Research Article

The Journal of Engineering Geology. September 2020. 327-345
https://doi.org/10.9720/kseg.2020.3.327


ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  • 제주 거문오름 용암동굴계의 지질 및 동굴현황

  •   지질

  •   동굴현황

  • 연구 내용 및 방법

  •   연구지역 선정

  •   조사 및 시험 내용

  • 조사 및 시험 결과

  •   시추조사 결과 및 암반분류

  •   발파진동 계측결과

  • 결과해석 및 고찰

  •   발파 거리에 따른 진동영향 해석

  •   진동속도와 진동레벨의 상관관계 분석

  •   암반등급에 따른 진동영향 분석

  •   진동 영향범위 평가

  •   기존 추정식과의 비교

  • 결 론

서 론

제주도에는 수많은 용암동굴이 분포하고 있으며, 동굴 주변에서 건설 및 개발로 인해 발생되는 지반진동은 동굴에 직접적인 영향을 미칠 수 있다. 제주도 용암동굴에서의 진동 발생 특성은 진동원과 동굴과의 거리, 구성 암종, 불연속면 발달상태, 풍화정도, 지하수의 유무 등 동굴 주변의 지반상태에 영향을 받는다.

진동피해는 인체에 대한 정신적 피해와 구조물에 대한 물적 피해로 구분되며, 인체 감응에 미치는 피해는 진동레벨로 평가하고 구조물에 미치는 물리적 영향은 진동속도로 평가하는 것이 일반적이다. 제주도 용암동굴 역시 구조물로 구분될 수 있으며, 이에 대한 진동 영향을 평가하기 위해서는 자승근 및 삼승근 환산거리에 의한 추정방식이 유용하게 사용될 수 있다. 자승근 환산거리 또는 삼승근 환산거리에 대한 연구는 Hendron의 제안으로 발파진동에 적용되기 시작하였으며(Ambraseys and Hendron, 1968), 발파진동을 추정하기 위한 식은 지금까지 다수의 연구자들에 의해 제안되었다(Lee, 2017).

진동속도 추정에 가장 널리 사용되는 식은 미 광무국(U.S. Department of Interior, Bureau of Mines, USBM) 고시 제656호(Nicholls et al., 1971)에 제시된 식이다. 국내에서도 자승근 환산거리 및 삼승근 환산거리식에서의 발파 진동상수(k)와 감쇠지수(n)를 도출하기 위한 많은 연구들이 수행되어왔다. Lim and Kim(1992)은 화강암, 편마암, 사암 등 암종에 따른 자승근 및 삼승근 환산거리에 대한 발파 진동상수와 감쇠지수(k와 n)를 평가한 바 있으며, Ryu and Lee(1979), Lee and Kim(1987), Yang and Ju(1990)은 석회석 및 편마암을 대상으로 k 및 n값에 대한 평가를 수행하였다. Kim et al.(1994)은 발파진동상수와 감쇠지수 산정 시 암종에 따른 구분이 필요함을 지적하였고, 실측결과를 바탕으로 발파진동 추정식을 화강암, 편마암, 그리고 석회암으로 구분하여 제안하였다. 한편, 우리나라의 국토교통부(MCT, 2003)에서도 발파진동 추정식을 제시하였으며, 이는 k = 160, n = -1.6을 사용한 신뢰도 75%의 식으로 전술한 미 광무국 식을 근간으로 하고 있다. 또한, 2006년 12월에는 국내 도로공사 현장의 실 계측 자료로부터 k = 200, n = -1.6을 적용한 신뢰도 84%의 식을 ‘도로공사 노천발파 설계 ‧ 시공 지침’에 수록하여 발표하였다(MCT, 2006). 기존의 연구결과를 종합해 볼 때, 진동속도 추정방식을 결정하는 부분에서 k값과 n값이 대상지역 지질특성에 따라 매우 큰 편차를 보이는 것으로 확인되므로 반드시 주어진 환경에서 계측을 통한 발파진동추정식을 산정할 필요가 있다.

제주도에서는 생활권역 및 문화권역이 넓어짐에 따라 동굴에 영향을 미칠 수 있는 개발공사가 점차 더 많아지고 있는 실정이다. 따라서 지반진동이 동굴에 미치는 영향을 평가하고 이에 대한 적합한 대책을 수립하여야 하지만 제주도의 용암동굴과 관련된 진동 연구뿐만 아니라 국내 자연동굴과 관련된 연구도 전무한 상태이다. 또한, 현재 일반적으로 사용되고 있는 건설장비에 의한 진동속도를 추정하는 방식은 아직까지도 수십 년 전 외국에서 제안된 일부 자료만을 근거로 하고 있다. 제주도의 지반 특수성을 감안한 진동속도의 추정값은 실제값과 큰 차이가 있을 수 있으므로 용암동굴 보존과 관리를 위한 과학적 근거 및 기준을 마련할 필요가 있다.

본 연구에서는 제주 용암동굴과 관련된 현장에서의 계측과 실험을 통해 거문오름동굴계에 부합되는 진동특성을 평가하고 이를 기반으로 효율적인 용암동굴 관리보존 대책의 학술적 근거 및 기준을 마련하고자 하였다.

제주 거문오름 용암동굴계의 지질 및 동굴현황

지질

연구지역의 기반암은 침상장석현무암 또는 온평리알칼리현무암(표선리현무암) 등으로 명명되어 있다. 용암류 지역은 고도 350 m 높이에서부터 북동부 해안까지 노출되고 하부에 2~3개의 동굴계를 형성한다. 그 중에서 동쪽의 거문오름 동굴계가 뚜렷하고 단속적으로 연결된다. 용암류의 표면은 일반적으로 해안 가까이서 넓은 지역에 걸쳐 평탄하지만 남서부로 가면서 완만한 경사를 이루며, 전체적으로 작은 언덕을 많이 가진다. 용암류에 의해 형성된 현무암은 암회색에서 담회색을 띠고 다공상 내지 괴상이며 작은 감람석과 휘석을 반정으로 함유한다. 기공은 구형 내지 타원형이고 2~50 mm 범위의 크기이며 최고 약 40%의 기공을 차지한다. 이 기공은 흐름단위의 상단에 가장 밀집되어 있고 하단에 다소 적게 분포하며 중간에는 거의 없는 경우가 많다(Hwang et al., 2005).

한국농어촌공사(Korea Rural Community Corporation, 1971)에서는 연구대상 지역의 지질을 층서상 최하위에 침상장석감람석현무암이 분포하며, 그 위에 분석구들이 놓이는 것으로 분석한 바 있다. 또한, Lee(1982)는 분포하는 용암류들은 모두 제주도 형성과정에서 용암대지를 형성하는 제2단계의 현무암으로 해수면상에서 지표에 분포하는 암석 중 층서상 최하위에 놓이는 용암류로 평가하였다. 이후 제주 ‧ 한림도폭에서는 연구지역의 북서쪽 부분을 선흘리 현무암질 안산암으로 기재하고, 성산도폭(Won et al., 1993)에서의 덕천리알칼리현무암의 연장부로 인식하였다(Park et al., 1998). 또한 제주도 북동부 지역은 암석학적 연구(Won et al., 1998)에서 해안지대에 넓게 분포하는 온평리알칼리현무암(Won et al., 1993: 0.67 ± 0.03~0.60 ± 0.13 Ma)과 중산간의 덕천리알칼리현무암(Won et al., 1993: 0.37 Ma)으로 구분하여 기재하였으며, 해발고도가 높아짐에 따라 암석연대가 젊어진다고 보고하였다.

동굴현황

Fig. 1에서는 거문오름 용암동굴계에 속하는 만장굴과 용천동굴을 보여주고 있다. 만장굴은 제주시 구좌읍 동김녕리에 위치하는 천연기념물 제98호이다. 총 길이가 약 7,416 m이며, 부분적으로 2층 구조를 갖으며, 주 통로의 폭이 18 m, 높이가 23 m에 이르는 것으로서 세계적으로도 큰 규모이다. 만장굴 내에는 용암종유, 용암석순, 용암산호, 용암곡석, 용암기포 등의 다양한 용암동굴생성물이 발달되며, 개방구간 끝에서 볼 수 있는 약 7.6 m의 용암석주는 세계에서 가장 큰 규모로 알려져 있다. 그 외에도 용암이 흐르면서 남겨 놓은 구조인 용암유선, 승상용암, 용암교, 다층구조, 용암선반, 용암표석 등 용암동굴의 뛰어난 지형이 동굴 내에 남아있다(Woo et al., 2007).

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Fig. 1.

(a) Map of the Geomunoreum lava tubes system, (b) view inside Manjanggul lava tube, (c) view inside Yongcheondonggul lava tube.

용천동굴은 제주시 구좌읍 월정리에 위치하는 천연기념물 제466호이다. 2005년 5월 전신주 공사 도중 우연히 발견되었으며, 측정된 동굴의 현재 길이는 약 2.5 km이다. 동굴의 통로는 폭 7~15 m, 높이 1.5~20 m 정도이다. 동굴 내부에는 용암유선, 용암선반, 용암두루마리, 용암폭포 등의 지형이 발달되며, 종유관, 종유석, 석순, 석주, 휴석, 동굴팝콘, 동굴진주 등 석회동굴에서 흔히 볼 수 있는 다양한 동굴생성물이 성장하고 있다. 특히 나무뿌리를 따라 유입된 석회성분이 광물로 자라난 석회동굴에서는 볼 수 없는 기묘한 형태의 동굴생성물은 용천동굴의 특징이다(Woo et al., 2007).

연구 내용 및 방법

연구지역 선정

Fig. 2는 만장굴과 용천동굴을 대상으로 지반상태를 평가하기 위해 선정한 각 동굴의 대표지역 2개소의 위치를 보여주고 있다. 만장굴의 경우 만장굴 입구부 북쪽의 미공개구간 20~100 m 구간을 대상으로 하였으며, 용천동굴의 경우 1132 지방도 상의 만장굴 입구 삼거리가 포함되는 입구부 북쪽 80~300 m 구간을 대상으로 하였다.

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Fig. 2.

Location of survey areas: (a) Manjanggul lava tube, (b) Yongcheondonggul lava tube.

조사 및 시험 내용

시추조사는 지층의 수직적 ‧ 수평적 분포 분석 및 제반 공학적 특성을 파악하기 위해 실시하였으며, 시추규격은 NX로 하였다. 시추조사는 만장굴과 용천동굴 주변에서 각각 2공씩 총 4공을 수행하였으며, 조사위치 및 내용은 Table 1과 Fig. 3에 나타내었다. 또한, 시추조사로 회수된 시추코어를 대상으로 RMR과 Q-system 분류를 적용하여 지반상태를 평가하였다.

Table 1.

Location and details of drilling survey

Lava tube Hole No. Location (TM) Elevation
(m)
Drilling depth
(m)
Core size
X Y
Manjanggul BH-1 178659.630 103958.258 79.79 26.0 NX
BH-2 178669.075 103961.408 79.57 28.0 NX
Yongcheondonggul BH-3 179399.348 106275.305 37.93 25.0 NX
BH-4 179422.767 106256.039 38.27 25.0 NX
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Fig. 3.

Location map of drilling survey: (a) Manjanggul lava tube, (b) Yongcheondonggul lava tube.

현장 진동시험은 시추공(BH-1, 2, 3, 4)과 지표에서 발파를 수행하여 진동원을 형성시키고 동굴 내부에서 진동계측기를 이용하여 진동속도 및 진동레벨을 측정하는 방식으로 수행하였다.

만장굴의 경우 동굴 동쪽으로 3개의 진동속도계측기 및 1개의 진동레벨 계측기 설치하고 BH-1, 2공 및 지표에서 수행하는 발파진동을 측정하였으며, 용천동굴의 경우 동굴 서쪽에 3개의 진동속도계측기 및 1개의 진동레벨 계측기 설치하여 BH-3공 및 지표에서 실시하는 발파진동을 측정하였다(Table 2). 계측기 거리는 동굴내부 현황 및 발파원과의 거리 등을 고려하여 설정하였으며, 만장굴은 약 8 m, 10 m 간격으로 계측기를 설치하고 용천동굴은 약 6 m, 7 m 간격으로 각각 진동속도계측기를 설치하였다. 진동레벨 측정기는 진동원에서 가장 가까운 진동속도계측기와 같은 위치에서 계측을 수행하였다(Fig. 4).

Table 2.

Locations of installation and types of measurements

Lava tube Measurement No. Location Elevation (m) Types of measurement
N E
Manjanggul M-1 178649.55 103954.89 69.6 PPV / dB(V)
M-2 178649.57 103944.59 69.7 PPV
M-3 178649.59 103936.69 69.8 PPV
Yongcheondonggul M-4 179411.76 106265.53 20.4 PPV / dB(V)
M-5 179417.10 106270.05 20.2 PPV
M-6 179421.75 106274.01 19.9 PPV
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Fig. 4.

Locations of measurements.

Table 3은 계측장비의 종류 및 주요제원을 나타낸 것이며, 진동속도는 Blastmate III를 사용하였으며 진동레벨은 SV-1 장비를 사용하여 계측하였다.

Table 3.

Types and specifications of equipment

Measurement equipment Equipment specification
Vibration
velocity
(PPV)
http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2020-030-03/N0520300310/images/kseg_30_03_10_T3-1.jpg ∙ Measurement range : Up to 254 mm/s (10 in/s)
∙ Resolution : 0.127 mm/s (0.005 in/s) or 0.0159 mm/s (0.000625 in/s) with built-in preamp
∙ Accuracy (ISEE/DIN) : +/-5% or 0.5 mm/s (0.02 in/s), whichever is larger, between 4 and 125 Hz / DIN 45669-1 standard
∙ Precision : 2.13 g/cc (133 lbs/ft3)
∙ Frequency range (ISEE / DIN) : 2 to 250 Hz, within zero to -3 dB of an ideal flat response / 1 to 315 Hz
Vibration
level
(dB(V))
http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2020-030-03/N0520300310/images/kseg_30_03_10_T3-2.jpg ∙ Measurement results : Instantaneous Sound Leq, Lmax, Lmin
∙ Statistic Vibration Level L5, L10, L50, L90, L95
∙ Vibration frequency range : 0.5~80 Hz (up to 500 Hz)
∙ Vibration measuring range : 37~146 dB (±2 g full scale) / 46~156 dB (±6 g full scale)
∙ Vibration accuracy : Less than 1%

진동원은 지표와 시추공 내에서 형성시켰으며, 발파 시 뇌관은 전기뇌관(MS뇌관)을, 폭약은 에멀젼 계열의 뉴마이트 플러스 I(250 g/본 × 직경 32 mm × 약장 295 mm)을 사용하였다. 시추공의 진동원은 5 m 간격으로 공당 5지점(GL-5, -10, -15, -20, -25 m)씩 총 15지점(만장굴 10지점, 용천동굴 5지점)에서 발파를 수행하였다. 지표 진동원의 경우 만장굴지역은 BH-2공에서 동굴방향으로 10 m 간격으로 5지점, 용천동굴은 BH-3공에서 동굴방향으로 5 m 간격씩 3지점 등 총 8지점에서 발파를 수행하였다(Fig. 5). 또한, 지표 발파 시 효율적인 진동전달을 위해 토층을 지표에서부터 30 cm 깊이만큼 제거한 후 화약을 매립하였다. 그 결과는 다음과 같다(Table 4).

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Fig. 5.

Sectional view of the vibration source position.

Table 4.

Location, depth, charge per delay, and blasting-measuring distance by vibration source

Lava tube Location Blasting point No. Depth (GL-m) Charge per delay (g) Distance (blasting-measure point, m)
M-1/M-4 M-2/M-5 M-3/M-6
Manjanggul Underground BH-1 B1-1 5.0 38.8 11.83 17.72 22.01
B1-2 10.0 38.8 10.63 16.97 23.79
B1-3 15.0 38.8 11.66 17.66 24.31
B1-4 20.0 38.8 14.46 19.65 25.81
B1-5 25.0 38.8 18.22 22.58 28.12
BH-2 B2-1 5.0 69.0 21.18 26.22 31.84
B2-2 10.0 69.0 20.58 25.75 31.48
B2-3 15.0 51.7 21.18 26.25 31.90
B2-4 20.0 51.7 22.88 27.66 33.09
B2-5 25.0 34.5 25.47 29.85 34.95
Surface SB-1 0.3 38.8 18.42 17.78 21.01
SB-2 0.3 38.8 15.40 16.73 21.35
SB-3 0.3 38.8 10.72 14.92 21.18
SB-4 0.3 38.8 14.73 19.75 25.81
SB-5 0.3 38.8 22.89 27.60 32.98
Yongcheondonggul Underground BH-3 B3-1 5.0 51.7 20.15 22.45 25.93
B3-2 10.0 51.7 17.49 20.05 23.82
B3-3 15.0 51.7 16.00 18.71 22.64
B3-4 20.0 51.7 16.00 18.66 22.53
B3-4 20.0 38.8 16.00 18.66 22.53
B3-5 25.0 38.8 17.49 19.90 23.51
BH-4 - - - - - -
Surface SB-6 0.3 38.8 23.58 25.61 28.77
SB-7 0.3 38.8 20.65 22.68 25.99
SB-8 0.3 38.8 18.63 20.55 23.92

조사 및 시험 결과

시추조사 결과 및 암반분류

만장굴 조사지역 지층구성은 표토층, 연암, 보통암, 경암 및 기반암 내부에 분포하는 고토양(퇴적층)으로 구분되며, 대체적으로 양호한 암질상태를 보이는 보통암 및 경암 위주로 구성되어 있다. 만장굴 주변 표토층은 실트질 모래로 두께 0.2~0.3 m 내외로 기반암을 얇게 피복하고 있으며, 동굴생성 초기 토양층으로 추정되는 고토양의 토질은 실트질 점토로 구성된다.

용천동굴의 경우에는 표토층, 보통암, 경암 및 퇴적층으로 구분되며, 경암 위주의 매우 양호한 암반상태를 나타내고 있다. 용천동굴 표토층은 실트질 모래로 구성되어 있고 토층의 두께는 0.7~0.9 m 내외로 만장굴에 비해 상대적으로 깊게 형성되어 있다. 또한, 만장굴에서와 마찬가지로 기반암 내에 실트질 점토로 구분되는 고토양이 0.7 m 확인되었다(Table 5).

Table 5.

Distribution of geological strata indicated by the drilling survey

Lava tube Hole No. Rock distribution depth (Gl.-m) / Thickness (m)
Surface soil Bed rock Paleosol
Soft rock Moderate rock Hard rock
Manjanggul BH-1 0.0~0.3 / 0.3 - 0.3~7.0 / 6.7
10.0~13.0 / 3.0
24.8~26.0 / 1.2
7.0~10.0 / 3.0
13.0~23.3 / 10.3
23.3~24.8 / 1.5
BH-2 0.0~0.2 / 0.2 0.2~1.0 / 0.8 1.0~4.0 / 3.0
22.0~28.0 / 6.0
4.0~22.0 / 18.0 -
Yongcheondonggul BH-3 0.0~0.7 / 0.7 - 0.7~4.0 / 3.3 4.0~25.0 / 21.0 -
BH-4 0.0~0.9 / 0.9 - 0.9~7.0 / 6.1
13.0~16.0 / 3.0
7.0~13.0 / 6.0
16.7~25.0 / 8.3
16.0~16.7 / 0.7

만장굴 및 용천동굴 주변 기반암의 경우 대체적으로 강도가 강하고 풍화가 거의 되지 않은 신선한 암반상태를 유지하고 있다. RQD값을 볼 때, 만장굴은 평균 70.1(18~100), 용천동굴은 평균 75.3(50~100)로 전반적으로 양호한 암반상태를 보이고 있음을 잘 나타내고 있다(Figs. 6, 7).

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Fig. 6.

Core photography, RQD, TCR, and rock classification based on drilling survey results for the Manjanggul lava tube.

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Fig. 7.

Core photography, RQD, TCR, and rock classification based on drilling survey results for the Yongcheondonggul lava tube.

각 시추공별 암반상태를 정량적으로 분석하기 위하여 암반분류(RMR 및 Q-system)를 실시하였다. 암반분류를 위한 구간설정은 시추결과와 동일하게 적용하였으며, 동일한 암질 내에서도 풍화정도나 균열정도 등 공학적 특성에 따라 세분하여 세밀한 평가가 이루어지도록 하였다. 시추공별 평가 결과는 Table 6과 같다.

Table 6.

Results of RMRBasic and Q-system by borehole

Borehole No. Depth (GL. -m) Rock quality Rock type RMRBasic Q-system
Rating Class Rating Class
BH-1 0.3~1.0 Moderately rock Basalt 60 21.120
1.0~4.0 Moderately rock Basalt 55 7.920
4.0~7.0 Moderately rock Basalt 58 9.900
7.0~10.0 Hard rock Basalt 72 26.400
10.0~13.0 Moderately rock Basalt 60 18.810
13.0~16.0 Hard rock Basalt 61 24.090
16.0~19.0 Hard rock Basalt 67 13.530
19.0~22.0 Hard rock Basalt 75 15.015
22.0~23.3 Hard rock Basalt 75 31.350
24.8~26.0 Moderately rock Basalt 60 17.820
BH-2 0.2~1.0 Soft rock Basalt 48 5.940
1.0~4.0 Moderately rock Basalt 60 10.725
4.0~7.0 Hard rock Basalt 61 24.090
7.0~10.0 Hard rock Basalt 67 28.050
10.0~13.0 Hard rock Basalt 72 29.040
13.0~16.0 Hard rock Basalt 65 27.060
16.0~19.0 Hard rock Basalt 67 29.040
19.0~22.0 Hard rock Basalt 63 24.090
22.0~25.0 Moderately rock Basalt 60 21.450
25.0~28.0 Moderately rock Basalt 58 18.150
BH-3 0.7~1.0 Moderately rock Basalt 58 16.500
1.0~4.0 Moderately rock Basalt 58 10.230
4.0~7.0 Hard rock Basalt 70 30.360
7.0~10.0 Hard rock Basalt 75 32.010
10.0~13.0 Hard rock Basalt 67 25.740
13.0~16.0 Hard rock Basalt 65 25.080
16.0~19.0 Hard rock Basalt 67 25.080
19.0~22.0 Hard rock Basalt 63 11.550
22.0~25.0 Hard rock Basalt 70 30.360
BH-4 0.9~1.0 Moderately rock Basalt 62 33.000
1.0~4.0 Moderately rock Basalt 60 8.745
4.0~7.0 Moderately rock Basalt 58 10.395
7.0~10.0 Hard rock Basalt 63 23.760
10.0~13.0 Hard rock Basalt 61 24.090
13.0~16.0 Moderately rock Basalt 60 22.440
16.7~19.0 Hard rock Basalt 61 23.100
19.0~22.0 Hard rock Basalt 75 31.350
22.0~25.0 Hard rock Basalt 77 28.050

Table 7은 암질별 RMR 및 Q-system 분류결과의 최솟값, 최댓값, 평균값을 나타낸 것이다. RMR 분류결과 과업지역의 암반등급은 연암 48(III), 보통암 55(III)~62(II), 경암 61(II) ~77(II)로 각각 확인되었으며, 평균값은 연암 48(III), 보통암 59(III), 경암 68(II)로 평가되었다. Q-system 분류결과, 과업지역의 암반등급은 연암 5.940(V), 보통암 7.920(V)~33.000 (IV), 경암 11.550(IV) ~32.010(IV)로 각각 확인되었으며, 평균값은 연암 5.940(V), 보통암 16.229(IV), 경암 25.317(IV)로 평가되었다.

Table 7.

Maximum, minimum, and average ratings of RMRBasic and Q-system by rock quality

Rock quality Min. Max. Average
RMR Q-system RMR Q-system RMR Q-system
Soft rock 48 (III) 5.940 (V) 48 (III) 5.940 (V) 48 (III) 5.940 (V)
Moderately rock 55 (III) 7.920 (V) 62 (II) 33.000 (IV) 59 (III) 16.229 (IV)
Hard rock 61 (II) 11.550 (IV) 77 (II) 32.010 (IV) 68 (II) 25.317 (IV)

발파진동 계측결과

Table 8은 만장굴 및 용천동굴에서 계측된 지반진동계측결과이다. 만장굴의 경우 진동속도는 0.139~0.568 mm/sec의 범위를 보였으며, 용천동굴의 경우 0.144~0.493 mm/sec 범위를 보였다. 전반적으로 0.5 mm/sec 이하의 미세한 진동속도를 보이는 것은 동굴의 안정성을 고려하여 지발당 장약량을 최대 70 g 이내로 제한하였기 때문인 것으로 판단된다. 다만, 만장굴 발파원 B1-5에서 3.865 mm/sec가 측정된 값은 다른 값들과 비교했을 때 8배 이상에 해당하므로 계측 오류치일 가능성이 높은 것으로 판단하여 결과해석에서는 제외하였다. 또한, 계측지점 M-1에서 측정된 진동레벨은 45.01~65.51 dB(V)의 범위로 나타났다.

Table 8.

PPV and dB(V) measurement results

Lava tube Location Blasting point No. Charge per delay (g) PPV (mm/sec) dB(V)
M-1/M-4 M-2/M-5 M-3/M-6
Manjanggul Underground BH-1 B1-1 38.8 0.398 - - -
B1-2 38.8 0.568 0.166 - 45.12
B1-3 38.8 0.447 0.230 - -
B1-4 38.8 0.398 - - -
B1-5 38.8 3.865 0.563 0.143 65.51
BH-2 B2-1 69.0 0.485 - - 45.42
B2-2 69.0 0.436 - - 47.89
B2-3 51.7 0.319 - - -
B2-4 51.7 - - - -
B2-5 34.5 - - - -
Surface SB-1 38.8 - - - -
SB-2 38.8 0.289 - - 45.01
SB-3 38.8 - - - -
SB-4 38.8 0.520 - - -
SB-5 38.8 0.544 0.139 0.212 47.86
Yongcheondonggul Underground BH-3 B3-1 51.7 0.493 0.243 0.335 -
B3-2 51.7 0.379 - - -
B3-3 51.7 0.247 0.174 - 45.01
B3-4 51.7 - - 0.150 -
B3-4 38.8 0.268 0.239 0.209 -
B3-5 38.8 - - - -
BH-4 - - - - - -
Surface SB-6 38.8 0.256 0.144 0.144 45.16
SB-7 38.8 0.263 0.184 - -
SB-8 38.8 0.268 0.239 - 45.10

결과해석 및 고찰

발파 거리에 따른 진동영향 해석

연구지역에서 측정한 발파에 따른 진동속도와 측정 거리와의 상관관계를 분석하였다. 분석에 적용한 장약량은 0.038 kg으로 국한하였으며, 발파원과 계측기사이의 거리는 약 10~35 m이다. 측정된 진동속도는 0.139 mm/sec~0.568 mm/sec의 범위를 보이고 있으며, 전반적으로 거리가 멀어질수록 진동속도는 지수적으로 감소하는 경향을 잘 나타내고 있다(Fig. 8).

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2020-030-03/N0520300310/images/kseg_30_03_10_F8.jpg
Fig. 8.

Correlation between blasting distance and PPV.

진동속도와 거리와의 관계는 다음 식 (1)과 같다.

$$PPV=0.5613\times D^{-1.027}$$ (1)

여기서, PPV는 진동속도(0.038 kg 발파 시), D는 진동원과 계측기 사이의 거리이다.

본 분석은 장약량 0.038 kg일 때의 거리에 따른 진동속도를 평가하기 위한 것으로 실질적인 발파현장에서 본 식을 적용하는 것은 의미가 없다. 다만, 거리 증가에 따라 지수적으로 진동속도가 감소하는 경향을 볼 때, 본 연구에서 계측결과의 객관성을 확보할 수 있었으며, 이를 기반으로 향후 실제 규모의 발파를 통해 거리에 따른 진동속도 변화량을 검토할 필요가 있다.

진동속도와 진동레벨의 상관관계 분석

Fig. 9는 진동속도와 진동레벨과의 상관관계를 분석한 결과이다. 본 연구에서는 발파에 따른 진동속도와 진동레벨을 측정하여 두 위해요인 간의 상호 연관성을 평가하였다. 평가결과 진동속도와 진동레벨은 선형적인 관계를 보이는 것으로 파악되었으며, 그 관계는 아래 식 (2)와 같다.

$$PPV=0.1728\times dB(V)-7.5215$$ (2)

여기서, PPV는 진동속도(mm/sec), dB(V)은 진동레벨이다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kseg/2020-030-03/N0520300310/images/kseg_30_03_10_F9.jpg
Fig. 9.

Correlation between PPV (mm/sec) and vibration level (dB(V)).

보통 진동속도(mm/s)는 국내뿐만 아니라 국외에서도 구조물손상 가능성을 평가할 때 사용하며, 진동레벨은 정신적(인체)피해에 대한 평가 시 사용하게 된다. 진동레벨(dB(V))의 경우 국내에서 소음‧진동규제법으로 제정되어 관리하고 있는 진동기준의 단위로서 소음‧진동규제법중 생활 소음 ‧ 진동(공사장) 규제기준에 근거하여 주간 65 dB(V) 이하, 심야 60 dB(V) 이하로 규제를 두고 있다. 따라서 규제 기준을 만족하는 진동속도를 상관관계에서 도출한 결과, 연구지역에서는 주간 3.71 mm/s (0.371 cm/s) 이하, 야간 2.85 mm/s (0.285 cm/s) 이하에서 규제기준을 만족하는 것으로 해석되었다.

암반등급에 따른 진동영향 분석

시추공별 RMR 및 Q-system 평가 결과와 발파진동 측정결과를 비교하여 암반등급에 따른 진동속도의 변화양상을 평가하였다. 추세적으로 보통암보다 경암에서 높은 진동속도를 보이며, RMR 및 Q값이 높을수록 높은 진동속도를 보인다(Fig. 10). 그러나 이들 관계가 뚜렷한 선형관계를 보이지 않고 분산되어 낮은 상관성을 보여 실질적으로 RMR 및 Q값과 진동속도와의 관계식을 정의하기는 어렵다. 이와 같이 낮은 상관성을 보이는 것은 시추공과 동굴사이의 지반 불균질성에 기인한 것으로 보인다. 그러나 경향성을 볼 때, 지반상태가 양호할수록 높은 진동속도를 나타내는 것으로 보아 전반적으로 지질구조적 영향을 거의 받지 않은 거문오름용암동굴계 주변의 지질특성이 진동을 보다 효과적으로 전달할 수 있는 요인으로 작용할 수 있다고 예상된다.

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Fig. 10.

Relationships between PPV and rock quality or rock classification rating (RMR, Q-system).

진동 영향범위 평가

발파진동의 전파특성을 나타내는 추정식은 계측자료로부터 회귀분석을 통해 자승근 및 삼승근환산거리에 대한 각각의 상수를 구한 후 적합도가 높은 식을 선택하는 것이 일반적이다. 따라서 발파진동 계측자료를 통해 발파진동의 세 성분인 수직 방향(Vertical, V), 진행 방향(Longitudinal, L) 및 접선 방향(Transversal, T) 성분 중 최대치(PPV)에 대하여 자승근 환산거리 및 삼승근 환산거리 기법으로 진동의 중위수준인 50%를 나타내는 식(신뢰수준 50%) 및 자료의 95%를 포함하는 식(신뢰수준 95%)을 각각 도출하여 주로 적합도가 높은 95%의 신뢰구간식을 발파진동 추정식으로 채택하고 있다. 본 연구에서는 발파진동 추정식의 결정을 위하여 자승근 환산거리 및 삼승근 환산거리에 대해 선형 회귀분석(Linear regression)을 수행하였으며, 신뢰수준 50% 및 95%식을 각각 도출하고 적합도가 높은 신뢰수준 95%식을 채택하여 계수들을 도출하였다.

전체 데이터에 대한 선형 회귀분석 결과 R2이 0.32 내외로 낮게 평가되었다. 이는 환산거리가 작은데 진동속도가 작게 평가되었거나 환산거리가 큼에도 불구하고 진동속도가 크게 평가된 데이터가 분포하기 때문이다. 일반적으로 발파공학에서의 회귀분석 자료수는 정규분포를 충족하기 위해 30개 이상을 요구하나 본 연구에서는 선형 회귀분석의 신뢰성을 충분히 확보하기 위하여 33개 데이터 중 과대 또는 과소하게 평가된 9개 데이터를 제외하였다. 이러한 데이터들을 제외한 후 회귀분석을 수행한 결과 R2이 0.76 이상으로 양호한 신뢰성을 가지는 것으로 평가되었다(Fig. 11).

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Fig. 11.

Relationships between scaled distance and PPV (cm/sec).

Table 9는 선형 회귀분석을 통해 도출된 자승근 환산거리 및 삼승근 환산거리 식에서의 발파 진동상수(k)값과 감쇠지수(n)값을 나타낸 결과이다.

Table 9.

Coefficient of 95% level derived through regression analysis of SRSD and CRSD

Parameter Linear regression using SRSD Linear regression using CRSD
k 25.417 12.652
n -1.432 -1.417
R2 0.8085 0.7672

도출된 관계식 중 일반적으로 발파영향 분석에 적용되는 자승근 관계식을 이용하여 동굴에서의 이격거리별 진동속도 기준을 만족하는 지발당 장약량을 산정하였다. 문화재 진동기준치인 0.2 cm/s을 만족하는 장약량은, 동굴에서 50 m 이격된 경우 2.88 kg, 100 m 이격된 경우 11.52 kg으로 산정되었다(Table 10, Fig. 12).

Table 10.

Acceptance standard of charge per delay versus distance for the Geomunoreum lava tubes (SRE application)

Distance (m) PPV (cm/s)
0.2 0.3 0.5
Charge per delay (kg)
10 0.12 0.20 0.41
20 0.46 0.81 1.66
30 1.04 1.83 3.73
40 1.84 3.25 6.63
50 2.88 5.07 10.35
100 11.52 20.29 41.41
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Fig. 12.

Acceptance charge per delay (kg) by distance according to PPV (cm/sec) in Geomunoreum lava tubes (SRE application).

기존 추정식과의 비교

서론에서 언급한 바와 같이 국내외에서 이용되는 자승근 환산거리(Square Root Scaled Distance, SRSD) 및 삼승근 환산거리(Cube Root Scaled Distance, CRSD) 식에서의 발파 진동상수(k)와 감쇠지수(n)를 정리하였으며, 이들과 본 연구에서 도출된 환산거리식을 비교 ‧ 검토하였다.

연구지역에서 측정된 자료를 Table 11과 Figs. 13, 14에 비교 분석한 결과, 자승근식을 적용하는 경우, Yang and Ju(1990)이 석회암을 대상으로 한 연구성과와 가장 유사한 경향을 보인다. 또한, 삼승근식을 적용할 경우 Lee and Kim(1987)의 연구성과보다도 더 낮은 진동속도를 보이는데 이는 장약량이 1.0 kg보다 작아 환산거리가 자승근식보다 감소하기 때문이다.

Table 11.

Relationships between equations derived in previous studies and this study in terms of SRSD (Square Root Scaled Distance) and CRSD (Cube Root Scaled Distance)

References SRE (Square Root Equation) CRE (Cube Root Equation)
USBM Y = 200X-1.6 -
Guidelines for design and construction of open wave in road construction Y = 160X-1.6 -
Lim and Kim (1992)_Gneiss Y = 28.9X-0.969 Y = 456.8X-1.35
Lee and Kim (1987)_Granite - Y = 138X-1.7
Lee and Kim (1987)_Limestone Y = 48X-1.46 -
Lee and Kim (1987)_Gneiss - Y = 648X-1.64
Yang and Ju (1990)_Limestone Y = 26.18X-1.492 Y = 406.3X-1.64
This study Y = 25.417X-1.432 Y = 12.652X-1.417
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Fig. 13.

Comparison of linear regression plots for SRSD from previous studies and this study.

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Fig. 14.

Comparison of linear regression plots for CRSD from previous studies and this study.

국내에서 일반적으로 적용되는 USBM식이나 도로공사 노천발파 설계 ‧ 시공 지침에 제시된 추정식과 비교할 때, 본 연구식이 이들 식에 비해 동일거리에서 약 3배 이상 낮은 진동속도 값을 갖는다. 이는 연구지역 지반이 다공질 암반으로 구성되어 있어 진동의 전파속도가 저감되기 때문으로 판단된다.

결 론

본 연구는 제주도 거문오름동굴계 분포지역에서 실험을 통해 진동특성을 평가하고 이를 기반으로 효율적인 용암동굴 관리보존 대책의 학술적 근거를 마련할 목적으로 수행하였다. 연구지역은 거문오름용암동굴계 중 하류동굴계인 만장굴과 용천동굴 주변이다.

시추조사를 수행하고 코어시료를 대상으로 암질별 RMR 분류를 수행한 결과, 연구지역의 암반등급은 연암 48(III), 보통암 55(III)~62(II), 경암 61(II) ~77(II)로 각각 확인되었으며, 평균값은 연암 48(III), 보통암 59(III), 경암 68(II)로 평가되었다. Q-system 분류 결과, 연암 5.940(V), 보통암 7.920(V)~33.000(IV), 경암 11.550(IV) ~32.010(IV)로 각각 확인되었으며, 평균값은 연암 5.940(V), 보통암 16.229(IV), 경암 25.317(IV)로 평가되었다. RMR 등급별 진동속도를 비교한 결과, 전반적으로 지반조사에서 평가된 낮은 등급의 경우 작은 진동 속도를 보이고 있으며 Q-system 등급 평가의 경우도 마찬가지로 낮은 등급에서 작은 진동속도를 높은 등급으로 갈수로 큰 진동속도를 보인다. 결과적으로 암질, 암반 분류 등과 진동속도를 비교한 결과 암질이 좋을수록 진동의 영향이 크며 불량할수록 진동 영향이 작게 나타나는 것으로 나타났으나, 그 경향성은 뚜렷하지 않으며 이는 지반의 불균질성에 기인한 것으로 보인다.

진동시험 결과를 토대로 진동속도와 측정 거리와의 상관관계를 분석한 결과 거리가 멀어질수록 진동속도는 지수적으로 감소하는 경향을 잘 나타내고 있다. 발파에 따른 진동속도와 진동레벨을 측정하여 상호 연관성을 평가한 결과를 토대로 진동속도(PPV)와 진동레벨(dB(V))의 상관식을 도출하였으며, 도출된 식을 대상으로 생활 소음 ‧ 진동 규제기준에 근거하여 규제 기준을 만족하는 진동속도를 분석한 결과, 주간 0.37 cm/s 이하, 야간 0.285 cm/s 이하에서 규제기준을 만족하는 것으로 해석되었다. 이를 기준으로 볼 때, 만장굴과 용천동굴 내부에서는 야간 기준으로 0.28 cm/s 이상의 진동속도가 발생하는 경우 진동 규제기준에 저촉될 수 있고 관람객이 불편을 느낄 수 있으므로 본 연구결과를 반영한다면 동굴 내부에서의 허용진동기준은 0.28 cm/s 이하로 설정할 필요가 있다.

연구지역에서 추출한 데이터를 바탕으로 기존 진동추정식과 비교한 경우, 일반적으로 적용되는 미 광무국 식이나 우리나라의 국토교통부에서의 진동추정식과는 3배 이상 낮은 값을 나타내며, Yang and Ju(1990)이 석회암에서 정리한 자료와 가장 유사한 경향을 보이는 것으로 확인되었다. 이는 동일한 장약량을 대상으로 발파를 실시하는 경우, 미 광무국 식이나 국토교통부식을 접목하는 일반적인 지역보다 거문오름 용암동굴계의 진동속도가 더 낮게 평가될 수 있음을 의미한다. 이러한 연구결과를 볼 때, 거문오름 용암돌굴계 주변에서의 발파를 수행하는 경우 일반적인 진동식을 적용하는 것은 진동속도가 고평가될 수 있다.

발파진동 추정식의 결정을 위하여 자승근 환산거리 및 삼승근 환산거리에 대해 선형 회귀분석 결과 및 계수들을 도출하였다. 회귀분석을 수행한 결과 R2이 0.76 이상으로 양호한 신뢰성을 가지는 것으로 평가되었다. 진동추정식 자승근 식에서의 k값은 25.417이며, 삼승근식에서의 k값은 12.652로 평가되었다. 또한, 자승근 및 삼승근 식에서의 n값은 각각 -1.432와 -1.417로 나타났다. 도출된 자승근 관계식을 이용하여 동굴에서의 이격거리별 진동속도 기준을 만족하는 지발당 장약량을 산정하였다. 문화재 진동기준치인 진동속도 0.2 cm/s을 만족하는 장약량은 동굴에서 동굴에서 50 m 이격된 경우 2.88 kg, 100 m 이격된 경우 11.52 kg으로 해석되었다.

본 연구는 자연유산 문화재에 해당하는 만장굴과 용천동굴을 대상으로 하였으며, 진동속도가 큰 경우 동굴을 포함한 구조물에 심각한 손상을 초래할 수 있으므로 연구 과정에서 진동으로 인한 문화재의 훼손을 최소화하기 위하여 발파 장약량을 작게 하였으며, 발파시험 횟수도 충분히 반영하지 못하였다. 그 결과, 공사 현장에서 수행하는 실 규모의 진동을 평가하는 데는 한계가 있었지만, 향후 유사한 지질특성을 갖는 지역에서 추가 연구를 수행하고 본 논문의 연구결과와 종합적으로 검토한다면 거문오름 옹암동굴계에 대한 객관적이고 합리적인 진동기준이 마련될 수 있을 것으로 기대된다.

Acknowledgements

이 논문은 문화재청 국고보조사업(세계유산 보존관리 사업)의 일환으로 제주특별자치도 세계유산본부의 지원(학술용역 : 제주도 천연동굴 보존관리방안 연구 및 조사)을 받아 수행된 연구사업(과제번호 : 17TBIP-C125148-01)입니다. 이에 깊은 감사를 드립니다.

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