KR100445098B1 - 터널 심발 발파 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널 심발 발파 방법에 관한 것으로서, 터널의 갱구부 발파시 소음과 진동의 발생 및 발파 파쇄물의 비산을 감소시키기 위한 수평 심발 방법에 관한 것으로서, 터널의 갱구부를 굴착하는 과정에서 소음과 진동 발생을 감소시키기 위하여 심발부의 위치를 기존의 터널 중심부로부터 터널의 굴착 하단면으로 이동시킨 것을 포함하며, 또한 심발 발파로 인한 소음을 감소시키기 위해 터널 막장면의 전면에 심발부의 최대 높이 보다 약 20cm 내지 약 30cm 높게, 심발부의 최외곽 발파공보다 30cm 이상 넓게, 그리고 약 90cm 이상의 두께로 모래와 모래주머니를 쌓아서 발파로 인한 소음을 감소시키고 발파 파쇄물의 비산을 억제하여 방호벽이나 방음벽 등의 특수시설의 설치 없이도 법적 규제기준의 범위내에서 환경피해의 우려없이 후속 공사를 효율적으로 실시할 수 있게 하는 효과를 제공한다.

Description

터널 심발 발파 방법{method for blasting center-cut of tunnel}

본 발명은 터널을 발파ㆍ굴진하는 토목 기술에 속하며, 보다 상세하게는 터널 심발 발파 방법에 관한 것으로서, 특히 터널의 갱구부 발파시 소음과 진동 발생을 감소시키기 위한 수평 심발 방법에 관한 것이다.

일반적으로 터널을 굴진함에 있어서 상부 벤치와 하부 벤치로 나누어서 진행시키는 방식의 벤치 발파를 하는 터널의 터널 갱구부의 종래의 심발(心發) 발파 방법은 첨부도면 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같다.

터널의 발파 패턴은 발파시의 메커니즘과 역할에 의해 통상적으로, 심발부(central cut: CC), 주변공(stoping hole: 3), 바닥공(lifter: 4), 및 최외곽공(contour hole: 5)의 4가지로 분류되어지며, 이 4구역을 상호보완적으로 설계하고 순차적으로 발파함으로써 터널의 발파가 완성되어진다. 터널 단면의 발파 굴진에 있어서 자유면을 확대시키기 위하여 선행적으로 기폭되는 심발부(CC)는 다수개의 장약공(裝藥孔)과 다수개의 무장약공(無裝藥孔)을 적절히 배치한 구조를 가지는데, 이러한 심발부는 공(孔)의 기울기에 따라 크게 평행공 심발(parallel hole cut)과 경사공 심발(angled hole cut)의 두 가지 형태로 나누어지며, 전자의 대표적인 예는 버언-커트(burn-cut)이며, 후자의 대표적인 예는 브이-커트(v-cut)이다. 도 1b에는 도 1a의 A-A'단면도로서 도시된 브이-커트(v-cut)의 예를 도시하고 있는데 이를 도 1a와 함께 참조하여 살펴보면, 통상적으로 터널 하부 벤치(LB)에 앞서 굴착되는 터널 상부 벤치(UB)의 굴착 중심부에 심발부(CC)를 형성하는데, 이와 같은 심발부(CC)의 중심에는 심발수평중심공(1)을 배치하고, 그 양측에 쐐기 형상의 브이-커트(v-cut)(2)를 두어서 심발부(CC)를 형성하며, 심발부(CC)의 외곽에는 먼저 심발이 완료되어 생성된 추가적인 자유면을 이용하여 터널의 막장면을 확대시키는 확대공으로서 주변공(3), 바닥공(4), 및 최외곽공(5)을 두어 발파작업을 순차적으로 진행시켜 왔다. 도면에 도시된 각 발파공에 지시선이 없이 인접하여 단순 부기된 숫자는 발파공을 순차적으로 발파하는 발파 순서의 예를 나타낸 것이다. 이와 같은 종래의 통상적인 심발 방법의 경우에는, 첨부된 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이 심발부 및 바닥공의 배치 관계를 살펴볼 때, 심발부(CC)와 바닥공(4) 사이에 주변공(3)이 위치하는 경우(도 1a 및 도 2a 참조)와, 그리고 심발부(CC)의 위치가 심발부(CC) 아래에 주변공이 없이 바닥공(4)이 위치하는 경우(도 2b 참조)가 있으며, 심발부(CC)의 하단과 바닥공(4)까지의 거리를 바닥공 저항선(d)이라 칭함이 일반적이다. 이러한 심발부는 도 1a, 도 2a 및 도 2b와 도시된 바와 같이 터널의 굴진 단면의 중앙부 또는 중앙의 약간 하부에 위치하는 것이 지금까지 통상적이다

터널 발파의 가장 큰 특징은 자유면이 단 1개만이 존재한다는 사실이다. 이러한 이유로 인해 터널 발파에서 우선적으로 실행되는 것은 자유면이 1개인 환경에 추가적인 자유면을 생성시키는 것이며, 심발부가 이러한 역할을 담당한다. 심발부는 자유면이 1개인 상태에서 추가적인 자유면의 생성을 위하여 암반 내에 일정 크기의 공간을 만들어야 하므로 다른 부분에 비해 장약량이 많아지게 되고, 그러한 과장약(過裝藥)의 결과로써 발파 진동 및 소음이 커지게 되고 비석(飛石)도 많이 발생하므로 심발부의 형성 방법이 터널 시공 현장 주변의 환경에 대한 주요 영향 요인으로 작용한다. 그러나, 상술한 종래 방법에 따른 심발 방법을 채택하는 경우에는 발파 작업시 소음과 진동이 크게 발생하고 비석(飛石)이 많이 발생하는 문제점을 가지고 있었다.

최근 국토의 효율적 개발을 위해 도로 및 철도 등의 신설이 급증하면서, 이에 수반되는 많은 수의 터널이 시가지 또는 주택가에 인접하여 시공되는 사례가 늘고 있다. 주택가 또는 시가지에 인접한 터널의 경우, 터널 입구 및 출구부와 같이 외부로 노출된 위치에서 발파작업으로 인한 소음과 진동은 어느 정도 굴진이 진행된 터널 안쪽에서의 발파에 수반되는 소음과 진동에 비해 외부로 확산되는 경향이 크므로 외부로 확산된 소음과 진동에 의한 환경적 피해가 피해가 발생할 가능성이 높으며, 또한 그 피해를 호소하는 민원이 발생할 우려가 크며 이로 인하여 공사가 지연되는 경우가 빈발하고 있는 실정이다.

따라서, 많은 터널 시공 현장에서는 특히 터널 입구부 및 출구부, 즉 터널 갱구부 등의 발파작업의 경우에 발파로 인한 소음과 진동의 피해를 저감시키기 위한 대책의 일환으로서 방음벽을 설치하고, 분할 발파 작업을 하는 등 각별한 노력을 기울이고 있으나, 이와 같은 노력만으로는 소음과 진동에 대한 법적 규제 기준을 만족시키는데에도 부족한 현실이다. 터널 갱구부 발파시 소음을 감소시키기 위한 종래의 방법은 갱구부 주변에 방호벽이나 방음벽 등을 설치하는 것과 같은 소극적 방법이 주로 이용되어 왔다. 발파 진동을 감소시키기 위한 또 다른 종래 방법으로서, 전체 터널 막장면을 약 6개 정도의 구역으로 분할하여, 소규모로 여러 차례의 분할 발파를 실시하는 방법이 주로 이용되었다. 그러나 이들 방법은 터널 발파시 가장 큰 소음과 진동이 발생하며 파쇄물 비산의 원인이 되는 심발 방법 자체를 개선하지 못한 것이며, 다소 개선된 방법을 이용하였다 하더라도 심발의 형태가 복잡하고 여러 차례의 분할 발파에 따른 사고 위험의 증가와 공기 지연이 불가피하였다. 뿐만 아니라, 이와 같이 다소 개선된 종래의 심발 방법들은 갱구부 굴착 보다는 어느 정도 굴진이 이루어진 터널 내부의 막장면 발파시 주로 이용되는 방법들로서, 터널의 갱구부 발파시 발생하는 소음과 진동을 감소시키는 데에는 이용될 수 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점들을 해결한 것으로서, 특히 터널의 입,출구부에서 발파작업이 진행되는 경우에 발생하는 소음과 진동을 상당 수준 저감시킴으로써 인근에 거주하는 주민이나 사육되는 가축에게 미치는 소음과 진동의 환경 피해를 최소화하며, 나아가서 터널 공사의 발주자와 시공자에게는 소음과 진동에 대한 민원으로 인한 공사 지연을 미연에 방지하고, 그리고 소음과 진동을 감소시키기 위하여 별도의 복잡하고 경비가 많이 소요되는 특별한 장치를 설치할 필요를 없앰으로써 공기 및 경비 측면에서도 이익을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

상기한 종래 방법의 문제점을 감안하여, 본 발명은 특히 터널 갱구부 발파시에 가장 큰 소음과 진동을 발생시키는 심발 발파의 방법을 개선함으로써 특수한 방호벽이나 방음벽의 설치 없이 단순히 심발부 전면에 모래를 쌓아두는 것만으로도 법적 규제 기준 이내로 발파 소음 및 진동을 감소시키고, 아울러 심발 발파시 발파 파쇄물의 비산량 및 비산거리를 줄이도록 심발에 의해 형성되는 자유면을 종래 방법 보다 하방으로 내리고 확대공 발파시에 유리하게 심발부 아래에는 바닥공이 없도록하여, 안전하고 효율적인 발파 작업이 이루어질 수 있도록 하는 것을 그 기술적 과제로 삼고 있다.

도 1a는 터널의 갱구부 발파시 적용되던 기존의 발파패턴도의 일 예이고,

도 1b는 도 1a의 A-A' 단면의 단면도이고,

도 2a는 심발부 및 바닥공의 종래의 배치 관계의 일 유형을 도시한 것이고,

도 2b는 도 2a와 다른 일 유형을 도시한 것이고,

도 3은 본 발명에 따른 터널 심발 발파 방법의 바람직한 실시예를 도시한 것이고,

도 4는 상기 도 3의 주변공 및 바닥공의 일부를 포함한 심발부의 확대 상세도이고,

도 5는 상기 도 4의 a-a' 단면으로서 각각의 공이 전체적으로 표현되도록 계단 단면한 터널 길이 방향의 횡단면도이고, 그리고

도 6은 상기 도 4의 b-b' 단면으로서 각각의 공이 전체적으로 표현되도록 계단 단면한 평단면도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

UB: 터널 상부 벤치 LB: 터널 하부 벤치

10: 터널 막장면 20: 터널 상부 벤치(UB)의 굴착 하단면

30: 수평 심발부 30a: 하단 심발공

31: 1차 심발공 31-1,2,3: 분산 장약

32: 무장약공 33: 2차 심발공

34: 3차 심발공 41: 확대공(주변공)

42: 최외곽공 43: 바닥공

61: 모래 62: 모래주머니

이를 위하여, 터널의 갱구부를 발파 굴착하는 과정에서 발생하는 소음과 진동 발생을 감소시키기 위하여 발파 작업시 큰 소음과 진동을 발생시키고 비석(飛石)을 많이 발생시키는 주요 원인을 제공하였던 기존의 심발 발파 방법과 달리, 본 발명에 따른 방법은 발파 굴진되는 터널 단면의 일부를 수평 심발부로서 우선적으로 심발하는 터널 심발 발파 방법에 있어서, 심발 발파시 발파 파쇄물의 비산을 줄이도록 심발에 의해 형성되는 자유면을 종래 방법 보다 하방으로 내리고 확대공 발파시에 유리하게 심발부 아래에는 바닥공이 없도록, 갱구부의 수평 심발부의 위치를 종래 방법과 같이 터널 상부 벤치의 중심부에 두지 않고 터널 상부 벤치의 굴착 하단면 상에 두는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다. 즉, 본 발명에 따른 방법에서는 수평 심발부의 하단 심발공을 터널 상부 벤치의 굴착 하단면에 인접하여 위치시키고, 그리고 상기 수평 심발부의 상기 하단 심발공이 수평 심발부 외측의 바닥공과 실질적으로 동일한 높이에 위치하게 배치된다. 따라서, 상술한 바 있는 바닥공 저항선이 본 발명의 경우에는 실질적으로 "영"에 가깝게 된다고 할 수 있다.

본 발명은 나아가서, 상기 수평 심발부를 발파하기에 앞서 발파 파쇄물의 비산과 발파 소음을 감소시키도록 상기 수평 심발부의 전면에 모래를 쌓아 두는 방법을 제공한다. 즉, 심발부의 전면에 심발부의 최대 높이보다 약간 높게, 그리고 소정의 두께 및 폭으로 모래를 쌓아서 발파로 인한 소음을 감소시키고 발파 파쇄물의 비산을 효과적으로 방지하는 방법을 제공한다.

이하, 첨부도면 도 3 내지 도 6을 참조하여 본 발명의 보다 구체적인 실시예를 살펴보기로 한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법에서는 수평 심발부(30)의 하단 심발공(30a)을 터널 상부 벤치(UB)의 굴착 하단면(20)에 인접하여 위치시키고, 그리하여 상기 수평 심발부(30)의 상기 하단 심발공(30a)은 수평 심발부(30) 외측의 바닥공(42)과 실질적으로 동일한 높이에 위치하게 된다. 다시 말하면, 이는 갱구부에 있어서 수평 심발부(30)의 위치를 도 1a 내지 도 2b에 도시된 종래의 방법에서와 같이 터널 상부 벤치(UB)의 굴착 중심부로부터, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 터널 상부 벤치(UB)의 굴착 하단면(20)으로 하방 이동시킨 것이라 할 수 있다. 즉, 본 발명에서 하단 심발공(30a)은 1차 심발공(31), 무장약공(32), 2차 심발공(33) 및 3차 심발공(34)로 구성되는 심발부(30) 중에서 수평방향으로 하단에 배치되는 심발공들(도 4에 따른 심발공 배치에서는 도면부호 '30a'로 별도 지시된 1차 심발공(31)과, 무장약공(32) 및 3차 심발공(34))을 지칭한다.

또한, 도 5에 도시된 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 심발부(30)의 최대 높이 보다 약 20cm 내지 약 30cm 높게, 심발부의 최외곽 발파공 보다 30cm 이상 넓게, 그리고 약 90cm 이상의 두께로 모래(61)를 쌓아서 심발부의 발파로 인한 소음을 감쇄시키고 발파 파쇄물의 비산을 억제하는 것을 특징으로 하는 방법을제공하며, 더욱 바람직하기로는 상기 모래(61)를 상기 수평 심발부(30)의 전면에 쌓기 용이하게 하도록, 상기 수평 심발부(30)의 전면으로부터 일정 거리 이격하여 모래 주머니(62)를 먼저 쌓아두는 방법을 제공한다.

도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 심발부(30)의 하단 심발공(30a)이 굴착 하단면(20)에 위치하게된 심발부(30)의 중심부에는 모서리가 아래를 향하는 정삼각형의 형태로 예컨대 지름 약 45mm의 3개의 1차 심발공(31)을 배치하고, 그 외곽에 오각형의 형태로 예컨대 지름 약 105mm의 5개 무장약공(32)을 심발공의 일부로 사용되도록 배치한다. 이와 같이 공경이 보다 큰 무장약공(無裝藥孔)을 장약공(裝藥孔: 1차 심발공) 주변에 두는 이유는 발파시 장약공의 주변이 보다 효과적으로 파쇄되도록 하기 위해서이다. 상기 1차 심발공(31)의 장약은 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 3단계로 분산 장약(31-1, 31-2, 31-3)하며, 발파공의 입구쪽에 위치한 장약(31-1)부터 순차적으로 기폭되도록 하여 소량 발파에 의해 발파진동을 감소시키는 효과를 얻는다. 1차 심발공(31)의 외곽에 배치된 5개의 무장약공(32)은 굴착 하단면(20) 부분에 2개 그리고 1차 심발공(31)의 상부에 3개를 배치하여 심발공을 형성한다.

이와 같은 1차 심발공(31)의 발파에 이어서 상기 1차 심발공(31) 및 무장약공(32)의 외곽에 형성되는 2차 심발공(33)의 발파하고, 그리고 후속하여 그 외곽에 형성되는 3차 심발공(34)를 발파하여 심발을 완료시킴으로써 심발을 통하여 형성되는 자유면의 형상이 터널 형상과 유사하게 되도록 함으로써, 추후 진행될 주변공 즉, 확대공(41)에 의한 확대 발파에 의해 자유면이 터널 전체의 굴착면으로 자연스럽게 확대되도록 하는 효과를 제공한다.

이하에서는 첨부 도면 도 3 내지 도 6을 참조하여 상기 2차 심발공(33) 및 상기 3차 심발공(34)에 관하여 더욱 상세하게 설명하기로 한다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 5개의 무장약공(32)의 외곽에는 예컨대 지름 약 45mm의 4개의 발파공을 배치하여 이로써 2차 심발공(33)을 형성한다. 이와 같은 2차 심발공(33)의 장약 형태는 상기 1차 심발공(31)과 같이 분산 장약의 형태를 취할 수도 있으나, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 발파공의 하부에 집중되도록 하는 공저 집중 장약을 실시하는 것이 시공 시간 및 비용 측면에서 바람직하며, 1차 심발 발파로 인해 넓어진 자유면을 충분히 이용할 수 있도록 배치되어 있다. 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 상기 2차 심발공(33)의 외곽에는 다시 예컨대 지름 약 45mm의 3차 심발공(34)을 7개 정도 배치한다. 이러한 3차 심발공(34)의 장약 방법도 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 상기 2차 심발공(33)과 마찬가지로 시공 시간 및 비용 측면에서 공저에 집중 장약을 하는 것이 바람직하다.

상기 1, 2, 및 3차 심발공(31, 32, 33)의 발파에 의해 심발부(CC)의 발파가 완료 되면, 그 파쇄물을 전면의 모래(61)와 함께 제거하고 최외곽공(42)에 이르기까지의 확대공(41) 및 바닥공(43)을 순차적으로 발파하여 터널의 나머지 단면 부분을 확장하고 이로써 1회의 굴진 공정을 마무리 한다.

터널의 막장면(10)이 터널 안쪽으로 진행하여 갱구부에 별도의 소음방지벽 등을 설치 할 수 있을 때까지 위의 방법을 반복 실시하여 발파작업을 진행한다.

이와 같은 본 발명에 따른 심발부의 발파 방법에 따르는 경우에는, 바닥공과 같은 위치에 이르도록 하단 심발공을 낮게 형성하여 전체적으로 심발부의 위치를 낮춤으로써 별도의 방호벽이나 소음방지벽을 설치하지 않고서 수평 심발부의 전면에 모래를 쌓아 두는 방법만으로도, 수평 심발부의 발파에 따른 발파 파쇄물의 비산과 발파 소음을 효과적으로 감소시키도록 한다. 특히 외부와 노출된 터널의 갱구부를 발파할 때 발생하는 소음과 진동 및 파쇄물의 비산을 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 방호벽 또는 방음벽 등의 특수 시설의 설치 없이도 법적 규제기준의 범위내에서 민원 발생의 우려없이 후속 공사를 효율적으로 실시할 수 있게 하며, 심발을 통하여 형성되는 자유면의 형상이 터널 형상과 유사하게 되도록 함으로써 계속하여 진행되는 확대공에 의한 확대 발파에 의해 자유면이 터널 전체의 굴착면으로 자연스럽게 확대되도록 하는 효과를 제공한다.

Claims (7)

1. 발파 굴진되는 터널 단면의 일부를 수평 심발부(30)로서 우선적으로 심발하는 터널 심발 발파 방법에 있어서,

   상기 수평 심발부(30)의 하단 심발공(30a)을 터널 상부 벤치(UB)의 굴착 하단면(20)에 인접하여 위치시키고, 그리고 상기 수평 심발부(30)의 상기 하단 심발공(30a)이 상기 수평 심발부(30) 외측의 바닥공(43)과 실질적으로 동일한 높이에 위치하게 배치되도록하며, 그리고

   상기 수평 심발부(30)를 발파하기에 앞서 발파 파쇄물의 비산과 발파 소음을 감소시키도록 상기 수평 심발부(30)의 전면에 모래(61)를 쌓아 두는 터널 심발 발파 방법.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서, 상기 모래(61)를 상기 수평 심발부(30)의 전면에 쌓기 용이하게 하도록, 상기 수평 심발부(30)의 전면으로부터 일정 거리 이격하여 모래 주머니(62)를 먼저 쌓아두는 터널 심발 발파 방법.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서, 상기 수평 심발부(30)의 중심부에 1차 심발공(31)을 두고, 그리고 상기 1차 심발공(31)의 외곽에 무장약공(32)을 배치하는 터널 심발 발파 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 1차 심발공(31)은 모서리가 아래를 향하는 정삼각형의 형태로 지름 약 45mm의 3개의 발파공으로 형성되고, 상기 무장약공(32)은 5개가 각각 지름 약 105mm로 천공되며 굴착 하단면(20) 부분에 2개 그리고 1차 심발공(31)의 상부에 3개의 오각형의 형태로 배치되는 터널 심발 발파 방법.
6. 제 4항에 있어서, 상기 1차 심발공(31)의 장약을 3단으로 분산 장약(31-1, 31-2, 31-3)하고, 상기 1차 심발공(31)의 입구쪽에 위치한 장약(31-1)부터 기폭시키는 터널 심발 발파 방법,
7. 제 4항에 있어서, 상기 무장약공(32)의 외곽에 다수개의 2차 심발공(33)을 배치하고, 상기 2차 심발공(33)의 외곽에 다수개의 3차 심발공(34)을 배치하며, 그리고 상기 2차 심발공(33) 및 상기 3차 심발공(34)은 공저에 집중 장약하는 터널 심발 발파 방법.