2.1 대상지역 및 광산 현황

대상 지역은 석회석 및 편암, 화강암질 편마암 등이 출현하 는 지역으로서, 인접 광산은 석회석의 채굴을 목적으로 갱내 식 채굴 방식을 적용하고 있으며, 현장 지질 조사 및 탐사 결과 를 토대로 검토된 현장 지질도와 노선 현황 및 채굴 광산의 평 면 및 종단 현황은 Fig. 1과 2와 같다.

Fig. 1

Plan view of the site

Fig. 2

Secton view of the underground mining

2.2 고속철도 노선 구조물 및 지층구성 현황

석회암층과 사교하는 고속철도의 주요 구조물은 교량, 성 토층, 터널층으로 구분되어진다. 특히 석회암층 직상부 지역 은 Pile 기초의 교량과 성토층이 위치하고 있으며, 단면 현황 은 Fig. 3과 같다.

Fig. 3

Section view of the Honam HSR Line

2.3 채굴지역 발파 현황

채굴 지역은 석회석 채굴을 목적으로 갱내 채굴을 수행하 는 지역으로 Jumbo Drill을 활용하여 천공 작업을 수행한 후 에멀젼 폭약과 ANFO를 이용하여 발파작업을 수행하고 있다. 발파작업은 굴진구간과 확폭구간으로 구분하여 적용하고 있 으며, 굴진 구간은 폭 9 m, 높이 6 m로 채굴 작업이 진행된다. 또한 굴진 후 자유면을 이용한 추가 채굴 작업을 수행하는 확 폭 구간은 최대 높이 6 m 폭 18 m로 채굴 작업을 수행하고 있 다. 발파작업시 최대 지발당 장약량은 약 21 kg으로서 심발부 에서 최대 지발당 6공의 발파작업을 수행하고 있다. 생산 발 파시 현장에서 적용되는 발파패턴 및 주요 발파 제원은 Table 1과 같다.

Table 1

Current blasting patterns of a mine

Blasting pattern	Category		Cut	Enlarge
	Hole depth		3.800 m	3.800 m
	Number of hole		48	50
	Charge /Hole	ANFO	106.0 kg	137.5 kg
		EMX	31.0 kg	12.5 kg
	Cuttung		V-Cut
	Charge/Delay		21.0 kg	15.0 kg

2.4 진동전달 특성

대상지역은 석회석 광산이 지하 채굴이 수행되어왔기 때문 에 지하갱도 현황은 매우 복잡하게 형성되어 있다. 따라서 갱 내 발파작업시 발파진동이 인접 고속철도에 전달되는 과정은 발파 위치에 따라 매우 상이하게 나타나게 되므로 이를 반영 하여 발파지역 상부에 (a) 채굴적이 있어 발파진동이 감쇄되 는 경우, (b) 채굴적이 없는 신선한 암반인 경우로 나누어 진동 전달 특성을 평가하였다(Fig. 4).

Fig. 4

Propagation of ground vibrations

3.1 지반조사

수치해석과 지반의 안정성을 명확하게 판단하기 위하여 물 리탐사, 시추조사, 현장시험 및 실내시험을 수행하여 지반정 수를 산정하였으며, 불연속면 방향성을 분석하였다(Table 2 와 3). Fig. 5는 지질학적 이상개소를 나타낸 것으로, 당해 지 역에는 심도별로 19개소의 이상대를 확인할 수 있었다. 고속 철도 노선 하부 관통시, 불연속면 정보와 지질이상개소 정보 를 이용하여 안전을 확보할 수 있는 최적개소를 선정해야 할 것으로 판단되었다.

Fig. 5

Geological weak regions by Electric Resistivity Survey (ERS)

3.2 발파 진동계측

연구 지역내 광산에서 발파시 발파진동 전달 경향은 석회 석 채굴을 실시하여 공동이 형성된 구간(채굴적)을 통과하는 발파진동과 석회석 채굴을 실시하지 아니하여 공동이 형성되 지 않은 구간(신선한 암반)을 통과하는 발파진동으로 구분할 수 있다. 이에 따라 발파작업시 발파원과 계측점 사이의 진동 전달 경향을 고려하여 발파원에 따른 계측 위치를 차등 적용 하였다.

발파 진동계측은 10회 진행하였다. 1～7회차의 발파는 발 파원과 계측점 사이에 광산 채굴이 진행된 지역과 진행되지 않은 지역이 산발적으로 위치하고 있으며(Fig. 6), 8～10회의 발파는 발파원과 계측점 사이에 채굴지역이 없는 지점(Fig. 7) 을 선택하여 계측을 진행하였다. 발파진동 계측장비는 매 발 파 작업시 15～19대를 설치하였다. 발파진동 계측기는 발파 진동 전용 계측장비를 설치하였으며 계측시 저장은 512 Hz～ 1024 Hz의 빈도로 계측을 실시하였다. 발파작업시 발파원 및 계측 지점을 측량을 수행하여 정확한 위치를 파악하였다. 각 발 파 회차별 발파진동 계측 결과는 Fig. 8과 같다(Graph에서 표시 되지 않은 DATA는 계측기의 계측하한치 미만인 DATA임).

Fig. 6

Blasting and monitoring position (1st~7th blasting)

Fig. 7

Blasting and monitoring position (8th~10th blasting)

Fig. 8

Praticle velocity of blasting

3.3 진동관리기준 결정

^{국토교통부(2006)}, ^{철도설계기준(2013)}, 대한터널협회(1999) 등 기준과 미국 ^USBM(1980), ^{일본 화약학회(2002)}, 독일 ^{DIN4150(1970, 1986)} 등의 기준을 검토하여 광산 발파진동 기준을 정의하였다. 발파에 의한 지반진동이 구조물에 미치 는 영향을 평가하기 위해서 각 성분별 탁월 주파수(Domain Frequency, Hz)를 평가한 결과 모두 10 Hz 이상이며, 상부지 반 및 구조물 발파 시에는 50 Hz 이상이 71.82%, 59.65%로 가 장 우세하게 나타났다(Fig. 9).

Fig. 9

Domain Frequency by mine blasting

본 계측결과를 이용하면, 독일 DIN에서 정의한 ‘진동에 예 민한 구조물 등’에 대하여 10~50 Hz 주파수대역 기준을 적용 할 수 있을 것으로 판단되었으며, 0.3~0.8 kine 값에 대하여 중 간에 해당하는 0.5 kine을 설정하였다. 이는 일본의 구조물 피 해 발생의 경계값으로 제시된 진동관리기준과 같은 값으로 정의된다. 따라서, 고속철도 노반면을 기준으로 0.5 kine을 적 용하여 안정성 평가를 시행하였다.

4.1 발파 진동추정식 산정

^{국토교통부(2006)}에 근거하여, 현장에서 획득한 발파진동 속도(P.P.V, Fig. 10)와 발파작업시 최대 지발당 장약량, 발파 원으로부터 계측점간의 이격거리를 토대로 단순회귀분석을 수행하여 현장에 적합한 발파진동 추정식을 산출하였다.

Fig. 10

Wave Propagation Eq. into rock mass (Case-1)

위 기준에서 설계단계에서 예비검토를 위하여 제시하고 있 는 표준 진동추정식은 v 84 % = 200 × D W - 1 , 600 이며, 추정을 위한 회귀식도 장약량과 거리의 함수로 v 95 % = K × D W 0.5 n 식을 이용하여 진동속도를 예측하였다. 여기서, v 는 진동 속도, K는 발파진동 상수, D는 폭원으로부터의 거리, W는 지 발당 장약량이며, D/W^0.5는 SD라 정의하였다.

발파진동 추정식은 현장 실험 결과를 토대로 계측 위치 및 추후 적용성 등을 고려하여 2가지로 구분하여 산출하였다. CASE-1은 발파원에서 수진점 사이에 채굴적이 없는 곳에 적 용되는 추정식(현장 실험 중 8~10회 발파DATA 활용)으로 검 토 지역에서는 고속철도 직하부의 연결통로 및 고속철도와 광산의 근접지역 발파작업시 적용하며, 또한 CASE-2는 발파 원에서 수진점 사이에 채굴적이 일부 형성되어 있거나, 형성 되지 않은 곳에 적용되는 추정식(현장 실험 중 1~10회 전체 발 파 DATA 활용)으로서, 검토 지역에서는 기 형성된 공동을 거 쳐 고속철도에 전달되는 발파작업시 적용된다(Fig. 10, 11). 발파진동 추정식의 이격거리별 허용 지발당 장약량(진동 기 준 0.5 cm/sec적용)을 산출하면 Fig. 12와 같다. 동일 이격거리 에 대하여 CASE-1이 상대적으로 장약량이 적은 것은 거리에 따른 진동 감쇠가 작기 때문이다.

Fig. 11

Wave Propagation Eq. through mine (Case-2)

Fig. 12

Charge per delay by maximum distance (allowable vibration velocity 0.5cm/sec)

4.2 발파공법 설계 및 적용 영역 검토

발파공법 적용 영역은 공당 장약량을 토대로 산출하였으 며, 발파패턴은 제한발파, 제어생산발파, 일반생산발파로 구 분하여 제시하였다. 제한발파는 현재 적용되는 천공장대비 축소된 천공장을 적용하는 것이며, 제어생산발파는 현재의 천공장 및 공당 장약량을 그대로 적용하되, 보조 심발공법의 추가와 지발당 발파공수를 변경하여 적용하는 것을 의미한다 (Table 4).

발파공법 설계는 제한발파 및 제어발파로 구분하여 적용하 였으며, 제어발파패턴의 경우 뇌관의 재배치 및 필요시 다단 식 발파기 등을 활용하여 지발당 장약량을 조절하여 발파패 턴을 제안하였다(Fig. 13).

Fig. 13

The trail & existing blasting patterns

4.3 고속철도 안정성을 고려한 발파패턴

위치별로 Fig. 10과 11에 제시한 진동추정식을 이용하면, 위치에 따라 지반에서 발생하는 진동을 예측할 수 있다. 노반 면에서의 진동기준 0.5 kine에 대하여 발파진동에 대한 영향 범위를 설정하였다(Fig. 14). 현재 사용하고 있는 장약량을 기 준으로 하면, 최소 243 m 이상을 이격시켜야 기준을 만족하지 만, 장약량 조정에 의하여 영향범위를 축소할 수 있어, 광산의 발파패턴 조정에 의하여 고속철도 노선의 안정성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다(Table 5, Fig. 15). 상기 조건을 이용 하여, 광산 채굴에 따른 단계별 작업 영역에 대한 발파패턴을 제시하였으며, 호남고속철도를 중심으로 광산 채굴에 따른 발파패턴 평면도를 Fig. 16에 보였다.

Fig. 14

Vibration influece range of charge per delay (kg/delay) for 0.5 kine

Fig. 15

A method of mine blasting (charge per delay) to secure management specification 0.5kine

Fig. 16

The blasting pattern of study area (allowable vibration velocity 0.5cm/sec)

4.4 고속열차 진동에 의한 연결통로 안정성 평가

호남고속철도의 설계열차하중은 KTX-II, 10량 1편성으로 최대속도 v=350 km/hr이며, HL 표준열차하중(Table 6)을 적 용하여 열차진동에 의한 연결통로의 안정성을 평가하였다. 열차운행에 따른 이동하중의 모사를 위하여 상용프로그램인 PLAXIS 8.0을 이용하였으며, 사용한 지반물성치는 Table 2 와 같다.

열차운행시 채굴광산 안정성 평가를 위해 성토부 및 교량 부의 횡단면에 대해 검토를 실시하였으며, 열차운행에 따른 열차진동의 영향이 가장 클 것으로 예상되는 하1편의 채굴광 산에 대해서 안정성 검토를 실시하였다. 열차운행시 채굴광 산 안정성 평가를 위한 검토단면은 다음과 같으며, 안정검토 시 석회암의 측압계수(K₀)는 1.0을 적용하였다.

성토부 및 교량부 검토결과 열차운행시 노반 상부 좌측 기 준점으로부터 수평방향 이격거리가 증가함에 따라 하1편 심 도에서 최대 진동속도가 감소하는 것으로 나타났으며, 광산 하1편 모든 지점에서 진동속도는 0.069 cm/sec∼0.075 cm/sec 로 열차운행시 열차진동에 대한 채굴광산(하1편 심도)의 영 향은 미미한 것으로 평가되었다(Fig. 17과 18).

Fig. 17

Results of numerical analysis

Fig. 18

Particle velocity with distance from a mine