• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제19권3호
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• pp.421-435
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• 2017

최근 국내 지상 구조물의 포화 및 파이프 라인 시설 과밀화 현상과 난개발로 인해 지상 구조물의 대안으로 지하 구조물에 대한 개발이 지속적으로 요구되고 있다. 도심지 인프라 구축을 위한 NATM 터널 공사에 발생하는 진동 및 소음 문제를 예방하기 위해 기계식 터널 공법인 쉴드 TBM 공법의 기계화 터널 시공이 증가하는 추세이다. 따라서 본 연구에서는 기계화 터널의 직선 시공과 급곡선 시공 시 쉴드 TBM의 구조적 안정성을 위한 쉴드 TBM 추력에 대한 중절잭, 쉴드 잭, 스킨 플레이트의 구조적 안정성 기술에 대해 연구하였다. 시공 사례 및 쉴드 TBM의 작동원리를 이론적 접근 방법으로 검토, 분석한 결과, 쉴드 TBM의 직선 및 급곡선 시공시 주요 인자에 의해 커터헤드의 회전력, 중절잭, 쉴드 잭에 대한 추력 및 커터헤드의 여굴량이 중요한 것으로 나타났다. 또한 굴진 내부 작업자의 안전 및 장비의 원활한 작동을 위해 스킨 플레이트 구조의 안정성 확보는 매우 중요 사안이므로 이번 연구를 통해 장비의 일반적인 구조 및 구성을 검토하여 직선 및 급곡선 시공 시 스킨 플레이트 구조에 미치는 주요 인자 및 구조 안정성을 실험적인 시뮬레이션 수치해석을 통해 검토하였다. 이에 직선 및 급곡선 시공 시 작용 되는 가상의 토질을 선정하여 중절잭의 하중을 비교 검토 하여 스킨 플레이트의 구조 안정성을 평가하고 형상을 최적화 하였다. 현재 국내 시공 중인 쉴드 TBM 타입의 구조 및 작동 방식이 매우 유사하므로, 추후 국산화 기술 개발 및 신규 장비 개발과 쉴드 TBM의 취약부 및 안정성을 검토하는데 기여 할 것으로 기대된다.

• 한국지반신소재학회논문집
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• 제16권1호
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• pp.63-72
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• 2017

본 연구는 Shield TBM공법을 이용한 터널 굴착시 지표침하에 영향을 주는 요소들에 대한 영향정도를 3차원 수치해석을 통해 검토하였다. 막장압, Skinplate 주면압, 굴진장, 지반모델, 요소망 크기, 통과지반에 대한 다양한 조건을 변화시켜가며 수치해석을 수행하였다. 또한 실제 시공된 Shield TBM을 변위제어방법과 응력제어방법으로 모델링하여 현장 계측값과 비교 분석하였다. Skinplate 주면압과 지반모델이 가장 큰 영향요소이며, 통과지층에 따라 적절한 Skinplate 주면압을 입력시 현장 계측값과 유사한 결과를 얻을 수 있었다.

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

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권3호
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• pp.277-291
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• 2020

쉴드 TBM은 기존 재래식 터널(Drill and Blast)에 비하여 터널을 굴착하는 지반 및 선형조건에서 적용범위가 넓은 공법으로 대단면, 대심도, 초연약지반에서의 터널링 공법으로 중요성이 부각되고 있으며, 현재 13.3 m의 대구경 slurry 쉴드 TBM이 한강 하부 통과를 위한 시공을 준비하고 있다. 쉴드 TBM은 이수압식과 토압식 쉴드 TBM으로 구분되고, 각각의 특성에 따라 시공 중 관리 항목이 달라진다. 본 논문에서는 연약지반에 주로 시공되는 이수압식 쉴드 TBM을 대상으로 장비형식, 발생기원, 적용 사례 및 트러블 사례를 분석하였다. 또한, 적정 챔버압, 장비 전방으로의 이수 분출(또는 누수)가능성을 토피고 조건에 따라 2D 및 3D 모형실험 실시하였다. 이를 토대로 연약지반 조건에서 이수압식 쉴드 TBM 시공 시 적정 굴진면 토압과 챔버압 예측을 위한 기초 및 참고자료 제공 그리고 토피고 조건에 따른 이수분출 위험 높이를 제안하여 이수분출로 인한 안정성 및 환경요인 저하원인을 최소화하기 위한 방안을 제안하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권1호
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• pp.91-105
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• 2020

본 연구는 Shield TBM의 챔버 내 교반봉의 영향범위 및 배토효율 향상을 위한 기초연구이다. 현재 국내Shield TBM의 연구에 있어 디스크 커터, 커터 비트, 세그먼트에 관한 연구는 많이 이루어져 있다. 하지만 Shield TBM 굴착 시 막장면에서 유입되는 토사 및 암반들을 교반시켜 스크류 컨베이어로 배토시키는 연구는 해외에 비해 미비하다. 본 연구에서는 기존 Shield TBM 챔버를 축소모형으로 제작하여 실험을 진행하였다. 챔버 내부는 크기(4 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm)와 색(검은색, 흰색, 빨간색, 파란색)이 다른 시료를 사용해 층을 형성하였다. 이에 대하여 RPM과 교반봉의 형상 및 크기에 차이를 두어 실험을 진행하였다. 또한 중력의 방향이 교반 효율에 끼치는 영향을 파악하기 위하여 축소모형을 세웠을 때와 눕혔을 때의 교반 차이를 확인해 보았다. 이는 중력방향의 차이 외의 다른 조건은 모두 동일하게 진행하였다. 본 실험을 통해 챔버모형의 설치 방향, 내부의 교반봉 크기 및 형상, RPM에 따른 교반효과 및 Torque를 파악하였다. 교반효과 및 Torque를 비교 검토한 결과 교반봉의 형상 및 크기는 시료의 교반에 영향을 끼치며, 중력방향은 Torque에 영향을 끼치는 것을 확인하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권2호
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• pp.197-217
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• 2020

서울지하철 7, 9호선에 적용한 쉴드TBM은 소음 및 진동, 막장면의 안정성 확보 측면에서 발파공법에 비해 매우 안전한 공법이다. 또한, 쉴드TBM은 지반조건이 연약한 경우 효과적이다. 그러나 지반조건과 토피, 지하수 등의 여건에 적합하지 않은 장비를 적용할 경우 장비고장, 잦은 굴진중단, 특히 예상치 못한 불량한 지반을 통과하게 될 경우 터널 굴진 중 트러블이 발생할 수 있다. 본 논문은 일본 쉴드TBM 굴착중의 사고 및 트러블에 대한 사례를 정리하였다. 이중 대표적인 트러블 사례를 이용하여 지반변위 형상에 대한 실제발생 경향을 파악하였으며 수치해석을 통해 역해석결과와 상호비교하였다. 이를 토대로 막장 지보압을 산정할 경우 수치해석 적용시의 오차를 줄이는 방안을 제안하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제16권4호
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• pp.403-415
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• 2014

최근, 기후변화에 따른 하절기 기온 상승으로 인하여 전력사용량이 급증하고 있다. 이에 따라 발전시설이 새로 준공되고 있으며, 생산된 전기를 도심지로 송전할 초고압 송전선로 시설의 필요성이 증가하고 있다. 쉴드 TBM을 이용한 기계화 터널 굴착공법은 기존의 재래식 공법에 비해 지반 침하와 지반에 전달되는 진동을 최소화 할 수 있는 장점이 있다. 도심지에서의 전력구터널 굴착을 위한 쉴드 TBM 공법이 증가함에도 불구하고, 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 분석에 관한 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 파쇄대를 포함하는 복합지반에서 파쇄대 너비, 각도에 따른 전력구 쉴드 TBM 터널의 거동 특성을 분석하고, 인터페이스 요소를 적용한 파쇄대와 연속체로 모델링한 파쇄대의 거동 특성을 비교하고자 한다. 쉴드 TBM을 이용한 터널 굴착은 3D FEM을 이용하여 시뮬레이션 하였다. 파쇄대의 방향과 크기의 변화에 따라 세그먼트 라이닝에 작용되는 축력, 전단력, 휨 모멘트를 검토하고 지표면에서의 연직변위를 분석하였다. FEM 해석으로 얻어진 결과와 안정성 분석에 기초하여, 전방의 파쇄대를 예측하여 터널 구조물의 안정성을 확보할 수 있다.

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

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제23권6호
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• pp.385-392
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• 2021

국내 전력구 터널공사에 투입할 이수식 쉴드TBM의 발주에 있어서 발주자가 주관하여 전문가로 구성된 위원회를 구성하고, 장비발주를 위한 기술 및 사양에 대한 선정 기준을 수립한 후, 제조사의 기술제안서를 바탕으로 평가하여 적합판정된 장비를 선정하는 일련의 과정이 시도되었다. 쉴드TBM 공법의 최근 증가추세에 따라 성능과 품질을 사전에 검증하고, 경제성을 확보하는 방법의 하나로서 향후 쉴드TBM의 발주를 위한 가이드라인으로 참고될 것으로 기대된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제18권4호
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• pp.355-364
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• 2016

최근 우리나라 서해안 산업단지의 폐열과 증기의 재활용을 위한 운송관로 수용목적으로 해저 퇴적층 지반에 3.25km의 해저터널이 쉴드 TBM으로 시공 완료되었다. 쉴드 TBM 터널은 지반조건 및 시공요인에 기인한 불확실성으로 인해 장비 침하 등 많은 위험요인을 겪게 되는데 터널 시공 중 쉴드 TBM 장비 침하로 인한 선형이탈이 발생하였으며 원인 분석결과 지지력이 부족한 연약한 점토층 지반조건이 주원인으로 작용한 것으로 검토되었다. 본 연구에서는 지반조건을 고려한 위험요인을 평가하고, 지지력을 고려한 이론식과 TBM 굴진조건 즉, 동적조건을 구현할 수 있는 3차원 수치해석을 통해 장비 침하 및 쉴드 TBM 굴진속도와의 상관관계에 대한 검토를 수행하였다. 연약한 점토층 지반에서 지지력 부족으로 쉴드 TBM 장비 침하가 발생할 수 있으며, 이를 방지하기 위해서는 지반특성에 적합한 최적 굴진속도의 적용이 필요한 것으로 검토되었으며 본 검토 대상구간 지반조건에서는 쉴드 TBM 굴진속도를 35~40 mm/min로 유지하는 경우에 장비 침하를 방지할 수 있는 것으로 검토되었다.