KR101815926B1

KR101815926B1 - 선대구경 수평 보링 공법에서의 장약 방법

Info

Publication number: KR101815926B1
Application number: KR1020170029110A
Authority: KR
Inventors: 백종현
Original assignee: 백종현
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2017-03-07
Publication date: 2018-01-08

Abstract

뇌관의 기폭오차, 2,3 자유면 만들기 및 효과, 준 디커플링 장약, 중앙의 바닥공 1~2공을 심발공 다음으로 연결하는 것으로 4가지 공학적 원리를 이용하여 터널 발파 시 비교적 많은 공수를 뇌관의 제조 초시 흩어짐과 자유면의 활용, 뇌관의 배열 방법 등으로 최소의 폭약으로 최상의 발파 효과를 만들어 진동을 최소화하는 장약 방법이 제공된다. 상기 선대구경 수평 보링 공법에서의 장약 방법은 500 ms 간격을 가진 전기 및 비전기 뇌관을 선택한 후, 연결 뇌관의 지연 초시를 터널 막장면에 분할된 다수의 발파 구역간 기폭 지연 초시를 42 ms 내지 109 ms으로 설정하는 단계; 최초로 발파가 이루어지는 심발공의 발파 후, 뇌관의 고유번호가 배열되어 있는 상기 각 발파 구역의 지연 기폭 순서가 심발공 상단 구역, 하단 좌우 측부, 상단 좌우 측부, 및 중단 좌우 측부의 순서로 연속 발파가 이루어지도록 설정하는 단계; 및 선대구경 수평보링공으로 터널 막장면의 중앙에 형성될 심발공 구역에 Φ17mm 또는 Φ25mm 폭약으로 장약하는 단계를 포함한다.

Description

선대구경 수평 보링 공법에서의 장약 방법{CHARGING METHOD IN PHLBM}

본 발명은 선대구경 수평 보링 공법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선대구경 수평 보링 공법에서 진동을 최소화하는 뇌관류 선택 및 배열을 포함하는 장약 방법에 관한 것이다.

터널 발파란 터널을 굴착하기 위해 실시하는 발파를 말하며, 산악 지대 또는 도심지 지하에 존재하는 터널 시공 현장의 막장면에 천공 장비를 이용하여 보통 Φ45 mm 전후로 천공하고, 그 구멍에 폭약을 삽입하여 발파를 실시하여 버럭 처리, 숏크리트 타설, 지보 설치 ~ 라이닝 등의 마무리 공사를 완료하면 일정 구간의 터널이 형성된다. 이러한 터널 발파를 위한 설계 및 시공은 일반적으로 다음과 같은 일련의 과정을 거쳐 수행된다.

먼저 터널 막장면에 점보 드릴이라는 장비로 암반면에 구멍을 뚫는다(천공). 천공수는 터널의 규모 및 암반 상태에 따라 달라지나 2차선 도로 및 복선 전철에서 상부 반단면인 경우 보통 120공 내지 150공 정도가 일반적이며, 진동 제어 구간에는 140 내지 220공 정도이다(도 1). 도 1은 터널 발파를 위한 일반적인 전단면 천공 패턴으로 반단면인 경우 대구경공 위치가 보통 1.5~1.8m 이상 올라간다. 천공 구멍(발파공)은 그 위치에 따라 명칭과 발파시 역할이 달라진다(도 2). 이때 천공의 깊이는 암반 상태에 따라 달라지나 보통 0.8m에서 4m 까지 변할 수 있다. 도 2는 터널 발파시 발파공의 위치에 따른 명칭을 나타낸 도면이다.

폭약을 기폭하기 위한 뇌관이 폭약 속에 삽입하여 폭약과 뇌관이 일체화되어 천공된 발파공 내부에 삽입(장약)된다. 폭약의 종류는 터널 현장에 따라 달라질 수 있으나, 일반적으로는 최외곽공에는 기저 장약인 기폭용(소량)은 Φ32 mm이며, 주상 장약은 직경 Φ17 mm 정밀 폭약 혹은 Φ25 mm 폭약, 그 외의 발파공에는 직경 Φ32 mm 에멀젼 폭약 등이 사용된다. 뇌관은 크게 전기 뇌관(전류를 통전 시 기폭)과 비 전기 뇌관(얇은 튜브 내에 가스의 전달에 의해 기폭), 전자 뇌관(전자 신호에 의해 기폭) 3 종류가 있다(공업 뇌관은 사용치 않음으로 별도). 전기 뇌관 및 비 전기 뇌관은 그 내부에 도 3에 도시된 바와 같이 지연 요소라는 것이 연결되어 있어 전류가 흐른 후(전기 뇌관) 또는 미소한 연시 폭약의 폭발력이 전달된 후(비 전기 뇌관) 일정한 시간이 지난 후(0~6000ms~8000ms)에야 비로소 폭발을 일으킨다. 이때 지연되는 시간에 따라 다시 MS(Milli-second) 뇌관 및 LP(Long period) 뇌관

2가지로 구분할 수 있으며, MS 뇌관은 일반적으로 20 내지 25ms (20~25/1000= 0.02~0.025초)의 배수로 지연 시간(=지연초시)이 설정되며, LP 뇌관은 100ms(0.1초) 내지 200ms 또는 500ms(0.5초)의 배수로 지연 시간(지연 초시)이 설정되며 구체적인 지연 초시 및 명목 상의 번호(단수 번호)는 표 1 및 표 2와 같다.

단수번호	0	1	2	3	4	5	6	7	8	9
지연초시 (ms)	0	20	40	60	80	100	120	140	160	180
단수 번호	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19
지연초시 (ms)	200	220	240	260	280	300	320	340	360	380

단수번호	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
초시 (ms)	400	500	600	700	800	900	1000	1200	1400	1600	1800
단수 번호	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24
초시 (ms)	1800	2000	2500	3000	3500	400	4500	5000	5500	6000	6500

예를 들어, 단수 번호가 10번인 전기 뇌관의 경우, 뇌관에 전류가 흐른 후 200ms(200/1000 초 = 0.2초) 후에 뇌관이 폭발을 일으키도록 공장에서 설계가 되어 생산이 된다. 그러나 이것은 설계상의 기폭 지연 시간일 뿐이며 실제로는 일정한 오차를 가질 수밖에 없다. 도 4에서 나타난 것처럼 제조사인 ㈜ 한화의 자료에 의하면 뇌관의 실제 기폭 초시는 설계된 기폭 초시에 비해 평균 4.64%의 오차를 나타내고 있다. 즉 10번 뇌관인 경우 실제 기폭 초시는 설계 기폭 시간인 200ms의 %대인 192ms 내지 208ms 사이에서 기폭이 되는 것이다. 같은 방법으로 LP 15번인 경우 설계 지연 초시는 2000 ms이지만 실제 기폭 초시는 1920ms 내지 2080ms로서 기폭 가능 초시의 범위는 160 ms가 된다. 도 4는 뇌관의 기폭 초기 표준 편차(오차) 현황 을 나타낸 그래프이다.

(3) 터널 발파는 상기에서 서술한 바와 같은 터널 막장면을 몇 개의 구역으로 분할한 후, MS 뇌관 및 LP 뇌관을 이용하여 터널의 중심부에서 외곽방향으로 가면서 순차적으로 발파가 이루어진다. 도 5는 비전기 뇌관을 사용시 공수가 비교적 많은 일반적인 터널 발파 기폭 순서를 나타내는 하나의 사례이다. 도 5의 범례에 표시된 ①~⑨는 동일한 발파 구역(회로)을 구분하고 있고, 사각형 내의 0~85ms는 해당 발파 구역(회로)의 지연되는 초시를 나타낸다. 또한 일반 숫자는 각 발파공에 장약된 뇌관의 단수 번호를 표시하고 있다. 최초 Starter(전기식의 다단발파기 sw)에 의해 발생된 가스는 비 전기 튜브(전기식에서는 전류)를 타고 막장면에 도달해서 연결 뇌관에 의해 각 구역(회로) 별로 분기(다단발파 에서는 sw에서 분기)가 된다. 이때 폭발 신호를 전달받은 후 각 구역 별로 뇌관까지 지연되는 시간은 연결뇌관의 지연 초시(전기식에서는 임의 초시)에 따라 다르게 된다. 예를 들면, 도 4의 하단 우측부는 Stater로부터 폭발신호를 전달받고 17ms 후에 비로소 해당 구역(②번)으로 전파가 시작된다. 이렇게 전달된 폭발 신호는 해당 구역의 장약공 내에 있는 뇌관으로 전달이 되어 비로소 실제적인 뇌관의 기폭에 의한 폭발이 일어나게 된다. 결국 ②번 구역 내에 있는 5번 발파공의 경우, Starter 혹은 발파기 소프트웨어에 의해 시작한 이후 17ms+100ms(5번 LP 뇌관의 기폭 초시)=117ms 후(본 공법의 도 8에서는 17+500=517ms)에 뇌관류의 기폭(동시 폭발)이 발생하게 되는 것이다. 따라서 막장 전체적으로, 가장 빨리 기폭하는 구역은 장약공에 MS 뇌관이 사용된 가장 중앙에 있는 심발부(⑨번)가 되며, 심발부와 동일하게 85ms 연결 뇌관이 사용되었지만, 장약공에 LP 뇌관이 사용된 ⑨번 구역이 가장 끝에 폭발하게 된다. 이렇듯 터널의 중심부에 위치한 심발공에는 터널 발파공 중에서 항상 제일 먼저 기폭이 이루어지는데 발파 후에는 그 면적에 해당하는 만큼의 빈 공간이 형성되며 곧바로 ①번 구역에서 ⑨번 구역까지 심발공과 인접한 장약공부터 외곽방향으로 발파가 이루어져 심발공에 의해 형성된 빈 공간이 점차 확대된다. 결국 최외곽공 및 바닥공의 발파 후에는 천공 깊이까지 터널의 한 구간 굴착이 완료된다.

구 분	회로	1			2		3		4		5		6		7		8		9		사용
	뇌관	수량 Ms	E A	지연초시 0	E A	지연초시 17	E A	지연초시 34	EA	지연초시 42	EA	지연초시 51	EA	지연초시 59	E A	지연초시 68	E A	지연초시 76	E A	지연초시 85	뇌관
	번호	ms	E A	지연초시 0	E A	지연초시 17	E A	지연초시 34	EA	지연초시 42	EA	지연초시 51	EA	지연초시 59	E A	지연초시 68	E A	지연초시 76	E A	지연초시 85	소계
MS	0	0	MS 뇌관 0,2~19번(19개) 9 회로에 연결																19	0	19
	~	~	0MS, 20MS, ~ 380MS(한국화약 기준).																	~
	19	380	0MS, 25MS, ~ 475MS(고려화약 기준).																	475
LP	4	400																	1	585	1
	5	500	1	500	1	517	1	534	1	542	1	551	1	559	1	568	1	576			9
	6	600	1	600	1	617	1	634	1	642	1	651	1	659	1	668	1	676			9
	7	700	1	700	1	717	1	734	1	742	1	751	1	759	1	768	1	776	1	785	9
	8	800	1	800	1	817	1	834	1	842	1	851	1	859	1	868	1	876	1	885	9
	9	900	1	900	1	917	1	934	1	942	1	951	1	959	1	968	1	976	1	985	9
	10	1000	1	1000	1	1017	1	1034	1	1042	1	1051	1	1059	1	1068	1	1076	1	1085	9
	11	1200	1	1200	1	1217	1	1234	1	1242	1	1251	1	1259	1	1268	1	1276	1	1285	9
	12	1400	1	1400	1	1417	1	1434	1	1442	1	1451	1	1459	1	1468	1	1476	1	1485	9
	13	1600	1	1600	1	1617	1	1634	1	1642	1	1651	1	1659	1	1668	1	1676	1	1685	9
	14	1800	1	1800	1	1817	1	1834	1	1842	1	1851	1	1859	1	1868	1	1876	1	1885	9
	15	2000	1	2000	1	2017	1	2034	1	2042	1	2051	1	2059	1	2068	1	2076	1	2085	9
	16	2500	1	2500	1	2517	1	2534	1	2542	1	2551	1	2559	1	2568	1	2576	1	2585	9
	17	3000	1	3000	1	3017	1	3034	1	3042	1	3051	1	3059	1	3068	1	3076	3	3085	11
	18	3500	1	3500	1	3517	1	3534	1	3542	1	3551	1	3559	3	3568	3	3576			12
	19	4000	1	4000	1	4017	1	4034	1	4042	3	4051	3	4059	3	4068	3	4076			18
	20	4500	1	4500	1	4517	3	4534	3	4542	3	4551	3	4559							12
	21	5000	1	5000	1	5017	2	5034	2	5042											8
	22	5500	1	5500	1	5517	2	5534	2	5542											2
	23	6000																			0
계			18	공	18	공	22	공	22	공	20	공	20	공	19	공	19	공	33	공	장약공
계		191																			191

표 3은 도 17을 100ms를 9회로 회로별 평균 배분 시간 간격은 (100)=12ms로 전기식의 다단회로로 할 수 있고, 비전기의 TLD(SL) 사용시는 8~9~17~25MS로 고정된 지연 초시이므로 시간 간격이 작게(8ms) 및 크게(25ms) 나타내며, 기폭 초시의 제조 초시 흩어짐 때문에 비록 1 지발공을 선택해도 진동 상승 요인이 되고 있다.

(4) 한편 자유면이란 암석이 공기나 물 등으로 외계와 접하고 있는 곳을 말한다. 심발공은 암반이 터널 막장면 전방 한 방향으로만 자유면이 형성된 상태, 즉 1 자유면 상태에서 발파가 이루어진다. 도 6은 일반적인 발파에서 각 발파공이 발파 직전에 형성되어 있는 자유면 수에 따라 구분한 예를 든 모식도이며, 각 구역 내의 숫자는 기폭이 이루어지는 순서를 예시한 것이다. 도 6을 전제로 설명하면 발파 구역 1, 2, 5번은 터널 진행 반대 방향(막장 반대 방향) 뿐만 아니라, 심발공 발파 후에 이미 형성되어 있는 내측의 빈 공간에 의해 2개의 빈 공간이 형성되어 있는 2 자유면 상태가 된다. 또한 구역 3, 4번은 막장 반대 방향의 자유면, 심발공에 의한 자유면, 1번과 2번 구역 발파에 의해 형성된 자유면 등 총 3개의 자유면을 가지고 발파가 이루어지고, 발파구역 6, 7번은 막장 반대 방향과 심발공에 의한 안측의 빈 공간뿐 아니라, 1, 2, 5번 발파에 의해 형성된 양쪽 측면의 2개면에 의해 총 4개의 자유면이 형성된 상황에서 발파가 이루어진다. 여기서 중요한 것은 암반 발파하는데 있어 자유면 수를 증가시킬수록 장약량도 감소시킬 수 있고 결과적으로 발파 진동도 감소한다. 현재의 발파 패턴은 도 6에서 나타나듯이 1 자유면에서 4 자유면까지가 터널 단면 위치에 따라서 또는 배열의 혼선에 의한 실수로 대체로 불규칙하게 존재하는 경우가 많으며 2 자유면 발파 구역의 수가 적지 않다. 즉, 4 자유면의 수를 없애고 작업자의 혼선을 방지해야 하는 2 자유면 1 구역과 다른 구역은 3 자유면으로 구분하는 패턴이 필요하였다. 보통 발파진동 값은 제일 적은 4 자유면의 값이 아니고 큰 것을 기준하기 때문에 4 자유면 발생이 가능한 없게 하는 것이 필요하다.

(5) 터널 발파시 진동을 최소화하기 위해 적용되는 선대구경 수평보링공법(PLHBM)은 그림 7에서 나타난 바와 같이, 직경 Φ300mm 내지 Φ500mm 수평보링공을 약 50m 정도까지 굴진한 후, 그 주변 심발공에 발파공을 1회 발파당 보통 0.9m~5m 정도까지 천공을 한다. 천공된 장약공에는 일반적으로 심발공의 경우 직경 Φ32mm의 에멀젼 폭약 또는 다이너마이트를 일반 장약공보다 약 1.5~5배(kg/㎥) 더 많게 장약하고 나머지 공간을 전색한다. 이것은 심발공의 경우 일반적으로 가장 구속력이 큰 상태(즉 1 내지 1.5 자유면 전후)에서 발파가 이루어짐으로 기타공보다 상대적으로 많은 2~4배의 장약량이 필요하기 때문이며, 이 때문에 발생하는 진동도 기타공 보다는 심발공에서 증가 된다. 보통은 선대구경 심발공에서 장약을 주변공보다 1.2배 이상 많게 하더라도 저항선이 짧기 때문에 파괴는 충분하고 진동도 적지만, 장약장 부근만 파괴되기 때문에 다음 공들에서 진동이 크게 발생 된다. 즉, 도 7의 심발공 중에서도 #2 사각 구역도 #1 심발 구역에서 전색장을 짧게(30cm 전후) 했다면 진동의 발생이 적으나 #1 사각공의 상단가까이 파괴 못한다면 다음 #2 사각공에서 #1 사각공의 상단가까이 파괴 못한 부분의 짐까지 힘을 추가해야 함으로 당연히 진동이 크게 발생된다. 따라서 장약장을 길게 해야 하면서도 진동이 적게 발생되어야 하는 장약 방법의 개선이 필요하다. #2 사각공은 물론이지만 현장 조건별 혹은 진동 웨이브(파장, wave, 진폭) 확인에 따라서 다르지만, 장약장을 #3 심발공도 길게 해야 하는 경우도 있다. 즉, 심발 공에 약량으로 천공장의 70~80% 정도로 맞춘다면 지발당 약량이 너무 큼으로 인하여 지발당 약량을 감소시키는 목적도 있지만, 장약공의 하단 부분뿐 아니라 주상 부분(심발공 저항선이 짧기 때문에 장약공 상단부는 파괴가 되지 않음)까지 파괴할 필요가 있다. 즉, 다소 많은 약량이라도 준 디커플링 장약으로 장약공 공벽에 받는 응력(힘, 압력, stress)을 작게 하여 진동 저감이 필요한 것이다. 도 7은 기존의 선대구경 수평보링공법에서 심발 확대공의 발파 개념도로서, 굴진장이 짧은 제어 발파에서 더욱 유용하다. 터널 발파에서 가장 문제가 되는 것 중 하나는 발파 시 필연적으로 발생하는 발파 진동이다.

특허 등록 번호 제 10-1128046 호{등록일: 2012년 3월 12일}

본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로, 터널 발파 시 발생하는 발파 진동을 극소화하기 위해여, 뇌관의 기폭오차, 2,3 자유면 만들기 및 효과, 준 디커플링 장약, 중앙의 바닥공 1~2공을 심발공 다음으로 연결하는 것으로 4가지 공학적 원리를 이용하여 터널 발파 시 비교적 많은 공수를 뇌관의 제조 초시 흩어짐과 자유면의 활용, 뇌관의 배열 방법 등으로 최소의 폭약으로 최상의 발파 효과를 만들어 진동을 최소화하는 장약 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 선대구경 수평 보링 공법에서의 장약 방법은 (i) 500 ms 간격을 가진 전기 및 비전기 뇌관을 선택한 후, 연결 뇌관의 지연 초시를 터널 막장면에 분할된 다수의 발파 구역간 기폭 지연 초시를 42 ms 내지 109 ms으로 설정하는 단계; (ii) 최초로 발파가 이루어지는 심발공의 발파 후, 뇌관의 고유번호가 배열되어 있는 상기 각 발파 구역의 지연 기폭 순서가 심발공 상단 구역, 하단 좌우 측부, 상단 좌우 측부, 및 중단 좌우 측부의 순서로 연속 발파가 이루어지도록 설정하는 단계; 및 (iii) 선대구경 수평보링공으로 터널 막장면의 중앙에 형성될 심발공 구역에 Φ17mm 또는 Φ25mm 폭약으로 장약하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

선대구경 심발공 위치를 중앙 하단에서 위로 0.7~1.3m에 설정하여 심발 발파 시 바닥공 1~2공을 선 기폭 후 이웃 주변 구역 공으로 순차적 연결 한 후 주변 구역으로 순차적 배열할 수 있다. 단계 (i)은 상기 다수의 발파 구역간 기폭 지연 초시를 비전기식 발파에서는 42ms 이상으로 설정하고, 전기식 발파에서는 55 ms 이상으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다. 단계 (i)은 각 발파 구역 내 발파공에 장약되는 뇌관의 기폭 초시가 2000 ms 이상인 경우 제조 오차를 고려하여 2개 이상의 2000ms 내지7000ms 발파공을 하나의 단수(1 지발공) 번호로 묶어 폭약 장전 설계 및 시공하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에서는 터널 발파시 2, 3, 4 자유면 발파를 2 및 3 자유면으로 구분하는 발파로 진동을 최소화하기 위하여 터널 막장면에 분할된 다수의 발파 구역간 기폭 지연 초시를 비전기식 발파에서는 42ms 이상으로 설정하고, 전기식 발파에서는 55 ms 이상으로 설정한다. 각 발파 구역 내 발파공에 장약되는 뇌관의 기폭 초시가 2000 ms 이상인 경우 제조 오차를 고려하여 2개 이상의(2000ms~7000ms) 발파공을 하나의 단수(1 지발공) 번호로 묶어 설계 및 시공한다. 선대구경 심발공 위치를 중앙 하단에서 위로 0.7~1.3m에 설정하여 심발 발파 시 바닥공 1~2공을 선 기폭 후 이웃 주변 구역 공으로 순차적으로 연결한 후 주변 구역으로 순차적 배열한다. 최초로 발파가 이루어지는 심발공의 발파 후, 뇌관의 고유번호가 배열되어 있는 상기 각 발파 구역의 지연 기폭 순서가 심발공 상단 구역, 하단 좌우 측부, 상단 좌우 측부, 및 중단 좌우 측부의 순서로 연속 발파가 이루어지도록 설정한다. 선대구경 수평보링공으로 터널 막장면의 중앙에 형성될 심발공 구역에 장약장을 길게 하기 위하여 혹은 전색장을 300mm 전후로 Φ17mm 또는 Φ25mm 폭약으로 장약한다.

본 발명에 의한 선대구경 수평 보링 공법에서 진동 최소화용 장약 방법에서는, 현재 생산되는 전기 뇌관 및 비전기 뇌관이 가진 기폭 오차와, 터널 심발부 및 중앙부를 제외한 나머지 부위를 고르게 3 자유면 이상으로 만드는 발파패턴, 그리고 수평보링공 주변 심발공에 기저장약은 주변공 약량과 비슷하게하고 추가로 주상장약을 공경이 작은 폭약(Φ17~Φ25mm)이나 폭속이 약한 폭약을 사용해서 폭약량은 많아도 장약 공벽에 받는 응력(stres, 압력 등의 힘)은 떨어지면서도(진동 감소로 연결) 파괴가 무난히 이루어지는 준 디커플링 장약과, 선대구경 심발공 위치를 중앙 하단에서 위로 0.7~1.3m 설정하여 심발 발파 시 바닥공 1~2공을 선 기폭 후 이웃 주변 구역 공으로 순차적 연결하는 방법 등 4가지 공학적 원리를 이용하여 단순한 배열 법칙에 따라 터널 발파 시 조건에 따른 최적의 발파 효과와 더불어 진동을 최소화할 수 있다.

도 1은 터널 발파를 위한 일반적인 전단면 천공 패턴을 나타낸 도면이다.
도 2는 터널 발파시 발파공의 위치에 따른 명칭을 나타낸 도면이다.
도 3은 뇌관의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 뇌관의 기폭 초기 표준 편차(오차) 현황을 나타낸 그래프이다.
도 5는 비전기 뇌관을 사용시 공수가 비교적 많은 일반적인 터널 발파 기폭 순서를 나타내는 일예를 나타낸 도면이다.
도 6은 일반적인 발파에서 각 발파공이 발파 직전에 형성되어 있는 자유면 수에 따라 구분한 예를 나타낸 모식도이다.
도 7은 기존의 선대구경 수평 보링 공법에서 심발 확대공의 발파 개념도이다.
도 8은 진동의 웨이브가 일정하게 상하 운동을 나타낸 도면이다.
도 9는 진동 값의 증폭 및 감소를 나타낸 도면이다.
도 10은 이전 진동 공의 영향을 적게 받는 진동을 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 뇌관 초시 배열의 일예를 나타낸 도면이다.
도 12는 정육면체를 가상한 노천 또는 터널에서의 자유면의 방향 표시를 나타낸 도면이다.
도 13은 2~3~4 자유면에서의 굴착 단면 비교표를 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 발파 순서를 나타낸 도면이다.
도 15는 장약공 내벽 응력과 시간간의 관계를 나타낸 도면이다.
도 16은 일반 장약공에서의 소성 영역을 갖는 용융권, 파쇄권, 및 인장 파괴권을 갖는 모식도이다.
도 17은 프리 스프리팅 원리를 나타낸 모식도이다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 심발 확대공의 발파 개념도를 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 선대구경 수평 보링 공법에서의 장약 방법을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 터널 발파 진동을 최소화하기 위하여 다음과 같이 4가지 세부 기술로 구성된다.

진동이란 어떤 힘에 의해서 주로 상하 운동인 진동을 발생하는데 있어서 그 크기 정도를 나타내는 것이 진폭이며, 진폭은 진동의 정도를 나타내어 주는 하나의 지표이며, 파장은 진폭이 최고와 최저인 1 싸이클 간격인데 ms로 보통 표기되며, 도 8을 한결같은(계속) 정현 진동이며 진폭, 파장, 주파수를 이해하는데 활용된다. 주파수(Frequency)=파장 횟수/초(파장=1Hz=1cycle), 시간당 싸이클 수를 말하며 단위는 Hz로 표기된다. Hz/sec(초) 이지만, 주파수 단위는 Hz를 사용한다.

발파 진동은 정현파가 아니면서 짧은 시간에 감소되며, 그 시간은 ms(0.001초) 단위로 표기된다. 1회 공당 기폭폭약이 많을수록 진동이 크다는 것은 불변의 법칙이며, 얼마간의 시간 내로 다음 공이 기폭되면 전회의 진동으로 인하여 증감이 있고, 또 어느 정도의 시간 후에는 전회의 공과 미미한 영향을 받거나 받지 않는 간격으로 된다. 이를 설명하기 위하여, 도 9는 180Hz로 가정한 두 개의 공(1’공과 2’공)이 같은 크기의 진동 웨이브(wave)로 5.5ms와 10ms의 주파수 간격으로 발생한 진동(진폭)에서 2’공의 진동이 증폭(빗줄 친 부분/좌측)과 감소(빗줄친 부분/우측)를 이해하기 위한 도면이며, 도 10은 1’공의 영향을 미미하게 받는 진동의 증감이 없는 것을 고찰하면, 진동의 감소를 위해서 15ms 간격으로 설계 및 시공을 하면 좋겠지만, 암반 및 진원 거리 등 수많은 변수에 따라 주파수가 다름으로(파장 길이 시간/ms) 현실은 그러할(초시의 흩어짐 등) 수가 없다. 그래서 제조사에서도 20 내지 25ms 간격으로 Ms 뇌관이 제조되었을 수도 있다. 암반의 강도가 크고 진원경로의 암반이 신선한 암반일 경우의 주파수(100~200Hz) 웨이브에서 관찰하면, 지발공 설정에 미 광무국의 8ms 초시를 일부 인정할 수도 있지만, 적어도 17ms 이상이면 대부분의 현장에서 이전(도면 기준으로 한다면 1’공) 공의 영향을 적게 받을 것으로 사료된다. 그러면 뇌관을 15~17ms 간격으로 만들면 좋겠지만, 현장 및 암반성격에 따라 주파수도 다르고, 또한 4%(공인된)대의 흩어지는(편차) 제조 오차가 있음으로 그렇게 할 수가 없다. 상기한 바와 같이, 도 4는 한국 화약에서 구형 전기뇌관에서 새로운 하이데토 플러스 뇌관을 출시하면서 나온 실험 도표를 그린 것이며, 수치 기입은 그 그림에 의하여 근사 값을 입력 했다. 뒤편에 초시 오차에서 다시 검토하기로 하며, 개략적으로 개량된 뇌관을 살펴보아도 평균 4% 이상의 흩어지는 편차를 갖고 있음을 알 수가 있다. 각 MS 번호별 초시의 흩어짐은, 2번=8.75%, 3번=6.5%, 4번=4.875%, 5번=4.5%, 6번=3.667, 7번=3.7875%, 8번=3.25%, 9번=3.5%, 10번=2.9%. 평균은 4.64%이다.

지발당 약량은 두 개 이상의 장약공이 동시에 기폭 되는 약량이다. 즉, 도 9 및 도 10에서와 같이 어느 정도 편차를 감안 하더라도 10~15 ms 이내에 같이 기폭 되는 것을 말한다. 그러나 초시의 기폭 편차를 고려치 않고 같은 번호의 약량으로 설계 시에 적용하고 있다. 지연 초시가 비교적 큰 번호인 3000 ms 뇌관 2공을 동시 기폭 했을 때 과연 15 ms 이내로 두공이 동시 기폭될 재발 확률은 극히 적다는 것을 먼저 인지해야 한다. 화약 제조사에서도 그러한 대답을 들어왔고, 또 많은 발파인 들이 인정을 하고 있다. 쉽게 말해서 알고 있으면서도 그것을 활용치 못하고 있는 것이다.

(1) 뇌관의 기폭 오차를 활용한 비교적 많은 공수를 발파하는 것에 따른 진동 저감 진동 제어 구간에서는 1회 발파 공수가 150~180~230공 계속 증가됨으로 40단 정도의 뇌관으로 연결뇌관(비전기식) 혹은 다단회로(전기식)를 사용하더라도 1회 발파에 따른 문제점들이 노출되어 왔다. 발파를 하면 필연적으로 진동이 발생하게 되며, 진동의 크기는 8ms(미 광무국/현장조건별 다름)~17ms 이내(일반적으로)에 기폭 하는 폭약의 총량에 따라 증가하는 것이 일반적이다. 즉 2개 이상의 발파공이 현장조건에 따라 8ms 내지 17ms 이하의 시차를 두고 기폭(폭발) 된다면 진동은 중첩이 되어 한 공을 발파할 때보다 진동이 증가하지만, 발파공이 각각 17ms 이상의 시차를 두고 기폭하면 보통 현장에서는 진동은 중첩되는 부분이 미약함으로 별개의 진동 값으로 나타나게 된다. 또한 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 전기 뇌관 및 비전기 뇌관은 명목상의 지연 초시대로 기폭하는 것이 아닌 일정한 오차한계 내 임의 시간에 기폭하게 된다. 그 오차는 도 3에서 표시한대로 MS 뇌관보다는 LP 뇌관이, 또 단수 번호가 증가할수록 오차도 증가하게 된다. 표 4는 LP 뇌관의 초시 오차 분포(오차율 4%로 가정)를 나타낸다.

단수 번호	5	7	9	12	15	16	17
명목초시 (ms)	500	700	900	1400	2000	2500	3000
오차(ms)	20 ms	28 ms	36 ms	56 ms	80 ms	100 ms	120 ms
단수번호	18	19	20	21	22	23	24
명목 초시 (ms)	3500	4000	4500	5000	5500	6000	6500
오차(ms)	140 ms	160 ms	180 ms	200 ms	220 ms	240 ms	260 ms

도 5의 기존 발파에서는 나타난 바와 같이, 진동의 중첩을 방지하기 위하여 발파 구역간 지연 초시를 9ms, 17ms, 25ms 차이로 배치하고 있다. 그러나 이 경우 뇌관의 기폭 오차를 고려한다면 실제적으로 임의의 두 발파 구역간 시차가 9ms 내지 17ms 이내로도 나타날 수 있어 진동 값이 증가하는 원인이 될 수 있다.

따라서 이러한 문제점을 어느 정도 보완하기 위하여 본 발명에서는 각 발파 구역간 지연 초시를 연결 뇌관을 이용한 비전기식 발파에서 42ms 이상으로 설정하고, 전기식 발파에서 55 ms 이상으로 설정한다. 이렇게 하면 뇌관 지연 초시의 평균적인 오차율인 4%를 고려하더라도 발파 구역간 진동 중첩이 기존보다는 2000ms 이후부터 비록 2공을 사용해도 확률론적으로 2배 이상 줄어들며 1회 발파 공수도 늘어나는 설계도 가능하고, 소기의 만족한 발파가 이루어질 수 있다. 또한 기존 발파에서는 발파 공간의 지연 시간 차이를 9 내지 17ms(9 회로에서)로 유지하여 진동을 줄이기 위하여, 가능하면 지발당(동일한 단수 번호) 1 공씩만 배치를 하였다. 그러나 이런 경우 발파공이 많은 경우 사용 가능한 뇌관 단수가 부족한 경우가 많아서 분할 및 기계 굴착 등으로 설계가 되는 현장도 발생하고 있다.

본 발명에서는 앞에서 언급한 뇌관 고유의 기폭 오차의 흩어짐을 적극 활용하여, 가능한 2000ms 이상(LP 뇌관 15번 이상)의 뇌관을 사용하는 경우는 두 개의 발파공을 한 개의 단수 번호로 하여(지발당 2공) 발파를 한다. 이렇게 하더라도 2000ms 뇌관의 일반적인 기폭 오차 4% 이상을 고려한다면 상기 뇌관은 1960ms 내지 2040ms 사이의 80ms 정도의 임의 시간에 기폭되므로, 두 개의 발파공이 9ms, 17ms 이내로 기폭 확률은 11 내지 21% (= 9~17/80) 정도밖엔 되지 않는다. 이것도 100% 진동의 증가(10 내지 100%)에 관계되는 것이 아니고, 부분적이다. 결국 이러한 뇌관의 제조 오차를 활용한다면 전체 발파공 모두가 기존 방법보다는 17ms 이상의 시간차를 갖는 확률이 크므로, 현재 생산되는 뇌관 단수만으로도 본 공법을 기술적으로 더 응용한다면 더 많은 공(보통 130~220공~250공)을 1회에 발파하여도 진동의 중첩됨이 현저히 줄어들며, 발파의 효과도 기존보다는 양호할 것이다. 또한 부가적으로 100ms가 아닌 500ms로 분할함으로 인하여 400ms의 쉬었다가는 불쾌한 소리보다는 비교적 일정한 고른 소음이 발생됨으로 동물이나 인체에 미치는 불쾌감을 기존보다는 상대적으로 낮출 수도 있다. 소음의 지발당 약량 개념은 진동보다는 상대적으로 많은 초시가 필요함으로 소리 또한 상대적으로 적게 발생 된다. 아래 표 5는 500 ms를 9회로로 분배한 191 공(이웃 회로 간격: 42~67~109ms/평균 62.5 ms)을 나타낸다.

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(2) 자유면 효과를 극대화한 발파 패턴 설계

자유면은 암석이 공기나 물 등인 외계와 접하고 있는 곳으로 통상적으로 1~6개의 자유면으로 구분하고, 자유면의 수가 많을수록 상대적인 체적당 공당 약량은 감소되며, 6 자유면의 경우 1 자유면의 1/4 이하 폭약으로도 동일 발파 효과를 얻을 수 있다.(광물 자원)

Daw씨의 자유면에 따른 이론과 2,3,4자유면의 고찰

- Daw씨의 자유면에 따른 실험에 의하면, (V는 체적량, W는 최소 저항선)

1 자유면 체적량

, 2 자유면 체적량

, 3 자유면 체적량

, 4 자유면 체적량 V=3W³, 5 자유면 체적량 V=4W³, 및 6 자유면 체적량 V=8W³이다.

W=1m, S=1.2m, H=1M의 일반적용
Daw씨의 이론에 따른 2자유면을 기준으로 한 파괴 량에 따른 상대적 비교
Daw씨의 파괴량 백분율(%)		체적 증가율, 약량		비 고
2 자유면	1.67㎥(100%기준V=5/3W³)	100%	2자유면(100%) 보다는 3,4자유면에서 적은 약량으로 2자유면의 발파 물량을 획득 할 수 있다. 자유면수가 많으면 동조건의 약량으로 많은 암석 굴착(진동 감소 유용)
3 〃	2.33㎥(150%, V=7/3W³)	140%
4 〃	3.0㎥(200%, V=3W³)	180%
일반적인 2자유면을 기준으로 한 파괴단면적에 따른 상대적 비교
파괴절단면 백분율(%)		진동 에너지(가상), 약량		비 고
2 자유면	3.124㎡(100%기준)	2자유면을 100% 기준		자유면이 많을수록 파괴면적이 줄어듦은 에너지를 적게 해도(약량감소) 된다는 것을 의미함.
3 〃	2.762㎡(88%)	88%(12%감소)
4 〃	2.4㎡(76.4%)	76.8%(23.2%감소)

터널에서 심발공을 제외하면 모두가 2~4 자유면 비슷한 파괴 양상임으로 그것에 대하여 표 5의 2, 3, 및 4 자유면 수에 따른 체적량은 4 자유면으로 갈수록 증가하는데 저항선이 1m라고 가정할 경우 1 자유면과 6 자유면의 체적 차이는 Daw씨 이론에 따르면 1,33㎥와 8㎥로서 6배의 차이이다. 앞에 기술한 광물 자원 자료에서 4배와도 차이가 50% 있으며, Daw씨 실험에 의하면 2 자유면과 3 자유면의 차이도 1.4배이며, 폭약량을 40% 줄여도 3 자유면에서 2 자유면과 같은 체적량을 채취 할 수 있다는 것이다. 터널에서 심발공을 제외한 발파공들은 도면 8에서처럼 대부분 2~4자유면에 가까운 것으로 구분할 수도 있으며, 2 자유면 공에서는 W, S(저항선, 공 간격)을 좁히어 3 자유면의 약량으로 발파를 유도하고, 2 및 3 자유면 공이 일률적인 약량으로 해야만 공당 최소의 적합한 폭약에 의한 시공으로 보다 더 진동 감소를 할수 있는 효율적인 터널의 암반 굴착을 할 수 있을 것이다. 표 5는 DAW씨와 도면 7에 의한 가상한 2~3~4 자유면에 대한 일반적인(W=1, S=1.2, H=1M) 자유면에 따른 상대적 체적이나, 발파 절단면적에 따른 상대적 비교를 만든 것이다. 결국엔 터널작업에서 자유면 수가 2→3→4 자유면으로 증가할수록 동 조건의 물량을 얻기 위해서는 공당 약량이 상대적으로 적게 해도 파쇄가 된다는 것이다. 그것은 바로 진동 감소로 연결되는 데에 매우 유용하게 활용할 수 있을 것이다. (DAW씨와 실지 모양을 가상한 도 13의 굴착량의 차이가 있으나 동조건의 약량으로 자유면의 증가에 따라 체석량은 많아짐은 3 자유면에서 2 자유면보다는 적게 화약을 사용해도 된다는 것도 또한 불변의 법칙이다.)

터널에서의 2~3~4 자유면으로 기폭 되어가는 도면 모식도

도 6 및 도 14는 이치를 설명키 위한 기폭 순서번호 모식도인데, 도 6은 기존 도면으로써 심발 부근을 제외하면, 2, 3, 4 자유면이 산발적으로 분포하며, 도 14는 4 자유면을 배제하고 2, 3 자유면으로만 구분한 것이다. 2차선 및 복선 철도터널에서 기본 발파공수가 130 내지 140여 공에서 주변 환경조건에 따라서 20 내지50% 이상인 160~300공으로 증가함은 기존방법의 제한된 단수의 뇌관 배열로서는 1지발에 가까운 설계도 어려웠고, (보통 150공 이상) 시공 후의 진동 하향 등의 의미가 약하다. 그리고 보통 일반 발파의 확대공의 진동웨이브가 약량은 같이 사용되었지만 진폭(진동)이 큰 것은 크고, 작은 것은 아주 작은 것이나 중간의 진동들이 발생하는 것은 2, 3, 4 자유면식 발파 양상으로 됨을 부분적으로 증명하는 것이다.

기존 발파에서는 도 6에서 나타난 바와 같이, 자유면의 수가 막장의 위치에 따라 불규칙하게 존재(설계 및 시공의 오차)하고 있어 장약량이 합리적이지 못한다는 단점이 있다.

그러나 본 발명에서는 자유면 효과를 최대로 이용하여 장약량을 감소시킴으로써 진동을 감소시킬 수 있다. 그것은 2자유면과 3 자유면을 확실하게 구분하고, 2 자유면인 1 구역인 하향공은 저항선 혹은 공간 거리, 약량으로 조정하고, 3 자유면은 기존 발파공보다는(2 자유면 공) 적은 약량으로, 혹은 그만큼 저항선이나 공간거리를 널림으로써 최소 폭약량에 의한 최대의 파쇄 물량과 최소의 진동(주변 조건에 적합한)을 유발하는 발파 효과를 극대화로 가는 하나의 방법이다. 종래 기술에서 설명한대로, 자유면 수와 면적에 따라 장약량을 감소(혹은 저항선 늘림)시킬 수 있기 때문이다. 전체적인 발파 순서는 도 14(도 6도 비슷)의 모식도에서 보는 바와 같으며 다음과 같이 진행된다.

① 중앙의 심발부 발파 (1~1.5자유면/바닥공 1~2공 포함) ⇒

② 심발부 상단구역 1번(2 자유면) ⇒

③ 2,3번 심발부 지하 좌우구역 (3 자유면) ⇒

④ 4에서 좌우로~11번까지(3자유면) ⇒

⑤ 12번(2 자유면) ⇒

⑥ 13번에서 좌우하향으로 ~ 22번(3자유면) ⇒

⑦ 23번 (2 자유면) ⇒

⑧ 24에서 37번(3 자유면) ⇒

⑨ 단면이 크면 23번 위로도 계속 2 자유면이 있고, 다른 이웃 하향공들은 3 자유면으로 기폭이 됨으로 구석공은 저항선을 좁혀서 해결하고, 대부분 3 자유면 발파로 유도되어서 2 자유면 보다는 약량을 적게 할 수도, 혹은 그 대신에 약간의 저항선이나 공과 공 간격을 늘릴 수 있을 것이다. 도 9는 본 발명에서의 발파순서를 나타낸 도면이다.

(3) 심발공에 준 디커플링 장약을 적용한 진동 감소

디커플링(Di=D _I ; Decoupling Index) 장약공(최외곽, SB공)과 일반 확대공의 차이

Di(디커플링 계수)=천공경/공경으로 설명되며, 터널 발파공의 SB(최외곽공)에 사용되는 장약 지수(계수)이며, 굴착 벽면을 편편하게 함(원활함)으로 터널굴착 경계면의 안전성 증대에 사용된다. 일반적인 실지 작업에서 천공경은,약경(Finex-1) Φ17mm인 경우 Di=45/17=2.64이나 보통 2.5로 여기고 있다. 천공 비트 외경이 비트가 길수록 단계별(800, 1600, 2400, 3800~ )비트 외경이 1mm씩 좁아진다.(Φ45→Φ44→Φ43→Φ42 + 마모를 고려하면 Di=2.5는 적합). Di=2.5인 SB 공(Smooth Blasting Holes)에서 도 15는 ‘이또 사사(Ito Sasa)’등의 이론을 그래프로 만든 도면인데, 일반 장약공은 전색(화약을 공 내에 삽입 후 돌 부스러기 등으로 구멍에 공극이 적도록 작업하는)을 아무리 충실히 해도 일정한 공간이 있음으로 디커플링 지수를 1.1로 한 것이다.

도 15의 왼쪽은 일반 장약공에서 Di=1.1인인 경우로 순간적으로(5~8㎲) 4.5⁴(~7⁴(4.5만~7만)의 응력(gas, 폭굉, 압력, 힘)이 발생되며, Pre-spliting 원리(SB Line/최외곽공 적용) 이때에는 도 16에서와 같이 화약의 종류 등에 따라서 일정한 저항선을 갖는 소성 파괴가 된다. 그러나 도 15의 오른쪽의 디커플링 장약공에서 Di=2.5인 경우에는 3.8³~3.8³의 응력이 장약공 공벽에 가한다는 것인데, 이때 힘은 개략적으로 일반 장약공의 1/10 이하의 응력으로써 소성파괴는 극히 미약하고 다만 공과 공사이의 절단하는 인장 파괴에 응용 된다. 이는 같은 지발당 약량이라도 진동이 같이 나올 수 없으며, 보통 SB공의 3공과 확대공 1공의 차이는 될 것임으로 설계 시 고려되어야 하는 것이다. 본 선대구경공을 이용한 공법에서도 심발공의 1’square 공이나 경우에 따라서 2‘square 공에서도 준 체적 디커플링 장약을 일부 하는데 이때에는 10,000~30,000 kg/㎠의 힘으로 적당한 소성 파괴도 이루어진다. 또한 준 디카프링 장약시 전색장이 300mm 전후가 되어야 한다는 것인데, 그것은 전회 발파 한 후 버럭 치우고 다음 작업 천공을 위한 포크렌 등으로 막장면을 긁어내어(scrapes off, refine)도 눈에 보이지 않는 미세한 균열이 이미 발생 된(화약 냄새를 맡은) 굴착막장 면 깊이가 상존하기 때문이며, 또한 장약공 상부 쪽으로도 장약한 폭약의 작은 저항선이 있기 때문에 조금 더 전색장을 주어도 파괴는 이루어진다.

천공 직경보다 폭약의 직경이 작은 폭약을 사용하여 폭약의 힘을 조절하는 장약을 디커플링 장약이라고 한다. 일반적인 터널 발파에서는 천공경이 Φ45mm이며 최외곽공의 경우 조절 발파용 정밀 폭약(Φ17mm)을 사용하므로 주변 암반의 손상을 최소화할 수 있다. 이때의 디커플링 계수(D_I=천공경/장약경)=2.5일 때 “이또 사사(Ito Sasa)”의 기초 이론으로는 장약 공벽에 받는 응력은 4,000 kgf/㎠ 전후임으로 암반을 파괴하지는 못하고 상호 간섭에 의한 인장 파괴로 공사이의 절단(균열)만 주로 하기때문이다. 물론 일반 심발 주변 확대 공에서는 장약공 공벽에 받는 힘(응력, stress)은 폭약의 종류, 전색에 따라 다르지만 일반적으로 40,000 kgf/㎠ 정도로 일반 암반을 파괴시킨다. 그러나 선대구경 심발공 주변에서도 천공장의 상단부의 파괴가 필요함에 따른 약량과 장약장의 조화가 적당히 이루어지는 준 디커플링 장약이 필요하다. 폭약과 공기 경계면의 최고 압력(Pα)이 1/1,100로 떨어진다는 것을 이론적으로 고찰한 것과 ‘이또 사사(Ito Sasa)’등의 이론과 복합적으로 고려해서 우리가 많이 사용하는 SB공, 대구경 주변공, 최외곽 전열공(본래는 인 finex-2를 사용하면 좋지만 공사비 등으로 일부 많은 현장에서 공당약량을 적게하는 체적 D_V시공되고 있다.) 진동 민감한 지역에서 디커플링 및 준 디커플링 장약의 응용에 보탬이 되고자 기술 문헌을 통하여 ‘Novel’의 상태 방정식에서 장약 공벽에 발생하는 폭발 가스 압력(P_S/파괴에 85% 정도)과 Jones, Hine에 의한 장약 공벽에 발생하는 폭굉 압력(P_D/파괴에 15% 정도)을 다음과 같이 옮겨서 디커플링 계수에 따른 장약공 공벽에 받는 응력의 변화를 이해하는 이론의 일부이다.

- 장약 공벽에 발생하는 폭발 가스 압력(Ps) = ‘Novel’의 상태 방정식에 의하면, 다음 수학식 1로 표현된다.

수학식 1에서, P_D는 폭굉 압력(kg/cm²)이고 일반적으로 파괴에 대한 기여율은 15%이고, P_S는 장약공 공벽에 작용하는 가스 압력(kg/cm²)이고, 파괴에 대한 기여율은 85%이고 P_α는 폭약과 공기 경계면의 최고 압력(kg/cm²)이고 P는 충격파이고, C_α는전파 속도이고, ρe는 폭약 밀도(g/cm²)로서 보통 1.3~1.4이고,

화약 ; 다이나마이트 등 ; 6500~5000m/sec(종류에 따라)이고, ρa는 공기 밀도(0.0012g/cm²)이고, Ca는 전파 속도(m/s)이고 공기 중에서 340m/s(보통 기압)이고, f는 화학력(ℓㆍkgf/cm²/kg), L은 폭약 중량(kg)이고, V는 장약실 체적(ℓ)이고,

(디커플링 계수), 천공경/약경(밀장약; 1.1간주, SB공;1.5~2.7)

(코볼륨 계수)

- 장약 공벽에 발생하는 폭굉 압력(P _D ) = ‘Hine’에 의하면,

P_D=0.000424υe²ρe(1-0.543+0.193υe²)이고,근사식으로는

, 여기서 υe는 풍속(cm/s)

155,000kgf/cm²(조건: = ρe=1.40g/cm², υe=6,500m/s)(1)

Pα는 폭약과 공기 경계면의 최고 압력이고,

Pα = 13.9 kgf/cm²(조건:ρa=0.0012g/cm², Ca=340m/s, υe=6,500m/s)(2)

Novel’의 상태 방정식에서 장약 공벽에 발생하는 폭발 가스 압력(P_DS)과 ‘Hine

’에 의한 장약 공벽에 발생하는 폭굉 압력(P_D)을 상기 (1)~(2)항에서 보는 것처럼 Pα는 약1/1,100로 대폭 압력 감소를 나타내는 것은 공기층의 디커플링(D_I) 계수가 완충재로서 벽면 보호나(SB 공) 제어 발파 등에 유용 할 수 있고, 이론적으로도 발파에 영향을 줄 수 있는 P_D(폭굉 압력 15%) 및 Ps(가스 압력 85%)를 계산하면, 암반의 물성에 따라 SB공 등의 제어 발파공에서의 압력(힘, 응력)은 일반 장약공 보다는 많이 감소하게 됨을 알 수 있다.

도 7에 나타난 바와 같이, 선대구경 수평보링 공법을 이용한 기존의 발파방법에서는 심발공에 Φ32mm의 에멀젼 폭약 또는 다이너마이트 1종류로 현장의 조건(제어 발파~일반 발파 등)에 따라서 보통 천공장의 약 30~80%를 장약하고 있다. 본 발명에서는 심발공에 장약되는 폭약을 최적화하여 심발공에서 발생하는 진동을 최소화하기 위하여, 암종에 따라 Φ 17mm 내지 Φ 25mm 폭약을 주상 장약으로 사용한다. 물론 기저 장약은 그대로 주변 확대공의 Φ 32mm를 사용하고 추가로 도 10에 나타난 바와 같이 Φ17mm +Φ32mm 또는 Φ25mm +Φ32mm 폭약으로 혼합 장약하여서 기저 및 주상 장약길이 합이 전체 천공장의 80% 정도로 나머지는 기존 방법과 동일하게 전색(혼합 파쇄석이나 모래를 비닐주머니에 넣은 것으로 다짐)을 실시한다. 이렇게 하면 Φ17mm 또는 Φ25mm +Φ32mm로 대체된 부분에 대해서 기존의 Φ32mm 폭약을 사용할 때에 비해 장약량은 조금 많을 수도 있으나, 진동은 감소시킬 수 있게 되는 원리인데, 이것을 준 디커플링 장약이라 칭한다. 즉, 이것은 “이또 사사(Ito Sasa)”의 기초이론에 의한다면, 일반 장약공이 공벽에 받는 응(압)력이 보통 40,000 kgf/㎠인데, 10,000 내지 30,000 kgf/㎠으로 한다는 것이다. 일반적인 디커플링 (터널 최외곽) 장약공의 응력(압력, stress)인 3,500~4,000kgf/㎠보다는 큰 값으로 해야만 파괴가 된다는 것이다. 한편 발파 효과 측면에서는 기존의 咀보다 폭발력은 감소(응력이 감소)하지만, 선대구경 수평보링공의 준 자유면 효과와 일반 장약공보다는 저항선이 작기 때문에 심발공과 선대구경 수평보링공 사이에 있는 암반의 심한균열 내지 파쇄도 충분히 이루어질 수 있다. 이때 필요에 따라 2종류 장약이 아닌 폭약 한 종류로도 암종에 따라 대체하여 사용할 수도 있다. 도 15은 기존의 도 7을 개선한 본 발명에 따른 심발 확대공의 발파 개념도를 나타낸다.

(4) 심발공 발파시 1~2공을 저항선을 줄이어 바닥공을 기폭한 후 다른 주변공 연결

기존의 방법은 도 6에서와 같으며, 또한 보통 1.5m 내지 1.8m의 위치에 심발공의 위치가 있음으로 심발공 발파시 우선적으로 1~2공을 기폭하지 않고 있다. 또한 대구경공의 위치가 50m 보링시의 30cm 이상의 오차를 갖고 있는 장비는 그러 할 수가 없다. 본 공법에서는 도 8 및 도 9에서와 같이 심발공 발파시 바닥공을 1~2공을 기폭 후 다른 이웃 주변공으로 순차적으로 연결 되어야만 도 7에서처럼 심발공 상단 ① 구역을 제외한 나머지 회로구역(②~⑦~⑨구역)은 3 자유면이므로 그에 따른 조처(2, 3 자유면의 약량이나 저항선 및 공간 거리)를 단순하면서도 쉽게 할 수 있기 때문이다. 그림 8의 바닥공의 경우 바닥공 Lp 4,M18의 저항선은 m9번까지이므로 이웃(다른 바닥공)의 저항선보다는 70% 전후 적은 저항선이다. 이는 2 자유면임을 고려하여서 이미 심발공 발파 시 1~2공(m18,L4) 발파로 형성되었음으로 다른 바닥 공들은 순차적으로 3 자유면 역할을 하게 된다. 같은 약량이라도 저항선을 줄이면 진동은 감소하는 기초 원리를 적용해서 2 자유면인 바닥공 Lp4,M18은 이웃의 3 자유면 바닥공보다 저항선을 줄여서 심발공 발파 시 연속함으로 인하여 심발공 상부의 1구역을 제외한 모든 구역은 3 자유면이라는 단순한 개념으로 혼선을 없애는 것이다. 그러나 하향공과 수평공, 상향공의 약량은 다른 것은 기존 방법대로 저항선 혹은 공간 거리로 하면 될 것이다.

한편, 본 발명의 상세한 설명 및 첨부도면에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명은 개시된 실시예에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다. 따라서, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들을 포함하는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

(i) 500 ms 간격을 가진 전기 및 비전기 뇌관을 선택한 후, 연결 뇌관의 지연 초시를 터널 막장면에 분할된 다수의 발파 구역간 기폭 지연 초시를 42 ms 내지 109 ms으로 설정하는 단계;
(ii) 최초로 발파가 이루어지는 심발공의 발파 후, 뇌관의 고유번호가 배열되어 있는 상기 각 발파 구역의 지연 기폭 순서가 심발공 상단 구역, 하단 좌우 측부, 상단 좌우 측부, 및 중단 좌우 측부의 순서로 연속 발파가 이루어지도록 설정하는 단계; 및
(iii) 선대구경 수평보링공으로 터널 막장면의 중앙에 형성될 심발공 구역에 Φ17mm 또는 Φ25mm 폭약으로 장약하는 단계를 포함하며,
선대구경 심발공 위치를 중앙 하단에서 위로 0.7~1.3m에 설정하여 심발 발파 시 바닥공 1~2공을 선 기폭 후 이웃 주변 구역 공으로 순차적 연결 한 후 주변 구역으로 순차적 배열하는 선대구경 수평 보링 공법에서의 장약 방법.
삭제
제1 항에 있어서, 단계 (i)은 상기 다수의 발파 구역간 기폭 지연 초시를 비전기식 발파에서는 42ms 이상으로 설정하고, 전기식 발파에서는 55 ms 이상으로 설정하는 단계를 포함하는 선대구경 수평 보링 공법에서의 장약 방법.
제1 항에 있어서, 단계 (i)은 각 발파 구역 내 발파공에 장약되는 뇌관의 기폭 초시가 2000 ms 이상인 경우 제조 오차를 고려하여 2개 이상의 2000ms 내지7000ms 발파공을 하나의 단수(1 지발공) 번호로 묶어 폭약 장전 설계 및 시공하는 단계를 포함하는 선대구경 수평 보링 공법에서의 장약 방법.
(a) 500 ms 간격을 가진 전기 및 비전기 뇌관을 선택한 후, 연결 뇌관의 지연 초시를 터널 막장면에 분할된 다수의 발파 구역간 기폭 지연 초시를 42 ms 내지 109 ms으로 설정하는 단계;
(b) 최초로 발파가 이루어지는 심발공의 발파 후, 뇌관의 고유번호가 배열되어 있는 상기 각 발파 구역의 지연 기폭 순서가 심발공 상단 구역, 하단 좌우 측부, 상단 좌우 측부, 및 중단 좌우 측부의 순서로 연속 발파가 이루어지도록 설정하는 단계; 및
(c) 선대구경 수평보링공으로 터널 막장면의 중앙에 형성될 심발공 구역에 Φ17mm 또는 Φ25mm 폭약으로 장약하는 단계를 포함하며,
선대구경 심발공 위치를 중앙 하단에서 위로 0.7~1.3m에 설정하여 심발 발파 시 바닥공 1~2공을 선 기폭 후 이웃 주변 구역 공으로 순차적 연결 한 후 주변 구역으로 순차적 배열하고,
단계 (a)은 상기 다수의 발파 구역간 기폭 지연 초시를 비전기식 발파에서는 42ms 이상으로 설정하고, 전기식 발파에서는 55 ms 이상으로 설정하는 단계; 및
각 발파 구역 내 발파공에 장약되는 뇌관의 기폭 초시가 2000 ms 이상인 경우 제조 오차를 고려하여 2개 이상의 2000ms 내지7000ms 발파공을 하나의 단수 번호로 묶어 폭약 장전 설계 및 시공하는 단계를 포함하는 선대구경 수평 보링 공법에서의 장약 방법.