본 논문에서는 EPB Shield TBM장비에서 사용되는 체임버 내의 토압을 제어하고 막장의 안전을 유지하는 버력처리시스템인 스크루 컨베이어를 축소 제작하여 실내모형 실험을 실시하였다. 본 실내모형 실험에서 고려한 실험조건은 스크루 각도, 스크루 피치간격 및 스크루 회전수 등이며, 조건별 시험결과인 단위시간당 버력량을 비교 분석 하여 버력처리시스템이 최적의 성능을 발휘 할 수 있는 조건을 제시하였다. 최종적으로, 본 실험결과로부터 버력이 역류하지 않는 최적의 스크루 각도, 스크루 회전수 그리고 스크루 간격 조건을 도출할 수 있었다.
본 논문에서는 EPB Shield TBM장비에서 사용되는 체임버 내의 토압을 제어하고 막장의 안전을 유지하는 버력처리시스템인 스크루 컨베이어를 축소 제작하여 실내모형 실험을 실시하였다. 본 실내모형 실험에서 고려한 실험조건은 스크루 각도, 스크루 피치간격 및 스크루 회전수 등이며, 조건별 시험결과인 단위시간당 버력량을 비교 분석 하여 버력처리시스템이 최적의 성능을 발휘 할 수 있는 조건을 제시하였다. 최종적으로, 본 실험결과로부터 버력이 역류하지 않는 최적의 스크루 각도, 스크루 회전수 그리고 스크루 간격 조건을 도출할 수 있었다.
The screw conveyor system installed in EPB Shield TBM chamber was manufactured in small scale for pilot test to investigate the tunnel muck hauling system that could control the earth pressure and support face thrust force. In this experimental study, there were three different test conditions that ...
The screw conveyor system installed in EPB Shield TBM chamber was manufactured in small scale for pilot test to investigate the tunnel muck hauling system that could control the earth pressure and support face thrust force. In this experimental study, there were three different test conditions that include screw angles, screw pitch, and screw RPM. Through analysis on test results based on the muck hauling amount per unit time from screw conveyor, the optimum conditions of screw conveyor were proposed to be efficiently performed by the muck processing system. Finally, this study provided the meaningful results such as optimum screw angle, screw RPM, and screw pitch for anti-reverse flow of muck hauling.
The screw conveyor system installed in EPB Shield TBM chamber was manufactured in small scale for pilot test to investigate the tunnel muck hauling system that could control the earth pressure and support face thrust force. In this experimental study, there were three different test conditions that include screw angles, screw pitch, and screw RPM. Through analysis on test results based on the muck hauling amount per unit time from screw conveyor, the optimum conditions of screw conveyor were proposed to be efficiently performed by the muck processing system. Finally, this study provided the meaningful results such as optimum screw angle, screw RPM, and screw pitch for anti-reverse flow of muck hauling.
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문제 정의
위에서 언급한 것과 같이 국외에서는 스크루 컨베이어에 대한 연구가 활발하게 진행되는 반면 국내의 경우 EPB Shield TBM에 관한 스크루 컨베이어의 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 EPB Shield TBM장비에서 사용되는 체임버 내의 토압을 제어하고 막장의 안전을 유지하는 스크루 컨베이어를 축소 제작하여 실내모형 실험을 실시하였다. 이를 위해 스크루 각도별(0°, 10°, 20°, 30°, 40°), 스크루 피치별, Scerw 회전수(10RPM, 20RPM, 30RPM, 40RPM)을 비교･ 분석하여 버력처리시스템이 최적의 성능을 발휘 할 수 있도록 스크루 컨베이어에 대한 연구를 실시하였다.
본 실험에서는 스크루컨베이어를 이용한 버력처리시스템의 세부조건별 스크루 컨베이어의 최적 성능을 찾기 위해 축소모형실험을 진행하였다. 스크루는 축 방식중에 리본식, 샤프트식으로 나눌 수 있다.
위에서 언급한 것과 같이 국외에서는 스크루 컨베이어에 대한 연구가 활발하게 진행되는 반면 국내의 경우 EPB Shield TBM에 관한 스크루 컨베이어의 연구는 전무한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 EPB Shield TBM장비에서 사용되는 체임버 내의 토압을 제어하고 막장의 안전을 유지하는 스크루 컨베이어를 축소 제작하여 실내모형 실험을 실시하였다. 이를 위해 스크루 각도별(0°, 10°, 20°, 30°, 40°), 스크루 피치별, Scerw 회전수(10RPM, 20RPM, 30RPM, 40RPM)을 비교･ 분석하여 버력처리시스템이 최적의 성능을 발휘 할 수 있도록 스크루 컨베이어에 대한 연구를 실시하였다.
제안 방법
각 스크루별 각도에 따른 버력처리 성능을 알아보기 위해 그림 3와 같이 각도조절장치로 이용하여 0°, 10°, 20°, 30°, 40°로 각도를 조절할 수 있도록 제작하였다.
각 스크루별 각도에 따른 버력처리 성능을 알아보기 위해 그림 3와 같이 각도조절장치로 이용하여 0°, 10°, 20°, 30°, 40°로 각도를 조절할 수 있도록 제작하였다. 또한 각도조절장치에 모터와 스크루를 결합하여 RPM(10RPM, 20RPM, 30RPM, 40RPM)를 조절할 수 있게 하였으며 스크루를 회전시켜 버력을 이송 시킨 후에 단위시간당 버력량을 측정하였다.
0로 제작하였고 표 3과 같이 실험조건별 <스크루 Case>로 구분 하였다. 또한 실제 체임버를 1/45.5를 축소하여 버력배토를 용이하게 이송할 수 있게 설계하였다.
75%, 함수비 40%(표준사 5,000g, 물의 양)로 사용하여 180초간 버력량을 측정하였다. 시료는 예비실험을 통해 스크루 열마모 등 문제점 발생과 버력 배토 시 버력이 다시 main drive쪽으로 흘러내리는 현상이 일어났으며 역류현상을 예방하기 위해 적정 배합비를 표 4와 같은 적용하였다.
이를 위해 스크루 각도별(0°, 10°, 20°, 30°, 40°), 스크루 피치별, Scerw 회전수(10RPM, 20RPM, 30RPM, 40RPM)을 비교･ 분석하여 버력처리시스템이 최적의 성능을 발휘 할 수 있도록 스크루 컨베이어에 대한 연구를 실시하였다.
본 연구에서는 EPB Shield TBM장비에서 사용되는 체임버 내의 토압을 제어하고 막장의 안전을 유지하는 스크루 컨베이어를 축소 제작하여 실내 모형실험을 실시하였다. 이를 통해 다양한 스크루 설치 조건별로 단위시간당 버력량을 산정하였고 그 결과를 비교･ 분석 하였다
표 4과 같이 시료는 표준사, 물 및 역류방지, 점착력증대를 위한 첨가제(polymer)를 이용하여 각각 스크루별 첨가제 1.2%, 함수비 25%(표준사 5,000g, 물의 양), 첨가제/물 0.75%, 함수비 40%(표준사 5,000g, 물의 양)로 사용하여 180초간 버력량을 측정하였다. 시료는 예비실험을 통해 스크루 열마모 등 문제점 발생과 버력 배토 시 버력이 다시 main drive쪽으로 흘러내리는 현상이 일어났으며 역류현상을 예방하기 위해 적정 배합비를 표 4와 같은 적용하였다.
성능/효과
1. 스크루 컨베이어의 회전수가 가장 높은 40RPM에서 버력량이 가장 크게 나타났다. 하지만 실제 EPB Shield TBM장비에서 스크루 컨베이어의 회전수를 증가하면 지지압력이 감소하기 때문에 굴진률이 저조하게 될 수 있으므로 스크루 컨베이어에 회전수는 지반조건에 따라 제어해야 한다.
2. 스크루 각도(0°, 10°, 20°, 30°, 40°)에 따른 단위 시간당 버력량을 측정한 결과 40°보다 0°에서 버력량이 증가하는 것으로 측정되었다.
3. 피치간격이 넓어질수록 버력량도 증가하였으나 버력 내부의 함수비가 일정 이상이 되면 체임버 내로 버력이 역류하는 현상이 많이 발생하였다. 따라서 실제 EPB Shield TBM 장비의 버력처리시에도 버력의 역류현상이 발생할 수 있기 때문에 굴착 시에 첨가제 및 함수비를 조절하여 굴착을 실시해야 한다.
또 10RPM일 때 0°가 40°보다 약 0.68배, 20RPM일 때 0.03배 감소, 30RPM일 때 0.19배, 40RPM일 때 0.16배로 각각의 RPM에 따라 각도 0°일때가 버력량이 많은 것으로 나타났다 또한 시료의 함수율이 높으면 스크루가 버력을 이송 시 버력 및 첨가제가 조금씩 체임버 내로 역류하는 현상이 나타났다.
19배, 40RPM일 때 0.16배로 각각의 RPM에 따라 각도 0°일때가 버력량이 많은 것으로 나타났다 또한 시료의 함수율이 높으면 스크루가 버력을 이송 시 버력 및 첨가제가 조금씩 체임버 내로 역류하는 현상이 나타났다.
따라서 실제 EPB Shield TBM 장비의 버력처리시에도 버력의 역류현상이 발생할 수 있기 때문에 굴착 시에 첨가제 및 함수비를 조절하여 굴착을 실시해야 한다. 또한 피치가 넓은 2:1보다는 1:1 이내의 피치 조건에서 배토가 안정적으로 이루어진다는 것으로 파악할 수 있었다.
7:1, 1:1, 2:1로 증가할수록 버력량이 많이 배토되었던 40RPM을 비교한 결과 함수비가 높을수록 버력량이 증가되는 것으로 나타났다. 또한 함수비가 일정 이상 증가하면 버력 이송 시 버력이 역류현상이 나타났으며 스크루 피치간격 2:1이 다른 피치간격 0.7:1, 1:1 보다 버력량이 약 3.1배 정도로 높게 배토되었지만 피치가 커짐에 따라 다른 스크루와 다르게 역류현상이 심하게 나타났다. 또한 스크루 각도가 0°일때가 버력량이 증가하지만 함수비가 높으며 버력이 역류하는 현상이 발생하였다.
후속연구
본 연구에서 수행된 실험은 제한적인 스크루 조건에서 수행되었기 때문에, 다양한 스크루 및 지반 조건에서의 실대형 실험을 통한 향후 추가적인 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Shield TBM공법은 어떻게 구분되는가?
터널굴착공법 중 하나인 Shield-TBM은 국내외적으로 무소음･ 무진동 등 환경 피해를 최소화하고 지반조건에 상관없이 광범위하게 적용 할 수 있어 널리 이용되고 있다. Shield TBM공법은 Slurry Shield TBM과 EPB(Earth Pressure Balanced) Shield TBM으로 나눌 수 있다. Slurry Shield TBM은 체임버 내에 이수가압을 순환시켜 굴진면을 안정화시키며 굴착하게 된다.
Shield-TBM의 장점은 무엇인가?
터널굴착공법 중 하나인 Shield-TBM은 국내외적으로 무소음･ 무진동 등 환경 피해를 최소화하고 지반조건에 상관없이 광범위하게 적용 할 수 있어 널리 이용되고 있다. Shield TBM공법은 Slurry Shield TBM과 EPB(Earth Pressure Balanced) Shield TBM으로 나눌 수 있다.
참고문헌 (9)
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