뇌관 종류에 따른 터널 발파 진동 영향 분석 = Tunnel Blasting Vibration Effects According to Detonator Types

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 터널 발파 시 사용되는 전자뇌관과 비전기뇌관의 발파진동 특성을 정량적으로 비교 분석함으로써, 진동 저감 성능과 구조물 안정성 확보 측면에서 전자뇌관의 실효성을 규명하는 데 목적이 있다. 터널 굴착은 도심지 개발 및 기반시설 확장에 있어 필수적인 공정이나, 발파로 인해 발생하는 진동은 인접 구조물에 균열, 부등침하 등의 피해를 유발할 수 있어 이에 대한 정밀한 관리가 요구된다. 특히 기존 비전기뇌관은 ±10% 수준의 시차 오차로 인해 파동 중첩 및 진동 증폭의 가능성이 존재하며, 이에 대한 대안으로 고정밀 기폭제어가 가능한 전자뇌관의 활용성이 부각되고 있다.
이를 위해, 서울 OO정수장 하부를 통과하는 도시철도 구간을 대상으로, 총 4회에 걸친 시험발파를 수행하였다. 이 중 1~3차는 비전기뇌관을, 4차는 전자뇌관을 적용하였으며, 각 시험발파에서 최대입자속도(PPV) 및 진동레벨 데이터를 계측하였다. 계측된 데이터는 거리 및 장약량을 고려한 회귀분석을 통해 진동 예측식을 도출하였으며, 이로부터 허용장약량 및 허용 이격거리 산정이 이루어졌다. 아울러, 동일한 지반조건과 단면을 적용한 2차원 유한요소 수치해석을 수행하여 수직 및 수평 방향 진동 감쇠 특성, 수직 진동속도()의 변화 경향을 분석하였다.
연구 결과, 전자뇌관은 비전기뇌관 대비 평균 약 45% 이상의 진동 저감 효과를 보였으며, 특히 수직 이격거리 5 m 지점에서는 약 59%의 진동 감쇠율이 확인되었다. 수치해석 결과와 계측값의 비교에서는 전체 추세가 유사하게 나타났으며, 이는 해석 모델의 신뢰성을 뒷받침하였다. 또한, 수직 진동속도 분석에서는 전자뇌관이 짧은 진동 주기 및 빠른 감쇠 특성을 보였고, 진폭 감쇠율 역시 비전기뇌관 대비 평균 5% 이상 높은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 전자뇌관의 고정밀 시차 제어가 파동 간 간섭을 억제하고, 구조물에 전달되는 진동을 효과적으로 저감함을 시사한다.
이를 실제 현장 발파 실험과 수치해석 결과를 종합적으로 활용하여 전자뇌관의 진동 저감 성능과 발파 설계 적용 가능성을 입증하였다. 이는 도심지 터널 시공 및 민감 구조물 인접 구간에서의 제어발파 설계 시, 보다 정밀하고 안전한 기준을 제공하는 데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to quantitatively compare the blast-induced vibration characteristics of electronic and non-electric detonators used in tunnel excavation, thereby verifying the effectiveness of electronic detonators in terms of vibration mitigation and structural stability. Tunnel blasting is an essential process for urban development and infrastructure expansion, but it generates the ground vibrations that may lead to structural damage such as cracks and differential settlement in adjacent facilities. Conventional non-electric detonators, which exhibit a firing time deviation of approximately ±10%, can cause overlapping waveforms and amplified vibrations. In contrast, electronic detonators, capable of high-precision timing control, have emerged as a promising alternative.
To evaluate their performance, four field blasting tests were conducted at Section 2 of the Byeollae Line (Line 8 extension), which runs beneath the Amsa Water Purification Plant in Seoul. The first three tests employed non-electric detonators, while the fourth used electronic ones. Peak Particle Velocity (PPV) and vibration levels were measured for each case. The collected data were used to derive a regression-based vibration prediction equation, accounting for blasting distance and charge weight. Allowable charge weights and safe distances were then estimated accordingly. In addition, two-dimensional finite element analyses (FEA) were carried out under identical geological and geometrical conditions to examine the attenuation of vertical and horizontal vibrations, as well as variations in vertical particle velocity ().
The results showed that electronic detonators reduced vibration levels by an average of over 45% compared to non-electric ones. In particular, at a vertical offset of 5 meters, the reduction rate reached approximately 59%. The comparison between measured and simulated values revealed similar trends, confirming the reliability of the numerical model. Furthermore, the analysis of indicated that electronic detonators induced shorter vibration cycles and faster damping, with amplitude attenuation rates exceeding those of non-electric detonators by approximately 5 percentage points on average. These findings suggest that the precise delay control of electronic detonators effectively suppresses wave interference and minimizes vibration transmission to surface structures.
By integrating field test results and numerical simulations, this study successfully validated the vibration control performance and design applicability of electronic detonators. The outcomes are expected to serve as a practical reference for controlled blasting design in urban tunneling projects, particularly in vibration-sensitive areas requiring enhanced construction safety and precision.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 내용 및 범위 3
• 제 2 장 이론적 배경 5
• 2.1 터널발파의 기본 개념 5
• 2.2 심발공법 7
• 2.3 조절발파 공법 9
• 2.4 뇌관 종류 11
• 2.5 발파 영역 13
• 2.6 발파진동의 평가 기준 16
• 2.7 발파진동의 예측식 및 감쇠 18
• 2.8 발파하중 계산 20
• 2.9 연구동향 23
• 제 3 장 현장계측 34
• 3.1 개요 34
• 3.2 현장계측 구간 및 시험발파 34
• 3.3 비전기뇌관 시험발파 설계 37
• 3.4 계측 계획 41
• 3.5 1‧2차 시험발파(비전기뇌관) 43
• 3.6 3차 시험발파(비전기뇌관) 49
• 3.7 4차 시험발파(전자뇌관) 53
• 3.8 뇌관 종류에 따른 발파진동 특성 비교 59
• 3.9 소결 63
• 제 4 장 수치해석 65
• 4.1 개요 65
• 4.2 Plaxis 2D 66
• 4.3 해석모델 및 입력변수 69
• 4.4 경계조건 71
• 4.5 감쇠계수 73
• 4.6 데이터 분석구간 75
• 4.7 수치해석 결과 76
• 4.8 소결 88
• 제 5 장 결론 89
• 참고문헌 91
• ABSTRACT 96