1. 연구 배경 및 목적
2. 이론적 배경
2.1 기존 연구
3. 발파로 인한 손상도 평가 요소
3.1 옹벽 패널 및 연결 부재의 균열 발생 특성
3.2 앵커 및 보강재의 긴장력 변화
3.3 재료 강도 및 접합부 성능 저하
3.4 발파 진동 특성 인자
4. 수치해석 및 현장사례 분석
4.1 기존 연구
4.2 현장사례 분석
5. 설계 시 평가 방안
6. 결 론
1. 연구 배경 및 목적
최근 교통수단의 고속화 요구가 증가함에 따라 도로 및 철도 건설 사업이 지속적으로 확대되고 있는 가운데, 노선의 직선화가 강조되면서, 과거에 비해 대규모 절토 및 성토 공정이 빈번하게 수행되고 있다. 특히, 산지 구간에서는 환경 훼손을 최소화하기 위한 대안으로 절토 비탈면의 규모를 줄이기 위한 다양한 보강공법이 설계 단계부터 적용되고 있다.
산지 절토에 의해 형성된 비탈면의 안정성 확보를 위해 앵커, 숏크리트, 옹벽과 같은 보강공법이 주로 암반 구간에 적용되고 있으나, 시공 완료 이후 인접 구간에서 발파 작업이나 지진과 같은 외력이 작용할 경우, 이미 설치된 보강 부재의 성능이 저하될 가능성이 존재한다. 이러한 성능 저하는 결과적으로 비탈면의 전체적인 안정성 저하로 이어질 수 있다.
특히 터널 갱구부 상부에 조성된 비탈면의 경우, 앵커, 숏크리트, 옹벽 등의 보강공법이 시공된 상태에서 직하부 터널 굴착을 위한 발파 공정이 수행되므로, 발파 진동의 영향권 내에 기존 보강시설물이 포함될 가능성이 높다. 이로 인해 보강 부재의 구조적 성능 저하가 발생할 수 있음에도 불구하고, 기존 발파 설계에서는 인접한 축사, 주택 등 민원 발생 가능 시설물 위주로 검토가 이루어져 왔으며, 발파 영향 범위 내에 위치한 비탈면 보강시설물의 성능 변화는 충분히 고려되지 않은 경우가 많았다.
또한 터널 갱구부에서는 입·출구부 안정성 확보를 목적으로 강관 다단 보강 그라우팅과 상부 비탈면 앵커 보강공법이 인접하여 시공되는 사례가 일반적이다. 그러나 이러한 조건에서 하부 터널 발파 시공 시 적용 가능한 간섭 허용거리 기준이 명확히 제시되지 않아, 발파 과정 중 기존 보강시설물의 성능 저하가 발생하거나, 지중에 발파 진동에 민감한 단층대가 존재할 경우 구조물의 안정성에 부정적인 영향을 미칠 우려가 있다.
본 연구에서는 근접 구간 발파에 의해 발생하는 비탈면 보강시설물의 성능 저하 특성을 분석하고, 터널 갱구부 구간에서 기존에 시공된 보강공법이 발파 굴착 과정에서 보이는 거동 변화를 정량적으로 평가하였다. 이를 바탕으로 발파로 인한 보강시설물의 성능 저하를 최소화할 수 있는 설계 및 시공 기준 마련을 목적으로 한다.
터널 굴착 과정에서 발생하는 발파 진동은 인접 비탈면의 안정성 확보를 위해 설치된 앵커, 숏크리트, 옹벽 등의 보강시설물에 구조적 성능 저하를 유발할 가능성이 있다. 그러나 현행 설계 기준에서는 발파 진동이 이러한 비탈면 보강시설물에 미치는 영향을 정량적으로 반영할 수 있는 명확한 기준이나 검토 절차가 충분히 제시되지 않고 있는 실정이다.
2. 이론적 배경
2.1 기존 연구
비탈면 직하부에서 수행되는 터널 갱구부 굴착 발파로 인해 기존 비탈면 보강시설물의 성능 저하 또는 손상이 발생할 가능성에 대해 국내외 선행 연구를 검토한 결과, 제한적이나마 현장 실험을 기반으로 한 연구 사례가 보고된 바 있다.
Ahn et al.(2001)은 절토 비탈면을 대상으로 시험 발파를 수행하고, 발파 전·후 암반 구간의 균열 발생 여부를 평가하였다. 해당 연구에서는 시험 구간의 암반에 대해 발파 전후 탄성파 속도를 비교·분석하였으며, 그 결과 발파 이후 탄성파 속도가 약 40~53% 감소한 것으로 나타나 발파 진동이 암반 균열 발생에 영향을 미치는 것으로 해석하였다. 또한 발파 진동 계측 결과를 토대로 암반부 균열 발생 가능성을 판단할 수 있는 임계 진동속도 기준을 제시하고, 발파 손상 영역을 저감하기 위한 안전 발파 패턴을 제안하였다.
한편, Choi(2018) 등은 앵커로 보강된 비탈면을 대상으로 발파 진동이 앵커 긴장력에 미치는 영향을 평가하기 위해 시험 앵커를 설치하고 현장 발파 실험을 수행하였다. 이 연구에서는 마찰형 앵커와 지압형 앵커를 대상으로 발파에 따른 손상 특성을 비교·분석하였으며, 1차 시험 발파 직후에는 두 앵커 유형 간 뚜렷한 차이가 관찰되지 않았다. 그러나 반복 발파가 진행됨에 따라 마찰형 앵커의 정착력이 점진적으로 감소하는 경향이 확인되었고, 최종적으로 마찰형 앵커는 초기 긴장력 대비 약 22% 감소한 반면, 지압형 앵커는 약 9% 감소하는 것으로 분석되었다. 이를 통해 앵커의 정착 방식에 따라 발파 진동에 대한 긴장력 민감도가 상이하며, 발파 횟수 증가, 장약량 확대, 진동속도 증가에 따라 앵커 긴장력 감소율이 커지는 경향이 있음을 제시하였다.
국내 설계기준을 검토한 결과, 굴착 공정에서 발생하는 발파 진동에 대한 허용 기준은 발주 기관 및 적용 목적에 따라 상이하게 설정되어 있는 것으로 나타났다. 일반적인 구조물을 대상으로 할 경우 발파 진동속도의 허용 한계는 대체로 5.0 cm/s 수준으로 규정되어 있으며, 문화재, 학교, 주택과 같이 진동에 민감한 시설물에 대해서는 0.2~0.5 cm/s 범위의 보다 엄격한 기준이 적용되고 있다. 그러나 이러한 기준들은 주로 건축물이나 일반적인 지상 구조물의 피해 여부를 판단하기 위한 목적으로 제시된 것으로, Fig. 1과 같이 절토 비탈면 보강공법으로 설치된 앵커, 숏크리트, 옹벽과 같은 보강시설물에 직접적으로 적용할 수 있는 발파 관련 기준은 명확히 정립되어 있지 않은 실정이다.
실제로 국내에서 광범위하게 활용되고 있는 도로공사 표준시방서 및 터널 설계 기준에서도 절토 비탈면에 설치되는 앵커, 숏크리트 등의 보강구조물에 대해 발파 진동으로 인한 성능 저하나 손상 여부를 평가하기 위한 구체적인 기준은 명시되어 있지 않다. 다만, 옹벽 구조물의 경우 한국도로공사가 제안한 「도로구조물 발파진동 허용기준(안)」(2015)에서 발파 진동 허용 기준을 3.0 cm/s로 제시하고 있다.
한편 최근 절토 비탈면 보강 공법으로 적용 사례가 증가하고 있는 패널식 옹벽과 같이 앵커 또는 네일이 보강 패널과 결합된 형태의 구조물은, 중력식 옹벽과 같은 일체형 콘크리트 옹벽과는 구조적 거동 특성이 상이할 가능성이 크다. 그럼에도 불구하고 이러한 비탈면 보강구조물에 대한 전용 발파 진동 관리 기준은 아직 마련되지 않은 상태이다. 이에 따라 국내 현장 시험 및 계측 자료의 체계적인 수집과 분석을 통해, 비탈면 보강시설물의 특성을 반영한 허용 진동 기준을 정립할 필요성이 점차 강조되고 있다.
해외 주요 국가들은 발파 작업으로 인해 발생하는 진동이 인접 구조물에 미치는 영향을 최소화하기 위하여, 진동속도뿐만 아니라 진동 주파수 특성을 고려한 보다 세분화된 허용 기준을 적용하고 있다. 미국의 경우 연방광무국(USBM) 지침(1990)에서 구조물 피해 방지를 목적으로 진동 주파수 대역별 허용 최대입자속도(PPV)를 제시하고 있으며, 주파수 40 Hz 이상에서는 최대 5.1 cm/s까지 허용하는 반면, 4–12 Hz의 저주파 영역에서는 약 1.9 cm/s로 보다 엄격한 기준을 적용하고 있다. 이는 저주파 진동이 구조물에 미치는 영향이 상대적으로 크다는 점을 반영한 것이다.
영국의 BS 7385 기준 또한 진동 주파수에 따른 차등 기준을 채택하고 있으며, 주거용 건물을 대상으로 저주파수 대역(4–15 Hz)에서는 1.5–2.0 cm/s, 고주파수 대역(140 Hz 초과)에서는 5.0 cm/s의 진동속도 한계를 제시하고 있다. 이와 같이 다수의 국외 기준에서는 구조물의 고유진동수 범위를 고려하여 저주파 진동에 대해 상대적으로 엄격한 허용 기준을 설정하는 공통적인 특징을 보인다.
더 나아가, 국가별로 구조물의 용도, 중요도 및 구조 형식에 따라 허용 진동속도의 범위가 다양하게 적용되고 있다. 예를 들어, 문화재나 민감 구조물이 포함된 경우에는 약 0.2 cm/s 수준의 매우 낮은 허용 기준이 적용되는 사례(인도 등)가 있는 반면, 철근콘크리트 구조물을 대상으로는 10 cm/s 이상의 비교적 완화된 기준을 적용하는 국가(스페인, 러시아 등)도 보고되고 있다. 이러한 국외 기준들은 진동속도(PPV), 주파수 특성, 구조물 유형을 종합적으로 고려하여 피해 한계를 체계적으로 제시하고 있다는 점에서 공통성을 가진다.
국내외 기준을 종합적으로 비교하면, 국내 기준은 터널 갱구부 비탈면 직하부에서 발생하는 발파 진동이 앵커, 숏크리트 등 절토 비탈면 보강구조물의 성능 저하나 손상을 유발할 가능성에 대해 구체적인 평가 기준을 제시하지 못하고 있는 반면, 국외에서는 구조물 종류와 진동 특성에 따른 피해 한계 기준을 세분화하여 실무에 적용하고 있는 차이를 보인다.
근접 구간에서 수행되는 발파 작업과 관련하여, 비탈면 보강구조물 또는 인접 시설물에 피해가 발생한 사례 역시 일부 보고되고 있다. 터널 공사 구간에서의 발파 사례를 조사·분석한 선행 연구에 따르면, 최대 입자속도(PPV)가 8.45 cm/s에 이르는 조건에서도 주변 주택에서는 가시적인 균열 피해가 발생하지 않은 반면, 패널 및 철골 조립식 구조로 구성된 시설물에서는 비교적 낮은 수준인 약 0.3–1.0 cm/s의 진동에서도 균열이 발생한 사례가 확인되었다[14]. 이러한 결과는 발파 진동이 구조물 전체에 균등하게 전달되기보다는, 패널 연결부와 같은 국부적 요소에서 증폭되어 미세 균열을 유발할 수 있음을 시사한다. 실제로 해당 연구에서는 PPV가 약 0.3 cm/s를 초과하는 구간에서 국부적 미세 균열 피해가 집중적으로 관찰되었다고 보고하였다.
한편, 국내에서는 Top-down 방식으로 시공되는 절토부 옹벽 인근에서 근접 발파를 수행하는 경우에도, 비탈면 보강구조물에 대한 명확한 발파 허용 기준이 제시되어 있지 않다. 이로 인해 실무에서는 가시설 흙막이 공법에 적용되는 진동 허용 기준(일반적으로 5–10 cm/s)을 준용하여 상부 보강체의 손상 가능성을 판단하는 사례가 다수 존재한다. 즉, 발파 해석 결과 절토부 옹벽 인근에서의 진동속도가 5 cm/s 이하로 예측될 경우, 상부 비탈면에 적용된 보강공법에는 성능 저하나 손상이 발생하지 않을 것으로 가정하고 발파 시공을 진행하는 방식이 관행적으로 적용되고 있다.
그러나 이러한 판단은 경험적 기준에 의존한 것으로, 비탈면 하부 근접 발파 시 보강시설물의 안전성을 공학적으로 검증할 수 있는 근거가 충분하지 않다. 따라서 절토 비탈면 하부에서의 발파 조건을 고려하여, 상부 보강구조물의 손상 가능성을 객관적으로 평가할 수 있는 정량적 가이드라인 또는 설계 기준의 마련이 필요하다.
3. 발파로 인한 손상도 평가 요소
터널 갱구부 비탈면과 그 직하부 구간과 같이 공간적으로 인접한 영역에서 발파가 수행되는 경우, 앵커, 숏크리트, 옹벽 등이 적용된 비탈면 보강시설물의 성능 저하 또는 손상도(Damage)를 합리적으로 평가하기 위해서는 다음과 같은 주요 요소들을 종합적으로 고려할 필요가 있다.
3.1 옹벽 패널 및 연결 부재의 균열 발생 특성
터널 갱구부 굴착 과정에서 발생하는 발파 진동으로 인해 옹벽 패널 및 패널 연결 부재에 균열이 발생하는지 여부와 그 형상은 손상을 판단하기 위한 가장 기초적인 지표로 활용될 수 있다. 특히 옹벽 기초부 인근의 균열, 앵커 정착부 그라우트 재료의 균열, 패널식 옹벽에서 패널 간 연결부에 발생하는 균열 등은 중점적으로 조사되어야 할 항목이다. 이러한 균열은 지반과 보강재 간 결합력의 저하를 유발하거나, 장기적인 구조적 내구성 감소로 이어질 가능성이 있으므로, 육안 조사뿐만 아니라 정밀 계측 장비 또는 비파괴 시험 기법을 활용한 체계적인 확인이 요구된다.
3.2 앵커 및 보강재의 긴장력 변화
터널 갱구부 비탈면 구간에서 근접 발파가 수행될 경우, 앵커의 인장력 감소 또는 정착력(부착 특성) 저하는 보강 시설물의 손상 정도를 판단하는 핵심적인 지표 중 하나이다[16]. 발파 진동에 의해 앵커 또는 락볼트의 체결 상태가 이완되거나 잔류 긴장력이 감소할 경우, 비탈면 보강 효과는 현저히 저하될 수 있다. 실제 현장 시험에서 마찰형 앵커의 인장력이 초기 대비 20% 이상 감소한 사례가 보고된 바와 같이, 발파 전·후 긴장력 변화율을 계측하여 손상 수준을 정량적으로 평가하는 과정이 필요하다.
3.3 재료 강도 및 접합부 성능 저하
반복적인 발파 충격은 구조 부재에 피로 손상을 누적시키거나 재료 강도의 점진적인 저하를 초래할 수 있다. 이에 따라 비탈면 보강공법을 구성하는 패널, 앵커 헤드, 연결 철물 등 개별 부재의 강도 감소 여부와 접합부의 이완 또는 분리 현상 역시 손상도 평가 항목에 포함되어야 한다. 예를 들어, 발파 이후 옹벽의 거동을 관찰할 경우 패널과 앵커를 연결하는 접합부의 강성 저하로 인해 전체 구조물의 변위가 증가하는 현상이 나타날 수 있다. 이러한 변위 변화나 구조적 강성 감소를 계측·분석함으로써, 발파에 따른 재료 및 접합부 성능 저하 여부를 판단할 수 있다.
3.4 발파 진동 특성 인자
손상의 직접적인 징후뿐만 아니라, 이를 유발하는 발파 진동의 특성 또한 손상도 평가에 포함되어야 한다. 주요 평가 인자로는 피크 입자속도(PPV), 진동 주파수 성분, 발파원으로부터의 이격 거리, 지발당 장약량 등이 있으며, 이들 인자는 손상 발생 가능성을 좌우하는 핵심 요소로 고려된다. 일반적으로 PPV가 증가할수록 구조물 피해 가능성이 높아지므로, 현장 계측된 PPV 값은 손상 평가의 기본 지표로 활용된다. 또한 저주파 성분의 진동은 구조물 균열 발생에 상대적으로 불리하게 작용하는 것으로 알려져 있어, 주파수 특성에 대한 검토 역시 병행되어야 한다.
아울러 발파 횟수에 따른 누적 효과도 중요한 평가 요소이다. 단발 발파에 비해 반복 발파가 수행될 경우 보강구조물에 작용하는 피로 효과가 누적될 수 있으므로, 발파 차수 증가에 따른 손상도 변화 추이를 함께 분석할 필요가 있다. 이러한 요소들을 종합하여 근접 발파 영향 평가표를 구성하고, 발파 전·후 보강구조물의 상태를 계측 자료와 비교·분석함으로써 손상도를 정량적으로 평가할 수 있다. 평가 결과 허용 기준을 초과하는 손상이 예측될 경우에는, 즉각적인 보강 대책 수립 또는 발파 조건의 조정이 요구된다.
4. 수치해석 및 현장사례 분석
4.1 기존 연구
본 연구에서는 근접 발파로 인한 진동 영향 범위를 정량적으로 평가하고 이를 예측하기 위하여 수치해석 기법을 주요 분석 도구로 활용하였다. 이를 위해 발파 진동 해석에 특화된 해석 모델을 구축하고, 이론해 및 기존 실험 결과와의 비교를 통해 모델의 신뢰성을 검증함으로써 다양한 지반 및 발파 조건에 따른 진동 응답을 모사할 수 있는 해석 기반을 확보하였다. 수치해석에서 발파 하중은 폭약의 종류와 지발당 장약량을 고려하여 산정하였으며, 암반의 감쇠비와 동탄성계수는 관련 문헌 자료와 현장 시험 결과를 참고하여 적용하였다.
특히 해석 차원 및 모델링 기법에 따른 진동 응답의 차이를 검토하기 위해 축대칭 해석과 평면 해석을 비교 수행하였다. 그 결과, 3차원 축대칭 조건에서는 이론해와 잘 부합하는 진동 거동이 재현된 반면, 2차원 평면 조건에서는 변위 응답이 상대적으로 과대 평가되는 경향이 확인되었다. 이러한 비교·분석을 통해 해석 차원 및 경계 조건 설정에 따른 진동 예측 오차를 인지하고, 해석 기법의 적용 범위를 합리적으로 보정하였다. 이후 해당 수치해석 기법을 기반으로 지반 조건과 발파 조건의 변화에 따른 진동 영향 특성을 다각적으로 분석하였다.
본 연구에서는 터널 근접 발파가 절토부 옹벽 및 어스앵커에 미치는 동적 거동을 평가하기 위하여 탄성 조건하에서의 시간이력 해석을 수행하였다. 먼저 비감쇠 자유진동해석을 통해 구조물의 모드 형상과 고유주기를 산정하였으며, 이를 시간이력 해석의 입력값으로 활용하여 모드 중첩법 기반의 동적 해석을 적용하였다. 본 해석의 목적은 발파 작용 시 지반 및 구조물에서 발생하는 진동속도와 변위 응답을 정량적으로 평가하는 데 있다.
또한 지반 조건에 따른 진동 응답의 차이를 고려하기 위하여, Fig. 2와 같이 풍화암, 연암, 경암의 세 가지 대표적인 지층 조건을 가정하였다. 각 지층에 적용된 동탄성계수는 최근 설계 사례를 바탕으로 대표값을 선정하였으며, 감쇠비는 도로 하부 터널 공사와 관련된 기존 연구 결과를 참고하여 설정하였다.
수치해석 매개변수 연구 결과, Fig. 3에 나타난 바와 같이 지반의 동탄성계수가 증가할수록 동일한 발파 하중 조건에서 발생하는 진동속도(PPV)와 최대 변위가 전반적으로 감소하는 경향이 확인되었다.
이는 암반의 강성이 클수록 발파로 인해 전달되는 진동 에너지를 보다 탄성적으로 지지하고 동시에 효과적으로 감쇠시키기 때문으로 해석된다. 또한 지반의 감쇠비(Damping ratio)가 증가할수록 진동속도와 변위 응답이 모두 감소하는 경향이 확인되었다. 발파 진동 해석 과정에서 감쇠비를 크게 설정할 경우, 고주파 성분이 상대적으로 빠르게 소산되면서 전체 진동 진폭이 저감되는 특성이 나타났다. 한편, 지발당 장약량 변화에 따른 영향은 비교적 선형적인 관계를 보였으며, 장약량이 증가함에 따라 피크 입자속도(PPV)와 최대 변위가 이에 비례하여 증가하는 것으로 분석되었다.
이러한 결과를 바탕으로 장약량과 진동속도 간의 상관 관계식을 도출하였으며, 이를 통해 발파 규모를 조절함으로써 목표 진동 수준을 만족시키기 위한 설계 계산에 활용하였다. 수치해석 결과를 종합하면, 암반의 강도 특성, 감쇠 특성 및 발파 장약량과 같은 주요 변수들이 보강구조물에 전달되는 진동 응답을 크게 좌우하는 것으로 나타났다. 따라서 현장 조건을 반영한 진동 예측식을 수립하여 근접 발파 설계에 체계적으로 반영할 필요성이 제기된다.
4.2 현장사례 분석
현장 사례 연구 측면에서는 실제 공사 현장과 실험 현장에서 확보된 계측 자료를 활용하여 수치해석 결과의 타당성을 교차 검증하였다. 먼저, 앞서 언급한 경기도 연천 지역 발파 실험의 계측 결과를 분석한 바, 근접 발파가 반복적으로 수행됨에 따라 마찰형 앵커의 정착 하중이 점진적으로 감소하는 경향이 확인되었으며, 최종적으로는 초기 정착 하중 대비 20% 이상 저하된 것으로 나타났다. 반면, 동일한 발파 조건에서 지압형 앵커의 경우 하중 감소율이 10% 미만에 머물러 상대적으로 안정적인 거동을 보였다. 이러한 현장 실험 결과는 앵커 정착 방식에 따라 발파 진동에 대한 저항 성능에 차이가 있음을 명확히 보여주며, 수치해석 결과에서도 마찰형 앵커의 정착부에서 접착 파괴가 지압형 앵커에 비해 상대적으로 쉽게 발생하는 경향이 재현되었다.
한편, 실제 터널 발파 공사 현장에서 수행된 계측 사례 역시 중요한 시사점을 제공한다. 앞서 제시한 바와 같이, 터널 인접 주택에서는 피크 입자속도(PPV)가 8 cm/s를 초과하는 조건에서도 가시적인 피해가 관찰되지 않았던 반면, 패널식 옹벽 구조물에서는 1 cm/s 미만의 비교적 낮은 진동 수준에서도 균열이 발생한 사례가 보고되었다. 해당 현장 자료를 진동의 주파수 특성과 함께 분석한 결과, 패널식 구조물에 전달된 진동은 저주파 성분이 우세하였으며, 이로 인해 구조물의 고유진동수 대역과 중첩되면서 공진에 따른 증폭 현상이 발생한 것으로 해석되었다.
이와 같은 분석 결과는 근접 발파 영향 평가 시 단순한 진동속도 크기뿐만 아니라, 구조물의 동적 특성 및 주파수 응답 특성을 함께 고려해야 함을 시사한다.
5. 설계 시 평가 방안
현행 국내 기준의 한계로 인해 근접 발파 조건에서 비탈면 보강공법의 손상을 사전에 예방할 수 있는 체계적인 설계 방안이 충분히 마련되지 않은 실정이다. 이에 본 연구에서는 해석 및 현장 사례 분석 결과를 토대로, 근접 발파에 따른 비탈면 보강시설물의 안전성을 확보하기 위한 개선 방향을 다음과 같이 제안한다.
첫째, 보강공법의 유형별 특성을 반영한 발파 진동 허용 기준의 정립이 필요하다. 이는 앵커, 네일, 옹벽 등 보강구조물의 형식과 재료적·구조적 특성에 따라 허용 가능한 피크 입자속도(PPV) 한계값을 차등 적용하는 것을 의미한다. 예를 들어, 일체형 콘크리트 옹벽에 비해 패널과 앵커가 결합된 형태의 옹벽은 연결부의 취약성을 고려하여 보다 엄격한 진동 허용 기준을 적용할 수 있으며, 앵커 보강공법의 경우에는 정착부의 허용 변형률이나 긴장력 감소율을 반영한 세부 기준을 함께 제시할 수 있다. 이러한 기준은 국내 현장 실험 및 계측 자료의 축적을 통해 과학적 근거를 확보한 후, 일률적인 진동 규제가 아닌 공법별 맞춤형 기준으로 제시되는 것이 바람직하다.
둘째, 발파 진동 허용 기준을 설정함에 있어 진동 주파수 특성의 영향을 반드시 고려해야 한다. 국내외 사례에서 공통적으로 확인되듯이, 구조물에 미치는 발파 진동의 손상 영향은 진동속도의 크기뿐만 아니라 주파수 대역에 따라 크게 달라진다. 특히 구조물의 고유진동수에 근접한 저주파 진동은 상대적으로 작은 진폭에서도 손상을 유발할 가능성이 크므로, 국내 기준 역시 해외 사례와 같이 40 Hz 이하의 저주파 진동에 대해 보다 엄격한 허용 기준을 적용하는 방안을 검토할 필요가 있다. 아울러 현재 주로 사용되고 있는 단일 성분 기준의 최대 PPV 산정 방식에서 나아가, X·Y·Z 방향의 3성분을 고려한 벡터 합 기반의 진동 평가 방법을 도입하는 것도 합리적인 대안이 될 수 있다. 따라서 향후 기준 개정 과정에서는 허용치 설정뿐만 아니라 진동 평가 방법론 전반에 대한 다각적인 검토가 병행되어야 할 것이다.
셋째, 시공 단계별 시간 경과 효과를 고려한 설계 및 관리 기법의 도입이 요구된다. Top-down 공법으로 시공되는 비탈면 보강시설물의 경우, 상부 보강 구조물이 시공된 이후 하부 터널 굴착을 위한 발파가 이루어지기까지 일정한 시간 간격이 발생하며, 특히 콘크리트가 양생 중인 단계에서는 발파 진동에 대한 민감도가 상대적으로 크다. 이러한 특성을 고려할 때, 콘크리트의 양생 경과일수에 따라 발파 진동 허용 기준을 차등 적용하고 발파 일정을 체계적으로 관리하는 방안이 합리적이다.
해외 사례를 살펴보면, 콘크리트 타설 직후 초기 단계에서는 발파 진동속도를 0.6 cm/s 이하로 엄격히 제한하고, 양생 기간이 일정 수준 이상 경과한 이후에는 약 5 cm/s 수준까지 허용 기준을 완화하는 등 시간 경과에 따른 단계별 기준을 적용하고 있다. 국내에서도 이러한 개념을 준용하여, 예를 들어 콘크리트 타설 후 7일 이내 발파를 제한하거나, 양생 1~2일차에는 PPV를 0.5 cm/s 이하로 관리하는 등의 구체적인 지침을 도입할 수 있을 것이다. 이와 같은 시간 의존적 기준을 적용할 경우, 양생 중 구조물의 손상을 효과적으로 방지하는 동시에 공정 지연을 최소화한 합리적인 발파 계획 수립이 가능할 것으로 판단된다.
넷째, 근접 발파로 인한 손상을 저감하기 위해 발파 공법의 개선과 보강시설물에 대한 대책 공법을 병행 적용할 필요가 있다. 근접 발파 조건에서는 발파로 인한 진동 발생 자체를 최소화하는 것이 핵심이므로, 발파 설계 단계에서부터 진동 제어를 고려한 정밀한 공법 선정이 요구된다. 발파 패턴의 최적화를 통해 불필요한 진동 성분을 저감할 수 있으며, 지발당 장약량의 조절이나 밀착 발파(smooth blasting) 기법의 적용을 통해 암반 손상 영역을 축소하는 방안이 효과적인 대책으로 활용될 수 있다.
또한 발파 진동이 불가피하게 크게 발생할 것으로 예측되는 경우에는, 기존 보강시설물에 대한 추가적인 보호 대책을 함께 검토해야 한다. 예를 들어 발파 시 보강체 주변에 감쇠 재료를 적용하여 진동 전달을 완화하거나, 앵커 정착부에 대한 보강 그라우트의 추가 주입, 프리스트레스 앵커의 재인장 등을 통해 발파 충격에 대한 저항 성능을 향상시키는 방안을 고려할 수 있다. 이러한 보조 대책은 발파로 인한 단기적 손상뿐만 아니라 장기적인 성능 저하를 방지하는 데에도 기여할 수 있다.
아울러 터널 갱구부와 비탈면이 근접한 구간에서는 시공 단계 이전의 계획 단계에서부터 발파 영향을 저감할 수 있는 터널 설계가 선행되어야 한다. 갱구부 위치를 가능한 한 원지형 훼손이 최소화되는 지점으로 선정하고, 갱문 형식을 Bell-mouth형 또는 경사형 갱문과 같이 절토 규모를 줄일 수 있는 구조로 계획함으로써 대규모 절토 비탈면의 형성을 억제할 수 있다. 이와 같은 계획 단계의 최적화는 근접 시공에 따른 발파 간섭 문제 자체를 근본적으로 저감하는 효과를 기대할 수 있다.
6. 결 론
근접 발파가 수행되는 절취 사면 및 터널 갱구부 공사 구간에서 기존 비탈면 보강시설물의 손상 위험을 저감하고 구조적 안정성을 확보하기 위하여 본 연구를 수행하였다. 본 연구에서 도출된 주요 결론은 다음과 같이 정리할 수 있다.
(1) 최근 친환경 설계 기조에 따라 비탈면 보강공법의 적용이 확대되고 있으나, 시공 이후 인접 구간에서 발생하는 발파 진동에 의해 보강시설물의 성능 저하가 발생할 가능성이 존재한다. 그럼에도 불구하고, 현행 발파 설계에서는 이러한 손상 가능성이 충분히 고려되지 못하고 있는 실정이다.
(2) 비탈면 보강공법은 발파와 같은 반복적인 충격에 의해 발생하는 구조적 손상이 장기 거동 및 안정성에 중대한 영향을 미칠 수 있으므로, 근접 발파에 따른 영향 범위의 합리적인 산정과 손상도 평가를 통해 장기적인 안정성 확보가 필요하다.
(3) 발파로 인한 손상 특성을 파악하기 위하여 사례 조사를 수행한 결과, 터널 구간 발파에서 최대 진동속도가 8.45 cm/s에 달했음에도 불구하고 인접 민가에서는 균열 피해가 발생하지 않은 반면, 패널 및 철골 조립식 구조물의 경우에는 0.3–1.0 cm/s 수준의 비교적 작은 진동에서도 균열 피해가 발생한 사례가 확인되었다. 이는 발파 진동이 패널 연결부와 같은 국부 요소에서 증폭되기 때문으로 판단되며, 특히 최대 진동속도가 약 0.3 cm/s를 초과하는 구간에서 진동에 의한 피해가 집중적으로 나타나는 경향을 보였다.
(4) 수치해석 결과, 암반의 강성, 감쇠비, 장약량, 진동 주파수 등 주요 영향 인자에 따라 진동 응답 특성이 정량적으로 변화하는 것이 확인되었다. 이를 통해 진동 예측 및 손상 평가를 위한 해석 기법을 정립하였으며, 지반 특성을 고려한 장약량 변화에 따른 진동속도 경향식을 활용하여 근접 발파 조건에서의 진동 수준을 합리적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
