1. 서 론
2. 토사지반용 EPB TBM 모사 시험장치 개발
3. 실내시험을 통한 토사지반 TBM 굴진성능 및 마모량 예측 주요변수 선정
3.1 시험시료 선정 및 특성
3.2 SAPT 시험 변수 선정 및 방법
3.3 SAPT 시험 수행을 통한 굴진성능 주요변수 변화 결과
3.4 SAPT 시험 수행을 통한 마모량 변화 결과
4. 결 론
1. 서 론
쉴드 TBM 공법은 막장면의 지지방법에 따라 토압식(Earth Pressure Balanced, EPB)과 이수식(Slurry shield) 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 챔버내 토압을 조절하여 막장면의 압력을 관리하는 방식으로 통상적으로 사질토 이하의 지반에 적합하였지만 최근에는 첨가제(foam, polymer, anti-clogging 제 등)의 적합한 사용과 함께 암반 지반에도 적용되고 있다.
TBM 공법은 면판을 회전시키면서 기계적으로 터널을 굴착하는 공법으로 설계단계에서 TBM의 굴진성능과 커터의 마모량을 예측하는 것이 중요하다. 암반용 TBM에서는 암석조건에 따른 굴진성능과 디스크 커터의 마모량을 예측 및 평가하는데 실험적인 모델(NTNU, CSM 등)을 널리 활용하고 있다. 그러나 이들의 경우는 암반지반 TBM data를 기반으로 발전된 모델이기 때문에 토사지반의 TBM에 적용하는데 한계가 있다.
특히 토사지반용 TBM은 챔버 압력, 배토 속도, 첨가제 배합조건 등의 장비와 관련된 변수들에 함수비, 입도 분포, 석영 함유량 등 다양한 토사지반의 조건까지 복합적으로 작용하여 커터의 마모량 및 굴진성능에 영향을 미치기 때문에, 사전 예측이 어렵고 관련된 연구도 NTNU와 Pennstate University 등 일부 해외에서 제한적으로 진행되었다. 또한 해당 연구들은 굴진성능에 대한 평가가 아닌 커터의 마모에만 국한되었다(Jakobsen, 2014; Gharahbagh, 2013; Koppl, 2014). 기존의 시험 장비를 보완하여 실내시험을 실시하거나, 기존 현장 자료들을 이용하여 토사지반 TBM cutting tool의 마모량을 예측하였으나 연구에 사용된 장비들이 굴진 중 배토 및 챔버압 제어 등 실제 TBM의 운영 특성을 반영하지 못하는 한계가 있었다. 기존 현장 자료들의 경우에도 대부분 공개되어 있지 않고 그 개수가 많지 않아 결국 토사지반 TBM의 굴진성능 예측은 장비 제작사의 판단(권장 사항)이나 적은 양의 기존 현장 자료에 의존하여 왔다.
또한 토사지반 TBM에 사용되는 대표적인 첨가제인 foam의 배합성능을 평가하는 경우에도 현장 토사를 foam과 섞어서 slump test를 수행하여 기준을 맞추고 있으나, 이는 대기압 하에서 수행되는 실험으로 챔버압 하에서 배토되는 실제 TBM 장비와는 차이가 있다.
이에 따라 본 연구에서는 압력 조건 하의 foam 배합성능 시험 및 토사지반 TBM의 굴진성능과 커터의 마모량 평가를 목적으로 실제 TBM의 굴진을 모사한 새로운 시험장비를 개발하였으며, 이를 이용한 초기실험을 실시하여 굴진성능과 마모량에 영향을 끼치는 주요 인자를 판별하였다.
2. 토사지반용 EPB TBM 모사 시험장치 개발
앞서 언급한 바와 같이 기존의 NTNU나 Pennstate Univ의 장비로는 실제 TBM의 굴진 과정을 정확히 모사할 수 없으므로, 본 연구에서는 실제 TBM과 같이 굴진 및 배토를 수행하여 챔버압을 조절할 수 있고, blade의 마모를 측정할 수 있으며 굴진속도에 맞춰 foam 주입량을 조절할 수 있는 장치를 개발하였다. 추가적으로 챔버 내에서 foam이 혼합된 굴착토에 대해 압력상태에서 (챔버 내) 직접 전단강도를 측정할 수 있는 vane 전단 시험장치를 장착하였다. 이를 이용하여 foam 혼합토에 대한 정확한 특성을 구현하고 최적 배합비를 예측하고자 하였다.
해당 장비는 SAPT (Soil Abrasion Penetration Tester)라 명명하였으며 장비의 상세 구성은 챔버(soil chamber, 굴착토가 유입되고 배토될 수 있으며 vane 전단 시험장치가 장착되며 압력 측정 및 챔버압 유지를 통한 패킹 seal이 부착), 시료 박스(specimen box, 원통형 형상으로 패킹 seal로 밀폐되어 압력 손실이 없으며 단으로 분리되어 각 단별 다짐이 가능하고 복합지반을 구성할 수 있음), 소형 blade (위치 별로 마모 측정이 가능한 ripper가 장착되고 foam 및 기타 첨가제 주입이 동시에 가능), vane 형태 전단 시험장치(챔버압력 상태에서 혼합토에 대한 전단강도 측정), shaft식 screw conveyor (RPM 조절이 가능하여 챔버 내의 압력조절이 가능하며, 다양한 pitch 간격의 실험이 가능하도록 교체할 수 있음), 하중 재하 및 측정부(weight loading part, 커터헤드에 일정한 수직하중을 가하기 위해 베어링 및 실린더로 구성) 및 모니터링 및 제어부(시간에 따른 하중, 토크, 굴진율 등을 실시간으로 모니터링하고 설정한 값으로 제어)로 이루어져 있다. 최종적으로 제작된 장비의 도면 및 사진은 Fig. 1과 같다.
SAPT 장비 각 부분의 특징으로는 먼저 챔버의 경우 내부에 경사를 조성하여 배토를 원활하게 유도하였고, blade의 경우 첨가제 2개를 동시에 주입할 수 있는 주입관이 설치되어 있으며 면판에 장착하는 ripper (총 5개)는 알루미늄 재질로 실험 후 따로 분리가 가능하여 질량 변화(마모량)를 측정할 수 있고, 각 위치는 독립적인 굴착 경로를 가질 수 있도록 설정되었다. 또한 vane 전단 시험장치의 경우 중공형으로 제작되었으며 blade 상부에 장착되지만 별개의 구동이 가능하도록 설계되어 굴착과 동시에 또는 정지 시에도 독립적인 구동이 가능하다.
추가적으로, SAPT 장비의 챔버 지름은 200 mm로 실제 TBM에 비해 작기 때문에 미량의 foam을 발생시킬 수 있는 장치가 필요하여, 배합조건에 따라 실제 TBM과 동일한 원리로 foam을 발생시키는 장비를 추가적으로 제작하였다(Fig. 2). 해당 장비는 foam 배합의 주요 변수인 FIR (Foam Injection Ratio), FER (Foam Expansion Ratio)을 입력 시 SAPT 시험장비의 굴진 속도와 연계하여 정확한 양의 foam 주입이 가능하며 시험 도중에 굴진 속도가 변할 때에도 그 양이 실시간으로 변동이 가능하도록 제작되었다.
SAPT 및 foam 발생장치의 제어 프로그램은 장비 점검, calibration 및 시연 등에 사용되는 test 조작과 자동제어 모드(실제 실험 모드)로 나뉜다. 먼저 test 모드는 blade, vane 전단, 배토장치(screw conveyor), 토사 챔버의 이동 등의 각각의 장치들을 시험모드를 통해 따로 제어할 수 모드이다. 반면 자동제어 모드는 크게 일정 하중(추력)을 유지하며 지반의 상태 변화에 따라 관입 깊이가 달라지는 하중 제어 모드와 일정 한 관입 속도를 설정하여 굴진하며 추력이 지반상태에 따라 변하게 되는 변위제어 모드가 있고, 각각의 모드에서 배토 RPM을 일정하게(속도제어) 또는 일정 챔버 압력을 유지하도록 하는 압력제어 모드가 있다. 이와 같이 시험은 총 4가지 모드가 가능하며 또한 자동모드-수동모드 등의 설정 변경을 통해 시험 중에도 관입 속도, 배토속도 등을 조절할 수 있도록 설정되었다. Foam 발생의 경우에도 배합변수와 관입 속도가 연계-제어되며 자동제어를 하지 않고 수동으로 일정한 양을 계속 분사할 수도 있다. Fig. 3에 프로그램 창을 나타내었다.
3. 실내시험을 통한 토사지반 TBM 굴진성능 및 마모량 예측 주요변수 선정
3.1 시험시료 선정 및 특성
SAPT 시험장비는 EPB TBM의 굴진을 모사한 시험장비로 일반적인 EPB TBM에 널리 사용되는 입도분포를 이용하였으며, 해당 입도는 약 0.001~2 mm 이내로 알려져 있다(Lovat, 2007). 실험에 사용되는 시료는 모래(규사) 70%와 점토(일라이트) 30%를 사용하여 인공적으로 조성하였으며 시료의 사진, 실내시험을 통해 측정한 시료의 입도분포 곡선, 애터버그 한계 및 다짐 곡선을 Fig. 4에 나타내었다.
3.2 SAPT 시험 변수 선정 및 방법
시험 수행에 있어 예상되는 주요 변수로 회전당 관입 깊이(penetration, mm/rev), foam 배합비 및 농도(FIR, FER, CF)를 선정하였으며 특히 FIR, FER, CF 등의 foam 관련 변수의 경우 굴진-배토를 원활하게 할 수 있는 최적의 foam 배합비를 선정하기 위해 예비 시험으로서 slump test를 수행하였다. slump test는 첨가제 설계를 위해 널리 이용되며(Vinai, 2006) 이상적인 slump 수치는 약 10~20 cm (Langmaack, 2000; Vinai et al., 2008; Peila et al., 2009; Budach and Thewes, 2015)로 알려져 있다.
slump 시험 범위는 일반적으로 EFNARC (2005)에 제시된 수치인 FIR (10~80%), FER (5~30), CF (0.5~5%) 이내에서 실시하였으며 slump 수치가 낮을 경우 FIR을 증가시켜 추가적으로 실험하였다. Fig. 5에 FER의 변화에 따른 slump 수치를, Fig. 6에 LIR (FIR/FER로 foam 전체에 대한 foam 용액의 비율이며 LIR이 클수록 같은 foam 용액에 많은 량의 Air가 주입되는 것을 의미)의 변화에 따른 slump 수치를, Fig. 7에 CF의 변화에 따른 slump 수치를 나타내었다.
먼저 Fig. 5의 경우 FER이 낮을수록 (foam 총량은 같으나 foam 용액이 늘고 공기량이 감소할수록) slump 수치는 낮아짐을 확인할 수 있었고, 함수비가 커질수록 전반적으로 커지는 것을 알 수 있다. 따라서 foam 용액이 공기에 비해 slump 수치에 더 큰 영향을 미칠 수 있음을 나타낸다.
다음으로 Fig. 6의 경우 LIR이 높아질수록 slump가 커짐을 알 수 있으며, LIR이 4이거나 16인 경우는 각각 foam의 양이 너무 작거나 많아 공기량이 변화하여도 큰 변화가 없었다. 이는 적절한 foam 용액의 양을 투입할 경우에는 같은 양에서 공기가 많이 주입될수록 foam 의 질이 향상되어 더 좋은 효과를 보일 수 있음을 확인하였다.
마지막으로 Fig. 7의 경우는 3.0%, 1.0%, 0.0% (같은 양의 물만 사용)에 대한 수치를 비교하였으며, 0.0%일 경우에는 물량을 늘려도 거의 slump 수치가 나오지 않는 것을 확인할 수 있고 1.0%의 경우에도 3.0%의 경우와 비교하였을 때 상당히 작은 수치를 보여 미량의 foam 용량 차이로도 배토상태에 큰 영향을 끼칠 수 있음을 나타내었다. 특히 물만으로는 많은 양을 넣어도 foam이 발현할 수 있는 시료의 상태 변화를 일으킬 수는 없음을 확인할 수 있어 단순히 시료의 함수비를 높인다고 해서 원활한 굴진성능을 보이고 마모량을 줄일 수는 없을 것으로 판단된다.
또한 slump 시험을 통해 해당 시료는 함수비가 9% (최적함수비 근접, 다짐도 100%)일 경우 LIR 8% (FIR 80~120%, FER 10~15), 함수비가 12%의 경우 LIR 약 6~7% (FIR 60~80%, FER 10~15) 정도의 foam 을 사용할 때 적절한 굴진성능을 보일 수 있음을 확인하였다. 실제 실험은 적절한 굴진성능을 보일 수 있는 배합과 다소 foam을 적게 사용한 배합으로 나누어 수행되었다.
시험 방법은 일정한 관입 속도(3가지 경우)를 가지는 변위제어로 수행되었으며, 배토 속도는 일정한 챔버압을 구현하기 위해 관입 속도와 대응되는 일정한 값을 사용하였다. 시료 조성은 시료박스 3개를 이용하였으며(변위 약 720 mm) 시험 초기 수직도에 의한 관입저항 등의 값을 제외한 실제 시험값을 얻기 위해 초기에 챔버가 시료박스 내로 관입되는 구간(시료박스 상부 50~70 mm)은 시료를 조성하지 않고 시작하였다. Vane 토크의 경우 시험을 중단한 후(굴진, 배토, Foam 주입 모두 중단) vane만 일정 속도로 회전시켜(1 rpm) 그 최대값을 측정하였다. 시험의 입력값은 Table 1에 나타내었다. 또한 시험 Case들은 Table 2에 나타나 있으며 앞서 언급하였던 회전당 관입 깊이, Foam 배합비 및 농도로 구분되었다.
3.3 SAPT 시험 수행을 통한 굴진성능 주요변수 변화 결과
Table 3과 Fig. 8에 각 Case의 시험 결과를 나타내었다.
Table 3의 Case 1~3과 Fig. 8의 (a), (b)에 나타낸 회전당 관입 깊이(PRev)의 변화에 따른 시험 결과는 추력은 대체적으로 관입 깊이와 비례하여 증가하는 것을 확인할 수 있었으며, 또한 blade 토크와 vane 토크의 경우에도 역시 다소 증가함을 확인할 수 있었다. 챔버압의 경우는 관입 깊이의 변화에 따라 배토 RPM을 조절하여 비슷한 압력으로 맞추었으며 굴진속도 변화 자체와는 큰 영향은 없음을 확인할 수 있었다.
다음으로 Table 3의 Case 1, 4와 Fig. 8의 (c), (d)에 나타낸 FER의 변화에 대한 시험 결과는 추력의 경우 TBM의 미는 힘이므로 FER의 변화에 비해 유의미한 변화를 보이지 않았으나 blade 및 vane 토크는 Case 4, 5 (FER 20) 가 Case 1, 2 (FER 10) 에 비해 확연히 더 큰 것으로 나타났으며 slump 수치의 차도 크게 나타났다. 이는 foam의 영향이 추력보다는 토크에 더 영향을 끼친다는 것을 알 수 있으며 추력을 제외한다면 회전당 관입 깊이의 변화보다 foam의 변화에 의해 굴진 변수에 미치는 영향이 전반적으로 더 크다는 것도 확인할 수 있다. 특히 Case 4, 5의 결과는 회전당 관입 깊이가 더 빠른 Case 2, 3보다도 토크가 더 크게 나타나 장비의 부하가 더 큰 것으로 나타났다. 이는 결국 foam의 적절한 사용을 통해 굴진속도 변화로 인한 장비부하 증가를 상쇄할 수 있음을 의미한다.
마지막으로 Table 3의 Case 1, 6과 Fig. 8의 (e), (f)를 통해 분석한 CF의 경우 CF가 감소함에 따라 추력 및 blade와 vane 토크가 모두 조금씩 증가하였으며 slump 수치는 다소 감소함을 확인할 수 있다. 이는 foam의 양만큼은 아니지만 CF도 굴진성능에 어느 정도 영향을 끼칠 수 있다는 것을 나타내며 추가적인 실험을 통해 최대한 낮은 CF로 최적의 굴진 성능을 보일 수 있는 경우를 선정할 예정이다.
3.4 SAPT 시험 수행을 통한 마모량 변화 결과
앞서 언급하였듯이 ripper는 교체 가능한 알루미늄 재질로 제작되었으며(size 20 mm × 20 mm), 각 ripper마다 고유의 궤적을 가지고 마모량을 측정할 수 있도록 설계되었다. 예비 실험을 실시한 결과 가장 바깥쪽 ripper (Fig. 9(a)의 1번 ripper)가 압도적으로 큰 마모량을 나타내었다. 이는 1번 ripper의 회전 이동거리가 가장 길며 blade 토크도 가장 많이 받고 있음을 나타낸다. 특히 1번 ripper의 경우 회전 직경(외경)이 약 193 mm로 blade 직경(196 mm)에 비해 매우 좁은 틈이 있어 ripper의 밑부분만이 아닌 옆면 부분에서도 마모가 크게 발생하여 2번 ripper에 비해서도 매우 큰 마모량을 나타내었다. 마모량 측정 방법은 1번의 시험 수행 후 ripper의 무게 변화를 측정하였으며 정확한 마모량 측정을 위해 매 실험을 수행할 때마다 ripper를 교체하였다. Table 4와 Fig. 10에 각각의 실험에 대한 마모량 측정 결과 및 비교 그래프를 나타내었다.
Table 4의 Case 1~3과 Fig. 10의 (a), (b)에 나타낸 회전당 관입 깊이 변화에 따른 마모량의 변화는 (가장 큰 마모량이 발생한 1번 ripper를 기준으로 함) 회전당 관입 깊이가 클수록 마모량이 작은 것으로 나타났다(Case 3이 Case 1보다 마모량이 작음). 이는 속도가 증가하면 같은 굴진거리에서 더 빨리 굴진을 완료하게 되고, 그만큼의 회전 거리 감소로 인해 마모량이 오히려 작을 수 있음을 의미하며 굴진속도를 높이는 것이 무조건 마모량이 커지는 것으로 연결되지 않는다는 것을 확인하였다.
다음으로 Table 4의 Case 1, 4와 Fig. 10의 (c), (d)에 나타낸 FER의 변화에 따른 마모량의 변화는 FER이클수록 마모량이 큰 것으로 나타났으며 그 정도는 회전당 관입 깊이 변화에 따른 마모량 변화에 비해 더욱 큼을 확인할 수 있다. Case 4, 5 (FER 20)는 동일한 관입 깊이로 실험을 수행한 Case 1, 2 (FER 10)에 비해 매우 큰 마모량을 나타내었으며 회전당 관입 깊이가 더 빠른 Case 3, 8보다도 큰 마모량을 나타내었다. 이는 앞서 언급한 굴진성능 변수들의 변화 및 각 Case의 slump 수치와 같은 경향을 보여 적절한 foam 배합으로 굴진속도를 높이면서도 마모량을 제어할 수 있다는 것을 확인하였다.
마지막으로 Table 4의 Case 1, 6과 Fig. 10의 (e), (f)에 나타낸 CF의 변화에 의한 마모량의 변화는 FER의 변화만큼의 차이를 보이지는 않았지만 높은 CF에서 마모량이 줄어드는 경향을 보였다.
4. 결 론
본 연구에서는 토사지반에서의 TBM 굴진성능 및 마모량 평가를 위해 EPB TBM의 굴진을 모사한 시험장비와 그에 맞는 foam 발생장치를 개발하였고 실내시험을 수행하였다. 변위제어 시험 수행을 통해 입력 변수(회전당 관입 깊이, foam 배합비 및 농도)의 변화에 따른 추력, blade 토크, vane 토크, 챔버압 및 ripper 마모량의 변화를 확인하였으며 추후 실험 Case를 더욱 추가하여 최소의 foam 사용량으로 최적의 굴진성능을 발휘할 수 있는(굴진속도는 상승시키고 마모량은 최소화하는) 토사지반 TBM performance 및 마모량 예측 모델식을 개발할 예정이다. 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
1.암반지반용 TBM과 달리 토사지반용 TBM의 경우 굴진성능 추정에 대한 연구는 거의 전무한 상황이며, 마모량 추정에 대한 연구는 일부 기관에서 이뤄지고 있으나 아직 초기 단계이며 시험장비 들도 실제 TBM의 구동을 모사하고 있지 않아, 장비 성능 예측에 대해 기존 현장의 data나 TBM 제조사에서 권장하는 정보에 의존하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 굴진부터 배토까지의 전 과정을 재현할 수 있는 EPB TBM 모사 시험장치 및 첨가제를 주입할 수 있는 foam 발생장치를 함께 개발하였다.
2.모래(규사) 70%와 점토(일라이트) 30%로 조성된 인공시료에 대해 회전당 관입깊이, foam 배합비 및 농도를 달리한 실내시험을 실시하여 굴진성능에 대한 주요 변수(추력, blade 토크, vane 토크, slump 등)변화량 및 마모량을 평가하였다. 먼저 회전당 관입깊이의 경우 관입깊이가 커질수록 추력, 토크가 모두 증가하였으며 slump 수치의 경우 큰 변화를 보이지 않았다. 또한 마모량의 경우 회전당 관입깊이가 커져도 같은 굴진거리에서는 회전거리 감소로 인해 마모량이 오히려 작게 나타났다. 다음으로 foam 배합에 따른 영향은 추력에는 큰 관계가 없이 foam 용액의 양이 감소할수록 토크가 커지는 것으로 나타났으며 역시 마모량의 경우도 foam 용액의 감소에 따라 마모량이 증가함을 확인하였다. 마지막으로 foam 농도의 경우 농도가 높을수록 추력, 토크, 마모량이 모두 감소하고 slump는 증가하는 것을 확인하였다. 이들 3가지 입력변수 중 시험 결과에 가장 큰 영향을 미치는 것은 foam 배합비로 나타났다. 따라서 현업에서 foam 사용으로 인한 비용 증가 문제가 발생하더라도 그만큼의 장비부하 및 마모 감소를 통해 굴진속도를 증대시키고, ripper 교체 등으로 인한 다운타임을 감소시킬 수 있어 foam의 적용을 적극적으로 고려할 필요가 있다고 사료된다.
이와 같이 TBM의 최적 운영을 위해서는 지반의 특성에 적합한 첨가재의 배합 및 장비 운전 등이 주요 인자이다. 향후 다양한 지반 종류 및 현장시료에 대한 추가적인 실험을 수행하여 현장의 TBM 실적 data와 상관관계를 분석하고 굴진성능 및 마모량 예측 모델을 개발할 예정이다.
