1. 서 론

최근 국내 도심지의 과밀화로 인해 교통 혼잡 및 주거시설 부족 등에 관한 문제가 증가하고 있어, 지하공간 활용 방안에 대한 논의가 계속되고 있다. 지하공간을 활용하기 위해서는 기존에 존재하는 지하철과 상수도 등을 고려하고, 굴착 시 발생할 수 있는 인접 구조물의 영향이나 사유지 침범 및 먼지, 소음 등으로 발생할 수 있는 민원을 고려해야 하는 문제를 수반하고 있어 지하공간 확보에 대한 어려움이 있다. 이러한 문제를 극복하기 위해서는 용지 취득이 용이한 도로 하부를 활용 해야 하며, 도로의 하부의 공간만을 활용해 터널을 축조하기 위해서는 도로의 선형을 따라 터널 선형이 급곡선으로 계획 되어야 한다.

도심지에 터널 공사를 시행하기 위한 TBM공법은 소음과 분진을 줄일 수 있을 뿐만 아니라 발파공법에 비해 굴착손상 영역이 작다는 장점이 있어 국내외에서 적용 사례가 증가하고 있으며(Cho, 2008), 그에 따라 쉴드 TBM 공법을 이용한 급곡선 터널의 시공도 증가 하고 있다. 그러나 쉴드 TBM공법을 이용하여 급곡선 터널 시공 시 예상치 못한 사고발생으로 인하여 큰 어려움을 겪고 있다.

국내에서는 쉴드 TBM 공법이 도입된 이후 국산화 및 국내 실적에 맞는 기술 확보에 대하여 연구가 활발히 진행 되었지만, Chang (2013)등에 의한 커터 링의 형상에 따른 디스크커터 작용력의 실험적 평가, Kang (2015)등에 의한 복합지반에서의 쉴드 TBM 커터헤드의 회전속도에 따른 커터비트 손상에 관한 실험적 연구 등 TBM 굴착 성능에 대한 연구와 절삭 매커니즘에 관한 연구가 대부분일 뿐 급곡선 TBM 공법에 대한 연구는 아직 부족한 실정이다. 급곡선 TBM에 관한 연구로는 Kim et al. (2002)에 의한 대구경 쉴드 터널 급곡선 시공사례에 대한 연구, Yoo et al. (2007)에 의한 TBM 굴진 시 Jamming이 발생되는 지반의 공학적 특성에 관한 연구 및 Lee et al. (2008)에 의한 Double Shield TBM의 단층파쇄대 및 급곡선 통과구간 시공 방안에 대한 연구 등이 진행 된 바 있지만, 실제 시공 시 세그먼트의 파손 및 소요 여굴량 부족 등의 문제가 지속적으로 발생하고 있어, 급곡선 관련 시공 기술의 확보가 매우 시급한 실정이다.

국외의 연구 동향을 살펴보면 W. Broere (2007)에 의한 연약지반에서 마이크로 터널의 곡선 굴진 시 토압과 쉴드 TBM의 압축 및 이완 관계와 마찰에 대한 연구, Sugimoto (2007) 등에 의한 복합지반 곡선구간에서 쉴드 터널링 거동 시뮬레이션에 대한 연구, Kongshu (2010)에 의한 추력시스템의 배열에 관한 압력 전달 특성에 대해 세그먼트 균열 방지에 대한 연구 등 급곡선 시공 관련 연구가 지속적으로 진행되고 있다.

국외의 경우 지반 거동을 고려한 쉴드 TBM 곡선구간 추진 기법에 대해 경험적, 실험적 연구가 많이 진행 되었으며, 이를 통한 안정적인 급곡선 시공이 이루어지고 있다. 그러나 국내의 경우 TBM터널 관련 기준 및 시방서를 살펴보면 TBM터널의 급곡선 시공에 대한 구체적인 설계 및 시공지침이 제시되어 있지 않으며, 급곡선 시공시 예견치 못한 안전사고 및 추가비용, 공기 지연 등 여러 문제들이 발생하고 있다. 또한 국내 쉴드 TBM의 급곡선 관련 연구가 미비하여, 핵심 기술을 대부분 외국에 의존하고 있기 때문에 관련 기술 확보 및 안전한 시공을 위해서는 국내 지반조건에 적합한 장비 개발 및 연구가 요구된다.

따라서 본 연구는 급곡선 시공관련 기술 확보를 위하여 모형시뮬레이션을 통하여 쉴드 TBM이 급곡선을 굴착 할 때 장비에 작용하는 지반 압력과의 상호거동 분석에 관한 연구로써, 국내 쉴드 TBM의 급곡선 관련 연구에 대한 기초자료로 활용 될 것이며, 아울러 국내 쉴드 TBM 발전 및 안전성 문제해결을 위한 중요한 자료가 될 것으로 판단된다.

2. 쉴드 TBM 급곡구간 굴착

쉴드 TBM 공법을 이용하여 도심지에 터널을 계획하기 위해서는 기존 지장물을 우회 통과해야 하고, 사유지 침범을 최소화하기 위해서는 용지취급이 용이한 도로 하부에 설치되어야 한다. 또한 도로의 지하 공간만을 활용하기 위해서는 터널 선형이 급곡선으로 설계 될 수 밖에 없다. Fig. 1과 같이 도로 하부에 터널을 계획함에 따라 직경이 3.5 m(D=3.5 m)인 쉴드 TBM 장비가 6차선 도로(Width=30 m)를 굴착 하기 위해서는 곡선반경 R=30 m 이하의 선형을 유지해야 한다. 또한 급곡선 추진 시에는 지반조건, 터널선형, 쉴드의 형상 및 구조, 세그먼트 테이퍼량, 오버커트, 부속설비, 뒤채움 장비 등 다양한 주요 요소들이 면밀히 고려되어야 한다(Kim, 2015). 그러나 국내에서는 쉴드 TBM 공법을 이용한 급곡선 터널 시공 관련 실적이나 핵심 요소들의 기술 확보가 미비함에 따라 예견치 못한 안전사고가 발생하여 급곡선 터널 시공 시 큰 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 연구에서는 급곡선 시공 관련 사례를 통하여 급곡선 시공 문제점 및 시공을 좌우하는 핵심 기술에 대하여 분석하였다.

2.1 급곡선 시공 사례 문제점 분석

국내의 터널 표준 시방서에 따르면 TBM장비의 중절장치 혹은 보조공법을 사용하여야만 굴진 가능한 곡선을 급곡선이라 정의하고 있다. 급곡선 굴착 시 중절 장치의 적용은 TBM장비를 전통부 및 후통부, 2분할로 제작하여 연결한 것으로, 중절각을 주어 소요 여굴량을 최소화 하기 위함이며, 장비의 원활한 굴진을 위해서는 보조공법에 대하여 면밀히 검토되어야 한다.

국내 대표적인 급곡선 터널 시공사례들을 분석해 본 결과 쉴드 TBM 암반구간 곡선부 시공 시 카피커터의 급속마모로 인해 곡선부를 통과하기 위한 소요 여굴량이 부족하여 막장압이 증가 하였고, 그에 따라 장비 끼임 및 추진력이 증가하여 편심이 발생함을 알 수 있었다. 쉴드 TBM이 추진력을 얻기 위해 세그먼트의 반력을 이용하게 되는데, 이때 편심에 의해 세그먼트의 파손 및 전반적인 터널 안정에 문제가 생김을 알 수 있었다. 또한 쉴드 TBM 장비에 중절장치를 이용해 중절각을 적용하였을 때 직선부 굴착과는 다른 지반 압력 거동에 의해 편압 및 추력의 증가로 인하여 세그먼트가 손상되는 것을 알 수 있었다. 급곡선 터널 사례 조사의 분석 결과 Fig. 2와 같이 추진력-소요 여굴량-세그먼트가 상호 작용함을 알 수 있었으며, 국내의 쉴드 TBM공법을 이용한 터널 공사 및 도심지 지하공간의 활용을 활발하게 하기 위해서는 급곡선 시공관련 핵심 기술의 확보가 시급한 실정이다.

따라서 본 연구에서는 추진력-소요여굴량-세그먼트의 상호 작용 중 지반 거동을 고려하여 산정되는 추진력 분석에 중점을 두고, 곡선부 굴진 시 지반 거동, 중절 장치, 잭 추진 방법에 대한 분석을 실시하였다.

2.2 곡선부 추진 시 쉴드 TBM 압력 거동

쉴드 TBM이 직선구간을 굴진 할 경우 Fig. 3(a)와 같이 압력이 작용하며, 장비 전면의 압력과 외벽에 작용하는 마찰(Friction force)을 고려하여 추진력을 산정하게 된다. 그러나 곡선구간을 굴진 할 경우에는 여굴량을 감소시키기 위해 중절장치를 이용해 굴진 하게 되며, 이 때 중절장치로 인한 TBM 장비의 전체적인 압력 거동이 Fig. 3(b)와 같이 나타나게 된다. 그러므로 곡선구간 굴진 시 추진력 산정을 위해 장비 전면의 압력, 외력에 작용하는 마찰뿐만 아니라 장비 본체 모멘트에 의해 작용하는 저항 토압 및 쉴드 TBM 헤드부에 작용하는 저항 토압 등을 고려하여 산정해야 한다(W. broere et al., 2007).

쉴드 TBM 운영 중 곡선부를 굴진함에 있어 잭의 편축 추진에 의해 모멘트가 발생하여 증가하는 저항 토압과, 장비 회전에 따라 쉴드 TBM 헤드부에 발생하는 최대 저항 토압은 추진력 산정 및 여굴량 산정 시 반드시 고려해야 한다. 작용하는 잭 압력에 의한 모멘트는 Fig. 4와 같으며 다음 식에 의하여 산정 할 수 있다.

여기서,  :사용한 잭의 합력()

:쉴드의 중심으로부터 잭의 합력까지의 거리(m)

쉴드 TBM 곡선구간 추진에 따라 발생하는 토압에 의한 모멘트는 다음과 같이 구할 수 있다.

여기서, : 최대 저항 토압 ()

곡선부 추진 시 장비 앞쪽과 뒤쪽에 발생하는 최대 저항 토압()은 로 다음과 같이 최대 저항 토압을 구할 수 있다.

급곡선 추진 시 토압 작용에 대해 반드시 완화 하여야 하며, 완화하기 위해서는 Over cut을 하거나 중절장치를 적용하여 지반과 장비의 접촉을 최소화 해야 한다.

2.3 쉴드 TBM 중절 장치(중절 형식)

중절기구는 일반적으로 일체형 원통의 모양으로 제작되는 쉴드의 본체를 전통부 및 후통부, 즉 2분할로 제작하여, 양자를 복수의 중절잭으로 연결하는 것으로서, 중절 방식으로는 Fig. 5와 같이 크게 X형 중절 장치(a)와 V형 중철 장치(b)가 있다.

X형 중절 장치(a)는 전 후 몸통의 굴절 형상이 X형으로 되는 기구로서, 중절각의 중심에 전 후 몸통을 연결하는 핀이 위치해 있다. 회전 핀은 중절각의 중심을 규정하는 것으로, 후통부의 선단을 구면에 가공하여, 회전각이 커져도 동체 간 틈을 일정하게 유지하는 것이 가능하다. 따라서 토사유입 방지 기능의 확보가 비교적 용이하다. 그러나 핀을 반드시 필요로 하는 구조이므로, 핀을 축으로 하여 미소각도의 굴절만 가능하다는 단점이 있다.

V형 중절 기구(b)는 전 후 몸통의 굴절 형상이 V형이 되는 기구로서, 중절각의 중심이 스킨플레이트 근처에 위치하게 된다. V형 중절 기구에서는 기본적인 전 후 몸통을 연결하는 핀이 없으므로, 임의의 방향으로 회전하는 것이 가능하지만 회전 각도가 커지면, 곡선 외측부의 동체 간 틈이 커지므로 토사 유입 방지의 기능을 확보하는 것이 어려워진다는 단점이 있다.

2.4 중절에 따른 쉴드잭 추진 방법

중절 쉴드 구분으로는 중절 기구의 차이에 의한 분류 외에도, 잭의 추진방법에 따라 구별이 가능하다. Fig. 6 과 같이, 전통부 측에 쉴드잭 반력을 받는 구조(전통부 추진, a)와 후통부 측에 반력을 받는 구조(후통부 추진, b)가 있다.

전통부 추진(a)의 경우, 중절각을 적용한 경우에 전통부가 회전 함에 따라 후통부에 비해 추진 잭의 축이 기울게 되므로, 잭과 세그먼트의 접촉면이 일정하지 않아 편심이 발생한다. 그러나 후통부 추진(b)의 경우에는 후통부 측의 반력을 이용하며, 전통부가 회전 하더라도 추진 잭의 축이 변하지 않아 세그먼트와의 접촉면에 편심이 발생하지 않는다. 또한, 중절한 경우에도 세그먼트에 가해지는 잭 압력이 비교적 일정하게 작용하기 때문에, 급곡선 대응의 잭 추진 방법으로서 적합하다.

3. 모형시뮬레이션

3.1 실험 개요

본 연구에서는 국내에서 지하공간에 터널을 축조 함에 관하여 쉴드 TBM 공법을 이용해 R=30 m급 급곡선을 굴착 할 때 발생 할 수 있는 문제점에 대한 분석을 위해 모형시뮬레이션을 실시 하였다. 추진력-소요 여굴량-세그먼트의 상호 거동 문제에 관하여 중절각이 적용된 쉴드 TBM 장비에 추진력이 작용 했을 때 장비에 작용하는 토압의 상호 거동을 분석하고, 국내 쉴드 TBM 공법 기술 향상과 안전시공을 위한 기초자료로 활용하고자 한다. 모형시뮬레이션 장비를 이용하여 TBM이 곡선부 추진 시 작용되는 압력을 분석하기 위해 실제 R=30 m 굴착이 가능하도록 설계되어 있는 장비에 대하여 공학적 상사성을 고려한 축소율 1/17.7을 적용하여 제작하였다.

3.2 실험 장비 구성

모형시뮬레이션 장비를 이용하여 쉴드 TBM이 곡선부 추진 시 장비 외벽에 작용하는 압력의 거동을 분석하기 위하여 Fig. 7과 같이 구축하였다.

실험 시 추진력이 증가함에 따라 동 시간 때에 장비 외벽에 작용하는 토압을 계측하기 위하여 Fig. 7의 (a)에서 보여주는 것과 같이 계측 전용 프로그램을 이용하였다. (b)는 R=30 m급의 급곡선 터널을 시공하기 위하여 국내 기업에서 설계 하고 있는 실제 쉴드 TBM 장비에 대하여 축소율을 적용하여 제작된 모형 장비이며, (c)는 모형 지반을 조성하기 위하여 제작 된 모형 토조이다. 지반의 자중과, 영향 범위를 고려하여 600·800·500 mm(가로·세로·높이)로 제작하였다. (d)는 모형 장비의 후방부에 추진력을 가하기 위한 실린더이며, 추진력을 조절하기 위하여 전압조절이 가능한 (e)를 설치하였다.

3.2.1 쉴드 TBM 축소모형장비 설계

급곡선 추진 시 쉴드 TBM장비에 작용하는 압력의 거동을 분석하기 위해 실제 설계된 TBM 장비에 1:17.7의 축소율을 적용하여 Fig. 8과 같이 축소모형장비를 제작하였다. R=30 m 급곡선 굴착이 가능하도록 중절 장치가 적용된 소단면 쉴드 TBM(D=3.54 m, L=7.4 m(전통부=3.9 m, 후통부=3.15 m, 중절간격=0.35 m))을 바탕으로 축소율 1/17.7을 적용 하여, D=200 mm, L=418 mm (전통부=220.3 mm, 후통부=178 mm, 중절간격=19,8 mm)인 장비를 제작 하였으며, X형 중절장치의 압력거동 분석을 위해 실제 작용위치에 맞추어 중절잭 장치를 장착하였다. 또한 쉴드잭의 위치도 실제 추진의 작용 위치에 맞추어 실린더를 장착하여 일정한 힘을 줄 수 있도록 제작 하였다. 장비 외측에서 발생하는 토압과 중절잭 및 쉴드잭 압력과의 상호 관계에 중점을 두고 실험하기 위해 실제 평면도면을 토대로 사각형 박스 형태로 제작하였다.

3.2.2 계측 및 중절 장치 시스템

쉴드 TBM 장비가 곡선부 추진 시에는 직선구간 추진과는 달리 장비 외측 측면에 불균일한 토압이 발생하게 된다. 토압 작용을 확인하기 위하여 로드셀을 이용하여 장비 측면의 토압을 측정하였으며 Fig. 10과 같이 설계 하였다. 축소 제작 된 모형장비의 크기를 고려하여 D=27 mm, H=21 mm의 소형 로드셀을 선정하였고, 추력 작용 시 동일 시간 때의 전면, 측면, 중절장치에 대한 압력을 실시간으로 측정 할 수 있도록 하였다. 로드 셀은 500 N의 용량의 센서로 측정 위치에 D=27 mm의 원형 판을 이용하여 면적당 압력을 측정 할 수 있게 하였다. 로드 셀의 위치는 토압이 가장 많이 발생 할 것으로 예상되는 곳에 Fig. 9와 같이 총 14개의 로드 셀을 설치 하였으며, 굴진 전면부(F1, F2)를 측정하기 위한 2개, 굴진부 내 외측(L1~L4, R1~R4)을 측정하기 위한 8개, 중절잭(A1, A2) 2개, 쉴드잭(SJ1, SJ2) 2개로 구성되어 있다.

실제 설계 도면과 같이 회전중심이 전통부 중심에 위치하는 X형식의 중절을 적용할 수 있게 설계를 하였으며, 중절각을 적용하기 위한 중절잭을 제작 하였다. X형식의 중절은 중앙 회전 핀을 중심으로, 곡선부 바깥 측면의 중절잭은 길어지는 반면에 안쪽의 잭은 짧아지는 메커니즘을 가지고 있으므로, Fig. 11과 같이 신축이 가능하도록 모형 중절잭을 제작하였다. 중절각도에 따른 모형 중절잭의 길이를 Table 1과 같이 계산하여 중절각 8°(= 142 mm, = 120 mm)까지 적용 가능하도록 제작하였다.

3.3 실험 방법

3.3.1 실험 Case 선정

쉴드 TBM 장비가 급곡선을 굴진하기 위해서 중절장치를 이용해 중절각을 적용해야 한다. 장비가 굴진을 시작한 이후부터는 후진을 할 수 없기 때문에 중절각을 적용하기 위해서는 Fig. 12와 같이 굴착을 진행하며 중절각을 적용해야만 한다. 따라서 장비에 중절각도(0°, 2°, 4°, 6°, 8°)를 적용하였을 때, 추력이 작용함에 따라 장비에 작용하는 지반 압력을 측정하였다. 또한 중절각을 적용하였을 때 장비 전면부와 중절잭에 편압이 발생할 것으로 예상 되어, 이를 완화하기 위해 장비의 양측에 설치된 쉴드잭 중 회전 방향 안쪽 쉴드잭에 더 큰 추진력을 분배하여 그에 따라 장비에 작용하는 지반 압력을 계측하였다. 본 연구에서는 장비 측면에 작용하는 토압과 각 중절잭에 발생하는 응력에 중점을 두었기 때문에 장비를 매설하여 쉴드잭으로 하중을 가하는 방식으로 실험을 진행하였다.

3.3.2 지반조성

모형시뮬레이션을 통하여 정확한 데이터를 얻기 위해서는 실험 장비뿐만 아니라 축소모형지반의 조성 또한 매우 중요하며, 이로 인해 원지반과 유사한 축소모형지반을 조성해야 한다. 토사 지반을 모사하기 위하여 본 연구에서는 강사에 의한 지반조성을 하였으며 모래를 낙하하여 건조단위중량을 원 지반 건조단위중량에 맞추어 조성하였다. 원지반에 적합한 건조단위중량(Dry unit weight)을 구하기 위해 낙하폭(Sieve), 낙하높이(H)에 변화를 주어 실험을 실시하였다. Table 3과 같이 낙하 높이와 낙하구 폭에 따른 건조단위중량과 상대 밀도 변화를 분석한 결과 낙하 통과 체 폭이 감소함에 따라, 낙하고가 높을수록 건조단위중량은 증가하고 있음을 알 수 있다. 원 지반의 건조단위중량과 실내 낙하 실험 결과 값을 비교 검토한 결과 낙하구 폭 4 mm, 낙하높이 30 cm에서 건조단위중량이 14.4 으로 원 지반 건조단위중량과 가장 유사하게 측정 되어서 이를 선정하였다.

4. 쉴드 TBM 급곡선 모형시뮬레이션 결과

상기 실험방법에 따라 모형시뮬레이션 장비를 이용하여 중절각이 적용된 쉴드 TBM에 추진력을 가했을 때 장비 측면에 측정된 압력 결과를 정리하여 나타내면 다음과 같다. 실험 결과는 측정된 압력에서 초기 압력을 제외 하고 나타낸 것이다.

4.1 쉴드 TBM의 추진 잭 양측에 같은 압력을 작용한 경우

Fig. 13(a) ~ (d)는 곡선부를 추진하기 위해 중절장치가 적용된 쉴드 TBM 모형 장비에 중절각을 적용하고, 양 측 쉴드잭(SJ1,SJ2)에 같은 압력을 적용 하였을 때, 장비 측면에 측정된 값을 나타낸 것이다.

쉴드 TBM이 중절장치가 적용되어 전통부와 후통부로 나누어 짐에 따라 결과 값을 나타내었으며, (a)는 장비의 굴진 전면부, 회전 방향을 기준으로 하여 (b)는 전통부의 내 외측, (c)는 후통부의 내 외측, (d)는 중절잭과 추진 잭의 압력에 대하여 나타낸 것이다. (d)의 SJ1, SJ2에서 보여주는 바와 같이 쉴드잭 양 측에 약 450 N의 추력이 작용 되었고, 중절각이 적용됨에 따라 장비의 회전 방향을 중심으로, 전면부와 중절잭에 편압이 발생함을 알 수 있었다. 또한 중절각이 증가할수록 전면부와 중절잭의 양측의 압력의 차이가 더욱 증가함을 나타내고 있다. 전통부(b)와 후통부(c)로 나누어 보았을 때, 전통부(b)의 곡선부 외측에서는 작용 하는 압력이 중절각이 증가함에 따라 작용 압력이 점차적으로 증가 하였고, 곡선부 내측에서는 작용하는 중절각이 증가함에 따라 작용 압력은 감소하였지만, 곡선부 외측의 증가량에 비해 비교적 미미한 감소량을 보여주고 있다. 후통부에서는 전통부에 비해 상대적으로 내 외측의 변화가 미미 하였으며, 지반과의 마찰에 의한 압력 거동 정도가 측정되었다.

4.2 쉴드 TBM의 회전 방향 내측 쉴드잭에 더 큰 압력을 작용한 경우

쉴드잭의 양측에 추진력을 동일하게 적용 하였을 때, 중절각에 따라 전면부와 중절잭에 편압이 발생함을 알 수 있었고, 편압을 완화시키기 위하여 회전 방향을 중심으로 내측의 추진 잭에 더 큰 압력을 작용하여 실험을 진행하였으며, 내측의 쉴드잭에 외측의 쉴드잭 보다 약 2배의 더 큰 압력을 적용하였다. 그에 따른 실험 결과는 Fig. 14(a)~(d)로 나타내었다.

(d)에서 보여주는 바와 같이 SJ1은 약 450 N, SJ2는 약 250 N의 추진력이 작용됨을 나타내고 있으며, 이에 따라 중절각이 증가함에 따라 전면부 및 중절잭의 편압이 점차적으로 감소함을 보여주고 있다. 전통부(b)와 후통부(c)로 나누어 보았을 때, 전통부(b) 에서는 중절각이 증가함에 따라 곡선부 진행방향의 외측의 지반 압력이 점차적으로 감소함을 나타 내었으며, 후통부(c) 에서는 중절각이 증가함에 따라 작용 압력의 변화가 미미 하였지만, 굴진방향 외측부의 계측 압력의 값이 비교적 큰 값을 나타내었다.

4.3 쉴드 TBM 곡선부 추진 시 작용 토압 실험 결과 분석

Fig. 13과 Fig. 14에서 나타낸 실험 결과로부터 축소모형 쉴드 TBM에 중절각을 적용하여 추진력을 가했을 때, 장비와 지반의 상호거동에 대하여 분석하면 다음과 같다.

Fig. 15는 회전 방향을 중심으로 양측의 쉴드잭에 동일한 추진압력을 작용했을 때 장비에 작용하는 지반 압력 및 중절잭의 압력을 중절각도 별로 나타낸 것이다. 이 결과로부터 양측의 쉴드잭에 추진력이 동일하게 작용 했을 때에, 중절각이 증가함에 따라 전면부와 중절잭에 편압이 발생함을 알 수 있었으며, 회전 방향 외측의 저항토압이 증가함을 알 수 있었다. 또한 추진력이 증가함에 따라 편압 과 저항토압의 압력이 더욱 증가할 것이라고 판단된다. 이는 편압 작용에 의해 굴진면 외측부의 마찰력이 증가함에 따라 커터비트 및 디스크 커터의 마모율을 증가시킬 것으로 예상되며, 커터 헤드부의 토크를 일정하게 유지하기 힘들 것으로 판단된다. 또한 외측부의 굴착속도가 내측부 보다 빠르게 진행 될 수도 있으며, 이는 터널 선형을 유지하는데 매우 어려울 것으로 예상되며, 그에 따른 압력 거동에 의해 추진력이 불균일하게 작용하여 전반적인 터널 시공에도 위험할 것이라고 판단된다.

Fig. 16은 회전 방향을 중심으로 양측의 쉴드잭에 추진력을 분배하여 가했을 때 장비에 작용하는 지반 압력을 나타낸 것이며, 편압을 최소화하는 방안을 고려하여 회전방향 외측의 쉴드잭보다 내측의 쉴드잭에 더 많은 추진력을 작용한 결과를 나타낸 것이다. 이 분석 결과로부터 중절각이 증가함에 따라 전면부 및 중절잭의 편압발생이 감소함을 알 수 있었다. 그러나 전반적으로 장비측면에 작용하는 토압은 쉴드잭에 힘을 일정하게 가했을 때보다 크게 작용하였다. 중절각도가 증가함에 따라 편압이 감소하는 측면으로 보았을 때 쉴드잭의 압력을 분배하여 적용하면 장비에 작용하는 편압 및 모멘트에 대해 완화시킬 수 있을 것이라고 판단되지만, 이는 추진력을 얻기 위한 세그먼트에 편압을 작용시켜야 하며, 세그먼트의 안전성 및 터널 구조에 대해 영향을 미칠 수 있다.

상기 분석 결과를 종합하면 중절각이 적용된 쉴드 TBM의 추진잭에 회전 방향 중심으로 양측에 동일한 압력을 적용하여 굴진을 하게 되면, 중절각이 증가 할수록 장비 전면과 중절잭에 편압이 발생함을 알 수 있다. 편압의 크기를 감소시키기 위해서는 낮은 추진력을 적용하여야 한다고 판단되며, 이는 굴진속도가 느려짐에 따라 시공기간이 늘어남의 단점이 있지만 보다 안정적인 시공을 기대 할 수 있다. 또한 편압을 완화시키기 위해서는 세그먼트의 안전성을 고려하여 쉴드잭 배열을 통하여 힘의 분배를 함으로써 가능 할 것이라 판단되며, 향후 이러한 쉴드잭의 최적의 배열 설계모델을 위한 연구가 필요하다고 판단된다. 본 연구에서는 측면 압력과 쉴드잭의 상호작용 관계에 중점을 두고, 급곡선 굴착연구를 위한 기초자료로 활용 하기 위하여 사각형 박스로 제작하여 실험을 진행 하였으므로 실제 현장과 다를 수 있기 때문에, 향후 실제 굴착이 가능한 모형을 제작하고, 여러 지반 조건에 대하여 더 많은 연구가 진행 되어야 할 것이라고 판단된다.

5. 결 론

본 연구는 쉴드TBM이 급곡선 굴진 시 중절각(0°, 2°, 4°, 6°, 8°)이 적용됨에 따라 추진력에 의해 장비에 작용하는 압력 거동을 분석하기 위한 연구이다. 본 연구를 수행하기 위하여 R=30 m급 급곡선 굴착이 가능하도록 설계된 실제 쉴드 TBM에 대하여 1:17.7의 축소율을 적용하여 모형시뮬레이션 장비를 제작하였다. 중절각이 적용 된 쉴드 TBM에 추진력을 적용시켜 장비에 작용하는 압력을 분석하였다. 또한 편압 작용을 고려하여 추진력을 분배 적용하는 방안을 고려하였으며, 연구를 통하여 얻어진 결과를 요약 정리하면 다음과 같다.

1.모형 시뮬레이션을 통하여 얻어진 중절각도 별 작용압력 데이터를 종합한 결과 쉴드잭의 압력이 동일할 때 각도에 상관없이 후통부 측면에 발생하는 토압은 큰 변화가 없었으나, 장비 전면과 전통부 측면, 중절잭에서는 각도가 변함에 있어 작용하는 압력도 큰 차이를 보였다. 중절잭의 경우 중절각 8°일 때, 0°일 때보다 외측이 약 46%증가, 내측이 45% 감소하는 가장 큰 편압이 발생하였다.

2.장비 전면부에 발생하는 토압의 차이도 중절각도가 클수록 더욱 증가 하였다. 중절각 8°일 때, 0°일 때보다 곡선부 굴진 방향의 외측은 약 70%증가 하였고, 내측은 약 60% 감소하는 편압이 발생하였다. 또한 장비 전통부의 외측에서는 중절각이 증가함에 따라 토압의 계측 값도 증가하였으며, 내측에서는 감소하는 경향을 보였다.

3.쉴드 TBM의 추진잭에 힘을 분배하여 적용한 결과 중절각이 증가함에 따라 전면부 및 중절잭의 편압이 감소하는 경향을 보였으며, 이는 곡선부 굴착 시 편압 작용에 대하여 완화시킬 수 있는 방안으로 판단된다.

4.중절각도에 의한 장비의 변위가 크지 않다면 쉴드잭을 동일한 압력으로 추진하는 것이 좋지만, 중절각도가 6° 이상으로 커진다면 곡선부 굴진 방향 내측의 쉴드잭에 더 큰 추진력이 가해 질 수 있도록 힘을 분배하여 추진하는 것이 장비에 가해는 편압과 모멘트를 완화 시킬 수 있을 것이라 판단 된다. 그러나 쉴드잭에 힘을 분배하기 위해서는 세그먼트에 대한 안전성을 고려해야 하며, 향후 세그먼트의 안전성을 고려한 쉴드잭 배열에 대한 연구가 필요할 것이라고 판단된다.

본 연구는 실내 모형시뮬레이션 실험이며 측면 토압과 잭 압력에 중점을 두어 사각형 박스형태의 장비로 급곡선 굴진 시 작용하는 압력을 측정한 결과로 실제 원통형 장비와 차이가 있을 것으로 예측 되지만, 급곡선에서 작용하는 지반압을 고려한 쉴드잭 추진력 산정, 최적의 장비 위치 및 자세와 같은 급곡선 시공 주요 요소 연구에 매우 유용할 것으로 판단된다. 또한 추진력-소요 여굴량-세그먼트의 상호거동 분석에 대하여 활용 할 것이며, 향후 쉴드 TBM 급곡선 터널 굴착 시 핵심 기술의 확보를 위한 기초 연구 자료로 유용할 것이라 판단된다.