6. 터널 발파
(1) 개요 : 발파 효율에 영향을 미치는 암반의 구조적 특성은 불연속면의 간격, 방향, 충전상태, 절리 군의 수 등의 불연속면의 특성이다. 발파 계획은 정해진 굴착 공법, 굴착 공정에 따라 지반 조건, 단면의 모양과 크기를 고려하여 1회 굴진장을 정하고 심발 형식, 발파공 배치, 화약의 종류, 장약량, 뇌관의 형식, 주변 공의 간격, 발파 순서 등을 결정한다. 굴진장을 길게 한느 것이 경제성에서 유리하지만 지반의 자립성과 주변 환경에 의한 제약 등을 반영하여 결정한다.
(2) 발파 공법의 선정시 고려사항 : 굴착 노선의 1 발파 당 굴진장, 굴착 암반의 강도와 불연속면의 상태, 심발 및 확대 영역에서 진동과 소음 등의 영향, 터널의 단면적, 천공 장비의 성능과 제원, 비산으로 인한 터널 내부 시설물의 파손, 경제성
(3) 터널 발파공의 명칭
1) 심발공심발 공 : 발파 단면에 자유면을 형성하기 위하여 가장 먼저 발파하는 심발 공은 암석을 압축하고 깨어 내어서 자유면을 형성시킨다. 심발 공 면적은 약 2제곱미터를 기준으로 하고 형태는 수평 천공과 경사 천공의 방법이 있다. 심발 공은 천공 밀도가 높고 장약량은 약 5~7kg/세제곱미터가 소요된다.
2) 확대공 : 심방 공에 의하여 자유면이 형성되면 2 자유면의 발파 형태가 되어 계단 발파와 유사한 형태가 되지만 터널 발파에서는 천공 오차가 커지므로 좋은 파쇄 입도를 얻기 위하여 장약량을 증가시킨다. 확대 공은 발파공 위치에 따라 수평, 하향, 상향으로 구분한다. 하향 확대 공은 수평 및 상향 확대 공에 비하여 하향으로 발파되면서 암석 자중이 고려되어 구속력이 적으므로 장약량이 적어진다. 확대 공의 평균 장약량은 약 0.7~0.9kg/세제곱미터이다.
3) 외곽공 : 주변 암반을 최대한 손상시키지 않고 정확하게 파쇄하기 위하여 외곽 공에 smooth blasting 공법을 적용한다. Roof, wall hole에서는 천공 각도, 방향, 천공 간격이 여굴과 암반의 손상에 영향을 주므로 장약량 산정에 주의가 필요하다.
4) 바닥공 : 상향으로 발파가 진행되므로 다른 공들에 비하여 많은 장약량이 필요하다. 바닥 공의 천공 간격과 장약량은 바닥의 평탄성과 관계가 있고 굴착 장비의 운행 등에 영향을 미친다.
(4) 심발 발파 : 발파에 의한 암반 굴착시에 자유면의 수와 방향이 발파 효율에 가장 중요한 역할을 하지만 터널은 단일 자유면 상태의 막장면에서 발파가 이루어지므로 발파 효율의 저하가 불가피하게 발생한다. 터널 발파에서는 주변 공의 발파 전에 이루어져서 자유면을 형성하는 심발 발파 또는 심발 공 발파는 굴진장과 암반 조건을 고려하여 심발 방법을 선정하는 것이 매우 중요하다. 심발 발파는 천공 각도와 방향에 따라 경사공 심발과 평생 공 심발로 구분하며 1회 굴진장, 터널 내공 단면, 사용 장비, 환경 영향 등을 고려하여 최적의 방법을 선정해야 한다.
1) 경사공 심발 : 경사공 심발에서는 충분한 굴진장을 얻기 위한 최소의 터널 폭이 필요하다. 즉 천공이 심발의 중심선 방향으로 향하는 것이 가장 이상적이지만 천공 시에 롯드 조작의 한계성으로 소단면에는 적용이 곤란하고 점보 드릴을 사용하는 경우에는 터널 폭이 6m 이상에서 2m 이상의 굴진장을 확보하는 것이 가능하다. V-cut은 심발공이 1 자유면 상태에서 구속력이 커서 발파 진동치가 최대로 발생하므로 심발 공의 구속력을 저감 하기 위하여 심발 보조공을 적용하면 효과적이다. 도심지 터널에서는 진동 제어를 위하여 굴진장을 짧게 하고 중단면 터널에서 심발부의 장약량이 커서 진동 제어가 필요한 경우에 V-cut을 적절히 활용하면 효과적이다.
2) 평행공 심발 : 평행 공 심발은 심발 중앙부에 천공한 무장 약고을 자유면으로 활용하며, burn cut은 소구경 무장 약고을 적용하고 cylineder cut은 대구경 무장 약고을 설치한다. Burn cut은 중앙부의 무장 약고 주변의 수평 공에서부터 발파하는 방법으로 정확한 수평 천공이 중요하며 무장 약고 주변 공의 장약량이 많아진다. 무장 약 공의 공경이 작아서 자유면의 역할이 충분하기 못하면 진동이 증가할 수 있다. cylinedr cut은 무장 약 공의 공경이 크고 공수가 많을수록 발파 효과가 양호하며 장약량의 조정도 가능하여 장약량의 제한이 있는 경우에 효과적이다. 그러나 대구경 천공에 특수 장비가 필요하고 무장 약 공의 천공이 부정확하면 심발 효과가 크게 저하된다.
(6) 천공 : 발파 패턴에 따른 정확한 천공이 되지 않으면 폭약 에너지의 작용 방향이 불확실하여 암반에 큰 손상을 주고 굴착면 요철이 심하며 굴착면 깊게 균열이 발달한다. 굴착된 단면이 계획 굴착 단면보다 커서 여굴이 많아지면 라이닝 콘크리트의 타설량이 증가하고 원 암반의 손상이 예상되며 지보재의 설치량이 증대한다. 따라서 막장면에 천공 위치를 측량이나 레이저 광선에 의해 정확하게 표시하고 천공을 실시한다. 터널의 여굴량은 설계 단면이 좁아지는 것을 방지하기 위해서 외곽공을 약 4 º가 경사지게 천공하여 발생된 것으로 천공장의 길이와 강지 보재의 설치 여부에 따라 다르게 적용되어야 한다. 여굴량의 기준은 강지 보재가 없는 경우에는 10cm+천공장*4cm/m이고 강지 보재가 설치되는 경우에는 (10cm+강지 보재 두께)+천공장*4cm/m로 한다. 여굴이 크게 발생하면 버력 반출량, 숏크리트 타설량, 라이닝 콘크리트의 시공량이 증가하여 공사비가 증가하고 터널의 안정성과 지보 측면에서도 불리하므로 여굴량이 최소가 되도록 적절한 대책을 수립해야 한다.
1) 외곽공에 smooth blastings 공법을 적용
2) 발파 후에 조속한 초기 보강(숏크리트 타설)을 실시
3) 적정한 천공 장비와 숙련된 작업원의 활용 및 기능 교육
4) 외곽공에 정밀 폭약의 사용 및 적정량의 폭약을 사용하여 암반의 손상을 억제
5) 연약 지반이 예상되는 경우에는 선진 그라우팅을 실시
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