[논문]EPB-TBM 암반굴착시 스크류컨베이어의 배토 거동에 대한 DEM 기반 수치해석적 연구

이기준; 권태혁; 김훈태

doi:10.9711/ktaj.2019.21.1.127

EPB-TBM 암반굴착시 스크류컨베이어의 배토 거동에 대한 DEM 기반 수치해석적 연구
DEM-based numerical study on discharge behavior of EPB-TBM screw conveyor for rock 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.21 no.1, 2019년, pp.127 - 136

이기준 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과) , 권태혁 (한국과학기술원 건설 및 환경공학과) , 김훈태 (이엠코리아 본사 연구소(TBM기술팀))

초록
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TBM 터널공사 시 스크류컨베이어의 배토 거동에 대한 이해는 굴진율 향상을 위한 중요한 요소이다. 본 연구에서는 지반에서 디스크 커터에 의해 생성되는 암반칩의 형상에 따라 스크류컨베이어 내부에서의 이동 및 배토 거동에 대한 연구를 수행하였다. 입자기반의 DEM 수치해석기법을 이용하여, 6가지의 대표적인 모양에 대한 암반칩을 클러스터로 형성하였다. 또한, 실제 스크류컨베이어의 3D 축소모델을 형성한 후, 다른 모양의 암반칩의 시간당 배토량을 측정 하였다. 시뮬레이션 결과, 스크류컨베이어의 경사각이 $0^{\circ}$일 때, 동일한 암반에서 암반칩의 형상과 부피와 상관없이 10 RPM 속도에서의 스크류컨베이어 배토량은 스크류컨베이어 최대 배토량의 약 20%로 나타났다(표준편차: 1.3%). 본 연구 결과는 암반용 TBM 설계 및 암반에서의 TBM 굴착 시 스크류컨베이어 운용에 참고할 수 있는 자료로 사용될 수 있을 것으로 예상된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Tunnel construction by TBMs should be supported by the performance of a screw conveyor in order to obtain the optimum penetration rate, so studies related to the screw conveyor performance have been being conducted. Compared to the study on the performance of the screw conveyor for the soil, however, the research on the performance of the screw conveyor for the rock is insufficient. Considering the domestic tunnel sites with more rock layers than soil layers, simulation of discharge of 6 types of rock chips by the screw conveyor was conducted using DEM. Regardless of the shape and volume of the rock chips, the discharge rates of the rock chips by the parallel placed screw conveyor at a speed of 10 RPM in the same rock mass were about 20% (standard deviation: 1.3%) of the maximum volume of discharge rate by the screw conveyor. It is expected that this study can be used as a reference material for screw conveyor design and operation in TBM excavations in rock masses.

주제어

표/그림 (9)

표 Table 1. Rock chip models
그림 Fig. 1. Simulation of discharge of rock chips by screw conveyor
표 Table 2. Geometry information
표 Table 3. Simulation parameters
그림 Fig. 2. Number of discharged rock chips by DEM simulation
표 Table 4. Discharged particle rate
그림 Fig. 3. Discharge volume of rock chips by DEM simulation
그림 Fig. 4. Screw conveyor DEM simulation for discharge of rock chip 2 and 6 after 24 seconds
표 Table 5. Discharge rates of rock chips

AI 본문요약
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문제 정의

대한민국은 토사가 대부분인 미국과 유럽의 지반조건과 달리 암반층이 많기 때문에 암반에서의 스크류컨베이어의 배토에 관한 연구가 활발히 수행될 필요가 있다. 본 논문에서는 암반칩을 모사하여 스크류컨베이어를 통한 배토 3D 시뮬레이션을 하기 위해 Discrete element method (DEM)을 이용한 스크류컨베이어 시뮬레이션을 통해 동일한 암반에서의 스크류컨베이어의 배토율을 보여주고있다. 본 연구를 위해 지오메트리파일과의 연동이 원활하여 기계적 요소의 기하학적 형상을 다루는데 적합한 EDEM을 사용하였다.

제안 방법

본 논문에서는 암반칩을 모사하여 스크류컨베이어를 통한 배토 3D 시뮬레이션을 하기 위해 Discrete element method (DEM)을 이용한 스크류컨베이어 시뮬레이션을 통해 동일한 암반에서의 스크류컨베이어의 배토율을 보여주고있다. 본 연구를 위해 지오메트리파일과의 연동이 원활하여 기계적 요소의 기하학적 형상을 다루는데 적합한 EDEM을 사용하였다.
실제 현장에서 나온 암반칩의 형상과 크기(Farrokh and Rostami, 2008)를 참조하여 직경 10 mm 단일 구형의 입자 여러개를 결합하여 가로길이가 52.4 mm로 동일한 서로 다른 형상의 6가지 암반칩 입자를 모델링 하였다(Table 1). 이러한 암반칩의 형상을 수치적으로 객관화시키기 위하여 원의 모양에 가까운 정도를 나타내는 구형도(Sphericity)와 모난정도를 나타내는 원마도(Roundness)를 계산하여 암반칩을 객관화 하였다.
8 m 박스로 설계하였다. 암반칩 모델 1~6에 대하여 같은 부피의 챔버안에 단일 암반칩 모델로만 가득 채운 후 본 스크류컨베이어 모델의 실제 스크류컨베이어 최대 RPM의 약 2/3값인 10 RPM의 스크류 속도로 배토하였다. 암반칩간의 물리적 작용에 있어서는 직경10 mm의 단일 구형입자의 작용계수의 영향을 받으며 EDEM에서 문헌연구와 시뮬레이션을 통해 구축한 데이터베이스를 참고하여 작용계수값을 Table 3과 같이 설정하였고 기본적으로 비점착력 모델인 Hertz-Mindlin (no slip) 모델을 사용하였다.
암반칩간의 물리적 작용에 있어서는 직경10 mm의 단일 구형입자의 작용계수의 영향을 받으며 EDEM에서 문헌연구와 시뮬레이션을 통해 구축한 데이터베이스를 참고하여 작용계수값을 Table 3과 같이 설정하였고 기본적으로 비점착력 모델인 Hertz-Mindlin (no slip) 모델을 사용하였다. 암반칩을 채우는 과정에서 암반칩의 자중에 의한 스크류컨베이어 안으로의 암반칩 유입을 막기위해 챔버와 스크류컨베이어의 교차면을 닫힘상태로 만든 후 암반을 채웠으며 이후 스크류컨베이어 배토시 챔버와 스크류컨베이어의 교차면을 연상태에서 암반칩 자중에 의한 무게외에 챔버내의 추가 압력이 없는 조건에서 시뮬레이션 수행을 하였다.
암반칩의 물성은 편암(Schist)의 물성치를 토대로 Poisson’s ratio: 0.2, Young’s modulus: 10 GPa, density: 2800 kg/m3로 설정하였다.
4 mm로 동일한 서로 다른 형상의 6가지 암반칩 입자를 모델링 하였다(Table 1). 이러한 암반칩의 형상을 수치적으로 객관화시키기 위하여 원의 모양에 가까운 정도를 나타내는 구형도(Sphericity)와 모난정도를 나타내는 원마도(Roundness)를 계산하여 암반칩을 객관화 하였다. 구형도는 입자 형태의 둘레길이(P_m)를 입자내부에서 가장 긴 직선(d_m)으로 나눈 값(I_π)과 온전한 원형에서의 둘레(C_p)를 직경(C_d)으로 나눈 값의 비로 아래와 같이 나타낼 수 있다.
4 mm는 실제 암반칩 최대크기의 1/2 이하의 크기이다. 이에 따라 본 DEM 시뮬레이션 해석시간을 줄이기 위해 직경 3.54 m급 EPB 쉴드 TBM에 사용되는 스크류컨베이어 크기를 1/2로 축소하여 스크류컨베이어의 지오메트리를 설계 하였다(Fig. 1, Table 2). 챔버는 시뮬레이션 해석 시간을 고려하여 굴진방향으로 가로 × 세로 × 높이 0.
챔버는 시뮬레이션 해석 시간을 고려하여 굴진방향으로 가로 × 세로 × 높이 0.4 m × 0.35 m × 0.8 m 박스로 설계하였다.

이론/모형

암반칩 모델 1~6에 대하여 같은 부피의 챔버안에 단일 암반칩 모델로만 가득 채운 후 본 스크류컨베이어 모델의 실제 스크류컨베이어 최대 RPM의 약 2/3값인 10 RPM의 스크류 속도로 배토하였다. 암반칩간의 물리적 작용에 있어서는 직경10 mm의 단일 구형입자의 작용계수의 영향을 받으며 EDEM에서 문헌연구와 시뮬레이션을 통해 구축한 데이터베이스를 참고하여 작용계수값을 Table 3과 같이 설정하였고 기본적으로 비점착력 모델인 Hertz-Mindlin (no slip) 모델을 사용하였다. 암반칩을 채우는 과정에서 암반칩의 자중에 의한 스크류컨베이어 안으로의 암반칩 유입을 막기위해 챔버와 스크류컨베이어의 교차면을 닫힘상태로 만든 후 암반을 채웠으며 이후 스크류컨베이어 배토시 챔버와 스크류컨베이어의 교차면을 연상태에서 암반칩 자중에 의한 무게외에 챔버내의 추가 압력이 없는 조건에서 시뮬레이션 수행을 하였다.

성능/효과

본 DEM시뮬레이션을 통하여 암반에서 TBM 굴착 시 발생되는 암반칩에 대한 경사각 0°와 10 RPM속도에서의 스크류컨베이어 배토량(Qrock, 0)은 암반칩 형상과 부피에 상관없이 스크류컨베이어 최대배토량(Qmax)의 20% (표준편차: 1.3%)로 나타낼 수 있다.
9621개로 나타났다. 본 시뮬레이션 조건에서는 실제 스크류컨베이어 규모를 1/2로 축소하였기 때문에 실제 직경 3.54 m급의 TBM에서는 분당 배토입자수가 암반칩 1부터 6의 경우 각각 8배 증가한 26900.89개, 16012.89개, 12087.03개, 11719.58개, 8625.302개, 7735.697개로 예측가능하다(Table 4). 암반칩 구형도에 따른 배토입자수를 암반칩별로 살펴보면 암반칩 1의 경우, 암반칩 3, 4의 배토입자수보다 2배 이상 더 높게 나타났다.
697개로 예측가능하다(Table 4). 암반칩 구형도에 따른 배토입자수를 암반칩별로 살펴보면 암반칩 1의 경우, 암반칩 3, 4의 배토입자수보다 2배 이상 더 높게 나타났다.
이는 암반칩의 구형도가 낮을수록 암반칩 배토입자수가 높게 나타나는 경향을 나타내고 있다. 암반칩 모델별 분당 배토입자수는 암반칩 1의 경우 3362.611개, 암반칩 2의 경우 2001.612개, 암반칩 3의 경우 1510.878개, 암반칩 4의 경우 1464.948개, 암반칩 5의 경우 1078.163개, 암반칩 6의 경우 966.9621개로 나타났다. 본 시뮬레이션 조건에서는 실제 스크류컨베이어 규모를 1/2로 축소하였기 때문에 실제 직경 3.
암반칩 부피에 따른 배토율을 살펴보면 암반칩 배토입자수의 경우와 비교하여 암반칩별로 배토량 차이가 상대적으로 작게 나타났다(Fig. 3). 분당 암반칩 배토부피는 암반칩 1의 경우 0.

후속연구

3%)로 나타낼 수 있다. 본 연구 결과는 암반용 TBM 설계 및 암반에서의 TBM 굴착시 암반칩 배토에 관한 스크류컨베이어 운용의 참고자료로 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 향후 스크류컨베이어의 각도와 RPM에 따른 암반칩 배토 연구를 수행하고자 한다.
본 연구 결과는 암반용 TBM 설계 및 암반에서의 TBM 굴착시 암반칩 배토에 관한 스크류컨베이어 운용의 참고자료로 사용될 수 있을 것으로 예상된다. 향후 스크류컨베이어의 각도와 RPM에 따른 암반칩 배토 연구를 수행하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국외에서 수행된 스크류컨베이어 배토효율에 관한 연구는?	, 2014)이 수행되었다. 국외에서는 흙의 조건에 따른 스크류컨베이어의 배토효율에 관한 축소모형시험(Merritt and Mair, 2006)과 챔버내의 압력에 따른 스크류컨베이어의 성능에 관한 축소모형시험이 수행되었다(Peila et al., 2007).
	토사지반에서 Earth pressure balance (EPB) 쉴드 TBM 굴착시 스크류컨베이어의 버력배토는 무엇을 하는데 중요한 역할을 하는가?	, 2011). 토사지반에서 Earth pressure balance (EPB) 쉴드 TBM 굴착시 스크류컨베이어의 버력배토는 막장압을 유지관리 하는데 아주 중요한 역할을 한다(Kim et al., 2006).
	챔버내 버력배토량은 무엇에 의해 결정되는가?	TBM 터널공사 시 최적의 굴진율을 내기 위해서 챔버내 버력의 배토성능이 뒷받침 되어야 한다. 챔버내 버력배토량은 스크류컨베이어의 성능에 의해 결정된다. 현장에서 굴진 중 스크류컨베이어의 배토 효율이 떨어져서 굴진율이 감소하는 경우가 발생하곤 한다.

저자의 다른 논문 :

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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].

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