발파 진동

29. 발파진동

   

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

   

구분	작 업	진동
건 설 진 동	폭파 : 폭파 다짐/치환, 구조물 해체등, 지질탐사 발파 : 채광발파, 건설발파 지반타격 : 동다짐공법, 석주공법, 타격식 굴착 항타 : 단말뚝/터널말뚝의 타입 지반굴착 : 암따기, 파쇄, 기계식 현장타설 기초공사 지반천공 : 시추, 어스앵커링 건설장비 : 다짐장비, 토공장비	일시 진동
		지속 진동
교통 진동	도로차량진동 : 도심 중교통도로, 고속도로 철도열차진동 : 지하철, 일반철도, 고속철도
산업 진동	동력기계 : 회전원동기, 왕복운동 동력기, 컴프레셔 가공기계 : 제련 제지 절삭기계 기타 : 대형 크레인

(자료 : 우제윤, 1993)

(3) 발파진동과 지진

(가) 발파진동과 지진과의 비교

표 3.29.2 발파진동과 지진의 주요특성 비교

   

구 분	발파진동	자연진동
진원의 깊이	지표 또는 지표가까운 내부	지하 10km 이상
진동의 주파수	수 10∼수 100Hz	1Hz 정도 또는 그 이하
진동지속시간	0.1sec 정도 이내	10 sec 이상
진동의 파형	비교적 단순	복잡

(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

   

진도계	명칭	최대진동 가속도 (cm/s2)	진동가속도 레벨 (환산치)	피해손상의 상황
진도 0	무감	0.8 이하	55dB 이하	인체가 느끼지 못하며 지진계에 기록되는 정도
진도 1	미진	0.8∼2.5	55∼65	정지해 있는 사람이나, 지진에 특히 주의깊은 사람만이 느낌
진도 2	경진	2.5∼8	65∼75	많은 사람이 느끼는 정도의 것이므로 집의 미닫이가 약간 움직이는 것을 알 정도
진도 3	약진	8∼25	75∼85	집이 흔들리고, 미닫이가 덜덜 소리내며 움직이고, 전등이 흔들리고, 그릇의 수면이 움직이는 것을 알 정도
진도 4	중진	25∼80	85∼95	집의 동요가 심하고, 안정감이 좋지 않은 꽃병 등이 쓰러지고, 그릇의 물이 넘치고, 걷고 있는 사람에게도 느껴지고, 많은 사람이 집밖 으로 뛰어나오는 정도
진도 5	강진	80∼250	95∼105	벽이 갈라지고, 묘비·석등탑이 넘어지고, 굴뚝·돌담이 파손
진도 6	열진	250∼400	105∼110	집이 무너지는 것이 30% 이하이고, 산이 붕괴 되고, 땅이 갈라지는 현상이 나타나고, 많은 사람들이 서 있는 것이 불가능한 정도
진도 7	격진	400 이상	110 이상	집이 무너지는 것이 30% 이상에 이르고, 산이 붕괴되고, 단층등이 생긴다

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

   

구 분	기본단위	파 생 단 위
진동변위	cm	μ=10-3mm=10-4cm, mm=10-1cm, m=102cm
진동속도	cm/sec	mm/sec=10-1cm/sec, kine=1cm/sec, m/sec=102cm/sec
진동가속도	cm/sec2	gal=1cm/sec2, g=980cm/sec2≒103gal, m/sec2=102cm/sec2

   

(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

   

대 상	종 류		적 요	비 고
	양태	구분
구 조 물	미관적 손상 토건 구조 손상	파손     파손	-단독주택 및 소규모 건축물의 내외벽의 미장재가 떨어져 나가거나 균열을 일으키는 정도로서 큰 어려움 없이 원상회복이 가능한 손상 -토목 건축구조물의 구조요소간 연결부위의 이탈 이완, 골격부재내의 균열발생 및 파단 침화 뒤틀림 등 내부 구조물의 구조적 안정과 기능에 심각한 위협이 되는 중대한 손상	-균열의 형태 깊이 등에 대한 면밀한 조사 필요
기 기	일시 오작동 품질 손상     고장	기능장애 기능장애     파손	-충격진동 등에 의해 기기가 일시적으로 오작동되는 정도로서 커다란 물적 작업방해 피해를 유발하지 않는 정도의 피해 -기기 자체의 항구적 고장을 유발하는 정도는 아니나, 기기를 이용한 사람의 작업에 큰 지장을 주거나 기기의 처리 가공으로 얻어지는 성과 제품의 질을 크게 떨어뜨리는 수준의 피해 -기기를 구성하는 주요 구성부품의 이탈, 접속부의 단절 파단을 초래하여 기기 자체의 수리를 요하는 중대한 피해	-전자저울 등을 이용한 정밀계측 현미경 촬영 등 -컴퓨터 및 컴퓨터를 이용한 기기에서 데이터처리 오류 및 초정밀 분석 가공 제조기기의 오작동.
사 람 및 가 축	심리 피해     생산성 저하             생리적 피해	공해성         공해성                 기능장애	-신경이 전혀 안쓰이지는 않으나 참을 만한 정도의 피해     -참기 어려울 정도의 심한 불안감 및 불쾌감을 유발하는 정신적 피해를 일으키고 휴식여건 및 작업수행 성과에 영향을 미침으로서 근무효율 및 생산성을 크게 떨어뜨리는 수준의 피해 가축의 경우는 불안을 유발하여 축산생산을 저하시키는 수준 -의학적으로 사람 및 가축의 생리상태에 직접적인 영향을 미쳐 육체적 건강을 해치는 수준의 피해 가축의 경우는 수태불능 등의 중대한 축산 피해	-주변환경 여건, 사람에 따라 가변, 사전예고 설득으로 어느 정도 해결 가능 -수면방해, 집중도가 높은 정밀작업 지장등             -돌발적인 강한 충격진동 및 지속적인 큰진동

(자료 : 우제윤, 1993)

(2) 진동속도와 피해

표 3.29.6 진동속도에 따른 인체·구조물 피해

   

진동속도	(mm/sec) 500.0 100.0 50.0 10.0 5.0 2.0 1.0 0.5 0.1 0.05	-건물에 큰 피해가 일어난다.
		건물에 균열이 생긴다.
		-건물에 극히 가벼운 피해가 일어난다.
		-건물에 극히 가벼운 피해가 생긴다. (사람은 건물이 무너질듯한 느낌을 받는다.)
		인체는 심하게 느끼나 건물은 피해가 없다.
		-일반적으로 많은 사람이 진동을 느낀다.
		매우 민감한 사람이 진동을 느낀다.
		-인체로 느낄 수 없다.

(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

   

건물분류	문화재	주택 아파트	상가 (금이 없는 상태)	철골콘크리트 빌딩 및 상가
건물기초에서의 허용진동치 (cm/sec)	0.2	0.5	1.0	1.0∼4.0

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).

   

작성자 : 소음진동과 환경연구사 이정희(공학석사)

   

   

원본 위치 <http://home.sunchon.ac.kr/~bioenvlab/data2/ham3/3-29.htm>