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문제 정의
- 본 연구에서는 Shield-TBM의 커터비트배치 설계에 관한 연구로서 토사지반을 대상으로 Shield-TBM 터널 굴착시 커터비트 간격과 굴진속도에 따른 최적의 커터 비트배치 설계모델을 도출하고자 축소모형실험과 유한 요소해석법에 의한 수치해석을 실시하였다.
- 본 연구는 Shield-TBM 커터비트배치 설계에 관한 연구로서 토사지반을 대상으로 Shield- TBM 터널 굴착시 커터비트 간격과 굴진속도에 따른 최적의 커터비트 간격을 도출하기 위해 연구를 수행하였다. 실험조건은 실험지반에 균질성을 확보하기 위해 주문진 표준사를 이용하여 함수비 1%로 토피고 2D만큼 일정하게 다짐하여 조성하였다.
- 본 논문은 암반지반이 아닌 토사지반에서의 Shield-TBM 터널 굴착시 커터비트 간격 및 굴진속도에 따른 안정적인 커터비트배치에 관한 연구로써 커터비트 간격을 1.0D로 적용할 경우 Shield-TBM 굴착시 최적의 막장압을 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 커터비트의 배치는 암종별, 현장지질특성별에 따라 상이할 수 있으나 본 연구를 통해 도출된 결과를 바탕으로 추후 실제 현장 적용성에 대한 시공이 이루어진다면 보다 실질적인 연구 성과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
제안 방법
- 축소모형실험을 통한 토사지반 내에서 Shield-TBM 굴착시 커터비트 간격과 굴진속도에 따른 커터헤드 압력 및 굴진시간을 파악하기 위하여 모형굴착장비를 제작하였으며 실험지반의 균질성을 확보하기 위하여 주문진 표준사로 지반을 모델링하였다.
- 모형굴착장비는 Table 1과 같이 실제 Shield-TBM의 커터헤드 직경(D) 8m에 대한 축소율 1/100로 적용하여 모형굴착장비의 커터헤드 직경을 8cm로 제작하였다. 실제 Shield-TBM의 토크 113387.
- 모형굴착장비는 Table 1과 같이 실제 Shield-TBM의 커터헤드 직경(D) 8m에 대한 축소율 1/100로 적용하여 모형굴착장비의 커터헤드 직경을 8cm로 제작하였다. 실제 Shield-TBM의 토크 113387.7N･m/m2를 1/384로 감소시켜 실험장비의 토크를 331.4N･m/m2로 적용하였으며, 추력 또한 위와 같은 비율로 실제 추력 1034.4N･ m/m2을 1/384로 감소시켜 실험장비의 추력을 15.2kN로 적용하였다. 기타 장비 제원은 실험장비의 회전속도(0∼ 6rpm)와 굴진속도(0∼1mm/sec)까지 제어할 수 있도록 제작하였으며, 실험장비의 전경은 Fig.
- 실험지반은 가로×세로×폭이 600mm×640mm×650mm 로 모형토조를 제작하여 지반 조성하였다. 굴진장비의 각 부품에 대한 설명은 Fig. 1(b)와 같이 전면부터 커터 헤드와 회전모터, 굴진모터, 버럭 처리장치, 굴착 시 커터 헤드의 압력을 측정하기 위해 장비후면에 Load cell을 설치하였으며, 굴진거리를 실시간으로 측정하기 위해 Wire LVDT를 설치하였다.
- 이러한 문헌조사를 통해 Fig. 3과 같이 실제 Shield-TBM 커터헤드의 직경(D) 8m를 1/100로 축소율을 적용하여 직경(D) 80mm, 두께(t) 10mm의 아크릴로 제작하였다. 최적의 커터비트 간격을 선정하기 위하여 Fig.
- 개구율은 축소모형실험을 통한 TBM 커터헤드 개구율에 관한 연구(김상환 등, 2010)를 통해 최적의 커터헤드 개구율이 50%로 축소모형실험을 통해 판단되었기에 본 실험에서도 다음 식을 이용하여 개구율 50%로 적용하여 설계･제작하였다.
- 본 실험은 토사지반을 대상으로 터널 굴착시 커터비트 간격, 굴진속도에 따른 최적의 커터비트 간격을 도출하기 위해 Fig. 5와 같이 축소모형실험를 실시하였다. 축소모형실험에 사용한 모형 토조는 Fig.
- 1(a)와 같이 아크릴과 프레임을 이용하여 가로, 세로, 높이 600mm×640mm ×650mm로 제작하였다. 지반조성은 실험지반의 균질성 을 확보하기 위해 주문진 표준사를 이용하여 함수비 1% 로 토피고 2D만큼 일정하게 다짐하여 조성하였다. 터널 굴착시 모형굴착장비를 사용하여 커터비트 간격 0mm (일체화, Case-1), 3mm(1.
- 지반조성은 실험지반의 균질성 을 확보하기 위해 주문진 표준사를 이용하여 함수비 1% 로 토피고 2D만큼 일정하게 다짐하여 조성하였다. 터널 굴착시 모형굴착장비를 사용하여 커터비트 간격 0mm (일체화, Case-1), 3mm(1.0D, Case-2), 5mm(1.5D, Case-3) 에 따른 굴진속도를 0.33mm/sec, 0.66mm/sec, 1.00mm/ sec로 변화시켜 실험을 실시하였다. 실험 도중 터널굴착에 의해 발생하는 커터헤드의 압력을 측정하기 위해 Fig.
- 00mm/ sec로 변화시켜 실험을 실시하였다. 실험 도중 터널굴착에 의해 발생하는 커터헤드의 압력을 측정하기 위해 Fig. 5와 같이 굴진장비 후면에 Load cell을 설치하였으며, 굴착시 굴진거리를 측정하기 위해 굴진장비 후면에 Wire LVDT를 설치하였다. 터널 굴착시 커터비트 간격에 따른 굴진속도를 분석하기 위해 커터헤드의 회전속도 5rpm 과 굴진거리 300mm로 일정하게 굴착을 실시하였다.
- 5와 같이 굴진장비 후면에 Load cell을 설치하였으며, 굴착시 굴진거리를 측정하기 위해 굴진장비 후면에 Wire LVDT를 설치하였다. 터널 굴착시 커터비트 간격에 따른 굴진속도를 분석하기 위해 커터헤드의 회전속도 5rpm 과 굴진거리 300mm로 일정하게 굴착을 실시하였다. 이때 터널 굴착시 발생하는 버럭을 처리하기 위해 공기 흡입기를 이용하여 배토하였다.
- 이때 터널 굴착시 발생하는 버럭을 처리하기 위해 공기 흡입기를 이용하여 배토하였다. 터널 굴착이 완료된 후 커터비트 간격 및 굴진속도에 따른 커터헤드 압력과 굴진시 간을 측정하였다.
- 토사지반 내에서 Shield-TBM 굴착시 커터비트 간격별, 굴진속도를 분석하기 위해 커터헤드의 회전속도 5RPM 과 굴진거리 300mm로 일정하게 굴착을 실시하였으며, 굴착후 굴진거리에 따른 커터헤드의 압력 및 굴진시간을 측정하여 다음과 같이 비교･분석하였다.
- 커터헤드의 압력은 모형굴착장비 후면에 압력센서(Load cell)를 설치하였으며, 굴진거리를 측정하기 위하여 Wire LVDT를 설치하였다. 다음 Fig.
- 본 연구에서는 축소모형실험 결과에서 나타난 커터 비트 간격에 따른 막장압 및 굴진속도를 검증하기 위해서 Visual FEA를 이용하여 2차원 유한요소해석을 실시하였다.
- 5로 적용하였다. Table 2와 같이 축소모형실험과 같은 사질토 지반으로 적용하였으며, 동일 지반 조건 하에서 커터비트 간격 0cm(일체화, Case-1), 30cm(1.0D, Case-2), 50cm(1.5D, Case-3)를 Shield-TBM에 적용하여 수치해석을 실시하였다. 이에 따른 커터비트의 압력 변화와 지반의 거동을 비교 분석하였다.
- 5D, Case-3)를 Shield-TBM에 적용하여 수치해석을 실시하였다. 이에 따른 커터비트의 압력 변화와 지반의 거동을 비교 분석하였다.
- 축소모형실험과 동일한 조건 하에서 수치해석을 실시하기 위하여 Table 3과 같이 축소모형장비의 굴진속도 1mm/sec(100%)에 대한 수치해석의 추력을 실제 ShieldTBM의 추력인 52000kN로 적용하였으며, 실내모형장비와 실제장비의 굴진속도를 감소시킨 만큼 수치해석의 추력도 같은 비율로 감소시켜 굴진속도 0.66mm/sec(66%)일 때 추력 34666.7kN, 굴진속도 0.33mm/sec(33%)일 때 추력 17333.3kN로 적용하였다.
- 11은 커터비트 간격에 따른 커터헤드 최대 압력을 나타낸 그래프로 축소모형실험 결과와 수치해석 결과는 매우 유사한 거동으로 나타났다. 이때 분석결과는 수치해석의 경우 실제지반을 모사하였으며, 축소모형실험의 경우 실제 TBM의 직경(D) 8m를 1/100로 축소율을 적용하였다.
- 본 연구는 Shield-TBM 커터비트배치 설계에 관한 연구로서 토사지반을 대상으로 Shield- TBM 터널 굴착시 커터비트 간격과 굴진속도에 따른 최적의 커터비트 간격을 도출하기 위해 연구를 수행하였다. 실험조건은 실험지반에 균질성을 확보하기 위해 주문진 표준사를 이용하여 함수비 1%로 토피고 2D만큼 일정하게 다짐하여 조성하였다. 터널 굴착시 커터비트 간격과 굴진속도에 따른 커터헤드의 압력 및 지반 거동을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 실험지반은 가로×세로×폭이 600mm×640mm×650mm 로 모형토조를 제작하여 지반 조성하였다.
- 3과 같이 실제 Shield-TBM 커터헤드의 직경(D) 8m를 1/100로 축소율을 적용하여 직경(D) 80mm, 두께(t) 10mm의 아크릴로 제작하였다. 최적의 커터비트 간격을 선정하기 위하여 Fig. 4와 같이 커터비트 간격 0mm(일체화, Case-1), 3mm(1.0D, Case-2), 5mm(1.5D, Case-3)의 세 가지 Case로 선정하였으며, 커터 비트의 형상은 폭 3mm, 높이 2mm의 강철로 제작하였다.
- 축소모형실험에 사용한 모형 토조는 Fig. 1(a)와 같이 아크릴과 프레임을 이용하여 가로, 세로, 높이 600mm×640mm ×650mm로 제작하였다.
이론/모형
- 지반은 일반적으로 사용되고 있는 탄소성 모델인 MohrCoulomb을 적용하였으며, 2차원 수치해석의 경우 지반의 초기압력 상태를 고려하기 위하여 토압계수(k 0)는 0.5로 적용하였다. Table 2와 같이 축소모형실험과 같은 사질토 지반으로 적용하였으며, 동일 지반 조건 하에서 커터비트 간격 0cm(일체화, Case-1), 30cm(1.
성능/효과
- 5D)에 따른 압력-시간을 비교한 결과이다. 커터비트 간격을 일체화한 경우 커터헤드 최대 압력이 1.75kg/mm2인데 반해 커터비트 간격 1.5D일 때 커터헤드 최대 압력이 1.17kg/mm2로 약 33.14% 감소하였으며, 커터비트 간격 1.0D와 1.5D를 비교했을 때 커터비트 간격이 1.0D일 때 커터헤드 최대 압력이 0.74kg/mm2로 약 36.58% 감소하였다.
- 6과 같이 유사한 거동이 나타났다. 커터비트 간격을 일체화한 경우 커터헤드 최대 압력이 4.56kg/mm2인데 반해 커터비트 간격 1.5D일 때 커터헤드 최대 압력이 2.08kg/mm2로 약 54.29% 감소하였으며, 커터비트 간격 1.0D와 1.5D를 비교했을 때 커터비트 간격 1.0D일때 커터헤드 최대 압력이 0.93kg/mm 2 로 약 55.57% 감소 하였다.
- 5D)에 따른 압력-시간을 비교한 결과로 Fig 6과 같이 유사한 거동이 나타났다. 커터비트 간격을 일체화한 경우 커터헤드 최대 압력이 11.50kg/mm2인데 반해 커터비트 간격 1.5D일 때 커터헤드 최대 압력이 8.42kg/mm2로 약 26.80% 감소하였으며, 커터비트 간격 1.0D와 1.5D를 비교했을 때 커터비트 간격 1.0D일 때 커터헤드 최대 압력이 4.50kg/mm2로 약 46.56% 감소 하였다.
- 커터비트 간격에 따른 커터헤드 압력을 분석한 결과 커터비트 간격 1.0D일 때 굴진속도 0.33mm/sec에서 커터헤드 최대 압력이 0.74kg/mm2로 커터헤드 압력이 가장 적게 받는 것을 축소모형실험을 통해 확인할 수 있었다.
- 5D)에 따른 굴진 시간을 나타낸 그래프이다. 굴진속도 0.33mm/sec의 경우 굴진거리 300mm 굴진 시 커터비트 간격 일체화 대비 1.0D에서 굴진시간 51sec 감소하였으며, 커터비트 간격 1.5D 대비 1.0D에서는 굴진시간 21sec 감소한 것을 확인할 수 있었다.
- 굴진속도 0.66mm/sec의 경우도 비슷한 경향을 나타냈고, 굴진거리 300mm 굴진 시 커터비트 간격 일체화 대비 1.0D에서는 굴진시간 30sec 감소하였으며, 커터비트 간격 1.5D 대비 1.0D에서는 굴진시간 16sec 감소한 것을 확인할 수 있었다.
- 굴진속도 1mm/sec의 경우 굴진거리 300mm 굴진 시 커터비트 간격 일체화 대비 1.0D에서 굴진시간 16sec 감소하였으며, 커터비트 간격 1.5D 대비 1.0D에서는 굴진시간 10sec 감소한 것을 확인할 수 있었다.
- 실험결과 터널 굴착시 커터비트 간격 일체화 또는 1.5D를 적용하였을 때보다 커터비트 간격 1.0D를 적용하였을 때 커터헤드 압력 및 굴진시간이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 커터비트 간격을 1.
- 5D)에 따른 커터헤드 압력을 나타낸 그래프로 추력이 증가할수록 커터헤드 압력이 증가하는 것으로 나타났다. 추력 52000kN의 경우 커터비트 간격 일체화일 때 커터헤드 최대 압력이 985kPa인데 반해 커터비트 간격 1.5D일 때최대 압력이 938kPa로 약 4.77% 감소하는 것으로 나타났으며, 커터비트 간격 1.0D의 경우 커터헤드 최대 압력이 845kPa로 커터비트 간격 1.5D 보다 약 9.91% 감소하는 것으로 나타났다.
- 수치해석결과 터널 굴착시 커터비트 간격 일체화 또는 1.5D를 적용했을 때보다 커터비트 간격 1.0D를 적용하였을 때 커터헤드 압력이 감소하는 것으로 나타났으며, 또한 추력 17333.3kN에서 지반변위가 가장 적게 측정되었다.
- Fig. 11과 같이 각 Case별에 따른 축소모형실험 및 수치해석을 비교･분석한 결과 굴진속도가 증가할수록 커터헤드 압력이 증가하는 경향이 나타났다. 굴진속도 0.
- 커터비트 간격 3mm(축소모형실험) 또는 30cm(수치 해석)를 1.0D로 봤을 때 Shield-TBM 굴착시 커터헤드의 커터비트 간격이 약 1.5D이상 적용하였을 때보다 커터 비트 간격을 1.0D 적용하였을 때 커터헤드 압력이 감소하는 것으로 나타났다.
- 따라서, 커터비트 간격(Cuttig groove spacing)을 일체화, 1.0D, 1.5D의 세 가지 Case로 적용하여 축소모형실험을 실시한 결과를 비교･분석해 보면 커터헤드에 걸리는 막장압, 굴진속도 및 지중응력을 복합적으로 고려하였을 때 비트간 간격을 1.0D로 적용한 것이 Shield-TBM 굴착에 따른 안정성 확보가 가장 유리한 것으로 나타났다.
- (1) 실내축소모형실험을 통해 굴진속도 0.33mm/sec일때 커터비트 간격 1.0D에서 커터헤드 압력이 가장 많이 감소하는 경향이 나타났다. 또한 굴진거리 300 mm 도달하는데 걸리는 최대 굴진 시간 또한 커터비트 간격 일체화 또는 1.
- 0D에서 커터헤드 압력이 가장 많이 감소하는 경향이 나타났다. 또한 굴진거리 300 mm 도달하는데 걸리는 최대 굴진 시간 또한 커터비트 간격 일체화 또는 1.5D 대비 1.0D에서 최대 굴진 시간이 각각 21sec, 51sec로 감소하는 경향이 나타났다.
- (2) 수치해석결과는 축소모형실험결과와 매우 유사한 거동이 나타났으며, 터널 굴착시 커터비트 간격 일체화 또는 1.5D 대비 1.0D에서 커터헤드 최대 압력및 지반변위가 각각 28.75%, 22.98%로 감소하는 경향이 나타났다.
- (3) 축소모형실험과 수치해석을 비교 분석한 결과 굴진 속도(추력)가 증가할수록 커터헤드 압력이 증가하는 경향이 나타났으며, Shield-TBM 터널 굴착시 커터비트 간격이 1.0D로 적용할 경우 커터헤드 압력, 굴진시간 및 지반변위가 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 0D로 적용할 경우 Shield-TBM 굴착시 최적의 막장압을 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 커터비트의 배치는 암종별, 현장지질특성별에 따라 상이할 수 있으나 본 연구를 통해 도출된 결과를 바탕으로 추후 실제 현장 적용성에 대한 시공이 이루어진다면 보다 실질적인 연구 성과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
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