| 연구개발개요 |
▣ 연구개발의 배경 오늘날 사회는 도시화로 인해 구조 인프라에 대한 수요는 계속 증가하고 있으며, 한정되고 포화상태인 지표 공간을 벗어나 공간의 집약적 활용을 위해 지하철 터널, 도로터널, 수공터널 등 점점 더 지하 공간으로 활성화되고 있다. 발파작업은 일반적으로 광산 및 터널 등의 건설작업의 필수 부분이며, 암반을 파쇄 굴착하기 위한 가장 비용 효율적인 방법이다. 그러나 도심지 내에서의 발파작업은 소음 및 지반진동 등의 환경적 위해 요인을 수반하며, 이러한 공해는 발파작업을 수행하는 과정에서 큰 제약으로 작용하고 있다. 터널발파는 노천발파와 달리 초기 자유면이 하나밖에 존재하지 않는다. 즉, 터널 굴착방향으로의 막장면만이 자유면으로 존재하며, 심발부 심빼기 발파를 통해 이후 확대 발파에 대한 2차 자유면을 형성하게 된다. 그 결과 전체 발파단면 중 심발부 심빼기 발파에서 암반의 구속력이 가장 크게 작용 하며, 이는 전체 터널 발파의 성공 여부를 결정짓는 중요한 과정으로서 효과적인 암석의 파쇄를 위해 많은 화약이 집중적으로 사용되고 있다. 이에 따라 전체 발파 중 심빼기 발파에서 가장 큰 진동속도를 보이며 심발부 심빼기 방법을 적절히 조절하여 진동을 감소시키는 것이 전체 터널발파에서의 진동을 저감시키는 방편이라 할 수 있다. 본 연구에서는 지하터널 발파과정에서 진동을 제어하면서도 경제적 시공이 가능한 형태의 기술개발로 두 가지 기술을 제안하며, 터널 심빼기 발파에서 단일 및 복합적용을 통해 도심지 하부의 지하공간 구축에서 환경 긍정적 기술개발을 지향하는 개념이라 할 수 있다.▣ 연구개발의 필요성▷ 지속적인 교통 수요 증가에 대응하기 위한 교통시설 공급 요구는 대도시권을 중심으로 확대되고 있으며, 특히 도시환경의 개선 및 녹색성장의 요구에 따른 지하도로 건설에 대한 논의가 현재 활발히 진행되고 있다. 대도시권의 도로시설 공간 부족, 공사 환경에 대한 혐오 및 토지가격의 상승 등과 함께 최근 지반굴착 및 터널기술의 발전 등의 여건변화는 지하건설에 대한 필요성을 증대시킴.▷ 도심지 내의 지하 공간 건설을 위한 공사는, 시공과정에서 발생하는 진동, 소음 때문에 주변 건물 균열, 지반 붕괴, 민원 악화 등의 심각한 사회문제를 일으킴. 실례로 부산 금정터널 시공의 경우 인접한 지하철 시설과 만덕 2터널 때문에 진동과 소음을 최소화해야 했고, 이를 위해 발파 규모를 최소화할 수밖에 없었으므로 1회 발파로 50㎝ 정도밖에 굴진 하지 못하여 시공 기간과 비용이 과다하게 소요된 결과가 발생함.▷ 최근에는 중심도시와 주변 도시 지역을 함께 묶어 계획의 대상으로 삼는 “광역도시계획제도”가 주목을 받고 있음. 기존 도시들을 효율적으로 재편하기 위한 한 카테고리 중 도심 지하 공간의 건설에 있어 진동과 소음을 획기적으로 줄일 수 있는 신기술 공법의 개발이 필요함.▷ 심발부 다중 인공절리를 이용한 저진동, 저소음, 저비용 터널굴착방법 및 심발공에서의 폭약의 힘을 효과적으로 활용하기 위한 폴리머 겔 패키지 활용기술을 통해 발파로 인한 진동을 획기적으로 저감시키고 주변 건물의 진동으로 인한 피해를 최소화 할 수 있는 공법임.
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| 최종목표 |
▣ 최종목표▷ 주관연구기관① 폴리머 겔 패키지 효과분석 실험 및 수치해석 평가② 폴리머 겔 패키지 장치개발③ 발파진동 10% 이상 저감, 굴진 효율 95% 이상 확보, 발파공의 투사면적 증가 및 버블펄쉐이팅 효과로 인한 파쇄도 증가(2차 소할작업 감소)▷ 공동연구기관① 심발부 다중 인공절리를 이용한 저진동, 심빼기 발파 설계 및 시공 기술개발② 심발부 발파 진동 30% 이상 저감, 굴진 효율 95% 이상 확보, 심발 부 다중 인공절리로 인한 최소저항선 감소 효과(심발부 대괴 발생량 감소)▷ (최종) 일반 심발발파 대비 30% 지반진동 저감 및 95% 굴진 효율 달성
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| 연구내용 및 범위 |
▣ 주관 연구기관▷ 기술조사 및 분석- 발파력 충격압 유체간 압력관계 분석- 수공발파의 암반파쇄 평가조사- 충격압 수중전파 특성 문헌조사- 폴리머 겔의 충격압 전파 특성조사▷ 사전 수치해석- 폴리머 겔 패키지 적용 시 심발공 경사, 굴진장, 디커플링 지수에 따른 발파시뮬레이션- 폴리머 겔의 밀도, 점도 등에 따른 발파충격압 전파 유동 해석 ▷ 기초실험- 겔화제 조성파악 및 겔화시간 단축과 겔 특성에 따른 발파 효과 산정- 폴리머 겔 패키지 내부 겔화 Case별 콘크리트 블록 발파실험- 겔 조건에 따른 블록 파쇄도 평가- 수치해석 결과와 비교▷ 1차년도 내용정리-1차년도 주요내용 보고서 작성-발생결과 관련 논문작성 및 지식재산권 관리▷ 폴리머 겔 패키지 장치 형태개발- 각 발파공법별 적합한 제품 사이즈 및 형상결정- 내부 주입유체의 겔화방법 및 최적조건설정- 폴리머 겔 패키지 시작품 개념설계 ▷ 현장적용 실험- 터널현장 소규모 심발부 단일 부분 적용실험- 소음, 진동계측, 파쇄도 분석, 3D 스캐닝 굴진 및 잔류공 평가▷ 폴리머 겔 패키지 상세설계 및 검증실험- 발파상황별 폴리머 겔 패키지 적용을 위한 부속설계- Deck charge 적용을 위한 이격설계 - 장공발파 설계 적용 평가 - 비용분석 - 최종 검증실험 ▷ 2차년도 내용정리- 최종보고서 작성- 발생결과 관련 논문작성 및 지식재산권 관리▣ 공동 연구기관▷ 기술조사 및 분석- 매질경계 충격압 전달관련 문헌조사- 인공절리 형성을 위한 절단공법 비교분석- 와이어쏘 적용성 및 기초비용 평가▷ 사전 수치해석- 인공절리 인자별 발파진동 해석 (적용인자: 인공절리 수, 인공절리 간격, 인공절리 경사 등)- 인공절리 조건별 라그랑지&오일러 커플링 발파해석- 중앙부 다중인공절리에 따른 심발효과 모의 해석 3D SPH 발파해석▷ 인공 절리 형성 장치 개발- 전면부 절삭을 위한 와이어 쏘 장치 개발- 장약공에 적용 가능한 풀리장비 개발- 절삭효율 분석을 통한 최적 인공절리 형성 방법 개발▷ 인공절리 적용시험- 인공절리 적용시험- 진동 및 소음계측- 파쇄도 분석▷ 현장적용 실험- 터널현장 소규모 심발부 단일 부분 적용실험 - 소음, 진동계측 및 파쇄도 분석- 3D 스캐닝을 이용한 굴진율 평가▷ 다중 인공절리 및 폴리머 겔 패키지 장치 복합 현장 적용 실험- 최적 조건에 대한 터널현장 소규모 심발부 복합 부분 적용실험- 소음, 진동 계측 및 파쇄도 분석- 3D 스캐닝을 이용한 굴진율 평가
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