[논문]Shield TBM 챔버 내 mixing bar 교반 효율에 대한 기본연구

황병현; 김상환; 이경헌; 안준규; 조성우; 김연덕

doi:10.9711/ktaj.2020.22.1.091

초록
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본 연구는 Shield TBM의 챔버 내 교반봉의 영향범위 및 배토효율 향상을 위한 기초연구이다. 현재 국내Shield TBM의 연구에 있어 디스크 커터, 커터 비트, 세그먼트에 관한 연구는 많이 이루어져 있다. 하지만 Shield TBM 굴착 시 막장면에서 유입되는 토사 및 암반들을 교반시켜 스크류 컨베이어로 배토시키는 연구는 해외에 비해 미비하다. 본 연구에서는 기존 Shield TBM 챔버를 축소모형으로 제작하여 실험을 진행하였다. 챔버 내부는 크기(4 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm)와 색(검은색, 흰색, 빨간색, 파란색)이 다른 시료를 사용해 층을 형성하였다. 이에 대하여 RPM과 교반봉의 형상 및 크기에 차이를 두어 실험을 진행하였다. 또한 중력의 방향이 교반 효율에 끼치는 영향을 파악하기 위하여 축소모형을 세웠을 때와 눕혔을 때의 교반 차이를 확인해 보았다. 이는 중력방향의 차이 외의 다른 조건은 모두 동일하게 진행하였다. 본 실험을 통해 챔버모형의 설치 방향, 내부의 교반봉 크기 및 형상, RPM에 따른 교반효과 및 Torque를 파악하였다. 교반효과 및 Torque를 비교 검토한 결과 교반봉의 형상 및 크기는 시료의 교반에 영향을 끼치며, 중력방향은 Torque에 영향을 끼치는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is the basic study for improving the range of influence and potency of mixing bars in the chamber of Shield TBM. Currently, there are many studies on disk cutters, cutter bits and segments in the study of the domestic Shield TBM. However, studies that mix soil and rocks that come from the...

This study is the basic study for improving the range of influence and potency of mixing bars in the chamber of Shield TBM. Currently, there are many studies on disk cutters, cutter bits and segments in the study of the domestic Shield TBM. However, studies that mix soil and rocks that come from the membrane during the Shield TBM excavation and scatter them with screw conveyors are not as good as those abroad. In this study, the existing Shield TBM Chamber was manufactured as a miniature and the experiment. Inside the chamber, different sizes (4 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm) and colors (black, white, red, and blue) were used to form layers. This experiment was carried out by different shapes and sizes of RPM and mixing bars. In addition, the difference between a miniature model and a reclining one was checked to determine the effect of the direction of gravity on the mixing efficiency. This was done in the same way for all other conditions other than differences in the direction of gravity. Through this experiment, we identified the orientation of the chamber model, the size and shape of the mixing bar inside, and the mixing effect and torque depending on RPM. A comparative review of the mixing effect and torque confirmed that the shape and size of the mixing bar affect the mixing of samples, and that the direction of gravity affects torque.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. View of the model chamber
그림 Fig. 2. Sample case
표 Table 1. Chamber
표 Table 2. Sample angle of repose
그림 Fig. 3. Electronic control system
표 Table 3. Shape and size of mixing bar
그림 Fig. 4. Equipment front view
표 Table 4. Test cases (chamber along horizontal direction)
표 Table 5. Test cases (chamber with vertical direction)
표 Table 6. Chamber along horizontal direction RPM 5
그림 Fig. 5. Torque according to time at RPM5
표 Table 7. Chamber along horizontal direction RPM 10
그림 Fig. 6. Torque according to time at RPM10
표 Table 8. Chamber with vertical direction RPM 5
표 Table 8. Chamber with vertical direction RPM 5 (continue)
표 Table 9. Chamber with vertical direction RPM 10
그림 Fig. 7. Torque according to time at RPM5
그림 Fig. 8. Torque according to time at RPM10
그림 Fig. 9. Torque according to time at RPM5
그림 Fig. 10. Torque according to time at RPM10
표 Table 10. Torque value average of mixing bar according to RPM

AI 본문요약
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제안 방법

Fig. 3(a)와 같이 장비 뒤쪽에 감속장치와 구동모터를 설치하여 챔버 내 교반기구를 회전 가능하도록 하였다. Fig.
이와 같이 국내 커터헤드 챔버에 대한 연구는 미비함을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Shield TBM 챔버를 축소모형으로 제작하였으며, 교반봉(Mixing bar)의 크기 및 형상에 차이를 두어 실험하였다. 이를 통해 Sheild TBM 챔버 내 교반봉의 크기 및 형상이 교반 효율에 미치는 영향을 파악하였다.
교반봉 자체의 교반 효율을 확인하기 위하여 실제 TBM 장비와 다르게 교반봉이 회전하도록 제작하였으며, 이는 시료의 교반에 작용하는 외적 요인들을 최대한 줄이기 위함이다. 또한 RPM 조절이 가능하게 하여 RPM의 정도에 따른 교반 능력도 확인할 수 있도록 장비를 제작하였다.
또한 흙 응집력이 강한 실트와 점토, 굴착 시 압력, 스크류 컨베이어 압력, 커터헤드 및 스크류 컨베이어의 Torque와 회전속도 등과 같은 주요 작동 매개변수를 상세히 연구하여 어떠한 영향을 미치는지 파악하였다.
본 실험은 교반 효율 향상을 위한 기초실험으로 Fig. 1과 같이 Shield TBM 챔버와 챔버 내의 교반기구를 축소모형으로 제작하였다. 교반봉 자체의 교반 효율을 확인하기 위하여 실제 TBM 장비와 다르게 교반봉이 회전하도록 제작하였으며, 이는 시료의 교반에 작용하는 외적 요인들을 최대한 줄이기 위함이다.
시료의 형상 및 크기, RPM, 중력이 교반 효율에 끼치는 영향을 파악하기 위해 실험을 진행하였으며, Fig. 4와 같이 축소모형 장비를 세운 상태와 눕혔을 때의 상태로 실험을 진행하였다. 실험 Case는 Tables 4, 5와 같다.
장비운용에 앞서 실험에 사용될 시료에 대한 안식각을 측정하였다. 이는 크기가 다른 플라스틱 시료들 각각의 마찰력 최대 한계를 측정하기 위하여 진행하였으며, 아크릴 토조에 시료를 채운 후 전면부를 개방하여 시료가 흘러내리게 하였다. 안식각의 측정은 시료의 움직임이 멈춘 후 측정하였으며, 전경은 Fig.
따라서 본 연구에서는 Shield TBM 챔버를 축소모형으로 제작하였으며, 교반봉(Mixing bar)의 크기 및 형상에 차이를 두어 실험하였다. 이를 통해 Sheild TBM 챔버 내 교반봉의 크기 및 형상이 교반 효율에 미치는 영향을 파악하였다.
장비운용에 앞서 실험에 사용될 시료에 대한 안식각을 측정하였다. 이는 크기가 다른 플라스틱 시료들 각각의 마찰력 최대 한계를 측정하기 위하여 진행하였으며, 아크릴 토조에 시료를 채운 후 전면부를 개방하여 시료가 흘러내리게 하였다.

대상 데이터

교반봉의 크기와 형상이 교반 효율에 끼치는 영향을 알아보기 위해 형상은 정사각형과 원형으로 제작하였으며, 크기는 10 mm, 15 mm, 20 mm 총 3가지의 직경으로 제작하였다. 모든 교반봉의 길이는 75 mm로 동일하며 Table 3과 같다.
축소모형 실험에 사용된 시료들은 모두 플라스틱 소재이며, 크기(4 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm)와 색(흑색, 백색, 적색, 청색)의 차별을 두어 조성하였다. 이는 균질하지 못한 지반상태를 모사한 것이며, 육안으로 쉽게 파악이 가능하게 하기 위하여 색을 달리 하였다.
축소모형 장비는 실제 사용되고 있는 8 m급 TBM 장비를 약 20:1로 축소하여 제작하였다. Table 1은 축소모형으로 제작한 챔버의 제원이며 내경을 의미한다.
황병현은 데이터 분석, 원고 작성을 하였고, 김상환은 연구 개념 및 설계를 하였고, 이경헌은 데이터 수집 및 분석을 하였고, 안준규는 데이터 해석을 하였고, 조성우는 데이터 수집을 하였고, 김연덕은 원고 검토를 하였다.

성능/효과

또한 흙 응집력이 강한 실트와 점토, 굴착 시 압력, 스크류 컨베이어 압력, 커터헤드 및 스크류 컨베이어의 Torque와 회전속도 등과 같은 주요 작동 매개변수를 상세히 연구하여 어떠한 영향을 미치는지 파악하였다. 12개의 압력 센서가 측정한 굴착 시 압력은 최대 3~3.5 bar까지 변화 되었으며 굴착과 정지 상태에서 챔버의 압력은 변화했다. 챔버 내 여러 높이에서 발생하는 반응은 동시반응 하였다.
Fig. 5와 Fig. 6을 비교해보면 정사각형 교반봉의 경우 원형 교반봉보다 Torque가 크게 측정되는 것을 확인 할 수 있었으며, 직경이 커질수록 Torque 또한 커지는 것을 확인할 수 있다.
Fig. 7과 Fig. 8을 비교해보면 정사각형 교반봉의 경우 원형 교반봉보다 Torque가 크게 측정되는 것을 확인 할 수 있었으며, 직경이 커질수록 Torque 또한 커지는 것을 확인할 수 있다.
또한 중력 방향에 따라 영향을 받는 것을 확인할 수 있는데 이는 다른 요인들 보다 확연한 차이를 보여준다. 결과를 확인해 보면 수직방향의 Torque 값이 수평방향의 Torque 값보다 크게 나타나는 것을 볼 수 있다.
총 압력은 혼합 지수에서 작은 영향만 가지며, 높은 압력은 혼합을 약간 지연시켰다. 그리고, 교반봉은 토양 혼합 패턴 효율에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 과도한 교반기구의 사용은 Shield TBM의 Torque 및 RPM에 영향을 미칠 수 있으며, 미흡한 교반에 의해 스크류 컨베이어의 배토 효율이 일정하지 않다면 굴진 성능과 막장 안정에 영향을 미칠 수 있다.
2%로서 상대적으로 낮은 수치를 보인다. 기술격차로 확인해 보면 스크루 컨베이어는 3.8년 커터헤드 챔버는 6.8년으로서 상대적으로 큰 격차를 보임을 알 수 있다.
세부적으로 확인해 보면 벨트 컨베이어는 69.2%, 굴착토 처리기술은 64.2%의 기술수준으로서 상대적으로 높으며 커터헤드 챔버의 기술수준은 54.2%로서 상대적으로 낮은 수치를 보인다.
또한 교반기구에 중력방향에 따라 실험한 결과 중력방향에 따라서도 교반되는 영향 범위와 Torque 값이 다르게 나타난다. 위 결과를 토대로 중력방향이 수직, 수평 일 때를 비교하면 정사각형 Mixing bar가 교반기구의 RPM이 증가할수록 Mixing bar에 의해 교반되는 영향범위는 증가하는 경향을 나타냈다. Table 8은 실험 Case에 대한 평균 Torque로 RPM증가에 따른 Torque도 원형보다는 정사각형일 경우 증가하는 경향을 나타냈다.

후속연구

본 실험 결과 최적의 교반을 위해서는 시료와 Mixing bar의 형상 및 크기, 중력방향에 따른 영향도 중요한 인자로 작용하며, 향후 Mixing bar의 위치 및 개수, 장비 부하와 관련된 RPM과 Torque에 관한 추가 적인 연구를 진행하여야 한다.
이상 본 연구결과는 Shield TBM 내 챔버 설계 및 기술개발 향상에 매우 유용하게 활용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Shield TBM 공법이 막장면의 붕괴를 어떻게 방지하는가?	Shield TBM 공법은 강재원통형의 굴착기계를 수직 작업구 내에 투입시켜 기계의 선단부에 장착되어 있는 굴착용 커터헤드를 회전시키며 지반을 굴착한다. 그리고 동시에 각종 안정재 주입을 하고 챔버 내의 압력을 유지하면서 막장면의 붕괴를 방지한다. 1싸이클 굴착이 종료되면 굴진기 후미에서 지보재인 세그먼트를 설치하는 것을 반복하면서 굴착하는 공법이다.
	Shield TBM 공법은 어떻게 나누어지는가?	Shield TBM 공법은 디스크커터와 커터비트를 통해 토사 및 암반을 절삭하며 굴진하게 된다. Shield TBM은 막장면 지지방법에 따라 토압식(Earth Pressure Balanced, EPB)과 이수식(Slurry Pressure Balanced, SPB) TBM으로 나뉜다(Park et al., 2015).
	최적의 교반을 위해 Shield TBM 내 챔버 설계 시 고려해야 할 인자는 무엇인가?	본 실험 결과 최적의 교반을 위해서는 시료와 Mixing bar의 형상 및 크기, 중력방향에 따른 영향도 중요한 인자로 작용하며, 향후 Mixing bar의 위치 및 개수, 장비 부하와 관련된 RPM과 Torque에 관한 추가 적인 연구를 진행하여야 한다.

참고문헌 (7)

KAIA (Korea Agency for Infrastructure Technology Advancement) (2015), Final report on localization of TBM in medium and large section, Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, pp. 13-281.
Kim, D.Y., Kang, H.B., Shin, Y.J., Jung, J.H., Lee, J.W. (2018), "Development of testing apparatus and fundamental study for performance and cutting tool wear of EPB TBM in soft ground", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 2, pp. 453-467.
Kim, J.D. (2011), A study on ground behavior of model test shield TBM during excavation, Master's Thesis, Dept. of Civil Engineering, Hoseo University, pp. 1-75.
Kim, S.H., Oh, T.S., Park, S.H., Lee, C.Y., Park, J.K. (2014), "Development of simulation equipment system on EPB shield TBM hood operation", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 16, No. 2, pp. 193-201.

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Kong, M.T., Kim, Y.D., Lee, K.H., Hwang, B.H., An, J.K., Kim, S.H. (2019), "Development of shield-TBM scale model system for excavation of curved section", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 21, No. 6, pp. 849-860.
Mosavat, K., Mooney, M. (2015), "Examinnation of excavation chamber pressure on a 17.5 m diameter Earth pressure balance tunnel boring machine", Proceedings of the International Conference on Tunnel Boring Machines in Difficult Grounds (TBM DiGs), Singapore, pp. 1-11.
Park, H.K., Chang, S.B., Lee, S.B. (2015), "A study of shield TBM tunnelling-induced volume loss estimation considering shield machine configurations and driving data", Tunnel and Underground Space, Vol. 25, No. 5, pp. 397-407.

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