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문제 정의
- 본 연구에서는 국내에서 처음으로 이방성 암석인 아산편마암을 대상으로 두 개의 다른 편리각을 갖도록 암석시편을 채취하여 선형절삭시험을 수행하였으며 이를 통하여 이방성 각도에 따른 암석의 절삭효율을 분석하였다. 본 연구의 결과는 암반의 이방성에 따른 TBM의 굴착성능을 예측하는데 활용하기 위한 기초 연구로 수행되었다.
제안 방법
- 결과값에 영향을 크게 미칠 것으로 예상되는 편리의 방향을 선택하여 시편을 제작하였으며 이에 따라 α=90°, β=90°의 경우는 고려하지 않았다.
- 따라서 편리면이 굴착면과 이루는 각도인 β를 유일한 시험변수로 설정하였으며 그에 따라 시험은 평행편리(α=not defined, β=0°)와 직각편리(α=0°, β=90°) 두 가지 경우에 대해서만 수행되었다(Table 1 참조).
- 본 연구에서 두 가지 편리각을 가지는 아산편마암 암석시편에 대하여 Table 1과 같이 총 29가지의 선형절삭 시험을 수행하였으며 결과는 Table 3과 4에 정리된 바와 같다.
- 본 연구에서는 국내에서 처음으로 이방성 암석인 아산편마암을 대상으로 두 개의 다른 편리각을 갖도록 암석시편을 채취하여 선형절삭시험을 수행하였으며 이를 통하여 이방성 각도에 따른 암석의 절삭효율을 분석하였다. 본 연구의 결과는 암반의 이방성에 따른 TBM의 굴착성능을 예측하는데 활용하기 위한 기초 연구로 수행되었다.
- 본 연구에서는 두 가지 편리각에 대한 시험을 계획하고, 편리가 발달한 이방성 암석 시료로 아산편마암을 채취하여 선형절삭시험용 실대형 시료로 가공하였다(Fig. 3).
- 본 연구에서는 이를 위하여 암석 주변을 콘크리트로 캐스팅하여 선형절삭시험에서 일반적으로 사용되는 크기인 1 m×1 m×0.3 m를 만족시키도록 하였다.
- 4와 같으며 (b)에서 노란부분은 절삭선 사이의 비파쇄대를 의미하고 녹색은 절삭이 이루어진 부분을 나타낸다. 부피 계산 시 오차를 줄이기 위하여 절삭선이 없는 양 끝단(부피계산 시 기준면으로 사용)은 평면으로 처리하였다.
- 연구에서는 두 가지 편리각을 가지는 이방성 암석에 대한 선형절삭시험을 통해 디스크 커터에 의한 이방성 암석의 절삭효율을 조사하였다. 이방성 암석에서 편리각도는 TBM에 의한 암반 굴착 시 디스크 커터의 작용력 및 인장균열 전파, 암석의 chipping에 영향을 주는 것으로 나타났다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용한 시편의 크기는 평행편리의 경우에는 0.8 m×0.8 m×0.3 m가, 직각편리의 경우에는 0.55 m×0.55 m×0.3 m로 각각 다르게 적용되었다.
- 따라서 편리면이 굴착면과 이루는 각도인 β를 유일한 시험변수로 설정하였으며 그에 따라 시험은 평행편리(α=not defined, β=0°)와 직각편리(α=0°, β=90°) 두 가지 경우에 대해서만 수행되었다(Table 1 참조). 평행편리 시료의 경우 압입깊이 4 mm, 6 mm, 8 mm에 대하여 시험을 계획하였으며 직각편리 시료의 경우에는 압입깊이 4 mm 와 6 mm에 한정하여 시험을 계획하였다(Table 1). 직각편리 시료는 채취된 시료의 개수가 두 개로 한정되어 압입깊이 8 mm에 대해서는 시험을 수행하지 않았다.
이론/모형
- 여기서 MRF(Mean Rolling Force)는 평균회전력(kN), l은 절삭 길이(mm), Vcut는 절삭된 암석의 부피이다. 따라서 시험을 통해 절삭된 암석부피를 정확히 측정하는 것이 중요하며 본 연구에서는 암석의 절삭부피를 측정하는 방법으로 사진측량기법을 사용하였다. 사진측량기법을 통한 방법은 절삭면에 모래를 충진하여 부피를 측정하는 방법과 5%이 내의 오차를 나타내어 만족스러운 정확도를 갖는 것으로 확인되었다.
성능/효과
- 8은 평행편리(“P” code)와 직각편리(“N” code)에 대하여 동일한 절삭조건의 시험에서 측정된 평균작용력의 비(force ratio, Table 5 참조)를 s/p비에 따라 나타낸 것이다. Force ratio의 값이 클수록 두 가지의 편리각을 대상으로 수행된 선형절삭시험에서 얻은 작용력의 차이가 크게 나타난 것을 의미하며 평균수직력과 평균회전력 모두 s/p비가 증가함에 따라 편리각에 따른 작용력의 차이가 점점 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 수직력의 비는 1.
- 반대로 절삭면과 직각인 방향의 편리면을 가지는 경우에는 인접한 커터사이의 인장균열의 전파가 억제되는 것으로 판단되며 평행편리에 비해 넓은 커터 간격에서는 chipping이 발생하지 않음을 알 수 있었다. 따라서 이방성 암석의 경우 절삭면과 편리면이 이루는 각도에 따라 최적 절삭간격이 달라지는 현상을 확인할 수 있었다. 하지만 평행편리의 경우에는 직각편리보다 평균회전력이 높게 측정되어 비에너지의 값은 직각편리의 경우가 전반적으로 낮게 관측되었다.
- 이방성 암석에서 편리각도는 TBM에 의한 암반 굴착 시 디스크 커터의 작용력 및 인장균열 전파, 암석의 chipping에 영향을 주는 것으로 나타났다. 또한 수직력 보다 회전력이 편리각에 의한 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다. 암석의 이방성에 기인한 암석의 강도차이는 디스크 커터가 암석을 절삭 할 때 발생하는 작용력의 차이를 가져오며 또한 편리면은 연약면으로 작용하여 편리방향으로의 균열 전파를 보다 촉진하고 암석의 chipping을 용이하게 하기 때문에 나타난 결과인 것으로 판단되었다.
- 본 연구에서도 관입깊이가 증가함에 따라 디스크 커터의 작용력이 증가하는 경향을 관찰할 수 있었다. 또한 절삭 간격이 늘어남에 따라 디스크 커터의 작용력은 증가하는 경향을 보이다가 특정 절삭간격 이상에서는 수렴하거나 곡선이 완만해 지는 것을 확인할 수 있었다. 이것은 동일한 관입깊이에서 어느 수준 이상으로 커터간격이 넓어지면 인접한 디스크 커터 사이에 상호작용이 거의 일어나지 않는 것을 의미하며 최적 절삭조건은 일반적으로 작용력이 수렴하는 커터 간격 근처에서 관측된다.
- 11(a), (b) 참조). 또한 절삭면과 평행한 편리의 경우에는 직각인 편리의 경우에 비해 절삭계수가 높게 도출되어 동일한 추력이 작용할 때 더욱 큰 토크가 필요함을 확인할 수 있었으며 이것 또한 편리의 방향성에 따른 영향인 것으로 판단된다.
- 10) 이는 절삭면과 평행하게 편리면이 발달한 경우에 편리면은 연약면으로 작용하여 평행방향으로 균열의 전파를 촉진하게 되므로 더욱 넓은 간격에서 최적 절삭조건을 기대할 수 있게 된다는 의미이다. 반대로 절삭면과 직각인 방향의 편리면을 가지는 경우에는 인접한 커터사이의 인장균열의 전파가 억제되는 것으로 판단되며 평행편리에 비해 넓은 커터 간격에서는 chipping이 발생하지 않음을 알 수 있었다. 따라서 이방성 암석의 경우 절삭면과 편리면이 이루는 각도에 따라 최적 절삭간격이 달라지는 현상을 확인할 수 있었다.
- , 2010). 본 연구에서도 관입깊이가 증가함에 따라 디스크 커터의 작용력이 증가하는 경향을 관찰할 수 있었다. 또한 절삭 간격이 늘어남에 따라 디스크 커터의 작용력은 증가하는 경향을 보이다가 특정 절삭간격 이상에서는 수렴하거나 곡선이 완만해 지는 것을 확인할 수 있었다.
- 따라서 시험을 통해 절삭된 암석부피를 정확히 측정하는 것이 중요하며 본 연구에서는 암석의 절삭부피를 측정하는 방법으로 사진측량기법을 사용하였다. 사진측량기법을 통한 방법은 절삭면에 모래를 충진하여 부피를 측정하는 방법과 5%이 내의 오차를 나타내어 만족스러운 정확도를 갖는 것으로 확인되었다. 시험 전 후 디지털 카메라를 이용하여 획득한 이미지는 전용 소프트웨어인 ShapeMertix3D를 통해 3차원 좌표로 환산되며 이 좌표값은 Surfer 8.
- 또한 수직력 보다 회전력이 편리각에 의한 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다. 암석의 이방성에 기인한 암석의 강도차이는 디스크 커터가 암석을 절삭 할 때 발생하는 작용력의 차이를 가져오며 또한 편리면은 연약면으로 작용하여 편리방향으로의 균열 전파를 보다 촉진하고 암석의 chipping을 용이하게 하기 때문에 나타난 결과인 것으로 판단되었다. 따라서 절삭면과 평행한 편리면이 발달한 암반을 굴착하는 경우, 커터의 간격을 보다 넓게 적용할 수 있고 커터헤드 설계 시 디스크 커터의 개수를 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 10과 같다. 압입깊이가 증가함에 따라 최적 s/p비는 소폭 감소하는 경향을 보였으며 편리가 절삭면과 평행한 경우에는 직각인 경우에 비해 넓은 절삭간격에서 최적 s/p비가 도출됨을 확인할 수 있었다. 예를 들어 관입깊이 4 mm의 경우 최적 s/p비는 평행편리의 경우 10 ~ 15사이의 값이, 직각편리는 7.
- 연구에서는 두 가지 편리각을 가지는 이방성 암석에 대한 선형절삭시험을 통해 디스크 커터에 의한 이방성 암석의 절삭효율을 조사하였다. 이방성 암석에서 편리각도는 TBM에 의한 암반 굴착 시 디스크 커터의 작용력 및 인장균열 전파, 암석의 chipping에 영향을 주는 것으로 나타났다. 또한 수직력 보다 회전력이 편리각에 의한 영향을 더 많이 받는 것으로 나타났다.
후속연구
- 본 연구에서는 아산편마암에 대하여 두 개의 이방성 각도를 대상으로 하여 비교적 한정된 횟수의 시험을 수행하였을 뿐만 아니라 α=90°, β=90°에 대한 경우는 고려하지 못한 한계가 있다. 따라서 향후 추가시험 또는 수치해석적인 기법을 통하여 다양한 편리각을 가지는 경우와 다른 종류의 이방성 암석에 대한 디스크커터의 절삭효율을 평가하기 위한 지속적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구에서는 아산편마암에 대하여 두 개의 이방성 각도를 대상으로 하여 비교적 한정된 횟수의 시험을 수행하였을 뿐만 아니라 α=90°, β=90°에 대한 경우는 고려하지 못한 한계가 있다.
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