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문제 정의
- 이와 같이 현재 국내에서는 토압식 쉴드TBM 후드(Hood)부에 관한 연구는 물론 TBM의 굴진 성능을 좌우하는 스크류 컨베이어 설계기술에 대해서도 미비한 실정이다. 따라서 본 논문에서는 현장에 적용된 쉴드TBM을 조사 분석하여 이를 바탕으로 토압식 쉴드TBM의 굴진성능을 향상시킬 수 있는 후드부의 주요 Prameter에 관한 설계 기술의 확립을 위해 토압식 쉴드TBM의 후드부 시뮬레이션 장비 시스템을 개발하였다.
제안 방법
- 따라서 후드부 시뮬레이션 장비 시스템의 토압 센서는 챔버 내의 충만된 굴착토의 토압과 스크류 컨베이어 각도에 따른 버럭 배토 효과, 하중재하에 따른 챔버 내의 토압 변화를 측정할 수 있도록 설치하였다. Fig.
- 또한, 스크류 각도(β) 20°로 제작하였으며, 스크류 회전 RPM은 1∼36 RPM까지 조절가능하게 제작하였다.
- 챔버 내의 토압 변화와 거더부 스크류 컨베이어의 버럭 배토효율 등 막장압 안정에 주요한 Parameter를 연구하기 위해 후드부 시뮬레이션 장비 시스템을 개발하였다. 사전 조사를 바탕으로 기성제품 모터의 토크와 스크류 컨베이어의 제원 등을 고려하여 1/10의 축소율을 적용하였다.
- 챔버 내의 토압 변화와 거더부 스크류 컨베이어의 버럭 배토효율 등 막장압 안정에 주요한 Parameter를 연구하기 위해 후드부 시뮬레이션 장비 시스템을 개발하였다. 사전 조사를 바탕으로 기성제품 모터의 토크와 스크류 컨베이어의 제원 등을 고려하여 1/10의 축소율을 적용하였다.
- 5와 같이 250 mm로 산정되었다. 챔버 전면과 후면은 시료의 유동 상태를 확인하기 위하여 두께 20 t의 원형 아크릴로 제작되었으며, 챔버와 아크릴은 볼트체결을 했고, 시료가 흐르는 것을 방지하기 위하여 원형 고무패드를 부착하였다. 또한 시료투입 시 챔버의 배부름을 방지하기 위하여 Fig.
- RPM은 1～36 RPM까지 조절이 가능하다. 챔버에 작용하는 토압을 모사하기 위한 하중제어장치 및 첨가제를 투입할 수 있는 투입구로 구성하였고, 스크류 컨베이어 유출구 부분에는 배토량을 확인하기 위하여 Load cell을 설치하였다.
- 토압식 쉴드TBM의 후드부 시뮬레이션 장비 시스템의 검증을 위하여 모형실험을 실시하였다. 김상환 (2011)의 사전연구를 바탕으로 스크류 제원을 다음 Table 3과 같이 선정하였다.
- 후드부 시뮬레이션 장비 시스템은 스크류 컨베이어 각도에 따른 버럭 배토 효과와 하중 재하에 따른 챔버 내 토압 변화를 측정할 수 있으며 RPM, 스크류 컨베이어 각도, 스크류 각도를 조절 가능하도록 제작하였다. 후드부 시뮬레이션 장비 시스템 전경은 Fig.
- 후드부 시뮬레이션 장비 시스템을 모사하기 위해 Fig. 3과 같이 각 현장별 적용된 스크류 제원을 조사․분석하였으며 커터헤드 직경에 따라 스크류 컨베이어 직경을 선정하여 설계 가능하도록 Design chart를 도출하였다.
- 후드부 시뮬레이션 장비 시스템의 검증을 위하여 모형시험을 실시하였으며 챔버 내 토압 변화를 측정하였다. 실험 결과, 챔버 내 토압은 하단부일수록 증가하였으며 하단부의 토압의 변화 폭이 큰 경향이 나타 났다.
대상 데이터
- 챔버는 일반적으로 쉴드TBM의 커터헤드와 격벽 사이의 공간을 말하며, 이 공간은 굴착된 버럭을 일시적으로 저장하면서 막장에 압력을 제어/유지하는 곳으로 막장 안정의 중요한 부분이다. 국내에서 적용되었던 토압식 쉴드TBM을 대상으로 Table 1과 같이 조사하였으며, 조사 결과 토압식 쉴드TBM의 평균 직경은 약 7,700 mm, 폭은 약 2,500 mm로 나타났다.
- 김상환 (2011)의 사전연구를 바탕으로 스크류 제원을 다음 Table 3과 같이 선정하였다. 또한 본 실험에 이용한 점토 지반의 물성치는 Table 4와 같으며, 한명식 (2013)의 버럭 배출에 대한 도출된 폴리머 배합비를 바탕으로 폴리머 혼합액/점토 30%, 폴리머/물은 0.2% 로 배합비를 선정하였다
- 조사결과를 통해 토압식 후드부 시뮬레이션 장비 시스템의 챔버는 1/10의 축소율을 적용하여 800 mm의 직경으로 선정하였으며, 폭은 Fig. 5와 같이 250 mm로 산정되었다. 챔버 전면과 후면은 시료의 유동 상태를 확인하기 위하여 두께 20 t의 원형 아크릴로 제작되었으며, 챔버와 아크릴은 볼트체결을 했고, 시료가 흐르는 것을 방지하기 위하여 원형 고무패드를 부착하였다.
- 토압식 후드부 시뮬레이션 장비 시스템의 스크류는 사전 연구 및 조사를 통해 얻어진 결과를 바탕으로 축소율 1/10을 적용하여 스크류 형태는 축 직결구동방식에 샤프트식으로 총 연장 1,000 mm, 직경 90 mm로 Fig. 9와 같이 제작하였다. 또한, 스크류 각도(β) 20°로 제작하였으며, 스크류 회전 RPM은 1∼36 RPM까지 조절가능하게 제작하였다.
성능/효과
- 하지만 0°∼10°일 때 함수비가 높으면 버럭이 역류하는 현상이 발생되므로 20° ± 5°정도에서 버럭이 가장 안정적으로 배토될 수 있다고 판단하였다. 또한 피치간격을 1:1 이내로 제작하는 것이 안정적으로 배토된다는 것을 확인하였다.
- 스크류 컨베이어 각도에 따른 단위 시간당 버럭량을 측정한 결과 스크류 컨베이어 각도가 40°보다 0°에서 버럭량이 증가하는 것으로 나타났다.
- 후드부 시뮬레이션 장비 시스템의 검증을 위하여 모형시험을 실시하였으며 챔버 내 토압 변화를 측정하였다. 실험 결과, 챔버 내 토압은 하단부일수록 증가하였으며 하단부의 토압의 변화 폭이 큰 경향이 나타 났다. 이는 챔토 내의 토사 유입과 배토를 병행하여 토압 변화의 폭이 큰 것으로 판단된다.
후속연구
- 굴진 시 굴착토를 배토함으로써 챔버 내 지지압력이 감소하게 되고 이로 인한 지표침하가 야기될 수 있다고 판단된다. 따라서 본 실험을 통해 스크류 각도, 스크류 회전수 등은 챔버 내 지지압력을 유지하는 데 중요한 요소로 판단되며, 향후 지반 상태를 고려한 최적의 operation parameter를 도출하기 위한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- 굴진 시 굴착토를 배토함으로써 챔버 내 지지압력이 감소하게 되고 이로 인한 지표침하가 야기될 수 있다고 판단된다. 따라서 본 실험을 통해 스크류 각도, 스크류 회전수 등은 챔버 내 지지압력을 유지하는 데 중요한 요소로 판단되며, 향후 지반 상태를 고려한 최적의 operation parameter를 도출하기 위한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- 향후 후드부 시뮬레이션 장비 시스템은 스크류 컨베이어의 주요 Parameter에 따른 배토효율에 관한 연구와 챔버 내 토압 변화를 고려한 연구 등 다양한 연구에 활용될 것으로 기대되며, 현재 미비한 쉴드 TBM 후드부에 관한 연구를 촉진하고 설계 기술의 확립을 위한 기초적인 자료를 축적하는데 활용될 것으로 기대된다.
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