KR20020024108A - 터널 심빼기(Center-cut)의 반타원형(half elliptical)발파공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건설토목 분야인 터널공사 발파시 심빼기(Center-cut) 발파공법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 터널 전단면 전체 또는 상부반단면 발파시 터널 중앙 부분에 반타원형(half elliptical) 모양을 설정하고 좌우 천공간격은 일정하게 하고 다만 상하 천공간격을 반타원형 모양으로 확대천공 하여 발파 하므로서 소음과 진동의 환경공해를 제어하는 반타원형 심빼기(쇄기형)발파 공법이다, 이를 위하여 본 발명은 반타원형의 윗 부위인 곡선 부분을 따라 10공(孔) 천공하고 아래부위 수평선 으로는 12공 천공하되 브이-컷트(V-cut:쇄기형)로하며 공저간(孔底間)의 저항선(burden)은 천공장에 따라 점보드릴-로드(Jumbo Drill-rod)의 천공각도 조절로 가능하며 뇌관배열시 시차(interval)를 이용한 2자유면(自由面) 이상의 형성을 예상 배열하고 장약량은 천공장과 공간격에 따라 근소한 차이로 장약하여 소음과 진동을 제어발파(Cautious Blasting)하는 본 발명은 확대 천공한 공저간 공과 공의 상하좌우 암반이 파쇄 혹은 최소한의 균열을 유도하고 시차에 의한 계속적인 확대발파에 의해 균열과 파쇄로 인한 암석이 수직 전단면인 터널 구조상 암석의 하중으로 인하여 낙하 하게 되고 낙하한 암석은 하단의 발파부분을 덮어 소음과 진동을 감소 시키는 자연적인 역할을 하게 하는 공법으로 현재까지 사용되어온 복잡 다단한 공법에 비해 간편하고 단축된 천공과 장약 시간이며 원가절감과 생산량(m3)의 만족도등은 기존 심빼기 발파공법에서 사뭇 다른 발상의 전환으로 효율을 극대화하고 소음과 진동의 환경공해를 최소화 한공법인 것이 특징이다.

Description

터널 심빼기(Center-cut)의 반타원형(half elliptical) 발파공법{The system of blasting the half elliptical on the center cut for Tunnel.}

본 발명은 건설토목 분야인 터널공사 발파시 심빼기 발파공법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 터널 전단면 전체 혹은 상부반단면 발파시 전단면 중앙부분에 반타원형(half elliptical) 의 모양을 설정하고 좌우 공간격은 일정하되 상하 공간격은 반 타원형의 좁은 외쪽에서 가운데 중앙으로 점차 확대 천공하여 집중장약을 원천적으로 배재한 심빼기(Center-cut} 발파 공법으로서 소음과 진동의 환경공해를 최소화한 반타원형(half elliptical) 심빼기 발파공법에 관한 것이다.

일반적으로 터널의 심빼기 발파공법은 전단면 1자유면에서 심빼기 발파의 성공 여부가 확대발파로 미치는 영향이 지대하므로 그 중요성을 감안하여 암반 상태에 따라 브이-컷트(V-cut)공법이나 번-컷트(Bern-cut)공법을 사용하는 방법, 또는 브이-컷트와 번-컷트를 혼합한 공법등을 사용하는 방법, 또는 심발공 중앙부위에 무장약공 102mm 대공을 천공하여 자유면 활용과 저항력 감소로 효율 증진을 유도 하는 공법, 원활한 발파를 달성하기 위하여 여러개의 무장약공을 심발공(cut hole) 주변에 천공하여 발파하는 공법, 한공에 2중 3중 분산장약(deck charge) 하는 공법등 다양한 공법으로 진동과 소음을 최소화 하고자 하나 이렇게 최소화 하자니 복잡 다단한 천공과 장약등으로 그에 따른 시간 및 인건비 손실이 따르게 마련이다. 또한 V.C-Cut(Large Hole Cylinder) 발파공법의 경우에도 주변공 공간격을 1/2로 좁혀서 천공하여 심발부의 장약량이 전체 장약량에 비해 약 70% 더 장약 하여 심발부 발파를 용이하게 하므로서 발파효과는 지대하나 발파진동은 확대공 발파보다 25%정도 더 높게 나타나는게 보통이다 이와같이 여러 종류의 공법을 사용하고 있으나 심빼기 발파에서 가장 소음과 진동이 높게 나오는 원인은 1자유면인 터널전단면 심빼기 발파에서 성공적으로 암석 파쇄가 이루어저야 확대발파로 무난히 목적을 달성할수 있기 때문에 대부분 심발부에 밀집 천공과 집중장약을 하므로 해서 부득이 심발부분에서 가장 높은 소음과 진동의 환경공해를 유발하는 것이다.

그일례로서 도 18에서와 같이 (1999년 고려화약 기술자료집 116p) 2차선 도로터널 전단면 심빼기 페턴 단면도를 보면 무장약공 외 심발조공(cut eraser holes)이 하단중앙부분에 집중되어 있음을 볼수 있으며 도 19의 경우 (대구 광역시 발주공사)강금동-덤티 고개간 2차선 도로 터널 전단면 페턴도 가운데에 집중된 심발공(cut hole)과 심발조공 들을 볼 수 있다. 도 20은 (발파공항 68p) 김홍수박사 저술 문헌으로서 (1),(2),(3),(4)등의 페턴은 무장약공등 각기 다른 천공방법을 도시하고 있으나 심발부위는 역시 밀집되어 있다. 도 21의 부산광역시 발주 (수정산 도로 집진터널) 공사 상부전단면 심빼기 페턴도엔 가운데 2개의 102mm 무장약공을 자유면으로 이용한 밀집한 심발조공 들을 볼수 있으며 도 22는 (1999년 발파기술쎄미나 한국암반학회 발파기술 분과위원회지의 94p)에 의한 시험발파 페턴으로서 여러개의 밀집된 무장약공을 이용한 다단 연속발파 공법이나 삼발조공들의 일정한 천공간격등은 종래 기존 발파페턴과 동일하다. 도 23과 도 24는 원기술에서 편역한 (새로운 기술발파 367p와 366p) 발파 페턴으로 최근 일본에서 실시한 예이며 심빼기 발파의 심발공과 심발조공들 역시 집중되어 있음을 알수 있으며 도 25 (새로운기술발파) 패턴엔 심발조공의 밀집현상 외 무장약공 102mm 2공을 자유면으로 이용 했음을 알수 있으며 도 26 (발파공학 72p 김홍수박사 저서) 패턴도 브이-컷트 집중심발 발파임을 알수 있고 그아래 (화약기술사문제해설 기술사 이상돈저서 126p)의 페턴은 무장약공을 가운데 천공하고 4다단 발파로 뇌관시차를 이용한 패턴 으로서 도 27(지반굴착공학 정현철 저서)의 심빼기 발파와 같으며 다단발파가 아닌점을 제하고는 심빼기 부분에 집중발파를 거의 모든 페턴에서 사용하고 있음을 도 18 내지 도27에서 보아 알수 있듯이 현제 우리나라 지하철 및 도로터널 기타 터널 거의가 위에 열거한 공법중 택일하여 공사가 완공되었거나 진행중이며 굴착 기간중 암질 변형이 생기거나 기타 공사작업중 발파진동으로 인한 민원이 유발함에 따라 설계 및 페턴변경을 어쩔수 없이 하게되며 이에 따라서 진동과 소음을 최소화 하기 위한방법으로 심발 부위에 여러 형태의 천공과 장약방법을 현재까지 행하고 있으나 결과적으로 심발부위 에서만 맴돌고 있는 심빼기 발파공법 이며 따라서 지금 까지의 공법들은 과밀 과장약 등으로 소음진동 규제법에 의한 소음진동 허용 기준치 근접으로 말미암아 민원상의 문제를 야기하고 있는바 상기 열거한 심빼기 발파의 공법은 진동레벨(db:decibel)과 진동속도(cm/sec:Kine)의 용어에 의한 125dB 5.0cm/sec Kine 까지 허용 기준치(최신발파기술163p)로 하고 있는 미국 및 독일과 유럽등에서 허용하고 있는 0.5-1.0cm/sec Kine (최신발파기술163p) 은 주파수 대열별, 건축재료의 특성, 건물의 경과년수, 구조물 기초지반의 특성등을 고려한 사항에 준하고 있으나 이와는 달리 구조물 특성에만 기준한 국내에서는 0.5cm/sec Kine 과 75dB (노동부고시 94-26호) 로 허용하고 있으며 서울과 부산지하철 본부의 허용 기준치도 노동부 고시와 동일하며 한국 KAIST 추천 허용치로 는 0.3cm/sec Kine(최신발파기술 163p) 이하로 고시하고 있다 이러한 허가 기준치를 국내의 화약발파 허가 여건에도 0.3cm/sec Kine 과 75dB 이하로 권고하고 있으며 이는 소음과 진동으로 야기되는 민원상의 문제를 사전 예방하고 안전을 고려한 조치라고 보며 직접적인 공사업체 에서는 이보다 더 낮은 0.2cm/sec Kine 이하로 제한하고 있으며 이는 민원발생시 지급되는 비용보다 절약의 효과가 더있기 때문인 것이다. 이러한 상황을 고려할 때 현재 국내외에서 사용하고 있는 심빼기 공법은 소음과 진동의 환경공해를 국내 모든 발파와 관련되는 민원으로 부터 실직적으로 자유롭지 못하는 많은 문제점을 발생케 하고 있는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위하여 가장 예민하게 대립하는 민원 문제로부터 자유롭기 위한 소음과 진동의 환경공해를 최소화 하는 새로운 발상의 전환이 필요 하다고 보아 종래의 밀집된 심발부의 천공간격을 획기적으로 확대천공 {도 2의 (10)} 하여 집중장약을 원천적으로 배재하여 소음과 진동의 환경공해를 최소화 하는데 목적이 있는 것이다.

이와같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 종래의 심빼기 천공시 심발부{도 3의 (가)} 밀집 천공을 확대천공으로 하는 방법, 또한 집중장약량을 확대공량(표 1과 표 2)의 장약으로 전환하여 근소한 차이로 가감 장약하는 방법, 코넬 MS, LP 전기뇌관 배열의 시차효율(도 10과 도 11)을 가미한 자유면 활용의 기술적인 배열 방법, 일반적으로 한번 발파는 소리와 함께 종료 되지만 실지 그과정에서 일반적으로 느끼지 못하는 세분화된 부분 연속발파{도 1와 (가)(나)(다)(라)}로 발파된 부분의 소음과 진동을 시차적으로 발파하는 계속적인 후속발파{도 4의(나)} {도 5의{다)}{도 6의(라)} 에서 소음과 진동을 제어하는 방법등으로 이루러 진 것이 특징이다.

도 1은 본 발명의 터널발파 전채를 집약한 패턴(pattern) 단면도

도 2는 본 발명에 따른 표준 천공패턴 단면도

도 3은 본 발명에 따른 획심적인 반타원형 심빼기 천공페턴 단면도

도 4내지 도 6은 본 발명에 따른 세분화된 부분별 연속발파 단면도

도 7은 본 발명에 따른 2단자 뇌관배열 단면도

도 8은 본 발명에 따른 코넬 MS 전기뇌관을 배열한 단면도

도 9는 본 발명에 따른 코넬 LP 전기뇌관을 배열한 단면도

도 10은 본 발명의 따른 2단자 발파시차(12ms) 단면도

도 11은 본 발명에 따른 2단자 발파시차(62ms) 단면도

도 12는 본 발명에 따른 2차선 도로 터널을 기준한 천공간격 단면도

도 13은 본 발명에 따른 무장약공 천공 단면도

도 14내지 16은 본 발명에 따른 점보-드릴(Jumbo-Drill) 장비의 터널 천공 측면도

도 17은 본 발명에 따른 터널벽면의 여굴(Over break) 상태를 나타낸 측면도

도 18내지 도 27은 종래의 일반적인 여러형태의 터널 발파페턴 단면도

도 28은 1998년 12월 수정산터널 천공장 1600mm 2단자 천공발파 단면도

도 29는 1998년 12월 수정산터널 천공장 1600mm 2단자 뇌관배열 단면도

도 30은 1998년 12월 수정산터널 천공장 1600mm 2단자 뇌관시차(40ms) 단면도

도 31은 1999년 2월 수정산터널 천공장 2200mm 2단자 천공발파 단면도

도 32는 1999년 2월 수정산터널 천공장 2200mm 2단자 뇌관배열 단면도

도 33은 1999년 2월 수정산터널 천공장 2200mm 2단자 뇌관시차(12ms) 단면도

도 34는 1999년 3월 수정산터널 천공장 2600mm 2단자 천공발파 단면도

도 35는 1999년 3월 수정산터널 천공장 2600mm 2단자 뇌관배열 단면도

도 36은 1999년 3월 수정산터널 천공장 2600mm 2단자 뇌관배열(12ms) 단면도

이하 첨부된 도면에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

도1은 본발명에 따른 터널발파 전체를 집약한 페턴으로 도2부터 세부적으로 더욱상세하게 설명하자면 도 2는 본 발명에 따른 표준 천공 단면도로서 일반 2차선 도로터널을 기준하여 도시한 페턴(Pattern)으로 반타원형(half elliptcal) 심빼기 발파의 심발공들은(합22공) 도 2의 (10)과 같이 상부반단면 중앙 가운데 부분이 반타원형(14) 모양으로 확대천공 되어 있음을 볼 수 있다. 이와같이 본 발명의 천공패턴의 페턴을 그리는 방법이 기존 심빼기 발파 페턴도와는 달리 역순으로 제도하는 것이 종래의 제도 방법과 다르며 천공장과 암질에 따라 천공간격을 조절하되(13)의 공간격은 (11)이나 (12) 공간격보다 약 10%정도 좁혀 천공하며 이렇게 터널외주공(外周孔)부터 차례로 (8),(9),(10)의 순서대로 그린 페턴의 마지막인 (10)이 반타원형 심발공들의 위치가 되며 여기서는 (9)가 심발조공(cut eraser holes) 이라기 보다는 확대발파로 이어지는 확대공 역할을 겸하게 되고 따라서 전체는 연쇄적으로 확대발파가 되는 것이다. 굴진중 때로 터널암질 상태가 극경암이 거나 천공장이 1500mm 이내일 경우와 절리(Joints)가 전무(全無)한 상태일때는 도 13의 도면데로 무장약공 15공 천공하여 심발공들의 암석 파쇄를 도우는 역할을 하게한다.

도 3은 본 발명에 따른 획심적인 반타원형 심빼기 발파공법의 심발 발파 순서를 도시한 것으로 소음과 진동을 최소화하기 위하여 1단자와 2단자로 폭파시 서로 엇갈린 뇌관시차(ms)를 이용하여 각각(1)부터 (6)까지 폭발하도록 하였으며 획기적인 확대 천공으로 밀착천공을 배재하고 집중장약을 확대공량의 장약량으로 하여 발파시 심발부분의 파쇄를 유도하나 심발 각 공들간의 균열을 목적으로 하며 이러한 공들간의 균열된 암석은 도 4와 도 5의 연속적인 확대 발파에서 완전 파쇄로 이루어지며 수직인 전단면 터널 구조상 아래로 낙하 하게 되며 따라서 마지막으로 폭발하는 도 6의 (라)인 하단부분의 소음과 진동을 차단하는 자연스런 역할을 하면서 소음과 진동의 최소화를 하게된다. 도 7은가장 중요한 뇌관배열 방법인바 도 3의(가)인 심발부의 장약랑을 확대공량 {도 2의 (8),(9)} 장약랑과 근소한 차이로장약하므로 암질에 따라 파쇄도 되지만 최소한 균열상태 이상을 목적으로 하는바 전체 암반의 효율적인 발파를 위한 지발당 뇌관조합 수량과 전(前)공과 후(後)공의 위치 배열을 암반의 암질, 강도, 절리, 지하수 흐름등을 고려한 명확한 판단하에 배열해야만 전채 확대 발파에서 적은량의 폭약으로 100%로 효과를 얻게되고 따라서 진동과 폭음도 줄일수 있다, 위의 이러한 발파는 심발부에 폭음과 진동을 줄이기 위아여 장약량을 줄이므로서 발파시 심발부의 암반은 균열상태가 되고 균열된 암석을 효율적인 뇌관배열로 확대발파에서 완전파쇄로 이루기 위한 시차배열(도 7) 방법으로 도 8과 같이 심발부 중심으로 상단에 코넬 MS로 배열하였고 도 9와 같이 하단에는 코넬 LP 뇌관을 배열하였다. 도 10과 도 11은 2단자 뇌관배열 시차도로서 도 7의 배열된 뇌관의 12ms와 62ms의 시차를 도시한 본 발명의 표준 뇌관시차도 이며 이는 암질에 따라 폭음을 줄이기 위하여 단자별(ms) 시차 조절이 절대적이라 할 수 있다. 도 12는 본 발명의 2차선 도로터널 천공장 1500mm내지 3000mm 까지 사용 가능한 천공간격 페턴도로서 천공장이 길어지면 자연 천공간격은 넓어지고 천공수량은 적게 마련이다, 중요한 것은 천공간격은 천공장에 기준하여 암반의 암질, 절리, 강도, 지하수 흐름에 따라 조절하여야 하며 터널 크기와는 관계없으며 항상 점보-드릴 장비의 위치는 터널중앙에 안착시키고 좌우 가운데로 로드만 움직여 빠른 시간내에 도면데로 외주공부터 중앙으로 이동하여 도 3의(1)의 상하 간격이 2000mm에서 마무리 하면 어떤 크기의 터널이든 완전한 발파를 할수있다. 도 13은 암반이 극경암일 경우와 천공장 1500mm 이내일 때는 점보-드릴 장비의 천공시 공저부의 간격이 장비의 작업 구조상 어느 한쪽이 넓어 지므로 천공방법은 도 2와 도 14내지도 16페턴으로 하고 본 발명의 반타원형 심빼기 심발부 가운데 곡선을 따라 300mm 공간격으로 무장약공을 15공 정도 천공하여 발파 하면 심저부의 공간격에 대한 저항선이 짧아지고 자유면 역할을 하므로 효율적인 발파로 이루어진다, 도 14 내지 도 16은 드릴 장비의 터널 천공 측면도로서 (1)에서 (6)으로 이동 하면서 터널 높이가 점차 낮아지고 심저부의 공간격도 좁아지고 있음을 볼수 있는데 이것은 터널의 좌우로 이동해 갈수록 상하폭이 좁아 지므로 간격이 좁아지는 것이다. 따라서 드릴-로드의 작동시 하단부 천공 로드의 위치는 바닥면에서 가능한 500mm의 거리에 유지하고 상단부 작동 로드의 위치는 심저부 천공간격을 조절하여 {도 15의(3)과(4)}와 {도 16의 (5)}의 형태로 천판 벽면에서 각각 500mm간격을 유지하여 천공하면 된다.

도 17은 점보-드릴(Jumbo-Drill) 장비의 터널 천공시 3000mm 이상일 경우는 장비의 구조상 터널벽면의 여굴(Over break)상태가 250mm 이상임을 나타낸 측면도 로서 천공장이 길면 굴진효율은 좋으나 반면 여굴폭의 발생으로 원가 상승폭이 높아지는 단점이 있다. 도17내지 도 27은 각 도면의 내용대로 종래의 각종 터널 심빼기 발파공법을 도시한 페턴을 각 문헌에서 발췌한 것을 첨부한 것이며 도 28 내지 도 36은 부산광역시 건설본부 발주공사인 가야3동과 좌천동을 연결하는 수정산 상하행성 2차선 도로터널 축조공사로서 (주)쌍용건설이 시공하고 단종업체인 (주)유송개발이하도급을 받아 터널발파만 별도로 다시 하청업체로 하여금 진행 하도록한 현장의 여건은 터널길이 2430m 2개 터널로서 직상부의 높이가 15m-40m인 터널위의 주변지역엔 세멘트 브록으로 지은 오래된 주택들이 밀집한 가야3동 지역으로 소음과 진동에 의한 민원 발생은 이미 예상된 지역으로 이를 해결해야 하는 문제와 둘째로하도급에서 다시 하청을 받아하는 업체의 경재적인 흑자공사를 해야만 하는 문제가대두됨에 따라 심각한 딜레마에 직면하게 된 것이다. 터널입구 20m부터 종래의 발파공법으로 소음진동을 최소화 하기 위하여 천공장 900mm-1200mm를 천공하여 분활발파를 여러번 하였고 심발부 주위로 30-40공의 무장약공을 이용한 심빼기 발파도 시행 하였으며 다단발파도 시행 하였으나 상기와 같은 발파 방법으론 진동보다도 폭음에 의한 민원이 끊이질 않고 따라서 굴진효과도 미진하여 투입 손실비가 엄청 나므로 해서 기존 발파페턴에 의존하지 않는 새로운 발상의 획기적인 발파공법이 필요하다고 보아 이에 현장의 소음진동 발생에 의한 민원으로부터 자유롭고 작업여건은 간편하고 쉬우면 현장의 모든 악조건을 다각화로 충족시킬수 있는 방법과 경제적인 이윤추구를 위한 굴진가속화 방법으로 개발된 본 발명의 반타원형 심빼기 발파공업으로 하행선 입구로부터 70m 지점에서 1998년 12월부터 {(도 28)내지(도30). (표 3)과(표 6)} 1600mm 천공장으로 발파작업을 하였든바 한달간 소음의 평균치는 69dB 이고 진동의 편균치 0.046Kin이 였다, 1999년 1월 한달간의 천공장 1600mm-2800mm(표 7)로 작업한바 한달간의 소음의 평균치는 68.380dB이 였고 진동의 평균치는 0.103Kin이 였으며 당해 2월의 천공장 1600mm-2500mm{(도 31)내지(도 33)(표 4)(표 8)로 발파결과 한달간의 평균 소음치는 71.25dB 였고 진동의 평균치는 0.18Kine이였다, 3월엔 천공장 2600mm(도34내지 도 36. 표 5)으로하여 계속 굴진템포를 가속화 하였고 이때 터널 110m 지점 직상부의 높이는 약18m 내지 40m로 추정되며 이러한 요철지형을 계속하여 민원지역의 가운데를 통과하는지점이 였으며 위의 진동소음의 측정은 거리마다 다르고 민원인이 요구하는 지점에서 계측을하고 함께 입회한 결과치 이므로 직접 함께한 민원인의 확인된 허용기준치 미달로 인해 민원과의 문재도 해결되고 따라서 1일 2,3회 발파로 굴진속도도 빨라 흑자경영으로 모든 여건을 다각도로 충족시킨바 결과적으로 공기단축 및 원가절감의 효과를 얻을수 있었다.

이상에서 상술한 바와같이 본 발명은 터널발파의 심빼기에 있어서 심발부의 상하공간격을 획기적으로 확대 천공하여 심발부위의 밀집천공과 집중장약을 원천적으로 배재 함으로서 소음과 진동의 환경공해를 최소화 하게하고 따라서 간편한 공법에 의하여 천공와 장약시간을 단축하게 되며 천공수량의 축소와 장약시 근소한 차이로 전체를 평준화 장약 하므로서 원가절감과 적은 인원을 작업에 투입하여 인건비 절감은 물른 생산량(m3)의 만족도와 발파된 파쇄암석이 터널중앙 바로앞에 쌓이게하여 발파 폐석 처리의 시간을 단축하여 다음 공정을 한층 앞당기는 역할로 인하여 전체 공사기간을 단축하는 새로운 발상의 전환으로 발명된 반타원형 발파공법은 터널발파로 겪는 문제점을 해결 하는데 크게 도움이 되는 것은 간편한공정, 안전한작업, 시간의 절약, 원가의절감, 만족한효율, 이익의증대 등을 고려한 공법인 것이다.

Claims (1)

1. 터널 전단면전체 또는 상부전단면 발파시 각종 페턴의 심빼기 발파공법에 있어서 기존 심발부의 여러형태의 밀집천공과 집중장약 방법에서 발상의 전환이 요구된 심발부의 기존 밀집천공을 도 2의(14)와 같이 터널 중앙부위에 좌우 공간격은 일정하되 상하 공간격은 터널의 외주벽 곡선에 따라 각각 다른 공간격으로 확대 천공하여 발파하는 반타원형 모양으로 소음진동의 최소화를 특징으로 하는 터널 심빼기의 반타원형(도 3) 발파공법.