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문제 정의
- 본 연구에서는 기존 시험방법을 보완하여 빠르고 정확하게 디스크 커터의 수명 예측이 가능한 새로운 시험방법(NAT) 및 마모지수(DWI, Disc Wear Index)를 개발하였다. 개발된 시험장치는 크게 메인 프레임, 하중 재하 장치, 암석 시편 고정부, 원형 디스크(절삭 도구) 및 디스크 고정부, 회전장치로 구분되며, 시험장치는 Fig.
- 본 연구에서는 암반용 TBM의 디스크 커터 마모량을 예측하기 위하여 기존 디스크 커터 마모시험방법을 분석하여 기존 시험방법과 시험지수의 한계를 보완한 새로운 시험장비와 예측모델을 개발하였다. 또한 시험 결과를 기존 시험 장비 결과와 비교하여 상관관계를 규명하였으며, 실제 TBM 현장 시료를 이용한 시험결과와 실제 디스크 커터의 마모량을 비교하여 예측 모델의 신뢰성을 확인하였다.
제안 방법
- 2. NAT는 원형의 디스크를 회전이동 시키면서 암석을 절삭하는 동안의 디스크 마모량을 가지고 마모지수(DWI, Disc Wear Index)를 제안하는 시험으로 제안하였으며, 현장의 암석시료를 가지고 NAT로부터 DWI를 얻어 디스크 커터의 추정이 가능하다.
- 3. 본 연구에서는 DWI와 기존 NTNU 시험, 세르샤 시험의 시험결과와 지수들을 비교하여 상관성을 분석하였다. 분석 결과 DWI는 NTNU 시험의 마모지수와 지수함수 관계를 보이며, 세르샤 시험의 마모지수와 선형 관계를 보이는 것으로 나타났다.
- 4. DWI로부터 TBM 현장의 디스크 커터 마모량을 예측하기 위하여 DWI와 각 TBM현장의 굴착 부피당 커터손실질량(g/m3)과의 관계를 도출하였다. DWI 값과 실제 마모량이 높은 상관관계를 보이는 것으로 확인되었다.
- NAT 시험결과로부터 획득된 마모지수(DWI)를 검증하기 위하여 실제 TBM 현장의 암석 시편을 이용한 시험결과와 디스크 커터 마모량을 비교 분석하여 상관성을 검증하였다. 국내외 TBM 현장의 암석 코어 시편을 채취하여 시험을 수행하였고, 이때 암석 시편의 종류는 다음의 Table 6과 같다.
- 국내외에서 채취한 대표적인 5개의 암종에 대해 NAT 시험을 수행하여 마모지수를 산정하였으며, 동일 암석시편을 이용하여 NTNU 시험과 세르샤 시험을 수행하였다. NTNU 시험은 시험장비의 제원이 정확하게 공개되어 있지 않아 암석 시편을 NTNU로 보내 시험을 수행하였으며, 세르샤 시험의 경우에는 제품화된 시험장치를 구비하여 자체적으로 시험을 수행하였다. 각 시험에 사용된 암석 시편의 종류와 기본 물성은 다음의 Table 4와 같다.
- 국내외 TBM 현장의 암석 코어 시편을 채취하여 시험을 수행하였고, 이때 암석 시편의 종류는 다음의 Table 6과 같다. Table 6에서 Juam Tunnel (1990)는 공사가 종료된 관계로 인접한 신규도수 터널의 암석 코어 시편을 채취하여 시험을 수행하였고, 과거 문헌 상 디스크 커터 교체 기록을 대조하여 비교하였다. 나머지 현장의 경우에는 최근까지 공사가 진행된 현장들로서 해당 현장의 실제 암석 시편을 대상으로 시험을 수행하였고 해당 현장의 디스크 커터의 마모량을 비교 분석하였다.
- 본 연구에서 NAT 시험과 마모지수의 신뢰성을 검증하기 위하여 동일한 암석시편에 대해 기존 시험방법의 결과와 비교 분석하였다. 국내외에서 채취한 대표적인 5개의 암종에 대해 NAT 시험을 수행하여 마모지수를 산정하였으며, 동일 암석시편을 이용하여 NTNU 시험과 세르샤 시험을 수행하였다. NTNU 시험은 시험장비의 제원이 정확하게 공개되어 있지 않아 암석 시편을 NTNU로 보내 시험을 수행하였으며, 세르샤 시험의 경우에는 제품화된 시험장치를 구비하여 자체적으로 시험을 수행하였다.
- Table 6에서 Juam Tunnel (1990)는 공사가 종료된 관계로 인접한 신규도수 터널의 암석 코어 시편을 채취하여 시험을 수행하였고, 과거 문헌 상 디스크 커터 교체 기록을 대조하여 비교하였다. 나머지 현장의 경우에는 최근까지 공사가 진행된 현장들로서 해당 현장의 실제 암석 시편을 대상으로 시험을 수행하였고 해당 현장의 디스크 커터의 마모량을 비교 분석하였다.
- 한편 크랭크의 회전속도는 20 RPM으로 규정하였으며 이는 수동으로 시험 수행 과정에 편이성을 고려한 적정 수준의 속도로 결정하였다. 디스크 회전 수는 여러 가지의 암종을 사용하여 회전수 별 시험을 수행한 결과로부터 결정하였다. Table 3의 시험결과로부터 암종에 따라 적은 회전 수에서는 질량 손실량이 충분하게 발생하지 않은 것을 확인하였다.
- 반면에, 회전 수가 증가할수록 회전 이동거리가 길어지기 때문에 회전수가 50 이상에서는 최소 시편의 크기가 100 mm 이상이 된다. 따라서 소요 시편의 크기와 장비의 크기, 시험 수행의 편이성을 고려하여 회전 수를 50으로 결정하였다.
- 새로 개발된 시험방법을 검증하기 위하여 동일 암석 시편에 대해 기존 세르샤 시험과 NTNU 시험을 수행하여 결과를 비교 분석하였다. 또한 실제 TBM 현장의 암석시편을 이용한 새로운 마모지수와 해당 TBM 현장의 디스크 커터 마모량을 비교함으로써 새로운 마모지수의 신뢰성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 기존 세르샤 시험에서 금속 핀을 일방향으로 마모시키는 것과 다르게 원형의 디스크를 양방향으로 마모시키고, NTNU 시험 대비 소요 시간을 단축할 수 있는 새로운 시험방법과 마모지수를 개발하였다. 새로 개발된 시험방법을 검증하기 위하여 동일 암석 시편에 대해 기존 세르샤 시험과 NTNU 시험을 수행하여 결과를 비교 분석하였다.
- 새로운 시험방법과 마모지수를 검증하기 위하여 Table 7과 같이 각 현장의 암종별 시험결과(DWI)를 얻고, 실제 디스크 커터 마모량(g/m3)에 대한 상관관계를 확인하였다(Fig. 9). DWI와 디스크 커터의 마모량 사이에 97.
- 상기 제안 식에서 디스크 커터 마모도 평가 단위는 mg/m로, 디스크 커터 위치 별로 회전 이동거리가 상이하기 때문에 디스크 커터 위치 별로 굴착거리 별 마모량 환산이 필요하다. 실제 노르웨이 OO터널의 경우에도 현장의 디스크 커터 마모량 평가 단위로 암반의 굴착량(g/m3)을 적용하고 있으며, 본 연구에서는 보다 쉽게 현장에 적용할 수 있도록 디스크 커터의 마모도 평가 단위(CWL, Cutter Weight Loss)를 굴착 부피 당 마모량(g/m3)로 적용하였다.
- NTNU 모델은 NTNU 시험결과로부터 CLI를 도출하여 NTNU에서 제시한 도표에 따 디스크 커터의 기본 수명 시간을 구하게 된다. 여기에 커터헤드의 크기, 커터헤드 회전속도, 디스크 커터의 개수, 석영 함유량과 관련한 보정계수를 적용하여 최종 수명 시간을 예측하게 된다.
- 또한 세르샤 시험은 시편에 따라 시험결과의 편차가 있을 수 있어 다수의 시험 수행이 필요하다. 이러한 한계를 극복할 수 있는 새로운 시험장치(NAT, New Abrasion Tester)를 개발하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 기존 시험방법을 보완하여 빠르고 정확하게 디스크 커터의 수명 예측이 가능한 새로운 시험방법(NAT) 및 마모지수(DWI, Disc Wear Index)를 개발하였다. 개발된 시험장치는 크게 메인 프레임, 하중 재하 장치, 암석 시편 고정부, 원형 디스크(절삭 도구) 및 디스크 고정부, 회전장치로 구분되며, 시험장치는 Fig. 4와 같다.
- NAT 시험결과로부터 획득된 마모지수(DWI)를 검증하기 위하여 실제 TBM 현장의 암석 시편을 이용한 시험결과와 디스크 커터 마모량을 비교 분석하여 상관성을 검증하였다. 국내외 TBM 현장의 암석 코어 시편을 채취하여 시험을 수행하였고, 이때 암석 시편의 종류는 다음의 Table 6과 같다. Table 6에서 Juam Tunnel (1990)는 공사가 종료된 관계로 인접한 신규도수 터널의 암석 코어 시편을 채취하여 시험을 수행하였고, 과거 문헌 상 디스크 커터 교체 기록을 대조하여 비교하였다.
- 여기서 di 는 마모된 핀의 직경(mm)을 의미한다. 시험에 사용되는 금속 핀은 원뿔 형상이고 길이 15 mm 이상, 폭 10 mm 이상으로, 재료의 로크웰 경도(Rockwell Hardness)는 스케일 C(HRC)로써 HRC 55이다(Plinninger, R. J. et al., 2002). 세르샤 시험은 비교적 간편하고 암석에 대한 금속의 마모정도를 경제적으로 산정할 수 있으며 여러 연구자들에 의해 그 적용성이 검증 된 바 있다(Lee et al.
- 시험에 사용되는 회전 디스크는 일반적으로 사용되는 디스크 커터와 세르샤 시험의 사용되는 핀과 유사한 로크웰경도 54의 강재를 사용하였다. 디스크에 작용하는 사하중은 충분한 질량손실을 발생하면서 시험을 하는데 어려움이 없도록 25 kg을 적용하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 암반용 TBM의 디스크 커터 마모량을 예측하기 위하여 기존 디스크 커터 마모시험방법을 분석하여 기존 시험방법과 시험지수의 한계를 보완한 새로운 시험장비와 예측모델을 개발하였다. 또한 시험 결과를 기존 시험 장비 결과와 비교하여 상관관계를 규명하였으며, 실제 TBM 현장 시료를 이용한 시험결과와 실제 디스크 커터의 마모량을 비교하여 예측 모델의 신뢰성을 확인하였다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서 NAT 시험과 마모지수의 신뢰성을 검증하기 위하여 동일한 암석시편에 대해 기존 시험방법의 결과와 비교 분석하였다. 국내외에서 채취한 대표적인 5개의 암종에 대해 NAT 시험을 수행하여 마모지수를 산정하였으며, 동일 암석시편을 이용하여 NTNU 시험과 세르샤 시험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 기존 세르샤 시험에서 금속 핀을 일방향으로 마모시키는 것과 다르게 원형의 디스크를 양방향으로 마모시키고, NTNU 시험 대비 소요 시간을 단축할 수 있는 새로운 시험방법과 마모지수를 개발하였다. 새로 개발된 시험방법을 검증하기 위하여 동일 암석 시편에 대해 기존 세르샤 시험과 NTNU 시험을 수행하여 결과를 비교 분석하였다. 또한 실제 TBM 현장의 암석시편을 이용한 새로운 마모지수와 해당 TBM 현장의 디스크 커터 마모량을 비교함으로써 새로운 마모지수의 신뢰성을 검증하였다.
성능/효과
- 7과 같다. AVS와 DWI의 관계는 결정계수 95.6%의 높은 선형관계를 보이는 것으로 나타났으며, SJ와 DWI의 관계는 결정계수 71.8%의 지수함수 관계를 보이는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 AVS와 DWI는 커터의 손실 마모량을 나타내는 척도이기 때문에 높은 상관성을 갖지만, SJ는 비트의 천공도와 관련된 지수이기 때문에 SJ와 DWI는 상관성이 다소 낮은 것으로 판단된다.
- DWI로부터 TBM 현장의 디스크 커터 마모량을 예측하기 위하여 DWI와 각 TBM현장의 굴착 부피당 커터손실질량(g/m3)과의 관계를 도출하였다. DWI 값과 실제 마모량이 높은 상관관계를 보이는 것으로 확인되었다. 본 연구개발을 통하여 TBM 디스크 커터 마모 평가를 위해서 설계 단계뿐만 아니라 현장에서도 간편한 시험만으로 디스크 커터의 마모량을 예측할 수 있어 보다 정확한 디스크 커터 소모량을 추정하고 관리 할 수 있을 것으로 판단된다.
- NTNU 시험결과에서 강도가 가장 높은 Granite는 AVS 값이 가장 크고 SJ 값은 가장 작은 것으로 나타났으며, 이때 CLI는 가장 작게 산정되었다. CLI는 커터의 수명을 의미하기 때문에 CLI가 작을수록 마모발생이 많다는 것을 의미한다.
- 세르샤 시험결과에서도 Granite의 마모지수는 가장 높은 것으로 나타났으며, NAT 시험결과에서도 DWI의 값이 가장 커 마모 발생량이 가장 큰 것으로 나타났다. 반면에 NTNU 시험결과에서 디스크 커터의 수명은 Sandstone 보다 Tuff가 더 길어 Sandstone의 마모발생이 Tuff보다 큰 것으로 나타났으며, NAT 시험결과에서도 Sandstone의 마모량이 Tuff보다 큰 것으로 나타났다. 그러나 세르샤 시험에서는 Tuff에서 마모발생이 Sandstone 보다 큰 것으로 나타나NTNU 시험과 NAT와는 상이한 결과를 보였다.
- 본 연구에서는 DWI와 기존 NTNU 시험, 세르샤 시험의 시험결과와 지수들을 비교하여 상관성을 분석하였다. 분석 결과 DWI는 NTNU 시험의 마모지수와 지수함수 관계를 보이며, 세르샤 시험의 마모지수와 선형 관계를 보이는 것으로 나타났다. 이들 관계로부터 NAT의 마모지수가 기존 시험법의 마모지수와 높은 상관관계를 보이는 것을 확인하였다.
- 세르샤 마모지수인 CAI와 DWI를 비교한 결과에서 두 지수의 관계는 선형 관계를 보이며, 이때 결정계수는 69.3%로 나타났다. 세르샤 시험결과는 NTNU 시험결과에 비해 결정계수가 낮은 것으로 확인되었는데 이러한 원인은 Gneiss의 결과의 상관성이 낮기 때문인 것으로 확인되었다.
- CLI는 커터의 수명을 의미하기 때문에 CLI가 작을수록 마모발생이 많다는 것을 의미한다. 세르샤 시험결과에서도 Granite의 마모지수는 가장 높은 것으로 나타났으며, NAT 시험결과에서도 DWI의 값이 가장 커 마모 발생량이 가장 큰 것으로 나타났다. 반면에 NTNU 시험결과에서 디스크 커터의 수명은 Sandstone 보다 Tuff가 더 길어 Sandstone의 마모발생이 Tuff보다 큰 것으로 나타났으며, NAT 시험결과에서도 Sandstone의 마모량이 Tuff보다 큰 것으로 나타났다.
- 분석 결과 DWI는 NTNU 시험의 마모지수와 지수함수 관계를 보이며, 세르샤 시험의 마모지수와 선형 관계를 보이는 것으로 나타났다. 이들 관계로부터 NAT의 마모지수가 기존 시험법의 마모지수와 높은 상관관계를 보이는 것을 확인하였다.
- 7% 높은 결정계수를 확인하였으며, 이때 상관관계는 식 (5)와 같다. 이러한 결과로부터 NAT 시험결과와 실제 디스크 커터 마모량과 높은 상관관계가 있는 것으로 보인다.
후속연구
- 8%까지 높아지는 것으로 나타났다. Gneiss와 같이 불규칙한 호층을 이룬 경우에 핀이 접촉되는 위치와 절삭방향에 따라 마모도가 상이하기 때문에 다양한 방향으로 마모 시험을 수행하여 평균을 취하거나, NAT와 같이 양방향으로 마모를 발생시키는 것이 결과의 신뢰성을 확보하는데 유리할 것으로 판단된다.
- DWI 값과 실제 마모량이 높은 상관관계를 보이는 것으로 확인되었다. 본 연구개발을 통하여 TBM 디스크 커터 마모 평가를 위해서 설계 단계뿐만 아니라 현장에서도 간편한 시험만으로 디스크 커터의 마모량을 예측할 수 있어 보다 정확한 디스크 커터 소모량을 추정하고 관리 할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 다양한 암종 및 암반등급의 NAT 시험결과와 실제 현장 Data를 추가하면 보다 빠르고 정확한 디스크 커터의 마모 예측이 가능할 것으로 기대한다.
- DWI가 작을수록 디스크 커터의 마모발생량이 적어 디스크 커터의 수명은 길어져 교체 주기가 늘어나며, 반대로 DWI가 클수록 디스크 커터의 교체 주기는 짧아지게 된다. 제안된 디스크 커터마모지수를 이용하여 디스크 커터의 교체주기와 디스크 커터의 소요 수량을 예측 할 수 있을 것으로 기대한다.
- 본 연구개발을 통하여 TBM 디스크 커터 마모 평가를 위해서 설계 단계뿐만 아니라 현장에서도 간편한 시험만으로 디스크 커터의 마모량을 예측할 수 있어 보다 정확한 디스크 커터 소모량을 추정하고 관리 할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 다양한 암종 및 암반등급의 NAT 시험결과와 실제 현장 Data를 추가하면 보다 빠르고 정확한 디스크 커터의 마모 예측이 가능할 것으로 기대한다.
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