[논문]TBM 디스크 커터 마모 예측에 대한 NAT의 현장 적용 및 기존 방법과의 비교

김대영; 신영진; 정재훈; 강한별

doi:10.9711/ktaj.2018.20.6.1091

TBM 디스크 커터 마모 예측에 대한 NAT의 현장 적용 및 기존 방법과의 비교
Case study: application of NAT (New Abrasion Tester) for predicting TBM disc cutter wear and comparison with conventional methods 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.20 no.6, 2018년, pp.1091 - 1104

김대영 (현대건설 연구개발본부) , 신영진 (현대건설 연구개발본부) , 정재훈 (현대건설 연구개발본부) , 강한별 (현대건설 연구개발본부)

초록
AI-Helper

암반용 TBM 공사에서 디스크 커터의 마모 예측은 설계 및 시공 단계에서 비용과 공기 측면에서 매우 중요한 요소이다. 디스크 커터 마모 예측에 널리 사용되고 있는 방법으로는 노르웨이 NTNU 모델, CSM 모델과 Gehring 모델이 있지만, 시험의 정확도와 소요 시간의 측면에서 개선의 여지가 있었다. 이를 반영하여 NAT (New Abrasion Tester) 모델을 개발하였다(Farrokh and Kim, 2018). 제안된 NAT를 국내 ${\bigcirc}{\bigcirc}$현장에 적용하였고, 기존의 방법과 비교 검토를 수행하였다. 분석 결과 ${\bigcirc}{\bigcirc}$현장의 경우 기존 방법에 비해 NAT의 예측 결과가 커터 교체 현장 실측 데이터와 잘 맞는 것으로 나타났다. NAT 모델을 향후 더 많은 현장에 적용하여 모델의 신뢰도를 높일 예정이다.

Abstract ▼ AI-Helper

Wear prediction of TBM disc cutters is a very important issue during design as well as construction stages for hard rock TBMs as the cutter head intervention is directly related to the time and cost of tunneling. For that, some methods such as NTNU, CSM and Gehring models were used to predict disc cutter wear and intervention interval. There are however some problems to be addressed in these models in terms of accuracy and time for testing, so that a NAT (New Abrasion Tester) model has been developed in order to achieve simplicity and reliability together at the same time (Farrokh and Kim, 2018). On the basis, the proposed NAT model has been applied to ${\bigcirc}{\bigcirc}$ project in Korea. A comparative study was performed to compare with the conventional methods and as a result the NAT model showed a very good agreement with actual cutter life. The NAT model will be further applied to other projects to establish credibility.

주제어

표/그림 (18)

표 Table 1. Prediction models for disc cutter wear (Kim et al., 2017)
그림 Fig. 1. NTNU test
그림 Fig. 2. Cerchar test
그림 Fig. 3. NAT (New Abrasion Tester) and test method
그림 Fig. 4. NAT rock sample and disc
그림 Fig. 5. Correlation between DWI and SCWL (Farrokh and Kim, 2018)
그림 Fig. 6. Calculation of SCWL for NAT (Farrokh and Kim, 2018)
그림 Fig. 7. Geological map of ○○ site
그림 Fig. 8. Photograph of TBM & Rock surface in front of cutter head
그림 Fig. 9. Cutterhead layout drawing
그림 Fig. 10. Record for cutter intervention
표 Table 2. Disc cutter wear schemes
표 Table 3. Disc cutter wear weigh loss
그림 Fig. 11. NAT and rock sample
표 Table 4. NAT Test results
표 Table 5. Comparison between site record and test results
그림 Fig. 12. Cerchar & NTNU tests
표 Table 6. Disc cutter wear weigh loss

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 암반용 TBM의 디스크 커터 마모량을 예측하기 위하여 개발된 NAT (New Abrasion Tester) 모델을 현장에 적용하여, 실내실험을 수행하고 이를 이용한 커터 마모 예측치를 현장 실측 데이터와 비교하였다. 동시에 현장데이터를 기존의 마모량 예측방법과도 비교, 평가하였다.
NTNU 모델과 CSM 모델은 각각 커터 수명 지수과 마모 지수를 제안하여 디스크 커터의 마모를 평가하게 된다. 이들 지수는 모두 TBM 공사에 필요한디스크 커터의 수를 사전에 예상하고, 시공 중 디스크 커터의 교체주기를 결정하기 위해 개발되었다. NAT 시험결과로부터 새로운 마모지수인 DWI 지수가 제안되었으며, Fig.

제안 방법

2. NAT는 원형의 디스크를 회전이동 시키면서 암석을 절삭하는 동안의 디스크 마모량을 가지고 마모지수 (DWI, Disc Wear Index)를 제안하는 시험으로, 현장의 암석시료를 가지고 NAT로부터 DWI를 구해 실제 TBM 굴진중의 디스크 커터 마모량 예측이 가능하다.
3. 본 연구에서는 NAT모델을 국내 ○○ 현장 도수터널 공사에 적용하여 디스크 커터의마모량을 예측하고 실제 디스크 커터의 마모량과 비교하였다. 현장에서 측정된 디스크 커터 마모량 대비 예측 결과는 0.
NAT 시험결과 DWI를 구하고, 식 (3)에 대입하여 디스크 커터의 마모량을 예측하였고, 앞서Table 3과 같이 35개 디스크커터 중 선별된 7개 디스크 커터의 실제 마모량과 비교하였다. 비교 결과Table 5와 같이 0.
기존 NTNU 시험 및 세르샤 시험과 비교분석하기 위해 NAT 시험과 동일한 암석시편에 대해 세르샤(CAI) 시험을 수행하였고, 설계 단계에서 수행된 동일한 암종 및 암반등급에 대한 NTNU 시험결과를 확보하였다.
본 연구에서는 ○○ 도수터널 TBM 공사를 대상으로 NAT 모델을 적용하여 디스크 커터의 마모량을 예측하고 현장 커터 교체 기록과 비교하였고, 또한 기존의 NTNU 모델, CSM 모델, Gehring 모델과 비교, 검토하였다.
실제 디스크 커터 마모량 측정은 시험에 사용된 암석시편과 동일한 암종을 굴착한 디스크 커터를 선별하여 예측모델의 신뢰성을 높일 수 있도록, 35개의 디스크 커터 중 암석시편을 채취한 지점 전후로 한달 이내 디스크 커터교체가 이루어진 디스크 커터를 선별하였다. 또한 디스크 커터가 파손되거나 편마모가 발생된 경우에는 정상적인 마모메카니즘에 의한 마모가 아닌 이상치 강도의 암석출현이나 복합지반 등이 원인이며, 평균적인 디스크커터의 마모량을 구하는데 어려움이 있어 정상 마모된 디스크 커터를 대상으로 최종 7개의 디스크 커터를 선별하였다(Table 3).
Table 5에 따르면 디스크 커터 26번은 2월27일과 3월12일에 교체가 되었다. 이기간 중 3월4일에 채취된 암석을 이용하여 NAT 시험을 수행하였다. 예측된 디스크 커터의 마모량과 실제 디스크 커터의 마모량을 비교한 결과로부터 예측결과 대비 실제마모량 비는 0.
기존 NTNU 시험 및 세르샤 시험과 비교분석하기 위해 NAT 시험과 동일한 암석시편에 대해 세르샤(CAI) 시험을 수행하였고, 설계 단계에서 수행된 동일한 암종 및 암반등급에 대한 NTNU 시험결과를 확보하였다. 이를 바탕으로NTNU 모델, CSM모델, Gehring모델을 이용하여 마모를 예측하고 실제 현장 계측기록과 비교하였다. 다음의 Fig.
현장에서 디스크 커터의 교체기록을 정리하여 각각의 디스크커터의 굴착거리, 교체시 마모타입, 마모 발생량을 조사하였으며, 일부구간에 대한 조사결과는 다음의 Fig. 10과 같다. 디스크 커터8번의 경우에 3월12일 새로운 디스크 커터로 교체한 이후 4월 25일 교체까지 총 523.
디스크 커터 교체 타입은 정상마모부터 파손까지 다양한 형태로 구분하여 기록 하였으며 이들 대표적인 마모 형태별 발생원인은 Table 2와 같다. 현장의 실측 커터 교체 기록을 통해 굴착거리 및 마모량을 정확히 산정할 수 있는 7개의 커터에 대해 굴착 부피 당 디스크 커터 마모량을 산정하였다(Table 3).

대상 데이터

현장에 투입된TBM은 굴진 추력이10,000 kN이며, 토크는922 k-m 제원을 가지며, 굴진 파워는 1000 Kw이다. TBM 총 길이는 47 m이며 TBM 본체는 10.3 m에 해당한다. 다음의 Fig.
실제 디스크 커터 마모량 측정은 시험에 사용된 암석시편과 동일한 암종을 굴착한 디스크 커터를 선별하여 예측모델의 신뢰성을 높일 수 있도록, 35개의 디스크 커터 중 암석시편을 채취한 지점 전후로 한달 이내 디스크 커터교체가 이루어진 디스크 커터를 선별하였다. 또한 디스크 커터가 파손되거나 편마모가 발생된 경우에는 정상적인 마모메카니즘에 의한 마모가 아닌 이상치 강도의 암석출현이나 복합지반 등이 원인이며, 평균적인 디스크커터의 마모량을 구하는데 어려움이 있어 정상 마모된 디스크 커터를 대상으로 최종 7개의 디스크 커터를 선별하였다(Table 3). 현장에서TBM 굴착 중 채취된 암석시편을 이용하여 NAT 시험을 수행하였으며, 이때 시험은 동일 지점의 3개 암석 시편을 이용하여 시험결과는 평균 값으로 산출하였다.
시험에 사용되는 회전 디스크는 일반적으로 사용되는 디스크 커터와 세르샤 시험의 사용되는 핀과 유사한 로크웰 경도54의 강재를 사용하였다. 디스크에 작용하는 사하중은 충분한 질량손실을 발생하면서 시험을 하는데 어려움이 없도록 25 kg을 적용하였다.
시험장치는 다음의 Fig. 1과 같이 Siever’s J Test (SJ), Abrasion Test (AVS), Brittleness Test (S20)의 3가지 시험으로 구성되며 각각의 결과를 조합하여 굴진성능과 디스크 커터의 마모를 평가할 수 있다.
현장 투입된 TBM의 커터헤드에는 17인치 디스크 커터 35개가 사용되었으며 이중 3개의 디스크 커터는 외곽 게이지 커터이다. 다음의 Fig.
7은 지질 평면도 및 종단면도를 나타낸다. 현장에 투입된TBM은 굴진 추력이10,000 kN이며, 토크는922 k-m 제원을 가지며, 굴진 파워는 1000 Kw이다. TBM 총 길이는 47 m이며 TBM 본체는 10.

데이터처리

4. 또한 현장의 디스크 커터 마모량을 기존의 NTNU 모델, CSM 모델을 이용한 디스크 커터 예측 결과와 비교하 였다. 비교 결과 디스크 커터의 마모 예측값/실제값 비율이 NAT 모델에서 가장 차이가 적은 것으로 나타났으며, CSM 모델은 변동성이 NAT보다 큰 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 암반용 TBM의 디스크 커터 마모량을 예측하기 위하여 개발된 NAT (New Abrasion Tester) 모델을 현장에 적용하여, 실내실험을 수행하고 이를 이용한 커터 마모 예측치를 현장 실측 데이터와 비교하였다. 동시에 현장데이터를 기존의 마모량 예측방법과도 비교, 평가하였다. ○○ 현장의 경우 NAT의 예측 결과가 커터 교체 현장 실측 데이터와 기존 방법에 비해 상대적으로 잘 맞는 것으로 나타났다.
또한 디스크 커터가 파손되거나 편마모가 발생된 경우에는 정상적인 마모메카니즘에 의한 마모가 아닌 이상치 강도의 암석출현이나 복합지반 등이 원인이며, 평균적인 디스크커터의 마모량을 구하는데 어려움이 있어 정상 마모된 디스크 커터를 대상으로 최종 7개의 디스크 커터를 선별하였다(Table 3). 현장에서TBM 굴착 중 채취된 암석시편을 이용하여 NAT 시험을 수행하였으며, 이때 시험은 동일 지점의 3개 암석 시편을 이용하여 시험결과는 평균 값으로 산출하였다. 다음의 Fig.

이론/모형

이들 모델 중 NTNU 모델은 디스크 커터의 직경과 CLI를 이용하여 커터의 가동 시간을 추정하게 되며, 절리 조건을 포함한 다양한 영향인자를 보정계수로 적용하여 최종 디스크 커터의 수명을 결정할 수 있다. CSM 모델과 Gehring 모델에서의 디스크 커터 수명은 세르샤 마모 지수(Cerchar Abrasiveness Index, CAI)를 이용하여 예측하게 된다. CSM 모델은 디스크 커터가 마모가 되어 교체될 때까지 회전하여 절삭할 수 있는 최대의 선형거리를 제시하였다(Ko et al.

성능/효과

5. 본 연구를통하여 간단한 실내시험을 이용하여 신뢰도 높은 암반 TBM 디스크 커터 마모 예측의 가능성을 확 인하였다. 향후 다양한 암종 및 암반등급의 NAT 시험결과와 실제 현장 데이터를 추가하면 보다 빠르고 정확한 디스크 커터의 마모 예측이 가능할 것으로 기대한다.
이는 실험 결과의 분포도를 상호 비교하기 위함이다. NTNU는 예측/실제 값이 0.77, CSM 모델은 0.66~1.28로 NAT 대비하여 상대적으로 정확도가 낮은 것으로 확인 되었으며, Gehirng 모델은그 편차가 가장 크게 나타났다. 이중 CSM 모델의 예측/실제 비교결과는 0.
동시에 현장데이터를 기존의 마모량 예측방법과도 비교, 평가하였다. ○○ 현장의 경우 NAT의 예측 결과가 커터 교체 현장 실측 데이터와 기존 방법에 비해 상대적으로 잘 맞는 것으로 나타났다. 본 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
또한 현장의 디스크 커터 마모량을 기존의 NTNU 모델, CSM 모델을 이용한 디스크 커터 예측 결과와 비교하 였다. 비교 결과 디스크 커터의 마모 예측값/실제값 비율이 NAT 모델에서 가장 차이가 적은 것으로 나타났으며, CSM 모델은 변동성이 NAT보다 큰 것으로 확인되었다.
NAT 시험결과 DWI를 구하고, 식 (3)에 대입하여 디스크 커터의 마모량을 예측하였고, 앞서Table 3과 같이 35개 디스크커터 중 선별된 7개 디스크 커터의 실제 마모량과 비교하였다. 비교 결과Table 5와 같이 0.89~1.17배 수준으로 비교적 정확한 예측를 보여주었다. Table 5에 따르면 디스크 커터 26번은 2월27일과 3월12일에 교체가 되었다.
이기간 중 3월4일에 채취된 암석을 이용하여 NAT 시험을 수행하였다. 예측된 디스크 커터의 마모량과 실제 디스크 커터의 마모량을 비교한 결과로부터 예측결과 대비 실제마모량 비는 0.93으로 유사성을 보였다.
28로 NAT 대비하여 상대적으로 정확도가 낮은 것으로 확인 되었으며, Gehirng 모델은그 편차가 가장 크게 나타났다. 이중 CSM 모델의 예측/실제 비교결과는 0.66~1.28로 평균값은 예측/실제가 1에 가까운 것으로보이나, 값의 변동성이 NAT 모델과 비교하여 큰 것으로 나타나 시험결과에 따라 정확도에서 차이를 보이는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 NAT모델을 국내 ○○ 현장 도수터널 공사에 적용하여 디스크 커터의마모량을 예측하고 실제 디스크 커터의 마모량과 비교하였다. 현장에서 측정된 디스크 커터 마모량 대비 예측 결과는 0.89~1.17 수준으로 위치에 따라 편차는 있지만 비교적 정확한 예측치를 보이는 것으로 나타났다.

후속연구

90으로 신뢰성이 높은 것으로 보인다. 단, 표본수가 다소 적어 향후 추가적인 현장 데이터를 사용하여 모델의 보완 및 개정이 필요 할 것이다.
본 연구를통하여 간단한 실내시험을 이용하여 신뢰도 높은 암반 TBM 디스크 커터 마모 예측의 가능성을 확 인하였다. 향후 다양한 암종 및 암반등급의 NAT 시험결과와 실제 현장 데이터를 추가하면 보다 빠르고 정확한 디스크 커터의 마모 예측이 가능할 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TBM이 널리 사용되고 있는 이유는?	TBM (Tunnel Boring Machine) 공법은 전면의 커터헤드를회전시키면서 기계적으로 터널을 굴착하는 공법을 말한다. 발파식 공법에 비해 소음과 진동이 적고 장대터널의 경우에는 경제적인 터널 시공이 가능하다는 점에서 전 세계적으로 널리 사용되고 있다. TBM은 대상 지반 종류에 따라 크게 토사용 TBM과 암반용 TBM으로 구분되며, 이중 암반용 TBM은 높은강도의 암석을 파쇄할 수 있는 디스크커터를 절삭도구로 사용하게 된다.
	TBM공법 이란?	TBM (Tunnel Boring Machine) 공법은 전면의 커터헤드를회전시키면서 기계적으로 터널을 굴착하는 공법을 말한다. 발파식 공법에 비해 소음과 진동이 적고 장대터널의 경우에는 경제적인 터널 시공이 가능하다는 점에서 전 세계적으로 널리 사용되고 있다.
	대상 지반 종류에 따른 TBM의 종류 두가지는?	발파식 공법에 비해 소음과 진동이 적고 장대터널의 경우에는 경제적인 터널 시공이 가능하다는 점에서 전 세계적으로 널리 사용되고 있다. TBM은 대상 지반 종류에 따라 크게 토사용 TBM과 암반용 TBM으로 구분되며, 이중 암반용 TBM은 높은강도의 암석을 파쇄할 수 있는 디스크커터를 절삭도구로 사용하게 된다. 디스크 커터는 텅스텐강 또는 탄소강으로 이루어진 회전형 절삭 도구로서, 커터헤드가 회전하면서 접촉된 암석을 파쇄하면서 암반을 절삭하게 된다.

참고문헌 (5)

Atkinson, T., Cassapi, V.B., Singh, R.N. (1986), "Assessment of abrasive wear resistance potential in rock excavation machinery", International Journal of Mining and Geological Engineering, Vol. 4, No. 2, pp. 151-163.

상세보기
Farrokh, E., Kim, D.Y. (2018), "A discussion on hard rock TBM cutter wear and cutterhead intervention interval length evaluation", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 81, pp. 336-357.

상세보기
Jeong, H.Y., Lee, S.D., Jeon, S.W. (2014), "Estimation of design parameters of TBM using punch penetration and Cerchar abrasiveness test", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 16, No. 2, pp. 237-248.
Kim, D.Y., Farrokh, E., Jung, J.H., Lee, J.W., Jee, S.H. (2017), "Development of a new test method for the prediction of TBM disc cutters life", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 19, No. 3, pp. 475-488.
Ko, T.Y., Yoon, H.J., Son, Y.J. (2014), "A comparative study on the TBM disc cutter wear prediction model", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol.16, No. 6, pp. 533-542.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증