연마재 워터젯 노치 및 디스크 절삭을 이용한 터널 발파 진동 저감

Abstract

터널 굴착 시 발파 진동이 사람 및 가축에게 부정적인 영향을 미치거나 주변 구조물의 안정성을 저하시킬 경우 발파 진동의 저감이 필요하다. 발파 진동은 전파 특성상 터널 굴착 방향에 수직한 방향뿐만 아니라 터널 굴착 방향으로도 전파되므로 모두 감소시키는 것이 필요하다. 본 연구에서는 연마재 워터젯 암석 절삭 방법을 이용하여 터널 굴착 방향에 수직한 방향과 터널 굴착 방향의 진동 저감에 적용할 수 있는 공법을 제안하고, 그 효과를 현장실험과 수치해석을 통해 정량적으로 분석하였다. 터널 굴착 방향에 수직한 방향으로의 진동 저감 공법은 연마재 워터젯을 이용하여 최외곽공 사이의 암반을 절삭함으로써 발파 진동이 굴착 계획면의 외부로 전파되는 것을 차단할 수 있고, 터널 굴착 방향으로의 진동 저감 공법은 연마재 워터젯을 이용하여 최외곽공을 제외한 장약공의 공저에 디스크 형상의 절삭면을 형성함으로써 터널 굴착 방향으로의 진동 전파를 최소화할 수 있다. 본 연구에서는 전자를 연마재 워터젯 노치 절삭 공법(abrasive water jet notch cutting method)이라 하였고, 후자를 연마재 워터젯 디스크 절삭 공법(abrasive water jet disc cutting method)이라 하였다. 제안한 공법들의 진동 저감 효과를 분석하기 위해 현장실험과 수치해석을 실시하였으며, 이에 대한 매개변수는 실험실 기초 절삭 실험에 의해 결정하였다. 또한 실험실 기초 절삭 실험을 통해 노치 및 디스크 절삭에 필요한 적정 펌프압력, 오리피스 직경, 노즐이송속도와 노즐회전속도를 제시하였고, 적용된 입력변수에 대한 노치 절삭 심도 예측식을 제안하였다. 제안한 공법의 현장 적용성을 평가하기 위하여 노천 석산 현장에서 실제 규모로 현장실험을 수행하였다. 연마재 워터젯 노치 절삭 공법의 경우 진동 저감 효과를 분석하기 위하여 공과 공 사이가 완전히 연결되는 조건일 때의 진동 저감 효과를 공직경 80 mm, 공간격 260 mm인 라인드릴링 공법의 진동 저감 효과와 비교 분석하였으며, 연마재 워터젯 디스크 절삭 공법의 경우 진동 저감 효과를 분석하기 위하여 디스크 직경 400 mm일 때의 진동 저감 효과를 디스크를 적용하지 않은 경우와 비교 분석하였다. 수치해석은 발파 과정의 모사가 가능한 유체 동역학 코드를 사용하여 보통의 지반 조건에서 수행되었다. 연마재 워터젯 노치 절삭 공법의 경우 진동 저감 효과를 분석하기 위하여 노치 심도, 노치 폭, 노치와 발파공과의 이격거리, 노치 길이를 매개변수로 진동 저감 효과를 분석하였고, 연마재 워터젯 디스크 절삭 공법의 경우 진동 저감 효과를 분석하기 위하여 디스크의 직경을 매개변수로 진동 저감 효과를 분석하였다. 본 연구에서 제안한 진동 저감 공법 중 연마재 워터젯 노치 절삭 공법의 경우 41~61%의 진동 저감 효과를 기대할 수 있고, 연마재 워터젯 디스크 절삭 공법의 경우 23~75%의 진동 저감 효과를 기대할 수 있다. 그러므로 제안한 공법들은 도심지 터널 굴착 구간에서 허용 진동 기준치를 초과하여 굴착이 중단되었거나 굴진속도를 줄인 터널 현장 등 발파 진동의 저감이 필요한 현장에서 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

Blast-induced vibration needs to be reduced while excavating tunnels, if it has a negative effect on humans and livestock or if it reduces the stability of the surrounding structures. In addition, because blast-induced vibration by nature is transmitted in the excavation direction and in the direction perpendicular to it, both must be reduced. This study proposes two methods that can be applied to the reduction of vibration in the lateral direction and heading direction of tunnel excavation using the abrasive water jet rock cutting method, and investigates the effectiveness of the methods quantitatively through field experiments and numerical analysis. In order to reduce vibration in the tunnel excavation direction, the transmission of vibration in the tunnel excavation direction can be blocked by using abrasive water jet to form disc-shaped cutting surface at the hole bottom of charge holes excluding the contour holes. Also, to reduce vibration in the direction perpendicular to the excavation direction, the external transmission of blast vibration can be minimized by cutting the rock between the contour holes. In the present study, the former is referred to as the abrasive water jet notch cutting method while the latter is called the abrasive water jet disc cutting method. To analyze the effect of vibration reduction of the methods proposed, numerical analysis and field experiments were conducted, and the parameters were determined based on basic laboratory experiments. In addition, through laboratory experiments, the optimal pump pressure, orifice diameter, nozzle conveying speed, and nozzle rotation speed necessary for notch and disc cutting were presented, and notch cutting depth prediction equations regarding the equipment operation variables were proposed. The numerical analysis was conducted under ordinary ground conditions using fluid dynamics codes that can simulate the blasting process. As for the abrasive water jet notch cutting method, to analyze the vibration reduction effect, the vibration reduction effect was analyzed with the notch depth, notch width, separation distance between notches and blast holes, and notch length as the parameters. As for the abrasive water jet disc cutting method, the vibration reduction effect was analyzed with the disc diameter as the parameter to analyze the vibration reduction effect. In the numerical analysis of the abrasive water jet notch cutting method, the scope of the vibration reduction effect according to changes in the notch depth, notch width, separation distance between notches and blast holes, and notch length were verified. In the numerical analysis of the abrasive water jet disc cutting method, the scope of the vibration reduction effect in terms of the disc diameter was verified. To evaluate the field applicability of the methods proposed, field experiments were conducted on an actual scale at an exposed quarry site. Consequently, when the methods proposed are applied to tunnel sites, the vibration reduction effect analyzed in the minimal numerical analysis can be expected. Out of the vibration reduction methods proposed in the present study, the abrasive water jet notch cutting method can be expected to have a vibration reduction effect of 61-72%, and the abrasive water jet disc cutting method can be expected to have a vibration reduction effect of 25-75%. It is expected that these methods will be useful for adjusting the loudness of blast vibration in downtown tunnel excavation sections.