본 연구에서는 Gehring, CSM, NTNU 모델을 이용한 디스크 커터 수명 예측 방법과 각 모델이 가지는 특징을 살펴보았다. 디스크 커터 수명에 크게 영향을 주는 요소인 관입깊이, 암석의 일축압축강도, 마모지수의 변화가 각각의 예측 모델들에 미치는 영향을 분석하였다. 디스크 커터 수명은 1회전당 관입깊이에 선형적으로 증가하였고, 일축압축강도의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다. 마모지수인 CAI 값이 증가함에 따라 Gehring과 CSM 모델에서의 디스크 커터 수명은 감소하였으나, CLI 값이 증가할수록 NTNU 모델의 디스크 커터 수명은 증가하는 경향을 보였다. 그리고 실제 현장 자료를 이용하여 디스크 커터 수명을 상호 비교하였다.
본 연구에서는 Gehring, CSM, NTNU 모델을 이용한 디스크 커터 수명 예측 방법과 각 모델이 가지는 특징을 살펴보았다. 디스크 커터 수명에 크게 영향을 주는 요소인 관입깊이, 암석의 일축압축강도, 마모지수의 변화가 각각의 예측 모델들에 미치는 영향을 분석하였다. 디스크 커터 수명은 1회전당 관입깊이에 선형적으로 증가하였고, 일축압축강도의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다. 마모지수인 CAI 값이 증가함에 따라 Gehring과 CSM 모델에서의 디스크 커터 수명은 감소하였으나, CLI 값이 증가할수록 NTNU 모델의 디스크 커터 수명은 증가하는 경향을 보였다. 그리고 실제 현장 자료를 이용하여 디스크 커터 수명을 상호 비교하였다.
In this study TBM disc cutter prediction models including Gehring, CSM and NTNU models were investigated and the characteristics of the models were examined. The influence of penetration, uniaxial compressive strength and abrasiveness index on the models was analyzed. The life of disc cutter linearl...
In this study TBM disc cutter prediction models including Gehring, CSM and NTNU models were investigated and the characteristics of the models were examined. The influence of penetration, uniaxial compressive strength and abrasiveness index on the models was analyzed. The life of disc cutter linearly increases with penetration per revolution and decreases with increasing uniaxial compressive strength of rocks. As the abrasiveness index, CAI, increases, the life of disc cutter in Gehring and CSM model decreases. On the contrary, the life of disc cutter life in NTNU model decreases with increasing CLI. Also, comparisons of predicted disc life were made between models using actual job site data.
In this study TBM disc cutter prediction models including Gehring, CSM and NTNU models were investigated and the characteristics of the models were examined. The influence of penetration, uniaxial compressive strength and abrasiveness index on the models was analyzed. The life of disc cutter linearly increases with penetration per revolution and decreases with increasing uniaxial compressive strength of rocks. As the abrasiveness index, CAI, increases, the life of disc cutter in Gehring and CSM model decreases. On the contrary, the life of disc cutter life in NTNU model decreases with increasing CLI. Also, comparisons of predicted disc life were made between models using actual job site data.
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문제 정의
본 연구에서는 북부 유럽의 TBM현장의 지질학적 정보와 TBM 제원을 이용하여 예측 모델별 디스크 수명을 추정하고 비교하였다. Table 3과 4에 지질 및 지반 조사자료와 TBM 제원을 나타내었다.
본 연구에서는 비교적 사용빈도가 높은 Gehring, CSM, 그리고 NTNU 모델을 이용한 디스크 커터 수명예측 방법을 고찰하고, 각 모델이 가지는 특징을 살펴보았다. 관입깊이, 암석의 일축압축강도 및 마모지수의 변화가 디스크 커터의 수명에 끼치는 영향을 분석하였다.
가설 설정
1. 디스크 커터 수명은 커터헤드의 1회전당 관입깊이에 선형적으로 비례한다. Gehring과 CSM모델은 거의 유사한 결과를 보였으며, NTNU 모델에서의 관입깊이에 따른 디스크 커터의 수명 증가율이 다른 두 모델에 비해 약간 낮은 것으로 나타났다.
제안 방법
본 연구에서는 비교적 사용빈도가 높은 Gehring, CSM, 그리고 NTNU 모델을 이용한 디스크 커터 수명예측 방법을 고찰하고, 각 모델이 가지는 특징을 살펴보았다. 관입깊이, 암석의 일축압축강도 및 마모지수의 변화가 디스크 커터의 수명에 끼치는 영향을 분석하였다. 그리고, 실제 현장 자료를 이용하여 각각의 모델별 디스크 커터 수명을 비교하였다.
관입깊이, 암석의 일축압축강도 및 마모지수의 변화가 디스크 커터의 수명에 끼치는 영향을 분석하였다. 그리고, 실제 현장 자료를 이용하여 각각의 모델별 디스크 커터 수명을 비교하였다.
그리고 관입깊이는 암반의 강도와 디스크 커터에 가해지는 작용력과 관련이 있다. 따라서 관입깊이와 마모지수, 암반의 강도를 일정한 범위 내에서 변화시켜서 이들이 디스크 커터의 수명에 주는 영향을 분석하였다. 분석에 사용된 지반 물성 및 TBM의 제원은 Table 2와 같다.
마모지수에 의한 영향을 알아보기 위해서 Gehring 모델과 CSM 모델은 CAI 값을 1.5부터 6까지 변화하여 디스크 커터의 수명을 추정하였고, NTNU모델은 CLI 값을 4부터 30까지 변화하여 적용하였다. 이 때 모두 관입깊이는 7.
본 연구에서는 Gehring 모델, CSM 모델, 그리고 NTNU 모델을 이용한 디스크 커터 수명 예측 방법을 살펴보고, 관입깊이, 암석의 일축압축강도, 마모지수의 변화가 예측 모델들에 미치는 영향을 분석하였다 또한 실제 현장 자료를 이용하여 디스크 커터 수명을 상호 비교하였다. 본 연구에서 얻어진 주요한 결과들은 다음과 같다.
이론/모형
Gehring 모델은 마모되는 질량을, CSM 모델은 최대 절삭 거리를, NTNU 모델은 기본 수명 시간을 이용하는 점이 각각의 모델의 차이점이다. Gehring 모델과 CSM 모델은 마모지수로 CAI를 이용한다. CAI 값이 클수록 디스크 커터의 마모는 증가하게 되고, 디스크 커터당 굴착 부피는 줄어들게 된다.
따라서 식 (2)는 커터헤드의 회전속도에 대한 보정을 해야한다. NTNU 모델은 식 (3)과 같은 보정식을 제안하고 있으며 이를 그대로 Gehring 모델에도 적용하였다.
성능/효과
2. 디스크 커터 수명은 일축압축강도가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내고 있다. CSM 모델이 압축 강도의 변화에 가장 큰 디스크 커터 수명의 변화를 보였다.
3. Gehring 모델과 CSM 모델은 마모지수로 CAI를 이용하는데, CAI 값이 클수록 디스크 커터의 수명은 감소하는 경향을 보였다. 특히, CAI 값이 4보다 작은 경우에 모델들에서 예측하는 디스크 커터의 수명은 큰 차이를 보이므로 CAI 값이 4이하인 경우 적합한 모델의 선택이 중요하다.
4. 현장 지반조사 보고서 및 실내시험 보고서를 분석한 결과, 대상지역 Gneiss의 CAI 값은 정규분포의 형태를 나타내었고, CLI 값은 로그 정규분포의 분산 형태를 나타내었다. NTNU 모델의 경우 CLI의 대표값으로 단순한 산술평균보다는 비대칭분포의 특징을 나타낼 수 있는 최빈값을 쓰는 것이 보다 정확한 마모 예측을 할 수 있을 것으로 판단된다.
8의 정규분포 형태를 나타낸다. CLI는 총 33개의 결과가 사용되었으며 평균 7.6, 표준편차는 4.6이고 로그정규 분포형태를 가진다. CAI 자료수에 비해 CLI 자료수가 작은 것은 CAI에 비해 CLI를 산정하는 시험방법이 더 복잡하고 시험을 할 수 있는 장소가 노르웨이의 SINTEF 등으로 제한적이기 때문이다.
Gehring과 CSM모델은 거의 유사한 결과를 보였으며, NTNU 모델에서의 관입깊이에 따른 디스크 커터의 수명 증가율이 다른 두 모델에 비해 약간 낮은 것으로 나타났다.
5 mm로 가정했을 때 각각의 모델이 추정한 디스크 커터 수명을 Table 5에 나타내었다. NTNU 모델에서 추정한 굴착부피는 143.2 m3/c로 가장 작았으며, 그 다음은 CSM 모델로 NTNU 모델보다 9.6% 더 큰 157.0 m3/c로 추정되었고, Gehring 모델이 가장 큰 158.3 m3/c로 추정되었는데 이는 NTNU 모델보다 10.5% 더 크다. 세 모델에서 추정된 디스크 커터 수명의 차이가 10% 내외이며 적용된 지반물성의 분산성을 고려해볼 때 서로 유사한 결과를 나타내었다고 볼 수 있다.
CLI를 마모지수로 사용하는 NTNU 모델의 경우 CLI의 대표값으로 단순한 산술평균보다는 비대칭분포의 특징을 나타낼 수 있는 최빈값을 쓰는 것이 보다 정확한 마모 예측을 할 수 있을 것이다. 또한 CAI를 마모지수로 사용하는 CSM이나 Gehring 모델의 경우 CAI의 분포가 대칭형으로 산술평균이 가장 적절한 대표값으로 보일 수 있으나, CAI 값이 4이하로 분포하는 경우도 빈번하게 발생할 수 있으며 이 때 CSM과 Gehring 모델의 예측 디스크 커터 수명이 큰 차이를 보일 수있다는 점을 간과해서는 안될 것이다.
특히, CAI 값이 4보다 작은 경우에 모델들에서 예측하는 디스크 커터의 수명은 큰 차이를 보이므로 CAI 값이 4이하인 경우 적합한 모델의 선택이 중요하다. 반면에 CLI를 마모지수로 사용한 NTNU 모델은 CLI 값이 클수록 디스크 커터의 수명이 증가하는 경향을 보였다. 또한 CLI 값이 12를 기준으로 해서 증가율이 변하는 경향을 보였다.
세 모델 모두 디스크 커터의 수명은 일축압축강도가 증가할수록 감소하는 경향을 나타내고 있다. CSM 모델이 압축강도의 변화에 가장 큰 디스크 커터 수명의 변화를 보였다.
6과 7에 나타내었다. 총 269개의 CAI 결과가 사용되었으며 평균 4.0, 표준 편차 0.8의 정규분포 형태를 나타낸다. CLI는 총 33개의 결과가 사용되었으며 평균 7.
그러나 CAI 값이 4이하일 경우 두 모델의 예측된 디스크 커터 수명은 큰 차이를 보였다. 특히 Gehring 모델은 CAI가 4일 때 비해 1.5에서 디스크 커터의 수명이 6.6배 증가하는 것으로 나타났다. 이는 CSM 모델의 결과와 비교했을 때 2.
후속연구
현장 지반조사 보고서 및 실내시험 보고서를 분석한 결과, 대상지역 Gneiss의 CAI 값은 정규분포의 형태를 나타내었고, CLI 값은 로그 정규분포의 분산 형태를 나타내었다. NTNU 모델의 경우 CLI의 대표값으로 단순한 산술평균보다는 비대칭분포의 특징을 나타낼 수 있는 최빈값을 쓰는 것이 보다 정확한 마모 예측을 할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
마모한계에 도달한 디스크 커터를 계속 사용할 경우 문제점은?
이 때 디스크 커터는 자연적으로 마모가 발생하게 되고, 마모한계에 도달한 디스크 커터는 교체를 해야한다. 마모가 되어 수명이 다한 디스크 커터를 계속 사용하게 되면 주변의 다른 디스크 커터들에 과도한 작용력을 유발시켜 마모를 촉진시키고, 커터헤드 전체에 대한 마모를 증가시켜 궁극적으로 TBM 굴착효율을 저하시키게 된다. 디스크 커터의 교체에 소요되는 시간과 비용은 전체 공사기간 및 공사비에 큰 영향을 미치게 되므로 디스크 커터의 수명과 소요개수를 정확히 예측하는 것은 반드시 필요하다.
TBM이란?
TBM은 원형의 커터헤드에 디스크 커터나 비트 커터를 부착하고 회전을 하여 토사나 암반을 파내어 터널을 굴착하는 기계이다. 과거에는 발파 등을 이용한 재래식 터널공법(conventional tunneling method)에 의한 터널 굴착이 많았지만, 현재는 소음과 진동이 적고 주변 지반에 대한 손상을 최소화 하고 시공 중에 높은 안정성을 확보할 수 있는 장점을 가진 TBM에 의한 기계화 터널공법(mechanized tunneling method)을 이용한 터널 시공이 증가하는 추세를 보이고 있다.
TBM의 장점은?
TBM은 원형의 커터헤드에 디스크 커터나 비트 커터를 부착하고 회전을 하여 토사나 암반을 파내어 터널을 굴착하는 기계이다. 과거에는 발파 등을 이용한 재래식 터널공법(conventional tunneling method)에 의한 터널 굴착이 많았지만, 현재는 소음과 진동이 적고 주변 지반에 대한 손상을 최소화 하고 시공 중에 높은 안정성을 확보할 수 있는 장점을 가진 TBM에 의한 기계화 터널공법(mechanized tunneling method)을 이용한 터널 시공이 증가하는 추세를 보이고 있다. TBM을 이용하여 암반을 굴착할 때 디스크 커터는 TBM의 추력을 이용하여 암반을 압쇄하여 절삭한다.
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