1. 서 론
2. Shield TBM
2.1 Shield TBM 공법
2.2 Shield TBM 챔버 내 교반기구
3. 축소모형실험
3.1 실험장비 제작 및 검증
3.2 실험방법
3.3 실험 결과
3.4 종합 분석
4. 결 론
1. 서 론
도시의 빠른 성장과 도심지로의 인구 밀집으로 인해 지상 구조물이 급격히 늘어났으며 유동인구 증가로 현재 지반 상부는 과포화 상태이다. 이로 인해 교통체증, 주차문제 등이 발생되며 지상 구조물의 밀집화는 사회적으로 큰 문제를 일으킨다. 이러한 문제를 해소하고자 사회기반 시설들을 지하화하는 것이 지속적으로 논의되고 있다(Kong et al., 2019). 도심지 지하공간 활용에는 터널 공법이 주로 사용되고 있으며, 특히 Shield TBM 공법은 기존의 발파공법 대비 소음 및 진동이 적어 도심지 터널 굴착에 많이 사용되고 있다.
Shield TBM 공법은 디스크커터와 커터비트를 통해 토사 및 암반을 절삭하며 굴진하게 된다. Shield TBM은 막장면 지지방법에 따라 토압식(Earth Pressure Balanced, EPB)과 이수식(Slurry Pressure Balanced, SPB) TBM으로 나뉜다(Park et al., 2015). 이 중 EPB TBM은 커터헤드(cutter head) 후방에 위치한 쉴드 챔버에 굴착 토사(혹은 암반)가 유입되고 Screw conveyor의 배토 회전 속도로 챔버 내 토압을 조절하여 막장면의 압력을 관리하는 방식으로 통상적으로 사질토 이하의 지반에 적합하였지만 최근에는 첨가제(foam, polymer, anti-clogging제 등)의 적합한 사용과 함께 암반 지반에도 적용되고 있다(Kim et al., 2018).
챔버란 일반적으로 Shield TBM의 커터헤드와 격벽 사이의 공간을 말하며, 이 공간은 굴착된 토사 및 암반을 일시적으로 저장하면서 막장 내 압력을 제어 ‧ 유지하는 곳으로 막장 안정의 중요한 부분이다. 현재 국내의 Shield TBM에 관한 연구에 있어 디스크커터 및 커터비트와 세그먼트에 관한 연구는 많이 이루어지고 있지만 챔버와 챔버 내 교반성능에 대한 연구는 미비한 실정이다. 중 ‧ 대단면 TBM 국산화 기획 최종보고서(KAIA, 2015)에 의하면 국내 중 ‧ 대단면 TBM 기술중 토압식 굴진면 안정화 시스템의 전체 기술수준은 유럽, 중국, 일본 대비 62.7%이며, 평균 기술격차는 4.9년이다. 세부적으로 확인해 보면 벨트 컨베이어는 69.2%, 굴착토 처리기술은 64.2%의 기술수준으로서 상대적으로 높으며 커터헤드 챔버의 기술수준은 54.2%로서 상대적으로 낮은 수치를 보인다. 기술격차로 확인해 보면 스크루 컨베이어는 3.8년 커터헤드 챔버는 6.8년으로서 상대적으로 큰 격차를 보임을 알 수 있다.
이와 같이 국내 커터헤드 챔버에 대한 연구는 미비함을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 Shield TBM 챔버를 축소모형으로 제작하였으며, 교반봉(Mixing bar)의 크기 및 형상에 차이를 두어 실험하였다. 이를 통해 Sheild TBM 챔버 내 교반봉의 크기 및 형상이 교반 효율에 미치는 영향을 파악하였다.
2. Shield TBM
2.1 Shield TBM 공법
Shield TBM 공법은 강재원통형의 굴착기계를 수직 작업구 내에 투입시켜 기계의 선단부에 장착되어 있는 굴착용 커터헤드를 회전시키며 지반을 굴착한다. 그리고 동시에 각종 안정재 주입을 하고 챔버 내의 압력을 유지하면서 막장면의 붕괴를 방지한다. 1싸이클 굴착이 종료되면 굴진기 후미에서 지보재인 세그먼트를 설치하는 것을 반복하면서 굴착하는 공법이다. Shield TBM공법은 막장면의 지지방법에 따라 토압식(Earth Pressure Balanced, EPB)과 이수식(Slurry shield TBM)으로 나뉜다(Kim et al., 2018). Shield TBM공법은 1990년대 후반에 이수식, 토압식 등의 Shield TBM이 개발되면서 급격히 발달되었다. 여러 종류 및 단면형상의 Shield TBM의 개발과 새로운 보조공법의 발달은 터널기술의 발전을 가져왔다(Kim, 2011). 이수식 TBM은 챔버 내의 굴착토 대신 이수를 가압하여 막장안정을 도모하면서 지반을 굴착하며, 굴착토사를 챔버 내의 이수와 함께 배니관을 통해 배출할 수 있는 구조로 되어있다. 이수식 TBM은 굴진면을 완전히 밀폐시켜 시공환경이 양호하지만 지상에 이수처리를 위한 대규모 플랜트 부지가 필요하다는 단점이 있다. 토압식 TBM은 챔버 및 스크류컨베이어 내에 유입된 굴착토사를 Shield TBM 잭 추력에 의해 가압하며 막장안정을 도모하면서 지반을 굴착한다. 굴진면의 지지압력은 굴진속도와 스크류 컨베이어의 회전수에 의해 제어되며, 굴착면의 안정은 챔버, 스크류 컨베이어 등에 충만 압축된 버력에 의한 지반 접촉부에서의 유효응력 확보와 챔버의 압력 조절에 좌우된다(Kim et al., 2014). 토압식 TBM은 별도의 보조공법 없이 광범위한 지반조건에 적용이 가능하고 이수식에 비해 지상 플랜트 부지가 적게 소요되어 최근에 많이 활용되고 있다. 막장 지지방식의 차이에 따라서 TBM이 분류되어 있지만 막장에서 굴착된 토사가 챔버 내로 유입되어 배출 되는 것에 대한 동일한 역할을 담당하고 있다.
2.2 Shield TBM 챔버 내 교반기구
Shield TBM의 챔버는 막장 안정을 유지하는 중요한 역할을 담당하고 있다. 미국 시애틀의 알라스칸 웨이(Alaskan Way) vaiadurt 터널 연구(Mosavat and Mooney, 2015)에서는 흙 압력 터널링 머신(EPBM) 내 굴착 시 압력 동향을 조사하였다. 또한 흙 응집력이 강한 실트와 점토, 굴착 시 압력, 스크류 컨베이어 압력, 커터헤드 및 스크류 컨베이어의 Torque와 회전속도 등과 같은 주요 작동 매개변수를 상세히 연구하여 어떠한 영향을 미치는지 파악하였다. 12개의 압력 센서가 측정한 굴착 시 압력은 최대 3~3.5 bar까지 변화 되었으며 굴착과 정지 상태에서 챔버의 압력은 변화했다. 챔버 내 여러 높이에서 발생하는 반응은 동시반응 하였다. 굴착 시 챔버 압력 변화는 커터헤드를 통해 챔버 내부, 스크류 컨베이어를 통해 챔버 밖으로 토출되는 체적 유량의 변화에 영항을 받는다. 그러므로 토압식 Shield TBM에서는 굴착된 토사가 챔버 내로 유입되어 막장 안정에 대해 직접적인 연관을 가지고 있으며, 스크류 컨베이어의 배토에 따라 막장 유지 및 굴착 성능을 좌우하게 된다. Shield TBM 공법의 굴진성능 향상과 정밀 시공을 위해서는 스크류 컨베이어의 적절한 배토효율을 유지시켜야 하며, 그에 따라 챔버 내의 굴착 토사에 대한 상태 관리를 해야 한다. 또한 굴착 토사에 관한 관리로써는 첨가재와 교반 기구를 이용하여 적절한 교반을 해주어야 한다. 총 압력은 혼합 지수에서 작은 영향만 가지며, 높은 압력은 혼합을 약간 지연시켰다. 그리고, 교반봉은 토양 혼합 패턴 효율에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 그러나 과도한 교반기구의 사용은 Shield TBM의 Torque 및 RPM에 영향을 미칠 수 있으며, 미흡한 교반에 의해 스크류 컨베이어의 배토 효율이 일정하지 않다면 굴진 성능과 막장 안정에 영향을 미칠 수 있다.
3. 축소모형실험
3.1 실험장비 제작 및 검증
본 실험은 교반 효율 향상을 위한 기초실험으로 Fig. 1과 같이 Shield TBM 챔버와 챔버 내의 교반기구를 축소모형으로 제작하였다. 교반봉 자체의 교반 효율을 확인하기 위하여 실제 TBM 장비와 다르게 교반봉이 회전하도록 제작하였으며, 이는 시료의 교반에 작용하는 외적 요인들을 최대한 줄이기 위함이다. 또한 RPM 조절이 가능하게 하여 RPM의 정도에 따른 교반 능력도 확인할 수 있도록 장비를 제작하였다.
축소모형 장비는 실제 사용되고 있는 8 m급 TBM 장비를 약 20:1로 축소하여 제작하였다. Table 1은 축소모형으로 제작한 챔버의 제원이며 내경을 의미한다. Fig. 1(a)는 축소모형으로 제작한 챔버의 전경으로써 교반봉을 교체 가능하도록 제작하였으며, Fig. 1(b)는 측면이다.
Table 1. Chamber
| Classification | Diameter (mm) | Width (mm) | Area (cm2) | Volume (cm3) | Scale ratio |
| Size | 395 | 75 | 1,225.4 | 9,190.6 | 20:1 |
3.1.1 시료의 조성 및 안식각(Ø)
축소모형 실험에 사용된 시료들은 모두 플라스틱 소재이며, 크기(4 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm)와 색(흑색, 백색, 적색, 청색)의 차별을 두어 조성하였다. 이는 균질하지 못한 지반상태를 모사한 것이며, 육안으로 쉽게 파악이 가능하게 하기 위하여 색을 달리 하였다.
장비운용에 앞서 실험에 사용될 시료에 대한 안식각을 측정하였다. 이는 크기가 다른 플라스틱 시료들 각각의 마찰력 최대 한계를 측정하기 위하여 진행하였으며, 아크릴 토조에 시료를 채운 후 전면부를 개방하여 시료가 흘러내리게 하였다. 안식각의 측정은 시료의 움직임이 멈춘 후 측정하였으며, 전경은 Fig. 2와 같다.
안식각 측정 결과인 Table 2를 확인해 보면 시료의 크기가 커질수록 안식각은 작다는 결과를 확인할 수 있다.
Table 2. Sample angle of repose
| Classification | 4 mm | 6 mm | 8 mm | 10 mm |
| Angle of repose | 42° | 35° | 35° | 33° |
3.1.2 실험장비 구성
교반봉의 크기와 형상이 교반 효율에 끼치는 영향을 알아보기 위해 형상은 정사각형과 원형으로 제작하였으며, 크기는 10 mm, 15 mm, 20 mm 총 3가지의 직경으로 제작하였다. 모든 교반봉의 길이는 75 mm로 동일하며 Table 3과 같다.
Table 3. Shape and size of mixing bar
| Mixing bar | Diameter (mm) | Length (mm) | Volume (cm3) |
 | 10, 15, 20 | 75 | 75, 168.75, 300 |
 | 10, 15, 20 | 75 | 58.90, 132.53, 235.61 |
또한 챔버 내 교반을 위한 동력 시스템 및 전자제어 시스템을 Fig. 3과 같이 구성하였다. Fig. 3(a)와 같이 장비 뒤쪽에 감속장치와 구동모터를 설치하여 챔버 내 교반기구를 회전 가능하도록 하였다. Fig. 3(b)와 같이 속도조절 장치로 교반봉의 RPM을 제어 하며, 인디게이터를 통해 회전 시 장비에 가해지는 Torque를 측정 가능하게 제작하였다.
3.2 실험방법
시료의 형상 및 크기, RPM, 중력이 교반 효율에 끼치는 영향을 파악하기 위해 실험을 진행하였으며, Fig. 4와 같이 축소모형 장비를 세운 상태와 눕혔을 때의 상태로 실험을 진행하였다. 실험 Case는 Tables 4, 5와 같다. Table 4는 축소모형 장비를 세운 상태의 Case, Table 5는 축소모형 장비를 눕혔을 때의 Case이다. 모든 실험은 동일하게 10분 동안 진행하였다.
Table 4. Test cases (chamber along horizontal direction)
| Case | Shape | D (mm) | RPM | Case | Shape | D (mm) | RPM |
| 1 | Circle | 10 | 5 | 7 | Square | 10 | 5 |
| 2 | 15 | 8 | 15 | ||||
| 3 | 20 | 9 | 20 | ||||
| 4 | 10 | 10 | 10 | 10 | 10 | ||
| 5 | 15 | 11 | 15 | ||||
| 6 | 20 | 12 | 20 |
Table 5. Test cases (chamber with vertical direction)
| Case | Shape | D (mm) | RPM | Case | Shape | D (mm) | RPM |
| 1-1 | Circle | 10 | 5 | 7-1 | Square | 10 | 5 |
| 2-1 | 15 | 8-1 | 15 | ||||
| 3-1 | 20 | 9-1 | 20 | ||||
| 4-1 | 10 | 10 | 10-1 | 10 | 10 | ||
| 5-1 | 15 | 11-1 | 15 | ||||
| 6-1 | 20 | 12-1 | 20 |
3.3 실험 결과
3.3.1 굴진방향과 중력방향이 수직일 때 영향범위
Tables 6, 7은 Fig. 4(a)와 같이 중력이 굴진방향과 수직 방향으로 작용할 경우 RPM과 Mixing bar 형상 및 크기에 따른 영향 범위를 나타냈다. Fig. 5는 RPM이 5, Fig. 6은 RPM이 10인 경우에 장비에 가해지는 Torque를 나타낸 그래프이다.
Tables 6, 7을 보면 RPM 5보다 10의 경우 교반봉의 영향범위가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 또한 정사각형 교반봉의 경우가 원형 교반봉보다 영향범위가 더 큰 것을 확인할 수 있다.
Table 6. Chamber along horizontal direction RPM 5
|
Mixing bar diameter | Circle | Squared | ||
| Mixing 5 min | Mixing 10 min | Mixing 5 min | Mixing 10 min | |
| 10 mm |  |  |  |  |
| 15 mm |  |  |  |  |
| 20 mm |  |  |  |  |
Table 7. Chamber along horizontal direction RPM 10
|
Mixing bar diameter | Circle | Squared | ||
| Mixing 5 min | Mixing 10 min | Mixing 5 min | Mixing 10 min | |
| 10 mm |  |  |  |  |
| 15 mm |  |  |  |  |
| 20 mm |  |  |  |  |
Fig. 5와 Fig. 6을 비교해보면 정사각형 교반봉의 경우 원형 교반봉보다 Torque가 크게 측정되는 것을 확인 할 수 있었으며, 직경이 커질수록 Torque 또한 커지는 것을 확인할 수 있다.
3.3.2 굴진방향과 중력방향이 수평일 때 영향범위
Tables 8, 9는 Fig. 4(b)와 같이 중력이 굴진방향과 수평 방향으로 작용할 경우 RPM과 Mixing bar 형상 및 크기에 따른 영향 범위를 나타냈다. Fig. 7은 RPM이 5, Fig. 8은 RPM이 10인 경우에 장비에 가해지는 Torque를 나타낸 그래프이다.
Tables 8, 9를 보면 RPM 5보다 10의 경우 교반봉의 영향범위가 더 큰 것을 확인할 수 있다. 또한 정사각형 교반봉의 경우가 원형 교반봉보다 영향범위가 더 큰 것을 확인할 수 있다.
Table 8. Chamber with vertical direction RPM 5
|
Mixing bar diameter | Circle | Squared | ||
| Mixing 5 min | Mixing 10 min | Mixing 5 min | Mixing 10 min | |
| 10 mm |  |  |  |  |
| 15 mm |  |  |  |  |
| 20 mm |  |  |  |  |
Table 9. Chamber with vertical direction RPM 10
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Mixing bar diameter | Circle | Squared | ||
| Mixing 5 min | Mixing 10 min | Mixing 5 min | Mixing 10 min | |
| 10 mm |  |  |  |  |
| 15 mm |  |  |  |  |
| 20 mm |  |  |  |  |
Fig. 7과 Fig. 8을 비교해보면 정사각형 교반봉의 경우 원형 교반봉보다 Torque가 크게 측정되는 것을 확인 할 수 있었으며, 직경이 커질수록 Torque 또한 커지는 것을 확인할 수 있다.
3.4 종합 분석
Case별로 비교 분석한 결과는 Figs. 9, 10과 Table 10과 같이 나타났다. 중력이 수직방향일 때와 수평방향일 때 둘 다 RPM5보다 RPM10에 Mixing bar는 원형보다 정사각형으로 직경이 클수록 영향범위가 증가하는 모습을 나타낸다. 또한 Torque도 영향범위 같이 RPM10에 직사각형 Mixing bar를 사용할 때 Torque가 증가하는 결과를 알 수 있다.
하지만 영향범위에 모양에서는 두 방향이 차이점을 보였는데 둘 다 원형으로 잘 섞이지만 일정한 원형 띠 모양을 나타낸 수평방향과 다르게 수직방향은 밑에 쪽이 두꺼운 약간 찌그러진 원형 띠 모양으로 수평방향보다 큰 영향범위를 나타냈다.
시간에 따른 Torque는 Mixing bar의 모양과 크기, 그리고 RPM에 영향 받는 것을 보여준다. 또한 중력 방향에 따라 영향을 받는 것을 확인할 수 있는데 이는 다른 요인들 보다 확연한 차이를 보여준다. 결과를 확인해 보면 수직방향의 Torque 값이 수평방향의 Torque 값보다 크게 나타나는 것을 볼 수 있다.
Table 10. Torque value average of mixing bar according to RPM
4. 결 론
본 실험을 통하여 Mixing bar의 크기와 형상에 따라 영향 범위와 Torque에 관계가 있다고 볼 수 있다. 또한 교반기구에 중력방향에 따라 실험한 결과 중력방향에 따라서도 교반되는 영향 범위와 Torque 값이 다르게 나타난다.
위 결과를 토대로 중력방향이 수직, 수평 일 때를 비교하면 정사각형 Mixing bar가 교반기구의 RPM이 증가할수록 Mixing bar에 의해 교반되는 영향범위는 증가하는 경향을 나타냈다. Table 8은 실험 Case에 대한 평균 Torque로 RPM증가에 따른 Torque도 원형보다는 정사각형일 경우 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 Mixing bar가 원형일 경우 상대적으로 회전에 따른 마찰저항이 정사각형일 때 보다 작아 나타나는 것으로 판단되며 저항이 증가할수록 교반이 잘되는 것을 알 수 있었다.
본 실험 결과 최적의 교반을 위해서는 시료와 Mixing bar의 형상 및 크기, 중력방향에 따른 영향도 중요한 인자로 작용하며, 향후 Mixing bar의 위치 및 개수, 장비 부하와 관련된 RPM과 Torque에 관한 추가 적인 연구를 진행하여야 한다.
이상 본 연구결과는 Shield TBM 내 챔버 설계 및 기술개발 향상에 매우 유용하게 활용될 것이다.
본 실험 결과 최적의 교반을 위해서는 시료와 Mixing bar의 형상 및 크기, 중력방향에 따른 영향도 중요한 인자로 작용하며, 향후 Mixing bar의 위치 및 개수, 장비 부하와 관련된 RPM과 Torque에 관한 추가 적인 연구를 진행하여야 한다.
