KR101048072B1 - 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발파굴착방법에 의해 터널이나 지하 저장시설등의 암반굴착을 수행하는 과정에서 고속시공을 위한 정밀 장공발파의 굴착 효율성 및 암 파쇄도 향상과 공기절감에 따른 경제성을 확보하기 위한 장공 심발패턴 형성방법에 관한 것이다.

본 발명은 터널 심발부의 중심선에 수평중심공열을 배치하고, 상기 수평중심공열을 기준으로 좌우 대칭으로 수평평행공열과 경사공열을 각각 간격을 두고 배치하는 제1 단계; 경사공열의 내측으로 터널 중심축과 근접하여 보조 심발공열(baby hole)을 좌우 대칭으로 경사지게 배치하는 제2 단계 및 상기 수평중심공열, 경사공열 및 보조심발공열의 장약을 완료하는 제3 단계를 포함하되, 상기 수평중심공열과 제1 경사공열 및 보조심발공열을 1개 세트로 하는 제1 심발영역과, 상기 수평중심공열의 양측에 좌우 대칭으로 배치된 수평확대공열과 제1 경사공열 바깥측에 배치된 제2 경사공열을 1개 세트로 하는 제2 심발영역 및 육각면상의 완벽한 심발부 체적형상을 갖추기 위해 상기 수평확대공열 바깥측으로 추배치된 가확대공열을 제3 심발영역으로 분할하고, 발파공의 기폭순서를 제1 내지 제3 심발영역순으로 하는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법을 제공한다.

고속시공, 정밀 장공 발파, 잔류공, 굴진효율, 암파쇄 효율, 공기절감, 경사공(Wedge hole), 평행공(Parallel hole), 제발효과(諸發效果)

Description

경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법{The long cut design method applied the simultaneously explosion effect of wedge holes and parallel holes in underground excavation}

본 발명은 지하암반 굴착공사에서 발파시공을 하기 위한 장공 심발패턴의 설계방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 발파굴착방법에 의해 터널이나 지하 저장시설등의 암반굴착을 수행하는 과정에서 고속시공을 위한 정밀 장공발파의 굴착 효율성 및 암 파쇄도를 향상시키고 공기절감에 따른 경제성을 확보할 수 있는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법에 관한 것이다.

최근들어 교통수송과 물류보관등의 목적으로 터널 및 지하공간의 이용에 대한 관심이 고조되고 있으며, 급증하는 발생 수요와 국내 지리적 특성과 결부되어 터널이나 지하공간 건설규모가 대단면, 초 장대화로 진행됨에 따라 지하공간 및 터널굴착과정에서 굴착 안정성과 효율성을 고려한 고속화 시공에 대한 연구가 지속적으로 이루어지고 있다.

이와 관련하여 화약류를 이용한 발파굴착으로 장대터널이나 지하공간을 굴착하는 방법으로 정밀 장공발파기술에 대한 관심이 높아지고 있다.

정밀 장공 발파기술은 대체로 암반등급이 양호한 지반조건에서 1회 굴진장을 극대화하면서 암 파쇄효율을 높이고, 동시에 여굴(Over break)이나 미굴(Under break)발생을 극소화하면서 최종 굴착면의 양호한 파단면을 조성하기 위한 발파설계 및 시공기술이다. 지하암반 굴착과 같은 제약된 단일 자유면조건에서 원활한 암반굴착 작업을 수행하기 위해서는 점진적으로 자유면의 수와 규모를 증가시키고 기 형성된 자유면을 효율적으로 활용하여 확대 굴착하는 방안이 가장 효과적인 것으로 알려져 있다. 따라서, 확대 굴착이 가능하도록 최초 단일 자유면을 다(多) 자유면으로 조성하는 단계인 심발공법(Cut method)의 선정은 터널등 지하암반 굴착에서 가장 중요한 기술이며 특히, 천공장이 증가할수록 적합한 심발공법의 선정이 굴진능률 및 암 파쇄효율, 최종 파단면 형성등 전체 암반 굴착효율을 좌우하게 된다.

특히, 지중응력이나 상재하중등의 원인으로 지중 암반구속도가 상대적으로 증가하는 장공발파에서 심발공법의 선정이 전체 발파결과에 지대한 영향을 미치게 된다. 국내에서는 그 동안 일반적으로 천공장 3.0m이상에서는 1~4공의 F76~F127 대구경 수평 무장약공을 자유면(自由面)으로 활용하는 실린더 컷(Cylinder-cut)을 적용하여 왔다. 고속시공을 목적으로 한 천공장 4.0m이상의 장공발파에는 1개 내지 수 개의 F200~F500 대구경 수평 보링공을 1회 30m~50m정도 선 천공한 후 이를 확장 자유면으로 활용하는 방식으로 공사를 수행하여 왔다. 이와 같은 대구경을 자유면으로 활용하는 심발패턴은 천공각도가 굴진방향과 동일하므로 터널폭에 제한없이 장공천공에 유리하다. 또한, 무장약공을 중심으로 장약공의 배치간격이 좁아 장공천공에서 상대적으로 낮은 암반구속도와 단위 체적당 높은 장약량 조건에 의해 대체로 양호한 굴진효율을 기대할 수 있는 장점을 가지고 있다. 그러나, 대구경 무 장약공 확보를 위해서 추가적인 천공작업시간이 필요하여 단위공정에서의 작업시간 연장이 불가피하므로 공기단축에 불리한 문제점이 있다. 또한, 무 장약공 천공을 위해서는 대구경 비트(bit)나 커플링(coupling)등의 추가자재의 구입이 요구되므로 공사원가상승의 원인으로 작용하는 다른 문제점이 있다. 무 장약공과 근접하게 배치되는 장약공은 무 장약공과의 공간간격(Center to center)이 15~20cm정도로 공과 공간의 좁은 저항선(Burden)이 요구되는 근접 평행천공을 해야하는데, 장공천공에서 공저부까지 적정 저항선을 유지하는 데는 매우 정밀한 천공기술이 요구되어 천공작업이 매우 어렵다. 더불어, 무 장약공과 인접한 첫번째 스퀘어(1'st square)영역의 장약공 장전밀도는 0.5kg/m이내의 저 밀도로 조절하지 않을 경우 소결(cementation)현상에 의해 굴착효율이 급격하게 저하될 수 있으며 이와 같은 문제점은 천공장이 증가할수록 발생 확률이 더욱 높아진다는 특징이 있다.

이와같은 대구경 무장약공을 활용한 실린더-컷(Cylinder-cut)의 문제점을 보완하고 고속시공에 적합하도록 천공 작업시간을 최소화하기 위해 동일 공경의 평행공(parallel hole)과 경사공(wedge hole)을 조합하는 방식의 심발 천공패턴이 개발되고 있다. 3.0m이상의 비교적 장공천공에서 대구경 무장약공을 사용하지 않고 장약공과 동일한 직경의 천공경으로 경사공과 평행공을 조합하는 방식의 심발공법으로는 슈펙스-컷(SUPEX-cut)과 코파-컷(COPA-cut)공법, SAV-cut(stage advanced V- cut)등이 있다.

천공장 4.0m이상의 장공발파에서 동일공경의 경사공과 평행공의 조합으로 구성된 상기한 심발공법들은 대구경 무장약공을 활용한 심발공법에 비하여 전반적으로 천공시간이 빠르고 천공작업이 용이하며 천공수도 적어 단위공정에 소요되는 작업시간을 절감할 수 있어 공기단축에 유리하여 고속시공에 적합한 장점이 있다.

그러나, 경사공과 평행공을 조합하는 상기한 심발기술들을 장공발파패턴으로 활용하는데는 몇 가지 문제점을 가지고 있다.

첫째, 천공장이 길어질수록 경사공이 담당하는 채석체적이 증가하게 되므로 공저부로 갈수록 경사공의 주변 구속압이 증가하여 굴진효율이 저하되는 원인으로 작용하게 된다. 그러나, 평행공과 경사공을 조합하는 상기한 방식의 심발공법은 이러한 문제점에 대한 대처가 부족하여 발파 후 과다한 잔류공을 양생하여 전체 굴착효율을 저하시키므로 장공천공에서 공저부의 구속력을 완화시키면서 동시에 폭발위력을 증가시켜 줄 필요가 있다.

둘째, 국내 화약류 시장의 경우 니트로글리세린(Nitro Glyceline)을 주재로 한 다이나마이트(Dynamite)사용이 급격히 줄어들고 최근들어 에멀젼(Emulsion)계열의 폭약으로 대체되어 가는 추세여서 기존의 경사공과 평행공을 조합하는 방식의 심발패턴에서 동일한 파괴선상에서 분할장약(Deck charge)및 다단 굴착등의 방법으로 기폭시간에 차이를 둘 경우 사압현상(Dead pressure) 동반에 따른 불폭이나 부분발파의 위험성이 증대되고 있다. 이는 천공장이 증가됨에 따라 더욱 저조한 굴진효율을 초래하는 원인으로 작용할 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 추가적인 비용과 천공시간 연장에 따른 공기지연 부담요인을 갖는 대구경 무장약공을 활용한 심발패턴을 지양하면서 상대적으로 경비나 공기단축 측면에서 효과적인 동일한 직경의 경사공과 평행공 조합방식을 활용한 심발천공패턴을 수립함으로써 장공천공에서 안정적인 굴진효율을 얻고, 암 파쇄도를 향상시킬 수 있으며, 고속시공 및 공기단축에 유리한 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 대구경의 무장약공을 활용하지 않고, 동일공경의 경사공과 평행공의 조합만으로 심발영역을 구성하되, 평행공과 경사공을 동시에 제발(일괄발파)시켜 암반저항을 감소시킴으로써 잔류공을 최소화하고, 굴진효율을 증대시킬 수 있는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법을 제공함에 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 터널 심발부의 중심선에 수평중심공열을 배치하고, 상기 수평중심공열을 기준으로 좌우 대칭으로 수평평행공열과 경사공열을 각각 간격을 두고 배치하는 제1 단계; 경사공열의 내측으로 터널 중심축과 근접하여 보조 심발공열(baby hole)을 좌우 대칭으로 경사지게 배치하는 제2 단 계 및 상기 수평중심공열, 경사공열 및 보조심발공열의 장약을 완료하는 제3 단계를 포함하되,

상기 수평중심공열과 제1 경사공열 및 보조심발공열을 1개 세트로 하는 제1 심발영역과, 상기 수평중심공열의 양측에 좌우 대칭으로 배치된 수평확대공열과 제1 경사공열 바깥측에 배치된 제2 경사공열을 1개 세트로 하는 제2 심발영역 및 육각면상의 완벽한 심발부 체적형상을 갖추기 위해 상기 수평확대공열 바깥측으로 추가배치된 가확대공열을 제3 심발영역으로 분할하고, 발파공의 기폭순서를 제1 내지 제3 심발영역순으로 하는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법을 제공한다.

상기한 구성을 갖는 본 발명은 다음과 같은 특징이 있다.

첫째, 터널 심발부의 중심선을 기준으로 좌우 대칭으로 평행공열과 경사공열을 배치하여 장공발파에 효율적인 천공패턴을 수립하고, 일반 장약공과 동일한 직경의 수평공과 경사공만을 활용함으로써 주변 암반의 구속도를 최소화할 수 있다.

특히, 상기한 천공패턴의 수립에 의해 기존의 대구경 무장약공을 활용한 심발공법에 비하여 천공시간이 빠르고, 천공작업이 용이하다. 또한, 천공수도 적어 단위공정에 소요되는 작업시간을 절감할 수 있어 공기단측에 유리하고, 고속시공을 할 수 있으며, 발생 진동 및 소음수준을 기존 경사공 발파에 비해 경감시킬 수 있다.

둘째, 수평공열과 경사공열의 공저부 천공간격 및 천공각도를 동일 파괴선상에 위치시키되 경사공열과 그의 파괴선상에 위치한 평행공열을 동시 제발함으로써, 공내 폭발압력의 동반 상승효과를 기대할 수 있어 공저부의 암파쇄를 원활하게 할 수 있으며, 동시 제발에 따른 암반저항을 감소시켜 잔류공을 최소화할 수 있고 굴진능률 향상을 도모할 수 있다.

셋째, 주경사공열의 내측으로 터널 중심축과 근접하게 보조심발공열을 좌우 대칭으로 배치하되 상기 보조심방공열을 굴진장의 50%이내의 범위로 함으로써, 경사공 심발발파 시 발생할 수 있는 쐐기형의 대괴나 옥석의 발생량을 극소화시켜 작업의 효율성을 높일 수 있고, 발파 후 2차 암 파쇄작업에 소요되는 시간 단축을 위한 가늘고 균질한 파쇄석 생산이 가능하다.

이하, 첨부된 도1 이하의 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법은 천공장 4.0m이상의 장공천공(長孔穿孔)에서 터널장비 특성을 고려하여 고속시공에 적합한 장공발파에서의 심발설계기준을 제시하고 잔류공 생성을 최대한 억제하여 굴진효율을 극대화하는 동시에 암 파쇄효율을 향상시키고, 공정별 작업시간 단축에 따른 전체 공사기간을 절감할 수 있도록 구현한 것이다.

본 발명은 장공천공에서의 공저부 암반 구속도 증가에 따른 굴진효율 저감과 관련하여 경사공열과 수평공열의 효율적 배치와 기폭패턴의 변경으로 경사공열이 담당하는 굴진장의 한계를 동일 파괴 선상의 수평공열에 의해 연장시킨 장공굴진을 위한 심발발파 설계패턴을 제시하고 있다. 이러한 설계방법에 의해, 동일한 점보드릴(Jumbo drill)의 천공능력을 기준으로 할 경우 최대 굴진장 확보를 가능하게 하고, 동일 굴진선상을 기준으로 초과 천공된 수평공의 제발효과에 의한 공저부 폭발력의 증대로 파쇄암석의 버력반출을 용이하게 하고 잔류공 생성을 최대한 억제시킬 수 있게 된다.

본 발명의 심발 구성은 기본적으로 대구경의 무 장약공을 활용하지 않고 동일공경의 경사공과 평행공의 조합만으로 심발영역을 구성한다는 측면에서는 이들 공법과 유사한 측면이 있으나 천공패턴과 파괴 메카니즘을 고려한 점화순서에서 기존공법과는 큰 차이점이 있다. 본 발명을 기존의 수평공과 경사공의 조합방식을 이용한 심발발파공법과 비교하면 하기의 [표1]과 같이 정리할 수 있다.

[표1] 본 발명과 종래 발파공법의 천공패턴 및 파괴원리 비교표

구분	SUPEX-cut	COPA-cut	본 발명
천공패턴차이	경사공과 평행공을 교대로 배치시키고 중앙의 평행공 발파가 경사공의 잔류부를 담당하므로 기존의 경사공 천공방식에 비하여 경사공의 공저간격을 넓일 수 있음.	중앙의 평행공을 장약공과 무장약공을 교대로 배치하여 선 균열대를 조성하므로 경사공의 배치는 일반 경사공법대비 공저부분을 넓게 천공함.	공저부 암반 파괴각을 고려하여 평행공과 경사공을 동시 제발시키며 경사공의 공저부 간격은 30cm 이내로 유지하여 평행공과 동시 제발에 따른 암반 저항을 감소시켜 잔류공을 최소화함
장약·기폭원리차이	동일 천공장으로 평행공과 경사공을 천공한 후 경사공 발파에 의해 암반 구속력을 저감시킨 후 평행공의 공저부를 기폭함으로써 잔류공을 제거해 주는 심발공법	장약공과 무장약공이 교대로 배치된 중앙의 평행공열을 우선적으로 기폭하여 균열대를 형성한 후 경사공열을 기폭시켜 점차 확장해 나가는 심발공법	동일 파괴선상의 평행공과 경사공을 동시 기폭함으로서 제발효과에 의한 파괴영역 증대와 잔류공 최소화로 굴진효율을 증대하기 위한 심발공법

하기에 본 발명의 장공심발패턴 형성방법에 대하여 세부적으로 설명한다.

도1은 본 발명에 의한 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법을 구현하기 위한 경사공열과 수평공열 조합방식의 장공 천공용 심발패턴도이고, 도2는 본 발명에 의한 심발패턴의 천공구성을 도식화한 도면이다.

도면에 도시한 바와 같이, 본 발명은 먼저, 터널 심발부의 중심선을 기준으로 좌우 대칭으로 수평평행공열과 경사공열을 배치한다. 즉, 터널 심발부의 중심선에 수평중심공열(130)을 배치하고, 상기 수평중심공열(130)을 기준으로 좌우 대칭으로 수평평행공열(150)과 제1 및 제2 경사공열(120, 140)을 각각 간격을 두고 배치한다. 이는 대구경 무장약공을 활용하지 않고 장약공과 동일한 직경의 비트(Bit)를 사용하여 경사공열과 평행공열을 배치하는 단계이다. 이 과정에서 작업의 효율성과 천공의 정밀도를 높이기 위해 3-붐(Boom)방식의 점보드릴(Jumbo drill)을 기준으로 중앙 붐(Boom)대는 심발부를 구성하는 평행공열을 천공하는 동시에 양 싸이드 붐(Side boom)은 최 외곽공을 우선적으로 천공하고 이어 바닥공과 확대공등 수평공의 천공이 완료된 후 최종적으로 심발부의 경사공열을 천공하는 순서로 작업이 진행되는 것이 유리하다.

예로서 천공장 4.4m를 기준으로 할 경우, 수평공열(130, 150)은 굴진방향으로 4.4m의 소요 천공장이 확보되지만 제 1 경사공열(120)은 막장면에 대하여 65°로 천공되므로 굴진장 방향으로 약 4.0m의 굴진장을 확보할 수 있게 된다. 따라서, 수평공열(130, 150)이 제1 및 제2 경사공열(120, 140)에 비하여 굴진장 방향으로 약 10%이상 추가천공이 이루어지게 된다. 이때, 수평공열(130, 150)과 제1 및 제2 경사공열(120, 140)의 천공간격 및 천공각도는 동일 파괴선상에 위치하도록 하여 최상의 굴진효율을 낼 수 있도록 한다.

도2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 심발패턴은 제1 및 제2 경사공열(120, 140)의 파괴연장선상에 수평공열(130, 150)을 배치하여 동일 파괴선상의 수평공열과 경사공열을 동시 제발하는 심발방법을 보여주고 있다. 이는 제1 및 제2 경사공열(120, 140) 내부에 집중 배치된 수평공열(130, 150)은 공저 암반저항을 효과적으로 저감시키는 역할을 한다.

그리고, 터널발파와 같은 지하 암반 굴착은 주로 단일 자유면 조건이므로 제 1경사공열(120)과 수평공열(130, 150)의 기폭시 암반 구속도를 완화시키기 위해 제1 경사 심발공열(120) 내측에 터널 중심축과 근접되게 보조 심발공열(Baby holes)(110)을 좌우 대칭으로 배치하되, 상기 보조심발공열(110)은 굴진장의 50%이내 범위에서 막장면에 대해 55 ~ 60°로 배치한다. 다음에 상기 수평중심공열, 경사공열 및 보조심발공열의 장약을 완료한다.

이에 따라 상기 제 1경사 심발공열(120)과 수평중심공열(130)의 제발(諸發)(일괄발파)시, 암반 구속도를 완화시키고 쐐기형 대괴의 생성을 억제할 수 있으며, 진동 수준을 경감할 수 있다.

본 발명에서의 심발공열은 보조 심발공열(110), 제 1경사공열(120)과 수평중심공열(130)을 1개 세트(Set)로 하는 제 1심발영역과; 제 2경사공열(140)과 수평평행공열(150)을 1개 세트(Set)로 하는 제 2심발영역 및 이후 육각면상의 완벽한 심발부 체적형상을 갖추기 위하여 수평평행공열(150) 바깥측으로 추가 확대수평공열(160, 170)을 배치한 제3 심발영역으로 구성된다.

상기 제1 경사공열(120)과 수평중심공열(130)을 1개 셋(set)으로 구성하는 제 1심발영역은 수평공열의 기저부(131)에 집중장약의 형태로 장전되어지는 폭약의 폭발로 형성된 균열반경내에 경사공열을 배치하여 동시 기폭시킨다. 이에 따라 동일 파괴선상에 위치하고 있는 수평중심공열(130)과 제1 경사공열(120)의 동시 제발효과로 효율적인 공저부 암 파쇄를 유도할 수 있게 된다. 또한, 장공 천공에서 제1 및 제2 경사공열(120, 140) 사이에 수평중심공열(130)과 수평평행공열(150)을 집중 배치시키고, 수평공별 기저부(131)를 중심으로 공저부 장전밀도(111, 121, 141, 151, 161, 171)를 증대시켜 공저부의 폭발력을 증대시켜 잔류공 생성을 억제한다.

미설명부호 112, 122, 132, 142, 152, 162, 172는 장약을 나타낸다.

도3은 동일 파괴 연장선상의 경사공열과 수평공열의 천공배치와 함께 경사공열과 수평공열의 제발효과를 설명하기 위한 도면을 나타낸다.

도면에 도시한 바와 같이, 균열반경을 고려할 때 하기의 <균열 반경식1>에 의해 균열범위를 예측하고 장공천공에 따른 천공오차, 장전밀도등 시공변수를 고려하여 안전율이 반영된 경사공의 공저부 간격 및 천공각도를 산정하게 된다.

<균열반경식1>

여기서, φ_b:천공경(cm), P_s:천공내 작용압력(kgf/㎠), σ_t:인장강도(kgf/㎠)이다.

터널에서 일반적으로 적용되는 화약류를 기준으로 하여 상기 조건식을 적용할 경우, 천공경(φ_b)이 45mm, 공내 작용압(P_s)가 10,000kgf/㎠, 인장강도(σ_t)가 100kgf/㎠인 조건이라면, 균열반경은 69.8cm이며 여기에 안전율 1.5를 적용할 경우 최소 예측할 수 있는 균열반경은 46.5cm로 계산할 수 있다. 따라서, 수평공열(130, 150)과 제1 및 제2 경사공열(120, 140)의 공저부 상호간격을 약 50cm이내로만 유지시켜 준다면 동시기폭에 의한 제발발파효과를 얻을 수 있을 것으로 예측할 수 있다. 도3에서와 같이 보조 심발공열(Baby holes)(110)의 기폭 후, 제1 심발영역의 암반 구속도가 상당 부분 완화된 상태에서 심발 중심선을 기준으로 대칭으로 천공된 제1 경사 심발공열(120)과 심발 중심선에 배치된 수평 중심공열(130)이 동시에 기폭된다. 이때, 제1 경사 심발공열(120)의 공저부 간격은 0.3m이내로 유지하여야 중앙의 수평 중심공열(130)과의 동시 발파를 통해 쐐기형(wedge)의 버력반출이 용이하다. 제1 경사 심발공열(120)과 동시 기폭되는 중앙의 수평 중심공열(130)은 제1 경사 심발공열에서 발생할 수 있는 쐐기형상의 암 버력 체적을 감소시키는 동시에 공저부에 폭발압력을 증대시켜 암 버력 반출을 용이하게 하며 제1 경사 심발공열(120)에서 담당하는 암반 저항을 상쇄시키는 역할을 한다. 장공 천공인 점을 감안하여 설계단계에서 장공천공에 따른 천공오차의 증가분과 막장면의 형상이 불규칙하다는 점을 고려하여야 하며 심발 중심축을 기준으로 상호 대칭인 제1 경사 심발공열(120)은 굴진방향에 대해 막장면과 63 ∼ 65°각도로 천공되며, 제1 경사 심발공열(120) 공저부 상호간격은 0.3m이내로 유지하여야 보다 원활한 암반 배출을 유도할 수 있다. 이때 동시 제발되는 수평 중심공열(130)은 제1 경사공열(120)과 동일 파괴연장선상에서 경사공열의 공저부를 기준으로 균열권내에 배치하도록 하는데, 보통은 제1 경사 심발공 천공장의 10%범위에서 굴진방향으로 추가 천공하도록 설계한다. 이 후 제2 경사 심발공열(140)과 수평 확대공열(150)이 동시 발파되며, 제1 경사 심발공열(120)과 수평 중심공열(130)에 의해 기 확보된 자유면을 활용하여 암반 구속이 상당부분 저감된 상태이므로 제2 경사 심발공열(140)의 각도는 제1 경사 심발공열(120)에 비해 천공각도를 5 ∼ 10°증가시킬 수 있다. 이 후, 추가 수평 확대공열(160, 170)도 균열반경과 신(新) 자유면을 고려하여 기존의 심발 수평공열과 평행하게 배치된다. 수평공열 상호간의 간격은 각각의 장약공을 중심으로 균열반경을 계산하고, 여기에 충분한 안전율을 고려하여 확대 수평공열을 배치하며 수평 중심공열을 기준으로 이웃하는 확대 수평공열간의 간격은 안전율을 고려한 균열반경(r_t)의 2배수 이내로 선정하되 암반의 경연이나 상재하중에 따른 주변 암반 구속상태, 장전밀도등 균열반경에 따라 이웃하는 수평공열의 간격을 20%이내 범위에서 조정할 수 있다. 도4는 암반의 경연이나 국내 생산 화약류를 중심으로 적용 화약류에 따라 장약공내에서 발생하는 공내 폭압에 의해 장약공을 중심으로 발생되는 균열권을 상기 식에 의해 계산한 값이다.

본 발명에서 16 피트(feet) 점보드릴(Jumbo drill)을 적용할 경우 각 심발 구성별 천공패턴은 하기의 [표2]와 같이 요약할 수 있다.

[표2]경사공열과 평행공열의 천공배치 (16-feet rod Jumbo drill을 적용할 경우)

심발공열구성		천공경	중심축과의 거리	천공장	천공각도	점화순서
보조심발공열(baby hole)		φ45mm ∼ φ51mm	1.35 ∼ 1.5m	2.5 ∼ 2.7m	55° ∼ 60°	1
1set	제1심발경사공열		1.90 ∼ 2.1m	4.0 ∼ 4.5m	63° ∼ 65°	2
	수평중심공열		0.0m(심발중심선)	4.0 ∼4.45m	90°
2set	제2심발경사공열		2.20 ∼ 2.7m	4.0 ∼ 4.45m	65° ∼ 70°	3
	수평평행공열		0.6 ∼ 1.0m	4.0 ∼ 4.45m	90°
추가 수평확대공열			1.0 ∼ 1.8m	4.0 ∼ 4.45m	90°	4

상기 조건에서와 같이 16피트(feet)의 로드(Rod)를 장착한 점보드릴(Jumbo drill)을 이용하여 천공작업을 수행할 경우, 최대 천공장은 막장면 상태에 따라 다소 차이는 있을 수 있으나, 일반적으로 최대 4.4 ~ 4.5m까지 천공이 가능한다. 18피트(feet) 로드(rod)를 장착한 장비의 경우, 굴진장을 기준으로 최대 5.0 ~ 5.2m까지 천공이 가능하다. 굴진장 증대를 위해 만약 18피트(feet) 로드(rod)를 장착한 점보드릴(Jumbo drill)을 활용할 경우에도 16피트(feet) 점보드릴(Jumbo)을 적용한 경우와 동일한 개념으로 천공패턴을 선정하여야 하나, 천공심도가 늘어남에 따라 공저부로 갈수록 천공오차나 암반 구속도가 증가되는 것을 고려하여 보다 충분한 안전계수를 고려하여야 한다.

도5a는 본 발명의 장공 천공패턴으로 천공장 4.4m의 발파패턴 설계예이고, 도5b는 천공장 5.0m의 천공패턴에 대한 예이다.

본 발명의 장약단계에서 암반 구속도가 상대적으로 높은 공저부(Bottom)의 장약패턴은 양호한 굴진결과를 위해 주상 장약부(Column)에 비하여 높은 장전밀도 를 가져야 한다. 도6에서와 같이 일반적으로 동일성분을 갖는 폭약에서 천공경과 폭약경의 비(比)인 디 카플링 계수(Decoupling Index)가 1에 가까울수록 공내에서 높은 폭발압력을 나타내고 이는 공기층에 의해 상쇄되는 폭발압력을 최소화시키고 암반파쇄에 보다 많이 활용됨을 의미한다.

예를들어, 디 카플링 계수(D_e)가 1인 경우 3.6 x 10⁴kgf/㎠의 공내 폭발압력을 가진 폭약조건이라면, 디 카플링 계수(D_e)가 1.4일 경우는 공내압력은 약 1.5 x 10⁴kgf/㎠로 디 카플링 지수(D_e)가 1일 경우에 비하여 공내 폭발압력이 41.6%로 줄어든다. 공내 폭발압력의 저감은 공저부 파쇄효과를 감소시키고 충분한 이동 에너지(Moving energy)를 공급하지 못하여 버력반출이 불량하므로 결과적으로 굴진효율을 떨어뜨리는 주요 원인으로 작용한다. 특히, 장공발파일수록 공저부에는 주상부(Column)에 비해 더욱 큰 주변 암반 저항을 극복할 수 있도록 큰 폭발 에너지가 필요하므로 공저부(Bottom)에는 장전밀도를 증가시킬 필요가 있다.

도7은 동일 천공경에서 사용 화약류의 직경이 천공경과 차이가 적을수록 공내 폭압이 증대되어 균열 생성반경이 증대되는 현상을 나타낸 그림이며, 도8은 천공장 4.4m의 장공천공에서 일반 카트리지 타입(Cartridge type)의 화약류와 벌크 타입(Bulk type)의 화약류를 적용하였을 경우 각각의 영역별 장약패턴을 나타낸 모 식도이다.

본 발명에서 수차례의 현장 시험발파를 통해 얻은 결과를 토대로 공저부(Bottom)와 주상부(Column)의 심발영역별 장전밀도는 하기의 [표3]과 같다. 일반 카트리지형(Cartridge type) 에멀젼(Emulsion)계열 폭약을 적용하였을 경우, 제1 경사 심발공열과 동시 기폭되는 수평 중심공열 및 제2 경사 심발공열과 동시 기폭되는 수평 확대공열의 공저부(Bottom) 장전밀도는 1.0 ~ 1.2kg/m로, 주상부(Column) 장전밀도는 0.8 ~ 0.9kg/m수준으로 유지시켜야 하며 벌크형(Bulk type)의 안포(ANFO)나, 에멀젼(Emulsion)폭약을 적용할 경우 가급적 완충하여 장전하도록 한다.

[표3] 심발부 공저부와 주상부의 장전밀도

심발공열	천공경	공저부(Bottom)		주상부(Column)
		Dw	장전밀도(kg/m)	De	장전밀도(kg/m)
경사공열	φ45mm	1.0 ∼ 1.32	1.0 ∼ 1.91	1.0 ∼ 1.41	0.8 ∼ 1.91
수평공열		1.0 ∼ 1.32	1.0 ∼ 1.91	1.0 ∼ 1.41	0.8 ∼ 1.91

본 발명에서 기존의 수평공열과 경사공열을 조합하는 심발패턴과 가장 큰 차이점으로 점화순서에 의한 파괴 메카니즘(Mechanism)을 들 수 있다. 기본적으로 본 발명의 파괴메카니즘은 경사공열의 파괴선상에 위치한 평행공열과의 동시 제발발파에 의한 공내 폭발압력의 동반 상승효과를 기대할 수 있어 공저부의 암 파쇄를 원활하게 하는 동시에, 기저부에 공급된 충분한 이동에너지(Moving energy)에 의해 파쇄된 암 버력을 효율적으로 배출하는 것을 특징으로 한다.

도9는 본 발명의 장공 심발패턴 형성방법에 의한 심발부 점화순서도이다.

도면에 도시한 바와 같이, 장공 천공으로 암반 저항이 높을 것으로 예상되는 경암 이상의 지반조건에서 경사공과 평행공의 조합으로 장공발파를 수행하는 경우, 암반 구속도를 완화시키기 위하여 수평평행공열(130, 150)을 심발부 중앙에 근 간격으로 집중 배치한다. 그리고, 보조 심발공열(Baby holes)(110)의 동시 제발발파로 1차적으로 제 1심발영역이 부담하는 암반 저항을 상당부분 완화하는 동시에 소규모의 자유면을 생성한다. 그 후, 2차적으로 완화된 암반 자유면을 활용하여 제 1심발영역(제1주 심발경사공열 + 수평중심공열)의 동시발파로 목적하는 굴진장을 확보하고, 3차적으로 제 2심발영역(제2주 심발경사공열+수평확대공열)을 동시 발파하여 자유면을 확대한 후, 최종적으로 균열권을 고려한 추가 수평 확대공열을 발파하여 육각면상의 완벽한 심발부 체적형상을 수립한다. 여기서, 효율적인 암 버력의 반출을 위해 버력의 이동속도(Moving velocity)를 고려한 초시단차를 고려하여야 한다. 특히, 장공천공일수록 적정 암 파쇄 버력의 이동속도를 고려하지 않고 초시단차를 너무 짧게 배분할 경우 굴진효율을 저하시키는 원인으로 작용할 수 있다.

일반적으로 경암이상의 암반조건에서 m당 10ms의 버력반출시간이 요구되므로 천공장 4.0m일 경우 이웃하는 장약공열과의 초시단차는 20ms ∼40ms이상이 필요하며, 천공장 5.0m에서는 25ms ∼ 75ms의 지연시차가 요구된다. 초시간격은 적용하는 기폭뇌관의 조건이 전기뇌관일때와 비 전기뇌관일때가 동일하지만, 비 전기뇌관의 경우는 충격파를 전달하는 튜브(tube)의 점화시간과 외부 지연뇌관의 최종 지연초시를 고려하여 최초 기폭뇌관의 지연시차를 결정하여야만 컷-오프(Cut-off)에 의한 불발 잔류약의 생성 및 부분발파에 대한 위험성을 저감할 수 있다.

도10은 본 발명 심발패턴의 점화순서에 따른 심발부 파괴순서를 나타낸 그림 으로 상기 기술한 천공패턴과 기폭순서에 준하여 장공발파를 수행하였을 경우 우수한 굴진효율을 확보할 수 있음을 보여주고 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

도1은 본 발명에 의한 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법을 구현하기 위한 경사공열과 수평공열 조합방식의 장공 천공용 심발패턴도.

도2는 본 발명에 의한 심발패턴의 천공구성을 도식화한 도면.

도3은 동일 파괴 연장선상의 경사공열과 수평공열의 천공배치와 함께 경사공열과 수평공열의 제발효과를 설명하기 위한 도면.

도4는 균열권을 고려한 수평공열 상호간의 이론적 공간격을 나타낸 그래프 및 도표.

도5a 및 도5b는 천공장비의 굴진장별 장공심발패턴의 설계예시도.

도6은 공내폭발압력(Inner pressure)과 디카플링 계수(Decoupling index)와의 상관관계를 나타낸 그래프도.

도7은 동일 천공직경에서 폭약직경에 따른 장전밀도 변화와 발생 균열권 양상도.

도8은 공저부(Bottom)와 주상부(Column) 대표 장약패턴(천공장 4.4m 기준)도.

도9는 본 발명의 장공 심발패턴 형성방법에 의한 심발부 점화순서도.

도10은 본 발명의 점화순서에 의한 심발부 파괴 메카니즘(Mechanism)을 나타낸 도면.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

110: 보조심발공열 120: 제1 경사심발공열

121, 141, 151: 공저부 장전밀도 130: 수평중심공열

131: 수평공열 기저부 140: 제2 경사심발공열

150: 수평평행공열 160, 170: 추가 확대수평공열

112, 122, 132, 142, 152, 162, 172: 장약

Claims (13)

1. 터널 심발부의 중심선에 수평중심공열을 배치하고, 상기 수평중심공열을 기준으로 좌우 대칭으로 수평평행공열과 제1 및 제2 경사공열을 각각 간격을 두고 배치하는 제1 단계; 제1 경사공열의 내측으로 터널 중심축과 근접하여 보조 심발공열(baby hole)을 좌우 대칭으로 경사지게 배치하는 제2 단계 및 상기 수평중심공열, 제1 및 제2 경사공열 및 보조심발공열의 장약을 완료하는 제3 단계를 포함하되,

   상기 수평중심공열과 제1 경사공열 및 보조심발공열을 1개 세트로 하는 제1 심발영역과, 상기 수평중심공열의 양측에 좌우 대칭으로 배치된 수평확대공열과 제1 경사공열 바깥측에 배치된 제2 경사공열을 1개 세트로 하는 제2 심발영역 및 육각면상의 완벽한 심발부 체적형상을 갖추기 위해 상기 수평확대공열 바깥측으로 추가 배치된 추가확대공열을 제3 심발영역으로 분할하고, 발파공의 기폭순서를 제1 내지 제3 심발영역순으로 하는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 발파공의 기폭순서는 제1 심발영역의 보조심발공열 발파후 중앙 수평공열과 제1 경사공열을 동시 발파하고, 수평확대공열과 제2 경사공열을 동시 제발하고, 최종적으로 추가수평확대공열을 발파하는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 수평중심공열과 수평확대공열은 0.6∼0.8m 간격으로 집중배치하는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 심발영역은 수평중심공열의 기저부에 집중장약 형태로 장전되어져 있는 폭약의 폭발로 형성된 균열반경이내에 동시 기폭하는 경사공열을 배치하여 상기 수평중심공열과 그의 파괴선상 내측에 위치하는 경사공열의 동시 제발효과로 공정부 암 파쇄를 유도하는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1 단계는

   대구경 무장약공을 활용하지 않고 장약공과 동일한 직경의 비트(Bit)를 사용하여 경사공열과 평행공열을 배치하는 과정을 포함하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   작업의 효율성과 천공의 정밀도를 높이기 위해 3-붐(Boom)방식의 점보드릴(Jumbo drill)을 기준으로 중앙 붐(Boom)대는 심발부를 구성하는 평행공열을 천공하는 동시에 양 싸이드 붐(Side boom)은 최 외곽공을 우선적으로 천공하고 이어 바닥 수평공과 확대수평공의 천공이 완료된 후 최종적으로 심발부의 경사공열을 천공하는 순서로 작업을 진행하는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.
7. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1 단계는

   상기 경사공열의 파괴연장선상에 수평공열이 배치되며, 상기 수평공열과 경사공열의 천공간격 및 천공각도가 동일 파괴선상에 위치되는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.
8. 제 7 항에 있어서,

   경사공열과 동일한 파괴연장선상에 배치된 수평공열은 경사공열보다 굴진장의 10 ∼ 20% 증가시켜 배치하는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.
9. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제2 단계에서의 보조 심발공열은 굴진장의 50%이내 범위에 배치되는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.
10. 제 1 항 내지 제 4 항중 어느 한 항에 있어서,

    상기 제2 단계에서의 보조심발공열은 막장면에 대하여 55∼60°각도로 배치되는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.
11. 제 4 항에 있어서,

    하기의 균열방경식에 의해 균열범위를 예측하고 장공천공에 따른 천공오차, 정전밀도를 포함하는 시공변수를 고려하여 안전율이 반영된 경사공의 공저부 간격 및 천공각도를 산정하는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.

    

    여기서, φ_b:천공경(cm), P_s:천공내 작용압력(kgf/㎠), σ_t:인장강도(kgf/㎠)
12. 제 2 항에 있어서,

    상기 제1 심발영역에서의 제1 경사공열은 심발중심축을 기준으로 굴진방향에 대하여 막장면과 63 ∼ 65°로 각도천공을 이루고 제1 경사공열의 공저부 간격이 0.3m 이내로 유지하는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.
13. 제 2 항에 있어서,

    효율적인 암버력의 반출을 위해 버력의 이동속도를 고려하여 천공장 4.0m일 경우 이웃하는 장약공열과의 초시단차를 20ms ∼ 40ms으로 하고, 천공장 5.0m일 경우 이웃하는 장약공열과의 초시단차를 25ms ∼ 75ms으로 하는 것을 특징으로 하는 경사공과 평행공의 제발효과를 이용한 장공 심발패턴 형성방법.

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