[논문]폼과 폴리머를 활용한 EPB 쉴드 TBM 굴착토의 유동학적 특성 평가

황병현; 강민규; 권기범; 양정훈; 최항석

doi:10.9711/ktaj.2023.25.5.387

폼과 폴리머를 활용한 EPB 쉴드 TBM 굴착토의 유동학적 특성 평가
Evaluating rheological properties of excavated soil for EPB shield TBM with foam and polymer 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.25 no.5, 2023년, pp.387 - 401

황병현 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 강민규 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 권기범 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 양정훈 (고려대학교 건축사회환경공학과) , 최항석 (고려대학교 건축사회환경공학부)

초록
AI-Helper

토압식(Earth Pressure Balanced, EPB) 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine) 공법은 진동과 소음이 적어 도심지 지하공간 시공에 적극적으로 활용되고 있다. 이때 첨가제 주입은 막장압 유지, 전단강도 감소, 커터의 마모량 최소화, 굴착토의 투수계수 감소 등 다양한 효과를 보인다. 이러한 기술을 쏘일 컨디셔닝이라 하며, 일반적으로 첨가제로 폼, 폴리머, 벤토나이트 슬러리 등을 적용한다. 본 연구에서는 국내 터널 현장에서 빈번하게 조우하는 화강풍화토 시료에 대해 폼과 폴리머를 첨가제로 적용하여 유동학적 특성을 평가하였다. 슬럼프 시험을 통해 작업성(Workability)을 평가하고, 동일한 시험 조건에 대해 실내 가압 베인전단 시험을 수행하여 유동학적 특성을 평가하였다. 이때 슬럼프 값이 높아 작업성이 떨어지는 경우, 폴리머를 추가 적용하여 폴리머 적용이 유동학적 특성에 미치는 영향을 검토하였다. 시험 결과, 폼 주입비(Foam Injection Ratio, FIR)가 증가함에 따라 슬럼프 값은 증가한 반면 토크, 첨두강도 및 항복응력, 겉보기 점도, 틱소트로피 면적은 감소하였다. 하지만, 폴리머 주입비(Polymer Injection Ratio, PIR)는 폼 주입비와 상반되는 결과를 확인하였다. 시험결과 비교를 통해 슬럼프 값과 항복응력 간의 상관관계를 제시하였다. 그리고 폼 만을 적용한 조건과 폼과 폴리머 모두 적용한 조건을 비교한 결과, 유사한 슬럼프 값을 보이더라도 폼과 폴리머 모두 적용한 조건에서 더 낮은 항복응력이 도출되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The Earth Pressure Balanced (EPB) Shield Tunnel Boring Machine (TBM) is widely employed for constructing urban underground spaces due to its minimal vibration and low noise levels. The injection of additives offers several advantages, including maintaining shield chamber pressure, reducing shear strength, minimizing cutter wear, and decreasing the permeability of the excavated soil. This technique is known as soil conditioning and involves the application of additives such as foam, polymer, and bentonite slurry. In this study, weathered granite soil commonly encountered at domestic tunnel sites was used as a soil specimen. Foam and polymer were applied as additives to assess the rheological properties of conditioned soils. The workability was evaluated through slump tests, while the rheological properties were assessed through laboratory pressurized vane shear tests conducted under the same conditions. Specially, the polymer was applied under specific conditions with low workability with high slump values, with the aim of evaluating the impact of polymer application. The test results revealed that with an increase in the Foam Injection Ratio (FIR), the slump value also increased, while the torque, peak strength, yield stress, apparent viscosity, and thixotropic area decreased. Conversely, an increase in the Polymer Injection Ratio (PIR) led to results opposite to those of FIR. Additionally, a correlation between the slump value and yield stress was proposed. When comparing conditions with only foam applied to those with both foam and polymer applied, even with similar slump values, the yield stress was found to be lower in the latter conditions.

주제어

표/그림 (10)

그림 Fig. 1. Particle size distribution of weathered granite soil
표 Table 1. Properties of foam and polymer agent
표 Table 2. Slump test cases and results
그림 Fig. 2. Photograph and detailed schematics of laboratory pressurized vane shear test apparatus (Lee, 2021)
그림 Fig. 3. Adopted test steps of laboratory vane shear test
그림 Fig. 4. Torque results according to FIR
그림 Fig. 5. Rheological properties according to FIR
그림 Fig. 6. Torque results according to PIR
그림 Fig. 7. Rheological properties according to PIR
그림 Fig. 8. Relationship of slump value and yield stress

참고문헌 (28)

ASTM C143 (2017), Standard test method for slump of hydraulic-cement concrete, ASTM International,？Vol. 04.02, pp. 1-4.
ASTM D4648 (2016), Standard test method for laboratory miniature vane shear test for saturated fine？grained clayey soil, ASTM International, Vol. 04.08, pp. 1-7.
Avunduk, E., Copur, H., Tolouei, S., Tumac, D., Balci, C., Bilgin, N., Shaterpour-Mamaghani, A. (2021),？"Possibility of using torvane shear testing device for soil conditioning optimization", Tunnelling and？Underground Space Technology, Vol. 107, 103665.

상세보기
Budach, C., Thewes, M. (2015), "Application ranges of EPB shields in coarse ground based on laboratory？research", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 50, pp. 296-304.
EFNARC (2005), Specification and guidelines for the use of specialist products for mechanised tunnelling (TBM) in soft ground and hard rock, European Federation of National Associations Representing for？Concrete, pp. 1-45.
Feng, Q.L. (2004), "Soil conditioning for modern EPBM drives", Tunnels and Tunnelling International,？Vol. 36, No. 12, pp. 18-20.
Galli, M., Thewes, M. (2019), "Rheological characterisation of foam-conditioned sands in EPB tunneling",？International Journal of Civil Engineering, Vol. 17, pp. 145-160.

상세보기
Gharahbagh, E.A., Rostami, J., Talebi, K. (2014), "Experimental study of the effect of conditioning on？abrasive wear and torque requirement of full face tunneling machines", Tunnelling and Underground？Space Technology, Vol. 41, pp. 127-136.

상세보기
Ghica, M.V., Hirjau, M., Lupuleasa, D., Dinu-Pirvu, C.E. (2016), "Flow and thixotropic parameters for？rheological characterization of hydrogels", Molecules, Vol. 21, No. 6, pp. 786-802.

상세보기
Hu, W., Rostami, J. (2021), "Evaluating rheology of conditioned soil using commercially available surfactants (foam) for simulation of material flow through EPB machine", Tunnelling and Underground Space？Technology, Vol. 112, 103881.

상세보기
Karmakar, S., Kushwaha, R.L. (2007), "Development and laboratory evaluation of a rheometer for soil visco-plastic parameters", Journal of Terramechanics, Vol. 44, No. 2, pp. 197-204.

상세보기
Kim, T.H., Kwon, Y.S., Chung, H., Lee, I.M. (2018), "A simple test method to evaluate workability of？conditioned soil used for EPB shield TBM", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 6, pp. 1049-1060.
Kwon, K., Choi, H., Oh, J.Y., Kim, D. (2022), "A study on EPB shield TBM face pressure prediction using？machine learning algorithms", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol.？24, No. 2, pp. 217-230.
Kwon, K., Kang, M., Kim, D., Choi, H. (2023), "Prioritization of hazardous zones using an advanced risk？management model combining the analytic hierarchy process and fuzzy set theory", Sustainability, Vol.？15, No. 15, 12018.
Langmaack, L. (2000), "Advanced technology of soil conditioning in EPB shield tunneling", Proceedings？of the North American Tunneling, Vol. 2000, Boston, pp. 525-542.
Lee, H. (2021), Evaluation on performance of EPB shield tunnelling with foam conditioning, Ph.D. Thesis,？Korea University, pp. 1-272.
Lee, H., Kwak, J., Choi, J., Hwang, B., Choi, H. (2022), "A lab-scale experimental approach to evaluate？rheological properties of foam-conditioned soil for EPB shield tunnelling", Tunnelling and Underground？Space Technology, Vol. 128, 104667.

상세보기
Lee, H., Shin, D., Kim, D.Y., Shin, Y.J., Choi, H. (2019), "Study on EPB TBM performance by conducting？lab-scaled excavation tests with different foam injection for artificial sand", Journal of Korean Tunnelling？and Underground Space Association, Vol. 21, No. 4, pp. 545-560.
Meng, Q., Qu, F., Li, S. (2011), "Experimental investigation on viscoplastic parameters of conditioned？sands in earth pressure balance shield tunneling", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol.？25, No. 9, pp. 2259-2266.

원문보기 상세보기
Merritt, A.S., Borghi, F.X., Mair, R.J. (2003), "Conditioning of clay soils for earth pressure balance？tunnelling machines", Proceedings of the Underground Construction 2003, London, pp. 455-466.
Messerklinger, S., Zumsteg, R., Puzrin, A. (2011), "A new pressurized vane shear apparatus", Geotechnical？Testing Journal, Vol. 34, No. 2, pp. 112-121.

상세보기
Oh, J. (2021), Laboratory study on optimum foam injection condition for EPB shield TBM in weathered？granite soil, Master Thesis, Korea University, pp. 1-96.
Park, J.O., Yoo, Y.H., Park, B.J. (2015), "An analysis study for reasonable installation of tunnel fire？safety facility", Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 17, No. 3, pp.？243-248.
Peila, D., Oggeri, C., Vinai, R. (2007), "Screw conveyor device for laboratory tests on conditioned soil for？EPB tunneling operations", Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 133, No. 12,？pp. 1622-1625.

상세보기
Quebaud, S., Sibai, M., Henry, J.P. (1998), "Use of chemical foam for improvements in drilling by earth-pressure balanced shields in granular soils", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 13,？No. 2, pp. 173-180.

상세보기
Shin, D. (2020), Evaluation of EPB TBM excavation performance on artificial sandy soils with foam？injection conditions, Master Thesis, Korea University, pp. 1-272.
Zhou, X., Yang, Y. (2020), "Effect of foam parameters on cohesionless soil permeability and its application？to prevent the water spewing", Applied Sciences, Vol. 10, No. 5, pp. 1787-1797.
Zumsteg, R., Messerklinger, S., Puzrin, A.M., Egli, H., Walliser, A. (2009), "Pressurized vane shear test for？soil conditioning", Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical？Engineering, Alexandria, pp. 275-278.

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증