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문제 정의
- 그리고 궁극적으로는 15~20개의 록볼트가 동시에 급속정 착되는 기술의 발전이 가능할 것이다. 본 연구에서 제시하는 시험결과는 가까운 장래 터널시공 중 지보재 설치공정의 변화의 방향을 제시하고 있다.
- 다중팽창형 급속시공 록볼트는 5공 이상의 천공공에서 거의 동시에 1초 미만의 시간 내 정착이 가능하므로 이론적인 아칭효과에 보다 근접한 록볼트의 기능발휘가 가능하다. 본 원고에서 다중팽창형 급속시공 록볼트의 실용화를 위한 사전연구 결과를 소개하고자 한다.
제안 방법
- · 5개의 플라즈마 록볼트의 동시정착 시험결과를 반응 재를 구성하는 금속화합물의 양과 전극셀 길이를 표 4 와 같이 각각 두 가지 경우로 하여 동시정착 시험을 실시하였다.
- · Incident bar 및 Transmitted bar 각각의 한쪽 끝부분은 강철 시편을 고정하기 위하여 Specimen holder 를 설계하였다.
- · 고속하중 및 고변형률속도에서의 철강재료에 대한 인장파괴시험을 수행하기 위하여 동적 인장시험용 홉킨스 바(Split Hopkinson Tension Bar) 시스템을 설계하였다.
- · 그림 9와 같이 주 운반 갱도에서 100m 정도 이격된 필 라부의 임의의 위치를 선정하여 점보드릴 장비를 활용하여 천공작업을 실시하였다.
- · 인발하중 측정을 위해서는 Swellex 록볼트에 적용되는 장비와 유사한 장비고안이 필요하였고, 본 연구에서 현장조건 등을 고려하여 제작하여 활용하였다.
- 동적팽창이 동시다발적으로 발생할 수 있는 플라즈마 록볼트에 대한 현장 성능시험을 위해 현재 11편까지 채광이 진행 중인 장성 ○○석회석 광산 내 9편 (GL-144m)내 암반 필라를 대상으로 시험을 실시하였다. 5공에 대한 동시 정착시험을 실시하였다.
- 기술적 달성도로써 세 가지 항목을 고려하였다. 첫 번째 항목인 인발강성과 두 번째 항목인 인발하중은 ASTM 규정에서 정착재를 적용하는 전면접착형 록볼트에 대한 것에 기초하여 평가할 수 있다.
- 다수 개 록볼트의 급속정착 기술에 대해 실험적으로 증명한 것으로 록볼트 시공이 단일공이 아니라 복수 개에 대해 동시적으로 시공되는 시공방법 혁신의 시발점을 제시하였다. 현재와 같이 천공공 하나씩 시공하는 방법은 록볼트의 적용의도를 충분히 발현시키지 못하고 현실적으로 가능한 방법으로 실행해온 것이다.
- 록볼트 팽창부의 동적팽창거동을 시뮬레이션하기 위한 것으로 앞서 고찰한 소성모델에 기초하였다.
- 플라즈마 록볼트의 전기적 연결은 록볼트 팽창을 유발하기 위한 메카니즘임과 동시에 동시 정착을 위한 방법이기도 하다. 본 연구에서는 5개의 록볼트를 일시에 반응시키는 방법을 고안하였고, (그림 10)직렬방식의 회선 연결에 따라, 만일 한 개의 록볼트이라도 불량이 되면 나머지 전부에서도 반응이 발생하지 못하도록 계획하였다.
- · 동적인장시험에서 중요한 시험결과는 시료의 소성변형이 발생하는 항복점 이후의 영구변형거동이며, 이러한 거동은 동적충격이 가해지는 조건에서 강재의 변형특성이 록볼트로서 적합한지에 대한 여부를 확인하기 위해 필요한 지표가 될 것이다. 본 연구에서는 변형률속도와 온도를 기준으로 변형률 거동을 분석하였으며, 응력-변형률 관계로 나타나는 시험결과의 예는 그림 4, 5와 같다.
- · 유압실린더는 최대 24tf까지 측정이 가능하였고, 디지털 변위측정기는 모바일 앱을 이용한 데이터 저장이 가능하였고 인발하중과 측정시간을 그림 15와 같이 촬영 하여 기록하였다. 시험 종료 후 데이터를 측정시간별로 정리하여 인발하중-인발변위 관계를 plot 하였다.
- 플라즈마 현상 등을 활용하는 동적팽창 전면마찰형 록볼트는 기존에 존재하는 록볼트와 다른 동적인 역학적 상태에서 기능을 발휘하기 때문에 재료역학적 측면에서의 검토가 필요하였고 이를 위해 홉킨스바를 활용한 동적인 장시험을 수행하였다.
대상 데이터
- 따라서 다중팽창형 록볼트의 실용화를 위해 시험재료는 범용성이 있는 소재를 우선적으로 검증하여 동적팽창에 적합한 강관의 기계적 성능의 기준을 검증해야할 필요가 있다. 그리하여 일반구조용 강관(STK290)부터 배관용강관(SPPS420, SPPS380) 그리고 강관의 주요 철성분에 대한 함량기준이 명확한 기계구조용강관(ST KM11급, STKM12급)까지 시험대상으로 하였다.
- 동적팽창이 동시다발적으로 발생할 수 있는 플라즈마 록볼트에 대한 현장 성능시험을 위해 현재 11편까지 채광이 진행 중인 장성 ○○석회석 광산 내 9편 (GL-144m)내 암반 필라를 대상으로 시험을 실시하였다. 5공에 대한 동시 정착시험을 실시하였다.
- 록볼트 및 장비 조건은 사전 시험을 통해 표 4와 같이 설정하였다. 록볼트 모재가 되는 강관은 STKM12급에 속하는 기계구조용 강관을 조강하여 획득된 STKM340 용 원형파이프를 적용하였다.
이론/모형
- · 록볼트 (강철재료)에 대한 부분은 Johnson-Cook model 을 적용, MMALE(Multi-Material Arbitary Lagrange Euler) 해석을 수행한다.
- · 소성거동에 대한 시뮬레이션을 위한 지배방정식으로 Johnson-Cook의 소성모델을 적용하였고, 상기한 동적 인장시험의 결과를 이용하여 모델구성을 위한 상수들을 구하였다.
성능/효과
- · 록볼트 파괴 및 유체의 유출로 인하여, 급격하게 부피가 늘어나기 직전을 파괴부피(록볼트 최대 팽창량)로 가정할 때 · SPPS, STK계열에 비하여 STKM계열(STKM11A, STKM 12B)이 팽창량이 더 큰 것을 확인하였고, 순간적인 시간차이에 나타나는 팽창력의 차이를 통해 STKM 계열이 록볼트에 적합한 강재로 판단되었다.
- · 상기한 다섯 개의 시험편에 대한 동적인장시험의 실험 결과를 변형률속도에 대해 고찰한 결과 비교적 높은 인장강도와 30% 이상의 연신율을 나타내는 STKM12B 급의 강재가 변형률속도에 비례하여 높은 인장강도를 나타내었다.
- · 상기한 다섯 개의 시험편에 대한 동적인장시험의 실험 결과를 온도에 대해 고찰한 결과 역시 STKM12B 급의 강재가 고온에서의 peak stress 저하의 정도가 가장 적은 것으로 나타났다.
- 동적팽창의 proto type 현장시험을 시행하기에 앞서, 먼저 전기적 연결에 대한 확장성은 그림 10의 모식도와 같은 연결로써 7개 까지 실시하여 전기적으로 반응이 가능함을 확인 하였다. 이것은 방전기 용량과 관련된 부분으로 향후 실용화 단계 시 전하량과 전압에 대한 추가적 고려가 진행되어야 할 것이다.
- 단 반응의 매개체로서 활용한 CS캡슐의 역할과 성분에 대한 기술적 보증이 미흡한 것이 사용적 활용에 있어서 한 번 더 생각해 볼 필요가 있다. 반응물질의 이온화상태를 동반하는 동적팽창현상 이것을 활용하는 제품의 예로서 록볼트가 가능함을 확인할 수 있었다. 그리고 제품화 시 필요한 록볼트의 하드웨어적 강구를 완성하였다.
- 그래서 금속화합물이라는 매개체 활용을 적용한 현실적 안을 강구하였다. 본 연구를 통해 록볼트의 구조가 완성되었다고 판단할 수 있다. 록볼트의 기능의 지표인 인발하중도 기준이상임을 알 수 있었다.
- ASTM규정에서 권장하는 사항은 최대인발하중이 10mm 변위 이내에서 12tf 정도를 나타나는 것이다. 본 연구에서는 ASTM 규정보다 동적팽창 효과로 기대되는 구속효과를 고려하여 평가지표가 다소 높게 설정되었다. 2장에서 기술한 바와 같이 인발변위 3mm 이내에서 평균 15tf 수준의 최대인발하중이 기록되 었다.
- 2장에서 기술한 바와 같이 인발변위 3mm 이내에서 평균 15tf 수준의 최대인발하중이 기록되 었다. 인발강성은 5회 실험의 평균치가 8.0tf/mm이었고, 이러한 수치는 동적팽창형 록볼트가 정착재를 사용하는 기존의 록볼트 보다 터 큰 인발강성과 최대인발하중을 나타냄을 보여주고 있다. 통상 전면접착형 록볼트의 경우 시공이 온전히 이루어지고 용수 등의 조건이 없다면 2~3 tf/mm 정도의 인발강성을 보이므로 이상적 조건에서의 전면접착형 록볼트보다 동적팽창 형태의 록볼트가 더 우수한 록볼트 기능을 발휘하리라 예상된다.
후속연구
- 동시 정착 개수는 향후 더 많은 연구가 진행될 수 있다면 더 늘어날 것이며, 향후 방전기 관련 부품 및 재료 개발에 따라 궁극적으로 20개 정도의 록볼트 동시 시공을 목표로 개발할 수 있으리라 예상된다. 그리고 이러한 성과는 적용분야를 록볼트 뿐만 아니라 네일링으로도 그 범위를 확대할 수 있으리라 기대된다.
- 그리고 제품화 시 필요한 록볼트의 하드웨어적 강구를 완성하였다. 다만 본 연구를 확장해서 할수 있다면 CS캡슐 및 이와 유사한 반응물에 대한 연구를 관련업체 협동하여 진행할 필요가 있을 것으로 판단된다. 현재 개발된 록볼트 시스템은 생산과정 중에 가장 안전한 기술이다.
- 세 번째 항목인 동시정착 개수는 현장실험을 통해 5개가 되었음을 알 수 있다. 동시 정착 개수는 향후 더 많은 연구가 진행될 수 있다면 더 늘어날 것이며, 향후 방전기 관련 부품 및 재료 개발에 따라 궁극적으로 20개 정도의 록볼트 동시 시공을 목표로 개발할 수 있으리라 예상된다. 그리고 이러한 성과는 적용분야를 록볼트 뿐만 아니라 네일링으로도 그 범위를 확대할 수 있으리라 기대된다.
- 동적팽창의 proto type 현장시험을 시행하기에 앞서, 먼저 전기적 연결에 대한 확장성은 그림 10의 모식도와 같은 연결로써 7개 까지 실시하여 전기적으로 반응이 가능함을 확인 하였다. 이것은 방전기 용량과 관련된 부분으로 향후 실용화 단계 시 전하량과 전압에 대한 추가적 고려가 진행되어야 할 것이다.
- · 최대인발하중은 천공공의 상태와 록볼트와 천공벽면과의 접촉 상태에 영향을 받는 것으로 판단된다. 천공벽면상태의 확인은 측정한 장비를 활용한 프랙탈 차원분석이 필요로 하므로 향후 확장된 연구를 필요로 할것이다. 실험결과 2tf 이내의 차이를 나타내었고 평균적으로 15tf수준의 인발하중을 나타내었다.
- 플라즈마 장비의 발전뿐 만 아니라 눈부시게 발전하는 전기 · 전자부분의 발달 그리고 세계수준에 접근한 국내 강관제품의 품질을 고려할 때 터널공정 중 록볼트 설치공정의 변화는 가까운 시기에 현실화 될 것이고, 그 변화의 핵심 아젠더로서 본 연구결과에서 제시하는 다중 급속정 착형 플라즈마 록볼트가 있을 것이라 예상된다.
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