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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 이 에 대하여 개발된 쉴드TBM 커터비트 성능평가 장비(강은모, 2015)를 이용하여 국내 일반적인 지층조건인 풍화토와 풍화암으로 이루어진 복합지반에서 커터헤드의 회전속도에 따른 특히 손상에 취약한 토사용 커터비트에 대한 거동연구를 실시하였다. 대상 복합지반은 터널크기에 따른 공학적 상사성을 고려하여 조성하였다.
- 본 연구에서는 복합지반에서의 쉴드 TBM 굴착시 커터헤드 회전속도에 따른 커터비트의 손상 위험에 대한 연구이다. 본 연구를 수행하기 위하여 쉴드 TBM 커터비트 성능 평가 실험장비를 이용하여 연구를 실시하였다.
제안 방법
- 각 회전속도에 대한 회전수는 2회씩(720도)을 실시 하였다. 위치별 커터비트의 거동을 연구하기 위하여는 총 12개를 설치하였으며 이들에 대한 배치는 Fig.
- 따라서 본 연구에서는 이 에 대하여 개발된 쉴드TBM 커터비트 성능평가 장비(강은모, 2015)를 이용하여 국내 일반적인 지층조건인 풍화토와 풍화암으로 이루어진 복합지반에서 커터헤드의 회전속도에 따른 특히 손상에 취약한 토사용 커터비트에 대한 거동연구를 실시하였다. 대상 복합지반은 터널크기에 따른 공학적 상사성을 고려하여 조성하였다.
- 본 연구를 수행하기 위하여 쉴드 TBM 커터비트 성능 평가 실험장비를 이용하여 연구를 실시하였다. 또한 공학적 상사성을 고려하여 실험용 복합지반을 조성하였으며 쉴드 TBM 커터헤드의 회전수를 3가지로 구분하여 2,3,4 rpm에 대한 각 커터 비트에 부과되는 절삭력을 측정하였다. 이러한 연구를 통하여 얻어진 결과를 요약 정리하면 다음과 같다.
- 커터비트의 구성은 각도 조절과 마모율에 따른 부품교체를 위해 조립식으로 제작되었다. 또한 다양한 커터비트의 조건에 따른 효율을 평가하기 위하여 간격과 폭 및 각도조절이 조절 가능하도록 제작되었다.
- 또한 토사지반 및 암반지반에서 굴착 시 커터비트에 발생하는 압력을 실시간 측정할 수 있는 압력센서가 각각 설치되어 있으며, 굴착 시 발생하는 커터헤드의 압력을 측정하기 위한 회전력 및 추력센서를 비롯하여 다양한 계측센서들을 설치 할 수 있도록 설계 제작되었다.
- 본 연구에서는 복합지반에서의 쉴드 TBM 굴착시 커터헤드 회전속도에 따른 커터비트의 손상 위험에 대한 연구이다. 본 연구를 수행하기 위하여 쉴드 TBM 커터비트 성능 평가 실험장비를 이용하여 연구를 실시하였다. 또한 공학적 상사성을 고려하여 실험용 복합지반을 조성하였으며 쉴드 TBM 커터헤드의 회전수를 3가지로 구분하여 2,3,4 rpm에 대한 각 커터 비트에 부과되는 절삭력을 측정하였다.
- 지반조성은 실험지반의 균질성을 확보하기 위하여 터널 크기에 따른 공학적 상사성을 고려하여 실제 복합지반을 실험장비의 축소율과 같은 1/10로 축소시킨 시료를 조성하였다. 쉴드 TBM 커터비트 성능평가 실험을 통한 정확한 데이터를 얻기 위해서는 실험장비 뿐만 아니라 축소모형지반의 조성 또한 매우 중요하므로 실제 원지반과 유사한 축소모형지반을 조성하여야 한다(오태상, 2014).
- 커터비트의 폭, 간격, 각도의 선정은 커터비트의 압력, 굴진시간 및 지반변위의 변화에 영향이 적은 것으로 나타나는 폭 30 mm, 간격 27.5 mm, 각도 20°로 적용하여 실험을 실시하였다(김상환 등, 2012).
- 커터헤드의 회전속도에 대하여서는 실질적으로 현장에서 평균적용되고 있는 3 rpm을 기준으로 하여 본 연구에서는 2, 3, 4 rpm의 3가지 회전속도에 대하여 커터비트에 작용되는 절삭력(drag fore)을 풍화토구간(토사부)과 토사와 암반 경계부 그리고 풍화암구간 (암반부)으로 나누어 연속적으로 변화를 측정하였다.
- Table 2는 조성된 각 지반의 제원에 대하여 나타낸 것이다. 풍화토 시료의 배합비율은 모래량 80%, 석고량 5%, 함수비 15%이며, 풍화암 시료의 배합비율은 모래량 78%, 석고량 7%, 함수비 15%로 하여 각각 일축압축강도 312 kPa, 468 kPa의 복합지반을 조성하였다. 조성되어진 복합지반의 형태는 Fig.
- 쉴드 TBM 커터비트 성능평가 실험을 통한 정확한 데이터를 얻기 위해서는 실험장비 뿐만 아니라 축소모형지반의 조성 또한 매우 중요하므로 실제 원지반과 유사한 축소모형지반을 조성하여야 한다(오태상, 2014). 풍화토와 풍화암의 원지반일축압축강도는 일반적인 압축강도를 나타내며, 실험에서는 지반의 석고량 혹은 함수비를 변동시키면 실험 지반의 압축강도를 조절하였다.
- 회전동력은 Fig. 4와 같이 직경이 서로 다른 기어를 이용하여 설계된 40 : 1의 감속장치를 작동하여 속도조절을 할 수 있도록 설계되었다.
성능/효과
- 1. 성능평가형 쉴드 TBM 실험에서 복합지반을 일정한 분당회전속도(rpm)로 굴착을 할 경우 풍화토에서 발생하는 절삭력보다 풍화암에서 발생하는 절삭력이 더 크게 발생하며, 지층이 바뀌는 경계부에서 커터비트에 작용하는 압력이 큰 폭으로 증가하였다.
- 2. 커터헤드의 회전속도가 증가함에 따라 각 비트에 작용하는 압력 또한 크게 측정 되었으며, 최대압력과 최소압력의 차이 또한 rpm 이 클수록 점점 증가 하였다.
- 3. 복합지반 굴착 시 토사지반과는 다르게 rpm을 낮게 유지하면서 굴착하는 것이 커터비트에 작용하는 절삭력의 차가 적게 발생되므로 지반거동 및 안정성 측면에서 좋은 것으로 판단된다.
- 5. 또한 쉴드 TBM 굴착 시 고려해야하는 사항인 커터 마모 부분도 커터헤드의 회전속도(rpm)을 낮게 유지할수록 커터비트에 작용하는 절삭력에 대한 부담을 줄 일수 있고 또한 비트 마모율 효율도 상승시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 커터헤드의 회전속도는 커터비트의 손상 위험에 많은 영향을 준다는 결과를 도출하였다. 또한 커터헤드의 회전 속도가 증가될수록 풍화토와 풍화암에서의 절삭력의 차이도 크게 나타나는 결과를 얻었다.
- 8(b)와 같이 축력과 절삭력의 관계를 얻었으며 실질적인 절삭력이 요구되는 경우 홀용할수 있도록 제시하였다. 이 결과로부터 실질적으로 측정된 축력은 절삭력의 약 0.6배로 나타났다.
- 이 분석결과로부터 쉴드 TBM 커터헤드의 중심축에서 멀리 위치하는 커터비트들의 절삭력은 전반적으로 상대적인 평균값이 다소 크게 측정됨에 따라 커터 비트의 손상에 대한 위험도 클 것으로 판단된다.
후속연구
- 4. 커터헤드의 중심에서 멀게 위치한 커터비트에 작용하는 절삭력이 다소 크게 측정되므로 커터비트 위치별로 절삭력이 동일하게 분산되도록 설계 시 반영되어야 할 것으로 판단된다.
- 본 연구는 실내모형 실험연구 결과로 실질적인 현장과는 차이가 있을 수 있을 것으로 예측된다. 그러나 본 연구에 사용되어진 실험 장비를 주축으로 실험을 통하여 각 비트의 절삭력 및 최적의 각도, 위치 배열 실험과 같은 커터헤드 요소분석 실험을 통하여 근본적인 쉴드 TBM 커터헤드의 커터비트의 배열기술과 시공가이드라인으로는 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
- 따라서 본 연구에서는 쉴드 TBM 커터비트 성능 평가 실험을 통한 복합지반에서 쉴드 TBM 커터헤드의 회전속도에 따른 커터비트 손상에 관한 연구로써 국내 복합지반 쉴드 TBM 굴착에 있어 설계 및 시공가이드로 유용하게 활용될 것이며, 아울러 국내 쉴드 TBM의 발전 및 안정성 문제해결을 위한 중요한 자료가 될 것으로 판단된다.
- 또한 커터헤드의 중심부에서 멀리 위치한 커터비트에 작용하는 압력이더 높게 측정된 것으로 보아 커터비트의 마모율이 바깥쪽에서 더 높을 것으로 판단되므로 이러한 점을 고려하여 커터비트 위치별로 절삭력이 동일하게 분산되도록 설계 시 반영되어야 할 것으로 판단된다.
- 이들의 굴착능력은 공기 및 시공의 성패가 좌우되므로 현장여건 및 현장 지질조건에서 최상의 굴착능력을 발휘할 수 있는 굴착시스템과 커터헤드설계 및 절삭도구의 선정과 관리방안이 중요하다. 특히 복합지반에서는 더욱 더 요구됨으로 인하여 굴삭도구에 대한 손상을 최소화시킬 수 있는 방안의 연구가 필요하다.
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