大 韓 土 木 學 會 論 文 集 第28卷 第1D 號·2008年 1月 pp. 83~91
施 工 管 理
터널 버력처리 공정의 생산성 분석을 위한 시뮬레이션 모델 개발
Development of Mucking Process Simulation Model for Productivity Improvement in Tunneling Operation
소병각*·우성권**·이시욱***
So, Byoung Gak·Woo, Sung Kwon·Lee Si Wook
···
Abstract
This study establishes the model to estimate a work time and a machine equipment combination in a NATM tunnel. Also it includes the increasing rate of haulage distance in the model for to make near to reality model. A simulation model focuses on the mucking process which affects the work effectiveness very highly to plan of machine use in tunneling operation. With the analysis of work effectiveness through tunnel simulation model, it is defined the problem of planning phase. Also it shows the optimal working time and efficiency of machine used through change the number of dump truck and haulage distance.
Keywords :machine equipment combination, tunnel simulation model
···
요 지
본 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 NATM공법 지하철 터널에 적용하여 적절한 장비조합과 작업 시간을 산출할 수 있는 모델을 구축하는 것을 목적으로 하며, 굴착하는 터널길이 즉, 증가되는 갱내 운반거리를 모델에 반영함으로써 현실에 가까운 모델을 구축하였다. 본 연구를 통해 구축된 모델은 지하철 터널공사의 제한 조건을 고려한 합리적인 의사결정도구로 사용하 고자 하며, 터널공사 중 장비운용계획에 의한 작업 효율성에 가장 영향이 크다고 판단되는 버력처리 공정을 중심으로 시뮬 레이션 기법 적용의 효과를 분석한다. 시뮬레이션 적용에 의한 효과 분석은 기존 관행에 의해 수립된 공사계획의 문제점을 알아보고, 굴착에 따른 갱내 운반거리와 투입되는 덤프트럭의 수의 변화를 통해 작업시간과 장비의 효율을 알아보았다.
핵심용어 : 장비 조합, 터널 시뮬레이션 모델
···
1. 서 론
1.1 연구 배경및목적
건설 사업에서 합리적이며 과학적인 공사 계획 및 관리 기법의 적용을 통해 효율성과 생산성을 향상 시키고자 하는 노력이 계속되어 왔으며, 그러한 노력중 하나가 시뮬레이션 기법의 적용이다. 시뮬레이션 기법의 적용은 공사를 수행하 기 이전에 다양한 상황들을 고려하여 이를 컴퓨터상에서 구 현함으로써 실제 공사 수행 시 발생할 수 있는 문제점을 예 측하고 분석할 수 있는 사업 관리의 중요한 도구를 제공한 다. 또한 시뮬레이션 기법은 효과적인 건설 관리를 위한 활 용 기술로서 생산성, 효율성 향상 등과 같은 많은 장점을 가지고 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고, 시뮬레이션 모델 구축과 관련 데이터 수집의 어려움 등으로 인하여 건 설 사업에 있어서의 그 활용은 제한적이었다(Oloufa, 1993;
Touran, 1990). 그럼에도 많은 물량의 작업이 반복적으로 수
행되는 특성을 가진 도로, 댐, 항만, 고층빌딩과 같은 유형 의 건설 사업에 있어서 작업 과정을 시간과 비용의 측면에 서 최적화하기 위한 도구로 시뮬레이션 기법을 활용할 경우 전체 사업에서 시간과 비용의 절감에 대한 잠재적 기대 효 과가 클 것으로 예상된다(김경주, 2000a).
건설사업에서 시뮬레이션의 실제 적용사례를 살펴보면, 배 치 플랜트 작업에서 믹서 트럭의 이동거리에 따른 효율적인 장비 조합을 의사결정자로 하여금 선택할 수 있는 결정 지 수를 산정(Zayed and Halpin, 2001), 거대한 지하 시설물의 특수한 환경뿐만 아니라 도심가의 제한 조건을 고려하여 기 간별 예상 작업량 및 작업 기간 산정(Ng 등, 1998) 등의 연구가 국외에서 수행되었다. 또한 국내에선 여객기 터미널 포장 공정의 생산성 향상을 위해 불연속 사건 시뮬레이션을 적용(김경주, 2000b), 건설 공사에서 현장 주변 교통흐름의 영향을 고려하여 공정계획을 위한 시뮬레이션 모델 구축(김 경주, 박찬혁, 2004), 초고층 건물공사에서의 작업원의 수직
*(주)CMer (E-mail : [email protected])
**정회원·교신저자·인하대학교 토목공학과 조교수·공학박사 (E-mail : [email protected])
***정회원·인하대학교대학원토목공학과석사과정 (E-mail : [email protected])
이동에 대한 계획(안병주, 2004) 등의 시뮬레이션에 관한 연 구가 수행되었다.
본 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 NATM 공법 지하철 터널에 적용하여 적절한 장비조합과 작업 시간을 산출할 수 있는 버력처리 공정의 모델을 구축하는 것을 목적으로 한다.
선행 연구로 싸이클론(CYCLONE)을 이용하여 NATM 공법 에 대한 생산성 향상에 관한 연구(천진용 등, 2005)가 진행 되었으나, 도로터널을 대상으로 하여 공사기간만을 고려한 장비 조합을 산출하여, 실제 공사에 적용에 한계가 있다. 기 존연구에서는 지반변화를 고려하여 투입하는 트럭을 반영하 였지만, 본 연구에서는 굴착하는 터널길이 즉, 증가되는 갱 내 운반거리를 모델에 반영하였다. 이를 통해 지하철 터널공 사의 제한 조건을 고려한 합리적인 의사결정도구로 사용하 고자 한다.
1.2 연구범위 및방법
시뮬레이션 언어가 제공하는 표준화된 기호에 의해 시스템 을 표현하도록 함으로써 모델 구축의 능력이 제한 될 수 있 는 한계를 가진다. 최근에는 이러한 한계를 많이 줄인 프로 그램들이 개발되고 있으며 연구의 범위는 여러 가지 터널공 법 중 NATM 공법에 의한 터널공사의 공정을 대상으로 한 다. 시뮬레이션 모델의 개발과 구축은 자원과 대기행렬의 애 니메이션이 가능한 아레나(Arena)를 이용하며, 터널공사 중 장비운용계획에 의한 작업 효율성에 가장 영향이 크다고 판 단되는 버력처리 공정을 중심으로 시뮬레이션 기법 적용의 효과를 분석한다. 시뮬레이션 적용에 의한 효과 분석은 기존 관행에 의해 수립된 공사계획의 문제점을 알아보고, 굴착에 따른 갱내 운반거리와 투입되는 트럭의 수의 변화를 통해 작업시간과 장비의 효율을 알아보고자 한다. 또한, 지속적인 공정 시뮬레이션의 수행과 데이터의 수집은 향후 건설 공사 의 진행에 있어 유용한 정보를 제공할 수 있을 것이다. 본 연구에서의 연구 방법은 다음과 같다.
1) 연구의 목적에 맞는 시뮬레이션 모델링에 관한 공정모 델의 적용 범위 및 방법을 설정한다.
2) 시뮬레이션의 정의를 비롯한 특성을 알아보고, 구체적 인 시뮬레이션 모델의 구축 방법에 대해서 공사 프로 세스 중심으로 알아본다.
3) 대상공사에 대한 프로세스를 분석한다.
4) 분석한 프로세스를 바탕으로 시뮬레이션 적용 가능한 모델을 구축한다.
5) 실제 사례 적용을 통해 구축된 시뮬레이션 모델의 타당 성을 검증한다.
6) 구축된 시뮬레이션 모델을 적용 분석하여 향후 활용 방 안에 관하여 연구한다.
2. 시뮬레이션 모델의 개발 대상공사와 프로세스 분석
2.1 대상공사의개요및 특징
시뮬레이션 모델 개발 대상인 NATM 공법 터널공사는 도 로, 댐, 항만, 고층빌딩 등과 마찬가지로 많은 물량의 작업 이 반복적으로 수행하는 특성을 가지고 있으며, 시뮬레이션 기법을 활용할 경우 전체 사업에서 시간과 비용의 절감에 대한 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단하여 시뮬레이션 모델 개발의 대상으로 선정하였다.
본 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 NATM 공법 지하철 터널에 적용하여, 적절한 장비조합과 작업 시간을 산출할 수 있는 모델 구축에 목적이 있다. 기존연구에서는 지반변화를 고려하여 투입하는 트럭을 반영하였지만, 본 연구에서는 굴 착하는 터널길이 즉, 증가되는 갱내 운반거리를 모델에 반영 함으로써 현실에 가까운 모델을 구축하였다. 본 연구를 통해 구축된 모델은 지하철 터널공사의 제한 조건을 고려한 합리 적인 의사결정도구로 사용하고자 한다.
대상공사는 연장 20.7km의 공사 구간 중 2,857m의
NATM 터널공사이다. 대상공사의 표준단면은 표 1과 같이
굴진장이 같은 두 가지 PD-4와 PD-5 단면의 타입만으로 공 사를 진행하며, 각각의 단면은 PD-4(1500m)와 PD-5(1357m) 을 굴착 예정이다. 대상공사의 경우, 그림 1과 같이 터널공
표 1. 대상공사의표준단면도
구 분 PD - 4 PD - 5
표준단면
굴착방법 상·하 반단면 발파 상·하 반단면 발파
지보간격 1.0 M 0.8 M
숏크리트 강섬유보강 t = 16 cm 강섬유보강 t = 20 cm
라 이 닝 철근콘크리트 t = 40 cm 철근콘크리트 t = 40 cm
사에 쓰이는 주요 기계 장비 천공기계, 페이로더와 덤프트럭, 쇼크리트 분사기계와 현장의 여건상 공사 진행인력과 기계 장비의 공사 현장까지의 이동을 위한 수직갱에 설치되어 있 는 카리프트가 있다. 일반적인 터널 굴착공사와 다르게 기계 장비가 카리프트로 이동하기 때문에 일반적 터널 공사와는 다른 장비조합이 필요함을 보인다.
2.2 버력처리공정 프로세스
터널공사에서 버력반출은 터널시공 공기 중에서 1/4~1/3을 차지하는 요소이며, 합리적으로 기계를 조합시키는가에 따라 공기의 단축도 가능하며 1일당 굴착진행을 좌우하고 굴착경 비에 크게 영향을 미친다. 공기 중 착공, 발파, 지보재에 요 하는 시간은 터널내경, 지질 등에 의해 결정되어서 큰 단축 은 곤란하나, 버력반출 시간은 그 터널에 합당한 기계 장비 조합 여하에 따라서 단축될 수 있다. 버력운반은 레일, 트럭 이 있으나 소형단면일 경우에는 대부분 레일을 사용한다. 그 러나 일반적인 고속도로 터널의 경우는 덤프트럭을 이용하 여 갱외로 버력을 반출하는 방법이 유리하다. 버력을 적재하 는 로딩기계의 결정은 버력반출 전반의 능률을 좌우하므로 그 터널의 내공 단면에 적당하고 또한 단시간에 적재 작업 을 완료하는 기종을 선택해야 하며, 또한 후속되는 기계의 능력도 고려하여야 한다. 버력적재 능력은 지반의 단위중량, 단면크기, 천공, 발파상태 등의 조건에 따라 다르나, 대상의 공사의 경우 페이로더와 15ton 덤프트럭을 사용한다. 버력처 리 공정은 발파가 끝나고 환기가 완료되면, 준비된 페이로더 와 덤프트럭이 투입하여 버력을 처리하게 된다. 이 과정은 그림 2와 같이 페이로더는 싣는 작업과 버력을 모아두는 작 업을 반복하게 되며, 덤프트럭은 버력을 싣고 갱내를 이동하 여 사토장 또는 버력처리장까지 운반하고, 다시 터널의 버력
처리장으로 돌아온다. 발파로 발생한 버력을 모두 처리할 때 까지 이 과정은 반복 수행되며, 처리가 끝나면 장비의 철수 가 이루어진다.
본 연구에서 구축된 터널 공사의 공정에 대한 시뮬레이션 모델이 실제 작업을 재현하도록 현장에서의 작업을 촬영한 데이터와 직접 데이터를 수집하였다. 수집된 자료를 표 2와 같이 덤프트럭의 운행 경로에 따라 카리프트 탑승, 막장 도 착시각, 적재시각, 덤핑시작 시각 등으로 나누어 정리하였다.
측정 데이터를 바탕으로 표 3과 같은 터널 공정에서의 각각 장비 운행시간과 덤프트럭의 이동경로에 따른 이동시간을 구 하였다. 각각의 세부 작업 평균 운행시간 중에 공사 시점부 의 대기시간은 시뮬레이션 모델을 구축을 통해 모델 상에 구현 될 것이며, 다른 작업들의 데이터는 분석을 통해 각각 의 작업 특성에 맞게 분포도를 사용하여 시뮬레이션 모델링 을 분석에 적용한다. 그림 3은 각각의 데이터 중에 버력을 적재한 후 덤프트럭의 갱내 이동시간에 대한 분포도를 보여 주는 것이며, 표 4는 덤프트럭의 이동시간의 데이터를 분석 한 것이다. 덤프트럭의 갱내 이동시간은 평균 57.6초와 표준 그림 1. 대상공사주요기계장비
그림 2. 버력처리공정의흐름도
편차가 4.22인 베타분포를 띄고 있으며, 이는 버력처리 공정 의 덤프트럭 갱내 이동 시간 적용의 세부 공정 분포에 이용 된다.
3. 시뮬레이션모델의적용 결과
터널 시공 중에서 효율적인 기계 장비의 조합으로 공기 단축의 많은 효과를 얻을 수 있는 버력처리 공정의 모델은 그림 4와 같다. 공정은 페이로더의 작업영역과 덤프트럭의 작업영역으로 크게 두 가지 영역으로 분류하여 모델을 구축 하였다. 발파로 인한 버력을 처리하기 위한 페이로더는 일정
시간에 걸쳐 덤프트럭에 적재하는 작업과 다음 적재를 위한 준비작업의 반복 작업으로 이루어져 있으며, 덤프트럭은 발 파로 발생한 버력을 가적치장 까지 운반하는 작업을 하는 것으로, 갱외 이동, 카리프트 이동, 갱내 이동 등의 버력의 이동에 이용되는 작업과 버력적재 시간과 가적치장의 덤핑 작업 시간 등의 작업 시간, 그리고 막장의 작업 여건과 카 리프트의 운행상황과 가적치장의 상태에 따른 대기시간으로 구분하여 버력처리 공정에 관하여 시뮬레이션 모델을 구축 하였다.
3.1 시뮬레이션모델의적용
구축된 시뮬레이션의 모델을 적용하기 전에 대상공사의 공 사계획의 문제점을 살펴보면, 대상공사는 다음 표 5와 같은 단순한 터널 공정의 사이클 시간을 세워 공사를 진행하고 있어서 공정계획이 합리적으로 운영되지 않고 있으며, 또한 작업 시간의 산정에 있어서 공사 여건을 고려하지 못하고 있다.
대상공사는 NATM 공법으로 시행하는 지하철 터널공사로 써, 지하철 공사의 특성상 공사 초기의 지질검사를 통한 암 반의 분류에서 매우 양호한 암질이 분포함에도 발파로 인한 소음甦便오막Œ 인해 발생하는 민원을 방지하기 위하여, 조 사 대상의 많은 부분이 굴착 길이가 1m로 짧은 PD-4, PD-5로 분류된다. 또한 협소한 공사장의 여건상 많은 제약 표 2. 덤프트럭의이동작업에따른현장측정데이터
카리프트상 카리프트
하 공사
시점부 적재시작
시각 적재종료
시각 시점부
대기 시각 대기종료
시각 카리프트
하 카리프트
상 덤핑시작 시
각 덤핑종료 시가 12:14:34 12:17:15 12:17:57 12:19:04 12:20:50 12:21:50 12:24:21 12:24:52 12:28:40 12:29:45 12:30:10 12:20:43 12:23:31 12:24:07 12:25:30 12:27:09 12:28:10 12:34:34 12:35:31 12:39:04 12:40:02 12:40:44 12:31:20 12:34:07 12:34:32 12:36:05 12:37:37 12:38:41 12:45:33 12:46:08 12:49:47 12:50:32 12:51:24 12:42:02 12:44:50 12:45:24 12:46:50 12:48:44 12:49:32 12:55:52 12:56:48 13:00:40 13:01:36 13:02:31 12:52:30 12:55:16 12:55:50 12:56:40 12:57:58 12:58:49 13:05:43 13:06:31 13:10:18 13:11:22 13:12:20 13:03:41 13:06:22 13:07:04 13:08:11 13:09:57 13:10:57 13:17:21 13:17:52 13:21:40 13:22:45 13:23:10 13:13:38 13:16:26 13:17:02 13:18:25 13:20:04 13:21:05 13:27:29 13:28:26 13:31:59 13:32:57 13:33:39 13:24:16 13:27:03 13:27:28 13:29:01 13:30:33 13:31:37 13:38:29 13:39:04 13:42:43 13:43:28 13:44:20 13:34:49 13:37:37 13:38:11 13:39:37 13:41:31 13:42:19 13:48:39 13:49:35 13:53:27 13:54:23 13:55:18 13:45:38 13:48:24 13:48:58 13:49:48 13:51:06 13:51:57 13:58:51 13:59:39 14:03:26 14:04:30 14:05:28
표 3. 버력처리공정의평균운행시간
작업 장소 작업 평균 운행시간
(sec) 카리프트 카리프트 운행시간(하) 166
갱내 공사시점부 이동시간(공차) 34.2 갱내이동시간(공차) 73.8
막장 적재시간 97.8
갱내
갱내이동시간(적재) 57.6 공사 시점부 대기시간 4.998(min) 공사시점부에서 카리프트 47.8 카리프트 카리프트 운행시간(상) 223.4
갱외 갱외이동시간(적재) 54.2
버력처리장 덤핑시간 46.2
갱외 갱외이동시간(공차) 72.4
그림 3. 적재시갱내이동시간분포도
표 4. 적재시갱내이동시간데이터분석 Distribution Summary
Distribution: Beta
Expression 49.5 + 18 * BETA(1.59, 1.91)
Square Error 0.009429
Corresponding p-value 0.75 Data Summary
Number of Data Points 40
Min. Data Value 50sec
Max. Data Value 67sec
Sample Mean 57.6sec
Sample Std Dev 4.22
조건이 따르게 된다. 개발된 시뮬레이션 모델을 적용하여 이 와 같은 제한 사항을 고려하여 장비조합에 따른 작업 시간 과 각 장비의 효율을 알아보았다.
터널공사의 특성상 버력처리 공정이 터널 공사기간의 많은 부분을 차지하며, 합리적인 장비 조합이 공기 단축과 하루에 굴착하는 길이에 영향을 미치고 있다. 천공과 발파 및 다른 지보재에 요하는 시간은 터널내경, 지질 등에 의해 결정되는 경우가 많아 큰 단축이 곤란하나, 버력반출 시간은 효율적인 장비의 조합으로 인해 공정의 효율성이 증대 될 수 있다.
터널 공사는 굴착이 진행됨에 따라서, 막장의 위치 또한 공사의 시점부로부터 멀어지게 된다. 이로 인해 갱내 이동시 간이 증가되며, 그 결과 작업시간이 증대되는 것은 필연적이 다. 구축된 모델을 통해 막장위치의 변화에 따른 증가되는 작업시간의 변화를 그림 5와 같이 예측하였다. 투입된 덤프 트럭이 1대의 경우, 막장의 위치가 공사시점부로부터 멀어짐 에 따라, 작업시간의 증가가 높은 것으로 분석되었으며, 2대 의 경우 작업시간의 증가가 1대의 경우보다는 완만히 증가
되는 것으로 분석되었다. 투입 트럭 대수가 3대와 4대일 경 우는 제한된 작업현장의 여건으로 인하여, 작업시간이 동일 하게 측정되었으며, 2대 투입의 경우와 마찬가지로 작업시간 의 증가의 정도가 완만한 것으로 나타났다. 표 6과 같이 시 뮬레이션 모델을 적용하여 작업시간을 산정하였다. 현 대상 공사의 경우 2대의 덤프트럭을 투입하여 공사를 수행 중이 며, 이를 바탕으로 하여 작업시간을 다른 투입대수와 비교하 면 표 7과 같다. 굴착이 진행이 짧은 경우 작업시간은 2대 투입 할 경우에 비해, 1대의 경우, 작업시간의 약 33%의 증가를 가져왔으며, 3대와 4대의 경우 약 21%의 감소를 나 타냈다. 그러나 500m를 굴착하여 막장의 위치가 멀어진 시 점에선, 2대의 투입대수에 비해 1대의 경우는 작업시간이 약 89%의 증가되었으며, 반면에 3대와 4대의 경우는 약 14%, 15%정도의 차이밖에 나타나지 않았다.
트럭의 이동시간 및 적재시간을 운행시간으로 보았을 때, 덤프트럭의 운행효율은 그림 6과 같다. 덤프트럭의 운행효율 은 1대를 투입하였을 경우 대기시간이 거의 존재하지 않으 그림 4. 버력처리공정의시뮬레이션모델
므로, 100%에 가까운 운행 효율을 나타낸다. 2대 투입할 경우 300m 이상 막장위치가 공사시점부로부터 떨어지면, 90%의 운행효율을 나타낸다. 3대 이상 투입하였을 경우
200m 이상 굴착이 진행 되었을 때, 더 이상 덤프트럭의 운
반 효율은 증가 하지 않는 것으로 나타났다. 이 원인은 카 리프트의 운행시간과 다른 덤프트럭간의 간섭으로 인하여 증 가되지 않는 것으로 분석되었다. 투입대수가 4대일 경우, 운 행효율이 60%가 못 미치는 것으로 나타나, 덤프트럭의 효율 성 면에서 많은 효과가 없는 것으로 분석되었다. 그림 7은 덤프트럭의 투입대수가 2대일 경우 총 작업시간과 1대 당 운행시간을 비교한 것이다. 초기에는 많은 약 68%의 운행효 율을 보이나, 굴착이 300m 이상 진행됨에 따라서 90% 이
표 5. 대상공사터널공정의사이클시간
공정 CYCLETIME
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
상반
천공 (100분)
검측 (30분)
록볼트 설치 (30분)
장약 및 발파 (90분)
환기 (20분)
버력처리 (180분)
면정리 (90분)
측량 (30분)
지보설치 (30분)
S/C타설 (60분)
하반
천공 (60분)
검측 (30분)
록볼트 설치 (30분)
장약 및 발파 (60분)
환기 (20분)
버력처리 (120분)
면정리 (60분)
측량 (30분)
지보설치 (30분)
S/C타설 (40분)
그림 5. 막장위치변화에따른작업시간변화
표 6. 막장위치변화에따른작업시간산정 막장위치(m)
투입 트럭 대수
1대 2대 3대 4대
100 199.8 149.4 108.7 108.7 150 228.8 143.2 108.8 108.7 200 251.7 157.1 108.8 108.7 250 265.6 147.1 118.9 119.3 300 288.5 153.4 124.7 125.3 350 301.0 160.1 148.5 136.9 400 321.7 171.2 142.2 141.6 450 333.2 175.9 156.9 153.0 500 353.9 187.1 161.3 158.8
표 7. 투입트럭 2대를기준으로한작업시간효율 막장위치(m)
투입 트럭 대수
1대 2대 3대 4대
100 133.7% 100.0% 72.8% 72.8%
150 159.8% 100.0% 76.0% 75.9%
200 160.2% 100.0% 69.2% 69.2%
250 180.5% 100.0% 80.8% 81.1%
300 188.1% 100.0% 81.3% 81.7%
350 188.0% 100.0% 92.7% 85.5%
400 187.9% 100.0% 83.1% 82.7%
450 189.4% 100.0% 89.2% 87.0%
500 189.2% 100.0% 86.2% 84.9%
상의 운행효율을 보여주고 있다. 시뮬레이션 적용결과 표 8 과 같이 덤프트럭의 운행 효율이 산정되었다.
막장의 위치 변화에 따른 페이로더의 작업효율은 버력처리 시간의 전체적인 증가로 인하여 그림 8과 같이 떨어지는 것 으로 나타났다. 일반적인 운반 작업에 초기 투입되는 덤프트 럭의 수가 많으면 페이로더의 효율이 높게 나타난다. 그러나 대상공사의 경우 공사 초기에 투입되는 덤프트럭의 수가 3 대를 넘어서면 그 효율의 변화가 없는 것을 알 수 있었다.
그 원인은 덤프트럭의 운행 경로에 카리프트의 존재로 인해 공사진행을 간섭 받기 때문이다. 이로인해 약 20% 정도의 페이로더의 운행효율이 투입되는 덤프트럭의 수와는 상관없 이 일정한 것을 보여주고 있다. 표 9는 막장의 위치별로 덤
프트럭의 투입대수에 따른 로더의 효율을 산정한 것이다.
적용된 대상공사의 경우, 카리프트의 운행으로 인하여 일 반적인 NATM 공법으로 수행하는 터널과는 조금 다른 장비 조합을 보여주었다. 일반적으로 투입되는 덤프트럭의 수가 많으면 작업시간이 줄어드는 것은 당연하다. 로더의 작업효 율이 100%에 가까운 덤프트럭의 수가 투입되었을 때 투입 되는 덤프트럭이 증가하여도 더 이상 작업시간은 줄어들지 않는다. 그러나 카리프트가 존재하는 이 모델에서는 로더의 작업효율보다는 그림 9와 같이 카리프트의 운행효율이 더 큰 비중을 차지하였다. 또한 카리프트의 운행효율은 막장의 위치가 동일하면, 투입되는 덤프트럭이 증가함에 따라 증가 하는 것으로 분석되었다. 카리프트의 작업효율은 투입대수가 3대와 4대의 경우 거의 일치하며, 2대를 투입한 경우에도 크게 차이가 나지 않는 것으로 나타났다. 표 10은 막장의 그림 6. 덤프트럭의운행효율변화
그림 7. 2대투입경우총작업시간과 1대의운행시간비교
표 8. 막장위치변화에덤프트럭의운행효율 막장위치(m)
투입 트럭 대수
1대 2대 3대 4대
100 94.99% 68.12% 62.23% 46.67%
150 95.27% 75.64% 66.66% 50.08%
200 95.70% 76.44% 73.87% 55.43%
250 95.93% 86.31% 71.57% 53.50%
300 96.25% 90.38% 74.37% 55.55%
350 96.41% 90.28% 71.26% 53.05%
400 96.64% 90.49% 72.83% 54.97%
450 96.75% 91.32% 68.55% 52.73%
500 96.94% 91.42% 71.01% 54.06%
그림 8. 로더의작업효율변화 표 9. 로더의작업효율산정 막장위치(m)
투입 트럭 대수
1대 2대 3대 4대
100 10.61% 15.28% 20.99% 20.99%
150 9.98% 15.94% 20.98% 20.99%
200 9.07% 14.53% 20.98% 20.99%
250 8.59% 15.51% 19.20% 19.13%
300 7.91% 14.88% 18.29% 18.22%
350 7.58% 14.25% 17.10% 16.67%
400 7.10% 13.33% 16.05% 16.12%
450 6.85% 12.97% 14.54% 14.91%
500 6.45% 12.20% 14.15% 14.37%
그림 9. 카리프트의운행효율변화
위치에 따른 카리프트의 효율을 산정한 것이다.
그림 10은 굴착이 100m 이루어졌을 때의 작업시간과 카 리프트의 효율을 보여주는 것으로 카리프트의 효율이 커질 수록 작업시간은 점점 감소하는 것을 나타내 주고 있으며, 이런 결과는 그림 11과 같이 막장의 지점이 500m일 경우에 도 동일하게 나타났다. 일반적으로는 막장의 위치 변화에 따 른 페이로더의 작업효율이 투입되는 트럭의 대수와 관련이 많은 것으로 알고 있다. 터널에서 막장의 위치가 멀어져도 트럭의 수가 많아지면 페이로더의 효율은 떨어지지 않지만, 대상공사의 경우 트럭의 운행 경로에 운행속도가 현저히 떨 어지는 카리프트의 존재로 인해 카리프트 앞에 대기행렬을 만들어 페이로더와 트럭의 운행효율을 낮게 만들어 트럭이
3,4대가 투입되도 초기에 페이로더 효율이 21%를 넘지 못하 는 것으로 나타났다. 이와같이 페이로더의 운행효율이 대상 터널공사에서는 크게 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났 으나, 카리프트의 운행효율의 경우는 효율이 증가함에 따라 서 전체적인 작업시간이 감소하는 것으로 나타나 앞에서 살 펴본 페이로더의 운행효율보다 카리프트의 운행효율이 작업 시간에 더 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
3.2 시뮬레이션적용결과 분석
터널공사의 특성상 버력처리 공정이 터널 공사기간의 많은 부분을 차지하고 있으며, 합리적인 장비 조합이 공기 단축과 하루에 굴착하는 길이에 영향을 미치고 있다. 천공과 발파 및 다른 지보재에 요구되는 시간은 터널내경, 지질 등에 의 해 결정되는 경우가 많아 큰 단축이 곤란하나, 버력반출 시 간은 효율적인 장비의 조합으로 인해 공정의 효율성이 증대 될 수 있었다.
구축된 버력처리 공정 시뮬레이션 모델을 대상공사에 적용 한 결과, 투입된 덤프트럭이 1대의 경우, 막장의 위치가 공 사시점부로부터 멀어짐에 따라, 작업시간의 증가가 높은 것 으로 분석되었으며, 2대의 경우 작업시간의 증가가 1대의 경 우보다는 완만히 증가되는 것으로 분석되었다. 투입 트럭 대 수가 3대와 4대일 경우는 제한된 작업현장의 여건으로 인하 여, 작업시간이 2대와도 크게 차이가 없는 것으로 나타났다.
덤프트럭의 운행효율은 1대를 투입하였을 경우 대기시간이 거의 존재하지 않으므로, 100%에 가까운 운행 효율을 나타 낸다. 2대 투입할 경우 300m 이상 막장위치가 공사시점부로 부터 떨어지면, 90%의 운행효율을 나타냈다. 3대 이상 투입 하였을 경우 200m 이상 굴착이 진행 되었을 때, 더 이상 덤프트럭의 운반 효율은 증가 하지 않는 것으로 나타났다.
이 원인은 카리프트의 운행시간과 다른 덤프트럭간의 간섭 으로 인하여 증가되지 않는 것으로 분석되었다. 투입대수가 4대일 경우, 운행효율이 60%가 못 미치는 것으로 나타나, 덤프트럭의 효율성 면에서 많은 효과가 없는 것으로 분석되 었다.
일반적으로 막장의 위치 변화에 따른 페이로더의 작업효율 은 투입되는 트럭의 대수와 많은 관련이 있다. 일반적인 터 널에서 막장의 위치가 멀어져도 트럭의 수가 많아지면 페이 로더의 효율은 떨어지지 않지만, 대상공사의 경우 트럭의 운 행 경로에 카리프트의 존재로 인해 공사 진행을 간섭 받기 때문에 3,4대가 투입되도 초기에 21%를 넘지 못하는 것으 로 나타났다. 이와 같이 버력처리 공정 시뮬레이션 모델의 적용을 통해 지하철 터널공사에서 증가되는 운반거리에 따 른 장비 조합의 효율을 알아보았으며, 투입되는 트럭의 대수 에 변화따른 장비의 효율을 알아보았다.
4. 결 론
본 연구는 국내 터널 공사에서 가장 많이 활용되고 있는
NATM 공법 터널공사를 대상으로 버력처리 공정의 시뮬레
이션 모델을 개발 제시하였다. 개발된 시뮬레이션 모델은
NATM 공법의 터널공사 중 장비의 운용계획에 의한 작업
효율성이 가장 영향이 큰 버력처리 공정을 중심으로 굴착이
표 10. 카리프트의운행효율산정
막장위치(m)
투입 트럭 대수
1대 2대 3대 4대
100 45.31% 94.90% 93.12% 93.11%
150 41.31% 70.72% 93.09% 93.12%
200 37.54% 90.22% 93.09% 93.12%
250 35.58% 68.83% 85.18% 84.89%
300 32.75% 66.02% 81.17% 80.83%
350 31.39% 63.24% 75.87% 73.94%
400 29.38% 59.15% 71.19% 71.51%
450 28.36% 57.55% 68.83% 66.17%
500 26.70% 54.13% 66.97% 65.49%
그림 10. 100m 굴착지접의작업시간과카리프트의효율
그림 11. 500m 굴착지점의작업시간과카리프트의효율
진행함에 따라서 덤프트럭을 2대 투입한 대상공사의 경우를 비롯하여 1대, 3대, 4대를 투입할 경우를 적용하여, 작업시 간과 작업효율 그리고 각 기계장비의 효율에 대해 알아보았 다. 일반적인 도로터널공사가 아닌 지하철 터널공사로 인해 협소한 공사장의 여건상 많은 제약조건이 따르게 되며, 대상 공사의 경우, 카리프트의 운행이 장비의 조합에 많은 영향을 미치는 것으로 나타났다.
시뮬레이션 기법은 생산성, 효율성 향상 등과 같은 많은 장점을 가지고 있음에도 불구하고, 시뮬레이션 모델 구축과 관련 데이터 수집의 어려움 등으로 인하여 건설 사업에 있 어서의 활용은 매우 제한적이었다는 한계를 가지고 있다. 하 지만, 일정 공정이 계속적으로 반복 수행되는 NATM 공법 을 대상으로 시뮬레이션 모델을 개발하고 적용한 본 연구 결과를 통해서 시뮬레이션 기법의 적용으로 건설 공정의 공 사계획의 합리적인 의사결정을 위해 도움을 줄 수 있다는 것을 보여주었다.
본 연구를 통해 개발된 NATM 공법 시뮬레이션 모델은 향후 심층적인 현장 공정 프로세스에 대한 분석을 통해 개 선 발전될 예정이다. 세부 프로세스에 대한 보다 많은 시간 데이터의 축적과 분석이 이루어지면 모델을 구성하는 로더 및 트럭의 운행시간, 카리프트 운행시간, 현장의 특수성 등 변수의 불확실성이 반영될 것이며, 많은 제한 여건을 고려한 생산성과 효율성에 대한 분석도 가능해질 것이다.
감사의글
이 논문은 인하대학교의 지원에 의하여 연구되었습니다.
참고문헌
김경주(2000a) 건설공정 시뮬레이션을 위한 독립 자원모델 구축 방안 연구, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제20권, 제4D 호, pp. 389-402.
김경주, 박찬혁(2004) 교통흐름을 고려한 장비 계획을 위한 시뮬 레이션 모델 구축, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제24권 제3D호, pp. 423-428.
김경주(2000b) 여객기 터미널 포장 공정의 생산성 향상을 위한 불연속 사건 시뮬레이션 적용연구, 대한토목학회논문집, 대한 토목학회, 제20권, 제4D호, pp. 403-412.
안병주(2004) 이산형 시뮬레이션을 사용한 초고층건물공사 작업 원의 수직이동계획. 한국건설관리학회논문집, 한국건설관리학 회, 제5권 제2호, pp. 47-54.
천진용, 소병각, 추장식, 우성권(2005) 시뮬레이션 모델링을 통한 NATM 터널공정 생산성 향상 분석. 대한토목학회논문집, 대 한토목학회, 제25권 제3D호, pp. 457-462.
Ng, W.M., Khor, E.L., Tiong, L.K., and Lee, J. (1998) Simulation modeling and management of large basement construction project. Journal of Computing in Civil Engineering, ASCE, Vol. 12, No. 2, pp. 101-110.
Oloufa, A.A. (1993) Modeling of building construction activities using forms. Proceedings of ISARC, Houston, pp. 237-244.
Touran, A. (1990) Integration of simulation with expert systems.
Journal of Construction Engineering and Management, ASCE, Vol. 116. No. 3, pp. 480-493.
Zayed, T.M. and Halpin, D.W. (2001) Simulation of concrete batch plant production. Journal of Construction Engineering and Management, ASCE, Vol. 127, No. 2, pp. 132-141.
(접수일: 2007.8.21/심사일: 2007.10.2/심사완료일: 2007.10.2)
