KTA 2014 Annual Conference / April 23, 2014 / Seoul  / Korea

연마재 워터젯을 이용한 암반굴착

Rock Excavation using Abrasive Waterjet

오태민1), Tae-Min Oh, 조계춘2), Gye-Chun Cho

1) 한국과학기술원 건설및환경공학과 박사후연구원, Post-doctoral Fellow, Department of Civil and Environmental Engineering, KAIST

2) 한국과학기술원 건설및환경공학과 교수, Professor, Department of Civil and Environmental Engineering, KAIST

SYNOPSIS : This study focuses on cutting performance characteristics by continuous erosion for hard rock with various waterjet parameters (i.e., water pressure, water flow rate, abrasive feed rate, standoff distance, or uniaxial compressive strength); this type of cutting is applied in tunneling using abrasive waterjet technology. A fundamental understanding of abrasive waterjet performance is attained with an emphasis on the erosion mechanism and characterization with effective parameters. In addition, a new vibration-reduced excavation method using an abrasive waterjet is developed and verified thorough the numerical and experimental studies.

Key words : Abrasive waterjet, rock excavation, pre-cutting free surface, rock cutting

1. 서  론

도시가 팽창함에 따라 한정된 구역에서 효율적인 공간활용을 위한 지하공간 창출은 필수적이다. 암반굴착에 있어서 기존 굴착공법은 심각한 수준의 진동으로 인하여 주변건물에 균열을 발생시킴과 동시에 대상 굴착면의 손상을 가져와 지하공간 안정성에 부정적 영향을 끼친다. 본 논문은 연마재 워터젯 기술을 암반굴착에 적용하여, 기존의 부정적 영향을 최소화 하는데 그 목적이 있다. 워터젯 암반굴착의 효율적인 적용을 위해 실험적 연구 그리고 활용 연구로 나누어 수행하였다.

2. 워터젯 변수가 암석 절삭에 미치는 영향

2.1 실험구성 및 준비

연마재 워터젯 절삭 실험은 13종의 서로 다른 암석시편을 이용하여 실시되었다. 암석시편은 경암 수준의 화강암 4종 그리고 세일 2종을 준비하였다. 약한 암석에 대한 절삭실험을 위해 7종의 콘크리트 시편을 준비하였다. 콘크리트 시편은 서로 다른 배합비를 적용하여 다양하게 낮은 강도가 발현되도록 하였다. 모든 시편은 International Society for Rock Mechanics (ISRM)에 따라 물성시험을 수행하였다.

3. 워터젯을 이용한 터널굴착 공법

본 연구에서 제안하고 있는 암반굴착 공법은 연속적인 자유면을 선행 생성한 후 발파과정을 통해 굴착을 수행하는 공법이다. 실내실험에서 도출된 워터젯 최적변수를 이용하여 일련의 자유면 생성은 막장 단면의 굴착 계획선을 따라 일정한 깊이만큼 절삭하게 된다. 연마재 워터젯을 이용한 대상암반의 절삭은 Fig. 3과 같이 터널형상 프레임과 노즐 이동 레일을 이용하여 터널 계획선과 동일한 형태로 절삭하게 된다. 자유면 형성이 완료되면, 굴착단면에 장약 설치를 위한 천공작업을 수행하고 발파를 진행하게 된다. 일반적인 터널 굴착공법에서 요구되는 다수의 최외곽공은 워터젯 자유면으로 대체되어 자유면 역할을 한다. 연속적인 자유면은 Fig. 3과 같이 자유면에서 발파에너지가 반사되어 상부 지반으로 발파에너지가 전파되는 것을 최소화시킨다. 이와 같은 연속적인 자유면의 역할은 지표면의 진동 저감뿐만 아니라 발파 에너지가 목표하는 굴착지역에 집중되어 높은 굴착 효율을 기대할 수 있다. 또한 일반 발파굴착 시 빈번히 발생하는 미굴 및 여굴의 최소화를 기대할 수 있다.

Fig. 1. Test setup and an example of the cutting result using abrasive waterjet

대상 물질변수의 영향은 일축압축강도를 기준으로 분석하였다. 실험결과, 일축압축강도의 증가는 절삭 효율을 감소시킨다. 그러나 일축압축강도가 경암(약 150 MPa) 이상으로 단단한 상태일 경우, 일축압축강도로부터의 절삭 성능의 변화는 미미해짐을 확인 할 수 있었다.

4. 결  론

본 연구에서는 실내 실험에서 도출된 최적 워터젯 변수를 바탕으로, 워터젯 절삭을 이용한 암반 굴착공법을 개발하였다. 이상의 연구로부터 얻어진 주요 결론을 요약하면 다음과 같다. 선행 자유면에 의해 발파진동이 굴착선 밖으로 전달되지 않기 때문에 발파진동과 동시에 발파에 의한 암반 손상영역을 획기적으로 감소시킬 수 있어 터널의 안정성 확보에 도움을 줄 것으로 기대된다. 그리고 굴착 후 여굴 및 미굴이 거의 발생하지 않기 때문에 추가적인 보강비용과 공사 기간의 단축이 가능할 것으로 판단된다.

참고문헌

1. Evans, A. G., Gulden, M. E., and Rosenblatt, M. (1978), “Impact Damage in Brittle Materials in the Elastic-Plastic Response Régime”, Proc. R. Soc. Lond. Series A.,Vol. 361, pp. 343～365.

2. Gensheng, L., Zhongwei, H., Jilei, H., Riji, C., and Wei X. (2007) "The Productivity-Enhancing Technique of Deep Penetrating Perforation with a High-Pressure Water Jet", Pet Sci Technol, Vol. 25, pp. 289～297.