1. 서 론

열병합 발전소(Combined Heat and Power Plant)를 포함한 발전소는 대표적인 주요 산업시설로서 발전 형식에 따라 가스터빈(Gas Turbine), 증기터빈(Steam Turbine), 배열회수보일러(Heat Recovery Steam Generator) 등의 주기기 가동시간 동안 전기 또는 전기와 열을 생산하는 중요한 시설이다. 발전소에 재해 발생 시 발전소 시설물에 대한 직접적인 피해 뿐만 아니라 전기, 열 생산 중단에 따른 막대한 물적 피해, 운영인력에 대한 인적 피해 등 그 사회경제적 파급 효과가 막대하다. 따라서 상업운전 중인 발전소와 근접하여 건설공사 시공 시 안전성 확보에 유의하여야 한다. 최근 급속한 산업화와 도시 확장에 따라 수도권 광역급행철도, 도시철도 사업과 같은 신규 교통망 구축 시 터널의 건설이 급증하고 있어 기존 시설물 하부를 통과하거나 근접 통과하는 사례가 빈번히 발생하고 있다^{(Ahn et al., 1998)}. 따라서 지상 시설물과 지하 시설물 간, 또는 지하 시설물 간의 근접시공으로 인하여 전체 구조물계의 안전성 확보 여부가 주요 관심 대상이며 관련 민원 또한 증가하고 있다^{(Han et al., 2021)}. 특히 터널 시공 시 국내의 경우 1982년 제 1기 서울지하철 건설공사 이후 대부분 화약 발파에 의한 NATM 공법을 적용하고 있으므로^{(Lee et al., 2004)} 시설물의 정적 안전성 뿐만 아니라 발파에 의한 동적 안전성에 대한 정밀검토가 매우 중요하다. ^{Whang et al.(2008)}은 근거리 발파진동에 의하여 흙막이 구조물이 받는 영향에 대하여 시험발파를 수행하고 흙막이 가시설의 형식에 따라 25.4∼114.0 kine의 허용 진동속도 기준과 최소저항선의 2배인 권장 이격거리 기준을 제시하였다. ^{Baek et al.(2006)}은 댐 비상 여수로 터널의 발파 굴착 시 부속 발전소, 교량, 민가 등에 대하여 진동영향 특성을 분석하였다. 시험발파 결과를 이용한 발파진동식으로부터 최대 허용 지발당 장약량을 구하고, 추가로 실제 발파 조건과 동일한 조건으로 3차원 수치해석을 실시하여 역해석 방법으로 진동식과 최대 허용 지발당 장약량을 산정하였다. 그리고 실험과 수치해석 두 결과를 비교 검토하여 주변 시설물의 안전성을 검토한 사례를 제시하였다. 다만 발전소 내 진동기초 등 구체적 시설물에 대한 상세검토는 수행하지 않고 발전소 구조물 외형만 모델링하여 수치해석을 수행한 한계가 있다. ^{Han et al.(2021)}은 기존 지하철 터널 하부에 철도터널을 신규 굴착하는 경우를 대상으로 하부 철도터널의 단계별 굴착에 따른 정적 안전성을 3차원 수치해석에 의하여 평가하였고, 발파에 의한 진동은 진동 추정식을 이용하여 산정한 후 영향 범위에 따라 제어발파, 무진동 암파쇄 공법 등의 공법을 적용할 것을 제안하였다. 그러나 발파진동의 영향을 인접 현장 계측치를 이용한 진동 추정식을 통해 산정하였고 3차원 정밀 동적해석 및 현장 발파진동 계측 결과가 없어 제안 결과에 대한 검증 방법이 일부 부족한 것으로 판단된다. 근접 발파에 따른 발파진동 저감을 목적으로 시도되는 방법 중 대표적인 것이 제어발파이며 발파 시 전자뇌관을 적용하는 방법이 최근 들어 널리 적용되고 있다. ^{Kim et al.(2013a)}은 전자뇌관 적용 시 근접지반의 진동특성을 심발부와 확대부로 구분하여 시험발파를 수행한 결과 전자뇌관 적용 시 단일공 지발당장약량(kg/delay)이 정확히 유지되어 파형 중첩에 의한 진동 증폭현상을 보이지 않으며 심발부 발파진동을 현저히 저감시키는 것을 계측을 통하여 확인하였다(Fig. 1).

Fig. 1. Comparison of Blast-Induced Vibration-Time Histories (Modified after Kim et al., 2013b): (a) Using Electronic Detonators, (b) Using Non-electronic Detonators

이와 같이 근접발파 시 공사 개시 이전에는 설계된 발파패턴과 화약특성, 장약량 및 발파공법에 대한 상세 검토가 이루어져야 하고 발파하중 재하에 따른 발파진동이 기존 시설물 및 지반의 진동속도, 변형 등에 미치는 영향 역시 충분히 검증되어야 한다. 특히 발전소는 고중량, 대규모 기계설비가 다수 존재하며 터빈, 펌프와 같이 고진동수를 갖는 회전진동기계가 설치되어 있으므로 상업운전 중 외력에 매우 민감하다. ^{Haibo et al.(2011)}은 원자력발전소 건설을 위한 기반암의 발파굴착 시 주변 암반의 손상을 현장계측 및 3차원 동적 수치해석을 통하여 검토한 결과, 암반 손상을 발생시키는 최대 진동속도를 5.0 kine으로 제안한 바 있다. ^{Jiang et al.(2018)}은 터널 발파로 인하여 인접하여 매설된 가스관이 받는 영향을 시험발파 및 현장계측을 통하여 모니터링하고 3차원 수치해석 및 역해석을 통하여 진동 예측식을 제안하였다. 그러나 발전소 내 진동 기계기초 등과 같이 구체적인 시설물 기초에 대한 발파하중의 영향에 대한 연구는 거의 발표된 바 없어 국내외 모두 미진한 것으로 판단된다.

본 연구에서는 국내 ○○발전소 부지 하부로 철도터널이 발파굴착될 때 발파하중에 의한 진동의 특성과 영향을 평가하였다. 발파진동의 영향을 검토하기 위하여 발파진동 허용 기준을 결정하고 발전소 내 중요 진동기기기초인 터빈기초 및 펌프기초에 대하여 발파 전 3차원 유한요소해석법에 의한 동적수치해석을 수행하였다. 또한 발파시공 중 이동식 진동계측기를 이용한 현장 진동계측을 수행하여 적용된 발파패턴의 타당성을 검토하였다.

2. 발파진동 허용기준

발전소 하부를 통과하는 철도터널은 NATM 공법으로 설계되어 반복적 발파작업이 필수적이다. 따라서 인접 시설물 및 지반에 발파진동을 유발하므로 합리적인 발파진동의 허용기준을 정하여 관리하는 것이 중요하다. 이와 관련된 국내 법규로는 소음․진동관리법 제25조 ‘폭약의 사용으로 인한 소음․진동의 방지’ 규정에 따라 각 지자체장에 의해 시, 도 경찰청장에게 폭약 사용 규제조치를 요청할 수 있도록 기술되어 있다. 폭약 사용 규제기준은 소음․진동관리법 시행규칙 제20조 3항 별표8에 규정되어 있으며 다음 Table 1과 같이 정리할 수 있다.

소음 ․ 진동관리법에 규정된 진동 기준은 그 단위가 진동레벨(dB(V), vibration level)로서 진동가속도레벨(dB) 값에 주파수별로 인간의 수직(vertical) 감각치를 고려하여 보정한 결과를 의미한다^{(ISO 2631, 1997)}. 이러한 법적 규정은 일종의 결과론적이고 포괄적인 규정으로서 지반조건, 발파조건, 대상 보안물건의 종류와 특징 등 구체적인 공학적 조건에 대한 기준으로서는 적용성이 다소 부족하고 주로 법적 분쟁에 대한 일률적인 기준값으로 이용되고 있는 실정이다. 또한 진동레벨은 인체가 느끼는 감각량을 평가하는 데 중점을 두고 있는데 진동의 크기와 인체가 느끼는 감각량이 비례하지 않기 때문에 대수척도로 환산한 단위이며 따라서 구조물의 손상을 평가하는 객관적, 정량적 지표로 사용하기에는 곤란한 점이 있다. 또한 시험발파를 수행하여 동일 이격위치에서 진동속도와 진동레벨을 계측하여 비교한 결과 지중 암맥분포, 지층구조, 지반물성 등에 따라 진동속도에 따라 진동레벨이 비례하지 않는 경우가 발생하므로 진동레벨만을 기준으로 진동의 크기를 평가하는 데 한계가 존재한다^{(Lee and Chang, 2005)}. 따라서 이를 보완하기 위하여 진동의 크기를 속도 단위인 kine(cm/s)으로 표현하고 직교하는 3개의 축방향별 진동성분의 벡터합으로서 산정하는 것이 타당하다고 판단된다.

본 연구에서는 기존 사례와 규정들을 종합적으로 검토하여 합리적인 기준값을 산정하였다. 기존 발전소 및 진동 예민 구조물과 근접하여 발파한 주요 사례는 Table 2와 같으며 발파시 발파진동 허용기준은 최대입자속도(Peak Particle Velocity, PPV) 기준 초근접 상태의 구조물일 때 0.2∼1.0 kine 정도로 파악된다.

국토교통부에서는 표준발파공법별 진동속도와 적용 이격거리를 제시하였다^{(MOLIT, 2006)}. 이에 따르면 진동속도 기준은 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1.0, 5.0 kine으로 제시하였고 설계 시 발파공법과 이격거리에 따라 결정하도록 하였으나 구체적인 구조물에 대한 기준은 제시되지 않았다. 이후 ^MOLIT(2009), ^MOLIT(2010) 등의 기준서를 통하여 구조물의 종류에 따른 발파 진동속도의 허용치를 0.2∼5.0 kine으로 제시하였다. 또한 국내 주요 기관 및 유사 시공사례에서는 Table 3과 같이 발파진동 허용기준을 적용한 바 있다.

발파진동과 관련하여 고용노동부 고시^{(MOEL, 2020)} 제5조에 의하면 발파구간 인접 구조물에 대한 피해 및 손상을 예방하기 위하여 Table 4에서 제시한 값을 준용하도록 되어 있다.

이 밖에도 중앙환경분쟁조정위원회, 각종 법원 판례, 경찰청 사용허가^{(Won et al., 2009)} 등 다양한 사례 검토결과^{(Kim et al., 2013b)} 0.2∼5.0 kine으로 규정하고 있어 대부분의 경우 가축 등을 제외하고 실무적으로 최소 0.2 kine을 가장 엄격한 기준으로 적용하고 있다.

본 연구의 주요 검토 대상인 발전소 내 주기기는 고속 회전진동기계인 터빈과 펌프이므로 기계진동에 대하여 국제적으로 통용되는 ISO 10816-1 기준을 준용할 수 있다. ISO 10816-1 기준은 Table 5와 같고, 본 해석 대상인 펌프와 터빈의 출력은 기기 사양을 참조 시 Class Ⅱ로 분류할 수 있다.

본 연구에서는 발전소라는 특수성과 발전소 내 기기들의 중요성 및 터빈과 같은 고속 회전진동기계의 민감성 등을 종합적으로 고려하여 발파진동 허용기준을 결정하였다. 발전소 구조물에 대한 근접발파 시공 사례를 조사한 결과 최대입자속도 기준 0.2∼0.5 kine으로 적용되었으며 국내 주요기관 및 공공 공사에서 적용된 기준은 가축류에 대한 기준을 제외하고 실무적으로는 0.2 kine 이 가장 엄격한 기준으로 제시되어 있다. 고속회전기기류에 대하여 국제적으로 통용되는 진동허용 기준은 ISO 10816-1에 규정되어 있으며 기기의 출력에 따라 Ⅰ∼Ⅳ 등급으로 구분되며 이에 따라 ○○발전소 내 진동기계기초를 검토한 결과 가장 보수적으로 0.15 kine (Ⅱ 등급)으로 결정하였다. 따라서 진동기초에 대하여 0.15 kine을 기준으로 수치해석 결과를 검토하였다.

3. 수치해석 조건

본 연구의 검토 대상은 발전소 내 중요 진동기기기초인 터빈기초 및 펌프기초이고, 터널 굴진면과 가장 근접했을 때의 이격거리는 각각 약 50 m 및 20 m이다. 아직 발파작업이 진행되지 않은 조건에서 발파하중이 재하 시 동적 응답거동을 합리적으로 파악하기 위하여 현실적으로 가장 적합한 방법은 수치해석이라 판단된다. 수치해석 기법은 기존에 제시된 이론적인 해석법으로는 해결하기 곤란한 매우 복잡한 조건에 대한 계산이 가능하며 적절한 모델링 기법을 통하여 실제와 매우 유사한 해석조건을 구현할 수 있다. 본 연구에서는 유한요소해석법에 의한 3차원 동적수치해석을 수행하였으며, 해석 프로그램은 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다.

수치해석을 수행하기 위하여 입력하중인 발파하중 시간이력을 산정하였다. 발파진동의 주진동수는 0.5∼200 Hz의 범위에서 다양하게 나타나고 진동의 형태에 따라 그 특성이 달리 나타날 수 있다. 주진동수를 최대진폭의 파형을 기준으로 정의한다면 발파가 이루어지는 작업의 종류에 따라 다르게 나타난다. Fig. 2와 같이 노천 탄광에서 이루어지는 대규모 발파의 주진동수는 비교적 낮게 발생하고, 일반적인 건설발파에서는 훨씬 높은 주진동수가 발생하는 경향이 있다. 일반적인 건물의 고유진동수가 5∼20 Hz라 할 때 저진동수의 발파진동이 건물의 공진을 유발할 가능성이 있으므로 저진동수의 발파진동에 주의하여야 한다.

발파하중 산정 시 발파조건, 화약의 종류, 장약량, 폭속, 암반특성, 전색재료 등을 고려하여야 신뢰도를 높일 수 있다. 발파하중 산정을 위하여 다양한 경험식들에 제안되었는데 국내에서는 미국 National Highway Institute에서 제안한 다음 식을 널리 적용하고 있다^{(Konya and Walter, 1991)}.

여기서, $C_{s}$는 화약의 폭발속도 (ft/sec), $\rho$는 화약의 비중(g/cm³, $P$는 폭굉압(kbar)이다. 이 식은 폭약 1 kg 당 최대 폭발하중을 의미한다. 발파하중을 적용하여 동적해석을 수행하기 위해서는 발파로 인하여 발생하는 진동의 시간이력을 생성해야 하며, 발파하중 시간이력곡선은 다음과 같이 지수함수의 형태로 제시된 ^{Starfield and Pugliese(1968)}의 이력곡선이 가장 널리 사용되고 있다. 여기서 $P(t)$는 임의의 시간 $t$에 따른 압력, $B$는 하중 상수로 16,338이다.

단일 발파공의 최대 발파하중은 폭약의 장전방법과 전색(tamping) 적용 여부에 따라 보정을 할 수 있다. 밀장전(full charge)의 경우 발파공 내를 폭약으로 가득 채우기 때문에 폭발 시 폭굉압이 발파공벽에 거의 그대로 전달된다. 디커플링(decoupling)의 경우 발파공과 폭약 표면 사이에 빈 공간을 형성하여 폭발시 충격력을 감소시켜 발파진동의 크기를 줄일 수 있으므로 제어발파에 주로 이용된다. 이는 전색재에 의하여 충격파가 감소하나 폭발가스의 유효시간이 연장되어 균열형성에 유리하고 공기충격파를 감소시키며 개방화염을 억제할 수 있다. 현재 거의 모든 발파에서 디커플링 및 전색 작업이 이루어지므로 이를 고려하여 발파하중에 대한 적절한 보정을 수행하여야 한다. National Highway Institute에서 제안한 디커플링과 전색에 대한 보정식은 다음과 같다.

여기서, $d_{e}$는 화약직경(mm), $d_{h}$는 천공경(mm), $\rho_{c}$는 전색재의 밀도, $V_{c}$는 전색재의 탄성파 전파속도이다. 일반적으로 전색재는 모래를 사용하므로 밀도($\rho_{c}$)는 1.8 g/cm³, 탄성파 속도($V_{c}$)는 600 ft/sec를 적용할 수 있다.

설계에 적용된 폭약은 에멀전폭약이며 심발부 지발당장약량 0.5 kg을 고려하여 Table 6과 같이 발파하중 산정을 위한 입력변수를 결정하였고, 산정된 발파하중 시간이력은 Fig. 3과 같다.

수치해석을 위한 지반 입력정수는 지반조사를 통하여 산정하였으며 Table 7과 같다.

3차원 동적 유한요소해석 조건을 요약하면 Table 8과 같다. 모델링 시 해석 결과의 정확도를 높이기 위하여 육면체 요소(hexahedral element)를 이용하여 모델링하였고 1개 요소의 크기를 0.2∼1.0 m로 세분화하였다.

Fig. 2. Predominant Frequencies of Vibraions (Modified after Siskind et al., 1980): (a) Coal Mine Blasting, (b) Quarry Blasting, (c) Construction Blasting

Fig. 3. Time History of Estimated Blasting Pressure

4. 수치해석 결과

발전소 내 중요 진동기기기초인 터빈기초 및 펌프기초에 대하여 3차원 유한요소해석법에 의한 동적수치해석을 수행하였다. 해석 결과 기초 상단에서 산정된 진동속도 시간이력은 Fig. 4와 같고, 이격거리 48.6 m인 펌프기초에서 최대 0.143 kine이 산정되어 허용치인 0.15 kine의 95.3% 수준의 값을 나타내었다. 터빈기초는 이격거리 약 120 m로서 최대 진동속도 0.0053 kine으로 미소한 값이 산정되었다. 또한 고중량, 고회전체를 지지하는 터빈기초는 공진 발생에 대한 안전성을 검토하기 위하여 Fig. 5와 같이 Midas/GEN 프로그램을 이용한 모델링 후 고유치 해석 및 동적해석을 수행하였다. 해석 결과 최대 고유주기는 1차 모드에서 0.4초로 산정되어 터빈 기초 구조물의 단주기 거동이 우세함을 확인하였다. 이를 바탕으로 공진발생 여부를 각 축방향(x, y, z)으로 검토한 결과는 Table 8과 같이 각 방향별 공진하한 회전수를 모든 경우에서 30% 이상 하회하므로 공진발생에 대하여 안정하다고 판단된다.

Fig. 4. Analysis Result of Particle Velocity: (a) FEM Modeling, (b) Model Dimension, (c) Soil Profile, (d) Particle Velocity Contour, (e) Particle Velocity-Time History (Pump), (f) Particle Velocity-Time History (Turbine)

Fig. 5. Analysis Result of Resonance Check: (a) FEM Modeling (Midas/GEN), (b) Fast Fourier Transform of Acceleration

5. 발파패턴 변경

수치해석 결과 입자진동속도는 펌프기초에서 최대로 산정되었고, 허용치 이내이나 허용치의 95%를 상회하는 값을 나타내었다. 따라서 발전소 구조물의 중요도와 지반의 불확실성 및 수치해석의 한계 등을 종합적으로 고려할 때 수치해석 결과 입자 진동속도가 가장 크게 산정되는 펌프 직하부 통과구간 약 30 m에 대하여 별도의 발파패턴을 추가적으로 구성하여 발파진동을 감소시키는 것이 바람직할 것으로 판단된다. 발파 시 진동을 저감하는 방법은 다양한데, 본 연구에서는 라인드릴링과 무장약공을 반영하고 지발당장약량을 감소시키는 방법을 제안하였다. 변경 발파패턴은 Fig. 6과 같이 천단부 및 천단 어깨부까지 진동 저감을 위한 라인드릴링을 시행하고, 가장 큰 진동이 발생하는 심발공 발파시 대구경(φ102 mm, 천공심도 1,100 mm) 무장약공 및 심발단공(천공심도 700 mm) 시공을 통해 진동저감 효과를 기대할 수 있다. 또한 기존 발파패턴 대비 심발공의 지발당장약량을 0.375 kg에서 0.250 kg으로 33.3% 감소시키고 심발공 면적을 변경 전 3.808 m²에서 1.440 m²으로 62% 축소하였다.

제안된 발파패턴의 적합성을 확인하기 위하여 Fig. 7과 같이 시험발파 및 진동속도 계측을 수행하였다. 시험발파 제원은 Table 10과 같으며, 계측 결과 최대진동속도 0.095 kine으로서 허용치의 63% 수준에 해당하는 미소한 값이 측정되어 변경 발파패턴의 진동 저감효과를 확인하였다.

Fig. 6. Modification of Blast Pattern: (a) Before Modification, (b) After Modification

Fig. 7. Test Blasting and Measurement: (a) Measurement on Ground Surface, (b) Changing of Explosive

6. 결 론

본 연구에서는 발전소 부지 하부로 철도터널 발파굴착 시 진동에 대한 안전성 평가 기준을 검토, 제안하고 주요 기기기초인 펌프기초와 터빈기초에 미치는 진동영향 특성을 분석하였다. 이를 위하여 3차원 동적수치해석을 수행하여 최대 입자진동속도를 산출하고, 허용치에 근접하여 일부 발파패턴을 수정 후 계측을 통하여 허용치 이내의 진동을 확인하였다. 이에 다음과 같은 결론을 도출하였다.

(1) 발파진동 허용기준치는 발전소 및 관련 기기의 중요성과 고속 회전기계의 민감성 및 운영의 안정성 확보를 종합적으로 고려하여 고속 회전기계에 대한 ISO 10816-1의 기준을 준용하여 0.15 kine으로 정하여 관리하는 것이 타당할 것으로 판단된다.

(2) 발파하중 및 열차진동하중에 대한 3차원 동적수치해석 수행 결과 발파하중 작용시 발파원으로부터 이격거리가 48.6 m 로서 가장 가까운 펌프기초에서 최대 입자진동 속도 0.143 kine이 산정되었으며 이는 허용기준치의 95.3%에 해당한다. 이격거리 약 120 m인 터빈기초의 최대 입자진동 속도는 발파하중 작용시 0.005 kine으로 허용치 이내로 산정되었고 공진 검토결과 각 방향별 공진하한 회전수를 모든 경우에서 30% 이상 하회하므로 터빈기초는 공진발생에 대하여 안정하다고 판단된다.

(3) 지반의 불확실성 및 수치해석의 여러 제한사항들을 종합적으로 고려해볼 때, 실 시공시 추가적인 보완이 필요할 것으로 판단되어 수치해석 결과 입자 진동속도가 가장 크게 산정되는 펌프기초 근접 통과구간 30 m에 대하여 변경 발파패턴을 추가적으로 구성하였고, 변경 발파패턴에 대한 시험발파를 수행하여 발파진동에 의한 최대 입자진동속도의 감소를 확인하였다.

(4) 수치해석을 통한 최대입자진동속도 확인 후 주요 진동기기기초에 대한 공진을 검토하고, 시험발파를 통한 발파패턴의 적정성 검증을 통해 산업시설 근접발파 시 안정성을 확보할 수 있는 진동영향평가의 합리적인 의사결정과정을 확립하였다.