[논문]급곡구간 굴착을 위한 쉴드-TBM 축소모형 장비 시스템 개발

공민택; 김연덕; 이경헌; 황병현; 안준규; 김상환

doi:10.9711/ktaj.2019.21.6.849

급곡구간 굴착을 위한 쉴드-TBM 축소모형 장비 시스템 개발
Development of shield-TBM scale model system for excavation of curved section 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.6, 2019년, pp.849 - 860

공민택 (호서대학교 대학원 토목공학과) , 김연덕 (호서대학교 대학원 토목공학과) , 이경헌 (호서대학교 대학원 토목공학과) , 황병현 (호서대학교 대학원 토목공학과) , 안준규 (호서대학교 대학원 토목공학과) , 김상환 (호서대학교 토목공학과)

초록
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본 논문은 쉴드 TBM의 급곡구간 굴착 시 안정성에 대한 데이터를 얻기 위한 장비 시스템 개발 연구이다. 최근 터널 굴착에 쉴드 TBM 장비가 많이 활용되고 있다. 굴착 시 지반 상부의 건물이나 기존 지하 구조물에 의해 불가피 하게 우회해야 할 경우가 발생할 수 있다. 이러한 경우에 대비하여 시공의 안정성을 확인하기 위해 시공 전 사전 시뮬레이션이 필요로 한다. 그러므로 본 장비 시스템 개발로 자동화 제어시스템을 구축하여 급곡구간 굴착 모형 시뮬레이션을 통해 모의실험을 진행한다면 안정성을 높일 수 있을 것이다. 장비의 좌·우 각도 및 추력 등을 제어하며 굴착 시 장비에 받는 토압, 추진압에 대한 데이터를 실시간으로 볼 수 있도록 시스템을 개발하여야 한다. 이 시스템으로 굴착 방법과 각도 별 굴착 시뮬레이션을 통한 현장실험에 필요데이터를 수집할 수 있다. 실제 쉴드 TBM 공사 전 축소모형 실험을 통한 평가 시 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is a study on the development of equipment system to obtain data on stability in excavation of sharp curve section of Shield TBM. Shield TBM equipment is being used a lot recently for tunnel excavation. Excavation may result in inevitable detours by buildings above the ground or existing underground structures. Preconstruction simulation is required to verify the stability of the construction in case of this. Therefore, it is necessary to establish an automated control system through the development of this equipment system and conduct simulation through simulation of excavation model in the sharp curve section. A system shall be developed to control the left and right angles and thrust of the equipment, and to view data on the earth pressure and propulsion pressure of the equipment in real time during excavation. With this system, the necessary data can be collected for field testing through excavation method and excavation simulation by angle. It is expected that it will be very useful in assessing the actual Shield TBM by conducting a scale-down model experiment.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1. Shield TBM view of excavation of fabricated curved sections
표 Table 1. The specifications of actual equipment and miniature equipment
그림 Fig. 2. Cutter head
그림 Fig. 3. Position diagram of stress sensor
표 Table 2. Earth pressure measurement of left
표 Table 3. Earth pressure measurement of right
표 Table 4. Propulsion measurement
그림 Fig. 4. Left and right excavation system internal view
그림 Fig. 5. Screw conveyor
그림 Fig. 6. Control system UI
그림 Fig. 7. Zero setting for each sensor
표 Table 5. Control principle of each control system UI
그림 Fig. 8. Panoramic view of scaled model test
그림 Fig. 9. Left earth pressure measurement result graph
표 Table 6. Results of compression test
그림 Fig. 10. Right earth pressure measurement result graph
표 Table 7. Left earth pressure measured value
표 Table 8. Right earth pressure measured value
그림 Fig. 11. Propulsion measurement result graph
표 Table 9. Propulsion measured value

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구는 급곡구간 굴착이 가능한 쉴드 TBM을 축소 제작하여 굴착 시 장비에 작용하는 지반 압력을 측정하고 분석하는 연구로써, 국내 쉴드 TBM의 급곡구간 굴착에 있어 중요한 자료가 될 것으로 판단된다.
기존의 쉴드 TBM에 대한 연구는 커터헤드나 직선굴착에 관한 연구가 활발하였다. 이에 따라 본 연구에서는 급곡구간 굴착이 가능한 쉴드 TBM을 제어시스템과 함께 개발하여 국내 쉴드 TBM 연구에 도움이 되고자 한다. 본 연구에서 제작한 쉴드 TBM은 R = 30 m 급 급곡구간 굴착이 가능하도록 제작하는 것에 중점을 두었으며, 직경 12 m의 실제 장비에 1/45의 축소율을 적용하여 제작하였다.

제안 방법

토압계의 경우 D = 27 mm, H = 21 mm의 소형 센서이며, 추력 측정을 위한 Load cell은 500 N 용량의 센서를 사용하였다. 1, 2차 회전부에 서브모터를 통해 힘을 유지하면서 회전이 가능하도록 제작하였다. 또한 엑추에이터를 통해 장비의 추진력을 높였다.
제작된 장비 센서들의 오차율 검증을 진행하였고 시스템에서 자체적으로 보정하여 결과 값이 출력되도록 하였다. 개발된 제어시스템을 통해 장비에 작용하는 토압과 추력을 실시간 시뮬레이션이 가능하도록 하였다. 토조 내 지반을 모두 동일한 조건으로 조성하여 직선굴착 모형 시뮬레이션을 진행하였다.
1, 2차 회전부에 서브모터를 통해 힘을 유지하면서 회전이 가능하도록 제작하였다. 또한 엑추에이터를 통해 장비의 추진력을 높였다.
장비에 설치한 추력 측정용 Load cell 검증을 위하여 반력 판을 활용하였다. 반력 판으로 장비의 이동을 억제하며, 장비를 일정한 힘으로 작동시켰을 때 Load cell에 측정되는 값을 확인하였다. 각 Load cell에 있어 후드부 상단은 S1, 하단은 S2, 거더부 좌측은 S3, 우측은 S4, 테일부는 S5로 명칭 하였다.
이에 따라 본 연구에서는 급곡구간 굴착이 가능한 쉴드 TBM을 제어시스템과 함께 개발하여 국내 쉴드 TBM 연구에 도움이 되고자 한다. 본 연구에서 제작한 쉴드 TBM은 R = 30 m 급 급곡구간 굴착이 가능하도록 제작하는 것에 중점을 두었으며, 직경 12 m의 실제 장비에 1/45의 축소율을 적용하여 제작하였다. 제작된 장비 센서들의 오차율 검증을 진행하였고 시스템에서 자체적으로 보정하여 결과 값이 출력되도록 하였다.
실험장비는 직경 12 m TBM 장비에 대하여 축소율을 적용하여 축소모형으로 제작하였다. 제작된 장비의 제원은 Table 1과 같으며 제작된 장비는 Fig.
제작된 장비를 활용하여 800 mm의 직선구간 굴착을 진행하였다. 이는 급곡구간 시뮬레이션에 앞서 장비의 각 기능이 제대로 작동하는지 여부를 판단하였으며, 추력 및 토압 측정에 중점을 두어 굴착을 진행하였다.
조성한 지반에 대한 장비 굴착을 통해 장비에 작용한 좌측 토압, 우측 토압, 추력 데이터를 측정하였다. 이는 실제 TBM 장비 굴착과 유사한 조건 및 결과를 확인하기 위하여 커터헤드 회전속도를 3 RPM으로 유지하며 실험을 진행하였다. 장비에 작용한 좌측 토압 데이터는 Fig.
장비 운용에 앞서 각 토압계의 검증을 진행하였다. 검증은 500 g 추를 이용해 1.
장비에 설치한 추력 측정용 Load cell 검증을 위하여 반력 판을 활용하였다. 반력 판으로 장비의 이동을 억제하며, 장비를 일정한 힘으로 작동시켰을 때 Load cell에 측정되는 값을 확인하였다.
장비의 지반 굴착 시 발생하는 버력처리를 위해 Screw conveyor를 구성하였다. Screw conveyor는 1, 2차 회전부와 같은 각도로 움직일 수 있도록 구성하였으며, 직경 35 mm 총 길이 900 mm로 제작하였다.
조성한 지반에 대한 장비 굴착을 통해 장비에 작용한 좌측 토압, 우측 토압, 추력 데이터를 측정하였다. 이는 실제 TBM 장비 굴착과 유사한 조건 및 결과를 확인하기 위하여 커터헤드 회전속도를 3 RPM으로 유지하며 실험을 진행하였다.
축소 모형 TBM 실험을 통해 정확한 데이터를 얻기 위해서는 실험장비뿐만 아니라 축소모형지반 조성 또한 매우 중요하며, 이로 인해 원지반과 유사한 축소모형지반을 조성하여야 한다(Kim, 2011). 지반 조성을 위하여 1,260*700*780 mm의 토조를 제작하였으며, 이를 풍화암으로 조성하여 장비의 굴착을 진행하였다. 풍화암 지반은 실내 다짐실험을 통해 조성하였으며, 원지반 대비 1/45로 축소한 일축압축강도 값을 비교 분석하여 유사한 강도를 선정하였다.
커터헤드는 단단한 지반을 굴착할 때 용이하도록 개별 커터 비트와 디스크 커터를 제작하였으며 커터헤드가 회전하며 굴착을 진행할 때 디스크 커터는 굴착면의 압력과 커터헤드의 회전으로 인해 함께 움직이게 제작하였다. 설계도와 제작된 커터헤드는 Fig.
개발된 제어시스템을 통해 장비에 작용하는 토압과 추력을 실시간 시뮬레이션이 가능하도록 하였다. 토조 내 지반을 모두 동일한 조건으로 조성하여 직선굴착 모형 시뮬레이션을 진행하였다. 이를 통해 측정된 토압 결과값을 비교해 보면 상단에서 하단으로 위치가 내려갈수록 토압이 줄어드는 것을 확인할 수 있다.
지반 조성을 위하여 1,260*700*780 mm의 토조를 제작하였으며, 이를 풍화암으로 조성하여 장비의 굴착을 진행하였다. 풍화암 지반은 실내 다짐실험을 통해 조성하였으며, 원지반 대비 1/45로 축소한 일축압축강도 값을 비교 분석하여 유사한 강도를 선정하였다. 선정된 실험 값은 Table 6과 같다.
후드부의 회전과 거더부의 회전은 각각 최대 15°의 각도로 좌·우 회전이 가능하다. 회전각은 Laser point로 각도 검증을 진행하였으며, 이는 약 0.5%의 오차율을 보인다.

대상 데이터

장비의 지반 굴착 시 발생하는 버력처리를 위해 Screw conveyor를 구성하였다. Screw conveyor는 1, 2차 회전부와 같은 각도로 움직일 수 있도록 구성하였으며, 직경 35 mm 총 길이 900 mm로 제작하였다. 제작한 Screw conveyor는 Fig.
2와 같다. 디스크 커터는 축소율에 맞게 제작하였으며, 직경 33.5 mm로써 총 25개가 제작된 커터헤드에 적용되어 있다.
3의 (a) 지점마다 상·중·하 위치로 3개씩 구성하여 총 24개, 좌·우 추력을 측정하기 위한 Load cell 5개를 설치하였다. 토압계의 경우 D = 27 mm, H = 21 mm의 소형 센서이며, 추력 측정을 위한 Load cell은 500 N 용량의 센서를 사용하였다. 1, 2차 회전부에 서브모터를 통해 힘을 유지하면서 회전이 가능하도록 제작하였다.

데이터처리

본 연구에서 제작한 쉴드 TBM은 R = 30 m 급 급곡구간 굴착이 가능하도록 제작하는 것에 중점을 두었으며, 직경 12 m의 실제 장비에 1/45의 축소율을 적용하여 제작하였다. 제작된 장비 센서들의 오차율 검증을 진행하였고 시스템에서 자체적으로 보정하여 결과 값이 출력되도록 하였다. 개발된 제어시스템을 통해 장비에 작용하는 토압과 추력을 실시간 시뮬레이션이 가능하도록 하였다.

성능/효과

각 토압계에 측정된 측정값을 확인해보면 상단에 위치한 L1, L4, L7, L10이 약 2.10 kN으로 유사하게 측정되었다. 또한, 중단에 위치한 L2, L5, L8, L11과 하단에 위치한 L3, L6, L9, L12이 각각 약 1.
각 토압계에 측정된 측정값을 확인해보면 상단에 위치한 L1, L4, L7, L10이 약 2.31 kN으로 유사하게 측정되었다. 또한, 중단에 위치한 L2, L5, L8, L11과 하단에 위치한 L3, L6, L9, L12이 각각 약 2.
80 kN으로 유사하게 측정되었다. 그리고 우측 토압계 또한 좌측 토압계와 마찬가지로 모두 굴착이 종료될 때까지 일정하게 토압이 유지되었다.
토조 내 지반을 모두 동일한 조건으로 조성하여 직선굴착 모형 시뮬레이션을 진행하였다. 이를 통해 측정된 토압 결과값을 비교해 보면 상단에서 하단으로 위치가 내려갈수록 토압이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 장비의 굴착에 있어 토압은 장비의 상부에 많이 가해지는 것을 파악하였다.

후속연구

쉴드 TBM의 직선굴착 통해 얻은 토압과 추력 등의 초기데이터로 향후 급곡구간 굴착을 진행해야 할 것이며, 추가적인 문제점을 도출하고 이를 더욱 발전해 나간다면 국내 기계화 시공의 공법 개발과 발전에 큰 기여가 될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시의 빠른 성장과 도심지로의 인구 밀집으로 지반 상부의 현재 상태는 어떠한가?	도시의 빠른 성장과 도심지로의 인구 밀집으로 인해 지상 구조물이 급격히 늘어났으며 유동인구 증가로 현재 지반 상부는 과포화 상태이다. 이로 인해 교통체증, 주차문제 등이 발생되며 지상 구조물의 밀집화는 사회적으로큰 문제를 일으킨다.
	교통체증, 주차문제 등 사회적인 문제의 대안은?	이로 인해 교통체증, 주차문제 등이 발생되며 지상 구조물의 밀집화는 사회적으로큰 문제를 일으킨다. 이러한 문제를 해소하고자 사회기반 시설들을 지하화하는 것이 지속적으로 논의되고 있다. 그러나 지하공간을 활용하기 위해선 소음으로 인한 민원 발생, 기존 구조물(지하철, 상수도 등)의 간섭이 지하공간 시공에 문제점이 되고 있으며, 시공 시 지상 구조물의 안전성 또한 고려하여야 한다.
	도심지에 터널 공사를 시행하기 위해 TBM공법을 사용의 이점은 무엇인가?	도심지에 터널 공사를 시행하기 위해 TBM공법을 사용하며 이는 소음과 분진을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 발파공법에 비해 굴착손상 영역이 작다는 장점이 있어 국내외에서 적용 사례가 증가하고 있다(Cho et al., 2008).

참고문헌 (7)

Chang, S.H., Choi, S.W., Park, Y.T., Lee, G.P., Bae, G.J. (2013), "Experimental evaluation of the effects of cutting ring shape on cutter acting forces in a hard rock", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 15, No. 3, pp. 225-235.

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Cho, J.W., Yu, S.H., Jeon, S.W., Chang, S.H. (2008), "Numerical study on rock fragmentation by TBM disc cutter", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 10, No. 2, pp. 139-152.
Kang, E.M., Kim, Y.M., Hwang, I.J., Kim, S.H. (2015), "A study on the damage of cutter bit due to the rotation speed of shield TBM cutter head in mixed ground", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 17, No. 3, pp. 403-413.

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Kang, S.O., Kim, H., Kim, Y.M., Kim, S.H. (2017), "Application technique on thrust jacking pressure of shield TBM in the sharp curved tunnel alignment by model tests", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 19, No. 2, pp. 335-353.

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Kim, J.D. (2011), A study on ground behavior of model test shield TBM during excavation, Engineering Structures, Hoseo University of Graduate School, Master's Degree, pp. 1-77.
Oh, T.S., Kim, B.S, Shin, H.C, Kim, S.H. (2011), "A study on ground behavior of shield TBM lunching area during excavation", Proceedings of the Korean Society for Railway Conference, Vol. 2011, No. 10, Jeju, pp. 353-364.
Sugimoto, M., Sramoon, A., Konishi, S., Sato, Y., (2007), "Simulation of shield tunneling behavior along a curved alignment in a multilayered ground", Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 133, No. 6, pp. 684-694.

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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].

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