KR20010039453A - 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 터널을 굴착하고자 하는 막장면에 소정깊이 및 소정배열로 수평 또는 경사의 구멍들을 천공하여 심발공(2a)(2b), 심발확대공(2c), 바닥공(2d) 및 천반공(2e)의 천공구멍들을 형성한 후, 이 천공된 구멍내에 지발뇌관(4) 및 폭약 (5)들을 장전하여 장약공(2)들을 형성하고, 이 장약공들의 입구를 전색물(9)로 전색시킨 다음, 발파기로 뇌관을 기폭시킴으로써 암반을 굴착하는 터널발파공법에 있어서, 상기 심발공(2a)(2b)의 공저 또는 기타 장약공(2)내에 소정길이의 에어튜브 (7)를 적어도 1개층이상 끼워 선자유면(u₁) 또는 소자유면(f)을 갖는 공기층을 형성함으로써 폭발에너지가 장약공내의 주변암반에 골고루 분산되게 하여 발파진동 및 폭음을 감쇠시킬 뿐만 아니라, 폭발시 자유면(F)쪽의 암반에 작용하는 투사면적(비표면적)의 확대로 전압력을 증가시켜 암반의 파쇄도를 높이고, 또한 폭약의 장전위치를 자유면 가까이 장전함으로써 암반 발파시에 소요되는 폭약 사용량을 감소시켜 주며, 전석의 발생을 줄여주며, 특히 심빼기공 주변에서 발생하는 초기진동을 최대한 제어하는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법에 관한 것이다.

Description

에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법{Tunnel Blasting Method for using Air Tube}

본 발명은 터널발파시 장약공들내에 소정길이의 에어튜브를 적어도 1개층이상 끼워 소자유면을 갖는 공기층을 형성함으로써 폭발에너지가 장약공내의 주변암반에 골고루 분산되게 하여 발파진동 및 폭음을 감쇠시킬 뿐만 아니라, 폭발시 자유면쪽의 암반에 작용하는 투사면적(비표면적)의 확대로 전압력을 증가시켜 암반의 파쇄도를 높이고, 또한 폭약의 장전위치를 자유면 가까이 장전함으로써 암반 발파시에 소요되는 폭약 사용량을 감소시켜 주며, 또한 전석의 발생을 줄여주며, 특히 심발공의 길이를 종래의 발파에서의 길이보다 더 천공하여 심발공의 공저에 소정길이의 에어튜브를 먼저 끼움으로써 선자유면을 형성케 하여 심빼기시 발생되는 초기 발파진동을 최대한 제어하는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법에 관한 것이다.

일반적으로 발파방법에 의한 터널굴착방법의 형태로써는 종래의 전단면 1회 발파공법, 분할발파공법, 그리고 다단계발파공법으로 구분할 수 있으며, 이들 발파방법에 의한 터널굴착은 공통적으로 다음과 같은 3단계로 구분되어 실시된다.

제1단계로 심발공·심발확대공·바닥공 및 천반공등의 외곽공을 일정한 깊이로 천공하는 천공단계와, 제2단계로 상기 천공된 공들에 뇌관과 폭약을 채우는 폭약장전단계, 제3단계로 발파기에 의하여 뇌관들을 기폭시키는 기폭단계로 이루어져서 발파되어진다.

이와 같은 단계로 이루어진 종래의 터널(1) 발파방법으로서, 도1 내지 도2d에서 도시하는 바와 같이, 먼저 발파할 막장면에 심발공(2a)(2b)·심발확대공(2c)·바닥공(2d) 및 천반공(2e)의 외곽공이 천공되어야 할 위치를 표시한 후, 착암기 또는 점보드릴등의 굴착기로 전단면내 소정의 위치에 여러 개의 발파공들을 천공하되, 발파할 단면의 중심부에 심발공(2a)(2b), 심발공에 인접하여 심발확대공(2c)의 중간공, 바닥공(2d) 및 천반공(2e)등의 외곽공으로 구별하여 천공기로 일정깊이로 천공한 후, 이 천공구멍들 내에 지발뇌관(4) 및 폭약(5)들을 영역별로 장전하여 발파기로 뇌관들을 기폭시킴으로써 발파되는 형태가 통상적인 방법이다.

상기와 같은 터널발파의 발파단계 중 제1단계의 천공단계나, 제3단계의 기폭단계에 대하여는 일반적으로 잘 알려져 있어 구체적으로 언급할 필요가 없으나, 그 중 제2단계인 폭약의 장전상태에 대해서는 구체적으로 살펴 볼 필요가 있다.

즉, 도2a 내지 도2d는 종래기술에 관한 도면으로서 발파되는 장약공(2)들내에 뇌관(4) 및 폭약(5)들이 전색물(9)로 전색되어 장전되어진 상태를 보여주고 있다.

도2a 및 도2b는 심발공(2a)(2b)에 대한 장전상태를 나타내고, 도2c는 심발확대공(2c) 또는 바닥공(2d)에 대한 장전상태이고, 도2d에 나타낸 것은 천반공(2e)등의 외곽공에 대한 장전상태를 나타내는데, 이러한 상기 종래의 터널발파에 따른 뇌관 및 폭약의 장전단계는 천공구멍의 하측부에 지발뇌관(4) 및 폭약(5)으로 이루어진 장약부분과, 이 천공구멍의 상측부에 장약부분을 밀폐시키는 전색물(9)로 단순히 양분하는 형태로 장전되어 장약공(2)들을 폭발시키는 발파형태가 대부분이다.

여기에서 지발뇌관(4) 및 폭약(5)은 각 천공구멍 내의 아래쪽으로 치우쳐서 장전되어지는데, 폭약은 2가지의 종류로서 심발공(2a)(2b)·심발확대공(2c) 및 바닥공(2d)의 장약공에는 일반 폭약(5)을 장전하게 되며, 천반공(2e) 또는 측벽공의 터널파단면의 외곽공에는 모암의 손상을 적게 하기 위하여 여굴을 방지하도록 일반폭약(5)과 정밀폭약(6)을 함께 장전하게 되며, 천반공은 경우에 따라서는 장약공과 교대로 무장약공(3)을 형성하여 정밀폭약(6)을 장전하기도 한다.

이때, 심발공(2a)(2b)부분에 지발뇌관들을 좌우 대칭으로 아래에서 위로 순차적(번호순)으로 배열 장전시키고, 이후 심발확대공(2c), 바닥공(2d) 및 천반공 (2e)들에는 심발부분에서 외곽방향으로 영역별로 지발뇌관들을 순차적(번호순)으로 배열 장전시켜 발파기로 뇌관들을 기폭시킴으로써 터널암반을 굴착하게 되는데, 이때 지발뇌관들의 기폭순서는 심발을 중심으로 심발공(2a)(2b)·심발확대공(2c)·바닥공(2d) 및 천반공(2e)등의 외곽공순으로 동심원형태로 연속적으로 발파가 이루어져서 소요 단면을 확보하게 된다.

상기와 같이 지발뇌관(4) 및 폭약(5)의 장전형태에 따라 발파되어 터널을 굴착하는 종래의 발파방법은 도3a 및 도3c에서 도시하는 바와 같이, 장약공(2)내에서 폭약의 폭발길이가 폭약 자체의 길이로 한정될 뿐만 아니라, 천공깊이에 비하여 전색물(9)의 길이(l₁)가 비교적 길게 되는 발파형태들로써 폭약이 천공구멍 내에서 폭발시 자유면(F)쪽의 암반의 투사면적을 크게 할 수 있는 방법이 아니어서 폭약의 폭력이 암반 파쇄에 충분히 작용할 수 없는 비효율적인 발파방법이었다.

또한, 뇌관(4) 및 폭약(5)이 장약공(2)의 하측으로 치우쳐서 자유면(F)으로부터 깊게 장전됨에 따라 지반진동을 크게 증가시키게 되며, 또 폭약 폭발시 파괴경계선(L)을 중심으로 내측으로는 소괴 발생부분(A)으로서 작은 암석형태로 파쇄가 되나, 파괴경계선(L)의 외측으로는 대괴 발생부분(B), 즉 전색물(9)의 주변부 암반으로는 폭발력이 미치지 않아 발파후 큰 암석덩어리의 형태인 전석들로 남게 되는 문제점도 있었다.

한편, 천반공(2e)과 측벽공의 외곽공에 천반과 측벽의 파괴면을 평활하게 할 목적으로 대개 정밀폭약(6)을 이용하고 있으나, 정밀폭약이 고가이고 사용하는 방법이 까다롭고, 때로는 정밀폭약(6)이 원인불명으로 폭발되지 않아 폭발 후 안전작업에 문제가 발생하고 있는 실정이다.

이와 같이, 종래의 터널발파 방법은 1개의 자유면을 갖는 발파방법으로서, 장약량이 천공구멍의 안쪽으로 집중되어 진동과 폭음이 크게 발생되고, 발파된 터널 벽면의 요철이 심하여 굴착 후 보강작업, 예를 들면 파단면에 대한 숏크리트처리에 비용이 많이 소요되는 문제점들이 있었다.

또한, 터널발파가 1자유면의 발파방법으로 이루어지는 관계로 폭발시 비석의 비산거리가 크게 증가됨으로 안전거리를 충분히 확보해야 하는 문제점도 있었다.

그런데, 상기 터널을 구축하기 위한 발파방법들에 있어서, 발파시 발생되는 지반진동으로 인하여 인체나 인접구조물(보안물건)에 물리적 영향을 끼쳐 그 피해에 대한 민원을 유발시키게 됨으로써 공사진행에 지장을 일으킬 수 있으므로 터널발파방법에 있어 심발공에서의 초기 발파진동을 저감시켜 제어하는 기술이 필수적으로 요청되어진다.

본 발명은 이러한 문제점들을 해결하는 방법으로 터널 발파에서 가장 진동을 크게 유발하는 심발공에서의 초기진동을 제어하고 폭약의 폭발력이 최대한 암반의 파쇄에만 작용하도록 먼저 심발공내 공저에 선자유면(u₁)을 형성시키고 그밖의 공에서는 장약공 내에 폭약과 폭약사이, 폭약의 상부와 전색물사이에 적어도 1개층이상의 소정길이(l₂)를 갖는 에어튜브(air tube)를 끼워 인공의 소자유면(f)들을 형성시킴으로써, 심발공의 선자유면(u₁)이 발파시의 초기진동을 흡수케 하고,

폭약 폭발시 자유면쪽의 암반에 투사면적을 최대한 크게 하여 폭발력이 암반에 작용하는 비표면적의 확대로, 즉 폭약의 폭발길이가 증가되어 미세한 차이로 장약공 내에서 전압력을 최대한 증가시켜, 가능한 한 폭발에너지가 암반파쇄의 작용에만 영향을 미치도록 함으로써 암석의 파쇄량을 극대화시키면서 체적당 장약량을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라,

또한, 폭약이 자유면 가까이 장약되어 폭발됨으로 인하여 적은 량의 장약량으로도 발파가 가능함과 동시에 폭약의 진동이 자유면쪽으로 분산되어 발파진동을 저감시켜 주게 되며, 한편 폭약의 폭발길이가 증가됨으로 인하여 전색물의 길이를 짧게 할 수 있어 발파후 전석의 발생을 감소시켜 주는 에어튜브를 이용한 터널발파 방법을 제시하고자 하는 것이다.

통상 자유면이 증가된 만큼 폭약의 폭발력이 암반에 작게 작용하여도, 즉 폭약량이 작게 장전되더라도 쉽게 암반이 파쇄될 수 있는데, 보통의 방법은 전색장이 길어 폭약의 폭발력이 충분히 암반에 작용되지 못한다.

그러나, 본 발명은 장약공 내에 에어튜브를 끼우게 됨으로써 에어튜브 자체의 인공의 소자유면(f)들을 형성시켜 발파진동을 크게 감쇠시키고, 종래의 장약장의 폭발길이를 에어튜브의 길이만큼 증가시켜 장약의 폭발길이를 증가시킴에 따라 폭약의 폭발력을 공내에서 최대한 흡수 분산시키는 효과를 가져오게 할 뿐만 아니라, 폭약이 장전되는 위치가 에어튜브에 의하여 1자유면에 가까이 장전됨으로써, 폭약 장전시 체적당 장약량을 최소로 하면서 암석의 파쇄량을 극대화시키고, 발파후 전석의 발생도 크게 감소시켜 줄 수 있다.

이하에서 "자유면"이라 함은 암반이 외계(공기나 물)와 접하는 면을 의미하며, 이 자유면은 발파에 큰 영향을 끼치는 요인으로서 발파효과는 자유면의 수와 폭약 위치가 자유면과의 근접정도에 따라 증가하게 되는데, 그 이유는 자유면쪽은 저항이 없어서 폭발에너지가 암반에 미치는 응력이 많이 작용하기 때문이다.

한편, "진행장"이라 함은 발파작업이 끝난 후 진행된 거리, 즉 굴착된 깊이를 의미하며, "전압력"이라 함은 단위폭약이 천공구멍내에 작용하는 힘을 말하며, "비표면적"이라 함은 폭발시 폭발력이 직접적으로 작용되는 암반의 면적을 의미하며, "순폭"이라 함은 1개의 폭약이 폭발했을 때 공기, 물, 기타의 매체를 통하여 다른 폭약이 감응 폭발하는 현상을 의미하며, "저항선"이라 함은 자유면과 폭약 중심과의 최단거리를 의미한다.

따라서, 본 발명의 목적은 장약공 내에 소정길이의 에어튜브를 적어도 1개층이상 삽입시켜 인공의 소자유면을 형성함으로써, 폭약의 폭발길이를 확대시킴과 동시에 폭약이 자유면에 가깝게 장전되어 폭약의 폭발력이 장약공 내에서 자유면으로 흡수 분산되고, 특히 심발공내에 먼저 일정길이의 에어튜브를 장착시켜 선자유면 (u₁)을 형성함으로써, 심발공에서 가장 크게 발생하는 초기 진동 및 폭음을 제어할 수 있는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 장약공 내에서 에어튜브에 의해 장전된 폭약의 폭발길이가 확대됨으로써 폭약 폭발시 암반에 작용하는 면적(=비표면적), 즉 자유면쪽으로의 투사면적이 확대되어 전압력을 증가시켜 암반의 파쇄가 용이하게 되고, 공기층의 추가 자유면이 확보되어 폭약의 사용량을 줄일 수 있는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 장약공 내에서 폭약이 복수개로 장전되는 층상장약의 형태로 이루어진 경우, 폭약이 갖고 있는 순폭도를 이용하여 폭약이 미세한 시차를 두고 연속적으로 폭발되게 함으로써 발파진동을 분산시킬 수 있으며, 또한 장약공 내에서 에어튜브 또는 폭약의 상측에 고무마개를 끼워 밀폐시킴으로써 폭음을 차단시켜 폭음도 감쇠시키면서 폭발력이 암반의 파쇄에만 작용하도록 하는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또다른 목적은 일반 카트리지 폭약을 그대로 층상 장약할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라, 파괴면도 폭발에너지가 공내에서 골고루 작용하기 때문에 평활한 파괴면을 얻을 수 있고, 또한 염가의 발파비용으로 더욱 안전한 터널 벽면을 형성시킬 수 있는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법을 제공하는데 있다.

도1은 종래기술에 따른 터널발파단면도

도2a 내지 도2d는 종래기술에 따른 장약공들의 단면도로서,

도2a는 심발공의 단면도

도2b는 심발공의 다른 실시예를 나타내는 단면도

도2c는 심발확대공의 단면도

도2d는 천반공의 단면도

도3a 및 도3c는 종래기술의 발파방법에 따른 발파공내에서의 발파개념을 설명하는 도면

도4는 본 발명에 따른 터널발파단면도

도5a 내지 도5e는 본발명에 따라 에어튜브를 장전한 장약공들의 단면도로서,

도5a는 심발공의 제1실시예의 단면도

도5b는 심발공의 제2실시예의 단면도

도5c는 고무마개가 추가적으로 장전된 심발공의 제3실시예의 단면도

도5d는 심발확대공 또는 바닥공의 실시예의 단면도

도5e는 천반공의 실시예의 단면도

도6a 내지 도6c는 본 발명의 발파방법에 따른 발파 공내에서의 발파개념을 설명하는 도면

＜ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ＞

1:터널 2:장약공 2a,2b:심발공

2c:심발확대공 2d:바닥공 2e:천반공

3:무장약공 4:뇌관 5:폭약

6:정밀폭약 7:에어튜브 8:고무마개

9:전색물 A:소괴발생부분 B:대괴(전석)발생부분

F:자유면 L:파괴경계선 f:소자유면

SD:에어튜브발파시 심발공의 천공장 H:일반발파시 심발공의 천공장

AD:진행장 u₁:선자유면

l₁,l₃:전색물의 길이 l₂:에어튜브의 길이

본 발명의 기술구성을 첨부된 도면에 의하여 설명하면 다음과 같다.

도4 내지 도5e에서 도시하는 바와 같이, 터널을 굴착하고자 하는 막장면에 소정깊이 및 소정배열로 수평 또는 경사의 구멍들을 천공하여 심발공(2a)(2b), 심발확대공(2c), 바닥공(2d) 및 천반공(2e)의 천공구멍들을 형성한 후, 이 천공된 구멍내에 지발뇌관(4) 및 폭약(5)들을 장전하여 장약공(2)들을 형성하고, 이 장약공들의 입구를 전색물(9)로 전색시킨 다음, 발파기로 뇌관을 기폭시킴으로써 암반을 굴착하는 터널발파공법에 있어서, 상기 장약공(2)들내에 소정길이의 에어튜브(7)를 적어도 1개층이상 끼워 선자유면(u₁) 또는 소자유면(f)을 갖는 공기층을 형성함으로써 폭발시 자유면 (F)쪽의 암반에 작용하는 투사면적의 확대로 전압력을 증가시켜 암반의 파쇄도를 높이고 발파진동 및 폭음을 감소시키도록 한 것을 특징으로 한다.

본 발명은 장약공(2)내에서 폭약(5)의 폭발력이 에어튜브(7)에 의해 변형된 형태로 폭발되는 발파방법을 특징으로 하는데, 도6a 내지 도6c에서 도시하는 바와 같이, 심발공(2a)(2b)내의 공저에 에어튜브(7)가 끼워져 에어튜브의 길이만큼 공내 선자유면(u₁)을 형성시키고, 기타 장약공내 장전된 폭약(5)의 외측으로 끼워진 에어튜브는 공기층을 형성하여 에어튜브(7)가 차지하는 공내 체적만큼 소자유면(f)을 형성케 하여 자유면의 역할을 함으로써 발파진동을 크게 줄여 줄 수 있을 뿐만 아니라, 폭약 폭발시 이 에어튜브 때문에 폭약의 폭속이 늦어져서 공내 암반 표면에 폭발에너지가 충분히 작용토록 하여 암반 파쇄에만 에너지가 소모되어 진동 및 폭음이 감소진동을 감쇠시켜 주게 된다.

또한, 폭발시 파괴경계선(L)이 에어튜브의 길이(l₂)만큼 자유면(F)쪽으로 연장되어 자유면쪽의 암반에 투사면적을 최대한 크게 하여 장약공내의 전압력이 커지게 되므로, 즉 증가된 투사면적의 암반에 폭발에너지가 작용함에 따라 암반의 파쇄량을 증가시킬 수 있으며, 전색물(9)의 전색길이(l₃)도 짧게 됨으로써 발파시 전석의 크기를 감소시켜 주는 것을 본 발명의 핵심적인 기술사상으로 하는 것이다.

즉, 에어튜브(7)로 인하여 파괴경계선(L)이 연장되어서 비표면적의 확대로 전압력이 증가하여 폭약(5)의 폭발에너지가 암반파쇄에 많이 작용하므로 종래의 발파방법보다 적은 에너지가 암반에 남게 되어 진동이 크게 감소되고, 또 에어튜브 (7) 자체가 소자유면(f)의 역할도 하기 때문에 이로 인한 진동 감쇠효과도 있게 된다.

또한, 장약공(2)내 장전된 폭약(5)상부에 에어튜브(7)를 삽입하게 되면 전색물(9)의 길이(l₃)도 줄여 줄 수 있게 됨으로써, 장약공 주변 암반의 파괴경계선(L)이 에어튜브의 길이(l₂)만큼 연장되고 폭약(5)이 자유면(F)에 가까이 장약되는 관계로 소요되는 폭약의 량이 적다 하더라도 암반을 용이하게 파괴시켜 주게 된다.

또, 에어튜브(7)의 길이(l₂)만큼 전색물(9)의 전색길이를 짧게 함으로써 발파시 전석의 발생을 크게 감소시켜 주는 것을 특징으로 하는 것이다.

한편, 본 발명에서 투사면적이 증가하면 전압력이 증가하는 것에 대한 관련수식으로서, 장약공과 관련된이다.

(여기에서, B:저항선, A:투사면적, Ca:암석계수, R:장약실 주변장이다.)

예를 들어, 공경 75㎜, 천공장이 9m인 경우에 있어서, 장약장이 6m, 전색장 3m인 종래기술의 일반발파와, 장약장이 6m, 에어튜브장 2.5m, 전색장 0.5m인 본 발명의 에어튜브에 의한 발파시 각각의 전압력을 계산하면 다음과 같다.

종래의 발파시 투사면적은 A₁= 600㎝ × 7.5㎝ = 4,500㎠이고, 에어튜브에 의한 발파시 투사면적은 A₂= 850㎝ × 7.5㎝ = 6,375㎠로서 만일 폭약이 폭발할 때 작용압력(p)을 6,000㎏/㎠이라고 하면, 종래 일반발파에 의한 전압력은 P₁= A₁·p = 4,500㎠ × 6,000㎏/㎠ = 27,000,000㎏ = 27,000ton이며, 본 발명의 에어튜브 발파에 의한 전압력은 P₂= A₂× p = 6,375㎠ × 6,000㎏/㎠ = 38,250,000㎏ = 38,250ton 으로서, 이 2개의 압력차 P₂- P₁= 38,250ton - 27,000ton으로 에어튜브 이용시 전압력이 약 42% 증가하게 된다.

여기에서, 에어튜브(7)를 사용하는 가장 주된 이유는 장약공(2)내에서 인위적인 소자유면(f)을 형성시켜 암반의 파괴를 용이하게 하고, 발파진동을 제어하는데 있으며, 발파되어지는 암반의 성질에 따른 에어튜브의 체적, 즉 공기량을 정량적으로 조정하여 사용할 수 있도록 하기 위함이며, 또한 자유면의 증가와 동시에 자유면(F) 가까이 폭약(5)을 장전시켜 폭발시킴에 따라 암반을 파괴하기 위한 폭약의 사용량이 많이 소요되지 않으므로, 즉 체적당 장약량을 감소시킬 수 있게 됨에 따라 발파시 발생하는 진동 및 폭음의 감쇠효과를 더욱 높혀 주게 하기 위해서이다.

상기 장약공(2)내에 끼워지는 에어튜브(7)는 그 재질이 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르 또는 폴리아미드중 어느 하나의 합성수지제의 재질로 제작되어지며, 소정의 두께 및 길이로 선단부에 2개의 시트상의 공기주입구가 형성되어 제작된 것으로 그 제작비용이 저렴하여 발파비용을 절감시켜 주게 된다.

상기 에어튜브(7)의 길이는 순폭이 가능한 범위로써 10∼300㎝의 길이를 가지는 것이 바람직하며, 튜브의 두께, 직경(5㎜∼160㎜)은 다양하게 변경하여 실시할 수 있다.

상기의 에어튜브 선단부의 2개의 시트상으로 이루어진 공기주입구를 통하여 공기를 주입시키면 원통형으로 부풀어서 시트가 밀착되어 밀폐된 후 장약공내에 끼워지게 되는데, 이 에어튜브는 공기주입 및 천공구멍내 삽입작업등 취급이 용이한 장점을 갖고 있다. 그리고 에어튜브는 기계적인 대량생산이 가능하므로 가격의 저가성, 제작의 편리성, 사용상의 범용성이 확보될 수 있다.

이와 같은 에어튜브(7)는 공기가 주입된 상태에서의 직경이 장약공(2)의 직경에 비하여 최소한 같거나 작게 형성되어 장약공내에 끼우기가 용이하며, 그 상부에 놓이는 폭약(5) 및 전색물(9)의 중량에 의하여 천공구멍의 내측벽에 밀착되어진다.

한편, 본 발명에서 사용되는 폭약(5)은 일반발파 작업에서 사용되는 화약류가 가능하며, 이때 사용되는 뇌관(4)의 종류는 시차를 갖고 있는 전기 및 비전기식 뇌관 중 어느 것을 사용하여도 가능하며, 뇌관의 시차 단수는 에어튜브(7)와 폭약 (5)이 교대로 층상으로 장약되는 발파공에서는 가능한 폭넓게 단차를 두는 것이 바람직하다.

한편, 도5c 내지 도5e의 도시는 폭약(5)과 에어튜브(7)의 공기층이 교대로 층상으로 장전되는 층상장약으로 이루어지는 장약공(2)은 뇌관(4)이 최하단의 폭약(5)에만 1개가 장전되어 순폭을 이용하여 발파시키는 발파방법의 예이다.

이 순폭은 폭약사이의 간격과 폭약의 약경에 의하여 정해지는데, 일반적인 폭약의 순폭도는 순폭도(n)=S/d (여기에서, S:최대거리(㎜), d:약포지름(㎜)임)로 공기 속에서는 n 값이 2.5배이나, 공내에서는 n 값이 훨씬 높아져서 현장에서 실험한 결과, 공경 45㎜∼165㎜의 공내에서 32㎜∼50㎜ 약경의 폭약은 50㎝∼100㎝이상으로 나타나 n 값이 10∼16배까지 가능하며, 이에 따라 에어튜브의 길이(l₂)는 10∼300㎝까지 가능하도록 공기 층상을 구성할 수 있다.

상기 장약공(2)내에 폭약(5)과 에어튜브(7)의 공기층이 교대로 층상배열 형태로 이루어지면, 즉 도5c 내지 도5e의 도시와 같이, 폭약(5)과 폭약(5)사이에 에어튜브(7)가 놓이게 되면 밀폐된 공내 소자유면(f)에서는 폭약사이의 간격이 많이 떨어져도 폭약 폭발시 순폭을 이용하여 인접폭약이 연속적으로 폭발되어지므로 폭약(5)마다 뇌관(4)을 장전하지 않아도, 즉 추가적으로 뇌관이 소요되지 않는 장점이 있어 이에 따라 발파비용을 절감시킬 수 있게 된다.

한편, 전색물(9)은 통상 모래를 담아 놓은 모래포대로서, 폭약(5)이 장전된 장약공(2)의 입구를 밀폐시켜 폭약(5)이 기폭될 때의 폭발력이 암반파괴에 효과적으로 작용토록 하기 위해서이며, 또한 폭발시 발생되는 가스압과 소음을 외부로 나오는 것을 막아주게 된다.

이 전색물(9)의 길이는 공경에 직접적으로 관계되는데, 외국의 실험사례에서 공경 25㎜, 50㎜, 70㎜에 대해 전색물(9)의 길이는 각각 18㎝, 45㎝, 50㎝가 필요하다는 근거에 의거 정해지나, 일반 발파시의 전색물(9)의 길이에 비하여 본 발명의 에어튜브발파에서의 전색물(9)의 길이는 그보다 짧게 정해질 수 있다.

한편, 천공작업시 직경 75㎜의 천공구멍 20개공을 천공하는 경우, 이 천공기의 비트가 닳아져서 직경이 65㎜의 직경으로까지 작아짐에 따라 장약공의 체적이 작아져서, 이에 따라 전색물(9)의 길이도 달라지게 되는데, 전색물(9)의 길이가 일정하지 않으면 발파후 암반의 파쇄도가 일정하지 않게 되므로, 본 발명은 이 전색물(9)의 길이 차이를 극복할 수 있는 방법으로 에어튜브의 길이, 즉 에어튜브의 체적량을 정량적으로 조절함으로써 가능하게 된다.

한편, 도5c에서 도시하는 바와 같이, 장약공내에 끼워진 최상측의 에어튜브 (7) 상부에 고무마개(8)(rubber plug)를 끼워 밀폐시킬 수 있는데, 이 고무마개(8)는 폭발시 발생하는 폭음을 차단하기 위한 것으로, 소음을 감소시켜 주는 기능을 하게 된다.

이하 에어튜브를 장약공내에 삽입하여 발파하는 본발명의 실시예에 대하여 설명한다.

도5a, 도5d, 도5e에서 도시하는 바와 같이, 본 발명은 터널에서 심발공(2a) (2b), 심발확대공(2c), 바닥공(2d)과 천반공(2e)등의 외곽공을 발파시키는 발파방법에 있어서, 발파하고자 하는 천공구멍내에 일정 길이의 에어튜브(air tube)를 심발공과 심발확대공내에 폭약(5)의 최하부, 폭약(5)의 최상부 또는 폭약(5)과 폭약 (5)사이에 층상으로 삽입하여 종전의 폭약위치가 에어튜브(air tube)에 의해 변형된 위치에 놓여지고, 뇌관은 가능한 종래의 일반발파와 같은 위치나 정기폭 위치에 놓고 전색을 하여 종래의 터널발파와 동일하게 일반발파기, 다단발파기 및 비전기식 발파기를 활용하여 발파자가 원하는 뇌관시차를 택하여 기폭되게 함으로써 천공구멍내에서 변형된 발파가 이루어지도록 하였다.

심발공(2a)(2b)은 도5a에서 도시하는 바와 같이, 브이커트 형태로 이루어지거나, 도5b 및 도5c에서 도시하는 바와 같이, 번커트 형태로 이루어져서 천공장이 예정굴착선인 진행장과 같거나, 진행장보다 길게 천공하여 심발공(2a)(2b)의 공저에 먼저 에어튜브(7)를 끼운 실시예이다.

이 실시예들은 상기 심발공(2a)(2b)내에서의 천공장을 일반발파시의 천공장 (H)보다도 공저를 추가 천공하여 진행장(AD)보다도 더 깊은 곳에 에어튜브를 끼우게 하여 장약공내에서 선자유면(u₁)을 확보한 상태에서 발파시킴으로써 심빼기에서 가장 크게 발생하는 초기진동을 감소시켜 주기 위함이다.

한편, 도5c는 이들 천공 구멍부분에 에어튜브(7)와 폭약(5)을 서로 층상으로 장착시켜 폭약(5) 상부에 에어튜브 및 고무마개(8)를 설치한 층상장약의 장전상태를 나타내는 실시예이며, 도5d는 심발확대공(2c)·바닥공(2d)과, 도5e는 천반공 (2e) 및 측벽공의 폭약(5) 상부에 에어튜브(7)를 교대로 설치한 층상장약의 장전상태를 나타내는 실시예들의 도면들로서 이들 실시예들은 발파진동을 감쇠시키고, 폭음을 저감시켜 주는 발파방법들이다.

또, 도5c 내지 도5e는 폭약의 순폭을 이용하여 연속적으로 미세한 차이를 두고 층상장약을 발파시키게 하는 실시예들로서, 종래기술에 비하여 본발명의 에어튜브를 층상으로 삽입하여 발파하는 경우, 폭약의 순폭을 이용하기 때문에 단지 뇌관이 1개만이 사용되고, 도폭선 사용이 필요하지 않아 발파 소요비용을 상당히 절감시켜 주며, 또한 도폭선 사용으로 인한 폭음 공해와 위험을 감소시켜 안전하고 저폭음의 발파가 가능하다.

특히, 종래의 발파에서 천반공(2e)에 이용되고 있는 정밀폭약(6)은 고가이고 폭발력이 떨어져 불발이 되는 등의 안전성 문제를 갖고 있었으나, 본 발명의 에어튜브를 이용한 발파에서는 천반공과 측벽공에 카트리지 폭약이 폭약과 호상으로 층상 장약됨에 따라 경제적 이익은 물론이고, 폭약폭발후 불발로 인한 안정성 문제도 해결하여 준다.

상기와 같이 에어튜브(7)를 이용하여 뇌관(4), 폭약(5) 또는 고무마개(8)를 장전시키는 장약방법은 다양하게 변형되어 실시할 수 있는데, 예를 들어 도5e에서 도시하는 바와 같이, 천반공과 측벽공의 경우는 종래의 터널발파에서 적용되고 있는 정밀폭약(6) 대신에 심발공(2a)(2b)이나 심발확대공(2c)에 적용되는 카트리지 폭약(5)이나 ANFO폭약을 소정길이의 에어튜브와 호상으로 장착시킨 상태를 나타내고 있다.

이는 인접 장약공간에 에어튜브(7) 및 폭약(5)의 위치가 서로 엇갈려 장약되어진 상태를 나타내는데, 특히 천반공과 측벽공에서 인접 장약공간에 서로 폭약(5)과 에어튜브(7)가 교차 장착되도록 하여 인접공 사이에서 인공의 소자유면을 엇갈리게 함으로써 인접 장약공의 자유면이 최대한 활용할 수 있도록 하여 발파효과를 높혀 주기 위한 것이다.

또한, 도시하지는 않았으나, 심발공의 중앙부에 무장약공 또는 베이비커트를 천공하여 인위적인 또 다른 선(先)자유면을 확보하면서 발파시킬 수도 있으며, 이에 따라 더욱 더 발파진동의 감소와 심빼기가 효율적으로 이루어지는 효과가 있다.

이는 발파시 무장약공과 에어튜브의 내부 자유면이 확대형성됨으로 인하여 진동감소효과가 더욱 확대되기 때문이다.

상기와 같이, 천공형태와 관계없이 에어튜브를 사용하여 장약공을 장전시키는 유사한 것들은 본 발명의 범주에 속하는 것임을 밝혀 둔다.

따라서, 본 발명은 종래의 발파방법과 달리 에어튜브를 심발공의 공저와 주변 장약공내에 쉽게 장착하여, 공내 소자유면(f)을 형성시키고, 투사면적을 증가시킴으로써 종래의 터널발파에서 심발공에서 크게 발생한 진동과 폭음을 크게 감소시켜 진동 및 폭음 증가로 인한 주변가옥의 물리적 피해를 해결할 수 있으며, 따라서 시공원가를 절약할 수 있는 발파공법이다.

이하 에어튜브를 장약공내에 삽입하여 발파하는 본발명의 실시예 및 기존의 발파방법에 의한 비교예를 통하여 본발명을 좀 더 구체적으로 살펴 보지만 하기예에 본발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.

먼저 에어튜브의 발파방법에 대한 실시예로서, 도5a∼도5e의 도시와 같은 장약방법의 형태로 하기 표1에 나타낸 실시예와 같이 천공한 다음, 폭약(5) 및 에어튜브(7)를 장전한 후, 전색물(9)로 전색시킨 다음, 뇌관을 기폭시켜 발파하였다.

이 실시예에 대비되는 비교예로서, 도2a∼도2d의 장약방법과 같은 일반발파 형태로 하기 표1에 나타낸 비교예와 같이 천공한 다음, 폭약(5)을 장전하여 전색물 (9)로 전색시킨 후 발파하였다.

실시예 및 비교예

구분	단면적(㎡)	천공장(m)	진행장(m)	천공경(㎜)	총장약량(㎏)	체적당장약량(㎏/㎥)	사용뇌관(m)	뇌관수(개)
실시예	80	3.5	2.8	45	296.25	1.32	MS전기뇌관	135
비교예	80	3.5	2.5	45	318.75	1.59	MS전기뇌관	135

표1에 기재된 실시예와 같이 본발명은 장약공들내에 에어튜브를 적어도 1개층이상 장착시킨 에어튜브발파와, 비교예의 종래기술에 따른 일반 터널발파방법에 따른 진동 및 폭음 계측결과를 각각 비교하여 그 결과를 하기 표2에 나타내었다.

발파계측결과 대비

구분	진동 (㎝/sec)	폭음(dB)
	300m	400m	500m	600m	300m	400m	500m	600m
실시예	1.41	1.04	0.43	0.432	311	301	286	256
비교예	4.75	1.24	0.41	0.55	318	302	291	263

여기에서, 발파진동 측정시 폭원과 측점간의 거리는 300m∼600m이며, 최대 체적당 장약량은 종래 1.59㎏/㎥에서 1.32㎏/㎥으로써 장약량을 약 17%정도 줄일 수 있었으며, 한편 에어튜브발파에 따른 진동속도의 크기는 0.43∼1.41㎝/sec로써 전체적으로 일반 발파의 진동속도 0.41∼4.75㎝/sec보다는 20∼39%정도 진동감소를 나타내고 있다.

또한, 폭음은 256∼311㏈로서 일반발파 263∼318㏈보다는 7㏈정도 감쇠시킴을 알 수 있다.

종래의 일반 터널발파와 본 발명의 에어튜브 터널발파의 결과 비교

구분	종래의 터널발파	본발명의 에어튜브 터널발파
천공형태	터널발파의 천공간격과 저항선	터널발파의 천공간격과 저항선
발파조건	천공수	종래 터널발파의 공수와 동일	종래 터널발파의 공수와 동일
	지발당장약량	종래 터널발파 장약량과 동일	종래 터널발파보다 10∼20% 감소
	체적당장약량	1.59㎏/㎥	1.32㎏/㎥ (17%감소)
	에어튜브길이	없음	천공장에 대한 일정길이(최소 0.1∼3.0ｍ)
	뇌관수	종래의 발파와 동일	종래의 발파와 동일 또는 감소
계측결과	진 동	일정크기	20∼39% 감소
	폭 음	일정크기	7㏈ 감소
측정거리	진행장	천공장의 80∼90%	90∼100%
	천반공과측벽공	요철이 발생한다.	평활한 벽면

따라서, 이들 측정데이타들로부터 일반발파의 진동크기보다 본발명의 에어튜브발파가 진동이 크게 감소함을 알 수 있고, 암반의 파쇄도가 양호하며 전석의 발생량도 감소됨을 알 수 있다.

이때, 측정횟수별 진동 측정치의 상대적인 크기의 차이는 폭원으로부터의 거리, 지발당 장약량 외에도 자유면과 측정위치 및 현지 암반조건에 기인한 것으로 추정된다.

한편, 폭음의 크기는 고무마개(8)를 설치하지 않으면 증가하나, 폭음도 고무마개(8)를 설치한 후에는 일반발파에서 5dB∼7dB정도 감소하기 때문에 도심지에서 발파할 때는 폭음감소를 위해 에어튜브의 최상부에 고무마개(8)를 삽입하는 것이 바람직하다.

본 발명의 에어튜브발파는 장약공(2)내 에어튜브가 끼워져 인공의 소자유면 (f)을 형성시킴으로써 진동감소의 효과와 에어튜브 장착으로 인한 자유면(F)쪽으로 폭약의 폭발길이의 증가로 전석의 발생을 크게 감소시켜 발파효과를 증대시킬 뿐만 아니라, 폭약량을 최소한 17%정도 감소시켜도 감소시키기 전의 발파효과보다 우수하여 발파진동의 제어에 훌륭한 발파방법이고, 또한 전석의 발생을 최대한 줄일 수 있는 방법임을 입증할 수 있었다.

또한, 본발명은 일반적인 터널발파의 천공상태를 전혀 변경시키지 않고 적용 가능하여 폭약의 폭발력을 공내에서 최대한 분산기폭시켜 발파함으로써 발파진동을 최대한 제어할 수 있으며, 장약장이 증가함에 따라 전석의 발생을 최대한 줄일 수 있다. 따라서 종래의 터널발파방법보다 경제적인 발파방법임을 명확히 알 수 있다.

종래의 터널발파 방법과 본 발명의 에어튜브 터널발파 방법의 장단점

구분	종래의 터널발파	본 발명의 에어튜브 터널발파
장점	·장약방법이 본발명보다 약간 쉽다.	·진동이 약 20∼40% 감소한다.·소음이 5∼7dB 감소한다.·천반공과 측벽공에 정밀폭약을 사용할필요가 없다·천반공과 측벽공 벽면이 평활하다.·천공간격과 저항선을 넓힐 수 있다.·진행장이 약10% 증가한다.·체적당 폭약량을 17% 감소시킬 수 있고,뇌관 및 폭약 비용의 절감효과가 있다.·전색물 비용을 절감할 수 있다.
단점	·진동, 소음 조절이 어렵다.·파단면부는 정밀폭약을 사용한다.(고가이다.)·발파후 천반공과 측벽공 주변의암반 요철이 심하다.·폭약을 많이 사용한다.·여굴이 발생할 우려가 있다.	·에어튜브 제작초기에 경비가 든다.(다량 제작시 전혀 경제적 손실없음)

상기와 같은 본발명은 터널발파에 있어서, 장약공들내에 일정길이의 에어튜브를 적어도 1개층이상 삽입시켜 인공의 소자유면을 형성함으로써, 첫째, 심발공의 길이를 기타 장약공의 길이보다 에어튜브 장착을 위한 길이만큼 선천공하여 이 부분에 에어튜브를 장착하여 선자유면을 형성함으로써 심발공에서 발생하는 초기진동 및 폭음을 최대한 억제하며, 또한 심발공의 진행장도 크게 할 수 있는 발파효과가 있다.

둘째, 폭약폭발시 폭발력이 암반에 닿게 하는 면적(=비표면적)을 증가시키게 되고, 공기층의 추가 자유면이 확보됨과 동시에, 자유면 가까이 장전되는 관계로 종래의 터널 발파방법보다 폭약의 체적당 사용량을 줄일 수 있어, 폭약량을 감소시켜도 쉽게 암반 파쇄가 가능하여 체적당 폭약량 감소와 더불어 총 사용 폭약량도 감소시킬 수 있다.

즉, 본발명은 에어튜브가 폭약이 폭발할 때, 투사면적을 증가시키는 효과 때문에 감소된 폭약량으로도 폭약이 암반파쇄에만 폭발에너지가 충분히 작용함에 따라 진동과 폭음이 감소하게 되는 것이며, 특히 터널발파에서의 총 사용 폭약량을 감소시킬 수 있어 터널발파의 진동과 폭음을 크게 감소시키는 효과를 얻을 수 있다.

셋째, 폭약의 폭발길이를 확대시킴과 동시에 폭약이 자유면에 가깝게 장약되어 비표면적을 증가시켜 폭약의 폭발력이 장약공내에서 자유면으로 분산되어 발파진동 및 폭음을 감쇠시켜 주는 효과가 있다.

넷째, 장약공내에서 폭약이 복수개로 장전되는 층상장약의 형태로 이루어진 경우, 폭약이 갖고 있는 순폭도를 이용하면 폭약이 미세한 시차를 두고 연속적으로 폭발되게 함으로써 발파진동을 분산시킬 수 있으며, 또한 장약공내에서 에어튜브 또는 폭약의 상측에 고무마개를 끼워 밀폐시킴으로써 폭음을 차단시켜 소음도 감쇠시키는 효과가 있다.

다섯째, 장약공내에서 에어튜브에 의해 장전된 폭약의 폭발길이가 확대됨으로써 폭발시 자유면쪽으로의 투사면적이 확대되어 전압력을 증가시켜 폭발력이 암반의 파쇄에만 작용하도록 하여 암반파괴가 용이하게 이루어지는 발파효과가 있다.

또한, 천반공과 측벽공에 고가인 정밀폭약(6) 대신 염가의 일반 카트리지 폭약(5)을 에어튜브(air tube)와 호상으로 층상 장약함으로써 종래의 터널 발파에서 발생하는 정밀폭약(6)의 불폭으로 인한 발파작업의 안정성의 문제와 여굴의 발생을 없애고 평활한 벽면을 형성시킬 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본발명은 암반발파시 장약공내에 일정길이의 공기주머니인 에어튜브를 적어도 1개층이상 끼움으로써, 심발공의 공저에 선자유면을 확보하고, 기타의 장약공에는 인공의 소자유면을 갖는 공기층을 형성하여, 폭발시의 비표면적을 증가시켜 폭발력을 장약공내의 주변암반에 골고루 분산되게 하여 발파진동 및 폭음을 감쇠시킬 뿐만 아니라, 폭발시 자유면쪽의 암반에 투사면적이 확대되어 전압력을 증가시켜 암반을 파괴시킴으로써 암반발파시에 소요되는 폭약 사용량을 감소시켜 주는 유용한 발명이다.

Claims (7)

1. 터널을 굴착하고자 하는 막장면에 소정깊이 및 소정배열로 수평 또는 경사의 구멍들을 천공하여 심발공(2a)(2b), 심발확대공(2c), 바닥공(2d) 및 천반공(2e)의 천공구멍들을 형성한 후, 이 천공된 구멍내에 지발뇌관(4) 및 폭약(5)들을 장전하여 장약공(2)들을 형성하고, 이 장약공들의 입구를 전색물(9)로 전색시킨 다음, 발파기로 뇌관을 기폭시킴으로써 암반을 굴착하는 터널발파공법에 있어서, 상기 장약공(2)들내에 소정길이의 에어튜브(7)를 적어도 1개층이상 끼워 인공의 자유면을 갖는 공기층을 형성함으로써 폭발시 자유면(F)쪽의 암반에 작용하는 투사면적의 확대로 전압력을 증가시켜 암반의 파쇄도를 높이고 발파진동을 감소시키도록 한 것을 특징으로 하는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 심발공(2a)(2b)내 공저를 추가 천공하여 진행장보다도 더 깊은 곳에 에어튜브(7)가 끼워져 에어튜브의 길이만큼 공내 선자유면(u₁)을 형성시키고 전색길이를 짧게 함으로써, 폭약의 위치가 자유면(F)에 가깝게 장전되어, 폭발시 공저의 에어튜브의 선자유면(u₁)과 자유면(F)쪽으로 발파진동을 분산시키면서 발파됨을 특징으로 하는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 장약공(2)내에 폭약(5)과 에어튜브(7)의 공기층이 교대로 층상배열 형태로 장전되어서 발파됨을 특징으로 하는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법.
4. 제3항에 있어서, 상기 장약공(2)내에 폭약(5)과 에어튜브(7)의 공기층이 교대로 장전된 층상배열 형태에는 지발뇌관(4)이 1개만이 장전됨으로써 폭약의 순폭을 이용하여 발파됨을 특징으로 하는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 장약공(2)내에 끼워진 최상측의 에어튜브(7) 상부에 고무마개(8)로 밀폐되어 소음을 감소시키면서 발파됨을 특징으로 하는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 에어튜브(7)는 그 직경이 장약공(2)의 직경에 비하여 최소한 같거나 작게 형성된 것을 장약공(2)들내에 끼워 발파시킴을 특징으로 하는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법.
7. 제1항 내지 제6항중 어느 한항에 있어서, 상기 장약공(2)들내에 끼워지는 에어튜브(7)는 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리에스테르 또는 폴리아미드중 어느 하나의 재질로 제작된 것을 사용하여 발파됨을 특징으로 하는 에어튜브를 이용한 진동 및 폭음제어 터널발파방법.