1. 서 론
2. 로드헤더 굴착공법
2.1 개요
2.2 로드헤더 적용 한계점
2.3 로드헤더 굴착공법 개선방향 제시
3. 선균열공법에 따른 로드헤더 굴착효율 평가
3.1 선균열공법 개요
3.2 현장암반특성 검토
3.3 순굴착속도(Net Cutting Rate)를 통한 굴착효율 분석
4. 선균열공법 현장 적용성 평가
5. 결 론
1. 서 론
최근 도시개발 및 인구 집중화 등 지하공간에 대한 수요가 급증하고 있다. 이에 따라 수도권 광역급행철도 GTX (Great Train Express), 동부간선도로 지하화 등 국내 곳곳에서 도심지 터널에 대한 계획이 활발히 진행되고 있다. 도심지 터널은 상부 지장물의 안정성과 굴착방법에 따른 환경민원 등 도심지 특성을 고려한 계획이 필요하다. 특히 터널 굴착방법에 있어 도심에서 발파에 따른 민원을 사전에 배제하기 위해 로드헤더(roadheader)와 TBM (Tunnel Boring Machine)과 같은 기계굴착장비를 활용한 굴착방법이 활발히 적용되고 있다.
기계굴착장비는 첨단사양을 적용함에 따라 도심지 적용사례 또한 증가하고 있는 추세이다. 그러나 TBM의 경우 세그먼트 야적장 등 지상부대설비를 고려한 작업부지가 필요하나, 도심지 특성상 이러한 작업부지 확보가 어렵고 지상부대설비에 따른 추가적인 환경민원을 야기시킬 수 있다. 이에 반해 로드헤더는 터널단면 형상 계획이 자유롭고 지상부대설비에 다른 작업장 부지를 최소화할 수 있는 장점이 있다. 그러나 로드헤더는 고강도 암반구간 굴착시 픽 커터 등 소모자재의 교체가 많아져 경제성 및 순가동율이 감소되는 문제점으로 굴착공법 적용성의 한계로 지적되고 있다.
본 연구에서는 로드헤더의 한계를 극복함으로써 보다 효과적인 도심지 터널계획이 수립될 수 있도록 고강도 암반구간에 대한 로드헤더 굴착효율 향상방안으로 선균열공법을 제안하였다. 그리고 제안한 선균열공법이 로드헤더 굴진효율에 미치는 영향을 분석하여 굴진효율 향상방안으로 적정한지 검증하였으며, 실규모 현장시험을 통해 선균열공법의 현장 적용성을 검토하였다.
2. 로드헤더 굴착공법
2.1 개요
국내에서는 터널공사가 주로 발파공법으로 수행되고 있으나, 도심지 터널에 대한 수요가 증가함에 따라 로드헤더를 활용한 사례가 증가하고 있다. 도입 초창기에 무게가 약 25 ton, 동력이 80 kW에 불과한 커터헤드를 장착하여 공법 적용성의 한계가 높았지만, 로드헤더의 기술발전으로 현재는 무게가 약 150 ton 이상이고 동력이 300 kW 이상인 초대형 로드헤더가 제작되고 활용되어 가고 있다(Park et al., 2013). 이에 따라 ‘동탄~인덕원 00공구’, ‘검단 연장선 00공구’ 등 다수의 현장에서 로드헤더를 터널 굴착방법으로 채택하여 시공을 하고 있다(Kim et al., 2021).
로드헤더는 전방에 장착된 커팅헤드를 회전시키며 막장의 대상암반을 굴착하는 기계장비이다(Fig. 1). 커팅헤드에는 부착된 수 많은 픽 커터가 대상암반에 압입되어 암석에 압축응력을 가하고, 반경방향으로 인장균열을 유도하여 픽 커터 사이의 암반을 굴착하는 원리를 가지고 있다. 당초 로드헤더와 같은 기계굴착은 절리가 심하게 발달한 암반에 대한 효율이 우수한 것으로 알려져 있다. 즉, 로드헤더를 활용한 암반굴착시 절리발생에 유리한 조건을 가지는 경우 로드헤더 굴착효율이 향상될 것으로 판단된다.
2.2 로드헤더 적용 한계점
로드헤더 굴착공법은 크게 분진과 고강도 암반구간 굴착효율 저하라는 문제점이 지적되고 있다. 분진의 경우, Fig. 2(a)와 같이 커팅헤드의 회전을 통해 암반을 절삭하는 과정에서 발생하게 된다. 이때, 분진량이 과다할 경우 터널내 작업환경이 열악해지고 더 나아가 시공성 저하를 초래한다. 그러나 근래에 들어 물분사 시스템, 미분무 살수차 및 이동식 집진기 등의 분진 해결방안이 정립되어 문제점이 해소되고 있다.
한편 로드헤더는 일축압축강도가 최대 170 MPa인 고강도 암반구간에도 굴착이 가능한 것으로 알려져있으나 Fig. 2(b)와 같이 픽 커터의 마모 등에 따른 절삭성능 저하 등의 이유로 로드헤더 적용성의 한계가 있는 것으로 알려져 있다. 국내에서는 도심지 터널의 수요 및 첨단사양의 로드헤더 장비개발 등으로 로드헤더 적용사례가 증가하는 추세이나, 고강도 암반구간에 대한 문제점을 해소하기 위한 명확한 방안이 없는 실정이다. 이에 따라 고강도 암반구간에 대한 로드헤더 굴착효율 저하의 문제점을 인지하고 그에 따른 대책방안을 제안하고자 하였다.
2.3 로드헤더 굴착공법 개선방향 제시
본 연구에서는 고강도 암반구간 로드헤더 적용시 굴착효율 저하라는 한계점을 극복하기 위해 로드헤더의 굴착원리를 분석하였다. 로드헤더는 자중과 회전력을 통해 암반에 인장균열을 유도하여 굴착하게 된다. 이러한 로드헤더의 굴착원리와 유사한 장비로 노반공사시 사용되는 리퍼(ripper)가 있다. 리퍼는 불도저의 뒷부분에 부착되는 장치로서 불도저의 자중과 장비주행력을 통해 노반의 흙이나 암반 등을 절취, 굴착하게 된다(Fig. 3).
리퍼의 경우 굴착 가능성을 판단하는 기준으로 리퍼빌리티(rippability)를 활용하고 있다. 리퍼빌리티는 기존 연구들을 통해 다양한 평가방법이 제시되어 있으며, 주로 암반의 탄성파속도, 일축압축강도 및 불연속면의 절리특성 등을 통해 판단하게 된다. 실제 노천공사에서는 리핑이 불리한 암반구간에 소규모 발파를 수행하여 인위적인 균열을 유발시켜 효율적인 리퍼 굴착이 수행되도록 하고 있다. 즉, 불연속면을 발생시킴으로써 리퍼빌리티를 향상시키는 방안을 적용하고 있는 것이다. 본 연구에서는 이러한 노천공사의 굴착효율 향상방안을 터널공사에 적용하여 고강도 암반에 대한 로드헤더 굴착효율 향상방안으로 선균열공법을 제안하고자 한다.
3. 선균열공법에 따른 로드헤더 굴착효율 평가
3.1 선균열공법 개요
선균열공법은 로드헤더를 통한 본 굴진을 수행하기 앞서 인위적으로 대상암반에 균열대를 형성시켜 취약화시키는 공법이다. 즉, 굴착대상암반에 완전 파쇄가 아닌 균열대만을 형성시키는 것이 주요핵심원리이다. Fig. 4(a)와 같이 장약공 중심으로 압축권, 분쇄권, 파쇄권, 균열권 및 진동권이 형성되며, 장약공간 이격거리에 따라 중첩되는 발파영향권을 조절함으로써 암반을 파쇄하거나 균열만을 유도할 수 있게 된다. Fig. 4(b)는 균열유도용 발파설계에 따라 선균열공법 적용 예시를 나타낸다.
균열을 유도하기 위한 장약공간 이격거리는 발파진동 추정식을 통해 예측할 수 있다. 국내 현장실측자료를 토대로 Ministry of Land Infrastructure and Transport(2006, 2012)의 발파진동 추정식이 제안되어 있으나, 균열대 형성을 위해 일반 에멀젼폭약 대비 평균폭발속도가 60~70% 수준의 진동저감효과를 가지고 있는 미진동화약을 고려하여 발파진동 추정식을 조정하고자 하였다. 국토교통부의 발파진동 추정식은 발파진동 상수 K를 200으로 제안하고 있으나 미진동화약의 진동저감효과를 고려하여 식 (1)과 같이 발파진동 추정식을 조정하여 적용하였다. 여기서, V는 진동속도(cm/sec)이고, D는 폭원으로부터의 거리(m), W는 지발당 장약량(kg)를 의미한다.
장약공간 이격거리(D)는 균열을 유발시키는 진동속도(V)와 장약량(W)을 대입하여 산출할 수 있다. 여기서, 진동속도는 Bauer and Calder(1978)의 연구결과를 토대로 암반균열이 발생하는 진동속도인 60 cm/sec으로 적용하였고, 장약량은 0.1~0.5 kg 범위를 선정하여 Table 1과 같이 지발당 장약량에 따른 이격거리를 산출하였다. 이와 같이 산정된 장약공간 이격거리를 통해 균열유도용 발파설계를 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
Table 1.
Crack influential distance through the prediction equation of blast vibration
| Charge per delay (kg) | 0.1 | 0.2 | 0.3 | 0.4 | 0.5 |
| Crack influential distance (m) | 0.49 | 0.69 | 0.84 | 0.98 | 1.09 |
3.2 현장암반특성 검토
선균열공법의 적용성을 평가하기 위해 연구대상현장을 선정하여 로드헤더 굴착효율에 미치는 영향을 분석하고자 하였다. 연구대상현장은 대전에 위치한 “00-00구간 철도사업 건설공사” 로 발파굴착에 민감한 지장물이 밀집해 있어 로드헤더 기계굴착을 적용한 현장이다. 연구대상현장의 암반특성을 분석한 결과, Fig. 5 및 Table 2와 같이 일축압축강도가 100 MPa 이하구간이 약 83%로 분포하여 로드헤더 기계굴착이 용이할 것으로 확인되었다. 그러나 일부구간에 존재하는 일축압축강도 100 MPa 이상의 고강도 암반구간(암반Ⅱ등급 이상)에 대한 로드헤도 굴착효율 확보를 위한 추가적인 대책방안이 필요할 것으로 판단되었다.
Table 2.
Results of UCS and RQD values according to rock mass classes
3.3 순굴착속도(Net Cutting Rate)를 통한 굴착효율 분석
선균열공법을 통한 굴착대상암반의 암반 취약화가 로드헤더 굴착효율에 미치는 영향을 정량적으로 평가하기 위해 로드헤더의 순굴착속도(Net Cutting Rate)를 활용하였다. 순굴착속도는 장비 제작사(Voest Alpine, SANDVIK) 및 여러 기존 연구(Bilgin et al., 1996, Gehring, 1989, Zhang et al., 2017)에서 다양한 예측식들을 제안하고 있다. 앞 절에서 언급한 연구대상현장의 현황 및 암반특성을 고려하기 위해 전문연구기관(DOONA, 2020)에 의뢰하여 순굴착속도를 산정하였다. 여기서, 고려된 로드헤더 제원은 세계 최대 규모의 로드헤더로 커터헤드 최대 동력은 450 kW, 장비 중량은 188 ton이다.
전문연구기관을 통해 검토된 다수의 순굴착속도 예측식은 일축압축강도를 중심으로 제안되어 절리특성을 고려하지 못하는 한계가 있었다. 이에 반해 Bilgin et al.(1996)의 예측식은 일축압축강도뿐만 아니라 RQD (Rock Quality Designation)를 고려하여 암반의 절리특성을 고려한 순굴착속도 예측식을 제안하였다. 본 연구에서는 Bilgin의 예측식을 활용하여 연구대상구간의 RQD에 따른 일축압축강도별 순굴착속도를 산정하고 Table 3과 Fig. 6과 같이 정리하였다.
Table 3.
The calculation of net cutting rate based on rock strength and RQD (Bilgin et al., 1996)
취약화된 암반특성을 고려한 로드헤더 굴착효율 분석을 위해 Bilgin(1996)의 제안식을 활용하여 순굴착속도를 비교·분석하였다. 전반적으로 일축압축강도가 감소하거나 RQD가 감소할수록 순굴착속도가 증가하는 경향을 확인할 수 있었다. 뿐만아니라 동일한 일축압축강도를 가진 암반에 대하여 RQD가 감소할수록 순굴착속도가 증가하는 것으로 나타났다. 일축압축강도는 107.3 MPa이고 RQD는 88.6%인 암반Ⅱ등급에 해당되는 순굴착속도 예측량은 13.17 m3/hr로 산정되었다. 선균열공법을 통해 추가적인 균열대 형성으로 RQD가 암반Ⅲ등급 수준인 57%로 감소하는 상황을 고려할 경우, 순굴착속도는 24.46 m3/hr로 약 2배가 증가되는 것을 알 수 있다. 이에 따라 동일한 암반강도 조건에서 인위적인 균열대를 형성하는 선균열공법을 적용할 경우 로드헤더 굴착효율을 효과적으로 증가시킬 수 있을 것으로 판단된다.
4. 선균열공법 현장 적용성 평가
선균열공법은 균열유도 조절발파를 통해 굴착대상암반을 취약하는 것이 핵심인 공법이다. 이에 따라 실제 고강도 암반에 대하여 균열유도 조절발파를 통해 대상암반이 균열대 형성이 가능한지 검증이 요구된다. 본 절에서는 충청북도 충주시에 위치한 “00-00 철도노반 0공구 건설공사” 현장을 현장시험 대상구간으로 선정하여 고강도 암반구간에 대한 선균열공법 현장 적용성을 검토하였다. 현장시험 대상구간은 암반Ⅱ등급(화강암)을 통과하는 터널구간으로 Fig. 7(a)와 같은 균열유도 조절발파를 계획하였다. 이때 일반적으로 적용되는 제어발파 대비 약 50% 이하 수준의 천공 및 장약량이 적용되었다.
실규모 현장시험을 수행한 결과, Fig. 7(b)와 같이 균열유도공 주변으로 균열대가 형성되는 것을 확인하였다. 이에 따라 고강도 암반구간에 대한 선균열공법 적용이 가능할 뿐만아니라 기존 고강도 암반구간 굴착효율이 저하되는 로드헤더 공법적용의 한계점을 극복할 수 있을 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 고강도 암반구간 굴착시 굴착효율이 저하되는 로드헤더 굴착공법 적용 한계점을 인식하고, 로드헤더를 통한 굴착공법의 시공연계성과 도심지 민원 배제 등을 위해 고강도 암반구간에 대한 굴착효율 향상방안을 모색하고자 하였다. 소규모 발파를 통해 리퍼빌리티를 향상시키는 노천공사의 대책방안을 터널공사에 접목시켜 선균열공법을 제시하였다. 선균열공법은 굴착대상암반의 완전 파쇄가 목적이 아닌 로드헤더 굴착효율 향상을 위해 인위적인 균열대를 형성시키는 조절 발파공법이다. 본 연구에서는 선균열공법 적용시 로드헤더 굴착효율에 어떠한 효과가 있는지와 실제 고강도 암반을 취약화할 수 있는지에 대하여 검토하였다.
선균열공법의 효과를 분석하기 위해 순굴착속도에 관한 이론식 검토를 수행하였다. 이때, 암반의 일축압축강도 뿐만아니라 절리특성을 함께 고려하여 순굴착속도를 제안한 Bilgin식을 활용하였다. 이론식 검토결과, 동일한 일축압축강도를 가진 조건에서 절리가 발달될 경우 순굴착속도가 증가하는 것으로 나타났다. 암반Ⅱ등급의 고강도 암반의 경우, 선균열공법을 통해 암반Ⅲ등급의 절리조건을 갖출 경우 순굴착속도는 약 2배 증가되는 것으로 나타났다. 이에 따라 고강도 암반구간에 선균열공법 적용시 로드헤더 굴착효율을 극대화 시킬 수 있을 것으로 사료된다. 또한 선균열공법을 통해 고강도 암반을 취약화할 수 있는지 검증하기 위해 실규모 현장시험을 수행하였다. 이때 일반적으로 적용되는 장약량의 약 50%가 적용되었다. 현장시험 수행결과, 장약공 주변으로 균열대가 형성된 것을 확인하였다. 선균열공법을 통해 굴착대상암반을 완전 파쇄하지 않고 균열대 형성을 통해 암반을 취약화시킬 수 있는 것으로 판단된다.
선균열공법에 대한 이론식 검토 및 실규모 현장시험 결과를 통해 고강도 암반구간에서의 로드헤더 굴진효율 향상방안으로 선균열공법이 적정한 것으로 판단되었다. 이를 통해 발파민원이 예민한 도심지 터널계획시 보다 효과적인 터널굴착이 수행될 수 있을 것으로 기대한다.
