• 한국터널지하공간학회 논문집
• /
• 제21권4호
• /
• pp.545-560
• /
• 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
• /
• 제23권5호
• /
• pp.325-337
• /
• 2021

도로와 철도터널에서는 비상시 대피를 위한 시설이 필수적이며, 제연 및 화재 진압을 위한 설비와 승객의 피난 통로가 그것이다. 장대 병설터널에서는 횡갱을 배치하여 화재 발생 반대편 터널로 대피하도록 계획된다. 병설 쉴드터널에서는 횡갱의 시공을 위해 기 시공된 본선터널의 영구 구조물인 세그먼트 라이닝을 철거하여 원지반을 노출하여야 한다. 현대의 대부분의 쉴드TBM이 막장을 격벽으로 차단한 폐쇄형 쉴드TBM임을 감안할 때, 원지반이 노출되는 횡갱의 시공은 쉴드터널의 시공단계에서 위험도가 높은 과정 중 하나이다. 특히, 지하수위 아래의 토사 쉴드터널의 횡갱 시공에서는 세그먼트 철거 및 굴착 중 토사지반의 안정성 확보를 위한 차수 및 굴착공법에 대한 면밀한 검토가 요구된다. 본 사례 연구에서는 토사지반에서 대구경 강관추진을 활용한 횡갱 굴착 공법의 시공 중 유의사항을 소개하고 시공 후 계측결과를 분석하였다. 본 사례 연구에서 소개되는 횡갱 굴착공법은 그라우팅으로 보강된 토사지반에 대구경 강관 추진 후 내부 굴착하는 공법으로써, 두 가지 메커니즘에 의해 토사지반에서 굴착 중 막장의 안정성을 확보한다. 첫 번째는 대구경 강관을 추진하여 막장 전방 토사지반의 전주면을 강관에 의해 선 지보 한다. 두 번째는 대구경 강관 추진으로 내부로 압입된 토사의 Plugging 효과에 의해 막장 전면의 지지효과를 얻을 수 있다. 추진력에 의한 강관의 변형 및 강관의 관통 완료 후 응력발생 계측결과로부터 대구경 강관 추진에 의한 횡갱 굴착공법이 토사지반에서 충분한 시공성과 안정성을 확보함을 확인하였다. 본 사례 연구의 토사 쉴드터널의 횡갱 시공공법은 유사한 현장조건에서 널리 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
• /
• 제14권2호
• /
• pp.141-157
• /
• 2012

TBM 공법 적용을 위한 도로터널 단면의 국내 외 설계사례와 시공사례 및 터널단면 설계기준을 조사 분석하였다. 교통량에 따라 차로수의 규모 및 내부형상(단층 혹은 복층)이 상이하였고, 상 하부의 여유공간은 환기, 방재시설 및 유지관리 공간 등으로 다양하게 활용하고 있음을 확인하였다. TBM도로터널의 구성요소별 면적비를 확인하기 위하여 2차로 규모의 표준단면을 가정하고, 길어깨 폭원변화에 따른 내공단면 구성요소(시설한계 수용공간, 상부여유공간, 하부여유공간)의 단면적비를 분석하였다. 아울러 도로터널에 필수적으로 설치되는 차도 슬래브의 지지형식별 소요두께를 구조해석을 통하여 산정하였고, 산정된 벽체 및 슬래브 두께와 하부 여유공간의 상관관계를 분석하여 유효단면적 범위를 제시하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
• /
• 제20권6호
• /
• pp.1039-1048
• /
• 2018

도심지 터널공사에서는 주변 건물의 안전성을 확보하고, 민원을 최소화할 수 있는 쉴드TBM 공법이 대부분 적용되고 있다. 도심지에는 기존의 택지를 매립조성하거나 개량하는 경우가 많기 때문에 지표에서부터 암반 경계부까지는 불균질한 상태로 이루어지는 경우가 많다. 이와 같이 토사지반, 파쇄정도가 다양한 화강암지반, 핵석층, 암층과 같이 복잡한 지반 조건에서 쉴드TBM으로 터널구조물을 구축하는 경우, 각 지반조건에 따른 쉴드TBM에 나타나는 기계데이터를 분석하여 지반조건에 따른 장비부하의 특징을 비교분석하였다. 그 결과, 설계막장압을 유지하면서 굴진하고, 주기적으로 커터를 점검하여 교체하는 경우, 배토량, 추력, 커터토오크의 경향으로 지반조건의 변화를 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
• /
• 제26권3호
• /
• pp.209-222
• /
• 2024

토압식(Earth Pressure Balance) 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine)은 기계화 터널 굴착 공법 중 이수식(Slurry) 쉴드 TBM에 비하여 슬러리 처리 시설을 필요하지 않아 설비가 간단하고 진동과 소음이 적어 최근에 터널 시공에 널리 사용되고 있다. 토압식 쉴드 TBM으로 터널 굴착 시 첨가제를 활용하여 굴착토 물성을 개선하는 쏘일 컨디셔닝(soil conditioning) 기법을 적용하며, 이를 통해 토압식 쉴드 TBM을 적용할 수 있는 지반의 범위를 확장할 수 있다. 본 연구에서는 쏘일 컨디셔닝을 위한 첨가제로 주로 사용되는 폴리머를 대체할 수 있는 바이오폴리머(biopolymer)의 일종인 잔탄검(xanthan gum)의 적용성을 검토하였다. 바이오폴리머란 생물학적 기원으로 생성된 폴리머로써 모두 생분해가 가능하다. 환경에 유해한 성분을 함유하고 있는 일반 폴리머(폴리아크릴산계 폴리머)와 달리 잔탄검은 유독성이 거의 없고 환경에 미치는 영향이 적어 친환경 소재로 각광받고 있다. 슬럼프 시험을 통해 유사한 워커빌리티(workability)를 보이는 시험조건을 선정하고, 실내 가압 베인전단 시험을 통해 유동학적(rheological) 특성을 평가하였다. 유사한 슬럼프 값을 보이더라도 잔탄검의 함유량이 증가할수록 유동곡선(flow curve)상에 첨두강도가 감소하는 경향이 나타났으며, 이를 통해 잔탄검 함량과 첨두강도 사이의 상관관계를 도출하였다. 일반 폴리머를 잔탄검으로 대체한다면 환경친화적이라는 장점과 더불어 장비 부하를 감소시켜 안정적인 TBM 운용이 가능할 것이다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
• /
• 제17권1호
• /
• pp.49-63
• /
• 2015

본 논문에서는 가상 해저터널의 세그먼트 라이닝의 부재력 평가하여 수심별 세그먼트 최적 두께 산정 및 하중식에 따른 부재력 변화에 관한 내용을 다루었다. 가상 해저터널의 세그먼트 부재력을 평가하기 위해 먼저 다양한 설계 조건을 도출하고 이에 대해 2-Ring Beam 모델을 이용한 구조해석을 수행하여 부재력을 산출하였다. 산출한 부재력을 이용하여 예비 철근 배근을 통해 단면검토를 수행하여 각각의 지층별로 철근 배근을 조절하여 최적 두께를 산정하였다. 검토 결과를 토대로 시공조건에 따른 부재력 변화 경향을 검토하였으며 아울러 다양한 시공조건에 따른 최적 라이닝 단면을 제시하였다.

• 대한토목학회논문집
• /
• 제29권6D호
• /
• pp.737-743
• /
• 2009

터널 공사에 있어서 Shield TBM 장비의 활용이 증가함에 따라 Shield 공법의 효율성 증대를 위한 다양한 연구 또한 수행되어졌다. Shield TBM에 대한 연구들은 대부분 굴착 대상이 되는 지반의 특성을 고려하여 Shield TBM 장비 선정, 굴진속도 계산, 모델식 개발 등에 초점을 맞추고 있으며, 굴착의 주체가 되는 Shield TBM 장비와 장비에 의해 발생하는 트러블로 인한 공기지연에 대한 연구는 수행되어지지 않았다. 따라서 본 연구에서는, Shield 터널 공사 중 Shield 장비의 초기굴진을 대상으로 하여, 굴진 시 발생하는 트러블에 의해 야기되는 공기지연 시간 및 원인을 FMEA기법을 이용하여 분석하였고, 공기지연 방지를 위한 관리 방한의 제시를 목적으로 각각의 트러블 항목들에 대한 우선순위를 결정하는 연구를 수행하였다. 그 결과 이전까지의 연구들에서 지반적 요소들에 비해 상대적으로 소홀히 다루어진 Shield TBM의 기계적 요소들의 트러블이 공기지연을 일으키는 주요 원인이라는 것을 알 수 있었다. 각각의 공기지연 발생 요소 중 공기지연 위험도가 큰 몇몇 항목을 대상으로 트러블 관리방안을 제시함으로써, 본 굴진 및 향후 유사 조건의 프로젝트 수행 시 보다 효율적으로 공사를 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
• /
• 제11권3호
• /
• pp.277-286
• /
• 2009

본 연구는 쉴드 TBM 테일 보이드 동시주입용 가소성 그라우트의 적합성을 규명하기 위하여 강도특성, 수중 재료분리현상 및 점도특성 실험을 실시하였다. 무기계 가소성 그라우트는 쉴드 TBM 뒤채움 그라우트 주입 시 시멘트, 물, MG-A로 구성된 A액과 스칼렛, 물, MG-B로 구성된 B액을 주입하는 2액성 그라우트 주입공법이다. 적정 배합비로 제작된 무기계 가소성 그라우트의 일축압축강도는 초기강도 및 장기강도 기준을 만족하는 결과를 보였다. 지하수가 존재하는 현장에서 그라우트 주입 시 발생하는 재료분리현상을 관찰하기 위하여 기존 현장에서 적용된 규산계 그라우트와 무기계 가소성 그라우트를 비교하였으며, 그 결과 규산계 그라우트에서 발생하는 재료분리 현상이 무기계 가소성 그라우트에서는 관찰되지 않았다. 또한 무기계 가소성 그라우트의 장거리 이송에 대한 현장 적용성을 확인하기 위하여 A, B액의 점도를 측정한 결과 A, B액 모두 120분 이상 2000 cP 이하가 측정되었다. 이러한 결과는 추후 현장적용 시 A, B액의 원활한 이송이 가능한 점도를 확보하고 있음을 확인하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
• /
• 제22권1호
• /
• pp.135-144
• /
• 2020

국내에서 TBM 공법을 활용한 터널건설 시 점차 건설심도가 깊어지고 있으며, 이로 인해 상부 지반조사 단계에서 충분한 예측 정확도를 획득하기 위해서는 시추조사 및 물리탐사 비용이 증가하게 된다. 이러한 문제를 극복하기 위해 터널 시공 중 터널 굴착면 전방 예측을 위한 방법들이 제시되었다. 프로브 드릴링을 활용한 굴착면 전방 예측은 코어회수, 시추공 내부 이미지 등을 활용할 수 있는 장점이 있지만 실제 TBM 내에 설치가 어렵고 터널 막장 전체가 아닌 국부적인 지반만을 파악할 수 있다. TSP 등 탄성파를 활용한 방법은 100 m 이상의 긴 탐사거리를 가지지만 신호발생을 위해 발파를 사용하므로 세그먼트 라이닝, 백필 등의 안정성에 영향을 미칠 수 있다. TEPS를 포함한 전자기파 탐사는 지하수 층 등 전도성 있는 이상대를 파악하는 데 적합하지만 소구경 TBM에 설치할 수 있는 전극의 개수가 한정적이며 이는 탐사 범위의 감소 등을 야기한다. 본 연구에서는 전기비저항 탐사 시 굴착면에 설치되는 전극의 개수를 최소화하기 위해 TBM의 굴착면과 측면에 전극이 설치되었을 때에 대한 탐사 이론식을 제시하고 실내실험을 통해 검증하였다.

• 터널과지하공간
• /
• 제29권3호
• /
• pp.148-156
• /
• 2019

최근 도심지에서의 터널 및 지하공간 개발에 있어 TBM을 비롯한 다양한 형태의 기계식 굴착장비의 적용이 증가하고 있다. 한편 기존의 전통적인 암석절삭방식에서 변형된 언더커팅방식 적용한 암반의 기계식 굴착공법에 대한 연구가 선진국을 중심으로 수행되어 소개된 바 있다. 따라서 국내에서도 기존의 암반기계굴착에 대한 연구를 지속적으로 수행함과 동시에 최신 기술에 대한 연구가 요구된다. 본 연구에서는 언더커팅에 대한 기초연구로서 해당 기술의 원리 및 굴착방식에 대한 소개와 더불어 해외 선진 기관들의 연구 현황을 조사하였다. 언더커팅공법은 터널 및 지하공간의 개발을 위한 단독공법으로 적용이 가능할 뿐만 아니라 터널의 확공 및 기존 공간의 확장을 위한 보조공법으로의 활용성도 우수한 것으로 판단되었다.