경제적인 TBM 시공을 위해서는 현장 조건에 맞는 최적의 TBM 선정과 함께, 선정된 TBM의 굴착 성능을 예측하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 개별요소법 (Discrete Element Method, DEM) 기법에 근거한 입자 역학 전용 해석 상용 소프트웨어를 사용하여 경사각에 따른 토압식 쉴드TBM의 버럭 배토 장비인 스크루 컨베이어의 각도에 따른 성능을 종합적으로 평가하였다. 굴착 토사를 모사하기 위해 점성 특성을 갖는 입자들을 사용하였으며, 스크루 컨베이어의 경사각에 따른 성능을 평가하기 위해 11가지 스크루 컨베이어 모델을 적용하였다. 해석에는 네 가지 스크루 컨베이어 회전 속도 조건이 적용되었으며 스크루 컨베이어의 성능을 평가하기 위한 지표로 토크, 소요 동력 이외에도 배토를 위해 추가로 소요되는 작업량 및 단위 시간당 배토량을 선정하였다. 마지막으로 평가된 네 가지 성능 지표를 종합하여 주어진 해석 조건에서의 최적의 스크루 컨베이어 경사각을 선정하였으며, 이는 실제 TBM 현장에서 많이 사용되는 스크루 컨베이어 경사인 20.0°~30.0° 범위와도 부합하는 것으로 파악되었다.
경제적인 TBM 시공을 위해서는 현장 조건에 맞는 최적의 TBM 선정과 함께, 선정된 TBM의 굴착 성능을 예측하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 개별요소법 (Discrete Element Method, DEM) 기법에 근거한 입자 역학 전용 해석 상용 소프트웨어를 사용하여 경사각에 따른 토압식 쉴드TBM의 버럭 배토 장비인 스크루 컨베이어의 각도에 따른 성능을 종합적으로 평가하였다. 굴착 토사를 모사하기 위해 점성 특성을 갖는 입자들을 사용하였으며, 스크루 컨베이어의 경사각에 따른 성능을 평가하기 위해 11가지 스크루 컨베이어 모델을 적용하였다. 해석에는 네 가지 스크루 컨베이어 회전 속도 조건이 적용되었으며 스크루 컨베이어의 성능을 평가하기 위한 지표로 토크, 소요 동력 이외에도 배토를 위해 추가로 소요되는 작업량 및 단위 시간당 배토량을 선정하였다. 마지막으로 평가된 네 가지 성능 지표를 종합하여 주어진 해석 조건에서의 최적의 스크루 컨베이어 경사각을 선정하였으며, 이는 실제 TBM 현장에서 많이 사용되는 스크루 컨베이어 경사인 20.0°~30.0° 범위와도 부합하는 것으로 파악되었다.
For the economical construction of a tunnel by TBM, the selection of TBM optimized with the various project conditions is important, and also necessary to predict the performances of selected TBM in advance. This study was conducted to comprehensively evaluate the performance of the EPB shield TBM s...
For the economical construction of a tunnel by TBM, the selection of TBM optimized with the various project conditions is important, and also necessary to predict the performances of selected TBM in advance. This study was conducted to comprehensively evaluate the performance of the EPB shield TBM screw conveyor by the discrete element method. The sticky particles were used for the excavated material models, and screw conveyor with 11 different inclined angles were simulated to evaluate the performance depending on the different inclined angles. The four different rotational speed conditions of the screw were used, and torque, required power, extra energy for muck discharge, and the muck discharge rate were selected as four performance indicators. As a result, the optimized inclined angle was selected, and selected angle accords with the fact that EPB shield TBM screw conveyor is generally installed and adjusted at the inclined angle between 20.0° and 30.0° in the field.
For the economical construction of a tunnel by TBM, the selection of TBM optimized with the various project conditions is important, and also necessary to predict the performances of selected TBM in advance. This study was conducted to comprehensively evaluate the performance of the EPB shield TBM screw conveyor by the discrete element method. The sticky particles were used for the excavated material models, and screw conveyor with 11 different inclined angles were simulated to evaluate the performance depending on the different inclined angles. The four different rotational speed conditions of the screw were used, and torque, required power, extra energy for muck discharge, and the muck discharge rate were selected as four performance indicators. As a result, the optimized inclined angle was selected, and selected angle accords with the fact that EPB shield TBM screw conveyor is generally installed and adjusted at the inclined angle between 20.0° and 30.0° in the field.
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문제 정의
본 연구에서는 DEM 기법을 활용하여 경사각 및 회전 속도에 따른 토압식 쉴드TBM에 설치된 실제 크기의 스크루 컨베이어(직경: 900 mm) 성능을 네 가지 지표를 통해 각각 평가하였으며, 도출된 지표 값을 기반으로 주어진 굴착 토사조건에서의 최적의 경사각(inclined angle)을 선정하고자 하였다. 본 해석에는 굴착 토사 모델로 점착력을 갖는 입자들이 적용되었으며, 0.
, 2014). 본 연구에서는 경사각에 따른 최적의 스크루 컨베이어를 선정해보기 위해 경사각이 서로 다른 11개의 스크루 컨베이어를 모델링하였다. 경사각 45.
실제 TBM의 쉴드 및 스크루 컨베이어 길이는 각각8,500 mm, 9,000 mm이다. 본 연구의 목표는 경사각에 따른 스크루 컨베이어의 성능을 종합적으로 평가하여 주어진 굴착 토사 조건에서의 최적의 경사각을 산정하는 것이다. 길이 외에 나머지 스크루 컨베이어의 제원은 동일하기 때문에 해석을 통해 산정되는 수치보다는 각각의 조건에서 산정된 수치들의 상대적인 비교를 통해 평가하였다.
본 해석의 목표는 스크루 컨베이어 성능을 각각의 지표를 통해 평가한 후, 도출된 네 가지 지표 값을 종합하여 우선 순위를 통해주어진 굴착 토사 조건에서의 최적의 경사각을 선정하는 것이다. 본 연구에서는 각각의 성능 지표 평가 결과값에 따라 우선 순위를 선정하였으며, 연구 초기 단계수준으로 접근하여 각 성능 지표의 가중치는 동일하게 부여하였다.
가설 설정
3) 경사각에 따른 배토 과정에 추가로 소요되는 작업량을 간접적으로 평가해보기 위해 실제 직경 7.73 m 토압식 쉴드TBM 후방부에 컨베이어 벨트가 바닥 면으로부터 약 3.3 m 높이에 설치되어 있음을 가정하였다. 결과적으로 20.
경사각에 따른 배토 과정에 추가로 소요되는 작업량을 간접적으로 평가하기 위해 실제 직경 7.73 m 토압식 쉴드TBM 후방부에 컨베이어 벨트가 바닥 면으로부터 약 3.3 m 높이에 수평으로 설치되어 있다고 가정하였다(Fig. 6). 후방설비인 컨베이어 벨트에 관한 구체적인 제원 정보가 없는 관계로, 스크루 컨베이어의 높이를 산정하기 위해 실제 TBM 제작사가 제작한 토압식 쉴드TBM 제원을 참고하여 TBM 직경 대비 컨베이어 높이의 비율을 추정하는 방법을 활용하였다.
앞서 언급한 바와 같이, 경사각에 따른 배토 과정에 추가로 소요되는 작업량을 간접적으로 평가하기 위해 실제 직경 7.73 m 토압식 쉴드TBM 후방부에 컨베이어 벨트가 바닥 면으로부터 약 3.3 m 높이에 설치되어 있다고 가정하였다. 스크루 컨베이어 길이와 쉴드 길이를 실제 크기로 연장하여 경사각에 따른 값을 계산하여 배출부의 높이를 예상하고 추가 작업의 필요성 여부를 선정 하여 Table 2에 정리하였다.
제안 방법
(2011)은 동일한 굴착 토사를 대상으로 스크루 컨베이어의 제작 사양에 따른 단위 시간당 배토량을 평가하는 연구를 수행하였다. 1:45.5 비율로 축소된 스크루 컨베이어 모형을 통해 세 가지 스크루 피치 조건과 네 가지 스크루 경사각도 및 네 가지 스크루 회전속도 조건에 따른 단위 시간당 배토량을 각각 평가하였으며, 이를 통해 주어진 실험 조건에서의 최적의 스크루 컨베이어 조건까지도 제안하였다. Oh et al.
길이 외에 나머지 스크루 컨베이어의 제원은 동일하기 때문에 해석을 통해 산정되는 수치보다는 각각의 조건에서 산정된 수치들의 상대적인 비교를 통해 평가하였다. 결과적으로 본 연구에서는 전체적인 해석 시간 단축을 위해 쉴드 및 컨베이어 길이만 각각 2,125 mm와 2,500 mm로 축소시켜 모델링 작업을 수행하였다(Fig. 3(a)).
굴착 토사모델로는 점착력을 갖는 입자가 사용되었으며, 0.0°와 40.0° 이하의 서로 다른 경사각을 갖는 11가지 스크루 컨베이어 모델을 해석하였다.
본 연구의 목표는 경사각에 따른 스크루 컨베이어의 성능을 종합적으로 평가하여 주어진 굴착 토사 조건에서의 최적의 경사각을 산정하는 것이다. 길이 외에 나머지 스크루 컨베이어의 제원은 동일하기 때문에 해석을 통해 산정되는 수치보다는 각각의 조건에서 산정된 수치들의 상대적인 비교를 통해 평가하였다. 결과적으로 본 연구에서는 전체적인 해석 시간 단축을 위해 쉴드 및 컨베이어 길이만 각각 2,125 mm와 2,500 mm로 축소시켜 모델링 작업을 수행하였다(Fig.
입자는 스크루 컨베이어 내부를 통해서만 이송되기 때문에, 단위 시간당 입자의 평균 질량흐름은 스크루 컨베이어 내부에서만 측정된다. 다만, 경사각이 증가함에 따라 측정구역의 용적이 증가될 수밖에 없기 때문에, 이에 대한 보정으로 측정된 질량흐름값을 증가한 용적 비율만큼 다시 감소시키는 후처리 계산을 수행하였다.
먼저 실제 토압식 쉴드TBM 도면을 바탕으로 커터헤드를 제외한 쉴드, 챔버 및 스크루 컨베이어 형상을 3D 캐드 소프트웨어를 통해 작성하였다. 다음으로 구현된 3D 형상을 해석 상용 소프트웨어로 가져오는 작업을 수행하였으며, 이와 함께 스크루 컨베이어 시뮬레이션을 위한 기본적인 준비 작업을 진행하였다. 마지막으로 선정된 입자 모양과 물성값을 바탕으로 챔버 내에 입자를 임의적으로 생성하였으며 생성된 입자들의 안정화되는 시간을 거친 후에 시뮬레이션을 개시하고, 스크루 컨베이어 내부로 입자가 채워진 후부터 데이터기록을 진행하였다.
, 2015). 따라서 본연구에서는 스크루 컨베이어 회전 속도의 상한값을 20 RPM으로 선정하였으며, 회전 속도에 따른 스크루 컨베이어의 성능까지도 평가해보기 위해 네 가지 회전 속도 조건(5, 10, 15, 20 RPM)을 각각 해석에 적용하였다. 해석 시간은 총 120초로 설정하였다.
또한, 세부적인 스크루 컨베이어 성능 평가를 위해, 시공 시 자주 사용되는 경사각 범위 구간으로 알려진 20.0°와 30.0° 사이에는 2.5° 간격 조건을 추가적으로 부여하였다.
본 연구에서는 각각의 성능 지표 평가 결과값에 따라 우선 순위를 선정하였으며, 연구 초기 단계수준으로 접근하여 각 성능 지표의 가중치는 동일하게 부여하였다. 마지막으로 각 성능 지표의 순위를 종합화하여 최적의 경사각 조건을 선정하였다. 주어진 성능 지표에 대해 우선순위를 선정하는 기본 방법은 실제로 산업공학분야에서도 제품 설계 시 적용되는 방법으로 알려져있다(Mok et al.
다음으로 구현된 3D 형상을 해석 상용 소프트웨어로 가져오는 작업을 수행하였으며, 이와 함께 스크루 컨베이어 시뮬레이션을 위한 기본적인 준비 작업을 진행하였다. 마지막으로 선정된 입자 모양과 물성값을 바탕으로 챔버 내에 입자를 임의적으로 생성하였으며 생성된 입자들의 안정화되는 시간을 거친 후에 시뮬레이션을 개시하고, 스크루 컨베이어 내부로 입자가 채워진 후부터 데이터기록을 진행하였다. 실제 토압식 쉴드TBM 굴진에서 막장 안정제어는 챔버내에 들어오는 굴착 토사량과 스크루 컨베이어의 배토량을 균형있게 조절하면서 이루어지게 된다(Kim et al.
스크루 컨베이어 해석에는 약 191,407개의 입자가 사용되었으며, 전체 해석 시간은 약 120초로 설정되었다. 먼저 실제 토압식 쉴드TBM 도면을 바탕으로 커터헤드를 제외한 쉴드, 챔버 및 스크루 컨베이어 형상을 3D 캐드 소프트웨어를 통해 작성하였다. 다음으로 구현된 3D 형상을 해석 상용 소프트웨어로 가져오는 작업을 수행하였으며, 이와 함께 스크루 컨베이어 시뮬레이션을 위한 기본적인 준비 작업을 진행하였다.
모델링한 굴착 토사의 안식각을 측정하기 위해 간단한 시험 모사를 통해 수행하였으며, 안식각은 약 45.0°~50.0° 사이의 범위로 측정되었다(Fig. 2).
본 연구에서는 DEM 기법을 활용하여 경사각에 따른 토압식 쉴드TBM에 설치된 실제 크기의 스크루 컨베이어 성능을 네 가지지표를 통해 각각 평가하였으며, 산정된 지표 값을 종합하여 주어진 굴착 토사 조건에서의 최적의 경사각을 선정하였다. 굴착 토사모델로는 점착력을 갖는 입자가 사용되었으며, 0.
본 해석의 목표는 스크루 컨베이어 성능을 각각의 지표를 통해 평가한 후, 도출된 네 가지 지표 값을 종합하여 우선 순위를 통해주어진 굴착 토사 조건에서의 최적의 경사각을 선정하는 것이다. 본 연구에서는 각각의 성능 지표 평가 결과값에 따라 우선 순위를 선정하였으며, 연구 초기 단계수준으로 접근하여 각 성능 지표의 가중치는 동일하게 부여하였다. 마지막으로 각 성능 지표의 순위를 종합화하여 최적의 경사각 조건을 선정하였다.
스크루 컨베이어의 경사각 및 회전 속도에 따른 스크루 컨베이어 성능은 사전에 선정한 네 가지 성능 지표(토크, 소요 동력, 배토를 위해 추가적으로 소요되는 작업량 및 단위 시간당 배토량)를 통해 각각 평가하였다. 본 연구에서 스크루 컨베이어에 작용하는 토크는 입자와 스크루 컨베이어 사이의 접선 방향 접촉력과 스크루 컨베이어 회전축으로부터 접점까지의 수직 거리 곱으로 계산되며, 접선 방향 접촉력은 입자와 스크루 컨베이어 사이의 접선 방향의 중첩으로부터 계산된다(Fig.
후방설비인 컨베이어 벨트에 관한 구체적인 제원 정보가 없는 관계로, 스크루 컨베이어의 높이를 산정하기 위해 실제 TBM 제작사가 제작한 토압식 쉴드TBM 제원을 참고하여 TBM 직경 대비 컨베이어 높이의 비율을 추정하는 방법을 활용하였다. 스크루 컨베이어의 경사각에 따라 달라지는 스크루 컨베이어의 배출부 높이와 컨베이어 벨트의 높이를 동시에 고려하였으며, 배출부의 높이가 컨베이어 벹트의 높이보다 낮은 경사각을 가진 스크루 컨베이어는 배토를 위한 추가적인 작업이 필요한 경우로 평가하고 이 때 소요되는 에너지량이 많을수록 낮은 평가 등급을 부여하였다.
0° 사이의 서로 다른 경사각을 갖는 11가지 스크루 컨베이어 모델이 사용되었다. 스크루 컨베이어의 운동 조건으로 네 가지 회전속도(5, 10, 15, 20 RPM)가 부여되었으며, 스크루 컨베이어의 성능 평가를 위한 지표로는 토크, 소요 동력, 배토를 위해 추가로 소요되는 작업량 및 단위 시간당 배토량을 선정하였다.
0° 이하의 서로 다른 경사각을 갖는 11가지 스크루 컨베이어 모델을 해석하였다. 스크루 컨베이어의 회전에는 네 가지 회전 속도(5, 10, 15, 20 RPM)이 부여되었으며, 스크루 컨베이어의 성능 평가를 위한 지표로는 토크, 소요 동력, 배토를 위해 추가로 소요되는 작업량 및 단위 시간당 배토량을 선정하였다.
54 m급 토압식 쉴드TBM의 스크루 컨베이어 성능에 관한 연구를 수행하였다. 실제 형상보다 1:2 비율로 축소된 모델이 해석에 적용되었으며, 동일한 회전속도(10 RPM)와 경사각이 없는 조건을 가진 스크루 컨베이어를 대상으로 암반 칩 형상에 따른 배토 성능을 평가하였다.
앞서 도출된 네 가지 지표 값을 종합하여 주어진 굴착 토사 조건에서의 최적의 경사각을 선정해보았다. 최적의 경사각을 결정하기 위해 각각의 성능 지표 평가 결과에 따라 우선순위를 부여하였으며, 가중치가 고려되지 않은 각 성능 지표의 순위를 종합화하여, 최적의 스크루 컨베이어를 선정하였다.
3(b)). 입자와 스크루 컨베이어 모형 사이의 접촉 물성은 입자 사이 물성과 동일하게 Table 1에 제시된 세 가지 계수(coefficient of restitution, coefficient of static friction, coefficient of rolling friction)를 적용하였다.
앞서 도출된 네 가지 지표 값을 종합하여 주어진 굴착 토사 조건에서의 최적의 경사각을 선정해보았다. 최적의 경사각을 결정하기 위해 각각의 성능 지표 평가 결과에 따라 우선순위를 부여하였으며, 가중치가 고려되지 않은 각 성능 지표의 순위를 종합화하여, 최적의 스크루 컨베이어를 선정하였다. 단, 추가 작업의 필요성 여부를 선정한 지표에서, 추가 작업이 필요 없는 경우에는 순위로 모두 최우선순위를 부여하였으며, 추가 작업이 필요한 경우에 대해서는 높이차에 따른 순위를 부여하였다.
6). 후방설비인 컨베이어 벨트에 관한 구체적인 제원 정보가 없는 관계로, 스크루 컨베이어의 높이를 산정하기 위해 실제 TBM 제작사가 제작한 토압식 쉴드TBM 제원을 참고하여 TBM 직경 대비 컨베이어 높이의 비율을 추정하는 방법을 활용하였다. 스크루 컨베이어의 경사각에 따라 달라지는 스크루 컨베이어의 배출부 높이와 컨베이어 벨트의 높이를 동시에 고려하였으며, 배출부의 높이가 컨베이어 벹트의 높이보다 낮은 경사각을 가진 스크루 컨베이어는 배토를 위한 추가적인 작업이 필요한 경우로 평가하고 이 때 소요되는 에너지량이 많을수록 낮은 평가 등급을 부여하였다.
대상 데이터
경사각 45.0° 이상을 갖는 스크루 컨베이어는 수직형으로 분류되어 설계 시 패턴 및 형상이 일반적으로 사용되는 스크루 컨베이어모델과 조금씩 달라질 수 있기 때문에(KWS manufacturing company, 2019), 본 연구에서 사용된 스크루 컨베이어의 경사각 조건은 0.0°부터 40.0° 이하까지 기본 5.0° 간격으로 설정되었다.
단위 시간당 배토량(kg/sec)은 특정 구역에서 측정된 단위 시간당 입자의 평균 질량흐름으로 정의하였으며, 본 연구에서는 작성된 스크루 컨베이어 구간의 중심 부분인 약 600 mm 구간을 측정 대상 구역으로 선정하였다(Fig. 7). 입자는 스크루 컨베이어 내부를 통해서만 이송되기 때문에, 단위 시간당 입자의 평균 질량흐름은 스크루 컨베이어 내부에서만 측정된다.
, 2014). 본 연구에는 실제 직경 7.73 m 토압식 쉴드TBM에 장착되어있던 지름 900 mm 샤프트 타입 스크루 컨베이어 모델을 그대로 적용하였으며, TBM전면부의 커터헤드영역의 모델링 작업은 해석의 편의를 위해 생략하였다. 실제 TBM의 쉴드 및 스크루 컨베이어 길이는 각각8,500 mm, 9,000 mm이다.
본 해석에는 굴착 토사 모델로 점착력을 갖는 입자들이 적용되었으며, 0.0°~40.0° 사이의 서로 다른 경사각을 갖는 11가지 스크루 컨베이어 모델이 사용되었다.
스크루 컨베이어 해석에는 약 191,407개의 입자가 사용되었으며, 전체 해석 시간은 약 120초로 설정되었다. 먼저 실제 토압식 쉴드TBM 도면을 바탕으로 커터헤드를 제외한 쉴드, 챔버 및 스크루 컨베이어 형상을 3D 캐드 소프트웨어를 통해 작성하였다.
73 m 토압식 쉴드TBM에 장착되어있던 지름 900 mm 샤프트 타입 스크루 컨베이어 모델을 그대로 적용하였으며, TBM전면부의 커터헤드영역의 모델링 작업은 해석의 편의를 위해 생략하였다. 실제 TBM의 쉴드 및 스크루 컨베이어 길이는 각각8,500 mm, 9,000 mm이다. 본 연구의 목표는 경사각에 따른 스크루 컨베이어의 성능을 종합적으로 평가하여 주어진 굴착 토사 조건에서의 최적의 경사각을 산정하는 것이다.
이론/모형
따라서, 본 연구에서는 점착성을 갖는 다수의 입자를 사용하여 굴착 토사를 모델링하기 위해 EDEM(2019)이 다양한 문헌연구와 사전 검정(calibration) 해석을 통해 자체적으로 보유하고 있는 ‘Soils Starter Pack’을 활용하였다. 굴착 토사를 구성하는 토립자는 18mm 단일 구형의 입자 세 개를 결합하여 모델링하였으며, 토립자 사이의 점착력을 모사하기 위해 Edinburgh Elasto-Plastic-Adhesion(EEPA) 접촉 모델이 사용되었다. EEPA 접촉 모델은 이력현상에 기반한 점착성 입자의 핵심적인 거동을 모사하기 위해 Jones(2003)과 Jones et al.
따라서, 본 연구에서는 점착성을 갖는 다수의 입자를 사용하여 굴착 토사를 모델링하기 위해 EDEM(2019)이 다양한 문헌연구와 사전 검정(calibration) 해석을 통해 자체적으로 보유하고 있는 ‘Soils Starter Pack’을 활용하였다.
성능/효과
1) 주어진 회전속도 조건에서 스크루 컨베이어에서 산정되는 평균 토크는 회전속도의 증가에 따른 일관성 있는 토크 변화 양상을 보이지 않았다. 전체적으로 평균 토크는 경사각 0.
2) 스크루 컨베이어 구동에 필요한 평균 소요 동력은 스크루 컨베이어 회전속도의 상승과 함께 증가하는 것으로 나타났다. 단순구동만을 고려했을 경우, 경사각이 없는 수평형 스크루 컨베이어가 가장 우수한 효율을 보일 것으로 예상되었다.
4) 스크루 컨베이어의 단위 시간당 배토량을 평가하기 위해 입자의 단위 시간당 질량흐름을 측정하였으며, 스크루 컨베이어의 회전속도가 증가함에 따라 단위 시간당 질량흐름은 뚜렷하게 선형적으로 증가하였다. 경사각 15.
5) 최적의 경사각을 결정하기 위해 각 항목순위의 합산에 대한 산술평균을 통해 종합 평가를 수행하였으며, 경사각 22.5° 스크루 컨베이어가 주어진 굴착 토사 조건에서의 최적의 스크루 컨베이어로 선정되었다.
각 항목순위의 합산에 대한 산술평균을 통해 종합 평가를 수행해본 결과, 평균 순위 약 2.5을 차지하는 경사각 22.5° 스크루 컨베이어가 주어진 굴착 토사 조건에서의 최적의 스크루 컨베이어로 선정되었으며, 경사각 0.0°가 다음 우선 순위로 선정되었다.
결과적으로 20.0° 이하의 경사각을 갖는 스크루 컨베이어에서는 원활한 배토작업을 위한 추가 작업이 필요할 것으로 예상되었다.
결과적으로 경사각 22.5°가 주어진 굴착 토사조건에서의 최적의 경사각인 것으로 선정되었다.
결과적으로 컨베이어 벨트보다 낮은 배출부를 가진 경사각 15.0°이하의 스크루 컨베이어에서는 원활한 배토작업을 위한 추가 작업이 필요할 것으로 예상되었다.
경사각 15.0°와 20.0° 사이에서 단위 시간당 입자의 질량흐름이 약 3.5% 정도 증가하는 것을 제외하고, 단위 시간당 입자의 질량흐름은 경사각이 증가함에 따라 점차 감소하는 것으로 나타났다.
경사각 20.0°와 22.5° 사이에서 소요 동력은 약 12%정도 감소하는 경향을 보였으며, 22.5°이후로는 다시 점차 증가하는 것으로 나타났다.
경사각이 없는 수평형 스크루 컨베이어에서 가장 낮은 동력이 산정되었으며, 경사각 40.0° 스크루 컨베이어에서 가장 높은 동력이 필요할 것으로 예측되었다.
그 다음으로 25.0° 와 27.5°의 경사각을 갖는 스크루 컨베이어는 전체적으로 주어진 굴착조건에서 우수한 성능을 보일 것으로 예상되었다.
그 다음으로 25.0°, 27.5°의 경사각을 갖는 스크루 컨베이어가 종합적으로 우수한 성능을 보일 것으로 파악되었으며, 경사각 30.0° 이후로는 경사각이 증가함에 스크루 컨베이어의 성능이 점차 떨어질 것으로 예상되었다.
0° 스크루 컨베이어에서 가장 높은 동력이 필요할 것으로 예측되었다. 단순 구동만을 고려할 경우, 경사각이 없는 수평형 스크루 컨베이어가 가장 우수한 효율을 보일 것으로 예상되었다. 이는 각도가 증가함에 따라 입자에 가해지는 중력에 의해 스크루에서 계산되는 수직방향 힘요소가 증가하면서 증가하는 경향을 보이는 것으로 판단된다.
2) 스크루 컨베이어 구동에 필요한 평균 소요 동력은 스크루 컨베이어 회전속도의 상승과 함께 증가하는 것으로 나타났다. 단순구동만을 고려했을 경우, 경사각이 없는 수평형 스크루 컨베이어가 가장 우수한 효율을 보일 것으로 예상되었다.
스크루 컨베이어의 회전속도가 증가함에 따라 평균적으로 측정되는 단위 시간당 입자의 질량흐름은 선형적으로 증가함을 확인할 수 있다. 단위 시간당 입자의 질량흐름 스크루 컨베이어의 회전속도와 상관없이 각도가 증가함에 따라 기울기는 감소하는 경향을 보였다.
11은 산정된 토크를 활용하여 스크루 컨베이어 회전속도에 따른 구동에 필요한 평균 동력을 나타낸 그래프이다. 스크루 컨베이어의 회전속도가 증가함에 따라 평균 소요 동력은 높게 산정됨을 확인할 수 있다. 회전 속도와 상관없이 35.
13은 스크루 컨베이어 회전속도에 따라 평균적으로 측정되는 단위 시간당 입자의 질량흐름 그래프를 나타낸 그래프이다. 스크루 컨베이어의 회전속도가 증가함에 따라 평균적으로 측정되는 단위 시간당 입자의 질량흐름은 선형적으로 증가함을 확인할 수 있다. 단위 시간당 입자의 질량흐름 스크루 컨베이어의 회전속도와 상관없이 각도가 증가함에 따라 기울기는 감소하는 경향을 보였다.
전체적으로 0.0°를 제외할 경우, 22.5°에서 평균적으로 가장 낮은 토크가 산정되는 것으로 파악되었다.
전체적으로 단위 시간당 입자의 질량흐름은 경사가 없는 스크루 컨베이어에서 가장 높게 측정되었으며, 경사가 가장 급한 40.0° 조건에서 가장 낮게 측정되었다.
전체적으로 단위 시간당 입자의 질량흐름은 경사가 없는 스크루 컨베이어에서 가장 높게 측정되었으며, 경사각이 최대인 40.0°조건에서 가장 낮게 측정되었다.
전체적으로 평균 토크는 경사각 0.0°에서 가장 낮은 값을 나타냈으며, 경사각 40.0°에서 가장 높은 토크가 산정되었다.
추가 작업에 대해 고려하지 않을 경우, 경사각이 없는 스크루 컨베이어가 가장 높은 순위를 나타냈으며, 다음으로 경사각 22.5°에서 높은 순위를 차지하는 것으로 분석되었다.
평균 토크는 경사각 0.0°에서 가장 낮은 값을 나타냈으며, 반면 경사각 40.0°에서는 가장 높은 토크가 산정되었다.
평균 토크는 경사각 15.0°까지는 서서히 증가하는 것으로 보이며 이후로 감소함을 보이다가 22.5° 이후로는 다시 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
6) 실제 굴착 토사에 대한 특성이 수치 해석 모델링 과정에 현실적으로 반영된다면 다양한 굴착 토사 조건에 따른 스크루 컨베이어의 최적의 경사각을 제시할 수 있을 것으로 판단되며, 추후 연구에는 스크루 컨베이어의 피치, 스크루 직경, 스크루 형태 등과 같은 다양한 제원에 따른 스크루 컨베이어 성능 평가가 함께 수행되어야 할 것이다. 더 나아가, 토압식 쉴드TBM의 핵심기술 중 하나인 첨가재 주입으로 인해 개량되는 굴착 토사에 대한 모사도 함께 반영되어야 할 것으로 사료된다.
6) 실제 굴착 토사에 대한 특성이 수치 해석 모델링 과정에 현실적으로 반영된다면 다양한 굴착 토사 조건에 따른 스크루 컨베이어의 최적의 경사각을 제시할 수 있을 것으로 판단되며, 추후 연구에는 스크루 컨베이어의 피치, 스크루 직경, 스크루 형태 등과 같은 다양한 제원에 따른 스크루 컨베이어 성능 평가가 함께 수행되어야 할 것이다. 더 나아가, 토압식 쉴드TBM의 핵심기술 중 하나인 첨가재 주입으로 인해 개량되는 굴착 토사에 대한 모사도 함께 반영되어야 할 것으로 사료된다.
향후 스크루에 대한 평가는 커터헤드와 지반 조건 등을 함께 고려하면 쉴드TBM 스크루오거의 상태를 종합적으로 고려할 수 있을 것으로 판단된다. 즉, 설계된 쉴드 TBM과 스크루 오거의 제원에 따라 굴진 과정을 모사하여 스크루 오거에 가해지는 토크나 압력을 환산하면 설계된 동력과 제원이 굴착 구간에 적합한지 판단할 수 있는 근거자료로 사용될 수 있을 것이다.
Owen and Cleary(2009)는 스크루 컨베이어의 경사각 및 회전 속도뿐만 아니라 재료에 따른 스크루 컨베이어 내부의 이송량(feed)과 충만률(volumetric fill level)에 따른 스크루 컨베이어의 성능을 다각적으로 평가하는 연구를 수행하였다. 하지만 성능을 종합적으로 평가하기에는 지나치게 작은 스크루 컨베이어 모델(직경:38 mm)이 해석에 적용되었다는 점에서 한계점을 보였다. 최근 들어 Lee et al.
챔버로의 추가 입자 유입이 없는 상태이고 입자가 모든 구간에서 균질한 상태, 챔버내 압력은 외력이 없는 상태 등이다. 향후 스크루에 대한 평가는 커터헤드와 지반 조건 등을 함께 고려하면 쉴드TBM 스크루오거의 상태를 종합적으로 고려할 수 있을 것으로 판단된다. 즉, 설계된 쉴드 TBM과 스크루 오거의 제원에 따라 굴진 과정을 모사하여 스크루 오거에 가해지는 토크나 압력을 환산하면 설계된 동력과 제원이 굴착 구간에 적합한지 판단할 수 있는 근거자료로 사용될 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
토압식 쉴드TBM공법이란 무엇인가?
토압식 쉴드TBM공법(earth pressure balance shield TBM)은 커터헤드 후면에 있는 챔버에 굴착 토사를 가득 채워 토압으로부터 막장의 안정성을 유지하면서 터널을 굴착하는 TBM 공법 중 하나이다. 최근 들어 첨가재를 활용한 굴착 토사 개량 기술의 발달로 인해 기존의 연약 지반을 비롯한 다양한 지반 조건에서의 원활한 시공이 가능해졌으며, 높은 안전성과 고속시공이 필수적으로요구되는 도심지 터널 공사에 전 세계적으로도 많이 적용되고 있다.
Owen and Cleary(2009)의 스크루 컨베이어의 성능 연구의 한계는 무엇인가?
Owen and Cleary(2009)는 스크루 컨베이어의 경사각 및 회전 속도뿐만 아니라 재료에 따른 스크루 컨베이어 내부의 이송량(feed)과 충만률(volumetric filllevel)에 따른 스크루 컨베이어의 성능을 다각적으로 평가하는 연구를 수행하였다. 하지만 성능을 종합적으로 평가하기에는 지나치게 작은 스크루 컨베이어 모델(직경:38 mm)이 해석에 적용되었다는 점에서 한계점을 보였다. 최근 들어 Lee et al.
굴착 토사의 유동 특성은 무엇의 주요 인자인가?
Talmon and Bezuijen(2002)은 균질한 점착력(cohesion)을 가지는 굴착 토사를 대상으로 굴착 토사의 운동량 수지(momentum balance) 및 운동 조건을 고려하여 스크루 컨베이어 내부에서의 굴착 토사의 흐름을 수학적 모델을 통해 예측하는 연구를 수행한 바 있다. Talmon and Bezuijen(2002)는 실내시험을 통해 점착력으로 대표되는 굴착 토사의 유동 특성(rheological properties)이 스크루 컨베이어의 단위 시간당 배토량과 스크루에 작용하는 압력을 결정하는 주요 인자임을 보고하였으며, 더 나아가 실내 모형실험과 실제 현장 데이터와의 비교를 통해 검증된 수학적 모델까지도 제안하였다. Merritt and Mair(2006)는 1:10 비율로 축소된 스크루 컨베이어 모형을 사용하여 다양한 점토를 대상으로 첨가재 주입 여부에 따른 스크루 컨베이어에 작용하는 압력, 토크, 응력 및 단위 시간당 배토량을 다각도로 평가하였다.
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