• 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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• 제18권3호
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• pp.257-272
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• 2016

TBM으로 터널 시공 중 막장면에서 갑작스럽게 문제가 발생하는 경우 공간적인 제한 때문에 NATM공법으로 시공되는 터널에 비해서 적절한 대처를 하기가 어렵다. TBM으로 터널 시공 중에 막장전방의 지반상태를 예측하는 것은 매우 중요하기 때문에 탄성파, 전자기파 등을 이용하여 TBM 면판 전방의 지반상태를 예측하는 연구 및 기술개발이 이루어졌다. 대부분의 TBM 현장에서는 공사기간 및 비용을 고려하여 1개의 막장전방 예측기법을 적용한다. 그러나 막장전방 예측기법의 종류에 따라서 탐사심도, 적용 가능한 지질조건, 예측할 수 있는 대상, 예측 정확도 등이 다르다. 복합적인 지질조건에 위치한 TBM 터널 시공 시에는 여러 가지 막장전방 예측기법을 적용하는 것이 막장 전방의 지질 조건을 정확하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 여러 가지 막장전방 예측기법을 동시에 적용하였을 경우 각각의 기법으로부터 얻어진 지반상태는 다른 결과를 나타낼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 각각의 막장전방 예측기법으로부터 얻어진 막장전방의 지반상태를 종합적으로 평가하기 위한 방법을 제안하였다. 확률론적 분석과 계층분석기법을 이용하여 막장전방의 지반 상태를 종합적으로 평가할 수 있는 통합 모델을 제시하였다. 또한 본 연구에서 제안한 모델을 가상의 지반에 적용하여, 종합적으로 지반 상태를 평가할 수 있음을 확인하였다.

• 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.

• 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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• 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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• 제10권1호
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• pp.69-79
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• 2008

터널 막장 전방의 암반 물성 변화의 예측은 터널 시공 시 붕괴를 막을 수 있는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 표면파에 대한 웨이블렛 변환을 이용한 모형 암반의 위상속도를 예측하는 비파괴 시험법을 제안함으로써 터널 막장 전방의 암반 물성 변화를 예측하고자 한다. 실내 실험에서는 암반을 모사하기 위하여 강도가 각각 틀린 두 층으로 이루어진 석고 모형을 사용하였다. 가진윈은 진동 발생 가능한 주파수 대역이 150 Hz에서 5 kHz인 액츄에이터를 사용하였으며, 감지기는 두 개의 가속도계가 사용되었다. 분산곡선을 계산하기 위하여 웨이블렛 변환 해석을 수행하였다. 실내 실험 결과, 근접장 효과를 없애기 위한 최소 감지기 간격이 탐측 가능 깊이의 3배 이상으로 나타났다. 정규 분포 곡선에 기초한 가중치를 이용한 간단한 역산을 제안하였고, 파장 반영계수가 0.2일 때 예측치와 실측치가 잘 일치하였다. 표면파의 전파 깊이는 파장의 $0.42{\sim}0.63$배로 나타났으며, 분산곡선에서 파장에 따라 위상속도가 변하는 구간이 역산을 통해 계산된 구간과 잘 일치하였다. 표면파에 대한 웨이블렛 변환을 이용한 위상속도의 예측은 기존의 표면파 시험법에 비해 실험 구성 및 실험 방법, 역산과정이 간단하므로 터널 막장 전방의 암반 물성 변화를 예측하는데 효율적인 적용이 가능할 것으로 판단된다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제17권4호
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• pp.457-471
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• 2015

본 연구에서는 직경 3.6 m의 국산 커터헤드를 설계 제작하고 이를 기존의 토압식 쉴드TBM에 적용하여 연장이 1,275 m인 전력구 터널의 굴착공사를 수행하였다. 특히, 본 연구에서는 TBM 커터헤드의 설계절차와 그에 따른 TBM 굴착성능을 예측하기 위한 방법들을 정리하였다. 제작된 국산 커터헤드 장착 토압식 쉴드TBM의 실제 굴진자료를 분석한 결과, 최대 굴진율은 14.4 m/day이었으며 암석의 일축압축강도가 가장 큰 조건에 대해 커터헤드의 설계단계에서 제시한 4 mm/rev 내외로 디스크커터의 관입깊이가 관리되었음을 확인하였다. 또한 TBM의 구동 추력과 디스크커터의 연직력은 각각 TBM의 최대 추력 용량과 디스크커터의 최대 허용 연직력이하로 나타났다. 현장에서 측정된 디스크커터의 작용력을 분석한 결과, 연암 조건에서 CSM모델의 예측 오차가 크게 나타남을 확인하였다. 마지막으로 암석의 일축압축강도와 디스크커터의 연직력 및 커터 관입깊이는 밀접한 상관관계를 나타내었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제13권6호
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• pp.431-450
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• 2011

원형수직터널의 시공시 지하수가 존재하는 경우 굴착에 의해 지하수의 흐름이 발생되어 추가적인 힘이 작용하게 된다. 원형수직터널의 지하수의 흐름은 일반적인 수평터널과 달리 깊이방향으로 다르게 작용되며, 수직터널의 벽체에 경사방향으로 작용하게 된다. 본 연구에서는 원형수직터널에 작용하는 침투력의 영향을 파악하기 위해 깊이에 따라 변하는 경사방향의 흐름성분을 수직과 수평방향으로 나누어 각각을 이론식에 적용하였다. 지하수가 영향을 미치는 범위는 토압을 야기하는 이완영역과 같은 것으로 가정하여 이론식을 유도하였다. 침투력에 의해 발생되는 추가적인 힘으로 인하여 원형수직터널의 이완영역에 작용되는 응력이 달라짐에 따라 침투력을 고려한 토압계수 산정식과 원형수직터널 벽체에 작용하는 응력 산정식을 본 연구를 통해 제안하였다. 가상지반을 설정하고 제안식을 적용한 결과, 침투를 고려하지 않은 건조한 지반에 비하여 수직방향응력은 약 1.4배, 토압은 2.5배 증가하는 결과를 보였다. 침투해석을 통하여 "유효응력+침투력"으로 구한 값과 제안식을 이용하여 산정한 값은 유사한 경향을 보여 제안식은 침투력을 적절히 고려하여 토압을 예측하는 것으로 나타났다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제10권3호
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• pp.245-256
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• 2008

터널 주지보재의 하나인 강지보재는 굴착 후 숏크리트 또는 록볼트의 지보기능이 발휘되기까지 터널 굴착면의 안정을 도모하는데 매우 중요한 역할을 수행한다. 일반적으로 수평터널의 강지보재는 중력방향으로 설치되고 있으며 시공성 및 안정성 측면에서 모두 유리한 것으로 알려져 있다. 그러나 경사터널의 경우는 터널 벽면에 작용하는 주응력 방향과 중력방향이 서로 다르기 때문에 최적의 강지보재 설치방향은 수평터널에서의 중력방향과는 다를 수 있다. 본 연구에서는 수치해석 방법을 이용하여 경사터널 벽면에 작용하는 힘의 작용방향을 규명하였으며 그 방향이 최적의 강지보재 설치방향이 될 수 있다. 즉, 강지보재의 지보효율은 터널 변위가 발생하는 방향으로 저항하도록 설치하는 경우에 최대가 될 수 있다. 국내 터널설계기준에서 제안하고 있는 경사터널에서의 세 가지 강지보재 설치방향을 모델로 설정하여 단계별 해석을 통한 비교검토를 수행하였다. 연구결과 경사터널 벽면에서의 변위 발생각은 막장경사와 관계없이 모두 터널 굴착면에 수직한 방향과 유사한 각도로 발생하므로 경사터널에서의 강지보재는 터널 굴착면에 수직인 방향으로 설치하는 경우가 지보효율 측면에서 보다 유리한 것으로 검토되었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제10권3호
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• pp.269-282
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• 2008

일반적으로 터널설계와 관련된 수치해석에서 강지보의 효과가 고려되지 않고 있다. 최근 연약한 지반에 위치하는 얕은 터널 건설의 증가에 따라 터널의 안정성 해석에 강지보가 굴착으로 재 분포된 하중의 일부를 부담한다는 개념 하에 숏크리트와 함께 강지보의 효과를 적용한 사례가 늘고 있다. 이와 같은 해석에서 강지보는 여러 방법으로 고려될 수 있다. 본 논문에서는 숏크리트와 강지보의 발생응력을 알아보기 위하여 FLAC 2D를 이용하여 (1) 강지보를 고려하지 않는 일반적인 방법, (2) 숏크리트의 모멘트를 고려하지 않는 등가합성단면법, (3) 숏크리트와 강지보의 압축력과 휨모멘트를 모두 고려하는 등가합성단면법, 그리고 (4) 각각의 빔 요소로서 모델링하는 방법을 포함하는 4가지 방법에 대해 수치해석을 실시하였다. 그 결과, 강지보의 지보효과를 고려한 경우가 그렇지 않은 방법에 비해 현실적이며 경제적인 설계에 접근할 수 있는 것으로 나타났다. 강지보를 고려하는 3가지 해석방법은 지반 조건에 따라 조금씩 다른 경향을 나타내므로 설계조건 및 상황에 맞는 적절한 사용이 필요하다.