KR100676914B1 - 미진동 터널 굴착공법 - Google Patents

미진동 터널 굴착공법 Download PDF

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KR100676914B1
KR100676914B1 KR1020060052994A KR20060052994A KR100676914B1 KR 100676914 B1 KR100676914 B1 KR 100676914B1 KR 1020060052994 A KR1020060052994 A KR 1020060052994A KR 20060052994 A KR20060052994 A KR 20060052994A KR 100676914 B1 KR100676914 B1 KR 100676914B1
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Abstract

본 발명은 보안물건이 인접한 구간의 터널 굴착에 따른 정숙성을 보장할 수 있게 하여 줄 뿐만 아니라, 터널 굴착에 따른 안정성 및 시공능률을 획기적으로 향상시켜 주는 미진동 터널 굴착공법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 미진동 터널 굴착공법은 터널 굴착과정에서 선진도갱부 영역의 1차 굴착을 위한 단계별 발파작업시 심발부의 중심에 위치하며 길이가 긴 대구경 무장약의 선진 수평보링공과 심발확대부의 외곽에 위치하며 길이가 긴 무장약 방진공들을 통해 진동 및 소음을 효율적으로 감소시키고, 확대부 영역의 2차 굴착을 위한 발파작업시 선굴착된 선진도갱부 영역을 자유면으로 활용하여 막장면의 최외곽에 위치한 무장약 방진공들과 함께 진동 및 소음을 더욱 효율적으로 감소시킬 수 있도록 한 것이다.
터널, 굴착, 보안물건, 진동, 소음, 지하수, 선진 수평보링공, 선진도갱부

Description

미진동 터널 굴착공법{Excavating method of tunnel with slight vibration}
도1은 터널 막장 내에 반입된 수평보링장치에 의해 선진 수평보링공을 형성하는 도면
도2는 본 발명의 제1실시예로서, 다단형 발파에 따른 터널 굴착을 나타내는 도면
도3은 도2의 선진도갱부 영역을 발췌하여 나타낸 도면
도4는 도2의 A-A선 단면도
도5a 내지 도5d는 본 발명에 따라 선진도갱부 영역을 단계별로 굴착하는 과정을 나타내는 단면도
도5e는 본 발명에 따라 확대부 영역을 굴착한 상태의 단면도
도6은 본 발명의 제2실시예로서, 확대부 영역의 비전기식 발파에 따른 터널 굴착을 나타내는 도면
도7은 본 발명의 제3실시예로서, 확대부 영역의 다분할형 발파에 따른 터널 굴착을 나타내는 도면
도8은 본 발명의 제4실시예로서, 확대부 영역의 미진동파쇄기를 이용한 발파에 따른 터널 굴착을 나타내는 도면
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
10: 선진 수평보링공 20: 심발부
21: 장약공 30: 심발확대부
31: 장약공 32: 무장약 방진공
40: 선진도갱부 영역 50: 확대부 영역
51: 장약공 52: 무장약 방진공
F1, F2, F3: 자유면 f: 소자유면
M: 수평보링장치 B: 천공기
본 발명은 터널 굴착공법에 관한 것으로서, 특히 터널 굴착과정에서 선진도갱부 영역의 1차 굴착을 위한 단계별 발파작업시 심발부의 중심에 위치하며 길이가 긴 대구경 무장약의 선진 수평보링공과 심발확대부의 외곽에 위치하며 길이가 긴 무장약 방진공들을 통해 진동 및 소음을 효율적으로 감소시키고, 확대부 영역의 2차 굴착을 위한 발파작업시 선굴착된 선진도갱부 영역을 자유면으로 활용하여 막장면의 최외곽에 위치한 무장약 방진공들과 함께 진동 및 소음을 더욱 효율적으로 감소시킬 수 있도록 한 미진동 터널 굴착공법에 관한 것이다.
현재 국내에서는 SOC사업 등이 증대함에 따라 지하공간을 활용하기 위하여 지하공간에 사회간접시설인 각종 에너지와 폐기물의 지하저장시설, 통신구, 전력구와 같은 에너지 전달시설 및 광역상수도를 구축하기 위한 도수터널과, 지하철, 철도, 고속철도, 국도 및 고속도로 등 도로교통을 위한 도로터널 등 수많은 터널굴착 작업이 수행되고 있다.
통상 터널을 굴착하는 방법으로서는, TBM 등 굴착장비를 이용한 굴착방법, 발파에 의한 굴착방법, 화학제를 사용하여 무진동으로 굴착하는 방법 등 여러 형태가 있는데, 그 중에서 굴착효율과 굴착비용의 경제성 측면에서 많이 사용되고 있는 공법은 발파에 의한 방법이다.
발파에 의한 터널 굴착방법은 공통적으로 제1단계로 심발공, 심발확대공, 바닥공 및 외곽공을 일정한 깊이로 천공하는 천공단계와, 제2단계로 상기 천공된 공들에 뇌관과 폭약을 채우는 폭약장전단계, 제3단계로 발파기에 의하여 뇌관들을 기폭시키는 기폭단계로 이루어져서 굴착하게 된다.
그런데, 상기 발파에 의한 굴착방법은 다량의 폭약을 기폭시키는 형태로 이루어짐으로써 필연적으로 진동 및 소음이 크게 발생될 수밖에 없는데, 발파기술은 그러한 전제하에 발파효율의 최대화와 소음ㆍ진동의 최소화를 동시에 달성해야 하는 2가지 측면을 함께 갖고 있다.
즉, 발파에 의한 굴착방법은 사용되는 장약량이 많을수록 발파효율은 커지나 진동 소음이 크게 발생하게 되고, 반면에 사용되는 장약량이 적을수록 소음ㆍ진동은 작게 발생하나 발파효율이 낮아지는 상반되는 특징을 갖고 있다.
특히, 발파방법은 초기 발파시 가장 커다란 진동 및 소음을 유발시키는데, 터널굴착에 있어서 초기의 심빼기는 대단히 중요하다. 즉 "심빼기"란 터널 막장 중심부의 한 부분을 먼저 효율적으로 파쇄시켜 추가 자유면을 확보하여 2자유면을 형성시킴으로써 전체적인 터널발파의 성패를 좌우하는 중요한 요소로서, 이 심빼기가 형성되는 과정과 2자유면이 만들어지는 결과에 의해 터널굴진의 성공 여부가 좌우되기 때문에 1자유면을 갖는 터널발파에 있어서 심빼기로 인한 초기 자유면 확보는 대단히 중요하다.
한편, 터널 굴착공법과 관련하여 안출된 것으로 국내 공개특허 제2003-37163호(2003.05.12일 공개)에는 터널 심발 발파방법이 선출원 공개되어 있다.
이 선출원 공개발명은 발파 굴진되는 터널 단면의 일부를 수평 심발부로서 우선적으로 심발하는 터널 심발 발파방법에 있어서, 상기 수평 심발부의 하단 심발공을 터널 상부 벤치의 굴착 하단면에 인접시켜서 바닥공과 실질적으로 동일한 높이에 위치하도록 배치하고, 상기 수평 심발부의 중심부에 1차 심발공을 두고 그 1차 심발공의 외곽에 무장약공을 배치하며, 상기 무장약공의 외곽에 다수개의 2차 심발공 및 3차 심발공을 배치하고, 상기 1차 심발공의 장약을 3단으로 분산 장약하여서 그 1차 심발공의 입구쪽에 위치한 장약부터 기폭시키도록 한 것이다.
이러한 선출원 공개발명에 따르면, 수평 심발부의 하단 심발공을 바닥공과 동일한 높이로 배치하여서, 수평 심발부 전체를 굴착 하단면 측으로 하향 이동되어 위치되게 하여 주므로, 수평 심발부를 굴착하기 위해 단계별로 발파할 때에 발생되는 소음과 진동을 감소시킬 수 있게 되었다. 또, 수평 심발부의 1차 심발공 외곽에 무장약공을 배치하여서, 1차 심발공의 발파시 주변의 암반이 무장약공에 의해 보다 효과적으로 파쇄될 수 있게 하여 주는 등의 장점을 갖게 되었다.
그러나, 이와 같은 선출원 공개발명은 첫째 수평 심발부의 1차 심발공 발파 작업이 1자유면하에서 수행되므로, 효과적인 발파를 위해서 장약 집중도를 높이게 되는 만큼 장약 사용량이 증가하고 그로 인하여 발파 초기에 커다란 소음 및 진동을 유발시키게 되는 문제점이 있으며, 둘째 수평 심발부의 1차 심발공 발파시 외곽에 배치된 무장약공에 의해 진동 및 소음을 어느 정도 감소되는 효과를 기대할 수 있지만, 그 무장약공이 1차 심발공과 동일한 깊이 천공되어 있기 때문에, 1차 심발공의 발파시 외부로 전달되는 진동 및 소음을 확실히 차단 감소시키기에 역부족한 문제점이 있었으며, 셋째 수평 심발부의 2차, 3차 심발공 발파시 진동 및 소음을 차단 감소시키기 위한 대책이 전혀 마련되어 있지 못하여, 수평 심발부의 굴착을 위해 단계별로 발파할 때마다 커다란 진동 및 소음이 외부로 전달되는 문제점 등이 있었다.
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상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고 터널을 미진동으로 굴착하기 위해서는, 수평 심발부의 1차 심발공을 2개 이상의 자유면하에서 장약 집중도를 낮춘상태로 발파하여 진동 및 소음의 발생을 최소화하는 동시에, 발파시 외부로 전달되는 진동 및 소음을 감소시켜야 하고, 또 수평 심발부의 2차, 2차 심발공 발파시 진동 및 소음을 감소시킬 수 있는 대책이 마련되어야 할 뿐만 아니라, 수평 심발부의 외측에 천공되는 확대공 발파시에 발생되는 진동 및 소음까지도 감소시킬 수 있는 대책이 마련되어야 할 필요성이 있었다.
이하에서 "자유면"이라 함은 암반이 외계(공기나 물)와 접하는 면(저항이 없어서 폭발에너지가 암반에 많이 작용하게 함)을 의미하며, "저항선"이라 함은 자유면과 폭약 중심과의 최단거리를 의미한다.
본 발명의 목적은 심발부의 중심에 위치한 대구경 무장약의 선진 수평보링공과, 심발확대부의 외곽에 위치한 무장약 방진공들을 이용하여 단계적 발파작업시 소음 및 진동을 효율적으로 감소시키면서 선진도갱부 영역을 1차로 굴착하고, 선굴착된 선진도갱부 영역을 자유면으로 활용하면서 막장면의 최외곽에 위치한 무장약 방진공들을 이용하여 발파작업시 소음 및 진동을 효율적으로 감소시키면서 확대부 영역을 2차로 굴착하게 함으로써, 보안물건이 인접한 구간의 터널 굴착에 따른 정숙성을 보장할 수 있게 하여 주는 미진동 터널 굴착공법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 심발부의 중심에 천공되는 대구경 무장약의 선진 수평보링공을 이용해 굴착대상의 암반에 대한 배수기능과 지질조사 기능을 수행할 수 있게 함으로써, 터널 굴착에 따른 안정성 및 시공능률을 획기적으로 향상시켜 주는 미진동 터널 굴착공법을 제공하는데 있다.
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본 발명도 터널의 막장면 중심부에 복수개의 장약공들을 천공하여서 된 심발부와, 상기 심발부의 외측으로 복수개의 장약공들을 천공하여서 된 심발확대부로서 선진도갱부 영역을 이루도록 하고, 상기 선진도갱부 영역의 외측에 복수개의 장약공들을 천공하여서 확대부 영역을 이루도록 한 후, 상기 심발부와 심발확대부의 장약공들을 차례로 발파하여 선진도갱부 영역의 암반을 1차로 굴착하고, 선굴착된 상기 선진도갱부 영역을 자유면으로 활용하면서 그 외측에 천공된 장약공들을 발파하여 확대부 영역의 암반을 2차로 굴착하는 점에 있어서는 종래의 것과 기술개념을 같이한다.
다만, 본 발명의 미진동 터널 굴착공법은 상기 선진도갱부 영역 내의 심발부 중심에는 그 심발부의 장약공들 보다 길이가 길게 천공되는 대구경 무장약의 선진 수평보링공이 위치되도록 하고, 상기 선진도갱부 영역 내의 심발확대부 외곽에는 라인드릴링하여 심발확대부의 장약공들 보다 길이가 길게 천공되는 복수개의 무장약 방진공들이 위치되도록 하며, 상기 확대부 영역의 최외곽에는 라인드릴링하여 천공되는 복수개의 무장약 방진공들이 위치되도록 함을 기술구성상의 특징으로 한다.
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이와 같은 본 발명의 미진동 터널 굴착공법은 선진도갱부 영역의 1차 굴착시 심발부의 중심에 장약공들 보다 길게 천공된 대구경 무장약의 선진 수평보링공을 소자유면으로 활용하여 2자유면하에서 심발부와 심발확대부의 장약공들을 단계별로 발파하게 되므로, 장약 집중도를 낮추어 장약량을 줄인 만큼 진동 및 소음의 발생을 최소화하면서 발파시 발생되는 진동 및 소음은 상쇄 감소시키게 될 뿐만 아니라, 심발확대부의 외곽에 장약공들 보다 길게 천공된 무장약 방진공들로서 외부로 전달되는 진동 및 소음을 확실히 차단 감소시키고, 상기 확대부 영역의 2차 굴착시 선굴착된 선진도갱부 영역을 추가 자유면으로 활용하여서 3자유면하에서 그 확대부 영역의 장약공들을 발파하게 되므로, 장약 집중도를 낮추어 장약량을 줄인 만큼 진동 및 소음의 발생을 최소화함은 물론이고, 막장면의 최외곽에 위치하는 무장약 방진공들로서 진동 및 소음을 확실히 차단 감소시킬 수 있게 된다.
따라서, 본 발명은 터널 굴착과정에서 순차적으로 발파작업을 수행할 때마다 진동 및 소음 발생을 최소화하면서 외부로 전달되는 진동 및 소음은 효율적으로 감소시킬 수 있게 하여 주므로, 굴착대상의 터널 주변에 인접한 보안물건에 진동 및 소음으로 인한 피해를 확실히 줄일 수 있게 하여 주는 장점을 갖는다.
또한, 본 발명은 터널 굴착과정에서 심발부의 중심에 그 길이가 길게 천공되는 대구경 무장약의 선진 수평보링공이 암반내의 지하수 배수기능을 발휘하므로, 추후에 폭력의 저감 또는 장시간 장약상태로 대기시 불폭의 위험성과, 전기뇌관의 사용시 지하수에 의한 미주전류 및 누설전류에 대한 위험성을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 터널 굴착과정에서 선진 수평보링공의 천공에 의한 전방 막장에 대한 암반조사 기능을 기대할 수 있게 되므로, 암반의 연경 정도를 미리 예측하여서 지질변화에 따른 굴착공법, 투입장비 및 제반시설의 전환, 암질에 적합한 지보 설치를 효과적으로 대비를 할 수 있는 등의 부수적인 이점이 있다.
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이하, 첨부도면에 의하여 본 발명의 미진동 터널 굴착공법을 보다 상세히 설명하기로 한다.
먼저, 도1에서 도시하는 바와 같이, 터널의 막장면에 심발부(20)의 장약공(21)들을 천공하기 이전에, 심발부(20)의 중심에 터널의 굴착방향과 평행하게 소자유면(f)이 확보되게 하면서 배수통로의 기능 및 지질 조사의 기능을 발휘하도록 대구경 무장약의 선진 수평보링공(10)을 미리 천공하는 단계를 수행한다.
상기 선진 수평보링공(10)을 천공하는 장치는 전후 좌우 이동이 가능하고 Laser Point나 GPS를 통한 천공오차 확인이 가능한 자주식 수평보링장치(M)로서, 시간당 천공속도는 4~5m이며, m당 굴진속도의 측정이 가능한 Digital Gauge의 천공속도 측정센서(S)를 천공기(B)의 후단 회전축(rotary drive, D)에 설치하여 수치계산을 하면서 대구경의 공들을 천공시킬 수 있는 장비이다.
상기 수평보링장치(M)를 터널의 막장내로 반입시킨 후, 천공기(B)의 선단을 심발부(20)의 중심에 위치시켜 굴착방향, 즉 자유면(F1)에 대하여 직각방향으로 소자유면(f)이 확보되도록 상기 심발부(20)의 장약공(21)들 보다 길이가 길게 대구경 무장약의 선진 수평보링공(10)을 천공하게 된다.
이와 같이, 천공되는 대구경 무장약의 선진 수평보링공(10)은 상기 심발부(20)의 중심에 그 심발부의 장약공(21)들 보다 심도가 깊은 소자유면(f)이 확보되게 하여 주므로, 수평보링공 주변 암반의 구속력을 약화시켜 적은 량의 화약으로 발파효율을 증대시킬 뿐만 아니라, 상기 심발부(20)의 장약공(21)들을 발파할 때에 적은 량의 화약을 사용하여 진동 및 소음 발생을 최소한으로 억제하는 동시에, 발파시 발생되는 진동 및 소음을 상쇄 감소시키는 중요한 역할을 하게 된다.
또한, 상기 선진 수평보링공(10)은 심발부(20)의 중심에 상하 또는 좌우로 복수개를 형성시킬 수도 있음을 밝혀둔다. 이와 같이 상하 또는 좌우로 천공된 선진 수평보링공(10)은 소자유면(f)의 크기를 더 크게 확보할 수 있게 하여 진동 및 소음을 더욱 감소시키는데 도움이 된다.
한편, 상기 수평보링장치(M)의 천공기(B)는 그 선단에 비트가 장착되어 천공 심도깊이에 따라 4~5m의 단위로드를 연결하면서 최대 60m의 범위로 천공하며, 또한 상기 천공기의 단부에 장착된 비트는 그 직경이 200~800㎜인 것을 사용하나, 바람직하기는 382~400㎜인 것을 사용하는 것이 좋다.
상기 천공기(B)에 장착된 비트가 200㎜이하인 경우에는 천공속도가 신속하게 이루어져 굴착효율이 좋기는 하나, 천공되는 선진 수평보링공(10)에 의한 소자유면(f)이 작게 형성되므로 발파시 진동 및 소음 감소효과가 떨어지는 단점이 있으며, 800㎜이상인 경우에는 천공되는 선진 수평보링공(10)에 의한 소자유면(f)이 크게 형성되어 진동 및 소음 감소효과가 증대되나, 천공속도가 늦어 굴착효율이 80%이하로 저감되는 단점이 있다.
또한, 상기 대구경 무장약의 선진 수평보링공(10)은 상기 심발부(20)의 장약공(21)들 보다 길이가 길게 최대 60m의 깊이로 천공하는 것이 바람직하며, 그 이상의 깊이로 천공시에는 천공길이가 길어질수록 천공장비의 능력 한계로 중력에 의해 천공방향이 아래쪽으로 향하게 되고 동시에 천공장비의 회전력, 피드(feed), 임팩트(impact) 등의 능력치가 감소하여 천공이 어려워지는 단점이 있다.
이와 같이, 천공되는 대구경 무장약의 선진 수평보링공(10)은 심발부(20)의 중심에 소자유면(f)이 확보되도록 하여 심발부(20)의 장약공(21)들을 발파할 때에 효율을 증대시키고 진동 및 소음을 감소시킬 수 있는 등의 기능 이외에도, 굴착대상의 암반내에 존재하는 지하수를 유도 집수하여 배출하게 하는 배수기능을 발휘함으로써, 추후에 폭력의 저감 또는 장시간 장약상태로 대기시 불폭의 위험성과, 전기뇌관의 사용시 지하수에 의한 미주전류 및 누설전류에 대한 위험성을 줄여주며, 또한 굴착 이후에 굴착면을 바탕 처리한 숏크리트의 리바운드율을 감소시켜 주게 되어 시공품질의 저하 문제를 해결할 수 있으며, 아울러 숏크리트의 재시공을 줄여주어 시공비용을 감소시켜 주는 장점이 있다.
또한, 상기 대구경 무장약의 선진 수평보링공(10)은 그 선진 수평보링공의 천공시 배출되는 암분을 통하여 천공되어진 심도 깊이에 따라 굴착 대상암반의 역학적 특성, 즉 암반의 연경상태 예측, 용출수의 존재 여부 등 사전 암반조사의 역할이 가능하게 되므로 지반의 특성을 파악하면서 터널을 굴착할 수 있는 장점이 있다.
또한, 상기 대구경 무장약의 선진 수평보링공(10)의 천공 중에는 천공기(B)의 후단에 설치된 회전축(D)에 천공속도 측정센서(S)를 부착하여 천공속도에 따른 암반의 경연 정도를 파악할 수 있으며, 상기 선진 수평보링공(10)을 천공한 이후에는 천공 구멍내로 탄성파 측정장치를 삽입하여 주변 암반의 상태를 파악할 수 있는 등의 장점이 있음을 밝혀둔다.
상기와 같이, 수평보링장치에 의하여 선진 수평보링공의 천공작업을 완료한 다음에는 수평보링장치(M)를 막장 외부로 반출한 다음, 점보드릴 장비를 터널 막장내로 반입한다.
점보드릴 장비(미도시)는 2붐 또는 3붐의 천공드릴이 장착된 장비로서, 선진도갱부 영역(40) 내의 심발부(20)와 심발확대부(30)의 장약공(21)(31)들 및 무장약 방진공(32)들과, 확대부 영역(50) 내의 천공되는 장약공(51) 및 무장약공(52)들을 천공시키는 장비이다.
도2는 본 발명의 제1실시예로서, 다단형 발파에 따른 터널 굴착을 나타내는 도면이다.
도시하는 바와 같이, 터널의 막장면에 통상의 점보드릴 장비를 이용하여 선진 수평보링공(10)의 외측으로 심발부(20)를 형성하는 복수개의 장약공(21)들과, 상기 심발부의 외측으로 심발확대부(30)를 형성하는 복수개의 장약공(31)들과, 상기 심발확대부의 외곽을 따라 라인드릴링되는 무장약 방진공(32)들을 천공하는 선진도갱부 영역(40)의 천공작업을 실시한 다음, 상기 선진도갱부 영역의 외측으로 통상의 점보드릴 장비를 이용하여 확대공, 바닥공, 외곽공을 형성하는 복수개의 장약공(51)들과, 터널 막장면의 최외곽을 따라 라인드릴링되는 복수개의 무장약 방진공(52)들을 천공하는 확대부 영역(50)의 천공작업을 실시하는 단계를 수행한다.
도2 및 도3에서 도시하는 바와 같이, 상기 선진도갱부 영역(40)은 터널의 중심부에 위치하여 1차로 굴착되는 영역으로, 먼저 천공된 선진 수평보링공(10)의 외측에 그 공경이 45㎜이며 MS전기뇌관만으로 발파가능하도록 20공 한도 내에서 적정한 간격과 배열형태로 심발부(20)와 심발확대부(30)의 장약공(21)(31)들을 천공하고, 상기 선진도갱부 영역(40)과 확대부 영역(50)의 경계선상인 심발확대부(30) 외곽을 따라 그 직경이 45~75㎜이며 간격은 20~30㎝인 무장약 방진공(32)들을 천공하여서 된다.
일반적인 심빼기 공법(Cylinder cut)의 경우 대구경 무장약공과 이웃하는 심빼기공 간의 공간거리는 그 대구경 무장약공의 공경의 1.5배로 설정하고 있으나, 본 발명에서는 장약 집중도를 낮추어서 장약량을 줄이고 발파시 진동 및 소음이 극소화되도록 상기 대구경 무장약의 선진 수평보링공(10)과 이웃하여 첫번째 열을 이루고 있는 심발부(20)의 장약공(21)들 간의 공간거리를 그 선진 수평보링공의 공경과 동일하게 1.0배의 크기로 천공한다.
한편, 선진도갱부 영역(40)의 크기 및 형태는 하부폭 3,840㎜×높이 2,500㎜×상부폭 2,500㎜, 단면적 10㎡이내의 사다리꼴 형상으로 설계되는데, 이는 선진도갱부 영역(40)의 단면적이 10㎡이내의 크기일 때, 구조적으로 장약공의 수를 20공이내로 설정할 수 있는 적정한 크기이기 때문이다.
또한, 심발부(20)와 심발확대부(30)의 장약공(21)(31) 수를 20개공 이내로 하는 이유는, MS전기뇌관 또는 비전기뇌관의 지발 단차 형성이 20단차인 점을 고려하여 20공이내의 장약공을 배열하여 1지발씩 개별적으로 기폭되게 함으로써 장약의 집중도를 낮추어 지발당 장약량을 최소화하여 발파공해(진동, 소음)를 극소화시킬 수 있기 때문이다.
또한, 사다리꼴 형태의 선진도갱부 영역(40)은 발파시 중력식으로 암석이 파쇄되게 하여 그 선진도갱부 영역을 효율적으로 굴착할 수 있게 하여 주며, 심발확대부(30)의 장약공(31)들 발파시 확대부 영역(50)의 장약공(51)들 손상을 줄여서 저항선 및 공간격이 불규칙해짐을 방지하는 데 도움이 된다. 더욱이, 사다리꼴 형태의 선진도갱부 영역(40)은 파쇄암석의 부피팽창에 의한 작용력이 확대부 영역(50)의 바닥공에 영향을 끼치지 않게 하여 주므로, 그 확대부 영역을 2차로 굴착하는데 따른 발파 준비작업 Cycle time을 단축시킬 수 있으며, 버력 처리가 필요 없고 장약공 확인, 결선작업 등이 용이한 이점이 있다.
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도4에서 도시하는 바와 같이, 확대부 영역(50)은 선진도갱부 영역(40)의 외측에 위치하여서 미리 굴착된 선진도갱부 영역을 자유면으로 활용하여 2차로 굴착되는 영역으로서, 확대공, 바닥공, 외곽공 등을 형성하도록 복수개의 장약공(51)들을 천공하고, 터널 막장면의 최외곽을 따라 라인드릴링하여 복수개의 무장약 방진공(52)들을 천공하여서 된다. 이때, 상기 확대부 영역(50)의 장약공(51)들과 무장약 방진공(52)들은 각각 그 공경이 45㎜ 크기로 천공된다.
상기 무장약 방진공(52)들은 터널 굴착선 전체에 걸쳐 형성될 수도 있으나, 보안물건이 위치한 방향쪽으로 120°각도의 범위내로 투사되는 굴착면을 따라 형성될 수 있음을 밝혀둔다. 도2는 보안물건이 터널의 수직 상측에 위치하였을 때의 무장약 방진공들을 나타낸다.
상기와 같이 천공작업이 완료된 후, 선진도갱부 영역내의 장약공들에 뇌관 및 폭약들을 장전하는 단계를 수행한다.
상기 선진도갱부 영역(40) 내에서 대구경 무장약의 선진 수평보링공(10) 주위에 20공 이내로 설정 배치된 심발부(20)와 심발확대부(30)의 장약공(21)(31)들 내에 MS전기뇌관 또는 비전기뇌관 및 폭약을 장전한 후, 전색시키고 그 장약공들 외부로 각각 인출된 뇌관의 각선을 발파모선을 거쳐 발파기에 연결시킨다.
도5a 내지 도5d의 도시는 상기 선진도갱부 영역내에 장전된 장약공들을 발파기로 기폭시켜 선진도갱부 영역의 암반을 굴착하는 과정을 단계별로 나타내는 도면 이다.
상기 선진도갱부 영역(40)은 심발부(20)와 심발확대부(30)로 구분되며, 상기심발부(20)에는 그 중심에 직경이 382㎜이며 수평으로 천공되는 선진 수평보링공(10)을 포함하여, 상기 선진 수평보링공(10)을 중심으로 정사각형의 꼭지점과 4변의 중간에 직경이 45㎜ 크기로 천공되는 장약공(21)들이 위치되어 있고, 상기 심발확대부(30)에는 심발부(20)의 장약공(21)들 주위에 일정한 간격으로 이격되며 상호간이 적정한 공간격을 유지하도록 천공되는 장약공(31)들과, 그 심발확대부의 외곽을 따라 직경이 75㎜이며, 상기 장약공의 천공장보다 1.5배이상인 1.5~5m 깊이로 천공된 복수개의 무장약 방진공(32)들이 위치되어 있다.
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여기에서, 상기 심발확대부(30)의 무장약 방진공(32)들은 장약공(31)들 보다 1.5배이상 길게 천공함이 중요하다. 그 이유는, 무장약 방진공(32)들의 길이가 장약공(31)들 보다 깊게 형성되도록 하여서, 그 장약공들 발파시 발생되는 진동 및 소음이 선진도갱부 영역(40)의 외부로 전달되는 것을 차단 감소시키기 위해서이다.
한편, 선진도갱부 영역(40) 내에서 발파기에 의해 기폭되는 심발부(20)와 심발확대부(30)의 장약공(21)(31)들은, 그 심발부 중심에 미리 천공되어서 주변 암반의 구속력이 약화된 상태에 있게 하는 대구경 선진 수평보링공(10)에 의해 암반을 용이하게 굴착할 수 있게 되며, 상기 장약공(21, 31)들은 20㎳의 간격의 시차를 두고 연속적으로 기폭됨으로써 발파진동도 기폭시차별로 개별적으로 발생된다.
이때, 심발부(20)의 중심에 위치한 선진 수평보링공(10)은 장약 집중도를 낮추어서 장약량을 줄일 수 있게 하는 소자유면(f)이 확보되게 하여서, 상기 심발부(20)를 2자유면(F1)(f)하에서 발파할 수 있게 하여 주므로, 진동 및 소음의 발생을 최소한으로 억제하여 주는 동시에, 발파시 발생된 진동 및 소음은 상쇄 감소시키게 되며, 상기 심발확대부(30)의 외곽에 위치하는 무장약 방진공(32)들은 장약공(31) 발파시 발생되어 외부로 향하는 진동 및 소음을 차단 감소시키게 된다. 더욱이, 상기 심발확대부(30)의 무장약 방진공(32)들을 통과한 진동 및 소음은 확대부 영역(50)의 무장약 방진공(52)들로서 다시 한번 차단 감소시킴으로써, 터널을 미진동으로 발파할 수 있게 하여 된다.
일반적으로 터널 굴착에 따른 심발발파시 대부분 직경이 102㎜ 정도의 대구경 무장약공을 이용하여 심발발파를 실시하였으나, 터널과 같은 1자유면의 구속력이 강한 상태에서 자유면이 증대될수록 진동발생은 감소되므로, 일반적인 무장약공(직경이 102㎜)의 3배이상으로 그 직경이 382㎜인 대구경 무장약의 선진 수평보링공(10) 이용시 발파초기 진동을 대폭적으로 감소시킬 수 있다.
따라서, 터널 심발발파에 대구경 무장약의 선진 수평보링공(10) 이용시 일반적인 수평공 심발공법과 경사공 심발공법과 달리, 심발발파 시작전부터 대구경의 수평보링공(10)을 소자유면(f)으로 활용하는 2자유면(F1)(f) 발파가 되기 때문에, 심발발파에서 발생되는 최대 진동속도가 1자유면 발파(F1)보다 20~30%의 진동을 감소시키는 효과를 가져온다.
도5c에서 점선으로 도시하는 바와 같이 선진도갱부 영역(40)을 1차 굴착한 후, 도5d에서 도시하는 바와 같이, 확대부 영역(50)의 장약공(51)들에 뇌관 및 폭약들을 장전하여 발파기로 기폭시켜서, 선굴착된 선진도갱부 영역(40)을 추가 자유면(F2, F3)으로 활용하여 확대부 영역(50)의 암반을 2차 굴착하는 단계를 수행한다.
이 단계는 먼저 선굴착된 선진도갱부 영역(40)으로 2개의 추가 자유면(F2, F3)을 확보하여서 3자유면(F1)(F2, F3)하에서 발파가 이루어지는데, 천공단계에서 사전 천공된 장약공(51)들에 순차적으로 뇌관과 폭약들을 장전하여 기폭시킴으로써 도5e에서 점선으로 도시하는 바와 같이 확대부 영역(50)의 암반을 굴착하게 된다.
한편, 확대부 영역(50)의 굴착은 여러 형태로 실시할 수 있는데, 도2의 제1실시예에서와 같이 LP 전기뇌관을 확대부 영역(50)의 장약공(51)에 장전하여 다단 발파기를 이용한 기폭방법을 수행하거나, 또는 도6의 제2실시예에서와 같이 비전기뇌관을 확대부 영역(50)의 장약공(51)에 장전하여 비전기 기폭방법을 수행함으로써, 지발당 장약량을 최소화할 수 있는 각 1지발의 기폭시스템으로 다단 발파시키게 되므로 발파시 발생되는 진동을 용이하게 제어할 수 있다.
도7의 도시는 본 발명에 따른 터널 굴착의 제3실시예를 도시한 것으로서, 확대부 영역(50)의 장약공(51)들을 4~20개이내의 단위분할 영역으로 다분할하고, 매 단위분할 영역별로 MS뇌관 및 폭약들을 장전하여, 선진도갱부 영역(40)의 외곽으로부터 터널 굴착선 방향으로 순차적으로 단위분할 영역별로 구분하여 장약공(51)들을 기폭시켜 굴착하는 실시예이다.
이때, 단위분할 영역은 MS뇌관만으로 기폭시키기 때문에 MS뇌관의 단차가 20개이므로 최대 20개를 초과할 수 없음을 밝혀둔다.
도8의 도시는 본 발명에 따른 터널 굴착의 제4실시예를 도시한 것으로서, 확대부 영역을 미진동파쇄기를 이용하여 굴착하는 실시예이다.
상기 미진동 파쇄기(vibration control cracker)는 고열반응에 의한 순간적인 열팽창으로 암석에 균열을 발생시키는 화공품의 일종으로서, 도심지나 보안물건이 있는 곳에서 콘크리트, 암반 및 교각을 발파하는데 사용되며, 진동, 소음제어와 비산물 방지를 위하여 폭원과 근접한 시설물을 보호하기 위하여 많이 사용되는 제품이다.
상기 제4실시예는 확대부 영역(50)의 암반 굴착단계에서, 그 확대부 영역의 장약공(51)들을 선진도갱부 영역(40)의 외곽으로부터 터널 굴착선 방향으로 순차적으로 복수개의 동심원 형태로 나누고, 각각의 동심원내의 장약공들에 미진동파쇄기를 장전하여 발파시키는 작업을 터널 굴착선 방향으로 순차적으로 반복하여 수행함으로써 확대부 영역의 암반을 굴착하는 실시예이다.
상기와 같이, 본 발명은 확대부 영역(50)의 2차 발파규모를 최소화시켜 굴착하는 방법으로, 확대부 영역(50)을 최소 6개 ~ 최대 10개 영역으로 다분할하고, 각 영역별 발파공수는 최대 20공이내로 제한하여 1회에 1지발씩 최소 화약량으로 발파되게 하거나, 또는 미진동파쇄기를 이용하여 동심원별로 여러 번으로 나누어 기폭시킴으로써 지반진동을 극소화시켜 굴착할 수 있게 되며, 또한 굴착비용을 크게 감소시킴으로써 무진동 굴착구간이나 보안물건 인접구간에 대한 터널굴착공법으로 적용이 가능하다.
표 1은 본 출원인이 경기 A지역 굴착공사현장에서 선진 수평보링공이 없는 선진도갱 다단식 발파공법을 2회 적용하여 시험발파한 결과로서, 선진도갱부 영역의 굴착선을 따라 형성된 무장약 방진공들에 의한 진동감쇠 분석결과를 1차 선진도갱부 영역의 발파와 2차 확대부 영역의 발파시 발생되는 발파진동을 나타낸다.
1차시험발파 결과
적용공법 계측결과
보안물건 1차발파(선진도갱부 영역) 2차발파(확대부 영역)
진동 (㎝/sec) 소음 (㏈, A) 진동 (㎝/sec) 소음 (㏈, A)
선진도갱 다단식 발파공법 자유장 56m 0.184 N/A 0.371 N/A
자유장 100m 0.445 132 0.0333 133
392번지 함효숙씨 댁 0.0476 90.0 0.0413 96.4
395번지 0.0508 81.0 0.111 87.0
395번지 이정운씨댁 - - - -
389번지 0.0127 68.6 0.0127 74.2
2차시험발파 결과
적용공법 계측결과
보안물건 1차발파(선진도갱부 영역) 2차발파(확대부 영역)
진동 (㎝/sec) 소음 (㏈, A) 진동 (㎝/sec) 소음 (㏈, A)
선진도갱 다단식 발파공법 자유장 56m 0.0778 83.8 0.0524 77.6
자유장 100m - - - -
392번지 함효숙씨 댁 0.0222 69.6 No Triggered No Triggered
395번지 0.0222 65.8 No Triggered No Triggered
395번지 이정운씨댁 - - No Triggered No Triggered
389번지 - - No Triggered No Triggered
상기 선진도갱부 영역의 발파는 발파진동에 의해 보안물건의 피해가 예상되는 터널굴착구간에서 실제로 시험발파한 결과, 기존의 전단면 발파 굴착 대비 극히 낮은 수준의 발파진동을 발생시켜 주변 보안물건의 피해를 최소화하였으며 매우 양호한 굴착효율을 나타내었다.
(주)한화 및 학계에서 방진공에 의한 진동감쇄 효과에 대한 수치해석 분석결과에 의하면, 100㎜ 방진공을 300㎜ 간격으로 서로 엇갈리게 2열을 설치한 경우 P파만을 고려한다면 방진공을 설치하지 않은 경우에 비해서 22.4%의 탄성파 에너지 감쇠가 발생한다고 하였으며, 방진공 간격이 공경의 3배이하의 경우에 진동 감쇠 효과가 높아지며, 현장 실험결과 방진공 간격이 공경의 3배일 때 전단 성분에 대해 25%의 진동차단 효과가 있는 것으로 보고되었다.
상기 표 2의 시험발파 결과는 선진 수평보링공이 없는 선진도갱부 영역에 의한 발파를 나타내고 있으나, 본 발명과 같이 선진 수평보링공을 심발부 중심에 형성하여 발파한다면 진동감쇠 효과가 더욱 증가될 것으로 추정된다.
한편, 기존의 무진동 굴착공법과 본 발명의 선진 수평보링공과 선진도갱부 영역를 이용한 미진동 터널굴착공법을 적용시, 소요되는 굴착비용의 비교를 표 2에 나타내었다.
무진동 굴착공법과 본 발명 미진동 굴착공법의 굴착비용 비교
무진동 굴착공법 미진동 굴착공법
약 180,000원/㎥ 약 130,000원/㎥
상기 표 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 선진 수평보링공과 선진도갱부 영역를 이용한 미진동 터널굴착공법의 굴착비용이 기존의 무진동 굴착공법에 비하여, 1㎥당 50,000원정도로 낮아 굴착비용이 27.8% 절감되는 감소효과가 나타나 경제성이 있음을 살펴볼 수 있다.
상기와 같은 본 발명은 터널 굴착과정에서 순차적으로 발파작업을 수행할 때마다 진동 및 소음 발생을 최소화하면서 외부로 전달되는 진동 및 소음은 효율적으로 차단 감소시킬 수 있게 하여 주므로, 굴착대상의 터널 주변에 인접한 보안물건에 진동 및 소음으로 인한 피해를 확실히 줄일 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 터널 굴착과정에서 심발부의 중심에 그 길이가 길게 천공되는 대구경 무장약의 선진 수평보링공이 암반내의 지하수 배수기능을 발휘하므로, 추후에 폭력의 저감 또는 장시간 장약상태로 대기시 불폭의 위험성과, 전기뇌관의 사용시 지하수에 의한 미주전류 및 누설전류에 대한 위험성을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 터널 굴착과정에서 선진 수평보링공의 천공에 의한 전방 막장에 대한 암반조사 기능을 기대할 수 있게 되므로, 암반의 연경 정도를 미리 예측하여서 지질변화에 따른 굴착공법, 투입장비 및 제반시설의 전환, 암질에 적합한 지보 설치를 효과적으로 대비를 할 수 있는 등의 부수적인 효과가 있다.
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Claims (13)

  1. 터널의 막장면 중심부에 복수개의 장약공들을 천공하여서 된 심발부와, 상기 심발부의 외측으로 복수개의 장약공들을 천공하여서 된 심발확대부로서 선진도갱부 영역을 이루도록 하고, 상기 선진도갱부 영역의 외측에 복수개의 장약공들을 천공하여서 확대부 영역을 이루도록 한 후, 상기 심발부와 심발확대부의 장약공들을 차례로 발파하여 선진도갱부 영역의 암반을 1차로 굴착하고, 선굴착된 상기 선진도갱부 영역을 자유면으로 활용하면서 그 외측에 천공된 장약공들을 발파하여 확대부 영역의 암반을 2차로 굴착하는 것에 있어서,
    상기 선진도갱부 영역 내의 심발부 중심에는 그 심발부의 장약공들보다 길이가 길게 천공되는 대구경 무장약의 선진 수평보링공이 위치되도록 하고, 상기 선진도갱부 영역 내의 심발확대부 외곽에는 라인드릴링하여 심발확대부의 장약공들보다 길이가 길게 천공되는 복수개의 무장약 방진공들이 위치되도록 하며, 상기 확대부 영역의 최외곽에는 라인드릴링하여 천공되는 복수개의 무장약 방진공들이 위치되도록 함을 특징으로 하는 미진동 터널 굴착공법.
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  3. 제1항에 있어서, 상기 대구경 무장약의 선진 수평보링공은 상기 심발부의 장약공들보다 길이가 길게 최대 60m의 깊이로 천공됨을 특징으로 하는 미진동 터널 굴착공법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서, 상기 대구경 무장약의 선진 수평보링공은 그 직경이 200~800㎜의 범위로 천공함을 특징으로 하는 미진동 터널 굴착공법.
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  6. 제1항에 있어서, 상기 선진도갱부 영역은 하부폭 3,840㎜×높이 2,500㎜×상부 폭 2,500㎜이며, 단면적은 10㎡이내의 크기로 형성함을 특징으로 하는 미진동 터널 굴착공법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 선진도갱부 영역 내에서 심발확대부의 외곽을 따라 라인드릴링되는 복수개의 무장약 방진공들은 사다리꼴 형태로 천공된 것임을 특징으로 하는 미진동 터널 굴착공법.
  8. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 선진도갱부 영역 내에서 심발확대부의 외곽을 따라 라인드릴링되는 무장약 방진공들은 장약공 천공장의 1.5배이상인 1.5~5m로 천공함을 특징으로 하는 미진동 터널 굴착공법.
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  12. 제1항에 있어서, 상기 확대부 영역의 굴착시, 그 확대부 영역의 장약공들을 4~20개이내의 단위분할 영역으로 다분할하고, 매 단위분할 영역별로 MS뇌관 및 폭약들을 장전하여, 선진도갱부 영역의 외곽으로부터 터널 굴착선 방향으로 순차적으로 단위분할 영역별로 장약공들을 기폭시켜 굴착하는 것을 특징으로 하는 미진동 터널 굴착공법.
  13. 제1항에 있어서, 상기 확대부 영역의 굴착시, 그 확대부 영역의 장약공들을 선진도갱부 영역의 외곽으로부터 터널 굴착선 방향으로 순차적으로 복수개의 동심원 형태로 나누고, 동심원내의 장약공들에 미진동파쇄기를 장전하여 발파하는 작업을 터널 굴착선 방향으로 순차적으로 반복하여 수행함으로써 굴착하는 것을 특징으로 하는 미진동 터널 굴착공법.
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