KR19980016610A

KR19980016610A - 암반의 불연속면을 고려한 발파암반 분류기술과 발파설계 및 터널발파방법

Info

Publication number: KR19980016610A
Application number: KR1019960036241A
Authority: KR
Inventors: 윤영재
Original assignee: 정순착; 선경건설주식회사
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1996-08-29
Publication date: 1998-06-05
Also published as: KR0185657B1

Abstract

본 발명은 암반의 불연속면을 고려한 발파암반 분류기술과 발파설계 및 터널발파방법에 관한 것이다.

발파에 의해 실시되는 터널 및 지하공간 굴착은 현장상황에 따라 수시로 변하는 많은 변수들을 암반공학적인 측면에서 수치적으로 정립하여 막장조건에 따라 이상적인 발파를 수행한다는 것은 매우 어려운 실정이다. 발파대상 암반이 갖는 물리적 성질과 지질구조는 암반자체가 고유적으로 보유하고 있기 때문에 인위적으로 변경할 수 없으므로 암반의 조건에 따라 가장 적합한 발파가 될 수 있도록 막장상태와 주변환경을 정확하게 판단하여 적절히 대처하여야 한다.

터널 발파는 굴착 암반의 물리적 성질과 지질구조를 암반공학적으로 분류하여 암반등급을 정하고 보강방법과 1발파당 굴진길이를 결정하게 된다. 정해진 굴진길이에 대해 성공적인 발파를 수행하기 위해서는 먼저 암반을 발파공학적으로 다시 분류하여 주변환경과 작업조건에 따라 수회의 시험발파를 실시한 후 가장 경제적인 발파가 될 수 있는 표준 발파패턴을 설계하여 시행하는 것이 원칙이다.

이에 따라 본 발명의 발파설계 및 터널발파 방법은 기존에 적용되어 오던 발파조건 외에 발파에 많은 영향을 미치는 불연속면의 종류와 방향성, 경사도, 간격, 간극, 출수상태 등의 6가지 요소를 발파공학적인 측면을 고려하여 각각 4가지 인자로 분류하여 암반의 특성에 의해 발파에 영향을 미치는 정도에 따라 가중치를 두어 절리계수로 하였다.

절리계수는 동일조건에서 경험적 자료를 시험발파된 실적치와 종래의 암반분류법에 의해 실시된 차이를 발파 특성에 따라 요소별 및 인자별로 기본점수를 배분하고 절리계수를 발파설계에 이용되는 관련식에 대입하여 다시 표준발파를 실시한 후 그 차이를 발파 난이도별로 분류된 배점기준과 산출방법에 의해 절리계수를 확정하였다.

발파암반 분류는 보강설계 방법과 연관성을 유지하기 위해 종래의 암반분류점수에 절리계수를 곱하여 새로운 발파암반 등급으로 설정할 수 있도록 하엿으며 발파암반 등급은 5단계에서 암반이 다양하게 분포는 경암과 연암 사이에 2단계를 더두어 7단계로 세분화 함으로써 정밀한 설계와 발파가 될 수 있도록 하였다.

또는 막장에 분포된 불연속면이 발파공학적인 측면에서 암반의 조사와 터널설계 및 시공에 이르는 전 과정에서 이용할 수 있는 기준이 되기위해 산출된 절리게수를 기존의 장약량 계산식과 천공수 산출식을 수정하여 사용할 수 있도록 하였다.

따라서 본 발명은 암반에 분포한 불연속면에 의해 산출된 절리계수로 발파암반을 분류하교 장약량 및 천공수를 산출하여 현장발파에 직접 적용함으로서 발파에 대한 신뢰성을 보다 더 향상시킬 수 있으며 앞으로 터널 굴착과정에 요구되는 발파패턴 설계는 물론 발파현장에 적용되어 암반에 대한 안정성 확보는 물론 안전작업과 발파비 절감에 크게 기여하게 될 것이다.

Description

[발명의 명칭]

암반의 불연속면을 고려한 발파암반 분류기술과 발파설계 및 터널 발파방법

[발명의 목적]

본 발명은 현장발파에 대한 신뢰성을 높이고 암반의 안정성 확보는 물론 안전작업에 수행하기 위해 암반에 분포한 지질구조 및 불연속면의 특성을 시험발파와 현장발파에 의한 경험적 자료를 발파공학적으로 분류하여 정확한 발파등급을 결정하고 현장발파와 발파설계에 적용할 수 있는 암반의 불연속면을 고려한 발파암반 분류기술과 터널발파방법에 관한 것이다.

[발명이 속하는 기술분야 및 그 분야의 종래기술]

발파공법은 오랜 시간동안 여러 형태의 발파메커니즘이 개발되었고, 화약류 및 발파장치도 비약적인 발전을 거듭하여 오고 있으나 암반발파는 현장 상황에 따라 작용하는 수많은 변수들을 공학적인 측면에서 수치적으로 정립하여 매 발파시 표준발파를 실시한다는 것은 매우 어려운 실정이다. 터널발파는 먼저 암반에 대한 정보를 수집한 후 발파 등급을 정하고 작업환경 및 보강방법 등을 고려하여 표준발파 패턴을 설계하여야 하나 현재 시행하고 있는 대부분의 발파설계는 암반의 지질구조와 물리적 성질을 암반특성에 따라 암반공학적으로 분류한 RMR(Rock Mass Rating)이나 NGI(Norwegian Geotechncal Institute)에 의해 암반등급을 발파암반등급과 동일하게 적용하여 발파작업을 수행하고 있어서 실질적인 발파암반 등급과는 상이하여 많은 문제점이 발생되고 있다. 현장발파 결과, 천공수, 장약량, 천공깊이 및 천공간격이 설계치와 다르게 되어 과장약발파에 의해 안전사고의 위험이 뒤따른다던가 터널의 안정성에 중대한 문제를 야기시키고 있음은 물론 약장약에 의해 발파가 이루어지지 않아 많은 경제적인 손실을 가져오게 된다.

그 원인은 근본적인 발파설계의 부실도 있겠지만 발파대상 암반의 지질구조의 불연속면에 대해 보강측면만을 고려하여 설계되었지, 발파공학적으로 암반을 구분하여 적용하지 않음으로써 보강에 적용되는 암반등급과 발파암반등급이 다르기 때문이다. 터널, 케번 등 지하암반 굴착시 암반에 널리 분포하는 불연속면은 절리, 층리, 단층, 지질경계면 및 파쇄대 등으로 존재하면서 그 방향과 경사, 종류의 수량에 따라 암반발파에 많은 영향을 주고 있는 것이 현실이다. 현재의 터널발파는 발파암반에 대한 정보를파악한 후 보강등급에 따라 발파패턴을 설계하여 되는데 발파기술자가 막장의 파쇄대에 절리의 상태에 대해서만 단편적인 판단으로 발파에 적용하고 있는 실정이다.

현재의 발파설계는 기존 암반분류법에 의해 결정된 암반등급을 발파등급과 동일시하고 있으며 터널발파에서 가장 크게 영향을 미치는 불연속면의 방향성이라든가 물리적 성질을 발파공학적으로 전혀 고려되지 않고 있다. 또한 Hauser의 장약량 계산식에 있어서도 발파계수를 산출하는데 있어서 암반의 압축 및 인장강도에 의한 암석의 항력계수와 폭약의 위력을 나타내는 폭약계수, 그리고 장약공의 전 색과 장약정도를 나타내는 전색계수와 장약계수를 발파계수(C)로하여 장약량과 천공수를 산출하고 있는 실정이다.

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]

본 발명은 기존에 시행되고 있는 발파방법보다 신뢰성을 향상시키고 정확한 현장발파를 실시하기 위해 암반에 나타난 불연속면의 특성을 발파공학적으로 다시 분류하여 발파 난이도에 따라 산출된 절리계수에 의해 발파등급을 결정함은 물론 장약량과 천공수를 산출함으로써 발파설계와 현장발파에 이용할 수 있는 암반의 불연속면을 고려한 터널발파방법을 제공하고자 하는 것이다.

본 발명에서의 터널발파방법은 기존의 발파조건 외에 발파에 많은 영향을 미치는 암반의 지질구조중 불연속면의 종류와 방향성, 경사도, 간격, 간극, 출수상태 등의 6가지 요소를 각각 4가지 인자로 세분한 발파의 변수들을 암반의 특성에 따라 분류하여 현장발파에 의한 경험적 자료와 시험발파 실적치를 기존의 암반분류에 의해 시험된 실적치와 비교하여 수정식을 정리하고 다시 표준발파를 실시하여 검증한 후 그 차이를 절리계수로 하게된다.

[발명의 구성 및 작용]

현재 터널현장에서 적용되고 있는 암반분류는 불연속면의 분포유무와 물리적인 특성을 암반공학적으로 분류한 반면, 발파에 직접영향을 주는 불연속면의 종류, 방향성, 경사도, 간격, 간극, 출수상태 등을 발파공학적으로 전혀 고려되지 않고 있다. 따라서, 본 발명에서는 불연속면의 종류와 분포상태에서 따라 발파에 미치는 영향을 경험과 시험발파를 토대로 발파등급을 결정하고 정확한 장약량과 천공수를 산출하여 표준발파 설계는 물론 현장발파에 신뢰성을 가질 수 있는 절리계수의 산출을 목표로 한다.

본 발명은 터널이나 노철발파는 물론 다양한 지하공간 설계와 시공에 적절히 이용할 수 있으며 발파에 영향을 주는 암반의 여러 성질과 불연속면에 대한 암반의 조사, 설계, 시공에 이르는 전 과정에 암반분류와 같이 일관성 있게 절리계수를 산출할 수가 있도록 하엿다. 터널발파방법은 산출된 절리계수로 기존의 암반등급 점수에 곱하여 발파암반을 분류하고 장약량과 천공수 산출식에 대입하여 수정식을 정리한 후 발파설계와 현장발파에 적용할 수 있도록 하였다.

절리계수의 산출은 먼저 기존의 암반등급에 의해 설계된 장약량과 천공수로 시험발파를 실시하고 표준장약량을 산출한 후 암반에 분포한 불연속면의 특성에 대한 경험적 자료와 시험발파 실적에 의해 설계된 발파패턴으로 다시 시험발파를 실시한다. 2가지의 시험발파 실적치를 상호 비교하여 발파에 영향을 미치는 불연속면의 특성을 6가지 요소와 각각 4가지 인자로 분류하여 발파특성에 따라 배분하여 1차로 절리계수를 산출하고 발파등급을 정한후 장약량과 천공수를 산출할 수 있는 수정식을 정리한다.

수정된 발파등급과 산출식에 의해 발파패턴을 설계한 후 시험발파를 실시하고 수정된 관련식에 대해 신뢰성을 검증한 후 절리계수를 확정하게 된다.

장약량과 천공수 산출은 현장 경험적 자료가 근간을 이루고 있다. 같은 암석이라 할지라도 장소와 천공위치에 따라서 물리적 또는 암반역학적 성질이 변화하기 때문에 많은 현장실험이 선행되어야 하며 실험치는 시험발파와 실제 경험의 축적으로 얻어진다.

암반발파는 어떠한 경우라 할지라도 비장약량(specific charge, kg/m²)에 의해 발파결과를 판단할 수 있으며 비장약량이란 발파특성과 가장 쉽게 대응하는 결과를 나타내는 단위로 어떤 강도를 가진 암석의 단위체적에 대한 폭약 사용량을 말한다. 비장약량을 이용하여 암석의 발파특성에 따라 변화된 계산방식으로 전체 장약량과 천공수에 따른 공당 장약량을 산출할 수 있으며 같은 비장약량일 때라도 작은 천공경을 좁은 간격으로 뚫을 때가 큰 천공경을 넓은 간격으로 뚫은 것보다 좋은 파쇄도를 나타내는 반면에 발파효율성은 떨어지게 된다.

암반발파에서 공저부분을 이완시키기 위해서는 암반의 특성과 저항선이 고려된 비장약량이 필요하다.

장약공의 중간부분은 비교적 낮은 장약밀도로 장약하여도 최소저항선을 쉽게 파괴할 수 있으나 공저부분이 장약밀도를 높이므로써 각 공간의 천공 및 장약오차를 보상해 주기도 하며 팽창된 암석을 앞으로 이동시키는데 필요한 힘을 제공하기도 한다.

발파에 있어서는 점화순서도 장약량계산에 영향을 미치며 짧은 시간차로 발파하게 되는 20∼500ms(20∼500Milli-Second)의 지발발파는 암석이 인접공 사이에서 최소저항선을 파괴하는데 서로 돕는 작용을 할 뿐만 아니라 파쇄암석이 나올 때 서로 간섭하므로 버력의 크기를 조절할 수 없다.

터널발파는 많은 현장경험을 가진 숙련공이 축적된 경험에 의해 발파설계와 발파작업을 수행할 때 이용된다면 매우 높은 신뢰성을 가질 수 있고 발파암반이 단층과 균열 등 연약대가 분포하는 지역에서는 특별한 주의가 요구되며 숙련된 발파기술이 더욱 필요하다.

풍부한 현장 경험과 기초를 겸비한 기술자의 체계적 사고를 통해서만이 효과적인 발파기술이 개발될 수 있다.

발파기술자나 감독자 모두는 실질적인 경험과 이론적 지식을 겸비해야만 책임자로서의 소임을 다 할 수 있을 것이다.

현재 많이 사용되고 있는 장약량 산출공식은 Hauser 공식으로서 n=1일 때 심발공의 장약량 게산식은 (1)과 같다.

[수학식 1]

……………………(1)

L : 장악량(kg), C : 폭파계수, V : 누두공의 부피(m³)

R : 누두공의 반지름(m) , W : 최소저항선(m)

Damburn의 장약량 수정식은 시험 발파에 의해 과장약 및 약장약으로 누두지수( n)가 1이 되지 않을 때 누두지수 수정식인에 의해 (2)와 같이 표준 장악량을 산출한다. 누두지수(n)가 일정하고 W가 변경될 때 Lares의 발파 규모 수정식을 적용하여 (3)과 같이 장약량을 산출한다.

[수학식 2]

………………(2)

[수학식 3]

………………(3)

일반터널 발파는 천공, 장약, 폭파의 순서로 이루어지며 이중에서 천공작업은 많은 시간이 소요될 뿐만 아니라 천고배열과 공경, 천공깊이 및 천공각도 등이 발파효과에 많은 영향을 미치게 된다. 시간당 천공능력을 나타내는 것을 천공능률(drillability)이라 하며, 천공능력은 굴진시각을 좌우하게 되고 천공수에 따라서 경제성과 발파효과에 많은 차이가 나므로 신속하고 정확하게 천공해야 한다.

천공수는 암질, 사용폭약, 심빼기방법 등에 의해서 결정되며 충분한 심빼기가 될 수 있으려면 이론적 계산에 의한 천공수와 장약량으로 시험발파를 실시하여 결정하여야하며 단단하고 균열이 심한 암석에 대해서는 자연히 공수가 많아진다. 심발발파의 소요 천공수 산출식은(4)와 같다.

[수학식 4]

………………(4)

G : 심바발파의 소요공수, b : 심발공과 자항선과 이루는 각,

P : 확대발파저항거리와 심발발파 저항거리와의 비

수평천공의 번컷발파에서 이론적 계산에 의해 천공패턴과 공수를 결정할 수 있다. 각도천공에서도 충분한 심빼기가 될 수 있는 천공수와 장약량을 경험적 계산으로 산출하여 각각 몇 차례의 시험발파를 실시한 후 표준장약량에 의한 천공수를 산출한다.

심빼기 이외의 천공수는 암반의 강도, 단면적, 천공장 등을 Hokpobcknn의 식(5)에 의해 간단하게 결정할 수 있으며 비장약량 계산식인 (6)과 1발파당 장약량 계산식인 (7)에 의해서도 천공수를 산출할 수 있다.

[수학식 5]

………………(5)

[수학식 6]

………………(6)

[수학식 7]

L(kg/round)=q·A·W………………(7)

N : 천공수, P : C1 ρ a V, q : 비장약량(kg/m³), A : 굴착단면적(m³), V : 발파공 단위장당 용적(m²/m), C : 암석계수, b : 심발공과 자항선이 이루는 각, P : 발파공 단위길이당 평균폭약량(kg/m), ρ : 폭약비중, a : 발파공용적과 장약용적의 비(0.3∼0.4), V : 발파공단위장당 장약용적(m²/m), L : 1 발파당 장약량(kg/round), L : 1공당 장약량(kg/round)(q, W), W : 굴진강(m), n : m³당 천공수(q/p)(공/m³)

단일자유면의 터널굴진에 필요한 발파공수의 산출은 표준발파에서의 채석량과 암석계수 및 표준발파계수를 기준으로하여 다음 (8)에 의해 구할 수 있다.

[수학식 8]

P₁=C₁V………………(8)

P₁: 전 발파력, C₁: 암석계수, V : 1발파에 의한 채석량

본 발명의 발파암반 분류는 터너발파에 영향을 주는 암반의 여러 성질을 등급에 따라 구분하여 계획단계에서부터 조사, 설계, 시공에 이르는 전과정에 일관성있게 적용될 수 있는 자료로 활용하기 위한 것이다. 발파 암반분류 자료는 객관적인 평가가 가능하고, 터널설계 및 시공과 관계된 암반특성을 포함하여 터널의 표준천공 패턴과 화약류 사용량, 천공길이 등을 산출할 수 있는 요소들이어야 한다.

발파암반은 터널 및 지하공간 설계와 시공에 영향을 주는 암반의 물리적 성질과 불연속면의 여러 성질을 분류하여 발파등급을 정할 수 있는 기준이 되도록 하여야 한다. 발파암분류는 지하공간의 안전성을 확보하기 위해 굴진길이와 보강방법을 결정할 수 있는 기존의 암반분류와 연결하여 터널 보강패턴을 설계할 수 있어야 한다.

발파현장에서 발파암반분류는 일반적인 암반분류방법과 같이 개고간적인 방법으로 실시할 수 있는 분류기준을 명시하고 암반의 물리적 성질과 암반역학적인 자료를 현장관찰과 간단한 계측을 통해 신속한 분류가 될 수 있도록 하며 발파암반에 대한 조사와 시험은 통상 사용하는 방법중 실행가능한 방법들어이야 한다.

발파암반을 여러 단계로 세분화하게 되면 신뢰성이 높아지나 현장 적용성이 떨어지게 되므로 표1과 같이 RMR을 기준으로 하여 7단계로 구분하였다. 표2는 발파암반의 일반적인 특성을 7단계로 분리한 것이며, 표3은 발파암의 등급별 암질상태와 시료채취 기준을 표시한 것이다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

현장에서 발파암반 분류는 경험적인 요소를 지배적인 기준치로 적용한다든가 현장에서 시공시 확인될 수 있는 자료로 제한될 수 있으므로 가정과 경험적인 측면에서 치중하기보다는 설계당시 조사되어 확신성이 있는 인자를 비교 검토하여 발파암 분류기준으로 삼는 것이 바람직하다.

터널설계시 실시하는 기초조사는 시추암심으로 얻을 수 있는 자료로서 RQD, 자연상태의 탄성파 속도, 암편상태의 탄성파 속도, 일축압축강도, 인장강도, 탄성계수, 포아송비, 지하수 상태 등이있다. 불연속면의 간격, 간극, 출수상태 등은 기존의 암반분류 항목 포함되어 있으므로 이자료를 다시 불연속면의 종류와 방향성, 경사도와 함께 발파에 영향을 미치는 특성에 따라 발파공학적으로 분류하여 절리계수를 산출한다. 산출된 절리계수를 암반공학적으로 분류된 점수에 곱하여 발파암반 등급을 결정하고 천공수와 장약량을 산출하여 발파설계와 현장발파에 적용할 수 있다. 발파에 영향을 주는 불연속면의 특성과 인자를 분류하면 표 4와 같다.

[표 4]

발파에 영향을 주는 6가지 요소는 불연속면의 종류에 의한 영향, 절리의 방향에 의한 영향, 절리간격에 의한 영향, 절리경사도에 의한 영향, 절리간극에 의한 영향, 불연속면에서의 출수상태에 의한 영향등이고 요소별로 각각에 4가지의 인자를 두었다. 불연속면 종류의 4가지 인자는 발파에 가장많은 영향을 가져오는 절리를 비롯하여 접촉대, 파쇄대, 압쇄대로 구분하였다. 방향성의 4가지 인자는 터널의 굴진방향을 방위각 기준 0˚로 하였을 때 0˚ 내지 10˚의 범위, 11˚ 내지 25˚의 범위, 26˚ 내지 74˚의 범위, 75˚ 내지 90˚의 범위로 구분하였다. 불연속면 경사의 4가지 인자는 굴진경사를 0˚로 하였을 때 0˚ 내지 10˚의 범위, 11˚ 내지 25˚의 범위, 26˚ 내지 74˚ 의 범위, 75˚ 내지 90˚의 범위로 구분하였다. 불연속면 간격의 4가지 인자는 같은 방향의 절리가 0.3m 이내로 조밀하게 분포되었을 때와 0.4m 내지 0.7m의 범위에 있을 때, 0.8m 내지 1.1m의 범위, 1.2m이상일 때로 구분하였다. 불연속면 간극의 4가지 인자는 3mm 이상일때와 1mm 내지 2mm범위일 때, 1mm 이내일 대 및 밀착되었을 때로 분류하였으며 불연속면에서의 출수상태에 대한 4가지 인자는 많을 때, 소량일 때, 젖은 상태일 때 및 유출이 없을 때로 분류하였다. 불연속면이 발파에 미치는 영향을 절리계수에 반영시켰으며 절리계수(k)는 불연속면의 종류, 불연속면에서의 출수상태, 불연속면의 방향과 경사가 굴진방향과 이루는 각도, 불연속면의 간격, 불연속면의 간극 등을 고려하여 다음 (9)와 같이 관계식을 정리한다.

[수학식 9]

kc+kw+ks+kd+kv+ki………………(9)

k : 절리계수, kc : 불연속면의 종류, kw : 불연속면에서의 출수상태

ks : 불연속면의 방향성, kd : 불연속면의 경사도, kv : 불연속의 간격,

ki : 불연속면의 간극

절리계수는 6가지의 요소가 발파암반에 대한 절리계수를 결정하게 되며 각 요소의 특성별로 분류된 인자중 해당되는 인자를 각각 1개씩 선택하여 가산하게 되면 절리계수가 된다. 적용기준은 불연속면이 동일한 방향성을 가진 불연속면의 간격이 30mm이내 일 경우, 압쇄대로 하고 50mm이내 일 경우, 파쇄대로 분류하며, 절리간격에 대한 배점은 0으로한다. 또한 절리의 방향이 1방향일 경우, 기본점수의 100%를 적용하고, 2방향이상일 경우, 기본점수의 70%를 적용하였다. 출수상태에서 많음의 기준은 막장전체의 천공된 공에서 공당평균 0.5ℓ/min이상일 경우이며, 소량의 0.1 내지 0.4ℓ/min일 경우, 젖은 상태는 0.1ℓ/min미만일 경우, 없음은 출수량이 전혀 없는 경우로 하였다. 기본점수는 100점을 기준으로하여 발파에 영향을 미치는 정도를 고려하여 점수를 차등적용하였으며 각 인자별 배점은 기본점수를 발파의 중요도에 따라 배분하였다. 인자별로 가산된 최대점수는 65점이고 가장 낮은 점수는 0점이며 절리계수별로 균등배분하였다. 평가점수를 100점을 기준으로 환산할 대는 환산계수 1.5를 적용하여 산출한다.

절리계수의 산출기준은 암반의 일축압축강도가 500kg/cm²이상이 된다던가 불연속면의 간격이 2m이내로 분포할 경우 적용하며 절리계수는 1.8 내지 0.5의 범위내에서 적용한다. 절리계수를 정확하게 산출하고자 할 때에는 인자별 배점을 해당 평균점수로 환산하여 적용할 수 있다.

발파이전에 산출된 절리계수는 이론치에 불과하므로 반드시 시험발파를 실시하여 절리계수를 산정하여야 한다. 표5는 절리계수 산출을 위한 배점기준과 기본점수를 표시한 것이다. 표6은 분류인자별 배점에 의한 절리계수를 산출하는 기준이며, 표 7은현장에서 쉽게 응용할 수 있는 절리계수를 표시한 것이다.

[표 5]

[표 6]

예를 들면 절리간극이 3mm이상이고 주 방향이 굴진방향과 같으며 절리간격이 0.3m이내일 때에는 (16)식과 표 5에 의해 kc+kw+ks+kd+kv+ki=13+1.5+22+1.5+22+5= 65임으로 표 6에 의해 환산점수 95점 이상이되어 절리계수는 1.8이 되며, 절리가 양방향에 직교하던가 사교하고 절리간격이 50mm이내의 파쇄대로써 출수가 없을 때에는 0+0+0+0+0+0=0이 되어 환산점수 4.5점 이하가 되므로 절리계순느 0.5가 된다.

[표 7]

장약량 계산은 현재 많이 사용되고 있는 하우저의 심발공에 대한 장약량 계산식(4)에 절리계수 k를 대입하여 (10)과 같이 장약량 계산식을 수정하고 현장 시험발파 결과에 의해 (2)와 (3)의 장약량 및 발파규모 수정식으로 k를 확정한다.

[수학식 10]

L=C·k·W=f(n)·g·e·d·W3……………(10)

천공수 산출은 (5)식에 절리계수 k를 대입하여 수정식 (11)로 천공수를 산출하고 장약량 수정식(10)에 의해 표준발파를 실시한 후 k를 확정한다. 심발발파의 소요공수와 심배기 이외의 소요공수는 (12)에 의하여 단위당 천공수신출은 각각 (6), (7), (8)을 적용한다.

[수학식 11]

………………(11)

[수학식 12]

………………(12)

본 발명의 터너발방법의 효과를 시험하기 위해서 다음과 같은 실험을 시행하였다. 현장 시험발파는 1차적으로 기존의 암반분류 등급과 관계식을 이용하여 장약량과 천공수를 산출하여 실시하였으며 동일막장에서 동일한 발파조건으로 표준발파를 시행하여 장약량과 천공수를 1차 시험발파와 비교하여 절리계수를 산출하였다.

산출된 절리계수를 기존의 암반분류 점수에 곱하여 발파암반을 분류하였으며 새로 분류된 발파암반 등급에 의해 시험발파를 실시한 후 표준장약량과 천공수를 산출하여 절리계수에 의한 현장시험을 마쳤다. 시험발파를 시행한 현장은 선경건술(주)에서 공사를 실시하고 있는 지하비축기지 터널현장과 국도 2차선 도로터널, 그리고 2차선 경부고속철도 터널에서 실시하였다. 막장에서의 시험발파는 동일한 조건에서 같은 천공패턴과 같은 규정의 화약류를 사용하였고 막장에 분포하고 있는 불연속면에 따라 표준발파를 실시한 후 장약량과 천공수를 산출하여 다시 시험발파한 후 절리계수를 확정하였다. 장약량 산출식에 의한 시험결과는 표8, 표9, 표10과 같다.

[표 8]

[표 9]

[표 10]

현장에서 실시된 시험발파에 의해 확인된 기존의 암반분류와 절리계수에 의해 새로 분류된 발파암반과의 차이는 5단계에서 7단계로 세분화된 점도 있겠지만 암반이 가지고 있는 본래의 물성치외에 불연속면의 종류와 방향성에 의해 암반등급이 대부분 1내지 3등급의 차이를 가져온다.

굳은 암반에서 많은 절리가 굴진방향과 같은 방향으로 분포할 때 기존의 3등급에서 1등급으로 변하는 경우도 있었으며 절리의 방향이 굴진방향과 교차할 때에는 반대의 현상도 나타난다는 것을 알 수 있다.

절리의 수가 적고 절리의 방향이 굴진방향과 교차할 때에는 암반의 물성이 발파결과에 주로 영향을 미친다. 반면 간격이 작고 많은 절리가 굴진방향과 같은 때에는 굴착기의 진동과 고압의 착암수에 의해 공경이 확대된다던가 작은 암석편이 구멍을 막아 장약이 불가능하여 주위에 천공을 다시 하는 경우도 있으며 공극계수의 확대로 전색효과에 한계가 있음을 알 수 있다.

절리에 의해 확대된 장약공은 공극계수가 커서 발파압이 낮아지게 된다. 또한 발파시 발생하는 압축응력파들이 인접한 절이 의해 차단됨으로 채석용적이 감소하게 도며 상대적으로 동일한 발파결과를 얻으려면 많은 장약량과 천공수가 필요하게 된다.

기존의 장약량 계산식에 의해 장약량과 천공수를 산출하여 시험발파한 결과, 절리의 방향이 굴진방향과 같을 때 20%까지 증가되었으며 절리방향이 진행방향과 60˚이상이 된다던가 블록형으로 나타날 때에는 20%까지 감소되었다.

발파암반에 분포하는 절리방향과 그 수에 따라 파쇄암석의 크기가 변화한다. 굳은 암반에서 양 방향으로 많은 절리가 있을 때에는 파쇄암석이 불록 현상으로 나타나고 암반이 강하지 않을 때에는 버력의 크기가 작다. 버력의 비산은 굳은 암반에서 불연속면이 주방향으로 많이 존재할 때 비산거리가 60m정도 되나 길고 많은 절리가 불록으로 되어 있을 때에는 비산거리가 40%이상 단축된다.

불연속면의 종류, 절리의 방향, 경사, 간격, 간극 및 지하수의 유무 등 다양한 암반조건하에서 시험발파를 수행한 결과, 절리의 영향이 없을 때에는 기존의 암반분류에 의해서 산출한 장약량과 같은 경우도 있었으며 절리의 방향을 받을 때에는 절리계수가 따라 장약량은 대부분 20%까지 차이가 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 기술적사항을 벗어나지 않는 범위내에서 여러가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 있어 명백할 것이다.

[발명의 효과]

전술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 암반에 분포한 불연속면에 의한 산출된 절리계수로 발파암반을 분류하여 발파등급을 정하고 장약량 및 천공수를 산출하여 현장발파에 직접 적용함으로써 발파에 대한 신뢰성을 보다 더 향상시킬 수 있으며, 터널 굴착과정에 요구되는 발파패턴 설계는 설계는 물론 현장발파에 적용되어 암반에 대한 안정성확보 및 안전작업과 발파비를 절감하는 효과를 가진다.

Claims

시험발파와 경험적 자료를 토대로 절리계수를 산출하는 단계;

발파암반 등급을 결정하는 단계;

장약량과 천공수계산식에 절리계수를 대입하여 장약량과 천공수의 수정값을 산출하는 단계 ; 및

표준발파를 설계하고, 현장발파시공에 적용하는 단계

를 포함하는 암반의 불연속면을 고려한 발파암반 분류방법에 의한 터널발파 방법
제1항에 있어서, 상기 절리계수 산출은

기존의 암반등급에 의해 설게된 장약량과 천공수로 시험발파를 실시하는 과정;

표준장약량을 산출하는 과정;

암반에 분포한 불연속면의 특성에 대한 경험적 자료와 시험발파 살적에 의해 발파패턴으로 시험발파를 실시하는 과정 ;

시험발파 실적치를 상호비교하여 발파에 미치는 불연속면의 특성을 소정수의 요소와 소정수의 인자로 분류하여 발파특성에 따라 배분하여 절리계수를 산출하는 과정 ;

발파등급을 정하는 과정;

장약량과 천공수의 산출수식을 정리하는 과정;

수정된 발파등급과 산출식에 의해 발파패턴을 설계하는 과정; 및

시험발파를 실시하고, 절리계수를 확정하는 과정

을 포함하는 것을 특징으로 하는 암반의 불연속면을 고려한 발파암반 분류방법에 의한 터널 발파방법
제2항에 있어서, 불연속면의 특성에 대한 요소는 불연속면의 종류와 방향성, 경사도, 간격, 간극 및 출수상태로 구분되고, 불연속면의 특성에 대한 인자는 절리, 접촉대, 파쇄대 및 압쇄대로 분류하는 것을 특징으로 하는 암반의 불연속면을 고려한 발파암반 분류방법에 의한 터널 발파 방법.
제1항에 있어서, 상기 발파암반등급 결정단계는

산출된 절리계수를 기존의 암반등급점수에 곱하여 결정하는 단계인 것을 특징으로 하는 암반의 불연속면을 고려한 발파암반 분류방법에 의한 터널발파 방법.
제1항 또는 제4항에 있어서, 발파암반 등급은

극경암, 경암, 중경암, 보통암, 중연암, 연암 및 풍화암의 7단계로 나뉘어지는 것을 특징으로 하는 암반의 불연속면을 고려한 발파암반 분류방법에 의한 터널 발파방법.
제2항 또는 제3항에 있어서, 절리계수(k)는 불연속면의 종류, 불연속면의 간격, 불연속면의 방향과 경사가 굴진방향과 이루는 각도, 불연속면의 간극과 불연속면에서의 지하수 출수상태 등을 고려하며,

k=kc+kw+ks+kd+kv+ki

(여기서 k : 절리계수, kc : 불연속면의 종류, kw : 불연속면에서의 출수상태, ks : 불연속면의 방향성, kd : 불연속면의 경사도, kv : 불연속의 간격, ki : 불연속면의 간극을 나타낸다.)

의 식으로 결정되는 것을 특징으로 하는 암반의 불연속면을 고려한 발파암반 분류방법에 의한 발파방법.
제1항에 있어서, 심발공의 장약량은 상기 절리계수 k를 대입하여

L=C·k·W3=f(n)·C·w3=f(w)·k·C·w3

(여기서, L : 장약량(kg), C : 폭파계수(g·e·d·i), k : 절리계수, W : 최소저항선(m), f(n) : 누두지수 수정식=, f(w) : 발파규모 수정식

=, g : 암석항력계수, e : 폭약계수, d : 전색계수, i : 장약계수를 나타낸다.)

의 식으로 장약량 계산식을 수정하고 현장 시험발파 결과에 의해 장약량 및 발파규모 수정식으로 k를 확정하는 특징으로 하는 암반의 불연속면을 고려ㅎ나 발파암반 분류방법에 의한 터널 발파 방법.
제1항에 있어서, 천공수는

[수학식 13]

………………(13)

(여기서, N : 천공수, P : C1·p·a·V, q : 비장약량(kg/m³), A : 굴착단면적(m³), K : 절리계수, C1 : 암석계수, p : 발파공 단위길이당 평균폭약량, a : 발파공 용적과 장약용적의 비(0.3∼0.4)를 나타낸다.)

의 식에 의해 산출하고, 장약량 계산식에 의해 표준발파를 실시한 후 절리계수 k를 확정하여 심발파의 소요공수와 심빼기 이외의 소요공수는

[수학식 14]

………………(14)

(여기서, G : 심발파의 소요공수, b : 심발공과 저항선과 이루는 각, P : 확대발파 저항거리와 심발발파 저항거리와의 비, k : 절리계수를 나타낸다.)

의 식에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 암반의 불연속면을 고려한 발파암반 분류방법에 의한 터널 발파방법.