도시의 발전에 따라 전력선, 통신선, 상하수도배관 등을 공동으로 수용하는 공동구의 수요는 점점 증가할 것으로 예상되고 있으며 따라서 앞으로 TBM을 이용한 터널시공이 증가할 것으로 예상된다. TBM을 이용한 터널 건설시 굴진율 예측은 공기와 공사비 책정의 중요한 요소이다. 현재, NTNU model, CSM model 등의 TBM 굴진율 예측방법이 있지만, 이 방법들은 많은 입력 인자들을 필요로 한다. 본 논문은 문헌조사를 통해 다양한 여러 지반 물성인자들 중, 경암의 취성지수 (Brittleness index)와 TBM 순굴진율간의 관계를 도출하고자 하였다. 특히, 인장강도와 압축강도의 함수인 취성지수는 그 정의에 따라 순굴진율과 관계가 다르고 매우 큰 분산을 가지는 것으로 나타났다. 본 연구는 TBM 순굴진율 예측에서 암반물성 중 취성도가 지니는 의미를 제시하고 있다.
도시의 발전에 따라 전력선, 통신선, 상하수도배관 등을 공동으로 수용하는 공동구의 수요는 점점 증가할 것으로 예상되고 있으며 따라서 앞으로 TBM을 이용한 터널시공이 증가할 것으로 예상된다. TBM을 이용한 터널 건설시 굴진율 예측은 공기와 공사비 책정의 중요한 요소이다. 현재, NTNU model, CSM model 등의 TBM 굴진율 예측방법이 있지만, 이 방법들은 많은 입력 인자들을 필요로 한다. 본 논문은 문헌조사를 통해 다양한 여러 지반 물성인자들 중, 경암의 취성지수 (Brittleness index)와 TBM 순굴진율간의 관계를 도출하고자 하였다. 특히, 인장강도와 압축강도의 함수인 취성지수는 그 정의에 따라 순굴진율과 관계가 다르고 매우 큰 분산을 가지는 것으로 나타났다. 본 연구는 TBM 순굴진율 예측에서 암반물성 중 취성도가 지니는 의미를 제시하고 있다.
In rapid urbanization, demand for utility tunnel increases more, and tunnel boring machine (TBM) has been used widely. Prediction of TBM penetration rate is important for proper estimation of construction period and cost. Although there are several methods, such as NTNU model and CSM model that requ...
In rapid urbanization, demand for utility tunnel increases more, and tunnel boring machine (TBM) has been used widely. Prediction of TBM penetration rate is important for proper estimation of construction period and cost. Although there are several methods, such as NTNU model and CSM model that require many input parameters, fundamental understanding on correlations between rock properties and TBM penetration rate is critical. In this study, we explored the brittleness indices of hard rocks according to various definitions, and the correlations between the brittleness indices and the TBM penentration rates.
In rapid urbanization, demand for utility tunnel increases more, and tunnel boring machine (TBM) has been used widely. Prediction of TBM penetration rate is important for proper estimation of construction period and cost. Although there are several methods, such as NTNU model and CSM model that require many input parameters, fundamental understanding on correlations between rock properties and TBM penetration rate is critical. In this study, we explored the brittleness indices of hard rocks according to various definitions, and the correlations between the brittleness indices and the TBM penentration rates.
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문제 정의
본 논문에서는 BI 값과 순굴진율간의 어떠한 관계가 있는지 기존 현장 및 실험실데이터 자료를 토대로 알아보았다. 현장에서의 실험결과와 실험실에서의 실험결과값은 서로 상이한 추세를 보였고 다이아몬드 비트의 순굴진율과 암석의 BI값의 관계와 TBM의 순굴진율과 암석의 BI값의 관계의 추세 또한 다르다는 것을 확인하였다.
BI는 여러 가지 방법으로 구할 수 있으며 지반조건이 다양하여 어느 방법이 적절한지 아직 단정짓기 어렵다. 본 논문은 각기 다른 암반조건에 대한 취성도와 순굴진율(penetration rate)간의 관계에 대해 여러 연구들의 결과를 종합하여 보여주고 있으며 이를 통해 암반물성을 고려한 순굴진율 연구를 위해 앞으로 수행해야 할 연구 방향을 제시해주고 있다.
제안 방법
(1986)의 모델 TBM데이터를 이용하여 BI1과 BI2의 값에 따른 순굴진율값을 비교하였으며, 본 논문에서는 BI3의 값을 BI1과 BI2의 값과 함께 비교해보았다. 그리고 Nelson et al. (1983)의 순굴진율 자료를 바탕으로 BI1, BI2 그리고 BI3에 따른 순굴진율을 비교해보았다. 두 논문의 데이터는 각기 다른 추력과 RPM의 TBM조건에 대한 순굴진율이므로 하나의 그래프에 모두 나타내지 않고 각각 따로 나타내었다(Fig.
위의 연구에 쓰여진 총 31개의 암석에 대한 자료(Table 3) 중 27개의 암석에 대해 BI1, BI2, BI3를 직접계산하였으며 이중 인장강도 자료가 없는 4개의 암석에 대해서는 참고문헌에 제시된 BI1의 값만 나타내었다. 또한 Yagiz (2008) 논문에 나와있는 미국 뉴욕도시를 가로지르는 Queens Water Tunnel 공사현장에서 Table 4에서의 TBM을 이용한 암반 및 굴진 자료(Table 5)를 토대로 146곳의 암석특성에 대한 BI1, BI2, BI3를 직접 계산하여 BI와 순굴진율의 관계를 비교해 보았다. Table 5의 Queens Water Tunnel #3 공사현장 구간은 7,385 m 길이 구간으로 주로 화강암과 편마암의 경암으로 이루어져 있다.
대상 데이터
Hucka and Das가 제안한 BI식들은 주로 직접전단시험, 삼축압축시험 그리고 Protodyaknonov 충격시험 (Protodyakonov, 1963)에 비해 쉽고 빠르게 수행할 수 있는 일축압축강도 시험과 간접인장시험을 통해 얻을 수 있는 일축압축강도와 간접인장강도의 변수들로만 이루어져 있어서 값을 구하기가 다소 쉬운 편이다. 따라서, 본 논문에서는 BI를 계산하기 위해 아래의 Table 1에 제시된 BI1, BI2, 그리고 BI3을 사용하였다.
암석의 취성지수는 일축압축강도에 따라 넓게 분포하고 있다. 본 연구에서는 크게 아시아, 유럽, 아메리카 지역의 암석자료를 사용하였다. 아시아 지역으로는 Jeong et al.
데이터처리
BI1, BI2, BI3와 순굴진율간의 관계성을 알아보기 위해 상용 프로그램인 Software packages for standard statistical analysis (SPSS)를 이용하여 Yagiz (2008)의 다중회귀분석을 통한 순굴진율 예측모델 변수에 위의 세가지 취성도를 추가하여 다중회귀 분석을 수행하였다. Table 6을 보면 Yagiz (2008)의 순굴진율 예측모델 변수는 모형 1과 같으며 BI1, BI2, BI3가 각각 입력변수로 추가된 모델은 모델 2, 3, 4와 같다.
이론/모형
모델의 예측률을 보면, 일축압축강도와 인장강도를 제외한 각각의 BI가 변수로들어간 모델의 순굴진율 예측률은 큰 변화가 없었다(Table 9). 순굴진율 예측에 가장 큰 영향을 주는 암반물성 변수는 Punch penetration test (Dollinger et al., 1998; Szwedzicki, 1998; Yagiz, 2002; Yagiz, 2008)를 통해 얻게 되는 취성정도를 나타내는 PSI (Punch slope index)값으로 나왔다(Table 10). BI1, BI2, BI3중 BI3가 순굴진율과 가장 큰 Pearson 상관관계를 보였으며(Table 9), BI1, BI2, BI3중 가장 순굴진율과 유의한 관계를 가지는 것은 유의확률 0.
성능/효과
, 1998; Szwedzicki, 1998; Yagiz, 2002; Yagiz, 2008)를 통해 얻게 되는 취성정도를 나타내는 PSI (Punch slope index)값으로 나왔다(Table 10). BI1, BI2, BI3중 BI3가 순굴진율과 가장 큰 Pearson 상관관계를 보였으며(Table 9), BI1, BI2, BI3중 가장 순굴진율과 유의한 관계를 가지는 것은 유의확률 0.1%를 보인 BI3로 판단된다. BI3은 일축압축강도와 인장강도의 관계 그래프의 면적으로서 인장강도보다 보통 8 ~ 15배의 강도를 나타내고 있고 간혹 15배이상의 강도를 나타내기도 하는(Lama and Vutukuri, 1978; Sheorey, 1997) 일축압축강도의 영향을 BI3이 BI1, BI2보다 크게 받게 된다.
현장에서의 실험결과와 실험실에서의 실험결과값은 서로 상이한 추세를 보였고 다이아몬드 비트의 순굴진율과 암석의 BI값의 관계와 TBM의 순굴진율과 암석의 BI값의 관계의 추세 또한 다르다는 것을 확인하였다. 결론적으로 실험실에서 수행한 암석의 BI값과 순굴진율 실험데이터로는 실제현장에서의 순굴진율을 에측하기 힘든 것으로 나타났으며, 현장에서의 TBM 순굴진율과 BI 값의 관계는 양의 상관관계에 가까웠으나 드릴링의 순굴진율과 BI값의 관계는 음의 상관관계이기 때문에 실제 현장에서의 TBM순굴진율을 예측하는 데에는 양의 상관관계에 있는 커터에 의한 순굴진율과 BI값의 관계값을 사용하는 것이 유의미하다고 판단된다. 따라서, 실제현장에서의 TBM순굴진율을 암반특성에 따라 예측하기 위해 사용되는 실험데이터는 실제 TBM을 이용하여 현장실험을 통해 얻은 데이터 자료만이 유효한 것으로 판단된다.
다중회귀 분석을 통해, 암석 물성치의 입력변수 중에서 암석의 취성도를 나타내는 변수가 순굴진율에 가장 큰 영향을 나타내는 것으로 나타났다. 그리고, BI1, BI2, BI3중에서 BI3가 가장 순굴진율과 상관관계가 큰 것으로 나와 BI3이 세가지 취성지수 중에서 순굴진율에 가장 크게 유의한 것으로 판단된다. 무결암이 아닌 암반의 취성도를 측정하는 것은 공학적으로 매우 어려운 것으로 판단되며, 앞으로 무결암이 아닌 암석의 취성도 측정에 대한 연구를 통해 실제 현장에서의 연속면에 대한 암석상태의 취성도를 구하는 것이 추후 불연속면을 고려한 암반의 취성도와 TBM굴진율 간의 관계에 대한 연구에 필요할 것으로 판단된다.
현장데이터의 분석을 통해 압축강도, 인장강도와의 각각의 관계로부터 BI3가 압축강도와 인장강도의 영향을 가장 많이 받는 것을 알 수 있으며, 1종의 암석이 갖는 압축강도와 인장강도를 동시에 고려할 경우도 같은 결과가 도출되는지의 여부에 대해서는 추가 연구가 필요하다. 다중회귀 분석을 통해, 암석 물성치의 입력변수 중에서 암석의 취성도를 나타내는 변수가 순굴진율에 가장 큰 영향을 나타내는 것으로 나타났다. 그리고, BI1, BI2, BI3중에서 BI3가 가장 순굴진율과 상관관계가 큰 것으로 나와 BI3이 세가지 취성지수 중에서 순굴진율에 가장 크게 유의한 것으로 판단된다.
Yagiz (2008)의 자료의 다중회귀분석결과 일축압축강도는 인장강도보다 Pearson상관관계가 더 높게 나왔으며 이는 통계적인 순굴진율 값과의 선형관계에 인장강도보다 더욱 강한 영향을 미치는 것으로 볼 수 있다. 따라서, BI3은 유의확률 0.1%로서 유의한 의미를 가지기 때문에 BI1, BI2, BI3중에서 일축압축강도의 영향을 가장 많이 받는 BI3이 가장 순굴진율과 유의한 관계를 나타내는 것으로 판단된다.
변수끼리의 독립성을 알아보는 공선성 시험결과에서는 Variance inflation factor (VIF)가 10 미만이면 다중공선성에는 문제가 없는 것으로 모델 1~4의 변수들 사이의 VIF값이 모두 1점대로 다중공선성 문제가 없기 때문에 변수들 사이의 독립성이 충족됨을 알 수 있다(Table 8). 모델의 예측률을 보면, 일축압축강도와 인장강도를 제외한 각각의 BI가 변수로들어간 모델의 순굴진율 예측률은 큰 변화가 없었다(Table 9). 순굴진율 예측에 가장 큰 영향을 주는 암반물성 변수는 Punch penetration test (Dollinger et al.
모델1~4는 Durbin-Watson값이 1에서 3사이 범위에 들어가기 때문에 잔차의 독립성이 충족 되었음을 알 수 있다(Table 7). 변수끼리의 독립성을 알아보는 공선성 시험결과에서는 Variance inflation factor (VIF)가 10 미만이면 다중공선성에는 문제가 없는 것으로 모델 1~4의 변수들 사이의 VIF값이 모두 1점대로 다중공선성 문제가 없기 때문에 변수들 사이의 독립성이 충족됨을 알 수 있다(Table 8). 모델의 예측률을 보면, 일축압축강도와 인장강도를 제외한 각각의 BI가 변수로들어간 모델의 순굴진율 예측률은 큰 변화가 없었다(Table 9).
BI를 통한 TBM 순굴진율예측을 위해 앞으로는 실험실 실험보다 현장 실험이 활발히 수행되어야 할 것이다. 암석의 취성도와 현장 TBM 순굴진율 관계에서는 취성도가 클수록 순굴진율이 큰 값을 보이는 경향을 확인 할 수 있었다. 현장데이터의 분석을 통해 압축강도, 인장강도와의 각각의 관계로부터 BI3가 압축강도와 인장강도의 영향을 가장 많이 받는 것을 알 수 있으며, 1종의 암석이 갖는 압축강도와 인장강도를 동시에 고려할 경우도 같은 결과가 도출되는지의 여부에 대해서는 추가 연구가 필요하다.
5). 특히 BI1과 BI2가 증가함에 따라 순굴진율의 증가 폭도 감소하는 경향을 띄었지만 BI3의 경우 값이 증가할수록 순굴진율의 증가 폭도 같이 증가하는 경향을 보였다. 이와 같은 현장 데이터를 토대로 계산된 BI값에 따른 순굴진율 양상을 통해 BI값이 클수록 현장에서는 TBM굴진에 따른 순굴진율값이 증가하는 것을 예상할 수 있다.
Clark (1979)과 Howarth (1987)의 실험 데이터값을 이용하여 BI3를 직접 계산하여 BI1과 BI2를 비교해 보았을 때, Clark (1979)의 실험실에서의 drilling 비트의 순굴진율값과 Howarth (1987)의 순굴진율값이 BI3값의 증가에 따른 감소경향을 띄었으며, 실험실 실험에서는 BI1, BI2와 반대로 BI3에서 감소경향을 보였다. 현장실험 결과에서는 BI1, BI2보다 BI3에서 더욱 뚜렷한 비례관계를 보였다. TBM과 drilling 비트의 실험에 대해 현장에서는 BI의 증가에 따라 순굴진율이 감소하는 동일한 추세를 보였다.
본 논문에서는 BI 값과 순굴진율간의 어떠한 관계가 있는지 기존 현장 및 실험실데이터 자료를 토대로 알아보았다. 현장에서의 실험결과와 실험실에서의 실험결과값은 서로 상이한 추세를 보였고 다이아몬드 비트의 순굴진율과 암석의 BI값의 관계와 TBM의 순굴진율과 암석의 BI값의 관계의 추세 또한 다르다는 것을 확인하였다. 결론적으로 실험실에서 수행한 암석의 BI값과 순굴진율 실험데이터로는 실제현장에서의 순굴진율을 에측하기 힘든 것으로 나타났으며, 현장에서의 TBM 순굴진율과 BI 값의 관계는 양의 상관관계에 가까웠으나 드릴링의 순굴진율과 BI값의 관계는 음의 상관관계이기 때문에 실제 현장에서의 TBM순굴진율을 예측하는 데에는 양의 상관관계에 있는 커터에 의한 순굴진율과 BI값의 관계값을 사용하는 것이 유의미하다고 판단된다.
후속연구
따라서, 실제현장에서의 TBM순굴진율을 암반특성에 따라 예측하기 위해 사용되는 실험데이터는 실제 TBM을 이용하여 현장실험을 통해 얻은 데이터 자료만이 유효한 것으로 판단된다. BI를 통한 TBM 순굴진율예측을 위해 앞으로는 실험실 실험보다 현장 실험이 활발히 수행되어야 할 것이다. 암석의 취성도와 현장 TBM 순굴진율 관계에서는 취성도가 클수록 순굴진율이 큰 값을 보이는 경향을 확인 할 수 있었다.
그리고, BI1, BI2, BI3중에서 BI3가 가장 순굴진율과 상관관계가 큰 것으로 나와 BI3이 세가지 취성지수 중에서 순굴진율에 가장 크게 유의한 것으로 판단된다. 무결암이 아닌 암반의 취성도를 측정하는 것은 공학적으로 매우 어려운 것으로 판단되며, 앞으로 무결암이 아닌 암석의 취성도 측정에 대한 연구를 통해 실제 현장에서의 연속면에 대한 암석상태의 취성도를 구하는 것이 추후 불연속면을 고려한 암반의 취성도와 TBM굴진율 간의 관계에 대한 연구에 필요할 것으로 판단된다.
암석의 취성도와 현장 TBM 순굴진율 관계에서는 취성도가 클수록 순굴진율이 큰 값을 보이는 경향을 확인 할 수 있었다. 현장데이터의 분석을 통해 압축강도, 인장강도와의 각각의 관계로부터 BI3가 압축강도와 인장강도의 영향을 가장 많이 받는 것을 알 수 있으며, 1종의 암석이 갖는 압축강도와 인장강도를 동시에 고려할 경우도 같은 결과가 도출되는지의 여부에 대해서는 추가 연구가 필요하다. 다중회귀 분석을 통해, 암석 물성치의 입력변수 중에서 암석의 취성도를 나타내는 변수가 순굴진율에 가장 큰 영향을 나타내는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
TBM 공법은 어떻게 분류할 수 있는가?
발파식 공법은 의도하지 않는 부분까지 절삭되는 경우가 생기기 때문에 정확성이 떨어질 수 있으나, 반대로 기계식 공법인 TBM 공법은 발파식공법에 비해 기계로 원하는 경계에 가깝게 절삭 가능하여 정확성이 높고 소음이 작다. TBM 공법은 작업공간 보호와 굴착면의 지지를 할 수 있는 커터헤드 개구부의 차이에 따라 개방형 TBM과 폐쇄형인 쉴드(shield) TBM으로 분류할 수 있다. 오늘날에는 복합지반의 경우를 고려하여 작업의 안전과 안정성이 높은 쉴드 TBM의 사용이 더욱 증대되는 추세이다.
발파식 공법의 단점은 무엇인가?
현재 국내의 공동구는 주로 도시나 택지개발 지구에 개착식 박스(BOX)형태로 설치가 되며 외국의 경우는 지하 12~20 m에 위치하게 되어(Cano-Hurtado and Canto-Perello, 1999) 큰 소음과 진동을 발생시키는 NATM공법과 같은 발파식 공법보다는 기계식 공법이 공동구 건설에 쓰이기도 한다. 발파식 공법은 의도하지 않는 부분까지 절삭되는 경우가 생기기 때문에 정확성이 떨어질 수 있으나, 반대로 기계식 공법인 TBM 공법은 발파식공법에 비해 기계로 원하는 경계에 가깝게 절삭 가능하여 정확성이 높고 소음이 작다. TBM 공법은 작업공간 보호와 굴착면의 지지를 할 수 있는 커터헤드 개구부의 차이에 따라 개방형 TBM과 폐쇄형인 쉴드(shield) TBM으로 분류할 수 있다.
쉴드(shield) TBM 공법에서 빠르고 정확한 터널시공을 위한 가장 중요한 부분중의 하나는 무엇인가?
쉴드 TBM공법에서는 빠르고 정확한 터널시공을 위한 가장 중요한 부분중의 하나가 바로 커터헤드이다. 커터헤드는 직경, 커터의 수, 추력, 회전력, RPM, 관입깊이, 커터 사이 간격등의 설계가 중요하다(Acaroglu et al., 2008; Rostami and Ozdemir, 1993; Cho et al., 2010). 그렇기 때문에 커터헤드 디자인은 효율적인 터널시공을 하는데 있어 가장 중요한 부분이 된다.
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