한국산업위생학회지제3권제2호(2003년 8 월) J Korean Soc Occup Environ Hyg 2003;3(2):07- 터널건설공사시발생분진의입경특성 류장진 장재길 이병규 정시정 김성진 김광종 한국산업안전공단산업안전보건연구원 Jang-Jin Ryoo Jae-Gil Jang Byung-Kyu Lee Si-Jung Jung Sung-Jin Kim Kwang-Jong Kim Occupational Safety and Health Research Institute, Korea Occupational Safety and Health Agency In tunnel construction work, major dust-generating activities are blasting rock, rock drilling and transport operations. The aim of this study was to find the characteristic of particle size of dusts which were generated during road tunnel construction work using the New Austrian Tunneling Method(NATM). An 8-stage personal cascade impactor was used for particle size-selective sampling by area sampling method. Paired samples for total(closed-face 37-mm cassette holder) and respirable(0 mm-nylon cyclone) dust were taken to compare with the results of cascade impactor at the same location where cascade impactor samples were taken. The geometric mean of mass median aerodynamic diameter (MMAD) of dust is 3.9 μm(gsd=4.3). This is quite similar to 50% cut size(4.0 μm) for respirable mass fraction defined in the ACGIH TLV. The mass fraction of inhalable, thoracic, and respirable particulate defined at ACGIH TLV are 84.0%, 7.2%, and 43.%, respectively. The arithmetic mean ratio of inhalable particulate mass to respirable particulate mass is 2.04 for paired sample,.95 for cascade impactor sample, which showed much lower than those of other construction tasks. We conclude that the dust generated during road tunnel excavation has about 50% respirable fraction in inhalable particulate mass. Key Words Cascade impactor, Particulate size-selective : sampling, Tunnel construction work, Mass median aerodynamic diameter(mmad), Respirable fraction Ⅰ. 서 론 직업성폐질환은분진, 흄, 미스트등의에어로졸노출과관련이있다. 노출측정은유해도평가와기준설정에매우중요한요소이다. 그러나의미있는결과를얻기위해서는적절히노출특성을반영할 수있는시료채취방법을사용하여야한다. 그러한방법은인간을대상으로하는에어로졸의흡입과축적에대한기전에근거한입자크기별선택기준에기반을두어야한다. 980년초이래전문가들은에어로졸에대한산업위생기준은인간노출특성을가능한한가깝게반영하는노 접수일 : 2002년 3월 5 일, 채택일 : 2003년 월 5일 교신저자 : 류장진 ( 인천직할시부평구구산동 34-4 한국산업안전공단산업안전보건연구원 Tel: 032-500-90, E-mail: r89024@kosha.net) 출평가기준에바탕을두어야한다는인식하에미국산업위생전문가협의회 (ACGIH), 국제표준기구 (ISO), 유럽표준위원회(CEN) 가공동으로공기중분진입자에대한분진크기별시료채취기준 (Particle Size-Selective Sampling Criteria for Airborne Particulate Matter) 을제정, 권고하게되었다 (AIHA, 99). 이에따라미국산업위생전문가협의회 (ACGIH) 에서는흡입성 (inhalable), 기관지침착성 (thoracic), 호흡성 (respirable) 분진
08 류장진 장재길 이병규 정시정 김성진 김광종 에대한공기역학적입경별포집효율을제시하고있으며포집된분진의입경특성, 즉분진의흡입성, 기관지침착성, 호흡성분진의중량비율 (mass fraction) 을산출할수있게하였다 (ACGIH, 200). 이러한분진특성에적합한시료채취기로서 cascade impactor(series 290 Marple Personal Cascade Impactor, Andersen Sampler Inc.) 가개발되어오랫동안사용되어왔다. Cascade impactor 는고유의시료채취효율과내부손실을가지는데제조사에서실험연구를통해제품판매시동두가지시료채취효율을저하시키는요인을고려한효율을제시하고있다 (Andersen Sampler Inc.). 따라서 cascade impactor 사용시는채취한각단계별포집효율을적용하여포집분진중량을환산하는것이분진특성을파악하는데중요하다. 국내에서는산업위생분야에서에어로졸입자크기특성에대한연구는석탄광산, 납취급사업장등일부업종에국한되어연구가수행되어왔으며, 건설업에대한연구는전무한상태이다 ( 윤영노등, 99; 박동욱, 995). 외국에서는건설업작업에서에어로졸에대한근로자노출평가연구는활발히이루어져왔으며, 최근에와서건설업에서노출되는분진및실리카의크기특성에대한연구가활발히이루어져왔다 (Berit et al., 200; Bello et al., 2002; Hilt et al., 2002; Woskie et al., 2002). 그러나분진입자크기특성에대한주요연구대상은거푸집조립, 콘크리트마감작업, 지반굴착등일반적인건설작업으로지하공간에서분진발생이많은도로터널건설작업은포함되지않았다. 일반적인건설작업에서발생되는분진에대한근로자노출평가결과노출분진및실리카입자는대부분이흡입성입자인것으로보고하고 있다 (Bello et al., 2002). 지하터널건설현장에서가장중요한유해요인은광산과같이발파과정과파쇄된암석의처리시발생하는분진이다. 분진의공기역학적직경은진폐또는규폐증유발가능성을평가하는데매우중요한인자이다. 이에본연구의목적은발파에의한터널굴착작업시발생하는분진의크기특성을알아봄으로써터널작업근로자의진폐또는규폐의위험성을예측하고, 작업근로자의건강보호를위한기초정보를제공하는데있다.. 대상 Ⅱ. 연구방법 조사대상은도로용터널굴착공사가진행중인건설현장 2 개소였으며, 지역별로는강원지역 ( 태백 ) 개소와충북지역 ( 괴산) 개소이다. 조사대상터널건설현장에대한기본적인현황은표 과같다. NATM(New Austrian Tunneling Method) 공법의작업방법은크게천공, 발파, 버럭처리, 락볼팅, 숏크리트등으로구분된다. 천공은주로점보드릴이란천공장비를이용하여암반의구멍을내는장비이며, 습식작업으로이루어진다. 발파작업은천공작업이완료된후천공된암반구멍에미리준비한화약을장입하는작업과장입완료후장입근로자가터널외부로모두나온후화약주임에의한발파작업으로이루어진다. 버럭처리작업은발파후약 0 분이내에파쇄된버럭 ( 암석 ) 을처리하기위해페이로더장비와덤프트럭에의해이루어진다. 버럭처리작업이완료된후에발파한터널굴착표면을안정시킬 목적으로숏크리트작업을수행하는데숏크리트는시멘트, 세골재, 조골재, 물, 급결재를배합하여제조되며, 배합된숏크리트를터널굴착면에뿜는작업은숏크리트타설장비를이용하여타설공이운전조작하게된다. 암반의자체지지력등암반상태가불량한경우에는강재지보공 (H-Beam) 을터널벽면에설치하거나와이어메쉬로보강한후이위에숏크리트작업을수행한다. 이상의작업들을터널작업의 싸이클로볼수있는데현장특성에따라 일(24 시간 ) 2~3 싸이클작업을반복하게된다. 터널작업에사용되는각종중장비는디젤연료를사용한다. 2. 방법 발생분진의크기를측정하기위하여 8 단계(stage) 충돌판으로구성된 Marple Personal Cascade Impactor(Model 298, Andersen Sampler Inc., U.S.A) 와개인시료채취기 (Gilian 및 MSA 모델 ) 를사용하였다. 시료채취전에분진입자를포집하기위한포집매체로서 Mylar Substrate (Andersen Stock # C-290-MY, Andersen Sampler Inc., U.S.A) 에실리콘 (Dow Corning 3 Silicone Release Spray, Dow Chemicals, U.S.A) 을코팅하여 cascade impactor의각단에 Mylar Substrate를장착하였다. 실리콘으로코팅된 Mylar Substrate는코팅액이희뿌연상태에서투명하고끈적끈적한상태가될때까지상온에서자연증발시켰다. 이것은분진입자가반동 (particle bounce) 에의한손실을방지하기위한것이다. 그리고마지막단계에는 PVC(5μm pore size, poly vinyl chloride, Andersen Stock # F-290-P5, Area Tunnel length(m) Excavation length(m) Excavation method Type of excavation Type of road 2,470 3,00 400~700,500~,700 NATM: New Austrian Tunneling Method ~3 type: no support excavation, 4~5 type: support excavation NATM NATM 3, 4 type 3 type one tunnel, 2 lines one-way two tunnels, 2 lines one-way
터널건설공사시발생분진의입경특성 09 Andersen Sampler Inc., U.S.A.) 필터를장착하였다. 채취유량은 2 l/min 로폭약발파직후부터최소 시간이상 ( 발파후버럭처리가완료되는시간 ) 시료를채취하였다. 시료채취전후에 cascade impactor의각단계의충돌판을깨끗이세척하고, 견고히조립함으로써정확한시료채취를꾀하였다. 각단계에포집된분진중량을분석하기위해시료채취전후에 실리콘이코팅된 Mylar Substrate의무게를 0-5 g까지칭량이가능한저울 (Satorious R 200D) 로칭량하였다. 각단계의충돌판에서분리, 채취되는분진입자의유효한계직경 (Effective cut-point diameter, ECD) 은 cascade impactor의제조사인 Andersen Sampler Inc. 에서발간한자료를사용하였다. 채취된분진의공기역학적질량중위입경을구하기위해첫번째로각단계별로채취된분진의중량을 cascade impactor의제조사인 Andersen Sampler Inc. 에서제시한시료채취효율및내부손실을보정하기위한효율로나누어보정분진중량을구하였다. 두번째로각단계별보정분진중량을전체보정분진중량으로나누어각단계별중량비율 (%) 을산출하였다. 세번째로각단계별유효한계직경 (ECD) 에대수를취하여 y 축으로하고, 각단계별포집된중량비율을 x축에누적확률단위로하는대수확률그래프 (log probability graph) 를 SigmaPlot 200 프로그램을사용하여도식하였다. 네번째로채취한분진의질량중위입경은도식된그래프에서누적확률 50% 에대응하는유효한계직경으로하였고, 기하표준편차는질량중위입경을누적확률 5.87% 에해당되는유효한계직경으로나누어서산출하였다. Tunnel No. of sample MMAD( μm ) GSD Remark 다. 흡입성 (IPM), 기관지침착성 (TPM), 호흡성분진 (RPM) 의포집효율이 50% 인공기역학적입경은각각 00 μm, 0 μm, 4μm로정의하고있으며, 흡입성, 기관지침착성, 호흡성분진별공기역학적입경에따른포집효율은 ACGIH에서권고하는방정식을사용하여산출하였다. Cascade impactor 의각단계별하한 (lower), 중위 (mid), 상한 (upper) 크기별유효한계직경에따른포집효율을구하고, 각단계별평균포집효율은 Simpson's Rule에의해계산하였다 (Bello et al, 2002). 채취한분진의흡입성, 기관지침착성, 호흡성분진중량비율은각단계의보정분진중량비율에각단계별평균포집효율을곱한값들을합하여산출하였다. Cascade impactor를이용한분진입자의특성결과와 closed-face 37-mm cassette holder( 총분진 ) 및 nylone cyclone( 호흡성 4.27 3.58 3.90 MMAD: Mass Median Aerodynamic Diameter GSD: Geometric Standard Deviation(D84.3/MMAD or MMAD/D 5.87) ECAD( mm) 00 0 분진) 를하나의짝으로측정한분진입자의특성결과를비교하기위해 cascade impactor 측정위치와동일한위치에서총분진및호흡성분진을위한지역시료를병행하여채취하였다. Ⅲ. 4.45 4.08 4.30 결과및고찰. 발생분진의크기특성 NATM 공법을사용하는터널굴착공사현장 2개소를대상으로실시한발생분진입자의공기역학적질량중위입경 (MMAD) 및기하표준편차 (GSD) 를표2에나타내었다. 강원태백지역터널현장의 MMAD는 4.27 μm (GSD: 4.45) 이었으며 ( 그림 ), 충북괴산지역터널현장의 MMAD는 3.58 μm (GSD: 4.08) 로나타났다 ( 그림 2). 또한두터널건설현장의평균발생분진의 MMAD 는 3.90 μm (GSD: 4.30) 로 ACGIH에서정의한호흡성분진의중위입경 (50% cut-off size) 인 4.0 μm과유사하였다 ( 그림 3). MMAD = 4.27 mm GSD = 4.45 시료수 (n) = 채취한분진의입경크기별분진중량의비율을구하기위하여 ACGIH에서제정한 Particle Size-Selective Sampling Criteria for Airborne Particulate Matter를이용하였 5.87 84.3 0 30 50 70 90 99 99.9 Cumulative Percentage of Particles less than ECAD
0 류장진 장재길 이병규 정시정 김성진 김광종 ECAD( mm) 00 0 MMAD = 3.58 mm GSD = 4.08 시료수 (n) = 5.87 84.3 0 30 50 70 90 99 99.9 Cumulative Percentage of Particles less than ECAD 포에디젤분진이영향을주었는지확인하기위해히스토그램그래프를도식해본결과, 특별한이중분포특성을확인할수는없었다. Volkwein(2000) 의보고에의하면디젤분진은 μm미만의입경을가진미세분진으로서본연구에서사용한 cascade impactor 의각단계중미세분진 (μm미만) 이포집되는 8 단, 9단및마지막필터의유효한계직경이각각 0.93 μm, 0.52 μm, 0μm로서디젤분진의입경특성분포를확인하기에는충돌판의단수가적었다. 그러나두터널지역에서 0.52 μm미만의입경을가진미세분진의중량비율이각각 0.5%( 괴산지역 ) 와 3.%( 태백지역 ) 으로높게나타나디젤분진의영향을완전히배제할수는없었다. 00 2. 흡입성, 기관지침착성, 호흡성분진중량비율 ECAD( mm) 0 MMAD = 3.90 mm GSD = 4.30 시료수 (n) = 5.87 84.3 0 30 50 70 90 99 99.9 Cumulative Percentage of Particles less than ECAD 발생분진중호흡성분진이차지하는비율이약 50% 로서, 윤등(99) 이보고한석탄광산의기중부유분진에대한입경분포연구결과에서굴진부서의중위입경.8~2. μm보다는크나채탄부서의중위입경 4.3~. μm보다는작은것으로나타 났다. 터널내발생분진은발파된암석분진이주요분진이겠지만버럭처리를위해운행되는각종중장비에서배출되는디젤분진이복합적으로노출될수있다. 따라서터널건설작업에서발생되는분진의입경분 ACGIH 에서정의한흡입성, 기관지침착성, 호흡성분진에대한공기역학적입경별포집효율을적용하여발생분진중흡입성, 기관지침착성, 호흡성분진의중량비율 (%) 을터널현장별로나타내면표 3과같다. 강원태백지역터널현장발생분진의흡입성, 기관지침착성및호흡성분진의중량비율은각각 82.8%, 4.%, 및 38.4% 로나타났고, 충북괴산지역터널현장의경우는각각 85.%, 70.3%, 및 47.9% 로조사되었다. 이결과를 MMAD 조사결과 ( 강원태백지역 4.27 μm, 충북괴산지역 3.58 μm ) 와비교하였을때에질량중위입경이적은충북괴산지역터널분진의호흡성분진중량비율이질량중위입경이상대적으로큰강원지역터널현장보다높게나타났다. Tunnel No. of sample Mean particulate mass fraction(%) IPM(S.D) TPM(S.D) RPM(S.D) 82.8(.53) 85.(4.03) 84.0(3.5) 4.( 4.45) 70.3(.05) 7.2( 8.5) 38.4( 5.9) 47.9(.7) 43.( 9.98)
터널건설공사시발생분진의입경특성 Mass fraction(%) 00 80 0 40 20 0 두개터널현장의발생분진전체시료에대한흡입성, 기관지침착성및호흡성분진평균중량비율 (%) 은각각 84.0%, 7.2%, 및 43.% 이며, cascade impactor 각단계별평균중량비율 (%) 을상세히제시 tunnel tunnel 하면표4 와같다. inhalable fraction thoracic fraction respirable fraction 3. Cascade impactor 와 closed-face 37-mm cassette holder 및 nylon cyclone 측정시료의결과비교 표 5는 cascade impactor로측정한동일한측정지점에서흡입성분진이포집되는 closed-face 37-mm cassette와호흡성분진이포집되는 0 mm nylon cyclone을하나의짝으로설치하여측정한결과를 cascade impactor로측정한결과와호흡성분진중량비율에대한흡입성분진중량비율의비를비교한것이다. 짝시료의호흡성분진농도에대한흡입성분진농도의비는평균 2.04 를보였는데, cascade impactor 로측정한호흡성분진중량비율에대한흡입성분진중량비율의비는.95(84.0/ 43.) 로서약간낮은수준으로나타났다. 지역별로는강원태백지역터널의경우짝시료와 cascade impactor 시료의호흡성분진중량비율에대한흡입성분진중량비율의비가각각 2.37과 2.9 이었고, 충북괴산지역터널은각각.94와.85로짝시료의비가 cascade impactor 시료의비보다전체적으로약간높게나타났다. 이는짝시료의호흡성분진농도를구하는데사용 Stage no. 2 3 4 5 7 8 Back-up filter No. of sample ECD * ( μm) >2.3 4.8 9.8.0 3.5.55 0.93 0.52 <0.0 * Effective Cut-off Diameter (Mean mass fraction) (Sampling efficiency) (Mean corrected mass fraction) (Collection efficiency) 00 Mean corrected mass fraction Mean particulate mass fraction(%) IPM TPM RPM 0.090 5. 0.0 0.085 5.7 0.9 0.0 09 8. 3.7 2 3.2 0.8.0 4 4.3 4. 35... 0.075 7.2 7.2 7.2 0.00 0.0.0.0.0.00000 84.0 7.2 43. Tunnel Area sample * Cascade impactor sample(area) No. of sample Arithmetic mean S.D No. of sample Arithmetic mean S.D 7 4 3 * paired sample for total and respirable dust 2.37.94 2.04 0.99.8.25 2.9.85.95 0.2 0.34 0.34
류장진 장재길 이병규 정시정 김성진 김광종 한 0mm Nylon cyclone의 50% cut-size는 3.5 μm( 구기준) 인반면, cascade impactor의호흡성분진중량비율을산출하는데사용한포집효율의 50% cut-size는 4.0μm을적용하였기때문인것으로판단된다. Woskie 등(2002) 의연구결과에서는건설업근로자를대상으로 cascade impactor (four stage) 를사용하여측정한호흡성분진및실리카농도에대한흡입성분진및실리카농도의비를각각 25.과 9.3으로보고하고있다. Bello 등(2002) 의연구결과에서는건설업에서가장높은실리카노출은큰입경부분에서나타나며, 호흡성실리카농도에대한흡입성실리카농도의비를건설작업형태에따라 9.4~ 34. 으로보고하는등전반적인건설업에서노출되는분진및실리카입자는대부분이흡입성입자인것으로보고하고있다. 그러나본연구에서는터널건설현장에서발생하는분진은일반적인건설작업에서발생하는분진과는달리호흡성분진의비율이높은것으로나타났다. Ⅳ. 결 론 NATM 공법을사용하는 2개소의터널공사현장을대상으로분진의입경특성을조사한결과는다음과같다.. NATM 공법에의한터널굴착작업에서발생되는분진의공기역학적중위입경은 3.9μm로 ACGIH에서정의한호흡성분진의중위입경 (4.0 μm) 과비슷하였다. 2. ACGIH 의기준에의한흡입성, 기관지침착성및호흡성분진의중량비율은각각 84.0%, 7.2% 및 43.% 로기타건설작업에서발생되는분진의호흡성분진중량비율보다현저히높게나타났다. 3. closed-face 37-mm cassette holder 및 0mm-nylon cyclone를이용하여산출한호흡성분진농도에대한흡입성분진 ( 총분진) 농도의비(2.04) 가 cascade impactor로측정한결과 (.95) 와비슷하게나타났다. 이상의결과에서전형적인지하작업의하나인도로터널건설현장근로자는다른건설작업자에비하여진폐또는규폐증의주원인인호흡성분진에노출될가능성이크기때문에향후철저한근로자보건관리가필요한것으로생각된다. REFERENCES 권인환. NATM 터널공법. 원기사 ; 989. (0-25 쪽) 박동욱. 공기중납입자의크기특성이혈 액중납과 ZPP 농도에미치는영향. 서울대보건대학원 ; 995. (22-27 쪽) 윤영노, 김영식. 일부석탄광산기중부유 분진의입경분포와호흡성분진비율. 한국산업위생학회지 99;():2- 한국건설기술연구원 건설기술정보센터. 건설공법자료집 ( 터널분야 ). 한국건설 기술연구원 ; 995. (5-27 쪽) Andersen Samplers, Inc. Marple Personal Cascade Impactors Instruction Manual, Bulletin # 290 I.M.-3-82. Atlanta: Andersen Samplers, Inc.; 982. p. 7-30 American Industrial Hygiene Association (AIHA). Cascade Impactor Sampling and Data Analysis, Fairfax, Virginia: AIHA; 98. p. 7-8. American Conference of Governmental Industrial Hygienists(ACGIH). TLVs and BEIs: 200 Threshold Limit Values for Chemical Substances and Physical Agents and Biological Exposure Indices. Cincinnati, OH, ACGIH; 994. p. 73-7. American Industrial Hygiene Association (AIHA). Particle Sampling Using Cascade Impactors. Fairfax, Virginia: AIHA: 995. p. -. Bakke, B., P. Stewart, B. Ulvestad, and W. Edward. Dust and Gas Exposure in Tunnel Construction Work. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 200;2:457-45 Bello, D., M. A. Virji, A. J. Kalil, and S. R. Woskie. Quantification of Respirable, Thoracic, and Inhalable Quartz Exposures by FT-IR in Personal Impactor Samples from Construction Sites. Appl. Occup. Environ. Hyg. 2002;7(8):580-590 Hinds, W.C., W.V. Liu, and J.R. Froines. Particle Bounce in a Personal Cascade Impactor: Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 985;4(9):57-523 Hilt, B., T. Qvenild, J. Holme, K. Svendsen, and B. Ulvestad. Increase in Interleukin- and Fibrinogen after Exposure to Dust in Tunnel Construction Workers. Occup. Environ. Med. 2002; 59:9- Liden, G. Evaluation of the SKC Personal Respirable Dust Sampling Cyclone. Appl. Occup. Environ. Hyg. 993;8(3): 78-90 Susan R. W., A. J. Kalil, D. Bello, and M. A. Virji. Exposure to Quartz, Diesel, Dust, and Welding Fumes During Heavy and Highway Construction. Am. Ind. Hyg. Assoc. J. 2002;3:447-457 Volkwein, J.C. Diesel Particulate Dosimeter. Available from:url:http: //www. cdc. gov/niosh/mining/comp2000/ apa.htm