한국지반공학회논문집 제28권 5호 2012년 5월 pp. 67 ～ 76
1. 서 론
도시의 인구 집중으로 인해 지상의 토지 공간이 포화 됨에 따라 효율적인 토지 이용이 시급한 실정이며, 이로
인해 지하 공간 개발의 필요성이 대두되고 있다. 현재 지하 공간을 개발하기 위해 많은 굴착 공법이 연구되고 있으며, 이 중 Shield-TBM 공법의 사용이 증가되고 있는 실정이다.
Shield-TBM 커터비트배치 설계에 관한 연구
A Study on the Arrangement Design of Shield-TBM Cutter Bit
김 상 환1 Kim, Sang-Hwan 김 지 태2 Kim, Ji-Tae 임 채 호3 Lim, Chae-Ho
Abstract
This study is a research about cutter bits arrangement of shield-TBM and carried out a scale model test and numerical analysis according to a space of cutter bits. A cutter head pressures and an advance time are measured to be followed by the space of cutter bits with an advance speed through the scale model test. We conducted the numerical analysis to verify the result of the scale model test, and to compare with the scale model test. There are three cases of space : unification 1.0D and 1.5D. In case TBM is excavated and space is 1.0D, the advance speed is much faster than the other cases, and pressure of face of ground deformation and cutter head is maintained stably. If additional researches about bits arrangement of cutter head of sand ground based on the result of this research are performed, substantial results may be obtained.
요 지
본 논문은 Shield-TBM 커터비트배치 설계에 관한 연구로서 커터비트의 간격에 따른 축소모형실험과 수치해석을 실시하였다. 축소모형실험을 통해 커터비트 간격 및 굴진속도에 따른 커터헤드 압력과 굴진시간를 측정하였다. 축소 모형실험 결과를 검증하기 위해 수치해석을 실시하였으며, 이를 축소모형실험과 비교･분석하였다. 커터비트 간격을 일체화, 1.0D, 1.5D의 세 가지 Case로 적용하고 TBM을 굴착 할 경우 커터비트와 커터비트 간격이 1.0D인 경우 굴진속 도가 가장 빠르며 지반변위와 커터헤드의 막장압이 안정하게 유지되는 것으로 나타났다. 본 연구의 결과를 바탕으로 토사지반 커터헤드의 비트배치에 대한 추가적인 연구가 이루어진다면 실질적인 연구성과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
Keywords : Aperture ratio, Cutter bit, Cutter head, Shield-TBM
1 정회원, 호서대학교 토목공학과 교수 (Professor, Department of Civil Engineering, Hoseo Univ. 165, Sechul-Li, Baebang-Myun, Asan, Choongnam, 336-795, Korea, Tel: +82-41-531-0969, Fax: +82-2-540-5790, [email protected], 교신저자)
2 정회원, 호서대학교 토목공학과 박사과정 (Graduate student, Department of Civil Engineering, Hoseo Univ.) 3 비회원, 호서대학교 토목공학과 석사과정 (Graduate student, Department of Civil Engineering, Hoseo Univ.)
* 본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2012년 11월 30일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
Table 1. Key Details of Real Shield-TBM and Model Shield-TBM
Items Real Shield-TBM Model Shield-TBM
Cutter head Diameter (m) 8 0.08
Area (m
2) 50.27 0.005027
Torque (N･m) 5700000 1.666
Thrust Force (kN) 52000 15.2
Shield-TBM 공법은 토피고가 낮고 지반과 지하수의 상태가 불안정한 지역에서도 지반의 교란 및 침하를 최소화하기 때문에 기존의 발파공법에 비해 소음 및 진 동 등의 저감효과 뿐만 아니라 안정성이 뛰어나며 시공 기간의 단축으로 고효율 급속 시공이 가능하다. 그러므 로 지하철 현장, 지하 고속화 도로 현장 등과 같은 터널 공사에 많이 적용되고 있다.
우리나라는 1980년도 중반부터 도수터널 공사에 Shield- TBM이 적용되기 시작하여 크고 작은 터널공사에 그 활 용도가 증가 되고 있으며, Shield-TBM의 수요가 증가될 수록 저비용, 고효율적인 시공을 위한 연구가 증가하고 있다. 그 중 지반 굴착시 직접적으로 영향을 받는 Shield- TBM의 커터도구(디스크커터, 커터비트) 선정 및 굴착 성능에 따른 안정성에 미치는 영향을 규명하고자 하는 많은 연구가 진행되고 있다.
국내의 경우 축소모형실험을 통한 TBM 커터헤드 개 구율에 관한 연구(김상환 등, 2010)에서 커터헤드의 개 구율(70%, 50%, 30%)에 따른 안정성을 분석한 결과 커 터헤드의 개구율이 50%에서 최적의 시공성 및 안정성 을 축소모형실험을 통해 규명하였으며, 선형절삭시험에 의한 TBM 디스크 커터의 최적 절삭조건 예측에 관한 연구(박관인 등, 2006)에서 비에너지가 최소가 되는 지 점인 S/P가 10～12인 경우에 최적의 절삭조건을 갖는 것을 도출하였고, 디스크 커터를 장착한 TBM 커터헤드 의 최적 설계모델 도출을 위한 영향인자 분석에 관한 연구(장수호 등, 2007)에서 커터 작용하중과 절삭 비에 너지보다 커터 간격과 커터 압입깊이와 같은 기계적 절 삭조건이 매우 우세한 영향을 미치는 것을 규명하였다. 국외의 경우 비트 절삭에 따른 굴착반응에 대한 연구 (Emmanuel Detournay 등, 2008)에서 소형의 다결정 다 이아몬드 비트의 굴착반응에 대한 완전한 모델을 제시 하였으며, 이 외에 TBM 디스크 커터에 의한 암석절삭 에 대한 실험적 연구(R.A. Snowdon 등, 1982)가 있다.
이러한 대부분의 기존 연구들은 암반지반에 대한 연구 가 대부분이고 풍화토 및 풍화암 지반에 대한 연구는
미진한 상황이다. 특히 토사지반에 대한 국내에서의 커 터도구에 대한 연구는 전무한 상태이다(김용일 등, 2006).
본 연구에서는 Shield-TBM의 커터비트배치 설계에 관한 연구로서 토사지반을 대상으로 Shield-TBM 터널 굴착시 커터비트 간격과 굴진속도에 따른 최적의 커터 비트배치 설계모델을 도출하고자 축소모형실험과 유한 요소해석법에 의한 수치해석을 실시하였다.
2. 축소모형실험
축소모형실험을 통한 토사지반 내에서 Shield-TBM 굴착시 커터비트 간격과 굴진속도에 따른 커터헤드 압 력 및 굴진시간을 파악하기 위하여 모형굴착장비를 제 작하였으며 실험지반의 균질성을 확보하기 위하여 주 문진 표준사로 지반을 모델링하였다.
2.1 모형굴착장비와 토조
모형굴착장비는 Table 1과 같이 실제 Shield-TBM의 커터헤드 직경(D) 8m에 대한 축소율 1/100로 적용하여 모형굴착장비의 커터헤드 직경을 8cm로 제작하였다.
실제 Shield-TBM의 토크 113387.7N･m/m2를 1/384로 감 소시켜 실험장비의 토크를 331.4N･m/m2로 적용하였으 며, 추력 또한 위와 같은 비율로 실제 추력 1034.4N･
m/m
2을 1/384로 감소시켜 실험장비의 추력을 15.2kN로 적용하였다. 기타 장비 제원은 실험장비의 회전속도(0∼6rpm)와 굴진속도(0∼1mm/sec)까지 제어할 수 있도록 제 작하였으며, 실험장비의 전경은 Fig. 1(a)와 같다.
실험지반은 가로×세로×폭이 600mm×640mm×650mm 로 모형토조를 제작하여 지반 조성하였다. 굴진장비의 각 부품에 대한 설명은 Fig. 1(b)와 같이 전면부터 커터 헤드와 회전모터, 굴진모터, 버럭 처리장치, 굴착 시 커터 헤드의 압력을 측정하기 위해 장비후면에 Load cell을 설치하였으며, 굴진거리를 실시간으로 측정하기 위해 Wire LVDT를 설치하였다.
(a) Full system of the Model Test Set
①: Cutter head ②: Rotation motor ③: Forward motor ④: Mucking ⑤: Load cell ⑥: Wire LVDT (b) Model Tunnel Excavator
Fig. 1. Scaled Model Test System
Fig. 2. Each manufacturer Cutter Head
2.2 커터헤드 제작
Fig. 2와 같이 국내 Shield-TBM 시공에 따른 각 제조 사별 커터헤드 면판을 분석한 결과 커터비트는 디스크 커터와는 다르게 각 제조사별, 적용지반에 따라 커터비 트가 개별 제작되고 있는 실정이다.
이러한 문헌조사를 통해 Fig. 3과 같이 실제 Shield-TBM 커터헤드의 직경(D) 8m를 1/100로 축소율을 적용하여 직경(D) 80mm, 두께(t) 10mm의 아크릴로 제작하였다.
최적의 커터비트 간격을 선정하기 위하여 Fig. 4와 같이 커터비트 간격 0mm(일체화, Case-1), 3mm(1.0D, Case-2), 5mm(1.5D, Case-3)의 세 가지 Case로 선정하였으며, 커터 비트의 형상은 폭 3mm, 높이 2mm의 강철로 제작하였다.
개구율은 축소모형실험을 통한 TBM 커터헤드 개구 율에 관한 연구(김상환 등, 2010)를 통해 최적의 커터헤 드 개구율이 50%로 축소모형실험을 통해 판단되었기에 본 실험에서도 다음 식을 이용하여 개구율 50%로 적용 하여 설계･제작하였다.
(a) Real Shield-TBM Cutter (b) Model Shield-TBM Fig. 3. Soil Ground Shield-TBM Cutter head
Case-1. Cutter bit Spacing 0mm (unification) Case-2. Cutter bit Spacing 3mm (1.0D) Case-3. Cutter bit Spacing 5mm (1.5D) Fig. 4. Experimental Case
× 여기서, W0: 개구율,
A
s : 면판의 개구부분 총면적,A
r : 커터헤드의 면적2.3 실험방법 및 순서
본 실험은 토사지반을 대상으로 터널 굴착시 커터비 트 간격, 굴진속도에 따른 최적의 커터비트 간격을 도출 하기 위해 Fig. 5와 같이 축소모형실험를 실시하였다.
축소모형실험에 사용한 모형 토조는 Fig. 1(a)와 같이 아크 릴과 프레임을 이용하여 가로, 세로, 높이 600mm×640mm
×650mm로 제작하였다. 지반조성은 실험지반의 균질성
을 확보하기 위해 주문진 표준사를 이용하여 함수비 1%
로 토피고 2D만큼 일정하게 다짐하여 조성하였다. 터널 굴착시 모형굴착장비를 사용하여 커터비트 간격 0mm (일체화, Case-1), 3mm(1.0D, Case-2), 5mm(1.5D, Case-3) 에 따른 굴진속도를 0.33mm/sec, 0.66mm/sec, 1.00mm/
sec로 변화시켜 실험을 실시하였다. 실험 도중 터널굴착 에 의해 발생하는 커터헤드의 압력을 측정하기 위해 Fig.
5와 같이 굴진장비 후면에 Load cell을 설치하였으며, 굴착시 굴진거리를 측정하기 위해 굴진장비 후면에 Wire LVDT를 설치하였다. 터널 굴착시 커터비트 간격에 따 른 굴진속도를 분석하기 위해 커터헤드의 회전속도 5rpm 과 굴진거리 300mm로 일정하게 굴착을 실시하였다. 이때 터널 굴착시 발생하는 버럭을 처리하기 위해 공기 흡입 기를 이용하여 배토하였다. 터널 굴착이 완료된 후 커터
Fig. 5. Experiment flow chart
Fig. 6. Advance Rate 0.33mm/sec Fig. 7. Advance Rate 0.66mm/sec
비트 간격 및 굴진속도에 따른 커터헤드 압력과 굴진시 간을 측정하였다.
3. 실험결과 분석
토사지반 내에서 Shield-TBM 굴착시 커터비트 간격별, 굴진속도를 분석하기 위해 커터헤드의 회전속도 5RPM 과 굴진거리 300mm로 일정하게 굴착을 실시하였으며, 굴착후 굴진거리에 따른 커터헤드의 압력 및 굴진시간 을 측정하여 다음과 같이 비교･분석하였다.
3.1 굴진속도, 커터비트 간격에 따른 커터헤드 최대 압력 분석
커터헤드의 압력은 모형굴착장비 후면에 압력센서 (Load cell)를 설치하였으며, 굴진거리를 측정하기 위하 여 Wire LVDT를 설치하였다. 다음 Fig. 6은 커터비트 간격과 굴진속도에 따른 커터헤드의 압력을 나타낸 그 래프이다.
Fig. 6은 굴진속도 0.33mm/sec에서 커터비트 간격(일 체화, 1.0D, 1.5D)에 따른 압력-시간을 비교한 결과이다.
커터비트 간격을 일체화한 경우 커터헤드 최대 압력이
1.75kg/mm2인데 반해 커터비트 간격 1.5D일 때 커터헤 드 최대 압력이 1.17kg/mm2로 약 33.14% 감소하였으며, 커터비트 간격 1.0D와 1.5D를 비교했을 때 커터비트 간 격이 1.0D일 때 커터헤드 최대 압력이 0.74kg/mm2로 약 36.58% 감소하였다.
Fig. 7은 굴진속도 0.66mm/sec에서 커터비트 간격(일 체화, 1.0D, 1.5D)에 따른 압력-시간을 비교한 결과로 Fig. 6과 같이 유사한 거동이 나타났다. 커터비트 간격 을 일체화한 경우 커터헤드 최대 압력이 4.56kg/mm2인 데 반해 커터비트 간격 1.5D일 때 커터헤드 최대 압력 이 2.08kg/mm2로 약 54.29% 감소하였으며, 커터비트 간 격 1.0D와 1.5D를 비교했을 때 커터비트 간격 1.0D일 때 커터헤드 최대 압력이 0.93kg/mm2로 약 55.57% 감소 하였다.
Fig. 8은 굴진속도 1.00mm/sec에서 커터비트 간격(일 체화, 1.0D, 1.5D)에 따른 압력-시간을 비교한 결과로 Fig 6과 같이 유사한 거동이 나타났다. 커터비트 간격을 일체화한 경우 커터헤드 최대 압력이 11.50kg/mm2인데 반해 커터비트 간격 1.5D일 때 커터헤드 최대 압력이 8.42kg/mm2로 약 26.80% 감소하였으며, 커터비트 간격 1.0D와 1.5D를 비교했을 때 커터비트 간격 1.0D일 때
Fig 8. Advance Rate 1mm/sec
Fig 9. Advance Rate and Cutter bit Spacing according to Advance Time analysis
Table 2. Material of the Model Ground
Items Sand Cutter bit
Young's modulus (kN/m
2) 2.0×10
42.1×10
8Poisson's Ratio 0.3 0.29
Unit weight (kN/m
3) 19 78.6
Cohesion (kN/m
2) - -
Angle of internal friction (°) 25 -
커터헤드 최대 압력이 4.50kg/mm2로 약 46.56% 감소 하였다.
커터비트 간격에 따른 커터헤드 압력을 분석한 결과 커터비트 간격 1.0D일 때 굴진속도 0.33mm/sec에서 커 터헤드 최대 압력이 0.74kg/mm2로 커터헤드 압력이 가장 적게 받는 것을 축소모형실험을 통해 확인할 수 있었다.
3.2 굴진속도, 커터비트 간격에 따른 굴진거리 300mm 까지의 굴진 시간 분석
굴진거리를 측정하기 위해 모형굴착장비 후면에 Wire LVDT를 설치하였으며, 다음 Fig. 18은 굴진거리 300mm 에 따른 굴진시간의 변화를 나타낸 그래프이다.
Fig. 9와 같이 굴진속도(0.33mm/sec, 0.66mm/sec, 1mm/
sec)와 커터비트 간격(일체화, 1.0D, 1.5D)에 따른 굴진 시간을 나타낸 그래프이다. 굴진속도 0.33mm/sec의 경 우 굴진거리 300mm 굴진 시 커터비트 간격 일체화 대비 1.0D에서 굴진시간 51sec 감소하였으며, 커터비트 간격 1.5D 대비 1.0D에서는 굴진시간 21sec 감소한 것을 확 인할 수 있었다.
굴진속도 0.66mm/sec의 경우도 비슷한 경향을 나타 냈고, 굴진거리 300mm 굴진 시 커터비트 간격 일체화 대비 1.0D에서는 굴진시간 30sec 감소하였으며, 커터비 트 간격 1.5D 대비 1.0D에서는 굴진시간 16sec 감소한 것을 확인할 수 있었다.
굴진속도 1mm/sec의 경우 굴진거리 300mm 굴진 시 커터비트 간격 일체화 대비 1.0D에서 굴진시간 16sec 감소하였으며, 커터비트 간격 1.5D 대비 1.0D에서는 굴 진시간 10sec 감소한 것을 확인할 수 있었다.
실험결과 터널 굴착시 커터비트 간격 일체화 또는 1.5D를 적용하였을 때 보다 커터비트 간격 1.0D를 적용 하였을 때 커터헤드 압력 및 굴진시간이 감소하는 것으 로 나타났다. 이는 커터비트 간격을 1.0D로 적용할 경우 Shield-TBM 굴착시 안정적인 막장압을 유지할 수 있을 것으로 나타났다.
4. 수치 해석을 통한 신뢰성 검토
본 연구에서는 축소모형실험 결과에서 나타난 커터 비트 간격에 따른 막장압 및 굴진속도를 검증하기 위해 서 Visual FEA를 이용하여 2차원 유한요소해석을 실시 하였다.
4.1 해석과정 및 방법
지반은 일반적으로 사용되고 있는 탄소성 모델인 Mohr- Coulomb을 적용하였으며, 2차원 수치해석의 경우 지반 의 초기압력 상태를 고려하기 위하여 토압계수(k0)는 0.5로 적용하였다. Table 2와 같이 축소모형실험과 같은 사질토 지반으로 적용하였으며, 동일 지반 조건 하에서 커터비트 간격 0cm(일체화, Case-1), 30cm(1.0D, Case-2), 50cm(1.5D, Case-3)를 Shield-TBM에 적용하여 수치해 석을 실시하였다. 이에 따른 커터비트의 압력 변화와 지 반의 거동을 비교 분석하였다.
Table 3. Applies to the Thrust of Numerical according to the Advance Rate of Model Shield-TBM
Items Model Shield-TBM (mm/sec)
Real Shield-TBM (kN)
Thrust 33% 0.33 17333.3
Thrust 66% 0.66 34666.7
Thrust 100% 1.00 52000
Table 4. The Result of Cutter head pressure analysis
Items Cutter bit Spacing Case-1 (unification) Cutter bit Spacing Case-2 (1.0D) Cutter bit Spacing Case-3 (1.5D)
Thrust 17333.3kN
Thrust 34666.7kN
Thrust 52000kN
축소모형실험과 동일한 조건 하에서 수치해석을 실시 하기 위하여 Table 3과 같이 축소모형장비의 굴진속도 1mm/sec(100%)에 대한 수치해석의 추력을 실제 Shield- TBM의 추력인 52000kN로 적용하였으며, 실내모형장비 와 실제장비의 굴진속도를 감소시킨 만큼 수치해석의
추력도 같은 비율로 감소시켜 굴진속도 0.66mm/sec(66%) 일 때 추력 34666.7kN, 굴진속도 0.33mm/sec(33%)일 때 추력 17333.3kN로 적용하였다.
5. 해석 결과
축소모형실험과 동일한 조건 하에서 수치해석을 실 시한 결과 Table 4와 같이 나타났다. 하지만 커터비트 간격에 따른 굴진시간은 수치해석상으로 나타낼 수 없 으므로 Table 5와 같이 최대 지반 변위를 추가적으로 측 정하였다. 해석결과 그래프는 Fig. 10과 같이 나타냈다.
Fig. 10(a)는 커터비트 간격(일체화, 1.0D, 1.5D)에 따
Table 5. The Result of Ground displacement analysis
Items Cutter bit Spacing Case-1 (unification) Cutter bit Spacing Case-2 (1.0D) Cutter bit Spacing Case-3 (1.5D)
Thrust 17333.3kN
Thrust 34666.7kN
Thrust 52000kN
(a) Maximum Pressure of Cutter head (b) Maximum Ground Displacement Fig. 10. The Result of Analysis according to Cutter bit Spacing
른 커터헤드 압력을 나타낸 그래프로 추력이 증가할수 록 커터헤드 압력이 증가하는 것으로 나타났다. 추력 52000kN의 경우 커터비트 간격 일체화일 때 커터헤드
최대 압력이 985kPa인데 반해 커터비트 간격 1.5D일 때 최대 압력이 938kPa로 약 4.77% 감소하는 것으로 나타 났으며, 커터비트 간격 1.0D의 경우 커터헤드 최대 압력
Fig. 11. Maximum Pressure of Cutter head
이 845kPa로 커터비트 간격 1.5D 보다 약 9.91% 감소하 는 것으로 나타났다.
Fig. 10(b)는 커터비트 간격에 따른 최대 지반변위를 나타낸 그래프로 추력 52000kN의 경우 커터비트 간격 일체화일 때 최대 지반변위가 3.76m인데 반해 커터비트 간격 1.5D일 때 최대 지반변위가 3.64m로 약 3.19% 감 소하는 것으로 나타났으며, 커터비트 간격 1.0D의 경우 최대 지반변위가 3.08m로 커터비트 간격 1.5D 보다 약 23.86% 감소하는 것으로 나타났다.
수치해석결과 터널 굴착시 커터비트 간격 일체화 또 는 1.5D를 적용했을 때 보다 커터비트 간격 1.0D를 적 용하였을 때 커터헤드 압력이 감소하는 것으로 나타났 으며, 또한 추력 17333.3kN에서 지반변위가 가장 적게 측정되었다.
6. 축소모형실험과 수치해석 결과 비교 분석
Fig. 11은 커터비트 간격에 따른 커터헤드 최대 압력 을 나타낸 그래프로 축소모형실험 결과와 수치해석 결 과는 매우 유사한 거동으로 나타났다. 이때 분석결과는 수치해석의 경우 실제지반을 모사하였으며, 축소모형실험 의 경우 실제 TBM의 직경(D) 8m를 1/100로 축소율을 적용하였다.
Fig. 11과 같이 각 Case별에 따른 축소모형실험 및 수 치해석을 비교･분석한 결과 굴진속도가 증가할수록 커 터헤드 압력이 증가하는 경향이 나타났다. 굴진속도 0.33
mm/sec(17333.3kN)의 경우 Case-1일 때 커터헤드 최대 압력이 1.75kg/mm2(560kPa)로 가장 높게 나타났으며, Case-2에서는 커터헤드 최대 압력이 0.74kg/mm2(370kPa) 로 축소모형실험 및 수치해석 모두 가장 적게 나타났다.
굴진속도 0.66mm/sec(34666.7kN)의 경우 Case-1일 때 커터헤드 최대 압력이 4.5kg/mm2(774kPa)로 가장 높게 나 타났으며, Case-2에서는 커터헤드 최대 압력이 0.93kg/mm2 (524kPa)로 축소모형실험 및 수치해석 모두 가장 적게 나 타났다.
굴진속도 1.00mm/sec(52000kN)의 경우 Case-1일 때 커 터헤드 최대 압력이 11.5kg/mm2(985kPa)로 가장 높게 나 타났으며, Case-2에서는 커터헤드 최대 압력이 4.5kg/mm2 (845kPa)로 축소모형실험 및 수치해석 모두 가장 적게 나타났다.
커터비트 간격 3mm(축소모형실험) 또는 30cm(수치 해석)를 1.0D로 봤을 때 Shield-TBM 굴착시 커터헤드의 커터비트 간격이 약 1.5D이상 적용하였을 때 보다 커터 비트 간격을 1.0D 적용하였을 때 커터헤드 압력이 감소 하는 것으로 나타났다.
따라서, 커터비트 간격(Cuttig groove spacing)을 일체 화, 1.0D, 1.5D의 세 가지 Case로 적용하여 축소모형실험 을 실시한 결과를 비교･분석해 보면 커터헤드에 걸리는 막장압, 굴진속도 및 지중응력을 복합적으로 고려하였 을 때 비트간 간격을 1.0D로 적용한 것이 Shield-TBM 굴 착에 따른 안정성 확보가 가장 유리한 것으로 나타났다.
7. 결 론
본 연구는 Shield-TBM 커터비트배치 설계에 관한 연 구로서 토사지반을 대상으로 Shield- TBM 터널 굴착시 커터비트 간격과 굴진속도에 따른 최적의 커터비트 간 격을 도출하기 위해 연구를 수행하였다. 실험조건은 실 험지반에 균질성을 확보하기 위해 주문진 표준사를 이 용하여 함수비 1%로 토피고 2D만큼 일정하게 다짐하여 조성하였다. 터널 굴착시 커터비트 간격과 굴진속도에 따른 커터헤드의 압력 및 지반 거동을 분석한 결과 다음 과 같은 결론을 얻었다.
(1) 실내축소모형실험을 통해 굴진속도 0.33mm/sec일 때 커터비트 간격 1.0D에서 커터헤드 압력이 가장 많이 감소하는 경향이 나타났다. 또한 굴진거리 300 mm 도달하는데 걸리는 최대 굴진 시간 또한 커터비 트 간격 일체화 또는 1.5D 대비 1.0D에서 최대 굴진 시 간이 각각 21sec, 51sec로 감소하는 경향이 나타났다.
(2) 수치해석결과는 축소모형실험결과와 매우 유사한 거동이 나타났으며, 터널 굴착시 커터비트 간격 일 체화 또는 1.5D 대비 1.0D에서 커터헤드 최대 압력 및 지반변위가 각각 28.75%, 22.98%로 감소하는 경 향이 나타났다.
(3) 축소모형실험과 수치해석을 비교 분석한 결과 굴진 속도(추력)가 증가할수록 커터헤드 압력이 증가하 는 경향이 나타났으며, Shield-TBM 터널 굴착시 커 터비트 간격이 1.0D로 적용할 경우 커터헤드 압력, 굴진시간 및 지반변위가 감소하는 것으로 나타났다.
본 논문은 암반지반이 아닌 토사지반에서의 Shield- TBM 터널 굴착시 커터비트 간격 및 굴진속도에 따른 안정적인 커터비트배치에 관한 연구로써 커터비트 간 격을 1.0D로 적용할 경우 Shield-TBM 굴착시 최적의 막 장압을 유지할 수 있는 것으로 나타났다. 커터비트의 배 치는 암종별, 현장지질특성별에 따라 상이할 수 있으나 본 연구를 통해 도출된 결과를 바탕으로 추후 실제 현장 적용성에 대한 시공이 이루어진다면 보다 실질적인 연 구 성과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
이 논문은 2009년도 호서대학교의 재원으로 학술연 구비 지원을 받아 수행된 연구임(과제번호 : 20090499).
참 고 문 헌
