Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association ISSN:2233-8292(Print) 2287-4747(Online) 한국터널지하공간학회 논문집

최근 지하공간 개발 수요증가에 따라 발파진동의 영향을 최소화하고 효율성을 높이는 것이 핵심적인 과제가 되고 있다. 특히, 기준치 이하의 발파공해를 목표로 하는 새로운 공법이 요구되고 있으며, 다양한 대안 중 비전기뇌관과 전자뇌관을 혼용하는 방안이 도입되고 있다. 비전기뇌관은 화학적 지연제를 사용하므로 초시오차가 ±10%로 클 뿐만 아니라, 뇌관의 시차도 MS (millisecond) 또는 LS (long period)로 한정적이다. 반면 전자뇌관은 전자 타이머에 의해 초정밀 시차로 조절할 수 있으며, 0.01% 이내의 오차로 초정밀도를 유지하기 때문에 예기치 않는 진동 증폭현상을 제어할 수 있다. 본 연구에서는 현장계측 데이터를 기반으로 회귀분석을 수행하였으며, 이격거리에 따른 허용장약량을 통해 성능을 비교하였고, 수치해석을 수행하여 발파원으로부터 수직 및 수평거리에 따른 진동속도와 진동감쇠 양상을 분석하였다. 수치해석 결과, 비전기뇌관은 발파원으로부터 수평 이격거리가 15 m 이하일 때 허용 진동 기준을 초과하였으며 전자뇌관은 모든 측정 지점에서 허용기준을 충족하였다. 직상부 지표에서는 전자뇌관이 비전기뇌관보다 약 59%낮은 진동값을 보였다. 또한, 수직 진동속도( V y ) 결과로부터 비전기뇌관은 파동 간섭으로 인해 진동이 증폭되는 현상을 확인하였다.

본 연구는 터널 내에서 발생할 수 있는 차량 폭발 상황을 가정하여, 풍도 슬래브 존재 시 차량 폭발에 따른 슬래브 손상도를 평가하기 위해 수치해석적 기법을 활용하였다. 터널 내 폭발 상황을 해석하기 위해 ANSYS LS-DYNA 프로그램을 활용하였으며, Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) 기법과 Riedel-Hiermaier-Thoma (RHT) 재료 모델, Jones-Wilkins-Lee (JWL) 상태방정식 등을 적용하여 차량 폭발에 따른 풍도 슬래브의 손상 특성을 평가하였다. 폭발 규모 산정을 위해 총 5가지 차종 분류에 따른 이론적 TNT 등가량을 산정하였으며, 이를 기반으로 폭발 충격을 모델링하였고, 터널 풍도 슬래브의 손상 메커니즘과 손상도를 분석하였다. 또한, 슬래브 손상도와 구조적 안정성을 종합적으로 평가하여 폭발로 인한 구조물 피해를 각 차량 유형별로 확인하였다. 해석 결과, 폭발 충격량과 슬래브 손상도는 차량 유형 및 TNT 등가량에 따라 큰 차이를 보였으며, 특히 슬래브 손상도는 차량 폭발 규모에 따라 비선형적으로 증가하는 경향을 확인하였다. 이러한 결과는 터널 풍도 슬래브 구조물의 방폭 설계 기준 수립 및 구조적 안전성 향상을 위한 기초 자료로 활용될 수 있다. 본 연구는 터널 내 폭발 상황에 대한 수치해석적 접근을 통해 구조물 방호 성능 평가의 새로운 방향을 제시하며, 향후 폭발 방호 설계의 발전에 기여할 것으로 기대된다.

건설 산업에서 탄소 배출을 저감하고 친환경 기술을 도입하는 것은 산업 발전과 환경 보호를 동시에 달성하는 데 중요하다. 도전 과제를 해결하기 위해 터널의 콘크리트라이닝 과정에 저탄소 콘크리트를 적용하여 환경적 이점과 구조적 안정성을 평가하였다. 보통 포틀랜드 시멘트(ordinary Portland cement, OPC)를 고로슬래그 미분말(ground granulated blast furnace slag, GGBS) 및 플라이애시(fly ash, FA)로 대체하여 탄소배출 저감 효과를 분석한 결과, 기존 콘크리트 대비 최대 65%의 이산화탄소 배출 감소가 가능하였다. PLAXIS 3D를 이용한 유한요소해석(finite element analysis, FEA)을 통해 체적손실 및 토압계수 변화 조건에서 재료 특성이 구조적 응답에 미치는 영향을 분석하였다. 해석 결과 축력, 전단력, 모멘트는 재료 특성에 따라 큰 영향을 받았으며 특히 고치환율 콘크리트(R70, R90)는 낮은 초기 강도로 인해 전단력의 안전율이 낮아졌다. 반면 저치환율 재료는 축력 및 모멘트의 안전율이 상대적으로 높아 구조적 강성과 하중 분산 특성이 긍정적으로 작용하였음을 확인하였다. 모든 해석 조건에서 저탄소 콘크리트는 안전율 1.0 이상을 유지하여 설계 기준을 충족하였으며, 환경적 지속 가능성과 터널 구조 안정성을 동시에 확보할 수 있는 가능성을 입증하였다. 본 연구는 저탄소 콘크리트를 수치해석을 통해 터널의 콘크리트라이닝 과정에 적용해 봄으로써 지속가능한 건설기술 발전과 탄소중립 목표달성을 위한 기초를 마련하였다.

운영 중인 터널에서 바닥부 융기가 발생하여 안정성과 사용성을 위협하는 사례가 최근 다수 보고되고 있다. 특히, 융기가 발생한 지반 중 단층파쇄대는 압착성 거동을 하거나 높은 투수성으로 인해 바닥부에 직접적으로 수압이 작용할 수 있다. 이에 대한 대책으로는 지반 보강을 위한 마이크로파일과 수압 저감을 위한 배수공이 활용된다. 본 연구에서는 경제성과 효율성을 고려하여 마이크로파일의 지지기능과 배수공의 수압해제기능을 결합한 배수겸용 마이크로파일을 제안하였다. 이의 수리거동을 검증하기 위해 모형시험 및 수치해석을 수행한 결과, 바닥부에 설치한 경우, 수압저감효과가 뛰어나고 유입량도 적정한 수준을 유지하는 것으로 나타났다. 추가적인 수압저감효과를 얻기 위해서는 마이크로파일의 횡간격을 줄이는 것이 효과적이나 일정 간격 이하에서는 배수공 길이를 늘리는 방안이 효율적이다.

본 연구는 마이크로파 조사가 현무암의 물리적 ‧ 역학적 특성에 미치는 영향을 실험적으로 분석하였다. 원통형 현무암 시편에 대해 1,000 W의 마이크로파를 각각 1, 3, 5분간 조사하였으며, 조사 전후 P파 속도, 슈미트 반발경도, Leeb 경도, 일축압축강도(uniaxial compressive strength, UCS) 등을 측정하였다. 실험 결과, 조사 시간이 증가할수록 시편 내부에 미세균열이 발생하여 P파 속도와 일축압축강도가 유의미하게 감소하는 경향을 보였다. 특히 5분 조사 시 철원 현무암의 일축압축강도는 약 14%, P파 속도는 약 10% 감소하였으며, 베트남 현무암은 일축압축강도 약 6%, P파 속도 약 6% 감소를 나타냈다. 표면 경도의 경우, 암석의 초기 강도에 따라 슈미트 반발경도와 Leeb 경도 측정값에서 각기 다른 정도의 감소가 관찰되었다. 한편 밀도는 두 암석 모두 유의미한 변화가 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 마이크로파 전처리를 통해 현무암을 효과적으로 약화시켜 기계 굴착 효율을 향상시킬 수 있음을 시사하며, 암석의 광물 조성에 따라 마이크로파 반응성에 차이가 있어 적정 조사 시간 설정의 중요성을 보여준다.