굴토(발파)공법

굴토(발파)공법

암 발파는 대상직역의 위치와 조건 그리고 공사량 등에 따라 발파방법 및 그 효과가 다르다.

암을 파쇄하는 가장 효과적인 방법으로 예부터 널리 사용되고 있는 화약류에 의한 발파공법이다.

그러나 최근에는 도심지 발파 등에서 여러 가지 제약으로 재래의 발파공법에 비하여 진동, 소음 및 비산이

적은 각종 제어발파 및 선행이완 발파법이 이용되고 있는데 이들 방법의 원리와 그 특징을 검토하기로 한다.

1. 화약에 의한 발파공법

1) 산지 및 구릉지에 효율적인 방법

가. 계단식 발파와 겸사공 발파

일반적으로 발파는 산악지대나 민가 등 시설물이 비교적 적은 지역에서 제한을 별로 받지 않고

실시하는 발파법과 도심지에서 많은 제약속에서 시행하는 경우로 구분할 수 있다. 어느 경우이든

발파의 기본원리는 지형 및 주변제약의 여부에 따라 규모의 차이는 잇으나 계단식 발파(bench cut),

경사공 발파(solpe cut) 그리고 선행이완 발파(또는 예비발파)로 대별할 수 있다.

계단식 발파란 다수의 작업장을 조성한 다음, 계단에서 하양 수직공을 천공하여 실시하는 방법으로

대규모 채석장은 물론 소규모 토지조성 현장에서도 채택하는 방법이다.

나. 다단식 분할 발파

계단식 발파나 경사공 발파는 재개발지역이나 소규모 단지에서는 진동 이외에 비산에 유념하여야

하므로 적용이 어렵다. 이 경우 점화를 분할하여 몇단계로 나누어 발파하기도 한다.

예를 들어 50공을 천공, 장약한 다음 1단계에 2개공씩 총 25회에 걸쳐 분리, 발파하고 그때마다

발파대상 지역을 덮개로 씌워 비산을 방지하는 방법으로 능률은 낮지만 기계식 파쇄법이나 미진동

또는 팽창성 파쇄 제보다는 경제적인 것으로 알려져 있다. 일단 암반에 균열이 형성되거나 파쇄되면

다음에 리핑작업을하여 제거, 운반하게 된다.

분할발파에는 이상과 같은 장점이 있고, 시가지에서의 발파에서 유용한 방법이지만 그 효과를

최대로 얻기 위해서는 다음과 같은 사항에 유의하여야 한다.

① 천공시 유의사항

일반적으로 연암이나 풍화암 때로는 중경암까지는 천공간격이나 천공경, 장약량에 어느정도

융통성이 있으나 경암에서는 공간격이나 장약량에 따라 발파의 성패가 좌우된다. 다시말하면

중경암까지는 공간격이 80cm 또는 90cm 이상도 별무리 없이 발파가 되지만 경암에서는

약간만 넓혀주면(예 : 60cm에서 65cm로) 공발현상이나 표면발파만 이루어지는 경우가

많으므로 공간격 결정에 세심한 주의를 요한다.

이럴때는 공간격을 50∼60cm 정도로 줄여주고, 장약량은 전자의 경우 공당 0.5kg사용했다면

0.44kg 정도 줄여주면 상당한 효과를 볼 수 있다. 즉 단일공 발파시 형성되는 누두공이 그림과

같이 ⅓정도 중복되고 하는 점에서 뒤에 설명하는 선행이완발파와는 다르다고 하겠다.

② 장약시 주의사항

시가지 발파에서는 천공장이 대부분 1.6m 내외가 되므로 장약시 뇌관의 위치를 반드시 역기

폭으로 장양해야 한다. 즉 그림과 같이 파쇄된 단면 밑에 뇌관을 장약한으로써 전열 또는

후열이 돠발파되어 각선이 절단되는 경우가 발생하더라도 사후처리가 가능할 뿐만 아니라

분실의 우려가 없다.

지하에서 지하수가 흘러나오는 지역에서는 공내에 차있는 지하수를 압축공기를 이용하여

제거한 다음 장약을 하여야만 장약량에 변동이 없을 뿐만아니라 전색물 충진시에도 편리하다.

③ 발파시 주의사항

시가지 발파에서 ms뇌관을 사용하여 각 지잔을 10발정도(1회 발파) 작업할 경우 연약한 암반,

풍화암 같은 암반에서는 특별히 자유면이 형성되지 않더라도 문제가 없이 작업이 이루어지나,

극경암이나 경암에서는 자유면이 형성되지 않으면 공발현상이 일어나거나 표면암반만 발파

되어 비산의 우려가 심하다. 발파하고자 하는 암반에 수직절리가 잘 발달되어 있는 지역에서는

자유면의 바 오향을 절리의 방향과 일치시켜 작업을 시행하여야만 발파효과가 클 뿐만 아니라

비산양을 줄일 수 있다.

MS지발뇌관과 순반뇌관을 사용함에 있어서 MS지발뇌관은 진동과 소음을 줄일 수 있으나

만약 첫 번째 공에서 발파가 이루어지지 않으면 그 후의 2∼10번 뇌관 모두가 발파가 이루어

지지 않는 어려움이 따른다. 그러므로 지발 뇌관보다는 순발뇌관을 작업상황에 따라 1∼3공

정도 모선과 연결하여 발파함으로써 신간의 소모는 MS 발파보다 많으나 진동이나 비산의

우려를 줄일 수 있다.

- 선행이완 발파(예비발파)

선행이완 발파 또는 예비발파라고도 하는데 일본의 S지역에서 채택된 방법이다.

즉 앞의 시가지 분할발파보다 더욱 약장약으로 발파하면 파괴로 형성된 누두공이 중복

되지 않아 주로 균열형성에 그치게 된다. 일본의 사례에선 단위 파쇄량 당장약비를

0.12∼0.06kg/m²로 대폭 감소시켜 균열을 형성시킨 후 불도져로 리핑하여 처리케 되는

것이다. 암반굴착이 주택지 등 보안건물에 근접하여 시행되는 경우에 채택되는 방법으로

제어발파 또는 기계적인 굴착방법 대신에 이용된다.

- WIDE SPACE 발파

WIDE SPACE 발파(W.S.B)란 천공간격을 넓히고 반대로 저항선을 작게함으로써 버럭을

작게 또는 비교적 균일하게 파쇄시키는 방법이다. 종래 계단식 발파에서 천공간격을

저항선 길이를 1.0∼1.5배를 취하여 천공하는게 일반적이다. 그러나 W.S.B는 저항선의

길이(W)x, 천공간격(D), 즉 평면적으로는 1공당 감당하는 파쇄면적이 재래의 방법과

동일하나 D/W = 4∼8배로 하고 천공길이 및 장약량은 종전과 갗이 선정함으로써 굴착

m³당 화약량 및 장약량은 종래의 방법과 같게 된다.

다. 조절발파법(controlled balacting)

▷ 조절발파법의 종류와 특성

일반적인 발파공법으로는 폭약에너지의 작용방향을 충분히 제어하지 못하므로 암반은 큰

손상을 받고 굴착면은 요철이 심하며 균열이 굴착면의 깊은 곳까지 발달하기 쉽다. 이와 같은

굴착법으로는 경제면에서나 안전면에서 큰 손실이 발생된다. 따라서 발파공법에서 폭약에너지

의 작용방향을 제어하는 것이 큰 과제가 되고 있다. 이와 같은 일반적인 발파공법의 결점을

개선하기 위하여 국내에서도 최근 소개되거나 부분적으로 사용되는 방법으로는

LINE DRILLING, SMOOTH BLASTING, PRE-SPLITTING, CUSHION BLASTING 등으로

불리는조절발파법이 있다.

▷ 종류와 특성

① SMOOTH BLASTING(일반)

이 방법은 주변공을 맨 마지막으로 기폭시키는 점에서 일반적인 발파방법과 같지만 다수의

주변공을 평행히 접근시켜 공경보다 훨씬 적은 직경의 폭약을 사용하여 약장약으로 기폭

시키는 점에서 차이가 있는데 이 방법의 특징은

- 암반의 손상이 적다.

- 여굴이 적고 매끈한 굴착면을 얻을 수 있다.

- 부석이 적다.

② LINE DRILLING

그림과 같이 굴착예정선을 따라 다수의 공(LINE DRILLING 공)을 근접, 천공하여 인공적

으로 파단면을 만든다. LINE DRILLING공에는 장약하지 않고 자유면과 굴착예정선 사이에

천공한 발파공에 장약한다. 폭발시 에너지는 일부가 LINE DRILLING 공으로 형성된 면에서

차단되어 그보다 더 깊숙한 암반에는 영향이 적기 때문에 매끈한 면을 덕을수 있다.

이 방법은 암반의 손상이 최고가 되지만 천공수가 많아져 천공비가 증가되며 또

LINE DRILLING 공을 평행히 천공하기 위해서는 숙련된 기능이 필요하다.

③ PRE-SPLITTING

다수의 공을 천공한 다음 주변공을 먼저 발파시켜 파단면을 만든 다음 나머지 부분을

발파시키는 방법이다. 주변공은 공간격이 SMOOTH BLASTING보다 적고 장약량도 적다.

맨먼저 발파된 각 공들 사이에 균열이 발달되어 파단면이 형성되므로 후속발파로 인한

영향을 억제시키게 된다. LINE DRILLING에 비하여 천공수는 적지만 마찬가지로 평행공을

천공하여야 되므로 숙련된 기능이 요구되며 또 암반의 균열이 많은 경우는 발파에너지가

인접공 사이보다 암반내 균열을 따라 전파되므로 장약량, 공간격을 암반조건에 맞도록

결정해야 한다.

④ CUSHION BLASTING

SMOOTH BLASTING과 유사한 방법으로 주변공을 맨 나중에 기폭시키지만 장약방법이

특이하다. 그림과 같이 발파공보다 훨씬 적은 약경의 폭약을 발파공 내에 분산시켜 자우면

쪽에 장약하고 나머지 공 전부를 모래로 채운다. 이것은 발파시에 모래와 공기가 완충작용

을 하여 파단면보다 더 깊숙히 작용하는 발파 에너지를 약화시키며 자유면 방향으로 파괴를

유도하게 된다.

2) DECOUPLING 효과

조절발파에서는 장약공별과 폭약사이의 공간이 중요하다. 그림에서는 발파공 주변에 생기는 각 영역을

정의하고 있는데, 여기서 장약고의 직경 (Rh)과 약포의 직경(Rc)과의 비를 DECOUPLING INDEX

(디커플링 지수)라고 하며 조절발파에서는 2정도가 적당하다. 이외에 천공내 체(적(Vh)과 장약량의

체적(Vc)과의 비를 체적 DECOUPLING이라 하며 이를 이용하기도 한다.

2. 기타의 굴착공법

1) 미진동 미소음 파쇄기(C.C.R) 공법

▷ 도심지 및 중요한 구조물 부근에서 발파작업을 할 때 인근구조물에 미치는 발파진동을 최소한 억제

하여 피해를 주지 않도록 하기 위해 개발되었다. 이는 호약류 단속법에서 화공풍에 속하며 약통과

점화구가 한쌍으로 취급된다. 이는 POLYXTHLENE 약동에 들어간 입자상태의 가연재에 소형 전기

뇌관과 같은 점화관을 장착시켜 전기로 점화된다, 이 파쇄약은 밀폐중에서 약 40∼ 60m/sec 속도로

연소하고 또한 고열을 발생하여 이가스압으로 대상물을 파쇄하는 것이다.

폭약에 비하여 완만한 반응을 이용하므로 진동, 폭발, 비석이 동일한 약량에 비하여 각각 1/2∼1/10

정도가 된다.

▷ 설계조건

① C.C.R 약량 계산식

L = C.D.W.H에서 C는 경암의 경우 4∼6EA, 중경암의 경우 3∼5EA, 연암의 경우 2∼4EA로

한다. 여기서 D(천공간격 M) RK 0.7M, W(최소저항선 M) 0.7M, 그리고 H(BENCH높이 M)가

1.0,로 주어졌다면 C.C.R의 장약량은 다음과 같다.

L = 4 × 0.7 × 0.7 × 1.0 = 2EA

② 허용진동속도 V = 0.5m/sec일 때 :C.C.R의 발파진동식 V=7W

▷ 시공방법 : 미진동, 저소음 파쇄기공법을 적용하여 굴착할 때 천공격은 약통에 맞추어서 38m/m로

천공하는것이 좋다. 한편 C.C.R은 가스압에 의하여 파쇄하기 때문에 전색이 중요하다.

즉 전색이 완전하지못하면 발파풍압과 비석이 발생하여 파쇄를 하지 못한다.

전색은 보통 시멘트 모르타르로 하며, 시멘트 : 모래 : 급결제를 1 : 1 : 1 비율로 배합하여

신속히 공에 쏟아 넣어야 한다. 이때 겉보기에는 굳은 것처럼 보이지만 충분한 강도가

얻어질 때까지는60분이상 대기시간이 필요하다.

▷ 시공상의 특징 : C.C.R은 뇌관에 신차를 줄 수 없으므로 굴착량이 제한된다. 또한 모암에 균열만

발생되므로 2차 파쇄에 따른 작업시간 및 공사비가 증액되며, 균열이 많은

암반에서는 발파효율이 저하되고 비석발생이 많다.

2) 팽창성 파쇄제 공법

시가지 또는 중요한 구조물이나 시설가까이에서 암반 또는 오래된 콘크리트 등을 파쇄해야 할 경우

발파공법 및 기계적 파쇄공법으로는 대처하지 못하는 경우가 있다. 이와같은 경우에 주변환경에 영향을

미치지 않고 정적으로 파쇄를 실시할 수 있는 것이 팽창성 파쇄제에 의한 방법이다. 파쇄제는 석회계

규산염 화합물로 만들고 있으며 주성분인 산화칼슘(생석회, CaO)이 수화함으로써 산화칼슘의 수화층은

시간이 경과되면서 두께가 증가하여 미반응의 산화칼슘 입자사이를 밀고 경정압을 발생시킨다. 이 결과

장약공법에 팽창압이 작용하게 된다.

그림에 파쇄원일를 제시하지만, 이장약공을 중심으로 한 압축응력의 발생과 함께 직각방향에 인장

응력이 작용하여 주로 작약공 사이를 연결하는 방향에 균열이 발생한다. 보통은 이것에 뒤따른

BREAKER 등에 의한 2차파쇄를 실시하여 굴착하게 된다.

▷ 파쇄제 기능 : 파쇄제는 수화반응에 의해 체적팽창하면서 그 팽창압에 의해 발생하는 인장응력이

파쇄대상의 인장응력 이상이 될 때 암반중에는 작은 균열이 발생하여 파쇄되는 것을

이용하는 것이다. 그림 3-13은 함수후의 경과시간과 발생팽창압과의 관계를 나타낸

것이다. 한편 파쇄제의 팽창압은 물과 팽창제의 비율 및 주위온도에 의해 영향을

받는다. 일반적으로 물비는 작업성과의 문제로부터 통상 27∼30%에서 사용되며,

공경은 30∼500mm사이에서 사용하는 착암기 기종중에 적절한 것을 선정한다.

▷ 파쇄설계 및 실시 : 팽창제 사용에 의한 파쇄에서는 시험파쇄를 포함하는 설계로부터 팽창제에 의한

1차 파쇄중기 등에 의한 2차 파쇄까지 그림에 제시하는 흐름으로 실시된다. 파쇄를

위한 설계에서는 시공조건, 주변환경에 따라 파쇄능률에 미치는 영향이 있으므로

다음 항목에 대하여 검토하여야 한다.

① 시공조건 : 처리수량, 공사기간, 시공위치

② 파쇄대상 : 암반 또는 해체하는 구조물 강도

③ 파쇄체 형상 : 1자유면, 2자유면, 많은 자유면

④ 파쇄정도 : 완전폐쇄, 느슨한 폐쇄

팽창성 파쇄제는 2자유면 이상을 갖는 상태에서 효과적인 것으로 알려지고 있으나

소요비용이 많기 때문에 대규모 절토에 이용하기는 제약이 따른다.

3) 브레이커 공법

유압식 백호우와 브레이커를 조합하여 타격력에 의해서 파쇄하는 공법으로 이때 발새둽는 진동치보다

소음발생이 더욱 심각하여 민원의 대상이 되고 있기 때문에 진동보다는 소음의 영향에 더욱 유의하여야

한다.

가. 브레이커에 의한 소음도 계산

SPL = SPL - 20log(r)

여기서 SPL : 브레이크 1대의 발생소음(120dB)

r : 소음발생원과의 측정지점간의 최단거리

▷ 작업량 : 브레이커에 의한 작업령은 대상암반의 등급과 작업조건 등에 따라 차이가 있다.

건설공사 표준품셈에 의하면 대형 브레이커로 보통암을 굴삭할 때 그 능률은 암파쇄의

경우 2.3∼2.9m³/hr로 대단히 낮으며 실제로 일일작업량이 20∼60m³/대 미만이기

때문에 공사에서는 비능률적이다.

3. 암반내 불연속면의 발파효과에 미치는 영향

오랜 세월 지질변동을 받은 암반내에는 균열, 절리, 파쇄대 등 공학적인 불연속면이 존재한다. 이와같은

불연속면의 발달상태는 진동, 비산, 소음의 크기 및 방향은 물론 파쇄입도 등에 큰 영향을 미치며 특히

약작약으로 실시되는 선행이완 발파에서는 발파의 성패를 좌우하는 중요한 요인이 되기도 한다. 따라서

발파의 설계 및 시공과정에서 천공간격, 천공방향, 장약량 등을 산정할 때는 암반내 불연속면의 상태를

면밀히 관찰하여야 한다.

불연속면이 수평인 경우에는 천공경사를 불연속면과 교차하도록 하고 단층의 경사가 아주 급한 때는

최소저항선이 단층방향과 직각이 되고록 하는데 때로는 평행한 경우 양호한 발파효과를 얻을 수도 있다.