• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권5호
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• pp.575-589
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• 2020

최근 국내 터널에서 지속적으로 증가하고 있는 쉴드 TBM 공법의 주된 굴착도구는 디스크 커터로 굴진과정에서 자연스럽게 마모가 발생하고 이는 TBM의 굴진효능을 현저히 저하시키기 때문에 적절한 시기에 교체하는 것이 중요하다. 따라서 본 연구에서는 디스크 커터 교체 여부를 판단할 수 있는 예측 모델을 머신러닝 기법을 사용한 방법으로 제안하였다. 이를 위해 국내 기 시공된 쉴드 TBM 현장의 데이터 중 디스크 커터 소모에 상관성이 높은 굴진데이터(TBM 기계데이터, 지반정보 등)와 교체이력을 입력데이터로 사용하여 다양한 머신러닝 분류기법 중 서포트 벡터 머신, 최근접이웃 알고리즘, 의사결정트리 알고리즘을 사용하여 최적의 예측 모델을 구축하고 모델의 성능을 평가하기 위하여 분류성능평가 지표로 비교 분석하였다.

• 터널과지하공간
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• 제34권2호
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• pp.154-168
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• 2024

TBM 디스크 커터는 굴착 과정에서 마모되고 손상되므로 적절한 시기에 교체되어야 한다. 현재 디스크 커터의 교체 여부는 작업자가 커터헤드 챔버의 내부로 들어가 마모량과 상태를 직접 확인하여 결정하는 것이 일반적이다. 이러한 경우 작업자는 항상 위험한 환경에 노출될 뿐만 아니라 인력에 의한 계측 오류가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 디스크 커터의 마모량을 실시간으로 계측하는 기술을 개발하고자 하였다. 일련의 시험을 통해 자기센서를 마모 측정 센서로 결정하였으며, 무선통신모듈, 전원, 데이터 처리 보드 등을 종합한 실시간 디스크 커터 계측시스템을 개발하였다. 또한 개발된 계측시스템을 실제 TBM 굴착환경에 적용하여 계측 정확도와 안정성을 검증하였다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제22권4호
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• pp.383-399
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• 2020

디스크커터의 간격을 최적화하는 것은 TBM 커터헤드의 설계의 핵심요소로, TBM의 굴진성능을 좌우한다. 실대형 선형절삭시험은 디스크커터의 간격 산정을 위해 가장 신뢰성 및 정확도가 높은 시험으로 알려져 있으나 실대형 실험을 위해 경제적 및 시간적 비용이 소요되는 단점이 있다. 본 연구에서는 개별요소법 기반의 수치해석 연구를 통해 암반의 일축압축강도 및 압입깊이에 따른 비에너지-S/P비 간의 경향성을 분석하였고, 17인치 디스크커터의 최적 간격을 도출하였다. 수치해석모델의 적정성을 검토하기 위하여 디스크커터에 작용되는 회전력을 CSM 모델과 비교·검토하였다. 선형절삭시험에 대한 수치해석 결과, 디스크커터에 작용되는 회전력은 CSM 모델의 이론식으로부터 도출한 회전력과 유사한 것으로 분석되었다. 5가지(50 MPa, 70 MPa, 100 MPa, 150 MPa, 200 MPa)의 일축압축강도에 대한 수치해석 결과, 암반강도가 증가할수록 디스크커터의 최적간격의 범위는 감소하는 경향을 보였으며 80~100 mm범위에서 최소 비에너지를 보이는 것으로 확인되었다. 이는, 기존에 보고된 디스크커터의 최적 간격과 일치되는 경향으로써, 본 연구를 통해 산정된 디스크커터 간격을 밑받침한다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제15권3호
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• pp.345-356
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• 2013

본 연구에서는 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 코드를 사용하여 TBM에 장착되는 디스크커터에 의한 암석의 절삭과정을 모사하였다. 이를 위하여 본 연구에서는 3차원 FEM 해석 상용프로그램인 AUTODYN3D를 사용하였으며 이를 통해 국내 황등화강암을 대상으로 총 25개의 절삭조건에 대한 수치적인 절삭시험을 수행하였다. 암석과 디스크커터를 각각 라그란지안 솔버와 SPH 솔버를 사용하여 3차원 형상으로 모델링 하고 두 개의 디스크커터가 순차적으로 암석을 절삭하도록 모델링 하였다. 수치해석과 LCM시험에서 측정한 디스크커터의 작용력은 오차 10%이내의 값을 보여 대체로 일치하는 것으로 나타났고 균열의 전파양상과 암석의 파쇄양상 또한 유사한 것으로 나타났다. 또한 절삭된 최적 커터간격을 측정한 결과 LCM시험 결과와 일치하였다. 이를 통해 SPH코드를 사용한 수치해석기법의 적용성을 확인할 수 있었으나 해석시간을 단축하기 위한 Lagrange-SPH코드의 커플링에 관한 후속연구가 필요할 것으로 판단되었다.

• 터널과지하공간
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• 제32권6호
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• pp.478-490
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• 2022

TBM의 주요 절삭도구인 디스크커터는 과다하게 마모되거나 손상된 경우 적절한 시기에 교체되어야 한다. 일반적으로 커터의 교체여부를 판단하기 위해서 작업자가 커터헤드 챔버의 내부로 접근하여 디스크 커터의 상태와 마모량을 계측하고 있다. 하지만 커터헤드(cutterhead) 챔버(chamber) 내부는 작업자에게 열악한 조건일 경우가 많아 작업자의 안전과 관련한 이슈가 있으며, 인력에 의해서 계측이 이루어짐에 따라 계측치의 오차도 발생하는 것으로 보고되고 있다. 이러한 한계점을 극복하고자 현재 해외에서는 디스크커터의 마모정도를 계측센서를 통해 굴착 중에 실시간으로 측정하기 위한 기술의 개발이 활발하게 이루어지고 있으며, 본 연구에서는 현재까지 해외의 문헌을 통해 보고되고 있는 TBM 디스크커터의 마모량 계측에 관한 연구현황에 대하여 소개하고자 하였다. 여러 형식의 센서가 디스크커터의 마모계측을 위해 활용되고 있으며, 향후 국내에서도 유사한 기술의 개발이 이루어지는 경우에 유용한 참고자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.

• Geomechanics and Engineering
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• 제35권6호
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• pp.647-663
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• 2023

The investigation of the disc cutter wear prediction has an important guiding role in TBM equipment selection, project planning, and cost forecasting, especially when tunneling in a long-distance rock formations with high strength and high abrasivity. In this study, a comprehensive database of disc cutter wear data, geological properties, and tunneling parameters is obtained from a 1326 m excavated metro tunnel project in leptynite in Shenzhen, China. The failure forms and wear consumption of disc cutters on site are analyzed with emphasis. The results showed that 81% of disc cutters fail due to uniform wear, and other cutters are replaced owing to abnormal wear, especially flat wear of the cutter rings. In addition, it is found that there is a reasonable direct proportional relationship between the uniform wear rate (WR) and the installation radius (R), and the coefficient depends on geological characteristics and tunneling parameters. Thus, a preliminary prediction formula of the uniform wear rate, based on the installation radius of the cutterhead, was established. The correlation between some important geological properties (K_V and UCS) along with some tunneling parameters (F_n and p) and wear rate was discussed using regression analysis methods, and several prediction models for uniform wear rate were developed. Compared with a single variable, the multivariable model shows better prediction ability, and 89% of WR can be accurately estimated. The prediction model has reliability and provides a practical tool for wear prediction of disc cutter under similar hard rock projects with similar geological conditions.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제14권3호
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• pp.197-213
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• 2012

디스크커터는 암석의 절삭을 위해 TBM에 사용되는 핵심 굴착도구이다. 본 연구에서는 디스크커터에 의한 암석의 절삭 시에 커터 링에 발생하는 변형특성을 파악하기 위하여, 경암에 대한 선형절삭실험 시에 커터 링에 부착한 일련의 변형률게이지와 적외선 열화상 카메라에 의한 계측을 실시하였다. 실험결과, 커터 링은 매우 뚜렷한 선형탄성 거동을 보였으며, 암석 절삭에 의한 커터 링의 온도 상승은 $14.4^{\circ}C$ 이내로 나타났다. 따라서 본 연구에서 수행한 선형절삭실험 조건에서는 절삭으로 인한 커터 링의 변형과 온도상승이 크지 않았음을 알 수 있었다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제21권5호
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• pp.641-656
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• 2019

본 연구에서는 쉴드 TBM (Tunnel Boring Machine) 터널 디스크 커터의 적절한 교체 시기를 예측하기 위한 방법으로 머신러닝 기법을 사용한 방법을 제안하였으며, 이를 위해 국내 기 시공된 쉴드 TBM 현장의 데이터를 이용하여 다양한 머신러닝 알고리즘 중 SVM (Support Vector Machine)을 이용하여 예측 모델을 구축하고 그 성능을 평가하였다. 지반 조건별 디스크 커터의 마모와 높은 상관성을 갖는 TBM 기계 데이터와 디스크 커터 교체 이력을 분류하고, 이들을 SVM의 변수로 사용하여 3종류의 분류 함수를 적용하여 각각 학습을 한 후 예측을 수행한 결과, 각 지반 조건에 대해서 3종류의 SVM 분류 함수 중 전체적으로 RBF (Radial Basis Function) SVM의 예측성능이 가장 우수하며(평균적으로 80%의 정확도, 10% 오분류율), 지반 조건별로 구분 시 디스크 커터 교체 데이터의 수가 많을수록 예측 결과가 좋은 것으로 나타났다. 향후 많은 데이터를 축적하고 이를 모두 활용하여 학습모델을 지속적으로 발전시켜 나간다면 이와 같은 디스크 커터 교환주기를 예측하기 위한 머신러닝 기법의 실무 적용성이 매우 클 것으로 기대한다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제17권4호
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• pp.473-485
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• 2015

디스크커터 내부부품의 손상과 관련된 원인은 씰(seal)부의 손상으로 인한 윤활유 부족, 토사 및 수분의 침투, 과부하, 과열, 조립문제, 소재문제 등이 있으며 손상 정도에 따라 디스크커터의 작동여부, 즉 회전이 가능한지가 나타난다. 따라서 디스크커터 회전문제에서의 핵심은 베어링의 작동여부라고 할 수 있다. 본 연구는 TBM의 굴착도구인 디스크커터의 재활용에 도움이 되고자 현장 적용된 디스크커터를 회수한 후 분해하여 내부부품을 조사하고 분석하였다. 그 결과, 허브의 부하영역에서의 스크래치는 재활용을 위해 가공작업이 필요한 것으로 나타났으며, 플로팅 씰의 래핑면과 오일상태는 재활용을 위한 성능파악에 필요한 시험으로 판단되었다. 특히 플로팅 씰은 베어링의 정상작동여부에 중요한 영향을 미치는 부품으로 파악되었다. 그 외의 베어링, 샤프트, 씰 리테이너에서는 특이사항이 없는 것으로 나타났다.

• 한국터널지하공간학회 논문집
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• 제24권1호
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• pp.57-78
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• 2022

TBM의 굴착효율을 높이는 가장 중요한 인자인 디스크커터와 커터비트는 커터헤드 설계 및 시공 시 핵심요소로 지반조건에 맞는 디스크커터의 배치, 간격, 개수, 크기, 재질 등은 TBM 공사의 성패를 좌우한다. 또한, 디스크커터는 대표적인 소모성 부품으로 교체횟수에 대한 정확한 예측이 수반되지 않으면, 공사비는 물론 공사에 막대한 지장을 초래 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 대구경 이수식 쉴드TBM 현장에 대하여 설계 시 산정된 디스크커터의 교체횟수와 실제 시공 시 발생한 디스크커터의 마모깊이 및 교체위치에 대하여 현장데이터를 분석하여 비교·연구하였다. 정량적인 비교를 위하여 일정한 굴진데이터를 나타내는 구간에서 지반에 따라 풍화토/풍화암, 연암, 경암으로 나누어 구분하였으며, 디스크커터의 위치에 따라 동심원의 궤적이 다르므로 위치에 따라 비교분석 하였다.