Research Paper

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. July 2021. 265-280
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2021.23.4.265

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 폐색원인과 이론적 고찰

  •   2.1 쉴드 TBM 개구부 폐색현상

  •   2.2 폐색현상 이론적 고찰

  • 3. 실내실험

  •   3.1 실험개요

  •   3.2 축소모형 장비

  •   3.3 모형지반 조성

  •   3.4 실험 조건 선정 및 방법

  •   3.5 축소모형 실험 결과 분석

  • 4. 결 론

1. 서 론

도시의 발달로 인한 인구과밀화는 지상 인프라의 확충을 수반한다. 이런 이유로 지상 구조물이 급격하게 늘어났으며, 이로 인해 지상 공간의 개발은 토지확보의 어려움으로 지상 인프라 구축은 한계상태에 도달하였고 교통장애 및 도심지 미관 저해 등 많은 사회적 문제를 초래하고 있다. 그렇기 때문에 도심지 기반 시설의 지상 집중화 및 교통난을 해소하고 균형적인 도시발전을 위하여 지하공간 건설에 많은 관심과 중요성이 부각되고 있다. 그러나 지하공간을 활용하기 위해선 소음으로 인한 민원 발생, 기존구조물(지하철, 상수도 등)의 간섭이 지하공간 시공에 문제점이 되고 있으며, 시공 시 지상 구조물의 안전성 또한 고려하여야 한다(Kong et al., 2019).

터널 시공은 재래식 공법과 기계화 시공법으로 분류 할 수 있는데 재래식 공법은 발파로 인한 소음 및 진동으로 민원과 환경문제를 유발하여 사회적 비용 증가 등의 문제로 도심지 적용에 있어 한계에 도달하였다. 그러나 기계화 시공법은 무소음, 무진동 시공이 가능하여 민원 예방 및 환경문제 방지로 사회적 비용 감소 등의 이점을 가지고 있다. 또한 발파공법에 비해 굴착손상 영역이 작다는 장점이 있어 국내외에서 적용 사례가 증가하고 있다(Cho et al., 2008).

이에 따라 국내에서는 Chang et al. (2013)에 의한 커터 링의 형상에 따른 디스크 커터 작용력의 실험적 평가, Kang et al. (2015)에 의한 복합지반에서의 쉴드 TBM 커터헤드 회전속도에 따른 커터비트 손상에 관한 실험적 연구, Hwang et al. (2020) Shield TBM 챔버 내 mixing bar 교반 효율에 대한 기본 연구가 이루어지고 있다. 또한 해외에서는 Sugimoto et al. (2007)에 의한 복합지반 곡선구간에서 쉴드 터널링 거동 시뮬레이션에 대한 연구, Thewes and Burger (2005)에 의한 점토 지반에서 TBM 시공 중 폐색에 대한 연구 등 TBM에 대한 많은 연구가 진행되고 있다.

그리고 해외의 경우 TBM 공법에 대한 경험적, 실험적 많은 노하우가 축적이 되었을 뿐 아니라 TBM 시공 중 커터헤드 폐색에 대한 연구까지 선행이 되어 있으나 국내의 경우 그렇지 못한 실정이다. 따라서 본 연구는 TBM 장비의 커터헤드 개구부와 지반조건(점토비)이 폐색에 어떤 영향을 미치는지 연구를 진행하였으며, 이는 국내 쉴드 TBM의 시공 중 활용에 있어 중요한 자료가 될 것으로 판단된다.

2. 폐색원인과 이론적 고찰

2.1 쉴드 TBM 개구부 폐색현상

암석 광물간의 결합력과 달리 토사의 특성은 토립자의 배열이나 형상 등에 영향을 받는다. 모래나 자갈은 입자간의 결합력이 없지만 실트나 점토는 점착력에 의해 결합된다. 따라서 점토는 결합 및 함수비에 따른 토질 특성에 따라 쉴드 TBM 굴착 시 장비의 각 종 개구부에 폐색현상을 일으켜 굴진을 저해할 수 있다.

점토가 함유된 지반을 쉴드 TBM으로 굴착 할 경우에 폐색 현상은 Fig. 1과 같이 쉴드 TBM 면판을 비롯하여 커터 하우징, 스크류 컨베이어, 각종 파이프 등 쉴드 TBM과 연관된 버력 처리 전 과정에서 발생할 수 있다(Hollmann and Thewes, 2013).

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Fig. 1.

Shield TBM clogging case

굴착된 점토지반이 챔버 내에 쌓여 지하수가 많은 조건에서 짧은 시간 내에 배수가 진행되면 챔버 내에 충진된 점토가 압축되어 스크류 컨베이어 입구부터 배토가 되지 않는 폐색 현상이 발생할 수 있다. 또한 커터 툴에서부터 점토가 뭉치는 현상이 일어나면 TBM 회전 시 면판의 중심부로 점토가 집중되며, 그럴 경우 TBM의 개구율이 감소하여 폐색현상이 발생한다. 이러한 경우 면판의 지지력 증가로 인한 토크 상승 및 굴진효율의 감소를 가져올 수 있으며 심한 경우 TBM 장비가 정지하는 현상이 발생할 수 있다.

2.2 폐색현상 이론적 고찰

토사의 폐색 현상은 다양한 요소에 의해 좌우되며, Fig. 2와 같이 네 가지 요소가 상호 작용하여 발생한다. 첫 번째는 입자가 TBM을 통과하는 과정에서 각종 면에 부착되는 경우이다. 두 번째는 장비에 노출된 각종 개구부에 입자가 가교 역할을 하여 장비 내부를 막아 배토 성능을 저하시키거나 지연시키는 경우이다. 세 번째는 입자끼리 서로 달라붙어 응집되는 현상으로 배토 자체에 어려움을 주는 경우이다. 네 번째는 소성지수가 커서 물 속에서 미세 입자로 용해되지 않고 덩어리 형태로 남으려는 토질 특성을 가지고 있는 경우이다.

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Fig. 2.

Clogging mechanism of soil (Thewes and Burger, 2005)

이 중에서 가장 중요한 메커니즘은 점토와 같이 점성을 띄는 토사가 TBM의 각종 노출된 면에 부착되는 성질이며, 폐색 현상은 TBM 각종 면판과 토사의 상대적인 수직 및 전단 부착력에 좌우된다고 할 수 있다.

지반공학적인 측면에서 보면 폐색에 영향을 주는 요소는 다양하며, 크게 입도분포, 광물학적 조성, 토질의 소성지수와 컨시스턴시지수, 유체 사용 정도가 중요한 역할을 한다.

3. 실내실험

3.1 실험개요

본 실험은 쉴드 TBM 장비의 커터헤드 개구부가 굴착되는 조건에 따라 폐색되는 특성을 규명하기 위해 실내모형시험을 실시하였다. 모형실험은 지반조건, 커터헤드 개구율, 커터헤드 분당회전율 및 회전 방향, 압입 깊이를 고려하여 수행하였고 변수조건을 점토 함유율 및 함수비로 하여 폐색 영향 변화에 대하여 실험하였기 때문에 첨가제 및 이수의 영향은 고려하지 않았다. 실내모형시험을 수행하기 위해 쉴드 TBM 커터헤드의 개구율에 따라 점토 지반에서 실제 사용되는 사례를 참고하여 연구 특성에 맞게 커터헤드를 축소하여 사용하였다. 커터헤드의 회전속도와 회전방향, 압입 깊이를 조절할 수 있는 굴착제어가 가능한 실험장비와 모형지반 조성을 위한 토조를 제작하였고, 지반조건은 점성토와 사질토의 비율 별로 3가지 Case로 분류하고, 지반구성 비율에 따라 자연 함수비를 고려하여 모형 지반을 조성하였다.

3.2 축소모형 장비

실제 지반조건과 쉴드 TBM 장비 특성에 따라 개구부가 페합되는 메커니즘을 연구하기 위하여 장비 제작하였고 축소모형 실험의 장비는 쉴드 TBM 커터헤드, 굴착제어 장비 및 토조로 구성되어 있다.

커터헤드 개구부 폐색특성을 연구하기 위해 가장 중요한 커터헤드 개구율은 30%, 50%, 60%로 제작하였다. 이는 TBM 핵심 설계 ‧ 부품기술 및 TBM 터널의 최적 건설기술 보고서(2011)를 통해 점토 지반에서 실제 사용된 커터헤드 개구율을 고려하여 축소 제작하였다. 제작된 커터헤드는 다음 Table 1과 같다.

Table 1.

Opening rate by shield TBM cutterhead

Division Opening rate 30% Opening rate 50% Opening rate 60%
Shape /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T1.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T2.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T3.jpg
Diameter 180 mm

굴착제어장비는 실제 현장과 동일하게 조성할 수 있도록 커터헤드의 분당 회전 수와 회전 방향, 압입 깊이를 제어할 수 있도록 제작하였으며, 본 실험에 사용된 전체적인 실험장비 구성 및 실험 전경은 Fig. 3과 같다.

①은 추력모터로 ⑥추력제어 시스템을 통하여 추력을 동력으로 전환하는 역할을 하며, 제어 시스템에 입력되는 추력을 ⑦데이터 로거를 통하여 값으로 산출한다. ④축소모형 쉴드 TBM 커터헤드는 ⑤동력용 모터 속도 제어 인버터를 사용하여 분당 회전 수를 조절하며, 이 때 산출되는 힘 또한 ⑦데이터 로거를 통해 값으로 산출한다. 또한 ④축소모형 쉴드 TBM 커터헤드는 환봉으로부터 쉽게 탈부착이 가능하도록 구성하여 실험결과에 영향을 미치지 않도록 하였다.

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Fig. 3.

Equipment configuration and layout diagram

3.3 모형지반 조성

모형지반 조성을 위해 제작한 토조는 커터헤드의 직경(D = 180 mm) 및 실험 케이스 별 굴진 깊이를 고려하여 제작하였다. 제작된 토조는 내경 기준으로 가로 300 mm, 세로 300 mm, 높이 300 mm로 제작하였다. 균등한 모형지반을 조성하고 커터헤드 개구율 별로 연속적인 실험을 수행하기 위해 균일한 크기의 토조 5개를 직렬로 연결하였다. 제작한 토조는 아래의 Fig. 4와 같다.

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Fig. 4.

Soil box

모형지반 조성은 점성토와 사질토의 비율에 따라 10%, 30%, 50%로 케이스를 선정하였고 모형지반 조성에 사용된 점성토는 점토 가루를 사용하였으며, 사질토는 주문진 표준사를 사용하였다. 각 Case에 대한 입도분포 곡선은 다음 Fig. 5와 같다.

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Fig. 5.

Partical size distri by Case

각 Case에 대한 액성한계 시험과 소성한계 시험을 진행하였으며, KS F 2303 (2015)을 참고하여 수행하였고 액성한계 시험과 소성한계 시험을 통해 도출한 결과는 Table 2와 같다.

Table 2.

Plastic limits, liquidity limits, and plastic index by ground

Division Plastic limit (PL) Liquidity limits (LL) Plastic index (PI)
Case 1 11.86 60.20 48.34
Case 2 16.63 79.51 62.88
Case 3 20.75 81.90 61.15

대한주택공사의지반조사 보고서를 통해 확인한 점성토의 평균적인 자연함수비(35.2%)와 사질토의 평균 자연함수비(17.3%)를 사용하여 함수비를 산정하였으며, 점토비 10%지반의 경우 19.1%, 점토비 30% 지반의 경우 22.7%, 점토비 50% 지반의 경우 26.3%의 함수비를 적용하였다.

지반은 KS F 2312 (2016)를 통해 다짐법을 적용하여 조성하였으며, 각 Case에 대해 동일한 다짐에너지를 가하였다. 다짐에너지는 다음 Table 3과 같다.

Table 3.

Determination of compaction energy

Compaction energy 0.255 kg * cm/cm3
Number of strikes on each layer 5
Number of layer 2
Total resolutions 10 cm
Hammer weight 1 kg
Hammer drop height 5 cm
Determination formula of compaction energy E=5*2*1*5196.25=0.255

3.4 실험 조건 선정 및 방법

본 실험은 점성토 함유율 별로 쉴드 TBM 커터헤드의 개구율, 회전속도(압입 깊이), 회전방향을 변화시켰을 때 커터헤드의 면판이 폐색되는 비율에 대해 실험결과를 비교 및 분석하기 위해 실험조건을 분류하였다. 모형지반의 점성토 비는 10%, 30% 및 50%의 3가지 Case로 나누고 추력은 분당 6 mm가 굴착되도록 설정하였다. 그리고 각 지반조건에 대하여 쉴드 TBM 커터헤드의 개구율을 각 30%, 50%, 60%로 달리하여 시험을 실시하였다. 커터헤드의 회전속도는 3 RPM (2 mm/rev), 6 RPM (1 mm/rev) 두 가지의 경우로 나누어 진행하였다. 총 시험 진행은 4분간 진행하였으며 각 Case 모두 동일하다. 각 시험에 대해 정리하면 다음 Tables 4, 5, 6과 같다.

Table 4.

Test condition of Case 1

Division Clay rate (%) Opening rate (%) Rotation direction Rotational speed
(RPM, rev/min)
Depth of press
(mm/rev)
1-A-A 10 30 One way 3 RPM 2
1-A-B 6 RPM 1
1-A-C Two way 3 RPM 2
1-A-D 6 RPM 1
1-B-A 50 One way 3 RPM 2
1-B-B 6 RPM 1
1-B-C Two way 3 RPM 2
1-B-D 6 RPM 1
1-C-A 60 One way 3 RPM 2
1-C-B 6 RPM 1
1-C-C Two way 3 RPM 2
1-C-D 6 RPM 1
Table 5.

Test condition of Case 2

Division Clay rate (%) Opening rate (%) Rotation direction Rotational speed
(RPM, rev/min)
Depth of press
(mm/rev)
2-A-A 30 30 One way 3 RPM 2
2-A-B 6 RPM 1
2-A-C Two way 3 RPM 2
2-A-D 6 RPM 1
2-B-A 50 One way 3 RPM 2
2-B-B 6 RPM 1
2-B-C Two way 3 RPM 2
2-B-D 6 RPM 1
2-C-A 60 One way 3 RPM 2
2-C-B 6 RPM 1
2-C-C Two way 3 RPM 2
2-C-D 6 RPM 1
Table 6.

Test condition of Case 3

Division Clay rate (%) Opening rate (%) Rotation direction Rotational speed
(RPM, rev/min)
Depth of press
(mm/rev)
3-A-A 50 30 One way 3 RPM 2
3-A-B 6 RPM 1
3-A-C Two way 3 RPM 2
3-A-D 6 RPM 1
3-B-A 50 One way 3 RPM 2
3-B-B 6 RPM 1
3-B-C Two way 3 RPM 2
3-B -D 6 RPM 1
3-C-A 60 One way 3 RPM 2
3-C-B 6 RPM 1
3-C-C Two way 3 RPM 2
3-C-D 6 RPM 1

본 축소모형실험 방법은 아래와 같다.

① 각 Case 조건에 맞게 지반을 구성하고 다짐법을 활용하여 지반 조성을 완료한다.

② 축소 제작된 쉴드 TBM 커터헤드를 조성된 지반 중심에 위치하도록 장비를 배치한다.

③ 실험 Case 조건에 맞게 회전 속도 및 압입 속도를 조정한다.

④ 데이터 로거에 연결된 토크센서의 초기값을 조정하고 “0”점을 맞춘 뒤 모니터링을 준비한다.

⑤ 장비를 작동시키고 실시간 모니터링을 진행한다. 굴진 중 토크 및 커터헤드의 폐색 영역을 기록하고 정리한다.

3.5 축소모형 실험 결과 분석

각 점성토비를 3가지 케이스로 분류하여 모형지반을 조성한 후 커터헤드 개구율, 회전속도(압입 깊이) 및 회전방향을 다르게 하여 얻은 폐색비를 검토하였다. 실험 종료후 커터헤드를 모터로부터 분리하여 폐색되는 정도를 확인하였으며, 폐색비는 실험 전 커터헤드 개구부 면적 대비 실험 후 개구부 면적으로 계산하였다. 축소모형 실험결과는 다음과 같다.

Case 1은 모형지반의 점성토 함량비가 10%인 경우에 대한 시험으로서 Table 7은 개구율이 30%, Table 8은 개구율이 50%, Table 9는 개구율이 60%인 경우의 폐색 영역에 대한 결과를 보여준다.

개구율 30%일 때 폐색비는 26.2~39.4%로 분포하고 있으며, 커터헤드 회전속도를 증가시킬 경우 일방향 회전의 폐색비는 7.0% 증가하고, 양방향 회전의 폐색비는 12.5% 증가하는 양상을 보인다. 또한 커터헤드의 회전방향을 달리하고 회전속도가 같은 경우 3 RPM의 회전속도에 대한 폐합비는 0.7% 증가하고 6 RPM의 회전속도에 대한 폐색비는 6.2% 증가하는 것을 알 수 있다.

개구율 50%일 때 폐색비는 17.1~21.6%로 분포하고 있으며, 커터헤드 회전속도를 증가시킬 경우 일방향 회전의 폐색비는 2.4% 증가하고, 양방향 회전의 폐색비는 4.4% 증가하는 양상을 보인다. 또한 커터헤드의 회전방향을 달리하고 회전속도가 같은 경우 3 RPM의 회전속도에 대한 폐합비는 0.1% 증가하고 6 RPM의 회전속도에 대한 폐색비는 2.1% 증가하는 것을 알 수 있다.

개구율 60%일 때 폐색비는 26.2~39.4%로 분포하고 있으며, 커터헤드 회전속도를 증가시킬 경우 일방향 회전의 폐색비는 7.0% 증가하고, 양방향 회전의 폐색비는 12.5% 증가하는 양상을 보인다. 또한 커터헤드의 회전방향을 달리하고 회전속도가 같은 경우 3 RPM의 회전속도에 대한 폐합비는 0.7% 증가하고 6 RPM의 회전속도에 대한 폐색비는 6.2% 증가하는 것을 알 수 있다.

Table 7.

Clogging area and clogging rate with a 30% opening rate of Case 1

Division One way Two way
3 RPM 6 RPM 3 RPM 6 RPM
Clogging area /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T4.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T5.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T6.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T7.jpg
Clogging rate (%) 26.2% 33.2% 26.9% 39.4%
Table 8.

Clogging area and clogging rate with a 30% opening rate of Case 2

Division One way Two way
3 RPM 6 RPM 3 RPM 6 RPM
Clogging area /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T8.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T9.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T10.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T11.jpg
Clogging rate (%) 17.1% 19.5% 17.2% 21.6%
Table 9.

Clogging area and clogging rate with a 30% opening rate of Case 3

Division One way Two way
3 RPM 6 RPM 3 RPM 6 RPM
Clogging area /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T12.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T13.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T14.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T15.jpg
Clogging rate (%) 8.5% 10.9% 10.1% 11.3%

Case 2는 모형지반의 점성토 함량비가 30%인 경우에 대한 시험으로서 Table 10은 개구율이 30%, Table 11은 개구율이 50%, Table 12는 개구율이 60%인 경우의 폐색 영역에 대한 결과를 보여준다.

개구율 30%일 때 폐색비는 69.1~90.0%로 분포하고 있으며, 커터헤드 회전속도를 증가시킬 경우 일방향 회전의 폐색비는 17.4% 증가하고, 양방향 회전의 폐색비는 4.0% 증가하는 양상을 보인다. 또한 커터헤드의 회전방향을 달리하고 회전속도가 같은 경우 3 RPM의 회전속도에 대한 폐합비는 16.9% 증가하고 6 RPM의 회전속도에 대한 폐색비는 3.5% 증가하는 것을 알 수 있다.

개구율 50%일 때 폐색비는 49.0~90.3%로 분포하고 있으며, 커터헤드 회전속도를 증가시킬 경우 일방향 회전의 폐색비는 28.8% 증가하고, 양방향 회전의 폐색비는 37.0% 증가하는 양상을 보인다. 또한 커터헤드의 회전방향을 달리하고 회전속도가 같은 경우 3 RPM의 회전속도에 대한 폐합비는 4.3% 증가하고 6 RPM의 회전속도에 대한 폐색비는 12.5% 증가하는 것을 알 수 있다.

개구율 60%일 때 폐색비는 40.3~54.7%로 분포하고 있으며, 커터헤드 회전속도를 증가시킬 경우 일방향 회전의 폐색비는 4.1% 증가하고, 양방향 회전의 폐색비는 6.9% 증가하는 양상을 보인다. 또한 커터헤드의 회전방향을 달리하고 회전속도가 같은 경우 3 RPM의 회전속도에 대한 폐합비는 4.1% 증가하고 6 RPM의 회전속도에 대한 폐색비는 6.9% 증가하는 것을 알 수 있다.

Table 10.

Clogging area and clogging rate with a 50% opening rate of Case 1

Division One way Two way
3 RPM 6 RPM 3 RPM 6 RPM
Clogging area /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T16.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T17.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T18.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T19.jpg
Clogging rate (%) 69.1% 86.5% 86.0% 90.0%
Table 11.

Clogging area and clogging rate with a 50% opening rate of Case 2

Division One way Two way
3 RPM 6 RPM 3 RPM 6 RPM
Clogging area /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T20.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T21.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T22.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T23.jpg
Clogging rate (%) 49.0% 77.8% 53.3% 90.3%
Table 12.

Clogging area and clogging rate with a 50% opening rate of Case 3

Division One way Two way
3 RPM 6 RPM 3 RPM 6 RPM
Clogging area /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T24.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T25.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T26.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T27.jpg
Clogging rate (%) 40.3% 47.8% 44.4% 54.7%

Case 3은 모형지반의 점성토 함량비가 50%인 경우에 대한 시험으로서 Table 13은 개구율이 30%, Table 14는 개구율이 50%, Table 15는 개구율이 60%인 경우의 폐색 영역에 대한 결과를 보여준다.

Table 13.

Clogging area and clogging rate with a 60% opening rate of Case 1

Division One way Two way
3 RPM 6 RPM 3 RPM 6 RPM
Clogging area /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T28.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T29.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T30.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T31.jpg
Clogging rate (%) 72.5% 77.2% 74.3% 85.1%
Table 14.

Clogging area and clogging rate with a 60% opening rate of Case 2

Division One way Two way
3 RPM 6 RPM 3 RPM 6 RPM
Clogging area /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T32.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T33.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T34.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T35.jpg
Clogging rate (%) 59.1% 70.6% 70.5% 71.8%
Table 15.

Clogging area and clogging rate with a 60% opening rate of Case 3

Division One way Two way
3 RPM 6 RPM 3 RPM 6 RPM
Clogging area /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T36.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T37.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T38.jpg /media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_T39.jpg
Clogging rate (%) 10.4% 34.7% 34.5% 55.9%

축소모형 실험의 각 Case 별 검토 결과는 다음 Fig. 6과 같다.

/media/sites/kta/2021-023-04/N0550230405/images/kta_23_04_05_F6.jpg
Fig. 6.

Case review result

개구율 30%일 때 폐색비는 72.5~85.1%로 분포하고 있으며, 커터헤드 회전속도를 증가시킬 경우 일방향 회전의 폐색비는 4.7% 증가하고, 양방향 회전의 폐색비는 10.8% 증가하는 양상을 보인다. 또한 커터헤드의 회전방향을 달리하고 회전속도가 같은 경우 3 RPM의 회전속도에 대한 폐합비는 1.8% 증가하고 6 RPM의 회전속도에 대한 폐색비는 7.9% 증가하는 것을 알 수 있다.

개구율 50%일 때 폐색비는 59.1~71.8%로 분포하고 있으며, 커터헤드 회전속도를 증가시킬 경우 일방향 회전의 폐색비는 11.5% 증가하고, 양방향 회전의 폐색비는 1.3% 증가하는 양상을 보인다. 또한 커터헤드의 회전방향을 달리하고 회전속도가 같은 경우 3 RPM의 회전속도에 대한 폐합비는 11.4% 증가하고 6 RPM의 회전속도에 대한 폐색비는 1.2% 증가하는 것을 알 수 있다.

개구율 60%일 때 폐색비는 10.4~55.9%로 분포하고 있으며, 커터헤드 회전속도를 증가시킬 경우 일방향 회전의 폐색비는 24.3% 증가하고, 양방향 회전의 폐색비는 21.4% 증가하는 양상을 보인다. 또한 커터헤드의 회전방향을 달리하고 회전속도가 같은 경우 3 RPM의 회전속도에 대한 폐합비는 24.1% 증가하고 6 RPM의 회전속도에 대한 폐색비는 21.2% 증가하는 것을 알 수 있다.

4. 결 론

본 논문은 쉴드 TBM 커터헤드 개구부 폐색현상에 대한 연구로서 축소모형실험을 위한 쉴드 TBM 장비의 커터헤드 면판에 있어 폐색 현상을 규명하기 위해 지반조건, 커터헤드 개구율, 커터헤드 분당회전속도 및 회전방향에 따른 개구부 폐색현상에 대해 상세 연구를 진행하였다.

커터헤드 개구율은 30%, 50%, 60%로 선정하였다. 또한 커터헤드 회전속도(압입깊이) 및 회전방향을 제어하기 위해 굴착제어 장비를 제작하고 굴진 제어와 데이터 기록을 위해 굴착제어시스템을 구축하였다.

축소모형실험 Case는 총 36가지로 점성토 함유율(10%, 30%, 50%), 커터헤드 개구율(30%, 50%, 60%), 커터헤드 회전방향(일방향, 양방향) 및 회전속도(3 RPM, 6 RPM)로 분류하였다.

쉴드 TBM 폐색현상에 대한 축소모형실험 결과 점성토가 함유된 지반 조건은 양방향 회전이 일방향 회전보다 폐색영향이 증가하여 불리하고 커터헤드의 회전속도가 낮을수록 폐색영향이 적어 유리한 것으로 분석되었다.

점성토의 함유량 10%인 지반조건은 개구율이 증가함에 따라 폐색비가 선형적으로 감소하고, 커터헤드 회전방향 및 회전속도는 커터헤드 개구부 폐색에 큰 영향이 없으며, 개구율이 증가함에 따라 커터헤드 개구부 폐색이 감소하였다. 점성토의 함유량이 30%인 지반조건은 커터헤드의 낮은 회전속도에서 개구율이 증가함에 따라 폐색비가 선형적으로 감소하나 커터헤드 회전속도가 빠른 경우 비선형적인 폐색비를 보여주었고 이는 개구율이 30~60% 내에서 커터헤드 회전방향 및 회전속도가 개구부 폐색에 크게 작용함을 알 수 있다. 또한 개구율 50% 이상에서 폐색비가 급격히 감소하는 양상을 보였다. 점성토가 50%인 지반조건은 개구율이 증가함에 따라 비선형적인 폐색비를 보여주었고 이는 커터헤드 회전방향 및 회전속도가 커터헤드 개구부 폐색에 영향이 적은 것을 알 수 있다. 또한 개구율이 50% 이상에서 폐색비가 급격히 감소하는 경향을 보였다.

이에 따라서 쉴드 TBM을 활용한 지반 굴착 시 지반조건을 고려하여 커터헤드의 회전 방향, 회전 속도 및 개구율을 산정한다면 폐색영향을 절감할 수 있을 것이라 판단된다.

본 연구는 축소모형실험으로 실제현장과 실험에 의해 재현되는 현상의 규모가 달라 상사 법칙의 적용이 한계가 있기 때문에 본 축소모형실험과 현장에서 나타나는 폐색영향 범위가 다소 상이할 것으로 예상되며, 추후 현장실험을 통한 검증이 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 한국연구재단의 이공분야 기초연구사업(Shield TBM 배토처리 향상을 위한 Soil conditioning 기술개발, NRF-2018R1A2B6002725) 지원으로 수행되었으며 이에 깊은 감사를 드립니다.

저자 기여도

방규민은 원고 작성 및 실험 구상을 하였고, 김연덕은 데이터 수집을 하였고, 황병현은 축소모형실험 및 해석을 하였고, 조성우는 축소모형실험 및 분석을 하였고, 김상환은 원고 검토를 하였다.

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