[논문]축소 모형실험을 통한 토피조건별 이수압식 쉴드 TBM의 챔버압 및 이수분출 가능성 평가

고성일; 신현강; 나유성; 정혁상

doi:10.9711/ktaj.2020.22.3.277

축소 모형실험을 통한 토피조건별 이수압식 쉴드 TBM의 챔버압 및 이수분출 가능성 평가
A study on the face pressure control and slurry leakage possibility using shield TBM model test 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.22 no.3, 2020년, pp.277 - 291

고성일 ((주)서하기술단) , 신현강 (포스코건설 인프라사업본부) , 나유성 ((주)서하기술단 지반터널부) , 정혁상 (동양대학교 철도건설안전공학과)

초록
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쉴드 TBM은 기존 재래식 터널(Drill and Blast)에 비하여 터널을 굴착하는 지반 및 선형조건에서 적용범위가 넓은 공법으로 대단면, 대심도, 초연약지반에서의 터널링 공법으로 중요성이 부각되고 있으며, 현재 13.3 m의 대구경 slurry 쉴드 TBM이 한강 하부 통과를 위한 시공을 준비하고 있다. 쉴드 TBM은 이수압식과 토압식 쉴드 TBM으로 구분되고, 각각의 특성에 따라 시공 중 관리 항목이 달라진다. 본 논문에서는 연약지반에 주로 시공되는 이수압식 쉴드 TBM을 대상으로 장비형식, 발생기원, 적용 사례 및 트러블 사례를 분석하였다. 또한, 적정 챔버압, 장비 전방으로의 이수 분출(또는 누수)가능성을 토피고 조건에 따라 2D 및 3D 모형실험 실시하였다. 이를 토대로 연약지반 조건에서 이수압식 쉴드 TBM 시공 시 적정 굴진면 토압과 챔버압 예측을 위한 기초 및 참고자료 제공 그리고 토피고 조건에 따른 이수분출 위험 높이를 제안하여 이수분출로 인한 안정성 및 환경요인 저하원인을 최소화하기 위한 방안을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Shield TBM is a tunnelling method that has a wider range of applications in the poor ground condition compared to conventional tunnels (Drill and Blast). Currently, a 13.3 m large-diameter slurry shield TBM is preparing for construction to pass under the Han River. Shield TBM is divided into slurry and EPB shield TBM, and management items during construction are different depending on each characteristic. In this paper, the equipment type, origin, application case and trouble case were analyzed for slurry shield TBM, which is mainly constructed in soft ground. In addition, 2D and 3D model tests were conducted on the condition of soil depth for the possibility of slurry leakage into front of the equipment, with appropriate chamber pressure. Based on this paper, it proposed to provide basic and reference data for proper excavation surface pressure and chamber pressure during construction of slurry shield TBM under soft ground conditions, and proposed measures to minimize stability and environmental decline due to slurry ejection.

주제어

표/그림 (21)

그림 Fig. 1. Case study by shield TBM type (Japan Power Construction Association, 2001)
그림 Fig. 2. Case study by tunnel diameter (Japan Power Construction Association, 2001)
그림 Fig. 3. Case study by hydraulic condition (Japan Power Construction Association, 2001)
그림 Fig. 4. Case study by ground condition (Japan Power Construction Association, 2001)
그림 Fig. 5. Flooding of the tunnel under the River Thames on 12th January
그림 Fig. 6. Slurry shield used by Greathead, Patented 1874
그림 Fig. 7. Chamber pressure control system of mixed shield TBM (Guglielmetti et al., 2003)
그림 Fig. 8. Slurry seepage type of tunnel face (Müller-Kirchenbauer, 1972)
그림 Fig. 9. Outline of occurred collapse
그림 Fig. 10. Site picture after collapse
그림 Fig. 11. 2-dimensional model test box
그림 Fig. 12. 3-dimensional model test box
그림 Fig. 13. Grain size distribution curve
표 Table 1. Physical and mechanical properties of soil
그림 Fig. 14. Overall shape of the failure mechanism observed in sand and clay
표 Table 2. Support pressure used in several Japanese tunnelling projects (Japan Power Construction Association, 2001)
그림 Fig. 15. Tunnel face pressure diagram of 2-dimensional model test box
그림 Fig. 16. Face pressure comparison measured value with theoretical value
그림 Fig. 17. 2-dimensional test result
그림 Fig. 18. 3-dimensional test result
그림 Fig. 19. Ground settlement according to face pressure

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 연약지반에서 쉴드 TBM의 적용 사례 중 암반지반에서 적용되는 경우와는 다른 성격의 트러블사례를 고찰하였으며, 쉴드 TBM공법 적용 시 가장 주요한 사안인 지표 침하제어를 위한 챔버압 관리에 대한 축소모형실험을 수행하였다. 또한, 천층조건의 연약지반에서 이수압식 쉴드 TBM을 적용할 경우 소요 챔버압을 굴진전면에 작용시킨다고 해도 연약한 지층조건과 지반의 불균질성으로 인하여 이수가 쉴드 TBM 장비 전방의 지표로 분출할 가능성이 있고, 이로 인한 환경피해 및 민원 발생 가능성이 산재함에 따라 축소모형실험을 통하여 이수분출 제어를 위한 적정 토피고가 확보되는 종단계획 수립에 대한 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 연약지반에서 쉴드 TBM의 적용 사례 중 암반지반에서 적용되는 경우와는 다른 성격의 트러블사례를 고찰하였으며, 쉴드 TBM공법 적용 시 가장 주요한 사안인 지표 침하제어를 위한 챔버압 관리에 대한 축소모형실험을 수행하였다. 또한, 천층조건의 연약지반에서 이수압식 쉴드 TBM을 적용할 경우 소요 챔버압을 굴진전면에 작용시킨다고 해도 연약한 지층조건과 지반의 불균질성으로 인하여 이수가 쉴드 TBM 장비 전방의 지표로 분출할 가능성이 있고, 이로 인한 환경피해 및 민원 발생 가능성이 산재함에 따라 축소모형실험을 통하여 이수분출 제어를 위한 적정 토피고가 확보되는 종단계획 수립에 대한 연구를 수행하였다.
이와 같이 점토지반에서는 챔버압 산정을 위한 파괴이론에 대한 연구가 미흡하고 불확실성이 큰 지반변수 상에서 챔버압을 정량적 수식으로 나타내기에는 한계가 있다. 이에 잘못된 챔버압을 가압할 경우 지반의 함몰이나 이수누출의 가능성이 큰 천층터널에서 이론챔버압과 실제챔버압을 비교하기 위해 터널 굴진면에서 심도별 챔버압을 측정해 보았다.

제안 방법

3. 3D 모형시험에서는 계측을 통해 이론챔버압으로 가압한 경우의 지반거동과 챔버압을 높이면서 지반 내 할렬파괴가 발생해 이수가 분출(Leakage)할 때까지 가압하여 두 압력간의 차이를 분석하였다. 실험결과 터널심도(터널 토피고)가 0.
고성일은 데이터해석, 원고 작성 및 검토를, 신현강은 연구개념 설정 및 원고 검토를, 나유성은 데이터 수집 및 분석, 정혁상은 작성내용을 수정 ‧ 보완하였다.
고수압 조건의 연약지반에 이수압식 쉴드TBM을 적용하는 경우 저토피구간에서 이수누출 가능성을 판단하기 위해 축소모형실험을 수행하였다(Ajou University IGUA, 2010). 직경 10 m 이상의 고수압조건에서 이수압식쉴드 TBM 형식이 토압식보다 많이 적용되고 있기 때문에, 본 연구에서는 쉴드외경 12 m의 TBM을 가정해 1/40 크기의 모형 이수압식 쉴드TBM과 모형토조를 제작하였다(Figs.
모형지반으로는 연약지반 시료를 채취하여 토조를 제작하였다. 균질한 지반을 조성하기 위해 다짐을 실시하였고 층별 다짐 후 베인시험(KS F 2342)과 휴대용 콘관입시험(DIN 4094)을 수행해 지반의 균질함을 확인하였다. 모형지반의 물리적 성질 및 역학적 성질은 Fig.
굴진면이 안정을 이루기위해서는 굴진면 토압과 챔버압이 같아 지중 및 지표변위가 없는 상태가 가장 이상적인 상태라고 할 수 있다. 따라서 챔버압이 구속되어 변위가 발생하지 않는 상태를 모사하여 실험하였으며, 이론챔버압은 식 (1)을 이용해 계산해 계측 굴진면 토압과 비교하였다. 토압계수 K는 정지토압이나 주동토압을 이용해서 이론상 계산하지만 얕은 심도의 연약한 점토지반임을 고려하여 0~1.
모형실험(Fig. 15)에서는 터널 심도와 지하수위를 변화시키면서 얕은 토피에서 터널굴착 시 작용하는 챔버압을 검토하였다. 점성토지반에서는 투수계수가 낮아 상부수압이 하중으로만 작용하므로 지하수위는 상재하중으로 나타내었다.
11, 12). 모형실험기는 이수압에 의한 지반변위, 이수누출 등의 현상을 파악하기 위한 2차원 모형실험기와 쉴드TBM 굴진, 굴착토 배출, 이수가압 등의 영향을 총체적으로 고려할 수 있는 3차원 모형실험기를 제작하여 이수가압에 의한 지반변위 및 이수누출 현상을 비교검토 하였다.
11, 12). 모형실험기는 이수압에 의한 지반변위, 이수누출 등의 현상을 파악하기 위한 2차원 모형실험기와 쉴드TBM 굴진, 굴착토 배출, 이수가압 등의 영향을 총체적으로 고려할 수 있는 3차원 모형실험기를 제작하여 이수가압에 의한 지반변위 및 이수누출 현상을 비교검토 하였다.
실험에 사용한 이수는 벤토나이트를 농도 5%로 증류수와 혼합하여 24시간의 안전화를 거친 뒤에 사용하였으며, 슬러리 콘트롤 장치로부터 챔버압을 조정하였다. 모형지반으로는 연약지반 시료를 채취하여 토조를 제작하였다. 균질한 지반을 조성하기 위해 다짐을 실시하였고 층별 다짐 후 베인시험(KS F 2342)과 휴대용 콘관입시험(DIN 4094)을 수행해 지반의 균질함을 확인하였다.
본 연구에서는 이수압식 쉴드 TBM의 적용사례 ‧ 조건, 굴진면 안정기구를 문헌고찰을 통하여 재고하였고, 축소 모형실험을 통한 토피조건별 이수압식 쉴드 TBM의 챔버압 및 이수분출 가능성 평가를 위하여 2D 및 3D 모형실험을 수행하였다. 이에 대한 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
점성토지반에서는 투수계수가 낮아 상부수압이 하중으로만 작용하므로 지하수위는 상재하중으로 나타내었다. 실험 중 천단부 심도를 0, 1.0D, 2.0D, 지하수위를 지표, 0.8D, 1.5D, 2.2D, 2.9D로 변화시키면서 이론챔버압과 실제 측정한 챔버압을 비교하였다.
연약지반에서 이수압식 쉴드TBM으로 천층터널 굴착 시 이수압에 따른 굴진면의 안정성과 주변지반의 거동을 파악하고 이수압 분출 가능성을 평가하기 위해 쉴드외경 Ø12 m 터널을 1/40규모로 축소한 모형실험을 수행하였다(Fig. 12 참조).
이수압식 쉴드TBM 공법의 굴진면 안정기구는 가압된 이수압력에 의해 굴진면 토압, 수압에 저항하여 굴진면의 안정을 도모하면서 굴진면의 변형 및 지반침하를 억제하게 된다. 이를 위하여 굴진면에 저투수성 이수 침투에 따른 Mudcake를 형성하여 이수압력을 유효하게 작용시킴과 동시에 굴진면의 일정 범위에 침투하여 지반의 점착력을 증가시킨다.
고수압 조건의 연약지반에 이수압식 쉴드TBM을 적용하는 경우 저토피구간에서 이수누출 가능성을 판단하기 위해 축소모형실험을 수행하였다(Ajou University IGUA, 2010). 직경 10 m 이상의 고수압조건에서 이수압식쉴드 TBM 형식이 토압식보다 많이 적용되고 있기 때문에, 본 연구에서는 쉴드외경 12 m의 TBM을 가정해 1/40 크기의 모형 이수압식 쉴드TBM과 모형토조를 제작하였다(Figs. 11, 12). 모형실험기는 이수압에 의한 지반변위, 이수누출 등의 현상을 파악하기 위한 2차원 모형실험기와 쉴드TBM 굴진, 굴착토 배출, 이수가압 등의 영향을 총체적으로 고려할 수 있는 3차원 모형실험기를 제작하여 이수가압에 의한 지반변위 및 이수누출 현상을 비교검토 하였다.
챔버에 작용하는 수압조건 및 지층구성에 따른 쉴드TBM 공법의 적용사례 분석을 위해 쉴드TBM 터널 시공경험이 많은 일본의 최근 10년간 쉴드 TBM 시공현황을 분석하였다. 1998년에서 2008년 사이 일본에서 시공된 쉴드 TBM사례 중 직경 5.
6 m의 이수압식 쉴드 TBM장비를 이용하여 시공하였다. 터널의 총연장은 1,860 m이며 대부분 구간이 국도 2호선 하부이거나 수도관, 통신선 등의 지장물을 통과하여 시공되므로 터널 시공에 따른 지장물의 영향을 최소화하기 위해 ECL 공법을 적용하여 라이닝을 설치하였다.
따라서 챔버압이 구속되어 변위가 발생하지 않는 상태를 모사하여 실험하였으며, 이론챔버압은 식 (1)을 이용해 계산해 계측 굴진면 토압과 비교하였다. 토압계수 K는 정지토압이나 주동토압을 이용해서 이론상 계산하지만 얕은 심도의 연약한 점토지반임을 고려하여 0~1.0까지 비교하였을 때, 토압계수 1.0을 적용한 Fig. 16의 점선이 계측된 굴진면 토압과 큰 차이가 없는 것을 알 수 있어 이론적 굴진면 토압을 3차원 모형실험에 사용하였다.

대상 데이터

실험에 사용한 이수는 벤토나이트를 농도 5%로 증류수와 혼합하여 24시간의 안전화를 거친 뒤에 사용하였으며, 슬러리 콘트롤 장치로부터 챔버압을 조정하였다. 모형지반으로는 연약지반 시료를 채취하여 토조를 제작하였다.

이론/모형

이러한 지반조건에서 최초로 쉴드 TBM을 적용한 사례는 1828년 영국의 Thame강 하부굴착이다. 굴진면 안정성 확보를 위하여 Admiral Sir Thomas Cochrane이 제안한 압축공기를 이용하는 방법이 사용되었으며(Fig. 5), 압축공기에 의한 방법을 개선하고자 개발된 형식이 1874년 Greathead (Copperthwaite, 2016)에 적용되었던 이수압식 쉴드 TBM이다(Fig. 6).

성능/효과

1. 이수압식 쉴드 TBM은 대구경, 하해저 구간의 고수압 조건에서 적용성이 높은 형식이나, 지반조건 및 토피고조건에 따라 굴진면 안정화를 위한 챔버압 선정은 매우 주요한 사항이다.
2. 2D 모형실험으로 부터 이론적 굴진면 토압과 계측 토압을 비교한 결과, 토압계수 1.0을 적용한 조건에서의 이론적 굴진면 토압과 계측토압간의 차이는 크지 않았다. 그러나 이는 이론적 굴진면 토압이 적정하다는 의미는 아니며, 실내에서 수행된 결과임에 따라 실제 굴진면 토압은 토압, 다양한 토층이 혼재된 조건임을 고려하여 선정하는 것이 적정하다.
실험결과 모형실험지반 조건에서는 이론챔버압 가압 시 터널 심도가 얕아도 이수누출이 발생하지 않지만, 심도가 깊은 경우에서 얕은 심도로 갈수록 이론챔버압과 이수누출압의 차이가 작아지는 것을 확인할 수 있다. 2차원 실험의 경우 토피고 0.6D 이상은 이수압의 차이가 10 kPa 이상으로 나타나지만 0.4D의 경우 5 kPa 정도로 나타나 얕은심도의 경우에 이수누출압이 낮아 실제 시공현장에서도 유출가능성이 높아짐을 확인 할 수 있다. 3차원 실험에서도 토피고 1.
4. 연약지반상의 쉴드 TBM 계획 시 종단심도는 터널의 부력으로 안전한 토피고 확보에 대한 검토가 우선적으로 진행되게 된다. 그러나 이수압식 쉴드 TBM의 경우 현장관리상 이수 관리 전문기술자(Mud engineer)가 별도로 상주토록 해외에서는 제안하고 있을 정도로 이수관리가 매우 중요한 항목이 된다.
실험결과 모형실험지반 조건에서는 이론챔버압 가압 시 터널 심도가 얕아도 이수누출이 발생하지 않지만, 심도가 깊은 경우에서 얕은 심도로 갈수록 이론챔버압과 이수누출압의 차이가 작아지는 것을 확인할 수 있다. 2차원 실험의 경우 토피고 0.
3D 모형시험에서는 계측을 통해 이론챔버압으로 가압한 경우의 지반거동과 챔버압을 높이면서 지반 내 할렬파괴가 발생해 이수가 분출(Leakage)할 때까지 가압하여 두 압력간의 차이를 분석하였다. 실험결과 터널심도(터널 토피고)가 0.5D로 얕은 상황에서도 이수누출은 발생하지 않았으나, 깊은 심도로 갈수록 이수 분출압 및 이론적 굴진면 토압간의 차이가 크게 나타나는 것이 확인되었다. 토피고 1.
2 m구간에서 3회의 배니관 폐색이 발생함) 연약한 주변지반에 할렬파괴가 발생하였고 시간이 지나면서 점차 이완범위가 확대되어 결국 지표에까지 이르러 붕괴가 발생했다는 것이다. 이러한 조사결과에 따라 고난 공동구 쉴드터널 전구간에 대한 현장조사를 수행한 결과 함몰 부분 이외에도 총 10개소의 지반에서 할렬 및 이완이 관찰되어 지반보강이 수행되었다.
현장 수압조건에 의해 3 Bar 이상의 고수압이 작용하는 조건에서는 안정성 확보측면에서 유리한 이수압식 쉴드가 83% 적용되었으며, 3 Bar 이하에서는 이수압식 및 토압식 장비가 비슷한 비율로 사용되었다. 현장 지층조건에 따라서는 세립토 및 조립토 모두 이수압식 장비 사용이 많은 것으로 나타났으나, 자갈 및 전석 출현가능성이 있는 복합지반에서는 굴착토의 확인이 가능하고 송 ‧ 배니관의 폐색 및 파열 가능성이 없는 토압식 쉴드장비 사용이 상대적으로 많은 것으로 나타났다.
현장 수압조건에 의해 3 Bar 이상의 고수압이 작용하는 조건에서는 안정성 확보측면에서 유리한 이수압식 쉴드가 83% 적용되었으며, 3 Bar 이하에서는 이수압식 및 토압식 장비가 비슷한 비율로 사용되었다. 현장 지층조건에 따라서는 세립토 및 조립토 모두 이수압식 장비 사용이 많은 것으로 나타났으나, 자갈 및 전석 출현가능성이 있는 복합지반에서는 굴착토의 확인이 가능하고 송 ‧ 배니관의 폐색 및 파열 가능성이 없는 토압식 쉴드장비 사용이 상대적으로 많은 것으로 나타났다.

후속연구

75D 이하의 토피고에서는 7~8 kPa로 이수누출압이 작아진다. 균질하게 조성된 실험지반조건에서는 지반의 불확실성이나 불균등성이 낮기 때문에 이론챔버압 가압 시 이수누출이 발생하지 않았지만 실제 연약지반에서 터널굴착 시 지반의 불확실성, 불균등성이 높기 때문에 이론챔버압 가압 시 이수누출이 발생할 가능성이 있을 것으로 판단되므로 이에 대한 상시 모니터링이 필요하다.
그러나 이수압식 쉴드 TBM의 경우 현장관리상 이수 관리 전문기술자(Mud engineer)가 별도로 상주토록 해외에서는 제안하고 있을 정도로 이수관리가 매우 중요한 항목이 된다. 따라서 부력 안정성 외에 굴착대상 지반의 토질특성으로부터 Mudcake (이막)형성, 이수 분출제어의 안전한 시공관리 되기 위한 기초자료로 본 논문이 활용되길 바란다.

참고문헌 (9)

Ajou University IGUA (2010), A study on shield TBM tunnel face stability in soft ground.
Anagnostou, G., Kovari, K. (1996), "Face stability conditions with earth-pressure-balanced shields", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 11, No. 2, pp. 165-173.

상세보기
COB Commissie (1996), Inventory of design methods for drilling tunnels for road and rail connections, Technical Report L510-01.
Copperthwaite, W.C. (2016), Tunnel Shields and the Use of Compressed Air in Subaqueous Works, Palala Press, California, pp. 256-257.
Guglielmetti, V., Grasso, P., Mahtab, A., Xu, S. (2003), Mechanized Tunnelling in Urban Areas: Design methodology and construction control, Taylor & Francis, Abingdon-on-Thames, pp. 91-92.
Horn, N. (1961), "Horizontal earth pressure on the vertical surfaces of the tunnel tubes", Proceedings of the National Conference of the Hungarian Civil Engineering Industry, Budapest, pp. 7-16.
Japan Power Construction Association (2001), Investigation of construction case by TBM method.
Koh, S.Y., La, Y.S., Kim, B. (2020), "Shield TBM trouble cases review and parameter study for the cause analysis", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 22, No. 2, pp. 197-217.
Muller-Kirchenbauer, H. (1972), "Stability of slurry trenches", Proceedings of the 5th European Conference on SMFE, Madrid, Vol. I, pp. 543-553.

저자의 다른 논문 :

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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