서 론
연구 내용 및 방법
시험 결과
결과해석 및 고찰
발파 거리에 따른 진동영향 해석
장약량 변화에 따른 진동영향 해석
환산거리 진동속도 관계식 도출
기존 추정식과의 비교
발파시 진동속도와 진동레벨의 상관관계 분석
진동시험 결과분석을 통한 거리별 허용 장약량 검토
결 론
서 론
제주도에는 많은 수의 용암동굴이 분포하고 있으며, 인구의 증가 및 관광산업의 발달로 인하여 동굴 주변에 다양한 규모의 시설물 및 토목구조물 등 많은 개발행위가 이루어지고 있다. 이러한 개발 과정에서 발파, 리핑 등의 암반 절취와 파쇄작업이 동반되며, 필연적으로 소음과 진동이 수반되어 주변 지반 및 동굴에 영향을 미치게 된다. 일반적으로 소음은 용암동굴에 피해를 발생시키는 경우가 거의 없으나 동굴 주변에서 발생되는 진동은 동굴에 직접적인 피해를 유발할 수 있다.
진동피해는 인간에 대한 정신적 피해와 구조물에 대한 물리적 피해로 구분되며, 전자의 경우는 진동레벨로 평가하고, 후자의 경우 진동속도로 평가한다. 제주도의 용암동굴 역시 구조물로 구분되며, 구조물에 대한 진동 영향 평가는 자승근 및 삼승근 환산거리에 의한 추정방식이 유용하게 활용 될 수 있다(Song et al., 2020). 자승근 환산거리 또는 삼승근 환산거리에 대한 연구는 Ambraseys and Hendron(1968)의 제안으로 발파진동에 적용되기 시작하였으며, 다수의 연구자들이 암종에 따른 발파진동 추정식을 수정 ‧ 제안한 바 있다(Lee, 2017).
진동속도 추정에 가장 널리 사용되는 식은 미 광무국(USBM, U.S. Department of Interior, Bureau of Mines) 고시 제656호(Nicholls et al., 1971)에 제시된 식이며, 국내에서도 국내실정에 맞는 발파 진동상수(k)와 감쇠지수(n)를 도출하기 위한 많은 연구들이 수행되어왔다. Lim and Kim(1992)은 암종(화강암, 편마암, 사암 등)에 따른 자승근 및 삼승근 환산거리에 대한 k값과 n값을 평가한 바 있으며, Lee and Kim(1987)과 Yang and Ju(1990)는 석회암 및 편마암을 대상으로 k 및 n값의 범위를 밝힌 바 있다. Kim et al.(1994)은 k값과 n값 산정 시 암종별로 구분하여 산출해야한다고 주장하였으며, 실측결과를 바탕으로 발파진동 추정식을 화강암, 편마암, 석회암으로 구분하여 제안하였다. Song et al.(2020)은 만장굴과 용천굴 주변에서 소규모 발파시험을 수행하여 거문오름용암동굴계의 현무암을 대상으로 k값 및 n값을 비롯하여 발파진동 전달특성을 평가하였다.
한편, 우리나라의 국토교통부(MCT, 2003)에서도 발파진동 추정식을 제시한 바 있으며, 미 광무국 식을 기반으로 하여 k = 160, n = -1.6을 사용한 신뢰도 75%의 식이다. 또한 2006년에는 국내 도로공사 현장의 실 계측 자료로부터 k = 200, n = -1.6을 적용한 신뢰도 84%의 식을 ‘도로공사 노천발파 설계ㆍ시공 지침’에 수록하여 발표한 사례가 있다(MCT, 2006). 기존의 연구결과를 종합해 볼 때, 진동속도 추정식 산정 시 k값과 n값이 대상지역 지질특성에 따라 큰 편차를 보이므로 연구대상 지역의 실 계측을 통한 발파진동 추정식이 산정될 필요가 있는 것으로 알려져 있다(Song et al., 2020).
본 연구는 제주 거문오름동굴계에 속하는 지역에서 실험과 계측을 통해 발파진동특성을 평가하고, 이를 기반으로 거문오름동굴계의 진동특성을 파악하여 효율적인 용암동굴 관리보존 대책의 학술적 근거 및 기준을 마련하고자 수행되었다.
연구 내용 및 방법
발파진동시험은 거문오름용암동굴계와 동일한 지질특성을 가지면서, 동굴에서 충분히 이격되고 주변 영향이 없는 지역을 대상으로 선정하였다. 또한, 진동이 자유면으로 분산되는 것을 방지하기 위해 시추공 내에 진동원을 위치시켰으며, 지발당 장약량은 0.5 kg에서 최대 10 kg까지 변화시켜가며 시험을 수행하였다. 시추공의 위치 및 표고, 시추심도, 발파지점의 표고, 공당 지발당 장약량은 Table 1과 같다.
Table 1.
Status of installation of drilling hole for blasting test
계측장비는 진동속도와 진동레벨 동시 측정이 가능한 장비(NeoBlast)를 사용하였으며 계측장비의 주요제원은 Table 2와 같다.
Table 2.
A specification of the measuring equipment, NeoBlast
발파시험 시 뇌관은 전기뇌관(HiDETO Plus)을 이용하였으며, 폭약은 한화화약의 에멀젼 계열 화약인 뉴마이트플러스 I(1,000 g/본 × 직경 50 mm × 약장 470 mm)을 사용하였다. 진동계측은 3개 장비를 운용하여 거리에 따른 진동영향을 평가할 수 있도록 하였다. 계측기 설치위치는 진동원으로부터 약 50 m, 100 m, 150 m, 250 m 이격하였으나 진동원의 위치가 매번 동일하지 않기 때문에 진동원과 계측기의 이격거리는 약간의 차이가 있다. 계측기와 진동원과의 평균거리는 M-50에서 58.12 m (55.35~63.29 m), M-100에서 99.68 m (98.43~101.74 m), M-150에서 147.37 m (146.49~149.39 m), M-250에서 254.76 m (250.16~259.60 m)이다(Table 3).
계측기 2대는 각각 M-50 지점과 M-150 지점에 설치하여 측정하였으며, 나머지 계측기 1대는 진동속도의 전달여부를 감안하여 지발당 장약량 3 kg/delay 이하에서는 M-100 지점에, 3 kg/delay 이상에서는 M-250 지점에 설치하여 측정하였다. 진동원과 계측기와의 거리는 Table 3에 제시하였으며, 위치도 및 시험전경은 Fig. 1 및 Fig. 2에 도시하였다.
Table 3.
Blasting-measure point distance by vibration source
시험 결과
총 11회의 발파진동시험 및 4개 지점에 대한 계측을 수행하여 총 33회의 진동을 측정하였으며 이중 28개의 자료를 획득하였다. 진동속도는 지발당 장약량이 증가할수록 또한 진동원으로부터의 거리가 가까울수록 크게 측정되는 것으로 파악되었다. 발파에 따른 진동속도와 진동레벨을 측정한 결과는 Table 4에 제시하였으며, 지발당 장약량에 따른 계측기별 진동속도를 도시하면 Fig. 3과 같다.
Table 4.
Results of the blasting vibration test
결과해석 및 고찰
발파 거리에 따른 진동영향 해석
계측이 이루어지지 않은 장약량 0.5 kg의 경우를 제외하고, 1.0~10.0 kg의 장약량을 대상으로 진동속도와 거리와의 상관관계를 분석하였다. 진동속도와 거리와의 관계는 거리가 가까울수록 진동속도가 급격히 커지는 양상을 보이며, 이는 거듭제곱식으로 표현될 수 있다. 각 속도별 거리와 진동속도와의 관계식은 Table 5와 같으며, 상관관계를 도출한 그래프는 Fig. 4에 제시하였다. 도출된 각 장약량별 진동속도와 거리와의 상관관계식은 동일한 거리에 따른 진동영향을 평가하는데 활용하였다.
Table 5.
Correlation between PPV (cm/sec) and distance (m) by charge per delay (kg)
장약량 변화에 따른 진동영향 해석
동일한 거리에서 장약량의 변화와 진동속도의 관계를 분석하였으며, 거리별 장약량과 진동속도와의 관계는 Table 6에 제시되어 있다. 거리별 상관관계식의 기울기는 거리가 가까울수록 증가하며 거리가 멀어질수록 감소하는 경향을 보이는데 이는 진동원과의 거리가 가까울수록 지발당 장약량의 변화에 진동속도의 변화가 더 크게 나타남을 의미한다(Fig. 5).
Table 6.
Correlation between PPV (cm/sec) and charge per delay (kg) by distance (m)
환산거리 진동속도 관계식 도출
발파진동의 전파특성을 나타내는 추정식은 계측자료로부터 회귀분석을 통해 자승근 및 삼승근환산거리에 대한 각각의 상수를 구한 후 적합도가 높은 식을 선택하는 것이 일반적이다. 따라서 발파진동 계측자료를 통해 발파진동의 세 성분인 수직 방향(V, Vertical), 진행 방향(L, Longitudinal) 및 접선 방향(T, Transversal) 성분 중 최대치(PPV)에 대하여 자승근 환산거리 및 삼승근 환산거리 기법으로 진동의 중위수준인 50%를 나타내는 식(신뢰수준 50%) 및 자료의 95%를 포함하는 식(신뢰수준 95%)을 각각 도출하여 주로 안전문제를 고려하여 모든 측정자료를 포함할 수 있는 95%의 신뢰구간식을 발파진동 추정식으로 채택한다. 본 연구에서는 발파진동 추정식의 결정을 위하여 자승근 환산거리 및 삼승근 환산거리에 대해 선형 회귀분석(Linear regression)을 수행하였으며, 신뢰수준 50% 및 95% 식을 각각 도출하고 안전을 고려한 신뢰수준 95%식을 채택하여 계수들을 도출하였다.
선행연구의 결과(Song et al., 2020)와는 달리 장약량과 거리의 차이를 충분히 반영하였기 때문에 전반적으로 이상적인 형태의 데이터 분포를 보이고 있다. 회귀분석 결과 결정계수 R2이 0.8427~0.9334로 측정 데이터의 높은 상관성을 나타내고 있다(Fig. 6).
발파진동시험 데이터 분석을 통해 자승근(SRE, square root equation) 및 삼승근(CRE, cube root equation) 환산거리 추정식을 도출하였으며, 도출된 환산거리식은 식 (1) 및 식 (2)와 같다. 신뢰수준 95% 환산거리식을 통해 도출된 계수인 k값 및 n값은 Table 7에 제시하였다.
Table 7.
Determined parameters for square root and cube root equations with confidence level (95%)
| Parameter | Linear regression using SRE | Linear regression using CRE |
| k | 130.04 | 199.71 |
| n | -1.717 | -1.711 |
| R2 | 0.9334 | 0.8427 |
기존 추정식과의 비교
국내외에서 이용되는 자승근 환산거리 및 삼승근 환산거리식에서의 발파 진동상수(k)와 감쇠지수(n)를 정리하였으며, 이들과 본 연구에서 도출된 환산거리식을 비교 ‧ 검토하였다(Table 8). 연구지역에서 측정된 자료를 Table 8과 Fig. 7에 비교 분석한 결과, 자승근식을 적용하는 경우, Lee and Kim(1987)이 석회암을 대상으로 한 연구성과와 가장 유사한 경향을 보인다. 또한, 삼승근식을 적용할 경우 Yang and Ju(1990)와 Lee and Kim(1987)이 석회암을 대상으로 한 연구성과와 가장 유사한 경향을 보인다. 국내에서 일반적으로 적용되는 USBM식이나 도로공사 노천발파 설계 ‧ 시공 지침에 제시된 추정식과 비교할 때, 동일한 환산거리에서 진동속도가 2배 정도의 낮은 값을 가지는데 이는 다공질 암반으로 구성된 지반특성 때문으로 판단된다.
Table 8.
The relationships between equations by previous studies and by this study for the SRE and CRE
| References | SRE | CRE |
| USBM | Y = 200X-1.6 | - |
| Guidelines for design and construction of open wave in road construction | Y = 160X-1.6 | - |
| Lim and Kim(1992)_Gneiss | Y = 28.9X-0.969 | Y = 456.8X-1.35 |
| Lee and Kim (1987)_Granite | - | Y = 138X-1.7 |
| Lee and Kim (1987)_Limestone | Y = 48X-1.46 | - |
| Lee and Kim (1987)_Gneiss | - | Y = 648X-1.64 |
| Yang and Ju (1990)_Limestone | Y = 26.18X-1.492 | Y = 406.3X-1.64 |
| This study | Y = 130.04X-1.717 | Y = 199.71X-1.711 |
발파시 진동속도와 진동레벨의 상관관계 분석
건설현장 등에서의 발파가 동굴에 영향을 미치는 경우, 주요 영향으로 소음, 진동 등을 수반하며 이는 동굴의 안정성과 관람객에게 영향을 미치게 된다(Song et al., 2020). 본 연구에서는 선행 연구(Song et al., 2020) 성과와 종합하여 진동속도와 진동레벨의 상호 연관성을 평가하였다. 평가결과 진동속도와 진동레벨은 선형적인 관계를 보이는 것으로 파악되었으며, 그 관계는 식 (3)과 같으며, 선형적 관계는 Fig. 8에 도시하였다.
여기서, PPV : 진동속도(mm/sec), dB (V) : 진동레벨
국민의 생활, 정신적 안정을 위하여 공장, 도로, 철도 등으로부터 발생하는 소음 ‧ 진동으로 인한 피해를 방지하고, 소음 ‧ 진동을 적정하게 관리, 규제하기 위한 소음 ‧ 진동규제법은 1997년 개정 ‧ 보완 되었으며(Ministry of Environment, 2002), 이 법의 적용 범위에 생활 소음 ‧ 진동 중 건설 소음 ‧ 진동이 포함되어 있다(Table 9).
Table 9.
Regulatory standards for living vibration (attached Table 8 of the enforcement rules of the noise and vibration control act) (unit: dB (V))
보통 진동속도는 구조물 손상 가능성을 평가할 때 이용되며, 진동레벨은 정신적 피해에 대한 평가 시 이용하게 된다. 진동레벨의 경우 국내에서 소음 ‧ 진동규제법으로 제정되어 관리하고 있는 진동기준의 단위로서 소음 ‧ 진동규제법중 생활 소음 ‧ 진동(건설 소음 ‧ 진동이 생활소음 ‧ 진동에 포함됨) 규제기준에 근거하여 주간 65 dB (V)이하, 심야 60 dB (V)이하로 규제를 두고 있다. 따라서 규제 기준을 만족하는 진동속도를 상관관계에서 도출한 결과, 주간 0.111 cm/sec 이하, 야간 0.071 cm/sec 이하에서 규제기준을 만족하는 것으로 파악되었다. 발파진동의 경우는 주간에는 규제 기준치에 +10 dB(V)을 보정하여 75 dB(V) 이하를 기준으로 규제를 하고 있으며 이를 만족하는 진동속도는 0.276 cm/sec 이하로 평가되었다.
진동시험 결과분석을 통한 거리별 허용 장약량 검토
거리별 허용 장약량은 다양한 방식으로 분석될 수 있다. 본 연구에서는 장약량 변화에 따른 진동영향 해석에서 도출된 장약량에 대한 진동속도의 관계와 환산거리 진동속도 관계식을 통해 거리별 허용 장약량을 검토하였다. 첫째, 각 거리별 장약량에 대한 진동속도의 관계를 토대로 기울기 값의 변화를 분석하면 거리와 장약량에 따른 진동속도 추정식을 도출할 수 있으며, 관계식은 식 (4)와 같다. 거리와 장약량에 대한 진동속도 관계 기울기와의 관계는 Fig. 9에 도시하였다.
여기서, PPV : 진동속도(cm/sec), D : 진동원과 계측기 사이의 거리(m), W : 지발당 장약량(kg)
위의 관계식을 활용하여 문화재 기준인 0.2 kine (= 0.2 cm/sec)을 만족하는 거리별 장약량을 산출하면 Table 10과 같다. 일반적인 문화재 진동기준치인 진동속도 0.2 kine을 적용할 때, 동굴과 진동원과의 거리 20~100 m 거리에서 만족하는 지발당 장약량은 0.57~7.42 kg/delay로 평가되었다.
Table 10.
Calculation results of charge per delay (kg) by distance satisfying the PPV (0.2 cm/sec) based on cultural heritage
| Distance (m) | Allowable charge per delay (kg) | PPV criterion |
| 20 | 0.57 | 0.2 cm/sec |
| 40 | 1.73 | |
| 60 | 3.29 | |
| 80 | 5.21 | |
| 100 | 7.42 |
둘째, 발파진동시험 결과를 통해 도출된 자승근 및 삼승근 관계식을 이용하여 동굴과 진동원과의 거리 20~100 m 거리에서 이격거리별 진동속도 기준을 만족하는 지발당 장약량을 산정하였다. 일반적인 문화재 진동기준치인 진동속도 0.2 kine을 적용할 때, 동굴과 진동원과의 거리 20~100 m 거리에서 만족하는 지발당 장약량은 자승근식에서 0.21~5.29 kg/delay, 삼승근식에서 0.04~5.51 kg/delay로 평가되었다(Table 11).
Table 11.
Allowable charge per delay (kg) for distance by square root and cube root Equations
앞서 언급한 방법으로 일반적인 문화재 진동기준치인 진동속도 0.2 kine을 적용한 거리별 지발당 장약량의 허용 기준치는 거리가 가까운 경우 삼승근식을 적용하였을 경우에 가장 낮은 값을 보이고 100 m 이상의 거리에서는 자승근식을 적용하는 것이 진동에 민감하게 반응하는 것으로 나타났다.
본 연구에서 도출된 자승근식 및 삼승근식과 선행 연구(Song et al., 2020) 결과와 종합하여 0.2 kine 기준에 부합하는 상관관계식을 도출하였다. 관계식을 이용하여 진동속도 0.2 kine을 만족하는 거리에 따른 허용 지발당 장약량을 산정한 결과, 50 m에서 1.07 kg/delay, 100 m에서 5.13 kg/delay, 200 m에서 22.26 kg/delay로 평가되었다. 선행 연구 및 본 연구에서 도출된 거리별 허용 지발당 장약량은 Table 12와 같으며, 이를 도시하면 Fig. 10과 같다.
결 론
본 연구는 제주도 거문오름동굴계 분포지역에서 실험을 통해 발파에 따른 진동특성을 평가하고 이를 기반으로 효율적인 용암동굴 관리보존 대책의 학술적 근거를 마련할 목적으로 수행되었다. 연구성과를 도출하기 위해 현장에서 발파진동시험을 수행하였으며, 11개소의 시추공을 천공하고 공내 지발당 장약량을 0.5 kg에서 최대 10 kg까지 변화시켜가며 수행하였다.
시험결과에서 각 거리별 장약량에 대한 진동속도의 변화를 분석하고 기울기 값을 추출하여 거리와 장약량 변화에 따른 진동속도 추정식을 도출하였다. 또한, 발파진동 추정식의 결정을 위하여 자승근 환산거리 및 삼승근 환산거리에 대해 선형 회귀분석을 수행하였으며, 신뢰수준 50% 및 95%의 식을 각각 도출하고 안전을 고려한 신뢰수준 95%의 식을 채택하여 계수들을 도출하였다. 신뢰수준 95% 환산거리식을 통해 도출된 k값은 자승근식에서 130.04, 삼승근식에서 199.71이며, n값은 자승근식에서 -1.717, 삼승근식에서 -1.711으로 계산되었다. 국내에서 일반적으로 적용되는 USBM식이나 도로공사 노천발파 설계 ‧ 시공 지침에 제시된 추정식과 비교할 때, 동일한 환산거리에서 진동속도가 2배 정도의 낮은 값을 가지는데 이는 천공경, 암반상태, 센서의 설치조건 등과 같은 여러요인 중 다공질 암반으로 구성된 지반특성 요인이 보다 많은 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.
진동속도와 진동레벨의 상관관계를 분석하여 진동규제 기준을 만족하는 진동속도를 산정한 결과, 주간 허용 진동레벨을 만족하는 진동속도는 0.276 cm/sec 이하로 평가되었다. 또한, 각각의 도출된 진동속도 추정식을 바탕으로 진동속도에 부합하는 지발당 장약량을 평가하였다. 일반적인 문화재 진동기준치인 진동속도 0.2 kine과 진동원과의 거리 20~100 m를 적용할 때, 거리와 장약량에 따른 진동속도 추정식에서의 지발당 장약량은 0.57~7.42 kg/delay, 자승근식에서 0.21~5.29 kg/ delay, 삼승근식에서 0.04~5.51 kg/delay로 평가되었다. 평가결과를 볼 때, 자승근식 및 삼승근식을 적용하는 경우, 지반이 가장 진동에 민감하게 반응하는 것으로 나타났다.
본 연구에서 자승근식 및 삼승근식과 선행 연구의 결과와 종합하여 0.2 kine 기준에 부합하는 상관관계식을 각각 도출하였다. 관계식을 이용하여 진동속도 0.2 kine을 만족하는 거리에 따른 허용 지발당 장약량을 산정한 결과, 50 m에서 1.07 kg/delay, 100 m에서 5.13 kg/delay, 200 m에서 22.26 kg/delay로 평가되었다.
결론적으로 본 연구를 통해 산정된 진동속도별 상관관계식은 거문오름용암동굴계의 관리보존 대책을 위한 거리에 따른 지발당 장약량 산정 근거로 활용될 수 있다. 다만, 본 연구에서 제시된 기준식이 거문오름용암동굴계의 대표지점을 선정하여 수행하였다 하더라도 지반의 불균질성으로 인해 시험위치에 따라 차이가 발생될 개연성이 있으므로 향후 추가 연구를 통해 보다 많은 자료를 수집 ‧ 분석하여 거문오름용암동굴계의 진동기준에 부합하는 진동속도 추정식을 정립할 필요성이 있다.
