선진시추장비와 시추공벽 영상화 장비를 이용한 TBM 전방 지반평가시스템 개발 Development for prediction system of TBM tunnel face ahead using probe drilling equipment and drilled hole imaging equipment원문보기
TBM 터널을 건설하는 동안 효율적이고 안전한 작업을 위하여 굴착 암반의 정확한 정보를 획득하는 것은 매우 중요하다. 이 연구에서는 터널 막장 전방의 암반 상태를 예측하기 위하여 선진시추장비와 시추공벽 영상화 장비를 이용한 TBM 전방 지반평가시스템을 개발하였다. TBM 전방 지반평가시스템은 선진시추장비와 시추공벽 영상화 장비, 분석 소프트웨어로 구성된다. 선진시추장비는 논코어링과 코어링 방법이 모두 적용 가능하도록 개발되었다. 또한 굴진 시 획득되는 피드압, 회전압, 회전수, 굴진속도 등의 천공영향 변수를 획득할 수 있다. 천공지수는 코어RMR과의 상관성분석을 통해 천공지수RMR로 환산된다. 개발된 시스템은 비탈면, 터널 현장에서 현장적용을 진행하였다. 현장 적용 결과 논코어링 방법은 코어링 방법에 비해 4배가량 빠른 굴진이 가능한 것으로 확인되었고, 천공지수RMR과 코어RMR은 유사한 분포를 나타내었다. TBM 전방 지반평가시스템은 신속한 지반예측이 가능하므로 공기지연을 최소화할 수 있는 막장 전방 예측 기술로의 활용이 기대된다.
TBM 터널을 건설하는 동안 효율적이고 안전한 작업을 위하여 굴착 암반의 정확한 정보를 획득하는 것은 매우 중요하다. 이 연구에서는 터널 막장 전방의 암반 상태를 예측하기 위하여 선진시추장비와 시추공벽 영상화 장비를 이용한 TBM 전방 지반평가시스템을 개발하였다. TBM 전방 지반평가시스템은 선진시추장비와 시추공벽 영상화 장비, 분석 소프트웨어로 구성된다. 선진시추장비는 논코어링과 코어링 방법이 모두 적용 가능하도록 개발되었다. 또한 굴진 시 획득되는 피드압, 회전압, 회전수, 굴진속도 등의 천공영향 변수를 획득할 수 있다. 천공지수는 코어RMR과의 상관성분석을 통해 천공지수RMR로 환산된다. 개발된 시스템은 비탈면, 터널 현장에서 현장적용을 진행하였다. 현장 적용 결과 논코어링 방법은 코어링 방법에 비해 4배가량 빠른 굴진이 가능한 것으로 확인되었고, 천공지수RMR과 코어RMR은 유사한 분포를 나타내었다. TBM 전방 지반평가시스템은 신속한 지반예측이 가능하므로 공기지연을 최소화할 수 있는 막장 전방 예측 기술로의 활용이 기대된다.
In the construction of a TBM tunnel, it is very important to acquire accurate information of the excavated rock mass for an efficient and safe work. In this study, we developed the prediction system of TBM tunnel face ahead using probe drilling equipment and drilled hole imaging equipment to predict...
In the construction of a TBM tunnel, it is very important to acquire accurate information of the excavated rock mass for an efficient and safe work. In this study, we developed the prediction system of TBM tunnel face ahead using probe drilling equipment and drilled hole imaging equipment to predict rock mass conditions of the tunnel face ahead. The prediction system consists of the probe drilling equipment, drilled hole imaging equipment and analysis software. The probe drilling equipment has been developed to be applicable to both non-coring and coring. Also the probe drilling equipment can obtain the drilling parameters such as feed pressure, torque pressure, rotation speed, drilling speed and so on. The drilling index is converted to the drilling index RMR through the correlation between a drilling index and core RMR. The developed system verification was carried out through a slope and tunnel field application. From the field application result, the non-coring is four times faster than a coring and the drilling index RMR and core RMR are similar in the distribution range. This system is expected to predict the rock mass conditions of the TBM tunnel face ahead very quickly and efficiently.
In the construction of a TBM tunnel, it is very important to acquire accurate information of the excavated rock mass for an efficient and safe work. In this study, we developed the prediction system of TBM tunnel face ahead using probe drilling equipment and drilled hole imaging equipment to predict rock mass conditions of the tunnel face ahead. The prediction system consists of the probe drilling equipment, drilled hole imaging equipment and analysis software. The probe drilling equipment has been developed to be applicable to both non-coring and coring. Also the probe drilling equipment can obtain the drilling parameters such as feed pressure, torque pressure, rotation speed, drilling speed and so on. The drilling index is converted to the drilling index RMR through the correlation between a drilling index and core RMR. The developed system verification was carried out through a slope and tunnel field application. From the field application result, the non-coring is four times faster than a coring and the drilling index RMR and core RMR are similar in the distribution range. This system is expected to predict the rock mass conditions of the TBM tunnel face ahead very quickly and efficiently.
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문제 정의
이 연구는 국내 TBM 기술 자립의 일환으로서 체계적인 막장 전방 예측기술을 통한 TBM 시공관리용 리스크 관리를 목적으로 재활용 TBM 장비에 선진시추기를 장착하여 100 m 이상의 시추코어 회수 및 굴진 시 실시간으로 전방 지질예측이 가능한 TBM전방 지반평가시스템을 개발하는데 목적이 있다. 또한, 굴진 완료 후 막장 전방 지질이상대를 신속하게 파악할 수 있는 시추공벽 영상화 시스템을 선진시추기와 함께 장착하여 영상 분석을 통해 막장 전방의 지질상태를 파악하고자 하였다.
따라서 코어링과 논코어링 방법이 선택적으로 운영 가능하며, 복합지반에 대한 굴진율 및 코어회수율의 증대가 가능하다. 선진시추장비는 TBM 장비내 세그먼트 이렉터에 위치시켜 TBM 장비내 선진시추 사출구에 능동적으로 운영이 가능토록 하였다. 시추공경은 Ax(28.
이 연구는 국내 TBM 기술 자립의 일환으로서 체계적인 막장 전방 예측기술을 통한 TBM 시공관리용 리스크 관리를 목적으로 재활용 TBM 장비에 선진시추기를 장착하여 100 m 이상의 시추코어 회수 및 굴진 시 실시간으로 전방 지질예측이 가능한 TBM전방 지반평가시스템을 개발하는데 목적이 있다. 또한, 굴진 완료 후 막장 전방 지질이상대를 신속하게 파악할 수 있는 시추공벽 영상화 시스템을 선진시추기와 함께 장착하여 영상 분석을 통해 막장 전방의 지질상태를 파악하고자 하였다.
이 연구에서는 막장 전방 지반예측을 위하여 선진시추장비와 시추공벽 영상화 장비를 이용한 TBM전방 지반평가시스템을 개발하였으며 현장적용을 통해 이를 검증하였고 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
개발된 TBM 전방 지반평가시스템은 암반 및 토사비탈면, NATM 터널 막장, TBM 터널 막장에 현장적용하고 그 결과를 분석하여 적용성을 검증하였다. 한편 TBM 터널은 막장이 숏크리트 및 토류판으로 보호된 상태로 현장 여건상 실 굴진은 불가하여 TBM장비 내 적용 가능성까지 확인하였다.
따라서 이 연구를 위해 Φ3.5 m 급의 TBM 장비내 선진수평시추기가 장착될 수 있도록 도면 및 TBM장비의 실측을 통해 다음과 같이 설계 및 개발하였다.
선진시추장비는 드리프터를 장착하여 충격식, 회전식 시추조사가 가능한 탑헤드 방식을 채택하였다. 따라서 코어링과 논코어링 방법이 선택적으로 운영 가능하며, 복합지반에 대한 굴진율 및 코어회수율의 증대가 가능하다.
현장 적용 당시 TBM 장비는 스크류 컨베이어 설치를 위해 작업 구조물들이 설치된 상태이었으며 막장이 숏크리트 및 토류판으로 보호된 상태로 현장 여건상 실제 굴진은 불가한 상태였다. 선진시추장비는 작업구조물 후면에 설치하였고 챔버 출입문을 통해 로드를 막장면까지 연결하여 장비 구동여부를 체크하는 등 장비 내 적용 가능성까지 확인하였다.
시추공경은 Ax(28.6 mm)∼Hx(67.5 mm)의 범위로 다양한 크기의 시추코어 회수가 가능하며, 100 m 이상의 굴진 및 시간당 7 m 이상의 굴진이 가능토록 설계하였다.
천공지수는 코어RMR과의 상관분석을 위해 코어RMR과 동일구간에 대한 평균적인 천공지수를 산정하고 코어RMR 상관성 분석을 진행하여 천공지수RMR로 환산한다. 환산된 천공지수 RMR은 시공 시막장전방의 암질을 정량적으로 평가할 수 있는 지표로서 활용된다.
시추공벽 영상화 시스템은 선진수평시추기의 사양에 맞추어 다양한 시추공경에 적용할 수 있어야 하며, 핵심부품인 카메라의 성능은 무엇보다 중요하다. 카메라는 고성능 CCD (charge-coupled device) 타입카메라를 탑재하여 시추공 전방 및 측면의 영상을 동시에 기록, 시추공 주변의 지질상태를 실시간 영상을 제공하도록 개발하였다. 카메라의 직경은 Φ25 mm로서 Φ28 mm∼120 mm 시추공에 적합하도록 카메라 보정회로가 탑재되어있다.
코어링과 논코어링 방법을 모두 적용하였고 굴진에 따른 천공영향변수 측정 및 시추공벽 촬영을 수행하였다. Table 3은 암반 및 토사비탈면의 굴진현황을 정리한 것이다.
현장적용은 Fig. 12에서와 같이 장비셋팅, 굴진 및 천공영향변수 획득, 시추공벽 카메라 촬영, 장비철수 순으로 진행하였다. 굴진으로 인한 막장 손상 시 붕괴우려가 있어 실제 굴진은 불가하였으나 굴진을 제외한 모든 공정을 적용하였으며, TBM 전방 지반평가시스템이 TBM 내 적용 가능함을 확인하였다.
대상 데이터
암반 및 토사비탈면에 대한 현장적용은 강원도 양양소재 OO광물 부지내(Fig. 4)에서 진행하였다.
적용 지역은 서울 송파구에 위치한 서울지하철 OOO공구 건설현장으로 Shield TBM이 적용되었다. 현장 적용 당시 TBM 장비는 스크류 컨베이어 설치를 위해 작업 구조물들이 설치된 상태이었으며 막장이 숏크리트 및 토류판으로 보호된 상태로 현장 여건상 실제 굴진은 불가한 상태였다.
적용 지역은 충남 보령시에 위치한 OO터널 건설공사 현장으로 적용 당시 295 m 굴진 진행 중이었으며 부분적으로 파쇄된 연암이 노출된 상태였다(Fig. 8). 현장적용 전경 및 굴진 현황은 Fig.
이론/모형
천공영향변수 측정 장비를 통해 획득한 천공영향변수는 Teale (1965)의 식을 적용하여 천공지수를 산정하고 코어RMR의 상관성분석을 통해 천공지수RMR로 환산한다. 상관성 분석결과 천공지수와 코어RMR은 선형의 상관성을 나타내었으며 R2는 암반비탈면과 토사비탈면이 각각 52%, 64%의 비교적 양호한 상관관계를 나타내었다.
성능/효과
1. 선진시추장비는 적용한 모든 공에서 20 m 이상 굴진을 진행하였으며, 굴진속도는 20 m 굴진 기준 코어링 방법이 6∼7시간, 논코어링 방법이 2시간 내외 소요될 것으로 예상되어 논코어링 방법이 코어링 방법에 비해 4배 가량 빠른 것으로 나타났다.
2. 천공지수와 코어 RMR은 52∼63%의 비교적 양호한 상관성을 나타내었으며 천공지수로부터 환산된 천공지수RMR과 코어RMR은 0∼14 범위에서 유사한 분포특성을 나타내었다.
3. 시추공벽 촬영결과 파쇄대가 관찰된 시추코어와 동일한 구간에서 파쇄된 시추공 영상을 확인할 수 있었다.
굴진속도는 코어링 방법의 경우 10∼20mim/m 가량 소요되어 일반적으로 사용되는 상용 시추장비의 수평 굴진 속도와 유사한 분포를 나타내었고, 논코어링 방법의 경우 2∼5 mim/m 정도 소요되어 코어링 방법에 비해 평균 4배 정도 빠른 굴진이 가능했다.
12에서와 같이 장비셋팅, 굴진 및 천공영향변수 획득, 시추공벽 카메라 촬영, 장비철수 순으로 진행하였다. 굴진으로 인한 막장 손상 시 붕괴우려가 있어 실제 굴진은 불가하였으나 굴진을 제외한 모든 공정을 적용하였으며, TBM 전방 지반평가시스템이 TBM 내 적용 가능함을 확인하였다.
천공영향변수 측정 장비를 통해 획득한 천공영향변수는 Teale (1965)의 식을 적용하여 천공지수를 산정하고 코어RMR의 상관성분석을 통해 천공지수RMR로 환산한다. 상관성 분석결과 천공지수와 코어RMR은 선형의 상관성을 나타내었으며 R2는 암반비탈면과 토사비탈면이 각각 52%, 64%의 비교적 양호한 상관관계를 나타내었다.
천공영향변수로부터 산정한 천공지수와 코어RMR의 상관성분석 결과 R2는 60%로 비교적 양호한 상관성을 나타내었다. Fig.
후속연구
논코어링 적용 시 코어링 방법에 비해 4배 가량 빠른 현장적용이 가능하고, 지반상태의 변화와 천공지수의 상관성도 양호한 것으로 나타난 바 이 시스템의 재활용 TBM 내 적용 시 신속하고 효율적인 막장전방 지반예측이 가능할 것으로 기대된다.
국외의 경우 천공영향변수를 이용한 천공탐사기법이 선진국을 중심으로 터널 및 광산 등의 토목현장에서 다양하게 이용되고 있으며, 특히 터널 시공현장에서 터널굴진면 전방의 지반상황을 정량적으로 예측하고, 지반의 안정성 파악 및 지보패턴 결정 등에 활용되고 있다. 반면 국내의 경우 천공탐사기법을 터널 현장에 적용하여 암반 특성 및 불연속면 예측을 위해 효율적으로 활용된 바가 있으나(김광염 외, 2008, 2009) 직접적인 굴진에 대한 지반의 반응을 측정하는 것이 아니라 굴진 시 사용된 유압식 착암기의 추력, 토크 등을 측정하기 때문에 정확한 지반평가를 위해서는 추가적인 조사 및 분석 기법의 적용이 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
터널 막장 전방 지질예측의 대표적인 기법에는 무엇이 있는가?
터널 막장 전방 지질예측의 대표적인 기법으로는선진시추조사, 터널 내 탐사(TSP; Tunnel Seismic Profiling)등이 있다. 그러나 선진시추조사를 위해서는 공사 중단에 의한 공기지연이 발생하며, TSP 탐사는 충분한 지반정보를 제공하지 못하는 경우도 있어 추가 조사 방법이 필요하기도 하다.
설계단계에서 예측하지 못한 지질이상대는 어떤 문제를 일으키는가?
설계단계에서 미처 예측하지 못한 지질이상대는 TBM 터널 시공 중 공기지연에 따른 시간적, 경제적 손실을 야기한다. 예측하지 못한 지질 이상대로 인하여 TBM 터널에서 발행할 수 있는 트러블을 최소화하기 위하여 정확한 막장 전방 지질 예측의 필요성이 증대되고 있다.
선진시추조사, 터널 내 탐사의 문제점은 무엇인가?
터널 막장 전방 지질예측의 대표적인 기법으로는선진시추조사, 터널 내 탐사(TSP; Tunnel Seismic Profiling)등이 있다. 그러나 선진시추조사를 위해서는 공사 중단에 의한 공기지연이 발생하며, TSP 탐사는 충분한 지반정보를 제공하지 못하는 경우도 있어 추가 조사 방법이 필요하기도 하다. 한편, TBM 공법은 굴착단면을 육안으로 관찰하기 힘들며, 굴착지반의 갑작스러운 변화나 지하수에 대한 대처가 쉽지 않은 단점을 가지고 있기 때문에 막장전방 예측에 대한 요구가 증대하고 있으나 막장전방 예측 기술은 NATM공법에 비해 극소수에 불과하다.
참고문헌 (6)
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Kim, K.Y., Kim, C.Y., Kim, K.S., Yim, S.B., Seo, K.W. (2009), "Prediction of geological condition ahead of tunnel face using hydraulic drilling data", Journal of Engineering Geology, Vol. 19, No. 4, pp. 483-492.
Kim, K.Y., Kim, C.Y., Kim, K.S., Yoon, H.K. (2008), "A study on drilling parameters using rock specimen drilling test", KSCE Annual Conference and Civil EXPO 2008, pp. 4294-4297.
Teale, R. (1965), "The concept of specific energy in rock drilling", Int. J. Rock Mech. Mining Sci, Vol. 2, pp. 57-73.
Thuro, K. (1997), "Drillability prediction-geological influences in hard rock drill and blast tunnelling", Geol Rundsch, Vol. 86, 426-438.
Yamamoto, T., Shirasagi, S., Yamamoto, S., Mito, Y., Aoki, K. (2003), "Evaluation of the geological condition ahead of the tunnel face by geostatistical techniques using TBM driving data", Tunneling and Underground Space Technology, Vo. 18, pp. 213-221.
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