Highly developed metropolitan cities demand underground space for the effective use of limited land. Ground vibration induced by construction blasting processes can cause serious problems in the vicinity of the construction sites when large underground structures such as transportation tunnels are constructed in urban areas. Abrasive waterjet technology can be applied in the cutting of hard rock cutting as it offers two principle advantages: high versatility and no mechanical stress generated. Thus, an abrasive waterjet can be very useful to excavate rock in mining or civil engineering projects.
Understanding the parameter effects on the cutting performance of an abrasive waterjet is very important because optimized parameters can increase the erosion efficiency. Rock specimens are cut with different energy and geometry parameter combinations to evaluate the parameter effects. Material parameter effects are analyzed based on the uniaxial compressive strength, which is one of representative physical properties in rock excavation design. Furthermore, the relationships between the cutting depth (and volume) and the effective parameters are explored to provide an economic design of the parameters.
The cutting depth is an important index with which to estimate the excavation time and cost, but it is very difficult to predict because there are various effective variables to consider, such as the energy, geometry, and material parameters. The cutting depth is expressed in terms of the energy and geometry parameters based on the maximum kinetic energy, which is correlated with the cutting depth in terms of the empirical constant (α) and exponent (β). The maximum kinetic energy ? cutting depth model is verified using experimental cutting data for hard granite with water pressure, traverse speed, standoff distance, and waterjet system (i.e., the intensifier type and the plunger type). The developed model provides valuable insight into the relationship between the maximum kinetic energy and associated parameters. In the experimental verification of the model, the experimental data is well fitted to the unique relationship of the target rock regardless of the parameters.
In the application of an abrasive waterjet in the geotechnical engineering field, an innovative vibration-reduced excavation method is introduced. This method combines a conventional blasting technique with a precutting process. Vibration energy induced by blasting does not transmit through the free surface and is instead trapped inside the target tunnel face. The verifications of the proposed excavation method are performed both using three-dimensional finite element analyses and through filed tests Micro-scale studies focus on stopping holes and contour holes while macro-scale studies deal with cases on the scale of an actual tunnel. From the micro-scale analyses, it can be deduced that the proposed method is effective at reducing blasting-induced vibration compared to the conventional line-drilling method. From the macro-scale simulation, the reduction of blasting-induced vibration is independent of the thickness (width) of the precutting free surface but dependent on the depth of the pre-cutting free surface. As the depth of the precutting free surface increases, the blasting-induced vibrations and the excavationdamaged zone can both be reduced significantly. Blasting waves concentrate the stress at the target face and maximize the blasting efficiency.
Through the field test, reduction of vibration velocity and overbreak are observed compared to smooth blasting method. It is expected that the construction cost will decrease due to a decrease in the number of drilling holes and the weight of the explosive charges and due to factors related to the overbreak space and the
excavation-damaged zone.
도시가 팽창함에 따라 한정된 구역에서 효율적인 공간활용을 위하여 지하공간 창출은 필수적이다. 암반굴착에 있어서 기존 굴착공법은 높은 수준의 진동으로 인하여 주변건물에 균열을 발생시킴과 동시에 대상 굴착면의 손상을 가져와 지하공간 안정성에 부정적 영향을 끼친다. 본 학위논문는 연마제 워터젯을 암반굴착에 적용하기 위해서 실험적 연구, 이론적 연구, 그리고 활용방안과 검증연구로 나누어 수행하였다.
실험적 연구에서는, 암석에 대한 연마제 워터젯의 성능과 효율에 대한 특성을 분석하기 위하여 다양한 변수에 따라 실내실험을 수행하였다. 워터젯 수압, 유량, 연마제 투입량, 노즐 이송속도, 노즐 이격거리, 그리고 암석의 일축압축강도를 실험변수로 설정하고, 현장에서 효율적인 굴착이 가능하도록 변수특성 분석과 최적 변수값을 도출하였다.
이론적 연구에서는, 실험적 연구에서 도출된 유효변수들의 특성을 고려하여 워터젯의 운동에너지를 기반으로 하는 굴착 깊이 예측모델을 제안하였다. 개발된 깊이 예측모델은 실험적 연구에서 획득된 실험데이터를 이용하여 검증하였다. 제안된 깊이 예측모델은 워터젯을 이용한 암반굴착 현장에서 시공속도와 시간을 산정하는데 적용 할 수 있을 것이다.
활용방안에 관한 연구에서는, 연마제 워터젯을 이용한 새로운 암반굴착 공법을 제안하고 수치해석 시뮬레이션과 현장실험을 통하여 그 효과를 검증하였다. 제안된 공법은 연마제 워터젯을 이용하여 터널계획선에 선행절삭을 수행하여, 연속된 자유면을 생성 한 후 발파하는 것이다. 수치해석 결과 발파진동 에너지의 대부분이 생성된 자유면에 의해 내부로 반사, 응집되어 지표면에 진동에너지가 저감되는 것을 검증하였다. 또한 발파에 의한 터널주변 손상영역이 감소하는 것을 확인하였다. 현장 검증실험은 제안된 공법의 효과를 정량적으로 비교하기 위하여, 기존의 진동저감공법으로 가장 널리 적용되는 스므스 블라스팅 공법(Smooth blasting method)을 비교군으로 설정하였다. 현장 검증실험 결과, 진동저감과 여굴 및 미굴이 획기적으로 줄어드는 것을 확인하였다. 더불어 워터젯에 의해 추가된 자유면으로 인해 장약공 및 장약량이 기존보다 적게 요구되고 또한 여굴과 미굴에 대한 추가적인 보강비용이 줄어들기 때문에 전체적인 시공비용과 시간이 감소할 것으로 판단된다.
