[논문]개별요소법과 유한차분법 연계 해석을 이용한 EPB TBM 굴진해석 Part II: 매개변수 해석

최순욱; 이효범; 최항석; 장수호; 강태호; 이철호

doi:10.7474/tus.2020.30.5.496

개별요소법과 유한차분법 연계 해석을 이용한 EPB TBM 굴진해석 Part II: 매개변수 해석
Numerical Analysis of EPB TBM Driving using Coupled DEM-FDM Part II : Parametric Study 원문보기

터널과 지하공간: 한국암반공학회지 = Tunnel and underground space, v.30 no.5, 2020년, pp.496 - 507

최순욱 (한국건설기술연구원 지하공간안전연구센터) , 이효범 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 최항석 (고려대학교 건축사회환경공학부) , 장수호 (한국건설기술연구원 건설산업진흥본부) , 강태호 (한국건설기술연구원 지하공간안전연구센터) , 이철호 (한국건설기술연구원 지하공간안전연구센터)

초록
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EPB TBM의 굴진성능 예측은 터널 시공성 향상을 위해 매우 중요하며, 따라서 현재까지 TBM 굴진을 수치 해석적으로 모사하기 위한 다양한 시도들이 이루어져 왔다. 본 논문에서는 EPB TBM의 운전조건에 따른 굴진성능을 평가하기 위해 개별요소법(DEM, discrete element method)과 유한차분법(FDM, finite difference method)을 연계한 수치해석 모델을 사용하여 운전조건을 변경해가며 매개변수 해석을 수행하였다. 해석은 커터헤드의 회전속도를 2 rpm으로 일정하게 유지한 상태에서 굴진속도를 0.5, 1.0 mm/sec, 스크류 컨베이어의 회전속도를 5, 15, 25 rpm으로 조건을 변경해가며 수행되었다. 운전조건의 변화에 따라 측정되는 토크, 추력, 챔버압, 배토량을 비교하였으며 매개변수 해석 결과를 통해 개별요소법-유한차분법 연계 TBM 굴진해석 모델을 사용하여 최적 TBM 운전조건을 예측할 수 있음을 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

A prediction of the performance of EPB TBM is significant for improving the constructability of tunnels. Thus, various attempts to simulate TBM excavation by the numerical method have been made until these days. In this paper, to evaluate the performance of TBM with different operating conditions, a parametric study was carried out using coupled discrete element method (DEM) and finite difference method (FDM) EPB TBM driving model. The analysis was conducted by changing the penetration rate (0.5 and 1.0 mm/sec) and the rotational speed of screw conveyor (5, 15, and 25 rpm) while the rotation velocity of the cutter head kept constant at 2 rpm. The torque, thrust force, chamber pressure, and discharging with different TBM operating conditions were compared. The result of parametric study shows that the optimum driving condition can be determined by the coupled DEM-FDM numerical model.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Dimension of EPB TBM for coupled DEM-FDM for TBM driving numerical analysis
표 Table 1. Specification of EPB TBM for coupled DEM-FDM TBM driving numerical analysis
그림 Fig. 2. Schematic of coupled DEM-FDM EPB TBM driving numerical model
그림 Fig. 3. Adhesive rolling resistance linear contact model (Itasca, 2019)
표 Table 2. Contact properties of adhesive rolling resistance linear model
표 Table 3. Numerical analysis cases for parametric study
그림 Fig. 4. Torque during TBM advance
그림 Fig. 5. Average torque after advance of 10 cm
그림 Fig. 6. Thrust force during TBM advance
그림 Fig. 7. Average thrust force after advance of 10 cm
그림 Fig. 8. Chamber pressure during TBM advance
그림 Fig. 9. Average chamber pressure after advance of 10 cm
그림 Fig. 10. Discharged volume of muck during TBM advance

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 TBM 굴진속도, 스크류 컨베이어 회전속도와 같은 TBM 운전조건에 따른 EPB TBM의 굴진성능을 수치해석적으로 파악하기 위해 전술한 개별요소법 및 유한차분법 해석의 단점을 각각 보완하여 개별요소법-유한차분법 연계해석을 통해 EPB TBM의 굴진 수치해석 모델을 작성하고 매개변수 해석를 수행하였다. 해석에 활용된 개별요소법-유한차분법 연계 해석모델은 기존 개별요소법 해석에서 굴착 부분을 제외한 지반을 유한차분법으로 대체하여 소요 입자의 개수를 크게 줄이고 해석시간을 단축시켰다.

제안 방법

1) TBM 운전조건에 따른 매개변수 해석을 위해 개별요소법-유한차분법 연계 해석 모델을 적용하여 임의의 화강풍화토 지반에 굴진 해석을 수행하였다. 본 논문에서 사용된 해석 모델의 경우 지반의 일부를 유한차분법으로 대체하여 사용되는 입자의 개수를 크게 줄여 해석시간을 단축시켰고, 수평응력계수가 적용된 지중응력을 TBM 굴진이 이루어지는 개별요소법 구역에 적용할 수 있다.
2) 매개변수 해석은 2 rpm의 동일한 커터헤드 회전속도 조건에서 0.5, 1.0 mm/min의 굴진속도, 5, 15, 25 rpm 스크류 컨베이어의 회전속도 조건 하에서 수행되었으며 그에 따른 TBM의 토크, 추력, 챔버압, 배토 경향을 비교･분석하였다. 대부분 해석 결과에서 굴진에 따라 토크, 추력, 챔버압 값에서 감소하는 경향을 나타냈으며 굴진 10 cm 이후에는 특정 값에 수렴하는 경향을 나타냈다.
본 논문에서는 TBM 운전조건에 따른 EPB TBM의 굴진성능을 예측하기 위해 개별요소법-유한차분법 연계 수치해석 모델을 사용하여 굴진속도, 스크류 컨베이어 회전속도를 조절해 가며 매개변수 해석을 수행하고 적정 TBM 운전조건을 도출할 수 있었다. 그 결과 본 논문의 해석 조건에서 적정 TBM 운전조건을 도출할 수 있었으며, 본 논문의 결론은 다음과 같이 요약될 수 있다.

대상 데이터

EPB TBM 굴진해석 모델에 적용된 TBM은 직경 6.14 m 급 스포크 타입 EPB 쉴드 TBM으로서 Fig. 1과 Table 1에 그 사양이 정리되어 있다. 직경 6.
본 논문에서는 EPB TBM 운전조건에 따른 매개변수 해석을 위해 임의의 화강풍화토 지반에 TBM이 굴진하는 것으로 가정하였다. 굴착 해석을 위한 모델링 대상 지반은 기반암 상부 약 23 m 두께의 화강풍화토 구역이며 심도 19 m 지점(약 16 m 토피고)에서 2.1절에 설명한 사양의 스포크 타입 EPB TBM이 굴진하는 것을 모사하고자 하였다. 본 논문에서 사용된 개별요소법-유한차분법 연계 EPB TBM 굴진 해석 모델의 모습이 Fig.

이론/모형

지반 물성치의 경우 개별요소법 구역에는 직접 입력할 수 없고 입자들의 접촉물성을 결정하는 일련의 검정과정을 거쳐야 한다. 따라서 본 논문에서는 화강풍화토와 같이 일정 점착력을 가진 입자의 거동을 재현하기 위해 입자 간 거리에 따라 선형적으로 인력이 발생하는 접촉물성을 입력할 수 있는 adhesive rolling resistance linear 접촉모델을 사용하였다(Fig. 3). 본 논문에서 사용된 접촉모델 및 지반모델의 검정과 관련된 내용은 연계논문에서 자세히 다뤘으며 해석에 사용된 지반모델은 내부마찰력과 점착력 모두 목표값 대비 오차율 0.

성능/효과

대부분 해석 결과는 일반적으로 알려져 있는 토크, 추력, 챔버압 조건을 만족하지 않아 최적 굴진을 위해서는 굴진속도와 스크류 컨베이어 회전속도를 조절해야 하는 것으로 나타났다. 본 논문의 해석조건에서는 0.5~1.0 mm/min의 굴진속도, 약 10 rpm의 스크류 컨베이어 회전속도를 가지는 운전조건에서 최적의 굴진 효율을 나타낼 것으로 예측되었다.
0 mm/min의 굴진속도, 5, 15, 25 rpm 스크류 컨베이어의 회전속도 조건 하에서 수행되었으며 그에 따른 TBM의 토크, 추력, 챔버압, 배토 경향을 비교･분석하였다. 대부분 해석 결과에서 굴진에 따라 토크, 추력, 챔버압 값에서 감소하는 경향을 나타냈으며 굴진 10 cm 이후에는 특정 값에 수렴하는 경향을 나타냈다. 측정된 시간 당 배토량의 경우 스크류 컨베이어의 속도에 따라 일정하게 나타났다.
1) TBM 운전조건에 따른 매개변수 해석을 위해 개별요소법-유한차분법 연계 해석 모델을 적용하여 임의의 화강풍화토 지반에 굴진 해석을 수행하였다. 본 논문에서 사용된 해석 모델의 경우 지반의 일부를 유한차분법으로 대체하여 사용되는 입자의 개수를 크게 줄여 해석시간을 단축시켰고, 수평응력계수가 적용된 지중응력을 TBM 굴진이 이루어지는 개별요소법 구역에 적용할 수 있다.

후속연구

3) 향후 본 연구의 수치모델과 매개변수 해석 결과를 기반으로 굴진 해석 중 측정되는 토크, 추력, 챔버압, 시간 당 배토량에 따라 굴진속도, 스크류 컨베이어 회전속도 등의 운전조건을 조절하는 알고리즘 적용을 통해 운전조건의 조절이 가능한 EPB TBM 수치해석 모델을 제안할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 연계해석을 통해 해석시간을 단축할 수 있으므로 상대적으로 복잡한 지반 조건에서 굴진해석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	EPB TBM의 굴진성능 예측은 무엇을 위해 중요한가?	EPB TBM의 굴진성능 예측은 터널 시공성 향상을 위해 매우 중요하며, 따라서 현재까지 TBM 굴진을 수치 해석적으로 모사하기 위한 다양한 시도들이 이루어져 왔다. 본 논문에서는 EPB TBM의 운전조건에 따른 굴진성능을 평가하기 위해 개별요소법(DEM, discrete element method)과 유한차분법(FDM, finite difference method)을 연계한 수치해석 모델을 사용하여 운전조건을 변경해가며 매개변수 해석을 수행하였다.
	EPB TBM의 운전조건에 따른 굴진성능을 평가하기 위해 무엇을 수행하였는가?	EPB TBM의 굴진성능 예측은 터널 시공성 향상을 위해 매우 중요하며, 따라서 현재까지 TBM 굴진을 수치 해석적으로 모사하기 위한 다양한 시도들이 이루어져 왔다. 본 논문에서는 EPB TBM의 운전조건에 따른 굴진성능을 평가하기 위해 개별요소법(DEM, discrete element method)과 유한차분법(FDM, finite difference method)을 연계한 수치해석 모델을 사용하여 운전조건을 변경해가며 매개변수 해석을 수행하였다. 해석은 커터헤드의 회전속도를 2 rpm으로 일정하게 유지한 상태에서 굴진속도를 0.
	굴착토와 TBM 장비의 상호거동을 추가적으로 고려하여 TBM 굴착 거동을 분석하기 위해 어떤 기법이 사용되고 있는가?	특히 토압식(EPB, earth pressure balance) TBM의 경우 굴진면 전방의 토압과 수압을 굴착된 흙을 통해 대응해야 하므로 굴착토와 TBM 장비의 상호거동을 추가적으로 고려하여 TBM 굴착 거동을 분석해야 한다. 이를 위해 개별요소법(DEM, discrete element method), 유한요소법(FEM, finite element method), 유한차분법(FDM, finite difference method) 등의 수치해석 기법이 사용되고 있으나 유한요소법과 유한차분법을 통한 해석의 경우 TBM에 의한 흙의 굴착 거동을 모사할 수 없으며 토크, 추력, 챔버압, 배토량 등의 굴진 데이터를 동시에 고려할 수 없다는 단점을 가지고 있다(Hasanpour, 2014, Kim et al., 2018, Lambrughi et al.

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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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