1. 서 론
2. 현장시험 개요
2.1 진동 리퍼 굴착 장비
2.2 3D 레이저 스캔을 활용한 생산량 측정
2.3 시추 조사
2.4 파쇄석 입도 분석
2.5 소음 및 진동 측정
3. 현장시험 결과
3.1 암반특성에 따른 진동 리퍼의 굴착 성능
3.2 진동 리퍼 굴착에 따른 파쇄입도 특성
3.3 진동 리퍼의 진동 및 소음 특성
4. 결 론
1. 서 론
암반 굴착은 도로, 철도, 터널, 지하공간 및 각종 기반시설 건설에서 필수적으로 수행되는 공정으로, 대상 암반의 역학적·구조적 특성과 공사 규모 및 주변 환경에 따라 다양한 굴착 방법이 적용된다. 발파 공법은 암반을 효율적으로 파쇄할 수 있어 토목 및 광산 분야에서 널리 활용되고 있으나, 발파 과정에서 발생하는 진동, 소음 및 비산석은 주변 구조물과 작업환경에 영향을 미친다. 특히 도심지 또는 기존 구조물과 인접한 지역에서는 발파 진동의 예측과 관리가 중요한 설계조건으로 다루어지며(Choi and Lee, 2021), 이러한 조건에서는 굴착 규모와 형태에 따라 TBM, 로드헤더와 같은 대형 굴착장비 또는 굴삭기 어태치먼트를 이용한 소규모 기계식 암반굴착 공법이 발파의 대안으로 검토된다.
기계식 암반굴착의 성능은 장비의 출력과 운전조건뿐만 아니라 굴착 대상 암반의 역학적·구조적 특성에 의해 결정된다. Basarir and Karpuz(2004)는 현장 리핑시험과 암반조사를 바탕으로 일축압축강도(Uniaxial Compressive Strength, UCS), 탄성파속도, 불연속면 간격 및 암석 경도를 이용하여 암반의 리핑 가능성을 평가하였으며, Hartlieb and Bock(2018)은 기계굴착 성능에 암석 강도뿐만 아니라 블록 크기와 절리의 방향 및 상태 등 구조적 특성이 영향을 미침을 제시하였다. 로드헤더와 유압 브레이커의 성능평가에서도 UCS와 암반 내 불연속성의 발달 정도를 나타내는 RQD(Rock Quality Designation)를 실측 굴착성능과 함께 활용한 연구가 수행되어 왔다(Bilgin et al., 2004; Avunduk et al., 2014; Ismael et al., 2021). 이러한 연구들은 현장 기계굴착 성능을 평가할 때 암석 재료의 강도와 암반의 불연속성 지표를 함께 고려할 필요가 있음을 보여준다.
한편, 기계식 굴착 역시 장비의 작동과 암반 파쇄 과정에서 소음과 지반진동을 발생시키며, 그 크기는 장비의 종류와 규모, 암반의 파쇄 정도와 불연속면 상태, 진동원과의 거리 등 다양한 조건의 영향을 받는다. 실제 현장계측 연구에서 굴삭기, 리퍼, 진동 리퍼 및 유압 브레이커는 서로 다른 진동 특성을 나타내는 것으로 보고되었으며(Rodríguez and Bascompta, 2020), 노천 암반굴착 현장의 기계식 파쇄작업(Won and Kang, 2010)과 도심지 암반굴착(Toraño et al., 2006)을 대상으로 소음과 지반진동을 계측하여 작업조건 및 계측거리에 따른 특성을 평가한 사례도 보고되어 왔다. 따라서 특정 기계굴착 공법이 모든 현장에서 일률적으로 낮은 진동을 발생시킨다고 일반화하기보다는, 현장의 암반조건과 장비조건에서 계측된 소음·진동 자료를 바탕으로 적용성을 검토할 필요가 있다.
진동 리퍼(Vibratory Ripper)는 굴삭기에 장착하여 편심 회전체에서 발생하는 반복적인 가진력(Excitation Force)과 굴삭기 관절의 동작을 이용해 암반을 파쇄·굴착하는 기계식 암반 파쇄 장비이다. 기존 진동 리퍼 관련 연구는 고주파 진동과 반복하중을 받는 기어박스–생크 연결부의 피로특성 및 구조적 거동(Oh et al., 2014; Oh et al., 2015), 장비 내부에서 발생하는 충격하중과 하중전달 특성(Kim et al., 2023) 등 장비의 구조적·동적 특성을 중심으로 수행되어 왔다. 반면 로드헤더와 유압 브레이커에서는 UCS와 RQD 등 암반특성을 실측 굴착성능과 연계하여 평가한 연구가 축적된 것과 달리, 진동 리퍼를 대상으로 암반특성과 현장 굴착성능을 함께 검토한 실측 연구는 상대적으로 제한적이다.
진동 리퍼와 같은 신규 굴착장비를 현장에 적용하기 위해서는 굴착 효율 또는 시간당 생산량을 사전에 예측하여 공정계획에 반영할 수 있어야 하므로, 장비의 성능을 정량적으로 제시하는 것이 무엇보다 중요하다. 그러나 리핑 장비의 성능평가는 그동안 도저 후방 장착형 리퍼를 중심으로 이루어져 왔으며(Basarir and Karpuz, 2004), 굴삭기 어태치먼트 형태의 리퍼에 대한 성능 보고는 최근에서야 이루어지고 있다. Kim and Lee(2025)는 선행 현장시험을 통해 실제 암반조건에서 진동 리퍼의 굴착생산량을 측정하고 시험지점의 UCS와 비교한 바 있으나, 암석 시료의 일축압축강도를 중심으로 암반강도를 평가하여 암반 내 불연속성의 발달 정도를 정량적 지표로 함께 검토하지는 못하였다. 또한 진동 리퍼의 현장 적용성을 보다 넓게 평가하기 위해서는 굴착생산량뿐만 아니라 굴착 후 형성되는 파쇄암의 입도분포와 장비 운용 중 발생하는 소음·지반진동과 같은 환경적 특성도 함께 확인할 필요가 있다. 파쇄암의 입도분포는 시험지점별 암반의 파쇄결과를 정량적으로 비교할 수 있는 지표이며, 소음과 지반진동은 주변 환경에 대한 장비의 적용성을 검토하는 데 고려되는 요소이다. 그러나 진동 리퍼를 대상으로 암반특성, 굴착생산량, 파쇄특성 및 소음·진동 수준을 함께 계측한 현장자료는 더욱 드물게 확인된다.
이에 본 연구에서는 선행 현장시험을 확장하여 충청남도 당진의 노천광산 내 5개 시험지점에서 진동 리퍼를 이용한 현장 굴착시험과 시추조사, 소음 및 진동 측정 시험을 병행하였다. 굴착 전·후 지형을 3D 스캔 방식으로 측정하여 시험지점별 굴착체적과 시간당 굴착생산량을 산정하였으며, 굴착위치에 대응하는 시추공에서 UCS와 RQD를 확보하여 시험지점별 암반특성과 굴착생산량을 비교하였다. 또한 굴착 후 발생한 파쇄암을 대상으로 영상 기반 입도분석을 수행하여 시험지점별 파쇄입도 특성을 비교하였으며, 굴착작업 중 발생하는 소음과 지반진동을 현장에서 계측하여 진동 리퍼 운용 시 나타나는 환경적 특성을 함께 검토하였다. 본 연구는 제한된 현장자료로 UCS 또는 RQD에 따른 정량적 생산량 예측모델을 구축하기보다는, 실제 암반조건에서 측정된 굴착생산량과 암반특성, 파쇄입도 및 소음·진동 결과를 종합하여 진동 리퍼의 현장 굴착성능과 적용특성을 평가하는 것을 목적으로 한다.
2. 현장시험 개요
2.1 진동 리퍼 굴착 장비
본 연구에서는 진동 리퍼의 현장 굴착성능과 암반특성의 관계를 평가하기 위하여 충청남도 당진에 위치한 노천광산에서 현장시험을 수행하였다. 시험을 수행한 노천광산은 발파 채석이 진행 중인 현장으로, 시험지점의 굴착면은 이전 발파 작업의 영향을 받은 벤치면에 해당한다. 따라서 굴착면 부근의 암반에는 발파에 의한 균열이 존재할 수 있으며, 본 연구에서는 이를 별도로 조사하지 않고 현장 조건의 일부로 간주하였다. 현장시험은 육안 관찰을 통해 강도 차이가 있을 것으로 예상되는 5개의 시험지점을 광산 현장 관리자와 사전에 선정하고 각 지점에서 진동 리퍼를 이용한 굴착시험과 시추조사를 병행하였다. 굴착시험 위치와 시추공은 각 시험지점의 암반특성과 굴착성능을 최대한 대응시킬 수 있도록 배치하였다. 현장 굴착시험에는 50ton급 전용 장비에 진동 리퍼 어태치먼트를 부착하였다. 시험에 사용한 진동 리퍼는 BR85P 모델로, 작동압력은 250bar, 유량은 320L/min, 최대 회전속도는 1,600rpm이다. 시험지점 간 장비조건의 차이가 굴착생산량에 미치는 영향을 최소화하기 위하여 굴삭기 및 진동 리퍼의 장비 설치 조건과 작업자는 모든 시험 지점에서 동일하게 유지하였다. 시험장비의 주요 제원은 Table 1에 정리하였으며 Fig. 1은 현장시험에 사용된 50ton급 진동 리퍼 전용장비의 모습을 나타낸다.
Table 1
Specifications of the vibratory ripper used in the field test
| Category | Vibratory ripper |
| Model | BR85P |
| Excavator class | 50ton |
| Operating pressure | 250bar |
| Operating flow rate | 320L/min |
| Rotating speed | 1600rpm |
각 시험지점에서 지정된 시간 동안 굴착시험을 진행하였으며, 굴착 전·후의 지형을 3D 레이저 스캔으로 측정하여 굴착체적을 산정하였다. 또한 굴착위치와 대응하도록 배치한 시추공에서 암석코어를 회수하여 UCS와 RQD를 확보하였다. 굴착 종료 후에는 발생한 파쇄암을 대상으로 영상 기반 입도분석을 수행하였으며, 굴착작업 중 발생하는 소음과 지반진동을 현장에서 계측하였다. 이에 따라 각 시험지점에서 굴착체적 및 굴착생산량, UCS, RQD, 파쇄입도, 소음 및 지반진동에 관한 현장자료를 확보하였다.
2.2 3D 레이저 스캔을 활용한 생산량 측정
굴착 전후 생산량을 측정하기 위해 3D 레이저 스캔에는 지상형 레이저 스캐너인 Leica BLK360 G2를 사용하였다. 해당 장비는 최대 45m 거리까지 초당 최대 680,000 포인트를 측정할 수 있고 10m 거리에서 약 4mm의 3D 점 정확도를 갖는다. 각 시험지점의 굴착체적은 굴착 전·후 지형을 각각 스캔하여 취득한 점군을 정합한 후 두 지형면 사이의 부피 변화량으로 산정하였다. 굴착 전·후 점군의 정합을 위해 굴착 영향범위 밖의 암반면에 흑백 사분면 형태의 정합용 타겟(black-and-white registration target)을 3개 이상 설치하고, 이를 공통점으로 하여 두 점군을 동일 좌표계에서 정합하였다. 점군은 시험지점당 굴착 전·후 각각 6개소 이상의 스캔 위치에서 인접 스캔 간 평균 중첩률(overlap)이 80% 이상이 되도록 취득하였으며, 정합 후 정합 오차인 번들 오차(bundle error)는 모든 시험지점에서 5mm 이하였다. Fig. 2는 현장에서 3D 레이저 스캔을 수행하는 모습을 나타낸다.
특히, 시험 지점에 지하수 등 물이 존재하는 경우 측정 결과에서 해당 영역을 제외한 후 굴착영역을 설정하였다. 시험지점별 최종 굴착생산량은 산정된 굴착체적을 순굴착시간으로 나누어 시간당 생산량(m3/hr)으로 환산하였다. 여기서 순굴착시간은 장비의 이동 및 대기시간을 제외하고 암반을 직접 파쇄·굴착한 시간이며, 따라서 본 연구의 굴착생산량은 1시간 연속작업 시의 작업량을 의미하는 것이 아니라 단위 순굴착시간당 굴착체적을 나타내는 순생산량(net productivity)에 해당한다.
2.3 시추 조사
각 시험지점의 암반특성을 파악하기 위하여 굴착시험 위치와 대응하도록 총 5개의 시추공을 배치하고 시추조사를 수행하였다. 각 시추공은 굴착시험과 동일한 지점에서 수행되었으며 지표면으로부터 약 10m 깊이까지 시추하여 NX 규격의 암석코어를 회수하였다. 회수된 코어를 대상으로 심도에 따른 암반상태를 기록하고 구간별 코어회수율(Total Core Recovery, TCR)과 RQD를 산정하였으며, 구간별 코어에서 암석 시편을 제작하여 일축압축강도 시험을 수행하였다. 코어 상태로 유추하여 보면, 각 시추공은 평균적으로 0~4m 구간에는 연암 또는 보통암이 존재하였으며 그 이하 심도에서는 경암이 나타났다. 대표적으로 시험지점 2와 5에 대한 시추주상도를 Fig. 3에 나타냈다. 시험지점별 굴착생산량과의 비교를 위해 각 시추공의 3개 심도구간에서 측정된 UCS와 RQD의 산술평균을 시추공 평균 UCS(borehole-averaged UCS) 및 시추공 평균 RQD(borehole-averaged RQD)로 정의하였으며, 이하 본 논문에서 시험지점별 암반특성은 이 값으로 통일하여 나타내었다.
2.4 파쇄석 입도 분석
진동 리퍼 굴착 후 발생한 파쇄석의 크기 및 입도분포 특성은 토목 현장뿐만 아니라 광산 현장에서도 연계 작업을 결정하는 지표로 사용된다. 그러나 현장에서 발생하는 파쇄석은 규모 및 암괴의 무게로 인해 인력으로 분석하기에는 한계가 있다. 따라서, 본 연구에서는 파쇄석의 크기를 정량적으로 평가하기 위하여 각 시험지점에서 형성된 파쇄암 더미를 대상으로 사진측량 기법을 이용하여 입도 분석을 수행하였다. 파쇄입도 분석의 정확도는 원시 데이터인 현장 촬영 이미지의 품질에 좌우되고 현장의 파쇄석에는 미세한 돌가루부터 대괴까지 입도 범위가 넓게 혼재되어 있으므로, 픽셀 단위 해상도를 확보하기 위하여 고해상도 디지털카메라를 사용하였으며 암석 표면의 질감과 경계선이 명확히 구분되도록 여러 각도에서 촬영을 진행하였다. 굴착시험 종료 직후 각 시험지점의 파쇄석 더미를 촬영하였으며, 영상 내 픽셀 크기를 실제 물리적 길이로 환산하기 위하여 직경 20cm의 척도물체 2개를 Fig. 4와 같이 파쇄석과 함께 배치하였다. 척도물체는 렌즈의 광학적 왜곡 및 원근 효과로 인한 오차를 상쇄하기 위해 파쇄석 더미의 상부와 하부에 분산 배치하였으며, 파쇄석이 이루는 경사면과 동일한 평면상에 밀착시켜 배치함으로써 영상 내 위치에 따른 크기 산정 오차를 최소화하였다. 아울러 카메라 렌즈가 해당 경사면에 최대한 수직을 이루도록 촬영 각도를 유지하여 2D 투영 과정에서 발생할 수 있는 왜곡을 보정하였다.
현장에서 취득한 사진을 바탕으로 명암비, 색상 구배 및 질감 차이를 분석하여 개별 암괴의 경계선을 자동으로 인식하는 알고리즘(Edge Detection)을 기반으로 입도를 분석하였다. 다만 자동 인식 알고리즘은 암석 표면의 무늬나 그림자로 인해 하나의 대괴가 여러 조각으로 잘못 분할되어 인식되는 과분할(Over-segmentation), 또는 흙먼지나 조도 조건으로 인해 서로 다른 두 암석이 하나로 뭉쳐 인식되는 미분할(Under-segmentation) 오류를 수반할 수 있다. 이에 본 연구에서는 자동으로 인식된 암괴의 외곽선을 2차 검토하여, 과분할이 확인된 경우 경계선을 병합하여 원래의 암괴 크기로 복원하고, 미분할이 확인된 경우 분할선을 추가하여 개별 암괴로 분리함으로써 평균 입경이 실제보다 과소 또는 과대평가되는 것을 방지하였다. 영상 기반 입도분석에는 WipWare社의 WipFrag 소프트웨어를 사용하였다. 자동 윤곽선 인식과 수동 보정을 거쳐 확정된 개별 암괴의 윤곽은 파쇄암 더미의 상·하부에 배치한 2개의 척도물체를 기준으로 하는 이중 스케일(dual scale)로 실제 치수로 환산하였으며, 각 암괴는 구형이 아닌 자연상태의 다면체로 가정하여 정사각형 체망을 통과할 수 있는 단축 폭을 등가 체 크기(equivalent sieve size)로 산정하였다. 이 등가 체 크기를 바탕으로 각 암괴의 부피와 비중을 곱하여 질량을 산정하고, 크기 순으로 누적하여 누적 질량 통과율을 산정하였다. 다만 2D 영상분석에서는 더미 내부에 가려진 입자와 미세 입자가 실제보다 적게 인식되는 미립자 과소평가(missing fines)가 발생하므로, 최종 입도분포곡선은 Rosin–Rammler 분포에 피팅하여 보정한 결과를 사용하였다.
2.5 소음 및 진동 측정
진동 리퍼는 편심회전체에서 발생하는 가진력을 암반에 반복적으로 전달하여 굴착하는 장비이다. 이 과정에서 장비의 작동 및 암반 파쇄에 따른 소음과 지반 진동이 발생한다. 이에 본 연구에서는 진동 리퍼의 굴착 생산량 및 암반 특성 평가와 함께 실제 굴착 작업 중 발생하는 소음과 진동 수준을 확인하기 위하여 진동 리퍼 굴착 중에 소음 및 진동을 연속으로 계측하였다. 소음과 지반진동은 환경 및 발파 소음·진동 동시 계측용 분석기(Neoblast HB-1)를 사용하여 계측하였다. 측정 장비는 본체에 3축 진동센서와 마이크로폰을 연결하여 소음과 3방향 진동속도를 동시에 기록하며, 소음계는 KS C IEC 61672-1 Class 2 규격을 만족하고 측정범위 35~130dB, 주파수범위 20~8,000Hz, 샘플링 주파수 24 kHz의 사양을 갖는다. 진동센서는 종방향(X), 횡방향(Y) 및 수직방향(Z)의 3축 진동속도를 계측하며 측정범위는 최대 254mm/s, 주파수범위는 1~200Hz이다. 계측기는 굴착지점으로부터 약 10m 이격된 지점에 설치하였으며, 진동센서는 지반에 밀착 설치하여 종방향이 진동원을 향하도록 배치하고 마이크로폰은 지면으로부터 0.3m 높이에서 진동원 방향을 향하도록 설치하였다. 소음은 A-가중치와 Fast 시간가중을 적용하여 굴착시간 동안 연속 계측하였고, 등가소음도(Leq)와 최대소음도(LMax), 방향별 최대입자속도(Peak Particle Velocity, PPV) 및 최대 벡터합(Peak Vector Sum, PVS)은 계측기의 이벤트 기록으로부터 산출하였다. 최대입자속도(PPV)는 종방향(X), 횡방향(Y) 및 수직방향(Z) 각 방향의 진동속도 시간이력에서 계측시간 중 절댓값이 최대인 값으로, 방향별로 독립적으로 산정되므로 세 방향의 PPV는 서로 다른 시각에 발생할 수 있다. 최대 벡터합(PVS)은 동일 시점에서 계측된 3방향 진동속도의 벡터합을 시간이력으로 산정한 후 그 최대값을 취한 값이다. 따라서 PVS는 세 방향 PPV의 벡터합과는 다르며, 세 방향 PPV가 서로 다른 시각에 발생하는 경우 PPV의 벡터합은 PVS를 과대평가한다. Table 4에서는 이러한 차이를 나타내기 위하여 각 최대값의 발생시각을 괄호 안에 병기하였다. 예를 들어 Site 1에서는 PVS가 PPV-Y와 동일한 시각(36.750s)에 발생한 반면 Site 3에서는 PPV-X(42.801s)와 PVS(34.137s)의 발생시각이 서로 다르다. 소음 및 진동 측정결과는 각 시험지점에서 확보한 UCS, RQD 및 굴착생산량과 함께 비교하여 진동 리퍼 굴착 시 나타나는 현장 소음·진동 특성을 검토하였다. Fig. 5는 현장 시험 중 소음 및 진동을 측정하는 모습을 나타낸다.
계측 중에는 광산 측과 협의하여 인접 발파 및 다른 중장비의 운행을 중지하여 진동 리퍼 이외의 소음원과 진동원이 계측에 포함되지 않도록 하였다. 계측시간 동안 진동 리퍼가 연속 작동하여 배경소음을 별도로 측정하지는 않았으나, 각 지점의 최소소음도(LMin)는 68.14~71.58dB(A)로 배경소음은 이보다 낮은 수준이며, 등가소음도(Leq)와 최소소음도의 차이가 모든 지점에서 10dB(A) 이상으로 소음·진동 공정시험기준의 배경소음 보정 기준에 따라 배경소음이 계측결과에 미치는 영향은 없는 것으로 판단하였다.
3. 현장시험 결과
3.1 암반특성에 따른 진동 리퍼의 굴착 성능
진동 리퍼의 현장 굴착 성능을 평가하기 위하여 5개 시험지점에서 각각 약 15분간 굴착시험을 수행하였으며, 장비 이동 및 대기시간을 제외한 순굴착시간은 15.0~15.6분이었다. 굴착 전·후 3D 레이저 스캔 자료를 정합하여 산정한 굴착체적은 3.89~16.67m3, 시간당 굴착생산량은 15.05~65.97m3/hr의 범위로 나타나 동일한 장비와 작업자 조건에서도 시험지점에 따라 굴착성능에 약 4배의 차이가 확인되었다. 굴착영역의 평균 굴착 깊이는 1m 이내로, 시추공 상부 심도구간(0~4m) 내에 해당한다. 대표적으로 Site 1에 대한 굴착 전·후 현장 사진 및 점군 자료를 Fig. 6에 나타냈으며, Sites 2-5번의 굴착 전후 점군 자료는 Fig. 7에 각각 나타냈다. 굴착체적, 굴착생산량과 대응 시추공의 암반특성을 Table 2에 정리하였다. Site 2의 경우 굴착영역 내 고인 물의 영역을 제외하고 체적을 산정하였으므로, 산정된 굴착체적에는 다른 지점보다 큰 불확실성이 포함될 수 있다.
Table 2
Rock properties and excavation productivity at each test site
본 시험은 각 지점에서 약 15분의 순굴착시간 동안 1회 수행되었으므로, 장시간 작업 시 발생할 수 있는 굴착면 형상 변화, 파쇄암 적치에 따른 작업성 저하, 작업자 피로 및 굴착도구 마모 등의 영향은 반영되지 않았다. 따라서 본 연구의 굴착생산량은 순굴착 조건에서의 굴착속도를 나타내는 값으로, 공정계획에 적용할 때에는 별도의 작업효율을 고려할 필요가 있다. 다만 5개 시험지점의 순굴착시간이 15.0~15.6분으로 거의 동일하고 동일한 장비 및 작업자 조건에서 수행되었으므로, 시험지점 간 굴착성능의 상대적 비교에는 시험시간의 차이가 영향을 미치지 않는 것으로 판단된다.
각 시험지점의 시추공 평균 UCS는 59.19~163.99MPa, 시추공 평균 RQD는 58.7~85.0%의 범위로 나타났다. Site 2, Site 3 및 Site 5는 시추공 평균 RQD가 각각 62.0, 63.0 및 62.7%로 유사한 반면 시추공 평균 UCS는 111.84, 131.53 및 104.00MPa로 차이를 보였는데, 세 지점 중 UCS가 가장 낮은 Site 5에서 가장 높은 생산량(43.28m3/hr)이 나타났으나 Site 3(131.53MPa)의 생산량은 Site 2(111.84MPa)보다 높아 UCS 증가에 따른 일관된 생산량 감소는 확인되지 않았다. Site 4는 시추공 평균 UCS 59.19MPa, 시추공 평균 RQD 58.7%로 두 지표가 모두 가장 낮았음에도 생산량은 29.17m3/hr로 중간 수준이었으며, 반대로 Site 1은 시추공 평균 UCS 163.99MPa, 시추공 평균 RQD 85.0%로 두 지표가 모두 가장 높았음에도 65.97m3/hr의 가장 높은 생산량이 측정되었다. 따라서 본 시험 결과는 시추공 평균 UCS 또는 RQD의 크기만으로 시험지점 간 굴착생산량의 차이를 설명하기 어려운 것으로 나타났다. 이러한 경향은 시추공 평균값을 상부구간 값 또는 구간 길이 가중평균으로 바꾸어 비교한 경우에도 동일하였다.
이러한 결과에는 시추코어 기반 지표가 갖는 몇 가지 한계가 함께 작용한 것으로 판단된다. 첫째, 실제 굴착은 지표로부터 약 1m 이내에서 이루어졌으나 시추공 평균 UCS와 RQD는 심도 10m까지의 구간을 종합한 값이므로, 굴착면의 암반상태를 직접 나타내는 데에는 한계가 있다. 둘째, UCS 시험은 무결한 코어 시편에서만 가능하므로 RQD가 낮은 파쇄대(예: Site 4 상부구간, RQD 27%)에서 측정된 UCS는 해당 구간 암반의 강도를 과대평가할 가능성이 있다. 셋째, RQD는 시추코어에 기초한 지표로서 암반의 블록 크기와 불연속성 등의 특성을 표현하는 데 한계가 있다(Palmstrom, 2005). 따라서 본 시험에서 확보한 RQD만으로 불연속면의 방향과 배치, 암괴의 형상 및 공간적 분포를 충분히 설명하기 어렵다. 넷째, 본 시험은 발파 채석이 진행 중인 노천광산의 벤치면에서 수행되었으므로 굴착면 부근의 암반에는 이전 발파에 의한 균열이 존재할 수 있으며, 이러한 발파 영향은 시추코어에서 확인되는 RQD와는 별개로 굴착면의 실제 불연속성을 증가시켜 굴착생산량에 영향을 미쳤을 가능성이 있다. 특히 Site 1은 시추공 평균 RQD가 가장 높았음에도 굴착 후 가장 큰 파쇄입도가 형성되어, 기존 불연속면을 따라 대형 암괴가 분리되는 방식으로 굴착이 진행되었을 가능성이 있으며, 이는 선행 현장시험(Kim and Lee, 2025)에서 절리가 발달한 지점의 생산량이 예측곡선을 상회한 원인으로 제시된 대형 암괴 탈락과 유사한 양상이다. 따라서 진동 리퍼의 현장 굴착성능을 평가할 때에는 UCS 또는 RQD와 같은 개별 지표만을 독립적으로 고려하기보다는 굴착면의 구조적 특성을 함께 고려할 필요가 있으며, 향후 보다 다양한 암반조건에서 굴착면의 불연속면 특성을 정량화한 현장자료를 추가 확보하여 암반특성과 굴착생산량 간의 관계를 검토할 필요가 있다.
시추조사로 확보되는 UCS와 RQD는 심도별 측정값을 하나의 값으로 종합하는 과정, 무결한 시편에서만 측정되는 UCS의 특성, 그리고 코어 기반 지표가 굴착면의 불연속면 방향과 암괴 형상을 직접 나타내지 못하는 점 등에서 오차 가능성을 내포하므로, 두 지표만으로 진동 리퍼의 굴착생산량을 정량적으로 예측하는 데에는 한계가 있을 수 있다. 그러나 UCS와 RQD는 표준화된 시험방법에 따라 설계 단계의 통상적인 시추조사에서 굴착 전에 확보할 수 있는 기본 설계 지표이며, 암석 재료의 강도와 암반의 불연속성이라는 굴착성능의 두 핵심 요인을 각각 정량적으로 나타내고, 로드헤더와 유압 브레이커 등 다른 기계굴착 장비의 성능평가에서도 기본 지표로 사용된 바 있다(Bilgin et al., 2004; Avunduk et al., 2014; Ismael et al., 2021). 굴착면의 불연속면 분포나 암괴 형상은 굴착이 진행되어야 확인할 수 있어 사전 예측에 활용하기 어렵다는 점을 고려하면, 공학적 관점에서 진동 리퍼의 굴착생산량 예측은 UCS와 RQD를 기본 지표로 하고 현장에서 확인되는 구조적 특성을 보정 요인으로 반영하는 방식이 가장 합리적인 접근으로 판단된다. 이를 위해서는 보다 다양한 암반조건에서 현장자료를 추가 확보하여 두 지표와 굴착생산량의 관계를 정량화하고, 시추조사 단계에서 파악 가능한 불연속면 정보(절리 간격, 방향 등)를 보정 요인으로 도입하는 후속 연구가 필요하다고 할 수 있다.
3.2 진동 리퍼 굴착에 따른 파쇄입도 특성
진동 리퍼 굴착 후 형성된 파쇄암의 입도특성을 비교하기 위하여 시험지점별 D10, D50, D80, D100, 특성입경(Xc) 및 분포형상지수(n)를 산정하여 Table 3에 정리하였으며, Site 1의 분석 예시를 대표적으로 Fig. 8에 나타냈다. 누적 질량 통과율 P(x)는 Rosin–Rammler 분포식인 식 (1)로 표현하였다. 여기서 x는 입경, Xc는 누적 통과율 63.2%에 해당하는 특성입경(characteristic size), n은 입도분포의 균일도를 나타내는 분포형상지수(uniformity index)로 n이 클수록 입도분포가 균일함을 의미한다. Xc와 n은 위 식을 선형화하여 영상분석으로 얻은 누적 입도분포 자료를 식 (1)에 곡선 피팅(curve fitting)하여 산정하였다.
Table 3
Rock fragmentation analysis results
파쇄입도는 D10부터 D100까지 전반적으로 Site 1에서 가장 크고 Site 4에서 가장 작게 나타났다. D50은 Site 4의 116.32mm부터 Site 1의 239.87mm까지 분포하였고 5개 지점의 평균은 175.47mm로, UCS 약 36~179MPa 범위의 암반에서 진동 리퍼가 대략 10~25cm 크기로 암석을 파쇄하는 것으로 나타났다. D80은 171.62~366.49mm, D100은 277.01~519.00mm, D10은 41.03~92.96mm의 범위였다. 특성입경 Xc는 147.71~288.45mm로 시험지점 간 크기 순서가 D50, D80, D100과 대체로 일치하여, D-value와 Rosin–Rammler 모델로 산정한 Xc가 서로 정합성을 갖는 것으로 확인되었다. 반면 분포형상지수 n은 1.91~2.28로 지점 간 편차가 작았으며, 발파에서 보고되는 범위(0.6~2.2; Singh et al., 2016)의 상한 부근에 해당하여 진동 리퍼 굴착에 의한 파쇄물이 발파 파쇄물에 비해 비교적 균일한 입도분포를 갖는 것으로 판단된다.
파쇄입도와 굴착생산량 사이에는 일관된 관계가 확인되지 않았다. Site 1은 D50과 Xc가 가장 크면서 생산량도 가장 높았으나, Site 2는 비교적 큰 D50과 Xc에도 생산량이 가장 낮았고, 파쇄입도가 가장 작은 Site 4의 생산량은 중간 수준이었다. 다만 Site 2의 굴착체적에는 3.1절에서 언급한 불확실성이 포함되어 있음을 고려할 필요가 있다. 시추공 평균 UCS 및 RQD와 파쇄입도의 관계도 유사하여, Site 1을 제외한 지점에서는 두 지표의 상대적 크기와 파쇄입도가 일관되게 대응하지 않았다. 이는 굴착 후 형성되는 암괴의 크기가 암석강도나 코어 기반 RQD보다는 굴착면의 불연속면 분포와 암괴의 분리 양상에 지배되기 때문으로 판단되나, 본 연구에서는 이러한 조건을 별도의 정량적 변수로 측정하지 않았으므로 개별 요인의 영향을 구분하기에는 한계가 있다. 따라서 본 연구의 파쇄입도 결과는 굴착생산량을 설명하는 지표보다는 진동 리퍼 굴착 후 형성되는 파쇄암의 크기와 분포 특성을 시험지점별로 정량 비교한 결과로 활용하였다. 다만 파쇄입도는 굴착성능 자체보다는 파쇄암의 상차·운반, 소할 및 파쇄 등 후속 공정의 용이성과 직접 관련되는 특성이므로, 본 연구에서는 파쇄입도 결과를 굴착생산량을 설명하는 지표로 해석하기보다는 진동 리퍼 굴착 후 형성되는 파쇄암의 크기 수준과 분포 특성을 시험지점별로 정량 비교하여 후속 공정 계획 시 참고할 수 있는 실측 자료로 제시하였다.
3.3 진동 리퍼의 진동 및 소음 특성
Site 1, Site 3 및 Site 4에서 굴착지점으로부터 약 10m 이격된 위치에서 계측한 소음 및 지반진동 결과를 Table 4에 정리하였다. 등가소음도(Leq)는 81.58~83.73dB(A), 최대소음도(LMax)는 95.71~99.65dB(A)의 범위로 나타났으며, 세 지점 간 Leq의 차이는 약 2dB(A) 이내였다. 지반진동의 방향별 PPV는 0.50~2.75mm/s, PVS는 1.25~2.97mm/s의 범위로, Site 1과 Site 4는 PVS가 각각 1.32 및 1.25mm/s로 유사한 수준인 반면 Site 3은 2.97mm/s로 상대적으로 큰 진동이 계측되었다. 지반진동이 가장 컸던 Site 3에서 소음은 가장 낮게 나타나 소음과 지반진동의 지점별 상대적 크기는 동일한 경향을 보이지 않았다. 계측 지점이 3개소로 제한되어 UCS, RQD 또는 굴착생산량과의 관계를 판단하기는 어려우며, 본 연구에서는 소음·진동 결과를 진동 리퍼 운용 시 약 10m 이격거리에서 발생하는 소음·진동 수준의 실측 사례로 제시하였다.
Table 4
Noise and vibration measurement results
국내 「소음·진동관리법 시행규칙」의 생활소음·진동 규제기준은 피해지점을 기준으로 공사장 소음을 주거지역 주간 65dB(A), 야간 50dB(A), 그 밖의 지역 주간 70dB(A), 야간 50dB(A)로 규정하고, 공사장 진동은 주거지역 주간 65dB(V), 야간 60dB(V), 그 밖의 지역 주간 70dB(V), 야간 65dB(V)로 규정하고 있다. 본 계측은 진동원으로부터 약 10m 이격된 지점에서 수행되었으므로 피해지점 기준의 규제기준과 직접 비교하기에는 한계가 있으나, 계측기에서 함께 기록된 수직방향 진동레벨의 L10 값은 58.50~62.35dB(V)로 10m 이격거리에서도 주거지역 주간 규제기준(65dB(V))을 만족하는 수준이었으며, 진동속도 기준으로도 PVS 최대값 2.97mm/s는 주택·아파트 및 일반 구조물에 대한 발파진동 허용기준 이내였다. 반면 등가소음도 81.58~83.73dB(A)는 주거지역 주간 규제기준(65dB(A))을 약 17~19dB(A) 상회하였다. 다만 거리에 따른 감쇠를 고려하면 피해지점까지 충분한 이격거리가 확보되는 노천 현장이나 외곽 공사장에서는 소음 역시 규제기준을 만족할 수 있는 수준으로 예상되며, 이격거리 확보가 어려운 도심지 근접 시공에서는 이격거리별 감쇠 특성을 반영한 별도의 평가가 필요할 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 진동 리퍼의 현장 굴착성능과 적용특성을 평가하기 위하여 발파 채석이 진행 중인 노천광산 내 5개 시험지점에서 동일한 장비와 작업자 조건으로 현장 굴착시험을 수행하였다. 굴착 전·후 지형을 3D 레이저 스캔으로 측정하여 굴착체적과 시간당 굴착생산량을 산정하고, 굴착위치에 대응하는 시추공에서 확보한 UCS와 RQD를 이용하여 암반특성과 굴착성능을 비교하였다. 또한 굴착 후 형성된 파쇄암의 입도특성을 분석하고, 일부 시험지점에서 굴착 중 발생하는 소음 및 지반진동을 계측하였다. 주요 결과는 다음과 같다.
1. 진동 리퍼의 시간당 굴착생산량은 순굴착시간 기준 15.05~65.97m3/hr로 동일한 장비조건에서도 시험지점에 따라 약 4배의 차이가 확인되었다. 시추공 평균 UCS는 59.19~163.99MPa, 시추공 평균 RQD는 58.7~85.0%의 범위였으나 두 지표와 굴착생산량 사이에 일관된 관계는 확인되지 않았으며, 이는 대표값 산정방식과 무관하게 동일하였다. 특히 UCS와 RQD가 모두 가장 높은 Site 1에서 가장 높은 굴착생산량이 측정되어 개별 암반지표만으로는 시험지점 간 굴착성능의 차이를 설명하기 어려운 것으로 나타났다.
2. 이러한 결과는 실제 굴착 깊이(약 1m 이내)에 비해 심도 10m 구간을 종합한 대표값의 특성, 무결 시편에서만 측정되는 UCS의 특성, 굴착면의 불연속면 방향과 암괴 형상을 직접 나타내지 못하는 코어 기반 RQD의 한계, 그리고 발파 채석장 벤치면에 존재할 수 있는 발파 영향 균열 등 시추코어 기반 지표의 한계와 관련되는 것으로 판단된다. 그럼에도 UCS와 RQD는 굴착 전 시추조사에서 표준화된 방법으로 확보할 수 있는 지표이므로, 진동 리퍼의 굴착생산량 예측은 두 지표를 기본으로 하고 굴착면의 구조적 특성을 보정 요인으로 반영하는 것이 공학적으로 합리적인 접근으로 판단된다.
3. 굴착 후 형성된 파쇄암의 D50은 116.32~239.87mm, 특성입경(Xc)은 147.71~288.45mm, 분포형상지수(n)는 1.91~2.28의 범위로 나타났으며, Site 1에서 가장 크고 Site 4에서 가장 작았다. 파쇄입도는 굴착생산량, UCS 및 RQD와 일관된 대응관계를 보이지 않았으며, 굴착성능보다는 후속 공정의 용이성과 관련되는 특성으로서 파쇄암의 크기 수준을 나타내는 실측 자료로 제시하였다.
4. 진동 리퍼로부터 약 10m 이격된 위치에서 계측한 등가소음도는 81.58~83.73dB(A), 최대소음도는 95.71~99.65dB(A), 지반진동의 PVS는 1.25~2.97mm/s, 수직방향 진동레벨 L10은 58.50~62.35dB(V)의 범위로 나타났다. 생활소음·진동 규제기준과 비교한 결과 지반진동은 10m 근접거리에서도 주거지역 주간 기준 이내였으나 소음은 기준을 상회하였다. 다만 거리에 따른 감쇠를 고려하면 피해지점까지 충분한 이격거리가 확보되는 노천 현장이나 외곽 공사장에서는 규제기준을 만족할 수 있는 수준으로 예상되며, 이격거리 확보가 어려운 도심지 근접 시공에서는 이격거리별 감쇠 특성을 반영한 별도의 평가가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구는 5개 시험지점의 현장 굴착시험을 바탕으로 수행되어 시험지점 수와 암반조건의 범위가 제한적이므로, 시추공 평균 UCS 및 RQD와 굴착생산량 사이의 정량적 상관관계를 통계적으로 확인하기에는 한계가 있다. 그러나 동일한 장비·작업자 조건에서 측정된 굴착생산량, 암반특성, 파쇄입도 및 소음·진동 결과를 종합적으로 제시함으로써 진동 리퍼의 현장 적용성 평가와 시추코어 기반 암반지표의 활용 한계에 관한 기초자료를 제공한다는 데 의의가 있다. 향후 굴착이 이루어지는 천부 구간의 암반특성을 직접 반영할 수 있는 조사방법과 시험지점 확대를 통해 자료를 축적하고, 이를 바탕으로 암반지표와 굴착생산량 간의 정량적 관계를 규명하는 후속 연구를 수행할 예정이다.
