초록 ▼

본 연구에서는 현재 외국 기술에 100% 의존하고 있는 TBM의 설계 기술을 선진 기술대비 80% 수준으로 향상하는 것으로 목표로 하여, TBM의 설계모델, 설계용 실험인프라, TBM 설계용 수치모델 및 TBM 설계 시스템 등을 제시하고 수립하였다. 본 연구의 주요 연구 내용 및 범위는 다음과 같다.
$\circ$ 국내.외 터널 기계화시공기술 동향 분석
$\circ$ 암석 절삭메커니즘의 수치해석적/실험적 규명
$\circ$ 국산 LCM 시스템의 구축
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본 연구에서는 현재 외국 기술에 100% 의존하고 있는 TBM의 설계 기술을 선진 기술대비 80% 수준으로 향상하는 것으로 목표로 하여, TBM의 설계모델, 설계용 실험인프라, TBM 설계용 수치모델 및 TBM 설계 시스템 등을 제시하고 수립하였다. 본 연구의 주요 연구 내용 및 범위는 다음과 같다.
$\circ$ 국내.외 터널 기계화시공기술 동향 분석
$\circ$ 암석 절삭메커니즘의 수치해석적/실험적 규명
$\circ$ 국산 LCM 시스템의 구축
$\circ$ NTNU모델 기반 시험시스템 구축
$\circ$ 최적 TBM 설계용 예측모델 개발
$\circ$ 최적 TBM 설계모델의 현장 적용성 평가 및 검증
$\circ$ TBM 설계 및 굴진성능 예측 시스템 구축

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 요약문...4
• 목차...8
• 표목차...14
• 그림목차...17
• 제 1 장 서론...29
• 제 1 절 연구배경 및 목적...29
• 1. 연구배경...29
• 2. 연구목적...31
• 가. 기술적 측면...31
• 나. 경제.산업적 측면...32
• 제 2 절 연구개발 내용 및 범위...34
• 1. 연구개발 내용...34
• 2. 연구개발 범위...36
• 가. 연차(단계)별 연구목표 및 내용...36
• 제 3 절 연구 수행체계...41
• 1. 1차년도 세부 추진계획 및 방법...42
• 2. 2차년도 세부 추진계획 및 방법...43
• 3. 3차년도 세부 추진계획 및 방법...44
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황...45
• 제 1 절 국내 터널 기계화시공 현황...45
• 제 2 절 터널 기계화 시공법의 분류 및 선정방안...50
• 1. 터널 기계화 시공법의 분류...50
• 가. 쉴드의 유무...52
• 나. 지보방법...52
• 다. 반력을 얻는 방법...52
• 라. 막장면 안정화 방법(개방형과 밀폐형)...53
• 마. 전단면 굴착과 부분단면 굴착...53
• 2. 터널 기계화 시공법 선정방안...55
• 제 3 절 터널 기계화 시공법의 종류 및 특징...58
• 1. Open TBM...58
• 2. 디스크 커터...62
• 3. Shield TBM...68
• 가. 싱글(single) 쉴드 TBM...68
• 나. 더블(double) 쉴드 TBM...69
• 다. 기계식 지보(mechanical support) 쉴드 TBM...71
• 라. 이수식(slurry) 쉴드 TBM...72
• 마. 토압식 쉴드 TBM...73
• 바. 혼합식 쉴드 TBM...76
• 4. 기타...77
• 가. 붐 타입(Boom-type) 굴착기계...77
• 나. 터널확공기(Tunnel reaming machine)...77
• 5. Open TBM의 면판설계 및 굴진성능 평가기술...78
• 가. NTNU 예측모델...78
• 나. CSM 예측모델...94
• 다. QTBM 분석시스템...104
• 라. 합경도에 의한 TBM 굴진속도 추정...107
• 6. 쉴드 TBM 장비 관련 지침...113
• 가. 쉴드 TBM 설계시 일반적인 고려사항...113
• 나. 쉴드 TBM 설계 항목...114
• 다. 쉴드기의 구조...119
• 라. 굴착 유니트...125
• 마. 추진 장치(drive unit)...133
• 사. 보조 장치...140
• 아. 토압식 쉴드기...144
• 제 3 장 연구개발 수행내용 및 결과...153
• 제 1 절 TBM 면판설계를 위한 LCM 시스템...153
• 1. 개요...153
• 2. 시스템 구성 및 특징...157
• 3. 시스템 보완 사항...167
• 가. 프레임 보강...167
• 나. 수정 대차 제작...171
• 다. 2축 서보 제어 시스템...175
• 4. LCM 시험방법 확립...176
• 5. 3차원 굴진성능 평가를 위한 사진계측기법 적용...181
• 가. 카메라 교정 및 촬영장치...181
• 나. 촬영 장치의 구성...183
• 다. 자료처리 과정...186
• 라. 사진계측결과에 의한 절삭부피의 계산...193
• 제 2 절 암석의 절삭메커니즘의 규명...196
• 1. 수치해석의 필요성...196
• 가. 시간적 비용 측면...196
• 나. 경제적 비용 측면...197
• 다. 본 연구에서 수치해석의 의미...198
• 2. 수치해석 기법 별 적용성 분석...199
• 가. PFC-2D...199
• 나. FLAC-2D...211
• 다. RFPA-2D...226
• 라. Autodyn-3D...232
• 마. 최적 기법(Autodyn-3D)의 선정...241
• 3. 최적 프로그램(AUTODYN-3D)을 이용한 수치해석...242
• 가. AUTODYN-3D의 수치해석 모델...242
• 4. 수치해석적 연구의 결론...267
• 가. 시간, 경제적 비용의 절감...267
• 나. 최적 프로그램 선정...267
• 다. 해석 수행...267
• 라. 추후 연구사항...268
• 5. LCM시험에 의한 암석 절삭메커니즘의 실험적 규명...269
• 가. 디스크 커터에 의한 암석 절삭메커니즘의 이론적 배경...269
• 나. 동영상 연속촬영에 의한 암석의 절삭 메커니즘 조사...276
• 제 3 절 TBM 면판설계 및 굴진성능 예측 모델 구축...281
• 1. 개요...281
• 2. 면판설계 및 굴진성능 예측모델 도출을 위한 LCM시험...281
• 가. 시험방법 및 시료 채취...281
• 나. LCM시험 조건...292
• 다. LCM시험 결과 및 분석...292
• 3. 간편 DRI/CLI 시험...306
• 가. DRI/CLI 시험 장비 구축 및 시험 방법 정리...306
• 나. 시험 결과 및 분석...315
• 4. NTNU모델에 의한 예측과정...328
• 가. 암반 균열도 평가...328
• 나. TBM 설계변수 도출 및 굴진성능 예측...329
• 다. 커터 수명 예측모델...338
• 5. TBM 면판설계 및 굴진성능 예측용 모델 도출...342
• 가. 커터 압입깊이의 영향...342
• 나. 커터 간격의 영향...351
• 다. 지반 물성의 영향...353
• 라. TBM 면판설계 및 굴진성능 예측용 모델 도출...357
• 제 4 절 TBM 현장 굴진자료 분석에 의한 예측모델의 현장검증 및 보완...364
• 1. 분당선 왕십리~선릉간 복선전철 제3공구...364
• 가. 현장개요...364
• 나. 지반조건...365
• 다. TBM 장비개요...372
• 라. 굴진자료 분석...376
• 2. 한강 하류권 급수체계 제1공구...383
• 가. 현장개요...383
• 나. 지반조건...384
• 다. TBM 장비개요...390
• 라. 굴진자료 분석...394
• 3. 인천국제공항철도 2-5B공구...401
• 가. 현장개요...401
• 나. 지반조건...402
• 다. TBM 장비개요...404
• 라. 굴진자료 분석...406
• 4. 경부고속철도 14-3공구...412
• 가. 현장개요...412
• 나. 지반조건...413
• 다. TBM 장비개요...418
• 5. TBM 면판설계 및 굴진성능 예측모델의 검증 및 보완...424
• 가. 예측모델에 의한 커터 작용력의 검증 및 보완...424
• 나. 예측모델에 의한 압입깊이의 검증...431
• 다. 개발모델 및 보정모델의 오차 평가...433
• 라. 현장 굴진자료와 LCM 시험결과를 기반으로 한 최적 모델 개발...440
• 마. NTNU모델에 의한 커터수명 예측...465
• 제 5 절 TBM 설계 및 굴진성능 예측 시스템...471
• 1. 시스템의 구성...471
• 2. LCM시험에 의한 TBM 설계 및 굴진성능 예측...474
• 가. TBM 설계...474
• 나. 굴진성능 예측...475
• 3. 예측모델에 의한 TBM 설계 및 굴진성능 평가 프로그램...476
• 가. 개요...476
• 나. 자료입력...478
• 다. TBM 설계 모듈...479
• 라. TBM 굴진성능 평가 모듈...483
• 마. NTNU모델 해석 모듈...487
• 제 6 절 연구 결론...492
• 제 4 장 연구개발 목표 달성도 및 관련분야의 기여도...496
• 제 1 절 연구개발 목표의 달성도...496
• 제 2 절 관련분야 기여도...497
• 제 5 장 연구개발 결과의 활용계획...498
• 제 1 절 활용계획...498
• 제 2 절 기대효과...499
• 1. 기술적 측면...499
• 2. 경제.산업적 측면...500
• 제 3 절 타 산업 및 국내외 연계.협력 가능성...500
• 제 6 장 연구개발 과정에서 수집한 해외과학기술정보...502
• 제 7 장 참고문헌...506
• [부록I] LCM시험결과...511
• [부록II] DRI및CLI시험결과...569
• [부록III] 모델 도출을 위한 다중회귀분석 결과...599
• [부록IV] Autodyn3D해석결과...639
• [부록V] NTNU모델 해석과정 요약...697
• [부록VI] LCM초고속영상...705