가. 발파진동의 특성

(1) 발파진동의 정의

- 발파란 연소에 의해 순간적으로 분해되고 많은 양의 열과 가스를 방출하는 화약을 써서 바 위 따위를 파헤쳐 깨뜨리는 것을 말함
- 폭약이 장약공 내에서 폭발하면 초기 충격 폭굉압(또는 충격압), 화약의 연소에 의한 지연 폭발가스압, 그리고 3,000℃이상의 고온이 발생
- 폭원으로부터 3차원으로 전파되어온 충격압에 의한 충격파는 거리에 따라 현저히 감쇠되어 발파에 의한 에너지의 0.5∼20%가 탄성파의 형태로 암반중으로 전파되어 가면서 지반의 진동을 발생시키는데 이를 발파진동(blast vibration)이라 함

(2) 진동원의 구분

표 3.29.1 작업별 진동 특성

                                  (자료 : 우제윤, 1993)

(3) 발파진동과 지진

(가) 발파진동과 지진과의 비교

표 3.29.2 발파진동과 지진의 주요특성 비교

                                  (자료 : 한국토지개발공사)

① 발파 진동은 지진 진동에 비하여 지속 시간이 짧고, 주파수 범위도 수십에서 수백Hz인 관계로 감쇠가 쉽게 일어나며, 파형이 비교적 단순
② 지진에 의한 진동피해의 경우 그 정도를 보통 가속도로 표시하고 있으나, 발파진동에 의한 구조물의 피해정도는 진동속도에 비례하기 때문에 세계 각국에서는 대부분 발파 진동의 규제기준을 진동속도의 최대치로 정하고 있음

(나) 진도계(震度階)와 진동가속도레벨

표 3.29.3 진도계와 진동가속도레벨의 관계 및 피해손상

          주) 기상청 진도등급에 진동속도, 진동레벨을 대응시킨 것 (자료원 : 日本 東京都環境保全局, 1994, ; 정일록, 1984)

나. 발파진동의 평가

(1) 진동 단위

표 3.29.4 진동의 기본 및 파생 단위

(2) 가속도 레벨 (VAL)

진동의 양과 사람의 감각정도는 대수척도로 대응하므로 대수척도인 dB(deci Bel)로 표현

       가속도레벨 VAL = 20 log ₁₀ A/A₀(dB) 

       A  : 측정치의 가속도 실효치 (m/sec²)

       A₀  : 기준치 10 ^-5 m/sec ²

(3) 진동레벨 (보정가속도레벨, VL)

  국제표준화기구(ISO)의 인체의 진동에 대한 진동폭로기준에 의하여 가속도레벨에 주파수에 대한 인체의 진동감각(W_n)을 보정한 것

       VL = VAL + W_n

다. 발파진동의 영향

(1) 진동의 영향

표 3.29.5 진동에 의한 구조물, 기기, 생물 피해

          (자료 : 우제윤, 1993)

(2) 진동속도와 피해

표 3.29.6 진동속도에 따른 인체·구조물 피해

                                    (자료 : 한국토지개발공사, 1993)

라. 발파진동의 허용기준치

(1) 터널공사 표준안전작업지침(노동부고시 94-25호, 1994. 6) 및 발파작업 표준안전작업지침(노동부 고시 94-26호, 1994. 6)에 발파작업에서의 진동 및 파손의 우려가 있을 때 준용할 수 있는 기준은 다음과 같다.

표 3.29.7 발파작업시 구조물 특성에 따른 허용진동치

        비고: * 기존구조물에 금이 있거나 노후 구조물 등에 대하여는 상기표의 기준을 실정에 따라 허용범위를 하향 조정하여야 한다.
                * 이 기준을 초과할 때에는 발파를 중지하고 그 원인을 규명하여 적정한 패턴(발파기준)에 의하여 작업을 재개한다.

(2) 저주파의 진동은 건물의 고유주파수(일반적으로 30Hz이하)와 공명을 일으켜 건물에 더욱 큰 피해를 유발할 가능성이 크므로 더욱 엄격하게 규제할 필요가 있고, 실제로 외국의 발파진동 허용기준치는 주파수를 고려한 경우가 많음

마. 발파진동의 예측

지발당장약량 W와 거리 R이 변화할 때 최대 입자속도를 예측하는데는 환산거리를 이용하는 방법이 많이 사용됨.

     V = K(R/W^b)ⁿ

여기서 V : 지반의 진동속도(particle velocity, cm/sec)

      R : 발파원으로부터의 거리(m)
     W : 지발당 장약량(charge per delay, ㎏)
     K, n, m : 지발암반조건, 발파조건 등에 따른 상수
     b : 1/2 또는 1/3

양변에 로그를 취하면 1차 회귀직선이 됨

     log V = log K + n log (SD)

  거리와 지발당 장약량의 비 R/W^b를 환산거리(scaled distance, SD)라 하며, b=1/2이면 자승근 환산거리, b=1/3 이면 삼승근 환산거리라 함.
  일반적으로 짧은 거리(6∼30m)에서는 삼승근이, 먼거리 (30m 이상)에서는 자승근이 더욱 잘 맞는 것으로 알려져 있음.
  이 발파 진동식에서는 지반의 공학적 성질이나 발파조건 등에 따른 진동감쇠 특성이 결국 상수 K, n에 반영되어 표시되므로 안전발파 설계를 위해서는 대상지역에서 시험발파를 통한 K, n 상수값을 결정하는 것이 중요.

바. 발파진동의 조절

(1) 제어법

(가) 표준발파의 실시
(나) 자유면의 최대한 이용
(다) 공간거리와 저항거리의 비를 1이상으로 실시
(라) 벤치발파에서 Subdrill 길이를 알맞게 설계
(마) 지발 뇌관당 장약량을 감소
(바) 물이 발생하는 곳, 수중발파시, 공간거리가 가까운 곳에서 잘 발생하는 전폭현상(Flash over)이 생기지 않도록 외부충격에 둔감한 폭약과 뇌관을 사용
(사) 소단면 굴진발파는 Cylinder cut 발파를, 대단면 굴진발파는 Cylinder cut 또는 Fan cut 발파를 실시
(아) 콘크리트 파쇄기를 이용
(자) 팽창성 파쇄재를 이용
(차) 선행이완발파의 이용
(카) 심발 발파를 실시할 때는 다음의 방법을 고려하여야 한다.
 ① 순발뇌관을 사용하지 말고 MS뇌관을 사용
 ② 심발 보조공을 천공하여 저항거리를 적게하여 약량을 줄임
 ③ 대공경의 공공을 뚫어줌
 ④ 터널 주변에 Presplitting 발파를 실시한 후 심발 발파
(타) 저폭속의 폭약을 사용
(파) 참호(Trench)나 Presplitting으로 지반진동의 전파경로차단

(2) 진동제어 발파 설계
 건물, 구조물, 사람 등에 근접한 발파로 진동에 의한 피해가 예측될 때에는 진동제어 발파 설계를 하여야 함

(3) 미진동 발파공법의 채택
 근접한 시설물을 보호해야 하는 특수한 발파조건이 요망될 때 등 사용

(4) 차단벽을 이용한 진동 저감
(가) 오픈 트렌치(Open Trench)
(나) 채움재 차단벽(Infilled Trench)
(다) 주열상 방진공(Row of Piles)
(라) 구형(矩形) 차단벽(Rectanger Wave Barrier)

사. 문제점

(1) 저진동 또는 미진동 발파공법이 많이 개발되어 왔으나 그 발파공법의 적용 가능성, 발파 효과, 경제성 등으로 인하여 모든 경우에 다 적용할 수는 없음
(2) 건설분야에서는 주로 진동의 단위를 건물피해와 직접관련 되는 cm/sec를 사용하나, 환경분야에서는 인체가 느낄 수 있는 진동의 표현에 적합한 dB단위를 쓰고 있어 건설분야의 측정자료의 활용시 혼돈이 있고, 실제활용하기가 곤란
(3) 구조물 피해와 관련된 연구자료는 있으나, 실제 인간, 가축, 가금류 등의 생체 피해측면에서의 조사연구가 부족하여 발파진동피해 발생시 실제 피해여부의 확인, 피해보상 등의 과학적 근거자료제시가 곤란

아. 대책

(1) 저진동·미진동 발파공법 및 발파 대체 굴착기계의 개발 촉진
(2) 발파진동 허용기준 설정
(3) 발파진동단위의 상호환산이 가능한 경험식 개발
(4) 발파진동의 생체피해 관련 연구 추진

참고문헌

1. 우제윤, 1993, 한국지반공학회 지반진동위원회 학술발표집, p.122.
2. 日本 東京都環境保全局, 1994, 建設作業振動防止の手引き,정일록, 1984, 소음진동학, 신광출판사.
3. 한국토지개발공사, 1993, 암발파 설계 기법에 관한 연구.
4. 동아건설산업주식회사 기술연구소, 1993, 현장기술지도서(건설환경관리-소음·진동).
5. 터널공사 표준안전작업지침(노동부 고시 94-25호, 1994. 6).
6. 발파작업 표준안전작업지침(노동부 고시 94-26호, 1994. 6).