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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 shield TBM의 버럭 배토장비인 screw conveyor의 최적 버럭 배토효율에 대한 실험적 연구로서 screw conveyor의 배토효율에 영향을 미치는 주요 인자들(screw conveyor와 screw의 각도 등)의 영향을 분석하기 위하여 축소모형시험을 실시하고 기존 이론식을 통해 비교 분석 하였다.
- 본 연구는 shield TBM의 버럭 배토장비인 screw conveyor의 주요 Parameter에 따라 최적의 배토효율을 검증하기 위한 연구로서 버럭 배토 시 screw 형태, screw conveyor 각도(α), screw 각도(β)가 배토효율에 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
제안 방법
- 2. 기존 이론식과 비교 분석 결과, 기존 이론식은 screw conveyor 각도(α)를 고려하지 않았으며, 본 논문은 screw conveyor 각도(α)를 고려하여 최적 screw conveyor 각도(α)를 산정하였다.
- EPB shield TBM의 Hood부 시뮬레이션 시스템을 이용하여 screw 형태, screw conveyor 각도(α), screw 각도(β)에 따른 최적의 버럭 배토 효율에 대한 축소모형시험을 각 2회 수행하였으며, screw 형식에 따라 측정된 단위시간당 배토량을 기존의 이론식을 통해 구한 최적 단위시간당 배토량과 비교 분석하였다.
- 그러나 함수비가 일정 이상이 될 경우 버럭이 역류하는 현상을 보였기 때문에 본 연구에서는 버럭이 역류 하지 않으며, 현장 시공시 많이 사용되는 범위인 screw conveyor의 각도 20°∼30°를 선정하여 screw의 형태와 screw 각도에 따른 최적 버럭 배토 효율을 측정하기 위한 축소모형시험을 실시하였다.
- 기존 이론식과 비교 분석 결과, 기존 이론식은 screw conveyor 각도(α)를 고려하지 않고 도출하였고 본 논문은 screw conveyor 각도(α)를 고려하여 단위시간당 배토량을 측정하였다.
- 김상환(2011)은 축소율 1:45.5를 적용하여 소형 축소모형 시스템을 이용하여 제한적인 screw 조건에서 시험을 실시하였으며, 이를 바탕으로 본 논문에서는 축소율 1:10을 적용한 Hood부 시스템 축소모형시험을 실시하였다.
- 본 논문은 점토 지반에 적합한 새로운 이론식을 도출하기 위해 축소모형시험을 실시하였으며, 사질토 지반에 대한 이론식을 바탕으로 screw conveyor 각도(α)를 추가적으로 고려하여 비교 분석을 실시하였다.
- 본 연구에서는 shield TBM의 버럭 배토장비 screw conveyor의 주요 Parameter인 screw 형태, screw conveyor 각도(α), screw 각도(β)에 따른 최적 버럭 배토효율에 대해 판단하기 위해 축소모형시험을 실시하고 기존 이론식과 비교 검토를 하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 3과 같이 김상환(2014)의 토압식 쉴드 TBM의 후드부 시뮬레이션 장비 시스템 개발에 대한연구를 통해 구축한 중대형 축소모형 시스템으로 축소율 1:10을 적용하였다. 이를 통해 측정한 단위시간당 배토량을 기존 이론식과 비교 분석 하였다.
대상 데이터
- 축소모형시험에 사용된 screw conveyor는 Fig. 4(a)와 같이 총연장 1,000 mm, 직경 90 mm로 제작하였으며, screw 구동 방식은 축 구동 방식이다. screw의 형태는 Table 2와 같이 샤프트식과 리본식으로 제작하였다.
- 한명식(2013)은 시험에 적용된 점토지반에 대해 실내토질시험을 수행하여 Table 1과 같은 특성을 확인하였으며, 본 논문에서는 상기 연구와 동일한 점토 지반을 적용하여 축소모형시험을 실시하였다 . 또한 배합비는 상기 연구를 바탕으로 폴리머 혼합액/점토의 경우 30%, 폴리머/물은 0.2%를 선정하였다.
이론/모형
- 본 연구에 활용한 축소모형 시스템은 Fig. 3과 같이 김상환(2014)의 토압식 쉴드 TBM의 후드부 시뮬레이션 장비 시스템 개발에 대한연구를 통해 구축한 중대형 축소모형 시스템으로 축소율 1:10을 적용하였다. 이를 통해 측정한 단위시간당 배토량을 기존 이론식과 비교 분석 하였다.
성능/효과
- 1. 샤프트식 screw와 리본식 screw의 단위시간당 배토량을 측정한 결과 screw 각도(β)가 증가할수록 단위시간당 배토량이 증가하였으며, 단위시간당 최대 배토량은 screw conveyor 각도(α) 25°일 때 측정되었다.
- 3. 사질토 지반에 대한 배토량 이론식과 비교분석한 결과, 측정된 단위시간당 배토량은 작게 나타났다. 이는 기존 이론식과 모형시험의 지반이 상이하여 나타난 것으로 판단된다.
- 4. 점토지반에서의 screw 형태에 따른 단위시간당 배토량을 비교 분석한 결과 리본식 screw의 단위시간당 배토량이 샤프트식 screw보다 배토량이 많은 것으로 나타났으며, 따라서 screw 선정 시 지반 상태에 따라 적절한 screw 형태의 선정이 필요하다고 판단된다.
- 5. 김상환(2011)과 비교 분석을 통해 최적의 screw conveyor 각도(α) 25°를 도출하였고, screw 형태 및 각도에 따라 단위시간당 배토량을 측정하였으며, Scale factor로 인해 기존 연구와의 결과에서 다소 차이가 나타나는 것을 확인하였다.
- 5을 적용한 소형 축소모형 시스템을 통한 시험을 실시하였다. screw conveyor 각도, screw 각도, RPM에 따른 버럭 처리시스템의 최적의 성능을 도출하기 위해 실시한 연구로 단위시간당 배토량을 측정한 결과, screw conveyor 각도, screw 각도, RPM이 모두 증가할수록 버럭의 단위시간당 배토량이 증가하는 것으로 측정되었다. 그러나 함수비가 일정 이상이 될 경우 버럭이 역류하는 현상을 보였기 때문에 본 연구에서는 버럭이 역류 하지 않으며, 현장 시공시 많이 사용되는 범위인 screw conveyor의 각도 20°∼30°를 선정하여 screw의 형태와 screw 각도에 따른 최적 버럭 배토 효율을 측정하기 위한 축소모형시험을 실시하였다.
- screw conveyor의 각도(α) 25° 일 때 최대 배토량이 나타났으며, 이는 Scale factor로 인하여 기존 연구 결과와 다소 차이는 있으나 최적의 screw conveyor 각도(α)가 도출이 되었다.
- 단위시간당 최대 배토량이 측정된 screw conveyor 각도(α) 25°에서 샤프트식 screw와 리본식 screw의 단위시간당 배토량을 비교한 결과 리본식 screw가 샤프트식 screw보다 약 22% 크게 나타났다.
- 또한 사질토 지반에 대한 최적 단위시간당 배토량 이론식과 비교 분석한 결과, 측정된 단위시간당 배토량은 최적 단위시간당 배토량 보다 작게 나타났다. 이는 기존 이론식과 모형시험의 지반이 상이하여 나타난 것으로 판단된다.
- 리본식 screw의 측정된 단위시간당 최대 배토량은 screw 각도(β)가 15°부터 5°씩 증가할수록 각각 0.080 m3/sec, 0.116 m3/sec, 0.134 m3/sec, 0.141 m3/sec로 증가하였으며, 단위시간당 최대 배토량은 screw conveyor 각도(α) 25°일 때 측정되었다.
- 본 논문에서는 screw 각도(β)가 증가할수록 단위시간당 배토량이 증가하는 것으로 동일한 경향이 나타났다.
- 분석 결과 shield TBM 굴착 시 screw 형태와 screw conveyor 각도(α)가 버럭 배토효율에 영향이 미치는 것으로 분석되었으며, shield TBM 시공 시 굴착된 버럭의 크기 및 지수성을 고려한 screw 형태의 선정이 필요하다고 판단된다.
- 샤프트식 screw의 측정된 단위시간당 최대 배토량은 screw 각도(β)가 15°부터 5°씩 증가할수록 각각 0.056 m3/sec, 0.091 m3/sec, 0.104 m3/sec, 0.115 m3/sec로 증가하였으며, 단위시간당 최대 배토량은 screw conveyor 각도(α) 25°일 때 측정되었다.
후속연구
- 이는 기존 이론식과 모형시험의 지반이 상이하여 나타난 것으로 판단된다. 따라서 점토지반에 적합한 새로운 이론식을 도출하기 위해 단위시간당 배토량에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- 본 연구는 shield TBM의 버럭 배토장비인 screw conveyor의 주요 Parameter에 따라 최적의 배토효율을 검증하기 위한 연구로서 버럭 배토 시 screw 형태, screw conveyor 각도(α), screw 각도(β)가 배토효율에 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 따라서 향후 screw conveyor의 기초 설계 기술 개발 시 screw conveyor의 Parameter요소에 대한 검토가 필요하며, 점토 지반 외에도 다양한 지반에 적용이 가능하도록 추가적인 연구가 지속적으로 이루어져야 한다고 판단된다.
- 따라서 향후 최적의 screw 각도(β)에 대한 추가적인 연구와 현장 screw conveyor 설계 시 기초 자료로서 Scale factor을 고려해야 한다고 판단된다.
- 또한 screw 각도(β)가 증가할수록 단위시간당 배토량이 증가하는 것으로 나타났으며, 이를 바탕으로 screw conveyor 각도(α) 25°에서 지반 조건에 따른 최적의 screw 각도(β) 선정에 대한 연구가 추가적으로 필요하다고 판단된다.
- 향후 screw conveyor 각도(α)와 점토 지반에 대한 새로운 이론식 도출을 위해 screw 형태에 따른 단위시간당 배토량에 대한 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
- 기존 이론식과 비교 분석 결과, 기존 이론식은 screw conveyor 각도(α)를 고려하지 않았으며, 본 논문은 screw conveyor 각도(α)를 고려하여 최적 screw conveyor 각도(α)를 산정하였다. 향후 점토 지반에 대한 새로운 이론식 도출을 위해 추가적인 연구가 필요하다고 판단된다.
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