발파를 이용한 터널굴착시, 와이어쏘를 이용하여 심빼기 부분 외곽에 불연속면을 발생시켜 발파진동을 차단함으로써 소음 및 진동을 저감시키고자 하는 방법은 타 방법에 비해 시공이 간편하고 경제적일 것으로 예상된다. 본 논문에서는 터널굴착용 와이어쏘의 절삭 메커니즘을 규명하기 위하여 시간에 따른 절삭 깊이 변화와 절삭 중 암석 내부의 와이어쏘 곡선 형태를 파악할 수 있는 절삭 모델을 구축하고 검증하였다. 구축된 모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 터널굴착용 와이어쏘 절삭의 특징을 살펴보고, 와이어쏘 인장력, 와이어쏘 속도, 피드 속도, 천공 깊이 및 천공 직경과 같은 주요 조건들이 절삭 성능에 미치는 영향을 검토하였으며, 이러한 검토 결과를 바탕으로 절삭 성능을 높이기 위한 방안을 제시하였다.
발파를 이용한 터널굴착시, 와이어쏘를 이용하여 심빼기 부분 외곽에 불연속면을 발생시켜 발파진동을 차단함으로써 소음 및 진동을 저감시키고자 하는 방법은 타 방법에 비해 시공이 간편하고 경제적일 것으로 예상된다. 본 논문에서는 터널굴착용 와이어쏘의 절삭 메커니즘을 규명하기 위하여 시간에 따른 절삭 깊이 변화와 절삭 중 암석 내부의 와이어쏘 곡선 형태를 파악할 수 있는 절삭 모델을 구축하고 검증하였다. 구축된 모델을 이용한 시뮬레이션을 통해 터널굴착용 와이어쏘 절삭의 특징을 살펴보고, 와이어쏘 인장력, 와이어쏘 속도, 피드 속도, 천공 깊이 및 천공 직경과 같은 주요 조건들이 절삭 성능에 미치는 영향을 검토하였으며, 이러한 검토 결과를 바탕으로 절삭 성능을 높이기 위한 방안을 제시하였다.
In tunnel excavation using blast, the wire saw rock cutting method generates a discontinuity perimeter around the center cut, and thus prevents blast vibration propagation to reduce vibration and noise. Therefore, the method is expected to be easy to use and economical compared with other methods. I...
In tunnel excavation using blast, the wire saw rock cutting method generates a discontinuity perimeter around the center cut, and thus prevents blast vibration propagation to reduce vibration and noise. Therefore, the method is expected to be easy to use and economical compared with other methods. In this paper, the cutting mechanism of wire saw in tunnel excavation is investigated. A model describing the changes in cutting depth and wire saw shape inside a rock during cutting is established and validated for this purpose. Through a simulation using the model, the important characteristics of wire saw cut are investigated, and the influences of cutting conditions, such as wire saw tension, wire saw speed, feed speed, depth, and diameter of boring, on cutting performance are also examined. A method to improve the cutting performance is proposed based on the results.
In tunnel excavation using blast, the wire saw rock cutting method generates a discontinuity perimeter around the center cut, and thus prevents blast vibration propagation to reduce vibration and noise. Therefore, the method is expected to be easy to use and economical compared with other methods. In this paper, the cutting mechanism of wire saw in tunnel excavation is investigated. A model describing the changes in cutting depth and wire saw shape inside a rock during cutting is established and validated for this purpose. Through a simulation using the model, the important characteristics of wire saw cut are investigated, and the influences of cutting conditions, such as wire saw tension, wire saw speed, feed speed, depth, and diameter of boring, on cutting performance are also examined. A method to improve the cutting performance is proposed based on the results.
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문제 정의
이에 본 연구에서는 터널굴착에 사용되는 와이어쏘 절삭 방법에 대해 살펴보고 절삭 메커니즘을 규명하기 위한 모델을 구축하고자 한다. 그리고 구축된 모델을 통해 주요 절삭 인자가 절삭성능에 미치는 영향을 규명하여 절삭성능을 향상시키는 방안을 제시하고자 한다.
(b)는 절삭이 종료된 시점에서의 암석내부 와이어쏘 곡선 형태에 대한 결과이다. 다음 절에서는 이와 같이 구축된 모델을 이용하여 와이어쏘를 이용한 암반절삭의 특징과 절삭 성능을 향상시킬 수 있는 방안에 대해 살펴보고자 한다.
다음은 세팅 조건인 천공 직경 및 천공 깊이와 관계가 있는 (lp-lr)와 y0가 절삭성능에 미치는 영향에 대해서 살펴보았다. 천공 직경이 클수록 (lp-lr)을 크게 할 수 있고, 천공 깊이가 깊을수록 y0를 크게 할 수 있다.
다음은 제어 가능한 절삭 조건들에 대한 파라미터 스터디를 통해 절삭 조건이 절삭 성능에 미치는 영향을 살펴보았다. 와이어쏘의 인장력, 피드속도, 와이어쏘 속도 등은 와이어쏘 머신의 운전 조건이고, 천공 직경과 천공 깊이는 절삭 전에 결정되는 세팅 조건에 해당된다.
심빼기 이후에 나머지 면을 발파시켜 굴착을 진행하는데 보통 심빼기 발파 때 발생하는 진동 및 소음이 가장 크기 때문에 이를 우선적으로 줄여야할 필요가 있다. 따라서 심빼기 발파를 하기 전에 와이어쏘를 이용하여 심빼기 부분 외곽면을 일정 깊이(1.5m 이상)만큼 절삭하여 암반에 불연속면을 생성시킴으로써 발파로 인해 진동이 전파되는 양을 줄이고자 하는 것이다.
이에 본 연구에서는 터널굴착에 사용되는 와이어쏘 절삭 방법에 대해 살펴보고 절삭 메커니즘을 규명하기 위한 모델을 구축하고자 한다. 그리고 구축된 모델을 통해 주요 절삭 인자가 절삭성능에 미치는 영향을 규명하여 절삭성능을 향상시키는 방안을 제시하고자 한다.
가설 설정
본 연구에서는 적용대상이 공기단축을 무엇보다도 우선시 하는 터널굴착현장이라는 점을 감안하였을 때 와이어쏘의 수명 보다는 절삭성능이 훨씬 중요한 인자가 된다. 따라서 본 연구에서는 절삭 조건에 따른 와이어쏘 수명에 대한 영향은 고려하지 않았다.
7과 같이 단순화된 모델을 생각해 보도록 한다. 즉, 와이어쏘 양 끝에 걸리는 인장력이 T이고 와이어쏘를 머신에서 끌어당기는 힘인 피드력 Ff가 피삭재 중앙에 집중 하중으로 작용된다고 가정하는 것이다.(3) 이러한 조건에서 와이어쏘 내부에 작용하는 힘의 평형은 다음과 같이 이루어지고,
제안 방법
본 논문에서는 터널굴착 시 발생하는 소음 및진동을 저감시키기 위해 사용되는 와이어쏘 절삭에 있어서, 마찰압력에 의한 마모 원리와 와이어 쏘가 암반에 작용하는 힘의 평형식을 이용하여 절삭 모델을 구축한 후 시험 결과와의 비교를 통해 이를 검증하였다. 구축된 모델을 이용하여 터널굴착용 와이어쏘의 절삭 특징을 살펴보고 주요 절삭 인자가 절삭 성능에 미치는 영향을 검토하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
본 논문에서는 터널굴착 시 발생하는 소음 및진동을 저감시키기 위해 사용되는 와이어쏘 절삭에 있어서, 마찰압력에 의한 마모 원리와 와이어 쏘가 암반에 작용하는 힘의 평형식을 이용하여 절삭 모델을 구축한 후 시험 결과와의 비교를 통해 이를 검증하였다. 구축된 모델을 이용하여 터널굴착용 와이어쏘의 절삭 특징을 살펴보고 주요 절삭 인자가 절삭 성능에 미치는 영향을 검토하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
10은 와이어쏘를 이용한 절삭 시험 사진이고, 이 때의 시험 조건은 Table 1과 같다. 시험을 위해서 사전에 직경 380mm, 깊이 3m 천공 두개를 2.3m 간격으로 뚫어 놓았으며, 이 천공안에 길이 1m의 지그를 설치하고 와이어쏘를 지그와 머신에 연결하였다. 절삭이 일정 시간동안 진행이 된 후, 절삭깊이의 증가가 현저하게 줄어드는 시점에서 작업을 종료하고 이 때의 절삭깊이를 3지점(0, 1.
앞 절에서 도출한 와이어쏘 절삭 모델을 이용한 절삭 결과와 실제 시험 결과를 비교해 보았다. Fig.
3m 간격으로 뚫어 놓았으며, 이 천공안에 길이 1m의 지그를 설치하고 와이어쏘를 지그와 머신에 연결하였다. 절삭이 일정 시간동안 진행이 된 후, 절삭깊이의 증가가 현저하게 줄어드는 시점에서 작업을 종료하고 이 때의 절삭깊이를 3지점(0, 1.15, 2.3m)에서 2회 이상 측정하였다. 와이어쏘 머신은 Table 2와 같은 사양을 보유한 FORTEC C&S CORP.
대상 데이터
와이어쏘 머신은 Table 2와 같은 사양을 보유한 FORTEC C&S CORP.의 FT-DX120를 사용하였고, 와이어쏘는 신한다이아몬드공업에서 제조된 Hybrid type 융착보강 비드가 삽입된 제품을 사용하였다.
성능/효과
15와 Table 4에 나타내었다. 결과에서 알 수 있듯이 와이어쏘 인장력과 와이어쏘 속도에 대한 절삭성능의 민감도는 높고 피드속도에 대한 민감도는 상대적으로 낮음을 알 수 있다.
둘째, 절삭 속도는 어느 시점까지는 증가하다가 그이후로는 급격히 감소한다. 본 연구의 경우, 1200초 동안 진행된 절삭 중 400초까지 절삭 속도가 증가하여 전체 절삭 면적의 약 71%가 이미 절삭되었다.
본 결과에서 볼 수 있듯이 와이어쏘 인장력과 와이어쏘 속도가 높을수록 절삭성능이 향상되고, 피드속도가 낮을수록 절삭성능은 향상됨을 알 수 있다.
둘째, 절삭 속도는 어느 시점까지는 증가하다가 그이후로는 급격히 감소한다. 본 연구의 경우, 1200초 동안 진행된 절삭 중 400초까지 절삭 속도가 증가하여 전체 절삭 면적의 약 71%가 이미 절삭되었다. 따라서 절삭 효율을 높이기 위해서는 예상 절삭량과 소요시간을 고려해서 작업 지속 시간을 결정하는 것이 필요하다.
셋째, 절삭 성능 향상과 비례 관계인 주요 절삭 인자는 와이어쏘 인장력, 와이어쏘 속도, 천공 깊이이고, 반비례 관계인 인자는 피드속도, 풀리와 암반사이의 거리이다. 이들 인자가 절삭 성능에 미치는 영향정도는 와이어쏘 속도, 와이어쏘 인장력, 천공 깊이, 피드 속도, 풀리와 암반사이 거리 순으로 크다.
첫째, 절삭 시간이 아무리 경과해도 최종 절삭 면적은 당초 예상했던 절삭면적에 미치지 못한다. 본 연구에서 살펴본 예의 경우에는 최종 절삭 면적은 예상 절삭 면적의 68%에 불과했다.
최종 절삭 면적은 약 1.56m2로 당초 예상 절삭 면적인 2.3m2(=천공깊이(1m)×천공사이 거리(2.3m))의 68% 밖에 미치지 못함을 알 수 있다.
후속연구
Gustafsson N.(2)은 도심지역 지하 터널 굴착을 위해 와이어쏘 방법을 적용하고 그 효과를 기존 발파 방법과의 소음 및 진동 측면에서 비교하였으나, 절삭 메커니즘 및 절삭성능 향상에 대한 분석은 이루어지지 않았다. 반도체나 솔라셀 제조 공정 중 사파이어 잉곳 및 솔라셀 잉곳을 정밀 절단하기 위해 주로 와이어쏘가 사용되고 있으며 관련 절단 메커니즘 규명 및 절단성능 향상을 위한 연구가 진행되었으나,(3,4) 그 규모 및 절단방법이 상이하여 터널굴착용 와이어쏘에 적용하기는 어렵다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
와이어쏘는 어떤 방법인가?
와이어쏘는 채석장에서 암석을 채취할 때와 노후 화된 건물이나 대형 장비를 해체할 때 주로 사용되는 방법이나, 앞서 설명한 것과 같은 용도로 터널 굴착에 적용되는 경우는 극히 드물고 그 방법이 일반적인 와이어쏘 절단 방법과는 다르기 때문에 관련 되어 연구가 진행된 예가 적다. Gustafsson N.
super wedge 방법의 단점은 무엇인가?
터널 전단면을 자동화된 장비로 동시에 굴착하는 TBM(Tunnel Boring Machining) 공법을 사용할 경우 역시 소음 및 진동 저감을 기대할 수있으나, 전체 공사 구간 중 민원이 발생하는 일부 구간 때문에 값비싼 TBM 공법을 사용하는 것은 경제성 측면에서 합리적이지 않다. 유압으로 작동하는 쐐기를 천공안에 삽입한 후 전진시켜 암반을 파쇄 하는 super wedge 방법 또한 소음 및 진동 저감 효과가 있으나 다수의 천공을 뚫어야 하는 선행 작업이 필요하고 파쇄 유효 거리의 한계로 인해 시공시 간이 오래 걸리는 단점이 있다. 반면에 안성권(1)이 제안한 와이어쏘를 이용한 터널굴착 방법은 발파시 소음 및 진동이 집중되는 부분 외곽에 와이어쏘를 이용하여 불연속면을 발생시켜 발파진동을 차단함으로써 소음 및 진동을 저감시키고자 하는 방법으로 시공이 간편하고 절삭속도가 높아 매우 경제적일 것으로 예상된다.
와이어쏘를 이용하여 심빼기 부분의 외곽면 중한 면을 절삭하는 방법은 어떻게 설명할 수 있는가?
2에 나타내었다. 일정 깊이의 천공(210)을 뚫은 다음 그 속에 양끝에 회전풀리(11)가 달린 지그(1)를 삽입하여 고정하고, 절삭용 다이아몬드 비드가 박힌 와이어쏘(100)를 회전기기(310)에 일정한 인장력을 가한 상태로 연결한 후, 회전기를 고속으로 돌리면서 동시에 조금씩 뒤로 이동시킴으로써 절삭이 되게 하는 것이다. 이해를 돕기 위해 Fig.
참고문헌 (8)
Ahn S. K., 2014, "Low Cost-High Performance Technology Development for Railroad Infrastructure," KRRI Research Report 2014-106, Korea Railroad Research Institute, pp. 316-429.
Gustafsson N., 2011, "Wire cutting as a complement to drill and blast in vibration sensitive environments," Master's Thesis, Chalmers University of Technology.
Liedke T., Kuna M., 2011, "A macroscopic mechanical model of the wire sawing process," International Journal of Machine Tools & Manufacture, 51, pp. 711-720.
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