[논문]개별요소법을 이용한 스크래퍼 비트방향이 토사지반에서의 쉴드 TBM 굴진에 끼치는 영향 연구

이기준; 김훈태; 권태혁; 조계춘; 강신현

doi:10.9711/ktaj.2019.21.5.689

초록
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TBM 터널굴착에서 실질적으로 지반을 굴착하는 역할을 하는 부분인 커터헤드는 TBM 순굴진율에 직접적인 영향을 끼치는 중요한 부분이다. 따라서 현장조건과 TBM에 적합한 커터헤드 설계가 이루어져야 한다. 현재까지 수행되어온 커터헤드 설계에 관한 연구는 커터배치에 관한 연구가 대부분이다. 국내에서 동일한 조건에 스크래퍼 설치 방향만 다른 커터헤드가 현장에서 사용되고 있으나 스크래퍼 설치 방향이 TBM 굴진에 어떠한 영향을 끼치는지에 관한 연구를 찾아보기 힘들다. 따라서 본 논문에서는 스크래퍼 설치방향이 쉴드 TBM 굴진에 어떤 영향을 끼치는지 나타내었고 개별요소법을 이용하여 스크래퍼 설치 방향이 쉴드 TBM 굴진에 끼치는 영향을 확인하였다. 스크래퍼 설치 방향이 바깥쪽으로 되어있는 경우, 스크래퍼 설치 방향이 안쪽인 경우보다 커터헤드 개구부로 유입되는 단위시간당 입자의 양이 적으며 커터헤드에 더 많은 부하가 작용하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In tunnel excavation by TBMs, a cutterhead, which practically excavates the ground, is an important part directly affecting net penetration rate. Most of the researches on the cutterhead design that have been carried out until now are on the cutter arrangement. It is difficult to find a study for th...

In tunnel excavation by TBMs, a cutterhead, which practically excavates the ground, is an important part directly affecting net penetration rate. Most of the researches on the cutterhead design that have been carried out until now are on the cutter arrangement. It is difficult to find a study for the effect of the scraper installation direction on TBM excavation although same cutterheads except for direction of the scraper are used in Korea. Therefore, this paper shows how the direction of scraper installation affects shield-TBM excavation. Discrete element method was used to identify the effect of scraper installation direction on shield-TBM excavation. When the scraper installation direction was outward, the amount of particles per unit time flowed into the cutter head opening was smaller than when the scraper installation direction was inward, and more loads were applied to the cutterhead.

Keyword

표/그림 (7)

그림 Fig. 1. Cutterhead designs used in the tunnel construction sites
표 Table 1. Cutterheads information
그림 Fig. 2. Cutterhead geometries
표 Table 2. Material and interaction properties
그림 Fig. 3. Cutterhead start position and 3D ground model
그림 Fig. 4. Inflow particles into the cutterhead
그림 Fig. 5. Pressure on the cutterhead base plate and the scraper

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 스크래퍼의 설치 방식이 굴진성능에 어떠한 영향을 끼치는지 알아보고자 한다. 이를 위해 국내 터널현장에서 실제로 사용되고 있는 동일한 커터헤드에 스크래퍼 설치 방향을 안쪽과 바깥쪽으로 달리 하였을때 스크래퍼 설치 방향이 쉴드 TBM 굴진에 어떠한 영향을 끼치는지 개별요소법(DEM)을 이용한 수치해석을 통하여 분석하였다.

제안 방법

본 논문에서는 스크래퍼의 설치 방식이 굴진성능에 어떠한 영향을 끼치는지 알아보고자 한다. 이를 위해 국내 터널현장에서 실제로 사용되고 있는 동일한 커터헤드에 스크래퍼 설치 방향을 안쪽과 바깥쪽으로 달리 하였을때 스크래퍼 설치 방향이 쉴드 TBM 굴진에 어떠한 영향을 끼치는지 개별요소법(DEM)을 이용한 수치해석을 통하여 분석하였다.
앞서 제시한 TBM굴진시 스크래퍼의 설치 방향에 따른 영향력을 검증하기 위해 개별요소법(Discrete element method, DEM)을 이용하여 스크래퍼의 설치 방향에 따른 챔버 내로 들어가는 입자의 수를 통해 스크래퍼 설치 방향에 따른 상대적인 경향성을 분석하고자 하였다.
스크래퍼의 설치 방향에 따른 챔버 내로의 입자 반입을 상대적으로 비교 검증하기위하여 경향성 분석을 실시하였으며, 시뮬레이션 해석 시간을 줄이기 위해 단일 구형의 입자로 수압조건이 없는 토사지반을 모델링 하였다(Lee et al., 2017). 입자간의 접촉방식은 탄성조건에서의 비점착력 모델인 Hertz-Mindlin (no slip)을 사용하였다.
은 두 입자간의 겹쳐진 전단방향의 길이를 의미한다. 토사입자는 구형태로 크기는 스크래퍼와 스크래퍼 사이의 가장 작은 개구부 폭으로 입자가충분히 들어갈 수 있도록 50 mm로 설정하였고 커터에 의해 이미 파쇄된 토사에 대해서 스크래퍼에 의해 커터헤드 뒤쪽으로 반입되는 입자 수와 입자가 커터헤드에 끼치는 영향을 보기 위해 모래의 물성치를 기준으로 입자의 물성치를 Table 2와 같이 설정하였다(Das, 1997; Asaf et al., 2007; Ucgul et al., 2014). 토사지반의 규모는 굴착주변의 영향력을 보지 않기 때문에 커터헤드로부터 상하좌우 커터헤드 직경의 1/4만큼 여유를 두고 커터헤드의 길이를 고려하여 5.
커터헤드의 밀도와 Poisson’s ratio는 각각 실제 제작된 수치인 7,850 kg/m3와 0.3으로 설정하였다.
스크래퍼의 설치 방향에 대한 영향력을 보기 위해 실제 현장에서 사용된 3.54 m급 커터헤드의 크기에 스크래퍼와 개구부로만 지오메트리를 단순화하였다(Fig. 2). 커터헤드의 개구부와 스크래퍼는 대칭으로 되어 있기 때문에 회전방향에 대한 차이는 없다.
34 m/h로 일정하게 굴진하도록 하였다. 토사지반을 모사할 때 커터헤드 안으로 입자가 들어가지 않게 하기 위해 커터 안에 입자가 들어가지 못하게 설정한 후 커터헤드 굴진이 시작되는 순간부터 커터헤드 안으로 입자가 들어오게 하였다. 커터헤드의 회전 속도는 4 rpm으로 1회전 시 15초가 소요되었다.
커터헤드의 회전 속도는 4 rpm으로 1회전 시 15초가 소요되었다. 커터헤드 굴진 시 스크래퍼가 안쪽으로 설치되었을 때와 바깥쪽으로 설치되었을 때의 1회전 시 개구부로 들어가는 입자의 수에 따른 부피와 커터헤드에 작용하는 압력을 측정하고 비교하였다.

대상 데이터

첫 번째 커터헤드 A는 대한민국 경기도 ○○현장에 사용된 커터헤드이며 두 번째 커터헤드 B는 대한민국 전라도 ○○ 현장에 사용된 커터헤드이다(Fig. 1). 두 커터헤드의 크기는 같고 스크래퍼 설치 방향을 제외하고 같은 소재와 같은 커터를 장착하고 있다(Table 1).
실제사례를 보면 화강암질 편마암지역에서 두 번째 커터 교체시기부터 스크래퍼가 함께 교체되었고 교체주기당 1개 또는 2개의 스크래퍼가 교체되었으며 많은 경우는 3개가 교체되었다(Wang et al., 2015). 따라서 스크래퍼가 바깥쪽으로 설치되었을 때, 암반에서의 굴착 시 마모로 인해 커터교체 주기당 최대 3개 이상의 스크래퍼가 교체될 가능성이 있다.
2 m 로 설정되었다. 토사지반을 구현하는데 소요된 총 입자 수는 239,957개이다.

이론/모형

, 2017). 입자간의 접촉방식은 탄성조건에서의 비점착력 모델인 Hertz-Mindlin (no slip)을 사용하였다. Hertz-Mindlin 모델은 Hertz가 제안한 탄성조건에서의 두 입자간의 동일선방향으로 작용하는 수직력과 이에 대한 변위를 나타내는 모델(Hertz, 1882)에서 Mindlin과 Deresiewicz가 추가적으로 입자간의 접선방향으로의 힘과 변위에 대한 모델(Mindlin and Deresiewicz, 1953)을 추가함으로써 여러 연구자들을 거쳐 아래와 같이 나타 내게 되었다.
스크래퍼 설치 방향이 쉴드 TBM 굴진에 끼치는 영향을 개별요소법을 통해 확인하였다. 커터헤드 전체 개구율은 약 2% 차이가 나지만 개구부를 통해 커터헤드 뒤쪽으로 들어오는 시간당 입자의 양은 스크래퍼 설치방향이 바깥쪽인 경우, 스크래퍼 설치 방향이 안쪽인 경우의 약 1/3이며 커터헤드 주 면판과 스크래퍼가 받는 압력 또한 스크 래퍼 설치 방향이 바깥쪽인 경우, 스크래퍼 설치 방향이 안쪽인 경우보다 약 2배 이상 크게 나왔다.

성능/효과

두 커터헤드의 크기는 같고 스크래퍼 설치 방향을 제외하고 같은 소재와 같은 커터를 장착하고 있다(Table 1). 스크래퍼가 바깥쪽을 향하도록 설치할 경우, 개구부 가운데에 설치하기 위해 추가적인 부재가 들어감에 따라 전체 개구율이 스크래퍼가 안쪽을 향하도록 설치할 때보다 17%에서 약 15%로 약 2%정도 감소하였다.
반대로 스크래퍼가 바깥쪽을 향하게 설치되어 있는 경우 스크래퍼가 안쪽을 향하고 있을 때 보다 개구부의 폭이 좁아지게 되어 챔버 내로 반입 되는 버력의 크기가 상대적으로 스크래퍼가 안쪽을 향하고 있을 때보다 작아지게 되며 전체 커터헤드 개구율도 기존의 수치와 큰 차이를 보이지 않아 개구율을 기존 설계 개구율에 가깝게 유지시킬 수 있다. 따라서 챔버 내로 반입되는 버력의 크기만을 고려하였을 때, SPB-TBM과 같이 버력 배출관의 직경 등에 의해 버력크기 제한이 비교적 높은 쉴드 TBM에는 스크래퍼를 바깥쪽으로 향하게 설치하는 것이 적합할 것으로 판단된다.
스크래퍼 설치 방향이 안쪽인 경우, 커터헤드의 주 면판과 스크래퍼가 받는 압력은 시간에 따라 다소 일정한 양상을 보이고 있으나 스크래퍼 설치 방향이 바깥쪽인 경우, 스크래퍼 설치 방향이 안쪽인 경우에 받는 압력의 3배가 되는 압력이 커터헤드 주 면판과 스크래퍼에 가해진 후 커터헤드가 반바퀴를 지나서 약 216°만큼 회전한 9초 이후 어느정도 커터헤드 주 면판과 스크래퍼에 가해지는 압력이 안정화되었다(Fig. 5).
스크래퍼 설치 방향이 쉴드 TBM 굴진에 끼치는 영향을 개별요소법을 통해 확인하였다. 커터헤드 전체 개구율은 약 2% 차이가 나지만 개구부를 통해 커터헤드 뒤쪽으로 들어오는 시간당 입자의 양은 스크래퍼 설치방향이 바깥쪽인 경우, 스크래퍼 설치 방향이 안쪽인 경우의 약 1/3이며 커터헤드 주 면판과 스크래퍼가 받는 압력 또한 스크 래퍼 설치 방향이 바깥쪽인 경우, 스크래퍼 설치 방향이 안쪽인 경우보다 약 2배 이상 크게 나왔다. 즉, 스크래퍼를 바깥쪽 방향으로 설치하는 것은 개구부를 통해 들어오는 단위 시간당 입자의 양을 감소시키며 커터헤드가 받는 부하를 가중시킨다.
따라서 SPB-TBM과 같이 버력 배출관의 직경에 따른 버력크기의 제한을 받는 경우를 제외하고는 스크래퍼 설치 방향을 안쪽으로 하는 것이 상대적으로 더 적은 에너지로 효율적인 굴진을 할 수 있다고 판단된다. 본 연구결과는 해석시간을 고려하여 토사지반(사질성 지반)을 모사하는데 있어서 입자의 크기가 실제와는 다르나 경향성을 통하여 스크래퍼 설치방향에 따른 굴착효율의 차이를 확인 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EPB-TBM이 예상하지 못한 복합 지반에도 대응이 가능한 이유는 무엇인가?	EPB-TBM은 챔버 내 굴착된 토사에 첨가제를 주입하여 굴착된 토사를 적정 소성유동상태로 만들어 막장압에 대응하며 장비 내 지하수 유입을 막으면서 굴착해 나가는 방식을 취하며, 스크류 컨베이어를 통해 버력을 반출 한다. EPB-TBM은 토사지반뿐만 아니라 암반지반에서도 사용가능하기 때문에 예상하지 못한 복합 지반에 대응이 가능하며 지상설비가 이수식에 비해 비교적 간단한 편이다.
	EPB-TBM은 어떤 방식으로 작업을 수행하는가?	EPB-TBM은 챔버 내 굴착된 토사에 첨가제를 주입하여 굴착된 토사를 적정 소성유동상태로 만들어 막장압에 대응하며 장비 내 지하수 유입을 막으면서 굴착해 나가는 방식을 취하며, 스크류 컨베이어를 통해 버력을 반출 한다. EPB-TBM은 토사지반뿐만 아니라 암반지반에서도 사용가능하기 때문에 예상하지 못한 복합 지반에 대응이 가능하며 지상설비가 이수식에 비해 비교적 간단한 편이다.
	SPB-TBM의 단점은 무엇인가?	SPB-TBM은 챔버 내 이수의 압력으로 막장압에 대응하는 방식을 취하며, 파이프를 통해 이수와 섞인 버력을 반출한다. 이에 따라 이수와 섞인 버력을 반출하는 과정에서 입자가 큰 물질을 걸러주는 시스템 및 이수로 인한 산업폐기물을 처리하는 시스템을 갖추고 이수플랜트 설비를 지상에 갖추어야 하는 등 EPB-TBM에 비해 버력반출 공정이 복잡하고 초기비용이 더 투입되는 단점이 있다.

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