콘크리트 블록 발파 실험을 통한 인공 슬롯 자유면이 진동전파 및 파쇄효과에 미치는 영향에 관한 연구

A Study on the Effect of Artificial Cutting Slot on the Fragmentation and Vibration Propagation in the Full-scaled Concrete Block Blasting

Abstract

발파를 이용한 터널의 굴착 시 수반되는 가장 큰 문제 중 하나는 발파 시 발생하는 지반진동으로 이를 저감시키기 위한 노력의 일환으로 와이어쏘 장비를 이용하여 터널 심발공 주변에 인공 자유면을 형성하고 이를 통해 파쇄도를 향상시키며 동시에 발파 진동을 저감시키는 기술이 개발되어 오고 있다. 본 연구에서는, 실규모 발파 실험 및 3D-DFPA 해석 기법을 통해 인공 자유면의 구조조건에 따른 진동저감 및 발파 효과에 대한 고찰을 수행하였으며, 이에 더불어 인공 자유면 발파에서의 효율적 설계를 위한 경험적 기준을 제안하였다. 분석 결과, 인공 슬롯 자유면은 홉킨슨 효과에 의한 스폴파괴 유발 및 충격진동의 전파경로 차단 등 발파 진동 저감을 야기하는 것으로 판단되었으며, 인공 자유면이 존재하는 경우, 존재하지 않는 경우에 비해 파쇄체적 및 파쇄효율이 모두 증가하는 경향을 보였다. 이는 인공 자유면이 실제 자유면과 동일한 역할을 수행함에 따라 최소저항선의 감소효과를 야기하는 것으로 판단되었으며, 실험 결과를 토대로 발파 공경 및 최소저항선에 대한 발파 파쇄체적의 상관관계를 도출 및 경험적 설계 기준을 제안하였다. 결론적으로, 인공 자유면 발파를 수행 시 발파 공경 대 최소저항선의 비가 약 5에서 8사이의 값을 갖도록 설계하는 것이 가장 이상적인 표준발파 조건에서의 파쇄효과를 기대할 수 있을 것으로 판단되었다.

Ground vibration is one of the remarkable issues in tunnel blasting. In recent studies, to improve the fragmentation with reduction of ground vibration in tunnel blasting, a vibration-controlled blasting method with artificial cutting slot near the center-cut holes has been suggested. This study examines the effect of the different arrangement of artificial cut-slot on the vibration reduction and fragmentation by performing the full-scaled concrete block blast experiments and the numerical simulations with 3D-DFPA. The results show that the existence of artificial slot contributes to the improvement of vibration reduction, blast fragmentation and the efficiency of the cutting slot blast. It can be explained that the artificial slot play a free surface role and should decrease the burden between the cut holes. Crater volumes of the blasted concrete blocks were measured by 3-dimensional digital image analysis and compared with the ideal standard crater volume which can be calculated by theoretical standard blast design method. As a result, the ratio of burden and hole diameter which should achieve the standard crater in the cut-hole blasting were suggested.

Fig. 1. Schematic of concrete block specimens with different arrangement of artificial slots

Fig. 2. Experimental setup for measuring the blast-induced acceleration

Fig. 3. Acceleration profiles for each blast cases

Fig. 4. 3D reconstructed images of the tested concrete block specimens

Fig. 5. Estimated fragmented volumes for the tested concrete block specimens

Fig. 6. Photographs of blasting debris for each experimental cases

Fig. 7. Particle distribution with CMPF curve for each experimental cases

Fig. 8. Vibration reduction ratio by different artificial slot arrangements

Fig. 9. 3D-DFPA simulation for Case 2 test

Fig. 10. The histogram of particle distribution for each tested cases

Fig. 11. Blast fragmentation by different artificial slot arrangements

Fig. 12. The corrected particle distribution with CMPF curve for each experimental cases

Fig. 13. Empirical design criteria for suitable artificial slot blasting

Table 1. Specification of the full-scaled concrete blocks

Table 2. Evaluated crater volume for each experimental cases

Table 3. Major parameters of particle distribution analysis result

Table 4. Calculation result of peak acceleration and vibration reduction ratio by different artificial slot arrangements

Table 5. Major parameters of particle distribution analysis result - Corrected

Table 6. Calculated parameters for artificial slot blasting design