KR100438028B1

KR100438028B1 - 선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파 공법

Info

Publication number: KR100438028B1
Application number: KR10-2001-0041656A
Authority: KR
Inventors: 기경철; 김일중; 조영동
Original assignee: 조영동; 기경철; 김일중
Priority date: 2001-07-11
Filing date: 2001-07-11
Publication date: 2004-06-30
Also published as: KR20030015900A

Abstract

본 발명은 선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파공법에 관한것이다.

본 발명은 터널의 중심 상단부에 심빼기공들과 심빼기 보조공들을 천공하는 단계와; 심빼기 확대발파공들을 천공하는 단계와; 막장 확대발파공들을 천공하는 단계와; 설계굴착선공들을 천공하는 단계와; 설계굴착선 전열공들을 천공하는 단계와; 바닥공들을 천공하는 단계와; 천공된 구멍들에 전기식 이나 비전기식 지발뇌관 중 어느 하나를 삽입하는 단계와; 심빼기 보조공을 발파시켜 불연속면을 갖게 하는 단계와; 분연속면 내부에 위치하는 다수개의 심빼기공들을 발파하여 자유면을 확보하는 단계와; 심빼기 확대발파공들과 막장 확대발파공들, 그리고 설계굴착선공, 설계굴착선 전열공들과 바닥공들을 천반쪽을 자유면으로 하여 천반에서부터 바닥쪽으로 자체 기폭시차에 의해 차례로 기폭 되는 단계로 이루어져 소음 및 폭풍압을 저감시킬 수 있도록 하고, 지반진동을 효과적 저감시킬 수 있도록 하고, 천반방향의 자유면이 형성되어 터널상부 지표면에 전달되는 지반진동을 탁월하게 감소시킬 수 있도록 한 것이다.

Description

선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파공법{A tunnel blasting method favorable to the environment,which utilizes pre-splitting and an upper center cut}

본 발명은 선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파공법에 관한 것으로서 특히, 심빼기 부분을 터널의 중심 상단부에 위치시키고, 심빼기 확대발파부분은 심빼기 부분 하부에 위치하도록 하며, 막장 확대발파부분, 바닥공 부분, 설계 굴착선부분 및 설계굴착선 전열공을 소정의 영역으로 분할하여 일정한 지연시차를 갖고 기폭 되도록 함으로써 발파공내의 전색물의 이탈과 발파공내의 폭약이 발파공 외부로 노출된 상태에서 기폭됨으로서 발생하는 소음 및 폭풍압을 저감시킬 수 있도록 하고, 소정의 영역으로 분할하여 지반진동을 효과적 저감시킬 수 있도록 하고, 천반방향의 자유면이 형성되어 터널상부 지표면에 전달되는 지반진동을 탁월하게 감소시킬 수 있다.

또한 설계굴착선이 선균열 됨으로서 모암의 손상과 여굴을 방지하고, 기하학적인 영역분할로 장약작업이 용이하며, 전막장을 일정한 천공경으로 천공하기 때문에 천공시간을 줄이도록 하고 아울러 심빼기가 확실하여 굴진율이 향상되고, 파쇄된 암석의 비산거리가 짧아지도록 한 것이다.

일반적으로 각종 에너지와 폐기물의 지하 저장시설과 에너지 전달을 위한 공동구 시설, 지상의 많은 교통량을 분산하고 물동량의 신속한 이동을 위해 지하철이나 철도 및 고속철도 그리고 국도 및 고속도로 등의 도로터널이 건설되고 있으며 지하공간에서 수많은 발파작업이 진행되고 있다.

지하공간의 확보를 위해서는 대부분 화약을 사용한 발파공법이 널리 이용되고 있고, 화약을 사용하는 암반발파공법을 채택하는 경우 시공의 효율성과 환경침해 및 각종 피해발생에 유의해야 한다.또한 지하공간 확보를 위한 시공의 효율성을 높이기 위해서는 1회로 발파당 굴진장을 증대시켜야 하고, 환경침해 및 피해발생을 억제하기 위해서는 발파에 의한 지반진동, 소음, 폭풍압 및 분진발생 등 발파공해를 저감시켜야 한다.

그러나 일반적으로 1회로 발파당 굴진장을 증대시키면 발파공해가 커지고,발파공해를 저감시키면 1회로 발파당 굴진장이 감소되는 상호 상반된 관계가 있다.

터널발파의 효율성은 심빼기 발파에 크게 좌우되는데, 종래에는 경사공 심빼기공법(V-cut)이나 수평방항 소구경의 무장약공 2∼3개를 자유면으로 활용하는 번커트(Burn-cut)를 사용해 왔으며, 최근에는 대형 천공장비를 사용하여 대구경의 무장약공 3∼4개를 자유면으로 하는 실린더 커트(Cylinder-cut)공법이 활용되고 있다.

그러나 좁은 면적에서의 심빼기공 및 무장약공을 천공하는데 천공의 정밀성이 요구되고 많은 시간이 소요되며, 암반의 조건에 따라서는 잔류공이 과다하게 형성됨으로서 굴진율이 저하되어 비효율적이거나 지반진동, 소음, 폭풍압 및 분진이 높거나 많이 발생하기도 하며, 파쇄된 암석이 터널내 원거리까지 비산하기도 한다.

최근에까지 터널굴착 발파에는 도 28 내지 44에 도시된 바와 같이 심빼기부 (100)를 막장 가운데 부분에 위치시켜 심빼기 발파를 실시하고 있다. 그리고 심빼기 확대발파부(110)는 심빼기 한 부분을 자유면(F4)으로 하여 발파하고, 확대 형성된 자유면을 중심으로 하여 거의 동심원적인 좌·우·상·하 방향으로 막장 확대발파부 (120)를 발파(도 35에 도시함)시키면서 진행되었다.

이때 사용되는 발파방법은 1)1자유면을 갖는 터널발파에서 심빼기 위치는 막장 중심부근에 위치시켜 왔으며, 경사공 심빼기공법(V-cut 공법)과 Burn-cut 및 대구경의 수평공 심빼기 공법인 실린더 커트(Cylinder-cut : Burn-cut의 개량 형태)를 주로 사용하는 심빼기 방법과, 2)전기식 지발뇌관이나 비전기식 지발뇌관을 사용하여 발파하는 어느 경우에도 심빼기 확대발파공(130)들과 막장 확대발파공(140)들을 심빼기공(150)을 중심으로 상·하·좌·우 방향에 배열하여, 여러 방향의 자유면 (F4)을 이용하는 다방향 자유면 발파방법과, 3)다단식 발파기를 이용하여 전기식 지발뇌관을 사용하거나, 비전기식 지발뇌관을 사용하여 발파하는 어느 경우에도 막장 중심부에 위치하는 심빼기부(100)를 중심으로 모든 발파영역을 방사상으로 분할하는 방사상 분할방법과, 4)설계굴착선 전열공(160)들을 설계굴착선공(170)들 보다 먼저 기폭하는 설계굴착선 전열공선 발파방법과, 5)무장약공(180)을 발파공보다 큰 직경의 비트로 천공하여 자유면으로 이용하는 방법을 사용하였다.

또한 도 33,34에 도시된 바와 같이 터널(190)의 바닥방향을 자유면으로 상부쪽에서 하부쪽으로 발파할 경우 높은 소음과 폭풍압이 발생하고, 파쇄된 암석이 원거리까지 비산하기도 하며, 터널상부 지표면에 높은 지반진동이 전달되었다.

이러한 원인으로 인해 도로공사시 법면쪽의 모암을 보호하고, 여굴을 감소시키며, 매끄러운 면을 형성하기 위해서는 법면공을 법면 전열공보다 먼저 조절발파하여 선균열(pre-splitting)을 형성시킨 후에 법면 전열공을 기폭하는 방식을 채택하기도 한다.

그러나 최근까지의 터널발파공법에서는 소음과 폭풍압 발생이 증폭되는 문제가 야기됨으로서 사실상 설계굴착선공을 먼저 선균열 발파하고 설계굴착선 전열공을 이후에 발파하는 것은 배제되고 있다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출한 것으로서 터널발파시 발생하는 지반진동, 소음 및 폭풍압 등의 발파공해를 저감시킬 수 있는 터널발파기술을 개발하고, 천공과 장약시간 단축, 터널의 모암보호와 여굴발생을 억제하는데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 막장의 정면도.

도 2는 본 발명에 따른 막장의 종단면도.

도 3의 (a)내지(c)는 본 발명에 따른 심빼기부의 예시도.

도 4는 본 발명에 따른 1차 막장 확대 발파부의 예시도.

도 5의 (a)(b)는 본 발명에 따른 평행공 심빼기 및 심빼기 확대발파부의 예시도.

도 6은 본 발명에 따른 경사공 심빼기 및 심빼기 확대발파부의 예시도.

도 7의 (a)내지(c)는 본 발명에 따른 막장의 굴착순서를 도시한 예시도.

도 8은 본 발명에 따른 기폭순서를 도시한 예시도.

도 9는 본 발명에 따른 부분별 기폭순서를 도시한 예시도.

도 10은 본 발명에 따른 막장 발파후 파쇄암의 비산상태를 도시한 예시도.

도 11은 본 발명에 따른 막장 발파시 진동 전파의 주방향을 도시한 정면 예시도.

도 12는 본 발명에 따른 막장의 발파시 진동전파의 주방향을 도시한 측면 예시도.

도 13은 본 발명에 따른 막장의 영역 분할 및 발파의 방향을 도시한 예시도.

도 14의 (a)(b)는 본 발명에 따른 굴진장 1.6m를 갖는 막장의 배공도 및 영역분할을 도시한 예시도.

도 15는 본 발명에 따른 굴진장 1.6m를 갖는 막장의 장약이 설치된 상태시의 예시도.

도 16의 (a)내지(i)는 본 발명에 따른 굴진장 1.6m를 갖는 막장에 삽입되는 장약의 구성도.

도 17은 본 발명에 따른 굴진장 3.5m를 갖는 막장의 배공도 및 영역분할을 도시한 예시도.

도 18은 본 발명에 따른 굴진장 3.5m를 갖는 막장의 장약이 설치된 상태시의 예시도.

도 19의 (a)내지(f)는 본 발명에 따른 굴진장 3.5m를 갖는 막장에 삽입되는 장약의 구성도.

도 20은 본 발명에 따른 막장의 확대발파를 도시한 예시도.

도 21은 본 발명에 따른 막장의 설계굴착선 전열공발파를 도시한 예시도.

도 22는 본 발명에 따른 발파공과 발파공 사이의 균열반경을 도시한 예시도.

도 23은 본 발명에 따른 폭약주변에 발생되는 파쇄권을 도시한 예시도.

도 24는 본 발명에 따른 이종매질의 진동전파를 도시한 예시도.

도 25는 본 발명에 따른 장약이 삽입된 상태를 도시한 심빼기 부분의 예시도.

도 26은 본 발명에 따른 기타 부분의 발파 영향을 도시한 예시도.

도 27은 본 발명에 따른 노천 발파시험을 도시한 예시도.

도 28은 종래 기술에 따른 막장의 정면도.

도 29의 (a)내지(c)는 종래 기술에 따른 막장의 굴착순서를 도시한 예시도.

도 30은 종래 기술에 따른 막장의 기폭순서를 도시한 예시도.

도 31은 종래 기술에 따른 막장의 부분별 기폭순서를 측면에서 도시한 예시도.

도 32는 종래 기술에 따른 막장의 발파후 파쇄암의 비산상태를 도시한 예시도.

도 33은 종래 기술에 따른 막장의 발파시 진동 전파의 주방향을 도시한 예시도.

도 34는 종래 기술에 따른 막장의 발파시 진동전파의 주방향을 도시한 단면 예시도.

도 35는 종래 기술에 따른 막장의 영역 분할 및 발파 방향을 도시한 예시도.

도 36은 종래 기술에 따른 막장의 심빼기 부분을 도시한 예시도.

도 37은 종래 기술에 따른 굴진장 1.6m를 갖는 막장의 배공도 및 영역분할을 도시한 예시도.

도 38은 종래 기술에 따른 굴진장 1.6m를 갖는 막장의 장약이 설치된 상태시의 예시도.

도 39의 (a)(b)는 종래 기술에 따른 굴진장 1.6m를 갖는 장막에 삽입되는 장약의 구성도.

도 40은 종래 기술에 따른 굴진장 3.5m를 갖는 막장의 배공도 및 영역분할을 도시한 예시도.

도 41은 종래 기술에 따른 굴진장 3.5m를 갖는 막장의 장약이 설치된 상태시의 예시도.

도 42의 (a)내지(d)는 종래 기술에 따른 굴진장 3.5m를 갖는 장막에 삽입되는 장약의 구성도.

도 43은 종래 기술에 따른 막장의 확대발파를 도시한 예시도.

도 44는 종래 기술에 따른 막장의 설계굴착선 전열공발파를 도시한 예시도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

7:심빼기공 8,9:심빼기 보조공

10:심빼기 확대발파공 13:설계굴착선공

14:설계굴착선 전열공 14a:막장 확대발파공

이하, 본 발명에 따른 선균열과 상부 심빼기를 이용한 터널 발파 공해저감 공법을 첨부 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.터널을 굴착하고자 하는 막장면을 부분별로 소정의 깊이의 심빼기공, 심빼기 보조공, 심빼기 확대발파공, 막장 확대발파공, 설계 굴착선공, 및 바닥공들을 천공한 후, 이 천공내에 뇌관과 폭약들을 장전하고, 상기 장약공들의 입구를 전색물로 전색한 다음, 발파기로 지발뇌관을 기폭하면 지연시차에 따라 차례로 기폭되어 암반을 굴착하는 터널발파공법에 있어서, 터널의 중심 상단부에 소정의 간격을 갖는 여러 개의 심빼기공(7)들과 심빼기공 (7)들 주변에 소정의 간격을 갖는 심빼기 보조공(8,9)들을 천공하는 단계와; 상기 심빼기 보조공(8,9)들 아래 부분에 위치하며 소정의 공간격(S)/저항선(B)의 비율로 배치되는 심빼기 확대발파공(10)들을 천공하는 단계와; 상기 심빼기 보조공(8,9)들 내부에 소정의 간격으로 배치되는 무장약공을 천공하는 단계와; 상기 심빼기 확대발파공(10)들 아래 부분에 위치하며, 1차 막장 확대발파공(11)들을 천공하는 단계와; 상기 1차 막장 확대발파공(11)들 아래 부분에 위치하는 2차 막장 확대발파공(14a)들을 천공하는 단계와; 외측에 설계굴착선공(13)들을 천공하는 단계와; 상기 설계굴착선공(13)의 내부로 소정의 간격을 갖도록 구비된 설계굴착선 전열공(14)들을 천공하는 단계와; 하측에 바닥공(15)들을 천공하는 단계와; 상기 천공된 심빼기공(7), 심빼기 보조공(8,9), 심빼기 확대발파공(10), 1차 막장 확대발파공(11), 2차 막장 확대발파공(14a), 설계굴착선공(13), 설계굴착선 전열공(14), 바닥공(15)에 전기식 이나 비전기식 지발뇌관 중 어느 하나를 삽입 연결하는 단계와; 상기 심빼기 보조공(8,9)을 발파시켜 선균열이 형성되는 불연속면을 갖게 하는 단계와; 상기 불연속면 내부에 위치하는 다수개의 심빼기공(7)들과 심빼기 확대발파공(10)들을 발파하여 자유면을 확보하는 단계와;상기 1차 막장 확대발파공(11)들과 2차 막장 확대발파공(14a)들, 그리고 설계굴착선공 (13), 설계굴착선 전열공(14)들과 바닥공(15)들을 천반쪽을 자유면으로 하여 천반에서부터 바닥쪽으로 자체 기폭시차에 의해 차례로 기폭 되는 단계로 이루어져 터널의 전단면을 1회로 발파시키게 함을 특징으로 하는 선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파공법을 제공한다.또한 본 발명은 터널을 굴착하고자 하는 막장면을 부분별로 소정의 깊이의 심빼기공, 심빼기 보조공, 심빼기 확대발파공, 막장 확대발파공, 설계 굴착선공, 및 바닥공들을 천공한 후, 이 천공내에 뇌관과 폭약들을 장전하고, 상기 장약공들의 입구를 전색물로 전색한 다음, 발파기로 지발뇌관을 기폭시킴으로서 암반을 굴착하는 터널발파공법에 있어서, 터널의 중심 상단부에 소정의 간격을 갖는 여러 개의 심빼기공(7)들과 심빼기공 (7)들 주변에 소정의 간격을 갖는 심빼기 보조공(8,9)들을 천공하는 단계와; 상기 심빼기 보조공(8,9)들 내부에 소정의 간격으로 배치되는 무장약공을 천공하는 단계와; 상기 심빼기 보조공(8,9)들 내부에 위치하며 소정의 공간격(S)/저항선(B)의 비율로 배치되는 심빼기 확대발파공(10)들을 천공하는 단계와; 상기 심빼기 확대발파공(10)들 아래 부분에 위치하는 1차 막장 확대발파공(11)들을 천공하는 단계와; 상기 1차 막장 확대발파공(11)들 아래 부분에 위치하는 2차 막장 확대발파공(14a)들을 천공하는 단계와; 외측에 설계굴착선공(13)들을 천공하는 단계와; 상기 설계굴착선공(13)의 내부로 소정의 간격을 갖도록 구비된 설계굴착선 전열공(14)들을 천공하는 단계와; 하측에 바닥공(15)들을 천공하는 단계와; 상기 천공된 심빼기공(7), 심빼기 보조공(8,9), 심빼기 확대발파공(10), 1차 막장 확대발파공(11), 2차 막장 확대발파공(14a), 설계굴착선공(13), 설계굴착선 전열공(14), 바닥공(15)에 전기식 이나 비전기식 지발뇌관 중 어느 하나를 삽입 연결하는 단계와; 상기 삽입된 비전기식 지발뇌관을 막장의 다수개의 영역으로 분할하여 공내 또는 공외지연장치에 접속시키는 단계와; 상기 다수개의 영역으로 분할된 비전기식 지발뇌관의 자체 기폭시차와 공외 연장치로 조정하는 단계로 이루어져 각각의 발파공에 장전된 비전기식 지발뇌관들의 자체 기폭시차에 영역별 공내 또는 공외지연장치로 조정된 공의 지연시차를 갖고 다단계의 지연시차로써 천반쪽을 자유면으로 하여 천반에서부터 바닥쪽으로 연속적으로 기폭되게 함으로서 전단면을 지발당 최대허용 장약량으로 1회로 발파시키게 함을 특징으로 하는 선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파공법을 제공한다.

이하 상기 본 발명에 따른 터널 발파 공해 저감공법(이하 " 발파공법"이라 칭함)을 설명하기에 앞서 터널공법에서 사용되는 용어들을 살펴보면 다음과 같다.

1) 선균열(pre-splitting)발파는 노천에서 법면보호, 원활한 법면 형성을 위해 본 발파에 앞서서 계획법면의 선상에 미리 불연속면을 만드는 제어발파의 일종이며, 기본적으로는 조절발파(smooth blasting)이론의 연장이다.

즉 장약공의 직경에 비해서 작은 직경의 폭약으로 디커플링 장약하면 폭약과 장약공 사이에 공간이 형성되어 있어 폭약이 폭발할 때 발생하는 충격압은 공기층의 폭굉 임피던스(impedance)의 차이에 의한 충격의 감쇠효과가 크고, 가스압은 장약공 내 체적의 영향을 받기 때문에 공간이 크면 장약공내 가스압의 값은 작게 된다.

따라서, 선균열발파는 공벽에 작용하는 충격압 및 가스압을 조밀 장전의 경우보다 벽면을 손상시키는 정도가 훨씬 작은 디커플링 장약 상태로 공과 공 사이에 균열을 발생시키는 것이다.

2)공내 작용압력은 장약공내에 폭약을 장전해서 폭발시킨 경우 그 장약공 내에 발생된 폭발압력은 암석의 인장강도보다 커야 되고, 공과 공 사이에 발생된 균열 첨단에서의 압력 또한 암석의 인장강도 보다 약간 큰 조건을 길게 지속시키는 것이 필요하다.

장약공내에 발생한 폭발압은 Abel-Nobel의 상태 방정식에 의해 다음 식에 의해 계산된다.

(1)

(2)

여기서: 장약공 내 작용압력 (): 화약력 ( )

: 약 량(kg): 공내 용적()

: 코보륨: 폭약의 가비중 (/)

또한, 장약공내 작용압력을 디커플링 지수(decoupling index : D.I)의 관계로 구하면 다음과 같다.

(3)

여기서: 장약공경(cm): 폭약경(cm) D.I =

3)균열반경은 장약공 내벽에 작용한 준정적압력은 각 공을 연결하는 선(면)상에 발생하는 응력집중으로 균열을 발생시킨다(도 22에 도시함).

균열반경()에 대해서는 종래의 각종 실험 데이터로부터 다음과 같은 실험식이 제창되었다.

(4)

여기서: : 균열반경 (cm)

: 천공경 (cm): 천공내 작용압력()

: 인장강도 (): 공 간격 (cm)

후술하는 심빼기 보조공(8,9)의 선균열 발파에 의한 균열반경을 식(4)를 이용하여 구하면 표1과 같다.

또한 장약공에 정밀 폭약만을 장약한 상태에서의 이론적인 균열반경은 표 2와 같다.

상기 표 2는 이론적인 균열반경을 나타내고 있으나, 선균열 장약공의 저부에까지 균열이 완전하게 발생하도록 하기 위해 적은 양의 전폭약을 장약하므로 이론상의 균열반경 보다는 약10~30% 더 길게 형성된다.

상기 표 2의 균열반경을 고려하여 천공의 간격(S)을 결정하고, 각각의 암반에 대해 노천에서 예비 시험한 결과 균열반경이 이론 값보다 더 크기 때문에 공과 공사이를 연결하는 완벽한 균열이 형성되었으며, 실제 터널에서 본 발명을 위해 시험한 보통암(일축압축강도 평균 1140)의 경우도 완벽하게 선균열(21)이 형성되었다.

따라서, 설계굴착선공(13)과 심빼기 보조공(8,9)의 선균열발파에 의한 자유면(F2)이 확보되고, 여굴 억제를 할 수 있다.

4)장약량은 터널의 심빼기 보조공(8,9)의 선균열(pre-splitting)발파에서의 장약량은 다음 식으로 계산한다.

(5)

여기서: 1공 당의 약량 (kg): 발파계수

: 공 간격 (m): 천공 길이(m)

상기 발파계수()는 암석강도에 따라 변화하지만 암반상태가 양호한 암석을 극경암, 경암, 보통암, 연암 및 풍화암의 5개로 분류하고 각각의 실험 실적 데이터에 의하면 표3과 같다.

5)모암의 손상범위는 도 23에서 도시된 바와 같이 폭약이 암반중에서 폭발했을 때, 폭약주변에는 파쇄권과 탄성권이 발생하게 된다.

여기서 디커플링 계수()는 다음과 같이 정의한다.

(6)

여기서: 발파공의 반경: 폭약의 반경

6)폭약이 폭발했을 때 발생되는 폭굉압()은 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.

(7)

여기서: 폭약의 폭굉속도(cm/sec): 폭약의 밀도

6)폭약이 발파공내에서 폭발했을 때 발생되는 압력은 발파공벽면상의 공동측에 발생되는 압력()은 디커플링 계수()와 다음과 같은 관계가 있다.

(8)

여기서: 폭발생성가스의 정압비열(定壓比熱)과 정용비열(定容比熱)의 비

7)발파공과 경계를 이루는 암반상의 응력은 발파공과 경계에서의 응력()과 암반에 작용하는 압력()과 비례정수를 사용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(9)

8)임계 디커플링(critical decoupling) 계수는 식(9)에서 디커플링 계수 ()가 커지면서 발생되는가 파쇄권 외주에서의 응력()과 같게되는(폭약 중심에서부터 파쇄권 외주까지 거리)의 값을 임계 디커플링이라 하고,를 그 계수라 한다.

따라서 식(9)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(10)

8)탄성권에서의 최대응력에 있어서의 경우는 발파공 주위에는 파쇄권이 형성되지 않고, 폭약의 폭발에 의해 암 반에 유기된 응력파는 그대로 탄성적인 응력파로서 암반층을 전파해 간다.

이런 경우 폭약의 중심에서의거리에 있는 암반중 임의의 점에 생기는 최대응력 ()은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(11)

여기서: 탄성권내 암반중에서 응력파의 감쇄지수

9)파쇄권 외주에서의 최대응력에 있어서의 경우에는 발파공 주위에 파쇄권이 형성된다. 이런 경우 파쇄권 외주에서의 응력 최대치()는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(12)

여기서: 폭약의 중심에서 파쇄권 외주까지의 거리

: 파쇄권내 암반중에서 응력파의 감쇄지수

10)파쇄권 내의 최대응력에 있어서 파쇄권내의 장약중심에서거리에 있는 임의의 점에서 최대응력()은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(13)

또한 식(12)에서 파쇄권이 발생되는 범위는

(14)

일반적으로의 관계가 성립된다.

상기한 식들을 바탕으로 식(7)을 이용하여 터널발파에서 주로 사용하는 폭약별로 폭굉압(P_D )을 계산하면 표 4와 같다.

한편 파쇄권의 범위는 암반이 파쇄되기 위해서 일축압축강도 이상의 압력이 작용해야 한다.

이러한 일축압축강도를 가지는 암반의 파쇄권을 식(14)를 이용하여 산출하면 표5와 같다.

이때 발파공은 직경4.5cm로 천공하였으므로 발파공의 반경는 2.25cm, 비례정수는 1.6 파쇄대의 응력파의 감쇄지수은 2.5, 폭발생성가스의 정압비열과 정용비열과의 비는 1.2로 한다.

또한 정밀폭약(FINEX-I)을 사용한 심빼기 보조공(8,9) 및 설계굴착선공(13)의 선균열(pre-splitting) 발파에서 파쇄권의 범위는 발파공 중심에서부터 약2.5cm(극경암)∼4.22cm(풍화암)까지 이고, 발파공의 반경 2.25cm보다 약0.25~1.97cm 더 크다. 이는 천공오차(약3%)의 범위이내 일 뿐 아니라 여굴발생의 의미를 부여할 정도는 아니다.

그리고 공저부분의 공저 장약(전폭약)에 의한 선균열 발파공내의 작용압력은 정밀폭약에 의해 발생된 공내압력과 같거나 그 이하이므로 파쇄권의 확대에 미치는 공저장약의 영향은 약10~30%정도 더 증가 된다.

일반적으로 모암이 경암 이상인 경우에 주로 사용하는 다이너마이트류 (MegaMITE-I과 II)에 의한 심빼기 확대발파공(10), 막장 확대발파공(14a), 설계굴착선 전열공(14) 및 바닥공(15)의 발파에 의한 파쇄권 범위는 발파공 중심에서부터 약14.97~16.46cm (MegaMITE-I)와 약16.54~18.18cm(MegaMITE -II)이고, 모암이 경암과 보통암인 경우에 사용하는 에멀젼폭약(NewNITE Plus-II)에 의한 파쇄권 범위는 약15.22~16.62cm, 보통암 이하인 경우에 주로 사용하는 에멀젼폭약(NewNITE Plus-I)에 의한 파쇄권 범위는 약16.50cm(보통암)~23.16cm(풍화암)정도이다.

설계굴착선 부분의 모암은 2축 이상의 응력상태에 놓이게 되므로 선균열 발파에 의한 실제 파쇄권의 범위는 계산된 값보다 감소될 것이고, 바닥공 부분 또한 그 범위가 줄어 든다. 그리고 바닥공을 제외한 모든 발파공은 설게굴착선 내부에 파쇄권 범위 이상의 거리를 유지하여 위치하게 된다.

따라서, 본 발명의 설계굴착선공(13)과 심빼기 보조공(8,9)의 선균열 발파에의한 터널모암의 손상은 아주 미미하고, 천반부에 위치하는 심빼기 보조공(8,9)에 의한 선균열은 심빼기공의 발파에 의해 발생되는 균열이나 발파진동이 모암으로 발달 및 전파되는 것을 차단할 뿐 아니라, 심빼기공이 파쇄권을 벗어난 곳에 위치하게 되므로 심빼기공의 위치가 터널 모암 손상에 미치는 영향은 없다.

11) 비산석의 궤적은 발파공내에 장약된 폭약의 폭발로 인해 파쇄된 암석이 공기중을 날아갈 때 모양과 크기 및 자체회전 등으로 복잡한 공기저항을 받고 속도가 감소되기 때문에 비석의 궤적을 계산으로 구하기는 어렵고, 공기의 저항을 무시할 경우 비석의 운동은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

12) 종래 심빼기에 있어서 터널중심 하부쪽에서 상향의 임의의 각방향으로 초속로 던졌다면 원위치에 도달하는 시간은 다음 식으로 나타낼 수 있다.

(15)

여기서,는초후의 비석의 높이로서 원위치(=0)에 도달해야 하므로 다음과 같다.

(16)

13)심빼기에 있어서 수평도달거리는 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

(17)

식(16)의를 식 (17)의에 대입하여 수평도달거리를 다음과 같이 구할수 있다.

(18)

여기서,: 중력 가속도이다.

14)종래 기술의 심빼기에 있어서 터널중심 상부쪽에서 수평방향으로 초속로 던졌다면 수초 후 높이는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(19)

또한 수평 도달 거리는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

(20)

식(19)를 식 (20)에 대입하여 수평도달거리를 다음과 같이 구할 수 있다.

(21)

여기서,: 높이이다.

14)종래 비산속도에 있어서 굴진장 3.50m의 경우는 심빼기 위치에서 천반까지의 높이는 약 5.1m이고, 실제 최대 비산거리는 약55m 이었으므로 비산각은이다.

이를 식 (18)에 대입하면

이다.

또한 굴진장 1.60m의 경우는 실제 최대 비산거리는 약42m 이었으므로 비산각은이다.

이를 식(18)에 대입하면

이다.

15)본 발명에 있어서 굴진장 3.50m의 경우에는 터널 바닥에서부터 심빼기 위치까지의 높이는 약6.1m이고, 실제 최대비산거리는 약 34m 이었으므로 이를 식 (21)에 대입하면

이다.

그리고 굴진장 1.60m의 경우에는 터널 바닥에서 심빼기 위치까지의 높이는 6.15m이고, 실제 최대비산거리는 약20m 이었으므로

이다.

따라서, 발명기술에 의한 심빼기 부분 발파시 파쇄암의 비산속도는 종래기술의 비산속도보다 더 느리다. 이는 종래기술의 비장약량이 발명기술보다 더 많기 때문이다.

16) 터널발파의 적용에 있어서 전단면발파시 터널의 높이를 9.0m라하고, 종래기술의 심빼기 중심위치를 터널 바닥에서 높이 1.6m, 발명기술은 높이 8.4m에 고정하여, 굴진장을 3.50m로 하면 비산거리는 다음과 같다.

종래는 심빼기 위치에서 터널의 천반까지의 높이는 약 8.4m, 초속은 약 38.78, 비산각도는 12.68°이다.

이들을 식(18)에 대입하면

이다.

본 발명은 터널 바닥에서부터 심빼기 위치까지의 높이가 8.4m, 초속은 30.47이므로 이들을 식 (21)에 대입하면

전단면 발파에서 종래기술의 최대 비산거리는 약 65.7m이고 발명기술은 약 39.9m로서 발명기술의 비산거리가 약25.8m 짧다.

따라서, 발명기술은 선균열(21)발파에 의한 자유면(F2)을 이용하므로 낮은 비장약량(24)으로도 확실한 심빼기를 할 수 있을 뿐 아니라 비산속도가 느려서 자유면의 방향이 천반쪽을 향하기 때문에 종래기술보다 파쇄암의 비산거리가 짧다.

17)터널발파공해에 있어서 지반진동의 발생 및 특성은 다음과 같다.

암반중에서 폭약이 폭발하면 그 폭굉압이 암반을 충격하고, 충격점 가까이에서 유동적 성격을 나타내던 이 유동파는 암반중을 전파하면서 감소되고 탄성파에가까운 충격파로 진행한다.

발파공내의 폭약의 폭발로 발생된 총 에너지중 대부분은 주위 암석을 파괴 및 이동시키지만, 이 에너지중 0.5∼20％가 탄성파로 변화되어 암반중을 전파해가며, 폭원과 일정거리 이상의 암석 내부나 지표면에서는 진폭과 주기를 갖는 진동으로 나타난다.

발파에 의해 발생하는 파들은 압축파, 전단파, 표면파의 3가지 범주로 크게 나눌 수 있다. 파동의 운동은 3방향의 직교성분, 즉 폭원으로부터 반경방향인 종방향 성분(L), 반경방향에 직교하는 수직성분(V)과 횡방향 성분(T)이 있는데, 이 3가지 주요파형은 지중을 전파해가는 물체파와 지표면을 따라 전파해가는 표면파의 두종류로 나눈다.

폭원과 가까운 거리에서는 물체파가 생성되는데, 이는 압축파(P파)와 전단파(S파)로 세분된다. 또 폭원과 원거리에서는 표면파(R파)가 생성된다.

17)터널발파공해에 있어서 지반진동의 경감법은 다음과 같다.

진동경감을 위한 대책은 여러 가지로 고려되지만, 파쇄권을 넘어 전파해가는 파동을 완전히 차단할 만한 발파를 실시한다는 것은 불가능하다.

그러나 폭원에서 낮은 진동발생을 위해서는 기폭방법과 장약방법 및 폭약의 종류를 선택하는 방법과 높은 진동이 발생되어 전파해가는 진동을 차단하여 저감하는 방법 등이 있다.

이들 중 폭약의 종류를 선택하는데 있어서, 저폭속의 폭약이 고폭속의 폭약보다는 더 진동감소효과를 가져올 수 있으나, 암반의 강도에 따라 적절한 폭약을선택해야 하므로 터널발파에서는 어려운 문제이다.

본 발명기술에서는 진동전파차단 방법과 기폭방법 및 장약방법을 응용하여 적용한다. 그리고 진동의 전파경로를 차단하여 진동을 경감시키기 위한 방법으로 불연속면을 형성했을 때, 불연속면의 상태에 따라 어느 정도 진동이 감소될 것인가를 검토하면 다음과 같다.

첨부도면인 도 24에 도시된 바와 같이 매질2(210)가 매질1(200)에 협재해 있을 경우 매질1(200)의 A점에서 매질2(210)의 B점으로 전파된 진동의 크기()

(22)

여기서,: 매질1의 밀도와 탄성파속도

: 매질2의 밀도와 탄성파속도

: 매질1에서 매질2로 입사하는 진동속도

식(22)를 간단하게 하기 위해서

로 하면 식(22)는

(23)

이 된다.

즉, 매질1에서 매질2로 전파된 진동속도는 매질1에서 매질2로 입사한 진동속도의배가된다.

한편, 매질2(210)의 B점에서 매질1(200)의 C점으로 전파된 진동의 크기()

(24)

따라서, 매질2를 투과한 C점에서의 진동속도는 A점에서의 진동속도의배가 된다.의 경우(동일매질)를 제외하고는 항상의 관계이다.

그러므로, 매질2를 통과한 C점에서의 진동속도는 A점의 것보다 작으며, C점에서의 진동속도를 A점에서의 것보다 감소시키기 위해서는 중간에 협재하는 매질2가 매질1보다 연질인 경우는 더욱 탁월하다.

18)본 발명에 적용된 심빼기 부분에 있어서 일반적으로 터널발파에서 동일한 지발당 장약량(25)을 기폭했을 때, 진동이 크게 발생하는 것은 1자유면 상태인 심빼기 부분이다.

본 발명의 진동전파차단 효과를 심빼기공(7) 발파의 경우에 심빼기 부분의 진동을 경감시키기 위해서 도면 25에 도시된 바와 같이 심빼기 보조공(8,9)을 충격파가 완화되는 디커플링 효과(decoupling effect)를 이용하기 위해 디커플링 장약을 실시하여 기폭함으로서 터널막장면에 수직인 불연속면을 형성한다.

예를 들어 일축압축강도가 1450, 밀도가=2.8, 탄성파속도가=5.0인 암반에 선균열(21)발파를 실시해 불연속면 형성했을 때, 그 부분암석의 밀도가=2.0, 탄성파속도가=1.4가 되었다면

으로서 폭원에서 발생한 지반진동은 불연속면을 통과하면서 불연속면이 없을 때 전파되는 진동속도의 약 44%가 감소된 약 56%만이 전파된다.

또한 지반진동이 불연속면을 통과하면서 감소되는 경향은 진동의 주파수에도 영향을 받는다. 즉 진동 주파수가 높은 부근에 형성된 불연속면에 의한 진동감소 효과는 주파수가 낮은 부근에 형성된 불연속면에 의한 것보다 크기 때문에 주파수가 높은 폭원 가까이에 불연속면을 형성하는 것이 효과적이다.

따라서, 지표면 부근에 불연속면을 형성하여 진동전파를 차단하는 것 보다 폭원 부근인 터널막장에서의 불연속면 형성이 더욱 효과적이다.

본 발명에서는 심빼기 보조공(8,9)의 기폭으로 선균열이 형성된 불연속면(자유면)내에 근접하여 위치하는 심빼기공(7)이 기폭되는데, 상기와 같은 원리에 의해 심빼기공(7)의 기폭으로 발생된 진동은 선균열에 의해 형성된 불연속면에 의해 급격히 완화된 진동이 모암내로 전파해 간다.

19)본 발명에 적용된 심빼기 부분을 발파하고 나면 도면 26에 되시된 바와 같이 기타 부분이 남게 된다. 기타 부분의 발파방향은 터널천반방향이 되고, 이전 발파에 의해 형성된 천반방향을 자유면으로 이용하게 된다. 이때 터널상부방향은 계단식 발파에서 자유면 전방이 되고, 터널바닥방향은 자유면의 후방이 되는 형식의 개념으로 볼 수 있다.

따라서, 본 발명기술의 발파에 의해 발생된 지반진동의 주전파 방향은 터널하부방향이 되고, 터널 상부 지표면의 진동은 아주 작게 된다. 터널하부와 상부 지표면 방향의 진동은 지발당 장약량으로 조절 할 수 있다.

20)노천발파 시험은 이러한 불연속면과 발파 방향에 따른 지반진동 경감 경향을 알아보기 위해 노천에서 일축압축강도가 약 1420인 암반에 도면 27에 도시된 바와 같이 직경 45mm로 천공하여 계측방향으로 4개(M1∼M4)장소에서 지반진동을 계측하였다. 단, 도면 27의 4번 계측치는 제외했다.

도면 27에 도시된 바와 같이 선균열 1.2를 발파할 때의 계측방향을 후방이라 하고, 3을 발파할 때는 전방이라 하였다. 후술하는 표6에서와 같이 선균열 3발파시 지반진동은 1.2발파시에 비해 계측된 진동속도가 평균 약 50%정도 감소되었다. 이는 선균열 1.2발파에 의해 계측방향으로의 불연속면이 형성된 결과이다.

또한 심빼기 발파 5는 지발당 장약량이 가장 많으므로 동일 거리에서 지반진동속도가 가장 높아야 한다. 그러나 표6에서와 같이 저폭속의 정밀폭약과 디커플링 효과를 이용한 선균열 발파 1.2의 경우에 비해 평균 약 39%, 동종의 폭약을 사용한 계단식 발파 6의 경우에 비해 평균 약 42% 낮은 진동값을 나타낸다. 이는 심빼기공 주변이 모두 불연속면으로 진동전파를 차단한 결과이며, 선균열 발파 1에 의해 선균열된 상태에서 선균열 발파 3보다 심빼기 발파 5가 높은 이유는 폭약의 종류가 다르기 때문이다.

즉, 선균열 발파는 정밀폭약이 주를 이루고, 나머지 발파공은 정밀폭약보다위력이 큰 에멀젼폭약(NewMITE Plus-Ⅱ)을 사용했기 때문이다.

또한 동종의 폭약을 사용한 심빼기 발파나 계단식 발파 7은 모두 계측방향으로 불연속면(자유면)을 가지고 있으나, 계단식 발파 7에 비해 심빼기 발파 5가 전반적으로 높은 진동값을 나타내고 있다.

그 이유는 심빼기 발파시 계측방향으로의 불연속면의 상태와 계단식 발파 7의 계측방향으로의 파쇄된 암반의 상태가 다르기 때문이다. 즉 심빼기 발파 주변의 불연속면의 임피던스()가 계단식 발파 7 전방의 파쇄된 암반의 임피던스보다 높기 때문이다.

한편 계단식 발파 6은 자유면 후방, 7은 자유면 전방에서 계측한 값들이다.

자유면 전방에서 계측한 값이 후방에서 계측한 값보다 평균 약 45% 감소되었다.

계단식 발파 6의 계측방향은 종래기술에 있어서 터널상부 지표면에서 계측하는 경우와 유사하고, 계단식 발파 7의 계측방향은 본 발명기술에 있어서 터널상부 지표면에서 계측하는 경우와 유사하다.

따라서, 터널에서 본 발명기술의 지반진동 경감 메카니즘을 지표면에 적용하여 모델시험을 실시한 결과 종래기술보다 발명기술이 지반진동의 경감에 있어서 탁월함을 알 수 있다.

하기의 표 6은 계측방향과 기폭형태에 따른 지반진동속도

각각의 계측치 들을 동일한 자승근 환산거리()로 환산해서 4개 장소의 평균값을 비교한 결과치이다.

21)발파에 의해 발생하는 폭풍. 즉, 발파풍(發破風, Air blast)은 발파에 의해 생성되는 공기 압력파이다. 이 압력파의 고주파수 영역은 귀로 들을 수 있고 저주파수영역은 들을 수 없으나, 구조물을 여기(勵起)하고, 이어서 구조물내에 2차적으로 진동하는 가청 소음을 만든다.

발파에 대한 인간의 응답은 건물의 바깥보다 안쪽에서 더 크게 나타나기도 한다. 이러한 차이는 건물 그 자체에 의해 내부에서 생성된 소리 때문일 수도 있다.

22)발파에 의해 발생되는폭풍이 갖는 유한진폭의 압력파는 유속를 지닌 유한 진폭의 압력파가 공기중을 전파해가는 경우, 그 압력파의 전파속도는

(25)

로 표현될 수 있다.

단,는 흩어지지 않는 일정한 상태하에서의 공기중의 음속이며,는 공기의 정압비열(定壓比熱)과 정용비열(正容比熱)과의 비(比)의 값이다.

상기 (25)식에서 명백하듯이, 공기의 입자가 파동의 전파방향으로의 속도로 움직이므로서 생기는 소란은 흩어지지 않는 공기속을 전파하는 음의 속도보다도 빠르게 전파하게 된다.

따라서, 파면에 있어서 압력, 온도, 입자속도, 밀도 등이 급격히 변화되는 파동을 충격파(shock wave)라고 부른다. 또한, 유한진폭의 압축파는 시간이 경과하면 파면이 급하게 되어 마침내는 불연속면을 만들게 되지만, 팽창파인 경우에는 반대로 파면이 완만하게 되어 불연속면은 생기지 않는다는 것이다.

또한, 상기와 같이 해서 형성된 충격파도 전파와 함께 입자속도의 값이 저하되면 그 전파속도는 음속에 가까워지고, 공기의 점성 등으로 파면도 불연속이 되지 않고 완만하게 되어 마침내는 음파가 되고 만다. 즉 폭원에 극히 가까운 곳에서는 공중 충격파의 형태를 취하지만 어느 정도 이격된 거리에서는 음파로 전파되어 간다.

소음을 생각하는 경우에는 음압레벨과 구별해서 생각해야 하는데, 양자를 식으로 표시하면 양쪽 모두 다음 식으로 표시된다. 음압레벨의 단위는 일반적으로 dB(L)로 표시하며 소음레벨의 경우는 dB(A)로써 나타내고 있다.

(26)

여기서，：음압레벨：음압 실측치

: 기준의 음압 실효치(2.04×10-10)이다.

23)폭약 폭발로 발생한 폭풍의 전파중 지표 폭발에 있어서, 폭약이 지표에서 폭발한 경우에 생성하는 폭풍압()과 폭원에서의 거리() 및 약량()과의 관계를 압력치가 거의 0.1~10 범위내에 있는 폭풍에 대해서는 다음과 같은 식이 성립된다.

(27)

예로써 지표면에서 폭약 3.90kg을 폭발했을 경우에 폭약에서부터 약110m, 37m 및 27m의 거리에 위치하는 지점의 음압레벨을(26)식으로 계산하면 약160dB, 175dB 및 180dB다. 그리고 폭원으로부터 약5.0m 거리에서는 약202dB이 된다

24)폭약 폭발로 발생한 폭풍의 전자중 전공내 폭발에 있어서, 발파 폭풍압의 주요 구성 요인은 (i) 발파지점의 직접적인 암반 자체의 변위로 인한 기압파(air pressure pulse, APP), (ii) 발파지점에서 약간 떨어진 곳의 지반 진동으로 인한 반압파(rock pressure pules, RPP), (iii) 파쇄된 암반의 틈을 통해서 누출되는 가스누출파(gas release pulse, GRP), (iv) 불완전한 전색에 의해 전색물이 분출되면서 발생되는 전색물 분출파(stemming release pulse, SRP)등으로 밝혀졌다.

기압파는 각각의 발파공에서 발생하여 각 지발마다 각각 정점을 형성한다. 거리가 멀어지면 각각의 지발 정점은 서로 합해진다. 반압파는 지반의 수직진동에 의하여 생성되는데, 지반진동과 함께 동시에 도달한다. 반압파는 기압파보다 작으며 발파풍압의 하한을 형성한다.

각 파동의 크기는 누출가스파와 전색물 분출파에 의해 조절되며 공발의 가능성에 좌우된다. 이 공발(장전된 폭약의 폭발시 암석을 파괴하지 못하고 그 충격압이 공외로 빠져나가는 것)은 보통 예기치 않은 높은 발파소음과 발파풍의 원인이 된다. 공발은 발파공 상부의 전색이 부적절할 때나 없을 때 발생한다.

일반적으로 행해지고 있는 발파의 경우와 같이 암반에 천공해서 천공 내부장약상태로 하여 폭약을 폭발시켰을 때 폭원 가까이에 생기는 폭풍에 대해 고찰한다.

발파에 의해 파괴된 암반면의 이동속도는 발파조건에 따라 당연히 크게 변하지만, 통상적인 발파의 경우에 암반의 이동 속도에 따라 발생하는 공중 충격파(폭풍)의 압력계산은 다음과 같은 식을 이용한다.

(28)

여기서,: 충격파의 압력(): 공기의 밀도()

: 충격파의 속도()

: 충격파 배후의 입자속도() 이다.

일반적으로 파괴된 암반면의 이동속도 5∼50m/sec도일 것이라고 생각되며, 암반의 이동 속도가 5m/sec, 27.5m/sec 및 50m/sec 경우, 식(28)을 이용해서 폭원 가까이에서 공중 충격파(폭풍)의 압력을 계산하면, 그 값은 약 0.02, 0.12및 0.2이 되고, 이를 식(26)에 의해 음압레벨을 계산하면 약160dB, 175dB 및 180dB 이 된다.

이 값들은 폭약이 천공내에서 폭발했을 경우 폭원과 아주 가까운 지점에서의 음압레벨이며, 폭약 3.90kg이 지표면에서 폭발했을 경우 폭약으로부터 약110m, 37m및 27m 거리에서의 음압레벨과 같고, 폭약 1.00kg이 지표면에서 폭발했을 경우 폭약으로부터 약71.75m, 23m 및 16.63m거리에서의 음압레벨과 같다.

이상에서 고찰한 바와 같이 폭약이 천공밖에서 폭발했을 경우의 음압레벨은 천공내에서 폭약이 폭발한 경우보다 매우 높게 된다.

따라서 폭약이 지표면에서 폭발하는 경우는 종래기술에서 막장확대발파시 자유면이 하향인 경우 이전공의 발파로 배면파괴(22)가 발생하여 상부암반이 자유낙하한 뒤 다음공의 전색물이 빠져 나오거나 폭약이 대기중에 노출된 상태에서의 폭발하는 현상과 유사하고, 천공내에서 폭약이 폭발하는 경우는 터널발파 소음/폭풍압 저감 메카니즘(도 20,21에 도시함)과 같다.

25)천공내에서 폭약이 폭발하는 경우 발명기술의 파쇄암의 비산상태는 도 10에 도시된 바와 같이 i)심빼기 보조공과 심빼기공이 발파된 후 막장 확대를 위한 발파공들의 발파방향은 상향이 되어 이전 발파공의 기폭으로 파쇄된 암석이 상부로 이동한 후, 막장 전방바닥과 다음 발파공의 자유면 상에 버력이 쌓이게 된다.

ii)이전 발파공의 기폭으로 배면파괴가 일부 발생하지만, 파쇄암이 자유낙하 하지 않기 때문에 다음 발파공의 폭약이 대기중으로 노출되거나 저항선이 짧아지는 현상이 발생되지 않을 뿐 아니라.

iii)막장 확대발파공이 터널 바닥 부분으로 차츰 내려감에 따라 파쇄된 암석은 막장 전방과 자유면 상에 차례로 쌓여 자유면을 덮게 되므로 폭약의 폭발로 인한 소음과 폭풍압의 발생을 억제하고, 파괴된 암석(버력)은 멀리 비산하지 않고 자유면 상부와 막장 부근에 쌓이게 된다.

26)천공내에서 폭약이 폭발하는 경우 발명기술 소음/폭풍압 저감 메카니즘을 도 20, 21에 도시된 바와 같이

i)설계굴착선에 발생된 선균열은 여굴량을 감소시킬 뿐 아니라, 설계굴착선 전열공의 발파로 인한 모암의 손상을 억제할 수 있다.

또한, 막장 확대발파공(14a)과 설계굴착선 전열공(14)이 시차를 두고 각각 기폭되는 경우

ii)막장 확대발파공 1의 기폭으로 막장 확대발파공 2에 균열이 전파될 수도 있지만, 파쇄된 암석의 자중에 의해 원위치에서 이탈되지 않으며,

iii)설계굴착선 전열공 1이 막장 확대발파공 2보다 먼저 기폭되는 경우에 천반방향으로 발파가 진행되며, 설계굴착선 전열공 1로부터 막장 확대발파공 2로 균열이 전파될 수도 있지만 막장 확대발파공 2의 상부 암반은 원위치에서 이탈되지 않는다.

iv)막장 확대발파공 2가 설계굴착 전열공 1보다 먼저 기폭되는 경우에 천반방향으로 발파가 진행되며, 설계굴착선 전열공 1로의 균열이 전파될 수도 있지만, 설계굴착선 전열공 1과 설계굴착선의 선균열 사이를 잇는 균열이 발생되지는 않아 설계굴착선 전열공 상부 암반은 원위치에서 이탈되지 않는다. 따라서 폭약 폭발시 소음과 폭풍압이 증폭되지 않는다.

한편 막장 확대발파공 2와 설계굴착선 전열공 1이 동시 기폭되는 경우 v)발파방향이 천반쪽이 되며, 발파공내의 전색물의 이탈과 폭약이 대기중으로 노출되지 않고, 저항선의 변화가 없다. 따라서, 상기와 같은 발명기술의 메카니즘은 소음과폭풍압의 발생을 크게 저감시킬 수 있다.

상기와 같은 용어들을 종합하여 본 발명에 따른 터널 발파 공해 저감공법을 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 막장면을 갖는 터널은 도 1에 도시된 바와 같이 본 심빼기 보조공(8,9)인 제 1,2차 심빼기 보조공(8a)(9a)과, 제 1,2차 심빼기 보조공(8a)(9a) 사이에 구비된 심빼기공(7) 및 심빼기 확대발파공(10)를 갖는 심빼기부(4)와, 상기 심빼기부(4)의 아래에 위치하면서 1차 막장 확대발파공(11) 좌우측에 위치하는 설계굴착선공(13)의 일부와 설계굴착선 전열공(14)의 일부를 갖는 1차 막장 확대발파부(3)와, 상기 1차 막장 확대발파부(3)의 아래에 위치하며, 2차 막장 확대발파공(14a)좌우측에 위치하는 설계굴착선공(13)과 설계굴착선 전열공(14)을 갖는 2차 막장 확대발파부(2)와, 터널 바닥면과 막장면이 교차하는 부위에 위치한 바닥공(15)로 구성된다.

이러한 구성을 갖는 터널을 굴착하는 방법은 터널의 천반쪽에 소정의 간격을 갖는 여러 개의 심빼기공(7)들과 심빼기공 (7)들 주변에 소정의 간격을 갖는 심빼기 보조공(8,9)들을 천공하는 단계와; 상기 심빼기 보조공(8,9)들 아래 부분에 위치하며 소정의 공간격(S)/저항선 (B)의 비율로 배치되는 1차 막장 확대발파공(11)들을 천공하는 단계와; 상기 1차 막장 확대발파공(11)들 아래 부분에 위치하는 2차 막장 확대발파공(14a)들을 천공하는 단계와; 설계굴착선공(13)들을 천공하는 단계와; 상기 설계굴착선공(13)의 내부로 소정의 간격을 갖도록 구비된 설계굴착선 전열공(14)들을 천공하는 단계와; 바닥공(15)들을 천공하는 단계와; 천공된 심빼기공(7), 심빼기 보조공(8,9), 심빼기 확대발파공(10), 막장 확대발파공(14a), 설계굴착선공 (13), 설계굴착선 전열공(14), 바닥공(15)에 전기식 이나 비전기식 지발뇌관 중 어느 하나를 삽입하는 단계와; 심빼기 보조공(8,9)을 발파시켜 불연속면을 갖게 하는 단계와; 분연속면 내부에 위치하는 다수개의 심빼기공(7)들을 발파하여 자유면을 확보하는 단계와; 심빼기 확대발파공(10)들과 1, 2차 막장 확대발파공(11)(14a)들, 그리고 설계굴착선공(13), 설계굴착선 전열공(14)들과 바닥공(15)들을 천반쪽을 자유면으로 하여 천반에서부터 바닥쪽으로 자체 기폭시차에 의해 차례로 기폭 되는 단계로 이루어져 터널의 전단면을 1회로 발파시키게 된다.

한편 암반을 굴착하는 터널공법에 있어서, 다른 방법은 터널의 천반쪽에 소정의 간격을 갖는 여러 개의 심빼기공(7)들과 심빼기공(7)들 주변에 소정의 간격을 갖는 심빼기 보조공(8,9)들을 천공하는 단계와; 상기 심빼기 보조공(8,9)들 아래 부분에 위치하며 소정의 공간격(S)/저항선(B)의 비율로 배치되는 1차 막장 확대발파공 (11)들을 천공하는 단계와; 상기 1차 막장 심빼기 확대발파공(11)들 아래 부분에 위치하는 막장 확대발파공(14a)들을 천공하는 단계와; 설계굴착선공(13)들을 천공하는 단계와; 상기 설계굴착선공(13)의 내부로 소정의 간격을 갖도록 구비된 설계굴착선 전열공(14)들을 천공하는 단계와; 바닥공(15)들을 천공하는 단계와; 천공된 심빼기공(7), 심빼기 보조공(8,9), 심빼기 확대발파공(10), 1, 2차 막장 확대발파공(11)(14a), 설계굴착선공(13), 설계굴착선 전열공(14), 바닥공(15)에 전기식 이나 비전기식 지발뇌관 중 어느 하나를 삽입하는 단계와; 삽입된 비전기식 지발뇌관을 막장의 1∼5영역으로 분할하여 공연지연장치에 접속시키는 단계와; 1∼5영역으로 분할된 비전기식 지발뇌관의 자체 기폭시차와 공외지연장치로 조정하는 단계로 이루어져 각각의 발파공에 장전된 비전기식 지발뇌관들의 자체 기폭시차에 영역별 공외지연장치로 조정된 공외 지연시차를 갖고 다단계의 지연시차로써 천반쪽을 자유면으로 하여 천반에서부터 바닥쪽으로 연속적으로 기폭되게 함으로서 전단면을 지발당 최대허용 장약량으로 1회로 발파시키게 된다.

여기에서 상기 심빼기부(4)의 제 1차 심빼기 보조공(8a)은 도 3에 (a)(c)에 도시된 바와 같이 터널 중심 천반의 설계 굴착선공(13)(본 발명에서는 제 2차 심빼기 보조공으로서 이용됨. 확천량은 약20cm로 한다.)으로부터 아래로 약(20~28)d1(d1:천공경)의 거리(He)에 수평방향으로 약(10∼12)d1의 간격(D1)의 범위에서 일정한 간격으로 막장면에 수직으로 천공되고, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 터널중심 천반의 설계 굴착선공(13)으로부터 아래로 약(20~30)dl까지 위에서 아래 방향으로 약(10~12)dl의 간격(S4)의 범위에서 일정한 간격으로 막장면에 수직으로 천공되어 있다.

상기 제 1차 심빼기 보조공(8a)은 도 3(a)에 도시된 바와 같이 수평방향의 좌우측 끝(도)은 2차 심빼기 보조공 (9a)과의 최단거리(D2)가 약(20∼24)d1이 되는 위치까지; 도 3(b)에 도시된 바와 같이 최단거리(D2)가 약(24~34)dl이 되는 위치까지; 도 3(c)에 도시된 바와 같이 최단거리(D2)는 약(28~34)dl이 되는 위치까지 막장에 수직으로 천공하고, 또 좌우측의 끝 공(en)과 2차 심빼기 보조공(9a)사이에 적정한 간격으로 제 1차 심빼기 보조공(8a)이 막장면에 수직으로 천공되어 있다.

그리고 제 2차 심빼기공(9a)은 설계굴착선공(13)들과 같은 간격으로 천공(확천량 약 20cm)한다

심빼기공(7)은 제 1,2차 심빼기 보조공(8a)(9a)들 사이의 중심부에 위치시키되, 도3(a)에 도시된 바와 같이 1차 심빼기 보조공(8a)과의 거리(D3)는 약(6~10)dl이고, 수평방향의 간격(D4)은 약(10~24)dl을 유지하여; 도 3(b)에 도시된 바와 같이 1차 심빼기 보조공(8a)과의 거리(B1)는 약(2~3)d2(d2:무장약공 직경105mm)를 유지하여 막장면에 수직ㅇ로 천공되어 있다. 도 3(c)에 도시된 바와 같이 1차 심빼기 보조공(8a)과 같은 수평선상에서 수평 방향의 간격(D4)은 약(10~15)dl을 유지하여 막장면에 경사로 천공되어 있다.심빼기 확대발파공(10)은 심빼기공(7)과 1, 2차 심빼기 보조공(8a)(9a)들 사이에 위치시키되, 도 3(b)에 도시된 바와 같이 수직방향으로 거리(S3)는 약(18~24)dl, (S5)는 약(15~20)dl이고, 이들과의 수평 방향의 간격(B3)은 약(10~15)dl을 유지하여 막장면에 수직으로 천공되어 있다. 도 3(c)에 도시된 바와 같이 1차 심빼기 보조공(8a)과 거리(D3)는 약(8~12)dl이고, 이들의 수직과 수평거리(D1)은 약(10~12)dl을 유지하여 막장면에 수직으로 천공되어 있다.

심빼기공(7) 및 심빼기 보조공(8,9)은 도 2에 도시된 바와 같이 막장 발파공의 천공경과 동일한 직경(일반적으로 직경 41∼45mm 비트 사용)의 것을 사용하며,굴진장(AL)이 3.0m 이상인 경우는 막장 확대발파공(14a)들 보다 약15∼20cm, 3.0m 이하인 경우에는 약10∼15cm 초과천공(sub-drilling : U1)하는 것이 바람직하다.

상기 1차 막장 확대발파부(3)는 심빼기부(4) 아래에 위치하는 부분으로서 굴진장(AL)이 3.0m 이상인 경우 심빼기부(4)로부터 아래쪽으로 약(16∼25)d1 이내의 범위이고, 굴진장(AL)이 3.0m 이하인 경우는 약(11∼16)d1의 범위로 하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 1, 2차 막장 확대발파부(3)의 공간격(S) : 저항선(B)이 (1.1∼1.4) : 1의 범위에서 설계굴착선 전열공(14)들 사이에 막장면에 수직으로 천공하는 것이 더욱 바람직하다.

또한 굴진장(AL)이 3.0m 이상인 경우는 굴진장 보다 약10∼15cm, 3.0m 이하인 경우는 약5∼10cm 초과천공(U2)하는 것이 바람직하다.

상기 2차 막장 확대발파부(2)는 1차 막장 확대발파부(3)의 아래에 위치하는 막장 확대발파공(14a)들은 공간격(S1): 저항선(B1)이 (1.1∼1.4) : 1의 범위에서 설계굴착선 전열공(13)들 사이에 막장면에 수직으로 천공한다. 그리고 저항선(B1)은 심빼기 확대발파공(10) 저항선(B)의 (1.0∼1.1)B의 범위로 하는 것이 더욱 바람직하다.

이때 굴진장(AL)이 3.0m 이상인 경우는 굴진장 보다 약10∼15cm, 3.0m 이하인 경우는 약5∼10cm 초과천공(U2) 한다.

상기 설계굴착선공(13)들은 막장의 가장 자리로서 터널 벽면과 막장과의 경계 부분에 위치하며, 공간격(S2)은 약(10∼15)d1의 범위에서 확천량(lookout : LO)을 약20cm로 하여 막장면에 경사천공한다.

이때 굴진장(AL)이 3.0m 이상인 경우는 약10∼15cm, 3.0m 이하인 경우는 약5∼10cm 초과천공(U2) 하는 것이 더욱 바람직하다.

상기 설계굴착선 전열공(14)과 설계굴착선공(13)의 거리(B2)는 설계굴착선공 간격(S2)의 약(1.00∼1.10)S2의 범위로 하는 것이 바람직하다.

설계굴착선 전열공의 간격(S3)은 설계굴착선 전열공(14)과 설계굴착선공(13)과의 거리(B2)의 약(1.0∼1.25)B2의 범위로 하여 막장면에 수직 천공한다.

이때 굴진장(AL)이 3.0m이상인 경우 약10~15cm, 3.0m이하인 경우는 약5~10cm 초과천공(U2)하는 것이 바람직하다.

상기 바닥공(15)의 간격(S4)은 바닥공(15)과 바닥 전열공과의 거리(B4)의 약(0.9∼1.25)B4의 범위에서 확천량(lookout : LO)을 약20cm로 하여 막장면에 경사 천공한다.

그리고 바닥공(15)과 바닥공 전열공과의 거리(B4)는 막장 확대발파공(14a)의 저항선(B1)의 (0.8∼1.0)B1의 범위로 하는 것이 바람직하다.

이때 굴진장(AL)이 3.0m 이상인 경우는 약10∼15cm, 3.0m 이하인 경우는 약5∼10cm 초과천공(U2)하는 것이 더욱 바람직하다.

초과천공(U1, U2)이 종래기술보다 적은 이유는 심빼기 부분이 공저까지 완벽하고 넓게 2자유면(F2)이 형성되기 때문이다.

이러한 것들을 종합하면 하기의 표 7,8과 같다.

한편, 폭약을 폭발시키는 것을 기폭이라 하는 것으로서, 막장 확대발파부(2)는 지발당 최대허용장약량에 따라 조합 가능한 전기식 또는 비전기식 지발뇌관의 동시 기폭공수를 결정하여 발파할 수 있다.

도 13에 도시된 바와 같이 지발당 최대허용장약량의 제한을 받기 때문에 지발뇌관을 조합한 전기식 또는 비전기식 지발뇌관의 단수로 터널의 전단면을 1회로발파할 수 없는 경우에는 막장을 몇 개의 영역(제 1,2,3,4,5영역)(70 ∼76)으로 분할하여 자체의 지연시차를 가지는 비전기식 지발뇌관과 영역별 지연시차를 줄 수 있는 비전기식 표면 시차지연뇌관을 조합하여 1회로로 전단면을 발파할 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이 심빼기부(4)는 전기식 또는 비전기식 MS지발뇌관을 사용하여, 제 1차 심빼기 보조공 (8a)들을 설계굴착선 부분의 제 2차 심빼기 보조공(9a)들 보다 먼저 기폭한다.

제 2차 심빼기 보조공(9a)들의 공간격보다 약간 좁은 제 1차 심빼기 보조공(8a)들을 먼저 선균열(pre-splitting)발파함으로서 응력이 이완되어 제 2차 심빼기 보조공(9a)들의 기폭으로 인한 선균열(21)을 확실하게 형성할 수 있다.

제 1,2차 심빼기 보조공(8a,9a)들은 지발당 최대허용장약량의 범위내에서 각각 몇 개 공씩 묶어서 시차를 두어 지연기폭 하거나 동시기폭(제발발파) 되도록 뇌관을 배열하도록 하는 것이 바람직하다.

상기 심빼기공(7)은 전기식 또는 비전기식 MS지발뇌관을 사용하여 지발당 최대허용장약량의 범위내에서 심빼기공(7) 전체를 동시기폭 하거나, 몇 개 공씩 묶어서 시차를 두어 지연기폭 되도록 뇌관을 배열한다.

몇 개 공씩 묶어서 시차를 두어 지연기폭하는 경우에 기폭순서는 도 5(b), 도 6 에 도시된 바와 같이 심빼기공(7)부터 기폭한 다음 심빼기 확대발파공(10)을 기폭하고, 도 5(a)에 도시한 바와 같이 좌우측부를 중심부보다 먼저 기폭 되도록 뇌관을 배열한다. 그리고 좌우측부를 중심부보다 먼저 기폭하는 이유는 제 1,2차 심빼기공(8a,9a)의 기폭으로 형성된 자유면(F2)과 심빼기 좌우측 공과의 거리가 중심부에서 보다 짧을 뿐 아니라, 좌우측공의 자유면의 수(상, 하, 좌 또는 우, 표면)가 중심부의 자유면의 수(상, 하 표면)보다 많기 때문이다.

또한 좌우측공이 기폭된 후 중심공의 자유면의 수는 5개( 좌, 우, 상, 하 표면)가 된다.

천공장이 짧은 경우에 공저 집중장약하여 공저뇌관만으로 기폭하고, 지발당 최대허용장약량의 제한을 받거나, 천공장이 길은 경우에 분산장약하여 상부뇌관이 공저뇌관 보다 20∼40ms 먼저 기폭되도록 뇌관을 배열하는 것이 바람직하다.

상기 1차 막장 확대발파부(3)는 전기식 또는 비전기식 MS지발뇌관을 사용하여 동시 기폭할 수 있는 발파공의 수는 지발당 최대허용장약량을 기준으로 결정한다.

또한 발파방향은 천반쪽을 자유면(F2)으로 하여 터널축에서부터 좌우측 방향으로, 발파가 진행되도록 뇌관을 배열한다.

이 때 설계굴착선 전열공(14)들이 기폭되기 전에 설계굴착선공(13)들이 먼저 기폭되어야 하며(선균열 발파), 동시에 기폭 할 수 있는 설계굴착선공의 수는 지발당 최대허용장약량의 범위내에서 결정한다.

상기 막장 확대발파부(2)는 지발당 최대허용장약량의 제한 범위에 따라 막장 분할 영역수가 달라진다. 막장을 몇 개의 영역으로 분할해야 하는 경우는 도 13에 도시된 바와 같이 종방향으로 분할하고, 발파공의 기폭시간이 가능한 한 일정하게 지속될 수 있도록 영역별 기폭시차를 결정한다.

발파공들의 기폭순서는 도 8과 도 13에 도시된 바와 같이 천반쪽을 자유면으로 하여 터널축에서부터 좌우측 방향으로, 그리고 천반쪽에서부터 바닥쪽으로 순서에 따라 발파가 진행되도록 뇌관을 배열한다.

설계굴착선공(13)들은 설계굴착선 전열공(14)들보다 먼저 기폭되도록 뇌관을배열한다. 상기 바닥공(15)은 1회로 발파의 후반부에 기폭되도록 뇌관을 배열한다.

본 발명기술의 기폭 특징은 하기의 표 9와 같다.

한편, 종래기술과 본 발명을 연계하여 설명하면 본 터널발파 현장적용시험은 서로 유사한 성질의 암반에서 단면적 80인 상부반단면 발파에서 굴진장 3.50m와 1.60m로 변화시켜 종래 발파패턴과 본 발명의 발파패턴을 각각 적용하여 현장시험을 실시하였다.(도 14 내지 도 19와, 도 37 내지 42에 도시함)

종래기술과 본 발명기술을 적용하여 시험한 터널 모암의 물리적 성질은 표10과 같다.

종래기술이나 본 발명기술을 적용하여 실시한 시험대상 암반은 보통암의 범주에 속하는 화강암질이다.

또한 5개 영역으로 분할하고, 비전기식 지발뇌관을 사용하여 뇌관 자체의 기폭시차 이외에 영역별 표면 지연시차를 갖고 다단계의 시차로서 연속적으로 기폭 되도록 종래기술과 본 발명기술에 적용하였다.

전기식 지발뇌관을 사용하는 경우에는 뇌관 자체의 기폭시차가 짧은 뇌관과 긴 뇌관을 조합하여 뇌관 자체의 기폭시차 만으로 연속적으로 기폭 되도록 본 발명기술에도 적용할 수 있다.

도 5(a)(b)와 도 36에 도시된 바와 같이, 현장적용시험에서 장약공의 천공경은 모두 직경45mm이고, 무장약공은 105mm이다. 종래기술과 본 발명의 천공수 및 천공장은 발파공 배열과 기폭의 특성상 서로 다르고, 굴진장 3.50m의 천공은 3-boom 점보드릴을, 굴진장 1.60m는 2-boom만 사용하였다.

천공수는 하기의 표 11과 같다.

또한 심빼기 종래기술은 무장약공(180) 2개를 천공하는 시간이 많이 소요되며, 종래의 다른 패턴에서는 무장약공을 4개까지 천공하는 경우도 있어 천공시간이 더 많이 소요된다.

표12에서 보는 바와 같이 동일한 단면적에 천공수가 많은 종래기술이 본 발명보다 비천공장이 후술하는 표 12에 표시된 바와 같이 약간 길었고,

천공시간은 후술하는 표13과 같이 굴진장이 1.6m인 경우는 본 발명기술이 종래기술보다 약13분 정도 단축되었으나, 천공수를 동일하게 한다면 약11.7분 정도 단축되고, 굴진장이 3.5m인 경우는 약20분 정도 단축되었으나, 천공수를 동일하게 한다면 약13.5분 정도 단축된다. 즉 굴진장(32)이 길을 수록 종래기술과 본 발명기술의 천공시간의 차이가 많았다. 천공시간은 터널발파 싸이클 타임(cycle time)에 영향을 미치게 되어 노무비 등의 증액을 초래한다.

후술하는 표 14는 굴진장 1.60m에 해당하는 장약의 량을 표시한 것이고, 표 15는 굴진장3.50m에 대한 장약의 량을 표시한 것이다.

종래 굴진장 1.60m의 경우는 심빼기공(150), 심빼기 확대발파공(130), 막장 확대발파공(140), 설계굴착선 전열공(160) 및 바닥공은 NewMITE Plus-II(에멀젼폭약)를 발파공당 0.750kg, 설계굴착선공(170)은 공저에 0.250kg, 상부에 FINEX-I(정밀폭약)을 0.200kg 장약하였다(도 39a,b에 도시함).

또한 종래 굴진장 3.50m의 경우는 심빼기공(150)은 MegaMITE-I(다이너마이트)을 발파공당 1.125kg, 심빼기 확대발파공(130)은 1.875kg, 설계굴착선 전열공(160)과 막장 확대발파공(140) 및 바닥공은 발파공당 2.250kg 장약하였다. 설계굴착선공(170)은 공저에 0.375kg, 상부에 FINEX-I(정밀폭약)을 0.600kg 장약하였다(도 42a,b,c에 도시함)

한편, 본 발명에 따른 굴진장 1.60m의 1, 2의 경우에 심빼기공(7)은 NewMITE Plus-II를 발파공당 0.750kg과 1.000kg, 심빼기 보조공(8,9)과 설계굴착선공(13)은 공저에 0.250kg, 상부에 FINEX-I(정밀폭약)을 0.200kg 장약하였다.

그리고 1, 2차 심빼기 확대발파공(10)은 NewMITE Plus-II를 발파공당 0.250kg과 0.500kg, 막장 확대발파공(14a)과 바닥공(15) 및 설계굴착선 전열공(14)은 발파공당 0.750kg 장약하였다(도 16a∼f에 도시함)

또한 본 발명에 따른 굴진장 3.50m의 경우에 심빼기공(7)은 MegaMITE-I을 발파공당 1.500kg, 심빼기 보조공(8,9)과 설계굴착선공(13)은 공저에 0.375kg, 상부에 FINEX-I(정밀폭약)을 0.600kg 장약하였다.

그리고 심빼기 확대발파공(10)은 MegaMITE-I을 발파공당 1.875kg, 막장 확대발파공(14a)과 바닥공(15) 및 설계굴착선 전열공(14)은 발파공당 2.250kg 장약하였다(도 19a∼f에 도시함).

따라서 표14,15에 표시된 바와 같이 종래기술과 본 발명을 현장적용시험한 굴진장 1.60m와 3.50m의 장약량을 나타내고 있고, 현장적용시험대상 암반의 물성은 거의 유사하여 동일 폭약의 종류에서는 비장약량이 비슷하였으나, 굴진장이 긴 경우 비장약량이 높아지는 경향이 있다.

표 16은 비전기식 뇌관의 영역별 발파초시를 표시하고 있다.

또한 표 17은 전기식 뇌관의 조합 발파시초를 표시하고 있다.

기폭방법은 크게 비다단식 기폭방법과 다단식 기폭방법으로 구분할 수 있으며, 비다단식 기폭방법은 조합 가능한 전기식 지발뇌관(표17 참조)의 자체지연시차 만을 이용한 전기식 기폭방법이며, 다단식 기폭방법은 전기식 지발뇌관의 자체지연시차와 다단식 발파기를 이용한 전기식 다단 발파기 기폭방법과 비전기식 지발뇌관의 자체지연시차와 비전기식 표면 시차지연뇌관을 이용한 비전기식 기폭방법이 있다.

전기식 기폭방법과 비전기식 기폭방법 모두 본 발명에 적용 가능하다.

일반적으로 기폭방법은 터널의 모암상태와 터널단면의 크기 및 주변상황에 맞춰 적절하게 선택하여 이용할 수 있는데, 일정한 크기와 발파공수를 갖는 터널단면의 경우, 발파공해를 최소화해야 하는 상황에서는 전기식 지발뇌관을 사용한 전기식 다단 발파기 기폭방법이나 비전기식 지발뇌관을 사용한 비전기식 기폭방법을 이용할 수 있다.

그러나 누설전류, 정전기, 무선전파가 존재는 경우, 특히 터널발파의 경우에는 안전사고를 예방하기 위해서 본 발명기술에 적용하고 있는 비전기식 지발뇌관을 사용한 비전기식 기폭방법을 이용하는 것이 바람직하다.

도 37와 도 40에 도시된 바와 같이 현장적용시험은 천공 및 장약하고, 5개 영역으로 구성하여 심빼기공(150), 심빼기 확대발파공(130)을 "1영역, 막장 확대발파공(140), 설계굴착선공(170)의 일부와 설계굴착선 전열공(160)의 일부 및 바닥공 부분을 "2"와 "3"영역, 막장 확대발파공(140), 설계굴착선공(170)의 일부와 설계굴착선 전열공(160)의 일부 "4" 및 "5"영역으로 방사상 분할하였다.

각 영역별 시차 조정에 있어서 "1"과 "2"영역의 시차는 굴진장 1.60m와 3.50m 공히 57ms(317ms-260ms), "2","3","4" 및 "5"영역의 시차는 25ms로 하였으며, 동일 영역내의 발파공수와 튜브의 길이 관계상 "0"ms의 번치 커넥터(bunch connecter)를 사용하였다. 이들 각 영역과 발파공의 기폭시차는 상기 표16과 같다.

또한 종래기술 현장적용시험 중 비전기식 기폭방법에 있어서 "5"영역까지 표면 지연시간은 92ms가 소요됨에 따라 터널발파의 심빼기공(150)의 첫 번째로 기폭되는 공저뇌관의 자체 지연시간은 단선(cut-off)을 방지할 수 있는 120ms로 하였다.

비전기식 지발뇌관의 기폭시스템을 이용하여 상부 반단면을 1회로 기폭시켰다.

본 발명의 현장적용시험은 도 14(a)(b)에 도시된 바와 같이, 천공 및 장약하고, 5개 영역으로 구성하여 심빼기공(7), 심빼기 보조공(8,9), 1차 막장 확대발파공(11)과 설계굴착선공(13)의 일부 및 설계굴착선 전열공(14)의 일부를 "1"영역, 2차 막장확대 발파공(14a)과 바닥공(15)의 일부를 "2","3"영역, 설계굴착선공 (13)의 일부, 설계굴착선 전열공(14)일부, 2차 막장 확대발파공(14a)의 일부 및 바닥공(15) 부분을 "4","5"영역으로 일방향 분할하였다.

각 영역별 시차 조정에 있어서 굴진장 1.60m와 3.50m 모두 "1"과 "2"영역의 시차는 뇌관 자체 지연시차 뿐이며, "3","4" 및 "5"영역의 시차는 25ms로 하였다.

동일 영역내에서는 발파공수와 튜브의 길이 관계상 "0"ms의 번치 커넥터 (bunch connecter)를 사용하였다. 이들 각 영역과 발파공의 기폭시차는 표16과 같다.

또한 본 발명의 현장시험중 비전기식 기폭방법에 있어서 "5"영역까지 표면 지연시간은 75ms가 소요됨에 따라 터널발파의 제 1차 심빼기 보조공(8a)이 첫 번째로 기폭되는 공저뇌관의 자체 지연시간은 단선(cut-off)을 방지할 수 있는 100ms로 하였다. 비전기식 지발뇌관의 기폭시스템을 이용하여 상부 반단면을 1회로 기폭시켰다.

도 30,31에 도시된 바와 같이 부분별 기폭순서는 본 발명과 같이 심빼기부, 심빼기 확대발파부, 막장 확대발파부 및 바닥공의 순서로 발파해 간다.

그러나 세부기폭순서에서 종래는 심빼기공(150)을 터널 중심부에 위치하도록하여 제일 먼저 기폭시켜 자유면(F2)을 형성한 다음 이를 중심으로 좌우 또는 좌우상하로 배치된 심빼기 확대발파공(130)을 기폭시켜 자유면(F2)을 확대 형성한다.

그후 심빼기 확대발파공(130)을 좌우상하로 둘러 싸고 있는 막장 확대발파공(140)이 기폭되며, 이들이 기폭된 후 설계굴착선 전열공(160)과 설계굴착선공(170) 및 바닥공이 차례로 기폭된다(도 35에 도시함).

도 29a ∼c는 막장굴착순서 측면도로서 종래기술에서 보는 바와 같이 심빼기공과 심빼기 확대발파공이 기폭된 후 좌우상하에 자유면이 형성된다. 이들 상부에 위치하는 막장 확대발파부는 하향의 자유면, 하부에 위치하는 막장 확대발파부는 은 상향의 자유면 방향으로 발파된다. 바닥공까지 발파되면 새로운 발파 후 막장이 하기의 표 18과 같이 구비된다.

도 8,9에 도시된 바와 같이 발명기술의 세부기폭순서는 심빼기부(4)는 1차 심빼기 보조공(8a)이 2차 심빼기 보조공(9a)보다 먼저 기폭되며, 심빼기 보조공(8,9)들이 기폭된 후 선균열이 발생되어 심빼기공(7)들 주위에 자유면 들이 형성된다.

자유면들의 내부에 위치하는 심빼기공(7)들이 심빼기 확대발파공(10)들이 기폭되어 확실하고 넓은 자유면을 형성하게 된다. 이들 자유면을 이용하여 1차 막장 확대발파부(3)의 1차 막장 확대발파공(11), 설계굴착선공(13) 및 설계굴착선 전열공(14)이 차례로 기폭되고, 2차 막장 확대발파부(2)의 2차 막장 확대발파공, 설계굴착선공 및 설계굴착선 전열공이 차례로 기폭된다. 그리고 맨 나중에 바닥공(15)이 기폭되게 된다.

도 7a,b,c에 도시된 바와 같이 심빼기 보조공, 심빼기공이 기폭된 후, 막장 확대발파부의 상부에 자유면이 형성된다. 천반쪽을 자유면방향으로 하여 막장 확대발파공, 설계굴착선공 및 설계굴착선 전열공이 차례로 기폭되고, 맨 나중에 바닥공이 기폭되면 발파후의 새로운 막장이 형성된다.

천공장에 대한 굴진장의 비를 굴진율(40)이라 하며 표 12에 표시된 바와 같이 굴진장 3.50m인 경우에는 종래는 92%, 본 발명은 96%이다.

또한 굴진장 1.60m인 경우에 종래는 91%, 본 발명은 97%로서 굴진율은 본 발명의 기술이 종래기술보다 약4~6%정도 높다.

한편, 발파공해에 있어서는 비전기식 지발뇌관(11)을 사용하여 종래기술과 발명기술에 대한 현장적용시험을 실시하였다. 시험장소는 굴진장에 따라 다르나 암반의 물성은 서로 유사했다. 즉 굴진장 3.50m의 경우는 약100m 굴진된 상태이고, 굴진장 1.60m는 약50m굴진된 상태이었다.

터널막장 천반으로부터 직상부 지표면까지의 거리는 지형상 약간 다르다. 또한 터널 갱문 전방의 터널과 같은 레벨에서 지반진동과 폭풍압 및 소음을 계측하였고, 터널막장(폭원)으로부터 직상부 지표면에서 지반진동을 계측하였다.

터널발파시 지반진동과 소음 및 폭풍압은 Canada Instantel사에서 제작한 DS-077과 DS-677을 사용하였으며, 계측한 자료는 정리하면 표19와 같다.

발파공해 중 지반진동은 도 35에 도시된 바와 같이 심빼기부("1"영역)이 먼저 발파된 후, 이를 중심으로 좌우상하 방향으로 배치된 발파공들이 심빼기부를 향해 기폭된다. 이때 도 33에 도시된 바와 같이 심빼기부의 좌우측에 위치하는 발파공들의 기폭으로 진동이 주로 좌우측으로 전파되고, 상부방향에 위치하는 발파공들의 기폭으로 도 34와 같이 천반방향으로 막장이 확대되면서 진동이 주로 터널 상부방향으로 전파된다.

한편 본 발명은 도 13에 도시된 바와 같이 심빼기 부분이 먼저 발파된 후, 도 11과 같이 심빼기부의 아래에 위치하는 발파공들이 천반방향을 향해 기폭된다. 이때 도 12와 같이 터널 바닥방향으로 막장이 확대되면서 진동이 주로 터널 하부방향으로 전파된다.

따라서, 발 발명은 발파공의 기폭으로 인해 발생되는 지반진동을 주로 터널하부쪽으로 전파시키며, 표19에서 보는 바와 같이 동일한 환산거리로 계산하면 터널상부의 지표면에는 종래기술보다 발명기술이 평균 약42.6%이상 낮은 지반진동이 전달되고, 하부방향 또한 낮게 전파됨을 알 수 있다. 지발당 장약량의 조절로 전파되는 지반진동의 크기를 변화시킬 수 있다.

본 발명의 따른 발파작업에서 발생하는 소음은 폭약의 폭발로 인한 것이며, 폭약이 발파공내에 완전히 구속된 상태에서 폭발했을 경우 발파공 외부에서 폭발했을 때나 전색이 불완전한 상태에서 폭발했을 때 보다 소음과 폭풍압이 작게 발생된다. 또한 적절치 못한 저항선과 지발당 장약량도 높은 소음과 폭풍압을 발생시키는 요인이다.

그리고 터널막장의 발파조건은 노천발파와 달리 5개의 면(막장, 천반, 바닥, 좌우측벽면)이 막혀 있어 지향지수(directivity index)가 크게 됨으로서 높은 소음과 폭풍압이 터널 밖으로 전파된다.

도면 33에 도시된 바와 같이 심빼기부("1"영역)를 중심으로 좌우측 ("2"와 "3"영역)은 좌우측으로 기폭이 되지만 나머지 영역은 주로 하향으로 기폭되는 시스템이다.

이러한 기폭 시스템은 이전공의 발파로 측부나 상부에 위치하는 발파공의 전색물이 빠져나와 무전색 상태가 되거나 배면파괴로 파쇄암이 자유낙하하여 저항선이 짧아지며, 심하면 저항선이 없는 상태, 즉 폭약이 발파공 밖으로 노출된 상태에서 기폭되는 경우도 발생된다.

따라서, 이러한 원인이 종래기술의 높은 소음과 폭풍압을 발생하게 된고, 표19에 142이상으로 표기한 것은 계측기의 특성상 폭풍압이 142dB()을 초과하면 기록하지 못한다.

한편 도 13에 도시된 바와 같이 모든 영역의 발파방향은 터널 천반부를 향하고 있다. 이전공의 발파로 배면파괴가 발생한다 해도 파쇄암의 자유낙하가 없고, 전색물의 이탈이 발생하지 않아 자유면이 파쇄암으로 덮혀 있거나 폭약이 발파공 밖으로 노출되는 일이 없어 폭약의 폭발로 인해 높은 소음과 폭풍압이 발생하지 않는다. 또한 도 10에 도시된 바와 같이 파쇄암이 막장에 밀착하여 쌓이므로 폭약이 발파공 밖으로 노출되지 않음은 물론 발생되는 소음과 폭풍압을 파쇄암이 차단하는 역할도 한다.

즉 표19에 나타낸 것을 동일 환산거리거리에서 평균은 발명기술의 소음과 폭풍압이 종래기술에 비해 모두 약10dB 정도 낮게 계산된다. 여기서 소음과 폭풍압의 10dB 차이는 종래기술이 발명기술보다 약3.16배 높다는 것을 의미한다.

한편, 터널발파후 파쇄암의 직경을 10cm이상과 이하의 것에 대한 최대 비산거리와 평균 비산거리를 측정하였고, 파쇄암의 전체량에 대한 직경 50cm 이상의 것과 이하의 것의 비율을 산출한 값은 표20에 나타냈다.

도 32와 도 10에 도시된 바와 같이 비산거리 L은 본 발명의 L' 보다 길다. 이는 종래기술에 있어서는 발파공의 기폭방향이 주로 터널바닥방향과 좌우측방향을 향하고 있으나, 본 발명은 기폭방향이 주로 터널 천반부를 향하고 있기 때문이다. 그리고 비장약량 및 지발당 장약량과 비산거리와는 비례 관계의 경향을 나타낸다.

즉, 심빼기공과 심빼기 확대발파공부분에 있어서 종래기술의 비장약량은 2.90∼3.25, 본 발명의 경우 1.20∼1.50정도이다. 또한 1회로 발파에서 굴착되는 암량은 거의 유사하고, 공간이 한정적이기 때문에 발명기술에 의한 파쇄된 암석의 비산거리가 짧은 대신 도 10과 같이 본 발명의 퇴적고 H2'가 종래기술의 퇴적고 H2보다 높아진다.

따라서, 본 발명의 비산거리가 종래기술의 비산거리보다 짧고, 퇴적고는 높아져 버력처리(60)가 효율적이다.

한편 파쇄된 암석의 입도는 발파공 간의 간격, 비장약량, 폭약의 종류 및 기폭방법에 의해 영향을 받게 된다. 굴진장이 길면 짧은 경우에 비해 발파공의 간격이 넓어지며 파쇄암의 입도가 크게 되는 경향이 있다.

종래기술은 발파공에 장전된 폭약의 폭발에너지가 암반파쇄에 대한 기여율이 본 발명에 비해 적기 때문이다. 즉, 본 발명은 발파공내 전색물이 발파공 밖으로 유출되지 않으며, 폭약이 발파공 외부로 노출되는 일이 없어 암반파쇄에 대한 기여율이 높고, 파쇄효과가 증가된다.

따라서, 본 발명기술이 버력처리 작업이 용이하고 효율적이다.

터널굴진막장에서의 심빼기 발파는 대부분 1자유면 발파이고, 다음 발파공에 새로운 자유면을 만들어 주기 위해서 심빼기 발파를 실시하게 된다.

터널발파의 성패는 새로운 자유면을 형성하는 심빼기 발파의 성공 여부에 달려 있으므로 자유면을 갖는 터널발파에서 심빼기 발파는 중요하다.

종래의 기술은 심빼기 부분의 위치를 막장 중심부에 위치시켜 왔다. 그 이유는 심빼기 발파시 지발당 장약량과 비장약량이 많기 때문에 모암의 손상을 방지하기 위해 터널벽면과 이격시켜 왔고, 경사공 심빼기 공법(V-cut 공법)을 용이하게 사용하기 위해 터널 단면이 좁은 경우 경사 심빼기공을 막장의 중심부에 위치시키고 있다.

그러나 경사공 심빼기 공법(V-Cut공법) 사용시 천공장은 터널단면의 크기에 제약을 받으므로 좁은 터널단면에서는 장공발파를 할 수 없으며, 정확한 경사각을 유지하여 천공해야 하는 단점도 있고, 파쇄암의 원거리 비산으로 버력처리 시간을 많이 필요로 함으로 바람직한 공법이라 할 수 없으나, 일방향 경사공 심빼기 공법의 천공장은 단면의 크기에 제약을 받지 않으며, 심빼기공이 천반부에 위치함으로서 원거리 비산을 억제할 수 있다.

또한 Burn-cut이나 실린더 커트(Cylinder-cut)는 단면의 크기에 제약을 받지 않으나, 공경이 큰 무장약공과 그 주변에 많은 장약공을 천공해야 함은 물론 천공의 정밀성이 요구되기 때문에 숙련된 기술자가 필요하고 천공시간이 길어지는 단점이 있으나, 무장약공 주변에 심빼기 확대발파공의 수를 줄이면 천공시간이 길어지는 단점을 보완할 수 있다.

Burn-cut는 Burn-hole 주변공의 장약량이 많아지고, 무장약공의 공경이 작아서 자유면 역할을 충분히 하지 못할 경우에는 지반진동이 커질 가능성이 있을 뿐 아니라 잔류공이 발생하는 문제점도 있으나, 심빼기공 주변의 심빼기 보조공을 심빼기공 발파전에 발파하여 선균열(불연속면)을 먼저 형성시킴으로서 지반진동의 전파를 억제 시킬 수 있을 뿐 아니라 잔류공의 문제를 해결할 수 있다.

실린더 커트의 경우 대구경 천공으로 천공시간이 길어지고, 비트를 교환하는데 시간이 필요하다. 그리고 천공오차에 의한 발파효율이 저하될 수 있으므로 고도의 천공기술이 필요하며, 무장약공 주변에 집중장약으로 파쇄된 암석이 원거리까지 비산하는 단점이 있다.

본 발명은 터널의 천반부에 심빼기공을 위치시키고 심빼기공은 막장에 수직으로 일방향 경사 천공한다. 이를 다시 설명하면 모암의 손상을 방지하기 위해서 심빼기 보조공을 디커플링 효과를 이용한 디커플링 장약으로 심빼기공보다 먼저 기폭하여 막장에 수직으로 선균열을 형성함으로서 심빼기공의 장약량을 감소시킬 수 있으며, 발파로 인한 모암으로의 진동전달과 균열전파를 억제할 수 있다.

또한 막장 확대발파공들과 동일한 직경의 비트를 사용하기도 하고 대구경의 무장약공을 천공할 수도 있기 대문에 막장 상황에 따라 적절하게 선택하여 사용할 수 있고 발파공의 배열이 기하학적이라 천공시간을 절약할 수 있다.

또한 선균열이 형성된 면적이 넓기 때문에 다수의 심빼기공을 기폭하여 넓은 자유면을 확보할 수 있으며, 심빼기공은 최소 3~4개 방향(바닥과 파괴 예상선 만 구속됨)의 뚜렷한 자유면을 가지게 되므로, 잔류공이 종래의 것에 비해 적게 발생되는 확실한 심빼기가 가능하다.

또한 심빼기공은 자유면이 많기 때문에 공당 장약량과 지발당 장약량을 줄여 사용하게 됨으로서 낮은 진동발생과 파쇄암의 원거리 비산을 방지할 수 있다.

본 발명의 심빼기 확대발파공은 심빼기에 의해 형성된 자유면을 확장하기 위한 것이다. 종래 기술의 심빼기 확대발파공은 심빼기공에 의해 형성된 자유면을 향하여 상·하·좌·우 방향의 근접된 거리에서 기폭 함으로서 이전 공의 기폭으로 다음 공의 폭약이 발파공 밖으로 노출된 상태이거나 전색물이 유출된 상태에서 기폭되어 큰 소음이나 폭풍압 및 파쇄암의 원거리 비산이 발생되고 있다.

본 발명은 심빼기 확대발파공이 일률적으로 천반방향을 자유면으로 한 기폭형태를 갖추고 있기 때문에 큰 소음이나 폭풍압 및 파쇄암의 원거리 비산을 억제 할 수 있다.

본 발명에 따른 막장확대 발파공은 심빼기 영역을 제외한 나머지 영역은 대부분 자체지연초시가 긴 LP 시리즈의 뇌관을 사용한다.

동일 영역에서 이전 발파공이 기폭된 후 다음 발파공이 발파될 때까지의 지연시차는 국내 A사 제품의 전기식이나 비전기식 지발뇌관의 경우에 LP-10이하에서는 약0.1초, LP-11∼15이하에서는 약0.2초, LP-16∼25까지는 약0.5초의.시차를 나타내고 있다.

국내 B사 제품의 전기식 지발뇌관의 경우에 LP-7이하에서는 약0.1초, LP-8∼12이하에서는 약0.2초, P-13∼20까지는 약0.5초의 시차를 나타내고, 비전기식 지발뇌관(11)을 사용할 경우 LP-12이하에서는 약0.1초, LP-14∼20이하에서는약0.2초, LP-25∼60까지는 약0.5초의 시차를 나타낸다. 이들 시차는 발파방향이 하향인 경우 이전 발파공으로 발생된 배면파괴된 암석이 다음 발파공이 기폭되기 전에 자유낙하 하기에 충분하다.

전기식이나 비전기식 지발뇌관을 사용하여 도 35에 도시된 바와 같이 터널발파를 실시하는 경우, 막장 중심부에 위치한 심빼기 부분("1"영역)을 중심으로 하여 방사상으로 영역을 구분하고, 동심원 상태로 막장 확대발파공들이 차례로 기폭되는 형태를 취하게 된다.

도 43,44에 도시된 바와 같이 발파방향이 하향인 막장 확대발파공은 이전 발파공의 기폭에 의해 배면파괴(back break,)가 발생하여 다음 발파공이 기폭되기 전에 상부 암반의 일부가 순간적으로 자유낙하 하거나 인접공으로의 균열 연결로 다음 발파공이나 인접공의 메지가 손실되어 저항선(폭약과 자유면과의 최단거리, 23) 짧아지기도 하고, 발파공에 밀폐되었던 폭약이 대기중에 노출되기도 하여 다음 발파공 기폭시 소음과 폭풍압의 발생이 크게 증가되며, 파쇄암은 원거리까지 비산하게 된다.

본 발명은 전기식이나 비전기식 지발뇌관을 사용하며, 도 11에 도시된 바와 같이 막장의 발파영역을 일방향으로 분할한다. 그리고 도 7a,b,c에 도시된 바와 같이 각 영역은 천반쪽을 자유면으로 하여 천반방향에서 바닥방향으로 순차적으로 막장 확대발부분이 기폭되는 형태를 취하게 된다.

이러한 형태를 취하게 됨으로서 도 20의 발파방향이 상향인 막장 확대발파공은 이전 발파공의 기폭으로 파쇄된 암석이 상부로 이동한 후 막장 전방바닥과 다음발파공의 자유면 상에 쌓인 상태로 있게 된다.(도 10에 도시함)

따라서 이전 발파공의 기폭으로 배면파괴가 일부 발생하지만, 다음 발파공이 열리거나 저항선이 짧아지는 경우가 발생되지 않을 뿐 아니라. 막장 확대발파공이 터널 바닥부분으로 내려감에 따라 파쇄된 암석은 막장 전방과 자유면 상에 차례로 쌓여 자유면을 덮게 되므로 폭약의 폭발로 인한 소음과 폭풍압의 발생이 크게 감소되며, 파괴된 암석(버력)이 멀리 비산하지 않고 막장 부근에 쌓이게 된다.

터널발파로 인해 발생하는 지반진동 만을 줄이기 위해 현재까지 전기식이나 비전기식 지발뇌관을 사용하는 발파공법은 도 35에 도시된 바와 같이 설계굴착선공들과 설계굴착선 전열공들이 여러 영역별로 각각 분리되어 있어서 정상적으로 설계굴착선 전열공을 설계굴착선공보다 먼저 기폭하는 것이 종래기술에서는 일반화되어 왔다.

이때 도 44에 도시된 바와 같이 자유면을 향하여 설계굴착선 전열공을 기폭하게 되면 인접공으로의 균열 전파와 설계굴착선공 방향의 배면파괴가 발생하여 설계굴착선공이 기폭되기 전에 배면파괴된 암석이 자중에 의해 자유낙하되어 설계굴착선공의 저항선이 짧아지거나 발파공이 열린 상태로 기폭되어 발파 소음과 폭풍압이 크게 발생되고 있다.

만일 종래기술에서 설계굴착선공들을 선균열 발파할 경우에는 설계굴착선 전열공이 자유면 방향으로 밀려나오거나 자유낙하하여 설계굴착선 전열공내의 폭약이 완전히 대기중에 노출된 상태에서 기폭되기 때문에 엄청난 발파소음과 폭풍압을 발생시킨다. 따라서 종래기술에서는 설계굴착선공들에 대해 선균열 발파를 실시하지못했다.

도 13에 도시된 바와 같이 터널 굴진막장 좌우측에 위치하는 설계굴착선공과 설계굴착선 전열공들은 각각 단일 영역에 포함되며, 그 영역의 설계굴착선공을 설계굴착선 전열공 보다 먼저 기폭되게 함으로서 도 21에 도시된 바와 같이 설계굴착선에 발생된 선균열은 여굴을을 감소시킬 뿐 아니라, 설계굴착선 전열공의 발파로 인한 모암의 손상을 억제할 수 있다.

이때 막장 확대발파공과 설계굴착선 전열공이 시차를 두고 각각 기폭되는 경우에는 막장 확대발파공의 기폭으로 막장 확대발파공에 균열이 전파될 수도 있지만, 파쇄된 암석의 자중에 의해 원위치에서 이탈되지 않으며, 설계굴착선 전열공이 막장 확대발파공 보다 먼저 기폭되는 경우에 천반방향으로 발파가 진행되며, 설계굴착선 전열공으로 막장 확대발파공으로 균열이 전파될 수도 있지만 막장 확대발파공의 상부 암반은 원위치에서 이탈되지 않는다.

그 역으로 막장 확대발파공이 설계굴착 전열공 보다 먼저 기폭되는 경우에 천반방향으로 발파가 진행되며, 설계굴착선 전열공으로 균열이 전파될 수도 있지만, 설계굴착선 전열공과 설계굴착선의 선균열 사이를 잇는 균열이 발생되지는 않으므로 설계굴착선 전열공 상부 암반은 원위치에서 이탈되지 않아 폭약 폭발시 소음과 폭풍압이 증폭되지 않는다.

또한 막장 확대발파공와 설계굴착선 전열공이 동시 기폭되는 경우 발파방향이 천반쪽이 되며, 발파공이 닫혀 있고, 저항선의 변화가 없다.

따라서, 이러한 발명기술의 메카니즘은 소음과 폭풍압의 발생을 크게 저감시킬 수 있다.

종래 기술이나 본 발명의 바닥공은 각 영역별로 바닥공 전열공이 발파된 후에 천반방향으로 기폭 되도록 하고 있다.

한편, 심빼기에 있어서 초과천공은 심빼기 보조공들을 디커플링 장약으로 디커플링 효과(decoupling effect)를 이용 선균열(pre-splitting,)발파함으로서 심빼기공에 대한 자유면으로 이용할 수 있을 뿐 아니라, 심빼기 보조공과 심빼기공을 일반적인 것보다 짧은 초과천공으로도 완벽한 심빼기 발파를 기대할 수 있다.

천공작업은 장공발파를 위한 평행한 심빼기공들의 간격이 비교적 넓고, 막장의 발파공과 동일한 직경의 비트를 사용하여 막장에 수직 또는 일방향 경사로 천공하게 되므로 천공기사의 숙련도에 관계없이 천공작업이 용이하다.

시공성은 전단면 발파시 심빼기공을 발파함으로서 넓고 확실한 2자유면이 형성되어 1회로 발파당 최대의 굴진장을 확보하고, 굴진율을 증가시켜 시공성을 높일 수 있다.

지반진동은 심빼기공들 주변에 심빼기 보조공들의 선균열 발파로 불연속면(선균열 면)이 형성되어 심빼기공의 발파로 발생된 지반진동의 전파를 차단함으로서 지반진동의 피해를 저감할 수 있다.

소음 및 폭풍압은 터널발파공해 저감 메카니즘에서와 같이 이전 발파공이 발파된 후에 다음 발파공이 열리는 상황이 발생하지 않으므로 소음과 폭풍압을 저감 할 수 있다.

비산은 심빼기 부분이 터널 천반부에 위치하지만, 심빼기공의 비장약량이 적어 파쇄암의 비산속도가 느리므로 비산거리가 짧아지도록 한 것이다.

또한 심빼기 확대발파공에 있어서, 초과천공은 종래기술과 같이 주변공들의 굴진장 확보를 위한 심빼기 확대발파공을 다른 주변공들보다 초과천공장을 더 길게할 필요가 없어 천공시간이 단축되는 효과와 재료비를 줄일 수 있다.

영역분할은 막장을 몇 개의 영역으로 적절하게 분할 할 경우, 1차 막장 확대발파공의 기폭으로 인해 확보되는 막장의 면적이 넓어서 균형있는 막장 확대발파부분의 영역 분할 작업이 편리하도록 한 것이다.

지반진동은 도 11 에 도시한 바와 같이 터널의 바닥방향으로 대부분의 지반진동이 전파되고, 터널의 상부 지표면에는 낮은 지반진동이 전파됨으로서 터널 상부 지표면에 대한 지반진동 저감 효과가 크다. 따라서 보안물건(진동에 의해 피해를 받을 수 있는 물건)이 터널상부에 위치하는 있는 경우에는 상당부분 줄일 수 있게 된다.

소음 및 폭풍압은 전기식 지발뇌관이나 비전기식 지발뇌관을 사용하는 어느 경우에도 자유면이 천반를 향하고 있기 때문에 파쇄된 암석이 자유낙하지 않아 발파공의 열림이 없어서 소음과 폭풍압 발생을 저감시킨다.

비산은 자유면이 천반을 향하고 있기 때문에 파쇄암의 주이동 방향이 천반쪽이 되어 파쇄암의 막장 전방으로의 비산거리가 짧아지므로 버력처리가 용이하다.

또한 막장 확대발파공에 있어서 막장 영역분할은 발파공해(지반진동, 소음, 폭풍압 등)를 최대한으로 억제하기 위한 막장 확대발파공들의 영역분할이 편리하다.

지반진동은 터널의 바닥방향으로 대부분의 지반 진동이 전파되고, 터널의 상부 지표면에는 낮은 지반진동이 전파됨으로서 터널 상부 지표면에 대한 지반진동 저감이 크다.

소음 및 폭풍압은 전기식 지발뇌관이나 비전기식 지발뇌관을 사용하는 어느 경우에도 자유면이 천반부를 향하고 있기 때문에 파쇄된 암석이 자유낙하 하지 않아 발파공의 열림이 없고, 발파시 파쇄암이 상부자유면과 막장면에 쌓이므로 소음과 폭풍압 발생을 저감시키게 된다.

설계 굴착선공은 전기식 지발뇌관과 다단 발파기를 조합한 전기식 다단 발파기 기폭공법이나 비전기식 지발뇌관을 사용하는 종래공법들은 발파공해를 최대한으로 억제하기 위해 막장을 여러 영역으로 분할할 경우 설계굴착선공들이 여러 영역으로 분할되어 하향의 자유면을 갖어 암반의 자중에 의한 자유낙하로 기폭되지 않은 폭약이 대기중으로 노출상태에서 기폭되기도 하기 때문에 설계굴착선공을 선균열 발파하여 여굴을 줄이는 것이 불가능했으나, 본 발명의 경우는 설계굴착선공이 여러 영역으로 분리되지 않고, 상향의 자유면을 가지며, 단일 영역으로 분리되기 때문에 설계굴착선 전열공보다 먼저 기폭할 수 있다.

모암모암보호 및 여굴방지는 발파공해를 유발하지 않고 설계굴착선공의 선균열 발파를 실시하여 모암손상을 억제하고, 여굴을 방지한다.

천공은 종래기술(V-cut, Cylinder-cut, Burn-cut)과 같이 천공각도와 간격의정확성을 위한 고도의 천공기술이 필요하지 않을 뿐 아니라 기하학적인 천공배치로 천공작업이 용이하게 된다.

또한 장공발파나 단공발파에서도 이용되는 대구경의 무장약공(39) 주변에 심빼기 확대발파공이 적을 뿐 아니라, 평행공이나 일방향 경사 심빼기에서는 막장의 모든 발파공을 동일한 직경의 비트를 사용하여 천공함으로서 천공시간이 절약되며, 브이 컷트(V-cut)을 위한 양방향 경사 천공을 실시할 필요가 없어서 천공시간이 단축된다.

한편 뇌관은 터널 단면의 크기나 지질상태에 관계없이 전기식/비전기식 지발뇌관을 사용할 수 있다. 또한 지전류나 누설전류 또는 정전기들이 존재할 가능성이 있는 장소에서는 비전기식 지발 뇌관을 사용한다. 터널굴진 단면을 몇 개의 영역으로 분할하여 지반진동과 소음 및 폭풍압을 저감시키고자 하는 경우에는 비전기식 지발뇌관을 사용한 비전기식 기폭방법을 채택할 수 있다. 지전류나 누설전류 또는 정전기 등이 존재하지 않는 장소와 모암의 상태가 양호한 터널에서 지반진동이나 소음 및 폭풍압을 특별히 저감시킬 필요가 없을 경우에는 전기식 지발뇌관 만을 사용할 수도 있다.

뇌관의 배열은 기하학적인 천공배치로 뇌관 배열이 편리하고 빠르기 때문에 뇌관배열 시간이 절약되는 효과와 초보자도 뇌관의 기폭순서가 바뀌지 않고 손쉽게 정확한 배열을 할 수 있다.

소음 및 폭풍압의 지속시간은 발파공의 배열에 따른 기폭순서의 특이성으로 인해 발생되는 발파소음과 폭풍압이 1회로 발파 초기에 최대값을 나타내고 시간이 경과되면서 차츰 감소되는 특징이 있다. 이는 종래기술에 의한 발파에서 1회로 발파가 완료될 때까지 지속적인 높은 소음과 폭풍압이 계속되는 것이 개선된다.

따라서 발명기술은 발파소음과 폭풍압의 최대값이 종래기술보다 낮은 효과도 있지만, 지속 시간이 짧을 뿐 아니라 시간의 경과에 따라 감소된 것이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이 본 발명은 종래기술에서 터널발파시 주로 바닥방향을 향하고 있는 자유면 때문에 발파공내의 전색물의 이탈과 발파공내의 폭약이 발파공 외부로 노출된 상태에서 기폭됨으로서 발생하는 소음 및 폭풍압이 크게 발생되는데 비하여 본 발명은 터널의 천반부에 심빼기공 위에 있는 심빼기 보조공을 선균열 시킨 후 발파를 시행하므로 지반진동 및 폭풍압을 효과적으로 대폭 저감시킬 수 있으며, 천반방향의 자유면이 형성되어 터널상부 지표면에 전달되는 지반진동을 탁월하게 감소시킬 수 있다.

또한 설계굴착선이 선균열 됨으로서 모암의 손상과 여굴을 방지하고, 기하학적인 영역분할로 장약작업이 용이하며, 전 막장에 기학적인 발파공의 배열과 비천공장이 짧아 천공시간이 절약되기도 한다. 심빼기가 확실하여 굴진율이 향상되고, 파쇄된 암석의 비산거리가 짧은 특징이 있다.

Claims

터널을 굴착하고자 하는 막장면을 부분별로 소정의 깊이의 심빼기공, 심빼기 보조공, 심빼기 확대발파공, 막장 확대발파공, 설계 굴착선공, 및 바닥공들을 천공하여 구멍을 형성한 후, 이 천공된 구멍내에 뇌관과 폭약들을 장전하여 장약공들을 형성하고, 이 장약공들의 입구를 전색물로 전색한 다음, 발파기로 지발뇌관을 기폭하면 지연시차에 따라 차례로 기폭되어 암반을 굴착하는 터널공법에 있어서,

터널의 중심 상단부에 소정의 간격을 갖는 여러 개의 심빼기공(7)들과 심빼기공 (7)들 주변에 소정의 간격을 갖는 심빼기 보조공(8,9)들을 천공하는 단계와;

상기 심빼기 보조공(8,9)들 아래 부분에 위치하며 소정의 공간격(S)/저항선 (B)의 비율로 배치되는 심빼기 확대발파공(10)들을 천공하는 단계와;

상기 심빼기 확대발파공(10)들 아래 부분에 위치하는 막장 확대발파공(14a)들을 천공하는 단계와;

외측에 설계굴착선공(13)들을 천공하는 단계와;

상기 설계굴착선공(13)의 내부로 소정의 간격을 갖도록 구비된 설계굴착선 전열공(14)들을 천공하는 단계와;

하측에 바닥공(15)들을 천공하는 단계와;

상기 천공된 심빼기공(7), 심빼기 보조공(8,9), 심빼기 확대발파공(10), 막장 확대발파공(14a), 설계굴착선공(13), 설계굴착선 전열공(14), 바닥공(15)에 전기식 이나 비전기식 지발뇌관 중 어느 하나를 삽입하는 단계와;

상기 심빼기 보조공(8,9)을 발파시켜 불연속면을 갖게 하는 단계와;

상기 분연속면 내부에 위치하는 다수개의 심빼기공(7)들을 발파하여 자유면을 확보하는 단계와;

상기 심빼기 확대발파공(10)들과 막장 확대발파공(14a)들, 그리고 설계굴착선공 (13), 설계굴착선 전열공(14)들과 바닥공(15)들을 천반쪽을 자유면으로 하여 천반에서부터 바닥쪽으로 자체 기폭시차에 의해 차례로 기폭 되는 단계로 이루어져 터널의 전단면을 1회로 발파시키게 함을 특징으로 하는 선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파공법.
터널을 굴착하고자 하는 막장면을 부분별로 소정의 깊이의 심빼기공, 심빼기 보조공, 심빼기 확대발파공, 막장 확대발파공, 설계 굴착선공, 및 바닥공들을 천공하여 구멍을 형성한 후, 이 천공된 구멍내에 뇌관과 폭약들을 장전하여 장약공들을 형성하고, 이 장약공들의 입구를 전색물로 전색한 다음, 발파기로 지발뇌관을 기폭시킴으로서 암반을 굴착하는 터널공법에 있어서

터널의 중심 상단부에 소정의 간격을 갖는 여러 개의 심빼기공(7)들과 심빼기공 (7)들 주변에 소정의 간격을 갖는 심빼기 보조공(8,9)들을 천공하는 단계와;

상기 심빼기 보조공(8,9)들 아래 부분에 위치하며 소정의 공간격(S)/저항선 (B)의 비율로 배치되는 심빼기 확대발파공(10)들을 천공하는 단계와;

상기 심빼기 확대발파공(10)들 아래 부분에 위치하는 막장 확대발파공(14a)들을 천공하는 단계와;

외측에 설계굴착선공(13)들을 천공하는 단계와;

상기 설계굴착선공(13)의 내부로 소정의 간격을 갖도록 구비된 설계굴착선 전열공(14)들을 천공하는 단계와;

하측에 바닥공(15)들을 천공하는 단계와;

상기 천공된 심빼기공(7), 심빼기 보조공(8,9), 심빼기 확대발파공(10), 막장 확대발파공(14a), 설계굴착선공(13), 설계굴착선 전열공(14), 바닥공(15)에 전기식 이나 비전기식 지발뇌관 중 어느 하나를 삽입하는 단계와;

삽입된 비전기식 지발뇌관을 막장의 다수개의 영역으로 분할하여 공내 또는 공연지연장치에 접속시키는 단계와;

다수개의 영역으로 분할된 비전기식 지발뇌관의 자체 기폭시차와 공내·외지연장치로 조정하는 단계로 이루어져 각각의 발파공에 장전된 비전기식 지발뇌관들의 자체 기폭시차에 영역별 공내 또는 공외지연장치로 조정된 공외 지연시차를 갖고 다단계의 지연시차로써 천반쪽을 자유면으로 하여 천반에서부터 바닥쪽으로 연속적으로 기폭되게 함으로서 전단면을 지발당 최대허용 장약량으로 1회로 발파시키게 함을 특징으로 하는 선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파공법.
제 1 또는 제 2 항에 있어서,

상기 심빼기공(7)과 심빼기 보조공(8,9)들의 천공장은 굴진장(U1)이 3.0m 이하일 경우에는 굴진장(U2)보다 10∼15cm, 3.0m 이상일 경우에는 15~20cm정도 더 깊게 천공된 것을 특징으로 하는 선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파공법.
제 1 항에 있어서,

상기 심빼기공(7)들과 선균열 발파를 실시하는 심빼기 보조공(8,9)들의 직경은 41∼45mm의 소구경으로써 심빼기공(7)들은 폭약을 집중장약하고, 심빼기 보조공(8,9)들은 디커플링 장약으로 디커플링 효과를 이용하는 선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파공법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기의 심빼기공(7)과 심빼기 보조공(8,9)들은 자유면에 직각으로 서로 평행한 천공 형태임을 특징으로 하는 선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파공법.
제 1 항에 있어서,

상기 심빼기공(7)들의 기폭은 천공장이 짧은 경우에 공저 집중장약하여 공저뇌관만으로 기폭하고, 지발당 장약량의 제한을 받거나, 천공장이 길은 경우에 분산장약하여 상부뇌관과 공저뇌관뇌관을 지연시차를 두어 차례로 기폭시키는 것을 특징으로 하는 선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파공법.
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제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

상기 심빼기 보조공(8,9)으로 터널의 천반부에 위치하는 설계굴착선공(11)들을 이용하는 것을 특징으로 하는 선균열과 상부 심빼기를 이용한 환경 친화적 터널 발파공법.
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