 방진공(line-drilling hole)이나 차음벽(sound insulation wall), 추가적인 무장약공의 형성 등과 같이 외부적 요인에 의한 소음・진동 저감 방법을 고려해 볼 수 있다(Kang et al., 2010; Baek et a., 2012; Oh et al., 2013).

발파에 의한 터널 굴착의 경우, 단일 자유면 조건의 암반이 대상이 됨에 따라 주변 공들에 비해 상대적으로 많은 지발당 장약량이 필요한 심발 발파의 수행이 우선 시 되며, 이는 전체 발파 작업에서 발생하는 진동 대비 매우 높은 속도의 지반진동을 야기한다. 특히, 국내의 소음・진동 규제기준은 전체 발파 작업 시 발생하는 진동 중 최대값(peak value)만을 대상으로 허용 여부를 판단하므로, 터널발파 시의 발파 진동 저감을 위해서는 심발발파 시 발생하는 진동을 보다 효율적으로 감쇠시키는 것이 매우 중요하다. 이와 같은 노력의 일환으로, 최근 심발공 주변부에 인공 슬롯 자유면(혹은 간극)을 형성하여 자유면 효과에 의한 파괴에너지 손실 및 발파 진동 전파를 차단하는 기술에 대한 연구가 제안된 바 있다(오세욱 외., 2018; Noh et al., 2018).

본 논문에서는 콘크리트 블록 공시체를 이용한 실규모 단일공 발파 실험을 통해, 인공 슬롯 자유면의 파쇄효과와 진동저감 성능에 대한 평가를 수행하였다. 발파공과 인접한 위치에 각기 다른 구조의 인공 슬롯 자유면을 모사하여 이를 통과해 전달되는 충격진동을 계측 및 고찰하였으며, 일반 발파 조건에서의 기준데이터에 대한 비교분석을 수행하였다. 이와 같은 기술이 산업 현장에 성공적으로 적용되기 위해서는 진동저감 효과와 더불어 굴착의 본래 목적을 충족할 수 있도록, 표준 발파 대비 유사한 수준의 파쇄도가 요구된다. 인공 슬롯 자유면의 파쇄효과를 파악하기 위하여 콘크리트 시험공시체의 파쇄체적 및 파쇄편에 대한 입도분석을 수행하여 이상적 표준발파 파쇄체적과 비교 분석하였다. 최종적으로, 유한요소법 기반의 해석코드인 3차원 동적파괴과정해석(3D –DFPA)기법을 적용하여, 인공 자유면의 구조 조건에 따른 균열전파 및 파괴메커니즘에 대해 고찰하였다.

2. 콘크리트 공시체를 이용한 인공 슬롯 자유면 발파 실험

2.1 실험 공시체 제작

발파 실험의 경우, 작업 현장의 스케줄이나 비용 등 환경적인 제약요건이 있음에 따라 실제 현장에서의 실험 수행에는 한계점이 존재하며, 이에 대한 보완 및 효율성의 증대를 위해 축소모형 공시체를 이용한 모의실험이나 수치해석 모사기법을 통한 사전 분석 및 실험 설계의 최적화 작업 등이 주로 적용되고 있다.

본 연구에서는 암석과 유사한 취성 파괴 거동을 보이는 대표적 재료인 콘크리트를 이용해 실규모 공시체를 제작하였으며, 이를 이용한 단일공 조건의 발파실험을 수행하였다. Fig. 1에서 보여주는 것과 같이, 발파실험용 콘크리트 공시체는 가로, 세로, 높이가 각각 2,000 mm, 1,500 mm, 1,500 mm인 육면체 블록의 형태로써, 내부에 공경 45 mm의 장약공 및 1,000 mm의 천공장, 500 mm의 최소저항선을 갖는 수직 발파공을 포함하도록 설계하였다. 장약공에는 에멀젼폭약 70 g을 장전하며, 전기뇌관을 이용하여 기폭을 실시한다. 그림 내 각 공시체의 Direction A 및 Direction B, Direction C 방향으로 인공 슬롯 자유면의 경사각도 및 폭원으로부터의 이격거리에 변화를 주었으며 각 방향에 충격가속도센서를 설치하여, 장약공으로 부터 발생된 충격진동의 전파 및 저감 특성을 파악할 수 있도록 설계하였다. 최소저항선 방향인 Fig. 1의 Direction D에 대해서는 인공 슬롯 자유면의 유무 및 개수에 따른 파쇄 효과를 분석할 수 있도록 설계하였다. 인공 슬롯 자유면의 폭은 실제 심발발파에 적용할 와이어쏘의 커팅 폭을 고려하여 11 mm로 하였으며, 길이는 공시체의 크기를 고려하여 설정하였다. 다음의 Table 1은 실험에 대한 세부 설계 조건에 대해 기술한 것이다.

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Fig. 1.

Schematic of concrete block specimens with different arrangement of artificial slots

Table 1. Specification of the full-scaled concrete blocks

Classification Case 1 Case 2 Case 3
Direction A Slot angle (°) 30 45 60
Direction B Distance between slot and blast hole (mm) 250 500 750
Direction C Reference condition (no slot) - - -
Direction D Number of slot (ea) 0 1 2
Distance between slot and blast hole (mm) 500 250 200
Common Diameter of blast hole : 45mm
Length of blast hole : 1,000mm
Explosives : Emulsion, 32mm
Explosive amount : 70g
Stemming : crushed rock and sand

2.2 파쇄성능 및 충격가속도 측정방법

본 콘크리트 블록 발파 실험에 있어, 인공 슬롯 자유면의 설치 조건에 따른 발파 효과를 분석하기 위해 파쇄대(crater)의 체적과 파쇄편에 대한 입도분포 평가를 수행코자 하였다. 콘크리트 블록의 파쇄체적은 Bently systems사의 ContextCapture S/W를 이용한 3차원 화상측량기법을 통해 산정하였으며 파쇄편의 입도크기분포는 NIH의 Image J S/W를 이용한 파쇄편 화상측량을 통해 수행하였다.

인공 슬롯 자유면의 구조 조건에 따른 발파 충격진동의 감쇠영향을 평가하기 위해 최소저항선 방향을 제외한 콘크리트 블록 공시체의 세 방향 외벽부(outer surface)에 충격가속도센서를 설치하였다. Fig. 2는 콘크리트 블록 발파실험에서 뇌관의 기폭시각과 발파충격가속도의 전달속도, 충격가속도 값을 측정하기 위한 계측시스템을 보여주고 있다. 폭원에서 전파되는 충격진동이 인공 슬롯 자유면을 안정적으로 통과 후 센서로 전파할 수 있도록 발파공저(bottom of blast hole) 및 인공 슬롯 자유면의 최하단부 보다 약 100 mm 높은 곳에 충격가속도 센서를 설치하였으며, 설치된 센서들에 대해 동일한 트리거링(triggering) 신호의 적용을 위해 이온화 갭 게이지(ionization gap gauge)를 이용하였다. 본 실험에서 사용된 충격가속도 센서는 6,000 g급 MEMS 가속도게이지을 제진장치에 설치하는 타입으로 대략 1만 g의 충격에 버틸 수 있는 성능을 가지고 있다.

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Fig. 2.

Experimental setup for measuring the blast-induced acceleration

3. 실험결과 및 분석

3.1 충격진동 전파 특성

인공 슬롯 자유면의 설치방향 및 이격거리의 변화를 고려한 Case 1 및 Case 2의 충격가속도 계측 결과를 Fig. 3에 가속도-시간이력곡선으로 보여주고 있다. Fig. 3를 살펴보면, 인공 슬롯이 삽입되지 않은 Direction C에 대해서는 Case 1 및 Case 2 모두 유사한 형태의 가속도 이력을 나타내고 있으나, 다양한 구조의 인공 슬롯이 적용된 Direction A 및 Direction B의 경우, 가속도 이력 파형에 변화가 있음을 확인할 수 있다. 인공 슬롯의 조건에 따른 가속도 이력의 피크 값을 살펴보면, 인공 슬롯이 존재하지 않는 Direction C의 Case 1이 4,698 g, Case 2가 4,728 g로 전체 방향에 대한 가속도 값 중 가장 높은 값을 나타냈고, 500 mm의 이격거리를 가진 수직 인공 슬롯이 설치된 Case 2의 Direction B의 경우가 1,992 g로 다음을 이었다. 콘크리트 블록의 자유면과 30° 및 45°의 각도로 인공 슬롯이 설치된 방향(Direction A)에서의 최대 가속도 값은 2,141 g 및 2,093 g로 유사한 값을 보였으며, 250 mm의 이격거리를 갖는 수직 슬롯이 삽입된 Case 1의 Direction B가 1,192 g로 가장 낮은 가속도 값을 나타냈다. Case 3의 경우, 계측시스템 시작을 위한 트리거용 이온화 갭 게이지의 단선문제로 계측이 이루어지지 않았다.

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Fig. 3.

Acceleration profiles for each blast cases

3.2 파쇄체적 평가

Fig. 4는 각 실험 Case별 발파 후 형성된 파쇄대의 모습을 3차원 화상측량을 통해 재구성한 모델을 나타내며, Fig. 5는 실측을 통해 단순화시킨 모습이다. 최소저항선 방향으로 인공 슬롯이 설치되지 않은 Case 1의 경우, 약 600 mm에서 700 mm의 표준발파 대비 비교적 적은 너비를 갖는 삼각뿔 형상의 파쇄대가 형성되었으며, 측면부의 경사슬롯을 따른 균열의 발생과 함께 상부가 분리되는 파괴양상을 보였다. 수직 인공 슬롯이 삽입된 방향에 대해서는 발파공에서 시작하여 수직 인공 슬롯의 중심부를 통과하는 상부 균열의 발생이 관찰되었다. Case 2의 경우, 최소저항선 방향에 발파공 및 콘크리트 블록의 자유면으로부터 각각 250 mm의 이격거리를 갖는 인공 슬롯이 삽입된 상태로써, 발파공과 인공 슬롯의 양 끝단을 잇는 형태의 파쇄대 형성과 더불어 인공 슬롯면을 기준으로 블록의 자유면 방향에 대한 사다리꼴 형태의 추가적 파쇄가 발생하였다. Case 1과 마찬가지로 측면부에 위치한 경사 슬롯을 따라 상부 균열이 관찰되었으며, 발파공을 중심으로 방사성으로 뻗어나간 균열이 수직 인공 슬롯을 가로질러 형성된 것으로 나타났다. 최소저항선 방향으로 두 개의 인공 슬롯이 삽입된 Case 3는 가장 넓은 규모의 파쇄대를 형성하였으며, 발파공을 짧은 변의 중심으로 블록 자유면을 넓은 면으로 하는 사다리꼴 형태의 파쇄가 발생하였다. 파쇄대의 한 쪽 측면은 경사 인공 슬롯 면과 경계면을 공유하고 있으며, 이전의 Case들과 마찬가지로 발파공을 중심으로 발생한 방사성 균열이 수직 인공 슬롯을 통과해 콘크리트 블록의 자유면 방향으로 이어지는 형상을 확인할 수 있었다. 다음의 Table 2는 Case별 발파 후 형성된 파쇄대의 규모를 측정하여 파쇄체적을 계산한 결과로 Case 3, Case 2 그리고 Case 1의 순으로 넓은 파쇄체적을 보여 인공 슬롯이 존재함에 따라 발파 파쇄체적 또한 비약적으로 증가하는 것을 확인할 수 있었다.

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Fig. 4.

3D reconstructed images of the tested concrete block specimens

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Fig. 5.

Estimated fragmented volumes for the tested concrete block specimens

Table 2. Evaluated crater volume for each experimental cases

Classification Case 1 Case 2 Case 3
Crater volume (m3) 0.229 0.487 0.503

3.3 파쇄산물의 파쇄입도 평가

본 실험에서는 비산방지의 용도로 설치한 방호재가 존재함에 따라 발파 후 발생한 주요 파쇄편들의 대부분이 방호재 내에 구속된 형태로 산출되었다. 이미지 화상처리기법을 이용한 파쇄입도 분석을 위해 실험 Case별로 발생한 파쇄편들을 수집하여 화상촬영을 수행하였다(Fig. 6). 각각의 이미지에 대한 픽셀정보와 실제 치수를 균일화 시키는 스케일링(scaling) 작업을 위해 균일한 크기를 갖는 두 개의 원판을 일정한 이격거리를 가지도록 위치시켜 평면 및 경사에 대한 스케일 보정을 수행하였다. 다음의 Table 3은 화상처리기법을 통해 산정된 파쇄입도 분석결과를 기술한 것이며, Fig. 7은 이를 누적입도분포곡선을 통해 나타낸 것이다. 입도분포 분석 결과, Case 2의 단일 인공 슬롯 발파에서 463.15 mm로 가장 큰 평균 파쇄입도를 보였고, 인공 슬롯이 존재하지 않는 Case 1이 430.68 mm, 두 개의 인공 슬롯이 설치된 Case 3가 375.18 mm로 뒤를 이었다. 파쇄편들의 균질도를 나타내는 균등지수의 경우, Case 1, Case 2 그리고 Case 3의 순으로 높은 균질도를 보여 평균 파쇄입도나 균질도의 측면에서 인공 슬롯 설치에 따른 뚜렷한 상관성을 확인할 수 없었다. 이러한 결과에 대한 원인 분석 및 구체적인 논의는 후술한 4.3절을 통해 고찰하도록 한다.

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Fig. 6.

Photographs of blasting debris for each experimental cases

Table 3. Major parameters of particle distribution analysis result

Parameter Case 1 Case 2 Case 3
Particle distribution parameter Median 430.68 463.15 375.18
D60 440.56 498.69 443.41
D10 226.20 250.34 197.91
Uniformity factor 1.95 1.99 2.24

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Fig. 7.

Particle distribution with CMPF curve for each experimental cases

4. 토의 및 고찰

4.1 인공 슬롯 자유면에서의 충격진동 감쇠효과 및 발파 손상 특성에 대한 고찰

콘크리트 블록 발파 실험을 통해 측정된 충격가속도 값들을 토대로, 본 연구의 주요 수행 목적 중 하나라 할 수 있는 인공 슬롯 자유면의 발파 진동 감쇠성능을 평가코자 하였다. 다음의 Table 4 및 Fig. 8은 충격가속도 측정 결과를 슬롯의 경사각도 및 폭원과의 이격거리에 따라 정리하고 이에 대한 진동 저감율을 산정하여 나타낸 것이다. 진동 저감율은 콘크리트 블록의 인공 슬롯이 존재하지 않는 방향인 Direction C에서 계측된 충격가속도 값을 기준으로 인공 슬롯 구조 변화에 따른 충격가속도 값의 변화율을 비교하여 산출하였다.

우선, 인공 슬롯 자유면의 경사각도에 따른 충격진동 변화율의 경우, 각각 30° 및 45°의 인공 슬롯이 삽입된 Case 1 및 Case 2의 Direction A의 충격가속도 측정결과와 500 mm의 이격거리를 갖는 수직 슬롯(90°)이 설치된 Case 2의 Direction B의 결과, 그리고 인공 슬롯이 삽입되지 않은 Direction C의 결과(0°)를 토대로 진동의 감쇠율을 산정하였다. 단, 인공 슬롯이 존재하지 않는 Direction C를 제외하고 모든 비교조건들은 폭원으로부터 인공 슬롯 중심점 간에 500mm의 동일한 이격거리를 가진다.

인공 슬롯의 경사각도에 따른 충격진동 감쇠율 산정 결과, 인공 슬롯이 존재하지 않는 조건을 나타내는 0°에서의 충격가속도 값에 비해, 30° 및 45°, 90°의 경사각도를 갖는 슬롯이 삽입된 경우 약 50%에서 60%가량의 충격진동 감쇠효과를 보였으며, 그 편차는 미미하나 경사각도가 수직에 가까워질수록 높은 감쇠율을 나타냈다. 이에 대한 역학적 거동 특성은 수치해석기법을 통해 확인해 볼 수 있는데, 다음의 Fig. 9는 유한요소법 기반의 3차원 동적파괴과정해석기법(3D-DFPA)을 이용한 실험 Case 2의 시뮬레이션 결과를 나타낸다(Cho et al, 2003; Kim et al., 2017). 인공 슬롯 자유면이 위치한 Fig. 9(b)의 B 방향의 경우, 수직 슬롯의 면을 따라 넓은 범위의 방사성 균열이 발생하는 반면, 슬롯이 경사구조로 배치된 Fig. 9(b)의 A의 경우에는 폭원과 가까운 슬롯의 선단부에 균열이 집중되면서 비교적 작은 범위의 손상대가 발생함을 확인할 수 있다. 이는 Liyun(2014)등의 실험에서도 유사한 결과를 확인할 수 있는 것으로, 인공 슬롯 발파에서의 주요 진동 감쇠 요인이 슬롯의 자유면 역할에 따른 최소저항선의 감소효과와 이에 따라 야기되는 파괴에너지의 손실이므로, 응력파가 선단에 집중 및 회절되어 전파하는 경사형태의 슬롯은 충격진동을 감쇠시키는데 있어 비교적 불리할 것으로 판단된다.

다음으로, 인공 슬롯 자유면과 폭원간의 이격거리의 경우, 이격거리의 감소에 따라 진동 저감율 또한 증가하는 경향을 나타내고 있는데, 이는 최소저항선 및 Burden양의 감소와 함께 파괴에너지의 손실량이 증대되었기 때문으로 판단할 수 있으며, 이는 곧 인공 슬롯 자유면이 실제 자유면으로써의 역할을 효과적으로 수행하고 있음을 반증한다고 볼 수 있다. 결론적으로, 터널 심발공 발파에서 인공 슬롯 자유면을 설계 할 시, 슬롯의 위치를 포함한 적절한 천공패턴의 설계가 매우 중요할 것으로 보인다.

Table 4. Calculation result of peak acceleration and vibration reduction ratio by different artificial slot arrangements

Solt angle
(°)
Acceleration
(g, 9.8 m/s2)
Vibration reduction
(%)
Distance
(mm)
Acceleration
(g, 9.8 m/s2)
Vibration reduction
(%)
0 4,708 0 250 1,197 74.58
30 2,141 54.52 500 1,992 57.69
45 2,093 55.54 750 - -
60 - - 1000 4,708 100
90 1,992 57.68 -

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Fig. 8.

Vibration reduction ratio by different artificial slot arrangements

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Fig. 9.

3D-DFPA simulation for Case 2 test

4.2 인공 슬롯 자유면이 발파 파쇄도에 미치는 영향

본 연구에서 수행한 실험을 통해 인공 슬롯 자유면이 발파 파쇄입도에 미치는 영향에 대해 분석해본 결과, 슬롯의 존재 유무 및 개수 변화에 대해 주목할 만한 상관성이 확인되지 않았다. 하지만, 전술한 바와 같이, 발파공 주변에 위치한 인공 슬롯이 실제 자유면의 역할을 수행하고 있다면, 일반 발파에 비해 우수한 파쇄효과를 보이는 것이 합리적일 것이다. 본 절에서는 인공 슬롯 자유면 조건에 따른 파쇄산물의 입도분포에 대한 심층적인 분석과 더불어 인공 슬롯 자유면이 발파 파쇄도에 미치는 영향에 대해 검토코자 하였다.

다음의 Fig. 10은 이미지 화상처리 기법을 통해 측정된 실험 Case별 파쇄입도 분포를 무게 비율에 따른 히스토그램으로 나타낸 것이다. Fig. 10을 살펴보면, 인공 슬롯의 존재 유무에 따라 상이한 형태의 입도 분포 특성을 보이는 것을 확인할 수 있다. 우선 인공 슬롯이 존재하지 않는 Case 1의 경우에는 Fig. 10의 (a)에서와 같이, 평균값을 중심으로 데이터들이 밀집되어 있는 일반적인 정규분포의 형상을 나타내고 있다. 하지만 이에 반해서 각각 1개 및 2개의 인공 슬롯이 삽입된 Case 2 및 Case 3의 경우에는 매우 큰 입도를 갖는 소수의 대괴(large mass)와 상대적으로 매우 작은 입도를 갖는 다수의 파쇄편들의 두 집단으로 분리되어 존재하는 것을 확인할 수 있다. 이는 인공 슬롯 자유면에서 발생하는 발파 손상 특성과 연관지어 해석해 볼 수 있는데, 인공 슬롯은 실질적인 자유면의 역할을 수행하므로 발파에 의한 폭발 하중이 가압 시 홉킨슨 효과(Hopkinson’s effect)에 의한 박리 파괴(spall fracture)가 유발되며, 이로 인해 상당량의 파괴에너지 손실을 야기한다. Fig. 9의 (b)에 나타난 것과 같이, 스폴파괴가 진행된 이후 인공 슬롯의 일부가 닫히게 되면서 충격하중이 슬롯의 반대편으로 전달되며, 이 때 전달되는 하중은 초기 가압하중의 극히 일부에 불과하다. 즉 인공 슬롯은 스폴파괴의 유발과 동시에 충격하중의 전파를 일부 차단하는 역할을 수행한다. 이는 Fig. 11에 나타낸 것과 같이, 실제 발파 후 발생한 파쇄편의 형상 및 파괴패턴을 통해서도 확인할 수 있는데, 일반적인 발파를 수행한 Case 1의 경우, Fig. 11(a)와 같이 괴상의 파쇄편들로 이루어진 반면, 인공 슬롯이 삽입된 Case 2 및 Case 3의 경우에는 Fig. 11(b), (c)에 나타난 것과 같이, 콘크리트 블록 자유면을 포함하는 소수의 대괴들과 일반적인 괴상형태의 매우 작은 소괴들로 구성되어 있는 것을 알 수 있다. 이는 인공 슬롯의 존재에 따라 최소저항선 감소로 인해 인공 슬롯과 발파공 사이에 있는 부분의 파쇄효율 증대와 더불어 인공 슬롯의 충격하중 차단효과의 복합적인 작용에 의한 것으로 판단된다. 본 실험의 경우에는 인공 슬롯이 위치한 면과 근접한 곳에 블록의 자유면이 위치함에 따라, 인공 슬롯의 선단부를 통해 확장되는 방사성 크랙의 발생에 의해 슬롯과 블록 자유면 사이의 콘크리트들이 떨어져 나온 것으로 예상해 볼 수 있다. 하지만, 이는 실험 조건에 의해 발생한 결과로, 실제 터널 심발공 발파 조건을 가정했을 때의 파쇄효과를 판단하기 위한 지표로 보기는 어렵다. 따라서 본 연구에서는 이처럼 콘크리트 블록의 자유면을 포함하고 있는 파쇄편을 제외하고 추가적인 입도분포 분석을 수행하였으며, 그 결과를 Fig. 12 및 Table 5에 나타내었다.

입도분포 분석결과 산정된 각 실험 Case별 평균 파쇄입도는 인공 슬롯이 존재하지 않는 Case 1이 435 mm, 한 개의 인공 슬롯이 존재하는 Case 2가 345 mm, 두 개의 인공 슬롯이 존재하는 Case 3가 277 mm로 인공 슬롯의 존재 유무 및 개수에 따라 파쇄산물의 평균 파쇄입도는 선형적으로 감소하는 것으로 평가되었다. 파쇄편 모집군에 대한 균질도를 나타내는 균등지수의 경우, Case 1, 2, 3이 각각 1.97, 1.88, 1.82의 값을 나타냄으로써 인공 슬롯이 존재함에 따라, 또 인공 자유면의 개수가 많을수록(본 실험의 경우, 자유면의 개수에 의한 영향보다는 최소저항선이 가까울수록) 파쇄산물의 균질도 또한 우수한 것으로 평가되었다.

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Fig. 10.

The histogram of particle distribution for each tested cases

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Fig. 11.

Blast fragmentation by different artificial slot arrangements

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Fig. 12.

The corrected particle distribution with CMPF curve for each experimental cases

Table 5. Major parameters of particle distribution analysis result - Corrected

Parameter Case 1 Case 2 Case 3
Particle distribution parameter Median 435.28 345.22 276.96
D60 440.17 416.70 295.44
D10 223.14 222.19 162.53
Uniformity factor 1.97 1.88 1.82

5. 인공 슬롯 자유면 발파의 천공 패턴 설계식 제안

본 연구에서는 콘크리트 블록 공시체를 이용한 실규모 발파 실험을 통해 각기 다른 인공 슬롯 자유면 조건에 따른 발파 효과에 대해 분석하였으며, 이를 토대로 실제 터널 현장에 대한 실험의 수행 및 공법의 적용을 위한 효율적 설계조건을 제안코자 하였다. 전술된 실험 결과에 따르면, 인공 슬롯 자유면 발파에서 발파 효과에 가장 큰 영향을 미치는 설계 인자는 폭원과 인공 슬롯 자유면간의 이격거리로써, 이상적인 발파 효과를 얻기 위해서는 일정 범위 조건 내의 이격거리를 갖도록 설계하는 것이 매우 중요할 것으로 판단되었다. 이에 따라 본 연구에서는 Table 6에 기재된 바와 같이, 각 실험 Case별 적용된 발파 공경과 최소저항선의 비 B/D를 주요 설계 인자로 산출하였으며, 이를 이상적 표준발파 대비 실험을 통해 산출된 파쇄체적의 비 VB/VS에 대한 함수로써 Fig. 13과 같이 나타내어 다음의 식 (1)과 같은 경험적 발파 설계 기준을 제안하였다. 결론적으로 본 연구를 통해 제안된 기준에 따르면, 공경 대 최소저항선의 비가 약 5에서 8사이의 값을 만족할 시 표준발파에 근접하는 이상적인 발파효과를 기대할 수 있을 것으로 평가되었다.

Table 6. Calculated parameters for artificial slot blasting design

Classification Minimum burden,
B (mm)
Blast hole diameter,
D (mm)
B / D Crater volume,
VB (m3)
VB / VS Result estimation
Case 1 500 45 11.11 0.229 0.52 Under-break
Case 2 250 45 5.56 0.487 1.1 Good
Case 3 200 45 4.44 0.503 1.14 Good

$$B/D=(V_B/V_S-1.5985)/0.0963$$ (1)
http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksrm/2018-028-06/N0120280613/images/ksrm_28_06_13_F13.jpg
Fig. 13.

Empirical design criteria for suitable artificial slot blasting

6. 결 론

본 연구에서는 인공 슬롯 자유면을 이용한 저진동 터널 심발발파 기술 개발의 일환으로써, 실규모 단일공 발파 실험을 통해 인공 슬롯 자유면의 조건에 따른 진동저감 성능 및 발파 효과에 대해 고찰하였으며, 유한요소법 기반의 DFPA 해석기법을 이용하여 발파하중을 받는 인공 슬롯 자유면에서의 충격전달 및 손상거동특성에 대한 분석을 수행하였다. 또한, 실험이나 산업 현장에 대한 효율적 적용을 위해 본 연구결과를 토대로 한 경험적 발파 천공 패턴 설계식을 제안하였다. 본 연구의 수행에 따라 얻어진 주요 결론은 다음과 같이 요약될 수 있다.

1) 발파공과 인접한 위치에 존재하는 인공 슬롯 자유면은 홉킨슨 효과(Hopkinson’s effect)에 의한 박리파괴의 발생을 유발하며, 파괴에너지의 손실 및 충격파의 전파경로 차단에 따른 진동 저감효과를 보이는 것으로 나타났다.

2) 이러한 진동저감 효과는 인공 슬롯 자유면의 구조적 형태에 따라 달라지며, 발파 하중의 전달방향에 대해 수직에 가까울수록 그리고, 폭원으로 부터의 이격거리가 가까울수록 진동저감효과가 큰 것으로 나타났으며, 실규모 실험을 통한 정성적 분석 결과, 인공 슬롯 자유면 발파는 일반 발파 대비 약 60%이상의 발파 진동 저감 효과가 있는 것으로 평가되었다.

3) 발파공과 인접한 위치에 인공 슬롯 자유면이 존재할 시, 이는 최소저항선을 감소시키는 효과가 있으며, 결과적으로 발파 파쇄체적의 증대를 통한 발파효과의 향상을 야기하는 것으로 나타났다.

4) 인공 슬롯 자유면의 존재에 따른 최소저항선의 감소 및 스폴파괴의 유발, 충격하중의 전파경로 차단효과는 발파 파쇄산물의 평균 입도 감소에 기여하는 것으로 평가되며, 균질도 또한 향상시키는 경향을 보였다.

5) 본 연구의 수행 결과, 인공 슬롯 자유면 발파를 통해 효율적인 진동저감 및 발파효과를 얻기 위해서는 폭원과 인공 슬롯 자유면 간의 이격거리가 매우 중요한 것으로 판단되었으며, 이를 토대로 발파 천공패턴 설계식을 제안하였다. 결론적으로, 공경 대 최소저항선의 비가 약 5에서 8사이의 값을 갖는 설계조건에서 이상적인 표준발파에 근접하는 발파효과 및 효율적 진동저감 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgements

이 논문은 국토교통부/국토교통과학기술진흥원의 일부 재원(과제번호 18CTAP -C130130-02) 및 2018년도 정부(교육부)의 일부 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행되었으며(No. 2018R1D1A1B07041433), 이에 감사드립니다.

References

1 

오세욱, 민경조, 박세웅, 박훈, 노유송, 석철기, 조상호, 2018, 인공 자유면을 고려한 곤크리트 블록 발파에서의 충격하중 전파 특성 연구, 추계자원연합학술대회 논문집, 정선 강원랜드, 76.

2 

Ryu, C.h., Sunwoo, C., Shin, H.S., Chung, S.G and Choi, B.H., 1994, Blast Design of Hilly Rock Excavation Adjacent to Structures and Facilities, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, 4, 38-46.

3 

Baek, J.H., Baek, S.H., Han, D.H., Won, A.R. and Kim, C.S., 2012, A study on the Design of PLHBM, Journal of Korean Society of Explosives & Blasting Engineering, 30(2), 66-76.

4 

Cho, S.H., Ogata, Y and Kaneko, K., 2003, Strain-rate dependency of the dynamic tensile strength of rock, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 40(5), 763-777.

10.1016/S1365-1609(03)00072-8
5 

Kang, D.W. and Ahn, B.D., 2010, The Mixed Charging Method with Low-veocity Explosives and Normal Explosives in Tunnel Blasting, Journal of Korean Society for Rock Mechanics, 20(4), 252-259.

6 

Kim, H.M., Fukuda, D., Kaneko, K., Nakamura, Y., Lee, J.H. and Cho, S.H., 2017, Numerical study of fracture process on full-scale concrete foundations by means of controlled bast method utilizing galvanized steel charge holders, Key Engineering Materials, 744, 152-162.

10.4028/www.scientific.net/KEM.744.152
7 

Lee, J.S., Ahn, S.K. and Sagong M., 2016, Attenuatuon of blast vibration in tunneling using a pre-cut discontinuity, Tunnelling and Underground Space Technology, 52, 30-37.

10.1016/j.tust.2015.11.010
8 

Liyun, Y., Rnshu, Y., Guanglong, Q. and Yufei, Z., 2014, Caustic study on blast-induced wing crack behaviors in dynamic-static superimposed stress field, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 24, 417-423.

9 

Noh, Y.S., Min, G.Y., Oh, S.W., Park, S.W., Suk, C.G., Cho, S.H. and Park, H., 2018, Evaluation of Blast influence by Artificial Joint in Concrete Block, Journal of Korean Society of Explosives & Blasting Engineering, 36(3), 1-9.

10 

Oh, T.M., Cho, G.C., Ji, I.T., 2013, Effects of free surface using waterjet cutting for rock blasting excavation, Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, 15(1), 49-57.

10.9711/KTAJ.2013.15.1.049
11 

Park, D.H. and Jeon, S.K., 2010, Reduction of blast-induced vibration in the direction of tunneling using an air-deck at the bottom of a basthoe, International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 47, 752-761.

10.1016/j.ijrmms.2010.04.011
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