발파진동 저감대책

왜 배우는가: 발파진동은 NATM 등 도심지 터널 공사에서 인접 건물과 구조물의 피해, 주민 민원, 공사 중지로 이어지기 쉬워 현장 관리의 핵심이다. 발파 위력과 거리·지반 조건을 함께 따지는 원리가 반복해서 출제되므로 시험에서도 자주 묻는다.

출제 이력: 제124회 3교시 6번, 제102회 2교시 4번, 제97회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

발파진동은 발파 에너지가 암반을 탄성파로 전파하며 지반과 주변 구조물을 흔드는 현상으로, 폭약량·거리·지질 조건에 따라 크기가 결정된다.

핵심 키워드

• 발파진동
• 최대입자속도(PPV)
• 자승근 거리
• 지발당 장약량
• 자유면
• 최소저항선
• 지발뇌관
• 저폭속 화약

답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 진동의 원인이 폭약 에너지이며 크기가 장약 조건과 거리로 정해진다는 점을 한 문장으로 덧붙인다. 키워드는 2절과 4절에서 원리와 함께 풀어 쓴다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 발파를 하면 땅이 흔들리는데, 그 흔들림이 발파진동이다. 발파는 폭약의 폭굉 충격과 가스압으로 암석을 깨뜨리는 공정이므로, 그 에너지의 일부가 깨진 암석 밖으로 새어 나가 주변 암반을 흔든다.

정식 정의는 다음과 같다. 발파진동(Blast Vibration)은 장약공 안에서 폭약이 폭발하여 생긴 충격압과 가스압이 탄성파 형태로 암반 속을 전파하여 지반 입자를 진동시키는 현상이다. 이 진동은 발파 원인에 따라 지반과 구조물의 손상을 일으킬 수 있다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 최대입자속도(PPV): 진동 입자 속도의 최댓값이다. 구조물 피해 판정에 가장 널리 쓰는 지표이며 단위는 cm/s 또는 mm/s를 쓴다.
• 자승근 거리: 발파원과 측점 사이 거리 D를 지발당 장약량 W의 제곱근으로 나눈 값(D/√W)이다. 거리와 장약량이 함께 만드는 진동 효과를 한 값으로 묶는다.
• 지발당 장약량: 같은 시간에 기폭되는 화약량이다. 지발 간격을 두면 동시에 기폭되는 양이 줄어 진동이 낮아진다.

진동 크기는 현장 자료에서 얻은 경험식으로 근사한다.

$PPV = K \left(\dfrac{D}{\sqrt{W}}\right)^{-\beta}$

여기서 PPV는 최대입자속도(cm/s), D는 발파원과 측점의 거리(m), W는 지발당 장약량(kg), K는 지반과 발파 조건에 따른 계수, β는 거리에 따른 감쇠 지수다. K와 β는 현장 시험발파와 측정으로 구한다.

이 식에서 읽을 수 있는 원리는 두 가지다. 첫째, 거리가 멀어질수록 진동이 감쇠한다. 둘째, 지발당 장약량을 줄이면 같은 거리에서도 진동이 낮아진다. 따라서 저감대책은 W를 줄이거나, D를 늘리거나, 지반의 감쇠를 키우는 세 방향으로 정리된다.

발파진동은 원천적으로 없앨 수 없다. 대신 화약류 종류, 장약량, 장진밀도, 자유면 수, 최소저항선과 공간격의 비, 폭원과 측점 사이 거리, 지질 조건이 서로 함수관계를 이루므로 이 관계를 이용하면 진동의 크기를 상당 부분 줄일 수 있다.

발파진동은 제거하는 대상이 아니라, 발생원에서 억제하고 전파 경로에서 차단하여 줄이는 대상이다.

발파 에너지가 구조물까지 전달되는 과정은 다음 흐름으로 정리된다.