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구조물공

510

구조물공

도로구조물 발파진동 허용기준(안) 기술심사처-2722

(2015.11.23)

1 추진목적

o 고속도로 시설물에 대한 발파진동 기준이 없어 시설물 특성에

맞는 합리적 기준 수립 필요

o 시설물 및 주행차량의 안전 확보를 통한 국민안전 향상

< 발파진동 >

․화약류를 폭발시켰을 때 발생되는 지반진동

․발파진동에 의한 구조물의 피해정도는 진동속도(cm/s)로 제한

2 추진현황

o 2013.05.～2014.11. 관련연구 수행(실무부서 연구과제)

- 고속도로 하부 터널공사에 따른 도로영향 검토

o 2014. 10~11 관련전문가 및 한국터널지하공간학회 자문 수행

o 2015. 01 2015 국민행복 新100約과제 선정

o 2015. 03 한국지반공학회 학술발표회 발표

o 2015. 06 전문가 의견수렴을 위한 공청회 개최

- 대한토목학회 및 한국지반공학회 공동 주관

o 2015. 10 관련부서 의견수렴

- 도로처, 재난안전처, 건설처, 설계처

o 2015. 11 설계기준심의

- 심의결과 : 조건부 채택

268 ❙ 구조물공

3 현행기준 및 문제점

□ 현행기준

o 고속도로 전문시방서(한국도로공사)

구 분 가축류

문화재,

진동예민구조물

가옥

(조적)

가옥

(RC조)

공업용

건물

철골

구조

발파진동

속도(cm/sec)

0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 5.0

o 터널표준시방서(국토교통부)

구 분 문화재 조적식

구조물

지하기초와

콘크리트

슬래브 건물

철근콘크리트

골조

중소형구조물

철근콘크리트

골조

대형구조물

발파진동

속도(cm/sec)

0.2∼0.3 1.0 2.0 3.0 5.0

□ 문 제 점

o 현행기준이 가축 및 건축물을 대상으로 규정되어 있어 도로

시설물(교량, 터널, 암거, 포장 등) 특성 미반영

☞ 도로시설물별 특성을 반영한 허용진동기준 필요

o 도로시설물에 대한 허용기준 부재

- 타기관에서 도로시설물 인접구간 공사시 발파공법 선정에 대한

분쟁 발생(건축물 진동기준 1.0~2.0cm/sec 준용 적용)

☞ 합리적 기준 수립 필요

- 자체 공사의 경우 도로시설물에 대한 안전관리 미시행

☞ 고속도로 주행차량의 안전 확보를 위한 관리기준 필요

구조물공 ❙ 269

구조물공

4 검토내용

추진방향

▣ 안전성 및 경제성을 고려한 도로시설물 발파진동 허용기준 제시

▣ 산 학 연 관련전문가 검증을 통한 합리적 기준 수립

□ 국내․외 자료 조사 분석

o 국외 기준(34개 국가)

- 국가별 특성, 시설물별 구조형식, 재료특성, 지반조건, 측정위치,

진동속도 성분 등에 따라 다양한 기준 제시

- 구조물의 진동수를 고려하여 구조물 특성 반영

o 국내 기준(15개 기관)

- 대부분 가축과 건축물에 대한 기준 적용

- 일부 기관의 경우 토목구조물에 대한 구조물 진동수 고려

o 진동과 시설물의 상관 관계 분석 연구 수행

- 발파현장 계측을 통한 진동과 시설물 상관관계 분석

※ 수도권고속철도(수서～평택) 등 3개 현장 115 개소

- 환경분쟁조정위원회 구조물 피해 분쟁사례 분석(47건)

- 국내 현장 계측자료 분석(97개 현장)

□ 도로시설물 허용진동 기준 검토

o 도로시설물 특성을 반영한 허용진동 기준 제시

․도로시설물의 구조형식, 재료특성 및 중요도 등을 고려한 관리 대상

시설물 결정

- 관리대상 : 교량, 터널, 암거, 옹벽, 포장, 중앙분리대, 매설관

․도로시설물의 진동수를 감안한 허용진동 기준 제시

- 도로시설물의 진동영향 수치해석 및 이론적 검토를 통해

구조물별 허용진동기준 검증 수행

270 ❙ 구조물공

□ 전문가 의견수렴 및 검증

o 전문가 및 학회(한국터널지하공간학회) 자문 (2014. 11)

< 주요의견 >

․현재 운영중인 안전진단 등급을 활용한 구조물 노후도 고려

․시설물의 용도와 중요도를 고려하여 제시 기준의 조정 필요

․향후 계측자료 축적시 기준 조정이 가능하도록 조치 필요 등

o 한국지반공학회 정기 학술발표회 논문 발표 (2015. 3)

※ 참여분야 : 재해대책/지반진동 세션

o 학회 공동주관 공청회 개최 (2015. 6)

- 패널 토론 및 관련전문가 의견수렴 : 한국지반공학회장 등 100여명

※ 주관 : 우리공사, 한국지반공학회, 대한토목학회

< 주요의견 >

․기존 구조물에 대한 상태를 평가하고 노후도를 고려한 기준 제시

․파급효과가 크므로 안전성과 경제성을 종합적으로 고려한 기준

수립 필요 등

o 관련부서 의견 수렴 (2015. 10)

< 주요의견 >

․공용연수 30년 이상인 구조물에 대한 기준 강화 필요

․연약지반 등 구조물 변위 발생 가능성이 있는 경우 기준 강화 필요

․노후 구조물 대상 범위 규정 필요 등

※ 관련부서 : 재난안전처, 도로처, 건설처, 설계처

□ 설계기준심의 (2015. 11)

o 심의결과 : 조건부 채택

< 주요의견 >

․구조물이 복합적으로 존재하는 경우 적용 방법 명확화 필요

․포장의 경우 저주파수 대역과 고주파수 대역의 기준 연속화 필요

․100Hz 이상의 진동에 대한 기준 제시 필요 등

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구조물공

5 허용기준(안)

□ 허용기준(안)

도로시설물

충격진동(cm/sec)

10Hz 미만 10-50Hz 50Hz 초과

교량, 터널, 암거,

옹벽, 방음벽 기초

2.0 2.0 ～ 4.0 4.0

포장

콘크리트 1.5 1.5 ～ 2.0 2.0

아스팔트 7.5 7.5 ～ 10.0 10.0

중앙분리대 6.0 6.0 ～ 8.0 8.0

매 설 관 3.0

※ 10～50Hz 구간 : 보간법 적용(소수 첫째자리 절사)

o 노후 구조물(시설물 상태평가등급 C 이하 또는 공용연수 30년 이상)

- 기준치의 1/2 적용

※ 대상 : 교량, 터널, 암거 및 옹벽

o 구조물 변위가 발생할 가능성이 있는 지역(연약지반, 암성토 및

이암성토 구간 등)

- 현장여건을 감안하여 기준 강화 적용 가능

o 도로구조물내 예민시설(전자장비 등)이 포함된 경우

- 제조사의 권장 진동기준 적용

o 도로시설물이 복합적으로 존재하는 경우

- 대상시설물중 가장 엄격한 시설물의 기준 적용

o 기타사항

- 시험발파, 계측방법 등 본 기준에서 규정하지 않은 사항은 “도로

공사 노천발파 설계․시공지침”(국토부) 적용

- 구조물 특성 등 현장 여건을 고려하여 필요시 정밀수치해석 수행(붙임 #1)

272 ❙ 구조물공

□ 세부 적용방안

o 적용대상 : 공용중 고속도로 시설물

o 적용방법

- 실시설계 단계 : 10-50Hz의 평균값을 적용하여 공사비를 산출

도로구조물 충격진동(cm/sec)

교량, 터널, 암거, 옹벽, 매설관 3.0

포장

콘크리트 1.7

아스팔트 8.7

중앙분리대 7.0

- 시공 단계 : 시험발파를 통해 계측된 시설물의 진동수를 고려하여

허용기준 적용 및 발파공법 확정

※ 계측 : 구조물 기초부에서 PPV(Peak Particle Velocity) 성분으로 측정

※ 발파업무 흐름도(붙임 #2 참조)

실시설계 단계 시공 단계

현황조사

발파영향권

분석

발파설계

(공사비산출)

시험발파

발파설계

(확정)

➡ ➡ ➡ ➡ 공사시행

6 기대효과

□ 시설물 특성에 맞는 합리적 기준수립 및 안전한 시공관리를 통한

국민안전 구현

□ 획일적이고 과도한 기준 개선를 통한 국가예산 절감(44억원/년)

□ 국내 최초 도로시설물별 발파진동 허용기준 수립으로 도로기술 선도

붙임 : 1. 발파업무 흐름도

2. 발파진동 수치해석 가이드라인

구조물공 ❙ 273

구조물공

 

붙임 1 발파 업무 흐름도

주변환경 및 대상 구조물의 상황조사

발파영향권 분석

․발파공해 허용 기준치

․설계 발파진동 추정식 적용

․발파영향권 범위 선정

실시설계단계

발파설계

․지발당 장약량 산출

․이격거리별 발파패턴 및 발파공법 선정 및 설계

․발파 예상공사비 산출

시험발파 실시 발파진동 측정

시험발파 결과 분석

․현장 발파진동 추정식 산출

․지발당 장약량 산출

미진동 굴착공법 발파공해 저감 대책

․브레이커

․최소단위이하 발파

․미진동파쇄

․유압JACK 등

․지발당 장약량 조절

-비전기식 뇌관(무한단차)

-다단식 발파기(시간차조절)

․방진공 천공

․방호시설 설치

시공 단계

발파공법 선정

굴착설계 발파설계(확정)

․굴착공법 선정

․굴착방법

․굴착공사 기간

및 공사비 산출

․폭약의 종류 및 지발당 장약량

․뇌관의 종류 및 배열방법

․이격거리별 발파패턴 확정

․발파공사 시방서 작성

공사 실시 계측 실시

274 ❙ 구조물공

붙임 2 발파진동 수치해석 가이드라인

□ 발파진동 수치해석 절차

발파 수치모델 구축

지반의 전단파 속도(Vs) 산정

진동감쇠식의 K, n 산정

n으로부터 지반의 감쇠비(ξ) 산정

n과 K로부터 입력하중 산정

PPVpredicted / PPVmeasured < 허용오차

발파진동 수치해석 수행

Yes

No

※ 본 가이드라인은 수치해석을 위한 참고자료임

Step 1

Step 2

Step 3

Step 4

Step 5

Step 6

Step 7

구조물공 ❙ 275

구조물공

□ Step별 세부 추진내용

Step 1 발파수치모델 구축

∙요소크기, 파쇄영역 및 경계조건 설정

□ 요소크기

- 동적해석에서 솔리드(Solid) 요소 크기는 전파되는 최대

주파수를 결정. 요소의 최대 크기()는 Kuhlemeyer and

Lysmer (1973)가 제안한 최소값보다 작게 적용.

   



□ 파쇄영역

- 다수의 발파공이 한 조를 이루어 동시에 폭발되지만 이를

개별적으로 모델링하는 것은 불가능함. 따라서, 다수의 발

파공을 하나의 가상영역 설정함.

- 원으로 모델링할 경우 방사방향으로 전파되는 진동전파

모사가 용이함.

□ 경계조건

- 반사파를 제어하기 위해 하부 및 측면에는 점성경계를 적용

해야함.

- 점성경계조건은 경계면에 전파되는 진동을 흡수할 수 있어

실제 무한한 경계를 효과적으로 모사함.

Step 2 지반의 전단파 속도 산정

∙전단파 속도(Vs)는 지반조사 결과를 통해 산정함.

276 ❙ 구조물공

Step 3 진동감쇠식의 발파상수(K), 감쇠지수(n) 산정

∙시험발파 계측기록을 통해 산정하거나 암발파 설계 지침

연구 최종보고서(건설교통부, 2006)에 제시된 값 사용

Step 4 감쇠비 산정

∙감쇠지수(n) - 지반감쇠비(ξ) 차트를 이용하여 감쇠비 산정

∙Rayleigh damping의 과 은 발파기록의 주파수특성을

고려하여 결정

감쇠지수(n)- 지반감쇠비(ξ) 차트

Step 5 발하파중 결정

∙발파상수(), 감쇠지수()의 상관관계를 통해 하중 결정

∙2차원 해석을 위한 하중 보정계수, 

- 파쇄영역의 반경이 1m 일 때,    ·

  · 

구조물공 ❙ 277

구조물공

Step 6 검증 (PPVpredicted / PPVmeasured < 허용오차)

∙최종적으로 계산된 결과와 계측기록 비교

☞ 허용오차 만족 여부 판단

Step 7 발파진동 수치해석 수행

∙구축된 해석툴, 하중 및 감쇠비를 적용하여 발파진동

수치해석 수행