터널의 붕락은 대부분 발파·굴진 중 예상치 못한 파쇄대 및 연약지반 등에 의하여 발생하고 있으며, 막장면 암반과 지층에 대한 사전 조사와 시공 중
조사를 통해 발파에 의한 터널의 붕괴를 예측하고 굴진 및 보강 대책을 수립하고 있다. 그러나 국부적으로 지중에 분포하는 소규모 단층파쇄대가 존재하는
취약지반과 같은 불규칙한 지반에서 터널 발파와 굴착이 실시될 경우에는 예측과 전혀 다른 거동으로 인하여 터널 붕락이 발생할 수 있다(Son, 2017). 이와 같이 예측이 어려운 터널 굴착 시의 붕락은 인명 피해로 직결될 수 있으므로, 중대재해 예방과 작업자 안전확보를 위해 터널 붕락 발생 여부에
대한 예측과 감시는 매우 중요한 사안이다.
이에 따라, 지능형센서의 붕락위험 분석 알고리즘을 개발하기 위하여 실제 시공 중인 터널 내부에 지능형센서와 스마트 게이트웨이로 구성된 모니터링 시스템을
설치하고, 터널 내에서 발생하는 진동을 측정하여 지능형센서를 통해 해당 진동 데이터의 진동가속도, 주파수, 크기, 속도 등을 추출하고 분석하였다.
분석된 데이터를 통해 터널 내의 발파진동 특성을 파악함으로써 터널 굴착 시의 일상 진동(안전 상태)에 대한 범위를 정의하고, 각 국가별 발파진동 규제
기준을 활용하여 실증현장의 붕락위험에 대한 기준 영역을 제시하였다.
3.2 실증현장 수집 데이터 분석
터널의 붕락에 가장 큰 영향을 미칠 수 있는 발파 진동에 대해 검토하여 위하여 센서로부터 측정·분석된 진동가속도 데이터를 진동속도로 변환하였다. 일반적으로
지진·발파 등 진동에 의한 구조물의 피해정도는 진동속도에 비례하기 때문에 세계 각 국에서는 발파진동의 규제기준을 진동속도의 최대치로 정하고 있다.
또한, 미국 광무국(US. Bureau of Mine)의 연구결과에 따르면, 구조물에 미치는 피해는 진동의 크기를 변위로 측정하였을 때 주파수와 밀접한
관련을 가지고 있는 것으로 나타났으며, 진동속도로 나타낼 경우 구조물의 피해와 영향 정도는 주파수의 영향을 거의 받지 않고 속도의 일정값으로 표시할
수 있는 것으로 보고되어 진동속도를 안전한계로 제시하였다(Ryu, 2005). 이에 따라, 본 연구의 붕락위험감지 알고리즘을 개발하기 위하여 진동속도를 중심으로 실증현장의 데이터를 분석하였다.
일반적인 구조물의 경우 일정 주파수 범위 내의 고유진동수를 보유하고 있으며, 고유진동수는 구조물의 건정성을 평가하는 자료로 활용되고 있다. 본 연구에서는
이러한 특성을 고려하여 터널 공사 중의 발파진동 경향을 파악하기 위해 Fig. 4와 같이 지능형센서가 자체적으로 수행한 FFT 분석 결과를 토대로 센서별 1~5차 주파수 데이터의 경향을 확인하였다.
발파로 인한 지반진동의 대표적 특성인 진폭특성과 주파수특성을 결정하는 요소에는 크게 두 가지가 있다. 첫 번째는 폭원 특성(조절 가능변수)으로 이는
지반진동을 일으키는 요인에 해당하는 소스(source)와 관련된 성질을 말한다. 두 번째로 암반특성(조절 불가능변수)으로, 이는 폭원이 일으킨 지반진동을
전달하는 매질, 즉 암반과 관련된 성질을 말한다(Ahn, 2021).
FFT 분석 결과를 통한 경향 분석 결과는 다양한 지반 조건을 갖는 터널 현장의 특성상, 굴착에 따른 매질의 종류 및 상태 변화, 전파경로 상의 불연속면의
상태 및 조건 변화(Ahn, 2021)와 센서와 막장면과의 거리변화에 따른 변화, 그리고 철이나 콘크리트에 비하여 거동이 복잡하고 편차가 큰 원지반의 재료적 강도 특성(Son, 2017) 등으로 인한 것으로 사료된다.
FFT 분석을 통한 터널 내 주파수 특성과 경향성 검토 결과에 따라, 터널 현장의 특성을 고려한 합리적인 분석을 위하여 FFT분석을 통해 산출된 1차
모드부터 5차 모드까지의 진동가속도 데이터를 진동속도(Vibration Velocity)로 환산하였다. 진동속도는 진동가속도와 주파수를 활용한 Eq.
(1)을 이용하여 산정하였다.
여기서 $v$는 진동속도($kine = cm/\sec$)이며, $f$는 주파수($Hz$), $a$는 진동가속도($mg$)이다.
Fig. 5는 FFT 분석을 통해 산정된 주파수 데이터들을 진동속도로 환산한 후 진동속도의 크기에 따라서 재정렬한 그래프이며, 진동속도가 가장 크게 나타나는
주파수 1차 모드의 진동속도 계산값들을 ‘메인진동속도’로 정의하여 분석에 활용하였다.
국내에서는 발파진동의 위험도 및 관리수준에 대하여 단순히 구조물의 종류에 따른 진동속도 기준만을 제시하고 있다. 그러나 대부분의 해외국가들은 발파진동에
대해 대해 최대 진동속도 기준을 정의할 때, 주파수의 범위와 구조물의 종류를 세분화하여 적용하고 있다. 각 국가별로 주파수에 대한 허용범위 설정은
4 Hz, 10 Hz, 30 Hz, 50 Hz, 60 Hz 등으로 다양하게 적용하고 있으나, 낮은 주파수 범위에서의 진동속도가 더욱 피해가 크고 위험한
것으로 판단하여 낮은 주파수 영역대의 허용 진동속도를 더욱 작은 값을 기준으로 제시하고 있다.
미국의 경우, 미광무국(USBM)과 미국 내무부 노천광업청(OSM)의 기준에 따라 40 Hz, 30 Hz를 허용한계치로 제시하였으며(USBM RI8507),
독일(DIN4150: Structural Vibration in Buildings, part3)의 경우 진동피해와 관련하여 구조물을 각 형식별로 구분하고 기초레벨과 최상층 레벨에서 측정된 진동속도값에 대하여 공진이나 피로효과를 배제한 조건에서의
기준을 제시하였다. 영국은 British Standard인 BS7385 Part2(1993)에 발파를 포함한 다양한 진동원에 의한 구조물의 손상 발생 가능성을 평가하는 지침을 제공하고 있으며, 건물 형태를 두 가지로 분류하고 4, 15,
40 Hz 주파수 대역을 경계로 진동속도의 허용 수준을 규제하고 있다(Ahn, 2021).
이와 같은 해외국가들의 규제 기준과 실증현장에서 수집한 진동데이터 분석 결과를 활용하여 붕락위험 기준 영역의 허용 주파수 범위를 정의하였다. 실증현장에서
측정된 메인진동속도의 전체 주파수 대역은 Fig. 6과 같이 2.7~36.7 Hz의 범위로 나타났으며, 이를 토대로 터널 붕락 발생의 위험도가 높아지는 발파진동의 주파수 영역 범위를 설정하였다.
터널의 발파로 인하여 구조물에 미치는 영향과 피해규모는 진동속도(Vibration Velocity)에 비례한다. 이에 따라, 전세계적으로 발파진동에
의한 규제에 대한 척도로 진동속도를 활용하고 있으며, 앞서 허용 주파수 대역 정의 단계에서 제시하였던 해외 발파진동 관리기준과 같이 각 주파수 대역
및 구조물의 종류에 따라 ‘최대 발파진동속도(허용 발파진동속도)’를 규제하고 있다. 본 연구에서는 이와 같은 국내외 발파진동 관리기준에 의거하여 터널에서
발생한 메인진동속도의 위험도를 터널 내에서 측정된 최대 진동속도를 관리기준의 요소로 적용하였다. 터널 발파로 인한 붕락위험 허용 주파수 대역과 최대
진동속도를 활용한 실증현장의 붕락위험 관리기준 영역은 Fig. 7과 같다.
각 영역은 대표적으로 A, B, C, D의 영역으로 구분되며, 허용 주파수 대역과 최대 발파진동속도 기준을 초과하는 낮은 주파수-높은 진동속도를 갖는
A 영역의 붕락위험도가 가장 높고, 최대 발파진동속도 기준을 초과하는 진동속도를 갖고 있으나 허용 주파수 대역 내에서 관찰되는 B 영역은 주의단계,
진동속도 기준을 초과하는 고주파수 대역의 C 영역을 관심단계로 분류하였다. 최대 발파진동속도 기준 미만의 영역의 값들은 터널 내에서 일상적으로 발생하고
있는 데이터로, 안전 범위 내의 발파와 광범위한 주파수 대역에서의 미소진동을 발생시키는 중장비 이동 및 작업이 D 영역에 해당되므로 D 영역은 허용
주파수 대역과 관계없이 안전 영역으로 분류하였다.
Fig. 4. FFT Analysis Results of Tunnel Blasting Vibrations
Fig. 5. Vibration Velocity Conversion Graph by Frequency
Fig. 6. Number of Detections of Main Vibration Velocity by Frequency Band
Fig. 7. Collapse Risk Management Standards Using Vibration Velocity and Frequency
Bands