• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제16권2호
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• pp.181-191
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• 2014

본 연구는 선형절삭시험 중에 동일한 커터 링 형상을 가진 더블디스크커터와 싱글디스크커터에 발생하는 커터작용력과 각 디스크커터 축에 발생하는 축응력 및 토크를 평가하였다. 선형절삭시험 결과, 선형절삭실험 중에 발생한 더블디스크커터의 연직력과 회전력의 평균값은 싱글디스크커터의 약 두 배 내외인 것으로 측정되었다. 더블디스크커터의 축에 작용하는 축응력의 평균값 역시 연직력과 마찬가지로 싱글디스크커터의 두 배 정도로 나타났지만, 토크의 경우에는 전체적으로 낮은 측정값을 보여 비교의 의미가 없는 것으로 판단되었다. 하지만 더블디스크커터의 연직력의 평균값이 직경 432 mm(17인치) 디스크커터의 허용하중을 상회하기 때문에 테이퍼 롤러 베어링의 내구성능에 대한 검토가 필요한 것으로 판단되었다. 또한 더블디스크커터 축에 작용하는 축응력은 싱글디스크커터의 약 두 배 정도로 발생하였지만, 일반적으로 사용하는 디스크커터 축 재료의 항복강도를 고려할 때 적용 상에 문제가 없는 것으로 나타났다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제34권1호
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• pp.103-113
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• 2023

This study focused on understanding the relationship between the design of a tunnel boring machine disc cutter ring and its rock-breaking efficiency, as well as the applicable conditions of different cutter ring types. The discrete element method was used to establish a numerical model of the rock-breaking process using disc cutters with different ring types to reveal the development of rock damage cracks and variation in cutter penetration load. The calculation results indicate that a sharp-edged (V-shaped) disc cutter penetrates a rock mass to a given depth with the lowest load, resulting in more intermediate cracks and few lateral cracks, which leads to difficulty in crack combination. Furthermore, the poor wear resistance of a conventional V-shaped cutter can lead to an exponential increase in the penetration load after cutter ring wear. In contrast, constant-cross-section (CCS) disc cutters have the highest quantity of crack extensions after penetrating rock, but also require the highest penetration loads. An arch-edged (U-shaped) disc cutter is more moderate than the aforementioned types with sufficient intermediate and lateral crack propagation after cutting into rock under a suitable penetration load. Additionally, we found that the cutter ring wedge angle and edge width heavily influence cutter rock-breaking efficiency and that a disc cutter with a 16 to 22 mm edge width and 20° to 30° wedge angle exhibits high performance. Compared to V-shaped and U-shaped cutters, the CCS cutter is more suitable for soft or medium-strength rocks, where the penetration load is relatively small. Additionally, two typical case studies were selected to verify that replacing a CCS cutter with a U-shaped or optimized V-shaped disc cutter can increase cutting efficiency when encountering hard rocks.

• 한국지반공학회:학술대회논문집
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• 한국지반공학회 2010년도 춘계 학술발표회
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• pp.562-570
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• 2010

This study was conducted to estimate the number of disc cutter consumption and to predict amount of disc cutters when a shield TBM(Tunnel Boring Machine) of the Han Riverbed Tunnel was applied. In fact, it is almost impossible to change the machine after starting the excavation using the shield TBM method. Therefore, it is important to design an appropriate equipment in the shield method - an efficiency choice of the operation equipment plays a key role in the shield tunnel processing. For the above reason, the disc cutter consumption prediction is quite important so that the detailed analysis is required. A number of disc cutter consumption was predicted by the three methods, viz. KOMATSU, MITSUBISHI and NTNU. In addition, the predicted results were compared with field data. The prediction of disc cutter consumption showed that 237 for KOMATSU, 501 for MITSUBISHI, and 634 for NTNU, respectively. However, a total number of 1,263 disc cutter consumption were investigated during the tunnel construction. It was found that there was a huge difference between the predicted and real values of the disc cutter consumption. The more detailed investigation showed that the disc cutter was worn out bluntly in the northbound tunnel, meanwhile it was worn out sharply in the southbound tunnel. In particular, the disc cutter consumption in the southbound tunnel was increased rapidly because of rear abrasion for remaining mucks in the chamber.

• Geomechanics and Engineering
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• 제29권3호
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• pp.249-258
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• 2022

A disc cutter is an excavation tool on a tunnel boring machine (TBM) cutterhead; it crushes and cuts rock mass while the machine excavates using the cutterhead's rotational movement. Disc cutter wear occurs naturally. Thus, along with the management of downtime and excavation efficiency, abrasioned disc cutters need to be replaced at the proper time; otherwise, the construction period could be delayed and the cost could increase. The most common prediction models for TBM performance and for the disc cutter lifetime have been proposed by the Colorado School of Mines and Norwegian University of Science and Technology. However, design parameters of existing models do not well correspond to the field values when a TBM encounters complex and difficult ground conditions in the field. Thus, this study proposes a series of machine learning models to predict the disc cutter lifetime of a shield TBM using the excavation (machine) data during operation which is response to the rock mass. This study utilizes five different machine learning techniques: four types of classification models (i.e., K-Nearest Neighbors (KNN), Support Vector Machine, Decision Tree, and Staking Ensemble Model) and one artificial neural network (ANN) model. The KNN model was found to be the best model among the four classification models, affording the highest recall of 81%. The ANN model also predicted the wear rate of disc cutters reasonably well.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제15권3호
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• pp.225-235
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• 2013

TBM의 암반 굴착도구인 디스크커터의 작용력은 TBM의 설계와 굴진성능 평가를 위해 핵심적인 항목이다. 본 연구에서는 디스크커터 링의 형상에 따른 디스크커터 작용력의 차이를 실물 선형절삭실험에 의해 실험적으로 분석하였다. 또한 절삭실험 중에 발생하는 커터 링의 변형률을 계측하여 커터 링의 강성을 추정하였다. 분석결과, V형상의 디스크커터를 사용하게 되면 동일한 절삭조건에서 커터 관입깊이를 증가시킬 수는 있지만, 커터의 회전방향으로 큰 응력이 작용하는 것으로 나타났다. 또한 커터 작용력을 예측모델에 의해 추정할 경우에는, 디스크커터의 형상과 관련된 변수들을 고려할 수 있는 모델을 사용하는 것이 타당함을 알 수 있었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제16권6호
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• pp.533-542
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• 2014

본 연구에서는 Gehring, CSM, NTNU 모델을 이용한 디스크 커터 수명 예측 방법과 각 모델이 가지는 특징을 살펴보았다. 디스크 커터 수명에 크게 영향을 주는 요소인 관입깊이, 암석의 일축압축강도, 마모지수의 변화가 각각의 예측 모델들에 미치는 영향을 분석하였다. 디스크 커터 수명은 1회전당 관입깊이에 선형적으로 증가하였고, 일축압축강도의 증가에 따라 감소하는 경향을 보였다. 마모지수인 CAI 값이 증가함에 따라 Gehring과 CSM 모델에서의 디스크 커터 수명은 감소하였으나, CLI 값이 증가할수록 NTNU 모델의 디스크 커터 수명은 증가하는 경향을 보였다. 그리고 실제 현장 자료를 이용하여 디스크 커터 수명을 상호 비교하였다.

• 터널과지하공간
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• 제33권4호
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• pp.244-254
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• 2023

TBM에 장착되어 암석을 절삭하는 디스크커터에는 암반을 굴착하는 과정에서 세 방향의 절삭력이 작용한다. 일반적으로 디스크커터의 절삭력은 굴착대상암반의 강도에 따라 증가하는 것으로 알려져 있고, 디스크커터가 여러 원인에 의해 정상적으로 회전이 이루어지지 않는 경우에는 회전력이 급격하게 증가할 수 있다. 따라서 굴착 도중 디스크커터에 작용하는 절삭력은 굴착의 대상이 되는 암반의 상태나 디스크커터의 절삭상태를 나타내는 중요한 정보가 될 수 있다. 이러한 이유로 해외를 중심으로 디스크커터의 작용력을 실시간으로 측정하기 위한 기술의 개발이 이루어지고 있으며, 본 연구에서는 현재까지 해외의 문헌을 통해 보고되고 있는 TBM 디스크커터의 하중계측에 관한 연구현황에 대하여 소개하고자 하였다. 향후 국내에서도 유사한 기술의 개발이 이루어지는 경우에 유용한 참고자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.

• 터널과지하공간
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• 제21권3호
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• pp.151-163
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• 2011

LCM 시험은 디스크커터의 설계와 굴진성능 예측을 위한 가장 신뢰성 있는 시험으로 알려져 왔다. 하지만, 실대형 시료를 대상으로 실제의 커터 하중을 예측할 수 있는 이점이 있음에도 불구하고, 시료의 채취 및 운반이 용이하지 않고 1회 시험에 많은 비용이 소요된다는 단점을 갖고 있다. 또한 절리를 포함한 시료에 대한 시험의 경우, 시험 과정이 용이하지 않을 뿐만 아니라, 시험에서 예측된 모델을 설계에 반영하기 어려운 경우가 많다. 이러한 한계점을 극복하기 위해 수치해석 모델개발에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 입자의 유동해석을 효과적으로 묘사할 수 있는 PFC2D를 이용하여 디스크커터의 절삭운동에 의한 암석시험편의 파쇄형상 및 균열 전파양상을 분석하고자 하였다. 또한 절리를 포함한 암석시험편을 모델링하여 절리의 경사각, 절리의 경사방향 그리고 절삭면에 노출된 절리의 간격의 변화에 따른 디스크커터의 절삭력을 수치해석적으로 분석하였다. 해석결과, 절리의 경사방향이 디스크커터의 진행방향과 반대일 때, 절리의 경사각이 작을수록, 노출된 절리의 간격이 좁을수록 더 큰 절삭력이 요구됨을 알 수 있었다. 이와 같은 수치해석 결과를 토대로, 디스크커터와 절리의 분포 특성과의 상관관계를 LCM 시험 결과와 비교 분석한다면, 보다 정확한 수치모델을 개발할 수 있을 것으로 판단되며 TBM(Tunnel Boring Machine) 굴착성능 예측 및 디스크커터의 적합 설계에 합리적인 판단기준을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제10권2호
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• pp.139-152
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• 2008

본 연구에서는 TBM 디스크 커터의 암석절삭에 관하여 기존의 LCM시험을 모사하기 위한 수치해석을 실시하였다. 수치모사를 위하여 3차원 동적 파괴해석이 가능한 상용 프로그램인 AUTODYN-3D를 선정하였으며, 이를 통하여 각기 다른 4가지 이상의 커터간격 조건에 대해 수치해석을 수행하였다. 상기 프로그램 상에서 디스크 커터와 암석 시편을 3차원 형상으로 모델링 한 후, 8개 암종에 대해서 수치적 절삭시험을 진행하였다. 그 결과, 수치해석과 LCM시험에서 도출된 최적 커터간격은 대체로 일치하여, 추후 LCM시험결과를 보완할 수 있을 것으로 판단되었다. 그러나 등방성 암석에는 적용성이 매우 높았던 반면, 절리가 존재하거나 이방성을 가지는 암석의 경우에는 LCM시험결과와 비교하여 비에너지가 다소 크게 산출되었다. 따라서 이방성 암석의 모델링에 대한 추가적인 연구가 수반되어야 할 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제15권3호
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• pp.321-331
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• 2013

이 연구는 TBM의 디스크커터 관입깊이에 대하여 실질적인 현장을 통하여 평가한 것이다. 연구를 위하여 설계시 적용되는 디스크커터 관입깊이에 대하여 검토하였다. 또한 대상 현장에 대한 지반특성에 대하여 검토하고 현장에 투입된 장비에 대한 적용성에 대하여 분석하였다. 특히 장비의 용량분석을 실시하여 적합성에 대하여 평가하였다. 이러한 평가결과와 현장 공사자료를 근거로 실질적인 TBM의 공사량과 굴진속도를 분석하였다. 이 결과로부터 설계시 적용된 TBM의 디스크커터 관입깊이에 대하여 재평가 하였다. 연구 결과로부터 설계시 적용되는 디스크커터 관입깊이는 특히 극경암 지반($S_c$ >150 MPa)에 있어서 적용값의 변경이 필요하다는 것을 명백히 보여주었다.