KR100196634B1 - 정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다단식 발파기를 이용하여 터널 또는 수직구 등의 전단면을 1회의 발파로 굴착할 수 있을 뿐만 아니라, 발파로 인해 야기되는 지반진동 및 소음을 대폭 감소시킬 수 있는 정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템에 관한 것으로, 특히 심발공·심발확대공 및 외곽공에 장전된 지발뇌관의 기폭시차를 다단계로 분산제어함으로써 정밀기폭시차 조정이 가능하기 때문에 초기 지반진동의 제어 능률이 우수하고, 시공작업능률을 향상시킬 수 있는 것으로, 심발공·심발확대공 및 외곽공등을 일정한 형태의 소정깊이로 천공하는 천공단계와, 상기 천공된 공에 지발뇌관과 폭약을 채우는 폭약장전단계와, 상기 장전되는 지발뇌관들을 기폭시키는 기폭단계로 이루어진 발파방법에 있어서, 상기 심발공에는 20-25ms의 기폭시차 간격을 갖는 지발뇌관들을 폭약과 함께 장전하고, 상기 심발확대공 및 외곽공에는 100-500ms의 기폭시차 간격을 갖는 지발뇌관들을 폭약과 함께 장전시켜 다단식 발파기에서 회로구성을 통하여 회로별 일정한 지연시차를 설정하여 적정시차를 갖도록 조정하여 발파됨을 특징으로 한다.

Description

정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템

본 발명은 다단식 발파기를 이용하여 터널 또는 수직구 등의 전단면을 1회의 발파로 굴착할 수 있을 뿐만 아니라, 발파로 인해 야기되는 지반진동 및 소음을 대폭적으로 감소시켜 주고, 특히 심발공·심발확대공 및 외곽공에 장전된 지발뇌관의 기폭시차를 다단계로 분산제어 기폭시키게 함으로써 초기 지반진동의 제어가 우수할 뿐만 아니라, 시공작업능률을 향상시키는 정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템에 관한 것이다.

본 발명에 의한 암반 발파방식은 일반 도로·지하철 또는 고속철도등의 터널굴착공사, 도수터널, 에너지 및 농수축산물의 지하저장공동시설, 통신구, 전력구와 이에 부수되는 수직구등 여러 공사에서 적용될 수 있다.

특히, 발파장소가 인구가 밀집된 도심지인 경우나 인접지역에 구조물, 주택 또는 중요시설물등이 있는 경우에는 더욱 효과적으로 적용시킬 수 있다.

따라서, 상기 공사형태에 따라 여러가지 발파패턴이 적용될 수 있는데 시공작업의 효율성과, 발파시 발생되는 진동을 효과적으로 분산시켜 다른 구조물에 물리적 영향을 미치지 않도록 제어하기 위해서는 발파현장의 여건에 따라 적정 장약량의 산정, 최적발파설계, 고도의 발파기술이 요구된다.

그중에서도, 발파진동을 제어하는 기술은 필수적인 것이라 할 수 있다. 즉, 발파시 발생되는 지반진동으로 인하여 인체나 인접구조물에 물리적영향을 끼쳐 그 피해에 대한 민원을 유발시키게 됨으로써 공사진행에 지장을 일으킬 수 있으므로 발파진동을 저감시켜 발파하는 방식은 가장 중요한 것으로서 그에 알맞는 적정한 발파패턴이 요구된다.

이하에서 발파라 함은 폭약의 폭파에 의하여 발생하는 충격파 및 가스의 팽창력을 이용하여 물체를 파괴하는 것을 말하며, 발파진동이라 함은 폭약의 파쇄로 인해 발생하는 지반의 강한 흔들림을 의미한다.

통상적으로 터널등을 굴착하는 방법에는 고가의 굴착장비인 TBM장비등을 이용하여 굴착하는 기계식 굴착방법과, 착암기 또는 점보드릴등의 굴착기로 전단면내 소정의 위치에 여러개의 발파공을 천공하고, 이 천공된 공에 뇌관 및 폭약을 장전시킨 다음, 이를 폭파시켜 소요단면을 확보하는 발파공법으로 대별된다.

상기 TBM 장비를 이용하여 터널을 굴착하는 방법은 여굴·이완영역이 비교적 적게 형성되어 작업의 안정성은 높으나, 고가의 굴착장비를 사용함으로 경비가 많이 소요되는 문제점과, 굴착시 지반의 구성암질에 제약을 받는 결점이 있다. 즉, 극경암에서는 작업효율이 떨어지며, 특히 단층파쇄대나 연약지반에서는 굴진작업이 곤란하게 된다.

또한, 굴착단면의 변경이 어렵고, 구배가 20°이상이 되면 등판력이 약해 굴착에 제한을 받게 된다. 뿐만 아니라, 4차선 이상의 대단면터널에는 사용이 불가능하다. 이외에도 TBM 장비를 사용하기 위한 진입운반도로 확보, 대용량의 동력설비등 부대시설이 별도로 요구되어지는 문제점들이 있다.

그리고, 발파방법에 의한 터널굴착방법의 형태로써는 종래의 전단면 1회발파공법, 분할발파공법, 그리고 다단계발파공법으로 구분할 수 있으며, 진동의 제어기술로 종래 널리 이용되는 방법으로는 분할발파공법을 들 수가 있다. 어느 경우든 일반적으로 발파에 의한 터널굴착방법은 다음과 같은 3단계로 구분되어 실시된다.

제1단계로 심발공·심발확대공 및 외곽공 등을 일정한 깊이로 천공하는 천공단계와, 제2단계로 상기 천공된 공에 뇌관과 폭약을 채우는 폭약장전단계, 제3단계로 이들을 기폭시키는 기폭단계로 이루어지며, 마지막 단계에서 발파기에 의하여 발파시킴으로써 이루어진다.

이 3단계중, 제1, 2단계는 종래의 방법과 거의 동일하나, 제3단계에서는 다음과 같은 차이가 있다.

즉, 종래의 방법은 필요에 따라 심발공·심발확대공 및 외곽공에 MS(Milli-second)지발뇌관 또는 100-500ms 시차를 갖는 DS(Deci-second)지발뇌관들을 장전하고, 이들 장전된 지발뇌관들을 보조모선으로 발파기에 직접 연결하여 기폭시키기 때문에 시차조정이 최대 40단계로 제한된다.

그러나, 터널이나 수직구 등의 전단면을 굴착하고자 할 때, 단면의 크기에 따라 차이가 있으나, 대부분의 경우 100-400개의 장약공을 갖기 때문에 동일시간에 기폭되는 장약공의 수가 3-10여개씩 중복됨이 불가피하다.

따라서, 이 경우는 기폭되는 장약공수가 중복되지 않고 각각 1공씩 기폭되는 경우에 비하여, 지반진동 및 소음의 크기가 중복되는 것만큼 커지게 되는 문제점을 갖고 있다.

상기의 발파공법중 분할발파공법은 발파시 발생되는 진동 및 소음을 최소로 하기 위하여 터널의 전단면을 여러개의 수구획으로 구분하여 1구획 천공-발파, 2구획 천공-발파 등의 작업을 반복하게 된다. 그 주된 이유는 시판되는 MS 및 DS지발뇌관의 조합가능한 최대단수가 40단계에 불과하고, 각각 인접 지발뇌관 사이의 초시단차(예를들면, 1번 MS지발뇌관과 2번 MS지발뇌관 사이)가 불확실하여 때때로 중복되는 수가 있기 때문에 각 공을 중복되지 않게, 즉 독립적으로 기폭시키기 위해서는 실제로 이용할 수 있는 상기 지발뇌관의 기폭시차가 40단계중 최대 20-30단계에 불과하기 때문이다.

이 굴착방법은 동시에 기폭되는 폭약의 량(이를 지발당 장약량이라 함)이 적게되어 지반진동 및 소음을 최소화할 수 있는 점에서는 어느 정도 효과적이나, 전단면을 몇차례로 나누어 분할하여 발파하여야 하기 때문에 전체적인 작업능률이 저하되어 시공작업이 비능률적, 비경제적이다.

또한, 각 영역별로 파단면의 부석제거등 사후처리가 완전하지 않은 상태에서 계속적으로 작업을 해야 하기 때문에 안전사고의 위험이 높다.

따라서, 이와 같은 문제점들을 해결하고자 본인등이 이미 선출원한 바 있는 제1a도 및 제1b도에 도시한 바와 같은 터널(1)의 굴착을 위한 다단계발파공법을 제시한 바 있다.

이 방법은 전단면을 동시에 천공하고, 뇌관 및 폭약을 장전하여, 뇌관들의 각선을 발파모선에 연결하여 발파기에 결선시키되, 기폭은 다단식 발파기에 의하여 6개 구역으로 분할되어 회로별로 지연시차를 두기 때문에 1회발파와 같은 시공성 및 안정성을 확보하면서도 분할발파와 같은 진동감소효과를 얻을 수 있는 장점을 갖고 있다.

즉, 전단면을 6개 구역으로 분할하여 각구역을 초시간격 250-600ms의 단차를 갖는 DS지발뇌관들을 152개의 천공구멍에 각각 0.25-0.625Kg의 폭약과 함께 순차적으로 배열, 장전한 다음, 6개의 보조모선을 통하여 다단식 발파기에 연결시킨다.

그리고 다단식 발파기에 의하여 각 구역별로 회로당시차를 42ms의 지연시차를 설정후 기폭시킨다. 이때, 연속적으로 기폭시키도록 하면 지발뇌관에 의한 시차조정과, 다단식 발파기에 의한 시차조정으로 동일시간에 중복되어 기폭되는 지발뇌관이 없기 때문에 진동 및 소음이 감소되는 새로운 발파방식을 안출한 바 있다.

따라서, 전단면을 1회의 천공과, 폭약을 장전하되, 기폭은 6개구역으로 분할하여 1회발파와 같은 시공 및 안정성을 확보하면서도 분할발파와 같은 진동감소효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

상기 선출원은 종래의 분할발파에 비하여 발파모선이 단절되거나, 작업인원들이 결선하기 위하여 수차에 걸쳐 작업장을 왕복하여야 하는 작업이 없기 때문에 안전하고 간편하게 시행할 수 있다.

또한, 지발당 장약량을 최소화함으로써 발파시에 발생되는 진동과 소음을 최대로 감소시킬 수 있다. 따라서, 시공원가를 단축시키는 문제점들을 어느 정도 해결하고 있다.

일반적으로 터널굴착을 위한 발파시 가장 중요한 단계는 전체적인 발파의 성공여부를 좌우하는 가장 중요한 요소로서 심빼기작업이 있다. 이 심빼기작업시에 발생되는 초기 발파진동이 전체 발파작업에 있어서 가장 크게 나타나게 됨으로 이를 제어할 수 있어야 한다. 즉, 초기에는 자유면이 1개이나, 심빼기작업이 완료된 후에는 2자유면이 됨으로 상대적으로 진동 및 소음이 감소되는 요인이 된다.

따라서, 터널굴착시 심빼기작업은 시공작업의 효율성을 위한 순간적인 발파 및 초기진동을 분산시킬 수 있는 분산발파의 개념이 동시에 도입되어야 한다.

발파시 사용되는 폭약을 기폭시키는 뇌관의 종류는 MS시리즈뇌관과 DS시리즈뇌관의 지발뇌관이 있는데, 상기 MS시리즈뇌관의 기폭시차는 20ms로써 20단계의 시차를 갖는 지발뇌관이고, 상기 DS시리즈뇌관의 기폭시차는 250ms로써 20단계의 시차를 갖는 지발뇌관으로 이들을 조합하여 사용하게 되면, 이론적으로 37단계의 초시단차를 가질 수가 있다.

이들을 다시 다단식 발파기의 회로구성을 통하여 회로별로 연결하게 되면, 회로별로 세분화된 지연시차를 갖도록 할 수 있어 시차조정의 범위를 더욱 확대할 수 있다. 따라서, 시차범위가 확대되면 지발당 장악량을 줄이게 되어 진동을 감소시킬 수 있다.

그러나, 상기 DS시리즈뇌관은 그 초시단차가 20단계이상은 세분화되어 있지 않으며, 또한 최근에는 그 생산이 중단되었기 때문에 이들을 대체할 수 있는 지발뇌관들을 사용하여야 하는 문제점이 있다.

또한, 상기 선출원 다단계발파공법은 기폭시차가 0.25초인 DS시리즈뇌관만을 사용하는 것으로 고안되었기 때문에 심빼기작업이 효과적으로 이루어지지 않을 수도 있다. 그 이유는 DS시리즈뇌관 자체의 초시단차가 250ms로서 다단식 발파기를 이용하여 동일한 번호의 뇌관간의 기폭시차간격, 즉 회로별로 42ms의 지연시차를 갖고 있어 그만큼 기폭시차가 길어져서 심빼기발파작업에 있어서, 제발효과가 감소되기 때문이다.

즉, 뇌관단차간에 250ms의 초시간격을 갖는 DS시리즈뇌관들은 연속적인 발파시 회로별로 42ms의 지연시차를 갖고 기폭되는데, 이는 그만큼 발파간격이 길어짐을 의미하기 때문이다.

또한, 발파공이 150-300개인 대단면 터널의 경우에는 종래의 DS시리즈뇌관들을 조합한 최대 37단계의 초시단차로도 부족하여 동시에 기폭되는 지발당 장약량이 많아지게 되며, 이로 인해 초기진동이 커지는 문제점을 갖고 있다.

한편, 상기 선출원은 DS시리즈뇌관들로만 장전하기 때문에 발파패턴 설계시 뇌관번호별로 배열함에 있어 신중을 기해야 하는 문제점이 있다. 왜냐하면, 심발공을 중심으로 동심원상으로 뇌관배열 및 기폭시차조정이 어렵기 때문이다.

본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 20-25ms의 기폭시차 단차를 갖는 MS지발뇌관 및 100-500ms의 기폭시차 단차를 갖는 DS지발뇌관에 의한 기폭시차 이외에, 다단식 발파기에서 회로별로 각각의 뇌관들을 8-65ms 범위내의 지연시차를 설정하여 서로 다른 기폭시차를 갖도록 정밀하게 조정함으로써 기폭시간이 중복되지 않고 세분화되어 지반진동 및 소음의 크기가 대폭 감소되는 제어발파시스템의 특성을 갖는다.

따라서, 본 발명의 목적은 전단면의 장약공에 장전되는 지발뇌관의 기폭시차를 정밀하게 일정한 지연시차를 갖고 서로 다른 기폭시차로 분산, 기폭시킴으로써 초기진동을 제어하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 심발공 부분에 20-25ms의 기폭시차를 갖는 지발뇌관들을 장전하여 기폭시간을 단축시킴으로써 순간적으로 발파되게 하여, 제발효과를 얻도록 함으로써, 초기단계에서 발파진동을 제어하면서 심빼기작업을 용이하게 하는 데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 발파패턴을 설계할 때, 심발공 구역은 기폭시차 단차가 20-25ms의 지발뇌관들로 장전하여 뇌관자체가 갖고 있는 기폭시차만으로 기폭되게 하고, 필요시 심발중앙부에 무장약공 또는 베이비커트를 천공하여 인위적인 자유면을 이용한 진동감소와 효율적인 심빼기를 달성하는데 있으며, 또한 심발확대공 및 외곽공 구역은 기폭시차 단차가 100-500ms인 지발뇌관들을 회로별로 일정한 지연시차를 갖도록 하여, 즉 각각의 뇌관이 자체 기폭시차 이외에 지연시차를 가지면서 서로 다른 기폭시차를 갖고 기폭되게 함으로써 지발뇌관들의 기폭시차를 더욱 세분화하여 진동을 제어분산시키도록 하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 발파진동이 제어분산됨으로써 지발당 장약량을 0.06~5kg까지 장약시킬 수 있도록 하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 다단식 발파기에 의하여 동심원상의 연속적인 발파가 가능하도록 계획하는데 있으며, 이에 따라 1회의 발파 시공만으로도 굴착이 가능하기 때문에 공기단축등 시공성향상과 인력절감등 원가절감을 이룩하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 대단면 터널의 경우에도 1회의 발파작업으로도 가능하기 때문에 종래의 분할발파에 비하여 굴착작업의 안전성이 확보되는데 있다.

제1a도는 종래의 분할발파기술에 따른 발파단계를 나타내는 정면도.

제1b도는 제1a도의 터널발파패턴에 따른 A-A'선 천공단면도.

제2a도는 본 발명의 다단식발파에 따른 제1실시예를 나타내는 정면도.

제2b도는 제2a도의 터널발파패턴에 따른 B-B'선 천공단면도.

제3a도 내지 제3d도는 본 발명의 장약공의 상세 단면도.

제4도는 본 발명에서 사용되는 다단식 발파기의 구성도.

제5도는 본 발명의 제2실시예를 나타내는 도면.

제6a도 및 제6b도는 본 발명의 제3실시예를 나타내는 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 터널 2 : 심발공

3 : 심발확대공 4 : 외곽공

5 : 무장약공 6 : 장약공

7 : 뇌관 8 : 폭약

9 : 각선 10 : 전색물

11 : 보조모선 12 : 회로단자판

13 : 발파모선 14 : 다단식발파기

15 : 계기판 M₁, …_n: MS시리즈뇌관

L₁, …_n: LP시리즈뇌관

이하, 제2a도 내지 제4도를 참고로 하여 본 발명의 기술적 구성을 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 다단계발파공법으로서, 심발공(2)·심발확대공(3) 및 외곽공(4)등을 일정한 깊이로 천공하는 천공단계와, 상기 천공된 공에 지발뇌관(7)과 폭약(8)을 채우는 폭약장전단계, 이들을 기폭시키는 기폭단계로 이루어져 발파시킴에 있어서, 상기 기폭단계는 심발공(2)에는 각각 20-25ms의 기폭시차 간격을 갖는 지발뇌관들과, 심발확대공(3) 및 외곽공(4)에는 100-500ms의 기폭시차 간격을 갖는 지발뇌관들을 다단식 발파기(14)에서 회로별 각각 일정한 지연시차 범위내에서 회로별로 적정한 지연시차를 선택하여 각각의 지발뇌관들을 서로 다른 기폭시차를 갖고 기폭시킴으로써, 어떤 발파패턴을 채택하든 천공수가 많거나 적든간에 지발뇌관의 기폭시차 이외에, 다단식 발파기의 회로별 시차조정을 조합하여 서로 다른 시차로 기폭되게 하는 것을 본 발명의 핵심적인 기술사상으로 하고 있다.

이를 구체적으로 설명하면 제4도에서 나타낸 바와 같이, 심발공(2)에는 각각 20-25ms의 기폭시차 단차를 갖는 지발뇌관들을, 심발확대공(3) 및 외곽공(4)에는 100-500ms의 기폭시차 단차를 갖는 지발뇌관들을 폭약(8)과 함께 장전시킨 다음, 이들 지발뇌관들의 각선(9)을 영역별로 구분하여 보조모선(1)의 한쪽과 연결하고, 다시 이 보조모선(11)의 다른 쪽을 회로단자판(12)을 경유하여 발파모선(13)의 한쪽과 연결한다. 그리고, 발파모선(13)의 다른 쪽을 다단식 발파기(14)에 연결하여 회로를 구성하게 된다.

상기와 같이 구성된 회로를 통전시켜 지발뇌관이 갖고 있는 자체 기폭시차는 물론, 다단식 발파기에 의한 회로별로 각각 8-65ms의 일정한 지연시차 범위내에서 영역별로 적정시차의 선택이 가능하여 정밀시차조정이 이루어진다.

또한, 심발공 구역을 중심으로 기폭시차가 분산되어 동심원상으로 연속하여 분산 기폭되기 때문에 발파진동을 최대한 제어할 수 있으며, 시공성, 경제성, 안전성을 도모할 수 있는 특징을 갖고 있다.

한편, 지발뇌관을 배열함에 있어서, 최근에는 DS시리즈뇌관의 생산이 중단되어 이를 대체하여 LP시리즈뇌관이 생산되고 있다.

이 LP시리즈뇌관은 기존의 DS시리즈뇌관에 비하여 더 세분화된 25단계의 종류로 이루어져 있어, MS시리즈뇌관과 조합하면 최대 42단계의 초시를 얻을 수 있어 발파시 발생되는 진동 및 소음을 종전에 비하여 더욱더 여러 단계로 분산시킬 수 있다.

예를 들면, 발파되는 단면을 6개구역으로 구획하고, 이를 다단식 발파기의 6개의 회로와 구성하면 최대 42×6=252개의 서로 다른 기폭시차를 갖는 다단계로 분산시킬 수 있다.

뿐만 아니라, 제2a도 및 제2b도에서 도시한 바와 같이, 심빼기 중앙부 및 계획된 파단면부에 무장약공(5)들을 배열함으로써 인공적으로 균열면을 형성하여 발파진동의 전달을 부분적으로 차단할 수도 있다.

또한, 발파후 형성되는 파단면에 여굴이나 균열등이 형성될 경우, 이의 단면처리를 위하여 고가의 숏크리트가 많이 소요되는 문제점이 있으나, 터널파단면에는 모암의 손상을 적게 하기 위하여 무장약공과 정밀폭약을 적절히 배치, 활용함으로써 굴착파단면을 여굴 또는 과굴없이 미려하게 조성시킬 수 있다.

본 발명의 심발공(2)·심발확대공(3) 및 외곽공(4)등의 천공형태에 대하여 설명한다.

상기 발파공들은 다양한 배열형태로 천공될 수 있다. 먼저 발파할 장소의 막장면에 심발부분 및 그 주변에 심발공(2)·심발확대공(3) 및 외곽공(4)등이 천공되어야 할 위치를 표시한 후, 소정의 깊이를 갖도록 천공을 한다.

암반의 조건, 단면의 크기 등에 따라 다르지만 일바넉으로 심발공(2)·심발확대공(3) 및 외곽공(4)은 장약공(6)으로 그 천공깊이는 0.6m-3.0m로서 간격은 30-100cm이며, 파단면부에 천공되는 무장약공(5)은 그 깊이는 천공장의 1.1-1.5배의 깊이로 천공을 하며, 그 간격은 20-60cm로 천공되어진다.

본 발명의 실시예에서는 제2a도에 나타낸 바와 같이, 심발공(2)은 장약공(6)과 무장약공(5)으로 구분하여 중심부에는 무장약공(5)을 두고, 무장약공을 둘러싸고 일정한 간격으로 장약공(6)을 천공한다. 이때 대단면인 터널의 경우에는 심발공(2)에 무장약공(5)을 복수의 열과 행을 갖도록 배치시킬 수 있다.

한편, 제2b도에 나타낸 바와 같이, 심발공(2)의 천공된 단면은 표면에서 중심을 향하여 심발공(2)부위의 암석이 잘 빠져나오게 역V자형태로 천공되며, 심발공(2)부분이 단면이 큰 경우 또는 경암인 경우에는, 그 내부에 소형 V커트인 베이비 캇트형태로 천공한다. 또한, 심발공(2)의 천공은 천공방향이 서로 평행하게 이루어지는 번컷트 또는 60-75°의 각도를 갖는 V커트 형태로 천공될 수 있다. 이후, 심발확대공(3)은 일정한 간격으로 영역별로 동심원상 형태로 천공배치된다.

그리고, 파단면의 테두리부에는 일정간격으로, 바람직하기는 20-30cm의 좁은 간격으로 무장약공(5)만으로 형성시킬 수 있는데, 이는 심발공(2)·심발확대공(3) 및 외곽공(4)의 발파시 발생되는 진동이 주변으로 전달되는 량을 감소 또는 차단시키기 위해서이다. 즉, 테두리부에 무장약공(5)을 천공하면 인공자유면이 형성되어 발파시 진동 및 소음을 제어할 수 있다.

제2a도 및 제3a, 3b, 3c, 3d도에 도시하는 바와 같이, 발파공의 천공이후의 작업으로서 뇌관장전 및 전색에 대하여 설명한다.

천공작업이 완료된 이후, 천공된 장약공(6)에 폭약(8)과 함께 장전되는 폭약의 량은 지발당 장악량이 0.06~5kg의 범위내에서 장약되어짐을 밝혀둔다.

심발공(2)에는 20-25ms의 기폭시차 간격을 갖는 지발뇌관들을 순차적(번호순)으로 동심원형태로 아래쪽에서 위로 좌우대칭되게 폭약과 함께 배열 장전시키며, 이때 각 작약공(6)에 장약되고 남은 부분은 전색물(10)로 채운다.

심박확대공(3) 및 외곽공(4)들에는 100-500ms의 기폭시차 간격을 갖는 지발뇌관들을 순차적(번호순)으로 동심원형태로 영역별로 폭약과 함께 배열장전시키며, 각 장약공(6)의 나머지 부분은 전색물(10)로 채운다.

일반적으로 전색물(10)은 모래주머니를 이용하는데, 이것은 장약공(6)을 밀폐시켜 폭약(8)이 기폭될 때의 폭발력이 암반파괴에 효과적으로 작용하기 때문이며, 또한 폭발시 발생되는 가스압과 소음을 외부로 나오게 하는 것을 막아주게 된다.

제3a도 내지 제3d도와 제4도에 도시되는 바와 같이, 심발공(2)은 각 장전된 장약공(6)을 전색물(10)로 채우고 뇌관(7)의 각선(9)은 보조모선(11)을 통하여 회로단자판(12)에 연결시킨 다음에, 발파모선(13)으로 다단식 발파기(14)의 점화구에 연결시켜 기폭시킨다.

한편, 대단면인 터널의 경우에는 뇌관(7)을 배열함에 있어서, 발파공의 개수가 많기 때문에 LP시리즈뇌관의 기폭시차가 25단계이상으로 더 세분화되어 있지 않으므로 외곽공(4)의 테두리부쪽으로 갈수록 동일한 기폭시차를 갖는 지발뇌관을 그룹별로 중복되게 장전할 수도 있다.

이 경우 지발당 장약량이 많아져서 발파진동이 그만큼 커지게 되나, 이는 발파되는 전단면이 클수록, 또한 외곽으로 갈수록 동일 기폭시차의 지발뇌관이 그룹별로 2-5개씩 집중되어도 심빼기 이후 내부 자유면이 확대형성됨으로 인하여 진동감소효과가 있기 때문에 가능하다.

여기에서 동일한 기폭시차를 갖는다 함은 그만큼 동시에 발파되는 장약량이 많아진다는 것으로 장전된 폭약의 발파시 진동이 배로 커짐을 의미한다. 이런 경우에는 내부에 자유면이 크게 확대됨으로 지발당 장약량이 중복되어도 진동을 감소시킬 수 있기 때문이다.

다음으로 다단식 발파기(14)의 회로구성에 대하여 설명한다.

제4도에 도시한 바와 같이, 다단식 발파기(14)는 10개의 회로별로 3자리수를 갖는 계기판(15)이 있는데, 이 계기판(15)의 3자리수는 0-999ms의 지연시차를 갖도록 임의로 조정할 수 있게 되어 있으며, 회로별로 최대 9개의 시차간격을 줄 수가 있다.

그런데, 회로구성은 심발공 구역 1개, 심발확대공(3) 및 외곽공(4) 구역 4-5개로서 모두 5-6개의 회로로 구성하는 경우가 발파패턴을 설계하기가 가장 용이하다.

이는 지발뇌관들의 각선을 발파모선에 연결하여 다단식 발파기에서 5-6개의 회로로 구성하는 작업이 복잡하지 않고 용이하게 작업할 수 있기 때문이다. 그러나, 발파현장 여건등에 따라, 회로구성을 10개로 하는 경우도 가능함을 밝혀 둔다.

한편, 심발공(2)은 자체 기폭시차를 갖고 기폭되는 MS시리즈뇌관의 기폭시차 간격이 20-25ms로써 회로상에 지연시차를 둘 필요가 없다. 자체 기폭시차범위가 0.02-0.025초의 짧은 시차간격을 갖기 때문이다.

그러나, 심발확대공(3) 및 외곽공(4)에 대하여는 LP시리즈뇌관의 기폭시차 간격이 100-500ms로써, 상기 심발공(2)부분의 기폭시차범위보다도 5-20배의 큰 시차간격을 갖기 때문에 이를 다단식 발파기(14)의 계기판(15)에서 균등하게 회로별, 영역별로 분배할 경우, 최대가능한 지연시차가 0-999ms의 범위내의 지연시차를 가질 수 있으나, 가장 바람직하기는 8-65ms의 지연시차 범위내에서 기폭시차를 조정하는 것이 가장 효과적이다.

따라서, 심발공(2) 구역은 지발뇌관 자체가 갖고 있는 20-25ms의 기폭시차 간격을 갖고서 단계별로 기폭된다. 그리고, 심발확대공(3) 및 외곽공(4) 구역은 100-500ms의 기폭시차 간격을 갖는 지발뇌관들로 구성되나, 이들을 영역별로 구분하여 회로별로 8-65ms의 지연시차 범위내에서 적정시차를 선택하면, 서로 다른 기폭시차로써 연속적으로 기폭시킬 수 있다. 상기에서 적정한 지연시차는 회로별로 동일한 지연시차 간격 또는 상이한 지연시차 간격을 갖는 것임을 밝혀둔다.

따라서, 발파공이 초기단계에서는 0.02-0.025초의 초시단차를 두고 기폭되고, 발파진행단계에서는 지발뇌관 자체가 갖고 있는 0.2초의 초시단차에, 다단식 발파기의 회로별구성으로 선택된 적정한 지연시차를 갖고 기폭되며, 종료단계에서는 지발뇌관 자체가 갖고 있는 0.5초의 초시단차에 다단식 발파기의 회로별구성으로 선택된 적정한 지연시차를 갖고 기폭되어 발파가 이루어진다.

이와 같이 지발뇌관 자체가 갖고 있는 기폭시차이외에, 회로별로 적정한 지연시차를 갖고 다단계로 연속하여 분산발파된다. 따라서, 지발당 장약량이 감소됨으로 인하여 발파시 발생되는 진동 및 소음을 초기에 정밀하게 제어할 수 있는 것이다.

이때, 기폭되는 순서는 한 단면내 공의 위치에 따라 심발공(2)→심발확대공(3)→천정 및 벽면공→바닥공 등의 외곽공(4)순으로 이루어진다.

본 발명의 회로별 뇌관(7) 기폭순서 및 발파에 대하여 설명한다.

회로구성을 복수개로 하여 여러 형태의 발파패턴을 설계할 수 있으나, 가장 적당하기는 5-6개의 회로구성을 하는 것이 적당하다. 그 이유는 설계된 발파패턴은 심발공(2) 구역에 장전되는 지발뇌관은 심발공(2)을 중심으로 뇌관번호순으로 배열하기 쉽고, 또 심발확대공(3) 및 외곽공(4)들에 장전되는 지발뇌관들을 좌우·상하 대칭으로 배열하기 용이하기 때문이다.

이하에서 기재된 표 1은 예시적인 것임을 밝혀 둔다.

표 1은 하나의 발파패턴으로써, 발파시키고자 하는 전단면을 1개의 심발공(2) 구역과 4개의 심발확대공(3) 및 외곽공(4) 구역으로 나누어 모두 5개의 구역으로 회로구성을 통하여 발파되는 지발뇌관의 기폭시차를 나타내고 있다.

표 1에 의하여 뇌관들의 기폭순서 및 발파에 대하여 설명한다.

심발공(2) 구역은 MS시리즈뇌관으로서 20ms의 기폭시차 단차를 갖는 M₇-M19의 13개의 지발뇌관들이 자체 기폭시차를 갖고 기폭되며, 심발공(2) 이외의 심발확대공(3) 및 외곽공(4) 구역은 100-500ms의 기폭시차 단차를 갖는 LP₄-LP₂₅의 22개의 LP시리즈뇌관들을 5개의 회로구성을 통하여 회로별 각각 25ms의 지연시차를 갖고 기폭되도록 구성한 것을 나타내고 있다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 심발공(2) 구역은 0.38초 이내에 연속적으로 기폭되고, 이후 심발확대공(3) 및 외곽공(4) 구역은 심발공(2)의 주변부터 영역별로 동심원상으로 외곽공(4) 쪽으로 가면서 순서대로 0.025초의 지연시차를 두고 연속적으로 기폭되어 전체적인 발파가 7.1초이내에 이루어짐을 알 수 있다.

본 발명의 시공순서에 대하여 설명한다.

우선 발파할 장소의 막장면에 심발공(2)·심발확대공(3) 및 외곽공(4) 등 천공할 위치를 표시한 후, 소정의 깊이를 갖도록 천공을 하는데, 통상적으로 심발공(2)·심발확대공(3) 및 외곽공(4)들은 0.6m-3.0m의 깊이로 천공한다.

천공작업이 완료된 이후에는 영역별로 지발뇌관들을 장전시키게 된다.

심발공(2)에는 20-25ms의 기폭시차 단차를 갖는 지발뇌관들을 좌우 대칭으로 아래에서 위로 순차적(번호순)으로 배열장전시킨 후, 심발확대공(3) 및 외곽공(4)들에는 동심원형태로 영역별로 100-500ms의 기폭시차 단차를 갖는 지발뇌관들을 순차적(번호순)으로 배열장전시킨다.

제3a도 내지 제3d도에 도시하는 바와 같이, 각 발파공의 장전상태를 보여 주고 있다. 제3a도에 나타낸 발파공은 심발공(2)에 대한 장전상태를 나타내고, 제3b도, 제3c도에 나타낸 것은 심발보조공 등의 심발확대공(3)에 대한 장전상태이고, 제3d도에 나타낸 것은 천정공·측벽공 및 바닥공등의 외곽공(4)에 대한 장전상태를 나타내고 있다.

제3a도 내지 제3d도에 도시한 바와 같이, 장전된 발파공을 모래주머니 등의 전색물(10)로 채워 밀폐시키고, 뇌관(7)으로부터 빠져 나온 각선(9)을 보조모선(11)을 통하여 회로단자판(12) 및 발파모선(13)에 의하여 다단식 발파기(14)에 연결시킨 후, 상기 다단식 발파기에서 영역별로 접속된 뇌관들을 회로별 25ms의 지연시차를 갖도록 회로구성을 통하여 점화구에 연결시킨 후에 심발공(2)·심발확대공(3) 및 외곽공(4)을 발파시킨다.

이때, 발파시 영역별 뇌관의 기폭순서는 심발공(2)→심발확대공(3)→천정공 및 측벽공→바닥공의 외곽공(4)순으로 연속적으로 발파가 이루어진다. 발파된 이후에 버럭처리를 하고 1차숏크리트처리를 한 후에 지보를 설치한다. 그 후 와이어메쉬를 부착시킨 후에 2차숏크리트 또는 3차숏크리트 처리를 통하여 발파된 외면을 정리하고, 록볼트로 고정시킴으로써 발파된 단면에 대한 구축을 완료한다.

이와같은 발파방법에 의하여 굴착작업을 계속적으로 실시하여 굴진해 나간다.

제5도는 본 발명의 제2실시예에 관한 도면으로써, 터널의 폭이 통상의 터널보다도 크게 형성되는 대단면터널의 경우, 예를 들어 교차왕복되는 지점, 즉 정거장이 형성되거나 분기된 터널에서 서로 합쳐지는 부분에 대한 경우로써, 천공된 공의 수가 많으므로 이때는 2회에 걸쳐 분할발파를 하게 되는 것이 효과적이며, 또한, 도시하지는 않았으나 천정고가 높은 경우에도 상부단면과 하부단면을 교대로 발파하여 굴착할 수도 있음을 밝혀둔다. 이와 같은 경우에도 발파방법은 상기 제2a도에서 나타낸 제1실시예와 같은 다단계발파 방식으로 이루어짐을 밝혀둔다.

제6a도 및 제6b도는 본 발명의 제3실시예에 관한 도면으로써, 다단식 발파를 행함에 있어서 터널발파공법과는 달리 수직구 발파에 적용되는 것으로, 천공단계와, 폭약과 함께 장전되는 장전단계가 터널발파방식과 상이한 발파패턴을 가지나, 지발뇌관들을 기폭시키는 방식은 제2a도에서의 터널발파방식과 유사하다.

따라서, 본 발명은 첫째, 전단면의 장약공에 장전되는 지발뇌관 자체가 갖고 있는 기폭시차이외에, 다단식 발파기에서의 회로별 일정한 지연시차를 선택하여 기폭시차를 조정하여 각각의 지발뇌관이 서로 다른 기폭시차로 제어분산시켜 기폭시킴으로써, 지발뇌관들의 기폭시차를 더욱 세분화하여 초기진동을 효과적으로 제어할 수 있으며, 또한 지발당 장약량을 감소시킬 수 있으므로 발파로부터 수반되는 지반의 발파진동을 다단계로 제어분산시킬 수 있는 효과가 있다.

둘재, 심발공(2) 부분에 20-25ms의 기폭시차 단차를 갖는 지발뇌관들을 장전하여 기폭시간을 단축시킴으로써 순간적으로 발파되게 하여, 재발효과를 얻어 그에 따라, 초기단계에서 발파진동을 제어하면서 심빼기작업이 용이하게 이루어지며, 또한 심발중앙부에 무장약공(5) 또는 베이비커트를 천공하여 인위적인 선(先) 자유면을 이용한 진동감소와 효율적인 심빼기가 가능한 효과가 있다.

셋째, 발파패턴을 설계할 때, 뇌관들의 장전배열을 용이하게 할 수 있을 뿐만 아니라, 누구나 작업이 용이하게 할 수 있다.

넷째, 다단식 발파기에 의하여 동심원상의 연속적인 발파가 가능하여 1회의 발파 시공만으로도 굴착이 가능하기 때문에 공기단축과 인력절감 및 원가절감등 시공효율의 경제성을 달성할 수 있으며, 대단면인 경우에도 1호의 발파작업으로도 가능하기 때문에 종래의 분할발파에 비하여 굴착속도를 신속하게 진행할 수 있는 시공작업의 용이성을 확보할 수 있다.

다섯째, 지발당 장약량을 0.06-5kg까지 조절가능하므로 진동의 발생을 원천적으로 감소시킬 수 있는 효과가 있으며, 여섯째, 대단면이 1회의 발파작업으로 가능하기 때문에 종래의 분할발파에 비하여 굴착작업의 안정성을 확보할 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 여러가지 발파패턴에 따라 천공수가 많거나 적든간에 1회의 발파로 굴착할 수 있을 뿐만 아니라, 지발뇌관의 지연시차와, 다단식 발파기의 회로별 시차조정을 조합하여 서로 다른 기폭시차로 장전된 지발뇌관들을 연속적으로 기폭되게 함으로써, 발파로 인해 야기되는 지반진동 및 소음을 대폭적으로 감소시켜 주고, 특히 심발공(2)·심발확대공(3) 및 외곽공(4)의 기폭시차를 다단계로 분산제어함으로써 초기 지반진동의 제어가 우수하며, 시공작업능률을 향상시키는 유용한 발명인 것이다.

Claims (9)

1. 심발공(2)부분은 장약공과 무장약공으로 일정한 배열형태로 소정깊이로 천공시키고, 심발확대공(3) 및 외곽공(4)등은 소정깊이의 동심원형태로 천공하는 발파공 천공단계와, 상기 발파공들에 폭약(8)과 함께 지발뇌관(7)들을 장전하는 폭약장전단계와, 상기 발파공들에 장전되는 지발뇌관들의 각선(9)을 보조모선(11)으로 회로단자판(12)에 연결하여 발파모선(13)으로 다단식 발파기(14)에 연결시켜 기폭시키는 기폭단계로 이루어진 발파방법에 있어서, 심발공(2)부분에는 20-25ms의 기폭시차를 갖는 지발뇌관들과, 심발확대공(3) 및 외곽공(4)은 100-500ms의 기폭시차 단차를 갖는 지발뇌관들로 각각 분리하여 장전시켜서, 다단식 발파기의 회로구성을 통하여 상기 심발공(2) 구역은 지발뇌관 자체가 갖고 있는 기폭시차를 갖고 발파되게 하며, 심발확대공(3) 및 외곽공(4) 구역은 회로별로 지발뇌관들의 기폭시차이외에 각각 일정한 지연시차 범위내에서 적정시차를 설정하여 각 장약공(6)이 서로 다른 기폭시차를 갖고 연속적으로 기폭됨을 특징으로 하는 정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 심발공(2)의 장약공들에 설치되는 지발뇌관들은 기폭시차 단차가 20-25ms인 지발뇌관들을 사용함을 특징으로 하는 정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템.
3. 제1항에 있어서, 상기 심발공(2)에는 수개의 무장약공(5)들이 일정간격으로 일정배열형태를 갖고 천공됨을 특징으로 하는 정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템.
4. 제3항에 있어서, 상기 무장약공들은 심발공(2)의 중심에 수직으로 일직선상으로 복수개가 천공됨을 특징으로 하는 정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템.
5. 제1항에 있어서, 상기 심발확대공(3) 및 외곽공(4)들에 설치되는 지발뇌관들은 기폭시차 단차가 100-500ms인 지발뇌관을 사용함을 특징으로 하는 정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템.
6. 제1항에 있어서, 상기 심발확대공(3) 및 외곽공(4)들은 터널중심부에서 주변부로 갈수록 동일한 기폭시차를 갖는 지발뇌관들이 복수개로 그룹별로 설치됨을 특징으로 하는 정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템.
7. 제1항에 있어서, 상기 외곽공(4)의 가장자리에는 무장약공(5)들이 일정간격으로 천공됨을 특징으로 하는 정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템.
8. 제1항에 있어서, 심발확대공(3) 및 외곽공(4)은 회로별로 동일 기폭시차의 지발뇌관들을 8-65ms의 지연시차범위내에서 적정시차를 선택하여 발파됨을 특징으로 하는 정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템.
9. 제1항에 있어서, 심발확대공(3) 및 외곽공(4)의 지발당 장약량은 0.06-5kg인 것을 특징으로 하는 정밀기폭시차 조정이 가능한 진동제어 암반발파시스템.

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