터널 발파

터널 발파의 특수성으로는 구속된 공간 내에서 항력이 높은 암반을 굴착하는 것으로서 터널의 지압과 지열의 발생 및 지하수는 터널 굴착에 제약이 되는 것이다. 폭약을 기폭시키면 충격파나 가스 팽창압에 의해 암반 내에 음력 변화를 굴진 조건이 영향을 받게 되고, 폭약의 사용으로 갱내 환경 악화 등을 들 수 있다.
 굴착의 어려움이 공사의 기간 및 공사비에 중대한 영향을 미치므로. 지질조건을 충분히 파악해야 한다.
특히 암반의 경연, 풍화도, 절리 및 단층 등의 지질적인 조건과 용수는 1자  유면 발파가 주체가 되는 터널 발파에서는 중요한 문제가 된다.
 터널 굴착 단면은 터널의 목적이나 용도에 따라 결정된다. 도로 터널이라면 교통량에 따라 터널의 폭이나 환기 덕트등의 크기, 철도 터널이라면 운행 차량의 크기나 운행 속도 및  운행 방법 등에 의해 결정된다.
굴착 단면이 비교적 작고, 지반이 안정되어 있을 경우에는   전면을 동시에 굴착하는 전단면 굴착공법이 채용되지만, 그 이외에는 대부분 분할 굴착공   법으로 시공된다.
 
1) 터널 굴착 공법 : 터널 굴착 공법은 지질적인 조건 특히 표토 두께, 단층. 파쇄대, 용수 등의 유무 또는 상태, 단면의 대소 등에 따라 결정된다. 종래부터 사용되고 있는 기본 공법은 다음과 같다.
 
  ☞ 전단면 굴착공법 :  일반적으로 소 단면 터널에 사용하는 공법이며, 넓은 단면과 전면을 단번에 굴착하려면 양질의 막장이라야 한다.
 
  ☞ 버섯형 굴착공법 :  상부 반단면과 도갱을 합한 버섯형 단면을 동시에 굴착하는 공법이다.
강아치 동바리 공으로 양측각부를 지지하기에 충분할 정도 로 양측의 하부를 남기고 나머지 전단면을 단번에 굴착한다.
 
 ☞ 측별도갱 선진 굴착공법 : 최소에 양측별 도갱을 굴착하여, 측벽부에 콘크리트를 타설  한 후, 상부 반단면의 굴착을 시행하는 방법이다. 상부의 하중이 충분히 안정된 측벽부에 좌설되어 있는 콘크리트에 의해 지지되기 때문에 지질조건이 나쁜 곳에서는 터널을 안심하고 시공할 수 있다.
 
 ☞ 상부 반단면 굴착공법 :  지질적으로 전단면을 한번에 굴착하는 것이 불안한 경우에, 상부 반단면을 선진으로 굴착하여 상부를 완료시킨 후, 하부 단면을 굴착하는 공법으로 하부의 굴착은 보통 벤치식 발파로행해진다.
 
 
 ☞ 저설도갱선진 상부반단면 공법 : 터널의 저설부에 도갱을 선진해서 굴착한 후, 상부 반단면 부분을 굴착하는 공법이다.  도갱 단면은 10m2  전후의 단면으로 굴착된다. 상부는 지질이 좋지 않으면 링커트로 굴착 할때도 있다. 상반부의 버력은 도갱부에 떨어져 외갱으로 반출된다. 이 공법은 선진한 도갱으로 터널의 지질을 충분히 예지하게 되고, 지하수위를 낮춘 다음 행해지므로 상반부의 굴착이  용이하게 된다.
 
 ☞ 벤치커트 공법 : 상부반단면 굴착과 하부반단면 굴착을 후립해서 시공하는 것이 보통  이며, 전단면 굴착공법으로는 단면이 크고, 굴착 뒤 터널 주변을 되도 록 신속히 복공 또는 지보층 등으로 폐합해야 할 지질을 굴착하는
경우이다. 팽창성 지질등을 굴착할 때에는 상부반단면과 하부 굴착의 막장 간격을 되도록 짧게 하여 되도록 신속히 폐합시킬 수 있도록 한다.
이 공법은 상부 반단면의 막장과 하부 반단면 막창간의 거리에 따라 롱벤치커트(50m이상)  벤치커트(약15-30m)미니벤치커트  (약3-5m) 그리고 다단 벤치커트 공법으로 세분화된다.
 
 ☞ 링커트 공법 : 굴착시작점이 자립하기 어려울 정도로 불량한 지질이거나 편압이 걸릴 우려가 있는 지질의 경우 상부 반단면을 굴착할 때 한꺼번에 굴착하지 않 고 중심부에 남겨 링 상태로 외주를 굴착하여 마치 동바리를 건립하는 공법이다.   이 공법은 예상 밖의 토압이 작용하여도 보강이 비교적 간단하고 신속히 되는 장점이 있다.
 
 
2) 터널 발파 개요 :  계단 발파는 자유면이 2 이상에서 행해지는 반면에 터널 발파는 한 개의 자유면에서 행해진다는 것이 두 발파의 중요한 차이다. 터널 발파는 암석이 상당히 구속 된 상태이고 2차 자유면을 형성하면서 암석이 파쇄되어 자유면으로부터 암석이 멀리 비산한다.
   터널막장에서 심빼기 발파에 의해 2차 자유면이 형성되는데 심빼기 발파는 경사공 심빼기와 평행공 심빼기 등이 실시되고 있다. 심빼기 발파가 행해진 후 막장이  발파된다.
막장발파는 계단발파와 비교되어질 수 있으나 천공오차와 양호한 파쇄   로의 요구 및 경사공이 없으므로 높은 비 장약량이 필요하다.
천반공, 벽공, 및 바닥공과 같은 윤곽공들은 윤곽밖으로 경사져야 하는데 이것을 "look - out" 이라 하며 터널은 설계된 면적을 보유하게 된다. "look - out"은 다음 round의 천공장비운용을 위해 공간을 충분히 허용해야 할 것이다. "look - out"의 기준값으로서 10cm에 천공장 1m당 3cm를 더한 값을 초과하지 않아야 한다.
즉 터널막장 둘레는 최대 20cm로 "look - out"을 유지해야 한다.
 터널발파에서 폭약의 소비량은 계단 발파에서 보다 많다. 터널 발파에서는 천공 의 분산, 발파공의 높은 구속성, 팽창을 확실하게 하기 위한 저부 암석의 상향융기 및 인접 발파공들 사이의 상호 보완작용의 결핍 때문에 계단 발파보다도 비장약량이 3-10배 정도 더 높다. 심빼기 발파에서 폭약 소비량은 아주 많다. 평행공 심빼기에서 공둘레의 1m3 면적에 약 7kg/m3 의 폭약이 소비되고, 비장약량은 최소 0.9kg/m3 에 달할 때까지 심빼기 공으로부터 감소될 것이다.
 
 
3) 비천공장 및 비장약량 : 터널 면적이 넓어질수록 비천공장과 비장약량이 감소하는 경향을 보이고 있으며, 비천공장은 천공경이 클수룩 짧아지고. 비장약량은 증가하는 경향을 보인다.  
비장약량은 터널 면적이 넓은 경우라도 0.9kg/m3 이상이 되고 있다.
 
4) 심빼기 : 암석 굴착 발파에서 가장 중요한 것은 자유면의 활용이나. 터널 발파는 1자유면 발파이며 매우 발파 효울이 나쁘다. 그래서 자유면을 증가시키는 목적으로 실시되는 것이 심빼기 발파이다.
   따라서 최초에 실시되는 심빼기 발파는 가장 조건이 심하고 또한 터널 발파의 가장 중요한 부분이기도 하다.
   심빼기 위치는 터널 막장 어느 장소에도 위치 될 수가 있다. 그러나 심빼기 위치는 비산, 폭약 소비량 및 천공수에 영향을 미치게 된다. 벽면에 밀착하여 위치시킬 경우,  적은 천공수 로써 보다나은 천공패턴을 이용할 수 있다. 상대적으로 교란되지 않은 암반에서 오른쪽이든 왼쪽이든 간에 선택하여 위치 시킬 수도 있다.
   파쇄된 암석의 보다 더 나은 전방이동과 폐석 처리를 위해서 막장의 중앙과 아주 낮은 아래에 위치시키기도 한다. 이 위치는 하향 채굴이 대부분이기 때문에 비산과 폭약소비량이 적다.
   아주 높은 장소에 위치시키면 폐석 처리가 쉬워지지만 많은 상향채굴로 인해서 폭약 소비량과 천공수가 많아지게 된다. 일반적으로 바람직한 위치는 바닥 상부 첫 번째 역이다.
 
① 심빼기 종류
 - 경사공 심빼기 : 자유면에 대하여 통상 60-70。 정도의 경사를 가지고 천공하여 공저에  폭약을 질수록 고밀도로 집중해서 장약시켜 막장면에 crack이 형성되도록 발파하는 방법이다.
   공저를 20cm 간격 정도로 집중시키고, 충분한 천공각도를 취하며 고폭  속의 폭약을 조밀하게 장전해야할 필요가 있다.   이 심빼기는 어느 각도를 가지고 천공하는 관계상 어떻게 하여도 굴진 길이는 터널 굴착 단면에 의해 제약을 받고, 터널 폭의 0.6∼0.7배 정도가  한계이다. 따라서 소단면 터널에서는 굴진 길이를 신장시키는 것이 어렵다.   또한 굴착단면이 큰 경우라도 경사로 심빼기 방법으로는 장공 발파를 실시하는 것은 곤란하다.
 
  * 종류
   - Horizontal V-cut : 연암의 가로 층리가 발달한 암석에 적합하다.
   - Vertical V-cut : 세로 층리가 발달한 암석에 적합하다
   - Double V-cut :Body cut 이라고도 하며 연암에 적합하다
   - Muti V-cut : 다수의 V-cut를 중첩시키는 것으로 아주 큰 단면, 또는 아주 강한 암석  에 적합하며, m3당 폭약량이 많이 드는 결점이 있다.  
   - shearing V-cut : 연암의 큰 단면에 사용한다.
   - Fan-cut : 최소저항선과 자유면과 유효하게 이용하기 위해서 수평 부채살 모양으로 천공하는 방법으로 암석의 층상을 이용한다. 천공장 및 폭약 소비량이 적고, 굴진면의 나비가 넓은 곳에 매우 유리하다.
   - pyramid cut : 피라미드형의 천공을 정점이 집중하도록 한다.
                        강인한 암석의 심발에 적당하며, 제발 발파를 하여야 효과적이다.
                        천공에 숙련을 요하며, 심빼기 발파에서 신자유면이 넓다.
                        천공장에 제한이 있어 1m 이상 굴진이 어렵다.
                        수평갱도에서 천공이 불편하나 상향굴진이나 하향굴진에 매우 효과적이다.
              
         ※ pyramid cut의 종류
                diamond cut : 사방에서 중심으로 집중하는 방법이다.
                three rules pyramid cut : 3 방면으로부터 중심으로 집중하는 방법이다.
                tunnel pyramid cut : 터널이나 개갱 굴착시 사용하는 방법이다.
 
 - 평행공 심빼기 : 평행 심빼기는 모든 막장면에 직각으로 평행 천공을 함으로써, 모양상은 단순하 게되고 단면 크기에 관계없이 실시할 수 있다.  소구경 Burn-cut 은 근접한 평행천공을 하고, 그 중 몇 개의 공층 주위에 인접하는 장약공에 의한 암석파쇄가 공공을 향하여 실시되고 차차 확대해가는 방법이다.          
이 작은 공공을 자유면으로 이용하기 때문에 공간격은 10cm 정도로 매우 짧고, 또한 극히 높은 정밀도의 평행선이 요구된다.    
    장약량이 과잉이었든지 폭약 위력이 너무 강하면, 파쇄된 암석이 막장면으로 밀려 나오지 않고 소결현상을 일으켜 실패한다. 따라서 적당한 장약량을 장약공의 입구까지 균일하게 장약 할 필요가 있다. 또한 천공이 비교적 근접됨으로써 장약이 유 폭되거나 어떤 것은 사압 현상으로 불발 잔류를 일이키는 수가 있다.  
    대구경 심빼기는 오늘날 가장 일반화된 것으로써 소구경의 발파공으로 둘러 쌓여있는 1∼2개의 무장약 대구경 공공으로 이루어진다. 또 발파공은 정방형 공층의 주위에 위치하게 된다.
    심빼기의 정방형의 수는 마지막 정방형의 저항선이 천공경에 해당하는 주어진 장 약 밀도에 대한 막장공의 저항선을 초과해서는 안 된다는 사실에 의해 한정된다.   심빼기 공들은 일반적으로 약 2m2 의 면적을 차지하게 되는데. 실제적으로 면적이 적은 터널은 심빼기와 윤곽공만으로 이루어진다.
 
     ※ 평행공 심빼기의 장약장은 L = C·H·S2 으로 계산한다.
           L: 장약량(kg)   S: 공간격(m)  H: 천층길이(m)  C: 발파계수
 
  *  종류  
    - spiral cut : burn cut 발파에서 나타나는 소결현상을 방지하기 위하여 대구경 천공(무장약공)의 주위에 spiral(나선)상으로 천공 배치하여 무장약 공에서   가까운 것부터 차례로 발파하는 방법
 
    - coromant cut : 소단면 갱도에서 1발파당 굴진장을 burn cut보다 더 길게 하기 위해서 고안한 신 천공법으로 천공 예정 암벽에 안내판(Tamplet)을  사용하여 천공배치가 정확하게 되도록 한다.
       ※ 특징 : 소단면에서 1발파당 굴진장을 크게 할 수 있다.
                    중앙에 대공경을 무장약공으로 하여 자유면으로 한다.
                    천공장의 비율에서 1발파당 진행도가 크다.
                    미숙련부도 용이하게 천공할 수 있다.
                    파쇄암석이 균일하므로 적재능력이 향상된다.
 
       - cylinder-cut : 종래의 Burn-cut 보다 빈공경(d)을 크게 하여 d=10-100mm로 하고, 빈공의 주변에 4∼6공의 발파공을 평행으로 천공한다. 각단에서 파쇄되는 암석의 파쇄량이 발파에 의해 확대된 공의 내용적보다 적게되지 않도록 하는것이 필요하다. 또 빈공경이 작을 때에는 s가 증가함과 함께 장약량이 2단으로 많아진다. (이론적으로는 빈공과 장약공의 중심간격이 빈공경의 0.7∼1.5배로 되면 파쇄 용적율을 고려하여도 유효한 발파를 행할 수 있다) burn-cut에서 나타나는 소결현상을 방지하기 위함.
 
       - No-cut Blooting
         : 심발공 상호간의 거리는 15-20cm 로 하고, 될 수 있는 한 좁은 간격으로 가깝게 할 것.
           장약시에는 공내에 간극이 없도록 폭약을 장전할 것.
           메지는 충분히 채울 것.
           천공의 공저를 가지런하게 할 것.
          심발공의 제발은 가능한 한 도폭선을 사용하나 도폭선을 사용할 수 없으면 순발전기뇌관에 의해 제발을 행한다
 
  5) 터널 발파 설계
      : 일반적으로 심빼기 부분을 먼저 설계한 후 나머지 굴착부분을 설계한다. 일반적인 발파 설계 순서를 바닥공, 벽공, 천공, 막장의 수평과 상향 및 하향 부분 순서로 설계를 한다.
 
6) 점화 패턴
      : 각각의 층들이 확실하게 파괴될 수 있도록 점화패턴을 설계해야 한다.
        심빼기에서는 다리각이 약 50。로서 가장 작으며, 채굴장에서는 파괴각이 90。이하가 되지 않도록 설계해야 한다. 또 터널 발파에서 발파공들 사이에 충분히 긴 지연 시간을 가지도록 하는 것이 중요하다. 심빼기 부분에서는 좁은 공공을 통한 파괴와 암석의 비산에 필요한 시간을 허용하기 위하여 발파공들 사이의 지연시간을 충분히 길게 해야 한다. 파괴 암석이 40∼60 m/sec 의 속도로 움직인다는 것이 획일적이었으므로 4m 깊이로 천공된 심빼기 공이 완전히 발파되기 위해서 약 60∼100m/sec의 지연시간이 필요하다. 전형적으로 심빼기에서는 약 75∼100ms의 지연시간을 주고있다.    윤곽공들에 있어서 보다 더 나은 Smooth Blasting 효과를 얻기 위하여 발파공들 사이의 지발시간은 가능한 한 짧아야 한다. 그러므로 천반공 들은 동일번호의 뇌관으로 또 벽공들은 천반 공과 다른 동일 번호의 뇌관을 사용하되 벽공은 천반 공보다 먼저 발파되도록 한다.


자료출처 : 고려화약