• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제19권5호
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• pp.799-812
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• 2017

쉴드 TBM 터널에 대한 2차원 수치해석 시 기존 연구에서는 뒤채움재 및 실제적인 내공변위 분포를 적절히 고려하지 않았다. 따라서 본 연구에서는 이를 보완하고자 gap parameter 적용 시 굴착면에서 발생하는 실제적인 내공변위분포를 고려하고, 적정한 뒤채움재 물성치를 적용한 모델링 방법을 제시하였다. 이를 위해 단일층 풍화토 지반을 대상으로 gap parameter와 토피고가 굴착면의 지반손실량과 지표손실량으로 구성되는 체적손실량에 미치는 영향을 분석하였다. 그 결과 대부분의 지표침하가 굴착 직후에 발생하였으며, 토피고 및 gap parameter가 증가할수록 수치해석을 통해 얻은 지표침하곡선의 영향범위가 제안된 이론식보다 넓게 나타났다. 따라서 2차원 수치해석 시 쉴드 TBM 터널의 거동을 정확히 평가하기 위해서는 하중분담률을 이용하여 gap parameter를 적용하고, 뒤채움재의 물성치도 적절히 고려해야 한다고 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제26권1호
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• pp.1-17
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• 2024

터널 굴착으로 인한 지반의 거동 분석은 대변형 영역의 거동을 고려해야 한다. 따라서 본 논문에서는 TBM 터널 굴착으로 인한 주변 지반에 대한 영향을 실제 현장 조건과 동일 조건에서 분석하기 위하여 대변형 유한요소 해석을 수행하였다. 지반의 대변형 거동을 모사하고 예측함에 있어 가장 널리 활용되는 두 가지 해석 기법 - coupled Eulerian Lagrangian (CEL)과 auto-remeshing (AR) 기법 - 을 적용하여 TBM 굴착 과정을 모사하였고 그에 따른 주변 지반에 발생하는 손상영역의 범위를 예측하였다. 굴착손상영역의 범위는 두 기법을 통해 도출된 결과와 굴착손상영역을 정의하는 실험적인 기준을 종합하여 추정하였다. 해석 결과, 두 대변형 해석 기법을 이용하여 도출된 굴착손상영역은 서로 비슷한 크기로 수렴하였고, 기존 연구의 실험 및 계측을 통해 확인된 굴착손상영역 크기와 모양, 경향과도 일치하는 것으로 나타났다. 굴착 되는 지반의 RMR 등급이 좋을수록 굴착손상영역의 크기는 더 커지고, 터널의 직경과는 정비례하는 것으로 나타났다. 반면에, 터널의 심도가 깊을수록 지반의 구속압이 커져서 굴착손상영역은 상대적으로 작게 형성되는 것으로 확인되었다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제30권5호
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• pp.413-422
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• 2022

TBM is widely used in the construction of various underground projects in the current world, and has the unique advantages that cannot be compared with traditional excavation methods. However, due to the high cost of TBM, the damage is even greater when geological disasters such as collapse occur during excavation. At present, there is still a shortage of research on various types of risk prediction of TBM tunnel, and accurate and reliable risk prediction model is an important theoretical basis for timely risk avoidance during construction. In this paper, a prediction model is proposed to evaluate the risk level of tunnel collapse by establishing a reasonable risk index system, using analytic hierarchy process to determine the index weight, and using the normal cloud model theory. At the same time, the traditional analytic hierarchy process is improved and optimized to ensure the objectivity of the weight values of the indicators in the prediction process, and the qualitative indicators are quantified so that they can directly participate in the process of risk prediction calculation. Through the practical engineering application, the feasibility and accuracy of the method are verified, and further optimization can be analyzed and discussed.

• 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.

• Geomechanics and Engineering
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• 제29권3호
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• pp.321-329
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• 2022

Tunnel site where high water pressure is applied, such as subsea tunnel, generally selects the shield TBM (Tunnel Boring Machine) to maintain the tunnel excavation face. The shield TBM has cutters installed, and the cutters wear out during the process of excavation, so it should be checked and replaced regularly. This is called CHI (Cutterhead Intervention). The conventional CHI under high water pressure is very disadvantageous in terms of safety and economics because humans perform work in response to high water pressure and huge water inflow in the chamber. To overcome this disadvantage, this study proposes a new method to dramatically reduce water pressure and water ingress by injecting an appropriate grout solution into the front of the tunnel face through the shield TBM chamber, called New Face Grouting Method (NFGM). The tunnel model tests were performed to determine the characteristics, injection volume, and curing time of grout solution to be applied to the NFGM. Model test apparatus was composed of a pressure soil tank, a model shield TBM, a grout tank, and an air compressor to measure the amount of water inflow into the chamber. The model tests were conducted by changing the injection amount of the grout solution, the curing time after the grout injection, and the water/cement ratio of grout solution. From an economic point of view, the results showed that the injection volume of 1.0 L, curing time of 6 hours, and water/cement ratio of the grout solution between 1.5 and 2.0 are the most economical. It can be concluded that this study has presented a method to economically perform the CHI under the high water pressure.

• 터널과지하공간
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• 제12권2호
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• pp.115-119
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• 2002

광주도시철도 1호선 건설공사에서 4개의 도심터널은 대구경 쉴드 TBM에 의한 굴착이 계획되었으며, 그 중에 No.1 터널 구간은 13개월 동안 굴착되었다. 본 연구에서는 이 기간동안의 순굴착속도 및 이의 추력과의 관계를 분석하였다. 낮은 심도에 굴착된 536 m 길이의 이 터널은 시 작부에는 토사층이며, 종점부 84 m 구간은 암반층이다. 주간 평균 순굴착속도는 토사층에서 400∼800 mm/hr 였는데 암반층에서 20∼110 mm/hr로 급격히 낮아졌다. 이러한 순굴착속도의 크기는 장비 및 암반의 특성을 고려한 이론적 속도와 비슷한 크기이다. 그리고, 순굴착속도는 추력이 증가할수록 비례하는 것으로 분석된다.

• 한국지반공학회논문집
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• 제32권12호
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• pp.5-13
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• 2016

본 연구에서는 대변형 해석기법 중 하나인 Coupled Eulerian-Lagrangian 해석기법을 적용하여 TBM 굴진으로 발생하는 굴착손상영역을 분석하였다. 실제 TBM 굴진과정을 모사하기 위해 quasi-static 조건을 고려하여 동적해석을 수행하였으며, 해석시간의 효율성과 정확도를 만족시키는 최적의 조건을 찾기 위해 mesh 및 TBM 굴진속도를 변수로 하여 case study를 수행하였다. 또한 암반 종류 및 터널 직경이 굴착손상영역에 미치는 영향을 확인하기 위해서 매개변수연구를 수행하였다. 수치해석 결과, TBM 굴착으로 인한 굴착손상영역은 대부분의 경우 0.4D 이내로 나타났으며, 터널직경이 커짐에 따라 굴착손상영역도 증가하는 것으로 나타났다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권5호
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• pp.641-656
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• 2019

본 연구에서는 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine) 터널 디스크 커터의 적절한 교체 시기를 예측하기 위한 방법으로 머신러닝 기법을 사용한 방법을 제안하였으며, 이를 위해 국내 기 시공된 쉴드 TBM 현장의 데이터를 이용하여 다양한 머신러닝 알고리즘 중 SVM (Support Vector Machine)을 이용하여 예측 모델을 구축하고 그 성능을 평가하였다. 지반 조건별 디스크 커터의 마모와 높은 상관성을 갖는 TBM 기계 데이터와 디스크 커터 교체 이력을 분류하고, 이들을 SVM의 변수로 사용하여 3종류의 분류 함수를 적용하여 각각 학습을 한 후 예측을 수행한 결과, 각 지반 조건에 대해서 3종류의 SVM 분류 함수 중 전체적으로 RBF (Radial Basis Function) SVM의 예측성능이 가장 우수하며(평균적으로 80%의 정확도, 10% 오분류율), 지반 조건별로 구분 시 디스크 커터 교체 데이터의 수가 많을수록 예측 결과가 좋은 것으로 나타났다. 향후 많은 데이터를 축적하고 이를 모두 활용하여 학습모델을 지속적으로 발전시켜 나간다면 이와 같은 디스크 커터 교환주기를 예측하기 위한 머신러닝 기법의 실무 적용성이 매우 클 것으로 기대한다.

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

• 터널과지하공간
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• 제10권4호
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• pp.526-532
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• 2000

전단면터널 굴착장비에 의한 터널굴착을 설계할 때 일반적으로 적용되는 암반의 강도는 80-250 MPa로 알려져 있으나 설계단계에서 암반의 특성을 완전히 파악하지 못한 채 설계하고 수행하는 경우가 있다. 본 연구는 60% 이상 구간의 단축압축강도가 260 MPa이상이며, RMR값이 70이상의 암반에서 TBM으로 굴착된 약 5.3km 연장의 밀양댐계통 광역상수도 도수로터널 TBM 굴착구간의 암반특성을 규명하고 이로써 이론적 굴착속도를 분석하여, 실제의 순굴착속도와 비교분석한 것이다. 노르웨이 NTH에 의하여 제안된 이론적 굴착속도는 현장에서 수행된 순굴착속도의 평균값과 2∼20%의 오차를 갖는 것으로 평가되어, 극경암에서의 굴착속도 설계는 일본이나 미국에서 제안된 해석법에 비하여 NTH해석법이 가장 접근된 설계방법이라 할 수 있다. 현지암반을 펑가하여 순굴착속도와의 상관관계를 규명한 결과, 극경암에서의 순굴착속도는 슈미트 해머에 의한 반발경도와 RMR 값에 반비례하는 것으로 나타났는데, 이의 상관계수는 각각 0.705 및 0.777이었다. 이로써 반발경도와 RMR의 크기는 순굴착속도를 예측할 수 있는 요소가 될 수 있음을 알 수 있다. 또한 극경암에서의 순굴착속도는 현지암반의 지압의 크기에 크게 영향을 받고 있는 것으로 평가되어 TBM 굴착설계에서 지압상태는 중요한 설계요소의 하나로서 고려되어야 할 것이다.