1. 서 론
2. 우리나라 석회암의 특성 및 암반 특성이 발파에 미치는 영향
2.1 석회암 특성 분석
2.2 암반 특성이 발파에 미치는 영향
3. 석회암 터널에서의 발파설계 기준
3.1 고려 사항
3.2 터널 발파설계 적용 기준 결정에 따른 문제점
3.3 석회암 터널 적정 비장약량 산출 기준
3.4 석회암 터널 적용 화약류 선정기준
3.5 터널 발파공법 선정기준
4. 석회암 터널에서 SAV-Cut 발파공법 시공사례
4.1 개요
4.2 SAV-Cut 발파공법
4.3 적용현장 현황
4.4 설계 및 시공 상태
4.5 SAV-Cut 발파공법 적용효과
5. 석회암 구간 터널발파 설계기준 검토분석
6. 결 론
1. 서 론
터널 굴착 시 발파 효율을 좌우하는 요인은 크게 기반암의 물리·역학적 특성과 발파 공법의 메커니즘 특성으로 구분할 수 있다(Korea Highway Co., 1998). 국내 터널의 발파 설계에 있어서는 화성암 및 변성암 구간에 대한 시공 사례가 다수 존재하지만, 퇴적암 중 대표적인 암종인 석회암 구간에서의 사례 및 실적은 여전히 미비한 실정이다. Kim et al.(2013)은 석회석 지하 광산에서 대형 공동 및 영구 갱도 굴착 시 발생할 수 있는 발파 균열 길이와 손상 영역을 보다 정밀하게 예측하기 위한 수치해석용 입력 자료 결정법을 제안하였다. 또한 Kim et al.(2022)은 발파 설계 자동화를 위한 초기 단계의 머신러닝 모델을 개발하였다. Balamadeswaran et al.(2022)은 석회석 노천광산에서 V-initiation 패턴을 적용할 경우 파쇄도를 향상시킬 수 있음을 실험적으로 분석하였다. 한편, 석회암층에 위치한 동백산역과 도계역을 연결하는 솔안터널(L = 16.2 km)에서는 예기치 못한 유수로 인해 지반공학적 문제가 발생하였고, 이에 따라 암반에 대한 충격을 최소화하기 위해 제어발파 공법이 적용되었다(Kim et al., 2007b).
그러나 상기 연구들은 대부분 수치해석적 관점이거나 노천광산에서의 파쇄 효율 향상에 초점을 맞춘 것이며, 솔안터널 사례 역시 제어발파가 필요한 특수 구간에 국한된 사례이다. 일반적인 터널 발파 설계는 단면 형상과 지보 상태가 매우 다양하기 때문에 획일적인 설계 적용은 적절하지 않으며, 퇴적암의 조성과 역학적 특성이 화성암 및 변성암과 현저히 다르므로 비장약량과 사용 화약류 역시 동일하게 적용하는 데에는 한계가 있다.
따라서 석회암 구간의 터널 발파 설계 기준은 석회암의 암반 특성과 시공 사례를 종합적으로 분석하여 설정되어야 한다. 특히 비장약량은 특정 암종을 굴착하기 위해 필요한 최적 장약량을 제시하므로 가장 효율적인 발파 설계를 위한 기준이 될 수 있다(Choi et al., 2009). 또한 석회암층의 특성을 고려하여 가장 적합한 발파 공법을 선택하는 것이 중요하며, 본 논문에서는 석회암 구간의 터널 굴착에 적용된 SAV-Cut (Stage Advance V-Cut) 발파 공법의 실제 시공 사례를 소개하고자 한다.
2. 우리나라 석회암의 특성 및 암반 특성이 발파에 미치는 영향
2.1 석회암 특성 분석
우리나라의 석회암은 경상남도와 제주도를 제외한 전국에서 산출되고 석회암 광상은 전 국토에 분포하고 있다. 우리나라 석회암은 주로 고생대 초기인 조선누층군에 분포한다. 조선누층군은 쇄설성 퇴적암이 얕은 바다 환경에서 퇴적된 탄산염암에 있다(Jang et al., 2018, Kwak et al., 2020). 우리나라 고생대의 지층을 요약하면 Table 1과 같으며, 우리나라의 지질도는 Fig. 1과 같다. 우리나라의 지질도에 따르면 석회암의 분포 면적은 약 1,899 km2이며, 충적토로 덮인 석회암의 면적을 포함하면 전 국토의 18%를 차지한다(Park, 2017).
Table 1.
Characteristics of paleozoic limestone deposits in Korea
우리나라의 대표적인 암종에 대한 물성치는 Table 2에 정리되어 있다(Lee et al., 1982, 1983). 일반적으로 탄성파 속도가 클수록 일축압축강도와 탄성계수 또한 증가하는 경향을 보인다. 또한, 퇴적암은 화성암 및 변성암에 비해 상대적으로 P파 속도와 강도가 낮은 것으로 분석된다. 석회암은 주로 탄산칼슘(CaCO3)으로 구성되어 있으며, 불순물 함량이 많을수록 강도가 낮아지고, 풍화가 진행될수록 공극률과 흡수율이 증가하여 강도 저하가 발생한다.
Table 2.
Physical properties of rocks
2.2 암반 특성이 발파에 미치는 영향
발파에 영향을 주는 요인으로는 암반의 특성, 천공 오차, 화약류의 특성, 발파 방법 등 다양한 요소가 있다(Lee et al., 2014, Bae et al., 2022, Zhou et al., 2024). 이 중 암반의 특성과 주변 환경은 발파 설계를 위해 조절이 어려운 요인에 해당하며, 반면 천공 오차, 화약류, 발파 방법 등은 발파 결과를 통해 조절 가능한 요인으로 분류된다. 발파 대상 암반은 지층의 생성 시기, 지각변동 여부, 풍화 정도 등에 따라 발파 효과가 크게 달라진다. 특히 발파 효과에 있어서는 화약류의 특성보다 지반 특성이 더 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 암반이 발파 효율에 미치는 영향은 압축강도, 인장강도 등 강도 특성과, 동적 하중에 대한 변형 특성이 중요한 역할을 하지만, 아직까지 이에 대한 정량적인 평가는 충분히 이루어지지 않고 있다.
Sing et al.(1993)은 발파에 영향을 미치는 암반 특성 요소로 P파 및 S파 속도, 암석 밀도, 압축강도, 인장강도, 암석 임피던스, RQD, Q 값, 절리의 경사 방향 및 경사각, Protodyakonov의 강도지수 등 총 10개 요소를 제시하였다.
암석의 밀도는 압축강도와 밀접한 상관관계를 가지며, 일반적으로 밀도가 낮은 암석은 상대적으로 낮은 에너지에서도 쉽게 변형되고 파쇄된다(Cheon et al., 2008). 반면 치밀한 암석일수록 효과적인 파쇄를 위해서는 더 많은 에너지가 요구된다. 암석의 압축강도와 인장강도가 클수록 더 많은 폭약량이 필요하며, 압축강도 대비 인장강도의 비율로 표현되는 암석의 취성도는 암석의 변형 및 파괴 거동을 나타내는 지수로 활용된다. 탄성계수와 포아송비와 같은 변형 특성은 응력파 전달과 폭발 가스압에 따른 변형 정도에 영향을 미친다. 일반적으로 탄성계수가 클수록 가스압에 의한 압축 또는 인장 변형이 잘 발생하지 않아 파쇄 효과가 감소한다. 따라서 경암의 파쇄에는 고폭속의 고에너지 폭약이 효과적이며, 연암의 경우에는 충격파보다는 폭발 후 가스압의 지속성이 높은 저폭속 폭약이 더 적합하다. 이러한 특성으로 인해 고폭속 폭약은 화강암, 대리석, 휘록암 등과 같은 고탄성파속도 암석에 적합하며, 에멀젼 폭약이나 ANFO는 석회암, 사암 등 탄성파속도가 낮은 암석에 적절하다.
한편 터널 발파의 경우, 불연속면의 특성과 터널의 기하학적 구조에 따라 발파 성능이 크게 좌우된다. 일반적으로 불연속면이 터널 축에 수직일 때에는 양호한 굴진 결과를 얻을 수 있으나, 층리나 불연속면이 터널 축과 평행한 경우에는 굴진 성능이 저하되며, 막장이 고르지 못하는 경우가 자주 발생한다.
3. 석회암 터널에서의 발파설계 기준
3.1 고려 사항
석회암은 방해석(CaCO3)의 형태로 존재하는 탄산염 광물이 최소 50% 이상인 암석을 말하고, 석회암 지대에서 발견되는 독특한 유형의 지형을 총칭하여 “카르스트(Karst)"라 하며, 주로 탄산칼슘이 주성분인 석회암이 탄산가스를 포함한 빗물에 잘 용해되기 때문에 발달한다. 돌리네(Doline)는 석회암의 용식 작용에 의해 형성된 함몰 지형으로, 대표적인 카르스트 지형 중 하나로서 집단으로 발달하고, 돌리네의 가운데는 빗물이 빠져나가는 배수의 역할을 하는 싱크홀이 존재한다. 우리나라에서는 단양, 영월, 삼척 등의 일부 지역에 돌리네가 집중적으로 발달하여 있다. 용해성 암석인 석회암의 화학적 풍화작용으로 인해 습곡 및 단층 등의 지각변동을 거쳐 발생한 균열면으로 지표수가 흘러들어 용식이 진행되어 공동과 점토가 협재된 연약대가 분포하게 된다. 특히 석회암층은 지하수 유입 및 파쇄대를 통한 지표수의 유입으로 불규칙한 공동이 형성되어 이러한 지역에 터널발파시 막장 붕락이나 균열 등의 문제점이 발생할 수 있어 석회암 공동에 대한 각별한 주의가 필요하다.
따라서 석회암 구간 터널발파 설계시 고려해야 할 사항은 암종과 암반 상태에 적합한 비장약량, 적용 화약류를 비롯한 발파효율을 제고시킬 수 있는 발파공법의 선정 등이다(Sunwoo et al., 2002). Fig. 2는 석회암 지대에서 발파 작업시 조우한 공동의 모습이다.
3.2 터널 발파설계 적용 기준 결정에 따른 문제점
터널 발파 설계는 지반 조건에 따른 지보 패턴의 등급에 따라 분류된 암반 조건을 기준으로 발파 패턴을 설계하고 있으며, 암반 분류 기준은 발주처 및 연구기관에 따라 상이하다. 국내에서 사용되는 주요 암반 분류 기준으로는 국토교통부의 국도건설공사 실무요령, 한국도로공사 기준, 국가철도공단 기준, 서울시 표준지반분류 등이 있다(Seoul Metropolitan Government, 1996, Korea Highway Co., 2000, 2020, MOLIT, 2021). 이러한 분류 기준 간 차이도 문제이지만, 보다 근본적인 문제는 대부분의 기준이 지보 설계를 주목적으로 하고 있어, 이를 바탕으로 한 암반 등급은 천공장 및 굴진장 설정에는 활용 가능하나, 발파의 난이도를 설명하거나 이에 따른 비장약량의 적정성을 평가하는 데에는 한계가 있다는 점이다.
1회 굴진장 및 천공장이 결정되면, 발파암 분류를 실시한 후 표준 발파가 가능하도록 공간격 및 저항선을 산정하고, 이에 따라 천공 배치를 수행한다. 이 과정을 통해 적정 비장약량이 설정된다. 이후 현장 조건에 적합한 발파 진동 추정식을 적용하여 지발당 최대 장약량의 허용치를 산정하고, 해당 허용치 이내에서 뇌관 배열을 완료하면 발파 패턴 설계가 최종 완료된다.
터널의 용도별 암반 분류 등급에 따른 발파 비장약량 및 사용 화약류 사례를 종합한 결과는 Table 3에 제시하였다.
Table 3.
Application examples of explosives and specific charge according to the classification of blasted rock by tunnel usage
일반적으로 터널 발파 굴착 패턴별 적용 비장약량은 발파 현장의 암반 특성 및 발파 조건이 충분히 고려되지 않고, 설계 기준에 의거하여 일률적으로 산정되기 때문에 시공성 및 효율성 측면에서 현실성이 다소 떨어지는 경향이 있다. 도로 및 철도 공사에서 조사한 비장약량 적용 실적과 국내 도로 터널 현장에 적용된 설계 사례를 비교한 결과는 Table 4에 제시하였다(LG Co., 2003, MOLIT, 2011, Korea Rail Network Authority, 2012, Posco E&C, 2021).
Table 4.
Comparison of specific charge between design and construction cases
위 표에서 확인할 수 있듯이, 시공 사례와 설계 사례 간에는 상당한 차이가 존재함을 알 수 있다. 일반적으로 실제 터널 현장에서 적용되는 비장약량은 설계 수량보다 약 4.3%에서 12.6%가량 더 많이 적용되고 있는 것으로 나타났다. 따라서 국내 다수 터널 현장의 시공 실적과 관련 연구 자료를 종합적으로 분석하여 최적의 비장약량을 산출하고, 이를 발파 설계에 반영하는 것이 바람직하다.
현재 터널 발파 공법은 대부분 장공 발파(굴착 패턴-3 이상)에서는 Cylinder-Cut 공법이, 단공 발파(굴착 패턴-4 이하)에서는 V-Cut 공법이 적용되고 있다. 그러나 이와 같은 발파 공법을 암반 특성을 충분히 고려하지 않은 채 일률적으로 적용할 경우, 발파 효율 저하 및 발파 공해 증가 등의 문제가 발생할 수 있다. 따라서 각 발파 공법의 메커니즘과 특성을 고려하여, 현장 암반 조건에 가장 적합한 발파 공법을 선택·적용하는 것이 중요하다.
3.3 석회암 터널 적정 비장약량 산출 기준
석회암 구간 터널 발파의 비장약량 적용 사례는 화성암 및 변성암 구간에 비해 발표된 사례가 매우 드문 실정이다. 그러나 이러한 이유만으로 석회암 구간의 터널 발파에 화성암 및 변성암 구간과 동일한 비장약량을 적용하는 것은 타당하지 않다. 이에 본 논문에서는 석회암 구간 터널 발파 시 비장약량을 암석의 물리·역학적 특성과 석회석 광산에서 수행된 시험발파 결과를 종합적으로 분석하여 제안하고자 한다.
3.3.1 이론적 비장약량 산출
터널 발파설계를 위한 비장약량의 이론적 산출 방법은 다양하다. 다시 말해서 암반의 절리계수에 의한 방법, 발파암 분류에 의한 방법, 국내외에서 현장 연구를 통해 정립된 경험적 산출기법(Langefors and Kihlstrom, 1978) 등이다. 여기에서는 한국지반공학회에서 제안하고 있는 설계기법과 관련문헌에 표기된 이론적 기법을 이용하여 산출하였다(Kim, 1994, Korean Geotechnical Society, 1998).
터널발파 비장약량(Lv)은
여기서, Lv : 비장약량(kg/m3) : 발파 규모 계수
C : 발파계수 e : 폭약 위력 계수
d : 전색계수 g : 암석 항력 계수
A : 굴착 단면적(m2) W : 굴진장(m)
석회암 구간에 시공되는 2차선 도로 터널을 기준으로 비장약량을 산출하기 위해 적용된 설계 기준 및 설계 수량은 Table 5에 제시하였다. 또한, 굴진장 3.0 m를 기준으로 이론식을 적용하여 석회암 구간 터널 발파에 필요한 비장약량을 산정한 결과, 약 0.937 kg/m3로 나타났다.
Table 5.
Calculation criteria and design quantities of specific charge for limestone tunnels
3.3.2 현장 비장약량 적용 사례
석회암 구간 터널 발파에 적용하기 위해 석회석 광산에서 수차례에 걸쳐 시험발파를 실시하였다. RMR에 따른 막장 암반 평가 결과, 일축압축강도는 약 120 MPa이며, RQD는 70%, 불연속면 간격은 1.0~1.5 m로, 충전물이 없이 신선하게 보존된 상태였다. 지하수 상태는 건조 또는 약간 습윤한 수준으로, RMR 점수는 69점으로 평가되어 전반적으로 양호한 암반 상태를 나타내었다. 시험발파의 수행 현황 및 발파 조건은 Table 6에 제시하였다.
Table 6.
Current status of field tests at a limestone mine
시험발파 시 사용된 화약은 직경 32 mm의 Emulsion 폭약이며, 심발부를 기준으로 천공장이 2.1 m일 경우 공당 장약량은 1.5 kg, 천공장이 3.7 m일 경우에는 2.625 kg의 장약량을 사용하였다. 수차례에 걸쳐 수행된 시험발파를 통해 산출된 비장약량은 Table 7과 같이 0.525~0.600 kg/m3 수준으로 나타났다.
Table 7.
Specific charge calculation outcome
| NO. | Drilled length (m) | Specific charge (kg/m3) | Average (kg/m3) |
| 1st | 3.7 | 0.571 | 0.565 |
| 2nd | 0.600 | ||
| 3rd | 0.525 | ||
| 4th | 2.1 | 0.576 | 0.550 |
| 5th | 0.545 | ||
| 6th | 0.528 |
또한, 터널 발파 작업을 통해 석회석을 생산하고 있는 인근 석회석 광산의 실제 비장약량 소요량을 조사한 결과는 Table 8에 제시하였다.
Table 8.
Survey results on explosives used and specific charge in a limestone mine
위와 같이 석회암 구간 터널 발파 시 적용 가능한 비장약량은 설계 기준과 실제 적용 사례를 종합하여 Table 9에 제안하였다. 단, 본 연구에서 분석한 비장약량은 순수 석회암 구간에서 산출된 결과를 바탕으로 하였으며, 제안된 비장약량은 타 암종이 혼재되지 않은 막장 조건을 전제로 한다. 이론적 설계 기준과 석회석 광산의 적용 사례에서 나타난 발파 특성을 고려하여 평균값을 산정하였으며, 해당 기준은 장공 발파를 기준으로 산출되었기 때문에 굴착 패턴에 따라 조정이 필요하다. 또한, 이론적 설계 기준에 따른 수량 역시 터널의 조건을 고려하여 탄력적으로 조정되어야 한다.
Table 9.
Proposal for specific charge applicable to limestone tunnels
| Theoretical standard | Application case | Proposal | |
| Field test | Construction case | ||
| 0.937 kg/m3 | 0.565 kg/m3 | 0.510 kg/m3 | Around 0.67 kg/m3 |
이와 같이 석회암 구간 터널 발파에 적용되는 비장약량을 화성암 및 변성암 구간의 시공 실적과 비교하면, Table 10에서와 같이 상당한 차이를 보이고 있음을 확인할 수 있다. 개략적으로 석회암에서의 비장약량은 화성암 및 변성암에서 요구되는 소요량의 약 60.4% 수준인 것으로 나타났다.
Table 10.
Comparative analysis of specific charge by rock type
| Igneous or metamorphic rock (A) | Limestone (B) | B/A×100 | |
| Construction case | Test results | ||
| 1.07 kg/m3 | 1.15 kg/m3 | 0.67 kg/m3 | 60.4 % |
또한, 굴착패턴별 암종별 적용되는 비장약량에 대한 변화추이를 위에서 분석된 결과를 토대로 추정하면 Fig. 3과 같이 산출할 수 있다.
3.4 석회암 터널 적용 화약류 선정기준
발파시 사용되는 화약류는 발파대상 암반의 특성과 밀접한 상호관계가 있으므로 적용 화약류를 선정하기 전에 암석의 물리 역학적 특성을 파악한 후 화약류를 결정해야 한다. 화약류의 성능 중 암반의 파괴에 영향을 미치는 가장 큰 요소는 화약의 폭발속도인데, 폭발속도가 빠른 폭약은 경암에 적합하고 폭발속도가 느린 화약은 연암에 사용하게 된다. 암반의 우수한 파쇄효과를 얻기 위해서는 암석의 탄성파속도보다 화약의 폭발속도가 큰 화약을 사용해야 한다.
또한, 석회암은 화성암류와 변성암류에 비해 암석의 강도가 약하고 편리 및 엽리가 발달하여 폭발속도가 낮은 화약류에서도 파쇄효과가 양호하게 나타나는 특성이 있다. 암석의 물성치가 발파에 미치는 영향 요소를 보면 Table 11과 같고, 암석의 탄성파속도에 적합한 화약류 선정기준은 Table 12에 제시하였다.
따라서 석회암 구간 터널 발파 시에는 앞서 제시한 바와 같이 폭발 속도가 낮은 Emulsion 또는 ANFO 폭약이 적합한 것으로 판단된다. 세부적으로 분류하면, 석회암 중 지하수 유출이 있으며 불연속면이 적은 암반층에서는 Emulsion 폭약이 적합하고, 지하수 유출이 없고 불연속면이 발달한 암반층에서는 ANFO 폭약의 사용도 가능하다. 다만, ANFO 폭약은 불완전 연소 시 인체에 해로운 후가스가 발생하므로, 환기량이 충분하지 않거나 환기 시스템이 미비한 경우에는 적용이 부적절할 수 있다.
Table 11.
Factors influencing blasting based on rock properties
Table 12.
Explosives selection according to rock P-wave velocity
3.5 터널 발파공법 선정기준
터널 발파 공법을 선정할 때 고려해야 할 사항으로는 1회 발파당 굴진장 증대, 발파 진동 및 소음 저감, 천공 시간 및 발파 비용의 최소화, 터널 굴착선 주변 암반의 손상 최소화, 터널 시공 장비의 효율적 운용 및 작업자의 시공성 확보, 굴착 대상 막장 암반의 불연속면 상태 및 구조역학적 특성 등이 있다.
또한, 터널 발파 시 가장 중요한 요소는 심빼기 영역을 효과적으로 파쇄하는 것으로, 이는 발파 성과에 직접적인 영향을 미친다. 석회암 구간에서는 크고 작은 공동이 자주 발생함에 따라 폭약의 폭력이 집중되지 못하고 분산되어 심빼기 발파가 실패하게 되며, 이로 인해 전체 굴진율이 저하되는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 석회암의 암반 특성에 가장 적합한 터널 발파 공법을 선정하는 것이 무엇보다 중요하다. 우리나라의 터널 현장 중 석회암을 기반암으로 하는 구간은 비교적 드물기 때문에 시공 사례가 제한적이다. 그러나 불연속면이 발달하고 층상 구조를 가지는 석회암 구간의 발파 효과를 향상시키기 위해서는 해당 암반 특성에 적합한 발파 공법을 적용해야 한다.
앞서 기술한 바와 같이, 석회암은 퇴적암에 해당하므로 일반적으로 절리 및 층리가 발달해 있다. 이로 인해 심발공의 공간격이 매우 좁고 장약 밀도가 상대적으로 낮은 Cylinder-Cut 발파 공법은 발파 효율이 저하되거나 발파 실패의 우려가 존재한다. 한편, V-Cut 발파 공법은 심발부의 천공 패턴이 단순하고 집중 장약이 가능하여 석회암 구간에 적용하기에 적합하지만(Rai et al., 2010), 장공 발파에서는 파쇄 저항 증가로 인한 구속력 상승으로 인해 발파 효율이 떨어질 수 있다.
Table 13은 국내 터널 현장에서 가장 널리 사용되고 있는 기존의 심발 공법과, 이를 혼합한 SAV-Cut (Stage Advance V-Cut) 발파 공법의 특성과 적용 기준을 정리한 것이다(Sungbo Geo-Tech Co., 2021). Table 13에서와 같이, 터널 발파 시 적용되는 발파 공법은 각 공법의 메커니즘 및 특성에 따라 현장 조건에 맞춰 달리 적용되어야 한다. 예를 들어, 화강암과 같이 암반의 절리 발달이 적고 비교적 신선한 암반에서는 장공 발파 시 Cylinder-Cut 공법을 적용하여 좋은 효과를 얻을 수 있다. 반면, 퇴적암류 혹은 불연속면이 발달한 암반에서는 경사 천공 방식의 V-Cut 또는 SAV-Cut 공법이 보다 적합하다.
Table 13.
Types and characteristics of tunnel cut methods
다만, 장공 발파 시 V-Cut 공법을 적용할 경우 쐐기 형태로 파쇄되는 암반의 구속력이 커져 발파 효율이 저하될 수 있다. 이에 반해, SAV-Cut 공법은 심발부 대칭축에 설치된 중앙공의 선기폭을 통해 파쇄 저항을 감소시키고, 경사공 하부 암반의 구조적 약화를 유도함으로써 우수한 파쇄 효과를 얻을 수 있다.
4. 석회암 터널에서 SAV-Cut 발파공법 시공사례
4.1 개요
터널 발파는 가장 먼저 심발부의 장약공이 기폭된 후, 순차적으로 확대공, 외곽공, 바닥공의 순서로 기폭이 이루어진다. 이때 심발부 장약공은 완전한 1자유면 발파가 이루어지기 때문에 암반은 많은 구속력을 받게 되며, 특히 공저부에 충분한 장약 밀도가 확보되지 않으면 목표한 파쇄 효과를 얻기 어렵다. 이러한 심발부 발파의 한계는 저조한 굴진 효율은 물론, 발파 진동 및 소음 증가로 이어질 수 있다.
일반적으로 암석은 압축강도에 비해 인장강도에 매우 약하므로, 암석 파괴는 압축에 의한 것보다 인장에 의한 파괴가 더 많이 발생한다. 특히 자유면에서 반사된 응력파는 인장파로 변환되어 암석 파괴에 중요한 역할을 하게 된다. 따라서 심발공 공저부 암반의 효과적인 파쇄를 위해서는 인장파괴 효과를 증대시킬 수 있는 발파 메커니즘의 개선이 필요하다.
석회암은 암석 강도 면에서는 화성암 및 변성암과 유사한 수준이지만, 절리와 불연속면이 발달되어 있어 심발부의 천공 패턴 및 장약 상태에 따라 발파 효율이 크게 달라질 수 있다. SAV-Cut 발파공법은 이러한 석회암의 특성에 적합하도록 설계된 발파 메커니즘과 기폭 시스템을 갖추고 있다. 본 논문에서는 국내 석회암 지반을 통과하는 터널 현장에 적용한 SAV-Cut 발파공법의 시공 사례를 소개하고자 한다.
4.2 SAV-Cut 발파공법
기존의 V-Cut 발파공법은 시공이 용이하다는 장점으로 인해 굴진장과 관계없이 현장에서 널리 활용되고 있으나, 카트리지 화약 장약 시 공저부에 밀장약이 이루어지지 않아 공저부 파쇄가 미흡하게 되는 문제가 발생한다. 또한 경사공의 천공 각도가 어긋날 경우 공저 간격이 과도하게 넓어지거나 엇갈리게 되어 발파 효율이 저하되는 현상이 나타난다. Cylinder-Cut 발파공법은 무장약공과 심발 장약공 간격이 매우 좁고 약장약 방식으로 발파가 이루어지기 때문에, 천공 오차가 조금만 발생해도 발파 효율이 급격히 저하되는 단점이 있다.
이러한 기존 V-Cut 및 Cylinder-Cut 발파공법의 문제점과 한계를 개선하기 위해 개발된 것이 SAV-Cut (Stage Advance V-Cut) 발파공법이다. SAV-Cut 공법은 기존 V-Cut의 기하학적 특성을 바탕으로 하되, 불충분한 공저부 장약 및 천공 오차로 인한 발파 효율 저하 문제를 보완하고자 경사공 대칭축에 중앙공을 설치하여 공저부 암반을 사전에 취약화시키는 메커니즘을 도입하였다.
SAV-Cut 발파공법은 중앙공의 발파 효과를 통해 경사공 공저 간격을 약 30 cm 수준으로 유지할 수 있으며, 경사공의 천공 각도를 60~65°로 설정하더라도 90% 이상의 발파 효과를 확보할 수 있다.
이 공법의 기폭 순서는 약장약된 중앙공을 선행 기폭하여 공저부 암반에 인장 파괴를 유도한 후, 경사공을 기폭하여 압축 및 전단파괴를 통해 암반을 효과적으로 파쇄하는 방식으로 구성된다. 중앙공의 선균열 효과로 인해 경사공의 장약 밀도를 기존 V-Cut 대비 낮출 수 있으며, V-Cut 발파공법에서는 경사공 장약 밀도를 약 1.2 kg/m 수준으로 유지해야 하나, SAV-Cut 발파공법에서는 약 0.7 kg/m 수준으로도 우수한 파쇄 효과를 기대할 수 있다.
Table 14는 SAV-Cut 발파공법의 발파 메커니즘 및 천공 배열도를 제시한 것이다.
Table 14.
Mechanism and blasting effects of the SAV-Cut
또한, SAV-Cut 발파공법은 단공 및 장공용으로 개발되었는데, 단공용 SAV-Cut 발파공법은 기존의 V-Cut 발파공법을 대체하여 사용할 수 있고, 장공용 SAV-Cut 발파공법은 기존의 Cylinder-Cut 발파공법을 대체하여 사용할 수 있다. Fig. 4는 SAV-Cut 발파공법의 단공 및 장공용 천공 패턴을 나타낸 것이다.
Kim et al.(2007a)은 SAV-Cut의 효과를 검증하기 위해 PFC2D를 이용한 수치해석 및 현장 시험을 수행하였다. 그 결과 V-Cut에 비해 공저부 파괴율이 최대 47% 증가하였으며, 발파진동 속도는 16~51% 낮게 발생하는 것으로 보고하였다. 또한, Lee et al.(2010)는 방폐장 건설 동굴 굴착을 위한 심발공법별 시험발파를 수행한 결과, SAV-Cut 발파공법이 V-Cut 및 Cylinder-Cut 발파공법에 비해 굴진효율이 4.6~4.8% 향상되고, 비장약량과 비천공장은 각각 2.4~8.3% 감소하는 것으로 분석하였다.
4.3 적용현장 현황
4.3.1 현장 개요
SAV-Cut 발파공법을 적용하여 터널을 굴착한 현장은 태백선 제천~쌍용 간 제1공구 복선전철 건설공사 구간으로, 해당 터널 노선은 화강암과 석회암을 기반암으로 하고 있다. 이 중 석회암을 기반암으로 굴착 중인 송학터널에 적용된 SAV-Cut 발파공법의 시공 사례 및 그 효과에 대해 기술하고자 한다. Table 15는 해당 실규모 시험발파 현장의 개요를 나타낸 것이다.
Table 15.
Full-scale test blasting
| Content | Location |
| Taebaek Line Jecheon-Ssangyong Section 1 Construction Site |  |
| Duhak-dong, Jecheon-si, Chungcheongbuk-do | |
| Limestone | |
| Songhak Tunnel |
4.3.2 지반특성
본 현장이 위치한 충청북도 북동부 지역(단양, 제천 일대)은 강원도 남부 지역(영월, 평창, 정선, 삼척)과 더불어, 고생대 초기에 해양 환경에서 퇴적된 조선누층군 대석회암층군에 속하는 우리나라의 대표적인 석회암 분포 지역이다. SAV-Cut 발파공법이 적용되고 있는 송학터널이 위치한 지형은 산릉과 계곡이 NNW~NNE 방향으로 배열되어 있으며, 이는 조사지역의 NE 방향에 위치한 영월 지역으로 연결되는 대표적인 석회암 지형대를 구성한다.
한편, 본 현장의 터널 막장에서 확인된 일부 구간은 고생대 석회암에 불규칙적으로 관입한 화강암류로 구성되어 있으며, 해당 화강암 구역에서는 석영질 광물이 다량 함유되어 있는 것으로 확인되었다.
4.4 설계 및 시공 상태
4.4.1 적용 발파패턴 및 수량
송학터널에 적용된 SAV-Cut 발파공법은 터널 구간별 굴착 패턴에 따라 상이하게 적용되고 있다. 이번에 조사한 막장은 송학터널 시점부에 위치한 전단면 굴착 막장으로, 굴착 패턴-Ⅰ이 적용되어 발파 작업이 수행되었다.
당초 설계된 굴착 패턴-Ⅰ의 발파 공법은 Cylinder-Cut 방식이었으나, 천공 작업의 어려움과 발파 효율 저하 등의 문제로 인해 장공용 SAV-Cut 발파공법으로 변경하여 적용하였다. 장공용 SAV-Cut 발파공법은 중앙공, 경사공, 확대공, 외곽공, 바닥공의 순서로 순차 기폭이 이루어졌다.
천공장은 확대공을 기준으로 3.7 m로 설정하였으며, 총 발파공 수는 136공, 총 장약량은 210.0 kg이었다. 기폭 시스템은 현장 조건을 반영하여 비전기뇌관을 활용한 시차 분할 발파 방식으로 구성하였다.
Table 16은 본 연구에서 조사된 송학터널 막장의 발파 패턴 및 발파 패턴도를 제시한 것이다.
Table 16.
Blasting pattern
| Item | Contents | Blasting pattern | SAV-Cut |
| STA. | STA. 7+132 |  |  |
| Sectional area | 88.378 m2 | ||
| Drilled length | 3.7 m | ||
| Total charge | 210.0 kg | ||
| Total drilling hole | 136EA |
4.4.2 적용 발파공법 및 기술
송학터널은 복선전철 건설을 위한 터널로서 화강암과 석회암 지대를 통과한다. 이 중 석회암 구간의 발파 작업에는 Emulsion 화약이 사용되고 있으며, 공당 장약량은 화강암 구간에 비해 적게 적용되고 있다. 굴착 패턴-Ⅰ과 같이 장공 발파가 적용되는 구간에서는 중앙공을 장약하는 SAV-Cut 발파공법을 사용하고 있으며, 기폭 순서는 심발 보조 경사공 → 중앙공 → 주 경사공 → 인접 경사공의 순으로 이루어진다.
사용된 화약량은 심발 경사공 및 확대공 기준으로 공당 1.8 kg을 장약하였으며, 이는 화강암 구간(2.4 kg/공)에서보다 공당 약 0.6 kg 적은 수준이다. 뇌관 시스템은 비전기식 뇌관을 사용하여 지발당 장약량을 분산시킴으로써 여굴 및 진동 발생을 최소화하였다. Fig. 5는 송학터널 경사갱 갱구부의 전경과 막장면에 나타난 심발부 천공 모습을 나타낸 것이다.
4.5 SAV-Cut 발파공법 적용효과
송학터널에 적용 중인 SAV-Cut 발파공법의 발파 효과를 평가하기 위해, 굴착 패턴- Ⅰ이 적용된 구간에서 발파 효과 관찰 작업이 수행되었다. 발파 후 굴진 효율을 측정하기 위해 막장면의 심발공 및 중심축 좌우에 배치된 확대공 10공을 대상으로 분석을 실시하였다. 굴진 효과 분석은 줄자를 이용하여 평균 잔류공 길이를 측정한 후, 이를 천공장으로 나누어 굴진 효율을 산출하였다. Table 17은 막장에서 확인된 굴진 효율 및 비장약량을 정리한 것이다.
Table 17.
Excavation efficiency and specific charge
발파 작업 시 산출된 비장약량은 앞장에서 제안한 석회암 터널 발파 시 굴착 패턴-Ⅰ의 기준값인 0.67 kg/m3과 매우 유사한 0.683 kg/m3로 나타났다.
또한, 발파 후 막장에 집적된 파쇄석 상태를 확인한 결과, 전체적으로 파쇄 입도가 매우 작은 것으로 나타났다. 파쇄석 입도는 Split Desktop Program을 활용하여 분석하였으며, 그 결과 250 mm 이하 크기의 입자가 전체의 약 56.16%를 차지하는 것으로 분석되었다. 이는 국내에서 Jumbo Drill을 이용한 천공 발파 시 일반적으로 기대되는 250 mm 이하 입도 비율(약 20%, 한국도로공사 터널설계 실무자료)보다 현저히 높은 수준이다. Table 18은 Split Desktop Program을 이용하여 분석한 파쇄석 입도 결과를 제시한 것이다.
5. 석회암 구간 터널발파 설계기준 검토분석
석회암 구간의 터널 굴착을 위한 발파 설계는 화성암류 및 변성암류의 발파 설계와는 차별화되어야 하며, 석회암의 특성에 적합한 발파 설계 기준과 수량을 적용하는 것이 필요하다. 따라서 석회암 구간의 터널 발파는 Table 19에 제시된 굴착 패턴 및 설계 수량을 기초로 설계할 경우, 가장 경제적이고 효율적인 발파 작업이 가능할 것으로 판단된다.
Table 19.
Tunnel blasting patterns by rock type
6. 결 론
터널 발파 설계 시에는 기반암의 종류와 암반 특성에 적합한 발파 패턴 및 설계 수량을 적용해야 발파 효율을 증대시킬 수 있으며, 동시에 경제적인 발파가 가능하다. 우리나라의 경우, 터널 굴착을 위한 발파 패턴 설계 기준은 대부분 화성암 또는 변성암류를 대상으로 설정되어 있기 때문에, 석회암 구간의 터널 발파 설계 기준은 이와는 차별화되어야 한다.
그러나 국내에서는 석회암 터널 공사의 시공 사례 및 설계 실적이 매우 제한적이므로, 석회암 구간 터널 발파 설계를 위한 기초 자료가 부족한 실정이다. 이에 본 논문에서는 석회암 터널 발파 설계를 위한 발파 기준과 적합한 발파 공법을 다음과 같이 제안하였다.
1) 석회암 구간 터널 발파를 위한 비장약량은 화강암 및 편마암보다 약 40% 적게 소요되는 것으로 분석되었다. 예를 들어, 굴진장이 약 3.0 m일 경우 화성암 및 변성암 구간에서는 약 1.10 kg/m3의 비장약량이 필요한 반면, 석회암 구간에서는 약 0.670 kg/m3로도 충분한 것으로 나타났다.
2) 석회암의 물리·역학적 특성과 시공 사례를 종합적으로 분석한 결과, Emulsion 또는 ANFO 폭약을 적용해도 우수한 발파 효과를 얻을 수 있는 것으로 확인되었다. 다만, ANFO 폭약은 불완전 연소 시 인체에 유해한 후가스를 발생시키므로, 환기량이 부족하거나 환기 시스템이 미흡한 현장에서는 적용이 부적절하다.
3) 석회암 구간 터널 발파에 가장 적합한 공법은 퇴적암류의 생성 과정과 지층 구조의 특성을 고려할 때, 국내에서 일반적으로 사용되는 Cylinder-Cut 또는 V-Cut 방식보다는 심발부 메커니즘을 개선한 SAV-Cut 발파공법을 적용하는 것이 시공성과 발파 효율 측면에서 더욱 효과적인 것으로 판단된다.
다만, 본 논문에서 제안한 발파 설계 기준 및 발파 공법은 제한된 분석 데이터와 특정 지역의 시공 사례를 기반으로 하고 있으므로, 향후 다양한 현장 적용 사례와 추가 연구를 통해 굴착 패턴별로 보다 세분화된 설계 기준이 정립될 필요가 있다.
