1. 서 론

TBM 터널공법은 디스크커터의 회전 압축력으로 굴착을 실시한 후 지보재 또는 콘크리트 라이닝을 설치하여 터널을 시공하는 방법으로서 특징적으로 여타의 공법에 비하여 굴진속도가 빠르며(평균 10 m/일), 신선하고 균질한 암반층에 일반적으로 적합하다. 또한 원형 단면으로 불필요한 공간의 발생을 최소화 할 수 있다는 장점 때문에 최근에 터널공사에 적용되고 있다. TBM에 있어서 굴진속도를 좌우하는 핵심은 암 절삭 또는 굴착기술이다. 암 절삭에 있어서 디스크커터는 매우 중요한 요소로 많은 연구자에 의하여 현재까지 연구되어지고 있다. 디스크커터의 굴삭모델에 대하여서는 현장측정과 실험을 통하여 많이 제시되어 있으나 등방하고 균질한 암반에서 TBM 굴진능력을 예측하는 것이 주를 이루었다(Graham, 1976; Nelson et al., 1985; Hughes, 1986). 특히 암 절삭기술에 대하여 새로운 메카니즘을 이용하여 가볍고 빠르게 암을 굴삭 할 수 있는 디스크커터 개발 연구를 하였다(Hood & Alehossein, 2000). 또한 TBM의 운영은 지질학적 특성과 관련된 암편의 효율적인 처리능력에 좌우된다. 이 점을 착안하여 Gong et al. (2005)은 절리특성을 고려한 2차원적 수치해석을 실시하여 암편에 대한 절리방향에 대한 영향을 연구하였다. 그러나 이러한 연구 결과를 이용한 굴진 효율의 예측은 실제 현장과 다소 차이를 보여 주고 있기 때문에 설계시 예측한 디스크커터의 실제 현장적용성에 대한 평가와 아울러 적용기준을 제시할 필요가 있다.

따라서 본 연구는 실제 현장자료 분석을 통하여 설계시 적용된 TBM 굴진 요소 중 디스크커터의 관입깊이에 대하여 현장자료를 통하여 향후 설계시 적용할 값에 대하여 제시하였다. 이 연구를 위하여 OO전력구공사 TBM 공사구간의 암반구간에 대하여 실질적인 암반상태를 규명하기 위하여 실내 및 현장시험을 실시하고 그 결과를 근거로 암반상태를 분석하였으며 굴착적정성을 검토하였다. 또한 실질적으로 현장에서 사용된 쉴드TBM 장비들에 대한 적용성에 대하여 검토하였다.

이러한 검토 결과로부터 현재 지반조건상 투입된 TBM 장비에 있어서 버력 처리나 기계조립 및 해체에 대한 공기를 제외한 굴착량을 분석하여 설계시 적용된 디스크커터 관입깊이에 대하여 평가하고 이를 근거로 향후 TBM 굴착량 예측 설계시 적용할 합리적인 기준을 제시하였다.

2. 관련 기준 분석

일반적으로 적용되고 있는 압축강도에 따른 TBM 디스크커터 관입깊이, 값(TBM 적산자료, 한국전력)에 대한 기준을 정리하여 나타내면 Table 1과 같이 규정되어 있다.

상기 기준에서 보여주는 것과 같이 암석의 구분은 경암까지 제시되어있으며, 일축압축강도가 150 MPa이상인 경우에 대하여서는 값이 규정되어 있지 않고 경암으로 고려하여 적용하고 있는 실정이다. 실질적으로 암석의 구분에 있어서는 경암보다 강한 암석을 극경암으로 구분하는 것이 일반적이다. 따라서 150 MPa 이상의 강도를 가지는 극경암에 대한 값의 산정이 요구된다.

3. 현장지반조건

실질적으로는 터널굴착이 조사 심도보다 더 깊은 지반에서 이루어짐에 따라 굴착시의 암반상태는 매우 다른 결과로 나타났으며 설계시 적용된 암석의 강도보다 더 큰 값을 보여 주었다.

현장조사 결과에 따라 대표적인 구간에서 암질변화에 대하여 정리하면 Table 2와 같다.

현장에서 채취한 14개의 암편 시료를 이용하여 실내시험을 실시하고 일축압축강도와 석영성분에 대한 시험결과를 분석하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.

암석의 일축압축강도의 경우 노선 굴진 방향으로 위치별 설계시와 시공시 압축강도를 나타내면 Fig. 1과 같으며, 평균 185.3 MPa (184~192 MPa)의 강도를 보여주고 있다. 이 결과로부터 설계시와 시공시의 암반강도의 차이가 많이 있음을 알 수 있다.

석영성분의 경우 실험결과를 요약하면 Table 3와 같으며 29.32~37.92%의 범위로 평균 33.62%로 나타났다.

4. TBM 장비의 현장 적용성

쉴드TBM의 디스크커터 관입깊이에 대한 현장자료의 신뢰성 검증을 위하여서는 우선적으로 사용 장비의 현장 적용성 검증이 요구되었다. 따라서 이 연구에서는 실질적으로 현장에서 사용된 Single 쉴드TBM에 대한 장비의 적정성에 대하여 장비의 용량 검토 등을 포함하여 상세한 검증을 실시하였다.

Single 쉴드TBM의 경우 세그먼트 반력을 이용하여 장비가 추진되므로 굴착과 세그먼트 조립공정을 동시에 진행할 수 없기 때문에 경우에 따라 사이클 타임이 지연될 수 있다. 그러나 숙련된 기술자를 투입하여 세그먼트 조립시간의 단축을 유지할 수 있다. 장비의 설비가 간단하고, 본체 내에 운전실이 위치하여 버력 처리의 효율을 높일 수 있고, EPB 기능에 있어서 유동성이 높은 지반이나 단층파쇄대구간의 굴진 대응능력이 높다.

이 장비의 실물과 투입 전 실시한 적격성에 대한 검사와 승인을 실시하는 모습은 Fig. 2와 같다.

또한 현장에서 사용된 Single 쉴드TBM 장비에 대한 Cutter head부의 기계적 제원을 요약 정리하면 Table 4와 같다.

쉴드TBM 장비의 현장 적용성 검토에서 장비의 용량분석은 매우 중요하다. 또한 용량분석에 있어서는 디스크커터의 최대용량, TBM 추력용량, TBM 토크용량 등이 필수적으로 검증되어야 한다. 장비의 용량검토에 요구되는 기본항목으로는 암석의 평균 일축압축강도, 디스크커터의 직경 그리고 디스크커터의 최대용량이 요구된다. 이 연구에서는 암석의 평균 일축압축강도의 경우 현장에서 실시한 실내강도시험 결과로부터 185.3 MPa을 적용하였다.

디스크커터 직경의 경우는 15.5인치(394 mm)이며, 이 경우 디스크커터 최대용량은 Joe Roby 등에 의해 Table 5에 제시된 년대별 커터크기에 따른 용량에 대한 자료를 이용하여 15.5인치의 경우에 대하여 추정하였다. 따라서 디스크커터의 최대용량은 200 kN을 적용하였다.

디스크커터의 최대용량 평가는 커터헤드 1회전당 디스크커터 관입깊이()의 변화에 따른 커터 연직하중()과 커터 회전하중()과 같은 두 가지 커터하중으로 예측모델방법을 이용하여 예측할 수 있다.

- Rostami & Ozdemir (1993) 모델

- Movinkel & Johannessen (1986) 모델

 : 예측불가

여기서 는 암석의 일축압축강도(MPa)이고, d는 디스크커터의 직경(mm)이다.

상기 제안된 예측방법에 의하여 디스크 관입깊이에 따른 커터하중을 예측하여 나타내면 Fig. 3과 같다.

상기 분석 결과로부터 본 현장에 투입되는 TBM 장비의 경우 커터 관입깊이()가 3 mm/rev이하면 커터 연직하중이 커터 용량 이내 만족할 수 있을 것으로 판단된다.

TBM 추력용량 평가의 경우 TBM 장비의 소요추력은 다음과 같은 식 (4)에 의하여 계산되어질 수 있다.

여기서 Th는 TBM 소요추력(kN)이며, N은 디스크커터의 개수, 그리고 Fn은 커터 연직하중(kN)을 말한다. 디스크커터 관입깊이()의 상한값 3 mm/rev이하를 근거로 2~3 mm/rev에 대한 TBM 소요추력을 식 (4)를 통해 예측할 수 있다.

디스크커터 연직하중 산정은 안전한 Rostami & Ozdemir (1993) 모델, 식 (1)을 이용하여 커터 관입깊이 2 mm와 3 mm에 대한 연직하중(Fn)은 Table 6과 같이 예측할 수 있다.

상기와 같은 기본적인 평가 결과에 따라 사용된 장비에 대한 추력용량은 다음과 같이 추정할 수 있다. 현장 장비 추력용량은 추진잭(13개) 용량으로만 나타낼 수 있다. 따라서 11,050 kN으로 예측할 수 있다. 상기 계산 결과와 식 (4)를 이용하여 사용 장비(Single 쉴드TBM)에 대한 소요추력을 평가 하면 Table 7과 같다.

평가 결과 2~3 mm/rev 이하 조건에서의 소요추력이 추력용량보다 작아 만족되는 것으로 평가되었다.

TBM 토크용량 평가의 경우 TBM 소요토크는 다음과 같은 식 (5)에 의하여 계산되어질 수 있다.

여기서 Tq는 TBM 소요토크(kN-m)이며, Ri는 커터헤드 중심에서 i번째 디스크커터까지의 반경(m), N은 디스크커터의 개수, D는 커터헤드 직경(m), 그리고 Fr은 커터 회전하중(kN)을 말한다. 상기 Table 7과 같이 디스크커터 관입깊이()의 상한값 3 mm/rev이하를 근거로 2~3 mm/rev에 대한 TBM 소요추력을 식 (5)를 통해 예측할 수 있다.

디스크커터 회전하중 산정에 있어서는 Rostami & Ozdemir (1993) 모델, 식 (2)을 이용하여 커터 관입깊이 2 mm와 3 mm에 대한 회전하중(Fr)은 Table 8과 같이 산정되어진다.

설계시와 변경 투입된 장비들에 대한 추력용량은 다음과 같이 추정할 수 있다.

설계시 장비(Double 쉴드TBM)의 토크용량은 평균 토크 75 ton-m (최대토크는 110 ton-m) 적용하였으나 사용되는 Single 쉴드TBM 장비의 토크용량은 평균 토크 51 ton-m (최대토크는 125 ton-m) 적용하였다.

상기 계산 결과, 식 (5)를 이용하여 설계시와 사용 장비에 대한 소요토크를 평가하면 Table 9와 같다.

평가 결과 2~3 mm/rev 이하 조건에서의 소요토크가 사용장비의 토크용량보다 작아 만족되는 것으로 평가되었다.

TBM 동력용량 평가의 경우, TBM 소요토크는 다음과 같은 식 (6)에 의하여 계산되어질 수 있다.

여기서 HP는 TBM의 소요동력(kW)이고, Tq는 TBM 소요토크(kN-m), RPM은 커터헤드 회전속도(rev/min)를 말한다.

일반적으로 TBM의 토크와 RPM은 반비례 관계를 나타난다. 그러나 각 장비별 토크-RPM 도표가 제시되어 있지 않은 관계로 RPM 0 - 최대 토크 및 최대 RPM - 최소 토크로부터 선형회귀식을 도출하면 의 관계식을 얻을 수 있다.

또한, 장비별 커터헤드 구동 모터 동력용량은 설계시 장비의 경우 440 kW (110 kW/개 × 4개)이며, 사용 장비 경우 500 HP (kW)로 제작되었다. 상기 계산 결과와 식 (6)를 이용하여 설계시 장비와 사용 장비에 대한 소요토크를 평가 하면 Fig. 4와 같다.

평가 결과 커터헤드 RPM에 따른 소요 동력이 커터헤드 구동동력 용량보다 작아 만족되는 것으로 평가 되었다. 다만, 사용 장비에 있어서 RPM이 4이상일 경우 소요 동력이 부족할 것으로 판단되어 굴착효율이 저하될 수 있을 것으로 평가되기 때문에 현재 운행중인 3.3 RPM정도는 작업효율이 가장 좋은 상태를 유지하고 있다고 평가된다.

상기와 같이 TBM 장비별 특성과 현장조건에 따른 적용성 등에 대한 검토 및 분석결과, 사용하고 있는 Single 쉴드TBM 장비에 있어서 디스크커터, 추력, 토크, 동력 등의 항목 등에 대하여 용량을 만족하는 것으로 평가되어 현장에 적합한 것으로 판단된다.

5. 현장 디스크커터 관입깊이 분석

상기 관련기준 분석에서 제시된 Table 1과 같이 압축강도에 따른 커터관입깊이, 값을 적용함에 따라 실질적인 현장암반강도가 150 MPa이상인 경우 실질적인 커터관입깊이를 반영할 수 없기 때문에 이 에 대한 수정이 필요한 것으로 평가되었다. 따라서 현장에서 채취한 암석시료를 이용하여 얻은 강도를 디스크커터 관입깊이에 대하여 재평가하고 이에 대한 수정을 제안하였다.

Table 1의 제시된 기준에 누락되어 있는 암석의 일축압축강도가 150 MPa 이상인 경우 디스크커터 관입깊이()에 대하여서는 암석시험 결과로부터 상기 Fig. 5와 같이 회귀분석을 실시하여 현장에서 실질적으로 분포되어 있는 암석강도에서의 디스크커터 관입깊이를 추정할 수 있다.

Fig. 5에서 보여주듯 실질적으로 현 상태의 암석의 경우 디스크커터 관입깊이는 실질적인 경암의 기준 (=3.0 mm)보다 상당히 작은 값으로 나타날 것으로 판단된다.

또한 Fig. 6과 같이 현장에서 조사된 측점위치별 커터관입깊이 자료와 통계적 분석에 의한 결과와 매우 일치함을 볼 수 있다. 따라서 이러한 경우 설계 디스크커터 관입깊이는 상기 분석결과와 조사 자료를 근거로 약 2.1 mm 적용하는 것이 타당한 것으로 판단되었다.

6. 현장측정자료 분석

현재 공사현황은 발진 수직구부터 시작하여 약 750 m 굴진 완료된 구간의 날짜별 굴진장, 굴진시간, 조립시간, 세그먼트 설치링 수 그리고 실작업 이외의 시간을 기록된 자료를 분석해 보면 실질적으로 굴착작업에서 실작업 이외에 추가되는 시간이 많이 소요됨을 알 수 있었다. 특히 버력 처리와 레일설치 등과 같은 추가적으로 요구되는 시간이 많이 소요되었으며 이러한 시간은 굴착작업에 영향을 주었을 것으로 판단되었다. 또한 일축압축강도가 150 MPa 이상구간(이하 “극경암 구간”으로 한다)에 있어서 배출된 버력을 보면 매우강한 암석으로 구성되어 있음을 알 수 있었다.

굴착현황 자료를 분석하여 노선별 굴진속도 및 강도(설계 및 시공시)를 분석 정리하면 Fig. 7과 같다. 분석한 결과에 의하면 전반부 극경암 구간에 있어서는 0.25 m/hr의 속도로 굴진작업이 진행되었으며 그 이후 구간(압축강도가 120~150 MPa)에서는 0.30 m/hr의 속도로 굴진작업이 현장에서 이루어졌다는 것을 알 수 있다.

7. 작업량 및 공사기간 분석

상기 분석결과를 근거로 설계시와 실질적인 굴착량과 공사기간에 대하여 비교분석하였다. 이 분석에서 작업조건은 설계시 사용된 조건과 동일하게 간주하고, 현장조건에 따라 차이가 있을 수 있는 버력 처리시간 및 부대시설 설치시간 등은 고려하지 않았다. 즉, 순수 굴진시간만 고려하였다(식 (9)). 이러한 조건에 따라 실질적인 암석강도에 따른 디스크커터 관입깊이()를 이용하여 사용 장비의 실질적인 작업량 분석을 실시하고 설계시와 비교 분석하여 실질적인 디스크커터 관입깊이()를 평가하였다.

작업량계산은 식 (7)을 이용하여 설계시 적용된 디스크커터 관입깊이, =3.3 mm와 연구결과 실질적으로 추정되는 2.1 mm에 대하여 비교 분석하였다.

여기서, Q는 1시간당 작업량(m3/hr), A는 굴착단면(m2), L1은 1회의 작업거리(m), E는 작업효율, 그리고 cm은 1회의 사이클 시간(hr)을 말하며 식 (8)을 이용하여 계산될 수 있다.

여기서 t1은 Stroke 굴진시간(식 (9)), t2은 정치시간, t3은 세그먼트 조립시간, t4은 측량시간, t5는 Cutter 교환시간을 말한다.

여기서 L1은 1회 작업거리이며, RPM은 굴착면의 분당회전속도를 말한다.

이와 같은 작업량 적산방법에 따라 설계시와 사용 TBM 작업량과 서로 비교분석하여, 실질적으로 적용할 디스크커터 관입깊이, 를 평가하였다. 상기 설계시와 사용 TBM 작업량에 대한 검토를 요약 정리하면 Table 10과 같다.

상기 검토결과에 따라 현장에서의 실질적으로 예측되는 작업량은 설계시보다 2.4배 적게 이루어 질 것으로 판단되며, 따라서 설계시보다 실질적인 작업량이 작기 때문에 굴착시간이 설계시 보다 더 소요되는 것으로 나타났다.

노선 위치별 작업량과 굴진속도를 종합적으로 비교하여 나타내면 Fig. 8과 같다.

상기 결과에 따라 사용 TBM의 예측작업량은 현장측정값과 근접하는 값을 보여주고 있다. 이러한 결과는 예측작업량의 정확성을 입증해주고 있다고 볼 수 있다. 결과적으로 설계 작업량에 있어서는 실제와 많은 차이를 보여주고 있으며 설계시 적용된 디스크커터 관입깊이 값은 결국 공기지연이 불가피할 것으로 판단된다. 따라서 예측작업량 산정시 적용할 디스크커터 관입깊이에 대한 검증이 설계단계에서부터 Fig. 6에서 보여주는 것과 같이 실질적인 지반조건을 이용하여 철저한 검토 후 적용값을 선정하여야 할 것이다.

8. 결 론

이 연구는 실질적인 현장자료 분석을 통하여 설계시 적용된 TBM 굴진 요소 중 디스크커터의 관입깊이에 대하여 평가하고 향후 적용할 값에 대하여 제시하였다. 이 연구를 위하여 OO전력구공사 TBM 공사구간의 암반구간에 대하여 실질적인 암반상태를 규명하기 위하여 실내 및 현장시험을 실시하고 그 결과를 근거로 암반상태를 분석하였으며 굴착적정성을 검토하였다. 또한 설계시 적용되는 디스크커터 관입깊이에 대하여 평가하고, 현장에 투입된 TBM 장비의 적용성에 대하여 장비에 대한 소요추력과 소요동력 등 용량분석에 대하여 세밀한 검토를 실시하였고, 이를 통하여 쉴드TBM장비의 현장 적용성에 대한 평가 방법도 제시하였다.

이러한 평가결과와 현장 공사자료를 근거로 실제 TBM의 공사량과 굴진속도를 분석하였다. 이 결과로부터 설계시 적용된 TBM의 디스크커터 관입깊이에 대하여 재평가 하였다.

이러한 연구 결과로 부터 설계시 적용되는 디스크커터 관입깊이는 특히 극경암 지반에 있어서 적용값의 변경이 필요하다는 것을 명백히 보여주었다. 또한 암석의 일축압축강도가 150 MPa이상(극경암)인 경우 3.0 mm 이하로 강도에 따라 감소시켜 적용하는 것이 합리적이라고 제안한다.