TBM의 사양을 설계하고 굴진성능을 예측할 때 실대형 선형절삭시험을 통하여 설계변수를 획득하는 것이 매우 효과적인 방법인 것으로 알려져 있다. 하지만 선형절삭시험을 위해서는 대형 시편을 획득하고 큰 하중용량의 시험을 수행하는 과정에서 상당한 비용과 노력이 소모된다는 단점이 있다. 따라서 선형절삭시험을 대체하는 경험적 예측 모델, 즉 CSM모델과 NTNU모델을 사용하여 몇 가지 지수를 산정하고 이로부터 설계변수를 추정하는 경우가 많다. 본 연구에서는 압입시험 및 세르샤 마모시험을 이용하여 TBM의 사양(추력, 토크)과 굴착에 따라 소요되는 디스크 커터의 개수를 추정하는 방법에 대하여 고찰하였다. 압입시험과 세르샤 마모시험은 TBM의 설계 변수를 추정하기 위한 유용한 시험법이나 그 활용법이 연구 되고 있지 못한 실정이다. 이 연구에서는 압입시험과 세르샤 마모시험결과를 간단한 형태의 지수형태로 도출하고 이를 선형절삭시험 및 실제 굴진자료와 비교하여 상관관계를 도출하고 이로 부터 디스크 커터의 작용력 및 수명을 예측하였다. 또한 이 일련의 계산 과정을 프로그램화 하였으며, 터널의 연장 정보, TBM의 기계정보, 구간별 암석의 물성을 입력변수로 하여 구간별 굴진율과 TBM 사양 및 운영조건, 디스크 커터의 소모개수를 예측할 수 있었다.
TBM의 사양을 설계하고 굴진성능을 예측할 때 실대형 선형절삭시험을 통하여 설계변수를 획득하는 것이 매우 효과적인 방법인 것으로 알려져 있다. 하지만 선형절삭시험을 위해서는 대형 시편을 획득하고 큰 하중용량의 시험을 수행하는 과정에서 상당한 비용과 노력이 소모된다는 단점이 있다. 따라서 선형절삭시험을 대체하는 경험적 예측 모델, 즉 CSM모델과 NTNU모델을 사용하여 몇 가지 지수를 산정하고 이로부터 설계변수를 추정하는 경우가 많다. 본 연구에서는 압입시험 및 세르샤 마모시험을 이용하여 TBM의 사양(추력, 토크)과 굴착에 따라 소요되는 디스크 커터의 개수를 추정하는 방법에 대하여 고찰하였다. 압입시험과 세르샤 마모시험은 TBM의 설계 변수를 추정하기 위한 유용한 시험법이나 그 활용법이 연구 되고 있지 못한 실정이다. 이 연구에서는 압입시험과 세르샤 마모시험결과를 간단한 형태의 지수형태로 도출하고 이를 선형절삭시험 및 실제 굴진자료와 비교하여 상관관계를 도출하고 이로 부터 디스크 커터의 작용력 및 수명을 예측하였다. 또한 이 일련의 계산 과정을 프로그램화 하였으며, 터널의 연장 정보, TBM의 기계정보, 구간별 암석의 물성을 입력변수로 하여 구간별 굴진율과 TBM 사양 및 운영조건, 디스크 커터의 소모개수를 예측할 수 있었다.
Linear cutting test is known to be very effective to determine machine parameters (i.e. thrust force and torque) and to estimate penetration rate of TBM and other operation conditions. Although the linear cutting test has significant advantages, the test is expensive and time-consuming because it re...
Linear cutting test is known to be very effective to determine machine parameters (i.e. thrust force and torque) and to estimate penetration rate of TBM and other operation conditions. Although the linear cutting test has significant advantages, the test is expensive and time-consuming because it requires large size specimen and high load capacity of the testing machine. Therefore, a few empirical prediction models (e.g. CSM, NTNU and QTBM) alternatively adopt laboratory index tests to estimate design parameters of TBM. This study discusses the estimation method of TBM machine parameters and disc cutter consumption using punch penetration test and Cerchar abrasion test of which the researches are rare. The cutter forces and cutter consumption can be estimated by the empirical models derived from the relationship between laboratory test result with field data and linear cutting test data. In addition, the estimation process was programmed through which the design parameters of TBM (e.g. thrust, torque, penetration rate, and cutter consumption) are automatically estimated using laboratory test results.
Linear cutting test is known to be very effective to determine machine parameters (i.e. thrust force and torque) and to estimate penetration rate of TBM and other operation conditions. Although the linear cutting test has significant advantages, the test is expensive and time-consuming because it requires large size specimen and high load capacity of the testing machine. Therefore, a few empirical prediction models (e.g. CSM, NTNU and QTBM) alternatively adopt laboratory index tests to estimate design parameters of TBM. This study discusses the estimation method of TBM machine parameters and disc cutter consumption using punch penetration test and Cerchar abrasion test of which the researches are rare. The cutter forces and cutter consumption can be estimated by the empirical models derived from the relationship between laboratory test result with field data and linear cutting test data. In addition, the estimation process was programmed through which the design parameters of TBM (e.g. thrust, torque, penetration rate, and cutter consumption) are automatically estimated using laboratory test results.
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문제 정의
, 2014)가 수행된 바 있다. 본 연구에서는 압입시험과 세르샤 마모시험을 이용하여 TBM의 설계변수를 추정하는 방법에 대하여 고찰하고 일련의 설계변수 추정과정을 프로그램화 하여 그 활용도를 높이고자 하였다. 터널연장 및 지반조건 구간 별 정보, TBM의 기계적 정보, 지반 물성정보를 입력변수로 하여 각 구간 별 굴진에 필요한 사양을 산출하고 굴진성능을 추정할 수 있었으며 디스크 커터의 소모 개수를 산정할 수 있었다.
압입시험을 통해 디스크 커터의 수직력을 추정하여 TBM 설계변수 중 하나인 커터헤드 추력을 산정할 수 있으나 토크를 추정하기 위해서는 다시 개별 디스크 커터에 작용하는 회전력을 추정하여야 한다. 압입시험을 통해서는 회전력을 직접적으로 추정하는 것이 어렵기 때문에 본 연구에서는 회전계수(Rolling Coefficient, RC) 개념을 도입하여 디스크 커터의 회전력을 산정하고자 하였다. 회전 계수란 수직력에 대한 회전력의 비(Gertsch et al.
본 연구에서는 압입시험과 세르샤 마모시험을 사용하여 TBM의 설계변수를 추정하는 기법의 활용도를 높이기 위해 일련의 설계변수 추정과정을 프로그램화 하고자 하였다. 프로그램 제작에 사용된 프로그램 코드는 Visual Basic이며 전체적인 프로그램의 모식도는 Fig.
본 연구에서는 CSM모델의 이론을 기본으로 하여 압입시험과 세르샤 마모시험을 통해 시험지수를 획득하고 이를 이용하여 TBM의 설계변수 추정하는 방법에 대하여 고찰하였다. 압입시험에서는 작용력 및 굴진율 추정에 필요한 지수를 얻을 수 있고 세르샤 마모 시험에서는 디스크 커터의 소모개수 추정에 필요한 지수를 각각 얻을 수 있다.
터널을 굴착하는데 소요되는 디스크 커터의 개수는 암석의 마모도를 나타내는 세르샤 마모지수 뿐만 아니라 TBM의 가동조건인 굴진율과 사양에도 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 추정방법의 활용도를 높이기 위하여 일련의 계산과정을 프로그램화 하고자 하였다. 터널의 구간정보와 함께 구간별 암석시험결과를 입력받아 개략적인 TBM 기계정보를 사용하여 개별 디스크커터의 작용력과 소요 추력, 크 등을 계산할 수 있었으며 구간별 커터헤드의 1회전 당 최대 관입깊이와 구간별 디스크 커터의 소모개수를 산출할 수 있었다.
가설 설정
또한 정상마모를 가정한 디스크 커터는 마모에 의하여 3.5 kg의 질량 손실(17인치 직경의 디스크 커터 무게는 120∼300 kg)이 발생하면 교체하여야 한다고 제안하였다.
제안 방법
본 연구에서는 TBM의 설계변수 도출을 위한 인자 획득 시험으로 압입시험(punch penetration test)과 세르샤 마모시험(Cerchar abrasiveness test)을 수행하였다. 각 시험에 대한 장비, 시료, 시험방법 등을 설명하면 다음과 같다.
, 2014)를 통해 압입시험에서 획득한 지수들과 선형절삭시험에서 측정된 디스크 커터의 작용력 간에 우수한 상관관계가 있음이 보고된 바 있다. 또한 압입시험에서 얻은 수직하중과 압입깊이의 관계로부터 PLI (Peak Load Index)와 MLI (Mean Load Index)가 제안 되었다(Fig. 2). 두 지수는 모두 단위 압입 깊이 당 하중증가량을 나타내는 지수로 Fig.
이를 동일한 암석으로 수행된 선형절삭시험 결과와 비교하여 디스크 커터의 수직하중 예측 모델을 제안하였으며, 제안된 예측 모델은 그 예측 결과가 우수한 것으로 나타났다. 그러므로 본 연구에서는 선행연구에서 제안된 작용력 예측 모델을 사용하여 디스크 커터의 작용력을 산정하였다.
세르샤 마모시험은 일정 수직하중(70 N)을 받는 핀을 시험을 수행하고자 하는 암석면에 수직으로 접촉시킨 뒤 일정속도(1 mm/s)로 암석표면을 긁는데(10 mm), 시험 후, 마모된 핀의 직경의 길이로 Cerchar Abrasiveness Index(CAI)를 구한다. 총 5개의 핀으로 시험을 수행하게 되는데, 시험 후 각 핀의 긁힘 진행방향에서 측정한 지름과 이에 수직한 방향으로 측정한 지름의 평균값을 각각 구한다. 각 핀마다 2개씩 측정된 총 10개의 평균 지름에 10배를 해주면 CAI 값을 산출 할 수 있다(ASTM, 2010).
본 연구에서는 디스크 커터의 작용력과 커터소모개수만을 추정하기 위해서 개별 디스크 커터가 커터헤드의 중심으로부터 떨어진 거리만을 고려하였으며, 실제로 상세한 커터헤드의 설계에는 디스크 커터의 각도 간격(angular spacing or spiral angle)이 추가적으로 고려되어야 한다. Fig.
TBM의 추력과 토크를 산정하기 위해서는 먼저 단일 디스크 커터에 작용하는 수직하중을 추정하여야 한다. 현재까지 공개되어 있는 CSM모델에서는 일축압축강도와 인장강도를 이용하여 단일 디스크 커터에 작용하는 수직하중과 회전하중을 추정하고 있다(Rostami and Ozdemir, 1993) 본 연구에서는 일축압축강도와 인장강도를 사용하는 대신 압입시험에서 얻은 PLI와 MLI를 사용하고자 하였으며 이에 따라 선행연구(Jeong et al., 2014)에서 제시한 작용력 예측 모델을 사용하여 식 (2), 식 (3)과 같이 디스크 커터의 작용하중을 산정하였다.
터널의 총 연장을 암종에 따라 구분하고 각 구간별 터널 연장을 입력한다. 터널의 연장은 커터소모개수를 산출하는데 사용될 뿐만 아니라 공사기간을 산출하는데도 사용된다.
터널의 연장은 커터소모개수를 산출하는데 사용될 뿐만 아니라 공사기간을 산출하는데도 사용된다. 구간별 암석에 대하여 측정된 압입시험지수와 세르샤 마모시험지수를 입력하도록 하였다. 특히 세르샤 마모시험지수가 측정되지 않은 경우를 제외하고는 다른 암석 물성정보는 입력하지 않아도 되는데, 세르샤 마모시험이 수행되지 않았을 경우에는 지수를 추정하기 위해 암석의 일축압축강도와 등가석영함유량을 입력받아 세르샤 마모지수를 추정하게 된다.
TBM의 기계정보를 바탕으로 디스크 커터의 반경 방향 위치정보 및 디스크 커터의 개수를 계산하여 저장하고 이 디스크 커터의 정보를 토대로 작용력 예측모델을 사용하여 개별 디스크 커터의 작용력을 추정하게 된다. 디스크 커터의 작용력을 추정하고 최대 관입깊이를 산정할 때, 압입시험으로부터 얻은 두 개의 하중지수를 사용하여 식 (2)와 (3)에 따라 두 개의 값이 계산되도록 하였다.
압입시험에서는 작용력 및 굴진율 추정에 필요한 지수를 얻을 수 있고 세르샤 마모 시험에서는 디스크 커터의 소모개수 추정에 필요한 지수를 각각 얻을 수 있다. 압입시험의 시험결과와 실대형 절삭시험의 상관관계를 기반으로 한 예측 모델을 사용하여 디스크 커터에 작용하는 수직하중 및 회전하중을 추정할 수 있고 이를 통해 TBM의 핵심사양 중 하나인 추력과 토크를 계산할 수 있었다. 이외에도 핵심 사양인 최대 한계 RPM, 동력 등을 산정할 수 있으며 본 연구에서 예시로 사용한 가상의 TBM의 경우에는 한계 RPM은 11, 동력은 4,200 kW로 계산되었으며 TBM의 굴진율은 4.
대상 데이터
또한 계산된 TBM의 굴진율과 세르샤 마모시험결과로부터 터널을 굴착하는데 소요되는 디스크 커터의 개수를 추정할 수 있었다. 본 연구에서 예시로 사용한 가상의 터널(직경 5 m)에서는 터널 1 km를 굴착하는데 구간별로 100여개 가량의 17인치 디스크 커터가 필요한 것으로 추정할 수 있었다. 터널을 굴착하는데 소요되는 디스크 커터의 개수는 암석의 마모도를 나타내는 세르샤 마모지수 뿐만 아니라 TBM의 가동조건인 굴진율과 사양에도 크게 영향을 받는 것으로 나타났다.
이론/모형
세르샤 마모시험을 통해 디스크 커터의 수명을 추정하기 위하여 경험식을 이용하였다. Gehring (1995)은 디스크 커터가 단위거리를 절삭하는데 소모되는 디스크 커터의 질량과 세르샤 마모지수(Cerchar abrasiveness index)와의 상관관계를 식 (12)와 같이 제안한 바 있다.
성능/효과
본 연구에서는 압입시험과 세르샤 마모시험을 이용하여 TBM의 설계변수를 추정하는 방법에 대하여 고찰하고 일련의 설계변수 추정과정을 프로그램화 하여 그 활용도를 높이고자 하였다. 터널연장 및 지반조건 구간 별 정보, TBM의 기계적 정보, 지반 물성정보를 입력변수로 하여 각 구간 별 굴진에 필요한 사양을 산출하고 굴진성능을 추정할 수 있었으며 디스크 커터의 소모 개수를 산정할 수 있었다.
PLI는 몇 가지 특이한 점에서의 기울기의 평균값으로 계산되고 MLI는 모든 구간에서 기울기의 평균값으로부터 계산되는 값이다. 이를 동일한 암석으로 수행된 선형절삭시험 결과와 비교하여 디스크 커터의 수직하중 예측 모델을 제안하였으며, 제안된 예측 모델은 그 예측 결과가 우수한 것으로 나타났다. 그러므로 본 연구에서는 선행연구에서 제안된 작용력 예측 모델을 사용하여 디스크 커터의 작용력을 산정하였다.
6은 관입깊이와 디스크 커터의 직경에 따른 회전계수의 변화양상을 나타낸 그래프이다. 디스크커터의 직경이 커질수록 동일 관입깊이에서 회전계수는 감소하는 경향을 보임을 확인할 수 있다.
이외에도 핵심 사양인 최대 한계 RPM, 동력 등을 산정할 수 있으며 본 연구에서 예시로 사용한 가상의 TBM의 경우에는 한계 RPM은 11, 동력은 4,200 kW로 계산되었으며 TBM의 굴진율은 4.6∼17.2 m/hr로 산출되었다.
본 계산 값은 가상의 터널정보와 가상의 암석시험 결과로부터 추정되었고 또한 한계 관입깊이를 사용하였기 때문에 실제 현장에서 흔히 얻어지는 굴진율과는 상이한 결과임을 고려하여야 할 것이다. 또한 계산된 TBM의 굴진율과 세르샤 마모시험결과로부터 터널을 굴착하는데 소요되는 디스크 커터의 개수를 추정할 수 있었다. 본 연구에서 예시로 사용한 가상의 터널(직경 5 m)에서는 터널 1 km를 굴착하는데 구간별로 100여개 가량의 17인치 디스크 커터가 필요한 것으로 추정할 수 있었다.
본 연구에서 예시로 사용한 가상의 터널(직경 5 m)에서는 터널 1 km를 굴착하는데 구간별로 100여개 가량의 17인치 디스크 커터가 필요한 것으로 추정할 수 있었다. 터널을 굴착하는데 소요되는 디스크 커터의 개수는 암석의 마모도를 나타내는 세르샤 마모지수 뿐만 아니라 TBM의 가동조건인 굴진율과 사양에도 크게 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 추정방법의 활용도를 높이기 위하여 일련의 계산과정을 프로그램화 하고자 하였다.
이러한 추정방법의 활용도를 높이기 위하여 일련의 계산과정을 프로그램화 하고자 하였다. 터널의 구간정보와 함께 구간별 암석시험결과를 입력받아 개략적인 TBM 기계정보를 사용하여 개별 디스크커터의 작용력과 소요 추력, 크 등을 계산할 수 있었으며 구간별 커터헤드의 1회전 당 최대 관입깊이와 구간별 디스크 커터의 소모개수를 산출할 수 있었다. 다만 보다 실제 설계에서의 활용도를 높이기 위하여 커터헤드의 구조적인 안정성을 검토하기 위한 기능을 추가하여야 할 것으로 판단되었으며 예측모델의 신뢰도 검토를 위한 현장 굴진데이터와의 비교 검증이 필요할 것으로 사료되었다.
후속연구
1∼122 m/day로 계산된다. 본 계산 값은 가상의 터널정보와 가상의 암석시험 결과로부터 추정되었고 또한 한계 관입깊이를 사용하였기 때문에 실제 현장에서 흔히 얻어지는 굴진율과는 상이한 결과임을 고려하여야 할 것이다. 또한 계산된 TBM의 굴진율과 세르샤 마모시험결과로부터 터널을 굴착하는데 소요되는 디스크 커터의 개수를 추정할 수 있었다.
터널의 구간정보와 함께 구간별 암석시험결과를 입력받아 개략적인 TBM 기계정보를 사용하여 개별 디스크커터의 작용력과 소요 추력, 크 등을 계산할 수 있었으며 구간별 커터헤드의 1회전 당 최대 관입깊이와 구간별 디스크 커터의 소모개수를 산출할 수 있었다. 다만 보다 실제 설계에서의 활용도를 높이기 위하여 커터헤드의 구조적인 안정성을 검토하기 위한 기능을 추가하여야 할 것으로 판단되었으며 예측모델의 신뢰도 검토를 위한 현장 굴진데이터와의 비교 검증이 필요할 것으로 사료되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
세르샤 마모시험은 무엇인가?
세르샤 마모시험은 굴착도구의 수명 및 마모 정도를 평가하는데 사용되는 실내시험법이다. 이 시험법은 암석에 대한 금속의 마모정도를 산정하기 위한 비교적 간편하고 경제적인 방법이며 이미 그 실용성이 검증된 바 있다(Lee et al.
커터헤드의 설계 시에 최적 커터간격을 설정하는 것은 매우 중요한 문제인 이유는 무엇인가?
커터 간격이 중요한 이유는 절삭효율 만이 아니라 TBM에 장착되는 커터의 개수를 결정하기 위한 인자로 사용되기 때문이다. 예를 들어 커터 간격을 좁게 설정하게 되면 커터헤드에 배치되어야 하는 디스크커터의 개수가 증가하고 반대로 커터간격을 넓게 설정하면 개별 디스크 커터에 작용하는 수직하중이 커진다. 따라서 커터헤드의 설계 시에 최적 커터간격을 설정하는 것은 매우 중요한 문제라고 할 수 있다.
커터 간격이 중요한 이유는 무엇인가?
커터 간격이 중요한 이유는 절삭효율 만이 아니라 TBM에 장착되는 커터의 개수를 결정하기 위한 인자로 사용되기 때문이다. 예를 들어 커터 간격을 좁게 설정하게 되면 커터헤드에 배치되어야 하는 디스크커터의 개수가 증가하고 반대로 커터간격을 넓게 설정하면 개별 디스크 커터에 작용하는 수직하중이 커진다.
참고문헌 (18)
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