[논문]축소모형실험을 통한 쉴드 TBM 커터비트의 절삭력 평가를 위한 기초 연구

김상환; 장인석; 김지태

doi:10.9711/ktaj.2012.14.3.277

문제 정의

또한 실제 TBM장비의 성능 제원과 비교하여 매우 작은 힘으로 구동하게 되므로 실제와는 다소 차이가 발생할 수 있다. 그러나 본 연구는 커터비트 형상변화와 관입깊이에 따른 절삭력의 경향을 분석한 기초적 연구이므로 다양한 설계조건에 따른 절삭력을 분석하고, 실내 실험결과와 이론식에 의한 계산결과를 비교 ㆍ분석하여, 커터비트의 최적 설계모델을 도출하기 위한 기초적인 자료들을 축적하고자 하였다.
본 연구는 커터비트 형상변화(비트 설치각도, 비트폭) 및 관입깊이에 따른 절삭력의 경향을 분석한 기초적 연구이다. 따라서 다양한 절삭조건에 따른 커터비트의 절삭력을 실험적으로 분석하고, 기존 이론식에 의한 계산결과를 비교ㆍ분석하였다.
개별 커터비트 시스템은 지반강도 및 커터비트의 관입깊이, 각도 등을 변화시켜가며 실험을 수행할 수 있으며 다양한 설계조건들에 대한 절삭력 분석이 가능하다. 본 연구에서 구축한 실험시스템의 실험결과와 이론식에 의한 계산결과를 비교ㆍ분석하여, 커터비트의 최적 설계모델을 도출하기 위한 기초적인 자료들을 축적하고자 하였다.
본 연구에서는 쉴드 TBM 커터비트가 지반을 절삭 할 때 발생하는 절삭력 분석을 위하여 개별 커터비트 실험기를 개발 ㆍ제작하였다. 이를 위해 개별 커터비트 실험장비는 쉴드 TBM과 같은 원리를 적용하여 실제 지반굴착과 동일하게 굴착 가능하도록 모사하였다.
본 연구에서는 토사 및 복합지반을 대상으로 TBM의 절삭도구인 커터비트에 대한 개별 커터비트 실험 시스템을 구축하였다. 개별 커터비트 시스템은 지반강도 및 커터비트의 관입깊이, 각도 등을 변화시켜가며 실험을 수행할 수 있으며 다양한 설계조건들에 대한 절삭력 분석이 가능하다.

가설 설정

Evans 모델의 메커니즘은 그림 1과 같이 지반의 전단면을 쐐기형의 Drag pick로 절삭할 때, Pick의 끝에서 지반의 표면에 이르는 원호를 따라 인장파괴가 발생하고, 지반 절삭 시 지반에는 세 가지 힘이 작용한다고 보며 절삭력은 이 세 가지 힘과 평형상태를 이룬다고 가정한 모델이다.

제안 방법

개별 커터비트 실험 시스템은 그림 5와 같이 개별 커터비트 고정 및 이동시스템(A), 커터비트를 이동시켜 지반을 절삭시키는 시스템(B), 지반 절삭시 발생하는 장비 흔들림에 대해 완충 시켜주는 스프링 완충시스템(C), 일축압축실험 강도에 맞추어 조성된 실험용 지반(D), 비트커터 관입깊이 측정용 LVDT(E), 굴착거리 계측용 Wire LVDT(F), 절삭력 계측을 위한 Load cell(G)로 구성되어 있다. 개별 커터비트 실험장비의 주요 실험 조건 및 절삭력이 발생하는 원리를 그림 6과 같이 나타내었다.
개별 커터비트 실험 시스템을 이용하여 지반강도 및 커터비트의 관입깊이, 각도 등에 따른 절삭력 변화에 대한 기초적인 실험을 수행하였다. 실험 비트 커터비트 형상 폭인 1B(15 mm)와 2B(30 mm)에 대해 절삭력 측정 실험을 실시한 결과는 다음 그림 11, 12와 같고 최대 절삭력은 표 6, 7에 정리하였다.
커터비트의 절삭 메커니즘에 대하여서는 많은 연구자에 의하여 제안된 모델들이 다수 있다. 그러나 본 연구에서는 터널 기계화 굴착에 사용되는 절삭도구인 커터비트의 지반 절삭 이론 중에 대표적으로 영국의 Evans 모델, 수정 Ernst-Merchant모델과 일본의 Nishimatsu 모델 등에 대하여 검토하고 실험결과와 비교ㆍ분석하였다. 각 모델에 대한 상세분석 내용은 다음과 같다.
본 연구는 커터비트 형상변화(비트 설치각도, 비트폭) 및 관입깊이에 따른 절삭력의 경향을 분석한 기초적 연구이다. 따라서 다양한 절삭조건에 따른 커터비트의 절삭력을 실험적으로 분석하고, 기존 이론식에 의한 계산결과를 비교ㆍ분석하였다. 연구결과를 요약 정리하면 다음과 같다.
커터비트의 경우, 그림 7과 같이 쉴드 TBM 제조사, 적용지반에 따라 각각 다른 형상으로 분석되었다. 따라서 점선 원과 같이 밀집되어 분석된 커터비트의 형상에 대해 장비의 평균사양을 선정하고 이를 바탕으로 표 1과 같이 실내모형실험인 것을 고려하여 개별비트 실험기의 축소율을 1/10로 적용하여 커터비트를 제작하였다.
0B(30 mm), 커터비트 각도는 0°, 10°, 20°, 30°로 조정하여 실험을 실시할 수 있게 제작하였다. 또한 각도 조절과 마모율에 따른 부품교체를 위해 조립식으로 제작하였다.
모형 실험 조건은 표 4와 같이 실험 지반으로 조성한 풍화암 지반에 대하여 커터비트 각도( 0°, 10°, 20°, 30°)와 커터비트 주요 변수인 관입깊이 (2 mm, 4 mm, 6 mm)를 변경하며 실험을 실시하였다. 또한 비트폭을 1.0B(15 mm)와 2.0B(30 mm)로 선정하여 총 24개 Case의 실험 조건에 대해 절삭력을 분석하였다. 절삭력 측정을 위하여 커터비트상부와 커터비트 이동시스템에 로드셀을 설치하여 지반 절삭시 발생하는 응력을 측정하고 계측시스템을 이용하여 커터비트의 절삭거리(Cutting distance)와 관입깊이(Penetration depth)를 측정하였다.
또한 조성된 실험용 지반에 대하여 동일한 전단실험용 몰드를 제작하고 직접전단실험을 실시하여 점착력과 내부 마찰각을 산정하였다. 일축압축강도 실험과 직접전단실험 결과는 표 4와 같다.
모형 실험 조건은 표 4와 같이 실험 지반으로 조성한 풍화암 지반에 대하여 커터비트 각도( 0°, 10°, 20°, 30°)와 커터비트 주요 변수인 관입깊이 (2 mm, 4 mm, 6 mm)를 변경하며 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 실내실험의 한계상 실제 지반 및 TBM 장비를 100% 동일하게 모사하지 못하기 때문에 커터비트의 다양한 요소들 중 커터비트 형상과 관입깊이에 대한 경향적 분석을 진행하였다. 향후 Scale Effect를 고려한 실험을 실시함으로써 기존에 제시된 절삭력 예측 이론식들을 보완한 예측모델 개발의 기초 자료로 활용할 것이다.
모든 변수들을 고려하여 실험을 실시하는 것은 실질적으로 많은 어려움이 있다. 본 연구에서는 여러 주요 변수들 중 커터비트 설계요소에서 가장 기본이 될 수 있는 비트 폭과 비트 설치각도, 비트의 관입깊이를 변수로 하여 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 쉴드 TBM 커터비트가 지반을 절삭 할 때 발생하는 절삭력 분석을 위하여 개별 커터비트 실험기를 개발 ㆍ제작하였다. 이를 위해 개별 커터비트 실험장비는 쉴드 TBM과 같은 원리를 적용하여 실제 지반굴착과 동일하게 굴착 가능하도록 모사하였다. 실내 실험장비는 그림 5와 같이 지반을 고정시키고 커터비트가 좌우로 이동하며 지반을 절삭할 수 있도록 설계ㆍ제작하였다.
0B(30 mm)로 선정하여 총 24개 Case의 실험 조건에 대해 절삭력을 분석하였다. 절삭력 측정을 위하여 커터비트상부와 커터비트 이동시스템에 로드셀을 설치하여 지반 절삭시 발생하는 응력을 측정하고 계측시스템을 이용하여 커터비트의 절삭거리(Cutting distance)와 관입깊이(Penetration depth)를 측정하였다.
커터비트 분석용 실험지반의 강도측정은 높이 10 cm, 면적 19.625 cm²의 몰드 제작틀에 모래, 석고, 물의 배합비에 변화를 주어 혼합한 후 각 Case에 추 무게, 낙하높이, 타격횟수 등에 변화에 따른 다짐을 실시하여 몰드를 제작하였다. 제작된 몰드는 그림 9(a)와 같이 각 실험조건별 다짐 에너지 변화에 따른 일축압축강도를 측정한 후, 그림 9(b)와 같이 실내 실험용 지반을 제작하였다
토사지반 쉴드 TBM의 커터비트 절삭력 분석을 위하여 아래 표 2와 같이 기관별 일축압축강도에 따른 암반분류 기준과 표 3과 같이 사전 설계자료 분석을 통하여 구축된 지반물성 D/B를 분석하여 실내실험에 적용 할 지반을 풍화암으로 선정하였으며 실험 장비의 축소율과 같이 1/10의 축소율을 적용하여 실험 지반을 조성하였다.

대상 데이터

실내실험을 위해 선정된 커터비트의 형상은 복합지반 및 토사지반에 실제 시공된 쉴드 TBM 시공사례 조사와 문헌조사 자료를 바탕으로 제작되었다. 커터비트의 경우, 그림 7과 같이 쉴드 TBM 제조사, 적용지반에 따라 각각 다른 형상으로 분석되었다.
커터비트의 형상은 일반적으로 많이 사용하고 있는 쐐기형 Chisel pick 형태로 선정하였으며, 그림 8과 같이 커터비트폭은 1.0B(15 mm)와 2.0B(30 mm), 커터비트 각도는 0°, 10°, 20°, 30°로 조정하여 실험을 실시할 수 있게 제작하였다.

성능/효과

1. 비트형상과 관입깊이에 대한 실험결과 절삭 초기에 최대 절삭력이 발현된 후, 절삭이 진행됨에 따라 균일한 절삭력을 보이며, 절삭각도가 증가함에 따라 비트커터의 절삭력이 감소하는 경향으로 나타났다. 관입깊이(Penetration depth)가 깊어지고 비트의 폭이 넓어짐에 따라 절삭단면이 커지기 때문에 필요 절삭력은 증가하였다.
2. 이론식에 의한 예측절삭력 산정시 장비사양(Thrust force, Torque, 비트 폭 등)의 영향을 많이 받는 Ernst-Merchant 모델은 관입깊이가 깊어지고 비트의 폭이 넓어짐에 따라 커터비트의 필요절삭력이 크게 증가하였으며 Evans 모델과 Nishimatsu모델, 모형실험결과는 비트의 설치각도가 증가함에 따라 근사한 절삭력이 필요한 것으로 나타났다. 그러나 실제 커터비트의 절삭력을 예측하기 위해서는 오차범위에 대한 충분한 고려가 필요하다고 판단되어진다.
3. 실험결과와 실제 TBM장비의 성능 제원을 비교할 경우 실험결과에 다소 오차가 있을 것으로 판단되나 설계시 Evans모델과 Nishimastu모델의 경우 복합지반 및 토사지반 커터비트의 절삭력을 예측하는데 가장 적합할 것으로 판단된다.
지반과 커터비트가 수직으로 형성될 경우 지반에 작용하는 전단력과 Pick면에 작용하는 힘에 가장 크게 작용하고 있는 비트의 설치각도가 증가할수록 지반과 커터비트사이의 마찰력이 감소하여 나타난 결과라고 판단되어 진다. 관입깊이에 따른 절삭력 변화를 분석한 결과 관입깊이 증가에 따른 절삭면적 증가로 인해 절삭력이 증가하는 것으로 나타났다. 모형실험을 통한 절삭력 분석결과도 관입깊이가 깊어질수록 커터비트 절삭력 또한 증가하는 경향을 보였다.
관입깊이에 따른 절삭력 변화를 분석한 결과 관입깊이 증가에 따른 절삭면적 증가로 인해 절삭력이 증가하는 것으로 나타났다. 모형실험을 통한 절삭력 분석결과도 관입깊이가 깊어질수록 커터비트 절삭력 또한 증가하는 경향을 보였다. 이는 커터비트 절삭시 지질특성 중 일축압축강도 및 전단강도 등의 지반강도가 커터비트 절삭력에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
0B의 예측절삭력 분석 결과는 그림 15와 같다. 비트 설치 각도가 증가함에 따라 필요 절삭력은 감소하였으며 비트폭에 따른 절삭력은 1.0B에 비해 2.0B이 약 3~28% 크게 발생하였다.
비트폭 1.0B에 대한 모형실험 및 기존 이론식을 통한 커터비트 예측절삭력 분석 결과 커터비트의 절삭각도가 증가함에 따라 절삭력이 감소하였다. 지반과 커터비트가 수직으로 형성될 경우 지반에 작용하는 전단력과 Pick면에 작용하는 힘에 가장 크게 작용하고 있는 비트의 설치각도가 증가할수록 지반과 커터비트사이의 마찰력이 감소하여 나타난 결과라고 판단되어 진다.
비트폭 2.0B의 경우도 1.0B와 같이 최대 절삭력은 절삭각도 0°, 관입깊이 8 mm에서 발현되었으며 필요 절삭력은 0.212 kN로 1.0B에 비해 약 25% 증가하는 것으로 측정되었다.
실험결과 비트 폭 1.0B와 마찬가지로 절삭 초기에 최대 절삭력이 발현된 후, 절삭이 진행됨에 따라 균일한 절삭력을 보였다. 비트폭 2.
실험결과 절삭 초기에 최대 절삭력이 발현된 후, 절삭이 진행됨에 따라 균일한 절삭력을 보였다. 또한 절삭각도가 증가함에 따라 비트커터의 절삭력이 감소하였다.
이론식에 의해 산정된 예측절삭력은 동일 지반에서는 비트의 폭과 비트의 설치각도에 따라 일정하게 산출되는 반면 모형실험결과를 통해 도출된 예측절삭력은 비트의 설치각이 20°이하일 경우 비트 폭이 넓어짐에 따라 크게 증가하는 경향을 보였다.
커터비트로 인한 지반 절삭시 주요 Parameters(관입깊이, 절삭각도, 비트 폭)에 대한 모형실험 결과와 기존 커터비트 절삭 이론식을 이용하여 도출된 절삭력을 비교ㆍ분석한 결과 지질특성보다는 장비사양에 영향을 많이 받는 Ernst-Merchant 모델과 차이를 보였다. 하지만 모형실험을 통한 커터비트 절삭력 분석에 있어 Scale Effect등의 영향으로 다소 차이는 발생하였으나 지질특성을 고려한 Evans모델이나 Nishimastu모델의 경우는 근사한 절삭력이 필요한 것으로 검토되었다.

후속연구

4. 본 연구의 실험결과는 커터비트 절삭력 평가에 대한 커터비트의 절삭력은 여러 변수에 의해 영향을 받으므로 토크와 추력과의 상관관계 및 커터비트의 형상, 작동방법 등에 따른 추가적인 실험이 수행되어 절삭력 예측모델 개발 및 검증이 필요할 것으로 판단된다.
본 연구의 경우, 실제 장비 및 지반이 아닌 축소율을 적용한 모형실험이므로 실제 지반에 대하여 강도 축소율 1/10을 적용함에 있어 실내모형실험 특성상 실험지반 조성재료의 근본적인 성질에 차이 등으로 인한 기존지반을 100% 동일하게 구현하지 못하는 한계가 있다. 또한 실제 TBM장비의 성능 제원과 비교하여 매우 작은 힘으로 구동하게 되므로 실제와는 다소 차이가 발생할 수 있다.
본 연구에서는 실내실험의 한계상 실제 지반 및 TBM 장비를 100% 동일하게 모사하지 못하기 때문에 커터비트의 다양한 요소들 중 커터비트 형상과 관입깊이에 대한 경향적 분석을 진행하였다. 향후 Scale Effect를 고려한 실험을 실시함으로써 기존에 제시된 절삭력 예측 이론식들을 보완한 예측모델 개발의 기초 자료로 활용할 것이다.
이론식에 의해 산정된 예측절삭력은 동일 지반에서는 비트의 폭과 비트의 설치각도에 따라 일정하게 산출되는 반면 모형실험결과를 통해 도출된 예측절삭력은 비트의 설치각이 20°이하일 경우 비트 폭이 넓어짐에 따라 크게 증가하는 경향을 보였다. 향후 비트 설치각에 대한 다양한 분석이 이루어진다면 최적의 절삭각 선정기법 개발이 이루어 질 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	커터비트의 어떤 요소에 따라 절삭력이 결정되는가?	커터비트는 커터헤드의 회전방향으로 회전하면서 지반을 절삭한다. 커터비트는 굴착을 진행하는 추진력과 커터비트의 회전력, 비트의 폭, 배열, 설치 각도 등에 따라 절삭력이 결정되며 굴착효율에 영향을 미치게 된다.
	TBM에서 절삭 도구의 선정과 설계는 어떤 의의를 가지는 과정인가?	TBM은 커터헤드가 회전하며 지반굴착을 진행하므로 실질적으로 굴착대상 지반조건에 적합한 절삭도구의 선정과 설계는 쉴드 TBM의 굴착성능을 좌우하는 가장 중요한 과정이다. 복합지반이 주를 이루고 있는 국내지반의 경우 암반을 굴착하는 디스크커터와 더불어 커터비트의 절삭 성능이 매우 중요한 요소라 할 수 있다.
	Evans 모델의 세 가지 힘은 무엇인가?	(1) 힘 R : Pick 면에 법선방향으로 작용하는 힘 (2) 힘 T : 파괴면인 원호를 따라 작용하는 인장력의 합력 (3) 힘 S : O점에서 지반이 절삭될 때 hinge를 따라 걸리는 반력

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