1. 서 론
2. 발파하중 산정에 대한 고찰
3. 발파진동에 대한 안전성 해석 고찰
3.1 해석개요
3.2 수치해석 조건
3.3 발파하중을 고려한 해석결과
4. 기계진동에 대한 안전성 해석 고찰
4.1 기계진동 하중산정
4.2 수치해석 조건
4.3 개착식 박스의 진동 안전정성 해석
4.4 고가교량의 진동 안전성 해석
5. 결 론
1. 서 론
본 연구는 도시철도에 인접하여 발파작업이나 기계굴착작업을 실시하는 경우에 발생하는 지반진동이 도시철도 구조물에 어떤 영향을 미치는지 수치해석을 통하여 연구하였다. 최근에 도심지 도시철도 주변의 구조물이나 건축물을 시공하는 경우 지하주차장 등의 설치로 굴착심도가 깊어짐에 따라서 풍화암, 연암, 보통암에서의 굴착이 빈번하게 이루어지고 있다. 그러나 도심지를 지나는 도시철도 인접구역에서 암반굴착 시 발파공사를 실시하면 그 진동의 규모나 영향이 주변 구조물에 큰 영향을 주게 된다(Woo, 1995; Lee and Chang, 2005).
이 같은 발파진동과 소음이 주변 구조물에 영향을 끼침에 따라 관련 연구도 진행되었는데, Kim and Lee(1999)는 지반진동의 전파 및 감쇠특성에 대한 연구를 수행하였고, Lee et al.(2009)은 고속철도차량 윤축에서 발생하는 소음과 진동의 동적 특성을 주파수분석을 통하여 연구하였다. 지반-구조물 상호작용을 고려한 동적해석에 대한 연구는 Lee and Choi(2003)에 의해 열차주행시 터널내 암반의 절리영향과 지반진동에 대한 연구를 하였고, Kim et al.(2005)은 구조물의 동적해석을 지반-구조물 상호작용을 고려하여 수행한 바 있다. 그리고 이들 기존 연구결과는 발파진동과 소음의 크기에 따라 인접구조물에 상당한 영향을 끼치고 있으며, 이에 소음과 진동의 크기는 도심지 구조물의 설계시 주요 영향요인임을 보여준다.
도심지에서의 도로 및 터널 건설은 종종 주거 및 상업시설에 근접하여 시행되므로 소음과 진동이 주거 및 상업시설에 크게 영향을 주고 있다. 이에 대한 영향 즉, 민원 예방을 위한 예측, 제어 및 모니터링이 우선시 되어야 한다. 이를 소홀히 할 경우 지역 사회의 민원 발생 등의 우려로 프로젝트 일정을 위협할 수 있다(Roberts, 2009). 이에 암반굴착 시 도시지 발파를 엄격하게 제한하고 있으며 정밀진동제어발파나 소규모진동제어발파 이상의 발파공사는 현실적으로 불가능하다. 이 경우도 안전을 위하여 발파원의 충분한 이격거리 확보와 화약 장약량을 엄격히 제한하고 있다. 따라서 도심지 굴착공사 시 발파공법의 대안으로 기계굴착이 많이 사용되고 있다.
현장타설 가설말뚝이나 중간부 가설말뚝 타설 시 천공을 위해서 어스오거를 사용하거나 암반파쇄를 위해서 브레이커를 사용한다. 이러한 굴착기계를 이용하여 굴착하는 경우에도 발파진동보다는 작지만 역시 지반진동이 발생한다. 발파진동의 진동원은 굴착현장의 가설벽체에서 충분한 이격거리를 확보하지만 굴착용 건설기계는 오히려 도시철도 구조물까지의 이격거리가 작아진다. 가설벽체의 현장타설말뚝(CIP, Cast in Place Pile) 설치 시 천공에 사용되는 어스오거는 주변 구조물에 바로 지반진동을 발생시키고, 브레이커도 가설벽체 주변에서 착암공사를 실시하므로 안전에 더 큰 영향을 미칠 수 있다. 또한 기계진동은 발파진동보다 시공 기간이 더 소요되는 점도 고려해야 한다.
따라서 본 연구를 위해 첫째로, 발파공사 시 발생하는 진동에 의한 주변 구조물의 영향을 동적수치해석을 통하여 연구하였다. 발파작업(Blasting Work)을 수치해석적으로 시뮬레이션하기 위해서 시간이력해석(Time Series Analysis)용 발파시계열하중(Blasting Time Series Load)을 산정하였다. 발파해석은 현장에 적용되는 6개 타입의 발파공법 중 정밀진동제어발파공법과 소규모진동제어발파공법에 대하여 수치해석을 실시하고 분석하였다. 둘째로, 굴착기계에 의하여 발생하는 지반진동의 영향을 동적수치해석으로 연구하였다. 굴착기계의 종류는 많지만 본 연구에서는 도시철도 인접굴착공사에서 사용빈도가 많은 어스오거와 브레이커로 한정하였다. 도시철도는 터널구간, 개착식 박스구간, 고가교량 구간으로 구성되어 있어 3개구간에서 각각 하나의 대상을 선정하여 해석하였다. 수치해석을 위하여 굴착기계의 지반진동하중을 시험시공을 통하여 굴착기계의 작업 시 지반진동을 계측하고 보정방법을 통하여 수치해석 시 입력용 시계열하중을 구하였다. 이 시계열하중으로 터널, 개착식 박스, 고가교량의 굴착공사 모델에서 시간이력해석을 통하여 동적 안전성 영향을 분석하였다.
2. 발파하중 산정에 대한 고찰
일반적인 발파탄성해석에서 발파압력은 공벽에 수직한 방향으로 가해지는 것으로 하고, 이때 작용하중을 미국 National Highway Institute에서 제시한 일반적인 공식은 다음과 같다. 다음 식 (1)은 하중 1kg당 폭발하중을 기준으로 한다.
여기서, Pdet : 폭발압력(detonation pressure, kbar)
SGe : 폭발밀도(detonation density, g/cm2)
PB : 공벽면에 가해지는 압력(decoupled detonation pressure, kbar)
PD : 시간이력에 대한 동압력(dynamic pressure against time history, kbar)
Ve : 폭속(detonation velocity, ft/sec)
위의 식 (1)은 발파 시 순간적으로 발생하는 공기 동압력의 크기를 정의하는 식이며, 실제 공벽에 작용하는 동압력은 시간에 따라 변하는 시계열 형태를 취해야 한다. 따라서 수치해석 시 시계열해석(Time Series Analysis)을 위해서는 Statfield가 제시한 시간이력에 대한 다음 식 (2)를 적용하여 수치해석 시 하중(1kg 장약량 당 동압력)으로 적용하였다(Starfield and Pugliese, 1968).
여기서, B : 16,388인 하중상수
dc : 화약의 직경(charge diameter, mm)
dh : 장약공의 직경(borehole diameter, mm)
본 수치해석은 발파에 의해서 발파지점에서 일정한 거리만큼 떨어진 곳에서의 응답을 관찰하는 것이 목적임으로 발파공 하나하나를 적절한 요소를 모델링하여 각 발파공에 발파하중을 작용하는 것이 어렵기 때문에 발파공이 한곳에 모여 있고 그 발파압력이 등가 크기의 발파공면에 등가의 하중크기로 작용하는 것으로 가정하여 Fig. 1처럼 등가의 PB를 구하여 적용하였다.
3. 발파진동에 대한 안전성 해석 고찰
3.1 해석개요
지반과 같은 무한한 매질을 모델링 할 때 정적해석에서는 충분히 멀게 경계를 잡아도 되지만, 동적해석에는 일반적인 경계를 잡을 경우 반사되어 오는 파가 추가하중으로 작용하는 효과가 발생하기 때문에 큰 오차가 유발될 수 있다. 이를 처리하는 방법에는 근사적인 방법인 인공경계(Artificial Boundary), 전달경계나 초유한요소(Transmitting Boundary, Hyperelement)사용, 무한요소(Infinite Element)사용, 경계요소(Boundary Element)사용 등의 방법이 있다. 본 해석에서는 이론적으로 복잡하지 않으면서도 비교적 정확하다고 검증된 Fig. 2와 같이 점성경계(Viscous Boundary 또는 Quiet Boundary)를 적용하였다. 점성경계는 진동하중 중 반사파가 경계에서 다시 반사되어 반복적인 진동하중으로 작용하는 것을 감쇠율로 방지하는 방법이다(Lysmer and Wass, 1972).
고유치해석은 구조물 고유의 동적특성을 분석하는데 사용되며 자유진동해석(Free Vibration Analysis)이라고도 한다. 본 해석에서는 고유치해석을 통해 구해지는 1, 2차 모드의 고유주기(또는 고유진동수)를 산정하여 시간이력해석에 사용되는 Rayleigh 감쇠행렬을 결정하였다. 동적시계열하중인 발파하중에 대한 구조물의 동적거동을 해석하기 위해서 시간이력해석을 수행하였으며 수렴성이 좋은 Newmark 방법을 적용하여 직접적분법을 수행하였다. 본 수치해석에서는 정밀진동제어발파와 소규모진동제어발파 두 가지 경우의 해석을 실시하였다.
3.2 수치해석 조건
본 연구에서는 도심지 굴착공사에서 발파작업이 주변 시설물에 얼마만큼의 영향을 미치며, 발파공법 중 해당 작업장에서 가능한 발파 유형이 어느 공법까지 적용 가능한지 결정하기 위하여 참고자료가 될 수 있는 작업장을 선정하였다. 대상 작업장은 국내에서도 가장 고밀화된 고층빌딩, 도시철도 고가교량, 지하관로 등이 인접한 굴착공사장이다. 해석범위는 Fig. 3과 같이 굴착장과 인접시설물을 포함하고 지반은 Mohr–Coulomb 조건을 적용하였으며, 발파패턴은 정밀제어발파(Type II)와 소규모제어발파(Type III)를 해석하였다. 사용한 S/W는 MIDAS GTS NX이며 수치해석 시 적용한 유한요소는 4면의 삼각뿔 3차원 입체요소이다. 해석에서 굴착장의 임의 지점을 선정하여 발파한 하나의 예를 들어 해석 및 분석하였으나, 발파지점이 임의점에서 토류벽에 가까이 갈수록 더 큰 영향이 있으므로 발파타입과 발파지점의 최적의 위치선정은 본 연구의 범위를 벗어나고 작업장마다 결정해야 할 것으로 판단된다. 그리고 정밀 진동제어발파와 소규모 진동제어발파 두 가지 해석조건은 Table 1과 같다.
Table 1.
Pattern for precise and small scaled vibration-controlled blasting
3.3 발파하중을 고려한 해석결과
도시철도에 인접한 터파기 현장에서 도시철도, 고가차도 및 매설관(상하수관)에 대한 발파진동 영향을 분석하기 위해서 3차원 발파진동 수치해석을 실시하였다. 본 해석은 Table 2를 참조하여 이격거리를 정밀진동제어발파와 소규모진동제어발파에서 각각 중간치인 40m, 70m를 선정하여 해석한 결과이다. 그 결과 정밀진동제어발파공법과 소규모진동제어발파공법으로 발파할 경우 지하철에서 감지될 것으로 예상되는 발파 진동값은 Table 2처럼 0.080~0.123cm/sec, 고가차도는 0.071~0.113cm/sec, 매설관(상하수관)에서는 0.154~0.184cm/sec로 확인되었다.
Table 2.
Vibration velocity of nearby structures and facility
정밀진동제어발파에서는 발파 후 0.1초에, 이격거리가 큰 소규모진동제어발파에서는 0.15초경에 토류벽에 최대 진동속도가 발생하며, 그 후 각 시설물에는 Table 2와 같이 최대 진동속도가 발생하였다. 소규모진동제어발파시 매설관(상하수관)에서 0.184cm/sec의 진동속도가 발생하여 허용 진동속도 0.2cm/sec에 근접함을 알 수 있다. 이러한 진동속도 발생은 작업장의 암반종류, 암반형상 및 분포범위에 따라서 허용 진동속도 이내에 들어오는 이격거리와 지발당 장약량이 다르다. 참고로 국내 현장에서 통계적으로 제공되고 있는 발파공법별 지발당 장약량과 진동속도별 이격거리는 Table 3과 같으며 각 시설물의 진동이력곡선은 Table 4와 같다.
Table 3.
Influential sphere of blasting vibration by blasting method
Table 4.
Vibration hysteresis curve of nearby structures and facility
Table 3은 국토교통부의 노천발파 설계‧시공 지침(Ministry of Land Infrastructure and Transport, 2006)을 사용하여 산출된 자료인데 이 방법으로 원거리에서 산출하면, 이격거리 40m에서 Type II(정밀진동제어발파)의 경우 진동속도 0.180cm/sec, 진동레벨 76.1dB(V)이며, 이격거리 70m에서 Type III(소규모진동제어발파)의 경우 진동속도 0.223cm/sec, 진동레벨 78.2dB(V)이다. 수치해석 결과와 비교하면 이격거리 40m에서 Type II(정밀진동제어발파)의 경우 수치해석 결과는 최대 0.154cm/sec로 0.180cm/sec보다 작고, 이격거리 70m에서 Type III(소규모진동제어발파)의 경우의 수치해석 결과는 최대 0.184cm/sec로 0.223cm/sec보다 작다. 즉, 수치해석 결과는 추정식의 결과보다 다소 작게 나온다. 이는 지반형태와 조건을 다양하게 고려하는 수치해석이 동일 암반으로 추정하는 방식보다 정확한 것으로 사료된다. 그러나 Table 3의 이격거리 구간 중 진동 허용치별(cm/sec) 영향권 범위 중 최소치인 25m의 경우에 대하여 해석하면 허용기준치를 초과하는 것이 확실하다. 이 비교 결과들은 Table 3의 이격거리 기준을 정밀하게 검증이 필요함을 알 수 있다.
4. 기계진동에 대한 안전성 해석 고찰
4.1 기계진동 하중산정
발파해석용 건설 기계진동 하중을 산정하는 방법은 다음 순서와 같다. 먼저 건설장비가 운용되고 있는 현장 인근에서 진동을 측정한다. 측정은 중앙환경분쟁조정위원회의 건설장비 및 기계류의 소음진동도(Central Environmental Distribute Resolution Committee, 2011)에서 7.5m와 15m에서 진동기준을 제시하므로 7.5m나 15m에서 측정한다. 다음으로 측정된 데이터에 포함된 노이즈 등을 제거하기 위해서 고진동수여과기(Highpass Filter) 등을 이용해 보정한다. 고진동수여과기란 측정된 진동파 중에서 고진동이면서 진폭이 작아 진동응답 해석결과에 큰 영향을 주지 않으면서 해석비용이나 해석시간을 크게 요구하는 큰 고주파 진동을 제거하는 것을 말한다. 마지막으로 보정된 해석데이터를 해당 관련문헌의 유사해석사례를 가지고 비교 ‧ 해석하는 방법 등으로 평가대상현장의 입력하중을 산출한다.
본 연구에서 개발한 지반진동 하중은 굴착지점에서 15m 이격 된 위치에서 측정한 값을 기본으로 한다. 어스오거 자체의 진동파는 정현파(Sine)이다. 그러나 이 어스오거가 암반과 접촉하여 발생하는 지반진동은 암반의 종류에 따라서 다르다. 보통 서울 도심의 기계굴착이 연암층에서 많이 이루어지고, 진동안전성 평가도 연암층에서 발생하는 지반진동이 인접 도시철도 구조물에 미치는 영향을 평가하는 경우가 많다. 어스오거의 기계진동이 연암층 굴착 시 발생하는 지반진동을 측정해 2단계 보정을 거쳐서 구한 지반진동파는 Fig. 4와 같고 같은 방법으로 산출된 중량 500kg 브레이커의 지반진동파는 Fig. 5와 같다.
최종 산정된 어스오거와 브레이커의 동하중을 비교해 보면, 어스오거 하중은 다양한 진동수와 진폭을 갖는 많은 정현파로 구성된 진동파로 전형적인 시계열(Time Series) 동하중을 보여주고 있다. 반면에 브레이커 하중은 주기적(Periodic) 성질을 보여주고 있으며 주기적으로 큰 충격하중(Impact Load)이 발생함을 알 수 있다. 절대적인 진폭은 브레이커 하중이 0.06m/s2, 어스오거 하중이 0.04m/s2로 브레이커 진동하중의 진폭이 더 큰 것을 알 수 있다.
4.2 수치해석 조건
본 연구에서는 공사현장에서 사용되는 굴착기계의 진동하중에 대한 도시철도 구조물의 진동영향을 수치해석을 통하여 분석하였다. 도시철도는 터널구간, 개착식 박스구조물 구간, 고가교량 구간으로 구성되어 있으므로 각 3개 구간별로 해석 대상을 선정하여 동적해석을 실시하였다. 해석 대상 건설기계는 굴착용 어스오거와 착암용 브레이커로 한정하며, 4.1절에서 산정한 시간이력하중을 사용하였다.
도시철도 터널과 인접한 굴착현장에서 가설벽체 시공을 위한 어스오거 천공 및 브레이커를 이용한 파쇄 현장의 굴착장비 진동에 따른 터널에 미치는 동적진동의 구조물에 미치는 영향을 검토하기 위하여 수치해석을 실시하였다. 연구대상은 굴착면에서 10.88m 이격하여 지하철 터널이 위치하며, 직경 50cm 현장타설말뚝(CIP) 설치를 위해서 어스오거로 굴착을 실시하고, 내부 암반은 브레이커로 착암하는 작업조건이다. 흙막이 벽체로 부터는 이격거리 10.89m로, 흙막이 벽체 후면에 벽체지지용 현장타설말뚝용 천공이 먼저 시공되고, 이 현장타설말뚝이 어스오거 굴착 후에 삽입되는 점을 고려하면 이격거리는 더 작아진다. 수치해석 시 적용한 지반물성 값은 Table 5와 같다.
Table 5.
Soil input data for dynamic analysis
Fig. 4 어스오거 하중과 Fig. 5 브레이커 하중에 의한 시간이력해석(Time Series Analysis)의 해석결과는 Fig. 6과 같다. 가설벽 내부 굴착은 Fig. 6에서 보는 것처럼 1.5m씩 단계적으로 진행되고 있으며, 어스오거 굴착 선단에서 3m 떨어진 지점의 진동속도는 0.0885cm/sec이고 5m의 이격거리에서는 0.052cm/sec이다. 브레이커 굴착 선단에서 3m 떨어진 지점의 진동속도는 약 0.06cm/sec이고 굴착 선단 5m 이격거리에서의 수치해석에서는 0.0429cm/sec, 중앙환경분쟁조정위원회의 건설장비 및 기계류의 소음진동도(Central Environmental Distribute Resolution Committee, 2011)에서 브레이커는 7.5m에서 최대 68.4dB(V), 어스오거는 7.5m에서 최대 61.1dB(V)이고 절대적인 진폭은 브레이커 하중이 0.06m/s2, 어스오거 하중이 0.04m/s2로 브레이커 충격하중의 진폭이 더 크므로 브레이커에서의 진동 속도가 크게 산출된 결과가 된 것이다.
또한 수치해석의 결과는 두 경우에 비교적 안정적인 결과를 보여주고 있으나 현장에서 사용되고 있는 서울교통공사 추정식이나 회귀분석에 의한 경험식을 사용할 때는 주의해야 한다. 즉, 추정식이나 경험식은 진동 발생원과 측점의 사이가 동일한 지반특성 및 조건을 갖는 것으로 가정하여 구한 것이나 수치해석은 다양한 지반상태를 입력하므로 전달속도와 진동레벨에서 차이가 발생한다(Lee and Chang, 2005).
4.3 개착식 박스의 진동 안전정성 해석
본 연구는 도시철도 개착식 박스구조물에 인접하여 암반을 굴착하는 경우에 어스오거를 사용하는 굴착공사와 브레이커 사용에 의한 할암공사 시 진동하중의 영향을 검토하기 위한 것이다. 개착식 박스구조물은 시공 시 원지반을 제거하고 박스구조물 공사를 실시한 후 토사로 되메우기를 하고 다짐공사를 하는 것으로, 원지반이 보존된 상태에서 시공하는 터널과는 주변 지반상태 등 여건이 다르다. 즉, 박스구조물 주변 지반이 암반인 경우보다 매립토인 경우가 많아서 지반진동의 전파상태도 많이 다르다. 해석 대상에서 심도 24.9m 박스구조물 하단까지는 매립토이고 이 이후 지점부터 암반이 시작된다. 따라서 어스오거나 브레이커의 암반굴착 작업도 이 심도 24.9m지점에서 시작되고 본 수치해석의 진동하중과 작용점도 이 위치에서 입력된다.
인접 굴착공사는 심도 24.9m까지는 굴착진동 유발장비 없이 굴착되고 수평이격거리는 3.96m이고 수치해석모델은 Fig. 7과 같다. Fig. 4, Fig. 5의 어스오거와 브레이커 동하중이 Fig. 7에 표기된 위치에서 지하철 방향으로 입력하여 시간이력해석을 실행하였다. 해석결과는 진동하중 작용점과 가까운 박스 최 좌측점과 지하철 궤도 좌우선로의 두 레일위치에 대하여 진동응답이력을 추출하였다. 이격거리별 최대 진동가속도 및 진동속도를 벽체에서 이격거리에 따라서 표현하면 Table 6과 같다.
Table 6.
Vibration acceleration and velocity per distance from wall
| Division | Auger | Braker |
|
Acceleration (cm/s2) |  |  |
|
Velocity (cm/s) |  |  |
최대 진동가속도는 매립토 중앙에서 최대값을 보이다가 벽체가 나타나는 3.96m에서부터는 어스오거의 경우는 0.35cm/s2, 브레이커는 0.45cm/s2 정도의 일정한 값으로 수렴한다. 이는 강성이 작고 입자구조체인 매립토에서는 가속도가 증폭되다가 상대적으로 강성이 크고 단일구조체인 박스 콘크리트 구조물에서는 진동이 감소한 후 일정한 값으로 수렴함을 알 수 있다. 최대 진동속도는 하중원점에서부터 점차 증가하다가 벽체가 나타나는 3.96m에서부터는 어스오거의 경우는 0.01cm/s, 브레이커는 0.02cm/s 정도의 일정한 값으로 수렴함을 볼 수 있다. 이는 박스 콘크리트 구조물이 단일 연속체구조물이므로 박스전체에서 동일한 진동응답을 보여준다. 일반적으로 하중이 큰 브레이커 경우가 가속도와 속도 모두에서 더 큰 진동을 보여준다.
전체 해석시간(10sec)중 최대로 발생한 진동속도 값을 정리하면 Table 7과 같다. Table 7에서 브레이커 진동의 경우에는 최대치가 하중 반대방향에서 발생하는데 이는 강성이 큰 박스구조물이나 레일은 상대적으로 큰 브레이커 동하중에 의하여 복원력이 크고 박스 우측 지반의 구속력으로 역하중 방향 변위가 크게 발생한 것으로 추정된다. 터널구조물과는 달리 원지반이 한번 훼손된 후 되메우기로 매립된 지반에 위치한 박스구조물에서는 오히려 굴착지반과 이격거리가 작을 때 강성이 상대적으로 작은 매립토에 의한 증폭효과가 발생하는 것으로 추정된다. 이 현상은 굴착점과 이격거리에 따른 증폭효과에 대한 추가 연구를 통하여 규명하여야 할 것이다.
Table 7.
Maximum response of vibration velocity hysteresis
| Division | Vibration of Auger (Vibration Velocity vs Time) | Vibration of Braker (Vibration Velocity vs Time) |
| Box Start Point |  |  |
|
Left Rail |  |  |
|
Right Rail |  |  |
4.4 고가교량의 진동 안전성 해석
도시철도 고가교량에서 인접하여 굴착공사를 시행하는 경우는 터널이나 개착박스의 경우보다 위험성이 더 클 것으로 예측되므로 수치해석을 통한 검증이 필요하다. 해석 대상은 Fig. 8에서 보는 바와 같이 굴착작업장에서 이격거리 13m에 위치하여 있는 도시철도 고가교량의 파일기초 경우이다. 고가교량은 굴착 진동이 지반을 통하여 직접 전달되는 파일기초와 이 파일기초를 통하여 전달되는 교각, 상부구조, 레일과 같은 구조체가 있다. 일반적으로 진동 전달은 강성이 클수록 진동속도가 빨라지므로 지반진동이 파일기초에 도달하면 교량구조물을 통하여 레일까지 전달된다. 그리고 이 진동이 지진하중처럼 큰 경우에는 교량의 지진 진동과 유사한 거동을 보일 수 있다.
Fig. 8과 같이 대상 작업장의 진동은 가설벽체용 현장말뚝 타설공사, 작업장 내부의 가설말뚝 타설공사, 작업장 내부의 암반을 브레이커로 착암공사 시 발생한다. 가설벽체용 현장말뚝 타설 시와 작업장 내부의 가설말뚝 타설 시에는 어스오거를 이용하고 내부 암반 착암공사 시에는 브레이커를 이용한다. 동적해석을 위한 수치해석모델은 Fig. 9와 같으며 주요 지반 정수는 Table 8과 같다.
Table 8.
Soil property for numerical analysis
Table 9 및 Table 10은 3개 굴착공사의 진동속도 진동해석 결과와 진동 응답이력을 보여준다. 첫째로 오거굴착 공사인 가설벽체용 현장말뚝 타설공사와 작업장 내부의 가설말뚝 타설공사에서는 이격거리가 작은 가설벽체용 현장말뚝 타설공사의 진동속도가 당연히 크다. 그리고 브레이커 할암공사가 현장말뚝 타설공사나 가설말뚝 타설공사의 값보다 큰 것은 동적하중이 크기 때문이다. 둘째로 오거굴착 공사인 가설벽체용 현장말뚝 타설공사와 작업장 내부의 가설말뚝 타설공사에서는 진동이 풍화암에서 최대값을 보이는 반면에 브레이커 하중인 기계식 할열공사에서는 풍화암에 도달한 진동속도가 파일캡(Pile Cap)과 교각, 슬라브와 같은 교량구조체에서 2배정도로 증폭된 현상을 보여주고 있다.
이는 매우 특이한 현상으로 브레이커하중에서는 진동이 교량에 도달하면 구조체에서 증폭됨을 알 수 있다. 이는 브레이커 하중의 특성이 순간적으로 큰 충격하중을 내포하고 있고, 이 지반진동이 지진하중처럼 상부구조물에 추가 진동응답을 발생시키는 것으로 추정된다. 이는 계속적인 연구로 지반진동의 동적하중크기에 따른 상부구조의 진동응답 영향 여부를 규명해야 할 것으로 사료된다.
Table 9.
Response for vibration velocity of 3-Type excavation work (cm/s)
5. 결 론
본 연구에서는 도시철도에 인접해서 암반굴착공사를 실시할 때 발생하는 지반진동이 도시철도 구조물에 미치는 영향을 수치해석을 통하여 검증하였다. 본 연구로부터 얻어진 결론은 다음과 같다.
(1) 발파공사 시 주변구조물까지의 발파공법별 발파원 이격거리 기준은 매우 중요한 사항이다. 동일한 발파공법도 이격거리가 작거나 장약량을 늘리면 동적영향이 커진다. 본 해석모델에서 수치해석한 두 가지 경우에도 현재 적용하고 있는 기준에서 한계치에 매우 근접한 결과를 보여주고 있다. 만약에 본 해석 시에 현 적용기준의 최소이격 거리를 적용하여 해석을 실시하면 기준치를 넘는 것이 확실하다. 이는 현 실무에서 사용되는 적용기준이 공학적 해석이나 시험시공을 통하여 검증되어야 함을 알 수 있다.
(2) 굴착작업 시 지반진동에 대한 공학적인 수치해석법을 적용하기 위해서는 굴착용 건설기계들의 지반 진동하중이 개발되어야 한다. 건설기계용 작동 하중은 유압식 정현하중(Sine Wave)이 대부분이나, 이 굴착장비가 각 종 토사나 암반과 접촉해 굴착작업 시에는 또 다른 지반진동이 발생한다. 본 연구에서는 시험시공을 실시한 후 2단계 보정방법을 적용하여 해석용 지반진동시계열하중을 개발하여 적용하였다.
(3) 도시철도의 주요 구성 요소인 터널, 개착식 박스구조, 고가교량에 대한 굴착공사 시 동적 수치해석을 실시하였다. 터널구간의 수치해석 결과를 보면 어스오거의 경우에는 현장에서 적용되고 있는 추정식과 큰 차이가 없으나 브레이커의 경우에는 추정식에 의한 결과와 차이가 크다. 동적하중이 상대적으로 크고 주기적인 특성을 갖는 브레이커 지반진동의 경우에는 추정식의 엄밀한 보완이 필요함을 알 수 있다.
(4) 개착식 박스구조물의 주변 지반은 되메우기를 통한 매립토로 해석결과는 인접굴착점과 박스사이의 이격거리에 있는 매립토에서 진동이 증폭됨을 알 수 있다. 그러나, 박스구조물에 진동파가 도달하면 이 영향이 소멸하고 수렴함을 알 수 있다. 매립토 이격거리가 진동의 증폭에 미치는 영향에 대하여 다양한 변수해석을 통하여 이 증폭효과에 대한 규명이 필요하다.
(5) 고가교량 주변의 굴착공사는 터널이나 개착식 박스구조물에 미치는 영향보다 위험성이 큼을 알 수 있다. 해석결과를 보면 어스오거 하중은 파일 위치에서 최대를 보이나 브레이커 하중은 파일 위치보다 상부구조에서 증폭됨을 알 수 있다. 즉 상대적으로 큰 브레이커 동적하중은 지진하중처럼 상부구조물에 추가 동적거동을 발생시킴을 알 수 있다.
이러한 상부구조물의 추가 동적거동을 발생시키는 굴착기계 하중의 규모를 규명하는데 지속적인 연구가 필요하지만, 장기적인 투자가 없으면 정확한 기준을 마련하여 시행하기에는 한계가 있다. 따라서 도시철도 주변에서 굴착공사를 시행하는 경우 현장 여건별 도시철도 구조물의 안전구역 설정 기준의 마련이 필요하고 또한 도시철도 구조물과 인접한 건축(시설)물의 동적 안전에 필요한 허용기준 제정을 위해서는 다양한 도심지 굴착공사로 인한 진동 문제를 대응하기 위한 연구 등이 필요하다.
