1. 서 론
2. 미진동 전자발파공법의 개요
2.1 전자뇌관의 진동제어 원리 및 기대효과
2.2 HEBS Ⅱ (Hanwha Electronic Blasting System Ⅱ) 개요
3. 미진동 전자뇌관 발파 및 분석(제안 Ⅰ)
3.1 현장개요
3.2 미진동 전자발파 설계
3.3 발파진동 및 소음의 규제기준
3.4 발파 결과 및 평가
4. 유사 시공사례 및 발파진동 영향범위 평가(제안 Ⅱ)
5. 설계 변경 및 효과 예측
6. 결 론
1. 서 론
도심지에서 이루어지는 SOC 사업의 경우 대부분 지상 또는 지하 구조물과 같은 보안물건에 인접하여 시공되는 사례가 빈번하다. 수도권 급행철도사업(GTX-A), 동북선, 신안산선, 인덕원-동탄선 등의 철도 공사의 경우, 인근의 보안물건 및 기존에 운영 중인 시설에 대한 영향을 최소화하기 위해 보안물건 근접지역에 대해서는 유압식 암파쇄공법과 같은 무진동 기계식 굴착공법이 적용되었다. 그러나 기계식 굴착공법 시공 시 굴진율 저하에 따른 낮은 시공성과 공사비가 증가하는 사례가 발생하고 있다. 이를 해결하기 위해 현장의 실제 발생되는 진동이나 변위 등 물리적 영향을 고려한 최적의 굴착공법을 검토되고 있다.
본 현장의 경우 지하철역과 본선터널이 터널굴착구간으로부터 근접하여 위치하고 있어, 당초 설계 시 발파진동이 허용기준(V = 0.3 cm/sec)을 초과할 것으로 예측되어 무진동 굴착구간이 적용되었다. 하지만 무진동 굴착공법은 진동 발생이 적다는 장점이 있으나, 지질변화가 심한 국내 지반조건에서는 시공에 한계가 있으며, 암반조건에 따라 굴진율이 계획 대비 현저히 떨어지기 때문에 공사기간 증가에 의한 추가비용이 발생되기도 한다. 또한 공사기간 동안 장비 가동 및 운용에 따른 소음이 지속적으로 발생하기 때문에 민원의 우려도 존재한다(Jung et al., 2022).
따라서 무진동 굴착공법으로 해당 구간을 시공할 경우 공사기간이 늘어날 것이 우려되므로 주변 보안물건에 대한 안전성을 확보하면서 동시에 시공성 및 경제성을 향상시킬 수 있는 미진동 전자발파공법으로의 설계변경을 제안하고자 하며, 이를 위해 발파진동 영향권에 따른 최적의 굴착공법을 검토하였다.
2. 미진동 전자발파공법의 개요
2.1 전자뇌관의 진동제어 원리 및 기대효과
각기 다른 두 개의 파동이 일정한 시간차(Δt)를 두고 발생하여 전파될 때 시간차에 따라 두 개의 파가 간섭되어 진동이 증폭되거나 감소하는 것을 ‘파동의 간섭현상’이라한다. 간섭현상에 의해 진동이 증폭되는 현상을 보강간섭(constructive), 진동이 감소되는 현상을 소멸간섭(destructive)이라고 한다(Oh et al., 2017). Fig. 1은 보강간섭의 예시로 각기 다른 두 진동파가 서로 간섭되어 진동이 증가하는 것을 나타낸다.
발파설계 시 발파공해 문제를 해결하기 위해서 뇌관의 지연 시차 배열이 중점 고려사항이지만, 고유뇌관이 가지고 있는 기폭오차로 인한 발파진동 간의 보강간섭으로 발파공해가 발생한다(Jung et al., 2022).
전자뇌관은 1 ms 간격으로 최대 50,000 ms까지 자유롭게 지연시차를 조절할 수 있으며, 암반조건에 따라 지연시차 설계가 가능하다. 그리고 일반 전기 및 비전기뇌관 대비 정밀한 지연시차로 발파되기 때문에 기폭오차로 발생하는 진동의 보강간섭으로 인한 발파진동 및 소음 증가를 제어할 수 있다. 또한 전자뇌관의 경우 기본적으로 1공 지발발파를 수행하기 때문에 기존 뇌관 발파대비 적은 지발당 장약량으로 설계가 가능하고, 각 영역의 첫 발파공을 제외한 모든 발파공이 3자유면을 확보한 상태로 발파되기 때문에 보다 효과적인 발파가 가능하다.
이러한 효과를 통해 전자뇌관을 적용할 경우 1회 대규모 발파가 가능하고, 공사기간 단축 및 공사비 절감효과를 기대할 수 있다. 또한, 현장에 적합한 시차 조절을 통해 파쇄도를 개선하여 소할발파, 운반 및 파쇄 비용을 절감할 수 있으며, 정밀한 발파작업을 통해 여굴제어에 따른 주변 암반에 손상영역 저감 및 숏크리트 타설량 감소 효과를 얻을 수 있다(Hwang et al., 2019).
2.2 HEBS Ⅱ (Hanwha Electronic Blasting System Ⅱ) 개요
본 현장에서 사용한 HEBS Ⅱ (Hanwha Electronic Blasting System Ⅱ)는 (주)한화에서 자체적으로 개발한 전자뇌관 발파시스템으로 Fig. 2와 같이 발파기(blaster), 초시입력기(planner), 테스터기(logger), 전용 모선(harness wire), 커넥터(connector), 전자뇌관(HiTRONIC ⅡTM)으로 구성되어 있으며, 시스템 특성 및 작업공정은 Table 1과 Fig. 3과 같다(Hanwha Corporation, 2022).
Table 1.
Component of HEBS Ⅱ (Hanwha Corporation, 2022)
HEBS Ⅱ는 다수의 수도권 도심지 SOC사업에서 사용되고 있으며, HEBS Ⅱ 사용의 대표적인 사례는 Table 2와 같다.
Table 2.
Case of electronic detonator blasting
3. 미진동 전자뇌관 발파 및 분석(제안 Ⅰ)
3.1 현장개요
본 현장은 미진동 전자발파 굴착구간 이후 약 265 m 구간이 무진동 굴착공법으로 설계되어있으며, Table 3과 Fig. 4는 각각 무진동 굴착구간의 지보패턴과 지질상태를 나타내고 있다. 해당 구간의 기반암은 Fig. 5와 같이 중생대 쥬라기 서울화강암이 주를 이루고 있으며, 이를 신생대 제 4기 충적층이 부정합으로 피복하고 있다. 서울화강암은 주로 중립질 또는 조립질의 입자로 구성되어있고, 입자는 서울화강암체 내에서 대체로 균질하며, 우백질의 색깔을 띠고 있지만, 간혹 국부적으로 분홍색을 띠기도 한다(Chon et al., 1990). Fig. 6은 본 현장의 터널 막장면이며, 대체적으로 분홍색 서울화강암으로 분포되어 있다. 무진동 굴착구간의 지보패턴은 PD-5~PD-3A로 설계되어 있고, PD-3A로 설계된 구간은 보통암(Fair)에 해당하며, 그 외 나머지 구간은 경암(Hard)으로 분포되어 있다. Fig. 7에서와 같이 해당 지보패턴들은 발파굴착이 가능한 암반상태이지만, 당초 설계에 지하철역과 본선터널에 미치는 영향을 고려하여 무진동 굴착공법(N)이 적용되었다. 과업구간은 보안물건이 발파구간과 7.8~24.2 m로 근접하여 있으며, A~B구간은 지하철역과, C~G구간은 지하철의 본선 터널과 가장 인접하다(Fig. 8).
본 현장은 현재 무진동 굴착공법으로 시공이 진행되고 있으나, 무진동 굴착공법의 1일 굴진율은 약 0.4~0.5 m로, 1 m 굴진하는데 평균 약 2~3일이 소요되고 있는 것으로 파악되었다. 이러한 이유로 무진동 굴착공법으로 전 구간을 시공할 경우 공사기간의 장기화 및 무지보 시간이 길어짐은 물론, 숏크리트 타설 등 조기 폐합이 늦어져 상부 기존구조물의 안정성에 불리한 요소로 작용될 수 있는 상황이다.
Table 3.
Summary of non-vibration excavation section
3.2 미진동 전자발파 설계
본 과업의 무진동 굴착구간 직전에 수행한 미진동 전자발파패턴 제원은 Fig. 9, Table 4와 같고, Fig. 10은 전자뇌관 결선 작업을 완료한 현장 사진이다. 본 설계의 주폭약은 뉴마이트플러스 Ⅱ 32 mm이며, 정밀폭약은 뉴화이넥스를 사용하였다. 굴진장은 1 m이고, 별도의 조절발파 설계는 적용되지 않았다. 전자뇌관은 비전기뇌관보다 무수히 많은 지연시차 적용이 가능하기 때문에 모든 발파공을 1공 지발발파로 설계하였고, 지발당 장약량의 경우 심발공과 확대공은 0.167 kg/delay, 외곽공은 0.183 kg/delay, 바닥공은 0.167 kg/delay으로 설계하였다. 결과적으로 비장약량은 0.860 kg/m3, 비천공장은 5.666 m/m3이 적용되었다.
Table 4.
Design of electronic detonator blasting
3.3 발파진동 및 소음의 규제기준
보안물건에 대한 발파진동 및 소음 규제기준은 당 현장의 시험발파결과보고서(YETAN ENG Co., Ltd., 2022), 소음 ‧ 진동관리법(ME, 2019), 도로공사 노천발파 설계 ‧ 시공 지침(MOLIT, 2006)을 참고하였다. 발파진동 규제기준은 요양병원 0.2 cm/s, 상가 0.3 cm/s, 발파소음은 생활소음 규제기준(주간)에 근거하여 75 dB(A)로 설정하였다(Table 5). 굴착구간 주변에는 주택 및 고시원, 의료시설, 상가 등 다양한 보안물건이 인접하여 있으며, 그 중에서도 민원이 빈번하게 제기되는 요양병원과 상가에서 계측을 수행하였다(Fig. 11).
Table 5.
The regulation standard of blasting vibration and noise
| The main safety thing | Vibration (cm/s) | Noise (dB(A)) |
| Business building | 0.3 | 75 |
| Medical facility | 0.2 |
3.4 발파 결과 및 평가
발파 후 파쇄상태는 Fig. 12와 같이 표준장약에 의해 비교적 균질한 파쇄입도를 보였으며, 굴진율은 심발, 확대, 외곽, 바닥공의 발파 전 ‧ 후 천공장을 측정하여 매우 양호한 것으로 확인되었다. 발파진동은 요양병원(허용기준 0.2 cm/s)에서 최대 0.134 cm/s, 평균 0.081 cm/s, 상가(허용기준 0.3 cm/s)에서 최대 0.123 cm/s, 평균 0.056 cm/s로 측정되었고, 두 보안물건 모두 평균 발파진동이 허용기준치 보다 약 33~59% 감소하여 안전수준임을 확인하였다(Fig. 13).
현장 인근의 보안물건에서 상시계측을 수행한 발파진동 데이터로 회귀분석을 수행하였고, 지하철 구조물의 진동허용기준치 0.3 cm/s일 경우 거리에 따른 장약량 그래프는 Fig. 14와 같다. 본 시공사례에서는 PPV (Peak Particle Velocity) 값 추출에 의한 신뢰구간 95% 발파진동 추정식을 적용하였고, 상관계수가 0.7 이상으로 분석되었기 때문에 해당 추정식의 적합성을 확인하였다(MOLIT, 2006). 또한 두 굴착구간의 지질구조선이 유사하기 때문에 무진동 굴착구간에서도 전자뇌관 미진동발파에 의한 진동저감 효과를 볼 수 있을 것이라고 사료된다.
4. 유사 시공사례 및 발파진동 영향범위 평가(제안 Ⅱ)
본 현장의 미진동 전자발파 시공사례를 통해서 전자뇌관의 발파진동 저감 효과를 확인할 수 있었으나, 무진동 굴착구간에서의 보안물건인 지하철 구조물은 굴착계획구간과 약 7.8~24.2 m 이격된 근접구간에 해당되어, 앞서 분석한 미진동 전자발파의 결과만으로는 적용성 여부 평가에 대한 검증이 부족하다고 판단된다. 따라서 지하철 구조물과 근접하여 시공된 기존 전자뇌관 시공사례를 참고하여 전자뇌관 적용의 타당성을 평가하였다(Table 6).
Table 6.
Case of electronic detonator blasting at near verge section (NSB NOW E&C, 2023)
| Min. separation distance | Allowable vibration | Excavation method | |
 | 9.9 m | 0.3 cm/s |
Low-vibration with electronic detonator |
 | 13.3 m | ||
 | 18.4 m | ||
본 구간의 미진동 전자발파 적용성 검토를 위해 유사 시공사례의 전자뇌관 발파진동 추정식을 참고하였고, 허용기준치 0.3 cm/s일 경우 거리에 따른 장약량 그래프는 Fig. 15와 같다. 이전 시공사례에 근거하였을 때 표준장약을 위해서 최소 장약량을 0.1875 kg으로 선정하였고, Table 7과 같이 4가지 타입의 설계를 제안하였다. 지발당 장약량 0.25 kg/delay인 Type Ⓐ의 영향범위는 12.5 m, 0.1875 kg/delay인 Type Ⓑ는 11.5 m로 산출되었다. 아울러 Type Ⓒ와 Ⓓ는 터널단면 바닥부에서 높이 3~5 m 구간에 미진동 전자발파공법을 적용하여 굴진을 완료한 후 천단부에 남은 잔여구간을 천공 후 기계굴착을 이용하는 굴착공법으로 영향범위는 9.8~10.0 m로 산출된다.
Table 7.
Blasting type of the suggestion Ⅱ
또한 앞선 유사 시공사례(제안 Ⅱ)의 영향범위 적용성 여부를 교차검증하기 위해 본 과업현장에서 수행한 전자뇌관 발파(제안 Ⅰ)의 영향범위와 비교하고자 한다.
두 가지 발파진동 추정식의 동일 장약량에 의한 진동 영향범위를 산출하였고(Table 8), Fig. 16과 같이 현장에서 산출한 추정식(제안 Ⅰ)이 유사 시공사례 추정식(제안 Ⅱ)보다 큰 규모의 발파가 가능할 것으로 평가된다.
Table 8.
Evaluation of damage range
| Suggestion | Charge per delay (kg/delay) | Damage range (m) | |
| I | 0.250 | 11.7 | |
| 0.1875 | 10.6 | ||
| II | 0.250 | 12.5 | |
| 0.1875 | 11.5 | ||
하지만 일반적으로 발파진동 영향범위 선정 시, 안전성 확보 측면에서 상대적으로 더 보수적인 평가를 적용하므로, 근접구간이라는 특수성을 고려하였을 때 본 설계변경은 제안 Ⅱ의 영향범위를 적용하였다.
5. 설계 변경 및 효과 예측
Table 9는 각 굴착구간별 거리와 적용가능한 굴착공법을 요약한 표이다. 제안 Ⅱ의 Type Ⓐ~Ⓑ의 영향범위를 고려하였을 때, 전체 무진동 굴착구간 265 m 중 약 72 m 구간에 대하여 전단면 미진동 전자발파로 변경하여도 지하철 역사에 대한 발파진동 영향은 미소할 것으로 분석된다(Table 9). A구간과 B구간은 Type Ⓐ 설계로 전 구간 설계변경이 가능하고, C구간은 53 m 중 20 m는 Type Ⓑ로 변경이 가능하다. 이와 같이 전자뇌관 미진동발파(1일 2 m 굴진)가 적용될 경우, 전 구간을 무진동 굴착(1일 0.4 m 굴진)공법으로 굴착시 예상되는 소요기간 약 662.5일 대비 약 144일 단축(약 21.7% 단축)이 가능하다고 평가된다. 다만 본 평가의 경우 전단면 미진동 전자발파만을 고려한 사항으로, 기계식굴착 미진동 전자발파 병행 공법 Ⓒ, Ⓓ까지 고려할 경우 잔여 무진동 굴착구간의 설계변경도 가능한 것으로 검토되어, 보다 경제적인 시공이 가능할 것으로 판단된다.
아울러 전자뇌관은 일반 비전기 뇌관 대비 다소 가격이 높기 때문에 산업에서의 적용성이 제한적이나, 향후 전자뇌관 설비 자동화에 따른 대량생산 및 판매량 확대, 보급형 저가 전자뇌관에 대한 연구개발로 가격이 점차 낮아질 것으로 예상된다.
6. 결 론
본 현장은 약 265 m 구간이 무진동 굴착으로 설계되어 있으나 시공성 향상 및 경제적 이점을 위한 발파 영향범위를 고려하여 미진동 전자발파공법을 검토하고자 한다. 이를 위해 발파진동 영향범위를 분석하여 설계변경구간을 산정하였고, 결과는 다음과 같다.
1. 무진동 굴착구간 직전의 미진동 전자발파는 주변 보안물건에 대한 허용기준치 대비 평균적으로 약 33~59% 진동이 감소하는 것으로 확인되었다. 두 굴착구간의 지질구조선이 유사하기 때문에 무진동 굴착구간에서도 전자뇌관 미진동발파에 의한 진동저감 효과를 볼 수 있을 것이라고 사료된다.
2. 지하철 구조물과 근접한 전자뇌관 시공사례(제안 Ⅱ)의 경우 본 현장의 발파진동 추정식(제안 Ⅰ)의 발파진동 영향범위보다 큰 영향범위가 산출되었으며, 근접구간이라는 특수한 상황을 고려하였을 때 보다 보수적인 평가를 위해 제안 Ⅱ의 영향범위를 설계변경 검토에 선정하였다.
3. 최종적으로 전체 무진동 굴착구간 265 m 중 약 72 m 구간에 대하여 미진동 전자발파로 변경하여도 지하철 역사와 본선터널에 대한 발파진동 영향이 미소할 것으로 분석되며, 현재 약 662.5일 소요로 예상되는 굴착기간 대비 약 144일의 공사기간 단축(약 21.7% 단축)이 가능하다. 뿐만 아니라, 미진동 전자발파공법 적용 시 발파진동 및 소음으로 인한 민원 문제와 구조물 피해를 예방하여, 공사비 외의 기타 민원 처리 비용에 있어 경제적 이점을 얻을 수 있을 것으로 평가된다.
4. 해당 평가의 경우 미진동 전자발파공법만을 고려한 것으로, 그 외 무진동 굴착구간에 대해서는 기계식굴착과 미진동 전자발파 병행 공법을 적용할 경우, 보다 경제적인 시공이 가능할 것으로 판단된다. 또한 지형 ‧ 지질 및 막장면의 암반 상태에 따라 발파진동 전파특성이 상이할 수 있으므로 제안공법 적용 전 반드시 시험발파를 실시하여 발파진동 추정식을 재산정하여 굴착공법 적정성을 판단하여야 한다.
