• 한국터널지하공간학회 논문집
• /
• 제17권3호
• /
• pp.403-413
• /
• 2015

본 논문은 복합지반에서 쉴드 TBM 커터헤드의 회전속도 제어에 관한 실험적 연구이다. 복합지반에서는 암반을 굴착하는 디스크커터와 더불어 커터비트의 절삭 성능이 매우 중요하다. 이 연구에서는 특히 풍화토와 풍화암으로 이루어진 복합지반의 커터비트의 성능평가에 초점을 두었다. 이 연구를 위하여 실험실용으로 개발된 쉴드 TBM 커터비트 평가 장비를 이용하여 실내시험을 실시하였다. 복합지반은 공학적 상사성을 고려하여 조성하였다. 조성된 복합지반에서 쉴드 TBM 커터헤드 회전속도를 2, 3, 4 rpm으로 적용하여 각 커터비트에 작용하는 절삭력을 측정하고 회전에 따른 절삭력의 변화를 분석하였다. 실험결과로 부터 커터비트에 작용하는 절삭력은 지반경계부에서 급상승하는 경향을 보여주었다. 또한 이러한 상승되는 절삭력의 크기는 쉴드 TBM 커터헤드의 회전속도가 클수록 크게 나타났다. 이러한 결과로부터 복합지반에서 쉴드 TBM 커터헤드의 회전속도를 빠르게 할 경우 커터비트에 가해지는 위험요소가 더 크다는 것을 보여주고 있다. 따라서 복합지반조건에 현장 TBM 굴착 시 회전속도의 제어가 필요한 것으로 나타났으며 감속시키는 것이 비트에 가해지는 리스크를 저감시킬 수 있을 것이다.

• 한국습지학회지
• /
• 제15권1호
• /
• pp.51-58
• /
• 2013

본 연구에서는 준설용 커터헤드의 형태에 따른 준설효율 특성을 분석하기 위하여 개방형 및 폐쇄형으로 나누어 수리실험을 수행하였다. 준설효율에 관한 실험을 수행하기 위하여 $4.9m(L){\times}2.2m(W){\times}1.5m(H)$ 크기의 대형수조를 제작한 후 준설 운영에 필요한 여러 장치를 제작하였다. 준설효율 실험에서는 커터헤드의 준설깊이, 회전속도, 흡입속도 등에 관한 운영조건을 달리하여 실험을 수행하였다. 준설효율에 관한 실험 결과를 살펴보면 개방형의 경우보다 폐쇄형의 경우에 상당히 높은 준설효율을 유지하였다. 동일한 커터헤드의 형태에서는 커터헤드의 회전속도가 준설효율 결과에 가장 큰 영향을 미쳤으며, 보다 높은 준설효율을 위해서는 적정수준의 흡입속도가 필요한 것으로 나타났다.

• 한국지반환경공학회 논문집
• /
• 제10권5호
• /
• pp.5-9
• /
• 2009

본 연구에서는 준설용 커터헤드의 운영특성에 따라 준설효율에 미치는 영향을 분석하기 위하여 수리실험을 수행하였다. 실험을 위해 현재 현대건설에서 보유중인 아산 3호의 설계도를 바탕으로 커터헤드를 설계하였으며, 수리실험을 위해 $4.2m{\times}2.2m{\times}1.5m$ 대형수조를 제작하였고, 준설 운영에 필요한 여러 실험용 장치를 제작하였다. 준설효율 실험에서는 다양한 커터헤드 속도, 준설 깊이, 흡입 속도, 등에 관해 실험을 수행하였는데 커터헤드의 회전 속도가 준설효율 결과에 가장 큰 영향을 미쳤으며, 또한 커터헤드의 준설깊이에 따른 준설효율특성을 분석하였다. 최대 준설효율은 흡입속도가 2.0m/s 일 경우에 발생하였다. 잠재준설부피에 대한 커터헤드의 거동부피에 대한 무차원 분석을 수행한 결과 준설깊이에 따른 적절한 커터헤드의 회전력과 좌우 이동 속도가 결정되어야 최적의 효율을 보임을 알 수 있었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
• /
• 제23권4호
• /
• pp.265-280
• /
• 2021

도시화로 인한 인구의 집중은 도심지 지하공간 개발을 촉발시켰으며, 그로인해 진동과 소음으로 인한 환경문제 및 민원이 많은 발파공법보다 진동과 소음에 대한 영향이 없는 TBM공법에 많은 관심을 가지게 되었다. 이런 이유로 TBM에 대한 많은 연구가 진행되었으나 TBM 장비의 커터헤드 개구부가 굴착되는 지반조건에 따라 폐색되는 특성에 대한 연구는 미비한 실정이다. 그렇기 때문에 쉴드 TBM 굴진 시 커터헤드 개구부의 폐색현상을 연구하기 위해 축소모형시험을 진행하였다. 쉴드 TBM 장비의 커터헤드 개구부 폐색현상을 규명하기 위해 점토비(10%, 30%, 50%), 커터헤드 개구율(30%, 50%, 60%), 커터헤드 회전방향(일방향, 양방향) 및 회전속도(3 RPM, 6 RPM)을 변수로 실험조건을 달리하여 36가지의 Case에 대해 축소모형실험을 진행하였다. 쉴드 TBM 폐색현상에 대한 축소모형실험 결과, 점토가 함유된 지반 조건은 양방향 회전이 일방향 회전보다 폐색영향이 증가하고 커터헤드의 회전속도가 낮을수록 폐색영향이 적은 것으로 나타났다. 그에 따라 지반 굴착 시 지반조건을 고려하여 커터헤드 회전 방향, 회전 속도 및 개구율을 산정한다면 폐색 영향을 저감할 수 있을 것이다. 폐색영향이 저감됨에 따라 공사기간의 단축에 효과적일 것으로 사료된다. 따라서 본 연구는 해당연구가 전무한 국내 쉴드 TBM 시공 시 그 활용에 있어 중요한 자료가 될 것으로 판단된다.

• 대한토목학회논문집
• /
• 제31권6D호
• /
• pp.839-848
• /
• 2011

TBM(Tunnel Boring Machine) 터널은 굴진 도중 장비의 교체나 개조 등은 불가능하기 때문에 굴진 종료 시까지 투입된 장비로 굴진하여야만 한다. 특히 토압식 쉴드TBM은 막장관찰이 어려우므로 굴진 중에 수집된 자료를 분석하여 지반상태의 변화를 예측하고 이를 시공에 반영하여야한다. 지금까지의 TBM에 대한 연구는 굴착 대상이 되는 지반의 특성에 따른 장비선정 및 굴진속도 예측모델 개발이 주로 이루어져왔다. 그러나 굴착의 주체가 되는 TBM 장비의 굴진자료에 의한 지반상태의 추정 및 운전방법의 개선에 초점을 맞춘 연구는 그리 많이 수행되지 않았다. 본 연구는 토압식 쉴드TBM 시공 사례에서 얻은 굴진자료를 활용하여 투입된 장비의 운전조건에 따른 굴진속도의 변화와 최적 운전조건에 대해 알아보았다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, 커터헤드의 회전속도와 총추력이 굴진속도에 가장 큰 영향을 주며 둘째, 적정한 굴진속도를 위해서는 최적 회전속도를 유지하면서 총추력을 조정하는 것이 좋으며 셋째, 총추력의 증가 추세에 따라 지반조건의 변화에 대한 예측이 가능하여 이에 따라 적절한 운전조건의 변경을 결정할 수 있다.

• 한국지반신소재학회논문집
• /
• 제16권4호
• /
• pp.163-176
• /
• 2017

개별요소법(Discrete Element Method, DEM)은 토목공학 등 입자형태의 재료를 다루는 분야에서 다양하게 이용된다. 본 연구에서는 DEM 기법에 근거한 입자 역학 전용 해석 상용 소프트웨어를 사용하여 면판형 토압식 쉴드TBM 굴착성능을 평가하기 위한 수치 해석을 수행하였다. TBM에 대한 해석은 커터헤드의 회전속도가 다른 두 가지 조건에 대해 수행되었다. 해석 모델의 직경은 6.64m이며 6개의 스포크를 갖는 것으로 작성되었다. 또한, 37개의 프리커터와 98개의 스크래퍼가 각 스포크에 모델링 되었다. 해석결과를 통해, 커터헤드면과 쉴드, 절삭 도구에 작용하는 압축력과 커터헤드면에서 발생하는 저항 토크의 크기를 검토하였으며 스크루 오거를 통해 배출되는 토사량에 대해서는 각각 단위 시간당 배토량과 누적 배토량을 검토하였다.

• 터널과지하공간
• /
• 제28권6호
• /
• pp.513-527
• /
• 2018

TBM은 사전에 예측하지 못한 지반조건의 변화에 대한 대응력이 재래식 공법과 비교할 때 상대적으로 낮기 때문에, 설계단계에서 TBM의 사전 성능예측과 공사기간 산정을 위한 굴진율 예측이 매우 중요하다. 기존 연구에서 구축된 211개의 TBM 데이터베이스에 신규 데이터를 추가하여 TBM의 핵심 제작 사양인 최대 추력, 커터헤드 최대 토크 및 회전속도, 커터헤드 구동력 사이의 상관관계를 지반조건에 따라 분석하였다. 기존 연구들에서와 같이 TBM의 최대추력, 최대토크, 구동력과 같은 기본 제작사양을 추정하는 데 있어 TBM 외경은 매우 중요한 정보임을 확인할 수 있었다. 국외의 TBM 데이터베이스로부터 도출된 회귀식과 본 연구로부터 얻어진 회귀식을 비교한 결과, 최대추력의 경우는 유사한 경향을 보였으나, 대단면 TBM에서 본 연구의 회귀식에서 추정된 최대토크가 국외의 회귀식보다 더 높게 추정하는 경향이 나타났다.

• 터널과지하공간
• /
• 제30권5호
• /
• pp.496-507
• /
• 2020

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.

• 한국지반환경공학회 논문집
• /
• 제11권2호
• /
• pp.43-52
• /
• 2010

쉴드공법은 막장을 굴착함과 동시에 원통형 강재를 지반속에 추진시켜 터널을 축조하는 공법이다. 1818년 마크 브루넬이 런던의 템즈강 하저 굴착공사에 처음 사용한 이래 지반조건에 따른 다양한 쉴드 TBM이 개발되어 도로, 지하철, 전력구, 상하수도 등에 널리 활용되고 있다. 막장상태를 수시로 관찰하며 지반변화에 빠르게 대처할 수 있는 NATM 공법과 달리, 쉴드 공법은 굴진이 시작되면 장비 교체가 거의 불가능하다. 따라서 지반조사 및 실내시험 결과에 따라 적절한 장비를 설계하고, 막장상태에 따라 압입깊이, 커터헤드 회전속도 등을 효율적으로 관리하여 장비의 성능을 최대한 활용하여 굴착공사를 수행해야 한다. 본 연구에서는 분당선 한강하저터널의 지반조건을 NTNU, $Q_{TBM}$, 합경도, KICT-SNU 등의 모델에 적용하여 굴진성능을 예측하고, 실시공 굴진자료와 비교 분석하여 예측모델의 적용성을 검토하였으며, 한강하저터널 하행선의 굴진성능 저하원인을 분석하였다.

• 터널과지하공간
• /
• 제31권6호
• /
• pp.460-468
• /
• 2021

TBM은 원형의 커터헤드를 회전하여 전단면으로 터널을 굴착하는 장비로 빠른 굴진속도와 안전한 시공이 장점이다. 건설현장에서 터널 굴착에 주로 사용되는 TBM은 정보통신기술의 적용이 용이한 장비로서 현재 무인화 및 자동화에 관련한 연구가 활발히 진행 중이다. 본 연구에서는 국외에서의 광물 및 에너지 자원 개발을 위한 TBM의 적용 사례를 살펴보고, 광물 및 에너지 자원 개발과 토목 건설현장에서 TBM 적용에 대한 차이를 살펴보았다. 그리고, TBM 선정 시에 기술적으로 고려해야 하는 지질조건, 심도, 현장 접근, 발진, 선형과 경사, TBM 크기 등을 알아보았다. 마지막으로 광산에서 TBM 적용 시의 장점과 단점 및 성공적인 광산 적용을 위하여 TBM이 기술적으로 갖추어야 하는 사항을 정리하였다.