• 터널과지하공간
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• 제30권5호
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• pp.496-507
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• 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.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제16권2호
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• pp.213-224
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• 2014

최근, tunnel boring machine (TBM)을 이용한 도심지 지중 전력구 터널 건설이 증가하고 있다. 쉴드 TBM을 이용한 기계화 터널 굴착 공법은 재래식 공법에 비해 지반침하를 최소화 하고 발파에 의한 진동을 줄일 수 있는 장점이 있다. 국내에서는 earth pressure balance(EPB) 쉴드 TBM이 주로 사용되고 있다. 그러나 전력구 터널 굴착을 위한 쉴드 TBM 공법이 증가함에도 불구하고, 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 분석에 관한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 후방주입 거리에 따른 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 특성을 분석하고, 굴착면 지반 손실과 후방주입 거리와의 상관관계를 도출하고자 한다. 쉴드 TBM을 이용한 터널 굴착은 3D FEM을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 뒷채움 그라우트가 설치되는 거리의 변화에 따른 축력, 전단력, 휨 모멘트와 같은 단면력을 검토하고 지표면에서의 연직 변위를 분석하였다. 또한, 유한요소해석으로 얻어진 결과와 안정성 분석에 기초하여, 지반과 터널 구조물의 안정성을 확보할 수 있는 뒷채움재 주입시기를 결정할 수 있다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권2호
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• pp.217-230
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• 2022

쉴드TBM (Tunnel Boring Machine) 터널 시공에 있어 막장압 관리는 막장면 붕괴, 지반침하 등을 방지하여 막장 안정성을 유지하는 데 중요한 역할을 담당한다. 특히, 챔버 내부의 굴착토로 막장압을 조절하는 토압식 쉴드TBM의 경우, 이수식 쉴드TBM에 비해 막장압의 관리가 어렵다. 본 연구에서는 국내 토압식 쉴드TBM 터널 시공 현장의 지반조건 및 굴진특성 데이터를 분석하여, 토압식 쉴드TBM 터널의 세그먼트 링별 막장압 예측모델을 제시하였다. 예측모델의 입력특성으로 7가지를 선정하였으며, 912개의 학습 데이터 세트(Training data set)와 228개의 시험 데이터 세트(Test data set)를 확보하였다. 최적의 토압식 쉴드TBM 막장압 예측모델 선정을 위하여 KNN (K-Nearest Neighbors), SVM (Support Vector Machine), RF (Random Forest), XGB (eXtreme Gradient Boosting) 모델의 하이퍼파라미터(Hyperparameter)를 최적화하여 예측성능을 비교한 결과, RF 모델이 7.35 kPa의 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error, RMSE)로 가장 우수한 성능을 나타냈다. 추가적으로, RF 모델의 특성 중요도(Feature importance) 분석을 수행한 결과, 입력특성 중 수압의 영향도가 0.38로 가장 높았으며, 전반적으로 지반조건이 굴진특성보다 높은 중요도를 보여주었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권4호
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• pp.545-560
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• 2019

EPB TBM 굴진 중 다양한 지반 조건에서 적절한 양의 폼(Foam), 폴리머(Polymer) 등 첨가제의 주입은 TBM 공사의 안정성은 물론 굴진 성능을 결정하는 중요한 요소이다. 국외에서는 90년대부터 최근까지 EPB TBM 공법을 토사 지반에 적용할 때 최적의 첨가제 주입에 대한 연구가 활발하게 이루어졌으나 국내에서는 이와 관련된 연구가 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 굴착토 컨디셔닝에 가장 널리 사용되는 폼을 첨가제로 선정하고 폼 주입에 따른 토사 지반에서의 TBM 굴진 성능 변화를 일련의 실내 굴진 시험을 통해 파악하였다. 굴진 시험은 인공 사질토 지반을 동일 다짐 조건으로 조성하고 폼의 주입량과 상태를 나타내는 변수인 FIR (Foam Injection Ratio), FER (Foam Expansion Ratio), $C_f$ (Surfactant Concentration) 값을 변화시켜가며 수행되었으며, 각 시험에서 굴진 중 측정된 토크 값을 측정하였다. 또한 굴진 시험 후, 배토된 흙의 슬럼프 값을 비교하여 컨디셔닝 된 시료의 워커빌리티(workability)를 평가하였으며, 블레이드에 설치된 알루미늄 커터의 무게 변화를 측정하여 컨디셔닝 조건에 따른 동일 위치에서의 커터 마모량을 비교하였다. 최종적으로 측정된 토크, 슬럼프 값, 마모량 결과의 비교를 통해 본 연구에서 적용된 인공 사질토 지반에서 최적 TBM 굴진을 위한 폼 주입비를 도출하였다. 연구 결과를 통해 지반 조건에 따라 다른 최적의 TBM 굴진 성능을 확보하기 위해서는 장비 부하, 기계 마모, 워커빌리티 확보에 대하여 적정 수준을 만족하는 폼 주입 조건이 존재하고 이에 대응하기 위한 사전 폼 주입 설계가 필요한 것으로 나타났다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권5호
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• pp.355-374
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• 2022

쏘일 컨디셔닝(soil conditioning)은 굴착토의 전단강도를 감소시키고 작업성(workability)을 확보하여, EPB 쉴드 TBM의 굴진면 전방을 지지하며 TBM의 굴진 성능을 향상시키는 기술이다. 다양한 지반 조건에 대한 최적의 첨가제 주입 조건을 결정하기 위해서는 첨가제를 혼합한 굴착토의 역학적 유동학적 거동을 평가해야 한다. 따라서, 본 연구에서는 TBM 챔버 내 압력 상태를 모사하고 시료의 유동학적 특성을 평가할 수 있는 실내 가압 베인시험 장비를 개발하였다. 인공 사질토 시료에 대하여 폼(foam)과 폴리머(polymer)의 주입변수인 FIR (foam injection ratio)과 PIR (polymer injection ratio)을 변화시켜가며 일련의 실내 가압 베인시험을 수행하였다. 또한, 슬럼프 시험을 통해 컨디셔닝된 흙의 작업성을 평가하였다. 실내 가압 베인시험 장비를 통해 베인 전단시험을 수행함으로써 측정된 토크 데이터로부터 컨디셔닝된 흙의 유동곡선(rheogram)을 도출하여 주입변수에 따른 첨두응력과 항복응력의 경향을 분석하였다. 시험 결과, FIR이 커지거나 PIR이 작아질수록 작업성이 증가하는 경향을 나타냈으며, 최대 토크, 첨두응력과 항복응력은 모두 감소하였다. 실내 가압 베인시험으로 측정된 시료의 첨두응력과 항복응력이 슬럼프 시험을 통해 측정된 작업성과 상응하는 결과는 제안된 시험이 굴착토 물성 평가에 활용될 수 있음을 보여준다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제25권5호
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• pp.387-401
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• 2023

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.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제23권5호
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• pp.281-302
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• 2021

철도망 구축이 확대되는 추세 속에 도심지나 한강을 통과하기 위해 TBM 굴착공법 적용사례가 증가하고 있다. 특히, 도심지나 한강하저를 통과하는 경우 불량한 지반 및 지하수조건을 조우하게 되며 안정적인 굴진 및 커터교체(Cutter Head Intervention, CHI)를 위해서 그라우팅을 적용하고 있다. 본 논문에서는 TBM 굴착공법을 적용한 철도 터널 시공 시 적용한 그라우팅에 대하여 소개하고자 한다. 특히, CHI를 위해 그라우팅을 수행한 사례에 대한 소개나 분석이 많지 않은 것으로 판단하여 CHI를 위한 그라우팅 범위산정, 수행결과, 고찰 및 제언(Lessons Learned)을 기술하고자 한다. 그라우팅은 막장안정성을 확보하는 목적이 있으며, 작업위치에 따라 지상(수직)그라우팅과 TBM 장비 내에서 수행하는 갱내 그라우팅으로 나눌 수 있다. 갱내그라우팅을 수행한 결과 공기 및 보강효과 측면에서 지상(수직) 그라우팅에 비해 비효율적이라고 판단되어 지상그라우팅으로 계획을 변경하였다. 한강하저 구간의 경우 슬러지 발생으로 인한 환경오염, 주입재 유실 등이 우려되어 고압분사그라우팅을 적용할 수 없었으며 대안으로 수중불분리 주입재를 적용한 저압그라우팅을 적용하였다. 육상구간은 지상 작업부지를 확보할 수 있어 고압분사그라우팅을 적용하였다. 실제 그라우팅을 수행한 결과를 소개함으로써 향후 쉴드 TBM을 적용한 터널 시공 중 CHI 시 지반조건에 따른 적합한 그라우팅 공법 및 방법을 결정하는데 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제16권6호
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• pp.543-552
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• 2014

본 연구에서는 EPB 쉴드 TBM 시공현장에서 얻은 기계데이터와 굴진당시의 지반상태와의 상관관계를 분석하여, 지반상태의 변화에 따른 기계데이터의 변화를 단일 및 복합변수분석을 통하여 규명하였다. 그 결과 경암지반에서 연암지반으로 지반이 변화할 때, 총추력과 커터토크의 비가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 총추력대비 커터토크의 비율(커터토크/총추력)을 굴착속도와 쌍대비교하면 경암지반에서의 데이터는 일정한 범위 내에 있음을 확인 할 수 있으며, 연암지반에서는 경암지반일 때와 비교하면 추력대비 커터토크의 비율이 높은 값을 가진다. 이러한 결과를 바탕으로 총추력대비 커터토크의 비율과 굴착속도의 비교를 통해서 연약대 출현의 징후를 감지할 수 있다. 이와 같은 분석결과는 목적변수 커터토크가 설명변수 총추력이 증가할수록, 또 다른 설명변수 지반일축 압축강도가 감소할수록 증가한다는 중회귀분석의 결과를 통해서도 증명된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제23권3호
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• pp.183-198
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• 2021

토압식 쉴드 TBM 공법은 커터헤드 후면 챔버에 버력을 채워 막장 안정성을 확보하는 공법으로, 연속적인 굴착 및 지보를 통해 지반 변형을 억제하는 것으로 알려져 있다. 하지만 여전히 지반 조건, 터널 크기, 그리고 시공 조건에 의해 무시할 수 없는 지반 침하가 발생하는 실정이다. 따라서 지반침하 영향인자에 의한 침하 거동을 명확하게 이해하고 이를 기반으로 시공 중 발생 가능한 지반침하를 평가할 필요가 있다. 본 연구에서는 토압식 쉴드 TBM 시공 시의 지반침하 주요 영향 인자들과 침하 발생 메커니즘이 반영된 해석 모델(analytical model)을 제시하였고, 시공 중 조절 가능한 인자들에 대한 매개변수 해석을 수치해석 기법을 통해 수행하였다. 수치해석 결과를 통해 시공 조건에 의한 침하 거동을 정량적으로 도출하였으며, 침하 해석 모델과의 연계를 통해 지반 조건에 따른 정성적인 경향성을 도시하였다. 본 연구 결과를 통해 토압식 쉴드 TBM 굴착에 의한 침하예측모델 도출에 기여할 것으로 기대된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권2호
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• pp.227-242
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• 2019

토압식(Earth Pressure-Balanced, EPB) 쉴드 TBM 기계데이터 분석을 통해 토사터널의 특징이 반영된 막장 전방 예측 방법을 제안하였다. 기존에 암반과 토사가 혼합된 복합 지반의 예측에 적용하였던 시계열 분석 모델을 토사터널에 적용가능하도록 수정하였다. 또한 수정된 모델을 사용하여, 토사 종류에 따라 쏘일 컨디셔닝 재료를 선택하는 것이 타당한지 연구하였다. 이를 위해 Self-Organizing Map (SOM) 군집화(clustering) 분석을 수행하였다. 그 결과 무엇보다도 지반타입이 #200체 통과량 35% 기준으로 분류되어야 한다는 것을 확인하였다. 또한 TBM 기계데이터 분석을 통해 수정된 모델이 지반 타입을 예측하는데 사용될 수 있음을 확인하였다. 수정된 기준에 따라 지반 타입을 분류하고 시계열 분석을 수행하면, 10막장 전방 지반에 대해서 98%의 높은 예측 정확도를 보였으며, 이를 통해 수정된 방법의 우수성이 입증되었다. 특히 지반 타입 변화 구간에 대한 예측 정확도도 약 93%로, 10막장 전방에서 지반 타입 변화 여부를 미리 확인할 수 있게 되었다.