| 연구개발개요 |
○ 도시 과밀화, 교통정체 가중 등의 해소를 위해 도심지 지하 터널 건설사업이 증대되고 있고, 향후에도 도심지 지하대공간 사업이 필연적으로 늘어날 것으로 예상되고 있다. 일례로 현재 진행되고 있는 GTX-A, B, C 사업은 도심지 지하를 통과하는 총 12조 9,000억원의 대규모 터널공사이고 도심지 내 지하 경전철 및 영동대로 지하화 사업도 활발하게 진행되고 있다.○ 터널 굴착의 방법은 화약을 이용하고 암반 자체를 주지보재로 하여 숏크리트와 록볼트로 보강하는 NATM 공법과 TBM, 로드헤더 등의 기계식 굴착공법으로 구분된다. 최근 들어 TBM 굴착공법의 적용이 증대되고 있으나, 초기 비용이 높고 국내의 변화가 많은 지반조건에 대한 대응이 어렵다는 단점이 있어 제한적으로 적용되고 있는 실정이다. 특히 대규모 사업일 경우, 비용 문제로 화약을 이용하여 굴착하는 NATM 공법이 선호되고 있다.○ 화약을 이용하여 굴착하는 NATM 공법은 비용이 저렴하고 변화하는 지반조건에 즉각적인 대응이 가능하다는 장점이 있으나, 화약 폭발에 따라 필연적으로 진동 및 소음이 발생하여 건물 피해나 민원의 요인이 되는 문제가 있다. 따라서 도심지 터널 공사에서 발파에 의한 진동 및 소음과 관련한 민원들은 끊이지 않고 발생하고 있다. 이는 공기 지연과 비용 증가를 초래하게 되어 작게는 현장과 주민들, 크게는 국가 경제에 악영향을 끼친다고 할 수 있다. ○ TBM, 로드헤더 등의 대형 기계식 공법을 제외하고는, 앞서 설명한 그림 2의 다양한 미진동 굴착 방법들이 진동 및 소음을 줄이기 위해 개발되고 적용되어 왔다. 이들 중 현재 많이 이용되고 있는 방법은 증기압 파쇄제와 유압할암, 그리고 유압을 이용한 쐐기파괴이다. ○ 이 중 증기압 파쇄제는 노천에만 이용되고 있고, 터널에는 활용되지 않고 있다. 그 이유는 첫 번째, 일반 뇌관이 아니라 전용 이니시에이터(점화구)를 이용해야 하는데, 전기식 이니시에이터는 시차가 없기 때문에 순차적인 자유면 형성을 위해 시차 적용이 필수인 터널에 적용할 수가 없다. 시차 적용이 가능한 전자식 이니시에이터가 있지만, 가격이 높아 한번에 많은 공을 터뜨리는 터널에 시험하기에는 많은 부담이 있다. 두 번째, 증기압 파쇄제의 폭속은 900~1200m/s로 일반 화약의 5,000~5,500m/sec의 1/5 정도로 강한 암반에서의 파쇄 효과가 급격히 떨어지므로 1 자유면인 터널에서 파쇄가 어려울 것이라는 인식이 지배적이다. ○ 미진동 화약과 전자뇌관을 이용하는 방법 역시, 효과와는 별개로 일반 굴착공법에 비해 비용 부담이 크다. ○ 당 연구과제는 증기압 파쇄제의 가능성에 주목을 하고, 현재 증기압 파쇄제가 가지고 있는 단점들을 극복하여 도심지 미진동 굴착을 위한 유용한 솔루션을 만들어 내고자 한다. 이를 위해 가격에서 기존의 공법들에 비해 저렴하면서도 진동 및 소음 기준을 만족하고, 터널에서의 굴착 효율을 가능한 한 최대로 이끌어 낼 수 있는 패턴을 고안하고 시험을 통해 검증하고자 한다.○ 당 연구과제가 성공할 경우, 도심지 지하굴착 시 민원에 대응할 수 있는 공법으로 많이 활용될 것이다. 특히 비용이 저렴하고 암반 조건(강도, 절리, 지하수 등)에 능동적으로 대응할 수 있는 설계 및 시공방안 정립을 통해 타 공법들에 비해 충분히 경쟁력을 확보할 수 있다.○ 전세계적으로 대도시는 더욱더 거대화하고 있으며, 땅값은 올라가고 지상에 개발할 공간은 줄어들고 있다. 남은 공간은 하늘과 지하공간 뿐이으므로 터널 및 지하공간 개발은 계속 늘어날 수 밖에 없다. 그렇지만 지하 굴착 공사에는 진동과 소음이 발생할 수 밖에 없고 민원의 원인이 된다. 현장에서는 이러한 민원들을 대처하느라 공사비와 공기가 증가하여 프로젝트의 사업성이 훼손되는 경우가 많이 발생한다. ○ 따라서 도심지 미진동 굴착 구간에 대해 적절한 솔루션이 확보된다면, 건설회사 뿐 아니라 국가 측면에서도 큰 도움이 될 것이다. 개발되는 기술은 전 세계적으로도 선진기술이자 고부가가치 기술에 해당한다. 제품 수출 뿐 아니라 기술의 수출을 통해 우리나라 건설 기술의 위상을 올릴 수 있을 것이다.
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| 최종목표 |
○ 당 연구과제를 요약하면, 미진동 굴착 공법 중 화학적 방법 중 하나인 증기압 파쇄제를 이용하고, 이를 이용하여 도심지 진동·소음 허용 기준치를 만족하면서 터널을 효과적으로 굴착할 수 있는 공법을 개발하는 것이다.○ 증기압 파쇄제의 원리는 먼저 AL과 CuO가 포함된 화학조성물에 테르밋 반응을 일으키고, 수화물이 반응하면서 순간적인 증기압이 발생하여 암반을 파쇄하는 것이다. 증기압 파쇄제의 폭속은 900~1,200m/sec 정도로 5,000m/sec 이상인 화약의 폭속보다 작아 진동 및 소음이 저감되는 효과가 있으나, 강한 암반에서의 파쇄 효과는 급격히 저하된다는 문제가 있다. 또한, 일반적으로 판매되는 전기나 비전기뇌관이 아니라 전용 기폭장치를 이용해야 하므로 가격이 증가하고 이용이 다소 불편하여 현장에서 적용을 망설이는 요인이 되고 있다.○ 새로운 미진동 파쇄제는 증기압 파쇄제의 기본적인 원리를 이용하면서, 일반적으로 판매되는 전기 및 비전기 뇌관 또는 일반 화약으로 기폭될 수 있도록 하는 것이 당 연구과제의 주요한 목표이다. 이를 위해서는 다양한 조성물과 배합에 따른 열량과 폭속을 이론적으로 산정하고 실험적으로 검증하는 과정을 거쳐야 한다. 특히 예감제의 종류와 분포도에 대한 실험연구가 필요하고, 조성물에 대한 그래뉼 공법(분말 상태의 입자를 일정한 크기의 덩어리로 가공하여 다시 건조시키는 공법)을 통해 순폭 증가 효과를 확인해야 한다. 이를 통해 개발되는 미진동 파쇄제의 폭속은 1,000m/sec 이상, 2,000m/sec 이하의 범위로서 기존의 제품보다 파괴력을 향상시키고자 한다. ○ 그렇지만 미진동 파쇄제가 개발된다 하더라도 바로 터널 굴착에 적용할 수 없다. 미진동 파쇄제의 특성에 적합한 굴착 공법이 설계와 시공 측면에서 수립되고 효과가 검증되어야 하기 때문이다. 파쇄 효과를 극대화하기 위한 방법으로 기존의 전색재(모래, 쇄석, 물, 모르타르 등) 대신 비뉴턴유체의 전색재 사용, 대구경 천공경의 적절한 배치, 새로운 심발 공법, 주변공의 배열과 장약량 등의 패턴을 정립하고, 최종적으로는 암반 등급에 따른 미진동 파쇄제를 이용하는 터널 굴착 공법을 정립하는 것이 당 연구과제의 또 하나의 목적이다.
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| 연구내용 및 범위 |
○ 미진동 파쇄제의 개발은 화학 조성물 성분의 종류와 배합비에 따른 이론적 계산을 통해 발생 열량과 폭속을 예측하고, 파쇄제를 직접 제작한 후 시험을 통해 검증하는 과정으로 이루어진다. 우선적인 목표로서 일반 뇌관이나 화약으로 기폭이 되기 위해서는 미진동 파쇄제의 감응도를 높여야 하므로 예감제의 비중 및 분포도가 중요하다. 이에 대한 다양한 성분과 조합에 대한 조사와 검증이 필요하고, 테르밋제 반응 이후 조성물의 100% 완폭을 보장하기 위한 그래뉼 공법 등의 물리적 성형에 대해서도 실험 연구가 필요하다.○ 미진동 파쇄제가 만들어진 후 주로 수행해야 할 성능 시험은 탄동구포 시험, 순폭도 시험, 내부 폭속 측정 등이 있다. 시험결과는 다시 미진동 파쇄제의 성분과 배합비, 그리고 성형을 변경하는 피드백의 근거가 된다. 또한 제품이 최소 3년 이상의 장기 보존이 가능하도록 품질을 확보하는 것이 중요하다.○ 개발되는 제품에 대해 현장 적용이 용이하도록 용기가 디자인 되어야 한다. 이는 향후 전색 개선과 더불어 이루어진다. ○ 전색(Stemming)은 장약 후 빈공간을 충진하여 폭발 후 가스 등의 누출을 방지하여 폭력이 암반에 충분히 전달될 수 있도록 하는 방법이다. 전색의 정도는 발파공해(진동 및 소음)와 파쇄효과에 영향을 미치는 설계의 중요한 하나의 요소이다. 일반적으로 사용하는 전색재는 모래, 쇄석, 물, 모르타르가 있는데, 이번 연구를 통해 새로운 비뉴턴유체로 만든 전색재와 비교실험 연구를 실시하고자 한다. 비뉴턴 유체는 뉴턴의 점성 법칙을 따르지 않고 전단응력이 증가함에 따라 점도가 급격히 증가하여 액상에서 고상(고체)으로 변화가 일어나는 유체(Dilatancy fluid)를 의미한다. 응력과 전색 방법의 개선은 일반 화약 뿐 아니라, 특히 미진동 파쇄제의 파괴 효과를 증진하는 데 큰 역할을 할 것이다. ○ 미진동 파쇄제를 이용하는 터널 굴착 공법은 천공경 크기, 심발 공법, 주변공의 배열 및 장약 방법, 외곽공 배열 및 장약 방법, 대구경 천공의 배치, 시차를 고려한 Zone 구분, 새로운 전색재 적용 등을 포함한 종합적인 설계 및 시공 방안이 되어야 한다. 암반 등급에 따른 각각의 설계 패턴을 수립하고, 실제 터널 적용을 통해 검증이 이루어져야 한다.○ 시험과 현장 적용 결과에 대한 피드백을 통해 미진동 파쇄제 성능 및 품질과 터널 굴착 공법을 개선하고, 향후 대량 생산과 국내외 판매를 위한 계획을 수립한다.
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