Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. July 2019. 545-560
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2019.21.4.545


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 토사지반용 EPB TBM 굴진 모사 시험 장비

  • 3. 실내 EPB TBM 굴진 시험

  •   3.1 시료 및 폼 선정

  •   3.2 예비 슬럼프 시험 수행을 통한 시험조건 결정

  •   3.3 실내 굴진 시험

  • 4. 실내 EPB TBM 굴진 시험결과

  •   4.1 FIR (Foam Injection Ratio)에 따른 EPB TBM 굴진 성능 평가

  •   4.2 FER (Foam Expansion Ratio)에 따른 EPB TBM 굴진성능 평가

  •   4.3 Cf (Surfactant Concentration)에 따른 EPB TBM 굴진성능 평가

  •   4.4 시험 결과정리

  • 5. 결 론

1. 서 론

EPB TBM은 1974년에 일본에서 개발이 시작되어 터널 기계화 시공에서 Slurry TBM과 함께 현재까지 터널 기계화 시공에서 가장 널리 사용되는 타입의 TBM이다(Herrenknecht et al., 2011). 통상적으로 점성토 지반에 주로 적용되는 EPB TBM 적용 범위를 조립질 지반까지 확장시키기 위해 폼, 폴리머 등의 첨가제를 주입하면서 시공하는데, 특히 폼의 경우 굴착 된 또는 굴착 예정의 흙에 주입될 때 버력의 내부마찰각 감소, 소성유동성 및 워커빌리티(workability) 확보, 투수계수 감소, 윤활 효과로 인한 TBM 1, 2차 마모량 감소 등의 효과를 기대할 수 있다(Quebaud et al., 1998). 따라서 EPB TBM 터널 시공에서 적절한 폼 주입의 조절은 TBM 장비 부하와 시공 리스크를 감소시켜 공기의 단축뿐만 아니라 굴진면을 안정화하여 공사의 안전성을 확보하는 측면에서 매우 중요한 요소이다. 또한 폼은 타 첨가제에 비해 가격이 저렴하다는 장점을 가지고 있어 현재로서 가장 널리 사용되는 유형의 첨가제이다.

터널공사에서 첨가제로서의 폼은 1970년대에 최초로 일본에서 제안되었으며(Psomas, 2001), 현재 터널 기계화 시공 선진국인 노르웨이, 독일, 미국, 이탈리아 등지에서 폼에 의한 굴착토 컨디셔닝 연구가 현재까지 활발하게 진행 중에 있다. 노르웨이의 Norwegian University of Science and Technology (NTNU)에서는 연약지반 조건에서 마모, 토크, 추력 등의 TBM 장비 부하 측정이 가능한 NTNU/SINTEF Soil Abrasion Test (SATTM), Soil Ground Abrasion Tester (SGAT) 등의 시험장치를 개발하여 컨디셔닝에 따른 TBM 장비 부하에 대한 실험적 연구가 수행되었다(Gharahbagh et al., 2011; Jakobsen et al., 2013a, 2013b). 독일의 경우, Maidl (1995), Budach and Thewes (2015)의 연구 결과가 대표적이며, 컨디셔닝 된 흙을 평가하는 일련의 실내시험을 통해 EPB TBM을 적용할 수 있는 지반의 입도범위를 확장하였다. 미국에서는 Colorado School of Mines에서 압력 조건에 따른 컨디셔닝 평가(Mori et al., 2018), 겉보기 밀도(apparent density) 분석을 통한 컨디셔닝 성능 예측 등에 대한 연구(Mori et al., 2017) 등이 수행되었으며, Pennsylvania State University에서는 주로 Penn State Soil Abrasion 시험 장비를 통한 마모에 대한 실험적인 연구가 주로 이루어지고 있다(Rostami et al., 2012; Gharahbagh et al., 2014). 이탈리아의 경우, Politecnico di Torino에서 주로 연구가 진행되고 있으며 사질토의 컨디셔닝 정도에 따른 슬럼프 시험을 통한 워커빌리티 측정, 스크류 컨베이어 장치 시험, 마모도 측정 등에 대한 연구가 이루어진 바 있다(Peila et al., 2009; Vinai et al., 2008; Salazar et al., 2018). 이 외에도 네덜란드, 일본, 중국 등에서도 폼에 컨디셔닝 작용에 대한 많은 연구가 진행되고 있는 것으로 알려져 있다.

그러나 국내에서는 국외에 비해 EPB TBM에서의 굴착토 컨디셔닝에 대한 연구가 매우 부족한 실정이다. Kim et al. (2018a)Lee et al. (2019)는 본 연구의 선행 연구로써, 현대건설 기술연구소에서 개발하고 본 논문에 적용한 시험 장비(Soil Abrasion Penetration Tester, SAPT)를 사용하여 일련의 예비시험을 수행하였으며, Kim et al. (2018b)는 국내 화강풍화토 시료를 사용하여 컨디셔닝 된 흙의 워커빌리티를 측정하는 슬럼프 시험 대신 사용할 수 있는 간편 낙하 콘 시험을 제안한 바 있다. 하지만 국내에서는 EPB TBM에서의 굴착토 컨디셔닝에 대한 연구가 전반적으로 미비한 실정이다.

전술한 바와 같이 국내에서 폼 주입에 따른 EPB TBM의 굴진 성능에 대한 연구가 필요하다고 판단되어 본 논문에서는 특정 지반에서 폼의 주입 조건에 따른 EPB TBM의 굴진 성능의 정성적인 특성을 파악하기 위한 토사 지반용 EPB TBM 굴진 모사 시험 장비(SAPT)를 고안하였다. 고안된 장비를 통해 임의의 인공 사질토 지반에 대하여 폼 주입 조건을 변화시켜가며 일련의 실내 굴진 시험을 수행하였으며 측정된 토크 값과 커터 비트 마모량을 비교하였다. 또한, 시험 후 배토된 버력을 이용하여 슬럼프 시험을 수행함으로써 각 시험조건에서의 워커빌리티를 비교하였다. 최종적으로 시험결과를 비교하여 특정 지반 조건에서의 최적의 폼 주입 조건에 대하여 고찰하였다.

2. 토사지반용 EPB TBM 굴진 모사 시험 장비

본 논문에서는 EPB TBM 굴진 시, 첨가제로 주입되는 폼의 주입 조건이 굴진 성능에 미치는 영향을 파악하기 위하여 실내 규모에서 EPB TBM 굴진 모사가 가능한 시험 장비를 고안하였다. 굴진 시험 장비의 구성은 Fig. 1에 나타나 있으며, 시험 장비(Fig. 1(a))는 크게 굴진 챔버, 블레이드, 스크류 컨베이어, 3층의 시료 몰드, 폼 발생기로 구성되어 있다.

굴진 챔버는 실제 EPB TBM의 챔버를 축소모형으로 실내에서 모사하고자 하였으며 회전하는 블레이드에 의해 굴착되어 컨디셔닝 된 시료를 장비 상부에 배토를 위해 설치된 shaft 식 스크류 컨베이어로 전달하는 역할을 한다(Fig. 1(b)). 블레이드는 5 개의 알루미늄 재질(시험 중 커터 비트의 총 이동거리를 고려하여 마모량 측정이 용이한 알루미늄을 사용)의 커터 비트를 회전축에서 일정한 간격으로 위치하여 탈부착 할 수 있도록 설계하여 굴진 실험 후 비트의 마모량을 측정할 수 있도록 하였으며, 블레이드와 일체로 연결된 롯드(rod) 내의 관을 통해 블레이드의 4 개의 구멍으로 폼이 배출될 수 있도록 하여 굴착과 동시에 컨디셔닝이 가능하도록 하였다(Fig. 1(c)). 3층의 시료 몰드는 각각 내경 200 mm 높이 240 mm로 구성되어 있어 챔버와 몰드의 결합을 위한 단차와 강판이 위치한 최하단부 굴착이 불가능한 구간을 제외하면 총 650 ± 20 mm의 굴진 모사를 가능하게 한다(Fig. 1(d)). 폼 발생기는 폼 용액을 주입부의 압력에 상관없이 정량 주입할 수 있는 스트로크(stroke) 기반의 실린더와 공기 유량계와 연동이 되는 에어 컴프레셔, 흐르는 폼재와 공기를 혼합하여 폼을 발생시킬 수 있는 구슬 실린더로 이루어져 있다(Fig. 1(e)). 폼 발생시, 목표하는 폼재의 양과 공기량을 설정하여 입력하면 설정된 정량의 폼재와 공기가 구슬을 통과하면서 난류를 형성하여 폼을 발생시키며, 롯드 내관을 통해 블레이드를 거쳐 시료 전방으로 폼이 주입된다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-04/N0550210406/images/kta_21_04_06_F1.jpg
Fig. 1.

Composition of laboratory EPB TBM excavation test apparatus

3. 실내 EPB TBM 굴진 시험

앞 절에서 서술한 굴진 시험 장비를 통해 실내 굴진 시험을 수행하였다. 본 연구에서는 폼의 주입 조건에 따른 TBM 굴진 성능을 파악하기 위하여 EPB TBM에서 폼에 의한 굴착토 컨디셔닝에서 일반적으로 적용되는 변수를 변화시켜가며 시험을 수행하였다. 일반적으로 EPB TBM 굴진 시 토크와 추력 등의 기계 데이터에 따라 폼 주입 조절에 사용되는 변수들을 정리하면 다음과 같다.

$$FIR=\frac{V_f}{V_{es}}\times100\%=\frac{V_l+V_a}{V_{es}}\times100\%$$ (1)

$$FER=\frac{V_f}{V_l}=\frac{V_l+V_a}{V_l}$$ (2)

$$C_f=\frac{V_{sf}}{V_{sf}+V_w}=\frac{V_{sf}}{V_l}$$ (3)

여기서, FIR은 폼 주입비(Foam Injection Ratio)를 나타내며 굴착 예정인 흙의 부피(Ves)에 대해 주입되는 폼의 부피(Vf) 비를 의미한다. FER은 폼 팽창비(Foam Expansion Ratio)이며 초기 액체 상태 폼재의 부피(Vl)에 비해 주입되는 공기의 부피(Va)로 인해 폼이 팽창하는 비율이다. 마지막으로 농축계수(Surfactant Concentration, Cf)는 물에 희석된 폼제(기포제, 계면활성제)의 농도를 의미하며, 물(Vw)과 함께 폼제(foaming agent, Vsf)를 일정 비율로 혼합하여 폼재를 제작한다.

유럽의 EFNARC (2005)에 따르면 EPB TBM 굴진 시 30~60% 범위의 FIR, 5~30 범위의 FER, 그리고 0.5~5% 범위의 Cf를 기준으로 폼 주입을 조절하는 것이 일반적이나, 실제로는 지반조건 및 실시간 계측되는 굴진 데이터에 따라 전술한 통상적인 범위보다 작거나 또는 커지는 경우도 많다(Langmaack, 2000). 본 논문에서는 주입되는 폼의 FIR, FER, Cf를 조절해 가며 EPB TBM의 굴진 성능 중 TBM 기계에 대한 부하를 시험 중 측정되는 토크와 알루미늄 커터 비트의 마모량으로, 또한 컨디셔닝 된 흙의 워커빌리티는 슬럼프 시험으로 분석하고자 하였다.

3.1 시료 및 폼 선정

본 연구에서는 인공 사질토 지반을 대상으로 하여 실내 굴진 시험을 수행하였다. 대상 사질토 시료는 Maidl (1995), Langmaack (2000) 등이 제안한 EPB TBM 적용이 가능한 사질토 지반 입도범위 내에 포함되는 일반적인 사질토 지반을 실내에서 구현하기 위한 입도를 선택하였다. 시료는 인조규사(조립분) 85%와 일라이트(세립분) 15%를 사용하여 조성하였으며 입도분포는 Fig. 2와 같다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-04/N0550210406/images/kta_21_04_06_F2.jpg
Fig. 2.

Particle size distribution of artificial sand for the experiment

본 논문에서 적용한 폼제(기포제, 계면활성제)는 국내 EPB TBM 현장에서 상용되는 MAK Tech에서 제작한 MAK foam을 사용하였으며, 폼제의 기본 물성은 Table 1에 나타나 있다. 상기의 폼제를 이용하여 FIR, FER, Cf 값을 조절해가며 일련의 굴진 시험을 수행하였다.

Table 1. Properties of foam surfactant for laboratory experiment

Product Apparent color Specific gravity Viscosity (cP) pH
MAk foam Bright brown 1.00~1.10 Max. 70 8~11

3.2 예비 슬럼프 시험 수행을 통한 시험조건 결정

굴진 시험에서는 주입되는 폼의 양과 상태를 나타내는 대표적인 변수인 FIR, FER, Cf 만의 영향을 파악하기 위하여 시험결과에 영향을 줄 수 있는 기타 변수(시료조성 및 시험 장비 운영조건)는 일정하게 유지하여 초기 시험조건을 설정하여야 한다. 또한 시험조건에 비해 컨디셔닝 효과가 충분히 확보되지 않는 조건(낮은 FIR, 높은 FER, 낮은 FER, 낮은 함수비 및 높은 건조 단위중량의 시료 조성)에서 폼 주입 배합으로 시험을 수행할 경우, 시험 장비의 구동한계를 초과하게 되므로 기본적인 컨디셔닝 효과가 발현되는 조건을 미리 확인하기 위하여 사전에 예비 슬럼프 시험을 ASTM (2015) 기준에 따라 수행하였다.

이때, 슬럼프 시험을 포함한 컨디셔닝 시험들은 폼과 흙 시료를 손 또는 교반기를 통해 배합하여 수행된다(Mori, 2016). 그러나 배합 도중에 시료에 적용되는 교반 에너지에 따라 초기에 설정한 폼 배합비가 크게 변할 수 있다. 예를 들어 공기가 포함되지 않은 계면활성제 자체만을 흙과 함께 교반 시, 교반 도중 공기가 유입되어 폼이 생성(즉, FIR, FER 증가)되는 것을 확인할 수 있다. 특히 본 논문에서 사용한 인공 사질토의 경우 점성토에 비해 교반의 정도에 따라 공기의 유입으로 인해 설정한 FIR, FER 보다 커지는 것으로 나타났다. 따라서 본 논문에서 수행한 모든 예비 슬럼프 시험은 공기의 유입을 최소화하고 1분 동안 일정한 속도로 손 교반하여 최대한 동일한 교반 에너지가 시료에 주입되도록 하였다.

일반적으로 EPB TBM에서 최적의 워커빌리티를 확보하는 슬럼프 값은 10~20 cm 범위로 알려져 있으며(Peila et al., 2009), 예비시험에서는 FIR = 50%, FER = 15, Cf = 3%, w = 10% 조건에서 18.2 cm의 슬럼프 값이 도출되었다. 이를 기준으로 한 폼 주입 조건을 기본 Case (Case 1)로 하여 FIR, FER, Cf를 변화시켜가며 시험을 진행하였다. 최종적으로 선정된 시험조건(Case)들이 Table 2에 정리되어 있다.

Table 2. Laboratory test cases of EPB TBM excavation considering foam injection condition

Case FIR, Foam Injection Ratio (%) FER, Foam Expansion Ratio (dimensionless) Cf, Surfactant Concentration (%)
1 40 15 3
2 45 15 3
3 50 15 3
4 55 15 3
5 60 15 3
6 50 10 3
7 50 12.5 3
8 50 17.5 3
9 50 20 3
10 50 15 1
11 50 15 2
12 50 15 4
13 50 15 5

3.3 실내 굴진 시험

실내 굴진 시험 장비를 통해 굴진 도중 측정되는 토크의 값은 폼 주입 조건뿐만 아니라 사전 조성된 시료의 함수비와 건조 단위중량에 영향을 받으므로, 폼 주입에 따른 굴진 성능에 대한 영향만을 비교하기 위해서는 모든 시험에서 시료 조성 조건을 동일하게 유지하는 것이 매우 중요하다. 따라서 모든 굴진 시험의 시료는 함수비 10% 조건에서 층당 100회씩 5층 다짐하여 3층 몰드에 조성하고 시료의 건조 단위중량을 약 1.92~1.93 t/m3으로 유지할 수 있도록 하였다. 시료 조성 조건뿐만 아니라 굴진 속도, 블레이드 회전 속도, 스크류 컨베이어 회전속도의 시험 결과에 대한 영향을 최소화하기 위하여 굴진 속도 45 mm/min, 블레이드 속도 10 rpm, 스크류 컨베이어 회전속도 120 rpm으로 고정하여 시험을 수행하였다. 블레이드 회전 속도의 경우, TBM 굴착 시 적용되는 일반적인 커터 비트의 이동 속도(약 0.1~1.5 m/s) 범위에 있도록 블레이드 회전속도를 10 rpm으로 적용하였다(Jakobsen et al., 2013b). 설정된 블레이드 회전속도에 따라 Prev (penetration per revolution) 값을 4.5 mm/rev로 가정하여 굴진 속도를 45 mm/min로 설정하였으며, 스크류 컨베이어 회전 속도의 경우, 챔버 내에 생성되는 토압이 컨디셔닝에 주는 영향을 배제하기 위해 챔버 내부 압력이 형성되지 않는 수준인 120 rpm으로 회전시키며 시험 중 챔버 내 굴착토를 배토시켰다.

위와 같이 시료 조성과 굴진 조건에 대한 설정이 완료되면 목표 Cf에 맞는 폼재를 실린더에 충전하고 설정된 굴진 속도(45 mm/min), FIR, FER 값에 따른 분당 폼재량과 공기량을 시스템에 입력한다. 생성된 폼은 입력된 값에 맞추어 블레이드 전방 4개의 배출구(Fig. 1(a))로 분출되며 조성된 시료를 수직 하방향으로 굴착하게 된다. 굴착 중 시간 또는 굴진 거리에 따른 토크 값이 출력 되며 본 논문에서는 기록된 토크의 크기를 TBM의 기계부하로 가정하여 결과를 분석하였다. 굴진 시험이 완료되면 블레이드에 장착된 5개의 알루미늄 커터 무게의 변화량을 통해 마모량을 산정하고 이를 마모 측면에서의 TBM의 기계부하로 분석하였다. 또한 컨디셔닝 되어 배토된 흙의 슬럼프 값을 측정함으로써 TBM 시공 중 원활한 굴진면 지보 및 운전을 위한 워커빌리티(또는 소성유동성)를 분석하였다.

4. 실내 EPB TBM 굴진 시험결과

본 절에서는 전술한 실내 EPB TBM 굴진 시험에서 FIR, FER, Cf에 따른 토크, 마모량, 슬럼프 값에 대한 결과 비교 및 분석을 수행하고 조성된 인공 사질토 지반에 대한 최적의 폼 주입 조건을 도출하였다.

4.1 FIR (Foam Injection Ratio)에 따른 EPB TBM 굴진 성능 평가

FIR을 40%에서 60%으로 5% 간격으로 변화시켜가며(Case 1~5) 굴진 시험을 수행하여 측정된 토크 값이 Fig. 3에 나타나 있다. Fig. 3(a)는 굴진 시험 중 기록된 토크 데이터(raw data)이며, Fig. 3(b)는 각 몰드별 평균 토크, 전체 몰드의 평균 토크를 FIR에 따라 비교하였다. 모든 굴진 시험은 상부에서 하부로 굴진이 진행되었으므로, 구속이 큰 하부 몰드에 다다를수록 전반적인 토크 값이 크게 측정되는 경향을 보였다. 시험 결과 FIR 값이 증가할수록 전반적인 토크 값이 감소하여 기계부하가 줄어드는 것으로 나타났으나 50% 이상의 FIR에서는 폼 투입량 증가에 따른 평균 토크 감소가 둔화되어 투입 대비 기계부하 감소효과가 저하되는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 고려한 인공 사질토 지반의 경우 50% 전후의 FIR 값에서 기계부하 감소를 위한 최적의 폼 주입비를 얻을 수 있을 것으로 판단되며, 이는 폼 투입량에 대비하여 충분한 기계부하 감소를 얻을 수 있는 폼 주입비를 의미한다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-04/N0550210406/images/kta_21_04_06_F3.jpg
Fig. 3.

Comparison of torque values with different FIR (torque)

Fig. 4는 각 시험 후 측정된 마모량을 FIR 값에 따라 도시한 그래프이다. 마모량은 굴진 시험 중 커터 비트의 이동거리(travel distance)가 가장 길어 마모량이 가장 뚜렷이 나타난 최외곽 커터 비트의 마모량을 비교하여 나타냈다. 측정된 평균 토크의 경향과 유사하게 FIR 값이 증가할수록 측정된 마모량이 지속적으로 감소하지만 50%를 기준으로 그 감소량이 줄어들어 커터 비트의 마모 감소효율이 줄어드는 것으로 나타났다. 따라서 FIR 값에 따른 마모량 비교에서도 FIR = 50% 전후가 최소의 폼 투입 대비 최적의 기계부하 감소 효과를 얻을 수 있는 최적 폼 주입비임을 알 수 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-04/N0550210406/images/kta_21_04_06_F4.jpg
Fig. 4.

Change of weight of bits with different FIR (abrasion)

Fig. 5는 굴진 시험 완료 후, 스크류 컨베이어를 통해 배토된 시료의 슬럼프 시험결과를 나타낸다. 측정된 슬럼프 값을 FIR 값에 따라 나타내면 FIR = 50% 지점에서 슬럼프 값이 급격히 변화하는 것으로 나타난다. 즉, 컨디셔닝 된 굴착토의 슬럼프 값의 경우에는 워커빌리티, 즉 소성유동성이 크게 변화하는 FIR 값이 토크 값이나 마모량 측정 결과에서보다 훨씬 뚜렷이 나타나는 것으로 판단된다. 결과적으로 10~20 cm의 슬럼프 값을 기준으로 하여 FIR 50% 이상, 60% 이하의 조건에서 최적의 컨디셔닝 효과가 나타남을 알 수 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-04/N0550210406/images/kta_21_04_06_F5.jpg
Fig. 5.

Slump values of muck with different FIR (slump)

4.2 FER (Foam Expansion Ratio)에 따른 EPB TBM 굴진성능 평가

FER에 따른 굴진 시험은 FER을 10에서 20까지 2.5 간격으로 변화시켜가며(Case 1, 6~9) 시험을 수행하였으며 측정된 토크 값을 Fig. 6에 나타냈다. Fig. 6(a)는 굴진 시험 중 기록된 토크 데이터(raw data)이며, Fig. 6(b)는 각 몰드별 평균 토크, 전체 몰드의 평균 토크를 FER에 따라 비교하였다. 4.1절에서 서술한 FIR 값의 경우 토크 감소량이 변화하는 지점(FIR = 50% 전후)이 존재함에도 불구하고 FIR 값이 증가할수록 토크 값이 지속적으로 감소하는 경향을 보인 반면 FER의 경우 15를 기점으로 하여 팽창비(FER)를 감소(즉, 공기량을 줄여 폼재 투입량 증가 및 wet 폼 생성)시켜도 측정된 토크 값이 거의 일정하게 되는 임계값이 뚜렷이 나타났다. 논문에서 적용된 인공 사질토 지반의 경우, FER = 15 전후에서 최적의 기계부하 감소 효과가 나타나는 것으로 판단되며 이는 특정 지반조건에서 FER 값의 경우 FIR 값에 비해 뚜렷한 최적 주입 조건이 존재한다는 것을 의미한다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-04/N0550210406/images/kta_21_04_06_F6.jpg
Fig. 6.

Comparison of torque values with different FER (torque)

굴진 시험 후 측정된 최외곽 커터 비트의 마모량을 주입된 폼의 FER 값에 따라 Fig. 7에 도시하였다. 측정된 마모량도 토크 값 결과와 유사하게 FER = 15를 기점으로 마모량 감소가 둔화되는 경향을 확인할 수 있으나 뚜렷한 FER 임계값을 보이진 않았다. 하지만, FER = 15 전후에서 최소 폼 투입량으로 최적의 마모 감소효과를 나타냄을 알 수 있다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-04/N0550210406/images/kta_21_04_06_F7.jpg
Fig. 7.

Change of weight of bits with different FER (abrasion)

Fig. 8은 측정된 슬럼프 값을 FER 값에 따라 나타낸 결과이다. FER 값이 증가함에 따라 슬럼프 값이 점차로 감소하다가 FER 15에서 급격히 변화하였다. 즉, 컨디셔닝 된 슬럼프 값의 경우에는 워커빌리티가 크게 변화하는 FER 값이 토크 값이나 마모량 측정 결과에서보다 훨씬 뚜렷이 나타나는 것으로 판단된다. 결과적으로 10~20 cm의 슬럼프 값을 기준으로 하여 FER = 15 이하에서 워커빌리티를 만족시키는 최적의 컨디셔닝 효과를 발휘할 수 있음을 보여준다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-04/N0550210406/images/kta_21_04_06_F8.jpg
Fig. 8.

Slump values of muck with different FER (slump)

4.3 Cf (Surfactant Concentration)에 따른 EPB TBM 굴진성능 평가

Cf를 1%에서 5%으로 1% 단위로 변화시켜가며(Case 1, 10~13) 측정된 토크 값을 Fig. 9에 나타냈다. Fig. 9(a)는 굴진 시험 중 기록된 토크 데이터(raw data)이며, Fig. 9(b)는 각 몰드별 평균 토크, 전체 몰드의 평균 토크를 Cf에 따라 비교하였다. 굴진 시험을 통해 CfFIR이나 FER에 비해 토크 값 변화에 대한 영향이 미미한 것으로 나타났으며, 특히 Cf = 2% 이상에서 Cf 값이 증가해도 토크 값 감소에 영향이 거의 없어, 2% 정도의 Cf 값을 확보해도 충분한 TBM 기계부하 감소 효과를 얻을 수 있는 것으로 나타났다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-04/N0550210406/images/kta_21_04_06_F9.jpg
Fig. 9.

Comparison of torque values with different Cf (torque)

Fig. 10에는 시험 후 최외각 커터 비트의 마모량을 Cf 값에 따라 도시하였다. 측정된 토크 값의 결과와 마찬가지로 Cf = 2% 정도의 농도만으로도 충분한 마모 감소 효과를 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-04/N0550210406/images/kta_21_04_06_F10.jpg
Fig. 10.

Change of weight of bits with different Cf (abrasion)

Fig. 11은 배토된 흙의 슬럼프 시험 결과를 나타내며, Cf 값이 컨디셔닝에 큰 영향을 주지 않기 때문에 FIR, FER 변수에 따른 슬럼프 실험 결과와는 다르게 임계값이 뚜렷하게 나타나지 않았다. 토크 값이나 마모량 측면에서 선정된 Cf = 2%와 다르게 선행연구의 적정 슬럼프 값(10~20 cm)을 기준으로 하면 3% 이상의 Cf 값으로 굴착토의 충분한 워커빌리티를 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/kta/2019-021-04/N0550210406/images/kta_21_04_06_F11.jpg
Fig. 11.

Slump values of muck with different Cf (slump)

4.4 시험 결과정리

각 주입 조건을 변화시켜가며 시험한 결과를 요약하여 Table 3에 나타냈다. 시험 결과, FIR 값이 증가할수록 측정된 토크, 마모량이 감소하고 50% 이상의 FIR에서 주입에 따른 효과가 감소하는 경향을 보였다. 워커빌리티의 경우 50~60%의 FIR에서 10~20 cm의 슬럼프 값 기준을 만족하였다. 따라서 본 연구에서 적용한 인공 사질토 조건에서는 60% 이하의 FIR을 유지하는 것이 요구되고, 특히 50% 전후의 FIR 값으로 폼을 주입하며 굴진하는 것이 폼 투입량 대비 최적의 TBM 굴진 성능을 얻을 수 있을 것으로 보인다. FER 값의 경우, FER 감소에 따라 기계부하와 마모량이 감소하는 결과를 나타냈다. 특히, FER = 15 이하에서는 FER을 감소시키더라도 측정된 토크 값이 변하지 않는 임계값이 뚜렷이 나타났고 마모 감소 효과가 저하되었다. 워커빌리티는 15 이하의 FER에서 선행연구의 기준을 만족하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구의 대상 인공지반에서는 15 전후의 FER 값으로 TBM 최적 굴진을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. Cf의 경우 2%의 Cf에서 농도를 증가시켜도 기계부하와 마모 감소 효과의 변화가 없는 임계값이 나타났으며 워커빌리티 측면에서는 Cf = 3% 이상에서 기준 값을 만족하였다. 또한 Cf 값은 타 주입 변수에 비해 TBM 굴진성능에 미치는 영향이 적은 것으로 나타나 Cf = 3%의 폼 투입으로 TBM 최적 굴진이 가능할 것으로 사료된다.

Table 3. Summary of laboratory excavation test results

Conditioning parameter Optimum value from tests
Torque Abrasion Slump
FIR, Foam Injection Ratio (%) 50% 50% 50~60%
FER, Foam Expansion Ratio (dimensionless) 15 15 <15
Cf, Surfactant Concentration (%) >2% >2% >3%

이러한 결과는 본 연구의 대상지반과 유사한 Sandy-Clay-Silt 지반에서 40~60%의 FIR 값을 추천한다는 유럽통합기준의 내용과 상응하는 결과를 보여준다(EFNARC, 2005). 또한, Budach (2012)의 연구에서는 FIR, FER, Cf에 따라 컨디셔닝 된 모래의 전단강도(본 논문에서 측정된 토크 값과 관련)와 슬럼프 값을 측정하였는데, 본 논문의 FIR, FER, Cf에 따라 측정된 토크, 슬럼프 값 결과와 유사한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서 측정된 마모량의 경우, 폼 주입 조건에 따라 컨디셔닝 된 실트질 모래에 의한 굴착도구의 마모를 측정한 Hedayatzadeh et al. (2017)의 시험 결과와 동일한 경향을 보였다. 그러나 이러한 연구 결과는 각 연구자가 설정한 폼 주입 조건, 시료 조건(입도 분포, 건조 단위중량, 함수비, 세립분 함량 등)에 따라 매우 상이한 결과를 나타내는 것으로 파악되며, 이는 TBM 최적 굴진 성능을 발휘하는 폼 주입 조건이 변할 수 있음을 시사한다.

5. 결 론

본 연구에서는 폼 주입 조건에 따른 EPB TBM 굴진 성능에 대한 영향을 분석하기 위해 실내 EPB TBM 굴진 시험 장비를 고안하고 사질토로 조성된 지반조건을 선정하여 일련의 실내 굴진 시험을 수행하였다. 모든 시험은 EPB TBM에서 일반적으로 폼 주입 조절에 적용하는 FIR, FER, Cf 값을 변화시켜가며 수행되었다. 본 논문에서 TBM 굴진 성능을 판단하는 요소로는 기계부하, 마모량, 워커빌리티 확보로 선정하고 각각 측정된 토크 값, 커터 비트 마모량, 슬럼프 값을 비교하여 폼 주입 조건에 따른 TBM 굴진 성능에 대한 영향을 분석하였다. 본 연구를 통해 도출된 결과는 다음과 같다.

1. FIR 값이 증가할수록 전반적으로 기계부하와 마모 정도가 감소하였으나 FIR = 50% 이상에서는 감소 경향이 둔화되어 투입 대비 기계부하와 마모 감소효과가 저하되었다. 워커빌리티의 경우 50~60%의 FIR에서 10~20 cm의 슬럼프 값 기준을 만족하였다.

2. FER 주입 변수의 경우, FER 감소에 따라 기계부하와 마모 정도가 감소하는 경향을 보이고, 특히, FER = 15 이하에서는 측정된 토크 값이 거의 일정하게 되는 임계값이 뚜렷이 나타났고 마모 감소 효과가 전반적으로 저하되었다. 워커빌리티 측면에서는 15 이하의 FER에서 슬럼프 기준을 만족하였다.

3. Cf 주입 변수의 경우, 2%의 Cf에서 농도를 증가시켜도 기계부하와 마모 감소 효과가 일정해지는 임계값이 나타났으며 워커빌리티 측면에서는 Cf = 3% 이상에서 기준 값을 만족하였다.

4. 시험 결과를 바탕으로 본 논문에서 적용된 인공 사질토 조건에서는 FIR = 50%, FER = 15, Cf = 3%의 폼 주입 조건에서 폼 투입량 대비 최적의 TBM 굴진 성능을 얻을 수 있는 것으로 나타났다. 본 논문의 연구 결과를 통해 특정 지반조건에서 TBM 굴진 성능을 만족하는 최적의 폼 주입 조건이 존재하며, 이는 일련의 실내 굴진 시험을 통해 TBM 굴진 시 초기 폼 주입 설계에 반영할 수 있을 것으로 사료된다. 전술한 시험을 바탕으로 향후에는 실제 국내 TBM 현장의 지반을 대상으로 하여 현장 동일 지반조건으로 굴진 시험하고 굴진 데이터와의 직접적인 비교를 통해 본 연구 결과 및 시험 장비의 적용성을 확장시킬 수 있을 것으로 보인다.

References

1 

ASTM (2015). ASTM C143, Standard test method for slump of hydraulic-cement concrete, C143/C143M- 15a, West Conshohocken, PA, ASTM International.

2 

Budach, C. (2012), Untersuchungen zum erweiterten Einsatz von Erddruckshilden in grobkörnigem Lockergestein, Ph.D. Thesis, Ruhr-Universität Bochum, pp. 174-180.

3 

Budach, C., Thewes, M. (2015), “Application ranges of EPB shields in coarse ground based on laboratory research”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 50, pp. 296-304.

10.1016/j.tust.2015.08.006
4 

EFNARC, A. (2005). Specifications and Guidelines for the use of specialist products for Mechanized Tunnelling (TBM) in Soft Ground and Hard Rock. Recommendation of European Federation of Producers and Contractors of Specialist Products for Structures.

5 

Gharahbagh, E.A., Rostami, J., Palomino, A.M. (2011), “New soil abrasion testing method for soft ground tunneling applications”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 26, No. 5, pp. 604-613.

10.1016/j.tust.2011.04.003
6 

Gharahbagh, E.A., Rostami, J., Talebi, K. (2014), “Experimental study of the effect of conditioning on abrasive wear and torque requirement of full face tunneling machines”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 41, pp. 127-136.

10.1016/j.tust.2013.12.003
7 

Hedayatzadeh, M., Rostami, J., Peila, D., Forough, O., Salazar, C.G.O. (2017), “Development of a soil abrasion test and analysis of impact of soil conditioning on tool wear for soft ground mechanized tunneling using EPB machines”, Proceedings of the World Tunnel Congress 2017, Bergen, pp. 1-6.

8 

Herrenknecht, M., Thewes, M., Budach, C. (2011), “The development of earth pressure shields: from the beginning to the present/Entwicklung der Erddruckschilde: Von den Anfängen bis zur Gegenwart”, Geomechanics and Tunnelling, Vol. 4, No. 1, pp. 11-35.

10.1002/geot.201100003
9 

Jakobsen, P.D., Bruland, A., Dahl, F. (2013a), “Review and assessment of the NTNU/SINTEF Soil Abrasion Test (SAT™) for determination of abrasiveness of soil and soft ground”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 37, pp. 107-114.

10.1016/j.tust.2013.04.003
10 

Jakobsen, P.D., Langmaack, L., Dahl, F., Breivik, T. (2013b), “Development of the Soft Ground Abrasion Tester (SGAT) to predict TBM tool wear, torque and thrust”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 38, pp. 398-408.

10.1016/j.tust.2013.07.021
11 

Kim, D.Y., Kang, H.B., Shin, Y.J., Jung, J.H., Lee, J.W. (2018a), “Development of testing apparatus and fundamental study for performance and cutting tool wear of EPB TBM in soft ground”, Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 2, pp. 453-467.

12 

Kim, T.H.., Kwon, Y.S., Chung, H., Lee, I.M. (2018b), “A simple test method to evaluate workability of conditioned soil used for EPB Shield TBM”, Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association, Vol. 20, No. 6, pp. 1049-1060.

13 

Langmaack, L. (2000), “Advanced technology of soil conditioning in EPB shield tunneling”, Proceedings of North American Tunneling Congress 2000, Boston, pp. 525-542.

14 

Lee, H., Shin, D., Kim, D.Y., Shin, Y.J., Choi, H. (2019), “Prediction of EPB shield TBM performance using a lab scale excavation test with different soil conditions”, Tunnels and Underground Cities: Engineering and Innovation meet Archaeology: Proceedings of the World Tunnel Concgress 2019, Naples, pp. 2446-2454.

10.1201/9780429424441-259
15 

Maidl, U. (1995), Erweiterung der Einsatzbereiche der Erddruckschilde durch bodenkonditionierung mit Schaum, Ph.D. Thesis, Institut für Konstruktiven Ingenieurbau, Ruhr-Universität Bochum, pp. 1-184.

16 

Mori, L. (2016), Advancing understanding of the relationship between soil conditioning and earth pressure balance tunnel boring machine chamber and shield annulus behavior, Ph.D. Thesis, Colorado School of Mines, pp. 1-191.

17 

Mori, L., Alavi, E., Mooney, M. (2017), “Apparent density evaluation methods to assess the effectiveness of soil conditioning”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 67, pp. 175-186.

10.1016/j.tust.2017.05.006
18 

Mori, L., Mooney, M., Cha, M. (2018), “Characterizing the influence of stress on foam conditioned sand for EPB tunneling”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 71, pp. 454-465.

10.1016/j.tust.2017.09.018
19 

Peila, D., Oggeri, C., Borio, L. (2009), “Using the slump test to assess the behavior of conditioned soil for EPB tunneling”, Environmental and Engineering Geoscience, Vol. 15, No. 3, pp. 167-174.

10.2113/gseegeosci.15.3.167
20 

Psomas, S. (2001), Properties of foam/sand mixtures for tunnelling applications, Master Thesis, England: St Hugh’s College, University of Oxford, pp. 1-147.

21 

Quebaud, S., Sibai, M., Henry, J.P. (1998), “Use of chemical foam for improvements in drilling by earth-pressure balanced shields in granular soils”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 13, No. 2, pp. 173-180.

10.1016/S0886-7798(98)00045-5
22 

Rostami, J., Gharahbagh, E.A., Palomino, A.M., Mosleh, M. (2012), “Development of soil abrasivity testing for soft ground tunneling using shield machines”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 28, pp. 245-256.

10.1016/j.tust.2011.11.007
23 

Salazar, C.G.O., Todaro, C., Bosio, F., Bassini, E., Ugues, D., Peila, D. (2018), “A new test device for the study of metal wear in conditioned granular soil used in EPB shield tunneling”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 73, pp. 212-221.

10.1016/j.tust.2017.12.014
24 

Vinai, R., Oggeri, C., Peila, D. (2008), “Soil conditioning of sand for EPB applications: A laboratory research”, Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 23, No. 3, pp. 308-317.

10.1016/j.tust.2007.04.010
페이지 상단으로 이동하기